Những nghiờn cứu sõu về lý thuyết và mụ hỡnh cú từ cuối những năm 60, đầu những năm 70 của thế kỷ XX. Tràn zớchzắc lớn nhất hiện nay là đập Ute trờn sụng Canadian ở New Mexico cú lƣu lƣợng xả lớn nhất Q = 15.700m3/s, cột nƣớc tràn H = 1,36m,chiều cao ngƣỡng tràn P = 9,14m; n = 11 chu kỳ zớchzắc, tổng chiều dài đỉnh là W = 1024m trờn đƣờng tràn rộng 256m.
a.Phõn loại:
Căn cứ vào kết cấu và bố trớ mặt bằng của đập tràn Zớchzắc cú thể phõn loại nhƣ sau:
- Tràn zớchzắc kiểu hỡnh thang (Hỡnh 3-5a) - Tràn zớchzắc kiểu tam giỏc (Hỡnh 3-5b)
- Tràn zớchzắc kiểu chữ nhật hay phớm đàn piano (Hỡnh 3-5c) - Tràn zớchzắc kiểu mỏ vịt (Hỡnh 3-5d)
- Tràn zớchzắc kiểu tràn xiờn (Hỡnh 3-5e) - Tràn zớchzắc kiểu tràn bờn (Hỡnh 3-5f)
Cỏc loại tràn này cú thể bố trớ tuyến thẳng hay tuyến cong.
Loại tam giỏc thƣờng ớt đƣợc sử dụng vỡ tại vị trớ gúc tam giỏc hiệu quả thỏo nƣớc khụng cao lại làm kộo dài phần đế múng tràn. Kiểu hỡnh thang và chữ nhật khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của kiểu tam giỏc do gúc tam giỏc đó đƣợc cắt đi đồng thời cũn làm giảm chiều rộng đế múng, hạ giỏ thành cụng trỡnh.
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
53
a) b) c) d) e) f)
Hỡnh 3-6: Cỏc dạng mặt bằng của tràn zớch zắc
Phõn theo hỡnh thức ngƣỡng:
Ngƣỡng thành mỏng (Hỡnh 3-6a), ngƣỡng đa giỏc (Hỡnh 3-6b,c), ngƣỡng ẳ hỡnh trũn (Hỡnh 3-6d), ngƣỡng ẵ hỡnh trũn (3-6e) và một số loại ngƣỡng đặc biệt khỏc.
a) b) c) d) e)
Hỡnh 3-7: Cỏc dạng ngưỡng của tràn zớchzắc
Mỗi loại ngƣỡng tƣơng ứng với một hệ số lƣu lƣợng khỏc nhau. Kiểu đỉnh phẳng kỹ thuật thi cụng đơn giản nhƣng hệ số lƣu lƣợng khụng cao. Kiểu ẳ hỡnh trũn và ẵ hỡnh trũn cho hệ số lƣu lƣợng cao. Phổ biến nhất là loại ẳ hỡnh trũn.
b. Đặc điểm của tràn zớchzắc:
Chớnh vỡ những hạn chế của cỏc đập tràn truyền thống, đập tràn cú cửa van
cũng nhƣ đập tràn mỏ vịt đó đặt ra vấn đề cho nhúm của F. Lempộriốre ( Hydrocoop - Phỏp) nghiờn cứu tỡm ra kiểu đập tràn mới cú lƣu lƣợng tràn lớn, dễ
xõy dựng cú hỡnh dạng giống nhƣ bàn phớm đàn Piano gọi là đập tràn phớm Piano với cỏc đặc điểm sau:
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
54
- Trong cựng chiều rộng thỏo lũ lƣu lƣợng thỏo lũ tăng ớt nhất là 4 lần so với kiểu đập tràn thực dụng Creager.
- Lƣu lƣợng đơn vị q cú thể thỏo lũ đạt từ 5 đến 100 m3/s-m
- Cấu trỳc đơn giản và dễ xõy dựng với nguồn vật liệu cú sẵn tại chỗ. Đập tràn này về thực chất sẽ giảm chi phớ của hầu hết cỏc đập ngăn nƣớc mới và tăng độ an toàn, khả năng trữ nƣớc, khả năng kiểm soỏt lũ của cỏc đập ngăn nƣớc hiện hữu.
Kiểu thiết kế đầu tiờn đó đƣợc thử nghiệm vào năm 1999 ở phũng thớ nghiệm L.N.H của Điện lực Phỏp (Electricitộ de France) và vào năm 2002 ở trƣờng đại học Roorke của Ấn Độ cựng với trƣờng đại học Biskra của Algeria. Cỏc cuộc thử nghiệm này đó cho thấy một mức độ lạc quan về khả năng tăng lƣu lƣợng tuỳ theo cỏc tỷ số giữa chiều dài, độ sõu, chiều rộng và hỡnh dỏng của cỏc phớm và đặc biệt là sự phụ thuộc vào tỷ số N bằng tổng chiều dài tƣờng tràn chia chiều rộng tràn chớnh diện. Vấn đề nghiờn cứu tỏc động của va đập cũng đó đƣợc đặt ra. Những giải phỏp khả thi nhất đó đƣợc lựa chọn về kết cấu và biện phỏp xõy dựng nhằm bảo đảm an toàn cao. Cỏc mặt cắt dọc đơn giản hiện cũng đƣợc đƣa ra nhằm cải tiến hỡnh dạng để tăng cƣờng hiệu quả chi phớ.
Cấu tạo cỏc bộ phận:
Cú nhiều loại hỡnh thức kết cấu đó đƣợc thớ nghiệm nhƣng tổ chức Hydrocoop đó đƣa ra hai hỡnh thức kết cấu của tràn phớm Piano cú hiệu quả nhất:
- Hỡnh thức kết cấu A: cú mỏng xả nhụ về phớa thƣợng lƣu, mỏng tràn (đan xen với mỏng xả) nhụ về phớa hạ lƣu (hỡnh 3-7) trờn đỉnh đập bờ tụng trọng lực. Cú thể sử dụng kết cấu bờ tụng cốt thộp đỳc sẵn. Lƣu lƣợng đơn vị q = 20m3/s-m. Áp dụng loại này để cải tạo cỏc đƣờng tràn hiện hữu.
Trong đú: P: chiều cao tƣờng ngăn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
L : chiều dài mỏng (theo phƣơng dũng chảy)
2b: Chiều rộng của mỗi cặp mỏng (gồm một mỏng tràn và một mỏng xả)
N: tỷ số giữa chiều dài tràn nƣớc của một cặp mỏng với chiều dài tràn nƣớc bỡnh thƣờng kiểu Creager
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
55
Hỡnh 3-8: Tràn zớchzắc kiểu phớm đàn piano hỡnh thức A
- Hỡnh thức kết cấu B: cú mỏng xả nhụ về phớa thƣợng lƣu, mỏng tràn khụng nhụ về phớa nào (hỡnh 3-8). Kiểu B cú lƣu lƣợng lớn hơn so với kiểu A khi cú cựng chiều cao, chiều dài và giỏ thành cụng trỡnh. Đõy là mụ hỡnh rất phự hợp cho việc thiết kế cỏc tràn mới và cỏc hồ chứa lớn.
Hỡnh 3-9: Tràn zớchzắc kiểu phớm đàn piano hỡnh thức B Thụng số kết cấu:
- Kết cấu dạng chữ nhật zớchzắc giống nhƣ phớm đàn piano
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
56
+ Mỏng tràn làm nhiệm vụ đƣa nƣớc vào và phõn phối nƣớc trờn toàn bộ chiều dài ngƣỡng
+ Mỏng xả cú nhiệm vụ thỏo nƣớc xuống hạ lƣu
- Độ dốc đỏy của mỏng tràn nghiờng về phớa thƣợng lƣu, độ dốc đỏy của mỏng xả nghiờng về phớa hạ lƣu
- Thi cụng tràn bằng phƣơng phỏp đổ bờ tụng tại chỗ cho hỡnh thức A và hỡnh thức B, hỡnh thức A cú thể lắp ghộp bằng khối bờ tụng đỳc sẵn hoặc kết cấu thộp chế tạo sẵn từ nhà mỏy
- Kết cấu phần nhụ ra của cỏc mỏng làm việc nhƣ một dầm conson
- Ngƣỡng tràn là kết cấu tƣờng mỏng, bề dày ở phần trờn cú thể chỉ từ 10ữ20cm. + Bề dày trung bỡnh của tƣờng bờ tụng cốt thộp cú thể từ 15ữ25cm với lƣu lƣợng đơn vị q < 20m3/s-m
+ Bề dày trung bỡnh của tƣờng bờ tụng cốt thộp khoảng 50cm với lƣu lƣợng đơn vị q > 50m3/s-m
Kết cấu của đập tràn nhỡn chung đơn giản và dễ xõy dựng.
c.Khả năng thỏo của tràn zớchzắc và cỏc yếu tố ảnh hưởng Đặc điểm của dũng chảy qua ngưỡng và mỏng xả:
Dũng chảy qua đập tràn zớchzắc cú đặc điểm khỏc biệt so với dũng chảy qua tràn thẳng. Với tràn cú ngƣỡng thẳng đặt vuụng gúc với trục tràn thỡ đƣờng dũng vuụng gúc với trục ngƣỡng tràn. Cũn trong tràn zớchzắc thỡ cú dũng chảy vào đầu mỏng và qua hai tƣờng bờn của mỏng tràn đổ vào mỏng xả tạo nờn dũng chảy từ 3 phớa và trong mỏng xả là dũng chảy xoắn ốc phức tạp.
Cỏc tia nƣớc từ hai tƣờng bờn kề nhau sẽ tƣơng tỏc với nhau làm giảm lƣu lƣợng qua tràn. Mức độ ảnh hƣởng càng tăng khi chiều cao cột nƣớc trờn đỉnh tràn tăng đến một giỏ trị giới hạn thỡ lƣu lƣợng chảy qua tràn zớchzắc cũng chỉ tƣơng tƣơng với cỏc loại tràn thẳng khỏc.
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
57
Khả năng thỏo của đập tràn zớchzắc là hàm số nhiều biến số (cột nƣớc, chiều dài tràn hiệu quả, hỡnh dạng ngƣỡng tràn, tỷ số giữa chiều dài tƣờng ngăn và bề rộng tràn, mực nƣớc hạ lƣu, điều kiện bố trớ ngƣỡng tràn…)
Số lƣợng mỏng tràn và mỏng xả của tràn phớm đàn Piano khụng ảnh hƣởng đến lƣu lƣợng đơn vị theo chiều thẳng của bề rộng thỏo nƣớc nhƣng lại quyết định tổng lƣu lƣợng thỏo nƣớc, khối lƣợng và giỏ thành cụng trỡnh.
- Cột nƣớc trờn tràn cần đảm bảo H < 5m (đối với hỡnh thức A) và H <10m (đối với hỡnh thức B), nếu cột nƣớc lớn hơn nữa thỡ làm giảm lƣu lƣợng đơn vị
- Chế độ chảy:
+ Chảy tự do: Nếu MNHL nhỏ hơn cao trỡnh ngƣỡng phớm tràn thỡ thỡ chế độ chảy là tự do. Theo Taylor (1986): Khi MNHL bằng cao độ đỉnh thỡ khụng ảnh hƣởng đến khả năng thỏo nƣớc của tràn
+ Nếu MNHL vƣợt quỏ cao trỡnh ngƣỡng tràn thỡ tràn làm việc theo chế độ chảy ngập làm giảm lƣu lƣợng dũng chảy qua đập. Taylor [18]chỉ ra rằng nếu độ ngập σn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(xỏc định bằng tỷ số giữa MNHL và chiều cao đập P) tăng thỡ dũng chảy qua đập sẽ bị giảm. Đõy là vấn đề phức tạp cần nghiờn cứu sõu thờm.
- Hỡnh dạng ngƣỡng:Hỡnh dạng đỉnh tràn ảnh hƣởng nhiều đến hiệu quả làm việc tổng hợp của tràn. Phổ biến là ngƣỡng ẳ hỡnh trũn (Hỡnh 1-30)
- Điều kiện bố trớ ngƣỡng tràn:Khi ngƣỡng tràn đƣa sõu về phớa thƣợng lƣu thỡ khả năng thỏo nƣớc tốt hơn và lƣu lƣợng cú thể tăng 20%
Lưu lượng của tràn zớchzắc kiểu phớm đàn piano
Hóng Hydrocoop tiến hành thớ nghiệm mụ hỡnh với tràn phớm đàn piano hỡnh thức A với P = 4,0m; L = 12,0m; 2b = 2 x 2,4 = 4,8m; N = 6 4 , 2 . 2 ) 4 , 2 . 2 12 . 2 ( và kết quả tăng lƣu lƣợng ứng với cỏc cột nƣớc khỏc nhau nhƣ bảng 1-1
Bảng 3-1: Hệ số tăng lưu lượng n cuả tràn piano key A so với tràn Creager
Cột nƣớc tràn (m) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5,0 Hệ số tăng lƣu lƣợng (n) 4,4 3,7 3,2 2,6 2,2 2,0 1,8 1,6 1,5 1,4
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
58
Với tràn piano key B, Hydrocoop tiến hành thớ nghiệm với P = 8m; L = 24m; 2b = 9,6m; N = 6 và kết quả thớ nghiệm nhƣ bảng 3-2:
Bảng 3-2: Hệ số tăng lưu lượng (n) của tràn piano key B so với tràn Creager
Cột nƣớc tràn (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Hệ số tăng lƣu lƣợng (n) 5,2 4,4 3,6 2,9 2,4 2,1 1,9 1,8 1,7 1,6
Hỡnh 3-10: Quan hệ giữa lưu lượng và mực nước của hỡnh thức A, B và tràn Creager
*Lưu lượng của tràn zớchzắc kiểu mỏ vịt:
- Khả năng thỏo:
Khả năng thỏo của tràn mỏ vịt phụ thuộc nhiều yếu tố. Tullis, Nosratollah và Waldron (1995) đó đƣa ra cụng thức tớnh lƣu lƣợng cho tràn zớchzắc ngƣỡng ẳ hỡnh trũn: . 2. . 32 3 2 . . .Ln g H C Q d (3-5) Hoặc 3/2 2 z H g B m Q z z với mz = ⅔ Cd ; Cd: Hệ số lƣu lƣợng của đƣờng tràn thẳng cú cựng hỡnh dạng ngƣỡng Ct: Hệ số lƣu lƣợng Tullis. Theo kinh nghiệm Ct = 0,56ữ0,6
Bz = L.n : Khẩu độ tràn zớchzắc
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
59
2 răng) Rc
Hỡnh 3-11 : Cấu tạo tràn mỏ vịt
- Một số nguyờn tắc thiết kế lựa chọn cỏc thụng số kết cấu:
+ Tỷ số cột nƣớc thƣợng lƣu 0,9 P Ho ; Ho = H+ g v 2 2
Do hệ số lƣu lƣợng giảm khi cột nƣớc thƣợng lƣu tăng nờn tràn zớchzắc đƣợc ứng dụng hợp lý nhất khi cột nƣớc tràn thấp.
+ Tỷ số theo phƣơng đứng: Theo Lux (1989) 2 2,5
P W
W: Chiều rộng của một răng tràn P: Chiều cao đập
Nguyễn Nhõn Quõn Cao học khúa 17 – ĐHTL Hà Nội
60 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Gúc mở của tƣờng bờn: Theo Tullis α =acrtang ) 2 4 ( S a W > 6o + Tỷ lệ đỉnh: 2 0,08 W a
Tỷ lệ này nhỏ sẽ cản trở dũng chảy trờn đỉnh phớa đƣa sõu vào thƣợng lƣu làm cho mặt cắt giới hạn bởi 2 tƣờng bờn khụng tải hết tổng lƣợng nƣớc.