Nghiên cứu giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp áp dụng cho tràn xả lũ ngàn trươi

Giải pháp nhám gia cường trên mặt công trình mang nhiều ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật với các bậc trên mặt tràn có tác dụng triệt giảm một phần lớn năng lượng dòng chảy ngay trên tràn t

Sau khoảng thời gian học tập và làm Luận văn với sự giúp đỡ tận tâm của

thầy giáo PGS.TS Lê Văn Nghị cùng các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ

Lợi, bạn bè đồng nghiệp cộng với sự nỗ lực cố gắng học tập, tìm tòi, nghiên cứu, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển với đề tài:

“Nghiên cứu giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp áp dụng cho tràn xả lũ Ngàn Trươi ”

Tác giả xin gửi lời cảm ơn trân thành tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, khoa Công trình, các thầy cô đã tham gia giảng dạy trong thời gian qua đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn thành khóa học và Luận văn của mình

Đặc biệt tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS

Lê Văn Nghị đã đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học

quý báu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận văn

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Do hạn chế về thời gian, kiến thức lý luận còn chưa sâu, kinh nghiệm thực tế còn ít nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp cũng như chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân thành cảm ơn!

Tác giả Luận văn

Nguyễn Thị Minh Ngọc

Tôi là: Nguyễn Thị Minh Ngọc

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Minh Ngọc

1.TÍNHCẤPTHIẾTCỦAĐỀTÀI 1

2.MỤCTIÊUCỦAĐỀTÀI 2

3.CÁCHTIẾPCẬNVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 2

4.KẾTQUẢDỰKIẾNĐẠTĐƯỢC 2

5.BỐCỤCCỦALUẬNVĂN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.TỔNGQUANVỀTÌNHHÌNHXÂYDỰNGĐẬPTRÀNỞVIỆTNAM 4

1.2.TÌNHHÌNHXÂYDỰNG DỐCNƯỚCTRONGCÁC CÔNGTRÌNHXẢLŨ TẠIVIỆTNAM 6

1.3.CÁCBIỆNPHÁPNỐITIẾPTIÊUNĂNGSAUTRÀN 7

1.3.1 Tiêu năng dòng chảy đáy 8

1.3.1.1 Bể tiêu năng 8

1.3.1.2 Tường tiêu năng 8

1.3.1.3 Bể tường kết hợp 9

1.3.2 Tiêu năng dòng chảy mặt 9

1.3.3 Tiêu năng phóng xa 10

1.4.MỘTSỐCÔNGTRÌNHSỬDỤNGNHÁMGIACƯỜNGTRÊNMẶTCÔNG TRÌNH 11

1.5.KẾTLUẬNCHƯƠNG1 12

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NỐI TIẾP, TIÊU NĂNG 13

2.1.TÍNHTOÁNTHỦYLỰCCÔNGTRÌNHNỐITIẾPBẰNGDỐCNƯỚC 13

2.1.1 Tính toán thủy lực dốc nước 13

2.1.1.1 Tính toán cửa vào 13

2.1.1.2 Tính toán thân dốc 13

2.1.2 Tính độ sâu đầu dốc nước 14

2.1.2.1 Tính độ sâu đầu dốc nước theo phương trình Becnuli 14

2.1.2.2 Tính độ sâu đầu dốc nước theo 14TCN 81-90 15

2.1.3.1 Phương pháp sai phân 16

2.1.3.2 Phương pháp tích phân gần đúng 17

2.2.TÍNHTOÁNDÒNGCHẢYTRÊNDỐCCÓĐỘNHÁMLỚN 18

2.2.1 Tính toán nhám gia cường theo E A Zamarin 18

2.2.2 Tính toán nhám nhân tạo theo F I Pikalov 19

2.2.3 Tính toán nhám nhân tạo theo P I Goocđiencô 22

2.3.TÍNHTOÁNTIÊUNĂNGỞHẠLƯUCÔNGTRÌNH 23

2.3.1 Lưu lượng tính toán tiêu năng 23

2.3.2 Tính chiều sâu bể tiêu năng 25

2.3.3 Tính chiều dài bể tiêu năng 26

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu năng dòng đáy ở hạ lưu công trình 28 2.3.4.1 Ảnh hưởng của trị số Froude 28

2.3.4.2 Ảnh hưởng của cột nước hạ lưu 28

2.4.KẾTLUẬNCHƯƠNG2 28

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH HÌNH THỨC NỐI TIẾP, TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH 29

3.1.GIỚITHIỆUVỀCÔNGTRÌNHNGÀNTRƯƠI 29

3.1.1 Vị trí 29

3.1.2 Nhiệm vụ 29

3.1.3 Tóm tắt quy mô công trình 30

3.2.TÍNHTOÁNNỐITIẾPTIÊUNĂNGDÒNGCHẢYTRÊNDỐCTRƠN 33

3.2.1 Xác định độ sâu mực nước tại đầu dốc nước 33

3.2.2 Xác định dạng đường mặt nước trên dốc nước 33

3.2.3 Tính toán dòng chảy trên dốc với độ nhám bé 34

3.2.4 Tính toán xác định chiều sâu bể tiêu năng sau tràn 34

3.3 TÍNH TOÁN NỐI TIẾP TIÊU NĂNG DÒNG CHẢY TRÊN DỐC CÓ ĐỘ NHÁMLỚN 37

3.3.3 Đường mặt nước trên dốc với độ nhám gia cường 40

3.4.KẾTLUẬNCHƯƠNG3: 40

CHƯƠNG 4 SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ NGÀN TRƯƠI 45

4.1.LÝTHUYẾTMÔHÌNHHÓACÁCHIỆNTƯỢNGTHỦYLỰC 45

4.1.1 Mô hình vật lý 45

4.1.2 Lý thuyết tương tự 46

4.1.2.1 Tương tự hình học 46

4.1.2.2 Tương tự động học 46

4.1.2.3 Tương tự động lực học 47

4.2.GIỚITHIỆUVỀMÔHÌNHTHỦYLỰCTRÀNXẢLŨNGÀNTRƯƠI 48

4.2.1 Loại mô hình 48

4.2.2 Tiêu chuẩn tương tự và tỷ lệ mô hình 48

4.2.3 Phạm vi thí nghiệm mô hình tổng thể tràn 49

4.2.3.1 Chiều dài theo chiều dòng chảy cần xét trong mô hình 49

4.2.3.2 Chiều cao cần mô hình hoá 50

4.2.3.3 Chiều rộng cần mô hình hóa 50

4.2.4 Thiết bị đo đạc thí nghiệm trên mô hình 51

4.2.4.1 Đo kích thước công trình, địa hình 51

4.2.4.2 Đo đường mặt nước 53

4.2.4.3 Đo lưu tốc, mạch động lưu tốc dòng chảy 53

4.2.4.4 Đo lưu lượng 53

4.2.4.5 Đo áp suất trung bình, mạch động áp suất 53

4.2.5 Vị trí các mặt cắt đo đạc thí nghiệm 54

4.2.6 Các phương án thí nghiệm trên mô hình 56

4.3.KẾTQUẢTHÍNGHIỆMVỚIPHƯƠNGÁNDỐCNƯỚCGẮNNHÁMLIÊN TỤC(PA1) 58

4.3.3 Đường mặt nước 62

4.3.4 Kết quả đo lưu tốc dòng chảy 66

4.3.5 Xác định chiều cao sóng trên kênh xả hạ lưu 67

4.3.6 Đánh giá hiệu quả tiêu năng 68

4.4.KẾTQUẢTHÍNGHIỆMPHƯƠNGÁNNHÁMSOLE 70

4.4.1 Khả năng tháo 70

4.4.2 Tình hình thủy lực 72

4.4.3 Kết quả thí nghiệm đường mặt nước 73

4.4.4 Kết quả thí nghiệm lưu tốc dòng chảy 76

4.4.5 Xác định chiều cao sóng trên kênh xả hạ lưu 78

4.4.6 Đánh giá hiệu quả tiêu năng 79

4.5.SOSÁNHKẾTQUẢTÍNHTOÁNVÀTHÍNGHIỆMMÔHÌNHTHỦYLỰC 81

4.6.KẾTLUẬNCHƯƠNG4 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Hình 1.1 Các hình thức tiêu năng ở hạ lưu công trình 11

Hình 2.1 Các dạng dòng chảy trên dốc nước 14

Hình 2.2 Các dạng mố nhám gia cường trên dốc nước 21

Hình 2.3 Biểu đồ xác định Q tính toán tiêu năng 24

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán bể tiêu năng 25

Hình 2.5 Sơ đồ tính chiều dài bể tiêu năng 26

Hình 3.1 Cắt dọc, mặt bằng tràn, dốc nước gắn nhám PA1 32

Hình 4.1 Vị trí các mặt cắt đo đạc, thu thập số liệu thí nghiệm 55

Hình 4.2 Nhám kiểu dầm so le bố trí trên toàn dốc nước 57

Hình 4.3 Quan hệ Q-ZTL qua tràn 7 cửa PA1 59

Hình 4.4 Quan hệ Q-m’ qua tràn 7 cửa – PA1 59

Hình 4.5 Quan hệ Q-ZTL qua tràn 7 cửa – PA 2 71

Hình 4.6 So sánh thí nghiệm Q xả qua tràn PA1 và PA2 71

Bảng 1.1 Bảng thống kê đặc điểm một số đập tràn đã xây dựng ở Việt Nam 4

Bảng 1.2 Đặc điểm một số dốc nước đã được xây dựng ở Việt Nam 6

Bảng 2.1 Các giá trị C và αo đối với chảy trên dốc khi β = b/h1 ≥ 3 (theo P I Goocđiencô) 22

Bảng 3.1 Bảng thông số của công trình đầu mối phương án tràn 6B 31

Bảng 3.2 Bảng tính độ sâu đầu dốc nước 33

Bảng 3.3 Bảng tính độ sâu dòng đều, độ sâu phân giới trên dốc nước 33

Bảng 3.4 Kết quả tính chiều sâu bể tiêu năng sau dốc trơn 34

Bảng 3.5 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước với độ nhám bé (trường hợp Qxả = 3129m3/s, Bk = 100,8m) 35

Bảng 3.6 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước với độ nhám bé (trường hợp Qxả = 2464m3/s, Bk = 100,8m) 36

Bảng 3.7 Bảng tính độ sâu và vận tốc dòng chảy cuối dốc khi sử dụng nhám gia cường 38

Bảng 3.8 Bảng tính chiều cao mố nhám gia cường theo các tác giả 38

Bảng 3.9 Bảng tính hệ số nhám gia cường với chiều cao mố nhám được lựa chọn 39 Bảng 3.10 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước khi gắn nhám liên tục, trường hợp Qxả = 3129m3/s; ngc = 0,042 41

Bảng 3.11 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước khi gắn nhám liên tục, trường hợp Qxả = 2464m3/s; ngc = 0,044 42

Bảng 3.12 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước khi gắn nhám so le trường hợp Qxả = 3129m3/s; ngc = 0,048 43

Bảng 3.13 Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước khi gắn nhám so le trường hợp Qxả = 2464m3/s; ngc = 0,052 44

Bảng 4.1 Các thông số chính của mô hình tổng thể tràn 49

Bảng 4.2 Vị trí các mặt cắt thí nghiệm 56

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm chiều sâu dòng chảy khu vực đầu mối tràn PA1 63

Độ sâu dòng chảy (m) ứng với các cấp MNTL (m) 63

Bảng 4.6 Kết quả đo lưu tốc lớn nhất phạm vi đầu mối tràn PA1 66

Bảng 4.7 Chiều cao sóng ở hai bờ kênh xả hạ lưu PA1 67

Bảng 4.8 Xác định hiệu quả tiêu năng qua công trình PA1 69

Bảng 4.9 Xác định hiệu quả tiêu năng qua dốc nước với mặt so sánh là cao trình đáy kênh 30,0m PA1 69

Bảng 4.10 Xác định hiệu quả tiêu năng qua dốc nước tính với mặt so sánh là cao trình cuối dốc 36.4m, PA1 69

Bảng 4.11 Khả năng tháo qua tràn 7 cửa ứng với các cấp MNTL – PA2 70

Bảng 4.12 Các thông số nước nhảy tại bể tiêu năng PA2 73

Bảng 4.13 Kết quả thí nghiệm độ sâu dòng chảy PA2 75

Bảng 4.14 Kết quả đo lưu tốc lớn nhất phạm vi đầu mối tràn Vmax/Vmaxday (m/s) 77

Bảng 4.15 Chiều cao sóng ở hai bờ kênh xả hạ lưu PA2 79

Bảng 4.16 Xác định hiệu quả tiêu năng qua công trình PA2 80

Bảng 4.17 Xác định hiệu quả tiêu năng qua dốc nước PA2 80

Bảng 4.18 So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm đường mặt nước trên dốc các phương án 81

Bảng 4.19 So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm vận tốc trung bình trên dốc nước các phương án 81

Bảng 4.20 So sánh kết hiệu quả tiêu tán năng lượng (%) trên dốc nước 82

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là một trong những nước có hệ thống sông ngòi dày đặc Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng và phát triển các công trình thủy lợi, thủy điện phục

vụ cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, góp phần vào quá trình phát triển xã hội, cải thiện đời sống nhân dân

Ở nước ta đến nay có khoảng hơn 3600 hồ chứa nước các loại, mỗi công trình đều có đường tràn xả lũ và hơn 4000 đập tràn lòng sông loại vừa và lớn Hầu hết sau mỗi công trình tràn như vậy đều có công trình nối tiếp tiêu năng Trong hệ thống công trình thuỷ lợi, công trình nối tiếp có một vị trí quan trọng và chiếm một

tỷ trọng tương đối lớn của giá thành công trình Một trong những giải pháp công trình nối tiếp nhằm giảm nhẹ kết cấu tiêu năng, giảm giá thành công trình là các dạng nhám gia cường nhằm tiêu năng ngay trên mặt công trình

Giải pháp nhám gia cường trên mặt công trình mang nhiều ưu điểm về kinh

tế và kỹ thuật với các bậc trên mặt tràn có tác dụng triệt giảm một phần lớn năng lượng dòng chảy ngay trên tràn trước khi đổ xuống bể tiêu năng, cho phép giảm nhẹ hẳn kết cấu công trình tiêu năng, đảm bảo an toàn cho đập cũng như hạ lưu công trình, đã được áp dụng ở một số tràn như Sông Sào, Ngàn Trươi, Bái Thượng và cần được nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng rộng rãi, phù hợp với các điều kiện của Việt Nam

Việc tính toán dựa trên các cơ sở lý thuyết về tính toán thuỷ lực đập tràn, dốc nước và dòng tràn trên các mố nhám lớn Tuy nhiên, với tính toán lý thuyết còn nhiều sai số do vậy khi áp dụng các giải pháp này cần phải tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý Do đó việc tính toán lý thuyết, kết hợp thí nghiệm mô hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi công trình sẽ rất hữu ích và phù hợp cho công trình

Đề tài “Nghiên cứu giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp áp dụng cho tràn xả lũ Ngàn Trươi ” tiến hành tính toán lý thuyết lựa chọn giải pháp, phân

tích kết quả đo được từ thí nghiệm mô hình So sánh, đối chứng với các kết quả tính

toán lý thuyết là hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn đối với công trình tràn xả

lũ Ngàn Trươi nói riêng và các công trình có điều kiện tương tự nói chung Do đó nghiên cứu giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp áp dụng cho tràn xả lũ Ngàn Trươi là đề tài cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu giải pháp nối tiếp tiêu năng sau tràn xả lũ, áp dụng cụ thể cho tràn xả lũ Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh

- Đánh giá so sánh kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô hình

để rút ra vấn đề cần lưu ý trong việc nghiên cứu xác định giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp

3 CÁCH TI ẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

* Phương pháp tiếp cận:

- Tập hợp các tài liệu và kết quả nghiên cứu đã có, sử dụng kết quả thí nghiệm mô hình tràn vận hành Ngàn Trươi để so sánh, đối chứng và kiểm định với kết quả tính toán lý thuyết

- Luận văn kết hợp giữa nghiên cứu lý luận và nghiên cứu thực nghiệm để đưa ra những so sánh, kết luận và đề xuất áp dụng cho công trình tràn xả lũ Ngàn Trươi

* Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu phân tích tổng hợp

4 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

- Lựa chọn hình thức nhám gia cường trên dốc nước phù hợp để tiêu hao năng lượng trên dốc nước, giảm nhỏ tối đa chiều sâu bể tiêu năng sau bậc thụt dốc nước

- Phân tích kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực được thực hiện với nhiều

cấp lưu lượng khác nhau, đảm bảo đặc trưng của các trường hợp lưu lượng sẽ tháo qua công trình

- So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm mô hình các phương án bố trí nhám gia cường khác nhau

- Đề xuất các giải pháp nối tiếp tiêu năng sau bậc hạ thấp cho công trình, áp dụng cho tràn xả lũ Ngàn Trươi

5 B Ố CỤC CỦA LUẬN VĂN

Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương II: Lý thuyết tính toán nối tiếp, tiêu năng

Chương III: Tính toán xác định hình thức nối tiếp, tiêu năng ở hạ lưu công

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP TRÀN Ở VIỆT NAM

Trong các hệ thống hồ chứa thì tràn xả lũ là một phần không thể thiếu chiếm một tỷ trọng khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng công trình Sự làm việc hiệu quả của tràn xả lũ quyết định đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống Vì vậy việc tính toán, lựa chọn phương án tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn có ý nghĩa rất quan trọng Việc lựa chọn hình thức, bố trí tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, giải pháp bố trí tổng thể công trình, điều kiện quản

lý vận hành … Các công trình tháo đã và đang được xây dựng ở nước ta tương đối phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu (Bảng 1-1)

Bảng 1.1 Bảng thống kê đặc điểm một số đập tràn đã xây dựng ở Việt Nam

TT Công trình Tỉnh lượng Lưu

(m 3 /s)

Chiều cao đập (m)

Chiều rộng tràn (m)

Số khoang tràn

Hì nh thức tràn (loại đập)

TT Công trình Tỉnh lượng Lưu

(m 3 /s)

Chiều cao đập (m)

Chiều rộng tràn (m)

Số khoang tràn

Hì nh thức tràn (loại đập)

nhiều khối

1.2 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG DỐC NƯỚC TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XẢ

LŨ TẠI VIỆT NAM

Do điều kiện kinh tế, kỹ thuật ở Việt Nam hiện nay, việc sử dụng vật liệu địa phương trong xây dựng công trình thủy lợi rất được coi trọng Do vậy hầu hết các công trình đập dâng nước của hồ chứa lớn đều là đập đất hoặc đá đổ Khi bố trí công trình, công trình xả lũ kiểu đường tràn dọc gồm đập tràn nối tiếp với dốc nước được sử dụng rộng rãi Đặc điểm một số dốc nước đã được xây dựng ở Việt Nam được nêu trong Bảng 1-2

Bảng 1.2 Đặc điểm một số dốc nước đã được xây dựng ở Việt Nam

TT Công trình Tỉnh

Lưu lượng Chiều

rộng dốc (m)

Chiều dài (m)

Độ dốc (%)

V cuối dốc (m/s)

Số Froud cuối dốc

Q (m 3 /s)

q (m 3 /sm)

1 An Mã Qu ảng Bình 332 18,4 18 64 7 11,6 7,1

2 Cà Giây Bình Thuận 139 7,7 18 60 8 9,1 10,2

3 Cam Ranh Khánh Hòa 539 19,8 27,2 60 15 13,5 12,6

4 Cầu Mới Đồng Nai 352 14,1 25 107 10 13,0 16,0

5 Dầu Tiếng Tây Ninh 2.81 39,0 72 60 5 12,5 6,3

11 Nhân M ục Tuyên Quang 830 30,1 27,6 150 15 21,2 26,0

12 Núi C ốc I Thái Nguyên 830 29,6 28 60 15 15,8 13,7

13 Núi Cốc II Thái Nguyên 584 32,4 18 66 15 16,5 18,4

14 Phú Vinh Qu ảng Bình 380 18,1 21 80,3 7 13,4 13,6

15 Sông Hinh Phú Yên 6.285 70,2 89,5 64 15 14,3 15,1

16 Suối Hoa Hòa Bình 1.02 25,5 40 100 12 10,3 -

17 Thu ận Ninh Bình Định 550 20,2 27,2 85 11,2 15,0 17,4

18 Tràng Vinh Qu ảng Ninh 729 34,7 21 60 12,5 16,0 12,0

TT Công trình Tỉnh

Lưu lượng Chiều

rộng dốc (m)

Chiều dài (m)

Độ dốc (%)

V cuối dốc (m/s)

Số Froud cuối dốc

Q (m 3 /s)

q (m 3 /sm)

19 Tru ồi Thừa Thiên

1.3 CÁC BI ỆN PHÁP NỐI TIẾP TIÊU NĂNG SAU TRÀN

Một trong những hạng mục quan trọng ở đầu mối công trình thuỷ lợi là công trình tháo lũ Dòng chảy qua công trình tháo lũ thường là dòng chảy xiết, có lưu tốc cao, năng lượng dư thừa lớn Năng lượng đó tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần phá hoại lòng 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 Khi chảy xuống hạ lưu nó có thể gây ra xói lở lòng dẫn nếu không được gia cố đầy

