Nghiên cứu chế độ thủy lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ sê san

Nghiên cứu chế độ thuỷ lực nối tiếp thượng hạ lưu để nắm rõ tình hình làm việc của bản thân công trình, hạn chế tối đa ảnh hưởng của dòng chảy và chọn hình thức kết cấu cũng như giải phá

cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2” được hoàn

thành với sự cố gắng nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng đào tạo đại học & sau Đại học, Khoa Công trình, các thầy cô giáo trường Đại học Thuỷ Lợi Ban lãnh đạo Trung tâm nghiên cứu thủy lực và các Phòng ban khác của Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học Sông Biển – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Ban lãnh đạo và các Phòng chức năng, của Công ty TNHH MTV Đầu tư phát triển Thuỷ lợi Sông Nhuệ

đã tạo mọi điều kiện và động viên giúp đỡ về mọi mặt Tác giả xin chân thành cảm ơn các cơ quan, đơn vị và cá nhân nói trên

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn

PGS TS Trần Quốc Thưởng đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình trong

suốt thời gian thực hiện luận văn

Sự thành công của luận văn gắn liền với quá trình giúp đỡ, động viên cổ

vũ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn

Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do điều kiện thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

TÁC GIẢ

Hoàng Quốc Đạt

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Hoàng Quốc Đạt

Học viên lớp: CH18C1

Đề tài luận văn cao học: ‘Nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu

năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2’ được Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội

giao cho học viên Hoàng Quốc Đạt dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần

Quốc Thưởng đến nay luận văn đã hoàn thành

Tôi xin cam đoan với Khoa Công trình và Phòng Đào tạo đại học và sau đại học trường Đại học Thủy lợi đề tài nghiên cứu này là công trình của cá nhân tôi./

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Hoàng Quốc Đạt

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ 5

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TRÀN XẢ LŨ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 5

1.2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG 7

1.2.1 Khái quát chung 7

1.2.2 Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài 8

1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 10

1.2.4 Các loại đập tràn và tiêu năng hạ lưu 11

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LÝ THUẾT VỀ TIÊU NĂNG ĐÁY 23

1.3.1 Phương pháp lý luận 23

1.3.2 Phương pháp thực nghiệm mô hình 23

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu trên nguyên hình 24

1.4 MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG ĐÁY 25

1.4.1 Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng 25

1.4.2 Xác định hình thức nối tiếp chảy đáy 25

1.5 NHẬN XÉT CHUNG 28

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN BỂ TIÊU NĂNG TRÀN HẠ SÊ SAN 2 30

2.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TRÌNH HẠ SÊ SAN 2 30

2.1.1 Khái quát chung về công trình Hạ Sê San 2 30

2.1.2 Đập tràn nước 31

2.2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH BỂ TIÊU NĂNG 31

2.2.1 Các số liệu ban đầu 31

2.2.2 Năng lực xả của đập tràn 32

CHƯƠNG III SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ KẾT

QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC 40

3.1 LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG 40

3.2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 41

3.2.1 Thiết kế mô hình 41

3.2.2 Xây dựng mô hình 43

3.2.3 Bố trí thiết bị đo 43

3.2.4 Bố trí mặt cắt đo đạc trên 45

3.3 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH 47

3.3.1 Kết quả thí nghiệm phương án tính toán thiết kế 47

3.3.2 Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi 53

3.3.3 So sánh, đánh giá kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm phương án thiết kế: 60

3.3.4 So sánh, đánh giá kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi: 61

3.3.5 Kết luận chương 3 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

1 Đánh giá kết quả nghiên cứu 66

2 Tồn tại và hạn chế 67

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Các loại đập tràn theo dạng mặt cắt đập 12

Hình 1-2: Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập tràn 19

Hình 1-3: Giải pháp tiêu năng đáy ở hạ lưu công trình tháo nước 25

Hình 2-1: Sơ đồ tính toán tiêu năng hạ lưu đập tràn 33

Hình 2-2: Sơ đồ tính toán tiêu năng hạ lưu đập tràn sau khi rút ngắn bể tiêu năng 39

Hình 3-1: Mô hình tổng thể thủy lực tràn xả lũ Hạ Sê San 2 42

Hình 3.2: Mặt bằng tổng thể bố trí vị trí mặt cắt đo 46

Hình 3-3: Mô hình tổng thể tràn khi chưa có tường biên bên phải 48

Hình 3-4: Mô hình tổng thể thủy lực tràn khi chưa có tường biên xuất hiện dòng vật phía bên phải tràn 48

Hình 3-5: Mô hình tổng thể thủy lực với trường hợp tường biên bên phải 58

Hình 3-6: Chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu tràn với trường hợp tường biên bên phải 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Bảng tổng hợp một số đập tràn ở Việt Nam 16

Bảng 2-1: Bảng quan hệ mực nước thượng lưu và lưu lượng xả tổng 34

Bảng 2-2: Độ sâu dòng chảy tại cửa vào bể tiêu năng 34

Bảng 2-3: Kết quả tính toán lưu lượng tiêu năng 35

Bảng 2-4: Kết quả tính chiều sâu đào bể tiêu năng 36

Bảng 2-5: Kết quả tính chiều dài bể tiêu năng 37

Bảng 2-6: Thông số bể tiêu năng sau tràn 37

Bảng 3-1: Bảng quan hệ tỷ lệ của các mô hình 43

Bảng 3.2: Các cấp lưu lượng thí nghiệm 47

Bảng 3-18: Xác định hiệu quả tiêu năng 51

Bảng 3-19: Xác định các thông số tiêu năng 52

Bảng 3.20: Các cấp lưu lượng thí nghiệm 53

Bảng 3-36: Xác định các thông số tiêu năng 56

Bảng 3.37: Các cấp lưu lượng thí nghiệm 57

Bảng 3.40: Kết quả so sánh các yếu tố nước nhảy 60

Bảng 3.41: Kết quả so sánh phân bố lưu tốc tại bể tiêu năng 61

Bảng 3.42: Kết quả so sánh các yếu tố nước nhảy 62

Bảng 3.43: Kết quả so sánh phân bố lưu tốc tại bể tiêu năng 62

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Công trình tháo là bộ phận quan trọng trong đầu mối các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện Loại công tình này rất phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu Nghiên cứu các yếu tố về công trình, tình hình làm việc của bản thân công trình, sự ảnh hưởng qua lại của các yếu tố công trình và dòng chảy tới sự làm việc và an toàn cho công trình là vấn đề khoa học và có tính thực tiễn cao, sự an toàn của công trình còn gắn liền với an toàn của khu vực hạ du

Trong các công trình tháo nước ở Việt Nam, đập tràn chiếm một tỷ lệ khá lớn và khi có điều kiện sử dụng thì đây là một loại công trình tháo rẻ nhất Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu động năng thừa của dòng chảy là rất lớn

và có thể gây ra xói lở và làm mất ổn định công trình, do đó rất cần thiết phải

có biện pháp tiêu năng trước khi dòng chảy nối tiếp với hạ lưu Nối tiếp tiêu năng sau công trình có nhiều hình thức khác nhau, trong đó dạng nối tiếp chảy đáy với hình thức tiêu năng đáy được sử dụng rộng rãi và chiếm một tỷ lệ lớn trong xây dựng công trình thuỷ lợi Nghiên cứu chế độ thuỷ lực nối tiếp thượng

hạ lưu để nắm rõ tình hình làm việc của bản thân công trình, hạn chế tối đa ảnh hưởng của dòng chảy và chọn hình thức kết cấu cũng như giải pháp tiêu năng hợp lý là vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tiến cao và rất quan trọng Do đó, trong thiết kế công trình thuỷ lợi, giải quyết tốt vấn đề nối tiếp tiêu năng sau công trình là một trong những vấn đề phải được quan tâm hàng đầu

Vấn đề tính toán nối tiếp và tiêu năng của công trình tháo nước rất phức tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu: dòng xiết, hàm khí, mạch động áp xuất và mạch động lưu tốc lớn.v.v Mặt khác, về mặt hình thức và kết cấu công trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: điều kiện địa hình, địa chất tuyến công trình, độ chênh lệch mức nước

thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu công trình, lưu lượng tháo qua công trình, trị

số và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình.v.v Chính vì vậy, để hoàn thiện phương án thiết kế, người ta thường thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thuỷ lực để tìm ra chế độ thủy lực và giải pháp tiêu năng hợp lý nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát quá trình diễn biến dòng chảy qua công trình cũng như thiết lập quy trình vận hành tối ưu cho việc quản lý,

sử dụng công trình

Kinh phí để xây dựng công trình tháo nước thường chiếm một tỷ lệ đáng

kể (từ 20÷50% tổng vốn đầu tư) Khi đó, việc tìm kiếm các giải pháp công trình hợp lý để thoả mãn các nhiệm vụ đã đề ra và giảm được khối lượng đào đắp, xây đúc trong điều kiện công trình làm việc an toàn có ý nghĩa kinh tế rất lớn

Một vấn đề nữa cũng cần phải đề cập tới là từng công trình lại có đặc điểm làm việc, điều kiện địa hình, dòng chảy riêng nên phải có biện pháp thích hợp tương ứng

Tóm lại, nghiêm cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho công trình tháo nước là vấn đề rất quan trọng, việc nghiên cứu giải quyết tiêu năng cho dòng chảy qua công trình là rất cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn trong công tác thiết kế, xây dựng công trình

Với tất cả những lý do kể trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2” nhằm tìm ra được hình

thức kết cấu tiêu năng hợp lý cho công trình Hạ Sê San 2 Từ kết quả nghiên cứu công trình cụ thể này có thể rút ra những kết luận chung cho những công trình có điều kiện và hình thức tương tự

II Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1 Nhiệm vụ:

- Tính toán lý thuyết

- Lựa chọn phương án nghiên cứu thực nghiệm

- Thí nghiệm các phương án lựa chọn

- Tổng hợp, phân tích các phương án tính toán lý thuyết và thí nghiệm, đưa ra hình thức kết cấu tiêu năng hợp lý cho công trình góp phần giảm nhẹ kết cấu tiêu năng và phòng chống xói lở ở hạ lưu

2 Mục tiêu:

- Nêu được các đặc điểm cơ bản của nối tiếp và tiêu năng sau đập tràn

- Tìm được sự ảnh hưởng của hình thức kết cấu bể tiêu năng tới dòng chảy ở hạ lưu thông qua công trình cụ thể là đập tràn Hạ Sê San 2 để lựa chọn được hình thức kết cấu tiêu năng hợp lý

- Bước đầu khái quát những kết quả nghiên cứu nhằm rút ra những kết luận chung để có thể áp dụng cho những công trình có hình thức và điều kiện tương tự

III Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cho công trình cụ thể là đập tràn Hạ Sê San 2 mà ở đây chủ yếu đi sâu vào hai nội dung sau:

- Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng hình thức bể tiêu năng vào công trình để so sánh với lý thuyết tinh toán góp phần giảm nhẹ kết cấu tiêu năng

và giảm xói lở ở hạ lưu công trình

- Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đưa ra kết cấu bể tiêu năng hợp lý cho công trình

IV Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, luận văn kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm để đi đến những luận cứ khoa học và các đề xuất áp dụng Phương pháp nghiên cứu là:

- Phương pháp nghiên cứu lý luận là tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học có liên quan đến đề tài đã được công bố, phân tích và tính toán lý thuyết vấn đề nghiên cứu, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

V Kết cấu luận văn

Bố cục của luận văn như sau:

Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu, nhiệm vụ, nội dung, phạm vi nghiên cứu

và phương pháp nghiên cứu

Chương I: Tổng quan về tràn xả lũ

Chương II: Tính toán bể tiêu năng tràn xả lũ Hạ Sê San 2

Chương III: So sánh kết quả tính toán lý thuyết

và kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực

Chương IV: Kết luận và kiến nghị

- Những kết quả đạt được của luận văn

- Những tồn tại của luận văn

- Kiến nghị

Các tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TRÀN XẢ LŨ

Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Trong đầu mối công trình thuỷ lợi, công trình tháo là một bộ phận quan trọng, nó có thể dùng để tháo phần nước lũ thừa trong thời gian hồ đầy đến mực nước tính toán hoặc kết cấu tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng để tháo hoàn toàn hoặc một phần hồ chứa để sửa chữa hoặc nạo vét và cấp nước cho

hạ lưu công trình

Các công trình tháo đã xây dựng ở nước ta tương đối phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đã đang và sẽ triển khai thiết kế và xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều công trình có hồ chứa và công trình

xả lũ có quy mô lớn Có thể nêu ra một số dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San

4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh, Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba

Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc Hà,… Đây là những công trình có quy mô hồ chứa có dung tích từ hàng triệu cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của công trình xả nước cũng từ hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s Có thể nói trong khoảng gần 20 năm trở lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ chứa lớn phát triển nhanh Chúng ta đã nhanh chóng áp dụng thành công những công nghệ thiết kế, thi công tiên tiến của thế giới để xây dựng các công trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền thống (CVC) khối lớn cấp phối liên tục Trong số đó có những đập đã được đưa vào vận hành an toàn, về đập đá

đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San 3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập Plêikrông Trước đó, chúng ta cũng đã xây dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy, Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng,

A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn của từng công trình mà đã thiết kế nhiều dạng công trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí công trình, bao gồm cả tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản Chát, Huội Quảng, …), xả mặt kết hợp với xả sâu (Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang), đường tràn dọc (Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Rào Quán, Đại Ninh,…)

Về hình thức tiêu năng sau công trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu năng được áp dụng:

Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp Biện pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các công trình vừa và nhỏ, mực nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An,

A Lưới,…) Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có quy mô lớn

Tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy Nhìn chung, với chế độ chảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy Chế độ chảy mặt có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít

1.2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG

1.2.1 Khái quát chung

Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy đổ từ thượng lưu qua công trình về hạ lưu, nguồn năng lượng của dòng chảy khá lớn sẽ tạo ra chế độ thuỷ lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình

Đặc tính thuỷ lực cơ bản của dòng chảy qua công trình tháo là êm ở thượng lưu (Fr < 1); chảy xiết trên đoạn chuyển tiếp (Fr > 1) và dần trở lại trạng thái tự nhiên sau khi chảy vào sông thiên nhiên

Động năng thừa của dòng chảy đổ từ thượng lưu qua công trình xuống

hạ lưu là rất lớn nên cần thiết phải giải quyết tiêu năng trước khi dòng chảy nối tiếp về hạ lưu Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa, điều chỉnh lại sự phân bộ vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở

về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm khối lượng gia cố nhưng vẫn bảo vệ được cho công trình đầu mối, cho hai bờ, lòng dẫn hạ lưu

và phải đảm bảo sự ổn định trong những điều kiện thuỷ lực tương ứng với các cấp lưu lượng xả qua công trình

Một trong những nhiệm vụ chính của thiết kế nối tiếp thượng hạ lưu là nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn kết cấu và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thuỷ lực của công trình nối tiếp tiêu năng Giải quyết đúng đắn nhiệm vụ này là vấn đề rất phức tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu lan truyền xuống và ảnh hưởng đến hạ lưu bao gồm các vấn đề: dòng xiết, hàm khí, mạch động áp suất và mạch động lưu tốc lớn Đặc điểm của những chế độ nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa các dòng chảy với công trình

nối tiếp và lòng dẫn Mặt khác, về mặt hình thức và kết cấu công trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: Điều kiện địa hình, địa chất tuyến công trình, độ chênh mực nước thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu công trình, trị số

và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình.v.v

1.2.2 Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài

Bài toán về nối tiếp và tiêu năng dòng chảy qua công trình đã được các nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu, đưa ra các lời

giải trên các lĩnh vực và khía cạnh khác nhau

* Các vấn đề nối tiếp chảy đáy ở hạ lưu theo phương pháp lý thuyết có thể kể đến Bidone năm 1880, Belanger năm 1928 và gần đây là N Ragiaratman với công thức tính chiều sâu liên hiệp của nước nhảy phân giới;

* Theo phương pháp thực nghiệm, dựa trên phương trình năng lượng và động năng có nhiều tác giả đã tiến hành thí nghiệm để tìm ra các hệ thức tính toán nước nhảy và từ đó tính dạng nối tiếp giữa dòng xả và dòng chảy hạ lưu:

- Tréc tou xốp sử dụng hệ thức nước nhảy của Belanger và phương trình năng lượng để xác định độ sâu co hẹp tại chân đập và độ sâu liên hiệp của nó;

- Giáo sư A-grốt-Skin đã lập các phương trình tính toán nước nhảy theo dạng không thứ nguyên;

- Ngoài ra có thể kể đến các tác giả như: Aivadian, Pavơlôpxki, V.I.Avrinnhayry, V.A.Saomian có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy;

- Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài toán phẳng có: T Bunsu, An Rakhơmanốp, N.Rangiatman,v.v…

- Đối với những trường hợp nước nhảy không gian thì khi mở rộng đột ngột có nhiều nhà nghiên cứu như: Picalôp, Abơranôp đã đưa ra sơ đồ nước nhảy hoàn chỉnh dạng đối xứng Các nhà khoa học như Linhxepxki, Guncô,

Serenkôp, B.T.Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra dạng cũng như phân bố vận tốc của dòng xiên mở rộng Cũng còn có thể kể đến các nghiên cứu nối tiếp dòng xiết và dòng êm ở hạ lưu công trình với điều kiến biên mở của các tác giả như: Q.F Vaxiliep, M.F.Clatnhep

- Khi nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần trong khu vực nối tiếp nhiều tác giả như: Ra-khơ-ma-nốp, T.D.Prô-vô-rô-va

* Trong trường hợp bậc thấp có đập thụt nối tiếp: có các kết quả nghiên cứu của Forter và Krinde, Moore và Morgan, Ventechow Yames và Sharp

* Các nối tiếp chảy mặt ở hạ lưu công trình có thể kể đến:

- Các nghiên cứu của A.A Xabanhep xuất phát từ quan điểm cho rằng áp suất

ở bậc tuân theo quy luật thuỷ tĩnh để đi đến các hệ thức tính toán thuỷ lực ở sau bậc

- Ngoài ra có thể kể đến các nghiên cứu của M.F Scolanhep, M.A Makhlop về trạng thái nối tiếp chảy mặt

* Các vấn đề nối tiếp chảy mặt dạng dòng phun tự do ở hạ lưu công trình thực chất là việc tính toán chiều sâu hố xói với các nghiên cứu của T.E Mirtxkhulava đối với nền đất không dính và của T.Kh Akhơ-me-đốp với nền

đá rắn, các nghiên cứu của B.M.Sicvascvili về nối tiếp với sự hợp nhau của hai dòng phun tự do

* Các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu công trình có thể kể đến các nghiên cứu của B.M Sicvasvili

* Các nghiên cứu về thuỷ lực và biện pháp công trình trong đoạn chuyển tiếp còn có thể kể đến các tác giả như:

- Về tiêu năng trong bể, các ảnh hưởng liên quan của mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của: Tréc tou xốp, Smetana, Bá Kirova, Ughin trut, P Novak…

- Về xói hạ lưu có các tác giả như: Ter-Arakelian, Chalumina, Vuzgo…

- Cu min đã nghiên cứu rất kỹ sự phân bố lưu tốc trong vùng chuyển tiếp thông số đặc trưng α

- Vấn đề mạch động trong và sau nước nhảy đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của Lê Vi

- Vấn đề xói: Grund đã tìm ra những cấu trúc đặc biệt bên trong nước nhảy liên qua đến bài toán xói bằng cách khái quát trường lưu tốc bằng ba miền tương

1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Viêt Nam, trong mấy thập kỷ gần đây, vấn đề nghiên cứu chế độ thuỷ lực và chọn bể tiêu năng chống xói ở hạ lưu công trình thuỷ lợi nói chung đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý công trình thuỷ lợi Đã có nhiều công trình nghiên cứu tại Viên khoa học Thuỷ lợi (các tác giả: Trương Đình Dụ, Trần Đình Hợi, Hàn Quốc Trinh, Trần Quốc Thưởng…), Trường Đại học Thuỷ lợi (các tác giả: Hoàng Tư An, Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý…) Viện khoa học Thuỷ lợi Nam bộ (các tác giả: Nguyễn

Ân Niên, Trần Như Hối, Tăng Đức Thắng) và nhiều nhà chuyên môn khác Một số tác giả Việt Nam đã có cùng hướng nghiên cứu với các tác giả trên thế giới để có những kết luận của riêng mình nhưng cũng có những tác

giả đi theo những hướng nghiên cứu riêng phù hợp với tình hình thực tiễn ở Việt Nam Có thể tóm tắt một số kết quả nghiên cứu sau:

- Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Đặng dùng lý thuyết lớp biên để thành lập phương trình về nước nhảy ổn định

- Nguyên cứu của Lê Bá Sơn về các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp

ở hạ lưu công trình

- Nguyên cứu của Võ Xuân Minh về ảnh hưởng liên quan của mực nước

hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói

một số biện pháp phân bố đều lưu lượng và từ đó tìm ra biện pháp công trình hợp lý để giải quyết bài toán tiêu năng khi có nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần

- Các nghiên cứu của Hoàng Tư An, Phạm Ngọc Quý và một số người khác về xói và ổn định ở hạ lưu công trình tháo nước

1.2.4 Các loại đập tràn và tiêu năng hạ lưu

+ Đập tràn có mặt cắt thực dụng (hình 1-1b, 1-1c) khi 0.67H<δ<(2÷3)H, chiều dày đập đã ảnh hưởng đến làn nước nhưng không quá lớn, loại này mặt đập có thể là hình đa giác hoặc hình cong và có hai loại: có chân không và không chân không

Đối với đập tràn thực dụng không chân không (hình 1-1b), dòng chảy trên đập sẽ êm, áp suất dọc mặt đập luôn luôn dương Với đập thực dụng có mặt cắt chân không (hình 1-1c), ở đỉnh đập có áp lực chân không, lúc chân không lớn có thể sinh ra hiện tượng khí thực, tuy nhiên chân không trên đỉnh đập có tác dụng hút, làm tăng lưu lượng Do đó để rút ngắn được chiều rộng đập và đảm bảo an toàn người ta không cho phép trị số chân không quá lớn, thường Hck < (6÷6.5)m cột nước

+ Đập tràn đỉnh rộng (hình 1-1d) khi đỉnh đập nằn ngang (hoặc rất dốc)

và có chiều dày tương đối lớn (2÷3)H < δ < (8÷10)H, trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần Nếu δ > (8÷10)H lúc đó coi dòng chảy trên đỉnh đập như một đoạn kênh

Hình 1-1: Các loại đập tràn theo dạng mặt cắt đập

- Phân loại theo hình dạng cửa tràn gồm có:

+ Đập cong, thường là hình cung

+ Đâp kiểu giếng, có đường tràn nước là hình cong kín, thường là tròn

- Theo hướng của đập so với hướng dòng chảy chính:

+ Đập thẳng góc với dòng chảy

+ Đập đặt xiên

+ Đập bên đặt một bên bờ song song với dòng chính

Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đang triển khai thiết kế và xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều công trình có hồ chứa và công trình xả lũ có quy mô lớn Có thể nêu ra một số

dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San 4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh, Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc Hà,… Đây là những công trình có quy mô hồ chứa có dung tích từ hàng triệu cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của công trình xả nước cũng từ hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s Có thể nói trong khoảng 5÷6 năm trở lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ chứa lớn phát triển nhanh Chúng ta

đã nhanh chóng áp dụng thành công những công nghệ thiết kế, thi công tiên tiến của thế giới để xây dựng các công trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá

đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền thống (CVC) khối lớn cấp phối liên tục Trong số đó có những đập đã được đưa vào vận hành an toàn, về đập đá đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San

3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập Plêikrông Trước đó, chúng ta cũng đã xây dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy, Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng, A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn của từng công trình mà đã thiết kế nhiều dạng công trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí công trình, bao gồm cả tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản Chát, Huội Quảng, …), xả mặt kết hợp với xả sâu (Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang), đường tràn dọc (Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Rào Quán, Đại Ninh,…)

Về hình thức tiêu năng sau công trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu năng được áp dụng:

- Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp Biện pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các công tình vừa và nhỏ, mực nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An,

A Lưới,…) Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có quy mô lớn

- Tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy Nhìn chung, với chế độ

chảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy Chế độ chảy mặt có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia

cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít

- Tiêu năng bằng dòng phun xa: Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi phun ở chân đập hoặc cuối dốc nước để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập Đây là hình thức tiêu năng được dùng khá phổ biến, đặc biệt trong các công trình xả có cột nước cao Tiêu năng dòng phun xa được chia làm hai loại cơ bản theo đặc điểm kết cấu mũi phun:

+ Mũi phun liên tục: đặc điểm dòng phun là 1 dòng chảy không có sự va đập với nhau trong quá trình bay trong không khí, dòng đổ xuống hạ lưu do năng lượng tiêu hao ít nên gây ra vận tốc và sóng lớn ở hạ lưu Mặt khác, dòng phun là dòng chảy tập trung ít trộn khí nên trong trường hợp cột nước cao, tỷ lưu lớn sẽ làm cho chiều sâu xói lớn

+ Mũi phun không liên tục (hay mũi phun 2 tầng): là loại mũi phun tạo nên các dòng phun va đập vào nhau trong quá trình bay trong không khí, dòng đặc tập trung được phân tán thành nhiều dòng rơi xuống mặt nước hạ lưu Năng lượng dòng chảy được tiêu hao nhiều nên vận tốc và sóng ở hạ lưu nhỏ,

do đó giảm chiều sâu xói và khối lượng gia cố ở hạ lưu

Đối với hình thức tiêu năng bằng dòng phun ở chân đập đã được thiết kế

ở một loạt các công trình có đập bê tông (CVC và RCC) như Sê San 3, Plêikrông, Sê San 3A, A Vương, Bản Vẽ, Bản Chát, Huội Quảng, Đồng Nai

3, Đồng Nai 4,… Hình thức tiêu năng bằng mũi phun cuối dốc nước cũng được áp dụng cho một loạt các công trình xả cột nuớc cao, lưu lượng lớn như: Ialy, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Sơn La, Cửa Đạt…

Chiều cao đập (m)

Chiều rộng tràn (m)

Số khoang tràn

Loại đập

1 Bái Thượng Thanh

Chiều rộng

Số khoang

Loại đập

13 Hùng Sơn Hoà

Bình

dâng

1.2.4.2 Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu đập tràn

Dòng chảy từ thượng lưu qua đập tràn nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu công trình bằng các hình thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt, nối tiếp phóng xa

Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu đập tràn đó là:

- Có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang

- Mực nước hạ lưu rất không ổn định

- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao Thường sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về trạng thái phân bố bình thường, nhưng mạch động áp lực phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng thái bình thường

- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoẵn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng…

Từ những đặc điểm đó mà ở hạ lưu công trình thường xảy ra các hiện tượng xói cục bộ, xâm thực, xói lở nghiêm trọng… ảnh hưởng đến an toàn công trình

Từ sự phân tích trên ta thấy việc nghiên cứu chế độ thuỷ lực giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu công trình là một trong những công việc quan trọng nhất của tính toán thiết kế công trình thuỷ lợi

1.2.4.3 Tiêu năng hạ lưu đập tràn

Dòng chảy sau khi qua công trình tràn xuống hạ lưu có năng lượng thừa rất lớn Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng lượng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập, một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác tiêu hao do ma sát giữa nước và không khí Khi sức cản nội bộ dòng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lượng do xói lở càng nhỏ và ngược lại Vì vậy người ta thường dùng biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy để giảm khả năng xói lở lòng sông hoặc dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp

và ma sát với không khí có tác dụng tiêu năng lượng và giảm xói lở Để đạt mục đích đó, thường dùng các hình thức tiêu năng sau:

- Tiêu năng bằng dòng đáy (hình 1-2a, hình 1-2b);

- Tiêu năng bằng dòng mặt không ngập (hình 1-2c);

- Tiêu năng bằng dòng mặt ngập (hình 1-2d);

- Tiêu năng bằng dòng phun xa (hình 1-2e)

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, phương ngang và

để giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng đó có liên quan lẫn nhau Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển hoá lẫn nhau

Hình 1-2: Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập tràn

A Tiêu năng bằng dòng đáy

Đặc điểm của hình thức tiêu năng bằng dòng đáy (hình 1-2a, 1-2b) là lợi dụng nội ma sát của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa Đây là hình thức thường được sử dụng nhất trong xây dựng công trình thuỷ lợi Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này chiều sâu nước ở 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

Để tiêu năng dòng đáy thường dùng các biện pháp công trình sau:

- Tiêu năng bằng bể tiêu năng;

- Tiêu năng bằng tường tiêu năng;

- Tiêu năng kết hợp cả tường và bể

Trong tiêu năng dòng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt nó đạt giá trị lớn về cả tần số và biên độ, có khả năng gây xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy và đoạn nối tiếp theo sân sau cần phải bảo vệ thích đáng Để tăng hiệu quả tiêu năng, người ta thường bố trí thêm trên sân sau các thiết bị phụ như tường, mố, ngưỡng… tạo tường phân dòng chảy để khuếch tán đều dòng chảy ở hạ lưu, tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tiêu hao một phần năng lượng Tiêu năng dòng đáy thường dùng với công trình có cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém

B Tiêu năng bằng dòng mặt

Với hình thức tiêu năng này, dòng chảy ở trạng thái chảy mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy Kinh nghiệm cho thấy hình thức tiêu năng này là đạt hiệu quả tiêu năng không kém nhiều so với hình thức tiêu năng đáy, 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

Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu đập tràn có bậc thụt (hình 1-2) phụ thuộc vào mực nước hạ lưu, bao gồm:

- Trạng thái thứ nhất: Khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức

hh<a, dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa (hình 1-2e)

- Trạng thái thứ hai: Khi cột nước hạ lưu hh nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất hghI : hh< hghI, dòng chảy ở trạng thái chảy đáy (hình 1-2b), lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa tuỳ theo hc’’ và hh

- Trạng thái thứ ba: Gọi là dòng chảy mặt không ngập, khi cột nước hạ

lưu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất hghI và độ sâu giới hạn thứ hai hghII (hình 1-2c): hghI <hh<hghII

Lúc này, độ sâu nước hạ lưu cần phải lớn hơn hc’’ của nước nhảy đáy, đồng thời hh>a (a-chiều cao bậc thụt, xem hình 1-2; a = 0,25 ÷0,35 chiều cao đập) Trạng thái dòng chảy chịu ảnh hưởng rất lớn của góc nghiêng θ ở chân đập Nếu θ lớn quá có thể sinh ra chảy phóng xa, nếu θ nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng θ = 10o ÷ 15o là thích hợp

Hình thức tiêu năng dòng mặt không ngập thích hợp với đập tràn có tháo các vật trôi nổi để tránh các vật trôi nổi va chạm vao sân sau hoặc thân đập Tuy nhiên nhước điểm của hình thức tiêu năng này là làm việc không ổn định khi mực nước hạ lưu thay dổi lớn; ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng không tốt tới chế độ làm việc của nhà máy thuỷ điện, vận tải thuỷ và xói lở bờ sông và yêu cầu mực nước hạ lưu phải sâu

- Trạng thái thứ tư: Dòng chảy mặt ngập, khi cột nước hạ lưu lớn hơn

độ sâu giới hạn thứ hai (hình 1-2d): hh>hghII Nhược điểm của hình thức tiêu năng này là dòng chảy gây lực xung kích lớn ở mũi chân đập gây ảnh hưởng tới ổn định đập

Nhìn chung, với chế độ chảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy Chế độ chảy mặt thích hợp trong trường hợp chiều sâu mực nước hạ lưu ổn định, dùng với chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ hạ lưu có khả năng ổn định, chống xói tốt Tuy nhiên sử dụng hình thức tiêu năng dòng mặt gây trở ngại cho thuyền bè đị lại ở hạ lưu

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

C Tiêu năng bằng dòng phóng xa (tiêu năng phóng xa)

Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi phun ở chân đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập (hình 1-2e)

Hình thức tiêu năng này bao gồm hai phần: một phần lợi dụng ma sát với không khí để tiêu hao, phần còn lại sẽ được tiêu tán bởi lớp nước đệm hạ lưu

Do lưu tốc cao, ma sát lớn làm mức độ rối của dòng chảy tăng lên, không khí trộn vào nước càng nhiều Dòng chảy càng khuếch tán lớn trong không khí và càng trộn lẫn nhiều trong không khí thì năng lượng được tiêu hao càng lớn Dòng chảy phóng xa xuống hạ lưu gây nên xói lở, sau khi hố xói đạt đến một

độ sâu nhất định thì năng lượng thừa của dòng chảy được hoàn toàn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, do đó nếu mực nước hạ lưu càng lớn và khả năng mở rộng của dòng phóng xa càng nhiều thì mức độ xói lở lòng sông càng giảm Đồng thời do dòng chảy phóng khỏi chân đập tương đối xa nên dù có xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít hảnh hưởng nguy hại đến an toàn của đập Cấu tạo của hình thức tiêu năng phóng xa đơn giản, thường dùng với công trình có cột nước cao và điều kiên địa chất tốt tuy nhiên nó có một số 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

Trong các hình thức tiêu năng trên, thì hình thức nối tiếp tiêu năng dòng đáy và nối tiếp tiêu năng kiểu phóng xa có điều kiện làm việc ổn định và được

sử dụng rộng rãi trong các công trình thuỷ lợi ở nước ta

Ngoài các hình thức nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu các công trình thuỷ lợi

ở trên, với những dòng chảy có lưu tốc lớn, để tăng cường tiêu hao hiệu quả năng lượng thừa, người ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ Tuy nhiên cần phải chú ý đến các hiện tượng xâm thực do khí thực hoặc mài mòn xảy ra phá hoại các thiết bị tiêu năng phụ và hiện tượng các vật nổi va đập vào các thiết bị này Do vậy để bố trí thiết bị tiêu năng phụ được hiệu quả thường được kiểm nghiệm qua thí nghiệm mô hình

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VỀ

TIÊU NĂNG ĐÁY

Thiết kế tiêu năng phòng xói là một vấn đề khó, chưa có lời giải chính xác hoàn toàn Hiện nay nghiên cứu tiêu năng đã có nhiều phương pháp, các phương pháp có thể ứng dụng độc lập hoặc phối hợp với nhau

Với các công trình nhỏ, bố trí các bộ phận chủ yếu gần với sơ đồ lý thuyết có thể dùng các công thức thuỷ lực học để tính Đối với các công trình lớn và vừa sau khi dùng công thức thuỷ lực tính toán phải tiến hành nghiệm chứng bằng mô hình thuỷ công

Trong các bài toán tiêu năng phòng xói, sử dụng các công thức toán học hoặc công thức kinh nghiệm đều bị giới hạn bởi phạm vi ứng dụng, giải quyết

và phân tích bằng số học có khó khăn, khi suy diễn công thức lý luận cần các giả thiết để đơn giản hoá Khi giải các phương trình phải bỏ đi các số hạng bậc cao Vì vậy các kết quả tính toán theo công thức lý luận thường có giá trị gần đúng Các công thức kinh nghiệm đáng tin cậy nhưng phạm vi sử dụng cũng có giới hạn không thể mở rộng ạp dụng được

1.3.2 Phương pháp thực nghiệm mô hình

Mô hình thí nghiệm mô phỏng được công trình thực tế kể cả trogn điều kiện phức tạp mà kết quả rất gần với thực tế Bằng thực nghiệm giải quyết

những vấn đề thực tế của thiết kế, xây dựng và khai thác sử dụng công trình thuỷ lợi mà những vấn đề đó không giải quyết thoả đáng được bằng con đường lý luận Từ thực nghiệm mô hình thuỷ lực xây dựng được các công thực thực nghiệm, kiểm tra, bổ sung và chính xác hoá các công thức lý thuyết, kiểm tra các kết quả của mô hình toán Ngoài ra phương pháp này còn dùng

để kiểm chứng các kết quả có được từ phương pháp lý luận Có thể nói mô hình thí nghiệm là mẫu của công trình thực tế, khi mô hình thí nghiệm sát với thực tế sẽ có điều kiện tin cậy

Tuy nghiên các công thức thực nghiệm có phạm vi ứng dụng nhất định

và có giá trị gần đúng, bằng thí nghiệm mô hình có hiện tượng chưa thể hiện chính xác được như hiện tượng sóng vỗ, dòng chảy có hiện tượng trộn khí thường thí nghiệm không mô tả được Căn cứ vào thực nghiệm mô hình để quyết định kích thước công trình tiêu năng đôi khi không hoàn toàn chính các, bởi vì giữa mô hình và dòng chảy thực tế có những khác biệt, trạng thái dòng chảy và dòng phát sinh có trạng thái thường không thống nhất Do đó thực nghiệm mô hình cũng không phải là phương pháp tuyệt đối

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu trên nguyên hình

Nguyên hình chính là mô hình có tỷ lệ 1:1 Mọi điều kiện tương tự được đảm bảo Tuy nhiên dòng chảy trong thực tế lại diễn ra theo một quá trình ngoài ý kiến chủ quan của con người, trên nguyên hình không phải lúc nào cũng có thể nghiên cứu quan sát và đo đạc các thông số được, đồng thời khi đã xây dựng xong công trình và có sự cố gây mất an toàn đối với công trình thì việc sử đổi lại các kết cấu công trình và hình thức tiêu năng là vấn đề khó khăn và rất tốn kém

Do vậy khi nghiên cứu về tiêu năng sẽ là không đủ nếu chỉ sử dụng một trong ba phương pháp trên, người ta sử dụng cả ba phương pháp trên kết hợp với nhau để tìm ra phương pháp hữu hiệu Độ chính xác của phương pháp mô hình và tính toán đảm bảo tính hợp lý của thiết kế Tính thực tiễn là kiểm

nghiệm về độ an toàn của công trình Từ các số liệu quan sát nguyên hình ngoài thực tế có các số liệu và có thể xây dựng các công thức thực nghiệm

1.4 MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG ĐÁY

Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THÁO 1.4.1 Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng

Công trình tháo nước thường làm việc với nhiều cấp lưu lượng khác nhau

Do đó, công trình tiêu năng phải giải quyết tiêu năng tốt cho mọi cấp lưu lượng trong phạm vi làm việc đã thiết kế, nghĩa là kích thước của công trình tiêu năng phải đảm bảo tạo ra nước nhảy ngập (với hệ số ngập σ=1.05÷1.0) với bất kỳ trường hợp nào Để đảm bảo yêu cầu đó, phải tính toán lưu lượng gây ra sự nối tiếp bất lợi nhất Lưu lượng đó là lưu lượng tính toán tiêu năng

Trường hợp bất lợi nhất là trường hợp nối tiếp bằng nước nhảy xa có hiệu số (hc”-hh)lớn nhất Khi đó, chiều dài đoạn chảy xiết là lớn nhất, do đó cần phải thiết kế công trình tiêu năng với quy mô lớn nhất

Lưu lượng tính toán tiêu năng không nhất thiết bằng lưu lượng lớn nhất trong thực tế, việc xác định lưu lượng này phải phân tích các trường hợp cụ thể tuỳ thuộc vào mực nước thượng hạ lưu công trình

1.4.2 Xác định hình thức nối tiếp chảy đáy

Độ sâu tại mặt cắt co hẹp hc ở sau công trình được xác định trực tiếp bằng phương pháp Bécnuli viết cho mặt cắt 0-0 và mặt cắt C-C (hình 1-3)

Hình 1-3: Giải pháp tiêu năng đáy ở hạ lưu công trình tháo nước

ξα

Sau khi tính toán được hc theo công thức trên, có thể tính độ sâu liên hợp với hc và hc” với độ sâu hạ lưu hh sẽ xác định được các hình thức nối tiếp dưới đây:

+ Trường hợp 1: Hạ lưu là dòng chảy êm

hc” > hh : nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa

hc” = hh : nối tiếp bằng nước nhảy phân giới

hc” < hh : nối tiếp bằng nước nhảy ngập

(Hình vẽ 1-3)

+ Trường hợp 2: Hạ lưu là dòng chảy xiết

hc” > hh : nối tiếp giảm dần từ hc - hh ( hình1-3)

hc” = hh : hình thành dòng đều ngay sau mặt cắt co hẹp( hình 1-3)

hc” < hh : có đường dâng nối tiếp với dòng đều trong kênh dẫn (hình 1-3)

Trong hình thức nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa, ở sau mặt cắt co hẹp C-C có một đoạn dòng chảy xiết( đường mặt nước loại C), rồi qua nước nhảy

mà chuyển thành dòng chảy êm bình thường ở hạ lưu Độ sâu liên hiệp thứ 2

sau nước nhảy chính là độ sâu dòng chảy bình thường ở hạ lưu Do đó biết độ sâu hạ lưu hc” = hh, ta có thể tính độ sâu trước nước nhảy và từ đó có thể xá định được chiều dài đoạn chảy xiết theo phương pháp tính dòng không đều

1.4.3 Các biện pháp tiêu năng trong chế độ chảy đáy

Ta đã biết nối tiếp chảy đáy có nước nhảy xa là nguy hiểm nhất, vì vậy phải tìm biện pháp khử dạng nối tiếp này chuyển nó thành nối tiếp bằng nước nhảy ngập Tuy nhiên dòng chảy sau nước nhảy ngập vẫn có vận tốc lớn ở đáy và dòng mạch động kéo dài, vì vậy cho phép tạo thành nối tiếp chảy mặt

Có nhiều biện pháp và hình thức tiêu năng, trong đó biện pháp cơ bản nhất là biến đổi chế độ nối tiếp bằng nước nhảy xa thành nối tiếp bằng nước nhảy ngập Muốn vậy, cần tăng độ sâu ở hạ lưu bằng cách:

- Đào sân sau: Tức là làm bể tiêu năng:

- Làm tường chắn để nâng cao mực nước – Tức là làm tường tiêu năng;

- Vừa đào sâu, vừa làm tường – Bể và tường tiêu năng kết hợp

- Ngoài ra có trí thiết bị tiêu năng phụ - Các mố, ngưỡng, răng

Nhiệm vụ tính toán là xác định chiều sâu bể, chiều cao tường tiêu năng Chiều dài bể Lb và xác định hình thức, kích thước thiết bị tiêu năng phụ

1.4.3.1 Tính bể tiêu năng (hình vẽ 1-3)

Phương pháp chung thường tính chiều sâu bể tiêu năng theo công thức:

Trong đó:

hh – độ sâu hạ lưu khi chưa đào bể;

hc” – độ sâu liên hợp với độ sâu co hẹp hc tính với cao trình sân bể, với cột nước thượng lưu E0’= E0 + d

σ – hệ số an toàn ngập, lấy khoảng 1,05 ÷ 1,0;

hc”- Chênh lệch cột nước ở cửa ra của bể, tính bằng công thức:

g

Q

ω

αω

Với:

ωb - Diện tích mặt cắt ướt ở cuối bể, có chiều sâu hb = σhc”

Δ- Diện tích mặt cắt ướt ở hạ lưu sau bể;

ϕ’- Hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể, lấy khoảng 0,95 ÷ 1,0;

Như vậy, trong công thức (1-4), để tính d, các số hạng hc” và ΔZ lại phụ thuộc vào chính ẩn số d Do đó, bài toán phải giải bằng cách tính đúng dần (Hình vẽ 1-3)

1.4.3.2 Tính tường tiêu năng

Chiều c của tường tiêu năng tính bằng công thức:

"

2 3

/ 2

( 2

Q g

Ở nước ta cho đến nay kết cấu tiêu năng đáy là một trong các hình thức thường được sử dụng nhất Để tăng hiệu quả tiêu năng thì trên sân sau thường xây dựng thêm các thiết bị tiêu năng để tiêu hao năng lượng dòng chảy như

mố, ngưỡng… làm cho dòng chảy gây nên lực phản kích lại và giảm được hc”, rút ngắn chiều dài sân sau, đồng thời giảm được độ sâu đào bể, giảm chiều cao tường tiêu năng Nói chung các hình thức mố hoặc ngưỡng đều làm cho dòng chảy biến động và tăng hiệu quả tiêu năng Tuy nhiên do thiết bị tiêu năng thường bố trí ở những nơi có lưu tốc lớn nên xung quanh nó dễ sinh áp lực âm Lưu tốc càng lớn, nếu mố hoặc ngưỡng tiêu năng không thuận thì áp lực càng lớn, gây nên khí thực, phá hoại bê tông làm cho điều kiện làm việc của thiết bị tiêu năng không tốt Điều này đòi hỏi phải có cách tính toán phù hợp hơn và cần phải nghiên cứu cả trên mô hình thuỷ lực

Việc xử lý nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu và tìm giải pháp tiêu năng phòng xói cho công trình là cần thiết và rất phức tạp vì nó chịu sự ảnh hưởng của nhiều hiện tượng thuỷ lực bất lợi Theo hướng thí nghiệm mô hình thuỷ lực, luận văn xin được trình bày tính toán ban đầu về xác định bể tiêu năng sau đập tràn và kết hợp với kết quả thí nghiệm sẽ chọn hình thức, kết cấu bể tiêu năng hợp lý, đảm bảo an toàn cho công trình đập tràn Hạ Sê San 2

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN BỂ TIÊU NĂNG TRÀN XẢ LŨ HẠ SÊ SAN 2

2.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TRÌNH HẠ SÊ SAN 2 2.1.1 Khái quát chung về công trình Hạ Sê San 2

Công trình thuỷ điện Hạ Sê San 2 nằm trên lãnh thổ Campuchia, cách biên giới Việt Nam - Capuchia khoảng 250km về phía Tây; cách điểm nhập lưu sông Srêpôk và Sê San về phía hạ lưu khoảng 1,5 km; cách điểm hợp lưu giữa sông Sêkông và sông Sê San khoảng 20km về phía thượng lưu, vùng lòng hồ nằm hoàn toàn trong huyện Sê San tỉnh Stungstreng của Campuchia Thuỷ điện Hạ Sê San 2 là công trình cuối trong sơ đồ bậc thang phía sau hợp lưu sông Sê San và Srêpok

2.1.1.1 Nhiệm vụ công trình

Tạo nguồn điện cung cấp cho phát triển kinh tế và đời sống nhân dân khu vực tỉnh Ratarakin và Stungtreng ngoài ra còn cung cấp phần điện năng còn lại cho lưới điện Việt Nam Đầu tư xây dựng công trình thuỷ điện Hạ Sê San 2, ngoài việc đảm bảo thực hiện được nhiệm vụ nêu trên sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển kinh tế - xã hội của khu vực như:

- Tạo nguồn bổ sung nước cho khu vực hạ lưu vào mùa kiệt đáp ứng nhu cầu phục vụ nước sinh hoạt và công nghiệp trong tương lai

- Phát triển du lịch, giao thông thuỷ và đánh bắt nuôi trồng thuỷ hải sản khu vực hồ chứa

Sau khi kết thúc xây dựng công trình, khu vực công trình Hạ Sê San 2 với các cơ sở dân cư, văn hoá, xã hội sẽ trở thành một điểm tập trung dân cư với cơ sở hạ tầng tương đối đầy đủ Hệ thống đường giao thông phục vụ thi công vận hành công trình sẽ tạo ra khả năng giao lưu về kinh tế và xã hội của

khu vực xây dựng công trình với các trung tâm kinh tế, xã hội của địa phương góp phần phát triển kinh tế khu vực

2.1.1.2 Các hạng mục của công trình nghiên cứu

+ Đập dâng để tạo cột nước và hồ chứa

+ Đập tràn xả lũ

+ Tuyến năng lượng

2.1.1.3 Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chính

2.1.2 Đập tràn nước

2.1.2.1 Giới thiệu về đập tràn

Các thông số cơ bản của tràn:

- Đập tràn thực dụng không chân không kiểu Cơ-ri-giơ -Ô -phi-xê-rôv

2.2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH BỂ TIÊU NĂNG 2.2.1 Các số liệu ban đầu

- Đập tràn thực dụng không chân không kiểu Cơ-ri-giơ -Ô -phi-xê-rôv

- MNDBT = 75,00m; MNC = 74,00m

- Số khoang: n = 12

- Cao độ ngưỡng: (+59,00)m

- Chiều rộng 01 khoang: b = 15,0m

- Chiều cao van: 16,0m

- Quy phạm tính toán thủy lực đập tràn QPTL-C-8-76

2.2.2 Năng lực xả của đập tràn

Lưu lượng xả qua đập tràn thực dụng xác định theo công thức sau:

2 / 32

+ ξmb: Hệ số giảm lưu lượng do ảnh hưởng mép vào tường bên

+ ξmt: Hệ số giảm lưu lượng do ảnh hưởng của hình dạng mố trụ trên mặt bằng

+ Σb = n*b với b là bề rộng khoang tràn, n là số khoang tràn

+ m: Hệ số lưu lượng

+ σΦ: Hệ số hình dạng

+ Ho: Cột nước tràn có kể đến lưu tốc tới gần

Hình 2-1: Sơ đồ tính toán tiêu năng hạ lưu đập tràn

Bảng 2-1: Bảng quan hệ mực nước thượng lưu và lưu lượng xả tổng

Q

2.2.3 Độ sâu dòng chảy tại cửa vào bể

Độ sâu dòng chảy tại đầu vào bể tiêu năng được xác định theo công thức:

) (

2 g Eo hc

q hc

−

= ϕ

Trong đó: + φ: là hệ số lưu tốc, lấy φ = 0,9

+ q: là tỷ lưu, q = Q/Bd + Bd: chiều rộng kênh

+ Eo: Năng lượng tại mặt cắt phía trước tràn tính với mặt chuẩn là đáy bể tiêu năng