Luận án Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đỉnh

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 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: 62.58.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái 2. GS.TS Nguyễn Chiến HÀ NỘI, NĂM 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Phạm Thị Hương ii LỜI CÁM ƠN Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái, GS.TS Nguyễn Chiến đã hướng dẫn tận tình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học, Phòng Khoa học công nghệ Trường Đại học Thủy Lợi và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án. Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................... 3 6. Cấu trúc của luận án .............................................................................................. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH ................................................................... 5 1.1 Tổng quan về an toàn của đập vật liệu địa phương khi nước tràn đỉnh ................... 5 1.1.1 Tổng quan chung ............................................................................................... 5 1.1.2 Một số ví dụ điển hình về sự cố vỡ đập do tràn đỉnh.......................................... 6 1.2 Tổng quan về cơ chế xói và vỡ đập ..................................................................... 12 1.2.1 Cơ chế xói ....................................................................................................... 12 1.2.2 Cơ chế vỡ đập đất............................................................................................ 14 1.3 Tình hình nghiên cứu cơ chế vỡ đập .................................................................... 15 1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới .................................................................................. 15 1.3.2 Nghiên cứu ở Việt Nam .................................................................................. 29 1.4 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu ........................................................... 32 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 33 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ TỐC ĐỘ XÓI ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH .................................................... 34 2.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................................... 34 2.2 Các công thức tính tốc độ xói .............................................................................. 36 2.3 Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng suất cắt tới hạn và tốc độ xói của đất ................................................................................................................. 42 2.3.1 Phương pháp thí nghiệm xói HET [27] ............................................................ 43 2.3.2 Phương pháp thí nghiệm xói JET [27] ............................................................. 44 2.3.3 Thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực [28] ............................................. 45 2.3.4 Nhận xét .......................................................................................................... 47 2.4 Mô hình toán EMBANK ..................................................................................... 48 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 52 iv CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH THỜI GIAN VỠ CỦA ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH ........................ 54 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 54 3.2 Phân loại đất theo khả năng chống cắt ................................................................. 54 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế vỡ của đập đất khi nước tràn đỉnh ..................... 59 3.3.1 Xây dựng mô hình ........................................................................................... 59 3.3.2 Phân tích kết quả ............................................................................................. 63 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng công thức tính tốc độ xói của đất .................. 65 3.4.1 Chế tạo thiết bị thí nghiệm .............................................................................. 65 3.4.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ................................................................................ 71 3.4.3 Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................... 72 3.4.4 Xây dựng công thức thực nghiệm .................................................................... 76 3.5 Xây dựng biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ của đập (Tv) khi nước tràn đỉnh 78 3.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc mái hạ lưu đến thời gian bắt đầu vỡ đập .... 78 3.5.2 Xây dựng đồ thị .............................................................................................. 79 3.6 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 82 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VỠ CỦA ĐẬP ĐẦM HÀ ĐỘNG – QUẢNG NINH KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH ................................................ 84 4.1 Giới thiệu công trình ........................................................................................... 84 4.2 Sự cố xói mái đập chính và vỡ đập phụ số 2 mùa lũ năm 2014 ............................ 85 4.2.1 Nguyên nhân sự cố .......................................................................................... 85 4.2.2 Thời điểm, diễn biến lũ gây sự cố công trình ................................................... 