nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ hồ ngàn trươi hà tĩnh trên mô hình vật lý

Tràn được xây dựng trên địa tầng đá phong hóa mạnh do đó đơn vị tư vấn thiết kế đã lựa chọn biện pháp tiêu năng cho tràn là bể tiêu năng với kích thước tính toán là chiều dài bể tiêu năn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 Ý nghĩa thực tiễn, khoa học của luận văn 6

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 9

5 Kết quả dự kiến đạt được 9

6 Bố cục của luận văn 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập tràn và tiêu năng sau tràn trong các công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam và trên Thế giới 11

1.2 Tổng quan về bể tiêu năng và tiêu năng đáy sau tràn thực dụng 14

1.2.1 Tình hình xây dựng công trình tràn tiêu năng đáy 14

1.2.2 Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và công trình xả lũ 15

1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng 15

1.4 Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy 16

1.4.1 Bể tiêu năng 16

1.4.2 Tường tiêu năng 17

1.4.3 Bể tường kết hợp 17

1.5 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ KÍCH THƯỚC BỂ TIÊU NĂNG CỦA TRÀN VẬN HÀNH 18

2.1 Lý thuyết mô hình hóa các hiện tượng thủy lực 18

2.1.1 Khái niệm về mô hình 18

2.1.2 Lý thuyết tương tự 19

2.2 Tính toán nối tiếp và tiêu năng sau tràn 22

2.2.1 Nước nhảy 22

2.2.2 Nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu công trình 24

2.3.Tính toán bể tiêu năng sau tràn 28

2.3.1 Lưu lượng tính toán tiêu năng 28

2.3.2 Tính toán chiều sâu bể tiêu năng 30

2.3.3 Tính toán chiều dài bể tiêu năng 31

2.3.4 Đoạn gia cố hạ lưu 33

2.3.5.Các biện pháp tiêu năng phụ trợ 34

2.4 Kết luận chương 2 37

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC TRÀN VẬN HÀNH NGÀN TRƯƠI 38

3.1 Giơí thiệu nghiên cứu thí nghiệm mô hình tổng thể tràn xả lũ vận hành Ngàn Trươi 38

3.1.1 Mục đích yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực 38

3.1.2.Nội dung yêu cầu thí nghiệm trên mô hình tổng thể tràn xả lũ 38

3.1.3 Thiết kế và xây dựng mô hình 39

3.2 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình xác định kích thước bể tiêu năng và các yếu tố tương ứng của dòng chảy qua trản Ngàn Trươi 50

3.2.1 Kết quả thí nghiệm phương án 1 50

3.2.2 Kết luận và kiến nghị phương án 1 61

3.2.3 Kết quả thí nghiệm phương án 2 63

3.2.4 Kết luận và kiến nghị phương án 2 75

3.3 Phân tích nhận xét kết quả thí nghiệm mô hình 77

3.3.1 Nhận xét 77

3.3.2 Đề nghị 80

3.4 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG IV: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH 82

4.1 Giới thiệu chung về công trình Ngàn Trươi 82

4.1.1 Vị trí 82

4.1.2 Nhiệm vụ công trình 82

4.1.3 Quy mô và hình thức công trình 82

4.1.4 Các thông số chính về công trình 83

4.2 Các số liệu đầu vào 85

4.3 Kết quả tính toán 86

4.3.1 Phương án 1 86

4.3.2 Phương án 2 87

4.4 Phân tích, so sánh kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm mô hình 91

KẾT LUẬN TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 93

1 Kết luận 93

2 Những vấn đề còn tồn tại 94

3 Kiến nghị 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1-1 Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử dụng

biện pháp tiêu năng đáy 12

Bảng 3-1 : Xác định khả năng xả của tràn PA 1 50

Bảng 3-2 : Giá trị BHDkhi xả lũ PA1 52

Bảng 3-3 : Sự co hẹp dòng chảy ở đầu trụ pin các khoang tràn PA1 53

Bảng 3-4: Lõm sâu tại hai trụ pin bên PA1 55

Bảng 3-5: Xác định các thông số tiêu năng PA 1 58

Bảng 3-6: Năng lượng tiêu hao qua công trình nối tiếp PA 1 60

Bảng 3-7: Khả năng xả qua tràn – PA 2 65

Bảng 3-8 : Xác định các thông số tiêu năng PA2 72

Bảng 3-9: Năng lượng tiêu hao qua công trình nối tiếp PA2 74

Bảng 4-1 : Các số liệu đầu vào tính toán 85

Bảng 4-2 : Tính độ sâu liên hiệp của nước nhảy theo lý thuyết – PA1 87

Bảng 4-3: Kết quả tính toán chiều dài nước nhảy – PA1 88

Bảng 4-4: Kết quả tính toán chiều dài nước nhảy – PA1 89

Bảng 4-5 : Kết quả tính toán chiều dài nước nhảy – PA2 90

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2-1: Nước nhảy 23

Hình 2-2: Biểu đồ xác định Q tính toán tiêu năng 29

Hình 2-3: Sơ đồ tính toán bể tiêu năng 30

Hình 2-4: Biểu đồ lưu tốc sau công trình tháo 34

Hình 2-5 : Hình thức các thiết bị tiêu năng phụ 35

Hình 2-6 : Các hình thức mố tiêu năng 35

Hình2-7 : Sơ đồ tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau 35

Hình 3-1: Mặt bằng mô hình tổng thể tràn Ngàn Trươi 46

Hình 3-2: Bố trí các mặt cắt đo lưu tốc và mực nước - PA1 47

Hình 3-3: Bố trí các mặt cắt đo lưu tốc và mực nước - PA1 48

Hình 3-4: Sơ đồ điểm đo áp suất trên mặt tràn – PA1 49

Hình 3-5: Đường quan hệ Qxả =f1(Zhồ) và m=f2 (Qxả) chảy tự do qua tràn – Khống chế MNHL- PA1 51

Hình 3-6 : Vị trí mố tiêu năng trong bể - PA 2 63

Hình 3-7: Kích thước mố tiêu năng PA2 64

Hình 3-8: Đường quan hệ Qxả =f1(Zhồ) và m=f2 (Qxả), chảy tự do qua tràn – Khống chế MNHL- PA2 65

Hình 3-9: Bố trí mặt cắt đo lưu tốc và mực nước – PA2 67

Hình 3-10: Bố trí mặt cắt đo lưu tốc và mực nước – PA2 68

MỞ ĐẦU

1 Ý nghĩa thực tiễn, khoa học của luận văn

Đất nước ta có điều kiện địa hình rất đặc thù, phía Tây là đồi núi cao địa hình

có độ dốc lớn, phía Đông là các vùng đồng bằng lớn ven biển, đồng thời Việt Nam cũng là nước có hệ thống sông suối dầy đặc trung bình cứ khảng 20 km có một cửa sông đổ ra biển Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng và phát triển các công trình thủy lợi, thủy điện phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước góp phần vào phát triển kinh tế xã hội

Việc xây dựng các đập ngăn, đập dâng trên các sông, suối sẽ làm hình thành nên các hồ chứa Bên cạnh tác dụng điều hòa dòng chảy trong mùa lũ, giảm đỉnh lũ

và phục vụ mục đích thủy lợi, thủy điện…v.v thì hồ chứa lại làm tăng cột nước, đây

là một trong những mối nguy hại lớn cho cả vùng hạ du khi có sự cố công trình xảy

ra Các công trình đập ngăn, đập dâng chỉ có thể tích nước đến một cao trình nhất định nào đó theo thiết kế, trong khi đó lượng nước lũ về hồ rất lớn trong mùa mưa vượt quá khả năng tích nước của hồ cần phải tháo lượng nước thừa về hạ lưu đảm bảo an toàn cho công tình Do đó ở các hồ chứa cần làm các công trình tháo lũ trong

đó đập tràn là một loại công trình được sử dụng rộng rãi hiện nay Ngoài đập tràn chính tháo lũ thường xuyên nhiều công trình còn bố trí tràn phụ và tràn sự cố xả lũ

để đảm bảo an toàn cho công trình

Như vậy tràn xả lũ là một hạng mục quan trọng nó quyết định đến hiệu quả làm việc của tổng thể một dự án thủy lợi, thủy điện Việc bố trí đập tràn có quan hệ với bố trí tổng thể các hạng mục công trình khác, điều kiện thi công, điều kiện địa hình, địa chất việc chọn ra được hình thức kết cấu tràn phù hợp cũng là một vấn

đề luôn được quan tâm

Năng lượng thừa của dòng nước khi qua công trình tháo nước là rất lớn, đặc biệt ở những công trình có cột nước lớn như đập tràn, dốc nước, đường tràn dọc, đường tràn ngang của các hồ chứa.Năng lượng thừa này nếu chúng ta không có biện pháp tiêu hao bớt thì sẽ gây ra xói lở lòng dẫn hạ lưu dẫn đến gây mất ổn định và phá hỏng công trình gây ra những thiệt hại to lớn cho con người

Với những công trình có cột nước cao hiện nay có nhiều biện pháp tiêu năng khác nhau như tiêu năng phóng xa, tiêu năng dòng mặt, tiêu năng dòng đáy Mỗi hình thức tiêu năng này lại có những ưu, nhược điểm khác nhau và phù hợp với từng điều kiện địa hình, địa chất khác nhau

Chính vì vậy việc nghiên cứu một biện pháp tiêu năng thích hợp cho mỗi công trình là hết sức cần thiết Nó là điều kiện quan trọng để các công trình tháo nước làm việc an toàn và đạt hiệu quả kinh tế cao

Với những công trình có cột nước cao nhưng địa chất nền yếu như nền đất, nền đá phong hoá mạnh đồng thời lớp nước đệm ở hạ lưu mỏng hoặc những công trình có cột nước thấp thì việc chọn hình thức tiêu năng kiểu mũi phun là không hợp

lý Trong trường hợp này chúng ta có thể chọn một trong các hình thức thức tiêu năng đáy như làm bể tiêu năng, tường tiêu năng hoặc bể tường kết hợp

Đối với tràn vận hành thì lưu lượng và mực nước xả qua tràn thường xuyên thay đổi theo thời gian nên hiệu quả làm việc của tràn phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng kích thước của tràn đặc biệt là chiều sâu, chiều dài bể tiêu năng Chiều sâu bể quyết định chế độ nối tiếp ở hạ lưu tràn còn chiều dài bể quyết định lớn đến điều kiện kinh tế và kỹ thuật công trình Vì vậy tính toán lựa chọn được kích thước hợp

lý của bể tiêu năng sẽ góp phần rất lớn trong việc tiêu hao năng lượng của dòng chảy giải quyết tốt vấn đề thủy lực sau công trình tháo mang lại hiệu ích chung cho toàn công trình

Việc xác định kích thước bể tiêu năng của các công trình hiện nay đều dựa trên các phương pháp lý thuyết và công thức tính toán chung cho bài toán phẳng Trong thực tế mỗi công trình có những điều kiện về địa hình, địa chất, dòng chảy rất khác nhau, nên việc áp dụng hình thức tiêu năng của từng công trình cần xem xét đến các đặc điểm riêng của chúng

Khi tính toán bằng các phương pháp lý thuyết không thể đề cập hết được các yếu tố ảnh hưởng đến công trình tiêu năng Bởi vậy, bên cạnh kết quả tính toán lý thuyết, việc kết hợp thí nghiệm mô hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi

công trình là cách làm đang được áp dụng rộng rãi hiện nay với các công trình vừa

và lớn

Công trìnhtràn xả lũ Ngàn Trươi nằm giữa đập phụ thuộc công trình đầu mối Ngàn Trươi dự kiến xây dựng trên địa bàn xã Hương Đại huyện Vũ Quang tỉnh Hà Tĩnh Tràn kết cấu bằng BTCT, hình thức tràn kiểu thực dụng Ôphixêrốp không chân không bằng BT ngoài bọc BTCT Tràn gồm 5 khoang kích thước mỗi khoang BxH = 8m x 7m có nhiệm vụ xả lũ với lưu lượng xả lũ thiết kế P=0,5% là Qxả 0,5%=

2120m3/s và lưu lượng xả lũ kiểm tra P = 0,1% là Qxả 0,1%= 2443 m3/s Tràn được xây dựng trên địa tầng đá phong hóa mạnh do đó đơn vị tư vấn thiết kế đã lựa chọn biện pháp tiêu năng cho tràn là bể tiêu năng với kích thước tính toán là chiều dài bể tiêu năng 54,05m, chiều rộng bể tiêu năng 53.0m, chiều sâu bể tiêu năng 7.0 m Các thông số về bể tiêu năng của tràn vận hành Ngàn Trươi hiện nay đang được tiến hành thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Thủy lực – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam nhằm mục đích kiểm tra tính hợp lý của phương án thiết kế đồng thời đưa ra các phương án sửa đổi hợp lý hơn cho công trình về mặt bố trí tổng thể, kích thước và kết cấu

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý cho tràn

quả đo được từ thí nghiệm mô hình, so sánh, đối chứng với các kết quả tính toán lý thuyết là hết sức cần thiết và có ý nghĩathực tiễn đối với công trìnhNgàn Trươi nói riêng và các công trình có điều kiệntương tự nói chung

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:

- Nghiên cứu xác định kích thước hợp lý của bể tiêu năng, tính toán áp dụng

cụ thể cho tràn vận hành Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh

- Đánh giá so sánh kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô hình

để rút ra một số vấn đề cần lưu ý trong việc nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng

- Thu thập các tài liệu tham khảo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu xác định kích thước hợp lý của bể tiêu năng cho tràn vận hành Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

+ Cách tiếp cận:

- Thông qua các tài liệu: Giáo trình thủy công, giáo trình thủy lực, các giáo trình chuyên ngành về đập tràn - nối tiếp và tiêu năng, các tài liệu chuyên ngành dịch từ tiếng Nga,

+ Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Sử dụng các lý thuyết, phương pháp, công thức tính toán trong tài liệu tham khảo hiện hành

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thông qua kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình của tràn vận hành Ngàn Trươi để so sánh, đối chứng với kết quả tính toán lý thuyết

5 Kết quả dự kiến đạt được:

- Đưa ra được quy luật và mối quan hệ tương quan giữa các đại lượng cơ bản của dòng chảy và tiêu năng

- Đưa ra được kết quả kích thước hợp lý của bể tiêu năng

- Kiểm tra, đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, sử dụng cho thiết kế

cụ thể bể tiêu năng tràn vận hànhNgàn Trươi

- Là tài liệu tham khảo cho các công trình tương tự

6 Bố cục của luận văn:

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG TRÀN VẬN HÀNH

2.1 Lý thuyết mô hình hóa các hiện tượng thuỷ lực

2.2 Tính toán nối tiếp và tiêu năng sau tràn

2.3 Tính toán thiết kế bể tiêu năng sau tràn

3.2 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình xác định kích thước bể tiêu năng

và các yếu tố tương ứng của dòng chảy qua tràn vận hànhNgàn Trươi

3.3 Phân tích, nhận xét kết quả thí nghiệm mô hình

3.4 Kết luận chương 3

CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH

4.1 Giới thiệu chung về công trìnhNgàn Trươi

4.2 Các số liệu đầu vào dùng cho tính toán

4.3 Tính toán, xác định kích thước bể tiêu năng và các yếu tố của dòng chảy qua tràn Ngàn Trươi

4.4 Phân tích, so sánh kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm mô hình

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

-Những kết quả đạt được của luận văn

- Mức độ tin cậy của kết quả tính toán

- Khả năng ứng dụng của đề tài trong thực tế

-Những vấn đề còn tồn tại cần nghiên cứu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập tràn và tiêu năng sau tràn trong các công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam và trên Thế giới [13]

Trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước đã và đang được xây dựng Các công trình này được xây dựng ở các vùng trung du và miền núi đã đóng góp không nhỏ cho sự phát triển kinh tế của các vùng nói riêng và của đất nước nói chung góp phần ổn định tình hình kinh tế chính trị, quốc phòng và

an ninh

Trong các hệ thống hồ chứa thì tràn xả lũ là một phần không thể thiếu nó chiếm một tỷ trọng khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng công trình Sự làm việc hiệu quả của tràn xả lũ quyết định đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống Vì vậy việc tính toán, lựa chọn phương án tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn có ý nghĩa rất quan trọng Việc lựa chọn hình thức, bố trí tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, giải pháp bố trí tổng thể công trình, điều kiện quản lý vận hành…

Theo số liệu thống kê, đến năm 2003 cả nước đã có 1967 hồ chứa có dung tích từ 0,2 triệu m3 trở lên với tổng dung tích trữ là 24,82 tỷ m3 nước và thống kê có được cho thấy ở các hồ chứa sự cố hư hỏng của đập chính do nguyên nhân hư hỏng tràn chiếm một tỷ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn Theo số liệu điều tra năm 1992

ở nước ta, trong số các hồ chứa đã xây dựng chỉ có 39,1% đập, đập tràn làm việc bình thường , trong khi 38,7% có hư hỏng nhỏ và 22,2% có hư hỏng lớn Cũng theo

số liệu điều tra của Cục Thủy lợi, sự cố công trình mà mà nguyên nhân xuất phát từ việc hư hỏng của tràn có tỷ lệ như sau: Hồ có dung tích từ 5 ÷ 10 triệu m3 có gần 30% hư hỏng là do sự cố của tràn, hồ có dung tích từ 1 ÷ 5 triệu m3 có gần 40% và

hồ có dung tích từ 0,2 ÷ 1 triệu m3 có gần 45% hư hỏng là do sự cố của tràn

Với công trình tràn xả lũ việc tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy ở sau tràn là vô cùng quan trọng Chính vì thế việc lựa chọn hình thức và kích thước bộ phận tiêu năng có ý nghĩa quan trọng với công trình tràn xả lũ và với cả hệ thống công trình Với những công trình có địa chất nền yếu, cột nước thấp thì sử dụng

biện pháp tiêu năng đáy là thích hợp Trong thực tế ở nước ta và trên thế giới có rất nhiều công trình sử dụng biện pháp tiêu năng này

Bảng 1-1 Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử dụng

biện pháp tiêu năng đáy

TT Tên công trình

Năm xây dựng

Loại đập

Chiều cao

654

10 Hồ Nước Trong

2006-2010

Bê tông đầm lăn

Tràn có cửa van điều tiết

15 Hồ thủy lợi Phước

1.2 Tổng quan về bể tiêu năng và tiêu năng đáy sau đập tràn [6], [13] 1.2.1 Tình hình xây dựng công trình tràn tiêu năng đáy

Theo thống kê ở Việt Nam có khoảng trên 650 hồ chứa vừa và lớn, trên

35000 hồ chứa nước loại nhỏ Tính đến nay chúng ta đã xây dựng và đưa vào khai thác trên 500 hồ chứa nước có dung tích từ 1 triệu m3 trở lên, trừ một số hồ có mục đích chính là phát điện còn lại chủ yếu là trữ nước để tưới và cấp nước sinh hoạt

Trong việc bố trí tổng thể một dự án thủy lợi, thủy điện công trình tràn xả lũ thì vấn đề tiêu năng sau tràn nhằm đảm bảo nối tiếp dòng chảy hạ lưu chiếm một vị trí quan trọng Hình thức tiêu năng phòng xói được lựa chọn dựa trên điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện dòng chảy, phương thức vận hành , chiều sâu nước hạ lưu…v.v

Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy, đó

là hình thức thường dùng nhất Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy hh >

hc’’ để đảm bảo có nước nhảy ngập ổn định và tiêu năng tập trung

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng xói lở cao vì thế trong khu vực nước nhảy ( sân sau) phải bảo vệ bằng bê tông, bê tông cốt thép Khi nền đá xấu đoạn nối tiếp sau sân sau ( sân sau thứ hai) cũng cần được bảo vệ một cách thich đáng Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sau người ta làm thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, dầm tiêu năng …

để cho sự xung kích nội bộ của dòng chảy càng mãnh liệt hơn và ma sát gữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng có tác dụng tiêu hao một phần năng lượng Ngoài ra các thiết bị tiêu năng phụ còn có tác dụng dâng cao mực nước ở sân sau, đẩy dòng chảy có lưu tốc lớn ở đáy lên trên mặt giảm tác hại xói lở nâng cao hiệu quả tiêu năng Biện pháp này có hiệu quả tốt và được sử dụng rộng rãi Tiêu năng dòng đáy thường được dùng với các công trình có cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém, mực nước hạ lưu không lớn lắm Khi cột nước cao tháo lưu lượng lớn lúc này hc’’

rất lớn để đáp ứng yêu cầu có nước nhảy ngập sau công trình thì đòi hỏi chiều sâu nước hạ lưu rất lớn, như vậy phải đào sâu bể tiêu năng hoặc làm tường tiêu năng

cao hoặc phải làm nhiều cấp tường nối tiếp nhau và sân sau thứ hai cũng cần bảo vệ kiên cố hơn Khi đó thì hình thức tiêu năng đáy sẽ tốn kém hơn và không phù hợp

Trong những năm gần đây các công trình thủy điện, thủy điện kết hợp thủy lợi được phát triển nhanh, trong lúc kinh nghiệm thiết kế của nước ta vẫn còn khá hạn chế, nhiều nghiên cứu của nước ngoài chưa được cập nhật áp dụng vào thực tế của Việt Nam Mặt khác các công thức tính toán mà chúng ta áp dụng hiện nay đều

là những công thức kinh nghiệm của rất nhiều tác giả đưa ra đẫn tới những kết quả tính toán có sự sai khác nhất định Do đó việc áp dụng công thức tính toán như thế nào để đạt kết quả tính toán đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, kinh tế với các đặc thù

ở nước ta cho mỗi công trình là bài toán cần giải quyết cho từng công trình cụ thể

Để giải quyết vấn đề này, việc kết hợp phân tích, đối chứng, so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô hình là hướng đi hợp lý

và ngày càng được áp dụng rộng rãi nhất là với các công trình vừa và lớn

1.2.2 Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và công trình xả lũ

Các hồ chứa ở nước ta hiện nay thường gặp những sự cố chủ yếu sau: sạt mái thượng lưu đập 25,84% , hỏng đập tràn xả lũ 25,39%, cống bị hỏng 17,3%, đập bị thấm 15,06%, đỉnh đập thấp 9,00%, cửa van bị hỏng 3,60%

Như vậy sự cố hồ chứa do sự cố đập tràn gây ra chiếm tỷ lệ rất cao Các sự

cố đập tràn thường do các nguyên nhân như: lũ vượt qua đỉnh đập tràn, thấm dưới đáy đập và hai bên, thấm qua thân đập, đập bị trôi hoặc bị gẫy, xói sân tiêu năng, xói sân sau dẫn đến xói lở đáy đập, gãy ,kẹt cửa van, hỏng thiết bị đóng mở… Trong đó xói sân tiêu năng thường do các nguyên nhân như đánh giá sai tình hình địa chất nền, xác định sai mực nước hạ lưu, xác định sai lưu lượng tính toán tiêu năng nên tính toán cho trường hợp không phải bất lợi nhất, biện pháp tiêu năng không hợp lý, thi công không đảm bảo chất lượng, vận hành tràn không đúng quy trình

1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng

Các kích thước chiều sâu, chiều dài bể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả tiêu năng, phòng xói ở hạ lưu công trình

Chiều sâu bể tiêu năng phải đảm bảo điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng đáy là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy hh > hc’’để đảm bảo sinh nước nhảy ngập Nhưng nếu chiều sâu bể quá lớn sẽ dẫn tới hiện tượng nước nhảy quá ngập, lúc này dòng nước lại luồn ở dưới đáy và phá hủy lòng dẫn ở hạ lưu công trình, làm giảm hiệu quả tiêu năng

Chiều dài bể cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công trình nếu ta làm bể quá dài thì đảm bảo tiêu năng tập trung trong bể (gói trọn nước nhảy) nhưng sẽ không kinh tế và ngược lại nếu bể ngắn thì không không gói được nước nhảy dẫn đến hiệu quả tiêu năng của bể không cao

Việc xác định chiều sâu và chiều dài bể tiêu năng của các công trình hiện nay đều dựa trên các phương pháp lý thuyết và công thức tính toán chung cho bài toán phẳng Trong thực tế mỗi công trình có những điều kiện về địa hình, địa chất, dòng chảy rất khác nhau, nên việc áp dụng hình thức tiêu năng của từng công trình cần xem xét tính đến các đặc điểm riêng của chúng

Khi tính toán bằng các phương pháp lý thuyết không thể đề cập hết được các yếu tố ảnh hưởng đến công trình tiêu năng Bởi vậy, bên cạnh kết quả tính toán

lý thuyết, cần kết hợp thí nghiệm mô hình với những điều kiện biên cụ thể để xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý đảm bảo hiệu quả tiêu hao năng lượng cao nhất cho mỗi công trình

1.4 Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy [16], [4], [8]

Kết cấu tiêu năng dòng đáy gồm có các hình thức sau : Đào bể tiêu năng, xây tường tiêu năng và bể tường kết hợp

1.4.1 Bể tiêu năng

Đây là biện pháp được áp dụng phổ biến ở các công trình tiêu năng dòng đáy nhất là ở các công trình có địa chất nền mềm yếu, tầng đá gốc nằm sâu Hình thức này tạo ra chế độ chảy ngập khi qua ngưỡng bể nên chỉ cần tiêu năng một lần , tuy nhiên nếu chiều sâu bể quá lớn thì việc thi công sẽ gặp khó khăn khi đó phương

án đào bể tiêu năng không kinh tế

1.4.2 Tường tiêu năng

Nếu điều kiện kết cấu và thi công khi làm bể tiêu năng không thích hợp hoặc điều kiện nền địa chất tốt việc thi công bể tiêu năng gặp khó khăn thì chúng ta làm tường tiêu năng Lúc này tường tiêu năng làm việc như một đập tràn thực dụng hoặc thành mỏng vì thế khi thiết kế chúng ta phải kiểm tra trạng thái chảy sau tường Nếu sau tường có nước nhảy phóng xa hoặc tại chỗ ta phải tính toán tiêu năng cho tường tức là phải làm thêm các tường ở phía sau Trường hợp tường quá cao chúng ta phải làm thêm các tường phía sau lúc này khối lượng công trình sẽ tăng lên vì thế sẽ không kinh tế

1.4.3 B ể tường kết hợp

Trong thực tế có nhiều trường hợp nếu làm bể têu năng chỉ bằng cách hạ thấp đáy kênh hạ lưu hoặc chỉ xây tường tiêu năng thì không hợp lý Trường hợp thứ nhất nếu bể rất sâu đáy kênh hạ lưu phải hạ thấp quá nhiều, khối lượng đào quá lớn

và việc thi công khó khăn đồng thời phần chân đập sẽ phải có thêm khối bê tông lớn làm tăng khối lượng công trình Trường hợp thứ hai là tường quá cao sau tường có nước nhảy phóng xa vì vậy ta phải làm thêm tường thứ hai, thứ ba…Trong điều kiện như thế người ta thường kết hợp hai biện pháp trên tức là vừa ha thấp đáy kênh làm bể đồng thời xây tường ở bên trên Biện pháp này giúp ta không phải đào bể quá sâu đồng thời cũng không phải xây tường quá cao Thực tế đã chứng tỏ biện pháp này trong nhiều trường hợp rất có lợi về mặt kinh tế và kỹ thuật

