Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn qua, kiểm chứng cho đập Phân Lân - Vĩnh Phúc

BẢN CAM KẾT
Họ và tên học viên: Đỗ Thị Thùy Dung
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn
qua, kiểm chứng cho đập Phân Lân – Vĩnh Phúc”.
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết quả
nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào
khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ hình thức kỷ luật
nào của Khoa và Nhà trường.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên cao học

Đỗ Thị Thùy Dung

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn
qua, kiểm chứng cho đập Phân Lân – Vĩnh Phúc” đã được tác giả hoàn thành đúng
thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt.
Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Giáo sư, Tiến sĩ Trường Đại
học Thuỷ lợi, các công ty tư vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái, Trường Đại học Thuỷ lợi đã
tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ lợi, các thầy cô trong

khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao
học tại trường.
Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận
văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến
đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng
nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở
mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ
đời sống sản xuất.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả

Đỗ Thị Thùy Dung

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2. Mục đích của đề tài......................................................................................................6
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................6
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..................................................................7

5. Kết quả đạt được của luận văn ....................................................................................7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................8
1.1

Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu .......................................................................8

1.2

Nguyên nhân nước tràn đỉnh ...............................................................................13

1.3

Cơ chế xói lở đập đất khi nước tràn đỉnh đập .....................................................17

1.4

Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến xói lở của đập đất khi nước tràn qua ....20

1.5

Kết luận chương 1 ...............................................................................................22

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ XÓI MẶT ĐẬP DƯỚI TÁC
DỤNG CỦA DÒNG CHẢY TRÀN .............................................................................23
2.1

Xói của đất hạt mịn .............................................................................................23

2.2

Xói của đất hạt rời ...............................................................................................27

2.3

Cơ sở lý thuyết ....................................................................................................31

2.4

Giới thiệu phần mềm Embank.............................................................................32

2.5

Mô phỏng thí nghiệm ..........................................................................................35

2.6

Kết luận chương 2 ...............................................................................................37

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI MÁI ĐẬP
KHI NƯỚC TRÀN QUA ..............................................................................................39
3.1

Nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt đến xói lở bằng thực nghiệm ......................39

3.2

Mô hình số tính toán ............................................................................................45

3.3

Kết luận chương 3 ...............................................................................................61

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG CHO ĐẬP PHÂN LÂN – VĨNH PHÚC
KHI NƯỚC TRÀN QUA ..............................................................................................62
4.1

Tổng quan về đập Phân Lân – Vĩnh Phúc ...........................................................62
iii


4.2

Mô tả sự cố đập Phân Lân ................................................................................... 64

4.3

Tính toán mô phỏng sự cố ................................................................................... 65

4.4

Kết luận chương 4 ............................................................................................... 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ............................................................................................... 77
Phụ lục A. Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập Phân Lân ............................................ 77
Phụ lục B1. Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 7,5 l/s ....................... 78
Phụ lục B2. Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 12,22 l/s ................... 79
Phụ lục B3. Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 17,74 l/s ................... 80
Phụ lục B4. Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 21,94 l/s ................... 81

Phụ lục B5. Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 26,61 l/s ................... 82
Phụ lục C1. Kết quả tính toán lũ đến hồ Phân Lân 1 .................................................... 83
Phụ lục C2. Kết quả tính toán điều tiết lũ ..................................................................... 85
Phụ lục D. Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm ................................................ 87
Phụ lục E. Kết quả tính toán mô phỏng sự cố đập Phân Lân 1 ..................................... 92

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Đập chính Đầm Hà Động khi nước tràn qua ......................................................4
Hình 2. Một số hình ảnh vỡ đập khi nước tràn qua .........................................................5
Hình 1. 1 Mô hình thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh ..................................................9
Hình 1. 2 Kết quả thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh ...................................................9
Hình 1. 3 Mô hình thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy .........................................................10
Hình 1. 4 Kết quả thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy ..........................................................10
Hình 1. 5 Mô tả thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất của Fujisawa [8]................................11
Hình 1. 6 Vỡ đập thủy điện Ia Krel 2 – Gia Rai ............................................................14
Hình 1. 7 Vỡ đập thủy điện Hố Hô................................................................................15
Hình 1. 8 Vỡ đập phụ số 2 Đầm Hà Động – Quảng Ninh .............................................16
Hình 1. 9 Hình ảnh đập Vajont sau khi xảy ra sự cố năm 1963 ....................................17
Hình 1. 10 Quá trình vỡ đập do tràn đỉnh ......................................................................20
Hình 2. 1 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước tĩnh .............................24
Hình 2. 2 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước chảy............................25
Hình 2. 3 Cơ chế trượt của hạt đất.................................................................................27
Hình 2. 4 Cơ chế quay của hạt đất .................................................................................29
Hình 2. 5 Cơ chế nhấc hạt đất .......................................................................................30
Hình 2. 6 Sơ đồ tính toán của phần mềm Embank ........................................................33
Hình 2. 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..................................................................................35
Hình 2. 8 Kích thước máng thí nghiệm .........................................................................36

