Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tiêu năng phụ cho công trình có hình thức tiêu năng đáy, ứng dụng cho tràn xả lũ hồi xuân

Nghiên cứu chế độ thủy 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 ph

NGUY ỄN NHƯ VIÊN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TIÊU NĂNG PHỤ CHO CÔNG TRÌNH CÓ HÌNH THỨC TIÊU NĂNG ĐÁY,

ỨNG DỤNG CHO TRÀN XẢ LŨ HỒI XUÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2013

NGUY ỄN NHƯ VIÊN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TIÊU NĂNG PHỤ

ỨNG DỤNG CHO TRÀN XẢ LŨ HỒI XUÂN

Chuyên ngành : X ây dựng Công trình thủy

Mã số : 60 - 58 - 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Văn Nghị

Hà N ội - 2013

Họ và tên: Nguyễn Như Viên Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/05/1977 Nơi sinh : Hà Nam

Quê quán: Nhật Tân - Kim Bảng - Hà Nam Dân tộc : Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi đi học tập, nghiên cứu:

Kỹ sư thi công - Công ty cổ phần Licogi 16.6

Chỗ ở hiện nay hoặc địa chỉ liên lạc: 75/98, Nguyễn Trãi – Vị Hoàng – TP Nam Định Điện thoại cơ quan: 043.8526276

Fax: 043.5639047 Email: Luulynd@gmail.com Di động: 0979 786 477

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Trung học phổ thông Thời gian từ: 09/1993 đến 06/1996

Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Duy Tiên B – Hà Nam

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian từ: 09/1998 đến 06/2003

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Thủy Lợi -Hà Nội

Ngành học: Máy xây dựng

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cửa van phẳng dưới sâu

Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/2003, tại Đại học Thủy lợi - Hà Nội

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đăng Cường

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian từ: 04/2011 đến 12/2014

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Thủy lợi - Hà Nội

Ngành học: Xây dựng công trình thủy

Tên luận văn: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tiêu năng phụ cho công trình có hình thức tiêu năng đáy, ứng dụng cho tràn xả lũ Hồi Xuân

Ngày và nơi bảo vệ: 03/2013 tại, Đại học Thủy lợi - Hà Nội

Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Nghị

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng anh Chuẩn B1 Chân Âu

5 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày cấp và nơi cấp: Không

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

VI KHEN THƯỞNG VÀ KỶ LUẬT TRONG QUÁ TRÌNH HỌC CAO HỌC:

Không

V CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Không

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 28 tháng 02 năm 2013

(Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên

Ng uyễn Như Viên

1……….54

Bảng vẽ số 02: Cắt dọc đường mặt nước khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với

Q = 12368 (mP

3 P/s) và Q = 12368 (mP

3 P/s) ……….…… 54

Bảng vẽ số 03: Cắt dọc đường mặt nước khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với

Q = 7592 (mP

3 P/s) và Q = 5983 (mP

3 P/s) ……….…… 54

Bảng vẽ số 04: Cắt dọc đường mặt nước khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với

Q = 3816 (mP

3 P/s) ……….…… 54

Bảng vẽ số 05: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với Q =

Bảng vẽ số 06: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với Q = 7592 (mP

3

P

/s) và Q = 5983 (mP

3 P/s) ……….…… 59

Bảng vẽ số 07: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 1 ứng với Q = 3816 (mP

3 P/s) ……….…… 65

Bảng vẽ số 10: Cắt dọc đường mặt nước khi xả qua tràn xả lũ phương án 2 ứng với

Q = 7592 (mP

3 P/s) và Q = 5983 (mP

3 P/s) ……….…… 65

Bảng vẽ số 11: Cắt dọc đường mặt nước khi xả qua tràn xả lũ phương án 2 ứng với

Q = 3816 (mP

3 P/s) ……….…… 65

Bảng vẽ số 12: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 2 ứng với Q =

Bảng vẽ số 13: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 2 ứng với Q = 7592 (mP

3

P

/s) và Q = 5983 (mP

3 P/s) ……….…… 70

Bảng vẽ số 14: Cắt dọc lưu tốc khi xả qua tràn xả lũ phương án 2 ứng với Q = 3816 (m3/s) ……….…… 70

Líp CH13C1 - Chuyªn ngµnh X©y dùng c«ng tr×nh thuû

M ỤC LỤC

28T

MỞ ĐẦU……….………28T1 28T

I Tính cấp thiết của đề tài.28T 1 28T

II Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.28T 2 28T

III Nội dung nghiên cứu.28T 3 28T

IV Phạm vi nghiên cứu.28T 3 28T

V Phương pháp nghiên cứu.28T 3 28T

VI Kết cấu của luận văn:28T 4 28TU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP TIÊU NĂNG DÒNG CHẢY SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC……… U5 28T

1.1 Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu công trình thóa nước.28T 5 28T

1.1.1 Khái quát chung:28T 5 28T

1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài:28T 6 28T

1.1.3 Mội số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam:28T 8 28T

1.2 Một số vấn đề về công trình tháo nước và tiêu năng hạ lưu.28T 9 28T

1.2.1 Tình hình xây dựng đập tại Việt Nam:28T 9 28T

1.2.2 Các loại đập tràn:28T 11 28T

1.2.3 Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu đập tràn:28T 12 28T

1.2.4 Tiêu năng hạ lưu đập tràn:28T 13 28T

1.2.4.1 Tiêu năng bằng dòng đáy:28T 14 28T

1.2.4.2 Tiêu năng bằng dòng mặt:28T 15 28T

1.2.4.3 Tiêu năng bằng dòng phóng xa (tiêu năng phóng xa):28T 16 28T

1.3 Các phương pháp tính toán tiêu năng cho công trình tháo nước.28T 17 28T

1.3.1 Phương pháp lý luận:28T 17 28T

1.3.2 Phương pháp thực hiện mô hình:28T 18 28T

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu trên nguyên hình:28T 19 28T

1.4 Một số giải pháp tiêu năng đáy ở hạ lưu công trình tháo nước.28T 19 1.4.1 Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng: 19

1.4.3.2 Tính tường tiêu năng:28T 23 28T

1.4.3.3 Tính bể tường kết hợp:28T 23 28T

1.4.3.4 Tính chiều dài bể tiêu năng:28T 25 28T

1.4.3.5 Tính sân sau:28T 26 28T

1.4.3.6 Các thiết bị tiêu năng phụ:28T 27 28T

1.5 Các đánh giá nhận xét chung.28T 27 28T

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU28T………….….29 28T

2.1 Đặc điểm thủy lực của dòng chảy đáy sau đập tràn.28T 29 28T

2.1.1 Đặc điểm của dòng chảy đáy:28T 29 28T

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của tiêu năng dòng đáy ở hạ lưu đập tràn:28T 30

28T

2.2 Ý nghĩa của việc áp dụng ngưỡng tiêu năng trên sân sau để giảm năng lượng dòng chảy ở hạ lưu công trình.28T 31 28T

2.3 Mô hình vật lý và lý thuyết tương tự.28T 35 28T

2.4 Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình nghiên cứu.28T 36 28T

2.4.1 Tương tự hình học:28T 36 28T

2.4.2 Tương tự động học:28T 36 28T

2.4.3 Tương tự động lực học:28T 37 28T

2.5 Thiết lập sêry thí nghiệm.28T 38 28T

2.5.1 Mục đích của việc thiết lập sêry thí nghiệm:28T 38 28T

2.5.2 Thiết lập phương trình nghiên cứu thí nghiệm.28T 38 28T

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HOÁ CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN HỒI XUÂN VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐẠC THÍ NGHIỆM28T……….43 28T

3.1 Sơ lược về quy mô công trình thủy điện Hồi Xuân.28T 43 3.1.1 Quy mô công trình: 43

3.2.2 Chọn tỷ lệ mô hình:28T 46 28T

3.2.3 Kiểm tra điều kiện làm việc tự động của mô hình :28T 47 28T

3.2.4 Tỷ lệ các đại lượng tương ứng giữa mô hình và nguyên hình:28T 47 28T

3.2.5 Phạm vi bố trí mô hình:28T 48 28T

3.2.6 Vật liệu làm mô hình:28T 49 28T

3.3 Các thiết bị đo đạc và thu thập số liệu.28T 49 28T

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHỤ CHO TRÀN XẢ LŨ HỒI XUÂN28T……… 51 28T

4.1 Các phương án nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình.28T 51 28T

4.2 Các phương án cấp lưu lượng thí nghiệm trên mô hình.28T 53 28T

4.3 Thí nghiệm phương án 1.28T 54 28T

4.3.1 Thí nghiệm xác định đường mặt nước phương án 1:28T 54 28T

4.3.2 Thí nghiệm chế độ thủy lực ở hạ lưu tràn phương án 1:28T 58 28T

4.3.3 Thí nghiệm xác định lưu tốc trung bình dòng chảy phương án 1:28T 59 28T

4.3.4 Thí nghiệm xác định mạch động lưu tốc phương án 1:28T 62 28T

4.3.5 Tính toán hiệu quả tiêu năng qua công trình phương án 1:28T 63 28T

4.3.6 Đánh giá xói lở hạ lưu phương án 1:28T 64 28T

4.4 Thí nghiệm phương án 2.28T 65 28T

4.4.1 Thí nghiệm xác định đường mặt nước phương án 2:28T 65 28T

4.4.2 Thí nghiệm chế độ thủy lực ở hạ lưu tràn phương án 2:28T 67 28T

4.4.3 Thí nghiệm xác định lưu tốc trung bình dòng chảy phương án 2:28T 70 28T

4.4.4 Tính toán hiệu quả tiêu năng qua công trình phương án 2:28T 74 28T

4.4.5 Áp suất dòng chảy - đánh giá xâm thực mố tiêu năng phương án 2:28T 76 4.4.6 Đánh giá xói lở hạ lưu phương án 2: 77

4.5 So sánh hiệu quả tiêu năng của hai phương án thí nghiệm.28T 78 28T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ28T……… 80 28T

