Nghiên cứu mặt cắt hợp lý của đập tràn hồ chứa nước Bản

LỜI CẢM ƠN
Đây là dịp cho tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Ngô Trí
Viềng, người hướng dẫn khoa học, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời
gian làm luận văn. Thầy là tấm gương sáng về tinh thần trách nhiệm, lòng tận
tụy, tình yêu nghề và ý thức nghiên cứu khoa học nghiêm túc. Thầy để lại
trong tôi sự kích phục về tri thức khoa học, lối sống yêu thương, độc lập và
thẳng thắn.
Cho phép tôi trân trọng gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ
môn Thủy công, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học,
Trường Đại học Thủy Lợi, Lãnh đạo Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy
lợi 1 cùng bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi trong
suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013
Tác giả

Phan Đình Hậu


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực. Tôi không sao chép bất kỳ một luận văn hoặc một đề tài nghiên cứu nào
trước đó. Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013
Tác giả

Phan Đình Hậu


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG......................... 4

1.1. Các loại đập tràn......................................................................................... 4
1.1.1. Đập tràn thành mỏng ............................................................................... 4
1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng .................................................................................. 4
1.1.3. Đập tràn mặt cắt thực dụng ..................................................................... 6
1.2. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không kiểu Creager – Ophixerov
........................................................................................................................... 7
1.3. Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không kiểu Rodanop [3][4] .............. 9
1.4. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES ..................... 11
1.5. Các loại đập tràn khác [13] ...................................................................... 12
1.5.1. Đập vòm tràn nước ................................................................................ 12
1.5.2. Đập bản chống....................................................................................... 13
1.5.3. Đập cao su ............................................................................................. 13
1.5.4. Đập tràn phím đàn ................................................................................. 14
1.6. Đập tràn được xây dựng trên thế giới và Việt Nam ................................. 14
1.7. Kết luận Chương 1 ................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC ĐẬP TRÀN ............... 18
2.1. Khả năng tháo của đập tràn thực dụng ..................................................... 18
2.2. Khả năng tháo của đập tràn dạng WES.................................................... 27
2.2.1. Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của các nhà khoa học Mỹ
......................................................................................................................... 27
2.2.2. Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của Trung Quốc ............ 29
2.3. Trạng thái dòng chảy ................................................................................ 33
2.3.1. Tính toán thủy lực xác định đường mặt nước [4] .................................... 33
2.3.2. Phân bố áp suất trên mặt tràn ................................................................ 36
2.4. Phương pháp xác định mặt cắt tràn .......................................................... 37
2.4.1. Phương pháp xác định mặt cắt tràn dạng Creager - Ophixerov ............ 37


2.4.2. Phương pháp xác định mặt cắt tràn có chân không, đỉnh dạng elip ..... 40
2.4.3. Phương pháp xác định mặt cắt đập tràn dạng WES .............................. 41

2.4.3.1. Đoạn thân tràn phía hạ lưu ................................................................. 41
2.4.3.2. Đoạn đầu tràn ..................................................................................... 43
2.5. So sánh đập tràn mặt cắt dạng WES và mặt cắt Ophixerov .................... 44
2.5.1. Diện tích mặt cắt ngang......................................................................... 44
2.5.2. Khả năng tháo ....................................................................................... 45
2.6. Kết luận Chương 2 ................................................................................... 46
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................ 47
VÀO CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MÒNG ................................ 47
3.1. Các thông số cơ bản của hồ Bản Mòng ................................................... 47
3.1.1. Địa điểm xây dựng ................................................................................ 47
3.1.2. Nhiệm vụ công trình.............................................................................. 47
3.1.3. Quy mô công trình ................................................................................ 48
3.2. Tràn xả lũ ................................................................................................. 50
3.2.1. Nhiệm vụ ............................................................................................... 50
3.2.2. Các phương án tràn xả lũ ...................................................................... 50
3.2.3. Tính toán tọa độ mặt tràn ...................................................................... 50
3.2.4. Vẽ đường cong mặt tràn ........................................................................ 54
3.3. Tính toán khả năng tháo ........................................................................... 56
3.3.1. Trường hợp đập tràn mặt cắt Ophixerov............................................... 56
3.3.2. Trường hợp đập tràn mặt cắt elip .......................................................... 57
3.3.3. Trường hợp đập tràn mặt cắt WES ....................................................... 57
3.4. So sánh giữa ba phương án ........................................................................ 59
3.4.1. Về mặt cắt đập ....................................................................................... 59
3.4.2. Về khả năng tháo ................................................................................... 62
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 67


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1. Đập tràn thành mỏng ........................................................................ 4
Hình 1-2. Sơ đồ tính toán đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập ....................... 5
Hình 1-3. Mặt cắt của đập tràn có chân không ................................................. 6
Hình 1-4. Mặt cắt của đập tràn không chân không ........................................... 7
Hình 1-5: Đường cong đầu tràn mặt cắt WES phía thượng lưu có 3 bán kính
......................................................................................................................... 12
Hình 2-1: Mặt cắt đập có cửa van ................................................................... 19
Hình 2-2: Các dạng mép vào của trụ biên ....................................................... 24
Hình 2-3: Các dạng trụ pin .............................................................................. 24
Hình 2-4. Các đường cong để xác định σn của đập tràn mặt cắt thực dụng ... 25
Hình 2-5: Đồ thị tra trị số C ............................................................................ 28
Hình 2-6: Hệ số hình dạng của trụ bên ........................................................... 30
Hình 2-7: Hình dạng các trụ pin giữa ............................................................. 30
Hình 2-8. Sơ đồ tính đường mặt nước trên đập tràn ....................................... 33
Hình 2-9. Phương trình Bernouilli với mặt cắt 1-1 và 2-2 bất kỳ................... 37
Hình 2-10. Các dạng mặt cắt đập tràn không chân không .............................. 38
Hình 2-11. Cách vẽ mặt cắt của đập tràn có chân không................................ 41
Hình 2-12: Sơ đồ mặt cắt WES có độ dốc mặt thượng lưu đập khác nhau .... 42
......................................................................................................................... 43
Hình 2-13a: Đầu tràn phía thượng lưu dùng 2 bán kính cong R1 và R2 với
mái xiên ........................................................................................................... 43
Hình 2-13b: Mặt thượng lưu thẳng đứng đoạn cong đầu tràn phía thượng lưu
dùng bán kính cong R1, R2 và R3 ................................................................. 43
Hình 2-14: Đầu tràn có đoạn nhô cong phía thượng lưu dùng đường cong elíp
......................................................................................................................... 44


Hình 2-15: Đỉnh tràn thực dụng có tường ngực ............................................. 44
Hình 2-16: Biểu đồ quan hệ Htk ∼ F của đập tràn WES và Ophixerov ........... 45
Hình 2-17: Biểu đồ quan hệ Htk ∼ Q của đập tràn WES và Ophixerov .......... 45

Hình 3-1: Sơ họa cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Nước Bản Mòng ... 47
Hình 3-2: Đường cong mặt tràn Ophixerov .................................................... 54
Hình 3-3: Đường cong mặt tràn Elip .............................................................. 55
Hình 3-4: Đường cong mặt tràn dạng WES .................................................... 56
Hình 3-5: Đường cong mặt tràn hồ chứa nước Bản Mòng thiết kế theo mặt cắt
WES và mặt cắt Ophixerov ............................................................................. 62
Hình 3-6: Hệ số lưu lượng và cột nước của đập tràn Bản Mòng .................... 63


