Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, áp dụng cho đường tràn hồ Tả Trạch

Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy va dùng hình thức phỏng xalàm cho nước hỗn hợp với không khí gây ma sit có tác dụng tiêu hao năng lượng và g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRUONG DAI HỌC THUY LỢI

VŨ BA CHÍ

NGHIÊN CỨU KHÍ THUC CAC MO TIỂU NANG

SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG

Trang |

MỞ ĐÀU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gin đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn công trình.đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất

nước Do mức độ quan trọng va đặc thủ của công trình thủy lợi, những yêu

về đảm bảo an toàn & kinh tế trong vit h toán thiết kế, thi công và quản lý khai thác đặt rà ngày cảng cao.

“Công trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của

một hệ thống thủy lợi Chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và thành rin, Sự tương tác đó đặc biệt khi dong cháy có lưu tốc lon sẽ gây ra

những hệ quả bat lợi cho công trình như mạch động, song xung kích, ham khí.khí thực Trong đó khí thực là một trong những van dé rất quan trọng và cần

được xem xét

Đáng chú ý là vấn dé tinh toán khí thực trong các công trình tháo nước

ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức Trong khi đó,

những năm gần đây, đã có nhiều sự cố hư hỏng công trình do các nguyên

nhân lien quan đến hiện tượng ki

đầu mỗi Nam Thạch Han, Thác Bà, Phú Ninh Điều nay đòi hỏi trong tính

thực gây nên như đường tran công trình.

toán thiết kế cũng như thi công xây dựng các công trình mới phải được dé capđầy đủ hơn đến vấn dé khí thực cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuậtchuyên môn để phòng ngừa sự cố Ngoài ra, ở các công trình đã xây cũng cinphải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý cần thiết

Qua đây ta có thể thấy đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực ti cao vi nó liên quan trực tiếp đến an toàn và kinh tế của công trình thủy lợi,

đồng thời đây cũng la vẫn để cắp thiết của ngành thủy lợi hiện nay

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu khí thực các mé tiêu năng sau công trình tháo nước và giải

pháp phòng ngừa.

- Đề xuất biện pháp phòng khí thực ở các mồ tiêu năng.

- Ap dụng cho đường tràn hồ Tả Trach

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

~ Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoàinước có liên quan đến dé tài

~ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Ứng dụng tính toán kiểm tra khả năng khí thực và giải pháp phòng khí

thực ởi je m6 tiêu năng.

~ Phân tích kết quả đánh giả.

- Để xuất e: pháp phòng chống khí thực ở mồ tiêu năng.

- Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mồ tiêu năng của đập tràn Tả Trạch

~ Để xuất giải pháp phòng khí thực tại các mé

Trach,

u năng sau đập tràn Tả

Trang 3

CHƯƠNG 1:

È CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, TIÊU NẴNG VÀ KHÍTHYC Ở CÁC MO TIÊU NĂNG

1.1 Tổng quan về công trình tháo nước

1.1.1 Khái niệm công trình tháo nước.

“Thuật ngữ công trình tháo nước ( CTTN ) dung dé chỉ những hạngTONG QUAN VI

mục công trình đầu mối thủy lợi cho nước tràn qua Nhiệm vụ của CTTN cóthé là tháo lũ, tháo nước thừa, nước thải, tháo cạn hồ chứa hay lấy nước từsong, hỗ cho các mục đích sử dụng khác nhau CTTN thường được bổ trí ởđầu mỗi hồ chứa, đập dâng trên sông, hay các công trình tháo nước cuối hệthống tiêu, công lấy nước từ sông, ho

Đối với các hồ chứa và đập dâng trên sông thi nhiệm vụ quan trọngnhất của CTTN là tháo lũ bảo vệ an toàn cho bản thân công trình đâu mỗicũng như khu vực hạ du Ngoài ra, có thể kết hợp tháo nước trong thời kỳ thicông

Đối với các hệ thống thoát nước thừa, nước thai tir các khu vực sản

xuât nông nghiệp, công nghiệp hay khu dân cư thì CTTN được đặt ở cuối

kênh tiêu dé tháo nước ra biễn, ra sông hay ra kênh khác

Đặc điểm quan trọng của CTTN là làm việc trong điều kiện có chênh.lệch mực nước rõ rệt giữa thượng hạ lưu Cột nước công tác ở CTTN có thể

từ một vài mét ( ở các cổng tiêu ) cho tới hing trăm mét ( ở các hồ chứa có

cột nước cao ) Dòng chảy qua CTTN thường là dòng chảy xiết với độ xiết(đặc trưng bởi trị số Fr = vigh hoặc Fre = V/gR ) phụ thuộc vào cột nước

công tắc và quy mô công trình Ở các CTTN ma dong chảy có độ xiết cao ( trị

số Fr lớn ) thì có thé phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bat lợi như ham khí,khí thực, sóng xung kích Do đó trong tính toán cần phải tim cách khäcphục hoặc hạn chế tác hại của các hiện tượng này

1.1.2 Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên

và Việt Nam.

Theo con số của hội đập cao thé giới ( ICOLD ) tính đến năm 2000

trên thé giới có khoảng 45000 đập lớn Trong đó nước có nhiều dap nhất thégiới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập thé giới Đứng thứ 2 là

"Mỹ có 6.575 đập Đứng thứ 3 là An Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập Và Việt Nam có gin 500đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn trên thé giới

— TBSueet

25000 20086 16000 10006 000

‘Trang Š

6 Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đắt nước có nên kinh tế là nôngnghiệp, tải nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vingcua đất nước Tuy vậy do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống.đầu mỗi thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thể giới

Từ khi đất nước thống nhất đến nay, thủy lợi nước ta mới thực sự trở thành.một ngành thuộc kết cau hạ tang kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư Đến naynước ta có khoảng 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hỗ chứa đập cỡ.nhỏ Các hệ thống thủy lợi ở nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi ĐạiLai, Cắm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dau Tiếng hay các công trình sử:dụng tổng hợp nguồn nước như đập thủy điện Hòa Bình, Thác Bà Đa Nhim,

Trị An

Tir khi * Luật tài nguyên nước ” của nước ta ra đời năm 1998 đã 1 Linnữa khẳng định tim quan trọng của các công trình thủy lợi đối với việc pháttriển và bảo vệ đất nước Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu.mối thủy lợi, thủy điện nước ta phát triển khá mạnh

1.1.3 Một số công trình tháo lũ điển hình ở Việt Nam

Công trình tháo lũ là loại công trình tháo nước ( CTTN ) điền hình

nhất Nó là một hang mục không thé thiểu ở các đầu mỗi thủy lợi, có chứcnăng tháo nước thửa trong mùa lũ để đám bảo an toàn cho công trình đầu mícũng như vùng hạ du Ở một số đầu mồi thủy lợi, công trình tháo lũ còn được.kết hợp dé tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ.chứa khi cần thiết, hay kết hợp để tháo nước trong thời kỳ thi công

Ở các công trình đầu mồi có đập dâng là đập bê tông hay đá xây thicông trình tháo lũ thường là tran hở bổ trí ngay trên tuyến đập dng Ngượclại khi đập dang được dap bằng vật liệu địa phương như dat, đá thì công.trình tháo lũ phải bố trí ngoài tuyến đập, có thé là đầu đập, hay ở một eo núi

xa vị tri đập Hình thức của công trình tháo lũ loại này có thể là tràn xả sâu,chế độ chảy là không áp hoặc có áp.

Một số công trình tháo nước có quy mô lớn ở Việt Nam

+ Địa điểm: Sơn La.

Hình 1.5, Thủy điện Nam Chi

+ Hình thức tiêu năng: mũi

Trang 9một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa

nước và không khi Sức cản nội bộ dòng chảy cảng lớn thì tiêu hao năng lượng do xói lở cảng nhỏ và ngược lại Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu

hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy va dùng hình thức phỏng xalàm cho nước hỗn hợp với không khí gây ma sit có tác dụng tiêu hao năng

lượng và giảm x6i lở Để đạt được những mục đích trên thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng đồng day (hình 1.94), tiêu năng dòng mặt (hình 1.96), tiêu năng dong mặt ngập (hình 1.9¢), tiêu năng phóng xa (hình

1.94).

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho năng lượng

tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cầu dòng chảy bằng xáo trộn vớikhông khí, khuyếch tin để giảm lưu lượng đơn vị Các hình thức tiêu năng cóliên quan lẫn nhau

Hình 1.9 Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển

nhau.

1.2.1 Tiêu năng dong đáy,

Đặc điểm tiê năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước.

nhảy để tiêu năng Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâunước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy (hy > h,”)

dé đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung Trong tiêu năng đáy,

lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng gây xói lở, vì thétrong khu vực nước nhảy cin bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau) Khi nền đá.xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cin được bảo vệ thích đáng

Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sin sau có xây thêm các thiết bị

tiêu năng phụ như mồ, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ dong chảy cảng

mãnh liệt và ma sát giữa dong chảy với các thiết bị đó cũng có thể tiêu hao

một phần năng lượng Biện pháp nay có hiệu quả tốt và được ứng dụng

rộng rãi Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền.tương đối kém

Hình 1.10 Hình thức bể tiêu năng,

«a Bé tiêu năng (hình 1.10)

Sau khi xây bể làm tang mực nước trên sân sau và thoả mãn yêu cầu:

hy=d +h, + AZ > hệt, at)

‘Trang 1Chiều dài sân sau L, lúc có bể hoặc tường tiêu năng được tính tir mặt

eo hẹp ngay sát chân đập tran Trong thực sản sau khi có bé hoặc

tường sẽ hình thành nước nhảy không tự do nên chiều dai của nó nhỏ honchiều dai nước nhảy tự do (1,) Theo đề nghị của M.Đ.Tsêtouxôp như sautio}

Hình dạng bể tiêu năng trong mặt phẳng thẳng đứng là hình chữ nhật(hình 1 9a) thì hiệu quả tiêu năng tốt Nhưng do dòng chảy có thể bảo mòncạnh và góc, nhất là khi nước có nhiều bùn cát, nên thưởng thiết kế bể có

dang hình thang (hình 1.10).

5 Tưởng tiêu năng (hình 1.11)

Khi đo điều kiện kết cấu và thi công, bé tiêu năng không thích hợp thinên dùng tường tiêu năng Tường có thé đắng mục nước hạ lưu và giảm khốilượng đào Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa Chiều cao của

sâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác.tường cũng giống như chỉ:

nhau 1u khi xác định được kích thưới im được chiều cao tưởng lớn nhất

của tường cần phải kiểm tra xem sau tường có nước nhảy xa nữa không Nếu

có thi phải thiết kế thêm tường tiêu năng thứ hai Hình dang tưởng tiêu năng

thường làm mặt cắt trơn và thuận để tránh phá hoại do bảo mòn, (hình 1.10),

Hình 1.11, Tường tiêu năng

e Bê và tường tiéu năng kết hợp (hình 1.12)

Khi ding bể tiêu

thấp, do đó khối lượng đập tăng: nếu dùng tường tiêu năng thì phải quá cao,

tăng có khối lượng đào lớn và cao trình đáy đập phải

sau tường có thể sinh nước nhảy xa và cần thêm tường tiêu năng thứ 2, làm

tăng khôi lượng bảo vệ Lúc đó edn dùng bể và tường kết hợp (hình 1.12) để

giảm khối lượng đào, khối lượng đập va thiết bị bảo vệ.

Hình 1.12 Bê và tường tí

d Các biện pháp tiêu năng khác

Sân sau mở rộng dẫn (hình 1.15): dòng chảy được khuếch tán sang hai

bên, giảm được lưu lượng đơn vị, do đó giảm được h.”

Trang 13,

Hinh 1.14, Sin tiêu năng có độ dốc thuận

Góc khuếch tán B không nên lớn quá, nếu lớn quá dòng chảy bị tách

khỏi tường bên và tạo nên dòng xoáy hoặc chảy xiên gây xói lở.

sau đốc thuận (hình 1.14) để với mọi mực nước và lưu lượng đều có nước.nhảy với độ ngập không lớn lắm Sân sau có độ đốc thuận nên trọng lượng.nước có thành phần song song với đáy, hướng về hạ lưu làm tăng h,” Theo.

định luật động lượng, h,” có 1

sen fe

Trong đó

a - góc nghiêng của đáy sân sau với mặt phẳng nằm ngang;

‹ - hệ số điều chỉnh của áp lực nước lên mặt nghiêng đối với thànhphần lực nằm ngang, khi độ đốc đáy bằng 0,05 + 0,30 thi:

4®=3/15 + 251ga - I5tg 0 ay

Khi œ = 0, công thức (1-6) trở thành công thức nước nhảy thông

thường Dòng chảy trên đốc thuận bắt kỳ lưu lượng lớn hay bé đều có nước.nhảy để hạn chế dòng ngập có lưu tốc cao ở đáy Độ đốc đáy không được dốc

hơn 1

lu nước hạ lưu rất bé thi sân sau có

~ Sân sau đốc ngược: khi chiều

thé làm hình thức đốc ngược Bắt đầu tại mặt cắt co hẹp được đảo sâu xuống

và sau đó sân sau làm theo độ đốc ngược khiến cho dòng chảy có phản lực trởlại và tạo thành nước nhảy.

Nhu vậy, khi thiết kế sân sau ngoài việc xét lưu lượng thiết kế qua đập.tràn, côn cin phải xét tình hình kim việc của sản sau ứng với các lưu lượngkhác nhau để đảm bảo bắt kỳ ví một lưu lượng nảo cũng sinh ra nước nhảy

hy

ngập thích hop Độ ngập thích hợp nhất 9 =" 13

1.2.2, Tiêu năng mat.

Dang chảy của hình thức tiêu năng nảy ở trang thái chảy mặt (hình

1.9b, e) Kinh nghiệm cho biết, hiệu qua tiêu năng này so với tiêu năng diy

Khi fy > hyo sẽ sinh ra ding mặt ngập.

G đây hy, hạ: gọi là độ sâu giới hạn thứ nhất và độ sâu giới hạn thứ

hai Việc xác định hạ, và hyo bằng lý thuyết đưa đến biểu thức phức tạp,

TN Axtafiséva đề nghị công thức thực nghiệm như sau [I0]

“Trong đó: họ

Các ký hiệu khác như hình 1.16, công thức (1-8) và (1-9) được dùng

~ chiều sâu phân giới

trường hợp khi cửa van trên đỉnh đập mở hoàn toàn, cột nước trên đỉnh

its 26, và cũng có thẻ (nh gần đăng chủ tường hợp mỡ cửa vat với mộ độ

mở nào đó Công thức (1-8) chỉ đúng với điều kiện > 0,2 là trường hopthường dùng nhất Nếu & < 0,2, T.N.Axtafitséva dé nghị [10]:

iy = 0820+ ETE bys (1-10)

Dang mặt không ngập yêu cầu hy > h,” của nước chảy đầy, đồng thời

h,> a, thường dùng chiều cao a = (0,25 + 0,35) chiều cao đập Góc nghiêng 0

ở chân đập có ảnh hưởng đến trang thái chảy, © lớn quá có thể sinh chảy phóng

xa, bé quá có thé xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng @ < 10" + 15” là thíchhợp

Hình thức tiêu năng mặt còn một số nhược điểm là làm việc không

ôn định khi mye nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng ảnh hưởng

đến sự làm việc của các công trình khác như thuỷ điện, âu tàu và xói lở bờ

song.

1.2.3 Tiêu năng phóng xa (xem hình 1.94)

a Đặc điểm

Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưu

446 dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập Dòng chảy được khuếch

tin trong không khí, sau đó đỗ xuống lòng sông Do dòng chảy được tiêu hao

năng lượng rất lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông và giảm.ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập Ở hình thức này, năng lượng dòng chảy.được tiêu hao trong không khí và một phần ở lòng sông Dòng chảy phóngxuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định nào đấy thì năng lượng

thửa của dòng chảy được hoàn toàn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, cho nên ni chiề lu nước ha lưu cảng lớn cảng giảm được xói lở lòng sông,

‘Trang 17

Độ dai phóng xa cảng lớn cảng có lợi Đập trần càng cao, độ di

dùng hình

lấy

cảng lớn Trái lại, đập thấp thì chiều dai phóng xa cảng ngắn,

thức tiêu năng này sẽ bj hạn chế

Để đạt được hiệu quả tiêu năng cao, chúng ta muốn chi đài phông

xa lớn, mà yêu cầu xói lở lại ít, nhưng thực tế chiều dài phóng xa cảng lớn thi

khả năng xối lở cảng lớn, do đó trong thiết kế thường dùng tỷ số '° làm tiêu

chuẩn khống chế, trong đó tụ — chiều sâu lớn nhất của hồ xói, L ~ khoảng cách

tir đáy hé xói đến chân đập Tốt nhất chọn tỷ * là nhỏ nhất Độ phóng xa

của dòng phun chủ yếu phụ thuộc: lưu tốc trên mũi phun, góc phun, cao trình.mũi phun, bán kính cong mặt tran gin mũi phun v.v Chiều sâu và phạm vi

xói lờ phụ thuộc: độ sâu nước hạ lưu, địa chất lòng sông, chênh lệch mực

nước thượng hạ lưu (lưu tốc), lưu lượng đơn vị, tình hình khuếch tán của

đông chảy,

b Các hình thức kết edu mũi phun:

~ Mũi phun liên tue (hình 1.17)

Với quan điểm chiều dai phun lớn thi người ta dùng hình thúc này Ưu

điểm là cấu tạo đơn giản, khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dòng chảy

khuế: fh tin kém và xói lở lòng sông nhiều Có thé làm các tường phan dòng,nổi liền trụ pin kéo dài đến phan mũi phun (hình 1.17b) để cho dòng chảy.tập trung ở trên mặt tran và giảm tổn thất thuỷ lực Như vậy chiều dàidong phun tăng và mức độ khuếch tán dong chảy trên mặt bằng cũng được

mở rộng Khi thiết kế mũi phun liên tục cần chú ý: góc nghiêng œ của mũiphun thường ding 30° + 35° là hợp lý, bán kính cong R của ngưỡng phun.không nên lấy R < 6h, phải đảm bảo R > (8 + 10)h (h - độ sâu nước trên

ngưỡng), cao trình ngưỡng phun cing thấp thì góc nghiêng của dòng nước đỏ

xuống mặt nước hạ lưu cảng nhỏ, hỗ xói cảng nông Vì vậy cao trình ngưỡng

cảng thấp cảng có lợi, nhưng phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu

Hình 1.16, Mai phun liên tục

- Mai phun không liên tục (hình 1.18) lả loại cải tiễn của mồi phunliên tục Dòng chảy trên mũi phun được phân thành các phần trên đỉnh răng

và ở giữa các khe răng Theo phương thẳng đứng ding chảy được khuếch tinnhiều hơn so với mũi phun liên tue, đồng thời có sự va chạm các tỉa dng nên

có thể tiêu hao một phần năng lượng, giảm khả năng xói, chiều sâu hồ xói có thể giảm được 35% so với mũi phun liên tục, nhưng chiều dai phóng xa kém hơn.

Trang 19

Hình 1.17 Mũi phun không liên tục

“Theo thí nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun không liên tục

có răng hình chữ nhật (hình 1,18a) như sau [10]:

+ 10°, ty số giữa chiều rộng khe a và chiều rộng răng b la

gục 0y

$= lật 2: tý số giữa độ lệch của mỗi d và độ sâu nước trên mũi phun h thường không chế vào khoảng 0,5 < “ <10 là tích hợp, Khi lu tốc lớn hơn

20m/s Nhược điểm của mũi phun kiểu răng chữ nhật là đồng chảy ở giữa các

khe rit tập trung, khó khuếch tán, nên người ta thường dùng mũi phun lệch

ih thang (hình 1.18b) để khắc phục

1.3 Bố trí các mé tiêu năng

Mồ tiêu năng, tường và mé phân dòng là những vật xây dựng thường

có hình khối trụ hoặc chữ nhật bằng bê tông hoặc đá xây, xây nhô lên được bốtrí ở hạ lưu công trình tháo nước dé cải thiện điều kiện tiêu năng và phân tindong chảy trên mặt bằng Điều kiện chảy bao quanh các mé và tường nàythường là không thuận nên khi déng chảy có lưu tốc lớn thì thường xuất hiệnkhí hóa và có thẻ dẫn đến khí thực làm hư hỏng các thiết bị này

‘Thi nghiệm chứng minh rằng, nếu bó trí thích hợp các mồ tiêu năng đó có

thé giảm được (20% + 30%4)h.”

Hình 1.18 Hình thức các thiết bị tiêu năng,

- Ngưỡng tiêu năng (hình 1.19a) ngập trong nước nhảy, góc nghiêng

mái thượng lưu ngưỡng nhỏ hơn 90” và lớn hon 60” thi không ảnh hưởng đến

hiệu quả tiêu năng Vị trí ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dai sân sau.

tiêu năng (hình 1.19b, c, d) thường bỗ t sau, tại khu vực dòng chảy có lưu tí cao, cách chân đập một đoạn dai hơn

lớn đối với dòng chảy Theo thí nghiệm, kích thước n

Chiều cao mé dy = (0.75 + 1,0)h, chiều rộng mồ by = (0.5 + 1) dụ.khoảng cách By, giữa mép của hai mô gần nhau By < bạ Nếu bố trí hai hàng

mé, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng Khoảng cách giữa hai hàng

mồ Le

phụ thuộc vào hình thức m6, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bé không tốt

(2 + 3)d„, bố trí các mé theo hình hoa mai Chọn số hàng mé còn

Có nhiều hình thức mồ tiêu năng (hình 1.20): để cải thiện điều kiện thuỷ lực,

ở cạnh mép mồ thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực

‘Trang 21

Mố phân dòng có thể Lim cho ding chảy có lưu tốc cao ở chân đập

chuyển thành trang thải đồng chảy có lợi Nói chung sau mé phân dòng nên có

mồ tiêu năng (hình 1.19d); do ở giữa các mó phân dòng có dỏng chảy tập.trung, sau đó gặp phan kích của mồ tiêu năng cảng làm cho hiệu quả tiêu năng

Mặc dù m

là vật cán không thuận dòng do đó dòng chảy đi qua dễ sinh ra hiện tượng khíthực gây nên những hư hỏng cho công trình dẫn đến việc tiêu năng không đạtđược hiệu quả đúng như thiết kế ban đầu Trong thực tế đã 6 Việt Nam nhiềucông trình lớn đã xây ra hiện tượng khí thực tại mé tiêu năng, gây hỏng hóccông trình như: thủy điện Thác Ba, Thủy điện Phú Ninh ( mồ phân dòng )

“Trước đây, trong thiết kế công trình tháo nước ở Việt Nam, vấn dé khí

hóa và khí thực tại các bộ phận công trinh chưa được chú ý đúng mức Ngày nay, với sự phát triển mạnh mé của xây dựng thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là với công trình có cột nước cao, lưu lượng tháo lớn, việc tính toán khí thực đã

được quan tâm nhiều hơn Năm 2006 bộ nông nghiệp và PTNT đã ban hành

tiêu chuẩn ngành I4TCN 198 - 2006: công trình thiiy lợi — các công trình háo nước — hướng dẫn tính toán Khi thực (1) Việc ấp dụng các biện pháp phòng chống khí thực đã được áp dụng ở các đập lớn như Hòa Bình, Sơn La,

Lai Châu, Cửa Dat Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn dé cần tiếp tục nghiên.cứu, trong đó có các khía cạnh về khí thực ở mồ tăng, điều kiện bố trí mé

tiêu năng để không phát sinh khí hóa, khí thực, giải pháp phòng khí thực cho

mồ tiêu năng khi phải làm việc trong điều kiện có khí hóa

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu.

tượng nghiên cứu của luận văn là khí thực ở các mồ tiêu năng sau

công trình tháo nước, trong đó cần chú trọng các vin đề:

~ Chế độ thủy lực tại các mồ tiêu năng

- Bố trí và tinh toán các thông số của thiết bị tiếp khí cho mé tiêu

năng

= Dự báo khí hóa, khí thực tại các mồ và biện pháp phòng tránh

‘Trang 23

CHƯƠNG 2:

LY THUYET VE KHÍ HÓA VÀ KHÍ THỰC, ÁP DUNG CHO MO

NẴNG

2.1 Khi iệm khí hóa và điều kiện phát sinh khí hóa

2.1.1 Hiện tượng khí hóa ( cavitation )

Khí hóa được định nghĩa là sự hình thành các bọt hay phần tử rỗngtrong lòng chất long Nếu phan rỗng đó chủ yếu chứa đầy hơi nước thì quátrình đó được xếp vào loại khí hóa hơi, nếu phần rỗng đó chúa đầy khí thi quá

trình đó được gọi là hóa khí.

Trong các kết cấu thủy công, nước chứa các bọt không khí và rấtnhiều loại tạp chất phức tạp với các kích thước khác nhau Những bọt không.khí cùng với các chất nay trong nước chính là điều kiện tạo ra hiện tượng khíhóa Tuy nhiên sự bốc hơi là yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự phát triểncủa các bọt gây khí hóa Sự có mặt của các bọt không khí trong chất lỏngcũng có ảnh hưởng tới sự phá hoại và tiếng ồn được gây ra trong quá trình khí

hóa Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất long khi áp lực trong đó giảm

đến một giới hạn lim mắt đi tính toàn khối của chất long đó Sự bat đầu khíhóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt li ty chứa đầy khí và hơi củachất lỏng đang xét Đây chính là hiện tượng sôi của chất lỏng ở nhiệt độ bình.thường khi áp suất trong đó giảm đến một giới hạn nhất định

2.1.2 Điều kiện phát sinh khí hóa

Đối với các CTTN, chất lỏng được xét đến là nước, hơi xuất hiện dướidạng các bong bóng là hơi nước, áp suất phân giới chính là áp suất hóa hơi

của nước ở nhiệt độ tương ứng,

"Như vậy điều kiện phát sinh khí hóa tại 1 khu vực nào đó dòng chảy là khi ở đó có:

p = Pye Hoặc H < Hạ, 1 Trong đó,

p- Ap suất tuyệt đối tại khu vực đang xét,

" "ột nước áp lực trong ứng với p.

Pạ;- Ap suất phân giới của nước

Hyx- Cột nước tương ứng với Pye.

“Các bong bong khí được hình thành tập trung trong một khu vực nhấtđịnh của déng chảy gọi là đuốc khí ( hình 2.1 ) Phạm vi của dude khí có thể

dài, ngắn khác nhau tùy theo mức độ mạnh yếu của khí hóa.

a - Khi cháy bao quanh bậc lôi; b- Chay bao quanh hình tru

2.2 Khí thực và điều kiện khí phát sinh ki

2.2.1 Khí thực ( cavitation erosion ).

hye.

Khi khí hóa đủ mạnh và duy tri trong một thời gian nhất định thì sẽdẫn đến hiện tượng bong tróc, phá hoại vật liệu, xâm thực về mặt lòng din,phá hủy thành rắn Đó là hiện tượng khi thực

Đối với thành lòng dẫn bằng vật liệu bê tông thì sự phá hoại do khíthực chủ yếu là từ tác động cơ học Các bong bong khí được hình thành tậptrung trong vùng hạ áp sẽ được ding chảy cuốn theo đến vùng có áp suất caohơn, chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị iêu hủy Néu sự tiêu hủy này xây ra

Trang 25dồn rap ở gần bề mặt lòng dẫn thì sẽ tạo ra một xung lực lớn ( hình 2.2 ) vàlặp đi lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu bi mói, dẫn đến bong rời [5],

2.3.2 Phương pháp kiểm tra khí thực.

“Trong trường hợp thiết kế các bộ phận của công trình tháo nước theo.điều kiện không cho phép phát sinh khí hóa, hoặc chỉ cho phép phát sinh khíhóa ở giai đoạn đầu mà dẫn đến kích thước của công trình quá lớn, không.đảm bảo yêu cầu kinh tế thì có thé xem xét trường hợp chấp nhận có phát sinhkhí hóa, nhưng phải lựa chọn vật liệu làm bé mặt lòng dẫn di độ bên để

không xay ra khí thực nguy hiểm

Việc tính toán kiểm tra cũng phải tiến hành với các chế độ lim việc khác nhau, tại các vị trí khác nhau của công trình tháo nước và lại các vị trí

mà qua kiểm tra thấy có xuất hiện khí hóa

a Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực

Lưu tốc ngưỡng xâm thực (Vag ) là một trị số mà khi lưu tốc đặctrưng nhỏ hơn lưu tốc xâm lược ngưỡng ( Vor< Veg ) thì vật liệu bề mặt longdẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và tác động trong thời gian

đài

Trong đó:

= Vor: là trị số lưu tốc quy ước đẻ xác định hệ số khí hóa, cách xác

định Vor được quy ước chung cho từng loại vật chảy bao.

~ Vạy: lưu tốc ngưỡng xâm thực của vật liệu bề mặt long dẫn Đồi vớivật liệu bê tông, trị số Vy, phụ thuộc vào độ bền nén của vật liệu (Ry) và hệ

số ham khí trong nước như thể hiện ở hình 2.4.

Trang 21 (Mpa)

Hình 2.4: Quan hệ Vop (R,,S) của vật liệu bê tông [1]

Ở đây S được tính theo công thức: $= * (22)

Trong dé:

~ dWe Thể tích một phân tổ bao gồm cả nước và không khí

~ dW,: Thể tích phần không khí chứa trong đW,

Tit hình 2.4 cho thấy trị số lưu tốc ngưỡng gia tăng theo mức độ hàm.khí trong nước ở lớp sit thành Điều này được giải thích bởi cơ chế phá hoại

do tác động cơ học ( mục 2.2.1 ) Lớp dòng chảy sắt thành có him lượng

không khí lớn sẽ có độ đàn hồi cao, nó đóng vai trò như một lớp đệm phủ lên

bẻ mặt lòng dẫn làm giảm ảnh hưởng của các tác động khi phá hủy các bongbóng khí, làm cho vật liệu bề mặt lòng dẫn khó bị phá hoại hơn

b Kiểm tra theo lưu tốc cho phép không xâm thực

Trong thiết kế sơ bộ, lựa chọn phương án cũng như thiết kế kỹ thuậtcác công trình tir cắp IIL trở xuống có thể kiểm tra khả năng khí thực theo lưu.tốc cho phép không xâm thực:

Lưu tốc cho phép không xâm thực ( Vạ,) là một trị số mà khi V < Voy

thì vật liệu bề mặt lòng dẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và

tác động trong thời gian dài Trong đó:

~ V: trị số lưu tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt đang xét

~ Vg: lưu tốc cho phép không xâm thực, trị số Vy được suy diễn tir'V„; và phụ thuộc vio nhiều yếu tố khác nhau như: loại vật liệu, dang mặt cắt,dạng chảy bao và kích thước các mau gồ ghé

Công thức để xác định Vy như sau [1]}

+ A: chiều cao mỗ nhám tương đương của mỗ nhám phân

bố trên bé mặt, phụ thuộc vào loại vật liệu và chất lượng thi công

2.3 Khí hóa và khí thực ở các mồ tiêu năng.

Mồ tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng bản thân mó

tiêu năng lại là những vật cản không thuận dong, do đó dong chảy khi di qua

rất dé gây ra khi hóa, hiện tượng nảy kéo dai dẫn đến khí thực Trong thực tếquá trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khácnhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dòng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí

trong nước

Hình 2.6: Khí thực các mồ tiêu năng (a) và mé phân dòng (b).'Với những công trình có cột nước thấp, lưu tốc dòng chảy bao quanh.các mỗ nhỏ nên khó xảy ra hiện tượng khí thực tại các mé tiêu năng Do đósau các cổng ở khu vực đồng bằng sử dụng các mé tiêu năng và mé phândong đem lại hiệu quả tiêu năng cao Gần đây, giải pháp mé tiêu năng trong'bê đã được dé xuất áp dụng ở một số đập tràn khá cao như hỗ Nước Trong, ho

‘Ta Trạch, nhưng biện pháp phòng chống khí thực cho các mố này đã khôngđược cơ quan tư vấn thiết kế xem xét đầy đủ

‘Van đề nảy cần được tiếp tục nghiên cứu và là đối tượng của luận vănnày.

‘Trang 31

24 Kết luận chương 2

~ Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất long khi áp lực trong đó

giảm đến một giới hạn làm mắt đi tính toán khối của chất lông đó

~ Sự bắt đầu khí của ki

li ti chứa đầy khí và hơi của chất lỏng đang xét, đây chính là hiện tượng sôi

15a được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt

của chất lỏng ở nhiệt độ bình thường khi áp suất trong đó giảm đếm giới hạn

~ Khí hóa đủ mạnh và duy trì trong thời gian dài nhất định sẽ dẫn đếnlàm bong tróc vật liệu, phá hủy thành rắn - hiện tượng khí thực

~ Lý thuyết về khí hóa, khí thực các bộ phận công trình tháo nước đã được nghiên cứu khá nhiều ở các nước phát triển Ở Việt Nam, trong thời gian

gin đây cũng bước đầu có các nghiên cứu ứng dụng các biện pháp phòng khí

thực Tuy nhiên, các nghiên cứu còn tản mạn cho từng công trình cụ thể, chưa

có những tổng kết và phổ biến rộng rãi

~ Với các mồ tiêu năng, ding chảy di qua thường là không thuận nên

dễ gây ra hiện tượng khí hóa là điều kiện để hình thành hiện tượng khí thực,

dễ gây hư hỏng các mé tiêu năng Do đó cần phải nghiên cứu sâu thêm vẻ vin

í thực tại mé tiêu năng và đề xuất biện pháp khí thực khi cần thiết

CHƯƠNG 3:

NGHIÊN CỨU CÁC DIEU KIỆN KHÍ HÓA Ở CÁC MO TIÊU NANG

SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC3.1 Điều kiện phát sinh khí hóa tại các mé tiêu năng

3.1.1 Công thức chung.

Hiện tượng khí hóa trong ding chảy sẽ xảy ra khi thỏa mãn điều kiện:

Ks Ky G1) Trong đó:

+ Kye khí hóa phân giới, phụ thuộc vào đặc trưng hình học của

vật chảy bao,

~ K: là hệ số khí hóa thực tế, xác định theo công thức [1]:

forte (32)

~ Hox: là cột nước áp lực toàn phan đặc trưng, Hor =H, +h

- Hạ cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm tính toán, xác định theo bing sau:

Bảng 3.1: Biến đổi của cột nước áp lực khí trời theo độ cao [1]

Độcao| H, j[Độcao| H, [Độcaol H, |Độcao| H,

ia tốc trong trường.

3.1.2 Trị số K,, của các mồ, tường tiêu năng

“8

Hình dang, bố trí của các dạng mồ, tường tiêu năng thường dùng vả trị

xố Ky, của chúng được xác định từ các thí nghiệm mô hình, kết quả đạt được

cụ thể như sau [1]

1, Các mé tiêu năng, mé phân dòng:

Trị số Kyy của các mồ tiêu năng, mồ phân dòng được dẫn ra trên hình

3.1 Khi sử dung các trị số Ky này, trong công thức (3-1) edn lấy Hp;=H,th

Trong đó:

~ b: là chiều cao cột nước trên mồ, Đồi với mồ tiêu năng đặt ở cuối bể

có thể lấy gần đúng h = hy = hạ, ở đây hạ chiều cao md, Đối với các mékhông đặt ở cuối bé, trị số h cần lấy theo tai liệu thí nghiệm Khi —=0.25 (vớix: khoảng cách tính từ mặt cắt co hẹp, I„: chiều dai nước nhảy), có thé lấy h =(0,75 -0,75)(hy — hạ)

yên Am"

1 3 7

Hinh 3.1 Sơ đồ một số loại mồ tiêu năng và trị số Ky, [1]

‘Trang 35

Trong trường hợp có nước nhảy ngập trên mé với hệ số ngập trong

phạm vio, = 1,0 — 1,5 thì trị số Kyy tương ứng xác định gin đúng theo công

thức Rozanop [5]

đ)z= Kạy - ao, =D (33)

“Trong đó:

= (Kyp Jor: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập @,

~ Kạy: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập.

= a: hệ số thực nghiệm:

+ ø=0,70 đối với mé hình quân cờ vuông.

+ ø=0,52 đối với mồ hình quân cờ thoi

+ ø=0,64 đổi với mồ hình tháp

So đỗ của một loại mé phân dong trình bảy trên hình 3.2a Đối với

loại này Ky» = 0,64 khi Hyp = Hy và Vor =

mồ, còn ảnh hưởng của sự lượn tròn mép đọc phía trên của mồ đến trị số Kye

‘as Vụ: lưu tốc ở mat cất trước.

như trên hình 3.2b,

iro)

=

Hinh 3.2: ơ đồ 1 loại mồ phân dòng

2 Các dang tường tiêu năng.

“Các dạng mặt cắt tưởng đã thí nghiệm trên hình 3.3 Trị số của hệ sốkhí hóa phân giới K,.: cho từng mặt dang mặt cắt được nêu trên hình 3.4

as Pw,

Hình 3.3: Các dang mat cắt tường tiêu năng.

khoảng cách tir đầu bề đến vị trí đặt tường.

¿ chiều cao nước nhảy, xác định theo tính toán thủy lực,

Trị số Kye xác định trong điều kiện chiều cao tường C = Cụ, và hệ số

ngập của nước nhảy trong bé o,

G đây Cy, là chiều cao phân giới của tường tương ứng với trường hop

có nước nhay tại chỗ sau tường, xác định theo tính toán thủy lực

'Hệ số nhảy ngập trong bể ø, =

Trong đó

~ hy: chiều sâu nước trong bể,

~ 8ˆ: độ sâu liên hiệp của độ dâu co hẹp hy

“Trong thiết kế thường khống chế ,05 — 1,1; còn trong thực tế khi

bể làm việc với các cấp lưu lượng khác nhau thì trị số oy, có thể lớn hơn

Khi điều kiện làm việc của tường khác với điều kiện tiêu chuẩn thì

Kp» xác định như sau:

nêu trên thì tri số K,

- Với mị =0;

(34)Kye = Kyet — 074(2,-1) — 0/401

- Với m= 0,5:

3.1.3 Trinh tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng

Ban đầu kiểm tra với dang mặt cắt 1 ( mặt cắt hình thang ) Nếu thỏa.mãn điều kiện K > Kye thì chọn dạng mặt cắt này, còn nếu không thỏa mãn thi

chuyển sang chọn mặt cắt dạng 2 ( mặt cắt hình đa giác )

Đề giảm khối lượng bê tông của tường có mặt cắt đa giác với my =

0,5, có thể chiều rộng của đỉnh tường tiêu năng đến > 0,15 ( với hy là độ sâu

đầu nước nhảy ) và thay đổi độ nghiêng của mái hạ lưu đến m; = 0,5 hoặcthậm chí m;=0 Khi đồ trị u đồ

hình 34.

‘ox vẫn tính theo công thức ( 3-5 ) và biết

Nếu mặt cắt 2 vẫn có K < K,„, tức là vẫn có khả năng phát sinh khí

hóa thì ta có thể chuyển sang chọn dạng 3, hoặc xem xét đến phương án sử dụng vật liệu có độ bền khí thực cao cho tường dang 1, cụ thé chúng ta dùng

igu đẻo tổng hợp bọc ở đỉnh và mặt sau của tường Các

u yêu cầu vốn đầu tư cao nên phải thông qua so sánh kinh tế

~ kỹ thuật để lựa chọn phương án cho phủ hợp.

3.2 Kiểm tra sự phát sinh khí hóa ứng với các thông số khác nhau

của công trình tháo nước.

Như đã trình bày ở trên, nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng

là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng

“Trang 39chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị Các

nhau Bị năng và mồ tiêu năng là

hình thức tiêu năng có liên quan

những giải pháp hiệu quả cho việc tiêu năng, giảm bớt năng lượng dòng chảy.

‘Hinh 3.5 Sơ dé bố trí bể tiêu năng cuối đốc nước

Mé tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt nhưng nó lại là vat

cản không thuận dòng, dòng chảy đi qua các mé tiêu năng rất dễ gây ra hi

tượng khí thực, gây bong tróc vật liệu, ảnh hưởng đến chất lượng công trình

‘Tham chí trong quy phạm thủy lợi ở 1 số quốc gia ví dụ như Trung Quốc còn

mồ

khuyến cáo khi lưu tốc ở mặt cắt co hẹp lớn hơn 18 m/s thì không nên lartiêu năng vi dễ sinh ra khí thực Tuy vậy, không thé không thừa nhận hiệu quả

của các thiết bị tiêu năng này, do đó cần nghiên cứu tính toán với các mức độ

ưu tốc ding chảy để khuyến cáo chính xác hơn cho người thiết kế lựa chọnđược những phương án tối ưu giúp công trình đảm bảo được về mặt kỹ thuật

va kinh tế

Đối với dong chảy trên đốc nước, ta có năng lượng toản phần cuadong chảy tính đến mặt chuẩn ở đáy bé tiêu năng:

“iPad (36) E,=h„+

2e

Trong đó

~ hạ; độ sâu nước ở mặt cắt cuối đốc nước