Nghiên cứu năng lực tháo và điều tiết lũ qua đập tràn zích zắc

1 Trường Đại học Thủy lợi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI TÁC GIẢ Với giúp đỡ phòng Đào tạo Đại học Sau Đại học, Khoa Cơng trìnhtrường Đại học thuỷ lợi, Tổng Cơng ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam CTCP, thầy giáo, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, đến Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng cơng trình thủy với đề tài:“Nghiên cứu lực tháovà điều tiết lũ qua đập tràn zích zắc ”đã hoàn thành Tác giả xin cảm ơn chân thành đến KS Đinh Sỹ Quát, người trực tiếp nghiêncứu tính tốn áp dụng hình thức tràn Piano cơng trình Văn Phong, quan đơn vị cá nhân truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu công bố giúp đỡ, tạo điều kiện lãnh đạo Tổng Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam – CTCP, Công ty tư vấn 11 cho tác giả trình học tập, nghiên cứu vừaqua Đặc biệt tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Văn Quốc,người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trình thực luận văn Tác giả có kết hơm nhờ bảo ân cần cácthầy giáo, động viên cổ vũ quan, gia đình, bạn bè đồng nghiệp năm qua Với thời gian trình độ cịn hạn chế, luận văn khơng thể khơng tránh khỏinhững thiếu sót Tác giả mong nhận bảo đóng góp ý kiến thầy giáo, Quý vị quan tâm bạn bè đồng nghiệp Luận văn hồn thành phịng đào tạo đại học sau đại học, TrườngĐại học Thủy lợi Hà Nội, Tháng 09 năm 2011Tác giả Hoàng Mạnh Dũng Chun ngành Xây dựng cơng trình thủy Khóa 2009-2011 MỤC LỤC Nội dung Trang MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐẬP TRÀN TRÊN THẾ GIỚI 11 1.1 Tổng quan loại đập tràn thực dụng 11 1.2 Tổng quan đập tràn zích zắc 17 1.2.1 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu truyền thống 18 1.2.2 Ngưỡng tràn zíc zắc kiểu phím Piano 23 1.3 Kết luận chương 26 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN NĂNG LỰC THÁO CỦA TRÀN ZÍCH ZẮC 27 2.1 Năng lực tháo ngưỡng tràn thực dụng 27 2.1.1 Ngưỡng tràn thực dụng tổng quát 27 2.1.2 Ngưỡng tràn Creager – Ofixerov 29 2.2 Ngưỡng tràn zích zắc 32 2.2.1 Đặc điểm cấu tạo kích thước tràn zích zắc 32 2.2.2 Các kết nghiên cứu lực tháo ngưỡng tràn zích zắc 34 2.2.3 Điều kiện ứng dụng 38 2.3 Ngưỡng tràn zích zắc kiểu phím piano (piano keys weir) 38 2.3.1 Mặt cắt điển hình khả tháo tràn phím đàn 38 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả tháo tràn phím đàn Piano 44 2.3.4 Điều kiện ứng dụng 50 2.4 Kết luận chương 51 Chương LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN ZÍCH ZẮC 53 3.1 Cơ sỏ lý thuyết chương trình 53 3.1.1 Nguyên lý điều tiết lũ hồ chứa sở phân tích dạng đường xả lũ 53 3.1.1.1 Nguyên lý 53 3.1.1.2 Cơ sở phân tích dạng đường xả lũ 54 3.1.2 Các dạng đường xả lũ tràn tràn phụ tham gia tháo lũ 55 3.1.2.1 Cơng trình xả lũ tràn tự 3.1.2.2 Cơng trình xả lũ tràn có cửa van điều tiết khống chế lưu lượng 3.2 55 59 Các phương pháp điều tiết lũ hồ chứa lựa chọn phương pháp xác định quy mô tràn xả lũ 63 3.2.1 Phương pháp thử dần 63 3.2.2 Phương pháp Pôtapốp 63 3.2.3 Phương pháp Runge-Kutta bậc 65 3.2.4 Phương pháp Kôtrêin 65 3.3 Lựa chọn phương pháp tính điều tiết lũ lập chương trình HMD v1.0 xác định quy mơ cơng trình tháo lũ 67 3.3.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn điều tiết lũ 67 3.3.2 Thuật tốn sơ đồ khối chương trình 67 3.4 Kết luận chương 76 Chương ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH HMD 1.0 TÍNH TỐN ĐIỀU TIẾT LŨ CHO MỘT SỐ HỒ CHỨA CÓ THỂ ÁP DỤNG NGƯỠNG TRÀN ZÍCH ZẮC 4.1 Giới thiệu vài cơng trình áp dụng 77 77 4.1.1 Cơng trình thủy lợi hồ chứa nước Ẳng Cang 78 4.1.2 Cơng trình thủy lợi hồ chứa nước Tân Giang 81 4.1.3 Cơng trình thủy điện Nậm Bú 83 4.2 Tính tốn xác định quy mơ tràn zích zắc cho cơng trinh 87 4.2.1 Tính tốn số phương án cơng trình xả lũ cho hồ chứa nước Ẳng Cang 4.2.2 87 Tính tốn cơng trình xả lũ tràn zích zắc cho hồ chứa nước Tân Giang 91 4.2.3 Tính tốn cơng trình xả lũ tràn zích zắc cho hồ chứa Nậm Bú 95 4.3 Kết luận chương 99 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 5.1 Kết luận 100 5.2 Kiến nghị 102 Tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1-1: Các đại lượng đặc trưng đập tràn 11 Hình 1-2: Mặt cắt tràn thực dụng 12 Hình 1-3: Mặt cắt tràn đỉnh rộng 13 Hình 1-4: Các hình dạng cửa tràn 13 Hình 1-5: Các dạng tuyến đập 13 Hình 1-6: Một số dạng đập gỗ 14 Hình 1-7: Một số dạng đập đá tràn nước 14 Hình 1-8: Đập dâng phân theo vật liệu làm đập 15 Hình 1-9: Đập cao su 15 Hình 1-10: Một số loại đập trọng lực cải tiến 16 Hình 1-11: Sơ đồ đập vịm 16 Hình 1-12: Các dạng đập trụ chống chắn nước 16 Hình 1-12: Các dạng mặt cắt đập trụ chống cho tràn nước 16 Hình 1-14: Một số loại van mặt thường sử dụng 17 Hình 1-15: Tràn mỏ vịt với nhiều tràn sông 17 Hình 1-16: Tràn mỏ vịt kết hợp cống điều tiết phân chia nước kênh 17 Hình 1-17: Tràn zíc zắc - Mỹ (nhìn từ hạ lưu) 18 Hình 1-18: Hình thức cấu tạo tràn labyrinth kiểu ngưỡng cưa 19 Hình 1-19: Mặt dạng ngưỡng tràn đặc biệt 19 Hình 1-20: Mơ hình tràn Sơng Móng (nhìn từ thượng lưu) 22 Hình 1-21: Mơ hình 1/2 tràn Phước Hịa (nhìn từ thượng lưu) 22 Hình 1-22: Đập tràn phím Piano Maguga Xoa zi lân 23 Hình 1-23: Đập tràn phím Piano Liege Bỉ 24 Hình 1-24: Đập tràn phím Piano Goulou Pháp 24 Hình 1-25: Mơ hình đập tràn phím Piano Văn Phong Việt Nam 24 Hình 1-26: Hai mơ hình nghiên cứu đập tràn phím Piano giáo sư F Lempérière 25 Hình 1-27: Thi cơng tràn phím đàn- ống dẫn khí đặt console hạ lưu 26 Hình 2-1: 30 Một số dạng mặt cắt đập tràn Hình 2-2: Cấu tạo tràn labyrinth kiểu ngưỡng cưa 33 Hình 2-3: Các dạng đỉnh tràn 34 Hình 2-4: Đường cong hệ số lưu lượng với hình dạng đỉnh ngưỡng3 / đường trịn, mặt ngưỡng tam giác 35 Hình 2-5: Ảnh hưởng chảy ngập đến lưu lượng 37 Hình 2-6: Mặt bằng, cắt ngang tràn PK-A (L=W+8H; N=L/W=6) 39 Hình 2-7: Mặt bằng, cắt ngang tràn PK-B (L=W+6H; N=L/W=6) 41 Hình 2-8: Đồ thị so sánh khả xả đập tràn kiểu Creager kiểu PKA với H=4m Hình 2-9: 42 Thay ngưỡng tràn kiểu Creager ngưỡng tràn kiểu PKA với H=4m- 43 Hình 2-10: Thí nghiệm dịng chảy qua tràn phím đàn 44 Hình 2-11: Các đặc trưng hình học đơn vị tràn phím đàn 45 Hình 2-12: Mặt phân đoạn tràn phím đàn 45 Hình 2-13: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ W/H 46 Hình 2-14: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ L/W 47 Hình 2-15: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ b/a 47 Hình 2-16: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào quan hệ d/c 48 Hình 2-17: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào hình dạng cửa vào cơng xơn 48 Hình 2-18: Vận hành PKW với tắc nghẽn vật 49 Hình 2-19: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào có mặt vật 49 Hình 2-20: Các dạng mặt cắt thay 50 Hình 2-21: Mơ hình thí nghiệm mặt cắt tràn loại PKB, có dạng bậc thang áp dụng Thủy điện Dăk my2 - Quảng Nam 50 Hình 3-1: Sơ đồ thiết lập phương trình điều tiết lũ 54 Hình 3-2: Tổ hợp hình thức kết cấu tràn tràn phụ 55 Hình 3-3: Đường q trình xả lũ tràn tràn phụ khơng có cửa Hình 3-4: Đường q trình xả tràn tự tràn phụ kiểu gập nhanh đập tự vỡ ( Trường hợp 1) Hình 3-5: 56 57 Đường trình xả tràn tự tràn phụ kiểu gập (Trường hợp 2) 57 Hình 3-6: Đường trình xả tràn tràn tự tràn phụ kiểu lệch trục ngang (Trường hợp 1) Hình 3-7: 58 Đường q trình xả tràn tự tràn phụ kiểu lệch trục ngang (Trường hợp 2) 59 Hình 3-8: Đường trình xả lũ tràn có cửa tràn phụ tự 59 Hình 3-9: Đường q trình xả tràn cócửa van tràn phụ kiểu gập nhanh đập tự vỡ ( Trường hợp 1) 60 Hình 3-10: Đường q trình xả tràn cócửa van tràn phụ kiểu gập nhanh đập tự vỡ ( Trường hợp 2) 61 Hình 3-11: Đường trình xả tràn có cửa van tràn phụ kiểu lệch trục ngang (Trường hợp 1) 61 Hình 3-12: Đường q trình xả tràn có cửa van tràn phụ kiểu lệch trục ngang (Trường hợp 2) 62 Hình 3-13: Biểu đồ phụ trợ biểu diễn quan hệ f1, f2 theo q 64 Hình 3-14: Đường q trình lũ tam giác theo PP Kơtrêin 66 Hình 3-15: Sơ đồ khối chương trình 69 Hình 4-1: Đường đặc tính quan hệ Z~V hồ chứa Tân Giang 83 Hình 4-2: Điều tiết lũ qua tràn Ẳng Cang với lũ thiết kế P=1% 87 Hình 4-3: Điều tiết lũ qua tràn Ẳng Cang với lũ thiết kế P=0-2% 88 Hình 4-4: Điều tiết lũ qua tràn zich zắc Ẳng Cang (kiểu ngưỡng cưa) với lũ thiết kế P=1% Hình 4-5: 89 Điều tiết lũ qua tràn zich zắc Ẳng Cang (kiểu ngưỡng cưa) với lũ thiết kế P=0,2% 89 Hình 4-6: Ngưỡng zích zắc cong 90 Hình 4-7: Ngưỡng zích zắc thẳng 90 Hình 4-8: Điều tiết lũ qua tràn zich zắc Ẳng Cang (kiểu ngưỡng cưa) với lũ thiết kế P=1% Hình 4-9: 91 Điều tiết lũ qua tràn zich zắc Ẳng Cang (kiểu ngưỡng cưa) với lũ thiết kế P=1% 91 Hình 4-10: Điều tiết lũ qua tràn Tân Giang với mô hình lũ kiểm tra tần suất Hình 4-11: P=0-2% 92 Kích thước gầu tràn zích zắc áp dụng cho tràn Tân Giang 93 Hình 4-12: Mơ hình tràn Tân Giang sau nâng cấp tạo phần tràn tự thành tràn zích zắc kiểu phím đàn piano loại A 94 Hình 4-13: Điều tiết lũ qua tràn Tân Giang với mơ hình lũ kiểm tra tần suất P=1% 94 Hình 4-14: Điều tiết lũ qua tràn Tân Giang với mô hình lũ kiểm tra tần suất P=0,2% 95 Hình 4-15: Điều tiết lũ qua tràn Ophixerop Nậm Bú có kết hợp tháo lũ với cống xả sâu qua mơ hình lũ thiết kế tần suất P=1% 96 Hình 4-16: Điều tiết lũ qua tràn Ophixerop Nậm Bú có kết hợp tháo lũ với cống xả sâu qua mơ hình lũ thiết kế tần suất P=0,2% Hình 4-17: Hình dạng đơn nguyên tràn zích zắc kiểu piano loại B 96 97 Hình 4-18: Bố trí mơ ngưỡng zích zắc kiểu piano loại B cho tràn Nậm Bú 97 Hình 4-19: Điều tiết lũ qua tràn Nậm Bú có kết hợp tháo lũ với cống xả sâu với mơ hình lũ thiết kế tần suất P=1% 98 Hình 4-20: Điều tiết lũ qua tràn Nậm Bú có kết hợp tháo lũ với cống xả sâu với mơ hình lũ thiết kế tần suất P=0-2% 98 Trường Đại học Thủy lợi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1-1 Thông số số đập tràn labyrinth xây dựng 20 giới Bảng 2-1 Một số sơ đồ công thức tính tốn lưu lượng qua tràn 28 Bảng 2-2 Hệ số đường cong mẫu 35 Bảng 2-3 So sánh đập tràn zích zắc kiểu A với đập tràn Crigiơ, đập thành mỏng với bề rộng tràn nước Bảng 2-4 36 So sánh đập tràn zích zắc kiểu B với đập tràn Crigiơ, đập thành mỏng với bề rộng tràn nước 43 Bảng 4-1 Mơ hình lũ hồ chứa nước Ẳng Cang 80 Bảng 4-2 Quan hệ Z ~ F ~ W hồ chứa nước Ẳng Cang 81 Bảng 4-3 Quan hệ Q = f(Z) hạ lưu hồ chứa nước Ẳng Cang 81 Bảng 4-4 Đường trình lũ hồ chứa nước Tân Giang 82 Bảng 4-5 Bảng quan hệ Z-F-V hồ Tân Giang 85 Bảng 4-6 Đường trình lũ hồ chứa nước Nậm Bú 86 Bảng 4-7 Bảng quan hệ Z-F-V hồ chứa Nậm Bú MỞ ĐẦU I- Tính cấp thiết đềtài Cơng trình tháo lũ phần thiếu cụm công trình đầu mối, nhằm xả nước lũ thừa hồ chứa, đảm bảo an toàn cho đập chắn Với vai trị vậy, cơng trình tháo lũ phải ý đặc biệt thiết kế, thi công, quản lý vậnhành Ở nước ta, đập tràn tháo lũ mặt (chảy tự có cửa van điều tiết), thường thiết kế theo dạng ngưỡng đỉnh rộng, ngưỡng thực dụng kiểu CrigiơOfixerop Đối với kiểu ngưỡng này, cao trình đặt ngưỡng kích thước cửa tháo nước xác định, muốn tăng lực tháo lũ cần phải tăng chiều cao cột nước ngưỡng tràn Điều có nghĩa tăng cột nước siêu cao, tức tăng dung Chuyên ngành Xây dựng cơng trình thủy Khóa 2009-2011 Trường Đại học Thủy lợi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật tích trữ lũ, dẫn đến phải nâng cao cao trình đỉnh đập, làm tăng diện tích ngập lụt lịng hồ, công tác đền bù tái định cư gặp nhiều khó khăn Chúng ta biết, theo quan hệ cao trình mực nước hồ thể tích hồ chứa (V = f(Z)), phần cao bụng hồ, mét chiều cao cột nước thể tích nước hồ lớn nhiều so với phần bụng hồ thấp Như vậy, tìm kiểu đập tràn có lực tháo nước lũ lớn nhiều so với kiểu truyền thống, ứng với việc giữ nguyên cao trình đỉnh đập không tràn (khi sử dụng đập tràn kiểu truyền thống), nâng cao trình mực nước dâng bình thường lên, nâng cao dung tích hữu ích Đây vấn đề có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, làm thay đổi quan điểm cũ, cho phép lựa chọn phương án có tiêu kinh tế kỹ thuật tốt thiết kế Đối với hồ chứa đãxâydựng, áp dụng kiểu đập tràn có lực tháo nước lũ lớn nhiều so với kiểu truyền thống, cho phép cải tạo cơng trình tháo lũ để nâng cao dung tích hữu ích hồchứa Đập tràn kiểu có ngưỡng zích zắc áp dụng nhiều nước với tỷ lệ 1/1000 đập lớn làm giảm dung tích siêu cao (Vsc) 100-109 m3 toàn giới, đem lại hiệu tăng lực tháo nước lũ thừa hồ chứa, nâng cao an tồn cho đập chắn, nâng cao dung tích hữu ích, giảm diện tích ngập lụt đền bù Pháp, Angêri, Trung Quốc nước khởi đầu, tiếp tục nghiên cứu để áp dụng loại đập tràn Ở Việt Nam, tràn zích zắc nghiên cứu ứng dụng Chun ngành Xây dựng cơng trình thủy Khóa 2009-2011 vào số cơng trình tràn sơng Móng, đập dâng Văn Phong, tràn Nậm Bú, tràn Tiên Thành v.v… Tiếp cận với thành tựu nghiên cứu đập tràn zichzắc giới (labyrinth weir, key piano weir - gọi theo tiếng Anh) nước, việc nghiên cứu ứng dụng thành tựu thiết kế cơng trình tháo nước đã, xây dựng vấn đề cần thiết Sự phát triển công nghệ tin học, đặc biệt đời nhiều ngôn ngữ lập trình bậc cao với nhiều phần mềm tính tốn mạnh giúp cho kỹ sư có thêm nhiều cơng cụ, nhiều phương pháp giải toán thiết kế với độ xác cao Do vậy, việc nghiên cứu thiết lập chương trình tính tốn khả tháo điều tiết lũ qua tràn zích zắc xuất phát từ toán điều tiết xác định quy mơ cơng trình xả với hình thức tràn điều cầnthiết Nội dung luận văn thạc sỹ nghiên cứu lập chương trình tính tốn khả tháo điều tiết lũ qua tràn zích zắc với mục đích cung cấp thêm cơng cụ cho kỹ sư thiết kế cơng trình thuỷ lợi mong muốn hình thức tràn zích zắc ngày ứng dụng rộng rãi thựctế II- Mục đích nghiêncứu Thơng qua việc sử dụng ngơn ngữ lập trìnht lập chương trình tính tốn thiết kế tràn zích zắc cho số hình thức tràn zích zắc thông dụng nay- Trên sở số liệu đầu vào, chương trình cung cấp cho người thiết kế kết tính tốn xác địnhquymơ tràn trường hợp làm việc có khơng có kết hợp với cơng trình tháokhác III- Cách tiếp cận, phương pháp đối tượng nghiêncứu 1- Cách tiếpcận Nghiên cứu thông qua tài liệu tràn zích zắc nước nước ngồi Tìm hiểu qua số cơng trình tràn zích zắc áp dụng 2- Phương pháp nghiêncứu Dùng lý thuyết tính tốn lực tháo với cơng trình tháo nước tràn zích zắc giới, kết hợp với phương pháp tính tốn điều tiết xác định quy mô tràn để giải vấn đề nghiên cứu đưa 3- Đối tượng nghiêncứu Ứng dụng vào số cơng trình tràn nước xây dựng xây dựng tương lai