nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, áp dụng cho đường tràn hồ tả trạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI VŨ BÁ CHÍ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG TRÀN HỒ TẢ TRẠCH Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người HDKH: GS.TS NGUYỄN CHIẾN Hà Nội – 2012 Trang 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong những năm gần đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn công trình đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất nước. Do mức độ quan trọng và đặc thù của công trình thủy lợi, những yêu cầu về đảm bảo an toàn & kinh tế trong việc tính toán thiết kế, thi công và quản lý khai thác đặt ra ngày càng cao. Công trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của một hệ thống thủy lợi. Chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và thành rắn. Sự tương tác đó đặc biệt khi dòng chảy có lưu tốc lơn sẽ gây ra những hệ quả bất lợi cho công trình như mạch động, song xung kích, hàm khí, khí thực… Trong đó khí thực là một trong những vấn đề rất quan trọng và cần được xem xét. Đáng chú ý là vấn đề tính toán khí thực trong các công trình tháo nước ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức. Trong khi đó, những năm gần đây, đã có nhiều sự cố hư hỏng công trình do các nguyên nhân lien quan đến hiện tượng khí thực gây nên như đường tràn công trình đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh…. Điều này đòi hỏi trong tính toán thiết kế cũng như thi công xây dựng các công trình mới phải được đề cập đầy đủ hơn đến vấn đề khí thực cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật chuyên môn để phòng ngừa sự cố. Ngoài ra, ở các công trình đã xây cũng cần phải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý cần thiết. Qua đây ta có thể thấy đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao vì nó liên quan trực tiếp đến an toàn và kinh tế của công trình thủy lợi, đồng thời đây cũng là vấn đề cấp thiết của ngành thủy lợi hiện nay. Trang 2 2. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước và giải pháp phòng ngừa. - Đề xuất biện pháp phòng khí thực ở các mố tiêu năng. - Áp dụng cho đường tràn hồ Tả Trạch 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. - Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết. - Ứng dụng tính toán kiểm tra khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực ở các mố tiêu năng. - Phân tích kết quả đánh giá. 4. Kết quả đạt được. - Nghiên cứu xác định được nguyên nhân xâm thực tại các bộ phận trên công trình tháo nước ( tại các mố tiêu năng ) - Thiết lập biểu đồ trạng thái khí hóa ứng với các cấp năng lượng và năng lượng đơn vị. - Đề xuất các giải pháp phòng chống khí thực ở mố tiêu năng. - Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Tả Trạch. - Đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Tả Trạch. Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, TIÊU NĂNG VÀ KHÍ THỰC Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG. 1.1 Tổng quan về công trình tháo nước. 1.1.1 Khái niệm công trình tháo nước. Thuật ngữ công trình tháo nước ( CTTN ) dung để chỉ những hạng mục công trình đầu mối thủy lợi cho nước tràn qua. Nhiệm vụ của CTTN có thể là tháo lũ, tháo nước thừa, nước thải, tháo cạn hồ chứa hay lấy nước từ song, hồ cho các mục đích sử dụng khác nhau. CTTN thường được bố trí ở đầu mối hồ chứa, đập dâng trên sông, hay các công trình tháo nước cuối hệ thống tiêu, cống lấy nước từ sông, hồ. Đối với các hồ chứa và đập dâng trên sông thì nhiệm vụ quan trọng nhất của CTTN là tháo lũ bảo vệ an toàn cho bản thân công trình đâu mối cũng như khu vực hạ du. Ngoài ra, có thể kết hợp tháo nước trong thời kỳ thi công. Đối với các hệ thống thoát nước thừa, nước thải từ các khu vực sản xuât nông nghiệp, công nghiệp hay khu dân cư thì CTTN được đặt ở cuối kênh tiêu để tháo nước ra biển, ra sông hay ra kênh khác. Đặc điểm quan trọng của CTTN là làm việc trong điều kiện có chênh lệch mực nước rõ rệt giữa thượng hạ lưu. Cột nước công tác ở CTTN có thể từ một vài mét ( ở các cống tiêu ) cho tới hàng trăm mét ( ở các hồ chứa có cột nước cao ). Dòng chảy qua CTTN thường là dòng chảy xiết với độ xiết (đặc trưng bởi trị số Fr = v 2 /gh hoặc Fr R = v 2 /gR ) phụ thuộc vào cột nước công tác và quy mô công trình. Ở các CTTN mà dòng chảy có độ xiết cao ( trị số Fr lớn ) thì có thể phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bất lợi như hàm khí, khí thực, sóng xung kích … Do đó trong tính toán cần phải tìm cách khăc phục hoặc hạn chế tác hại của các hiện tượng này. Trang 4 1.1.2 Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và Việt Nam. Theo con số của hội đập cao thế giới ( ICOLD ) tính đến năm 2000 trên thế giới có khoảng 45000 đập lớn. Trong đó nước có nhiều đâp nhất thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập thế giới. Đứng thứ 2 là Mỹ có 6.575 đập. Đứng thứ 3 là Ấn Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập…. Và Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn trên thế giới. 0 5000 10000 15000 20000 25000 Trung Quốc Mỹ Ấn Độ Nhật Bản Tây Ban Nha Việt Nam Quốc gia Số lượng đập Series1 Hình 1.1 Biểu đồ phân bố đập ở 1 số nước 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Châu Á Tây Âu Châu Phi Đông Âu Nam Mỹ Bắc Mỹ Khu vực Số lượng Series1 Hình 1.2 Biểu đồ phân bố đập các khu vực. Trang 5 Ở Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nên kinh tế là nông nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững cuả đất nước. Tuy vậy do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới. Từ khi đất nước thống nhất đến nay, thủy lợi nước ta mới thực sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư. Đến nay nước ta có khoảng 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa đập cỡ nhỏ. Các hệ thống thủy lợi ở nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước như đập thủy điện Hòa Bình, Thác Bà. Đa Nhim, Trị An… Từ khi “ Luật tài nguyên nước ” của nước ta ra đời năm 1998 đã 1 lần nữa khẳng định tầm quan trọng của các công trình thủy lợi đối với việc phát triển và bảo vệ đất nước. Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thủy lợi, thủy điện nước ta phát triển khá mạnh. 1.1.3 Một số công trình tháo lũ điển hình ở Việt Nam. Công trình tháo lũ là loại công trình tháo nước ( CTTN ) điển hình nhất. Nó là một hạng mục không thể thiếu ở các đầu mối thủy lợi, có chức năng tháo nước thừa trong mùa lũ để đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối, cũng như vùng hạ du. Ở một số đầu mối thủy lợi, công trình tháo lũ còn được kết hợp để tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ chứa khi cần thiết, hay kết hợp để tháo nước trong thời kỳ thi công. Ở các công trình đầu mối có đập dâng là đập bê tông hay đá xây thì công trình tháo lũ thường là tràn hở bố trí ngay trên tuyến đập dâng. Ngược lại. khi đập dâng được đắp bằng vật liệu địa phương như đất, đá… thì công trình tháo lũ phải bố trí ngoài tuyến đập, có thể là đầu đập, hay ở một eo núi Trang 6 xa vị trí đập. Hình thức của công trình tháo lũ loại này có thể là tràn xả sâu, chế độ chảy là không áp hoặc có áp… Một số công trình tháo nước có quy mô lớn ở Việt Nam. + Địa điểm: Nghệ An. + Hình thức tiêu năng: Đập tràn mũi phun. + Thông số thủy lực: Q xả = 10500 m 3 /s, B Tràn = 60 m + H Tràn = 11,5 m, q=155,6 m 2 /s. Hình 1.3. Thủy điện Bản Vẽ. Hình 1.4. Thủy điện Hòa Bình. + Địa điểm: Hòa Bình + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun. + Thông số thủy lực: Q xả = 37800 m 3 /s, B Tràn = 60 m. Trang 7 + Địa điểm: Sơn La. + Hình thức tiêu năng: Đập tràn, mũi phun. + Thông số thủy lực: Q xả = 2387 m 3 /s, B Tràn = 80 m. + H Tràn = 5,63 m, q = 24,1 m 2 /s. Hình 1.5. Thủy điện Nậm Chiến2. + Trên sông Đà. + Hình thức tiêu năng: mũi phun xoắn. + Lưu lượng xả lũ: Q xả = 35400m 3 /s. + Công suất phát điện: 19.200 MW. Hình 1.6. Thủy điện Trị An. Trang 8 + Địa điểm: Thanh Hóa + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun. + Thông số thủy lực: Q xả = 11487m 3 /s, B Tràn = 67 m, H Tràn = 24,33 m, q = 171,4 m 2 /s. Hình 1.7. Hồ chứa Cửa Đạt + Địa điểm: Tuyên Quang. + Hình thức tiêu năng: Dốc nước, mũi phun. + Thông số thủy lực: Q xả = 11986 m 3 /s, B Tràn = 60 m, H Tràn = 15,84 m, q = 170 m 2 /s. Hình 1.8. Thủy điện Tuyên Quang. 1.2. Tiêu năng sau công trình tháo nước. Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn. Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng lượng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập, Trang 9 một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí . Sức cản nội bộ dòng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lượng do xói lở càng nhỏ và ngược lại. Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy và dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp với không khí gây ma sát có tác dụng tiêu hao năng lượng và giảm xói lở. Để đạt được những mục đích trên thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dòng đáy (hình 1.9a), tiêu năng dòng mặt (hình 1.9b), tiêu năng dòng mặt ngập (hình 1.9c), tiêu năng phóng xa (hình 1.9d). Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị. Các hình thức tiêu năng có liên quan lẫn nhau. h h a a) b) c) d) Hình 1.9. Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển hoá lẫn nhau. [...]... tục nghiên cứu, trong đó có các khía cạnh về khí thực ở mố tiêu năng, điều kiện bố trí mố tiêu năng để không phát sinh khí hóa, khí thực, giải pháp phòng khí thực cho mố tiêu năng khi phải làm việc trong điều kiện có khí hóa… 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là khí thực ở các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, trong đó cần chú trọng các vấn đề: - Chế độ thủy lực tại các mố. .. hiện tượng khí hóa là điều kiện để hình thành hiện tượng khí thực, dễ gây hư hỏng các mố tiêu năng Do đó cần phải nghiên cứu sâu thêm về vấn đề khí thực tại mố tiêu năng và đề xuất biện pháp khí thực khi cần thiết Trang 32 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN KHÍ HÓA Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 3.1 Điều kiện phát sinh khí hóa tại các mố tiêu năng 3.1.1 Công thức chung Hiện tượng khí hóa... tại các mố tiêu năng Do đó sau các cống ở khu vực đồng bằng sử dụng các mố tiêu năng và mố phân dòng đem lại hiệu quả tiêu năng cao Gần đây, giải pháp mố tiêu năng trong bể đã được đề xuất áp dụng ở một số đập tràn khá cao như hồ Nước Trong, hồ Tả Trạch, nhưng biện pháp phòng chống khí thực cho các mố này đã không được cơ quan tư vấn thiết kế xem xét đầy đủ Vấn đề này cần được tiếp tục nghiên cứu và... thành rắn – hiện tượng khí thực - Lý thuyết về khí hóa, khí thực các bộ phận công trình tháo nước đã được nghiên cứu khá nhiều ở các nước phát triển Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây cũng bước đầu có các nghiên cứu ứng dụng các biện pháp phòng khí thực Tuy nhiên, các nghiên cứu còn tản mạn cho từng công trình cụ thể, chưa có những tổng kết và phổ biến rộng rãi - Với các mố tiêu năng, dòng chảy đi qua... thủy lực tại các mố tiêu năng - Bố trí và tính toán các thông số của thiết bị tiếp khí cho mố tiêu năng - Dự báo khí hóa, khí thực tại các mố và biện pháp phòng tránh Trang 23 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HÓA VÀ KHÍ THỰC, ÁP DỤNG CHO MỐ TIÊU NĂNG 2.1 Khái niệm khí hóa và điều kiện phát sinh khí hóa 2.1.1 Hiện tượng khí hóa ( cavitation ) Khí hóa được định nghĩa là sự hình thành các bọt hay phần tử rỗng... lợi Nói chung sau mố phân dòng nên có mố tiêu năng (hình 1.19d); do ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy tập trung, sau đó gặp phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng tăng hem a) b) c) d) Hình 1.19 Các hình thức mố tiêu năng Mặc dù mố tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng nó lại là vật cản không thuận dòng do đó dòng chảy đi qua dễ sinh ra hiện tượng khí thực gây nên... nên những hư hỏng cho công trình dẫn đến việc tiêu năng không đạt được hiệu quả đúng như thiết kế ban đầu Trong thực tế đã ở Việt Nam nhiều công trình lớn đã xảy ra hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng, gây hỏng hóc công trình như: thủy điện Thác Bà, Thủy điện Phú Ninh ( mố phân dòng ) Trước đây, trong thiết kế công trình tháo nước ở Việt Nam, vấn đề khí hóa và khí thực tại các bộ phận công trinh chưa... thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là với công trình có cột nước cao, lưu lượng tháo lớn, việc tính toán khí thực đã được quan tâm nhiều hơn Năm 2006 bộ nông nghiệp và PTNT đã ban hành tiêu chuẩn ngành 14TCN 198 – 2006: công trình thủy lợi – các công trình tháo nước – hướng dẫn tính toán khí thực [1] Việc áp dụng các biện pháp phòng chống khí thực đã được áp dụng ở các đập lớn như Hòa Bình, Sơn La, Trang... trọng trường 3.1.2 Trị số Kpg của các mố, tường tiêu năng Hình dạng, bố trí của các dạng mố, tường tiêu năng thường dùng và trị số Kpg của chúng được xác định từ các thí nghiệm mô hình, kết quả đạt được cụ thể như sau [1]: 1 Các mố tiêu năng, mố phân dòng: Trị số Kpg của các mố tiêu năng, mố phân dòng được dẫn ra trên hình 3.1 Khi sử dụng các trị số Kpg này, trong công thức (3-1) cần lấy HĐT=Ha+h Trong... khí hóa, hiện tượng này kéo dài dẫn đến khí thực Trong thực tế quá trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dòng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí trong nước… a) b) Hình 2.6: Khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) Với những công trình có cột nước thấp, lưu tốc dòng chảy bao quanh các mố nhỏ nên khó xảy ra hiện tượng khí thực . - Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước và giải pháp phòng ngừa. - Đề xuất biện pháp phòng khí thực ở các mố tiêu năng. - Áp dụng cho đường tràn hồ Tả Trạch 3. Cách. LỢI VŨ BÁ CHÍ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG TRÀN HỒ TẢ TRẠCH Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60-58-40. tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Tả Trạch. - Đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Tả Trạch. Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH