Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập bê tông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập bê tông" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan nghiên cứu về sự cố vỡ đập; Cơ sở khoa học xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn khi vỡ đập bê tông; Xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn; Áp dụng tính toán cho công trình thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM BÙI VĂN HỮU NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM BÙI VĂN HỮU NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số: 9 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Lê Văn Nghị 2. PGS.TS. Nguyễn Nghĩa Hùng HÀ NỘI – 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, thông tin tham khảo từ các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2024 Tác giả luận án Bùi Văn Hữu
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực - Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Để thực hiện luận án này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ, động viên rất nhiều từ các thầy hướng dẫn, đơn vị công tác, cơ sở đào tạo, các nhà khoa học, đồng nghiệp, cùng người thân, bạn bè. Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học GS.TS. Lê Văn Nghị, PGS.TS. Nguyễn Nghĩa Hùng đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, cùng cán bộ khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực; Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học thuộc các Bộ, Ngành, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Khoa học tự nhiên… và quý thầy cô trong các hội đồng, đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cung cấp các tài liệu để tôi hoàn thiện luận án. Đặc biệt tôi xin cảm ơn người bạn đời của tôi đã luôn thu xếp và lo toan các công việc gia đình, nuôi dạy các con để tôi yên tâm hoàn thành luận án. Và cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả thành viên đại gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật này. Tác giả Bùi Văn Hữu
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................................ii MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii CÁC ĐỊNH NGHĨA DÙNG TRONG LUẬN ÁN.......................................................xii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................................. xiii MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ..................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................... 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................ 3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................... 3 5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................... 4 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ............................................................. 4 6.1. Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................4 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ...........................................................................................5 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 5 8. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN...................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ SỰ CỐ VỠ ĐẬP VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN ....................................................................................................................... 7 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI......................................................................... 7 1.1.1. Định nghĩa và phân loại đập .......................................................................7 1.1.2. Định nghĩa và phân loại sự cố vỡ đập ........................................................8 1.1.3. Định nghĩa và phân loại sóng gián đoạn [4] .............................................10 1.2. SỰ CỐ VỠ ĐẬP VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY VỠ ĐẬP ................................. 12 1.2.1. Sự cố vỡ đập .............................................................................................12 1.2.2. Nguyên nhân vỡ đập .................................................................................18 1.3. NGHIÊN CỨU VỀ HÌNH DẠNG VẾT VỠ ĐẬP BÊ TÔNG .......................... 19 1.4. NGHIÊN CỨU VỀ VỠ ĐẬP VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN .................................. 21
iv 1.4.1. Nghiên cứu bằng lý thuyết........................................................................22 1.4.2. Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình vật lý ..................................24 1.4.3. Nghiên cứu bằng mô hình số ....................................................................30 1.5. LƯU LƯỢNG TỨC THỜI LỚN NHẤT THOÁT QUA VẾT VỠ ................... 37 1.6. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, HẠN CHẾ VÀ TỒN TẠI CỦA CÁC NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 39 1.6.1. Những thành tựu đạt được ........................................................................39 1.6.2. Các tồn tại và hạn chế ...............................................................................40 1.6.3. Hướng nghiên cứu của luận án .................................................................41 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 41 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG ......................................................................43 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THOÁT QUA VẾT VỠ . 43 2.1.1. Đặc điểm dòng chảy qua vết vỡ khi vỡ đập .............................................43 2.1.2. Dạng công thức tính lưu lượng thoát qua vết vỡ ......................................45 2.1.3. Phương pháp xác định hệ số lưu lượng thoát qua vết vỡ .........................45 2.2. LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................. 45 2.2.1. Quy hoạch thực nghiệm ............................................................................45 2.2.2. Lý thuyết thứ nguyên và định lý hàm Pi () ...........................................47 2.2.3. Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm ..............................................48 2.3. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................................ 52 2.3.1. Mô hình vật lý...........................................................................................53 2.3.2. Mô hình số CFD .......................................................................................62 2.3.3. Sự kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình số CFD ................................72 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 72 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG GIÁN ĐOẠN .........74 3.1. CÁC KỊCH BẢN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN .............................................. 74
v 3.2. QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VỠ ĐẬP BÊ TÔNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ ............................. 77 3.3. ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN TẠI THƯỢNG LƯU ............................. 82 3.3.1. Hình dạng và sự truyền sóng gián đoạn tại thượng lưu ............................83 3.3.2. Mối liên hệ giữa chiều dài, chiều rộng sóng gián đoạn tại thượng lưu ....87 3.4. ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN TẠI HẠ LƯU ......................................... 91 3.4.1. Chế độ dòng chảy tại hạ lưu khi vỡ đập ...................................................91 3.4.2. Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu .......................................................97 3.4.3. Sự lan truyền sóng gián đoạn tại hạ lưu .................................................101 3.5. THIẾT LẬP TƯƠNG QUAN, CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG GIÁN ĐOẠN .............................................................103 3.5.1. Công thức xác định lưu lượng thoát qua vết vỡ .....................................103 3.5.2. Xác định chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn ....................................108 3.6. KIỂM TRA SỰ PHÙ HỢP CÔNG THỨC QUA SỰ CỐ THỰC TẾ .............118 3.6.1. Sự cố vỡ đập Gleno - Italia [57] .............................................................118 3.6.2. Thiết lập tính toán bằng mô hình số .......................................................121 3.6.3. Kiểm tra sự phù hợp công thức thiết lập trong luận án ..........................122 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................126 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ...........128 4.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC SÔNG CHÒ 1 [27] ....128 4.1.1. Thông tin chung ......................................................................................128 4.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của công trình .....................................................128 4.1.3. Quy mô, thông số kỹ thuật chủ yếu ........................................................129 4.1.3.2. Các công trình chính của cụm đầu mối ...............................................130 4.1.4. Cấu tạo địa chất khu vực công trình .......................................................132 4.1.5. Phân tích nguyên nhân có thể gây vỡ đập sông Chò 1 ...........................132
vi 4.2. CÁC THÔNG SỐ BIÊN ĐẦU VÀO DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN .....................133 4.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHIỀU CAO SÓNG KHI XẢY RA SỰ CỐ ..........134 4.3.2. Tính toán chiều cao sóng theo các dạng công thức ................................135 4.3.3. Tính toán chiều cao sóng theo các công thức của do luận án thiết lập ..135 4.3.4. So sánh kết quả tính chiều cao sóng khi sử dụng công thức của các tác giả khác và của luận án. ................................................................................................137 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................139 1. KẾT LUẬN .........................................................................................................139 1.1. Các kết quả đã đạt được của luận án ................................................................139 1.2. Các tồn tại và hạn chế của luận án ...................................................................141 2. KIẾN NGHỊ ........................................................................................................141 3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...............................................................141 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................143 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................151 PHỤ LỤC.........................................................................................................................152 PL.1. Giá trị độ sâu ngập, vận tốc dòng chảy hạ lưu tại x= 400m ...............152 PL.2. Lý thuyết hồi quy, phân tích và đọc kết quả hồi quy tuyến tính bội trong IBM SPSS Statistics 20 ....................................................................................156 PL.3. Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý vỡ đập Sơn La .............................167
vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ phân loại đập .....................................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ khi vỡ đập .........................................................................................9 Hình 1.3. Các thông số của vết vỡ (mặt cắt A-A) .....................................................10 Hình 1.4. Các loại sóng gián đoạn ............................................................................11 Hình 1.5. Sóng gián đoạn truyền trên lòng dẫn trong sự cố vỡ đập Swar Chaung – Myannma năm 2018 ................................................................................12 Hình 1.6. Tỉ lệ vỡ đập trên thế giới qua các giai đoạn ..............................................13 Hình 1.7. Tỉ lệ vỡ đập tại các khu vực trên thế giới ..................................................13 Hình 1.8. Tỉ lệ vỡ đập theo nghiên cứu của Limin Zhang et al (2016).....................14 Hình 1.9. Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập trên thế giới ........................................16 Hình 1.10. Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập tại Việt Nam .....................................17 Hình 1.11. Một số sự cố vỡ đập bê tông ...................................................................20 Hình 1.12. Sơ đồ đặc trưng sóng vỡ đập trên kênh có độ dốc i =0 ..........................24 Hình 1.13. Các dạng sơ đồ bố trí thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm .................26 Hình 1.14. Mặt cắt vết vỡ dạng hình chữ nhật ........................................................26 Hình 1.15. Mặt cắt vết vỡ dạng hình thang ..............................................................26 Hình 1.16. Hệ thống ròng rọc nâng hạ tấm chắn tạo đập .........................................27 Hình 1.17. Sóng gián đoạn được tạo ra khi sử dụng vật cản ....................................28 Hình 1.18. Sóng gián đoạn được tạo ra khi không sử dụng vật cản .........................28 Hình 1.19. Hình dạng sóng thu được (a) từ ảnh chụp, (b) qua xử lý ........................29 Hình 1.20. Quá trình phát triển vết vỡ của đập Hòa Bình ........................................29 Hình 1.21. Mô hình mô phỏng và so sánh kết quả thu được từ các mô hình mô phỏng [35] ...........................................................................................................33 Hình 1.22. So sánh mặt nước giữa thực đo RANS và SWE tại các thời điểm T............33 Hình 1.23. So sánh độ ngập sâu ban đầu với mố nhám hình thang A ......................34 Hình 1.24. So sánh kết quả (a) thực nghiệm với (b) mô hình số (ℎℎ /𝐻=0,1) ..........35 Hình 1.25. Sơ đồ truyền sóng gián đoạn ở hạ lưu lòng dẫn .....................................36 Hình 2.1. Dòng chảy qua vết vỡ................................................................................44
