“Tính toán và tối ưu hóa kết cấu đập tràn phím PianoÁp dụng cho công trình thủy điện Đăk Mi 2”

Để cải thiện khả năng tháo lũ của đập tự tràn, có hàng chục đập tràn hiện nay đã được thiết kế theo kiểu tường đứng trên một đáy phẳng với sơ đồ răng cưa mỏ vịt có chiều dài đường tràn

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 1 - PECC1, cùng các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành

Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Tính toán và tối ưu hóa kết cấu đập tràn

phím Piano- Áp dụng cho công trình thủy điện Đăk Mi 2” đã được hoàn thành

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp

đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả cũng xin được cảm ơn chân thành tập thể cán bộ, lãnh đạo Đoàn TKTĐ Sơn La, Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 1 đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Ngọc Thắng, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN XẢ LŨ 9

1.1 Các loại đập tràn áp dụng cho công trình dâng nước 9

1.1.1 Khái ni ệm [2], [3] 9

1.1.2 Phân loại [1], [2], [3] 10

1.1.3 Tình hình xây dựng đập dâng tràn trên thế giới và ở Việt Nam 15

1.2 Các kết quả nghiên cứu về lưu lượng qua tuyến tràn có hình dạng khác nhau 16

1.2.1 Ngưỡng tràn thực dụng kiểu Creager-Ophixerop 17

1.2.2 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu truyền thống (Traditional labyrinth weir) 19

1.2.3 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu phím Piano (Piano Keys Weir) 27

1.3 Áp dụng tràn Piano cho công trình thủy điện Đăk Mi 2 39

1.3.1 Mục đích 39

1.3.2 Quy mô và loại tràn Piano 40

CHƯƠNG 2 41

PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP TRÀN PIANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 41

2.1 Các phương pháp giải bài toán cơ vật rắn biến dạng, bài toán đàn hồi [6], [7] 41

2.1.1 Phương pháp chính xác (hay phương pháp tích phân trực tiếp) 42

2.1.2 Các phương pháp gần đúng(Các phương pháp biến phân) 42

2.1.3 Phương pháp sai phân hữu hạn 43

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn [6], [7], [13] 43

2.2.1 Khái niệm và nội dung của phương pháp 43

2.2.2 Trình tự phân tích bài toán theo PP PTHH 44

2.2.3 Tính kết cấu theo mô hình tương thích 46

2.2.4 Giải hệ phương trình cơ bản 52

2.3 Phần tử bậc cao và phần tử đẳng tham số [6], [7], [12], [13] 53

2.3.1 Toạ độ tự nhiên của phần tử ba chiều 53

2.3.2 Phần tử cạnh cong Phần tử đẳng tham số 56

2.3.3 Phần tử hữu hạn ba chiều trong bài toán không gian 56

2.4 Lựa chọn phương pháp và công cụ tính toán 63

CHƯƠNG 3 65

ÁP DỤNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN PHÍM ĐÀN PIANO CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐĂK MI 2 65

3.1 Giới thiệu về công trình [5] 65

3.1.1 Vị trí dự án 65

3.1.2 Nhiệm vụ của dự án 65

3.2 Các giải pháp công trình và kết cấu chính [5] 67

3.2.1 Cấp công trình và tiêu chuẩn thiết kế chủ yếu 67

3.2.2 Tuyến đấu mối 67

3.2.3 Tuyến năng lượng 69

3.2.4 Các hạng mục công trình phụ trợ và đồng bộ 70

3.3 Các thông số cơ bản của công trình thủy điện Đăk Mi 2 giai đoạn TKKT 70

3.4 Số liệu tính toán 73

3.4.1 Các tiêu chuẩn và quy phạm áp dụng (Bảng 3.2) 73

3.4.2 Tính chất vật liệu 73

3.4.3 Các số liệu về đập tràn 74

3.5 Phân tích kết cấu đập tràn 75

3.5.1 Trường hợp tính toán 75

3.5.2 Sơ đồ lực tác dụng 75

3.5.3 Mô hình tính toán 76

3.6 Kết quả tính toán 77

3.6.1 Kết quả tính với H=6m 77

3.6.2 Kết quả tính với H=6.75m 88

3.6.3 Kết quả tính với H=7.5m 99

3.7 Nhận xét kết quả tính toán và lựa chọn chiều cao console thượng lưu 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-2: Mặt cắt của tràn thực dụng 10

Hình 1-3: Mặt cắt của tràn đỉnh rộng 11

Hình 1-4: Các hình dạng cửa tràn 11

Hình 1-6: Một số dạng đập gỗ 12

Hình 1-7: Một số dạng đập đá tràn nước 13

Hình 1-8: Đập dâng phân theo vật liệu làm đập 13

Hình 1-9: Đập cao su 14

Hình 1-10: Một số loại đập trọng lực cải tiến 14

Hình 1-11: Sơ đồ đập vòm 14

Hình 1-12: Các dạng đập chắn nước 15

Hình 1-12a: Các dạng mặt cắt đập trụ chống tràn nước 15

Hình 1-13: Một số dạng mặt cắt đập tràn 17

Hình 1-14: Tràn zíc zắc - Mỹ (nhìn từ hạ lưu) 19

Hình 1-15: Cấu tạo tràn labyrinth 20

Hình 1-16: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt 21

Hình 1-17: Các dạng đỉnh tràn 22

Hình 1-18: Mô hình tràn Sông Móng 25

Hình 1-19: Mô hình 1/2 tr àn Phước Hòa (nhìn từ thượng lưu) 25

Hình 1-20: Đập tràn phím Piano Ghrib ở Algeria 27

Hình 1-21: Đập tràn phím Piano Goulou ở Pháp 27

Hình 1-22: Mô hình đập tràn phím Piano Văn Phong ở Việt Nam 28

Hình 1-23: Mặt bằng, cắt ngang tràn PK-A 29

Hình 1-24: Mặt bằng, cắt ngang tràn PK-B 30

Hình 1-25: Đồ thị so sánh khả năng xả của đập tràn kiểu Creager và kiểu PKA với H=4m [16] 31

Hình 1-26: Thay thế ngưỡng tràn kiểu Creager bằng ngưỡng tràn kiểu PKA với H=4m [16] 31

Hình 1-27: Thí nghiệm dòng chảy qua tràn phím đàn 31

Hình 1-28: Các đặc trưng hình học của một đơn vị tràn phím đàn 33

Hình 1-29: Mặt bằng một phân đoạn tràn phím đàn 33

Hình 1-30: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ W/H [17] 34

Hình 1-31: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ L/W [17] 34

Hình 1-32: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ b/a [17] 35

Hình 1-33: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ d/c [17] 36

Hình 1-34: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào hình dạng cửa vào dưới công xôn [17] 36

Hình 1-35: Vận hành của PKW với sự tắc nghẽn của vật nổi [17] 37

Hình 1-36: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào sự có mặt của vật nổi [17] 37

Hình 1-37: Các dạng mặt cắt thay thế 38

Hình 1-38: Thi công tràn phím đàn- ống dẫn khí đặt dưới console hạ lưu 39

Hình 1-39: Mô hình thí nghiệm mặt cắt tràn loại PKB, ô ra có dạng bậc thang áp dụng tại Thủy điện Đăk Mi2 - Quảng Nam 40

Hình 2-1: Sơ đồ phương pháp giải 41

Hình 2-2: Hình dạng phần tử 44

Hình 2-3: Sơ đồ khối lập và giải bài toán theo phương pháp PTHH 51

Hình 2-4: Xử lý điều kiện biên 53

Hình 2-5: Hệ tọa độ tự nhiên phần tử tứ diện 54

Hình 2-6: Hệ tọa độ tự nhiên phần tử lục diện 55

Hình 2-7: Phần tử cạnh cong, đẳng tham số 3 chiều 56

Hình 2-8: Phần tử lục diện 8 điểm nút 58

Hình 2-9: Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút 58

Hình 2-10: Phần tử chuẩn khối lập phương 59

Hình 2-11: Phần tử lục diện bậc cao 32 điểm nút 62

Hình 3-1: Vị trí dự án thủy điện Đăk mi 2 66

Hình 3-2: Mặt cắt dọc tuyến đập 67

Hình 3-3: Mặt cắt ngang đập tràn Piano 74

Hình 3-4: Mặt cắt dọc tràn Piano 75

Hình 3-5: Sơ đồ lực tác dụng 76

Hình 3-6: Sơ đồ hình học phần tử solid 186 76

Hình 3-7: Sơ đồ ứng suất phần tử solid 186 77

Hình 3-9: Chuyển vị u x (m) 78

Hình 3-10: Chuyển vị u y (m) 78

Hình 3-11: Ứng suất σx (T/m2) 79

Hình 3-12: Ứng suất σy (T/m2) 79

Hình 3-13: Chuyển vị u x (m) 80

Hình 3-14: Chuyển vị u y (m) 80

Hình 3-15: Ứng suất σx (T/m2) 81

Hình 3-16: Ứng suất σy (T/m2) 81

Hình 3-17: Chuyển vị u x (m) 82

Hình 3-18: Chuyển vị u y (m) 82

Hình 3-19: Chuyển vị u z (m) 83

Hình 3-20: Ứng suất σx (T/m2) 83

Hình 3-21: Ứng suất σy (T/m2) 84

Hình 3-22: Ứng suất σz (T/m2) 84

Hình 3-23: Ứng suất σ1 (T/m2) 85

Hình 3-24: Ứng suất σ2 (T/m2) 85

Hình 3-25: Ứng suất σ3 (T/m2) 86

Hình 3-26: Chuyển vị u x (m) 86

Hình 3-27: Chuyển vị u y (m) 87

Hình 3-28: Ứng suất σx (T/m2) 87

Hình 3-29: Ứng suất σy (T/m2) 88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông số cơ bản một số đập tràn labyrinth đã xây dựng trên thế giới.[15] 23 Bảng 3.1: Các thông số cơ bản phương án chọn TĐ Đăk Mi 2 70

Bảng 3.2: Các tiêu chuẩn và quy phạm áp dụng 73

Bảng 3.3: Chỉ tiêu cơ lý của bê tông 73

Bảng 3.4: Chỉ tiêu cơ lý của đá nền 74

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình phát triển kinh tế, các công trình xây dựng mọc lên ngày càng nhiều, trong đó bao gồm các công trình thủy lợi nhằm điều tiết dòng chảy tạo thuận lợi cho công việc sản xuất và đáp ứng nhu cầu cấp nước cho các hộ dùng nước, cũng như các công trình thủy điện nhằm phục vụ nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của các ngành sản xuất, dịch vụ và phục vụ đời sống nhân dân

Khi xây dựng đầu mối công trình hồ chứa nước, ngoài đập, công trình lấy nước

và một số công trình phục vụ cho mục đích chuyên môn, cần phải xây dựng công trình để tháo một phần lượng nước thừa hoặc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa để kiểm tra sửa chữa đảm bảo hồ chứa làm việc bình thường và an toàn Đập tràn là một phần công trình không thể thiếu khi xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

Hầu hết những đập tự tràn lòng sông hiện nay, thuộc hệ thống công trình đầu

mối thủy lợi, thủy điện, thường có dạng đập tràn thực dụng Creager hoặc dạng Creager-Ophixerov Vì vậy để tăng khả năng tháo nước lũ qua đập tràn người ta dùng đập tràn có cửa van để hạ thấp cao trình ngưỡng tràn xuống (hay tăng chiều cao lớp nước tràn) để chủ động điều tiết lượng nước xả Tuy đập tràn có cửa van có

khả năng tháo lớn hơn nhưng nó cũng làm cho tổn thất lượng nước hồ nhiều hơn,

vận hành phức tạp và ít an tòan hơn (kẹt cửa van) so với đập tự tràn

Để cải thiện khả năng tháo lũ của đập tự tràn, có hàng chục đập tràn hiện nay

đã được thiết kế theo kiểu tường đứng trên một đáy phẳng với sơ đồ răng cưa (mỏ vịt) có chiều dài đường tràn dài hơn nhiều bề rộng của đập tràn (thường gấp

4 lần) Kiểu thiết kế này thường tăng gấp đôi lưu lượng so với kiểu đập tràn thực dụng Creager Tuy nhiên, các lọai đập tràn mỏ vịt, do đặc điểm về hình

dạng tường tràn đặt trên bệ móng phẳng, không thể áp dụng trên đỉnh của

mặt cắt đập bê tông trọng lực thông thường Vì thế kiểu thiết kế này chỉ áp

dụng để nâng cao khả năng tháo lũ cho một số ít đập tràn có những điều kiện thích hợp nhất định và thực tế chỉ chiếm một phần ngàn của những đập lớn

Chính những hạn chế của các đập tràn truyền thống, đập tràn có cửa van cũng như đập tràn răng cưa đã đặt ra vấn đề cho nhóm của ông F Lempérière (Hydrocoop-France) nghiên cứu tìm ra kiểu đập tràn mới có lưu lượng tràn lớn, dễ xây dựng, có hình dạng giống như bàn phím đàn Piano gọi là đập tràn phím Piano

Từ những vấn đề trên để đảm bảo điều kiện kỹ thuật cũng như đảm bảo tính hiệu quả của đập tràn phím Piano và tiết kiệm tối đa chi phí trong quá trình xây dựng Chúng ta cần nghiên cứu, tính toán và tối ưu hóa kết cấu của đập tràn phím Piano từ đấy chúng ta có cơ sở lựa chọn kích thước cũng như bố trí cốt thép cho tràn

II Mục đích của Đề tài

Trên cơ sở nghiên cứu về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), áp dụng để tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn phím Piano, từ đó lựa chọn được chiều cao hợp lý của console thượng lưu đảm bảo điều kiện làm việc của tràn

và áp dụng cho công trình Thuỷ điện Đăk Mi 2

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu :

Nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của đập tràn phím piano

Phương pháp nghiên cứu :

- Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về công trình nghiên cứu

- Kết hợp lý thuyết với phương pháp tính toán hiện đại - phương pháp PTHH, lựa chọn phần mềm phù hợp để áp dụng tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN XẢ LŨ

1.1 Các loại đập tràn áp dụng cho công trình dâng nước

1.1.1 Khái ni ệm [2], [3]

Vật kiến trúc ngă n một dòng không áp làm cho dòng đó chảy tràn qua đỉnh gọi

là đập tràn Đập tràn là một trong những bộ phận chủ yếu của nhiều công trình thủy lợi : phần tràn nước tháo lũ của hồ chứa , đập ngăn sông dâng nước , một số

loại cống …

Đập dâng tràn: là một hạng mục trong hệ thống đầu mối công trình , chắn ngang sông vừa có tác dụng chắn nước vừa cho nước tràn qua để khai thác dòng chảy tự nhiên (lưu lượng cơ bản) và nguồn nước điều tiết từ hồ chứa thượng lưu (nếu có) Đập dâng tràn được xây dựng khi:

- Có nhu cầu nâng cao mực nước

Qđi >Qyci

Qđi: Lưu lượng nước đến từng tháng trong năm

Qyci: lưu lượng nước cần từng tháng trong năm

- Khi địa hình không cho phép xây dựng hồ chứa do không tạo được bụng hồ Đập dâng tràn là biện pháp công trình để dâng cao mực nước trong sông suối phục vụ tưới tự chảy cho khu vực nhỏ lân cận mà vốn đầu tư không cao , xây dựng không phức tạp như biện pháp hồ đập

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

P: Chiều cao của đập so với đáy hạ lưu

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

hh: Chiều sâu cột nước hạ lưu

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

1.1.2 Phân loại [1], [2], [3]

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

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

a Đập tràn thành mỏng (hình 1-1)

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

dụng có cửa van điều tiết lưu lượng

c Đập tràn đỉnh rộng (hình 1-3)

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

Nhưng nếu chiều dày đỉnh đập quá lớn δ > (8÷10)H, thì không thể coi là đập tràn nữa mà phải coi như một đoạn kênh

Hình 1-3: Mặt cắt của tràn đỉnh rộng

2) Phân loại theo hình dạng cửa tràn

3) Phân loại theo dạng tuyến đập trên mặt bằng

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

b

Hình 1-5: Các dạng tuyến đập

4) Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đối với dòng chảy

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

ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và năng lực tháo nước của đập

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

có co hẹp bên và đập có co hẹp bên

5) Phân loại theo hình thức kết cấu, vật liệu làm đập

Đối với đập dâng tràn thường được phân loại theo các hình thức sau:

a Đập gỗ tràn nước: Theo kết cấu có các loại:

- Đập cọc gỗ (hình 1-6a) : Dùng cọc gỗ kết hợp với vật liệu đất đá

- Đập cũi gỗ (hình 1-6b): Dùng cũi gỗ trong đó chứa đất, cát, đá để tạo thành đập

Vật liệu gỗ tuy sẵn có nhưng loại đập này không nên khuyến khích phát triển nhất là trong điều kiện diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp hiện nay

b Đập đá tràn nước: Sử dụng vật liệu đá kết hợp với một phần vật liệu khác

như đất, bê tông Do khối đá đổ thân đập có chuyển vị nên mặt tràn thường bị biến dạng sau mùa lũ cần phải tu sửa lại

- Đập trên nền đất (hình 1-7a): có mặt tràn nước thoải

- Đập trên nền đá (hình 1-7b): có mặt tràn dốc hơn, ở đỉnh và chân mái hạ lưu

có khối bê tông giữ ổn định, mặt tràn được xây bằng tấm bê tông hoặc đá xây

1:3

11.25 2.5

Hình 1-8: Đập dâng phân theo vật liệu làm đập

- Đập xen cốp: gồm bản mặt và các vách dọc ngang bằng đá xây phía trong chất đầy bằng vật liệu tại chỗ như: đất, cát, sỏi, đá

- Đập đá xếp bọc bê tông: phần lõi là khối đá xếp

e Đập cao su (hình 1-9)

Thân đập là một túi cao su có thể bơm căng bằng nước hay không khí để tạo thành vật chắn nước.Thành túi được gắn chặt với bản đáy bằng BTCT tiếp giáp với nền Khi tháo lũ thì xả hết nước hay không khí để túi xẹp xuống bản đáy và nước chảy tràn tự do trên đó

Hình 1-9: Đập cao su 6) Phân loại theo phương thức giữ ổn định

Theo cách thức giữ ổn định có các loại đập sau: Đập trọng lực, đập vòm, đập trụ chống

bê tông, bê tông cốt thép, đá xây, đá đổ, đá bọc bê tông (hình 1-10)

tông, bê tông cốt thép (hình 1-11)

Các mặt cắt nằm ngang đập là những vòng vòm, chân tựa vào hai bờ do vậy yêu cầu về địa chất nơi xây dựng đập phải tốt thường là đá rắn chắc

Ngoài địa chất phải tốt thì địa hình cũng ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xây dựng đập Lòng sông có mặt cắt chữ V là trường hợp địa hình lý tưởng nhất để xây dựng đập vòm

Hình 1-10: Một số loại đập trọng lực

cải tiến a) Đập trọng lực khe rỗng;

b) Đập trọng lực có lỗ khoét lớn

Hình 1-11: Sơ đồ đập vòm

- Đập trụ chống được tạo bởi các bản chắn nước nằm nghiêng và các trụ chống để đỡ bản Đập có các hình thức sau: đập chắn nước và đập tràn nước

Hình 1-12: Các dạng đập chắn nước a) Đập bản phẳng; b) Đập liên vòm; c) Đập to đầu

Hình 1-12a: Các dạng mặt cắt đập trụ chống tràn nước

1.1.3 Tình hình xây dựng đập dâng tràn trên thế giới và ở Việt Nam

Với sự phát triển của xã hội nói chung và lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói riêng,

từ buổi sơ khai khi con người biết dùng vật liệu tại chỗ như đất đá, cành cây, gỗ để chặn dòng chảy trên các sông suối để nâng cao mực nước, lấy nước vào các kênh đất tự nhiên và nhân tạo để phục vụ sản xuất và sinh hoạt, thì đập dâng đã trở thành phát minh thứ hai của nhân loại sau kênh mương Đến nay, công trình đập dâng không chỉ có nhiệm vụ dâng nước phục vụ cho một vùng diện tích nhỏ với quy mô đơn giản mà đã có những nhiệm vụ và quy mô lớn hơn với sự phát triển không ngừng về hình thức, vật liệu và thời gian thi công Đó là các công trình đập dâng trên sông lớn, đập dâng nước phục vụ tuới sau đầu mối hồ chứa, đập dâng kết hợp phát điện… Ví dụ: Ở nước ta có một số đập dâng lớn điển hình đã và đang được xây dựng như: công trình Thạch Nham- Quảng Ngãi, Đồng Cam-Phú Yên, công trình thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện Tuyên Quang, …

Trên thế giới hàng loạt đập dâng được xây dựng để phục vụ tưới và phát điện đơn cử như: Đập Tumwater Canyon (Mỹ); đập Irwell Ramsbottom, Bury ở Anh;

đập Mildura xây dựng trên sông Murray ở Mỹ…

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển đó thì các yêu cầu về mực nước, khả năng tháo lũ, vấn đề ngập lụt… làm cho các tiêu chuẩn cũ không còn đáp ứng được trong thiết kế và quản lý vận hành dẫn đến sự thay thế các tiêu chuẩn cũ bằng tiêu chuẩn mới cao hơn Bên cạnh đó, sự thay đổi khí hậu toàn cầu làm cho các con lũ đến vượt thiết kế, sự phát triển của xã hội làm cho nhu cầu dùng nước tăng lên… đã làm cho các công trình đã xây dựng không đảm bảo được an toàn trong mùa mưa lũ và giảm hiệu quả trong khai thác vận hành

Vì vậy, vấn đề nâng cấp, thiết kế công trình, tăng khả năng tháo của đập tràn

đã và đang được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng

Một số giải pháp đang được áp dụng là:

- Mở rộng khẩu diện tràn

- Thay tràn tự do bằng tràn có cửa van điều tiết

- Làm tràn sự cố

- Thay đổi hình thức ngưỡng tràn để tăng khả năng tháo

Các giải pháp trên đều có những ưu nhược điểm riêng và phải nghiên cứu để

áp dụng cho phù hợp với công trình như điều kiện tự nhiên, địa hình, địa chất, điều kiện an toàn trong quản lý vận hành, điều kiện đảm bảo hiệu quả kinh tế…

tràn mới có kiểu zíc zắc, nhằm kéo dài đường tràn nước dài hơn tràn thẳng có cùng khẩu độ, đã được nghiên cứu áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới và đem lại hiệu quả cao về mặt công trình cũng như lợi ích về kinh tế

1.2 Các kết quả nghiên cứu về lưu lượng qua tuyến tràn có hình dạng khác nhau

Để cải thiện khả năng thoát lũ của đập tự tràn, ngoài các hình thức tràn truyền thống như đập tràn đỉnh rộng, đập tràn thực dụng Creager hoặc Creager-Ophixerop…, đã có

nhiều nghiên cứu về các kiểu tràn mới (chủ yếu là kéo dài đường tràn) nhằm tăng khả năng tháo của đập tràn Tác giả xin được giới thiệu một số kiểu ngưỡng tràn sau:

1.2.1 Ngưỡng tràn thực dụng kiểu Creager-Ophixerop

Mặt cắt Creager - Ofixerov được các nhà khoa học Braxin nghiên cứu và công

bố năm 1929 và được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và công bố năm 1945

Nguyên tắc thiết kế mặt cắt đập không có chân không là làm cho mặt cắt đập ăn khớp với mặt dưới của làn nước chảy qua đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn, ứng với một cột nước Htkcho trước, gọi là cột nước thiết kế

Creager nghiên cứu đường cong nước rơi tự do từ đập tràn thành mỏng, vẽ quỹ đạo của hạt nước từ vị trí 2/3H, từ quỹ đạo đó lấy xuống một đoạn bằng 1/3 chiều dày làn nước thì được mặt dưới của làn nước tràn tự do và cho mặt đập hơi ăn lấn vào làn nước tràn tự do

Sau này, Ofixerov nghiên cứu và sửa chữa mặt cắt Creager, cải biến điều kiện thủy lực đưa ra mặt cắt gọi là kiểu mặt cắt Creager - Ofixerov (hình 1-13) và đưa ra bảng tra tọa độ của tràn ứng với cột nước Htk [1]

A

B

E R

y

x

O' O

E' F A'

E

R y

x

O' O

E' B'

y' C'

Hình 1-13: Một số dạng mặt cắt đập tràn

* Khả năng tháo của tràn có ngưỡng thực dụng Ophixerop: [1], [4]

Lưu lượng chảy qua đập tràn có ngưỡng thực dụng tính theo biểu thức:

Ho: Cột nước trên đỉnh đập có kể đến lưu tốc đến gần

Muốn tính được Q theo (1.1) cần xác định được các hệ số m, σn, ε Các hệ số này được xác định bằng công thức thực nghiệm hoặc tra bảng

Nếu trên đỉnh đập có cửa van, khi cửa mở với độ mở a nào đó, lưu lượng tháo qua đập được tính theo biểu thức:

a186,065,

và sử dụng cửa van để điều tiết lưu lượng Tuy nhiên điều này dẫn tới những ảnh hưởng đến khả năng tháo qua tràn do hình dạng cửa vào, trụ pin, khe van, khe phai,

vị trí đạt cửa van…Ngoài ra việc vận hành cửa van sẽ phức tạp và đôi khi ít an toàn

do sự cố về cửa van

1.2.2 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu truyền thống (Traditional labyrinth weir)

2 Đặc điểm cấu tạo và kích thước của tràn

Ngưỡng tràn gồm những tường bê tông cốt thép thẳng đứng, tương đối mỏng, được đặt trên sàn phẳng theo dạng răng cưa hình thang (hình1-15) Tỷ số N=L/W thường bằng 4 (L là chiều dài ngưỡng theo tuyến răng cưa và W là bề rộng khoang tràn) cho lưu lượng xả tràn lớn gấp đôi so với ngưỡng tràn thông thường kiểu

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

tăng chiều cao tường và cần diện tớch rộng cho sàn phẳng, khú bố trớ trờn đỉnh đập trọng lực

Loại đập này cú nhiều biến thỏi khỏc nhau, nhỡn chung cũng chỉ nhằm kộo dài ngưỡng tràn (hỡnh 1-15)

Tường labyrinth

Rc

S

Hỡnh 1-15: Cấu tạo tràn labyrinth

B : Chiều dài 1 cỏnh tường bờn

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

n : Số răng tràn (trong hỡnh 1-15 là 2)

Wc : Khẩu độ tràn

W : Chiều rộng chõn 1 răng tràn

2a : Bề rộng đỉnh răng tràn

α: Gúc hợp bởi tường nghiờng và phương dũng chảy

t : Chiều dày tường tràn (hỡnh 1-17)

R : Bỏn kớnh đỉnh tràn (hỡnh 1-17)

P : Chiều cao tràn (hỡnh 1-17)

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

* Cỏc kớch thước của đập labyrinth được xỏc định như sau:

2 L

Chiều dài đập theo hướng dòng chảy:

2 2

2

a.2WB

(1.8) Cột nước trên đỉnh (cột nước tràn):

g 2

V H H

2 o

α +

Hình 1-16: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt

- Loại hình thang (hình 1-16a): Hầu hết tràn labyrinth có hình dạng mặt bằng kiểu hình thang, thậm chí có tác giả còn định nghĩa “tràn labyrinth là tràn tự do có hình dạng mặt bằng là một số hình thang xếp liền kề” Kiểu hình thang khắc phục được nhược điểm của kiểu tam giác, tại vị trí góc hình tam giác thì được cắt đi (cắt tại vị trí nào xem phần sau), mục đích là cắt bỏ phần mà khả năng thoát không hiệu

- Loại hỡnh tam giỏc (hỡnh 1-16b): Cú mặt bằng hỡnh tam giỏc, loại này thường

ớt được sử dụng vỡ tại vị trớ gúc tam giỏc hiệu quả khụng cao, trong khi đú lại kộo dài phần đế múng tràn

- Kiểu chữ nhật hay phớm đàn piano (hỡnh 1-16c)

Hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất là loại tràn cú ngưỡng ẳ đường trũn Cỏc cụng thức tớnh toỏn sau này cũng chủ yếu nghiờn cứu từ dạng này

5 Đặc điểm làm việc

chảy qua đập tràn đỉnh thẳng Với tràn đỉnh thẳng, tất cả cỏc đường dũng vuụng gúc với với đỉnh tràn và là dũng chảy 2 chiều Với tràn labyrinth được đặt khụng vuụng

Hướng dòng chảy

R

góc với dòng chảy, các đường dòng là dòng 3 chiều Phía dưới lớp nước dòng chảy vuông góc với ngưỡng, tại mặt thoáng các đường dòng hướng theo chiều chảy hạ lưu

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

6 Ứng dụng tràn labyrinth trên thế giới và ở Việt Nam

Tràn labyrinth được xây dựng trên khắp thế giới, nước ứng dụng loại tràn này nhiều nhất là Mỹ và Bồ Đào Nha Tràn có lưu lượng thoát lớn nhất hiện nay là tràn Ute thuộc Mỹ Bảng 1-1 thống kê một số đập tràn labyrinth đã được xây dựng trên thế giới

Bảng 1.1: Thông số cơ bản một số đập tràn labyrinth đã xây dựng trên thế giới.[15]

Tên đập Nước Năm

xd

Q m3/s

Agua Brance Poutugal 124 1.65 3.5 12.5 28.0 2 Quintel et

Ferry USA 1983 5920 2.19 3.43 18.3 70.3 20 MayerBelia Zaire 400 2.00 3/2 18.0 31.0 2 MagallaesBeni Bahdel Algeria 1944 1000 0.5 4 62.5 20 AfsharBoardman USA 1978 387 1.77 2.76 18.3 53.5 2 Babb

Carty USA 1977 387 1.8 2.8/4.3 18.3 54.6 2 AfsharCimia Italy 1982 1100 1.5 15.5 30.0 87.5 4 Lux/Hinch

lif

Ohau Canal New

Zealand 1980 540 1.08 2.50 6.25 37.5 12 WalshPacoti Brazil 1980 3400 2.72 4.0 8.0 41.52 15 MagalhaesQuincy USA 1973 26.5 2.13 3.96 13.6 26.5 4 MagalhaesRistschard USA 1555 2.74 3.05 83.8 411 9 Vermeyen

SDomings Poutugal 1993 160 1.84 3.0 7.5 22.53 2 MagalhaesSanta Justa Poutugal 285 1.35 3.00 10.5 67.4 2 Lux

Sarno Algeria 1952 360 1.5 6.0 27.9 8 Afshar

0 5.79 9.14 18.3 73.7 14 Lux Woronora Australia 1941 1020 1.36 2.13 13.41 31.23 11 Afshar

Flamingo USA 1990 1591 2.23 7.32 95.1 67.4 4 LasVegas,

nv Twin Lake USA 1989 570 2.74 3.35 8.31 34.05 4 Buffalo,

WY

Ở Việt Nam, đập tràn labyrinth bước đầu đang được nghiên cứu và áp dụng ở một số công trình như: Tràn xả lũ Sông Móng - Bình Thuận (hình 1-18), Tràn xả lũ Phước Hòa -Bình Phước (hình 1-19), tràn xả lũ Tuyền Lâm (Lâm Đồng)… Một số thông số cơ bản của tràn như sau:

Hòa (nhìn từ thượng lưu)

* Tràn xả lũ Phước Hòa (Bình Phước):

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

- Hình dạng ngưỡng tràn: Cần có chiều cao ngưỡng tràn đảm bảo sao cho H/P<0,9, do vậy thay thế tràn cũ có chiều cao ngưỡng, như là: tràn thực dụng, hình thang hoặc thành mỏng là thích hợp nhất

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

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

- Địa hình: Đối với tràn labyrinth, khẩu diện tràn nếu bằng khẩu diện tràn cũ khả năng tháo có thể lớn hơn từ 2 đến 5 lần tràn thẳng, do vậy không cần phải mở rộng mà vẫn có khả năng tháo với lưu lượng lớn hơn Như vậy thích hợp loại tràn khó mở rộng, địa hình sườn dốc đứng chẳng hạn

- Địa chất: Do cần phải có chiều cao ngưỡng tràn đảm bảo sao cho H/P<0,9,

do vậy nếu cần phải đào sâu ngưỡng tràn thì địa chất nền có thể đào sâu được Đặc biệt bộ phận tiêu năng, do đảm nhận tiêu năng với tỷ lưu lớn hơn trước (trường hợp không mở rộng bộ phận sau tràn) thì nền phía sau tốt nhất là nền đá cứng chắc hoặc tiêu năng bằng mũi phun

Tràn labyrinth đạt hiệu quả cao hơn các loại tràn có ngưỡng thẳng khi các yếu

tố như: hình dạng tràn, địa hình, địa chất thuận lợi cho việc áp dụng như phân tích ở trên, khả năng điều tiết của hồ kém hoặc coi như bằng không, bộ phận tiêu năng đơn giản, hoặc không cần thiết (nền đá gốc chẳng hạn) Với khả năng tháo ưu thế, tràn labyrinth đã làm giảm đáng kể chiều cao cột nước tràn, giảm thời gian ngập do lũ và giảm diện tích ngập Nhược điểm của kiểu ngưỡng này là muốn tăng lưu lượng thì

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

1.2.3 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu phím Piano (Piano Keys Weir)

mới này với kiểu thiết kế đầu tiên đã được thử nghiệm vào năm 1999 ở phòng thí nghiệm L.N.H.E của Điện lực P háp và vào năm 2002 ở trường đại học Roorke của Ấn Độ cùng với trường đại học Biskra của Algeria

Từ năm 2000, nhiều nghiên cứu và thí nghiệm mô hình về tràn theo kiểu labyrinth có thể bố trí được trên đập trọng lực thông thường đã được thực hiện ở Pháp, Algeri, Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam và Thụy Sỹ Một số kiểu đã được cố gắng tối ưu về phương diện thủy lực cũng về phương diện kết cấu và thi công Hơn

100 kiểu dạng tràn đã được nghiên cứu và thí nghiệm, nhiều giải pháp có tính khả thi song các kiểu thuận lợi nhất đã được xây dựng trên hai nguyên lý sau:

cũng vì vậy kiểu tràn này được đặt tên là tràn phím đàn piano, gọi tắt là tràn phím đàn, từ tiếng Anh là Piano Keys Weirs, viết tắt là P.K Weirs

dốc (nghiêng) Bố trí này tạo nên thuận lợi về phương diện thủy lực, nhất là trong trường hợp lưu lượng xả lớn, đồng thời lại giảm được chiều rộng đáy của kết cấu, và

do vậy, có thể bố trí tràn phím đàn trên các đập tràn hay đập trọng lực thông thường

a Mặt cắt điển hình và khả năng tháo của tràn phím đàn [16]

Nhóm của ông F Lempérière đã nghiên cứu 2 dạng tràn phím đàn:

- Loại A (PKA): máng tràn (thường đối xứng) ở cả 2 phía thượng và hạ lưu (hình 1-23)

Trong đó: h (đầu nước), H (chiều cao lớn nhất của tường) tính bằng m

+ Tỷ số giữa chiều dài phím đàn trên /dài tràn N=6

phím vào (Inlet) bằng 1.2 lần chiều rộng phím ra (outlet)

+ Chiều rộng đáy phím đàn “b” bằng 1/2 chiều rộng đỉnh “a” Chiều cao lớn nhất của tường “H” bằng a/4

- Loại B (PKB): máng tràn chỉ ở phía thượng lưu nhưng dài hơn (hình 1-24)

+ Tỷ số giữa chiều dài phím đàn trên /dài tràn N=6

+ Phần công xôn thượ ng và hạ lưu có cùng độ dốc 2/1 (H/V) Chiều rộng của phím vào (inlet) bằng chiều rộng phím ra (outlet)

+ Chiều rộng đáy phím đàn “b” bằng 1/2 chiều rộng đỉnh “a” Chiều cao lớn nhất của tường “H” bằng a/3

với độ dốc 2:1 ÷ 3:2 như hình 1-27, hình 1-28 Tuyến ngưỡng tràn dạng răng cưa chữ nhật Tỷ số N =L/W nên được chọn vào khoảng 4 ÷ 6 Khi dùng PKA , ô đón nước có bề rộng lớn hơn ô thoát nước khoảng 20%

- Đồ thị (hình 1-25) cho thấy tỷ lưu Q (lưu lượng trên 1m bề rộng khoang tràn) tăng gấp 3 lần so với đập tràn kiểu Creager

- Hình 1-26 cho thấy ưu điểm của việc thay thế ngưỡng tràn kiểu Creager bằng ngưỡng tràn kiểu phím đàn

Hỡnh 1-25: Đồ thị so sỏnh khả năng xả của đập tràn kiểu Creager và kiểu PKA với

Trước khi hạ thấp đỉnh đập Sau khi hạ thấp đỉnh đập

H=4m [16]

b Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của tràn phím đàn piano

Ngưỡng tràn được xây dựng trên hai nguyên lý : Các tường có dạng chữ nhật trên mặt bằng, tương tự như các phím đàn piano; các tường theo phương thẳng góc với dòng chảy đều được bố trí theo mặt dốc (nghiêng) Bố trí này tạo nên thuận lợi

về phương diện thủy lực, nhất là trong trường hợp lưu lượng xả lớn, đồng thời lại giảm được chiều rộng đáy của kết cấu

Do đặc điểm cấu tạo như vậy nên khả năng tháo của tràn phím đàn chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số giữa chiều dài, độ sâu, chiều rộng và hình dáng của các phím và đặc biệt là sự phụ thuộc vào tỷ số N bằng tổng chiều dài tường tràn chia chiều rộng tràn chính diện Bên cạnh đó còn có ảnh hưởng của tác động va đập của dòng nước khi chảy qua tràn; hình dạng của ngưỡng cũng cũng làm cho phân bố lưu tốc và lưu lượng đơn vị trên ngưỡng tràn không đồng đều

Các đặc trưng hình học của tràn phím đàn được thể hiện ở hình 1-28, hình 1-29

trong đó:

H: Chiều cao tối đa của tràn phím đàn

B: Chiều dài đỉnh tràn

a: Chiều rộng ô đón nước

b: Chiều rộng ô thoát nước

c: Chiều dài nhô ra của công xôn thượng lưu

d: Chiều dài nhô ra của công xôn hạ lưu

W: Chiều rộng một đơn vị tràn

L: Chiều dài tràn nước một đơn vị tràn

Hình 1-28: Các đặc trưng hình học của một

Khả năng tháo của một đập tràn không thẳng được biểu thị qua hệ số lưu lượng được rút ra từ phương trình tổng quát có công thức như sau: [17]

hg2W

Q

Với: Q: Lưu lượng qua tràn (m3/s)

Công thức (1.12) ta thấy hệ số lưu lượng được xác định theo các cặp giá trị số

đo Q và h Các thông số còn lại trong phương trình là hằng số cho mỗi kiểu thiết kế

Vì vậy, cần phân tích kỹ ảnh hưởng của các thông số hình học tràn để lựa chọn mặt cắt thiết kế hợp lý

* Tỷ lệ thẳng đứng W/H

- Phản ánh hiệu quả của sự thay đổi chiều cao đối với một chiều rộng tràn cố định

- Phản ánh ảnh hưởng của chiều rộng tràn với một chiều cao cố định

Đồ thị hình 1-30 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số lưu lượng và tỷ số W/H Khi tăng chiều cao tràn lên 25%, khả năng tháo của tràn tăng lên 6%

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

h*/H

L/W=4, W/H=1,11 L/W=4, W/H=1,33 L/W=4, W/H=1,67

Hình 1-30: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ W/H [17]

* Chiều dài tương đối L/W

Tỷ số này ảnh hưởng đáng kể đến dòng chảy Khi tăng tỷ số L/W lên 2 lần thì hệ

số lưu lượng tăng lên 50% với những cột nước tương đối h*/H<0,4 Tuy nhiên, hiệu quả giảm đáng kể đối với cột nước tương đối h*/H>0,6 Như vậy, đối với những giá trị lớn của L/W và h*/H hiệu quả về khả năng tháo không cao, không kinh tế

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

* Ảnh hưởng của chiều rộng các khoang tràn a, b

Ta biết độ dốc đáy khoang phụ thuộc vào chiều dài các công xôn thượng hạ lưu

và chiều cao đập Từ đó dòng chảy trong các khoang thượng và hạ lưu có thể sẽ khác nhau Kết quả thí nghiệm cho thấy việc chọn chiều rộng khoang thượng lưu a lớn hơn khoang hạ lưu b cho hiệu suất tốt nhất với cột nước tương đối h*

/H<0,5 Khi cột nước tương đối h*/H>0,5 hiệu suất này nhỏ hơn Việc tăng chiều rộng một khoang thượng lưu lên 20% và giảm chiều rộng khoang hạ lưu thì khả năng tháo tăng 5% mà không ảnh hưởng đến quy mô công trình Từ đó cho thấy thiết kế với chiều rộng a>b là có lợi nhất

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

h*/H

L/W=4, W/H=1.11, b/a=0.67 L/W=4, W/H=1.11, b/a=1.0 L/W=4, W/H=1.11, b/a=1.5

Hình 1-32: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ b/a [17]

* Ảnh hưởng chiều dài của các công xôn thượng, hạ lưu

Với mô hình không có công xôn hạ lưu (d/c=0) thì hiệu suất của tràn cao hơn khi có công xôn hạ lưu Năng lực xả tăng khoảng 12% đối với cột nước tương đối

h*/H < 0,4 và khoảng 9% đối với h*/H > 0,4

Trường hợp công xôn đối xứng d/c=1 thì hiệu quả của tràn cao hơn với công

h*/H > 0,4

Từ đó ta thấy với d/c=0 có thể là

một giải pháp cho tràn có lưu lượng đơn

vị lớn, với d/c=1 thì lại là giải pháp kinh

tế vì sự đối xứng làm thuận lợi cho việc

sử dụng các cấu kiện chế tạo sẵn

Hình 1-33: Hệ số lưu lượng phụ thuộc

vào quan hệ d/c [17]

* Ảnh hưởng của dạng cửa vào dưới công xôn thượng lưu

Xét hai trường hợp là dạng

thẳng và dạng tròn cho thấy: thiết kế

đảm bảo điều kiện tối ưu về mặt thủy

lực cho phần thẳng đứng dưới công

xôn thượng lưu (như là đối với trụ

pin của tràn có cửa) thì sẽ làm tăng

hiệu suất của tràn phím đàn khoảng

7%

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

* Ảnh hưởng của vật nổi

Kết quả thí nghiệm cho thấy:

- Không có vật nổi nào bị tắc lại dưới công xôn thượng lưu khi mực nước tăng dần từ đáy lên đỉnh tràn

- Khi cột nước trung bình ~ 0.4H thì có một số ít vật nổi được kéo theo trong khoang hạ lưu và bị mắc lại

- Khi cột nước trung bình > 0.4H thì các vật nổi bắt đầu được tháo một cách hệ thống về phía hạ lưu

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

- Hình 1-36 cho thấy, tác động của vật nổi có thể làm giảm hệ số lưu lượng đối với cột nước tương đối h*/H < 0,5, quá giá trị này thì dòng chảy trở lại bình thường

và hệ số lưu lượng có giá trị bằng giá trị dòng chảy tự do

- Tác động của vật nổi có thể làm giảm lưu lượng ~ 10% khi chiều sâu của lớp nước tràn từ 1 đến 2m (như là đối với Creager)

Như vậy, ảnh hưởng của vật nổi tới khả năng tháo của tràn phím đàn cần phải lưu ý khi cột nước tràn thấp Từ đó có biện pháp giải quyết để hạn chế ảnh hưởng như làm lưới chắn hay chủ động trục vớt ngay khi có vật nổi mắc lại trước ngưỡng tràn…

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Chảy tự do

Chảy với sự có mặt của vật nổi

Hình 1-37: Các dạng mặt cắt thay thế

c Điều kiện thi công

Có thể xây dựng tràn phím đàn bằng bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc đổ tại chỗ Trong trường hợp tường thấp, có thể chọn chiều dầy tường từ yêu cầu sử dụng cốt thép Trường hợp H < 2 m, có thể sử dụng tường thép có các đai tăng cứng Chi phí xây dựng theo một mét chiều rộng tràn thường tỉ lệ với H

Không nên bố trí kết cấu gia cường hay các thanh giằng tại các tường ở ô vào

và ô ra vì chúng có thể làm các vật nổi mắc lại

Ô ra có bậc thang

Cắt ngang ô ra Cắt ngang ô vào

Có thể đưa khí vào bên dưới

phần console hạ lưu để tránh bị rung

động bằng các ống dẫn khí giản đơn

Do xảy ra cuốn khí mạnh nên dòng

chảy ra khỏi tràn phím đàn được tiêu

năng nhiều hơn và xói ở hạ lưu giảm

đáng kể, nhất là với các lưu lượng xả

1.3 Áp dụng tràn Piano cho công trình thủy điện Đăk Mi 2

1.3.1 Mục đích

Công trình thủy điện Đak Mi 2 có đặc điểm là dung tích hồ chứa rất nhỏ, thung lũng sông Đak Mi tại khu vực dự án có địa hình hai bên bờ là núi cao, độ dốc bờ sông lớn, nên khi xây đập chỉ tạo được một hồ chứa là một dải hẹp dọc theo lòng sông Lòng sông tại tuyến đập rộng khoảng 30m, tới cao độ 630 thì rộng khoảng 100m

Với mục tiêu là nâng MNDBT cao trình 630.0m nhưng đồng thời phải đáp ứng các điều kiện là: - Mực nước thượng lưu lớn nhất không thay đổi để không ảnh hưởng đến dự án phía thượng lưu; - Tổng chiều rộng tràn không thay đổi (chỉ khoảng 100m) do điều kiện địa hình tại tuyến đập; - Chi phí tăng do tăng chiều cao đập không vượt quá lợi nhuận thu được do tăng cột nước phát điện đem lại; - Công tác vận hành hồ chứa thuận tiện và giảm chi phí Vì vậy, việc áp dụng đập tràn ngưỡng Piano phối hợp với tràn có cửa van đã đáp ứng được cả các điều kiện về kỹ thuật và kinh tế, trong khi đập tràn có cửa van hoàn toàn chỉ đáp ứng được các điều kiện về kỹ thuật mà không thỏa mãn các điều kiện về kinh tế

1.3.2 Quy mô và loại tràn Piano

Để đảm bảo tính tin cậy trong tính toán và đẩy nhanh tiến độ thiết kế khi công tác thí nghiệm mô hình thủy lực riêng cho công trình chưa được tiến hành, kiến nghị lựa chọn đập tràn loại B có bậc tiêu năng với các thông số theo mô hình thí nghiệm

đã thực hiện tại trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Khả năng tháo của tràn sẽ bằng chiều rộng tràn nhân với lưu lượng đơn vị qs, khi 1m≤H≤4m thì

qs = 10.81H - 2.34, khi H>4m thì qs = 17.17 H0.62

Hình 1-39: Mô hình thí nghiệm mặt cắt tràn loại PKB, ô ra có dạng bậc thang áp

dụng tại Thủy điện Đăk Mi2 - Quảng Nam