Nghiên cứu chế độ thủy lực trong công trình tháo lũ kiểu giếng, áp dụng cho một phương án thiết kế hồ Cửa Đạt

2 - Tổng hợp được các công thức tính toán thủy lực xác định khả năng tháo của giếng tương ứng với từng trạng thái chảy, lưu ý các vấn đề chân không, khí thực có thể xảy ra trong hệ thống

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến qúy thầy cô trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Chiến đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi cùng quý thầy cô trong Khoa Công trình, Ban lãnh đạo Công ty TNHH Đầu Tư và Xây dựng Cát Tường đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tấm lòng của những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp qúy báu của qúy thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn./

Hà Nội, tháng 8 năm 2014 Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Dũng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn đã ghi trong lời cảm ơn Các thông tin, tài liệu trình bày trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Dũng

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC TRONG GIẾNG THÁO LŨ………3

1.1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HỒ CHỨA NƯỚC Ở VIỆT NAM… 3

1.2 ĐẶC ĐIỂM HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG……… 4

1.2.1 Bố trí công trình tháo lũ ở hồ chứa……….4

1.2.2 Đặc điểm bố trí và làm việc của công trình tháo lũ kiểu giếng……….13

1.2.3 Tình hình áp dụng công trình tháo lũ kiểu giếng……… 17

1.3 CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC ĐẶT RA KHI SỬ DỰNG CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG:……… 19

1.4 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU:……… 20

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG……… 21

2.1 CÁC CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY TRONG CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG……… 21

2.1.1 Trường hợp miệng loa tràn chảy không ngập……… 21

2.1.2 Trường hợp chảy ngập ở miệng vào và giếng đứng……… 21

2.1.3 Trường hợp chảy ngập trên toàn hệ thống……… 21

2.2 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA CÔNG TRÌNH ỨNG VỚI CÁC CHẾ ĐỘ CHẢY……… 21

2.2.1 Trường hợp chảy không ngập với ngưỡng vào là hình tròn………… 21

2.2.2 Trường hợp chảy ngập cửa vào và giếng đứng……… 22

2.2.3 Trường hợp chảy ngập trên toàn hệ thống……… 22

2.3.TÍNH TOÁN ĐOẠN CHUYỂN TIẾP TỪ MIỆNG VÀO TỚI GIẾNG 27

2.3.1 Thiết kế miệng loa tràn……… 27

2.3.2 Kết cấu hướng dòng của loa tràn……… 32

2.3.3 Đoạn tiệm biến……… 33

2.4 TÍNH TOÁN ĐOẠN ĐƯỜNG HẦM THÁO NƯỚC……… 34

2.5 KIỂM TRA KHÍ THỰC CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG… 36

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2……… 38

CHƯƠNG III: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỒ CỬA ĐẠT………40

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỒ CỬA ĐẠT……… 40

3.1.1 Giới thiệu công trình thủy lợi Cửa Đạt……… 40

3.1.2 Các thông số kỹ thuật và kết cấu công trình:……… 41

3.2 CÁC PHƯƠNG ÁN TRÀN XẢ LŨ CỦA HỒ CỬA ĐẠT………… 43

3.3 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC QUA TRÀN MẶT……… 43

3.3.1 Khả năng tháo nước qua tràn mặt [8]……… 43

3.3.2 Tính toán khả năng tháo nước qua tràn mặt - phương án T1……… 45

3.3.3 Tính toán khả năng tháo nước qua tràn mặt – phương án T2 48

3.4 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA GIẾNG ĐỨNG THEO PHƯƠNG ÁN 2……… 49

3.4.1 Đặt vấn đề……… 49

3.4.2 Tính toán xác định quan hệ Qg ~ Z (phương án G1)……… 51

3.4.3 Kết quả tính toán cho phương án G2 (đường kính giếng Dg=9m) 66

3.4.4 Kết quả tính toán cho phương án G3 (đường kính giếng Dg=9,5m) 70

3.5 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA MIỆNG VÀO THEO PHƯƠNG ÁN 3……… 75

3.5.1 Đặt vấn đề……… 75

3.5.2 Xác định khả năng tháo lớn nhất của giếng khi chảy ngập………… 75

3.5.3 Xác định đường kính miệng vào (Dv) để đảm bảo chảy không áp trong

giếng……… 76

3.6 TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ THEO CÁC PHƯƠNG ÁN TRÀN… 79

3.6.1 Mục đích tính toán……… 79

3.6.2 Tài liệu dùng cho tính toán……… 79

3.6.3 Thông số và phương pháp tính toán chung……… 79

3.6.4 Tính điều tiết lũ cho phương án 1 (tràn mặt 5 khoang)………81

3.6.5 Tính điều tiết lũ cho phương án 2 (4 khoang tràn mặt + 1 giếng chảy có áp)……… 84

3.6.6 Tính điều tiết lũ cho phương án 3 (4 khoang tràn mặt + 1 giếng chảy không áp)……… 88

3.6.7 Nhận xét kết quả tính toán điều tiết lũ……… 92

3.7 Kết luận chương 3……… 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………95

TÀI LIỆU THAO KHẢO……….……… 99

PHỤ LỤC 1……….….100

PHỤ LỤC 2……….…….107

PHỤ LỤC 3……….……….115

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1-1 Đập tràn Định Bình [1] 5

Hình 1-0-2.a) Xi phông tháo lũ trong đập bê tông;b) Xi phông trong đập đất [1] 6

Hình 1-3 Bố trí đường tràn dọc ở đầu đập [1] 7

Hình 1-4 Đường tràn ngang [1] 8

Hình 1-5 Giếng tháo lũ [1] 9

Hình 1-6 Miệng vào giếng tháo lũ theo kiểu hoa hồng nhiều cánh 10

Hình 1-7 Giếng tháo lũ Pontezi (Ý) [3] 10

Hình 1-8 Giếng tháo lũ trong công trình Melrin ở Iran [3] 11

Hình 1-9 Giếng tháo lũ trong thân đập đất [3] 11

Hình 1-10 Đường tràn kiểu gáo [7] 12

Hình 1-11 Các thành phần của giếng tháo lũ [7] 14

Hình 1-12 Các vật nổi bị hút vào giếng của dự án thủy lợi Phước Hòa 16

Hình 1-13 Quan hệ Q ~ H của công trình tháo nước kiểu giếng [1] 20

Hình 2-1 Sơ đồ tính toán thủy lực của giếng tháo lũ [8] 23

Hình 2-2 Tính toán loa tràn của giếng tháo lũ 28

Hình 2-3 Bố trí miệng vào giếng tháo lũ hồ Phước Hòa 32

Hình 2-4 Sơ đồ kết cấu hướng dòng của loa tràn [8] 33

Hình 2-5 Khí thực trên đường hầm tháo nước [1] 36

Hình 2-6 Vùng chân không trong giếng tháo lũ cột nước cao [3] 37

Hình 3-1 các dạng mép vào của trụ pin [8] 44

Hình 3-2 các dạng trụ pin [8] 44

Hình 3-3 Dạng mặt cắt của đập tràn [8] 45

Hình 3-4 Biểu đồ quan hệ Qt ~ Ztl, phương án T1 47

Hình 3-5 Biểu đồ quan hệ Qt ~ Ztl, phương án T2 49

Hình 3-6 Biểu đồ quan hệ Q ~ Z của hệ thống 50

Hình 3-7 Giếng tháo lũ Cửa Đạt 51

Hình 3-8.Mặt cắt ngang hầm 52

Hình 3-9 Biểu đồ quan hệ Qg ~ Ztl, phương án G1 64

Hình 3-10 Biểu đồ xác định các hàm fR, fC, fW [2] 66

Hình 3-11 Biểu đồ quan hệ Qg ~ Ztl, phương án G2 70

Hình 3-12 Biểu đồ quan hệ Qg ~ Ztl, phương án G3 74

Hình 3-13 Biểu đồ quan hệ Q ~ Z, Dg = 9,5m, Dv = 10,5m 78

Hình 3-14 Mô hình lũ thiết kế P = 0,1%, kiểm tra P = 0,01% hồ Cửa Đạt 79

Hình 3-15 Quan hệ giữa mực nước và dung tích [5] 81

Hình 3-16 Quan hệ Ztl ~ T, Q, Qx ~ T, phương án 1, P =0,01% 82

Hình 3-17 Quan hệ Ztl ~ T, Q, Qx ~ T, phương án 1, P =0,1% 83

Hình 3-18 Quan hệ Qg ~ Z; Qt ~ Z; Qx ~ Z, phương án 2 85

Hình 3-19 Quan hệ Ztl ~ T; Q, Qx ~ T, phương án 2, P =0,01% 86

Hình 3-20 Quan hệ Ztl ~ T; Q, Qx ~ T, phương án 2, P =0,1% 87

Hình 3-21 Quan hệ Qg ~ Z; Qt ~ Z; Qx ~ Z, phương án 3 89

Hình 3-22 Quan hệ Ztl ~ T; Q, Qx ~ T, phương án 3, P =0,01% 90

Hình 3-23 Quan hệ Ztl ~ T; Q, Qx ~ T, phương án 3, P =0,1% 91

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1-1 Các giếng tháo lũ đã xây dựng trên thế giới [3] 17

Bảng 2-1 Hệ số kháng tại cửa vào của giếng tháo lũ [3] 23

Bảng 2-2 Bảng trị số của hệ số A [3] 24

Bảng 2-3 Trị số của hệ số B [3] 24

Bảng 2-4 Trị số của hệ số C [3] 25

Bảng 2-5 Trị số của hệ số tổn thất ở các đoạn thu hẹp [3] 25

Bảng 3-1 Bảng kết quả tính toán khả năng tháo cho tràn phương án T1 46

Bảng 3-2 Bảng kết quả tính toán khả năng tháo cho tràn – phương án T2 48

Bảng 3-3 Bảng lưu lượng miệng loa tràn không ngập 54

Bảng 3-4 Bảng xác hệ số tổn thất cửa vào 55

Bảng 3-5 Bảng xác định hệ số tổn thất dọc đường 56

Bảng 3-6 Trị số của hệ số tổn thất ở đoạn co hẹp 57

Bảng 3-7 Bảng trị số của hệ số A 57

Bảng 3-8 Trị số của hệ số B 58

Bảng 3-9 Bảng xác định hệ số μd (phương án G1) 58

Bảng 3-10 Bảng xác định lưu lượng khi công trình có phễu chuyển tiếp từ chảy không ngập sang ngập hoàn toàn (Dg=8m) 59

Bảng 3-11 Bảng xác định hệ số tổn thất dọc đường của hầm 61

Bảng 3-12 Bảng xác định hệ số μ (Dg=8m) 62

Bảng 3-13 Bảng xác định lưu lượng chảy ngập trên toàn hệ thống (Dg=8m)63 Bảng 3-14 Bảng xác định lưu lượng khi công trình có phễu chuyển tiếp từ chảy không ngập sang ngập hoàn toàn (Dg=9m) 67

Bảng 3-15 Bảng xác định lưu lượng chảy ngập trên toàn hệ thống (Dg=9m)68 Bảng 3-16 Bảng xác định lưu lượng khi công trình có phễu chuyển tiếp từ chảy không ngập sang ngập hoàn toàn (Dg=9,5m) 71

Bảng 3-17 Bảng xác định lưu lượng chảy ngập trên toàn hệ thống (Dg=9,5m) 72

Bảng 3-18 Bảng xác định lưu lượng chảy ngập qua giếng đứng ….75

Bảng 3-19 Quan hệ Qv ~ Z khi Dv = 10,5m 77

Bảng 3-20 Khả năng tháo của hệ thống 4 khoang tràn mặt và 1 giếng chảy có áp (phương án 2) 84

Bảng 3-21 Khả năng tháo của hệ thống 4 khoang tràn mặt + 1 giếng chảy không áp (phương án 3) 88

