nghiên cứu hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng sau đập tràn cao, áp dụng cho đập tràn nước trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
YZ







PHẠM HỒNG HƯNG








NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI
MỐ TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO
ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG




Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
Mã số:60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. NGUYỄN CHIẾN





Hà Nội - 2011




LỜI CẢM ƠN

Hiện nay chúng ta đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi thủy
điện với quy mô lớn, cột nước cao, nước chảy qua công trình tháo thường là
dòng chảy xiết có lưu tốc lớn. Dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ có thể gây ra hiện
tượng khí hóa, khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước, trên các
mố tiêu năng… Hiện tượng khí thực có thể phá hỏng các bề mặt công trình
tháo nước bằng bê tông, thậm chí bằng thép, d
ẫn đến những hư hỏng và phá
hoại công trình.
Với những đặc điểm trên đây cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng khí
thực trên các công trình tháo nước là một công việc rất quan trọng và thật sự
cần thiết. Chính điều này đã thôi thúc tác giả lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ
kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TẠI CÁC MỐ TIÊU

NĂNG SAU ĐẬ
P TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN NƯỚC TRONG”

Tác giả xin chân thành biết ơn sự hướng dẫn tận tâm và nhiệt tình của
Thầy giáo GS.TS. Nguyễn Chiến trong thời gian qua, cảm ơn các Thầy cô
giáo trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội, các cơ quan, đơn vị đã cung cấp các
tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn người thân, gia đình, cơ quan tác giả
đang công tác đã tạo mọi
điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu đề tài.
Do thời gian cũng như kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên việc
nghiên cứu và thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiết sót, rất mong
được sự chỉ bảo của Thầy cô giáo, sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học
và các bạn đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn ./.



MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của Đề tài: 1
2. Mục đích của Đề tài: 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 2
5. Kết quả đạt được: 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÁC BỘ
PHẬN CỦA CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC 3

1.1. Tình hình xây dựng của các đập tràn cao ở Việt Nam 3
1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và
Việt Nam. 3

1.1.2. Một số thông số chính về các công trình thủy lợi hiện có: 5
1.1.3. Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nước ta và trên thế
giới: 9

1. Về sự ra đời và tốc độ phát triển: 9
2. Về tính đa dạng cũng như quy mô của công trình: 10
1.2. Các vấn đề thủy lực của đập tràn cao 10
1.2.1. Tác dụng của khí thực: 11
1.2.2. Ảnh hưởng của hàm khí và thoát khí đến sự làm việc của các công trình
xả: 11

1.2.3. Ảnh hưởng của sóng: 13
1.2.4. Sự mài mòn bề mặt các công trình xả: 13
1.2.5. Sự phá hoại do tác dụng của tải trọng động: 14
1.3. Vấn đề khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước 15
1.3.1. Xâm thực khí thực các công trình xả kiểu kín (xi phông, đường hầm): 15
1.3.2. Xâm thực khí thực các buồng van của cửa van: 17
1.3.3. Xâm thực khí thực các đập tràn và dốc nước: 18
1.3.4. Xâm thực khí thực các mố phân dòng và mố tiêu năng: 19


1.4. Tình hình nghiên cứu khí thực trên đập tràn ở trong và ngoài nước. 19
1.5. Một số ví dụ về xâm thực khí thực trên các công trình tháo nước ở Việt
Nam 21

1.6. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 24
1.7. Kết luận Chương 1. 25
CHƯƠNG 2: LÝ LUẬN CƠ BẢN VỀ KHÍ THỰC VÀ PHÒNG KHÍ THỰC Ở
MỐ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN 26

2.1. Các khái niệm về khí hóa, khí thực 26
2.1.1. Khái niệm về khí hóa: 26
1. Hiện tượng khí hóa: 26
2. Hệ số khí hóa: 27
3. Các giai đoạn khí hóa: 29
4. Hệ số giai đoạn khí hóa (β): 29
2.1.2. Khái niệm về khí thực: 29
1. Hiện tượng khí thực: 29
2. Cơ chế phát sinh khí thực: 30
2.2. Kiểm tra khả năng khí hóa tại các mố tiêu năng 32
2.2.1. Công thức chung: 32
2.2.2. Trị số K
pg
của các mố, tường tiêu năng: 32
1. Các mố tiêu năng, mố phân dòng: 32
2. Các tường tiêu năng: 35
2.2.3. Trình tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng: 36
2.3. Kiểm tra khả năng khí thực tại các mố tiêu năng và khu vực lân cận. 37
2.3.1. Nguyên tắc chung: 37
2.3.2. Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực: 37
2.4. Các giải pháp phòng khí thực tại mố tiêu năng sau đập tràn cao 38
2.4.1. Đặt vấn đề: 38
2.4.2. Các giải pháp phòng khí thực cho các mố tiêu năng sau đập tràn cao: 38
1. Giải pháp tăng độ bền vật liệu: 38
2. Dẫn nước vào vùng hạ áp: 39

