nghiên cứu hình dạng hợp lý mặt cắt đập trên cơ sở khả năng tháo và điều kiện thủy lực thuận lợi nhất. Đây là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Đập chính dâng nước cao 75m kết cấu Bê tông trọng lực, đập tràn xả lũ với lưu lượng 3513 mP Việc nghiên cứu khả năng tháo và các yếu tố, trong đó xác định hình dạng mặt cắt đập và kết cấ

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội, các cán bộ khoa học - Viện Khoa học Thuỷ lợi Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình tính toán thủy lực tràn xả lũ Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ kỹ thuật còn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Tác giả rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – GS.TS Ngô Trí Viềng đã nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo - Trường Đại học Thuỷ lợi, các cán bộ khoa học Phòng Thuỷ lực - Viện khoa học Thuỷ lợi và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập nghiên cứu để tôi hoàn thành tốt luận văn

Sau cùng tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tôi trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 năm 2011

Nguyễn Thanh Sơn

MỤC LỤC

Trang

0B

PHẦN MỞ ĐẦU 9

Chương 1 : Tổng quan về các loại đập tràn trong các công trình thủy lợi – thủy điện 1.1 Các đập tràn đã xây dựng trên thế giới 11

1.2 Các đập tràn đã xây dựng ở Việt Nam 19

Kết luận chương 1 24

Chương 2 : Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính toán thủy lực qua đập tràn 2.1 Kh ả năng tháo qua đập tràn 25

2.1.1 Khả năng tháo của đập tràn Creager - Ophicerov 25

2.1.2 Khả năng tháo của đập tràn mặt cắt WES 36

2.2 Nghiên cứu dòng chảy qua các dạng đập tràn 44

2.2.1 Hiện tượng dòng chảy qua đập tràn và tính toán các thông số dòng chảy 44

2.2.2 Nối tiếp của dòng tràn và mặt tràn 51

2.2.3 Chiều dày của làn nước chảy qua ngưỡng tràn 58

2.2.4 Nối tiếp của dòng chảy với hạ lưu đập 59

Kết luận chương 2 64

Chương 3 : Kết quả tính toán thủy lực đập tràn Bắc Hà 3.1 Xác định tọa độ mặt cắt tràn Bắc Hà 65

3.1.1 Xác định mặt cắt tràn theo dạng WES 65

3.1.2 Xác định mặt cắt tràn theo dạng Ôphi xêrốp không chân không 66

3.1.3 Xác định mặt cắt tràn thực dụng có chân không, đỉnh Elip 67

3.2 Tính toán khả năng tháo cho đập tràn Bắc Hà 68

3.2.1 Tính toán khả năng tháo cho đập tràn dạng WES 68

3.2.2 Tính toán khả năng tháo cho đập tràn dạng Ôphi xêrốp không chân không

68 3.2.2 Tính toán khả năng tháo cho đập tràn thực dụng có chân không, đỉnh Elip

69 3.3 Xác định đường mặt nước trên đập tràn Bắc Hà 70

3.3.1 Đường mặt nước đập tràn mặt cắt Ôphixêrốp 70

3.3.2 Đường mặt nước đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không, đỉnh Elip

73

3.3.3 Đường mặt nước đập tràn mặt cắt WES 75

3.4 Tính toán phân bố áp suất trên mặt tràn 79

3.4.1 Phương pháp tính toán 79

3.4.2 Kết quả phân bố áp suất trên mặt tràn 80

3.4.3 Kết quả tính toán vận tốc trên tràn 83

Kết luận chương 3 85

Chương 4 : Lựa chọn hình dạng hợp lý cho đập tràn Bắc Hà 4.1 Khái quát về mô hình thủy lực tràn Bắc Hà 86

4.1.1 Mục đích thí nghiệm mô hình đập tràn Bắc Hà 86

4.1.2 Thiết kế mô hình tràn Bắc Hà 86

4.1.3 Các kết quả thí nghiệm mô hình 89

4.2 So sánh 3 mặt cắt tràn lý thuyết với nhau và với thực nghiệm 97

4.2.1 So sánh về khả năng tháo 97

4.2.2 So sánh vận tốc trên tràn 99

4.2.3 So sánh phân bố áp suất trên bề mặt tràn 102

4.3 Phân tích lựa chọn mặt cắt hợp lý cho tràn Bắc Hà 103

Kết luận chương 4 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Trang Hình 1-1 : Công trình tràn xả lũ thủy điện Xin'anjiang Hà Nam -

Trung Quốc 18

Hình 1-2 : Công trình tràn xả lũ thủy điện Ankang Hà Nam - Trung Quốc 19

Hình 1-3 : Công trình tràn xả lũ thủy điện Sêsan 3 22

Hình 1-4 : Công trình tràn xả lũ thủy điện An Khê 23

Hình 2-1 : Mặt cắt tràn dạng Creager - Ophicerov 25

Hình 2-2 : Các dạng mặt cắt đập tràn phi chân không 27

Hình 2-3 : Các dạng mặt cắt đập tràn chân không 28

Hình 2-4 : Đỉnh đập có cửa van 31

Hình 2-5 : Hình dạng các trụ bên và giá trị hệ số xk 34

Hình 2-6 : Hình dạng các trụ giữa và giá trị hệ số x0 34

Hình 2-7 : Các đường cong để xác định sn của đập tràn mặt cắt thực dụng 35

Hình 2-8 : Đầu tràn phía thượng lưu dùng 2 bán kính cong R1, R2 với mái xiên (Mặt cắt WES) 37

Hình 2-9 : Đầu tràn phía thượng lưu dùng 3 bán kính cong R1, R2 và R3 (Mặt cắt WES) 38

Hình 2-10 : Đầu tràn phía thượng lưu nhô ra dùng đường cong Elip (Mặt cắt WES) 39

Hình 2-11 : Sơ đồ mặt cắt đập tràn dạng WES với độ dốc mặt thượng lưu khác nhau 40

Hình 2-12 : Đồ giải xác định tiếp điểm đoạn cong hạ lưu và đoạn thẳng hạ lưu tràn dạng WES 41

Hình 2-13 : Sơ đồ dòng chảy lượn cong theo phương thẳng đứng 45

Hình 2-14 : Đồ thị biểu thị quan hệ phương trình 2-26 47

Hình 2-15 : Đồ thị biểu thị quan hệ phương trình 2-27 47

Hình 2-16 : Sơ đồ tính toán đường mặt nước trên tràn 48

Hình 2-17 : Cấu trúc lưới dòng chảy 55

Hình 2-18 : Phân bố thế năng ở mặt trên làn nước tràn 55

Hình 2-19 : Xác định trị số áp lực thủy động 57

Hình 2-20 : Xác định lưu tốc từ lưới dòng chảy 57

Hình 3-1 : Mặt cắt tràn theo dạng WES 66

Hình 3-2 : Mặt cắt tràn theo dạng Ôphixêrốp không chân không 67

Hình 3-3 : Mặt cắt tràn thực dụng có chân không 67

Hình 3-4 : Sơ đồ tính toán đường mặt nước đập tràn mặt cắt Ôphixêrốp 70

Hình 3-5 : Đường mặt nước đập tràn Ôphixêrốp không chân không 72

Hình 3-6 : Đường mặt nước đập tràn thức dụng có chân không 75

Hình 3-7 : Sơ đồ tính toán đường mặt nước đập tràn mặt cắt WES 75

Hình 3-8 : Đường mặt nước đập tràn dạng WES 79

Hình 3-9 : Phân bố áp suất bề mặt đập tràn Ôphixêrốp không chân không 81

Hình 3-10 : Phân bố áp suất bề mặt đập tràn thực dụng chân không 82

Hình 3-11 : Phân bố áp suất bề mặt đập tràn WES 83

Hình 4-1 : Sơ đồ bố trí các điểm và tuyến đo áp suất trên mặt tràn 88

Hình 4-2a : Biểu đồ quan hệ : Hệ số lưu lượng - Mực nước thượng lưu, cột nước trên đập tràn 90

Hình 4-2b : Biểu đồ quan hệ : Khả năng tháo Q - cao độ mực nước thượng lưu 90

Hình 4-3 : Đường cong phân bố áp suất dư hp trên mặt đập tràn dọc tuyến 1 92

Hình 4-4 : Đường cong phân bố áp suất dư hp trên mặt đập tràn dọc tuyến 2 93

Hình 4-5 : Đường mặt nước trên mặt đập tràn dọc tuyến 1 95

Hình 4-6 : Đường mặt nước trên mặt đập tràn dọc tuyến 2 96

Hình 4-7 : Quan hệ Q = f(H) (trường hợp QR tháo R biết trước) 98

Hình 4-8 : Quan hệ m = f(H) (trường hợp QR tháo R biết trước) 98 Hình 4-9 : Quan hệ Q = f(H) (trường hợp cột nước tràn biết trước) 99 Hình 4-10 : Quan hệ m = f(H) (trường hợp cột nước tràn biết trước) 99

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1-1 : Khai thác thủy điện của 10 nước trong tổ chức năng lượng

quốc tế (IEA) 11

Bảng 1-2 : Khai thác bậc thang trên một vài lưu vực sông ở Canada 12

Bảng 1-3 : Một số nhà máy thủy điện lớn nhất Nauy 12

Bảng 1-4 : Tiềm năng và hiện trạng khai thác thủy điện ở một số nước láng giêng 13

Bảng 1-5 : Các đập cao nhất thế giới 14

Bảng 1-6 : Các công trình thủy điện có đập cao trên 100m đã xây dựng ở Trung Quốc 15

Bảng 1-7 : Các công trình thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam 21

Bảng 2-1 : Trị số bán kính R thay đổi theo P và Htr 26

Bảng 2-2 : Tọa độ các điểm trên đường viền của mặt tràn loại phi chân không vẽ theo phương pháp Ôphixe rôp (dạng A) 26

Bảng 2-3 : Tọa độ các điểm của đường cong mặt tràn kiểu chân không đỉnh đập hình Elip 29

Bảng 2-4 : Hệ số co hẹp đứng a khi nước chảy dưới cửa van 31

Bảng 2-5 : Bảng tra hệ số shd phụ thuộc vào góc aB và aH và tỷ số a/CB 32

Bảng 2-6 : Hệ số hiệu chỉnh cột nước sH của đập tràn không chân không 33

Bảng 2-7 : Trị số (Z/P)k xác định trạng thái phân giới chảy ngập của đập tràn thành mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng 35

Bảng 2-8 : Hệ số ngập sn của đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không 36

Bảng 2-9 : Giá trị R1, R2 và các tham số đường cong mặt tràn (dùng cho mặt cắt WES) 37

Bảng 2-10 : Hệ số ảnh hưởng của mái thượng lưu đập (dùng cho mặt cắt WES) 43

Bảng 2-11 : Hệ số lưu lượng của đập tràn WES 43

Bảng 2-12 : Hệ số hình dạng trụ pin của đập tràn dang WES 44

Bảng 3-1 : Tọa độ mặt cong tràn phía hạ lưu (Mặt cắt dạng WES) 65

Bảng 3-2 : Tọa độ mặt cong tràn theo dạng Ôphixêrốp không chân không 66

Bảng 3-3 : Kết quả tính tháo đối với mặt cắt dạng WES 68

Bảng 3-4 : Kết quả tính tháo đối với mặt cắt Ôphixêrốp không chân

không 69 Bảng 3-5 : Kết quả tính tháo đối với mặt cắt thực dụng có chân không,

đỉnh Elip 69 Bảng 3-6 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=2530m3/s

(Mặt cắt Ôphixêrốp) 70 Bảng 3-7 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3329m3/s

(Mặt cắt Ôphixêrốp) 71 Bảng 3-8 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3388m3/s

(Mặt cắt Ôphixêrốp) 71 Bảng 3-9 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=4356m3/s

(Mặt cắt Ôphixêrốp) 71 Bảng 3-10 : Đường mặt nước đoạn cong (Mặt cắt Ôphixêrốp) 72 Bảng 3-11 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=2530m3/s

(Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 73 Bảng 3-12 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3329m3/s

(Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 73 Bảng 3-13 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3388m3/s

(Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 74 Bảng 3-14 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=4356m3/s

(Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 74 Bảng 3-15 : Đường mặt nước đoạn cong (Mặt cắt chân không đỉnh Elip) 74 Bảng 3-16 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=2530m3/s,

đoạn 1-C (Mặt cắt WES) 76 Bảng 3-17 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=2530m3/s,

đoạn 8-B (Mặt cắt WES) 76 Bảng 3-18 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3329m3/s,

đoạn 1-C (Mặt cắt WES) 76 Bảng 3-19 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3329m3/s,

đoạn 8-B (Mặt cắt WES) 77 Bảng 3-20 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3388m3/s,

đoạn 1-C (Mặt cắt WES) 77 Bảng 3-21 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=3388m3/s,

đoạn 8-B (Mặt cắt WES) 77

Bảng 3-22 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=4356m3/s,

đoạn 1-C (Mặt cắt WES) 78

Bảng 3-23 : Đường mặt nước đoạn thẳng cấp lưu lượng Q1=4356m3/s, đoạn 8-B (Mặt cắt WES) 78

Bảng 3-24 : Đường mặt nước đoạn cong (Mặt cắt WES) 78

Bảng 3-25 : Phân bố áp suất mặt tràn (Mặt cắt Ôphixêrốp) 80

Bảng 3-26 : Phân bố áp suất mặt tràn (Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 81

Bảng 3-27 : Phân bố áp suất mặt tràn (Mặt cắt WES) 82

Bảng 3-28 : Vận tốc trên mặt tràn (Mặt cắt Ôphixêrốp) 83

Bảng 3-29 : Vận tốc trên mặt tràn (Mặt cắt chân không, đỉnh Elip) 84

Bảng 3-30 : Vận tốc trên mặt tràn (Mặt cắt WES) 84

Bảng 4-1 : Tọa độ các điểm đo áp suất trên mặt tràn 88

Bảng 4-2 : Các cấp lưu lượng dùng trong thí nghiệm 89

Bảng 4-3 : Kết quả trị số lưu lượng 89

Bảng 4-4 : Trị số chiều cao áp suất dư tại các điểm trên tràn 91

Bảng 4-5 : Bảng đo cao độ đường mặt nước trên mô hình mặt cắt Bắc Hà 94

Bảng 4-6 : So sánh hệ số lưu lượng m (trường hợp QR tháo R biết trước) 97

Bảng 4-7 : So sánh hệ số lưu lượng m(trường hợp cột nước tràn biết trước) 97

Bảng 4-8 : So sánh khả năng tháo Q (trường hợp cột nước tràn biết trước) 97

Bảng 4-9 : So sánh vận tốc tại điểm đầu tiên mặt cong tràn 100

Bảng 4-10 : So sánh vận tốc tại điểm đầu tiên của đoạn cong ngược 101

Bảng 4-11 : So sánh vận tốc tại điểm thấp nhất của đoạn cong ngược 101

Bảng 4-12 : So sánh vận tốc tại điểm cuối mũi phun 101

Bảng 4-13 : So sánh áp suất tại điểm đầu tiên mặt cong tràn 102

Bảng 4-14 : So sánh áp suất tại điểm đầu tiên của đoạn cong ngược 102

Bảng 4-15 : So sánh áp suất tại điểm thấp nhất của đoạn cong ngược 102

Bảng 4-16 : So sánh áp suất tại điểm cuối mũi phun 103

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của Đề tài:

Công trình thủy điện Bắc Hà xây dựng trên sông Chảy, huyện Bắc Hà, tỉnh

Lào Cai Nhiệm vụ chủ yếu là phát điện, có công suất lắp máy NR lm R = 90MW, điện lượng trung bình hàng năm 377 triệu KWh Đập chính dâng nước cao 75m kết cấu

Bê tông trọng lực, đập tràn xả lũ với lưu lượng 3513 mP

Việc nghiên cứu khả năng tháo và các yếu tố, trong đó xác định hình dạng mặt cắt đập và kết cấu của nó chiếm vai trò quan trọng Vì vậy đề tài này nhằm nghiên cứu hình dạng hợp lý mặt cắt đập trên cơ sở khả năng tháo và điều kiện thủy lực thuận lợi nhất Đây là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

II Mục đích của Đề tài:

- Nghiên cứu chế độ dòng chảy qua đập tràn thủy điện Bắc Hà

- Tìm giải pháp thích hợp cho đập tràn, hợp lý nhất về mặt thủy lực và ổn định lâu dài

III Phương pháp tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận là tổng quan và phân tích các kết quả nghiên cứu có liên quan đến đề tài đã được công bố, xác định các yếu tố thủy lực tràn xả lũ Bắc Hà

- Tham khảo kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực tràn xả lũ Bắc

Hà, so sánh và đối chứng với tính toán

IV Kết quả dự kiến đạt được:

Xác định được khả năng tháo và các thông số của dòng chảy qua các loại mặt cắt tràn nước khác nhau, so sánh với thực nghiệm để chọn hình dạng mặt cắt đập tràn Bắc Hà hợp lý nhất

V Nội dung của luận văn

Chương 1: Tổng quan về các loại đập tràn trong các Công trình thủy lợi - thủy điện

1.1 Các đập tràn đã xây dựng trên thế giới 1.2 Các đập tràn đã xây dựng ở Việt Nam

Chương 2 : Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính toán thủy lực qua đập tràn

2.1 Khả năng tháo qua đập tràn 2.2 Nghiên cứu dòng chảy qua các dạng đập tràn

Chương 3 : Kết quả tính toán thủy lực đập tràn Bắc Hà

3.1 Xác định tọa độ mặt cắt tràn Bắc Hà 3.2 Tính toán khả năng tháo cho đập tràn Bắc Hà 3.3 Xác định đường mặt nước trên đập tràn Bắc Hà 3.4 Tính toán phân bố áp suất trên mặt tràn Bắc Hà

Chương 4: Lựa chọn hình dạng hợp lý cho đập tràn Bắc Hà

4.1 Khái quát về mô hình thủy lực tràn Bắc Hà 4.2 So sánh 3 mặt cắt tràn lý thuyết với nhau và với thực nghiệm 4.3 Phân tích lựa chọn mặt cắt hợp lý cho tràn Bắc Hà

Kết luận và kiến nghị

1 Những kết quả đạt được của luận văn

2 Những tồn tại của luận văn và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Các phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐẬP TRÀN TRONG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN 1.1 Các đập tràn đã xây dựng trên thế giới

Thủy điện chiếm 1/5 sản lượng điện trên thế giới Trong thực tế, nó đóng vai trò chủ yếu trong việc cung cấp điện ở 55 quốc gia Công suất lắp đặt thủy điện hiện nay là 737,4 GW, với tổng điện lượng hàng năm ước tính là 2.767 TWh, có khoảng

118 GW công suất đang được xây dựng Hai phần ba tiềm năng thủy điện khả thi về kinh tế kỹ thuật của thế giới chưa được khai thác Tuy nhiên phạm vi khai thác ở các vùng khác nhau một cách đáng kể ở Châu Âu và Bắc Mỹ hầu hết tiềm năng thủy điện đã được khai thác hết Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ nơi mà phần lớn nhu cầu về nước và năng lượng là cấp thiết lại vẫn còn những tiềm năng đáng kể chưa được sử dụng

Theo số liệu của tổ chức Hiệp hội năng lượng Quốc tế (IEA) đến năm 1996, chỉ tính 10 nước trong tổ chức này là: Canada, Trung Quốc, Phần Lan, Pháp, Italia, Nhật Bản, Nauy, Tây Ban Nha, Thụy Điển và Anh (ở Trung Quốc chỉ tính thủy điện nhỏ) đã có tổng công suất thủy điện là 263 GW, điện lượng hàng năm 956.9 TWh, đem lại thu nhập hàng năm khoảng 30 tỉ USD ( bảng 1-1)

Bảng 1-1:Khai thác thủy điện của 10 nước trong tổ chức năng lượng Quốc tế (IEA)

Tên nước Năm Công suất lắp máy

(GW)

Điện năng ( TWh)

Tiềm năng lí thuyết Tiềm năng khả thi

Canađa là một trong những nước khai thác nguồn thủy năng lớn nhất trên thế giới, hiện nay có công suất lắp đặt vào khoảng 64,5 GW, điện năng bình quân hàng năm 330,7TWh, chiếm tỉ trọng 69% cơ cấu nguồn trên 60% tiềm năng khả thi

đã khai thác, ( có thể ví dụ về khai thác thủy điện ở một vài hệ thống lưu vực sông) (bảng 1-2)

Bảng 1-2 : Khai thác bậc thang trên một vài lưu vực sông ở Canađa

Lưu vực sông

và nhà máy

Năm hoàn thành

Cột nước (m)

Số tổ máy

Công suất lắp máy (MW)

Điện năng bình quân năm (GWh)

3

P

/s, cùng với địa hình dốc là thuận lợi cho việc xây dựng cho các nhà máy thủy điện lớn có cột nước cao, ( bảng 1-3) thống kê 10 công trình lớn nhất của Nauy

Bảng 1-3 : Một số nhà máy thủy điện lớn nhất Nauy

Tên nhà máy Thuộc vùng Công suất lắp máy ( MW) quân năm (GWh) Điện năng bình

Với các nước châu Á và ASEAN, tình hình phát triển thủy điện tới năm

2003 trong hệ thống điện lực được tóm tắt trong (bảng 1-4) Từ các số liệu thống kê cho thấy tỉ trọng công suất thủy điện trong hệ thống điện của các quốc gia khu vực châu Á: Trung Quốc (24%), Nhật Bản (20%), Ấn Độ (24%), Hàn Quốc (7.6%), Đài Loan (14%), Thái Lan (13%), Malaysia (14%), Indonesia(14%), Philipin (18%), Việt Nam (37%), Lào (97%), Myama (30%) Các số liệu cho thấy vai trò của thủy điện chiếm một tỉ trọng lớn (trên 20%) ở các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Lào, Myanma, Nhật Bản

Bảng 1-4 : Tiềm năng và hiện trạng khai thác thủy điện ở một số nước láng giềng

STT Tên nước, Tỉnh Tiềm năng khả thi (TWh) Tổng điện năng đã khai thác (TWh)

Bảng 1-5 và 1-6 giới thiệu các thông số chính của một số công trình có đập cao nhất thế giới và các công trình thủy điện có đập cao hơn 100m đã và đang được xây dựng ở thế giới và Trung Quốc

Bảng 1-5 : Các đập cao nhất thế giới (Tất cả các loại đập)

STT Tên công trình Năm hoàn

thành Quốc gia Loại đập Chiều cao (m)

26 Upper Miill Branch

Bảng 1-6: Các công trình thủy điện đập cao trên 100m đã xây dựng ở Trung Quốc

STT Tên công trình

Năm hoàn thành

Tỉnh Loại đập Dung tích hồ (Triệu

m3)

Chiều cao (m)

Ghi chú : VA- Đập vòm; CB-Đập bản chống; TE-Đập đất đá, PG-Đập bê tông trọng lực, MV-Đập liên vòm, ER-Đập đá đổ

Với lịch sử phát triển công trình thủy lợi- thủy điện nói chung, công trình thủy công nói riêng, ngày càng có nhiều công trình có quy mô lớn được thiết kế và xây dựng Có thể nói chủ yếu các công trình thủy điện lớn đều thuộc dạng công trình cột nước cao H ≥15m Công trình tháo lũ ở các công trình này cần phải tháo với lưu lượng lờn từ vài ngàn mP

Phương trình mặt dưới của luồng nước tràn tự do có dạng tổng quát:

H

5 2

0.57 0.02 10 v 0.208

d

h D

Các phương trình trên không có giá trị với

Trong thực tế chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố nên mặt cắt tràn không còn được đúng như lý thuyết Vì thế sau này người ta đã nghiên cứu hoàn thiện hơn và lần lượt ra đời các mặt cắt sau:

+ Mặt cắt De Marchi (1928)

+ Mặt cắt Creager (1929) dựa trên số liệu của Bazin

+ Mặt cắt Creager cải tiến (1945) dựa trên số liệu của US Bureau of Reclamation ( từ các thử nghiệm ở Denver Mỹ)

+ Mặt cắt Scimemi (1930)

+ Mặt cắt Escande (1937)

+ Mặt cắt Smetana (1948-1949)

+ Mặt cắt Creager- Ophicerop

+ Mặt cắt Lane- Dvis (1952) dựa trên số liệu của của Bagin, Scimemi và

US Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở Fort-Collins Mỹ)

+ Mặt cắt WES (1952) của Weterways Exoriment Station (Mỹ)

Dưới đây là bốn dạng phương trình mặt cắt tràn được áp dụng và nhắc đến nhiều nhất

Mặt cắt này ứng với hệ số an toàn 10% đối với cột nước:

Mặt cắt dạng WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp dụng phổ biến ở các nước Bắc Mỹ, Tây Âu, Trung Quốc và Việt Nam trong những năm gần đây cũng được áp dụng nhiều như đập tràn thủy điện Sê San 4, thủy điện Bản Vẽ, đập tràn hồ Cửa Đạt, đập tràn thủy điện Sơn La

Hình 1- 1: Công trình tràn xả lũ thủy điện Xin’anjiang Hà Nam – Trung Quốc

Hình 1- 2: Công trình tràn xả lũ thủy điện Ankang Hà Nam – Trung Quốc

1.2 Các đập tràn đã xây dựng ở Việt Nam

Nước ta có 2360 con sông có chiều dài trên 10km, trong đó có 9 hệ sông chình và diện tích lưu vực hơn 10.000 kmP

Đây là nguồn tài nguyên dồi dào nhưng lại phân bổ không đều cả về không gian

và thời gian, khoảng 70÷75% lượng dòng chảy năm tập trung vào 3-4 tháng mùa mưa Trong đó 3 tháng mùa khô chỉ chiếm 5÷8% Vì vậy vào mùa mưa thì gây lũ lụt còn mùa kiệt thì gây hạn hán khắc nghiệt cho một số khu vực Với điều kiện tự nhiên của nước ta như đã nêu trên và nhu cầu dùng nước, nhu cầu phòng lũ nhất là đối với vùng đồng bằng Bắc bộ thì biện pháp hồ chứa để điều tiết nước là biện pháp thủy lợi phổ biến và hiệu quả nhất

Theo con số thống kê của Bộ NN & PTNT năm 2002 cả nước có 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105mP

hệ thống điện của quốc các quốc gia chỉ chiếm 73%

Trong những năm gần đây thực hiện đường lối mở cửa cửa Đảng và Nhà nước, tình hình phát triển kình tế ngày càng tăng, đời sống nhân dân ngày một nâng cao, nhiều thành phố, các khu đô thị mới, các khu công nghiệp và các khu chế xuất được quy hoạch và xây dựng Với sự phát triển mạnh mẽ đó điều tất yếu là nhu cầu

về điện năng hàng loạt công trình thủy điện vừa và lớn đã được khởi công và xây dựng

Trong (bảng 1-7) là các thông số chính của một số công trình thủy lợi, thủy điện đã và đang xây dựng ở nước ta Đập đất có chiều cao lớn nhất là 47m ( đập Đức Hạnh- Thác Mơ),đập đất đá hỗn hợp 128m (đập Hòa Bình), đập đá đổ lõi sét 93.5m (đập Hàm Thuận), đập đá bê tông bản mặt 90m (đập Tuyên Quang), đập bê tông trọng lực 79m (Se San3), đập bê tông đầm lăn 80m (đập A Vương)

Theo thống kê cho thấy, ở nước ta các công trình thủy nông có cột nước thấp thường sử dụng hình thức tràn đỉnh rộng, tràn bên Đối với công trình đập có cột nước cao có tới 80% công trình sử dụng hình thức tràn tháo lũ có mặt cắt tràn thực dụng dạng Creager-Ophicerop Gần đây ở một số công trình đã thiết kế tràn có mặt cắt tràn thực dụng dạng WES như công trình thủy điện Sơn La, sông Tranh 2, Cửa Đạt Các công trình thủy điện thường có đập cao trên 30m ( thủy điện Sơn La

có đập cao đến 138m), lưu lượng xả lớn từ vài nghìn mP

Chiều rộng tràn (m)

Q (mP

3

P

/s) q (mP

3

P

/sm)

Số khoang

Kích thước

Hình 1- 3: Công trình tràn xả lũ thủy điện Sêsan 3

IV

IIA IA1

496.7 5 K20

497.5 495

Hố xói

∇đáy442.5

1:0.5 456.0

Đuờng thi công 493

494.7 7

494.8 7

494.7 5

49 4.71

494.8 9

Hỡnh 1- 4: Cụng trỡnh tràn xả lũ thủy điện An Khờ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương I, luận văn đã đề cập tới những vấn đề như sau :

- Tiềm năng và tình hình xây dừng đập tràn trên thế giới

- Tiềm năng và tình hình xây dưng đập tràn ở Việt Nam

- Khái quát quá trình nghiên cứu gắn liền với sự ra đời của các dạng mặt cắt đập tràn

Từ các nội dung trên, tác giả có những nhận xét như sau :

- Đập tràn là một trong những công trình chủ yếu và quan trọng ở đầu mối thủy lợi, thủy điện, có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc an toàn và ổn định lâu dài của hồ chứa nước

- Dạng mặt cắt đập tràn được sử dụng rộng rãi nhất là dạng mặt cắt Creager Ophicerov Mặt cắt dạng WES mới ra đời, được nghiên cứu tại Mỹ có ưu điểm hơn, vì thế Việt Nam cũng đã tiếp thu và đang ứng dụng vào xây dựng một số công trình thủy lợi, thủy điện như : thủy điện Sơn La, hồ chứa nước Cửa Đạt, thủy điện Bản Vẽ

-CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN

THỦY LỰC QUA ĐẬP TRÀN 2.1 Khả năng tháo qua đập tràn

2.1.1 Khả năng tháo của đập tràn Creager - Ophicerov

• Xác định mặt cắt tràn Creager – Ophicerov

PG

x

y

R n'

- Căn cứ vào tọa độ ở bảng 2-2 để vẽ đường cong O’B

- Vẽ đường thẳng BC và DE tiếp tuyến với đường cong đó cùng với đường thẳng nằm ngang tạo thành góc αR 2 R

- Đoạn cong ngược có bán kính R không ảnh hưởng tới khả năng tháo mà chủ yếu là có liên quan đến việc nối tiếp dòng chảy với hạ lưu Nếu nối tiếp tốt thì lấy giá trị R theo bảng 2-1 trong đó HR tr Rlà cột nước trên đỉnh đập tràn Khi thiết kế

có thể lấy giá trị R như sau:

+ Đối với đập thấp trên nền mềm có cột nước trên đỉnh tràn lớn thì :

R = (0.50÷1.0) (HR TK R+ZR max R) (2-1) + Đối với đập cao trên nền đá, cột nước trên đỉnh nhỏ hơn 5m thì:

R = (0.25÷0.50) (HR TK R+ZR max R) (2-2)

Trong đó: ZR max R - Độ chênh cột nước lớn nhất thượng, hạ lưu

HR TK R - Cột nước thiết kế trên đỉnh đập tràn

Bảng 2-1: Trị số bàn kính R thay đổi theo P và HRtr

Bảng 2-2 : Tọa độ các điểm trên đường viền của mặt tràn loại phi chân không vẽ

theo phương pháp Ôphixêrốp (dạng A)

Hình dạng mặt cắt cong CDE ( hình 2-2a) phải căn cứ vào HR TK Rmà xác định Trị số HR TK Rthường là cột nước thiết kế để xả được lưu lượng lũ theo tần suất lũ thiết

kế Trong quá trình vận hành công trình cột nước tác dụng trên đỉnh tràn (HR tr R) luôn luôn thay đổi

- Nếu khi HR tr R < HR TK R thì trên mặt tràn CDE không thể xảy ra hiện tượng chân không, tức là không có áp suất âm

- Nếu khi HR tr R > HR TK R thì có thể xảy ra hiện tượng chân không trên mặt tràn, tức là xuất hiện áp suất âm Ngoài ra cần chú ý là ở gần điểm B trên đoạn BC có thể

có chân không khi cột nước HR tr R ≤ HR TK R

Có mấy loại hình dạng mặt cắt như sau:

F R

H

α

B

C A;B

C

DE F R

F

R

H

α D' x

O

C

H

α

Hình 2- 2 Các dạng mặt cắt đập tràn phi chân không

Để vẽ được đường cong mặt tràn phi chân không dạng Ôphixêrốp ta dựa vào phương trình sau:

80 , 1

475,

Y

(2-3)

