Nghiên cứu biện pháp tiêu năng sau đập vòm tràn nước, ứng dụng cho công trình thủy điện nậm chiến, sơn la

Vấn đề tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông thường đập vòm có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn; khi dòng chảy đổ xuống hạ lưu mang theo năng lượng thừa với động nă

L ỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình, quý báu của các thầy, cô, cũng như sự động viên, ủng hộ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Công trình, và toàn thể quý thầy cô trong trường đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thầy giáo GS.TS Ngô Trí Viềng, người đã hết lòng hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời tri ân của tôi đối với những lời khuyên răn, chỉ bảo của Thầy không chỉ trong quá trình làm luận văn, mà từ khi còn là sinh viên đại học đến nay

Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên,

hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên do thời gian và năng lực còn hạn chế, không thể tránh khỏi những sai sót Tôi xin trân trọng và mong nhận được những góp ý quý báu của quý thầy cô và các bạn./

HỌC VIÊN

Trần Văn Khánh

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

BẢN CAM KẾT

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Các kết quả đạt được 2

1.5 Nội dung luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC 4

1.1 Khái quát 4

1.2 Tình hình phát triển xây dựng đập vòm nói chung và đập vòm tràn nước nói riêng 8

1.3 Một số công trình đập vòm trên thế giới 11

1.4 Đặc điểm của đập vòm tràn nước 14

1.5 Phạm vi nghiên cứu 15

1.6 Đập vòm và khả năng áp dụng tại Việt Nam 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC 16

2.1 Cơ sở lý luận 16

2.2 Khả năng tháo nước của đập vòm tràn nước 17

2.3 Xác định các thông số dòng chảy qua đập tràn 19

2.4 Nối tiếp dòng chảy sau đập vòm tràn nước với hạ lưu 21

2.5 Phương pháp tính toán 26

2.6 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC NẬM CHIẾN 43

3.1 Giới thiệu công trình 43

3.2 Đập vòm tràn nước Nậm Chiến và những vấn đề nghiên cứu 51

3.3 Các giải pháp tiêu năng và nối tiếp dòng chảy sau đập vòm tràn nước Nậm Chiến 51

3.4 Các kết quả tính toán 56

3.5 Kết luận chương 3 62

CHƯƠNG 4 SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC – GIẢI PHÁP TỐI ƯU 63

4.1 So sánh kết quả tính toán các phương án 63

4.2 Mô hình và các kết quả thí nghiệm 66

4.3 So sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm 68

4.4 Kết luận chương 4 71

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 73

1 Những kết quả đạt được của luận văn 73

2 Kiến nghị và tồn tại 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

CÁC PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 78

CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Quan hệ β-n 5

Hình 1.2 Các dạng mặt cắt thẳng đứng của đập vòm 7

Hình 1.3 Đập vòm có bán kính không đổi 7

Hình 1.4 Đập vòm có góc trung tâm không đổi 8

Hình 1.5 Đập vòm có góc trung tâm và bán kính thay đổi 8

Hình 1.6 Các loại đập trên thế giới 10

Hình 1.7 Đập Xiaowan (Trung Quốc) 11

Hình 1.8 Đập Inguri (Georgia) 11

Hình 1.9 Đập Mauvoisin (Thụy Sĩ) 12

Hình 1.10 Đập Laxiwa (Trung Quốc) 12

Hình 1.11 Đập Deriner (Thổ Nhĩ Kỳ) 13

Hình 1.12 Đập Nukui (Nhật Bản) 13

Hình 2.1 Các dạng mép vào cửa trụ pin 17

Hình 2.2 Các dạng trụ pin 18

Hình 2.3 Hệ số hiệu chỉnh σk 19

Hình 2.4 Dòng chảy qua đập vòm tràn nước 19

Hình 2.5 Các hình thức nối tiếp dòng chảy hạ lưu 22

Hình 2.6 Mũi phun liên tục 23

Hình 2.7 Mũi phun không liên tục 24

Hình 2.8 Cấu tạo mũi phun 25

Hình 2.9 Một số dạng mũi phun khác 25

Hình 2.10 Tính toán tiêu năng phóng xa 26

Hình 2.11 Hệ số hàm khí k 28

Hình 2.12 Quá trình phát triển hố xói tại đập Kariba (Zimbabwe) 29

Hình 2.13 Hố xói đập Bartlett (Arizona, 1941-1990) 29

Hình 2.14 Thí nghiệm của Subhasish Dey và Rajkumar V Raikar 30

Hình 2.15 Ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến hố xói 30

Hình 2.16 Quan hệ se se o d d y =  và F 0 31

Hình 2.17 Quan hệ se se o d d y =  và 50 o d d y =  31

Hình 2.18 Quan hệ se se o d d y =  và t o h h y =  với các Fo khác nhau 32

Hình 2.19 Sơ đồ tính luồng nước khuếch tán 33

Hình 2.20 Đường bao hố xói theo M.A Mikhalep 36

Hình 2.21 Đường bao hố xói theo G.A Yuzixki 36

Hình 2.22 Sơ đồ thế nằm của phân phối đá nền 38

Hình 2.23 Đồ thị xác định t/hk phụ thuộc vào Egh/Z0, l0/hk 39

Hình 2.24 Đồ thị xác định t/hk phụ thuộc Pgh/Z0, l0/hk 39

Hình 2.25 Đập vòm Vouglans (Pháp) 41

Hình 2.26 Đập vòm Jiping I (Trung Quốc) 41

Hình 3.1 Vị trí công trình thủy điện Nậm Chiến 44

Hình 3.2 Một số hình ảnh mô hình đập Nậm Chiến 48

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế đập vòm Nâm Chiến 49

Hình 3.4 Đập tràn Nậm Chiến xả nước 50

Hình 3.5 Mặt bằng đầu mối thủy điện Nậm Chiến 54

Hình 3.6 Chính diện đập nhìn từ phía hạ lưu 55

Hình 3.7 Mặt cắt ngang cấu tạo đập vòm Nậm Chiến 55

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí đập tràn Nậm Chiến 56

Hình 3.9 Khả năng tháo của đập vòm tràn nước Nậm Chiến 58 Hình 4.1 Khả năng tháo nước của đập tràn – tính toán và thí nghiệm 69

CÁC B ẢNG BIỂU, TÍNH TOÁN

Bảng 1.1 Sự phát triển của đập vòm trên thế giới 9

Bảng 1.2 Những đập cao nhất thế giới đã được xây dựng 10

Bảng 1.3 Một số đập vòm tràn nước trên thế giới 14

Bảng 2.1 Trị số của hệ số A 34

Bảng 2.2 Trị số của hệ số K 34

Bảng 3.1 Tính toán khả năng tháo nước của đập tràn Nậm Chiến 57

Bảng 4.1 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 1 63

Bảng 4.2 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 2 64

Bảng 4.3 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 3 (mũi phun 30o )65 Bảng 4.4 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 3 (mũi phun 25o )65 Bảng 4.5 Kích thước mô hình tràn tổng thể (1/60) 67

Bảng 4.6 Các cấp lưu lượng thí nghiệm 68

Bảng 4.7 Khả năng tháo nước của đập tràn Nậm Chiến 68

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm mô hình đường mặt nước 70

MỞ ĐẦU 1.1 Tính c ấp thiết của đề tài

Đập vòm là một dạng đập khá đặc biệt trong hạng mục đầu mối công trình thuỷ lợi, thuỷ điện

Đập vòm là loại đập dâng chắn nước thường được làm bằng bê tông Đập là những vòm tròn có chân tựa vào hai bên bờ So với đập bê tông trọng lực thì đập vòm có kết cấu tương đối mỏng và nó giữ ổn định chủ yếu nờ vào

sự ổn định của hai bờ Do vậy yêu cầu địa chất nơi xây dựng đập vòm phải tốt, thường là đá rắn chắc Đá thường có ứng suất nén cho phép ≥ 100 ÷ 120 kG/cm2

Theo chế độ làm việc, đập vòm được phân ra loại đập vòm tràn nước và đập vòm không tràn nước Đập vòm tràn nước, ngoài chức năng chắn nước còn có nhiệm vụ tháo nước thừa khi có lũ Thông thường việc tháo lũ đối với đập vòm, người ta dùng biện pháp cho nước tràn qua đỉnh đập vòm

Vấn đề tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông thường đập vòm có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn; khi dòng chảy đổ xuống hạ lưu mang theo năng lượng thừa với động năng, lưu tốc rất lớn và phân bố không đều gây mạch động áp lực, dòng chảy mở rộng không đều tạo

ra dòng chảy xiên, sóng xiên ngoằn ngoèo va vào bờ sẽ tạo ra áp lực xung kích lớn, gây xói lở bờ

Công trình thủy điện Nậm Chiến – tỉnh Sơn La có kết cấu là đập vòm tràn nước cao 135m do Viện thiết kế Thủy công Ukraine thiết kế Đây có thể xem là đập vòm đầu tiên được xây dựng ở nước ta

Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu biện pháp tiêu năng sau đập vòm tràn nước, ứng dụng cho công trình thủy điện Nậm Chiến – Sơn La” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.2 M ục đích của đề tài

- Tìm giải pháp tiêu năng sau đập vòm tràn nước

- Lựa chọn phương án tiêu năng hợp lý sau đập vòm tràn nước của công trình Nậm Chiến

1.3 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê các tài liệu lý thuyết để đi sâu nghiên cứu biện pháp tiêu năng

- Tìm giải pháp hợp lý cho tiêu năng sau đập vòm nói chung và Nậm Chiến nói riêng

1.4 Các k ết quả đạt được

- Các biện pháp tiêu năng sau đập vòm tràn nước

- Kết hợp giữa lý thuyết và thực tế để có giải pháp tiêu năng cho công trình Nậm chiến

1.5 N ội dung luận văn

Nội dung của luận văn gồm các phần như sau:

1 Mở đầu

Giới thiệu tổng quát về đề tài, phương pháp tiếp cận, nghiên cứu và các kết quả đạt được của luận văn

2 Chương 1 Tổng quan về đập vòm tràn nước

- Khái quát đặc điểm, phân loại, tình hình phát triển xây dựng đập vòm nói chung và đập vòm tràn nước nói riêng, hình ảnh một số công trình đập vòm trên thế giới

- Đặc điểm của đập vòm tràn nước, phạm vi nghiên cứu

- Khả năng áp dụng của đập vòm tại Việt Nam

3 Chương 2 Cơ sở khoa học và phương pháp tính toán thủy lực đập vòm tràn nước

- Cơ sở khoa học tính toán đập vòm tràn nước, phương pháp tính toán các thông số thủy lực của đập vòm tràn nước: Khả năng tháo của đập, các thông số dòng chảy trên mặt đập, nối tiếp dòng chảy sau đập; công thức tính toán và các hệ số áp dụng

- Tiêu năng phóng xa – đặc điểm và phương pháp tính toán áp dụng cho đập vòm tràn nước; hố xói và các yếu tố ảnh hưởng tới hố xói

4 Chương 3 Tính toán áp dụng cho đập vòm tràn nước Nậm Chiến

- Giới thiệu đập vòm Nậm Chiến và những vấn đề nghiên cứu

- Giải pháp tiêu năng và nối tiếp dòng chảy áp dụng cho đập vòm Nậm Chiến, các phương án tính toán đề nghị

- Mô hình thí nghiệm thủy lực và các kết quả thí nghiệm mô hình

- So sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực, qua đó kết luận về sự phù hợp của tính toán với thí nghiệm và đưa ra được phương án tối ưu nhất

6 Kết luận – kiến nghị

7 Tài liệu tham khảo

8 Các phụ lục tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC

Đập vòm có một số đặc điểm cơ bản sau:

- Đập vòm có khối lượng nhỏ và giá thành thấp nếu điều kiện cho phép xây dựng

- Đập vòm là kết cấu siêu tĩnh chịu nén, nên chiều dày nhỏ Chiều dày đáy đập so với đập bê tông trọng lực cùng chiều cao nhỏ hơn 2 ÷ 4 lần, có trường hợp từ 4 ÷ 8 lần

- Áp lực thấm tác dụng lên đập vòm nhỏ, nhưng Gradien thấm lớn Cần chú ý xử lý điều bất lợi này

- Đập vòm phát huy được khả năng làm việc của bê tông Ứng suất nén trong đập vòm khoảng 50 ÷ 70 kG/cm2, có nhiều đập đã cho phép đạt tới 90÷100 kG/cm2

- Sự thay đổi nhiệt độ, sư co ngót của bê tông đều làm tăng ứng suất kéo trong thân đập Vì vậy, khi xây dựng đập vòm, người ta thường chừa lại các khe thẳng đứng, chờ khi nhiệt độ ngoài trời hạ xuống thì mới lấp kín khe, tạo thành đập vòm liền khối

- Ngoài yêu cầu về địa chất khá cao để giữ ổn định, điều kiện địa hình cũng ảnh hưởng rõ nét đến việc lựa chọn đập vòm

Lòng sông hình chữ V là trường hợp lý tưởng nhất để xây dựng đập vòm, do nhịp vòm nhỏ Vì vậy mặc dù ở dưới sâu vòm chịu áp lực lớn nhưng tình tình chịu lực của các lớp vòm lại tương đối đồng đều Trường hợp này có thể xây dựng các đập vòm cao mà chiều dày đập không lớn Tiếp đến là dạng lòng sông hình thang, hình chữ U Tuy nhiên trong một số điều kiện cụ thể, người ta vẫn xử lý để xây dựng được đập vòm

Gọi n là hệ số hình dạng, biểu thị tỷ số giữa chiều dài L trên đỉnh đập với chiều cao đập H (n= L/H), thường khi n < 3 ÷ 3.5 là điều kiện làm đập vòm kinh tế Nếu n < 1.5 ÷ 2 cho phép làm các đập vòm khá mỏng Tuy nhiên trong một số điều kiện xây dựng cụ thể, ngày nay tỷ số này có nơi đã cho phép lựa chọn lớn hơn nhiều Ví dụ đập Pevơđikadơ có n = 7.5, đập Mulenribu n = 10 Theo tài liệu thống kê của 69 đập vòm cao trên thế giới, cho thấy chiều dày đập chịu ảnh hưởng của hệ số hình dạng n

- Đập vòm là một trong những loại đập làm việc đảm bảo an toàn Động đất cũng gây ra tác động nguy hiểm, nhưng đập vòm có khả năng chịu đựng động đất tốt

- Đập vòm tràn nước Đập Nậm Chiến là một đập vòm tràn nước

1.1.2.4 Theo v ật liệu xây dựng đập:

Hình 1.4 Đập vòm có góc trung tâm không đổi

Hình 1.5 Đập vòm có góc trung tâm và bán kính thay đổi

1.2 Tình hình phát tri ển xây dựng đập vòm nói chung và đập vòm tràn nước nói riêng

Theo Patrick James và Hubert Chanson (2004), thì đập vòm đầu tiên có

lẽ là đập Roman, được xây dựng vào thế kỉ thứ nhất trước Công nguyên, dùng

để cấp nước cho thành phố La Mã Đập đá xây, có chiều cao 14.7m, dài 23.8m, bán kính cong 28.6m (còn được gọi là đập Les Peiro; một đập vòm mới được xây dựng năm 1891 tại cùng vị trí, trên nền của đập Roman Ngày nay thuộc Glanum, cách 1km về phía nam thị trấn Saint-Rémy-de-Provence, Pháp) Đập Monte Novo ở Bồ Đào Nha cũng được xây dựng bởi những người

La Mã vào năm 300 sau Công nguyên Đập cao 5.7m, dài 52m và có bán kính cong 19m

Thế kỷ 20, đập vòm được phát triển nhiều ở Châu Âu và Châu Mỹ, do

sự phát triển của công nghệ xi măng, đồng thời kỹ thuật tính toán thiết kế, thí nghiệm mô hình đã đạt tới trình độ cao

Bảng 1.1 Sự phát triển của đập vòm trên thế giới

/ 1600 Đá xây 26 (1) 9 (1) 35 (1) Vòm trọng lực Đập vẫn còn nguyên vẹn những năm 1970 Kurit, Tabas, Iran AD 1350

/ 1850 Đá xây 60 /

64 27 (1)

15 (1) Vẫn có thể thấy những năm 1980 Chabb-Abbasi, Tabas,

Jones Falls, Ottawa,

Canada 1828-31 Đá xây 18.7 106.7 8.4 53.3 John BY giao thông Vẫn hoạt động thiết kế Thủy điện và ĐẬP BÊ TÔNG

54.3 /

55 3.32 30.48

Cecil DARLEY thiết kế Cấp nước sinh hoạt Dừng hoạt động từ 1986 THIẾT KẾ HIỆN ĐẠI

Ithaca, New York,

Hoa Kỳ 1903 Bê tông 9.1 2.4 17.6 G.S WILLIAMS thiết kế Cấp nước sinh hoạt Hume Lake, California,

Hoa Kỳ 1908 cốt thép Bê tông 18.6 206.3 0.9 7.6 J EASTWOOD thiết kế

Ngày nay, nhiều đập vòm đã được thiết kế, xây dựng có chiều cao tới

100 ÷ 300m hoặc hơn 300m (Đập Jiping – Trung Quốc cao 308m, đang được xây dựng) Và có thể nói, khi điều kiện cho phép, đập vòm là loại đập được

ưu tiên sử dụng cho những đập có chiều cao lớn (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Những đập cao nhất thế giới đã được xây dựng

STT Tên đập Chiều cao Loại đập Quốc gia Sông

1 Nurek 300 m (980 ft) Đập đất Tajikistan Vakhsh

2 Xiaowan 292 m (958 ft) Đập vòm China Lancang

3 Grande Dixence 285 m (935 ft) Bê tông trọng lực Switzerland Dixence

4 Inguri 271.5m (891 ft) Đập vòm Georgia Inguri

5 Vajont 261.6 m (858 ft) Đập vòm Italy Vajont

6 Manuel Moreno

Torres 261 m (856 ft) Đập đất Mexico Grijalva

7 Nuozhadu 261 m (856 ft) Đập đất China Lancang

8 Tehri 260.5 m (855 ft) Đập đất India Bhagirathi

9 Mauvoisin 250 m (820 ft) Đập vòm Switzerland Bagnes

10 Laxiwa 250 m (820 ft) Đập vòm China Huang He

Hình 1.6 Các loại đập trên thế giới

Tại Việt Nam, đập vòm hiện nay mới được nghiên cứu, áp dụng những bước đầu tiên Đập Nâm Chiến có thể coi là đập vòm đầu tiêu của Việt Nam

1.3 M ột số công trình đập vòm trên thế giới

- Đập Xiaowan: Đập vòm trên sông Mekong, Vân Nam, Trung Quốc

Xây dựng năm 2002-2010, với tổng mức đầu tư khoảng gần 3.9 tỷ USD

Chiều cao: 292m Chiều dài: 902m Chiều rộng đỉnh đập: 13m

Chiều rộng đáy đập: 69m

Cao trình đỉnh đập: 1245m

Hình 1.7 Đập Xiaowan (Trung Quốc)

- Đập Inguri (Georgia):

Cao: 271.5m

Dài: 725m Chiều rộng đỉnh đập: 10m

Chiều rộng đáy đập: 56m

Hoàn thành: 1987

Hình 1.8 Đập Inguri (Georgia)

1.4 Đặc điểm của đập vòm tràn nước

Theo chế độ làm việc, đập vòm được phân ra loại đập vòm tràn nước và đập vòm không tràn nước Đập vòm tràn nước, ngoài chức năng chắn nước còn có nhiệm vụ tháo nước thừa khi có lũ Thông thường việc tháo lũ đối với đập vòm, người ta dùng biện pháp cho nước tràn qua đỉnh đập vòm

Vấn đề tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông thường đập vòm có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn; khi dòng chảy đổ xuống hạ lưu mang theo năng lượng thừa với động năng, lưu tốc rất lớn và phân bố không đều gây mạch động áp lực, dòng chảy mở rộng không đều tạo

ra dòng chảy xiên, sóng xiên ngoằn ngoèo va vào bờ sẽ tạo ra áp lực xung kích lớn, gây xói lở bờ

Bảng 1.3 Một số đập vòm tràn nước trên thế giới

STT Đập Quốc gia H L L/H Q xả max

Chênh cao TL-HL

12 Iablantria Nam Tư 85 210 2,47 1850 80 15

13 Pikote Bồ Đào Nha 100 93,5 0,94 10400 93 173

14 Venda Noda Bồ Đào Nha 97 230,5 2,38 1100 70

1.5 Ph ạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào nghiên cứu:

- Đập vòm tràn nước, hình thức tiêu năng bằng mũi phun

- Khi xả lũ, các cửa van mở hoàn toàn hoặc các tràn xả lũ tự do không

có cửa van

- Đi sâu nghiên cứu biện pháp tiêu năng

1.6 Đập vòm và khả năng áp dụng tại Việt Nam

Đập vòm là một trong những kết cấu đập có khả năng làm việc rất tốt, phát huy được khả năng của vật liệu bê tông, bê tông cốt thép Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các mô hình tính toán và thí nghiệm, có thể nói đập vòm là loại đập được ưu tiên xây dựng khi điều kiện xây dựng thoả mãn

Tại Việt Nam, mới chỉ có Đập Nậm Chiến là đập vòm cao Tuy nhiên,

có thể khẳng định khả năng áp dụng kết cấu đập vòm trong đầu mối công trình thuỷ lợi, thuỷ điện ở nước ta là rất lớn, vì một số lý do:

- Địa hình nước ta chủ yếu là đồi núi, chiếm 3/4 diện tích lãnh thổ Đặc biệt là ở miền Bắc, đồi núi trải dài, chia cắt mạnh bởi các dãy núi cao, dẫn đến lòng sông thường hẹp và có độ dốc lớn

- Địa chất tại một số vùng rất tốt, kết hợp với điều kiện địa hình thuận lợi sẽ là điều kiện tốt để xây dựng đập vòm

- Đập vòm có chi phí xây dựng thấp hơn các loại công trình bê tông khác cùng độ cao, có thể lên tới 60% ÷ 80% và có thể đạt tới chiều cao rất lớn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

TH ỦY LỰC ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC 2.1 Cơ sở lý luận

Mặt cắt đập tràn kiểu hình cong (mặt cắt thực dụng) được sử dụng khá phổ biến, loại đập này thường được áp dụng khi cột nước tràn cao và có cửa van điều tiết Đập tràn mặt cắt thực dụng được chia làm hai loại: Mặt cắt thực dụng chân không và mặt cắt thực dụng không chân không

Đập tràn thực dụng không chân không có dòng chảy trên mặt đập êm

ái, ứng suất dọc mặt đập luôn dương Với đập tràn thực dụng chân không, tại đỉnh đập có áp lực chân không Khi chân không quá lớn, có thể sinh ra hiện tượng khí thực Hệ số lưu lượng của đập tràn thực dụng chân không cao hơn không chân không khoảng 7% ÷ 15% Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho đập, tránh hiện tượng khí thực, người ta không cho phép hệ số chân không quá lớn, thường không lớn hơn 6.5m cột nước

Loại mặt cắt đập tràn thực dụng không chân không Krier – Ofixerov được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Đập vòm tràn nước thường có cột nước cao, nên thường được áp dụng loại mặt cắt này

Về cơ bản, tính toán thuỷ lực đập vòm tràn nước cũng giống như các loại đập khác Tuy nhiên, khả năng tháo qua đập vòm tràn nước nhỏ hơn so với các loại đập tràn thông thường, vì hệ số lưu lượng giảm do ảnh hưởng của

độ cong ngưỡng tràn trên mặt bằng

Đập vòm tràn nước có bề rộng dốc nước thay đổi theo bán kính cong và góc ở tâm, nên việc tính toán thuỷ lực xác định đường mặt nước trên tràn cũng phức tạp hơn so với các loại đập tràn thẳng thông thường

2.2 Kh ả năng tháo nước của đập vòm tràn nước

Như đã nói ở trên, trong phạm vi luận văn chỉ xét tới trường hợp đập tràn tự do không có cửa van

Khả năng tháo của đập vòm tràn nước mặt cắt thực dụng được xác định theo công thức:

3/2 0

mk – Hệ số lưu lượng của đập vòm tràn nước;

H0 – Cột nước trên đỉnh tràn có kể đến lưu tốc tới gần

Trong đó: ξy – Hệ số giảm xét đến hình dạng mép vào của trụ pin

Hình 2.1 Các dạng mép vào cửa trụ pin

- Đối với đập tràn có nhiều trụ pin chia thành nhiều khoang giống nhau:

Hệ số lưu lượng mk của đập vòm tràn nước có xét đến ảnh hưởng của tỷ

số BB/b > 1.2 được xác định theo công thức:

2.3 Xác định các thông số dòng chảy qua đập tràn

Hình 2.4 Dòng chảy qua đập vòm tràn nước

Để xác định đường mặt nước của dòng chảy trên đập vòm tràn nước, ta cũng sử dụng các phương pháp tương tự như đối với đập tràn trọng lực thông thường Phương pháp theo phương trình Bernouilli và V.I Tsanomxki được

sử dụng thường xuyên và khá phổ biến

Các bước xác định các thông số dòng chảy qua đập tràn như sau:

- Bước 1: Xác định cột nước trên đỉnh đập tràn H0: Được xác định thông qua công thức (2.1)

- Bước 2: Tính lưu tốc và độ sâu dòng chảy tại vị trí A-A, trong đó bỏ qua tổn thất thuỷ lực của dòng chảy ở đỉnh đập tràn:

R1 – Bán kính cong tại mũi phun

Tiến hành giải phương trình (2-8) bằng phương pháp thử dần

- Bước 5: Xác định lưu tốc và chiều sâu dòng chảy tại vị trí cuối mũi phun Tương tự như trên, ta sử dụng phương trình Bernuilli cho mặt cắt C-C

và mặt cắt tại cuối mũi phun:

2.4 N ối tiếp dòng chảy sau đập vòm tràn nước với hạ lưu

2.4.1 Hình th ức tiêu năng dùng cho đập vòm tràn nước

Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn, đặc biệt là đối với đập vòm tràn nước do cột nước rất cao Năng lượng đó sẽ phá hoại lòng sông và gây nên xói lở cục bộ hạ lưu đập, do đó cần có biện pháp thích hợp để có thể tiêu hao toàn bộ hoặc một phần năng lượng đó, giảm thiểu tối đa những tác động tiêu cực đối với hạ lưu đập Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều hình thức khác nhau: Tiêu năng dòng đáy, tiêu năng dòng mặt, tiêu năng dòng mặt ngập, tiêu năng phóng xa (Hình 2.5)

