nghiên cứu hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng sau đập tràn cao, áp dụng cho đập tràn nước trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI YZ PHẠM HỒNG HƯNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI MỐ TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số:60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. NGUYỄN CHIẾN Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN Hiện nay chúng ta đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi thủy điện với quy mô lớn, cột nước cao, nước chảy qua công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn. Dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ có thể gây ra hiện tượng khí hóa, khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước, trên các mố tiêu năng… Hiện tượng khí thực có thể phá hỏng các bề mặt công trình tháo nước bằng bê tông, thậm chí bằng thép, d ẫn đến những hư hỏng và phá hoại công trình. Với những đặc điểm trên đây cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng khí thực trên các công trình tháo nước là một công việc rất quan trọng và thật sự cần thiết. Chính điều này đã thôi thúc tác giả lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU ĐẬ P TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG” Tác giả xin chân thành biết ơn sự hướng dẫn tận tâm và nhiệt tình của Thầy giáo GS.TS. Nguyễn Chiến trong thời gian qua, cảm ơn các Thầy cô giáo trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội, các cơ quan, đơn vị đã cung cấp các tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn người thân, gia đình, cơ quan tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Do thời gian cũng như kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên việc nghiên cứu và thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiết sót, rất mong được sự chỉ bảo của Thầy cô giáo, sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ./. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của Đề tài: 1 2. Mục đích của Đề tài: 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 2 5. Kết quả đạt được: 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÁC BỘ PHẬN CỦA CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 3 1.1. Tình hình xây dựng của các đập tràn cao ở Việt Nam 3 1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và Việt Nam. 3 1.1.2. Một số thông số chính về các công trình thủy lợi hiện có: 5 1.1.3. Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nước ta và trên thế giới: 9 1. Về sự ra đời và tốc độ phát triển: 9 2. Về tính đa dạng cũng như quy mô của công trình: 10 1.2. Các vấn đề thủy lực của đập tràn cao 10 1.2.1. Tác dụng của khí thực: 11 1.2.2. Ảnh hưởng của hàm khí và thoát khí đến sự làm việc của các công trình xả: 11 1.2.3. Ảnh hưởng của sóng: 13 1.2.4. Sự mài mòn bề mặt các công trình xả: 13 1.2.5. Sự phá hoại do tác dụng của tải trọng động: 14 1.3. Vấn đề khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước 15 1.3.1. Xâm thực khí thực các công trình xả kiểu kín (xi phông, đường hầm): 15 1.3.2. Xâm thực khí thực các buồng van của cửa van: 17 1.3.3. Xâm thực khí thực các đập tràn và dốc nước: 18 1.3.4. Xâm thực khí thực các mố phân dòng và mố tiêu năng: 19 1.4. Tình hình nghiên cứu khí thực trên đập tràn ở trong và ngoài nước. 19 1.5. Một số ví dụ về xâm thực khí thực trên các công trình tháo nước ở Việt Nam 21 1.6. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 24 1.7. Kết luận Chương 1. 25 CHƯƠNG 2: LÝ LUẬN CƠ BẢN VỀ KHÍ THỰC VÀ PHÒNG KHÍ THỰC Ở MỐ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN 26 2.1. Các khái niệm về khí hóa, khí thực 26 2.1.1. Khái niệm về khí hóa: 26 1. Hiện tượng khí hóa: 26 2. Hệ số khí hóa: 27 3. Các giai đoạn khí hóa: 29 4. Hệ số giai đoạn khí hóa (β): 29 2.1.2. Khái niệm về khí thực: 29 1. Hiện tượng khí thực: 29 2. Cơ chế phát sinh khí thực: 30 2.2. Kiểm tra khả năng khí hóa tại các mố tiêu năng 32 2.2.1. Công thức chung: 32 2.2.2. Trị số K pg của các mố, tường tiêu năng: 32 1. Các mố tiêu năng, mố phân dòng: 32 2. Các tường tiêu năng: 35 2.2.3. Trình tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng: 36 2.3. Kiểm tra khả năng khí thực tại các mố tiêu năng và khu vực lân cận. 37 2.3.1. Nguyên tắc chung: 37 2.3.2. Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực: 37 2.4. Các giải pháp phòng khí thực tại mố tiêu năng sau đập tràn cao 38 2.4.1. Đặt vấn đề: 38 2.4.2. Các giải pháp phòng khí thực cho các mố tiêu năng sau đập tràn cao: 38 1. Giải pháp tăng độ bền vật liệu: 38 2. Dẫn nước vào vùng hạ áp: 39 3. Giải pháp tiếp khí để phòng khí thực: 40 2.5. Phương pháp tính toán thiết kế BPTK cho các thiết bị tiêu năng: 40 2.5.1. Nguyên tắc chung: 40 2.5.2. Tính toán thiết kế bộ phận tiếp khí cho các thiết bị tiêu năng: 40 2.5.3. Tính toán hệ thống ống tiếp khí cho các mố tiêu năng: 41 1. Bố trí các ống tiếp khí trong bể tiêu năng: 41 2. Tính toán ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 41 2.6. Kết luận chương 2 44 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH “ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG” Ở HUYỆN SƠN HÀ-TỈNH QUẢNG NGÃI 46 3.1. Giới thiệu công trình “Đập tràn Nước Trong” 46 3.1.1. Tóm tắt nội dung Dự án đầu tư được phê duyệt: 46 1. Tên dự án: Hồ chứa nước Nước Trong 46 2. Chủ đầu tư: 46 3. Mục tiêu đầu tư xây dựng: 46 4. Địa điểm xây dựng : 47 3.1.2. Các thông số kỹ thuật của dự án: 47 3.1.3. Kết cấu bể tiêu năng theo phương án chọn: 50 3.2. Kiểm tra khí hóa và khí thực tại mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong 50 3.2.1. Tính toán kiểm tra khí hóa tại các mố và tường tiêu năng: 50 1. Tại các mố tiêu năng đặt trong bể: 50 2. Tại tường tiêu năng đặt ở cuối bể: 53 3. Nhận xét: 54 3.2.2. Tính toán kiểm tra khí thực tại các bộ phận trong bể tiêu năng (mố tiêu năng, bản đáy và tường bên bể tiêu năng): 54 1. Tại mố tiêu năng đặt trong bể: 55 2. Tại bản đáy và tường bên bể tiêu năng: 55 3. Nhận xét: 55 3.3. Nghiên cứu giải pháp phòng khí thực cho các mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong. 56 3.3.1. Tính toán hệ thống ống tiếp khí cho các mố tiêu năng: 56 1. Bố trí các ống tiếp khí trong bể tiêu năng: 56 2. Tính toán ống tiếp khí cho hàng mố tiêu năng thứ nhất: 57 3. Tính toán ống tiếp khí cho hàng mố tiêu năng thứ hai: 62 3.3.2. Nhận xét: 62 3.4. Kết luận Chương 3. 62 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 4.1. Các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu. 64 4.2. Những vấn đề còn tồn tại. 66 4.3. Các kiến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam. 6 Bảng 2-1: Biến đổi của cột nước áp lực phân giới theo nhiệt độ 27 Bảng 2-2: Biến đổi của cột nước áp lực khí trời theo độ cao 27 Bảng 3-1: Thông số về quy mô hồ chứa và công trình 47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX………. 3 Hình 1.2: Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX……………….4 Hình 1.3: Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam)………………………… 7 Hình 1.4: Đập tràn thủy điện Trị An 7 Hình 1.5: Đập tràn thủy điện Hòa Bình 7 Hình 1.6: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Cửa Đạt 8 Hình 1.7: Tràn xả lũ hồ chứ a nước Auyn Hạ 8 Hình 1.8: Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La 9 Hình 1.9: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Nước Trong 9 Hình 1.10: Trường hợp cuốn một thể tích lớn không khí vào đường hầm xả nước. 12 Hình 1.11: Sự mài mòn đáy của đường hầm không áp 13 Hình 1.12: Sự phá hủy lớp gia cố hạ lưu đập Vacô (Hoa Kỳ) 14 Hình 1.13: Sự phá hủy tấm tiêu năng ở đập tràn XupKhun (Triều Tiên) 15 Hình 1.14: Xâm thực khí th ực đường hầm xả nước 15 Hình 1.15: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vônga 16 Hình 1.16: Xâm thực khí thực các trụ pin của buồng van đường hầm xả nước 17 Hình 1.17: Xâm thực khí thực tại khe van hình chữ nhật 18 Hình 1.18: Xâm thực khí thực tại đập tràn Miranđa 18 Hình 1.19: Xâm thực khí thực mặt tràn của đập bêtông trọng lực 19 Hình 1.20: Xâm thực khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) 19 Hình 1.21: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà 22 Hình 1.22: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt mũi phun tràn Kẻ Gỗ 23 Hình 1.23: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ (cũ) hồ chứa nước Núi Cốc 24 Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí 26 Hình 2.2: Sơ đồ lan truyền sóng xung kích khi tiêu biến bọt khí ở gần thành rắn 30 Hình 2.3: Sơ đồ một số loại mố tiêu năng, mố phân dòng và trị số K pg tương ứng 33 Hình 2.4: Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các mố b/B và lượn tròn mép trước r/B đến trị số K pg của một loại mố tiêu năng 34 Hình 2.5: a) Sơ đồ một loại mố phân dòng; b) Ảnh hưởng của sự lượn tròn mép dọc phía trên mố phân dòng đến hệ số K pg 35 Hình 2.6: Các dạng mặt cắt tường tiêu năng 35 Hình 2.7: Biểu đồ xác định K pg1 35 Hình 2.7: Quan hệ V ng = f(R b ,S) của vật liệu bêtông 38 Hình 3.1: Cắt dọc bể tiêu năng (theo phương án đã sửa đổi) 50 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí bộ phận tiếp khí trên các mố tiêu năng 56 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài: Nước và dòng chảy của nó có những lợi ích to lớn, nhưng cũng có những bất lợi. Nhiệm vụ của các nhà khoa học thủy lợi là tận dụng những lợi ích và hạn chế những bất lợi của nó. Nhiệm vụ đó được thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó có việc xây dựng các công trình khác nhau. Đó là các công trình dâng nước, dẫn nước, lấy nước, công trình bảo vệ, công trình giao thông…Bằng giải pháp kết cấu đặc thù của mình các công trình thủy lợi tạo ra và đảm bảo đủ mực nước hoặc lưu lượng, đồng thời tháo lũ, tháo lượng nước thừa về phía hạ lưu, dẫn nước đáp ứng các yêu cầu hoặc ngăn ngừa những ảnh hưởng bất lợi từ phía hạ lưu. Các công trình thủy lợi còn tạo ra con đường giao thông thủy và tạo ra chênh lệch đầu nước tập trung phục vụ cho phát điện. Hiện nay chúng ta đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi thủy điện với các công trình có quy mô lớn, cột nước cao, nước chảy qua công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn. Dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ có thể gây ra hiện tượng khí hóa, khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước, trên các mố tiêu năng… Hiện tượng khí thực có thể phá hỏ ng các bề mặt công trình tháo nước bằng bê tông, thậm chí bằng thép, dẫn đến những hư hỏng và phá hoại công trình. Với những đặc điểm trên đây cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng khí thực trên các công trình tháo nước là một công việc rất quan trọng và thật sự cần thiết. 2. Mục đích của Đề tài: − Nghiên cứu phương pháp tính toán kiểm tra khí hóa, khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn và tính toán giải pháp tiếp khí để phòng khí thực cho mố tiêu năng − Nghiên cứu hiện tượng khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong – huyện Sơn Hà – Tỉnh Quảng Ngãi. Từ đó đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu sau đập tràn Nước Trong. [...]...2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: – Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng khí hóa, khí thực và các giải pháp phòng khí thực tại các bộ phận trong bể tiêu năng sau đập tràn cao – Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khí hóa, khí thực và giải pháp phòng khí thực bằng cách tiếp khí cho các mố và tường tiêu năng, bản đáy và tường bên bể tiêu năng , tính toán áp dụng cho đập tràn Nước Trong 4 Cách tiếp... nguyên nhân xâm thực tại các bộ phận trên công trình tháo nước (tại các mố tiêu năng sau đập tràn cao) + Đề xuất các giải pháp phòng khí thực ở đập tràn cao + Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong + Đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Nước Trong 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÁC BỘ PHẬN CỦA CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 1.1 Tình... cũng như kiểm tra hiện tượng khí thực tại các bộ phận trên công trình tháo nước đã được trình bày chi tiết trong [1,5] Trong nội dung luận 25 văn này, chỉ xin giới hạn phạm vi nghiên cứu về hiện tượng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn cao, từ đó đề xuất các giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn cao 1.7 Kết luận Chương 1 Với những nội dung nghiên cứu ở trong chương 1 chúng... này trong khi tính toán thiết kế các công trình có quy mô lớn Trong nội dung của chương sau chúng ta sẽ đi nghiên cứu các lý luận cơ bản về khí thực và các giải pháp phòng khí thực ở mố tiêu năng của đập tràn 26 CHƯƠNG 2: LÝ LUẬN CƠ BẢN VỀ KHÍ THỰC VÀ PHÒNG KHÍ THỰC Ở MỐ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN 2.1 Các khái niệm về khí hóa, khí thực 2.1.1 Khái niệm về khí hóa: 1 Hiện tượng khí hóa: Khí hóa là hiện tượng. .. các mố tiêu năng ở hạ lưu (Hình 1.20) Vì vậy trong nhiều trường hợp, để bảo vệ chúng người ta phải tạo ra các mố có hình dạng đặc biệt (phi khí thực) cùng với việc sử dụng các vật liệu có độ bền khí thực cao hoặc áp dụng các biện pháp phòng khí thực khác Hình 1.20: Xâm thực khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) 1.4 Tình hình nghiên cứu khí thực trên đập tràn ở trong và ngoài nước Nghiên cứu. .. pháp nghiên cứu: – Cách tiếp cận: từ công trình thực tế, từ các tài liệu có liên quan, từ những đề tài, dự án đã được nghiên cứu trước đây – Phương pháp nghiên cứu: Thu thập thông tin về các công trình thực tế, nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiện tượng khí hóa, khí thực trên công trình tháo nước, tại các mố tiêu năng sau đập tràn Tính toán áp dụng trên công trình thực tế 5 Kết quả đạt được: + Nghiên cứu. .. trình tháo nước và đặc biệt đối với các đập tràn cao, lưu lượng đơn vị lớn thì khả năng xảy ra hiện tượng xâm thực rất lớn tại các vị trí có đường bao không thuận trên công trình tháo nước như tại các mũi phun, răng cắt dòng đặt ở cuối dốc; các thiết bị tiêu năng (mố, tường tiêu năng) đặt trong bể tiêu năng hay tại đáy và tường bên bể tiêu năng, nơi có lưu tốc dòng chảy lớn Các phương pháp tính toán... Trên Hình 1.15 cho ta thấy hiện tượng xâm thực khí thực khá lớn xuất hiện ở đường xả nước tại công trình nhà máy thủy điện Vônga (Nga) Hình 1.15: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vônga a) Sơ đồ công trình 1-Đường xả có áp b) Tình trạng xâm thực 2-Trụ pin 3-Hố xâm thực Những ví dụ về xâm thực khí thực các đường hầm xả nước kín còn rất nhiều, rất đáng được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt... trụ pin sau khe van không làm theo dạng phòng khí thực cũng sẽ bị phá hoại ngay cả khi lưu tốc không lớn lắm Hư hỏng như vậy cũng xảy ra ở đập Riverx ở Pháp (Hình 1.17), chiều sâu hố xâm thực đạt tới 10cm 18 Hình 1.17: Xâm thực khí thực tại khe van hình chữ nhật 1.3.3 Xâm thực khí thực các đập tràn và dốc nước: Ở đập Miranđa (Bồ Đào Nha) có cột nước 74m (Hình 1.18) đã xảy ra xâm thực khí thực bêtông... Lào Cai Đập tràn, mũi phun 13.0 90 47700 15 Cần Đơn Bình Phước Đập tràn- Bể Tiêu Năng 12 50 6965 16 Sê San 3A Gia Lai, Kon Tum Đập tràn- Bể Tiêu Năng 17.76 105 1800 17 Bình Điền T Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12.96 50 4519 18 SRêPok 3 Đak Nông Đập tràn, mũi phun 15.5 75 12320 19 Nậm Chiến Sơn La Đập tràn, mũi phun 5.63 80 2387 20 Sê San 4 Gia Lai, Kon Tum Đập tràn, mũi phun 15.6 120 20090 21 Nước Trong . khí hóa, khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn và tính toán giải pháp tiếp khí để phòng khí thực cho mố tiêu năng − Nghiên cứu hiện tượng khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Nước. Hiện tượng khí hóa, khí thực và các giải pháp phòng khí thực tại các bộ phận trong bể tiêu năng sau đập tràn cao. – Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khí hóa, khí thực và giải pháp phòng khí thực. tra khí hóa và khí thực tại mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong 50 3.2.1. Tính toán kiểm tra khí hóa tại các mố và tường tiêu năng: 50 1. Tại các mố tiêu năng đặt trong bể: 50 2. Tại tường tiêu