NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HỢP LÝ CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY

Mục tiêu cơ bản của nghiên cứu là tìm được giải pháp tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ thông qua công trình cụ thể là tràn xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Sau đó, khái quát kết quả nghiên cứu nhằm rút ra kết luận chung để có thể áp dụng cho những công trình có hình thức và điều kiện tương tự.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

I ĐẶT VẤN ĐỀ 3

II MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

III NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM: 4

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ LŨ 4

1.1 Tổng quan về hồ chứa 4

1.2 Tổng quan về tràn xả lũ 4

1.3 Những kết quả nghiên cứu về tiêu năng sau tràn xả lũ 4

1.4 Các vấn đề cần đặt ra 4

CHƯƠNG II 4

CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY 4

2.1 Lý luận về tiêu năng sau tràn 4

2.2 Nghiên cứu mô hình thủy lực 4

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến giải pháp tiêu năng cho tràn xả lũ 4

2.4 Lập phương trình xác định sêry thí nghiệm nghiên cứu tiêu năng cho tràn xả lũ 4

CHƯƠNG III 4

THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TIÊU NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY .4 3.1 Giới thiệu công trình sông Ray 4

3.2 Mục đích, nhiệm vụ thí nghiệm 4

3.3 Phương trình xác định sêry thí nghiệm 4

3.4 Thiết kế, xây dựng mô hình 4

3.5 Các thiết bị và kỹ thuật đo đạc thu thập số liệu 4

3.6 Kết quả đo đạc 4

CHƯƠNG IV 4

PHÂN TÍCH - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4

4.1 Đánh giá định tính 4

4.2 Đánh giá định lượng 4

4.3 Lựa chọn giải pháp tiêu năng hợp lý 4

KẾT LUẬN 4

I Đánh giá kết quả nghiên cứu 4

II Những tồn tại và kiến nghi 4

III Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp 4

PHỤ LỤC 4

Phụ lục I 4

Phụ lục II 4

Phụ lục III 4

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, ở Việt Nam việc xây dựng các hồ chứa nước phục vụ choviệc cấp nước sinh hoạt, phát điện, nuôi trồng thủy sản, đáp ứng nhu cầu nướctưới cho nông nghiệp…ngày càng phổ biến Trong công trình đầu mối hồchứa nước ngoài các hạng mục như đập, cống lấy nước…thì tràn xả lũ là mộthạng mục quan trọng trong hệ thống Tràn có nhiệm vụ tháo nước thừa vềmùa lũ, khống chế mực nước thượng lưu không cho vượt quá mức nước chophép tương ứng với tần suất xả lũ thiết kế Để đảm bảo cho tràn xả lũ làmviệc bình thường là rất quan trọng, không những đảm bảo an toàn cho bảnthân của công trình đầu mối mà còn cho cả lưu vực hạ lưu

Do đó, trong thiết kế, việc bố trí công trình xả lũ, thì vấn đề về lựa chọngiải pháp tiêu năng hợp lý sau công trình phải được quan tâm nhất Việc tínhtoán cho các công trình cụ thể phụ thuôc nhiều vào các yếu tố: điều kiện địahình, địa chất, điều kiện thủy văn, điều kiện dòng chảy…nên phải có các biệnpháp thích hợp tương ứng Vì thế, để hoàn thiện phương án thiết kế, thườngthông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực nhằm so sánh, lựachọn và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu về thoát lũ, tiêunăng hạ lưu tràn để tìm được chế độ nối tiếp thượng hạ lưu hợp lý, và chọnđược kích thước hình học và kết cấu phù hợp đảm bảo điều kiện kinh tế, kỹthuật

Như vậy, vấn đề nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn giải pháp tiêu nănghợp lý cho tràn xả lũ vừa có ý nghĩa thực tiễn, vừa có ý nghĩa khoa học đốivới quá trình thiết kế và thẩm định trong xây dựng công trình thủy lợi

Với những lý do trên, việc lựa chọn đề tài: ‘‘Nghiên cứu thực nghiệmlựa chọn giải pháp tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray’’ nhằm tìm rađược hình thức tiêu năng phòng xói hợp lý cho một công trình cụ thể là tràn

xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Từ kết quả nghiên cứu công trình cụthể này, có thể rút ra được những kết luận chung cho những công trình cóđiều kiện tương tự.

II MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu cơ bản của nghiên cứu là tìm được giải pháp tiêu năng hợp lýcho tràn xả lũ thông qua công trình cụ thể là tràn xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu Sau đó, khái quát kết quả nghiên cứu nhằm rút ra kết luận chung

để có thể áp dụng cho những công trình có hình thức và điều kiện tương tự

2 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm:

- Phương pháp nghiên cứu lý luận là tổng hợp và phân tích các kết quảnghiên cứu đã có

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong khuôn khổ luận văn này

là thí nghiệm mô hình thủy lực cho tràn xả lũ cụ thể là tràn xả lũ sông Ray.Phân tích lý thuyết về vấn đề cần nghiên cứu, khái quát hóa các kết quảnghiên cứu thực nghiệm thông qua việc ứng dụng công nghệ thông tin nhằmgiải quyết vấn đề đặt ra

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực công trình cụ thể là tràn

xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, với 2 nội dung sau:

- Nghiên cứu thực nghiệm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu côngtrình khi xét đến chế độ vận hành công trình với các kết cấu tiêu năng

- Thông qua việc thí nghiệm mô hình, xây dựng quan hệ giữa các yếu

tố thủy lực với kết cấu tiêu năng phục vụ việc lựa chọn giải pháp tiêu nănghợp lý cho tràn xả lũ sông Ray

III NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM:

Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu

Chương I: Tổng quan chung về tiêu năng sau tràn xả lũ.

Chương II: Cơ sở lý luận nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực cho tràn

xả lũ sông Ray

Chương III:Thí nghiệm mô hình tiêu năng cho tràn xả lũ sông Ray

Chương IV:Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm.

Kết luận:

Đánh giá kết quả nghiên cứuNhững tồn tại và kiến nghịNhững vấn đề cần nghiên cứu tiếp

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ LŨ

Trong thế kỷ 20, hồ chứa được coi là một trong những công trình hiệuquả nhất đối với việc sử dụng và quản lý tài nguyên nước, nó đã thực sự đóngvai trò quan trọng trong việc trợ giúp nguồn nước cho cộng đồng và phát triểnkinh tế, sản xuất lương thực, cung cấp điện năng, phòng chống lũ lụt gópphần giảm nhẹ thiên tai, đáp ứng một nhu cầu rất lớn nước tưới và dùng trongsinh hoạt

Hồ chứa gồm các hạng mục chính như: đập, công trình lấy nước, tràn xả

lũ, ngoài ra còn có một số công trình phục vụ cho mục đích chuyên môn Vàtuỳ theo nhiệm vụ cụ thể của công trình: chống lũ, phát điện, cung cấp nướccho dân cư, công nông nghiệp, thau chua rửa mặn, giao thông thủy, nuôi trồngthủy sản mà dung tích trữ của hồ chứa có thể từ vài chục ngàn cho đến hàngngàn triệu mét khối nước Hạ lưu hồ chứa thường là những khu dân cư hoặcnhiều cơ sở hạ tầng quan trọng như đường bộ, đường sắt, trường học, bệnhviện

Ở Châu Á, mục tiêu sử dụng hồ chứa bao gồm: tưới 63%, thủy điện 7%,trữ nước 2%, ngăn ngừa lũ lụt 2%, đa mục tiêu 26% và các mục đích khác

4% Các hồ chứa đáp ứng nhu cầu rất lớn nước tưới và sinh hoạt Một nửa số

hồ chứa dùng cho tưới hoặc ban đầu là tưới và 30-40% của 271 triệu ha đấtđược tưới đóng góp 12-16% tổng lương thực thế giới Dân số thế giới trên 6

tỷ và mỗi người cần có 50 lít nước sinh hoạt mỗi ngày hay hơn 18,25 m3/năm.Ngày nay, mỗi năm nhân loại cần 3800 km3 nước ngọt, gấp hai lần so với 50năm trước Trong đó, 67% nước cho nông nghiệp, 19% cho công nghiệp, 9%cho dân dụng và sinh hoạt Vào năm 2025 sẽ có 3,5 tỷ người sống ở vùngthiếu nước, gấp 6,5 lần hiện nay

Trước tình hình đó việc xây dựng các hồ chứa cũng đã phát triển khámạnh ở Việt Nam chiếm 67% (từ khi thống nhất đất nước) và nhiều hồ lớn,đạp cao đã được xây dựng ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp Hiện

cả nước có 1.957 hồ chứa (chưa kể hồ thuỷ điện) đã xây dựng và đưa vào khaithác, trong đó 79 hồ lớn với trữ lượng trên 10 triệu m3 Chỉ tính riêng các hồtrực tiếp cấp nước tưới, phục vụ sản xuất nông nghiệp đã có trên 460 hồ chứanước có đập cao trên 10 m, dung tích trữ từ 1 triệu m3 trở lên và khoảng 3.000

hồ tiểu thủy nông khác, hàng năm diện tích canh tác do các hồ đảm nhiệmtưới là trên 40 vạn ha, sản xuất 17 tỷ kWh điện Một loạt hệ thống hồ chứanước phục vụ nông nghiệp ra đời như : Suối Hai, Núi Cốc, Thác Bà, Kẻ Gỗ,Tuyền Lâm, Dầu Tiếng…(Bảng thống kê các loại hồ chứa thể hiện ở bảng1-1) Các hồ chứa này là tài sản to lớn, quý báu và có vai trò quan trọng đốivới sản xuất và đời sống của nhân dân các địa phương

Trong mùa mưa lũ, các hồ chứa, một mặt có tác dụng hạn chế, giảm nhẹmức độ úng lụt cho vùng hạ du, mặt khác lại là điểm xung yếu, luôn tiềm ẩnnguy cơ gây ra lũ lụt lớn Do đó cần triển khai đồng bộ các giải pháp bảo vệcông trình cụ thể cho từng hồ chứa, phương án bảo vệ an toàn cho người dânsinh sống trong khu vực vùng hồ, đặc biệt là dân cư sau hạ lưu hồ chứa để chủđộng đối phó với trường hợp xả lũ khẩn cấp hoặc có sự cố vỡ đập, hạn chế

thấp nhất về mặt tài sản và đảm bảo an toàn tính mạng cho nhân dân Việcbảo đảm an toàn các hồ chứa nước phải luôn luôn được coi là nhiệm vụ hàngđầu trong công tác quản lý - khai thác công trình thuỷ lợi.

Một vài hình ảnh về hồ chứa:

Hồ Núi Ngang (Quảng Ngãi)

Hồ Dầu Tiếng (Tây Ninh)

Hồ Phú Ninh (Quảng Nam)

Bảng 1-1: Bảng thống kê một số hồ chứa ở Việt Nam

TT Công trình - Tỉnh F LV (km 2 ) W h (10 6 m 3 )

Dung tích hiệu ích

W h 10 6 m 3

Tưới thiết kế (ha)

1 Cấm Sơn-Quảng Ninh 387,4 248,0 227,5 24.100

2 Núi Cốc - Thái Nguyên 353,0 175,5 168,0 12.000

6 Yên Quang- Ninh Bình 15,4 9,5

23 Suối Giai -Bình Dương 32,0 21,3 12,8 1.670

24 Dầu Tiếng - Tây Ninh 2.700,0 1.580,0 111,8 172.000

Với những hồ chứa đã xây dựng ở Việt Nam thì nó là một biện pháp côngtrình chủ yếu để sử dụng nguồn nước và phòng chống thiên tai do nguồn nướcgây ra Hiện nay các vấn đề được đặt ra đối với hồ chứa là:

(1) Cần ưu tiên cho những vùng miền thật sự cần thiết như Tây Nguyên,

Nam Trung Bộ, vùng núi phía Bắc và phải đầu tư đồng bộ, phục vụ đa mụctiêu, có sự tham gia của nhiều ngành, nhiều lĩnh vực;

(2) Về khảo sát, thiết kế: cần thiết lập trên cơ sở khoa học một cách thực tế

có căn cứ về đời sống dân cư, cơ cấu kinh tế, vấn đề xã hội…nhằm cung cấp

cho ngành thủy lợi tìm mọi cách đáp ứng yêu cầu dùng nước Bên cạnh đócần tiếp thu những tiến bộ khoa học kỹ thuật, những thay đổi của thực tế, tính

kế thừa, tính hiện thực của mỗi tiêu chuẩn phục vụ cho việc thiết kế côngtrình thủy lợi;

(3) Vấn đề công nghệ hồ chứa còn nhiều hạn chế về máy móc, thiết bị,

công nghệ, đội ngũ thi công, tài liệu kỹ thuật mới ít được cập nhật vận dụng,không tuân thủ quy trình thi công, giám sát…làm ảnh hưởng lớn đến độ bềncủa công trình;

(4) Việc sử dụng và quản lý hồ chứa còn hờn hợt, chưa có cơ chế, quy

định quản lý thống nhất, hợp lý trên phạm vi toàn quốc;

(5) Vấn đề sử dụng và quản lý hồ chứa hiện nay thì yêu cầu hiện đại hóa,

tự động hóa còn mới mẻ, mới áp dụng từng phần (chỉ ở hồ lớn) Các hồ vẫncòn các thiết bị cũ, lạc hậu, đội ngũ kỹ thuật và công nhân lành nghề đáp ứngcho yêu cầu này chưa cao;

(6) Về việc chống lũ, bão và hạn hán thực tế ở các hồ chứa đã được thực

thi khá tốt Tuy nhiên việc cảnh báo, dự báo chưa có hoặc ở hồ lớn đã cónhưng chưa thành công nghệ, tổn thất mất nước nhiều do bốc hơi, thấm, phárừng đầu nguồn, quy trình vận hành hồ khi chống lũ, chống hạn chưa cập nhậttheo sự biến đổi của tự nhiên, kinh tế và xã hội

1.2TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ

Tràn xả lũ hay công trình tháo nước là một trong những công trình chủyếu và quan trọng của một công trình đầu mối thủy lợi Cần phải xây dựngcông trình để tháo phần nước thừa trong mùa lũ nhằm đảm bảo an toàn cho

cả công trình đầu mối Ngoài ra, tràn xả lũ còn được kết hợp để tháo nướcthường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, hay tháo cạn toàn bộ hồ chứa để kiểmtra sửa chữa đảm bảo cho sự làm việc an toàn và ổn định lâu dài của hồ chứa

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, qui mô, kích thước Các hồ chứavừa và lớn hầu hết đều thiết kế tràn có cửa van, các hồ chứa nhỏ đều thiết kếtràn không có cửa van

 Tràn xả lũ có cửa van

Công trình xả lũ có cửa van hiện nay thường sử dụng các loại sau:

- Cửa van đặt trên ngưỡng tràn, khi mở dòng chảy qua tràn chảy qua lỗ

và chảy tự do khi mở hết (Kẻ Gỗ, Yên Lập, Vực Tròn…)

- Cửa van đặt sâu, khi mở van dòng chảy qua tràn ở dạng chảy qua lỗ(Dầu Tiếng, Đá Bàn …)

- Cửa van đặt trên mặt kết hợp cả cống dưới sâu, khi vận hành tùy theoyêu cầu xả lũ mà sử dụng cửa van nào sẽ được quyết định (Hòa Bình, Thác

 Tràn xả lũ không có cửa van (tràn tự do)

Loại tràn này thường được áp dụng cho các hồ chứa nước vừa và nhỏ

Ưu điểm của loại tràn này là dễ quản lý, vận hành đơn giản, thuận tiện, nhưngnhược điểm là không điều tiết được mực nước hồ chứa theo yêu cầu phòng lũdẫn đến dễ mất an toàn công trình

Nhìn chung, đa phần tràn xả lũ đã xây dựng là tràn không có cửa vanchiếm 95% (tính theo số lượng) và 5% là tràn có cửa van với hình thức kếtcấu tràn xả lũ gồm:

- Đầu tràn: có hình dáng khá phong phú, khoảng 80% là ngưỡng trànđỉnh rộng còn lại là loại ngưỡng thuộc loại thực dụng

- Thân tràn: là bộ phận tiếp sau đầu tràn, nối tiếp sau tràn là dốc nướchoặc bậc nước đơn điệu (với tràn hở) Thân tràn phổ biến nhất là dạng dốcnước, tuỳ thuộc vào phương án nối tiếp với hạ lưu mà thân dốc dài ngắn khácnhau Trước đây một số thiết kế dốc nước thường sử dụng biện pháp tạo nhámtrên thân dốc để giảm vận tốc dòng chảy (Yên Lập - Quảng Ninh, Đồng Mô -

Hà Tây), gần đây ít dùng biện pháp này mà có xu hướng thiết kế với độ dốc

và chiều dài thích hợp

- Hình thức tiêu năng: thường sử dụng 3 dạng là tiêu năng đáy bằng bể,

bể tường kết hợp; tiêu năng phóng xa và tiêu năng chảy mặt bằng bậc thụt

- Nối tiếp sau tiêu năng: thường dòng chảy vẫn còn động năng khá lớn

có thể gây xói lòng dẫn, do đó để bảo vệ hạ lưu cần có một đoạn gia cố đểđảm bảo dòng chảy chuyển tiếp ổn định đến lòng dẫn tự nhiên

Hiện nay, hình thức cửa van, phai, thiết bị đóng mở cửa van, phai quáđơn điệu Do đó, cần đổi mới hình thức kết cấu, thiết bị, áp dụng những loạitràn xả lũ mới và kết hợp nhiều hình thức tháo, nhiều tầng khác nhau; sử dụngvật liệu mới để tăng lưu tốc cho phép, chống han, rò rỉ; sử dụng thiết bị quantrắc đồng bộ ở mọi bộ phận trong thân đập tràn; đầu tư máy móc thiết bị vàđào tạo người sử dụng thiết bị cơ khí đóng mở hiện đại để tăng kích thước cửavan (nhằm giảm số cửa van); áp dụng nhiều hình thức cửa van mới Các côngtrình nối tiếp sau ngưỡng tràn, hình thức tiêu năng hạ lưu…cũng cần tiếnhành nghiên cứu để áp dụng nhiều dạng khác nhau

Trước tình hình mưa lũ, bão khi xuất hiện lũ vượt lũ thiết kế các trận lũxảy ra liên tiếp hoặc các sự cố cửa van, các sự cố công trình khác…làm chotràn làm việc vượt thiết kế gây nguy hiểm cho công trình đầu mối và chochính bản thân tràn xả lũ Bởi vậy an toàn cho các công trình xả lũ là một vấn

đề đáng quan tâm hiện nay, trong đó nâng cao khả năng tháo cho tràn là rấtquan trọng Vì vậy, Khi xây dựng các công trình đầu mối cần quan tâm đến

công trình tháo nhằm cải thiện tình hình làm việc của bản thân công trìnhcũng như hạn chế ảnh hưởng của dòng chảy qua nó tới các công trình khác.Loại công trình này rất phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu.

Do đó, khi thiết kế cần nghiên cứu nhiều phương án để chọn cách bố trí, hìnhthức, kích thước công trình tháo cho hợp lý nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế

1.3 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN

XẢ LŨ

Như chúng ta đã biết tràn xả lũ đóng vai trò quan trọng trong đầu mốicác công trình thủy lợi trong việc đảm bảo an toàn cho hồ chứa Và việcnghiên cứu tiêu năng sau tràn để có hình thức và cách bố trí hợp lý các côngtrình tiêu năng để giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu nhằm tìm được biệnpháp thích hợp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bốlưu tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của

nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu, đồng thờicải thiện tình hình làm việc của bản thân công trình cũng như hạn chế ảnhhưởng của dòng chảy qua nó tới các công trình khác là rất cần thiết

Tràn xả lũ là một trong những hạng mục làm việc nặng nề nhất của đấumối công trình thủy lợi, nó có thể bị phá hủy bởi sự xuất hiện xói không tínhtrước Điển hình như ở sông Yabe (Mỹ) năm 1904 người ta xây dựng một đậptràn cột nước thấp, đến năm 1970 đập tràn này bị gãy và ngừng hoạt động vì ở

hạ lưu xuất hiện hố xói với chiều sâu lớn nhất của hố xói là 5.8m Còn đối vớiđập Vacô (Mỹ), theo tính toán, bể tiêu năng có chiều dài và sân sau hoàn toànđảm bảo điều kiện nối tiếp an toàn hạ lưu, nhưng sau 16 năm khai thác thìtoàn bộ tấm đáy bể tiêu năng bị bẻ gãy và cuốn trôi nhiều khối đá nền tạo nên

hố xói có chiều sâu 6.7m

Ở nước ta, trong thời gian gần đây cũng có một số trường hợp tràn gặp

sự cố như: Đập tràn Thác Bà với 3 khoang có cửa van điều tiết, hình thức tiêu

năng đáy, sân tiêu năng ở cuối có bố trí 7 mố tiêu năng Trong quá trình xâydựng và khai thác sân sau đã bị xói nghiêm trọng và lan vào đến chân bể tiêunăng, nguyên nhân là do sân bể tiêu năng không đủ dài để tạo nước nhảytrong mỗi trường hợp Với đập tràn Nam Thạch Hãn là loại đường tràn dọcngưỡng đỉnh rộng, trong quá trình vừa xây dựng vừa xả nước thì làm cho hạlưu bị xói lở nghiêm trọng do xác định sai mực nước và điều kiện nối tiếp đãtính trong thiết kế khác hẳn với thực tế

Với những công trình tràn đã nêu ở trên, nhìn chung, khi tiến hành xâydựng một đập tràn thì ta phải chú ý đến hình thức, kích thước, kết cấu bể tiêunăng sao cho hợp lý để có thể giảm thiểu mức độ xói lở ở hạ lưu gây nguy hạiđến công trình chung Do đó, nghiên cứu các đặc trưng của đập tràn và bể tiêunăng là những ví dụ điển hình về sử dụng mô hình để nghiên cứu các côngtrình thủy lợi Khả năng tháo, quy trình vận hành cửa van, xói hạ lưu…lànhững việc cần làm khi nghiên cứu mô hình đập tràn Sau đây là kết quả mộtvài thí nghiệm về thực nghiệm mô hình thủy lực đã nghiên cứu:

 Công trình tràn của nhà máy thủy điện Hương Điền: là loại tràn có 4cửa van cung điều tiết, mặt cắt dạng Ofitxerop, tiêu năng bằng mũi phun vàqua thí nghiệm cho thấy: vận tốc trên mũi phun, chiều dài dòng phun và vậntốc hố xói cũng giảm ít so với phương án thiết kế Qua thí nghiệm với cácphương án thay đổi hình dạng mũi phun để so sánh đối chứng với phương ánthiết kế cho thấy các đặc tính về mặt thủy lực khu vực hố xói, chiều dài dòngphun thay đổi không đáng kể nhưng hố xói có thể xói hơn vì thế sau mỗi trận

lũ cần kiểm tra diễn biến xói lở hạ lưu để có giải pháp bảo vệ phù hợp

 Hồ chứa nước Krông Buk Hạ có công trình tràn là hình thức tràn mặt

có cửa, nối tiếp dốc nước, tiêu năng mặt, khống chế lưu lượng bằng van cungkết cấu bằng thép Việc thí nghiệm mô hình tràn cho thấy:

- Xác định được khả năng tháo của công trình tràn

- Đo diễn biến vận tốc và áp suất trên mặt tràn, dốc nước, hố xói khi

xả vớicác cấp lưu lượng khác nhau

- Phát hiện các hiện tượng bất thường xảy ra trong kênh hạ du để cócác biện pháp khắc phục các yếu tố thủy lực bất lợi đối với công trình

 Tràn xả lũ hồ chứa Srok Phu Miêng là tràn có cửa van điều tiết, dạngtràn ngưỡng thực dụng không chân không, với 6 khoang có cửa van phẳngđiều tiết, sử dụng hình thức tiêu năng đáy và sau tràn là bể tiêu năng có kíchthước đảm bảo nối tiếp an toàn hạ lưu và đã đạt được những kết quả là:

- Tạo được nước nhảy ngập trong bể ứng với mở toàn bộ các cửa vanhoặc mở các cửa van theo các trật tự và độ mở khác nhau

- Không có nước nhảy sau tường tiêu năng thứ hai, phân bố dòng chảytrong kênh hạ lưu khá đều

- Vận tốc đáy kênh tại mặt cắt nối tiếp giữa gia cố bêtông và kênh đất

tự nhiên đảm bảo yêu cầu phòng xói

Qua đó, ta thấy, việc nghiên cứu thực nghiêm mô hình tràn là cần thiếtvới những cụm công trình đầu mối lớn, quan trọng nhằm có giải pháp tổng thểcho cả đầu mối được hợp lý Vì trong thực tế có quá nhiều vấn đề cần quantâm giải quyết bằng thực nghiệm nên mô hình tràn được sử dụng nhiều ở ViệtNam và trên thế giới trong nghiên cứu thực nghiệm

1.4 CÁC VẤN ĐỀ CẦN ĐẶT RA

1.4.1 VẤN ĐỀ XÓI SAU TRÀN XẢ LŨ

Việc xây dựng công trình thủy lợi trên sông đã phá hủy trạng thái cânbằng của lòng dẫn và có thể dẫn đến xói ở hạ lưu Xói xuất hiện ở ngay châncông trình, nơi có lưu tốc rất lớn lại phân bố không đều, nơi có mạch động lưutốc và áp lực rất lớn Đất được một phần bị cuốn lốc vào trong các xoáy nước,phần khác được mang về hạ lưu rồi lắng đọng tạo thành các bãi bồi

 Quá trình xói có thể chia thành ba giai đoạn:

(1) Giai đoạn đầu: Xói trong khoảng thời gian tương đối ngắn, hố xóiđược tạo nên rất nhanh (các kích thước hình học của hố xói tăng rất nhanhtheo thời gian)

(2) Giai đoạn hai: Tiếp theo giai đoạn đầu, xói trong giai đoạn này diễn

ra từ từ Sự phá hủy lòng dẫn diễn ra tương đối chậm Thời gian của giai đoạnnày là rất lớn

(3) Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạlưu dẫn đến giảm cao trình đáy của long dẫn Giai đoạn này kéo dài bao lâutùy vào độ dốc của lòng dẫn

 Những nguyên nhân dẫn đến xói cục bộ ngay sau chân công trình:(1) Do không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước ở hạ lưu (2) Việc co hẹp lòng đẫn (do xây dựng công trình) đã dẫn đến việc tănglên một cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy sau công trìnhtrong sự so sánh với lưu lượng, lưu tốc trong những điều kiện tự nhiên Ở hạlưu công trình xuất hiện dòng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áplực Chính mạch động này làm tăng khả năng xói của dòng chảy lên nhiềulần

(3) Do hình thức, khích thước, và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phậnkết cấu công trìnhtạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói

(4) Sử dụng công trình không theo quy trình cá biệt lại không có quytrình Không kịp thời bảo dưỡng, tu sửa nhỏ công trình.

(5) Dòng chảy qua công trình vượt qua sức chịu theo thiết kế của nó

 Các yếu tố gây xói cục bộ sau công trình thủy lợi:

(1) Các yếu tố của công trình:

- Chiều cao ngưỡng tràn

- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van

- Chiều dài toàn bộ đoạn gia cố

- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng

- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu

- Hình dạng và kích thước mố trụ

- Hình dạng mặt tràn

- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp

- Độ dốc lòng dẫn

(2) Các yếu tố thủy lực, thủy văn:

- Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động học

- Lưu tốc trung bình mặt cắt

- Sự phân bố của lưu tốc biểu thị qua hệ số Corilis: 

- Mức độ chảy rối của dòng chảy

- Mực nước hạ lưu

- Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

- Lưu lượng đơn vị

- Hàm lượng bùn cảttong dòng nước

- Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền.

Các yếu tố trên đồng thời ảnh hưởng đến xói sau công trình Nên có thểnói xói là tác động tương hổ của công trình, dòng chảy và đất nền

 Phân loại xói cục bộ sau công trình:

- Xói ổn định và xói không ổn định

- Xói trên nền đất và nền đá

- Xói có bãi bồi và xói không có bãi bồi

- Xói không bồi hoàn và xói có bồi hoàn trở lại

- Xói có dự báo trước và xói không có dự báo trước

Việc nghiên cứu về xói để có biện pháp không cho xói xuất hiện hoặckhắc phục hố xói không có dự báo trước; Lựa chọn các kích thước, hình thứcthích hợp khi chủ động cho xói xuất hiện

1.4.2 VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC TIÊU NĂNG PHÒNG XÓISAU TRÀN XẢ LŨ

Dòng chảy qua tràn chịu ảnh hưởng của điều kiện biên thay đổi Nên sựtương tác của dòng chảy đối với tràn cũng như với các công trình khác sẽ tạo

ra các hiện tượng thủy lực phức tạp Vì vậy tính toán thủy lực trong thiết kếtràn là vấn đề quan trọng, bao gồm các tính toán sau:

- Tính khả năng tháo để quyết định hình dạng và kích thước cửa tháo

- Tính toán tiêu năng để quyết định các kết cấu tiêu năng và kết cấubảo vệ lòng dẫn

- Phân tích các yếu tố thủy động lực của dòng chảy để xác định các tảitrọng của dòng chảy tác động lên kết cấu cũng như làm căn cứ để sửa đổi kếtcấu tác động lại dòng chảy nhằm hạn chế những bất lợi do dòng chảy gây ra

- Phân tích những tác động đặc biệt của dòng chảy lên công trình nhưcác hiện tượng khí thực, hiện tượng xói lòng dẫn…

Về bản chất thủy lực nối tiếp thượng và hạ lưu đập tràn có tính chấtkhông gian, nhưng khi thiết kế thì tính theo bài toán phẳng cho nên sẽ cónhiều sai số về tính toán thủy lực dẫn đến việc lựa chọn kích thước, kết cấutiêu năng đôi khi không phù hợp.

Việc tính toán thủy lực lựa chọn hình thức kết cấu hợp lý cho việc tiêunăng sau tràn, phòng xói khi xét đến chế độ vận hành tràn xả lũ làm việc vớinhiều cấp lưu lượng, mực nước, các chế độ vận hành với độ mở cửa van khácnhau theo các trật tự khác nhau là rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiềuhiện tượng thủy lực bất lợi Do vậy, phương pháp tính toán thủy lực để tìmkích thước thiết bị tiêu năng phòng xói thông thường khó có thể giải quyếtđược Điều này đòi hỏi phải có cách tính toán phù hợp hơn và việc nghiên cứuthực nghiệm trên mô hình thủy lực là rất cần thiết

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH

THỦY LỰC CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY

2.1 LÝ LUẬN VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN

2.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN

Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nướcc phía trướccông trình sẽ tăng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên Khi dòngchảy đổ từ thượng lưu về hự lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, mộtphần động năng phục hồi thành thế năng, phần còn lại gọi là năng lượng thừa

và nếu không có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói cục bộ, bào mòn,xâm thực…ảnh hưởng đến an toàn công trình Vì ở hạ lưu công trình do dòngchảy ở hạ lưu có: lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang; mựcnước hạ lưu thường xuyên thay đổi; mạch động áp lực và mạch động áp suấtxảy ra với mức độ cao; có khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòngxiên, nước nhảy sóng…Do vậy, việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu làmột trong những công việc quan trọng nhất trong tính toán thiết kế các côngtrình thủy lợi

2.1.2 NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG SAU TRÀN

Phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnhlại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạngthái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạlưu

2.1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU TRÀN

Chọn hình thức tiêu năng phòng xói hạ lưu, xác định các thông số củagiải pháp tiêu năng cụ thể chưa có lời giải chính xác hoàn toàn Vì vậy, hiệnnay áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như:

- Phương pháp lý luận: Phương pháp này thường dẫn tới áp dụng cáccông thức lý luận kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh.

- Phương pháp thực nghiệm mô hình: Mô hình thí nghiệm mô phỏngđược công trình thực kể cả trong điều kiện phức tạp, tuy nhiên hiện tượngsóng vỗ thì chưa thể hiện được chính xác

Từ thực nghiệm mô hình thủy lực xây dựng các công thức thực nghiệm.Các công thức này có phạm vi ứng dụng nhất định và có kết quả rất gần vớithực tế Ngoài ra, phương pháp này còn dùng để kiểm chứng các kết quả cóđược từ phương pháp lý luận

- Nghiên cứu trên nguyên hình: Chính là mô hình có tỷ lệ 1:1 và mọiđiều kiện tương tự được đảm bảo Nhưng dòng chảy trong thực tế lại diễn ratheo một quá trình ngoài ý chủ quan của con người

Khi nghiên cứu về tiêu năng có thể áp dụng độc lập các phương pháphoặc sử dụng cả ba phương pháp kết hợp với nhau

2.1.4 NỐI TIẾP DÒNG CHẢY HẠ LƯU CÔNG TRÌNH TRÀN

2.1.4.1 Khái niệm về nước nhảy:

Hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình dòng chảy chuyển từ trạngthái chảy xiết sang chảy êm gọi là nước nhảy Tại đó, đường mặt nước mấtliên tục, độ sâu dòng chảy tăng từ độ sâu nhỏ hơn độ sâu phân giới sang độsâu lớn hơn độ sâu phân giới

Nước nhảy gồm có khu luồng chính và khu nước xoáy

Hình 2.1: Nước nhảy cơ bản

Độ sâu trước nước nhảy h’<hk và độ sâu sau nước nhảy h”>hk gọi là hai

độ sâu liên hiệp của nước nhảy Chiều dài đoạn dòng chảy có độ sâu biến đổigấp từ mặt cắt trước nước nhảy (1-1) đến mặt cắt sau nước nhảy (2-2) gọi làchiều dài nước nhảy Ln Khoảng cách h” - h’ = a: là chiều cao của nước nhảy

2.1.4.2 Phân loại nước nhảy

- Theo điều kiện nảy sinh và cấu trúc của nước nhảy có:

'

"



h h

- Theo vị trí nước nhảy:

Nước nhảy phóng xa khi : hc” > hh

Nước nhảy tại chỗ khi : hc” = hh

Nước nhảy ngập khi : hc” < hh

- Theo trị số Froude trước nước nhảy:

Nước nhảy sóng khi : Fr = 13;

Nước nhảy yếu khi : Fr = 36;

Nước nhảy dao động khi : Fr = 620;

Nước nhảy ổn định khi : Fr = 2080;

