Nghiên cứu mặt cắt hợp lý của đập tràn hồ chứa nước Bản

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT WES Waterways Expriment Station; Q Lưu lượng xả qua đập tràn khả năng tháo nước, thứ nguyên m3/s; m Hệ số lưu lượng của đập tràn; mtc Hệ số lưu lượ

LỜI CẢM ƠN

Đây là dịp cho tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Ngô Trí Viềng, người hướng dẫn khoa học, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn Thầy là tấm gương sáng về tinh thần trách nhiệm, lòng tận tụy, tình yêu nghề và ý thức nghiên cứu khoa học nghiêm túc Thầy để lại trong tôi sự kích phục về tri thức khoa học, lối sống yêu thương, độc lập và thẳng thắn

Cho phép tôi trân trọng gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Trường Đại học Thủy Lợi, Lãnh đạo Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi 1 cùng bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013

Tác giả

Phan Đình Hậu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực Tôi không sao chép bất kỳ một luận văn hoặc một đề tài nghiên cứu nào trước đó Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013

Tác giả

Phan Đình Hậu

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG 4

1.1 Các loại đập tràn 4

1.1.1 Đập tràn thành mỏng 4

1.1.2 Đập tràn đỉnh rộng 4

1.1.3 Đập tràn mặt cắt thực dụng 6

1.2 Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không kiểu Creager – Ophixerov 7

1.3 Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không kiểu Rodanop [3][4] 9

1.4 Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES 11

1.5 Các loại đập tràn khác [13] 12

1.5.1 Đập vòm tràn nước 12

1.5.2 Đập bản chống 13

1.5.3 Đập cao su 13

1.5.4 Đập tràn phím đàn 14

1.6 Đập tràn được xây dựng trên thế giới và Việt Nam 14

1.7 Kết luận Chương 1 16

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC ĐẬP TRÀN 18

2.1 Khả năng tháo của đập tràn thực dụng 18

2.2 Khả năng tháo của đập tràn dạng WES 27

2.2.1 Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của các nhà khoa học Mỹ 27

2.2.2 Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của Trung Quốc 29

2.3 Trạng thái dòng chảy 33

2.3.1 Tính toán thủy lực xác định đường mặt nước [4] 33

2.3.2 Phân bố áp suất trên mặt tràn 36

2.4 Phương pháp xác định mặt cắt tràn 37

2.4.1 Phương pháp xác định mặt cắt tràn dạng Creager - Ophixerov 37

2.4.2 Phương pháp xác định mặt cắt tràn có chân không, đỉnh dạng elip 40

2.4.3 Phương pháp xác định mặt cắt đập tràn dạng WES 41

2.4.3.1 Đoạn thân tràn phía hạ lưu 41

2.4.3.2 Đoạn đầu tràn 43

2.5 So sánh đập tràn mặt cắt dạng WES và mặt cắt Ophixerov 44

2.5.1 Diện tích mặt cắt ngang 44

2.5.2 Khả năng tháo 45

2.6 Kết luận Chương 2 46

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 47

VÀO CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MÒNG 47

3.1 Các thông số cơ bản của hồ Bản Mòng 47

3.1.1 Địa điểm xây dựng 47

3.1.2 Nhiệm vụ công trình 47

3.1.3 Quy mô công trình 48

3.2 Tràn xả lũ 50

3.2.1 Nhiệm vụ 50

3.2.2 Các phương án tràn xả lũ 50

3.2.3 Tính toán tọa độ mặt tràn 50

3.2.4 Vẽ đường cong mặt tràn 54

3.3 Tính toán khả năng tháo 56

3.3.1 Trường hợp đập tràn mặt cắt Ophixerov 56

3.3.2 Trường hợp đập tràn mặt cắt elip 57

3.3.3 Trường hợp đập tràn mặt cắt WES 57

3.4 So sánh giữa ba phương án 59

3.4.1 Về mặt cắt đập 59

3.4.2 Về khả năng tháo 62

3.5 Kết luận chương 3 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1 Đập tràn thành mỏng 4

Hình 1-2 Sơ đồ tính toán đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập 5

Hình 1-3 Mặt cắt của đập tràn có chân không 6

Hình 1-4 Mặt cắt của đập tràn không chân không 7

Hình 1-5: Đường cong đầu tràn mặt cắt WES phía thượng lưu có 3 bán kính 12

Hình 2-1: Mặt cắt đập có cửa van 19

Hình 2-2: Các dạng mép vào của trụ biên 24

Hình 2-3: Các dạng trụ pin 24

Hình 2-4 Các đường cong để xác định σn của đập tràn mặt cắt thực dụng 25

Hình 2-5: Đồ thị tra trị số C 28

Hình 2-6: Hệ số hình dạng của trụ bên 30

Hình 2-7: Hình dạng các trụ pin giữa 30

Hình 2-8 Sơ đồ tính đường mặt nước trên đập tràn 33

Hình 2-9 Phương trình Bernouilli với mặt cắt 1-1 và 2-2 bất kỳ 37

Hình 2-10 Các dạng mặt cắt đập tràn không chân không 38

Hình 2-11 Cách vẽ mặt cắt của đập tràn có chân không 41

Hình 2-12: Sơ đồ mặt cắt WES có độ dốc mặt thượng lưu đập khác nhau 42

43

Hình 2-13a: Đầu tràn phía thượng lưu dùng 2 bán kính cong R1 và R2 với mái xiên 43

Hình 2-13b: Mặt thượng lưu thẳng đứng đoạn cong đầu tràn phía thượng lưu dùng bán kính cong R1, R2 và R3 43

Hình 2-14: Đầu tràn có đoạn nhô cong phía thượng lưu dùng đường cong elíp 44

Hình 2-15: Đỉnh tràn thực dụng có tường ngực 44 Hình 2-16: Biểu đồ quan hệ Htk ∼ F của đập tràn WES và Ophixerov 45 Hình 2-17: Biểu đồ quan hệ Htk ∼ Q của đập tràn WES và Ophixerov 45 Hình 3-1: Sơ họa cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Nước Bản Mòng 47 Hình 3-2: Đường cong mặt tràn Ophixerov 54 Hình 3-3: Đường cong mặt tràn Elip 55 Hình 3-4: Đường cong mặt tràn dạng WES 56 Hình 3-5: Đường cong mặt tràn hồ chứa nước Bản Mòng thiết kế theo mặt cắt WES và mặt cắt Ophixerov 62 Hình 3-6: Hệ số lưu lượng và cột nước của đập tràn Bản Mòng 63

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo phương

pháp Creager – Ophixerov [3] 8

Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3] 9

Bảng 1-3: Tọa độ đường cong mặt tràn có chân không đỉnh elip (rϕ = )[4] 10 1 Bảng 2-1: Hệ số co hẹp đứng α khi nước chảy dưới cửa [13] 18

Bảng 2-2: Bảng tra trị số σhd phụ thuộc vào góc αB và αHvà tỷ số a/CB [3][4] 20

Bảng 2-3 Hệ số hiệu chỉnh cột nước σHcủa đập tràn không chân không [3][4] 22 Bảng 2-4: Hệ số lưu lượng m của đập chân không, đỉnh elip (theo Rodanop) 23

Bảng 2-5 Trị số k P Z       xác định trạng thái phân giới chảy ngập của đập tràn thành mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng 26

Bảng 2-6 Hệ số ngập σncủa đập tràn có mặt cắt thực dụng không chân không 26 Bảng 2-7: Bảng hệ số hiệu chỉnh C 30

Bảng 2-8: Bảng hệ số lưu lượng m 31

Bảng 2-9: Bảng hệ số hình dạng trụ pin giữa ξo 31

Bảng 2-10 Toạ độ các điểm trên đường biên của mặt tràn không chân không Creager – Ophixerov 39

Bảng 2-11: Tham số đường cong mặt tràn [15] 42

Bảng 3-1: Quy mô công trình 48

Bảng 3-2: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES và Ophixerov 51

Bảng 3-3: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES và Elip 53

Bảng 3-4: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES so sánh với Ophixerov 60

thiết kế theo mặt cắt WES và mặt cắt Ophixerov 62

Bảng 3-5: Kết quả tính toán khả năng tháo đập tràn Bản Mòng 62

Bảng 3-6: Hệ số lưu lượng và cột nước của đập tràn Bản Mòng 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

WES Waterways Expriment Station;

Q Lưu lượng xả qua đập tràn (khả năng tháo nước), thứ nguyên

m3/s;

m Hệ số lưu lượng của đập tràn;

mtc Hệ số lưu lượng được xác định theo đập tiêu chuẩn;

σH Hệ số sửa chữa cột nước;

σhd Hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng;

ε Hệ số co hẹp bên;

ξm.b Hệ số hình dạng mố biên;

ξm.t Hệ số hình dạng mố trụ;

Ho Cột nước trên đỉnh đập tràn có kể đến lưu tốc tới gần (m);

H Cột nước trên đỉnh đập tràn không kể cột nước lưu tốc (m);

b Chiều rộng một khoang tràn (m);

n Số khoang tràn;

