Nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo nước

Để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa, ta sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ, thường áp dụng ở hạ lưu công trình, đặc biệt là với các dòng chảy có lưu tốc lớn.. Về các hình thứ

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 4

1.1 Tình hình xây dựng các công trình tháo nước .4

1.2 Nghiên cứu về tiêu năng sau công trình tháo nước 8

1.2.1 Mục đích của công trình tiêu năng 8

1.2.2 Các hình thức của công trình tiêu năng 9

1.2.3 Tính toán tiêu năng đáy 12

1.3 Về bố trí các thiết bị tiêu năng phụ cho hình thức tiêu năng đáy 13

1.3.1 Mục đích bố trí thiết bị tiêu năng phụ 13

1.3.2 Các dạng thiết bị tiêu năng phụ 14

1.3.3 Những tồn tại trong thiết kế các thiết bị tiêu năng phụ 18

1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 20

CHƯƠNG 2 :NGHIÊN CỨU CỞ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ HIỆU QUẢ CỦA MỐ TIÊU NĂNG 21

2.1.Bố trí mố tiêu năng trong bể .21

2.1.1 Mục đích của việc bố trí mố trong bể tiêu năng 21

2.1.2 Phân loại mố tiêu năng 21

2.1.3: Các mố quân cờ 24

2.2.Thiết lập phương trình xác định hiệu quả của việc bố trí mố tiêu năng 25

2.3.Vai trò của thí nghiệm mô hình trong thiết kế bể có bố trí mố tiêu năng 28

2.3.1.Khái niệm về mô hình 28

2.3.2 Vai trò của thí nghiệm mô hình 29

2.4.Về khả năng khí thực ở các mố tiêu năng 30

2.4.2 Điều kiện phát sinh khí thực 32

2.5 Quy trình thiết kế tiêu năng đáy có sử dụng thiết bị tiêu năng phụ 33

2.6 Kết luận chương 2 .34

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH 35

3.1 Đập tràn Nước Trong .35

3.1.1 Giới thiệu công trình hồ Nước Trong 35

3.1.2 Kết quả tính toán tiêu năng cho tràn Nước Trong 39

3.1.3 Tính toán kiểm tra khí hóa tại các mố và tường tiêu năng [3] 39

3.2 Đường tràn hồ Tả Trạch 42

3.2.1 Giới thiệu công trình hồ Tả Trạch 42

3.2.2 Tính toán bể khi có bố trí mố tiêu năng 46

3.2.3 Các kết quả thí nghiệm mô hình 51

3.3 Đường tràn hồ Ngàn Trươi .53

3.3.1 Giới thiệu công trình hồ Ngàn Trươi 53

3.3.2 Tính toán bể khi có bố trí mố tiêu năng 57

3.3.3 Kết quả thí nghiệm mô hình tiêu năng sau tràn 62

3.4 Kết luận chương 3 .63

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 65

I – CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN 65

II- MỘT SỐ ĐIỂM CÒN TỒN TẠI 65

III- KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Bảng 1.1 : Một số công trình tháo nước được xây dựng gần đây 4

Bảng 3.1: Các thông số của hồ chứa Nước Trong 38

Bảng 3.2: Các thông số tràn xả lũ hồ chứa Nước Trong [3] 38

Bảng 3.3: Các thông số cơ bản của hồ chứa Tả Trạch 43

Bảng 3.4: Bảng thông số các đập phụ hồ chứa Tả Trạch 44

Bảng 3.5: Các thông số để tính toán tiêu năng cho hồ chứa Tả Trạch [11] 46

Bảng 3.6: Bảng kết quả thí nghiệm bể tiêu năng cho hồ chứa Tả Trạch [11] 52

Bảng 3.7: Các thông số để tính toán tiêu năng cho hồ chứa Ngàn Trươi [11] 57

Bảng 3.8: Bảng kết quả thí nghiệm bể tiêu năng cho hồ chứa Ngàn Trươi [11] 63

Hình 1.1: Đập tràn xả lũ hồ Hoà Bình – Hoà Bình 6

Hình 1.2: Tràn xả lũ hồ chứa nước suối Đuốc – Bình Định 7

Hình 1.3: Tràn xả lũ hồ Tả Trạch – Thừa Thiên Huế 7

Hình 1.4: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy - bể tiêu năng [2] 9

Hình 1.5: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy - tường tiêu năng[2] 10

Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy – bể và tường tiêu năng kết hợp[2] 10

Hình 1.7: Sơ đồ tính toán tiêu năng phóng xa [2] 10

Hình 1.8: Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu có bậc thụt [2] 11

Hình 1.9: Bể tiêu năng khuyếch tán[2] 11

Hình 1.10: Sân tiêu năng có độ dốc thuận[2] 11

Hình 1.11: Ngưỡng tiêu năng 14

Hình 1.12: Các hình thức mố tiêu năng[8] 15

Hình 1.13: Các dạng mố nhám trong lòng dẫn [8] 16

Hình 1.14: Ngưỡng răng theo kiểu Rehbock [8] 17

Hình 1.15: Ngưỡng răng theo kiểu Smirceck [8] 17

Hình 1.16: Mố tiêu năng theo kiểu II [8] 17

Hình 1.17: Mố tiêu năng theo kiểu III [8] 17

Hình 1.18: Mố phân dòng 18

Hình 2.1: Các dạng mố 22

Hình 2.2: Các ví dụ về ngưỡng tiêu năng 22

Hình 2.3: Nối tiếp hạ lưu (khi hc – const) 25

Hình 2.4: Sơ đồ tính độ sâu liên hiệp nước nhảy khi có mố tiêu năng 26

Hình 2.5: Hình ảnh mố phân dòng 33

Hình 3.1: Cụm công trình đầu mối hồ chứa Nước Trong 35

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng 47

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng theo kinh nghiệm 50

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng 51

Hình 3.6 Cụm công trình hố chứa Ngàn Trươi 53

Hình 3.7: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng 58

Hình 3.8: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng theo kinh nghiệm 61

Hình 3.9: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng 62

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của Đề tài:

Một trong những vấn đề cơ bản trong tính toán thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện hiện nay là việc giải quyết tiêu năng ở hạ lưu Năng lượng của dòng chảy khi qua công trình xả lũ là rất lớn, nếu không có biện pháp tiêu năng sẽ tạo nên những chế độ nối tiếp thủy lực rất phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình

Để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa, ta sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ, thường áp dụng ở hạ lưu công trình, đặc biệt là với các dòng chảy có lưu tốc lớn

Về các hình thức tiêu năng phụ theo điều kiện và hình thức công trình chính

để xét chọn:

- Đối với sau tràn có dốc nước thì để giảm bớt một phần năng lượng của dòng chảy trước khi đổ xuống hạ lưu, thì trên dốc nước có thể dùng các mố tiêu năng phụ, bố trí nhiều hàng để giảm lưu tốc dòng chảy trước khi xuống cuối dốc, về các mố nhám này có nhiều dạng:

- Mố dạng chữ nhật

- Mố dạng quả trám

- Ngưỡng tiêu năng

Dùng mố tiêu năng phụ trong bể tiêu năng: Trường hợp dòng chảy xiết từ tràn xả lũ hay trên dốc nước đổ xuống bể tiêu năng tạo ra nước nhảy phóng xa bất lợi cho xói lở hạ lưu, nên cần phải dùng hoặc 1 đến 2 hàng mố tiêu năng đặt ở đầu

bể và ở gần 1/3 chiều dài bể

Các tồn tại của nghiên cứu về tiêu năng phụ là hiện tượng xâm thực do khí thực hoặc ăn mòn xảy ra xung quanh thiết bị tiêu năng phụ và hiện tượng các vật nổi va đập Để lựa chọn được hình dáng, kích thước cà bố trí thiết bị tiêu năng phụ cho hợp lý thì phụ thuộc vào từng công trình cụ thể, điều kiện địa hình, địa chất,

chưa có một tiêu chuẩn, lý thuyết tính toán chuẩn mực nào để áp dụng cụ thể Vì vậy cần phải qua nghiên cứu thí nghiệm mô hình xác định đúng hình dáng, kích thước và bố trí, các dạng tiêu năng phụ đó là: loại mố nhám dùng trong lòng máng dẫn; hoặc ngưỡng tiêu năng, tường phân dòng

Tóm lại, tính toán nghiên cứu hiệu quả, điều kiện để bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo nước là rất cần thiết và quan trọng, có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn trong công tác thiết kế, xây dựng công trình

Với tất cả những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo nước”

Từ kết quả nghiên cứu những công trình cụ thể, ta có thể rút ra những kết luận chung cho những công trình có điều kiện và hình thức tương tự

2 Mục đích của Đề tài:

Nghiên cứu phương pháp xác định hiệu quả và các điều kiện thực tế bố trí

mố tiêu năng sau công trình tháo nước, đề xuất quy trình thiết kế tiêu năng có áp dụng mố tiêu năng nhằm hợp lý hóa, tối ưu hóa quá trình thiết kế, lựa chọn kích thước và bố trí mố tiêu năng

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Tiếp cận từ thực tế làm việc của các công trình tiêu năng và quá trình thiết

kế tiêu năng

- Vận dụng lý luận thủy lực trong tính toán xác định hiệu quả tiêu năng

- Đối chiếu với các kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực

4 Kết quả đạt được:

- Trên cơ sở lý thuyết, thiết lập được phương trình tính toán kích thước tổng cộng của các mố tiêu năng (Am) đảm bảo yêu cầu giảm nhỏ nhất kích thước bể tiêu năng đã đặt ra

- Đưa ra quy trình thiết kế tiêu năng phòng xói sau công trình tháo khi áp dụng các thiết bị tiêu năng phụ

- Kiến nghị phạm vi áp dụng thiết bị tiêu năng phụ sau công trình tháo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU CÔNG

TRÌNH THÁO NƯỚC 1.1 Tình hình xây dựng các công trình tháo nước

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng Vì thế, trong những năm gần đây nhiều công trình thủy lợi, hồ chứa được xây dựng Kèm theo đó là rất nhiều công trình tháo đã và đang được xây dựng như: đường tràn hồ Tả Trạch, đường tràn hồ Nước Trong, đường tràn hồ Ngàn Trươi… Công trình tháo nước là công trình quan trọng và không thể thiếu trong cụm đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện Mục đích của nó là tháo phần nước thừa trong mùa lũ để đảm bảo an toàn cho đập, cụm công trình đầu mối Ngoài ra, công trình tháo có thể được kết hợp để tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu (với những đường tràn có cửa van điều tiết và cao trình ngưỡng nằm dưới mực nước dâng bình thường)

Qua thực tế các công trình tháo từ các hồ chứa đã được xây dựng cho thấy công trình tháo nước được thiết kế đa dạng về chủng loại, quy mô, kích thước Căn

cứ vào cao trình đặt, có thể phân thành hai loại: công trình tháo nước kiểu xả sâu (lỗ tháo nước) và công trình tháo nước trên mặt (đường tràn tháo nước)

Bảng 1.1 : Một số công trình tháo nước được xây dựng gần đây

Lưu lượng T

T Công trình Tdnh Q

(m3/s)

q (m3/s

m)

Chiều cao đập (m)

Chiều rộng tràn (m)

Số khoang tràn Loại đập

Lưu lượng T

T Công trình Tdnh Q

(m3/s)

q (m3/s

m)

Chiều cao đập (m)

Chiều rộng tràn (m)

Số khoang tràn

Loại đập

10 Đại Lải Vĩnh Phú 366 11,4 12,5 32 4 Đập tràn đỉnh rộng

12 Sông Hinh Phú Yên 6128 85,9 72 6 Đập tràn đỉnh rộng

13 Hùng Sơn Hòa Bình 296 7,4 2,7 40 Đập dâng

16 Lòng Sông Bình Thuận 2093 433,6 48 6 Tràn xả lũ

17 Đập Nại Hòa Bình 270 6,0 3,0 45 Đập tràn

19 Nhân Mục Tuyên Quang 197 4,7 6,0 42 Đập dâng

20 Ngòi Nhì Yên Bái 1291 19,9 8,0 65 Đập tràn

21 PleiKrong Gia Lai 7606 126,8 54,7 60 6 Đập tràn

22 Sông Tiêm Hà Tĩnh 2519 25,2 100 Đập tràn

23 Sê San 4 Gia Lai 20090 167,4 49,0 120 8 Đập tràn

24 Tân Quang Hà Giang 1092 22,4 11,0 48,8 Đập dâng

29 Thuận Ninh Bình Định 590 24,6 28,7 24 3 Đập dâng

thực dụng

Công trình tháo nước kiểu xả sâu có thể đặt ở các cao trình khác nhau ( nền, qua thân đập, trong bờ ) Đặc điểm của công trình tháo nước kiểu xả sâu là có thể tháo nước ở trong hồ với bất kỳ cao trình nào, thậm chí có thể tháo cạn hồ Loại này ngoài nhiệm vụ tháo nước thừa trong mùa lũ, mà tùy vào cao trình, vị trí và mục đích sử dụng có thể dẫn dòng thi công lúc xây dựng, tháo bùn cát lắng đọng trong hồ chứa hoặc lấy nước tưới, phát điện Nhưng việc tính toán thủy lực tương đối phức tạp, yêu cầu người vận hành phải có năng lực và chuyên môn

Công trình tháo nước trên mặt thường được đặt ở cao trình tương đối cao

Do cao trình của ngưỡng tràn cao, nên chỉ có thể dùng để tháo dung tích phòng lũ của hồ chứa Đặc điểm của công trình tháo nước trên mặt là thuận lợi cho việc vận hành, và tính toán thủy lực không quá phức tạp Do đó, công trình tháo nước trên mặt được xây dựng phổ biến và rất đa dạng gồm các kiểu sau đây:

Hình 1.2: Tràn xả lũ hồ chứa nước suối Đuốc – Bình Định

Hình 1.3: Tràn xả lũ hồ Tả Trạch – Thừa Thiên Huế

1.2 Nghiên cứu về tiêu năng sau công trình tháo nước

1.2.1 Mục đích của công trình tiêu năng

Nhiệm vụ của công trình tháo nước là để tháo lượng nước từ thượng lưu về

hạ lưu Đặc điểm của dòng chảy từ thượng lựu xuống hạ lưu là năng lượng của dòng nước rất lớn (ở đây chủ yếu là thế năng do chệnh lệch cột nước) Khi dòng chảy đổ

từ thượng lưu về hạ lưu thế năng chuyển thành động năng Một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng cho

hạ lưu, ảnh hưởng đến an toàn công trình

Việc tạo nên chế độ chảy mặt – đáy ở hạ lưu công trình làm cho việc gia cố lòng dẫn hạ lưu được giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn hạ lưu vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại đất nhẹ Đặc biệt, nếu hình thức nối tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưu không phải là

đá thì vấn đề tiêu năng càng trở nên quan trọng hơn Trường hợp này, ngay cả với một số loại đá như đá vôi, đô-mô-mít….và những đá yếu cũng có thể bị xói lở

Nếu trong phạm vi công trình, động năng thừa không được tiêu hao hoàn toàn và nếu lòng dẫn hạ lưu không phải là đá thì ngay sau công trình sẽ hình thành phễu xói Qua tài liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng chiều sâu của phễu xói

có thể đạt 2,5H ( H là cột nước trên công trình), còn chiều dài có thể biến đổi trong khoảng (4÷6)H

Chẳng hạn, một cống lấy nước chỉ với cột nước tương đối bé H =1,2 ÷ 2 m, nhưng sau ba năm khai thác, ở hạ lưu đã hình thành một phễu xói có chiều sâu hx = 3m gần bằng 2H: chiều dài lx=30m gần bằng 20H… làm ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình

Động năng thừa còn thể hiện dưới dạng mạch động lưu tốc và mạch động

áp lực Thường trên một đoạn dài sau công trình, tuy lưu tốc trung bình đã không lớn lắm, nhưng mạch động còn rất mạnh so với mạch động của dòng chảy bình

thường ở hạ lưu và cũng gây ra xói lở trên một đoạn dài Trong trường hợp bài toán không gian, ví dụ khi công trình có nhiều cửa nhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại xuất hiện dòng chảy xiên diễn ra trên một đoạn khá dài

Mục đích của công trình tiêu năng là tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy

từ thượng lưu về hạ lưu, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động Qua công trình tiêu năng, dòng chảy có thể trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu

Ta biết rằng nối tiếp ở hạ lưu công trình dưới dạng hình thức chảy đáy có nước nhảy xa là nguy hiểm nhất, vì đoạn dòng chảy trước nước nhảy, ở đó có lưu tốc lớn, rất dài Do đó, phải tìm biện pháp làm mất trạng thái chảy đó, chuyển thành dạng nối tiếp nước nhảy ngập

Tuy nhiên, dòng chảy sau nước nhảy ngập vẫn còn lưu tốc lớn ở đáy và mạch động lớn trên một đoạn dài Do đó trong những điều kiện cần thiết và cho phép, người ta thường tạo thành chế độ chảy mặt

1.2.2 Các hình thức của công trình tiêu năng

Dựa vào nguyên lý cơ bản của hình thức tiêu năng dòng chảy là làm cho dòng chảy tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang mà các nhà khoa học đã tìm ra và áp dụng các hình thức tiêu năng như:

- Tiêu năng dòng đáy

Hình 1.4: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy - bể tiêu năng [2]

Hình 1.5: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy - tường tiêu năng[2]

Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng dòng đáy – bể và tường tiêu năng kết hợp[2]

- Tiêu năng phóng xa

Hình 1.7: Sơ đồ tính toán tiêu năng phóng xa [2]

- Tiêu năng mặt không ngập

- Tiêu năng dòng mặt ngập

Hình 1.8: Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu có bậc thụt [2]

- Một số hình thức tiêu năng đặc biệt khác

Hình 1.9: Bể tiêu năng khuyếch tán[2]

Hình 1.10: Sân tiêu năng có độ dốc thuận[2]

1.2.3 Tính toán tiêu năng đáy

Tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa Đây là hình thức khá phổ biến và thường được dùng trong các công trình tháo nước với cột nước thấp, nền đất Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là cột nước hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ 2 của nước nhảy (hh > hc’’) để đảm bảo sinh ra nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng gây xói lở, vì thế khu vực nước nhảy (sân sau) phải được bảo vệ bằng bê tông Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp theo sau sân sau (sân thứ hai) cần được bảo vệ thích đáng Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sau thường xây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, v.v… để cho sự xung kích nội bộ dòng chảy mãnh liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng có thể tiêu hao một phần năng lượng Biện pháp này có hiệu quả tốt và được ứng dụng rộng rãi Tiêu năng dòng đáy thường được dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối yếu Khi cột nước cao,

hc’’ rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở hạ lưu lớn, như vậy phải đào sâu sân sau và cần được bảo vệ kiên cố hơn Lúc đó, hình thức tiêu năng đáy thường không kinh tế

Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu năng dòng đáy:

- Khi Fr > 10 : dùng biện pháp tiêu năng đáy không kinh tế

1.2.3.2 Ảnh hưởng của cột nước hạ lưu

Cột nước hạ lưu là một trong những điều kiện quyết định để có thể tạo ra nước nhảy ngập ở trong bể hay không Nếu cột nước thấp sẽ hình thành nước nhảy phóng xa, nếu cột nước quá sâu dễ phát sinh sóng mặt Do đó, cần nghiên cứu kỹ trong quá trình tính toán tiêu năng

1.2.3.3 Các biện pháp thường dùng trong tiêu năng đáy

Để tiêu năng dòng đáy thường dùng các biện pháp sau để tạo ra nước nhảy ngập sau tràn:

- Bể tiêu năng

- Tường tiêu năng

- Bể và tường tiêu năng kết hợp

- Các biện pháp tiêu năng khác

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy lớn, mạnh động cũng rất lớn có khả năng gây xói lở Để tăng hiệu quả tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy có thể bố trí thiết

bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tường phân dòng để khuyếch tán đều ở hạ lưu Thiết kế đáy dốc ngược khi mực nước hạ lưu nhỏ, làm đáy dốc thuận khi mực nước hạ lưu lớn, để tăng sự xáo trộn nội bộ của dòng chảy và tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị tiêu năng nhằm tiêu hao một phần năng lượng Biện phạm này cho hiệu quả tốt, được thiết kế và sử dụng rộng rãi

1.3 Về bố trí các thiết bị tiêu năng phụ cho hình thức tiêu năng đáy

1.3.1 Mục đích bố trí thiết bị tiêu năng phụ

Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình thủy lợi, để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ Thiết bị tiêu năng phụ làm cho dòng chảy gây nên lực phản kích lại và giảm được hc’’, rút ngắn chiều dài sân sau

Theo thí nghiệm, nếu bố trí hợp lý thiết bị tiêu năng phụ thì có thể giảm hc’’được 20% - 25%, thậm chí cỏ thể lên tới 30% Thiết bị tiêu năng phụ thường bố trí

ở nơi có lưu tốc lớn nên xung quanh dễ sinh áp lực âm Lưu tốc càng lớn, nếu mố không thuận thì áp lực âm càng lớn có thể gây ra khí thực, phá hoại bê tông Đồng thời cần chú ý hiện tượng các vật nổi va đập vào thiết bị tiêu năng phụ

1.3.2 Các dạng thiết bị tiêu năng phụ

1.3.2.1 Ngưỡng tiêu năng

Ngưỡng tiêu năng ngập trong nước nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối với dòng chảy lưu tốc cao, giảm hc’’ Nếu góc nghiênh mái thượng lưu của ngưỡng nhỏ hơn 90o nhưng lớn hơn 60o thì không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tiêu năng nhưng cải thiện được trạng thái dòng chảy lớn Muốn tăng lực phản kích thì phải tăng chiều cao ngưỡng nhưng phải đảm bảo không sinh nước nhảy sau ngưỡng

Ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau Đặt gần phía trước thì lực phản kích lớn hơn nhưng dòng chảy biến động lớn Đặt gần phía sau thì mức độ ngập của nước nhảy kém, có khi không ngập

Hình 1.11: Ngưỡng tiêu năng 1.3.2.2 Mố tiêu năng

Mố tiêu năng thường đặt gần nới bắt đầu sân sau, tại khu vực dòng chảy có lưu tốc cao, cách chân đập một khoảng dài hơn chiều sâu phân giới của dòng chảy Kích thước và vị trí mố tiêu năng có ảnh hưởng lớn đối với dòng chảy, nhưng cho

đến nay chưa có phương pháp nào tính toán chính xác, thường phải thông qua thí nghiệm để quyết định Theo thí nghiệm, kích thước mố có thế lấy như sau: chiều cao mố dm ≈ (0,75÷1,0) hc , chiều rộng mố bm =( 0,5÷1,0) dm, khoảng cách Bm giữa mép của hai mố gần nhau Bm < bm , kích thước cụ thể còn phụ thuộc vào hình thức

và cấu tạo

Nếu bố trí hai hàng mố thì hiệu quả tiêu năng sẽ tốt hơn so với bố trí một hàng, khoảng cách giữa hai hàng mố Lm ≈ (2÷3) dm bố trí các mố theo hình hoa mai chọn số hình mố còn phụ thuộc vào hình thức mố có lúc bố trí hai hàng lưu tốc phân bố không được tốt

Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.12), mặt thượng lưu của mố thẳng đứng (hình 1.12 a) gây nên lực phản kích lớn hơn so với mố có mặt thượng lưu nghiêng, nhưng dòng chảy biến động lớn Hiệu quả tiêu năng của loại như (hình 1.12 d) không tốt bằng các loại khác (hình 1.12 a,b,c) Mặt hai bên của mố là thẳng đứng thì dễ sinh ra áp lực âm rất lớn gây ra khí thực, muốn giảm hoặc tiêu trừ áp lực âm, thường các góc cạnh của mố làm thành góc tròn như (hình 1.12 a,b) hoặc hình khuyếch tán như (hình 1.12 c, d) Như vậy, tuy ít nhiều giảm hiệu quả tiêu năng của mố nhưng cần thiết để đảm bảo mố làm việc bình thường và có tuổi thọ lâu dài

Hình 1.12: Các hình thức mố tiêu năng[8]

a) Mố nhám dùng trong lòng máng dẫn

Mố nhám nhân tạo dùng trong lòng máng dẫn là các vật cản có hình dạng, kích thước rất khác nhau, thường đặt ở đáy và có khi đặt ở hai bên thành máng

- Kiểu mố nhám bằng dầm chữ nhật đặt thẳng góc với dòng chảy (hình 1.13 a)

- Kiểu mố nhám bằng các dầm nửa tròn đặt thẳng góc với dòng chảy (hình 1.13 b)

- Kiểu mố nhám quan cờ đặt ở đáy theo hình bàn cờ (hình 1.13 c)

- Kiểu mố nhám chữ V ngược dòng (hình 1.13 d)

- Kiểu mố nhám hình W (hình 1.13 e)

- Kiểu mố nhám răng cưa đặt xuôi dòng (hình 1.13 g) hoặc ngược dòng

- Kiểu mố nhám đặt hai bên bờ (hình 1.13 h)

- Kiểu mố nhám đặt hai bên bờ và cả ở đáy bể (hình 1.13 i)

Hình 1.13: Các dạng mố nhám trong lòng dẫn [8]

b) Mố tiêu năng dùng ở bể

Mố tiêu năng dùng ở bể được bố trí liên tục hoặc lệch gọi là ngưỡng răng Mục đích bố trí chúng là để một mặt giữ ổn định nước nhảy trong bể, mặt khác hướng dòng chảy lên bể tránh xói lở lòng dẫn sau ngưỡng

Hình 1.14: Ngưỡng răng theo kiểu Rehbock [8]

Hình 1.15: Ngưỡng răng theo kiểu Smirceck [8]

Hình 1.16: Mố tiêu năng theo kiểu II [8]

Hình 1.17: Mố tiêu năng theo kiểu III [8]

1.3.2.3 Mố phân dòng

Mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy có lưu tốc cao ở chân đập tạo thành trạng thái chảy có lợi Ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy đáy và trên mặt có xoáy, trên các mố phân dòng có dòng chảy mặt và ở sát đỉnh mố có xoáy, hai loại dòng chảy ấy tác dụng tương hộ lẫn nhau có thể tiêu hao năng lượng nhiều hơn

Nói chung sau mố phân dòng nên có mố tiêu năng Do ở giữa các mố phân dòng chảy tập trung, sau đó gặp tác dụng phản kích của các mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng tăng thêm

Hình 1.18: Mố phân dòng

1.3.3 Những tồn tại trong thiết kế các thiết bị tiêu năng phụ

Trong thiết kế thiết bị tiêu năng phụ chủ yếu dựa vào thí nghiệm, chưa có tính toán cụ thể, chi tiết cho từng loại thiết bị tiêu năng phụ Vì vậy, việc lựa chọn thông số đầu vào như kích thước, số lượng thiết bị tiêu năng phụ dựa vào kinh nghiệm là chủ yếu

Do đó, cần có những lý thuyết tính toán, trước khi lựa chọn kích thước, số lượng thiết bị tiêu năng phụ để thí nghiệm Kết quả của những tính toán này là cơ sở

để lựa chọn thông số thiết lập mô hình thí nghiệm

Đối với các công trình tháo có lưu lượng lớn, cột nước phía thượng lưu cao Khi đó, năng lượng của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu sẽ rất lớn Vận tốc của dòng chảy khi đổ xuống hạ lưu lớn, nhất là tại vận tốc ở sát đáy Cho nên, các thiết

bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng tiêu năng rất dễ bị khí thực gây ảnh hưởng tới khả năng tiêu năng

Do đây là vấn đề phức tạp nên đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này như :

- ThS Trần Vũ, KS Nguyễn Huy Thắng: “ Một số kiến nghị lựa chọn kết cấu tiêu năng đáy đối với tràn xả lũ các công trình thủy lợi, thủy điện” Đề tài

nghiên cứu cấp Bộ năm 2011: Nghiên cứu, lựa chọn kết cấu tiêu năng đáy đối với tràn xả lũ các công trình thủy lợi, thủy điện

- Phùng Thị Thúy Hà : “Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn giải pháp hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray” Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Thủy lợi năm 2012

- Nguyễn Như Viên; “ Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tiêu năng phụ cho công trình có hình thức tiêu năng đáy, ứng dụng cho tràn xả lũ Hồi Xuân” Luận văn

Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Thủy lợi năm 2013

- TS Nguyễn Hữu Huế: “ Nghiên cứu chọn kết cấu phụ trong bể tiêu năng tràn xả lũ ” Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, trường Đại học

Thủy lợi

- GS.TS: Phạm Ngọc Quý “ Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tháo nước ” NXB Xây dựng Hà Nội năm 2003

Trong thực tế, đơn vị tư vấn thường không tính toán lựa chọn mố tiêu năng

mà đưa hẳn vào thí nghiệm mô hình Khi thí nghiệm thì kích thước và số lượng mố tiêu năng được lựa chọn dựa vào kinh nghiệm của người làm thí nghiệm Bên cạnh

đó người làm thí nghiệm cũng đặt ra các tình huống để thí nghiệm Khi có kết quả thí nghiệm dựa vào đó để lựa chọn phương án Có thể phương án chọn dựa trên kết quả thí nghiệm chưa phải là phương án tối ưu Vì vậy luận văn hướng tới một quy

trình chặt chẽ hơn, trong đó tính toán lựa chọn sơ bộ kích thước và số lượng mố tiêu năng, sau đó dựa trên kết quả tính toán để đưa vào thí nghiệm

1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn

Như đã nêu trong tính cấp thiết của đề tài luận văn Luân văn đi sâu vào nghiên cứu thiết bị tiêu năng phụ sau công trình tháo, để đảm bảo an toàn cho công trình và giảm bớt kích thước bể tiêu năng Để tiêu năng cho công trình tháo có rất nhiều hình thức tiêu năng như: tiêu năng dòng đáy, tiêu năng phóng xa, tiêu năng mặt Nội dung của luận văn tập trung nghiên cứu tiêu năng dòng đáy, xác định tính hiệu quả và khả năng áp dụng tiêu năng dòng đáy

Đối với hình thức tiêu năng dòng đáy thường lựa chọn bể, tường hoặc bể tường kết hợp để tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu Khi tính toán tiêu năng, người thiết kế phải tính toán lựa chọn chiều sâu đào bể, chiều cao của tường, chiều dài của bể tiêu năng để đảm bảo an toàn cho công trình Ngoài ra, trong hình thức tiêu năng đáy còn có thêm biện pháp là bố trí các thiết bị tiêu năng phụ trong bể tiêu năng Một số thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, mố hai bên bể tiêu năng

Do thực tế việc lựa chọn kích thước, số lượng và bố trí các thiết bị tiêu năng phụ này chủ yếu dựa vào mô hình thí nghiệm, chưa có lý thuyết tính toán hoàn chỉnh Cho nên, khi làm thí nghiệm thì việc lựa chọn kích thước, số lượng, cách bố trí là dựa vào kinh nghiệm của người thí nghiệm

Nhiệm vụ của luận văn là đi nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo, làm cở sở cho việc tính toán sơ bộ mố tiêu năng trước khi đưa vào làm thí nghiệm

Bên cạnh nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo, luận văn cũng xem xét khả năng khí thực tại các mố tiêu năng với các tràn xả

lũ có cột nước phía thượng lưu cao, và đề xuất quy trình thiết kế tiêu năng đáy có áp dụng các thiết bị tiêu năng phụ

CHƯƠNG 2 :NGHIÊN CỨU CỞ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH KÍCH

THƯỚC VÀ HIỆU QUẢ CỦA MỐ TIÊU NĂNG 2.1.Bố trí mố tiêu năng trong bể

2.1.1 Mục đích của việc bố trí mố trong bể tiêu năng

Các thiết bị tiêu năng đặc biệt thường được xây dựng trong phạm vi bể tiêu năng Đó là các ngưỡng hay mố nhô có hình thức và kích thước khác nhau Các mố

bố trí trong bể tiêu năng có tác dụng sinh ra phản lực có chiều ngược với chiều dòng chảy Lực này làm tiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy trong bể, giảm độ sâu liên hiệp sau nước nhảy (hc’’) Do độ sâu liên hiệp sau nước nhảy giảm dẫn tới phía hạ lưu công trình tiêu năng hạn chế được hiện tượng xói lở, các biện pháp gia

cố, chiều dài phía hạ lưu cần phải gia cố cũng ngắn hơn khi không có mố tiêu năng

Khi các mố tiêu năng tiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy thì kích thước của bể được xây dựng để tiêu hao năng lượng thừa nhỏ hơn so với trường hợp

bể không có mố Do đó, hiệu quả kinh tế khi bố trí mố trong bể tiêu năng sẽ cao hơn trường hợp xây bể không có mố tiêu năng Tuy nhiên, việc tính toán lựa chọn kích thước mố tiêu năng chủ yếu vẫn dựa vào thì nghiệm mô hình thực tế

2.1.2 Phân loại mố tiêu năng

Có thể phân loại các thiết bị tiêu năng đặc biệt như sau:

* Cách thứ nhất:

- Mố phản lực, chủ yếu là giảm chiều sâu đào bể

- Mố khuyếch tán và điều hoà, chủ yếu giảm chiều dài phần gia cố hạ lưu và tắt nhanh mạch động

* Cách thứ hai:

- Mố tập trung (hay mố đặt gần), nghĩa là bố trí gần mặt cắt co hẹp nơi có lưu tốc lớn

- Mố đặt xa, chẳng hạn như mố nhám nhân tạo

* Cách thứ 3:

- Tường đặc, hay còn gọi là ngưỡng tiêu năng

- Mố rời, thuận lợi hơn cho trường hợp dẫn dòng thi công, trong trường hợp phải làm ngưỡng tạm thời để phục vụ dẫn dòng thi công thì có thể đặt ở cao trình thấp hơn

d

b

c

Hình 2.1: Các dạng mố a,b: cắt dọc và mặt bằng; c-e: mặt đứng; g-i: mặt bằng

Hình 2.2: Các ví dụ về ngưỡng tiêu năng

Ngày nay trong số các thiết bị tiêu năng thường dùng, nhiều nhất là các loại: a) mố quân cờ ; b) các răng; c) tường phân dòng; cũng có thể tổ hợp một số loại trên

- Khi chảy bảo quanh các mố, trong dòng chảy tạo gia các vùng xoáy làm tăng mạch động lưu tốc Khi đó trong chất lỏng chuyển động sẽ ra tăng ứng suất tiếp rối và điều này làm tăng đáng kể tổn thất cột nước, tức là tiêu hao năng lượng ở

hạ lưu

- Các mố tiêu năng khi tác động lên dòng chảy có thể làm giảm sóng trên bề mặt ở hạ lưu, giảm tính xoáy của dòng chảy, tạo khả năng phân tán mạnh hơn dòng chảy trên mặt bằng và dẫn đến giảm lưu lượng đơn vị đổ vào lòng dẫn hạ lưu Tương ứng với các điểm đã nêu, có thể phân biệt (theo Cumin) ba chức năng của

mố tiêu năng

+ Chức năng phản lực, làm giảm chiều sâu h” và chiều sâu đào bể;

+ Chức năng khuyếch tán, thể hiện ở chỗ trong trường hợp làm mố tiêu năng, năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao trên một đoạn có chiều dài không lớn Thêm nữa, trên một khoảng cách đủ nhỏ tính từ cuối dốc (bậc) ta nhận được cấu trúc thông thường của dòng chảy ở hạ lưu (cấu trúc của dòng chảy trong sông thiên nhiên) Nhờ đó ta có thể:

- Hoặc là rút ngắn chiều dài gia cố hạ lưu khi vẫn giữ chiều sâu hố xói sau đó

- Hoặc là giữ nguyên chiều dài gia cố hạ lưu mà giảm bớt chiều sâu hố xói sau đoạn gia cố, và giảm chiều sâu đào bể tiêu năng

+ Chức năng điều hoà, thể hiện ở chỗ làm dịu bớt dòng chảy hạ lưu, giảm lưu lượng đơn vị của dòng chảy vào sông hạ lưu

Đôi khi các thiết bị tiêu năng đặc biệt được làm ở dạng gọi là mố nhám nhân tạo được xây dựng chủ yêu trên sân sau Nhờ sự hỗ trợ của các mố nhám nhân tạo chúng ta có thể:

- Cản trở một phần lớp dòng chảy sát đáy, làm giảm lưu tốc sát đáy và do đó giảm được khả năng gây xói của dòng chảy

- Đẩy nhanh quá trình tắt mạch động trong phạm vi đoạn sau nước nhảy và liên quan tới nó là giảm khả năng xói của dòng chảy Đương nhiên là các mố nhám nhân tạo đặt trong phạm vi sân sau sẽ tăng tải trọng lên sân (làm giảm độ bền của nó)

Cần nhấn mạnh rằng ngày nay hình thức hợp lý và kích thước đủ tin cậy của các thiết bị tiêu năng đặc biệt có thể xác định chỉ bằng thí nghiệm trong phòng cho từng công trình cụ thể

Nhược điểm chung của các thiết bị tiêu năng đặc biệt là ở chỗ khi lưu tốc dòng chảy lớn thì trên bề mặt (mặt trên và mặt bên) sẽ xuất hiện khí hoá và theo thời gian các thiết bị tiêu năng này sẽ bị phá hoại do khí thực Ngoài ra, các thiết bị tiêu năng đặc biệt đôi khi cũng bị phá hoại do các vật nổi, chẳng hạn như các cây gỗ lớn trôi theo dòng chảy trong mùa lũ

2.1.3: Các mố quân cờ

Loại mố này có dạng như trên hình 2.1a, nếu chiều cao các mố lớn hơn chiều dài và chiều rộng của chúng thì gọi là mố, trường hợp ngược lại thì gọi là quân cờ, các mố và quân cờ bố trí như hình bàn cờ trên mặt bằng Các mố đặt ở đáy bể tiêu năng sau mặt cắt co hẹp (thường là hai hàng) Các mố quân cờ có thể làm nhám nhân tạo và bố trí sau nước nhảy (trên sân sau) Các mố và quân cờ thường làm bằng bê tông cốt thép, các quân cờ đôi khi cũng được thay bằng đá hòn lớn hay thanh ray chôn vào bê tông

Kích thước các mố đề nghị như sau: c = (0,75÷1,00) hc; b= (0,5÷1,0)c;

(d= 2÷3) c ( hình 2.2), trong đó hc là độ sâu tại mặt cắt co hẹp

2.2.Thiết lập phương trình xác định hiệu quả của việc bố trí mố tiêu năng

Dòng chảy đi qua các ngưỡng hay mố thường được phân thành các tia riêng biệt và chúng có thể đập vào nhau làm tiêu hao năng lượng của dòng chảy

Hình 2.3: Nối tiếp hạ lưu (khi h c – const)

a- Không có mố tiêu năng ; b- có mố tiêu năng; 1-Mố tiêu năng

R- phản lực; (hb) có mố < (hb) không mố

Khi xem xét chuyển động của dòng chảy cần phân biệt ba điểm quan trọng sau:

- Trên hình 2.3 chỉ ra hai dạng nước nhảy khác nhau: nước nhảy thông thường (hình 2.3a) mà trong giới hạn của nó không có mố tiêu năng, và nước nhảy

mà trong giới hạn của nó có mố tiêu năng (hình 2.3b) Khi xét sơ đồ trên hình 2.3 ta thấy rằng mố tiêu năng chịu áp lực xô ngang từ phía dòng chảy hướng về hạ lưu, và đến lượt mình dòng chảy cũng chịu tác dụng của phản lực tương ứng từ mố Chính

do phản lực này mà làm cho nước nhảy ở hình 2.3b khác với hình 2.3a

Viết phương trình động lượng cho đoạn dòng chảy giữa hai mặt cắt 1-1 và

2-2, dễ dàng xác định được độ sâu liên hiệp sau nước nhảy, khi biết độ sâu đầu hc=h’

So sánh các chiều sâu hc’’không mố và hc’’có mố , có thể chỉ ra rằng mố tiêu năng 1 làm giảm đáng kể độ sâu h’’c (do tác dụng của phản lực R)

Thông qua hb có mố và hb không mố ta xác định được độ sâu ngập, tức là độ sâu trong bể mà ứng với nó ta có nước nhảy ngập với độ ngập cho trước

Dễ thấy là mố tiêu năng làm giảm chiều sâu liên hiệp thứ hai và cũng tương ứng làm giảm chiều sâu bể cần thiết Thường lấy theo quan hệ:

hb có mố/hb không mố =0,7÷0,8 (2-2) tiếp theo sẽ chỉ ra rằng khi làm các mố và giảm độ sâu bể do tính đến phản lực của

mố, chúng ta có thể nâng cao độ mặt đáy bể tiêu năng, tức giảm bớt độ sâu đào bể

Để xác định sơ bộ áp lực thuỷ động P lên mố có mặt trước thẳng đứng, đề nghị công thức sau (xem hình 2.2)

Trong đó: Am diện tích mặt cắt trước của mố; γn trọng lượng riêng của nước

k: hệ số động lượng lấy bằng 1,2÷1,3, n hệ số thực nghiệm của dạng mố (trong tính toán sơ bộ lấy n ≈1,2)

u: lưu tốc trung bình của dòng chảy sát thành tại mặt thượng lưu của mố

Tính độ sâu liện hiệp nước nhảy khi có mố tiêu năng:

Sơ đồ tính toán

Hình 2.4: Sơ đồ tính độ sâu liên hiệp nước nhảy khi có mố tiêu năng

Trong đó: h1 độ sâu trước nước nhảy (hc), h2 độ sâu sau nước nhảy (hc’’)

∑ur uur uur ur, bỏ qua ma sát với đáy và thành bên lòng dẫn

Các lực F1, F2 theo quy luật áp lực thuỷ tĩnh

Am – tổng diện tích mặt cắt chịu áp của mố

Lấy k=1,2 ; n= 1,2; coi gần đúng u=v1 =

Từ phương trình 2-6 có thể giải được 2 bài toán:

- Định trước Am, tìm được h2

- Khống chế h2, tìm được Am tương ứng

Do có một số giả thiết gần đúng nên công thức trên chỉ cho giá trị sơ bộ Giá trị cuối cùng cần được khẳng định thông qua kết quả thí nghiệm mô hình đối với từng công trình cụ thể

Việc thành lập được công thức (2-6) giúp cho người thiết kế có thể sơ bộ lựa chọn được kích thước các mố trong bể tiêu năng Tuy nhiên, cũng còn nhiều vấn đề liên quan chưa được thể hiện hết ở trong công thức 2-6 như: hình dạng các mố tiêu năng chưa được đề cập Các dạng mố tiêu năng được bố trí trong bể có thể cho hiệu quả tiêu năng khác nhau Điều này cần được mô tả trong phương trình thông qua các hệ số tương ứng

2.3.Vai trò của thí nghiệm mô hình trong thiết kế bể có bố trí mố tiêu năng

2.3.1.Khái niệm về mô hình

2.3.1.1 Mô hình

Mô hình là hình ảnh tư duy hay là một sản phẩm của vật chất tạo ra bằng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống đối tượng nghiên cứu và cũng là những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế

2.3.1.2 Mô hình vật lý

Mô hình vật lý được hiểu là mô hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể Theo định nghĩa như trên thì mô hình thủy lực là loại mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ lệ nhỏ hơn so với công trình thực tế và đặt trong phòng thí nghiệm Vật liệu dùng trong mô hình thủy lực cũng phải đảm bảo tương tự như trong thực tế

Mô hình hóa hiện tượng thủy lực được dựa trên lý thuyết tương tự Lý thuyết tương tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nguyên các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu Các định luật hay tiêu chuẩn tương tự trong

mô hình cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mô hình thí nghiệm sang thực tế

Đây là một trong những phương pháp hữu hiệu hiện nay, khi mà một số hiện tượng tự nhiên chúng ta chưa hiểu rõ, chưa có lý thuyết tính toán đầy đủ Do đó, thông qua kết quả từ thí nghiệm mô hình có thể ứng dụng trong thực tế

2.3.1.3 Mô hình toán

Mô hình toán được thiết lập dựa trên sự tương tác giữa thực tế và tư duy Sự tương tác đó cho phép nghiên cứu thực tế bằng sự giúp đỡ của hệ thống tư duy tưởng tượng Mô hình toán tiện lợi cho việc nghiên cứu những hiện tượng vật lý phức tạp được miêu tả chi tiết bằng hệ phương trình vi phân riêng có thể giải được bằng phương pháp số

2.3.2 Vai trò của thí nghiệm mô hình

Mục đích chính của việc nghiên thực nghiệm mô hình là khảo sát nghiên cứu quy luật của dòng chảy, các tác động của nước lên môi trường mà nó chuyển động Trong đó, nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu hệ thống công trình hoặc hạng mục công trình

* Vai trò của thí nghiệm mô hình thủy lực là:

- Bằng thí nghiệm giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xây dựng và khai thác sử dụng công trình thủy lợi mà những vấn đề đó chưa được giải quyết thỏa đáng bằng con đường lý luận

- Phát hiện những quy luật của các hiện tượng thủy động lực học và đĩnh nghĩa được chúng, từ thực tế có thể kiểm chứng những lý thuyết đã được đưa ra

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

- Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa các thông số riêng biệt của hiện tượng nghiên cứu

- Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết đã có và góp phần vào sự phát triển tiếp theo của môn học thủy lực nói riêng và các môn học khác nói chung

* Những ưu điểm khi nghiên cứu trên mô hình thủy lực

- Kích thước mô hình nhỏ hơn so với thực tế

- Các đại lượng thủy lực đươc đo, nhanh, tiện lợi và chính xác

- Đo đạc mang tính hệ thống cao

- Có thể đến được bất cứ vị trí nào trong mô hình để đo đạc

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

Đối với thiết kế bể có mố tiêu năng do chưa có lý thuyết tính toán hoàn chỉnh Nên chỉ có thông qua con đường thí nghiệm mới có thể đưa ra được những kết luận cho công trình thực tế Dòng chảy trong bể tiêu năng có mố diễn biến phức tạp, khi áp dụng các phương pháp lý luận để tính toán thì một số thông số được lấy theo kinh nghiệm hay bình quân trong khoảng nào đó Điều này, sẽ dẫn tới những sai số, có thể cho kết quả không chính xác khi công trình được thi công ngoài thực

tế Nhưng những sai sót trên có thể được hạn chế bằng cách, từ những kết quả tính toán được, ta tiến hành thí nghiệm lại với mô hình thủy lực để kiểm chứng

Do đó, thí nghiệm mô hình có tầm quan trọng trong thiết kế bể tiêu năng có

mố, là phương pháp để kiểm tra kết quả tính toán dựa trên lý thuyết Thông qua thí nghiệm ta xác định các hệ số để bổ sung cho phương trình chung mô tả hiệu quả của các mố tiêu năng

2.4.Về khả năng khí thực ở các mố tiêu năng

Đặc điểm của dòng chảy qua công trình tháo nước là đổ xuống hạ lưu với năng lượng thừa lớn có thể gây xói lở mạnh lòng dẫn hạ lưu và lan vào đến công trình Đối với công trình tháo nước có nối tiếp hạ lưu dạng chảy đáy thì bộ phận để tiêu hao năng lượng thừa là bể tiêu năng, tường tiêu năng hay bể tường kết hợp

Ngoài ra, ta có thể bố trí các mố tiêu năng ở đáy bể để tăng khả năng xáo trộn dòng chảy, làm cho năng lượng thừa đươc tiêu hao nhiều hơn Từ đó, giảm được chiều sâu đào bể, chiều cao tường, rút ngắn chiều dài của bể

Nhưng các mố là vật chảy bao không thuận, khi gặp luồng chủ lưu có lưu tốc lớn sẽ sinh ra hiện tượng tách dòng, dẫn đến khí hóa và có thể bị khí thực Vấn đề khí hóa, khí thực trước đây khi tính toán cho các công trình tháo chưa được quan tâm nhiều Tuy nhiên, trong những năm trở lại đây nhiều công trình tháo với chênh lệch cột nước thượng, hạ lưu lớn đã được xây dựng nên việc nghiên cứu điều kiện khí hóa, khí thực đã được quan tâm nhiều hơn Trong thiết kế, tính toán điều kiện phát sinh khí hóa, khí thực tại mố tiêu năng theo TCVN 9158:2012 [10]

2.4.1 Điều kiện phát sinh khí hóa

Khí hóa là hiện tượng xuất hiện hàng loạt các bong bong chứa khí và hơi nước ở trong nước đang chuyển động khi ở đó có nhiệt độ bình thường nhưng áp suất bị giảm xuống thấp hơn một giá trị giới hạn làm cho nước bị hóa hơi

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

K

V g

−