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. Cho đến nay, các nghiên cứu về loại đập tràn này chủ yếu đi sâu về thủy lực chứ chưa chú trọng đến phần tính toán kết cấu. Tham khảo bài viết Nghiên cứu tính toán kết cấu đập tràn phím piano. Áp dụng cho công trình thủy điện Đăk Mi 2 để hiểu hơn về vấn đề này.
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN PHÍM PIANO ÁP DỤNG CHO CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐĂK MI TS Nguyễn Ngọc Thắng Đại học Thủy lợi ThS Lại Tuấn Anh CTy Cp Tư vấn Xây dựng Điện Tóm tắt: Đập tràn phím piano dạng đập tràn có tác dụng tăng lưu lượng tháo dựa nguyên tắc tăng chiều dài đường tràn Cho đến nay, nghiên cứu loại đập tràn chủ yếu sâu thủy lực chưa trọng đến phần tính tốn kết cấu Nội dung báo đề cập đến việc nghiên cứu, tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng đập tràn phím Piano, từ áp dụng tính tốn đập tràn dự án thủy điện Đăk Mi Giới thiệu tóm tắt đập tràn phím piano [1]: Đập tràn labyrinth dạng đập tràn tăng lưu lượng tháo lên nhiều so với kiểu đập tràn thực dụng Creager áp dụng sơ đồ cưa (mỏ vịt) có chiều dài đường tràn dài nhiều bề rộng đập tràn Tuy nhiên, đặc điểm hình dạng tường tràn đặt bệ móng phẳng, khơng thể áp dụng đập tràn labyrinth đỉnh mặt cắt đập bê tơng trọng lực thơng thường Vì kiểu thiết kế áp dụng để nâng cao khả tháo lũ cho số đập tràn có điều kiện thích hợp định thực tế chiếm phần ngàn đập lớn Đập tràn phím piano biến thể đập tràn labyrinth, bố trí đập trọng lực thơng thường nhóm nghiên cứu ơng F Lempérière (HydrocoopFrance) tìm vào năm 1999 Hai đặc điểm đập tràn phím piano: - Các tường có dạng chữ nhật mặt bằng, tương tự phím đàn piano (Piano Keys Weirs - P.K Weirs) - Các tường theo phương thẳng góc với dòng chảy bố trí theo mặt dốc (nghiêng) với mục đích tạo điều kiện thuận lợi phương diện thủy lực, trường hợp lưu lượng xả lớn, đồng thời lại giảm chiều rộng đáy kết cấu, vậy, bố trí tràn phím đàn đập tràn hay đập trọng lực thông thường Các đặc trưng hình học tràn phím đàn thể hình 2, 3, đó: H - chiều cao tối đa tràn phím đàn; B - chiều dài đỉnh tràn; a - chiều rộng đón nước; b - chiều rộng nước; c - chiều dài nhô công xôn thượng lưu; d - chiều dài nhô công xôn hạ lưu; W - chiều rộng đơn vị tràn; L - chiều dài tràn nước đơn vị tràn Nhóm ông F Lempérière nghiên cứu dạng tràn phím đàn: - Loại A (PKA): máng tràn (thường đối xứng) phía thượng hạ lưu - Loại B (PKB): máng tràn phía thượng lưu dài Khả tháo đập tràn piano biểu thị qua hệ số lưu lượng Cw rút từ phương trình tổng qt có cơng thức: Cw Q W 2g h / Q - lưu lượng qua tràn (m /s); h - chiều cao lớp nước tràn (m); W - chiều rộng tràn (m) Hình Đập tràn Ghrib (Algeria) 181 B c Ô đón nước a/2 b a ¤ tho¸t níc W Hình Các đặc trưng hình học đơn vị tràn phím đàn Cơng thức cho thấy hệ số lưu lượng xác định theo cặp giá trị số đo Q h Các thơng