Do tác dụng tương hỗ giữa kết cấu mũi phun với dòng chảy nên cơ chế dòng chảy của dòng phun phóng xa từ mũi phun không liên tục khác với dòng phun của mũi phun liên tục. Sự khác biệt đó là khi dòng chảy từ đỉnh tràn chuyển động đến đỉnh thấp nhất của bán kính cong ngược được phân làm hai luồng:
+ Một luồng đi qua mặt các mố phun bay vào không trung rồi đổ xuống mặt nước hạ lưu của lòng sông, các luồng phun đi qua các mố phun có chiều dài phóng xa dài hơn tạo ra chiều dài phun xa Lmax
+ Các luồng dòng chảy đi qua các rãnh phun bay vào không trung với chiều cao thấp hơn, chiều dài phun xa ngắn hơn các luồng phun đi qua các mố phun tạo ra chiều dài phun xa Lmin
Quả vậy trên mô hình thí nghiệm loại mũi phun so le ta thấy góc hắt của rãnh là θr nhỏ hơn góc hắt của các mố là θm, thông thường thì khi thiết kế mũi phun so le giá trịθ1và θ2được chọn trong phạm vi:
θr= 00 ÷ 200
θm= 250 ÷350
Một số tràn xả lũở nước ta đã áp dụng loại mũi phun so le như:
+ Cuối dốc nước sau tràn thủy điện Hòa Bình đã dùng mũi phun so le mà θr=150 và θm=300 dạng hình thang mở
+ Cuối tràn Thủy điện Sông Tranh 2 đã áp dụng mũi phun so le mà θr=170 và
θm=270
+ Cuối tràn xả lũ Bản Mòng đã áp dụng mũi phun so le với góc θr=200 và
θm=350
Sở dĩ góc phun của rãnh θr chọn lớn hơn 150đến 200 là tùy thuộc thiết kế ban đầu của mũi phun liên tục để sửa đổi, đồng thời còn xét tới điều kiện địa hình để tránh xói sạt bờ đối diện nhưng chênh lệch giữa θr và θm đều nằm trong phạm vi từ 100 đến 150.
Các công trình này qua thí nghiệm mô hình đều xác định là các dạng mố phun hợp lý bởi lẽ phù hợp với điều kiện địa hình lòng sông và hai bờ của các công trình
cụ thể này. Khi hai luồng phun của mũi phun so le bay vào không trung va chạm với nhau nên tiêu hao được nhiều năng lượng hơn dòng phun của mũi phun liên tục, đồng thời lại được trộn khí vào dòng phun trước khi rơi xuống mặt nước hạ lưu của hố xói. Vì vậy năng lượng của dòng phun phóng xuống hố xói có phạm vi rộng hơn loại mũi phun liên tục, năng lượng rơi ít tập trung hơn so với mũi phun liên tục. Chính vì lẽ đó chiều sâu bào xói lòng sông sau chân công trình cũng nông hơn so với mũi phun liên tục.
Tuy có các khác biệt đó nhưng để giúp cho người thiết kế có cơ sở lý luận tính toán về:
Chiều dài phun xa Lmax, chiều dài phun xa Lmin và ước tính chiều sâu hố xói đều chưa có công thức để phục vụ thiết kế tính toán, mà đều tạm dùng các công thức chiều dài phun xa cũng như chiều sâu hố xói T khi dùng mũi phun liên tục. Nếu có được các biểu thức mới tính cho mũi phun so le thì việc xác định phạm vi và kích thước hố xói sẽ thuận lợi hơn, dễ dàng hơn cho tư vấn thiết kế cũng như thi công.
Về việc xác định kích thước mố phun và rãnh phun đến nay đã được nước ngoài nghiên cứu cũng như ở trong nước như Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Dưới đây xin trình bày các kết quảđó: Kích thước tối ưu của mố và rãnh phun dạng hình thang mở do Viện Khoa học Thủy lợi Bắc Kinh nghiên cứu.
Bảng 2.5. Các tham số của mố và rãnh phun hình thang loe
Góc phun θr θm Độ cao tương đối của mố d/h0 Tỷ số chiều rộng giữa mố và rãnh a/b Chiều rộng tương đối của mố b/h0 Góc khuyếch tán ngang α Mái bên của mố m 00 250 1 0,75 2,5 ¸ 2,7 250 0,5 Hình dạng của mố hình thang loe thể hiện như hình 2.9.
Kết quả của Viện Khoa học Thủy lợi Bắc Kinh là qua nghiên cứu trên mô hình dòng chảy 2 chiều , không phải mô hình không gian
Hình 2.9. Mố hình thang loe
PGS.TS. Nguyễn Quốc Thưởng – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam năm 2008 chủ trì đã nghiên cứu loại mố phun hợp lý đưa ra kết quả như bảng 2.6.
Bảng 2.6. Các thông số kết quả mũi phun so le Góc phun θr θm Độ cao tương đối của mố d/h0 Tỷ số chiều rộng giữa mố và rãnh a/b Chiều rộng tương đối của mố b/h0 Góc khuyếch tán ngang α Mái bên của mố m 150¸200 250¸300 0,8¸1,0 0,8¸0,9 2,3¸2,5 130¸ 200 0,5
Kết quả này được nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình có tính chất không gian ba chiều. Các kí hiệu trong bảng trên là:
θr −góc hắt của rãnh (0) θm −góc hắt của mố (0)
d- Chiều cao của đỉnh mố (m)
h0- độ sâu dòng chảy ở chân mũi phun (m) a- Chiều rộng ngoài cùng của rãnh (m) b – Chiều rộng ởđỉnh mố phun (m) α−góc khuyếch tán ngang (0) m – mái bên của mố
Khi áp dụng nếu θr chọn 150 thì θmnên chọn 250, nếu chọn θr=200thì chọn θm=300; lưu lượng đơn vị thay đổi q=50m2/s ¸ 105m2/s, độ dốc của nước i=8% ¸18%. Bán kính cong ngược của mố: R1=(6¸7)h0 (m); Bán kính cong ngược của
mố: R2=7h0 (m); Với h0 là độ sâu dòng chảy ở chân mũi phun ứng với lưu lượng xả lũ thiết kế của công trình đầu mối.
Tuy vậy các kết quả đã nghiên cứu trên chưa đưa ra các quan hệ giữa các thông số của dòng rơi. Theo học viên nhận thấy chiều dài dòng phun có quan hệ mật thiết với lưu tốc xuất phát từ mố phun hay lưu tốc xuất phát từ rãnh phun có quan hệ với góc hắt của mốθm hay góc hắt của rãnh θr, độ sâu dòng chảy trên mố hm hay độ sâu dòng chảy trên rãnh, mực nước hạ lưu hh cao hay thấp, với gia tốc trọng trường (g). Từ đó dựa theo phương pháp xây dựng công thức của mũi phun liên tục ta có thể thiết lập công thức tính chiều dài phun Lmax của luồng phun đi qua mố và luồng phun đi qua rãnh Lmin.
Lmố= m2 2 m h
m m 2
m
V 2g.(h +h )
cosθ .(sinθ + sin θ +
g m V (2.13) Lrãnh= 2 2 r h r r r 2 r V 2g.(h +h )
cosθ .(sinθ + sin θ +
g r V (2.14)
Trong đó:
Vm- lưu tốc dòng phun chảy trên đỉnh mố phun (m/s) Vr – Lưu tốc dòng phun chảy trên rãnh phun (m/s) θr − góc hắt của rãnh (0)
θm − góc hắt của mố (0)
hm- độ sâu dòng chảy trên mố (m) hr- độ sâu dòng chảy trên rãnh (m)
hh – độ cao từ mặt nước hạ lưu đến cao trình đỉnh mố hay đỉnh rãnh Trong công thức trên giá trị Lmố và Lrãnh là giả thiết bỏ qua sức cản của không khí, ảnh hưởng trộn khí đồng thời bỏ qua độ xệ của dòng đi ra từ mố hay từ rãnh phun.
Với hai công thức trên (2.13) và (2.14) nêu trên ta sẽ tính ra được phạm vi dòng phun của mố và rãnh đổ xuống hố tiêu năng sau công trình.
Nhưng trong khi thiết kế người thiết kế cần xác định chủ yếu là biên xa nhất của dòng phun Lmax và biên phun gần nhất của rãnh Lmin để xác định phạm vi của hố xói. Do đó ta có thể chuyển hai công thức (2.13) và (2.14) để xác định như hình 2.10
Hình 2.10. Sơđồ xác định biên trong và biên ngoài của dòng phun so le
+ Chiều dài phun xa của biên ngoài luồng phun đi qua mố phun:
Lmmax= m2 2 m h
m m m 2
m
V 2g.(h +h )
cosθ .(sinθ + sin θ +
g V (2.13’)
+ Chiều dài biên trong của dòng phun
Với chiều dài biên trong của luồng phun ta lấy gốc tọa độ là đỉnh của ngưỡng rãnh nên giá trị hm=0, góc hắt θ=θr. Nếu chọn θr=00 thì ta có: Lmin rãnh=Vrãnh. g hr . 2 (2.14’)
Từ công thức (2.14’) cho thấy yếu tố quan trọng để tính Lrãnh min chính là giá trị của Vrãnhđược xác định.
Ảnh hưởng đến yếu tố Vrãnh có rất nhiều bao gồm phần ma sát cục bộ của rãnh, tổn thất độ loe của rãnh và ảnh hưởng khuyếch tán trộn khí của rãnh vv… Do vậy có tài liệu nghiên cứu cho rằng cần dùng hệ số hiệu chỉnh, trong đó cách hiệu chỉnh quan trọng nhất và đơn giản là dùng hệ số hiệu chỉnh ϕ (Hệ số hiệu chỉnh lưu tốc của dòng chảy qua rãnh). Theo một số tài liệu nghiên cứu ban đầu thì giá trịϕ=0,65
¸0,80.
Ngoài các vấn đề nêu trên vấn đề ảnh hưởng đến phân bố của dòng phun còn là việc bố trí mố phun ở vị trí nào cho thích hợp. Nên bố trí mố phun ở ngoài cùng của mũi hắt hay bố trí lùi vào phía mũi hắt một đoạn, mặt khác nên bố trí rãnh ở sát hai thành bên (tường bên của đuôi tràn hay tường bên của đuôi dốc nước) Xem hình 2.11.
Hình 2.11. Mặt bằng và cắt dọc bố trí hai nửa mố phun sát tường và lùi vào bên trong mũi hắt một đoạn
Tóm lại vị trí đặt và cách bố trí mố phun cũng ảnh hưởng rõ rệt đến chiều dài dòng phun, phạm vi dòng phun rơi. Điều này sẽ ảnh hưởng tới hiện tượng xói lở lòng sông và hai bờ ở hạ lưu của hố xói. Việc phân tích sâu và đánh giá ảnh hưởng của việc bố trí mố phun đến diễn biến của dòng phun trong không trung và phóng xuống hạ lưu hố xói sẽđược trình bày rõ hơn trong chương 3.
2.3. Nhận xét chương 2
Trong chương 2 đã trình bày cơ chế của dòng phun chuyển động trong không trung, chịu sức cản của không khí, trộn khí và hoạt động khi phóng xuống mặt nước hố xói, bị nhấn chìm trong nước của hố xói.
Đã nêu lên sự khác biệt giữa luồng phun của mũi phun liên tục và mũi phun so le, ưu nhược điểm của loại mũi phun liên tục và mũi phun không liên tục. Đã trình bày các công thức tính chiều dài phun xa, tính chiều sâu hố xói hạ lưu của các tác giả trên thế giới và ở trong nước.
C¾T DäC DèC N¦íC
Đối với kết cấu mố phun so le đã giới thiệu kết quả đã nghiên cứu ở Trung Quốc và ở Việt Nam, đưa ra các thông số cơ bản của dạng mố phun hình thang loe là loại mố phun được đánh giá là thích hợp nhất. Đã giới thiệu phạm vi góc phun θ khác nhau sẽ tạo ra trạng thái dòng chảy trong hố xói là chảy mặt hay chảy đáy. + Khi θ =00 ÷ 300 thì dòng chảy trong hố xói thuộc trạng thái chảy trên mặt + Khi θ =300 ÷ 900 thì dòng chảy trong hố xói thuộc trạng thái chảy đáy
Đồng thời đã trình bày tác động của dòng chảy rối trong hố xói gây ra sự phá hoại nền đá bởi áp lực thủy động, sự chuyển động của các viên đá xói tạo ra ụđống đá ở hạ lưu.
Cuối chương học viên đã đề xuất cách xác định phạm vi hố xói bằng cách tính chiều dài phóng xa nhất biên ngoài của dòng phun (Lmax) và chiều dài gần nhất của dòng phun Lmin biên trong của dòng phun. Đồng thời đã đề cập đến yếu tố vị trí đặt và cách lắp đặt bố trí mố phun ở đoạn cuối mũi hắt của đập tràn hay cuối dốc nước ảnh hưởng tới chiều dài và phạm vi dòng phun rơi.
CHƯƠNG 3: DÙNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH KIỂM CHỨNG CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TIÊU NĂNG MŨI PHUN KHÔNG LIÊN TỤC