Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn công trình trên hệ thống

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp cao học, được sự giúp đỡ
của các thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là cô TS Phạm Hồng
Cường, thầy PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, cô Th.s Nguyễn Lan Hương, và
cùng sự nỗ lực của bản thân. Đến nay, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ
thuật, chun ngành Xây dựng cơng trình thủy.
Các kết quả đạt được là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong q trình
nghiên cứu và tính tốn ổn định cơng trình trong hệ thống thủy nơng, góp phần nâng
cao độ chính xác trong q trình đưa ra mức độ hư hỏng và độ tin cậy của cơng
trình. Tuy nhiên, trong khn khổ luận văn, đo điều kiện thời gian và trình độ có
hạn nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những
lời chỉ bảo và góp ý của các thầy, cơ giáo và các đồng nghiệp.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới cô TS Phạm Hồng Cường, thầy giáo
PGS.TS Nguyễn Quang Hùngvà cô Th.s Nguyễn Lan Hương đã hướng dẫn, chỉ
bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện
luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Bộ mơn Thủy cơng- khoa
Cơng trình, phịng Đào tạo Đại học và Sau Đại học trường Đại học Thủy lợi đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hồn thành tốt luận văn thạc sỹ của mình.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã
động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này
Hà nội, tháng 8 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Thị Lệ


BẢN CAM KẾT

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các thơng tin,
tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc. Kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào trước

đây.
Tác giả

Nguyễn Thị Lệ


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1 : Sơ đồ đập dâng nước
Hình 1-2. Cống Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-Hải).
Hình 1-3. Đập dâng Bái Thượng trên sông Chu (khi chưa tơn cao)
Hình 1-4. Cơng trình đầu mối Thạch Nham (Quảng Ngãi).
Hình 1-5. Đập dâng Đầm Chích – Kiên Giang
Hình 1-6. Cống Liên Mạc-đầu mối của HTTL Sơng Nhuệ.
Hình 1-7. Sơ đồ bố trí hệ thống kênh tưới.
Hình 2-1: Định nghĩa biên hư hỏng Z = 0
Hình 2-2 Sơ đồ tính độ tin cậy của kết cấu cơng trình
Hình 2-3: Sơ đồ của hệ có cấu trúc các phần tử ghép nối tiếp
Hình 2-4: Sơ đồ của hệ có cấu trúc các phần tử ghép song song
Hình 2-5: Một dạng ghép hỗn hợp giữa các phần tử
Hình 2-6: Sơ đồ "cây sự cố"
Hình 2-7 Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy
Hình 3-1: Sơ đồ đoạn kênh tính tốn
Hình 3-2: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống Lăng Trình
Hình 3-3: Luật phân phối của γk cống Lăng Trình
Hình 3-4: Luật phân phối của γbt cống Lăng Trình
Hình 3-5: Luật phân phối của ϕ cống Lăng Trình
Hình 3-6: Luật phân phối của C cống Lăng Trình
Hình 3-7: Luật phân phối của L cống Lăng Trình
Hình 3 – 8: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống tại Km0+317 .
Hình 3-9: Luật phân phối của γk cống tại Km0+317

Hình 3-10: Luật phân phối của ϕ cống tại Km0+317
Hình 3-11: Luật phân phối của C cống tại Km0+317
Hình 3-12: Luật phân phối của L cống tại Km0+317
Hình 3-13 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến ổn định trượt cống


Hình 3-14 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến ổn định lật cống
Hình 3-15 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến ổn định trượt của kênh


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Phân lớp và tính các tham số thống kê cống Lăng Trình
Bảng 3-2: Tần suất lý thuyết ni’ của các lớp cống Lăng Trình
Bảng 3-3: Chuỗi số liệu thực nghiệm cống Lăng Trình
Bảng 3-4: Quy luật phân phối luật xác xuất
Bảng 3-5: Chuỗi số liệu thực nghiệm của cống tại Km0+317
Bảng 3-6: Quy luật phân phối luật xác xuất của cống tại Km0+317
Bảng 3-7: Số liệu địa chất phục vụ tính tốn kênh
Bảng 3- 8: Kết quả tính tốn Kmin và Jmax cho từng mặt cắt kênh
Bảng 3-9: Các giá trị cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam và Châu Âu.


MỤC LỤC
I. MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài. ......................................................................................... 1
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài............................................................................... 2
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài. ............................................................................... 2
4. Mục tiêu của đề tài. ................................................................................................. 2
5. Cách tiếp cận và nghiên cứu. .................................................................................. 2
6. Các kết quả và đóng góp của luận văn.................................................................... 2