số lại phương trình số cho kiểu thiết kế Vì vậy, cần phân tích kỹ ảnh hưởng thơng số hình học tràn để lựa chọn mặt cắt thiết kế hợp lý Máng tràn làm bê tông cốt thép, mái tạo nghiêng với độ dốc (2:1) ÷ (3:2) Tuyến ngưỡng tràn dạng cưa chữ nhật Tỷ số N=L/W nằm khoảng 4÷6 Khi dùng PKA, đón nước có bề rộng lớn nước khoảng 20% Đồ thị hình cho thấy tỷ lưu Q (lưu lượng 1m bề rộng khoang tràn) dùng PKA tăng gấp lần so với đập tràn kiểu Creager Do đặc điểm cấu tạo, khả tháo tràn Hình Mặt phân đoạn tràn phím đàn phím đàn chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số chiều dài, độ sâu, chiều rộng hình dáng phím đặc biệt phụ thuộc vào tỷ số N tổng chiều dài tường tràn chia chiều rộng tràn diện Bên cạnh có ảnh hưởng tác động va đập dòng nước chảy qua tràn; hình dạng ngưỡng cũng làm cho phân bố lưu tốc lưu lượng đơn vị ngưỡng tràn không đồng Trong trường hợp xây mới, tràn phím đàn giảm ba lần chiều dài tràn giảm hai lần chiều cao cột nước tràn so với tràn mặt cắt Creager Loại tràn áp dụng tràn mặt chảy tự xây dựng để tăng độ an tồn tăng dung tích chứa với chi phí xõy dng thp Ô đón nước A e=8/11H Ô đón níc A B e=0.6H e B a=3H H b=1.5H b=2H W=2.2e=1.6H A B A W=2e=1.2H B Ô thoát nước b=2H b=2H Hình Mặt bằng, cắt ngang tràn PKA (L=W+8H; N=L/W=6) 182 A-A B-B a=3H a=3H H b=1.5H H 0.5H H 0.5H 0.5H H 0.25H 1.25H a=4H 0.75H B-B a=4H H A-A Ô thoát nước 1.5H b=1.5H b=1.5H Hỡnh Mặt bằng, cắt ngang tràn PKB (L=W+6H; N=L/W=6) b=1.5H a=4H H 1.2e Hình Đồ thị so sánh khả xả đập tràn kiểu Creager kiểu PKA với H=4m [3] Tràn phím đàn dùng làm tràn khẩn cấp kết hợp với tràn có với tràn có cửa xây thơng qua sử dụng phần dung tích mực nước dâng bình thường (MNDBT) để xả phần lũ đặc biệt lớn Ví dụ, với chiều cao MNDBT 4m xả thêm 40 đến 50 m3/s/m Phân tích kết cấu đập tràn phím piano thuộc dự án thủy điện Đăk Mi [1,2] Dự án thủy điện Đăk Mi bậc thang thứ sông Đăk Mi, bên bờ phải thuộc địa bàn xã Phước Lộc bờ trái thuộc xã Phước Công huyện Phước Sơn tỉnh Quảng Nam Cơng trình bố trí đoạn tuyến sông Đăk Mi dài khoảng 12km Cấp thiết kế chung cơng trình cấp II Tuyến đập đầu mối cơng trình thủy điện Đăk Mi bao gồm đập dâng kết hợp đập tràn Đập dâng thiết kế đập bê tông trọng lực, chiều cao lớn 38m Trên đỉnh đập dâng đập tràn, lòng sơng hai khoang tràn có cửa van bên phải tràn phím đàn piano Hai bên tràn có cửa van tràn tự có ngưỡng dạng phím đàn piano, chiều rộng tràn bên 36m Mặt cắt tràn piano thiết kế tràn loại PKB có hai bậc tiêu ô nối tiếp với bậc tiêu mái hạ lưu đập Tràn piano có kích thước sau: tỷ lệ chiều dài tường tràn chiều dài diện tràn N/W = 5, ô vào rộng 5m, ô rộng 4m, chiều dài tràn 18m, có 9m chìa phía hồ chứa (phần chìa phía thượng lưu kể từ mặt thượng lưu đập) Khả xả tràn piano xác định qua mô hình thủy lực Lưu lượng xả lớn qua tràn piano ứng với mực nước lũ kiểm tra (635,19m) khoảng 3430m3/s Phía bên phải tràn Ơphixêrốp tràn piano đặt đỉnh đập bê tông trọng lực, mặt hạ lưu đập BTTL có dạng bậc thang, bậc cao 3m, rộng 3m, phần hạ lưu gia cố bê tơng cốt thép dày 0,5m Phía bên trái tràn Ôphixêrốp tràn Piano đặt đá gốc cao trình 619,0m Một vấn đề đáng ý phân tích kết cấu đập tràn phím piano dự án Đăk Mi xác định khoảng cách đua phía thượng lưu theo phương nằm ngang công xôn thượng lưu chiều cao Các kích thước cơng xơn thượng lưu phải đảm bảo điều kiện bền ổn định tổng thể cơng trình, đồng thời khơng ảnh hưởng đến chế độ làm việc thủy lực cơng tác thi cơng đập tràn Đập tràn tính toán với tổ hợp tải trọng bản: - MNTL=MNLTK= 633,46m; MNHL=611,12m - Khơng có động đất - Các thiết bị chống thấm làm việc tốt (Áp lực thấm sau màng chống thấm = 0,4Htt, sau thiết bị tiêu nước = 0,15Htt) - Cao trình bùn cát 602,00m, tiêu lý bùn cát sau: γ=1,3T/m2; C=20T/m2; tgφ=0,75 Sơ đồ lực tác dụng thể theo hình 7, đó: G: Trọng lượng thân, PHL2: Áp lực nước hạ lưu thẳng đứng PTL1: Áp lực nước thượng lưu nằm ngang, Png: Áp lực nước đẩy ngược PTL2: Áp lực nước thượng lưu xiên, Ps: Áp lực sóng, Pbc: Áp lực bùn cát PHL1: Áp lực nước hạ lưu nằm ngang, Ptđ: Áp lực nước thủy động mặt tràn Kết cấu đập tràn tính tốn với mơ hình khơng gian phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến làm việc đồng thời đập Phần mềm sử dụng tính tốn chương trình ANSYS phiên 10.0 Mơ hình tính tốn hình 8, sử dụng phần tử lục 183 diện bậc cao 20 điểm nút Trạng thái ứng suất – biến dạng đập tràn tính tốn với phương án có chiều cao console thượng khác nhau: H=6m, H=6,75m H=7,5m Do khn khổ báo có hạn, đưa kết tính tốn trường hợp chiều cao console thượng H = 6,75m (hình 9,10,11,12) Q - lưu lượng qua tràn (m3/s); h chiều cao lớp nước tràn (m); W - chiều rộng tràn (m) 3.46 MNLTK = 633.46 H 630.00 625.00 PTL2 PS Ptd A 23.00 MNHL = 611.12 PTL1 P HL2 G P HL1 602.0 599.5 PBC 2.30 2.70 23.13 P ng Hình Mơ hình tính tốn Hình Sơ đồ tải trọng tác dụng Hình 9: Chuyển vị ux (m) Hình 11: Ứng suất σx (T/m2) Kết tính tốn cho ta thấy, ba trường hợp tính tốn, đập tràn thỏa mãn điều kiện bền điều kiện ổn định chống trượt, lật Ứng với bề rộng khoang tràn không thay đổi thay đổi chiều cao console 184 Hình 10: Chuyển vị uy (m) Hình 12: Ứng suất σy (T/m2) thượng lưu H ứng suất biến dạng đập tràn piano thay đổi đặc biệt vị trí phía ngàm console thượng lưu (điểm A), giá trị chuyển vị ứng suất vị trí A sau: Chiều cao console thượng lưu H (m) 6,0 6,75 7,5 Chuyển vị (m) ux uy 0,00142 0,73.10-4 0,00133 -0,32.10-4 0,00125 - 0,114.10-4 Khi chiều cao H thay đổi dẫn tới hình dạng mặt cắt thay đổi Nếu chọn giá trị H nhỏ tiết kiệm bê tông làm tràn ứng suất phần console thượng tăng lên dẫn đến phải tăng diện tích cốt thép phần Hơn nữa, giá trị H nhỏ khó khăn thi công phần console thượng Để đảm bảo cho kết cấu đủ khả chịu lực có vật trơi va chạm vào dễ dàng việc thi cơng, chọn hình dạng mặt cắt đón nước tràn piano giai đoạn thiết kế kỹ thuật nên chọn chiều cao console thượng với chiều cao tường tràn H Trong giai đoạn thiết kế vẽ thi cơng cần xem xét có nên hay không bọc thép phần đầu console thượng để tránh trường hợp bê tơng bị vỡ có vật trôi lớn va chạm với tràn thời gian làm việc lâu dài Kết luận kiến nghị Đập tràn phím piano dạng đập tràn có tác dụng tăng lưu lượng tháo dựa nguyên Ứng suất (T/m2) σx σy 58,40 163,55 23,36 94,35 11,25 74,23 tắc tăng chiều dài đường tràn Những đập tràn loại áp dụng Việt Nam nên chưa có tiêu chuẩn tính tốn cho chúng Cho đến nay, nghiên cứu loại đập tràn chủ yếu sâu mặt thủy lực chưa trọng đến phần tính tốn kết cấu Ở đây, nội dung báo đề cập đến trạng thái ứng suất - biến dạng đập tràn phím piano trường hợp tải trọng, chưa xét đến tải trọng động đất, thi công chưa xét đến trạng thái ứng suất biến dạng đập tràn piano trường hợp khoang tràn thay đổi Ngồi khn khổ báo phân tích chiều dày console thượng lưu mà chưa có kết luận console hạ lưu Để tìm kết cấu hợp lý cho đập tràn phím piano cần phải kết hợp nghiên cứu thủy lực kết cấu sở thí nghiệm mơ hình, tính tốn nhiều trường hợp tải trọng khác Những nghiên cứu chi tiết theo hướng tương lai giúp cho việc phổ biến đập tràn phím piano Việt Nam Tài liệu tham khảo: Lại Tuấn Anh 2011 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Tính tốn tối ưu hóa kết cấu đập tràn phím Piano-Áp dụng cho cơng trình thủy điện Đăk Mi 2” Đại học Thủy lợi Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện - PECC2 (2009), Hồ sơ TKKT Cơng trình Thủy Điện Đăk Mi Lempérière, F., Ouamane, A 2003 The piano keys weir: a new cost-effective solution for spillways The international journal on Hydropower and Dams volume 10, issue Abstract: STRUCTURAL ANALYSIS OF THE PIANO KEYS WEIR APPLYING TO HYDROPOWER PROJECT DAK MI Piano keys weir is an effective form of increasing water flow based on the principle of rising the overflow length So far, studies of this type of weir mainly focuse on hydraulics, not on the structural analysis The contents of this paper refers to the study and stressedly-deformed analysis of the Piano keys weir applying to such weir of the hydropower project Dak Mi 185 ... phím Piano -Áp dụng cho cơng trình thủy điện Đăk Mi 2 Đại học Thủy lợi Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện - PECC2 (20 09), Hồ sơ TKKT Cơng trình Thủy Điện Đăk Mi Lempérière, F., Ouamane, A 20 03 The... tràn Những đập tràn loại áp dụng Việt Nam nên chưa có tiêu chuẩn tính tốn cho chúng Cho đến nay, nghiên cứu loại đập tràn chủ yếu sâu mặt thủy lực chưa trọng đến phần tính toán kết cấu Ở đây,... đoạn tuyến sông Đăk Mi dài khoảng 12km Cấp thiết kế chung cơng trình cấp II Tuyến đập đầu mối cơng trình thủy điện Đăk Mi bao gồm đập dâng kết hợp đập tràn Đập dâng thiết kế đập bê tông trọng