nghiên cứu thực nghiệm xác định cửa vào hợp lý cống dưới sâu áp dụng đối với công trình đầu mối hồ chứa nước bản mồng – nghệ an

Trong đó, các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện đã và đang được xây dựng tương đối nhiều với các quy mô khác nhau như: Thuỷ điện Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Sê San 4, Sông Tranh

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài: 1

II Mục đích nghiên cứu: 2

III Phạm vi nghiên cứu 2

IV Nội dung nghiên cứu 2

V Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 3

VI Kết quả dự kiến đạt được: 3

VII Nội dung luận văn 3

Mở đầu 4

Chương I Tổng quan 4

Chương II Tính toán thủy lực 4

Chương III Thí nghiệm mô hình thủy lực 4

Kết luận và kiến nghị 4

Tài liệu tham khảo 4

Phụ lục 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI SÂU 5

1.1 Quy mô một số cống trong các công trình đã thực hiện: 5

1.2 Đặc điểm của cống xả sâu 6

1.2.3 Phân loại cống dưới sâu 6

1.2.4 Cấu tạo: 8

1.3 Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất 10

1.3.3 Thấm qua thân cống 10

1.3.4 Thân cống bị mục 10

1.3.5 Tấm đáy bị xói tróc 10

1.3.6 Hỏng khớp nối 11

1.3.7 Hỏng sân tiêu năng 11

1.3.8 Cống bị lún 11

1.3.9 Cửa cống không kín nước 11

1.3.10 Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng 11

1.4 Các kết quả nghiên cứu về cống dưới sâu 12

1.5 Xác định nội dung nghiên cứu 13

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THỦY LỰC 14

2.1 Giới thiệu về công trình hồ chứa nước Bản Mồng 14

2.1.1 Vị trí công trình 14

2.1.2 Nhiệm vụ công trình 14

2.1.3 Quy mô công trình 15

2.1.4 Các thông số chính của công trình 16

2.1.5 Cống dưới sâu 18

2.2 Khả năng tháo của các cống xả sâu 21

2.3 Xác định áp suất trong cống dưới sâu 25

2.4 Kiểm tra khả năng hình thành phễu xoáy 30

2.5 Kiểm tra điều kiện khí hóa 31

2.5.1 Xác định hệ số khí hóa phân giới của cửa vào 31

2.5.2 Xác định hệ số khí hóa thực tế 31

2.6 Các vấn đề chân không, khí thực và biện pháp phòng, chống 32

2.6.1 Các vấn đề về chân không, khí thực 32

2.6.2 Biện pháp phòng chống khí thực 33

2.7 Nhận xét các kết quả chương II 35

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC 36

3.1 Mô hình và lý thuyết tương tự 36

3.1.1 Khái niệm về mô hình 36

3.1.2 Nhiệm vụ, mục đích nghiên cứu mô hình thuỷ lực 37

3.1.3 Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình nghiên cứu 38

3.2 Mục đích nghiên cứu thí nghiệm, thiết kế mô hình và các phương án nghiên cứu 41

3.2.1 Mục đích nghiên cứu thí nghiệm mô hình 41

3.2.2 Tiêu chuẩn tương tự 41

3.2.3 Tỷ lệ mô hình, kiểm tra các điều kiện tương tự : 42

3.2.4 Phạm vi kích thước mô hình: 43

3.2.5 Vật liệu chế tạo mô hình: 44

3.2.6 Các phương án nghiên cứu thí nghiệm 44

3.3 Thiết bị đo và trình tự thí nghiệm 45

3.3.1 Thiết bị đo 45

3.3.2 Đánh giá sai số đo đạc mô hình: 47

3.3.3 Công tác thí nghiệm 48

3.3.4 Bố trí các mặt cắt đo cao độ đường mặt nước, vận tốc và áp suất 50

3.4 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án 1 54

3.4.1 Trạng thái chảy trong cống và khả năng tháo cống 54

3.4.2 Áp suất trần và đáy cống 55

3.5 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án 2 59

3.5.1 Trạng thái chảy và khả năng tháo của cống dưới sâu 61

3.5.2 Áp suất trần và đáy cống 64

3.6 Tính toán điều tiết lũ với kết quả thực nghiệm về khả năng tháo: 68

3.6.1 Bước 1: Xây dựng biểu đồ phụ trợ 68

3.6.2 Bước 2: Tính toán điều tiết lũ 69

3.6.3 Kết quả tính toán 70

3.6.4 Nhận xét kết quả tính toán 74

3.7 Kết luận chương 3 74

3.7.1 Về hệ số lưu lượng: 74

3.7.2 Về áp suất trong lỗ xả thi công: 74

3.7.3 Về tính toán điều tiết lũ: 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHẦN PHỤ LỤC 80

PHỤ LỤC 1 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM PHƯƠNG ÁN 1 81

PHỤ LỤC 2 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM PHƯƠNG ÁN 2 87

PHỤ LỤC 3 SỐ LIỆU, BIỂU ĐỒ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ 93

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các chế độ làm việc của cống 7

Hình 1.2 Bố trí chung của cống 9

Hình 2.1 Sơ đồ phương án 1(PATK) và phương án 2(PASD) 20

Hình 2.2 Biểu đồ phân bố áp suất trong lỗ xả có áp 26

Hình 2.3 Sơ đồ thiết lập biểu thức xác định áp suất cửa vào trần cống 28

Hình 3.1 Mô hình tổng thể dẫn dòng thi công – Nhìn từ hạ lưu 49

Hình 3.2 Mô hình tổng thể dẫn dòng thi công – Nhìn từ thượng lưu 49

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí các thủy trực, mặt cắt đo vận tốc và đường mực nước 51

Hình 3.4 Sơ đồ phương án 1 (PATK) và phương án 2 (PASD) 52

Hình 3.5 Sơ đồ vị trí, cao trình điểm đo áp cống xả sâu phương án 1 53

Hình 3.6 Đường quan hệ Q = f(Z hồ ) – khi xả qua cống 55

Hình 3.7 Đường áp suất trần cống Q=400m 3 /s (PA1) 56

Hình 3.8 Đường áp suất trần cống Q=677m 3 /s (PA1) 56

Hình 3.9 Phễu xoáy xả lũ thi công trước cửa cống sả sâu 58

Hình 3.10 Chế độ thủy lực sau cống sả sâu 58

Hình 3.11 Sửa đổi đường hướng dòng xói cát và cửa vào cống xả sâu 60

Hình 3.12 Hình dạng cửa vào 61

Hình 3.13 Phễu xoáy trước cửa cống xả sâu trường hợp xả Q =534m 3 /s 63

Hình 3.14 Dòng chảy trên đường hầm xói cát trường hợp xả Q =534m 3 /s 63

Hình 3.15 Sơ đồ vị trí, cao trình điểm đo áp cống xả sâu phương án 2 65

Hình 3.16 Đường áp suất trần cống Q=400m 3 /s (PA2) 66

Hình 3.17 Đường áp suất trần cống Q=534m 3 /s (PA2) 66

Hình 3.18 Điều tiết lũ theo phương pháp Potapop 70

Hình 3.19 Đường quá trình lũ tiểu mãn ứng với P=10% 71

Hình 3.20 Đồ thị đường đặc tính hồ chứa nước Bản Mồng – Nghệ An 72

Hình 3.21 Biểu đồ điều tiết lũ tiểu mãn hồ Bản Mồng ứng với P=10% 73

Hình 3.22 Biểu đồ so sánh sự thay đổi mực nước hồ 2 phương án 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quy mô một số cống 5

Bảng 1.2 Tình hình hư hỏng cống dưới đập 11

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật công trình 17

Bảng 2.2 Lưu lượng tính toán khả năng tháo qua từng cống 25

Bảng 2.3 Phân bố áp suất trên trần cống xả sâu PA1 28

Bảng 2.4 Phân bố áp suất trên trần cống xả cát PA1 29

Bảng 2.5 Phân bố áp suất trên trần cống xả sâu PA2 29

Bảng 2.6 Phân bố áp suất trên trần cống xả cát PA2 30

Bảng 3.1 Khả năng xả độc lập qua cống 54

Bảng 3.2 Áp suất trần và đáy cống phương án 1 57

Bảng 3.3 Khả năng xả qua 2 cống - Phương án 2 61

Bảng 3.4 Áp suất trần và đáy cống phương án 2 67

Bảng 3.7 Quá trình lũ mùa kiệt tại Bản Mồng 71

Bảng 3.8 Số liệu đường đặc tính hồ chứa Bản Mồng 72

Bảng 3.9 Bảng kết quả tính toán điều tiết lũ tiểu mãn hồ Bản Mồng 72

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Trong những năm gần đây, đất nước ta đang từng bước phát triển công nghiệp hoá - hiện đại hoá để nâng cao đời sống dân sinh kinh tế Trong đó, các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện đã và đang được xây dựng tương đối nhiều với các quy mô khác nhau như: Thuỷ điện Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Sê San 4, Sông Tranh 2, Bản Vẽ…

Cống tháo sâu là công trình tháo nước dạng kín, thường đặt dưới đập, có cột nước cao Khi làm việc phát sinh nhiều hiện tượng phức tạp mà người thiết kế không mong muốn như giảm áp ở cửa vào, nước nhảy trong cống, xâm thực bề mặt khí hóa, khí thực Các hiện tượng này đa phần liên quan đến cấu tạo cửa vào do hiện tượng giảm áp

Thực tế nhiều cống dưới sâu đã bị xâm thực, rung động gây mất ổn định công trình

Trong xây dựng công trình cống dưới sâu thường được kết hợp dẫn dòng thi công trong giai đoạn xây dựng công trình

Nghiên cứu hạn chế các vấn đề trên thông qua hình thức cửa vào là vấn

đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, ngoài việc tính toán theo lý thuyết và kinh nghiệm, cần phải nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý

Công trình đầu mối hồ chứa nước Bản Mồng - tỉnh Nghệ An là một trong những công trình sử dụng cống dưới sâu để dẫn dòng, xả lũ sự cố và xả bùn cát; Cống có những đặc điểm riêng đo điều kiện địa hình và mục đích sử

dụng Vì vậy đề tài “nghiên cứu thực nghiệm xác định cửa vào hợp lý cống

dưới sâu áp dụng đối với công trình đầu mối hồ chứa nước Bản Mồng – Nghệ An” không những có ý nghĩa thực tiễn cho cống xả sâu nói chung và

đối với công trình hồ chứa Bản Mồng nói riêng Tạo cơ sở cho việc áp dụng sau này đối với các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện tương tự

II Mục đích nghiên cứu:

- Để học viên tiếp cận và làm quen đi đến một nghiên cứu có tính độc lập

- Xác định hình dạng cống hợp lý trong công tác dẫn dòng thi công thông qua công trình cụ thể là công trình đầu mối hồ chứa nước Bản Mồng

- Phân tích những kết quả nghiên cứu, rút ra các kết luận chung để áp dụng cho các công trình khác có hình thức và điều kiện tương tự

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu về thủy lực để xác định một số thông số

về qui mô công trình thông qua tính toán điều tiết lũ

- Từ kết quả nghiên cứu đề xuất các kiến nghị với qui mô các công trình liên quan

III Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi của luận văn này là nghiên cứu trong giai đoạn dẫn dòng thi công của công trình tháo sâu

- Các phương án sửa đổi chúng tôi đưa ra chỉ tập trung về mặt kỹ thuật

mà không xét tới bài toán kinh tế

IV Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các lỗ xả thi công (công trình xả sâu)

- Nghiên cứu lý thuyết về xác định hình dạng cống dưới sâu

- Nghiên cứu xác định khả năng tháo qua cống

- Nghiên cứu xác định phân bố áp suất trong cống

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định cửa vào hợp lý cống dưới sâu áp dụng đối với công trình đầu mối hồ chứa nước Bản Mồng – Nghệ An

- Phân tích những kết quả nghiên cứu, rút ra các kết luận chung để áp dụng cho các công trình khác có hình thức và điều kiện tương tự

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu về thủy lực để xác định một số thông số

về qui mô công trình thông qua tính toán điều tiết lũ

- Từ kết quả nghiên cứu đề xuất các kiến nghị với qui mô các công trình liên quan

V Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Từ tổng quan đến chi tiết hình dạng cống dưới sâu

- Thu thập, tổng hợp tài liệu

- Nghiên cứu trên lý thuyết, từ đó đưa ra các lý luận xác định hình dạng cống dưới sâu hợp lý

- Nghiên cứu trên mô hình vật lý

- Nghiên cứu mô hình toán

VI Kết quả dự kiến đạt được:

- Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu ở trong và ngoài nước

- Đánh giá và hoàn chỉnh thêm các thông số hình học của cống dưới sâu

- Khẳng định thêm về trạng thái chảy trong cống dưới sâu

- Các kết quả thí nghiệm mô hình

VII Nội dung luận văn

Luận văn gồm các nội dung chính sau:

Mở đầu

Chương I Tổng quan

Chương II Tính toán thủy lực

Chương III Thí nghiệm mô hình thủy lực và so sánh kết quả tính toán cống

dưới sâu hồ chứa nước Bản Mồng – Nghệ An

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI SÂU

1.1.Quy mô một số cống trong các công trình đã thực hiện:

Tất cả các đập được xây dựng bằng vật liệu địa phương kể trên đều có xây dựng các cống dưới đập Cống lấy nước dưới đê, đập có nhiệm vụ lấy nước từ sông, hồ để phục vụ các mục đích dùng nước khác nhau như tưới ruộng, cấp nước dân dụng, công nghiệp hay phát điện

Tính đến nay các hồ chứa được xây dựng đã lên đến hàng vạn, số lượng cống dưới đập cũng tương tự Theo Báo cáo tổng kết thiết kế cống dưới đập[1] nghiên cứu 498 cống thuộc diện quản lý của các Công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi (Công ty thủy nông), dưới đây là một số cống điển hình đã được nghiên cứu và thí nghiệm bằng thực nghiệm bảng 1.1

Bảng 1.1 Quy mô một số cống Thứ

tự Tên công trình

Lưu lượng

xả Q xả (m 3 /s)

Số cống và kích thước (bxh)m

Tần suất thiết kế (P%)

Tần suất thiết kế (P%)

8 Cống dẫn dòng thuỷ

9 Cống dẫn dòng thuỷ

1.2 Đặc điểm của cống xả sâu

1.2.3 Phân loại cống dưới sâu

+ Cống làm việc theo chế độ chảy hỗn hợp (Hình 1.1 c,d);

+ Chảy không áp hay chảy hở (Hình 1.1 e)

+ Xả nước đảm bảo môi trường

Công trình tháo lũ dưới sâu có thể đặt dưới đáy đập và trên nền (cống ngầm), đi qua thân đập (đường ống), cũng có thể đặt ở bên bờ (dạng đường hầm tuy nen) khi điều kiện địa hình, địa chất cho phép Cống tháo sâu cho phép chúng ta tháo được nước trong hồ với bất kì mực nước nào, thậm chí có thể tháo cạn hồ chứa Loại này ta có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như: tháo lũ, tháo cạn hồ chứa, dẫn dòng thi công, tháo bùn cát lắng

đọng, lấy nước tưới, lấy nước vào nhà máy thủy điện Do đó, tùy vào điều kiện cụ thể mà có thể kết hợp nhiều mục đích khác nhau đối với công trình tháo nước dưới sâu

So với công trình tháo lũ xả mặt thì việc vận hành cửa van trong trường hợp này là khó khăn và phức tạp hơn

1.2.1.3 Theo hình dạng mặt cắt ngang:

Hình dạng mặt cắt ngang của cống ngầm có thể là hình tròn, hình hộp, hình vòm

Cống ngầm hoặc hành lang của cống đặt trực tiếp trên nên, cho nên cống thường làm bằng phẳng để tải trọng phân bố đều khi truyền cho nền Từ bản đáy trở lên thường làm hình vòm Vòm có thể là dạng parabol, dạng elip v.v… để chịu lực tốt do áp lực đất đá phía trên tác dụng Trường hợp áp lực đất đá nhỏ, có thể dùng loại hình hộp, thi công đơn giản, rẻ tiền

1.2.1.4 Theo hình dạng cửa vào:

Cửa vào nói chung phải thuận Nếu thiết kế không thich hợp không những dẫn đến tổn thất cột nước lớn, mà còn gây nên khí thực và chấn động tại cửa vào

Thường dùng nhất là dạng cong tròn hoặc elip, rất ít khi dùng hình dạng cửa vào sắc cạnh (vuông góc) Dạng cửa vào sắc cạnh tuy đơn giản nhưng tổn thất cột nước rất lớn, sinh ra áp suất âm lớn nhất, tiếp đến là dạng tròn rồi đến dạng elip

Trong các nghiên cứu thủy lực người ta tập trung nghiên cứu hình dạng cửa vào để giảm tổn thất cục bộ, làm giảm áp suất âm trong cống Có thể kể

ra rất nhiều nghiên cứu và được cụ thể trong các giới thiệu, tài liệu tham khảo

1.2.4 Cấu tạo:

Cấu tạo cơ bản của Cống dưới sâu [16]:

+ Phần vào (inlet)

Phần bố trí các kết cấu (tường biên, tường dẫn dòng v.v ) trước cửa vào (phần 1, Hình 1.2)

+ Đoạn chuyển tiếp (inlet contraction)

Đoạn từ cửa vào đến mặt cắt bình thường, thường là đoạn ống thu hẹp dần (phần 2, Hình 1.2)

+ Đoạn sau chuyển tiếp (upstream sluice)

Đoạn từ đầu vào đến buồng cửa van (phần 3, Hình 1.2)

+ Buồng cửa van (gate chamber of sluice well)

Phần bố trí cửa van, tường ngăn và phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt phần bố trí cửa van (phần 4, Hình 1.2)

Hình 1.2 Bố trí chung của cống

+ Đoạn ra (downstream sluice)

Đoạn từ buồng cửa van đến đầu ra (phần 5, Hình 1.2)

+ Đầu ra (Outlet)

Phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt ra (phần 6, Hình 1.2) Đầu ra có thể là đoạn ống mở rộng hoặc thu hẹp theo chiều dòng chảy

+ Phần liên hiệp (Energy dissipating device)

Phần nối tiếp giữa cống với hạ lưu (phần 7, Hình 1.2) Phần này có thể

là đoạn kênh chuyển tiếp, kết cấu tiêu năng, mũi phun v.v

Công trình tháo sâu thường được thiết kế là hình chữ nhật hoặc hình vuông Song qua một số công trình nghiên cứu, thì dạng chữ nhật là hợp lý hơn và thường được sử dụng nhiều

Về hình dạng cửa vào, cùng giống như các dạng công trình tháo khác thường được thiết kế là sắc cạnh, lượn tròn, hoặc elip

1.3 Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất

Theo kết quả điều tra và khảo sát của Cục QLN&CTTL (báo cáo năm 1993) [1] những hư hỏng phổ biến ở cống dưới đập như sau:

1.3.3 Thấm qua thân cống

Hầu hết các cống dưới đập đều bị thấm qua thân cống, trần bị dột; Có cống bị thấm rất nghiêm trọng Việc sửa chữa vừa khó khăn, vừa kém hiệu quả Nguyên nhân của hiện tượng này là do các cống ngầm dưới đập có chênh lệch cột nước ở hai phía của thành cống lớn, dẫn đến gradien thấm lớn Khi Gradien thấm lớn hơn gradien thấm cho phép của lớp bêtông thân cống, dòng thấm sẽ xuyên qua lớp bê tông, thường gây tiết vôi, gây giảm chất lượng của bê tông

1.3.4 Thân cống bị mục

Nguyên nhân gây ra hiện tượng thân cống bị mục là do tác động của thời gian làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu thân cống Mặt khác, nước trong cống có tính chất xâm thực và ăn mòn, có tác dụng hoá học với lớp vữa bê tông gây thoái hóa bê tông

1.3.5 Tấm đáy bị xói tróc

Do trong quá trình thi công hoặc vận hành, trên đáy cống xuất hiện những chỗ lồi lõm cục bộ hoặc do các khoang cống lún không đều, khi dòng nước có vận tốc lớn chảy trong cống sẽ gây nên hiện tượng khí thực, làm bong tróc bê tông đáy cống

1.3.6 Hỏng khớp nối

Đa số các cống bị hỏng khớp nối, đồng thời việc sửa chữa các khớp nối vừa rất khó khăn, vừa kém hiệu quả

1.3.7 Hỏng sân tiêu năng

Nguyên nhân do việc thiết kế tiêu năng không hợp lý hoặc nhiều công trình chỉ làm tiêu năng theo cấu tạo mà không tính toán Nên trong quá trình vận hành, khi có dòng xiết chảy ra khỏi cống sẽ dẫn tới việc phá hỏng sân tiêu năng

1.3.8 Cống bị lún

Nhiều đồ án thiết kế không tính đến ứng suất nền cống, có thể là do người thiết kế cho là cống nhỏ, đập không cao lắm, tải trọng trên cống nhỏ Ứng suất mặt nền ở một số cống điển hình được trình bày ở bảng 1.5[1]

1.3.9 Cửa cống không kín nước

Do khi thiết kế cấu tạo cửa van không chuẩn hoặc trong quá trình vận hành, bùn cát chen vào phần tiếp giáp giữa cửa van và thành cống dẫn đến cao

su chắn nước ở cửa van không ép sát được vào thành cống gây rò rỉ nước

TT Các loại hư hỏng cống Số lượng (cái) Tỷ lệ (%)

1.4 Các kết quả nghiên cứu về cống dưới sâu

Hầu như các công trình thủy lợi ở Việt Nam đều bố trí cống, nên các kết quả nghiên cứu có rất nhiều và trở thành kinh điển, thành quy chuẩn, quy phạm; Nổi bật về các vấn đề:

- Về khả năng tháo;

- Phân bố áp suất trong cống;

- Chế độ thủy lực trong cống;

- Nối tiếp tiêu năng hạ lưu;

- Hình dạng kích thước của vào;

- Tổn thất dòng chảy qua cống

Trong điều kiện mỗi công trình cụ thể, thì tính toán lý thuyết là chưa đủ

để đảm bảo công trình làm việc an toàn, như ý muốn của người thiết kế Do vậy, tiêu chuẩn TCVN 285-2002 khuyến cáo rằng, với các công trình từ cấp II trở lên cần phải được thí nghiệm mô hình thủy lực để chính xác hóa các thông

số thủy lực

Các nghiên cứu thực nghiệm trong những năm gần đây về cống dưới sâu thường đi vào nghiên cứu nhằm mục đích xác định các đặc trưng thủy lực của cống như, khả năng tháo, nối tiếp tiêu năng, phân bố áp suất Qua thí nghiệm thì đến 90% cửa vào các công trình dưới sâu được sửa đổi so với thiết kế để hạn chế áp suất âm trên trần cống

