NGHIÊN CỨU KHẲ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA ĐẬP TRÀN MẶT CẮT WES

Bài báo này xin được giới thiệu một số kết quả nghiên cứu trên mô hình máy tính bằng phần mềm tự lập (Thủy lực đập tràn TLDT) để thông qua việc mô phỏng hình dạng mặt cắt, khả năng tháo của đập tràn mặt cắt dạng WES và Ophixerov nhằm phân tích ưu nhược điểm của WES so với Ophixerov. Kết quả nghiên cứu cũng đã được áp dụng cho đập tràn của Hồ chứa nước Nước Trong có so sánh với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực. Từ các kết quả này cho thấy, đập tràn mặt cắt dạng WES có khả năng tháo lớn hơn đập tràn Ophixerov và diện tích mặt cắt ngang của WES thì nhỏ hơn so với Ophixerov. Như vậy việc ứng dụng mặt cắt tràn dạng WES trên thế giới và ở Việt Nam trong thời gian gần đây là việc làm đúng đắn. Tuy nhiên, ở nước ta, trong quá trình thiết kế vì chưa có quy phạm mới nên người thiết kế chưa có cơ sở để vận dụng, do đó khi thiết kế đập tràn mặt cắt dạng WES ở một số công trình trong thời gian qua chưa được thống nhất. Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng tháo qua đập tràn mặt cắt dạng WES là thực sự cần thiết

NGHIÊN CỨU KHẲ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA ĐẬP TRÀN MẶT CẮT WES Đặng Quốc Tuấn – Chi nhánh miền Trung – C.ty Tư vấn CGCN - Trường ĐH Thủy lợi TÓM TẮT Bài báo xin giới thiệu số kết nghiên cứu mơ hình máy tính phần mềm tự lập (Thủy lực đập tràn - TLDT) để thơng qua việc mơ hình dạng mặt cắt, khả tháo đập tràn mặt cắt dạng WES Ophixerov nhằm phân tích ưu nhược điểm WES so với Ophixerov Kết nghiên cứu áp dụng cho đập tràn Hồ chứa nước Nước Trong có so sánh với kết thí nghiệm mơ hình thủy lực Từ kết cho thấy, đập tràn mặt cắt dạng WES có khả tháo lớn đập tràn Ophixerov diện tích mặt cắt ngang WES nhỏ so với Ophixerov Như việc ứng dụng mặt cắt tràn dạng WES giới Việt Nam thời gian gần việc làm đắn Tuy nhiên, nước ta, trình thiết kế chưa có quy phạm nên người thiết kế chưa có sở để vận dụng, thiết kế đập tràn mặt cắt dạng WES số công trình thời gian qua chưa thống Vì vậy, việc nghiên cứu khả tháo qua đập tràn mặt cắt dạng WES thực cần thiết Từ khóa: Đập tràn; khả tháo; mặt cắt; Ophixerov; WES Tổng quan Đập tràn hạng mục quan trọng cơng trình đầu mối thủy lợi, thủy điện có nhiệm vụ xả lũ, đảm bảo an tồn cho tồn cơng trình hạ du Hầu hết đập tràn xả lũ thuộc hệ thống đầu mối cơng trình thủy lợi, thủy điện xây dựng Việt Nam thường có dạng mặt cắt thực dụng Creager dạng Creager – Ophixerov, điển hình như: đập tràn thủy điện Hịa Bình, Thác Bà, Yaly, Phú Ninh, Phú Xuân, Thuận Ninh Mặt cắt tràn dạng Creager – Ophixerov trước nhà thủy lực học Liên Xô (cũ) nghiên cứu, đưa nhiều kết quan trọng đóng góp cho việc phát triển thủy lợi, thủy điện đất nước Xô Viết nước xã hội chủ nghĩa thập kỷ 30 đến thập kỷ 70 kỷ 20 Đập tràn mặt cắt WES nhà khoa học Mỹ nghiên cứu ứng dụng nước Anh Mỹ Các kết nghiên cứu thực tiễn cho thấy mặt cắt WES có nhiều ưu điểm nên có nhiều nước giới tiếp thu Trung Quốc chuyển hướng áp dụng mặt cắt tràn dạng WES từ năm 1975 Sau tiếp thu, ứng dụng, lý luận kinh nghiệm thơng qua nhiều cơng trình thực tế thí nghiệm mơ hình làm phong phú thêm loại đập tràn mặt cắt dạng WES Ở nước ta, từ năm 1999 đến có nhiều cơng trình thủy lợi, thủy điện có quy mô lớn thiết kế xây dựng, song việc áp dụng đập tràn có mặt cắt WES hạn chế Phạm vi báo xin giới thiệu số kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm có phân tích mơ hình máy tính phần mềm tự lập (TLDT) để thơng qua việc mơ hình dạng mặt cắt, khả tháo đập tràn mặt cắt dạng WES Ophicerov nhằm phân tích ưu nhược điểm WES so với Ophixerov Kết nghiên cứu áp dụng cho đập tràn Hồ chứa nước Nước Trong có so sánh với kết thí nghiệm mơ hình thủy lực Mặt cắt dạng WES đập tràn - Khi thiết kế đường cong mặt tràn trọng lực sử dụng công thức[1,7]: x n = k.H d n-1 y Trong đó: + Hd : Cột nước thiết kế định hình đường cong mặt đập tràn (phía hạ lưu); + x, y: tọa độ điểm cong mặt tràn phía hạ lưu; + n: số có liên quan đến độ dốc mái thượng có bảng tra; (1) + k: p  1,0 trị số k có bảng tra để xác định; Hd p  1,0 lấy k=2,02,20; Hd + Các trị số n, k phụ thuộc vào độ dốc mặt thượng lưu; - Về đường cong đầu tràn phía thượng lưu dùng loại đường cong, là: đường cong hai cung tròn; đường cong Ellipse; đường cong cung tròn mặt thượng lưu thẳng đứng Trong giới thiệu đường cong cung tròn mặt thượng lưu thẳng đứng hình đây: 0.282H® 0.276H® 0.175H® x o R1=0 n-1 5H ® ® R2=0.2H® R3=0.04H xn = kH® y y Hình 1: Mặt thượng lưu thẳng đứng, đoạn cong đầu đỉnh tràn phía thượng lưu dùng bán kính cong R , R R 3 Khả tháo đập tràn dạng WES  Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES nhà khoa học Mỹ - Cơng thức tính lưu lượng (khi cửa van mở hoàn toàn) [7]: Q = C.L.He3/2 (feet3/sec) (2) Trong đó: + Q: Lưu lượng tháo qua đập tràn; + C: hệ số lưu lượng; + P: chiều cao đập tràn phía mặt thượng lưu (feet); + L: Chiều rộng hiệu dụng đập tràn (feet); L = L’ – 0,1N.H (3) Trong đó: L’: chiều rộng tràn nước đập (feets); N: số co hẹp; N = có co hẹp; N = có co hẹp; N = khơng có co hẹp hai đầu đập tràn;  Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES Trung Quốc Theo quy phạm thiết kế đập trọng lực bê tơng DL 5108-1999 [6], cơng thức tính lực xả tràn kiểu hở: Q = C.m...B g H 02 (4) Trong đó: Q: lưu lượng tháo qua tràn (m3/s); C: hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ dốc mặt đập thượng lưu (có bảng tra) Khi mặt thượng lưu thẳng đứng C = 1; m: hệ số lưu lượng đập tràn thực dụng WES, có bảng tra; B: độ rộng thực tế ngưỡng tràn, B = n.b (m); b: chiều rộng khoang tràn (m); n: số khoang tràn; : hệ số co hẹp bên, vào độ dày hình dáng trụ pin đập mà xác định ( = 0,90  0,95); V2 H0: Cột nước tác dụng đỉnh đập tràn H0 = H + (m); 2g Lập trình tính tốn thủy lực đập tràn dạng WES Ophixerov Sử dụng phần mềm Delphi7, lập chương trình Tính tốn thủy lực đập tràn thực dụng (TLDT) để vẽ mặt cắt ngang tính khả tháo hai loại đập tràn thực dụng mặt cắt dạng WES mặt cắt dạng Ophixerov Chương trình kiểm nghiệm thơng qua ví dụ số tập giáo trình thủy lực, kết tính tốn thu từ phần mềm so với đáp án có sai khác khơng đáng kể Thơng qua chương trình tự lập, so sánh diện tích mặt cắt ngang (khối lượng xây dựng) khả tháo hai loại mặt cắt đập tràn nêu Từ đưa kiến nghị việc ứng dụng loại mặt cắt có nhiều ưu điểm vào thực tế sản xuất Sơ đồ tổng quát phần mềm tính thủy lực đập tràn thực dụng (TLDT) Tính tốn thủy lực đập tràn thực dụng (TLDT) Chọn phương pháp tính Mặt cắt Ophicerop Mặt cắt WES Các số liệu xác định mặt cắt Vẽ mặt cắt => xuất sang Acad Các số liệu xác định Q Tính khả tháo Q Các số liệu tính đường mặt nước Tính đường mặt nước Kết thúc Hình 2: Sơ đồ tổng qt chương trình tính tốn thủy lực đập tràn thực dụng So sánh đập tràn mặt cắt dạng WES mặt cắt Ophixerov Sử dụng phần mền TLDT để tính tốn, so sánh hai loại mặt cắt tràn dạng WES Ophixerov diện tích mặt cắt ngang (khối lượng xây dựng) khả tháo Q Ngồi ra, thơng qua chương trình để lập quan hệ cột nước ngưỡng tràn (H) hệ số lưu lượng (m) a So sánh diện tích mặt cắt ngang Htk (m) Khi đập có chiều cao P1 cho giá trị cột nước thiết kế (Htk) thay đổi, ứng với giá trị Htk vẽ đường cong mặt tràn Ophixerov WES, sở tính diện tích mặt cắt ngang tương ứng (F) Từ đó, xây dựng biểu đồ quan hệ Htk  F hình Từ biểu đồ nhận thấy cột nước thiết kế mặt tràn chiều cao xây dựng (P) đập tràn mặt cắt dạng WES có diện tích mặt cắt ngang nhỏ so với đập tràn Ophixerov 14 14 12 12 10 10 8 6 4 2 0.00 500.00 1,000.00 2,000.00 1,500.00 F (m2) F (m2) WES F (m2) Ophicerop Htk (m) Hình 3: Biểu đồ quan hệ Htk  F đập tràn WES Ophixerov b So sánh khả tháo Khi chiều rộng tràn nước (B) chiều cao ngưỡng tràn (P1) không thay đổi, ứng với giá trị Htk tính khả tháo Q tương ứng cho mặt cắt đập tràn Ophixerov WES, xây dựng đường quan hệ Htk  Q hình 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 Q (m3/s) Q (m3/s) Ophicerop Q (m3/s) WES Hình 4: Biểu đồ quan hệ Htk  Q đập tràn WES Ophixerov Từ biểu đồ hình thấy giá trị cột nước thiết kế (Htk) đập tràn mặt cắt dạng WES có khả tháo lớn so với mặt cắt Ophixerov c Quan hệ hệ số lưu lượng cột nước ngưỡng tràn Cùng giá trị cột nước thiết kế vẽ mặt cắt đập tràn Ophixerov mặt cắt đập tràn WES xác định mặt cắt thiết kế, tiến hành tính hệ số lưu lượng hai loại mặt cắt tràn nói ứng với giá trị cột nước khác Bằng chương trình tính tốn, xây dựng quan hệ (m  H) hình đây: m 0.550 0.500 0.450 0.400 3.0 5.0 7.0 9.0 11.0 m Ophicerop 13.0 15.0 m WES 17.0 H (m) Hình 5: Biểu đồ quan hệ m  H đập tràn WES Ophixerov Căn vào biểu đồ hình 5, thấy với cột nước đỉnh tràn (H) đập tràn mặt cắt dạng WES cho hệ số lưu lượng lớn đập tràn mặt cắt Ophixerov Sự chênh lệch hệ số lưu lượng đáng kể, có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật So sánh kết tính tốn lý thuyết phần mềm TLDT kết thí nghiệm mơ hình thuỷ lực đập tràn Hồ chứa nước Nước Trong a So sánh lựa chọn mặt cắt đập tràn Sử dụng phần mềm TLDT để phân tích lựa chọn phương án mặt cắt ngang đập tràn: - Về diện tích mặt cắt (khối lượng xây dựng): Đường cong mặt tràn thực dụng thiết kế theo mặt cắt dạng WES gầy so với mặt cắt Ophixerov Trên hình 6, đường liền nét đường cong mặt tràn theo WES, đường nét đứt ng cong mt trn theo Ophixerov Mặt cắt WES Mặt c¾t Ophicerop Hình 6: Đường cong mặt tràn hồ chứa nước Nước Trong thiết kế theo mặt cắt WES mặt cắt Ophixerov - Về khả tháo: Tính tốn với hai trường hợp mực nước lũ thiết kế (P=0,5%) mực nước lũ kiểm tra (P=0,1%), kết tính bảng đây: Bảng 1: Kết tính toán khả tháo theo WES Ophixerov TT Khả tháo Theo WES Q1 (m3/s) Theo Ophixerov Q2 (m3/s) Nhận xét Lũ thiết kế P=0,5% 6.935,71 6.567,05 Q1 > Q2 Lũ kiểm tra P = 0,1% 8.034,67 7.523,55 nt Căn vào hình bảng rút kết luận: chọn mặt cắt tràn dạng WES để thiết kế đập tràn xả lũ Hồ chứa nước Nước Trong hợp lý mặt cắt có khối lượng xây dựng nhỏ khả tháo lớn so với mặt cắt Ophixerov b Kết thí nghiệm mơ hình xác định khả tháo đập tràn WES Kết đo ghi bảng 2: Bảng 2: Xác định khả xả qua tràn TT Qxả (m3/s) Zhồ (m) Htr (m) B 2gH3tr/ Hệ số lưu lượng m’ Ghi 7.722,0 131,10 15,60 17.059,67 0,4526 6.728,0 129,78 14,28 14.940,88 0,4503 + Cao độ ngưỡng đập tràn 115,50m 6.515,0 129,48 13,98 14.472,53 0,4501 + m’ tính theo: 6.120,0 128,93 13,43 13.626,92 0,4491 4.970,0 127,25 11,75 11.151,67 0,4457 3.500,0 124,90 9,40 7.979,50 0,4386 (chảy tự do) 2.000,0 122,20 6,70 4.801,71 0,4165 + m’: Hệ số xét tới co hẹp tổng hợp 1.000,0 119,80 4,30 2.468,80 0,4051 Q = m’B g H tr Với cột nước Hmax = 14,50m, tư vấn thiết kế chọn cột nước thiết kế định hình cho mặt cắt tràn hồ chứa Nước Trong là: Hd = 0,95.Hmax = 13,775m; Đập tràn hồ chứa Nước Trong có khoang tràn, khoang có trụ pin dày 3,0m, đầu tròn hai trụ pin bên Để xác định m phải tính tốn hệ số co hẹp  theo biểu thức chung [1,3,4,5,6]:    0.20 K  n  1 o  H tr nb (5) Với trường hợp cột nước Htr > b áp dụng công thức:   1 0.20  K   n  1   n  (6) Trong đó: + K - Hệ số ảnh hưởng trụ bên: K = 0,70; + 0 - Hệ số ảnh hưởng trụ pin giữa: 0 = 0,45; Từ kết thí nghiệm bảng 2, xác định m = m’/; c So sánh kết tính tốn phần mềm TLDT với kết thí nghiệm mơ hình thuỷ lực tràn xả lũ Hồ chứa nước Nước Trong hệ số lưu lượng Căn vào kết thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn xả lũ Hồ chứa nước Nước Trong bảng Kết cho ta mối quan hệ (Htr ~ m) Để so sánh kết tính tốn phần mềm tự lập (TLDT) kết thí nghiệm mơ hình hệ số lưu lượng (m), với giá trị cột nước tràn (Htr) biết, sử dụng TLDT tính hệ số m (và Qxả) tương ứng Từ kết tính tốn, vẽ biểu đồ (Htr ~ m) hai loại mặt cắt tràn hình Htr (m)17.00 16.00 15.00 14.00 13.00 12.00 11.00 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 m 3.00 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 HS lưu lượng m (theo TNM H) Ghi chú: 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 HS lưu lượng m (theo TLDT) mTNMH - hệ số lưu lượng xác định từ thí nghiệm mơ hình; mTLDT - hệ số lưu lượng xác định từ phần mềm tự lập TLDT; Hình 7: Quan hệ Htr ~ (mTNMH mTLDT) Căn vào đồ thị hình 7, đưa nhận xét sau: + Kết tính tốn hệ số lưu lượng phần mềm TLDT từ thí nghiệm mơ hình cho giá trị m xấp xỉ (sai số 0,043,78%): + Với cột nước tràn lớn 12m nhỏ 9m TLDT tính hệ số lưu lượng thiên lớn (mTLDT > mTNMH); + Với cột nước tràn 9m