Luan van cao học thủy lợi

Đất nước ta có điều kiện địa hình rất đặc thù, phía Tây là đồi núi cao, phía Đông là các vùng đồng bằng lớn ven biển, Việt Nam là một trong những nước có hệ thống sông, suối dày đặc. Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng và phát triển các công trình thủy điện, thủy lợi phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, góp phần vào quá trình phát triển xã hội, cải thiện đời sống nhân dân.

Đất nước ta có điều kiện địa hình rất đặc thù, phía Tây là đồi núi cao,phía Đông là các vùng đồng bằng lớn ven biển, Việt Nam là một trong nhữngnước có hệ thống sông, suối dày đặc Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng

và phát triển các công trình thủy điện, thủy lợi phục vụ cho công cuộc côngnghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, góp phần vào quá trình phát triển xã hội,cải thiện đời sống nhân dân

Việc xây dựng các đập ngăn, đập dâng trên các sông, suối sẽ làm hìnhthành nên các hồ chứa Bên cạnh tác dụng điều hòa dòng chảy trong mùa lũ,

giảm đỉnh lũ, và phục vụ mục đích thủy lợi, thủy điện hồ chứa lại làm tăngcột nước, một trong những mối nguy hại lớn cho cả vùng hạ du khi có sự cốcông trình xảy ra Do đó ở các hồ chứa, người ta bố trí tràn xả lũ nhằm đảmbảo an toàn cho cụm đầu mối công trình, an toàn cho cả dự án trong quá trìnhxây dựng và hoạt động Ngoài tràn xả lũ thường xuyên nhiều công trình còn

bố trí tràn sự cố để xả lũ, đảm bảo an toàn cho công trình

Theo số liệu thống kê, đến năm 2003 cả nước đã có 1967 hồ chứa códung tích chứa từ 0,2 triệu m3 trở lên với tổng dung tích trữ là 24,82 tỷ m3 vàthống kê có được cho thấy ở các hồ chứa, sự cố đập do nguyên nhân hư hỏngtràn chiếm tỉ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn Theo số liệu điều tra năm

1992 ở nước ta, trong số các hồ chứa đã xây dựng chỉ có 39,1% đập, đập trànlàm việc bình thường, trong khi 38,7% có hư hỏng nhỏ và 22,2% có hư hỏnglớn Theo tài liệu điều tra của Cục Thuỷ lợi, sự cố công trình mà nguyên nhânxuất phát từ việc hư hỏng công trình tràn có tỷ lệ như sau: Hồ có dung tích từ

triệu m3 có gần 40% và hồ có dung tích 0,2 ÷ 1 triệu m3 là gần 45%

Như vậy hạng mục công trình tràn xả nước là một trong những yếu tốquan trọng quyết định hiệu quả làm việc của tổng thể một dự án thủy lợi, thủyđiện Việc bố trí đập tràn có quan hệ với bố trí tổng thể, điều kiện thi công,điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn , việc chọn ra được kết cấu tràn phùhợp cũng là một vấn đề luôn được quan tâm Hình thức kết cấu công trìnhtràn được chọn sẽ quyết định hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa của dòngchảy qua tràn Trong đó kết cấu mặt cắt tràn quyết định khả năng tiêu haonăng lượng trên đoạn mặt tràn và hình thức tiêu năng quyết định khả năngtiêu hao năng lượng đoạn sau tràn

Với những công trình có cột nước cao có nhiều biện pháp tiêu năng như:Tiêu năng phóng xạ, tiêu năng dòng mặt, tiêu năng dòng đáy… Mỗi hình thức

tiêu năng này lại có những ưu nhược điểm khác nhau và phù hợp với nhữngđiều kiện địa hình, địa chất khác nhau Chính vì vậy việc nghiên cứu một biệnpháp tiêu năng thích hợp cho mỗi công trình là hết sức cần thiết Nó là tiền đềcho công trình hoạt động ổn định có hiệu quả sau này Với những công trình

có địa chất yếu (nền đất hoặc đá phong hoá mạnh) hoặc có cột nước thấp thìviệc chọn hình thức tiêu năng kiểu mũi phun là không hợp lý Khi đó biệnpháp tiêu năng được lựa chọn là bể tiêu năng (tiêu năng đáy)

Nguồn năng lượng dư thừa của dòng nước xả qua đập tràn là rất lớn,nếu không có biện pháp tiêu năng hợp lý sẽ tạo nên những chế độ nối tiếpthủy lực phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình và xói lởlòng dẫn phía hạ lưu công trình tràn

Vì vậy một trong những vấn đề hàng đầu trong thiết kế, bố trí côngtrình là giải quyết tốt vấn đề nối tiếp thủy lực sau công trình xả, đảm bảo antoàn làm việc cho hạng mục tràn nói riêng và các hạng mục khác trong dự ánnói chung Việc tính toán thiết kế kết hợp với thí nghiệm mô hình nhằm kiểmchứng kết quả tính toán lý thuyết bằng các số liệu đo tương đối tương đồngvới thực tế đồng thời tìm ra những hiện tượng bất lợi cho công trình mà trên

lý thuyết không thể lường hết được là một trong những biện pháp đang được

áp dụng ngày càng rộng rãi

Đối với tràn vận hành, các cấp lưu lượng, mực nước xả qua tràn có độchênh lệch khá lớn nên hiệu quả làm việc của tràn phụ thuộc rất nhiều vàohình dạng kích thước của tràn Đặc biệt là chiều dài, chiều sâu bể Chiều sâu

bể quyết định chế độ nước nhảy sau bể tiêu năng (nước nhảy ngập, nhảy tạichỗ, nhảy phóng xa); còn chiều dài bể ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện kinh tế

kỹ thuật công trình Vì vậy, tính toán và lựa chọn kính thước hợp lý của bểtiêu năng sẽ góp phần rất lớn trong hiệu quả tiêu hao năng lượng của dòngchảy, giải quyết vấn đề nối tiếp thủy lực sau công trình xả, làm giảm xói lở hạ

lưu công trình và giảm mức độ uy hiếp sự cố tới tổng thể dự án và đem lạihiệu quả kinh tế cho công trình

Việc xác định kích thước bể tiêu năng hiện nay đều dựa trên cácphương pháp lý thuyết và công thức thực nghiệm tính toán chung dành cho tất

cả các công trình Trong khi, thực tế mỗi công trình có những điều kiện đặctrưng về địa hình, địa chất, thủy văn thủy lực là rất khác nhau, nên việc ápdụng hình thức tiêu năng của từng công trình cũng khác nhau Do đó việcnghiên cứu bể tiªu n¨ng hợp lý chỉ đúng khi ta nghiên cứu với từng công trình

cụ thể

Do đó, bên cạnh kết quả tính toán lý thuyết, việc kết hợp thí nghiệm môhình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi công trình sẽ rất hữu ích vàphù hợp cho công trình đó

Công trình Đá Hàn tỉnh Hà tĩnh thiết kế ban đầu chọn hình thức tiêunăng kiểu mũi phun song do tình hình địa chất tại tuyến tràn không phải lànền đá, ngay cả lớp đá phiến sét 4b có cường độ kháng nén khô chưa tới185KG/cm2 do vậy phương án tiêu năng bằng mũi phun sau tràn là khôngthích hợp Do đó phải chuyển đổi sang tiêu năng đáy nhằm bảo đảm ổn địnhcông trình

Các thông số về bể tiêu năng của tràn vận hành Đá Hàn đã được tínhtoán và được tiến hành thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Thủy lực –Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - ViệnKhoa học Thủy lợi Việt Nam Tuy nhiên kết quả thí nghiệm đó chưa đượcnghiên cứu, phân tích, đánh giá và đối chứng với tính toán lý thuyết trong bàitoán cụ thể nhằm xác định kích thước hợp lý cho bể tiêu năng của tràn vậnhành Đá Hàn và cho các công trình tương tự

Đề tài “Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý áp dụng

cho công trình Đá Hàn Hà Tĩnh ” tiến hành phân tích kết quả đo được từ thí

nghiệm mụ hỡnh, so sỏnh, đối chứng với cỏc kết quả tớnh toỏn lý thuyết là hếtsức cần thiết và cú ý nghĩa thực tiễn đối với cụng trỡnh Đỏ Hàn núi riờng vàcỏc cụng trỡnh cú điều kiện tương tự núi chung, nờn đõy là đề tài cần thiết và

- Đánh giá so sánh kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm môhình để rút ra vấn đề cần lu ý trong việc nghiên cứu xác định kích thớc bể tiêunăng

- Thu thập cỏc tài liệu tham khảo

2.2 Phương phỏp nghiờn cứu:

- Luận văn kết hợp giữa nghiờn cứu lý luận và nghiờn cứu thực nghiệm

để đưa ra những so sỏnh, kết luận và đề xuất ỏp dụng

- Tập hợp cỏc tài liệu và kết quả nghiờn cứu đó cú, sử dụng kết quả thớnghiệm mụ hỡnh tràn vận hành Đỏ Hàn để so sỏnh, đối chứng và kiểm địnhvới kết quả tớnh toỏn lý thuyết

2.3 Phạm vi nghiờn cứu

Xỏc định kớch thước bể tiờu năng hợp lý của tràn vận hành ỏp dụng chotràn vận hành Đỏ Hàn

2.4 Kết quả dự kiến đạt được:

- Đưa ra được kết quả kớch thước hợp lý của bể tiờu năng

- Kiểm tra, đỏnh giỏ độ tin cậy của kết quả thớ nghiệm, sử dụng cho thiết

kế cụ thể bể tiờu năng tràn vận hành Đỏ Hàn

- Là tài liệu tham khảo cho cỏc cụng trỡnh tương tự.

3 Bố cục của luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tỡnh hỡnh xõy dựng đập tràn và tiờu năng sau tràn trongcỏc cụng trỡnh thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam

1.2 Tổng quan tiờu năng đáy sau tràn thực dụng và cuối dốc nước

1.3 Ảnh hưởng của chiều sõu, chiều dài bể đến hiệu quả tiờu năng

1.4 Cỏc hỡnh thức kết cấu tiờu năng dũng đỏy

CHƯƠNG 2: NGHIấN CỨU Lí THUYẾT VỀ BỂ TIấU NĂNG SAU TRÀN VẬN HÀNH

2.1 Lý thuyết tương tự để thiết lập mụ hỡnh nghiờn cứu

2.2 Nghiờn cứu lý thuyết về nối tiếp và tiờu năng sau tràn

2.3 Tớnh toỏn bể tiờu năng sau tràn

CHƯƠNG 3: NGHIấN CỨU THÍ NGHIỆM Mễ HèNH THỦY LỰC TRÀN VẬN HÀNH đá hàn.

3.1 Giới thiệu chung về cụng trỡnh Đỏ Hàn

3.2 Nhiệm vụ thớ nghiệm mụ hỡnh

3.3 Xõy dựng mụ hỡnh

3.4 Kết quả thớ nghiệm phương ỏn thiết kế

3.5 kết quả thớ nghiệm phương ỏn hoàn thiện

CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Lí THUYẾT VÀ THÍNGHIỆM Mễ HèNH

4.1 Số liệu ban đầu

4.2 Kết quả tớnh toỏn

4.3 Nhận xột kết quả tớnh toỏn và kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh

KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn trong các công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam, [13].

Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước đã và đang được xâydựng Các công trình này chủ yếu được xây dựng ở trung du và miền núi Cáccông trình này đóng góp một phần không nhỏ cho sự phát triển của nhiềungành kinh tế, góp phần ổn định xã hội, an ninh, quốc phòng

Tràn xả lũ là một phần không thể thiếu trong hệ thống đầu mối côngtrình hồ chứa, chiếm một tỷ trọng khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựngcông trình Vì vậy việc tính toán, lựa chọn phương án tràn xả lũ và tiêu năngsau tràn có ý nghĩa rất quan trọng Việc lựa chọn hình thức, bố trí tràn xả lũ

và tiêu năng sau tràn tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, giải pháp bốtrí tổng thể công trình, điều kiện quản lý vận hành

Với công trình tràn xả lũ việc tiêu hao năng lượng của dòng chảy là vôcùng quan trọng Chính vì vậy việc lựa chọn hình thức tiêu năng có ý nghĩaquan trọng với công trình tràn xả lũ và với cả hệ thống công trình Với nhữngcông trình có địa chất nền yếu, cột nước thấp thì sử dụng biện pháp tiêu năngđáy là thích hợp Trong thực tế ở nước ta cũng rất nhiều công trình sử dụngbiện pháp tiêu năng đáy

Bảng 1.1 Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử

dụng biện pháp tiêu năng đáy

TT Tên công trình

Nămxâydựng

Loạiđập

Chiềucao

Hmax

Hình thức tràn

Qxảmax(m3/s)1

Hồ chứa nước Suối

Hai

1964

1982-Đậpđất

đỉnh rộng, nối

500

TT Tên công trình

Nămxâydựng

Loạiđập

Chiềucao

Hmax

Hình thức tràn

Qxảmax(m3/s)tiếp dốc nước,

đáy

11 Hồ Tả Trạch

2010

2006-Đập

Cửa van + TNđáy

12

Thủy điện Thác bà

BTtrọnglực

Cửa van đt +

TN đáy

13 Thủy điện Trị An

1991

1984-Đập

Đập

15 Thủy lợi Phước hòa

2010

Dốc nước

TT Tên công trình

Nămxâydựng

Loạiđập

Chiềucao

Hmax

Hình thức tràn

Qxảmax(m3/s)đầm

1.2.1.Tình hình xây dựng công trình tràn tiêu năng đáy.

Theo thống kê Việt nam có khoảng trên 650 hồ, đập chứa cỡ lớn vàvừa, trên 35.000 hồ, đập chứa cỡ nhỏ Tính đến nay, chúng ta đã xây dựng vàđưa vào khai thác trên 500 hồ chứa nước có dung tích từ 1 triệu mét khối trởlên, trừ một số hồ có mục đích chính là phát điện còn lại chủ yếu là trữ nước

để tưới và cấp nước sinh hoạt

Trong việc bố trí tổng thể một dự án thủy lợi, thủy điện, công trình tràn

xả nước và vấn đề tiêu năng sau tràn nhằm đảm bảo nối tiếp dòng chảy hạ lưuchiếm một vị trí quan trọng Hình thức tiêu năng phòng xói được lựa chọndựa trên điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện dòng xả, phương thức vậnhành, chiều sâu nước hạ lưu

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

đó là hình thức thường dùng nhất Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năngnày là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai củanước nhảy hh > 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 khảnăng xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy (sân sau) phải bảo vệ bằng bêtông Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp theo sau sân sau (sân sau thứ hai) cầnđược bảo vệ thích đáng Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sauxây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, v.v để cho sự xungkích 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 quảtốt và được ứng dụng rộng rãi Tiêu năng dòng đáy thường được dùng với cộtnước thấp, địa chất nền tương đối kém Khi cột nước cao, hc" rất lớn, yêu cầuchiều sâu nước ở hạ lưu lớn, như vậy phải đào sâu sân sau và cần được bảo vệkiên cố hơn Lúc đó, hình thức tiêu năng đáy thường không kinh tế

Trong những năm gần đây, các công trình thủy điện, thủy điện kết hợpthủy lợi lớn được phát triển xây dựng nhanh, trong lúc kinh nghiệm thiết kế,nghiên cứu của ta còn hạn chế Nhiều nghiên cứu của nước ngoài chưa đượccập nhật hướng dẫn sử dụng trong nước Hiện nay có rất nhiều công thức vàđưa đến những kết quả cũng rất khác nhau Do đó việc áp dụng công thức tínhtoán như thế nào để kết quả tính toán là chỉ tiêu kỹ thuật tin cậy, an toàn vàkinh tế cho công trình là một bài toán cho mỗi công trình cụ thể Để giảiquyết vấn đề này, việc kết hợp phân tích, đối chứng, so sánh giữa tính toán lýthuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô hình đang là hướng đi hợp lý

và ngày càng phổ biến

1.2.2 Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và công trình xả lũ.

Các hồ chứa ở nước ta hiện nay thường gặp những sự cố chủ yếu sau:Sạt mái thượng lưu (25,84%); Hỏng đập tràn xả lũ (25,39%); Cống bị hỏng(17,3%); Đập bị thấm (15,06%); Đỉnh đập thấp (9,00%); Cửa van bị hỏng(3,60%).

