(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Chế Độ Thủy Lực Chọn Bể Tiêu Năng Cho Tràn Xả Lũ Hạ Sê San 2.Pdf

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chun nghành cơng trình thuỷ lợi với đề tài “Nghiên
cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2” được hoàn
thành với sự cố gắng nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của
Phòng đào tạo đại học & sau Đại học, Khoa Cơng trình, các thầy cơ giáo
trường Đại học Thuỷ Lợi. Ban lãnh đạo Trung tâm nghiên cứu thủy lực và các
Phịng ban khác của Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học
Sông Biển – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Ban lãnh đạo và các Phòng
chức năng, của Công ty TNHH MTV Đầu tư phát triển Thuỷ lợi Sông Nhuệ
đã tạo mọi điều kiện và động viên giúp đỡ về mọi mặt. Tác giả xin chân thành
cảm ơn các cơ quan, đơn vị và cá nhân nói trên.
Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn
PGS. TS Trần Quốc Thưởng đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình trong
suốt thời gian thực hiện luận văn.
Sự thành cơng của luận văn gắn liền với quá trình giúp đỡ, động viên cổ
vũ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do điều kiện thời gian có hạn nên
không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận được ý kiến đóng
góp quý báu của các thầy cô giáo, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng
TÁC GIẢ

Hoàng Quốc Đạt

năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Hồng Quốc Đạt

Học viên lớp: CH18C1
Đề tài luận văn cao học: ‘Nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu
năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2’ được Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội
giao cho học viên Hoàng Quốc Đạt dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần
Quốc Thưởng đến nay luận văn đã hồn thành.
Tơi xin cam đoan với Khoa Cơng trình và Phòng Đào tạo đại học và sau
đại học trường Đại học Thủy lợi đề tài nghiên cứu này là công trình của cá
nhân tơi./.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Hồng Quốc Đạt

năm 2013


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1
PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ .............................................. 5
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TRÀN XẢ LŨ Ở VIỆT NAM
VÀ TRÊN THẾ GIỚI ....................................................................................... 5
1.2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG............................ 7
1.2.1. Khái quát chung ...................................................................................... 7
1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài................................................ 8
1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ................................................ 10
1.2.4. Các loại đập tràn và tiêu năng hạ lưu.................................................... 11

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN LÝ THUẾT VỀ TIÊU NĂNG
ĐÁY ................................................................................................................ 23
1.3.1. Phương pháp lý luận ............................................................................. 23
1.3.2. Phương pháp thực nghiệm mơ hình ...................................................... 23
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu trên nguyên hình .......................................... 24
1.4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG ĐÁY.............................................. 25
1.4.1. Xác định lưu lượng tính tốn tiêu năng ................................................ 25
1.4.2. Xác định hình thức nối tiếp chảy đáy ................................................... 25
1.5. NHẬN XÉT CHUNG .............................................................................. 28
CHƯƠNG II. TÍNH TOÁN BỂ TIÊU NĂNG TRÀN HẠ SÊ SAN 2........... 30
2.1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CƠNG TRÌNH HẠ SÊ SAN 2 ................. 30
2.1.1. Khái qt chung về cơng trình Hạ Sê San 2 ......................................... 30
2.1.2. Đập tràn nước........................................................................................ 31
2.2. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH BỂ TIÊU NĂNG........................................... 31
2.2.1. Các số liệu ban đầu ............................................................................... 31
2.2.2. Năng lực xả của đập tràn....................................................................... 32


CHƯƠNG III. SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT VÀ KẾT
QUẢ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH THUỶ LỰC ............................................... 40
3.1. LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG ......... 40
3.2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ................................................ 41
3.2.1. Thiết kế mơ hình ................................................................................... 41
3.2.2. Xây dựng mơ hình................................................................................. 43
3.2.3. Bố trí thiết bị đo .................................................................................... 43
3.2.4. Bố trí mặt cắt đo đạc trên ...................................................................... 45
3.3. THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH........................................................................ 47
3.3.1. Kết quả thí nghiệm phương án tính tốn thiết kế.................................. 47
3.3.2. Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi ................................................. 53
3.3.3. So sánh, đánh giá kết quả tính tốn và kết quả thí nghiệm phương án

thiết kế: ............................................................................................................ 60
3.3.4. So sánh, đánh giá kết quả tính tốn và kết quả thí nghiệm phương án
sửa đổi: ............................................................................................................ 61
3.3.5. Kết luận chương 3 ................................................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 66
1. Đánh giá kết quả nghiên cứu....................................................................... 66
2. Tồn tại và hạn chế ....................................................................................... 67


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các loại đập tràn theo dạng mặt cắt đập......................................... 12
Hình 1-2: Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập tràn ............................................. 19
Hình 1-3: Giải pháp tiêu năng đáy ở hạ lưu cơng trình tháo nước ................. 25
Hình 2-1: Sơ đồ tính tốn tiêu năng hạ lưu đập tràn...................................... 33
Hình 2-2: Sơ đồ tính tốn tiêu năng hạ lưu đập tràn sau khi rút ngắn bể tiêu
năng ................................................................................................................. 39
Hình 3-1: Mơ hình tổng thể thủy lực tràn xả lũ Hạ Sê San 2 .............................. 42
Hình 3.2: Mặt bằng tổng thể bố trí vị trí mặt cắt đo ....................................... 46
Hình 3-3: Mơ hình tổng thể tràn khi chưa có tường biên bên phải...................... 48
Hình 3-4: Mơ hình tổng thể thủy lực tràn khi chưa có tường biên xuất hiện dịng
vật phía bên phải tràn ........................................................................................ 48
Hình 3-5: Mơ hình tổng thể thủy lực với trường hợp tường biên bên phải .......... 58
Hình 3-6: Chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu tràn với trường hợp tường biên
bên phải............................................................................................................ 58

.


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Bảng tổng hợp một số đập tràn ở Việt Nam .................................. 16

Bảng 2-1: Bảng quan hệ mực nước thượng lưu và lưu lượng xả tổng ........... 34
Bảng 2-2: Độ sâu dòng chảy tại cửa vào bể tiêu năng.................................... 34
Bảng 2-3: Kết quả tính tốn lưu lượng tiêu năng............................................ 35
Bảng 2-4: Kết quả tính chiều sâu đào bể tiêu năng......................................... 36
Bảng 2-5: Kết quả tính chiều dài bể tiêu năng................................................ 37
Bảng 2-6: Thông số bể tiêu năng sau tràn....................................................... 37
Bảng 3-1: Bảng quan hệ tỷ lệ của các mơ hình............................................... 43
Bảng 3.2: Các cấp lưu lượng thí nghiệm ........................................................ 47
Bảng 3-18: Xác định hiệu quả tiêu năng......................................................... 51
Bảng 3-19: Xác định các thông số tiêu năng .................................................. 52
Bảng 3.20: Các cấp lưu lượng thí nghiệm ...................................................... 53
Bảng 3-36: Xác định các thông số tiêu năng .................................................. 56
Bảng 3.37: Các cấp lưu lượng thí nghiệm ...................................................... 57
Bảng 3.40: Kết quả so sánh các yếu tố nước nhảy.......................................... 60
Bảng 3.41: Kết quả so sánh phân bố lưu tốc tại bể tiêu năng ......................... 61
Bảng 3.42: Kết quả so sánh các yếu tố nước nhảy.......................................... 62
Bảng 3.43: Kết quả so sánh phân bố lưu tốc tại bể tiêu năng ......................... 62


1

PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng trình tháo là bộ phận quan trọng trong đầu mối các cơng trình thuỷ
lợi, thuỷ điện. Loại cơng tình này rất phong phú về thể loại và đa dạng về hình
thức kết cấu. Nghiên cứu các yếu tố về cơng trình, tình hình làm việc của bản
thân cơng trình, sự ảnh hưởng qua lại của các yếu tố cơng trình và dịng chảy
tới sự làm việc và an tồn cho cơng trình là vấn đề khoa học và có tính thực
tiễn cao, sự an tồn của cơng trình cịn gắn liền với an tồn của khu vực hạ du.
Trong các cơng trình tháo nước ở Việt Nam, đập tràn chiếm một tỷ lệ khá

lớn và khi có điều kiện sử dụng thì đây là một loại cơng trình tháo rẻ nhất. Khi
dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu động năng thừa của dịng chảy là rất lớn
và có thể gây ra xói lở và làm mất ổn định cơng trình, do đó rất cần thiết phải
có biện pháp tiêu năng trước khi dòng chảy nối tiếp với hạ lưu. Nối tiếp tiêu
năng sau cơng trình có nhiều hình thức khác nhau, trong đó dạng nối tiếp chảy
đáy với hình thức tiêu năng đáy được sử dụng rộng rãi và chiếm một tỷ lệ lớn
trong xây dựng cơng trình thuỷ lợi. Nghiên cứu chế độ thuỷ lực nối tiếp thượng
hạ lưu để nắm rõ tình hình làm việc của bản thân cơng trình, hạn chế tối đa ảnh
hưởng của dịng chảy và chọn hình thức kết cấu cũng như giải pháp tiêu năng
hợp lý là vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tiến cao và rất quan trọng. Do đó,
trong thiết kế cơng trình thuỷ lợi, giải quyết tốt vấn đề nối tiếp tiêu năng sau
cơng trình là một trong những vấn đề phải được quan tâm hàng đầu.
Vấn đề tính tốn nối tiếp và tiêu năng của cơng trình tháo nước rất phức
tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu: dịng
xiết, hàm khí, mạch động áp xuất và mạch động lưu tốc lớn.v.v.. Mặt khác, về
mặt hình thức và kết cấu cơng trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các yếu tố
như: điều kiện địa hình, địa chất tuyến cơng trình, độ chênh lệch mức nước


2

thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu cơng trình, lưu lượng tháo qua cơng trình, trị
số và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua cơng trình.v.v.. Chính vì vậy, để hồn
thiện phương án thiết kế, người ta thường thơng qua nghiên cứu thực nghiệm
trên mơ hình thuỷ lực để tìm ra chế độ thủy lực và giải pháp tiêu năng hợp lý
nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm sốt q trình diễn biến dịng chảy
qua cơng trình cũng như thiết lập quy trình vận hành tối ưu cho việc quản lý,
sử dụng cơng trình.
Kinh phí để xây dựng cơng trình tháo nước thường chiếm một tỷ lệ đáng
kể (từ 20÷50% tổng vốn đầu tư). Khi đó, việc tìm kiếm các giải pháp cơng trình

hợp lý để thoả mãn các nhiệm vụ đã đề ra và giảm được khối lượng đào đắp, xây
đúc trong điều kiện cơng trình làm việc an tồn có ý nghĩa kinh tế rất lớn.
Một vấn đề nữa cũng cần phải đề cập tới là từng cơng trình lại có đặc
điểm làm việc, điều kiện địa hình, dịng chảy riêng nên phải có biện pháp
thích hợp tương ứng.
Tóm lại, nghiêm cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho cơng trình
tháo nước là vấn đề rất quan trọng, việc nghiên cứu giải quyết tiêu năng cho
dịng chảy qua cơng trình là rất cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học cũng
như thực tiễn trong công tác thiết kế, xây dựng công trình.
Với tất cả những lý do kể trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu chế độ
thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ Sê San 2” nhằm tìm ra được hình
thức kết cấu tiêu năng hợp lý cho cơng trình Hạ Sê San 2. Từ kết quả nghiên cứu
cơng trình cụ thể này có thể rút ra những kết luận chung cho những cơng trình có
điều kiện và hình thức tương tự.


3

II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1. Nhiệm vụ:
- Tính tốn lý thuyết.
- Lựa chọn phương án nghiên cứu thực nghiệm.
- Thí nghiệm các phương án lựa chọn.
- Tổng hợp, phân tích các phương án tính tốn lý thuyết và thí nghiệm,
đưa ra hình thức kết cấu tiêu năng hợp lý cho cơng trình góp phần giảm nhẹ
kết cấu tiêu năng và phịng chống xói lở ở hạ lưu.
2. Mục tiêu:
- Nêu được các đặc điểm cơ bản của nối tiếp và tiêu năng sau đập tràn.
- Tìm được sự ảnh hưởng của hình thức kết cấu bể tiêu năng tới dịng
chảy ở hạ lưu thơng qua cơng trình cụ thể là đập tràn Hạ Sê San 2 để lựa chọn

được hình thức kết cấu tiêu năng hợp lý.
- Bước đầu khái quát những kết quả nghiên cứu nhằm rút ra những kết
luận chung để có thể áp dụng cho những cơng trình có hình thức và điều kiện
tương tự.
III. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cho cơng trình cụ thể là đập tràn Hạ Sê San 2 mà ở đây chủ
yếu đi sâu vào hai nội dung sau:
- Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng hình thức bể tiêu năng vào cơng
trình để so sánh với lý thuyết tinh tốn góp phần giảm nhẹ kết cấu tiêu năng
và giảm xói lở ở hạ lưu cơng trình.
- Thơng qua nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình đưa ra kết cấu bể tiêu
năng hợp lý cho cơng trình.


4

IV. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, luận văn kết hợp giữa lý luận và thực
nghiệm để đi đến những luận cứ khoa học và các đề xuất áp dụng. Phương
pháp nghiên cứu là:
- Phương pháp nghiên cứu lý luận là tổng hợp và phân tích các kết quả
nghiên cứu của các nhà khoa học có liên quan đến đề tài đã được cơng bố,
phân tích và tính tốn lý thuyết vấn đề nghiên cứu, kết hợp với nghiên cứu
thực nghiệm.
V. Kết cấu luận văn
Bố cục của luận văn như sau:
Mở đầu:

Đặt vấn đề, mục tiêu, nhiệm vụ, nội dung, phạm vi nghiên cứu
và phương pháp nghiên cứu.

Chương I:

Tổng quan về tràn xả lũ

Chương II:

Tính tốn bể tiêu năng tràn xả lũ Hạ Sê San 2

Chương III: So sánh kết quả tính tốn lý thuyết
và kết quả thí nghiệm mơ hình thuỷ lực
Chương IV: Kết luận và kiến nghị
- Những kết quả đạt được của luận văn.
- Những tồn tại của luận văn.
- Kiến nghị.
Các tài liệu tham khảo
Phụ lục


5

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TRÀN XẢ LŨ
Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
Trong đầu mối cơng trình thuỷ lợi, cơng trình tháo là một bộ phận quan
trọng, nó có thể dùng để tháo phần nước lũ thừa trong thời gian hồ đầy đến
mực nước tính tốn hoặc kết cấu tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng để tháo
hồn tồn hoặc một phần hồ chứa để sửa chữa hoặc nạo vét và cấp nước cho
hạ lưu cơng trình.

Các cơng trình tháo đã xây dựng ở nước ta tương đối phong phú về thể
loại và đa dạng về hình thức kết cấu. Trong những năm gần đây, đặc biệt từ
năm 2002, ở nước ta đã đang và sẽ triển khai thiết kế và xây dựng nhiều cơng
trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều cơng trình có hồ chứa và cơng trình
xả lũ có quy mơ lớn. Có thể nêu ra một số dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na
Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San
4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh, Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba
Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội
Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc Hà,… Đây là những cơng trình có quy mơ hồ
chứa có dung tích từ hàng triệu cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo
của cơng trình xả nước cũng từ hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s. Có thể
nói trong khoảng gần 20 năm trở lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ
chứa lớn phát triển nhanh. Chúng ta đã nhanh chóng áp dụng thành cơng
những cơng nghệ thiết kế, thi công tiên tiến của thế giới để xây dựng các cơng
trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê
tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền thống (CVC) khối lớn cấp phối liên
tục. Trong số đó có những đập đã được đưa vào vận hành an toàn, về đập đá


6

đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện
Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San 3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập
Plêikrơng. Trước đó, chúng ta cũng đã xây dựng một số đập, hồ chứa lớn như
Hồ Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy, Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng,
A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn
của từng cơng trình mà đã thiết kế nhiều dạng cơng trình tháo lũ khác nhau
trong tổng thể bố trí cơng trình, bao gồm cả tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê
San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản Chát, Huội Quảng, …), xả mặt
kết hợp với xả sâu (Hồ Bình, Sơn La, Tuyên Quang), đường tràn dọc (Ialy,

Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Rào Quán, Đại Ninh,…).
Về hình thức tiêu năng sau cơng trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu
năng được áp dụng:
Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản
nội bộ của nước nhảy. Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp. Biện
pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các cơng trình vừa và nhỏ, mực
nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền cơng trình thường là đá yếu (Trị An,
A Lưới,…). Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi
khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các cơng trình có
quy mơ lớn.
Tiêu năng mặt: Dịng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt,
chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy. Nhìn chung, với chế độ chảy
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 có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia cố hạ lưu
hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít.


7

1.2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG
1.2.1. Khái qt chung
Đặc điểm nổi bật của cơng trình tháo nước là khi dịng chảy đổ từ
thượng lưu qua cơng trình về hạ lưu, nguồn năng lượng của dòng chảy khá
lớn sẽ tạo ra chế độ thuỷ lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn
định của cơng trình.
Đặc tính thuỷ lực cơ bản của dịng chảy qua cơng trình tháo là êm ở
thượng lưu (Fr < 1); chảy xiết trên đoạn chuyển tiếp (Fr > 1) và dần trở lại
trạng thái tự nhiên sau khi chảy vào sông thiên nhiên.
Động năng thừa của dòng chảy đổ từ thượng lưu qua cơng trình xuống

hạ lưu là rất lớn nên cần thiết phải giải quyết tiêu năng trước khi dòng chảy
nối tiếp về hạ lưu. Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm
được biện pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa,
điều chỉnh lại sự phân bộ vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở
về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm khối lượng gia cố
nhưng vẫn bảo vệ được cho cơng trình đầu mối, cho hai bờ, lịng dẫn hạ lưu
và phải đảm bảo sự ổn định trong những điều kiện thuỷ lực tương ứng với các
cấp lưu lượng xả qua cơng trình.
Một trong những nhiệm vụ chính của thiết kế nối tiếp thượng hạ lưu là
nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn kết cấu và xác định các thông số của giải
pháp tiêu năng trên cơ sở tính tốn và nghiên cứu mơ hình thuỷ lực của cơng
trình nối tiếp tiêu năng. Giải quyết đúng đắn nhiệm vụ này là vấn đề rất phức
tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu lan
truyền xuống và ảnh hưởng đến hạ lưu bao gồm các vấn đề: dịng xiết, hàm
khí, mạch động áp suất và mạch động lưu tốc lớn. Đặc điểm của những chế độ
nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa các dịng chảy với cơng trình


8

nối tiếp và lịng dẫn. Mặt khác, về mặt hình thức và kết cấu cơng trình lại phụ
thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: Điều kiện địa hình, địa chất tuyến cơng
trình, độ chênh mực nước thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu cơng trình, trị số
và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua cơng trình.v.v...
1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngồi
Bài tốn về nối tiếp và tiêu năng dịng chảy qua cơng trình đã được các
nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu, đưa ra các lời
giải trên các lĩnh vực và khía cạnh khác nhau.
* Các vấn đề nối tiếp chảy đáy ở hạ lưu theo phương pháp lý thuyết có
thể kể đến Bidone năm 1880, Belanger năm 1928 và gần đây là N.

Ragiaratman với cơng thức tính chiều sâu liên hiệp của nước nhảy phân giới;
* Theo phương pháp thực nghiệm, dựa trên phương trình năng lượng và
động năng có nhiều tác giả đã tiến hành thí nghiệm để tìm ra các hệ thức tính
tốn nước nhảy và từ đó tính dạng nối tiếp giữa dịng xả và dòng chảy hạ lưu:
- Tréc tou xốp sử dụng hệ thức nước nhảy của Belanger và phương trình
năng lượng để xác định độ sâu co hẹp tại chân đập và độ sâu liên hiệp của nó;
- Giáo sư A-grốt-Skin đã lập các phương trình tính tốn nước nhảy theo
dạng khơng thứ ngun;
- Ngồi ra có thể kể đến các tác giả như: Aivadian, Pavơlơpxki,
V.I.Avrinnhayry, V.A.Saomian có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy;
- Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài tốn phẳng có: T Bunsu, An
Rakhơmanốp, N.Rangiatman,v.v…
- Đối với những trường hợp nước nhảy khơng gian thì khi mở rộng đột
ngột có nhiều nhà nghiên cứu như: Picalơp, Abơranơp đã đưa ra sơ đồ nước
nhảy hồn chỉnh dạng đối xứng. Các nhà khoa học như Linhxepxki, Guncô,


9

Serenkơp, B.T.Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra dạng
cũng như phân bố vận tốc của dịng xiên mở rộng. Cũng cịn có thể kể đến các
nghiên cứu nối tiếp dòng xiết và dòng êm ở hạ lưu cơng trình với điều kiến
biên mở của các tác giả như: Q.F. Vaxiliep, M.F.Clatnhep.
- Khi nhảy ngập trong điều kiện khơng gian với lịng dẫn mở rộng dần
trong khu vực nối tiếp nhiều tác giả như: Ra-khơ-ma-nốp, T.D.Prô-vô-rô-va.
* Trong trường hợp bậc thấp có đập thụt nối tiếp: có các kết quả nghiên
cứu của Forter và Krinde, Moore và Morgan, Ventechow Yames và Sharp.
* Các nối tiếp chảy mặt ở hạ lưu cơng trình có thể kể đến:
- Các nghiên cứu của A.A. Xabanhep xuất phát từ quan điểm cho rằng áp suất
ở bậc tuân theo quy luật thuỷ tĩnh để đi đến các hệ thức tính tốn thuỷ lực ở sau bậc.

- Ngồi ra có thể kể đến các nghiên cứu của M.F. Scolanhep, M.A.
Makhlop về trạng thái nối tiếp chảy mặt.
* Các vấn đề nối tiếp chảy mặt dạng dòng phun tự do ở hạ lưu cơng trình
thực chất là việc tính tốn chiều sâu hố xói với các nghiên cứu của T.E.
Mirtxkhulava đối với nền đất khơng dính và của T.Kh. Akhơ-me-đốp với nền
đá rắn, các nghiên cứu của B.M.Sicvascvili về nối tiếp với sự hợp nhau của
hai dòng phun tự do.
* Các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu cơng trình có thể kể
đến các nghiên cứu của B.M. Sicvasvili.
* Các nghiên cứu về thuỷ lực và biện pháp cơng trình trong đoạn chuyển
tiếp cịn có thể kể đến các tác giả như:
- Về tiêu năng trong bể, các ảnh hưởng liên quan của mực nước hạ lưu,
ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của:
Tréc tou xốp, Smetana, Bá Kirova, Ughin trut, P. Novak…


10

- Về xói hạ lưu có các tác giả như: Ter-Arakelian, Chalumina, Vuzgo…
- Cu min đã nghiên cứu rất kỹ sự phân bố lưu tốc trong vùng chuyển tiếp
thông số đặc trưng α
- Vấn đề mạch động trong và sau nước nhảy đã được chỉ ra trong các
nghiên cứu của Lê Vi.
- Vấn đề xói: Grund đã tìm ra những cấu trúc đặc biệt bên trong nước nhảy
liên qua đến bài tốn xói bằng cách khái qt trường lưu tốc bằng ba miền tương
hỗ lẫn nhau.
- Liên quan đến chiều sâu xói ổn định đã có các tác giả như: Vuzgo,
Schoklitsch, Vernonese, Jaeger, Patresev, Eggenberger, Smolianninov.
- Chiều dài xói ổn định có nghiên cứu của Damamzin, Patrasev, Yuricki
theo quan điểm chiều dài hố xói liên quan đến độ sâu lớn nhất của hố xói.

- Levi, Vuzgo… lại xác định chiều dài xói phụ thuộc vào các yếu tố
dịng chảy và cơng trình như: dịng chảy, đất nền, dạng cơng trình…
1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Viêt Nam, trong mấy thập kỷ gần đây, vấn đề nghiên cứu chế độ thuỷ
lực và chọn bể tiêu năng chống xói ở hạ lưu cơng trình thuỷ lợi nói chung đã
thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý
cơng trình thuỷ lợi. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tại Viên khoa học Thuỷ
lợi (các tác giả: Trương Đình Dụ, Trần Đình Hợi, Hàn Quốc Trinh, Trần Quốc
Thưởng…), Trường Đại học Thuỷ lợi (các tác giả: Hoàng Tư An, Nguyễn Văn
Mạo, Phạm Ngọc Quý…) Viện khoa học Thuỷ lợi Nam bộ (các tác giả: Nguyễn
Ân Niên, Trần Như Hối, Tăng Đức Thắng) và nhiều nhà chuyên môn khác.
Một số tác giả Việt Nam đã có cùng hướng nghiên cứu với các tác giả
trên thế giới để có những kết luận của riêng mình nhưng cũng có những tác


11

giả đi theo những hướng nghiên cứu riêng phù hợp với tình hình thực tiễn ở
Việt Nam. Có thể tóm tắt một số kết quả nghiên cứu sau:
- Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Đặng dùng lý thuyết lớp biên để
thành lập phương trình về nước nhảy ổn định.
- Nguyên cứu của Lê Bá Sơn về các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp
ở hạ lưu cơng trình.
- Nguyên cứu của Võ Xuân Minh về ảnh hưởng liên quan của mực nước
hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói.
- Ngun cứu của Võ Xn Minh, Hồng Văn Quý về góc mở rộng β và
một số biện pháp phân bố đều lưu lượng và từ đó tìm ra biện pháp cơng trình
hợp lý để giải quyết bài tốn tiêu năng khi có nhảy ngập trong điều kiện
khơng gian với lòng dẫn mở rộng dần.
- Các nghiên cứu của Hoàng Tư An, Phạm Ngọc Quý và một số người

khác về xói và ổn định ở hạ lưu cơng trình tháo nước.
1.2.4. Các loại đập tràn và tiêu năng hạ lưu
1.2.4.1. Các loại đập tràn
Về kết cấu đập tràn rất khác nhau, đập tràn có thể phân loại theo các tiêu
chuẩn sau:
- Phân loại theo chiều dày đỉnh đập và hình dạng mặt cắt ngang của đập
tràn. Theo cách này, đập tràn có thể phân làm 3 loại sau:
+ Đập tràn thành mỏng (hình 1-1a) khi chiều dày của đỉnh đập δ< 0.67H,
làn nước ngay sau khi qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh
đập, khơng trạm vào tồn bộ mặt đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của
đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng tràn.


12

+ Đập tràn có mặt cắt thực dụng (hình 1-1b, 1-1c) khi 0.67H<δ<(2÷3)H,
chiều dày đập đã ảnh hưởng đến làn nước nhưng khơng q lớn, loại này mặt
đập có thể là hình đa giác hoặc hình cong và có hai loại: có chân khơng và
khơng chân khơng.
Đối với đập tràn thực dụng khơng chân khơng (hình 1-1b), dịng chảy
trên đập sẽ êm, áp suất dọc mặt đập luôn luôn dương. Với đập thực dụng có
mặt cắt chân khơng (hình 1-1c), ở đỉnh đập có áp lực chân khơng, lúc chân
khơng lớn có thể sinh ra hiện tượng khí thực, tuy nhiên chân khơng trên đỉnh
đập có tác dụng hút, làm tăng lưu lượng. Do đó để rút ngắn được chiều rộng
đập và đảm bảo an tồn người ta khơng cho phép trị số chân khơng q lớn,
thường Hck < (6÷6.5)m cột nước.
+ Đập tràn đỉnh rộng (hình 1-1d) khi đỉnh đập nằn ngang (hoặc rất dốc)
và có chiều dày tương đối lớn (2÷3)H < δ < (8÷10)H, trên đỉnh đập hình
thành một đoạn dịng chảy có tính chất thay đổi dần. Nếu δ > (8÷10)H lúc đó
coi dịng chảy trên đỉnh đập như một đoạn kênh.

