Nghiên cứu thực nghiệm lập chế độ vận hành hợp lý công trình xả mặt không có tường phân dòng_unprotected

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm lập chế độ vận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐẶNG XUÂN HANH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LẬP CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỢP LÝ CÔNG TRÌNH XẢ MẶT KHÔNG CÓ TƯỜNG PHÂN

DÒNG CỦA THỦY ĐIỆN BẢN CHÁT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Mã số: 60580202

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả và với sự giúp đỡ của các đồng nghiệp thực hiện các thí nghiệm trên mô hình vật lý Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, ngày 23 tháng 5 năm 2016

Tác giả luận văn

Đặng Xuân Hanh

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ

thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm

lập chế độ vận hành hợp lý công trình xả mặt không có tường phân dòng của thủy điện Bản Chát” Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS Phạm

Ngọc Quý đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tác giả

hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học

và Sau Đại học, khoa Công trình cùng các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tác giả học tập chương trình Cao học của trường Đại học thủy lợi, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Năng lượng, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và thực hiện luận văn

Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả không tránh khỏi những sai sót Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 23 tháng 5 năm 2016

Tác giả luận văn

Đặng Xuân Hanh

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

4 Kết quả dự kiến đạt được 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH ĐẬP TRÀN XẢ MẶT 4

1.1 Khái quát về tràn xả mặt 4

1.1.1 Khái niệm và phân loại [6] 4

1.1.2 Đặc điểm kết cấu của đập tràn xả mặt 5

1.1.3 Đặc điểm thủy lực nối tiếp sau tràn [9] 7

1.2 Tổng quan về qui trình vận hành công trình tràn xả mặt có cửa van điều tiết 11

1.2.1 Khái niệm về quy trình vận hành 11

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình vận hành 12

1.2.3 Xây dựng quy trình vận hành 13

1.2.4 Quy trình vận hành trong thực tế hoạt động 14

1.3 Những nghiên cứu về qui trình vận hành xả mặt 15

1.3.1 Nguyên tắc xây dựng qui trình vận hành 15

1.3.2 Các nội dung đã được nghiên cứu về qui trình vận hành 15

1.4 Các vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu 19

1.4.1 Về mặt lý luận 19

1.4.2 Số liệu quan trắc, dự báo khí tượng, thủy văn 19

1.4.3 Quá trình vận hành đóng mở cửa van ngoài thực tế 20

1.4.4 Hướng nghiên cứu 20

Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY DƯỚI CỬA VAN XẢ MẶT22 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy 22

2.1.1 Ảnh hưởng của hình thức công trình 22

2.1.3 Ảnh hưởng của thủy văn, thủy lực 29

2.1.4 Ảnh hưởng của quy trình vận hành 29

2.2 Phương pháp tính toán dòng chảy dưới cửa van 29

2.2.1 Đặt vấn đề 29

2.2.2 Tính toán khả năng tháo 30

2.2.3 Phương pháp tính toán nối tiếp và tiêu năng [1] 31

2.3 Sơ đồ và lý luận tính toán thủy lực 34

2.3.1 Các sơ đồ tính toán thủy lực 34

2.3.2 Phân tích lý luận tính toán 37

2.3.3 Các yêu cầu về dòng chảy đặt ra đối với quy trình vận hành 42

Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÁC LẬP QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỢP LÝ CÔNG TRÌNH XẢ LŨ CỦA THỦY ĐIỆN BẢN CHÁT 45

3.1 Giới thiệu công trình [14] 45

3.1.1 Vị trí địa lý, điều kiện địa chất, thủy văn 45

3.1.2 Quy mô công trình 46

3.1.3 Kết cấu, bố trí mặt bằng tràn xả lũ 47

3.2 Quy trình vận hành đã được ban hành 49

3.2.1 Quy trình vận hành được phê duyệt 49

3.2.2 Đánh giá những bất lợi khi vận hành xả lũ qua đập tràn theo quy trình được phê duyệt 51

3.3 Tổng quan về mô hình thực nghiệm thủy lực [10], [11] 53

3.3.1 Mô hình vật lý cho thủy lực tràn 53

3.3.2 Tương tự hình học: 55

3.3.3 Tương tự động học 55

3.3.4 Tương tự động lực học 56

3.4 Xác lập phương trình chung nhất thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố 57

3.4.1 Đặt vấn đề 57

3.4.2 Tiêu chí đánh giá quy trình vận hành cửa van 57

3.4.3 Xác lập các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình vận hành (ai) 58

3.4.4 Thiết lập phương trình chung nhất giữa các yếu tố (ai) 59

3.5 Xây dựng mô hình và thí nghiệm thủy lực 64

3.5.2 Mục đích và nội dung thí nghiệm mô hình thủy lực 65

3.5.3 Tiêu chuẩn tương tự 66

3.5.4 Các thiết bị đo 67

3.5.5 Chọn tỷ lệ mô hình 70

3.5.6 Xây dựng mô hình và bố trí mặt cắt đo [15] 71

3.5.7 Các trường hợp lưu lượng và mực nước thí nghiệm [15] 75

3.5.8 Yêu cầu về nội dung thí nghiệm 76

3.5.9 Mô hình hóa 76

3.5.10 Các tài liệu thiết kế, tính toán 76

3.5.11 Bố trí các mặt cắt, các điểm đo trên mô hình thí nghiệm 77

3.5.12 Kiểm tra điều kiện tương tự 78

3.6 Thí nghiệm và kết quả [15] 79

3.6.1 Trường hợp thí nghiệm hiệu chỉnh quy trình vận hành 79

3.6.2 Trường hợp kiến nghị thí nghiệm 80

3.7 Đánh giá kết quả 81

3.7.1 Những nhận xét kết luận rút ra từ kết quả thí nghiệm [15] 81

3.7.2 Thiết lập công thức thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố từ kết quả thí nghiệm 84

3.7.3 So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm 92

3.8 Kết luận chọn quy trình vận hành hợp lý 96

Kết luận chương 3 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

1 Các kết luận 101

2 Những tồn tại và hạn chế 102

3 Các kiến nghị 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHẦN PHỤ LỤC 105

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bố trí đường tràn dọc ở đầu đập 4

Hình 1.2 Đường tràn ngang 4

Hình 1.3 Xi phông tháo lũ 5

Hình 1.4 Giếng tháo lũ 5

Hình 1.5 Đường tràn kiểu gáo 5

Hình 1.6 Đập tràn 5

Hình 1.7 Các hình thức mặt cắt của đập tràn 5

Hình 1.8 Cắt dọc đập tràn có cửa van điều tiết 6

Hình 1.9 Mặt bằng đập tràn xả lũ 6

Hình 1.10 Tiêu năng phóng xa 7

Hình 1.11 Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu 7

Hình 2.1 Công trình tràn: (a) Không có cửa van; (b) Có cửa van 22

Hình 2.2 Mặt bằng của các kết cấu tràn nước: (a) Thẳng, (b) Cong (c) Gẫy góc, (d) Gấp khúc (labyrinth) 23

Hình 2.3 Mặt cắt dọc tràn 24

Hình 2.4 Các biện pháp tiêu năng theo hình thức chảy đáy 25

Hình 2.5 Các trạng thái chảy khi có bậc a<hh ở cuối mặt tràn 26

Hình 2.6 Tiêu năng phóng xa sau công trình tháo nước 27

Hình 2.7 Tiêu năng bằng dòng chảy hỗn hợp (2 tầng) 28

Hình 2.8 Sơ đồ tính toán thủy lực tràn 30

Hình 2.9 Các biện pháp tiêu năng theo hình thức chảy đáy 32

Hình 2.10 Các trạng thái chảy khi có bậc a<hh ở cuối mặt tràn 32

Hình 2.11 Tiêu năng phóng xa sau công trình tháo nước 33

Hình 2.12 Đường bao hố xói sau mũi phun 34

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán nối tiếp, tiêu năng và xói 35

Hình 2.14 Sự hình thành đuốc khí 39 Hình 2.15 Sơ đồ truyền lan sóng xung kích khi tiêu hủy bong bóng khí gần bề mặt lòng dẫn

Hình 2.16 Sự hình thành sóng nhiễu 41

Hình 2.17 Hai dạng sóng trung tâm 41

Hình 2.18 Sơ đồ lôi cuốn không khí vào dòng nước 41

Hình 3.1 Mặt cắt dọc đập 48

Hình 3.2 Mặt bằng đập tràn xả lũ 48

Hình 3.3 Cắt dọc đập tràn xả lũ 49

Hình 3.4 Một số ảnh đập tràn vận hành xả lũ 53

Hình 3.5Máy thủy bình có bàn độ ngang NA724 69

Hình 3.6 Máy thủy bình Ni07 69

Hình 3.7 Đầu đo lưu tốc điện tử P-EMS E30 và E40 69

Hình 3.8 Đầu đo áp suất và thiết bị daqbook 260 thu thập xử lý số liệu kết nối với Computer 70

Hình 3.9 Catsset thu thập số liệu từ đầu đo lưu tốc, áp suất thành tín hiệu Ananog và kết nối với Daqbook260 70

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo V, P, Z trên tràn xả mặt 73

Hình 3.11 Mặt bằng sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo V, P, Z trên tràn xả mặt 73

Hình 3.12 Vị trí mặt cắt và các thủy trực đo V, Z tại hạ lưu trên mô hình 74

Hình 3.13 Ảnh các thí nghiệm hiệu chỉnh quy trình vận hành 80

Hình 3.14 Ảnh các thí nghiệm kiến nghị 81

Hình 3.15 Mặt cắt ngang hố xói thủy điện Bản Chát 95

Hình 3.16 Mặt cắt dọc hố xói thủy điện Bản Chát 95

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Lưu lượng lũ thiết kế 46

Bảng 3.2 Trình tự mở các cửa van đập tràn theo quyết định số 149/QĐ-BCT 50

Bảng 3.3 Một số ảnh hưởng bất lợi khi vận hành xả lũ qua đập tràn 52

Bảng 3.4 Các hệ số thủy lực và hình học chuyển đổi từ nguyên hình sang mô hình tổng thể tỷ lệ λl= 64 71

Bảng 3.5 Các trường hợp về tổ hợp mở cửa van và lưu lượng tính toán thí nghiệm 75

Bảng 3.6 Các trường hợp về tổ hợp mở cửa van và lưu lượng tính toán thí nghiệm kiến nghị 75 Bảng 3.7 Tổng hợp các thông số của các thí nghiệm TN1 đến TN4 79

Bảng 3.7 Tổng hợp các thông số của các thí nghiệm TN2a đến TN5a 80

Bảng 3.8 Thống kê các kết quả thí nghiệm với các đại lượng không thứ nguyên 87

Bảng 3.9 Tính các giá trị của phương trình (3.40) từ số liệu thí nghiệm 89

Bảng 3.10 Giá trị tổng bình phương 90

Bảng 3.11 Kết quả tính toán các hệ số của phương trình (3-41) 90

Bảng 3.12 Kết quả tính toán hệ số k theo công thức thực nghiệm (3-46) và so sánh với hệ số k theo kết quả thí nghiệm 92

Bảng 3.13 Kết quả tính toán giá trị B3 theo công thức thực nghiệm (3-19) và so sánh với giá trị B3 theo kết quả thí nghiệm 93

Bảng 3.14 Kết quả tính toán giá trị B3 theo công thức thực nghiệm 94

Bảng 3.15 Kết quả lựa chọn chế độ mở cửa van qua số liệu thực nghiệm mô hình và tính qua công thức thực nghiệm 96

Bảng 3.16 Chế độ mở cửa van hợp lý dùng để xây dựng quy trình vận hành 97

Bảng 3.17 Chế độ đóng mở cửa van trong quy trình vận hành công trình xả [14] 98

Bảng PL.1 Các thông số kỹ thuật và chỉ tiêu chính của công trình Bản Chát 105

Bảng PL.2 Đường quan hệ lưu lượng với mực nước tại tuyến hạ lưu đập Bản Chát tại mặt cắt cách đập 800m (Zhl800m) 108

Bảng PL.3 Các ký hiệu tên thí nghiệm và thông số của các thí nghiệm 109

Bảng PL.3.1 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm Ztl=475m-TN3-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a = 5m; cửa 1&4: a = 0,5m 110Bảng PL.3.2 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN3-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a = 5m; cửa 1&4: a = 0,5m 111Bảng PL.3.3 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a = 8m; cửa 1&4: a = 2m 112Bảng PL.3.4 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a = 8m; cửa 1&4: a = 2m 113Bảng PL.3.5 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN2a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 2m; cửa 1&4: a = 1,5m 114Bảng PL.3.6 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN2a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 2m; cửa 1&4: a = 1,5m 115Bảng PL.3.7 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN3a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 3m; cửa 1&4: a = 2,5m 116Bảng PL.3.8 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN3a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 3m; cửa 1&4: a = 2,5m 117Bảng PL.3.9 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 5m; cửa 1&4: a = 4,5m 118Bảng PL.3.10 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 5m; cửa 1&4: a = 4,5m 119Bảng PL.3.11 Cao độ mặt nước thượng, hạ lưu công trình của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN5a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 9m; cửa 1&4: a = 8,5m 120Bảng PL.3.12 Các thông số luồng phun của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN5a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a = 9m; cửa 1&4: a = 8,5m 121Bảng PL.3.13 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

HCQTVH-xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN3-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a = 5m; cửa 1&4: a = 0,5m 122Bảng PL.3.14 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4-Số khoang tràn mở: 4-Cửa 2&3: a =

Bảng PL.3.15 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN2a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a

= 2m; cửa 1&4: a = 1,5m 124Bảng PL.3.16 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN3a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a

= 3m; cửa 1&4: a = 2,5m 125Bảng PL.3.17 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN4a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a

= 5m; cửa 1&4: a = 4,5m 126Bảng PL.3.18 Lưu tốc u(m/s) và mạch động lưu tốc σu(m/s) tại các điểm đo trên tràn

xả mặt của thí nghiệm HCQTVH-Ztl=475m-TN5a-Số khoang tràn mở: 4- Cửa 2&3: a

= 9m; cửa 1&4: a = 8,5m 127

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có khoảng 7.000 đập lớn nhỏ các loại, trong đó có khoảng gần 500 đập lớn,

là nước có nhiều đập cao trên thế giới Tuy nhiên sự phân bố về hình loại đập theo vật liệu không đều nhau Trong số các đập có chiều cao nhỏ hơn 100m thì đập vật liệu địa phương chiếm tới 80%, còn đối với đập có chiều cao hơn 100m thì đập bê tông nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng lại chiếm 1 tỷ lệ đáng kể Hơn nữa trong những năm gần đây, đã tiến hành xây dựng hàng loạt các công trình thủy điện với chiều cao đập tương đối lớn đa phần đề sử dụng đập bê tông trọng lực

Ở các hệ thống công trình đầu mối thủy lợi – thủy điện phải bố trí công trình tháo để

xả lũ, xả nước thừa xuống hạ du Một trong những vấn đề hàng đầu trong thiết kế, bố trí công trình tháo là giải quyết tốt vấn đề nối tiếp thủy lực sau công trình xả Các dạng tràn xả lũ thường được dùng có dạng mặt cắt thực dụng như mặt cắt Oxipherop hoặc mặt cắt có dạng đường cong Wes

Các dạng nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu có thể được dùng:

+ Tiêu năng mũi phóng – dòng phun thường thích hợp với công trình đầu mối có cột nước cao hoặc vừa, nền móng bằng đá Hình thức mặt bằng của thiết bị tiêu năng dòng phun có loại bề rộng không đổi

+ Tiêu năng chảy đáy có thể thích nghi với các loại nền đá hoặc không phải là đá với yêu cầu đối với trạng thái dòng chảy tương đối nghiêm khắc Tiêu năng đáy có bể tiêu năng, bể tường kết hợp kiểu đáy bằng, đáy nghiêng hoặc đáy mở rộng, đáy thu hẹp Ngoài ra có thể dùng tiêu năng dòng mặt, hiệu qủa của dạng tiêu năng này so với tiêu năng dòng đáy không kém hơn nhiều

Nếu dùng tiêu năng dòng phun cần phải nghiên cứu thận trọng do ảnh hưởng của chế

độ thủy lực cuối mũi hắt dòng tia văng xa, bề rộng dòng phun tại khu vực bố trí hố xói

ảnh hưởng sạt lở hai bờ sông, ảnh hưởng an toàn cho công trình chính Đặc biệt nguy hiểm đối với ổn định của đập khi tràn vận hành được bố trí ở thân đập bê tông trọng lực hay đập vòm, hố xói ở ngay sau chân đập

Tại Việt Nam, khi thiết kế các công trình có cột nước cao (phục vụ mục đích phát điện) để xả lượng nước lũ thường dùng giải pháp thiết kế tràn xả mặt, tiêu năng kiểu phóng xa Theo kiểu tiêu năng phóng xa này thì cuối tràn có bố trí mũi phun ở cao độ trên cao so với mực nước hạ lưu Tại vị trí mũi hắt nước thường có vận tốc lớn, nước khuếch tán vào không khí và rơi vào khu vực hố xói đào trước Khi tràn có số lượng cửa van lớn (n≥3) và các khoang tràn không có tường phân dòng riêng cho từng cửa van hoặc từng cụm cả van liền kề thì quá trình xả nước lũ qua tràn sẽ gặp khó khăn Khi không có quy trình thứ tự mở và độ mở hợp lý của các cửa van hợp lý có thể nước

sẽ loe ra toàn bộ phần mũi hắt cũng như sẽ rơi ra ngoài phạm vi khu vực hố xói đào trước, có thể rơi lên hai bờ hạ lưu làm sạt trượt, gây mất ổn định hai bờ, có thể dẫn đến ảnh hưởng đến an toàn công trình Các công trình này khi xây dựng quy trình đóng mở cửa van (quy trình vận hành cửa xả) thường được thông qua công tác kiểm nghiệm trên mô hình vật lý để đưa ra quy trình, chế độ vận hành hợp lý cho việc đóng, mở các cửa van

Công trình thủy điện Bản Chát là một ví dụ điển hình cho việc bố trí tràn xả lũ là tràn

xả mặt có cửa van điều tiết nhưng dọc theo chiều dài từ cuối trụ pin của các cửa van không thiết kế và xây dựng tường phân dòng kéo dài đến cuối mũi hắt cho từng của xả độc lập mà chia thành cụm cửa xả có tường phân dòng Do đó khi công trình đi vào vận hành, ngay tại mùa xả lũ đầu tiên của công trình đã không xả được đúng theo qui trình vận hành đã được phê duyệt, quá trình xả này đã làm cho hai bờ bị sạt trượt nhiều, gây mất ổn định đường vào vào nhà máy thủy điện Vì vậy đã phải tiến hành thực nghiệm lập chế độ vận hành hợp lý công trình xả mặt Qua thực nghiệm trên mô hình thủy lực đã đưa ra được các chế độ đóng mở hợp lý cho từng cửa van để đảm bảo

xả được lũ và vận hành an toàn cho công trình

2 Mục đích của đề tài

Đưa ra quy trình đóng mở cửa van hợp lý khi tràn không có tường phân dòng để dòng

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết; Ứng dụng tính toán với công trình xả lũ thủy điện Bản Chát

- Nghiên cứu thực nghiệm và so sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm mô hình Nghiên cứu sẽ dựa trên các phương pháp sau đây:

+ Mô hình vật lý: Thực hiện thí nghiệm trên mô hình vật lý tại phòng thí nghiệm thủy lực – Viện Năng lượng

+ Thống kê: Xử lý số liệu và thiết lập quan hệ giữa các yếu tố thủy lực theo số liệu thí nghiệm thu thập được

4 Kết quả dự kiến đạt được

- Khái quát chung về tràn xả lũ và tổng quan quy trình vận hành (xả mặt có tường phân dòng và không có tường phân dòng), phân tích dòng chảy dưới cửa van dưới tác động của quy trình mở van khác nhau;

- Nghiên cứu thực nghiệm về công trình xả mặt không có tường phân dòng;

- Đưa ra quy trình thứ tự đóng mở, độ mở hợp lý của từng cửa van để công trình thủy điện Bản Chát vận hành an toàn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH ĐẬP TRÀN XẢ

MẶT

1.1.1 Khái niệm và phân loại [6]

Công trình tháo lũ trên mặt thường đặt ở cao trình tương đối cao Do các cao trình của ngưỡng tràn cao, nên nó chỉ có thể dùng để tháo dung tích phòng lũ của hồ chứa

Công trình tháo lũ trên mặt bao gồm các loại sau:

- Đường tràn kiểu gáo

Hình 1.1 Bố trí đường tràn dọc ở đầu đập Hình 1.2 Đường tràn ngang

Hỡnh 1.3 Xi phụng thỏo lũ Hỡnh 1.4 Giếng thỏo lũ

Đường mặt nước trên tràn

Hỡnh 1.5 Đường tràn kiểu gỏo Hỡnh 1.6 Đập tràn

1.1.2 Đặc điểm kết cấu của đập tràn xả mặt

Hỡnh 1.7 Cỏc hỡnh thức mặt cắt của đập tràn a) Đập tràn kiểu 1 bậc; b) Đập tràn kiểu nhiều bậc; c), d) Đập tràn kiểu hỡnh cong;

e) Ngưỡng tràn

Loại đập tràn kiểu một bậc được ứng dụng lúc nền móng chắc chắn, không có loại cát sỏi hạt lớn chảy qua Do đó tia nước chảy xuống đáy sông và phần bảo vệ nên người ta thường dùng loại này với trường hợp cột nước không lớn (3-4m) hoặc có cột nước lớn hơn nhưng đã có biện pháp tiêu năng đối với những tia nước đó

Loại đập tràn kiểu nhiều bậc ít được ứng dụng hơn, do cần có nền móng khá dài và tốn vật liệu xây dựng

Loại đập tràn kiểu hình cong (đập tràn thực dụng) được dùng nhiều nhất Loại này nối tiếp được thuận và hệ số lưu lượng lớn

Loại ngưỡng tràn thường được dùng khi cột nước thấp và có cửa van

Mặt tràn cho các công trình xả lũ hiện nay thường dùng hai loại đường cong phổ biến: (i) đường cong dạng Ôxiphêrốp và (ii) đường cong dạng Wes

Hiện nay các công trình thủy lợi thủy điện vừa và lớn thường sử dụng cửa van đóng

mở điều tiết hồ chứa là dạng cửa van cung, có các kích thước BxH khá lớn, ví dụ như Sơn La có BxH=15x11,46m; Bản Chát có BxH=15x15m

Tõ¬ng ph©n dßng

Tim ray cÇu trôc Tim tuyÕn ®Ëp

Lan can Tim ray cÇu trôc

Tim khe phai Tim tuyÕn trµn

Kho van s©u

Khe nèi Khe nèi

Hình 1.8 Cắt dọc đập tràn có cửa van điều tiết Hình 1.9 Mặt bằng đập tràn xả lũ

1.1.2.4 Đa dạng các hình thức tiêu năng khác nhau; nhưng chủ yếu là tiêu năng

Hình 1.10 Tiêu năng phóng xa

1.1.3 Đặc điểm thủy lực nối tiếp sau tràn [9]

Hình 1.11 Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu

sông và hai bên bờ gây nên xói 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 lòng 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 mục đích ở trên, thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dòng chảy đáy (Hình 1.11a, Hình 1.11b); tiêu năng dòng mặt (Hình 1.11c); tiêu năng dòng mặt ngập (Hình 1.11d); tiêu năng phóng xa (Hình 1.11e)

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 để 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

Tiêu năng phóng xa được sử dụng nhiều cho các công trình có cột nước cao, hạ lưu và nền đá có khả năng chống xói tốt Cao trình đỉnh mũi phun phải lớn hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu

Dòng chảy trên mũi phun có lưu tốc lớn lại chịu ma sát với thành biên do vậy mức độ rối tăng lên, không khí trộn vào dòng nước và do đó một phần năng lượng được tiêu hao Khi dòng chảy đã phun vào không khí, do có ma sát với không khí một phần năng lượng nữa được tiêu tán Dòng phun khi nhấn chìm xuống mực nước hạ lưu sẽ hình thành hai cuộn nước lớn ở phía trước và phía sau Trong vùng cuộn sẽ hình thành dòng rối mãnh liệt, các dòng này va động, xáo trộn lẫn nhau, ma sát tương đối với nhau từ

đó năng lượng được tiêu hao Lớp nước hạ lưu càng lớn thì sự mở rộng của dòng phun càng nhiều và tiêu hao năng lượng càng lớn

Xác định chiều dài phóng xa dựa trên cơ sở lý luận dòng phun có dạng parabol:

- Chưa tính đến bán kính cong ngược R của mũi phun;

- Chưa đề cập đến khoảng cách từ điểm thấp nhất của đoạn cong đến đỉnh mũi phun, mức độ mở rộng của dòng phun, hiện tượng trộn khí, sức cản của không khí

Để tính giá trị gần đúng của chiều dài dòng phun, hiện nay có nhiều công thức Mỗi công thức đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau do đó mức độ chính xác của mỗi công thức phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể Vì vậy khi tính toán phải phân tích

và lựa chọn công thức tính phù hợp

Dòng chảy từ trên cao đổ xuống tạo xung vỗ vào các tảng đá hạ lưu, vỗ mạnh xuống tận nền và bờ, làm cho nền bị rạn, rồi nứt lở dẫn đến phá hoại từng chỗ Quá trình đó lặp đi lặp lại nhiều lần và liên lục dẫn đến vết nứt phát triển mở rộng và nền bị phá hoại Đó là giai đoạn đầu của sự hình thành xói

Xung vỗ mạnh có thể kéo theo những tảng đá bị bóc lên, thoát khỏi vị trí và bị dòng chảy mang về hạ lưu, tạo cho hố xói phát triển

Xung vỗ kéo dài, hố xói sâu rộng dần, động năng của nước giảm nhỏ đến mức không phá hoại nền được nữa Khi đó được gọi là giai đoạn trạng thái cân bằng của hố xói (hố xói đã phát triển tới giá trị cực hạn về độ sâu, chiều dài hố xói và bề rộng hố xói) Các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển hố xói là địa hình, địa chất,

1.1.3.3 Chiều sâu hố xói

Khó có thể có công thức thuần túy xác định chiều sâu hố xói Chỉ có thể có các công thức thực nghiệm được thiết lập trong những điều kiện nhất định và trong một phạm vi ứng dụng nhất định

Dạng chung thường gặp của công thức xác định chiều sâu hố xói là:

Trong đó: T: chiều sâu hố xói tính từ mực nước hạ lưu;

q: Lưu lượng đơn vị;

H: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu;

Vị trí sâu nhất của hố xói bình thường là tại nơi dòng nước va đập xuống nền Nhưng cũng có thể diễn ra không ứng với nơi nước rơi xuống mà là nơi có địa chất nền yếu Tiêu năng dòng phun là biện pháp tiêu năng vừa an toàn vừa kinh tế Nó chủ yếu nhờ vào mũi hắt khiến cho dòng chảy có tốc độ lớn vọt ra xa chân công trình và hòa nhập với mực nước hạ lưu của lòng sông Nền đá bền cứng có khả năng chống xói tốt do đó các công trình thủy lợi đầu mối có cột nước cao sử dụng tiêu năng dòng phun là phù hợp Hình thức nối tiếp tiêu năng của tràn xả lũ kiểu dòng phun ở Trung Quốc sửa

kiểu dòng phun, còn lại 25% dùng kiểu tiêu năng đáy hoặc tiêu năng mặt Ở Việt Nam thì đa số các công trình thủy điện loại lớn và vừa được ứng dụng tiêu năng xả lũ kiểu dòng phun Tuy nhiên, kiểu tiêu năng dòng phun cũng còn một số hạn chế, bất lợi sau cần được nghiên cứu, đánh giá để đưa ra giải pháp ngăn ngừa hợp lý:

- Đối với đập tràn xả lũ đặt cạnh đập vật liệu địa phương, cần chú ý tới dòng phun gây ra dòng chảy quẩn tại hạ lưu là xỏi lở chân đập;

- Tạo sương mù trong quá trình nước nhảy sẽ ảnh hưởng tới quá trình vận hành trạm thủy điện và giao thông đầu mối, khi thiết kế đầu mối phải tính kỹ đến điều này;

- Nếu nền móng là nền mềm yếu và kéo dài đến tạn hạ lưu, cấu tạo địa chất có khả năng bị dòng chảy có động năng cực lớn trực tiếp đào xói cắt đứt thì có thể gây ra nguy hại đến ổn định của nền và bờ;

- Bờ dốc có khả năng xói sập hoặc do trạng thái dòng chảy vùng xoáy đào xói làm nguy hại tới ổn định vai đập, bồi lấp lòng sông hạ lưu hoặc kênh dẫn phía sau hoặc tạo nên khối lượng xử lý công trình quá lớn;

- Sóng vỗ do nước nhảy và dòng xoáy sẽ uy hiếp tới trạm thủy điện và âu thuyền hoạt động bình thường

Do ảnh hưởng của mạch động và các yếu tố khác trên đường của tia nước phóng xuống hạ lưu nên hố xói hình thành sẽ có đáy mở rộng Có thể xác định bề rộng đáy hố xói theo công thức sau:

Trong đó: hk – độ sâu phân giới trong kênh hạ lưu

1.2.1 Khái niệm về quy trình vận hành

Quy trình vận hành công trình xả là trình tự đóng, mở các cửa van công trình xả theo

trình đóng mở này phải đảm bảo vận hành an toàn cho công trình xả và an toàn cho hạ lưu công trình

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình vận hành

Số liệu quan trắc thủy văn có tính chất quyết định đến việc tính toán điều tiết và vận hành hồ chứa Các số liệu quan trắc sẽ cho biết lượng mưa, tổng lượng lũ về tuyến công trình Từ đó thông qua tính toán điều tiết sẽ cho biết tổng lượng xả của từng con

lũ, dẫn đến việc đưa ra chế độ mở các cửa xả để xả được lưu lượng tính toán

Sau khi có kết quả tính toán điều tiết lũ hồ chứa, người vận hành công trình xả sẽ lựa chọn số cửa, hoặc độ mở các cửa ai (m) khác nhau đã được thiết lập trong quy trình vận hành để xả được tổng lưu lượng cần xả qua công trình xả khi có trận lũ đến

Các thông số kỹ thuật công trình xả như: chiều cao ngưỡng tràn, loại ngưỡng tràn, loại tràn, bán kính cong mũi hắt, góc hắt, chiều cao mũi hắt, chiều rộng khoang tràn, số khoang là các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình vận hành Các thông số nêu trên ảnh hưởng đến khả năng xả và chế độ thủy lực trên tràn hoặc dưới hạ lưu Ví

dụ trong trường hợp các cửa mở không đểu độ mở ai (m) trên mặt tràn sẽ có các sóng xiên, giao thoa dòng chảy và tạo thành các cùng áp suất thay đổi liên tục trên mặt tràn, dưới tác động của dòng phun không ổn định như vậy các công trình tiêu năng ở hạ lưu

sẽ bị hư hỏng nghiêm trọng Vì vậy, cần thiết lập quy trình vận hành cửa van để các giá trị ảnh hưởng bất lợi được triệt tiêu hoặc có ảnh hưởng ít nhất

Địa hình, địa chất hạ lưu ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình vận hành cửa van Ví dụ công trình xả được bố trí tại khu vực có lòng sông hẹp và có độ dốc hai bờ cao do vậy chế độ vận hành công trình xả phải đạt được yêu cầu tránh sạt lở hai bờ hạ lưu, luồng phun tập trung vào hố xói đã đào trước Khi luồng phun công trình xả đổ vào các tầng địa chất khác của của hố xói sẽ gây ra xói lở khu vực hạ lưu hố xói, giả sử hố xói có

hạ lưu có địa chất là nền đá yếu thì phải sử dụng biện pháp thiết kế công trình tiêu năng Vì vậy, quy trình vận hành cửa van hợp lý phải đạt được yêu cầu an toàn cho hạ

du (xói, sạt trượt hai bờ)

Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ lựa chọn phương án phù hợp cho công trình tiêu năng hạ lưu Có thể là hố xói, bể tiêu năng, hoặc bể tường kết hợp Tuy nhiên khi xây dựng quy trình vận hành phải mở các cửa van sao cho dòng phun đổ gọn trong công trình tiêu năng, cũng như công trình tiêu năng này phải đảm bảo tiêu hao hết năng lượng từ dòng phun gây ra

1.2.3 Xây dựng quy trình vận hành

Việc xây dựng quy trình vận hành đóng mở cửa van thường thông qua các công thức

lý thuyết để tính toán ra các thông số cần thiết (khả năng xả, các thông số thủy lực khác ), qua đó có thể đưa ra chế độ mở của van tương ứng để xả được lưu lượng nước

lũ hoặc cấp nước cho hạ du

Tuy nhiên theo Quy chuẩn Việt Nam số 0405: 2012/BNNPTNN tại mục 4.12 có quy định các công trình thủy lợi thủy điện có cấp công trình từ cấp I trở lên thì việc xây dựng quy trình vận hành đóng mở cửa van công trình xả phải được thực hiện kiểm nghiệm thông qua nghiên cứu thực nghiệm thủy lực Từ quy trình đóng mở cửa van giả định sau khi tính toán lý thuyết của các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ được các kỹ sư tư vấn thí nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý để kiểm nghiệm Quá trình kiểm nghiệm trên mô hình vật lý là một công việc có tính chất đặc thù, phức tạp và tỷ mỉ Thông thường để xây dựng được quy trình vận hành đóng mở cửa van hợp lý thường phải mở rất nhiều tổ hợp các độ mở cửa van, tổ hợp các cửa đóng, mở hoàn toàn Từ các kết quả thí nghiệm cho từng cấp lưu lượng (hoặc tổ hợp mở) các kỹ sư tư vấn thí nghiệm so chọn để đưa ra chế độ vận hành đóng mở cửa van tối ưu cho công trình Với các công trình từ cấp II trở xuống khi xây dựng quy trình vận hành công trình tràn không phải thực hiện công việc thực nghiệm trên mô hình vật lý Các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ tính toán thông qua các công thức lý thuyết để cho khả năng xả tương ứng,

còn việc mở cửa van với độ mở a hoặc đóng, mở hoàn toàn các cửa van thường thông qua kinh nghiệm của bản thân và đồng nghiệp

1.2.4 Quy trình vận hành trong thực tế hoạt động

Mỗi một hồ chứa công trình thủy lợi, thủy điện đều có một quy trình vận hành hồ chứa, quy trình này phải được cơ quan chức năng có thẩm quyền phê duyệt để Chủ đập có căn cứ để thực hiện vận hành hồ chứa Một quyết định phê duyệt vận hành hồ chứa thường có 4 chương, (i) Chương I – Nguyên tắc chung; (ii) Chương II – Vận hành công trình điều tiết chống lũ; (iii) Chương III – Vận hành công trình điều tiết nước phát điện và đảm bảo dòng chảy tối thiểu; (iv) Chương IV – Quy định trách nhiệm và tổ chức vận hành Mỗi chương sẽ bao gồm các điều khoản để làm cơ sở thực hiện Trong đó, mục có tính chất đặc biệt quan trọng trong quy trình vận hành hồ chứa

là quy định trình tự đóng mở các cửa van đập tràn

Để thực hiện tốt việc vận hành hồ chứa thì việc ban hành quy định trách nhiệm và tổ chức vận hành cho từng cá nhân con người cụ thể sẽ là nền tảng thực hiện việc vận hành hồ chứa đạt kết quả tốt, cụ thể như sau:

- Thu thập, theo dõi chặt chẽ tình hình diễn biến khí tượng thủy văn, các tài liệu phương tiện cần thiết cho việc tính toán điều tiết hồ chứa;

- Kiểm tra tình trạng công trình, thiết bị, tình trạng sạt lở vùng hồ và có các biện pháp kịp thời khắc phục các hư hỏng để đảm bảo tình trạng, độ tin cậy làm việc bình thường, an toàn của công trình và thiết bị;

- Thi hành lệnh đóng mở cửa van đập tràn theo quy định Trong trường hợp lệnh đóng, mở cửa van đập tràn trái với quy định thì phải báo cáo cơ quan có thẩm quyền xem xét, quyết định;

- Tổ chức, huy động lực lượng trực, sẵn sàng triển khai công tác khi cần thiết;

- Tổ chức kiểm tra, đánh giá toàn bộ thiết bị, công trình và nhân sự, lập kế hoạch xả, tích nước hồ chứa

- Phối hợp với các cơ quan địa phương để thông báo và tuyên truyền đến nhân dân vùng hạ du những thông tin và hiệu lệnh thông báo xả nước, đặc biệt là nhân dân sống gần hạ lưu công trình

1.3.1 Nguyên tắc xây dựng qui trình vận hành

Việc xây dựng quy trình vận hành công trình xả lũ phải dựa trên các tính toán lý thuyết khả năng xả và các thông số thủy lực khác để đưa ra chế độ đóng mở cửa van tương ứng với lưu lượng cần tháo xuống hạ du Tùy từng cấp thiết kế của công trình mà quy trình đóng mở của van có cần được kiểm nghiệm bằng phương pháp thí nghiệm mô hình thủy lực hay không

Khi xây dựng quy trình đóng mở cửa van phải phân tích đầy đủ, cụ thể các trường hợp

mở cửa với độ mở a (m), đóng hoặc mở hoàn toàn một số cửa van Các phân tích cụ thể bao gồm: (i) khả năng xả; (ii) thông số thủy lực luồng phun; (iii) chế độ nối tiếp; (iv) địa hình, địa chất hạ lưu; (v) hố xói và các khu vực gia cố hạ lưu

Từ các đánh giá cụ thể cho từng nội dung, qua đó phân tích lựa chọn để đưa ra quy trình vận hành công trình xả

1.3.2 Các nội dung đã được nghiên cứu về qui trình vận hành

Vận hành hồ chứa là một trong những vấn đề được chú ý nghiên cứu, quan tâm nhiều trong hàng trăm năm qua Mặc dù có những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu, quản lý vận hành hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại đối với hầu hết các hệ thống hồ chứa, khoa học thế giới vẫn chưa tìm được lời giải chính xác phải vận hành hồ chứa như thế nào để mang lại lợi ích tối đa cho xã hội

Qua kinh nghiệm của thế giới trong việc xây dựng và quản lý công trình trên sông cho thấy cùng với các biện pháp quản lý thì vận hành hệ thống công trình có thể linh động điều tiết nước về hạ du, xả cắt lũ cho thượng lưu

Nghiên cứu trong vận hành hồ chứa có thể phân ra thành các nội dung chính gồm có nghiên cứu vận hành cho:

- Đơn hồ chứa đa mục tiêu sử dụng;

- Liên hồ chứa đa mục tiêu sử dụng

Thông thường mỗi hồ chứa có một chế độ vận hành riêng, ngay cả khi hồ chứa nằm trong cùng hệ thống Trong một mục tiêu sử dụng hồ chứa là để chống lũ, nhưng khi gặp các trận lũ mà tổng lượng lũ lớn hơn dung tích phòng lũ thì lượng lũ thừa này thông qua tính toán điều tiết lũ phải xả xuống hạ lưu thông qua công trình xả Việc vận hành công trình xả của mỗi công trình cụ thể có đặc tính khác nhau (loại tràn, chênh cao giữa đỉnh tràn và mũi phóng, điều kiện địa chất, địa hình hạ lưu ) Do vậy có rất ít nghiên cứu về vận hành đóng mở cửa van mà khái quát chung được cho mọi công trình, thường chỉ có các nghiên cứu cụ thể cho từng công trình riêng biệt Và sau mỗi nghiên cứu riêng biệt này sẽ đưa ra được một quy trình đóng mở của van hợp lý cho riêng công trình

Vận hành hồ chứa đa mục tiêu với việc sử dụng nước cho nhiều mục tiêu là một trong những vấn đề được quan tâm tới nhiều nhất trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạch quản lý hệ thống nguồn nước và thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong vài chục năm trở lại đây Nghiên cứu vận hành quản lý hệ thống hồ chứa luôn phát triển theo thời gian nhằm phục vụ các yêu cầu phát triển liên tục của xã hội, từ nghiên cứu đơn giản của Rippl ở thế kỷ 19 về dung tích trữ phục vụ cấp nước (Rippl, 1883) tới các nghiên cứu gần đây của Lund về phương pháp luận trong vận hành tối ưu hệ thống liên

hồ chứa phục vụ đa mục tiêu (Lund và Guzman, 1999; Labadie, 2004) Mặc dù đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu quản lý vận hành hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại không có một lời giải chung cho mọi hệ thống mà tùy vào đặc thù của từng hệ thống sẽ có lời giải phù hợp

Các nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để giải quyết bài toán vận hành hồ chứa, nhìn chung có 3 nhóm phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất, bao gồm: mô phỏng, tối ưu và nhóm kết hợp tối ưu và mô phỏng + Phương pháp mô phỏng:

Chaves, P Và Chang F.J đã nghiên cứu áp dụng mạng trí tuệ nhân tạo tiến hóa (ENNIS) vào vận hành hồ chứa Shihmen ở Đài Loan với 5 biến ra quyết định Kết quả đạt được cho thấy mạng ENNIS sử dụng cho việc vận hành hồ chứa Shihmen này có nhiều thuận lợi hơn nhiều vì nó có ít thông số, dễ dàng xử lý các biến điều khiển, dễ kết hợp giữa mô hình vận hành với các mô hình dự báo dòng chảy đến Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mạng ENNIS hoàn toàn có khả năng kiểm soát nhiều biến ra quyết định để đưa ra các quyết định hợp lý khi vận hành hồ chứa đa mục tiêu

+ Phương pháp thuật toán tối ưu:

Kumar, Viện khoa học Ấn Độ đã sử dụng thuật toán tối ưu SWARM vào nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa gồm 4 hồ mà trước đây Larson đã sử dụng quy hoạch động để giải quyết Hai nhà thủy văn Kumar và Singh cũng áp dụng các thuật toán GA – giải đoán gen Kết quả cho thấy thuật toán tối ưu SWARM có khả năng áp dụng rất tốt vào giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa

+ Phương pháp kết hợp tối ưu và mô phỏng:

Alzali và Nnk đã nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện Khersan, Iran bằng việc kết hợp mô hình mô phỏng và thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu là sản lượng điện của hệ thống Thuật toán tối ưu được áp dụng trong nghiên cứu là quy hoạch tuyến tính riêng cho từng hồ trong từng bước thời gian để làm cơ sở xem xét cho việc ưu tiên phát điện của các hồ trong hệ thống Kết quả đạt được cho thấy nếu vận hành phối hợp 4 hồ chứa theo hàm mục tiêu đề ra sẽ cho sản lượng điện cao hơn khoảng 7,9% tổng sản lượng điện của 4 hồ khi vận hành riêng rẽ

Tại Việt Nam đã có các nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng quy trình vận hành, tuy nhiên các nghiên cứu này thường gắn với các công trình cụ thể mà không đưa ra được phương pháp chung nhất để đánh giá, xây dựng quy trình vận hành cho mọi công trình Nguyên nhân là do mỗi công trình có tính chất và đặc điểm riêng nên các kết quả nghiên cứu không có đáp số chung cho mọi công trình

Ví dụ như để xây dựng quy trình vận hành cửa van công trình xả của thủy điện Hòa Bình, các chuyên gia Nga đã tiến hành thực nghiệm tại nước Nga và tại mô hình tỷ lệ 1/100 tại Hòa Bình, kết quả là đã đưa ra được quy trình vận hành ngay sau khi công trình được hoàn thành năm 1994 Tuy nhiên khi công trình được vận hành theo quy trình nêu trên với trận lũ năm 1996 thì toàn bộ hạ du công trình (từ chân đập đến vị trí

hạ lưu cách chân đập 1,5km) hai bên bờ sông bị xói lở nghiêm trọng, lăng trụ đá hạ lưu đập đất đá hỗn hợp bị xói trôi Vì vậy đã có 02 đề tài nghiên cứu do Viện Năng lượng chủ trì về quy trình vận hành và gia cố hai bờ hạ du Đề tài đã kiến nghị hiệu chỉnh quy trình so với trước đây nhằm đảm bảo vận hành an toàn cho công trình chính và an toàn cho hạ du Quy trình điều chỉnh này hiện đang đáp ứng được chế độ vận hành cửa van của công trình

Công trình xả của thủy điện Sơn La (12 cửa xả đáy và 6 cửa xả mặt), việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa và đóng mở cửa van công trình xả đang được Tư vấn thiết

kế và Viện Năng lượng tiến hành nghiên cứu trên mô hình vật lý Các nghiên cứu sẽ đưa ra được quy trình đóng mở của van công trình xả trong thời gian tới

Thủy điện Tuyên Quang với quy mô 4 cửa xả mặt và 8 cửa xả đáy cũng đã được Viện Năng lượng tiến hành thực nghiệm và đưa ra quy trình vận hành công trình xả Quy trình này đáp ứng tôt yêu cầ xả lũ hàng năm kể từ khi công trình đi vào vận hành (năm 2009)

Nói chung tại Việt Nam các nghiên cứu thực nghiệm về quy trình vận hành công trình

xả thường chỉ gắn với một công trình cụ thể mà không có các nghiên cứu mang tính chất tổng quan cho các loại công trình xả Các nghiên cứu này mang tính chất giải bài toán cho vận hành đơn hồ chứa Còn các bài toán vận hành liên hồ chứa hoặc hệ thống sông thì thường dùng phần mềm Mike để xác lập tính toán các thông số, tuy nhiên nhược điểm của phần mềm Mike là không chính xác được thông số công trình xả, chỉ xác lập được lưu lượng qua công trình xả Do vậy trong bài toán nghiên cứu vận hành công trình xả bắt buộc phải tiến hành thực nghiệm đối với công trình cấp I trở lên, hoặc qua tính toán lý thuyết và phân tích chế độ thủy lực để lựa chọn quy trình vận hành công trình xả đối với các công trình cấp II trở xuống

1.4 Các vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu

1.4.1 Về mặt lý luận

Các sơ đồ tính cho công trình tràn có của van mở hoàn toàn và các cửa van được mở theo một quy luật nhất định còn mang tính chất định tính bởi vì các công thức lý thuyết và sơ đồ tính được áp dụng cho mô hình hai chiều (Oxy) Nhưng trong thực tế các công trình vận hành sẽ ảnh hưởng yếu tố không gian (ba chiều, Oxyz), do đó các công thức và sơ đồ tính đôi khi còn không chuẩn xác

Các vần đề còn tồn tại bao gồm:

- Chế độ thủy lực không thuận, các công trình có bố trí tràn xả lũ tại bờ trái hoặc bờ phải sẽ có hệ số lưu lượng nhỏ hơn công trình tràn xả lũ được bố trí giữa lòng sông (yếu tố không gian);

- Các hệ số lấy theo cấu tạo mố trụ, ngưỡng tràn, cửa van là các hệ số có sẵn, đã được nghiên cứu để đưa ra, tuy nhiên chưa hẳn đã chính xác hoàn toàn Nên khi áp dụng công thức tính còn sai số;

- Loại đường cong tràn;

- Các loại sóng xiên và giao thoa dòng chảy;

- Trên công trình xả có các cửa van mở có độ mở lệch nhau

Vì vậy, việc kiểm nghiệm chế độ đóng mở các cửa van trên mô hình vật lý là công việc hết sức cần thiết Từ mô hình vật lý sẽ chuẩn xác được các thông số thủy lực của công trình, ví dụ như: khả năng xả tương ứng với chế độ mở của van, chế độ thủy lực, vận tốc, áp suất, chiều dài luồng phun Sau khi có kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý, các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ hiệu chỉnh, tính toán lại các thông số để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật công trình

1.4.2 S ố liệu quan trắc, dự báo khí tượng, thủy văn

Các số liệu quan trắc, dự báo khí tượng, thủy văn là những thông số đầu vào vô cùng quan trọng và cần thiết cho công tác quản lý, vận hành, điều tiết nước của hồ chứa Từ

các số liệu dự báo khí tượng và quan trắc thủy văn sẽ giúp cho các Chủ đập chủ động trong việc điều hành đóng mở các cửa van sau khi tính toán điều tiết lũ hồ chứa

1.4.3 Quá trình vận hành đóng mở cửa van ngoài thực tế

Việc vận hành đóng mở cửa van ngoài thực tế đối với các công trình thủy lợi, thủy điện có dung tích hồ chứa lớn sẽ được chia thành hai thời điểm khác nhau

Khi vào mùa kiệt thì việc vận hành đóng mở các cửa van sẽ do Chủ đập quyết định dựa trên quy trình vận hành hồ chứa Trong trường hợp hạ lưu cần nước phục vụ cho nông nghiệp hoặc xả nước đảm bảo dòng chảy tối thiểu, về việc này Chủ đập sẽ căn cứ vào lưu lượng yêu cầu để mở các cửa xả hoặc lấy nước qua nhà máy thủy điện đáp ứng yêu cầu cho hạ du

1.4.4 Hướng nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm thủy lực xây dựng quy trình đóng mở cửa van hợp lý công trình thủy điện Bản Chát nhằm khắc phục những tồn tại sau:

+ Về mặt quan trắc:

- Duy trì mực nước dâng bình thường của hồ chứa trong các thí nghiệm;

- Đánh giá, so sánh với vận tốc không xói cho phép của hai bờ để xem xét việc xói lở hai bờ hạ lưu hồ chứa

độ vận hành cửa xả không những chỉ ảnh hưởng đến cả hệ thống công trình đầu mối,

mà còn có thể phá hoại hoặc ảnh hưởng đến quá trình làm việc của cả hệ thống Nhận thấy vai trò và tầm quan trọng này, tất cả các nước trên thế đều nghiên cứu và thực nghiệm thủy lực xây dựng quy trình vận hành cửa van Ở Việt Nam, các công trình thủy lợi, thủy điện lớn đều có quy trình đóng mở cửa van công trình xả Luận văn đặt nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm lập chế độ vận hành hợp lý công trình xả mặt không

có tường phân dòng cửu thủy điện Bản Chát

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY DƯỚI CỬA VAN XẢ

MẶT

2.1.1 Ảnh hưởng của hình thức công trình

Công trình tràn thích ứng điều kiện thủy lực với lưu lượng tràn tăng dần theo cột nước tràn trên ngưỡng đỉnh Tuy vậy chiều cao tràn thường chỉ là một phần nhỏ của chiều cao đập Hơn nữa trên ngưỡng tràn người ta còn đặt các cửa van để điều tiết lưu lượng

Về mùa lũ, nếu hồ chứa đầy nước, các cửa van được mở hoàn toàn để tăng khả năng tháo Phần lớn các hồ chứa có lưu lượng thiết kế nhỏ không bố trí cửa van

Hình 2.1 Công trình tràn: (a) Không có cửa van; (b) Có cửa van

Hiện nay hầu hết các đập lớn được lắp đặt cửa van để có thể vận hành một cách linh hoạt Sự vận hành không thích hợp hoặc nhiệm vụ của các cửa van không rõ ràng là nguyên nhân chính dẫn đến nguy hiểm cho việc tràn qua đỉnh đập Để hạn chế ngập lụt

ở hạ lưu, các cửa van hoạt động theo quy trình vận hành Các cửa van phải được kiểm tra chống rung động

Thuận lợi của công trình có cửa van như sau:

- Thay đổi được mực nước hồ chứa;

- Kiểm soát lũ;

- Có lợi đối với các mực nước cao hơn

Những vấn đề không thuận lợi:

- Nguy hiểm tiềm ẩn của nhiệm vụ không rõ ràng;

- Tăng kinh phí;

- Vấn đề duy tu bảo dưỡng

Căn cứ vào kích cỡ của đập và vị trí đặt cửa van, người ta sẽ dùng cửa van cho các trường hợp sau:

ngưỡng tiêu chuẩn (Hình 2.3)

Hình 2.2 Mặt bằng của các kết cấu tràn nước: (a) Thẳng, (b) Cong (c) Gẫy góc, (d)

Gấp khúc (labyrinth)

Hình 2.3 Mặt cắt dọc tràn (a) Tràn đỉnh rộng, (b) Tràn đỉnh cong, (c) Tràn tiêu chuẩn Mỗi loại ngưỡng tràn nêu trên được ứng dụng vào các công trình có cột nước tràn khác nhau Đối với cột nước tràn lớn hơn 3m nên dùng ngưỡng tràn tiêu chuẩn Mặc dù giá thành của ngưỡng tràn tiêu chuẩn có thể cao hơn so với các dạng khác nhưng nó sẽ có kết quả tốt hơn cả về mặt khả năng tháo, chế độ thủy lực sau tràn và hạn chế phá hoại của khí thực

Đối với các công trình sử dụng ngưỡng tràn tiêu chuẩn thì dòng chảy qua kết cấu có liên quan tới độ cong, dòng chảy có nguồn gốc từ sự uốn cong của lòng dẫn phía dưới dòng chảy Thành phần trọng lực của một bộ phận chất lỏng bị giảm do lực ly tâm Nếu độ cong đủ lớn, áp lực bên trong có thể bị hạ thấp hơn áp suất khí trời, thậm trí ở các công trình lớn dưới dạng áp lực hóa hơi Sau đó hiện tượng khí thực có thể phát sinh với một khả năng phá hoại của khí thực Điều nói trên là rất quan trọng đối với kết cấu tràn, những điều kiện như vậy là không thể chấp nhận được

Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo có thể thực hiện với nhiều sơ đồ và nguyên lý khác nhau, tùy thuộc vào tình hình cụ thể sẽ lựa chọn phương án hợp lý + Nối tiếp dòng chảy đáy:

Nối tiếp dòng chảy đáy là tạo ra nước nhảy ngay sau công trình để tiêu hao năng lượng Trạng thái dòng chảy tương ứng là chủ lưu ở sát đáy và khu xoáy cuộn ở trên mặt Theo lý luận về nước nhảy hoàn chỉnh có thể tiêu hao (70-80)% năng lượng thừa của dòng chảy sau khi qua công trình, phần năng lượng thừa còn lại sẽ tiếp tục được tiêu hao trên đoạn lòng dẫn tiếp theo bằng ma sát với đáy và thành bên lòng dẫn, cũng như ma sát nội tại của dòng chảy

Ưu điểm của nối tiếp dòng chảy đáy là khả năng tiêu hao năng lượng tốt và dòng chảy

hạ lưu sớm trở về trạng thái bình thường Tuy nhiên do dòng chủ lưu sat đáy có vận tốc lớn nên kết cấu bể tiêu năng cần được xây dựng kiên cố và trong trường hợp xả lũ

có nhiều vật trôi như cây gỗ lớn thì các vật trôi này có thể va chạm làm hư hỏng các bộ phận tiêu năng (đáy, thành bên bể, tường tiêu năng)

Hình 2.4 Các biện pháp tiêu năng theo hình thức chảy đáy (a) Đào bể tiêu năng; (b) Bể - tường kết hợp; (c) Xây tường tiêu năng

Nối tiếp dòng chảy đáy thường được sử dụng nhất với các trường hợp chênh lệch cột nước thượng hạ lưu không cao, nền hạ lưu không phải là đá Trường hợp trong dòng chảy có nhiều vật trôi nổi thì cần có kết cấu ngăn vật trôi từ thượng lưu

+ Nối tiếp dòng chảy mặt:

Nối tiếp dòng chảy mặt là tạo ra dòng chảy có chủ lưu ở trên mặt và khu xoáy cuộn ở đáy để tiêu hao năng lượng Hiệu quả tiêu năng dạng này phụ thuộc vào kích thước của khu xoáy ở đáy, và nói chung có thể đạt được tương tự như trường hợp nối tiếp chảy đáy Điểm khác biệt là do chủ lưu ở trên mặt nên mặt nước sau công trình có dao động hình sóng, các dao động này chỉ tắt dần sau khi duy trì trên một đoạn khá dài của lòng dẫn hạ lưu

Trạng thái mong muốn nhất ở hình thức này là chảy mặt không ngập (Hình 2.5a) Ở trạng thái này, khu xoáy cuộn ở đáy có kích thước lớn và đạt được hiệu quả tiêu năng cao

Khi độ sâu nước hạ lưu lớn, có thể làm bậc có chiều cao lớn để tăng kích thước khu xoáy ở đáy Tuy nhiên, khi chiều cao a vượt quá một giá trị xác định thì sẽ hình thành thêm một khu xoáy ở trên mặt làm ngập mặt cắt co hẹp trên mũi (Hình 2.5b) nói chung trạng thái này cũng có khả năng tiêu hao năng lượng tốt, nhưng sự tồn tại của khu xoáy trên mặt sẽ gây khó khăn cho việc tháo vật trôi theo dòng chảy

Khi chiều cao bậc nhỏ thì kich thước khu xoáy ở đáy cũng nhỏ và hiệu quả tiêu năng hạn chế Khi trị số a nhỏ hơn một giới hạn nhất định thì trạng thái dòng chảy sẽ chuyển

sang chảy đáy hồi phục (Hình 2.5c), nghĩa là chủ lưu chuyển xuống đáy và hình thành khu xoáy trên mặt

Hình 2.5 Các trạng thái chảy khi có bậc a<hh ở cuối mặt tràn (a) Chảy mặt không ngập; (b) Chảy mặt ngập; (c) Chảy đáy hồi phục

+ Nối tiếp phóng xa:

Nối tiếp phóng xa là cho dòng chảy ở sau công trình tháo nước phun vào không khí và rơi xuống hạ lưu ở vị trí cách xa công trình Năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao bằng các cách khác nhau:

- Bằng ma sát với không khí khi tia dòng bay trong không trung Hình thức này đặc biệt hiệu quả khi dòng chảy trong không trung được cắt thành các tia nhỏ, phạm vi tiếp xúc giữa dòng chảy và không khí tăng;

- Khi tia dòng rơi xuống hạ lưu, năng lượng còn lại sẽ tiếp tục được tiêu hao bằng ma sát nội bộ dòng chảy, cũng như ma sát với đáy và bờ lòng dẫn hạ lưu Trường hợp mực

đáy, làm xói vật liệu đáy lòng dẫn và hình thành hố xói Khi hố xói đã đủ sâu để tạo ra các khu xoáy ổn định thì quá trình xói mới kết thúc

Hình 2.6 Tiêu năng phóng xa sau công trình tháo nước

(a) Sau đập tràn; (b) Sau dốc nước

Ưu điểm của tiêu năng phóng xa là làn nước với độ xiết cao được phóng ra xa so với chân công trình nên đảm bảo độ an toàn cao cho công trình tháo và tận dụng được ma sát với không khí để tiêu năng nên khối lượng công trình gia cố hạ lưu nhỏ Thông thường đối với nền đá thì chỉ cần đào hố xói mà không cần gia cố hạ lưu Việc tháo các vật trôi không ảnh hưởng đến an toàn của công trình tiêu năng

Nhược điểm của tiêu năng phóng xa là dòng phun tạo ra sương mù, làm ẩm ướt taaij khu vực hạ lưu gần công trình tháo Mức độ ẩm ướt có thể làm giảm tuổi thọ của các thiết bị cơ khí và thiết bị điện trong vùng ảnh hưởng, đặc biệt là nhà máy thủy điện đặt gần công trình tháo Sương mù và ẩm ướt cũng có thể làm sạt trượt mái bờ hạ lưu, cản trở giao thông trong phạm vi ảnh hưởng

Dạng tiêu năng bằng dòng chảy phóng xa được sử dụng phổ biến và hợp lý nhất ở các công trình tháo có cột nước công tác vừa và lớn, địa chất nền hạ lưu là đá Trường hợp nền không phải là đá cũng có thể sử dụng, nhưng cần xử lý cẩn trọng để tránh hố xói lan sâu vào phía công trình

+ Nối tiếp bằng dòng chảy hỗn hợp:

Trong trường hợp đập tràn bằng bê tông tương đối cao thì sơ đồ tràn mặt và xả đáy kết hợp nên được khai thác để tiêu năng hiệu quả nhờ sự va đập giữa làn nước mặt và luồng chảy đáy Phần năng lượng thừa sau khi va đập sẽ được tiêu hao tiếp bằng các

Hình 2.7 Tiêu năng bằng dòng chảy hỗn hợp (2 tầng) (a) Ở đập bê tông trọng lực; (b) Ở đập vòm Với hình thức tiêu năng bằng dòng chảy 2 tầng ở đập tràn trọng lực (hình 2.7a), cần đặc biệt chú trọng bảo vệ chống xâm thực và phá loại lòng dẫn tại vị trí hai luồng chảy gặp nhau

2.1.2 Ảnh hưởng của địa hình, địa chất

Tuyến công trình được chọn chịu ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố địa hình và địa chất đến việc bố trí công trình chính cũng như việc bố trí công trình tháo Việc bố trí công trình tháo lũ tại bờ trái, bờ phải hay ở giữa lòng sông phụ thuộc vào điều kiện địa hình cụ thể của vị trí tuyến chọn Các công trình tháo thường được bố trí tại vị trí giữa lòng sông để đảm bảo dòng chảy vào được thuận dòng và cân xứng, các công trình tiêu năng cũng được bố trí tại lòng sông do đó khi công trình xả làm việc dòng chảy sau công trình tiêu năng cũng thuận dòng để gia nhập vào dòng chảy của lòng sông thiên nhiên Tuy nhiên, do địa hình lòng sông chật hẹp không đủ bố trí tổng thể công trình cho nên một số công trình cũng được bố trí tại vai trái hoặc vai phải Thủy điện Sơn La công trình xả lũ được bố trí tại vai phải của đập dâng, hoặc công trình thủy điện Hòa Bình công trình tháo lũ được bố trí tại vai trái của đập dâng

Địa chất lòng sông và hai bờ hạ lưu ảnh hưởng nhiều đến việc lựa chọn phương án nối tiếp và tiêu năng của công trình xả lũ Nếu gặp nền hạ lưu là nền đá vững chắc thì thường chọn hình thức tiêu năng là nối tiếp phóng xa, các công trình đã được sử dụng theo phương pháp này như: Hoà Bình, Tuyên Quang, Bản Chát, Sơn La, Lai Châu Một số công trình có cột nước thấp hoặc nền hạ lưu không phải là đá tốt thì sử dụng hình thức nối tiếp là tiêu năng đáy (bể, tường, bể - tường kết hợp) như: Thác Bà, Trị