86 4.2.3 Hiện trạng công trình sau lũ ............................................................................ 86 4.3 Tính toán xói và mô phỏng quá trình vỡ đập ....................................................... 88 4.3.1 Mặt cắt tính toán ............................................................................................. 88 4.3.2 Mực nước tính toán ......................................................................................... 92 4.3.3 Kết quả tính toán xói và vỡ đập ....................................................................... 93 4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 108 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 110 I. Kết quả đạt được của luận án ................................................................................ 110 1. Nghiên cứu tổng quan .......................................................................................... 110 2. Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................................... 110 3. Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế ........................................................ 111 II. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 112 III. Tồn tại và hướng phát triển ................................................................................ 112 1. Tồn tại ................................................................................................................. 112 2. Hướng phát triển .................................................................................................. 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 115 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 119 v Phụ lục A. Hình ảnh thí nghiệm nghiên cứu cơ chế vỡ đập ...................................... 119 Phụ lục A – 1. Đập đắp bằng đất A – Trường hợp cột nước tràn H = 15cm .............. 119 Phụ lục A – 2. Đập đắp bằng đất C – Trường hợp cột nước tràn H = 7cm ................ 122 Phụ lục B. Kết quả thí nghiệm đo tốc độ xói đất ...................................................... 124 Phụ lục B - 1. Kết quả đo tốc độ xói đất A ............................................................... 124 Phụ lục B - 2. Kết quả đo tốc độ xói đất B ............................................................... 126 Phụ lục B - 3. Kết quả đo tốc độ xói đất C ............................................................... 129 Phụ lục C. Số liệu và kết quả tính toán diễn biến sự cố Đầm Hà Động bằng mô hình toán EMBANK ........................................................................................................ 131 Phụ lục C – 1. File số liệu đập chính ........................................................................ 131 Phụ lục C – 2. File số liệu đập phụ 2 ........................................................................ 133 Phụ lục C – 3. Kết quả tính toán cho đập chính ........................................................ 135 Phụ lục C – 4. Kết quả tính toán cho đập phụ 2 ........................................................ 143 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Đập Tous sau khi vỡ .................................................................................... 7 Hình 1. 2. Đập Delhi bị vỡ và dòng nước cuồn cuộn chảy về hạ lưu. ........................... 8 Hình 1. 3. Phần đập đất bị xói hết, chỉ còn lại phần bê tông ......................................... 8 Hình 1. 4. Đập Bản Kiều ngày nay và tràn xả lũ đã được khôi phục lại ........................ 9 Hình 1. 5. Vỡ đập Đồng Đáng – Thanh Hóa, ngày 1/10/2013 (nguồn Internet) .......... 10 Hình 1. 6. Vỡ đập Phân Lân – Vĩnh Phúc, ngày 3/8/2013 (nguồn Internet) ................ 11 Hình 1. 7. Vỡ đập phụ số 2, Đầm Hà Động – Quảng Ninh, ngày 30/10/2014 (nguồn Internet) ..................................................................................................................... 11 Hình 1. 8. Xói mái hạ lưu đập chính, Đầm Hà Động – Quảng Ninh, ngày 30/10/2014 (nguồn Internet) ......................................................................................................... 12 Hình 1. 9. Lực và áp lực tác động lên hạt [11] ........................................................... 13 Hình 1. 10. Cơ chế xói của đất hạt rời [11] ................................................................ 13 Hình 1. 11. Sự di chuyển của điểm Froude giới hạn ................................................... 18 Hình 1. 12. Kết quả thí nghiệm xói đập đất ít dính của C. Chinnarasri và các cộng sự, năm 2003 [23] ........................................................................................................... 18 Hình 1. 13 Kết quả thí nghiệm xói đập đất dính của Powledge và đồng nghiệp, năm 1989 [24] ................................................................................................................... 19 Hình 1. 14. Kết quả thí nghiệm xói theo 2 phương pháp HET và JET thực hiện tại Bureau of Reclamation, năm 2007 [27] ...................................................................... 22 Hình 1. 15. Chiều cao mất đi của mẫu đất thí nghiệm theo thời gian [28] .................. 23 Hình 1. 16. Quan hệ giữa tốc độ xói đất và ứng suất cắt sinh ra do dòng chảy [28] .... 24 Hình 1. 17. Các thiết bị phục vụ thí nghiệm tại trường đại học Colorado [25] ............ 27 Hình 1. 18. Thi công đập đất thí nghiệm (tỷ lệ 1:1) [25] ............................................ 28 Hình 1. 19. Biểu đồ so sánh tốc độ xói tính toán bằng phần mềm EMBANK và tốc độ xói đo đạc từ thí nghiệm [25] ..................................................................................... 29 Hình 1. 