Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ hai, 01/03/2021 | 05:19

Thứ hai, 01/03/2021 | 05:19

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 10:26 ngày 23/02/2021

Một số giải pháp gia cố bờ sông hạ lưu sau công trình tháp lũ ở nhà máy thủy điện

1. Đặt vấn đề
Thực tế vận hành ở các nhà máy thủy điện lớn trong những năm vừa qua, mặc dầu tháo lưu lượng lũ còn thấp hơn thiết kê, nhưng hạ lưu hai bờ đã xảy ra xói lở ở mức độ khác nhau. Về lâu dài các tác động này có thể ảnh hưởng lớn đến vận hành nhà máy và an toàn hạ lưu. Để lựa chọn giải pháp gia cố bờ sông hạ lưu căn cứ vào các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện nay: TCVN 8419: 2010, QCVN 04-05: 2012/BNNPTNT và một số hướng dẫn kỹ thuật liên quan. Có rất nhiều giải pháp gia cố bờ sông được ứng dụng hiện nay, nhưng cũng chưa có giải pháp nào dùng chung cho tất cả các công trình; tùy thuộc vào quy mô, đặc điểm tự nhiên của địa hình, địa chất, kết cấu công trình chính và các yếu tố thủy văn, thủy lực hạ lưu để có giải pháp phù hợp.
2.  Một vài giải pháp gia cố bảo vệ bờ sông có thể áp dụng 
Nguyên tắc chung để chọn giải pháp là tuân thủ các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành; đảm bảo tính bền vững, ổn định của vật liệu gia cố và kết cấu gia cố, đáp ứng yêu cầu về mỹ quan công trình.
Trên cở sở phân tích các nguyên nhân gây xói lở bờ sông, cho thấy các yếu tố chủ yêu ảnh hưởng đến quá trình xói có thể gồm: điều kiện tự nhiên, địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, điều kiện thủy lực. Một trong những yếu tố quyết định đến giải pháp là đặc điểm thủy lực hạ lưu, chịu tác động của vận tốc, mạch động vận tốc lớn, sóng, sóng leo lớn; áp suất cùng với mạch động áp suất lớn. Diễn biến thủy lực khu vực hạ lưu hố xói thay đổi phức tạp; mức độ mãnh liệt của các yếu tố thủy lực có thể đánh giá: rất lớn ở khu vực hố xói, bể tiêu năng; lớn ở khu vực sau hố xói và mức độ trung bình ở đoạn dòng chảy trước khi tái tạo dòng chảy của lòng sông thiên nhiên. Tham khảo kết quả nghiên cứu mô hình thủy lực một số công trình có thể phân mức độ tác động mạnh của dòng chảy ở hạ lưu như sau:
Bảng 1: Phân vùng tác động của dòng chảy dưới hạ lưu
a).Kè lát mái bằng đá hộc (đá đổ, đá chít mạch, đá xây, rọ và rồng đá) 
Bờ sông có vận tốc dòng chảy và sóng nhỏ, nơi có vận tốc v < 4m/s, chiều cao hs < 3m, nơi có sẵn vật liệu đá và không yêu cầu thẩm cao, mái dốc tương đối thoải m<1,5÷2. Khu vực này thường ở cuối vùng tiêu năng, vùng lòng sông thiên nhiên. Đường kính viên đá có thể tính theo công thức: 
Chọn kích thước viên đá lớn nhất khi tính theo hai công thức trên, khi đó đường kính viên đá hoặc rồng đá đủ chống lại vận tốc và sóng.
Hình 1: Mặt cắt thiết kế gia cố đại diện bằng đá hộc
Hình  2: Mặt cắt thiết kế gia cố đại diện bằng rọ đá.
b). Kè lát mái bằng tấm bê tông có hoặc không có cốt thép
Phạm vi áp dụng với vận tốc v<7m/s, hs<5m, mái dốc m <1,5. Vùng này có thể là vùng sau sân sau, khu vực tiếp giáp với bờ sông thiên nhiên.
Với vận tốc v= 5÷7m/s, nếu lát mái bằng đá thì kích thước đường kính viên đá dđá đá sẽ rất lớn (dda>0,9m), khó có khả năng đáp ứng về vật liệu xây dựng. Phù hợp hơn nên dùng lát mái bằng các tấm bê tông lắp ghép hoặc đổ tại chỗ.
Hình 3: Mặt cắt thiết kế gia cố đại diện bằng tấm bê tông.
Tính toán chọn chiều dày tấm bê tông gia cố db theo các công thức: 
Từ đó tính toán chọn được chiều dày tấm bê tông lớn nhất theo hai công thức trên tùy thuộc vào chiều cao sóng; áp suất đẩy nổi.
 c).Kè lát mái bằng tấm bê tông cốt thép kết hợp neo trong đá
Khu vực hố xói, bể tiêu năng và sân sau nơi có vận tốc lớn v = 8÷25m/s, chiều cao sóng hs= 6÷15m, mái đào có độ dốc thường lớn m = 0,75÷1,5 nơi chịu tác động rất mạnh của dòng chảy tới kết cấu mái gia cố. Khu vực này nên dùng vật liệu gia cố mái bằng bê tông cốt thép, để giảm chiều dày tấm bê tông có thể kết hợp với neo trong nền đá. 
Hình 4: Mặt cắt thiết kế gia cố đại diện bằng tấm bê tông kết hợp neo.
 Tính toán chọn chiều dày tấm theo điều kiện thủy lực theo công thức 3, 4.
3. Ứng dụng thiết kế gia cố bờ sông hạ lưu thủy điện Tuyên Quang, Lai Châu, Trung Sơn và Bản chát
a). Hạ lưu thủy điện Tuyên Quang
Bảng 5. 9: Các thông số thủy lực tính toán cho gia cố bờ phải
Với vận tốc dòng chảy và sóng không lớn, mái dốc thoải có thể dùng kết cấu gia bằng đá hộc, rọ đá. Gia cố hiện nay đang dùng rọ đá, phần hư hỏng không nhiều do vậy có thể sửa chữa các gia cố này. Để nâng cao an toàn và mỹ quan cho công trình có thể gia cố bên ngoài rọ đá bằng các tấm bê tông đổ tại chỗ.
Đối với kết cấu gia cố bằng rọ đá: kết cấu rọ đá có chiều dày Drọ>0,5m; kích thước đường kính viên đá theo (1,2) Dđá = 0,2 ÷ 0,3m; Chiều dày tấm bê tông theo công thức  tính toán  (3), (4)  Db= 0,3 ÷ 0,4m. 
Hình 5. Mặt cắt thiết kế gia cố đại diện bằng rọ đá phủ bê tông ở hạ lưu Tuyên Quang
b). Hạ lưu thủy điện Lai Châu
Đoạn tiếp giáp sau hố xói, đoạn này có vận tốc dòng chảy và sóng tương đối lớn v =5 ÷ 6m/s, hs= 3 ÷ 4m/s; đoạn này chọn gia cố bằng các tấm bê tông cốt thép đổ tại chỗ. Tính chiều dày tấm bê tông chống xói trôi theo công thức (3), chiều dày tấm bê tông db=0,25 ÷ 0,35m;  tính theo áp lực đẩy nổi theo công thức (4)  db=0,35 ÷ 0,45m  và đẩy nổi theo mạch động áp lực lớn nhất db=0,8m;
Kết cấu gia cố xem hình 3.
c). Hạ lưu thủy điện Bản Chát (xem hình 4)
Bảng 5. 3: Chiều dày tấm bê tông tính theo sóng và áp lực đẩy nổi
Nếu tính theo áp lực đẩy nổi do mạch động db=2,5m. Để giảm chiều dày tấm bê tông kết hợp thiết kế các neo trong đá. Trong trường hợp bố trí neo, có thể chọn chiều dày tấm db=1÷2m theo thống kê kinh nghiệm ở một số công trình đã áp dụng hình thức này.
d). Hạ lưu thủy điện Trung Sơn (xem hình 4)
Vận tốc bờ phải tương ứng với các lưu lượng lũ thường xuyên đến lũ kiểm tra có vận tốc dòng chảy v = 6 ÷ 8m/s; hs=12,64 ÷ 13,76m; mạch động áp suất p=2÷3m; với vận tốc lớn, sóng và mạch động áp suất cao như trên, gia cố bằng đá hộc là không khả thi. Phương án hợp lý là gia cố bằng các tấm bê tông cốt thép kết hợp với neo trong đá. Tính chiều dày tấm bê tông chống xói trôi theo công thức (3), db=1,3÷1,6m; tính theo áp lực đẩy nổi theo công thức (4) db=1,8 ÷ 2,  để giảm chiều dày tấm bê tông gia cố db=1,2 ÷ 1,5m, kết hợp với neo trong đá.
4. Kết luận
Theo đặc điểm thủy lực hạ lưu và phạm vi ứng dụng hiệu quả của các loại vật liệu gia cố ở hạ lưu các nhà máy thủy điện có thể lựa chọn các loại vật liệu gia cố sau:
- Khu vực mái hố xói vơi vận tốc và sóng rất lớn, v>8m/s, hs>6m, cùng với mạch động rất lớn, mái dốc cao, khu vực này nên dùng kết cấu tấm bê tông cốt thép có neo trong đá;
- Khu vực ngay sau hố xói vận tốc và sóng vẫn còn lớn v < 8m/s, hs < 6m, độ dốc mái lớn; khu vực này có thể dùng kết cấu tấm bê tông có neo hoặc không cần neo;
- Vùng tiếp giáp sân sau với lòng sông thiên nhiên, vận tốc và sóng không quá lớn v < 2m/s, hs < 2m có thể dùng các loại vật liệu đá hộc đổ rối, lát khan, đá hộc xây; Thảm rọ đá, rồng đá được dùng khi vận tốc và sóng tương đối mạnh, không có đá lớn;
- Dùng nhiều giải pháp nêu trên kết hợp khi mức nước dao động lớn, mái đê dài, từng đoạn có yêu cầu khác nhau.
5. Tài liệu tham khảo
 Viện Năng Lượng –Báo cáo tổng kết đề tài NCKH : "Nghiên cứu nguyên nhân gây xói lở hạ lưu và đề xuất lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp trong thiết kế, quản lý khai thác của một số công trình thủy điện lớn" năm 2019-2020.
Ths. Hoàng Đức Thuật
 Trung tâm Thủy điện - Viện Năng Lượng

lên đầu trang