1 Đánh giá kết quả nghiên cứu.28T 80 28T

2 Tồn tại và hạn chế.28T 80 28T

3 Kiến nghị.28T 81 28T

4 Những vấn đề nghiên cứu tiếp.28T 81 28T

TÀI LIỆU THAM KHẢO28T……….……83

DANH M ỤC HÌNH VẼ

28TU

Hình 1.1: Các loại đập tràn theo hình dạng mặt cắt đậpU 11 28TU

Hình 1.2: Các hình thức tiêu năng ở hạ lưu công trìnhU 14 28TU

Hình 1.3: Sơ đồ xác định hình thức nối tiếp chảy đáyU 20 28TU

Hình 1 4: Các dạng nối tiếp chảy đáyU 21 28TU

Hình 1.5: Sơ đồ tính bểU 23 28TU

Hình 1.6: Sơ đồ tính tườngU 23 28TU

Hình 1.7 Sơ đồ chung tính bể, tường kết hợpU 24 28TU

Hình 1.8: Sơ đồ chung tính bể, tường kết hợp - trạng thái phân giớiU 25 28TU

Hình 1.9: Sơ đồ tính chiều dài bể tiêu năngU 25 28TU

Hình 2.1: Nối tiếp chảy đáy khi hạ lưu là dòng chảy êmU 29 28TU

Hình 2.2: Nối tiếp chảy đáy khi hạ lưu là dòng chảy xiếtU 30 28TU

Hình 2.3: Hình thức các thiết bị tiêu năngU 31 28TU

Hình 2.4: Sơ đồ tình hình dòng chảy khi có ngưỡng tiêu năng trên sân sauU 33 28TU

Hình 4.1: Cắt dọc tràn xả lũ Hồi Xuân phương án thí nghiệm 1U 51 28TU

Hình 4.2: Cắt dọc tràn xả lũ Hồi Xuân phương án thí nghiệm 2U 52 28TU

Hình 4.3: Kích thước, hình dạng mố tiêu năngU 52 28TU

Hình 4.4: Sơ đồ mặt bằng bố trí mố tiêu năng.U 53

Bảng 4.2 Xác định mực nước đầu đập tràn tại các khoang cửa phương án 1U 5628TU

Bảng 4.3 Xác định độ sâu dòng chảy trên đỉnh các khoang phương án 1U 5728TU

Bảng 4.4 Xác định chiều cao sóng ở hai bờ ứng với các Q xả lũ phương án 1U 5728TU

Bảng 4.5 Tổng hợp vận tốc (m/s) trung bình trên các mặt cắt phương án 1, với các

cấp lưu lượngU 6028TU

Bảng 4.6 Tổng hợp vận tốc đáy (m/s) lớn nhất trên các mặt cắt phương án 1, với các cấp lưu lượngU 6128TU

Bảng 4.7 Xác định hiệu quả tiêu năng phương án 1U 6428TU

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước trung bình trên các mặt cắt phương án 2, với các cấp lưu lượngU 6628TU

Bảng 4.9 Xác định mực nước tại khe van cửa vào phương án 2U 6828TU

Bảng 4.10 Xác định độ cao sóng hai bờ phương án 2, hs (m)U 7028TU

Bảng 4.11 Tổng hợp vận tốc (m/s) trung bình trên các mặt cắt phương án 2, với các

cấp lưu lượngU 7128TU

Bảng 4.13 Giá trị mạch động lưu tốc ứng với các lưu lượng xả lũ, σv (m/s)U 7428TU

Bảng 4.14 Xác định các yếu tố nước nhảy trên mô hình tổng thểU 7528TU

Bảng 4.15 Xác định hiệu quả tiêu năng phương án 2U 7628TU

Bảng 4.16 Kết quả đo áp suất trung bình tại khu vực bể tiêu năng phương án 2U 77

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Công trình tháo nước là bộ phận quan trọng trong đầu mối các công trình

thủy lợi Loại công trình 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 của công trình còn gắn liền với an toàn khu vực hạ du

Trong các công trình tháo nước được xây dựng 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 với chi phí rẻ nhất Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu động năng thừa của dòng

chảy là rất lớn và nó có thể gây xói lở và làm mất ổn định của 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 thủy lợi Nghiên cứu chế độ thủy 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 tiễn cao và rất quan trọng Do đó, trong thiết kế công trình thủy lợi, giải quyết tốt vấn đề về 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 như: dòng xiết, hàm khí, mạch động áp suất và mạch động lưu tốc lớn… 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 công trình; độ chênh mực nước thượng hạ lưu; đặc điểm kết cấu công trình; lưu lượng tháo qua công trình… Chính vì vậy, để hoàn thiện phương án thiết

kế, người ta thường thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực để tạo

ra được chế độ nối tiếp thượng hạ lưu và tìm được 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 đề 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 giải pháp công trình hợp lý để

thỏa mãn các nhiệm vụ đã đề ra và giảm giá thành đảm bảo cho công trình làm việc

an toàn là 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, nghiên cứu chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu 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 các lý do kể trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tiêu năng phụ cho công trình có hình thức tiêu năng đáy, ứng dụng cho tràn xả

lũ Hồi Xuân” nhằm tìm ra được thiết bị tiêu năng hợp lý cho một công trình cụ thể

là công trình thủy điện Hồi Xuân nằm trên dòng sông Mã thuộc địa phận huyện Quang Hóa tỉnh Thanh Hóa, cách thành phố Thanh Hóa khoảng 140 km về hướng Tây Bắc 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

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

Nhiệm vụ:

Lựa chọn phương án nghiên cứu thực nghiệm

Thí nghiệm theo các phương án lựa chọn

Tổng hợp, phân tích các giải pháp đã được thí nghiệm, đưa ra được hình thức thiết bị tiêu năng hợp lý cho công trình, góp phần giảm nhẹ kết cấu bộ phận tiêu năng và phòng chống xói lở ở hạ lưu

III Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tính toán tiêu năng sau chảy đáy ở hạ lưu các đập tràn;

Nghiên cứu trên mô hình thủy lực công trình cụ thể là tràn xả lũ Hồi Xuân để tìm ra ảnh hưởng của thiết bị tiêu năng tới dòng chảy ở hạ lưu

Thông qua thí nghiệm chọn được thiết bị tiêu năng phụ hợp lý cho công trình

nhằm tăng cường khả năng tiêu hao năng lượng dư của dòng chảy qua tràn

IV Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cho công trình cụ thể là tràn xả lũ Hồi Xuân mà ở đây ta chủ yếu

là đi sâu vào hai nội dung sau:

Nghiên cứu ứng dụng thiết bị ở bể tiêu năng để tăng cường khả năng tiêu hao năng lượng của nước nhảy làm, giảm vận tốc đáy và sóng ở hạ lưu công trình nhằm

giảm xói lở ở hạ lưu công trình

Thông qua nghiên cứu trên mô hình đưa ra được thiết bị tiêu năng hợp lý cho công trình

V 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 lý thuyết vấn đề nghiên cứu, khái quát hóa các kết quả nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này là thí nghiệm mô hình thủy lực cho tràn xả lũ Hồi Xuân

VI Kết cấu của luận văn:

B ố cục của luận văn như sau:

Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về nối tiếp tiêu năng dòng chảy sau công trình tháo nước Chương 2: Phân tích lý thuyết vấn đề nghiên cứu

Chương 3: Mô hình hóa công trình thủy điện Hồi Xuân và thiết bị đo đạc TN

Chương 4: Nghiên cứu thí nghiệm lựa chọn giải pháp tiêu năng phụ cho tràn xả lũ

Hồi Xuân

Kết luận và kiến nghị

Các tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP TIÊU NĂNG DÒNG CHẢY

SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 1.1 Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu công trình thóa nước

1.1.1 Khái quát chung:

Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy từ thượng lưu qua công trình về hạ lưu, nguồn năng lượng của dòng chảy khá lớn sẽ tạo ra chế độ

thủy lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình

Đặc tính thủy 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 với hạ

lưu Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm được giải pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa, điều chỉnh lại sự phân bố

vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất nhằm 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 thủy 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 chọn hình thức kết cấu và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thủy 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 dòng chảy

với 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…

1.1.2 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 các khía cạnh rất 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 lượng 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 Bélanger 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, Pavơlốpxki, V.I.Avrinnhary, V.A.Saomian cũng đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy;

- Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài toán phẳng có: T Bunsu, An Rakhơmanôp, N Ragiatman…

- Đối với những trường hợp 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, Serenkop, B.T Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra được hình 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 kiện biên mở rộng của 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 đã có 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 vấn đề về 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 thủy tĩnh để đi đến các hệ thức tính toán thủy lực ở sau bậc;

- Ngoài ra, có thể kể đến các nghiên cứu của M.F Scolatnhep, 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 Sicvasvili

* Các nghiên cứu về thủy 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 đến mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của: Tréc tou

xốp, Smetana, Bas Kirova, UghinTrut, P Novak…

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

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

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

cứu của Lê Vi;

- Về vấn đề xói: Grund đã tìm ra những cấu trúc đặc biệt bên trong nước

nhảy liên quan đến bài toán xói bằng cách khái quát trường lưu tốc bằng 3 miền tương hỗ lẫn nhau;

- Liên quan đến chiều sâu hố xói ổn định đã có các tác giả như Vưxgo, Schoklitsh, Vernonese, Jaeger, Pratresev, Eggenberger, Smolianinov

- Về hố xói sau bể tiêu năng thì có các nghiên cứu của Vưxgo, Novak trong

đó có chỉ ra các yếu tố có liên quan đến sự phân bố lưu tốc liên qua hệ số αR 1 R và các

vị trí tương ứng của ngưỡng, mố tiêu năng…

-Về chiều dài xói ổn định có các nghiên cứu của Danamzin, Patrasev, Yuricki theo quan điểm chiều dài hố xói liên quan tới độ sâu lớn nhất của hố xói;

- Levi, Vuxgo … lại xác định chiều dài xói phụ thuộc vào các yếu tố dòng

chảy và công trình như: dòng chảy, đất nền, dạng công trình…

1.1.3 Mội số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam:

Ở Việt Nam, trong mấy thập kỉ gần đây, vấn đề nghiên cứu nối tiếp và giải quyết vấn đề tiêu năng chống xói ở hạ lưu các công trình thủy lợi nói chung đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý công trình thủy lợi Đã có nhiều công trình nghiên cứu tại Viện khoa học Thủy lợi như:

của tác giả: Trương Đình Dụ, Lưu Như Phú, Hàn Quốc Trinh, Nguyễn Ân Niên,

Trần Như Hối, Tăng Đức Thắng , Trần Quốc Thưởng, Lê Văn Nghị…; Trường Đại

học Thủy lợi có các tác giả: Hoàng Tư An, Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý 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 riêng của mình nhưng cũng có các tác giả đi theo

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

- Các nghiên cứu của giáo sư Hoàng Tư An sử dụng và phát triển lý thuyết dòng tia rối sử dụng tích phân Karman để tính toán các đặc trưng cở bản của các

dạng nước nhảy khác nhau trong các điều kiện biên cụ thể;

- Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Đăng dùng lý thuyết lớp biên để thành lập phương trình về nước nhảy ổn định và đặc trưng phân bố lưu tốc trong nước nhảy;

- Nghiên cứu của Lê Bá Sơn về các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu công trình;

- Nghiên cứu của Võ Xuân Minh về ảnh hưởng liên quan của mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói;

- Nghiên cứu của Võ Xuân Minh, Hoàng Văn Quý về góc mở rộng β và một

số biện pháp phân bố đều lưu lượng và từ đó tìm 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, Lê Văn Nghị và một

số người khác về xói và ổn định ở hạ lưu công trình tháo nước

- Nghiên cứu của Lưu Như Phú cống ở hạ lưu mở dần với bậc thấp có đập

thụt;

- Nghiên cứu của Hàn Quốc Trinh về tiêu năng; phòng xói cống vùng triều

1.2 M ột số vấn đề về công trình tháo nước và tiêu năng hạ lưu

1.2.1 Tình hình xây dựng đập tại Việt Nam:

Trong đầu mối công trình thủy lợi, công trình tháo là một bộ phận quan trọng,

nó có thể dùng để tháo phần lũ thừa trong thời gian hồ đầy đến mực nước tính toán

hoặc kết hợp với tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng 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 Theo hình thức phân loại đập tràn là loại công trình

kiểu hở và lưu lượng tháo qua đập tràn khoảng 40÷100 mP

3 P/s/m Khi có điều kiện sử

dụng thì đập tràn là một loại công trình tháo lũ rẻ nhất

Khoảng 50 ÷ 60 năm trước đây, chỉ mới có đập tràn tháo lũ cao 50÷70m thì ngày nay đã có đập tràn cao trên 130m

B ảng 1.1 Đặc điểm một số đập tràn đã xây dựng ở nước ta

TT Công trình Tỉnh

Lưu lượng Chi ều

cao đập (m)

Chi ều rộng tràn (m)

S ố khoang tràn

Loại đập

Q (m P

3

P

/s)

q (m P

TT Công trình T ỉnh

Lưu lượng Chiều

cao đập (m)

Chiều

r ộng tràn (m)

Số khoang tràn

Lo ại đập

Q (m P

3

P

/s)

q (m P

20 Ngòi Nhì Yên Bái 1291 19,9 8,0 65 Đập tràn

21 PleiKrong Gia Lai 7606 126,8 54,7 60 6 Đập tràn

22 Sông Tiêm Hà Tĩnh 2519 25,2 100 Đập tràn

23 Sê San 4 Gia Lai 20090 167,4 49,0 120 8 Đập tràn

24 Tân Quang Hà Giang 1092 22,4 11,0 48,8 Đập dâng

1.2.2 Các loại đập tràn:

Về kết cấu đập tràn rất khác nhau, đập tràn có thể phân loại theo các tiêu chuẩn sau: Phân loại theo chiều dày đỉnh đập và hình dạng mặt cắt ngang của đập tràn Theo cách này, đập tràn có thể phân làm 3 loại sau đây (hình 1.1)

- Đập tràn có mặt cắt thực dụng (hình 1.1b, 1.1c) khi 0.67H< δ< (2÷3)H, chiều dài đập đã ảnh hưởng đến làn nước nhưng không quá lớn, với loại này mặt cắt 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 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 HR ck R< (6 ÷ 6.5)m cột nước

- Đập tràn đỉnh rộng (hình 1.1d) khi đỉnh đập nằm 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

+ Phân loại đập theo hình dạng cửa tràn gồm có:

- Đập cong, thường là hình cung;

- Đập kiểu giếng, có đường tràn nước là một 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

1.2.3 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 của dòng chảy ở hạ lưu đập tràn đó là:

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

- Mực nước hạ lưu thay đổi

- 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 ngoằn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng …

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

và các công trình ven bờ

Từ sự phân tích trên ta thấy việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu là một trong những công việc quan trọng của tính toán thiết kế đập tràn

1.2.4 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 thừa 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 bị 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 hao năng lượng và giảm xói lở Để đạt được mục đích đó, thường dùng các hình thức tiêu năng sau (hình 1.2)

- Tiêu năng bằng dòng đáy (hình 1.2a, 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 bảng 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, khuyếch tán dòng chảy theo phương thẳng đứng và 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 hóa lẫn nhau

a Tiêu năng bằng dòng đáy b Tiêu năng bằng dòng đáy

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

e Tiêu năng bằng dòng phun xa

Hình 1.2: Các hình thức tiêu năng ở hạ lưu công trình

1.2.4.1 Tiêu năng bằng dòng đáy:

Đặc điểm của hình thức tiêu năng bằng dòng đáy (tiêu năng 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 dùng nhất trong xây dựng công trình thủy lợi Điều kiện cơ bản

của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước ở hạ lưu lớn hơn chiều sâu liên hiệp

thứ hai của nước nhảy hR h R> hR c RP

’’

Pđể 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 cả về 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 bố trí thêm ở bể tiêu năng, trên các sân sau các thiết bị phụ như tường, mố, ngưỡng, dầm, tạo tường phân dòng để khuếch tán đều dòng chảy ở hạ lưu, tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tăng hiệu quả tiêu hao năng lượng Tiêu năng dòng đáy thường dùng với công trình có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu nhỏ và địa chất nền không được tốt

1.2.4.2 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 (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

Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu đập tràn có bậc thụt (hình 1.2) phụ thuộc vào mực nước hạ lưu, bao gồm:

- Tr ạng thái thứ nhất: khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức là

hR h R < a, dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa (hình 1.2e)

- Tr ạng thái thứ hai: khi cột nước hạ lưu hR h R nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ

nhất hR ghI R : hR h R < hR ghI R, dòng chảy ở trạng tháy chảy đáy (hình 1.2b), lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa tùy theo hR c RP

’’

P

và hR h R

- Tr ạng 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 hR ghI Rvà độ sâu giới hạn thứ hai hR ghII R (hình 1.2c) : hR ghI R < hR h R < hR ghII R

Lúc này, độ sâu nước hạ lưu cần phải lớn hơn hR c R’’ của nước nhảy đáy, đồng

thời hR h R>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 quá lớn

có thể sinh ra chảy phóng xa, θ nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường θ =

Hình thức tiêu năng dòng mặt không ngập thích hợp với đập tràn có tháo các

vật trôi nổi để tránh các vật nổi va chạm vào sân sau hoặc thân đập Tuy nhiên 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 và xói lở bờ sông; và yêu cầu mực nước hạ lưu phải sâu

- Tr ạng thái thứ tư: dòng chảy mặt ngập, khi cột nước hạ lưu lớn hơn độ

sâu giới hạn thứ hai (hình 1.2d) : hR h R > hR ghII R Nhược điểm 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, chống xói tốt Tuy nhiên sử dụng hình thức tiêu năng dòng mặt gây

trở ngại cho thuyền bè đi lại ở hạ lưu và 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

1.2.4.3 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 2 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 dòng nước càng nhiều Dòng chảy càng khuếch tán lớn trong không khí và càng

trộn lẫn nhiều không khí thì năng lượng được tiêu hao càng lớn Dòng chảy phóng

xuống hạ lưu gây nên xói lở, sau khi hố xói đạt được 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 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 Trong các hình thức tiếp nối 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 thủy lực ở nước ta

Ngoài các hình thức nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu các công trình thủy lợi ở trên, với những dòng chảy có lưu tốc lớn, để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa, người ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ Tuy nhiên cần phải chú

ý tới 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 trôi 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 C ác phương pháp tính toán tiêu năng cho công trình tháo nước

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 áp dụng độc lập hoặc phối hợp với nhau

1.3.1 Phương pháp lý luận:

Dòng chảy hạ lưu ở khu vực tiêu năng rất phức tạp, nên chưa có phương pháp phân tích toán học chính xác, hiện nay vẫn dùng các công thức suy diễn từ lý

luận kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh bằng thực nghiệm Cũng có thể dùng công

thức bán thức nghiệm sau đó tiến hành phân tích định tính cuối cùng mới dùng công

thức kinh nghiệm để tính toán

Với các công trình nhỏ, bố trí các bộ phận chủ yếu gần với sơ đồ lý thuyết có

thể dùng các công thức thủy lực học để tính Đối với các công trình lớn và vừa sau

khi dùng công thức thủy lực tính toán phải tiến hành nghiệm chứng bằng mô hình

thủy 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 hóa 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 cho 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 áp dụng được

1.3.2 Phương pháp thực hiện mô hình:

Mô hình thí nghiệm mô phỏng được công trình thực tế kể cả trong 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 thủy lợi mà những

vấn đề đó không được giải quyết thỏa đáng được bằng con đường lý luận Từ thực nghiệm mô hình thủy lực xây dựng các công thức thực nghiệm, kiểm tra, bổ sung và chính xác hóa 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 nhiên các công thức thực nghiệm có phạm vi ứng dụng nhất định và có giá trị gần đúng, bằng thực 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 hoàn toàn không chính xác, 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 chính xác 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 thể nghiên cứu quan sát và đo đạc các thông số được, đồng thời khi đã xây dựng xong công trình và

nếu có sự cố gây mất an toàn đối với công trình thì việc sửa đổi lại các kết cấu công trình và hình thức tiêu năng là vấn đề khó khăn và tốn kém

Do vậy khi nghiên cứu về tiêu năng sẽ là không đủ nếu chỉ sử dụng một trong ba phương pháp trên và người ta sử dụng cả ba phương pháp 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 được các loại

số liệu và có thể xây dụng được công thức kinh nghiệm

1.4 M ột số giải pháp tiêu năng đáy ở hạ lưu công trình tháo nước

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 được giả 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 ÷1.1) 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 (hR c R’’-hR h R) 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 phải bằng lưu lượng lớn nhất Trong thực tế, việc xác định lưu lượng này phải phân tích các trường hợp cụ thể tùy thuộc vào mực nước thượng hạ lưu

1.4.2 Xác định hình thức nối tiếp chảy đáy:

Độ sâu tại mặt cắt co hẹp hR c R ở sau công trình được xác định trực tiếp bằng phương trình Bécnuli viết cho mặt cắt thượng lưu (0-0) và mặt cắt co hẹp ở chân đập tràn (C-C), xem (hình 1.3)

O

a v o

2g

E H

Sau khi tính toán được hR c R theo công thức trên, có thể tính độ sâu liên hợp với hR c R là

hR c R’’ So sánh hR c R’’ với độ sâu hạ lưu hR h R, sẽ xác định được các hình thức nối tiếp dưới đây:

a) Trường hợp 1: Hạ lưu là dòng chảy êm

hR c R’’>hR h R: nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa (hình 1.4a)

hR c R’’=hR h R: nối tiếp bằng nước nhảy phân giới (hình 1.4b)

hR c R’’<hR h R: nối tiếp bằng nước nhảy ngập (hình 1.4c)

a b

Hình 1 4: Các dạng nối tiếp chảy đáy

b) Trường hợp 2: Hạ lưu là dòng chảy xiết

hR c R>hR h R: dòng nối tiếp giảm dần từ hR c R÷hR h R (hình 1.4d)

hR c R’’=hR h R: hình thành dòng đều ngay sau mặt cắt co hẹp (hình 1.4e)

hR c R’’<hR h R: có đường đổ nối tiếp với dòng đều trong kênh dẫn (hình 1.4f)

Trong các 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 hai sau

nước nhảy chính là độ sâu dòng chảy bình thường ở hạ lưu Do đó, biết độ sâu hạ lưu hR h R=hR c R’’, ta có thể tính 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 hiển 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 mạch động kéo dài, vì vậy cho phép tạo thành nối tiếp chảy mặt Có nhiều biệp 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 hình thức, kích thước thiết bị tiêu năng phụ

1.4.3.1 Tính bể tiêu năng:

Phương pháp chung thường tính chiều sâu bể tiêu năng theo công thức (hình 1.10):

d=σhR c R’’- hR h R– ΔZ (1-4) Trong đó:

hR h Rđộ sâu hạ lưu khi chưa đào bể;

hR c R’’ độ sâu liên hợp với độ sâu co hẹp hR c R tính với cao trình sân bể, với cột nước thượng lưu ER o R’= ER o R + d;

σ hệ số an toàn ngập, lấy khoảng 1,05÷1,10;

Δ chênh lệch cột nước ở cửa ra của bể, tính bằng công thức:

φ’ hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể, lấy khoảng 0,95÷1,00

Như vậy, trong công thức (1-4), để tính d, các số hạng hR c R’’ và ΔZ lại phụ thuộc vào chính ẩn số d Do đó, bài toán phải giải bằng cách tính đúng dần

Hình 1.5: Sơ đồ tính bể

Hình 1.6: Sơ đồ tính tường

1.4.3.2 Tính tường tiêu năng:

Chiều cao c của tường tiêu năng tính bằng công thức (hình 1.6):

c=σhc’’-H1 (1-6) H1 là cột nước tràn trên đỉnh tường, tính theo công thức đập tràn chảy ngập:

2

2 2 '' 2

Có 2 cách đặt vấn đề để giải quyết:

- Tự định một trong hai đại lượng d hoặc c và tìm ra đại lượng kia, sau đó điều chỉnh để d và c có một tỷ lệ hợp lý nhất về kinh tế - kỹ thuật

- Định chiều cao tường lớn nhất có thể được, miễn là ở sau tường không xảy

ra nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa

Thông thường, người ta theo cách thứ hai Xét bài toán phẳng: chiều cao tường

cR o Rđể không có nước nhảy phóng xa ở dưới tường (hình 1.7) tính bằng công thức:

cR o R= hR c1 R+

2 2

Trong đó: hR c1 Rlà độ sâu của mặt cắt co hẹp ở sau tường trong trường hợp nối

tiếp sau tường là nối tiếp bằng nước nhảy phân giới, nghĩa là hR c1 Rlà độ sâu liên hiệp

thứ nhất với độ sâu hạ lưu:

sau khi tính được cR o R, sẽ lấy được chiều cao tường nhỏ hơn cR o Rmột ít để đảm bảo

nối tiếp bằng nước nhảy ngập ở sau tường:

c=(0,90÷0,95)cR o R(1-11) sau khi có c, sẽ xác định d theo công thức (1-8)

Hình 1.7 Sơ đồ chung tính bể, tường kết hợp

Hình 1.8: Sơ đồ chung tính bể, tường kết hợp - trạng thái phân giới

1.4.3.4 Tính chiều dài bể tiêu năng:

Chiều dài bể tiêu năng tính từ chân công trình, bao gồm chiều dài lR 1 R từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp c-c, và chiều dài của nước nhảy ngập lR nn Rnằm trong

phạm vi bể, chiều dài khu nước vật dưới l’ (hình 1.9):

Hình 1.9: Sơ đồ tính chiều dài bể tiêu năng

LR b R =lR 1 R+lR nn R+l’

Trong thực tế, lR b R>lR nn R nên nhiều tác giả đã đưa ra công thức tính chiều dài bể như sau:

- M.D Tréc tô u xốp đề ra: lR b R = lR 1 R+βlR n

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:

lR b R = 3,2 H c o( + +d 0,83H o)+l1 (1-12)

- I.I A-gơ-rô-skin đưa ra công thức:

LR b R=3hR b R+lR 1 R(1-13)Trong các công thức trên:

LR n RChiều dài nước nhảy hoàn chỉnh

Chiều dài lR 1 R, theo hình 1-14 tính bằng: LR 1 R= lR rơi R-s

Chiều dài lR rơi R, 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:

P Chiều cao đập;

HR o R Cột nước tràn (kể cả cột nước lưu tốc tới gần);

A độ mở cửa van;

Như vậy: khi bể nằm sau đập tràn có chiều cong thuận, lR 1 R=0 và chiều dài bề chỉ tính

từ mặt cắt co hẹp c-c

1.4.3.5 Tính sân sau:

Sân sau có tác dụng tiêu hao năng lượng thừa tồn tại ở dạng động năng,

mạch động… Lưu tốc dòng chảy trên sân sau không được vượt quá lưu tốc cho phép Kết cấu của nó có tính mềm để dễ thích nghi với địa chất nền hạ lưu, dễ thấm nước Chiều dài sân sau phải đủ dài, nếu quá ngắn sẽ không hình thành nước nhảy Chiều dài sân sau có thể tham khảo công thức:

lR 2 R = KR 1 R q ∆H (1-18) Trong đó:

ΔH chênh lệch mực nước sân thượng hạ lưu;

q lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng;

K hệ số phụ thuộc vào địa chất nền lòng dẫn K=10÷12 với cát mịn, cát pha; K= 8÷9 với cát to, đất co tính dính; K=6÷7 với đất sét cứng Phạm vi sử dụng công

thức trên q ∆H = 1÷9

Ngoài ra, theo kinh nghiệm, có thể lấy chiều dài toàn bộ của sân bằng khoảng (4÷10)ΔH

1.4.3.6 Các thiết bị tiêu năng phụ:

Trong bể tiêu năng, trên sân sau thường bố trí các thiết bị để tiêu hao năng lượng dòng chảy như mố, ngưỡng… làm cho dòng chảy gây ra lực phản kích lại và

giảm được hR c R’’, rút ngắn chiều dài sân sau Thí nghiệm chứng minh rằng, nếu bố trí thích hợp các thiết bị tiêu năng thì có thể giảm được (20%÷30%)hR c R’’

* Ngưỡng tiêu năng ngập trong nước nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối

với dòng chảy có lưu tốc lớn, và làm giảm chiều sâu nước nhảy hR c R’’ Qua thí nghiệm cho thấy với góc nghiêng mái thượng lưu ngưỡng <90P

o P

và >60P

o P thì không ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu năng

* Trên sân sau, cũng có thể bố trí các mố tiêu năng Vị trí bố trí thường ở nơi bắt đầu của sân sau, tại khu vực dòng chảy có lưu tốc cao, cách chân đập một đoạn dài hơn chiều sâu phân giới của dòng chảy Kích thước và vị trí mố tiêu năng

phải thông qua thí nghiệm để quyết đinh Theo kinh nghiệm, kích thước mố có thể

lấy như sau: chiều cao mố: dR n R≈(0,75÷1,0)hR c R, chiều rộng mố bR n R=(0,5÷1,0)dR n R, khoảng cách BR n R giữa mép của 2 mố gần nhau BR n R≤ bR n R Kích thước cụ thể còn phụ thuộc vào hình thức cấu tạo Có thể bố trí một hoặc hai hàng mố, có nhiều hình thức mố tiêu năng; góc vát thượng lưu, mặt bên, các góc cạnh … của mố đều có ảnh hưởng tới

hiệu quả tiêu năng Thường thông qua thí nghiệm để bố trí cho hợp lý

1.5 C ác đánh giá nhận xét chung

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 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 Sự nối tiếp từ thượng lưu xuống hạ lưu và hình thức tiêu năng

cần được tính toán cặn kẽ để tránh các hậu quả bất lợi

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 thường trên sân sau có xây 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 hR c R’’, 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, phá hoại

bê tông làm cho điều kiện làm việc của thiết bị tiêu năng không tốt Điều này đỏi

hỏi phải có cách tính toán phù hợp hơn và cần phải nghiên cứu cả trên mô hình thủy

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 ảnh hưởng của nhiều hiện tượng thủy lực bất lợi Theo hướng thí nghiệm mô hình thủy lực, luận văn xin được trình bày các ảnh hưởng của ngưỡng tiêu năng đến trạng thái dòng chảy qua thông

số cơ bản của dòng chảy đó là số Froude (Fr) với mục đích cải thiện được trạng thái dòng chảy, để tạo thành dạng nước nhảy ngập nhằm tiêu hao tới mức tối đa năng lượng thừa, điều chỉnh sự phân bố lưu tốc và giảm mạch động, qua kết quả thí nghiệm sẽ chọn ngưỡng tiêu năng cho hợp lý nhằm giảm nhẹ kết cấu tiêu năng và đảm bảo an toàn cho công trình tràn xả lũ Hồi Xuân - Thanh Hóa