nghiên cứu giải pháp tiêu năng hợp lý đối với đập tràn xả lũ bản mòng tỉnh sơn la

LỜI CẢM ƠN
Sau khoảng thời gian học tập và làm Luận văn với sự giúp đỡ quý báu, tận
tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bản và các thầy giáo, cô giáo trường Đại
học Thuỷ Lợi, bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực cố gắng học tập, tìm tòi,
nghiên cứu, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận
văn thạc s
ĩ với đề tài “ Nghiên cứu giải pháp tiêu năng hợp lý đối với đập tràn xả
lũ Bản Mòng tỉnh Sơn La”
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ công nhân
viên Phòng Đào tạo Đại học & Sau Đại học, Khoa Công trình, Trường Đại học
Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Đặc biệt tác giả cũng xin đượ
c gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS.
Nguyễn Văn Bản đã đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa
học quý báu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trung tâm Phòng tránh và
giảm nhẹ Thiên tai - Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây Nguyên nơi tác
giả công tác, Trung tâm Nghiên cứu thủy lực – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quố
c
gia nơi tác giả thu thập tài liệu, gia đình, bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Do hạn chế về thời gian, kiến thức Khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản
thân chưa nhiều nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong
nhận được ý kiến đóng góp và trao đổ
i tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 08 năm 2013
Học viên

Mã Văn Hùng



BẢN CAM KẾT

Tôi là: Mã Văn Hùng
Học viên lớp: 19 C11
Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp tiêu năng
hợp lý đối với đập tràn xả lũ Bản Mòng tỉnh Sơn La” là công trình nghiên cứu của
bản thân tôi. Các thông tin, tài liệu, bảng biểu, hình vẽ… lấy từ nguồn khác đều
được trích dẫn nguồn đầy đủ theo quy định. Nếu có gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm theo quy đị
nh của nhà trường.



Đà Nẵng, ngày 10 tháng 08 năm 2013
Tác giả luận văn



Mã Văn Hùng

1
MỞ ĐẦU

I. Tính cấp thiết của đề tài
Sau khi xây dựng hồ chứa, điều tiết lũ tích một phần ở trong hồ phần còn lại sẽ
thông qua đập tràn xả xuống hạ lưu. Với chênh lệch cột nước cao hàng chục mét
cộng với tỷ lưu lớn, để đảm bảo an toàn cho công trình vận hành cần phải có giải
pháp tiêu năng nhằm tiêu hao phần lớn năng l
ượng của dòng chảy. Giải pháp tiêu
năng thường dùng là:
9 Biện pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng)
9 Biện pháp tiêu năng dòng phun.
Theo tài liệu thống kê thì các công trình đập tràn có cột nước cao, tỷ lưu lớn
dùng giải pháp tiêu năng dòng phun chiếm gần 70%. Khi chọn giải pháp tiêu năng
dòng phun cần phải dựa vào điều kiện địa hình, địa chất, vị trí tuyến công trình với
tuyến lòng sông ở hạ lưu để xét.
Song với dạng tiêu năng dòng phun áp dụng mũi phun liên tục sẽ gây ra xói hạ
lưu lớn. Điều này khiến cho khối lượng thi công đào hố xói nhiều không kinh tế,
mặt khác hố xói sâu dễ gây sạt mái cho hai bờ.
Vì vậy cần nghiên cứu áp dụng giải pháp công trình mũi phun không liên tục
(hay còn gọi là mũi phun so le) để:
9 Giảm nhỏ tỷ lưu của dòng phun phóng xuống hố tiêu năng (giảm q)
9 Tăng khả
năng trộn khí vào luồng phun để giảm nhỏ lưu tốc dòng phun.
9 Tăng khả năng va đập của luồng nước trong không trung để tiêu hao
thêm năng lượng của dòng phun trước khi rơi vào hố xói.
Song với điều kiện cụ thể của các công trình khác nhau, cần phải vận dụng cho
thích hợp dựa vào lý luận chung về tiêu năng dòng phun, nhất là loại mũi phun so le
chưa được nghiên cứu kỹ về:

9 Kích thước bố trí của rãnh và mố
9 Vị trí đặt mố thích hợp
9 Chiều dài phun xa nhất và phun gần nhất
9 Độ sâu xói giảm so với mũi phun liên tục

2
Vì vậy học viên cho rằng để áp dụng vào công trình đập tràn xả lũ Bản Mòng
sử dụng mũi phun lien tục theo hồ sơ thiết kế cần thiết phải được nghiên cứu thêm
về lý luận cũng như thực tiễn.
Qua đề tài này học viên sẽ đi sâu vào việc xác lập quan hệ của dòng phun:
L
max
~ θ
m
và L
min
~ θ
r
. Nhằm giúp ích cho các công trình tương tự, cho người thiết
kế khi áp dụng mũi phun so le sẽ tính toán được chiều dài phun xa của mố và của
rãnh.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục tiêu
Trong luận văn này học viên sẽ đi sâu vào nghiên cứu chủ yếu:
(1) Lý thuyết xác định chiều dài phun xa của mũi phun so le gồm:
L
max
~ mố phun (
m
θ

)
L
min
~ rãnh phun (
r
θ
)
Trong đó: θ
m
, θ
m
: lần lượt là góc phun của mố, góc phun của rãnh
(2) Vị trí đặt mố phun so le một cách hợp lý
(3) Phân tích cơ chế thủy lực của mũi phun so le (có so sánh với cơ chế thủy lực
của mũi phun liên tục)
(4) Phương pháp tính V
r
, V
m
, h
r
, h
m
của mũi phun so le
Trong đó: V
r
, V
m
lần lượt là lưu tốc ở rãnh và ở mố phun
h

r
, h
m
lần lượt là độ sâu tại rãnh và đỉnh mố
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Đập tràn xả lũ Bản Mòng tỉnh Sơn La
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Học viên sẽ dùng Phương pháp nghiên cứu lý luận trên các tài liệu có liên
quan được đăng tải hiện nay kết hợp với kết quả thí nghiệm mô hình Vật lý.
Qua thí nghiệm mô hình thu thập số liệu, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
hướng dẫn, ti
ến hành phân tích số liệu để kiểm chứng phần lý thuyết mà học viên đề
xuất. Ngoài minh chứng bằng số liệu còn thể hiện bằng hình vẽ và ảnh chụp để mô
tả.

3

4. Các kết quả đạt được
Trong luận văn sẽ thể hiện được các kết quả:
(1). Xác định chiều dài phun xa nhất và phun gần nhất của loại mũi phun so le
bằng biểu thức toán học:
L
max
~ (V
m
,
m
θ
, h
m

)
L
min
~ (V
r
,
r
θ
, h
r
)
(2). Phân tích cơ chế dòng chảy của loại mũi phun so le (mũi phun không liên
tục).
(3). Áp dụng vào công trình Thủy điện Bản Mòng – Sơn La.

4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HẠ LƯU
CÔNG TRÌNH THƯỜNG ÁP DỤNG
1.1. Các giải pháp tiêu năng thường dùng ở hạ lưu
Dòng nước lũ từ thượng lưu đi vào hồ chứa được điều tiết, tích lại một phần,
phần lưu lượng dư được xả qua các công trình tháo lũ như đập tràn xả lũ, đường
tràn xả lũ, tuy nen tháo lũ, hay cống xả l
ũ, đem lưu lượng dư này xả xuống hạ lưu.
Nối tiếp dòng chảy từ lòng hồ có thế năng lớn, lưu tốc nhỏ chảy qua công trình tháo
đem thế năng dần dần chuyển hóa thành động năng, nên độ sâu dòng chảy giảm dần
mà lưu tốc tăng lên nhanh. Vì vậy khi nối tiếp với mặt nước hạ lưu sau chân công
trình sẽ làm thay đổi trạng thái dòng chảy ở đoạn lòng sông hạ lưu này. Do chiều
rộng công trình xả lũ so với chiều rộng lòng sông tự nhiên nhỏ hơn nhiều, nên đơn
vị lưu lượng có giá trị rất lớn, có động năng được tập trung cao. Theo lý thuyết thì
năng lượng dư này được thể hiện trong biểu thức để xác định:
N=
γ
.q.ΔH (1.1)
Trong đó:
N: Công suất của năng lượng dư (KW/m)

γ
: Dung trọng của nước (T/m
3
)

ΔH
: Chênh lệch cột nước giữa thượng lưu và hạ lưu (m)
Ví dụ như công trình thủy điện Hòa Bình mà ta đã biết thì:
Lưu lượng xả từ nhỏ đến lưu lượng thiết kế là Q
xả
=13500m
3
/s ÷ 35400m
3
/s,
với chiều rộng dốc nước cuối tràn B=180m thì tỷ lưu thay đổi là q=75m
2
/s
÷

q=196m
2
/s; mực nước mùa lũ ở thượng hạ lưu có độ chênh ΔH =Z
tl
-Z
hl
=120m-
27m=93m. Từ đó suy ra công suất của năng lượng dòng chảy dư đạt tới:
N
min
=9,8*75*85=62475KW/m ( Trường hợp xả lũ nhỏ)
N
max
=9,8*196*93=178634KW/m (Trường hợp xả lũ thiết kế)

Công suất của năng lượng dư này rất lớn khi đổ xuống hạ lưu sẽ đào xói lòng
sông và hai bờ ở sau chân công trình gây mất ổn định cho công trình.
Chính vì lẽ đó mà khi thiết kế xây dựng các công trình xả lũ, một vấn đề quan
trọng cần giải quyết là chọn một giải pháp tiêu năng thích hợp.
Đối với các giải pháp tiêu năng hi
ện nay thường được áp dụng là:

5
+ Dùng biện pháp tiêu năng đáy (Bể tiêu năng)
+ Dùng biện pháp tiêu năng dòng phun (mũi phun)
Đối với mỗi cụm công trình đầu mối, việc bố trí công trình xả lũ ở hạ lưu dùng
hình thức tiêu năng đáy (bể tiêu năng) hay dùng hình thức tiêu năng dòng phun đều
dựa vào tình hình địa hình, địa chất để xem xét.
Khi nền đá hạ lưu công trình là loại đá mềm yếu, cường độ kháng nén
σ
<
400kg/m
2
thì nên dùng hình thức tiêu năng đáy (bể tiêu năng) còn khi nền đá hạ lưu
công trình là các loại đá tốt như grannit, hoa cương hay thạch anh vv có cường độ
chịu nén cao
σ
> 600kg/m
2
thì xét dùng hình thức tiêu năng dòng phun. Bởi vì khi
dùng dạng tiêu năng dòng phun xa thì hệ số xói K của dòng phun phụ thuộc vào
tính chất của nền đá được thể hiện trong bảng phân loại sau:
Bảng 1.1: Hệ số xói K của dòng phun phụ thuộc vào địa chất
Hệ số K
Phân loại

nền đá
Đặc trưng cấu tạo nền đá của
hố xói
Phạm
vi
Trung
bình
Giá trị ứng suất
nén của đá
nén
σ

I
( Khó xói)
Dạng khối đá lớn, khe nứt phát
triển chặt chắc
0,8
¸
0,9 0,85 1600
¸
2000
II
( Có thể xói)
Dạng tảng to, khe nứt phát
triển nhiều chỗ rắn chắc có ít
chỗ có nhét
0,9
¸
1,2 1,10 1000
¸

1500
III
(Dễ xói)
Dạng tảng vỡ khe nứt phát
triển, đại bộ phận khe nứt rõ,
một phần có chất nhét
1,2
¸
1,5 1,35 600
¸
1000
IV
(Rất dễ xói)
Dạng tảng vỡ, khe nứt phát
triển mạnh, vết nứt lớn, một
phần có đất sét nhét vào khe
1,5
¸
2,0 1,8 250 ÷ 500
Ghi chú: Phạm vi thích hợp với hệ số K là 30
0
<
β
<70
0
với
β
là góc của dòng
phun đổ vào mặt nước lòng sông (còn gọi là góc tới).
Dạng tiêu năng đáy và tiêu năng dòng phun sau đập tràn xả lũ thể hiện như

hình 1.1 và 1.2

6

Hình 1.1. Dạng tiêu năng đáy sau đập tràn

Hình 1.2. Dạng tiêu năng dòng phun sau đập tràn
Theo kết quả nghiên cứu thì giải pháp tiêu năng hiệu quả, phần năng lượng dư
của dòng chảy đổ xuống hạ lưu công trình sẽ tiêu hao được 55%
÷
70% năng lượng
dư này; còn nếu hiệu quả tiêu năng chỉ đạt dưới 50% năng lượng dư thì ta coi giải
pháp tiêu năng đã chọn có hiệu quả tiêu năng thấp.
Ví dụ như khi thí nghiệm mô hình đập tràn xả lũ Nước Trong sau đập tràn xả
lũ dùng giải pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng) và mố tiêu năng cho hiệu quả tiêu
năng đạt tới 65% năng lượng dòng chảy qua tràn đổ xuố
ng hạ lưu. Còn tiêu năng
dòng phun xa như kết quả thí nghiệm mô hình đập tràn Thủy điện Hòa Bình theo

7
dạng dòng phun xa đạt hiệu quả tiêu năng tới 67% năng lượng của dòng chảy đổ
xuống hạ lưu.
Về tiêu năng đáy (dùng bể tiêu năng) mục đích là khi dòng chảy từ thân tràn
đổ xuống hạ lưu sẽ hình thành nước nhảy ở trong bể tiêu năng, trong khu nước nhảy
thì lưu tốc của dòng chủ lưu đi sát đáy, lưu tốc rất lớn còn nửa phần trên là dòng
cu
ộn lại trên mặt hướng chảy về phía thượng lưu. Do trạng thái nước nhảy nên các
phần tử nước xáo trộn va chạm lẫn nhau mà năng lượng được tiêu hao đi tỏa ra
nhiệt lượng nghĩa là nhờ nước nhảy đem động năng chuyển thành nhiệt năng, như
vậy sau khi dòng chảy đi ra khỏi bể tiêu năng lưu tốc được giảm xuống ít gây xói lở

hạ lưu.
Khi dùng hình thức bể tiêu năng cần phải xác định được chiều dài, chiều sâu
bể tiêu năng dựa theo các công thức lý thuyết đã có sẵn:
+Về chiều dài bể dùng công thức
L
b
=6,9(h
c
’’
-h
c
) hay L
b
=6,1h
c
’’
(1.2)
+ Chiều sâu bể S dùng biểu thức
S= σ.h
c
’’
-h
c
(1.3)
Trong đó:
L
b
– Chiều dài bể tiêu năng
h
c

– Độ sâu nước nhảy tại mặt cắt co hẹp
h
c
’’
- Độ sâu liên hiệp (cuối nước nhảy)
S- Chiều sâu bể tiêu năng
σ− Hệ số (σ=1,05
÷ 1,10)
Đối với hình thức tiêu năng bằng dòng phun thì trước tiên phải chọn góc mũi
phun hợp lý θ, thông thường góc phun θ được chọn là 25
0

¸
35
0
, đó là dạng mũi
phun liên tục, còn mũi phun so le (mũi phun không liên tục) thì chọn góc phun cho
rãnh θ
r
và góc phun cho mố θ
m
thường chọn θ
r
= 0
0
÷ 15
0
, còn góc phun của mố
θ
m

=25 ÷ 30
0
đồng thời còn phải thiết kế hình dạng mố phun.
Với dạng tiêu năng dòng phun thì cần phải tính các thông số của dòng phun là
chiều dài phun xa L
p
và tính chiều sâu hố xói của dòng phun T.
+ Chiều dài phun xa theo quy phạm điển hình như công thức của Liên xô (cũ):