σn Hệ số ngập;

P1 Chiều cao đập so với đáy thượng lưu (m);

P Chiều cao đập so với đáy lòng dẫn hạ lưu (m);

C Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ dốc của mặt thượng lưu;

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đập tràn là một trong những hạng mục quan trọng mang tính chất then chốt của công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện; có nhiệm vụ xả lũ, điều tiết dòng chảy đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình và hạ du Đập tràn chiếm một tỷ trọng vốn đáng kể trong chi phí xây dựng hệ thống công trình đầu mối

Vì vậy nghiên cứu chọn được mặt cắt hợp lý đập tràn để tăng khả năng tháo,

có chế độ thủy lực lợi nhất nhằm giảm chi phí xây dựng có ý nghĩa lớn về kinh tế và có tính khoa học … đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu

Ở Việt Nam, hầu hết các đập tràn xả lũ thuộc hệ thống đầu mối công trình thủy lợi, thủy điện đã được xây dựng có dạng mặt cắt thực dụng Creager hoặc dạng Creager – Ophixerov Các đập tràn loại này đều được thiết kế theo quy phạm biên soạn từ tài liệu của Liên Xô và Trung Quốc, điển hình như: đập tràn thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, sông Hinh, Yaly, Tân Giang, Định Bình

Việc ứng dụng mặt cắt đập tràn dạng WES hay Ophixerov có ý nghĩa hết sức quan trọng trong sự nghiệp phát triển thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam, góp phần không nhỏ vào thành tựu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước trong những năm qua Vài chục năm trở lại đây, từ khi đập tràn có mặt cắt dạng WES (Waterways Expriment Station) của Mỹ được nghiên cứu ứng dụng, có ưu điểm hơn nên nhiều nước áp dụng Trung Quốc là một quốc gia

có nguồn tài nguyên nước phong phú cũng đã chuyển hướng áp dụng mặt cắt tràn dạng WES từ năm 1975

Hồ chứa nước Bản Mòng tỉnh Sơn La đang được đầu tư xây dựng với nhiệm vụ chống lũ quét, cắt giảm lũ cho thành phố Sơn La, tạo nguồn cấp nước cho công nghiệp và sinh hoạt, kết hợp du lịch, cải thiện môi trường sinh thái Hồ chứa nước Bản Mòng có công trình đầu mối là đập bê tông trọng lực,

trong đó đập tràn cao trên 40m chiếm vị trí quan trọng ở lòng sông chính Nghiên cứu hình dạng hợp lý mặt cắt đập tràn có ý nghĩa quan trọng về kinh

tế và kỹ thuật, quyết định sự ra đời của dự án này

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

+ Áp dụng phương pháp lý thuyết và phương pháp tính hiện đại

+ Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê các tài liệu lý thuyết, thực nghiệm, thực tế để đi sâu nghiên cứu về mặt cắt tràn dạng WES và mặt cắt tràn dạng Ophixerov

+ Áp dụng phương pháp so sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế lựa chọn mặt cắt hợp lý cho đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Nghiên cứu các dạng mặt cắt của đập tràn nhằm so sánh tính ưu việt của các dạng đập tràn;

+ Ứng dụng vào công trình thực tế để làm sáng tỏ tính thực tiễn của các loại đập

5 Nội dung của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu mặt cắt hợp lý của đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng’’ đưa một số kết quả nghiên cứu để thông qua việc mô phỏng hình dạng mặt cắt, khả năng tháo của đập tràn mặt cắt dạng WES và Ophixerov

nhằm phân tích ưu nhược điểm của hai loại đập này Kết quả nghiên cứu được

áp dụng cho đập tràn của hồ chứa nước Bản Mòng Đề tài ngoài phần mở đầu

và phần kết luận được trình bày trong ba chương, nội dung chính của từng chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về đập tràn thực dụng

Trình bày tổng quan về các loại đập tràn; đập tràn được áp dụng phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam Đập tràn Creager - Ophixerov và đập tràn mặt cắt WES Các loại đập tràn khác

Chương 2 Nghiên cứu chế độ thủy lực đập tràn

Trình bày phương pháp xác định khả năng tháo của đập tràn mặt cắt dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov Nghiên cứu trạng thái dòng chảy qua đập tràn mặt cắt dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov Nghiên cứu mặt cắt đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng WES Trên cơ sở nghiên cứu đó so sánh ưu điểm của WES so với Ophixerov

Chương 3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán mặt cắt hợp

lý đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng

Ứng dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết thông qua tính toán để so sánh với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng

Kết luận kiến nghị

Trình bày một số kết quả nghiên cứu đạt được cũng như những tồn tại

và hướng phát triển cần được đi sâu nghiên cứu Từ đó đưa ra những kiến nghị về việc áp dụng mặt cắt hợp lý của đập tràn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG 1.1 Cỏc loại đập tràn

Đập tràn là một trong những hạng mục chủ yếu của cỏc đầu mối cụng trỡnh thủy lợi, thủy điện: đập tràn nước thỏo lũ của hồ chứa, đập ngăn sụng dõng nước v.v Việc nghiờn cứu khả năng thỏo nước của đập tràn, tỡm cỏc hỡnh thức đập cú chế độ thủy lực lợi nhất và xỏc định cỏc kớch thước cơ bản của đập cú một ý nghĩa thực tiễn quan trọng

Cú nhiều cỏch phõn loại đập tràn, chủ yếu là phõn loại theo chiều dày đỉnh đập và hỡnh dạng mặt cắt ngang của đập tràn Theo cỏch phõn loại này,

π

Làn nước

Mép dưới

Mép trên T

Đập tràn đỉnh rộng làm việc có thể theo chế độ chảy không ngập hoặc chảy ngập Trong trường hợp chảy ngập, khả năng tháo sẽ giảm rất nhiều Do

đó đối với ngưỡng tràn của đường tràn tháo lũ cần có những biện pháp thiết

kế để tăng khả năng tháo và thông thường ngưỡng tràn làm việc theo chế độ chảy không ngập

• Mặt cắt hình thang:đỉnh nằm ngang chiều dày đỉnh δ trong phạm vi [3]:

0,67H < δ < (2 ÷ 3)H Mái dốc thượng, hạ lưu có thể có các trị số khác nhau, các đập này cấu tạo đơn giản, dễ xây dựng bằng mọi loại vật liệu như bê tông, gạch, đá, gỗ, … nhưng có nhược điểm là có hệ số lưu lượng nhỏ so với các mặt cắt hình cong

nước tràn, nên dòng chảy tràn được thuận, hệ số lưu lượng lớn, dễ tháo các vật trôi trong nước, nhưng xây dựng phức tạp hơn Đập mặt cắt hình cong có hai loại:

+ Nếu giữa mặt đập với mặt dưới của làn nước tràn có khoảng trống thì không khí ở đó bị làn nước cuốn đi, sinh ra chân không, gọi là đập hình cong

+ Nếu làm cho mặt đập sát vào mặt dưới của làn nước tràn, không có khoảng trống nữa thì sẽ không có chân không, gọi là đập dạng cong không có chân không

Nguyên tắc thiết kế mặt cắt đập không có chân không làm cho mặt đập

ăn khớp với mặt dưới của làn nước chảy qua đập thành mỏng tiêu chuẩn ứng với cột nước H cho trước, gọi là cột nước thiết kế mặt cắt của đập tràn

D'

E D Co

R

x O

1.2 Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không kiểu Creager – Ophixerov

Creager nghiên cứu đường cong nước rơi tự do từ đập thành mỏng, vẽ quỹ đạo của hạt nước ở vị trí 2

Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo phương pháp Creager – Ophixerov [3]

Đập loại I (kiểu Creager – Ophixerov)

Đập loại II (kiểu Creager)

Bán kính R của cung tròn này lấy theo kinh nghiệm

Khi đập thấp hơn P < 10m thì có thể lấy R = 0,5P

Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3]

1.3 Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không kiểu Rodanop [3][4]

Mặt cắt đập phải thỏa mãn các điều kiện sau:

+ Có hệ số lưu lượng lớn nhất khi chảy với cột nước thiết kế + Có chân không ở phần đỉnh của đập, không có phần dưới của mặt tràn

+ Độ chân không ck

ck o

Bảng 1-3: Tọa độ đường cong mặt tràn có chân không đỉnh elip

(rϕ = )[4] 1

Tên điểm

e3,0

1.4 Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES

Đập tràn mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ

Các cơ sở nghiên cứu Thuỷ lực của Liên Xô tập trung nghiên cứu dạng mặt cắt tràn Creger - Ophixerov, còn các cơ sở nghiên cứu thuỷ lực của Mỹ đều chú trọng nghiên cứu dạng mặt cắt tràn dạng WES Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng đường cong mặt tràn chia ra làm hai phần:

+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía thượng lưu;

+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía hạ lưu;

Năm 1961 phòng thí nghiệm xây dựng Tapualispan đối với phần đường cong phía thượng lưu của mặt cắt tràn dạng WES đã tiến hành thí nghiệm sửa đổi đem nguyên gốc hai cung tròn đổi thành ba cung tròn tăng thêm một bán kính ngắn R3 = 0,04Hd Như vậy cải thiện thêm sự nối tiếp giữa mặt thẳng đứng thượng lưu đập nối tiếp một cách thuận hơn Trạm thí nghiệm đường thuỷ của binh đoàn lục quân Mỹ qua thí nghiệm mô hình phát hiện khi cột nước tác dụng vượt quá giá trị HTK còn có thể cải thiện thêm tình hình phân

bố áp suất trên mặt tràn, đồng thời tăng thêm hệ số lưu lượng Do đó, từ năm

1970 kiến nghị dùng mặt cắt dạng WES mà đường cong phần thượng lưu có 3 cung tròn như Hình 1-5, còn đường cong mặt đập phía hạ lưu không thay đổi, các tham số của đường cong phần thượng lưu có 3 bán kính như sau:

R1 = 0,5Hd; C1 = 0,175Hd; a1 = 0,0316Hd;

R2 = 0,2Hd; C2 = 0,276Hd; a2 = 0,1153Hd;

R3 = 0,04Hd; C3 = 0,2185Hd; a3 = 0,126Hd;

Việc phân định loại tràn đập thấp và cao, theo nghiên cứu của Trung tâm thí nghiệm đường thuỷ của Binh đoàn lục quân Mỹ như sau:

+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị:

d

P < 1,33 H

gọi là đập thấp, đập thấp chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần

+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị:

d

P > 1,33 H

gọi là đập cao, đập cao thì không chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần

1.5 Các loại đập tràn khác [13]

Đập vòm đầu tiên trên thế giới được làm bằng đá xây năm 1611, đó là đập Ponte Anto ở Italia Sau đó các đập vòm khác ra đời như:

+ Đập Zolia cao 38m xây dựng năm 1843 tại Pháp;

+ Đập Mavuaden cao 237m xây dựng năm 1958 tại Thụy Sỹ;

+ Đập Lazanuan (Liên Xô) cao 67m;

+ Đập Tsircayxcaia (Liên Xô) cao 236m;

+ Đập Vaiont (Italia) cao 266m;

1.5 2 Đập bản chống

Một trong những đập bản chống đầu tiên được xây dựng là đập liên vòm bằng đá Eltra cao 23m ở Tây Ban Nha vào cuối thế kỷ XVI Sang thế

kỷ XX thì xây dựng loại đập này rất nhiều:

+ Đập Possum Kingdom ở Mỹ cao 57,8m xây năm 1941;

+ Đập Rodrighets ở Mehico xây dựng năm 1935 cao 76m;

+ Đập Daniele Gionxon ở Canada xây dựng năm 1970 cao 215m;

1.5.3 Đập cao su

Đập cao su, một công trình thủy lợi có khả năng ngăn nước, xả lũ, điều tiết mực nước và lưu lượng chảy qua Đây là một dạng công trình mới về vật liệu kiến trúc thủy công, xuất hiện vào cuối thập kỷ 60 của thế kỷ XX, với sự phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp cao phân tử Đập được cấu tạo bởi túi cao su chứa khí (hoặc nước), móng đập bằng BTCT mỏng, bộ phận neo giữ và máy nén khí (hoặc máy bơm nước) để nâng hạ túi cao su Từ khi ra đời đến nay đập cao su đã được ứng dụng rộng rãi ở hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới

Sản phẩm túi đập cao theo công nghệ và vật liệu sản xuất tại Việt Nam

đã được Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện thành công có khả năng thay thế sản phẩm nhập ngoại với chất lượng, độ bền tương đương và giá thành hạ

Ở Việt Nam, đập cao su đầu tiên đã được xây dựng vào tháng 9/1997 là đập cao su Ngọc Khô, tỉnh Quảng Nam với quy mô dài 25m cao 2m Từ đó đến nay ở nước ta gần hai mươi đập cao su với qui mô và hình thức khác nhau được xây dựng, đơn cử như:

+ Đập cao su Krông Buk tỉnh Đắc Lắc, dài 50m, cao 2,7m;

+ Đập cao su trên thác Prenn tỉnh Lâm Đồng, dài 20m, cao 2,5m;

+ Đập cao su Đầm Chích tỉnh Kiên Giang, dài 20 m, cao 4 m;

+ Đập cao su Nam Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị, dài 140m, cao 2,1m;

+ Đập cao su Sa Cá tỉnh Đồng Nai, dài 15m, cao 1,5m;

+ Đập cao su Ong Kinh tỉnh Ninh Thuận dài 20m, cao 1,5m;

+ Đập cao su Đập Cát tỉnh Bình Định dài 33,6m, cao 2,0m;

+ Đập cao su Lại Giang dài 40m, cao 3,0m;

Đập cao su hoàn toàn phù hợp với các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên (nguồn: Mục Khoa học công nghệ trang điện tử Viện Khoa học TL Việt Nam)

1.5.4 Đập tràn phím đàn

Đập tràn phím piano là một dạng đập tràn có tác dụng tăng lưu lượng tháo dựa trên nguyên tắc tăng chiều dài đường tràn Những đập tràn loại này mới áp dụng ở Việt Nam nên chưa có tiêu chuẩn tính toán Cho đến nay, các nghiên cứu về loại đập tràn này chủ yếu đi sâu về mặt thủy lực chứ chưa chú trọng đến phần tính toán kết cấu Tràn phím đàn là loại tràn có khả năng tháo

lũ gấp (2 ÷ 5) lần tràn tự do Ophixerov (tùy thuộc vào cách thiết kế chiều dài đường tràn), tuy nhiên nó có nhược điểm là thi công phức tạp, khó tháo các vật trôi nổi trên sông Ở Việt Nam hiện nay đã và đang xây dựng đập tràn phím piano thuộc dự án thủy điện Đăk Mi 2 (Quảng Nam); Vĩnh Sơn 3 (Bình Định); Đắc Rông 3 (Quảng Trị); đập dâng Văn Phong (Bình Định); đập tràn Ngàn Trươi – Cẩm Trang (Hà Tĩnh);

1.6 Đập tràn được xây dựng trên thế giới và Việt Nam

- Ngược dòng lịch sử, Bazil là người đầu tiên đã có những nghiên cứu rất chi tiết về đập tràn thành mỏng và đã công bố những kết quả nghiên cứu của ông vào các năm 1886 ÷ 1888

- Về sau, người ta đã nghiên cứu cải tiến mặt cắt tràn ngày càng hoàn thiện hơn và đã lần lượt ra đời các mặt cắt sau:

+ Mặt cắt De Marchi (1928);

+ Mặt cắt Cơrighe (1929) dựa trên số liệu của Bazil;

+ Mặt cắt Cơrighe cải tiến (1945) dựa trên số liệu của Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở Denver);

+ Mặt cắt WES (1952) của Waterways Expriment Station, Mỹ;

Mặt cắt tràn dạng Ophixerov trước đây đã được các nhà thủy lực học của Liên Xô (cũ) nghiên cứu, đưa ra nhiều kết quả quan trọng đóng góp cho việc phát triển thủy lợi, thủy điện của đất nước Xô Viết cũng như các nước xã hội chủ nghĩa trong nhiều thập kỷ qua của thế kỷ trước (từ thập kỷ 30 đến thập kỷ 70 của thế kỷ XX)

Đập tràn mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và ứng dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ Các kết quả nghiên cứu và thực tiễn cho thấy mặt cắt WES có nhiều ưu điểm hơn nên đã có nhiều nước trên thế giới tiếp thu

Trung Quốc là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú đã chuyển hướng áp dụng mặt cắt tràn dạng WES từ năm 1975 Sau khi tiếp thu, ứng dụng, bằng lý luận và kinh nghiệm của mình thông qua nhiều công trình thực tế và thí nghiệm mô hình đã làm phong phú thêm loại đập tràn mặt cắt dạng WES Có thể nêu ra điển hình một số đập tràn mặt cắt WES được xây dựng ở Trung Quốc sau đây:

+ Đập tràn thủy điện Thạch Tuyến;

+ Đập tràn thủy điện Trấn Hồ Nam;

+ Đập tràn thủy điện Yến Đồng Hiệp;

+ Đập tràn thủy điện A Đê Đa;

+ Đập tràn thủy điện Tây Tân;

+ Đập tràn thủy điện Phong Mãn;

+ Đập tràn thủy điện Quách Châu;

+ Đập tràn thủy điện Tam Hiệp;

+ Đập tràn thủy điện Câu Pi Than;…

Ở nước ta, từ năm 1999 đến nay, do yêu cầu cung cấp điện, nước cho các khu công nghiệp, đô thị và dân sinh kinh tế , nhiều công trình thủy lợi, thủy điện có quy mô lớn đã được thiết kế và xây dựng Đồng thời, với sự trao đổi chuyển giao khoa học kỹ thuật qua tư vấn của các chuyên gia nước ngoài nên đã thiết kế và xây dựng một số đập tràn với mặt cắt dạng WES Trong số

đó phải kể đến:

+ Đập tràn thủy điện Sơn La;

+ Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt;

+ Đập tràn thủy điện Bình Điền;

+ Đập tràn thủy điện Ba Hạ;

+ Đập tràn thủy điện Sông Tranh II;

+ Đập tràn thủy điện Kanak;

+ Đập tràn thủy điện Sê San 3;

+ Đập tràn thủy lợi – thủy điện Nước Trong;…

1.7 Kết luận Chương 1

Đập tràn là một trong những công trình chủ yếu và quan trọng ở đầu mối thủy lợi, thủy điện, có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc an toàn và ổn định lâu dài của hồ chứa nước Do có nhiều ưu điểm về thủy lực nên đập tràn mặt cắt thực dụng dạng Creger – Ophixerov đã được ứng dụng nhiều ở Việt

Nam như đập tràn thủy điện Hòa Bình; đập tràn thủy điện Thác Bà; đập tràn

hồ chứa nước Định Bình, Phú Ninh, Phú Xuân, Thuận Ninh,…

Từ khi mặt cắt tràn dạng WES do Mỹ nghiên cứu, ứng dụng có ưu điểm hơn nên nhiều nước đã tiếp thu kết quả đó Trung Quốc đã ban hành một loạt quy phạm thiết kế và quy trình nghiên cứu thí nghiệm về đập tràn mặt cắt WES được thống nhất áp dụng toàn quốc gia và đã chuyển sang áp dụng mặt cắt tràn dạng WES cho các công trình thiết kế xây dựng mới cũng như sửa chữa cải tạo các công trình đập tràn cũ đã xây dựng trước đây

Việt Nam cũng đã tiếp thu và đang ứng dụng vào xây dựng một số công trình thủy lợi, thủy điện như: đập tràn thủy điện Sơn La; đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt; đập tràn hồ chứa nước Nước Trong,…

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC ĐẬP TRÀN 2.1 Khả năng tháo của đập tràn thực dụng

• Lưu lượng qua đập tràn mặt cắt thực dụng tính theo công thức[4]:

3 2

Q = σ εmB 2gH (2-1) Trong đó:

o

Trong đó:

α là hệ số co hẹp đứng do ảnh hưởng của độ mở, tra Bảng 2-1;

a là độ mở của một cửa van;

θ = 90°

a H

+ Đối với đập tràn không chân không Creager – Ophixerov:

Do những điều kiện trên, hệ số lưu lượng của một đập, cụ thể với một cột nước nào đó, được xác định bằng công thức:

m = mtc σHσhd (2-4) Trong đó:

mtc là hệ số lưu lượng được xác định theo đập tiêu chuẩn;

σH là hệ số sửa chữa cột nước, vì khi thiết kế mặt cắt đập dùng

HTKnhưng khi vận hành thì cột nước (H) trên đỉnh đập thay đổi;

σhd là hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng, do cấu tạo khác với đập tiêu chuẩn

+ Đối với đập loại I

Theo số liệu của Ophixerov mtc = 0,504;

Theo Pavơlốpski mtc = 0,490;

+ Đối với đập loại II mtc = 0,480;

+ Hệ số sửa chữa hình dạng σhdtra ở Bảng 2-2:

Bảng 2-2: Bảng tra trị số σhd phụ thuộc vào góc αB và αHvà tỷ số a/C B [3][4]

Chỉ dẫn Bảng 2-2: Khi αH > 600, trị số σdđược lấy với αH = 600

a là chiều cao thẳng đứng của mặt đập phía thượng lưu như Hình 1-4 + Hệ số hiệu chỉnh cột nước σH tra Bảng 2-3:

Bảng 2-3 Hệ số hiệu chỉnh cột nước σHcủa đập tràn không chân không [3][4]

(theo tài liệu của N.P Rodanov và A.X Ophixerov)

+ Đối với đập tràn có không chân không, đỉnh hình elip:

Trong trường hợp này hệ số lưu lượng m được xác định theo bảng sau:

Bảng 2-4: Hệ số lưu lượng m của đập chân không, đỉnh elip (theo Rodanop)

Trong đó:

n là số khoang đập;

b là chiều rộng mỗi khoang;

ξm.b là hệ số hình dạng mố bên, lấy các giá trị ghi ở Hình 2-2

45 °

ξm.t là hệ số hình dạng mố trụ, lấy các giá trị ghi ở Hình 2-3

+ Hệ số ngập σn của đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không [5]:

Khi hạ lưu có nước nhảy xa thì nước chảy qua đập tràn luôn luôn không ngập, σn = 1,0 Nếu hạ lưu có nước nhảy ngập thì nước chảy qua đập tràn có thể không ngập hoặc ngập, lúc đó σn phụ thuộc vào tỷ số n

o

h

H (hn - chiều sâu nước ngập, tức là khoảng cách từ mực nước hạ lưu đến đỉnh đập tràn, nếu mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh đập thì hn có trị số âm) Hình 2-4 cho các đường cong xác định σntheo thí nghiệm của Rozanov:

Đường cong I: với đập tràn mặt cắt có chân không; khi n

o

h 0,15

H ≤ − thì σn = 1,0;

Đường cong II: với đập tràn không chân không Ophixerov; khi n

o

h 0

H ≤ thìσn = 1,0; Đường cong III: đập tràn không chân không có đỉnh mở rộng hoặc tràn đỉnh rộng

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0

0,2 0,4 0,6 0,8

h H

n

1,0

n o

I

II

I II

Chỉ tiêu ngập của đập tràn có mặt cắt thực dụng giống như của đập thành mỏng:

o h

P là chiều cao đập so với đáy của lòng dẫn hạ lưu;

H là cột nước tràn, tức chiều cao mực nước thượng lưu so với đỉnh đập;

mo là hệ số lưu lượng bao hàm yếu tố cột nước lưu tốc tiến gần

Hệ số chảy ngập σn trong trường hợp này được xác định theo Bảng 2-6 Trong đó:

hn là chiều cao mực nước hạ lưu;

Ho là cột nước toàn phần;

g

v H H

2 o o

α +

2.2 Khả năng tháo của đập tràn dạng WES

• Công thức tính lưu lượng (khi cửa van mở hoàn toàn)[9][15]:

Q = CLHe3/2 (feet3/sec) (2-6) Trong đó:

Q là lưu lượng tháo qua đập tràn

C là hệ số lưu lượng, theo Rehbock thì:

C = 0,327 + 0,40H

Trong đó:

P là chiều cao đập tràn phía thượng lưu (feet);

L chiều rộng hiệu dụng của đập tràn (feet);

L’ là chiều rộng tràn nước của đập (feets);

N là số co hẹp; N = 1 có 1 co hẹp; N = 2 có 2 co hẹp; N = 0 không có co hẹp ở hai đầu đập tràn;

Theo Rouse, công thức trên đối với hệ số C vốn dùng có thể tới H = 5

Ho là là cột nước làm việc thực tế của đập tràn cú tớnh đến lưu tốc tiến gần: Ho = H + hv = H +

2 o

αV2g (feet) Khi chiều cao đập P > 1,33Hd nghĩa là đập đủ cao thỡ cú thể bỏ qua lưu tốc tiến gần (bỏ qua hv) khi đú Ho = Hd thỡ C = Cd = 4,03

Đối với đập thấp P < 1,33Hd cần phải xột ảnh hưởng của hv, hv được xỏc định theo đồ thị ở Hỡnh 2-5 hay dựng cụng thức quan hệ:

3,97 H H 2g

  = 0,898

0,12 e d

H H

0.70 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04

0.8 0.6 0.4

h/H d

C/C d trong đó C d = 4.03

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

3:1 3:2

2.2.2 Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của Trung Quốc

a Trường hợp cửa van mở hoàn toàn [1][15]

Theo quy phạm thiết kế đập trọng lực bê tông DL 5108-1999 – Tài liệu dịch Trung Việt, công thức tính năng lực xả của tràn kiểu hở:

m là hệ số lưu lượng của đập tràn thực dụng WES, tra Bảng 2-8;

B là tổng chiều rộng thực tế của ngưỡng tràn, B = ∑b;

v2g;

ξK: hệ số hình dạng của trụ bên, xác định như Hình 2-6;

ξo: hệ số hình dạng của trụ pin giữa, có liên quan đến khoảng cách nhô về mặt thượng lưu đập của trụ pin LW, xác định như Hình 2-7;

1.21d d/2

K=1.71d

d/2

θ<=45 o

d/2 d/2

ζ Κ = 1.00 ζ Κ = 0.70 ζ Κ = 0.70 ζ Κ = 0.40 mÐp vu«ng mÐp trßn mÐp v¸t d¹ng l u u tuyÕn

Hình 2- 6: Hệ số hình dạng của trụ bên

d

h H