nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ bình điền

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ nông nghiệp và ptnt
Trờng đại học thuỷ lợi





Trần trung dũng






Nghiên cứu thực nghiệm chế độ
nối tiếp và tiêu năng hạ lu
công trình tràn xả lũ bình điền


Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Mã số: 60.58.40



luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Lê Thị Nhật
GS.TS Phạm Ngọc Quý

Hà nội - 2013
LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ với
đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công
trình tràn xả lũ Bình Điền” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu
quả của Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa Công trình, cùng các
thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá
nhân đã truyền thụ kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như
tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Phạm Ngọc
Quý và TS. Lê Thị Nhật đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả
trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả có được kết quả như hôm nay là nhờ vào sự chỉ bảo ân cần của
các thầy cô giáo, cũng như sự động viên cổ vũ của cơ quan, gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp trong thời gian qua.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến
của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa công trình và Phòng đào tạo Đại học
và sau Đại hoc, Trường Đại học Thuỷ Lợi.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2013
Học viên cao học


Trần Trung Dũng


BẢN CAM KẾT

Họ và tên học viên: Trần Trung Dũng
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu
năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền”
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất cứ nguồn thông
tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ
hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Học viên cao học



Trần Trung Dũng


1

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 hố 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.
Nước chảy qua công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn,
dòng chảy đó có năng lượng thừa lớn. Khi chảy xuống hạ lưu, dòng chảy có
thể gây ra xói lở lòng dẫn nếu không được gia cố đầy đủ. Từ đó có thể làm
mất ổn định của công trình. Bởi vậy phải chuyển dòng chảy xiết thành dòng
chảy êm nghĩa là tạo ra nước nhảy ở hạ lưu. Trạng thái thủy lực nối tiếp có
nước nhảy diễn ra rất phức tạp, gây nên các sự cố lớn và phổ biến, ảnh hưởng
trầm trọng đến độ bền và tuổi thọ của công trình.
Khi xây dựng công trình dâng nước mực nước trước công trình tăng lên
dẫn đến thế năng dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ
lưu thế năng đó chuyển hóa thành động năng, một phần động năng phục hồi
thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa)
nếu không có giải pháp thiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng gây
ảnh hưởng đến an toàn công trình. Thêm vào đó việc xây dựng công trình
thủy lợi trên sông đã phá hủy trạng thái cân bằng tự nhiên của lòng dẫn và có
thể gây xói lở ở hạ lưu gây mất an toàn cho công trình.
2

Việc tính toán lựa chọn hình thức nối tiếp và tiêu năng cho công trình
sao cho hợp lý đảm bảo an toàn và kinh tế là việc cần thiết. Đây là bài toán
thường được đặt ra trong thực tiễn, cần sự nghiên cứu để ứng dụng giải quyết.
Với lý do trên, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ
nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền” nhằm tìm ra
được hình thức tiêu năng phòng xói hợp lý cho một số công trình cụ thể là
tràn xả lũ Bình Điều – Thừa Thiên Huế. 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
- Tổng hợp các kiến thức, các kết qủa nghiên cứu về nối tiếp và tiêu năng

- Phân tích đánh giá lựa chọn hình thức nối tiếp và tiêu năng cho tràn xả
lũ Bình Điền đảm bảo an toàn .
- Kiến nghị việc sử dụng giải pháp nối tiếp và tiêu năng hữu hiệu nhất cho
khu vực nghiên cứu.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Điều tra, thống kê và tổng hợp thu thập tài liệu nghiên cứu đã có ở trong
và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
- Phân tích thực nghiệm
- Áp dụng mô hình thủy lực
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng
- Các yếu tố ảnh hưởng đến nối tiếp và tiêu năng
- Nghiên cứu mô hình thực nghiệm
- Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm
III. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM:
3

Mở đầu. Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Chương I. Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo.
Chương II. Cơ sở lý luận về tính toán nối tiếp và tiêu năng.
Chương III. Nghiên cứu thực nghiệm nối tiếp và tiêu năng tràn xả lũ Bình
Điền
Chương IV. Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
4

CHƯƠNG I .
TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO
1.1.Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng

1.1.1.Tổng quan:
Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước
công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước sẽ tăng lên. Khi
dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu thế năng đó chuyển hóa thành động
năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu),
phần còn lại (gọi là năng lượng thừa).

