Nghiên cứu khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên dốc nước áp dụng cho đường tràng hồ chứa nước cửa đạt

Nguy n Chi n, PGS.TS.

NG I H NG D N KHOA H C 1 GS.TS NGUY N CHI N

NG I H NG D N KHOA H 2 PGS TS NGUY N TRUNG VI T

HÀ N I, N M 2015

L I C M N

Sau th i gian nghiên c u, th c hi n, tác gi đã hoàn thành lu n v n

th c s k thu t chuyên ngành xây d ng công trình th y v i đ tài: “Nghiên

c u kh n ng khí th c và gi i pháp phòng khí th c trên d c n c, áp d ng cho đ ng tràn h ch a n c C a t” Tác gi xin bày t lòng bi t n sâu

s c t i th y giáo GS.TS Nguy n Chi n, PGS.TS Nguy n Trung Vi t đã dành

nhi u th i gian và tâm huy t h ng d n nghiên c u và giúp tác gi hoàn thành lu n v n t t nghi p Tác gi xin chân thành c m n phòng ào t o i

h c và Sau i h c, khoa Công trình cùng các th y giáo, cô giáo đã tham gia

gi ng d y và t n tình giúp đ , truy n đ t ki n th c trong su t th i gian tác gi

h c t p ch ng trình Cao h c c a tr ng i h c th y l i, c ng nh trong quá trình th c hi n lu n v n này

Tác gi xin chân thành c m n Ban lãnh đ o Công ty c ph n t v n xây d ng Th y L i Thanh Hóa, b n bè, đ ng nghi p và gia đình đã nhi t tình giúp đ tác gi trong th i gian h c t p và th c hi n lu n v n này

Do còn h n ch v trình đ chuyên môn, c ng nh th i gian có h n, nên trong quá trình th c hi n lu n v n, tác gi không tránh kh i nh ng sai sót Tác gi mong mu n ti p t c nh n đ c ch b o c a các th y, cô giáo và s góp ý c a các b n bè đ ng nghi p

Tác gi xin chân thành c m n!

Hà N i, ngày 17 tháng 8 n m 2015

Tác gi lu n v n

Tri u Hùng C ng

L I CAM OAN

Tác gi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a b n thân tác

gi Các k t qu nghiên c u và các k t lu n trong lu n v n là trung th c, không sao chép t b t k m t ngu n nào và d i b t k hình th c nào Vi c tham kh o các ngu n tài li u đã đ c th c hi n trích d n và ghi ngu n tài li u tham kh o đúng quy đ nh

Hà N i, ngày 17 tháng 8 n m 2015

Tác gi lu n v n

Tri u Hùng C ng

M C L C

M U 1

CH NG 1: T NG QUAN V TRÀN THÁO L VÀ NGHIÊN C U KHÍ TH C TRÊN CÔNG TRÌNH TRÀN 4

1.1 T ng quan v xây d ng các công trình tháo l Vi t Nam 4

1.2 Khí th c trên các b ph n công trình tháo l 12

1.3 Tình hình nghiên c u khí th c trên th gi i và Vi t nam 17

1.4 Gi i h n ph m vi nghiên c u 21

1.5 K t lu n ch ng 1 21

CH NG 2: C S LÝ THUY T V TÍNH TOÁN KHÍ TH C TRÊN D C N C 22

2.1 Khái ni m v khí hóa và khí th c 22

2.2 Ki m tra khí hóa trên d c n c 25

2.3 Ki m tra khí th c trên d c n c 37

2.4 Các gi i pháp phòng khí th c trên d c n c 38

2.5 K t lu n ch ng 2 44

CH NG 3: NGHIÊN C U KH N NG KHÍ HÓA VÀ KHÍ TH C TRÊN D C N C NG V I CÁC I U KI N KHÁC NHAU 45

3.1 Các y u t nh h ng đ n kh n ng phát sinh khí hóa và khí th c trên d c n c 45

3.2 Nghiên c u kh n ng phát sinh khí hóa trên d c n c 48

3.3 Nghiên c u kh n ng khí th c trên d c n c 56

3.4 K t lu n ch ng 3 65

CH NG 4: ÁP D NG TÍNH TOÁN CHO D C N C C A NG TRÀN H CH A N C C A T 66

4.1 Gi i thi u công trình H ch a n c C a t 66

4.2 Các thông s tính toán đ ng tràn h ch a n c C a t 72

4.3 Ki m tra kh n ng khí hóa, khí th c trên d c n c 72

4.4 Gi i pháp phòng khí th c cho d c n c 79

4.5 K t lu n ch ng 4 87

K T LU N, KI N NGH 88

TÀI LI U THAM KH O 90

PH L C 1 - CÁC B NG TÍNH TOÁN KHÍ HÓA, KHÍ TH C 91

PH L C 2 - M T S HÌNH NH V CÔNG TRÌNH U M I H CH A N C C A T 100

DANH SÁCH CÁC HÌNH V

Hình 1.1: Xâm th c m i phun cu i b đ p tràn Thác Bà 9

Hình 1.2: Hi n t ng khí th c xâm th c b m t m i phun tràn K G 11

Hình 1.3: Nhìn t h l u tràn x l (c ) h ch a n c Núi C c 12

Hình 1.4: Xâm th c khí th c đ ng h m x n c 13

Hình 1.5: Xâm th c khí th c đ ng x có áp c a tr m th y đi n Vonga 13

Hình 1.6: Xâm th c khí th c các tr pin c a bu ng vanđ ng h m 14

Hình 1.7: Xâm th c khí th c t i khe van hình ch nh t 15

Hình 1.8: Xâm th c khí th c t i đ p tràn Miranda 15

Hình 1.9: Xâm th c khí th c m t tràn c a đ p bê tông tr ng l c 16

Hình 1.10: Xâm th c khí th c các m tiêu n ng (a) và m phân dòng (b) 17

Hình 1.11: B trí h th ng ng d n khí trên tr pin đ p tràn 19

Hình 1.12: B trí TBTK trên đ p tràn 19

Hình 1.13: B ph n ti p khí trên đ p tràn 20

Hình 1.14: Quan sát tr n khí trên b m t d c tràn khi có TBTK 20

Hình 2.1: S hình thành đu c khí 22

Hình 2.2: Các giai đo n khí hóa dòng ch y qua b c l i 25

Hình 2.3: Các d ng ch y đ c tr ng trên d c n c 31

Hình 2.4: Xác đ nh hd v i đ d c không l n (i ≤ 8%) 34

Hình 2.5: Xác đ nh hd v i đ d c l n (i > 8%) 35

Hình 2.6: Bi u đ quan h ξ1 = f (y/∆); ξ2 = f(δ/∆); δ/∆ = f (L/∆) 36

Hình 2.7: S đ nh h ng c a giai đo n khí hóa đ n c ng đ khí th c 39

Hình 2.8: Quan h Vng = f(Rb, S) 40

Hình 2.9: Các lo i b ph n ti p khí 42

Hình 2.10: Các hình th c b trí h th ng ng d n khí 43

Hình 3.1: S đ kh i tính toán ki m tra khí hóa 49

Hình 3.2: Quan h K = f(V, h) ng v i Zm = 1cm 53

Hình 3.3: Quan h K = f(V, h) ng v i Zm = 2cm 53

Hình 3.4: Quan h K = f(V, h) ng v i Zm = 3cm 54

Hình 3.5: Quan h K ~ h ng v i V = 20m/s 54

Hình 3.6: Quan h K ~ Zm ng v i V = 20m/s 55

Hình 3.7: Quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm =1cm 59

Hình 3.8: Quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm =2cm 60

Hình 3.9: Quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm =3cm 61

Hình 3.10: Quan h Vcp~Zm ng v i h = 2m 62

Hình 3.11: Quan h Vcp~Rb ng v i h = 2m 63

Hình 4.1: T ng m t b ng c m công trình đ u m i đ p chính C a t 71

Hình 4.2: C m công trình đ u m i đ p chính C a t nhìn t phía h l u 71

Hình 4.3: S đ b trí các b ph n ti p khí 81

Hình 4.4: S đ b trí m i h t 82

Hình 4.5: B trí m i h t và máng d n khí (BPTK) 86

Hình PL2.1: Thí nghi m mô hình th y l c tràn ch a b trí BPTK 101

Hình PL2.2: Thí nghi m mô hình th y l c tràn đã b trí BPTK 101

Hình PL2.3: Th tr ng Ph m H ng Giang quan sát mô hình TN th y l c tràn 102

Hình PL2.4: Ban QLDA th y l i 406 và Công ty t v n XDTL I quan sát mô hình thí nghi m th y l c tràn 102

Hình PL2.5: ng tràn h ch a n c C a t nhìn t phía h l u 103

Hình PL2.6: ng tràn h ch a n c C a t nhìn t phía th ng l u 103

Hình PL2.7: C m công trình đ u m i C a t nhìn t phía h l u 104

Hình PL2.8: p đá đ b n m t bê tông nhìn t phía h l u 104

Hình PL2.9: p đá đ b n m t bê tông (thi công xong ph n b n m t) 105

Hình PL2.10: p đá đ b n m t bê tông nhìn t phía th ng l u 105

Hình PL2.11: Quan sát tr n khí trên d c n c khi tràn x l 106

Hình PL2.12: Nhà máy Th y đi n C a t nhìn t phía h l u 106

DANH SÁCH CÁC B NG BI U

B ng 1.1: M t s công trình th y l i, th y đi n có quy mô v a và l n 6

B ng 2.1: Quan h gi a c t n c áp l c khí tr i và cao đ 27

B ng 2.2: Tr s c a c t n c áp l c phân gi i 27

B ng 2.3: Các d ng m u g gh đ c tr ng và tr s Kpgt ng ng 29

B ng 2.4: Chi u cao nhám t ng đ ng trên b m t c a m t s v t li u 33

B ng 3.1: K t qu tính K ng v i Zm = 1cm 52

B ng 3.2: B ng t ng h p quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm = 1cm 58

B ng 3.3: B ng t ng h p quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm = 2cm 59

B ng 3.4: B ng t ng h p quan h Vcp = f(Zm, Rb, h) ng v i Zm = 3cm 60

B ng 3.5: B ng t ng h p quan h Vcp~Zm ng v i h = 2m 62

B ng 3.6: B ng t ng h p quan h Vcp~Rb ng v i h = 2m 63

B ng 4.1: Các thông s k thu t c b n c a công trình 68

B ng 4.2: B ng tính đ ng m t n c trên d c n c 75

B ng 4.3: B ng ki m tra khí hóa t i các m t c t tính toán 78

B ng 4.4: Thông s tính toán các b ph n ti p khí 82

B ng 4.5: B ng k t qu tính toán các b ph n ti p khí 87

B ng PL1.1: B ng tính h s khí hóa 92

B ng PL1.2: B ng tính l u t c cho phép 97

M U

1 Tính c p thi t c a đ tài

Trong nh ng n m qua, chúng ta đã xây d ng hàng ngàn công trình đ u

m i th y l i đ ph c v các m c đích dân sinh kinh t , phát tri n đ t n c Trong s nghi p công nghi p hóa và hi n đ i hóa n c nhà hi n nay, th y l i càng th hi n vai trò to l n c a mình Nhi u d án th y l i l n nh ph c v cho m c đích phát đi n, c p n c, phòng ch ng th y tai, c i t o môi tr ng

đã và đang đ c quy ho ch, nghiên c u, kh o sát, thi t k và xây d ng

Do m c đ quan tr ng và tính đ c thù c a công trình th y l i, nh ng yêu c u v đ m b o an toàn và kinh t trong vi c tính toán thi t k , thi công

và qu n lý khai thác chúng đ t ra ngày càng cao Nh ng yêu c u này càng c n

ph i đ c đ c bi t quan tâm khi mà th i gian g n đây, môi tr ng thiên nhiên

đã có nhi u bi n đ i, nh ng quy lu t v m a gió, dòng ch y đã có nh ng chuy n bi n b t l i h n đ i v i s làm vi c c a công trình

Công trình x n c là m t trong nh ng h ng m c quan tr ng nh t c a

h th ng th y l i, chính đây đã di n ra s t ng tác gi a dòng ch y và thành r n S t ng tác đó đ c bi t là khi dòng ch y có l u t c l n h n s gây

ra nh ng h qu b t l i cho công trình nh m ch đ ng, sóng xung kích, hàm khí, khí th c…, trong đó khí th c là m t trong nh ng v n đ c n đ c u tiên xem xét do nh ng s c mà nó gây ra là nghiêm tr ng và hoàn toàn ph bi n

áng chú ý là v n đ tính toán khí th c các công trình tháo, x n c

n c ta trong th i gian qua ch a đ c coi tr ng đúng m c Trong khi đó

nh ng n m g n đây, đã ghi nh n đ c ngày càng nhi u các s c h h ng công trình do các nguyên nhân có liên quan đ n hi n t ng khí th c nh

đ ng tràn c a các công trình đ u m i Nam Th ch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh… i u này đòi h i trong tính toán thi t k c ng nh thi công xây d ng

các công trình m i ph i đ c p đ y đ h n đ n v n đ d báo khí th c, c ng

nh áp d ng các bi n pháp k thu t chuyên môn đ phòng ng a s c Ngoài

ra các công trình đã xây d ng c ng c n ph i ti n hành tính toán, ki m tra và

th c và có th ng d ng tính toán thi t k cho các công trình t ng t

2 M c đích c a tài

- Nghiên c u kh n ng khí hóa và khí th c trên d c n c ng v i các

đi u ki n khác nhau, gi i pháp phòng khí th c trên d c n c

- Tính toán áp d ng cho công trình th c t ( ng tràn h ch a n c

- Nghiên c u t ng quát v kh n ng phát sinh khí hóa trên d c n c v i

s thay đ i c a các y u t khác nhau: đ sâu, l u t c, đ g gh c c b ; thi t

l p đ c quan h gi a l u t c cho phép trên d c v i c ng đ v t li u, t ng

ng v i các m c đ g gh c c b khác nhau

- ng d ng cho đ ng tràn h ch a n c C a t đ tính toán và thi t

k h th ng ti p khí đ phòng khí th c trên d c n c phù h p v i đi u ki n

th c t c a công trình

CH NG 1: T NG QUAN V TRÀN THÁO L VÀ NGHIÊN C U

KHÍ TH C TRÊN CÔNG TRÌNH TRÀN 1.1 T ng quan v xây d ng các công trình tháo l Vi t Nam

1.1.1 Khái ni m và phân lo i

Trong đ u m i công trình thu l i h ch a n c, ngoài m t s công trình nh đ p dâng, công trình l y n c, công trình chuyên môn, còn ph i làm các công trình đ tháo n c l th a không th ch a đ c trong h , có lúc đ t sâu đ đ m nh n thêm vi c tháo c n m t ph n hay toàn b h ch a khi c n thi t ph i ki m tra, s a ch a ho c tháo bùn cát trong h Có công trình tháo l thì h m i làm vi c đ c bình th ng và an toàn

Có nhi u lo i công trình tháo l C n c vào cao trình đ t, có th phân làm hai lo i: công trình tháo l ki u x sâu (l tháo n c) và công trình tháo

l trên m t (đ ng tràn l )

1 Công trình tháo l ki u x sâu có th đ t d i đáy đ p trên n n (c ng ng m), qua thân đ p bê tông (đ ng ng), có th đ t trong b (đ ng

h m) khi đi u ki n đ a hình đ a ch t cho phép V i lo i này có th tháo đ c

n c trong h b t k m c n c nào, th m chí có th tháo c n h ch a Lo i này không nh ng đ dùng tháo l mà còn tu cao trình, v trí và m c đích s

d ng có th đ d n dòng thi công lúc xây d ng, tháo bùn cát l ng đ ng trong

h ch a ho c l y n c t i, phát đi n

Tùy đi u ki n c th mà có th k t h p nhi u m c đích khác nhau trong

m t công trình tháo n c d i sâu

2 Công trình tháo l trên m t th ng đ t cao trình t ng đ i cao Do cao trình c a ng ng tràn cao, nên nó ch có th đùng đ tháo dung tích

phòng l c a h ch a Công trình tháo l trên m t bao g m các ki u sau đây:

- p tràn;

- ng tràn d c;

- ng tràn ngang (máng tràn ngang);

- Xi phông tháo l ;

- Gi ng tháo l ;

- ng tràn ki u gáo;

- Công trình tháo l trong thân đ p (đ p tràn, xi phông tháo l , c ng

ng m, đ ng ng ) và công trình tháo l ngoài thân đ p (đ ng tràn d c, tràn ngang, gi ng tháo l , đ ng h m )

i v i t ng lo i đ u m i công trình thu l i, c n phân tích k đ c

đi m làm vi c, đi u ki n đ a hình, đ a ch t và thu v n, các yêu c u v thi công, qu n lý khai thác đ ch n lo i đ ng tràn thích h p [4]

1.1.2 Xây d ng h ch a và các công trình th y l i Vi t Nam

a Các công trình th y l i, th y đi n trên th gi i và Vi t Nam

T xa x a con ng i đã bi t đ p đ p tr n c, ch y u dùng cho sinh

ho t và nông nghi p D u tích các đ p ít nh t t 3000 n m tr c công nguyên

đã tìm th y Jordan, Ai C p và vùng Trung ông Nh ng t n a sau c a th

k XX, xây d ng đ p m i tr thành m t trào l u m nh m do nhu c u phát tri n công nghi p, th y đi n và phòng ch ng l Theo th ng kê n m 1998 c a

U ban đ p n c th gi i (World Commission on Dams – WCD), nhân lo i

đã xây d ng đ c 47.655 đ p c l n 140 n c trên th gi i N m n c có nhi u đ p nh t là Trung Qu c có 22.000 cái, M 6.575 cái, n 4.291 cái,

Nh t B n 2.675 cái và Tây Ban Nha là 1.196 cái Theo khu v c đ ng đ u là châu Á v i 31.340 cái, ti p theo là Tây Âu 4.277 cái, Châu Phi 1.299 cái, ông Âu 1203 cái, Nam M 979 cái, B c và Trung M 801 cái

i v i Vi t Nam, cho đ n nay v n là m t đ t n c có n n kinh t nông nghi p, tài nguyên n c có ý ngh a quy t đ nh trong s phát tri n b n

v ng c a đ t n c L ch s hình thành và phát tri n c a dân t c Vi t Nam g n

li n v i s hình thành c a h th ng đê đi u ch ng l hàng ngàn n m v i h

th ng kênh r ch đ m mang vùng đ t m i, phát huy m t l i c a n c, h n

ch m t h i đ t n t i và phát tri n C ng chính nh l i th đó, m t n n v n minh lúa n c đã hình thành t nghìn n m ng b ng sông H ng và di c vào ng b ng sông C u Long 300 n m tr c đây

Tuy v y, nh ng do đ c đi m l ch s mà s phát tri n c a các h th ng

đ u m i th y l i n c ta ch m h n so v i các n c phát tri n trên th gi i

T khi n c Vi t Nam dân ch c ng hòa ra đ i nh t là sau khi hòa bình l p

l i, th y l i n c ta m i th t s tr thành m t ngành thu c k t c u h t ng kinh t - xã h i đ c u tiên đ u t n nay c n c có kho ng trên 750 h

ch a, đ p c v a và l n, trên 7000 h ch a, đ p c nh Các h th ng th y l i

c a n c ta có th k đ n nh h th ng th y l i i L i, C m S n, K G , Yên L p, Sông M c, D u Ti ng, Th ch Nham hay các công trình s d ng

t ng h p ngu n n c nh H ch a n c C a t, Th y đi n Hòa Bình, Thác

Bà, a Nhim, Tr An, Yaly, Yazun H , V nh S n, Thác M

b c đi m đ ng tràn c a m t s h ch a n c đã xây d ng

G n li n v i các h th ng đ u m i th y l i nêu trên là các công trình tháo l , làm nhi m v tháo ph n n c l không th ch a trong h Công trình tháo l trên các h th ng đ u m i th y l i r t đa d ng D i đây là m t s hình th c đ ng tràn c a các h ch a đã xây d ng:

B ng 1.1: M t s công trình th y l i, th y đi n có quy mô v a và l n Vi t Nam

TT Tên công trình a đi m N m xây

d ng Hình th c tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qx tràn (m3/s)

TT Tên công trình a đi m N m xây

d ng Hình th c tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qx tràn (m3/s)

3 H N c Trong Qu ng Ngãi 2006-2010 p tràn-B tiêu n ng 14 62,5 6.728

TT Tên công trình a đi m N m xây

d ng Hình th c tràn

Htràn (m)

Btràn (m)

Qx tràn (m3/s)

17 Th y đi n

Tuyên Quang

Tuyên Quang

c M t s tr ng h p s c , m t an toàn đã x y ra do xâm th c khí th c trên

các công trình tháo n c Vi t Nam

i v i các công trình tháo n c có c t n c cao thì các h h ng, s

c do xâm th c khí th c là đáng k nh t và trong lu n v n này c ng gi i h n

ph m vi nghiên c u ph n xâm th c khí th c các công trình x b ng bê tông

D i đây là m t vài tr ng h p v xâm th c khí th c trên các công trình tháo Vi t Nam trong th i gian g n đây:

- p tràn Thác Bà:

p tràn Thác Bà b t đ u xây d ng vào n m 1971, m t tràn d ng Ophixerop, tràn g m 3 khoang x 10m có c a van, khoang gi a có m i phóng, hai khoang bên theo s đ tiêu n ng đáy, sân tiêu n ng dài 28,6m, cu i có

b trí 7 m tiêu n ng, gi a các m là m i phun th p hình nêm N m 1990 tràn

x l u l ng Q = 1300m3

/s qua 3 khoang khi m c n c h l u cao trình 27,65m (sân sau cao trình 20m) Nghiên c u đi u ki n làm vi c c a đ p tràn

cho th y v i l u l ng này thì chi u dài sân không đ đ t o n c ch y ng p trong b ng v i m c n c h l u là 27,65m, dòng ch y trên b m t v n là dòng ch y xi t, v i v n t c t i đáy b là 22,8 – 25m/s, do đó t i các m i phun

s sinh tách dòng t o chân không d n đ n khí th c K t qu là m t sân tiêu

n ng giáp v i các m 5, 6 b bong tróc bê tông t 10÷20cm, tr c t thép d c,

c t thép ngang b đ t, các thành đ ng c a các m i phun th p h u h t d i chân b bóc r sâu 5÷10cm (hình 1.1) ây là h u qu c a xâm th c khí th c

do b m t có g gh c c b và đ ng vi n c a các m i phun th p có c u t o

ch a h p lý [3]

Hình 1.1: Xâm th c m i phun cu i b đ p tràn Thác Bà [3]

- H th ng đ p Bái Th ng – Sông Chu (Thanh Hóa)

H th ng đ c xây d ng vào n m 1920, hoàn thành n m 1926, trong h

th ng có đ p tràn tr ng l c ng n sông Chu đ dâng n c đ a vào h th ng công trình d n n c Sau 3 n m v n hành (n m 1929), hi n t ng xâm th c

đã xu t hi n h l u đ p, m i n m theo th i gian phát tri n thêm và làm xói chân đ p tràn sâu đ n 2m, đã ph i x lý b ng cách đ p vào 3000m3 đá Sau

đó đ p v n ti p t c b phá ho i các n m 1939, 1942, 1952, 1980 n n m

1988, m t đ p b xói mòn, l nhi u ch , l p bê tông b o v trên m t đ p b bào mòn 3-5cm, các r ng trên m t đ p b r , có ch sâu đ n 0,7 đ n 0,8m, chân đ p b xói mòn, khoét sâu d ng hàm ch t 0,4-0,8m và dài 2-3m S phá h y bê tông và công trình đ p Bái Th ng thì do nhi u nguyên nhân

nh ng trong đó có s tham gia c a hi n t ng khí th c và s tác đ ng cùng lúc c a nó v i các y u t khác làm cho t c đ và m c đ h h ng càng l n

ng ng tràn và d c n c b h h ng n ng Trên m t tràn quan sát th y nhi u

ch l p v a xi m ng b bong ra, ch còn tr l i các hòn s i, nhi u ch tr c t thép, có ch bê tông b xói sâu vào thành 0,2÷0,3m ó là do hi n t ng khí

th c gây ra (hi n t ng này x y ra v i v n t c bình quân V= 15m/s) [3]

- Tràn x l h ch a n c K G - Hà T nh:

Công trình đ c thi t k xây d ng t nh ng n m 1970 đ n n m 1979

và chính th c bàn giao đ a vào khai thác s d ng t n m 1987, v i t n su t l thi t k P=0,5%, ng v i l u l ng thi t k QTK = 1080m3/s Có tràn x l

g m 2 c a, chi u r ng m i c a là B = 10m, hình th c tràn x sâu, ki u đ p tràn th c d ng, đi u ti t b ng c a van cung D c n c và m i phun b trí theo hình th c m r ng d n, v i góc c a m α = 12o

12’, chi u r ng đ u d c n c 21m và cu i m i phun 36m, chi u dài d c n c 23,5m, chi u dài máng phun 39,5m, đ d c d c n c và máng phun thi t k là i = 0,1, d c thân d c n c

b trí m t t ng phân dòng n i li n t tr pin đ n cu i m i phun Ngoài tràn

x l chính còn b trí 2 c a tràn k t h p v i c ng l y n c, chi u r ng m i

c a BP = 3m, ki u đ p tràn th c d ng đi u ti t b ng c a van cung, v i l u

l ng thi t k QPTK = 296 m3/s

Sau h n 20 n m khai thác s d ng, công trình đã phát huy t t các nhi m v đi u ti t l ng n c trong h và x l ng n c th a v trong mùa

l Qua đánh giá th c t thì ph n m i phun đã xu t hi n hi n t ng xâm

th c do khí th c, b m t m i phun xu t hi n các l v i chi u sâu t 2 – 3cm,

có ch sâu t i 5cm và đã b l c t thép ra ngoài (hình 1.2) [4]

Hình 1.2: Hi n t ng khí th c xâm th c b m t m i phun tràn K G [4]

- Tràn x l h ch a n c Núi C c – Thái Nguyên:

Công trình đ c kh i công xây d ng t n m 1973, đ c đ a vào khai thác s d ng n m 1982, v i l u l ng thi t k QTK = 830 m3/s (P = 0,5%),

Btr= 3 x 8m, hình th c tràn x sâu, ng ng tràn m t c t hình thang mái tho i,

đi u ti t b ng c a van cung Chi u dài d c n c 20m, chi u dài máng phun,

k c m i phun 40m, đ d c i = 0,125, k t c u d c n c và máng phun b ng

bê tông c t thép M20

Qua 22 n m khai thác s d ng đã có xu t hi n hi n t ng xâm th c c a khí th c ph n máng phun và m i phun (hình 1.3) [3]

Hình 1.3: Nhìn t h l u tràn x l (c ) h ch a n c Núi C c [3]

1.2 Khí th c trên các b ph n côn g trình tháo l

1.2.1 Xâm th c khí th c các công trình x ki u kín (xi phông, đ ng h m)

M t trong các s c nghiêm tr ng đ u tiên lo i này di n ra h n n a th

k tr c đây t i công trình đ u m i Boulder (Hoa K ) T i đây l p lót và n n

đá c a m t đ ng h m x n c đ ng kính 15,2m đã b phá h y Sau khi tháo n c qua đ ng h m ch đ ch y không áp trong th i gian 4 tháng v i

l u l ng 390m3

/s (b ng 7% QTK) và trong m y gi ti p theo l u l ng 1070m3/s (b ng 19% QTK) l p lót bê tông c a đáy đ ng h m t i ch u n cong (hình 1.4) đã b phá ho i (l u t c t i đây đ t 46m/s) và trong n n đá t o thành m t h sâu 13,7m, dài 35m, r ng 9,5m, th tích bê tông và đá b cu n trôi đi t i 4500m3

Hình 1.4: Xâm th c khí th c đ ng h m x n c [3]

T i đ ng h m x l c a đ u m i Alđeađavil (Tây Ban Nha), vào n m

1966 đã x y ra s c xâm th c khí th c trên ph n cu i c a đ ng h m dài công trình đ u m i Inphaynilo (Mehico), khí th c di n ra hàng n m trong đó có nh ng n m gây h h ng r t n ng N m 1964, khi tháo l u l ng

g n 2500m3/s qua m t đ ng h m trong vòng 36 ngày, t ng và đáy sau ch cong m t đáy và hai m t bên đã b phá ho i trên chi u dài 30m, chi u sâu

t i 1,5m

Xâm th c l p lót c a đ ng h m Moutail (Hoa K ) là khá đ c tr ng Sau th i gian 30 ngày tháo l v i Q = 560m3

/s, ph n đ ng h m ch đo n cong và đo n sau đó đã b phá ho i đáy và t ng bên d ng các h có chi u sâu khác nhau và v t quá chi u dày l p lót T i ch cong c a đ ng

h m ngoài m t h l n còn quan sát th y 4800 ch r khác nhau

a) b)

Hình 1.5: Xâm th c khí th c đ ng x có áp c a tr m th y đi n Vonga [3]

a S đ công trình; b Tình tr ng xâm th c 1- ng x có áp; 2- Tr pin; 3- H xâm th c

Trên hình 1.5 cho ta th y hi n t ng xâm th c khí th c khá l n xu t

hi n đ ng x n c t i công trình nhà máy th y đi n Vonga (Nga)

1.2.2 Xâm th c khí th c các bu ng van c a c a van

T i công trình Tarbela (Pakistan) v i c t n c 175m đã x y ra s c tr pin (hình 1.6) các đ ng h m x l có đ ng kính 13,25m L p lót kim lo i

và bê tông c a b ph n ra c a đ ng h m c ng b phá ho i Trong quá trình tích n c vào h ch a, khi đóng t t c a van cao 14,5m, m t trong s các

c a van ch h đ c có 4,7m vì t m lót khe van b phá ho i ti n hành công tác s a ch a đã bu c ph i tháo c n h ch a

Hình 1.6: Xâm th c khí th c các tr pin c a bu ng van

đ ng h m x n c [3]

đ p Buhtarmin (Nga), 3 c a x đáy t m th i có kích th c 4x5m

ph n có áp và 4x6,5m ph n không áp đã làm vi c v i c t n c 54m trong

th i gian t 78 đ n 250 ngày Sau khi đóng l i b ng các van s c đã quan sát

th y nh ng h h ng nh nhau t i t t c các nh p c a b ph n gia c và bê tông bu ng van Ng ng kim lo i b b gãy v i các h sâu t 0,4m đ n 1,2m,

l p kim lo i gia c khe van b phá ho i, các chân c m b gi t đ t, các đ ng ray công tác b bong r i và cu n đi

Các khe van và m t tr pin sau khe van không làm theo d ng phòng khí

th c c ng s b phá ho i ngay c khi l u t c không l n l m H h ng nh v y

c ng x y ra đ p Riverx (Pháp) (hình 1.7), chi u sâu h xâm th c đ t t i 10cm

Hình 1.7: Xâm th c khí th c t i khe van hình ch nh t [3]

1.2.3 Xâm th c khí th c các đ p tràn và d c n c

đ p Miranda (B ào Nha) có c t n c 74m (hình 1.8) đã x y ra xâm th c khí th c bê tông vùng giao nhau c a lu ng tràn m t và x đáy Sau đó ng i ta đã quy t đ nh thay đ i hình d ng c a b ph n này và b c

b ng thép t m có chi u dày 10-20mm Vi c s a ch a đã ti n hành t i 2 l n,

nh ng m i l n l p b c b bong ra là bê tông l i b phá ho i

Hình 1.8: Xâm th c khí th c t i đ p tràn Miranda [3]

đ p tràn Bratxcaia (Nga), nguyên nhân gây xâm th c m t tràn là các

b c l i đ l i sau khi d c t pha và không đ c b t đi k p th i, các khe thi công không đ c l p nhét k và các g gh khác Trên m t c a m t khoang tràn làm vi c liên t c 11 ngày đêm đã hình thành m t h sâu 1,2m, th tích

g n 12m3, các khoang khác, các h sâu t 0,2m đ n 0,4m (hình 1.9)

a) b)

Hình 1.9: Xâm th c khí th c m t tràn c a đ p bê tông tr ng l c [3]

a) Các ph n xâm th c m t tràn; b) Hình nh h xâm th c

1.2.4 Xâm th c khí th c các m phân dòng và m tiêu n ng

Nhi u công trình th y l i đã x y ra s c và th m chí phá h y hoàn toàn các m tiêu n ng h l u (hình 1.10) Vì v y trong nhi u tr ng h p, đ

b o v chúng ng i ta ph i t o ra các m có hình d ng đ c bi t (phi khí th c) cùng v i vi c s d ng các v t li u có đ b n khí th c cao ho c áp d ng các

bi n pháp phòng khí th c khác

a) b)

Hình 1.10: Xâm th c khí th c các m tiêu n ng (a) và m phân dòng (b) [3]

1.3 Tình hình nghiên c u khí th c trên th gi i và Vi t nam

1.3.1 Tình hình ng hiên c u khí th c trên th gi i

V n đ khí th c các n c trên th gi i t lâu đã đ c quan tâm Ghi

nh n đ u tiên v s phá ho i b i khí th c là t i đ p Hoover Sau khi nghiên

c u ng i ta k t lu n r ng nguyên nhân chính là do lòng d n không đ c x

lý t t, dòng ch y không xuôi thu n và ng i ta c ng th y r ng công tác bê tông c n ph i đ c quan tâm m t cách nghiêm túc T i th i đi m đó khái

ni m v đ nhám b m t và vai trò c a vi c x lí b m t ch a đ c rõ ràng

Cu i n m 1981, vi c x lý b m t s d ng cho đ ng tràn có l u t c l n, đ t

ra nh ng yêu c u kh t khe h n Trong n m 1981, cu n “H ng d n công tác

bê tông” đ c phát hành M và đ c s d ng r ng rãi cho t t c các đ p tràn có l u t c dòng ch y l n h n 23m/s

Trong n m 1961, l i ích c a vi c l p đ t b ph n ti p khí trong vi c

ng n ng a khí th c đã đ c ch ng minh t i đ p Grand Coulee, b ph n ti p khí đ u tiên đ c l p đ t trên đ ng tràn là t i đ p Yellowtail vào n m 1967 Tuy nhiên lúc này ng i ta v n ch a hoàn toàn tin c y vào b ph n ti p khí,

do đó ph n h l u tràn góc d c 1:100 và b m t đ c s n ph epoxy 2 l p

T i n m 1983, t i đ p tràn Glen Canyon ng i ta đã tin c y hoàn toàn vào tác

d ng c a b ph n ti p khí, khi đó góc d c h l u tuy n 1:20 và không s n epoxy n nay đã có h n 100 công trình c a các n c đã s d ng ph ng pháp ti p khí vào dòng ch y đ phòng ng a khí th c K t qu v n hành ch ng minh hi u qu khi s d ng b ph n ti p khí là r t t t Trung Qu c áp d ng

ph ng pháp ti p khí vào dòng ch y này t nh ng n m 1970, sau đó phát tri n r t nhanh Trên công trình x l c a các công trình i u Giang , Phùng Gia S n, ông Giang, Long D ng Hi p, Fengman, Th ch u Hà

đ u b trí các b ph n ti p khí

1.3.2 Tình hình nghiên c u khí th c Vi t Nam

Nghiên c u tính toán khí th c trên d c n c nói riêng, công trình th y

l i nói chung n c ta trong th i gian qua ch a đ c chú tr ng đúng m c Trong khi đó, nh ng n m g n đây đã ghi nh n ngày càng nhi u các s c h

h ng công trình do các nguyên nhân có liên quan đ n hi n t ng khí th c nh các đ ng tràn công trình đ u m i Nam Th ch Hãn, Thác Bà, K G , Núi

C c, Phú Ninh i u này đòi h i trong tính toán thi t k c ng nh thi công xây d ng các công trình m i ph i đ c p đ y đ h n các v n đ d báo khí

th c trong công trình th y l i, c ng nh áp d ng các bi n pháp k thu t chuyên môn đ phòng s c Ngoài ra các công trình đã đ c xây d ng

c ng c n ph i ti n hành tính toán ki m tra và áp d ng các bi n pháp x lý khi

1.3.3 M t s hình nh v b trí thi t b ti p khí trên công trình tràn tháo l

Hình 1.11: B trí h th ng ng d n khí trên tr pin đ p tràn

Hình 1.12: B trí TBTK trên đ p tràn

Hình 1.13: B ph n ti p khí trên đ p tràn

Hình 1.14: Quan sát tr n khí trên b m t d c tràn khi có TBTK

đ ng r t l n vào quá trình làm vi c c ng nh tu i th c a các công trình tháo

n c; trong khi đó đ i v i h th ng đ u m i c a các công trình th y l i, th y

đi n thì công trình tháo n c đóng m t vai trò h t s c quan tr ng Vì v y, khí

th c không nh ng ch nh h ng đ n c h th ng đ u m i, có th phá ho i

ho c nh h ng đ n quá trình làm vi c c a c h th ng Nh n th y vai trò và

t m quan tr ng này, các n c trên th gi i có n n th y l i phát tri n đã d n

d n chú tr ng và xem xét nh ng v n đ này trong khi tính toán, thi t k xây

d ng các công trình tháo n c Vi t Nam, trong nh ng n m g n đây c ng

đã b t đ u nghiên c u v n đ này trong khi tính toán thi t k các công trình

có quy mô l n

Các bong bóng khí đ c hình thành t p trung trong m t khu v c nh t

đ nh c a dòng ch y g i là đu c khí (hình 2.1) Ph m vi c a đu c khí có th dài, ng n khác nhau tùy theo m c đ m nh y u c a khí hóa

2.1.2 Khái ni m v khí th c

Khí th c là hi n t ng bong tróc v t li u b m t lòng d n ho c v t c n khi có khí hóa đ m nh và duy trì trong m t th i gian đ dài

i v i thành lòng d n b ng v t li u bê tông thì s phá ho i do khí th c

ch y u là t tác đ ng c h c Các bong bóng khí đ c hình thành t p trung trong vùng h áp s đ c dòng ch y cu n theo đ n vùng có áp su t cao h n, chúng b ép m nh t m i phía và b tiêu h y N u s tiêu h y này x y ra d n

d p g n b m t lòng d n thì s t o ra m t xung l c l n và l p l i nhi u l n làm cho v t li u b m i, d n đ n bong r i

2.1.3 Các thông s đ c tr ng c a khí hóa và khí th c [4]

a H s khí hóa

H s khí hóa là m t đ i l ng không th nguyên dùng đ bi u th m c

đ m nh y u c a khí hóa trong dòng ch y, ký hi u là K Giá tr c a K t i m t

b ph n c th đ c xác đ nh nh sau:

K = T 2 pg

T

H - HV2g

b H s khí hóa phân gi i K pg

H s khí hóa phân gi i là giá tr c a h s khí hóa K t ng ng v i

tr ng thái ch m khí hóa, ngh a là khi các bong bóng khi m i b t đ u hình thành Tr ng thái này xác đ nh b ng th c nghi m v i s quan sát các bong bóng khí b ng m t th ng hay các máy đo chuyên d ng

S d ng các giá tr K và Kpg, đi u ki n khí hóa c a dòng ch y t i m t khu v c nào đó s là:

K ≤ Kpg , (2.2)

tr s Kpg ch ph thu c vào hình d ng v t ch y bao và ch y u xác đ nh

b ng thí nghi m mô hình

c Giai đo n khí hóa

Tùy theo m i quan h t ng đ i gi a dòng ch y và v t ch y bao mà khí hóa có th các m c đ hay giai đo n phát tri n khác nhau Th ng phân bi t các giai đo n phát tri n khí hóa nh sau:

Giai đo n b t đ u khí hóa: các bong bóng khí đ c hình thành v i m t

Hình 2.2: Các giai đo n khí hóa dòng ch y qua b c l i [4]

a B t đ u khí hóa; b Khí hóa m nh; c Siêu khí hóa

K , (2.3)

trong đó:

K - h s khí hóa;

Kpg - h s khí hóa phân gi i

Theo các thí nghi m ti n hành v i nhi u lo i v t ch y bao khác nhau,

ph m vi bi n đ i c a t ng ng v i t ng giai đo n khí hóa nh sau [7]:

- Giai đo n b t đ u khí hóa: 0,8 < ≤ 1;

- Giai đo n khí hóa m nh: 0,1 < ≤ 0,8;

- Giai đo n siêu khí hóa: ≤ 0,1

2.2 Ki m tra khí hóa trên d c n c

2.2.1 Nguyên t c chung [4]

M c đích c a vi c ki m tra khí hóa là đ đ m b o cho các b ph n c a CTTN làm vi c trong đi u ki n không có khí hóa, ho c có khí hóa nh ng m c

đ phát tri n ch a đ đ gây nên khí th c nguy hi m

Vi c ki m tra c n ti n hành v i ch đ làm vi c khác nhau c a CTTN, trong đó ph i xem xét đ n:

- Công trình tháo v i các c p l u l ng thay đ i t 0 đ n Qmax, v i Qmax

Cao đ (m)

Ha (m)

Cao đ (m)

Ha (m)

Cao đ (m)

Ha (m)

Tr s c a V T đ c quy c t ng ng cho t ng lo i ch y bao

Tr s Kpg ph thu c vào đ c tr ng hình h c c a v t ch y bao và đ c xác đ nh qua hàng lo t thí nghi m mô hình

Tr ng h p hình d ng c a v t ch y bao đang xét không phù h p v i các v t chu n đã đ c nghiên c u thì c n thí nghi m mô hình đ xác đ nh Kpg

t ng ng

2.2.2 Các d ng g gh c c b [3]

G gh c c b trên b m t d c n c đ c quy v các d ng đi n hình sau đây:

- Các m u dài ch y ngang ho c ch y d c theo chi u dòng ch y đ c

t o ra ch n i các ph n c a ván khuôn bê tông ho c các t m thép lát trên b

m t lòng d n;

- Các m u l i c c b trên n n t ng đ i đ ng nh t c a b m t công trình tháo n c, đ c t o ra b i các hòn c t li u l n n m sát b m t kh i bê tông, các đinh và êcu, các đ u c t thép nhô ra v.v ;

- nhám t nhiên t ng đ i đ ng đ u trên b m t bê tông, b m t kim lo i b n mòn…;

- Các l n sóng tho i trên b m t (do thi công gây ra)

Khi dòng ch y có l u t c l n đi qua các v trí có g gh c c b , các tia dòng s không còn bám sát thành r n, t o nên chân không phía sau các m u này Khi tr s áp l c chân không v t quá áp l c phân gi i thì s hình thành khí hoá và có th d n đ n khí th c phá ho i b m t công trình tháo n c Khi

h s khí hoá th c t K c a dòng ch y t i v trí có m u g gh c c b nh h n

ho c b ng h s khí hoá phân gi i s phát sinh khí hoá: K ≤ Kpg

2.2.3 Xác đ nh h s khí hoá phân gi i [3]

H s khí hoá phân gi i Kpg c a các d ng m u g gh đ c tr ng đ c xác đ nh b ng thí nghi m mô hình, quy đ nh trong b ng 2.3

=khi Z < : K  

2.2.4 X ác đ nh h s khí hoá th c t t i v trí có m u g gh [4]

H s khí hoá th c t K t i v trí có m u g gh xác đ nh theo công

th c (2.1) Giá tr c a H T và V T ph thu c vào v trí c a m u g gh trên toàn b dòng ch y

Theo m c đ hình thành và phát tri n c a l p biên r i, dòng ch y đ c chia thành các d ng đ c tr ng nh sau:

- D ng I: đo n đ u c a dòng ch y, n i dòng ch y có bi n d ng đ t ng t

do thay đ i hình d ng lòng d n, bao g m các vùng co h p dòng ch y c a vào công trình tháo n c, vùng co h p khi ch y d i c a van, dòng ch y

m t bên c a đ u tr pin, dòng ch y sau các khe van, b c th t, ng ng đáy Các b ph n này đ c đ c tr ng b i s thay đ i đ t ng t áp l c và l u t c trên m t chi u dài không l n, gia t c dòng ch y g n b m t l n, chi u dày

l p biên δ r t nh , cùng b c v i chi u cao có th có c a các m u g gh

- D ng II: đo n dòng ch y có l p biên phát tri n d n, phân b l u t c trên m t c t ngang thay đ i theo chi u dài dòng ch y, g m các ph n c a

đ ng tháo n c có áp có hình d ng và di n tích m t c t không đ i ho c thay

đ i theo chi u dài b m t c a đ p tràn, d c n c, các ph n c a đ ng tháo

n c sau c a van…

- D ng III: o n dòng ch y có l p biên đã phát tri n và đ t đ n n

đ nh, phân b l u t c trên m t c t không đ i d c theo chi u dài, g m dòng

ch y trên các đ ng tháo n c có áp hay không áp, c ly cách xa m t c t

đ u (v trí c a vào hay van đi u ti t) m t đo n l n h n 40 l n kích th c m t

c t t theo ph ng pháp tuy n v i m t đáy

D ng II - đo n có l p biên phát tri n: δ = f(L)

D ng III - đo n có l p biên n đ nh: δ = h