Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI LÂM TUẤN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN QUY MÔ CÔNG TRÌNH DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI LÂM TUẤN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN QUY MÔ CÔNG TRÌNH DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số: 9 58 02 02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN QUANG CƯỜNG 2. PGS.TS LÊ VĂN HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Nguồn tài liệu tham khảo được trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả luận án Mai Lâm Tuấn i LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện luận án, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, luận án tiến sĩ “Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở Việt Nam” được hoàn thành. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quang Cường; PGS.TS. Lê Văn Hùng đã dành nhiều công sức giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ của Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Thủy Lợi có nhiều đóng góp quý báu và đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ............. viii MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN .....................................................................6 1.1 Tầm quan trọng của công tác dẫn dòng thi công .................................................... 6 1.2 Lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán thủy lực dẫn dòng ..................8 1.2.1 Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công .................................................................. 8 1.2.2 Thời đoạn dẫn dòng thi công ..........................................................................10 1.2.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng ........................................................................... 11 1.3 Dẫn dòng thi công qua cống, đường hầm .............................................................12 1.3.1 Dẫn dòng thi công qua cống ........................................................................... 12 1.3.2 Dẫn dòng thi công qua đường hầm.................................................................15 1.4 Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng ..........................................................17 1.4.1 Dẫn dòng thi công qua đập đá đổ đang xây dựng ..........................................17 1.4.2 Dẫn dòng thi công qua đập bê tông đang xây dựng .......................................22 1.4.3 Dẫn dòng thi công qua đập đất đang xây dựng .............................................. 24 1.4.4 Dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, đường hầm .. 25 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................................. 27 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ DẪN DÒNG THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC DẪN DÒNG .................................29 2.1 Phân tích lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công ........................................29 2.1.1 Cơ sở lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công ........................................29 2.1.2 Cơ sở khoa học để nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng ....................30 2.2 Xác định thời đoạn dẫn dòng thi công .................................................................. 33 2.2.1 Nhân tố ảnh hưởng đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công .................... 33 2.2.2 Điều kiện khí hậu và dòng chảy các vùng của Việt Nam ...............................34 2.3 Cơ sở lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng ........................................................37 2.3.1 Dẫn dòng qua công trình độc lập .................................................................... 37 2.3.2 Dẫn dòng đồng thời qua cống và đập đang xây dựng .................................... 40 2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ .................... 41 2.4.1 Tính toán thủy lực qua đập đang xây dựng .................................................... 41 2.4.2 Tính toán thủy lực dẫn dòng qua cống ........................................................... 44 2.4.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng đồng thời qua hai hoặc nhiều công trình dẫn dòng ...................................................................................................................... 47 iii 2.4.4 Điều tiết lũ trong dẫn dòng thi công ............................................................... 47 2.5 Tính toán lưu tốc lớn nhất khi dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng ..48 2.6 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 51 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỢP LÝ QUY MÔ CÔNG TRÌNH DẪN DÒNG THI CÔNG .................................................................................52 3.1 Nghiên cứu lựa chọn tần suất lưu lượng và thời đoạn thiết kế dẫn dòng .............52 3.1.1 Chọn tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng theo tiêu chuẩn các quốc gia ......52 3.1.2 Lựa chọn thời đoạn dẫn dòng trong điều kiện khí hậu Việt Nam .................. 