Xả lũ thi công qua công trình xây dựng dở dang trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

Dẫn dòng thi công là công việc hết sức quan trọng trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện. Xác định được biện pháp dẫn dòng thi công hợp lý là đảm bảo cho thi công công trình đúng tiến độ, an toàn và giảm giá thành xây dựng. Đối với những công trình nhỏ thường dẫn dòng qua cống và kênh. Những năm gần đây nước ta xây dựng nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn như: Sê San 3, Sê San 4, Bản Vẽ, Tuyên Quang, Cửa Đạt...

Nếu theo các sơ đồ dẫn dòng thông thường thì qui mô các công trình dẫn dòng rất lớn, tốn nhiều kinh phí. Gần đây trên thế giới và Việt Nam đã áp dụng biện pháp xả lũ qua cống và đập xây dở để dẫn dòng thi công về mùa lũ trong xây dựng các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện lớn đảm bảo kinh tế, kỹ thuật. Bài viết nêu một số biện pháp dẫn dòng thi công về mùa lũ ở thế giới và Việt Nam.

I. Đặt vấn đề

Dẫn dòng thi công là giai đoạn quan trọng của quá trình xây dựng công trình thuỷ lợi, thuỷ điện. Để có được giải pháp dẫn dòng thi công tốt nhất cho mỗi công trình xây dựng thì việc lựa chọn và đưa ra được phương án dẫn dòng thi công đúng đắn và hợp lý đóng một vai trò quan trọng. Nó sẽ giúp quá trình thi công được liên tục và thuận lợi, tiến độ thi công nhanh, chất lượng công trình tốt, thi công an toàn, chi phí giá thành xây dựng công trình giảm. Ngược lại, công tác dẫn dòng không tốt sẽ gây trở ngại cho công tác thi công, chậm tiến độ, thi công không an toàn, tăng giá thành cũng như các chi phí khác, thậm chí gây hư hỏng, phá huỷ công trình, thiệt hại tài sản và tính mạng con người.

Do đó phải nghiên cứu, phân tích và đánh giá một cách khách quan, triệt để, toàn diện các yếu tố ảnh hưởng và những nguyên tắc để lựa chọn phương án dẫn dòng thi công. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm: Điều kiện địa hình, điều kiện địa chất, điều kiện thuỷ văn, điều kiện dân sinh kinh tế, điều kiện và khả năng thi công và quy mô cũng như tầm quan trọng của công trình xây dựng.

Dẫn dòng thi công về mùa kiệt lưu lượng nhỏ, dòng chảy thường được dẫn dòng qua lòng sông thu hẹp, qua kênh. Về mùa lũ dẫn dòng qua cống, kênh… đó là với những công trình nhỏ. Với những công trình thủy lợi, thủy điện lớn như Sê San 4, Bản Vẽ, Tuyên Quang, Cửa Đạt… nếu theo các sơ đồ dẫn dòng thông thường thì qui mô các công trình dẫn dòng rất lớn tốn nhiều kinh phí. Do đó, lựa chọn sơ đồ dẫn dòng thi công kết hợp qua cống và công trình đang xây dựng giảm đáng kể kinh phí xây dựng công trình dẫn dòng và công trình chính. Tuy nhiên chế độ thủy lực khi xả lũ thi công qua các công trình trên rất phức tạp, cần tính toán xem xét các yếu tố thủy lực ảnh hưởng đến công trình và thường thông qua thí nghiệm mô hình thủy lực để đưa ra những biện pháp hợp lý hạn chế những bất lợi của dòng chảy, đảm bảo hiệu quả cao nhất của công trình dẫn dòng thi công cũng như an toàn cho công trình chính.

II. Dẫn dòng thi công qua công trình đang xây dựng

Có rất nhiều phương án dẫn dòng thi công khác nhau như: dẫn dòng thi công qua hầm, qua kênh dẫn, qua cống dẫn dòng, qua lỗ chừa lại trên thân đập… Trong những phương án thì phương án dẫn dòng qua cống (tuynen), đập bê tông (bê tông cốt thép) và đập đá đổ xây dở là một giải pháp rất khả thi (Hình 1).