1.5 Kết luận chương 1:

Hiện nay rất nhiều công trình tháo lũ ở các công trình thủy lợi, thủy điện sử dụng biện pháp tiêu năng đáy, đặc biệt là những công trình có cột nước vừa và thấp, những công trình có địa chất nền yếu Việc lựa chọn hình thức kết cấu, kích thước của bể tiêu năng hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả tiêu hao năng lượng, đến

sự ổn định và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công trình Nhưng những vấn đề này chưa được nghiên cứu tính toán cụ thể, cần được nghiên cứu tính toán cụ thể ở những chương sau

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ KÍCH THƯỚC BỂ TIÊU

NĂNG CỦA TRÀN VẬN HÀNH 2.1 Lý thuyết mô hình hóa các hiện tượng thủy lực [9], [12]

2.1.1 Khái niệm về mô hình

2.1.1.1 Mô hình

Mô hình là hình ảnh của tư duy hay là một sản phẩm vật chất tạo ra bằng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống đối tượng nghiên cứu và những kết quả nghiên cứu đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế

2.1.1.2 Mô hình hóa

Mô hình hóa là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện tượng của thực tế, bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để có thể nghiên cứu hiệu quả, toàn diện và tối ưu công trình hoặc hiện tượng đó

2.1.1.3 Mô hình vật lý

Mô hình vật lý là mô hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể Mô hình thủy lực là một loại mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ lệ bé hơn và đặt trong phòng thí nghiệm Vật liệu dùng trong mô hình thủy lực cũng phải đảm bảo tương tự như trong thực tế

Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự lý thuyết tương

tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nguyên các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu Các định luật hay tiêu chuẩn tương tự cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mô hình sang thực tế

2.1.1.4 Mô hình toán

Mô hình toán được thành lập dựa trên sự tương tự giữa thực tế và tư duy Sự tương tự đó cho phép nghiên cứu thực tế bằng sự giúp đỡ của hệ thống tư duy tưởng tượng vật lý phức tạp, được miêu tả bằng hệ phương trình vi phân riêng có thể giải được bằng phương pháp số, giải tích hoặc đúng dần

Mô hình toán một hiện tượng vật lý đươc tạo thành:

- Từ một mô hình thực

- Từ sự biểu thị bằng toán học các mối quan hệ vật lý giữa các đại lượng xác định hiện tượng cần nghiên cứu

-Từ các phương pháp giải được bằng toán học các mối quan hệ vật lý

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực là khảo sát những nghiên cứu những quy luật của dòng chảy, tác động của nước lên môi trường mà nó chuyển động trong đó nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu hệ thống công trình hoặc hạng mục công trình

Nhiệm vụ của thực nghiệm mô hình thủy lực là

- Bằng thực nghiệm, giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xây dựng

và khai thác sử dụng công trình thủy lợi mà những vấn đề đó không giải quyết thỏa đáng được bằng con đường lý luận

- Phát hiện những quy luật của hiện tượng thủy động lực học và định nghĩa được chúng

- Kiểm tra, bổ sung và chính xác các công thức lý thuyết của thủy lực bằng cách xác định giá trị cụ thể của các hệ số khác nhau (mà trước đó lựa chọn chỉ là gần đúng), kiểm tra các kết quả của mô hình toán

- Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa các thông số riêng biệt của hiện tượng nghiên cứu

- Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết đã có và góp phần vào sự phát triển tiếp theo của thủy lực

Khi nghiên cứu trên mô hình thủy lực có những tiện lợi sau

- Kích thước bé hơn so với thực tế

- Đo các đại lượng thủy lực được chính xác nhanh và tiện lợi

- Đo đạc mang tính hệ thống cao

- Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo đạc

- Có thể quan sát và nghiên cứu tương đối lâu một hiện tượng hoặc đồng thời các yếu tố (cả cấu trúc bên trong và tác động ở mặt ngoài)

2.1.2 Lý thuyết tương tự

2.1.2.1 Tương tự hình học

Nếu chúng ta chế tạo mô hình giảm nhỏ so với công trình thực tế thì hình dạng của công trình cũng tương ứng phù hợp Mọi góc tương ứng không đổi, mọi kích thước đều được giảm nhỏ theo cùng một tỷ lệ Ta gọi đó là tương tự hình học giữa mô hình và thực tế Tỷ lệ giữa độ dài trong thực tế (lt) và độ dài tương ứng trên

mô hình (lm) gọi là tỷ lệ hình học

m

t ll

t s

S

l m

t vV

l

l

= λ

Thì tỷ lệ lưu tốc điểm là

mx

tx ux

u

u

= λ

và tỷ lệ gia tốc là

mx

tx ax

a

a

= λ

Khi chúng ta có tỷ lệ lưu tốc và tỷ lệ gia tốc là hằng số thì chúng ta có được tương tự động học

λlx = λly = λlz ;

t

u t

lx az

ay

λ λ

λ λ

2

1

.

.

t lx m t

mx m

m tx t mx

tx Px

t l m

t l m P

P

λ λ λ

2 2

2

1

.

.

t ly m t

my m

m ty t my

ty Py

t l m

t l m P

P

λ λ λ

2 2

2

1

.

.

t lz m t

mz m

m tz t mz

tz Pz

t l m

t l m P

P

λ λ λ

λ λ

Tương tự cơ học giữa công trình thực tế và mô hình được đảm bảo khi có được tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học

2.1.2.4 Tiêu chuẩn tương tự

Dòng chảy qua công trình là dòng chảy hở, chịu tác dụng chủ yếu của trọng lực Như vậy tiêu chuẩn tương tự được chọn thiết kế mô hình là tương tự trọng lực hay tiêu chuẩn Froude (Fr)

idem F

gh m

r

Re

n m

r

L g

V L

2 2

6 / 1

=

Regh: Số Reynolds giới hạn trong khu tự động mô hình xác định như sau

m m

m gh

R

ε

.

14 Re

∆

= (2-5)

∆m: Độ nhám tương đối của mô hình

εm: Hệ số sức cản ma sát của mô hình

Rm: Bán kính thủy lực trong mô hình

Nói một cách chặt chẽ thì tiêu chuẩn Froude được áp dụng khi lực nhớt có thể bỏ qua so với trọng lực, số Reynolds bé nhất trên mô hình phải không nhỏ hơn giá trị giới hạn (Regh) nào đó Nghĩa là khi đó tiêu chuẩn Reynolds không có hiệu lực,dòng chảy ở khu tự động mô hình hay khu sức cản bình phương

2.2 Tính toán nối tiếp và tiêu năng sau tràn [8], [14]

2.2.1.1 Định nghĩa

Nước nhảy là hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình dòng chảy chuyển

từ trạng thái chảy xiết sang chảy êm Hiện tượng này được đặc trưng bởi khu luồng

chính chảy xuôi, mở rộng đột ngột và khu chảy xoáy chuyển động vòng quanh tại chỗ trên mặt khu luồng chín

C

B A

K K

h k a

Ln

h'' h'

khu luông chính khu nuoc xoáy

Hình 2-1: Nước nhảy

2.2.1.2 Phân loại

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

+ Nước nhảy hoàn chỉnh khi (h’’/h’ >2)

Trong đó h’

, h’’là chiều sâu trước và sau nước nhảy

+ Nước nhảy dâng: Là hình thức của nước nhảy hoàn chỉnh xảy ra khi có một vật chướng ngại đặt ngang đáy làm dâng cao mực nước sau nước nhảy tạo nên khu xoáy mặt lớn hơn so với nước nhảy hoàn chỉnh

+ Nước nhảy mặt: Khi nước nhảy có khu luồng chính ở trên mặt và khu xoáy cuộn lại ở bên dưới

+ Nước nhảy sóng: Khi chênh lệch mực nước giữa dòng chảy êm và dòng chảy xiết là nhỏ (h’’/h’ < 2)

- Theo vị trí nước nhảy

+ Nước nhảy phóng xa khi h’’

c > hh + Nước nhảy tại chỗ khi h’’

c = hh+ Nước nhảy ngập khi h’’

c < hh Trong đó

hh: Chiều sâu dòng chảy ở hạ lưu công trình

h’’c: Là độ sâu liên hiệp với độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hep hc

- Theo trị số Froude trước nước nhảy

h g

+ Nước nhảy sóng khi Fr1 =1 ÷ 3

+ Nước nhảy yếu khi Fr1 = 3 ÷ 6

+ Nước nhảy dao động khi Fr1 = 6 ÷ 20

+ Nước nhảy ổn định khi Fr1 = 20 ÷ 80

+ Nước nhảy mạnh khi Fr1 ≥ 80

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 các hình thức khác nhau : nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt, nối tiếp dòng phun (phóng xa)

2.2.2.1 Nối tiếp chảy đáy

Là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy xuất hiện ở gần đáy kênh dẫn Có thể gặp nối tiếp chảy đáy ở hai trường hợp sau

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

Trong trường hợp này dòng chảy qua ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất hiện mặt cắt co hẹp C-C Tại mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy (hc) là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất Khi đó hc < hk do vậy nối tiếp chảy đáy trong trường hợp này bắt buộc phải qua nước nhảy Gọi hc’’ là độ sâu liên hiệp với hc và h’ là độ sâu liên hiệp với hh

Trường hợp 2: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy xiết

Trong trường hợp này dòng chảy ở hạ lưu không qua nước nhảy so sánh độ sâu co hẹp hc với độ sâu bình thường của dòng chảy trong kênh dẫn hạ lưu có các dạng nối tiếp sau đây

a Nếu hc = ho ngay tại mặt cắt co hẹp thì có dòng chảy đều (với ho là độ sâu chảy đều)

b Nếu hc > ho sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ giảm dần và hình thành đường nước đổ b2

c Nếu hc < ho sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ tăng dần và có đường nước dâng c2

2.2.2.2 Nối tiếp chảy mặt

Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy không xuất hiện ở sát đáy kênh dẫn mà ở gần mặt thoáng tự do

h h

E

Nối tiếp chảy mặt thường gặp trong điều kiện có bậc thẳng đứng ở hạ lưu Tuỳ theo mực nước ở hạ lưu, lưu lượng, kích thước và hình dạng bậc có thể xuất hiện nhiều dạng nối tiếp khác nhau

1 Khi độ sâu mực nước hạ lưu không lớn, dòng chảy ra khỏi bậc vẫn ở trạng thái chảy đáy

2 Khi độ sâu mực nước hạ lưu tăng đến một mức độ nào đó thì dòng chảy không đi xuống đáy nữa mà phóng ra xa theo hướng lên mặt thoáng hình thành dòng chảy mặt không ngập

hh

3 Khi hhtiếp tục tăng đến một lúc nào đó thì có dạng nối tiếp mặt đáy không ngập Ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt ở khu vực sau là chảy đáy dạng nối tiếp này là trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm vi thay đổi rất nhỏ của độ sâu hạ lưu

hh

4 Nối tiếp chảy mặt ngập: Khi trên bậc có khu chảy cuộn và lưu tốc lớn nhất của dòng chảy xuất hiện ở trên mặt

Trong nối tiếp chảy mặt, khi bậc có bán kính cong ngược khá lớn sẽ hình thành cuộn nước dạng phễu gọi là dòng phễu Nối tiếp dạng này tiêu hao năng lượng khá lớn Nối tiếp dòng phễu có: Dòng phễu giới hạn (ngoài bộ phận xoáy cuộn ở đáy còn có xoáy quẩn theo chiều ngang); dòng phễu ổn định ( đây là dạng điển hình của dòng phễu, chính đó là dạng sóng biến hình); dòng phễu chìm ( khi hh

tiếp tục tăng cao vượt quá giới hạn trên của dòng phễu, nước trong khối phễu càng xoáy cuộn) Trạng thái dòng phễu là quá trình chuyển hoá của dòng chảy mặt khi lưu lượng qua tràn thay đổi

5 Nối tiếp chảy đáy hồi phục: Trong trường hợp này bậc nước không còn tác dụng Đặc điểm của dạng này là khu nước cuộn mặt rất lớn và khu nước cuộn đáy lại rất bé

hh

Nói chung nối tiếp chảy mặt tiêu hao năng lượng rất lớn qua khu xoáy cuộn

ở đáy và ở mặt, lưu tốc ở đáy bé không gây xói lở nghiêm trọng Trong các dạng nối tiếp nêu trên thì tốt nhất là nối tiếp chảy mặt không ngập, còn chế độ chảy mặt ngập cũng tốt cho việc chống xói ở hạ lưu nhưng có nhược điểm là có khu xoáy cuộn trên mũi bậc làm cho các vật rắn lẫn trong dòng nước không thoát ngay được xuống hạ lưu mà bị cuốn trong khu xoáy cuộn va đập vào công trình

2.2.2.3 Nối tiếp phóng xa

Dòng chảy từ thượng lưu đến cuối công trình nối tiếp sau ngưỡng tràn

được nối với hạ lưu bằng dòng phun vào không khí Cao trình đỉnh mũi phun phải lớn hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu

2.3.Tính toán bể tiêu năng sau tràn

Mục đích của việc tính toán bể tiêu năng sau tràn là thiết kế bể tiêu năng hợp

lý cho công trình, nhằm tiêu hao phần năng lượng thừa của dòng chảy trước khi xả vào kênh dẫn hạ lưu, chống xói lở lòng dẫn hạ lưu, đảm bảo an toàn cho công trình Tính toán bể tiêu năng cần xác định các đại lượng: Lưu lượng tính toán tiêu năng; chiều sâu bể; chiều dài bể; chiều dài đoạn gia cố hạ lưu; các thiết bị tiêu năng phụ

Các công trình thuỷ lợi luôn làm việc với lưu lượng thay đổi trong một phạm

vi từ trị số nhỏ nhất Qminđến trị số lớn nhất Qmax nào đó Cho nên thiết bị tiêu năng phải giải quyết tốt vấn đề tiêu năng cho mọi cấp lưu lượng có thể có trong phạm vi

đó Vì vậy trong thiết kế tiêu năng ta phải tính toán theo lưu lượng gây ra sự nối tiếp bất lợi nhất, lưu lượng đó gọi là lưu lượng tính toán tiêu năng, ký hiệu là Qtt Tính theo lưu lượng này thì bể tiêu năng sẽ có kích thước lớn mhất

Trường hợp bất lợi nhất là trường hợp nối tiếp bằng nước nhảy xa có hiệu số ( hc’’- hh) lớn nhất lúc đó sẽ có chiều dài đoạn chảy xiết lớn nhất do đó cần một chiều sâu và chiều dài bể lớn nhất

Lưu lượng tính toán tiêu năng không nhất thiết là lưu lượng lớn nhất vì khi Q tăng thì hc’’nói chung tăng lên nhưng hh cũng tăng theo

Hình 2-2: Biểu đồ xác định Q tính toán tiêu năng

Cần chú ý rằng lưu lượng tháo qua công trình Q với lưu lượng dòng chảy ở

hạ lưu công trình Qh có thể khác nhau, vì có thể các công trình khác bên cạnh cũng chảy vào lòng dẫn hạ lưu ( ví dụ tính toán tiêu năng cho đập tràn có nhà máy thuỷ điện, âu thuyền bên cạnh thì lưu lượng ở hạ lưu bao gồm cả lưu lượng qua tràn và lưu lượng qua nhà máy thuỷ điện, âu thuyền

Trong tính toán tiêu năng hc’’chỉ phụ thuộc vào Q qua tràn nhưng hh lại phụ thuộc vào Qh theo tài liệu quan hệ lưu lượng và mực nước hoặc lưu lượng với độ sâu của lòng dẫn hạ lưu

Ở trên ta mới đề cập đến lưu lượng tính toán nhưng thực tế không chỉ lưu lượng mà mực nươc thượng hạ lưu cũng thường xuyên thay đổi Do đó việc định ra trường hợp tính toán bất lợi nhất để thiết kế tiêu năng tương đối khó khăn đòi hỏi người thiết kế phải suy nghĩ, phân tích toàn diện mà giải quyết cho từng trường hợp

cụ thể

Với các công trình tương đối lớn hiện nay ngoài tính toán bằng lý thuyết thì việc kết hợp vói thí nghiệm mô hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi công trình là cách làm đang được áp dụng rộng rãi

2.3.2 Tính toán chiều sâu bể tiêu năng [4], [5], [8], [14],[16]

Z'

Z'o

h h

d o V'o

q

Eo

E'o

h c h'' c

Hình 2-3: Sơ đồ tính toán bể tiêu năng

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định chiều sâu bể tiêu năng khác nhau Yêu cầu chiều sâu bể tiêu năng phải vừa đủ để tạo ra nước nhảy ngập trong bể ( với

hệ số ngập σ = 1,05 ÷ 1,1)

Phương pháp chung dựa trên các phương trình sau

- Phương trình quan hệ mực nước thượng, hạ lưu

) (

c

h E g

q h

o

c

E

q F

= 0,5 1 83 1

2 ''

c

o c

c

gh

q h

(2-9)

- Phương trình hình học

hb = σ hc'' = d + hh + ∆ Z (1-10)

Trong đó

2 2

2 2

2

q h

Như vậy để tính được chiều sâu bể tiêu năng ta phải tính đùng dần theo các bước sau

Bước 1: Sơ bộ lấy d1 = (hc’’ – hh ) max

Bước 2: Tính Eo1 = ( Eo +d1)

Bước 3: Tính hc’’, hh, ∆Z

Bước 4: Tính lại d theo phương trình hình học

Nếu d gần với d1 thì đó là chiều sâu bể cần tìm Nếu khác thì lặp lại các bước tính đó với d1 = d

Ngoài phương pháp chung trình bày ở trên chúng ta có thể tính toán chiều sâu bể theo các phương pháp khác như: Phương pháp của Tréctôuxốp, phương pháp Smetana, phương pháp Baskirova, phương pháp của Cục khai hoang Hoa Kỳ (USBR)

2.3.3 Tính toán chiều dài bể tiêu năng

Chiều dài bể tiêu năng phải đủ dài để nước nhảy nằm gọn trong bể, khi đó hiệu quả tiêu năng của bể mới đảm bảo Hiện nay có nhiều công thác tính toán nhưng đều có dạng chung

L = Lr + L1 (2-12)

Trong đó Lr: Chiều dài nước rơi; L1: Chiều dài gói nước nhảy

a Nếu chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang

Lr = 1 , 33 Ho( p + 0 , 3 Ho) (2-13)

b Chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van

p: Chiều cao ngưỡng tràn so với đáy bể

a: Độ mở cửa van

Ho: Cột nước tràn có kể đến lưu tốc tới gần

* Lưu ý: Lr có thể bằng 0 khi dòng nước tràn theo mặt tràn

a Theo P.Novak

L1 = K (h’’- h’) (2-17) Với h’

, h’’: là độ sâu liên hiệp nước nhảy

Ln- Chiều dài nước nhảy được tính toán theo các công thức

1 3

- Theo Picalop: Ln = 4 h' 1 + 2 Fr1 (2-23)

' ''

3 ' ''

1

1

10 2

h h

h h F

F L

r

r n

− +

6 , 3

h

h h

h h

h

h h

Bể tiêu năng mới chỉ tiêu hao một phần lớn năng lượng thừa, phần còn lại tồn tại ở dạng động năng, mạch động làm cho dòng chảy sau khi ra khỏi bể tiêu năng vẫn còn mạch động rất lớn có biểu đồ lưu tốc lớn ở đáy lòng dẫn và dần trở về dòng chảy tự nhiên có biểu đồ lưu tốc phân bố dạng logarit

Do đó để bảo vệ lòng dẫn sau bể tiêu năng ta phải làm sân sau thứ 2, sân sau thứ 3 Kết cấu của nó có tính dễ biến dạng thích nghi với địa chất nền hạ lưu, dễ thấm nước Chiều dài sân sau có thể tham khảo công thức

L2 = K q ∆ H ( m ) (2-29) Trong đó

∆H: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (m)

q : Lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng ( m3

/s.m) K: 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

Trong tiêu năng đáy khi thiết kế các thiết bị tiêu năng phụ trợ cần chú ý các vấn đề sau đây

- Nếu làm mố nhám sát chân mái đầu bể tiêu năng sẽ làm cho dòng nước bị hất lên làm ảnh hưởng đến chế độ tiêu năng đáy, ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu năng

- Nếu cột nước hạ lưu thấp khi dòng nước va đập với mố có thể sẽ làm cho dòng nước bị hất lên theo phương thẳng đứng gây ra hiện tượng thuỷ lực bất lợi

trong bể tiêu năng như gây sóng, dâng cao mực nước trong bể

- Nên bố trí hai hàng mố thì hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với bố trí một hàng, khoảng cách giữa hai hàng mố Ln ≈ (2÷3)dn, bố trí các mố theo hình hoa mai

- Cần phải thí nghiệm mô hình để chọn hình dáng kích thước và vị trí bố trí thiết bị tiêu năng phụ trợ cho hợp lý

- Trên sân sau thường bố trí các thiết bị tiêu hao năng lượng dòng chảy như

mố, ngưỡng ( hình 2-5, hình 2-6) Mố, ngưỡng làm cho dòng chảy gây nên lực phản

kích lại và giảm được hc’’ nên rút ngắn được chiều dài sân sau Thí nghiệm chứng minh rằng nếu bố trí thích hợp các thiết bị đó thì có thể giảm được hc’’ từ 20% đến 25%, có khi đến 30%

.

.c c

p

.c/ 2 c p

Hình 2-5: Hình thức các thiết bị tiêu năng phụ

Hình 2-6: Các hình thức mố tiêu năng

Phân tích tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau và viết

phương trình động lượng cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 ( hình 2-7) ta có

2 2

2 2 2

2

R qv

g

h qv

g

o c

α

+ +

=

Trong đó

R - Phản lực của thiết bị tiêu năng

C – hệ số phụ thuộc vào tình hình dòng chảy và hình dạng mố tiêu năng xác định bằng thí nghiệm

ω - Diện tích hình chiếu đứng của mố tiêu năng

q – Lưu lượng đơn vị

Hình 2-7: Sơ đồ tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau

Sau khi có thiết bị tiêu năng , do tăng xung lượng ở mặt cắt 2-2, giảm được chiều sâu liên hiệp nước nhảy, tức là gảm được độ sâu đào bể tiêu năng hoặc giảm chiều cao tường tiêu năng Trong điều kiện như nhau, đảm bảo độ ngập giống nhau, nhưng nhờ có thiết bị tiêu năng trên sân sau nên hình 2-7b giảm được chiều sâu đào

bể một trị số là do =h2’ – h2 so với hình 2-7a

Thiết bị tiêu năng thường bố trí ở những nơi có lưu tốc lớn nên xung quanh

mố dễ sinh áp lực âm Lưu tốc càng lớn, nếu mố không thuận thì áp lực âm càng lớn gây nên khí thực phá hoại bê tông làm cho điều kiện làm việc của thiết bị tiêu năng không tốt

2.4 Kết luận chương 2

Trong chương này tác giả đã tập trung nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình, về bể tiêu năng, về các biện pháp tiêu năng phụ trợ và vấn đề về đoạn gia cố hạ lưu Song việc tính toán lý thuyết hiện nay có rất nhiều các công thức khác nhau để tính toán nước nhảy, kích thước công trình tiêu năng cho ta những kết quả tương đối chính xác Kết quả tính toán phụ thuộc vào chủ quan và kinh nghiệm của người tính toán, trong từng trường hợp cụ thể người tính phải phân tích được tất cả các yếu tố ảnh hưởng vì vậy kính nghiệm của người tính đóng một vai trò tương đối quan trọng Chính vì vậy những vấn đề lý thuyết còn tồn tại này cần được làm sáng tỏ thêm thông qua phân tích, so sánh với kết quả thí nghiệm sẽ được làm rõ trong những chương tiếp theo

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC TRÀN

VẬN HÀNH NGÀN TRƯƠI 3.1 Giơí thiệu nghiên cứu thí nghiệm mô hình tổng thể tràn xả lũ vận hành Ngàn T rươi

3.1.1 Mục đích yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực

- Nhằm xác định tính hợp lý của phương án bố trí tổng thể công trình, xác định dạng mặt cắt tràn hợp lý, đồng thời chính xác hoá các thông số thuỷ lực, đánh giá chế độ dòng chảy, đề xuất giải pháp sửa đổi hoàn thiện công trình

- Thí nghiệm mô hình thuỷ lực phải được thực hiện với nhiều cấp lưu lượng khác nhau, đảm bảo đặc trưng của các trường hợp lưu lượng sẽ tháo qua công trình trong giai đoạn vận hành

- Xác định khả năng xả, đường mặt nước, bình đồ phân bố dòng chảy, các yếu tố của dòng chảy như lưu tốc, áp suất, sóng, sự nối tiếp thượng hạ lưu dòng chảy

- Mô hình thuỷ lực phải đảm bảo được tính tương tự hình học, động học và động lực học của dòng chảy so với nguyên hình

- Đề xuất phương án hoặc giải pháp kỹ thuật kiến nghị; trên cơ sở nghiên cứu thí nghiệm đánh giá các hiện tượng, các thông số thuỷ lực, các kết cấu và các kích thước hình học của công trình tràn, tiêu năng, kênh xả hạ lưu nếu thấy bất hợp lý hoặc xuất hiện các hiện tượng thuỷ lực bất lợi

- Mô hình thí nghiệm thuỷ lực tràn xa lũ được thực hiện trên mô hình lòng cứng

3.1.2.1 Thí nghiệm phương 1

- Thí nghiệm xác định khả năng xả lũ của tràn

- Thí nghiệm xác định đường mặt nước dọc tuyến công trình, đo vẽ bình đồ dòng chảy

- Xác định lưu tốc trung bình dòng chảy dọc tuyến công trình: cửa vào, trên

tràn, dọc theo tuyến, hạ lưu

- Xác định mạch động lưu tốc dòng chảy

- Thí nghiệm chế độ nối tiếp dòng chảy thượng hạ lưu

- Thí nghiệm nghiên cứu chế độ thuỷ lực dòng chảy

- Thí nghiệm nghiên cứu tiêu năng

- Đánh giá xói lở trên mô hình lòng cứng qua các trường hợp thí nghiệm Các trường hợp thí nghiệm được thực hiện trong trường hợp vận hành mở hoàn toàn 5 cửa van cho chảy tự do qua tràn với 5 cấp lưu lượng cho phương án 1

3.1.3 Thiết kế và xây dựng mô hình

3.1.3.1 Tiêu chuẩn tương tự

Do dòng chảy qua công trình là dòng chảy hở, chịu tác dụng chủ yếu của trọng lực Như vậy tiêu chuẩn tương tự được chọn thiết kế mô hình là tương tự trọng lực hay tiêu chuẩn Froude (Fr)

idem F

gh m

r

Re

n m

r

L g

V L

2 2

6 / 1

= (3-2)

Regh: Số Reynolds giới hạn trong khu tự động mô hình xác định như sau

m m

m gh

R

ε

.

14 Re

Rm: Bán kính thủy lực trong mô hình

Mô hình trên đây được thí nghiệm trên mô hình lòng cứng, mô hình được thiết kế theo tiêu chuẩn tương tự Fr thì nếu ta gọi λllà tỷ lệ độ dài từ đó suy ra các

tỷ lệ khác

m

n Q

n

n λ

λ = = (3-9)

3.1.3.2 Các thiết bị đo số liệu trong mô hình

- Đo địa hình lòng sông, kênh dẫn dùng máy thuỷ bình Ni04 để đo cao độ, dùng thước dây bằng thép để đo chiều dài, chiều rộng trên mặt bằng

- Để đo mô hình bằng kính hữu cơ dùng thước thép lá và thước cặp để kiểm tra đảm bảo sai số không quá 0,1 mm

- Để xác định mực nước thượng hạ lưu công trình trên mô hình sử dụng kim

đo mực nước do Trung Quốc sản xuất có thể đọc được 0,1mm