Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu biện pháp tiêu năng sau đập vòm tràn nước, ứng dụng cho công trình thủy điện Nậm Chiến - Sơn La

Thông thường việc tháo lũ đối với đập vòm, người ta đùng biện pháp cho nước tràn qua đỉnh đập vòm Van đề tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông thường đập vòm có cột nư

LỜI CẢM ON

"Để có thể hoàn thành dé tải luận văn một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nỗ lực cỗ gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn, chi bảo nhiệt tình, quý báu.của các thay, cô, cũng như sự động viên, ủng hộ của gia đình, bạn bè, đồng.nghiệp trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Trường Đại học Thủy lợi, Khoa

Công trình, và toàn thé quý thầy cô trong trường đã tận tỉnh truyền đạt những,

kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá

trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin bảy tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thay giáo GS.TS Ngô Trí

‘Vieng, người đã hết lòng hướng dẫn, chi bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để

tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời tri ân của tôi đối với những lời khuyên rn, chỉ bảo của Thầy không chỉ trong quá trình làm luận văn, ma từkhi còn là sinh viên đại học đến nay

Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên,

hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực

hiện luận van,

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên do thời gian và năng lực cònhạn chế, không thể tránh khỏi những sai sót Tôi xin trần trọng và mong nhậnđược những góp ý quý báu của quý thầy cô va các bạn./

Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2013

HỌC VIÊN

‘Tran Văn Khánh

BAN CAM KET

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu độc lập của bản thânvới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn Những thông tin, dữ liệu, số liệu đưa

ra trong luận văn được trích dẫn rõ ràng, đầy đủ về nguồn gốc Những số liệu

thu thập và tổng hợp của cá nhân đảm bảo tính khách quan và trung thực.

Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2013

‘Tran Văn Khánh

nước nói riêng _- _ se —

1.3 Một số công trình đập vòm trên thể giới "

1.4 Đặc điểm của đập vom tran nước

1.5 Phạm vi nghiên cứu 15

1.6 Đập vòm va khả năng áp dung tại Việt Nam 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VA PHƯƠNG PHAP TÍNH TOÁN.THUY LUC DAP VOM TRAN NƯỚC 16

2.1 Cơ sở lý luận _ se so 16 2.2 Kha năng tháo nước của đập vòm trin nước 1

2.3 Xác định các thông số dong chảy qua đập tràn 192.4, Nỗi tiếp dong chảy sau đập vòm tran nước với hạ lưa 21

2.5 Phương pháp tinh toán 26

2.6 Kết luận chương 2 2CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN AP DỤNG CHO DAP VOM TRAN NƯỚC:

NAM CHIEN os esse - «43

3.1 Giới thiệu công trình 43

3.2 Đập vòm tràn nước Nam Chiến và những vin dé nghiên cứu S13.3 Các giải pháp tiêu năng và nối tiếp dòng chảy sau đập vòm trin

nước Nậm Chiến SI

3.4, Các kết qua tính toán %6

3.5, Kết luận chương 3 on 62CHUONG 4, SO SANH KET QUA TÍNH TOAN VÀ THÍ NGHIEM MOHiNH THUY LỰC - GIẢI PHÁP TÔI UU, 63

4.1, So sánh kết qua tinh toán các phương án 63

4.2 Mô hình và các kết qua thí nghiệm se — 4.3, So sánh kết qua tinh toán với kết quả thí nghiệm 68

4.4, Kết luận chương 4 m1!

KET LUẬN - KIÊN NGHỊ 73

1 Những kết quả đạt được của luận văn T3

2 Kiến nghị và tồn tại co 74

TÀI LIỆU THAM KHAO 16

CAC PHU LUC TÍNH TOÁN sess ss sees TB

CAC HÌNH ANH, BIEU BO

Hình 1.1 Quan hệ B-n

Hình 1.2 Các dang mặt cắt thẳng đứng của đập vòm

Hinh 1.3 Đập vòm có bán kinh không đổi.

Hình 1.4 Đập vòm có góc trung tâm không đổi

Hình 1.5 Đập vòm có góc trung tâm và bán kính thay đổi

Hình 1.6 Các loại đập trên thé giới

Hình 1.7 Đập Xiaowan (Trung Quốc)

Hình 1.8 Đập Inguri (Georgia)

Hình 1.9 Đập Mauvoisin (Thụy Si)

Hinh 1.10 Đập Laxiwa (Trung Quốc).

Hình 2.4 Dòng chảy qua đập vòm tran nước.

Hình 2.5 Các hình thức nối tiếp dòng chảy hạ lưu

Hình 2.6 Mũi phun liên tục

Hình 2.7 Mũi phun không liên tục

Hình 2.8 Cấu tạo mũi phun

Hình 2.15 Ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến hồ xói 30Hình 2.16 Quan hệ 4, 31

Hình 2.17 Quan hệ 4, 3 Hình 2.18 Quan hệ 4, 32

Hình 2.19 So đồ tính luỗng nước khuếch tán „39

Hình 2.20 Đường bao hồ xói theo M.A Mikhalep $6Hình 2.21 Đường bao hồ xói theo G.A Yuzixki 36Hình 2.22 Sơ đồ thé nằm của phân phối đá nền —.Hình 2.23 Đồ thị xác định th, phụ thuộc vào E,,/Z2, lo/by 39

Hình 2.24 Đồ thị xác định th, phụ thuộc Pz/Z4, l/h 39

Hình 2.25 Đập vòm Vouglans (Pháp) _ _Hình 2.26 Đập vòm Jiping I (Trung Quốc) 41Hình 3.1 Vị trí công trình thủy điện Nam Chiến 44Hình 3.2 Một sé hình ảnh mô hình đập Nam Chiến AB

"Hình 3.3 Hình ảnh thực tế đập vom Nam Chien enedHình 3.4 Đập trần Nam Chiến xả nước s0Hình 3.5 Mặt bằng đầu mối thủy điện Nam Chiến 5

Hình 3.6 Chính diện đập nhìn từ phía hạ lưu 5sHình 3.7 Mặt cắt ngang cấu tạo đập vom Nam Chiếi „55Hình 3.8 Sơ đồ bé trí đập tràn Nam Chiết 56

Hình 3.9 Khả năng tháo của đập vom tran nước Nam Chiến S8 Hình 4.1 Khả năng tháo nước của đập tràn - tính toán và thí nghiệm 69

CAC BANG BIEU, TÍNH TOÁNBảng 1.1 Sự phát triển của đập vom trên thể giới 9Bảng 1.2 Những đập cao nhất thé giới đã được xây đựng 10Bảng 1.3 Một số đập vòm tran nước trên thé giới —

Bang 3.1 Tinh toán kha năng tháo nước của đập tran Nam Chiến 57

Bảng 4.1 Tinh toán tiêu năng phóng xa - Phương án 1 -6 Bảng 4.2 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 64

Bang 4.3 Tinh toán tiêu năng phóng xa - Phương án 3 (mai phun 30°)65 Bảng 4.4 Tính toán tiêu năng phóng xa - Phương án 3 (mũi phun 25°)65

Bảng 4.5 Kích thước mô hình trần tổng thể (1/60) 6T

Bang 4.6 ie cấp lưu lượng thí nghiệm oo 68,

Bang 4.7 Khả năng tháo nước của đập tran Nam Chiến "¬

.T0 Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm mô hình đường mặt nước.

1.1 Tinh cắp thiết của dé tài

Đập vom là một dang đập khá đặc biệt trong hạng mục đầu mỗi công

trình thuỷ lợi, thuỷ điện

Đập vòm là loại đập dâng chắn nước thường được làm bằng bê tông

Đập là những vòm tròn có chân tựa vào hai bên bờ So với đập bê tông trọnglực thì đập vom có kết cầu tương đối mỏng và nó giữ ôn định chủ yếu nờ vào

sự ôn định của hai bd Do vậy yêu cầu địa chất nơi xây dựng đập vòm phải

tốt, thường là đá rắn chắc Đá thưởng có ứng suất nén cho phép > 100 + 120kG/eni,

Theo chế độ làm việc, đập vòm được phân ra loại đập vòm tràn nước vàđập vòm không tràn nước Đập vòm trần nước, ngoài chức năng chắn nướccòn có nhiệm vụ tháo nước thừa khi có lũ Thông thường việc tháo lũ đối với

đập vòm, người ta đùng biện pháp cho nước tràn qua đỉnh đập vòm

Van đề tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông thường đập vòm có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn; khi dòng chảy đổi

xuống hạ lưu mang theo nang lượng thừa với động năng, lưu tốc rất lớn và.phân bố không đều gây mạch động áp lực, dòng chảy mở rộng không đều tạo

ra dong chảy xiên, sóng xiên ngoằn ngoo va vào bờ sẽ tạo ra áp lực xung

kích lớn, gây xói lở bờ.

Công trình thủy điện Nam Chiến - tinh Sơn La có kết cấu là đập vòmtràn nước cao 135m do Viện thiết kế Thủy công Ukraine thiết kế Đây có théxem là đập vòm dau tiên được xây dựng ở nước ta

"Nghiên cứu biện pháp tiêu năng sau đập vòm trần nước, ứng dụng cho công trình thủy điện Nậm Chiến - Sơn La” là cẳn thiết, có ýnghĩa khoa học và thực tiễn

1.2 Mục đích của đề tài

- Tìm giải pháp tiêu năng sau đập vòm trin nước,

- Lựa chon phương án tiêu năng hợp lý sau đập vom tràn nước của công trình Nậm Chiến.

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê các tai liệu lý thuyết dé đi

xâu nghiên cứu biện pháp tiêu năng.

im giải pháp hợp lý cho tiêu năng sau đập vòm nói chung và Nam

Chiến nói riêng

1.4 Các kết quả đạt được

- Các biện pháp tiêu năng sau đập vòm tran nước.

- Kết hợp giữa lý thuyết và thực tế để có giải pháp tiêu năng cho công

trình Nậm chiến.

1.5 Nội dung luận văn

Nội dung của luận văn gồm các phần như sau:

1 Mỡ đầu

Giới thiệu tổng quát về đề tài, phương pháp tiếp cận, nghiên cứu và các.kết quả đạt được của luận văn

2 Chương 1 Tổng quan về đập vòm tràn nước

- Khái quát đặc điểm, phân loại, tỉnh hình phát triển xây dựng đập vòm nói chung và đập vòm trần nước nói riêng, hình ảnh một số

vom trên thé giới

= Đặc điểm của đập vòm tràn nước, phạm vi nghiên cứu.

- Khả năng áp dụng của đập vom tại Việt Nam.

3 Chương 2 Cơ sở khoa học và phương pháp tính toán thủy lực đập vòm tran nước.

~ Cơ sở khoa học tính toán đập vòm tràn nước, phương pháp tính toán.

các thông số thủy lực của đập vòm trần nước: Khả năng tháo của đập, cácthông số dong chảy trên mặt đập, nồi tiếp dòng chảy sau đập; công thức tính

toán và các hệ số áp dụng

- Tiêu năng phóng xa ~ đặc điểm và phương pháp tính toán áp dụng chođập vòm trần nước; hồ xói và các yếu tổ ảnh hưởng tới hổ xói

4 Chương 3 Tính toán áp dụng cho đập vom trần nước Nậm

~ Giới thiệu đập vòm Nậm Chiến và những vấn để nghiên cứu

~ Giải pháp tiêu năng và nối tiếp đồng chảy áp dụng cho đập vom Nam

Chiến, các phương án tính toán để nghị

~ Tính toán các phương án để nghị

5 Chương 4 So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm mô hình thủy

lực - giải pháp tối ưu

So sánh kết quả tính toán các phương án, thông qua tính toán lựa chọnphương án tối ưu

~ Mô hình thí nghiệm thủy lực và các kết quả thí nghiệm mô hình.

- So sánh kết quả tinh toán với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực,qua đó kết luận về sự phù hợp của tính toán với thí nghiệm và đưa ra được

phương án tôi ưu nl

6 Kết luận - kiến nghị

7 Tài liệu tham khảo.

8 Các phụ lục tính toán.

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VỀ DAP VOM TRAN NƯỚC

1.1 Khái quát

1.1.1 Đặc điểm của đập vòm

Đập vòm là một loại đập, trên mặt bằng có dạng vòm Trên mặt cắt

ngang, đập là những vòng vòm, chân tựa vào bở, các tải trong hướng ngang

áp lực nước, áp lực bùn cát, sóng được truyền tới hai bờ một phần hoặc

toàn bộ So với đập bê tông trọng lực thì đập vòm có kết cấu tương đối mỏng

địa

và nó giữ ôn định chủ yếu nhờ vào sự én định của hai bờ Do vậy yêu c

chất nơi xây dựng đập vòm phải tốt, thường là đá rắn chắc Đá thường có ứng

suất nên cho phép > 100 + 120 kG/cmẺ

Dap vòm có một số đặc điểm cơ bản sau:

~ Đập vòm có khối lượng nhỏ và giá thành thắp nếu điều kiện cho phép

- Ngoài yêu cầu về địa chất khá cao để giữ ôn định, điều kiện địa hình

cũng ảnh hướng rõ nét đến việc lựa chọn đập vòm.

Lòng sông hình chữ V là trường hợp lý tưởng nhất để xây dựng đập

vôm, do nhịp vim nhỏ Vì vậy mặc dù ở dưới sâu vòm chịu áp lực lớn nhưng

tình tinh chịu lực của các lớp vòm lại tương đối đồng đều Trường hợp nảy cóthể xây dựng các đập vòm cao mà chiều day đập không lớn Tiếp đến là dạng.lòng sông hình thang, hình chữ U Tuy nhiên trong một số điều kiện cụ thể,

người ta vẫn xử lý để xây dựng được đập vòm

Goi n là hệ số hình dạng, biểu thị ty số giữa chiều dài L trên đỉnh

với chiều cao đập H (n= L/H), thường khi n < 3 + 3.5 là điểu kiện lim đậpvòm kinh tế Nếu n < I.5 + 2 cho phép làm các đập vòm khá mỏng Tuy nhiêntrong một số điều kiện xây dựng cụ thể, ngày nay tỷ số này có nơi đã cho

phép lựa chọn lớn hơn nhiều Ví dụ đập Pevođikadơ có n = 7.5, đập Mulenribu n = 10 Theo tài liệu thông kê của 69 đập vòm cao trên thể giới,cho thấy chiều dày đập chịu ảnh hưởng của hệ số hình dang n

Goi p= (eo là chiều dày đáy dap, H là chiều cao đập) thi B = fịn) có

thể tham khảo biểu đồ Hình 1.1

- Đập vòm là một trong những loại đập làm việc đảm bảo an toàn.

Động đất cũng gây ra tác động nguy hiểm, nhưng đập vòm có khả năng chịu

- Đập vòm ding chin nước.

- Đập vòm tràn nước Đập Nam Chiến là một đập vòm trin nước

1.1.2.4, Theo vật liệu xây dung đập:

- Đập vòm đá xây.

- Đập vom bê tông

~ Đập vòm bê tông cốt thép,

1.1.25 Theo hình dạng mặt edt đứng

Bao gồm nhiều loại khác nhau (Hình 1.2): Đập có mặt thượng lưu

thẳng đứng, đập uốn cong một chiều, cong hai chiều Loại đập cong hai chiều

có tình hình phân bổ lực theo hướng nằm thẳng đứng (bài toán không gian)

tương đối hợp ý, vì vây có th giảm được chiễu diy đập

Hình 1.2 Các dang mặt cắt thing dứng của đập vom

lòng sông hình chữ V, việc giữ góc trung tâm không đổi sẽ rit kinh tế

~ Đập vom có góc trung tâm và bán kính thay đổi (Hình 1.3): Loại nàythích ứng với mọi loại mặt cắt lòng sông thiên nhiên, dé đạt mặt cắt kinh tế.ứng suất của đập dé khống chế trong phạm vi cho phép

Hink 15 Đập vim có góc trưng tâm và bản kính thay đổi

1.2 Tình hình phát triển xây dựng đập vòm nói chung và đập vòm tràn

nước nói riêng.

“Theo Patrick James và Hubert Chanson (2004), thi đập vòm đầu tiên có

ế ki thứ nhất trước

lẽ là đập Roman, được xây dựng vào t ng nguyên, dùng

để cấp nước cho thành phố La Mã Đập đá xây, có chiều cao 147m, dải

23.8m, bán kính cong 28.6m (còn được gọi là đập Les Peiro; một đập vòm

mới được xây dựng năm 1891 tại cùng vị trí, trên nền của đập Roman Ngày.nay thuộc Glanum, cách Ikm về phía nam thị tran Saint-Rémy-de-Provence,Pháp) Đập Monte Novo ở Bỏ Đào Nha cũng được xây dựng bởi những người

La Mã vào năm 300 sau Công nguyên Đập cao 5.7m, đài 52m.

kính cong 19m,

“Thể ky 20, đập vòm được phát triển nhiều ở Châu Âu và Châu Mỹ, do

sự phát triển của công nghệ xi mang, đồng thời kỹ thuật tính toán thiết kế, thi

nghiệm mô hình đã đạt tới trình độ cao.

Bang 1.1 Sue phát triển của đập vom trên thé giới

Ten hens

THOLKY LA MA

Kấp nước cho thi tin Đạp mới mye Provence), Phi) TC

Esparragaejo, Merida, [ThE Ky 1 Cấp nước tưới Đập mới được xãnpaniy| 56 | 330 | 2

ly Ban Nha ScN feng i năm 1959

(ONG CO

[AD i500] I Vom tạng Mục Dip vẫn cài

Ti foc] pan] asc) Nam, Hee Me, Die

IAD 1350] ar 5 fs ——

oi, Tas, an Mass | B6xiy | “Gy [27h] (| —— Mim th thiy ohm no 1980

ha Abbas Tabas, [AD 1400

can ø

)AP VOM ĐẦU THÊ KY I9

panty [20 Pai bong

Mer Allan, Hederabad, 106 to Henry RUSSLE tiết kế Cun cả

804) |Đáy | 12 | 500

Andi 22.4 nước Hiện vin hoa ding

Jones Falls, aa, su ohn BY thức kí Thủy din v

na T831 Đá | HT (06754 | #33 ao thông Vin ho! động

par BE-TONG

5 MHie, Warwick QLD, |1879-807| pang |S04/|345/| 2 | 2y, HEM STANLEY tết kể Cun

lasnis h0] BÊ Se | an Fp ước, Vẫn hoạ động

ao No.1, Lingow | 18967 |, an [I07/|S13/|, a] ao 4g Cel DARLEY đế kể, Cấp nước

iW, Australia roid [PEEL ng | ss 52/3048 Fink how Dime hoạ ding a 1986

aca, New York, ' 2 GS WILLIAMS hết kế cụ

ma Ñ Ln DI

ume Lak, California, Be ting1908 1x6 |3063| 09] 76 J.EASTMOODtbiftki

foa Kỳ sit th

Ngày nay, nhiễu đập vòm đã được thiết kế, xây dựng có chiều cao tới

100 + 300m hoặc hơn 300m (Đập Jiping - Trung Quốc cao 308m, dang đượcxây dựng) Và có thé nói, khi điều kiện cho phép, đập vòm là loại đập được

ưu tiên sử dụng cho những đập có chiều cao lớn (Bảng 1.2)

"Bảng 1.2 Những đập cao nhất thế giới da được xây dựngsrt] tenaap | Chiềucao | Loạiđập Quốcgia | Sông1| Nưk |A0OmOBOfĐ| Đậpđấ [Tajikistan | Vakhsh

2 | Xiaowan |292m@5§f| Đipvòm fll China| Lancang

3 [Grande Dixence| 285 m (935 ft) | Bê tông trọng lục EÄ Switzerland | Dixence

4 | ITngwủ 2715m(W9I| Dap vom Georgia | Inguri

5| Vajont 261.6 888] Bip vom lay | Vajont

6 Mansel Moreno 261 m (856) | Đậpdất fa wee Grijalva

7 | Nohadu | 261 m(856it)| Dap dat China |Lancang

3| Tem 2605 m(855 9] Đậpđh (SE India Bhagirathl

9 | Mauvoisin | 250m (820) | Đậpvòm Switzerland | Bagnes

10 | Laxiwa | 250m 82081) | Dap vom = China [Huang He|

Eanh dams (29736)

1 Fock dams (2888)

‘Gravity dams (6390) Butress dams (416)

“Tại Việt Nam, đập vòm hiện nay mới được nghiên cứu, áp dụng những,

bước đầu tiên Đập Nâm Chiến có thể coi là đập vòm đầu tiêu của Việt Nam

1.3 Một số công trình đập vòm trên thé giới

- Đập Xiaowan: Đập vòm trên sông Mekong, Vân Nam, Trung Quốc.

Xây dựng năm 2002-2010, với tổng mức đầu tư khoảng gần 3.9 ty USD

Chiều cao: 292mChiều dài: 902mChiều rộng đỉnh

đập: lâm.

“Chiều rộng đầyđập: 69m

Cao trình đỉnh đập: 1245m

"Hình 1.7 Đập Xiaowan (Trang Qué)

- Đập Inguri (Georgia):

Cao: 271.5m Đài: 725m

Chiều rộng đỉnh

đập: 10m

Chiều rộng đáy

đập: 56m Tàn thành: 1987

Cao: 250m Dài: 520m Hoan thành: 1957

Hình 1.9 Đập Mauvoisin (Thụy Si)

~ Đập Laxiwa (Trung Quốc):

Cao: 250m Dai: 460m Hoàn thành: 2009

Hinh 1.10 Đập Laxiwa (Trung Quốc)

Cao: 249m Dài: 720m Hoàn thành: 2013

1.4, Đặc điểm cia đập vòm tràn nước

Theo chế độ làm việc, đập vòm được phân ra loại đập vòm tràn nước và

đập vòm không tran nước, Đập vòm trần nước, ngoài chức nang chắn nước còn có nhiệm vụ tháo nước thừa khi có lũ Thông thường việc tháo lũ đối với đập vòm, người ta dùng biện pháp cho nước tràn qua đỉnh đập vòm,

‘Vin dé tiêu năng hạ lưu đập vòm tràn nước khá phức tạp vì thông, thường đập vòm có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn; khi đồng chảy đổxuống hạ lưu mang theo năng lượng thừa với động năng, lưu tốc rất lớn vàphân bồ không đều gây mạch động áp lực, dòng chây mở rộng không đều tạo

ra dong chảy xiên, sóng xiên ngoằn ngoẻo va vào bờ sẽ tạo ra ap lực xung

kích lớn, gây xói lở bờ.

Bang 1.3 Một số đập vom trần nước trên thé

ChênhSTT| Đập | Quécgia H L | LM |Qa„2| cao | gus

1.5 Pham vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào nghiên cứu:

~ Đập vòm tràn nước, hình thức tiêu năng bằng mũi phun

~ Khi xã I các cửa van mở hoàn toàn hoặc các trần xả lũ tự do không.

có cửa van.

~ Đi sâu nghiên cứu biện pháp tiêu năng,

1.6 Đập vòm và kha năng ap dung

Dp vòm là một trong những kết cấu đập có khả năng làm việc rit tốt,phát huy được khả năng của vật liệu bê tông, bê tông cốt thép Trong những

năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các mô hình

tính toán và thí nghiệm, có thể nói đập vòm là loại đập được trụ tiên xây dựng

khi điều kiện xây dựng thoả mãn

Tại Việt Nam, mới chỉ có Đập Nam Chiến là đập vòm cao Tuy nhiên,

có thể khẳng định khả năng áp dụng kết cấu đập vòm trong đầu mỗi công

trình thuỷ lợi, thuỷ điện ở nước ta là rất lớn, vì một số lý do

- Địa hình nước ta chủ yếu là đôi núi, chiếm 3/4 diện tích lãnh thổ Đặc

đếnbiệt là ở miễn Bắc, đồi núi trải dài, chia cắt mạnh bởi các dãy núi cao,

lồng sông thưởng hẹp và có độ dốc lớn

- Địa chất tại một số vùng rất tốt, kết hợp với điều kiện địa hình thuận

lợi sẽ là điều kiện tốt để xây dựng đập vòm.

- Đập vòm có chỉ phí xây dựng thấp hơn các loại công trình bê tôngkhác cùng độ cao, có thể lên tới 60% + 80% và có thể đạt tới chiều cao rất

lớn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHAP TÍNH TOÁN.

THỦY LỰC DAP VOM TRAN NƯỚC

2.1 Cơ sỡ lý luận

‘Mat cắt đập trần kiểu hình cong (mặt cắt thực dụng) được sử dụng khá.phổ biển, loại đập này thường được áp dụng khi cột nước tràn cao và có cửavan điều tiết Đập tràn mặt cắt thực dụng được chia làm hai loại: Mặt cắt thực

dụng chân không và mặt cit thực dụng không chân không.

Dap tràn thực dụng không chân không có dòng chảy trên mặt đập êm.

ái, ứng suất doc mặt đập luôn dương Với đập tran thực dụng chân không, tại

đình đập có áp lực chân không Khi chân không quá lớn, có thé sinh ra hiện tượng khí thực Hệ số lưu lượng của đập tràn thực dụng chân không cao hơn không chân không khoảng 7% + 15% Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho

đập, tránh hiện tượng khí thực, người ta không cho phép hệ số chân không,

quá lớn, thường không lớn hơn 6.5m cột nước.

Loại t đập tran thực dụng không chân không Krier ~ Ofixerov tật

được ứng dụng rộng rãi trên thé giới Đập vòm tran nước thường có cột nước

cao, nên thường được áp dụng loại mặt cắt này.

Vé cơ bản, tính toán thuỷ lực đập vòm tràn nước cũng giống như các

loại đập khác Tuy nhiên, khả năng tháo qua đập vòm tran nước nhỏ hơn so

với các loại đập tràn thông thường, vì hệ số lưu lượng giảm do ảnh hưởng của

46 cong ngưỡng tran trên mặt bằng

'Đập vòm trần nước có bé rộng dốc nước thay đổi theo bán kính cong vàgóc ở tâm, nên việc tính toán thuỷ lực xác định đường mặt nước trên trần cũng phức tạp hơn so với các loại đập tran thẳng thông thường.

2.2 Khả năng tháo nước của đập vòm tràn nước

'Như đã nói ở trên, trong phạm vi luận văn chi xét tới trường hợp đập tràn tự đo không có cửa van.

Kha năng tháo của đập vòm tran nước mặt cắt thực dụng được xác định

mg — Hệ số lưu lượng của đập vòm trần nước;

Hạ ~ Cột nước trên đính tràn có kể đến lưu tốc tới gần

Hệ số lưu lượng m, của đập vom tràn nước có xét đến ảnh hưởng của tỷ

86 Bạ/b > 1.2 được xác định theo công thức:

m, =o, 4) Trong dé: 0, — HỆ s hiệu chỉnh được xác định phụ thuộc vào đại lượng góc ở tâm 0 và tỷ lệ H/R;

R — Bán kính cong tại đỉnh đập vòm;

m - Hệ số lưu lượng của đập tràn thẳng xác định theo

QPTL C-8-76 Số tay Kỹ thuật thuỷ lợi

2.3 Xác định các thông số dong chảy qua đập tràn

Tình 2.4 Đồng chảy qua đập vom tran nước.

"Để xác định đường mặt nước của dòng chảy trên đập vòm trần nước, ta cũng sử dụng các phương pháp tương tự như đổi với đập tràn trọng lực thông thường Phương pháp theo phương trình Bernouilli và V.I Tsanomxki được sit dụng thường xuyên va khá phổ biển.

Cae bước xác định các thông số ding chảy qua đập tran như sau:

~ Bước 1: Xác định cột nước trên đỉnh đập tran Họ: Được xác định thông qua công thức (2.1).

- Bước 2: Tinh lưu tốc và độ sâu đồng chảy tại vi trí A-A, trong đó bỏqua tôn thất thuỷ lực của dòng chảy ở đính đập tràn:

(2-6)

- Bước 3: Đường mặt nước từ vị tri mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B Có

thé coi mặt tran là phẳng nên sử dụng phương pháp V.I.Tsanomxki dựa trên

phương trình cơ bản chuyển động không đều của dòng chây:

- Bước 5: Xác định lưu tốc và chiều sâu dòng chảy tại vị trí cuối mũi phun Tương tự như trên, ta sử dụng phương trình Bernuilli cho mặt cắt C-C

va mặt cắt tại cuối mũi phun:

"7.1

2g 2g hy 28

Trong dé

ve, he ~ Xác định được từ Bước 4.

Tiến hành giải phương trình (2-9) bằng phương pháp thử dần Xác định

được vị và hạ, từ đó tính được hệ số lưu tốc ọr cuối mũi phun:

2-10)

Bec lạ cosa)

ip đồng chảy sau đập vòm tràn nước với ha lưu

24.

2.4.1 Hình thức tiêu năng dùng cho đập vòm tràn nước

Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn,đặc biệt là đối với đập vòm tràn nước do cột nước rất cao Năng lượng đó sẽphá hoại lòng sông và gây nên xói lở cục bộ hạ lưu đập, do đó cin có bi

pháp hợp để có thể tiêu hao toàn bộ hoặc một phần năng lượng đó, giảm.

thiêu tối da những tác động tiêu cực đối với hạ lưu đập Năng lượng đó được.tiêu hao bằng nhiễu hình thức khác nhau: Tiêu năng dong đáy, tiêu năng dòng

mặt, tiêu năng dòng mat ngập, tiêu năng phóng xa (Hình 2.3).

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

tiêu hao bằng ma sát nội bộ dòng chảy, phá hoại kết cấu của dòng chảy bằng

h xáo trộn với không khí, khu th tan dòng chảy theo phương đứng và

giảm lưu tốc của dòng chảy.

Hinh 2.5 Các hình thức nỗi tiếp dòng cháy hq lewDap vom tràn nước có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy rất lớn, hình

thức thích hợp nhất là tiêu năng phóng xa Đây là hình thức tiêu năng bằngcách lợi dụng mũi phun ở phía hạ lưu đập để ding chảy có lưu tốc lớn phóng

xa khỏi chân đập Các đồng phun sẽ khuếch tấn trong không khí, sau đó đỏxuống lòng sông Do đó, năng lượng của dòng chảy sẽ được tiêu hao phan lớn

trong không khí giảm khả năng xói lòng, ông Đồng thời, dòng chảy được phóng ra khỏi đập twong đối xa nên sẽ không lim ảnh hưởng đến khả năng

lâm việc và an toàn của đập.

“Tiêu năng phóng xa về cơ bản có thé chia làm 2 quá trình chính:

~ Dang chảy được phóng ra khỏi mũi phun và năng lượng dòng chảy

được khuếch tán vào trong không khí Dòng chảy cảng khuếch tán lớn trongkhông khí và cảng trộn lẫn nhiều không khí thi năng lượng tiêu hao cảng lớn

Trong đập vòm tràn nước, các kỹ sư còn thiết kế để các dòng phun va chạmvới nhau trong không khí làm tăng hiệu quả tiêu năng,

- Tiêu năng phần năng lượng còn lại tại lòng sông hạ lưu Dòng chảy

phóng xuống hạ lưu và gây ra hồ xói ở một độ sâu nhất định nào đó thi năng

lượng thừa của đồng chảy được tiêu hao hoàn toàn bằng ma sắt nội lực, cho

Có nhiều hình thức kết cấu mũi phun Cơ bản được phân

2.4.2.1 Mãi phun liên tue:

Về quan điểm chiều dài phun lớn thì người ta dùng hình thức mũi phun

dong phun khuếch tan vào không khí kém và xói lở lòng sông hạ lưu sâu Có

thể làm tường phân đông nối liền với các trụ pin kéo dai đến gần mũi phun dé

‘cho đồng chảy tập trung ở trên mặt tran và giảm tổn thất thủy lực Như vậychiều dai dong phun sẽ tăng lên và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặtbằng cũng sẽ được mở rộng (Hình 2.6)

Hình 2.6 Mai phun liên tục.

¡ phun liên tục bao gồm các vấn

- Góc nghiêng œ của mai phun được xác định căn cứ vào diéu kiện

chiễn dai phóng xa, đồng thời thé tích bê tông ở chân đập tăng tương đối ítThường dùng a > 30°+ 35° là hợp lý (đồng phun sẽ bay xa nhất)

- Cao trình mũi phun phải đảm bảo dòng phun vào không khí và tránh nước hạ lưu chảy ngập mũi phun.

2.4.2.2 Mai phun không liên tục

‘Theo nghiên cứu thì mũi phun không liên tục có cải tiến hơn so với mũi

Hình 2.7 Mai phun không liên tục

‘Theo các nghiên cứu, thi nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun

không liên tục như sau:

= Góc nghiêng: a, - a = 5° + 10";

không ảnh hưởng đến điều kiện khuếch tán, nên tận dụng lượng.giảm trị số d/h để tăng chiều sâu tương đối, đồng thời giảm được áp lực âm.

hai bên thành răng Khi lưu tốc lớn hơn 20 m/s thường dùng 0.5 < dh < 1.0

là thích hợp.

Khuyét điểm của mũi phun không liên tục là dòng chảy ở giữa khe rang

rat tập trung, khó khuếch tán, đồng thời tạo áp lực âm lớn hai bên thành răng

Để khắc phục nhược điểm này, thay vì dùng kiểu răng hình chữ nhật, ta dùng.kiểu răng hình thang (hoặc dang như Hình 2.80) Đặc điểm của kiểu răng này

là chiều rộng đỉnh răng giảm din và chiều rộng khe răng tăng din về phía hạ

lưu làm cho đồng chả ở giữa khe được khuếch tán, các tia dong va chạm với nhau mãnh liệt hơn Vì vậy giảm được xói lở, đồng thời hai bên răng được vát

nghiêng nên giảm được áp lực âm rõ ret

Hình 2.8 Cấu tạo mãi phun

Hình 2.9 Một số dạng mũi phun khác

2.5 Phương pháp tính toán

2.3.1 Chiều dài phóng xa

t tô !

L L J

Hình 2.10 Tính toán tiêu nang phóng xa

3.3.1.1 Tính toán sự phân rã của dòng chảy và chiều sâu hạ lưu (không xétđến ảnh hưởng của hàm Khí):

- Chi đài phóng xa:

6-10)

Trong đó:

a ~ Góc nghiêng của đồng chảy, trong trường hợp tổng quit ơ, Z đạ„— Góc nghiêng của mũi phun;

Z¿ - Chênh cao giữa tâm dong chảy tại vị trí cuối mũi phun so với mực

nước hạ lưu, xác định theo công thức;

Z¡ — Chênh lệch cao độ giữa MNTL và mũi phun

H~ Chiều cao nước thượng lưu

hy - Chiều cao dòng nước trên mũi phun, fh =

~ Góc mở rộng của dong chảy (về một phía) trong bình đồ có thể tính

2.5.1.2 Chidu dã phông xa có xát đẫn ảnh hướng của độ sâu hạ hi

Dòng phun sau khi đến mặt thoáng hạ lưu sẽ tiếp tục chuyển động theo

phương tiếp tuyến với giao điểm của trục dòng chảy và mặt thoáng Vì vậykhi chiều sâu hạ lưu tăng thi độ bay xa của ding phun tăng lên khá nhiều

Độ bay xa của dòng phun trên đáy hồ xói:

Dong phun trong qua trình bay sẽ bị khuếch tán và trộn lẫn không khí.

‘Nang lượng của dòng phun bị mắt càng nhiều khi lưu tốc déng phun càng lớn,

dong phun tai mat cắt đầu cảng mỏng và dòng phun cảng xa vị trí mũi phun.Theo số liệu của N.B Inatsenco và A.G Tsanhisvili, ILA Kamenhep nông độ

không khí trong dòng phun S =

xắp xi 0.8

“Yulfw tai vị tri x/h = 20 đạt đến đại lượng

Để xét đến ảnh hưởng của hàm khí và sự khuếch tán của đồng phun đến

độ bay xa của nó, ta thêm vào công thức tính chiều dai phóng xa hệ số hàm.khí k < 1,xáe định theo số Fr của đồng phun tai v tri mũi phun (Hình 2.11,

Sứ, ( 2gZ )“| sina, + Jsin?a, + “SE G19)

50 40 50 60 70 80 30 100 1 120

Hình 2.11 Hệ số hàm kik

Hinh 313 Hồ xói đập Banleu (Aricona, 1941-1990)

25.2.1 Các yếu tổ ảnh hướng đẫn chidu sâu hồ sói

Chiều sâu và sự phát trién của hồ xói ảnh hưởng bởi rất nhiều các yếu.tố: Vận tốc dong phun, bề rộng của dòng phun, góc tia dòng tại vị trí tiếp xúc.với mực nước ha lưu, chiều sâu nước hạ lưu, địa chất nén, thời gian

Nhìn chung, chiều sâu của hồ xói ti Ig thuận với hệ số Fy và tỉ lệ nghịch

với chiều sâu mực nước hạ lưu và đường kính hạt liệu nền (đá) Cụ thé như.biểu đỏ Hình 2.16, Hình 2.17 và Hình 2.18

Uo

(Agd,))

fiTrong đó: Up — vận tốc rơi và nước của dòng tỉa;

A= I/s, s — mật độ tương đối của nền;

deo ~ đường kính hạt trung bình.

Hình 2.16 Quan hệ 4, =

"Hình 2.17 Quan hệ d,,

(2-20)

r.xe1

2.5.2.2 Các công thức tính toán chiều sâu hổ xối:

- Vận tốc rơi vào nước của dòng phun vo xác định như sau

v= ey, (221)

v, =9)2g(P +h)

a Theo E.A Zamazin:

Xem luồng nước nhập vào khối nước của hồ xói sẽ khuếch tán ra Tiết

diện ướt càng tăng thì lưu t sảng giảm, cho tới khi bằng trị số không xói đối với địa chất

Hình 2.19 Sơ đồ tính luồng nước khuếch tắn

Phương trình của luồng nước chảy loe rộng trong hồ xói như sau:

(

L=L4g } (2-22)Trong đó: q— lưu lượng đơn vị tại vị trí dòng phun rơi xuống nước;

— lưu tốc cho phép đối với đất nền;

a= 0.7 - 0.8 ~ hệ số giảm lưu tốc