Hình 1.1. Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu
Ví dụ: nếu dòng chảy đó có lưu lượng riêng q, lưu tốc ở chân đập
, lưu tốc ở mặt cắt gặp sông thiên nhiên là vR
0
R thì phần năng
lượng từ chân đập đến khi gặp sông thiên nhiên dưới tính bằng:
(trên 1m chiều dài) (1.1)
Phần năng lượng đó được tiêu hao một phần do khắc phục những lực
cản trong nội bộ dòng chảy ( ma sát nội bộ, khuyếch tán dòng chảy, hình
thành nước quẩn, xoáy nước, nước va ) một phần do ma sát giữa mặt dòng
chảy với khí trời, và một phần khá lớn sẽ tiêu hao trong việc bào mòn đáy
sông và hai bờ hạ lưu đập, gây nên xói lở cục bộ. Nếu không có giải pháp
5

tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến an toàn
công trình.
Hiện tượng xói lở đó không chỉ xẩy ra trên nên đất mà ngay cả đối với
nền đá, thậm chí nền đá tốt. Bởi vì trong nền đá thường có các khe nứt phân
nền đá thành những khối nhỏ, dưới tác dụng của dòng chảy, có lưu tốc lớn,
nền đá sẽ bị bào mòn thành hố xói. Vấn đề xói lở ở hạ lưu công trình là một
trong những nguyên nhân chủ yếu nhất làm sạt lở công trình. Nhưng nếu
những trở lực trong nội bộ dòng chảy tăng lên, phần năng lượng bị tiêu hao
càng nhiều, việc xói lở cục bộ ở hạ lưu công trình sẽ bị hạn chế.

Tập hợp mọi hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình nước nhảy từ
thượng lưu về chân hạ lưu công trình thủy lợi gọi là nối tiếp thượng hạ lưu
công trình thủy lợi. 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 các hình
thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt, nối tiếp dòng phun.
Bảng 1.1. Các hình thức tiêu năng của một số công trình thuỷ lợi, thủy
điện nước ta
TT
Tên công trình
Hình thức tiêu năng
1
Hồ chứa nước Ngàn Trươi – Hà Tĩnh
Tiêu năng đáy
2
Hồ chứa nước Khe Dứa – Thanh Hoá
Tiêu năng đáy
3
Hồ chứa nước Khe Rò 1 và 2 - Quảng Trị
Tiêu năng đáy
4
Hồ chứa nước Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh
Tiêu năng đáy
5
Hồ chứa nước Đồng Bò - Quảng Nam
Tiêu năng đáy
6
Hồ chứa nước ALưới - Thừa Thiên Huế
Tiêu năng đáy
7
Hồ chứa nước Khuôn Pin - Lạng Sơn

Tiêu năng đáy
8
Công trình thủy điện Đại Ninh – Bình Thuận
Tiêu năng phóng xa
9
Công trình thủy điện Yaly – Gia Lai
Tiêu năng phóng xa
6

10
Hồ chứa nước Gò Miếu - Thái Nguyên
Tiêu năng phóng xa
11
Hồ chứa nước Lòng Sông – Bình Thuận
Tiêu năng phóng xa
12
Hồ chứa nước Dầu Tiềng – Tây Ninh
Tiêu năng phóng xa
13 Công trình thủy điện Sơn La – Sơn La
Tiêu năng mặt và tiêu
năng đáy
14 Công trình thủy điện Định Bình – Bình Định
Tiêu năng mặt và tiêu
năng đáy
15
Hồ chứa nước Suối Chỉ - Quảng Ngãi
Tiêu năng mặt
Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình
* Công trình thuỷ điện Tuyên Quang:

Hình 1.2. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang – Tiêu năng phóng xa
Công trình thủy điện Tuyên Quang gồm có 3 hạng mục chính: Đập chính
(không tràn) cao 97,3m; tràn xả lũ có 2 phần xả mặt 4(15x15,15m) và xả đáy
8(4,5x6m); nhà máy thủy điện có 3 tổ máy.



