Luận văn thạc sỹ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG CỦA ĐẬP TRÀN TUYẾN CONG

Để giải quyết nhu cầu cần tăng dung tích hồ mà vẫn đảm bảo yêu cầu thoát lũ hoặc nhu cầu cần phải đảm bảo thoát được những cơn lũ ngày càng lớn đã trở nên bức thiết. Để giải quyết vấn đề này có nhiều biện pháp công trình đã được đề xuất, trong đó việc sử dụng tràn tuyến cong, zíc zắc nhằm kéo dài đường tràn để tăng khả năng thoát lũ và thoát nước là giải pháp tốt đang được ứng dụng ở Việt Nam. Loại tuyến tràn này (tuyến cong, gãy khúc) còn ít được nghiên cứu, nhất là khả năng tháo. Luận văn này giải quyết vấn đề còn tồn tại là tính toán khả năng tháo các đập tràn tuyến cong/gãy nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế loại tràn này.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHAN TRỌNG HIẾU NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG CỦA ĐẬP TRÀN TUYẾN CONG Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy Mã số : 60 - 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. TĂNG ĐỨC THẮNG Hà Nội - 2008 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I 1 CHƯƠNG I 4 1.1. Tổng quan về các loại đập tràn 1.1.1. Phân loại tràn 1.1.2. Các dạng tràn xả lũ 1.1.3. Hình thức kết cấu tràn xả lũ 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu lưu lượng qua tuyến tràn có hình dạng khác nhau 1.2.1. Kiểu bố trí đường tràn xiên một góc α so với hướng của dòng chảy 10 1.2.2. Kiểu bố trí đường tràn trên một tuyến cong tròn 1.2.3. Giếng tháo lũ 1.2.4. Kiểu tường đứng trên một đáy phẳng với sơ đồ zíc zắc (Labyrinth) 1.2.5. Kiểu đập tràn phím Piano (tràn PK) 1.3. Một số vấn đề tồn tại trong tính toán lưu lượng tràn tuyến cong 1.4. Phạm vi nghiên cứu của luận văn 1.5. Phương pháp nghiên cứu: 2 CHƯƠNG II 49 2.1. Giới thiệu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1.1. Xác định các loại tràn tuyến cong sẽ nghiên cứu 2.1.2. Các vấn đề về chế độ thủy lực có liên quan 2.2. Mô hình vật lý và lý thuyết tương tự 2.2.1. Mô hình vật lý cho thủy lực tràn 2.2.2. Tương tự hình học 2.2.3. Tương tự động học 2.2.4. Tương tự động lực học 2.3. Xây dựng phương án thí nghiệm 2.3.1. Mục đích thiết lập sêry thí nghiệm 2.3.2. Thiết lập sêry thí nghiệm 2.3.3. Thiết lập phương trình nghiên cứu thí nghiệm 3 CHƯƠNG III 60 3.1. Thiết kế mô hình 3.1.1. Chọn loại mô hình 3.1.2. Chọn tỷ lệ mô hình 3.1.3. Phạm vi bố trí mô hình 3.1.4. Vật liệu làm mô hình 3.1.5. Xây dựng chế tạo mô hình 3.1.6. Kiểm tra điều kiện tương tự 3.2. Các thiết bị đo đạc và thu thập số liệu 3.2.1. Dụng cụ đo cao độ 3.2.2. Dụng cụ đo lưu lượng 3.2.3. Thiết bị đo mực nước 3.3. Quy trình thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm 3.3.1. Quy trình thí nghiệm 3.3.2. Kết quả thí nghiệm 3.4. Xây dựng công thức tính lưu lượng đập tràn 3.4.1. Giả thiết hàm toán học biểu thị sự tương quan giữa các kết quả thí nghiệm 3.4.2. Xác định các thông số chưa biết của hàm giả định 3.4.3. So sánh kết quả tính toán của công thức thực nghiệm và kết quả thí nghiệm 4 KẾT LUẬN 79 5 KIẾN NGHỊ 81 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 7 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 1 - 1 - MỞ ĐẦU Nhiều năm nay ở nước ta, hồ chứa nước đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát điện, trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô, làm giảm bớt khó khăn và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống. Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đến nay cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại. Trong đó hồ chứa vừa và lớn có khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m 3 , đập cao hơn 10m - chiếm 20%, trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m 3 - chiếm 2%, còn lại 80% là các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn. Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi nhiều so với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn đến thảm thực vật bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng nước ngày càng tăng , có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần giải quyết. Theo Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT), các hồ chứa nước vừa và nhỏ chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất an toàn cao. Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ, 17% số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều bị rò rỉ do xuống cấp nghiêm trọng.Vì không đủ năng lực xả lũ, nên ở nhiều nơi người dân đã phải tháo tràn nước từ hồ ra, chỉ giữ lại dung tích chứa còn 30-40%, điều này đã biến nhiều hồ thành các ao chứa nước, không còn tác dụng tích nước như thiết kế. Nguyên nhân chủ yếu của tình trạng xuống cấp các hồ đập là phần lớn các hồ chứa nước hiện nay được xây dựng từ những năm 70, 80 của thế kỷ trước. Do thời gian thi công gấp nên công tác khảo sát, thiết kế, thi công có nhiều thiếu sót, nhiều hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ - do mô hình thiết kế Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - lũ không phù hợp với tình hình mưa (thực tế) trên lưu vực, do tài liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn ngắn nên thiết kế không chính xác, trong khi đó diễn biến thời tiết ngày càng bất lợi, hạn hán, lũ lụt xảy ra liên tiếp, rừng đầu nguồn hồ chứa bị tàn phá nên tốc độ lũ trên lưu vực đổ tập trung về hồ nhanh, mạnh và nhiều hơn so với trước đây làm mực nước trong hồ dâng cao xấp xỉ cao trình đập, gây mất an toàn. Một nguyên nhân khác làm cho các hồ chứa ở tình trạng mất an toàn là cơ sở hạ tầng phục vụ cho công tác quản lý vận hành còn thiếu và yếu kém: nhiều hồ không có đường cho xe cơ giới tiếp cận công trình để ứng cứu khi có sự cố, nhiều hồ thiếu phương tiện thông tin liên lạc phục vụ công tác quản lý và phòng chống lụt bão. Bên cạnh đó, công tác quản lý các hồ (đặc biệt là các hồ nhỏ) đã bộc lộ nhiều bất cập. Đó là, năng lực cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý còn yếu. Các khâu đào tạo, tập huấn những kiến thức tối thiểu về quản lý hồ chưa được ai chú trọng (nhất là các hồ do dân quản lý). Thiếu kinh phí cho việc duy tu, bão dưỡng định kỳ, cho nên thường là chỉ đến khi công trình có nguy cơ sụp đổ cao hoặc đã bắt đầu hư hỏng mới được cấp kinh phí sữa chữa Trong khi đó, theo dự báo của ngành khí tượng thủy văn, thời tiết hiện nay đang tiếp tục có những diễn biến phức tạp, hạn hán diễn ra trên diện rộng và kéo dài đồng thời có thể sẽ xảy ra những trận mưa, lũ lớn. Vì thế, chuẩn bị sẵn sàng chống lũ cho đê, kè và các hồ chứa nước là việc cần phải được lưu ý. Để giải quyết nhu cầu cần tăng dung tích hồ mà vẫn đảm bảo yêu cầu thoát lũ hoặc nhu cầu cần phải đảm bảo thoát được những cơn lũ ngày càng lớn đã trở nên bức thiết. Để giải quyết vấn đề này có nhiều biện pháp công trình đã được đề xuất, trong đó việc sử dụng tràn tuyến cong, zíc zắc nhằm kéo dài đường tràn để tăng khả năng thoát lũ và thoát nước là giải pháp tốt đang được ứng dụng ở Việt Nam. Loại tuyến tràn này (tuyến cong, gãy khúc) còn ít được Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - nghiên cứu, nhất là khả năng tháo. Luận văn này giải quyết vấn đề còn tồn tại là tính toán khả năng tháo các đập tràn tuyến cong/gãy nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế loại tràn này. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN, CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG QUA TRÀN VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các loại đập tràn Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục công trình như: đập, tràn xả lũ, dốc nước, cống lấy nước, kênh dẫn v.v… Trong đó tràn xả lũ là hạng mục quan trọng và chiếm tỷ lệ khá cao về kinh phí xây dựng trong cụm công trình đầu mối, có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho đập ngăn sông và cung cấp nước (khi cần thiết) cho hạ du. Qua thống kê các tràn xả lũ ở các hồ chứa đã xây dựng cho thấy tràn xả lũ được thiết kế rất đa dạng về chủng loại, quy mô, kích thước. 1.1.1. Phân loại tràn 1.1.1.1. Phân loại theo nhiệm vụ Căn cứ nhiệm vụ công trình tràn xả lũ ở hệ thống thủy lợi có thể phân thành: tràn xả lũ chính, tràn phụ, tràn bổ sung và tràn sự cố. 1. Tràn xả lũ chính và tràn xả lũ phụ - Tràn xả lũ chính là công trình tháo lũ thiết kế, tháo lượng nước không dùng đến khi hồ đầy nước đến mực nước tính toán hoặc kết hợp tháo vật nổi. - Tràn xả lũ phụ là công trình sinh ra trong quá trình thiết kế khi có luận chứng xác đáng việc xây dựng hai tràn xả lũ chính và tràn xả lũ phụ rẻ hơn xây dựng một tràn. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - 2. Tràn xả lũ bổ sung Là công trình được thiết kế để tháo lũ vượt quá khả năng của tràn chính. Tràn bổ sung được thiết kế xây dựng khi xảy ra một trong các trường hợp thường gặp là: - Tình hình diễn biến thời tiết ngày một bất lợi, các số liệu khí tượng thủy văn mới được cập nhật thêm để tính toán cho ta con lũ thiết kế mới lớn hơn con lũ thiết kế trước đây. - Công trình đã xây dựng nhưng do nhiệm vụ công trình thay đổi dẫn tới phải nâng cấp công trình, yêu cầu phòng chống lũ ở mức cao hơn, phải tính toán thiết kế tràn bổ sung phối hợp với tràn chính để tháo được con lũ thiết kế mới. 3. Tràn xả lũ sự cố Trong những năm gần đây nhiều công trình hồ chứa, đập dâng bị lũ đe doạ phá hoại nên đã phải xây dựng thêm tràn sự cố, tính đến nay cả nước đã có trên 5% hồ chứa có tràn sự cố. Tràn sự cố hay có thể gọi là tràn khẩn cấp là công trình được thiết kế dùng để gia tăng an toàn khi tình trạng khẩn cấp không được đề cập đến trong giả thiết thiết kế thông thường. chẳng hạn: - Xuất hiện lũ lớn hơn lũ thiết kế. - Khi gặp lũ lặp lại trước khi một con lũ trước chưa xả hết. - Cửa van tràn xả lũ không mở được hoặc mở không hoàn toàn. Hình thức kết cấu của loại tràn này chủ yếu là tràn tự do, thường là kênh hở trên nền đất, đá tự nhiên có cao trình ngưỡng tràn thấp hơn mực nước lũ thiết kế thường từ 0.5 ÷ 1m, tràn thường được đặt tại những vị trí thuận lợi, thích hợp. Trong quá trình xây dựng tùy theo điều kiện cụ thể từng công trình về điều kiện kinh tế, điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thời điểm xây dựng, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - v.v… mà tràn bổ sung có thể kết hợp xây dựng cùng với tràn sự cố. 1.1.1.2. Phân loại theo vị trí công trình Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và khai thác, người ta chọn hình thức cấu tạo và kiểu công trình thích hợp, đặt ở các vị trí khác nhau. Căn cứ vị trí công trình tràn xả lũ ở hệ thống công trình thủy lợi có thể phân thành hai loại chính: 1. Loại tràn đặt ở trong thân đập Thường áp dụng ở các đập bê tông, bê tông cốt thép và các đập đất, đập đất đá hỗn hợp như Thác Bà, Hòa Bình. 2. Loại tràn đặt ngoài thân đập Các công trình loại này thường đặt bên bờ tại các cao trình tương đối cao, các bộ phận nối tiếp đơn giản, tuyến xả nước thường rất dài, ta gọi là đường tràn. Loại này được dùng khá phổ biến ở các hồ chứa nước vừa và nhỏ của nước ta. 1.1.1.3. Phân loại theo điều kiện thủy lực Tùy theo điều kiện thủy lực công trình tháo nước được chia ra theo các tiêu chuẩn sau: 1. Theo độ ngập sâu của cửa vào so với mực nước thượng lưu: Có các công trình tháo trên mặt, tháo dưới sâu. 2. Theo cột nước tác dụng: (Cột nước lớn nhất trước đập – H max ) - Công trình có cột nước thấp khi: H max < 12m. - Công trình có cột nước trung bình khi: 12m < H max < 60m. - Công trình có cột nước cao khi: H max > 60m. 3. Theo chế độ dòng chảy ở công trình có 2 loại: Có áp và không áp. 4. Theo phương pháp điều tiết lưu lượng: Công trình có cửa van hoặc công trình không có cửa van điều tiết lưu lượng. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật [...]... Chiều cao cột nước tràn e) Kết quả nghiên cứu xác định lưu lượng từ mơ hình vật lý - Cơng thức tính lưu lượng qua tràn: Tullis và nnk (1995) đưa ra cơng thức tính lưu lượng dựa vào tổng cột nước thượng lưu: 2 Q L = C d L 2.g H 3 / 2 3 (1-15) - Xây dựng các đường cong mẫu xác định lưu lượng từ mơ hình Hình 1- : Đường cong hệ số lưu lượng với hình dạng đỉnh ngưỡng ¼ đường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -... động điều tiết lượng nước xả Tuy đập tràn có cửa van có khả năng tháo lớn hơn nhưng vận hành phức tạp và đơi khi ít an tồn hơn (nếu kẹt cửa van) so với đập tự tràn - Để cải thiện khả năng tháo lũ của đập tự tràn, đã có nhiều nghiên cứu về các kiểu tràn mới (chủ yếu là kéo dài đường tràn) nhằm tăng khả năng tháo của đập tràn như: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 1.2.1 Kiểu bố trí đường tràn xiên một góc... Hiệu quả (ε): Tỷ số giữa tích của hệ số lưu lượng (Cd) và hệ số mở rộng (m) chia cho hệ số lưu lượng của đập tràn thẳng (C d 900) gọi là tính hiệu quả của tràn Labyrinth Tính hiệu quả của loại đập này (ε) được xác định theo cơng thức: ε= C d ( α ).m C d (90 0 ) (1-18) Trong đó : Cd(α): là hệ số lưu lượng phụ thuộc vào góc mở tường bên Cd(900): hệ số lưu lượng trường hợp đường tràn thẳng có cùng khẩu độ... trình hc, Hc : chiều sâu co hẹp và cột nước trên đập tràn θ : góc giữa các trục của dòng chảy đến và dòng chảy sau đập tràn 1.2.2 Kiểu bố trí đường tràn trên một tuyến cong tròn (Sổ tay tính tốn thủy lực - P.G Kixêlep và một số tác giả) [10] Hình 1- : Mặt bằng tràn cong - Đối với loại tràn này thì cần xác định hệ số lưu lượng bằng nghiên cứu thí nghiệm - Lưu lượng được xác định gần đúng theo cơng thức:... số lưu lượng, tuy nhiên cần phải cân nhắc kỹ (xem Hình 1-15), vì khi đó chiều rộng đế móng tràn sẽ lớn làm tăng giá thành xây dựng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 32 f-10) Điều kiện của dòng chảy tới gần (thượng lưu tràn) : Các điều kiện về dòng chảy tới gần thực sự có ý nghĩa trong việc quyết định hệ số lưu lượng của tràn Houston (1983) đã làm các nghiên cứu rất quan trọng về hiệu quả của vị trí đặt tràn. .. trí và hướng của đập tràn Labyrinth - Houston (1983) [12] Trường hợp tràn Labyrinth dịch chuyển sâu vào lòng hồ chứa, khả năng thốt nước của tràn tốt hơn Lưu lượng tràn trong trường hợp này có thể tăng lên 20% so với trường hợp bình thường Nếu chiều dài của đường tràn lớn hơn là cần thiết để tải được lưu lượng thiết kế thì có thể tăng chiều rộng của khu vực gần cửa vào Ví dụ chiều Luận văn thạc sĩ kỹ... yếu nghiên cứu từ dạng này Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 23 Đặc điểm làm việc Đường dòng p h d) Ld B DẠNG KHÔNG GIAN Ngưỡng tràn α Ld Ld B B Vùng xáo trộn MẶT BẰNG Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 24 - Hình 1- : Dòng chảy trên tràn Labyrinth (Nghiên cứu ứng dụng kiểu tràn Labyrinth - Nguyễn Phú Quỳnh) [9] - Dòng chảy qua tràn Labyrinth có những đặc điểm khác biệt so với dòng chảy qua tràn đỉnh thẳng Với tràn. .. tràn bị hạn chế - Khi tháo với lưu lượng thiết kế thì đỉnh phễu khơng được ngập Tăng lưu lượng lớn hơn lưu lượng thiết kế sẽ xảy ra ngập đỉnh phễu tràn, rồi ngập cả phễu Kết quả là khả năng tháo bị giới hạn bởi trị số lưu lượng của cơng trình làm việc dưới chế độ có áp tồn bộ - Lưu lượng qua giếng tháo lũ được xác định như sau: Q = εm(2πR − n 0 s) 2g H 3 / 2 o Trong đó: R : bán kính phễu Luận văn thạc. .. thủy cơng tại phần tính giếng tháo lũ - Trong những nghiên cứu về sau, N.L.Rơlê trên cơ sở nghiên cứu thí nghiệm cũng thu được kết quả gần như của V.E.Vaknê, và đối với đập tràn thực dụng, m được tính theo biểu thức: D m = 0.383  H 0.78 D = 2R (1-6) - Nhiều nghiên cứu, chủ yếu là cho loại đập tràn thực dụng, khi chưa xét đến điều kiện làm việc khơng gian của miệng phễu, hệ số lưu lượng có các trị... xốy, hệ số lưu lượng theo cơng thức (1-9) sẽ giảm đi 6% - Đối với phễu tròn có đỉnh và phễu được vẽ theo bảng (10-3), sổ tay tính tốn thủy lực (trang 162, 163), thì hệ số lưu lượng xác định theo đồ thị Hình 1-6 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Hình 1- : Hệ số lưu lượng của phễu tròn (Sổ tay tính tốn thủy lực- P.G Kixêlep và một số tác giả) [10] b) Phễu tràn chảy ngập: - Lưu lượng tháo được tính như đường . Cửa van đặt sâu, khi mở van dòng chảy qua tràn ở dạng chảy qua lỗ (Dầu Tiếng, Đá Bàn v.v…). - Cửa van đặt trên mặt kết hợp cả cống dưới sâu, khi vận hành tùy theo yêu cầu xả lũ mà sử dụng cửa van. chiếm 5% (hơn 100 cái) tổng số tràn hiện có. Công trình xả lũ có cửa van hiện nay thường sử dụng các loại cửa van sau: - Cửa van đặt trên ngưỡng tràn, khi mở dòng chảy qua tràn chảy qua lỗ và chảy. lượng: Công trình có cửa van hoặc công trình không có cửa van điều tiết lưu lượng. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - 1.1.2. Các dạng tràn xả lũ 1.1.2.1. Tràn xả lũ có cửa van Loại tràn này chiếm