55 3.1.3 Xác định lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công .............................................. 58 3.2 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ ................59 3.2.1 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công qua cống .................. 59 3.2.2 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống ......................................................................................................64 3.2.3 Lập chương trình tính toán điều tiết lũ ........................................................... 65 3.2.4 Kiểm định chương trình tính toán thủy lực ....................................................69 3.3 Lựa chọn các thông số khi dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng ....................70 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công trình đến lưu tốc lớn nhất ............70 3.3.2 Gia cố bề mặt đập khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng ............................... 82 3.4 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 83 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM ....................................................... 85 4.1 Phân tích việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng ...............................................85 4.1.1 Giới thiệu công trình .......................................................................................85 4.1.2 Sử dụng công trình chính để dẫn dòng thi công .............................................90 4.1.3 Sử dụng công trình chính tham gia dẫn dòng .................................................91 4.1.4 Đề xuất chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công ........................................... 92 4.2 Lựa chọn thông số dẫn dòng qua đập xây dựng dở cho công trình hồ chứa nước Cửa Đạt .......................................................................................................................... 93 4.2.1 Số liệu đầu vào................................................................................................ 93 4.2.2 Tính cường độ thi công và chi phí gia cố ....................................................... 95 4.2.3 Kết quả tính toán.............................................................................................97 4.2.4 Phân tích lựa chọn thông số dẫn dòng ..........................................................100 4.2.5 Kiểm chứng bằng phương pháp số tính thủy lực..........................................102 4.3 Kết luận chương 4 ...............................................................................................109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................110 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................114 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Công trình thủy điện Sơn La - Mặt cắt dọc cống dẫn dòng ..........................14 Hình 1.2. Công trình thủy điện Tuyên Quang - Mặt cắt ngang cống dẫn dòng thi công .......................................................................................................................................14 Hình 1.3. Công trình thủy điện Bình Điền - Mặt cắt dọc cống dẫn dòng thi công .......14 Hình 1.4. Công trình Cửa Đạt - Đường hầm dẫn dòng TN2 ......................................... 15 Hình 1.5. Công trình thủy điện Huội Quảng - Mặt cắt dọc hầm dẫn dòng thi công ..... 16 Hình 1.6. Hồ chứa Mao Gia Thôn - Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dòng, đường hầm tháo lũ và đường hầm tháo nước ...................................................................................16 Hình 1.7. Công trình Toktogunskia - Tháo lũ tràn qua đê quai giai đoạn 1..................18 Hình 1.8. Công trình Ust-Khantaiska - Sơ đồ dẫn dòng tràn qua đê quai giai đoạn 1 và hố móng; tràn qua đập đá đổ đang xây dựng.................................................................18 Hình 1.9. Công trình Braunla - Mặt cắt ngang đập .......................................................19 Hình 1.10. Đập Ord - Dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng và phương án gia cố .. 20 Hình 1.11. Công trình thủy điện Tuyên Quang - Đê quai thượng lưu được phủ bê tông cốt thép để cho lũ tràn qua trong quá trình thi công ......................................................21 Hình 1.12. Công trình thủy điện Hòa Bình - Mặt cắt đập ở vùng kênh thi công trong giai đoạn tháo lũ 1986 .......................................................................................................... 21 Hình 1.13. Công trình Cửa Đạt - Dẫn dòng qua đập đang xây dựng năm 2007 ........... 