NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC DƯỚI SÂU VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG NGỪA. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠN LA

LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: ” Nghiên cứu khả năng khí thực của các công trình tháo nước dưới sâu và biện pháp phòng ngừa.. Tí

- -

NGÔ THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC DƯỚI SÂU VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG NGỪA TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CÔNG

TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

- -

NGÔ THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC DƯỚI SÂU VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG NGỪA TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO

CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠN LA

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với

đề tài: ” Nghiên cứu khả năng khí thực của các công trình tháo nước dưới

sâu và biện pháp phòng ngừa Tính toán áp dụng cho công trình xả sâu Thủy điện Sơn La.”, đã được hoàn thành với sự giúp đỡ của các thầy giáo

khoa Công trình, khoa Sau đại học (nay là phòng Đào tạo đại học và sau đại học) trường đại học Thủy lợi, cùng nhiều bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về tài liệu nghiên cứu, thông tin tham khảo, ý kiến… cho luận văn

Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cám ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Chiến, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và các thông tin khoa học cần thiết cho công tác làm đề tài luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp luôn động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Do điều kiện tài liệu, thời gian và kiến thức còn hạn chế, vì thế không tránh khỏi những khiếm khuyết trong luận văn Tác giả rất mong muốn nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 09/03/2011

Tác giả

Ngô Thị Hồng

3.1.7 Tiến độ thi công :0T 52

3.2 Các thông số cơ bản của công trình xả lũ ở đập Sơn La… …… 56

3.6 Lựa chọn và và tính toán giải pháp phòng khí thực:0T 70

3.6 1 Lựa chọn đường biên cửa vào: 70

DANH MỤC HÌNH VẼ

do xâm thực [8]

làm bong tróc hết bề mặt ngưỡng vào cửa xả sâu [8]

thực làm bong tróc hết bề mặt bê tông xung quanh cửa van phẳng phía

hạ lưu của lỗ xả sâu [8]

xâm thực làm bong tróc hết bề mặt bê tông, chỗ ngưỡng vào đáy còn bị thủng, chỗ sâu nhất tới 9 in (≈23cm) [8]

5 Hình 2.1 - Quan hệ giữa C pmax = f (Kr, Ks) của các đường xả sâu [1]

6 Hình 2.2 - Quan hệ giữa C pmax = f (Kr, α) của cửa vào e lip chỉ mở rộng lên phía trên [1]

7 Hình 2.3- Trị số δR P Rcủa cửa vào có cung là ¼ đường tròn [1]

8 Hình 2.4 - Trị số δR P Rcủa cửa vào elip chỉ mở rộng về phía trên [1]

mở van hoàn toàn (đối với 1,0≤w/h≤3,0) [1]

phần [ 1]

11 Hình 2.7 - Sự hình thành và phát triển của hiện tượng xâm thực [9]

12 Hình 2.8 - Quan hệ VR ng R= f(RR b R, S) của bê tông [1]

13 Hình 2.9 - Quan hệ VR cp R= f( RR b R, y/D, H/D, H/B)của bê tông [1]

van [2]

15 Hình 2.11- Một số giải pháp tiếp khí trong buồng van [2]

16 Hình 3.1 – Tổng mặt bằng công trình thủy điện Sơn La [4]

17 Hình 3.2 – Chính diện thượng lưu công trình thủy điện Sơn La [4]

18 Hình 3.3 – Mặt cắt công trình xả lũ [4]

19 Hình 3.4 – Sơ đồ thông khí cho lỗ xả sâu theo mặt cắt

20 Hình 3.5 – Chi tiết A

21 Hình 3.6 – Sơ đồ hệ thống thông khí theo mặt bằng

22 Hình 3.7 – Thông khí riêng cho xả sâu

23 Hình 3.8 – Sơ đồ cấp khí cho bậc thụt

24 Hình 3.9 – Thượng lưu công trình khi xả lũ [4]

vượt qua cả thành trụ pin (phương án thành trụ pin thấp) [4]

26 Hình 3.11 – Khi chưa tiếp khí, Trụ Pin làm cao đến đỉnh trần trên [4]

thực [4]

28 Hình 3.13 – Hình ảnh tiêu năng sau dốc [4]

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1 Bảng 1.1 Bảng thống kê một số công trình có cột áp cao trên thế giới [6]

3 Bảng 1.3 Một số thống kê về xâm thực ở công trình tháo nước dưới sâu [8]

4 Bảng 2.1 Bảng tra hệ số sửa chữa Kd [1]

6 Bảng 3.2 Khả năng xả của các công trình [4]

7 Bảng 3.3 Các thông số chính của đập tràn [4]

8 Bảng 3.4 Các thông số chính của dốc nước [4]

9 Bảng 3.5 Trị số lưu lượng thiết kế hố xói tham khảo [4]

10 Bảng 3.6 Khả năng xả của công trình theo chế độ vận hành [4]

11 Bảng 3.7 Số liệu tính toán cho 1 cửa xả sâu [4]

12 Bảng 3.8 Bảng kết quả tính toán hệ số khí hóa tại cửa vào

13 Bảng 3.9 Bảng kết quả tính toán hệ số khí hóa tại trần buồng van

14 Bảng 3.10 Bảng kết quả tính toán hệ số khí hóa tại bậc thụt buồng van

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, chúng ta đã xây dựng hàng ngàn công trình đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất nước Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiên đại hóa nước nhà hiện nay, thủy lợi càng thể hiện vai trò to lớn của mình Nhiều dự án thủy lợi lớn nhỏ phục vụ cho mục đích phát điện, cấp nước, phòng chống thủy tai, cải tạo môi trường đang được quy hoạch, nghiên cưú, khảo sát, thiết kế và xây dựng

Do mức độ quan trọng và tính đặc thù của công trình thủy lợi, những yêu cầu về đảm bảo an toàn và kinh tế trong việc tính toán thiết kế, thi công

và quản lý khai thác chúng đặt ra ngày càng cao Những yêu cầu này càng cần phải đặc biệt quan tâm khi mà thời gian gần đây, môi trường thiên nhiên đã có nhiều biến đổi, những quy luật về mưa, gió, dòng chảy đã có những chuyển biến bất lợi hơn đối với sự làm việc của công trình

Công trình xả nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của một hệ thống thủy lợi, chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và thành rắn Sự tương tác đó đặc biệt là khi dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ gây ra những hệ quả bất lợi cho công trình như mạch động, sóng xung kích, hàm khí, khí thực , trong đó khí thực là một trong những vấn đề cần được ưu tiên xem xét do những sự cố mà nó gây ra là nghiêm trọng và ngày càng phổ biến Đáng chú ý là vấn đề tính toán khí thực các công trình tháo xả nước ở nước ta trong thời gian qua chưa được coi trọng đúng mức Trong khi đó những năm gần đây, đã ghi nhận được ngày càng nhiều các sự cố hư hỏng công trình do các nguyên nhân có liên quan đến hiện tượng khí thực như đường tràn của các công trình đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh Điều này đòi hỏi trong tính toán thiết kế cũng như thi công xây dựng các công

trình mới phải đề cập đầy đủ hơn đến vấn đề dự báo khí thực, cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật chuyên môn để phòng ngừa sự cố Ngoài ra ở các công trình đã xây dựng cũng cần phải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý khi cần thiết

Nội dung đề tài: Nghiên cứu khả năng khí thực ở các công trình tháo dưới sâu và biện pháp phòng ngừa Áp dụng tính toán thiết kế cho một công trình cụ thể là Thủy điện Sơn La Đề tài này sẽ đưa ra những đánh giá về các

vị trí có khả năng phát sinh khí thực cho cửa xả sâu và các giải pháp cải thiện tình hình khí thực cũng như phòng chống nó Đề tài này có thể sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích giúp cho kỹ sư thiết kế có cái nhìn cẩn trọng hơn về khí thực và có thể ứng dụng tính toán thiết kế cho các công trình tương tự

2 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở những nghiên cứu về khí thực cho cửa xả sâu và các biện

kiểm khí thực đặc biệt với những công trình có lưu tốc lớn như lỗ xả sâu, xả mặt và những ảnh hưởng nặng nề của nó đối với công trình Từ đó cần chú ý đến vấn đề khí thực trong các công trình xả nước để có các biện pháp hữu hiệu nhằm phòng và chống được hiện tượng này đảm bảo công trình hoạt động tăng tuổi thọ và ổn định

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên cở sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về công trình nghiên cứu

thực và khí hóa

- Tìm hiểu về quy trình vận hành hồ chứa, đặc biệt là quy trình vận hành cửa xả sâu

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với việc tính toán áp dụng cho một công trình cụ thể là cửa xả sâu của công trình thủy điện Sơn La Kiểm chứng kết quả tính toán bằng thí nghiệm mô hình từ đó đưa ra những phân tích về kết quả tính toán

4 Kết quả dự kiến đạt được

nước dưới sâu

công trình tháo nước dưới sâu

- Kiến nghị các biện pháp phòng khí thực cho công trình tháo nước dưới sâu

khả năng khí hóa, khí thực và biện pháp phòng khí thực cho cửa vào và buồng van của cửa xả sâu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính hình xây dựng các công trình đầu mối, thủy lợi, thủy điện có cột nước cao

Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng có rất nhiều các công trình thủy lợi, thủy điện có cột nước cao đã và đang được xây dựng Nếu điều kiện thủy văn, địa hình, địa chất phù hợp thì việc xây dựng công trình cột áp cao sẽ tạo ra hồ chứa nước với dung tích lớn, có khả năng tạo ra lượng điện lớn, đảm bảo yêu cầu cấp nước đa dạng cho hạ du, có khả năng điều tiết lũ tốt và

có thể thực hiện được nhiệm vụ chống lũ cho hạ du nếu có yêu cầu

Sau đây là bảng thống kê một số công tình đầu mối có cột nước cao:

Bảng 1.1 Bảng thống kê một số công trình có cột áp cao trên thế giới [6]

Chiều cao đập

Grande

Dixence Dixence, Switzerland 285 0,400 1962

Manuel M

Mauvoisin Drance de Bagnes,

Alberto Lleras Orinoco, Colombia 243 1,000 1989

Mica British Columbia,

Sayano-Shushenskaya Yenisei, Russia 242 31,300 1980

Ertan Yangtze/Yalong, China 240 5,800 1999

La Esmeralda Batá, Colombia 237 0,815 1975

Oroville Feather, Calif., U.S.A 235 4,299 1968

Luzzone Brenno di Luzzone,

Contra Verzasca, Switzerland 220 0,086 1965

Dworshak North Fork Clearwater,

Glen Canyon Colorado, Ariz., U.S 216 33,304 1964

Toktogul Naryn, Kyrgyzstan 215 19,500 1978

Daniel Johnson Manicouagan, Canada 214 141,852 1968

Altinkaya Kizil Irmak, Turkey 195 5,763 1986

New Bullards

Bar No Yuba, Calif., U.S.A 194 1,184 1968

Trong đó Đập Rogun cao nhất thế giới (335m) trên sông Vakhsh (Tajikistan) Trong thời kỳ Liên bang Xô viết, dự án đập được đề xuất từ năm

1959 Năm 1965 bắt đầu chuẩn bị kỹ thuật và xây dựng từ 1976 Lúc đập đạt chiều cao 63m thì công việc bị dang dở do Liên bang Xô viết tan vỡ và

bộ phần đã xây dựng Năm 2007, khởi động lại dự án nhưng lúc đầu chậm chạp vì nhiều khó khăn Cho đến gần đây, dự án tiến triển nhanh và dự kiến hoàn thành vào năm 2013 Nhà máy thủy điện có công suất 3600MW và Tajikistan sẽ trở thành nước có lượng điện xuất khẩu tính theo đầu người cao nhất thế giới

Bảng 1.2 Bảng thống kê một số công trình có cột áp cao ở Việt Nam [7]

Tên công

trình

Năm xây dựng

Loại đập

Chiều cao đập Hmax

max

Dung tích toàn

bộ

Dung tích hữu ích (mP

TN dòng phun phun

dòng phun

Tràn dọc có cửa van , TN bằng dòng phun

TĐ Hàm thuận

Tràn dọc có cửa van, d ốc nước + mũi phun

TĐ Đồng nai 3

Đập tràn có cửa

9260

Đập tràn + xả sâu có cửa van điều tiết, nối tiếp bằng mũi phun

Đập tràn có cửa van điều tiết, nối tiếp bằng mũi phun

Đập tràn có cửa van điều tiết, nối tiếp bằng mũi phun

Đập tràn có cửa van điều tiết, nối tiếp bằng mũi phun

1800

Ở Việt Nam công trình thủy điện Sơn La được xếp vào loại lớn nhất nước với chiều cao đập 138.1m là đập bê tông áp dụng công nghệ mới bê tông đầm lăn RCC, nhà máy thủy điện có công suất 2400MW lớn nhất Việt Nam

1.2 Các trường hợp bố trí công trình tháo nước dưới sâu

Trong đầu mối công trình thủy lợi hồ chứa nước, ngoài một số công trình như đập dâng, công trình lấy nước, công trình chuyên môn, còn phải làm các công trình để tháo nước lũ thừa không thể chứa được trong hồ Các công trình

đó có lúc đặt ở sâu để đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa khi cần thiết phải kiểm tra sửa chữa hoặc tháo bùn cát trong hồ Có công trình tháo lũ thì hồ mới làm việc được bình thường và an toàn

Công trình tháo lũ trên mặt thường đặt ở cao trình tương đối cao Do cao

của hồ chứa đến cao trình ngưỡng tràn hay ngưỡng giếng Công trình tháo lũ trên mặt bao gồm các kiểu sau đây:

Nếu hồ chứa có nhu cầu tháo cạn đến cao trình nào đó, hoặc do lòng sông hẹp các công trình xả mặt không đáp ứng đủ khả năng xả lũ, hoặc có yêu cầu

về xả cát đơn vị thiết kế thường bố trí thêm các lỗ xả sâu Các lỗ này có thể đặt ở dưới đáy đập vật liệu địa phương (cống ngầm), qua thân đập bê tông (đường ống), có thể đặt ở trong bờ (đường hầm) khi điều kiện địa hình địa chất cho phép Với loại này có thể tháo được nước trong hồ ở bất kỳ mực nước nào, thậm chí có thể tháo cạn hồ chứa Loại này không những để dùng tháo lũ mà còn tùy cao trình, vị trí và mục đích sử dụng có thể để dẫn dòng thi công lúc xây dựng, tháo bùn cát lắng đọng trong hồ chứa hoặc lấy nước tưới, phát điện Tùy theo điều kiện cụ thể mà có thể kết hợp nhiều mục đích khác nhau trong một công trình tháo nước dưới sâu

1.3 Điều kiện thủy lực của công trình xả sâu

Để thỏa mãn yêu cầu tháo nước như xả, tháo cạn hồ, đồng thời thoả mãn yêu cầu dùng nước của các ngành như dẫn nước vào nhà máy thủy điện, cung cấp nước cho nông, lâm nghiệp, dân dụng, v.v thường phải xây dựng các công trình dẫn nước và xả nước kiểu sâu Các công trình đó bao gồm đường hầm, cống ngầm, đường ống trong thân đập

Đường hầm được sử dụng trong trường hợp không có điều kiện bố trí

khăn khi đào hở, không kinh tế, v.v Trường hợp địa chất tốt, thuận tiện cho việc làm đường hầm thì cần xét tới phương án tháo hoặc dẫn nước bằng đường hầm Đối với nhà máy thủy điện ngầm thì cần phải dùng đường hầm để dẫn và tháo nước

Cống ngầm thường được bố trí dưới các đập vật liệu địa phương như đập đất, đập đá, v.v tốt nhất là được đặt trên nền đá Chiều dài cống ngầm ngắn hơn so với đường hầm Nói chung cống ngầm tháo lũ ít được dùng hơn

Đường ống trong thân đập: Loại này được bố trí trong thân đập bê tông

hoặc bê tông cốt thép, có đặc điểm là kết cấu đơn giản, thi công tiện lợi, cho nên thường được dùng nhiều

Đặc điểm làm việc:

mặt cắt ngang như nhau, lưu lượng tháo qua lỗ sâu lớn hơn rất nhiều so với tháo ở đỉnh Ngoài ra tháo nước tương đối ổn định; khi mực nước thay đổi, lưu lượng thay đổi ít, mực nước trong hồ thấp cũng có thể tháo được lưu lượng tương đối lớn

và các bộ phận khác

cửa van đều rất lớn Như vậy trọng lượng của các thiết bị đóng càng lớn

nếu dòng chảy mang nhiều bùn cát thì khi tháo lũ hoặc tháo bùn cát thì cũng

có thể gây nên bào mòn lớp lót của đường ống

Tất cả các hiện tượng không lợi về phương diện thủy lực trên đây, lúc thiết kế cần phải xét đến và có các biện pháp khắc phục như cửa vào có phân thành nhiều cửa nhỏ để giảm áp lực đóng mở cửa van, đồng thời thuận tiện cho việc điều tiết lưu lượng; cửa vào, đoạn thu hẹp hoặc mở rộng, đoạn ống cong cố gắng thiết kế để dòng chảy vào hoặc chảy qua đều được thuận, tránh gây áp lực chân không quá lớn Tại những nơi đó và xung quanh cửa van cần gia cố để chống tác dụng mài mòn và khí thực, v.v

1.4 Những hư hỏng thường gặp ở các công trình tháo nước dưới sâu

Đặc điểm chung của các công trình tháo nước dưới sâu là khó kiểm tra trong quá trình vận hành, và sự hư hỏng của nó rất khó cho công tác sửa chữa,

dễ gây tác hại liên hoàn đến các công trình cận kề Cụ thể với từng loại công trình xả sâu khi thiết kế cần chú ý những hư hỏng thường gặp như sau để đề phòng và có các biện pháp kỹ thuật để khống chế:

thực phía sau buồng van, cửa vào, đầu các mố phân dòng phía trong buồng van, tại các mấu gồ ghề bề mặt buồng van và cửa van, tại các vị trí khe và bậc thụt Cửa van vận hành đễ bị rung động, dễ xuất hiện lún không đều giữa các đoạn ống cống nếu không được đặt trên nền đá

thực gàn giống như cửa vào cống ngầm, cửa van dễ bị rung động, thân ống xuyên qua thân đập nên xung quanh ống có sự phân bố lại ứng suất và sinh ra hiện tượng tập trung ứng suất, đồng thời trong ống còn chịu áp lực nước, áp lực đó thường là trọng tải chủ yếu của đường ống, đặc biệt có lúc cột nước lớn Vì thế xung quanh đường ống thường dùng lớp lót bằng các tấm thép cố kết chặt chẽ với bê tông hoặc xung quanh ống có bố trí cốt thép

ống dẫn nước Ngoài ra do đặc điểm hầm thường dài, đi ngầm trong lòng đất hoặc đá nên công tác thi công và kiểm soát khó khăn, nếu công tác khảo sát địa chất không có độ chính xác cao, công tác tính toán ứng suất và gia cố tạm không được chú ý thì rất dễ có nguy cơ sụt hầm, thấm mất nước

Tổng quát lại thì hiện tượng xâm thực là hiện thượng thường hay gặp nhất

và thường là nguyên nhân chính dẫn đến sự vận hành không an toàn của công trình, sự hư hỏng do tác động của khí thực tạo ra gây tổn thất lớn về kinh tế và khó khăn cho công tác sửa chữa và khôi phục

Bảng 1.3: Một số thống kê về xâm thực ở công trình tháo nước dưới sâu [8]

Tên công

trình

Năm hoàn thành

Vị trí xây dựng

Bộ phận hư hỏng

Cửa vào cống lấy nước

Khí thực

Hình 1.1 - Công trình Glen Canyon (Arizona) - sự cố sụt ở hầm xả lũ

do xâm thực [8]

Hình 1.2 - Công trình Lucky Peak (Idaho) – do hiện tượng xâm thực

làm bong tróc hết bề mặt ngưỡng vào cửa xả sâu [8]

Hình 1.3 - Công trình Terzaghi (British Columbia) – do hiện tượng xâm thực làm bong tróc hết bề mặt bê tông xung quanh cửa van phẳng

phía hạ lưu của lỗ xả sâu [8]

Hình 1.4 - Công trình Keenleyside (British Columbia) – do hiện tượng xâm thực làm bong tróc hết bề mặt bê tông, chỗ ngưỡng vào đáy còn bị

thủng, chỗ sâu nhất tới 9 in (≈23cm) [8]

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

Như trên đã nêu, sự cố ở các công trình xả sâu thường rất khó kiểm soát và khó sửa chữa Vì vậy nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế là phải đưa ra các giải pháp

kỹ thuật để đảm bảo công trình vận hành an toàn lâu dài, trong những vấn đề cần chú ý nhất đó là vấn đề khí thực, nó là tác nhân chính gây ra sự làm việc mất an toàn của công trình xả sâu Trong phạm vi luận văn, tác giả muốn đi sâu vào nghiên cứu đánh giá về khí thực ở những công trình xả sâu, tính toán

áp dụng cho một công trình cụ thể là cửa xả sâu của công trình Thủy điện Sơn

La – công trình thủy điện lớn nhất của nước ta

1.6 Kết luận chương 1

Việc thiết kế công trình xả sâu trong hạng mục công trình đầu mối có tác dụng rất tốt cho vấn đề vận hành hồ chứa được linh hoạt: có thể kết hợp nhiệm vụ hoặc làm việc độc lập theo từng nhiệm vụ: Xả bùn cát, xả lũ, cấp nước cho hạ du, dẫn nước vào nhà máy Bên cạnh ưu điểm đó thì nhược điểm đáng lo ngại với cửa xả sâu là hiện tượng khí thực Tác hại của hiện tượng này gây nên những hư hỏng nặng nề khó khăn cho công tác sửa chữa

và tổn thất lớn về kinh tế Các kỹ sư thiết kế cần có cái nhìn cẩn trọng hơn về khí thực và trong công tác thiết kế cần phải chú ý: những vị trí dễ xuất hiện

khí thực, bố trí đường biên hợp lý, thay đổi loại vật liệu, hoặc đưa hình thức tiếp khí để phá chân không (nếu có) để đảm bảo công trình vận hành ổn định

và lâu dài

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ KIỂM TRA KHÍ THỰC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH

THÁO NƯỚC DƯỚI SÂU VÀ CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC

2.1 Khí hóa ở các bộ phận công trình tháo nước dưới sâu

2.1.1 Khái niệm khí hóa và phương pháp kiểm tra

hóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt li ti chứa đầy khí và hơi của

chất lỏng đang xét (ở đây là nước) Khi khí hóa tiếp tục phát triển, các bọt khí

hơi hình thành tập trung trong một phạm vi nhất định gọi là đuốc khí

Như vậy điều kiện để có khí hóa trong chất lỏng là:

p ≤ pR pg R ;

hoặc:

H ≤ HR pg R ;

trong đó: p - áp suất tuyệt đối tại điểm đang xét, p= γ.H;

pR pg R - áp suất tuyệt đối giới hạn phát sinh khí hóa, pR pg R = γ.HR pg R;

H - cột nước áp suất toàn phần tại điểm xét;

H = Ha + hd

Ha - cột nước áp suất khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm xét

Hd - cột nước áp suất dư;

HR pg R- cột nước áp suất tuyệt đối giới hạn khí hóa, phụ thuộc vào nhiệt

độ

Phương pháp kiểm tra: Sử dụng hệ số khí hóa để kiểm tra điều kiện khí

hóa:

Hệ số khí hóa là đại lượng dùng để đánh giá khả năng phát sinh khí hóa tại

một bộ phận (vật chảy bao) nào đó trên thành lòng dẫn:

K - hệ số khí hóa, phụ thuộc vào dòng chảy;

HR ĐT R - cột nước áp suất toàn phần đặc trưng của dòng chảy bao quanh bộ phận đang xét;

VR ĐT R - lưu tốc trung bình thời gian đặc trưng của dùng chảy tại bộ phận đang xét;

g - gia tốc trọng trường

Điều kiện khí hóa của dòng chảy bao quanh một vật sẽ là:

Trong đó: KR pg R là hệ số khí hóa phân giới, đặc trưng cho vật chảy bao KR pg R

chính là trị số của K trong trường hợp bọt khí bắt đầu hình thành Trị số của

sát bằng mắt hay thiết bị đo

Các giai đoạn khí hóa được chia thành 3 giai đoạn và được đặc trưng bằng

hệ số β:

(2-3) Trong đó:

0,8 < β ≤ 1 : giai đoạn bắt đầu khí hoá

0,1 < β ≤ 0,8 : giai đoạn khí hoá mạnh

β ≤ 0,1 : giai đoạn siêu khí hoá

2.1.2 Kiểm tra khí hóa tại các bộ phận công trình tháo nước dưới sâu

2.1.2.1 Tổng quát

Mục đích của việc kiểm tra khí hóa để đảm bảo công trình làm việc trong điều kiện không có khí hóa, hoặc có khí hóa nhưng khống chế mức độ phát triển không đủ để gây nên khí thực nguy hiểm Việc kiểm tra cần tiến hành

β =

pg

K K

với các chế độ làm việc khác nhau của cửa van vận hành, tại các vị trí dễ có khả năng phát sinh khí hóa, tùy theo thiết kế của từng công trình xả sâu mà

có thể có các vị trí nguy hiểm cần phải kiểm tra như sau:

hẹp của mặt cắt ống so với mặt cắt thựợng lưu, ngoài ra mạch động áp lực có thể làm xuất hiện các đỉnh âm tức thời cũng dẫn đến phát sinh khí hóa trong những khoảng thời gian nhất định

- Các gồ ghề cục bộ trên bề mặt lòng dẫn: Trong quá trình thi công hay sửa chữa, không tránh khỏi hình thành các mấu gồ ghề ngẫu nhiên mà độ thô của chúng phụ thuộc vào kỹ thuật thi công (ván khuôn, các chỗ nối ván, các đầu cốt thép nhô ra ) Khi dòng chảy bao quanh các mấu gồ ghề như vậy, có thể làm phát sinh khí hóa và khí thực

Buồng van là bộ phận của công trình xả trong đó có đặt các khe van tạo ra

sự biến dạng đột ngột dòng chảy khi điều chỉnh lưu lựơng bằng cửa van, trên buồng van cần chú ý kiểm tra khí hóa các vị trí sau:

+ Các mố gồ ghề bề mặt buồng van;

+ Các khe, cửa vào giếng van, bậc thụt ở đáy khi mở van hoàn toàn; + Khi cửa van mở 1 phần kiểm tra khả năng khí hóa ở các khe và ngay trên chính cửa van;

+ Khí hóa tại đầu trụ pin trong buồng van;

+ Xác định sự bắt đầu khí hóa khi nước chảy qua các thiết bị chống rò

2.1.2.2.Kiểm tra khí hóa tại cửa vào

Trị số của hệ số khí hóa phân giới của các cửa vào không tách dòng có thể xác định như sau:

ax

K =C (2-4) Với C pmax =C pmax + φ δ p (2-5)

Ở đâyC pmaxlà hệ số giảm áp lực lớn nhất cửa vào, trị số tức thời, C pmax là trị

số trung bình thời gian, trị số C pmax được xác định cho các cửa van vào dạng tròn và elíp trong các thí nghiệm của tác giả khác nhau (Tríchvasvili, Orlôva

và Rôzanốp, Đubintrich, Borđanốp…) xem hình 2.1, 2.2

khi thiết kế cửa vào theo điều kiện không cho phép phát sinh khí thực có thể lấy φ =4

Nghiên cứu thực nghiệm cũng đã chỉ ra rằng trong các cửa van elíp thì loại

có độ thoải Ks= 3 là ưu việt nhất về mặt phòng khí thực

Hình 2.3 - Trị số δR P Rcủa cửa vào Hình 2.4 - Trị số δR P Rc ủa cửa vào

có cung là ¼ đường tròn [1] elip chỉ mở rộng về phía trên [1]

2.1.2.3 Kiểm tra khí hóa tại buồng van

a) Kiểm tra khả năng khí hóa khi mở van hoàn toàn

Với mặt trước của khe (I):

K : theo bảng 2-4 trang 35[ ]1 - Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số K pg tương ứng

d

(hình 2.5, dạng a) Với dạng này, trị số phụ thuộc vào d/w:

Bảng 2.1 Bảng tra hệ số sửa chữa Kd [1]

Hình 2.5 - Xác định hệ số khí hóa phân giới K pg của các khe van khi mở

van hoàn toàn (đối với 1,0≤w/h≤3,0) [1]

Các ký hiệu xem hình (2.5)

Với các điều kiện trên hình 2.5, VDT cần lấy là trị số lưu tốc bình quân tại mặt cắt có khe van, còn HDTlấy áp lực tuyệt đối bình quân cũng ở mặt cắt này, chiều dày lớp biên xác định theo chỉ dẫn đã nêu trên

b) Kiểm tra điều kiện khí hóa khi mở van từng phần

Trong trường hợp này, khí hóa có thể phát sinh từ hai nguồn:

và miền xoáy và tác dụng rất mạnh lên tường bên của đường dẫn sau van, có thể gây lên xâm thực tường

Hệ số khí hóa phân giới đối với nguồn này ít, phụ thuộc vào các phần

cố định và chỉ xác định bởi dạng và kết cấu van ( Hình 2.6) Áp lực đặc trưng trong trường hợp này là áp lực trên đường dẫn ở gần mặt hạ lưu van ( ở vị trí mặt cắt thu hẹp) : lưu tốc đặc trưng là lưu tốc gần mắt cắt thu hẹp Có thể lấy gần đúng:

v DT =v C =0, 95 2gH p

(2-9)

Trị số H p phụ thuộc vào độ mở và xác định bằng tính toán thủy lực

vào độ mở cửa van tương đối Ngoài ra trong phạm vi 0,1≤a/h ≤ 0,9, quan hệ này là tuyến tính

và độ mở cửa van là tuyến tính khi độ choán của khe van là lớn (> 75%) Ở

đây độ choán là tỷ lệ giữa diện tích hình chiếu lên mặt phẳng nằm ngang của kết cấu van nằm trong phạm vi khe và diện tích mặt cắt ngang khe w.h Khi

van

hợp kín nước phía hạ lưu và độ choán lớn

Hình 2.6 – Hệ số khí hóa phân giới đối với 1 số dạng van mở từng phần [1]

Khi điều kiện K> K pgvới van mở một phần không thỏa mãn thì cần phải áp dụng các biện pháp chuyên môn để bảo vệ thành đường dẫn nước khỏi bị xâm thực

một phần, nó có thể xảy ra trên toàn mặt cắt cửa nơi tạo ra vùng chảy tách dòng Tuy nhiên, điều kiện phát sinh khí hóa trong các phần khác nhau của

vũng cũng không giống nhau Chúng xác định đầu tiên bởi sự lùi xa của phần khe van đang xét so với bộ phận động của cửa van

Khi cháy có áp sau van hoặc khi chảy ngập không áp thì khí hóa dòng chảy ở khe van và bậc thụt ở gần bộ phận động của van phát sinh sơm hơn so với khi mở cửa van hoàn toàn do:

- Thu hẹp dòng chảy làm triệt tiêu chiều dày lớp biên ở trước các bộ phận vừa nêu của buồng van

khe và thu hẹp vùng tách dòng sau khe hay bậc thụt

Do những nguyên nhân này mà hình dạng mặt sau của khe van phẳng khi kín nứơc phía sau thực tế không có ý nghĩa trong việc xác định điều kiện khí hóa khi mở van từng phần

Để tính tóan thực tế khi van kín nước phía sau có thể trị số K pgđối với khe van phẳng gần bộ phận động trong phạm vi 1,6 ≤K pg≤ 2,2 tức trị số K pgcho cửa van nói chung

2.2 Khí thực ở công trình tháo nước dưới sâu

sẽ kích thích quá trình mỏi của vật liệu)

Một trong những điều kiện làm việc an toàn của các công trình xả nước là tránh để sinh ra khí hóa dòng chảy trên các bộ phận của nó với các trường hợp làm việc khác nhau Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo của các bộ phận công trình, nhiều khi điều này không thể thực hiện được, chẳng hạn ở các mố tiêu năng, buồng van của đường xả dưới sâu Cũng có trường hợp có thể thay đổi

hình hạng chảy bao của các bộ phận công trình để loại trừ khí hóa dòng chảy, nhưng khi đó khối lượng công trình lại tăng lên đáng kể Vì vậy trong một số trường hợp có thể chấp nhận phát sinh khí hóa trong một phạm vi cho phép và chứng minh được rằng giải pháp lựa chọn là kinh tế nhất

Phạm vi cho phép ở đây là khí thực không được gây ra sự cố cho công trình, đồng thời khu vực xâm thực có thể được kiểm tra và sửa chữa định kỳ sau một thời gian khai thác nhất định.`

Cã rÊt nhiÒu bät khÝ xuÊt hiÖn

a) Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực

điều kiện để không xảy ra khí thực:

Trong đó:

VR y R: Là lưu tốc cục bộ của dòng chảy tại bộ phận đang xét

VR ng R: Lưu tốc ngưỡng xâm thực: là giới hạn mà lưu tốc vật liệu có thể chịu được để không bị xâm thực cả khi dòng chảy bị khí hóa Vật liệu càng bền về khả năng chống xâm thực thì trị số VR ng R càng cao VR ng R: xác định theo hình 2.8Trong hình 2.8:

Rb: Cường độ vật liệu thành lòng dẫn

S: Hệ số hàm khí trong nước