1.5 Xác định nội dung nghiên cứu

Như trên đã cho thấy cống lấy nước dưới đập bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân, trong đó có các nguyên nhân liên quan đến chế độ thủy lực trong cống Vì vậy trong luận văn này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể về thủy lực của cống Bản Mồng như sau:

- Tính toán áp suất, khí thực, khí hóa trong thân cống

- Tính toán khả năng tháo của cống cho các phương án

- Kiểm chứng kết quả tính toán với số liệu thí nghiệm mô hình thủy lực cống

- Tính toán điều tiết lũ

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG DƯỚI SÂU

HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MỒNG 2.1 Giới thiệu về công trình hồ chứa nước Bản Mồng

2.1.1 Vị trí công trình

Công trình đầu mối Bản Mồng trên sông Hiếu có bờ phải đặt tại làng Cồng, thôn Bản Mồng, xã Yên Hợp, huyện Quỳ Hợp, bờ trái đặt tại xã Nghĩa Mai, huyện Nghĩa Đàn, tỉnh Nghệ An Tuyến Bản Mồng cách thị trấn Thái Hoà thuộc huyện Nghĩa Đàn về phía thượng lưu khoảng 25 km

Vị trí địa lý của tuyến này là: 19o26’52” vĩ độ Bắc, 105o18’07” kinh độ Đông

Giới hạn vị trí lưu vực tuyến:

Phía Bắc là lưu vực sông Chu thuộc tỉnh Thanh Hoá

Phía Tây và Tây Bắc giáp địa phận của nước CHDCND Lào

Phía Đông và Đông Bắc giáp lưu vực sông Hoàng Mai - Khe Dứa thuộc địa phận huyện Quỳnh Lưu và đồng bằng Diễn Châu, Quỳnh Lưu

Phía Nam giáp huyện Anh Sơn, Con Cuông

Các trạm bơm và hệ thống kênh: Trải dài theo hai bờ sông Hiếu, từ xã Yên Hợp, huyện Quỳ Hợp đến xã Thành Sơn, huyện Anh Sơn.[19]

2.1.2 Nhiệm vụ công trình

Cấp nước tưới cho 18.871 ha ven sông Hiếu, trong đó 2.713 ha tưới tự chảy, còn lại tưới bằng động lực; hoàn trả cho sông Cả về mùa kiệt khoảng 22 m³/s

Kết hợp phát điện với công suất lắp máy khoảng 42 MW

Cấp nước cho công nghiệp, dân sinh và chăn nuôi trong vùng dự án; phát triển nuôi trồng thuỷ sản và tham gia cải tạo môi trường

Kết hợp giảm một phần lũ cho hạ du sông Hiếu[19]

2.1.3 Quy mô công trình

Đập chính là đập bê tông trọng lực có lớp bê ngoài cùng M200, trong thân đập là BT M150 hạt thô, phía thượng lưu thẳng đứng, hạ lưu đập từ cao trình đỉnh đập xuống đến cao trình 65.00m thẳng đứng còn từ cao trình

65.00m trở xuống chân đập có mái vát m=0.70 Đập chính có chiều dài 340m (gồm đập dâng, đập tràn, cống xả cát, nhà máy thuỷ điện), cao trình đỉnh đập là 78.90m, chiều rộng mặt đập là 11.0m, chiều cao đập lớn nhất là 44.0m

Đập phụ là đập đất nhiều khối, có cao trình đỉnh đập ở 78.90m, chiều dài đập 164m, chiều rộng mặt đập 10m Mái đập thượng lưu có m=3.0; 3.25; 3.50 thay đổi theo cao trình đắp đập Phía hạ lưu đạp có bố trí lăng trụ thoát nước bằng đá đổ hệ số mái m=2.0

Tràn xả lũ là đập bê tông trọng lực, thân đập có mác bê tông M150 hạt thô, vỏ bọc là lớp bê tông mác M200, mặt tràn xả lũ được gia cố băng BTCT M400 Cao độ ngưỡng tràn ở cao trình 64.90m Mặt tràn xả lũ được thiết kế theo dạng mặt cắt Ôphixêrốp không chân không với cột nước thiết kế Hđ = 11.85m Tràn xả lũ gồm 5 khoang tràn, mỗi khoang tràn rộng 15.0m, phân chia các khoang tràn bằng các trụ pin có chiều rộng là 5.0m Trên đỉnh đập tràn các khoang đều có cửa van cung không chế, kích thước cửa là: BxH=(15x11.5)m Tiêu năng qua tràn bằng hình thức tiêu năng đáy với bể tiêu năng dài 52.0m, trong bể có bố trí hàng mố tiêu năng và mố phân dòng cuối tràn

Cống xả sâu kết hợp xả cát: Bằng BTCT M400 gồm 2 khoang có kích thước BxH=(5x5.5)m, cửa vào cống đặt tại cao trình 43.00m, độ dốc đáy cống i=0 Để giảm bồi lắng cho khu vực trước cửa vào nhà máy thuỷ điện, cạnh nhà máy có bố trí 1 cống xả cát với kích thước: BxH=(5.0x5.5)m và trước cửa nhà máy bố trí đường hầm xả cát có độ dốc đáy i=3%, bề rộng đáy

5.0m và chiều cao thay đổi từ 4.05.5m, cao trình đáy thay đổi từ cao trình

44.50m đến 43.00m Đỉnh hầm để hở và có các bộ phận hướng dòng, xói cát, đường hầm xả cát được nối tiếp với kênh trước cửa cống lấy nước có

44.50m và cống xả cát có cao trình đáy 43.00m Về mùa lũ khi phải xả lũ qua tràn thì cũng mở cống xả cát để tháo lũ kéo đi bùn cát bồi ở phần trước cửa nhà máy thuỷ điện

Hai cống xả cát và xả sâu, trong thời gian thi công công trình dùng vào việc xả nước dẫn dòng thi công mùa kiệt và thi công mùa lũ; khi thi công xong làm nhiệm vụ của cống xả cát và xả lũ sự cố và vượt tần suất [19]

2.1.4 Các thông số chính của công trình

Nhà máy thuỷ điện: kiểu hở

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật công trình

TT Thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Giá trị

DAĐT TKKT

1 Các đặc trưng lưu vực và dòng chảy năm

- Dung tích hồ chứa ứng với MNLTK 106m³ 240,05 233,31

- Dung tích hồ chứa ứng với MNLKT 106m³ 283,24 281,02

TT Thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Giá trị

- Lưu lượng qua cống lớn nhất khi xảy ra lũ

5 Kênh dẫn dòng thi công

(Thông số này được xác định theo tiêu chuẩn TCVN: 285-2002)

2.1.5 Cống dưới sâu

Cống gồm 2 khoang với kích thước nxBxH = 2x5x5,5m, cao trình ngưỡng cống 43,0m bằng cao trình đáy sông tự nhiên Kết cấu bằng BTCT Cửa cống được vận hành bằng piston thủy lực Cống được bố trí bên vai phải

tràn có cửa Cống có 2 cửa độc lập: 1 cửa chuyên xả cát và 1 cửa chuyên xả sâu Chiều dài ống cống L = 31.0m

2.1.5.1 Phương án 1(PATK)

Cống xả sâu kết hợp xả cát: gồm 2 khoang có kích thước BxH=(5x5.5)m, cửa vào cống đặt tại cao trình 43.00m, độ dốc đáy cống i=0 Đoạn cong chuyển tiếp trần cửa vào cống xả sâu từ phương trình elip

1 71

2 Sửa đổi đoạn cong chuyển tiếp trần cửa vào cống xả sâu [19]

Hình 2.1 Sơ đồ phương án 1(PATK) và phương án 2(PASD)

2.2.Khả năng tháo của các cống xả sâu

Dòng chảy qua cống có thể là chảy có áp, bán áp hoặc chảy hở, hạ lưu

có thể chảy ngập hoặc không ngập.[16]

Khả năng tháo của cống có dạng chung là:

Tùy trường hợp mà tính Z theo các công thức sau:

 Trường hợp: Ho > a: chảy có áp:

+ Nếu hh >= 0.75a : hạ lưu ngập: Qcong  μ ω 2g(H0 iL  h )h

+ Nếu hh < 0.75a : hạ lưu không ngập: Qcong  μ ω 2g(H0 iL  η a )

Trong đó:

- ω: Diện tích mặt cắt ướt của dòng chảy qua cống

- Ho: Cột nước trước cống

- i: Độ dốc ống cống

- L: Chiều dài cống

- a: Chiều cao ống cống

- µ: Hệ số lưu lượng,

 Trường hợp Ho < a: chảy không áp:

Dòng chảy qua cống tính như chảy qua đập tràn đỉnh rộng, công thức:

3/2 cong

Vấn đề ở đây là cách xác định hệ số lưu lượng  chảy qua lỗ

Hệ số lưu lượng  cho tính toán thủy lực cống ngầm theo quy phạm thiết

kế (QPTL-C-1-75) sử dụng công thức:

(2-3)

Trong đó:

r – hệ số động năng tại mặt cắt cửa ra Khi không có gì đặc biệt (gần cửa ra không có chỗ uốn cong, gẫy khúc hoặc các chướng ngại vật v.v…) có thể lấy r = 1.0)

r – diện tích mặt cắt tại cửa ra của lỗ xả (m2)

i – diện tích mặt cắt của đoạn thứ i trong lỗ xả (m2)

i – hệ số tổn thất thủy lực của đoạn thứ i, bao gồm hệ số tổn thất dọc đường đ và hệ số tổn thất cục bộ c

Lấy ra/i = 1.0, Như vậy công thức tính  trên trong trường hợp chảy

có áp được viết lại như sau:

1

Đối với  được xác định cho hai đoạn: Cửa vào, uốn cong và thân lỗ

 = v + u + L

- Với v – hệ số tổn thất cửa vào có thể lấy:

+ v=0.5 - trường hợp; với cửa vào sắc cạnh

+v=0,2 0,25 - trường hợp cửa vào lượn tròn;

+v=0.05 0,1 - trường hợp cửa vào lượn cong rất thuận;

- Với u – hệ số tổn thất chỗ uốn cong (tùy trường hợp tra phụ lục Quy phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu QP – TL – C – 1 – 75)

- Với thânlỗ – hệ số tổn thất dọc đường được tính theo công thức:

RC

g – gia tốc trong trường

R – bán kính thuỷ lực được tính theo công thức

gl

U

2 1

Sử dụng công thức (2-8) áp dụng tính cho từng cống dưới sâu công trình

hồ chứa nước Bản Mồng Vì cấu tạo của cống xả sâu và cống xả cát rất khác nhau (lưu lượng xả và tổn thất qua mỗi cống khác nhau) nên chúng tôi tính toán lý thuyết khả năng xả cho từng cống

m

R 

Lấy n = 0.014, nên ( 1 31 ) 74 71

014 , 0

Như vậy hệ số lưu lượng  theo lý thuyết là:

822 0 31 1 71 74

6 36 81 , 9 2 38 0 1

6 86 81 , 9 2 16 0 5 0 1

65 40 81 , 9 2 28 0 1

65 90 81 , 9 2 135 0 5 0 1



Áp dụng công thức (2-1) tính được lưu lượng dòng chảy qua cống xả sâu

và cống xả cát đầu mối hồ chứa nước Bản Mồng như Bảng 2.2:

Trong thực tế qua một số công trình có cống dưới sâu đã được nghiên cứu thí nghiệm trên các mô hình thủy lực tại Viện Khoa học Thủy lợi và Viện Năng Lượng cho ta thấy rằng: Hệ số lưu lượng  chảy qua cống dưới sâu chịu tác động của cột nước tác dụng chảy có áp qua lỗ nghĩa là:  = f(Z)

Bảng 2.2 Lưu lượng tính toán khả năng tháo qua từng cống

Phương án 2

PA2 (m 3 /s)

PA2 - PA1 (m 3 /s)

Tỷ lệ (%)

Q xả sâu

Q xả cát

Q xả sâu

Q xả cát

Ta đã biết để tạo được điều kiện cho lỗ xả chảy có áp thì chiều sâu cột nước H phía trước lỗ xả (H tính từ cao trình đáy cống đến mặt nước thượng lưu) cần thỏa mãn điều kiện (sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập 4): H > 1.5hlỗ

Đối với cống dưới sâu thì cột nước tác dụng thường lớn

2.3 Xác định áp suất trong cống dưới sâu

Xác định áp suất dòng chảy trong cống nhằm đạt hai yêu cầu là ngăn ngừa khả năng xuất hiện áp suất chân không phát sinh trong cống dẫn tới hiện tượng khí thực bê tông trong quá trình tháo lũ, đồng thời xác định áp lực tác dụng vào thành lỗ xả để tính toán kết cấu

Khi vận hành xả lũ thi công chế độ chảy thường là có áp, tức là xét trường hợp mực nước thượng lưu ứng với Qxả max, do đó cần xác định áp suất ở vị trí cuối đoạn cong của cửa vào trên trần cống

Đối với cống ngầm và lỗ xả sâu trong thân các đập tràn tháo lũ vận hành

ở chế độ có áp cột nước tác dụng lớn Z > 40  60 (như cửa xả sâu thủy điện Hòa Bình có mực nước Zhồ = 120m mà cao trình đáy lỗ là 52.0m nên Z =

120 – 52 = 68.0m, Hồ chứa nước Bản Mồng xả qua cống trong giai đoạn vận hành có cột nước 78.07m)

Vì vậy cần xét phân bố áp suất ở đoạn cửa vào lỗ từ vị trí bắt đầu đỉnh lỗ đến điểm cuối trần lỗ như Hình 2-2

Ta đã biết muốn xác định áp lực lên mặt công trình thì:

P = p.S Trong đó: P – áp lực tác dụng lên mặt kết cấu công trình (kg)

p – áp suất tại một điểm trên mặt công trình (kg/cm2)

S – diện tích mặt chịu áp lực của dòng chảy đối với công trình (m2)

Vì vậy đối với trần và đỉnh cống khi chịu tác dụng của dòng chảy có áp (đầy lỗ) chảy qua, dựa theo đồ thị phân bố áp suất dọc lỗ trên đây ta thiết lập phương trình tính áp suất tương đối cho điểm cần xác định

Hình 2.2 Biểu đồ phân bố áp suất trong lỗ xả có áp

Để thiết lập phương trình này dựa trên các giả thiết sau:

 Dòng chảy qua cống là có áp, dòng chảy bám theo trần cửa vào không có hiện tượng tách dòng

 Dòng chảy qua lỗ là dòng chảy đều

 Áp suất phân bố lên đỉnh cống tuân theo quy luật phân bố áp suất thủy tĩnh

Như hình 2.3 ta viết phương trình Becnui cho hai mặt cắt A-A và I-I có mặt chuẩn 0-0 Với mặt cắt A-A là mặt cắt ở thượng lưu cống, mặt cắt I-I là mặt cắt đi qua điểm thứ i bất kỳ trên trần cống và vuông góc với chiều dài cống, ta có:

g

VpZg

VpZ

22

2 2

Trong đó: pa/ – áp suất khí trời tại mặt cắt thượng lưu

ZA – thế năng của điểm A

A

V – lưu tốc bình quân dòng chảy tại cửa vào

Pi – áp suất tại điểm i

Zi – thế năng tại điểm i

hi – cột nước tổn thất của dòng chảy từ mặt cắt A-A đến mặt cắt I-I

Song trong thực tế khi tính áp suất tác dụng lên mặt đỉnh lỗ, ta xác định

áp suất tương đối của nước nên ta có:

A

g

VpZg

VHZ

22

2 2

từ đó suy ra:

 A i

i i

A A i

ZZh

g

Vg

VH

Hình 2.3 Sơ đồ thiết lập biểu thức xác định áp suất cửa vào trần cống

Trong đó hi – cột nước tổn thất của dòng chảy từ mặt cắt A-A đến mặt

cắt I-I được tính như sau:

g

V

h i i

2

+ Đối với cống xả sâu:  = v + u + L

+ Đối với cống xả sâu:  = v + L

Phương trình (2-9) là biểu thức tính áp suất cho một điểm bất kỳ trên đỉnh lỗ xả (điểm thứ i)

Áp dụng phương trình (2-9) cho cống dưới sâu hồ chứa nước Bản Mồng

ta thu được kết quả như bảng 2.3 đến bảng 2.6

Bảng 2.3 Phân bố áp suất trên trần cống xả sâu PA1

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

Điểm K/c

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

Ghi chú: đơn vị Q (m3/s); Ztl (m); K/c: khoảng cách từ cửa vào đến điểm thứ i

Bảng 2.4 Phân bố áp suất trên trần cống xả cát PA1

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

Ghi chú: đơn vị Q (m3/s); Ztl (m); K/c: khoảng cách từ cửa vào đến điểm thứ i

Bảng 2.5 Phân bố áp suất trên trần cống xả sâu PA2

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

Điểm K/c

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

8 33.83 0.0908 0.3708 48.50 0.59 0.52 0.38

9 40.65 0.1091 0.3891 48.50 0.57 0.50 0.36

Ghi chú: đơn vị Q (m3/s); Ztl (m); K/c: khoảng cách từ cửa vào đến điểm thứ i

Bảng 2.6 Phân bố áp suất trên trần cống xả cát PA2

(m)

Hệ số tổn thất

Zi (m)