20. Cơ chế xói vỡ ban đầu của tràn sự cố Sông Hinh- Phú Yên [36] .............. 31 Hình 1. 21. Cơ chế xói vỡ của tràn sự cố thủy điện Trung Sơn – Thanh Hóa [37] ...... 31 Hình 2. 1. So sánh giữa tốc độ xói đo đạc và số liệu tính toán theo công thức của Wiggert & Contractor [39] ......................................................................................... 37 Hình 2. 2. So sánh giữa tốc độ xói đo đạc và tốc độ xói tính toán theo công thức của Cristofano [40] .......................................................................................................... 38 Hình 2. 3. So sánh giữa tốc độ xói đo đạc và tốc độ xói tính toán theo công thức của Ariathurai & Arulanandan [41] .................................................................................. 38 Hình 2. 4. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt tới hạn và chỉ số dẻo [48] ..................... 42 Hình 2. 5. Thiết bị thí nghiệm xói tiêu chuẩn HET [27] ............................................. 43 Hình 2. 6. Thiết bị thí nghiệm xói JET [27] ............................................................... 45 Hình 2. 7. Thiết bị thí nghiệm xói của Fujisawa [28] ................................................. 46 Hình 2. 8. Thiết bị điều khiển mẫu đất [28] ................................................................ 46 Hình 2. 9. Sơ đồ thí nghiệm xói của Fujisawa [28]..................................................... 47 vii Hình 2. 10. Sơ đồ khối chương trình EMBANK ........................................................ 50 Hình 3. 1. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất .......................................... 58 Hình 3. 2. Đường cong cấp phối hạt của đất A ........................................................... 58 Hình 3. 3. Đường cong cấp phối hạt của đất B ........................................................... 58 Hình 3. 4. Đường cong cấp phối hạt của đất C ........................................................... 59 Hình 3. 5. Sơ đồ khu thí nghiệm ................................................................................ 61 Hình 3. 6. Mô hình đập đất và các thiết bị quan sát .................................................... 61 Hình 3. 7. Hình ảnh mô hình đập sau khi thi công xong ............................................. 62 Hình 3. 8. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập sau mỗi phút – Trường hợp cột nước tràn 15cm .......................................................................................................................... 63 Hình 3. 9. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập sau mỗi phút – Trường hợp cột nước tràn 18cm .......................................................................................................................... 64 Hình 3. 10. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập sau mỗi phút – Trường hợp cột nước tràn 7cm............................................................................................................................ 64 Hình 3. 11. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập sau mỗi phút – Trường hợp cột nước tràn 10cm .......................................................................................................................... 64 Hình 3. 12. Sơ đồ bố trí tổng thể thiết bị thí nghiệm tại khu thí nghiệm thủy lực ngoài trời của Trường Đại học Thủy lợi .............................................................................. 67 Hình 3. 13. Bố trí tổng thể thiết bị đo đạc, quan sát .................................................... 68 Hình 3. 14. Bố trí thiết bị đo vận tốc dòng chảy trên dốc nước ................................... 69 Hình 3. 15. Bố trí thước đo chiều cao xói ................................................................... 71 Hình 3. 16. Công tác chuẩn bị trước khi thí nghiệm ................................................... 72 Hình 3. 17. Thí nghiệm đo ứng suất cắt tới hạn τc ...................................................... 74 Hình 3. 18. Thí nghiệm đo tốc độ xói ......................................................................... 75 Hình 3. 19. Mẫu đất sau khi thí nghiệm ..................................................................... 75 Hình 3. 20. Đường thực nghiệm quan hệ giữa tốc độ xói E và hiệu ứng suất τ- τc của 3 loại đất ....................................................................................................................... 77 Hình 3. 21. Đồ thị xác định Tv khi nước tràn đỉnh (trường hợp H = 5m) .................... 80 Hình 3. 22. Đồ thị xác định Tv khi nước tràn đỉnh (trường hợp H = 10m) .................. 80 Hình 3. 23. Đồ thị xác định Tv khi nước tràn đỉnh (trường hợp H = 15m) .................. 81 Hình 3. 24. Đồ thị xác định Tv khi nước tràn đỉnh (trường hợp H = 20m) .................. 82 Hình 4. 1. Toàn cảnh hồ đập Đầm Hà Động (thời điểm chưa xảy ra sự cố) ................ 84 Hình 4. 2. Hạ lưu tràn xả lũ ........................................................................................ 85 Hình 4. 3. Đập chính bị hư hại nặng do nước tràn qua ............................................... 87 Hình 4. 4. Đập phụ số 2 bị vỡ .................................................................................... 88 Hình 4. 5 Mặt cắt đập chính tại vị trí xói sâu nhất ...................................................... 90 Hình 4. 6. Mặt cắt đập phụ số 2 tại vị trí vỡ ............................................................... 91 Hình 4. 7. Đường quá trình mực nước trong hồ .......................................................... 93 Hình 4. 8. Mặt cắt ngang đập phụ số 2 - Đầm Hà Động theo các bước