7

* Đập thuỷ điện Yaly – Gia Lai:

Hình 1.3. Tràn xả lũ đập thuỷ điện Yaly. Hình thức tiêu năng mũi phun
Tràn xả lũ gồm 6 cửa, dùng van cung. Mỗi cửa rộng 15 m. Ngưỡng tràn
ở cao trình +499,12 ( thấp hơn MNDBT 15,88 m ). Hình thước ngưỡng tràn
Ofixêrop, nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước có độ dốc thay đổi và tiêu
năng mũi phun. Lưu lượng xả lớn nhất là 17.400 m3/s
* Công trình thuỷ điện Đại Ninh – Bình Thuận:

Hình 1.4. Hình thức tiêu năng phóng xa
8

* Công trình thủy điện Đồng Nai 3 – Lâm Đồng và Đăknông:

Hình 1.5. Hình thức tiêu năng phóng xa
Đập tràn: Đập tràn trọng lực, tiêu năng bằng mũi phun. Cao trình ngưỡng
tràn +574m (thấp hơn MNDBT 16m), có 5 cửa kích thước, mỗi cửa b x h =
15 x 16 (m). Cửa van hình cung có b x h = 15 x 16,5 (m). Đóng mở bằng
xilanh thủy lực với sức nâng: 2 x 160T mỗi cửa
* Công trình thủy điện Sơn La:

Hình 1.6. Hình thức tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
9

Cao trình đỉnh đập: 228.1m; chiều cao lớn nhất: 138.1m; xả sâu:
12x(6x10)m (12 cửa xả kích thước 6x10m ở phía dưới bên phải ảnh), xả mặt:
6x(15x13)m (6 cửa xả mặt ở phía trên bên trái ảnh).
* Công trình thủy điện Định Bình – Bình Định:

Hình 1.7. Hình thức tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
Dung tích hữu ích: 170 x 106 m3. Đập chính L: 380 m. Chiều
cao đập: 54 m. Diện tích tưới: 7.800 Ha.
*Công trình thủy điện Bình Điền – Thừa Thiên Huế

Hình 1.8. Hình thức tiêu năng phóng xa
10

* Hồ chứa nước Đá Đen

Hình 1.9. Tràn xả lũ hồ chứa nước Đá Đen
Đập tràn mặt cắt thực dụng Ôphixêrốp, tiêu năng đáy với các thông số:
- Cao độ đỉnh tràn : +39.0m
- Chiều rộng tràn : nx(BxH) = 2x(7x7)m
- Kết cấu tiêu năng : Bể tiêu năng, bậc thụt.
1.1.2.Các dạng nối tiếp dòng chảy từ đập tràn xuống hạ lưu:
h
h
a
a)
b)
c) d)

Hình 1.10. Các hình thức nối
tiếp dòng chảy ở hạ lưu
a. Nối tiếp chảy đáy
b. Nối tiếp chảy mặt
c. Nối tiếp dòng mặt ngập

d. Nối tiếp phóng xa
1.1.2.1.Nối tiếp dòng chảy đáy:
Là dòng chảy từ mặt tràn xuống (hoặc từ cống tháo ra) chảy sát vào đáy
sân sau và khuyếch tán dần theo trục đứng lên phải mặt, hình thành xoáy
11

nước trên mặt. Lưu tốc của phần đáy lớn. Trường hợp này thường xẩy ra khi
chân đập nối tiếp bằng bán kính cong tiếp tuyến với bề mặt sân sau.
Có thể gặp nối tiếp chảy đáy ở 2 trường hợp sau:

Hình 1.11. Sơ đồ tính toán nối tiếp chảy đáy
Trường hợp 1: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm
Trong trường hợp này dòng chảy qua ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất
hiện mặt cắt co hẹp C-C. Tại mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy (h
R
c
R) là nhỏ
nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất. Khi đó có h
R
c
R< hR
k

R do vậy nối tiếp chảy đáy
trong trường hợp này bắt buộc phải qua nước nhảy. Gọi
là độ sâu liên
hiệp với h
R
c
R và là độ sâu liên hiệp với hR
h.
Nếu (hay ) có nước nhảy tại chỗ, năng lượng thừa sẽ
tiêu hao một phần lớn bởi nước nhảy. Dạng nước nhảy này không ổn định.
Nếu
(hay ) có nước nhảy phóng xa, năng lượng thừa sẽ
tiêu hao bằng tổn thất dọc đường ở đaonj nước dâng và bằng nước nhảy.
Nếu
(hay ) ta có nước chảy ngập. Mức độ ngập được
đặc trưng bởi hệ số ngập
.
Trường hợp 2: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng xiết
Trong trường hợp này dòng chảy ở hạ lưu không qua nước nhảy. So
sánh độ sâu hẹp h
R
c
R với độ sâu bình thường của dòng chảy trong kênh dẫn hạ
lưu, có các dạng nối tiếp sau đây:
12

Nếu hR
c
R = hR
0

R ngay tại mặt cắt co hẹp thì có dòng chảy đều (với hR
0
R là độ
sâu chảy đều).
Nếu h
R
c
R > hR
0
R sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ giảm dần và hình
thành đường nước đổ b
R
2
R.
Nếu h
R
c
R< hR
0
R sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy sẽ tăng dần và có
đường nước dâng c
R
2
R.
1.1.2.2.Nối tiếp dòng chảy mặt:
Là dòng chảy từ chân đập nằm cao hơn nền đổ xuống, khuyếch tán theo
trục đứng xuống phía dưới, hình thành xoáy nước ở đáy sát chân đập. Lưu
tốc ở phần mặt lớn. Trường hợp này thường xẩy ra nếu mũi phun ở chân đập
làm cao hơn nền, nhưng cao trình tại đó thấp hơn mực nước hạ lưu.

Hình 1.12. Nối tiếp chảy mặt
Tùy theo mức nước ở hạ lưu, lưu lượng, kích thước và hình dạng bậc có
thể xuất hiện nhiều dạng nối tiếp khác nhau:
Khi độ sâu mực nước hạ lưu không lớn, dòng chảy ra khỏi bậc vẫn ở
trạng thái chảy đáy.
Khi độ sâu mực nước hạ lưu tăng lên mức độ nào đó thì dòng chảy
không đi xuống đáy nữa mà phóng xa theo hướng lên mặt thoáng hình thành
dòng chảy mặt không ngập. Dạng này tồn tại trong phạm vi h
R
h
Rthay đổi khá
lớn.
Khi h
R
h
Rtiếp tục tăng đến một lúc nào đó thì có dạng nối tiếp mặt đáy
không ngập. Ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt, khu vực sau là trạng thái
13

chảy đáy. Dạng này là trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm vi
thay đổi rất nhỏ của độ sâu hạ lưu.
Nối tiếp chảy mặt ngập: Khi trên bậc có khu chảy cuộn và lưu tốc lớn
nhất của dòng chảy xuất hiện ở trên mặt. Đây là dạng nối tiếp ổn định và tồn
tại trên phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu khá lớn.
Trong nối tiếp chảy mặt, khi bậc có bán kính cong ngược khá lớn sẽ
hình thành cuộn nước dạng phễu gọi là dòng phễu. Nối tiếp dạng này tiêu
hao năng lượng khá lớn. Nối tiếp dòng phễu có: dòng phễu giới hạn (ngoài
bộ phận xoáy cuộn ở đáy còn có xoáy quẩn theo chiều ngang); dòng phễu
chìm (khi h
R

h
R tiếp tục tăng cao, vượt quá giới hạn trên của ổn định dòng phễu,
nước trong khối phễu càng xoáy cuộn). Trạng thái dòng phễu là quá trình
chuyển hóa của dòng chảy mặt khi lưu lượng qua tràn thay đổi.
Nối tiếp chảy đáy hồi phục: Trong trường hợp này bậc nước không còn
tác dụng.
Nói chung nối tiếp chảy mặt có khả năng tiêu hao năng lượng rất lớn
qua khu nước nhảy cuộn của đáy và ở mặt, lưu tốc ở đáy bé không gây xói lở
nghiêm trọng. Trong các dạng nối tiếp nêu trên thì tốt nhất là nối tiếp chảy
mặt không ngập, còn chế độ chảy mặt ngập cũng tốt cho việc chống xói ở hạ
lưu nhưng có nhược điểm là có khu xoáy cuộc trên mỗi bậc, làm cho các vật
rắn lẫn trong dòng nước không thoát ngay được xuống hạ lưu mà bị cuốn
trong khu xoáy cuộn và đập vào công trình.
1.1.2.3.Nối tiếp dòng chảy phun xa:
Là một trường hợp của dòng chảy rơi tự do, khi mũi phun nằm cao hơn
mực nước hạ lưu, phía dưới dòng nước phun là không khí .
14


Hình 1.13. Nối tiếp dòng chảy phun xa
 Chiều dài phóng xa
Xác định chiều dài phóng xa dựa trên cơ sở lý luận dòng phun có dạng
parabol:
(1.2)
Với
: góc phóng của dòng nước gần đúng lấy bằng góc nghiêng của
mũi phun
: hệ số lưu tốc
y,z: tọa độ xác định vị trí
Các công thức lý luận xác định L sai khác với thực tế vì:

- Các giá trị
chỉ là giá trị gần đúng
- Chưa tính đến bán kính cong ngược R của mũi phun
- Chưa đề cập đến khoảng cách từ điểm thấp nhất của đoạn cong đến
đỉnh mũi phun, mức độ mở rộng của dòng phun, hiện tượng trộn khí, sức cản
của không khí.
Để tính giá trị gần đúng của chiều dài dòng phun, hiện nay có nhiều
công thức. Mỗi công thức đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau do đó
mức độ chính xác cảu mỗi công thức phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Vì
vậy khi tính toán phải phân tích và lựa chọn công thức tính phù hợp.
 Xung vỗ hạ lưu
15

Dòng chảy từ trên cao đổ xuống tạo xung vỗ vào các tảng đá hạ lưu, vỗ
mạnh xuống tận nền và bờ, làm cho nền bị rạn, rồi nứt lở và cuối cùng dẫn
đến phá hoại từng chỗ. Quá trình đó lặp lại và phát triển dẫn đến vết nứt mở
rộng và nền bị phá hoại. Đó là giai đoạn đầu của sự hình thành xói.
Xung vỗ mạnh có thể kéo theo những tảng đá bị bóc lên, thoát khỏi vị trí
và bị dòng chảy mang về hạ lưu, tạo cho hố xói phát triển.
Xung vỗ kéo dài, hố xói sâu rộng dần, động năng của nước giảm nhỏ
đến mức không phá hoại nền được nữa. Khi đó hình thành trạng thái cân
bằng của hố xói.
Các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển hố xói là địa
hình, địa chất, hình thức công trình nối tiếp, mực nước hạ lưu, quy trình vận
hành. Chưa có nghiên cứu nhiều về sự hình thành, phát triển hố xói trong
nền đá dưới tác dụng của xung vỗ.
 Chiều sâu hố xói
Khó có thể có công thức thuần túy lý luận xác định chiều sâu hố xói.
Chỉ có thể có các công thức thực nghiệm được thiết lập trong những điều
kiện nhất định và một phạm vi ứng dụng nhất định.

Hình 1.14. Hố xói sau mũi bậc
Dạng chung thường gặp của công thức thực nghiệm xác định chiều sâu
hố xói là:
16

(1.3)
Với: T- chiều sâu hố xói tính từ mực nước hạ lưu
q- lưu lượng đơn vị
H- chênh lệch mực nước thượng hạ lưu
m,n – các số mũ, có thể xác định được bằng thực nghiệm
K – hệ số địa chất nền. Khi đá có kết cấu sa thạch hoàn chỉnh,
khoảng cách các vân lớn, ít rạn nứt, rắn chắc, khả năng
kháng xung tốt thì K nhỏ.
 Vị trí sâu nhất của hố xói
Vị trí sâu nhất của hố xói bình thường là tại nơi dòng nước va đập
xuống nền. Nhưng có thể diễn ra không ứng với nước rơi xuống mà là nơi có
địa chất yếu.
1.1.3. Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập
Các nguyên tắc để tiêu năng ở hạ lưu đập:
• Năng lượng thừa tiêu tán bằng nội ma sát.
• Năng lượng thừa được tiêu hao bằng xáo trộn với không khí bằng
khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang.
Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là tiêu năng đáy, tiêu năng
phóng xa, tiêu năng mặt và các hình thức tiêu năng đặc biệt. Tiêu năng đáy
có các hình thức đào bể, xây tường, bể tường kết hợp.
1.1.3.1.Tiêu năng khi có dòng đáy
Tiêu năng theo kiểu dòng chảy đáy là loại thường gặp, nhất là trong
trường hợp đập tràn cột nước thấp và trung bình trên nền mềm. Dòng chảy
đáy là dòng xiết nối tiếp với dòng chảy êm của khúc sông hạ lưu bằng hình

thức nước nhảy (tức xoáy nước trục ngang nằm trên mặt). Trong phạm vi
nước nhảy có thể tiêu hao đến 60-65% năng lượng từ thượng lưu chuyển
xuống.
17

Trong trường hợp dòng chảy đáy, lúc nào cũng phải cố gắng tạo nên
nước nhảy ngập để rút ngắt chiều dài sâu sau cần gia cố vì lưu tốc ở phần
đáy rất lớn.
- Điều kiện áp dụng: Dùng với cột nước thấp; nền hạ lưu công trình
tương đối kém; độ sâu hạ lưu h
R
h
R thay đổi trong phạm vi lớn.
- Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức bể tiêu năng (hình 1-15a),
tường tiêu năng (hình 1-15b), bể tường kết hợp (hình 1-15c).
- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tốt và được ứng dụng rộng rãi.
- Nhược điểm: Khi cột nước cao, hc’’ rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở
hạ lưu tương đối lớn, như vậy sân sau cần phải đào sâu và gia cố nhiều. Trong
trường hợp này hình thức tiêu năng đáy không kinh tế.
a)


Hình 1.15. Tiêu năng khi có dòng đáy
1.1.3.2.Tiêu năng khi có dòng mặt
Điều kiện ứng dụng của tiêu năng dòng mặt, dòng phễu là chiều sâu
mặc nước hạ lưu ổn định và lớn hơn độ sâu liên hiệp thứ hai (h
R
h
R>hR
c

RP
’’
P); dùng
với lưu lượng lớn nhưng chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ ở
hạ lưu có khả năng ổn định, chống xói tốt.
Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt
- Điều kiện áp dụng:
18

+ Nền hạ lưu công trình bình thường; bậc thụt ở hạ lưu công trình có
đỉnh bậc thấp hơn mực nước hạ lưu (MNHL)
+ Để chế độ nối tiếp chảy mặt được ổn định thì:
2,
0
≥
P
a
(a: chiều cao bậc, P: chiều cao tràn) (1.4)
+ Lưu lượng qua công trình vừa và lớn nhưng chênh lệch mực nước
thượng hạ lưu không lớn;
+ Bờ sông ở hạ lưu công trình tương đối ổn định.
- Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức nối tiếp chảy mặt không
ngập, nối tiếp chảy mặt ngập tạo ra khu xoáy cuộn tác động xấu vào mặt
công trình.
- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tiêu năng không kém hơn nhiều
so với tiêu năng dòng đáy. Chiều dài sân sau thường ngắn hơn (1/5 ÷1/2) lần,
đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày gia cố bé, thậm chí trên nền đá
cứng không cần làm sân sau. Ngoài ra, có thể tháo vật nổi mà không sợ hỏng
sân sau.
- Nhược điểm: Làm việc không ổn định khi MNHL thay đổi nhiều; ở hạ

lưu có sóng nên ảnh hưởng đến sự làm việc của các công trình khác như thủy
điện, âu tàu… và gây xói lở bờ sông.

Hình 1.16.Các hình thức tiêu năng mặt
1.1.3.3.Tiêu năng khi có dòng phun xa.
- Điều kiện áp dụng:
+ Công trình có cột nước trung bình và lớn, địa hình thuận lợi
19

+ Đỉnh mũi phun phải cao hơn MNHLR
max

+ Chiều cao cột nước trước đập phải đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa
+ MNHL đủ lớn để chiều sâu hố xói không lớn quá.
- Các loại mũi phun: Mũi phun liên tục (hình 1-17a), mũi phun không
liên tục (hình 1-17b)
- Ưu điểm: Dòng chảy được tiêu hao năng lượng rất lớn trong không khí
nên giảm năng lực xói lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập.
- Nhược điểm: Khi đập thấp chiều dài phóng xa ngắn, dùng hình thức
tiêu năng này sẽ bị hạn chế.


a) Mũi phun liên tục

b) Mũi phun không liên tục
Hình 1.17.Các hình thức mũi phun trong tiêu năng phóng xa
1.2.Các nghiên cứu trong nước
Ở nước ta việc khai thác sử dụng cơ năng của dòng nước đã có từ lâu,
nhưng chỉ từ đầu thế kỷ 20 mới phát triển mạnh mẽ. Hàng nghìn năm về
20

trước, tổ tiên ta cũng như một số dân tộc Ai cập, Trung Quốc đã biết lợi
dụng cơ năng của dòng nước để xay lúa, giã gạo và làm cọn nước lên cao
phục vụ nông nghiệp.
Ở nước ta, từ sau năm 1975, việc xây dựng các hồ và đập chứa phát
triển khá mạnh. Tính đến hết năm 2011, cả nước có 6830 hồ chứa nước thủy
lợi các loại và hơn 10.000 đập dâng. Các hồ, đập chứa đa mục tiêu, chủ yếu
phục vụ phát điện và chống lũ lụt.Trong các hạng mục của hồ chứa, tràn xả
lũ của công trình thủy điện, thuỷ lợi là hạng mục công trình quan trọng,
thường có tỷ lưu lớn, hạ lưu tràn là sông cong, có đường giao thông và dân
sinh sống ở bờ sông. Để có giải pháp tối ưu cho hệ thống, vấn đề đặt ra là
nghiên cứu khoa học phục vụ cho an toàn hồ chứa đạt hiệu quả tối ưu và chi
phí bỏ ra thấp nhất.
Hiện nay các biện pháp nghiên cứu đều dựa trên phương pháp lý thuyết
và công thức thực nghiệm tính toán chung cho tất cả các công trình. Trong
khi, thực tế mỗi công trình có những điều kiện về địa hình, địa chất… là rất
khác nhau, nên việc áp dụng hình thức tiêu năng sau dòng phun của từng
công trình cũng khác nhau, nên việc nghiên cứu tiêu năng sau dòng phun chỉ
đúng khi ta nghiên cứu với mỗi công trình cụ thể. Ở Việt Nam, có thể nói là
nghiên cứu còn rất ít ỏi và hạn chế ở một vài công trình cụ thể.
Trên cơ sở các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế cũng như tham khảo
các tiêu chuẩn của nước ngoài, căn cứ vào điều kiện thực tế trong nước, hàng
loạt các tiêu chuẩn tính toán đã được đưa ra.
Tác giả xin đưa ra một kết quả nghiên cứu được trích dẫn từ đề tài cấp
Bộ năm 2011.
Tên đề tài: Một số kiến nghị lựa chọn kết cấu tiêu năng đáy đối với tràn
xả lũ các công trình thủy lợi và thủy điện
Nghiên cứu dựa trên số liệu thí nghiệm mô hình 3 công trình thuỷ lợi
21

gồm: hồ chứa nước Tả Trạch (Thừa Thiên Huế), hồ chứa Nước Trong
(Quảng Ngãi), hồ chứa Ngàn Trươi (Hà Tĩnh) và 4 công trình thuỷ điện:
Sông Tranh 3 (Quảng Nam), Sông Bung 5 (Quảng Nam), A lưới (Thừa
Thiên Huế), Khe Bố (Nghệ An).
Thông số thiết kế ban đầu bể tiêu năng các công trình xem bảng Phụ lục1.1.
Qua số liệu đo vận tốc và thiết lập phương trình năng lượng cho các mặt
cắt trước và sau bể tiêu năng, năng lượng tiêu hao được qua bể tiêu năng của
các công trình theo thiết kế ban đầu xem bảng 1.2.
Bảng 1.2. Hiệu quả tiêu năng (%) của bể tiêu năng các công trình theo
thiết kế ban đầu
QTN
Sông
Tranh 3

Sông
Bung 5
A Lưới

Khe Bố

Nước
Trong
Tả Trạch
Q1

41,62

33,83

37,16

34,10

58,69

57,71

Q2

39,28

36,04

44,37

37,44

56,38

58,77

Q3

40,35

37,17

45,87

40,63

54,55

62,50

Q4


41,53

46,19

39,19

55,70


Q5


50,94

40,87

49,66

46,72


Nhận xét kết quả thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu các công trình:

1. Số liệu đo thí nghiệm tương đối phù hợp với số liệu thiết kế bể tiêu
năng theo tính toán lý thuyết.
2. Với các bể tiêu năng không có thiết bị tiêu năng phụ thì khả năng
tiêu hao năng lượng chỉ khoảng từ 30% đến 40% năng lượng dư thừa.
3. Với các bể tiêu năng có thêm các thiết bị tiêu năng phụ thì năng
lượng tiêu hao có thể lên đến 60%.
4. Do điều kiện làm việc của các công trình thuỷ lợi, thủy điện phức
tạp: phía sau hạ lưu tràn xả lũ thường có cầu giao thông, kênh xả nhà máy
nên cần nghiên cứu, thiết kế bể tiêu năng hợp lý hơn nhằm đảm bảo các hạng
22

mục công trình đó làm việc hiệu quả và an toàn.
Kết quả thí nghiệm các phương án sửa đổi
Sự khác biệt giữa phương án sửa đổi và phương án thiết kế các bể tiêu năng:
- Công trình thủy điện Sông Tranh 3: cao trình đáy bể nâng lên 4,0m;
chiều dài và chiều rộng bể giữ nguyên.
- Công trình thủy điện Sông Bung 5: cao trình đáy bể hạ xuống 3,0m;
trong bể có bố trí thêm thiết bị tiêu năng phụ; chiều dài và chiều rộng bể giữ
nguyên.
- Công trình thủy điện A lưới: chuyển từ phương án tiêu năng mặt sang
phương án tiêu năng đáy.
- Công trình thủy điện Khe Bố: chiều dài bể ngắn lại 6,0m; cao độ đáy
bể và chiều rộng bể giữ nguyên.
- Công trình hồ chứa Nước Trong: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng bể
giữ nguyên; tường tiêu năng cao hơn PATK 1,5m và chiều dài sân sau thứ
hai dài hơn 1,4m.
- Công trình hồ chứa nước Tả Trạch: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng
bể giữ nguyên; thay 1 hàng mố tiêu năng cho tường tiêu năng ở cuối bể.
Thông số bể tiêu năng các công trình theo phương án sửa đổi xem bảng
Phụ lục 1.3

Từ số liệu đo trên mô hình, phân tích, tính toán và đánh giá hiệu quả tiêu
năng giữa phương án thiết kế ban đầu và phương án sửa đổi (xem bảng Phụ
lục 1.4).
Nhận xét:
Công trình thuỷ điện Sông Tranh 3: khi nâng cao trình đáy bể tiêu năng
lên thì hiệu quả tiêu năng giảm.
Công trình thuỷ điện Sông Bung 5: sau khi đào sâu bể thêm 3,0m và có
thêm 2 hàng răng tiêu năng thì hiệu quả tiêu năng qua tính toán từ số liệu thí