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho dòng chảy tiêu hao bằng ma sát nội bộ dòng chảy, phá hoại kết cấu của dòng chảy bằng cách xáo trộn với không khí, khuếch tán dòng chảy theo phương đứng và giảm lưu tốc của dòng chảy

Hình 2.5 Các hình thức nối tiếp dòng chảy hạ lưu

Đập vòm tràn nước có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy rất lớn, hình thức thích hợp nhất là tiêu năng phóng xa Đây là hình thức tiêu năng bằng cách lợi dụng mũi phun ở phía hạ lưu đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng

xa khỏi chân đập Các dòng phun sẽ khuếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng sông Do đó, năng lượng của dòng chảy sẽ được tiêu hao phần lớn trong không khí nên giảm khả năng xói lòng sông Đồng thời, dòng chảy được phóng ra khỏi đập tương đối xa nên sẽ không làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc và an toàn của đập

Tiêu năng phóng xa về cơ bản có thể chia làm 2 quá trình chính:

- Dòng chảy được phóng ra khỏi mũi phun và năng lượng dòng chảy được khuếch tán vào trong không khí Dòng chảy càng khuếch tán lớn trong không khí và càng trộn lẫn nhiều không khí thì năng lượng tiêu hao càng lớn Trong đập vòm tràn nước, các kỹ sư còn thiết kế để các dòng phun va chạm với nhau trong không khí làm tăng hiệu quả tiêu năng

- Tiêu năng phần năng lượng còn lại tại lòng sông hạ lưu Dòng chảy phóng xuống hạ lưu và gây ra hố xói ở một độ sâu nhất định nào đó thì năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao hoàn toàn bằng ma sát nội lực, cho

nêu chiều sâu mực nước hạ lưu càng lớn thì càng giảm được xói lở bờ sông Nhiều trường hợp các kỹ sư đã thiết kế một đập dâng nước ở hạ lưu để tạo một đệm nước nhằm hạn chế ảnh hưởng của dòng chảy đối với sông hạ lưu

2.4.2 Hình th ức kết cấu tiêu năng phóng xa

Có nhiều hình thức kết cấu mũi phun Cơ bản được phân làm 2 loại:

2.4.2.1 Mũi phun liên tục:

Về quan điểm chiều dài phun lớn thì người ta dùng hình thức mũi phun này vì có ưu điểm là cấu tạo đơn giản và khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dòng phun khuếch tán vào không khí kém và xói lở lòng sông hạ lưu sâu Có thể làm tường phân dòng nối liền với các trụ pin kéo dài đến gần mũi phun để cho dòng chảy tập trung ở trên mặt tràn và giảm tổn thất thủy lực Như vậy chiều dài dòng phun sẽ tăng lên và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặt

bằng cũng sẽ được mở rộng (Hình 2.6)

Hình 2.6 Mũi phun liên tục

Thiết kế mũi phun liên tục bao gồm các vấn đề sau:

- Góc nghiêng α của mũi phun được xác định căn cứ vào điều kiện chiền dài phóng xa, đồng thời thể tích bê tông ở chân đập tăng tương đối ít Thường dùng α ≈ 30o

÷ 35olà hợp lý (dòng phun sẽ bay xa nhất)

- Cao trình mũi phun phải đảm bảo dòng phun vào không khí và tránh nước hạ lưu chảy ngập mũi phun

- Bán kính cong R nối tiếp giữa mặt đập và mũi phun cần đảm bảo sao cho dòng chảy không tách khỏi mặt đập và mũi phun, tránh hiện tượng áp lực thay đổi đột ngột, đồng thời có chiều dài dòng phun xa Bán kính R = 6h ÷ 10h (h – chiều sâu của nước tại mặt cắt co hẹp trên mũi phun)

2.4.2.2 Mũi phun không liên tục:

Theo nghiên cứu thì mũi phun không liên tục có cải tiến hơn so với mũi phun liên tục (Hình 2.7)

Dòng chảy trên mũi phun không liên tục được phân thành hai dòng: ở trên đỉnh răng và ở giữa khe răng Theo phương thẳng đứng dòng chảy được khuếch tán nhiều so với hình thức mũi phun liên tục, đồng thời có sự va chạm giữa các tia dòng nên có thể tiêu hao một phần năng lượng, giảm khả năng xói

hạ lưu, chiều sâu hố xói có thể giảm được 35% so với hình thức mũi phun liên tục, nhưng có nhược điểm là chiều dài phóng xa kém hơn

Hình 2.7 Mũi phun không liên tục

Theo các nghiên cứu, thí nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun không liên tục như sau:

- Góc nghiêng: α1 - α2 = 5o ÷ 10o;

- Tỷ số giữa chiều rộng khe và chiều rộng răng 1 2

a Dạng liên tục b Dạng không liên tục

Hình 2.8 Cấu tạo mũi phun

Hình 2.9 Một số dạng mũi phun khác

2.5 Phương pháp tính toán

2.5.1 Chi ều dài phóng xa

Hình 2.10 Tính toán tiêu năng phóng xa

2.5.1.1 Tính toán s ự phân rã của dòng chảy và chiều sâu hạ lưu (không xét đến ảnh hưởng của hàm khí):

- Chiều dài phóng xa:

φ 0

θ

αv 0 /2g

v 1

1 2

cos 2

Z1 – Chênh lệch cao độ giữa MNTL và mũi phun

H – Chiều cao nước thượng lưu

h1 - Chiều cao dòng nước trên mũi phun, 1

1.

Q h

gR v

2.5.1.2 Chi ều dài phóng xa có xét đến ảnh hưởng của độ sâu hạ lưu:

Dòng phun sau khi đến mặt thoáng hạ lưu sẽ tiếp tục chuyển động theo phương tiếp tuyến với giao điểm của trục dòng chảy và mặt thoáng Vì vậy khi chiều sâu hạ lưu tăng thì độ bay xa của dòng phun tăng lên khá nhiều

Độ bay xa của dòng phun trên đáy hố xói:

g v

Để xét đến ảnh hưởng của hàm khí và sự khuếch tán của dòng phun đến

độ bay xa của nó, ta thêm vào công thức tính chiều dài phóng xa hệ số hàm khí k < 1, xác định theo số Fr của dòng phun tại vị trí mũi phun (Hình 2.11)

2.5.2 Chi ều sâu hố xói

Hình 2.12 Quá trình phát triển hố xói tại đập Kariba (Zimbabwe)

Hình 2.13 Hố xói đập Bartlett (Arizona, 1941-1990)

2.5.2.1 Các y ếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu hố xói:

Chiều sâu và sự phát triển của hố xói ảnh hưởng bởi rất nhiều các yếu tố: Vận tốc dòng phun, bề rộng của dòng phun, góc tia dòng tại vị trí tiếp xúc với mực nước hạ lưu, chiều sâu nước hạ lưu, địa chất nền, thời gian…

Thông qua thí nghiệm của Subhasish Dey và Rajkumar V Raikar (2007), ta có thể thấy rõ điều này

Hình 2.14 Thí nghiệm của Subhasish Dey và Rajkumar V Raikar

Hình 2.15 Ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến hố xói

Nhìn chung, chiều sâu của hố xói tỉ lệ thuận với hệ số F0 và tỉ lệ nghịch với chiều sâu mực nước hạ lưu và đường kính hạt liệu nền (đá) Cụ thể như biểu đồ Hình 2.16, Hình 2.17 và Hình 2.18

gd

=

Trong đó: U0 – vận tốc rơi và nước của dòng tia;

∆= 1/s, s – mật độ tương đối của nền;

d50 – đường kính hạt trung bình

Hình 2.16 Quan hệ se

se o

d d y

d d y

=

o

d d y

=



Hình 2.18 Quan hệ se

se o

d d y

=

o

h h y

=

 với các F o khác nhau

2.5.2.2 Các công th ức tính toán chiều sâu hố xói:

- Vận tốc rơi vào nước của dòng phun v0xác định như sau:

=

a Theo E.A Zamazin:

Xem luồng nước nhập vào khối nước của hố xói sẽ khuếch tán ra Tiết diện ướt càng tăng thì lưu tốc càng giảm, cho tới khi bằng trị số không xói đối với địa chất nền

Hình 2.19 Sơ đồ tính luồng nước khuếch tán

Phương trình của luồng nước chảy loe rộng trong hố xói như sau:

Trong đó: q – lưu lượng đơn vị tại vị trí dòng phun rơi xuống nước;

vcp – lưu tốc cho phép đối với đất nền;

a = 0.7 - 0.8 – hệ số giảm lưu tốc

h

B