Nghiên cứu hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng sau đập tràn cao áp dụng cho đập tràn nước trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI -Y Z - PHẠM HỒNG HƯNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI MỐ TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số:60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN CHIẾN Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN Hiện xây dựng nhiều cơng trình thủy lợi thủy điện với quy mô lớn, cột nước cao, nước chảy qua công trình tháo thường dịng chảy xiết có lưu tốc lớn Dịng chảy có lưu tốc lớn gây tượng khí hóa, khí thực phận cơng trình tháo nước, mố tiêu năng… Hiện tượng khí thực phá hỏng bề mặt cơng trình tháo nước bê tơng, chí thép, dẫn đến hư hỏng phá hoại cơng trình Với đặc điểm cho thấy việc nghiên cứu tượng khí thực cơng trình tháo nước cơng việc quan trọng thật cần thiết Chính điều thúc tác giả lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG” Tác giả xin chân thành biết ơn hướng dẫn tận tâm nhiệt tình Thầy giáo GS.TS Nguyễn Chiến thời gian qua, cảm ơn Thầy cô giáo trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội, quan, đơn vị cung cấp tài liệu tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn người thân, gia đình, quan tác giả cơng tác tạo điều kiện suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Do thời gian kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên việc nghiên cứu thực đề tài tránh khỏi thiết sót, mong bảo Thầy giáo, đóng góp ý kiến nhà khoa học bạn đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn / MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết Đề tài: Mục đích Đề tài: .1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Kết đạt được: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÁC BỘ PHẬN CỦA CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC 1.1 Tình hình xây dựng đập tràn cao Việt Nam .3 1.1.1 Tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện giới Việt Nam 1.1.2 Một số thơng số cơng trình thủy lợi có: 1.1.3 Nhận xét tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi nước ta giới: .9 Về đời tốc độ phát triển: Về tính đa dạng quy mơ cơng trình: 10 1.2 Các vấn đề thủy lực đập tràn cao .10 1.2.1 Tác dụng khí thực: 11 1.2.2 Ảnh hưởng hàm khí khí đến làm việc cơng trình xả: .11 1.2.3 Ảnh hưởng sóng: 13 1.2.4 Sự mài mòn bề mặt cơng trình xả: 13 1.2.5 Sự phá hoại tác dụng tải trọng động: 14 1.3 Vấn đề khí thực phận cơng trình tháo nước 15 1.3.1 Xâm thực khí thực cơng trình xả kiểu kín (xi phơng, đường hầm): 15 1.3.2 Xâm thực khí thực buồng van cửa van: 17 1.3.3 Xâm thực khí thực đập tràn dốc nước: 18 1.3.4 Xâm thực khí thực mố phân dịng mố tiêu năng: 19 1.4 Tình hình nghiên cứu khí thực đập tràn ngồi nước 19 1.5 Một số ví dụ xâm thực khí thực cơng trình tháo nước Việt Nam 21 1.6 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 24 1.7 Kết luận Chương 25 CHƯƠNG 2: LÝ LUẬN CƠ BẢN VỀ KHÍ THỰC VÀ PHỊNG KHÍ THỰC Ở MỐ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN 26 2.1 Các khái niệm khí hóa, khí thực 26 2.1.1 Khái niệm khí hóa: 26 Hiện tượng khí hóa: 26 Hệ số khí hóa: 27 Các giai đoạn khí hóa: 29 Hệ số giai đoạn khí hóa (β): .29 2.1.2 Khái niệm khí thực: 29 Hiện tượng khí thực: 29 Cơ chế phát sinh khí thực: 30 2.2 Kiểm tra khả khí hóa mố tiêu 32 2.2.1 Công thức chung: 32 2.2.2 Trị số Kpg mố, tường tiêu năng: .32 Các mố tiêu năng, mố phân dòng: 32 Các tường tiêu năng: 35 2.2.3 Trình tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng: 36 2.3 Kiểm tra khả khí thực mố tiêu khu vực lân cận 37 2.3.1 Nguyên tắc chung: 37 2.3.2 Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực: .37 2.4 Các giải pháp phịng khí thực mố tiêu sau đập tràn cao 38 2.4.1 Đặt vấn đề: 38 2.4.2 Các giải pháp phịng khí thực cho mố tiêu sau đập tràn cao: 38 Giải pháp tăng độ bền vật liệu: 38 Dẫn nước vào vùng hạ áp: 39 Giải pháp tiếp khí để phịng khí thực: 40 2.5 Phương pháp tính tốn thiết kế BPTK cho thiết bị tiêu năng: 40 2.5.1 Nguyên tắc chung: 40 2.5.2 Tính tốn thiết kế phận tiếp khí cho thiết bị tiêu năng: 40 2.5.3 Tính tốn hệ thống ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 41 Bố trí ống tiếp khí bể tiêu năng: 41 Tính tốn ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 41 2.6 Kết luận chương .44 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ÁP DỤNG CHO CƠNG TRÌNH “ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG” Ở HUYỆN SƠN HÀ-TỈNH QUẢNG NGÃI 46 3.1 Giới thiệu cơng trình “Đập tràn Nước Trong” .46 3.1.1 Tóm tắt nội dung Dự án đầu tư phê duyệt: 46 Tên dự án: Hồ chứa nước Nước Trong 46 Chủ đầu tư: 46 Mục tiêu đầu tư xây dựng: 46 Địa điểm xây dựng : 47 3.1.2 Các thông số kỹ thuật dự án: 47 3.1.3 Kết cấu bể tiêu theo phương án chọn: 50 3.2 Kiểm tra khí hóa khí thực mố tiêu đập tràn Nước Trong 50 3.2.1 Tính tốn kiểm tra khí hóa mố tường tiêu năng: 50 Tại mố tiêu đặt bể: .50 Tại tường tiêu đặt cuối bể: 53 Nhận xét: 54 3.2.2 Tính tốn kiểm tra khí thực phận bể tiêu (mố tiêu năng, đáy tường bên bể tiêu năng): 54 Tại mố tiêu đặt bể: 55 Tại đáy tường bên bể tiêu năng: 55 Nhận xét: 55 3.3 Nghiên cứu giải pháp phòng khí thực cho mố tiêu đập tràn Nước Trong 56 3.3.1 Tính tốn hệ thống ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 56 Bố trí ống tiếp khí bể tiêu năng: 56 Tính tốn ống tiếp khí cho hàng mố tiêu thứ nhất: 57 Tính tốn ống tiếp khí cho hàng mố tiêu thứ hai: 62 3.3.2 Nhận xét: 62 3.4 Kết luận Chương 62 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 4.1 Các kết luận rút từ kết nghiên cứu 64 4.2 Những vấn đề tồn 66 4.3 Các kiến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số cơng trình thuỷ điện có quy mơ vừa lớn Việt Nam Bảng 2-1: Biến đổi cột nước áp lực phân giới theo nhiệt độ 27 Bảng 2-2: Biến đổi cột nước áp lực khí trời theo độ cao 27 Bảng 3-1: Thông số quy mơ hồ chứa cơng trình .47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố đập lớn vùng giới vào cuối kỷ XX……… Hình 1.2: Tốc độ xây dựng đập số vùng đến cuối kỷ XX……………….4 Hình 1.3: Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam)………………………… Hình 1.4: Đập tràn thủy điện Trị An Hình 1.5: Đập tràn thủy điện Hịa Bình Hình 1.6: Mơ hình tổng thể hồ chứa nước Cửa Đạt Hình 1.7: Tràn xả lũ hồ chứa nước Auyn Hạ Hình 1.8: Mơ hình tổng cơng trình thủy điện Sơn La Hình 1.9: Mơ hình tổng thể hồ chứa nước Nước Trong Hình 1.10: Trường hợp thể tích lớn khơng khí vào đường hầm xả nước 12 Hình 1.11: Sự mài mịn đáy đường hầm khơng áp 13 Hình 1.12: Sự phá hủy lớp gia cố hạ lưu đập Vacô (Hoa Kỳ) 14 Hình 1.13: Sự phá hủy tiêu đập tràn XupKhun (Triều Tiên) 15 Hình 1.14: Xâm thực khí thực đường hầm xả nước 15 Hình 1.15: Xâm thực khí thực đường xả có áp trạm thủy điện Vơnga 16 Hình 1.16: Xâm thực khí thực trụ pin buồng van đường hầm xả nước 17 Hình 1.17: Xâm thực khí thực khe van hình chữ nhật 18 Hình 1.18: Xâm thực khí thực đập tràn Miranđa 18 Hình 1.19: Xâm thực khí thực mặt tràn đập bêtơng trọng lực 19 Hình 1.20: Xâm thực khí thực mố tiêu (a) mố phân dịng (b) .19 Hình 1.21: Xâm thực mũi phun cuối bể đập tràn Thác Bà 22 Hình 1.22: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt mũi phun tràn Kẻ Gỗ 23 Hình 1.23: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ (cũ) hồ chứa nước Núi Cốc 24 Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí 26 Hình 2.2: Sơ đồ lan truyền sóng xung kích tiêu biến bọt khí gần thành rắn 30 Hình 2.3: Sơ đồ số loại mố tiêu năng, mố phân dịng trị số Kpg tương ứng 33 Hình 2.4: Ảnh hưởng khoảng cách mố b/B lượn tròn mép trước r/B đến trị số Kpg loại mố tiêu 34 Hình 2.5: a) Sơ đồ loại mố phân dòng; b) Ảnh hưởng lượn trịn mép dọc phía mố phân dịng đến hệ số Kpg 35 Hình 2.6: Các dạng mặt cắt tường tiêu 35 Hình 2.7: Biểu đồ xác định Kpg1 35 Hình 2.7: Quan hệ Vng = f(Rb,S) vật liệu bêtông 38 Hình 3.1: Cắt dọc bể tiêu (theo phương án sửa đổi) 50 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí phận tiếp khí mố tiêu 56 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài: Nước dịng chảy có lợi ích to lớn, có bất lợi Nhiệm vụ nhà khoa học thủy lợi tận dụng lợi ích hạn chế bất lợi Nhiệm vụ thực nhiều giải pháp, có việc xây dựng cơng trình khác Đó cơng trình dâng nước, dẫn nước, lấy nước, cơng trình bảo vệ, cơng trình giao thơng…Bằng giải pháp kết cấu đặc thù cơng trình thủy lợi tạo đảm bảo đủ mực nước lưu lượng, đồng thời tháo lũ, tháo lượng nước thừa phía hạ lưu, dẫn nước đáp ứng yêu cầu ngăn ngừa ảnh hưởng bất lợi từ phía hạ lưu Các cơng trình thủy lợi cịn tạo đường giao thơng thủy tạo chênh lệch đầu nước tập trung phục vụ cho phát điện Hiện xây dựng nhiều cơng trình thủy lợi thủy điện với cơng trình có quy mơ lớn, cột nước cao, nước chảy qua cơng trình tháo thường dịng chảy xiết có lưu tốc lớn Dịng chảy có lưu tốc lớn gây tượng khí hóa, khí thực phận cơng trình tháo nước, mố tiêu năng… Hiện tượng khí thực phá hỏng bề mặt cơng trình tháo nước bê tơng, chí thép, dẫn đến hư hỏng phá hoại cơng trình Với đặc điểm cho thấy việc nghiên cứu tượng khí thực cơng trình tháo nước công việc quan trọng thật cần thiết Mục đích Đề tài: − Nghiên cứu phương pháp tính tốn kiểm tra khí hóa, khí thực mố tiêu sau đập tràn tính tốn giải pháp tiếp khí để phịng khí thực cho mố tiêu − Nghiên cứu tượng khí thực mố tiêu đập tràn Nước Trong – huyện Sơn Hà – Tỉnh Quảng Ngãi Từ đề xuất giải pháp phịng khí thực mố tiêu sau đập tràn Nước Trong 53 Tại tường tiêu đặt cuối bể: a) Tính hệ số khí hóa phân giới Kpg: Với dạng mặt cắt tường tiêu đặt cuối bể có dạng mặt cắt số Hình 2.6, tra theo biểu đồ Hình 2.7 để xác định trị số Kpg1 Ta có giá trị để tra biểu đồ xác định Kpg1 là: − lc: khoảng cách từ đầu bể đến vị trí đặt tường, lc = 77m − anh: Chiều cao nước nhảy, xác định theo tính tốn thủy lực Chiều cao cột nước tràn qua tường: H1 = hb – Ctường = 25,608 – 8,5 = 17,108m => anh = hn = σn.H1 = 1,1 17,108 = 18,819m => lc 77 = = 4,092 anh 18,819 Tra biểu đồ Hình 2.7 ta có trị số Kpg1 = 0,8 Trị số Kpg xác định theo công thức sau (2-9): Kpg = Kpg1 – 0,74(σn – 1) – 0,4(1– C ) C pg Trong đó: − σn: hệ số nước nhảy ngập bể, trường hợp ta lấy σn = 1,1 − C = 0,9 C pg Thay tất giá trị vào công thức (2-9) ta Kpg: Kpg = 0,8 – 0,74(1,1 – 1) – 0,4(1 – 0,9) = 0,686 b) Tính hệ số khí hóa thực tế K: Trị số K xác định theo công thức (2-5): K= H ĐT − H pg VĐT 2g Trong đó: − Hpg: cột nước áp lực phân giới, Hpg = 0,32m (T = 250) − HĐT: cột nước áp lực toàn phần đặc trưng; HĐT = Ha + H1 − Ha: Cột nước áp lực khí trời, Ha = 10,25m 54 − H1: Chiều cao cột nước tràn qua tường tiêu năng, xác định theo tính tốn thủy lực ta có H1 = hb – Ctường = 17,108m => HĐT = 10,25 + 17,108 = 27,358m − VĐT: lưu tốc đặc trưng dịng chảy phận cơng trình xét, với tường tiêu ta tính theo cơng thức sau: VĐT = Q 6728 = = 4,81 m / s Bc H1 81,78 × 17,108 Tất thay vào cơng thức (2-5) ta có: K= H ĐT − H pg ĐT V 2g = 27,358 − 0,32 = 22,94 4,812 × 9,81 Theo điều kiện (2-6) ta thấy K >> Kpg , khơng có phát sinh khí hóa tường tiêu đặt cuối bể Nhận xét: Từ kết tính tốn mục cho ta thấy mố tiêu đặt bể có mức độ khí hóa mạnh (K Vng => khu vực xảy xâm thực trình vận hành Tại hàng mố tiêu thứ hai có Vy2 khu vực khơng xảy xâm thực q trình vận hành Tại đáy tường bên bể tiêu năng: Theo tài liệu thí nghiệm [9] ta có, đáy tường bên (khu vực đầu bể tiêu năng), lưu tốc cục dòng chảy Vy1 thay đổi khoảng từ 26,71 ÷ 28,06 (m/s); đáy tường bên (khu vực cuối bể tiêu năng), lưu tốc cục dòng chảy Vy2 thay đổi khoảng từ 4,45 ÷ 6,94 (m/s) Theo tài liệu thiết kế [8] ta có khu vực đáy thiết kế sử dụng vật liệu BTCT M30, giả thiết độ hàm khí nước S = Từ tra đồ thị (Hình 2.8) ta có Vng = 14,5 (m/s) Ta thấy đáy tường bên (khu vực đầu bể tiêu năng) có Vy1 >> Vng => khu vực xảy xâm thực q trình vận hành Cịn khu vực cuối bể tiêu khơng xảy xâm thực q trình vận hành ta có Vy2 La = 66,25m Bán kính thủy lực: R= ω 3,8 = = 0,396 χ 9,6 n: hệ số nhám, n = 0,014 n C: hệ số Sêri, tính theo cơng thức C = R => ξ d = 0,88 ; => ∑ξ i = 0,3961/ = 61,21 0,014 = 0,5 + 1,1 + 0,88 = 2,48 Thay tất giá trị vào công thức (2-21) ta được: μa = 1 + ∑ ξi = = 0,536 + 2,48 Thay tất giá trị vào công thức (2-20) ta được: hck = Va2 γ a 45,94 = = 0,48m 2 2.g.μ a γ 2.9,81.0,536 780 61 Vậy hck = 0,48m ≤ 0,5m đảm bảo ổn định đường ống dẫn khí g) Tính tốn độ chân khơng buồng khí phía sau mố tiêu năng: Độ chân khơng buồng khí phía sau mố tiêu xác định theo công thức (2-22) sau: Δh = Va2 γ a 2.g.μ a2 γ Trong đó: − Δh chênh lệch cột nước đầu ống dẫn khí nhánh (d2) − Va: lưu tốc khí ống , Va = 49,62m/s − γa: trọng lượng riêng khơng khí (KN/m3) − γ: trọng lượng riêng nước(KN/m3), trường hợp lấy γa = γ 780 − μ a : hệ số lưu lượng ống dẫn khí, xác định theo công thức (2-21): μa = ∑ξ i + ∑ξi : tổng hệ số tổn thất áp lực toàn ống, bao gồm tổn thất cửa vào, đoạn uốn cong dọc đường ∑ξ i = ξCV + ξUC + ξ d − Tổn thất cửa vào ξ CV = 0,5 (cửa vào không thuận) − Tổn thất vị trí uốn cong gấp 900 (trục ống từ thẳng đứng chuyển sang nằm ngang đáy bể tiêu năng): ξUC = 1,1 − Hệ số tổn thất dọc đường: La: chiều dài ống (d2) La = ξd = gLa C2R 4,8 + = 6,4m Ống có bán kính thủy lực: R = d2/4 = 0,8/4 = 0,2 n: hệ số nhám, n = 0,014 n C: hệ số Sêri, tính theo cơng thức C = R = 0,21/ = 54,62 0,014 62 => ξ d = 0,21 ; => ∑ξ i = 0,5 + 1,1 + 0,21 = 1,81 Thay tất giá trị vào công thức (2-21) ta được: μa = 1 + ∑ ξi = = 0,597 + 1,81 Thay tất giá trị vào công thức (2-22) ta được: Va2 γ a 49,62 Δh = = = 0,452m 2 2.g.μ a γ 2.9,81.0,597 780 Vậy độ chân khơng buồng khí sau mố tiêu là: hck1 = hck + Δh = 0,48 + 0,452 = 0,932m < 1,0m => đảm bảo chế độ làm việc ổn định Tính tốn ống tiếp khí cho hàng mố tiêu thứ hai: Theo số liệu thí nghiệm mơ hình [9] ta có lưu tốc đặc trưng hàng mố tiêu thứ hai VĐT = 5,32 m/s