Pages from Tap chi KHKT Thuy loi &Moi truong so 42-12

KIỂM TRA KHÍ THỰC Ở CÁC ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN CỦA THỦY ĐIỆN LAI CHÂU Nguyễn Chiến1, Nguyễn Thái Bình2 Tóm tắt: Dịng chảy mặt đập tràn cao có lưu tốc lớn, thường gây khí hóa khí thực mặt tràn, làm hư hỏng đập Trong giới thiệu phương pháp kiểm tra khí hóa khí thực đập tràn gồ ghề cục gây Áp dụng tính tốn cho đập tràn Lai Châu phạm vi có phát sinh khí hóa khí thực ứng với trị số độ gồ ghề cục khác Với đập tràn cao đập Lai Châu dù sử dụng vật liệu bê tơng mác cao hồn thiện bề mặt cấp độ cao khả khí thực phần mặt tràn khơng tránh khỏi Do phải áp dụng biện pháp để phịng khí thực Từ khóa: đập tràn, gồ ghề cục bộ, khí hóa, khí thực, lưu tốc Đặt vấn đề Hiện xây dựng nhiều hồ chứa thủy lợi, thủy điện có cột nước cao Với đập tràn cao, xả lũ có lưu tốc mặt tràn lớn Chẳng hạn đập tràn thủy điện Sơn La, Lai Châu, xả lũ thiết kế, lưu tốc bình quân mặt cắt cuối tràn đạt 30m/s Trong đó, mặt tràn ln tồn gồ ghề cục có nguồn gốc khác (do thi công, hay phát sinh thời kì khai thác) Dịng chảy có lưu tốc lớn bề mặt có gồ ghề cục làm phát sinh khí hóa, dẫn đến khí thực phá hoại mặt tràn (hình 1) 111.0 -2.0 -2.5 -4.0 101.0 Hình Khí thực mặt đập tràn Bratxcaia (LB Nga) [1] a – Các phần bị xâm thực mặt tràn; b – Hình ảnh hố xâm thực Vì tính tốn thiết kế đập tràn thiết phải tiến hành kiểm tra khí hóa, khí thực thiết kế giải pháp phịng khí thực cần thiết Vấn đề trước chưa quan tâm mực nên số đập tràn vận hành có xảy khí thực (như đập Plei Krong, Bản Chát…) Gần đây, nước ta ban hành tiêu chuẩn hướng dẫn tính tốn Trường Đại học Thủy lợi; Viện Kỹ thuật cơng trình, Đại học Thủy lợi 76 khí thực [3], việc nghiên cứu để áp dụng cho cơng trình thực tế cần thiết, đặc biệt cho đập tràn cao Phương pháp kiểm tra khí hóa khí thực mặt tràn 2.1 Kiểm tra khí hóa Khí hóa xuất bề mặt lịng dẫn đường biên khơng thuận, tồn vị trí mà dịng chảy khơng bám sát thành, tạo khu vực giảm áp Đối với bề mặt đập tràn, khí hóa xuất KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) dạng tổng thể cục Dạng tổng thể khí hóa xuất thân bề mặt đập tràn mặt chảy bao khơng thuận dịng chảy khơng bám sát mặt tràn Đây dạng mặt tràn có chân không Đối với đập tràn cao, theo điều kiện an tồn ,thường áp dụng loại mặt tràn khơng chân khơng (dạng WES Criger-Ofixerov, xem [1]) Do dạng khí hóa tổng thể mặt tràn khơng xảy Trong giới hạn nghiên cứu khí hóa mặt tràn có gồ ghề cục Hình dạng kích thước gồ ghề cục phụ thuộc vào công nghệ thi công xử lý mặt tràn Trong xây dựng thường quy định cấp độ hoàn thiện bề mặt khác nhau; cấp F1- hoàn thiện thông thường, mức độ gồ ghề khống chế không vượt 7mm; cấp F2- hoàn thiện cấp cao, độ gồ ghề khống chế không vượt 5mm; cấp F3- hồn thiện đặc biệt, độ gồ ghề khống chế khơng vượt 4mm Bề mặt đập tràn cần hoàn thiện theo cấp Tuy nhiên, lưu tốc mặt tràn q lớn chí gồ ghề cục có chiều cao nhỏ 4mm tạo nên khí hóa Theo [3], khí hóa xuất thỏa mãn điều kiện: K ≤ Kpg , (1) đó: Kpg- hệ số khí hóa phân giới, phụ thuộc vào hình dáng gồ ghề cục bộ, xác định theo [3]; K- hệ số khí hóa thực tế, xác định theo công thức: H ĐT  H pg (2) VĐT / 2g Ở đây, cột nước đặc trưng HĐT = Ha + h cosψ; Ha- cột nước áp lực khí trời; h- độ sâu nước (theo phương vng góc với đáy) điểm tính tốn; ψgóc tiếp tuyến với mặt tràn phương ngang; Hpg- cột nước áp lực phân giới, tức áp lực hóa nước ứng với nhiệt độ T, xác định theo [3]; VĐTlưu tốc đặc trưng xác định sau: VĐT = Vy = VTB 1. ; (3) K V tơng, độ hàm khí lớp nước sát thành S = 0, trị số Vng xác định theo [3], cụ thể với bê tông M20, Vng = 9,2m/s; với bê tông M25, 30, 35, 40, trị số Vng 12m/s; 14,1m/s; 16,4m/s 18,5m/s Trường hợp dự báo có khí thực (khơng thỏa mãn điều kiện 4) cần thiết kế giải pháp phịng khí thực cho cơng trình Tính tốn áp dụng cho đập tràn thủy điện Lai Châu 3.1 Giới thiệu công trình Thủy điện Lai Châu bậc thang sông Đà, phần lãnh thổ Việt Nam Công trình có nhiệm vụ phát điện với cơng suất lắp máy 1200MW Đập tạo hồ chứa đập bê tơng trọng lực có chiều cao lớn 137m Đập tràn bố trí lịng sơng gồm khoang tràn mặt x 14,5m cửa xả sâu, kích thước cửa BxH = 4x6m Trong nghiên cứu khả khí thực đập tràn (tràn mặt, xem hình 2) Một số thơng số đập tràn sau: - Mặt cắt đập tràn: tràn khơng chân khơng kiểu WES Cao trình ngưỡng tràn: 275,0m; cao trình mũi phun: 225,0m; góc hất mũi phun αH = 300; bán kính cong nối tiếp: RH = 40,0m - Mặt tràn: ngăn cách khoang trụ có d = 5,0m; trụ kéo dài thành tường ngăn dày 3,0m khoang, kéo dài đến hết mũi phun - Xả lũ thiết kế: qua tràn mặt, xả đáy (mở hết cửa van) tổ máy thủy điện Mực nước lũ thiết kế: 297,68m; cột nước tương ứng: Ht = 22,68m Lưu lượng xả tương ứng qua khoang tràn mặt Q1 = 2876,6m3/s; qua khoang tràn mặt Qt = 17259,8m3/s 16.00 37.00 38.00 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 21.49 4.91 275.00 5.00 VTB – Lưu tốc trung bình mặt cắt; trị số φv, ξ1, ξ2 xác định theo dẫn [3] 2.2 Kiểm tra khí thực Tại điểm có phát sinh khí hóa cần kiểm tra điều kiện khí thực Khí thực không xảy khi: Vy < Vng, (4) đó: Vy – lưu tốc đỉnh mấu gồ ghề có chiều cao y = Zm + ∆; Zm – chiều cao mấu gồ ghề; ∆ - nhám mặt tràn; Vng – lưu tốc ngưỡng xâm thực, phụ thuộc vào mác vật liệu Với vật liệu bê 45.50 303.00 10.00 Diem ap suat 235.88 83.12 10 11 (A) 12 6.00 13 14 (B) 30 ‹ 15 (C) 225.00 219.64 129.00 166.00 Hình Mặt cắt đập tràn thủy điện Lai Châu [4] 77 3.2 Kiểm tra khí hóa mặt tràn Việc kiểm tra thực theo điều kiện (1) Tác nhân gây khí hóa gồ ghề cục Trong dạng gồ ghề cục tổng kết [3], loại trừ dạng thô đầu cốt thép sắc mép nhơ mặt tràn dạng bậc lồi theo chiều dịng chảy với góc nghiêng α = 900 bất lợi tạo khí hóa, tương ứng với hệ số khí hóa phân giớ Kpg = 2,3 Sau tính tốn kiểm tra cho dạng Hệ số khí hóa thực tế xác định theo cơng thức (2), Hpg = 0,32m (ứng với nhiệt độ nước T = 250C) Để xác định HĐT, VĐT cho vị trí khác mặt tràn (xem hình 2), cần vẽ đường mặt nước mặt tràn Trường hợp tính tốn tràn xả lũ thiết kế Do mặt tràn có độ dốc lớn thay đổi nên đường mặt nước vẽ phương pháp sai phân theo hệ phương trình sau [2]: V2 hi+1cosψi+1 + Vi1 - (h1cosψ1 + i ) 2g 2g = (sinψTB – JTB) L; phương ngang; V- lưu tốc trung bình mặt cắt, số i, i+1 tương ứng với vị trí đầu cuối đoạn tính tốn; J- độ dốc ma sát; q- lưu lượng đơn vị Đường mặt nước vẽ điểm (điểm cao ngưỡng tràn), độ sâu tương ứng h3 = 0,668Ht Hệ số nhám mặt tràn lấy n = 0,014 Độ sâu nước điểm B (điểm thấp mặt tràn) điểm C (tại mũi phun) xác định có xét đến lực ly tâm đoạn nối tiếp cung trịn, theo phương trình sau [2]: V2 V2 p yA + hAcosψA + A = hB + B + u + JABLAB; (7) 2g 2g  VB2 pu V2 + = yC + hCcosαH + C + JBCLBC; (8) 2g  2g Trong yA yC độ chênh cao A C so p với B (xem hình 2); u thành phần áp lực ly tâm,  xác định theo công thức: hB + p u 2h A VA2   R H 2g (5) (9) Ở RH = 40m; điểm A trùng với điểm 11 q = hiVi = hi+1Vi+1, (6) mặt tràn (hình 2) hi, hi+1 độ sâu (theo phương vng góc Kết tính vẽ đường mặt nước tràn xả lũ với mặt tràn) đầu cuối đoạn tính tốn có chiều thiết kế ghi bảng dài ∆L; ψ- góc tiếp tuyến với mặt tràn Bảng 1- Kết vẽ đường mặt nước tràn Mặt cắt 10 11 B C B (m) 14,5 14,5 14,5 14,5 14,5 16,5 16,5 16,5 16,5 16,5 16,5 q (m3/s.m) 198,4 198,4 198,4 198,4 198,4 174,3 174,3 174,3 174,3 174,3 174,3 h (m) 15,15 13,82 10,29 9,33 8,51 6,84 6,08 5,56 5,15 5,27 4,87 V (m/s) 13,096 14,357 19,273 21,272 23,306 25,494 28,649 31,377 33,851 33,061 35,820 Việc tính tốn kiểm tra khí hóa thực theo dẫn [3], với công thức (1), (2), (3) nêu Tiến hành tính tốn với trị số độ gồ ghề sinψ 0,128 0,512 0,563 0,639 0,683 0,772 0,776 0,781 0,500 JTB 0,005 0,007 0,011 0,015 0,020 0,026 0,035 0,044 0,047 0,050 DL 5,4 11,4 5,7 5,9 6,0 10,8 10,8 10,8 37,1 20,9 L 5,4 16,8 22,5 28,4 34,4 45,2 56,0 66,8 103,9 124,8 mặt tràn Zm = 2, 3, 4, 5, 6, 7mm Kết tính toán tổng hợp bảng 2, Bảng 2- Kết tính tốn kiểm tra khí hóa Zm = 4mm Mặt cắt 78 h (m) 15,15 13,82 10,29 9,33 8,51 6,84 6,08 V (m/s) 13,096 14,357 19,273 21,272 23,306 25,494 28,649 HĐT (m) 25,301 23,968 20,453 19,491 18,683 17,015 16,274 σ (m) 0,040 0,045 0,060 0,070 0,080 0,090 0,120 ξ2 (10-3) 4,0 3,8 3,7 3,5 3,3 3,1 2,7 VĐT (m/s) 9,518 10,18 13,55 14,58 15,56 16,62 17,51 K 5,384 4,451 2,139 1,758 1,478 1,178 1,013 Khả khí hóa khơng khơng có có có có có KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) Mặt cắt 10 11 B C h (m) 5,56 5,15 5,27 4,87 V (m/s) 31,377 33,851 33,061 35,820 HĐT (m) 15,757 15,364 15,507 15,096 σ (m) 0,130 0,150 0,200 0,250 ξ2 (10-3) 2,6 2,5 2,4 2,2 VĐT (m/s) 18,71 20,12 19,26 20,40 K 0,858 0,723 0,797 0,687 Khả khí hóa có có có có Bảng 3- Tổng hợp kết tính tốn kiểm tra khí hóa với trị số Zm khác Mặt cắt 10 11 B C L (m) 5,4 16,8 22,5 28,4 34,4 45,2 56,0 66,8 103,9 124,8 h (m) 15,15 13,82 10,29 9,33 8,51 6,84 6,08 5,56 5,15 5,27 4,87 V (m/s) 13,096 14,357 14,273 20,272 23,306 25,494 28,649 31,377 33,851 33,061 35,820 Khả khí hóa ứng với trị số Zm (mm) không không khơng khơng khơng khơng khơng khơng khơng có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có có Zm = khơng khơng khơng khơng có có có có có có có Từ bảng cho thấy khả phát sinh khí hóa phụ thuộc vào độ gồ ghề thực tế mặt tràn Với đập tràn Lai Châu xả lũ thiết kế, với Zm = 2mm khí hóa phát sinh phạm vi 102 m cuối mặt tràn; phạm vi phát sinh khí hóa với Zm = 3mm 108 m cuối mặt tràn; cịn Zm = (4-7)mm khí hóa phát sinh phạm vi rộng (119m cuối mặt tràn, tức 86% diện tích mặt tràn) Như dù mặt tràn hồn thiện cấp đặc biệt khả xuất khơng khơng có có có có có có có có có khí hóa phần lớn diện tích mặt tràn khơng thể tránh khỏi 3.3 Kiểm tra khí thực mặt tràn Khả khí thực mặt tràn kiểm tra theo điều kiện (4) Trị số VĐT lấy theo bảng tính tốn kiểm tra khí hóa Tổng hợp kết tính tốn khí thực mặt tràn Lai Châu, ứng với trị số gồ ghề cục khác trình bày bảng Bảng 4- Tổng hợp kết kiểm tra khí thực mặt tràn Lai Châu (BT M40, Vng = 18,5m/s) Mặt cắt 10 11 B C z = 3mm VĐT Khí thực 8,76 9,37 12,46 13,41 14,31 15,29 16,11 17,22 18,51 có 17,22 18,82 có z = 4mm VĐT Khí thực 9,52 10,18 13,55 14,58 15,56 16,62 17,51 18,71 có 20,12 có 19,26 có 20,46 có z = 5mm VĐT Khí thực 9,88 10,57 14,06 15,13 16,15 17,25 18,17 19,42 có 20,88 có 19,99 có 21,23 có Nhận xét: - Với mặt tràn thủy điện Lai Châu có mác bê tơng bề mặt M40, khả xuất khí thực phụ thuộc vào mức độ gồ ghề thực tế mặt Với Zm = 3mm, khí thực có khả xuất từ mặt cắt 11 trở cuối, tức toàn phần cong trịn cuối mặt tràn; với Zm = (4-5)mm, khí thực xuất từ mặt cắt 10; cịn Zm = (6-7)mm khí thực tiềm z = 6mm VĐT Khí thực 10,22 10,94 14,55 15,67 16,71 17,85 18,81 có 20,10 có 21,62 có 20,69 có 21,97 có z = 7mm VĐT Khí thực 10,56 11,30 15,03 16,18 17,26 18,44 19,43 có 20,76 có 22,33 có 21,37 có 22,69 có tàng tính từ mặt cắt - Với mặt tràn có lưu tốc lớn đập Lai Châu, chọn vật liệu bê tơng mác cao (M40), khí thực phần cuối mặt tràn khơng thể tránh khỏi, buộc phải áp dụng biện pháp để phịng khí thực Vấn đề trình bày báo khác KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 79 4- Kết luận 1) Các đập tràn cao thường có lưu tốc mặt tràn lớn, mặt tràn có gồ ghề cục khơng tránh khỏi tạo khí hóa, dẫn đến khí thực làm hư hỏng đập tràn Do việc tính tốn kiểm tra khí thực thiết kế giải pháp phịng khí thực cần thiết 2) Kết thí nghiệm mơ hình trình bày [4] kết luận khả khí hóa tổng thể mặt đập tràn Để kết luận khả khí hóa, khí thực gồ ghề cục gây cần áp dụng phương pháp tính tốn theo [3], đường mặt nước tràn vẽ theo dẫn [2] 3) Áp dụng tính tốn cho đập tràn Lai Châu xác định phạm vi khí hóa mặt tràn ứng với cấp độ gồ ghề cục khác Đã xác định với độ gồ ghề khống chế 4mm khí hóa xảy 86% diện tích mặt tràn Và với vật liệu bê tông M40 khí thực xuất 81% diện tích mặt tràn (từ sau mặt cắt 10), phải áp dụng giải pháp để phịng khí thực cho đập tràn Lai Châu TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Chiến (2012) Tính tốn thủy lực cơng trình tháo nước NXB Xây dựng, Hà Nội Cơng trình thủy lợi- Tính tốn thủy lực cơng trình xả kiểu hở xói lịng dẫn đá dịng phunTCVN 8420:2010 Cơng trình thủy lợi- Phương pháp tính tốn khí thực- TCVN 9185:2012 Viện lượng (2011) Báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực đợt (bổ sung) - Cơng trình thủy điện Lai Châu Summary: THE CONTROL OF CAVITATIONARY EROSION ON HIGH SPILLWAYS, APPLIED FOR LAI CHAU HYDROPOWER The flow on high spillways has quick velocity, thus it often creates cavitation and cavitationary erosion on the surface This paper presents the method to check the cavitation and cavitationary erosion caused by local roughnesses on the surface of the spillways The calculation of the flow regime on the Lai Chau spillway shows the range of cavitation and cavitationary erosion resulting from different levels of surface roughnesses Although the spillway is made of high intensity concrete and the surface is constructed at the highest level possible, cavitation and cavitationary erosion is unavoidable In order to minimize this, some special measures are needed Key words: spillway, local roughness, cavitation, cavitationary erosion, velocity of flow Người phản biện: PGS TS Nguyễn Thu Hiền 80 BBT nhận bài: Phản biện xong: 20/8/2013 15/9/2013 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) ... khí thực Khí thực khơng xảy khi: Vy < Vng, (4) đó: Vy – lưu tốc đỉnh mấu gồ ghề có chi? ??u cao y = Zm + ∆; Zm – chi? ??u cao mấu gồ ghề; ∆ - nhám mặt tràn; Vng – lưu tốc ngưỡng xâm thực, phụ thuộc... trình có nhiệm vụ phát điện với công suất lắp máy 1200MW Đập tạo hồ chứa đập bê tơng trọng lực có chi? ??u cao lớn 137m Đập tràn bố trí lịng sơng gồm khoang tràn mặt x 14,5m cửa xả sâu, kích thước... 4mm Bề mặt đập tràn cần hoàn thiện theo cấp Tuy nhiên, lưu tốc mặt tràn q lớn chí gồ ghề cục có chi? ??u cao nhỏ 4mm tạo nên khí hóa Theo [3], khí hóa xuất thỏa mãn điều kiện: K ≤ Kpg , (1) đó: Kpg-