8
222
P
.V sin .cos +Vcos . V sin +2g(P+h)
L=
g
jqq q q
(1.4)
Trong đó:
θ − góc hắt của mũi phun (độ)
V- lưu tốc tại vị trí mũi phun (m/s)
h- độ sâu dòng chảy trên mũi phun (m)
P – độ cao chênh lệch từ mũi phun đến mặt nước lòng sông ở hạ lưu (m)
Để tính chiều sâu xói của hố xói hạ lưu trước đây thường dùng công thức Bưi- dơ-
gô (Liên Xô cũ):
T=a.K.q
0,5
.h
0,25
(1.5)
Trong đó:

a – Hệ số hàm khí
K – hệ số có quan hệ đến tính chất của nền đá ở hạ lưu
q – Lưu lượng đơn vị (m
2
/s)
h – Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu (m)
Đối với mũi phun không liên tục nghiên cứu trên mô hình thì dòng phun xa
phân làm hai luồng, luồng ở mố phun xa hơn, còn luồng ở rãnh phun gần hơn, song
trong các tài liệu thủy lực có liên quan cũng như quy phạm ít tài liệu nêu ra công
thức tính chiều dài phun xa đối với dạng mũi phun so le mà mới chỉ có công thức
tính chiều dài phun xa đối với mũi phun liên tục (xác định dòng phun xa nhất).
Tác dụng tiêu năng của dòng phun là quá trình dòng phun bay vào không
trung vừa ma sát với không khí tiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy, theo
kết quả nghiên cứu trước đây thì tác dụng tiêu năng này đạt được khoảng 6
÷ 7%
năng lượng của dòng chảy. Mặt khác dòng phun khi bay vào không trung trộn lẫn
với không khí tạo ra dòng trộn khí, dòng nước trộn khí khi đổ xuống lớp nước đệm
ở hạ lưu trong phạm vi hố xói mà năng lượng dòng chảy được tiêu hao từ 50% đến
60%, phần năng lượng dòng chảy còn lại sẽ chảy xuống hạ lưu nên gây ra xói lở
lòng và bờ kênh dẫn lũ. Vì vậy nên trường hợp dùng giải pháp tiêu năng đáy thì sau
bể tiêu năng còn dùng giải pháp tiêu năng phụ như rãnh tiêu năng, sau bể còn có sân
sau chống xói.

9
1.2. Các loại mũi phun thường dùng
Dạng mũi phun thường dùng ở nước ta có hai dạng đó là:
- Dạng mũi phun liên tục
- Dạng mũi phun không liên tục (mũi phun so le)
Trong thiết kế xây dựng công trình Thủy lợi, thủy điện ở nước ta đã thiết kế xây
dựng nhiều đập tràn xả lũ áp dụng tiêu năng dạng mũi phun như:

Đập tràn công trình thủy điện Hòa Bình, đập tràn thủy điện Sông Hinh, đập
tràn thủy
điện Yaly, đập tràn hồ chứa Tả Trạch (Thừa Thiên Huế), đập tràn Bản Vẽ
(Nghệ An), đập tràn Thủy điện Sơn La, đập tràn Thủy điện Bản Chát (Lai Châu),
đập tràn Thủy điện Lai Châu, đập tràn công trình Thủy lợi, Thủy điện Cửa Đạt
(Thanh Hóa), đập tràn hồ chứa Krông Pách Thượng (Đắc Lắc), đập tràn Sông Cái
(Ninh Thuận), đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng (Sơn La).
Chỉ tính từ năm 1990 đến nay đã có khoảng 48 công trình đập tràn được xây
dựng, trong đó có khoảng 25 công trình áp dụng dạng tiêu năng theo hình thức mũi
phun chiếm tới khoảng 52%. Đặc biệt các công trình Thủy lợi Thủy điện lớn ngày
nay có xu hướng sử dụng tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ngày một tăng chiếm
tới 65% trong số các công trình đã và đang được xây dựng.
Ngoài hai dạng mũi phun nêu trên thường dùng ở
Việt Nam ở nước ngoài đối
với công trình thủy điện cột nước cao trên 150m còn sử dụng hình thức mũi phun
nhiều tầng như công trình tràn xả lũ Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc) hay dạng mũi
phun thu hẹp như mũi phun tràn xả lũ công trình thủy điện Tam Hiệp trên sông
Trường Giang (Trung Quốc).
Dưới đây là 2 dạng mũi phun thường dùng là mũi phun liên tục và mũi phun so le.

Hình 1.3. Dạng mũi phun liên tục

10

Dạng mố phun hình thang Dạng mố hình thang loe

Dạng mố phun hai kiểu Dạng hình thang đáy bằng
Hình 1.4. Các dạng mũi phun so le cuối đập tràn
Trong xây dựng các công trình đập tràn xả lũ ở nước ta đã chọn dạng mũi
phun liên tục có góc phun

θ =25
0
÷ 30
0
là tương đối tốt như là các công trình sau:
+ Dốc nước cuối tràn xả lũ Tuyên Quang chọn
θ=25
0

+ Dốc nước cuối tràn xả lũ Thủy điện Hòa Bình chọn θ=27
0

+ Dốc nước sau tràn Cửa Đạt chọn θ=27
0

+ Góc mũi phun cuối đập tràn thủy điện ĐămBri chọn θ=25
0

+ Góc mũi phun cuối đập tràn Bản Mòng chọn θ=25
0
vv
Khi thiết kế xây dựng dạng tiêu năng mũi phun muốn tạo được dòng phun xa
hợp lý thì không chỉ chọn góc mũi phun
θ thích hợp mà còn phải thiết kế bán kính
cong ngược chuyển tiếp cuối thân đập (hay cuối dốc nước) thích hợp. Theo tài liệu
nghiên cứu của nước ngoài thì giá trị bán kính cong ngược R nên chọn trong phạm
vi R=(6
÷ 10)h (1.6)
Trong đó:
R- Bán kính cong ngược (m)

h- Độ sâu dòng chảy tại vị trí đỉnh bán kính cong (m)

11
Khi chênh lệch cột nước từ thượng lưu đến vị trí mũi phun càng lớn thì nên
chọn R có giá trị lớn. Trong nghiên cứu thí nghiệm mô hình cũng như thực tế công
trình quan sát cho thấy, dạng mũi phun liên tục tuy tạo được dòng phun có chiều dài
xa nhất nhưng phạm vi dòng rơi đổ xuống lòng hố xói hẹp và tập trung nên hình
thành hố xói tương đối sâu, đó là điều bất lợi dễ gây mất ổn định cho chân đập tràn
và mái hai bên hố xói. Vì thế nên các nhà nghiên cứu đã cải tiến mũi phun liên tục
thành dạng mũi phun không liên tục (mũi phun so le). Như ta đã biết công trình
thủy điện Hòa Bình thiết kế ban đầu và xây dựng là mũi phun liên tục sau khi đi vào
vận hành thấy rằng mũi phun liên tục tạo ra hố xói sâu, nên sau đó đã nghiên cứu
sửa đổi thành dạng mũi phun so le, cuối dốc nước hiện nay bố trí thêm 7 mố phun.
Với dạng mũ
i phun so le này chiều dài dòng phun xa nhất tuy có ngắn đi chút ít so
với dạng mũi phun liên tục nhưng phạm vi dòng phun rơi đổ xuống mặt hố xói rộng
ra, năng lượng dòng chảy ít tập trung hơn đồng thời với mũi phun so le tạo ra hai
luồng phun bay vào không trung là dòng phun đi từ mố phun bay cao và xa, còn
dòng phun đi từ rãnh phun bay thấp và gần, hai luồng phun này chúng va đập với
nhau trong không trung so với luồng phun liên tục tiêu hao được nhiều năng lượng
dư của dòng chả
y. Với hai lý do đó khiến cho chiều sâu hố xói khi dùng mũi phun
so le giảm nhỏ đi nhiều so với dòng phun liên tục.

Hình 1.5. Các dạng mố phun hình thang (loại mũi phun so le)

12
Thực vậy theo tài liệu nghiên cứu của Viện nghiên cứu Bắc Kinh đã chứng
minh trong kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 1.9.

Hình 1.6. So sánh độ sâu xói của các dạng mố phun
Ghi chú: q
TN
=54,3l/s; thời gian thí nghiệm 2 giờ; vật liệu xói dùng cát thô
d=2
÷ 5mm; độ sâu dòng chảy ở hạ lưu h
h
=27cm
Đường viền xói (1) của mố hình thang xuôi (loe)
Đường viền xói (2) của mố hình chữ nhật
Đường viền xói (3) của mũi phun liên tục
Dưới đây là số liệu thí nghiệm đo các thông số của 4 loại mũi phun được đưa vào
nghiên cứu ghi trong bảng 1.2
Bảng 1.2. So sánh các thông số của 4 loại mũi phun
Mũi
phun
L1 L2 L3 T
2
L
T
%
2
L
T

2
0
L
T

%
2
0
L
T

Áp
suất
Liên
tục
100 160 220 18 0,112 100% 0,281 100% Dương
Chữ
nhật
100 155 210 11 0,071 63% 0,245 87%
Bên
mép
âm
Hình
thang
ngược
100 160 190 4 0,025 22,3% 0,194 69% Dương
Hình
thang
xuôi
100 160 190 4 0,025 22,3% 0,194 69%
Bên
mép
âm

13

Trong đó: T
0
- Chiều sâu tính từ mặt nước đến đáy hố xói
T
0
=T +h (m)
T – Chiều sâu xói tính từ lòng sông đến đáy hố
h – Độ sâu dòng chảy ở hạ lưu
L
1
- Chiều dài dòng phun gần nhất
L
2
– Chiều dài dòng phun ở tâm hố xói
L
3
– Chiều dài dòng phun xa nhất
1.3. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về tiêu năng mũi phun
1.3.1. Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
Từ giữa thế kỷ 20 ở các nước công nghiệp phát triển yêu cầu điện năng tăng
lên nên việc phát triển xây dựng các công trình thủy điện vừa và lớn phát triển một
cách nhanh chóng để tạo nguồn điện năng sử dụng bằng than đá trắng do đó nhiều
công trình được nghiên cứu và đưa vào xây dựng đã dùng loại đập tràn xả lũ nối
tiếp theo dạng dòng phun có th
ể kể đến Đập Brack (Liên Xô cũ) được xây dựng vào
năm 1960 với lưu lượng đơn vị thiết kế là q=30,5m
2
/s. Đập Brack có 10 khoang tràn
mỗi khoang rộng b=18m, Q
xả

=5490m
3
/s, lưu tốc trên mũi phóng đạt tốc độ
V
mp
=35m/s; bán kính cong ngược cuối đập R=15m; góc mũi hắt θ=35
0
được thể
hiện trên hình 1.7

Hình 1.7. Mặt cắt ngang đập tràn Brack

14
Ngoài đập Brack ở Liên Xô (cũ) còn xây dựng đập tràn dùng mũi phun ở cuối
tràn là đập Kơrátsnaiski thể hiện như hình 1.8 ở Thổ Nhĩ Kỳ đã xây dựng đập Kha
lát ka cũng bố trí mũi phun ở cuối đập thể hiện như hình 1.9.

Hình 1.8. Mặt cắt đập Kơ – rát – snai – ski (Liên Xô cũ)

Hình 1.9. Đập Kha lát ka (Thổ Nhĩ Kỳ)

15

Hình 1.10. Mặt cắt ngang đập Guri (Vê nê zuê la)
Đập tràn công trình Thủy điện Guri ở nước cộng hòa Venezuela xây dựng vào
năm 1982 có lưu lượng đơn vị tương đối lớn q=150m
2
/s; chiều rộng tràn B=40m;
lưu lượng xả lũ Q
xả

=6000m
3
/s; lưu tốc dòng chảy trên mũi phun đạt tới V
mp
=41m/s;
đập có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu
ΔZ
=130m thể hiện như mặt cắt ngang ở
hình 1.10.
Ở Trung Quốc đã xây dưng đập Đan Giang Khẩu trên sông Hán Giang cao
105m có chênh lệch cột nước ΔH =82m; hay như đập tràn công trình thủy điện Tam
Hiệp ở Trung Quốc thể hiện ở hình 1.11 công trình này có mực nước hồ Z
tl
=175m,
cao trình mũi hắt Z
mp
=85m, góc mũi hắt θ=27
0
, lưu lượng đơn vị thiết kế
q=174m
2
/s, mực nước tương ứng ở hạ lưu Z
hl
=77m. Đập được xây dựng trên nền đá
gốc Grannite có ứng suất nén
σ=1200kg/cm
2
, lưu tốc dòng chảy tại mũi hắt là
V
mp

=34m/s, chiều sâu tại mũi hắt h
mp
=5,1m, bán kính cong ngược ở cuối tràn đã
chọn R=24m.


16

Hình 1.11. Mặt cắt đập tràn thủy điện Tam Hiệp – Trung Quốc
1.3.2. Kết quả nghiên cứu trong nước ứng dụng đập tràn xả lũ tiêu năng dạng dòng
phun:
Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, ở nước ta bắt đầu xây dựng các công trình hồ
chứa Thủy lợi – Thủy điện vừa và lớn áp dụng tiêu năng dòng phun đã có khoảng
25 công trình trên tổng số 48 công trình đập tràn xả lũ đã xây dựng. Như một số các
công trình được mô tả dưới đây sử dụng mũi phun liên tục:

Đập tràn Thủy điện Yaly: Có 5 khoang tràn mỗi khoang rộng 10m, sau đập
tràn là dốc nước có độ dốc tương đối lớn tới gần 27
0
, dung mũi phun lien tục, lưu
lượng xả Q
tk
=6000m
3
/s

Đập tràn Thủy điện Kanak (Gia Lai): Đập tràn xả lũ bố trí bên bờ phải gồm 3
khoang có kích thước (nxbxh)=3x(12x13)m, kết cấu bê tong cốt thép, dạng mũi
phun liên tục, mũi phun bố trí ở cuối dốc nước dài gần 215m, đoạn đầu dài 135,88m
với độ dốc i=10%, đoạn sau dài gần 58,60m độ dốc i=19,80%, giữa hai đoạn dốc có

đoạn chuyển tiếp bán kính cong R=150m, sau đoạn dốc nước thứ hai là đoạn mũi
phun dài g
ần 20,60m, có bán kính cong ngược R=30m, mũi phun có góc dốc
θ=30
0
, lưu lượng xả Q=3000m
3
/s.

Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt: Đập tràn xả lũ gồm 5 khoang, mỗi khoang
rộng 11m, ngưỡng tràn ở cao trình +97,0m, đáy kênh dẫn thượng lưu ở cao trình
+85,0m, giữa các khoang có các trụ pin giữa dày 3,0m, lắp cửa van cung không có
tường ngực, lưu lượng xả Q
xả
từ 3400m
3
/s đến trên 10800m
3
/s.

17
Đập tràn Thủy điện Tuyên Quang: Đập tràn xả lũ được đặt bên bờ phải của
đập dâng nước thiết kế theo dạng xả kết hợp xả mặt và xả sâu. Sau đập tràn là dốc
nước và mũi phun.
+ Tràn xả mặt: Được thiết kế theo dạng mặt cắt thực dụng không chân không
Ôphixêrốp, cột nước thiết kế H=15,15m (cao độ đỉnh ngưỡng tràn là +104,85m), số
khoang tràn trên mặt là 4, bề rộng mỗi khoang B
k
=15m, tổng cộng tràn nước
B

tr
=60m; trụ pin dày 3,5m, mặt tràn kết thúc ở cao trình +86,7m với bán kính cong
lõm R=18,5m, các trụ đập kéo dài hơn mặt tràn về phía hạ lưu.
+ Xả sâu: Số cửa xả sâu là 8, lỗ có tiết diện chữ nhật với kích thước
bxh=(4,5x6,0)m; cao độ đáy lỗ +85,0m, trần cửa vào có dạng đường cong elip, trụ
pin phân cách giữa các lỗ có 2 loại dày 6m và 3,5m; đầu vào cong tròn với bán kính
là 1,75m, dốc nước tiếp sau các lỗ xả có độ dốc i=13% dài 85m, mũi phun liên tục
có góc phun
θ= 25
0
, lưu lượng xả Q
xả tk
=7000m
3
/s.

Đập tràn hồ chứa nước Tả Trạch: Đập tràn được nối tiếp với dốc nước, chiều
rộng đáy dốc là 58m, cao độ đáy đầu dốc là +14,80m, cao độ đáy cuối dốc là
+9,60m, độ dốc của dốc nước i=8%, chiều dài dốc nước là 79,0m. Mũi phun liên
tục, cao độ mũi phun là +12,0m với bán kính cong của mũi phun là R=30m, góc
nghiêng đoạn ra của mũi phun
α=20
0
.
Một số công trình dùng loại mũi phun so le như là:
Đập tràn xả lũ thủy điện Hòa Bình (đã được nghiên cứu sửa đổi từ mũi phun
liên tục thành mũi phun so le năm 1991); Mũi phun so le cuối đập tràn thủy điện
ĐămBri; Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn Tả Trạch; Mũi phun so le cuối dốc
nước sau tràn KrôngPách thượng (Đắc Lắc); Mũi phun so le sau tràn xả lũ Sông
Tranh 2; Mũi phun so le cuối tràn xả lũ

Bản Mòng đều là ban đầu thiết kế dạng mũi
phun liên tục khi nghiên cứu thí nghiệm đổi thành mũi phun so le.
Dưới đây là một số hình ảnh các công trình đập tràn trong nước sử dụng tiêu năng
dòng phun:




18


Hình 1.12: Mặt bằng đập tràn Thủy điện Hòa Bình bố trí 7 mố phun cuối dốc nước

Hình 1.13: Cắt dọc đập tràn Thủy điện Sông Tranh 2


19
Hình 1.14: Chính diện hạ lưu tràn xả lũ Yaly

Hình 1.15: Mô hình đập tràn Thủy điện Lai Châu

Hình 1.16: Mô hình đập tràn Thủy điện Sơn La
Trong báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài “Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho
tràn xả lũ có dốc nước” của PGS.TS. Trần Quốc Thưởng năm 2008 đã đi sâu
nghiên cứu chi tiết kích thước của dạng mũi phun đưa ra được các thông số như
bảng 1.3: Trên cơ sở thí nghiệm các mô hình không gian 3 chiều.
Bảng 1.3: Các thông số của mố phun so le
Góc hắt
θ
1

θ
2
Cao độ
tương
đối của
mố d/h
0

Tỷ số bề
rộng
rãnh và
mố a/b
Tỷ số
b/h
0
Góc
khuyếch
tán ngang
θ
0

Mái
bên
của mố
m
Ghi
chú
15
0
÷ 20

0
25
0

¸
30
0
0,8 ÷ 1,0 0,8÷ 0,9 2,3 ÷ 2,5 13
0
÷ 20
0
0,5

20
Tuy vậy, đối với tiêu năng dòng phun có hai vấn đề quan trọng là nghiên cứu
xác định chiều dài phun xa của luồng phun đi từ mố cho L
max
và luồng phun đi từ
rãnh cho L
min
thì chưa được nghiên cứu sâu đưa ra công thức tính giá trị L
max
và
L
min
.
Thứ hai là đối với nền địa chất là các loại đá ở nước ta đối với dòng phun đổ
xuống hạ lưu sau công trình khi áp dụng dạng mũi phun so le thì chiều sâu xói T
được tính như thế nào cũng chưa được nghiên cứu.
Ngoài ra trong một số trường hợp cụ thể của công trình để tránh gây ra xói lở

mái hai bờ thì cần phải nghiên cứu cách bố trí vị trí mố sao cho hợp lý để dòng
phun phóng xuống hố xói chiề
u sâu xói nông nhất và phạm vi xói hẹp nhất. Vì vậy
học viên cho rằng đối với dạng tiêu năng dùng mũi phun so le vẫn còn những vấn
đề để tiếp tục nghiên cứu.
1.4. Nhận xét chương 1
Trong chương 1 học viên đã tổng quan về giải pháp tiêu năng ở hạ lưu công
trình thường được áp dụng đó là:
+ Giải pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng, tường tiêu năng)
+ Giải pháp tiêu năng dòng phun
Đối với giải pháp tiêu năng dòng phun đã khái quát nêu lên dạng mũi phun
liên tục và dạng mũi phun không liên tục (mũi phun so le), đã nêu lên được ưu
nhược điểm của hai loại mũi phun này, đưa ra kiến giải khi nào nên áp d
ụng tiêu
năng đáy và khi nào nên dùng tiêu năng dòng phun. Rõ ràng giải pháp tiêu năng
dòng phun sẽ tiết kiệm khối lượng xây dựng công trình hơn so với giải pháp tiêu
năng đáy, bởi lẽ không phải xây dựng bể tiêu năng và sân chóng xói sau bể tiêu
năng.
Mặt khác trong chương 1 học viên đã nêu lên các kết quả đã nghiên cứu và áp
dụng ở trong và ngoài nước đối với dạng tiêu năng mũi phun và đã đưa ra những
vấn đề còn tồn t
ại về nghiên cứu dạng mũi phun so le.
Qua các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước cũng như hình thức mố
phun so le đã áp dụng ở các công trình thực tế ở nước ta, có thể khẳng định rằng
việc nghiên cứu dạng và kích thước hình học của mố phun so le đã được nghiên cứu
tương đối sâu, song việc nghiên cứu các yếu tố thủy lực về dòng phun xa, chiều sâu
xói của mố phun so le còn tồn t
ại một số vấn đề có thể đi sâu tiếp tục nghiên cứu.

21
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ LUẬN VỀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG
2.1. Dạng mũi phun liên tục
2.1.1. Cơ chế dòng chảy ở mũi phun liên tục

Khi dòng nước chuyển động ở mũi phun thì dòng chảy men theo đường biên
của công trình xả, dòng nước ma sát với đường biên làm cho mức độ rối của dòng
chảy tăng lên, không khí được trộn vào nước càng nhiều khiến cho năng lượng của
dòng nước tháo qua tràn xả lũ tiêu hao thêm một phần năng lượng nữa.
Khi dòng chảy chuyển động đến cuối mũi phun đạt giá trị lưu tốc lớn nhất, tùy
theo đơn vi l
ưu lượng thiết kế và chênh lệch cột nước thượng hạ lưu của từng công
trình mà giá trị lưu tốc đạt từ 21m/s
¸
40m/s. Với giá trị lưu tốc lớn như vậy đều là
dòng có lưu tốc cao, khi đi ra khỏi mũi phun bay vào không trung va chạm với
không khí vừa tăng độ trộn khí vừa tiêu hao một phần năng lượng trước khi đổ
xuống mặt nước của hố xói.
Khi dòng phun nhấn chìm vào nước đệm ở hạ lưu, thì mặt nước phía sau và
phía trước của luồng chính được tạo thành hai cuộn nước lớn. Trong vùng cuộ
n
hình thành dòng chảy rối mãnh liệt thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1. Hình thành dòng cuộn rối trong hố xói
Các dòng này va đập xáo trộn lẫn nhau, ma sát với nhau từ đó tiêu hao đi một
phần năng lượng đáng kể. Lớp nước đệm hố xói càng sâu thì khả năng mở rộng của
lưỡi nước càng rộng thì khả năng tiêu hao năng lượng lại càng lớn. Vì vậy trong

22
công trình thực tế một số hố xói được đào mồi trước để tạo độ sâu lớp nước đệm

nhất định tạo điều kiện cho dòng phun đạt hiệu quả tiêu năng.
2.1.2. Chiều dài dòng phun của mũi phun liên tục
Xác định chiều dài dòng phun xa thông thường dựa vào lý thuyết đường đạn
đi, và ta coi chất điểm nước của dòng phun có phương trình chuyển động theo dạng
Parabol như hình 2.2

Hình 2.2. Luồng phun của mũi phun liên tục
Dựa vào công thức lý luận ta tính được khoảng cách theo phương ngang của
dòng phun L= f(
ϕ, θ, v,z) kết quả tính ra có sai khác so với thực tế bởi vì:
+ Khi tính toán các giá trị
ϕ, θ, v chỉ là các giá trị gần đúng
+ Trong các công thức tính chưa đề cập tới ảnh hưởng của bán kính cong
ngược cuối mũi phun.
+ Trong tính toán chưa đề cập đến khoảng cách từ điểm thấp nhất của đoạn
cong tới đỉnh mũi phun.
+ Chưa xét đến mức độ mở rộng, hiện tượng trộn khí sức cản của không khí
+ Khi dòng phun nhấn chìm vào trong lớp nước đệm h
ạ lưu thì tình hình diễn
biến thủy lực hết sức phức tạp.
Hiện nay có nhiều công thức tính chiều dài dòng phun xa liên tục, mỗi công
thức đề cập đến nhân tố ảnh hưởng khác nhau, mức độ chính xác của mỗi công thức
phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Vì vậy khi tính toán phải phân tích, lựa chọn
công thức phù hợp và được kiểm chứng qua thí nghiệm mô hình thủy lực.
Để cho

23
việc tính toán phù hợp với thực tế, nhiều tác giả đã nghiên cứu và đưa ra các công
thức tính toán thực nghiệm về chiều dài dòng phun xa như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các công thức kinh nghiệm tính chiều dài phun xa

TT Tác giả Công thức tính toán Ghi chú
2.1
Viện thiết kế
trường sa
(Trung Quốc)
L=
C
C
0,935+0,024θ-Z /Z
.Z
0,007+0,25θ
æö
ç÷
ç÷
èø

Phạm vi ứng dụng
0,5
0,9
C
Z
Z
££
00
15 θ 45
££

θ
-Góc mũi phun
(độ)

Z
c
– Cột nước tính
từ mặt nước thượng
lưu đến cuối mũi
phun (m)
Z – Cột nước tính
từ mực nước
thượng lưu đến
điểm tính chiều dài
phun xa ( Bao gồm
cột nước V
0
tới
gần)
2.2
Viện Khoa học
thủy lợi Tây Bắc
(Trung Quốc)
(1) Khi 5
³
R.
θ
³
1
L
min
=q
2/3
.

4/5
'
1
0,04Rθ+0,1
Fr
Z
0,026Rθ+0,065
P

(2) Khi 10
Rθ 5
³³

L
min
=q
2/3
.
3/4
'
1
0,07Rθ-0,2
Fr
Z
0,05Rθ-0,1+
P

(2) Khi 15 Rθ 10
³³

L
min
=q
2/3
.
2/3
'
1
0,093Rθ-0,6
Fr
Z
0,06Rθ-0,4+
P

Ghi chú:
P
1
- Cao độ của đập tràn (m)
q – Lưu lượng đơn vị (m
2
/s)
θ −Góc mũi phun
(rad)
Fr
2
=
c
gh
v
2

giá trị Fr
2

ở cuối mũi phun
h
c
-
'
2
866,0
.
gz
q
η

h
c
-h
’
cosθ độ sâu
dòng chảy vuông
góc với mũi phun
(m)
1
η=
1-0,15Rθ

L
min
– Khoảng cách