Mô hình hóa vật liệu trong thí nghiệm dẫn dòng thi công, chặn dòng lấp sông khi xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

Công tác chặn dòng lấp sông và dẫn dòng thi công là một trong những vấn đề cơ bản trong thực tế xây dựng thủy lợi, thủy điện. Bài viết này đề cập đến một số công tác chuẩn bị quan trọng như: chọn cấp lưu lượng thí nghiệm; thời gian thí nghiệm cho một con lũ thiết kế; mô hình hóa vật liệu. Trong đó công tác mô hình hóa vật liệu được đặc biệt coi trọng nhằm đảm bảo cho công tác nghiên cứu thí nghiệm mô hình đạt kết quả tốt.

I. Đặt vấn đề

Công tác chặn dòng lấp sông và dẫn dòng thi công là một trong những vấn đề cơ bản trong thực tế xây dựng thuỷ lợi, thuỷ điện.  Hiện nay, chúng ta đã và đang triển khai xây dựng những công trình lớn như Cửa Đạt, Tả Trạch, Nước Trong, Bản Mồng .v.v. Nghiên cứu thí nghiệm chặn dòng lấp sông hay thí nghiệm dẫn dòng thi công giúp tìm ra được các phương án tối ưu nhất nhằm đảm bảo xây dựng xây dựng được nhanh, hiệu quả và an toàn đáp ứng tiến độ đề ra.

Với các công trình lớn và phức tạp thì yêu cầu thí nghiệm mô hình thủy lực chặn dòng, dẫn dòng thi công được đặt ra như một trong những nhiệm vụ cấp thiết và quan trọng hàng đầu khi thiết kế, thi công xây dựng công trình.

Trên cơ sở nghiên cứu một số tài liệu [1], [2], cũng như quá trình đúc rút kinh nghiệm của các đồng nghiệp và bản thân, bài viết này đề cập đến một số công tác chuẩn bị quan trọng như: chọn cấp lưu lượng thí nghiệm; thời gian thí nghiệm cho một con lũ thiết kế; mô hình hóa vật liệu. Trong đó công tác mô hình hóa vật liệu được đặc biệt coi trọng nhằm đảm bảo cho công tác nghiên cứu thí nghiệm mô hình  đạt kết quả tốt.

II. Xác định nhiệm vụ, dạng mô hình, cấp lưu lượng, thời gian thí nghiệm

2.1. Chuẩn bị các tài liệu cơ bản phục vụ thí nghiệm

Các tài liệu cơ bản cho thí nghiệm thường bao gồm :

- Các tài liệu về thiết kế công trình.

- Tài liệu thiết kế chặn dòng, dẫn dòng.

- Chuỗi số liệu thủy văn, các tính toán thủy lực công trình chặn dòng, dẫn dòng .v.v.

- Tài liệu về các lớp địa chất tuyến công trình dẫn dòng, chặn dòng thi công.     

- Vật liệu cấu tạo đê quai thượng hạ lưu.      

- Đường cấp phối hạt tầng đệm, tầng chuyển tiếp tại vị trí tuyến công trình chặn dòng, dẫn dòng ;

- Tài liệu về lớp vật liệu gia cố chặn dòng, dẫn dòng ;

- Các tài liệu có liên quan khác.

2.2. Nhiệm vụ và dạng mô hình nghiên cứu thí nghiệm chặn dòng, dẫn dòng:

- Nhiệm vụ nghiên cứu thí nghiệm của mô hình: thông thường, nhiệm vụ thí nghiệm mô hình trong giai đoạn này nhằm kiểm chứng và xác định các yếu tố thủy lực khi dòng chảy tràn qua đê quai thượng hạ lưu, chảy qua đập đang xây dở, hoặc các công trình chặn dòng, dẫn dòng .v.v. trong điều kiện có thể xuất hiện nhiều con lũ tuỳ thuộc tác động của thời tiết trong các năm thi công xây dựng công trình.

- Dạng mô hình được chọn thường là chính thái, áp dụng luật tương tự Froude và cần tuân thủ các điều kiện đảm bảo sự tương tự giữa nguyên hình và mô hình.

2.3. Lựa chọn cấp lưu lượng, mực n­ước thí nghiệm:

- Đối với các công trình chặn dòng, dẫn dòng thông thường, cấp lưu lượng chọn theo tần suất p=10%. Các công trình cấp 1 thì lưu lượng chính theo tần suất thiết kế p= 5%.  Khi công trình tạm này gây ảnh hưởng trực tiếp lên công trình chính thì tần suất thiết kế được chọn tăng lên một cấp ( tăng từ p=10% lên p=5% hoặc p=5% lên p=1%).

- Nói chung, với những công trình vừa là công trình chính vừa là công trình dẫn dòng (đập xây dở, tràn xây dở .v.v.) còn tùy thuộc giai đoạn thi công và cấp công trình để luận chứng để chọn lưu lượng theo tần suất phù hợp.

- Việc chọn cấp lưu lượng thí nghiệm từ chuỗi tài liệu thủy văn tính toán cần đặc biệt chú ý để ý đến khoảng thời gian lũ lên và lũ xuống có khả năng gây nguy hiểm đối với công trình chặn dòng (hoặc dẫn dòng). Thời đoạn lũ lên hoặc thời đoạn lũ xuống đều rất quan trọng trong việc xét chọn cấp lưu lượng thí nghiệm. Để đảm bảo sự an toàn và tính đại diện cho cả quá trình lũ thì mỗi thời đoạn lũ lên hoặc lũ xuống cần chọn cấp lưu lượng tương ứng với thời điểm mà lưu lượng đơn vị qua công trình dẫn dòng (hoặc chặn dòng) lớn và chênh lệch mực nước thượng hạ lưu công trình có khả năng nguy hiểm cao.

2.4. Thời gian thí nghiệm

- Thời gian thí nghiệm được tuân theo luật t­ương tự Froude để tính ra các đại l­ượng ở mô hình dựa trên các thông số ở nguyên hình.

- Dựa vào tỷ lệ lamda Q tính ra lưu lượng cho thí nghiệm mô hình và  lamda T để tính ra thời gian thí nghiệm đối với một con lũ.

- Việc tính toán thời gian thí nghiệm cần xét sự nguy hiểm của công trình từ thời điểm dòng nước bắt đầu tràn qua cho đến thời điểm dòng nước rút xuống dưới đáy lòng dẫn (đối với công trình dẫn dòng) hoặc thời điểm kết thúc hạp long, chặn dòng. Do vậy lưu lượng, thời gian thí nghiệm trên mô hình được tính là:

III. Công tác mô hình hóa vật liệu chặn dòng, dẫn dòng

3.1. Một số nguyên tắc cơ bản khi  mô hình hóa các loại vật liệu thí nghiệm mô hình thủy lực  chặn dòng, dẫn dòng thi công:

Nguyên tắc cơ bản thường được áp dụng trong việc thực hiện mô hình hóa các loại vật liệu phục vụ cho chặn dòng, dẫn dòng thi công trên mô hình là:

- Đảm bảo mô phỏng tương tự về kích thước và thành phần cấp phối hạt ;

- Đảm bảo về vận tốc xói cho phép của vật liệu ;

Đây là hai nguyên tắc cơ bản nhất được áp dụng trong công tác mô hình hóa vật liệu khi thí nghiệm chặn dòng, dẫn dòng thi công xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện.  Tuy nhiên, nguyên tắc này chỉ thỏa mãn với các lớp vật liệu rời và trong những điều kiện được xem xét riêng biệt hóa.

Đại đa số các trường hợp chặn dòng, dẫn dòng thi công, nếu chỉ xem xét riêng biệt hai yếu tố này thì sẽ không đảm bảo yêu cầu mô phỏng tương tự cho thí nghiệm. Tùy thuộc vào các đặc điểm riêng của từng công trình cụ thể, còn cần phải xem xét thêm các yếu tố sau :

- Độ nhám trung bình của đoạn lòng dẫn ;

- Sự tương tự về chiều dày lớp gia cố, kích thước vật liệu gia cố ;

- Yếu tố cuối cùng là phải đảm bảo sự tương tự về tổn thất cột nước của dòng chảy qua công trình chặn dòng, dẫn dòng trong đó có xem xét đến cả tổn thất cục bộ dòng chảy qua lớp vật liệu đắp mô hình;

3.2. Những vấn đề cần lưu ý khi mô hình hóa các loại vật liệu thí nghiệm mô hình thủy lực chặn dòng, dẫn dòng thi công:

Dựa theo yêu cầu nội dung thí nghiệm, cần tiến hành thực hiện mô hình hóa các loại vật liệu phục vụ cho thí nghiệm mô hình chặn dòng, dẫn dòng thi công. Việc xây dựng, chế tạo mô hình cần tuân thủ luật tương tự mô hình trên những phân đoạn công trình tương ứng với từng loại vật liệu ở nguyên hình.

- Với các mái đê quai thượng lưu thường có chân khay cắm sâu vào nền thì trong mô hình cũng phải tuân thủ kích thước và vật liệu tương đương với thực tế.

- Đối với các loại rọ đá, rồng đá : Việc mô hình hoá phải chi tiết từ hình thức kết cấu rọ đá, dây néo, mắt lưới nắp đậy rọ đá .v.v. theo sơ đồ thiết kế trong thực tế chuyển sang mô hình cho phù hợp như :

+ Kích thước rọ đá.

+ Kích thước cục bê tông néo.

+ Kích thước viên đá bỏ vào rọ.

+ Độ sâu thép néo dài vào nền (nếu có).

+ Khoảng cách vị trí đặt cục bê tông thép néo (trong trường hợp cần thiết).

+ Vách ngăn giữa các khoang của rọ thép (nếu có).

+ Các lưới thép được hàn dính với nhau, giữa các rọ dùng thép chằng lại với nhau; các sợi thép néo của các cục bê tông phải được cố định lên nắp rọ đá; sợi thép néo phải căng để đảm bảo lực néo có tác dụng giữ nắp rọ, cố định rọ đá.

+ Các vị trí đầu rọ đá tiếp giáp với đỉnh tường chân khay và lớp bê tông .v.v. cần chú ý chế tạo sao cho đảm bảo tương tự với nguyên hình. Khi xếp các hàng rọ phải sát nhau tránh khe hở rộng giữa hai rọ đá, để liên kết tốt cho nắp rọ.

- Đối với các loại vật liệu rời như : đá hộc, đá sỏi, cục bê tông đường kính lớn, lớp bao tải chứa cát cuội sỏi xô bồ .v.v. cần tính theo trọng lượng, đường kính quy đổi của mỗi loại vật liệu để gia công cho phù hợp.

3.3. Kiểm tra kết quả mô hình hóa các loại vật liệu thí nghiệm :

Sau khi thi công xong các hạng mục phục vụ cho thí nghiệm, trước khi đưa vào thí nghiệm chính thức, ngoài việc kiểm tra các yếu tố tương tự mô hình như bình thường, cần tiến hành kiểm tra các vấn đề sau:

3.3.1. Với các loại vật liệu rời:

- Theo luật tương tự Froude thì cần đảm bảo sự tương tự với nguyên hình về kích thước và trọng lượng :

- Với loại vật liệu là các bao cát sỏi trong công trình chặn dòng (dẫn dòng), đường kính của bao tải cát quy đổi ra đường kính vật liệu rời thường được tính từ việc quy đổi thành hình dạng cầu:

- Với sơ đồ và công thức tính lưu tốc ổn định của vật liệu rời, cần kiểm tra vận tốc dòng chảy tại vị trí gia cố vật liệu. Vận tốc tính toán kiểm tra được thực hiện theo lý thuyết  "Thủy lực chặn dòng sông" của IZBAS [3]:

Từ giá trị vận tốc thực đo trên mô hình cần quy đổi ra nguyên hình để kiểm tra. Nếu giá trị nằm trong khoảng tính toán của công thức (6), (7) là có thể chấp nhận được.

3.3.2. Kiểm tra sự tương tự hệ số rỗng của lớp vật liệu đắp trên mô hình :

Lớp vật liệu rời đắp trên đoạn công trình chặn dòng, dẫn dòng thi công thường được thiết kế tuân theo một tỷ lệ cấp phối xác định. Việc đảm bảo sự tương tự về hệ số rỗng của lớp vật liệu rời này sẽ mô phỏng được dòng thấm rối, dòng chảy ngầm trong lớp vật liệu này tương tự với thực tế. Điều đó dẫn đến kết quả thí nghiệm mô hình sát thực nhất.

Trong thực tế xây dựng mô hình thủy lực, rất khó đảm bảo sự tương tự hệ số rỗng của các lớp vật liệu rời như trong nguyên hình vì vật liệu mô hình mặc dù có thể đã được trộn tuân theo cấp phối thiết kế nhưng quá trình thi công xây dựng mô hình không tương tự như quá trình xảy ra trong thực tế cũng như còn rất nhiều nguyên nhân khác. Vì vậy, việc thí nghiệm kiểm tra sự tương tự hệ số rỗng của lớp vật liệu rời trên đoạn công trình chặn dòng, dẫn dòng thi công là rất cần thiết.

3.3.3. Đối với lớp vật liệu liên kết là rọ đá:

- Để kiểm tra cho lớp vật liệu liên kết là rọ đá, có thể so sánh với số liệu đo lưu tốc với số liệu theo tính toán của IZBAT  [3]:

Công tác mô hình hóa phục vụ thí nghiệm chỉ đảm bảo khi các giá trị so sánh giữa  vận tốc thực đo trên mô hình cho thấy giá trị đo và nằm trong khoảng tính toán lý thuyết.

IV. Kết luận

Trên đây là một số các vấn đề cơ bản nhất trong công tác thí nghiệm mô hình thủy lực chặn dòng, dẫn dòng thi công xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện.

Tùy thuộc loại công trình chặn dòng lấp sông hay công trình dẫn dòng sẽ có một số vấn đề phải lưu ý kỹ hơn trong công tác chuẩn bị vật liệu thí nghiệm như phải tính đến sự tổn hao vật liệu, cường độ thi công khi chặn dòng .v.v. Căn cứ vào điều kiện công trình cụ thể, người cán  bộ thí nghiệm sẽ phải có công tác chuẩn bị phù hợp.

Bài viết chia sẻ một số vấn đề chung nhất thường gặp. Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ đề cập tới cách giải quyết cho một vài trường hợp cụ thể về dẫn dòng thi công như công trình Cửa Đạt; về chặn dòng, lấp sông như Bản Chát .v.v.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngô Trí Viềng - Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thuỷ lợi. NXB Khoa học và kỹ thuật. Hà nội, năm 1977.

[2]. Trần Quốc Thưởng, Nguyễn Ngọc Nam và nnk – Báo cáo thí nghiệm mô hình Cửa Đạt mã số : No 464Đ – MH04 thuộc dự án hồ chứa nước Cửa Đạt – tỉnh Thanh Hóa. Hà nội, năm 2006.

[3]. IZBAS - Thủy lực chặn dòng sông (bản tiếng Việt). Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. Hà Nội, năm 1974.

Tác giả: TS. Nguyễn Ngọc Nam
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi