nghiên cứu tình hình xâm thực bề mặt dốc nước mũi phun đường tràn xả lũ hồ chứa nước kẻ gỗ biện pháp khắc phục PGS TS Nguyễn Chiến - Trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội KS Trần Mạnh Cường - Cty CPTVXD thủy lợi Hà Tĩnh Tóm tắt Xuất phát từ thực tế xâm thực bề mặt dốc nước mũi phun đường tràn Kẻ Gỗ, báo đà nguyên nhân hư hỏng khí thực Đáng ý khí thực đà xẩy lưu lượng xả qua tràn nhỏ nhiều so với QTK; điều cho thấy cần thiết phải áp dụng biện pháp phòng chống khí thực để công trình an toàn làm việc với QTK Trong bài, biện pháp phòng khí thực cho tràn Kẻ Gỗ đà tình toán kiến nghị rộng dần, với góc mở = 12012', chiều rộng đầu dốc nước 21,5m, cuối mịi phun 36,5m, chiỊu dµi dèc níc 23,5m, chiỊu dµi máng phun 36,5m, chiều dài mũi phun 3m; độ dốc dốc nước máng phun thiết kế i = 0,10 (hình 1) Ngoài tràn xả lũ bố trí cửa tràn kết hợp với cống lấy nước, chiều rộng cửa BP = 3m, ngưỡng kiểu thực dụng điều tiết cửa van cung, với lưu lượng thiết kế QPTK = 296 m3/s Sau 20 năm khai thác sử dụng, công trình đà phát huy tốt nhiệm vụ điều tiết lượng nước hồ xả lượng nước thừa mùa lũ Theo số liệu quản lý lưu lượng xả lũ hàng năm lớn 450m3/s, thời gian trì lưu lượng đợt đợt 18 vào năm 1989, cấp lưu lượng 350m3/s, 250m3/s nhỏ Qua đánh giá thực tế phần mũi phun đà xuất hiện tượng xâm thực khí thực, bề mặt mũi phun tạo thành lỗ Hình Nhìn từ hạ lưu tràn Kẻ Gỗ Hình Khí thực mặt mũi phun Đặt vấn đề Công trình tràn xả lũ Kẻ Gỗ thiết kế xây dựng từ năm 1970 đến năm 1979 thức bàn giao đưa vào khai thác sử dụng từ năm 1987, tần suất lị PTK = 0,5%, lu lỵng lị thiÕt kÕ QTK = 1080 (m3/s) Trµn gåm cã cưa, chiỊu réng cửa B = 10m; Hình thức tràn xả sâu, ngưỡng kiểu đập tràn thực dụng, điều tiết cửa van cung Dèc níc vµ mịi phun bè trÝ theo hình thức mở với chiều sâu từ 23cm, có chỗ lên tới 5cm đà bị lộ cốt thép (hình 2) Những luận điểm khí thực mặt tràn mũi phun 2.1 Hiện tượng khí hoá Khí hoá tượng xẩy chất lỏng áp suất giảm đến giới hạn làm tính toàn khối chất lỏng Sự bắt đầu khí hoá đặc trưng việc xuất bọt li ti chứa đầy khí chất lỏng xét Đây tượng sôi chất lỏng nhiệt độ bình thường áp suất giảm đến giới hạn Khi khí hoá tiếp tục phát triển, bọt hình thành tập trung phạm vi định gọi đuốc khí (hình 3) với chiều dài đặc trưng Lđ Zm Vùng xâm thực Lđ Hình Sự hình thành đuốc khí chảy bao quanh bậc lồi vùng xâm thực tương ứng [3] Như điều kiện để có khí hoá chÊt lâng lµ[3]: p pgh ; (1) đó: p - áp suất tuyệt đối điểm xét pgh - trị số áp suất tuyệt đối giới hạn mà ứng với chất lỏng bắt đầu hoá khí Trị số pgh phụ thuộc vào loại chất lỏng nhiệt độ môi trường 2.2 Hiện tượng khí thực Khi khí hoá đủ mạnh trì thời gian định dẫn đến làm bong tróc vật liệu, phá huỷ thành rắn Đó tượng khí thực Quá trình tạo nên khí thực sau: bọt khí hình thành khu hạ áp dòng chảy theo, đến khu vực có áp suất cao hơn, chúng bị phá hủy Nếu phá hủy xẩy dồn dập gần thành rắn tạo xung lực lớn (hình 4) lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu thành rắn bị mỏi dẫn đến phá hoại Vo + Hình Sơ đồ lan truyền sóng xung kích phá hủy bọt khí gần thành rắn[3] 2-3 Lưu tốc ngưỡng Lưu tốc ngưỡng trị số giới hạn lưu tốc không gây xâm thực vật liệu dòng chảy bị khí hoá, ký hiệu Vng Đây trị số lưu tốc cục dòng chảy bề mặt vật liệu, hay xác đỉnh mấu nhám tự nhiên hay nhân tạo tồn bề mặt dốc mũi phun TrÞ sè cđa Vng phơ thc nhiỊu u tèc khác loại vật liệu, hình dáng vật chảy bao, giai đoạn khí hoá, độ hàm khí nước Để xác định Vng cho loại vật liệu xác định, thường dùng phương pháp thí nghiệm phòng, giá khí thực tạo lưu tốc lớn Ngoài việc thu thập tài liệu công trình thực tế quan trọng Rb(MPa) 40 30 S=0 2% 4% 20 10 10 15 20 6% S = 8% Vng 25 30 35 (m/s) H×nh Trị số Vng loại bê tông; S - độ hàm khí nước[6] Trên hình trình bày trị số Vng loại bê tông khác phụ thuộc độ hàm khí S 2.4 Lưu tốc cho phép không xâm thực Khi đánh giá khả khí thực bề mặt dốc nước mũi phun, ta sử dụng khái niệm lưu tốc cho phép không xâm thực Vcp (là trị số lưu tốc trung bình mặt cắt mà ứng với nó, khí thực không xẩy dòng chảy bị khí hoá lâu ngày) Trị số Vcp xác định sau[3]: Vcp v Vng 1 ; (2) ®ã: Vng - lu tèc ngìng 1, 2 - hƯ sè, 1 = f(y/), 1 = f(/), tra h×nh (2-10) cđa [3] v - lµ mét hµm sè, v = f(h, B, , ) Đối với m/c chữ nhật, v xác định nh sau [6] v 2 B 2h h B ln ln Bh ln B - chiỊu réng cđa m¸ng phun, m h - chiều sâu cột nước máng phun - chiều dày lớp biên, phụ thuộc vào vị trí mặt cắt - chiỊu cao mÊu gå ghỊ Nh vËy trÞ số Vcp xác định, so sánh Vcp với VTB kết luận mặt cắt xét có bị khí thực hay không, tồn mấu gồ ghề cục Phương pháp giải toán sau: a) Kiểm tra khả xâm thực bề mặt dốc nước mũi phun vị trí khác đà cho yếu tố hình học thủy lực b) Xác định độ gồ ghề cục cho phép bề mặt dốc nước mũi phun có đặc trưng hình học thủy lực đà biết phân tích nguyên nhân xâm thực bề mặt dốc nước mũi phun tràn Kẻ Gỗ 3.1 Xâm thực bề mặt dốc nước 3.1.1 Các điều kiện thực tế a) Gồ ghề cục mặt dốc nước: kết điều tra thực tế cho thấy bề mặt tường bên dốc nước tràn Kẻ Gỗ có nhiều mấu gồ ghề cục trình thi công khai thác công trình để lại (các cốt liệu thô, chỗ nối ván khuôn, đầu cốt thép nhô ra, chênh lệch khe lún) b) Thực trạng vật liệu thân dốc: mác bê tông thiết kế thân dốc tràn Kẻ Gỗ M20, chất lượng bê tông lúc đổ không tuyệt đối thiết kế, mặt khác thoái hoá vật liệu theo thời gian, nên cường độ bê tông nhỏ so với thiết kế, phương pháp kiểm tra bắn súng bật nẩy trường công trình xác định mác bê tông thực tế từ M16,5M17,0 3.1.2 Tính toán kiểm tra khả khí thực dốc nước Bằng phương pháp sử dụng lưu tốc cho phép không xâm thực, với điều kiện thủy lực mặt cắt cuối dốc, mấu gồ ghề cục lớn 30mm, xác định tiêu đánh giá khả xâm thực bảng Bảng Trị số lưu tốc trung bình lưu tốc cho phép mặt cắt cuối m¸ng phun Q Vcp Vtb TT h (m) v (m3/s) (m/s) (m/s) 1080 810 720 540 450 350 270 1,827 1,441 1,305 1,035 0,894 0,732 0,602 0,953 0,942 0,937 0,923 0,912 0,897 0,898 14,22 14,06 13,99 13,77 13,61 13,39 13,41 16,65 15,84 15,55 14,70 14,18 13,46 12,64 Kết tính toán với bê tông mặt máng phun M16,5 cho thấy mặt máng phun bị phá hoại khí thực vị trÝ cã c¸c mÊu gå ghỊ cơc bé víi = 30mm, tràn tháo với lưu lượng Q = 450m3/s[2] Trị số lưu lượng đà diễn thực tế mặt máng phun tràn Kẻ Gỗ Điều đáng nói trị số lưu lượng nhỏ nhiều so với lưu lượng thiết kế Vậy lưu lượng đạt QTK mức độ phá hủy hẳn dội nhiều Đây điều cảnh báo quan trọng, cho thấy yêu cầu phải có nghiên cứu đầy đủ có hệ thống để có biện pháp thích hợp đề phòng phá hoại công trình 3.2 Xâm thực bề mặt mũi phun 3.2.1 Các điều kiện thực tế Bề mặt mũi phun tương tự bề mặt dốc nước, cã rÊt nhiỊu c¸c mÊu gå ghỊ cơc bé trình thi công bào mòn bê tông để lại cốt liệu thô nhô lên, mác bê tông kiểm tra từ M16,5 M17,0 3.2.2 Tính toán khả khí thực bề mặt mũi phun Mố mũi phun bố trí cuối máng phun để phân tán dòng chảy khỏi mũi phun Điều kiện chảy bao mố phun thường không thuận lưu tốc lớn xuất khí thực Sử dụng điều kiện khí hoá: K Kpg; (3) đó: Kpg - hệ số khí hoá đặc trưng cho vật chảy bao K - hệ số khí hoá, xác định theo: K H §T H pg V§2 T / 2g ; (4) Hpg - cột nước toàn phần phân giới nước thay đổi theo nhiệt độ HĐT - cột nước áp lực toàn phần đặc trưng dòng chảy bao quanh mấu gồ ghề xét VĐT - lưu tốc trung bình thời gian đặc trưng dòng chảy mấu gồ ghề xét g - gia tốc trọng trường Ta có kết tính toán bảng Bảng Hệ số khí hoá (K) hệ số khí hoá phân giới mũi phun tràn Kẻ Gỗ TT Q h (m) (m3/s) 1080 810 720 540 450 350 270 1,827 1,441 1,305 1,035 0,894 0,732 0,602 V§T (m/s) K Kpg 16,65 15,84 14,70 14,70 14,18 13,46 12,60 0,83 0,88 1,01 0,99 1,05 1,15 1,30 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 Với hình dạng kích thước mũi phun yếu tố thủy lực đà xác định, qua kết tính toán cho thấy chưa có tượng khí hoá xẩy ra, thực tế mũi phun tràn Kẻ Gỗ đà bị xâm thực mÃnh liệt, phần cốt thép mũi phun đà lộ hẳn (hình 2) Điều đà nói lên trường hợp chất lượng bê tông định đến vấn đề xâm thực khí thực mũi phun tràn Kẻ Gỗ Giải pháp khắc phục Đối với tràn Kẻ Gỗ, biện pháp phòng chống khí thực phải xem xét công trình đà có Rõ ràng khã cã thĨ thay ®ỉi bỊ réng hay ®é dèc cđa dèc níc hay bè trÝ l¹i mịi phun.v.v… BiƯn pháp khả thi gia cố mặt tràn bố trí thiết bị trộn khí đó, dễ thấy biện pháp gia cố mặt tràn thông thường đơn giản nhiều so với trường hợp đặt thiết bị trộn khí dốc Vì sau ưu tiên xem xét phương án gia cố mặt tràn bao gồm việc bọc lớp bê tông mác cao khống chế độ gồ ghề cục mặt dốc nước máng phun Với thông số thủy lực tràn xả lũ Kẻ Gỗ đà xác định, ứng với lưu lượng Qmax=1080m3/s, độ nhám trung bình bề mặt =0,6mm Tại mặt cắt xác định, khống chế lưu tốc cho phép vcp = vtb; từ thông số thủy lực mặt cắt, xác định v, 2, từ hình (2.10) [3] xác định được: v v ng 1 v cp ; (5) (Tính toán với mác bê tông M200, lấy vng = 13,2m/s; øng víi S = 0)[6] Tõ biĨu ®å quan hệ = f(y/) hình (2.10) [3] xác định ®ỵc y/, tõ ®ã: y (6) Z m . ; KÕt qu¶ tÝnh toán cụ thể ghi bảng (3) T L T (m) 10 11 B (m) h (m) 10,500 4,261 11,225 3,733 12 11,950 3,336 18 12,675 3,020 24 13,400 2,760 30 14,125 2,543 36 14,850 2,358 42 15,575 2,198 48 16,300 2,058 54 17,025 1,936 60 17,750 1,827 kÕt luËn Vtb (m/s) y Zm (m) 12,07 12,89 13,55 14,11 14,60 15,03 15,42 15,78 16,10 16,39 16,65 163 185 183 181 165 149 137 121 107 86 0,002 0,097 0,110 0,109 0,108 0,098 0,089 0,082 0,072 0,064 0,051 5.1 Xâm thực bề mặt dốc nước mũi phun tràn Kẻ Gỗ thực tế tồn tại, lưu lượng xả qua tràn năm qua nhỏ nhiều so với lưu lương thiết kế Điều cho thấy cần thiết phải nghiên cứu, phân tích nguyên nhân xâm thực tìm giải pháp khắc phục để đảm bảo tính an toàn cho công trình làm việc với lưu lương thiết kế 5.2 Việc nghiên cứu thực tế tính toán kiểm tra nguyên nhân gây xâm thực mặt tràn xâm thực điều kiện bề mặt gồ ghề cục vượt mức cho phép vật liệu thân dốc có cường độ thấp so với mác bê tông khống chế thiết kế 5.3 Giải pháp hợp lý để phòng khí thực cho bề mặt dốc nước mũi phun tràn Kẻ Gỗ gia cố mặt đáy lớp bê tông cốt thép M20 trở lên, đồng thời cần khống chế bề mặt gồ ghề cục cao 50mm tài liệu tham khảo [1] Hồ sơ thiết kế Công trình Hồ chứa nước Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh Viện thiết kế Thủy lợi, Thủy điện - Phòng thiết kế thủy công 2, 1970 [2] Số liệu quản lý Công trình Hồ chứa nước Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh Công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi Kẻ Gỗ Hà Tĩnh [3] Nguyễn Chiến Tính toán khí thực công trình thủy lợi Nhà xuất Xây Dựng Hà nội 2003 [4] Ng« TrÝ ViỊng, Ngun ChiÕn & nnk Sỉ tay kỹ thuật thủy lợi - Phần II, tập II NXB Nông nghiệp Hà nội 2004 [5] Tính toán thủy lực công trình tháo nước - Sổ tay chuyên ngành (bản tiếng Nga) NXB Năng lượng nguyên tử Matxcơva 1988 [6] Cavitation in Chutes and Spillways United States Department of the interior Bureau of Reclamation, 1990