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CƠNG TRÌNH THỦY
NƠNG VIỆT NAM..................................................................................................... 4
1.1. Chức năng của cơng trình thủy lợi ...................................................................... 4
1.2. Nhiệm vụ cơng trình thủy lợi .............................................................................. 5
1.2.1 Cơng trình dâng nước......................................................................................... 5
1.2.2. Cơng trình điều chỉnh dịng chảy ...................................................................... 6
1.2.3. Cơng trình dẫn nước.......................................................................................... 7
1.3. Tổng quan về hệ thống cơng trình thủy lợi ở Việt Nam ................................... 7
1.3.1. Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng - Hải.................................................................. 8
1.3.2. Hệ thống thuỷ lợi sông Chu .............................................................................. 9
1.3.3. Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham....................................................................... 10
1.3.4. Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng .......................................................................... 11
1.3.5. Hệ thống thuỷ lợi Tứ giác Long Xuyên .......................................................... 11
1.4. Vai trị của các loại cơng trình trong hệ thống:.................................................. 12
1.4.1. Cơng trình đầu mối.......................................................................................... 12
1.4.2. Cơng trình chuyển nước.................................................................................. 13
1.4.3 Các cơng trình trên hệ thống ............................................................................ 14
1.4.3.1Các cống lấy nước, cống điều tiết .................................................................. 14
1.4.3.2 Các cơng trình chuyển nước.......................................................................... 14
1.4.3.3 Các cơng trình nối tiếp .................................................................................. 15
1.4.3.4 Cơng trình đo nước ....................................................................................... 15
1.4.3.5 Các cơng trình bảo vệ kênh........................................................................... 15
1.4.3.6 Bể lắng cát..................................................................................................... 16
1.4.3.7 Cơng trình vận tải thuỷ trên kênh.................................................................. 16


1.4.3.8 Cầu giao thông qua kênh............................................................................... 16
1.5. Tổng quan các phương pháp đánh giá an tồn cơng trình trong hệ thống hiện hành .... 17
1.5.1 Phương pháp ứng suất cho phép ..................................................................... 17

1.5.2 Phương pháp hệ số an toàn ........................................................................... 17
1.5.3 Phương pháp trạng thái giới hạn .................................................................... 18
1.5.4. Phương pháp tính theo lý thuyết độ tin cậy ................................................... 19
1.5.4.1 Sự hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên: ................................... 19
1.5.4.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới ................ 20
1.5.4.3. Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ....... 20
1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG CƠNG TRÌNH THỦY LỢI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ............ 23
2.1 Giới thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy ..................................................... 23
2.1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................. 23
2.1.2 Những ưu điểm khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy............................................ 26
2.2. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên ................................................... 27
2.2.1. Tính tốn cấp độ I: ......................................................................................... 27
2.2.2 . Tính tốn cấp độ II ......................................................................................... 29
2.2.3 . Tính tốn cấp độ III........................................................................................ 34
2.3 Cơ chế phá hoại ổn định tổng thể của hệ thống thủy nông ................................ 35
2.3.1. Khái niệm về hệ thống thủy nông trong lý thuyêt độ tin cậy.......................... 35
2.3.2. Hệ có cấu trúc ghép nối tiếp............................................................................ 36
2.3.3. Hệ có cấu trúc ghép song song: ...................................................................... 36
2.3.4. Hệ có cấu trúc ghép hỗn hợp........................................................................... 37
2.3.5. Hệ có cấu trúc ghép bất kỳ.............................................................................. 38
2.3.6 Sơ đồ cây sự cố hệ thống thủy nông ............................................................... 38
2.3.7. Các yếu tổ ngẫu nhiên tác động đến chất lượng cơng trình trong hệ thống thủy nông39
2.8 Lý thuyết áp dụng để phân tích .......................................................................... 40
2.8.1 Lý thuyết áp dụng............................................................................................ 40
2.8.2 Cơ sở đánh giá mức độ an toàn........................................................................ 43
2.9 Xác suất xảy ra sự cố đối với hệ thống thủy nông. ............................................ 43
2.9.1 Cống mất ổn định do trượt ............................................................................... 43
2.9.2 Cống mất ổn định do lật ................................................................................... 44

2.9.3 Mất ổn định đoạn kênh dẫn nước:.................................................................... 44


2.9.4 Xác suất xảy ra sự cố đối với đoạn kênh tính tốn .......................................... 45
2.10 Các phần mềm dùng trong luận văn................................................................. 45
2.11 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 46
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH
CHO MỘT ĐOẠN KÊNH THUỘC HỆ THỐNG SÔNG CẦU .............................. 47
3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 47
3.2 Giới thiệu về hệ thống ........................................................................................ 47
3.3. Nội dung tính tốn.............................................................................................. 48
3.3.1 Sơ đồ tính tốn ................................................................................................. 48
3.3.2 Nội dung tính tốn............................................................................................ 48
3.4. Tính tốn ổn định Cống Lăng Trình .................................................................. 49
3.4.1. Các trường hợp tính tốn ổn định Cống Lăng Trình....................................... 49
3.4.2. Các tài liệu tính tốn ...................................................................................... 50
3.4.3. Tính tốn ổn định trượt phẳng......................................................................... 51
3.4.3.1. Tính ổn định trượt của cống theo phương pháp hệ số an tồn..................... 51
3.4.3.2. Tính ổn định trượt của cống theo lý thuyết độ tin cậy ................................. 53
3.4.4. Kiểm tra lật của cống .................................................................................... 60
3.4.4.1. Kiểm tra lật của cống theo phương pháp hệ số an toàn ............................... 60
3.4.4.2. Kiểm tra lật của cống theo lý thuyết độ tin cậy ........................................... 60
3.5. Tính tốn ổn định của cống tại Km0+317.......................................................... 61
3.5.1. Tính tốn ổn định trượt phẳng của cống ......................................................... 62
3.5.1.1. Tính tốn ổn định trượt phẳng của cống theo phương pháp hệ số an toàn .. 62
3.5.1.2. Tính ổn định trượt của cống Km0+317 theo lý thuyết độ tin cậy................ 64
3.5.2 Kiểm tra lật quanh trục B ................................................................................ 65
3.5.2.1. Kiểm tra lật của cống theo phương pháp hệ số an toàn ............................. 65
3.5.2.2. Kiểm tra lật của cống theo lý thuyết độ tin cậy ......................................... 65
3.6. Đánh giá độ tin cậy cho các phần tử-kênh trong hệ thống chọn........................ 68

3.7. Phân tích/Đánh giá kết quả ................................................................................ 70
3.7.1.Phân tích/ Đánh giá kết quả tính tốn ổn định trượt phẳng: ............................ 71
3.7.2. Phân tích/ Đánh giá kết quả tính tốn ổn định lật ........................................... 71
3.7.3. Phân tích/ đánh giá kết quả tính tốn ổn định của hệ thống ........................... 72
3.7.3.1 Ảnh hưởng của các ĐLNN đến ổn định của kênh ....................................... 73
3.8. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 79


1. Những kết quả đạt được: ....................................................................................... 79
2. Những tồn tại:........................................................................................................ 79
3. Kiến nghị:.............................................................................................................. 80
4. Hướng tiếp tục nghiên cứu:................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 82
I. Tiếng Việt .............................................................................................................. 82
II. Tiếng nước ngoài.................................................................................................. 83


1

I. MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay, việc đánh giá chất lượng kỹ thuật cho các công trình thuỷ lợi là
một bài tốn rất phức tạp, vì cơng trình thường nằm sâu trong đất và chịu tác dụng
của nhiều yếu tố phức tạp như lực tĩnh, lực động áp lực thấm…vv. Việc đánh giá
đúng nguyên nhân hư hỏng lại càng khó khăn hơn.
Hiện nay do sự biến đổi của khí hậu, thiên tai bão lụt xảy ra thường xun
hơn nên các cơng trình nói chung đặc biệt là cơng trình thủy lợi phải chịu thêm
nhiều yếu tố bất lợi. Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết xác suất và quá
trình ngẫu nhiên nhằm phản ánh đúng thực tế hơn. Là hướng nghiên cứu tất yếu trên

thế giới cũng như trong nước, nhằm đầu tư cho cơng trình đạt hiệu quả. Hơn nữa
với việc phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ thông
tin, việc áp dụng các lý thuyết mới như lý thuyết độ tin cậy vào bài toán đánh giá và
chẩn đốn chất lượng cơng trình thủy lợi phải được quan tâm hơn.
Vấn đề nghiên cứu đánh giá chất lượng kết cấu cơng trình đã khá hồn thiện.
Xong nghiên cứu để đánh giá chất lượng kết cấu hệ thống cơng trình thủy lợi hiện
nay chưa được nghiên cứu. Trên thế giới hiện nay có quy trình đánh giá nhanh RAP
ca tỏc gi Charles Burt Trờng Đại học kỹ thuËt California. Phương pháp này giúp
đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống nhưng bằng định tính, hồn tồn phụ thuộc
vào chuyên gia và người được điều tra để trả lời hơn 700 câu hỏi đối với một hệ
thống. Việt Nam cũng đã có đề tài nghiên cứu áp dụng phương pháp này nhưng rất
nhiều câu hỏi trong điều kiện các hệ thống thủy lợi ở Việt Nam không thể trả lời
được. Hơn nữa, RAP không đánh giá được bản chất thực của kết cấu cơng trình
bằng định lượng.
Xuất phát từ thực tế khai thác các hệ thống cơng trình thuỷ nơng, cho thấy
khơng ít hệ thống cơng trình bị sự cố dẫn đến phá huỷ cơng trình với nhiều lý do
khác nhau, trong đó có những yếu tố khơng được xét đến do hạn chế của các
phương pháp trong tính tốn truyền thống nên đã gây ra những tổn thất đáng tiếc
đối với sản xuất, kinh tế, an toàn môi trường và con người. Hơn nữa, các nghiên


2

cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu đánh giá chất lượng cho một cơng
trình cụ thể, đơn lẻ mà chưa có một nghiên cứu nào nhằm đánh giá chất lượng kỹ
thuật về kết cấu của một nhóm cơng trình cũng như cả hệ thống cơng trình thủy lợi.
Từ những lý do đó, luận văn tiến hành nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin
cậy nhằm đánh giá an tồn cơng trình trên hệ thống mang tính khoa học và thực
tiễn cao.
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an tồn cơng trình trên hệ
thống thủy lợi.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
- Phạm vi nghiên cứu là cơng trình trên hệ thống thủy lợi.
4. Mục tiêu của đề tài.
Nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyết của phương pháp tính truyền thống,
bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độ tin cậy để
đánh giá và từ đó nâng cao chất lượng như mong muốn của cơng trình trên hệ
thống xây dựng trong điều kiện Việt Nam.
5. Cách tiếp cận và nghiên cứu.
- Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các cơng trình trên hệ thống thực tế
- Tiếp cận với lý thuyết độ tin cậy trong tính tốn đánh giá an tồn cơng
trình.
- Ứng dụng các phần mềm: Bestfit, Vap for MS windows, Geo – Slope
đánh giá an tồn cơng trình trên hệ thống.
6. Các kết quả và đóng góp của luận văn.
- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an tồn cơng trình.
- Ví dụ minh họa cơng nghệ tính tốn cơng trình bằng lý thuyết độ tin cậy .
- Đưa ra các kiến nghị về nâng cao an tồn cơng trình trên hệ thống theo lý
thuyết độ tin cậy.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
- Áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính tốn cơng trình thủy lợi.


3

- Sử dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao an tồn hệ thống cơng trình
thủy lợi.
- Áp dụng cho hệ thống cơng trình hiện đang tồn tại nhằm chứng minh tính
thực tiễn và khả năng áp dụng được của kết quả tính tốn.

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CƠNG TRÌNH
THỦY NƠNG VIỆT NAM
1.1. Chức năng của cơng trình thủy lợi [19]
Nước ta có lượng mưa dồi dào và có mạng lưới sông phong phú. Tổng lượng
nước hàng năm của các song ngòi chảy qua nước ta khoảng 845km3 và 350 triệu
m3 phù sa truyền tải trên 2360 con sông, tổng lưu lượng bình qn hàn năm trên các
con sơng là 27.500m3/s. Nguồn nước phong phú đó đủ thỏa mãn cho nhu cầu kinh
tế quốc dân với điều kiện phải có kế hoạch quản lý, phân phối, điều hòa, sử dụng
hợp lý.
Tuy vậy do phân phối không đều theo thời gian, phần lớn tập trung vào mùa
lũ, đồng thời phân bố khơng đều trên tồn bộ lãnh thổ. Vì vậy cần phải xây dựng
các cơng trình thủy lợi để phân phối lại nguồn nước theo khơng gian và điều chỉnh
dịng chảy theo thời gian một cách hợp lý. Nguồn nước được sử dụng vào các mục
đich giao thông vận tải, tăng nguồn điện, cung cấp nước cho dân cư và công nghiệp,
tưới ruộng, thau chua rửa mặn, nuôi trồng thủy sản…
Căn cứ vào mục đích trên, cần phải xây dựng các cơng trình thủy lợi bao
gồm các lĩnh vực sau:
+ Thủy năng: sử dụng nguồn nước sông, biển để phát điện
+ Thuỷ nông: Dùng biện pháp thuỷ lợi để tưới tiêu, thau chua rửa mặn
chống xói mịn.
+ Cung cấp nước và thốt nước cho khu cơng nghiệp, thành phố, nơng thơn,
nhà máy, nông trường, trại chăn nuôi v.v...
+ Giao thông thuỷ : lợi dụng nước sông, hồ, biển để phát triển đường thuỷ.
+ Thuỷ sản : làm hồ nuôi cá và cấp nước ni trồng thuỷ sản.
Ngồi ra biện pháp thuỷ lợi có liên quan đến cơng trình phục vụ cơng cộng
khác như cơng trình vệ sinh mơi trường, cơng trình phục vụ thể thao và du lịch...

+ Khi khai thác nguồn nước, việc thực hiện nguyên tắc lợi dụng tổng hợp rất
phức tạp vì các lĩnh vực thuỷ lợi yêu cầu dùng nước khơng giống nhau, có ngành
cần nước thường xuyên như cấp nước, thuỷ điện, có ngành dùng nước theo từng


5

thời kỳ như tưới ruộng; có ngành tiêu phí nước như cấp nước, tưới ruộng, nhưng có
ngành sau khi sử dụng, nước không mất đi như thuỷ điện, vận tải thuỷ, ni cá... Do
đó có khi cùng một lúc khơng thoả mãn được nhiều ngành thì phải dựa vào nguyên
tắc ưu tiên cho ngành trọng điểm và có chú ý thích đáng đến các ngành khác. Mọi
biện pháp thuỷ lợi để lợi dụng tổng hợp nguồn nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế
cao nhất.
1.2. Nhiệm vụ cơng trình thủy lợi [19]
Cơng trình được xây dựng để sử dụng nguồn nước gọi là cơng trình thuỷ lợi.
Nhiệm vụ chủ yếu của các cơng trình thuỷ lợi là làm thay đổi, cải biến trạng thái tự
nhiên dịng chảy của sơng, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước một cách hợp lý
có lợi nhất và bảo vệ mơi trường xung quanh tránh khỏi những tác hại của dịng
nước gây nên. Cơng trình thuỷ lợi có thể làm hình thành dịng chảy nhân tạo để thoả
mãn nhu cầu dùng nước, khi dòng chảy tự nhiên ở nơi đó khơng đủ hoặc khơng có.
Căn cứ vào tính chất tác dụng lên dịng chảy, cơng trình thuỷ lợi có thể chia
ra: cơng trình dâng nước, cơng trình điều chỉnh và cơng trình dẫn nước.
1.2.1 Cơng trình dâng nước
Phổ biến nhất của loại cơng trình dâng nước là các loại đập. Đập được xây
dựng ngăn các sơng suối và hình thành nên độ chênh mực nước trước và sau cơng
trình gọi là độ chênh mực nước thượng hạ lưu. Ở trước đập, càng gần đến đập, lưu
tốc trung bình của dịng chảy càng giảm v1 < v2 < v3 < v4 < v5, còn độ sâu của dòng
chảy càng tăng

h1 > h2 > h3 > h4 > h5 . Sự tăng mực nước ở trong sơng làm tăng

diện tích ướt của lịng sơng và dẫn đến ngập đất ở thượng lưu (hình 1-1a). Sự thay
đổi lưu tốc dòng chảy ở thượng lưu làm thay đổi khả năng vận chuyển bùn cát của
lịng sơng. Lưu tốc theo chiều dòng chảy giảm dần, các hạt bùn cát trong nước được
lắng xuống đáy theo thứ tự từ những hạt lớn sau đó những hạt bé hơn và khi đến
gần cơng trình lưu tốc hầu như bằng khơng nên các hạt cát rất bé cũng được lắng
xuống, nước ở đó rất trong.


6

a)

c)

b)

Hình 1-1 : Sơ đồ đập dâng nước
Sự dâng mực nước còn làm thay đổi cả trạng thái nước ngầm dưới lịng sơng
và hai bên bờ. Do có độ chênh cột nước thượng hạ lưu nên có hiện tượng thấm qua
nền và vịng quanh cơng trình qua 2 bên bờ từ thượng lưu về hạ lưu.
Nước ở thượng lưu chảy về hạ lưu khơng mang bùn cát, do đó để trở về trạng
thái cũ của dịng nước, lịng sơng và bờ ở hạ lưu lại bị bào mịn xói lở .
Như vậy cơng trình dâng nước có ảnh hưởng đến tất cả các yếu tố của dịng
chảy, lịng sơng và cả nước ngầm. Nhưng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh lưu lượng
ở thượng lưu về hạ lưu, về mùa lũ nước được giữ lại ở thượng lưu (đối với hồ chứa)
và được tháo về hạ lưu vào thời kỳ cần thiết theo nhu cầu dùng nước. Cơng trình
dâng nước được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế nước.
1.2.2. Cơng trình điều chỉnh dịng chảy
Cơng trình điều chỉnh để khống chế xói lở dịng sơng, có thể làm thay đổi

trạng thái dịng chảy, làm thay đổi hướng của dịng chảy trong giới hạn lịng sơng
theo u cầu cần thiết và bảo vệ lịng sơng tránh khỏi những tác hại nguy hiểm của
dịng nước. Cơng trình điều chỉnh bao gồm đê, đập, tường, kè. Các đê đập đó
khơng xây ngăn hết tồn bộ lịng sơng, mà chỉ một phần theo hướng của mặt cắt
ngang hoặc có khi theo hướng dọc lịng sơng.
Cơng trình điều chỉnh khơng làm dâng nước, mà nó có tác dụng làm thay đổi
hướng và lưu tốc dòng chảy, phân bố lại lưu tốc và ảnh hưởng đến hình dạng của
lịng sơng. Các cơng trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thể để giữ độ


7

sâu, lưu tốc và hình dạng lịng sơng cần thiết cho tàu bè qua lại, đảm bảo điều kiện
bình thường để lấy nước từ sông, giữ ổn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân
cư và nhà máy, xí nghiệp ở hai bên bờ.
1.2.3. Cơng trình dẫn nước
Những cơng trình này bao gồm các loại như kênh mương, đường hầm, cầu
máng, đường ống làm bằng các vật liệu khác nhau. Các cơng trình đó chuyển nước
với các lưu lượng xác định vào các mục đích khác nhau : dẫn nước vào turbin của
nhà máy thuỷ điện, đưa nước vào tưới ruộng và đồng cỏ, vào hệ thống cấp nước
của thành phố, xí nghiệp, nhà máy..., đồng thời nó có thể sử dụng làm đường giao
thơng cho tàu thuyền đi lại. Thuộc loại cơng trình dẫn nước này phải kể đến cả
cơng trình tháo lũ, đó là những cơng trình tháo nước thừa của hồ chứa từ thượng
lưu về hạ lưu qua đập hoặc hai bên bờ của đập, các cơng trình phân lũ sang khu
vực khác nhằm giảm lũ sơng chính tránh ngập lụt hạ lưu...
1.3. Tổng quan về hệ thống cơng trình thủy lợi ở Việt Nam [6]
Hệ thống thuỷ lợi (HTTL) là một tập hợp nhiều cơng trình trong một khơng
gian nhất định và phục vụ cho một số nhiệm vụ thuỷ lợi nhất định.
Địa bàn phục vụ của một HTTL từ hàng chục hecta đến hàng ngàn hecta, có
thể trải rộng trên nhiều tỉnh, như HTTL Bắc-Hưng-Hải ở đồng bằng Bắc Bộ, HTTL

Dầu Tiếng ở Đông Nam Bộ, hệ thống Quản Lộ - Phụng Hiệp, Tứ giác Long Xuyên
ở miền Tây Nam Bộ…
Nhiệm vụ của HTTL cũng rất đa dạng: thuỷ nông (tưới, tiêu, cải tạo đất),
thuỷ điện, giao thơng thuỷ, cấp thốt nước, thuỷ sản… Các HTTL lớn thường là đa
mục tiêu, đảm bảo lợi dụng tổng hợp nguồn nước, phòng chống thuỷ tai và bảo vệ
mơi trường. Ví dụ các HTTL Bắc-Hưng-Hải, Cầu Sơn, Bái Thượng, Đô Lương,
Linh Cảm, Thạch Nham, Đồng Cam… đều có nhiệm vụ tưới, tiêu, cấp nước; các hệ
thống thuỷ lợi Quản Lộ-Phụng Hiệp, Tứ giác Long Xuyên, Đồng Tháp Mười… có
nhiệm vụ tưới, tiêu, cải tạo đất (thau chua, ngọt hóa đồng ruộng), kết hợp với giao
thơng thuỷ…


8

Theo số liệu thống kê, đến nay cả nước đã xây dựng 75 hệ thống thủy lợi lớn,
1.967 hồ chứa dung tích trên 0,2 triệu m3, hơn 5.000 cống tưới tiêu và trên 10.000
trạm bơm lớn và vừa, mỗi trạm có cơng suất 24,8x106m3/h cùng hàng vạn cơng
trình thủy lợi vừa và nhỏ. Xây dựng 5.700 km đê sông, 3.000 km đê biển, 23.000
km bờ bao, hàng ngàn cống dưới đê, hàng trăm km kè và nhiều hồ chứa lớn tham
gia chống lũ cho vùng hạ du. Tổng năng lực của hệ thống thủy lợi bảo đảm tưới
nước trực tiếp 3,45 triệu ha, tạo nguồn nước cho 1,3 triệu ha, tiêu 1,4 triệu ha, ngăn
mặn 0,87 triệu ha, cải tạo chua phèn 1,6 triệu ha, cấp và tạo nguồn cấp nước 5-6
tỷ/năm cho sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, dịch vụ, 70-75% tổng số dân nông thôn
đã được cấp nước sinh hoạt.
Một số hệ thống thủy nơng điển hình ở nước ta hiện nay:
1.3.1. Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng - Hải
Hệ thống có nhiệm vụ cấp nước cho 124.000 ha đất canh tác, tiêu úng cho
185.000 ha thuộc các tỉnh Bắc Ninh, Hưng Yên, Hải Dương và một phần huyện Gia
Lâm thuộc thành phố Hà Nội. Các công trình đầu mối chủ yếu gồm cống Xuân
Quan là cống lấy nước từ sông Hồng để cấp nước cho hệ thống; các cống Cầu Xe,

An Thổ tiêu nước ra hệ thống sơng Thái Bình.
Hệ thống được xây dựng từ những năm 50 của thế kỷ 20, sau khi hồ bình
lập lại ở miền Bắc và đã phát huy tác dụng to lớn trong công cuộc khôi phục và phát
triển kinh tế ở miền Bắc nước ta. Ngày nay, hệ thống vẫn đang phát huy tác dụng
tốt và ngày càng được củng cố, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ.


9

Hình 1-2. Cống Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-Hải).
1.3.2. Hệ thống thuỷ lợi sơng Chu
Hệ thống có nhiệm vụ tưới nước cho 50.000 ha vùng đồng bằng Nam sông
Mã thuộc tỉnh Thanh Hố, cấp nước dân dụng và cơng nghiệp với lưu lượng 1,25
m³/s kết hợp với giao thơng thuỷ. Cơng trình đầu mối là đập Bái Thượng trên sông
Chu. Hệ thống kênh gồm kênh chính có chiều dài 19,33 km và các kênh nhánh với
tổng chiều dài hàng trăm ki lô mét.
Hệ thống được xây dựng từ năm 1936 với diện tích tưới hạn chế. Đầu năm
1996, cơng trình được nâng cấp về cơ bản với việc tôn cao đập dâng, mở rộng và
hiện đại hoá cống lấy nước, kênh dẫn nước, mở rộng diện tích tưới.


10

Hình 1-3. Đập dâng Bái Thượng trên sơng Chu (khi chưa tơn cao)
1.3.3. Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham

Hình 1-4. Cơng trình đầu mối Thạch Nham (Quảng Ngãi).
Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham thuộc tỉnh Quảng Ngãi, phạm vi phía Nam
sông Vệ. Nhiệm vụ của hệ thống là tưới 50.000 ha, cấp nước sinh hoạt cho nhân
dân vùng với Q=1,7 m³/s. Cơng trình đầu mối là đập dâng Thạch Nham. Kênh

chính của hệ thống dài 35,2 km, trên đó có xiphơng chuyển nước qua sơng Vệ là
một cơng trình tiêu biểu với 2 ống thép đường kính 1,6 m, dài 226 m, lưu lượng lớn
nhất Qmax= 15 m³/s.


11

Hệ thống được xây dựng từ những năm 80 của thế kỷ 20 và hiện nay đang
tiếp tục được nâng cấp và hiện đại hoá.
1.3.4. Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng
Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng có cơng trình đầu mối là hồ Dầu Tiếng thuộc
tỉnh Tây Ninh và hệ thống tưới trải rộng trên các tỉnh Tây Ninh, Long An, Bình
Dương và Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ của hệ thống là tưới 93.000 ha đất
nông nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp 100 triệu m³/năm.
Hồ Dầu Tiếng có dung tích tồn bộ là 1,58 tỷ m³; đập chính dài 1,1 km, cao
28 m; đập phụ dài 27 km; kênh chính có chiều dài tổng cộng là 114 km. Hệ thống
được xây dựng và hoàn thành sau ngày thống nhất đất nước. Hiện nay, hệ thống
đang tiếp tục được nâng cấp, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ, đặc biệt là trong
lĩnh vực cấp nước cho dân dụng và công nghiệp.
1.3.5. Hệ thống thuỷ lợi Tứ giác Long Xuyên
Nhiệm vụ của hệ thống là tiêu úng, phòng lũ, cải tạo đất cho 488.935 ha; cấp
nước tưới cho 282.400 ha khu vực Tây Sông Hậu thuộc các tỉnh An Giang, Kiên
Giang và một phần của tỉnh Hậu Giang. Hệ thống kênh chính dài 708,3 km là kênh
kết hợp tưới tiêu và giao thông thuỷ. Trong thành phần của hệ thống có các tuyến đê
và bờ bao ngăn lũ, các cống tưới, tiêu, kiểm soát lũ, trong đó quan trọng nhất là các
cống- đập cao su Trà Sư, Đầm Chính,cống Tuần Thống, T6, Lung Lớn, Ba Hịn…
Hệ thống bắt đầu được xây dựng từ những năm 80 thế kỷ 20 và hiện nay vẫn tiếp
tục được bổ sung, hồn thiện, hiện đại hố và mở rộng phạm vi phục vụ.

12

Hình 1-5. Đập dâng Đầm Chích – Kiên Giang
1.4. Vai trị của các loại cơng trình trong hệ thống:
Thành phần của HTTL bao gồm cơng trình đầu mối, hệ thống chuyển nước(
hở hay kín ) và các cơng trình trên đó.
1.4.1. Cơng trình đầu mối
Đầu mối của một hệ thống có thể là nơi tạo nguồn nước (hồ chứa, đập dâng,
trạm bơm, cống lấy nước), hoặc chỉ là cống điều tiết ở cuối kênh tiêu đổ ra sơng,
biển. Ví dụ đập dâng Cầu Sơn trên sơng Thương là cơng trình đầu mối của HTTL
Cầu Sơn (tỉnh Bắc Giang); Cống Xuân Quan dưới đê sơng Hồng là cơng trình đầu
mối của HTTL Bắc-Hưng-Hải; trạm bơm Linh Cảm là cơng trình đầu mối của
HTTL Linh Cảm (Hà Tĩnh), hồ chứa nước Dầu Tiếng (Tây Ninh) là cơng trình đầu
mối của HTTL Dầu Tiếng; các cống điều tiết ở cuối các kênh tiêu đổ ra biển là
những cơng trình đầu mối của hệ thống tiêu như cống Lân, Thái Bình, các cống
thốt lũ ra biển Tây ở đồng bằng sông Cửu Long…


13

Hình 1-6. Cống Liên Mạc-đầu mối của HTTL Sơng Nhuệ.
1.4.2. Cơng trình chuyển nước
Cơng trình chuyển nước của HTTL là bộ phận quan trọng để vận chuyển
nước từ nguồn (đầu mối) đến các hộ sử dụng nước. Đường chuyển nước có thể bố
trí theo kiểu hở (kênh, máng) hay kín (đường ống), hoặc kết hợp cả hai, tuỳ theo
điều kiện địa hình, địa chất trên từng đoạn. Đối với các HTTL phục vụ tưới tiêu,
giao thơng thuỷ thì hình thức chuyển nước bằng kênh hở là chủ đạo. Các hệ thống
cấp nước dân dụng và cơng nghiệp thường có đường dẫn kín (ngầm hoặc lộ thiên)
để đảm bảo chất lượng nước. Hệ thống dẫn nước đến các trạm thuỷ điện kiểu đường
dẫn có thể làm theo hình thức kín hoặc hở, tuỳ thuộc vào kết quả so sánh kinh tế-kỹ

thuật các phương án. Nói chung, khi địa hình phức tạp, sườn núi dốc, dễ sạt lở… thì
hình thức đường dẫn kín là thích hợp hơn.
Một hệ thống dẫn nước phục vụ tưới, tiêu, cấp nước thường gồm kênh (ống)
chính và các kênh (ống) nhánh. Đối với hệ thống kênh tưới, sơ đồ bố trí thường theo
hình mạng lưới bao gồm kênh chính, các kênh nhánh cấp 1 lấy nước từ kênh chính,
các kênh nhánh cấp 2 lấy nước từ kênh cấp 1…Sơ đồ đánh số các kênh như hình 14 [7].


14

Hình 1-7. Sơ đồ bố trí hệ thống kênh tưới.
1.4.3 Các cơng trình trên hệ thống
1.4.3.1Các cống lấy nước, cống điều tiết
- Cống lấy nước: bố trí đầu các kênh nhánh để lấy nước từ kênh cấp trên
xuống kênh cấp dưới.
- Cống điều tiết: bố trí trên các kênh chính hoặc kênh nhánh cấp cao để điều
tiết, làm dâng cao mực nước trước cống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy
nước vào các kênh nhánh cấp thấp.
1.4.3.2 Các công trình chuyển nước
Dùng để chuyển tiếp nước khi kênh gặp phải các chướng ngại như sông suối,
đường giao thông, kênh khác.
Các cơng trình chuyển nước thường dùng như sau:
- Cầu máng: chuyển nước vượt qua sông, kênh hoặc đường giao thông khi
mực nước cao nhất trong kênh chướng ngại, hay trần lưu không cho phép ở đường
giao thông là thấp hơn cao trình đáy kênh chuyển nước.


15

- Xi phông ngược (cống luồn): Chuyển nước vượt qua sông, kênh, hoặc

đường giao thông khi mực nước cao nhất trong sông, kênh chướng ngại hay trần lưu
không cho phép ở đường giao thơng vượt q cao trình đáy kênh chuyển nước.
1.4.3.3 Các cơng trình nối tiếp
Khi cần hạ thấp nhanh cao trình đáy kênh chuyển nước, dùng các hình thức:
- Bậc nước: khi độ dốc địa hình lớn.
- Dốc nước: khi độ dốc địa hình khá lớn.
1.4.3.4 Cơng trình đo nước
Cơng trình đo nước được đặt ở đầu kênh chính, đầu các kênh nhánh để đo
mực nước và lưu lượng phục vụ cho công tác quản lý, phân phối nước trên hệ
thống. Ngồi ra tại những vị trí cần thiết, có thể bố trí các cơng trình chun dùng
để đo các thông số về vận tải thủy, độ bồi xói…
Trên một hệ thống, có thể tận dụng các cơng trình thuỷ cơng để đo nước.
Muốn vậy, khi thiết kế phải bố trí các bộ phận có chức năng thích hợp.
1.4.3.5 Các cơng trình bảo vệ kênh
Các cơng trình này có chức năng bảo vệ bờ kênh khỏi bị bồi, xói lở khi nước
trong kênh tràn bờ ra ngồi, hoặc nước từ ngoài tràn vào trong kênh, đặc biệt là khi
kênh chạy dưới chân sườn đồi. Thuộc loại này gồm có:
- Tràn bên: để giữ cho nước trong kênh khơng tràn bờ gây xói lở bờ.
- Cống tháo cuối kênh: để giữ cho nước trong kênh không tràn bờ, hay để
tháo cạn nước trong kênh khi cần sửa chữa kênh và các cơng trình trên đó.
- Kênh tách nước: bố trí ở phía bờ kênh giáp với sườn dốc để thu nước từ
sườn dốc không cho tràn vào kênh dẫn nước. Nước trên kênh tách được chuyển
thoát ra các vị trí có địa hình trũng, từ đó có các cơng trình chuyển nước cắt qua
tuyến kênh.


16

- Cống tiêu qua kênh (cống luồn dưới kênh). Thường bố trí đầu cống là các
hố trũng thu nước từ sườn dốc; cuối cống được nối với các khe lạch tự nhiên gần

với tuyến kênh.
- Tràn băng qua kênh: dùng khi cần chuyển nước từ sườn dốc băng qua kênh,
mà bờ phía sườn dốc khơng có hố trũng thích hợp. Loại này thường sử dụng kết hợp
với cầu giao thông qua kênh. Khi phạm vi bố trí tràn băng dài thì có thể thay bằng
một đoạn kênh hộp dẫn nước.
1.4.3.6 Bể lắng cát
Bể lắng bùn cát là một đoạn kênh được mở rộng và khơi sâu để tăng diện
tích mặt cắt, giảm lưu tốc và do đó cho phép lắng đọng các hạt bùn cát đủ lớn, có
thể gây bồi trên kênh hay mặt ruộng được tưới. Bể lắng cát cũng có thể được bố trí
trước các xi phơng ngược (cống luồn) để tránh bùn cát bồi lấp ở đáy xiphông. Bùn
cát lắng đọng trong bể được đưa ra khỏi bể bằng các hình thức khác nhau: nạo vét
thủ cơng, hút bằng cơ giới (tàu hút bùn), tháo xả bằng thủy lực…
1.4.3.7 Cơng trình vận tải thuỷ trên kênh
Với các kênh có kết hợp vận tải thuỷ, tại các vị trí có mực nước trên kênh
thay đổi nhiều thì cần bố trí âu thuyền để cho thuyền bè đi lại được an tồn.
1.4.3.8 Cầu giao thơng qua kênh
Khi kênh cắt qua đường bộ mà khơng làm cơng trình chuyển nước kiểu cống
luồn thì phải bố trí cầu giao thơng vượt qua kênh. Khi đó cao trình đáy dầm cầu
phải đặt cao hơn mực nước lớn nhất trong kênh. Trường hợp bề rộng kênh lớn, phải
làm trụ đỡ trung gian ở giữa kênh thì phải xét đến sự hạ thấp mực nước trong kênh
phía hạ lưu cầu do thu hẹp mặt cắt (tổn thất cục bộ).
Như vậy trên một HTTL, tuỳ theo nhiệm vụ cơng trình và các điều kiện địa
chất, địa hình, địa vật cụ thể mà bố trí các cơng trình thích hợp để thoả mãn nhiệm
vụ chuyển nước, phân chia nước, đồng thời đảm bảo an toàn cho kênh và khu vực
lân cận.