Nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình hồ Sông Cái - tỉnh Ninh Thuận

B GIO DC V ĐO TO B NÔNG NGHIP & PTNT TRƯNG ĐI HC THY LI PHM PHNG THƯNG NGHIÊN CU CH ĐTHY LC CA TRN X L NHM XC ĐNH CAO TRNH CU GIAO THÔNG  H LƯU CÔNG TRNH H SÔNG CI – TNH NINH THUN LUN VĂN THC S K THUT H Ni - 2010 B GIO DC V ĐO TO B NÔNG NGHIP & PTNT TRƯNG ĐI HC THY LI PHM PHNG THƯNG NGHIÊN CU CH ĐTHY LC CA TRN X L NHM XC ĐNH CAO TRNH CU GIAO THÔNG  H LƯU CÔNG TRNH H SÔNG CI – TNH NINH THUN Chuyên ngành: Xây dng công trnh thy M s: 60 – 58 - 40 LUN VĂN THC S K THUT Ngưi hưng dn khoa hc: PGS.TS LÊ VĂN NGH H Ni - 2010 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 1 LỜI CÁM ƠN Gần ba năm học tập lớp cao học khóa 16 tại trường, học viên đã được các thầy cô ở các bộ môn khoa học của trường tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, được khoa đào tạo sau đại học quan tâm. Đồng thời trong thời gian học tập cao học, học viên đã được sự giúp đỡ của các anh chị em học viên cùng khóa giúp đỡ, trao đổi các bài giảng tại trường, giúp cho bản thân học viên hiểu sâu hơn về nội dung các bài giảng. Đến nay chuyển sang phần viết luận văn, học viên lại được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS – TS Lê Văn Nghị công tác tại Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam hướng dẫn khoa học thực hiện luận văn này. Song để có được tài liệu viết luận văn học viên đã được sự giúp đỡ của Trung tâm nghiên cứu thủy lực, của cơ quan tư vấn thiết kế– Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi HEC1. Vì vậy nhân dịp này học viên xin chân thành gửi tới nhà trường, các thầy cô, bạn bè khóa học, anh chị em ở đơn vị công tác và gia đình học viên lời biết ơn và cám ơn sâu sắc nhất. Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do trình độ và điều kiện thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, học viên rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp./. Học viên Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 2 MỤC LỤC 0TMỞ ĐẦU0T 5 0TI. Tính cấp thiết của đề tài.0T 5 0TII. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:0T 6 0TIII. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.0T 7 0TIV. Kết quả dự kiến đạt được.0T 8 0TCHƯƠNG I: TNG QUAN0T 9 0T1.1.0T 0TTổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ.0T 9 0T1.1.10T 0TTình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới:0T 9 0T1.1.20T 0TTổng quan tình hình xây dựng công trình tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ở Việt Nam ta. 0T 13 0T1.1.30T 0TTổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói.0T 14 0T1.1.4. Dạng mũi phun so le.0T 18 0T1.1.5. Tổng quan xác định chiều sâu hố xói và chiều dài phun xa.0T 21 0T1.2. Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun ảnh hưởng tới cầu giao thông. 0T 22 0T1.3 Nhận xét chương 1:0T 24 0TCHƯƠNG 2: NGHIÊN CU L THUYT CH Đ THY LC DNG CHY SAU CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG HẠ LƯU 0T 26 0T2.1. Đc đim của công trình tiêu năng sau tràn xả lũ0T 26 0T2.1.1.Tiêu năng dòng đáy:0T 27 0T2.1.2.Tiêu năng mt.0T 30 0T2.1.3. Tiêu năng phóng xa:0T 31 0T2.2. Chiều dài phng xa của các công trình tiêu năng bng mũi phun0T 33 0T2.3. Quá trình xi lở nền đá và xác định chiều sâu hố xi.0T 40 0T2.3.1. Tác động của dòng phun gây xói nền đá.0T 40 0T2.3.2. Quá trình vật lý của hiện tượng xói do dòng phun.0T 41 0T2.4. Các nhân tố ảnh hưởng tới chiều sâu hố xi.0T 43 0T2.4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đơn vị0T 44 0T2.4.2. Ảnh hưởng của tính chất cơ lý của nền đá ở hạ lưu.0T 44 0T2.4.3. Ảnh hưởng chiều sâu nước đệm hạ lưu đến chiều sâu hố xói.0T 45 0T2.4.4. Ảnh hưởng của thời gian xả lũ tới chiều sâu hố xói.0T 47 0T2.4.5. Ảnh hưởng của góc hắt và góc tới của dòng phun đến chiều sâu hố xói.0T 48 0T2.4.6. Ảnh hưởng của mạch động áp lực đến chiều sâu xói.0T 50 0T2.4.7. Ảnh hưởng xói của quy trình vận hành cửa van để xả lũ.0T 50 0T2.5. Cơ chế xi nền đá trong hố xi và dự báo chiều sâu xi0T 51 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 3 0T2.5.1 Cơ chế xói nền đá trong hố xói:0T 51 0T2.5.2. Công thức ước tính độ sâu xói của hố xói.0T 52 0T2.5.2.1 Loại công thức kinh nghiệm:0T 52 0T2.5.2.2 Loại công thức bán kinh nghiệm:0T 52 0T2.6. Nối tiếp dòng chảy và năng lượng dư tác động đến mực nước của cầu giao thông ở hạ lưu công trình 0T 55 0T2.7. Nhận xét chương 2:0T 61 0TCHƯƠNG 3: NGHIÊN CU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THY LC TIÊU NĂNG CA CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ SÔNG CÁI 0T 64 0T3.1. Giới thiệu chung về công trình0T 64 0T3.1.1 Vị trí công trình:0T 64 0T3.1.2. Nhiệm vụ công trình:0T 64 0T3.1.3 Quy mô công trình:0T 65 0T3.1.4 Các yêu cầu thí nghiệm:0T 65 0T3.1.5. Yêu cầu về loại mô hình và tỷ lệ mô hình:0T 66 0T3.1.6 Trình tự nghiên cứu thí nghiệm:0T 66 0T3.2. Các yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm chi tiết trên mô hình0T 66 0T3.2.1.Đối tượng thí nghiệm mô hình thủy lực.0T 66 0T3.2.2.Thí nghiệm phương án thiết kế.0T 67 0T3.2.3. Hạng mục công trình thí nghiệm và yêu cầu thí nghiệm0T 69 0T+ Hình thức tiêu năng: Tiêu năng phng xa. 3.2.4.Thiết kế chế tạo, lắp ráp mô hình và các thiết bị đo 0T 70 0T3.3. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án thiết kế0T 78 0T3.3.1 Về tình hình dòng chảy0T 78 0T3.3.2 Về nối tiếp tiêu năng hạ lưu.0T 80 0T3.3.3 Về chiều dài dòng phun0T 80 0T3.3.4 Về lưu tốc, mạch động lưu tốc0T 83 0T3.3.5 Đánh giá khả năng xói lở do dòng chảy khi xả lũ gây ra.0T 90 0T3.3.6 Về đường mt nước0T 93 0T3.3.7 Về mạch động áp suất0T 95 0T3.4. Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi và :0T 97 0T3.4.1. Phương án sửa đổi0T 97 0T3.4.2. Về tình hình dòng chảy dưới hạ lưu:0T 98 0T3.4.3. Kết quả về nối tiếp tiêu năng ở hạ lưu:0T 98 0T3.4.4. Về lưu tốc và mạch động lưu tốc:0T 99 0T3.5. Nhận xét chương 3:0T 105 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 4 0TCHƯƠNG 4: SO SÁNH KT QU TÍNH TOÁN L THUYT VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THY LC VỀ TIÊU NĂNG 0T 106 0TTRÀN X LŨ SÔNG CÁI0T 106 0T4.1. Số liệu cơ bản đ tính tiêu năng0T 106 0T4.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thí nghiệm mô hình thủy lực.0T 111 0T4.4. Phân tích về giải pháp thi công hố xi.0T 114 0T4.5. Nhận xét chương 40T 116 0TKT LUẬN VÀ KIN NGHỊ0T 117 0T1. Kết luận:0T 117 0T2. Kiến nghị:0T 118 0TTÀI LIỆU THAM KHO0T Error! Bookmark not defined. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 5 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài. Hồ chứa nước là công trình thủy lợi với mục đích sử dụng tổng hợp nguồn nước phục vụ các mục tiêu phát trin bền vững về kinh tế xã hội, cải thiện giao thông thủy và môi trường. Việc thiết kế, xây dựng các hồ chứa thì đường tràn xả lũ là một hạng mục quan trọng trong cụm đầu mối công trình thủy lợi và thủy điện. Hồ chứa c nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ, còn đập tràn c nhiệm vụ xả lưu lượng nước dư đ đảm bảo an toàn cho toàn bộ cụm công trình. Trong thiết kế đập tràn xả lũ thì việc lựa chọn hình thức tiêu năng nào đ phù hợp với các yêu cầu: - Bố trí chung cụm công trình đầu mối; - Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và các thông số thủy lực của dòng chảy; - Tiêu hao được tốt nhất năng lượng của dòng chảy, đ phần năng lượng dư đổ xuống hạ lưu ít ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình lân cận, đến sự xi lở hai bờ, đến các công trình quân sự, công nghiệp, giao thông, dân sinh ở hạ lưu đập tràn. Về hình thức tiêu năng thường áp dụng hiện nay gồm hai dạng: + Dạng tiêu năng đáy (dùng b tiêu năng và các biện pháp tiêu năng phụ như ngưỡng tiêu năng, mố tiêu năng, rãnh tiêu năng). B tiêu năng được bố trí ngay sau chân đập như đập tràn công trình thủy điện An Khê, hay đập tràn Nước Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 6 Trong. Song cũng c công trình do điều kiện địa hình nên sau chân đập còn c dốc nước và đoạn cong chuyn tiếp nối với b tiêu năng như công trình thủy lợi Đá Hàn (Hà Tĩnh) hay công trình đập tràn EA Rớt (Đắc Lắc)… - Dạng tiêu năng dòng phun: với điều kiện địa chất tại nền và hạ lưu công trình tốt (là loại đá gốc: granite, hoa cương, thạch anh…c cường độ kháng nén σ>600 kg/cm2 trở lên thì nên dùng dạng tiêu năng này. Trong luận văn này học viên đi sâu nghiên cứu tác dụng của hố tiêu năng sau dòng phun của công trình đập tràn Hồ Sông Cái ảnh hưởng đến tình hình thủy lực hạ lưu đc biệt là cao trình cầu giao thông ở hạ lưu. Giai đoạn vừa qua c nhiu công trình tràn xả lũ vận hành đã c tác động xấu đến cầu giao thông ở hạ lưu. Như mùa lũ năm 2006, xả lũ đập tràn sông Hinh đã làm trôi cầu giao thông trên đường vào khu vực công trình mà kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực đã cảnh báo. Lại như năm 2008 xả lũ thi công của công trình Cửa Đạt – Thanh Ha đã làm vỡ mố cầu bờ trái, mà điều này cũng đã được cảnh bảo trong kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực tại viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Vì tình hình thủy lực diễn ra phức tạp khi xả lũ, mà trong đồ án thiết kế không tính toán lường trước hết được. Bởi vậy, tác giả luận văn cho rng đi sâu nghiên cứu vấn đề xác định cao trình cầu giao thông khi xả lũ xuống hạ lưu của Hồ Sông Cái sẽ là một đng gp cần thiết cho công việc thiết kế cầu giao thông ở hạ lưu tràn xả lũ trong giai đoạn sắp tới. II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 7 - Là đ học viên làm quen và tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa học c tính độc lập, tập phân tích các vấn đề, hiện tượng thủy lực của dòng chảy lũ, nhận biết các ảnh hưởng xấu đến các công trình ở hạ lưu đập tràn; - Nghiên cứu phương thức tính toán, đánh giá sự khác biệt của dòng chảy tự nhiên khi chưa c và đã xây dựng công trình xả lũ, đưa ra quy luật ảnh hưởng của dòng chảy sau khi công trình xả lũ; - Thu thập các tài liệu tham khảo c liên quan đ làm tư liệu tham khảo cho công tác cần thiết sau này, dựa trên cơ sở đ đ đánh giá tác động của dòng chảy đến các công trình tương tự. III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. - Cách tiếp cận: + Dựa vào các tài liệu tham khảo: giáo trình thủy công, giáo trình thủy lực, động lực học dòng sông, các tài liệu chuyên khảo về đập tràn – nối tiếp tiêu năng sau đập tràn xả