Như vậy sự cố hồ chứa do sự cố đập tràn gây ra chiếm tỷ lệ rất cao Sự

cố đập tràn thường do các nguyên nhân: Lũ vượt qua đỉnh đập tràn; Thấm quanền; Thấm qua thân đập; Đập bị trôi hoặc bị gãy; Xói tiêu năng; Xói lở hạlưu; Gãy, kẹt cửa van; Hỏng thiết bị đóng mở

Trong đó xói tiêu năng thường do các nguyên nhân sau: Đánh giá saiđịa chất nền; Xác định sai mức nước hạ lưu đập, Biện pháp tiêu năng khônghợp lý; Thi công phần tiêu năng không đảm bảo chất lượng; Vận hành tràn saiquy trình

1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng.

Các kích thước chiều sâu, chiều dài bể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệuquả tiêu năng, phòng xói ở hạ lưu công trình

Chiều sâu bể phải đảm bảo điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năngđáy là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai củanước nhảy hh > hc'' để đảm bảo sinh nước nhảy ngập Nhưng nếu chiều sâu bểquá lớn sẽ dẫn đến nước nhảy quá ngập, lúc này dòng nước lại chảy luồn ởđáy và dẫn đến phá hủy lòng dẫn ở đáy công trình

Chiều dài bể cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế kỹ thuậtcủa công trình Nếu ta làm bể quá dài thì đảm bảo tiêu năng tập trung trong bể(bể gói gọn nước nhảy) nhưng không kinh tế và ngược lại nếu bể ngắn thìchúng ta không gói được nước nhảy trong bể

Vì vậy ngoài kết quả tính toán lý thuyết, cần tiến hành thí nghiệm môhình với mỗi công trình cụ thể, trong điều kiện biên tương đồng với thực tế để

xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý, đảm bảo tiêu hao năng lượng thừacủa dòng chảy đạt hiệu quả cao nhất đối với công trình đó.

1.4 Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy, [16].

Kết cấu tiêu năng dòng đáy gồm có các hình thức sau: Đào bể tiêunăng, Xây tường tiêu năng, Bể tường kết hợp

1.4.1 Bể tiêu năng:

Hình 1.1 Bể tiêu năng

Đây là hình thức được áp dụng phổ biến ở các công trình tiêu năngdòng đáy, đặc biệt là ở những công trình có địa chất nền yếu, có tầng đá gốcsâu Hình thức này thường tạo ra chế độ chảy ngập khi qua ngưỡng bể nên chỉcần tiêu năng một lần

1.4.2 Tường tiêu năng:

Nếu điều kiện kết cấu và thi công, khi làm bể tiêu năng không thíchhợp thì nên dùng tường tiêu năng Tường tiêu năng làm việc như một đập tràn

và chúng ta phải kiểm tra trạng thái chảy qua tường:

h o

v q

q t

C

o

v o o o

h < 0 ;Trường hợp này ta phải kiểm tra chế độ chảy sau tường Nếu dòng chảysau tường là dòng chảy xiết thì ta phải tiêu năng cho tường

xa và ta phải làm tiếp tường thứ hai… Trong điều kiện như thế, tốt hơn hết

là kết hợp cả hai biện pháp trên, vừa hạ thấp đáy kênh, vừa làm tường Thực

tế chứng tỏ dùng biện pháp này trong nhiều trường hợp rất có lợi về mặtkinh tế và kỹ thuật

E

E

O

t q

Hình 1.3 Bể tường kết hợp

1.5 Kết luận chương 1:

Hiện nay rất nhiều công trình tháo lũ ở các công trình thủy lợi, thủyđiện sử dụng biện pháp tiêu năng đáy, đặc biệt là những công trình có cộtnước vừa và thấp, những công trình có địa chất nền yếu Việc lựa chọn hìnhthức kết cấu, kích thước bể tiêu năng hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến hiệuquả tiêu năng, đến sự ổn định và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công trình.Nhưng những vấn đề này chưa được nghiên cứu tính toán cụ thể, cần đượcnghiên cứu tính toán cụ thể ở những chương sau

h d

h

Co

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG SAU

TRÀN VẬN HÀNH 2.1.Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình nghiên cứu, [9], [12].

2.1.1 Khái niệm về mô hình:

2.1.1.3 Mô hình vật lý:

Mô hình vật lý là mô hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể

Mô hình thủy lực là một loại của mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ

lệ bé hơn và đặt trong phòng thí nghiệm Vật liệu dùng trong mô hình thủylực cũng phải đảm bảo tương tự như trong thực tế

Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự Lý thuyếttương tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nguyên các đạilượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu Các định luật hay tiêu chuẩntương tự cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mô hình sangthực tế

2.1.1.4 Mô hình toán:

Mô hình toán được thành lập dựa trên sự tương tự giữa thực tế và tưduy Sự tương tự đó cho phép nghiên cứu thực tế bằng sự giúp đỡ của hệthống tư duy tưởng tượng vật lý phức tạp, được miêu tả bằng hệ phương trình

vi phân đạo hàm riêng được giải bằng phương pháp số, giải tích hoặc đúngdần.

+ Mô hình toán một hiện tượng vật lý được tạo thành:

+ Nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình thủy lực là:

Bằng thực nghiệm giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xâydựng và khai thác sử dụng công trình thủy lợi, thủy điện mà những vấn đề đókhông giải quyết thỏa đáng được bằng con đường lý luận

Phát hiện những quy luật của các hiện tượng thủy động lực học và địnhnghĩa được chúng

Kiểm tra, bổ sung và chính xác hóa các công thức lý thuyết của thủylực bằng cách xác định giá trị cụ thể của các hệ số khác nhau (mà trước đó lựachọn chỉ là gần đúng), kiểm tra các kết quả của mô hình toán

Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa thông số riêng biệt của hiện tượngnghiên cứu

Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết đã có và góp phần vào sựphát triển tiếp theo của thủy lực

+ Khi nghiên cứu trên mô hình thủy lực, có những tiện lợi sau:

Kích thước bé hơn so với thực tế

Đo các đại lượng thủy lực được chính xác, nhanh và tiện lợi

Đo đạc mang tính hệ thống cao.

Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo

Có thể quan sát và nghiên cứu tương đối lâu một hiện tượng hoặc đồngthời các yếu tố (cả cấu trúc bên trong và tác động bên ngoài)

2.1.2 Lý thuyết tương tự.

2.1.2.1 Tương tự hình học:

Nếu chúng ta chế tạo mô hình giảm nhỏ so với công trình thực tế thìhình dạng của công trình cũng tương ứng phù hợp Mọi góc tương ứng khôngđổi, mọi kích thước đều được giảm nhỏ theo cùng một tỷ lệ Ta gọi đó làtương tự hình học giữa mô hình và thực tế Tỷ lệ giữa độ dài trong thực tế (lt)

và độ dài tương ứng trên mô hình (lm) gọi là tỷ lệ hình học

m

t l l

t s

t v

lx λ λ

λ = = ;

l

u t

lx az ay ax

λ

λ λ

λ λ λ

tx lx l

lx λ λ

λ = = ;

l

u t

lx az ay ax

λ

λ λ

λ λ λ

tx m a

P = ; P ty =m t.a ty; P tz =m t.a tz

mx m

.

λ

λλ

2.1.2.4 Tiêu chuẩn tương tự.

Dòng chảy qua công trình tháo lũ và ở hạ lưu thường là dòng chảy tự

do - dòng chảy có mặt thoáng, chịu tác động chủ yếu của trọng lực, theo lýthuyết mô hình thủy lực có thể sử dụng tiêu chuẩn tương tự chính là Froude(Fr)

idem gL

m gh

Rm: Bán kính thủy lực trong mô hình

εm: Hệ số sức cản ma sát của mô hình

n, m: Ký hiệu nguyên hình và mô hình

Nói một cách chặt chẽ thì tiêu chuẩn Froude được áp dụng khi lực nhớt

có thể bỏ qua so với trọng lực, Reynolds bé nhất trên mô hình phải không béhơn giá trị giới hạn (Regh) nào đó Nghĩa là khi đó tiêu chuẩn Reynolds không

có hiệu lực, dòng chảy ở khu tự động mô hình hay khu bình phương sức cản

2.2 Nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêu năng sau tràn, [8].

2.2.1 Nước nhảy.

2.2.1.1 Khái niệm:

Là hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình dòng chảy chuyển từtrạng thái chảy xiết sang trạng thái chảy êm Hiện tượng này được đặc trưngbởi khu luồng chính chảy xuôi, mở rộng đột ngột và khu chảy xoáy chuyểnđộng vòng quanh tại chỗ trên mặt khu luồng chính

Nước nhảy sóng khi Fr1 = 1 ÷ 3

Nước nhảy yếu khi Fr1 = 3 ÷ 6

Nước nhảy dao động khi Fr1 = 6 ÷ 20

Nước nhảy ổn định khi Fr1 = 20 ÷ 80

2.2.2 Nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu công trình.

Ở hạ lưu công trình có ba dạng nối tiếp dòng chảy: Nối tiếpchảy đáy;Nối tiếp chảy mặt; Nối tiếp phóng xa

2.2.2.1 Nối tiếp chảy đáy:

Là trạng thái mà lưu tốc lớn của dòng chảy xuất hiện ở gần đáy Nốitiếp chảy đáy có hai trường hợp sau:

* Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm: Trong trường hợp này dòng chảy qua

hẹp, độ sâu dòng chảy (hc) là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất Khi đó

có hc < hk do vậy nối tiếp chảy đáy trong trường hợp này bắt buộc phải quanước nhảy

+ Nếu hc = ho ngay tại mặt cắt co hẹp thì có dòng chảy đều

+ Nếu hc > ho sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ giảm dần và hình thànhđường nước đổ b2

+ Nếu hc < ho sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy sẽ tăng dần và có đườngnước dâng c2

2.2.2.2 Nối tiếp chảy mặt

Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảykhông xuất hiện sát đáy mà ở gần mặt thoáng tự do

Nối tiếp chảy đáy thường gặp trong điều kiện có bậc thẳng đứng ở hạlưu Tùy theo mực nước ở hạ lưu, lưu lượng, kích thước và hình dạng bậc cóthể xuất hiện một số dạng nối tiếp sau:

+ Khi độ sâu mực nước hạ lưu không lớn, dòng chảy ra khỏi bậc vẫn ở trạngthái chảy đáy

+ Khi độ sâu mực nước hạ lưu tăng đến một mức độ nào đó thì dòng chảykhông đi xuống đáy nữa mà phóng ra xa theo hướng lên mặt thoáng hình

thành dòng chảy mặt không ngập Dạng này tồn tại trong phạm vi hh thay đổikhá lớn.

+ Khi hh tiếp tục tăng đến một lúc nào đó thì có dạng nối tiếp mặt đáy khôngngập Ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt ở khu vực sau là chảy đáy Dạngnối tiếp này là trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm vi thay đổirất nhỏ của độ sâu hạ lưu

+ Nối tiếp chảy mặt ngập: Khi trên bậc có khu chảy cuộn và lưu tốc lớn nhấtcủa dòng chảy xuất hiện ở trên mặt Đây là dạng nối tiếp ổn định và tồn tạitrong phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu khá lớn

Trong nối tiếp chảy mặt, khi bậc có bán kính cong ngược khá lớn sẽhình thành cuộn nước dạng phễu gọi là dòng phễu Nối tiếp dạng này tiêu haonăng lượng khá lớn Nối tiếp dòng phễu có: Dòng phễu giới hạn; Dòng phễu

ổn định; Dòng phễu chìm Trạng thái dòng phễu là quá trình chuyển hóa củadòng chảy mặt khi lưu lượng qua tràn thay đổi

+ Nối tiếp chảy đáy hồi phục:

2.2.2.3 Nối tiếp phóng xa:

Dòng chảy từ thượng lưu đến cuối công trình nối tiếp sau ngưỡng trànđược nối với hạ lưu bằng dòng phun vào không khí Cao trình mũi phun phảicao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu

2.3 Tính toán bể tiêu năng sau tràn, [4], [5], [8], [16].

Mục đích của việc tính toán bể tiêu năng sau tràn là thiết kế bể tiêunăng hợp lý cho công trình, nhằm tiêu hao phần năng lượng thừa của dòngchảy trước khi xả vào kênh dẫn hạ lưu, chống xói lở lòng dẫn hạ lưu, đảm bảo

an toàn cho công trình Tính toán bể tiêu năng cần xác định các đại lượng:Lưu lượng tiêu năng; Chiều sâu bể; Chiều dài bể; Chiều dài đoạn gia cố hạlưu

2.3.1 Tính toán chiều sâu bể

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán bể tiêu năng.

Phương pháp chung dựa trên các phương trình sau:

+ Phương trình quan hệ mực nước thượng, hạ lưu:

)(

c

h E g

q h

2 0

"

c c

c

gh

q h

(2 – 6)

+ Phương trình hình học:

Z h

d h

h b =σ c" = + h +∆ (2 – 7)

2

2 2

h d

h o

v q

2.3.2 Tính toán chiều dài bể:

Chiều dài bể phải đủ dài để nước nhảy nằm gọn trong bể, khi đó hiệuquả tiêu năng của bể mới đảm bảo

Trong đó: Lr – chiều dài nước rơi

L1 –chiều dài gói nước nhảyChiều dài nước rơi (Lr) được tính toán như sau:

+ Nếu chảy qua đập tràn thực dụng có mặt cắt hình thang:

)3,0(33,

+ Chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van:

)32,0(

+ Chảy qua đập tràn đỉnh rộng

)24,0(64,

H0 – Cột nước tràn có kể tới lưu tốc tới gần

* Lưu ý: Lr có thể bằng không khi dòng nước tràn theo mặt tràn

Chiều dài gói nước L1 được tính toán như sau:

10(2

h h F

h h F L

r

r n

−+

h h

h

- Theo Nadaza Einwachtina: Ln = 8 , 3 Fr1( Fr1 − 1 ) (2 – 23)

2.3.3 Đoạn gia cố hạ lưu.

l nn

1 C

1 C

5 4

3

m 2

l 3

l sn =l 2

Vcp

x 0

Hình 2.2 Biểu đồ lưu tốc công trình tháo.

Bể tiêu năng mới chỉ tiêu hao một phần lớn năng lượng thừa Phần cònlại tồn tại ở dạng động năng, mạch động làm cho dòng chảy sau khi ra khỏi

bể tiêu năng vẫn còn mạch động rất lớn, có biểu đồ lưu tốc lớn ở đáy lòng dẫn

và dần trở về dòng chảy tự nhiên có biểu đồ lưu tốc phân bố dạng logrit ( xemhình 2 - 2 ) Do đó để bảo vệ lòng dẫn sau bể tiêu năng ta phải làm sân sau thứhai, sân sau thứ ba Kết cấu của nó có tính dễ biến dạng thích nghi với địachất nền hạ lưu, dễ thấm nước Chiều dài sân sau có thể tham khảo công thức:

Trong đó:

∆H – chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (m)

q – lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng (m3 /s/m)

K – hệ số phụ thuộc vào địa chất nền lòng dẫn

2.3.4 Các biện pháp tiêu năng phụ trợ.

Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu các công trình thủy lợi, nhất là vớidòng chảy có lưu tốc cao, để tăng hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa người tacòn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ Tuy nhiên trong thiết kế cũng cần phảichú ý tới các hiện tượng xâm thực do khí thực hoặc mài mòn xảy ra xungquanh các thiết bị tiêu năng phụ, hiện tượng các vật nổi va đập vào các thiết

- Nếu cột nước hạ lưu thấp khi dòng nước va đập với mố có thể sẽ làmcho dòng nước bị hất lên theo phương thẳng đứng gây ra hiện tượng thủy lựcbất lợi trong bể tiêu năng như: Gây ra sóng, dâng cao mực nước trong bể

- Nên bố trí hai hàng mố thì hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với bố trí một

hàng, khoảng cách giữa hai hàng mố Ln ≈( 2 ÷ 3) dn bố trí các mố theo hìnhhoa mai

- Cần phải thí nghiệm mô hình để chọn hình dáng kích thước và vị trí

bố trí thiết tiêu năng phụ trợ cho hợp lý

2.3.4.1 Một số loại mố nhám thường gặp

+ Mố nhám ở đáy

- Kiểu mố nhám bằng dầm chữ nhật đặt thẳng góc với dòng chảy

- Kiểu mố nhám bằng các dầm nửa tròn đặt thẳng góc với dòng chảy

- Kiểu mố nhám quân cờ đặt ở đáy theo hình bàn cờ

- Kiểu mố nhám chữ V ngược dòng

- Kiểu mố nhám hình W

- Mố nhám răng cưa đặt suôi dòng

Hình 2.3 Một số hình thức mố nhám

+ Kiểu mố nhám đặt hai bên thành bờ

+ Kiểu mố nhám ở đáy và cả hai bên thành bờ

Ri n

Ri

g Ri

C V

gc gc

gc

18

C = 1

c) b) a)

g) f) e) d)

+ Công thức Picalốp: áp dụng cho mố nhám bằng dầm chữ nhật đặt thẳng gócvới dòng chảy, mố nhám bằng các dầm nửa tròn đặt thẳng góc với dòng chảy,

h - Chiều sâu của nước trên mố nhám

i - Độ dốc lòng dẫn

b - Bề rộng của dốc nước tiết diện chữ nhật

a*, b*, c*, S – Các hệ số được lấy theo bảng 2.1

Bảng 2.1 Trị số a*, b*, c*, SKiểu mố

Ni i

χσ

Với điều kiện δ = 7∆ và σ* ≥ 3

t S

r

n = + ' 3 * −

Hình 2.4 Hình thức các thiết bị tiêu năng (kích thước trong hình ghi theo m).

Phân tích tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau (hình2.4) và viết phương trình động lượng cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2, ta có:

,2

hRqvg2

hqvg

2 2 2

0

2 1 c

α

(2 – 31)Trong đó:

R - phản lực của thiết bị tiêu năng ;

C - hệ số, phụ thuộc vào tình hình dòng chảy và hình dạng mố tiêu năngxác định bằng thí nghiệm ;

C P

X L

ω - diện tích hình chiếu đứng của mố tiêu năng ;

q - lưu lượng đơn vị ;

αo - hệ số phân bố có thể lấy bằng 1

2.3.5 Lưu lượng tính toán tiêu năng.

Công trình thủy lợi thường làm việc với nhiều cấp lưu lượng và mựcnước thượng hạ lưu khác nhau Yêu cầu đặt ra là cần đảm bảo tiêu năng trongmọi trường hợp, nghĩa là kích thước bể tiêu năng phải đảm bảo tạo ra nước

lượng tính toán tiêu năng (QTN) là lưu lượng cho ta kích thước bể tiêu nănglớn nhất Đó chính là lưu lượng ứng với (h c'' −h h) hoặc (h h' −h c) lớn nhất

2.4 Kết luận chương 2:

Chương này tác giả đã tập trung nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêunăng hạ lưu công trình, về bể tiêu năng, về các biện pháp tiêu năng phụ trợ vàvấn đề về đoạn gia cố hạ lưu Song hiện nay song song tồn tại rất nhiều côngthức tính toán kích thước nước nhảy, kích thước bể tiêu năng Chính vì vậynhững vấn đề lý thuyết còn tồn tại này cần được làm sáng tỏ thêm thông quaphân tích, so sánh với kết quả thí nghiệm, cần làm rõ ở những chương tiếptheo

2

2

1 1

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

TRÀN VẬN HÀNH ĐÁ HÀN HÀ TĨNH 3.1 Giới thiệu chung về công trình Đá Hàn Hà Tĩnh.

Xả nước với lưu lượng Q = 3,82 m3/s để bảo vệ môi trường sinh thái hạ

du, kết hợp phát điện với công suất lắp máy khoảng 1.000 kW và tạo nguồnnước tưới cho 2388 ha phía bờ hữu sông Ngàn Sâu

Cấp nước sinh hoạt cho 23396 nhân khẩu qua hệ thống kênh dẫn

Giảm lũ cho hạ du

3.1.3 Quy mô công trình.

3.1.3.1 Hồ chứa nước

Diện tích lưu vực : Flv= 112,0 km2

Chế độ làm việc: điều tiết năm

Mực nước dâng bình thường: +38,36 m

Dung tích ứng với lũ thiết kế: Wtk = 31,0 106 m3

Dung tích ứng với lũ kiểm tra: Wkt = 33,34.106 m3

Dung tích hữu ích và phòng lũ: Whi+pl = 29,54.106 m3

Cao trình đỉnh đống đá tiêu nước hạ lưu: 18,00 m

Chiều rộng đỉnh đống đá tiêu nước: 2,0 m

Hệ số mái: m = 1,5 và 2,0

Hệ số mái đập thượng lưu: m = 3,25 và 3,50.Cao trình cơ thượng lưu: 30,0 m.

Chiều rộng cơ thượng lưu: 4,0 m

Hệ số mái hạ lưu đập: m = 3,0 và 3,5

Cao trình cơ hạ lưu: 30,0 m

Chiều rộng cơ hạ lưu: 4,50 m

3.1.3.3 Tràn xả lũ

Lưu lượng lũ thiết kế: Qtk = 1742,0 m3/s.Lưu lượng lũ kiểm tra: Qkt = 2038,0 m3/s.Cột nước thiết kế: Htk = 4,44 m

Cột nước kiểm tra: Hkt = 4,50m

Cao trình ngưỡng tràn tự do: 38,36 m

Cao trình ngưỡng tràn có cửa: 34,0 m

Chiều rộng tràn tự do: 65,0 m

Chiều rộng tràn có cửa: 12,0 m

Chiều dài dốc nước: 25,0 m

Chiều rộng dốc nước: 47,2 m đến 49,2 m.Chiều dài đoạn chuyển tiếp: 20,0 m

Chiều dài bể tiêu năng: 50,0 m

Cao trình đáy bể tiêu năng: 17,0 m

Cao trình đỉnh tường bể tiêu năng: 29,0 m.Chiều sâu bể tiêu năng: 3,50 m

Đáy kênh hạ lưu sau bể: 20,50 m

3.1.3.4 Cống lấy nước

Lưu lượng thiết kế: Qtk = 5,99 m3/s

Đường kính ống áp lực: ф = 1600 mm

Chiều dài cống: Lc = 173,0 m.

Cao trình đáy cống: 24,40 m

Van đóng mở cống: van phẳng

Van đóng mở hạ lưu cống: van côn

Cầu giao thông qua tràn nối với đỉnh đập hai bên thiết kế với tải trọng

17,2 m); mặt cầu rộng Bc = 6,0 m; cao trình đỉnh mặt cầu 44,20 m

3.1.3.5 Đoạn dốc nước thu hẹp dần:

Dài 40,0 m từ cao trình đầu dốc +32 m đến đuôi dốc ở cao trình +29,20m

3.1.3.6 Kênh xả hạ lưu sau bể tiêu năng:

trí T1 đến vị trí K, mái kênh đào xả lũ có hệ số mái m = 1,0 và 1,25 Đầu kênh ởcao trình 20,50 m và thấp dần về hạ lưu

3.2 Nhiệm vụ thí nghiệm mô hình.

Thí nghiệm mô hình thủy lực nhằm xác định tính hợp lý của phương án

bố trí tổng thể công trình, hình dạng các bộ phận công trình thủy công, kiểmnghiệm chính xác hóa các thông số thủy lực, đánh giá chế độ dòng chảy

Đề xuất phương án và giải pháp kỹ thuật kiến nghị trên cơ sở kết quảnghiên cứu phương án thiết kế, đánh giá các hiện tượng, các thông số thủylực, các kết cấu và kích thước hình học của công trình, nếu thấy bất lợi sẽ đềxuất phương án sửa đổi hợp lý và giải pháp phù hợp

3.3 Xây dựng mô hình.

3.3.1.Chọn loại mô hình.

Hệ thống thủy lợi Đá Hàn với tràn xả lũ có các đặc điểm sau:

Tỷ lưu không đều trên ngưỡng tràn.

Phía hạ lưu bể có sự mở rộng không đối xứng

Trục dòng chảy ở hạ lưu không thẳng

Có tràn có cửa và tràn không cửa

Do vậy, việc xây dựng mô hình mặt cắt là không bảo đảm tính tương tự

về dòng chảy giữa nguyên hình và mô hình

Mặt khác, trong giai đoạn này không nghiên cứu ảnh hưởng phầnthượng lưu và khả năng xả của tràn nên địa hình phần lòng hồ không cần môphỏng chi tiết, chỉ cần dung tích vừa đủ lớn để khống chế được mực nướcthượng lưu tràn, do đó mô hình chủ yếu là mô phỏng chi tiết phần hạ lưu từngưỡng tràn đến hết 1/2 chiều dài kênh xả hạ lưu

Với các lý do nêu trên, việc nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lựctràn Đá Hàn - phương án tiêu năng đáy cần phải nghiên cứu thí nghiệm trên

mô hình dạng cục bộ tổng thể chính thái lòng cứng

3.3.2.Tiêu chuẩn tương tự.

Mô hình tổng thể tràn xả lũ vận hành chịu tác dụng chủ yếu là trọng lựccủa dòng chảy nên tiêu chuẩn thiết kế mô hình tương tự với nguyên hình tuântheo định luật Froude tức là:

idem Fr

rm: bán kính thủy lực trong mô hình.

Như vậy mô hình tràn xả lũ Đá Hàn được thiết kế theo tiêu chuẩn tương tựFroude, gọi λL là tỷ lệ độ dài của mô hình suy ra các tỷ lệ khác trong mô hình nhưsau:

= λL1/6

3.3.3 Chọn tỷ lệ mô hình.

Ngoài luật cơ bản nêu trên, việc xác định tỷ lệ mô hình phải chọn lựathích hợp nhằm đáp ứng các điều kiện tương tự của dòng chảy ngoài thực tế vàtrong mô hình, đó là:

Chế độ dòng chảy: nếu ngoài thực tế, dòng chảy ở chế độ chảy tầng

hoặc chảy rối thì trong mô hình cũng tái diễn tương tự điều kiện đó Đối vớicông trình thủy lợi tràn xả lũ Đá Hàn dòng chảy chủ yếu là chảy rối nên trong

mô hình cũng cần đảm bảo điều kiện đó

Tương tự nhám: dòng chảy ở nguyên hình và trong mô hình chủ yếu là

dòng chảy rối ở khu bình phương sức cản nên khi thiết kế mô hình cần đảmbảo tương tự về hình học giữa các kích thước tương ứng, kể cả độ nhám

ngoài khi chảy qua trụ pin giữa, trụ pin bên cũng như ảnh hưởng của việc lựachọn mô hình quá nhỏ tới kết quả nghiên cứu thí nghiệm thì tỷ lệ tối đa của

mô hình phải thoả mãn điều kiện:

Trong đó: Qt – Lưu lượng thiết kế của công trình thực tế ứng với pmin tt

Bt – Chiều rộng đặc trưng của công trình

Regh – Trị số Reynold giới hạnCăn cứ vào các điều kiện và tiêu chuẩn nêu trên, qua kết quả tính toánđối với một số tỷ lệ đồng thời dựa vào điều kiện của phòng thí nghiệm, đã

chọn tỷ lệ mô hình là λ l = 50 Từ tỷ lệ đó suy ra các tỷ lệ khác như sau: