Nghiên cứu khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên dốc nước

TRIỆU HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC, ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG TRÀN HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT... TRIỆU HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ

TRIỆU HÙNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC, ÁP DỤNG CHO

ĐƯỜNG TRÀN HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT

TRIỆU HÙNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC, ÁP DỤNG CHO

ĐƯỜNG TRÀN HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60-58-02-02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 GS.TS NGUYỄN CHIẾN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA H 2 PGS TS NGUYỄN TRUNG VIỆT

HÀ NỘI, NĂM 2015

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 khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên dốc nước, áp dụng cho đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt” Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu

sắc tới thầy giáo GS.TS Nguyễn Chiến, PGS.TS Nguyễn Trung Việt 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 này

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Thủy Lợi Thanh Hóa, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này

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 chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 17 tháng 8 năm 2015

Tác giả luận văn

Triệu Hùng Cường

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả 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 17 tháng 8 năm 2015

Tác giả luận văn

Triệu Hùng Cường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRÀN THÁO LŨ VÀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH TRÀN 4

1.1 Tổng quan về xây dựng các công trình tháo lũ ở Việt Nam 4

1.2 Khí thực trên các bộ phận công trình tháo lũ 12

1.3 Tình hình nghiên cứu khí thực trên thế giới và Việt nam 17

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 21

1.5 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC 22

2.1 Khái niệm về khí hóa và khí thực 22

2.2 Kiểm tra khí hóa trên dốc nước 25

2.3 Kiểm tra khí thực trên dốc nước 37

2.4 Các giải pháp phòng khí thực trên dốc nước 38

2.5 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA VÀ KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC ỨNG VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN KHÁC NHAU 45

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phát sinh khí hóa và khí thực trên dốc nước 45

3.2 Nghiên cứu khả năng phát sinh khí hóa trên dốc nước 48

3.3 Nghiên cứu khả năng khí thực trên dốc nước 56

3.4 Kết luận chương 3 65

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO DỐC NƯỚC CỦA ĐƯỜNG TRÀN HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT 66

4.1 Giới thiệu công trình Hồ chứa nước Cửa Đạt 66

4.2 Các thông số tính toán đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt 72

4.3 Kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực trên dốc nước 72

4.4 Giải pháp phòng khí thực cho dốc nước 79

4.5 Kết luận chương 4 87

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 1 - CÁC BẢNG TÍNH TOÁN KHÍ HÓA, KHÍ THỰC 91

PHỤ LỤC 2 - MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT 100

DANH SÁCH CÁC HÌNH V Ẽ

Hình 1.1: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà 9

Hình 1.2: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt mũi phun tràn Kẻ Gỗ 11

Hình 1.3: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ (cũ) hồ chứa nước Núi Cốc 12

Hình 1.4: Xâm thực khí thực đường hầm xả nước 13

Hình 1.5: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vonga 13

Hình 1.6: Xâm thực khí thực các trụ pin của buồng vanđường hầm 14

Hình 1.7: Xâm thực khí thực tại khe van hình chữ nhật 15

Hình 1.8: Xâm thực khí thực tại đập tràn Miranda 15

Hình 1.9: Xâm thực khí thực mặt tràn của đập bê tông trọng lực 16

Hình 1.10: Xâm thực khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) 17

Hình 1.11: Bố trí hệ thống ống dẫn khí trên trụ pin đập tràn 19

Hình 1.12: Bố trí TBTK trên đập tràn 19

Hình 1.13: Bộ phận tiếp khí trên đập tràn 20

Hình 1.14: Quan sát trộn khí trên bề mặt dốc tràn khi có TBTK 20

Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí 22

Hình 2.2: Các giai đoạn khí hóa dòng chảy qua bậc lồi 25

Hình 2.3: Các dạng chảy đặc trưng trên dốc nước 31

Hình 2.4: Xác định hd với độ dốc không lớn (i ≤ 8%) 34

Hình 2.5: Xác định hd với độ dốc lớn (i > 8%) 35

Hình 2.6: Biểu đồ quan hệ ξ1 = f (y/∆); ξ2 = f(δ/∆); δ/∆ = f (L/∆) 36

Hình 2.7: Sơ đồ ảnh hưởng của giai đoạn khí hóa đến cường độ khí thực 39

Hình 2.8: Quan hệ Vng = f(Rb, S) 40

Hình 2.9: Các loại bộ phận tiếp khí 42

Hình 2.10: Các hình thức bố trí hệ thống ống dẫn khí 43

Hình 3.1: Sơ đồ khối tính toán kiểm tra khí hóa 49

Hình 3.2: Quan hệ K = f(V, h) ứng với Zm = 1cm 53

Hình 3.3: Quan hệ K = f(V, h) ứng với Zm = 2cm 53

Hình 3.4: Quan hệ K = f(V, h) ứng với Zm = 3cm 54

Hình 3.5: Quan hệ K ~ h ứng với V = 20m/s 54

Hình 3.6: Quan hệ K ~ Zm ứng với V = 20m/s 55

Hình 3.7: Quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm =1cm 59

Hình 3.8: Quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm =2cm 60

Hình 3.9: Quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm =3cm 61

Hình 3.10: Quan hệ Vcp~Zm ứng với h = 2m 62

Hình 3.11: Quan hệ Vcp~Rb ứng với h = 2m 63

Hình 4.1: Tổng mặt bằng cụm công trình đầu mối đập chính Cửa Đạt 71

Hình 4.2: Cụm công trình đầu mối đập chính Cửa Đạt nhìn từ phía hạ lưu 71

Hình 4.3: Sơ đồ bố trí các bộ phận tiếp khí 81

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí mũi hắt 82

Hình 4.5: Bố trí mũi hắt và máng dẫn khí (BPTK) 86

Hình PL2.1: Thí nghiệm mô hình thủy lực tràn chưa bố trí BPTK 101

Hình PL2.2: Thí nghiệm mô hình thủy lực tràn đã bố trí BPTK 101

Hình PL2.3: Thứ trưởng Phạm Hồng Giang quan sát mô hình TN thủy lực tràn 102

Hình PL2.4: Ban QLDA thủy lợi 406 và Công ty tư vấn XDTL I quan sát mô hình thí nghiệm thủy lực tràn 102

Hình PL2.5: Đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt nhìn từ phía hạ lưu 103

Hình PL2.6: Đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt nhìn từ phía thượng lưu 103

Hình PL2.7: Cụm công trình đầu mối Cửa Đạt nhìn từ phía hạ lưu 104

Hình PL2.8: Đập đá đổ bản mặt bê tông nhìn từ phía hạ lưu 104

Hình PL2.9: Đập đá đổ bản mặt bê tông (thi công xong phần bản mặt) 105

Hình PL2.10: Đập đá đổ bản mặt bê tông nhìn từ phía thượng lưu 105

Hình PL2.11: Quan sát trộn khí trên dốc nước khi tràn xả lũ 106

Hình PL2.12: Nhà máy Thủy điện Cửa Đạt nhìn từ phía hạ lưu 106

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số công trình thủy lợi, thủy điện có quy mô vừa và lớn 6

Bảng 2.1: Quan hệ giữa cột nước áp lực khí trời và cao độ 27

Bảng 2.2: Trị số của cột nước áp lực phân giới 27

Bảng 2.3: Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số Kpg tương ứng 29

Bảng 2.4: Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt của một số vật liệu 33

Bảng 3.1: Kết quả tính K ứng với Zm = 1cm 52

Bảng 3.2: Bảng tổng hợp quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm = 1cm 58

Bảng 3.3: Bảng tổng hợp quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm = 2cm 59

Bảng 3.4: Bảng tổng hợp quan hệ Vcp = f(Zm, Rb, h) ứng với Zm = 3cm 60

Bảng 3.5: Bảng tổng hợp quan hệ Vcp~Zm ứng với h = 2m 62

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp quan hệ Vcp~Rb ứng với h = 2m 63

Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật cơ bản của công trình 68

Bảng 4.2: Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước 75

Bảng 4.3: Bảng kiểm tra khí hóa tại các mặt cắt tính toán 78

Bảng 4.4: Thông số tính toán các bộ phận tiếp khí 82

Bảng 4.5: Bảng kết quả tính toán các bộ phận tiếp khí 87

Bảng PL1.1: Bảng tính hệ số khí hóa 92

Bảng PL1.2: Bảng tính lưu tốc cho phép 97

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, chúng ta đã xây dựng hàng ngàn công trình đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất nước Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa nước nhà hiện nay, thủy lợi càng thể hiện vai trò to lớn của mình Nhiều dự án thủy lợi lớn nhỏ phục vụ cho mục đích phát điện, cấp nước, phòng chống thủy tai, cải tạo môi trường

đã và đang được quy hoạch, nghiên cứu, khảo sát, thiết kế và xây dựng

Do mức độ quan trọng và tính đặc thù của công trình thủy lợi, những yêu cầu về đảm bảo an toàn và kinh tế trong việc tính toán thiết kế, thi công

và quản lý khai thác chúng đặt ra ngày càng cao Những yêu cầu này càng cần phải được đặc biệt quan tâm khi mà thời gian gần đây, môi trường thiên nhiên

đã có nhiều biến đổi, những quy luật về mưa gió, dòng chảy đã có những chuyển biến bất lợi hơn đối với sự làm việc của công trình

Công trình xả nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của

hệ thống thủy lợi, chính ở đây đã diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và thành rắn Sự tương tác đó đặc biệt là khi dòng chảy có lưu tốc lớn hơn sẽ gây

ra những hệ quả bất lợi cho công trình như mạch động, sóng xung kích, hàm khí, khí thực…, trong đó khí thực là một trong những vấn đề cần được ưu tiên xem xét do những sự cố mà nó gây ra là nghiêm trọng và hoàn toàn phổ biến

Đáng chú ý là vấn đề tính toán khí thực các công trình tháo, xả nước ở nước ta trong thời gian qua chưa được coi trọng đúng mức Trong khi đó những năm gần đây, đã ghi nhận được ngày càng nhiều các sự cố hư hỏng công trình do các nguyên nhân có liên quan đến hiện tượng khí thực như đường tràn của các công trình đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh…Điều này đòi hỏi trong tính toán thiết kế cũng như thi công xây dựng

các công trình mới phải đề cập đầy đủ hơn đến vấn đề dự báo khí thực, cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật chuyên môn để phòng ngừa sự cố Ngoài

ra ở các công trình đã xây dựng cũng cần phải tiến hành tính toán, kiểm tra và

áp dụng các biện pháp xử lý khi cần thiết

Nội dung đề tài: Nghiên cứu khả năng khí thực trên dốc nước và biện pháp phòng ngừa, áp dụng tính toán thiết kế cho một công trình cụ thể là đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt Đề tài này sẽ được đưa ra những đánh giá

về các vị trí có khả năng phát sinh khí thực trên dốc nước và các giải pháp cải thiện tình hình khí thực cũng như phòng chống nó Đề tài này có thể là tài liệu tham khảo hữu ích giúp cho kỹ sư thiết kế có cái nhìn cẩn trọng hơn về khí thực và có thể ứng dụng tính toán thiết kế cho các công trình tương tự

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

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

- Tìm hiểu ảnh hưởng độ gồ ghề cục bộ đến khả năng khí hóa trên dốc nước và ảnh hưởng của việc chọn mác vật liệu đến khả năng khí thực trên dốc nước

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với việc tính toán áp dụng cho dốc nước

của đường tràn Hồ chứa nước Cửa Đạt

4 Kết quả đạt được

- Đánh giá tổng quan về hư hỏng đường tràn do khí thực

- Tập hợp được các công thức tính toán kiểm tra khí hóa, khí thực và giải pháp phòng khí thực trên dốc nước

- Nghiên cứu tổng quát về khả năng phát sinh khí hóa trên dốc nước với

sự thay đổi của các yếu tố khác nhau: độ sâu, lưu tốc, độ gồ ghề cục bộ; thiết lập được quan hệ giữa lưu tốc cho phép trên dốc với cường độ vật liệu, tương ứng với các mức độ gồ ghề cục bộ khác nhau

- Ứng dụng cho đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt để tính toán và thiết

kế hệ thống tiếp khí để phòng khí thực trên dốc nước phù hợp với điều kiện thực tế của công trình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRÀN THÁO LŨ VÀ NGHIÊN CỨU

KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH TRÀN 1.1 T ổng quan về xây dựng các công trình tháo lũ ở Việt Nam

1.1.1 Khái niệm và phân loại

Trong đầu mối công trình thuỷ lợi hồ chứa nước, ngoài một số công trình như đập dâng, công trình lấy nước, công trình chuyên môn, còn phải làm các công trình để tháo nước lũ thừa không thể chứa được trong hồ, có lúc đặt

ở sâu để đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa khi cần thiết phải kiểm tra, sửa chữa hoặc tháo bùn cát trong hồ Có công trình tháo lũ thì hồ mới làm việc được bình thường và an toàn

Có nhiều loại công trình tháo lũ Căn cứ vào cao trình đặt, có thể phân làm hai loại: công trình tháo lũ kiểu xả sâu (lỗ tháo nước) và công trình tháo

hồ chứa hoặc lấy nước tưới, phát điện

Tùy điều kiện cụ thể mà có thể kết hợp nhiều mục đích khác nhau trong một công trình tháo nước dưới sâu

2 Công trình tháo lũ trên mặt thường đặt ở cao trình tương đối cao Do cao trình của ngưỡng tràn cao, nên nó chỉ có thể đùng để tháo dung tích

phòng lũ của hồ chứa Công trình tháo lũ trên mặt bao gồm các kiểu sau đây:

- Đập tràn;

- Đường tràn dọc;

- Đường tràn ngang (máng tràn ngang);

- Xi phông tháo lũ;

- Giếng tháo lũ;

- Đường tràn kiểu gáo;

- Công trình tháo lũ trong thân đập (đập tràn, xi phông tháo lũ, cống ngầm, đường ống ) và công trình tháo lũ ngoài thân đập (đường tràn dọc, tràn ngang, giếng tháo lũ, đường hầm )

Đối với từng loại đầu mối công trình thuỷ lợi, cần phân tích kỹ đặc điểm làm việc, điều kiện địa hình, địa chất và thuỷ văn, các yêu cầu về thi công, quản lý khai thác để chọn loại đường tràn thích hợp [4]

1.1.2 Xây dựng hồ chứa và các công trình thủy lợi ở Việt Nam

a Các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và Việt Nam

Từ xa xưa con người đã biết đắp đập trữ nước, chủ yếu dùng cho sinh

hoạt và nông nghiệp Dấu tích các đập ít nhất từ 3000 năm trước công nguyên

đã tìm thấy ở Jordan, Ai Cập và vùng Trung Đông Nhưng từ nửa sau của thế

kỷ XX, xây dựng đập mới trở thành một trào lưu mạnh mẽ do nhu cầu phát triển công nghiệp, thủy điện và phòng chống lũ Theo thống kê năm 1998 của

Uỷ ban đập nước thế giới (World Commission on Dams – WCD), nhân loại

đã xây dựng được 47.655 đập cỡ lớn ở 140 nước trên thế giới Năm nước có nhiều đập nhất là Trung Quốc có 22.000 cái, Mỹ 6.575 cái, Ấn Độ 4.291 cái,

Nhật Bản 2.675 cái và Tây Ban Nha là 1.196 cái Theo khu vực đứng đầu là châu Á với 31.340 cái, tiếp theo là Tây Âu 4.277 cái, Châu Phi 1.299 cái, Đông Âu 1203 cái, Nam Mỹ 979 cái, Bắc và Trung Mỹ 801 cái

Đối với Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nền kinh tế nông nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững của đất nước Lịch sử hình thành và phát triển của dân tộc Việt Nam gắn liền với sự hình thành của hệ thống đê điều chống lũ hàng ngàn năm với hệ

thống kênh rạch để mở mang vùng đất mới, phát huy mặt lợi của nước, hạn chế mặt hại để tồn tại và phát triển Cũng chính nhờ lợi thế đó, một nền văn minh lúa nước đã hình thành từ nghìn năm ở Đồng bằng sông Hồng và di cư vào Đồng bằng sông Cửu Long 300 năm trước đây

Tuy vậy, nhưng do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới

Từ khi nước Việt Nam dân chủ cộng hòa ra đời nhất là sau khi hòa bình lập lại, thủy lợi nước ta mới thật sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư Đến nay cả nước có khoảng trên 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 7000 hồ chứa, đập cỡ nhỏ Các hệ thống thủy lợi của nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi Đại Lải, Cẩm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng, Thạch Nham hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước như Hồ chứa nước Cửa Đạt, Thủy điện Hòa Bình, Thác

Bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh Sơn, Thác Mơ

b Đặc điểm đường tràn của một số hồ chứa nước đã xây dựng

Gắn liền với các hệ thống đầu mối thủy lợi nêu trên là các công trình tháo lũ, làm nhiệm vụ tháo phần nước lũ không thể chứa trong hồ Công trình tháo lũ trên các hệ thống đầu mối thủy lợi rất đa dạng Dưới đây là một số hình thức đường tràn của các hồ chứa đã xây dựng:

Bảng 1.1: Một số công trình thủy lợi, thủy điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam

TT Tên công trình Địa điểm Năm xây

dựng Hình thức tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qxả tràn (m3/s)

28,76 167 38.240

TT Tên công trình Địa điểm Năm xây

dựng Hình thức tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qxả tràn (m3/s)

3 Hồ Nước Trong Quảng Ngãi 2006-2010 Đập tràn-Bể tiêu năng 14 62,5 6.728

6 Thủy điện

Bình Điền

T hừa Thiên Huế

TT Tên công trình Địa điểm Năm xây

dựng Hình thức tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qxả tràn (m3/s)

17 Thủy điện

Tuyên Quang

Tuyên Quang

Đối với các công trình tháo nước có cột nước cao thì các hư hỏng, sự

cố do xâm thực khí thực là đáng kể nhất và trong luận văn này cũng giới hạn

phạm vi nghiên cứu ở phần xâm thực khí thực các công trình xả bằng bê tông Dưới đây là một vài trường hợp về xâm thực khí thực trên các công trình tháo ở Việt Nam trong thời gian gần đây:

- Đập tràn Thác Bà:

Đập tràn Thác Bà bắt đầu xây dựng vào năm 1971, mặt tràn dạng Ophixerop, tràn gồm 3 khoang x 10m có cửa van, khoang giữa có mũi phóng, hai khoang bên theo sơ đồ tiêu năng đáy, sân tiêu năng dài 28,6m, ở cuối có

bố trí 7 mố tiêu năng, giữa các mố là mũi phun thấp hình nêm Năm 1990 tràn

xả lưu lượng Q = 1300m3/s qua 3 khoang khi mực nước hạ lưu ở cao trình 27,65m (sân sau ở cao trình 20m) Nghiên cứu điều kiện làm việc của đập tràn

cho thấy với lưu lượng này thì chiều dài sân không đủ để tạo nước chảy ngập trong bể ứng với mực nước hạ lưu là 27,65m, dòng chảy trên bề mặt vẫn là dòng chảy xiết, với vận tốc tại đáy bể là 22,8 – 25m/s, do đó tại các mũi phun

sẽ sinh tách dòng tạo chân không dẫn đến khí thực Kết quả là mặt sân tiêu năng giáp với các mố 5, 6 bị bong tróc bê tông từ 10÷20cm, trơ cốt thép dọc, cốt thép ngang bị đứt, các thành đứng của các mũi phun thấp hầu hết dưới chân bị bóc rỗ sâu 5÷10cm (hình 1.1) Đây là hậu quả của xâm thực khí thực

do bề mặt có gồ ghề cục bộ và đường viền của các mũi phun thấp có cấu tạo chưa hợp lý [3]

Hình 1.1: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà [3]

- Hệ thống đập Bái Thượng – Sông Chu (Thanh Hóa)

Hệ thống được xây dựng vào năm 1920, hoàn thành năm 1926, trong hệ thống có đập tràn trọng lực ngăn sông Chu để dâng nước đưa vào hệ thống công trình dẫn nước Sau 3 năm vận hành (năm 1929), hiện tượng xâm thực

đã xuất hiện ở hạ lưu đập, mỗi năm theo thời gian phát triển thêm và làm xói chân đập tràn sâu đến 2m, đã phải xử lý bằng cách đắp vào 3000m3 đá Sau

đó đập vẫn tiếp tục bị phá hoại ở các năm 1939, 1942, 1952, 1980 Đến năm

1988, mặt đập bị xói mòn, lở nhiều chỗ, lớp bê tông bảo vệ trên mặt đập bị bào mòn 3-5cm, các răng trên mặt đập bị rỗ, có chỗ sâu đến 0,7 đến 0,8m, chân đập bị xói mòn, khoét sâu dạng hàm ếch từ 0,4-0,8m và dài 2-3m Sự phá hủy bê tông và công trình đập Bái Thượng thì do nhiều nguyên nhân nhưng trong đó có sự tham gia của hiện tượng khí thực và sự tác động cùng lúc của nó với các yếu tố khác làm cho tốc độ và mức độ hư hỏng càng lớn hơn [3]

- Tràn x ả lũ Nam Thạch Hãn – Quảng Trị:

Tràn bắt đầu khởi công từ năm 1978, kiểu ngưỡng tràn đỉnh rộng, nối tiếp sau là dốc nước Tháng 10/1983 tràn xả với lưu lượng 7000m3/s Kết quả ngưỡng tràn và dốc nước bị hư hỏng nặng Trên mặt tràn quan sát thấy nhiều

chỗ lớp vữa xi măng bị bong ra, chỉ còn trơ lại các hòn sỏi, nhiều chỗ trơ cốt thép, có chỗ bê tông bị xói sâu vào thành 0,2÷0,3m Đó là do hiện tượng khí

thực gây ra (hiện tượng này xảy ra với vận tốc bình quân V= 15m/s) [3]

- Tràn xả lũ hồ chứa nước Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh:

Công trình được thiết kế xây dựng từ những năm 1970 đến năm 1979

và chính thức bàn giao đưa vào khai thác sử dụng từ năm 1987, với tần suất lũ thiết kế P=0,5%, ứng với lưu lượng thiết kế QTK = 1080m3/s Có tràn xả lũ gồm 2 cửa, chiều rộng mỗi cửa là B = 10m, hình thức tràn xả sâu, kiểu đập tràn thực dụng, điều tiết bằng cửa van cung Dốc nước và mũi phun bố trí theo hình thức mở rộng dần, với góc cửa mở α = 12o12’, chiều rộng đầu dốc nước 21m và cuối mũi phun 36m, chiều dài dốc nước 23,5m, chiều dài máng phun 39,5m, độ dốc dốc nước và máng phun thiết kế là i = 0,1, dọc thân dốc nước

bố trí một tường phân dòng nối liền từ trụ pin đến cuối mũi phun Ngoài tràn

xả lũ chính còn bố trí 2 cửa tràn kết hợp với cống lấy nước, chiều rộng mỗi

cửa BP = 3m, kiểu đập tràn thực dụng điều tiết bằng cửa van cung, với lưu lượng thiết kế QPTK = 296 m3/s

Sau hơn 20 năm khai thác sử dụng, công trình đã phát huy tốt các nhiệm vụ điều tiết lượng nước trong hồ và xả lượng nước thừa về trong mùa

lũ Qua đánh giá thực tế thì ở phần mũi phun đã xuất hiện hiện tượng xâm

thực do khí thực, bề mặt mũi phun xuất hiện các lỗ với chiều sâu từ 2 – 3cm,

có chỗ sâu tới 5cm và đã bị lộ cốt thép ra ngoài (hình 1.2) [4]

Hình 1.2: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt mũi phun tràn Kẻ Gỗ [4]

- Tràn x ả lũ hồ chứa nước Núi Cốc – Thái Nguyên:

Công trình được khởi công xây dựng từ năm 1973, được đưa vào khai thác sử dụng năm 1982, với lưu lượng thiết kế QTK = 830 m3/s (P = 0,5%),

Btr= 3 x 8m, hình thức tràn xả sâu, ngưỡng tràn mặt cắt hình thang mái thoải, điều tiết bằng cửa van cung Chiều dài dốc nước 20m, chiều dài máng phun,

kể cả mũi phun 40m, độ dốc i = 0,125, kết cấu dốc nước và máng phun bằng

bê tông cốt thép M20

Qua 22 năm khai thác sử dụng đã có xuất hiện hiện tượng xâm thực của khí thực ở phần máng phun và mũi phun (hình 1.3) [3]

Hình 1.3: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ (cũ) hồ chứa nước Núi Cốc [3]

1.2 Khí th ực trên các bộ phận công trình tháo lũ

1.2.1 Xâm th ực khí thực các công trình xả kiểu kín (xi phông, đường hầm)

Một trong các sự cố nghiêm trọng đầu tiên loại này diễn ra hơn nửa thế

kỷ trước đây tại công trình đầu mối Boulder (Hoa Kỳ) Tại đây lớp lót và nền

đá của một đường hầm xả nước đường kính 15,2m đã bị phá hủy Sau khi tháo nước qua đường hầm ở chế độ chảy không áp trong thời gian 4 tháng với lưu lượng 390m3/s (bằng 7% QTK) và trong mấy giờ tiếp theo lưu lượng 1070m3/s (bằng 19% QTK) lớp lót bê tông của đáy đường hầm tại chỗ uốn cong (hình 1.4) đã bị phá hoại (lưu tốc tại đây đạt 46m/s) và trong nền đá tạo thành một hố sâu 13,7m, dài 35m, rộng 9,5m, thể tích bê tông và đá bị cuốn trôi đi tới 4500m3

Hình 1.4: Xâm thực khí thực đường hầm xả nước [3]

Tại đường hầm xả lũ của đầu mối Alđeađavil (Tây Ban Nha), vào năm

1966 đã xảy ra sự cố xâm thực khí thực trên phần cuối của đường hầm dài

Ở công trình đầu mối Inphaynilo (Mehico), khí thực diễn ra hàng năm trong đó có những năm gây hư hỏng rất nặng Năm 1964, khi tháo lưu lượng

gần 2500m3

/s qua một đường hầm trong vòng 36 ngày, tường và đáy sau chỗ cong ở mặt đáy và hai mặt bên đã bị phá hoại trên chiều dài 30m, chiều sâu tới 1,5m

Xâm thực lớp lót của đường hầm Moutail (Hoa Kỳ) là khá đặc trưng Sau thời gian 30 ngày tháo lũ với Q = 560m3/s, phần đường hầm ở chỗ đoạn cong và đoạn sau đó đã bị phá hoại ở đáy và tường bên ở dạng các hố có chiều sâu khác nhau và vượt quá chiều dày lớp lót Tại chỗ cong của đường hầm ngoài một hố lớn còn quan sát thấy 4800 chỗ rỗ khác nhau

a) b)

Hình 1.5: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vonga [3]

a Sơ đồ công trình; b Tình trạng xâm thực 1- Đường xả có áp; 2- Trụ pin; 3- Hố xâm thực

Trên hình 1.5 cho ta thấy hiện tượng xâm thực khí thực khá lớn xuất hiện ở đường xả nước tại công trình nhà máy thủy điện Vonga (Nga)

1.2.2 Xâm thực khí thực các buồng van của cửa van

Tại công trình Tarbela (Pakistan) với cột nước 175m đã xảy ra sự cố trụ pin (hình 1.6) các đường hầm xả lũ có đường kính 13,25m Lớp lót kim loại

và bê tông của bộ phận ra của đường hầm cũng bị phá hoại Trong quá trình tích nước vào hồ chứa, khi đóng từ từ cửa van cao 14,5m, một trong số các

cửa van chỉ hạ được có 4,7m vì tấm lót khe van bị phá hoại Để tiến hành công tác sửa chữa đã buộc phải tháo cạn hồ chứa

Hình 1.6: Xâm thực khí thực các trụ pin của buồng van

đường hầm xả nước [3]

Ở đập Buhtarmin (Nga), 3 cửa xả đáy tạm thời có kích thước 4x5m ở

phần có áp và 4x6,5m ở phần không áp đã làm việc với cột nước 54m trong thời gian từ 78 đến 250 ngày Sau khi đóng lại bằng các van sự cố đã quan sát thấy những hư hỏng như nhau tại tất cả các nhịp của bộ phận gia cố và bê tông buồng van Ngưỡng kim loại bị bẻ gãy với các hố sâu từ 0,4m đến 1,2m,

lớp kim loại gia cố khe van bị phá hoại, các chân cắm bị giật đứt, các đường ray công tác bị bong rời và cuốn đi

Các khe van và mặt trụ pin sau khe van không làm theo dạng phòng khí

thực cũng sẽ bị phá hoại ngay cả khi lưu tốc không lớn lắm Hư hỏng như vậy cũng xảy ra ở đập Riverx (Pháp) (hình 1.7), chiều sâu hố xâm thực đạt tới 10cm

Hình 1.7: Xâm thực khí thực tại khe van hình chữ nhật [3]

1.2.3 Xâm th ực khí thực các đập tràn và dốc nước

Ở đập Miranda (Bồ Đào Nha) có cột nước 74m (hình 1.8) đã xảy ra xâm thực khí thực bê tông ở vùng giao nhau của luồng tràn mặt và xả đáy Sau đó người ta đã quyết định thay đổi hình dạng của bộ phận này và bọc bằng thép tấm có chiều dày 10-20mm Việc sửa chữa đã tiến hành tới 2 lần,

nhưng mỗi lần lớp bọc bị bong ra là bê tông lại bị phá hoại

Hình 1.8: Xâm thực khí thực tại đập tràn Miranda [3]

Ở đập tràn Bratxcaia (Nga), nguyên nhân gây xâm thực mặt tràn là các bậc lồi để lại sau khi dỡ cốt pha và không được bạt đi kịp thời, các khe thi công không được lấp nhét kĩ và các gồ ghề khác Trên mặt của một khoang tràn làm việc liên tục 11 ngày đêm đã hình thành một hố sâu 1,2m, thể tích

Nhiều công trình thủy lợi đã xảy ra sự cố và thậm chí phá hủy hoàn toàn các mố tiêu năng ở hạ lưu (hình 1.10) Vì vậy trong nhiều trường hợp, để

bảo vệ chúng người ta phải tạo ra các mố có hình dạng đặc biệt (phi khí thực) cùng với việc sử dụng các vật liệu có độ bền khí thực cao hoặc áp dụng các biện pháp phòng khí thực khác

a) b)

Hình 1.10: Xâm thực khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) [3]

1.3 Tình hình nghiên c ứu khí thực trên thế giới và Việt nam

1.3.1 Tình hình nghiên cứu khí thực trên thế giới

Vấn đề khí thực ở các nước trên thế giới từ lâu đã được quan tâm Ghi nhận đầu tiên về sự phá hoại bởi khí thực là tại đập Hoover Sau khi nghiên cứu người ta kết luận rằng nguyên nhân chính là do lòng dẫn không được xử

lý tốt, dòng chảy không xuôi thuận và người ta cũng thấy rằng công tác bê tông cần phải được quan tâm một cách nghiêm túc Tại thời điểm đó khái

niệm về độ nhám bề mặt và vai trò của việc xử lí bề mặt chưa được rõ ràng Cuối năm 1981, việc xử lý bề mặt sử dụng cho đường tràn có lưu tốc lớn, đặt

ra những yêu cầu khắt khe hơn Trong năm 1981, cuốn “Hướng dẫn công tác

bê tông” được phát hành ở Mỹ và được sử dụng rộng rãi cho tất cả các đập tràn có lưu tốc dòng chảy lớn hơn 23m/s

Trong năm 1961, lợi ích của việc lắp đặt bộ phận tiếp khí trong việc ngăn ngừa khí thực đã được chứng minh tại đập Grand Coulee, bộ phận tiếp khí đầu tiên được lắp đặt trên đường tràn là tại đập Yellowtail vào năm 1967 Tuy nhiên lúc này người ta vẫn chưa hoàn toàn tin cậy vào bộ phận tiếp khí,

do đó phần hạ lưu tràn góc dốc 1:100 và bề mặt được sơn phủ epoxy 2 lớp Tới năm 1983, tại đập tràn Glen Canyon người ta đã tin cậy hoàn toàn vào tác

dụng của bộ phận tiếp khí, khi đó góc dốc ở hạ lưu tuyến 1:20 và không sơn epoxy Đến nay đã có hơn 100 công trình của các nước đã sử dụng phương pháp tiếp khí vào dòng chảy để phòng ngừa khí thực Kết quả vận hành chứng minh hiệu quả khi sử dụng bộ phận tiếp khí là rất tốt Trung Quốc áp dụng phương pháp tiếp khí vào dòng chảy này từ những năm 1970, sau đó phát triển rất nhanh Trên công trình xả lũ của các công trình Điều Giang Độ, Phùng Gia Sơn, Đông Giang, Long Dương Hiệp, Fengman, Thạch Đầu Hà đều bố trí các bộ phận tiếp khí

1.3.2 Tình hình nghiên cứu khí thực ở Việt Nam

Nghiên cứu tính toán khí thực trên dốc nước nói riêng, công trình thủy

lợi nói chung ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức Trong khi đó, những năm gần đây đã ghi nhận ngày càng nhiều các sự cố hư hỏng công trình do các nguyên nhân có liên quan đến hiện tượng khí thực như

ở các đường tràn công trình đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Kẻ Gỗ, Núi

Cốc, Phú Ninh Điều này đòi hỏi trong tính toán thiết kế cũng như thi công xây dựng các công trình mới phải đề cập đầy đủ hơn các vấn đề dự báo khí thực trong công trình thủy lợi, cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật chuyên môn đề phòng sự cố Ngoài ra ở các công trình đã được xây dựng cũng cần phải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý khi

cần thiết

Thời gian gần đây ở Việt Nam cũng đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp khí vào dòng chảy trên công trình tháo nước như: đường tràn của hồ chứa nước Cửa Đạt – Thanh Hóa, thủy điện Sơn La, Lai Châu…

1.3.3 Một số hình ảnh về bố trí thiết bị tiếp khí trên công trình tràn tháo lũ

Hình 1.11: Bố trí hệ thống ống dẫn khí trên trụ pin đập tràn

Hình 1.12: Bố trí TBTK trên đập tràn

Hình 1.13: Bộ phận tiếp khí trên đập tràn

Hình 1.14: Quan sát trộn khí trên bề mặt dốc tràn khi có TBTK

1.4 Gi ới hạn phạm vi nghiên cứu

Vấn đề nghiên cứu khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên dốc nước tương đối phức tạp

Trong phạm vi của luận văn này giới hạn một số nội dung nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ gồ ghề cục bộ đến khả năng khí hóa trên dốc nước;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc chọn mác vật liệu đến khả năng khí thực trên dốc nước;

- Áp dụng tính toán cho đường tràn hồ chứa nước Cửa Đạt

1.5 K ết luận chương 1

Với những nội dung nghiên cứu ở chương 1 chúng ta thấy được rằng, vấn đề khí thực là một vấn đề quan trọng trong thiết kế, thi công các công trình thủy lợi nói chung và công trình tháo nước nói riêng Khí thực có tác động rất lớn vào quá trình làm việc cũng như tuổi thọ của các công trình tháo nước; trong khi đó đối với hệ thống đầu mối của các công trình thủy lợi, thủy điện thì công trình tháo nước đóng một vai trò hết sức quan trọng Vì vậy, khí thực không những chỉ ảnh hưởng đến cả hệ thống đầu mối, 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, các nước trên thế giới có nền thủy lợi phát triển đã dần

dần chú trọng và xem xét những vấn đề này trong khi tính toán, thiết kế xây dựng các công trình tháo nước Ở Việt Nam, trong những năm gần đây cũng

đã bắt đầu nghiên cứu vấn đề này trong khi tính toán thiết kế các công trình

có quy mô lớn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN KHÍ THỰC

TRÊN D ỐC NƯỚC 2.1 Khái ni ệm về khí hóa và khí thực

2.1.1 Khái niệm về khí hóa [4]

Khí hóa là hiện tượng xuất hiện hàng loạt bong bóng chứa khí và hơi trong lòng chất lỏng ở điều kiện nhiệt độ bình thường nhưng áp suất bị giảm xuống dưới một trị số giới hạn gọi là áp suất phân giới, ký hiệu là P pg

Đối với các công trình tháo nước (CTTN), chất lỏng được xét là nước, hơi xuất hiện dưới dạng các bong bóng là hơi nước; áp suất phân giới chính là

áp suất hóa hơi của nước ở nhiệt độ tương ứng

Như vậy điều kiện xuất hiện khí hóa tại một khu vực nào đó trong dòng chảy là khi ở đó có:

P ≤ Ppg , hoặc H ≤ Hpg ,

trong đó:

P – áp suất tuyệt đối tại điểm đang xét;

H – cột nước áp lực tương ứng với P;

Ppg – áp suất phân giới của nước;

Hpg – cột nước tương ứng với Ppg

Các bong bóng khí được hình thành tập trung trong một khu vực nhất định của dòng chảy gọi là đuốc khí (hình 2.1) Phạm vi của đuốc khí có thể dài, ngắn khác nhau tùy theo mức độ mạnh yếu của khí hóa

2.1.3 Các thông số đặc trưng của khí hóa và khí thực [4]

a Hệ số khí hóa

Hệ số khí hóa là một đại lượng không thứ nguyên dùng để biểu thị mức

độ mạnh yếu của khí hóa trong dòng chảy, ký hiệu là K Giá trị của K tại một

bộ phận cụ thể được xác định như sau:

K = ĐT 2 pg

ĐT

H - HV2g

b Hệ số khí hóa phân giới K pg

Hệ số khí hóa phân giới là giá trị của hệ số khí hóa K tương ứng với trạng thái chớm khí hóa, nghĩa là khi các bong bóng khi mới bắt đầu hình thành Trạng thái này xác định bằng thực nghiệm với sự quan sát các bong bóng khí bằng mắt thường hay các máy đo chuyên dụng

Sử dụng các giá trị K và Kpg, điều kiện khí hóa của dòng chảy tại một khu vực nào đó sẽ là:

K ≤ Kpg , (2.2)

trị số Kpg chỉ phụ thuộc vào hình dạng vật chảy bao và chủ yếu xác định bằng thí nghiệm mô hình

c Giai đoạn khí hóa

Tùy theo mối quan hệ tương đối giữa dòng chảy và vật chảy bao mà khí hóa có thể ở các mức độ hay giai đoạn phát triển khác nhau Thường phân biệt các giai đoạn phát triển khí hóa như sau:

Giai đoạn bắt đầu khí hóa: các bong bóng khí được hình thành với mật

độ thưa, phạm vi đuốc khí nhỏ, chưa rõ ràng, kém ổn định (hình 2.2a)

Giai đoạn khí hóa mạnh: Các bong bóng khí hình thành với mật độ tập trung cao, đuốc khí có độ sáng rất rõ ràng và ổn định (hình 2.2b)

Giai đoạn siêu khí hóa: Các bong bóng khí được hình thành rất nhiều, nhanh nhưng bị cuốn đi mạnh mẽ theo dòng chảy, không được tập trung trong một khu vực xác định, đuốc khí có kích thước kéo dài dọc theo dòng chảy (hình 2.2c)

Hình 2.2: Các giai đoạn khí hóa dòng chảy qua bậc lồi [4]

a Bắt đầu khí hóa; b Khí hóa mạnh; c Siêu khí hóa

Mức độ phát triển khí hóa được biểu thị bằng một đại lượng gọi là hệ

số giai đoạn khí hóa, ký hiệu là β:

K - hệ số khí hóa;

Kpg - hệ số khí hóa phân giới

Theo các thí nghiệm tiến hành với nhiều loại vật chảy bao khác nhau, phạm vi biến đổi của β tương ứng với từng giai đoạn khí hóa như sau [7]:

- Giai đoạn bắt đầu khí hóa: 0,8 < β ≤ 1;

- Giai đoạn khí hóa mạnh: 0,1 < β ≤ 0,8;

- Giai đoạn siêu khí hóa: β ≤ 0,1

2.2 Ki ểm tra khí hóa trên dốc nước

2.2.1 Nguyên tắc chung [4]

Mục đích của việc kiểm tra khí hóa là để đảm bảo cho các bộ phận của CTTN làm việc trong điều kiện không có khí hóa, hoặc có khí hóa nhưng mức

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

Việc kiểm tra cần tiến hành với chế độ làm việc khác nhau của CTTN, trong đó phải xem xét đến:

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

là lưu lượng tháo lớn nhất;

- Trong trường hợp cửa van mở hoàn toàn và mở từng phần;

- Trường hợp mở đều các cửa và trường hợp có một cửa bị hạn chế khả năng làm việc do sự cố

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

Ứng với mỗi chế độ làm việc của CTTN, điều kiện để không phát sinh khí hóa tại một bộ phận của nó

K > K pg , (2.4)

trong đó:

K – hệ số khí hóa;

Kpg – hệ số khí hóa phân giới

Trường hợp khống chế theo điều kiện (2.4) dẫn đến kích thước công trình quá lớn, không thỏa mãn điều kiện kinh tế thì có thể chấp nhận có khí hóa ở giai đoạn đầu (khả năng xâm thực là rất nhỏ) Khi đó điều kiện khống chế:

hd - cột nước áp lực dư, được quy ước tương ứng với từng loại vật chảy bao;

Ha - cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ mực nước tại điểm đang xét bảng 2.1

Bảng 2.1: Quan hệ giữa cột nước áp lực khí trời và cao độ [4]

Cao độ

(m)

Ha (m)

Cao độ (m)

Ha (m)

Cao độ (m)

Ha (m)

Cao độ (m)

Ha (m)

b Cột nước áp lực phân giới

Đối với nước, trị số cột nước áp lực phân giới (Hpg) phụ thuộc vào nhiệt

Trị số của VĐT được quy ước tương ứng cho từng loại chảy bao

Trị số Kpg phụ thuộc vào đặc trưng hình học của vật chảy bao và được xác định qua hàng loạt thí nghiệm mô hình

Trường hợp hình dạng của vật chảy bao đang xét không phù hợp với các vật chuẩn đã được nghiên cứu thì cần thí nghiệm mô hình để xác định Kpgtương ứng

- Các mấu lồi cục bộ trên nền tương đối đồng nhất của bề mặt công trình tháo nước, được tạo ra bởi các hòn cốt liệu lớn nằm sát bề mặt khối bê tông, các đinh và êcu, các đầu cốt thép nhô ra v.v ;

- Độ nhám tự nhiên tương đối đồng đều trên bề mặt bê tông, bề mặt kim loại bị ăn mòn…;

- Các lượn sóng thoải trên bề mặt (do thi công gây ra)

Khi dòng chảy có lưu tốc lớn đi qua các vị trí có gồ ghề cục bộ, các tia dòng sẽ không còn bám sát thành rắn, tạo nên chân không ở phía sau các mấu này Khi trị số áp lực chân không vượt quá áp lực phân giới thì sẽ hình thành khí hoá và có thể dẫn đến khí thực phá hoại bề mặt công trình tháo nước Khi

hệ số khí hoá thực tế K của dòng chảy tại vị trí có mấu gồ ghề cục bộ nhỏ hơn hoặc bằng hệ số khí hoá phân giới sẽ phát sinh khí hoá: K ≤ Kpg

2.2.3 Xác định hệ số khí hoá phân giới [3]

Hệ số khí hoá phân giới Kpg của các dạng mấu gồ ghề đặc trưng được xác định bằng thí nghiệm mô hình, quy định trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số Kpg tương ứng [3]

1 Bậc lồi theo chiều

dòng chảy (đầu lớp gia

Z

=δ

2.2.4 X ác định hệ số khí hoá thực tế tại vị trí có mấu gồ ghề [4]

Hệ số khí hoá thực tế K tại vị trí có mấu gồ ghề xác định theo công thức (2.1) Giá trị của HĐT và VĐT phụ thuộc vào vị trí của mấu gồ ghề trên toàn bộ dòng chảy

Theo mức độ hình thành và phát triển của lớp biên rối, dòng chảy được chia thành các dạng đặc trưng như sau:

- Dạng I: đoạn đầu của dòng chảy, nơi dòng chảy có biến dạng đột ngột

do thay đổi hình dạng lòng dẫn, bao gồm các vùng co hẹp dòng chảy ở cửa vào công trình tháo nước, vùng co hẹp khi chảy dưới cửa van, dòng chảy ở mặt bên của đầu trụ pin, dòng chảy sau các khe van, bậc thụt, ngưỡng đáy Các bộ phận này được đặc trưng bởi sự thay đổi đột ngột áp lực và lưu tốc trên một chiều dài không lớn, gia tốc dòng chảy ở gần bề mặt lớn, chiều dày lớp biên δ rất nhỏ, cùng bậc với chiều cao có thể có của các mấu gồ ghề

- Dạng II: đoạn dòng chảy có lớp biên phát triển dần, phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang thay đổi theo chiều dài dòng chảy, gồm các phần của đường tháo nước có áp có hình dạng và diện tích mặt cắt không đổi hoặc thay đổi theo chiều dài bề mặt của đập tràn, dốc nước, các phần của đường tháo nước sau cửa van…

- Dạng III: Đoạn dòng chảy có lớp biên đã phát triển và đạt đến ổn định, phân bố lưu tốc trên mặt cắt không đổi dọc theo chiều dài, gồm dòng chảy trên các đường tháo nước có áp hay không áp, ở cự ly cách xa mặt cắt đầu (vị trí cửa vào hay van điều tiết) một đoạn lớn hơn 40 lần kích thước mặt cắt ướt theo phương pháp tuyến với mặt đáy