So sánh ưu điểm của mũi phun hai tầng với mũi phun liên tục

Mũi phun 2 tầng (gồm mũi phun liên tục và mố hình thang) có nhiều ưu điểm, như: Dòng chảy qua mũi phun liên tục và mố hình thang xáo trộn mãnh liệt trong không trung nên hiệu quả tiêu năng tăng, vì vậy vận tốc và chiều cao sóng ở hạ lưu tràn xả lũ cũng giảm . Do đó, độ sâu hố xói và xói lở hai bờ hạ lưu cũng giảm so với mũi phun liên tục, khối lượng gia cố và bảo vệ hạ lưu cũng giảm mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Bài viết nêu ưu điểm của mũi phun 2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống).

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SO SÁNH ƯU ĐIỂM CỦA MŨI PHUN HAI TẦNG VỚI MŨI PHUN LIÊN TỤC TS Nguyễn Ngọc Thắng Trường Đại học thủy lợi Th.S Trần Vũ Viện Năng lượng Tóm tắt: Mũi phun tầng (gồm m ũi phun liên tục m ố hình thang) có nhiều ưu điểm, như: Dịng chảy qua mũi phun liên tục mố hình thang xáo trộn m ãnh liệt không trung nên hiệu tiêu tăng, vận tốc chiều cao sóng hạ lưu tràn xả lũ giảm Do đó, độ sâu hố xói xói lở hai bờ hạ lưu giảm so với m ũi phun liên tục, khối lượng gia cố bảo vệ hạ lưu giảm m ang lại hiệu kinh tế kỹ thuật Bài viết nêu ưu điểm mũi phun tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống) Từ khóa: Mũi phun hai tầng Summary: The double layer flip bucket (consisting of continuous and trapezoidal tooth) is proposing m any advantage such as flow passes through continuous and trapezoidal tooth is being surplus m ixed in air-water environment for which providing m ore efficient in energy dissipating Hence, flow velocity and wave in downstream of spillway are being decreased causing smaller depth of scouring pool, boundary of both sides of bank erosion and quantity of strengthen and protection in downstream area with m ore technical- economic efficient comparing to sole continuous type The paper is to present the advantage of double layer comparing to continuous (normal) type Key words: Double layer flip bucket I MỞ ĐẦU* Theo cơng trình nghiên cứu [3,4,5], qua thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn xả lũ số cơng trình thủy lợi, thủy điện Sông Bung 4, Krông Bách Thượng…, cho thấy mố phun dạng hình thang có hiệu tiêu tương đối tốt Theo kết nghiên cứu Trường Đại học Thiên Tân [4] dạng mố phun hình thangso với m ố phun dạng chữ nhật có độ sâu xói giảm khoảng2030%, hiệu khuyếch tán mố phun dạng hình thang so với m ố chữ nhật tăng lên rõ rệt Theo kết thí nghiệm Chastang Pháp, dùng m ố hình thang với lưu lượng thích hợp, chùm dịng phun bay xa hình thành dạng m óng ngựa; diện tích dịng phun khuyếch tán lớn, m ột m ặt giảm nhỏ lượng tác dụng Người phản biện: TS Nguyễn Ngọc Nam Ngày nhận bài: 08/8/2014 Ngày t hông qua phản biện: 12/9/2014 Ngày duyệt đăng: 08/10/2014 đơn vị diện tích hạ lưu, m ặt khác dịng phun tăng thêm diện tích tiếp xúc với khơng khí thuận lợi cho luồng phun nước trộn bọt khí dễ tan Khi dịng chảy qua mố ph un khơng sinh áp suất âm (nếu có nhỏ); số ưu điểm bật m ố phun hình thang Dưới phản ánh ưu điểm m ũi phun tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống) II KẾT Q UẢ NGH IÊN CỨU NGH IỆM MƠ HÌNH TH ỦY LỰC II.1 Mơ hình hóa TH Í Để xác định thơng số thủy lực, xây dựng m hình tổng thể thái, tỷlệ 1/80, lịng cứng Để xác định thơng số xói, dùng vật liệu rời đá có đường kính d=1-2 cm Trên mơ hình thí nghiệm với cấp lưu lượng nêu bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 101 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng Các cấp lưu lượng thí nghiệm TT P (%) 10% 1% 0.5% 3 Q(m /s) 3.200 4.500 5.800 6.500 7.400 q (m /s.m ) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 II.2 Sơ đồ nghiên cứu so sánh m ũi phun tầng m ũi phun liên tục Để so sánh, đánh giá tính ưu việt mũi phun tầng với mũi phun liên tục (truyền thống) tiến hành (1) Z hồ (m ) 403,09 405,21 407,10 408,25 409,36 Z (m ) 79,54 78,14 77,43 77,08 76,49 Zhạlưu (m) 324,46 327,07 329,67 331,07 332,87 nghiên cứu với sơ đồ mũi phun hai tầng (hình ảnh 1), sơ đồ mũi phun liên tục (hình ảnh 2) Mô tả thông số dạng mũi phun hình 1,2 Các thơng số luồng phun xói sâu xem hình 3;4 ( 1) (3) (m s ) m (3) Hình Mũi phun tầng Hình Mũi phun liên tục TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 103 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Ảnh Mũi phun hai tầng Ảnh Mũi phun liên tục Trong hình 1;2: - Kích thước cao độ ghi (m ) (1) - Thân tràn; (2) - mố phun; (3) - mũi phun liên tục R2 - bán kính m ũi phun không liên tục; m s - hệ số m sau m ố phun d - chiều cao mố phun; 1 - góc hất mũi phun liên tục, 1=250 2 - góc hất mố phun; 2=300 R1 - bán kính mũi phun liên tục; m - hệ số mái bên m ố phun; Bđm - bề rộng đầu m ố phun; b - bề rộng đỉnh mố phun; Br - bề rộng luồng phun  - góc khuyếch tán ngang mố phun; a - khoảng cách khe rãnh, (1) (2) Hình Các thơng số luồng phun Hình Các thơng số xói G hi chú: L1 - chiều dài từ mũi phun tới mép luồng phun G hi chú: T - chiều sâu xói (m ) L2 - chiều dài từ mũi phun tới mép luồng phun Lx1 - chiều dài từ mũi phun tới m ép trước hố xói Br - bề rộng luồng phun Lx3 - chiều dài từ m ũi phun tới mép sau hố xói 104 Lx2 - chiều dài từ mũi phun tới điểm xói sâu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC II.3 Kết nghiên cứu mũi phun tầng hay không liên tục (KLT) liên tục (LT) Để đánh giá ưu điểm m ũi phun không liên tục (KLT) liên tục (LT) tiến hành xác định, so sánh thơng số thủy lực chủ yếu: Chiều dài CƠNG NGHỆ phun xa, xói lở sóng hạ lưu, hiệu tiêu năng… hai loại m ũi phun với cấp lưu lượng II.3.1 C hiều dài phun xa Kết thí nghiệm thơng số chiều dài phun xa loại mũi phun nêu bảng Bảng Thơng số dịng phun xa mũi phun khơng liên tục mũi phun liên tục (mơ hình lịng cứng) Thơng số L1(m ) L2(m ) Lưu lượng đơn vị q (m3/s.m ) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT 83,20 87,60 85,60 91,20 86,40 91,20 86,60 90,40 82,80 88,40 107,20 102,80 108,80 104,80 110,80 112,00 110,40 112,00 111,60 110,40 Br (m ) 24,00 15,20 23,20 13,60 24,40 Từ bảng ta thấy m ũi phun không liên tục so với m ũi phun liên tục có ưu điểm dòng phun sau: - Bề rộng luồng phun lớn từ  10m - Khi xả lưu lượng q  100m3/s.m chiều dài phun xa mũi phun không liên tục xa khoảng 5m so với m ũi phun liên tục Khi q > 100m 3/s.m độ sệ luồng phun, bề dày dòng phun dày hơn, góc phun mố lớn làm giảm chiều dài phun xa luồng phun (chiều dài phun xa tương đương mũi phun liên tục) - Bề dày luồng phun xa m ũi phun không 20,80 23,80 21,60 28,80 22,00 liên tục lớn hơn, góc đổ luồng phun lớn hơn, bề rộng luồng phun lớn làm tăng diện tích tiếp xúc lớp nước đệm hạ lưu Các yếu tố làm cho m ũi phun khơng liên tục có chiều sâu xói giảm, chiều cao sóng giảm , vận tốc hạ lưu giảm hiệu tiêu tăng II.3.2 Kết nghiên cứu xói lở hạ lưu Kết thí nghiệm xói vật liệu rời hạ lưu mũi phun không liên tục - phương án chọn m ũi phun liên tục xem bảng Bảng So sánh thơng số xói sâu loại m ũi phun Lưu lượng đơn vị (m 3/s.m) TT Thông số T(m) Độ giảm chiều sâu xói(%) 56,33 96,67 123,33 KLT LT KLT LT KLT LT 16,45 22,45 24,29 37,85 31,35 40,95 26,73 35,83 23,44 Lx1(m ) 83,20 84,80 89,60 88,00 91,20 89,60 Lx3(m ) 154,40 188,00 206,40 269,60 236,80 292,80 Từ kết bảng 3, rút kết luận xói hạ lưu sau: - So với mũi phun liên tục, chiều sâu hố xói sau tràn mũi phun không liên tục giảm từ 25  35% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 105 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Khoảng cách từ mũi phun đến mép hố xói loại mũi phun tương tự - Khoảng cách từ mũi phun đến mép hố xói: mũi phun khơng liên tục cho khoảng cách giảm khoảng 20% so với mũi phun liên tục Một số hình ảnh mơ tả xói với loại m ũi phun ảnh ÷ II.3.3 Vận tốc dòng chảy Kết nghiên cứu vận tốc mạch động vận 106 tốc tràn, hạ lưu công trình ứng với loại m ũi phun m hình lịng cứng cho thấy vận tốc vùng m ũi phun không liên tục đạt giá trị m ax = 25,33 (m/s) không tăng cao nhiều so với vận tốc mũi phun liên tục m ax = 25,15 (m/s) Tuy nhiên khe rãnh giá trị m ạch động vận tốc m ũi phun không liên tục có tăng nhẹ Giá trị vận tốc m ạch động vận tốc hố xói nêu bảng Ta nhận thấy rằng: m ũi phun tầng có giá trị vận tốc m ạch động vận tốc đáy hố xói giảm từ 18  40% Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun khơng liên tục; q=56,33m 3/s.m Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=56,33m 3/s.m Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun không liên tục; q=96,67m /s.m Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=96,67m /s.m TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=123,33m /s.m Ảnh Hố xói hạ lưu mũi phun khơng liên tục; q=123,33m /s.m Bảng Vận tốc m ạch động vận tốc hố xói Mũi phun không liên tục v (m /s) v (m/s) 5,19 1,73 7,53 2,51 10,70 3,57 11,92 3,97 14,45 4,82 q (m /s.m ) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 Mũi phun liên tục v (m /s) v (m /s) 8,82 2,94 10,56 3,52 13,53 4,51 15,20 5,07 17,53 5,84 v (%) σv (%) 41,16 28,69 20,92 21,58 17,57 41,16 28,69 20,84 21,70 17,47 II.3.4 Hiệu tiêu Khi đó: Để nghiên cứu so sánh hiệu qủa tiêu m ũi phun không liên tục mũi phun liên tục, thiết lập phương trình lượng cho mặt cắt: - E1 = E0 - E7: ứng với mũi phun khơng liên tục - Mặt cắt 0-0 lịng hồ cách tràn 100m: E  Z0  o V 2g Từ thí nghiệm mơ hình ta có số liệu trung bình mực nước vận tốc tương ứng với loại m ũi phun thay vào công thức (1) (2) ta có hiệu tiêu nêu bảng (1) - Mặt cắt HL7-HL7 cách m ũi hắt 578m hạ lưu: E7  Z  V72 2g (2) Z: giá trị chênh lệch từ mặt chuẩn (lấy cao trình đáy hố xói 295,0m ) đến m ực nước trung bình m ặt cắt V : giá trị vận tốc trung bình mặt cắt - E2 = E0 - E7: ứng với mũi phun liên tục Như vậy: so với m ũi phun liên tục, lượng dòng chảy qua mũi phun không liên tục tiêu hao nhiều hơn; hiệu tiêu tăng khoảng 6% Tuy nhiên với cấp lưu lượng đơn vị q > 97 m /s.m hiệu tiêu hao lượng giảm đi, yếu tố để xem xét kiến nghị phạm vi ứng dụng mũi phun không liên tục TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 107 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng Năng lượng m ặt cắt ứng với loại mũi phun q (m3/s.m) E0 E7 (KLT) E7 (LT) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 108,09 110,21 112,10 113,26 114,37 28,23 30,26 32,23 34,42 36,29 28,67 31,46 34,16 35,58 37,52 II.3.5 Chiều cao sóng Từ số liệu đo chiều cao sóng leo bờ chiều cao sóng đứng mặt cắt HL6, HL7 (xem bảng 7) E1 (KLT) 79,86 79,95 79,87 78,84 78,08 E2 (LT) 79,42 78,75 77,94 77,68 76,85 Tiêu lượng tăng m ũi phun KLT (%) 1,53% 3,81% 5,65% 3,26% 3,28% Ta thấy mũi phun không liên tục cho hiệu giảm chiều cao sóng leo chiều cao sóng đứng hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục Bảng Sóng leo bờ hạ lưu Mặt cắt KLT (m) Sóng leo bờ trái Sóng leo bờ phải Giảm Giảm Hiệu KLT LT (m) chiều LT (m ) chiều giảm (%) (m ) cao (m) cao (m) 3 Q= 3.200 m /s (q= 56,33m /s.m) 2,80 -0,36 12,86 2,40 2,82 -0,42 2,24 -0,72 32,14 1,84 2,42 -0,58 3 Q= 4.500 m /s (q= 75,00m /s.m) HL6 HL7 2,44 1,52 HL6 2,48 3,04 HL7 2,40 3,16 HL6 HL7 2,04 2,52 3,05 3,32 HL6 HL7 2,82 2,88 3,66 3,56 HL6 HL7 2,52 2,32 3,76 3,24 -0,56 18,42 2,24 -0,76 24,05 2,16 3 Q= 5.800 m /s (q= 96,67m /s.m) -1,01 33,12 2,28 -0,80 24,10 2,24 Q= 6.500 m /s (q= 108,33m3/s.m) -0,84 22,95 2,52 -0,68 19,10 2,40 3 Q= 7.400 m /s (q= 123,33m /s.m) -1,24 32,98 2,64 -0,92 28,40 2,84 Hiệu giảm(%) 14,89 23,97 2,80 -0,56 20,00 2,96 -0,80 27,03 2,98 2,96 -0,70 -0,72 23,49 24,32 2,94 3,68 -0,42 -1,28 14,29 34,78 4,06 3,60 -1,42 -0,76 34,98 21,11 Bảng Sóng đứng bờ hạ lưu Mặt cắt HL6 HL7 108 KLT (m) 2,00 1,60 Sóng đứng bờ trái Giảm Hiệu LT (m) chiều KLT (m) giảm(%) cao (m) Q= 3.200 m3/s (q= 56,33m3 /s.m) 3,00 -1,00 33,33 1,60 2,00 -0,40 20,00 1,60 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 Sóng đứng bờ phải Giảm LT (m) chiều cao (m) 2,16 2,00 -0,56 -0,40 Hiệu giảm(%) 25,93 20,00 KHOA HỌC Mặt cắt KLT (m) HL6 HL7 2,16 2,00 HL6 HL7 2,10 2,16 HL6 HL7 2,40 2,16 HL6 HL7 3,00 2,20 Sóng đứng bờ trái Giảm Hiệu LT (m) chiều KLT (m) giảm(%) cao (m) Q= 4.500 m3/s (q= 75,00m3 /s.m) 3,04 -0,88 28,95 2,16 2,40 -0,40 16,67 1,76 Q= 5.800 m3/s (q= 96,67m3 /s.m) 2,80 -0,70 25,00 2,15 2,96 -0,80 27,03 2,40 Q= 6.500 m3/s (q= 108,33m3 /s.m) 3,60 -1,20 33,33 2,80 3,06 -0,90 29,41 2,56 Q= 7.400 m3/s (q= 123,33m3 /s.m) 4,00 -1,00 25,00 2,80 3,20 -1,00 31,25 2,20 II.3.6 Xói lở hai bờ hạ lưu CƠNG NGHỆ Sóng đứng bờ phải Giảm LT (m) chiều cao (m) Hiệu giảm(%) 3,04 2,80 -0,88 -1,04 28,95 37,14 2,84 3,00 -0,69 -0,60 24,30 20,00 3,76 3,80 -0,96 -1,24 25,53 32,63 3,60 3,40 -0,80 -1,20 22,22 35,29 đáy hố xói giảm từ 18 ÷ 40% so với m ũi phun khơng liên tục Kết xác định vận tốc dòng chảy hai bờ hạ lưu cho thấy so với mũi phun liên tục, mũi phun khơng liên tục có giá trị vận tốc dòng chảy, ven bờ hạ lưu giảm từ 20-40% So với m ũi phun liên tục, lượng dòng chảy qua m ũi phun tầng tiêu hao nhiều hơn; hiệu tiêu tăng khoảng 6% Về thông số luồng phun: mũi phun không liên tục cho chiều dài phun xa tương đương m ũi phun liên tục Tuy nhiên có ưu điểm bề dày luồng phun lớn, bề rộng luồng phun tăng tăng diện tích mặt tiếp xúc lớp nước đệm, giảm vận tốc hố xói giảm chiều sâu xói Mạch động vận tốc giảm từ 40-70% Do xói lở bờ hạ lưu giảm, khối lượng gia cố hai bờ hạ lưu giảm III KẾT LUẬN Qua thí nghiệm xác định thông số thủy lực chủ yếu mũi phun tầng (hình 1) mũi phun liên tục (hình 2): dòng phun xa, vận tốc dòng chảy, tiêu hao lượng, xói lở hạ lưu…có thể rút số kết luận sau: Mũi phun hai tầng cho hiệu giảm chiều cao sóng leo chiều cao sóng đứng bờ hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục Khoảng cách từ m ũi phun tới mép trước hố xói tương tự Qua thí nghiệm xác định thông số thủy lực cho thấy phạm vi áp dụng mũi phun tầng có hiệu với tràn xả lũ có lưu lượng đơn vị q97 m3/s, chênh lệch m ực nước thượng hạ lưu Z78m Cùng m ột kết cấu tràn xả lũ: Mũi phun hai tầng có giá trị vận tốc mạch động vận tốc Kết cấu mũi phun không liên tục nêu hình với thơng số sau: Chiều sâu hố xói sau tràn mũi phun hai tầng so với mũi phun liên tục giảm khoảng từ 25  30% Thông số kết cấu mũi phun khơng liên tục (tràn đặt lịng sơng) Tỷ số d   ho 0,7    Hiệu số (2 - 1) o Hệ số mái bên m ố phun (m) 0,5 Tỷ số Góc khuyếch tán ngang (o) o o 25 ≥ ≥20 o b   ho 2,0    Hệ số mái  a sau m ố Tỷ số    b phun (ms) 1,0 0,91,0 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 109 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Trong đó: m s: hệ số m sau m ố phun; d (m): chiều cao mố phun (tính từ m ặt tràn đến đỉnh m ố phun); Mũi phun liên tục có ưu điểm bố trí m ố phun theo vị trí phù hợp theo yêu cầu, dịch chuyển mép hay lùi vào mũi phun liên tục để tạo dòng phun phù hợp với yêu cầu thực tế ho (m ): độ sâu dòng chảy m ặt cắt co hẹp ứng với QTK; o 1 : góc hất khe rãnh; o 2 : góc hất m ố phun; o: góc khuyếch tán ngang mố phun; a (m): chiều rộng khe rãnh b (m): chiều rộng đỉnh m ố phun; m : hệ số mái bên mố phun; Do ưu điểm m ũi phun tầng nên áp dụng cho số tràn xả lũ như: Sông Hinh, Sơng Bung (ảnh 9, 10) Có thể sử dụng kết cấu m ũi phun tầng (hay không liên tục) nêu áp dụng cho thiết kế, xây dựng tràn xả lũ cho cơng trình thủy lợi, thủy điện có điều kiện tương tự Ảnh 9: Mũi phun tầng tràn Sông Hinh Ảnh 10 Mũi phun tầng tràn sông Bung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngơ Trí Viềng [2005] Cơng trình tháo lũ đầu m ối hệ thống thủy lợi NXB Xây dựng - Hà Nội [2] Trần Quốc Thưởng [2005] Thí nghiệm mơ hình thuỷ lực cơng trình - NXB Xây dựng [3] Trần Quốc Thưởng [2010] Báo cáo kết nghiên cứu đề tài: Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho tràn xả lũ có dốc nước i ≤ 30%, Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam [4] Báo cáo chuyên đề thủy công [1964], NXB Thủy lợi - Thủy điện, Bắc Kinh [5] Trần Vũ [2013] Báo cáo kết nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu lựa chọn hợp lý kết cấu m ũi phun không liên tục cho tràn xả lũ - Viện Năng lượng 110 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 ... Kết cấu mũi phun không liên tục nêu hình với thơng số sau: Chiều sâu hố xói sau tràn mũi phun hai tầng so với mũi phun liên tục giảm khoảng từ 25  30% Thông số kết cấu mũi phun khơng liên tục (tràn... 18 ÷ 40% so với m ũi phun không liên tục Kết xác định vận tốc dòng chảy hai bờ hạ lưu cho thấy so với mũi phun liên tục, mũi phun khơng liên tục có giá trị vận tốc dòng chảy, ven bờ hạ lưu giảm... thấy m ũi phun không liên tục so với m ũi phun liên tục có ưu điểm dịng phun sau: - Bề rộng luồng phun lớn từ  10m - Khi xả lưu lượng q  100m3/s.m chiều dài phun xa mũi phun không liên tục xa