nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, áp dụng cho đường tràn hồ tả trạch

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

VŨ BÁ CHÍ

NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG TRÀN HỒ TẢ TRẠCH

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người HDKH: GS.TS NGUYỄN CHIẾN

Hà Nội – 2012

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn công trình đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất nước Do mức độ quan trọng và đặc thù của công trình thủy lợi, những yêu cầu về đảm bảo an toàn & kinh tế trong việc tính toán thiết kế, thi công và quản lý khai thác đặt ra ngày càng cao

Công trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của một hệ thống thủy lợi Chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và thành rắn Sự tương tác đó đặc biệt khi dòng chảy có lưu tốc lơn sẽ gây ra những hệ quả bất lợi cho công trình như mạch động, song xung kích, hàm khí, khí thực… Trong đó khí thực là một trong những vấn đề rất quan trọng và cần được xem xét

Đáng chú ý là vấn đề tính toán khí thực trong các công trình tháo nước

ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức Trong khi đó, những năm gần đây, đã có nhiều sự cố hư hỏng công trình do các nguyên nhân lien quan đến hiện tượng khí thực gây nên như đường tràn công trình đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh… Điều này đòi hỏi trong tính toán thiết kế cũng như thi công xây dựng các công trình mới phải được đề cập đầy đủ hơn đến vấn đề khí thực cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật chuyên môn để phòng ngừa sự cố Ngoài ra, ở các công trình đã xây cũng cần phải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý cần thiết

Qua đây ta có thể thấy đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao vì nó liên quan trực tiếp đến an toàn và kinh tế của công trình thủy lợi, đồng thời đây cũng là vấn đề cấp thiết của ngành thủy lợi hiện nay

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Ứng dụng tính toán kiểm tra khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực ở các mố tiêu năng

- Phân tích kết quả đánh giá

- Đề xuất các giải pháp phòng chống khí thực ở mố tiêu năng

- Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Tả Trạch

- Đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Tả Trạch

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, TIÊU NĂNG VÀ KHÍ

THỰC Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG

1.1 Tổng quan về công trình tháo nước

1.1.1 Khái niệm công trình tháo nước

Thuật ngữ công trình tháo nước ( CTTN ) dung để chỉ những hạng mục công trình đầu mối thủy lợi cho nước tràn qua Nhiệm vụ của CTTN có thể là tháo lũ, tháo nước thừa, nước thải, tháo cạn hồ chứa hay lấy nước từ song, hồ cho các mục đích sử dụng khác nhau CTTN thường được bố trí ở đầu mối hồ chứa, đập dâng trên sông, hay các công trình tháo nước cuối hệ thống tiêu, cống lấy nước từ sông, hồ

Đối với các hồ chứa và đập dâng trên sông thì nhiệm vụ quan trọng nhất của CTTN là tháo lũ bảo vệ an toàn cho bản thân công trình đâu mối cũng như khu vực hạ du Ngoài ra, có thể kết hợp tháo nước trong thời kỳ thi công

Đối với các hệ thống thoát nước thừa, nước thải từ các khu vực sản xuât nông nghiệp, công nghiệp hay khu dân cư thì CTTN được đặt ở cuối kênh tiêu để tháo nước ra biển, ra sông hay ra kênh khác

Đặc điểm quan trọng của CTTN là làm việc trong điều kiện có chênh lệch mực nước rõ rệt giữa thượng hạ lưu Cột nước công tác ở CTTN có thể

từ một vài mét ( ở các cống tiêu ) cho tới hàng trăm mét ( ở các hồ chứa có cột nước cao ) Dòng chảy qua CTTN thường là dòng chảy xiết với độ xiết (đặc trưng bởi trị số Fr = v2/gh hoặc FrR = v2/gR ) phụ thuộc vào cột nước

công tác và quy mô công trình Ở các CTTN mà dòng chảy có độ xiết cao ( trị

số Fr lớn ) thì có thể phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bất lợi như hàm khí, khí thực, sóng xung kích … Do đó trong tính toán cần phải tìm cách khăc phục hoặc hạn chế tác hại của các hiện tượng này

1.1.2 Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và Việt Nam

Theo con số của hội đập cao thế giới ( ICOLD ) tính đến năm 2000

trên thế giới có khoảng 45000 đập lớn Trong đó nước có nhiều đâp nhất thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập thế giới Đứng thứ 2 là

Mỹ có 6.575 đập Đứng thứ 3 là Ấn Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập… Và Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn trên thế giới

0 5000 10000 15000 20000 25000

Trung Quốc Mỹ Ấn Độ Nhật Bản Tây BanNha

Ở Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nên kinh tế là nông nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững cuả đất nước Tuy vậy do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới

Từ khi đất nước thống nhất đến nay, thủy lợi nước ta mới thực sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư Đến nay nước ta có khoảng 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa đập cỡ nhỏ Các hệ thống thủy lợi ở nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước như đập thủy điện Hòa Bình, Thác Bà Đa Nhim, Trị An…