Hình 2. 9 Thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất ....................................................................36
Hình 2. 10 Ống chứa mẫu đất ........................................................................................37
Hình 2. 11 Hình ảnh chuẩn bị mẫu đất ..........................................................................39
Hình 2. 12 Hình ảnh đo tốc độ xói của mẫu đất ............................................................40
Hình 3. 1 Bố trí các mặt cắt đo mực nước và lưu tốc trên máng...................................42
Hình 3. 2 Mẫu đất sau khi thí nghiệm ...........................................................................43
Hình 3. 3 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và tốc độ xói ................................................45
Hình 3. 4. Sơ đồ tính toán ..............................................................................................46
Hình 3. 5 Đường quan hệ giữa thời gian và cao trình mực nước thượng lưu ...............47

v


Hình 3. 6 Đường quan hệ giữa thời gian và lưu lượng nước tràn qua đỉnh .................. 47
Hình 3. 7 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập không được bảo vệ .... 51
Hình 3. 8 Đường quan hệ giữa khối lượng đất bị xói và thời gian ............................... 52
Hình 3. 9 Đường quan hệ giữa tốc độ xói và thời gian ................................................. 52
Hình 3. 10. Sơ đồ tính toán ........................................................................................... 53
Hình 3. 11 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập được bảo vệ bằng cỏ 56
Hình 3. 12 Đường quan hệ giữa khối lượng đất bị xói và thời gian ............................. 57
Hình 3. 13 Đường quan hệ giữa tốc độ xói và thời gian ............................................... 57
Hình 3. 14. Sơ đồ tính toán ........................................................................................... 58
Hình 3. 15 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập được bảo vệ bằng tấm
bê tông ........................................................................................................................... 60
Hình 4. 1 Bản đồ lưu vực hồ chứa Phân Lân – Vĩnh Phúc ........................................... 63
Hình 4. 2 Đâp Phân Lân 1 sau khi xảy ra vỡ đập .......................................................... 65
Hình 4. 3 Đường quá trình lũ đến đập Phân Lân 1 ....................................................... 66
Hình 4. 4 Đường quá trình Q đến ~ t và q xả ~ t ............................................................... 67
Hình 4. 5 Sơ đồ tính toán .............................................................................................. 68
Hình 4. 6 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập Phân Lân khi xảy ra sự cố ............. 71

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Tổng hợp kết quả đánh giá an toàn đập thông qua khả năng vận hành .............2
Bảng 2. 1. Trọng lực và lực Van der Waals của hạt cát và sét ......................................24
Bảng 2. 2 Ứng suất cắt giới hạn τ c cho đất sét ..............................................................26
Bảng 2. 3 Một số nhân tố ảnh hưởng đến xói của đất hạt mịn ......................................27
Bảng 3. 1 Trọng lượng khối đất từng mẫu và các tính chất của đất ..............................40
Bảng 3. 2 Kết quả đo các yếu tố thủy lực ......................................................................42
Bảng 3. 3 Bảng kết quả tính toán ứng suất τ tại mặt cắt V-V .......................................44
Bảng 3. 4. Kết quả tính tốc độ xói cho từng mẫu đất ....................................................44
Bảng 3. 5 Kết quả tính ứng suất cắt và hệ số xói cho từng mẫu ...................................45
Bảng 3. 6 Bảng thông số đầu vào ..................................................................................46
Bảng 3. 7 Quá trình xói tại 14 bước tính toán ...............................................................49
Bảng 3. 8 Bảng kết quả tính toán khối lượng đất bị xói và tốc độ xói theo thời gian ...50
Bảng 3. 9 Quá trình xói tại 14 bước tính toán ...............................................................54
Bảng 3. 10 Bảng kết quả tính toán khối lượng đất bị xói và tốc độ xói theo thời gian .55
Bảng 3. 11 Quá trình xói tại 14 bước tính toán .............................................................59
Bảng 4. 1 Thông số hồ chứa nước Phân Lân 1..............................................................63
Bảng 4. 2 Các đặc trưng của hồ chứa ............................................................................65
Bảng 4. 3 Quan hệ Z-F-V của hồ Phân Lân 1 ...............................................................65
Bảng 4. 4 Bảng thông số đầu vào ..................................................................................68
Bảng 4. 5. Quá trình xói tại 17 bước tính toán ..............................................................70

vii

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế dựa vào nông nghiệp và là một trong những
quốc gia dễ tổn thương nhất bởi thiên tai do vị trí địa lý, điều kiện địa hình, khí hậu, cơ
cấu kinh tế và phân bố dân cư. Với 14 lưu vực sông lớn phân bố trên cả nước, Việt
Nam có nguồn tài nguyên nước phong phú với tổng lượng dòng chảy trên toàn lãnh
thổ ước tính khoảng 850 tỷ m3. Hơn 62 tỷ m3 nước được trữ lại trong 6.886 hồ chứa để
điều tiết, cấp nước cho các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội. Có thể khẳng định
rằng, các hồ chứa đóng một vai trò rất quan trọng trong các hoạt động sản xuất và phát
triển kinh tế của Việt Nam. Trong tổng số 4,0 triệu hecta đất nông nghiệp thì có hơn
3,0 triệu hecta được tưới nhờ lấy nước từ 6.648 hồ chứa. Với 238 đập thủy điện đang
vận hành, đã cung cấp tổng công suất lắp đặt là 13.066 MW, trong đó 86 nhà máy thủy
điện lớn với công suất lắp đặt 30 MW trở lên với chiều cao đập lớn hơn 15m. Các hồ
chứa được xây dựng để phục vụ đa mục tiêu như cấp nước cho nông nghiệp, công
nghiệp, sinh hoạt, phát điện và các ngành kinh tế khác, cải tạo cảnh quan môi trường
sinh thái, điều tiết lũ để giảm nhẹ thiên tai.
Theo thống kê của Tổng cục Thủy lợi [1], các hồ chứa lớn có chiều cao đập từ 15m trở
lên hoặc có dung tích hồ chứa từ 3 triệu m3 trở lên là 675 hồ (chiếm 9,8% tổng số),
trong đó có 115 hồ thủy điện và 560 hồ thủy lợi. Số lượng hồ chứa có dung tích lớn
hơn 1 tỷ m3 là 13 hồ chứa (11 hồ chứa thủy điện, 2 hồ chứa thủy lợi). Các hồ chứa nhỏ
có chiều cao đập từ 5m đến 15m và có dung tích hồ chứa từ 50.000 m3 đến dưới 3 triệu
m3 là 6.211 hồ chứa (chiếm 90,2% tổng số), trong đó 123 hồ thủy điện, 6.088 hồ thủy
lợi. Trong số 6.648 hồ chứa thủy lợi có 16 hồ có dung tích trên 100 triệu m3, 87 hồ có
dung tích từ (10 ÷ 100) triệu m3, 68 hồ có dung tích từ (5 ÷ 10) triệu m3, 84 hồ có dung
tích từ (3 ÷ 5) triệu m3, 459 hồ có dung tích từ (1 ÷ 3) triệu m3, 1.752 hồ có dung tích
từ (0,2 ÷ 1) triệu m3 và 4.182 hồ có dung tích dưới 0,2 triệu m3.
Số lượng đập thủy điện có kết cấu bê tông trọng lực là 186/238 đập (chiếm 78,15%),
số lượng kết cấu đập vật liệu địa phương (đập đất, đất đá, đá đổ lõi sét, đá đổ bản mặt)
1

là 52/238 đập (chiếm 21,85%). Đối với đập thủy lợi, kết cấu đập vật liệu địa phương
chiếm đa số (đập đất chiếm khoảng 98% ), chỉ có một số đập kết cấu bê tông trọng lực;
vật liệu đất đắp đập có thể được chia thành 3 loại: (i) Đất đỏ Bazan: Chủ yếu sử dụng
lớp đất thuần không có dăm sạn để đắp; (ii) Đất ven biển miền trung (từ Đà Nẵng trở
vào): Thuộc loại pha tàn tích sườn núi nhưng lại có tính chất như loại hoàng thổ, khi
gặp nước thường trương nở – lún, ướt nhanh, tan rã mạnh. Sử dụng loại đất này nếu
không có giải pháp kỹ thuật về kết cấu sẽ dẫn đến mất an toàn và ổn định công trình;
và (iii) Đất pha tàn tích sườn núi: Thông thường kết cấu đập chỉ đơn thuần một dạng là
đồng chất với γ c = 1,6 – 1,7t/m3 được chọn trên cơ sở thí nghiệm. Loại này được sử
dụng hầu hết ở các đập thuộc các tỉnh phía Bắc và khu bốn cũ.
Đa phần tràn xả lũ đã xây dựng là tràn không cửa van (tính theo số lượng chiếm tới
95%), 80% ngưỡng tràn đỉnh rộng, nối tiếp sau tràn là dốc nước, bậc nước đơn điệu
với Vmax không vượt quá 15 ÷ 18m/s; hình thức tiêu năng đáy chiếm ưu thế, sân sau
thứ hai ít được chú trọng khi thiết kế. Trừ một số công trình lớn đóng mở van bằng
pittông thủy lực, còn lại đa phần bằng vitme và tời cuốn. Bảng 1 thể hiện kết quả đánh
giá hiện trạng an toàn đập thông qua khả năng vận hành [1].
Bảng 1. Tổng hợp kết quả đánh giá an toàn đập thông qua khả năng vận hành
Thủy điện
TT

Đánh giá

Đập lớn
Đập

Thủy lợi

Đập nhỏ

Đập lớn

Đập nhỏ

%

Đập

%

Đập

%

Đập

%

1

Đập được vận hành
bình thường ở mực
nước thiết kế và 72/115
không có tồn tại lớn
về chất lượng

62,6

34/123

26,8

436/560

78

1200

20

2

Đập được vận hành
bình thường ở mực
nước thiết kế tuy
nhiên có một số tồn
tại về chất lượng
như thấm qua thân
và nền đập, lún,
nứt, sạt trượt mái
dốc, xói lở hạ lưu...
cần khắc phục

6,1

1/123

0,9

85/560

15

1117

18

7/115

2


Thủy điện
TT

Đánh giá

Đập lớn

Thủy lợi

Đập nhỏ

Đập lớn

Đập nhỏ

Đập

%

Đập

%

Đập

%

Đập

%

3

Đập cho phép vận
hành nhưng phải hạ
thấp mực nước hồ
chứa dưới mức thiết
kế do cần phải có
đánh giá thêm về
hiện tượng động đất
kích thích

1/115

0,9

0/123

0

39/560

7

127

18,5

4

Đập không an toàn,
không cho vận hành
và phải hạ mực
nước
hồ
chứa
xuống mực nước hồ
tối thiểu hoặc tháo
cạn hồ để sửa chữa

0

0

0

0

0

0

23

0,4

5

Đập chưa đủ thông
35/115
tin để đánh giá

30,4

88/123

71,5

0

0

2621

43

Hầu hết các hồ đập này đều có nhiệm vụ đa mục tiêu như tưới nông nghiệp, phòng
chống lũ, cấp nước cho dân sinh và công nghiệp, du lịch, thủy sản, phát điện,… Phần

lớn hồ chứa thủy lợi được xây dựng trong bối cảnh: (i) Điều kiện kinh tế chưa phát
triển nên nguồn vốn đầu tư hạn hẹp, thường phải giảm nhỏ qui mô; (ii) Kỹ thuật khảo
sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng
yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không được sửa chữa định
kỳ, thiếu năng lực dự báo; (iii) do yêu cầu bức bách cấp nước cho hạ lưu nên một số
hồ còn tự nâng cao dung tích hiệu dụng, trong khi đa số là các hồ đập đất dẫn đến an
toàn về hồ chứa bị đe dọa. Kết quả là nhiều đập đã bị xuống cấp và mức độ an toàn
của đập thấp hơn so với tiêu chuẩn quốc tế, tăng nguy cơ rủi ro đối với sự an toàn của
con người và kinh tế.
Đa số các đập ở Việt Nam đều được xây dựng từ nhiều năm trước, chúng được áp
dụng tiêu chuẩn và quy chuẩn cũ, thêm vào đó ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đang
ngày càng hiện hữu nên hiện nay khả năng mất an toàn hồ chứa ngày càng cao. Cụ thể
nhiệt độ tăng dẫn đến bốc hơi tăng, nhu cầu dùng nước tăng, dòng chảy đến các hồ
3


chứa cũng thay đổi một cách bất lợi như dòng chảy kiệt giảm, dòng chảy lũ tăng do sự
thay đổi của thảm phủ. Những ảnh hưởng này dẫn đến hiệu quả của các hồ chứa theo
thiết kế sẽ không đảm bảo, mà muốn đảm bảo thì phải tăng dung tích hiệu dụng, với
chiều cao đập không đổi thì dung tích chống lũ cho công trình sẽ bị giảm nhỏ, đặc biệt
với các hồ có dung tích nhỏ, bụng hồ bé thì mức độ an toàn của hồ đập sẽ giảm xuống
rất nhanh. Khả năng nước tràn qua đỉnh đập rất dễ xảy ra. Ngoài ra, do sai sót trong
công tác quản lý như không mở kịp thời cửa van khi lũ về hay do thiết bị quản lý vận
hành bị hư hỏng như trường hợp đập Hố Hô do mất điện nên không mở được cửa van
khi lũ về; cửa van của Đầm Hà Động không được bảo dưỡng đúng, gãy tai van của đập
Dầu Tiếng,… cũng dẫn đến sự cố nước tràn qua đỉnh đập. Với mỗi công trình, khi xảy
ra sự cố đều gây nên những tổn thất khác nhau, có đập bị vỡ nhưng cũng có những đập
không bị vỡ. Như đập chính của Đầm Hà Động khi xảy ra sự cố nước tràn đỉnh đập
chính không bị vỡ mà ở hạ lưu chỉ bị nước làm cho mái đập bị xói mạnh (Hình 1).

Hình 1. Đập chính Đầm Hà Động khi nước tràn qua

4


Sự cố vỡ đập của các công trình thủy lợi, thủy điện thì không những ảnh hưởng tại khu
vực công trình mà còn ảnh hưởng tới khu vực rộng lớn phía sau đập, khi hàng triệu m3
nước vượt khỏi tầm kiểm soát và quét sạch những gì có trên đường đi của chúng. Có
rất nhiều nguyên nhân gây ra sự cố vỡ đập, tuy nhiên thực tế cho thấy nước tràn qua
đỉnh đập là một trong các nguyên nhân chính. Khi lượng nước đến hồ vượt quá khả
năng trữ của hồ chứa, nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập, chảy dọc theo mái hạ lưu về
phía hạ du công trình. Tại vị trí chân mái hạ lưu, tại nơi lớp gia cố bị hư hỏng sẽ xảy ra
xói mòn cục bộ và hình thành các vết nứt gây nên hiện tượng sạt lở mái hạ lưu. Cứ
như vậy, quá trình hình thành vết nứt phát triển rộng ngược lên đến đỉnh đập và xảy ra
vỡ đập. Một số đập bị vỡ do tràn đỉnh như đập Hò Võ, Đồn Húng, Vệ Vừng (1978),
Phân Lân, Đồng Đáng, Thung Cối (2013),… (Hình 1).