Hình 1-1: Các loại đập tràn theo dạng mặt cắt đập


13

- Phân loại theo hình dạng cửa tràn gồm có:
+ Đập tràn cửa chữ nhật.
+ Đập tràn của hình tam giác.
+ Đập tràn cửa hình thang.
+ Đập tràn cửa hình cong.
- Theo hình dạng tuyến đập tràn trên mặt bằng:
+ Đập thẳng.
+ Đập cong, thường là hình cung.
+ Đâp kiểu giếng, có đường tràn nước là hình cong kín, thường là tròn
- Theo hướng của đập so với hướng dòng chảy chính:
+ Đập thẳng góc với dịng chảy.
+ Đập đặt xiên.
+ Đập bên đặt một bên bờ song song với dịng chính.
Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đang triển
khai thiết kế và xây dựng nhiều cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều
cơng trình có hồ chứa và cơng trình xả lũ có quy mơ lớn. Có thể nêu ra một số
dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng
Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San 4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh,
Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3,
Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc
Hà,… Đây là những cơng trình có quy mơ hồ chứa có dung tích từ hàng triệu
cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của cơng trình xả nước cũng từ
hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s. Có thể nói trong khoảng 5÷6 năm trở
lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ chứa lớn phát triển nhanh. Chúng ta

14

đã nhanh chóng áp dụng thành cơng những cơng nghệ thiết kế, thi công tiên
tiến của thế giới để xây dựng các cơng trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá
đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền
thống (CVC) khối lớn cấp phối liên tục. Trong số đó có những đập đã được
đưa vào vận hành an toàn, về đập đá đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ
lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San
3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập Plêikrơng. Trước đó, chúng ta cũng đã xây
dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hồ Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy,
Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng, A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều
kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn của từng cơng trình mà đã thiết kế nhiều
dạng cơng trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí cơng trình, bao gồm cả
tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản
Chát, Huội Quảng, …), xả mặt kết hợp với xả sâu (Hồ Bình, Sơn La, Tuyên
Quang), đường tràn dọc (Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang,
Rào Quán, Đại Ninh,…).
Về hình thức tiêu năng sau cơng trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu
năng được áp dụng:
- Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản
nội bộ của nước nhảy. Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp. Biện
pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các cơng tình vừa và nhỏ, mực
nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền cơng trình thường là đá yếu (Trị An,
A Lưới,…). Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi
khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các cơng trình có
quy mơ lớn.
- Tiêu năng mặt: Dịng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy
mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy. Nhìn chung, với chế độ

15

chảy 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 có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia
cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít.
- Tiêu năng bằng dịng phun xa: Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi
phun ở chân đập hoặc cuối dốc nước để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa
khỏi chân đập. Đây là hình thức tiêu năng được dùng khá phổ biến, đặc biệt
trong các cơng trình xả có cột nước cao. Tiêu năng dòng phun xa được chia
làm hai loại cơ bản theo đặc điểm kết cấu mũi phun:
+ Mũi phun liên tục: đặc điểm dịng phun là 1 dịng chảy khơng có sự va
đập với nhau trong q trình bay trong khơng khí, dịng đổ xuống hạ lưu do
năng lượng tiêu hao ít nên gây ra vận tốc và sóng lớn ở hạ lưu. Mặt khác,
dòng phun là dòng chảy tập trung ít trộn khí nên trong trường hợp cột nước
cao, tỷ lưu lớn sẽ làm cho chiều sâu xói lớn.
+ Mũi phun không liên tục (hay mũi phun 2 tầng): là loại mũi phun tạo
nên các dòng phun va đập vào nhau trong q trình bay trong khơng khí, dịng
đặc tập trung được phân tán thành nhiều dòng rơi xuống mặt nước hạ lưu.
Năng lượng dòng chảy được tiêu hao nhiều nên vận tốc và sóng ở hạ lưu nhỏ,
do đó giảm chiều sâu xói và khối lượng gia cố ở hạ lưu.
Đối với hình thức tiêu năng bằng dịng phun ở chân đập đã được thiết kế
ở một loạt các cơng trình có đập bê tơng (CVC và RCC) như Sê San 3,
Plêikrông, Sê San 3A, A Vương, Bản Vẽ, Bản Chát, Huội Quảng, Đồng Nai
3, Đồng Nai 4,… Hình thức tiêu năng bằng mũi phun cuối dốc nước cũng
được áp dụng cho một loạt các cơng trình xả cột nuớc cao, lưu lượng lớn như:
Ialy, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Sơn La, Cửa Đạt…

16

Bảng 1-1: Bảng tổng hợp một số đập tràn ở Việt Nam
TT

Chiều Chiều
rộng
cao
q
tràn
đập
3
(m /s.m
(m)
(m)

Lưu lượng

Cơng trình

Địa
điểm

1

Bái Thượng

Thanh
Hố

9.700

44,10

2

An Trạch

Đà
Nẵng

1.800

37,50

3

Bàn Thạch

Thanh
Hố

36,72

2,80

4

Bản Vẽ

Nghệ
An

7.847,2

130,8

5

Bàu Nít

Đà
Nẵng

750

31,30

6

Cam Ranh

Khánh
Hồ

720,25

30,10

7

Cấm Sơn

Hà
Bắc

476

24,40

8

Cần Đơn

Sơng
Bé

5.287

9

Cẩm Ly

Quảng
Bình

Q
(m3/s)

17,00

Số
khoang
tràn

Loại
đập
Đập
dâng

220
48

12

Đập
tràn

4,20

13,20

6

Đập
tràn

135

10

6

Đập
tràn

24

6

Đập
tràn

23,20

24

3

Đập
tràn

5,00

19,50

3

Đập

tràn

105,70

50

5

Đập
tràn

265

29,40

9

1

Đập
tràn

Vĩnh
Phú

366

11,40

32

4

Đập
tràn

11 Đồng Mơ

Hà Nội

120

7,50

2

Đập
tràn

12 Sơng Hinh

Phú
n
Địa
điểm

6.182

85,90

6

Tràn
đỉnh
Loại
đập

Hồ
Bình

296

10 Đại Lải

TT

Cơng trình

13 Hùng Sơn

Lưu lượng
7,40

12,50

72
Chiều Chiều
cao
rộng
2,70

40

Số
khoang

Đập
dâng


17

14 Kẻ Cọc

Nghệ
An

912

15 Minh Hồ

Thanh
Hố

1.540

16 Lịng Sơng

Bình
Thuận

2.093

43,60

17 Đập Nại

Hồ
Bình

270

6,00

18 Năng Phai

Yên
Bái

1.430

26,00

19 Nhân Mục

Tuyên
Quang

197

4,70

20 Ngòi Nhị

Yên
Bái

1.291

21 PleiKrong

Gia
Lai

7.606

15,20

Tràn
thực

60

Đập
tràn

10,50
48

6

Tràn
xả lũ

45

Đập
tràn

55

Đập
dâng

6,00

42

Đập
dâng

19,90

8,00

65

Đập
tràn

126,80

54,70

60

3,00

6

Đập
tràn

1.2.4.2. Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu đập tràn
Dòng chảy từ thượng lưu qua đập tràn nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu
cơng trình bằng các hình thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt,
nối tiếp phóng xa.
Đặc điểm dịng chảy ở hạ lưu đập tràn đó là:
- Có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang.
- Mực nước hạ lưu rất không ổn định.
- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ
cao. Thường sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về trạng thái phân bố bình
thường, nhưng mạch động áp lực phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về
trạng thái bình thường.


18

- Có nhiều khả năng xuất hiện dịng chảy ngoẵn nghèo, dịng xiên, nước
nhảy sóng…

Từ những đặc điểm đó mà ở hạ lưu cơng trình thường xảy ra các hiện
tượng xói cục bộ, xâm thực, xói lở nghiêm trọng… ảnh hưởng đến an tồn
cơng trình.
Từ sự phân tích trên ta thấy việc nghiên cứu chế độ thuỷ lực giải quyết
vấn đề tiêu năng ở hạ lưu cơng trình là một trong những cơng việc quan trọng
nhất của tính tốn thiết kế cơng trình thuỷ lợi.
1.2.4.3. Tiêu năng hạ lưu đập tràn
Dịng chảy sau khi qua cơng trình tràn xuống hạ lưu có năng lượng thừa
rất lớn. Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần
năng lượng này phá hoại lịng sơng và hai bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập,
một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác tiêu hao do ma sát
giữa nước và khơng khí. Khi sức cản nội bộ dịng chảy càng lớn thì tiêu hao
năng lượng do xói lở càng nhỏ và ngược lại. Vì vậy người ta thường dùng
biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dịng chảy để giảm khả
năng xói lở lịng sơng hoặc dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp
và ma sát với khơng khí có tác dụng tiêu năng lượng và giảm xói lở. Để đạt
mục đích đó, thường dùng các hình thức tiêu năng sau:
- Tiêu năng bằng dịng đáy (hình 1-2a, hình 1-2b);
- Tiêu năng bằng dịng mặt khơng ngập (hình 1-2c);
- Tiêu năng bằng dịng mặt ngập (hình 1-2d);
- Tiêu năng bằng dịng phun xa (hình 1-2e).


19

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng trên là làm cho dòng chảy
tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo
trộn với khơng khí, khuếch tán dịng chảy theo chiều đứng, phương ngang và
để giảm lưu lượng đơn vị. Các hình thức tiêu năng đó có liên quan lẫn nhau.
Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển hố lẫn nhau.

Hình 1-2: Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập tràn
A. Tiêu năng bằng dịng đáy
Đặc điểm của hình thức tiêu năng bằng dịng đáy (hình 1-2a, 1-2b) là lợi
dụng nội ma sát của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa. Đây là hình thức
thường được sử dụng nhất trong xây dựng cơng trình thuỷ lợi. Điều kiện cơ bản
của hình thức tiêu năng này chiều sâu nước ở hạ lưu lớn hơn chiều sâu liên hiệp
thứ hai của nước nhảy hh>hc’’ để đảm bảo nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Để tiêu năng dịng đáy thường dùng các biện pháp cơng trình sau:
- Tiêu năng bằng bể tiêu năng;
- Tiêu năng bằng tường tiêu năng;
- Tiêu năng kết hợp cả tường và bể.