Dựa vào công thức (2-3) lập thành giá trị tọa độ ghi ở bảng 2-2

Ghi chú: Các trị số tọa độ trong bảng ứng với cột nước H=1.0m, khi thiết kế phải nhân với cột nước đập tràn HR TK Rđể được tọa độ thực của mặt cắt tràn theo đồ án thiết kế

Loại mặt cắt của đập tràn chân không có mặt thượng lưu là mặt thẳng đứng,

hạ lưu là một mặt nghiêng (hệ số mái thường là 3:2), đỉnh đập hình êlíp (có khi là hình tròn hoặc hình bầu dục); trục dài hình êlíp là 2e song song với mặt hạ lưu trục ngắn là 2f hình 2-3

B

C

D

E E" R

A'

B' C'

e

H×nh 2-3 : C¸c d¹ng mÆt c¾t trµn ch©n kh«ng

a, b, c - MÆt c¾t ®Ëp trµn ch©n kh«ng

d, e, f- MÆt c¾t kinh tÕ cña ®Ëp trµn

Muốn vẽ mặt cắt tràn dạng chân không trước hết vẽ vòng tròn có bán kính rR φ R

nối tiếp với 3 cạnh AB, BC, CD Điểm gốc toạ độ là điểm cao nhất của đỉnh đập hình 2-3c Điểm này nằm trên đường BC hình 2-3b; trong bảng 2-3 là điểm 7 (khi e/f =1.0 và e/f =3.0) hoặc điểm 11 (khi e/f =2) Nối tiếp giữa phần cuối đập tràn và

hạ lưu cũng giống như mặt cắt đập tràn không chân không

Bảng 2-3 ghi tọa độ của các điểm đường cong mặt tràn của 3 loại đập chân không có tỷ số e/f khác nhau ứng với trường hợp rR φ R =1, khi rR φ Rnhỏ hoặc lớn hơn 1.0 thì các toạ độ x, y trong bảng phải nhân với giá trị thực của rR φ R

Bảng 2-3 Toạ độ các điểm của đường cong mặt tràn kiểu chân không

đỉnh đập hình ê líp (khi rR φ R = 1)

Tên

điểm

Tọa độ các điểm 0

,3

=

f

e

0,2

=

f

e

0,1

=

f e

Đối với mặt cắt tràn của mỗi công trình đều cần xác định mặt cắt kinh tế Cách xác định là sau khi dựa vào điều kiện ổn định, về cường độ và kinh tế ta xác định được mặt cắt kinh tế của đập không tràn ABOE hình 2-3d và dựa vào mặt cắt

cơ bản đó xác định được mặt cắt tràn CD (vẽ theo toạ độ trong bảng khi tính ra hoặc bảng 2-3) Mặt tràn CD phải tiếp tuyến với mặt đập không tràn DE tại điểm D Toạ

độ các điểm của mặt tràn rất có thể vượt ra ngoài tam giác cơ bản AOE hình 2-3e Bởi vì với đập trên nền đá theo yêu cầu về ổn định và cường độ; chiều rộng đáy rất hẹp Trường hợp đó ta cần dịch tam giác cơ bản về phía hạ lưu một đoạn hình 2-3e sao cho mặt đập DE’ của tam giác cơ bản A’D’E’ tiếp tuyến với mặt tràn tại D Như vậy mặt tràn CDE’F thoả mãn điều kiện thủy lực Đối với điều kiện ổn định và cường độ thì tam giác A’D’E là bảo đảm, do đó ta có thể giảm bớt khối ABB’A’ hình 2-3c nhưng cần phải đảm bảo hR 1 R ≥ 0.4HR TK Rđể khỏi ảnh hưởng đến khả năng xả của tràn Trường hợp đập tràn có cửa van sửa chữa, trên đỉnh đập cần có đoạn nằm ngang C-C’ hình 2-3f để dễ bố trí cửa van Lúc đó toạ độ các điểm của mặt tràn phải dời đi một đoạn đến cuối đoạn nằm ngang như vậy thì hệ số lưu lượng sẽ giảm

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

α: hệ số co hẹp đứng do ảnh hưởng của độ mở, tra bảng 2-4;

a: độ mở của một cửa van;

θ: góc loe của đáy cửa hướng dòng nước chảy vào, thường chọn θ = 90P

Do những điều kiện trên, hệ số lưu lượng của một đập, cụ thể với một cột nước nào đó, được xác định bằng công thức:

m = mR tc R.σR H R.σR hd R(2-6) Trong đó:

mR tc R: hệ số lưu lượng được xác định theo đập tiêu chuẩn;

σR H R: hệ số sửa chữa cột nước, vì thế thiết kế mặt cắt đập dùng HR đ.h R, nhưng khi vận hành thì cột nước (H) trên đỉnh tràn thay đổi;

σR hd R: hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng, do cấu tạo khác với đập tiêu chuẩn;

+ Đối với đập loại I

Theo số liệu của Ophixerov mR tc R= 0,504; Theo Pavơlốpski mR tc R = 0,49

+ Đối với đập loại II, thì mtc = 0,48;

+ Hệ số sửa chữa hình dạng σR hd Rcó thể tra ở bảng 2-5

Bảng 2-5: Bảng tra trị số σRhdRphụ thuộc vào góc αRBR và αRHRvà tỷ số a/CRB

Bảng 2-6: Hệ số hiệu chỉnh cột nước σRHRcủa đập tràn không chân không

(theo tài liệu của N.P Rôdanốp và A.X Ôphixêrov)

• Xác định hệ số co hẹp bên ε

Trong thực tế, các đập thường có chiều rộng tràn nước Σb nhỏ hơn chiều rộng sông thượng lưu B, ở hai đầu đập có mố (mố bên) và trên đỉnh có các mố trụ, chia đập ra làm nhiều khoang Điều này làm cho dòng chảy đi vào đỉnh đập bị co hẹp, chiều rộng thực tế của làn nước bR c R = ε.b (ε < 1)

Hệ số ε được xác định bằng thực nghiệm Theo quy phạm tạm thời về thiết

kế đập tràn, hệ số co hẹp bên ε được lấy theo công thức :

b: chiều rộng mỗi khoang;

ξR mb R: hệ số hình dạng mố bên, lấy các giá trị ghi ở hình 2-5;

ξR mt R: hệ số hình dạng mố trụ, lấy các giá trị ghi ở hình 2-6;

Trong công thức 2 -7, khi H o 1

+ Hệ số ngập σRnRcủa đập tràn có mặt cắt thực dụng có chân không:

Khi hạ lưu có nước nhảy xa thì đập tràn luôn luôn không ngập, σR n R= 1,0 Nếu

hạ lưu có nước nhảy ngập thì nước chảy qua đập tràn có thể không ngập hoặc ngập, lúc đó σR n R phụ thuộc và tỷ số (hR n R – chiều sâu nước ngập, tức là khoảng cách từ mực nước hạ lưu đến đỉnh đập tràn, nếu mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh đập thì hR n R có trị

số âm) Hình 2-7 cho các đường cong xác định σR n Rtheo thí nghiệm của Rozanov:

- Đường cong I: đối với đập tràn có mặt cắt chân không; khi n 0,15

o

h

H ≤ − thì

σR n R = 1,0;

- Đường cong II: đối với đập tràn không chân không; khi n 0

o

h

H ≤ thì σR n R = 1,0;

- Đường cong III: đập tràn không chân không có đỉnh mở rộng hoặc tràn đỉnh rộng

σ

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

+ Hệ số ngập σRnRcủa đập tràn có mặt cắt thực dụng không có chân không:

Chỉ tiêu ngập của đập tràn có mặt cắt thực dụng giống như của đập 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;

mR o R: hệ số lưu lượng bao hàm yếu tố cột nước lưu tốc tới gần

Bảng 2-7: Trị số (Z/P)RkRxác định trạng thái phân giới chảy ngập của đập tràn thành

mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng

mR o

H/P 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.75 1.0 1.5 2.0 3.0 0.42 0.89 0.84 0.80 0.78 0.76 0.73 0.73 0.76 0.82 1.00 0.46 0.88 0.82 0.78 0.76 0.74 0.71 0.70 0.73 0.79 1.01 0.48 0.86 0.80 0.76 0.74 0.71 0.68 0.67 0.70 0.78 1.02

Hệ số chảy ngập σR n Rtrong công thức (2-4) được xác đinh theo bảng 2-8

a) Đoạn cong phía thượng lưu đập tràn:

Đoạn cong phía thượng lưu đập tràn được xác định theo một trong ba cách sau:

- Khi mặt tràn có mái thượng lưu xiên thì đoạn cong phía thượng lưu đập tràn dùng hai cung tròn có bán kính RR 1 R và RR 2 R nối tiếp nhau (hình 2-8) Giá trị của

các bán kính này và các tham số khác của phương trình mặt tràn đoạn cong phía hạ lưu được lấy trong bảng 2-9

o

xy

Hình 2-8 : Đầu tràn phía thượng lưu dùng 2 bán kính cong R1 và R2 với mái xiên

Bảng 2-9: Giá trị RR1R, RR2Rvà các tham số đường cong mặt tràn

= 0.2H

®

R

3 = 0.0 4H

®

Hình 2-9 : Đầu tràn phía thượng lưu dùng 3 bán kính cong RR1R, RR2R và RR3

- Khi đập tràn có đầu nhô ra phía thượng lưu thì đoạn cong phía thượng lưu tràn vẽ theo đường ellipse Phần đầu nhô ra cần thỏa mãn điều kiện

2

=

−+

d d

y bH aH

x

(2-8) Trong đó:

a.HR d R: Bán trục dài của ellipse

Hình 2-10 : Đầu tràn phía thượng lưu nhô ra dùng đường cong ellipse

b) Đoạn cong phía hạ lưu đập tràn:

Phần đường cong phía hạ lưu tràn được xác định theo phương trình):

x, y: Tọa độ các điểm trên đoạn cong mặt tràn phía hạ lưu

HR d R: Cột nước thiết kế định hình đường cong mặt đập tràn (phía hạ lưu) Giá trị HR d Rđược xác định như sau:

- Khi PR 1 R≥ 1,33HR d Rgọi là đập cao, lấy HR d R = (0,75÷0,95)HR max

- Khi PR 1 R < 1,33HR d Rgọi là đập thấp, lấy HR d R = (0,65÷0,85)HR max

Trong đó HR max Rlà cột nước trên đỉnh tràn ứng với lưu lượng lũ kiểm tra Mặt cắt đập tràn dạng WES với các độ dốc mặt thượng lưu khác nhau được thể hiện ở hình 2-11

Hình 2-11: Sơ đồ mặt cắt đập tràn dạng WES với độ dốc mặt thượng lưu khác nhau

Tọa độ tiếp điểm của đoạn cong phía hạ lưu đập tràn và đoạn thẳng hạ lưu tràn được xác định bằng cách giải hệ phương trình (2-10) hoặc tra đồ thị hình 2-12:

d d

i

H m y

H m m

H x

172 , 2

172 , 1 85

, 0 1

592 , 0

096 , 1

1 096 , 1