Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc để tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa

Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ, 17% số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều bị rò rỉ do xuống cấp nghiêm

để tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa” được hoàn thành với kết quả còn nhiều

hạn chế, tác giả hy vọng vấn đề được nghiên cứu trong đề tài sẽ được áp dụng cho các hồ chứa nước vừa và lớn đã và sẽ được xây dựng ở nước ta nhằm mục đích đảm bảo khai thác có hiệu quả hồ chứa và hạ du

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy GS.TS Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo ĐH và SĐH, Khoa Công trình, Cơ sở 2, Viện Khoa học Thủy lợi miền nam, các Thầy, Cô giáo đã tham gia giảng dạy trực tiếp Cao học của trường đại học Thủy lợi đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy Cô giáo

và các bạn đồng nghiệp để luận văn này được hoàn thiện hơn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2012

Hồ Quang Tuấn

tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Nếu

vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường

Học viên

Hồ Quang Tuấn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA, ĐƯỜNG TRÀN ZÍC ZẮC VÀ

VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam 4

1.2 Tổng quan về các công trình Tháo lũ ở hồ chứa 6

1.3 Tổng quan về tràn zíc zắc (tràn Lybyrinth) 15

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận văn 25

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA NGƯỠNG TRÀN ZÍC ZẮC 26

2.1 Tính toán khả năng tháo qua ngưỡng 26

2.2 Giải pháp đảm bảo chảy tự do qua ngưỡng 30

2.3 Tính toán khả năng tháo có xét đến chảy ngập .39

2.4 Vấn đề chân không sau ngưỡng và biện pháp xử lý 41

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO TRÀN SÔNG MÓNG 44

3.1 Giới thiệu công trình hồ sông Móng 44

3.2 Giải pháp tràn zíc zắc ở hồ sông Móng và những vấn đề tồn tại .46

3.3 Thí nghiệm và tính toán phương án mới bố trí tràn ở hồ sông Móng 51

3.4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu bổ sung tràn sông Móng 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Hình 1-2: Mặt cắt của tràn thực dụng 7

Hình 1-3: Mặt cắt của tràn đỉnh rộng 8

Hình 1-4: Các hình dạng cửa tràn 8

Hình 1-5: Các dạng tuyến đập 9

Hình 1-6 : Các hình thức tiêu năng đáy 13

Hình 1-7: Các hình thức tiêu năng mặt 14

Hình 1-8: Các hình thức mũi phun trong tiêu năng phóng xa 15

Hình 1 -9 Tràn zíc zắc - Mỹ (nhìn từ hạ lưu) 15

Hình 1-10: Cấu tạo tràn labyrinth 16

Hình 1-11: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt 18

Hình 1-12: Các dạng đỉnh tràn 18

Hình 1- 13: Dòng chảy trên tràn Labyrinth 19

Hình 1-14: Mô hình tràn Sông Móng (nhìn từ thượng lưu) 23

Hình 1-15 : Mô hình ½ tràn Phước Hòa (nhìn từ thượng lưu) 24

Hình 2-1: Dòng chảy qua tràn zích zắc kiểu phím đàn piano 26

Hình 2.2: Quan hệ góc mở α đập labyrinth dạng tam giác với hệ số mở rộng (m) 31 Hình 2 3: Hiệu quả đối với đập tam giác.[17] 32

Hình 2.4: Minh họa ảnh hưởng của sự xáo trộn dòng chảy 34

Hình 2.5: Vị trí và hướng của đập tràn labyrinth - Houston (1983) 35

Hình 2 6: Sân phủ hạ lưu (The performance of labyrinth weir-Taylor 1968) 36

Hình 2.7: Ảnh hưởng của một số loại sân phủ đến lưu lượng.-Taylor (1968) “The perfomance of labyrinth weis” 37

Hình 2.8: Cấu trúc đập tràn Labyrinth 38

Hình 2-10: Đập tràn zíchzắc ở Mỹ 40

Hình 2-11: Đập tràn zíchzắc TVA's Holston 41

Hình 3.1: Mô Hình tràn Sông Móng (nhìn từ thượng lưu) 46

Hình 3 5: Quan hệ khả năng tháo giữa labyrinth và tràn thẳng 52

Hình 3.6: Quan hệ giữa hệ số lưu lượng Cd và Ho/P ứng với các góc khác nhau 53

Hình 3.7: Chi tiết bố trí ống thông khí 56

Hình 3-8 Quan hệ Zt – Q sau khi phá chân không 57

Hình 3.9 : Mặt bằng tổng thể tràn xả lũ sông Móng 57

Hình 3.10 : Mặt bằng dốc nước tràn sông Móng 58

Hình 3.11 : Đường mặt nước trên dốc nước 61

Hình 3.12 Đường bao hố xói ứng với mỗi cấp lưu lượng 75

Bảng 1-2 Thông số cơ bản một số đập tràn labyrinth đã xây dựng trên thế giới [15]

21

Bảng 2.1: Hệ số Ai trong công thức 2 - 5 28

Bảng 2.2: Bảng tra hệ số triết giảm lưu lượng của tràn xiên (k) [2] 29

Bảng 3- 1: Khả năng tháo trên kết quả mô hình 51

Bảng 3.2 Các giá trị của đường mặt nước trên dốc 61

Bảng 3.3 Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 100 m 3 /s Đoạn 1 62

Bảng 3.4: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 100 m 3 /s Đoạn 2 63

Bảng 3.5 Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 220 m 3 /s Đoạn 1 64

Bảng 3.6: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 220 m 3 /s Đoạn 2 65

Bảng 3.7 Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 200 m 3 /s Đoạn 1 66

Bảng 3.8: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 200 m 3 /s Đoạn 2 67

Bảng 3.9 Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 50 m 3 /s Đoạn 1 68

Bảng 3.10: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 50 m 3 /s Đoạn 2 69

Bảng 3.11 Xác định giá trị chiều sâu dòng đều trong kênh hạ lưu 72

Bảng 3.12: Kết quả tính chiều sâu hố xói theo Vưzgo 73

Bảng 3.13: Bảng kết quả tính chiều dài phun xa .74

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Nhiều năm nay ở nước ta, những hồ chứa nước đã đóng vai trò tích cực trong việc trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô nắng nóng, làm giảm bớt khó khăn

và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống Thực tế, các hồ đã trở thành một phần không thể thiếu trong phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống hằng

ngày của người dân ở địa phương

Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đến nay

cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại Trong đó hồ chứa vừa và lớn có khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m3, đập cao hơn 10m - chiếm 20%, trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m3 - chiếm 2%, còn lại 80% là các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn

Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi nhiều so với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn đến thảm thực vật

bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng nước ngày càng tăng ,

có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần giải quyết

Theo kết quả khảo sát mới nhất về hiện trạng hồ đập trên cả nước mới được Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT) công bố cho thấy, các hồ chứa nước vừa và nhỏ chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất an toàn cao Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ, 17%

số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều bị rò

rỉ do xuống cấp nghiêm trọng.Vì không đủ năng lực xả lũ, nên ở nhiều nơi người dân

đã phải tháo tràn nước từ hồ ra, chỉ giữ lại dung tích chứa còn 30-40%, điều này đã biến nhiều hồ thành các ao chứa nước, không còn tác dụng tích nước như thiết kế

Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục công trình như: đập, tràn xả lũ, cống lấy nước, dốc nước, kênh dẫn v.v….Trong đó đường tràn

là bộ phận không thể thiếu dùng để xả lũ, bảo vệ an toàn cho đầu mối hồ chứa

Trong thời gian gần đây, do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có sự tàn phá của môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho lũ đến hồ chứa có

những biến đổi bất thường, chưa lường trước được Hiện tượng lũ vượt thiết kế ở hồ chứa có thể gây nên các sự cố hồ chứa như: nước tràn qua đỉnh gây hư, hỏng đập, lưu lượng tháo quá lớn làm hư hỏng đường tràn hay thiết bị tiêu năng Một trong những biện pháp đảm bảo an toàn cho hồ chứa là mở rộng đường tràn, làm tràn sự

cố, trong đó có hình thức ngưỡng tràn zíc zắc, tức bố trí ngưỡng tràn dạng gấp khúc

để tăng bề rộng tràn nước, giảm cột nước trên đỉnh tràn Tuy nhiên, chúng ta chưa

có nhiều kinh nghiệm về thiết kế loại ngưỡng tràn zíc zắc Một số vấn đề cần phải được tiếp tục nghiên cứu làm rõ như: bố trí mặt bằng đường zíc zắc sao cho hợp lý nhất, vấn đề chảy ngập qua ngưỡng tràn, xử lý chân không sau ngưỡng tràn

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc để tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa” là có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

II Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

- Làm rõ phạm vi và điều kiện áp dụng hình thức tràn zíc zắc cho các hồ chứa nước

- Xem xét khả năng chảy ngập qua ngưỡng tràn zíc zắc và giải pháp bố trí ngưỡng

để hạn chế khả năng chảy ngập, tăng khả năng tháo

- Ảnh hưởng của hiện tượng chân không sau ngưỡng và giải pháp loại trừ chân không

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1- Cách tiếp cận

- Từ yêu cầu của thực tế mà đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu

- Từ việc giải quyết các vấn đề và trường hợp cụ thể đế khái quát hóa và đề xuất giải pháp hợp lý về bố trí và tính toán

2- Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu thực tế về hồ chứa nước và đường tràn

- Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có

- Phân tích và đề xuất phương pháp bố trí, tính toán

- Ứng dụng cho công trình cụ thể, đối chiếu với các tài liệu đã có để phân tích, lựa chọn IV- Kết quả dự kiến đạt được

- Nghiên cứu tổng quan về tràn zíc zắc, đặc điểm bố trí và phạm vi áp dụng;

những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

- Khả năng chảy ngập qua ngưỡng tràn và giải pháp hạn chế chảy ngập để

tăng khả năng tháo qua ngưỡng tràn

- Ảnh hưởng của chân không sau ngưỡng và biện pháp khắc phục

- Ứng dụng tính toán cho hồ sông Móng: đề xuất giải pháp bố trí tràn zíc zắc

và các tính toán tương ứng

V- Nội dung của luận văn

Chương 1 – Tổng quan về hồ chứa, đường tràn zíc zắc và vấn đề cần nghiên cứu

1.1 Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam

1.2 Tổng quan về các công trình tháo lũ ở hồ chứa

1.3 Tổng quan về tràn zíc zắc (tràn Lybyrinth)

1.4 Giới hạn các vấn đề nghiên cứu

Chương 2 – Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của ngưỡng tràn zíc zắc

2.1 Tính toán khả năng tháo qua ngưỡng

2.2 Giải pháp đảm bảo chảy tự do qua ngưỡng

2.3 Tính toán khả năng tháo có xét đến chảy ngập

2.4 Vấn đề chân không sau ngưỡng và biện pháp xử lý

Chương 3 – Tính toán áp dụng cho tràn sông Móng

3.1 Giới thiệu công trình hồ sông Móng

3.2 Giải pháp tràn zíc zắc ở hồ sông Móng và những vấn đề tồn tại

3.3 Tính toán phương án mới bố trí tràn zíc zắc ở hồ sông Móng

3.4 Phân tích kết quả tính toán

Chương 4 – Kết luận, kiến nghị

4.1 Các kết quả đạt được của Luận văn

4.2 Một số vấn đề tồn tại

4.3 Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

2 CHƯƠNG 1

3 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA, ĐƯỜNG TRÀN ZÍC ZẮC VÀ VẤN ĐỀ

CẦN NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam

Nhiều năm nay ở nước ta, những hồ chứa nước đã đóng vai trò tích cực trong việc trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô nắng nóng, làm giảm bớt khó khăn

và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống Thực tế, các hồ đã trở thành một phần không thể thiếu trong phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống hằng ngày của người dân ở địa phương

Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đến nay

cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại Trong đó hồ chứa vừa và lớn có khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m3, đập cao hơn 10m - chiếm 20%, trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m3 - chiếm 2%, còn lại 80% là các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn

Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi nhiều so với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn đến thảm thực vật

bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng nước ngày càng tăng ,

có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần giải quyết

Theo kết quả khảo sát mới nhất về hiện trạng hồ đập trên cả nước mới được Tổng Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT) công bố cho thấy, các hồ chứa nước vừa và nhỏ chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất an toàn cao Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ, 17% số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều

bị rò rỉ do xuống cấp nghiêm trọng.Vì không đủ năng lực xả lũ, nên ở nhiều nơi người dân đã phải tháo tràn nước từ hồ ra, chỉ giữ lại dung tích chứa còn 30-40%, điều này đã biến nhiều hồ thành các ao chứa nước, không còn tác dụng tích nước như thiết kế

Nguyên nhân chủ yếu của tình trạng xuống cấp các hồ đập là phần lớn các hồ chứa nước hiện nay được xây dựng từ những năm 70, 80 của thế kỷ trước Do thời gian thi công gấp nên công tác khảo sát, thiết kế, thi công có nhiều thiếu sót, nhiều

hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ - do mô hình thiết kế lũ không phù hợp với tình hình mưa (thực tế) trên lưu vực, do tài liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn ngắn nên thiết kế không chính xác, trong khi đó diễn biến thời tiết ngày càng bất lợi, hạn hán,

lũ lụt xảy ra liên tiếp, rừng đầu nguồn hồ chứa bị tàn phá nên tốc độ lũ trên lưu vực

đổ tập trung về hồ nhanh, mạnh và nhiều hơn so với trước đây làm mực nước trong

hồ dâng cao xấp xỉ cao trình đập, gây mất an toàn

Một nguyên nhân khác làm cho các hồ chứa ở tình trạng mất an toàn là cơ sở

hạ tầng phục vụ cho công tác quản lý vận hành còn thiếu và yếu kém: nhiều hồ không có đường cho xe cơ giới tiếp cận công trình để ứng cứu khi có sự cố, nhiều

hồ thiếu phương tiện thông tin liên lạc phục vụ công tác quản lý và phòng chống lụt bão Bên cạnh đó, công tác quản lý các hồ (đặc biệt là các hồ nhỏ) đã bộc lộ nhiều bất cập Đó là, năng lực cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý còn yếu Các khâu đào tạo, tập huấn những kiến thức tối thiểu về quản lý hồ chưa được ai chú trọng (nhất là các

hồ do dân quản lý) Thiếu kinh phí cho việc duy tu, bão dưỡng định kỳ, cho nên thường là chỉ đến khi công trình có nguy cơ sụp đổ cao hoặc đã bắt đầu hư hỏng mới được cấp kinh phí sữa chữa

Trong khi tình trạng các hồ chứa như trên thì theo dự báo của ngành khí tượng thủy văn, thời tiết năm nay tiếp tục có những diễn biến phức tạp, hạn hán diễn ra trên diện rộng và kéo dài trong những tháng đầu năm, tháng 9, 10 vừa qua

đã có những trận mưa, lũ lớn Vì thế, chuẩn bị sẵn sàng chống lũ cho đê, kè và các

hồ chứa nước là việc cần phải được lưu ý

Để giải quyết nhu cầu cần tăng dung tích hồ mà vẫn đảm bảo yêu cầu thoát

lũ hoặc nhu cầu cần phải đảm bảo thoát được những cơn lũ ngày càng lớn, có nhiều biện pháp công trình đã được đề xuất:

1 - Nâng ngưỡng tràn chính bằng đập tràn bê tông trọng lực có mặt cắt thực dụng kiểu Creager-Ophixerov: Phương án này có giá thành thấp nhưng không đảm bảo khả năng thoát lũ thiết kế (vì giảm mặt cắt thoát lũ)

2 - Làm tràn nhiều khoang có cửa van: Phương án này đảm bảo mục đích công trình đề ra nhưng kết cấu công trình phức tạp, giá thành công trình cao, vận hành khó khăn

3 – Mở rộng ngưỡng tràn để tăng khả năng thoát lũ: đây là giải pháp mới, đang được ứng dụng ở Việt Nam Phương án này có ưu điểm là tăng được lưu lượng xả, giảm diện tích ngập ở thượng lưu, giá thành thi công rẻ, vận hành đơn giản, an toàn, thích hợp với các công trình vừa và nhỏ, đặc biệt là các công trình cần nâng cấp tràn để đáp ứng nhu cầu dùng nước hoặc đảm bảo khả năng thoát lũ trong tình hình thời tiết hiện tại

1.2 Tổng quan về các công trình tháo lũ ở hồ chứa

Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục công trình như: đập, tràn xả lũ, cống lấy nước, kênh dẫn v.v….Trong đó tràn xả lũ là hạng mục quan trọng và chiếm tỷ lệ khá cao về kinh phí xây dựng trong cụm công trình đầu mối, có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối và cả vùng hạ du

Trong những năm gần đây nhiều công trình bị lũ đe dọa phá hoại nên đã nâng cấp hoặc xây dựng thêm tràn sự cố Qua thống kê các tràn xả lũ ở các hồ chứa

đã xây dựng cho thấy tràn xả lũ được thiết kế rất đa dạng về chủng loại, quy mô, kích thước

1.2.1 Phân loại tràn

1.2.1.1 Phân loại theo hình dạng kích thước mặt cắt ngang tràn:

Theo cách phân loại này đập tràn có thể chia ra làm 3 loại sau đây:

a Đập tràn thành mỏng (hình 1-1)

Khi chiều dày của đỉnh đập δ < 0.67H, làn nước ngay sau khi tràn qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập, không chạm vào toàn bộ mặt đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn

và lưu lượng tràn

1 Hình 1-1: Các đại lượng đặc trưng của đập tràn

Với: b: Chiều rộng đập tràn: là chiều dài đoạn tràn nước

P1: Chiều cao của đập so với đáy kênh hoặc sông thượng lưu

P: Chiều cao của đập so với đáy hạ lưu

H: Cột nước tràn: là chiều cao mặt nước thượng lưu so với đỉnh đập δ: Chiều dày đỉnh đập

hh: Chiều sâu cột nước hạ lưu

hn: Độ ngập hạ lưu: là chiều sâu từ mặt nước hạ lưu đến đỉnh đập (khi nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập), hn = hh - P

dụng có cửa van điều tiết lưu lượng

c Đập tràn đỉnh rộng (hình 1-3)

Khi đỉnh đập nằm ngang (hoặc rất ít dốc) và có chiều dày tương đối lớn:

(2÷3)H < δ < (8÷10)H Trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần Nhưng nếu chiều dày đỉnh đập quá lớn δ > (8÷10)H, thì không thể coi là đập tràn nữa mà phải coi như một đoạn kênh

1.2.1.3 Phân loại theo dạng tuyến đập trên mặt bằng:

a Ngưỡng tràn trên mặt bằng có dạng đường thẳng

- Đập tràn thẳng hoặc tràn chính diện (hình 1-5a)

- Đập tràn xiên (hình 1-5b)

- Đập tràn bên (hình 1-5c)

b Ngưỡng tràn trên mặt bằng có dạng không phải là đường thẳng

- Đập tràn hình gãy khúc (hình 1-5d)

1.2.1.4 Phân loại theo ảnh hưởng mực nước hạ lưu đối với dòng chảy:

a Đập tràn không ngập, lúc đó Q và H đều không phụ thuộc vào hn

b Đập tràn chảy ngập: Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập đến mức độ ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và năng lực tháo nước của đập

Ngoài ra đập tràn cửa chữ nhật còn phải căn cứ vào quan hệ giữa chiều dài tràn nước của đập với chiều rộng lòng dẫn ở thượng lưu mà chia ra hai loại là: đập không

có co hẹp bên và đập có co hẹp bên

1.2.2 Lưu lượng qua đập tràn

Trong trường hợp chung, khi cửa tràn hình chữ nhật, lưu lượng qua tràn phụ thuộc vào các đại lượng chủ yếu sau:

- Chiều rộng cửa tràn b

- Chiều rộng sông thượng lưu B

- Cột nước toàn phần trên đỉnh tràn Ho

- Chiều sâu ở hạ lưu hh

ε: Hệ số co hẹp bên, phụ thuộc mức độ co hẹp h/B và hình dạng cửa vào trên

mặt bằng

σn: Hệ số ngập (σn<1), phụ thuộc chủ yếu vào mức độ ngập, tức quan hệ giữa

hn và H

Các trị số m, ε, σn sẽ được xét riêng cho từng loại đập cụ thể

Một số công thức tính lưu lượng của dòng chảy qua một số loại mặt cắt đập

thường gặp thể hiện ở bảng 1-1

Bảng 1-1: Một số sơ đồ và công thức tính toán lưu lượng qua tràn

lượng

Hệ số lưu lượng thiết kế

Q=m.b 2 Hg o3/2 mo=0.55÷0.57

1

÷

=c=0.64÷0.715

D R

Q=μω + d(H/R≥1.6 bị ngập)

μ=f(∑ξi)

μ ≈ 0.7÷0.85

ξi là tổn thất từ cửa vào tới B-B

Bảng trên chỉ mang tính chất tổng quát, khi tính toán chi tiết phải sử dụng các

sổ tay tính toán thủy lực và hướng dẫn thiết kế

1.2.3 Tiêu năng sau đập tràn

Có 3 hình thức tiêu năng ứng với 3 hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu Khi mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức đó có thể chuyển hóa lẫn nhau

a) Tiêu năng dòng đáy:

- Điều kiện áp dụng: Dùng với cột nước thấp; nền hạ lưu công trình tương đối kém; độ sâu hạ lưu hh thay đổi trong phạm vi lớn

- Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức bể tiêu năng (hình 1-6a), tường tiêu năng (hình 1-6b), bể tường kết hợp (hình 1-6c)

- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tiêu năng tốt và làm việc ổn định

- Nhược điểm: Khi cột nước cao, hc’’ rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở bể tiêu năng tương đối lớn, như vậy sân sau cần phải đào sâu và gia cố nhiều Trong trường hợp này hình thức tiêu năng đáy không kinh tế

6 Hình 1-6 : Các hình thức tiêu năng đáy

a Bể tiêu năng b Tường tiêu năng c Bể - tường kết hợp

b) Tiêu năng mặt:

- Điều kiện áp dụng:

+ Nền hạ lưu công trình bình thường; bậc thụt ở hạ lưu công trình có đỉnh bậc thấp hơn mực nước hạ lưu (MNHL)

+ Để chế độ nối tiếp chảy mặt được ổn định thì:

a/P ≥ 0.2 (a: chiều cao bậc, P: chiều cao tràn) + Lưu lượng qua công trình vừa và lớn nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn;

+ Bờ sông ở hạ lưu công trình tương đối ổn định

- Các hình thức tiêu năng dòng mặt: Hình thức nối tiếp chảy mặt không ngập (hình 1-7a), nối tiếp chảy mặt ngập (hình 1-7b) tạo ra khu xoáy cuộn tác động xấu vào mặt công trình

- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tiêu năng không kém hơn so với tiêu năng dòng đáy Chiều dài sân sau thường ngắn hơn (1/5 ÷1/2) lần, đồng thời lưu tốc

ở đáy nhỏ nên chiều dày gia cố bé, thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau Ngoài ra, có thể tháo vật nổi mà không sợ hỏng sân sau

- Nhược điểm: Làm việc không ổn định khi MNHL thay đổi nhiều; ở hạ lưu có sóng nên ảnh hưởng đến sự làm việc của các công trình khác như thủy điện, âu tàu… và gây xói lở bờ sông

+ Chiều cao cột nước trước đập phải đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa

- Các loại mũi phun: Mũi phun liên tục (hình 1-8a), mũi phun không liên tục (hình 1-8b), mũi phun mở rộng (phát tán), mũi phun thu hẹp

- Ưu điểm: Khả năng tiêu năng tốt do tia nước ma sát với cả không khí và khối nước hạ lưu, hố xói được tạo ra xa chân công trình nên đảm bảo an toàn

- Nhược điểm: Khi đập thấp chiều dài phóng xa ngắn, dùng hình thức tiêu năng này sẽ bị hạn chế Dòng phun xuống hạ lưu gây sương mù, ẩm ướt, dễ gây sạt lở bờ

8 Hình 1-8: Các hình thức mũi phun trong tiêu năng phóng xa

)

hiện nay là đập Ute trên sông Canadian ở New Mexico có Qmax=15.700m3/s, cột nước tràn H=1,36m,chiều cao ngưỡng tràn P = 9,14m; n = 11 chu kỳ zíc zắc, tổng chiều dài đỉnh là W = 1024m trên đường tràn rộng 256m

1.3.2 Đặc điểm cấu tạo và kích thước của tràn:

Ngưỡng tràn gồm những tường bê tông cốt thép thẳng đứng, tương đối mỏng, được đặt trên sàn phẳng theo dạng răng cưa hình thang (h.1-10) Tỷ số N=L/W thường bằng 4 (L là chiều dài ngưỡng theo tuyến răng cưa và W là bề rộng khoang tràn) cho lưu lượng xả tràn lớn gấp đôi so với ngưỡng tràn thông thường kiểu

Creager Nhược điểm của kiểu ngưỡng tràn này là muốn tăng lưu lượng tràn thì phải

tăng chiều cao tường và cần diện tích rộng cho sàn phẳng, khó bố trí trên đỉnh đập trọng lực