Từ khi “ Luật tài nguyên nước ” của nước ta ra đời năm 1998 đã 1 lần nữa khẳng định tầm quan trọng của các công trình thủy lợi đối với việc phát triển và bảo vệ đất nước Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thủy lợi, thủy điện nước ta phát triển khá mạnh

1.1.3 Một số công trình tháo lũ điển hình ở Việt Nam

Công trình tháo lũ là loại công trình tháo nước ( CTTN ) điển hình nhất Nó là một hạng mục không thể thiếu ở các đầu mối thủy lợi, có chức năng tháo nước thừa trong mùa lũ để đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối, cũng như vùng hạ du Ở một số đầu mối thủy lợi, công trình tháo lũ còn được kết hợp để tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ chứa khi cần thiết, hay kết hợp để tháo nước trong thời kỳ thi công

Ở các công trình đầu mối có đập dâng là đập bê tông hay đá xây thì công trình tháo lũ thường là tràn hở bố trí ngay trên tuyến đập dâng Ngược lại khi đập dâng được đắp bằng vật liệu địa phương như đất, đá… thì công trình tháo lũ phải bố trí ngoài tuyến đập, có thể là đầu đập, hay ở một eo núi

xa vị trí đập Hình thức của công trình tháo lũ loại này có thể là tràn xả sâu, chế độ chảy là không áp hoặc có áp…

Một số công trình tháo nước có quy mô lớn ở Việt Nam

+ Địa điểm: Nghệ An

+ Hình thức tiêu năng: Đập tràn mũi phun

+ Thông số thủy lực:

Qxả = 10500 m3/s, BTràn = 60

m + HTràn = 11,5 m, q=155,6

m2/s

Hình 1.3 Thủy điện Bản Vẽ

Hình 1.4 Thủy điện Hòa Bình

+ Địa điểm: Hòa Bình + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun

+ Thông số thủy lực:

Qxả = 37800 m3/s, BTràn = 60

m

+ Địa điểm: Sơn La

+ Hình thức tiêu năng: Đập tràn, mũi phun

+ Thông số thủy lực:

Qxả = 2387 m3/s, BTràn = 80 m + HTràn = 5,63 m, q = 24,1

+ Công suất phát điện: 19.200

MW

Hình 1.6 Thủy điện Trị An

+ Địa điểm: Thanh Hóa + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun

+ Thông số thủy lực: Qxả = 11487m3/s, BTràn = 67 m, HTràn

= 24,33 m, q = 171,4 m2/s

Hình 1.7 Hồ chứa Cửa Đạt

+ Địa điểm: Tuyên Quang + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun

+ Thông số thủy lực: Qxả =

11986 m3/s, BTràn = 60 m,

HTràn = 15,84 m, q = 170 m2/s

Hình 1.8 Thủy điện Tuyên Quang

1.2 Tiêu năng sau công trình tháo nước

Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng lượng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập,

một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí Sức cản nội bộ dòng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lượng do xói lở càng nhỏ và ngược lại Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy và dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp với không khí gây ma sát có tác dụng tiêu hao năng lượng và giảm xói lở Để đạt được những mục đích trên thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dòng đáy (hình 1.9a), tiêu năng dòng mặt (hình 1.9b), tiêu năng dòng mặt ngập (hình 1.9c), tiêu năng phóng xa (hình 1.9d)

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng có liên quan lẫn nhau

1.2.1 Tiêu năng dòng đáy

Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước

nhảy để tiêu năng Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu

nước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy (hb > hc”)

để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung Trong tiêu năng đáy,

lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng gây xói lở, vì thế

trong khu vực nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau) Khi nền đá

xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cần được bảo vệ thích đáng

Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sân sau có xây thêm các thiết bị

tiêu năng phụ như mố, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ dòng chảy càng

mãnh liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng có thể tiêu hao

một phần năng lượng Biện pháp này có hiệu quả tốt và được ứng dụng

rộng rãi Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền

Chiều dài sân sau Ls lúc có bể hoặc tường tiêu năng được tính từ mặt cắt co hẹp ngay sát chân đập tràn Trong thực tế, trên sân sau khi có bể hoặc tường sẽ hình thành nước nhảy không tự do nên chiều dài của nó nhỏ hơn chiều dài nước nhảy tự do (ln) Theo đề nghị của M.Đ.Tsêtouxôp như sau [10]:

Hình dạng bể tiêu năng trong mặt phẳng thẳng đứng là hình chữ nhật (hình 1 9a) thì hiệu quả tiêu năng tốt Nhưng do dòng chảy có thể bào mòn cạnh và góc, nhất là khi nước có nhiều bùn cát, nên thường thiết kế bể có dạng hình thang (hình 1.10b)

b Tường tiêu năng (hình 1.11)

Khi do điều kiện kết cấu và thi công, bể tiêu năng không thích hợp thì nên dùng tường tiêu năng Tường có thể dâng mực nước hạ lưu và giảm khối lượng đào Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa Chiều cao của tường cũng giống như chiều sâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác nhau để tìm được chiều cao tường lớn nhất Sau khi xác định được kích thước của tường cần phải kiểm tra xem sau tường có nước nhảy xa nữa không Nếu

có thì phải thiết kế thêm tường tiêu năng thứ hai Hình dạng tường tiêu năng thường làm mặt cắt trơn và thuận để tránh phá hoại do bào mòn, (hình 1.10)

1: 0, 75

105

112 122,2

Hình 1.11 Tường tiêu năng

c Bể và tường tiêu năng kết hợp (hình 1.12)

Khi dùng bể tiêu năng có khối lượng đào lớn và cao trình đáy đập phải thấp, do đó khối lượng đập tăng; nếu dùng tường tiêu năng thì phải quá cao, sau tường có thể sinh nước nhảy xa và cần thêm tường tiêu năng thứ 2, làm tăng khối lượng bảo vệ Lúc đó cần dùng bể và tường kết hợp (hình 1.12) để giảm khối lượng đào, khối lượng đập và thiết bị bảo vệ

Hình 1.12 Bể và tường tiêu năng kết hợp

d Các biện pháp tiêu năng khác

Sân sau mở rộng dần (hình 1.15): dòng chảy được khuếch tán sang hai bên, giảm được lưu lượng đơn vị, do đó giảm được hc”

Hình 1.14 Sân tiêu năng có độ dốc thuận Góc khuếch tán β không nên lớn quá, nếu lớn quá dòng chảy bị tách khỏi tường bên và tạo nên dòng xoáy hoặc chảy xiên gây xói lở

sau dốc thuận (hình 1.14) để với mọi mực nước và lưu lượng đều có nước nhảy với độ ngập không lớn lắm Sân sau có độ dốc thuận nên trọng lượng nước có thành phần song song với đáy, hướng về hạ lưu làm tăng hc” Theo định luật động lượng, hc” có thể tính như sau [10]:

2 1

cos

8 1 cos 2

"

3 3

2

α φ

α

q h

α - góc nghiêng của đáy sân sau với mặt phẳng nằm ngang;

Φ - hệ số điều chỉnh của áp lực nước lên mặt nghiêng đối với thành phần lực nằm ngang, khi độ dốc đáy bằng 0,05 ÷ 0,30 thì:

Φ = 3,75 + 25tgα - 15tg2α (1-7) Khi α = 0, công thức (1-6) trở thành công thức nước nhảy thông thường Dòng chảy trên dốc thuận bất kỳ lưu lượng lớn hay bé đều có nước nhảy để hạn chế dòng ngập có lưu tốc cao ở đáy Độ dốc đáy không được dốc hơn 1:4

- Sân sau dốc ngược: khi chiều sâu nước hạ lưu rất bé thì sân sau có thể làm hình thức dốc ngược Bắt đầu tại mặt cắt co hẹp được đào sâu xuống

và sau đó sân sau làm theo độ dốc ngược khiến cho dòng chảy có phản lực trở lại và tạo thành nước nhảy

Như vậy, khi thiết kế sân sau ngoài việc xét lưu lượng thiết kế qua đập tràn, còn cần phải xét tình hình làm việc của sân sau ứng với các lưu lượng khác nhau để đảm bảo bất kỳ với một lưu lượng nào cũng sinh ra nước nhảy ngập thích hợp Độ ngập thích hợp nhất 1 , 2

không kém hơn nhiều, nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn

5

1 ÷

2

1 lần, đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé, thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau Ngoài ra có thể tháo vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau Tuỳ theo mực nước hạ lưu, trạng thái dòng chảy sẽ phân thành dòng chảy mặt không ngập và dòng chảy mặt ngập

Hình 1.15 Trạng thái chảy ở hạ lưu đập có bậc Khi hgh1 < hh < hgh2 có dòng chảy mặt không ngập

Khi hh > hgh2sẽ sinh ra dòng mặt ngập

Ở đây hgh1, hgh2 gọi là độ sâu giới hạn thứ nhất và độ sâu giới hạn thứ hai Việc xác định hgh1 và hgh2 bằng lý thuyết đưa đến biểu thức phức tạp, T.N.Axtafitsêva đề nghị công thức thực nghiệm như sau [10]:

; 2

44 , 2 82 , 0

; 55

, 2 50 , 2 22 , 1

Trong đó: hpg - chiều sâu phân giới

Các ký hiệu khác như hình 1.16, công thức (1-8) và (1-9) được dùng trường hợp khi cửa van trên đỉnh đập mở hoàn toàn, cột nước trên đỉnh H≤

3

2

Chvà cũng có thể tính gần đúng cho trường hợp mở cửa van với một độ

mở nào đó Công thức (1-8) chỉ đúng với điều kiện

44 , 3 82 , 0

h = + −  (1-10)

Dòng mặt không ngập yêu cầu hh > hc” của nước chảy đáy, đồng thời

hh> a, thường dùng chiều cao a = (0,25 ÷ 0,35) chiều cao đập Góc nghiêng θ

ở chân đập có ảnh hưởng đến trạng thái chảy, θ lớn quá có thể sinh chảy phóng

xa, bé quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng θ < 100 ÷ 150

là thích hợp

Hình thức tiêu năng mặt còn một số nhược điểm là làm việc không

ổn định khi mực nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng ảnh hưởng đến sự làm việc của các công trình khác như thuỷ điện, âu tàu và xói lở bờ sông

1.2.3 Tiêu năng phóng xa (xem hình 1.9d)

a Đặc điểm:

Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưu

để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập Dòng chảy được khuếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng sông Do dòng chảy được tiêu hao năng lượng rất lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập Ở hình thức này, năng lượng dòng chảy được tiêu hao trong không khí và một phần ở lòng sông Dòng chảy phóng xuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định nào đấy thì năng lượng thừa của dòng chảy được hoàn toàn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, cho nên nếu chiều sâu nước hạ lưu càng lớn càng giảm được xói lở lòng sông

Độ dài phóng xa càng lớn càng có lợi Đập tràn càng cao, độ dài lấy càng lớn Trái lại, đập thấp thì chiều dài phóng xa càng ngắn, nếu dùng hình thức tiêu năng này sẽ bị hạn chế

Để đạt được hiệu quả tiêu năng cao, chúng ta muốn chiều dài phóng

xa lớn, mà yêu cầu xói lở lại ít, nhưng thực tế chiều dài phóng xa càng lớn thì khả năng xói lở càng lớn, do đó trong thiết kế thường dùng tỷ số

L

t0

làm tiêu chuẩn khống chế, trong đó t0 – chiều sâu lớn nhất của hố xói, L – khoảng cách

từ đáy hố xói đến chân đập Tốt nhất chọn tỷ số

L

t0 là nhỏ nhất Độ phóng xa của dòng phun chủ yếu phụ thuộc: lưu tốc trên mũi phun, góc phun, cao trình mũi phun, bán kính cong mặt tràn gần mũi phun v.v Chiều sâu và phạm vi xói lở phụ thuộc: độ sâu nước hạ lưu, địa chất lòng sông, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (lưu tốc), lưu lượng đơn vị, tình hình khuếch tán của dòng chảy

b Các hình thức kết cấu mũi phun:

- Mũi phun liên tục (hình 1.17)

Với quan điểm chiều dài phun lớn thì người ta dùng hình thức này Ưu điểm là cấu tạo đơn giản, khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dòng chảy khuếch tán kém và xói lở lòng sông nhiều Có thể làm các tường phân dòng nối liền trụ pin kéo dài đến phần mũi phun (hình 1.17b) để cho dòng chảy tập trung ở trên mặt tràn và giảm tổn thất thuỷ lực Như vậy chiều dài dòng phun tăng và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặt bằng cũng được

mở rộng Khi thiết kế mũi phun liên tục cần chú ý: góc nghiêng α của mũi phun thường dùng 300 ÷ 350 là hợp lý, bán kính cong R của ngưỡng phun không nên lấy R < 6h, phải đảm bảo R > (8 ÷ 10)h (h – độ sâu nước trên ngưỡng), cao trình ngưỡng phun càng thấp thì góc nghiêng của dòng nước đổ xuống mặt nước hạ lưu càng nhỏ, hố xói càng nông Vì vậy cao trình ngưỡng

càng thấp càng có lợi, nhưng phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu khoảng 1 ÷ 2m [10]

R=6 h a)

b)

Hình 1.16 Mũi phun liên tục

- Mũi phun không liên tục (hình 1.18) là loại cải tiến của mũi phun liên tục Dòng chảy trên mũi phun được phân thành các phần trên đỉnh răng

và ở giữa các khe răng Theo phương thẳng đứng dòng chảy được khuếch tán nhiều hơn so với mũi phun liên tục, đồng thời có sự va chạm các tia dòng nên

có thể tiêu hao một phần năng lượng, giảm khả năng xói, chiều sâu hố xói có thể giảm được 35% so với mũi phun liên tục, nhưng chiều dài phóng xa kém hơn

có răng hình chữ nhật (hình 1.18a) như sau [10]:

α1 - α2 ≈ 5 ÷ 100, tỷ số giữa chiều rộng khe a và chiều rộng răng b là

1, tỷ số giữa độ lệch của mũi d và độ sâu nước trên mũi phun h

thường khống chế vào khoảng 0,5 < < 1 , 0

h

d

là thích hợp, khi lưu tốc lớn hơn 20m/s Nhược điểm của mũi phun kiểu răng chữ nhật là dòng chảy ở giữa các khe rất tập trung, khó khuếch tán, nên người ta thường dùng mũi phun lệch hình thang (hình 1.18b) để khắc phục

1.3 Bố trí các mố tiêu năng

Mố tiêu năng, tường và mố phân dòng là những vật xây dựng thường

có hình khối trụ hoặc chữ nhật bằng bê tông hoặc đá xây, xây nhô lên được bố trí ở hạ lưu công trình tháo nước để cải thiện điều kiện tiêu năng và phân tán dòng chảy trên mặt bằng Điều kiện chảy bao quanh các mố và tường này thường là không thuận nên khi dòng chảy có lưu tốc lớn thì thường xuất hiện khí hóa và có thể dẫn đến khí thực làm hư hỏng các thiết bị này

Thí nghiệm chứng minh rằng, nếu bố trí thích hợp các mố tiêu năng đó có thể giảm được (20% + 30%)hc”

Hình 1.18 Hình thức các thiết bị tiêu năng

- Ngưỡng tiêu năng (hình 1.19a) ngập trong nước nhảy, góc nghiêng mái thượng lưu ngưỡng nhỏ hơn 900và lớn hơn 600 thì không ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu năng Vị trí ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau

- Mố tiêu năng (hình 1.19b, c, d) thường bố trí gần nơi bắt đầu của sân sau, tại khu vực dòng chảy có lưu tốc cao, cách chân đập một đoạn dài hơn chiều sâu phân giới của dòng chảy Kích thước và vị trí mố có ảnh hưởng lớn đối với dòng chảy Theo thí nghiệm, kích thước mố nên lấy như sau:

Chiều cao mố dm = (0,75 ÷ 1,0)hc, chiều rộng mố bm = (0,5 ÷ 1) dm, khoảng cách Bmgiữa mép của hai mố gần nhau Bm < bm Nếu bố trí hai hàng

mố, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng Khoảng cách giữa hai hàng

mố Lm = (2 ÷ 3)dm, bố trí các mố theo hình hoa mai Chọn số hàng mố còn phụ thuộc vào hình thức mố, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bố không tốt

Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.20): để cải thiện điều kiện thuỷ lực,

ở cạnh mép mố thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực

Mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy có lưu tốc cao ở chân đập chuyển thành trạng thái dòng chảy có lợi Nói chung sau mố phân dòng nên có

mố tiêu năng (hình 1.19d); do ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy tập trung, sau đó gặp phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng tăng hem

Hình 1.19 Các hình thức mố tiêu năng Mặc dù mố tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng nó lại

là vật cản không thuận dòng do đó dòng chảy đi qua dễ sinh ra hiện tượng khí thực gây nên những hư hỏng cho công trình dẫn đến việc tiêu năng không đạt được hiệu quả đúng như thiết kế ban đầu Trong thực tế đã ở Việt Nam nhiều công trình lớn đã xảy ra hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng, gây hỏng hóc công trình như: thủy điện Thác Bà, Thủy điện Phú Ninh ( mố phân dòng )

Trước đây, trong thiết kế công trình tháo nước ở Việt Nam, vấn đề khí hóa và khí thực tại các bộ phận công trinh chưa được chú ý đúng mức Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của xây dựng thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là với công trình có cột nước cao, lưu lượng tháo lớn, việc tính toán khí thực đã được quan tâm nhiều hơn Năm 2006 bộ nông nghiệp và PTNT đã ban hành

tiêu chuẩn ngành 14TCN 198 – 2006: công trình thủy lợi – các công trình tháo nước – hướng dẫn tính toán khí thực [1] Việc áp dụng các biện pháp

phòng chống khí thực đã được áp dụng ở các đập lớn như Hòa Bình, Sơn La,

Lai Châu, Cửa Đạt… Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, trong đó có các khía cạnh về khí thực ở mố tiêu năng, điều kiện bố trí mố tiêu năng để không phát sinh khí hóa, khí thực, giải pháp phòng khí thực cho

mố tiêu năng khi phải làm việc trong điều kiện có khí hóa…

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là khí thực ở các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, trong đó cần chú trọng các vấn đề:

- Chế độ thủy lực tại các mố tiêu năng

- Bố trí và tính toán các thông số của thiết bị tiếp khí cho mố tiêu năng

- Dự báo khí hóa, khí thực tại các mố và biện pháp phòng tránh

CHƯƠNG 2:

LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HÓA VÀ KHÍ THỰC, ÁP DỤNG CHO MỐ

TIÊU NĂNG

2.1 Khái niệm khí hóa và điều kiện phát sinh khí hóa

2.1.1 Hiện tượng khí hóa ( cavitation )

Khí hóa được định nghĩa là sự hình thành các bọt hay phần tử rỗng trong lòng chất lỏng Nếu phần rỗng đó chủ yếu chứa đầy hơi nước thì quá trình đó được xếp vào loại khí hóa hơi, nếu phần rỗng đó chứa đầy khí thì quá trình đó được gọi là hóa khí

Trong các kết cấu thủy công, nước chứa các bọt không khí và rất nhiều loại tạp chất phức tạp với các kích thước khác nhau Những bọt không khí cùng với các chất này trong nước chính là điều kiện tạo ra hiện tượng khí hóa Tuy nhiên sự bốc hơi là yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự phát triển của các bọt gây khí hóa Sự có mặt của các bọt không khí trong chất lỏng cũng có ảnh hưởng tới sự phá hoại và tiếng ồn được gây ra trong quá trình khí hóa Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất lỏng khi áp lực trong đó giảm đến một giới hạn làm mất đi tính toàn khối của chất lỏng đó Sự bắt đầu khí hóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt li ty chứa đầy khí và hơi của chất lỏng đang xét Đây chính là hiện tượng sôi của chất lỏng ở nhiệt độ bình thường khi áp suất trong đó giảm đến một giới hạn nhất định

2.1.2 Điều kiện phát sinh khí hóa

Đối với các CTTN, chất lỏng được xét đến là nước, hơi xuất hiện dưới dạng các bong bóng là hơi nước, áp suất phân giới chính là áp suất hóa hơi của nước ở nhiệt độ tương ứng

Như vậy điều kiện phát sinh khí hóa tại 1 khu vực nào đó dòng chảy là khi ở đó có:

p ≤ ppg Hoặc H ≤ Hpg (2-1) Trong đó:

p- Áp suất tuyệt đối tại khu vực đang xét

H- Cột nước áp lực tương ứng với p

ppg- Áp suất phân giới của nước

Hpg- Cột nước tương ứng với ppg

Các bong bong khí được hình thành tập trung trong một khu vực nhất định của dòng chảy gọi là đuốc khí ( hình 2.1 ) Phạm vi của đuốc khí có thể dài, ngắn khác nhau tùy theo mức độ mạnh yếu của khí hóa

Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí

a - Khi chảy bao quanh bậc lồi; b- Chảy bao quanh hình trụ

2.2 Khí thực và điều kiện khí phát sinh khí thực

2.2.1 Khí thực ( cavitation erosion )

Khi khí hóa đủ mạnh và duy trì trong một thời gian nhất định thì sẽ dẫn đến hiện tượng bong tróc, phá hoại vật liệu, xâm thực về mặt lòng dẫn,

phá hủy thành rắn Đó là hiện tượng khi thực

Đối với thành lòng dẫn bằng vật liệu bê tông thì sự phá hoại do khí

thực chủ yếu là từ tác động cơ học Các bong bong khí được hình thành tập trung trong vùng hạ áp sẽ được dòng chảy cuốn theo đến vùng có áp suất cao hơn, chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị tiêu hủy Nếu sự tiêu hủy này xảy ra

dồn rập ở gần bề mặt lòng dẫn thì sẽ tạo ra một xung lực lớn ( hình 2.2 ) và lặp đi lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu bị mỏi, dẫn đến bong rời [5]

2.2.2 Phương pháp kiểm tra khí thực

Trong trường hợp thiết kế các bộ phận của công trình tháo nước theo điều kiện không cho phép phát sinh khí hóa, hoặc chỉ cho phép phát sinh khí hóa ở giai đoạn đầu mà dẫn đến kích thước của công trình quá lớn, không đảm bảo yêu cầu kinh tế thì có thể xem xét trường hợp chấp nhận có phát sinh khí hóa, nhưng phải lựa chọn vật liệu làm bề mặt lòng dẫn đủ độ bền để không xay ra khí thực nguy hiểm

Việc tính toán kiểm tra cũng phải tiến hành với các chế độ làm việc khác nhau, tại các vị trí khác nhau của công trình tháo nước và tại các vị trí

mà qua kiểm tra thấy có xuất hiện khí hóa

a Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực

Lưu tốc ngưỡng xâm thực ( Vng ) là một trị số mà khi lưu tốc đặc trưng nhỏ hơn lưu tốc xâm lược ngưỡng ( VĐT < Vng) thì vật liệu bề mặt lòng dẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và tác động trong thời gian dài

0 5 10 15 20 25 30 10

Hình 2.4: Quan hệ Vng = f(Rb,S) của vật liệu bê tông [1]

Ở đây S được tính theo công thức: W

W

a c

d S d

Trong đó:

- dWc: Thể tích một phân tố bao gồm cả nước và không khí

- dWa: Thể tích phần không khí chứa trong dWc

Từ hình 2.4 cho thấy trị số lưu tốc ngưỡng gia tăng theo mức độ hàm khí trong nước ở lớp sát thành Điều này được giải thích bởi cơ chế phá hoại

do tác động cơ học ( mục 2.2.1 ) Lớp dòng chảy sát thành có hàm lượng không khí lớn sẽ có độ đàn hồi cao, nó đóng vai trò như một lớp đệm phủ lên

bề mặt lòng dẫn làm giảm ảnh hưởng của các tác động khi phá hủy các bong bóng khí, làm cho vật liệu bề mặt lòng dẫn khó bị phá hoại hơn

b Kiểm tra theo lưu tốc cho phép không xâm thực

Trong thiết kế sơ bộ, lựa chọn phương án cũng như thiết kế kỹ thuật các công trình từ cấp III trở xuống có thể kiểm tra khả năng khí thực theo lưu tốc cho phép không xâm thực:

Lưu tốc cho phép không xâm thực ( Vcp ) là một trị số mà khi V < Vcp

thì vật liệu bề mặt lòng dẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và tác động trong thời gian dài Trong đó:

- V: trị số lưu tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt đang xét

- Vcp: lưu tốc cho phép không xâm thực, trị số Vcp được suy diễn từ

Vng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: loại vật liệu, dạng mặt cắt, dạng chảy bao và kích thước các mấu gồ ghề…

Công thức để xác định Vcpnhư sau [1]:

.

V ng cp

+ ζ ζ1, 2 phụ thuộc vào tỷ số δ / ∆ và y/ ∆ tra hình 2.5

+ δ : chiều dày lớp biên tại mặt cắt đang xét δ = min(h,B/2) + Zm: chiều cao mấu gồ ghề cục bộ

+ ∆: chiều cao mố nhám tương đương của mố nhám phân

bố trên bề mặt, phụ thuộc vào loại vật liệu và chất lượng thi công

Hình 2.5 Biểu đồ quan hệ ξ1 = f(y/ ∆ ); ξ2 = f( δ / ∆ ); δ / ∆ = f(L/ ∆ )[1]

2.3 Khí hóa và khí thực ở các mố tiêu năng

Mố tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng bản thân mố tiêu năng lại là những vật cản không thuận dòng, do đó dòng chảy khi đi qua rất dễ gây ra khí hóa, hiện tượng này kéo dài dẫn đến khí thực Trong thực tế quá trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dòng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí trong nước…

a) b)

Hình 2.6: Khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b)

Với những công trình có cột nước thấp, lưu tốc dòng chảy bao quanh các mố nhỏ nên khó xảy ra hiện tượng khí thực tại các mố tiêu năng Do đó sau các cống ở khu vực đồng bằng sử dụng các mố tiêu năng và mố phân dòng đem lại hiệu quả tiêu năng cao Gần đây, giải pháp mố tiêu năng trong

bể đã được đề xuất áp dụng ở một số đập tràn khá cao như hồ Nước Trong, hồ

Tả Trạch, nhưng biện pháp phòng chống khí thực cho các mố này đã không được cơ quan tư vấn thiết kế xem xét đầy đủ

Vấn đề này cần được tiếp tục nghiên cứu và là đối tượng của luận văn này

2.4 Kết luận chương 2

- Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất lỏng khi áp lực trong đó giảm đến một giới hạn làm mất đi tính toán khối của chất lỏng đó

- Sự bắt đầu khí của khí hóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt

li ti chứa đầy khí và hơi của chất lỏng đang xét, đây chính là hiện tượng sôi của chất lỏng ở nhiệt độ bình thường khi áp suất trong đó giảm đếm giới hạn

- Khí hóa đủ mạnh và duy trì trong thời gian dài nhất định sẽ dẫn đến làm bong tróc vật liệu, phá hủy thành rắn – hiện tượng khí thực

- Lý thuyết về khí hóa, khí thực các bộ phận công trình tháo nước đã được nghiên cứu khá nhiều ở các nước phát triển Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây cũng bước đầu có các nghiên cứu ứng dụng các biện pháp phòng khí thực Tuy nhiên, các nghiên cứu còn tản mạn cho từng công trình cụ thể, chưa

có những tổng kết và phổ biến rộng rãi

- Với các mố tiêu năng, dòng chảy đi qua thường là không thuận nên

dễ gây ra hiện tượng khí hóa là điều kiện để hình thành hiện tượng khí thực,

dễ gây hư hỏng các mố tiêu năng Do đó cần phải nghiên cứu sâu thêm về vấn

đề khí thực tại mố tiêu năng và đề xuất biện pháp khí thực khi cần thiết

CHƯƠNG 3:

NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN KHÍ HÓA Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG

SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 3.1 Điều kiện phát sinh khí hóa tại các mố tiêu năng

3.1.1 Công thức chung

Hiện tượng khí hóa trong dòng chảy sẽ xảy ra khi thỏa mãn điều kiện:

K ≤ Kpg ( 3-1 ) Trong đó:

- Kpg: là hệ số khí hóa phân giới, phụ thuộc vào đặc trưng hình học của vật chảy bao

- K: là hệ số khí hóa thực tế, xác định theo công thức [1]:

V g

−

- HĐT: là cột nước áp lực toàn phần đặc trưng, HĐT = Ha + h

- Ha: cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm tính toán, xác định theo bảng sau:

Bảng 3.1: Biến đổi của cột nước áp lực khí trời theo độ cao [1]

Ha

(m)

Độ cao (m)

Ha

(m)

Độ cao (m)

- Hpg: Cột nước áp lực hóa hơi, phụ thuộc vào nhiệt độ, xác định theo bảng sau:

Bảng 3.2: Biến đổi của cột nước áp lực phân giới theo độ cao[1]

- g: gia tốc trọng trường

3.1 2 Trị số K pg của các mố, tường tiêu năng

Hình dạng, bố trí của các dạng mố, tường tiêu năng thường dùng và trị

số Kpg của chúng được xác định từ các thí nghiệm mô hình, kết quả đạt được

cụ thể như sau [1]:

1 Các mố tiêu năng, mố phân dòng:

Trị số Kpgcủa các mố tiêu năng, mố phân dòng được dẫn ra trên hình 3.1 Khi sử dụng các trị số Kpg này, trong công thức (3-1) cần lấy HĐT=Ha+h

Trong đó:

- h: là chiều cao cột nước trên mố Đối với mố tiêu năng đặt ở cuối bể,

có thể lấy gần đúng h = hh – hm, ở đây hm: chiều cao mố Đối với các mố không đặt ở cuối bể, trị số h cần lấy theo tài liệu thí nghiệm Khi 0, 25

n

x

l = (với x: khoảng cách tính từ mặt cắt co hẹp, ln: chiều dài nước nhảy), có thể lấy h = (0,75 – 0,75)(hh – hm)