Nước nhảy mạnh khi : Fr  80

2.1.4.3 Nối tiếp dòng chảy hạ lưu công trình

Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng tràn (có hoặc không có cửa van)nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu công trình bằng 2 hình thức chủ yếu:

a) Hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy đáy:

Trạng thái chảy đáy là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảyxuất hiện ở gần đáy kênh dẫn (hình 2-2)

Hình 2-2: Nối tiếp chảy đáy

Nối tiếp chảy đáy có thể gặp ở hai trường hợp sau:

Trường hợp 1: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm

Dòng chảy qua ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất hiện mặt cắt co hẹpc-c T ại mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớnnhất Ta có hc<hk, do vậy nối tiếp chảy đáy bắt buộc phải qua nước nhảy

Gọi h’ là độ sâu liên hiệp với hh v à h” là độ sâu liên hiệp với hc, nếu:

hc”>hh(hay hh’>hc): nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa (hình 2-3) Nănglượng thừa được tiêu hao bằng tổn thất dọc đường ở đoạn nước dâng và mộtphần được tiêu hao bằng nước nhảy

hc”=hh(hh’=hc): nối tiếp bằng nước nhảy tại chỗ (hình 2-4) Năng lượngthừa sẽ được tiêu hao gần hết bằng nước nhảy

hc”<hh:(hh’<hc): nối tiếp bằng nước nhảy ngập (hình 2-5) Mức độ ngậpđược đặc trưng bởi hệ số ngập  = hh/hc ”.

Đường nước dâng c1

N N

Trường hợp 2: Dịng chảy ở hạ lưu là dịng chảy xiết Trong trường hợp

này, sự nối tiếp hạ lưu khơng qua nước nhảy

hc>hh: dịng nối tiếp giảm dần từ hchh cĩ đường nước hạ b2 (hình 2-6)

hc=hh: hình thành dịng đều ngay sau mặt cắt co hẹp (hình 2-7)

hc < hh: cĩ đường nước dâng c2 nối tiếp với dịng đều trong kênh dẫn(hình 2-8)

b) Hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy mặt:

Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dịng chảykhơng xuất hiện ở gần mặt thống (hình 2-9)

Hình 2-9: Nối tiếp chảy mặt

Nối tiếp chảy mặt thường gặp trong điều kiện cơng trình cĩ bậc thẳngđứng ở hạ lưu Tùy theo mực nước ở hạ lưu cĩ thể xuất hiện nhiều dạng nốitiếp khác nhau

- Khi độ sâu hạ lưu không lớn, dòng chảy ra khỏI bậc vẫn ở trạng tháichảy đáy.

- Khi độ sâu hạ lưu tăng đến một mức nào đod thì dòng chảy không đixuống đáy mữa mà phóng ra xa hướng lên mặt thoáng hình thành dòng chảymặt không ngập Dạng này tồn tạI trong phạm vi hh thay đổI khá lớn

Nếu kênh hạ lưu có mặt cắt chữ nhật hay đáy kênh rất rộng thì tính theobài toán phẳng, ta có:

) (

E

h '' '''



Khi đó (2-1) sẽ là:

c c

g E

) (

E

q F

(2-6)

Và đã lập sẵn quan hệ F (c) với c và c” ứng với =0.851.00

Do vậy, khi biết q, Eo,  thì chỉ việc tính F(C) theo (2-6) sau đó trabảng sẽ có C và C” và từ (2-2), (2-3) tìm được hc và hc”

2.1.5 CÁC HÌNH THỨC TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn

bộ năng lượng thừa, diều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động

để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất,giảm chiều dài gia cố hạ lưu.

Dựa vào nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng dòng chảy làlàm cho dòng chảy tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấudòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán theo phương đứng vàphương ngang mà người ta đã tìm ra và áp dụng các hình thức tiêu năng như:

- Tiêu năng dòng đáy ( hình 2-10a)

- Tiêu năng dòng mặt không ngập (hình 2-10b)

Để tiêu năng dòng đáy thường dùng các biện pháp sau để tạo ra nướcnhảy ngập sau tràn:

- Bể tiêu năng

- Tường tiêu năng

- Bể và tường tiêu năng kết hợp.

- Các biện pháp tiêu năng khác

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt có khảnăng gây xói lở Để tăng hiệu quả tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy bằngcách bố trí thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tườngphân dòng để khuyếch tán đều ở hạ lưu, làm đáy dốc ngược khi mực nước hạlưu nhỏ, làm đáy dốc thuận khi mực nướcc hạ lưu lớn để cho sự xáo trộn nội

bộ dòng chảy càng mãnh liệt và tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đónhằm làm tiêu hao một phần năng lượng Biện pháp này có hiệu quả tốt vàđược ứng dụng rộng rãi

2.1.5.2 Tiêu năng dòng mặt

Dòng chảy của hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt (hình 10b) Hiệu quả tiêu năng dòng mặt không kém nhiều so với hình thức tiêunăng đáy (có thể đạt 65%) , nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn 1/2 1/5 lần,đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé, thặm chí trên nền đácứng không cần làm sân sau Ngoài ra còn có ưu điểm là có thể tháo đượcnhững vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau

2-Tùy theo mực nước hạ lưu, trạng thái dòng chảy ở hạ lưu tràn có bậcthụt và được phân biệt như sau:

- Khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức là hh < a, dòng chảy

ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa (hình 2-10d)

- Khi cột nước hạ lưu (hh) nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1): hh <

hgh1 Dòng chảy ở trạng thái chảy đáy lúc đó có thể laà nước nhảy ngập hoặcnhảy xa tùy theo hc” và hh

Khi cột nước hạ lưu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1) và

độ sâu giới hạn thứ hai(hgh2): hgh1 < hh < hgh2 sẽ có dòng chảy mặt không ngập

và dòng chảy này yêu cầu hh > hc” của nước nhảy đáy, đồng thời hh > a,

thường dùng chiều cao bậc thụt a= 0,250,35 chiều cao đập Góc nghiêng  ởchân đập có ảnh hưởng đến trạng thái chảy: nếu  lớn quá có thể sinh ra chảyphóng xa,  nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng  = 10 15 là thích hợp.

- Khi cột nước hạ lưu lớn hơn độ sâu giới hạn thứ hai:hh > hghII sẽ xuấthiện dòng chảy mặt ngập

Hình thức tiêu năng mặt có một số nhược điểm là làm việc không ổnđịnh khi mực nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng tớichế độ làm việc của các công trình khác như nhà máy thủy điện, âu tàu, đedọa sự ổn định của bờ gây xói lở lòng sông

Nhìn chung, với chế độ nhảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làmxói lở ở vùng này Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớnhơn so với chế độ chảy đáy Chế độ chảy mặt thích hợp trong trường hợp nền

đá, khi không cần gia cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu ít

thay đổi.

2.1.5.3 Tiêu năng phóng xa

Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưuhoặc cuối dốc nước để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập,dòng chảy được khuyếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng dẫn hạlưu Tại mũi phóng dòng chảy bị uốn cong đáng kể, thường phổ biến là mũiphóng dạng hình trụ vì đơn giản cho thi công

Điều kiện để thực hiện hình thức tiêu năng phóng xa là: cao trình đỉnhmũi phun phải lớn hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu, chiều cao cột nước trướcđập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa không gây ảnh hưởng bất lợi đếncông trình, cột nước hạ lưu cũng phải đủ lớn để chiều sâu hố xói không quálớn Khi dùng hình thức tiêu năng này thì dưới tác động của dòng phun rơi tự

do trong không khí sẽ tạo nên dòng chảy rối trong hố xói với vận tốc, áp lực,

mạch động vận tốc và mạch động áp lực lớn Do đó, việc xác định hố xói saumũi phun rất quan trọng giúp xác định được mức xói lở phía hạ lưu sau côngtrình đảm bảo công trình làm việc an toàn.

Đây là hình thức tiêu năng lợi dụng ma sát với không khí để tiêu haomột phần năng lượng, phần còn lại sẽ được tiêu tán bởi lớp đệm nước hạ lưu.Khi dòng nước chảy ở mũi phun, dòng chảy men theo đường biên của mũiphun, do lưu tốc cao, ma sát đường biên lớn làm mức độ rối loạn của dòngchảy tăng lên, không khí trộn vào dòng nước càng nhiều Dòng chảy càngkhuyếch tán lớn và trộn lẫn nhiều không khí thì năng lượng được tiêu haocàng lón Dòng chảy sau khi phóng ra ngoài không khí sẽ bị nhấn chìm vàotrong mặt nước hạ lưu, đến đây, một phần năng lượng sẽ làm xói lở hạ lưu,một phần khác bị tiêu hao do ma sát nội bộ nhờ sự hình thành các dòng rốimãnh liệt ở mặt phía trước và phía sau, và các dòng này va động xáo trộn lẫnnhau tạo thành hai cuộn nước lón Nếu mực nước hạ lưu càng lớn và khả năng

mở rộng của dòng phóng xa càng nhiều thì mức độ xói lở lòng sông cànggiảm Đồng thời do dòng chảy được phóng khỏi chân đập tương đối xa nên dù

có xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít ảnh hưởng đến sự nguy hại của côngtrình

Hình thức tiêu năng này thường dùng với cột nước cao và trung bìnhnhưng vẫn còn một số tồn tại sau:

- Hố xói do dòng phun tạo ra làm biến dạng lòng sông, mực nước hạlưu thay đổi có thể làm ảnh hưởng đến các yêu cầu dùng nước phía hạ lưucông trình

- Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn ngược hoặc sóng vỗmái đập

- Có thể xảy ra khí thực ở mũi phun

- Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và môitrường sống.

Tóm lại, trong các hình thức nối tiếp tiêu năng được nêu ở trên, thì hìnhthức nối tiếp tiêu năng dòng đáy và nối tiếp tiêu năng phóng xa có điều kiệnlàm việc ổn định và được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi

Thực tế, căn cứ vào tài liệu thống kê sở bộ, hình thức tiêu năng của tràn

xả lũ với những công trình lớn và vừa đa số đều dùng kiểu mũi phun Ở TrungQuốc 85% dùng kiểu dòng phun, 15% dùng tiêu năng đáy; Ở các nước khác75% dùng kiểu dòng phun còn lại dùng kiểu tiêu năng đáy hoặc mặt Còn ởViệt Nam, hầu hết các công trình được ứng dụng tiêu năng dạng mũi phunchiếm khoảng 60-70% Điển hình như các công trình: Sê San 3, sông Ba Hạ,sông Hinh, Quảng Trị, Đa Nhim, IaLy…dạng nối tiếp hạ lưu được dùng làtiêu năng dạng mũi phun

2.1.6 TÍNH TIÊU NĂNG ĐÁY HẠ LƯU TRÀN XẢ LŨ

2.1.6.1 Lưu lượng tính toán tiêu năng

Công trình tràn thường làm việc với nhiều cấp lưu lượng và mực nướckhác nhau, ứng với mỗi trường hợp có một năng lượng khác nhau Do đó, yêucầu đặt ra là cần phải đảm bảo tiêu năng cho mọi trường hợp nghĩa là kíchthước bể tiêu năng phải tạo ra nước nhảy ngập với hệ số ngập  =1.051.10với bất kỳ trường hợp nào

Lưu lượng tính toán tiêu năng là lưu lượng sẽ cho ta kích thước bể tiêunăng lớn nhất Đó là trường hợp nước nhảy phóng xa với hiệu số (hc”-hh)max

Trong thực tế, việc xác định lưu lượng tiêu năng phòng xói phải xét chomột số trường hợp cụ thể tùy thuộc vào mực nước thượng hạ lưu và cách thứcvận hành công trình

2.1.6.2 Các biện pháp tiêu năng trong chế độ chảy đáy

Có nhiều hình thức và biện pháp để tiêu năng, trong đó biện pháp cơbản nhất là biến đổi chế độ nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa thành nối tiếpnước nhảy ngập Để đạt được điều đó cần tăng chiều sâu ở hạ lưu bằng cácphương pháp sau:

- Đào sân sau: làm bể tiêu năng sau công trình.

- Làm tường chắn nâng cao mực nước: làm tường tiêu năng

- Vừa đào sâu , vừa làm tường: Bể và tường tiêu năng kết hợp

Ngoài ra còn áp dụng cách giảm độ sâu nước nhảy bằng bố trí thiết bịtiêu năng phụ (mố nhám, dầm tiêu năng …), tạo tường hướng dòng đểkhuyếch tán đều ở hạ lưu, làm dốc ngược khi mực nước hạ lưu nhỏ, làm dốcthuận khi mực nước hạ lưu lớn

Nhiệm vụ của tính toán là xác định chiều sâu bể tiêu năng (d), chiềusâu tường tiêu năng (c) và chiều dài bể tiêu năng (Lb)

2.1.6.3 Tính toán chiều sâu bể tiêu năng

Giả thiết đã biết chiều cao công trình, mực nước thượng lưu, lưu lượngđơn vị qua công trình và quan hệ Q  hh

Hình 2-11: Sơ đồ xác định chiều sâu bể

Khi chưa đào bể, thì lòng dẫnhạ lưu ở 1, cột nước thượng lưu so vớiđáy công trình là:

g

v E E

2

2 0 01 0





Từ phương trình nối tiếp mực nước thượng hạ lưu ứng vớI Eo Tính độsâu co hẹp hc và độ sâu liên hiệp với nó là hc”.

Nếu hc”>hh ta cần dào sâu đáy hạ lưu xuống một độ sâu d ở cao trình

2 trên một chiều dài lb tạo thành bể tiêu năng Khi dào sâu xuống một đoạnd=1 - 2 thì cột nước thượng lưu so với đáy bể sẽ tăng lên

g

v d E E

2

2 0 0

Với z là độ chênh lệch mực nước ở ngưỡng bể tiêu năng Tuy nhiên,

do hb tăng lên nhiều hơn hc” nên với độ sâu d đủ lớn, ta có thể có:

2

2 0

q

Từ (2-12) và (2-13) ta có:

 2

2 2

2 ' 2

Công thức (2-14) và (2-16) là hai công thức chủ yếu để tính chiều sâu

bể tiêu năng, phải tính thử dần z và hc” vì chúng đều phụ thuộc vào d

2.1.6.4 Tính toán chiều cao tường tiêu năng

Trong trường hợp này, đáy kênh hạ lưu giữ nguyên và xây một tường

có chiều cao là c chắn ngang dòng chảy (hình 2- 14)

Hình 2-12: Sơ đồ xác định chiều cao tường tiêu năng

Chiều sâu mực nước trong bể là hb Yêu cầu hb = hc”

Mặt khác: hb = H1 + c nên

Với H1 là chiều cao cột nước tràn trên đỉnh tường và được tính theo sơ

đồ đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang chảy ngập:

2 2

"

2 3

/ 2 1

) (

2

Q g

mb

Q H

Trong đó: m: hệ số lưu lượng, sơ bộ lấy m = 0,400,42

n : hệ số ngập của tường được xác định theo hh/H1

Thay (2-21) vào (2-20), ta có chiều cao tường:

2 2

"

2 3

/ 2

"

) (

2

Q g

mb Q h

C

c n



(2-19)

Sau khi tính được c cần kiểm tra lại dạng nước nhảy sau tường Nếu

sau tường còn nước nhảy không ngập thì cần phải làm tường thứ hai, thứ ba…

đến khi sau tường có nước nhảy ngập hoặc phải tìm giải pháp tiêu năng khác

2.1.6.5 Tính toán bể tường tiêu năng kết hợp

Để tránh phải làm nhiều tường hay làm tường quá cao hoặc chiều sâu

bể quá lớn người ta thường làm bể tường tiêu năng kết hợp Hình 2-13

Hình 2-13: Sơ đồ tính toán bể tường tiêu năng kết hợp

- Xác định chiều cao tường co sao cho sau tường có nước nhảy tại chỗ

3 / 2 2

1 2 2 1

0

2 2

q gh

q h

c

c c

Trong đó:

hc1 là độ sâu của mặt cắt co hẹp ở sau tường trong trường hợp nối tiếp

sau tường là nối tiếp bằng nước nhảy phân giới, nghĩa là hc1 là độ sâu liên hiệp

thứ nhất với độ sâu hạ lưu:

h

h c

gh

q h



1 2 '

2 1

h g

q E

h

(2-23)Trong (2-23) muốn tính d phải có (hc”)o mà (hc”)o lạI phụ thuộc vào do

vì vậy phải tính đúng dần

Sau khi có co, lấy c = 0.95co để tính d:

Với H1 được tínhtheo công thức (2-18)

2.1.6.6 Tính chiều dài bể tiêu năng

Chiều dài bể tiêu năng tính từ chân công trình và phải đủ dài để nước

nhảy nằm gọn trong bể, khi đố hiệu quả tiêu năng của bể mới đảm bảo

Hình 2-14: Sơ đồ xác định chiều dài bể tiêu năng

Lb=L1+Ln+L’

Với: Ln: chiều dài của nước nhảy hoàn chỉnh, không ngập

L’: chiều dài khu nước vật dướiThực tế, trong bể có nước nhảy ngập, với Ln>Lnn nên nhiều tác giả đãđưa ra công thức tính chiều dài bể như sau:

- M.D Tréctôuxốp đề ra: Lb =L1+Ln

Với  là hệ số kinh nghiệm, lấy bằng (0,700,80)

Qua chỉnh lý tài liệu thí nghiệm, V Đ Đu-rin đưa ra công thức thựcnghiệm tính chiều dài bể tiêu năng kết hợp:

1 0

0 ( 0 , 83 ) 2

tính theo các công thức thực nghiệm sau:

 Chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang:

) 3 , 0 ( 33 ,

1 H0 P H0

 Chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van trên đỉnh đập:

) 32 , 0 (

2.1.6.7 Sân sau thứ hai

Có tác dụng tiêu hao phần năng lượng thừa còn lại và bảo vệ lòng kênh.Kết cấu của sân có tính dễ biến dạng, dễ thấm nước thích nghi với địa chấtnền hạ lưu Lưu tốc dòng chảy trên sân sau thứ hai không được vượt quá lưutốc cho phép

Chiều dài của sân sau thứ hai có thể tham khảo công thức:

H q K

Trong đó:

H(m): chênh lệch mực nước thượng hạ lưu;

q(m3/s/m): lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu năng;

K: là hệ số phụ thuộc vào địa chất nền lòng dẫn;

- K=10 12 với cát mịn, cát pha;

- K=89 với cát to, đất có tính dính;

- K=67 với đất sét cứng

Phạm vi sử dụng công thức (2-31) là: q H  1  9

Ngoài ra theo kinh nghiệm có thể lấy chiều dài toàn bộ của sân thứ haibằng khoảng (410)H

2.1.6.8 Các thiết bị tiêu năng phụ

Ngoài những biện ơháp tiêu năng chính đã nêu ở trên, trong nối tiếp vàtiêu năng ở hạ lưu công trình, nhất là dòng chảy có lưu tốc cao, người tathường dùng các thiết bị tiêu năng phụ để tăng cường hiệu quả tiêu hao nănglượng thừa Các thiết bị tiêu năng phụ có thể chia ra làm các loại như sau:

- Loại mố nhám dùng trong lòng máng dẫn

- Loại mố tiêu năng dùng ở bể hoặc ngưỡng tiêu năng

- Loại tường phân dòng

Thuộc về loại này thường là ngưỡng răng được bố trí liên tục hoặc lệchnhau Mục đích của việc bố trí này là có thể giữ được ổn định nước nhảytrong bể đồng thời hướng dòng chảy lên bể tránh xói lở lòng dẫn sau ngưỡng

Kích thước của tường răng có thể xác định theo công thức kinh nghiệmcủa Rehbock:

3 1 3 2

08

Mố tiêu năng thường đặt ở đáy bể có nhiệm vụ nâng cao hiệu quả tiêuhao năng lượïng thừa của bể, giảm chiều sâu và chiều dài bể, phát huy hiệuquả của bể ngay cả khi tràn nước không đối xứng.

Theo kinh nghiệm kích thước mố có thể lấy như sau:

2.1.7 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỦA HỐ XÓI ỔN ĐỊNH

Hố xói ổn định là xói mà các đặc trưng của nó không thay đổi theo thờigian Kích thước hình học của hố xói bao gồm:

- Chiều sâu lớn nhất của hố xói: dmax

- Vị trí sâu nhất của hố xói: Lmax

- Chiều sâu hố xói cuối sân gia cố cứng: do

2.1.7.1 Chiều sâu lớn nhất của hố xói ổn định (d max )

dmax là khoảng cách theo phương đứng từ mặt nền đến đáy sâu nhất của

hố xói ổn định Có nhiều công thức tính dmax

1 Tính d max coi gần đúng bằng chiều sâu bể tiêu năng:

Với:  = 22.7 là hệ số kể đến ảnh hưởng của đất nền;

 = 1.051.10