Nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình hồ Sông Cái - tỉnh Ninh Thuận

B GIO DC V ĐO TO
B NÔNG NGHIP & PTNT

TRƯNG ĐI HC THY LI

PHM PHNG THƯNG


NGHIÊN CU CH ĐTHY LC CA TRN X L
NHM XC ĐNH CAO TRNH CU GIAO THÔNG  H
LƯU CÔNG TRNH H SÔNG CI – TNH NINH THUN



LUN VĂN THC S K THUT




H Ni - 2010
B GIO DC V ĐO TO
B NÔNG NGHIP & PTNT

TRƯNG ĐI HC THY LI

PHM PHNG THƯNG

NGHIÊN CU CH ĐTHY LC CA TRN X L
NHM XC ĐNH CAO TRNH CU GIAO THÔNG  H
LƯU CÔNG TRNH H SÔNG CI – TNH NINH THUN

Chuyên ngành: Xây dng công trnh thy
M s: 60 – 58 - 40

LUN VĂN THC S K THUT

Ngưi hưng dn khoa hc: PGS.TS LÊ VĂN NGH

H Ni - 2010

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

1
LỜI CÁM ƠN
Gần ba năm học tập lớp cao học khóa 16 tại trường, học viên đã được các
thầy cô ở các bộ môn khoa học của trường tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, được khoa
đào tạo sau đại học quan tâm. Đồng thời trong thời gian học tập cao học, học
viên đã được sự giúp đỡ của các anh chị em học viên cùng khóa giúp đỡ, trao
đổi các bài giảng tại trường, giúp cho bản thân học viên hiểu sâu hơn về nội
dung các bài giảng.
Đến nay chuyển sang phần viết luận văn, học viên lại được sự hướng dẫn
tận tình của thầy PGS – TS Lê Văn Nghị công tác tại Phòng thí nghiệm trọng
điểm quốc gia về động lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam
hướng dẫn khoa học thực hiện luận văn này. Song để có được tài liệu viết luận
văn học viên đã được sự giúp đỡ của Trung tâm nghiên cứu thủy lực, của cơ
quan tư vấn thiết kế– Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi HEC1.
Vì vậy nhân dịp này học viên xin chân thành gửi tới nhà trường, các thầy
cô, bạn bè khóa học, anh chị em ở đơn vị công tác và gia đình học viên lời biết

ơn và cám ơn sâu sắc nhất.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do trình độ và điều kiện thời gian có hạn
nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, học viên rất mong
nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, các anh chị và bạn bè đồng
nghiệp./.
Học viên


Phạm Phùng Thường

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

2
MỤC LỤC
0TMỞ ĐẦU0T 5
0TI. Tính cấp thiết của đề tài.0T 5
0TII. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:0T 6
0TIII. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.0T 7
0TIV. Kết quả dự kiến đạt được.0T 8
0TCHƯƠNG I: TNG QUAN0T 9
0T1.1.0T 0TTổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ.0T 9
0T1.1.10T 0TTình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới:0T 9
0T1.1.20T 0TTổng quan tình hình xây dựng công trình tràn xả lũ tiêu năng dạng
mũi phun ở Việt Nam ta.
0T 13
0T1.1.30T 0TTổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói.0T 14
0T1.1.4. Dạng mũi phun so le.0T 18
0T1.1.5. Tổng quan xác định chiều sâu hố xói và chiều dài phun xa.0T 21
0T1.2. Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun ảnh

hưởng tới cầu giao thông.
0T 22
0T1.3 Nhận xét chương 1:0T 24
0TCHƯƠNG 2: NGHIÊN CU L THUYT CH Đ THY LC DNG
CHY SAU CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG HẠ LƯU
0T 26
0T2.1. Đc đim của công trình tiêu năng sau tràn xả lũ0T 26
0T2.1.1.Tiêu năng dòng đáy:0T 27
0T2.1.2.Tiêu năng mt.0T 30
0T2.1.3. Tiêu năng phóng xa:0T 31
0T2.2. Chiều dài phng xa của các công trình tiêu năng bng mũi phun0T 33
0T2.3. Quá trình xi lở nền đá và xác định chiều sâu hố xi.0T 40
0T2.3.1. Tác động của dòng phun gây xói nền đá.0T 40
0T2.3.2. Quá trình vật lý của hiện tượng xói do dòng phun.0T 41
0T2.4. Các nhân tố ảnh hưởng tới chiều sâu hố xi.0T 43
0T2.4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đơn vị0T 44
0T2.4.2. Ảnh hưởng của tính chất cơ lý của nền đá ở hạ lưu.0T 44
0T2.4.3. Ảnh hưởng chiều sâu nước đệm hạ lưu đến chiều sâu hố xói.0T 45
0T2.4.4. Ảnh hưởng của thời gian xả lũ tới chiều sâu hố xói.0T 47
0T2.4.5. Ảnh hưởng của góc hắt và góc tới của dòng phun đến chiều sâu hố xói.0T 48
0T2.4.6. Ảnh hưởng của mạch động áp lực đến chiều sâu xói.0T 50
0T2.4.7. Ảnh hưởng xói của quy trình vận hành cửa van để xả lũ.0T 50
0T2.5. Cơ chế xi nền đá trong hố xi và dự báo chiều sâu xi0T 51

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

3
0T2.5.1 Cơ chế xói nền đá trong hố xói:0T 51
0T2.5.2. Công thức ước tính độ sâu xói của hố xói.0T 52

0T2.5.2.1 Loại công thức kinh nghiệm:0T 52
0T2.5.2.2 Loại công thức bán kinh nghiệm:0T 52
0T2.6. Nối tiếp dòng chảy và năng lượng dư tác động đến mực nước của cầu giao
thông ở hạ lưu công trình
0T 55
0T2.7. Nhận xét chương 2:0T 61
0TCHƯƠNG 3: NGHIÊN CU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THY LC TIÊU
NĂNG CA CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ SÔNG CÁI
0T 64
0T3.1. Giới thiệu chung về công trình0T 64
0T3.1.1 Vị trí công trình:0T 64
0T3.1.2. Nhiệm vụ công trình:0T 64
0T3.1.3 Quy mô công trình:0T 65
0T3.1.4 Các yêu cầu thí nghiệm:0T 65
0T3.1.5. Yêu cầu về loại mô hình và tỷ lệ mô hình:0T 66
0T3.1.6 Trình tự nghiên cứu thí nghiệm:0T 66
0T3.2. Các yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm chi tiết trên mô hình0T 66
0T3.2.1.Đối tượng thí nghiệm mô hình thủy lực.0T 66
0T3.2.2.Thí nghiệm phương án thiết kế.0T 67
0T3.2.3. Hạng mục công trình thí nghiệm và yêu cầu thí nghiệm0T 69
0T+ Hình thức tiêu năng: Tiêu năng phng xa.
3.2.4.Thiết kế chế tạo, lắp ráp mô hình và các thiết bị đo
0T 70
0T3.3. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án thiết kế0T 78
0T3.3.1 Về tình hình dòng chảy0T 78
0T3.3.2 Về nối tiếp tiêu năng hạ lưu.0T 80
0T3.3.3 Về chiều dài dòng phun0T 80
0T3.3.4 Về lưu tốc, mạch động lưu tốc0T 83
0T3.3.5 Đánh giá khả năng xói lở do dòng chảy khi xả lũ gây ra.0T 90
0T3.3.6 Về đường mt nước0T 93

0T3.3.7 Về mạch động áp suất0T 95
0T3.4. Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi và :0T 97
0T3.4.1. Phương án sửa đổi0T 97
0T3.4.2. Về tình hình dòng chảy dưới hạ lưu:0T 98
0T3.4.3. Kết quả về nối tiếp tiêu năng ở hạ lưu:0T 98
0T3.4.4. Về lưu tốc và mạch động lưu tốc:0T 99
0T3.5. Nhận xét chương 3:0T 105

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

4
0TCHƯƠNG 4: SO SÁNH KT QU TÍNH TOÁN L THUYT VÀ THÍ
NGHIỆM MÔ HÌNH THY LC VỀ TIÊU NĂNG
0T 106
0TTRÀN X LŨ SÔNG CÁI0T 106
0T4.1. Số liệu cơ bản đ tính tiêu năng0T 106
0T4.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thí nghiệm mô hình thủy lực.0T 111
0T4.4. Phân tích về giải pháp thi công hố xi.0T 114
0T4.5. Nhận xét chương 40T 116
0TKT LUẬN VÀ KIN NGHỊ0T 117
0T1. Kết luận:0T 117
0T2. Kiến nghị:0T 118
0TTÀI LIỆU THAM KHO0T Error! Bookmark not defined.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