Bảng 3-22 Bảng tổng hợp kết quả tính toán điều tiết lũ 92

Bảng 3-23 Bảng so sánh kết quả điều tiết lũ phương án 1 và phương án 2 92

Bảng 3-24 Bảng so sánh kết quả điều tiết lũ phương án 1 và phương án 3 93

Bảng PL1-1 Bảng tính toán điều tiết phương án 1 – P = 0,01% 101

Bảng PL1-2.Bảng tính toán điều tiết phương án 1 - P = 0,1% 104

Bảng PL2-1.Bảng tính toán điều tiết phương án 2 - P = 0,01% 108

Bảng PL2-2.Bảng tính toán điều tiết phương án 2 - P = 0,1% 112

Bảng PL3-1.Bảng tính toán điều tiết phương án 3 - P = 0,01% 116

Bảng PL3-2.Bảng tính toán điều tiết phương án 3 - P = 0,1% 121

MỞ ĐẦU

Công trình tháo lũ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho bản thân công trình đầu mối cũng như cho khu vực hạ du Việc lựa chọn hình thức công trình tháo lũ cần phải thõa mãn các điều kiện an toàn và kinh tế Ở Việt Nam, các công trình tháo lũ kiểu hở như đập tràn, tràn dọc được áp dụng phổ biến Tuy nhiên khi điều kiện địa hình địa chất không thuận lợi để bố trí tràn hở (chẳng hạn khi địa hình chật hẹp, bờ dốc, núi đá) thì cần nghiên cứu

bố trí các hình thức công trình tháo lũ khác Tháo lũ kiểu giếng là một hình thức công trình hợp lý, loại công trình này cho khả năng tháo nước lớn trong

khi chỉ chiếm một phạm vi nhỏ trong mặt bằng tổng thể công trình

Tuy nhiên, chế độ thủy lực trong giếng khá phức tạp, đòi hỏi cần có nghiên cứu để vừa đảm bảo khả năng tháo nước, vừa đảm bảo an toàn trong

quá trình vận hành

Do vậy việc nghiên cứu chế độ thủy lực trong công trình tháo lũ kiểu giếng và áp dụng cho một phương án thiết kế hồ Cửa Đạt là cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đồng thời đề tài cũng giúp cho các cơ quan chức năng trên địa bàn tỉnh có cơ sở khoa học trong thiết kế mới hoặc sữa chữa,

nâng cấp các hồ chứa nước sau này

II Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu chế độ thủy lực trong công trình tháo lũ kiểu giếng, áp dụng

cho một phương án thiết kế hồ Cửa Đạt

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Điều tra, thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu về chế thủy lực

trong công trình tháo lũ kiểu giếng

- Nghiên cứu lý thuyết và các chế độ thủy lực trong công trình tháo lũ

kiểu giếng và các phương pháp tính toán

- Tính toán cho một công trình thực tế

IV Kết quả đạt được

1 - Tổng quan được các điều kiện sử dụng giếng tháo lũ và đặc điểm thủy lực của dòng chảy trong giếng tháo lũ, giới hạn được phạm vi nghiên cứu

2 - Tổng hợp được các công thức tính toán thủy lực xác định khả năng tháo của giếng tương ứng với từng trạng thái chảy, lưu ý các vấn đề chân không, khí thực có thể xảy ra trong hệ thống giếng tháo lũ

3 - Áp dụng cho việc nghiên cứu phương án tận dụng hầm dẫn dòng thi công của hồ Cửa Đạt làm một phần của công trình tháo lũ, đã đi đến kết luận

là nếu khống chế chảy ngập trong hệ thống giếng – đường hầm thì việc tận dụng hệ thống này trong các công trình xả lũ của hồ Cửa Đạt là hợp lý (thay thế được cho 1 khoang tràn)

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC TRONG GIẾNG THÁO LŨ

1.1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HỒ CHỨA NƯỚC Ở VIỆT NAM

Hồ chứa nước ở Việt Nam là biện pháp công trình chủ yếu để chống lũ cho các vùng hạ du, cấp nước tưới ruộng, công nghiệp, sinh hoạt, phát điện, phát triển du lịch, cải tạo môi trường nuôi trồng thủy sản, phát triển giao thông, thể thao, văn hóa

Đa phần là hồ chứa vừa và nhỏ (cấp IV chiếm 62%; hồ có lưu vực F < 10

km2 chiếm 65,6 %, hồ chứa nước tưới không quá 500 ha chiếm 82%, hồ có dung tích không vượt quá 10 triệu (m3) chiếm 26,07%, số hồ có dung tích lớn hơn chiếm tỷ lệ nhỏ Hồ có dung tích từ 20 triệu (m3

) trở lên có 51 hồ (trong

đó có 10 hồ do nghành thủy điện quản lý) Những hồ nhỏ nằm nằm rải rác khắp nơi tạo nên những thế mạnh nhất định (vốn ít, sớm đưa vào phục vụ, phù hợp với nền sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn, đi đến từng thôn bản phục vụ đắc lực cho phát triển nông nghiệp và nông thôn)

Hồ lớn tuy ít về số lượng, nhưng có vai trò quyết định tạo đà phát triển trong công nghiệp hóa, hiện đại hóa; phòng chống lũ, phát điện, khả năng vượt tải cao nên chống hạn tốt

Hồ chứa nước chỉ có thể xây dựng ở những vùng có địa hình, địa chất phù hợp Xây dựng hồ chứa cần chú ý tới các vùng miền Ở những vùng có ít hồ (ví dụ như ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên), đặc biệt ở vùng thiếu quá nhiều

hồ lớn (như ở Tây Nguyên) thì việc chống lũ, chống hạn, cải tạo môi trường sinh thái, cung cấp nước sạch còn gặp rất nhiều khó khăn

Theo thời gian, trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít

hồ chứa được xây dựng trong giai đoạn này Sau năm 1964, đặc biệt từ khi nước nhà thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh Từ năm 1976

đến nay số hồ chứa mới xây dựng chiếm 67% Không những tốc độ phát triển nhanh, mà cả về quy mô công trình cũng lớn lên không ngừng Hiện nay, đã bắt đầu xây dựng hồ lớn, đập cao ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp Hình thức kết cấu và kỹ thuật xây dựng từng loại công trình ở hồ chứa nước còn đơn điệu, ít có đổi mới, đa dạng hóa Việc áp dụng vật liệu mới, công nghệ mới hiện đang được quan tâm [6]

1.2 ĐẶC ĐIỂM HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG CÔNG TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG

1.2.1 B ố trí công trình tháo lũ ở hồ chứa 1.2.1.1 Nhiệm vụ công trình tháo lũ

Trong đầu mối công trình thủy lợi hồ chứa nước, ngoài một số công trình như đập dâng, công trình lấy nước, công trình chuyên môn, còn phải làm các công trình để tháo nước lũ thừa không thể chứa được trong hồ, có lúc đặt ở độ sâu để đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa khi cần thiết phải kiểm tra sữa chữa hoặc tháo bùn cát trong hồ Có công trình tháo lũ thì hồ mới làm việc được bình thường và an toàn [3]

so sách các phương án Bt) Để tăng khả năng tháo nước, trên đập tràn cũng có thể bố trí kết hợp lỗ xả sâu (như ở đập Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu), hoặc đặt

lỗ xả sâu ở phần đập không tràn (ví dụ đập Tân Giang, Lông, Định Bình) [1]

Hình 1-1 Đập tràn Định Bình [1]

b) Xi phông tháo lũ

Xi phông tháo lũ thường sử dụng với đập bê tông, nhưng cũng có thể dùng với đập đất, đập đá Xi phông là loại công trình tháo nước kiểu kín, làm

việc tự động tháo lũ nhanh do sử dụng chân không để hút nước làm đầy ống

Khi công trình sử dụng một bộ phận gồm nhiều ống xi phông (như ở hồ Xuân Hương – Đà Lạt) cần bố trí ống thông khí của các xi phông có cao độ lệch nhau để tránh việc tất cả các xi phông cùng mở máy đồng thời gây rung

động, mất ổn định cho đập

Xi phông sử dụng thích hợp với hồ có lũ tập trung nhanh, hay khi địa hình phức tạp, bố trí đường tràn hở sẽ không kinh tế [1]

`

Hình 1-2.a) Xi phông tháo lũ trong đập bê tông;b) Xi phông trong đập đất [1]

1 Đỉnh ngưỡng tràn; 2 Lỗ thông khí; 3 Tấm che;

4 Cửa vào; 5 Lưỡi gà hắt nước; 6 Ống dẫn; 7 Bể tiêu năng

2 Công trình tháo lũ ngoài thân đập

a) Đường tràn dọc

Đường tràn dọc là loại đường tràn hở có hướng nước vào ngưỡng trùng với hướng của đường tháo sau ngưỡng Thành phần của một đường tràn dọc bao gồm có: kênh dẫn vào, ngưỡng tràn, đường tháo và bộ phận nối tiếp hạ lưu Ngưỡng tràn là loại đập tràn đỉnh rộng hay thực dụng, tùy theo chiều cao tương đối của ngưỡng so với đáy kênh dẫn vào Đường tháo hở có thể chọn dạng dốc nước hay bậc nước

Bộ phận nối tiếp hạ lưu bao gồm thiết bị tiêu năng và kênh dẫn ra sông hạ lưu

5 1

4

6

2 3

a)

b)

Hình 1-3 Bố trí đường tràn dọc ở đầu đập [1]

a ) Mặt bằng tổng thể; b) mặt cắt dọc; c) mặt cắt ngang

Thiết bị tiêu năng cuối dốc có thể bố trí hình thức đáy (bể tiêu năng hoặc bể-tường kết hợp), hay hình thức phóng xa (mũi phun thẳng, mũi phun lệch…) Cửa của kênh hạ lưu dẫn nước xả ra sông cần bố trí xa chân đập và

xa các công trình khác trong đầu mối (âu thuyền, nhà máy thủy điện…) để tránh ảnh hưởng đến chúng

Đường tràn dọc là loại công trình tháo nước được ứng dụng rộng rãi nhất

ở nước ta hiện nay Loại này sử dụng hợp lý khi địa hình khu đầu mối tương đối thoải Có thể bố trí đường tràn dọc theo núi, ở một đầu đập, hoặc thậm chí

cả hai đầu đập [1]

b) Đường tràn ngang

Đường tràn ngang cũng là một loại đường tràn hở, có hướng nước vào ngưỡng gần vuông góc với hướng của đường tháo sau ngưỡng Đây là đặc điểm để phân biệt đường tràn dọc và đường tràn ngang

135 130

125 120 115 110 105

130 125 120 115 110 105

Thành phần của đường tràn ngang gồm: Kênh dẫn vào (có thể là rất ngắn hoặc không có), ngưỡng, máng bên đặt trực tiếp sau ngưỡng và đường tháo nối tiếp sau máng bên (hình 1-4)

Do đổi hướng dòng chảy từ ngưỡng sang máng bên, dòng chảy trong máng có chế độ chảy phức tạp (dòng biến lượng chảy xoắn ốc) Trong tính toán thủy lực đường tràn ngang, cần xác định đường mực nước trong máng để kiểm tra trạng thái chảy qua ngưỡng Để đảm bảo an toàn, thường khống chế trạng thái chảy qua ngưỡng là tự do

Hình 1-4 Đường tràn ngang [1]

1 máng bên; 2 kênh tháo; 3 công trình nối tiếp; 4 kênh dẫn; 5 đập; 6 cầu;

7 ngưỡng tràn

c) Giếng tháo lũ

Giếng tháo lũ là công trình tháo nước kiểu kín Thành phần công trình gồm: miệng vào, giếng đứng, đường hầm tháo nước và bộ phận nối tiếp hạ lưu

Hình 1-5 Giếng tháo lũ [1]

a)Mặt bằng; b) cắt ngang tuyến đập; c) mặt cắt dọc giếng

Trên mặt bằng, miệng vào có thể là một vòng tròn hay chỉ một cung tròn (phần còn lại tựa vào bờ) Để tăng diện tích tràn nước vào có thể bố trí theo kiểu hoa hồng nhiều cánh

Bộ phận giếng thường có trục thẳng đứng, mặt cắt không đổi hoặc thu hẹp dần theo chiều dòng chảy để tránh chân không

Đường tháo nước nằm ngang thường được kết hợp tháo lũ thi công Chế

độ thủy lực trong hầm tháo nước có thể không áp hoặc có áp

Giếng tháo lũ được sử dụng khi tại khu đầu mối không có vị trí thích hợp

Hình 1-6 Miệng vào giếng tháo lũ theo kiểu hoa hồng nhiều cánh

(Dự án thủy lợi Phước Hòa)

Hình 1-7 Giếng tháo lũ Pontezi (Ý) [3]

Hình 1-8 Giếng tháo lũ trong công trình Melrin ở Iran [3]

Hình 1-9 Giếng tháo lũ trong thân đập đất [3]

d) Tháo lũ kiểu gáo

Đây là công trình tháo lũ kiểu kín, có thể đặt ở bờ sông hay thân đập Các

bộ phận của công trình này gồm: Ngưỡng tràn, các ống tháo và thiết bị tiêu năng hạ lưu (hình 1-10)

Ngưỡng tràn ba phía có dạng mặt cắt thực dụng hoặc mặt cắt hình thang đỉnh mỏng Qua ngưỡng tràn, nước chảy vào gáo rồi được tháo theo các ống xuống hạ lưu Cao trình đỉnh ngưỡng tràn bằng mực nước dâng bình thường Cột nước trên đỉnh tràn thường từ 1 ÷ 1,5m nên chiều dài ngưỡng tràn tương đối dài

Hình 1-10 Đường tràn kiểu gáo [7]

1 đập đất; 2 ống tháo; 3 gáo; 4 tường hướng dòng; 5 ngưỡng tràn;

6 lớp bảo vệ; 7 đoạn quá độ

6

2

I I

I I

5 3

4

I I

1

2 3

6

4 3

7 2 6

H

c)

Ngưỡng tràn ở mặt chính diện phải đủ dài để có thể bố trí miệng vào của các ống tháo nước Miệng vào của các ống tháo nước được mở rộng dần để dòng chảy vào thuận Mặt cắt các ống tháo có dạng tròn hoặc vuông Các ống này thường làm bằng bê tông cốt thép Tại cửa ra của ống, bố trí các thiết bị tiêu năng [7]

Việc lựa chọn hình thức công trình tháo lũ cần phải thõa mãn các điều kiện an toàn và kinh tế ở Việt Nam, các công trình tháo lũ kiểu hở như đập tràn, tràn dọc được áp dụng phổ biến Tuy nhiên khi điều kiện địa hình địa chất không thuận lợi để bố trí tràn hở (chẳng hạn khi địa hình chật hẹp, bờ dốc, núi đá) thì cần nghiên cứu bố trí các hình thức công trình tháo lũ khác Tháo lũ kiểu giếng là một hình thức công trình hợp lý, loại công trình này cho khả năng tháo nước lớn trong khi chỉ chiếm một phạm vi nhỏ trong mặt bằng

nâng cấp các hồ chứa nước sau này

1.2.2 Đặc điểm bố trí và làm việc của công trình tháo lũ kiểu giếng

1.2.2.1 Bố trí các bộ phận của giếng tháo lũ

Giếng tháo lũ bao gồm các thành phần sau đây (hình 1-11)

- Miệng tràn: Trên mặt bằng, miệng tràn có dạng hình tròn đồng tâm với

giếng đứng Trong một số trường hợp, do địa hình hạn chế, phải bố trí lệch tâm Lúc bờ rất dốc, miệng tràn có thể hình dạng bầu dục hoặc là một phần

của hình tròn Miệng hình loa, là đập tràn tuyến tròn kiểu thực dụng hoặc đỉnh

rộng

- Giếng đứng: Là phần nối tiếp loa tràn có trục thẳng đứng kiểu giếng

tròn, chỉ khi do điều kiện bố trí đường tràn, hoặc sự nối tiếp giữa giếng với

đường hầm dẫn nước khó khăn mới bắt buộc đặt giếng hơi nghiêng

Hình 1-11 Các thành phần của giếng tháo lũ [7]

- Đường hầm: Thường bố trí nằm ngang và nối tiếp với giếng đứng bằng

đoạn cong có bán kính r > (2,5 ÷ 4)d (d - đường kính của đoạn nối tiếp) Đường kính của đường hầm được thiết kế theo yêu cầu dẫn dòng thi công và được kiểm tra lại với lưu lượng tháo lũ

- Đoạn cong: Phần đường hầm cong nối tiếp giữa giếng đứng và đường

hầm ngang

- Đoạn tiệm biến: Đoạn nối từ loa tràn xuống giếng đứng có dạng hình

1.2.2.2 Đặc điểm làm việc của giếng tháo lũ

Trong khi vận hành, do ảnh hưởng của điều kiện địa hình, đặc tính cấu tạo của công trình, về mặt thuỷ lực cần phải chú ý những vấn đề sau đây

a) Khi miệng loa tràn, mà thực chất là đập tràn tuyến tròn, làm việc theo chế độ chảy không ngập, sẽ phát sinh hiện tượng dòng chảy xoáy vào miệng giếng Hiện tượng này làm cho phân bố lưu tốc và lưu lượng đơn vị trên miệng tràn không đồng đều, làm giảm khả năng tháo của giếng

Nguyên nhân của hiện tượng này là do vị trí của miệng giếng tháo lũ đặt ven hồ chứa, nước chảy vào chịu ảnh hưởng của bờ nên không phân bố vuông góc với ngưỡng tràn Vì vậy các giếng tháo lũ đặt ven bờ hồ chứa đều phải có

bộ phận hướng dòng

b) Khi miệng loa tràn chảy ngập trên miệng giếng đến một độ cao nhất định, có thế hình thành phễu nước, không khí bị hút vào giếng, và theo đó các vật nổi cũng dễ dàng bị hút vào

Khi mực nước trong hồ cao, tức là cột nước tràn vượt quá một trị số giới hạn nào đó, hiện tượng này sẽ không xảy ra Tại giếng tháo lũ Kabiot, khi mực nước trong hồ cao hơn trụ pin lm, các vật nổi không bị hút vào nữa

Hình 1-12 Các vật nổi bị hút vào giếng của dự án thủy lợi Phước Hòa c) Trong trường hợp lưu lượng tháo nhỏ hơn lưu lượng tính toán, trong phần giếng đứng có thể hình thành chân không Nước tràn qua miệng loa sẽ kéo theo không khí, do lưu lượng nhỏ nên giữa lớp nước và thành giếng có không khí, khi không khí theo dòng chảy xuống hạ lưu sẽ dần dần hình thành chân không trong các ô trống này Nếu chân không đạt đến một trị số nhất định, không khí sẽ tràn vào rất mạnh gây nên tiếng nổ và nước từ giếng bị phun lên cao

Tại giếng tháo lũ Waky (Mỹ), lúc cột nước tràn bằng 0,3 - 0,6m, ứng với lưu lượng 20 - 25m3

/s (trong khi lưu lượng thiết kế bằng 850m3

/s), các bọt

nước từ giếng bắn cao lên tới 15 - 18m

Ngoài ra, khi đường hầm ngang làm việc chuyển từ chế độ không áp sang

có áp, trong đường hầm dòng chảy ra có mang theo bọt khí và cũng gây

những tiếng nổ tại cửa ra

Các quan sát và nghiên cứu thực địa của nhiều giếng tháo lũ cho ta biết rằng các hiện tượng chân không đều gây nên hư hại lớp áo bê tông của giếng

và đường hầm, tuy nhiên không lớn lắm (bê tông tại giếng tháo lũ Kabiot rỗ sâu 1,9 - 2cm; của giếng Henríkh sâu 5cm trong phạm vi 5m2

)

Theo nghiên cứu của P.P Moyx, chân không hình thành trong giếng khi lưu lượng tháo < 75 - 80% lưu lượng thiết kế, và chân không nguy hiểm gây nên xâm thực thường xảy ra tại vùng nối cong giữa giếng đứng và đường hầm

ngang, nhất là khi đường hầm ngang chảy không áp

d) Khi lưu lượng vượt quá lưu lượng thiết kế, miệng loa tràn từ chế độ chảy không ngập chuyển sang chảy ngập và do đó mức nước trong hồ có thể

dâng lên nhanh

Như vậy, so với loại đường tràn tháo lũ, hoặc máng tràn ngang, chế độ thuỷ lực của giếng tháo lũ phức tạp hơn, nên phải có biện pháp tính toán hoặc

cấu tạo hợp lí để tránh những hiện tượng bất lợi đã nêu ở trên

1.2.3 Tình hình áp d ụng công trình tháo lũ kiểu giếng

a) Tình hình phát triển giếng tháo lũ trên thế giới

Giếng tháo lũ đầu tiên được xây đựng tại Anh năm 1896 (đập Blishton), gần đây được xây dựng tại nhiều nước trên thế giới như: Italia, Malaysia, Iran,

Mỹ, Tiệp Khắc, Colombia với cột nước cao, tổng số đã có hơn 60 công trình, nhiều nhất tại Mỹ và ở các nước đang khai thác thuỷ năng vùng thượng lưu các con sông có bờ đốc, núi cao Một số công trình trên thế giới có sử dụng giếng tháo nước được trình bầy trong bảng 1.1 [3]

Bảng 1.1 Các giếng tháo lũ đã xây dựng trên thế giới [3]

Tên công trình Loại đập Lưu lượng tháo (m3

/s)

Cột nước (m)

Đặc điểm khác

Henrihot (Mỹ) Đập đất 1460 144,75 d = 7,47m

Tên công trình Loại đập Lưu lượng tháo (m3

/s)

Cột nước (m)

Đặc điểm khác

b) Tình hình xây dựng và phát triển giếng tháo lũ ở Việt Nam

Ngày nay khoa học kỹ thuật đã có những bước đột phá trong lĩnh vực thủy lợi, do vậy phương án tràn xả lũ kiểu giếng đã được đưa vào trong tính toán thiết kế Ở nước ta do đặc điểm địa hình, địa chất, thủy văn những hồ chứa nước trên thượng lưu các sông phần lớn xây dựng tại các tuyến hẹp, hai

bờ là đá dốc rất khó trong việc bố trí các công trình xả lũ thông thường như tràn mặt, mặt khác trong giai đoạn thi công gặp khó khăn trong việc xả lũ thi công lớn, nên việc tháo lũ thi công phải xét tới phương án đường hầm hoặc cống ngầm, vì vậy tháo lũ kiểu giếng đứng để tận dụng một phần tuynen dẫn dòng hoặc cống ngầm đã có sẵn là một hình thức công trình hợp lý, loại công

trình này cho khả năng tháo nước lớn trong khi chỉ chiếm một phạm vi nhỏ trong mặt bằng tổng thể công trình

TRÌNH THÁO LŨ KIỂU GIẾNG:

Tùy theo trị số cột nước H trên ngưỡng tràn mà chế độ chảy trong giếng

sẽ thay đổi (chảy không ngập, chảy ngập phần giếng đứng và chảy ngập trên toàn hệ thống) (hình 1-13) [1]

Vậy ứng với mỗi công trình cụ thể, cần tính toán thủy lực để xác định được phạm vi biến đổi của mực nước thượng lưu (hay H) tương ứng với từng chế độ trong giếng

Ứng với mỗi công trình cụ thể thì trong thiết kế nên khống chế ở chế độ chảy nào để tháo lũ an toàn, nhưng vẫn đảm bảo điều kiện kinh tế

Khi điều kiện địa hình địa chất không thuận lợi để bố trí tràn hở (chẳng hạn khi địa hình chật hẹp, bờ dốc, núi đá) thì cần nghiên cứu bố trí công trình tháo lũ kiểu giếng Công trình tháo lũ kiểu giếng là một hình thức công trình hợp lý, loại công trình này cho khả năng tháo nước lớn trong khi chỉ chiếm một phạm vi nhỏ trong mặt bằng tổng thể công trình Công trình tháo lũ kiểu giếng nên bố trí làm việc kết hợp với các hình thức xả lũ khác……

Hình 1-13 Quan hệ Q ~ H của công trình tháo nước kiểu giếng [1] a) Chế độ đập tràn; b) Chế độ chảy qua ống ngắn; c) Chảy có áp đến cửa ra

1.4 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Vấn đề nghiên cứu chế độ thủy lực trong công trình tháo lũ kiểu giếng là khá phức tạp và mới mẻ ở Việt Nam Như trên đã cho thấy, mức độ an toàn làm việc của giếng tháo lũ là phụ thuộc nhiều vào chế độ chảy ở trong đó Mặt khác chế độ chảy trong giếng tháo lũ lại phụ thuộc vào điều kiện biên, cột nước, lưu lượng tháo…., đòi hỏi phải nghiên cứu riêng cho từng trường

hợp cụ thể Vì vậy trong luận văn này đặt nhiệm vụ nghiên cứu chế độ thủy

lực trong công trình tháo lũ kiểu giếng, áp dụng cho một phương án thiết kế

của hồ Cửa Đạt

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG

KIỂU GIẾNG

2.1.1 Trường hợp miệng loa tràn chảy không ngập

Trong trường này với lưu lượng chảy vào miệng giếng không ngập, nghĩa

là không đủ để lấp đầy giếng đứng và đoạn hầm ngang Lúc này chế độ thủy

lực là chảy không áp cho toàn hệ thống

2.1.2 Trường hợp chảy ngập ở miệng vào và giếng đứng

Trong trường hợp này với lưu lượng lấp đầy miệng vào và cả phần giếng

đứng nhưng vẫn chưa đủ để lấp đầy mặt cắt đường hầm Lúc này chế độ thủy

lực trong giếng tháo lũ là chảy có áp ở phần miệng vào và phần giếng đứng,

chảy không áp ở đoạn hầm ngang

2.1.3 Trường hợp chảy ngập trên toàn hệ thống

Trong trường hợp này lưu lượng lấp đầy miệng vào và cả phần giếng

đứng và lớn hơn khả năng tháo của hầm ngang Lúc này chế độ thủy lực trong

giếng tháo lũ là chảy có áp trên toàn hệ thống

2.2 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA CÔNG TRÌNH ỨNG

VỚI CÁC CHẾ ĐỘ CHẢY

Lưu lượng chảy qua giếng đứng phụ thuộc vào chế độ chảy vào miệng

tràn ngập hay không ngập (còn gọi là trạng thái có áp hay không áp)

2.2.1 Trường hợp chảy không ng ập v ới ngưỡng vào là hình tròn

Q = εm2πR 2gH (2.1) 3 20

Trong đó: Q - Lưu lượng;

H0 - Cột nước trên ngưỡng tràn có kể tới lưu tốc tới gần;

2 0 0

ωd - diện tích mặt cắt cuối của giếng (đoạn cong);

Z - cao trình mực nước thượng lưu;

Zrg - cao trình mặt cắt cuối của giếng (cuối đoạn cong);

2.2.3 Trường h ợp chảy ngập trên toàn hệ thống

Q = μω 2g(Z-Z ) (2-3) h rhTrong đó: μ - Hệ số lưu lượng;

ωrh - Diện tích mặt cắt của đường hầm (tại cửa ra);

Z - cao trình mực nước thượng lưu;

Zrh - cao trình mặt cắt cửa ra của hầm;

Hình 2-1 Sơ đồ tính toán thủy lực của giếng tháo lũ [8]

Hệ số lưu lượng μ được tính:

i

lμ=

l+∑ξ (2-4) Trong đó: ∑ξi - Tổng hệ số tổn thất bao gồm các tổn thất cục bộ và dọc

đường;

Hệ số kháng cục bộ gồm hệ số kháng chỗ miệng vào (ξv), hệ số kháng chỗ cửa ra (ξr), hệ số kháng chỗ uốn cong (ξu) và hệ số kháng do thay đổi mặt cắt từ giếng đứng sang hầm ngang (ξct)

Hệ số kháng dọc đường bao gồm đoạn giếng đứng, đoạn hầm ngang và các đoạn chuyển tiếp (nếu có)

DTL - Đường kính thủy lực: DTL = 4RTL = ω

4 χ (2.7) Đối với mặt cắt hình tròn: DTL = D - Đường kính mặt cắt

Đối với mặt cắt hình vuông: DTL = a - chiều dài cạnh hình vuông

Bảng 2.3 Trị số của hệ số B [3]

0

B 0,21 0,15 0,11 0,09 0,07 0,07 0,06 0,05

 Trị số C phụ thuộc vào chỉ số a/b, tức là tỷ số giữa 2 cạnh mặt cắt chữ nhật, trong đó kích thước của b nằm trong mặt phẳng của đoạn cong (với mặt cắt hình vuông và mặt cắt hình tròn lấy C = 1) Trị số của C lấy theo bảng 2.4

Bảng 2.4 Trị số của hệ số C [3]

a/b 0,25 0,5 0,75 1,00 1,50 2,00 3,0 4,00 5,00 6,00 7,00 8,0

C 1,80 1,45 1,20 1,00 0,68 0,45 0,4 0,43 0,48 0,55 0,58 0,6

d) Hệ số kháng do thay đổi tiết diện (đoạn thu hẹp) ξch

Hệ số kháng do thay đổi tiết diện (ξch) phụ thuộc vào trị số β lấy theo

L: Chiều dài đoạn co hẹp :

Bảng 2.5 Trị số của hệ số tổn thất ở các đoạn thu hẹp [3]

ch

ξ 0,13 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 e) hệ số tổn thất cửa ra: ξr= 1

Nhận xét: Qua sơ đồ tính toán khả năng tháo của giếng, thấy rằng đường

Trong phần thứ hai, độ dốc đường cong khá lớn, tức là cột nước tăng nhanh khi lưu lượng tháo tăng Trong trường hợp này khả năng dự trữ tháo lũ của công trình nhỏ hơn của các công trình tràn hở không áp Đó cũng là nhược điểm chung của các công trình tháo lũ có áp

Khả năng tháo nước trước hết phụ thuộc vào chế độ làm việc của ngưỡng tràn, có thể xác định như sau [8]:

do đó cần tính toán cụ thể cho từng công trình

Khi đập tràn chảy không ngập, khả năng tháo nước được tính theo công thức (2.1) hoặc: 3 2

0Q=εm(2πR-nδ) 2gH (2.8) Trong đó:

m – hệ số lưu lượng;

R – bán kính phễu;

2 0

αV

H =H+

2g , H – cột nước trên đỉnh phễu;

V0 - vận tốc đến gần đỉnh phễu;

n,δ,ε - Số trụ pin, chiều rộng trụ pin, hệ số co hẹp lấy gần bằng 0,90

(khi không có trụ pin ε = 1)

Hệ số lưu lượng lấy theo công thức của N.I.RomanKô (khi có kết cấu hướng dòng và H = 0,20÷0,38, P = 0÷1,0

Trong đó: P - Chiều cao ngưỡng so với đáy kênh dẫn vào

Khi không có kết cấu hướng dòng, hệ số lưu lượng vẫn có thể tính theo công thức trên, nhưng giảm đi 6% Khi phễu bị ngập H>1,6

R

 , khả năng tháo nước được tính theo công thức thức ( 2.2) [8]

2.3.1 Thi ết kế miệng loa tràn

Loa tràn là một loại đập tràn tuyến tròn, hệ số lưu lượng của nó, như ở trên đã nói, phụ thuộc vào loại ngưỡng tràn: kiểu đập tràn thực dụng, đập đỉnh rộng hoặc các loại khác

Việc thiết kế miệng loa tràn, không những chỉ xác định dạng ngưỡng mà phải tính cả đoạn loa nối tiếp từ ngưỡng đến giếng

Giếng tháo lũ có 2 loại loa tràn (hình 2-2): có mặt phẳng nghiêng và không

có mặt phẳng nghiêng

a) Loa tràn có mặt phẳng nghiêng (hình 2-2a): Nếu gọi R là bán kính ngoài của ngưỡng tràn, loại loa tràn này được dùng khi R (6 8)≥ ÷ H và khi có địa hình thuận lợi, loa tràn này có đoạn phẳng nghiêng và đoạn loa nối tiếp

Đoạn phẳng nghiêng có tác dụng làm việc như đập tràn đỉnh rộng, đặt nghiêng một góc 0 0

β = ÷ để đưa nước vào miệng giếng được tốt Hệ số lưu

lượng giống đập tràn đỉnh rộng m = 0,36

Chiều dài của đoạn phẳng nghiêng L = (3 ÷4) H ≈ (0,4 + 0,5) R

Khả năng tháo lũ tính theo biểu thức (2.1)

Nếu có trụ van thì tính theo biểu thức (2.4)

Chiều sâu dòng chảy cuối đoạn phẳng nghiêng lấy bằng 0,65H0 và lưu tốc

tại đó tính theo biểu thức:

0

h

r = R - L - sinβ

Hình 2-2 Tính toán loa tràn của giếng tháo lũ

a) Có mặt phẳng nghiêng; b) không có mặt phẳng nghiêng

Đường viền của loa đưa nước xuống giếng, phải thỏa mãn yêu cầu không

có hiện tượng tách dòng khỏi đáy Đã có nhiều thí nghiệm chọn đường viền

của loa tràn dạng elip, nhưng dạng thích hợp nhất là dạng parabôn theo

phương trình đường tia nước với lưu tốc ban đầu là v0 và có xét tới hướng của

vectơ lưu tốc (nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang)

Trước hết tính quỹ đạo của tia dòng nằm giữa lớp nước tràn có gốc tọa độ tại cuối mặt phẳng nghiêng và có lưu tốc v0 (hình 2-2a) Từ đó có:

gx

y = + xtagβ2v cosβ (2.11) Khi x = r0 ta có y = ymax và do đó xác định được điểm gặp nhau của quỹ đạo tia dòng từ hai bên, đó cũng là chỗ kết thúc khu vực miệng loa tràn Lưu tốc tại mặt cắt này được tính theo biểu thức:

v = vro max = 0,97 2gymax+v02 (2.12)

Do đó đường kính cần thiết ở cuối loa tính theo biểu thức:

0

max

4Q

d = πv (2.13) Khi đã biết phương trình quỹ đạo tia giữa lớp nước, và nếu biết chiều dày

hn của lớp nước tại các điểm, có thể vẽ được đường mặt nước và đáy, tức là đường viền loa tràn (hình 2-2a) với:

Từ quỹ đạo tia dòng vẽ đường vuông góc lên trên một đoạn bằng 0,5hn sẽ

có đường mặt nước, và lấy xuống phía dưới 0,5hn sẽ là điểm trên đường viền loa tràn

Loa tràn không có mặt phẳng nghiêng (hình 2-2b): Trường hợp này thường gặp khi ngưỡng tràn cao, có dạng đập tràn thực dụng, dùng trong trường hợp R ≤ 5H

Hệ số lưu lượng trong tính toán sơ bộ lấy m = 0,46 Chiều sâu trên ngưỡng tràn h0 = 0,75H (2.16) Lưu tốc tại đó:

0

Q

v = 2πr (0,75H ) (2.17) Trong đó: r0 = R và véc tơ gia tốc có hướng ngang

Đường viền của loa tràn cũng được tính toán như trường hợp trên, nhưng đơn giản hơn (hình 2-2b)

Trước hết tìm phương trình về quỹ đạo của tia dòng giữa lớp nước có gốc tọa độ tại đỉnh ngưỡng tràn và lưu tốc tại đó bằng v0 (β = 0)

y = 2v

gx

(2.18)

Lưu tốc và độ sâu lớp nước tại điểm bất kỳ tính theo các biểu thức sau đây:

Khi đã biết v , hn n sẽ vẽ được đường mặt nước và đường viền loa tràn

Giống như trên, loa tràn kết thúc tại vị trí khi:

y = ymax ứng với x = r0 = R

So sánh khi trị số lưu động tháo bằng nhau, loa tràn không có mặt phẳng nghiêng có đường kính ngưỡng tràn nhỏ, do đó dễ bố trí Khi cột nước của hai loại ngưỡng tràn bằng nhau, đường mặt nước của loại loa này gặp nhau dưới sâu, do đó có thể có hiện tượng không gặp nhau trong phần giếng đứng Do

đó cần phải thiết kế một cách hợp lý Loa tràn có mặt phẳng nghiêng có thể dễ

bố trí cửa van

Trong trường hợp có cửa van, cột nước tràn lớn nhất đạt tới 4,5 ÷ 5m; còn khi tự tràn cột nước tràn thường lấy 1,0 ÷1,5m

Để tăng khả năng tháo nước của giếng tháo lũ, ngoài việc tìm cách tăng hệ

số lưu lượng, một phương hướng quan trọng là tăng chiều dài tràn nước Một

số tác giả đã đưa ra loại miệng tràn hình hoa hồng trên mặt bằng

Các giếng tháo lũ loại này đã được xây dựng tại hồ chứa nước Sacno (Angiêri) và trên sông Vorotok (Nga)

Đặc điểm của nó là các «cánh hoa» làm cho chiều dài tràn nước tăng lên nhiều lần, do đó có thể tháo được lưu lượng lớn với cột nước khá nhỏ, rất thích hợp với loại tự tràn Tại hồ chứa nước Sacno với cột nước 1,2m đã tháo được 360m3

/s

Hồ Phước Hòa (Bình Dương): Miệng loa tràn kiểu hoa nhiều cánh + giếng + cống ngầm dưới đập