CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA VỪA VÀ NHỎ TẠI VIỆT
1.6 Phân tích và so sánh lựa chọn hình thức tràn sự cố cho hồ chứa vừa và nhỏ
1.6.1 Tràn sự cố kiểu tràn Zíc zắc (labyrinth) [11]
* Nguyên lý làm việc:
- Dòng chảy qua đập tràn labyrinth có những đặc điểm khác biệt so với dòng chảy qua đập tràn đỉnh thẳng. Với tràn đỉnh thẳng tất cả các đường dòng vuông góc với đỉnh tràn và là dòng chảy 2 chiều. Với tràn labyrinth được đặt không vuông góc với dòng chảy, các đường dòng là 3 chiều (hình 2-23).
Dòng tràn
Hình 1.8: Dòng chảy trên tràn labyrinth.
- Đặc điểm của đập tràn labyrinth có dạng phẳng, tuyến tràn không thẳng nhưng sự thay đổi có tính chu kỳ theo dạng tam giác hoặc hình thang.
- Chính những hình dạng này tạo sự phức tạp cho chế độ thủy lực. Lưu lượng tháo qua đập tràn labyrinth tăng tuyến tính với việc tăng chiều dài tràn khi cột nước thấp. Ở thượng lưu, khi cột nước tăng, kiểu dòng chảy tháo qua đập tràn biến thiên theo 4 giai đoạn cơ bản sau: Không áp, bán áp, chuyển tiếp, có áp.
* Đặc điểm kết cấu:
Tràn labyrinth là tràn tự do có mặt bằng hình gấp khúc (zíc zắc) nhằm kéo dài đường tràn nước dài hơn tràn thẳng có cùng khẩu độ.
Ô thoát nước
Ô đón nước
Dòng tràn
D
D/2
B t
t
L1
L2
W=ChiÒu réng ®Ëp
Hình 1.9: Mặt bằng tràn labyrinth.
* Ưu và nhược điểm của đập tràn labyrinth:
- Ưu điểm:
+ Phạm vi áp dụng rộng rải, đập tràn labyrinth là một giải pháp tốt, tiêu biểu cho trường hợp vị trí xây dựng đập tràn có không gian hạn chế, hoặc thích hợp để thay thế cho các kết cấu tràn đã có sẵn mà các kết cấu này không đáp ứng được khả năng tháo lũ đề ra.
+ Một đập tràn labyrinth có khả năng tháo lưu lượng lớn khi cột nước tràn tương đối thấp. Ưu điểm này dẫn đến chi phí xây dựng và bảo dưỡng thấp, và việc vận hành an toàn (tin cậy) khi so sánh với đập tràn có cửa van.
+ Với một cột nước tràn tối đa đã cho (có thể do điều kiện giới hạn ngập ở thượng lưu), một đập tràn labyrinth có thể có lợi về kinh tế khi lựa chọn trong điều kiện giới hạn cao trình đỉnh đập và dung tích cắt lũ…
- Nhược điểm:
+ Mặc dù, phạm vi áp dụng rộng rãi nhưng khó khăn khi thiết kế (kỹ thuật) và chế độ chảy (điều kiện thủy lực) phức tạp và hiện nay chưa có tiêu chuẩn thiết kế, sẽ là mặt hạn chế trong việc cân nhắc lựa chọn của các nhà thiết kế …
Chiều dài có hiệu của đập tràn L=2.N.(A+L2) Tổng chiều dài của đập tràn
=N.(2L1+A+D)
L1 : Chiều dài thực của cạnh bieân
L2 : Chiều dài có hiệu của cạnh bieân
B : Chiều dài của đập tràn mỏ vòt
N : Soỏ chu kyứ (4 hỡnh treõn)
1.6.2 Tràn sự cố kiểu tự do [9]
* Nguyên lý làm việc:
Đối với tràn tự do thì tràn sự cố đã tham gia tháo lũ khi mực nước thượng lưu tràn chưa đạt mực nước thiết kế.
* Đặc điểm kết cấu:
Công trình tràn sự cố tự do là loại kênh hở được đào trên nền đất (hình 2-28), đá tự nhiên có cao trình ngưỡng tràn thấp hơn mực nước lũ thiết kế thường từ 0,5 ÷ 1,0 mét. Tràn được đặt tại những vị trí yên ngựa thuận lợi xung quanh vách hồ, tràn không được gia cố hoặc có gia cố một phần ở đầu tràn, nối tiếp tràn là các khe suối tự nhiên không được gia cố các kết cấu tiêu năng.
Hình 1.10: Tràn sự cố kiểu tự do.
* Ưu điểm:
- Thích hợp với hồ chứa vừa và nhỏ
- Kết cấu đơn giản dễ thi công, tiện quản lý.
- Tự động vận hành.
- Chi phí nhỏ..
* Nhược điểm:
Nếu đặt cao trình ngưỡng tràn thấp hơn mực nước lũ thiết kế (MNLTK) thì tràn vận hành sớm khi công trình đầu mối chưa thực sự gặp nguy hiểm. Ngược lại, nếu cao
trình ngưỡng tràn bằng MNLTK thì phải xử lý nâng cấp hoặc hạ thấp tiêu chuẩn thiết kế các hạng mục công trình đầu mối. Sau mỗi lần tràn làm việc thì cuối kênh tràn thường bị xói lở tạo thành lòng dẫn mới và phải gia cố lại.
* Điều kiện áp dụng:
Tràn sự cố dạng tràn tự do với cột nước thấp, thường từ 0,3 ÷ 0,5 mét nên bề rộng tràn rất lớn. Tràn tự do thường được áp dụng ở những công trình hồ chứa nước loại nhỏ, lũ kiểm tra chênh không nhiều so với lũ thiết kế và ở những nơi có điều kiện địa hình, địa chất thuận lợi: Yên ngựa thấp, rộng và dài, nên có khả năng chống xói tốt để giảm khối lượng công trình.
1.6.3 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Nước tràn qua đỉnh đập, gây xói mái hạ lưu và từ đó thân đập đất trên ngưỡng tràn sự cố sẽ tự vỡ.
* Đặc điểm kết cấu
Đập được thiết kế ở phía hạ lưu, trong lòng dẫn hở, tạo ra một ngưỡng tràn cứng có cao trình thường cao hơn mực nước dâng bình thường (MNDBT), trên nó ta đắp một đập đất bằng vật liệu đồng chất đỉnh đập lớn hơn hoặc bằng MNLTK (hình 2- 29). Khi có lũ thiết kế vượt thiết kế đập đất có thể tự vỡ hoặc có biện pháp công trình gây vỡ đập như: gia tải bằng nước, dẫn xói hoặc nổ mìn.
Gia cố đầu tràn
MNLTK
Lăng trụ cát
Đỉnh đập cho phép vỡ
Mặt đất tự nhiên Hình 1.11: Tràn sự cố kiểu đập đất để gây vỡ.
+ Đỉnh đập đất tự vỡ thấp hơn cao trình mực nước khống chế thượng lưu (ví dụ mực nước khống chế thượng lưu là từ MNDBT đến MNLKT)
+ Với đập đất tự vỡ có chiều cao lớn thì đập gồm 2 phần: phần thượng lưu đảm bảo điều kiện chống thấm, giữ ổn định, khi chưa có lũ vượt thiết kế, phần hạ lưu giữ ổn định cho cả đập khi chưa có nước tràn qua đỉnh đập. Nhưng khi có nước tràn qua thì dễ gây xói từ nhỏ rồi vùng xói lớn dần và đập vỡ. Khối hạ lưu thường là lăng trụ cát. Ví dụ như tràn sự cố thuỷ điện sông Hinh.
+ Với đập đất trên ngưỡng tràn có chiều cao nhỏ thì đập chỉ là một khối (như tràn sự cố ở hồ Easoup thượng theo thiết kế ban đầu. Khi nước tràn qua đỉnh đập, sẽ gây xói dần mái đập và dẫn đến vỡ đập).
Thiết bị bảo vệ mái hạ lưu thích ứng đảm bảo nhiệm vụ vỡ khi có nước tràn qua, nhưng lại không bị xói mòn gây hỏng mái
* Ưu điểm
- Đơn giản, tiện cho vận hành.
- Có thể thiết kế vỡ từng đoạn theo mức độ cần tháo xả khẩn cấp khác nhau.
- Việc phục hồi đập tạm trên ngưỡng sau xả lũ không có khó khăn gì.
