Trong luận văn này học viên chỉ trình bày các vấn đề có liên quan đến tiêu năng xả lũ bằng dòng phun của đập tràn. Quá trình thu thập thông số thủy lực thông qua 15 mặt cắt ngang:
Thượng lưu: 4 mặt cắt từ m/c 0-0 đến m/c 3-3 Tràn xả lũ: 4 mặt cắt từ m/c 4-4 đến m/c 7-7
Hạ lưu: 7 mặt cắt từ m/c 8-8 đến m/c 14-14 Các mặt cắt được thể hiện như hình 3.1.
Dưới đây học viên xin trình bày kết quả thí nghiệm tràn xả lũ mở hoàn toàn 3 cửa tràn và xả thường xuyên chỉ mở 1 cửa giữa.
3.4.1. Về khả năng xả của tràn
Kết quả thí nghiệm thu được ghi trong bảng 3.1
Bảng 3.1. Xác định khả năng xả khi mở hoàn toàn 3 cửa tràn
TT Qxả(m3/s) Zhồ(m) Zhạ(m) Btràn(m) Htràn(m) Hệ số lưu lượng m 1 718 668,8 634,41 15,0 8,80 0,414 2 614 667,94 634,0 15,0 7,94 0,413 3 500 666,99 633,46 15,0 6,99 0,407 4 350 665,52 632,62 15,0 5,52 0,406 5 227 664,18 631,7 15,0 4,18 0,399
Qua số liệu thí nghiệm thu được nêu trên cho ta thấy đập tràn Bản Mòng thiết kế chọn Bkhoang=5,0m là thiên nhỏ. Bởi vì theo quy phạm về thiết kế đập tràn đã khuyến cáo: Bkhoang=1,087.Htk Btrụ pin=0,205.Htk Rđầu trụ pin=0,102.Htk Nhưng đập tràn Bản Mòng lại chọn 5,0 0,63 7,94 khoang tk B H = » tạo ra co hẹp ngang lớn hệ số m giảm. 3.4.2. Về chếđộ thủy lực
Với các cấp lưu lượng xả lũ, khi dòng chảy đi vào cửa tràn chịu ảnh hưởng co hẹp bên rất lớn, nhất là co hẹp bên ở hai trụ pin bên, cao độ mực nước tại các vị trí khe van đo được như trong bảng 3.2
Bảng 3.2. Xác định mực nước chịu ảnh hưởng co hẹp bên
Khoang tràn 1 Khoang tràn số 2 Khoang tràn số 3 Qxả lũ
(m3/s) Trái Giữa Phải Trái Giữa Phải Trái Giữa Phải 718 665,3 668,0 668,0 668,0 668,1 668,0 668,0 668,1 666,3 614 665,15 666,8 666,8 666,7 667,0 666,9 666,15 666,9 666,1 500 665,0 666,3 666,0 666,0 666,4 666,0 666,0 666,1 665,0 350 664,14 664,3 664,2 664,2 664,4 664,2 664,1 664,3 664,2
Từ số liệu trong bảng cho thấy mực nước ở ngang vị trí khe van của hai trụ pin bên thấp hơn so với trụ pin giữa và ở giữa khoang tràn gần 1,0m ¸1,8m. Dòng chảy từ cửa vào đổ xuống thân đập tràn, hai khoang bên khuyếch tán vào giữa gặp dòng chảy của khoang giữa hình thành hai dòng tia sau hai đuôi trụ pin giữa, rồi đổ xuống cuối tràn, nên độ sâu trên mặt cắt ngang tại mũi phun phân bố không đều.
Mặt khác, theo hồ sơ thiết kế hai đoạn tường cánh cuối đập tràn lại bóp vào khoảng 70 nên bề rộng mặt cắt ngang tại vị trí mũi phun từ Bmp=19m hẹp lại còn 17,2m, khiến cho luồng phun ở giữa bắn cao lên, dòng phun tập trung hơn khi đổ xuống hố xói.
Ứng với lưu lượng xả lũ Qxả=500m3/s ¸718m3/s luồng phun đổ xuống mặt nước hạ lưu không rơi vào tim hố xói mà rơi vào mái sau (mái hạ lưu) của hố xói nên tạo ra sự va đập mạnh khiến cho hạ lưu sinh ra sóng dao động lớn.
Khi dòng phun phóng xuống hố xói, luồng phun không ổn định, nên sau khi đổ xuống hố xói dòng chủ lưu tập trung xiên sang bờ trái của kênh xả hạ lưu bên bờ phải lại hình thành khu nước vật.
+ Hai bên hố xói có hai dòng chảy ngược lại từ cuối luồng phun đi vào chân đập ở dưới gầm luồng phun, dòng chảy ngược của hai khu chảy ngược này tương đối mạnh.
+ Chiều cao sóng lớn từ mặt cắt 10 đến mặt cắt 13, biên độ sóng dao động nhỏ nhất là 1,5m lớn nhất gần 3,0m.
Trường hợp khi xả lưu lượng lũ Q=227m3/s chỉ mở 1 cửa giữa thì dòng chảy từ cửa tràn đổ xuống thân tràn đến đuôi hai trụ pin giữa thì dòng chảy khuyếch tán sang phần đuôi tràn của hai khoang bên, dòng chảy khuyếch tán này va vào thành bên ở đoạn từ đỉnh bán kính cong ngược đến mũi phun, chiều cao nước dâng do va đập cao đến ngang đỉnh hai thành bên, do đó tạo ra hai luồng phun bắn tóe sang hai bên bờ của hố xói. Lưỡi nước của dòng phun tương đối mỏng, luồng phun phóng xuống hạ lưu gây ra sóng nhẹ, dao động sóng từ 1,0m ¸0,8m, trường hợp này hai bên hố xói không có dòng chảy ngược lại như các trường hợp xả lũ nêu trên, chiều dài luồng phun rơi vào giữa hố xói và luồng phun ngắn rơi vào mái trước của hố xói và luồng phun ngắn rơi vào mái trước của hố xói (mái hố xói gần chân đập).
3.4.3. Về chếđộ nối tiếp dòng chảy
Với 5 chế độ lưu lượng xả lũ theo yêu cầu được đưa vào thí nghiệm trên mô hình thủy lực, dòng chảy từ mũi phun phóng xuống hố xói nối tiếp với mặt nước hạ lưu theo dạng dòng phun, các yếu tố của dòng phun đo được ghi trong bảng 3.3
Từ kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực cho thấy rằng với các cấp lưu lượng xả lũ lớn thì dòng phun đều rơi vào mái sau của hố xói đào sẵn theo kích thước của thiết kế tính toán. Vì vậy cần sửa đổi lại kích thước và tim của hố xói.
Bảng 3.3. Xác định các yếu tố của dòng phun phương án thiết kế Các yếu tố của dòng phun TT Qxả (m3/s) Zhồ (m) Zhạ (m) Lmax(m) Lmin(m) LTB(m) Góc ra 0 q Góc tới 0 b 1 718 668,8 634,41 60,0 41,1 50,55 23040’ 310 2 614 667,94 634,0 54,0 37,0 45,5 23030’ 3007’ 3 500 666,99 633,46 51,9 36,0 43,95 23020’ 300 4 350 665,57 632,62 49,5 35,4 42,45 23010’ 300 5 227 664,69 631,7 46,2 33,6 39,9 230 290
Đem số liệu đo được trong bảng 3.3 so với giá trị chiều dài phun xa nhất tính theo công thức của Liên Xô (cũ) ta thấy:
LmaxTN<Lmax TT nghĩa là 54m < 65,9m
Từ số liệu dòng phun rơi LmaxTK=54m, LminTK=37,0m thì chiều rộng dòng phun rơi là: 54m-37m=17m, với chiều rộng dòng phun rơi này Brơi=17m xấp xỉ bằng 1/3 giá trị của Lmax, với mỗi cấp lưu lượng thí nghiệm đều thể hiện tỷ lệ chiều rộng dòng rơi xuống mặt nước gần bằng 1/3 chiều dài dòng phun xa nhất:
Bluồng rơi 1 ax 3Lm
» (3.15)
Có thể dùng biểu thức (3.15) để ước tính chiều dài trung bình của hố xói.
3.4.4. Về lưu tốc trung bình dòng chảy
Giá trị lưu tốc của dòng chảy ứng với các cấp lưu lượng thí nghiệm từ thượng lưu đến hạ lưu công trình đã được đo ở 13 mặt cắt ngang. Từ giá trị lưu tốc đo được tại các mặt cắt chủ yếu như sau: + Tại đỉnh đập tràn: Vm=4,75m/s ¸6,25m/s Vđ=5,72m/s ¸8,50m/s + Tại đỉnh bán kính cong ngược: Vm=17,61m/s ¸21,85m/s Vđ=19,1m/s ¸21,98m/s + Tại đỉnh mũi hắt: Vm=17,91m/s ¸21,56m/s Vđ=17,52m/s ¸21,32m/s + Tại vùng chân đập: Vm=1,05m/s ¸1,96m/s
Vđ=1,0m/s ¸2,0m/s + Tại mái trước hố xói: Vm=2,33m/s ¸3,46m/s Vđ=2,2m/s ¸3,04m/s + Tại tim hố xói: Vm=2,46m/s ¸4,59m/s Vđ=2,79m/s ¸8,71m/s + Tại đầu kênh xả hạ lưu: Vm=2,34m/s ¸4,53m/s Vđ=3,2m/s ¸14,55m/s + Tại đoạn giữa kênh xả: Vm=2,63m/s ¸5,12m/s Vđ=2,12m/s ¸4,28m/s
Từ số liệu đo lưu tốc ta thấy tại vùng chân đập V=2,0m/s nên không có khả năng gây xói với nền địa chất sau nền công trình tràn Bản Mòng - Sơn La.
Tại tim hố xói với giá trị Vđ=8,71m/s sẽ có khả năng tiếp tục gây xói sâu cho hố xói.
Ở kênh xả hạ lưu giá trị lưu tốc đáy ở đầu kênh đạt tới 7,54m/s, ở đoạn giữa V=3,83m/s ¸4,38m/s. Lưu tốc dòng vật 2 bên hố xói đạt từ 3,1m/s ¸4,27m/s do đó mái bên hố xói bảo vệ bằng tấm bê tông cốt thép dày 10cm, nếu không có thép neo cố thì có khả năng bị sạt và xói trôi.
3.4.5. Về mạch động lưu tốc (để xác định Vđộng tức thời theo công thức 3.16
Ứng với các cấp lưu lượng nêu trên mạch động lưu tốc tại các vị trí quan trọng đo được như sau:
Tại đỉnh tràn: sv=0,18 ¸0,26m/s
Đỉnh lõm bán kính cong ngược: sv=1,1 ¸1,5m/s Mũi hắt: sv=1,13 ¸1,53m/s
Tim hố xói: sv=0,35 ¸0,84m/s
Dòng quẩn hai bên hố xói: sv=0,21 ¸0,31m/s Mái sau hố xói: sv=0,42 ¸0,83m/s
Đầu kênh xả hạ lưu: sv=0,3 ¸0,4m/s Tại giữa kênh xả hạ lưu: sv=0,3 ¸0,35m/s
Khi xác định giá trị Vđộng dùng công thức Vđộng= V ±3sv (m/s) (3.16)
Chọn dấu (+) hay (-) tùy theo điều kiện bất lợi
Giá trị lưu tốc và mạch động lưu tốc ứng với các chế độ lưu lượng được đưa vào thí nghiệm được ghi trong bảng từ 3.4 đến bảng 3.8 (Xem phụ lục)
3.4.6. Vềđường mặt nước dọc tuyến công trình
Dọc tuyến công trình từ lòng hồ chứa đến kênh xả hạ lưu đã bố trí đo đường mặt nước tại 13 mặt cắt ngang, giá trịđo được ghi trong các bảng 3.9 đến bảng 3.13 (Xem phụ lục)
Từ kết quảđo đường mặt nước cho thấy:
+ Đường mặt nước từ thượng lưu cửa tràn khoảng 10m hạ thấp dần tới tim tràn
+ Độ sâu dòng chảy trên đỉnh đập tràn khi xả lũ với lưu lượng Q=350m3/s đến Q=718m3/s mở hoàn toàn 3 cửa là 4,64m ¸7,3m
+ Độ sâu tại điểm thấp nhất của bán kính cong ngược là 0,56m ¸2,3m + Độ sâu tương ứng tại mặt cắt mũi phun là 0,5m ¸2,1m
+ Đỉnh dòng phun cao nhất cách mặt cắt hố xói là 10m ¸11m
+ Mực nước trong lòng hố xói thấp hơn mực nước ngoài kênh xả lũ gần 3m, dòng chảy từ cuối luồng phun chảy ngược lại vào chân đập, tốc độ dòng chảy quẩn tương đối mạnh, ứng với trường hợp xả lũ thiết kế và xả lũ kiểm tra, lưu tốc dòng quẩn từ 2,2m/s đến 3,33m/s.
+ Dòng phun phóng xuống hố xói gây sóng lớn đối với đoạn kênh xả hạ lưu, chiều cao sóng lớn nhất là từ 2,5m ¸3,0m có khả năng gây mất ổn định mái ở hai bờ.
3.4.7. Về áp suất trung bình dòng chảy trên mặt đập tràn
Trên mặt đập tràn bố trí 3 tuyến đo áp suất trung bình, mỗi tuyến bố trí 8 ¸15 điểm đo bắt đầu tràn đến mũi hắt.
+ Tuyến 1 bố trí ở khoang tràn bên phải 8 điểm + Tuyến 2 bố trí theo tim khoang giữa 15 điểm + Tuyến 3 bố trí ở khoang tràn bên trái 8 điểm Tổng cộng 3 tuyến là 31 điểm đo
Ứng với 5 cấp lưu lượng được đưa vào thí nghiệm. Kết quả được ghi vào trong các bảng từ 3.14 đến 3.18 (Xem phụ lục). Qua số liệu đo thể hiện trên mặt đập tràn có hiện tượng giảm áp và xuất hiện áp suất âm ở phần giữa thân đập tràn, giá trị áp suất âm lớn nhất là -1,1mH20 nhỏ hơn giá trị áp suất âm cho phép là -3mH20, nên cục bộ bê tông mặt tràn có thể bị xâm thực nhưng không nghiêm trọng, còn vùng mũi phun không xuất hiện áp suất âm.
3.4.8. Về áp suất mạch động tại một số vị trí quan trọng
Để xác định mạch động áp suất trên mặt đập tràn, hố xói và ở kênh xả lũ hạ lưu, trong mô hình đã bố trí đo 18 điểm
Điểm 1: Ởđỉnh tràn khoang giữa kí hiệu sp1 Điểm 2: Ởđỉnh tràn khoang bên kí hiệu sp2 Điểm 3: Thân tràn đuôi trụ pin khoang giữa sp3 Điểm 4: Thân tràn đuôi trụ pin khoang bên sp4 Điểm 5: Đỉnh bán kính cong ngược (giữa) sp5 Điểm 6: Đỉnh bán kính cong ngược (bên) sp6 Điểm 7: Mũi phun (giữa) sp7
Điểm 8: Mũi phun (bên) sp8
Điểm 9: Mái trước hố xói (giữa) sp9 Điểm 10: Mái trước hố xói (bên) sp10 Điểm 11: Tim hố xói (giữa) sp11 Điểm 12: Tim hố xói (bên) sp12 Điểm 13: Mái sau hố xói (giữa) sp13 Điểm 14: Mái sau hố xói (bên) sp14 Điểm 15: Đầu kênh xả (giữa) sp15 Điểm 16: Đầu kênh xả (bên) sp16
Điểm 17: Đoạn giữa kênh xả hạ lưu (giữa) sp17 Điểm 18: Đoạn giữa kênh xả hạ lưu (bên) sp18
Ứng với 5 cấp lưu lượng được tiến hành thí nghiệm với trường hợp mở hoàn toàn 3 cửa tràn (Q=350m3/s ¸718m3/s) còn Q=227m3/s chỉ mở 1 cửa giữa. Giá trị
pi
s tại các điểm đo xác định được ghi trong bảng 3.19. Do tình hình thủy lực ở cuối mặt đập tràn có thay đổi theo các chếđộ lưu lượng xả nên giá trị mạch động áp suất biến động, còn ở phần hố xói và kênh xả hạ lưu do chiều dài dòng phun đổ xuống hố xói ở vị trí khác nhau nên cho giá trị spi khác nhau
Bảng 3.19. Xác định sp tại một số vị trí quan trọng
Giá trị spi (mH20) ứng với các cấp lưu lượng thí nghiệm TT điểm đo Ký hiệu điểm đo spi Q=718 m3/s Q=614 m3/s Q=500 m3/s Q=350 m3/s Q=227 m3/s 1 sp1 0,22 0,21 0,10 0,10 0,57 2 sp2 0,21 0,12 0,11 0,09 - 3 sp3 0,07 0,10 0,05 0,17 0,27 4 sp4 0,14 0,06 0,08 0,05 - 5 sp5 1,33 0,23 0,10 0,04 0,46 6 sp6 1,08 1,34 0,78 0,04 - 7 sp7 3,80 0,04 0,05 0,04 0,09 8 sp8 4,10 0,05 0,04 0,04 0,11 9 sp9 3,03 0,21 0,20 0,31 0,22 10 sp10 1,42 0,21 0,23 0,21 0,19 11 sp11 1,76 2,03 0,89 1,87 0,29 12 sp12 0,4 0,48 0,53 0,46 0,86 13 sp13 0,73 3,90 1,37 1,03 0,26 14 sp14 0,33 0,54 0,41 0,36 0,24
Giá trị spi (mH20) ứng với các cấp lưu lượng thí nghiệm TT điểm đo Ký hiệu điểm đo spi Q=718 m3/s Q=614 m3/s Q=500 m3/s Q=350 m3/s Q=227 m3/s 15 sp15 0,06 0,64 0,59 0,32 0,11 16 sp16 0,04 0,29 0,27 0,21 0,18 17 sp17 0,28 0,39 0,32 0,22 0,16 18 sp18 0,26 0,25 0,21 0,21 0,13
Với các giá trị spi xác định được như trên khi tính toán áp lực thủy động tác dụng vào công trình cần chọn giá trị spi thích hợp với vị trí của công trình, khi tính cần đổi đơn vị mH20 ra Niu tơn (N) hoặc Pascal (Pa) và dùng công thức
pđộng= p±3sp (3.17) Pđộng =±bm.Pdong.S (3.18) Trong đó: pđộng – Áp suất mạch động (N/m2) Pđộng – Áp lực thủy động (N) S – Diện tích mặt kết cấu chịu lực (m2) m
b - Hệ số tra bảng theo quy phạm
3.4.9. Nghiên cứu hiệu quả tiêu năng hạ lưu công trình
Đểđánh giá hiệu quả tiêu năng của phương án thiết kế tràn xả lũ Bản Mòng, ta xác lập phương trình tính năng lượng cho hai mặt cắt mũi hắt và mặt cắt đầu kênh xả hạ lưu sau hố xói (chọn mặt cắt 11 ở hạ lưu) và ta chọn mặt cắt cao độ gốc để tính chiều sâu cột nước là đi qua cao trình +627,0m như vậy ta có:
Emp=Zmp+ 2 2 mp V g (3.19) E11=Z11+ 112 2 V g (3.20) Nên 2 2 11 11 ( ) ( 11 ) 2 2 mp mp mp V V E E E Z Z g g D = - = + - + (3.21)
Từ biểu thức 3.21 dùng kết quả đo mực nước và lưu tốc dòng chảy ứng với các cấp lưu lượng được thí nghiệm đem thay vào biểu thức 3.21 tính ra được kết quả ghi trong bảng 3.20.
Theo số liệu trong bảng trên cho ta thấy rằng năng lượng dòng chảy từ mũi phun phóng xuống hố xói được tiêu hao đến 75% trở lên, phần năng lượng tiêu hao này không chỉ do nước va đập xáo trộn với nước, mà còn do dòng phun đập vào mái sau hố xói (nước va với vật cứng) nên gây ra sóng lớn cho hai bờ.
Bảng 3.20. Hiệu quả tiêu năng phương án thiết kế
Emp (m) E11 (m) Qxả m3/s Zmp (m) 2 2 mp V g Emp (m) Z11 (m) 2 11 2 V g E11 (m) E D (m) %DE 718 11,29 20,22 31,41 7,26 0,42 7,68 23,74 75 614 11,02 20,43 31,05 6,82 0,55 7,37 23,63 76 500 10,77 18,65 29,35 6,32 0,26 6,58 22,77 77 350 10,31 17,22 27,53 5,46 0,22 5,68 21,85 79 227 9,00 15,50 20,50 4,58 0,02 4,60 15,90 77
3.4.10. Nghiên cứu xói cục bộ phương án thiết kế mũi phun liên tục có góc hắt