BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
PHẠM THỊ HƯƠNG
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÓI MẶT CỦA ĐẬP ĐẤT KHI
NƯỚC TRÀN ĐỈNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số chuyên ngành: 62.58.02.02
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Nguyễn Chiến
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
vào lúc giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đập đất ở Việt Nam chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng số các con đập đã được xây
dựng (khoảng 90% số hồ chứa thủy lợi là đập đất). Phần lớn các đập đất ở nước
ta có tuổi thọ từ 30 đến 40 năm nên yêu cầu về thiết kế thấp (lũ nhỏ). Ngày nay,
do ảnh hưởng của nhiều yếu tố làm cho thời tiết cực đoan, mưa lớn, lũ lớn dẫn
đến dễ gây ra nước tràn đỉnh đập. Hầu hết các đập nhỏ không đáp ứng được
tiêu chuẩn lũ hiện nay, khả năng nước tràn qua đỉnh đập khi có lũ là rất lớn.
Sự phát triển của xói trên bề mặt đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên
nhân chủ yếu dẫn đến vỡ đập. Hiểu được cơ chế xói là chìa khóa để giải thích
hiện tượng xói lở và có thể dự báo sự cố vỡ đập đất khi nước tràn đỉnh. Vì vậy
đề tài “Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đỉnh” là rất cần
thiết góp phần đánh giá an toàn và cảnh báo khả năng vỡ của đập đất cũng như
dự đoán khả năng tự vỡ của các đập tràn sự cố kiểu đập đất tự vỡ trong mùa
mưa lũ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng được công thức thực nghiệm tính tốc độ xói của đất dưới tác dụng
của dòng chảy cho một số loại đất thường dùng để đắp đập ở Việt Nam. Các
công thức này làm dữ liệu đầu vào cho chương trình tính toán mô phỏng vỡ đập
đất khi nước tràn đỉnh – chương trình EMBANK.
Giải thích cơ chế vỡ đập và xây dựng các biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ
của đập khi nước tràn đỉnh cho một số loại đất đắp đập với cột nước tràn đỉnh
thay đổi, nhằm phục vụ cảnh báo nguy cơ vỡ đập cho vùng hạ du.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Luận án tập trung nghiên cứu hiện tượng nước tràn đỉnh của các
đập đất trong điều kiện Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
2
- Các loại đất đắp đập có tính dính khác nhau, từ ít dính (lực dính C = 0,16 ÷
0,19 kG/cm2) đến đất có tính dính lớn (lực dính C = 0,24 ÷ 0,30 kG/cm2).
- Các đập đất có chiều cao phổ biến ở Việt Nam Hđ = 5 ÷ 30m.
- Cột nước tràn trên đỉnh đập đất có khả năng xảy ra ở Việt Nam Ht = 0,2 ÷
1,4m.
- Bài toán phẳng: nghiên cứu vỡ đập theo phương đứng, không xét theo phương
ngang.
- Chỉ nghiên cứu giai đoạn xói bề mặt cho đến khi đập bắt đầu bị vỡ (giai đoạn
đầu của quá trình vỡ đập).
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kế thừa
Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp mô hình toán
Phương pháp chuyên gia
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Lần đầu tiên ở Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu xói mẫu
đất trên máng thủy lực kiểu Fujisawa. Từ đó đưa ra kết quả xác định tốc độ xói
mái đập đất.
Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả nghiên cứu giúp xác định quá trình vỡ đập để
quản lý an toàn đập, cảnh báo ngập lụt hạ du và tính toán thiết kế tràn sự cố
kiểu đập đất tự vỡ trên ngưỡng tràn.
3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI ĐẬP
ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
1.1 Tổng quan về an toàn của đập vật liệu địa phương khi nước tràn
đỉnh
Đắp đập tạo ra các hồ chứa được biết đến như là phương pháp hiệu quả nhất để
quản lý, khai thác tổng hợp và sử dụng hiệu quả nguồn nước. Theo thống kê
của ICOLD cho 58.519 đập trên toàn thế giới thì đập vật liệu địa phương chiếm
76%, trong đó 63% là đập đất. Các thống kê khác nhau trên thế giới đều thống
nhất chỉ ra rằng những hư hỏng xuất hiện ở đập vật liệu địa phương (chủ yếu là
đập đất) chiếm phần lớn trong tổng số các hư hỏng đập đã được thống kê.
Các nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng của đập đất bao gồm: các nguyên
nhân do dòng thấm gây nên, sụt lún biến dạng, nước tràn đỉnh đập, v.v.., trong
đó nước tràn đỉnh đập là nguyên nhân chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng số các
nguyên nhân gây ra sự cố đập (ICOLD 1995, Foster 2000, Costa 1985). Ở Việt
Nam, theo thống kê trong ‘‘Tiêu chí đánh giá an toàn đập đất’’ của Phạm Ngọc
Quý, trong tổng số các đập đất bị vỡ, thì vỡ do mực nước lũ vượt thiết kế tràn
qua đỉnh đập chắn chiếm tới 59%.
1.2 Tổng quan về cơ chế xói và vỡ đập
1.2.1 Cơ chế xói
Trong trường hợp đập đất bị nước tràn qua đỉnh, dòng chảy lưu tốc lớn trên bề
mặt mái hạ lưu đập sẽ gây ra xói. Xói bắt đầu xảy ra khi ứng suất cắt sinh ra do
dòng chảy vượt quá ứng suất cắt tới hạn của vật liệu.
Theo J.L.Briaud và các cộng sự 2007, đối với đất dính lực tác dụng lên một hạt
đất bao gồm trọng lượng của hạt, lực điện từ và lực điện tĩnh, lực tương tác
giữa các hạt đất, và áp lực nước xung quanh hạt, trong trường hợp nước chảy
với vận tốc nào đó sẽ có thêm ứng suất cắt xung quanh hạt đất. Cơ chế xói của
đất dính có thể là sự bào mòn dần của các lớp hạt, cũng có thể là sự hình thành
vết cắt và dòng chảy đưa đi cả một khối đất, giới hạn của các khối đất này được