Áp suất theo các cấp lưu lượng (m)

Ghi chú: đơn vị Q (m3/s); Ztl (m); K/c: khoảng cách từ cửa vào đến điểm thứ i

2.4 Kiểm tra khả năng hình thành phễu xoáy

Áp dụng công thức tính Hk [16]:

Hk =

55 0 0

*

* 5 0

Chiều cao cột nước tính từ tâm đến trần cống là:

H1(PA1) = 49.9 – 48.5 + 5.5/2 =4.15(m)

H1(PA2) = 51.37 – 48.5 + 5.5/2 =5.62(m)

Để thỏa mãn điều kiện H1 < Hk trên thì trần cống sẽ bị hở

2.5 Kiểm tra điều kiện khí hóa

2.5.1 Xác định hệ số khí hóa phân giới của cửa vào

a) Thông số hình học của cửa vào:

Ks = a/b = 5.1/1.71= 2.98 ≈ 3.0

Kr = 1+ b/h = 1.91

b) Hệ số giảm áp lớn nhất tại cửa vào:

Tra đồ thị hình 2.2 (14TCN 198:2006) với  = 900 được Cpmax = 1.05 c) Hệ số khí hoá phân giới: Theo công thức (2.8 - 14TCN 198:2006), trong đó:

- Hệ số chuẩn mạch động áp lực tại cửa vào, tra theo đồ thị hình 2.4 (14TCN 198:2006), được: P = 0.015

- Hệ số mạch động lớn nhất: chọn  = 4.0 (thiết kế theo điều kiện

không cho phép phát sinh khí hoá)

Thay vào được: Kpg = Cpmax + .P = 1.11

Thay vào được: HĐT = 21.65 m

b) Cột nước áp lực phân giới

Tra bảng 2.2 (14TCN 198:2006) được Hpg = 0,32m

c) Lưu tốc đặc trưng

VĐT =

h b

Q

5 5

* 5

* 2

677

= 12.31 (m/s)

Thay vào công thức K =

g V

H H

ĐT

pg ĐT

2

2



= 2.76

Như vậy K > Kpg, dòng chảy tại cửa vào không bị khí hóa

2.6 Các vấn đề chân không, khí thực và biện pháp phòng, chống

2.6.1 Các vấn đề về chân không, khí thực

Đối với các cống ngầm ở trong đập đất, khi độ mở cửa van nhỏ, cột nước thượng lưu lớn dễ xảy ra hiện tượng có nước nhảy ở trong cống Khi đó không khí sẽ xâm nhập vào dòng nước qua vùng xoáy cuộn của nước nhảy, làm giảm áp suất tại mặt cắt sau cửa van Khi áp suất trong dòng chảy giảm xuống dưới áp suất giới hạn sẽ xuất hiện hàng loạt bong bóng hơi nước ở điều kiện nhiệt độ bình thường, gọi là hiện tượng khí hóa Nếu mức độ khí hóa đủ mạnh và duy trì trong một thời gian đủ dài thì vật liệu thành cống sẽ bị bong tróc, hư hỏng, đó là hiện tượng khí thực

Đối với thành lòng dẫn bằng vật liệu bê tông thì sự phá hoại do khí thực chủ yếu là tác động cơ học Các bong bóng khí được hình thành tập trung trong vùng hạ áp sẽ được dòng chảy cuốn theo đến vùng có áp suất cao hơn, chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị tiêu hủy Nếu sự tiêu shủy này xảy ra dồn dập ở gần bề mặt lòng dẫn thì sẽ tạo một xung lực lớn và lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu bị mỏi, dẫn đến bong rời Đối với vật liệu bằng kim loại thì nguyên nhân gây khí thực ngoài tác động cơ học còn có các yếu tố khác như

ăn mòn hóa học, hiệu ứng nhiệt,…

Khí thực thường phá hoại bề mặt lòng dẫn trong một phạm vi nhất định gọi là hố xâm thực

Trong thực tế, quá trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dòng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí trong nước

2.6.2 Biện pháp phòng chống khí thực

Khí thực làm tróc rỗ, hư hỏng bề mặt lòng dẫn, có thể dẫn đến sự cố cho công trình Vì vậy trong thiết kế cần áp dụng các biện pháp để phòng khí thực Một số giải pháp thường được áp dụng:

2.6.2.1 Giới hạn khí hoá dòng chảy ở giai đoạn đầu

Trong thiết kế, giải pháp an toàn nhất là khống chế không cho phát sinh khí hóa, đảm bảo điều kiện K > Kpg bằng cách tăng độ thoải của tường biên công trình để giảm trị số Kpg hoặc tăng kích thước lòng dẫn để giảm lưu tốc tức thời làm tăng trị số của hệ số khí hóa thực tế K Các biện pháp nêu trên đều dẫn đến làm tăng kích thước công trình Một số trường hợp biện pháp này

là không thể vì nó ảnh hưởng đến công trình liền kề

Để tránh gia tăng quá nhiều kích thước cho công trình mà vẫn đảm bảo

an toàn về khí thực có thể chấp nhận khí hóa ở giai đoạn đầu vì ở giai đoạn này, khả năng xâm thực là rất nhỏ

2.6.2.2 Lựa chọn vật liệu theo độ bền khí thực

Với một dòng chảy có đường biên xác định, khả năng xâm thực phụ thuộc vào độ bền của vật liệu lòng dẫn Sự phá hoại bề mặt lòng dẫn chỉ xảy

ra khi hội tụ đầy đủ các điều kiện:

- Có khí hóa đủ mạnh và duy trì trong thời gian đủ dài

- Có lưu tốc đặc trưng VĐT > Vng

Vì vậy trong trường hợp đường biên công trình không đủ thoải, không thể tránh khỏi khí hóa thì có thể chọn vật liệu có độ bền cao để gia cố các vị trí có thể phát sinh khí thực nếu dùng vật liệu thông thường