195 B - bùn cát Chương 2.1 Đặc tính bồi lắng hồ chứa v n bùn cát hồ chứa co ld Bồi lắng hồ chứa chủ yếu có vấn đề: hình thái bồi lắng, phân bố bồi lắng số lượng Các nhân tố ảnh hưởng đến bồi lắng hồ chứa chủ yếu có: địa hình vùng hồ bao gồm địa hình hồ địa hình lòng sông; tổ hợp lượng nước đến, lượng bùn cát thành phần hạt; phương thức vận hành hồ chứa; dung tích hồ chứa quy mô xả lớn nhỏ, có hay nhập lưu 2.1.1 Hình thái bồi lắng h-ớng dọc Từ tài liệu thực đo có bồi lắng hồ chứa cho thấy hình thái bồi lắng hướng dọc đại thể phân làm loại: tam giác châu, thể nhọn hình dạng giải Có số hình thái bồi lắng hồ chứa trung gian loại hình thái thể loại Điều có quan hệ mật thiết với phương thức sử dụng hồ chứa w v n Bồi lắng tam giác châu Dạng phần lớn xuất hồ chứa dòng sông bùn cát, chủ yếu bùn cát di đẩy bồi lắng hình thành Thực tế dòng sông có nhiều bùn cát có hình thái bồi lắng tam giác châu Căn đặc điểm ngoại hình mặt cắt dọc bùn cát bồi lắng thay đổi dọc đường hạt bùn cát lòng sông tam giác châu lại phân thành phần: đoạn đuôi, đoạn mái đỉnh (mặt trên), đoạn mái trước (mặt trước), có đoạn bồi lắng dòng chảy dị trọng đoạn bồi lắng trước đập (xem hình 2-1) w w a Đặc điểm chủ yếu đoạn đuôi: Dòng chảy bùn cát trạng thái bo hòa, hạt thô bùn cát nhập vào hồ lắng xuống, thể cách rõ ràng tác dụng lựa chọn dòng chảy bùn cát, vật bồi lắng chủ yếu tương đối thô chất di đẩy chất lơ lửng Do kết bồi lắng làm cho mực nước vật dâng cao tương ứng, đường nước dềnh hướng ngược lên thượng lưu mà kéo dài, ảnh hưởng đến phần đuôi b Đặc điểm chủ yếu đoạn mái đỉnh: Dòng chảy chứa cát đ tiếp cận trạng thái bo hòa đồng thời đường nước dềnh đoạn đuôi không ngừng biến động, làm cho phần bùn cát tương đối thô bồi lắng đoạn Sự biến đổi bùn cát đáy sông dọc theo sông không lớn, tạo nên mái dốc thoải, dòng chảy tiếp cận dòng chảy hình thái mặt cắt tam giác châu có quan hệ với dòng sông định 196 v n sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập co ld Hình 2-1 Sơ đồ phân bố bồi lắng hướng dọc w w v n c Đặc điểm chủ yếu đoạn mái trước: Độ sâu nước tăng đột ngột, lưu tốc giảm đột ngột, dòng chảy bùn cát lại bo hòa nên phần lớn chúng bồi lắng đây, bùn cát lơ lửng tổ thành vật bồi lắng lại dọc đường thay đổi lớn Kết việc bồi lắng làm cho tam giác châu không ngừng chảy xuống hạ lưu d Đặc điểm chủ yếu đoạn bồi lắng dòng chảy dị trọng: sau dòng chảy dị trọng xâm nhập vào hồ chứa, phần bùn cát dòng chảy chưa thể đến trước đập nên phát sinh tượng chậm lại mà tạo nên bồi lắng Nói chung, bùn cát bồi lắng có khoảng 80% có đường kính hạt nhỏ 0,02 mm nên phân bố bồi lắng tương đối đồng e Đặc điểm chủ yếu đoạn bồi lắng trước đập: Sự bồi lắng bùn cát dòng chảy dị trọng (nước đục) tháo hồ chứa mà tập kết lại, bồi lắng dòng nước tĩnh, hạt có kích thước phân bố cực Phân tích tài liệu thực đo cho thấy bùn cát bồi lắng tam giác châu chiếm khoảng 60% tổng lượng cát nhập vào hồ bồi lắng đoạn dòng chảy dị trọng chiếm khoảng 10%, 30% lại bồi lắng trước đập tháo xuống hạ lưu w Bồi lắng thể nhọn Loại thường xuất hồ chứa loại nhỏ dòng sông nhiều cát Đặc điểm chủ yếu chúng là: tượng bồi lắng phát triển nhanh đến trước đập, bồi lắng nhiều, hình thành bồi lắng thể nhọn, (hình 2-2) Nguyên nhân chủ yếu đoạn nước dâng ngắn, độ dốc đáy lớn, đập không cao, hàm lượng cát đến hồ lớn v.v dòng chảy dị trọng bồi lắng Với hồ chứa loại vừa lớn sông nhiều cát, điều kiện định xuất hình thái bồi lắng thể nhọn Hồ loại bồi vùng khe núi sâu, mực nước hồ tương đối thấp lưu tốc khu hồ tương đối lớn, phần lớn bùn cát bị dẫn đến trước đập mà bồi lắng, hồ chứa nước sông có lượng bùn cát nhỏ xuất hình thái bồi lắng thể nhọn 197 B - bùn cát Ghi hình: Lòng sông cũ Bồi lắng lòng sông Bồi lắng mặt bi v n Tài liệu đo bồi lắng tháng VIII-1972 co ld Hình 2-2 Mặt cắt dọc bồi lắng hồ chứa Hắc Tùng Lâm - Túc Tây w v n Bồi lắng dạng giải Loại thường xuất hồ chứa hình lòng sông, cát, vận hành hồ bình thường mực nước thay đổi tương đối lớn, có tính chu kỳ Từ trước đập đến đầu mút nước vật hình thành bồi lắng dạng giải, (hình 2-3) w Hình 2-3 Mặt cắt dọc bồi lắng hồ chứa đầy nước w Hiện tượng bồi lắng kéo dài lên thượng nguồn hồ chứa Nguyên nhân mực nước hồ hạ thấp, phù sa bồi lắng bị xói đi, từ từ kéo lên thượng lưu Hoặc, mực nước hồ hạ thấp, sau ảnh hưởng nước dềnh không bồi lắng bùn cát tiếp tục hướng lên thượng lưu mà phát triển, làm cho phạm vi bồi lắng từ đoạn cuối nước dềnh trở lên ngày kéo dài, có tượng vểnh đuôi Ví dụ tượng bồi lắng đoạn sông Hoài (Trung Quốc) thuộc hồ chứa Tam Môn Hiệp đ kéo ngược lên xa tạo nên tượng lầy thụt hóa kiềm mặn hóa bên bờ sông Hoài đ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp Vì lòng sông bồi lên cao nên ảnh hưởng đến phòng chống lũ sông 198 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập co ld v n 2.1.2 Hình thái mặt cắt ngang bồi lắng hồ chứa Hiện tượng bồi lắng bùn cát lòng sông nhiều phù sa cho thấy mặt cắt ngang song song nâng lên làm cho chênh lệch độ cao lòng bi khu hồ giảm nhỏ Khi mực nước hồ hạ xuống với phương thức vận hành tháo lòng hồ lại xuất giải máng sâu Vì phát triển thay đổi mặt cắt ngang nói chung tồn quy luật bi chết mà lòng máng sống, nghĩa bi bồi mà không xói bồi cao; lòng máng có bồi có xói Có lúc xuất hiện tượng máng bị chuyển động mà tạo sạt lở đất bi song đem đất bi mà xói đến đáy Bồi lắng hồ chứa dòng sông phù sa có hình thái mặt cắt ngang là: Trên mặt cắt ngang đoạn nước tĩnh khu nước dềnh hàng năm, nói chung chiều rộng bồi lắng lớn, độ dày mỏng Về dọc theo chu vi ướt đáy hồ bồi lắng đều, trường hợp sản sinh bồi lắng dòng dị trọng xuất bồi lắng trước hồ đoạn nước dềnh hàng năm, bồi lắng lấy máng làm chủ, hai bờ đất bi bồi lắng tương đối đoạn hồ cong có tác dụng hoàn lưu, bồi lắng tập trung bờ cong lồi Bờ cong lõm nói chung bồi số lượng nhiều Hình thái mặt cắt ngang bồi lắng hồ chứa phức tạp, điều nêu đại biểu cho trường hợp thường gặp w w v n 2.1.3 Phân bố đ-ờng kính hạt bùn cát bồi lắng Sự phân bố dọc đường đường kính hạt bùn cát bồi lắng khu hồ nói chung giảm dần từ xuống Căn vào đặc điểm chuyển động bùn cát dòng chảy đoạn nước dềnh biến động, tuyệt đại phân bùn cát bồi lắng thuộc phận hạt thô chất di đẩy chất lơ lửng, đoạn nước chảy khu nước dềnh hàng năm chủ yếu bùn cát tương đối nhỏ chất lơ lửng, đoạn nước tĩnh toàn bùn cát cực nhỏ chất chảy xiết Loại tượng có tính quy luật tác dụng phân truyền dòng chảy tạo thành Sự phân bố đường kính hạt bùn cát bồi lắng có liên quan đến phương thức vận hành hồ chứa Chẳng hạn vận hành trữ nước, bùn cát bồi lắng hướng dọc đoạn đuôi tam giác châu đoạn mái trước bị hai lần lựa chọn Khi vận hành chậm lũ, bùn cát bồi lắng dọc đường thay đổi chậm Khi vận hành tích tháo đục vào loại 2.2 Đặc tính xả cát xói lở hồ chứa w 2.2.1 Dâng n-ớc xả cát (hoặc gọi chậm lũ xả cát) Thông thường hồ chứa xả cát thời gian chậm lũ, lực xả nước tương đối nhỏ, thường kịp thời xả lũ cách suôn sẻ, có lúc để giảm bớt nước lũ cho vùng hạ lưu, thường giữ lại phần nước lũ hồ làm cho mực nước hồ dâng cao, loại phương thức xả cát gọi dâng nước xả cát Các nhân tố ảnh hưởng đến việc dâng nước xả cát thời gian đọng lại bùn cát đoạn nước dâng dài bồi lắng nhiều, tỷ số tiêu thoát cát (lượng cát xả khỏi hồ / lượng cát nhập vào hồ) nhỏ Tính toán thời gian lưu lại đoạn nước dâng lấy dung tích hồ (V), mực nước hồ chia cho lưu lượng xả khỏi 199 B - bùn cát v n hồ QC để biểu thị Ngoài tỷ lệ xả cát có quan hệ định với tỷ số lưu lượng vào khỏi hồ QC/Q1 Tỷ số dâng nước xả cát nói chung nhỏ 100% hệ số cát đến S/Q khác (xem công thức 2-3) phức tạp nên hồ chứa Tam Môn Hiệp có đặc điểm đến nhiều tháo nhiều, đến tháo Thực tế việc tính toán dâng nước xả cát vào giai đoạn có tính kinh nghiệm Tài liệu thực đo hồ chứa thường thực dụng hồ nghiên cứu, hộ khác để làm tham khảo Trường Đại học Thanh Hoa Phòng Khoa học Thiểm Tây đ phân tích tài liệu thực đo hồ chứa Trung Quốc đ vẽ đường quan hệ tỷ số xả cát hS tham số bồi lắng hồ VQ1 / Q 2C hình 2-4a, công thức kinh nghiệm là: ữ ữ ứ (2-1) w v n co ld ổ Q2 1 K ổ Q2 hS = f ỗ C , , ữ = ỗ C ỗ VQ w B ữ Bw ỗ VQ ố ứ ố w Hình 2-4a Quan hệ kinh nghiệm tỷ số dâng nước xả cát w Trong hình vẽ có đường cong, điều kiện ứng dụng là: Đường I - Cát đến hồ nhỏ mịn nồng độ cao, độ dốc địa hình khu hồ tương đối dốc mặt cắt tương đối sâu hẹp, tương đối thực dụng với hồ chứa loại vừa nhỏ dòng sông nhiều cát; Đường II - Hồ chứa loại lớn, bùn cát hồ có d50 < 0,04 mm có tính phổ biến (Tam Môn Hiệp); Đường III - Với hồ chứa loại lớn, cát đến thô (hồ chứa Đan Giang Khẩu) Từ hình (2-4a) tra VQ1 / Q2C ằ 10 tỷ số xả cát tiếp cận 100% Ghi chú: Trên giới dùng phương pháp kinh nghiệm để tính toán tỷ số xả cát Chẳng hạn, hình 2-4b có đường cong kinh nghiệm, tỷ số xả cát tiêu cát bồi lắng hồ chứa nước thuộc lưu vực Tianneis (Mỹ) Trong hình 2-4b, trục ngang 200 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập tiêu bùn cát bồi lắng hồ, lấy tỷ số thời gian chậm lũ lưu tốc bình quân để biểu thị Thời gian chậm lũ lấy dung tích hồ mực nước hồ bình quân chia cho lưu lượng bình quân ngày hồ, nghĩa V/Q; lưu tốc bình quân lấy lưu lượng bình quân ngày chảy vào hồ chia cho diện tích mặt cắt bình quân (diện tích lấy dung tích hồ chia cho chiều dài nước vật L hồ đạt mực nước bình quân) tiêu cát bồi lắng hồ viết thành V / Q12 L dung tích hồ tính m3, chiều dài co ld v n nước dềnh (m), lưu lượng nước bình quân ngày nhiều năm (m3/s) Trung Quốc quan hệ kinh nghiệm đ kiểm tra sử dụng thực tế sản xuất Chỉ tiêu cát bồi hồ chứa V2 Q12 L v n Hình 2-4b Đường quan hệ kinh nghiệm tỷ số xả cát bình quân nhiều năm hồ chứa nước w 2.2.2 Xả cát tháo rỗng (lộ thoáng) Trong trình hồ chứa xả rỗng, đuôi nước dềnh dịch trước đập, bùn cát đ bồi lắng trước nước dềnh dịch xuống mà bị xói Loại phương thức xả cát gọi xả cát tháo rỗng với loại xói lở dọc đường xói lở ngược dòng w w Xói lở dọc đường Đây thay đổi điều kiện nước đến cát đến, khiến hình thái lòng sông cũ tổ thành không thích ứng nhau, phát sinh xói lở bồi lắng dọc đường Mức độ thay đổi chịu khống chế điều kiện tự nhiên, cường độ xói lở dọc đường thấp xói lở ngược dòng, song thời gian xói lở tương đối dài Bùn cát bồi lắng đoạn gần đập dọn nhờ xói lở ngược dòng, bùn cát bồi lắng đoạn cuối nước dềnh dọn nhờ xói lở dọc đường Số lượng vị trí xói lở dọc đường định sức tải cát dòng chảy chiều dài khôi phục dọc đường hàm lượng cát tính theo công thức kinh nghiệm sau: a Học viện Thủy lợi điện lực Vũ Hán Theo số liệu thực đo hồ chứa Thanh Đồng Hiệp (1967 - 1975): - Khi vận hành trữ nước: 201 B - bùn cát QSC = 255000 ( Q1 J ) 1,65 ổ S1 10 ữ ỗ ố Q1 ứ 0,61 (2-2a) - Khi xả đục chứa trong: QSC = 55000 ( Q1 J ) 1,6 ổ S1 10 ữ ỗ ố Q1 ứ 0,64 (2-2b) đó: v n QSC - lưu lượng chuyển cát xói dọc đường khỏi hồ bình quân thời khoảng (kg/s); Q1 - lưu lượng chảy vào hồ bình quân thời khoảng (m3/s); S1 - hàm lượng cát chảy vào hồ bình quân thời khoảng (kg/m3); J - độ dốc mặt nước khu hồ bình quân thời khoảng (tỷ số); QSC = CQ12 J đó: co ld b Cục Công trình II Bộ Thủy điện Trung Quốc Theo số liệu thực đo hồ chứa Tam Môn Hiệp: ổ S1 + Kữ ỗ ố Q1 ứ n (2-3) v n QSC - ý nghĩa giống đơn vị tấn/giây; C = 1,055 x 105; K = 0,02; n = 1,75 Các ký hiệu khác, ý nghĩa giống w w w Xói lở ngược dòng Hiện tượng xảy hồ chứa tháo kiệt, sau mực nước trước đập giảm mạnh, cửa xả, lòng sông khu hồ phát sinh xói lở mạnh từ lên gọi xói lở ngược dòng Lúc đầu, vận tốc xói tương đối nhanh, xói thành máng tương đối dốc đ phát triển đến chiều dài định chậm lại, đồng thời bi cát bên máng không lở vào máng Hiệu loại xả cát tương đối tốt Các công thức kinh nghiệm xói lở ngược dòng Trung Quốc có dạng sau: a Khoa Thủy lợi trường Đại học Thanh Hoa Theo số liệu 10 hồ chứa lớn, vừa, nhỏ tài liệu xói lở dọc đường hạ lưu sông Hoàng, sông Vị: QSC = K Q C6 J B 0,6 đó: B - chiều rộng bình quân khu hồ (m); (2-4a) 202 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập J - độ dốc; QC - lưu lượng khỏi hồ bình quân thời khoảng (m3/s); K - hệ số cường độ chống xói lòng sông b Cục công trình II Bộ Thủy điện Theo số liệu thực đo hồ chứa Tam Môn Hiệp: QSC = 250Q2C J QSC - đơn vị tấn/giây; (2-4b) co ld đó: v n Khi K = 650 đặc trưng tính chống xói lòng sông tương đối yếu vật chất bồi lắng cát nhỏ; K = 300, đặc trưng tính chống xói bậc trung; K = 180 đặc trưng tính chống xói mạnh hạt thô tinh dính đất mạnh Các kí hiệu khác ý nghĩa giống w w w v n 2.2.3 Xả cát dòng chảy dị trọng Dòng chảy lũ sẵn có điều kiện sản sinh dòng chảy dị trọng, sau vào hồ theo hình thức dòng chảy dị trọng lặn xuống đáy hồ hướng phía trước đập mà di đẩy kịp thời mở cống xả xuống mang theo phận bùn cát xả Ưu điểm loại xả cát lượng nước xung rửa ít, không ảnh hưởng đến việc trữ nước hồ, lực chuyển cát dòng chảy dị trọng lớn, hiệu xả cát tốt Vì hồ chứa nước loại lớn thường lợi dụng dòng chảy dị trọng để xả cát Xả cát với dòng chảy dị trọng lúc đầu hàm lượng cát xả lớn nhất, hiệu suất xả cát cao, sau đỉnh lũ đ hạ thấp, hàm lượng cát hiệu suất xả cát theo mà giảm dần Do tổn thất qua lực cản dòng chảy dị trọng tương đối lớn nên có hồ chứa loại vừa nhỏ vùng núi dòng sông có nhiều cát, độ dốc lớn cho hiệu xả cát theo kiểu tương đối lớn Phương pháp tính toán xả cát qua dòng dị trọng có loại, lợi dụng tài liệu thực đo xây dựng công thức kinh nghiệm tỷ lệ xả cát, hai là, vận dụng quy luật vận động dòng chảy dị trọng mà tiến hành phân tích tính toán Chẳng hạn, công thức kinh nghiệm tỷ lệ xả cát bình quân dòng dị trọng hS, đại học Thanh Hoa Sở Khoa học Thủy Lợi Thiểm Tây xây dựng sở số liệu hồ chứa khu vực: hS = 6, 4J 0,46 đó: J0 - độ dốc lòng sông cũ (o/oo); hS - tỷ số tổng lượng cát khỏi hồ chảy vào hồ (2-5) ... xuất hình thái b i lắng thể nhọn 197 B - b n cát Ghi hình: Lòng sông cũ B i lắng lòng sông B i lắng mặt bi v n Tài liệu đo b i lắng tháng VIII-1972 co ld Hình 2-2 Mặt cắt dọc b i lắng hồ chứa... hồ chứa phức tạp, điều nêu đại biểu cho trường hợp thường gặp w w v n 2.1.3 Phân b - ng kính hạt b n cát b i lắng Sự phân b dọc đường đường kính hạt b n cát b i lắng khu hồ nói chung giảm... K Q C6 J B 0,6 đó: B - chiều rộng b nh quân khu hồ (m); ( 2-4 a) 202 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập J - độ dốc; QC - lưu lượng khỏi hồ b nh quân thời khoảng (m3/s); K - hệ số cường