22 Hình 1.14. Công trình thủy điện Sơn La - Dẫn dòng qua cống và đập đang xây dựng mùa lũ 2009............................................................................................................................23 Hình 1.15. Công trình Sê San 4 - Chuẩn bị tháo lũ qua đập đang xây dựng 5/2007 .... 23 Hình 1.16. Gia cố đập đất khi cho nước tràn qua ..........................................................24 Hình 2.1. Tương quan chi phí với kích thước công trình dẫn dòng ..............................38 Hình 2.2. Các thông số thủy lực của đập tràn ...............................................................41 Hình 2.3. Đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập và chảy ngập ...................................... 43 Hình 2.4. Đường quan hệ lưu lượng với mực nước thượng lưu của cống ....................44 Hình 2.5. Sơ đồ các chế độ chảy qua cống ....................................................................44 Hình 2.6. Sơ đồ tính toán thủy lực dẫn dòng qua kênh .................................................45 Hình 2.7. Sơ đồ thủy lực cống chảy có áp .....................................................................46 Hình 2.8. Biến thiên năng lượng dòng chảy ổn định khi viết phương trình Bernoulli .49 Hình 2.9. Sơ đồ tính toán thủy lực qua đập đá đổ đang xây dựng ................................50 Hình 3.1. Đường quá trình mực nước thượng lưu và chiều cao đập khi dẫn dòng .......57 Hình 3.2. Đắp đập chính theo mặt cắt kinh tế ............................................................... 57 Hình 3.3. Tương quan Q~H khi chuyển tiếp chảy ngập sang chảy không ngập ...........59 Hình 3.4. Tương quan Q~H0 khi chuyển tiếp chảy không áp sang chảy có áp ............. 60 Hình 3.5. Sơ đồ khối tính thủy lực dẫn dòng qua cống ................................................. 63 Hình 3.6. Sơ đồ khối tính thủy lực dẫn dòng qua đập đang xây dựng và cống ............66 Hình 3.7. Sơ đồ khối tính điều tiết lũ ............................................................................68 v Hình 3.8. Đường mặt nước và diễn biến lưu tốc trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng khi dẫn dòng ..................................................................................................................71 Hình 3.9. Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước TH1..............................74 Hình 3.10. Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước TH2............................ 75 Hình 3.11. Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước TH3............................ 75 Hình 3.12. Quan hệ Q ~ Vmax trường hợp L = 150m, H2 = 0m .....................................76 Hình 3.13. Quan hệ Q ~ Vmax trường hợp m = 8, H2 = 0m ...........................................77 Hình 3.14. Quan hệ Q ~ Vmax trường hợp m = 8, L = 150m .........................................78 Hình 3.15. Ảnh hưởng của thông số m, H2 đến lưu tốc lớn nhất .................................. 79 Hình 3.16. Ảnh hưởng của thông số L, H2 đến lưu tốc lớn nhất ................................... 80 Hình 3.17. Lựa chọn thông số đập đá đổ đang xây dựng phục vụ dẫn dòng ................ 81 Hình 3.18. Bố trí gia cố dốc nước bằng tấm bê tông..................................................... 82 Hình 3.19. Xác định chiều dày trung bình của tấm bê tông .......................................... 82 Hình 3.20. Gia cố bề mặt cho nước tràn qua đập đá đổ đang xây dựng........................83 Hình 4.1. Mặt cắt ngang đập đắp đập vượt lũ giai đoạn 2 ............................................ 95 Hình 4.2. Mặt cắt ngang đập tính khối lượng giai đoạn 1 và giai đoạn 2 .....................95 Hình 4.3. Mặt cắt dọc đập tính khối lượng giai đoạn 1 và giai đoạn 2 ......................... 96 Hình 4.4. Lưu tốc lớn nhất các phương án ..................................................................100 Hình 4.5. Chi phí vật liệu gia cố đập cho các phương án............................................100 Hình 4.6. Khối lượng thi công giai đoạn 1 và giai đoạn 2 các phương án ..................101 Hình 4.7. Cường độ thi công giai đoạn 1 và giai đoạn 2 các phương án ....................101 Hình 4.8. Mô hình tính toán dòng chảy trên bề mặt đập đang xây dựng 2 chiều .......103 Hình 4.9. Kết quả tính toán 2 chiều dòng chảy trên bề mặt đập đang xây dựng ........103 Hình 4.10. Cao trình mực nước thượng lưu tại TT1 ...................................................104 Hình 4.11. Lưu tốc dòng chảy tại TT1 ........................................................................104 Hình 4.12. Lưu tốc dòng chảy tại TT2 ........................................................................104 Hình 4.13. Lưu tốc dòng chảy tại TT3 ........................................................................104 Hình 4.14. Mô hình dẫn dòng qua đập đang xây dựng và đường hầm .......................105 Hình 4.15. Điều kiện ban đầu dẫn dòng qua đập đang xây dựng và đường hầm ........105 Hình 4.16. Kết quả phân bố dòng chảy qua đập đang xây dựng và đường hầm .........106 Hình 4.17. Kết quả