5
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài.
Hồ chứa nước là công trình thủy lợi với mục đích sử dụng tổng hợp nguồn
nước phục vụ các mục tiêu phát trin bền vững về kinh tế xã hội, cải thiện giao
thông thủy và môi trường.
Việc thiết kế, xây dựng các hồ chứa thì đường tràn xả lũ là một hạng mục
quan trọng trong cụm đầu mối công trình thủy lợi và thủy điện. Hồ chứa c
nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ, còn đập tràn c nhiệm vụ xả lưu lượng nước dư
đ đảm bảo an toàn cho toàn bộ cụm công trình.
Trong thiết kế đập tràn xả lũ thì việc lựa chọn hình thức tiêu năng nào đ
phù hợp với các yêu cầu:
- Bố trí chung cụm công trình đầu mối;
- Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và các thông số thủy
lực của dòng chảy;
- Tiêu hao được tốt nhất năng lượng của dòng chảy, đ phần năng lượng
dư đổ xuống hạ lưu ít ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình lân cận, đến sự
xi lở hai bờ, đến các công trình quân sự, công nghiệp, giao thông, dân sinh ở hạ
lưu đập tràn.

Về hình thức tiêu năng thường áp dụng hiện nay gồm hai dạng:
+ Dạng tiêu năng đáy (dùng b tiêu năng và các biện pháp tiêu năng phụ
như ngưỡng tiêu năng, mố tiêu năng, rãnh tiêu năng). B tiêu năng được bố trí
ngay sau chân đập như đập tràn công trình thủy điện An Khê, hay đập tràn Nước

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

6
Trong. Song cũng c công trình do điều kiện địa hình nên sau chân đập còn c
dốc nước và đoạn cong chuyn tiếp nối với b tiêu năng như công trình thủy lợi
Đá Hàn (Hà Tĩnh) hay công trình đập tràn EA Rớt (Đắc Lắc)…
- Dạng tiêu năng dòng phun: với điều kiện địa chất tại nền và hạ lưu công
trình tốt (là loại đá gốc: granite, hoa cương, thạch anh…c cường độ kháng nén
σ>600 kg/cm2 trở lên thì nên dùng dạng tiêu năng này.
Trong luận văn này học viên đi sâu nghiên cứu tác dụng của hố tiêu năng
sau dòng phun của công trình đập tràn Hồ Sông Cái ảnh hưởng đến tình hình
thủy lực hạ lưu đc biệt là cao trình cầu giao thông ở hạ lưu.
Giai đoạn vừa qua c nhiu công trình tràn xả lũ vận hành đã c tác động
xấu đến cầu giao thông ở hạ lưu. Như mùa lũ năm 2006, xả lũ đập tràn sông
Hinh đã làm trôi cầu giao thông trên đường vào khu vực công trình mà kết quả
nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực đã cảnh báo. Lại như năm 2008 xả lũ thi
công của công trình Cửa Đạt – Thanh Ha đã làm vỡ mố cầu bờ trái, mà điều
này cũng đã được cảnh bảo trong kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy
lực tại viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.
Vì tình hình thủy lực diễn ra phức tạp khi xả lũ, mà trong đồ án thiết kế
không tính toán lường trước hết được. Bởi vậy, tác giả luận văn cho rng đi sâu
nghiên cứu vấn đề xác định cao trình cầu giao thông khi xả lũ xuống hạ lưu của
Hồ Sông Cái sẽ là một đng gp cần thiết cho công việc thiết kế cầu giao thông
ở hạ lưu tràn xả lũ trong giai đoạn sắp tới.

II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

7
- Là đ học viên làm quen và tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa
học c tính độc lập, tập phân tích các vấn đề, hiện tượng thủy lực của dòng chảy
lũ, nhận biết các ảnh hưởng xấu đến các công trình ở hạ lưu đập tràn;
- Nghiên cứu phương thức tính toán, đánh giá sự khác biệt của dòng chảy
tự nhiên khi chưa c và đã xây dựng công trình xả lũ, đưa ra quy luật ảnh hưởng
của dòng chảy sau khi công trình xả lũ;
- Thu thập các tài liệu tham khảo c liên quan đ làm tư liệu tham khảo
cho công tác cần thiết sau này, dựa trên cơ sở đ đ đánh giá tác động của dòng
chảy đến các công trình tương tự.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Cách tiếp cận:
+ Dựa vào các tài liệu tham khảo: giáo trình thủy công, giáo trình thủy lực,
động lực học dòng sông, các tài liệu chuyên khảo về đập tràn – nối tiếp tiêu năng
sau đập tràn xả lũ, các báo cáo kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực
của hai Viện: Viện năng lượng và Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, các tài liệu
dịch từ nước ngoài đ cập nhật các thông tin cần thiết c liên quan đến đề tài của
luận văn.
+ Sử dụng thuyết minh tính toán thủy lực của thiết kế và báo cáo kết quả
nghiên cứu thí nghiệm thủy lực đầu mối Hồ chứa Sông Cái của “ Phòng thí
nghiệm trọng đim quốc gia về động lực học sông bin”.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Nghiên cứu lý thuyết về cách tính toán trong các tài liệu tham khảo.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Phạm Phùng Thường

8
+ Kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực của công trình
đầu mối hồ chứa nước Sông Cái (tỉnh Ninh Thuận) đ so sánh với tính toán theo
thiết kế, từ đ đưa ra các kiến nghị thực hiện theo giải pháp hợp lý.
IV. Kết quả dự kiến đạt được.
- Với phương pháp nghiên cứu khoa học, phân tích hiện tượng thủy lực của
dòng chảy khi chưa c công trình và sau khi đã xây dựng công trình tràn xả lũ,
dùng các số liệu khi đã xây dựng công trình tràn xả lũ, dùng các số liệu thu được
từ kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đ đề xuất việc xác định cao trình cầu
giao thông.
- Nghiên cứu cách tính toán, đưa ra các yếu tố ảnh hưởng của dòng chảy sau
công trình tràn xả lũ đến việc an toàn ổn định của cầu giao thông ở hạ lưu gần
đập tràn (như cầu giao thông bắc qua sông Cái).
- Đưa ra các phương án về bố trí kích thước hố xi sau tràn xả lũ đ cải
thiện tình hình thủy lực đối với hai bờ và hạ lưu nhm giảm bớt đáng k mực
nước, dao động sng, vận tốc dòng chảy tại vị trí cầu giao thông, trên cơ sở đ
kiến nghị phương pháp chọn kích thước hố xi cần thiết.
- Là tài liệu tham khảo đối với các công trình tương tự.
- Đề xuất một số ý kiến đng gp vào việc chọn tần suất lũ thiết kế cầu giao
thông trong điều kiện thủy văn chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và môi
trường rừng đầu nguồn bị xâm hại như hiện nay.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

9
CHƯƠNG I: TNG QUAN
1.1. Tổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ.

1.1.1 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới:
Thủy điện là nguồn năng lượng sạch chiếm gần 1/5 sản lượng điện trên
toàn thế giới. Trong thực tế n đng vai trò chủ yếu về việc cung cấp điện ở 55
quốc gia. Công suất lắp đt thủy điện hiện nay khoảng 737,4 GW với tổng điện
lượng hàng năm ước tính khoảng 2.767 TWh và c khoảng 118 GW công suất
mới đang được xây dựng. Đến nay gần 2/3 tiềm năng về thủy điện khả thi của
thế giới chưa được khai thác.
Song phạm vi khai thác ở các vùng lại khác nhau một cách đáng k. Ở
Châu Âu và Bắc Mỹ hầu hết tiềm năng thủy điện đã được khai thác hết, còn
Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ nơi mà nhu cầu về nước và năng lượng là cấp
thiết lại vẫn còn tiềm năng đáng k chưa được sử dụng.
Đ c được nguồn than đá trắng phục vụ cho tuốc bin phát điện, và điều
tiết nước hợp lý cho hạ du vào mùa kiệt là cần thiết nên phải xây dựng các hồ
chứa đ tích nước, đồng thời điều tiết lũ, giảm bớt ngập lụt đối với hạ lưu. Ngoài
dung tích nước cần thiết được giữ lại trong hồ, lượng nước dư phải xả xuống hạ
lưu qua tràn xả lũ.
Một dòng sông tự nhiên khi chưa được khai thác thì dòng chảy trong sông
chuyn động theo quy luật thông thường, tốc độ của dòng chảy lũ thường là
2,50m/s ÷ 3,0m/s, mực nước trên từng đoạn sông tương ứng với lưu lượng lũ
đến, năng lượng của dòng chảy được tiêu hao theo tổn thất dọc đường do sức cản
của lòng dẫn và hai bờ; không c hiện tượng dòng chảy tập trung mạnh gây ra

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

10
sng lớn dao động ở hai bờ và tác động đến độ dâng mực nước đối với công
trình giao thông ở đoạn hạ lưu sau đ.
Song khi xây dựng hồ chứa và cụm công trình đầu mối đập dâng, đập tràn xả
lũ, nhà máy thủy điện, âu thuyền, âu tàu vv… thì dòng chảy lũ được điều tiết trữ

lại trong lòng hồ, tạo ra mực nước thượng hạ lưu trên đoạn sông c chênh lệch
lớn mà ta gọi là Δz (Z
R
hồ
R- Z R
hạ
R), khi gp các lũ lớn vượt quá lưu lượng điều tiết
của hồ chứa, cần mở cửa đập tràn (cửa xả đáy hoc cửa xả mt) đ tháo lưu
lượng dư xuống lòng sông hạ lưu. Phần lưu lượng này tập trung đổ xuống sau
đập tràn bng một trong hai hình thức đ là:
- Nối tiếp theo dạng tiêu năng đáy;
- Hoc nối tiếp theo dạng tiêu năng dòng phun. Mà đối với hồ Sông Cái
dùng hình thức này.
Ở nước ngoài đập tràn xả lũ nối tiếp theo dạng dòng phun c th k đến như
đập Brack (Liên Xô cũ); được xây dựng từ năm 1960 với lưu lượng đơn vị thiết
kế q= 30,5m
P
3
P/s-m. Đập tràn c 10 khoang, mỗi khoang c chiều rộng b=18m,
Q
R
xả
R =5490mP
3
P/s, lưu tốc trên mũi phng đạt VR
mp
R= 35mP
3
P/s, bán kính cong cuối đập
R =15m, gc mũi hắt α= 35

P
o
P, th hiện như hình 1-1.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

11

Hình 1-1. Mt cắt ngang đập tràn Brack.
Hay như đập tràn công trình thủy điện Guri (Venezuela) công trình được
xây dựng năm 1982 với lưu lượng đơn vị thiết kế q= 150m
P
3
P/s-m . Chiều rộng
tràn B=40m, lưu lượng xả Q=600m
P
3
P/s.
Lưu tốc chảy trên mũi phng V
R
mp
R= 41m/s, đập c chênh lệch cột nước thượng hạ
lưu Δz = 130m; Mt cắt ngang đập tràn Guri xem hình 1-2.



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

12
Vï ng bª t«ng bÞ ph¸ ho¹ i

Hình 1-2. Mt cắt ngang đập tràn Guri.
Hay như mt cắt đập tràn công trình thủy điện Tam Hiệp ở Trung quốc (
xem hình 1-3). Công trinh này mực nước hồ Z
R
hồ max
R= 175m, cao trình mũi hắt
Z
R
mp
R = 85m, gc mũi hắt α= 27P
0
P50’; lưu lượng đơn vị thiết kế q= 174mP
3
P/s.m; mực
nước tương ứng ở hạ lưu là Z
R
hl
R= 77.05m. Đập được xây dựng trên nền đá gốc
granite, c ứng suất nén σ= 1200kg/cm
P
2
P; lưu tốc dòng chảy tại mũi hắt hR
mp
R=
5.10m; bán kính cong ngược ở cuối tràn chọn R= 24.0m.

Hình 1-3. Mt cắt đập tràn Tam Hiệp (TQ)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

13
Như vậy qua 3 công trình đập tràn nối tiếp tiêu năng dạng dòng phun nêu
trên có hình dạng tương tự đập tràn xả lũ Hồ Sông Cái mà ở nước ngoài đã áp
dụng.
1.1.2 Tổng quan tình hình xây dựng công trình tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi
phun ở Việt Nam ta.
Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, ở nước ta bắt đầu xây dựng các công trình
hồ chứa thủy lợi- thủy điện lớn như:
- Đập tràn thủy điện Hòa Bình;
- Đập tràn thủy điện Sông Hinh;
- Đập tràn thủy điện Yaly;
- Đập tràn thủy điện Tuyên Quang;
- Đập tràn hồ chứa Tả Trạch;
- Đập tràn thủy điện Sơn La;
- Đập tràn thủy điện Bản Vẽ;
- Đập tràn thủy điện Bản Chát;
- Đập tràn hồ chứa thủy lợi – thủy điện Cửa Đạt, v.v…
- Hồ Tả Trạch thừa Thiên Huế;
Sắp tới xây dựng các công trình:
- Đập tràn thủy điện Lai Châu;
- Đập tràn hồ chứa Krong Pach Thượng Đắc Lắc;
- Đập tràn Sông Cái tỉnh Ninh Thuận;
- Đập tràn hồ chứa Bản Mòng tỉnh Sơn La, vv…

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

14
Trong việc bố trí đầu mối thủy lợi- thủy điện thì tràn xả lũ và vấn đề biện
pháp tiêu năng sau tràn nhm nối tiếp dòng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu c
một vị trí quan trọng; bởi lẽ hình thức tiêu năng được chọn thích hợp không chỉ
giữ ổn định cho vùng chân đập tràn xả lũ mà còn không gây tác động xấu đến
các công trình lân cận, ít gây xi lở đối với hai bờ hạ lưu sau công trình, cũng
như tác động xấu đến cầu giao thông và các công trình dân sinh khác ở hạ lưu
sau đập tràn.
1.1.3 Tổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói.
Cách lựa chọn là dựa trên các điều kiện:
- Điều kiện địa hình, địa chất, địa thế sau tràn;
- Điều kiện các yếu tố thủy lực xả lũ qua tràn, như lưu lượng đơn vị thiết kế
xả qua tràn, lưu tốc dòng chảy ở cuối tràn hoc mũi phun, mực nước hạ
lưu tương ứng với lưu lượng xả;
- Phương thức vận hành tràn xả lũ.
Ở Việt Nam đập tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun đã được áp dụng rất phổ
biến. Từ năm 1990 đến nay đã c 48 công trình tràn được xây dựng, trong đ c
tới 25 công trình áp dụng dạng tiêu năng mũi phun chiếm tới 52%.
Đc biệt các công trình thủy lợi thủy điện lớn ngày nay xu hướng sử dụng
tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ngày một gia tăng chiếm tới 65% trong tổng
số các công trình đã xây dựng và sẽ xây dựng.
Với dạng tiêu năng mũi phun khi mà luồng chảy phng xuống dòng sông hạ
lưu, năng lượng mà dòng chảy n mang theo cần được tiêu hao một cách tốt nhất
khi dòng phun rơi vào hố xi được đào trước (đào một phần hoc đào cả) là đ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

15

tạo được lớp nước đệm đủ cho luồng chảy phng xuống nối tiếp với mt nước ở
hạ lưu. Năng lượng được tiêu hao tốt nhất, phần năng lượng dư ít gây xi lở, bào
xi lòng dẫn hạ lưu, ít gây ra sng dềnh lan truyền vào hai bờ và đến các công
trình lân cận, đến cầu giao thông bắc qua sông. Về phương thức đào hố xi c
hai cách thực hiện là:
- Đào sâu một phần, tiếp đ khoan tơi đ khi vận hành xả lũ, dòng nước sẽ
xói trôi lớp đá khoan tơi, dùng năng lượng dòng nước dịch chuyn chúng rải ra
trên bãi và lòng sông hạ lưu. Cách này đã được thực hiện ở hố tiêu năng sau tràn
xả lũ thủy điện Hòa Bình;
- Căn cứ vào lý thuyết tính toán khả năng dòng phun sẽ xi sâu đ đào sẵn
hố xi đến cao trình dự kiến, nhm tạo đủ lớp nước đệm ứng với lưu lượng thiết
kế tiêu năng và được kim tra ứng với lưu lượng xả lũ thiết kế.
Hai cách thực hiện trên, mỗi cách c ưu đim, nhược đim riêng, tác giả sẽ
phân tích trong chương 4 của luận văn này đồng thời đưa ra ý kiến của mình khi
vận dụng một trong hai cách trên.
Vì vậy khi thiết kế tràn xả lũ tiêu năng theo dạng dòng phun (dòng phun từ
mũi hắt cuối đập tràn với đập bố trí ở giữa dòng sông, hay dòng phun từ cuối dốc
nước khi đập tràn bố trí ở bên bờ) cần phải chú đến việc tính toán là:
- Chọn hình dạng mũi phun: dùng mũi phun liên tục hay mũi phun dạng so
le;
- Với mũi phun liên tục thì nên chọn góc hắt α thích hợp đ c được dòng
phun xa nhất, nghĩa là với dạng mũi phun đ ta c chiều dài dòng phun L
R
max
R và
góc tới (gc đổ vào mt nước hạ lưu β) thích hợp. (Hình 1-3 và 1-4)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

16
- Với mũi phun so le (mũi phun hai tầng) thì cần chọn góc hắt của rãnh và
góc hắt của răng phun thích hợp (Xem hình 1-5);
- Dựa vào lý thuyết đ tính chiều dài phun xa Lmax và Lmin đ xác định
tim và kích thước hố xi khi đã định chọn góc hắt α ứng với các tham số tính
toán thủy lực V
R
mp
R, αR
mp
R, QR
tk
R, ΔZR
tk
R của công trình tràn xả lũ mà ta đang nghiên cứu
(Trong luận văn này là tràn xả lũ Hồ Sông Cái).
- Dựa vào tài liệu địa chất ở chân công trình và lòng sông sau công trình đ
tính toán ước tính chiều sâu hố xói;
- Dựa vào tình hình địa hình đoạn sông sau đập tràn, cầu giao thông, các
công trình kiến trúc dân sinh khác hai bên bờ hạ lưu sau đập tràn xả lũ đ xác
định phương thức đào sâu hố xói, tránh các ảnh hưởng xấu đến các công trình k
trên nhm tránh mọi tổn hại đến các công trình đ. Đây mới là quan đim xem
xét toàn cục, tránh phiến diện đ gây ra hiệu quả xấu sau này.

Hình 1.4. Dạng mũi phun liên tục cuối đập tràn.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

17

Hình 1.5. Dạng mũi phun liên tục cuối dốc nước.


Hình 1.6. Dạng mũi phun so le cuối đập tràn.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

18
Về giá trị góc hắt α của mũi phun liên tục thường được chọn từ 25P
o
P đến 35P
o
P, qua
tài liệu nghiên cứu thấy rng góc hắt α = 25
P
o
Plà tốt hơn so với α = 35P
o
P.
Một số công trình tràn xả lũ ở nước ta đã được xây dựng thì góc hắt α
thường được chọn là:
+ Góc hắt cuối dốc nước trạm thủy điện Tuyên Quang α = 25
P
o
P;
+ Góc hắt cuối dốc nước sau tràn trạm thủy điện Hòa Bình α = 27o;
+ Góc hắt cuối dốc nước sau tràn Cửa Đạt α = 27o;
+ Góc hắt cuối đập tràn trạm thủy điện Đăm Bri α = 25o;

Góc hắt cuối tràn Bản Mòng α = 25o;
1.1.4. Dạng mũi phun so le.
Về kích thước của rãnh và mố của mũi phun so le thì một số công trình
thực tế nước ta đã áp dụng như:
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn thủy điện Hòa Bình (được
nghiên cứu sửa đổi sau lũ 1991);
+ Mũi phun so le cuối đập tràn thủy điện Đăm Bri;
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn Tả Trạch (phương án tiêu
năng dòng phun);
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn Krong Pách Thượng(Đắc
Lắc);
Về kích thước giữa rãnh và mố của mũi phun so le đã được nghiên cứu
nhiều, từ kết quả nghiên cứu ở nước ngoài cũng như đề tài nghiên cứu khoa học
ở nước ta do PGS.TS Trần Quốc Thưởng chủ trì đã công bố kết quả có th tóm
tắt trong Bảng 1.1



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

19
Bảng 1.1 . Các thông số mũi hắt hai tầng của các tràn xả lũ
Gc hắt
Cao độ
tương
đối của
mố d/h
R
0

Tỷ số
bề rộng
rãnh và
mố a/b
Chiều
rộng
tương
đối của
mố b/h
R
0

Góc
khuếch
tán
ngang
θP
0

Mái
bên
của
mố
m
Ghi
chú
αR
1
αR

1

10P
0
P
÷15
P
0
P
25P
0
P ÷30P
0
P

0.8
÷1.0
1.0 ÷
1.1
2.3 ÷
2.5
20P
0
P
÷25
P
0
P
0.5
Chi tiết cụ th xem hình 1.6

Qua nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước thấy rng dạng mố
phun hình thang xuôi là loại mố phun hợp lý nhất bởi lẽ chiều sâu hố xói nông
nhất, đồng thời trên vùng mũi hắt và mố không xuất hiện áp suất âm.
Khi áp dụng nếu chọn α
R
1
R=10P
o
P (gc hắt của rãnh) thì nên chọn gc hắt của
mố α
R
2
R=25P
o
P, nếu chọn gc hắt của rãnh αR
1
R=15P
o
P, thì nên chọn gc hắt của mố
α
R
2
R=30P
o
P, cả mố và rãnh đều c cùng bán kính cong ngược R ở cuối mt tràn hoc
cuối dốc nước, và giá trị của bán kính cong ngược nên lấy:
R
R
ngược
R=(6÷7) hR

oTK


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

20

Hình 1.7a. Mt bng bố trí 7 mố phun trên dốc nước trạm TĐ Hòa Bình.

Hình 1.7b. Dạng mố phun hình thang.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

21

Hình 1.7c. So sánh độ sâu xi của các dạng mố phun
Ghi chú: q
R
TN
R= 54,3 l/s;
Thời gian xi T = 1 giờ;
Vật liệu xi cát thô: d = 27 cm;
Độ sâu hạ lưu: h
R
h
R= 27 cm;
Đường viền xi 1 của mố hình thang;
Đường viền xi 2 của mố hình chữ nhật;

Đường viền xi 3 của mũi phun liên tục;
1.1.5. Tổng quan xác định chiều sâu hố xói và chiều dài phun xa.
Trường hợp áp dụng hình thức tiêu năng theo dạng dòng phun cần tính
toán được chiều dài dòng phun L
R
phun xa
R và chiều sâu TR
x
R của hố xi.
Tính chiều dài phun xa c nhiều công thức, nhưng thường dùng công thức
theo quy phạm (Liên Xô cũ) là:

g
hpgvvv
L
p
)(2sincoscossin
222
+++
=
βββαα
(1.1)
Trong đ: β – Gc hắt của mũi phun (P
o
P);

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

22

V – Lưu tốc tại mũi phun (m/s);
H – Độ sâu trên mũi phun (m);
P – Chênh cao từ mũi phun đến mt nước ở hạ lưu(m).
Ngoài ra còn nhiều công thức lý thuyết và kinh nghiệm khác đ tính chiều
dài phun xa.
Đối với chiều sâu hố xi cũng c không ít công thức tính độ sâu hố xi
của nhiều tác giả như công thức của M.C Vưzgo; công thức của M.A Mikhalop;
công thức của Từ Thượng Thiên, công thức của Trương Phúc Nghĩa vv…
Nhưng tính chiều sâu xi đối với nền đá được áp dụng nhiều là công thức của
Trần Xuân Đình (TQ):
T=
25,05,0
hkq
(1.2)
Trong đ: T- Chiều sâu tính từ mt nước hạ lưu đến đáy hố xói (m);
q- lưu lượng đơn vị (m
P
3
P/sm) ở chỗ lưỡi nước của dòng phun đi vào mt
lớp nước đệm;
h- Chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu của công trình tràn (m);
k- Hệ số tổng quát tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu xi, xét tới tính
chất của đá lòng sông.
1.2. Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun
ảnh hưởng tới cầu giao thông.
Hơn mười lăm năm qua từ kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực
về đập tràn xả lũ nối tiếp với mực nước hạ lưu theo dạng tiêu năng dòng phun,

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phạm Phùng Thường

23
mà chế độ thủy lực ở hạ lưu đã ảnh hưởng xấu tới cầu giao thông ở hạ lưu công
trình c th k đến là:
Tràn xả lũ sông Hinh năm 2006 thực hiện xả lũ xuống hạ lưu đã xi trôi cầu
giao thông bắc qua sông Hinh cách vị trí tràn xả lũ khoảng 800m bị trôi; do cao
trình mt cầu thấp hơn mực nước xả lũ sau tràn;
Thí nghiệm mô hình đập tràn xả lũ Tuyên Quang năm 2003 đã cảnh báo cầu
giao thông bắc qua sông Gâm ở hạ lưu công trình, khi thực hiện tràn vận hành xả
lũ với lưu lượng xả lớn hơn tần suất lũ P
R
(1%)
R thì chân trụ cầu c khả năng bị xi
sâu tới từ
m108÷
và uy hiếp mố cầu bờ trái nối với đường dẫn đi vào thị trấn Na-
Hang, bị ngập gây trở ngại cho việc đi lại ở hai bờ; cầu giao thông này cách công
trình tràn xả lũ gần 1500m về hạ lưu;
Năm 1998 cũng dựa trên kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đã thấy rõ
tình hình thủy lực ở hạ lưu tràn xả lũ Hòa Bình diễn ra rất phức tạp. nếu lưu
lượng xả lũ Q
25000≥
mP
3
P/s xuống hố tiêu năng thì dòng phun phng xuống hố xi
tiêu năng và chảy ra khỏi hố xi gây ra sng lớn lan truyền xuống hạ lưu, sng
cao sẽ va đập vào dầm cầu giao thông ở hạ lưu bắc qua sông Đà, với ngọng sng
cao tới 1,5m c khả năng tràn nước lên mt cầu gây nguy him cho người và
phương tiện qua cầu. Mt khác lại tạo thành khu nước quẩn chảy ngược từ mỏ
hàn về tường lái dòng bên bờ phải rồi chảy thúc vào chân mái đá hạ lưu của đập

Hòa Bình gây xi sạt mái hạ lưu, đồng thời tạo ra dòng quẩn ở chân đập, c sng
dao động cao từ 2,5-3,0m làm kéo trôi các tấm bê tông bảo vệ mt mái nng tới
24 tấn; ngoài ra còn tạo ra độ dốc ngang của mt nước giữa hai bờ, mà độ chênh
lệch mt nước tới 7-8m, gây sạt lở cho hai bờ;