Đập vòm tràn nước có cột nước cao, lưu tốc dòng chảy lớn, năng lượng của dòng chảy qua đập xuống hạ lưu rất lớn. Năng lượng đó sẽ phá hoại lòng sông và gây nên xói lở cục bộ hạ lưu đập, ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn đập và khả năng làm việc của công trình.
Hình thức tiêu năng thích hợp nhất là tiêu năng phóng xa. Đây là hình thức tiêu năng bằng cách lợi dụng mũi phun ở phía hạ lưu đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập. Năng lượng của dòng chảy một phần sẽ giảm do quá trình khuếch tán của dòng phun trong không khí, phần còn lại sẽ được tiêu hao tại hố xói hạ lưu. Đồng thời, dòng chảy được phóng ra khỏi đập tương đối xa nên sẽ không làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc và an toàn của đập.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO ĐẬP VÒM TRÀN NƯỚC NẬM CHIẾN 3.1.Giới thiệu công trình
3.1.1. Vị trí công trình
Thủy điện Nậm Chiến được xây dựng trên suối Chiến, thuộc địa bàn 2 xã Ngọc Chiến và Chiền Muông, huyện Mường La, tỉnh Sơn La. Công trình cách trung tâm huyện 20km về phía Đông Bắc, cách thủy điện Sơn La khoảng 35km về phía thượng nguồn. Công trình có nhà máy kiểu đường dẫn, cụm công trình đầu mối và hồ chứa được xây dựng trên địa bàn xã Ngọc Chiến, nhà máy được xây dựng trên xã Chiền Muông.
Suối Chiến là phụ lưu trái của sông Đà, hội nhập với sông Đà phía hạ lưu cách thủy điện Sơn La khoảng 3km.
3.1.2. Nhiệm vụ của công trình
Công trình có nhiệm vụ phát điện với công suất lắp máy 200MW, điện lượng cung cấp hàng năm 813.7 triệu kWh. Công trình thủy điện Nậm Chiến sẽ kết hợp với các nguồn điện khác, để cung cấp điện cho thi công xây dựng các công trình nguồn điện khác trên hệ thống sông Đà đang và sẽ được xây dựng trong những năm tới (Lai Châu, Bản Chát, Huội Quảng…).
Việc xây dựng công trình góp phần tích cực trong việc cải thiện môi trường sinh thái, thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội cho khu vực, tham gia phòng chống lũ hạ du, tạo năng lực phát triển thủy sản và du lịch.
3.1.3. Cấp và quy mô công trình
3.1.3.1. Cấp công trình: a.Theo năng lực phục vụ:
Công trình thủy điện Nậm Chiến được xây dựng với nhiệm vụ chính là phát điện. Đây là công trình thủy điện cột nước cao, công suất lắp máy Nlm = 200MW, hàng năm cung cấp khoảng 813.71 kWh điện, theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012/BNNPTNT, cấp công trình là cấp II.
b.Theo quy mô công trình đầu mối:
Công trình đầu mối thủy điện Nậm Chiến có kết cấu đập vòm bê tông cốt thép trọng lực, chiều cao lớn nhất là 135m.
Nền đập là đá IB và IIA của đá riolit và riolit chứa tup,… theo QCVN 04-05:2012/BNNPTNT, cấp công trình là cấp I.
Như vậy cấp công trình là cấp I. Theo đó, tần suất tính toán lũ thiết kế, kiểm tra như sau:
- Tần suất thiết kế: P = 0.1% - Tần suất kiểm tra: P = 0.02%.
3.1.3.2. Quy mô công trình:
Các thông số chính của công trình thủy điện Nậm Chiến:
Cấp công trình Cấp I
Mực nước dâng bình thường MNDBT 945.00m
Mực nước chết MNC 906.00m
Dung tích toàn bộ Wtb 154.75x106 m3
Dung tích hữu ích Whi 108.57x106 m3
Công suất lắp máy Nlm 200MW
Công suất đảm bảo Ndb 64.05MW
Điện lượng bình quân năm E0 813.71x106 kWh
3.1.4. Các hạng mục công trình
3.1.4.1. Đập dâng:
Kết cấu đập vòm bê tông trọng lực
Chiều rộng đỉnh đập B 7m Chiều cao lớn nhất H 135m Chiều dài đỉnh đập L 273.3m Cao trình đỉnh đập 953.0m Nền đập đặt trên nền đá IB và IIA 3.1.4.2. Đập tràn: Tràn xả tự do bố trí trên đỉnh đập.
Mặt cắt ngang tràn dạng không chân không Ofixerov.
Kích thước tràn gồm 5 khoang, chiều rộng mỗi khoang b = 16m. Cao trình ngưỡng tràn: 945.00m.
Khả năng xả lũ của tràn: Q xả (P=0.1%) = 1931.9 m3/s Qxả (P=0.02%) = 2456.7 m3/s. Hình thức tiêu năng sau đập tràn bằng phóng xa.
3.1.4.3. Tuyến năng lượng:
Bao gồm cửa lấy nước, đường hầm dẫn nước, tháp điều áp, nhà máy thủy điện và kênh dẫn ra sau nhà máy.
a.Cửa lấy nước:
Lưu lượng thiết kế 35.61m3/s
Kích thước lưới chắn rác 11.1x6.4m
Kích thước cửa van điều tiết 5.13x4.2m
Kiểu van vận hành Phẳng + bánh xe
Kích thước của van sửa chữa 4.88x4.0m
b.Đường hầm dẫn nước:
Lưu lượng thiết kế 35.61m3/s
Đường kính hầm 3.8/3.4/3.0m Tổng chiều dài 9921.73m Hầm ngang 9500.37m Ống hở trên cầu 89.5m Giếng nghiêng 344.92m c.Tháp điều áp: Kiểu tháp Viên trụ Đường kính 12m Cao trình đỉnh 972.00m Cao trình đáy 950.00m Chiều cao tháp 22m
Chiều cao đoạn giếng đến hầm nghiêng 22m
d.Nhà máy thủy điện:
Loại nhà máy Đường dẫn
Số tổ máy 2 tổ
Công suất lắp máy 200 MW
Loại Tuốcbin Gáo (Pelton)
Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy 2x17.8 m3/s
Kích thước BxH 32.8x74.25m
Cao trình đặt tuabin 278.00m
e.Kênh dẫn ra sau nhà máy:
Mặt cắt kênh hình thang
Bề rộng đáy B 24m
Chiều dài kênh 81m
f. Trạm phân phối:
Kích thước 88.7x50.5m
Cấp điện áp 220kV
3.1.5. Một số hình ảnh công trình thủy điện Nậm Chiến
3.2.Đập vòm tràn nước Nậm Chiến và những vấn đề nghiên cứu
Đập vòm tràn nước Nậm Chiến là công trình có dạng vòm cao đầu tiên được xây dựng ở nước ta. Công trình do Viện Thủy công Ukraine thiết kế. Hiện nay các kỹ sư Việt Nam còn chưa có kinh nghiệm và một phần còn chưa làm chủ được các chương trình tính toán thiết kế.
Khi xả lũ, dòng chảy qua ngưỡng tràn sẽ có lưu tốc tăng dần từ ngưỡng tràn đến mũi phun, lưu tốc cao hiện tượng khí thực sẽ xâm thực bề mặt bê tông gây xói mặt tràn, áp lực thủy động và mạch động lớn gây ra chấn động công trình. Chênh cao giữa mũi phun và dòng chảy hạ lưu là 103m sẽ tạo dòng phun xuống hạ lưu với động năng và thế năng lớn gây bất lợi cho chân công trình. Vì vậy, việc xác định chính xác các đặc tính thủy lực, các thông số dòng chảy trên mặt tràn, qua đó xác định được phạm vi ảnh hưởng của dòng phun, chế độ dòng phun, xác định được phạm vi hố xói là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định và an toàn công trình đầu mối.
Là một công trình lớn, phức tạp nên các thông số tính toán cần phải được kết hợp với các số liệu thí nghiệm mô hình để có thể đảm bảo các thông số thiết kế đưa ra là chính xác, phù hợp nhất.
3.3.Các giải pháp tiêu năng và nối tiếp dòng chảy sau đập vòm tràn nước Nậm Chiến Nậm Chiến
3.3.1. Các giải pháp tiêu năng dòng phóng xa
Dòng phun xuống hạ lưu có lưu tốc cao, năng lượng dòng chảy là rất lớn. Các biện pháp tiêu năng dòng chảy cần đảm bảo 2 yếu tố chính:
- Năng lượng dòng phun được tiêu hao lớn nhất, thông qua quá trình khuếch tán của dòng chảy trong không khí, cấu tạo của mũi phun giúp các dòng phun va chạm với nhau trong không khí, đảm bảo năng lượng của dòng
phun xuống hạ lưu có năng lượng nhỏ nhất, hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực tới hạ lưu đập.
- Điều khiển dòng phun sao cho năng lượng dòng chảy được tiêu hao nhiều nhất, nhưng cũng phải đảm bảo các tia dòng đổ xuống hạ lưu trong phạm vi hố xói định sẵn, không làm ảnh hưởng tới hai bên bờ sông hạ lưu.
Các phương án tiêu năng dòng phóng xa: Đề nghị các phương án như sau:
- Phương án 1: Kết cấu mũi phun xả dòng xuống hạ lưu được thực hiện theo hình thức xả trực tiếp qua mũi phóng của kết cấu liên hợp, được thực hiện ở dạng mũi phóng hình trụ lượn theo bán kính R = 6.5m và các dầm conson – các mố tản dòng có đầu cuối là các mũi phóng có hướng tạo với phương nằm ngang một góc 28.16o
.
- Phương án 2: Kết cấu mũi phun xả dòng xuống hạ lưu được thực hiện theo hình thức xả trực tiếp qua mũi phóng của kết cấu liên hợp. Ba khoang giữa tràn có cùng cao trình mũi phun, hai khoang biên cao trình mũi phun được nâng lên +2m so với ba khoang giữa. Đồng thời hai khoang tràn biên được thiết kế xoay một góc 10o trên mặt bằng so với trục đập, mũi phun hướng vào phía trục đập, dòng phun của hai khoang tràn biên sẽ chụm hướng vào trục đập.
- Phương án 3: Kết cấu tương tự như của phương án 1, tuy nhiên các dầm conson – các mố tản dòng có đầu cuối là các mũi phóng có cấu tạo xen kẽ giữa các mũi có phương nằm ngang 30o và các mũi có phương nằm ngang 25o.
3.3.2. Giải pháp nối tiếp dòng chảy sau đập vòm Nậm Chiến
Đập vòm tràn nước Nậm Chiến sử dụng biện pháp tiêu năng bằng mũi phun. Các phương án nối tiếp dòng chảy và gia cố hạ lưu đập có thể áp dụng:
- Phương án 1: Dòng phun được xả trực tiếp xuống lòng suối tự nhiên, gia cố đáy và hai bên sườn dốc vùng tiếp giáp với đập bằng bê tông cốt thép.
- Phương án 2: Xây dựng ở hạ lưu đập bể tiêu năng kiểu rãnh bằng cách tạo hố xói ở lòng suối và gia cố bằng các tấm bê tông cốt thép có neo anke.
- Phương án 3: Xây dựng ở hạ lưu bể tiêu năng không gia cố, bằng cách xây đập nhỏ dâng nước kiểu bê tông trọng lực chắn nước ở lòng suối.
3.3.3. Các thông số tính toán
Đập vòm Nậm Chiến có đập tràn dạng vòm, mặt cắt đập tràn thực dụng không chân không Krier – Ofixerov y = 0.1478832x1.8, cao độ ngưỡng 945.00m, cột nước thiết kế mặt cắt đập Htk = 4.3m, gồm 5 khoang, mỗi khoang rộng b = 16.0m.
Kết cấu mũi phun xả dòng xuống hạ lưu được thực hiện theo hình thức xả trực tiếp qua mũi phóng của kết cấu liên hợp, được thực hiện ở dạng mũi phóng hình trụ lượn theo bán kính R = 6.5m và các dầm conson – các mố tản dòng có đầu cuối là các mũi phóng có hướng tạo với phương nằm ngang một góc 28.16o.
Các số liệu ban đầu:
Cao độ ngưỡng tràn Zngtr = 945.00m
Chiều rộng thông thủy của ngưỡng tràn Σb = 5x16 = 80m
Cột nước mặt cắt thiết kế Htk = 4.3m Chiều cao đập tràn ở TL CB = 98.0 (127.0)m Phương trình xác định đường mặt tràn y = 0.1478832x1.8 Bán kính cong ở mặt bằng Ở đỉnh đập tràn Rr = 109.298m Mặt đầu ra mũi phóng R = 90.00m
Chiều rộng ở đường dốc xuống từ mũi phóng:
Theo cung L = 72.46m
Theo dây cung Bx = 70.52m
Góc giữa của cung đường dốc từ mũi phóng θ = 46.1311o Chiều rộng gờ đầu vào của trụ pin δ = 2.0m Bán kính cung gờ đầu vào của trụ pin r = 2.0m
Hệ số hình dạng mặt cắt tràn σΦ = 1.0
Lưu lượng xả lũ thiết kế Q0.1% = 1931.9 m3/s
Lưu lượng xả lũ kiểm tra Q0.02% = 2456.7 m3/s
Sơ đồ bố trí đập tràn công trình thủy điện Nậm Chiến Sơn La được thể hiện như Hình 3.5.
Hình 3.6 Chính diện đập nhìn từ phía hạ lưu
Hình 3.8 Sơ đồ bố trí đập tràn Nậm Chiến
3.4.Các kết quả tính toán
3.4.1. Tính toán khả năng tháo của đập tràn Nậm Chiến
Khả năng tháo của đập vòm tràn nước Nậm Chiến được xác định theo công thức: 3/2 0 2 n k Q=σ εm B g H (3-1) Trong đó: B = Σb =5 x 16 = 80m; σn – Hệ số ngập. Chảy không ngập: σn = 1; ε – Hệ số co hẹp bên. Trường hợp H0/b ≤ 1: ( 1) 1 0.2 y n p Ho n b ξ ξ ε = − + − (3-2)
ξy – Hệ số giảm xét đến hình dạng mép vào của trụ pin; ξP – Hệ số giảm, xét đến hình dạng trụ pin;
mk – Hệ số lưu lượng của đập vòm tràn nước; H0 – Cột nước toàn phần trên đỉnh tràn
2 0 2 v Ho H g α = +
Hệ số lưu lượng mk của đập vòm tràn nước Nậm Chiến có xét đến tỷ số BB/b >1.2, được xác định theo công thức:
.
k k
m =σ m (3-3)
Trong đó: σk – Hệ số hiệu chỉnh được xác định phụ thuộc vào đại lượng góc ở tâm θ và tỷ lệ H/R;
R – Bán kính cong tại đỉnh đập vòm.
m – Hệ số lưu lượng của đập tràn thẳng xác định theo QPTL C-8-76 và Sổ tay Kỹ thuật thuỷ lợi. Theo đó, đập vòm tràn nước Nậm Chiến có đoạn nhô ra phía thượng lưu CB <3H thì hệ số phải giảm đi 2% so với thông thường.
0.98. .r H. d
m= m σ σ (3-4)
Trong đó: mr – Hệ số lưu lượng dẫn xuất, m=0.504 – QPTL C-8-76; σH – Hệ số hiệu chỉnh cột nước;
σd – Hệ số hình dạng.
Bảng 3.1 Tính toán khả năng tháo nước của đập tràn Nậm Chiến
Thông số Khả năng tháo qua đập tràn
Ztl 945,2 945,6 946,2 946,8 947,4 948,0 948,6 949,2 949,8 950,4 951,0 Htr 0,200 0,600 1,200 1,800 2,400 3,000 3,600 4,200 4,800 5,400 6,000 Htr/Htk 0,047 0,140 0,279 0,419 0,558 0,698 0,837 0,977 1,116 1,256 1,395 σH 0,842 0,864 0,892 0,922 0,945 0,965 0,982 0,997 1,011 1,024 1,037 σΦ 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 m 0,416 0,427 0,441 0,455 0,467 0,477 0,485 0,492 0,499 0,506 0,512 Htr/Rr 0,002 0,005 0,011 0,016 0,022 0,027 0,033 0,038 0,044 0,049 0,055 σk 1,000 0,998 0,997 0,995 0,994 0,993 0,991 0,99 0,989 0,988 0,987 mk 0,416 0,426 0,439 0,453 0,464 0,473 0,481 0,488 0,494 0,500 0,506 ε 0,999 0,997 0,995 0,992 0,990 0,987 0,985 0,982 0,980 0,977 0,974 Q 13,2 70,0 203,6 384,8 605,0 860,4 1145,6 1460,4 1802,8 2171,0 2565,7
Hình 3.9 Khả năng tháo của đập vòm tràn nước Nậm Chiến
3.4.2. Các thông số dòng chảy qua đập vòm tràn nước Nậm Chiến
3.4.2.1. Cơ sở tính toán
Để xác định được đường mặt nước chảy trên mặt đập vòm tràn nước Nậm Chiến sử dụng phương pháp theo phương trình Bernouilli và phương pháp V.I.Tsanomxki đã trình bày trong Chương 2.
Do đặc điểm của đập tràn Nậm Chiến có kết cấu vòm dạng vòm và đường biên mặt tràn là đường cong (không có đoạn thẳng nối tiếp giữa đường cong với cung tròn ở mũi phun), nên trình tự xác định đường mặt nước trên tràn như sau:
- Bước 1: Xác định chiều sâu mực nước tại mặt cắt A-A (hA) theo phương trình (3-5): 2 ( cos ) A A A A q V g d H h h θ = = + − (3-5)
- Bước 2: Xác định đường mặt nước đoạn từ mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B theo phương trình (3-6): 2 2 2 1 1 1 1 cos cos . . 2 2 2 i i tb i i i i i i i tb v v v Z h Z h l g g h g λ θ + θ + + + + + = + + + (3-6) 944 945 946 947 948 949 950 951 952 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Z (m) Qtr (m3/s)
- Bước 3: Xác định đường mặt nước đoạn từ mặt cắt B-B đến cuối mũi phun theo phương trình (3-7). Đoạn này có dạng cung tròn nên thành phần lực quán tính được đưa vào 2 vế của phương trình:
2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 cos cos . . 2 2 12 2 2 12 2 i i i i tb i i i i i i i tb i i v v v v v Z h Z h l R R g g g g h g h h λ θ + θ + + + + + + + + = + + + + − − (3-7) 3.4.2.2. Trường hợp tính toán
Để có cơ sở đánh giá, so sánh kết quả giữa tính toán và thực nghiệm, quá trình tính toán được thực hiện với 4 cấp lưu lượng:
Q1 = 1005 m3/s Q2 = 1295.1 m3/s
Q3 = 1931.9 m3/s (P = 0.1%) Q4 = 2456.7 m3/s (P = 0.02%).
3.4.2.3. Kết quả tính toán thông số dòng chảy trên mặt tràn
Quá trình tính toán được thực hiện trên MS Excel, kết hợp với Macro