viii Hình 2.2. Phạm vi xây dựng mô hình Sơn La ...........................................................56 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên MHVL của luận án ......................................57 Hình 2.4. Mô hình vật lý vỡ đập bê tông ..................................................................57 Hình 2.5. Máng lường đo lưu lượng vỡ đập đặt tại hạ lưu .......................................58 Hình 2.6. Đập hình thang ..........................................................................................60 Hình 2.7. Máy tính và thiết bị đo tín hiệu sóng gián đoạn ........................................61 Hình 2.8. Gia công và lắp đặt thiết bị tạo vết vỡ ......................................................62 Hình 2.9. Thiết bị mô phỏng vỡ đập .........................................................................62 Hình 2.10. Vận hành thiết bị .....................................................................................62 Hình 2.11. Các lựa chọn mô hình dòng rối ...............................................................65 Hình 2.12. Sơ đồ các bước thực hiện mô hình Flow-3D ..........................................67 Hình 2.13. Các khu vực mô phỏng được thiết lập và tạo dựng trong phần mềm SketchUp ..................................................................................................67 Hình 2.14. Phạm vi thiết lập mô phỏng trên mô hình Flow-3D ...............................68 Hình 2.15. Phạm vi mô phỏng và miền lưới tính toán ..............................................68 Hình 2.16. Mặt bằng lưới tính toán ...........................................................................68 Hình 2.17. Điều kiện biên của mô hình ....................................................................69 Hình 2.18. Vị trí xác định trên mô hình vật lý (MHVL) tại x=400m .......................71 Hình 2.19. Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu trên MHVL và Flow-3D ..............71 Hình 2.20. Độ sâu và lưu tốc dòng chảy tại điểm x=400m.......................................71 Hình 3.1. Sơ đồ tính toán các đặc trưng sóng gián đoạn ..........................................75 Hình 3.2. Hình dạng chia các khối ............................................................................78 Hình 3.3. Hình dạng các khối đập được thi công và lắp dựng ..................................78 Hình 3.4. Dòng chảy làm các khối đập di chuyển ....................................................79 Hình 3.5. Các khối đập bị trôi nhìn từ thượng lưu ....................................................79 Hình 3.6. Kết cấu tạo vết vỡ khi mô phỏng vỡ đập bê tông .....................................81 Hình 3.7. Quá trình truyền sóng khi vỡ đập ..............................................................83 Hình 3.8. Hình dạng sóng ở thượng lưu với B=0,5 và hf
ix Hình 3.11. Sơ đồ tính chiều dài sóng dọc (Lsd) và sóng ngang (Lsn) ........................88 Hình 3.12. Mối quan hệ giữa X~T theo Y ................................................................88 Hình 3.13. Quá trình truyền sóng vỡ đập tại hạ lưu ................................................103 Hình 3.14. Quá trình truyền sóng trên mô hình vật lý ............................................103 Hình 3.15. Kiểm tra độ tin cậy của bộ số liệu sử dụng ...........................................106 Hình 3.16. Mạng Nơ ron nhân tạo các biến độc lập tác động lên mf ......................107 Hình 3.17. Mạng Nơ ron nhân tạo thể hiện quan hệ giữa các biến ℎℎ, 𝐵, ℎ𝑤 .112 Hình 3.18. Mối quan hệ giữa hw ~hh ứng với các trường hợp B khi dòng chảy qua vết vỡ là chảy tự do ................................................................................113 Hình 3.19. Mạng Nơ ron nhân tạo thể hiện quan hệ giữa các biến hh,B, hw..116 Hình 3.20. Mối quan hệ giữa hw ~hh ứng với các trường hợp B khi dòng chảy qua vết vỡ là chảy ngập ................................................................................117 Hình 3.21. Vị trí xây dựng đập ...............................................................................119 Hình 3.22. Mặt bằng và cắt ngang 2 phương án đập chính ....................................119 Hình 3.23. Đập khi mới hoàn thành ........................................................................120 Hình 3.24. Vị trí các vết vỡ sự cố đập Gleno- Italia 1923 ......................................120 Hình 3.25. Phần Gleno còn sót lại đến ngày nay ....................................................121 Hình 3.26. So sánh địa hình mô phỏng bằng DEM và địa hình thực tế..................122 Hình 3.27. Vị trí mặt cắt trong nghiên cứu của Marco Pilotti và cs [57]...............124 Hình 4.1. Phối cảnh đầu mối hồ chứa nước sông Chò 1 .........................................130 Hình 4.2. Hiện trạng công trình đầu mối HCN sông Chò 1- Tháng 6/2024 ...........130
x DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thống kê tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập ....................................................18 Bảng 1.2. Nguyên nhân gây vỡ đập bê tông [55]......................................................19 Bảng 1.3. Các thông số vết vỡ của đập bê tông [56] ................................................20 Bảng 1.4. Công thức xác định lưu lượng lớn nhất thoát qua vết vỡ .........................38 Bảng 2.1. So sánh kết quả tính toán mô hình toán và mô hình vật lý .......................70 Bảng 3.1. Bảng các thông số xác định trên mô hình .................................................74 Bảng 3.2. Các trường hợp và kịch bản nghiên cứu của luận án ................................76 Bảng 3.3. Bộ số liệu quan hệ X~ T ...........................................................................89 Bảng 3.4. Phân định chế độ chảy qua vết vỡ trường hợp hh=0 .............................92 Bảng 3.5. Phân định chế độ chảy qua vết vỡ trường hợp hh>0 .............................96 Bảng 3.6. Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu ........................................................98 Bảng 3.7. Kết quả hệ số lưu lượng qua vết vỡ ứng với một số trường hợp ............104 Bảng 3.8. Kết quả tính toán, mô phỏng thông số vỡ đập Sơn La ...........................105 Bảng 3.9. Tầm quan trọng của các biến độc lập trong quan hệ với mf ...................107 Bảng 3.10. Chiều cao sóng gián đoạn khi dòng chảy qua vết vỡ là dòng chảy tự do .109 Bảng 3.11. Tầm quan trọng của các biến độc lập tác động lên hw ......................112 Bảng 3.12. Giá trị các hệ số theo dạng hàm trong công thức xác định hw ..............114 Bảng 3.13. Chiều cao sóng gián đoạn khi dòng chảy qua vết vỡ là dòng chảy ngập ..115 Bảng 3.14. Mức độ đóng góp của các biến độc lập tác động lên ℎ𝑤 ...................116 Bảng 3.15. Giá trị các hệ số theo dạng hàm trong công thức xác định hw ..............118 Bảng 3.16. So sánh giá trị mực nước tại một số vị trí trên lòng dẫn hạ lưu ...........122 Bảng 3.17. Lưu lượng lớn nhất qua vết vỡ tính theo công thức luận án .................125 Bảng 3.18. So sánh chiều cao sóng gián đoạn ........................................................125 Bảng 4.1. Thông số thủy văn và thông số hồ chứa của công trình .........................129
xi Bảng 4.2. Thông số đập chính của Hồ chứa nước Sông Chò 1 ..............................131 Bảng 4.3. Các thông số công trình hồ chứa nước sông Chò 1 ................................133 Bảng 4.4. Các thông số kích thước vết vỡ giả định ................................................134 Bảng 4.5. Chiều cao sóng gián đoạn hồ chứa nước sông Chò 1 .............................135 Bảng 4.6. Kết quả tính toán chiều cao sóng lớn nhất ..............................................136
xii CÁC ĐỊNH NGHĨA DÙNG TRONG LUẬN ÁN - Vỡ đập: là hiện tượng một con đập mất khả năng kiểm soát và giải phóng một lượng nước “không thể chủ động khống chế được”. - Sóng liên tục là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi chậm. - Sóng gián đoạn: là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi nhanh. - Sóng đầu bẹt: là sóng do vỡ đập gây ra khi hạ lưu không có nước (hạ lưu khô), chiều cao sóng hạ thấp dần từ vết vỡ đến vị trí khảo sát trên lòng dẫn. - Sóng thuận: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy. - Sóng nghịch: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy. - Sóng dương: là sóng truyền đi làm tăng cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng âm: là sóng truyền đi làm giảm cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng thuận – dương: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm tăng cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng thuận – âm: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm giảm cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng nghịch – dương: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm tăng cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng nghịch – âm: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm giảm cao độ mực nước dòng chảy. - Sóng ban đầu: là sóng gián đoạn xuất hiện đầu tiên trên lòng dẫn. - Chiều dài sóng thượng lưu: là khoảng cách tính từ mép vết vỡ thượng lưu đến vị trí đỉnh sóng trên lòng hồ tại thời điểm xác định. - Chiều dài sóng hạ lưu: là khoảng cách tính từ mép vết vỡ hạ lưu đến vị trí đỉnh sóng trên lòng dẫn tại thời điểm xác định. - Bề rộng sóng: là khoảng cách giữa 2 mép ngoài cùng của sóng gián đoạn tại thời điểm xác định, tính theo phương vuông góc với chiều dòng chảy. - Chiều cao ban đầu sóng gián đoạn: là chiều cao sóng lớn nhất khi bắt đầu xuất hiện trên kênh hạ lưu. - Tỷ lệ vỡ đập: là số đập xảy ra sự cố so với số đập đã xây dựng được thống kê tại cùng một thời điểm.
xiii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT -B : Chiều rộng toàn đập (m); - Bf : Chiều rộng vết vỡ (m); - Bav : Chiều rộng trung bình của vết vỡ dạng hình thang (m); - Bld : Chiều rộng lòng dẫn (m); -b : Chiều rộng đáy vết vỡ (m); -E : Năng lượng sóng (m); -F : Ngoại lực tác dụng lên khối nước (N); -H : Cột nước thượng lưu, độ chênh giữa mực nước thượng lưu trước khi vỡ đập với đáy lòng dẫn, H = ZTL - Zđ (m), đã xét đến lưu tốc tới gần. - H* : Cột nước thượng lưu sau khi vỡ đập, độ chênh giữa mực nước thượng lưu sau khi vỡ đập với đáy lòng dẫn, H = Z*TL - Zđ (m), đã xét đến lưu tốc tới gần. - Hđ : Chiều cao đập; Tính từ cao trình đỉnh đập đến cao trình đáy lòng dẫn (m) H = Zdd - Zd (m); - Hf : Chiều cao cột nước trên vết vỡ; Tính từ cao trình mực nước thượng lưu đến cao trình đáy vết vỡ, Hf = ZTL - Zf (m); - hf : Chiều cao vết vỡ (tính từ cao trình đỉnh đập đến cao trình đáy vết vỡ, hf = Zdd - Zf) (m); - hh : Độ sâu mực nước hạ lưu (độ sâu dòng chảy hạ lưu trước khi vỡ đập hh = Zh - Zd (m); - hw : Chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn (m); - h : Chênh mực nước thượng hạ lưu (h=ZTL-Zh) (m); - Lsd : Chiều dài sóng gián đoạn thượng lưu tại thời điểm T. - Lsn : Bề rộng sóng gián đoạn thượng lưu tại thời điểm T. -m : Hệ số lưu lượng qua công trình (-); - mf : Hệ số lưu lượng qua vết vỡ (-);
xiv -P : Chiều cao phía thượng lưu tràn (độ chênh giữa cao trình đỉnh ngưỡng tràn với cao trình đáy kênh thượng lưu) (m); - Qp : Lưu lượng qua vết vỡ tại thời điểm vỡ đập (m3/s); -t : Thời gian truyền sóng (s); - tf : Thời gian vỡ đập- đối với đập bê tông (s); Thời gian phát triển vết vỡ - đối với đập vật liệu địa phương. - us : Vận tốc truyền sóng gián đoạn (m/s); - Vf : Thể tích khối nước trên vết vỡ (m3); - Vl : Thể tích hồ chứa (m3); - v1 : Vận tốc dòng chảy sau khi sóng gián đoạn đi qua (m/s); - v2 : Vận tốc dòng chảy ban đầu (khi đập chưa vỡ) (m/s); - vs : Vận tốc lớn nhất của sóng gián đoạn (m/s). - x, y, z : Tọa độ theo các phương dọc, ngang và đứng; - Zd : Cao trình đáy lòng dẫn (m); - Zdd : Cao trình đỉnh đập (m); - Zds : Cao trình đỉnh sóng gián đoạn lớn nhất (m); - Zf : Cao trình đáy vết vỡ (m); - Zh : Cao trình mực nước hạ lưu (m); - ZTL : Cao trình mực nước thượng lưu (m); - 𝑇 : Hệ số thời gian tương đối của quá trình vỡ đập; -𝐵 : Hệ số chiều rộng tương đối của vết vỡ; - ℎ 𝑓 : Hệ số chiều chiều cao tương đối của vết vỡ; -  ℎℎ : Hệ số chiều sâu tương đối của mực nước hạ lưu; - ℎ 𝑤 : Hệ số chiều rộng tương đối của sóng gián đoạn; - s : Chiều dài bước sóng do dòng chảy qua vết vỡ gây ra tại hạ lưu công trình (m); - 1; 2 : Diện tích mặt cắt ướt trước và sau khi sóng gián đoạn đi qua (m2); - cs : Cộng sự;
xv - 1D : Mô hình 1 chiều; - 2D : Mô hình 2 chiều; - 3D : Mô hình 3 chiều; - CT : Công thức; - ICOLD : Hội đập lớn thế giới; - MARD : Bộ Nông Nghiệp và phát triển Nông thôn; - MHVL : Mô hình vật lý; - MOIT : Bộ Công Thương; - NĐ-CP : Nghị định - Chính phủ; - TCKT : Tiêu chuẩn kỹ thuật; - TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam; - SPSS : Phần mềm IBM SPSS Statistics 20;
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Đập là công trình ngăn và giữ nước được xây dựng từ hàng nghìn năm trước. Khi đập xảy ra sự cố vỡ, sẽ gây ra những thiệt hại to lớn về người, tài sản và hệ thống cơ sở hạ tầng. Theo Tạp chí Sông suối Quốc tế (International Rivers), tính đến 2021, thế giới có trên 57.000 đập chiều cao lớn hơn 15,0m; ghi nhận trên 2.000 sự cố vỡ đập, riêng trong thế kỷ 20, đã ghi nhận khoảng 200 sự cố vỡ đập, làm chết hơn 8.000 người và thiệt hại rất nhiều về tài sản. Một số sự cố vỡ đập tiêu biểu trên thế giới như Sự cố đập Bản Kiều (tháng 8/1975); đập Âm Dương Khỏa (ngày 13/2/1983), đập Gleno (Italia, ngày 01/12/1923); đập Malpaset (Pháp, ngày 29/11/1959)… tại Việt Nam cũng ghi nhận một số sự cố như đập Suối Hành (Khánh Hòa – tháng 12/1986), đập Am Chúa (Khánh Hòa - tháng10/1989; tháng 10/1990), đập Ia Krel 2 (Gia Lai - ngày 2/6/2013), đập Đakrong 3 (Quảng Trị - tháng 10/2012), đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh – tháng 10/2014)… Vấn đề vỡ đập đã được các nhà nghiên cứu quan tâm từ sớm, các nghiên cứu tập trung vào quá trình hình thành và phát triển vết vỡ, công thức xác định lưu lượng qua vết vỡ (Qp), thời gian vỡ đập (t)… cho đập được xây dựng bằng vật liệu rời. Đối với đập bê tông quá trình vỡ đập xảy ra nhanh chóng, tức thời hình thành sóng gián đoạn tại hạ lưu, gây ra những tác động tiêu cực, đối với đập bê tông các nghiên cứu tập trung vào xác định các thông số của sóng gián đoạn. Các nghiên cứu thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau từ lý thuyết, mô hình thực nghiệm, mô hình bán thực nghiệm, mô hình số đến quan trắc, đo đạc thực tế. Bằng cách tiếp cận khác nhau, các nhà khoa học đã phát hiện và đi sâu phân tích các đặc tính của sóng gián đoạn tại hạ lưu như hình dạng sóng, quá trình truyền sóng, chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn. Với phương pháp số, các lời giải gần đúng được đưa ra khi giả thiết điều kiện biên và bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng. Với mô hình vật lý và mô hình số, các nghiên cứu chưa xét đến yếu tố kích thước vết vỡ,
2 tương quan giữa hình dạng, kích thước vết vỡ với mực nước thượng lưu, hạ lưu và bề rộng lòng dẫn hạ lưu công trình. Các nghiên cứu thực hiện trên mô hình 2D bị giới hạn về không gian mô phỏng, kích thước vết vỡ, nghiên cứu trường hợp đập bị vỡ toàn bộ chiều cao đập mà chưa xét đến các trường hợp đập vỡ một phần chiều cao. Thiết bị mô phỏng vỡ đập được di chuyển từ dưới lên bằng hệ thống ray và ròng rọc, ảnh hưởng đến dòng chảy ban đầu khi vỡ đập. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho đến nay chưa đề cập đến sóng gián đoạn xuất hiện tại thượng lưu khi vỡ đập. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trên mô hình vật lý, thiết lập và mô phỏng bài toán bằng phần mềm Flow-3D, luận án sẽ tập trung nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện tiếp các nghiên cứu trước đây trong tính toán, phân tích về các đặc trưng của sóng gián đoạn khi vỡ đập có kể tới các yếu tố: sự thay đổi kích thước vết vỡ; sự biến đổi mực nước thượng, hạ lưu trong không gian ba chiều. Từ đó, mô tả hình dạng, quá trình truyền sóng, mối quan hệ giữa chiều dài sóng với bề rộng sóng; Thiết lập mối tương quan xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn có độ chính xác tốt, tiếp cận với thực tế. Việc xác định các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập giúp chúng ta biết được phạm vi, mức độ ảnh hưởng, thời gian truyền sóng, khi công trình xảy ra sự cố. Đồng thời giúp các nhà quản lý, hoạch định thấy được bức tranh khái quát hơn khi ra quyết định đầu tư xây dựng dự án nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng đến hạ du. Do đó, nghiên cứu đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập là cấp thiết và có tính khoa học, thực tiễn. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Phân tích, mô tả hình dạng, sự lan truyền và phạm vi ảnh hưởng của sóng gián đoạn tại thượng lưu vết vỡ (hồ chứa); chế độ dòng chảy, hình dạng, sự lan truyền sóng gián đoạn tại hạ lưu vết vỡ (lòng dẫn hạ lưu); - Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao sóng ban đầu với kích thước vết vỡ và mực nước thượng lưu, hạ lưu khi vỡ đập;
3 - Xây dựng mối tương quan, xác định hệ số lưu lượng của dòng chảy qua vết vỡ mf theo các kịch bản kích thước vết vỡ khác nhau. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Khi xảy ra sự cố vỡ đập, dạng vật liệu xây dựng đập sẽ quyết định hình dạng vết vỡ, quá trình hình thành và phát triển vết vỡ. Đối với đập vật liệu địa phương (như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp...) tốc độ mở rộng vết vỡ diễn ra trong một thời gian T nhất định, khi đó lưu lượng sẽ thoát dần qua vết vỡ xuống hạ lưu gây ra ngập lụt trên diện rộng vùng hạ du. Đối với đập bê tông (đập vòm, đập bê tông trọng lực, đập bê tông đầm lăn...) khi xảy ra sự cố đập sẽ bị vỡ và phá hủy trong một thời gian rất ngắn, tại thời điểm vỡ đập một lượng lưu lượng lớn đột ngột chuyển qua vết vỡ xuống hạ lưu gây ra các thiệt hại lớn về người và tài sản. Do đó, vỡ đập bê tông có sức tàn phá và nguy hơn hơn vỡ đập vật liệu địa phương. - Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy khi vỡ đập bê tông. - Phạm vi nghiên cứu: + Không xét đến sự biến hình lòng dẫn. + Kênh hạ lưu đáy bằng, hệ số mái kênh m=1. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Tổng hợp và phân tích các vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu; các phương pháp mô phỏng vết vỡ, thu thập số liệu, thiết lập công thức tính toán các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý: Thiết kế, xây dựng và thí nghiệm trên mô hình vật lý về sự cố vỡ đập bê tông với các phương án khác nhau nhằm thu được đặc trưng sóng gián đoạn. - Phương pháp nghiên cứu bằng số trị (Mô hình toán): Thiết kế, xây dựng mô hình vỡ đập bằng phần mềm Flow-3D; tính toán với các kịch bản khác nhau nhằm phân tích, xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn.