”Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của đập tràn trọng lực cao, ứng dụng cho Thủy điện Lai Châu”

Sự tương tác của dòng chảy lưu tốc cao gây ra hàng loạt bất lợi bản thân công trình xả lũ cũng như hạ du của nó như hiện tượng mạch động xung kích làm mất ổn định công trình, khí thực ăn

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập và nghiên cứu làm luận văn Thạc sĩ, với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa công trình trường Đại học Thủy lợi, Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 1, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ chuyên nghành Xây dựng Công trình thủy với đề tài:

”Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của đập tràn trọng lực cao, ứng dụng cho Thủy điện Lai Châu” đã được hoàn thành

Trong khuôn khổ phạm vi nghiên cứu của Luận văn, tuy kết quả nghiên cứu đạt được còn khiêm tốn, song Tác giả hy vọng đề tài sẽ đóng góp một phần không nhỏ cho việc nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực tiễn sản xuất

Để đạt được những kết quả trên, Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các

Cơ quan, đơn vị, các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã cùng chia sẻ kiến thức, cùng phối hợp công việc, cung cấp các thông tin và số liệu cho Tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu làm Luận văn

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

Trong phạm vi thời gian quy định và trình độ kiến thức khoa học, kinh nghiệm thực tiễn của Tác giả chỉ đạt ở mức độ nhất định nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……….… 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục đích nghiên cứu đề tài 8

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu……… 9

3.1 Nội dung……….… 9

3.2 Phương pháp nghiên cứu 9

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP TRÀN CAO VÀ CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CẦN GIẢI QUYẾT 10

1.1 Tình hình xây dựng các đập tràn trọng lực cao……… 10

1.2 Các vấn đề thuỷ lực khác biệt ở đập tràn cao……… ….12

1.3 Những hư hỏng của đập tràn do các nguyên nhân về thủy lực…… ….… 13

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu……… 14

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA ĐẬP TRÀN TRỌNG LỰC CAO 15

2.1 Mặt cắt đập và khả năng tháo nước qua đập 15

2.1.1 Các loại đập tràn thường dùng 15

2.1.2 Khả năng tháo nước qua đập tràn 20

2.2 Vấn đề tiêu năng sau đập tràn 26

2.2.1 Tiêu năng dòng mặt 27

2.2.2.1 Hình thức dòng mặt không ngập 28

2.2.2.2 Hình thức dòng mặt ngập 29

2.2.2 Tiêu năng phóng xa 30

2.2.2.1 Đặc điểm tiêu năng phóng xa 30

2.2.2.2 Hình thức kết cấu tiêu năng phóng xa 31

2.2.2.3 Tính toán thủy lực 33

2.3 Vấn đề khí thực trên mặt đập tràn 35

2.3.1 Hiện tượng khí hóa 35

2.3.2 Phương pháp kiểm tra khí hóa 36

2.3.3 Hiện tượng khí thực 40

2.3.4 Phương pháp kiểm tra khí thực 40

2.4 Nghiên cứu tổng quát về giải pháp phòng khí thực ở đập tràn cao 44

2.4.1 Nguyên lý trộn khí giảm xâm thực 44

2.4.2 Hình thức trộn khí giảm khí thực trong công trình đập tràn cao 45

2.4.2.1 Vị trí đặt bộ phận tiếp khí 45

2.4.2.2 Hình thức kết cấu cơ bản của bộ phận tiếp khí 45

2.4.2.3 Hình thức của hệ thống ống dẫn khí 46

2.4.3 Tính toán giải pháp tiếp khí đề phòng khí thực cho đập tràn cao 47

2.4.3.1 Lưu lượng tính toán khí thực 47

2.4.3.2 Quy trình tính toán bộ phận tiếp khí trên dốc nước 48

2.4.4 Biện pháp chống xâm thực bằng cách tăng độ bền vật liệu 52

2.4.4.1 Quan hệ về cường độ chịu nén và cường độ chống xâm thực của bê tông 52

2.4.4.2 Tính chất chống xâm thực của kim loại 53

2.4.4.3 Tính năng chống xâm thực của vật liệu mới 54

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CHO ĐẬP TRÀN THỦY ĐIỆN LAI CHÂU

……… 55

3.1 Giới thiệu công trình thủy điện Lai Châu 55

3.1.1 Qui mô và thông số công trình thủy điện Lai Châu 57

3.1.2 Kết cấu của đập tràn 58

3.2 Xác định mặt cắt đập tràn 61

3.2.1 Mặt cắt đập tràn theo dạng WES 61

3.2.2.Mặt cắt đập tràn theo dạng Creager – Ophixerov 62

3.3 Tính toán thủy lực mặt cắt đập tràn 64

3.3.1 Tính toán khả năng xả của tràn xả mặt 64

3.3.2 Tính toán khả năng xả của tràn xả sâu 66

3.3.3 Kết quả tính toán khả năng xả tràn 67

3.4 Tính toán nối tiếp và tiêu năng 68

3.4.1 Số liệu tính toán 68

3.4.2 Tính toán đường mặt nước trên tràn: 69

3.4.3 Các thông số dòng chảy trong phạm vi mũi phun: 69

3.4.4 Tính toán chiều dài phun xa và kích thước hố xói: 70

3.5 Kiểm tra khí thực trên bề mặt của đập tràn 72

3.6 Tính toán biện pháp phòng khí thực 75

3.6.1 Lựa chọn hình thức công trình 75

3.6.2 Bố trí thiết bị tiếp khí 75

3.6.3 Tính toán các kích thước của bộ phận tiếp khí 76

3.6.4 Tính toán kích thước máng dẫn khí sau mũi hắt 79

3.6.5 Kết cấu bộ phận tiếp khí 80

3.7 Phân tích kết quả tính toán 82

CHƯƠNG 4KẾT LUẬN……… ………… 83

4.1 Các kết quả đạt được của luận văn 83

4.2 Một số điểm tồn tại 84

4.3 Hướng tiếp tục nghiên cứu 85

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Thống kê các đập tràn cao các công trình thủy lợi-thủy điện xây

dựng tại Việt Nam 10

Bảng 2-1 Giá trị của k và n trong mặt cắt WES 17

Bảng 2-2 Thông số xác định mặt cắt tràn WES khi m1=1/3 và m2=2/3 18

Bảng 2-3 Hệ số co hẹp đứng α khi nước chảy dưới cửa van 21

Bảng 2-4 Trị số k P Z ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ xác định trạng thái phân giới chảy ngập 24

của đập tràn thành mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng 24

Bảng 2-5 Hệ số σn của đập tràn có mặt cắt thực dụng không chân không 25

Bảng 2-6 Biến đổi cột nước áp suất khí trời theo độ cao 36

Bảng 2-7 Biến đổi cột nước Hpg theo nhiệt độ 36

Bảng 2-8 Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số Kpg tương ứng 39

Bảng 2-9 Độ nhám cho phép ở dòng trộn khí 47

Bảng 3-1 Tọa độ mặt cắt tràn theo WES 61

Bảng 3-2 Tọa độ mặt cắt tràn theo Creager – Ophixerov 62

Bảng 3-3 Bảng khả năng xả công trình – PA kiến nghị 67

Bảng 3-4 Kết quả tính toán hố xói 72

Bảng 3-5 Kiểm tra khả năng khí hóa tại các mặt cắt tính toán 74

Bảng 3-6 Kết quả tính toán bộ phận tiếp khí 80

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Hình ảnh đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt 12

Hình 1-2 Hình ảnh đập tràn nhà máy thủy điện Sơn La 12

Hình 1-3 Hình ảnh sự cố đập tràn nhà máy thủy điện Hố Hô 13

Hình 2-1 Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=0 17

Hình 2-2 Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=2/3, m2 = 1/3 17

Hình 2-3 Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=1 18

Hình 2-4 Hình dạng mặt cắt đập tràn Creager – Ophixerov 19

Hình 2-5 Mặt cắt đập tràn hình cong có chân không 20

Hình 2-6 Mặt cắt của đập tràn có cửa van 21

Hình 2-7 Các đường cong để xác định σn của đập tràn mặt cắt thực dụng 23

Hình 2-8 Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu 27

Hình 2-9 Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu đập tràn có bậc thụt 29

Hình 2-10 Trạng thái dòng mặt ở sát đập, dòng đáy ở sau đập 30

Hình 2-11 Mũi phun liên tục 31

Hình 2-12 Mũi phun không liên tục 32

Hình 2-13 Sơ đồ tính toán thủy lực đập tràn – tiêu năng phóng xa 34

Hình 2-14 Quan hệ Vng = f(Rb,S) của vật liệu bê tông 41

Hình 2-15 Biểu đồ quan hệ 1 ( ) Δ = f y ξ ; 2 ( ) Δ = δ ξ f ; ( ) Δ = Δ y f δ 43

Hình 2-16 Các loại bộ phận tiếp khí 46

Hình 2-17 Các loại hệ thống ống dẫn khí 47

Hình 2-18 Quan hệ mác bê tông và lưu tốc ngưỡng xâm thực 53

Hình 3-1 Phối cảnh chung công trình thủy điện Lai Châu 57

Hình 3-2 Mô hình 3D đập tràn Lai Châu 58

Hình 3-3 Mặt cắt ngang đập tràn 59

Hình 3-4 Chi tiết mặt bằng đập tràn 60

Hình 3-5 Chính diện đập tràn 60

Hình 3-6 Đường cong mặt tràn dạng WES 62

Hình 3-7 Đường cong mặt tràn dạng Creager – Ophixerov 63

Hình 3-8 Đường cong mặt tràn thiết kế theo mặt cắt WES và mặt cắt Creager – Ophixerov 63

Hình 3-9 Đồ thị khả năng xả tràn, xả sâu, xả tổng – phương án kiến nghị 67

Hình 3-10 Sơ đồ vị trí các điểm đo T6 đến T14 73

Hình 3-11 Cấu tạo mũi hắt và buồng tiếp khí 76

Hình 3-12.Vị trí bộ phận tiếp khí trên tràn 80

Hình 3-13 Cấu tạo chi tiết bộ phận tiếp khí 81

Hình 3-14 Mặt cắt 1-1 81

Hình 3-15 Mặt cắt 2-2 81

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, tại nước ta có hàng loạt các công trình thủy lợi

và thủy điện lớn đồng loạt xây dựng nhằm phục vụ cho phát triển kinh tế của đất nước Do công trình thủy lợi có đặc thù riêng, mức độ ảnh hưởng đến hạ

du công trình khi xảy ra sự cố là rất lớn do đó yêu cầu về đảm bảo an toàn được chú trọng từ giai đoạn thiết kế, thi công và trong quá trình khai thác quản lý

Hạng mục tràn xả lũ là một trong những hạng mục quan trọng trong hệ thống thủy lợi, thủy điện do tại đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy có lưu tốc cao với bề mặt vật rắn Sự tương tác của dòng chảy lưu tốc cao gây ra hàng loạt bất lợi bản thân công trình xả lũ cũng như hạ du của nó như hiện tượng mạch động xung kích làm mất ổn định công trình, khí thực ăn mòn công trình, sự tiêu hao năng lượng không hợp lý gây xói lở lòng sông… Các

sự cố này là có thật, đã từng xảy ra tại một số công trình Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi người thiết kế, thi công và quản

lý phải đề cập đầy đủ và quan tâm hơn nữa đến các vấn đề thủy lực của đập tràn trọng lực có ảnh hưởng đến sự an toàn công trình

Qua đây có thể thấy đây là một đề tài khoa học có ý nghĩa và tính thực tiễn cao vì nó liên quan trực tiếp đến hiệu quả an toàn cụm công trình đầu mối và

hạ du Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của đập tràn trọng lực cao, ứng dụng cho Thủy điện Lai Châu” đã được tác giả lựa chọn

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

- Làm rõ các vấn đề thủy lực phức tạp ở các đập tràn trọng lực cao có ảnh hưởng đến ổn định và an toàn của đập

- Nghiên cứu các giải pháp xử lý trong thiết kế và quản lý khai thác nhằm

đảm bảo an toàn đập

- Khuyến cáo biện pháp xử lý và quy trình tính toán tương ứng

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

3.1 Nội dung

- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có

- Thu thập các tài liệu thực tế

- Nghiên cứu giải quyết cho các trường hợp cụ thể

- Áp dụng tính toán thực tế cho công trình thủy điện Lai Châu

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng quan về xây dựng đập tràn cao ở trong và ngoài nước, những hư hỏng đập tràn do các yếu tố thủy lực

- Các vấn đề thủy lực của đập tràn cao: khả năng tháo, vấn đề tiêu năng, vấn đề chân không, khí thực; từ đó đưa ra phương pháp kiểm tra, tính toán, rút ra được biện pháp xử lý

- Ứng dụng tính toán cho đập tràn của Thủy điện Lai Châu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP TRÀN CAO

VÀ CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CẦN GIẢI QUYẾT

1.1 Tình hình xây dựng các đập tràn trọng lực cao

Những năm gần đây, do yêu cầu cung cấp điện, nước cho nhu cầu phát

triển kinh tế xã hội, nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn đã được thiết kế

xây dựng Trong các hạng mục của một công trình thủy lợi, thủy điện thì đập

tràn tháo lũ chiếm một vị trí quan trọng Nếu như những năm 70 – 80 của thế

kỷ trước, chỉ mới có đập tràn cao 50 – 70 m thì ngày nay, với sự tiến bộ của

khoa học kỹ thuật trong công nghệ thiết kế và thi công, nước ta đã có đập tràn

cao trên 100m Điển hình như đập tràn thủy điện Sơn La, đập tràn hồ chứa

nước Cửa Đạt…

Bảng 1-1 Thống kê các đập tràn cao các công trình thủy lợi-thủy điện xây

dựng tại Việt Nam

STT Tên đập Địa điểm

(tỉnh)

Chiều cao (m)

Năm hoàn thành

(1) (2) (3) (4) (5)

12 Đồng Nai 4 Đắc Nông 127,5 2010

20 Sông Bung 2 Quảng Ngãi 95 2010-2012

22 Sông Tranh 2 Quảng Ngãi 100 2010

Mặt cắt đập tràn sử dụng trong các công trình có cột nước trên ngưỡng cao thường là kiểu mặt cắt thực dụng, dòng chảy nối tiếp tương đối thuận, hệ số lưu lượng tháo qua đập tràn lớn hơn đập tràn đỉnh rộng hình thang Đập tràn thực dụng được thiết kế theo hai dạng: mặt cắt có chân không và dạng mặt cắt không chân không theo Ophixerov hoặc theo WES

Hình 1-1 Hình ảnh đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt

Hình 1-2 Hình ảnh đập tràn nhà máy thủy điện Sơn La

1.2 Các vấn đề thuỷ lực khác biệt ở đập tràn cao

- Chọn vị trí lỗ tràn

- Xác định lưu lượng đơn vị

- Chọn hình thức mặt cắt đập tràn

- Tính toán khả năng tháo nước của đập tràn

- Biện pháp tiêu năng và tính toán tiêu năng sau đập tràn

- Tính toán khí thực và các biện pháp phòng ngừa

1.3 Những hư hỏng của đập tràn do các nguyên nhân về thủy lực

Sự cố hư hỏng tràn xả lũ xảy ra ở nước ta là không nhỏ và liên quan tới nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó nguyên nhân liên quan về thủy lực công trình gồm có:

- Tính toán thủy văn không phù hợp với thực tế, nên tràn không đủ năng lực xả lũ, phải khắc phục bằng cách làm thêm tràn phụ như hồ Phú Ninh (Quảng Nam), hồ Núi Cốc ( Thái Nguyên), hồ Vực Tròn (Quảng Bình)…

- Cửa van hoặc thiết bị đóng mở gãy, kẹt Ví dụ như tràn hồ Yên Lập trong lũ cả 3 cửa van bị kẹt, tràn hồ Dầu Tiếng cửa van giữa bị đứt vỡ tai cửa, tràn xả lũ thủy điện

Hố Hô bị kẹt, không xả nước được khi lũ về

Hình 1-3 Hình ảnh sự cố đập tràn nhà máy thủy điện Hố Hô

- Tính toán thủy lực về khả năng tháo, tiêu năng sau tràn chưa hợp lý, dẫn đến hư hỏng công tràn, xói bể tiêu năng

- Ngoài ra, các đập tràn lớn làm việc với cột nước cao, lưu tốc lớn, ngoài các

vấn đề thủy lực nêu trên, ta còn đặc biệt quan tâm đến vấn đề khí thực gây xâm thực lòng dẫn

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Các đập tràn bê tông trọng lực trên nền đá, có chiều cao từ 60m trở lên (Công trình từ cấp II trở lên) Trong đó tổng quát nghiên cứu các vấn đề sau:

1 Hình thức và lựa chọn mặt cắt đập tràn thực dụng

2 Hình thức tiêu năng sau đập là tiêu năng mặt hoặc tiêu năng phóng xa

3 Tập trung nghiên cứu hiện tượng khí thực trên mặt tràn và biện pháp phòng khí thực

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA ĐẬP TRÀN TRỌNG LỰC CAO

2.1 Mặt cắt đập và khả năng tháo nước qua đập

2.1.1 Các loại đập tràn thường dùng

Về lý thuyết đập tràn có rất nhiều dạng khác nhau Tuy nhiên, trong thực tế thì hai dạng ngưỡng tràn được sử dụng rộng rãi nhất là đập tràn thực dụng và đập tràn đỉnh rộng Đập tràn mặt cắt thực dụng có các dạng sau:

a Đập hình cong không chân không

Đây là dạng mặt cắt phổ biến nhất do có chế độ làm việc ổn định và hệ số lưu lượng tương đối lớn Mặt cong của tràn được xây dựng từ đường cong giới hạn dưới của làn nước rơi từ ngưỡng tràn thành mỏng, khi cột nước trên tràn là cột nước định hình (Hđ) Với đập tràn xây dựng theo nguyên tắc này,

áp lực trên mặt tràn luôn luôn dương khi cột nước tràn thực tế H≤Hđ Khi cột nước tràn H > Hđ, trên mặt tràn có thể xuất hiện áp lực âm, nhưng có trị số nhỏ, không ảnh hưởng đến an toàn của mặt đập (không sinh ra khí hóa dẫn đến khí thực) Việc khống chế trị số của áp suất âm trên mặt tràn chủ yếu phụ thuộc vào cách lựa chọn trị số của cột nước định hình Trị số an toàn thường được lựa chọn là lấy theo cột nước tràn thiết kế: Hđ = Htk Tuy nhiên, để khai thác mặt tích cực của áp lực âm (làm tăng hệ số lưu lượng), Qui phạm thiết kế của một số nước khuyến cáo chọn Hđ nhỏ hơn Chẳng hạn qui phạm thiết kế tràn xả lũ của Trung Quốc [10] khuyến cáo lấy Hđ = (0,75 ÷ 0,95)Hmax đối với tràn ngưỡng cao vàHđ = (0,65 ÷ 0,85)Hmaxđối với tràn ngưỡng thấp

Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của nhiều nhà khoa học, dạng tổng quát của đường cong mặt tràn được cho bởi phương trình sau [11]

x, y: Tọa độ các điểm trên mặt tràn

Hđ : Cột nước định hình

a, n: các tham số của đường cong, phụ thuộc vào điều kiện biên như độ nghiêng của mái thượng lưu đập, độ nhô của phần đỉnh về phía trước so với mặt thượng lưu đập…

Một số mô phỏng cụ thể do các tác giả khác nhau đề nghị như sau [11]:

- Theo Creager-Scimemi:

85 , 1 5 ,

y (2-2)

80 , 1 47 ,

y (2-3)

- Theo Semetana:

85 , 1 461 ,

y (2-4)

- Theo de Marche:

2 556 ,

y (2-5)

- WES (Phòng thí nghiệm công trình thủy, Hoa Kỳ) đã thực hiện hàng loạt các thí nghiệm trên các dạng đập tràn và đưa ra công thức tổng quát có dạng như sau:

Bảng 2-1 Giá trị của k và n trong mặt cắt WES [11]

Bảng 2-2 Thông số xác định mặt cắt tràn WES khi m 1 =1/3 và m 2 =2/3 [11]

1/3 0,68 0,21 0,139 0,237 1,936 1,836 2/3 0,48 0,22 0,115 0,214 1,939 1,810

Hình 2-3 Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m 1 =1

a = 0,1191Hd; R1 = 0,45Hd; k = 1,873; n = 1,776

- Trên cơ sở công thức của Creager và số liệu thí nghiệm, Ophixerov đã hiệu chỉnh và đề nghị bảng tọa độ không thứ nguyên của mặt tràn không chân không Creager – Ophixerov (xem [3]) Các giá trị của hệ số sửa chữa hình dạng của mặt cắt cũng đã được đề nghị cụ thể trong [3]

Hình 2-4 Hình dạng mặt cắt đập tràn Creager – Ophixerov

So sánh mặt tràn dạng WES và dạng Creager – Ophixerov cho thấy về cơ bản chúng tương đồng với nhau Khi chiều cao đập lớn thì mặt tràn vẽ theo WES có thấp hơn mặt tràn Creager – Ophixerov một ít nhưng khối lượng bê tông đập giảm không đáng kể Vả lại, khối lượng đập có được giảm hay không còn phụ thuộc vào ổn định chống trượt của toàn đập và được quyết định thông qua tính toán kiểm tra ổn định đập Hiệu quả đáng kể nhất của việc

hạ thấp mặt tràn là làm cho hệ số lưu lượng tăng lên một ít, nhưng đổi lại là phải chấp nhận có áp lực âm trên mặt tràn Với các đập cao hay cấp công trình quan trọng, cần thiết phải có thí nghiệm mô hình để xác định và khống chế trị

số áp lực âm trên mặt tràn nhằm đảm bảo điều kiện làm việc ổn định và chống khí thực

Hệ số lưu lượng trên chuẩn của các dạng mặt cắt đập tràn không chân không được xác định theo các sổ tay thủy lực

b Đập hình cong có chân không

Đập hình cong có chân không thường được xây dựng từ mặt cắt cơ bản hình thang có mặt thượng lưu thẳng đứng, mái hạ lưu tương đối dốc, đáy nhỏ

của hình thang ngang với cao trình ngưỡng tràn; phần lượn cong trên đỉnh là một cung elip tiếp xúc với mặt trước, mặt trên và mặt sau của ngưỡng tràn (hình 2-5) Trục dài của elip song song với mặt hạ lưu đập Khi elip có hai trục bằng nhau thì đỉnh đập tràn là một cung tròn bán kính R

Hình 2-5 Mặt cắt đập tràn hình cong có chân không

Hệ số lưu lượng của đập tràn chân không thường lớn hơn của đập tràn không chân không Trị số của m phụ thuộc vào tỷ số các bán trục của elip (a/b) và được cho trong các sổ tay tính toán thủy lực

Nhược điểm cơ bản của đập tràn chân không là làm việc thiếu ổn định do mạch động làm thay đổi trị số chân không ở đỉnh, làm cho hệ số lưu lượng thay đổi Khi độ chân không lớn có thể làm cho đập bị rung động và xảy ra khí thực ở đỉnh tràn Vì vậy khi sử dụng ngưỡng tràn chân không cho các đập cao cần phải rất thận trọng và nói chung cần có luận chứng xác đáng khi sử dụng mặt tràn dạng này

2.1.2 Khả năng tháo nước qua đập tràn

Lưu lượng chảy qua đập tràn có mặt cắt thực dụng tính theo công thức:

Q = σnε,m,B, 3 / 2

0

2gH (2-7)

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

Nếu trên đỉnh tràn có cửa van, khi không mở hết và nước chảy ở dưới cửa van (Hình 2-6) lưu lượng tháo qua tràn được tính theo biểu thức:

Q=μ.ε.B.a 2g(H0−α.a) (2-8) Trong đó:

Hình 2-6 Mặt cắt của đập tràn có cửa van

Bảng 2-3 Hệ số co hẹp đứng α khi nước chảy dưới cửa van [3]

α/Ho 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7

Xác định Q theo công thức (2-8), cần phải xác định được các hệ số σn , ε

và m

1 Hệ số σ n

- Hệ số σn của đập tràn có mặt cắt thực dụng có chân không

Khi hạ lưu có nước nhảy xa thì đập tràn luôn không ngập, σn =1,0 Nếu hạ lưu có nước nhảy ngập thì nước chảy qua đập có thể không ngập hoặc ngập, lúc đó σn phụ thuộc vào tỷ số

Hình (2-7) cho các đường cong xác định σn theo thí nghiệm của Rozanop [3]:

- Đường cong I: đối với đập tràn có mặt cắt chân không, khi ≤

Hình 2-7 Các đường cong để xác định σ n của đập tràn mặt cắt thực dụng

- Hệ số σn của đập tràn có mặt cắt thực dụng không có chân không

Chỉ tiêu ngập của đập tràn có mặt cắt thực dụng gíông của đập tràn thành mỏng:

P – Chiều cao đập so với đáy của lòng dẫn hạ lưu;

H – Cột nước tràn, tức chiều cao mực nước thượng lưu so với đỉnh đập;

m0 – Hệ số lưu lượng bao hàm yếu tố cột nước lưu tốc tới gần;

Hệ số chảy ngập σn trong công thức (2-7) được xác định theo bảng 2-5

α ;

V0 – lưu tốc tới gần, lưu tốc dòng chảy thượng lưu khi đến gần đập, H và

V0 được lấy ở vị trí cách đập một khoảng bằng 3H;

Bảng 2-5 Hệ số σ n của đập tràn có mặt cắt thực dụng không chân không [3]

hn/H0 σn hn/H0 σn 0,0 1,00 0,50 0,972 0,05 0,999 0,55 0,965 0,10 0,998 0,60 0,937 0,15 0,997 0,65 0,947 0,20 0,996 0,70 0,933

0,30 0,991 0,80 0,760 0,35 0,988 0,85 0,700 0,40 0,983 0,90 0,590 0,45 0,978 0,95 0,410

2 Hệ số co hẹp bên ε

Trường hợp 0 ≤ 1

b

H thì hệ số ε được xác định theo biểu thức sau đây:

- Đối với đập tràn không có trụ pin giữa ( có một khoang):

ε = 1-0,2ζy

b

H0

(2-10) Trong đó:

ζy – Hệ số giảm, xét đến hình dạng của mép vào trụ biên

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

n – số cửa (khoang);

Ζp – hệ số giảm, xét đến hình dạng của trụ pin;

mr – hệ số lưu lượng dẫn xuất, xác định bằng thí nghiệm;

σh – hệ số hiệu chỉnh cột nước, do đó khi thiết kế mặt cắt tràn dùng Htk

σd – hệ số hình dạng;

Ta xác định m theo từng trường hợp sau đây

- Đối với đập tràn không chân không Krige- Ofixêrôp, biểu thức (2-12) có

dạng:

m = 0,504.σh,.σh (2-13)

2.2 Vấn đề tiêu năng sau đập tràn

Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn Năng

lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng lượng

này phá hoại lòng sông và hai bên bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập, một

phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước

và không khí Sức cản nội bộ dòng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lượng

do xói lở càng nhỏ và ngược lại Vì vậy người ta thường dùng biện pháp

tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy để giảm khả năng xói lở

dòng sông và dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp và ma sát với

không khí có tác dụng tiêu hao năng lượng và giảm xói lở Để đạt được các

mục đích ở trên, thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dòng

đáy (hình 2-8a); tiêu năng dòng mặt (hình 2-8c); tiêu năng dòng mặt ngập

(hình 2-8d); tiêu năng phóng xa (hình 2-8e)

Hình 2-8 Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng trên là làm cho dòng chảy tiêu hao bằng ma sát nội bộ dòng chảy, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuếch tán theo phương đứng và giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng đó có liên quan lẫn nhau Khi mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức đó có thể chuyển hóa lẫn nhau

Đối với đập tràn cao thường đặt trên nền đá, năng lượng thừa ở hạ lưu rất lớn nên ít khi sử dụng hình thức tiêu năng đáy Lý do là phải đào bỏ một khối lượng

đá lớn để làm bể tiêu năng, hoặc nếu không đào bỏ thì phải làm nhiều hàng tường tiêu năng phía sau; làm tăng khối lượng công trình và kéo dài thời gian thi công Vì vậy hình thức tiêu năng đáy sẽ không được nghiên cứu trong luận văn này

2.2.1 Tiêu năng dòng mặt

Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt Thực tế cho thấy hiệu quả tiêu năng trong hình thức tiêu năng mặt so với hình thức tiêu năng đáy không kém nhiều, nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn 1/5 đến 1/2 lần, lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau có thể bé Ngoài ra có ưu điểm có thể tháo các vật nổi qua đập mà không làm hỏng sân sau Khi mực nước ở hạ lưu thay đổi, trạng thái dòng chảy ở hạ lưu đập tràn có bậc thụt khác nhau, phân biệt như sau:

- Trạng thái thứ nhất: khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức hh< a, dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa (hình 2-8e)

- Trạng thái thứ hai: khi cột nước hạ lưu hh nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất hghIdòng chảy ở trạng thái chảy đáy (hình 2-8b), lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa tùy theo hc’’ và hh

hh < hghI (2-14)

- Trạng thái giới hạn thứ ba: gọi là dòng chảy mặt không ngập, khi cột nước hạ lưu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất hghI và độ sâu giới hạn thứ hai hghII(hình 2-8c)

hghI <hh< hghII (2-15)

- Trạng thái giới hạn thứ tư: dòng chảy mặt ngập, khi cột nước hạ lưu lớn hơn độ sâu giới hạn hai hghII (hình 2-8d)

hh> hghII (2-16) Khi hh = hghI dòng chảy từ trạng thái đáy chuyển sang dòng chảy mặt không ngập Khi hh = hghII dòng chảy từ trạng thái chảy mặt không ngập chuyển sang dòng chảy mặt ngập

2.2.2.1 Hình thức dòng mặt không ngập

Xảy ra khi hghI < hh < hghII, lúc đó độ sâu nước hạ lưu hh cần phải lớn hơn hc’’ của nước nhảy đáy, đồng thời hh > a với a – chiều cao bậc thụt, a = (0,25 ÷ 0,35) chiều cao đập Góc nghiêng θ ở chân hạ lưu tràn lớn hay nhỏ có ảnh hưởng lớn đến trạng thái dòng chảy Nếu θ lớn quá có thể sinh chảy phóng xa, θ nhỏ quá

có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng θ < 10 ÷ 150 là thích hợp

Hình 2-9 Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu đập tràn có bậc thụt

Thiết kế hình thức tiêu năng mặt không ngập thích hợp với đập tràn có tháo các vật nổi để tránh các vật nổi va chạm vào sân sau hoặc chân đập Nhược điểm của hình thức tiêu năng này là làm việc không ổn định khi mực nước lạ lưu thay đổi lớn, ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng không tốt đến sự làm việc của nhà máy thủy điện, vận tải thủy và xói lở bờ sông, yêu cầu mực nước hạ lưu phải sâu

h =1,22 +⎜⎜⎝⎛2,50−2,55 ⎟⎟⎠⎞ (2-18) Trong đó:

hpg – chiều sâu phân giới

Các biểu thức (2-17) và (2-18) được tính với trường hợp khi cửa van trên

đỉnh đập mở hoàn toàn và cột nước trên đỉnh đập H ≤ C h

3

2 , nhưng cũng có thể tính gần đúng cho trường hợp mở cửa van với một độ mở nào đó Biểu thức (2-18) chỉ đúng với điều kiện

h =0,82 +⎜⎜⎝⎛3,44−7 ⎟⎟⎠⎞ (2-19)

Hình 2-10 Trạng thái dòng mặt ở sát đập, dòng đáy ở sau đập

Theo kết quả thí nghiệm, khi chiều cao bậc thụt a nhỏ thì có thể chỉ xảy ra trạng thái chảy đáy mà không sinh ra dòng mặt Khi a < 0,2Ch, trạng thái nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu không ổn định vì thế chiều cao a không được nhỏ hơn 0,2Ch

2.2.2 Tiêu năng phóng xa

2.2.2.1 Đặc điểm tiêu năng phóng xa

Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưu để dòng chảy

có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập Dòng chảy được khuếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng sông Do dòng chảy được tiêu hao năng lượng rất lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông, đồng thời dòng chảy được phóng khỏi chân đập tương đối xa nên dù có gây xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít ảnh hưởng nguy hiểm đến an toàn đập

Cấu tạo hình thức tiêu năng phóng xa đơn giản, không cần thiết bị tiêu năng

ở sân sau, giảm khối lượng đào đá, rút ngắn thời gian thi công Hình thức tiêu năng này được áp dụng cho đập tràn có cột nước cao và điều kiện địa chất tốt

2.2.2.2 Hình thức kết cấu tiêu năng phóng xa

Đối với đập tràn cao không nên dùng hình thức tiêu năng ở ngay chân đập (tiêu năng đáy, dòng mặt, vv…) bởi lưu tốc rất lớn, gây nên hiện tượng khí thực

và mạch động lớn Tải trọng động đó tác dụng lên sân sau tăng lên rất nhiều làm nguy hiểm đến kết cấu sân sau Nối tiếp hạ lưu của các đập tràn cao trên nền đá thích hợp nhất là hình thức tiêu năng phóng xa

Các hình thức mũi phun thường gặp:

- Mũi phun liên tục

Hình 2-11 Mũi phun liên tục

Hình thức mũi phun liên tục (Hình 2-11a) có ưu điểm cấu tạo đơn giản, khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dòng chảy khuếch tán trong không khí kém

và xói lở dòng sông sâu Có thể làm các tường phân dòng nối liền với các trụ pin kéo dài đến gần mũi phun (Hình 2-11b) để cho dòng chảy tập trung ở trên mặt tràn và giảm tổn thất thủy lực Như vậy chiều dài dòng phun sẽ tăng và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặt bằng cũng được mở rộng Mũi phun liên tục cần quan tâm những vấn đề sau:

+ Góc nghiêng α của mũi phun được xác định căn cứ vào điều kiện chiều dòng phun xa, đồng thời thể tích bê tông ở chân đập tràn tăng tương đối ít Thường α

≅ 300÷ 350

+ Cao trình mũi phun phải cao hơn mực nước cao nhất ở hạ lưu ít nhất là 1m để đảm bảo dòng chảy phun vào không khí và tránh nước hạ lưu ngập mũi phun + Bán kính cong R nối tiếp giữa mặt đập và mũi phun cần đảm bảo sao cho dòng chảy không tách khỏi mặt đập và mũi phun, tránh hiện tượng áp lực thay đổi đột ngột, đồng thời có chiều dài dòng phun xa Bán kính R không được nhỏ hơn 6h và không lớn hơn 10h (h – chiều sâu của nước tại mặt cắt co hẹp trên mũi phun)

- Mũi phun không liên tục

Hình 2-12 Mũi phun không liên tục

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

hạ lưu, chiều sâu hố xói có thể giảm được 35% so với hình thức mũi phun liên

tục, nhưng có nhược điểm là chiều dài phóng xa nhỏ hơn

Theo kết quả thí nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun không liên tục

có răng hình chữ nhật như sau: α1÷ α2 ≅ 50 ÷ 100, tỷ số giữa chiều rộng khe và chiều rộng răng

b

a≅ 2

1 ÷ 3

2 Nếu không ảnh hưởng đến điều kiện khuếch tán,

nên giảm trị số

h

d (h - chiều sâu nước trên mũi phun) để tăng chiều sâu tương đối, đồng thời giảm áp lực âm hai bên răng Khi lưu tốc lớn hơn 20m/s thì thường dùng 0,5 <

h

d <1,0

Nhược điểm của mũi phun kiểu răng hình chữ nhật là dòng chảy ở giữa khe rất tập trung, khó khuếch tán, đồng thời có áp lực âm lớn ở hai bên răng Để khắc phục nhược điểm đó dùng kiểu răng hình thang (hình 2-12b) Đặc điểm của loại này là chiều rộng đỉnh răng giảm dần và chiều rông khe tăng dần về phía hạ lưu làm cho dòng chảy được ở giữa khe được khuếch tán, các tia dòng được va chạm nhau mãnh liệt, vì vậy xói lở được giảm bớt, đồng thời hai bên răng được vát nghiêng nên giảm được áp lực âm rõ rệt

= 2 > 45

gR

v

F r ( R- bán kính thủy lực của mặt cắt tính toán)

Hình 2-13 Sơ đồ tính toán thủy lực đập tràn – tiêu năng phóng xa

- Độ phóng xa của luồng chảy khỏi mũi phóng hình trụ xác định theo công thức:

=

αϕ

α

1

2 1

sin

1 1

1 1 2 sin

Z

Zo Z

k L

L - Độ phóng xa của luồng chảy khỏi mũi phóng hình trụ;

L1 - Khoảng cách từ mũi phun đến trục đáy hố xói;

α - Góc ra của dòng chảy (độ);

Z1 - Chênh lệch giữa MNTL với đáy cuối dốc (m);

k - Hệ số xét tới ảnh hưởng hàm khí và tách dòng khí phóng xa:

V

2

=

H

H H

h g

V Fr

.

2

=

Zo - Độ chênh mực nước thượng hạ lưu (m);

ZH - Chênh lệch cột nước thượng lưu tính đến mũi phóng;

- Chiều sâu hố xói xác định theo công thức:

t=kq0.5H0,25 (2-22) Với H là chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập; k là hệ số xói có xét ảnh hưởng của đá nền

2.3 Vấn đề khí thực trên mặt đập tràn

2.3.1 Hiện tượng khí hóa

Khí hóa là hiện tượng tạo thành các bọt khí và hơi từ trong lòng chất lỏng

khi áp suất ở đó giảm xuống dưới một giới hạn nhất định Sự bắt đầu của khí 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 Điều kiện để có khí hóa trong chất lỏng là:

p ≤ ppg (2-23) hoặc: H ≤ Hpg (2-24) Trong đó:

p – áp suất tuyệt đối tại điểm đang xét, p = γ H;

ppg – áp suất tuyệt đối giới hạn phát sinh khí hoá, ppg=γ Hpg

γ – trọng lượng riêng của nước;

H – cột nước toàn phần tại điểm xét;

H = Ha + hd;

Ha - Cột nước áp suất khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm đang xét (bảng 2-6);

Hd - cột nước áp suất dư ;

Hpg – cột nước áp suất tuyệt đối giới hạn khí hóa, phụ thuộc vào nhiệt độ

Độ cao (m) H (m)

Độ cao (m) H (m) 0,0 10,33 400,0 9,84 800,0 9,38 1500,0 8,64 100,0 10,23 500,0 9,74 900,0 9,28 2000,0 8,14 200,0 10,09 600,0 9,62 1000,0 9,18 2500,0 7,70 300,0 9,98 700,0 9,52 1200,0 8,95 3000,0 7,37

Bảng 2-7 Biến đổi cột nước H pg theo nhiệt độ [1]

Nhiệt

2.3.2 Phương pháp kiểm tra khí hóa

Việc kiểm tra khí hóa là để đảm bảo cho các bộ phận của công trình tháo

nước làm việc trong điều kiện không có khí hóa, hoặc có khí hóa nhưng ở

mức độ phát triển chưa đầy đủ để gây nên khí thực nguy hiểm

Việc kiểm tra cần tiến hành với các chế độ làm việc với nhau của công trình tháo nước trong đó phải xét đến:

- Công trình tháo với các cấp lưu lượng thay đổi từ 0 đến Qmax, với Qmax là lưu

lượng tháo lớn nhất

- Trường hợp cửa van mở hoàn toàn và mở từng phần

- Trường hợp mở đều các cửa và trường hợp có một cửa bị hạn chế khả năng

làm việc do sự cố

Việc kiểm tra cần tiến hành cho các bộ phận, các mặt cắt khác nhau trên

công trình tháo nước, trong đó trước hết cần xét đến:

H H K

dt

pg dt

2 2

Hpg - Cột nước áp lực phân giới, tra bảng 2-7;

Vđt – Trị số lưu tốc sát thành xác định theo công thức:

Với dòng không áp mặt cắt ngang hình chữ nhật:

3 ln

) 2 )(

{(

.

− Δ

− + Δ

+ + Δ

+

−

δδ

δδ

h h

B – bề rộng dòng chảy trên dốc

Bảng 2-8 Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số K pg tương ứng [1]

2.3.3 Hiện tượng khí thực

Khí hóa đủ mạnh và duy trì trong một thời gian nhất định thì sẽ dẫn đến

làm bong tróc vật liệu, phá hủy thành rắn Đó là hiện tượng khí thực

Quá trình tạo nên khí thực như sau: các bọt khí được hình thành trong khu

hạ áp sẽ được dòng chảy cuốn theo đến khu vực có áp lực cao hơn, chúng sẽ

bị tiêu biến Nếu sự tiêu biến bọt khí xảy ra dồn dập ở gần thành rắn thì sẽ tạo

ra một xung lực lớn và lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu thành rắn bị mỏi, dẫn đến phá hoại

Nhiều quan sát thực tế cũng như các thí nghiệm trong phòng cho thấy trong những điều kiện nhất định, khí thực có khả năng phá hoại cả những vật liệu khá bền như bê tông mác cao, sắt, thép, lớp bọc bằng chất dẻo…

Các nghiên cứu đã chỉ ra là tồn tại một số yếu tố có khả năng gây nên khí thực như: tác động cơ học, ăn mòn, điện hóa học và tác dụng nhiệt Tuy nhiên không có một cơ sở thực nghiệm nào chứng minh được rằng sự nén đoạn nhiệt của các bọt khí lại có thể tăng cao nhiệt độ đến mức làm nóng chảy được các vật liệu như bê tông, đá,… mà chính các vật liệu này bị xâm thực trong điều kiện lưu tốc chảy bao không lớn lắm

Xem xét tất cả các cơ cấu khác nhau đã được biết về sự phá hủy các thành rắn do khí thực đã cho phép kết luận rằng tác động cơ học là cơ bản nhất

2.3.4 Phương pháp kiểm tra khí thực

Trong trường hợp thiết kế các bộ phận của công trình tháo nước theo điều

kiện không cho phép phát sinh khí hóa, hoặc chỉ cho phép phát sinh khí hóa ở giai đoạn đầu mà dẫn đến kích thước của công trình quá lớn, không đảm bảo yêu cầu kinh tế thì có thể xem xét trường hợp chấp nhận có phát sinh khí hóa, nhưng phải lựa chọn vật liệu làm bằng bề mặt lòng dẫn có đủ độ bền để không xảy ra khí thực nguy hiểm

Việc tính toán kiểm tra cũng phải tiến hành với các chế độ làm việc khác