Trong mùa kiệt, khi lưu lượng về nhỏ, toàn bộ lưu lượng được xả về hạ lưu qua cống (tuynen). Nhưng khi lũ lớn, một phần lưu lượng được xả qua cống, phần còn lại được xả qua đập xây dở tại một cao trình đã định. Khi đó cống và đập làm việc kết hợp để tháo lũ thi công cho công trình.

Dẫn dòng thi công qua cống hoặc tuynen kết hợp với đập xây dở thường được ứng dụng cho công trình bê tông, bê tông cốt thép, đập đá đổ, đá đổ bê tông bản mặt…

Hình 1- Sơ hoạ xả lũ dẫn dòng thi công qua cống (tuynen) và đập bê tông xây dở

(1)- Cống dẫn dòng, (2)- Đập bê tông xây dở

Trong điều kiện địa hình lòng sông hẹp không thể bố trí được kênh dẫn dòng thì phương pháp này là mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Trong trường hợp điều kiện địa hình đồi núi, địa chất là đá rắn chắc thì dẫn dòng thi công qua hầm kết hợp với đập bê tông xây dở cũng là một biện pháp khả thi.

Khi khối lượng thi công công trình nhiều, thời gian thi công kéo dài, lưu lượng dẫn dòng thi công lớn, chênh lệch lưu lượng giữa hai mùa lũ và kiệt nhiều, quá trình thay đổi lưu lượng và cao trình mực nước trong mùa lũ dao động mạnh thì dẫn dòng thi công qua cống (tuynen) và đập bê tông hay đá đổ xây dở rất có hiệu quả.

+ Ưu điểm của phương pháp

Phương pháp dẫn dòng thi công qua cống và đập xây dở rất đơn giản và dễ dàng, kể cả trong tính toán thiết kế và thi công. Có thể tháo lũ lớn một cách nhanh chóng, làm giảm nhanh mực nước thượng lưu, ít ảnh hưởng tới công trình chính, giảm ngập lụt thượng lưu.

+ Nhược điểm của phương pháp

Lưu lượng tháo lũ lớn dẫn dễ gây xói lở công trình phía hạ lưu đập, vì vậy phải gia cố hệ thống tiêu năng hạ lưu công trình.

Do ưu điểm của phương pháp dẫn dòng thi công qua công trình kết hợp là cống và đập đang xây dựng nên ở thế giới và Việt Nam đã ứng dụng cho nhiều công trình với các dạng kết cấu khác nhau.

Tuy nhiên khi xả lũ thi công qua đập đang xây dựng nhất là đập đá đổ cần tính toán, nghiên cứu thí nghiệm mô hình vật lý để xác định các yếu tố thủy lực và kết cấu gia cố bảo vệ công trình cho đảm bảo kinh tế kỹ thuật.

Dưới đây nêu một số dạng công trình xả lũ thi công qua cống và đập đang xây dựng ở trong nước và thế giới đã thiết kế và thi công.

1. Ở Việt Nam

a. Công trình Sông Tranh 2

Công trình thuỷ lợi, thuỷ điện Sông Tranh 2 được xây dựng trên Sông Tranh 2, tỉnh Quảng Nam. Công trình chính có các thông số sau: Chiều cao đập chính 97m, chiều dài theo đỉnh đập 640m, công suất lắp máy 190MW.

Phương án dẫn dòng như sau:

Giai đoạn 1: Trước khi lấp sông, dòng chảy qua lòng sông tự nhiên.

Giai đoạn 2: Sau khi lấp sông, mùa kiệt lưu lượng dẫn dòng thi công xả qua 3 cống (5x7m); mùa lũ lưu lượng dẫn dòng thi công xả qua đồng thời 3 cống (5x7m) và đoạn đập xây dở dài 110m.

Để chọn kết cấu dẫn dòng hợp lý, đã nghiên cứu thí nghiệm mô hình với tỷ lệ 1/80. Thí nghiệm dẫn dòng thi công về mùa lũ, xả 5 cấp lưu lượng: 2000, 3000, 4000, 5000 và 6150 m3/s.  Kết quả thí nghiệm mô hình: Đối với cống dẫn dòng đã đưa ra kết cấu bể tiêu năng dài 80, chiều rộng 9m, lợi dụng đá tự nhiên không gia cố bê tông cốt thép. Đối với đoạn đập xây dở đã đưa ra kết cấu tiêu năng hạ lưu là đào sâu tới đá gốc, không gia cố bê tông cốt thép.

Kết quả thực tế: Công trình đã thi công từ năm 2007, đến nay gần hoàn thành toàn bộ công trình. Công trình dẫn dòng thi công đã làm việc an toàn, đảm bảo cho thi công công trình đúng tiến độ.

b. Công trình Bản Chát

Công trình thuỷ lợi, thuỷ điện Bản Chát nằm trên sông Nậm Mu là nhánh phía tả ngạn của sông Đà. Công trình có các thông số chính sau: Chiều cao đập chính 130m, chiều dài theo đỉnh đập 424m, công suất lắp máy là 220MW.

Phương án dẫn dòng như sau:

Giai đoạn 1: Trước khi lấp sông, dòng chảy qua lòng sông tự nhiên

Giai đoạn 2:  Sau khi lấp sông, mùa kiệt lưu lượng dẫn dòng thi công xả qua 2 cống (5x9m); mùa lũ lưu lượng dẫn dòng thi công xả qua đồng thời 2 cống (5x9m) và đoạn đập xây dở dài 98m.

Để lựa chọn kết cấu dẫn dòng hợp lý, đã nghiên cứu thí nghiệm mô hình với tỷ lệ 1/80. Thí nghiệm dẫn dòng thi công về mùa lũ xả 5 cấp lưu lượng: 1000, 1700, 3200, 4800 và 5000 m3/s.

Kết quả thí nghiệm mô hình: Đối với cống dẫn dòng đã đưa ra kết cấu bể tiêu năng dài 60m, chiều sâu bể 4m, trong bể có 2 ngưỡng tiêu năng. Đối với đoạn đập xây dở đã đưa ra kết cấu gia cố chân đập phía hạ lưu.

Kết quả thực tế: Công trình đã được thi công từ năm 2008. Công trình dẫn dòng thi công đã làm việc an toàn, đảm bảo cho thi công công trình đúng tiến độ.

Về hiệu quả kinh tế đã tiết kiệm khoảng 20 tỷ đồng so với phương án dẫn dòng thi công truyền thống là dẫn dòng qua cống có 3 khoang (5x9m) và phá dỡ đê quai về mùa lũ, sau mùa lũ lại xây dựng lại đê quai.

c. Công trình thủy điện Tuyên Quang

Công trình thủy điện Tuyên Quang nằm trên sông Gâm. Đây là công trình đập đá đổ, bê tông bản mặt đầu tiên ở Việt Nam. Công trình cấp 1, công suất lắp máy 342MW, chiều cao đập chính 62,70m. Tràn xả mặt gồm 4 cửa van cung, tràn xả sâu gồm 8 cửa.

Phương pháp dẫn dòng như sau:

- Mùa kiệt: Lưu lượng thi công xả qua 3 cống có kích thước BxH=6,00x6,50m, dài 301,50m.

- Mùa lũ năm thứ hai: Xả qua 3 cống dẫn dòng và đê quai thượng gia cố bằng bê tông cốt thép, đê quai hạ lưu gia cố bằng bê tông cốt thép, cao trình đỉnh +49,50m; đoạn đập xây dở chừa lại xả lũ qua cao trình =100,00m, cao trình đỉnh +48,0m. Thí nghiệm xả qua cống và đập xây dở 4 cấp lưu lượng: 2000; 3500; 4295; 5036m3/s.

- Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi: Qua thí nghiệm phương án thiết kế đã sửa đổi kết cấu dẫn dòng như sau:

+ Hạ thấp cao trình đỉnh đê quai thượng lưu từ cao trình +60,0m xuống cao trình +59,0m; nâng cao độ đáy bể tiêu năng từ cao trình +37,0m lên cao trình +46,0m; nâng cao độ đỉnh đê quai hạ lưu từ cao trình +49,50m lên cao trình +53,0m.

Kết quả thí nghiệm đã áp dụng cho thiết kế và thi công công trình thủy điện Tuyên Quang. Hiện nay công trình đã đi vào vận hành.

2. Ở Trung Quốc

Trung Quốc đã xây dựng nhiều đập đá đổ, khi dẫn dòng thi công xả lũ qua một phần đập đang xây dựng, dưới đây nêu một ví dụ minh họa.

Công trình thuỷ điện Tân Hoa

Hồ chứa nước Tân Hoa, tỉnh Tứ Xuyên; Là một công trình thuỷ lợi có nhiệm vụ sử dụng tổng hợp, lấy nước tưới là chính kết hợp cấp nước cho thành thị, phát điện, chống lũ, nuôi cá và du lịch. Đập chính ngăn sông là đập đá đổ đầm nén, chiều cao lớn nhất của đập là 66m, mặt đập rộng 8m, chiều dài theo đỉnh đập là 238.75m.

+ Phương án dẫn dòng

Mùa khô xả lũ qua tuy nen dẫn dòng, mùa lũ xả qua tuy nen và đoạn đập đắp dở. Mái hạ lưu đoạn đập đắp dở xả lũ chia làm 3 bậc như hình 2.

 Hình 2. Sơ hoạ mặt cắt ngang đoạn đập xây dở để xả lũ thi công

Ghi chú:

(1) Đê quai                                                    (5) Đá lát khan

(2) Khối đá nén                                              (6) Đá đắp đập

(3) Rãnh đổ bê tông                                        (7) Rọ thép bỏ đá

(4) Màng composit                                          (8) Lớp bê tông đệm

3. Xả lũ thi công qua đập đá đổ dạng bậc nước

Để tiêu hao năng lượng của dòng chảy qua công trình đang xây dựng và giảm gia cố hạ lưu, thường dùng rọ thép bỏ đá dạng bậc nước nêu ở dưới đây.

a. Chế độ thủy lực trên bậc nước

Chế độ thủy lực từ đỉnh đập đá đổ đắp dở chảy qua các bậc xuống chân đập có thể được coi là sự hình thành của nhiều bậc nước liên tiếp có dòng rơi tự do (xem hình 3).

 Hình 3. Chế độ thủy lực trên bậc nước

Trường hợp bậc nước bằng các rọ thép bỏ đá có phần bậc nhô đủ rộng thì dòng chảy từ mỗi bậc phun xuống bậc kế tiếp tạo thành mũi phun có góc hắt a = 0o, sau dòng phun có nước nhảy. Khi đó mái hạ lưu đập đá đổ có thể coi là một hệ thống các bậc nước hoàn chỉnh liên tiếp nhau. Nếu bậc không đủ rộng để có thể gói chọn cả dòng rơi và nước nhảy thì dòng chảy sẽ đổ từ bậc nọ xuống bậc kia thành các cung cong liên tiếp, nếu bậc ngắn thì dòng chảy vượt qua cả mũi bậc và đổ xuống bậc kế tiếp. Từ tính chất thủy lực này khi thiết kế bậc có chiều cao đã định Dh = a(m) thì chiều dài mỗi rọ thép phải có kích thước nhất định:

Lrọ = L1+L2+L3                        (1)

Lrọ - Chiều dài cần thiết của rọ thép (m)

L1 - Chiều dài gối và bên trong thân đập (m)

L2 - Chiều dài tạo ra bậc nước, hứng được dòng rơi từ bậc phía trên đổ xuống (m)

L3 - Chiều dài để dòng chảy sinh nước nhảy trên bậc nước (m)

Qua nghiên cứu thí nghiệm mô hình để bậc nước có kết cấu ổn định thì chiều dài L1≥L2; thường là lớn hơn L2 để đảm bảo trọng tâm của rọ thiên về phía thân đập (đây là trường hợp bậc không hình thành nước nhảy trên bậc).

Muốn xác định được chiều dài L1 và L2 cần phải tính được khoảng cách phóng xa của dòng chảy từ đỉnh đập đá đổ xuống bậc thứ nhất. Gọi X là khoảng cách phóng xa thì X được xác định theo công thức:

Hình 4. các thông số bậc nước

Khi có thí nghiệm sử dụng trị số đo lường mặt nước để xác định giá trị Zo, Z1 để suy ra Zg. Khi chưa có số liệu thí nghiệm thì tính Zo và Z1 như mực nước trên đỉnh tràn đỉnh rộng chảy tự do. Độ sâu dòng chảy ở mặt cắt 1-1 tại mũi hất (mép cuối bậc) là h1 qua thực nghiệm cho thấy luôn nhỏ hơn độ sâu phân giới hpg, có thể xác định theo công thức của Mooer và Rand.

h1 = 0.715 hpg              (3)

Năng lượng của dòng chảy được tiêu hao qua dòng phun rơi một phần khuếch tán trong không khí, một phần tiêu hao do dòng phun va đập với mặt rọ đá và một phần tiêu hao do nước nhảy ở trên bậc (trường hợp bậc rọ đá đủ dài).

Trường hợp chiều cao chênh lệch giữa đỉnh đập đá đổ với đáy lòng sông hạ lưu lớn, nếu mỗi bậc phải làm đủ chiều dài Lrọ = (L1+L2+L3) thì khối lượng làm rọ thép bỏ đá sẽ tăng lên nhiều. Vì vậy sẽ làm rọ đá có chiều dài Lrọ = (L1+L2) giảm bớt chiều dài xây dựng tạm thời khi xả lũ thi công; song để giảm bớt chiều dài xây dựng tạm thời khi xả lũ thi công, để đảm bảo an toàn cho công trình cần phải chấp nhận việc gia cố bằng tăng cường đường kính thép hàn lưới của rọ và tăng thép néo.

Như vậy, để đảm bảo an toàn cho công trình chính và công trình dẫn dòng khi xả lũ thi công qua đoạn đập đá đổ đắp dở cần phải dùng rọ thép phi tiêu chuẩn. Hiện nay, ở cả trong nước và ngoài nước mới chỉ nghiên cứu tính toán thiết kế cho từng công trình cụ thể, chưa có nghiên cứu tổng quát. Do đó nhiều vấn đề cần nghiên cứu chi tiết, như: Dòng thấm rối tác động vào vật gia cố, ổn định của rọ thép bỏ đá cho mái hạ lưu là phẳng hay dạng bậc thang, tiêu năng hạ lưu sau đoạn đập đá đổ đắp dở…

III. Kết luận

Phương pháp xả lũ thi công qua công trình đang xây dựng mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật lớn, do vậy ở Trung Quốc dùng khá phổ biến ở nước ta đã áp dụng cho khoảng 20 công trình. Tuy nhiên để áp dụng phương pháp này nên thí nghiệm nhiều phương án khác nhau với nhiều cấp lưu lượng, trong đó có một số cấp lớn hơn tính toán để đảm bảo an toàn khi xả lũ thi công. Một số nghiên cứu chi tiết về kết cấu bảo vệ đoạn đập xây dựng dở chúng tôi sẽ nêu ở các số tiếp theo.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Khánh Tường (2001), Rọ đá trong các công trình thủy lợi - Giao thông - Xây dựng. Nhà xuất bản xây dựng.

[2]. Viện Năng Lượng (2002), Báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình công trình thủy điện Tuyên Quang.

[3]. Viện Khoa học Thuỷ lợi (2006), Báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực dẫn dòng thi công công trình Sông Tranh 2.

[4]. Viện Khoa học Thuỷ lợi (2006), Báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực dẫn dòng thi công công trình Bản Chát.

[5]. Trần Quốc Thưởng (2007), Báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực dẫn dòng thi công công trình Khe Bố.

[6]. Trần Quốc Thưởng, Vũ Thanh Te (2007): Đập tràn thực dụng – NXB xây dựng, Hà Nội.

[7]. Trần Quốc Thưởng (2008): Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số 6-201J.

Tác giả:

ThS. Giang Thư, KS. Tô Vĩnh Cường
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sông biển
Th.S Lê Quang Hưng - Ban Quản lý Trung ương các dự án thủy lợi

Tạp chí KH&CN Thủy lợi