Các biện pháp tiêu năng phòng xói thượng hạ lưu cống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG VÙNG TRIỀU

1.2 Các biện pháp tiêu năng phòng xói thượng hạ lưu cống

Hình 1.13 Dòng chảy sau cống

Khi xây dựng cống trên sông, kênh, rạch thì mực nước phía thượng lưu công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình.

a. Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu công trình:

- Có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang.

- Mực nước thượng hạ lưu luôn thay đổi.

- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao

- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng...

Những đặc điểm trên giải thích vì sao ở hạ lưu cống thường xảy ra các hiện tượng như xói cục bộ, mài mòn, xâm thực...

Từ sự phân tích trên ta thấy việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu công trình là một trong những công việc quan trọng nhất của tính toán thiết kế các công trình thủy lợi.

b. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu.

10 c. Tiêu hao năng lượng thừa dựa trên nguyên tắc - Năng lượng thừa được tiêu tán bằng nội ma sát.

- Năng lượng thừa được tiêu hao bằng xáo trộn với không khí bằng khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang.

1.2.2 Tiêu năng dòng chảy đáy, mặt, phóng xa

1.2.2.1 Tiêu năng dòng chảy đáy

Tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản ma sát nội bộ của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa. Đây là hình thức thường dùng nhất trong các công trình tháo nước. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy hh > hc” để đảm bảo sinh nước nhảy ngập, và tiêu năng tập trung.

Để tiêu năng dòng đáy thường được dùng các biện pháp công trình sau:

- Tiêu năng bằng bể tiêu năng.

Hình 1.14 Bể tiêu năng - Tiêu năng bằng tường tiêu năng.

11

Hình 1.15 Tường tiêu năng - Tiêu năng kết hợp cả tường và bể.

Hình 1.16 Bể kết hợp tường tiêu năng

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, đạt giá trị lớn cả về tần số và biên độ, có khả năng gây xói lở. Để tăng hiệu quả tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tường phân dòng để khuếch tán đều ở hạ lưu, tạo sự xung kích nội bộ dòng chảy càng mãnh liệt và tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tiêu hao một phần năng lượng. Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém.

1.2.2.2 Tiêu năng dòng chảy mặt

Dòng chảy của hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt. Hiệu quả tiêu năng dòng mặt không kém nhiều so với hình thức tiêu năng đáy (có thể đạt 65%) , nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn 1/2 1/5 lần, đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé, thặm chí

12

trên nền đá cứng không cần làm sân sau. Ngoài ra còn có ưu điểm là có thể tháo được những vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau.

Tùy theo mực nước hạ lưu, trạng thái dòng chảy ở hạ lưu tràn có bậc thụt và được phân biệt như sau:

- Khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức là hh < a, dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa.

- Khi cột nước hạ lưu (hh) nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1): hh < hgh1. Dòng chảy ở trạng thái chảy đáy lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa tùy theo hc” và hh. Khi cột nước hạ lưu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1) và độ sâu giới hạn thứ hai(hgh2): hgh1 < hh < hgh2 sẽ có dòng chảy mặt không ngập và dòng chảy này yêu cầu hh >

hc” của nước nhảy đáy, đồng thời hh > a, thường dùng chiều cao bậc thụt a= 0,250,35 chiều cao đập. Góc nghiêng  ở chân đập có ảnh hưởng đến trạng thái chảy: nếu  lớn quá có thể sinh ra chảy phóng xa,  nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy. Thường dùng  =

10  15 là thích hợp.

- Khi cột nước hạ lưu lớn hơn độ sâu giới hạn thứ hai:hh > hghII sẽ xuất hiện dòng chảy mặt ngập.

Hình thức tiêu năng mặt có một số nhược điểm là làm việc không ổn định khi mực nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các công trình khác như nhà máy thủy điện, âu tàu, đe dọa sự ổn định của bờ gây xói lở lòng sông.

Nhìn chung, với chế độ nhảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này.

Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy. Chế độ chảy mặt thích hợp trong trường hợp nền đá, khi không cần gia cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu ít thay đổi.

1.2.2.3 Tiêu năng phóng xa

Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi phun ở cuối dốc nước trên ngưỡng cống để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi ngưỡng cống, dòng chảy được khuyếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng sông. Cao trình đỉnh mũi phun phải lớn hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu.

Đây là hình thức tiêu năng lợi dụng ma sát với không khí để tiêu hao một phần năng lượng, phần còn lại sẽ được tiêu tán bởi lớp đệm nước tại hạ lưu. Dòng nước từ trên đỉnh ngưỡng

13

cống chảy xuống men theo đường biên của mũi phun, do lưu tốc cao, ma sát lớn làm mức độ rối loạn của dòng chảy tăng lên, không khí trộn vào dòng nước càng nhiều. Dòng chảy càng khuyếch tán lớn trong không khí và càng trôn lẫn nhiều không khí thì năng lượng được tiêu hao càng lớn. Dòng chảy sau khi phóng ra ngoài không khí thì nhấn chìm vào trong mặt nước hạ lưu, đến giai đọan này, một phần năng lượng gây lên xói lở hạ lưu, một phần khác bị tiêu hao do ma sát nội bộ nhờ sự hình thành các dòng rối mãnh liệt ở hai cuộn phía sau và phía trước dòng chính. Nếu mực nước hạ lưu càng lớn và khả năng mở rộng của dòng phóng xa càng nhiều thì mức độ xói lở lòng sông càng giảm. Đồng thời do dòng chảy được phóng khỏi ngưỡng cống tương đối xa nên dù có xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít ảnh hưởng đến nguy hại của công trình.

Trong các hình thức nối tiếp tiêu năng nêu trên, thì hình thức nối tiếp tiêu năng dòng đáy và nối tiếp tiêu năng phóng xa có điều kiện làm việc ổn định và được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi.