NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HỢP LÝ CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LỰA CHỌN GIẢI
PHÁP TIÊU NĂNG HỢP LÝ CHO TRÀN XẢ LŨ
SÔNG RAY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 4
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 4
II.MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5
III.NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM: 6
CHƯƠNG 1 7
TỔNG QUAN CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ LŨ 7
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA 7
1.2TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ 11
1.3 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ
LŨ 14
1.4 CÁC VẤN ĐỀ CẦN ĐẶT RA 17
CHƯƠNG II 21
CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC
CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY 21
2.1 LÝ LUẬN VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN 21
2.2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỦY LỰC 45
2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG CHO
TRÀN XẢ LŨ 52
2.4 LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH SÊRY THÍ NGHIỆM NGHIÊN
CỨU TIÊU NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ 54

CHƯƠNG III 58
THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TIÊU NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY.58
3.1 GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH SÔNG RAY 58
3.2 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM 61
3.3 PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH SÊRY THÍ NGHIỆM 62
3.4 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH 65
3
3.5 CÁC THIẾT BỊ VÀ KỸ THUẬT ĐO ĐẠC THU THẬP SỐ LIỆU 70
3.6 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 71
CHƯƠNG IV 87
PHÂN TÍCH - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 87
4.1 ĐÁNH GIÁ ĐỊNH TÍNH 87
4.2 ĐÁNH GIÁ ĐỊNH LƯỢNG 88
4.3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HỢP LÝ 90
KẾT LUẬN 92
I.ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 92
II.NHỮNG TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 93
III. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP 94
PHỤ LỤC 97
PHỤ LỤC I 97
PHỤ LỤC II 98
PHỤ LỤC III 122
4
MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, ở Việt Nam việc xây dựng các hồ chứa nước phục vụ cho
việc cấp nước sinh hoạt, phát điện, nuôi trồng thủy sản, đáp ứng nhu cầu nước
tưới cho nông nghiệp…ngày càng phổ biến. Trong công trình đầu mối hồ
chứa nước ngoài các hạng mục như đập, cống lấy nước…thì tràn xả lũ là một
hạng mục quan trọng trong hệ thống. Tràn có nhiệm vụ tháo nước thừa về

mùa lũ, khống chế mực nước thượng lưu không cho vượt quá mức nước cho
phép tương ứng với tần suất xả lũ thiết kế. Để đảm bảo cho tràn xả lũ làm
việc bình thường là rất quan trọng, không những đảm bảo an toàn cho bản
thân của công trình đầu mối mà còn cho cả lưu vực hạ lưu.
Do đó, trong thiết kế, việc bố trí công trình xả lũ, thì vấn đề về lựa chọn
giải pháp tiêu năng hợp lý sau công trình phải được quan tâm nhất. Việc tính
toán cho các công trình cụ thể phụ thuôc nhiều vào các yếu tố: điều kiện địa
hình, địa chất, điều kiện thủy văn, điều kiện dòng chảy…nên phải có các biện
pháp thích hợp tương ứng. Vì thế, để hoàn thiện phương án thiết kế, thường
thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực nhằm so sánh, lựa
chọn và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu về thoát lũ, tiêu
năng hạ lưu tràn để tìm được chế độ nối tiếp thượng hạ lưu hợp lý, và chọn
được kích thước hình học và kết cấu phù hợp đảm bảo điều kiện kinh tế, kỹ
thuật.
Như vậy, vấn đề nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn giải pháp tiêu năng
hợp lý cho tràn xả lũ vừa có ý nghĩa thực tiễn, vừa có ý nghĩa khoa học đối
với quá trình thiết kế và thẩm định trong xây dựng công trình thủy lợi.
Với những lý do trên, việc lựa chọn đề tài: ‘‘Nghiên cứu thực nghiệm
lựa chọn giải pháp tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray’’ nhằm tìm ra
được hình thức tiêu năng phòng xói hợp lý cho một công trình cụ thể là tràn
5
xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Từ kết quả nghiên cứu công trình cụ
thể này, có thể rút ra được những kết luận chung cho những công trình có
điều kiện tương tự.
II. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu cơ bản của nghiên cứu là tìm được giải pháp tiêu năng hợp lý
cho tràn xả lũ thông qua công trình cụ thể là tràn xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa -
Vũng Tàu. Sau đó, khái quát kết quả nghiên cứu nhằm rút ra kết luận chung
để có thể áp dụng cho những công trình có hình thức và điều kiện tương tự.

2. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm:
- Phương pháp nghiên cứu lý luận là tổng hợp và phân tích các kết quả
nghiên cứu đã có.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong khuôn khổ luận văn này
là thí nghiệm mô hình thủy lực cho tràn xả lũ cụ thể là tràn xả lũ sông Ray.
Phân tích lý thuyết về vấn đề cần nghiên cứu, khái quát hóa các kết quả
nghiên cứu thực nghiệm thông qua việc ứng dụng công nghệ thông tin nhằm
giải quyết vấn đề đặt ra.
3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực công trình cụ thể là tràn
xả lũ sông Ray tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, với 2 nội dung sau:
- Nghiên cứu thực nghiệm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu công
trình khi xét đến chế độ vận hành công trình với các kết cấu tiêu năng.
- Thông qua việc thí nghiệm mô hình, xây dựng quan hệ giữa các yếu
tố thủy lực với kết cấu tiêu năng phục vụ việc lựa chọn giải pháp tiêu năng
hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray.
6
III.NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM:
Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Chương I: Tổng quan chung về tiêu năng sau tràn xả lũ.
Chương II: Cơ sở lý luận nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực cho tràn
xả lũ sông Ray.
Chương III:Thí nghiệm mô hình tiêu năng cho tràn xả lũ sông Ray.
Chương IV:Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm.
Kết luận:
Đánh giá kết quả nghiên cứu
Những tồn tại và kiến nghị
Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp.
Tài liệu tham khảo

Phụ lục
7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ LŨ
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA
Hồ chứa nước là loại công trình có khả năng sử dụng hiệu ích tổng hợp
tài nguyên nước phục vụ cho các mục tiêu khai thác tưới tiêu, phát điện, cắt lũ
hạ du, Do vậy mà từ xa xưa con người đã biết trữ nước để dùng cho sinh
hoạt và nông nghiệp và đã xây dựng một số công trình như: Bái Thượng
(Thanh Hoá), Đô lương (Nghệ An)…và trên thế giới hồ chứa được xây dựng,
phát triển đa dạng và phong phú. Hiện thế giới có 45.000 hồ có dung tích từ 1
triệu m
3
. Trung Quốc có 22.000 hồ; Mỹ có 6.575 hồ; Ấn Độ có 4.291 hồ;
Nhật Bản có 2.675 hồ; Tây Ban Nha có 1.196 hồ.
Trong thế kỷ 20, hồ chứa được coi là một trong những công trình hiệu
quả nhất đối với việc sử dụng và quản lý tài nguyên nước, nó đã thực sự đóng
vai trò quan trọng trong việc trợ giúp nguồn nước cho cộng đồng và phát triển
kinh tế, sản xuất lương thực, cung cấp điện năng, phòng chống lũ lụt góp phần
giảm nhẹ thiên tai, đáp ứng một nhu cầu rất lớn nước tưới và dùng trong sinh
hoạt.
Hồ chứa gồm các hạng mục chính như: đập, công trình lấy nước, tràn xả
lũ, ngoài ra còn có một số công trình phục vụ cho mục đích chuyên môn. Và
tuỳ theo nhiệm vụ cụ thể của công trình: chống lũ, phát điện, cung cấp nước
cho dân cư, công nông nghiệp, thau chua rửa mặn, giao thông thủy, nuôi trồng
thủy sản mà dung tích trữ của hồ chứa có thể từ vài chục ngàn cho đến hàng
ngàn triệu mét khối nước. Hạ lưu hồ chứa thường là những khu dân cư hoặc
nhiều cơ sở hạ tầng quan trọng như đường bộ, đường sắt, trường học, bệnh
viện
Ở Châu Á, mục tiêu sử dụng hồ chứa bao gồm: tưới 63%, thủy điện 7%,

trữ nước 2%, ngăn ngừa lũ lụt 2%, đa mục tiêu 26% và các mục đích khác
8
4%. Các hồ chứa đáp ứng nhu cầu rất lớn nước tưới và sinh hoạt. Một nửa số
hồ chứa dùng cho tưới hoặc ban đầu là tưới và 30-40% của 271 triệu ha đất
được tưới đóng góp 12-16% tổng lương thực thế giới. Dân số thế giới trên 6
tỷ và mỗi người cần có 50 lít nước sinh hoạt mỗi ngày hay hơn 18,25 m
3
/năm.
Ngày nay, mỗi năm nhân loại cần 3800 km
3
nước ngọt, gấp hai lần so với 50
năm trước. Trong đó, 67% nước cho nông nghiệp, 19% cho công nghiệp, 9%
cho dân dụng và sinh hoạt. Vào năm 2025 sẽ có 3,5 tỷ người sống ở vùng
thiếu nước, gấp 6,5 lần hiện nay.
Trước tình hình đó việc xây dựng các hồ chứa cũng đã phát triển khá
mạnh ở Việt Nam chiếm 67% (từ khi thống nhất đất nước) và nhiều hồ lớn,
đạp cao đã được xây dựng ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp. Hiện
cả nước có 1.957 hồ chứa (chưa kể hồ thuỷ điện) đã xây dựng và đưa vào khai
thác, trong đó 79 hồ lớn với trữ lượng trên 10 triệu m
3
. Chỉ tính riêng các hồ
trực tiếp cấp nước tưới, phục vụ sản xuất nông nghiệp đã có trên 460 hồ chứa
nước có đập cao trên 10 m, dung tích trữ từ 1 triệu m
3
trở lên và khoảng 3.000
hồ tiểu thủy nông khác, hàng năm diện tích canh tác do các hồ đảm nhiệm
tưới là trên 40 vạn ha, sản xuất 17 tỷ kWh điện. Một loạt hệ thống hồ chứa
nước phục vụ nông nghiệp ra đời như : Suối Hai, Núi Cốc, Thác Bà, Kẻ Gỗ,
Tuyền Lâm, Dầu Tiếng…(Bảng thống kê các loại hồ chứa thể hiện ở bảng
1-1). Các hồ chứa này là tài sản to lớn, quý báu và có vai trò quan trọng đối

với sản xuất và đời sống của nhân dân các địa phương.
Trong mùa mưa lũ, các hồ chứa, một mặt có tác dụng hạn chế, giảm nhẹ
mức độ úng lụt cho vùng hạ du, mặt khác lại là điểm xung yếu, luôn tiềm ẩn
nguy cơ gây ra lũ lụt lớn. Do đó cần triển khai đồng bộ các giải pháp bảo vệ
công trình cụ thể cho từng hồ chứa, phương án bảo vệ an toàn cho người dân
sinh sống trong khu vực vùng hồ, đặc biệt là dân cư sau hạ lưu hồ chứa để chủ
động đối phó với trường hợp xả lũ khẩn cấp hoặc có sự cố vỡ đập, hạn chế
9
thấp nhất về mặt tài sản và đảm bảo an toàn tính mạng cho nhân dân. Việc
bảo đảm an toàn các hồ chứa nước phải luôn luôn được coi là nhiệm vụ hàng
đầu trong công tác quản lý - khai thác công trình thuỷ lợi.
Một vài hình ảnh về hồ chứa:

Hồ Núi Ngang (Quảng Ngãi)
Hồ Dầu Tiếng (Tây Ninh)

Hồ Phú Ninh (Quảng Nam)
10
Bảng 1-1: Bảng thống kê một số hồ chứa ở Việt Nam
TT
Công trình - Tỉnh
F
LV
(km
2
) W
h
(10
6
m

3
)
Dung tích
hiệu ích
W
h
.10
6
m
3
Tưới thiết kế
(ha)
1 Cấm Sơn-Quảng Ninh 387,4 248,0 227,5 24.100
2 Núi Cốc - Thái Nguyên 353,0 175,5 168,0 12.000
3 Đại Lải - Vĩnh Phúc 60,18 30,7 26,4 2.900
4 Pa Khoang - Lai Châu 77,0 37,2 34,2 3.317
5 Suối Hai - Hà Tây 60,7 46,5 42,5 7.500
6 Yên Quang- Ninh Bình 15,4 9,5
7 Hồ Vực Mấu -Nghệ An 215,0 75,0 62,0 4.650
8 Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh 223,0 345,0 320,0 21.136
9 Phú Hoà - Quảng Bình 12,5 8,6 550
10 La Ngà - Quảng Trị 20,0 36,7 34,0 1.900
11 Truồi - T.Thiên - Huế 75,3 55,2 51.026,0 8.246
12 Đồng Nghệ - Đà Nẵng 25,5 17,2 1.500
13 Phú Ninh- Quảng Nam 236,0 414,1 344,0 23.000
14 Đ.Thạch Nham-Q. Ngãi 2.836,0 44.000
15 Thuận Ninh-Bình Định 78,5 35,3 32,2 2.700
16 Phú Xuân - Phú Yên 126,0 12,1 9,5 1.500
17 Cam Ranh-Khánh Hoà 59,4 22,1 16,2 2.300
18 Sông Quao-Bình Thuận 296,0 67,0 8.120

19 Biển Hồ - Gia Lai 38,0 41,5 28,0 2.300
20 Đăk Uy - Đăk Lăk 82,8 26,3 23,0 3.500
21 Tuyền Lâm-Lâm Đồng 32,8 10,6 9,6 1.832
22 Sông Mây - Đồng Nai 41,0 15,0 14,8 1.300
23 Suối Giai -Bình Dương 32,0 21,3 12,8 1.670
24 Dầu Tiếng - Tây Ninh 2.700,0 1.580,0 111,8 172.000
Với những hồ chứa đã xây dựng ở Việt Nam thì nó là một biện pháp công
trình chủ yếu để sử dụng nguồn nước và phòng chống thiên tai do nguồn nước
gây ra. Hiện nay các vấn đề được đặt ra đối với hồ chứa là:
(1) Cần ưu tiên cho những vùng miền thật sự cần thiết như Tây Nguyên,
Nam Trung Bộ, vùng núi phía Bắc và phải đầu tư đồng bộ, phục vụ đa mục
tiêu, có sự tham gia của nhiều ngành, nhiều lĩnh vực;
(2) Về khảo sát, thiết kế: cần thiết lập trên cơ sở khoa học một cách thực tế
có căn cứ về đời sống dân cư, cơ cấu kinh tế, vấn đề xã hội…nhằm cung cấp
11
cho ngành thủy lợi tìm mọi cách đáp ứng yêu cầu dùng nước. Bên cạnh đó
cần tiếp thu những tiến bộ khoa học kỹ thuật, những thay đổi của thực tế, tính
kế thừa, tính hiện thực của mỗi tiêu chuẩn phục vụ cho việc thiết kế công
trình thủy lợi;
(3) Vấn đề công nghệ hồ chứa còn nhiều hạn chế về máy móc, thiết bị,
công nghệ, đội ngũ thi công, tài liệu kỹ thuật mới ít được cập nhật vận dụng,
không tuân thủ quy trình thi công, giám sát…làm ảnh hưởng lớn đến độ bền
của công trình;
(4) Việc sử dụng và quản lý hồ chứa còn hờn hợt, chưa có cơ chế, quy định
quản lý thống nhất, hợp lý trên phạm vi toàn quốc;
(5) Vấn đề sử dụng và quản lý hồ chứa hiện nay thì yêu cầu hiện đại hóa,
tự động hóa còn mới mẻ, mới áp dụng từng phần (chỉ ở hồ lớn). Các hồ vẫn
còn các thiết bị cũ, lạc hậu, đội ngũ kỹ thuật và công nhân lành nghề đáp ứng
cho yêu cầu này chưa cao;
(6) Về việc chống lũ, bão và hạn hán thực tế ở các hồ chứa đã được thực

thi khá tốt. Tuy nhiên việc cảnh báo, dự báo chưa có hoặc ở hồ lớn đã có
nhưng chưa thành công nghệ, tổn thất mất nước nhiều do bốc hơi, thấm, phá
rừng đầu nguồn, quy trình vận hành hồ khi chống lũ, chống hạn chưa cập nhật
theo sự biến đổi của tự nhiên, kinh tế và xã hội.
1.2TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ
Tràn xả lũ hay công trình tháo nước là một trong những công trình chủ
yếu và quan trọng của một công trình đầu mối thủy lợi. Cần phải xây dựng
công trình để tháo phần nước thừa trong mùa lũ nhằm đảm bảo an toàn cho
cả công trình đầu mối. Ngoài ra, tràn xả lũ còn được kết hợp để tháo nước
thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, hay tháo cạn toàn bộ hồ chứa để kiểm
tra sửa chữa đảm bảo cho sự làm việc an toàn và ổn định lâu dài của hồ chứa.
12
Qua thống kê các tràn xả lũ ở các hồ chứa đã xây dựng cho thấy tràn xả
lũ được thiết kế rất đa dạng về chủng loại, qui mô, kích thước. Các hồ chứa
vừa và lớn hầu hết đều thiết kế tràn có cửa van, các hồ chứa nhỏ đều thiết kế
tràn không có cửa van.
 Tràn xả lũ có cửa van
Công trình xả lũ có cửa van hiện nay thường sử dụng các loại sau:
- Cửa van đặt trên ngưỡng tràn, khi mở dòng chảy qua tràn chảy qua lỗ
và chảy tự do khi mở hết (Kẻ Gỗ, Yên Lập, Vực Tròn…).
- Cửa van đặt sâu, khi mở van dòng chảy qua tràn ở dạng chảy qua lỗ
(Dầu Tiếng, Đá Bàn …)
- Cửa van đặt trên mặt kết hợp cả cống dưới sâu, khi vận hành tùy theo
yêu cầu xả lũ mà sử dụng cửa van nào sẽ được quyết định (Hòa Bình, Thác
Bà ).
Ưu điểm của loại tràn này là chủ động trong việc hạ thấp mực nước hồ
khi cần, tăng được tỷ lưu qua tràn do đó hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên các
sự cố về cửa van hay xảy ra như: kẹt cửa, gãy cửa…vì vậy, việc thiết kế, xây
dựng và quản lý phức tạp hơn tràn xả lũ không có cửa van.
 Tràn xả lũ không có cửa van (tràn tự do)

Loại tràn này thường được áp dụng cho các hồ chứa nước vừa và nhỏ.
Ưu điểm của loại tràn này là dễ quản lý, vận hành đơn giản, thuận tiện, nhưng
nhược điểm là không điều tiết được mực nước hồ chứa theo yêu cầu phòng lũ
dẫn đến dễ mất an toàn công trình.
Nhìn chung, đa phần tràn xả lũ đã xây dựng là tràn không có cửa van
chiếm 95% (tính theo số lượng) và 5% là tràn có cửa van với hình thức kết
cấu tràn xả lũ gồm:
- Đầu tràn: có hình dáng khá phong phú, khoảng 80% là ngưỡng tràn
đỉnh rộng còn lại là loại ngưỡng thuộc loại thực dụng.
13
- Thân tràn: là bộ phận tiếp sau đầu tràn, nối tiếp sau tràn là dốc nước
hoặc bậc nước đơn điệu (với tràn hở). Thân tràn phổ biến nhất là dạng dốc
nước, tuỳ thuộc vào phương án nối tiếp với hạ lưu mà thân dốc dài ngắn khác
nhau. Trước đây một số thiết kế dốc nước thường sử dụng biện pháp tạo nhám
trên thân dốc để giảm vận tốc dòng chảy (Yên Lập - Quảng Ninh, Đồng Mô -
Hà Tây), gần đây ít dùng biện pháp này mà có xu hướng thiết kế với độ dốc
và chiều dài thích hợp.
- Hình thức tiêu năng: thường sử dụng 3 dạng là tiêu năng đáy bằng bể,
bể tường kết hợp; tiêu năng phóng xa và tiêu năng chảy mặt bằng bậc thụt.
- Nối tiếp sau tiêu năng: thường dòng chảy vẫn còn động năng khá lớn
có thể gây xói lòng dẫn, do đó để bảo vệ hạ lưu cần có một đoạn gia cố để
đảm bảo dòng chảy chuyển tiếp ổn định đến lòng dẫn tự nhiên
Hiện nay, hình thức cửa van, phai, thiết bị đóng mở cửa van, phai quá
đơn điệu. Do đó, cần đổi mới hình thức kết cấu, thiết bị, áp dụng những loại
tràn xả lũ mới và kết hợp nhiều hình thức tháo, nhiều tầng khác nhau; sử dụng
vật liệu mới để tăng lưu tốc cho phép, chống han, rò rỉ; sử dụng thiết bị quan
trắc đồng bộ ở mọi bộ phận trong thân đập tràn; đầu tư máy móc thiết bị và
đào tạo người sử dụng thiết bị cơ khí đóng mở hiện đại để tăng kích thước cửa
van (nhằm giảm số cửa van); áp dụng nhiều hình thức cửa van mới. Các công
trình nối tiếp sau ngưỡng tràn, hình thức tiêu năng hạ lưu…cũng cần tiến

hành nghiên cứu để áp dụng nhiều dạng khác nhau.
Trước tình hình mưa lũ, bão khi xuất hiện lũ vượt lũ thiết kế các trận lũ
xảy ra liên tiếp hoặc các sự cố cửa van, các sự cố công trình khác…làm cho
tràn làm việc vượt thiết kế gây nguy hiểm cho công trình đầu mối và cho
chính bản thân tràn xả lũ. Bởi vậy an toàn cho các công trình xả lũ là một vấn
đề đáng quan tâm hiện nay, trong đó nâng cao khả năng tháo cho tràn là rất
quan trọng. Vì vậy, Khi xây dựng các công trình đầu mối cần quan tâm đến
14
công trình tháo nhằm cải thiện tình hình làm việc của bản thân công trình
cũng như hạn chế ảnh hưởng của dòng chảy qua nó tới các công trình khác.
Loại công trình này rất phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu.
Do đó, khi thiết kế cần nghiên cứu nhiều phương án để chọn cách bố trí, hình
thức, kích thước công trình tháo cho hợp lý nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế.
1.3 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN
XẢ LŨ
Như chúng ta đã biết tràn xả lũ đóng vai trò quan trọng trong đầu mối
các công trình thủy lợi trong việc đảm bảo an toàn cho hồ chứa. Và việc
nghiên cứu tiêu năng sau tràn để có hình thức và cách bố trí hợp lý các công
trình tiêu năng để giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu nhằm tìm được biện
pháp thích hợp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố
lưu tốc, 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, đồng thời
cải thiện tình hình làm việc của bản thân công trình cũng như hạn chế ảnh
hưởng của dòng chảy qua nó tới các công trình khác là rất cần thiết.
Tràn xả lũ là một trong những hạng mục làm việc nặng nề nhất của đấu
mối công trình thủy lợi, nó có thể bị phá hủy bởi sự xuất hiện xói không tính
trước. Điển hình như ở sông Yabe (Mỹ) năm 1904 người ta xây dựng một đập
tràn cột nước thấp, đến năm 1970 đập tràn này bị gãy và ngừng hoạt động vì ở
hạ lưu xuất hiện hố xói với chiều sâu lớn nhất của hố xói là 5.8m. Còn đối với
đập Vacô (Mỹ), theo tính toán, bể tiêu năng có chiều dài và sân sau hoàn toàn

đảm bảo điều kiện nối tiếp an toàn hạ lưu, nhưng sau 16 năm khai thác thì
toàn bộ tấm đáy bể tiêu năng bị bẻ gãy và cuốn trôi nhiều khối đá nền tạo nên
hố xói có chiều sâu 6.7m.
Ở nước ta, trong thời gian gần đây cũng có một số trường hợp tràn gặp
sự cố như: Đập tràn Thác Bà với 3 khoang có cửa van điều tiết, hình thức tiêu
15
năng đáy, sân tiêu năng ở cuối có bố trí 7 mố tiêu năng. Trong quá trình xây
dựng và khai thác sân sau đã bị xói nghiêm trọng và lan vào đến chân bể tiêu
năng, nguyên nhân là do sân bể tiêu năng không đủ dài để tạo nước nhảy
trong mỗi trường hợp. Với đập tràn Nam Thạch Hãn là loại đường tràn dọc
ngưỡng đỉnh rộng, trong quá trình vừa xây dựng vừa xả nước thì làm cho hạ
lưu bị xói lở nghiêm trọng do xác định sai mực nước và điều kiện nối tiếp đã
tính trong thiết kế khác hẳn với thực tế.
Với những công trình tràn đã nêu ở trên, nhìn chung, khi tiến hành xây
dựng một đập tràn thì ta phải chú ý đến hình thức, kích thước, kết cấu bể tiêu
năng sao cho hợp lý để có thể giảm thiểu mức độ xói lở ở hạ lưu gây nguy hại
đến công trình chung. Do đó, nghiên cứu các đặc trưng của đập tràn và bể tiêu
năng là những ví dụ điển hình về sử dụng mô hình để nghiên cứu các công
trình thủy lợi. Khả năng tháo, quy trình vận hành cửa van, xói hạ lưu…là
những việc cần làm khi nghiên cứu mô hình đập tràn. Sau đây là kết quả một
vài thí nghiệm về thực nghiệm mô hình thủy lực đã nghiên cứu:
 Công trình tràn của nhà máy thủy điện Hương Điền: là loại tràn có 4
cửa van cung điều tiết, mặt cắt dạng Ofitxerop, tiêu năng bằng mũi phun và
qua thí nghiệm cho thấy: vận tốc trên mũi phun, chiều dài dòng phun và vận
tốc hố xói cũng giảm ít so với phương án thiết kế. Qua thí nghiệm với các
phương án thay đổi hình dạng mũi phun để so sánh đối chứng với phương án
thiết kế cho thấy các đặc tính về mặt thủy lực khu vực hố xói, chiều dài dòng
phun thay đổi không đáng kể nhưng hố xói có thể xói hơn vì thế sau mỗi trận
lũ cần kiểm tra diễn biến xói lở hạ lưu để có giải pháp bảo vệ phù hợp.
 Hồ chứa nước Krông Buk Hạ có công trình tràn là hình thức tràn mặt

có cửa, nối tiếp dốc nước, tiêu năng mặt, khống chế lưu lượng bằng van cung
kết cấu bằng thép. Việc thí nghiệm mô hình tràn cho thấy:
16
- Xác định được khả năng tháo của công trình tràn
-
Chọn được hình dáng và kích thước hợp lý cửa vào, dốc nước và nối tiếp
hạ lưu.
- Diễn biến chế độ thủy lực chảy qua tràn, chế độ nối tiếp thượng hạ
lưu công trình tràn, kênh xả, vị trí và độ sâu xói hợp lý của hố xói.
- Đo diễn biến vận tốc và áp suất trên mặt tràn, dốc nước, hố xói khi
xả vớicác cấp lưu lượng khác nhau.
- Phát hiện các hiện tượng bất thường xảy ra trong kênh hạ du để có
các biện pháp khắc phục các yếu tố thủy lực bất lợi đối với công trình.
 Tràn xả lũ hồ chứa Srok Phu Miêng là tràn có cửa van điều tiết, dạng
tràn ngưỡng thực dụng không chân không, với 6 khoang có cửa van phẳng
điều tiết, sử dụng hình thức tiêu năng đáy và sau tràn là bể tiêu năng có kích
thước đảm bảo nối tiếp an toàn hạ lưu và đã đạt được những kết quả là:
- Tạo được nước nhảy ngập trong bể ứng với mở toàn bộ các cửa van
hoặc mở các cửa van theo các trật tự và độ mở khác nhau.
- Không có nước nhảy sau tường tiêu năng thứ hai, phân bố dòng chảy
trong kênh hạ lưu khá đều.
- Vận tốc đáy kênh tại mặt cắt nối tiếp giữa gia cố bêtông và kênh đất
tự nhiên đảm bảo yêu cầu phòng xói.
Qua đó, ta thấy, việc nghiên cứu thực nghiêm mô hình tràn là cần thiết
với những cụm công trình đầu mối lớn, quan trọng nhằm có giải pháp tổng thể
cho cả đầu mối được hợp lý. Vì trong thực tế có quá nhiều vấn đề cần quan
tâm giải quyết bằng thực nghiệm nên mô hình tràn được sử dụng nhiều ở Việt
Nam và trên thế giới trong nghiên cứu thực nghiệm.
17
1.4 CÁC VẤN ĐỀ CẦN ĐẶT RA

1.4.1 VẤN ĐỀ XÓI SAU TRÀN XẢ LŨ
Việc xây dựng công trình thủy lợi trên sông đã phá hủy trạng thái cân
bằng của lòng dẫn và có thể dẫn đến xói ở hạ lưu. Xói xuất hiện ở ngay chân
công trình, nơi có lưu tốc rất lớn lại phân bố không đều, nơi có mạch động lưu
tốc và áp lực rất lớn. Đất được một phần bị cuốn lốc vào trong các xoáy nước,
phần khác được mang về hạ lưu rồi lắng đọng tạo thành các bãi bồi.
 Quá trình xói có thể chia thành ba giai đoạn:
(1) Giai đoạn đầu: Xói trong khoảng thời gian tương đối ngắn, hố xói
được tạo nên rất nhanh (các kích thước hình học của hố xói tăng rất nhanh
theo thời gian).
(2) Giai đoạn hai: Tiếp theo giai đoạn đầu, xói trong giai đoạn này diễn
ra từ từ. Sự phá hủy lòng dẫn diễn ra tương đối chậm. Thời gian của giai đoạn
này là rất lớn.
(3) Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ
lưu dẫn đến giảm cao trình đáy của long dẫn. Giai đoạn này kéo dài bao lâu
tùy vào độ dốc của lòng dẫn.
 Những nguyên nhân dẫn đến xói cục bộ ngay sau chân công trình:
(1) Do không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước ở hạ lưu.
(2) Việc co hẹp lòng đẫn (do xây dựng công trình) đã dẫn đến việc tăng
lên một cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy sau công trình
trong sự so sánh với lưu lượng, lưu tốc trong những điều kiện tự nhiên. Ở hạ
lưu công trình xuất hiện dòng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp
lực. Chính mạch động này làm tăng khả năng xói của dòng chảy lên nhiều
lần.
(3) Do hình thức, khích thước, và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phận
kết cấu công trìnhtạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói.
18
(4) Sử dụng công trình không theo quy trình cá biệt lại không có quy
trình. Không kịp thời bảo dưỡng, tu sửa nhỏ công trình.
(5) Dòng chảy qua công trình vượt qua sức chịu theo thiết kế của nó.

 Các yếu tố gây xói cục bộ sau công trình thủy lợi:
(1) Các yếu tố của công trình:
- Chiều cao ngưỡng tràn.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van.
- Chiều dài toàn bộ đoạn gia cố.
- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng và kích thước mố trụ.
- Hình dạng mặt tràn.
- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp.
- Độ dốc lòng dẫn.
(2) Các yếu tố thủy lực, thủy văn:
- Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động học.
- Lưu tốc trung bình mặt cắt.
- Sự phân bố của lưu tốc biểu thị qua hệ số Corilis: α.
- Mức độ chảy rối của dòng chảy.
- Mực nước hạ lưu.
- Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu.
- Lưu lượng đơn vị.
- Hàm lượng bùn cảttong dòng nước.
(3) Các yếu tố của đất nền:
- Khối lượng riêng của đất nền.
- Hình dạng kích thước hạt.
- Đường cong cấp phối hạt.
19
- Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền.
Các yếu tố trên đồng thời ảnh hưởng đến xói sau công trình. Nên có thể
nói xói là tác động tương hổ của công trình, dòng chảy và đất nền.
 Phân loại xói cục bộ sau công trình:
- Xói ổn định và xói không ổn định.

- Xói trên nền đất và nền đá.
- Xói có bãi bồi và xói không có bãi bồi.
- Xói không bồi hoàn và xói có bồi hoàn trở lại.
- Xói có dự báo trước và xói không có dự báo trước.
Việc nghiên cứu về xói để có biện pháp không cho xói xuất hiện hoặc
khắc phục hố xói không có dự báo trước; Lựa chọn các kích thước, hình thức
thích hợp khi chủ động cho xói xuất hiện
1.4.2 VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC TIÊU NĂNG PHÒNG
XÓI SAU TRÀN XẢ LŨ
Dòng chảy qua tràn chịu ảnh hưởng của điều kiện biên thay đổi. Nên sự
tương tác của dòng chảy đối với tràn cũng như với các công trình khác sẽ tạo
ra các hiện tượng thủy lực phức tạp. Vì vậy tính toán thủy lực trong thiết kế
tràn là vấn đề quan trọng, bao gồm các tính toán sau:
- Tính khả năng tháo để quyết định hình dạng và kích thước cửa tháo.
- Tính toán tiêu năng để quyết định các kết cấu tiêu năng và kết cấu
bảo vệ lòng dẫn.
- Phân tích các yếu tố thủy động lực của dòng chảy để xác định các tải
trọng của dòng chảy tác động lên kết cấu cũng như làm căn cứ để sửa đổi kết
cấu tác động lại dòng chảy nhằm hạn chế những bất lợi do dòng chảy gây ra.
- Phân tích những tác động đặc biệt của dòng chảy lên công trình như
các hiện tượng khí thực, hiện tượng xói lòng dẫn…
20
Về bản chất thủy lực nối tiếp thượng và hạ lưu đập tràn có tính chất
không gian, nhưng khi thiết kế thì tính theo bài toán phẳng cho nên sẽ có
nhiều sai số về tính toán thủy lực dẫn đến việc lựa chọn kích thước, kết cấu
tiêu năng đôi khi không phù hợp.
Việc tính toán thủy lực lựa chọn hình thức kết cấu hợp lý cho việc tiêu
năng sau tràn, phòng xói khi xét đến chế độ vận hành tràn xả lũ làm việc với
nhiều cấp lưu lượng, mực nước, các chế độ vận hành với độ mở cửa van khác
nhau theo các trật tự khác nhau là rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều

hiện tượng thủy lực bất lợi. Do vậy, phương pháp tính toán thủy lực để tìm
kích thước thiết bị tiêu năng phòng xói thông thường khó có thể giải quyết
được. Điều này đòi hỏi phải có cách tính toán phù hợp hơn và việc nghiên cứu
thực nghiệm trên mô hình thủy lực là rất cần thiết.
21
CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH
THỦY LỰC CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY
2.1 LÝ LUẬN VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN
2.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TIÊU NĂNG SAU TRÀN
Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nướcc phía trước
công trình sẽ tăng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng
chảy đổ từ thượng lưu về hự lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một
phần động năng phục hồi thành thế năng, phần còn lại gọi là năng lượng thừa
và nếu không có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói cục bộ, bào mòn,
xâm thực…ảnh hưởng đến an toàn công trình. Vì ở hạ lưu công trình do dòng
chảy ở hạ lưu có: lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang; mực
nước hạ lưu thường xuyên thay đổi; mạch động áp lực và mạch động áp suất
xảy ra với mức độ cao; có khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng
xiên, nước nhảy sóng…Do vậy, việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu là
một trong những công việc quan trọng nhất trong tính toán thiết kế các công
trình thủy lợi.
2.1.2 NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG SAU TRÀN
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.
2.1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU TRÀN
Chọn hình thức tiêu năng phòng xói hạ lưu, xác định các thông số của
giải pháp tiêu năng cụ thể chưa có lời giải chính xác hoàn toàn. Vì vậy, hiện

nay áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như:
22
- Phương pháp lý luận: Phương pháp này thường dẫn tới áp dụng các
công thức lý luận kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh.
- Phương pháp thực nghiệm mô hình: Mô hình thí nghiệm mô phỏng
được công trình thực kể cả trong điều kiện phức tạp, tuy nhiên hiện tượng
sóng vỗ thì chưa thể hiện được chính xác.
Từ thực nghiệm mô hình thủy lực xây dựng các công thức thực nghiệm.
Các công thức này có phạm vi ứng dụng nhất định và có kết quả rất gần với
thực tế. Ngoài ra, phương pháp này còn dùng để kiểm chứng các kết quả có
được từ phương pháp lý luận.
- Nghiên cứu trên nguyên hình: Chính là mô hình có tỷ lệ 1:1 và mọi
điều kiện tương tự được đảm bảo. Nhưng dòng chảy trong thực tế lại diễn ra
theo một quá trình ngoài ý chủ quan của con người.
Khi nghiên cứu về tiêu năng có thể áp dụng độc lập các phương pháp
hoặc sử dụng cả ba phương pháp kết hợp với nhau.
2.1.4 NỐI TIẾP DÒNG CHẢY HẠ LƯU CÔNG TRÌNH TRÀN
2.1.4.1 Khái niệm về nước nhảy:
Hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình dòng chảy chuyển từ trạng
thái chảy xiết sang chảy êm gọi là nước nhảy. Tại đó, đường mặt nước mất
liên tục, độ sâu dòng chảy tăng từ độ sâu nhỏ hơn độ sâu phân giới sang độ
sâu lớn hơn độ sâu phân giới.
Nước nhảy gồm có khu luồng chính và khu nước xoáy
23
h
,
k
h
,,
1

1 2
2
h
h
k
Khu luoàng chính
a
Khu nöôùc xoaùy
Ln
h
k
Hình 2.1: Nước nhảy cơ bản
Độ sâu trước nước nhảy h’<h
k
và độ sâu sau nước nhảy h”>h
k
gọi là hai
độ sâu liên hiệp của nước nhảy. Chiều dài đoạn dòng chảy có độ sâu biến đổi
gấp từ mặt cắt trước nước nhảy (1-1) đến mặt cắt sau nước nhảy (2-2) gọi là
chiều dài nước nhảy L
n
. Khoảng cách h” - h’ = a: là chiều cao của nước nhảy.
2.1.4.2 Phân loại nước nhảy
- Theo điều kiện nảy sinh và cấu trúc của nước nhảy có:
• Nước nhảy hoàn chỉnh khi :
2
'
"
>
h

h
.
• Nước nhảy dâng
• Nước nhảy mặt
• Nước nhảy sóng khi:
2
'
"
<
h
h
- Theo vị trí nước nhảy:
• Nước nhảy phóng xa khi : h
c
” > h
h
.
• Nước nhảy tại chỗ khi : h
c
” = h
h
.
• Nước nhảy ngập khi : h
c
” < h
h
.
- Theo trị số Froude trước nước nhảy:
• Nước nhảy sóng khi : F
r

= 1 ÷ 3;
24
• Nước nhảy yếu khi : F
r
= 3 ÷ 6;
• Nước nhảy dao động khi : F
r
= 6 ÷ 20;
• Nước nhảy ổn định khi : F
r
= 20 ÷ 80;
• Nước nhảy mạnh khi : F
r
≥ 80.
2.1.4.3 Nối tiếp dòng chảy hạ lưu công trình
Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng tràn (có hoặc không có cửa van)
nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu công trình bằng 2 hình thức chủ yếu:
a) Hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy đáy:
Trạng thái chảy đáy là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy
xuất hiện ở gần đáy kênh dẫn (hình 2-2)
E
O
h
h
Hình 2-2: Nối tiếp chảy đáy
Nối tiếp chảy đáy có thể gặp ở hai trường hợp sau:
Trường hợp 1: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm
Dòng chảy qua ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất hiện mặt cắt co hẹp
c-c. T ại mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn
nhất. Ta có h

c
<h
k
, do vậy nối tiếp chảy đáy bắt buộc phải qua nước nhảy.
Gọi h’ là độ sâu liên hiệp với h
h
v à h” là độ sâu liên hiệp với h
c
, nếu:
h
c
”>h
h
(hay h
h
’
>h
c
): nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa (hình 2-3). Năng
lượng thừa được tiêu hao bằng tổn thất dọc đường ở đoạn nước dâng và một
phần được tiêu hao bằng nước nhảy.
h
c
”=h
h
(h
h
’=h
c
): nối tiếp bằng nước nhảy tại chỗ (hình 2-4). Năng lượng

thừa sẽ được tiêu hao gần hết bằng nước nhảy.
25
h
c
<h
h
:(h
h
<h
c
): ni tip bng nc nhy ngp (hỡnh 2-5). Mc ngp
c c trng bi h s ngp = h
h
/h
c
.
ẹửụứng nửụực daõng c1
h
c
h
'
h
h
C
C
h
''
Hỡnh 2-3
h
''c = hh

C
C
h
c
Hỡnh 2-4
h
c
C
C
hh
Hỡnh 2-5
ẹửụứng nửụực haù b2
hh
C
C
h
c
i>ik
k
k
N
N
Hỡnh 2-6
i>ik
h
c
C
C
hh
Hỡnh 2-7

ẹửụứng nửụực daõng c2
i>ik
k
k
N N
hh
C
C
h
c
Hỡnh 2-8
Trng hp 2: Dũng chy h lu l dũng chy xit. Trong trng hp
ny, s ni tip h lu khụng qua nc nhy.
h
c
>h
h
: dũng ni tip gim dn t h
c
ữh
h
cú ng nc h b
2
(hỡnh 2-6)
h
c
=h
h
: hỡnh thnh dũng u ngay sau mt ct co hp (hỡnh 2-7).
h

c
< h
h
: cú ng nc dõng c
2
ni tip vi dũng u trong kờnh dn
(hỡnh 2-8).
b) Hỡnh thc ni tip trng thỏi chy mt:
Trng thỏi chy mt l trng thỏi m lu tc ln nht ca dũng chy
khụng xut hin gn mt thoỏng (hỡnh 2-9)
U
max
h
h
E
O
Hỡnh 2-9: Ni tip chy mt