* Nhược điểm
- Sau nhiều năm không sử dụng thân đập chặt, mái đập cỏ cây mọc nhiều vì vậy khi nước tràn qua với lớp chảy mỏng khó có thể gây vỡ đập được. Ví dụ: Hồ Ea Súp Thượng (Đăk Lăk) trận lũ năm 2007 lũ vượt thiết kế, do hiện tường cỏ cây mọc nhiều và bị bồi lấp do đó không tự vỡ được mà phải dùng máy đào để đào, và sau đó tính toán và xây dựng lại tràn sự cố tự do gia cố đỉnh bằng BTCT.
Vị trí vỡ, phạm vi vỡ có tính ngẫu nhiên không khống chế được.
Để khắc phục nhược điểm này, người ta làm đường dẫn xói trên mặt đập xuống mái hạ lưu (thường là rãnh)
* Điều kiện áp dụng:
Dùng với địa hình có yên ngựa thấp (tương đối phù hợp với đặc điểm địa hình khu vực Tây Nguyên), nhưng không quá rộng để làm tràn tự do và nền tương đối tốt (vì khi đó cột nước tràn, lưu tốc dòng chảy không nhỏ). Với những hồ chứa đã xây
dựng tràn sự cố tự do dạng đỉnh rộng nhưng chưa đảm bảo tháo lũ có thể dùng dạng này để thay thế.
Hình 2-30 là tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập gây vỡ của Hồ chứa nước Nam Sơn - Triết Giang - Trung Quốc.
2 I 5 2
I
I-I
129 132 134
2 1
3 4
135
129 134
132
Hình 1.12 Tràn sự cố kiểu tự vỡ ở Hồ Nam Sơn – Triết Giang – Trung Quốc 1. Ngưỡng tràn sau khi phần đất phía trên xói vỡ.
2. Trường chống thấm bằng đất sét
3. Khối cát 4. Đường dẫn xói 5. Máng dẫn xói 1.6.4 Tràn sự cố kiểu đập đất gây vỡ bằng năng lượng thuốc nổ [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động trên nguyên tắc sử dụng năng lượng thuốc nổ bằng các phương pháp nổ mìn hiện đại gây vỡ đập tạm thời.
* Đặc điểm kết cấu:
Hình thức kết cấu tràn sự cố kiểu đập đất gây vỡ bằng năng lượng thuốc nổ về cơ bản giống như các đập đất khác. Điều khác là trong than đập bố trí hệ thống lỗ mìn hoặc buồng mìn để khi cần thiết nạp thuốc nổ kích nổ theo phương pháp hiện đại gây vỡ đập.
Thuốc nổ có thể được nạp vào các lô mìn từ trên mặt đập đi xuống hoặc đi theo đường riêng vào mái hạ lưu, đặt thuốc nổ trong các buồng mìn ở than đập.
Tính toán thiết kế đập đất tạm trên ngưỡng tràn sự cố như tính toán thiết kế đập đất thong thường. Tùy theo quy mô của tràn sự cố và tình hình thực tế của cụm công trình đầu mối để bố trí vị trí lỗ mìn và số lượng lỗ mìn để gây vỡ đập. Tính toán khả năng phá vỡ đập bằng thuốc nổ là hoàn toàn có thể thực hiện được.
* Ưu điểm:
- Có kết cấu đơn giản, vận hành thuận tiện vì theo chủ quan ý muốn của con người.
- Qúa trình gây xói cũng như thời gian gây xói là chủ động được nên nhanh chóng tham gia vào quá trình thao lũ.
- Dễ dàng thi công bằng cơ giới, đảm bảo ổn định và an toàn cho đầu mối khi không làm việc.
* Nhược điểm:
- Khi xảy ra sự cố thì kết cấu bị phá hoại hoàn toàn, khối lượng xây dựng lại là không hề nhỏ và gặp khó nếu có hai con lũ xảy ra trong một thời gian ngắn.
- Qúa trình gây vỡ phụ thuộc hoàn toàn vào thuốc nổ cũng như quy trình gây nổ, vì vậy việc bảo quản thuốc nổ và bảo dưỡng hệ thống gây nổ, buồng mìn là thường xuyên. Vì nếu có trục trặc ở một khâu nào đó sẽ dẫn đến việc tràn không hoạt động khi lũ đến gây nguy hại cho công trình.
- Thời gian và thời điểm tạo nổ gây vỡ đậ hoàn toàn phục thuộc và chủ quan của người quản lý. Vì vậy công tác theo dõi quản lý rất nghiêm ngặt và thường xuyên.
* Điều kiện áp dụng:
- Tràn sự cố kiểu nổ mìn gây vỡ nên dung với địa chất nền có khả năng chống xói tốt. Điều kiện địa hình không có yên ngựa, rộng và thuận lợi, nếu làm các loiaj tràn sự cố khác thì khối lượng công tác sẽ rất lớn.
- Những công trình hồ chứa lớn có yêu cầu công tác an toàn phòng chống lũ cao, công trình đang nghiên cứu làm tràn bổ sung với lưu lượng tràn lớn đều có thể áp dụng đề có thể áp dụng tràn sự cố kiểu nổ mìn gây vỡ.
1.6.5 Tràn sự cố kiểu có cửa van [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Tràn hoạt động giống như các loại tràn cửa van thong thường, được sử dụng phối hợp nhiều chức năng như xả lũ vượt tiêu chuẩn thiết kế, xả lũ bổ xung và xả lũ khi tràn chính có sự cố.
* Đặc điểm kết cấu:
Hình thức kết cấu tràn cửa van cũng giống bất kỳ loại tràn cửa van nào khác.
* Ưu điểm:
- Khả năng tháo lớn, tính chủ động cao, không làm tang ngập lụt, khả năng vượt tải lớn, khả năng đảm bảo an toàn cao.
- Là giải pháp tổng hợp khả năng tháo do nhiều yêu cầu khác nhau.
* Nhược điểm:
- Hình thức kết cấu phức tạp, kỹ thuật thi công khó, vận hành sử dụng đòi hỏi tính khoa học, tính chính xác, trình độ kỹ thuật cao hơn so với các loại tràn khác.
- Chi phí đầu tư lớn, chi phí quản lý cao.
- Có khả năng xảy ra sự cố kẹt van.
* Điều kiện áp dụng:
- Khi cần tháo bổ xung, tháo do sự cố với lưu lượng lớn.
- Khi cần hạ thấp cao trình ngưỡng tràn sự cố, cần tang khả năng an toàn tháo.
- Khi địa hình hẹp, địa chất tốt.
- Khi tràn chính đã có cửa van thì mới đặt vấn đề tràn bổ xung có cửa van. Vì khi đó vấn đề quản lý vận hành cửa van tràn sự cố sẽ được thuận lợi.
1.6.6 Tràn sự cố kiểu có cửa van tự động [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Khi mực nước thượng lưu chưa đạt tới mực nước lũ khống chế, tổng mô men giữ van đóng (Md) lớn hơn tổng mô men mở van (Mm) lấy với trục quay và khi đó cửa van đóng. Khi mực nước thượng lưu đạt tới hoặc vượt MNLKC thì Md < Mm thì cửa van tự động mở, nước lũ được tháo xả khẩn cấp.
* Đặc điểm kết cấu:
Tràn sự cố kiểu có cửa van tự động là tràn trên ngưỡng có bố trí cửa van tự động. Cửa van tự động thường là những tấm phẳng quay xung quanh một trục.
Trục của cửa van có thể bố trí thẳng đứng hoặc nằm ngang. Vật liệu thượng là kim loại, gỗ hay phối hợp cả hai.
* Ưu điểm:
- Khả năng tháo lớn, tính chủ động cao.
- Tự động tháo lũ khẩn cấp, không phải phục hồ sau khi xả lũ khẩn cấp.
* Nhược điểm:
- Kết cấu phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, cần bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên.
- Cửa van dễ bị kẹt, bị rung, bị va đập.
- Chi phí quản lý lớn.
* Điều kiện áp dụng:
- Áp dụng cho các hồ chứa vừa và lớn, đất đá nền có khả năng chống xói tốt.
- Địa hình hẹp và dạng yên ngựa.
1.6.7 Tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Khi mực nước thượng lưu vượt miệng ống xi phông chảy vào bể gai tải. Bể gia tải đầy nước sẽ gây mất ổn định mái hạ lưu từ đó gây vỡ đập.
* Đặc điểm kết cấu:
Là loại tràn trên ngưỡng có bố trí một đập đất tạm thời bằng vật liệu địa phương. Phần hạ lưu có tường chắn tạo bể chứa nước gia tải. Ở đáy đập có lớp kẹp cát tạo mặt trượt. Trên đỉnh bố trí các xi phông ăn thông với bể chứa nước gia tải.
* Ưu điểm:
- Tư động phá đập tạm và tháo xả lũ, kết cấu đơn giản, thiết kế và quản lý thi công thuận lợi, phục hồi sau hoạt động không khó.
* Nhược điểm:
- Nếu mưa với cường độ lớn trong khoảng thời gian ngắn có thể làm đầy bể gia tải gây vỡ đập khi chưa cần thiết.
* Điều kiện áp dụng:
- Dùng cho những công trình vừa và lớn có lũ tính toán thiết kế tràn sự cố chênh nhiều so với lũ kiểm tra, điều kiện địa chất chống xói tốt.
1.6.8 Tràn sự cố kiểu dẫn xói gây vỡ đập đất [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Khi mực nước thượng lưu vượt mực nước lũ khống chế, nước chảy qua các ống chảy ra mái hạ lưu gây xói mái đập hạ lưu đến khi đập mất ổn định và phá vỡ kết cấu để xả lũ.
* Đặc điểm kết cấu:
Là loại tràn trên ngưỡng có bố trí một đập đất tạm thời bằng vật liệu địa phương. Phần hạ lưu được làm bằng vật liệu dễ gây xói trôi (thường là khối cát), phía trên giáp đỉnh đập có bố trí các xi phông. Miệng cửa vào xi phông đặt ngang với mực nước lũ khống chế
* Ưu điểm:
- Tư động phá đập tạm và tháo xả lũ, kết cấu đơn giản, thiết kế và quản lý thi công thuận lợi, phục hồi sau hoạt động không khó.
* Nhược điểm:
- Các ống xi phông dễ bị tắc cản trở việc gây vỡ đập. Qúa trình gây xói cần một thời gian nhất định nên khả năng tháo khẩn cấp gặp khó khăn.
- Mái thượng lưu nếu trải qua một thời gian dài có thể bị nèn chặt, cây cỏ mọc nhiều gây khó khan trong việc gây xói.
* Điều kiện áp dụng:
- Chưa được sử dụng rộng rãi và nghiên cứu nhiều.
1.6.9 Tràn sự cố tự lật (tràn cầu chì) [9]
* Nguyên lý hoạt động:
Khi nước tràn qua đỉnh tràn sự cố đến cao trình mực nước lũ khống chế, tràn sẽ bị lật làm tăng khả năng tháo của tràn khi lũ vượt tần xuất thiết kế xảy ra.
* Đặc điểm kết cấu:
Là các khối bê tông cốt thép được đặt trên ngưỡng tràn. Các khối này được đặt sát liên tiếp nhau hoặc trong từng khoang riêng biệt.
Tại tiếp giáp được xử lý bằng các doăng cao su kín nước.
Phía hạ lưu là các bể tiêu năng có chiều sâu phải lớn hơn hoặc bằng kích thước lớn nhất của các khối blog tràn. Bể được gia cố bằng sỏi cuội để đảm bảo không gây hư hại cho các khối bê ong cốt thép khi tràn lật.
* Ưu điểm:
- Tự động phá vỡ kết cấu tức thời ngay khi lũ xảy ra.
- Đơn giản, tiện cho vận hành.
- Chi phí xây dựng thấp.
- Việc phục hồi hiện trạng sau khi sử dụng dễ dàng.
* Nhược điểm:
- Chỉ áp dụng cho cột nước tháo nhỏ và lưu lượng không lớn, vì nếu cột nước lớn dẫn đến các khối bê tong thường lớn gây khó khan trong việc phục hồi lại hiện trạng.
- Là các khối bê tong nên khi bị lật rơi dễ bị vỡ nên phải yêu cầu làm với mac bê tong cao. Phía hạ lưu cần nghiên cứu để đón các khối blog này tránh hư hại khi vận hành.
* Điều kiện áp dụng:
- Chưa được sử dụng rộng rãi và nghiên cứu nhiều.
1.6.10 Cơ sở của đề xuất giải pháp tràn sự cố kiểu cầu chì cho hồ chứa vừa và nhỏ Từ những đánh giá nêu trong mục 1.6 về các mặt ưu nhược điểm, điều kiện áp dụng của từng loại tràn sự cố, dựa trên những đặc điểm về các hồ chứa vừa và nhỏ ở Việt Nam, công tác vận hành và quản lý các hồ chứa này như sau:
Comment [THS5]: Bổ sung thêm các đặc điểm mà thầy đã cung cấp. Phân tích thêm để chỉ ra việc dùng tràn sự cố kiểu chì là phù hợp với hồ chứa vừa và nhỏ