Loại đập này có nhiều biến thái khác nhau, nhìn chung cũng chỉ nhằm kéo dài ngưỡng tràn (Hình 1-10)

10 Hình 1-10: Cấu tạo tràn labyrinth

B : Chiều dài 1 cánh tường bên

D : Chiều dài tràn labyrinth, theo hướng dòng chảy về hạ lưu

n : Số răng tràn (trong hình 1-10 là 2)

Wc : Khẩu độ tràn

W : Chiều rộng chân 1 răng tràn

2a : Bề rộng đỉnh răng tràn

α: Góc hợp bởi tường nghiêng và phương dòng chảy

t : Chiều dày tường tràn (Hình 1-12)

R : Bán kính đỉnh tràn (Hình 1-12)

P : Chiều cao tràn (Hình 1-12)

Ho : Tổng chiều cao cột nước bao gồm cả cột nước tới gần

* Các kích thước của đập labyrinth được xác định như sau:

Chiều rộng mỗi răng tràn :

υ

χ/Ω

=

Ω

(1-2) Chiều dài đỉnh đập:

Ω

=ΩΩΛ

=

Λω ( / ) μ

(1-3) Góc mở tường bên:

S.2

a.4W

2 L

(1-5) Chiều dài đập theo hướng dòng chảy:

2 2

2

a.2WB

S= − −

(1-6) Cột nước trên đỉnh (cột nước tràn):

g 2

V H H

2 o

α +

=

(1-7)

1.3.3 Các dạng mặt bằng của tràn Labyrinth

a) b) c) d) e) f)

Hình 1-11: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt

- Loại hình tam giác (hình 1-11b): Có mặt bằng hình tam giác, loại này thường ít

được sử dụng vì tại vị trí đỉnh tam giác hiệu quả không cao, trong khi đó lại kéo dài phần

đế móng tràn

- Loại hình thang (hình 1-11a): Hầu hết tràn labyrinth có hình dạng mặt bằng kiểu

hình thang, thậm chí có tác giả còn định nghĩa “tràn labyrinth là tràn tự do có hình dạng mặt bằng là một số hình thang xếp liền kề” Kiểu hình thang khắc phục được nhược điểm của kiểu tam giác, tại vị trí góc hình tam giác thì được cắt đi, mục đích là cắt bỏ phần mà khả năng thoát không hiệu quả, đồng thời còn làm giảm chiều rộng đế móng

- Kiểu chữ nhật hay phím đàn piano (Hình 1-11c)

H−íng dßng ch¶y

R

11 Hình 1-12: Các dạng đỉnh tràn

Loại cĩ ngưỡng dạng đỉnh nhọn

Loại cĩ ngưỡng dạng phẳng

Loại cĩ ngưỡng dạng ¼ đường trịn

Loại cĩ ngưỡng ½ đường trịn

Loại cĩ ngưỡng dạng đặc biệt

1.3.5 Đặc điểm làm việc

Dịng chảy qua đập tràn labyrinth cĩ những đặc điểm khác biệt so với dịng chảy qua đập tràn đỉnh thẳng Với tràn đỉnh thẳng, tất cả các đường dịng vuơng gĩc với với đỉnh tràn và là dịng chảy 2 chiều Với tràn labyrinth được đặt khơng vuơng gĩc với dịng chảy, dịng chảy qua ngưỡng là dịng 3 chiều (Hình 1.13) Phía dưới lớp nước dịng chảy vuơng gĩc với ngưỡng, tại mặt thống các đường dịng hướng theo chiều chảy hạ lưu

12 Hình 1- 13: Dịng chảy trên tràn Labyrinth

Ld B

B

B α

Thượng lưu tràn

hạ lưu tràn

Dòng chảy qua đập tràn labyrinth càng phức tạp hơn với hiện tượng giao thoa của các tia nước từ các đỉnh nhọn của tràn (hình 1.13 - dạng không gian) Hiện tượng này là do các tia nước của 2 tường bên kề nhau sẽ tương tác với nhau và làm giảm lưu lượng tràn (sau này sẽ được phản ánh trong hệ số lưu lượng) Cấp độ ảnh hưởng càng tăng nếu chiều cao cột nước trên đỉnh tràn tăng, khi tăng đến 1 giá trị nhất định dòng chảy qua tràn labyrinth cũng chỉ tương đương với các loại tràn thẳng khác

Indlekofer và Rouvé (1975) bằng lý thuyết đã chứng minh được rằng chiều dài đọan xáo trộn trên đỉnh tràn nơi mà lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự giao nhau của dòng chảy (Ld) phụ thuộc vào chiều cao cột nước tràn, chiều cao đập, góc giữa 2 tường bên [14]:

),/(),,(η α φ η π αφ

Λ

(1-8) Chiều dài ảnh hưởng của vùng xáo trộn (Lde)

2 / 3

2.2

.3)

1(

m d

d m de

h g C

Q B

L C

 (1-9)

Lde : là chiều dài đập mà có hệ số lưu lượng =0

Cd : Hệ số lưu lượng dòng chảy trên 1 tràn thẳng không bị ảnh hưởng của vùng xáo trộn

Cm : Phụ thuộc vào sự giảm bớt hệ số lưu lượng

Ld : Chiều dài đọan xáo trộn là chiều dài trên đỉnh tràn nơi mà lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự giao thoa của dòng chảy

B : Chiều dài đỉnh tường nghiêng

hm : Chiều sâu cột nước trên tràn

Lde: được tính gần đúng theo công thức kinh nghiệm sau:

α

052 0

.1

α Góc hợp bởi tường nghiêng và phương dòng chảy

h : Chiều cao cột nước tràn

1.3.6 Ứng dụng tràn labyrinth trên thế giới và ở Việt Nam:

Tràn labyrinth được xây dựng trên khắp thế giới, nước ứng dụng loại tràn này nhiều nhất là Mỹ và Bồ Đào Nha Tràn có lưu lượng thoát lớn nhất hiện nay là tràn Ute

thuộc Mỹ Bảng 1-2 thống kê một số đập tràn labyrinth đã được xây dựng trên thế giới

Bảng 1-2 Thông số cơ bản một số đập tràn labyrinth đã xây dựng trên thế giới [15]

xd

Q m3/s

Bartletts Ferry USA 1983 5920 2.19 3.43 18.3 70.3 20 Mayer

Garland Canal USA 1982 25.5 0.37 1.40 4.57 19.6 3 Lux/Hinchlif

Jutarnaiba Brazil 1983 862 0.7 Afshar

Ohau Canal New Zealand 1980 540 1.08 2.50 6.25 37.5 12 Walsh

SamRayburn

USCOLD ulletin

Ở Việt Nam, đập tràn labyrinth bước đầu đang được nghiên cứu và áp dụng ở một

số công trình như: Tràn xả lũ Sông Móng - Bình Thuận (hình 1-14), Tràn xả lũ Phước Hòa

-Bình Phước (hình 1-15), tràn xả lũ Tuyền Lâm (Lâm Đồng)… Một số thông số cơ bản của tràn như sau:

13 Hình 1-14: Mô hình tràn Sông Móng (nhìn từ thượng lưu)

* Tràn xả lũ Phước Hòa (Bình Phước):

- Tràn có cửa kết hợp tràn mỏ vịt

- Lưu lượng xả:Qmax = 8700 m3/s

- Cột nước tràn max: Hmv=7.85m; Hcửa=18.25m

- Tổng chiều dài tràn mỏ vịt: L= 190m

- Chiều dài tràn có cửa: L=40m

- Số răng tràn trên mỏ vịt: n=20

14 Hình 1-15 : Mô hình ½ tràn Phước Hòa (nhìn từ thượng lưu)

* Nhận xét:

Ta thấy khả năng thoát của tràn labyrinth có thể gấp từ 2 đến 5 lần các tràn có ngưỡng thẳng do vậy có thể tăng mức độ an toàn hồ chứa hoặc nâng cao khả năng tích nước của hồ Tuy vậy các điều kiện ràng buộc về các yếu tố thuỷ lực cũng rất khắt khe, như là cột nước tràn thấp, dòng chảy sau tràn là dòng xiết, khả năng điều tiết hồ chứa v.v… đến các yếu tố về mặt cấu tạo tràn như là giới hạn về tỷ số giữa chiều cao tràn với cột nước trên tràn, giới hạn góc tường bên, chiều dài vùng xáo trộn v.v… là hết sức phức tạp Điều kiện ứng dụng thích hợp:

- Hình dạng ngưỡng tràn: Cần có chiều cao ngưỡng tràn đảm bảo sao cho H/P<0,9,

do vậy thay thế tràn cũ có chiều cao ngưỡng, như là: tràn thực dụng, hình thang hoặc thành mỏng là thích hợp nhất

- Bộ phận thân dốc: Cần phải tạo ra sao cho phía sau ngưỡng tràn là dòng xiết

- Bộ phận tiêu năng sau tràn: đơn giản và có thể tăng tỷ lưu lên hoặc mở rộng đuôi tràn

- Địa hình: Đối với tràn labyrinth, khẩu diện tràn nếu bằng khẩu diện tràn cũ khả năng tháo có thể lớn hơn từ 2 đến 5 lần tràn thẳng, do vậy không cần phải mở rộng mà vẫn

có khả năng tháo với lưu lượng lớn hơn Như vậy thích hợp loại tràn khó mở rộng, địa hình sườn dốc đứng chẳng hạn

- Địa chất: Do cần phải có chiều cao ngưỡng tràn đảm bảo sao cho H/P<0,9, do vậy nếu cần phải đào sâu ngưỡng tràn thì địa chất nền có thể đào sâu được Đặc biệt bộ phận tiêu năng, do đảm nhận tiêu năng với tỷ lưu lớn hơn trước (trường hợp không mở rộng bộ phận sau tràn) thì nền phía sau tốt nhất là nền đá cứng chắc hoặc tiêu năng bằng mũi phun

Tràn labyrinth đạt hiệu quả cao hơn các loại tràn có ngưỡng thẳng khi các yếu tố như: hình dạng tràn, địa hình, địa chất thuận lợi cho việc áp dụng như phân tích ở trên, khả năng điều tiết của hồ kém, bộ phận tiêu năng đơn giản, hoặc không cần thiết (nền đá gốc chẳng hạn) Với khả năng tháo ưu thế, tràn labyrinth đã làm giảm đáng kể chiều cao cột nước tràn, giảm thời gian ngập do lũ và giảm diện tích ngập Nhược điểm của kiểu ngưỡng này là muốn tăng lưu lượng thì phải tăng chiều cao tường và cần diện tích rộng trên sàn phẳng, do đó khó bố trí trên đỉnh đập trọng lực

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

Trong luận văn nay giới hạn nghiên cứu các vấn đề thủy lực của tràn zíc zắc cụ thể như sau:

- Nghiên cứu khả năng tháo qua tràn: giới hạn nghiên cứu dòng chảy qua tràn ở chế độ chảy tự do

- Khai thác các số liệu thí nghiệm đã có để xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố thủy lực với khả năng tháo qua tràn Xây dựng công thức thực nghiệm tính hệ số lưu lượng cho tràn

- Xem xét khả năng chảy ngập qua ngưỡng tràn zíc zắc và giải pháp bố trí ngưỡng để hạn chế khả năng chảy ngập, tăng khả năng tháo

- Ảnh hưởng của hiện tượng chân không sau ngưỡng và giải pháp loại trừ chân không

- Tính toán ứng dụng cho công trình thực tế

4 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA NGƯỠNG TRÀN ZÍC ZẮC

2.1 Tính toán khả năng tháo qua ngưỡng

2.1.1 Đặc điểm của dòng chảy qua ngưỡng và máng xả:

Dòng chảy qua đập tràn zích zắc có đặc điểm khác biệt so với dòng chảy qua tràn thẳng Với tràn có ngưỡng thẳng đặt vuông góc với trục tràn thì đường dòng vuông góc với trục ngưỡng tràn Còn trong tràn zích zắc thì có dòng chảy vào đầu máng và qua hai tường bên của máng tràn đổ vào máng xả tạo nên dòng chảy từ 3 phía và trong máng xả là dòng chảy xoắn ốc phức tạp

Các tia nước từ hai tường bên kề nhau sẽ tương tác với nhau làm giảm lưu lượng qua tràn Mức độ ảnh hưởng càng tăng khi chiều cao cột nước trên đỉnh tràn tăng đến một giá trị giới hạn thì lưu lượng chảy qua tràn zích zắc cũng chỉ tương tương với các loại tràn thẳng khác

15 Hình 2-1: Dòng chảy qua tràn zích zắc kiểu phím đàn piano

2.1.2 Tính toán thuỷ lực đập tràn zíc zắc:

2.1.2.1 Công thức tính lưu lượng :

- Công thức chung:

2 / 3 0

2 H g B

m

Trong đó:

- Q: Lưu lượng qua tràn (m3/s);

- Bzz: Chiều dài của toàn bộ tuyến tràn zíc zắc (m);

- Ho: Cột nước trên đập tràn (m), có tính đến lưu tốc đến gần V0 (m/s);

- g: gia tốc trọng trường (m/s2 );

- mzz: hệ số lưu lượng không thứ nguyên của tràn zíc zắc

2.1.2.2 Công thức tính hệ số lưu lượng của tràn zích zắc

- Công thức chung tính hệ số lưu lượng của đập tràn thẳng:

Tham khảo thêm: Sổ tay kĩ thuật thuỷ lợi, Sổ tay tính toán thuỷ lực KIXÊLEP - bản dịch ra tiếng việt [5]; Công trình tháo nước của Nguyễn Văn Mạo -

GS Đại học thuỷ lợi…

Công thức chung tính hệ số lưu lượng của tràn zíc zắc (mz) :

mz = kz.m , (2-3)

- m: hệ số lưu lượng của tràn thẳng (2-2)

- kz : hệ số hiệu chỉnh hệ số lưu lượng của tràn thẳng, kz <1;

Tính kz

- Không có quy phạm tính kz

- Một số nghiên cứu trên thực nghiệm :

- Công thức của Tullin, Nosratollah và Waldron (1995) [16];

- Tác giả [16] giới thiệu, công thức tính lưu lượng cho tràn zíc zắc kiểu tam giác, ngưỡng ¼ hình tròn:

2 / 3

2 H g B

m

3 0 4

2 0 3

0 2

=

P

H A P

H A P

H A P

H A A

Trong đó:

- P: Chiều cao ngưỡng;

- Ho: Cột nước tràn có kể tới lưu tốc tới gần;

- Ai: (i =1~5) phụ thuộc H/P tra theo bảng 2.1

- α: Góc hợp bởi phương của tường tràn với phương dòng chảy

C1 là hệ số lưu lượng Tullit theo kinh nghiệm C1 = ( 0,56 ÷ 0,6); Chọn C1 = 0,58;

Cd = 0,617 có mz = 0,411; [16]

Bz : Khẩu độ tràn zíc zắc;

Hz : Cột nước trên ngưỡng tràn zíc zắc

(**) Tính theo kiểu tràn xiên giới thiệu trong Kixêlep: Hệ số lưu lượng tràn xiên:

Kiến nghị khi chưa có thí nghiệm xác định (kz) thì tính theo (2-6)

2.1.2.3 Tính thuỷ lực kênh dẫn sau tràn:

- Mục đích xác định đường mặt nước trong kênh để tính cao trình bờ kênh; Xác định lưu tốc cực đại của dòng chảy để lập các giải pháp chống xói lở lòng kênh Trình tự tính:

- Định tính đường mặt nước trong kênh (tham khảo trong giáo trình thuỷ lực của trường Đại học Thuỷ lợi; Sổ tay tính toán [10])

2.2 Giải pháp đảm bảo chảy tự do qua ngưỡng

2.2.1 Ý nghĩa các thông số

Khi nghiên cứu về đập labyrinth thì phải chỉ ra các thông số quan trọng nhất đó là:

Tỷ số giữa chiều dài / chiều rộng của đập (L/W); Tỷ số giữa tổng cột nước trên tràn và chìều cao đập (H0/P); Góc mở α Người ta cho rằng các thông số W/P là rất quan trọng và

nó được thay thế bởi sự biến thiên của tỷ số Ld/B Các yếu tố liên quan đến đỉnh đập như là hình dạng đỉnh đập, tổn thất trên đỉnh v.v… chỉ ảnh hưởng nhỏ tới hệ số lưu lượng (<3%)

Số lượng răng tràn (n) không ảnh hưởng gì tới các đặc trưng của dòng chảy qua đập tràn labyrinth Tuy nhiên điều đó lại ảnh hưởng đến khối lượng và giá thành công trình do thay đổi kích thước đế móng Các điều kiện về dòng chảy tới gần thực sự có ý nghĩa trong việc quyết định hệ số lưu lượng của đường tràn

2.2.2 Các thông số ảnh hưởng đến việc đảm bảo chảy tự do trên tràn

2.2.2.1 Tỷ số cột nước thượng lưu (H0/P)

Tỷ số cột nước thượng lưu đập (H0/P), là tỷ số giữa cột nước toàn phần trên tràn H0

và chiều cao đập P Do hệ số lưu lượng giảm khi mực nước thượng lưu tăng nên đập Labyrinth được ứng dụng hợp lý nhất khi mực nước thượng lưu thấp Lux (1989) đề nghị

tỷ số trên tối đa nằm trong phạm vi từ 0.45 đến 0.5 Tuy nhiên có một số đường tràn của đập labyrinth được thiết kế với (H0/P)max=1 Tỷ số (H0/P)max là một vấn đề lớn khi mà hệ số lưu lượng được xác định không phải là một giá trị cụ thể (chỉ là một giá trị tương đối) Ví

dụ Tullis et al (1996) đã thử nghiệm với (H0/P)max=0.9 Các phương trình giải tích sau đó đều lấy tỷ số H0/P=0.9 là giới hạn trên Nếu các giá trị lớn hơn là cần thiết thì cần có những nghiên cứu sâu hơn

2.2.2.2 Tỷ số theo phương đứng (W/P)

Tỷ số theo phương đứng là tỷ số giữa chiều rộng của một răng tràn (W) chia cho chiều cao đập (W/P) Taylor (1968) cho rằng để giảm ảnh hưởng của vùng xáo trộn trên bề mặt tràn, nên chọn tỷ số trên lớn hơn 2 Lux (1989) đề nghị tỷ số trên nằm giữa 2,0 – 2,5

2.2.2.3 Hệ số mở rộng (m = L/W)

Hệ số mở rộng là tỷ số giữa chiều dài đỉnh đập (phần tường nghiêng) chia cho chiều rộng một răng tràn-(L/W) Giới hạn của góc tường bên theo Tullis (1994) là 60,

tương ứng với hệ số mở rộng khoảng 9,5 Khả năng của đập labyrinth sẽ giảm nhanh khi

hệ số mở rộng vượt quá 10 tức (α )<6o Với hệ số mở rộng nhỏ hơn 2 thì cần cân nhắc là

sẽ mở rộng cửa vào hay sử dụng tràn hình chữ S trên đỉnh thay cho tràn labyrinth

2.2.2.4 Gĩc mở của tường bên

Với tuyến tràn dạng tam giác, gĩc mở tường bên và hệ số mở rộng cĩ quan hệ với nhau, được cho bởi cơng thức:

W arcsin

α

(2-6)

1 0 20 40 60 80 100

Giới hạn của đường tràn tam giác

Hệ số mở rộng-m

2.2.2.5 Hiệu quả (ε)

Tỷ số giữa tích của hệ số lưu lượng (Cd) và hệ số mở rộng (m) chia cho hệ số lưu lượng của đập tràn thẳng (Cd90o) gọi là tính hiệu quả của đập labyrinth Tính hiệu quả của loại đập này (ε) được xác định theo cơng thức:



( )

)(90C

.C

Cd(α) : là hệ số lưu lượng phụ thuộc vào góc mở tường bên

Cd(900):hệ số lưu lượng trường hợp đường tràn thẳng có cùng khẩu độ

m : hệ số mở rộng

Hiệu quả thì về bản chất cũng giống như thông số QL/QN mà Taylor (1968) đã sử dụng, (QL): Lưu lượng qua tràn labyrinth; QN: Lưu lượng qua tràn thẳng cùng khẩu độ Tuy nhiên hiệu quả của việc kết hợp giữa hệ số mở rộng và ảnh hưởng góc mở tường bên đều nằm trong một thông số Do đó với các thông số này, lợi ích của việc thay đổi về hình học của đập labyrinth có thể được dùng để đánh giá nhanh trong quá trình thiết kế

Khi mực nước thượng lưu tăng lên thì hệ số lưu lượng giảm đi Do đó nếu tràn labyrinth cần thoát với lưu lượng lớn nhất tuơng ứng với một cao trình hồ chứa đã cho, thì giá trị của hệ số lưu lượng (Cd) và hệ số mở rộng (m) lúc đó nên là giá trị lớn nhất

Ảnh hưởng giữa góc mở tường bên và tỷ số H0/P đến hiệu quả (ε ), thể hiện trên Hình 2.3 Hệ số lưu lượng ứng với các góc khác nhau đã xác định trong phần xây dựng đường cong lưu lượng

Ví dụ: Với một giá trị H0/P=0.7, góc mở tường bên α =180, ta có Cd(α )=0,485; m

= 3,24 và C90o)=76 Điều này cho biết là hiệu quả tương đương gấp 2,1 lần Có nghĩa là đập labyrinth có khả năng tăng lưu lượng gấp đôi đường tràn thẳng Nếu góc mở tường bên giảm xuống còn 80, Cd(α )=0,315, m= 7,18 và Cd(900)=0,76, thì hiệu quả (ε) sẽ tăng gấp 3 lần Do đó lưu lượng thoát có khả năng tăng gấp 3 lần so với đập tràn thẳng

Để hiệu quả đạt được một giá trị lớn nhất đối với đỉnh đập thì góc nghiêng của tường bên vào khoảng 80 Giá trị này tương ứng với hệ số mở rộng là 7,2 Hiệu quả sẽ giảm rất nhanh nếu góc mở của tường bên giảm nhỏ dưới 80 Đồng thời, hiệu quả giảm khi cột nước tràn tăng (xem Hình 2.3)

Ảnh hưởng của đập tràn hình thang cũng tương tự như đập tràn tam giác trừ việc hiệu quả của nó không tiến dần tới 0 như trường hợp đập tràn tam giác có góc mở tường bên tiến tới 0 Đối với đập hình thang hoặc hình tam giác thì đỉnh của chúng được ngăn cách bằng hai tường ngăn nước riêng biệt Ví dụ đối với tuyến đập hình chữ nhật góc mở của tường bên bằng 0 có nghĩa là hai tường ngăn nước song song với nhau

Tương tự như vậy đối với dòng chảy trên đỉnh phía đưa sâu về hạ lưu của tràn labyrinth dạng tam giác thì về bản chất cũng gây ra một vùng nước ứ đọng, làm tăng sự chênh lệch mặt nước của dòng chảy xuôi dòng của kênh được giới hạn giữa hai tường bên (dòng chảy trong răng tràn) Do vùng nước bị ứ đọng nên dòng chảy xuôi của đường tràn labyrinth cũng được thay thế bởi đỉnh tù làm tăng hiệu quả tổng hợp của sự làm việc của đập

2.2.2.7 Hình dạng đỉnh tràn

Như đã trình bày trong phần xác định hệ số lưu lượng, hình dạng đỉnh tràn không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc tổng hợp của tràn labyrinth Các dạng đỉnh ¼ và ½ tròn thường được đề cập đầu tiên và phổ biến khi thiết kế, tuy nhiên có thể bị ảnh hưởng chân không trong quá trình làm việc Sau này một số tác giả đã cho ra dạng đỉnh chữ S Hệ

số lưu lượng bị giảm đi trong trường hợp cột nước cao bởi vì do ảnh hưởng của vùng xáo trộn càng cao

2.2.2.8 Tỷ lệ chiều dài xáo trộn/ chiều dài tường bên (Lde/B)

Như đã trình bày, tỷ số của chiều dài xáo trộn (vùng ảnh hưởng do xáo trộn dòng chảy) chia cho chiều dài tường bên là một thông số rất quan trọng Chiều dài xáo trộn được xác định trong công thức:

0.052 α

de 6,1.eh

=

(2-8) Trong đó :

Lde : Chiều dài đoạn xáo trộn

h : Chiều cao cột nước tràn

α : Góc hợp bở tường bên với phương dòng chảy

( B : C h ie àu d a øi c u ûa tö ô øn g b e ân )

18 Hình 2.4: Minh họa ảnh hưởng của sự xáo trộn dòng chảy

Tỷ lệ chiều dài xáo trộn chia cho chiều dài tường bên, Lde/B- không lớn hơn 0,3 Điều này có thể viết như sau:

0,3 6,1.e

B

h B

≤

(2-9) Như vậy tỷ lệ Lde/B càng nhỏ, thì ảnh hưởng vùng xáo trộn càng giảm và càng làm tăng hệ số lưu lượng, tuy nhiên cần phải cân nhắc kỹ (xem Hình 2.4), vì khi đó chiều rộng

đế móng tràn sẽ lớn làm tăng giá thành xây dựng

2.2.2.9 Điều kiện của dòng chảy tới gần (thượng lưu tràn)