Đập phụ số 2 - Đầm Hà Động

Đập Đồng Đáng–Thanh Hóa ngày
01/10/2013

Đập Phân Lân – Vĩnh Phúc ngày 3/8/2013

Đập Đakrong 3 – Quảng trị ngày
20/9/2013

Hình 2. Một số hình ảnh vỡ đập khi nước tràn qua

Có thể thấy rằng, hầu hết các công trình này đều được xây dựng từ nhiều năm trước

với biện pháp thi công thủ công, còn nhiều hạn chế về công nghệ, vật liệu. Mặt khác
các công trình hồ chứa thường phân bố rải rác, dân cư thưa thớt làm cho công tác quản
5


lý chưa được chú trọng, đặc biệt đối với các đập do chính quyền địa phương quản lý,
do không được đào tạo về chuyên môn thủy lợi, vận hành chủ yếu dựa vào kinh
nghiệm bởi vậy dẫn đến những sự cố nghiêm trọng về đập không được phát hiện và xử
lý kịp thời. Tuy nhiên, khi nước tràn qua cũng có những đập không bị vỡ mà chỉ làm
hư hỏng nặng mái hạ lưu như đập chính Đầm Hà Động (Hình 1). Như vậy, khi nước
tràn qua đập đất, tùy thuộc vào đặc tính của mối con đập mà chúng có thể bị vỡ hoặc
không vỡ.
Bên cạnh đó, diễn biến phức tạp của khí hậu, không theo quy luật thông thường đã gây
khó khăn cho công tác dự báo cũng như công tác quản lý an toàn hồ chứa. Bởi vậy
việc nghiên cứu hiện tượng xói trên mái đập đất khi nước tràn qua là hết sức cần thiết.
Đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn qua, kiểm chứng
cho đập Phân Lân – Vĩnh Phúc” trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu đã và đang phát
triển trên thế giới cũng như trong nước sẽ tập trung thí nghiệm một số yếu tố ảnh
hưởng đến hiện tượng xói của đất đắp đập khi bị nước tràn qua; lựa chọn sử dụng mô
hình số để tính toán kiểm chứng cho hiện tượng vỡ đập do tràn đỉnh của đập Phân Lân
– Vĩnh Phúc và đề xuất một số giải pháp gia cố mái hạ lưu đập.
2. Mục đích của đề tài
Thông qua nghiên cứu thí nghiệm hiện tượng xói của các mẫu đất và phân tích diễn
biến xói bằng mô hình số nhằm:
− Nghiên cứu hiện tượng xói của đất đắp đập khi nước tràn đỉnh
− Mô phỏng quá trình vỡ của đập Phân Lân – Vĩnh Phúc.
− Đề xuất các giải pháp công trình phù hợp để bảo vệ mái hạ lưu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đập đất đồng chất
Giới hạn nghiên cứu của luận văn:

− Nghiên cứu hiện tượng xói các mẫu đất đắp của đập Phân Lân thông qua thí
nghiệm;

6


− Nghiên cứu diễn biến xói của đập Phân Lân trong một số trường hợp gia cố mái
khác nhau bằng mô hình số (mô hình 2D).
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận: Tiếp cận từ tổng quan đến cụ thể. Tiếp cận toàn diện để không bỏ sót
các yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả nghiên cứu. Vấn đề nghiên cứu được suy ra từ
kiến thức tổng hợp và mang tính thuyết phục cao. Đồng thời tập hợp các tài liệu có đề
cập đến tốc độ bào mòn bề mặt và các công trình nghiên cứu liên quan đến tràn đỉnh.
Phương pháp nghiên cứu:
− Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu.
− Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm ứng
dụng.
− Phương pháp phân tích, tổng hợp.
5. Kết quả đạt được của luận văn
− Tổng quan tình hình nghiên cứu hiện tượng vỡ đập do nước tràn đỉnh trên thế giới
cũng như ở Việt Nam. Phân tích nguyên nhân, cơ chế vỡ đập do tràn đỉnh;
− Tổng quan được cơ chế xói của đất hạn mịn, đất hạt rời và cơ sở lý thuyết của hiện
tượng xói của đất dưới tác dụng của dòng chảy mặt;
− Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xói thông qua thí nghiệm xác định
các hệ số hàm xói;
− Từ kết quả thí nghiệm, sử dụng mô hình số để phân tích diễn biễn xói của đập đất
(đập Phân Lân – Vĩnh Phúc) trong một số trường hợp gia cố mái hạ lưu khác nhau.

7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu
Đối với đập đất, hiện tượng nước tràn đỉnh đập là một trong số nguyên nhân gây vỡ
đập. Khi sự cố vỡ đập xảy ra gây hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho vùng hạ du hồ,
thiệt hại đến tính mạng con người; kinh tế và làm mất cân bằng sinh thái,... Khi nước
tràn qua đỉnh đập, mái đập xuất hiện những rãnh xói nhỏ sau đó chúng mở rộng dần
gây xói mòn, kết cấu mái đập bị phá vỡ, làm mái đập không còn khả năng chống đỡ
gây trượt mái dẫn tới vỡ đập. Sự an toàn của các đập bằng vật liệu địa phương trước
những diễn biến bất lợi của biến đổi khí hậu và thiệt hại to lớn về người, tài sản khi
các con đập này bị sự cố đã đặt các quốc gia, các nhà khoa học trên thế giới cũng như
ở Việt Nam trước một yêu cầu cấp bách là nghiên cứu các giải pháp công nghệ để ứng
phó với các sự cố có thể xảy ra, trong đó có vấn đề ứng phó với sự cố tràn đỉnh đập.
1.1.1 Trên thế giới
Vấn đề tràn đỉnh đối với đê đập đã được quan tâm từ nhiều năm nay trên thế giới. Đã
có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề xói lở trên mặt đập khi nước tràn đỉnh. Các
mô hình nghiên cứu được thiết lập, mô phỏng tính toán, các phần mềm phục vụ tính
toán nghiên cứu xói trên bề mặt được phát triển. Năm 1943, White and Gayed đã tiến
hành thí nghiệm cho nước tràn trên đỉnh một đập đất cao 0,3m xây dựng trong phòng
thí nghiệm. Năm 1985, Powledge and Dodge đã thực hiện thí nghiệm xói trong máng
thủy lực. Năm 1998 Visser đã nghiên cứu quá trình vỡ của đập đất không dính khi
nước tràn đỉnh. Tổng cộng đã có 22 thí nghiệm về tràn đỉnh đập được thực hiện tại
Viện Nghiên cứu thủy lực Wallingford – Anh (Hassan và nnk., 2004) trên mô hình đập
đắp bằng đất dính và đất rời (Hình 1.1); mục tiêu chung của các thí nghiệm này là để
hiểu rõ hơn về các quá trình vỡ đập do tràn đỉnh hoặc xới ngầm và xác định các thông
số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình này; kết quả xác định được mối quan hệ giữa
lưu lượng dòng chảy, mực nước thượng lưu và thời gian vỡ (Hình 1.2). Với 5 thí
nghiệm tràn đỉnh quy mô lớn được thực hiện ở Na Uy dưới sự tài trợ của Hội đồng
nghiên cứu Na Uy; mô hình thí nghiệm là một đập đất có chiều cao trên 6m (Hình
8

1.3), lưu lượng dòng chảy lớn nhất 450m3/s, kết quả xác định đươc mối liên quan giữa
lưu lượng dòng chảy và thời gian vỡ (Hình 1.4).

Hình 1. 1 Mô hình thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh

Hình 1. 2 Kết quả thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh

9


Hình 1. 3 Mô hình thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy

Hình 1. 4 Kết quả thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy
(The Agricultural Research Service - ARS) Đơn vị Nghiên cứu Kỹ thuật thủy lực tại
Stillwater, Oklahoma đã tiến hành nghiên cứu quá trình xói mòn của đập đất khi có cỏ
bảo vệ. Nghiên cứu này đã dẫn tới một mô hình xói mòn đã được tích hợp vào phần
mềm máy tính của cơ quan

bảo tồn tài nguyên USDA Natural Resources

Conservation Service (NRCS). Những kết quả nghiên cứu đã tạo sự phát triển của
nghiên cứu trong lĩnh vực xói lở đập đất.

10


Hình 1. 5 Mô tả thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất của Fujisawa [2]
Fujisawa và các cộng sự (2008) tại đại học Okayama đã tiến hành thí nghiệm xói mẫu

đất cát pha (10% sét, 12% hạt bụi và 78% cát) trên máng kính thủy lực (Hình 1.4). Thí
nghiệm được tiến hành trên 28 mẫu đất có sự thay đổi của năng lượng đầm, dung trọng
khô của đất và ứng suất cắt trên bề mặt mẫu. Kết quả thí nghiệm đã chỉ ra sự ảnh
hưởng của năng lượng đầm (độ đầm chặt) đến tốc độ xói của mẫu đất và mối quan hệ
giữa ứng suất tiếp sinh ra do dòng chảy và khả năng xói của đất.

11


1.1.2 Ở Việt Nam
Vấn đề nghiên cứu quá trình vỡ đập được quan tâm từ lâu. Giai đoạn đầu tập trung vào
nghiên cứu sóng gián đoạn dùng để mô phỏng quá trình truyền lũ do vỡ đập tiếp đến là
các nghiên cứu trên mô hình vật lý về sự phát triển của lỗ vỡ. Đến những năm 1990 trở
lại đây, mô hình toán được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền lũ và ngập lụt hạ du
do vỡ đập. Một số nghiên cứu về vỡ đập như sau:
− Năm 2006, TS. Nguyễn Danh Oanh [3] cùng cộng sự đã nghiên cứu thí nghiệm mô
hình thủy lực vỡ đập tràn xả lũ sự cố hồ Sông Hinh. Thí nghiệm mô hình mặt cắt có
tỷ lệ mô hình λl = 15 nhằm xác định cơ chế vỡ đập ban đầu các yếu tố thủy lực
tương ứng trong quá trình vỡ đập. Mô hình tổng thể với λl = 50 sẽ bao gồm lòng hồ,
kênh dẫn vào, tràn sự cố kênh xả hạ lưu. Mô phỏng lòng hồ sông Hinh chủ yếu là
mô phỏng tương tự về thể tích hữu ích. Mô hình mặt cắt được xây dựng trong máng
kính rộng 40cm dài 17,30m. Cũng như mô hình tổng thể để có phần dung tích hồ
chứa bổ sung điều tiết nước cho quá trình vỡ đập nên đã sử dụng lòng mô hình
YALY cũ làm dung tích hồ chứa đồng thời khi thí nghiệm theo đường quá trình lũ
đến để cấp lưu lượng vào hồ chứa. Vì chiều dài máng có hạn nên mô hình mặt cắt
chỉ mô phỏng được 90m kênh dẫn thượng lưu và 80m kênh xả hạ lưu. Mô hình mặt
cắt như trên đã nêu chủ yếu là xét cơ chế vỡ đập lúc ban đầu và quá trình xói sâu
phá vỡ đập. Vật liệu chế tạo tràn sự cố cũng được thiết kế tính toán như trong phần
thiết kế vật liệu làm mô hình tổng thể. Nghiên cứu đã thu được quá trình phát triền
lỗ vỡ của đập sự cố; Xác định lưu lượng tràn qua đập tràn sự cố, độ sâu và vận tốc

dòng nước trên mái hạ lưu; Xác định hình dạng và kích thước lỗ vỡ theo thời gian;
Xác định Q, H qua đập sự cố trong quá trình vỡ đập; Xác định thời gian vỡ đập từ
lúc bắt đầu nước tràn đến khi lỗ vỡ lớn nhất và đập vỡ đến đáy.
− Năm 2016, PGS.TS Lê Văn Nghị [4]cùng các cộng sự đã xây dựng 1 mô hình vật lý
gồm mô hình tổng thể chính thái 3D và mô hình phân đoạn (mô hình mặt cắt 2D)
với tỷ lệ 1/125, tương tự theo tiêu chuẩn Froude. Vật liệu đắp đập được tính toán
theo cấp phối vật liệu của công trình thực tế theo hồ sơ thiết kế, mô phỏng các lớp
vật liệu đắp đập có đường kính trung bình lớn hơn 50mm theo phương pháp tương
tự trọng lực và độ rỗng; với vật liệu nhỏ đắp lõi đập Hòa Bình sử dụng phương pháp
12


tương tự về lưu tốc khởi động. Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình hình thành lỗ
vỡ tối đa của đập vật liệu địa phương (đập Hòa Bình) diễn ra trong thời gian khoảng
3 giờ trên mô hình mặt cắt và 1,2 giờ trên mô hình tổng thể. Sóng gián đoạn chỉ
xuất hiện và đo được trong trường hợp vỡ đập bê tông, xuất hiện ngay sau khi vỡ và
tồn tại chỉ vài phút, chiều cao sóng đứng lớn nhất hơn 30m. Vận tốc truyền sóng lớn
nhất gần 40m/s, năng luợng sóng tác động vào lòng dẫn rất lớn đạt ≅110m. Trên mô
hình vật liệu địa phương không có sóng gián đoạn.
− Năm 2003, cố PGS.TS. Lưu Như Phú cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiện tượng
vỡ đê Ngọc Tảo của khu chậm lũ Vân Cốc khi có lũ tràn từ sông Hồng vào. Nghiên
cứu chỉ mới dùng cát hạt mịn để mô phỏng vật liệu tương tự đắp đê mà chưa xét
đến thành phần cấp phối hạt của lớp đắp.
1.2 Nguyên nhân nước tràn đỉnh
Nước chảy tràn qua đỉnh đập là hiện tượng khi lượng nước đến hồ vượt quá khả năng
trữ của hồ chứa, nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập, chảy dọc theo mái hạ lưu về phía hạ
du công trình. Các nguyên chính gây ra sự cố nước tràn đỉnh đập bao gồm:
− Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng.

13

Hình 1. 6 Vỡ đập thủy điện Ia Krel 2 – Gia Rai
Sự cố xảy ra lúc 8 giờ 30 phút, ngày 01/8/2014, do tình hình mưa trên diện rộng và
kéo dài tại lưu vực hồ chứa, lưu lượng lũ về hồ lớn, mực nước hồ chứa tăng nhanh,
mực nước hồ chứa vượt qua cao trình đỉnh đê quai thượng lưu đập (cao trình 204,8m)
gây xói lở và làm vỡ hoàn toàn đê quai thượng lưu.
− Tính toán sai khả năng tháo của tràn đẫn đến tràn không đáp ứng đủ khả năng tháo;
− Hầu hết các đập của Việt Nam được xây dựng từ nhiều năm trước nên khi thiết kế,
đập đất được áp dụng tiêu chuẩn cũ, đến nay do điễn biến khí hậu phức tạp đẫn đến
đập có khả năng mất an toàn, cao trình đỉnh đập thấp hơn so với tiêu chuẩn hiện
hành. Ngoài ra khi thi công đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế hoặc bị lún
trong quá trình hoạt động gây nước tràn qua đỉnh đập;
− Tính toán thủy văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ: tổng lượng
lũ nhỏ hơn thực tế: các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; thiếu lưu vực; lập

14


đường cong dung tích hồ W = f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng lũ
của đập tràn Q=f(H) sai lệch với thực tế;
− Nhiều công trình được xây dựng từ lâu, do sự biến đổi về khí hậu, thảm phủ, chặt
phá rừng ... nên lũ về nhanh và lớn hơn so với thiết kế trước đây dẫn đến hồ chứa
không đảm bảo khả năng thoát lũ;
− Để nâng cao sức chứa của hồ, nhiều địa phương đã tự ý xây cao ngưỡng tràn lên,
nên tràn không đảm bảo năng lực xả lũ theo thiết kế, dẫn đến nước lũ tràn đỉnh đập;
− Đối với những tràn điều tiết bằng cửa van, trong quá trình vận hành cửa van tràn bị
kẹt gây nước tràn đỉnh đập.

Hình 1. 7 Vỡ đập thủy điện Hố Hô

Sự cố xảy ra do mất điện và không có phương án máy phát điện dự phòng nên các cửa
xả tràn mở không triệt để, mực nước trong lòng đập từ đó dâng cao gây tràn đỉnh đập.
− Vận hành cửa van tràn xả lũ không đúng theo quy trình;

15


Hình 1. 8 Vỡ đập phụ số 2 Đầm Hà Động – Quảng Ninh
Lũ lớn và mưa như trút kéo dài từ đêm 29 tới rạng sáng 30.10 là một tác nhân chính
gây vỡ đập thủy lợi Đầm Hà Động (huyện Đầm Hà, Quảng Ninh), nhưng theo người
dân, lũ sẽ không có sức công phá lớn đến thế nếu xả lũ kịp thời, bởi một trong 3 cửa xả
lũ đã bị hỏng do áp lực nước lũ quá lớn, nếu xả kịp thời có thể không xảy ra sự cố tại
Đầm Hà Động.
− Nhiều hồ chứa nhỏ do dân xây dựng thiếu tràn xả lũ, cống lấy nước. Khi có mưa
lớn, nước tràn qua đỉnh đập;
− Trong quá trình hoạt động cửa vào tràn bị các vật trôi nổi bịt lại: cỏ, cây, các vật trôi
nổi;
− Động đất hoặc xảy ra sạt trượt lớn trong phạm vi lòng hồ khối trượt làm dâng nước
đột ngột và sóng lớn tràn qua đỉnh đập.
− Sạt lở lòng hồ: khi khối đất ở bờ bị sạt lở xuống lòng hồ làm nước hồ dâng lên dẫn
đến tràn đỉnh gây vỡ đập.

16


Hình 1. 9 Hình ảnh đập Vajont sau khi xảy ra sự cố năm 1963
Thảm họa xảy ra năm 1963, do một khối lượng đất đá lớn đổ từ vách núi xuống hồ,
gây ra những con sóng cao đến 200m, nước tràn qua đỉnh đập khiến 2.000 người thiệt
mạng dù cho Vajont vẫn còn nguyên.
1.3 Cơ chế xói lở đập đất khi nước tràn đỉnh đập

Vỡ đập do tràn đỉnh bắt đầu bằng một sự cố nghiêm trọng được tạo ra bởi các sự kiện
tương tác với nhau. Sự cố này là sự kết hợp của các yếu tố thủy văn, thủy lực, sự vận
chuyển bùn cát, địa chất , địa hình và thảm phủ. Về mặt toán học quá trình này vẫn
chưa được xây dựng trên cơ sở lý thuyết vững chắc và khá phức tạp. Quá trình trình
vật lý được quan sát và có thể được chia thành các giai đoạn riêng biệt cùng với những
hậu quả mà nó gây ra. Các bài học kinh nghệm có thể được rút ra từ các quá trình này.
Quá trình này là sự tương tác giữa đất và nước trải qua 2 giai đoạn mà bắt đầu là nước
tràn đỉnh đập cho đến khi xuất hiện các rãnh nhỏ sau đó các rãnh nhỏ mở rộng, đất bị
17