3. Giải pháp tiếp khí để phòng khí thực: 40


2.5. Phương pháp tính toán thiết kế BPTK cho các thiết bị tiêu năng: 40
2.5.1. Nguyên tắc chung: 40
2.5.2. Tính toán thiết kế bộ phận tiếp khí cho các thiết bị tiêu năng: 40
2.5.3. Tính toán hệ thống ống tiếp khí cho các mố tiêu năng: 41
1. Bố trí các ống tiếp khí trong bể tiêu năng: 41
2. Tính toán ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 41
2.6. Kết luận chương 2 44
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH “ĐẬP TRÀN
NƯỚC TRONG” Ở HUYỆN SƠN HÀ-TỈNH QUẢNG NGÃI 46

3.1. Giới thiệu công trình “Đập tràn Nước Trong” 46
3.1.1. Tóm tắt nội dung Dự án đầu tư được phê duyệt: 46
1. Tên dự án: Hồ chứa nước Nước Trong 46
2. Chủ đầu tư: 46
3. Mục tiêu đầu tư xây dựng: 46
4. Địa điểm xây dựng : 47
3.1.2. Các thông số kỹ thuật của dự án: 47
3.1.3. Kết cấu bể tiêu năng theo phương án chọn: 50
3.2. Kiểm tra khí hóa và khí thực tại mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong 50
3.2.1. Tính toán kiểm tra khí hóa tại các mố và tường tiêu năng: 50
1. Tại các mố tiêu năng đặt trong bể: 50
2. Tại tường tiêu năng đặt ở cuối bể: 53
3. Nhận xét: 54
3.2.2. Tính toán kiểm tra khí thực tại các bộ phận trong bể tiêu năng (mố tiêu
năng, bản đáy và tường bên bể tiêu năng): 54

1. Tại mố tiêu năng đặt trong bể: 55

2. Tại bản đáy và tường bên bể tiêu năng: 55
3. Nhận xét: 55
3.3. Nghiên cứu giải pháp phòng khí thực cho các mố tiêu năng của đập tràn
Nước Trong. 56

3.3.1. Tính toán hệ thống ống tiếp khí cho các mố tiêu năng: 56
1. Bố trí các ống tiếp khí trong bể tiêu năng: 56


2. Tính toán ống tiếp khí cho hàng mố tiêu năng thứ nhất: 57
3. Tính toán ống tiếp khí cho hàng mố tiêu năng thứ hai: 62
3.3.2. Nhận xét: 62
3.4. Kết luận Chương 3. 62
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64
4.1. Các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu. 64
4.2. Những vấn đề còn tồn tại. 66
4.3. Các kiến nghị 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67




DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam. 6
Bảng 2-1: Biến đổi của cột nước áp lực phân giới theo nhiệt độ 27
Bảng 2-2: Biến đổi của cột nước áp lực khí trời theo độ cao 27
Bảng 3-1: Thông số về quy mô hồ chứa và công trình 47

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX………. 3
Hình 1.2: Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX……………….4
Hình 1.3: Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam)………………………… 7
Hình 1.4: Đập tràn thủy điện Trị An 7
Hình 1.5: Đập tràn thủy điện Hòa Bình 7
Hình 1.6: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Cửa Đạt 8
Hình 1.7: Tràn xả lũ hồ chứ
a nước Auyn Hạ 8
Hình 1.8: Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La 9
Hình 1.9: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Nước Trong 9
Hình 1.10: Trường hợp cuốn một thể tích lớn không khí vào đường hầm xả nước. 12
Hình 1.11: Sự mài mòn đáy của đường hầm không áp 13
Hình 1.12: Sự phá hủy lớp gia cố hạ lưu đập Vacô (Hoa Kỳ) 14
Hình 1.13: Sự phá hủy tấm tiêu năng ở đập tràn XupKhun (Triều Tiên) 15
Hình 1.14: Xâm thực khí th
ực đường hầm xả nước 15
Hình 1.15: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vônga 16
Hình 1.16: Xâm thực khí thực các trụ pin của buồng van đường hầm xả nước 17
Hình 1.17: Xâm thực khí thực tại khe van hình chữ nhật 18
Hình 1.18: Xâm thực khí thực tại đập tràn Miranđa 18
Hình 1.19: Xâm thực khí thực mặt tràn của đập bêtông trọng lực 19
Hình 1.20: Xâm thực khí thực các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b) 19
Hình 1.21: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà 22
Hình 1.22: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt mũi phun tràn Kẻ Gỗ 23
Hình 1.23: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ (cũ) hồ chứa nước Núi Cốc 24
Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí 26

Hình 2.2: Sơ đồ lan truyền sóng xung kích khi tiêu biến bọt khí ở gần thành rắn 30
Hình 2.3: Sơ đồ một số loại mố tiêu năng, mố phân dòng và trị số K
pg
tương ứng 33
Hình 2.4: Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các mố b/B và lượn tròn mép trước r/B
đến trị số K
pg
của một loại mố tiêu năng 34


Hình 2.5: a) Sơ đồ một loại mố phân dòng; b) Ảnh hưởng của sự lượn tròn mép dọc
phía trên mố phân dòng đến hệ số K
pg
35
Hình 2.6: Các dạng mặt cắt tường tiêu năng 35
Hình 2.7: Biểu đồ xác định K
pg1
35
Hình 2.7: Quan hệ V
ng
= f(R
b
,S) của vật liệu bêtông 38
Hình 3.1: Cắt dọc bể tiêu năng (theo phương án đã sửa đổi) 50
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí bộ phận tiếp khí trên các mố tiêu năng 56

1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài:
Nước và dòng chảy của nó có những lợi ích to lớn, nhưng cũng có những bất
lợi. Nhiệm vụ của các nhà khoa học thủy lợi là tận dụng những lợi ích và hạn chế
những bất lợi của nó. Nhiệm vụ đó được thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó
có việc xây dựng các công trình khác nhau. Đó là các công trình dâng nước, dẫn
nước, lấy nước, công trình bảo vệ, công trình giao thông…Bằng giải pháp kết cấu
đặc thù của mình các công trình thủy lợi tạo ra và đảm bảo đủ mực nước hoặc lưu
lượng, đồng thời tháo lũ, tháo lượng nước thừa về phía hạ lưu, dẫn nước đáp ứng
các yêu cầu hoặc ngăn ngừa những ảnh hưởng bất lợi từ phía hạ lưu. Các công trình
thủy lợi còn tạo ra con đường giao thông thủy và tạo ra chênh lệch đầu nước tập
trung phục vụ cho phát điện.
Hiện nay chúng ta đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi thủy điện với
các công trình có quy mô lớn, cột nước cao, nước chảy qua công trình tháo thường
là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn. Dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ có thể gây ra hiện
tượng khí hóa, khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước, trên các mố tiêu
năng… Hiện tượng khí thực có thể phá hỏ
ng các bề mặt công trình tháo nước bằng
bê tông, thậm chí bằng thép, dẫn đến những hư hỏng và phá hoại công trình.
Với những đặc điểm trên đây cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng khí thực
trên các công trình tháo nước là một công việc rất quan trọng và thật sự cần thiết.
2. Mục đích của Đề tài:
− Nghiên cứu phương pháp tính toán kiểm tra khí hóa, khí thực tại các mố
tiêu năng sau đập tràn và tính toán giải pháp tiếp khí để phòng khí thực cho mố tiêu
năng
− Nghiên cứu hiện tượng khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn
Nước Trong – huyện Sơn Hà – Tỉnh Quảng Ngãi. Từ đó đề xuất giải pháp phòng

khí thực tại các mố tiêu sau đập tràn Nước Trong.
2


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
– Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng khí hóa, khí thực và các giải pháp phòng
khí thực tại các bộ phận trong bể tiêu năng sau đập tràn cao.
– Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khí hóa, khí thực và giải pháp phòng khí
thực bằng cách tiếp khí cho các mố và tường tiêu năng, bản đáy và tường bên bể
tiêu năng , tính toán áp dụng cho đập tràn Nước Trong.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
– Cách tiếp cận: từ công trình thực tế, từ các tài liệu có liên quan, từ những đề
tài, dự án đã được nghiên cứu trước đây
– Phương pháp nghiên cứu: Thu thập thông tin về các công trình thực tế,
nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiện tượng khí hóa, khí thực trên công trình tháo nước,
tại các mố tiêu năng sau đập tràn. Tính toán áp dụng trên công trình thực tế.
5. Kết quả đạt được:
+ Nghiên cứu xác định được nguyên nhân xâm thực tại các bộ phận trên công
trình tháo nước (tại các mố tiêu năng sau đập tràn cao).
+ Đề xuất các giải pháp phòng khí thực ở đập tràn cao.
+ Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Nước Trong.
+ Đề xuất giải pháp phòng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Nước Trong.

3


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC TRÊN CÁC BỘ PHẬN
CỦA CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC
1.1. Tình hình xây dựng của các đập tràn cao ở Việt Nam.
1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới
và Việt Nam.
Từ xa xưa con nguời đã biết đắp đập trữ nước, chủ yếu dùng cho sinh hoạt và
nông nghiệp. Dấu tích các đập ít nhất từ 3000 năm trước công nguyên đã tìm thấ
y ở
Jordan, Ai cập và vùng Trung Đông. Nhưng từ nửa sau của thế kỷ XX, xây dựng
đập mới trở thành một trào lưu mạnh mẽ do nhu cầu phát triển công nghiệp, thuỷ
điện và phòng chống lũ. Theo thống kê năm 1998 của Uỷ ban đập nước thế giới
(World Commission on Dams - WCD), nhân loại đã xây dựng được 47.655 đập cỡ
lớn ở 140 nước trên thế giới. Năm nước có nhiều đập nhấ
t là Trung Quốc 22.000 cái,
Mỹ 6.575 cái, Ấn Độ 4.291, Nhật Bản 2.675 cái và Tây Ban Nha là 1.196 cái. Theo
khu vực đứng đầu là Châu Á với 31.340 cái, tiếp theo là Tây Âu 4.277 cái, Châu
Phi 1.299 cái, Đông Âu 1203 cái, Nam Mỹ 979 cái, Bắc và Trung Mỹ 801 cái. Hình
1.1 biểu thị số lượng và phân bố các đập lớn tại các vùng trên thế giới [11].

Hình 1.1: Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX
China
Asia
North and
Western Europe
Afica
Eastern Europe
South America
Austral - Asia
Central America
5 000 10 000 15 000
20 000
25 0000
Number of dams
4


Thời gian xây dựng các đập lớn thường từ 5 ÷ 10 năm và trung bình mỗi năm
trên thế giới có khoảng 160 đến 320 đập mới. Việc xây dựng đập tăng đến mức
chóng mặt có thể nói là vào những năm 70, có khi mỗi ngày có 2 hoặc 3 đập lớn
được hoàn thành ở nơi nào đó trên thế giới. Hình 1.2 biểu thị tốc phát triển xây
dựng các đập tại một số vùng trên thế giới đến cuối thế
kỷ XX. Vào những năm 90
trung bình mỗi năm chi phí khoảng 2 – 46 tỉ USD để xây dựng các đập lớn, mà 4/5

số đập ở các nước đang phát triển với kinh phí đầu tư 22 – 31 tỉ USD [11].









Hình 1.2: Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX
Đối với Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nền kinh tế nông
nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quy
ết định trong sự phát triển bền vững của đất
nước. Lịch sử hình thành và phát triển của dân tộc Việt Nam gắn liền với sự hình
thành của hệ thống đê điều chống lũ hàng ngàn năm với hệ thông kênh rạch để mở
mang vùng đất mới, phát huy mặt lợi của nước, hạn chế mặt hại để tồn tại và phát
triển. Cũng chính nhờ
lợi thế đó, một nền văn minh lúa nước đã hình thành từ nghìn
năm ở Đồng bằng sông Hồng và di cư vào Đồng bằng sông Cửu Long 300 năm
trước đây.
Tuy vậy, nhưng do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối
thuỷ lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới. Từ khi nước
Việt Nam dân chủ cộng hoà ra đời nhất là sau khi hoà bình lập lại, thuỷ lợi nước ta
mới thực sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế – xã hội được ưu tiên
đầu tư. Đến nay cả nước có khoảng trên 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000
Asia
North America
Europe
Afica

South America
Austral - Asia
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
7 000
8 000
0
bef
ore
1900
1910s
1920s
1930s
1900s
1940s
1950s
1960s
1970s
1980s
after
1
9
9
0
Time
Number of dams

5


hồ chứa, đập cỡ nhỏ [Error! Reference source not found.]. Các hệ thống thuỷ lợi
của nước ta có thể kể đến như hệ thống thuỷ lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập,
Sông Mực, Dầu Tiếng, Thạch Nham hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn
nước như Thuỷ điện Hoà Bình, Thác Bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh
Sơn, Thác Mơ…
Ngày 20 tháng 5 nă
m 1998 “Luật tài nguyên nước” của nước ta đã được Quốc
hội khoá X kỳ họp thứ 3 thông qua, đã một lần nữa khẳng định rằng: “ Do nhận
thức được vị trí quan trọng của công tác thuỷ lợi trong việc bảo vệ và phát triển đất
nước nên Đảng và Chính phủ đã có những quyết định đúng đắn về chủ trương, kế
hoạch, chính sách đầu tư thuỷ lợi, phát triển nguồn tài nguyên nước, vạch ra những
bước đi thích hợp cho từng giai đoạn.” [3].
Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thuỷ lợi, thuỷ điện nước
ta phát triển khá mạnh. Bên cạnh việc Nhà nước tập trung đầu tư xây dựng như các
hồ chứa lớn đa mục tiêu như: thuỷ điện Tuyên Quang, Cửa Đạt, Play Krông, Sê San
3, Sê San 4, Sơn La, Nước Trong…thì các dự án thuỷ điện được xây dựng dưới các
hình thức BOT và BO liên tục ra đời như thuỷ điện Ry Linh II, Cần đơn, Nà Lơi,
Nậm Mu, Sê San 3A… cũng như các công trình đã được khởi công xây dựng như
thuỷ điện Hương Sơn, Krông Kmar, Ea-k’rông-zu, Suối Sập, Nậm Đông…sẽ nhanh
chóng đưa và sử dụng trong những năm tới.
1.1.2. Một số thông s
ố chính về các công trình thủy lợi hiện có:
Gắn liền với các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nêu trên là các công trình tháo lũ
(CTTL), làm nhiệm vụ tháo phần nước lũ không thể chứa trong hồ, có khi chúng
còn được đặt ở dưới sâu và đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ
chứa khi cần thiết kiểm tra hoặc sửa chữa.
Có công trình tháo lũ hồ chứa mới làm việc được bình th

ường và an toàn. Vốn
đầu tư để xây dựng CTTL phụ thuộc vào quy mô và điều kiện cụ thể của từng công
trình, nói chung nó chiếm một tỷ lệ khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng hệ
thống đầu mối, có khi tới (70 ÷ 80)%. Vì vậy mà chúng thường xuyên được quan
tâm cân nhắc rất kỹ lưỡng trong thiết kế, thi công các hệ thống đầu mối thuỷ lợi.
6


CTTL trên các hệ thống đấu mối thuỷ lợi rất đa dạng. Bảng 1-1 thống kê chi
tiết một số thông số chính của một số CTTL ở nước ta; các hình từ Hình 1.3 đến
Hình 1.8 thể hiện một số hình ảnh về các CTTL trên các hệ thống đầu mối thuỷ lợi
nước ta.
Bảng 1-1: Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam.
TT
Tên công
trình
Địa điểm Hình thức tiêu năng
H
tràn

(m)
B
tràn

(m)
Q
xả max

(m
3

/s)
1 Hoà Bình Hoà Bình Dốc nước, mũi phun 90 37800
2 Thác Mơ Bình Phước Đập tràn-Bể Tiêu Năng 13.8 52 6100
3 Yali Gia Lai Dốc nước, mũi phun 18.8 105 17570
5 Đại Ninh Bình Thuận Dốc nước, mũi phun 18.6 52 5676
6 Đrây Hlinh Đắc Lắc Dốc nước, mũi phun 3.6 480 7590
7 Ayun Hạ Gia Lai Dốc nước, mũi phun 10.92 23 1237
8 Đồng Nai 4 ĐắcNông, L.Đồng Dốc nước, mũi phun 16 75 13300
9 Plêi Krông Kon Tum Dốc nước, mũi phun 18 70 6050
10 Sê San 3 Kon Tum Đập tràn, mũi phun 16.3 90 17536
11 Rào Quán Quảng Trị Dốc nước, mũi phun 5.05 80 2887
12 Tuyên Quang T.Quang Dốc nước, mũi phun 15.84 60 12484
13 Bản Vẽ Nghệ An Đập tràn, mũi phun 11.5 60 10500
14 Huội Quảng Lào Cai Đập tràn, mũi phun 13.0 90 47700
15 Cần Đơn Bình Phước Đập tràn-Bể Tiêu Năng 12 50 6965
16 Sê San 3A Gia Lai, Kon Tum Đập tràn-Bể Tiêu Năng 17.76 105 1800
17 Bình Điền T. Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12.96 50 4519
18 SRêPok 3 Đak Nông Đập tràn, mũi phun 15.5 75 12320
19 Nậm Chiến Sơn La Đập tràn, mũi phun 5.63 80 2387
20 Sê San 4 Gia Lai, Kon Tum Đập tràn, mũi phun 15.6 120 20090
21 Nước Trong Quảng Ngãi Đập tràn-Bể Tiêu Năng 14 62.5 6728
22 Cửa Đạt Thanh Hóa Dốc nước, mũi phun 17 75 11600
23 Sơn La Sơn La Dốc nước, mũi phun 13 90 34.780
7

Trên sông Sê San
Năm hoàn thành 2002
Hình thức TN Mũi phun
Lưu lượng xả lũ 17.570m
3
/s
Công suất PĐ 720MW
Hình 1.3: Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam)


Trên sông Đồng Nai
Lưu lượng xả lũ: 18.450m
3
/s
Năm hoàn thành 1989
Hình thức TN Mũi phun
Công suất PĐ 400MW
Hình 1.4: Đập tràn thủy điện Trị An


Trên sông Đà
Năm hoàn thành 1988
Hình thức TN Mũi phun xoắn
Lưu lượng xả lũ 35.400m
3
/s
Công suất PĐ: 19.200MW
8

Hình 1.5: Đập tràn thủy điện Hòa Bình



Trên sông Chu
Năm hoàn thành 2010
Hình thức TN Bể tiêu năng
Lưu lượng xả lũ 11.600m
3
/s
Công suất PĐ: 97MW
Hình 1.6: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Cửa Đạt















Hình 1.7: Tràn xả lũ hồ chứa nước Auyn Hạ

9

Hình 1.8: Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La

Hình 1.9: Mô hình tổng thể hồ chứa nước Nước Trong
1.1.3. Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nước ta và
trên thế giới:
1. Về sự ra đời và tốc độ phát triển:
− Đã xuất hiện từ năm 3000 năm trước công nguyên.
− Phát triển mạnh bắt đầu từ nữa sau thế kỷ XX.
− Từ trước những năm 1980 phát triển mạnh
ở các nước Châu Âu và Bắc Mỹ.
− Từ năm 1980 đến nay phát triển mạnh ở Châu Á và nhất là ở Trung Quốc.
10


− Việt Nam bắt đầu phát triển từ sau năm 1945 và phát triển mạnh từ sau
những năm 1998.
2. Về tính đa dạng cũng như quy mô của công trình:
Có thể thấy rằng tính đa dạng về hình thức công trình ngày càng nhiều hơn,
cũng như quy mô ngày càng lớn hơn rất nhiều. Từ những đập chỉ cao vài chục mét
thì ngày nay đã có những đập cao đến vài trăm mét, tương ứng với nó thì dung tích
h
ồ chứa, lưu lượng xả qua các công trình tháo nước cũng tăng lên rất nhiều. Với
những công trình tháo nước có lưu lượng xả lớn thì việc tính toán khi thiết kế cũng
như lựa chọn hình thức công trình phải được xem xét chi tiết, kỹ lưỡng hơn để đảm
bảo sự an toàn cho cả hệ thống công trình đầu mối.
1.2. Các vấn đề thủy lực của đập tràn cao.
Đối vớ

i công trình tháo nước nói chung cũng như đối với đập tràn cao nói
riêng thì dòng chảy qua đập có lưu lượng và lưu tốc thường là rất lớn, nó tác động
đến quá trình làm việc của công trình tháo nước.
Các dòng chảy cao tốc có những nét đặc thù là:
− Có mức độ xáo trộn mãnh liệt, mạch động áp lực, lưu tốc… có trị số lớn,
ảnh hưởng trực tiếp tới ổn định và độ bền của công trình.
− Quán tính c
ủa một đơn vị thể tích nước rất lớn, trong khi trở lực của độ
nhớt không thể hiện rõ ràng.
− Dòng chảy rất nhạy bén với đường biên: các nhiễu động phát sinh tại
một điểm bất kỳ trong dòng chảy có thể được truyền đi và gây ảnh hưởng trong một
phạm vi rất rộng xuôi theo chiều dòng chảy.
Khi xem xét xử lý các hiện tượng thủy lực đặc bi
ệt trên các bộ phận của công
trình xả nước có cột nước cao (Z ≥ 10m) cần phải xét tới tác dụng của dòng cao tốc
lên các bộ phận này:
− Đặc trưng mạch động của tải trọng thủy động gây nên ứng suất mỏi trong
các kết cấu.
− Khí thực và xâm thực khí thực.
11


− Hàm khí và thoát khí làm thay đổi chiều sâu dòng chảy gây chấn động
hoặc nước va trong đường xả kín.
− Sự hình thành và truyền sóng nhiễu trong lòng dẫn không áp.
− Khả năng mài mòn thành lòng dẫn khi dòng chảy mang theo nhiều bùn
cát thô.
Sau đây sẽ trình bày cụ thể hơn về các vấn đề thủy lực của đập tràn cao và một
số tác động thuộc loại bất lợi nhất cần được ưu tiên xem xét:
1.2.1. Tác dụng củ

a khí thực:
Khi dòng chảy cao tốc trên đập tràn gặp các vật cản cục bộ như các mấu gồ
ghề trên bề mặt hay khi đường biên công trình đổi hướng thì phía sau vật cản sẽ
xuất hiện chân không và nếu trị số chân không vượt quá giới hạn hóa hơi của nước
ở nhiệt độ tương ứng thì sẽ xuất hiện khí thực. Hậu quả của khí thực tác dụng lâu
dài là gây nên xâm thực khí thực mà trong nhi
ều trường hợp làm hư hỏng các bộ
phận của công trình xả nước.
1.2.2. Ảnh hưởng của hàm khí và thoát khí đến sự làm việc của các công
trình xả:
Khi thiết kế các công trình xả có lưu tốc cao, phải giải quyết nhiều vấn đề có
liên quan đến hiện tượng hàm khí. Do hàm khí, thể tích của hỗn hợp nước – không
khí tăng lên nên đối với các lòng dẫn không áp thì cần tăng chiều cao thành bên,
còn các lòng dẫn có áp thì phải tă
ng diện tích mặt cắt.
Sự hàm khí các tia phóng xuống hạ lưu sẽ làm giảm tầm phóng của tia và tạo
ra các đám mây bụi nước làm phức tạp các điều kiện khai thác các thiết bị cơ điện
(do độ ẩm tăng lên) và gây bất lợi cho ổn định các mái bờ dốc nối tiếp với công
trình.
Ở đập AtXoan (Ai Cập) các tia có tầm phóng tới 150m, dọc con đường nằm
trên bờ đá dố
c bị bao phủ bởi một lớp bụi nước làm cản trở giao thông ngay từ khi
bắt đầu khai thác công trình. Mái đất bị bão hòa nước dẫn tới mất ổn định làm cho
đường giao thông bị phá hoại.
12


Tuy vậy, khác với khí thực, sự hàm khí dòng chảy trong công trình không phải
bao giờ cũng gây hại. Ngược lại, sự hàm khí ở lớp dòng chảy sát thành có tác dụng
hạn chế khả năng xâm thực, giảm mức độ gây xói của dòng chảy. Ngoài ra, hàm khí

sẽ làm giàu oxy cho nước, giúp cải thiện môi trường của dòng nước khi chảy xuống
hạ lưu.
Đi kèm sau hàm khí là thoát khí, hiện tượng này có ảnh hưởng đến điều kiện
làm việc củ
a các công trình xả kiểu kín. Sự thoát các bọt khí ra khỏi nước và tụ lại
trên trần sẽ dần dần tạo ra các bọt khí trên đó, làm giảm mặt cắt ướt của dòng chảy.
Việc đẩy các bọc khí này ra khỏi đường dẫn nước có áp sẽ kéo theo hiện tượng
nước va. Ví dụ ở công trình Côxtestu-XtưnKa (Nga), không khí bị cuốn vào đường
ống tháo lũ trong nền đập đất qua ống thông khí khi mở van từng phần (Hình 1.10a).
Các bọt khí hình thành trên
đỉnh phần nằm ngang và nằm nghiêng của ống tháo. Khi
các bọt khí này thoát về hạ lưu hay thượng lưu, nước sẽ đột ngột lấp đầy vị trí của
chúng và gây ra hiện tượng nước va trong đường ống.
Bức tranh tương tự cũng quan sát thấy ở đường xả của công trình Orto-
Tôcôixki (Hình 1.10b).



Hình 1.10: Trường hợp cuốn một thể tích lớn không khí vào đường hầm xả nước
a) Công trình Côxtestu-XtưnKa b) Công trình Orto-Tôcôixki
1- Giếng điều áp 2- Buồng van 3- Đường hầm thi công 4- Van hình côn
5- Không khí tích tụ 6- Xâm thực khí thực 7- Phá hoại do nước va
13


1.2.3. Ảnh hưởng của sóng:
Trong dòng chảy xiết thường hình thành sóng do kết quả tác động qua lại giữa
dòng chảy và thành rắn làm đổi hướng dòng chảy. Sóng cũng tự hình thành một
ngẫu nhiên từ phía mặt thoáng. Trong trường hợp trước, sóng trong dốc nước biểu
hiện dưới dạng các sóng dừng hay hình thức nước nhảy xiên, còn trong trường hợp

sau ở dạng các sóng lăn (sóng chạy). Cả hai loại sóng đều ảnh hưởng có hại t
ới sự
làm việc của công trình: làm tăng chiều cao mực nước trong dốc, làm xấu đi các
điều kiện nối tiếp hạ lưu, có khả năng gây dồn ép không khí trong các đường tháo
nước kín. Các sóng lăn còn làm gia tăng tải trọng động lên công trình.
1.2.4. Sự mài mòn bề mặt các công trình xả:
Khi xả nước qua đập tràn hoặc các cửa xả đặt cao thì nước xả thường chứa ít
bùn cát. Bùn cát chỉ xâm nhập các của xả khi chúng
đã lấp đầy dung tích hồ chứa,
hoặc khi phải tháo cạn hồ bằng các cửa xả đáy.
Sự mài mòn tường và đáy đường xả, các thiết bị tiêu năng hạ lưu đã diễn ra ở
nhiều công trình, chẳng hạn ở đập Anderson – Reng (Hoa Kỳ), bùn cát đã mài mòn
lớp bọc kim loại của đường hầm tới chiều sâu 7cm khi tháo lưu lượng thi công với
vận tốc v = 9 m/s.
Ở đường h
ầm dẫn dòng thi công của đập Nurếch (Liên Xô), sau 4 năm làm
việc đã có 7,5 triệu tấn bùn cát đáy chuyển qua. Trên toàn chiều rộng của đường
hầm bằng bêtông Mác 200, bề mặt bêtông bị mài mòn làm lộ cốt liệu và ở một số
chỗ thì lộ cả cốt thép. Ở một vài nơi chiều sâu mài mòn vượt cả chiều dày bêtông và
đạt tới 1,35m (Hình 1.11).

Hình 1.11: Sự mài mòn đáy của đường hầm không áp
Khi lưu tốc lớ
n, có thể xảy ra đồng thời cả tác động mài mòn và xâm thực khí thực.
0
,
4
m

0

,
85
m
1
,
35
m
14


1.2.5. Sự phá hoại do tác dụng của tải trọng động:
Với các công trình xả có cột nước cao, năng lượng thừa của dòng chảy xuống
hạ lưu là rất lớn. Việc sử dụng các mố tiêu năng và mố phân dòng để giảm chiều
sâu đào bể và làm giảm năng lượng dòng chảy ở hạ lưu bị hạn chế do khả năng phát
sinh khí thực. Vì vậy trong nhiều tr
ường hợp, việc áp dụng tiêu năng bằng mũi phun
là hợp lý. Ở đây xin dẫn chứng ra một số ví dụ để chứng minh tầm quan trọng của
việc chọn sơ đồ nối tiếp hạ lưu.
Ở đập Vacô (Hoa Kỳ), chiều dài của tấm tiêu năng chọn đảm bảo với chiều dài
của nước nhảy (chảy đáy). Kết cấu gia cố hạ lưu như vậy hoàn toàn đảm bảo chế độ
làm việc bình thường của công trình. Tuy nhiên, sau 16 năm khai thác đã xảy ra xói
lớp gia cố hạ lưu. Thể tích vật liệu bị bong ra (gồm bêtông và đá nền) lên tới
38000m
3
, chiều sâu xói đạt tới 6,7m (Hình 1.12).

Hình 1.12: Sự phá hủy lớp gia cố hạ lưu đập Vacô (Hoa Kỳ)
Đập tràn của công trình XupKhun (Triều Tiên) (Hình 1.13) có chiều cao
H=107m, chiều dài khoảng 370m, cột nước trên đỉnh 6,5m. Tấm tiêu năng dài 30m
có mũi phun ở cuối để tạo chế độ chảy mặt ở sân sau. Khi xả nước trong thời gian

11,5 tháng với lưu lượng đơn vị trên tấm tiêu năng là 22,8 – 31,4 m
3
/s.m và lưu tốc
35m/s, tấm tiêu năng đã bị bẻ gãy, nền đá bị xói, chiều sâu phá hoại đạt tới 4,8m,
thể tích bêtông bị cuốn đi chiếm 1/3 tổng thể tích của tấm tiêu năng. Nguyên nhân
của sự cố là do không đặt thiết bị thoát nước thấm từ nền và không neo chặt tấm vào
nền. Một phần của tấm tiêu năng được đúc bằng cách đổ bêtông trong nước do thi
15


công không có biện pháp thoát nước thấm làm khô hố móng. Trong biện pháp sửa
chữa đã bố trí các lỗ thoát nước và neo chặt tấm tiêu năng vào nền, do đó công trình
lại làm việc an toàn.

Hình 1.13: Sự phá hủy tấm tiêu năng ở đập tràn XupKhun (Triều Tiên)
1.3. Vấn đề khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước.
1.3.1. Xâm thực khí thực các công trình xả kiểu kín (xi phông, đường
hầm):
Một trong số các sự cố nghiêm trọng đầu tiên loại này diễn ra hơn nữa thế kỷ
trước đây tại công trình đầu mối Boulder (Hoa Kỳ). Tại đây lớp lót và nền đá của
mộ
t đường hầm xả nước đường kính 15,2m đã bị phá hủy. Sau khi tháo nước qua
đường hầm ở chế độ chảy không áp trong thời gian 4 tháng với lưu lượng 390m
3
/s
(bằng 7% Q
TK
) và trong mấy giờ tiếp theo lưu lượng 1070 m
3
/s (bằng 19% Q

TK
) lớp
lót bêtông của đáy đường hầm tại chỗ uốn cong (Hình 1.14) đã bị phá hoại (lưu tốc
tại đây đạt 46m/s) và trong nền đá tạo thành một hố sâu 13,7m, dài 35m, rộng 9,5m.
thể tích bêtông và đá bị cuốn trôi đi tới 4500m
3
.






Hình 1.14: Xâm thực khí thực đường hầm xả nước
A-A
Hố xâm thực
A
A
Hố xâm thực
16


Tại đường hầm xả lũ của đầu mối Alđeađavil (Tây Ban Nha), vào năm 1966
đã xảy ra sự cố xâm thực khí thực trên phần cuối của đường hầm dài 50m, chiều sâu
hố xâm thực có chổ lớn hơn chiều dày lớp lót.
Ở công trình đầu mối Inphâynilô (Mêhicô), khí thực diễn ra hàng năm trong
đó có những năm gây hư hỏng rất nặng. Năm 1964, khi tháo lưu lượng gần
2500m
3
/s qua một đường hầm trong vòng 36 ngày, tường và đáy sau chổ cong ở

mặt đáy và hai mặt bên đã bị phá hoại trên chiều dài 30m, chiều sâu tới 1,5m.
Xâm thực lớp lót của đường hầm Moutail (Hoa Kỳ) là khá đặc trưng. Sau thời
gian 30 ngày tháo lũ với Q = 560 m
3
/s, phần đường hầm ở chỗ đoạn cong và đoạn
sau đó đã bị phá hoại ở đáy và tường bên ở dạng các hố có chiều sâu khác nhau và
vượt quá chiều dày lớp lót. Tại chỗ cong của đường hầm ngoài một hố lớn còn quan
sát thấy 4800 chỗ rổ khác nhau.
Trên Hình 1.15 cho ta thấy hiện tượng xâm thực khí thực khá lớn xuất hiện ở
đường xả nước tại công trình nhà máy thủy
điện Vônga (Nga).

Hình 1.15: Xâm thực khí thực ở đường xả có áp của trạm thủy điện Vônga
a) Sơ đồ công trình b) Tình trạng xâm thực
1-Đường xả có áp 2-Trụ pin 3-Hố xâm thực
Những ví dụ về xâm thực khí thực các đường hầm xả nước kín còn rất nhiều,
rất đáng được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là khi công trình xả có cột nước cao.