Nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình hồ sông cái tỉnh ninh thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM PHÙNG THƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘTHỦY LỰC CỦA TRÀN XẢ LŨ NHẰM XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH CẦU GIAO THÔNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH HỒ SÔNG CÁI – TỈNH NINH THUẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ TḤT Hà Nợi - 2010 BỢ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM PHÙNG THƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘTHỦY LỰC CỦA TRÀN XẢ LŨ NHẰM XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH CẦU GIAO THÔNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH HỒ SÔNG CÁI – TỈNH NINH THUẬN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60 – 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN NGHỊ Hà Nội - 2010 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CÁM ƠN Gần ba năm học tập lớp cao học khóa 16 trường, học viên thầy cô mơn khoa học trường tận tình dẫn, giúp đỡ, khoa đào tạo sau đại học quan tâm Đồng thời thời gian học tập cao học, học viên giúp đỡ anh chị em học viên khóa giúp đỡ, trao đổi giảng trường, giúp cho thân học viên hiểu sâu nội dung giảng Đến chuyển sang phần viết luận văn, học viên lại hướng dẫn tận tình thầy PGS – TS Lê Văn Nghị cơng tác Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia động lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam hướng dẫn khoa học thực luận văn Song để có tài liệu viết luận văn học viên giúp đỡ Trung tâm nghiên cứu thủy lực, quan tư vấn thiết kế– Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi HEC1 Vì học viên xin chân thành gửi tới nhà trường, thầy cơ, bạn bè khóa học, anh chị em đơn vị cơng tác gia đình học viên lời biết ơn cám ơn sâu sắc Trong khn khổ luận văn thạc sĩ, trình độ điều kiện thời gian có hạn nên luận văn tránh khỏi tồn tại, hạn chế, học viên mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy cô, anh chị bạn bè đồng nghiệp./ Học viên Phạm Phùng Thường Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục đích nhiệm vụ đề tài: III Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu IV Kết dự kiến đạt CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cơng trình tiêu sau tràn xả lũ 1.1.1 Tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện thê giới: 1.1.2 Tổng quan tình hình xây dựng cơng trình tràn xả lũ tiêu dạng mũi phun Việt Nam ta 13 1.1.3 Tổng quan hình thức tiêu phịng xói 14 1.1.4 Dạng mũi phun so le 18 1.1.5 Tổng quan xác định chiều sâu hố xói chiều dài phun xa 21 1.2 Tổng quan chế độ thủy lực hạ lưu tiêu theo dạng dòng phun ảnh hưởng tới cầu giao thông 22 1.3 Nhận xét chương 1: 24 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHẾ ĐỘ THỦY LỰC DÒNG CHẢY SAU CƠNG TRÌNH TIÊU NĂNG HẠ LƯU 26 2.1 Đặc điểm của công trình tiêu sau tràn xả lũ 26 2.1.1.Tiêu dòng đáy: 27 2.1.2.Tiêu mặt 30 2.1.3 Tiêu phóng xa: 31 2.2 Chiều dài phóng xa của các công trình tiêu bằng mũi phun 33 2.3 Q trình xói lở đá xác định chiều sâu hố xói 40 2.3.1 Tác động dòng phun gây xói đá 40 2.3.2 Q trình vật lý tượng xói dòng phun 41 2.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới chiều sâu hố xói 43 2.4.1 Ảnh hưởng lưu lượng đơn vị 44 2.4.2 Ảnh hưởng tính chất lý đá hạ lưu 44 2.4.3 Ảnh hưởng chiều sâu nước đệm hạ lưu đến chiều sâu hố xói 45 2.4.4 Ảnh hưởng thời gian xả lũ tới chiều sâu hố xói 47 2.4.5 Ảnh hưởng góc hắt góc tới dịng phun đến chiều sâu hố xói 48 2.4.6 Ảnh hưởng mạch động áp lực đến chiều sâu xói 50 2.4.7 Ảnh hưởng xói quy trình vận hành cửa van để xả lũ 50 2.5 Cơ chế xói đá hố xói dự báo chiều sâu xói 51 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Phạm Phùng Thường T T Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2.5.1 Cơ chế xói đá hố xói: 51 2.5.2 Cơng thức ước tính độ sâu xói hố xói 52 2.5.2.1 Loại công thức kinh nghiệm: 52 2.5.2.2 Loại công thức bán kinh nghiệm: 52 2.6 Nối tiếp dòng chảy lượng dư tác động đến mực nước cầu giao thông hạ lưu công trình 55 2.7 Nhận xét chương 2: 61 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY LỰC TIÊU NĂNG CỦA CƠNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ SƠNG CÁI 64 3.1 Giới thiệu chung cơng trình 64 3.1.1 Vị trí cơng trình: 64 3.1.2 Nhiệm vụ công trình: 64 3.1.3 Quy mơ cơng trình: 65 3.1.4 Các yêu cầu thí nghiệm: 65 3.1.5 Yêu cầu loại mô hình tỷ lệ mơ hình: 66 3.1.6 Trình tự nghiên cứu thí nghiệm: 66 3.2 Các u cầu nghiên cứu thí nghiệm chi tiết mơ hình 66 3.2.1.Đối tượng thí nghiệm mơ hình thủy lực 66 3.2.2.Thí nghiệm phương án thiết kế 67 3.2.3 Hạng mục cơng trình thí nghiệm yêu cầu thí nghiệm 69 + Hình thức tiêu năng: Tiêu phóng xa 3.2.4.Thiết kế chế tạo, lắp ráp mơ hình thiết bị đo 70 3.3 Kết nghiên cứu thí nghiệm phương án thiết kế 78 3.3.1 Về tình hình dịng chảy 78 3.3.2 Về nối tiếp tiêu hạ lưu 80 3.3.3 Về chiều dài dòng phun 80 3.3.4 Về lưu tốc, mạch động lưu tốc 83 3.3.5 Đánh giá khả xói lở dịng chảy xả lũ gây 90 3.3.6 Về đường mặt nước 93 3.3.7 Về mạch động áp suất 95 3.4 Kết thí nghiệm phương án sửa đổi : 97 3.4.1 Phương án sửa đổi 97 3.4.2 Về tình hình dịng chảy hạ lưu: 98 3.4.3 Kết nối tiếp tiêu hạ lưu: 98 3.4.4 Về lưu tốc mạch động lưu tốc: 99 3.5 Nhận xét chương 3: 105 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Phạm Phùng Thường T T Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT VÀ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY LỰC VỀ TIÊU NĂNG 106 TRÀN XẢ LŨ SÔNG CÁI 106 4.1 Số liệu để tính tiêu 106 4.2 So sánh kết tính tốn lý thuyết thí nghiệm mơ hình thủy lực 111 4.4 Phân tích giải pháp thi cơng hố xói 114 4.5 Nhận xét chương 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 Kết luận: 117 Kiến nghị: 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Phạm Phùng Thường T Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Hồ chứa nước cơng trình thủy lợi với mục đích sử dụng tổng hợp nguồn nước phục vụ mục tiêu phát triển bền vững kinh tế xã hội, cải thiện giao thông thủy môi trường Việc thiết kế, xây dựng hồ chứa đường tràn xả lũ hạng mục quan trọng cụm đầu mối cơng trình thủy lợi thủy điện Hồ chứa có nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ, cịn đập tràn có nhiệm vụ xả lưu lượng nước dư để đảm bảo an tồn cho tồn cụm cơng trình Trong thiết kế đập tràn xả lũ việc lựa chọn hình thức tiêu để phù hợp với yêu cầu: - Bố trí chung cụm cơng trình đầu mối; - Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn thơng số thủy lực dịng chảy; - Tiêu hao tốt lượng dòng chảy, để phần lượng dư đổ xuống hạ lưu ảnh hưởng đến an tồn cơng trình lân cận, đến xói lở hai bờ, đến cơng trình qn sự, cơng nghiệp, giao thơng, dân sinh hạ lưu đập tràn Về hình thức tiêu thường áp dụng gồm hai dạng: + Dạng tiêu đáy (dùng bể tiêu biện pháp tiêu phụ ngưỡng tiêu năng, mố tiêu năng, rãnh tiêu năng) Bể tiêu bố trí sau chân đập đập tràn cơng trình thủy điện An Khê, hay đập tràn Nước Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trong Song có cơng trình điều kiện địa hình nên sau chân đập cịn có dốc nước đoạn cong chuyển tiếp nối với bể tiêu cơng trình thủy lợi Đá Hàn (Hà Tĩnh) hay cơng trình đập tràn EA Rớt (Đắc Lắc)… - Dạng tiêu dòng phun: với điều kiện địa chất hạ lưu cơng trình tốt (là loại đá gốc: granite, hoa cương, thạch anh…có cường độ kháng nén σ>600 kg/cm2 trở lên nên dùng dạng tiêu Trong luận văn học viên sâu nghiên cứu tác dụng hố tiêu sau dịng phun cơng trình đập tràn Hồ Sơng Cái ảnh hưởng đến tình hình thủy lực hạ lưu đặc biệt cao trình cầu giao thơng hạ lưu Giai đoạn vừa qua có nhiểu cơng trình tràn xả lũ vận hành có tác động xấu đến cầu giao thông hạ lưu Như mùa lũ năm 2006, xả lũ đập tràn sông Hinh làm trôi cầu giao thông đường vào khu vực cơng trình mà kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực cảnh báo Lại năm 2008 xả lũ thi cơng cơng trình Cửa Đạt – Thanh Hóa làm vỡ mố cầu bờ trái, mà điều cảnh bảo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Vì tình hình thủy lực diễn phức tạp xả lũ, mà đồ án thiết kế khơng tính tốn lường trước hết Bởi vậy, tác giả luận văn cho sâu nghiên cứu vấn đề xác định cao trình cầu giao thông xả lũ xuống hạ lưu Hồ Sơng Cái đóng góp cần thiết cho công việc thiết kế cầu giao thông hạ lưu tràn xả lũ giai đoạn tới II Mục đích nhiệm vụ đề tài: Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - Là để học viên làm quen tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa học có tính độc lập, tập phân tích vấn đề, tượng thủy lực dòng chảy lũ, nhận biết ảnh hưởng xấu đến cơng trình hạ lưu đập tràn; - Nghiên cứu phương thức tính tốn, đánh giá khác biệt dịng chảy tự nhiên chưa có xây dựng cơng trình xả lũ, đưa quy luật ảnh hưởng dịng chảy sau cơng trình xả lũ; - Thu thập tài liệu tham khảo có liên quan để làm tư liệu tham khảo cho công tác cần thiết sau này, dựa sở để đánh giá tác động dòng chảy đến cơng trình tương tự III Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận: + Dựa vào tài liệu tham khảo: giáo trình thủy cơng, giáo trình thủy lực, động lực học dịng sơng, tài liệu chuyên khảo đập tràn – nối tiếp tiêu sau đập tràn xả lũ, báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực hai Viện: Viện lượng Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, tài liệu dịch từ nước để cập nhật thơng tin cần thiết có liên quan đến đề tài luận văn + Sử dụng thuyết minh tính tốn thủy lực thiết kế báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm thủy lực đầu mối Hồ chứa Sơng Cái “ Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia động lực học sông biển” - Phương pháp nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết cách tính tốn tài liệu tham khảo Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật + Kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm mơ hình thủy lực cơng trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái (tỉnh Ninh Thuận) để so sánh với tính tốn theo thiết kế, từ đưa kiến nghị thực theo giải pháp hợp lý IV Kết dự kiến đạt - Với phương pháp nghiên cứu khoa học, phân tích tượng thủy lực dịng chảy chưa có cơng trình sau xây dựng cơng trình tràn xả lũ, dùng số liệu xây dựng cơng trình tràn xả lũ, dùng số liệu thu từ kết thí nghiệm mơ hình thủy lực để đề xuất việc xác định cao trình cầu giao thơng - Nghiên cứu cách tính tốn, đưa yếu tố ảnh hưởng dịng chảy sau cơng trình tràn xả lũ đến việc an toàn ổn định cầu giao thông hạ lưu gần đập tràn (như cầu giao thông bắc qua sông Cái) - Đưa phương án bố trí kích thước hố xói sau tràn xả lũ để cải thiện tình hình thủy lực hai bờ hạ lưu nhằm giảm bớt đáng kể mực nước, dao động sóng, vận tốc dịng chảy vị trí cầu giao thơng, sở kiến nghị phương pháp chọn kích thước hố xói cần thiết - Là tài liệu tham khảo cơng trình tương tự - Đề xuất số ý kiến đóng góp vào việc chọn tần suất lũ thiết kế cầu giao thông điều kiện thủy văn chịu ảnh hưởng biến đổi khí hậu mơi trường rừng đầu nguồn bị xâm hại Phạm Phùng Thường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 123 PHỤ LỤC Ảnh 1: Nối tiếp tiêu hạ lưu PATK Q = 4358,7 m3/s P P Ảnh 2: Nối tiếp tiêu hạ lưu PATK Q = 4358,7 m3/s P Phạm Phùng Thường P Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 124 Ảnh 3: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ thượng lưu PATK Q = 5185,14 m3/s P P Ảnh 4: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ hạ lưu PATK Q = 5185,14 m3/s P Phạm Phùng Thường P Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 125 Ảnh 5: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ hạ lưu PASĐ Q = 5185,14 m3/s Trường hợp đóng cống xả cát P Ảnh 6: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ thượng lưu PASĐ Q = 5185,14 m3/s P Phạm Phùng Thường P P Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 126 Ảnh 7: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ hạ lưu PASĐ Q = 5185,14 m3/s P P Ảnh 8: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ hạ lưu phải PASĐ Q = 7436,9 m3/s P Phạm Phùng Thường P Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 127 Ảnh 9: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ hạ lưu trái PASĐ Q = 7436,9 m3/s P P Ảnh 10: Nối tiếp tiêu hạ lưu nhìn từ thượng lưu PASĐ Q = 5546,3 m3/s P Phạm Phùng Thường P 128 Hình Mặt cắt ngang đập tràn PA thiết kế Phạm Phùng Thường 129 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XIII XII XIV XV XVI s« n c2 s« ng c¸ i i g c¸ i g c¸ c n8 sô n sô n i g cá I Phm Phựng Thường II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI ... giả luận văn cho sâu nghiên cứu vấn đề xác định cao trình cầu giao thơng xả lũ xuống hạ lưu Hồ Sơng Cái đóng góp cần thiết cho công việc thiết kế cầu giao thông hạ lưu tràn xả lũ giai đoạn tới II... lực hạ lưu đặc biệt cao trình cầu giao thông hạ lưu Giai đoạn vừa qua có nhiểu cơng trình tràn xả lũ vận hành có tác động xấu đến cầu giao thơng hạ lưu Như mùa lũ năm 2006, xả lũ đập tràn sông. .. hình thủy lực để đề xuất việc xác định cao trình cầu giao thơng - Nghiên cứu cách tính tốn, đưa yếu tố ảnh hưởng dịng chảy sau cơng trình tràn xả lũ đến việc an toàn ổn định cầu giao thông hạ lưu