Một số giới hạn khi áp dụng tràn mỏ vịt để tăng khả năng tháo

Bài viết Một số giới hạn khi áp dụng tràn mỏ vịt để tăng khả năng tháo sẽ trả lời câu hỏi, liệu có giới hạn nào cho việc áp dụng các hình thức tràn vừa nêu ở đầu mối công trình thủy để tăng khả năng tháo lũ. Bài viết sẽ đánh giá tập trung vào các đặc điểm: cột nước trên tràn, hệ số lưu lượng thực tế, hệ số hình dạng mặt cắt ở tràn mỏ vịt.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 MỘT SỐ GIỚI HẠN KHI ÁP DỤNG TRÀN MỎ VỊT ĐỂ TĂNG KHẢ NĂNG THÁO Nguyễn Phương Dung1, Hồ Sỹ Tâm1 Nguyễn Văn Thức2 Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyenphuongdungn@tlu.edu.vn Công ty Tư vấn - CTC Trường Đại học Thủy lợi ĐẶT VẤN ĐỀ Trong số gần 7000 hồ chứa Việt Nam [1] số lượng hồ chứa thủy lợi cần tăng khả tháo lũ nhiều Việt Nam nằm số nước chịu ảnh hưởng lớn nước biển dâng biến đổi khí hậu, đặc điểm dẫn đến dịng chảy đầu mối cơng trình thủy thay đổi đáng kể: vào mùa lũ lưu lượng tăng lên so với phương án thiết kế ban đầu; thời gian lũ kéo dài, đỉnh lũ lớn lũ chồng lũ Việc nâng cấp đầu mối, cải tạo tràn đặt nhu cầu thiết việc đảm bảo khả tháo lũ cực đoan, đồng thời đảm bảo an toàn cho đầu mối hạ du Thực tế cho thấy nhiều đầu mối tiến hành nâng cấp tràn để tăng khả tháo cho tràn làm thêm tràn phụ Bài tốn giữ trạng cơng trình mà tăng khả tháo giải với số hình thức tràn mỏ vịt, tràn labyrinth, tràn piano… Các hình thức chứng minh tăng khả tháo lũ so với tràn đỉnh rộng thực dụng truyền thống Nghiên cứu trả lời câu hỏi, liệu có giới hạn cho việc áp dụng hình thức tràn vừa nêu đầu mối cơng trình thủy để tăng khả tháo lũ Bài viết đánh giá tập trung vào đặc điểm: cột nước tràn, hệ số lưu lượng thực tế, hệ số hình dạng mặt cắt tràn mỏ vịt Khả tháo tràn mơ mơ hình tốn so sánh với lưu lượng tháo tính theo phương pháp học chất lỏng điều kiện Trong giới hạn nghiên cứu tìm hiểu khả tháo tràn tự dạng mỏ vịt Nguyên mẫu kích thước cơng trình lấy từ Báo cáo TKKT tràn Ea Uy Thượng, huyện Krông Păk, tỉnh Đắk Lắk [2] Nghiên cứu tập trung vào biện pháp tăng chiều dài ngưỡng cách đẩy lùi phía thượng lưu - tạo thành hình mỏ vịt mặt bằng, phía sau ngưỡng tràn giữ nguyên kích thước dốc nước cơng trình tiêu (xem Hình 1) Tràn xả lũ Hình Mặt tràn Ea Uy Thượng sau nâng cấp Nhiệm vụ cụ thể nghiên cứu tính tốn lưu lượng tháo qua tràn mỏ vịt với cột nước khác nhau; đánh giá hiệu tháo tràn mỏ vịt theo thông số kỹ thuật có, từ giới hạn áp dụng tràn mỏ vịt thực tế PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các tác giả sử dụng phần mềm CFD mơ dịng chảy qua tràn mỏ vịt đối chứng với kết tính tốn từ phương trình học chất lỏng 2.1 Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM - Finite Volume Method) Mơ hình động lực học hai chiều xây dựng dựa sở hệ phương trình 211 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Raynolds với thành phần lấy trung bình theo độ sâu, dạng véc tơ [3], viết sau: q F G   D t x y (1) Bản chất toán học phương pháp thể tích hữu hạn biến đổi hệ phương trình sóng động lực hai chiều ngang dạng phương trình đạo hàm riêng thành hệ phương trình vi phân thỏa mãn điều kiện ban đầu điều kiện biên Khi đó, việc giải tốn sóng động lực trở thành tốn tìm nghiệm hệ phương trình vi phân thường Trạng thái gần số Reynolds cao dòng chất lưu bề mặt chia thành khu vực ngồi dịng khơng nhớt khơng bị ảnh hưởng độ nhớt (phần lớn dòng chảy) gần với khu vực mà độ nhớt quan trọng (các lớp biên) Các phương trình liên tục phương trình Navier-Stokes cho dịng chảy phân tách thành phần trung bình dao động (mean and fluctuating component) cho phương trình 3: u  v  0 x y (2) u u v  p  2 u 2 u    v    v     (u ' v ')  (u '2 ) x y  x  x y  y x u u v  p  2 u 2 u     v   v    (u ' v')  (v'2 ) (3) x y  x  x y  x y Trong đó: u v thành phần vận tốc (tương ứng giá trị trung bình dao động chúng); p mật độ; p áp suất; ν độ nhớt động học lưu chất điểm Việc giải phương trình dao động thực mơ tốn dùng Flow3D Mơ hình thể Hình 2.2 Phương pháp học chất lỏng Lưu lượng tháo qua tràn tự tăng chiều rộng tràn nước tính theo cơng thức (4) Mặt cắt ngưỡng thể Hình Hình Mặt cắt tràn Ea Uy Thượng Q = εm.b + b 2g Ho3/2 (4) Trong đó: b chiều dài mở rộng tràn Từ kết tính tốn khả tháo phương pháp mơ hình toán phương pháp học chất lỏng tiến hành so sánh trường hợp khác để kết luận số giới hạn định áp dụng hình thức tràn mỏ vịt đầu mối cơng trình thủy 2.3 Các trường hợp tính tốn Tràn tháo lũ đầu mối cơng trình Ea Uy Thượng sửa chữa nhằm nâng cao lực tháo lũ qua tràn Cụ thể, phương án cũ tràn rộng 15m (bằng chiều rộng dốc nước); phương án thay tràn mỏ vịt - ngưỡng tràn đẩy phía thượng lưu, chế độ chảy tự do, tổng chiều dài ngưỡng tràn 45m (gấp lần phương án ban đầu) Các cột nước khảo sát thay đổi từ - 2m Mơ hình tốn mơ Flow3D chia lưới tích thể Hình Hình Lưới thể tích thượng lưu tràn KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hình Mơ hình tràn Ea Uy Thượng sau nâng cấp Thực mơ mơ hình tốn, kết trích xuất hình Cột nước thể H = 1,5m Lưu lượng ghi nhận mơ hình tốn ổn định xấp xỉ 110m3/s Trong đó, dùng 212 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 cơng thức (4) khả tháo 136m3/s Điều cho thấy hệ số lưu lượng mức độ ảnh hưởng hệ số hình dạng làm khả tháo thay đổi theo hướng giảm cột nước tăng lên Hình Dạng biến đổi hệ số lưu lượng hệ số hình dạng KẾT LUẬN Hình Kết khả tháo Flow3D ứng với cột nước H = 1,5m So sánh giá trị lưu lượng tháo cột nước tăng dần từ 0,5m - 2,0m biểu đồ hình Khả tháo thực tế cột nước cao khơng thể đơn tính tốn theo cơng thức (4) Hình So sánh khả tháo qua tràn Ở trường hợp cột nước < 1m lưu lượng tháo theo phương pháp cho trị số lớn tương đương Theo cơng thức tính tốn lưu lượng nêu tất trường hợp có B = 45m Điều có nghĩa tràn mỏ vịt phát huy tác dụng kéo dài diện tràn nước tuyến tràn làm cho lưu lượng qua tràn tăng lên đáng kể Hệ số lưu lượng trường hợp cho ε(m) ~ 0,39 Cột nước lớn hệ số lưu lượng giảm; ứng với trường hợp cột nước H = 0,5m cho kết hệ số lưu lượng hệ số hình dạng lớn Theo kịch tính tốn, lưu lượng tháo với tràn mỏ vịt có hiệu ứng với cột nước H < 1m Cột nước từ 1m - 2m khả tháo giảm Như giới hạn áp dụng trường hợp cụ thể cột nước nhỏ 1m Có thể tràn mỏ vịt phát huy hiệu cột nước 1,5m cột nước cao khả tháo tràn mỏ vịt khơng khác với phương án thiết kế ban đầu (Btr = 15m) Mối tương quan hệ số lưu lượng, chiều dài, lưu lượng tháo nước tương đối phức tạp Thực tế cho thấy tính tốn điều tiết lũ cho dạng tràn mỏ vịt (hay móng ngựa labyrinth, piano) chọn hệ số lưu lượng thay đổi điều kiện cột nước khác Điều dẫn đến sai lệch trị số lưu lượng tháo thực tế từ làm sai lệnh đường trình xả biểu đồ điều tiết lũ Hậu mực nước hồ tăng lên nhanh, gây an tồn đầu mối Trong khối lượng tính tốn tác giả xét đến ảnh hưởng cột nước sau ngưỡng, độ dốc máng sau ngưỡng cột nước dốc tràn đến khả tháo Các nội dung tác giả tổng hợp phân tích đầy đủ nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://thuyloivietnam.vn/home#hientrangcongtrinh, 2021, Thống kê Tổng cục Thủy lợi [2] HEC-ICC4, 2017, Phụ lục báo cáo TKKT hồ Ea Uy Thượng [3] FLOW-3D® Version 12.0 User’s Manual (2018) FLOW-3D [Computer software] Santa Fe, NM: Flow Science, Inc https://www.flow3d.com 213 ... khác để kết luận số giới hạn định áp dụng hình thức tràn mỏ vịt đầu mối cơng trình thủy 2.3 Các trường hợp tính tốn Tràn tháo lũ đầu mối cơng trình Ea Uy Thượng sửa chữa nhằm nâng cao lực tháo. .. 0,5m cho kết hệ số lưu lượng hệ số hình dạng lớn Theo kịch tính tốn, lưu lượng tháo với tràn mỏ vịt có hiệu ứng với cột nước H < 1m Cột nước từ 1m - 2m khả tháo giảm Như giới hạn áp dụng trường hợp... Có thể tràn mỏ vịt phát huy hiệu cột nước 1,5m cột nước cao khả tháo tràn mỏ vịt không khác với phương án thiết kế ban đầu (Btr = 15m) Mối tương quan hệ số lưu lượng, chiều dài, lưu lượng tháo