phân bố dòng chảy cắt qua tim đường hầm .................................106 Hình 4.18. Lưu tốc dòng chảy tại cửa vào đường hầm ...............................................107 Hình 4.19. Lưu tốc dòng chảy tại cửa ra đường hầm ..................................................107 Hình 4.20. Lưu tốc dòng chảy tại TT4 ........................................................................107 Hình 4.21. Lưu tốc dòng chảy tại TT7 ........................................................................107 Hình 4.22. Lưu tốc dòng chảy tại TT5 ........................................................................108 Hình 4.23. Lưu tốc dòng chảy tại TT8 ........................................................................108 Hình 4.24. Lưu tốc dòng chảy tại TT6 ........................................................................108 Hình 4.25. Lưu tốc dòng chảy tại TT9 ........................................................................108 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Phân chia mùa kiệt và mùa lũ 5 vùng của Việt Nam ....................................36 Bảng 3.1. Tần suất lưu lượng thiết kế của công trình dẫn dòng.................................... 52 Bảng 3.2. Tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng .......................................................................................................................................52 Bảng 3.3. Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công khi công trình chính tham gia phục vụ dẫn dòng thi công .................................................................................................................53 Bảng 3.4. Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất để thiết kế các công trình tạm thời phục vụ công tác dẫn dòng thi công .............................................................................. 54 Bảng 3.5. Bảng tính toán điều tiết lũ ............................................................................. 67 Bảng 3.6. Dẫn dòng thi công qua cống - So sánh kết quả thí nghiệm mô hình với tính toán bằng chương trình ..................................................................................................69 Bảng 3.7. Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng và cống - So sánh kết quả thí nghiệm mô hình với tính toán bằng chương trình .........................................................70 Bảng 3.8. Thông số đầu vào tính toán Vmax...................................................................71 Bảng 3.9. Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng khi dẫn dòng ...............................................................................................................................72 Bảng 3.10. Các trường hợp tính kiểm định chương trình..............................................74 Bảng 3.11. Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp L = 150m, H2 = 0m ...................76 Bảng 3.12. Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp m = 8, H2 = 0m ..........................77 Bảng 3.13. Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp m = 8, L = 150m ....................... 78 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của công trình thủy điện Tuyên Quang ........................... 85 Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật công trình Cửa Đạt ....................................................87 Bảng 4.3. Các thông số kỹ thuật công trình thủy điện Sơn La ......................................88 Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật công trình thủy điện Lai Châu...................................89 Bảng 4.5. Tần suất thiết kế dẫn dòng khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng ................90 Bảng 4.6. Tần suất thiết kế dẫn dòng khi công trình chính tham gia dẫn dòng ............91 Bảng 4.7. Tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng .......................................................................................................................................93 Bảng 4.8. Thông số đập đá đổ xây dựng dở ..................................................................94 Bảng 4.9. Kết quả tính toán thủy lực dẫn dòng kết hợp đập đang xây dựng (tràn) và đường hầm .....................................................................................................................98 Bảng 4.10. Kết quả tính toán cường độ thi công và chi phí gia cố các phương án .......99 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt CFRD LSTH LSTN MNHL MNTL QCVN RCC TCVN TNMH QP% Qtk 2. Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dam – CFRD) Lòng sông thu hẹp Lòng sông tự nhiên Mực nước hạ lưu Mực nước thượng lưu Quy chuẩn Quốc gia Việt Nam Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete – RCC) Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam Thí nghiệm mô hình Lưu lượng thiết kế dẫn dòng Lưu lượng thiết kế công trình dẫn dòng Giải thích các thuật ngữ Công trình dẫn dòng: Gồm công trình dẫn nước và công trình ngăn nước. Công trình dẫn nước có thể là kênh, cống, đường hầm, đập đang xây dựng, tràn đang xây dựng, tràn xả lũ... có nhiệm vụ dẫn nước từ thượng lưu về hạ lưu. Công trình ngăn nước có thể là đê quai, đập tạm, đập chính đang xây dưng, đập chính... có nhiệm vụ chắn nước bảo vệ hố móng, hướng dòng chảy theo công trình dẫn nước về hạ lưu. Tần suất thiết kế dẫn dòng: Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất để thiết kế các công trình phục vụ dẫn dòng thi công. Thời đoạn dẫn dòng: Khi thiết kế dẫn dòng, người ta chia quá trình dẫn dòng ra một hoặc nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn có thể chia ra một hoặc nhiều thời đoạn trong toàn bộ thời hạn xây dựng. Một thời đoạn có thể là một vài tháng hay một mùa, một năm hoặc nhiều năm. Khi thiết kế, ở mỗi thời đoạn dẫn dòng thì tần suất thiết kế phải phù hợp tương ứng đối với công trình dẫn dòng. Lưu lượng thiết kế dẫn dòng (QP%): Lưu lượng dòng chảy lớn nhất trong thời đoạn dẫn dòng ứng với tần suất thiết kế dẫn dòng. Lưu lượng thiết kế công trình dẫn dòng (Qtk): Lưu lượng dòng chảy qua công trình dẫn dòng để thiết kế công trình dẫn nước. Lưu lượng này dùng để thiết kế cho hạng mục công trình dẫn dòng được xác định trên cơ sở lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán cân bằng nước. viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hầu hết các công trình thủy lợi, thủy điện xây dựng trên sông, suối đều phải dẫn dòng thi công. Trong quá trình xây dựng, nhiều công trình do lựa chọn qui mô công trình dẫn dòng chưa hợp lý dẫn đến sự cố như đê quai hoặc đập chính bị vỡ... gây thiệt hại nhiều mặt, thời hạn thi công bị kéo dài. Công tác dẫn dòng thi công là một trong những nội dung quan trọng có tính chất quyết định thành công trong xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện. Ở Việt Nam đã thực hiện xây dựng thành công nhiều công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện lớn nhỏ khác nhau. Trong đó, có những công trình điển hình như Thác Bà, Hòa Bình, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Sơn La, Bản Chát, Nậm Chiến… Các phương án dẫn dòng và các thông số của công trình dẫn dòng đã được lựa chọn và thiết kế hợp lý góp phần xây dựng công trình đầu mối đúng tiến độ, an toàn và tiết kiệm chi phí. Việc lựa chọn phương án và quy mô của công trình dẫn dòng gắn liền với các bước thiết kế. Công tác dẫn dòng có tính chất quyết định đến lựa chọn kết cấu các hạng mục công trình trong hệ thống, đến trình tự xây dựng, tiến độ, an toàn và chi phí xây dựng. Thông thường, khi thiết kế cần đề xuất một số phương án và khi lựa chọn phương án hợp lý phải thông qua phân tích kinh tế - kỹ thuật, trong đó có việc lựa chọn sơ đồ dẫn dòng, chủng loại và qui mô công trình dẫn dòng thông qua các bước như: chọn lưu lượng thiết kế, tính toán thủy lực và thí nghiệm mô hình, xác định các thông số cơ bản của công trình dẫn dòng, tính toán ổn định, thiết kế gia cố… Quy mô của công trình dẫn dòng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chi phí xây dựng công trình dẫn dòng và tiêu năng ở hạ lưu, chi phí đắp đê quai, trình tự và tiến độ thi công, khối lượng thi công công trình chính và công trình tạm trong các giai đoạn, chi phí ngập lụt, phòng tránh hay chấp nhận rủi ro... Để có thể xác định quy mô công trình dẫn dòng và đánh giá hiệu quả công tác dẫn dòng, người thiết kế phải đủ năng lực cũng như phải tính toán công phu với khối lượng công việc tính toán rất lớn. 1 Việc xác định thông số thủy lực công trình dẫn dòng là một trong những nội dung tốn nhiều công sức và trí tuệ của kỹ sư thiết kế. Vấn đề đặt ra là làm sao tính toán thủy lực dẫn dòng thi công được nhanh và thuận tiện giúp cho việc sơ bộ xác định phương án dẫn dòng hợp lý cùng với quy mô của công trình dẫn dòng trước khi thiết kế chi tiết. Những bài toán cơ bản về tính toán thủy lực dẫn dòng thi công cũng đã được nhiều tác giả hoặc tài liệu, hồ sơ thiết kế đề cập nhưng chưa khái quát hóa việc ứng dụng cũng như quy trình tính toán cụ thể nhằm giúp những người thiết kế sau này thực hiện hiệu quả hơn. Ở Việt Nam và trên thế giới đã xây dựng thành công rất nhiều công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện, nhưng công tác tổng kết đúc rút kinh nghiệm cũng như quy trình tính toán được công bố đối với mỗi công trình cũng chưa thật đầy đủ và toàn diện. Việc xác định sơ đồ tính và thiết lập chương trình tính toán thủy lực ứng với từng sơ đồ một cách khoa học lại càng cần thiết. Khi thiết kế dẫn dòng thi công, việc chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng, đặc biệt là lũ thiết kế khi công trình chính tham gia dẫn dòng còn nhiều vấn đề cần bàn luận. Mặc dù tiêu chuẩn của Việt Nam và các nước cũng đề cập khá kỹ, nhưng các qui định hiện tại của chúng ta vẫn cần phải nghiên cứu làm rõ thêm trong luận án. Dẫn dòng qua đập đang xây dựng giúp tiết kiệm chi phí cho công trình dẫn dòng vào mùa lũ, lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng như thế nào, gia cố đập đang xây dựng như thế nào cần phải có cơ sở tính toán các phương án khác nhau, từ đó lựa chọn ra phương án có hiệu quả nhất về mặt kinh tế và kỹ thuật. Đề tài “Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở Việt Nam” là rất cần thiết, có ý nghĩa lớn đối với việc thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, thủy điện. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng quan các phương án dẫn dòng khi xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện, xác định những vấn đề còn tồn tại chưa được nghiên cứu thấu đáo khi lựa chọn qui mô công trình dẫn dòng xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện; 2 - Bổ sung và hoàn thiện phương pháp lựa chọn tần suất và lưu lượng thiết kế dẫn dòng trên cơ sở tổng hợp và phân tích có tính kế thừa và cập nhật những thành tựu xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện những năm gần đây ở Việt Nam và trên thế giới; - Phân tích các yếu tố công trình phục vụ lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng; - Hoàn thiện phương pháp tính toán và thuật toán phục vụ thiết kế và lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là công tác dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện và trọng tâm là nội dung xác định qui mô công trình dẫn dòng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Công tác dẫn dòng thi công trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện có ứng dụng nhiều công trình cùng đồng thời tham gia dẫn dòng; - Phương pháp chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng, tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và lựa chọn quy mô các công trình dẫn dòng. Trong đó, không đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của thấm rối, mạch động và tiêu năng hạ lưu. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về công tác dẫn dòng thi công các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện. Phân tích các sơ đồ dẫn dòng, sơ đồ tính toán thủy lực dẫn dòng của những công trình tiêu biểu trên thế giới và Việt Nam; - Cơ sở khoa học và thực tiễn về lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công; - Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng; - Lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng qua đập đá đổ đang đang xây dựng. 3 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Trong quá trình nghiên cứu, tác giả sử dụng cách tiếp cận lý thuyết cơ bản về thủy lực công trình và tiếp cận các ứng dụng thực tế trên thế giới và Việt Nam về phương pháp dẫn dòng thi công, tiếp cận có chọn lọc kinh nghiệm thực tiễn về thành công và thất bại trong nước và thế giới. 5.2. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp dẫn dòng thi công cho công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện trên thế giới và Việt Nam; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực công trình ứng dụng trong dẫn dòng thi công; - Nghiên cứu kế thừa và thực tiễn về chọn lưu lượng lớn nhất thiết kế dẫn dòng thi công; - Phương pháp thu thập tài liệu và phân tích tổng hợp; - Ứng dụng tiến bộ về tin học ứng dụng trong tính toán và phân tích. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học - Tổng hợp được phương pháp phân tích và tính toán thủy lực cho các phương án dẫn dòng thi công; - Đóng góp vào cơ sở khoa học để lựa chọn hợp lý quy mô của công trình dẫn dòng trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công phù hợp với điều kiện làm việc của công trình. - Đề xuất trình tự tính toán và lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng thi công, xác định quy mô công trình dẫn dòng hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. 4 7. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bao gồm: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện Chương 2: Cơ sở khoa học lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công và tính toán thủy lực dẫn dòng Chương 3: Nghiên cứu phân tích lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng thi công Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho một số công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN 1.1 Tầm quan trọng của công tác dẫn dòng thi công Khi xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện phải có những giải pháp để dẫn nước từ thượng lưu về hạ lưu công trình, đảm bảo hố móng khô ráo để thi công công trình, được gọi là dẫn dòng thi công [1]. Dẫn dòng thi công nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: - Ngăn chặn những ảnh hưởng bất lợi của dòng chảy trong quá trình thi công, làm cho công tác thi công được tiến hành trong môi trường khô ráo một cách thuận lợi. - Dẫn dòng chảy về hạ lưu để đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp dòng nước trong quá trình thi công như tưới ruộng, phát điện, nuôi cá, vận tải, nước dùng trong công nghiệp và sinh hoạt v.v... Công tác dẫn dòng chịu ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố như thủy văn, địa hình, địa chất, đặc điểm kết cấu và sự bố trí công trình thủy công, điều kiện lợi dụng dòng nước và điều kiện thi công... Phương án dẫn dòng thi công hợp lý liên quan mật thiết với tiến độ thi công toàn bộ công trình, thức kết cấu và bố trí công trình thủy công, bố trí mặt bằng công trường, chi phí xây dựng, an toàn lao động v.v... Thực tiễn xây dựng thủy lợi, thủy điện của nhiều nước đã cho thấy rằng khi không giải quyết đúng đắn vấn đề dẫn dòng thi công đã gây nên tình trạng nửa chừng phải thay đổi phương pháp thi công, đảo lộn thứ tự xây dựng công trình, kéo dài thời gian thi công và tăng chi phí xây dựng. Thậm chí, gây hư hỏng nghiêm trọng đối với công trình và tăng chi phí rất lớn như công trình Mammoth [2], đập Short Creek ở Mỹ ; công trình đập Köprü ở Thổ Nhĩ Kỳ [3]; công trình Cửa Đạt [4], Sông Mực, IaKrêl 2 ở Việt Nam. Khi thiết kế dẫn dòng thi công thường phải thông qua phân tích và lựa chọn sơ bộ một số phương án dẫn dòng. Sau đó, thông qua tính toán thiết kế định lượng và tìm ra phương án phù hợp nhất. Thiết kế dẫn dòng thi công gắn liền với nội dung thiết kế ở các bước thiết kế, từ bước thiết kế cơ sở đến bản vẽ thi công. Thiết kế dẫn dòng thi công phải đảm bảo các nguyên tắc cơ bản [5] [6]: 6 - Tiến độ thi công toàn bộ hệ thống công trình với thời gian ngắn, giá thành hạ; rút ngắn thời gian đầu tư ban đầu, phát huy nhanh hiệu quả đầu tư. - Thi công công trình chính an toàn, cân bằng cường độ thi công, tránh chồng chéo, bảo đảm tính chủ động trong thi công. - Công trình dẫn dòng đơn giản, khối lượng công trình nhỏ, giá thành hạ, thi công thuận tiện, tốc độ nhanh. - Thỏa mãn yêu cầu các thành phần kinh tế. Khi chọn phương án dẫn dòng thi công phải xem xét toàn diện tới các điều kiện thủy văn, khí tượng, địa hình, địa chất, dân sinh kinh tế của vùng xây dựng, sử dụng tổng hợp dòng sông của các ngành kinh tế khác và hình thức kết cấu, bố trí không gian và khối lượng công trình xây dựng, năng lực thi công [1], [7], [8]. Nội dung chính của thiết kế dẫn dòng thi công: - Chọn được phương pháp dẫn dòng thích hợp trong từng giai đoạn thi công; - Chọn được tần suất thiết kế và thời đoạn dẫn dòng thi công phù hợp. Từ đó xác định được lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công; - Tính toán thủy lực và điều tiết dòng chảy, xác định được quy mô công trình tháo nước và ngăn nước cho phương án dẫn dòng; - Xác định trình tự thi công các hạng mục công trình và tiến độ khống chế theo phương án dẫn dòng đã chọn, đáp ứng đúng thời hạn xây dựng. Lựa chọn phương án dẫn dòng thi công sẽ ảnh hưởng đến tiến độ thi công, thời gian ngăn sông, đắp đập vượt lũ. Lựa chọn phương án dẫn dòng thi công hợp lý sẽ giúp tiết kiệm chi phí, giảm thời gian thi công mà vẫn đảm bảo chất lượng công trình. Cho đến nay, việc xây dựng đập lớn trên thế giới rất phát triển, nhiều đập cao với hình thức kết cấu khác nhau đã được xây dựng. Điển hình như đập vòm bê tông Kim Bình I của Trung Quốc là đập cao nhất thế giới với chiều cao 305m [9], đập Nurek ở Tat-gikis-tan là đập đất đá cao thứ hai thế giới (cao 300m), đập Grande Dixence ở Thụy sĩ là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới, với chiều cao 285m [10]. Ngoài ra còn có nhiều đập cao điển hình khác ở trên thế giới được trình bày trong Phụ lục 1-1. Trong quá trình 7 xây dựng, công tác dẫn dòng thi công được ứng dụng rất đa dạng, sử dụng nhiều dạng công trình dẫn dòng khác nhau gồm cống, đường hầm, kênh, lòng sông thu hẹp, đập đang xây dựng, tràn đang xây dựng, tràn xả lũ. Công trình dẫn dòng thi công ở các giai đoạn của một số công trình tiêu biểu trên thế giới được trình bày ở Phụ lục 1-2 và Phụ lục 1-3. Khi thiết kế dẫn dòng thi công, cần phải phân tích các điều kiện cụ thể và đề xuất một số phương án khả thi nhất, thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật của từng phương án và so sánh lựa chọn phương án tối ưu nhất. 1.2 Lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán thủy lực dẫn dòng 1.2.1 Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công Tần suất thiết kế dẫn dòng là thông số đầu tiên cần quan tâm khi giải quyết bài toán thủy lực dẫn dòng thi công nhằm xác định quy mô của công trình dẫn dòng. Nếu lựa chọn được tần suất phù hợp, không những đảm bảo an toàn cho công trình trong quá trình thi công mà còn giúp giảm nhỏ quy mô công trình dẫn dòng, tiết kiệm chi phí cho công tác dẫn dòng thi công. Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình lớn, thời gian thi công dài như thủy điện Hòa Bình, thủy điện Tuyên Quang, thủy lợi thủy điện Cửa Đạt, thủy điện Sơn La, thủy điện Lai Châu, thủy lợi thủy điện Tả Trạch... Phương án dẫn dòng và tần suất thiết kế dẫn dòng cho các giai đoạn của những công trình này được trình bày trong Phụ lục 2-1 đến Phụ lục 2-6. Tần suất thiết kế dẫn dòng của các công trình này được lấy khác nhau tùy từng loại hình công trình dẫn dòng, số năm sử dụng công trình dẫn dòng và thay đổi theo trình tự xây dựng công trình. Ở Trung Quốc sử dụng khá nhiều loại hình đập đá đổ chống thấm bằng tường lõi hoặc chống thấm bằng bản mặt bê tông. Đập đá đổ có khả năng chống xói khi cho nước tràn qua trong thời kỳ thi công để tiết kiệm thời gian và chi phí cho công trình dẫn dòng nên đã được ứng dụng khá nhiều. Đập đá đổ bản mặt bê tông nhà máy thủy điện Thiên Sinh Kiều có chiều cao 178m, sử dụng đường hầm dẫn dòng về mùa kiệt tần suất 5%, mùa lũ dẫn dòng với tần suất 3,3% 8 với lưu lượng Q = 10.800 m3/s. Năm 1995 tháo lũ qua đê quai, thân đập chưa đắp, lưu lượng lớn nhất 4.750 m3/s. Năm 1996 mặt đập chừa lại rộng 120m để xả lũ qua đập đang xây dựng, lưu lượng xả lớn nhất 3.790 m3/s. Năm 1997 sử dụng tần suất 0,33%, năm 1998 sử dụng tần suất 0,2% để thiết kế dẫn dòng. Phụ lục 2-7 đến Phụ lục 2-9 giới thiệu tần suất dẫn dòng thi công đập đá đổ bản mặt bê tông công trình hồ Sách Khê có chiều cao đập 132,5m và Bạch Khê có chiều cao đập 124,4m, thủy điện Thủy Bố Á có chiều cao 233m [11]. Ngoài ra còn có các công trình khác ở Trung Quốc sử dụng hình thức dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng với tần suất và lưu lượng như Phụ lục 2-10 [11]. Bênh cạnh đó, tần suất lũ thi công của một số đập đã xây dựng khác ở Trung Quốc được trình bày trong Phụ lục 2-11 [12]. Đặc điểm chung của các công trình này khi dẫn dòng là sử dụng tần suất thiết kế dẫn dòng thi công khác nhau cho các giai đoạn thi công khác nhau, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình chính, chiều cao công trình chắn nước và dung tích lòng hồ tại thời điểm dẫn dòng thi công. Hiện nay ở Việt Nam đang sử dụng QCVN 04-05:2012/BNN&PTNT [13] và TCVN 9160:2012 - Công trình thủy lợi - Yêu cầu thiết kế dẫn dòng trong xây dựng [14] để lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công. Tuy nhiên các tiêu chuẩn này chưa phản ánh đúng và đầy đủ tình trạng làm việc của công trình chính khi tham gia vào công tác dẫn dòng, chưa quy định lựa chọn tần suất dẫn dòng cụ thể như thế nào khi công trình chính tham gia dẫn dòng (chắn nước) hoặc khi sử dụng công trình chính để dẫn dòng thi công cho nước tràn qua. Trong các tài liệu, quy chuẩn, giáo trình, việc chọn tần suất thiết kế dẫn dòng chỉ phụ thuộc vào cấp công trình, chưa đề cập cụ thể đến chiều cao cột nước, dung tích lòng hồ khi đang dẫn dòng, nếu xảy ra sự cố thì việc ngập lụt hạ lưu bị ảnh hưởng như thế nào, thiệt hại về kinh tế sẽ diễn ra như thế nào, việc kiến nghị nâng hạ cấp tần suất là chưa có cơ sở khoa học rõ ràng. Khi công trình chính tham gia vào công tác dẫn dòng, đặc biệt là khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng thì chưa có quy định cụ thể. Điều này gây ra khó khăn cho người thiết kế và phê duyệt thiết kế, chưa xác định đúng tần suất thiết kế dẫn dòng. 9 Trong thực tế dẫn dòng, trường hợp có nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng đồng thời thì quy mô của từng công trình như thế nào để đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật là bài toán thường gặp đối với những công trình có lưu lượng dẫn dòng lớn và thi công trong nhiều năm. Như vậy việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng ở Việt Nam cần điều chỉnh bổ sung cho rõ ràng hơn, phù hợp với thực tế thi công. Vấn đề đầu tiên luận án cần nghiên cứu là công tác lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công, đề xuất điều chỉnh bổ sung vào tiêu chuẩn của Việt Nam về lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công. 1.2.2 Thời đoạn dẫn dòng thi công Việt nam là nước có đặc điểm địa lý khí tượng thay đổi mạnh theo các miền. Các đặc trưng lưu lượng theo mùa kiệt và mùa lũ rất rõ rệt, thời gian diễn ra của các mùa cũng thay đổi dọc theo các miền và phụ thuộc vào vĩ độ. Khi vận dụng khoa học kỹ thuật của thế giới vào Việt Nam cũng cần phải phân tích kỹ yếu tố thời gian diễn ra của mùa cũng như đặc điểm dòng chảy trong các tháng của từng mùa ở từng miền Bắc, Trung, Nam để chọn được phương án dẫn dòng cũng như thiết kế các thông số cụ thể của công trình dẫn dòng phù hợp nhất. Việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng và thời đoạn dẫn dòng quyết định đến lưu lượng thiết kế dẫn dòng, ảnh hưởng trực tiếp đến quy mô công trình dẫn dòng thi công. Các công trình ở Việt Nam và trên thế giới mới đưa ra kiến nghị mà chưa lý giải một cách đầy đủ và toàn diện cơ sở khoa học để nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng thi công. Đây là một trong nhưng nội dung đặt ra cần nghiên cứu để có cơ sở khi áp dụng vào Việt Nam. Trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay, việc lựa chọn thời đoạn dẫn dòng sao cho phù hợp với từng khu vực, từng lưu vực sông ở nước ta là những nội dung trong thực tế đang đặt ra cần được giải quyết. Luận án tổng hợp các đặc điểm khí tượng thủy văn từng vùng miền của Việt Nam, phân tích các đặc điểm dòng chảy liên quan đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công, đồng thời đưa ra biện pháp xử lý các trường hợp đặc biệt liên quan đến dòng chảy các vùng miền ở Việt Nam. 10