Một số kiến nghị lựa chọn kết cấu tiêu năng đáy đối với tràn xả lũ các công trình thủy lợi và thủy điện

Bài viết nêu kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá số liệu thí nghiệm mô hình thủy lực một số công trình thuỷ lợi, thuỷ điện do Viện Năng lượng và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thực hiện. Từ đặc điểm bố trí công trình thủy công, số liệu thí nghiệm mô hình thủy lực, các đại lượng về vận tốc, áp suất, sóng hạ lưu... nhóm nghiên cứu đã rút ra một số kết luận, kiến nghị của đề tài, là cơ sở khoa học và thực tiễn đối với bài toán thiết kế công trình tiêu năng đáy sau tràn xả lũ.

MỘT SỐ KIẾN NGHỊ LỰA CHỌN KẾT CẤU TIÊU NĂNG ĐÁY ĐỐI VỚI TRÀN XẢ LŨ CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỢI VÀ THỦY ĐIỆN (Trích dẫn từ kết nghiên cứu đề tài cấp Bộ năm 2011: Nghiên cứu, lựa chọn hợp lý kết cấu tiêu đáy tràn xả lũ cơng trình thủy lợi thủy điện) ThS Trần Vũ KS Nguyễn Huy Thắng Viện Năng lượng Tóm tắt: Bài viết nêu kết nghiên cứu, phân tích, đánh giá số liệu thí nghiệm mơ hình thủy lực số cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện Viện Năng lượng Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thực Từ đặc điểm bố trí cơng trình thủy cơng, số liệu thí nghiệm mơ hình thủy lực, đại lượng vận tốc, áp suất, sóng hạ lưu nhóm nghiên cứu rút số kết luận, kiến nghị đề tài, sở khoa học thực tiễn tốn thiết kế cơng trình tiêu đáy sau tràn xả lũ I MỞ ĐẦU: Một hạng mục quan trọng đầu mối cơng trình thuỷ lợi, thủy điện cơng trình tháo lũ Dòng chảy qua cơng trình tháo lũ thường dòng chảy xiết có lưu tốc cao, lượng dư thừa lớn Khi chảy xuống hạ lưu, gây xói lở lòng dẫn không gia cố đầy đủ dẫn đến làm ổn định cơng trình Có nhiều giải pháp tiêu để đảm bảo an tồn cho cơng trình đầu mối hạn chế xói lở hạ lưu cơng trình: - Tiêu đáy: dùng bể, hay bể tường kết hợp - Tiêu mặt: dòng chảy hình thức tiêu dòng mặt - Tiêu dòng phun: lợi dụng mũi phun chân đập cuối dốc nước để dòng chảy với vận tốc lớn phóng xa xuống lòng sơng hạ lưu để hình thành hố xói cách xa chân cơng trình, khơng ảnh hưởng tới an tồn hồ chứa Ở nước ta nay, cơng trình thuỷ lợi thủy điện phát triển mạnh, nhiều cơng trình có cột nước khơng cao lưu lượng qua cơng trình tháo lũ lại lớn, địa chất hạ lưu đá yếu Các cơng trình có hình thức tiêu đáy sau tràn sử dụng rộng rãi phổ biến Theo thống kê: cơng trình tiêu nối tiếp dốc nước thường có chiều cao đập từ 30 ÷ 50m Những cơng trình có chiều cao đập Hđ ≤ 30m thường khơng có dốc nước Lý thuyết tính tốn, thiết kế cơng trình tiêu đầy đủ, nhiên áp dụng điều kiện toán phẳng Đặc điểm cơng trình xả lũ nối tiếp tiêu đáy thường phức tạp liên quan đến nhiều công trình phụ trợ Do đòi hỏi cần có thêm thí nghiệm mơ hình để tìm kết cấu tiêu hợp lý cơng trình quan trọng có đặc điểm bố trí cơng trình phức tạp II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu dựa số liệu thí nghiệm mơ hình cơng trình thuỷ lợi gồm: hồ chứa nước Tả Trạch (Thừa Thiên Huế), hồ chứa Nước Trong (Quảng Ngãi), hồ chứa Ngàn Trươi (Hà Tĩnh) cơng trình thuỷ điện: Sơng Tranh (Quảng Nam), Sông Bung (Quảng Nam), A lưới (Thừa Thiên Huế), Khe Bố (Nghệ An) II.1 Kết thí nghiệm phương án thiết kế Thơng số thiết kế ban đầu bể tiêu cơng trình xem bảng Bảng Thông số thiết kế ban đầu bể tiêu cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện Sơng Sông Tranh Bung m 34,0 Chiều rộng bể m Chiều dài bể TT Thông số Đơn vị Cao độ đáy bể Nước Tả Trong Trạch A lưới Khe Bố 26,5 507,0 32,0 63,5 111,0 99,0 58,0 99,5 76,5 58÷70 m 81,99 73,0 20,0 63,1 77,0 90,0 m - - - - 7,0 6,8 Có Có hàng hàng mố tiêu mố tiêu năng Có sân Tường sau thứ tiêu dài 26,6m bể -9,1 ÷ 7,98 Chiều cao tường tiêu Thiết bị tiêu Có/ phụ Khơng Không Không Không Ghi Không Qua số liệu đo vận tốc thiết lập phương trình lượng cho mặt cắt trước sau bể tiêu năng, lượng tiêu hao qua bể tiêu cơng trình theo thiết kế ban đầu xem bảng Bảng Hiệu tiêu (%) bể tiêu cơng trình theo thiết kế ban đầu Khe Bố Nước Trong Tả Trạch Sông Tranh Sông Bung A Lưới QTN Q1 41,62 33,83 37,16 34,10 58,69 57,71 Q2 39,28 36,04 44,37 37,44 56,38 58,77 Q3 40,35 37,17 45,87 40,63 54,55 62,50 Q4 41,53 46,19 39,19 55,70 Q5 50,94 40,87 49,66 46,72 Nhận xét kết thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu cơng trình: Số liệu đo thí nghiệm tương đối phù hợp với số liệu thiết kế bể tiêu theo tính tốn lý thuyết Với bể tiêu khơng có thiết bị tiêu phụ khả tiêu hao lượng khoảng từ 30% đến 40% lượng dư thừa Với bể tiêu có thêm thiết bị tiêu phụ lượng tiêu hao lên đến 60% Do điều kiện làm việc cơng trình thuỷ lợi, thủy điện phức tạp: phía sau hạ lưu tràn xả lũ thường có cầu giao thơng, kênh xả nhà máy nên cần nghiên cứu, thiết kế bể tiêu hợp lý nhằm đảm bảo hạng mục cơng trình làm việc hiệu an tồn II.2 Kết thí nghiệm phương án sửa đổi Sự khác biệt phương án sửa đổi phương án thiết kế bể tiêu năng: - Cơng trình thủy điện Sơng Tranh 3: cao trình đáy bể nâng lên 4,0m; chiều dài chiều rộng bể giữ nguyên - Công trình thủy điện Sơng Bung 5: cao trình đáy bể hạ xuống 3,0m; bể có bố trí thêm thiết bị tiêu phụ; chiều dài chiều rộng bể giữ ngun - Cơng trình thủy điện A lưới: chuyển từ phương án tiêu mặt sang phương án tiêu đáy - Cơng trình thủy điện Khe Bố: chiều dài bể ngắn lại 6,0m; cao độ đáy bể chiều rộng bể giữ ngun - Cơng trình hồ chứa Nước Trong: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng bể giữ nguyên; tường tiêu cao PATK 1,5m chiều dài sân sau thứ hai dài 1,4m - Cơng trình hồ chứa nước Tả Trạch: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng bể giữ nguyên; thay hàng mố tiêu cho tường tiêu cuối bể Thơng số bể tiêu cơng trình theo phương án sửa đổi xem bảng 3 Bảng Thông số thiết kế bể tiêu cơng trình theo phương án sửa đổi TT Thông số Cao độ đáy bể Chiều rộng bể Chiều dài bể Sông Sông Tranh Bung m 38,0 m Đơn vị Nước Tả Trong Trạch A lưới Khe Bố 23,5 509,5 32,0 63,5 111,0 99,0 58,0 99,5 76,5 58 ÷ 70 m 81,99 73,0 80,0 57,0 77,0 90,0 m - - - - 8,5 6,8 Có Có hàng hàng mố tiêu mố tiêu năng Có sân Thay sau thứ đổi vị dài trí hàng 28,0m mố -9,1 ÷ 7,98 Chiều cao tường tiêu Thiết bị tiêu Có/ phụ Khơng Khơng Có Không Ghi Không Từ số liệu đo mô hình, phân tích, tính tốn đánh giá hiệu tiêu phương án thiết kế ban đầu phương án sửa đổi (xem bảng 4) Qxả ∋ Sông Tranh ∋ (%) (%) PATK PASĐ ∆∋ Bảng So sánh hiệu tiêu công trình PATK PASĐ Sơng Bung A Lưới Khe Bố Nước Trong ∋ ∋ ∋ ∋ ∋ ∋ ∋ ∋ ∆∋ ∆∋ ∆∋ ∆∋ (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) PATK PASĐ PATK PASĐ PATK PASĐ PATK PASĐ Q1 41,62 24,61 12,00 33,83 34,91 1,08 37,16 45,38 8,22 34,10 Q2 39,28 33,07 -6,21 36,04 38,42 2,38 44,37 50,26 5,89 37,44 39,54 Q3 40,35 37,17 37,57 0,4 45,87 50,39 4,52 40,63 41,42 Q4 41,53 42,25 0,72 46,19 39,19 Q5 50,94 46,13 -4,81 40,87 49,66 50,14 ∋ Tả Trạch ∋ (%) (%) PATK PASĐ 58,69 51,24 -7,45 57,71 61,40 3,69 2,10 56,38 58,47 2,09 58,77 62,20 3,43 0,79 54,55 59,78 5,23 62,50 65,30 2,80 55,70 59,90 4,2 46,72 58,32 11,6 0,48 Ghi chú: ∆∋ = ∋(%) PASĐ - ∋(%) PATK Nhận xét: Cơng trình thuỷ điện Sơng Tranh 3: nâng cao trình đáy bể tiêu lên hiệu tiêu giảm Cơng trình thuỷ điện Sông Bung 5: sau đào sâu bể thêm 3,0m có thêm hàng tiêu hiệu tiêu qua tính tốn từ số liệu thí nghiệm mơ hình nhận thấy khơng thay đổi nhiều Cơng trình thủy điện A lưới: sau chuyển từ phương án tiêu nước mặt phương án tiêu đáy hiệu tiêu cải thiện đáng kể Cơng trình thủy điện Khe Bố: chiều dài bể tiêu rút ngắn từ 62,3m 57,0m nhiên hiệu tiêu gần khơng thay đổi Cơng trình hồ chứa Nước Trong hồ Tả Trạch: thêm hàng tiêu tường tiêu năng, hiệu tiêu cải thiện rõ rệt ∆∋ III KẾT LUẬN Trên sở số liệu đơn vị tư vấn thiết kế, số liệu thí nghiệm mơ hình thủy lực phương án thiết kế sửa đổi; nhóm nghiên cứu phân tích, đánh giá hiệu tiêu dạng bể đưa nhận xét sau [4]: Cơng trình thủy lợi, thủy điện sử dụng hình thức tiêu đáy nối tiếp sau tràn xả lũ thường có cột nước thấp (∆Z < 30m); lưu lượng xả lũ tương đối lớn, tỷ lưu lượng lên đến vài trăm m3/s/m Hình thức tiêu đáy thích hợp địa hình vùng cơng trình có lòng sơng rộng, hai bờ thoải, lòng khơng ngoằn ngo, địa chất đá yếu Với bể tiêu mặt cắt ngang không đổi, kích thước bể tính tốn theo lý thuyết, bể khơng có thiết bị tiêu phụ khả tiêu hao lượng từ 30 ÷ 40% Khi bể có thêm thiết bị tiêu phụ lượng tiêu hao tăng lên đáng kể từ 40 ÷ 60% Đối với cơng trình thuỷ lợi, cơng trình tiêu thường thiết kế theo hướng tiêu nhiều lượng tốt để giảm gánh nặng cho việc gia cố bờ sau cơng trình Tuy nhiên, cơng trình thuỷ điện cơng trình thuỷ điện vừa nhỏ, sau hạ lưu thường kênh xả nhà máy, việc dâng mức nước bể ảnh hưởng đến lượng nhà máy thuỷ điện, gây sóng lớn hay dòng quẩn lại kênh xả, kéo theo tường phân dòng kênh xả nhà máy bể tiêu cao nên bể tiêu phải thiết kế theo hướng đẩy bớt lượng dòng tràn phía sau Các bể tiêu có thêm thiết bị tiêu phụ: số liệu thí nghiệm cho thấy chiều cao sóng hạ lưu giảm tới gần 50% so với bể chưa có thiết bị tiêu phụ Khi thiết kế thiết bị tiêu phụ, việc lựa chọn hình dạng, kích thước, vị trí chi tiết theo hướng dẫn hành mang tính định hướng Để có tính hợp lý cần phải tiến hành thí nghiệm mơ hình để lựa chọn toán trường hợp toán chiều phức tạp, giải sở lý thuyết Do dòng chảy qua bể tiêu có tường bên thẳng đứng khơng khuếch tán theo phương ngang nên bể có dạng mặt cắt ngang chữ nhật có hiệu tiêu so với bể có hai tường bên vát mái nghiêng Việc lựa chọn mặt cắt ngang bể phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất bố trí tổng thể cơng trình Do bể có mặt cắt ngang chữ nhật, để tăng hiệu tiêu bể cần tăng chiều dày lớp nước bể Với cơng trình có dạng bố trí mặt có kênh xả nhà máy thuỷ điện sát cạnh cơng trình tràn hạ lưu, năm gần đây, tiêu bể lựa chọn với cơng trình xả có cột nước cao, lưu lượng đơn vị lớn, hạ lưu đá cứng thay cho tiêu dòng phun thường lựa chọn trước công trình có mặt hạ lưu hẹp (ví dụ cơng trình Thuỷ điện Xaiano-Susenk Liên Bang Nga…) Trong trường hợp này, tiêu bể có nhiều ưu giảm dao động sóng, giảm nước dềnh hạ lưu sau nhà máy thuỷ điện, giảm đáng kể lưu tốc dòng chảy khoảng 1000m hạ lưu (giảm gia cố bờ), khơng hình thành bãi trầm tích sau cửa nhà máy, giảm khối lượng cho tường phân dòng tràn hạ lưu…Tuy nhiên, cột nước cao dẫn đến chiều dày đáy bể lớn đến 10m bê tông cốt thép, trường hợp yếu tố kinh tế thường định cho việc lựa chọn hợp lý sau tiến hành thí nghiệm mơ hình thuỷ lực để lựa chọn giải pháp hợp lý Với bể nối tiếp dốc nước: lưu tốc dòng chảy đáy bể lớn nên kiến nghị cần có biệp pháp gia cố đáy bể bắt buộc thiết kế thiết bị tiêu phụ răng, mố tường tiêu (xem thiết kế cơng trình hồ chứa nước Tả Trạch) Điều hoàn toàn phù hợp với quy phạm thiết kế đập bê tông trọng lực (DL 5108 -1999) Trung Quốc Việc đóng mở cửa van tràn yếu tố quan trọng giữ cho việc tiêu bể hiệu an tồn Nhiều cơng trình tiêu bể bị hư hỏng phá hoại vận hành khơng cửa van Ví dụ Trung Quốc có cơng trình Phổ Kỳ, Lăng Than Tân, Đại Hiệp, Mã Tính Than bị hư hỏng cục thao tác vận hành không đồng bộ, đồng đều, khơng đối xứng gây dòng chảy lệch lớn bể hạ lưu Summary: Some of recommendations to select structure bottom features for flood overflow irrigations and hydropowers The report was implemented by Institute of Energy and VietNam Academy for water resources, provided a summary of reseach results hydraulic model experiments some of the typical bottom features From the layout characteristics of hydraulic construction, the main parameters such as: velocity, pressure, downstream waves… The team of reseach provided some of conclusions, recommendations, scientific basis and pratical from designing problem bottom features after flood overflow Tài liệu tham khảo: [1] Hoàng Từ An - Thuỷ lực cơng trình Bài giảng cao học Nghiên cứu sinh - Đại học Thuỷ lợi - Hà Nội, 1999 [2] Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngơ Trí Viềng - Cơng trình tháo lũ đầu mối hệ thống thủy lợi NXB Xây dựng - Hà Nội, 2005 [3] Trần Quốc Thưởng - Thí nghiệm mơ hình thuỷ lực cơng trình - Viện Khoa học thuỷ lợi NXB Xây dựng - Hà Nội, 2005 [4] Trần Vũ - Nghiên cứu, lựa chọn hợp lý kết cấu tiêu đáy tràn xả lũ cơng trình thủy lợi thủy điện - Hà Nội, 2011 ... hình thuỷ lực cơng trình - Viện Khoa học thuỷ lợi NXB Xây dựng - Hà Nội, 2005 [4] Trần Vũ - Nghiên cứu, lựa chọn hợp lý kết cấu tiêu đáy tràn xả lũ cơng trình thủy lợi thủy điện - Hà Nội, 2011... hiệu tiêu bể cần tăng chiều dày lớp nước bể Với cơng trình có dạng bố trí mặt có kênh xả nhà máy thuỷ điện sát cạnh cơng trình tràn hạ lưu, năm gần đây, tiêu bể lựa chọn với cơng trình xả có... thừa Với bể tiêu có thêm thiết bị tiêu phụ lượng tiêu hao lên đến 60% Do điều kiện làm việc cơng trình thuỷ lợi, thủy điện phức tạp: phía sau hạ lưu tràn xả lũ thường có cầu giao thơng, kênh xả