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng trên là làm cho dòng chảy tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuếch tán dòng chảy theo chiều đứng và để giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng này có liên quan lẫn nhau, khi mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức này có thể chuyển đổi lẫn nhau [2], [10], [12]

1.3.1 Tiêu năng dòng chảy đáy

Tiêu năng dòng đáy là hình thức lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa (Hình 1.1 a,b) Đây là hình thức thường được dùng nhất trong xây dựng công trình thủy lợi tuy nhiên khu vực nước nhảy (sân sau) phải bảo

vệ tốt để tránh xói lở Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước hạ lưu lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy hh > hc’’ để đảm bảo nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung Trong tiêu năng dòng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, đạt giá trị lớn cả về tần số lẫn biên độ, có khả năng gây xói lở Thường xây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, dầm, tạo tường phân dòng để khuếch tán dòng đều chảy ở hạ lưu, tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tăng hiệu quả tiêu hao năng lượng

Hình thức tiêu năng này thường dùng với công trình có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu nhỏ và địa chất nền không tốt

Kết cấu tiêu năng dòng đáy gồm có các hình thức sau:

1.3.1.1 Bể tiêu năng

Đây là biện pháp được áp dụng phổ biến ở các công trình tiêu năng dòng đáy nhất là ở các công trình có địa chất nền mềm yếu, tầng đá gốc nằm sâu Hình thức này tạo ra chế độ chảy ngập khi qua ngưỡng bể nên chỉ cần tiêu năng một lần, tuy nhiên nếu chiều sâu bể quá lớn thì việc thi công sẽ gặp khó khăn khi đó phương án đào bể tiêu năng không kinh tế

1.3.1.2 Tường tiêu năng

Nếu điều kiện kết cấu và thi công khi làm bể tiêu năng không thích hợp hoặc điều kiện nền địa chất tốt việc thi công bể tiêu năng gặp khó khăn thì chúng ta làm tường tiêu năng Lúc này tường tiêu năng làm việc như một đập tràn thực dụng hoặc thành mỏng vì thế khi thiết kế chúng ta phải kiểm tra trạng thái chảy sau tường Nếu sau tường có nước nhảy phóng xa hoặc tại chỗ ta phải tính toán tiêu năng cho tường tức là phải làm thêm các tường ở phía sau Trường hợp tường quá cao chúng ta phải làm thêm các tường phía sau lúc này khối lượng công trình sẽ tăng lên vì thế sẽ không kinh tế

1.3.1.3 Bể tường kết hợp

Trong thực tế có nhiều trường hợp nếu làm bể têu năng chỉ bằng cách hạ thấp đáy kênh hạ lưu hoặc chỉ xây tường tiêu năng thì không hợp lý Trường hợp thứ nhất nếu bể rất sâu đáy kênh hạ lưu phải hạ thấp quá nhiều, khối lượng đào quá lớn

và việc thi công khó khăn đồng thời phần chân đập sẽ phải có thêm khối bê tông lớn làm tăng khối lượng công trình Trường hợp thứ hai là tường quá cao sau tường có nước nhảy phóng xa vì vậy ta phải làm thêm tường thứ hai, thứ ba…Trong điều kiện như thế người ta thường kết hợp hai biện pháp trên tức là vừa ha thấp đáy kênh làm bể đồng thời xây tường ở bên trên Biện pháp này giúp ta không phải đào bể quá sâu đồng thời cũng không phải xây tường quá cao Thực tế đã chứng tỏ biện pháp này trong nhiều trường hợp rất có lợi về mặt kinh tế và kỹ thuật

1.3.2 Tiêu năng dòng chảy mặt

Dòng chảy của hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt (Hình 1.1 c,d) Tiêu năng dòng mặt gắn liền với bậc thụt hoặc ngưỡng thấp là một khía cạnh rộng lớn và phức tạp nhưng rất có ý nghĩa trong việc phát hiện ra các quy luật dòng chảy sau công trình nhằm khai thác tối đa lợi ích của các dạng nước nhảy, ứng dụng chúng trong việc tiêu hao năng lượng thừa, ổn định lòng dẫn

Với dạng nối tiếp chảy mặt này khi chiều cao bậc, ngưỡng thay đổi, hình dạng nước nhảy ở hạ lưu cũng thay đổi theo Nếu chiều cao tương đối của bậc nhỏ

so với độ sâu dòng chảy ở hạ lưu thì dòng chảy qua đó vẫn có dạng chảy đáy ngược lại thì sinh nước nhảy mặt

Ưu điểm của hình thức tiêu năng này đạt hiệu quả tiêu năng không kém nhiều so với hình thức tiêu năng đáy (có thể đạt 65%), nhưng kết cấu công trình được rút ngắn (chiều dài sân sau ngắn hơn 1/2 ÷1/5 lần), đồng thời do lưu tốc ở đáy nhỏ nên có thể giảm chiều dày sân sau, thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau

Điều kiện ứng dụng tiêu năng dòng mặt thường là chiều sâu mực nước hạ lưu

ổn định và lớn hơn độ sâu liên hiệp thứ hai (hh > hc’’); dùng với lưu lượng lớn nhưng

chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ ở hạ lưu có khả năng ổn định, chống xói tốt

Nhược điểm của hình thức tiêu năng này là làm việc không ổn định khi mực nước hạ lưu thay đổi lớn; ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng không tốt tới chế độ làm việc của nhà máy thủy điện, vận tải thủy, xói lở bờ sông và yêu cầu mực nước hạ lưu phải sâu Tiêu năng dòng mặt gây trở ngại cho thuyền bè đi lại ở hạ lưu, đe dọa

sự ổn định của bờ dễ sinh ra nước nhảy phóng xa, sân sau làm việc với chế độ thay đổi liên tục

độ xói lở của lòng sông càng giảm Đồng thời do dòng chảy được phóng khỏi chân đập tương đối xa nên dù có xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập

Cấu tạo của hình thức tiêu năng phóng xa đơn giản, thường dùng với công trình có cột nước cao và điều kiện địa chất tốt Tuy nhiên nó cũng có một hạn chế:

hố xói do dòng phun tạo ra có thể hạ thấp mực nước hạ lưu làm ảnh hưởng đến nhu cầu dùng nước, ở mũi phun có thể xảy ra khí thực, dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và môi trường xung quanh

Điều kiện để áp dụng được hình thức tiêu năng phóng xa là đỉnh mũi phun phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu, chiều cao cột nước trước đập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa để không ảnh hưởng đến bất lợi công trình, cột nước hạ lưu cũng đủ lớn để chiều sâu hố xói không quá lớn Thường dùng với công trình có cột nước trung bình và lớn

a Tiêu năng dòng chảy đáy b Tiêu năng dòng chảy đáy mặt hỗn hợp

c Tiêu năng bằng dòng mặt không ngập d Tiêu năng bằng dòng mặt ngập

e Tiêu năng phóng xa Hình 1.1 Các hình thức tiêu năng ở hạ lưu công trình

1.4 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG NHÁM GIA CƯỜNG TRÊN MẶT CÔNG TRÌNH

Nhằm tiêu hao năng lượng dòng chảy trên mặt công trình ở Việt Nam đã có các công trình sử dụng nhám nhân tạo trên mặt tràn, hoặc dốc nước để tiêu hao năng lượng dòng chảy

Đập dâng Bái Thượng thuộc hệ thống thủy lợi sông Chu tỉnh Thanh Hóa, là công trình ngăn sông Chu nhằm dâng cao đầu nước để lấy nước tưới cho hệ thống

thủy lợi sông Chu, năm 1996 được cải tạo nâng cấp Trong giai đoạn đó đã sử dụng giải pháp nhám nhân tạo dạng bậc hay mố nhám âm Theo kết quả nghiên cứu và thí nghiệm mô hình cho thấy với giải pháp mố nhám âm trên mặt đập và khi đó gọi là đập bậc thì hiệu quả tiêu năng dòng chảy qua công trình tăng lên từ 6 - 12% [9]

Tràn xả lũ hồ chứa sông Sào được nghiên cứu thí nghiệm năm 1997, các nhà thực nghiệm đã sử dụng chỉ 03 mố nhám nhân tạo dạng lượn tròn với chiều cao 30cm ở cuối dốc nhằm mục tiêu giảm vận tốc dòng chảy ở cuối dốc, tránh xâm thực

bề mặt dốc nước, và giải pháp này cũng đã làm tăng độ nhám, tăng chiều sâu dòng chảy trên dốc nước, tăng khả năng tiêu hao năng lượng trên dốc nước, đã tạo cho dòng chảy trong bể tiêu năng chuyển từ trạng thái nhảy phóng xa thành nhảy ngập tại bể Hiện tại hồ sông Sào đã đi vào vận hành và kết quả cho thấy tác dụng rất tốt của 03 mố nhám gia cường trên dốc nước [3]

Ngoài ra trong những năm gần đây một số công trình cũng được sử dụng các dạng nhám gia cường theo kiểu mố nhám âm để tiêu hao năng lượng như tràn Đăkmil 4, tràn Ngàn Trươi

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Tràn xả lũ là hạng mục quan trong trong đầu mối hồ chứa, đảm bảo cho hồ chứa làm việc an toàn Trong các dạng nối tiếp tiêu năng sau tràn thì dốc nước là một loại công trình được sử dụng nhiều hơn cả khi lựa chọn giải pháp nối tiếp

Khi nền địa chất sau công trình là nền yếu thì việc lựa chọn giải pháp tiêu năng bằng bể thông qua nước nhảy ngập là giải pháp thường được lựa chọn để tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy và hạn chế xói lở hạ lưu

Trong những điều kiện cụ thể thì ngoài các giải pháp tiêu năng qua nước nhảy ngập trong bể tiêu năng thì giải pháp nhám gia cường cũng được sử dụng để giảm bớt năng lượng dư tập trung ở cuối dốc, điều đó cũng làm giảm khối lượng của bể tiêu năng Trong nhiều trường hợp không cho phép đào sâu hơn bể tiêu năng thì giải pháp sử dụng nhám gia cường là lựa chọn duy nhất để đảm bảo cho công trình sinh nước nhảy ngập

Chương 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NỐI TIẾP, TIÊU NĂNG

2.1 TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH NỐI TIẾP BẰNG DỐC NƯỚC 2.1.1 Tính toán thủy lực dốc nước

Dốc nước trong thực tế là một đoạn kênh ngắn có độ dốc đáy lớn

Dốc nước có thể chia ra thành các bộ phận sau: Cửa vào, thân dốc và phần tiêu năng, sau đây trình bày lý thuyết tính toán thủy lực nối tiếp tiêu năng bằng dốc nước [1], [2] , [5], [10], [12]

2.1.1.1 Tính toán cửa vào

Hình thức cửa vào có thể là đập tràn đỉnh rộng, đập tràn thực dụng hay đập tràn khe hở Cửa vào của dốc nước thường có một đoạn chuyển tiếp thu hẹp nối với đầu dốc, đoạn chuyển tiếp này thường có độ dốc đáy rất bé hoặc đáy nằm ngang (Hình 2.1a)

2.1.1.2 Tính toán thân dốc

Mặt cắt thân dốc có dạng hình chữ nhật hoặc hình thang, thân dốc có thể là hình lăng trụ với chiều rộng đáy thay đổi Độ dốc đáy tùy thuộc vào vật liệu của thân dốc thường lấy khoảng từ 0,01 ÷ 0,02

a) Đối với dốc nước hình lăng trụ

Dòng chảy trên dốc luôn luôn ở trạng thái chảy xiết, đường mặt nước là đường nước hạ bIIhoặc đường nước dâng cII Dạng đường mặt nước phụ thuộc hoàn toàn vào hình thức cửa vào

* Cửa vào không có ngưỡng (Hình 2.1a): Khi đó hđ = hkđường mặt nước trong thân dốc là đường nước hạ bII

* Cửa vào có ngưỡng (Hình 2.1b): Khi đó hđ = hc

- Nếu hc > hođường mặt nước trong thân dốc là đường nước hạ bII

- Nếu hc < hođường mặt nước trong thân dốc là đường nước dâng cII

(ho là độ sâu chảy đều trên thân dốc)

* Cửa vào có van điều tiết (Hình 2.1c, d): Sau cửa van có đoạn chuyển tiếp đáy nằm

ngang nên hđ có thể lớn hơn hoặc bé hơn hotrên dốc

- Nếu hđ > ho đường mặt nước trong thân dốc là đường nước hạ bII

- Nếu hđ < ho đường mặt nước trong thân dốc là đường nước dâng cII

Nếu đoạn chuyển tiếp lớn thì trong đoạn có nước nhảy, sau nước nhảy là đường nước hạ bo và lúc này hđ = hkđường mặt nước trong thân dốc là đường nước

hạ bII

a Cửa vào không có ngưỡng b Cửa vào có ngưỡng

c Cửa vào có cửa van điều tiết d Cửa vào có cửa van điều tiết

Hình 2.1 Các dạng dòng chảy trên dốc nước hình lăng trụ

b) Đối với dốc nước hình lăng trụ (chiều rộng đáy thay đổi)

Để đảm bảo độ sâu dòng chảy trên thân dốc không đổi, người ta thường thu hẹp chiều rộng đáy dốc, đường mặt nước lúc này là đường thẳng song song với đáy

2.1.2 Tính độ sâu đầu dốc nước

Độ sâu đầu dốc nước được tính toán theo các cách sau:

2.1.2.1 Tính độ sâu đầu dốc nước theo phương trình Becnuli

Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt: Mặt cắt trước tràn và mặt cắt đầu dốc nước A-A

/s.m)

2.1.2.2 Tính độ sâu đầu dốc nước theo 14TCN 81-90

Chiều sâu tại điểm đầu dốc nước (điểm A) được tính như sau:

A

h E g

q h

−

=

0 2

trong đó:

φ: Hệ số lưu tốc, lấy φ = 0.9- 1,0 q: Lưu lượng đơn vị

Eo: Cột nước năng lượng tổng tính đến điểm A, Eo = Zhồ - ∇A

hA: Cột nước tại điểm đầu dốc nước Bằng phương pháp tính thử dần ta tìm được độ sâu hA điểm A tương ứng với các cấp lưu lượng

2.1.2.3 Tính độ sâu đầu dốc nước theo công thức thực nghiệm

Đường nước đổ được tính từ mặt cắt đầu dốc nước Độ sâu dòng chảy ở đây luôn nhỏ hơn độ sâu phân giới hk Từ kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực một số đập tràn có độ dốc dốc nước i ≥ 0.2, độ sâu điểm A được tính theo công thức:

l k A

i

h k

Đường mặt nước trên dốc nước có độ dốc lớn đã được tính toán thí nghiệm trên nhiều công trình ở Việt Nam trong đó có thủy điện Yaly Theo kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đập tràn Yaly [8] có: i = 35%; k = 0,63; l = 0.08

2.1.3 Đường mặt nước trên dốc nước

Hiện nay đã có nhiều phương pháp tính toán đường mặt nước trên dốc nước Ở nước ta cho đến nay, khi thiết kế các đường tháo nói chung vẫn áp dụng các phương pháp của thủy lực dòng một hướng, chủ yếu thiết kế theo các phương pháp sau [1], [4]:

2.1.3.1 Phương pháp sai phân

Phương pháp sai phân hay còn gọi là phương pháp cộng trực tiếp sử dụng các phương trình cơ bản sau đây

Phương trình cơ bản đường mặt nước trong dốc nước có dạng:

J i dl

Chuyển phương trình vi phân trên thành phương trình sai phân:

J i

v K

Q J

2

2 2

h= + +

i v v

( 2-7)

Chia dốc nước thành nhiều đoạn ngắn ∆l, tại mỗi đoạn áp dụng biểu thức

(2-5) rồi cộng lại sẽ có chiều dài dốc nước:

i i

J i l l

1

( 2-8)

2.1.3.2 Phương pháp tích phân gần đúng

Phương pháp tích phân gần đúng thường được giải theo hai phương pháp: Phương pháp số mũ thủy lực x của B.A BAKHMETEV và phương pháp số mũ z Dưới đây trình bày phương pháp số mũ thủy lực

Phương pháp này chỉ dùng cho trường hợp dốc nước lăng trụ

Ta có:

Fr

J i

g

B Q K

Q i dl

3 2 2 2

Nếu thay hàm K = f(h) bằng hàm mũ K=Ah 2, nhìn vào đường biểu diễn của hai hàm nhận thấy khi h thay đổi thì x cũng thay đổi theo nhưng rất ít Do đó có thể chọn một trị số x trung bình cho từng đoạn:

' ''

' ''

lglg

lglg

2

h h

K K

2

=

( 2-11) + Khi i = 0:

χ

k k

k k

B C

B C

( ) ( ) [ ( ) ( )2 1 ]

' 1

2 2

1 '

2 '

( 2-13)

2.2 TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TRÊN DỐC CÓ ĐỘ NHÁM LỚN

Mố nhám gia cường trong dốc nước là các loại mố nhám có hình dạng, kích thước rất khác nhau, xây liền với đáy dốc nước hoặc cả với hai bờ để tăng thêm độ nhám, tăng ma sát dọc đường [2],[4], [12]

Kết quả của việc xây các mố nhám như vậy là làm tăng chiều sâu dòng chảy trong dốc, giảm lưu tốc thậm chí có thể biến dòng xiết thành dòng êm và làm nhiệm

vụ tiêu năng dọc theo dốc Vì vậy những mố nhám gia cường được xây trên những dốc nước có dòng xiết lớn cần phải giảm lưu tốc phù hợp với yêu cầu của vật liệu

Dòng chảy trên dốc nước có nhám nhân tạo thường có hai dạng: chảy trên bậc và chảy trên dốc Chảy trên bậc ở đó nước tràn qua mô gờ như qua đập tràn với

sự hình thành nước nhảy giữa các mố Chảy trên dốc ở đó giữa các mố hình thành các xoáy đáy, luồng chảy chuyển động trên đỉnh các mố và trên lớp xoáy đáy

Việc tính toán dốc nước có các mố nhám gia cường chủ yếu dựa trên yêu cầu khống chế lưu tốc, chọn được loại mố nhám cần thiết sau đó tính các yếu tố thuỷ lực của dốc

Để chọn loại và kích thước các mố nhám sau đây tác giả giới thiệu một số đề

nghị của các tác giả khác nhau:

2.2.1 Tính toán nhám gia cường theo E A Zamarin

Độ nhám riêng k = f (α,β) được xác định theo các công thức thực nghiệm viết cho từng loại nhám

Ta có:

∆

= h1

Δ: Chiều cao mố nhám b: Chiều rộng dốc nước chữ nhật Công thức tính độ nhám dưới dạng thanh ngang chữ nhật đặt ở đáy của dốc nước có các thành bên trơn và có độ dốc i = 15%:

(khi 8 ≥ α ≥ 3, 1 ≤ β ≤ 12 và khoảng cách tối ưu giữa các thanh là l = 8Δ) Đối với các dạng khác của nhám nhân tạo ta cũng có các biểu thức tương tự Khi i = 15% giá trị k được nhân với hệ số hiệu chỉnh Khi i = 4% nhân với 0,9 Khi i

Q h

k = 1 = khi đã biết k và β= b/h1 ta tìm được Δ

2.2.2 Tính toán nhám nhân tạo theo F I Pikalov

Theo F I Pikalov dựa vào kết quả nghiên cứu thí nghiệm đã đề xuất sự liên

hệ giữa các yếu tố thuỷ lực và các yếu tố hình học của các mố nhám: k = f (α,β),

trong đó:

k: Độ nhám riêng

v

Ri C

Quan hệ k = f (α,β) phụ thuộc vào dạng mố nhám Theo thí nghiệm khi khoảng cách có lợi nhất giữa các cạnh của mố nhám λ = 8σ và 1 ≤ β ≤ 12 được biểu thị trong các trường hợp sau:

N b

(Dùng trong điều kiện i = 12%)

h Mố nhám kiểu bậc thang đặt ngược dòng chảy (Hình 2.2 h)

2.2.3 Tính toán nhám nhân tạo theo P I Goocđiencô

Theo P I Goocđiencô chảy trên dốc là loại dòng chảy ổn định nhất và đề nghị thiết kế dốc nước có nhám gia cường sao cho dòng chảy giữ được đặc tính chảy trên dốc trong một phạm vi thay đổi chiều sâu tương đối lớn, bắt đầu từ chiều sâu bé nhất Dạng chảy trên dốc được đặc trưng bằng dòng chảy trên mố nhám và trên lớp xoáy đáy có thể xem là chuyển động đều

Ở đây vận tốc dòng chảy trên dốc được tính toán theo công thức Sêzi:

Ri

Hệ số sêzi C được xác định theo công thức: m

a n

Trong đó:

n: Hệ số nhám lấy theo thang của Goocđiencô và không trùng với thang dùng

để xác định sêzi (C) theo các công thức của Pavlôpxki, Maninh và các tác giả khác

m = 0 đối với dạng chảy trên dốc; m > 0 đối với dạng chảy khác

α = h1/Δ: Tỷ số giữa chiều sâu tính toán và chiều cao mố nhám Δ

Đối với nhám ở dạng gờ ngang chiều sâu tính toán là chiều sâu h1-h

Đối với trường hợp bậc mặt cắt chữ nhật theo dòng chảy thì chiều sâu tính toán là chiều sâu tính từ gờ thấp của bậc

Đối với khối hình hộp bố trí theo bàn cờ thì l/∆> 2; h1= h + Δ - 2Δ3

/l2 Đối với đá dăm đặt sít nhau thì h1 = h + 0,13d

Đối với dạng chảy trên dốc thì α >αothì trị số sêzi được ghi trong Bảng 2.1

2.3 TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

2.3.1 Lưu lượng tính toán tiêu năng

Các công trình thuỷ lợi luôn làm việc với lưu lượng thay đổi trong một phạm

vi từ trị số nhỏ nhất Qmin đến trị số lớn nhất Qmax nào đó Cho nên thiết bị tiêu năng phải giải quyết tốt vấn đề tiêu năng cho mọi cấp lưu lượng có thể có trong phạm vi

đó Vì vậy trong thiết kế tiêu năng ta phải tính toán theo lưu lượng gây ra sự nối tiếp bất lợi nhất, lưu lượng đó gọi là lưu lượng tính toán tiêu năng, ký hiệu là Qtt Tính theo lưu lượng này thì bể tiêu năng sẽ có kích thước lớn nhất [1]

Trường hợp bất lợi nhất là trường hợp nối tiếp bằng nước nhảy xa có hiệu số (hc’’- hh) lớn nhất lúc đó sẽ có chiều dài đoạn chảy xiết lớn nhất do đó cần một chiều sâu và chiều dài bể lớn nhất

Lưu lượng tính toán tiêu năng không nhất thiết là lưu lượng lớn nhất vì khi Q tăng thì hc’’ nói chung tăng lên nhưng hh cũng tăng theo

- Vẽ đồ thị quan hệ Q~(hc’’-hh) ta sẽ tìm được trị số Qtt ứng với hiệu số (hc’’-

hh)maxnhư Hình 2.3

(h'' c -h h )

Q

Q tt (h'' c -h h ) max

Hình 2.3 Biểu đồ xác định Q tính toán tiêu năng Cần chú ý rằng lưu lượng tháo qua công trình Q với lưu lượng dòng chảy ở

hạ lưu công trình Qh có thể khác nhau, vì có thể các công trình khác bên cạnh cũng chảy vào lòng dẫn hạ lưu (ví dụ tính toán tiêu năng cho đập tràn có nhà máy thuỷ điện bên cạnh thì lưu lượng ở hạ lưu bao gồm cả lưu lượng qua tràn và lưu lượng qua các công trình tháo khác chảy xuống hạ lưu

Trong tính toán tiêu năng hc’’ chỉ phụ thuộc vào Q qua tràn nhưng hh lại phụ thuộc vào Qh theo tài liệu quan hệ lưu lượng và mực nước hoặc lưu lượng với độ sâu của lòng dẫn hạ lưu

Ở trên ta mới đề cập đến lưu lượng tính toán nhưng thực tế không chỉ lưu lượng mà mực nước thượng hạ lưu cũng thường xuyên thay đổi Do đó việc định ra trường hợp tính toán bất lợi nhất để thiết kế tiêu năng tương đối khó khăn đòi hỏi người thiết kế phải suy nghĩ, phân tích toàn diện mà giải quyết cho từng trường hợp

cụ thể

Với các công trình tương đối lớn hiện nay ngoài tính toán bằng lý thuyết thì việc kết hợp với thí nghiệm mô hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi công trình là cách làm đang được áp dụng rộng rãi

2.3.2 Tính chiều sâu bể tiêu năng

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định chiều sâu bể tiêu năng khác nhau Nhưng chiều sâu bể tiêu năng phải vừa đủ để tạo ra nước nhảy ngập trong bể (với

q

Eo

E'o

h c h'' c

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán bể tiêu năng

- Phương trình quan hệ mực nước thượng, hạ lưu

) (

c

h E g

q h

o

c

E

q F

= 0 , 5 1 83 1

2 ''

c

o c

c

gh

q h

2 2

2

2 h ghb

q h

Phương trình hình học được xác định trên cơ sở dòng chảy ra khỏi bể là dòng chảy ngập qua đập tràn đỉnh rộng Khi điều kiện đó không thoả mãn thì cần điều chỉnh các phương trình này cho thích hợp

Như vậy để tính được chiều sâu bể tiêu năng ta phải tính đúng dần theo các bước sau

Bước 1: Sơ bộ lấy d1 = (hc’’ – hh) max

Bước 2: Tính Eo1 = (Eo +d1)

Bước 3: Tính hc, hh, ∆Z

Bước 4: Tính lại d theo phương trình hình học

Nếu d gần với d1 thì đó là chiều sâu bể cần tìm Nếu khác thì lặp lại các bước tính đó với d1 = d

Ngoài phương pháp chung trình bày ở trên chúng ta có thể tính toán chiều sâu bể theo các phương pháp khác như: Phương pháp của Tréctôuxốp, phương pháp Smetana, phương pháp Baskirova, phương pháp của Cục khai hoang Hoa Kỳ (USBR)

2.3.3 Tính chiều dài bể tiêu năng

Chiều dài bể tiêu năng phải đủ dài để nước nhảy nằm gọn trong bể, khi đó hiệu quả tiêu năng của bể mới đảm bảo Sơ đồ các đại lượng khi tính chiều dài bể tiêu năng thể hiện trên Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ tính chiều dài bể tiêu năng

Hiện nay có nhiều công thức tính toán nhưng đều có dạng chung:

Trong đó:

ln: Chiều dài nước nhảy hoàn chỉnh, không ngập

l’: Chiều dài khu nước dưới vật

l1: chiều dài từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp c-c Trong thực tế, lb > lnnnên nhiều tác giả đã đưa ra công thức tính chiều dài bể như sau:

- M.D Tréctôuxốp đề ra: lb = l1 + βln

Với β hệ số kinh nghiệm, lấy bằng (0,70 ÷ 0,80)

- Qua chỉnh lý tài liệu thí nghiệm, V.Đ Đu-rin đưa ra công thức thực nghiệm tình chiều dài bể tiêu năng kết hợp:

lb = 3,2 H c o( + +d 0,83H o) +l1 ( 2-37)

- I.I A-gơ-rô-skin đưa ra công thức: Lb = 3hb + l1 ( 2-38)

l1: chiều dài từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp c-c

l1= lrơi - s

s: Chiều dài nằm ngang của mái dốc hạ lưu công trình

Chiều dài lrơi, tùy theo hình thức của xả nước, tính theo các công thức thực nghiệm dưới đây:

+ Chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang:

a: độ mở cửa van Như vậy khi bể nằm sau đập tràn có chiều cong thuận, l1 = 0 và chiều dài bể chỉ tính từ mặt cắt co hẹp c-c

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu năng dòng đáy ở hạ lưu công trình

2.3.4.1 Ảnh hưởng của trị số Froude

- Khi trị số Fr < 4,5 cuộn xoáy của vùng nước nhảy phát triển không bình thường, sau nước nhảy dễ xuất hiện nước nhảy sóng, vì vậy cần phải có thêm biện pháp phòng trừ và tiêu hao sóng

- Khi Fr = 4,5 ÷ 9 nước nhảy ổn định, có thể dùng hình thức bể tiêu năng, tường tiêu năng Khi cần thiết để tăng hiệu quả tiêu năng bố trí thêm thiết bị tiêu năng phụ trợ để giảm quy mô bể tường và giảm kết cấu bảo vệ sân sau

- Khi Fr > 10 lúc đó dùng tiêu năng dòng đáy là không kinh tế

2.3.4.2 Ảnh hưởng của cột nước hạ lưu

Cột nước hạ lưu là một trong những điều kiện quyết định để có thể tạo ra được nước nhảy ngập trong bể hay không Cột nước thấp hình thành nước nhảy phóng xa Nếu độ sâu mực nước hạ lưu lớn (lớn hơn độ sâu liên hiệp hc’’ của hc

nhiều) thì dòng khuyếch tán theo phương thẳng đứng gây nên dòng chảy ngập có lưu tốc ở đáy lớn hơn và lòng sông có thể bị xói lở Vì vậy cột nước hạ lưu cần được nghiên cứu kỹ trong quá trình tính toán tiêu năng

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Hiện nay nhiều công trình thuỷ lợi có cột nước không cao nhưng lưu lượng qua công trình tháo lũ lại khá lớn, địa chất nền hạ lưu là nền yếu Vấn đề xử lý nối tiếp và tìm giải pháp tiêu năng phòng xói ở hạ lưu là công việc quan trọng khi thiết

kế công trình tháo lũ Với mỗi công trình tùy theo điều kiện địa hình, địa chất, mực nước hạ lưu mà chọn giải pháp và tính toán kết cấu tiêu năng cho phù hợp

Việc tính toán các đặc trưng về dòng chảy qua tràn nối tiếp dạng dốc nước đã được nhiều người quan tâm nghiên cứu về đã trở thành các qui phạm, tiêu chuẩn, tuy nhiên việc áp dụng chúng để tính toán nối tiếp tiêu năng vẫn cần phải được tiếp tục nghiên cứu, nhất là khi tính toán cho các công trình cụ thể

Chương 3 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH HÌNH THỨC NỐI TIẾP, TIÊU

NĂNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH NGÀN TRƯƠI

3.1.1 Vị trí

Công trình đầu mối Ngàn Trươi dự kiến xây dựng thuộc địa phận xã Hương Đại, huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh Vùng lòng hồ thuộc địa phận xã Hương Đại, Hương Điền và xã Hương Quang huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh Tràn xả lũ nằm ở phía Đông Bắc khu vực dự án bên trái suối Hói Đôi (Bờ trái đập phụ)

Cấp nước sinh hoạt, chăn nuôi cho các huyện kể trên

Xả nước về hạ lưu tham gia cải tạo môi trường sinh thái sông La với lưu lượng Q=15m3

/s

Cấp nước cho nuôi trồng thủy sản với diện tích nuôi trồng 5991 ha (trong đó

5830 ha thuộc các huyện Can Lộc, Thạch Hà, Nghi Xuân, Đức Thọ, Thị xã Hồng Lĩnh và 160 ha huyện Vũ Quang)

Hồ Ngàn Trươi kết hợp phát điện với công suất 15 MW

Tham gia cắt lũ, giảm lũ cho hạ lưu sông Ngàn Sâu và sông La với dung tích phòng lũ 157 triệu m3

Cùng với rừng Quốc gia Vũ Quang, đền thờ cụ Phan Đình phùng tạo ra vùng

du lịch sinh thái, văn hóa, lịch sử

3.1.3 Tóm tắt quy mô công trình

Dự án “Hệ thống Thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang, Hà Tĩnh” do Tổng Công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Việt Nam - CTCP thiết kế

Phương án 6B có quy mô, kết cấu như sau (Hình 3.1):

Hình th ức và qui mô: Tràn có điều tiết, quy mô 7 cửa xả mặt (nxBxH

=7x12,0x3,4m) nối tiếp dạng dốc nước với độ dốc i = 7,1%, chuyển tiếp xuống bể tiêu năng bằng một đoạn bậc nước dài 23m có độ dốc mái m = 3

Kênh d ẫn thượng lưu: dài hơn 200m, mặt cắt hình thang kết hợp với lòng

khe suối; đáy ở cao độ +24,0m, +30,0m và +44,0m, bờ bên trái có m = 2, bờ bên phải có m = 2,5 Rộng 100,8m được gia có bằng BTCT và có độ dốc là 5,71%

Đầu tràn: Dài 14,7m dạng thực dụng WES bằng BTCT, cao độ ngưỡng xả là

+48,60m Chiều rộng ngưỡng tràn là 100,8m, phần tràn có nước là 84m chia ra làm

7 khoang, kích thước mỗi khoang (bxh) là (12x3,4m) Cao trình đỉnh trụ pin là +57,80m

Dốc nước: dài 140m, rộng 100.8m, độ dốc I = 7,1%, bằng BTCT M250 dày

1m Trên dốc có bố trí các mố nhám gia cường (Kt 0,35x0,3m) khoảng cách tim

giữa các mố nhám là 2,8m Tường bên dốc nước là dạng tường bản chống chiều cao

là 4.0m, được chia thành các đơn nguyên, mỗi đơn nguyên dài 14,0m

Đoạn chuyển tiếp theo dạng thu hẹp dần từ cao trình +36,4m xuống cao trình +30m: Dài 23m, rộng 100,8m, độ dốc m = 3, kết cấu là BTCT M250 có chiều dày là 3m, trên mặt đốc có bố trí các bậc cao 0,75m

B ể tiêu năng: Kết cấu là BTCT M250 dài 30m, rộng 100,8m, cao trình đáy là

+30m Tường bên bể tiêu năng là tường bản chống cao 10m, chiều dày bản đáy biến đổi từ 1,5m ÷ 0,8m

Đoạn kênh chuyển tiếp được nối từ cuối bê tiêu năng đến đầu kênh xả: dài

310m, có mặt cắt hình thang; hệ số mái m = 2 được chia ra làm 4 đoạn Kết cấu

bằng BTCT M200

Kênh xả hạ lưu (có dạng thu hẹp dần - bề rộng mặt cắt tiếp giáp với phần đầu

mối công trình là 100,8m, bề rộng mặt cắt cuối kênh là 53m): Nối tiếp với đoạn

kênh chuyển tiếp sau tiêu năng có chiều dài là 700m; mặt cắt hình thang; đáy ở cao trình +30m, bề rộng 53m, hệ số mái m = 2 Gia cố bằng BTCT M200 đến cơ +40m

Các thông số chính được thể hiện ở Bảng 3.1

Bảng 3.1 Bảng thông số của công trình đầu mối phương án tràn 6B

1 Lưu lượng xả lũ kiểm tra P=0,1% QKT m3/s 3129

2 Lưu lượng xả lũ thiết kế P=0,5% QTK m3/s 2464

- Số lượng và kích thước cửa van m 7 x (12 x 3,4)