Hình 3.1 Sơ đồ một số loại mố tiêu năng và trị số Kpg [1]

Trong trường hợp có nước nhảy ngập trên mố với hệ số ngập trong phạm vi σn = 1,0 – 1,5 thì trị số Kpg tương ứng xác định gần đúng theo công thức Rozanop [5]:

(Kpg)σ = Kpg - α σ − ( n 1) ( 3-3 )

Trong đó:

- ( Kpg )σ: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập σn

- Kpg: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập σ =1

- α : hệ số thực nghiệm:

+ α =0,70 đối với mố hình quân cờ vuông

+ α =0,52 đối với mố hình quân cờ thoi

Hình 3.2: Sơ đồ 1 loại mố phân dòng

2 Các dạng tường tiêu năng

Các dạng mặt cắt tường đã thí nghiệm trên hình 3.3 Trị số của hệ số khí hóa phân giới Kpg1 cho từng mặt dạng mặt cắt được nêu trên hình 3.4

1 2 3

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Kpg1

l c /anh0,2

Hình 3.4: Biểu đồ xác định Kpg1 [6]

Trong đó:

- lc: khoảng cách từ đầu bề đến vị trí đặt tường

- anh: chiều cao nước nhảy, xác định theo tính toán thủy lực

Trị số Kpg1 xác định trong điều kiện chiều cao tường C = Cpg và hệ số ngập của nước nhảy trong bể σn=1

Ở đây Cpglà chiều cao phân giới của tường tương ứng với trường hợp

có nước nhảy tại chỗ sau tường, xác định theo tính toán thủy lực

Hệ số nhảy ngập trong bể ''

b n c

h h

h : độ sâu liên hiệp của độ dâu co hẹp hc

Trong thiết kế thường khống chế σn=1,05 – 1,1; còn trong thực tế khi

bể làm việc với các cấp lưu lượng khác nhau thì trị số σn có thể lớn hơn

Khi điều kiện làm việc của tường khác với điều kiện tiêu chuẩn thì nêu trên thì trị số Kpgxác định như sau:

3.1.3 Trình tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng

Ban đầu kiểm tra với dạng mặt cắt 1 ( mặt cắt hình thang ) Nếu thỏa mãn điều kiện K > Kpgthì chọn dạng mặt cắt này, còn nếu không thỏa mãn thì chuyển sang chọn mặt cắt dạng 2 ( mặt cắt hình đa giác )

Để giảm khối lượng bê tông của tường có mặt cắt đa giác với m1 = 0,5, có thể chiều rộng của đỉnh tường tiêu năng đến

1

0,15

b

h = ( với h1là độ sâu đầu nước nhảy ) và thay đổi độ nghiêng của mái hạ lưu đến m2 = 0,5 hoặc thậm chí m2=0 Khi đó trị số Kpg vẫn tính theo công thức ( 3-5 ) và biểu đồ hình 3.4

Nếu mặt cắt 2 vẫn có K < Kpg, tức là vẫn có khả năng phát sinh khí hóa thì ta có thể chuyển sang chọn dạng 3, hoặc xem xét đến phương án sử dụng vật liệu có độ bền khí thực cao cho tường dạng 1, cụ thể chúng ta dùng thép hoặc chất liệu dẻo tổng hợp bọc ở đỉnh và mặt sau của tường Các phương án này đều yêu cầu vốn đầu tư cao nên phải thông qua so sánh kinh tế

- kỹ thuật để lựa chọn phương án cho phù hợp

3.2 Kiểm tra sự phát sinh khí hóa ứng với các thông số khác nhau của công trình tháo nước

Như đã trình bày ở trên, nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng

là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng

chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng có liên quan lẫn nhau Bê tiêu năng và mố tiêu năng là những giải pháp hiệu quả cho việc tiêu năng, giảm bớt năng lượng dòng chảy

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí bể tiêu năng cuối dốc nước

Mố tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt nhưng nó lại là vật cản không thuận dòng, dòng chảy đi qua các mố tiêu năng rất dễ gây ra hiện tượng khí thực, gây bong tróc vật liệu, ảnh hưởng đến chất lượng công trình Thậm chí trong quy phạm thủy lợi ở 1 số quốc gia ví dụ như Trung Quốc còn khuyến cáo khi lưu tốc ở mặt cắt co hẹp lớn hơn 18 m/s thì không nên làm mố tiêu năng vì dễ sinh ra khí thực Tuy vậy, không thể không thừa nhận hiệu quả của các thiết bị tiêu năng này, do đó cần nghiên cứu tính toán với các mức độ lưu tốc dòng chảy để khuyến cáo chính xác hơn cho người thiết kế lựa chọn được những phương án tối ưu giúp công trình đảm bảo được về mặt kỹ thuật

và kinh tế

Đối với dòng chảy trên dốc nước, ta có năng lượng toàn phần của dòng chảy tính đến mặt chuẩn ở đáy bể tiêu năng:

2 0

2

cd cd