lũ, các báo cáo kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực của hai Viện: Viện năng lượng và Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, các tài liệu dịch từ nước ngoài đ cập nhật các thông tin cần thiết c liên quan đến đề tài của luận văn. + Sử dụng thuyết minh tính toán thủy lực của thiết kế và báo cáo kết quả nghiên cứu thí nghiệm thủy lực đầu mối Hồ chứa Sông Cái của “ Phòng thí nghiệm trọng đim quốc gia về động lực học sông bin”. - Phương pháp nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết về cách tính toán trong các tài liệu tham khảo. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Phùng Thường 8 + Kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực của công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái (tỉnh Ninh Thuận) đ so sánh với tính toán theo thiết kế, từ đ đưa ra các kiến nghị thực hiện theo giải pháp hợp lý. IV. Kết quả dự kiến đạt được. - Với phương pháp nghiên cứu khoa học, phân tích hiện tượng thủy lực của dòng chảy khi chưa c công trình và sau khi đã xây dựng công trình tràn xả lũ, dùng các số liệu khi đã xây dựng công trình tràn xả lũ, dùng các số liệu thu được từ kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đ đề xuất việc xác định cao trình cầu giao thông. - Nghiên cứu cách tính toán, đưa ra các yếu tố ảnh hưởng của dòng chảy sau công trình tràn xả lũ đến việc an toàn ổn định của cầu giao thông ở hạ lưu gần đập tràn (như cầu giao thông bắc qua sông Cái). - Đưa ra các phương án về bố trí kích thước hố xi sau tràn xả lũ đ cải thiện tình hình thủy lực đối với hai bờ và hạ lưu nhm giảm bớt đáng k mực nước, dao động sng, vận tốc dòng chảy tại vị trí cầu giao thông, trên cơ sở đ kiến nghị phương pháp chọn kích thước hố xi cần thiết. - Là tài liệu tham khảo đối với các công trình tương tự. - Đề xuất một số ý kiến đng gp vào việc chọn tần suất lũ thiết kế cầu giao thông trong điều kiện thủy văn chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và môi trường rừng đầu nguồn bị xâm hại như hiện nay. [...]... kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực về đập tràn xả lũ nối tiếp với mực nước hạ lưu theo dạng tiêu năng dòng phun, Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23 mà chế độ thủy lực ở hạ lưu đã ảnh hưởng xấu tới cầu giao thông ở hạ lưu công trình có thể kể đến là: Tràn xả lũ sông Hinh năm 2006 thực hiện xả lũ xuống hạ lưu đã xói trôi cầu giao thông bắc qua sông Hinh cách vị trí tràn xả lũ khoảng... Trạch; - Đập tràn thủy điện Sơn La; - Đập tràn thủy điện Bản Vẽ; - Đập tràn thủy điện Bản Chát; - Đập tràn hồ chứa thủy lợi – thủy điện Cửa Đạt, v.v… - Hồ Tả Trạch thừa Thiên Huế; Sắp tới xây dựng các công trình: - Đập tràn thủy điện Lai Châu; - Đập tràn hồ chứa Krong Pach Thượng Đắc Lắc; - Đập tràn Sông Cái tỉnh Ninh Thuận; - Đập tràn hồ chứa Bản Mòng tỉnh Sơn La, vv… Phạm Phùng Thường Luận văn thạc... tự đập tràn xả lũ Hồ Sông Cái mà ở nước ngoài đã áp dụng 1.1.2 Tổng quan tình hình xây dựng công trình tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ở Việt Nam ta Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, ở nước ta bắt đầu xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện lớn như: - Đập tràn thủy điện Hòa Bình; - Đập tràn thủy điện Sông Hinh; - Đập tràn thủy điện Yaly; - Đập tràn thủy điện Tuyên Quang; - Đập tràn hồ chứa... với các công trình ở hạ lưu đập tràn, nêu ra tác động xấu đối với các cầu giao thông ở cách xa đập tràn từ 800m ÷ 1500m trong các công trình thực tế Với những nét chính này gợi lên sự đi sâu phân tích khi nghiên cứu xác định cao trình cầu giao thông sau đập tràn Hồ Sông Cái Phạm Phùng Thường 26 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHẾ ĐỘ THỦY LỰC DÒNG CHẢY SAU CÔNG TRÌNH... ta đang nghiên cứu R R R R R R R R (Trong luận văn này là tràn xả lũ Hồ Sông Cái) - Dựa vào tài liệu địa chất ở chân công trình và lòng sông sau công trình để tính toán ước tính chiều sâu hố xói; - Dựa vào tình hình địa hình đoạn sông sau đập tràn, cầu giao thông, các công trình kiến trúc dân sinh khác hai bên bờ hạ lưu sau đập tràn xả lũ để xác định phương thức đào sâu hố xói, tránh các ảnh hưởng xấu... T- Chiều sâu tính từ mặt nước hạ lưu đến đáy hố xói (m); q- lưu lượng đơn vị (m3/sm) ở chỗ lưỡi nước của dòng phun đi vào mặt P P lớp nước đệm; h- Chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu của công trình tràn (m); k- Hệ số tổng quát tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu xói, xét tới tính chất của đá lòng sông 1.2 Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun ảnh hưởng tới cầu giao thông. .. mối thủy lợi- thủy điện thì tràn xả lũ và vấn đề biện pháp tiêu năng sau tràn nhằm nối tiếp dòng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu có một vị trí quan trọng; bởi lẽ hình thức tiêu năng được chọn thích hợp không chỉ giữ ổn định cho vùng chân đập tràn xả lũ mà còn không gây tác động xấu đến các công trình lân cận, ít gây xói lở đối với hai bờ hạ lưu sau công trình, cũng như tác động xấu đến cầu giao thông. .. lòng sông có cầu giao thông không giống như mực nước sông tự nhiên khi chưa xây dựng công trình tràn xả lũ Do vậy, vấn đề này cần được đề cập để nghiên cứu 1.3 Nhận xét chương 1: Trong chương 1 đã tổng quan về chương trình thủy lực thủy điện và tràn xả lũ ở các nước, các biện pháp tiêu năng áp dụng sau đập tràn Tiếp theo đã trình bày tổng quan tình hình xây dựng các công trình thủy lợi - thủy điện ở nước... các công trình dân sinh khác ở hạ lưu sau đập tràn 1.1.3 Tổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói Cách lựa chọn là dựa trên các điều kiện: - Điều kiện địa hình, địa chất, địa thế sau tràn; - Điều kiện các yếu tố thủy lực xả lũ qua tràn, như lưu lượng đơn vị thiết kế xả qua tràn, lưu tốc dòng chảy ở cuối tràn hoặc mũi phun, mực nước hạ lưu tương ứng với lưu lượng xả; - Phương thức vận hành tràn xả lũ. .. trôi; do cao trình mặt cầu thấp hơn mực nước xả lũ sau tràn; Thí nghiệm mô hình đập tràn xả lũ Tuyên Quang năm 2003 đã cảnh báo cầu giao thông bắc qua sông Gâm ở hạ lưu công trình, khi thực hiện tràn vận hành xả lũ với lưu lượng xả lớn hơn tần suất lũ P (1%) thì chân trụ cầu có khả năng bị xói R R sâu tới từ 8 ÷ 10m và uy hiếp mố cầu bờ trái nối với đường dẫn đi vào thị trấn NaHang, bị ngập gây trở ngại . đập tràn Hồ Sông Cái ảnh hưởng đến tình hình thủy lực hạ lưu đc biệt là cao trình cầu giao thông ở hạ lưu. Giai đoạn vừa qua c nhiu công trình tràn xả lũ vận hành đã c tác động xấu đến cầu. các yếu tố ảnh hưởng của dòng chảy sau công trình tràn xả lũ đến việc an toàn ổn định của cầu giao thông ở hạ lưu gần đập tràn (như cầu giao thông bắc qua sông Cái) . - Đưa ra các phương án. QR tk R, ΔZR tk R của công trình tràn xả lũ mà ta đang nghiên cứu (Trong luận văn này là tràn xả lũ Hồ Sông Cái) . - Dựa vào tài liệu địa chất ở chân công trình và lòng sông sau công trình đ tính