nghiên cứu chế độ thủy lực chọn bể tiêu năng cho tràn xả lũ hạ sê san 2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chuyên nghành công 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 Công trình, các thầy cô giáo
trường Đại học Thuỷ
Lợi. Ban lãnh đạo Trung tâm nghiên cứu thủy lực và các
Phòng ban khác của Phòng 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 lòng 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 công 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 kh
ổ 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 năm 2013
TÁC GIẢ


Hoàng Quốc Đạt


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hoàng 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 hoàn thành.
Tôi xin cam đoan với Khoa Công 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 tôi./.
Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Tác giả luận văn


Hoàng Quốc Đạt










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 lư
u 11
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LÝ THUẾT VỀ TIÊU NĂNG
ĐÁY 23
1.3.1. Phương pháp lý luận 23
1.3.2. Phương pháp thực nghiệm mô 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 toán 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 CÔNG TRÌNH HẠ SÊ SAN 2 30
2.1.1. Khái quát chung về công 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 TOÁN LÝ THUYẾT VÀ KẾT
QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC 40
3.1. LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG 40
3.2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 41
3.2.1. Thiết kế mô hình 41
3.2.2. Xây dựng mô 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 MÔ HÌNH 47
3.3.1. Kết quả thí nghiệm phương án tính toán 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 toán và kết quả thí nghiệm phương án
thiết kế: 60
3.3.4. So sánh, đánh giá kết quả tính toán 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 công trình tháo nước 25

Hình 2-1: Sơ đồ tính toán tiêu năng hạ lưu đập tràn 33
Hình 2-2: Sơ đồ tính toán tiêu năng hạ lưu đập tràn sau khi rút ngắn bể tiêu
năng 39

Hình 3-1: Mô 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: Mô hình tổng thể tràn khi chưa có tường biên bên phải 48
Hình 3-4: Mô hình tổng thể thủy lực tràn khi chưa có tường biên xuất hiện dòng
vật phía bên phải tràn 48
Hình 3-5: Mô hình t
ổng 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 toán 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 b
ể tiêu năng 37
Bảng 2-6: Thông số bể tiêu năng sau tràn 37
Bảng 3-1: Bảng quan hệ tỷ lệ của các mô 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 n
ước 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
Công trình tháo là bộ phận quan trọng trong đầu mối các công trình thuỷ
lợi, thuỷ điện. Loại công tình này rất phong phú về thể loại và đa dạng về hình
thức kết cấu. Nghiên cứu các yếu tố về công trình, tình hình làm việc của bản
thân công trình, sự ảnh hưởng qua lại của các yếu tố công trình và dòng chảy
tới sự làm việc và an toàn cho công trình là vấ
n đề khoa học và có tính thực
tiễn cao, sự an toàn của công trình còn gắn liền với an toàn của khu vực hạ du.
Trong các công 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 công trình tháo rẻ nhất. Khi
dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu động năng thừa của dòng chảy là rất lớn

và có thể gây ra xói lở
và làm mất ổn định công 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 công 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 công trình thuỷ lợi. Nghiên cứu chế độ thuỷ lự
c nối tiếp thượng
hạ lưu để nắm rõ tình hình làm việc của bản thân công trình, hạn chế tối đa ảnh
hưởng của dòng 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 công trình thuỷ lợi, giải quyết tốt vấn đề nối tiếp tiêu năng sau
công trình là một trong những vấn đề phải được quan tâm hàng đầu.
Vấn đề tính toán nối tiếp và tiêu năng của công trình tháo nước rất phức
tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu: dòng
xiết, hàm khí, mạch động áp xuất và mạch động lưu tốc lớn.v.v Mặt khác, về
mặt hình thức và kết cấu công trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các y
ếu tố
như: điều kiện địa hình, địa chất tuyến công trình, độ chênh lệch mức nước


2
thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu công trình, lưu lượng tháo qua công trình, trị
số và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình.v.v Chính vì vậy, để hoàn
thiện phương án thiết kế, người ta thường thông qua nghiên cứu thực nghiệm
trên mô 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 kiể
m soát quá trình diễn biến dòng chảy
qua công trình cũng như thiết lập quy trình vận hành tối ưu cho việc quản lý,
sử dụng công trình.
Kinh phí để xây dựng công 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 công trình
hợp lý để thoả mãn các nhiệm vụ đã đề ra và giảm được khối lượng đào đắp, xây
đúc trong đ
iều kiện công trình làm việc an toàn có ý nghĩa kinh tế rất lớn.
Một vấn đề nữa cũng cần phải đề cập tới là từng công trình lại có đặc
điểm làm việc, điều kiện địa hình, dòng chảy riêng nên phải có biện pháp
thích hợp tương ứng.
Tóm lại, nghiêm cứu chế độ thuỷ lực chọn bể tiêu năng cho công trình
tháo nước là vấn đề rất quan trọng, việc nghiên c
ứu giải quyết tiêu năng cho
dòng chảy qua công 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 công trình Hạ Sê San 2. T
ừ kết quả nghiên cứu
công trình cụ thể này có thể rút ra những kết luận chung cho những công trình có
điều kiện và hình thức tương tự.


3
II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1. Nhiệm vụ:
- Tính toán 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 toán lý thuyết và thí nghiệm,
đưa ra hình thức kết cấu tiêu năng hợp lý cho công trình góp phần giảm nhẹ
kết cấu tiêu năng và phòng chống xói lở ở hạ lưu.
2. Mục tiêu:

- Nêu được các đặc điểm cơ bả
n của nối tiếp và tiêu năng sau đập tràn.
- Tìm được sự ảnh hưởng của hình thức kết cấu bể tiêu năng tới dòng
chảy ở hạ lưu thông qua công 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 công trình có hình thức và
điều kiện
tương tự.
III. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cho công 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 công
trình để so sánh với lý thuyết tinh toán góp phần giảm nhẹ kết cấu tiêu năng
và giảm xói lở ở hạ lưu công trình.
- Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đưa ra kết cấu bể
tiêu
năng hợp lý cho công 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 công bố,
phân tích và tính toán lý thuyết vấn đề nghiên cứ
u, 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 toán bể tiêu năng tràn xả lũ Hạ Sê San 2
Chương III: So sánh kết quả tính toán lý thuyết
và kết quả thí nghiệm mô 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 công trình thuỷ lợi, công 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 toán hoặc kết cấu tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng để tháo
hoàn toàn hoặc một phầ
n hồ chứa để sửa chữa hoặc nạo vét và cấp nước cho
hạ lưu công trình.
Các công 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 công
trình thuỷ lợi, thuỷ đ
iện, trong đó nhiều công trình có hồ chứa và công trình
xả lũ có quy mô 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 công trình có quy mô hồ
chứa có dung tích từ hàng triệu cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo
củ
a công 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 công
những công nghệ thiết kế, thi công tiên tiến của thế giới để xây dựng các công
trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê
tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyề
n 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
Plêikrông. Trước đó, chúng ta cũng đã xây dựng một số đập, hồ chứa lớn như
Hoà 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 công trình mà đã thiết kế nhiều dạng công trình tháo lũ khác nhau
trong tổng thể bố trí công 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 (Hoà 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 công 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 công trình vừa và nhỏ, mực
nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An,
A Lưới,…). Loại hình này đảm b
ảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi
khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có
quy mô lớn.
Tiêu năng mặt
: Dòng 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 n
ền 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 quát chung
Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy đổ từ
thượng lưu qua công 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 công trình.
Đặc tính thuỷ lực cơ b
ản của dòng chảy qua công 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 công 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 n
ối 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 công trình đầu mố
i, cho hai bờ, lòng 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 công 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 nă
ng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thuỷ lực của công
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: dòng xiết, hàm
khí, mạch động áp suất và mạch động lưu tốc l
ớn. Đặc điểm của những chế độ
nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa các dòng chảy với công trình


8
nối tiếp và lòng dẫn. Mặt khác, về mặt hình thức và kết cấu công trình lại phụ

thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: Điều kiện địa hình, địa chất tuyến công
trình, độ chênh mực nước thượng hạ lưu, đặc điểm kết cấu công trình, trị số
và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình.v.v
1.2.2. Một số kết quả
nghiên cứu ở nước ngoài
Bài toán về nối tiếp và tiêu năng dòng chảy qua công 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 công thức tính chiều sâu liên hiệp của nước nhảy phân giớ
i;
* 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
toán nước nhảy và từ đó tính dạng nối tiếp giữa dòng 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 c
ủa nó;
- Giáo sư A-grốt-Skin đã lập các phương trình tính toán nước nhảy theo
dạng không thứ nguyên;
- Ngoài ra có thể kể đến các tác giả như: Aivadian, Pavơlôpxki,
V.I.Avrinnhayry, V.A.Saomian có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy;
- Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài toán phẳng có: T Bunsu, An
Rakhơmanốp, N.Rangiatman,v.v…
- Đối với những trường hợp nước nhảy không gian thì khi mở rộng đột
ngột có nhiều nhà nghiên cứu như: Picalôp, Abơranôp đã đư
a ra sơ đồ nước
nhảy hoàn chỉnh dạng đối xứng. Các nhà khoa học như Linhxepxki, Guncô,

9
Serenkôp, B.T.Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra dạng
cũng như phân bố vận tốc của dòng xiên mở rộng. Cũng còn có thể kể đến các
nghiên cứu nối tiếp dòng xiết và dòng êm ở hạ lưu công trình với điều kiến
biên mở của các tác giả như: Q.F. Vaxiliep, M.F.Clatnhep.
- Khi nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần
trong khu vực nối tiếp nhiều tác gi
ả 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 công 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 toán thuỷ lực ở sau bậc.
- Ngoài 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 công trình
thực chất là việc tính toán chiều sâu hố xói với các nghiên cứu của T.E.
Mirtxkhulava đối với nền đất không dính và của T.Kh. Akhơ-me-đốp với nền
đá rắn, các nghiên cứu của B.M.Sicvascvili về nối tiếp với sự h
ợp nhau của
hai dòng phun tự do.
* Các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu công trình có thể kể
đến các nghiên cứu của B.M. Sicvasvili.
* Các nghiên cứu về thuỷ lực và biện pháp công trình trong đoạn chuyển
tiếp còn 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 toán xói bằng cách khái quát trường lưu tốc bằng ba miền t
ương
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
dòng chảy và công trình như: dòng chảy, đất nền, dạng công 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 công trình thuỷ lợi nói chung đã
thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý
công trình thuỷ lợi. Đã có nhiều công trình nghiên cứu tại Viên khoa học Thuỷ
lợi (các tác giả: Trương Đình Dụ, Trần Đình Hợi, Hàn Quốc Trinh, Tr
ần 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 lư
u công trình.
- Nguyên cứu của Võ Xuân Minh về ảnh hưởng liên quan của mực nước
hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói.
- Nguyên cứu của Võ Xuân Minh, Hoàng Văn Quý về góc mở rộng β và
một số biện pháp phân bố đều lưu lượng và từ đó tìm ra biện pháp công trình
hợp lý để giải quyết bài toán tiêu năng khi có nhảy ngập trong điều kiện
không 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 công 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 chiề
u 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, không trạm vào toàn 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 không quá lớn, loại này mặt
đập có thể là hình đa giác hoặc hình cong và có hai loại: có chân không và
không chân không.
Đối với đập tràn thực dụng không chân không (hình 1-1b), dòng chảy
trên đập sẽ êm, áp suất dọc mặt đập luôn luôn dương. Với đập thực dụng có
mặt cắt chân không (hình 1-1c), ở đỉnh đập có áp lực chân không, lúc chân
không lớn có thể
sinh ra hiện tượng khí thực, tuy nhiên chân không trên đỉnh
đập có tác dụng hút, làm tăng lưu lượng. Do đó để rút ngắn được chiều rộng
đập và đảm bảo an toàn người ta không cho phép trị số chân không quá 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 dòng chảy có tính chất thay đổi dần. N
ếu δ > (8÷10)H lúc đó
coi dòng 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 dòng chảy.
+ Đập đặt xiên.
+ Đập bên đặt mộ
t bên bờ song song với dòng chính.
Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đang triển
khai thiết kế và xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều
công trình có hồ chứa và công trình xả lũ có quy mô 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 Nă
c, Đồng Nai 3,
Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc
Hà,… Đây là những công trình có quy mô hồ chứa có dung tích từ hàng triệu
cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của công 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 công những công nghệ thiết kế, thi công tiên
tiến của thế giới để xây dựng các công 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 ch
ứa 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 Plêikrông. Trước đó, chúng ta cũng đã xây

dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hoà 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 t
ừng công trình mà đã thiết kế nhiều
dạng công trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí công 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 (Hoà 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 công 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 công tình vừa và nhỏ, mực
nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An,
A Lưới,…). Loại hình này đảm b
ảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi
khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có
quy mô lớn.
- Tiêu năng mặt
: Dòng 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 dòng 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 công 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 dòng phun là 1 dòng chảy không có sự va
đậ
p với nhau trong quá trình bay trong không khí, dòng 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 quá trình bay trong không khí, dòng
đặc tập trung được phân tán thành nhiều dòng rơi xuống mặt nước hạ lưu.
Năng l
ượng 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 dòng phun ở chân đập đã được thiết kế
ở một loạt các công trình có đập bê tông (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 n
ước cũng
được áp dụng cho một loạt các công 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

Lưu lượng
TT


Công trình


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

Số
khoang
tràn
Loại
đập
1 Bái Thượng
Thanh
Hoá
9.700 44,10 17,00 220
Đập
dâng
2 An Trạch
Đà
Nẵng
1.800 37,50 48 12
Đập
tràn
3 Bàn Thạch
Thanh
Hoá
36,72 2,80 4,20 13,20 6
Đập
tràn
4 Bản Vẽ
Nghệ
An
7.847,2 130,8 135 10 6
Đập
tràn
5 Bàu Nít

Đà
Nẵng
750 31,30 24 6
Đập
tràn
6 Cam Ranh
Khánh
Hoà
720,25 30,10 23,20 24 3
Đập
tràn
7 Cấm Sơn
Hà
Bắc
476 24,40 5,00 19,50 3
Đập
tràn
8 Cần Đơn
Sông
Bé
5.287 105,70 50 5
Đập
tràn
9 Cẩm Ly
Quảng
Bình
265 29,40 9 1
Đập
tràn
10 Đại Lải

Vĩnh
Phú
366 11,40 12,50 32 4
Đập
tràn
11 Đồng Mô Hà Nội 120 7,50 2
Đập
tràn
12 Sông Hinh
Phú
Yên
6.182 85,90 72 6
Tràn
đỉnh
TT Công trình
Địa
điểm
Lưu lượng
Chiều
cao
Chiều
rộng
Số
khoang
Loại
đập
13 Hùng Sơn
Hoà
Bình
296 7,40 2,70 40

Đập
dâng


17
14 Kẻ Cọc
Nghệ
An
912 15,20 60
Tràn
thực
15 Minh Hoà
Thanh
Hoá
1.540 10,50
Đập
tràn
16 Lòng Sông
Bình
Thuận
2.093 43,60 48 6
Tràn
xả lũ
17 Đập Nại
Hoà
Bình
270 6,00 3,00 45
Đập
tràn
18 Năng Phai

Yên
Bái
1.430 26,00 55
Đập
dâng
19 Nhân Mục
Tuyên
Quang
197 4,70 6,00 42
Đập
dâng
20 Ngòi Nhị
Yên
Bái
1.291 19,90 8,00 65
Đập
tràn
21 PleiKrong
Gia
Lai
7.606 126,80 54,70 60 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
công trình bằng các hình thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt,
nối tiếp phóng xa.
Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu đập tràn đó là:
- Có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặ
t 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 dòng chảy ngoẵn nghèo, dòng xiên, nước
nhảy sóng…
Từ những đặc điểm đó mà ở hạ lưu công trình thường xảy ra các hiện
tượng xói cục bộ, xâm thực, xói lở nghiêm trọng… ảnh hưởng đến an toàn
công trình.
Từ sự phân tích trên ta thấy việc nghiên cứu chế độ thuỷ lực giải quyết
vấn đề tiêu năng ở hạ lư
u công trình là một trong những công việc quan trọng
nhất của tính toán thiết kế công trình thuỷ lợi.
1.2.4.3. Tiêu năng hạ lưu đập tràn
Dòng chảy sau khi qua công 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 lòng sông 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
giữ
a nước và không khí. Khi sức cản nội bộ dòng 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 dòng chảy để giảm khả
năng xói lở lòng sông hoặc dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp
và ma sát với không 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 n

ăng bằng dòng đáy (hình 1-2a, hình 1-2b);
- Tiêu năng bằng dòng mặt không ngập (hình 1-2c);
- Tiêu năng bằng dòng mặt ngập (hình 1-2d);
- Tiêu năng bằng dòng 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 không khí, khuếch tán dòng 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 hoá lẫn nhau.
Hình 1-2: Các dạng tiêu năng ở hạ lư
u đập tràn
A. Tiêu năng bằng dòng đáy
Đặc điểm của hình thức tiêu năng bằng dòng 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 công trình thuỷ lợi. Điều kiện cơ bản
của hình thức tiêu năng này chiều sâu nước ở hạ lưu lớn hơn chiề
u sâu liên hiệp
thứ hai của nước nhảy h
h
>h
c
’’ để đảm bảo nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Để tiêu năng dòng đáy thường dùng các biện pháp công trình sau:
- Tiêu năng bằng bể tiêu năng;
- Tiêu năng bằng tường tiêu năng;
- Tiêu năng kết hợp cả tường và bể.