Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập bê tông

Sóng gián đoạn là dạng sóng có mặt trước dốc đứng, chuyển động nhanh theo phương ngang. Khi vỡ đập, sóng này xuất hiện cả thượng lưu và hạ lưu. Tại thượng lưu, sóng âm lan ngược dòng do mực nước hồ đột ngột hạ thấp. Tại hạ lưu, sóng dương truyền xuống với tốc độ cao. Dòng chảy không ổn định tạo nên đặc tính phức tạp của sóng. Phân loại sóng gián đoạn dựa vào cường độ và hướng lan truyền. Nghiên cứu phân loại giúp xác định mức độ nguy hiểm cho từng khu vực.

Đập bê tông vỡ do nhiều nguyên nhân khác nhau. Lũ lớn vượt khả năng thiết kế là nguyên nhân phổ biến nhất. Nền móng yếu hoặc bị xói lở làm mất ổn định công trình. Lỗi thiết kế kết cấu dẫn đến ứng suất vượt giới hạn chịu lực. Lão hóa vật liệu làm giảm cường độ bê tông theo thời gian. Động đất mạnh tạo lực tác động đột ngột lên thân đập. Chiến tranh hoặc phá hoại cố ý cũng gây vỡ đập. Hiểu rõ nguyên nhân giúp dự báo kịch bản vỡ chính xác hơn.

Nghiên cứu thủy lực vỡ đập có ý nghĩa quan trọng cho an toàn xã hội. Dự báo chính xác sóng lũ vỡ đập giúp sơ tán dân kịp thời. Tính toán vùng ngập lụt là cơ sở lập kế hoạch phòng chống thiên tai. Thiết kế công trình hạ lưu cần dữ liệu về vận tốc dòng chảy cực đại. Đánh giá rủi ro đập giúp ưu tiên nguồn lực gia cố, sửa chữa. Mô hình toán học thủy lực hỗ trợ mô phỏng nhiều kịch bản khác nhau. Nghiên cứu này góp phần nâng cao năng lực quản lý đập quốc gia.

Mô hình vật lý tái tạo đập thu nhỏ trong kênh thí nghiệm. Tỷ lệ mô hình được chọn theo định luật tương tự Froude. Vật liệu làm đập mô hình phải đảm bảo vỡ đồng thời như thực tế. Cảm biến đo mực nước và vận tốc dòng chảy liên tục. Camera tốc độ cao ghi lại quá trình lan truyền sóng. Thí nghiệm lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy. Dữ liệu thu được dùng để xây dựng công thức thực nghiệm. Mô hình vật lý cho kết quả trực quan, dễ quan sát hiện tượng.

Mô hình CFD giải phương trình Navier-Stokes ba chiều. Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) chia miền tính thành lưới nhỏ. Mô hình rối k-epsilon hoặc LES mô phỏng dòng chảy rối. Phương pháp VOF (Volume of Fluid) theo dõi bề mặt tự do. Điều kiện biên đầu vào là mực nước hồ chứa ban đầu. Điều kiện hạ lưu thiết lập theo độ sâu nước thực tế. Thời gian tính toán phụ thuộc vào kích thước lưới và cấu hình máy tính. Mô hình CFD cho kết quả chi tiết về trường vận tốc và áp suất.

Phương trình Saint-Venant gồm phương trình liên tục và động lượng. Phương trình này mô tả dòng chảy không ổn định trong kênh hở. Giả thiết phân bố áp suất thủy tĩnh và độ dốc nhỏ. Phương trình được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Sơ đồ số ẩn hoặc hiện tùy theo yêu cầu ổn định. Điều kiện đầu là phân bố mực nước và lưu lượng ban đầu. Điều kiện biên thượng lưu là quá trình lưu lượng thoát qua vết vỡ. Phương pháp này phù hợp cho tính toán nhanh trên sông dài.

Sóng gián đoạn thượng lưu có mặt trước dốc và mặt sau thoai. Độ dốc mặt trước phụ thuộc vào tốc độ hạ mực nước. Chiều dài sóng tăng theo thời gian khi lan truyền. Chiều rộng sóng bằng chiều rộng hồ chứa tại vị trí đó. Biên dạng sóng không đối xứng do địa hình hồ phức tạp. Độ sâu nước giảm dần từ chân đập ra xa. Quan sát trên mô hình vật lý cho thấy sóng rõ nét trong giai đoạn đầu.

Tốc độ sóng âm thượng lưu nhỏ hơn tốc độ sóng dương. Công thức tính dựa trên lý thuyết sóng động học. Vận tốc sóng tỷ lệ với căn bậc hai độ sâu nước. Địa hình hồ ảnh hưởng đến quá trình lan truyền. Sóng di chuyển chậm hơn ở vùng nước nông. Thời gian sóng đến các vị trí khác nhau được ghi nhận. Dữ liệu này dùng để kiểm chứng mô hình toán học.

Tương quan giữa chiều dài và chiều rộng sóng được thiết lập. Tỷ số này phụ thuộc vào hình dạng hồ chứa. Hồ hẹp dài cho tỷ số lớn hơn hồ rộng. Phương trình hồi quy xác định mối liên hệ định lượng. Hệ số tương quan cao chứng tỏ mối quan hệ chặt chẽ. Công thức thực nghiệm giúp dự báo nhanh kích thước sóng. Kết quả áp dụng được cho các hồ chứa tương tự.

Dòng chảy hạ lưu chuyển từ trạng thái ban đầu sang không ổn định. Trước khi vỡ, dòng chảy có thể tĩnh hoặc chảy đều. Ngay khi đập vỡ, sóng xung kích hình thành và lan nhanh. Số Froude tăng vượt 1, dòng chảy chuyển sang siêu tới hạn. Vận tốc dòng chảy tăng gấp nhiều lần so với ban đầu. Ứng suất trượt đáy tăng mạnh gây xói lở nghiêm trọng. Chế độ rối phát triển mạnh mẽ tại mặt sóng. Hiểu rõ chế độ chảy giúp đánh giá sức phá hoại.

Sóng gián đoạn hạ lưu có mặt trước gần như thẳng đứng. Chiều cao sóng giảm dần khi lan xuống hạ lưu xa. Độ dốc mặt sau sóng thoai hơn mặt trước. Bọt khí xuất hiện nhiều tại đỉnh sóng do rối mạnh. Chiều dài sóng tăng theo khoảng cách từ đập. Hình dạng sóng chịu ảnh hưởng bởi độ nhám lòng sông. Kênh hẹp làm sóng cao hơn so với kênh rộng. Quan sát chi tiết cấu trúc sóng qua camera tốc độ cao.

Tốc độ sóng hạ lưu lớn hơn nhiều so với sóng thượng lưu. Vận tốc sóng phụ thuộc vào độ sâu nước hạ lưu ban đầu. Công thức Ritter mô tả tốc độ sóng trong điều kiện lý tưởng. Thực tế tốc độ nhỏ hơn do ma sát và địa hình. Sóng di chuyển nhanh hơn ở đoạn sông sâu và thẳng. Đoạn sông cong hoặc có chướng ngại làm chậm sóng. Đo đạc tốc độ sóng tại nhiều mặt cắt khác nhau. Dữ liệu này quan trọng cho cảnh báo sớm vùng hạ du.

Công thức lưu lượng có dạng tương tự công thức tràn đập. Lưu lượng tỷ lệ với chiều rộng vết vỡ và cột nước. Hệ số lưu lượng được xác định qua thực nghiệm. Giá trị hệ số dao động từ 0.4 đến 0.8 tùy điều kiện. Mực nước hồ thay đổi theo thời gian ảnh hưởng lưu lượng. Phương trình vi phân mô tả quá trình hạ mực nước. Giải phương trình cho quá trình lưu lượng thoát. Lưu lượng cực đại thường xuất hiện ngay sau khi vỡ.

Hệ số lưu lượng phản ánh đặc điểm dòng chảy qua vết vỡ. Giá trị này nhỏ hơn hệ số tràn do dòng chảy phức tạp. Thu hẹp dòng chảy tại vết vỡ làm giảm hệ số. Hình dạng vết vỡ ảnh hưởng đến giá trị hệ số. Vết vỡ hình chữ nhật có hệ số khác hình thang. Tỷ số độ sâu nước hạ lưu và thượng lưu cũng tác động. Thí nghiệm trên mô hình vật lý xác định hệ số chính xác. Công thức hồi quy thiết lập mối quan hệ với các tham số.

Vết vỡ đập bê tông phát triển rất nhanh ban đầu. Kích thước vết vỡ tăng từ nhỏ đến tối đa trong vài phút. Chiều rộng vết vỡ thường đạt giá trị ổn định trước chiều cao. Tốc độ phát triển phụ thuộc cơ chế vỡ đập. Vỡ do tràn đỉnh có quá trình khác vỡ do nứt thân đập. Quan sát trên mô hình cho thấy quá trình rõ ràng. Mô hình số cần hiệu chỉnh thời gian phát triển vết vỡ. Kịch bản vỡ đồng thời toàn bộ đập là trường hợp xấu nhất.

Thiết lập mô hình bắt đầu từ xây dựng địa hình số. Dữ liệu địa hình lấy từ đo đạc thực địa hoặc bản đồ. Lưới tính toán chia theo kênh sông và vùng ngập. Kích thước lưới cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính. Điều kiện đầu thiết lập mực nước và lưu lượng ban đầu. Điều kiện biên thượng lưu là quá trình lưu lượng vỡ đập. Điều kiện biên hạ lưu là đường cong mực nước - lưu lượng. Tham số nhám Manning xác định theo loại lòng sông.

Hiệu chỉnh mô hình dùng số liệu mực nước thực đo. So sánh kết quả tính toán với số liệu đo đạc. Điều chỉnh tham số nhám để mô hình phù hợp thực tế. Kiểm tra cân bằng khối lượng nước trong mô hình. Kiểm định mô hình bằng bộ số liệu độc lập khác. Đánh giá độ chính xác qua các chỉ số thống kê. Hệ số Nash-Sutcliffe lớn hơn 0.7 là chấp nhận được. Mô hình đạt yêu cầu mới dùng cho dự báo.

Tính toán nhiều kịch bản vỡ đập khác nhau. Kịch bản khác nhau về kích thước vết vỡ và mực nước hồ. Kết quả tính toán là quá trình mực nước, vận tốc theo thời gian. Xác định vùng ngập, độ sâu ngập tại từng thời điểm. Vẽ bản đồ ngập lụt cho các kịch bản tính toán. Xác định thời gian sóng lũ đến các khu dân cư. Đánh giá mức độ rủi ro cho từng vùng hạ lưu. Bản đồ ngập là cơ sở lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp.