So sánh ưu điểm của mũi phun hai tầng với mũi phun liên tục

Mũi phun 2 tầng (gồm mũi phun liên tục và mố hình thang) có nhiều ưu điểm, như: Dòng chảy qua mũi phun liên tục và mố hình thang xáo trộn mãnh liệt trong không trung nên hiệu quả tiêu năng tăng, vì vậy vận tốc và chiều cao sóng ở hạ lưu tràn xả lũ cũng giảm . Do đó, độ sâu hố xói và xói lở hai bờ hạ lưu cũng giảm so với mũi phun liên tục, khối lượng gia cố và bảo vệ hạ lưu cũng giảm mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Bài viết nêu ưu điểm của mũi phun 2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống).

Trang 1

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 101

SO SÁNH ƯU ĐIỂM CỦA MŨI PHUN HAI TẦNG

VỚI MŨI PHUN LIÊN TỤC

TS Nguyễn Ngọc Thắng

Trường Đại học thủy lợi

Th.S Trần Vũ

Viện Năng lượng

Tóm tắt: Mũi phun 2 tầng (gồm m ũi phun liên tục và m ố hình thang) có nhiều ưu điểm, như:

Dòng chảy qua mũi phun liên tục và mố hình thang xáo trộn m ãnh liệt trong không trung nên

hiệu quả tiêu năng tăng, vì vậy vận tốc và chiều cao sóng ở hạ lưu tràn xả lũ cũng giảm Do đó,

độ sâu hố xói và xói lở hai bờ hạ lưu cũng giảm so với m ũi phun liên tục, khối lượng gia cố và

bảo vệ hạ lưu cũng giảm m ang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật Bài viết nêu ưu điểm của mũi phun

2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống)

Từ khóa: Mũi phun hai tầng

Summary: The double layer flip bucket (consisting of continuous and trapezoidal tooth) is

proposing m any advantage such as flow passes through continuous and trapezoidal tooth is

being surplus m ixed in air-water environment for which providing m ore efficient in energy

dissipating Hence, flow velocity and wave in downstream of spillway are being decreased

causing smaller depth of scouring pool, boundary of both sides of bank erosion and quantity of

strengthen and protection in downstream area with m ore technical- economic efficient

comparing to sole continuous type The paper is to present the advantage of double layer

comparing to continuous (normal) type

Key words: Double layer flip bucket

I MỞ ĐẦU *

Theo các công trình nghiên cứu [3,4,5], cũng như

qua thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ một số

công trình thủy lợi, thủy điện như Sông Bung 4,

Krông Bách Thượng…, cho thấy mố phun dạng

hình thang có hiệu quả tiêu năng tương đối tốt

Theo kết quả nghiên cứu của Trường Đại học

Thiên Tân [4] thì dạng mố phun hình thang so với

mố phun dạng chữ nhật có độ sâu xói giảm

khoảng 2030%, do hiệu quả khuyếch tán của mố

phun dạng hình thang so với mố chữ nhật tăng lên

rõ rệt Theo kết quả thí nghiệm Chastang của

Pháp, dùng mố hình thang với lưu lượng thích

hợp, chùm dòng phun bay xa hình thành dạng

móng ngựa; diện tích dòng phun khuyếch tán lớn,

một mặt có thể giảm nhỏ năng lượng tác dụng

Người phản biện: TS Nguyễn Ngọc Nam

Ngày nhận bài: 08/8/2014

Ngày thông qua phản biện: 12/9/2014

Ngày duyệt đăng: 08/10/2014

trên đơn vị diện tích ở hạ lưu, mặt khác dòng phun tăng thêm diện tích tiếp xúc với không khí càng thuận lợi cho luồng phun của nước trộn bọt khí dễ tan Khi dòng chảy qua mố ph un không sinh áp suất âm (nếu có thì cũng nhỏ); đó là một

số ưu điểm nổi bật của mố phun hình thang

Dưới đây sẽ phản ánh ưu điểm của mũi phun 2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống)

II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

II.1 Mô hình hóa

Để xác định các thông số thủy lực, đã xây dựng

mô hình tổng thể chính thái, tỷ lệ 1/80, lòng cứng

Để xác định các thông số xói, đã dùng vật liệu rời bằng đá có đường kính d=1-2 cm

Trên mô hình thí nghiệm với 5 cấp lưu lượng nêu ở bảng 1

Trang 3

Bảng 1 Các cấp lưu lượng thí nghiệm

2 4.500 75,00 405,21 327,07 78,14

4 6.500 108,33 408,25 331,07 77,08

II.2 Sơ đồ nghiên cứu so sánh m ũi phun 2

tầng và m ũi phun liên tục

Để so sánh, đánh giá tính ưu việt của mũi phun 2

tầng với mũi phun liên tục (truyền thống) tiến hành

nghiên cứu với sơ đồ mũi phun hai tầng (hình 1 và ảnh 1), sơ đồ mũi phun liên tục (hình 2 và ảnh 2) Mô

tả thông số của 2 dạng mũi phun ở hình 1,2 Các thông số về luồng phun và xói sâu xem hình 3;4

(1)

(3)

( 1)

(3)

Hình 1 Mũi phun 2 tầng Hình 2 Mũi phun liên tục

Trang 4

Ảnh 1 Mũi phun hai tầng Ảnh 2 Mũi phun liên tục

Trong các hình 1;2:

- Kích thước và cao độ ghi là (m)

R2 - bán kính mũi phun không liên tục; R1 - bán kính mũi phun liên tục;

ms - hệ số mái sau mố phun m - hệ số mái bên mố phun;

Bđm - bề rộng đầu mố phun;  - góc khuyếch tán ngang của mố phun;

Br - bề rộng luồng phun

(2)

(1)

Hình 2 Các thông số luồng phun

Ghi chú:

L1 - chiều dài từ mũi phun tới mép trong

luồng phun

L2 - chiều dài từ mũi phun tới mép ngoài

luồng phun

Br - bề rộng luồng phun

1

2 3

Hình 3 Các thông số về xói

Ghi chú:

T - chiều sâu xói (m)

Lx1 - chiều dài từ mũi phun tới mép trước hố xói

Lx2 - chiều dài từ mũi phun tới điểm xói sâu nhất

Lx3 - chiều dài từ mũi phun tới mép sau hố xói

Trang 5

II.3 Kết quả nghiên cứu mũi phun 2 tầng

hay không liên tục (KLT) và liên tục (LT)

Để đánh giá ưu điểm của mũi phun không liên tục

(KLT) và liên tục (LT) đã tiến hành xác định, so

sánh các thông số thủy lực chủ yếu: Chiều dài

phun xa, xói lở và sóng ở hạ lưu, hiệu quả tiêu năng… của hai loại mũi phun với 5 cấp lưu lượng

II.3.1 C hiều dài phun xa

Kết quả thí nghiệm về thông số chiều dài phun

xa của 2 loại mũi phun nêu ở bảng 2

Bảng 2 Thông số dòng phun xa của mũi phun không liên tục

và mũi phun liên tục (mô hình lòng cứng)

Thông

số

Lưu lượng đơn vị q (m3/s.m) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT

L2(m) 107,20 102,80 108,80 104,80 110,80 112,00 110,40 112,00 111,60 110,40

Từ bảng trên ta thấy mũi phun không liên tục

so với mũi phun liên tục có ưu điểm về dòng

phun như sau:

- Bề rộng luồng phun lớn hơn từ 4  10m

- Khi xả lưu lượng q  100m3/s.m chiều dài

phun xa của mũi phun không liên tục xa hơn

khoảng 5m so với mũi phun liên tục Khi q >

100m3/s.m do độ sệ của luồng phun, bề dày

dòng phun dày hơn, góc phun của mố lớn làm

giảm chiều dài phun xa của luồng phun (chiều

dài phun xa tương đương mũi phun liên tục)

- Bề dày luồng phun xa của mũi phun không

liên tục lớn hơn, góc đổ luồng phun lớn hơn, bề rộng luồng phun lớn làm tăng diện tích tiếp xúc lớp nước đệm hạ lưu Các yếu

tố đó làm cho mũi phun không liên tục có chiều sâu xói giảm, chiều cao sóng giảm, vận tốc hạ lưu cũng giảm và hiệu quả tiêu năng tăng

II.3.2 Kết quả nghiên cứu về xói lở hạ lưu

Kết quả thí nghiệm xói vật liệu rời hạ lưu đối với mũi phun không liên tục - phương án chọn

và mũi phun liên tục xem bảng 3

Bảng 3 So sánh các thông số xói sâu của 2 loại m ũi phun

Lưu lượng đơn vị (m3/s.m)

KLT LT KLT LT KLT LT

Từ kết quả bảng 3, có thể rút ra kết luận về xói

hạ lưu như sau:

- So với mũi phun liên tục, chiều sâu hố xói sau tràn của mũi phun không liên tục giảm từ 25  35%

Trang 6

- Khoảng cách từ mũi phun đến mép trong

của hố xói đối với 2 loại mũi phun là tương tự

như nhau

- Khoảng cách từ mũi phun đến mép ngoài

của hố xói: mũi phun không liên tục cho

khoảng cách giảm khoảng 20% so với mũi

phun liên tục

Một số hình ảnh mô tả xói với 2 loại mũi phun

ở ảnh 3 ÷ 8

II.3.3 Vận tốc dòng chảy

Kết quả nghiên cứu vận tốc và mạch động vận

tốc trên tràn, hạ lưu công trình ứng với 2 loại mũi phun trên mô hình lòng cứng cho thấy vận tốc vùng mũi phun không liên tục đạt giá trị max = 25,33 (m/s) không tăng cao nhiều so với vận tốc mũi phun liên tục max = 25,15 (m/s) Tuy nhiên trong khe rãnh thì giá trị mạch động vận tốc của mũi phun không liên tục có tăng nhẹ

Giá trị vận tốc và mạch động vận tốc trong hố xói nêu trong bảng 4 Ta nhận thấy rằng: mũi phun 2 tầng có giá trị vận tốc và mạch động vận tốc tại đáy hố xói giảm từ 18  40%

Ảnh 3 Hố xói hạ lưu mũi phun không liên

tục; q=56,33m 3 /s.m

Ảnh 4 Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục;

q=56,33m 3 /s.m

tục; q=96,67m 3 /s.m

q=96,67m 3 /s.m

Trang 7

tục; q=123,33m 3 /s.m

q=123,33m 3 /s.m

Bảng 4 Vận tốc và m ạch động vận tốc trong hố xói

q (m3/s.m) Mũi phun không liên tục Mũi phun liên tục v (m/s) v (m/s) v (m/s) v (m/s) v (%) σv (%) 53,33 5,19 1,73 8,82 2,94 41,16 41,16 75,00 7,53 2,51 10,56 3,52 28,69 28,69 96,67 10,70 3,57 13,53 4,51 20,92 20,84 108,33 11,92 3,97 15,20 5,07 21,58 21,70 123,33 14,45 4,82 17,53 5,84 17,57 17,47

II.3.4 Hiệu quả tiêu năng

Để nghiên cứu so sánh hiệu qủa tiêu năng giữa

mũi phun không liên tục và mũi phun liên tục,

thiết lập phương trình năng lượng cho 2 mặt cắt:

- Mặt cắt 0-0 trên lòng hồ cách tràn 100m:

g

V

Z

2

2 0

- Mặt cắt HL7-HL7 cách mũi hắt 578m về hạ

lưu:

g

V

Z

E

2

2 7 7

Z: giá trị chênh lệch từ mặt chuẩn (lấy tại cao

trình đáy hố xói 295,0m) đến mực nước trung

bình tại mặt cắt

:

V giá trị vận tốc trung bình tại mặt cắt

Khi đó:

- E1 = E0 - E7: ứng với mũi phun không liên tục

- E2 = E0 - E7: ứng với mũi phun liên tục

Từ thí nghiệm mô hình ta có số liệu trung bình của mực nước và vận tốc tương ứng với 2 loại mũi phun thay vào công thức (1) và (2) ta có hiệu quả tiêu năng nêu ở bảng 5

Như vậy: so với mũi phun liên tục, năng lượng dòng chảy qua mũi phun không liên tục được tiêu hao nhiều hơn; hiệu quả tiêu năng tăng khoảng 6%

Tuy nhiên với cấp lưu lượng đơn vị q > 97

m3/s.m thì hiệu quả tiêu hao năng lượng giảm

đi, đây cũng là một yếu tố để xem xét kiến nghị phạm vi ứng dụng của mũi phun không liên tục

Trang 8

Bảng 5 Năng lượng tại các m ặt cắt ứng với 2 loại mũi phun

q (m3/s.m) E0 E7 (KLT) E7 (LT) E1

(KLT)

E2 (LT)

Tiêu năng lượng tăng của mũi phun KLT (%)

II.3.5 Chiều cao sóng

Từ số liệu đo chiều cao sóng leo 2 bờ và chiều cao

sóng đứng tại mặt cắt HL6, HL7 (xem bảng 6 và 7)

Ta thấy rằng mũi phun không liên tục cho hiệu quả giảm chiều cao sóng leo và chiều cao sóng đứng ở

hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục

Bảng 6 Sóng leo 2 bờ hạ lưu

Mặt

cắt

KLT

Giảm chiều cao (m)

Hiệu quả giảm(%)

KLT

Hiệu quả giảm(%) Q= 3.200 m3/s (q= 56,33m3/s.m)

HL6 2,44 2,80 -0,36 12,86 2,40 2,82 -0,42 14,89 HL7 1,52 2,24 -0,72 32,14 1,84 2,42 -0,58 23,97

Q= 4.500 m3/s (q= 75,00m3/s.m) HL6 2,48 3,04 -0,56 18,42 2,24 2,80 -0,56 20,00 HL7 2,40 3,16 -0,76 24,05 2,16 2,96 -0,80 27,03

Q= 5.800 m3/s (q= 96,67m3/s.m) HL6 2,04 3,05 -1,01 33,12 2,28 2,98 -0,70 23,49 HL7 2,52 3,32 -0,80 24,10 2,24 2,96 -0,72 24,32

Q= 6.500 m3/s (q= 108,33m3/s.m) HL6 2,82 3,66 -0,84 22,95 2,52 2,94 -0,42 14,29 HL7 2,88 3,56 -0,68 19,10 2,40 3,68 -1,28 34,78

Q= 7.400 m3/s (q= 123,33m3/s.m) HL6 2,52 3,76 -1,24 32,98 2,64 4,06 -1,42 34,98 HL7 2,32 3,24 -0,92 28,40 2,84 3,60 -0,76 21,11

Bảng 7 Sóng đứng 2 bờ hạ lưu

Mặt cắt

Hiệu quả

HL7 1,60 2,00 -0,40 20,00 1,60 2,00 -0,40 20,00

Trang 9

Mặt cắt

Hiệu quả

HL6

HL7

2,16 3,04 -0,88 28,95 2,16 3,04 -0,88 28,95

Q= 5.800 m3/s (q= 96,67m3/s.m) HL6 2,10 2,80 -0,70 25,00 2,15 2,84 -0,69 24,30 HL7 2,16 2,96 -0,80 27,03 2,40 3,00 -0,60 20,00

Q= 6.500 m3/s (q= 108,33m3/s.m) HL6 2,40 3,60 -1,20 33,33 2,80 3,76 -0,96 25,53 HL7 2,16 3,06 -0,90 29,41 2,56 3,80 -1,24 32,63

Q= 7.400 m3/s (q= 123,33m3/s.m)

HL7 2,20 3,20 -1,00 31,25 2,20 3,40 -1,20 35,29

II.3.6 Xói lở hai bờ hạ lưu

Kết quả xác định vận tốc dòng chảy tại hai bờ

hạ lưu cho thấy so với mũi phun liên tục, mũi

phun không liên tục có giá trị vận tốc dòng

chảy, ven bờ hạ lưu giảm từ 20-40%

Mạch động vận tốc giảm từ 40-70%

Do đó xói lở 2 bờ hạ lưu giảm, khối lượng gia

cố hai bờ hạ lưu cũng giảm

III KẾT LUẬN

Qua thí nghiệm xác định các thông số thủy lực

chủ yếu của mũi phun 2 tầng (hình 1) và mũi

phun liên tục (hình 2): dòng phun xa, vận tốc

dòng chảy, tiêu hao năng lượng, xói lở hạ

lưu…có thể rút ra một số kết luận như sau:

1 Chiều sâu hố xói sau tràn của mũi phun hai tầng

so với mũi phun liên tục giảm khoảng từ 25  30%

2 Khoảng cách từ mũi phun tới mép trước của

hố xói là tương tự như nhau

3 Cùng một kết cấu tràn xả lũ: Mũi phun hai

tầng có giá trị vận tốc và mạch động vận tốc

tại đáy hố xói giảm từ 18 ÷ 40% so với mũi phun không liên tục

4 So với mũi phun liên tục, năng lượng dòng chảy qua mũi phun 2 tầng được tiêu hao nhiều hơn; hiệu quả tiêu năng tăng khoảng 6%

5 Về thông số luồng phun: mũi phun không liên tục cho chiều dài phun xa tương đương mũi phun liên tục Tuy nhiên có ưu điểm là bề dày luồng phun lớn, bề rộng luồng phun tăng là tăng diện tích mặt tiếp xúc của lớp nước đệm, do đó giảm vận tốc trong hố xói và giảm chiều sâu xói

6 Mũi phun hai tầng cho hiệu quả giảm chiều cao sóng leo và chiều cao sóng đứng ở 2 bờ hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục

7 Qua thí nghiệm xác định các thông số thủy lực cho thấy phạm vi áp dụng mũi phun 2 tầng

có hiệu quả nhất với tràn xả lũ có lưu lượng đơn vị q97 m3/s, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu Z78m

8 Kết cấu mũi phun không liên tục nêu ở hình

1 với các thông số như sau:

Thông số của kết cấu mũi phun không liên tục (tràn đặt giữa lòng sông)

Tỷ số













o

h

- 1)

Hệ số mái bên của

mố phun (m)

Góc khuyếch tán ngang (o)

Tỷ số













o

h

b sau của mố Hệ số mái

phun (ms)











b a

Trang 10

Trong đó:

d (m): chiều cao mố phun (tính từ mặt tràn đến

đỉnh mố phun);

ho (m): độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hẹp

ứng với QTK;

1o: góc hất của khe rãnh;

2o: góc hất của mố phun;

o: góc khuyếch tán ngang của mố phun;

a (m): chiều rộng khe rãnh

b (m): chiều rộng đỉnh mố phun;

m: hệ số mái bên của mố phun;

ms: hệ số mái sau của mố phun;

9 Mũi phun liên tục có ưu điểm nữa là bố trí

mố phun theo các vị trí phù hợp theo yêu cầu, dịch chuyển ra mép ngoài hay lùi vào trong trên mũi phun liên tục để tạo dòng phun phù hợp với yêu cầu thực tế

Do ưu điểm của mũi phun 2 tầng nên đã được

áp dụng cho một số tràn xả lũ như: Sông Hinh, Sông Bung 4 (ảnh 9, 10)

Có thể sử dụng kết cấu mũi phun 2 tầng (hay không liên tục) nêu trên áp dụng cho thiết kế, xây dựng tràn xả lũ cho các công trình thủy lợi, thủy điện có điều kiện tương tự

Ảnh 9: Mũi phun 2 tầng tràn Sông Hinh Ảnh 10 Mũi phun 2 tầng tràn sông Bung 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngô Trí Viềng [2005] Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi NXB Xây dựng - Hà Nội

[2] Trần Quốc Thưởng [2005] Thí nghiệm mô hình thuỷ lực công trình - NXB Xây dựng

[3] Trần Quốc Thưởng [2010] Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho tràn xả lũ có dốc nước i ≤ 30%, Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam

[4] Báo cáo chuyên đề thủy công [1964], NXB Thủy lợi - Thủy điện, Bắc Kinh

[5] Trần Vũ [2013] Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu lựa chọn hợp lý kết cấu mũi phun không liên tục cho tràn xả lũ - Viện Năng lượng

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	717,43 KB