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo phương
pháp Creager – Ophixerov [3]........................................................................... 8
Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3] ........................................ 9
Bảng 1-3: Tọa độ đường cong mặt tràn có chân không đỉnh elip ( rϕ = 1 )[4] . 10
Bảng 2-1: Hệ số co hẹp đứng α khi nước chảy dưới cửa [13]........................ 18
Bảng 2-2: Bảng tra trị số σhd phụ thuộc vào góc αB và αH và tỷ số a/CB [3][4]
......................................................................................................................... 20
Bảng 2-3. Hệ số hiệu chỉnh cột nước σH của đập tràn không chân không [3][4] 22
Bảng 2-4: Hệ số lưu lượng m của đập chân không, đỉnh elip (theo Rodanop)
......................................................................................................................... 23
Z
Bảng 2-5. Trị số   xác định trạng thái phân giới chảy ngập của đập tràn
 P k

thành mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng ................................................ 26
Bảng 2-6. Hệ số ngập σn của đập tràn có mặt cắt thực dụng không chân không 26
Bảng 2-7: Bảng hệ số hiệu chỉnh C................................................................. 30
Bảng 2-8: Bảng hệ số lưu lượng m ................................................................. 31
Bảng 2-9: Bảng hệ số hình dạng trụ pin giữa ξo ............................................. 31
Bảng 2-10. Toạ độ các điểm trên đường biên của mặt tràn không chân không

Creager – Ophixerov ....................................................................................... 39
Bảng 2-11: Tham số đường cong mặt tràn [15] .............................................. 42
Bảng 3-1: Quy mô công trình.......................................................................... 48
Bảng 3-2: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES và Ophixerov ................... 51
Bảng 3-3: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES và Elip .............................. 53
Bảng 3-4: Tọa độ đường cong mặt tràn của WES so sánh với Ophixerov ..... 60
thiết kế theo mặt cắt WES và mặt cắt Ophixerov ........................................... 62
Bảng 3-5: Kết quả tính toán khả năng tháo đập tràn Bản Mòng .................... 62
Bảng 3-6: Hệ số lưu lượng và cột nước của đập tràn Bản Mòng ................... 62


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
WES

Waterways Expriment Station;

Q

Lưu lượng xả qua đập tràn (khả năng tháo nước), thứ nguyên

m3/s;
m

Hệ số lưu lượng của đập tràn;

mtc

Hệ số lưu lượng được xác định theo đập tiêu chuẩn;

σH

Hệ số sửa chữa cột nước;

σhd

Hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng;

ε

Hệ số co hẹp bên;

ξm.b

Hệ số hình dạng mố biên;

ξm.t

Hệ số hình dạng mố trụ;

Ho

Cột nước trên đỉnh đập tràn có kể đến lưu tốc tới gần (m);

H

Cột nước trên đỉnh đập tràn không kể cột nước lưu tốc (m);

b

Chiều rộng một khoang tràn (m);

n

Số khoang tràn;

σn

Hệ số ngập;

P1

Chiều cao đập so với đáy thượng lưu (m);

P

Chiều cao đập so với đáy lòng dẫn hạ lưu (m);

C

Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ dốc của mặt thượng lưu;


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đập tràn là một trong những hạng mục quan trọng mang tính chất then
chốt của công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện; có nhiệm vụ xả lũ, điều tiết
dòng chảy đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình và hạ du. Đập tràn chiếm
một tỷ trọng vốn đáng kể trong chi phí xây dựng hệ thống công trình đầu mối.
Vì vậy nghiên cứu chọn được mặt cắt hợp lý đập tràn để tăng khả năng tháo,

có chế độ thủy lực lợi nhất nhằm giảm chi phí xây dựng có ý nghĩa lớn về
kinh tế và có tính khoa học … đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu.
Ở Việt Nam, hầu hết các đập tràn xả lũ thuộc hệ thống đầu mối công
trình thủy lợi, thủy điện đã được xây dựng có dạng mặt cắt thực dụng Creager
hoặc dạng Creager – Ophixerov. Các đập tràn loại này đều được thiết kế theo
quy phạm biên soạn từ tài liệu của Liên Xô và Trung Quốc, điển hình như:
đập tràn thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, sông Hinh, Yaly, Tân Giang, Định
Bình ...
Việc ứng dụng mặt cắt đập tràn dạng WES hay Ophixerov có ý nghĩa
hết sức quan trọng trong sự nghiệp phát triển thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam,
góp phần không nhỏ vào thành tựu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước
trong những năm qua. Vài chục năm trở lại đây, từ khi đập tràn có mặt cắt
dạng WES (Waterways Expriment Station) của Mỹ được nghiên cứu ứng
dụng, có ưu điểm hơn nên nhiều nước áp dụng. Trung Quốc là một quốc gia
có nguồn tài nguyên nước phong phú cũng đã chuyển hướng áp dụng mặt cắt
tràn dạng WES từ năm 1975.
Hồ chứa nước Bản Mòng tỉnh Sơn La đang được đầu tư xây dựng với
nhiệm vụ chống lũ quét, cắt giảm lũ cho thành phố Sơn La, tạo nguồn cấp
nước cho công nghiệp và sinh hoạt, kết hợp du lịch, cải thiện môi trường sinh
thái. Hồ chứa nước Bản Mòng có công trình đầu mối là đập bê tông trọng lực,


2
trong đó đập tràn cao trên 40m chiếm vị trí quan trọng ở lòng sông chính.
Nghiên cứu hình dạng hợp lý mặt cắt đập tràn có ý nghĩa quan trọng về kinh
tế và kỹ thuật, quyết định sự ra đời của dự án này.
2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu khả năng tháo đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng
WES;
+ Nghiên cứu trạng thái dòng chảy qua đập tràn dạng WES và

Ophixerov;
+ Nghiên cứu mặt cắt đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng WES;
+ Ứng dụng kết quả nghiên cứu chọn mặt cắt hợp lý cho đập tràn Bản
Mòng;
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
+ Áp dụng phương pháp lý thuyết và phương pháp tính hiện đại.
+ Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê các tài liệu lý thuyết, thực
nghiệm, thực tế để đi sâu nghiên cứu về mặt cắt tràn dạng WES và mặt cắt
tràn dạng Ophixerov.
+ Áp dụng phương pháp so sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế lựa chọn
mặt cắt hợp lý cho đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
+ Nghiên cứu các dạng mặt cắt của đập tràn nhằm so sánh tính ưu việt
của các dạng đập tràn;
+ Ứng dụng vào công trình thực tế để làm sáng tỏ tính thực tiễn của các
loại đập.
5. Nội dung của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu mặt cắt hợp lý của đập tràn hồ chứa nước Bản
Mòng’’ đưa một số kết quả nghiên cứu để thông qua việc mô phỏng hình
dạng mặt cắt, khả năng tháo của đập tràn mặt cắt dạng WES và Ophixerov


3
nhằm phân tích ưu nhược điểm của hai loại đập này. Kết quả nghiên cứu được
áp dụng cho đập tràn của hồ chứa nước Bản Mòng. Đề tài ngoài phần mở đầu
và phần kết luận được trình bày trong ba chương, nội dung chính của từng
chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về đập tràn thực dụng
Trình bày tổng quan về các loại đập tràn; đập tràn được áp dụng phổ
biến trên thế giới và ở Việt Nam. Đập tràn Creager - Ophixerov và đập tràn

mặt cắt WES. Các loại đập tràn khác.
Chương 2. Nghiên cứu chế độ thủy lực đập tràn
Trình bày phương pháp xác định khả năng tháo của đập tràn mặt cắt
dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov. Nghiên cứu trạng thái dòng
chảy qua đập tràn mặt cắt dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov.
Nghiên cứu mặt cắt đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng WES. Trên cơ sở
nghiên cứu đó so sánh ưu điểm của WES so với Ophixerov.
Chương 3. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán mặt cắt hợp
lý đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng
Ứng dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết thông qua tính toán để so sánh
với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng.
Kết luận kiến nghị
Trình bày một số kết quả nghiên cứu đạt được cũng như những tồn tại
và hướng phát triển cần được đi sâu nghiên cứu. Từ đó đưa ra những kiến
nghị về việc áp dụng mặt cắt hợp lý của đập tràn.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG
1.1. Các loại đập tràn
Đập tràn là một trong những hạng mục chủ yếu của các đầu mối công
trình thủy lợi, thủy điện: đập tràn nước tháo lũ của hồ chứa, đập ngăn sông
dâng nước v.v... Việc nghiên cứu khả năng tháo nước của đập tràn, tìm các
hình thức đập có chế độ thủy lực lợi nhất và xác định các kích thước cơ bản
của đập ... có một ý nghĩa thực tiễn quan trọng.
Có nhiều cách phân loại đập tràn, chủ yếu là phân loại theo chiều dày
đỉnh đập và hình dạng mặt cắt ngang của đập tràn. Theo cách phân loại này,
đập tràn có thể chia ra làm ba loại: đập tràn thành mỏng, đập tràn đỉnh rộng và
đập tràn mặt cắt thực dụng.

1.1.1. Đập tràn thành mỏng
Khi chiều dày của đỉnh đập δ < 0,67H, làn nước tràn ngay sau khi đi
qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì tách khỏi đỉnh đập, không chạm vào
toàn bộ mặt đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng
đến làn nước tràn và lưu lượng tràn [3].
T

MÐp trªn
Lµn n­íc

MÐp d­íi

T

π

Hình 1-1. Đập tràn thành mỏng
1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng
Đập tràn đỉnh rộng là loại đập có chiều rộng đỉnh ngưỡng C theo chiều
nước chảy trong phạm vi [2] [3]:


5
(8 ÷ 10) H > C > (2 ÷ 3)H
+ Nếu C >> H thì dòng chảy qua đập giống như qua kênh hở đáy nằm
ngang.
+ Nếu C < 2H thì hệ số lưu lượng của đập không ổn định và lớn hơn
của đập tràn đỉnh rộng (biến thành đỉnh nhọn).
Dòng chảy từ kênh dẫn qua ngưỡng tràn có thể phát sinh hai xoáy nước
trục ngang: xoáy nước ở mép trước ngưỡng và phía trên ngưỡng (trường hợp

P > 0). Nếu ngưỡng tràn có trụ biên và trụ giữa, tại các mép trụ còn có thể
phát sinh xoáy nước trục đứng. Những hiện tượng trên làm tăng tổn thất do co
hẹp đứng và ngang gây nên và làm giảm khả năng tháo.
Đập tràn đỉnh rộng làm việc có thể theo chế độ chảy không ngập hoặc
chảy ngập. Trong trường hợp chảy ngập, khả năng tháo sẽ giảm rất nhiều. Do
đó đối với ngưỡng tràn của đường tràn tháo lũ cần có những biện pháp thiết
kế để tăng khả năng tháo và thông thường ngưỡng tràn làm việc theo chế độ
chảy không ngập.
2

hn
P

P1

hpg

Z

h1= h2

o

H

3

z

1

h2

O

Po

l1
O

δ3

δ2
C

δ1

l2

1

2

3
3

Vo

P

δ1

hn Z

h2 Z"

hpg

V

δ2

δ3

P

1

h1

Ho

O

2
l1
O

C

l2
3

Hình 1-2. Sơ đồ tính toán đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập


6
1.1.3. Đập tràn mặt cắt thực dụng
Đập tràn có mặt cắt thực dụng là loại đập tràn thường dùng trong các
công trình tháo lũ trên sông. Để thoả mãn tất cả hoặc một số trong các yêu cầu
về ổn định của thân đập, có năng lực tháo nước lớn, tháo các vật trôi lẫn trong
nước được dễ dàng, hình dạng đơn giản dễ thi công, tiện dùng vật liệu tại chỗ
nên mặt cắt đập tuỳ điều kiện cụ thể có thể có nhiều kiểu khác nhau theo dạng
hình thang hoặc hình cong.
• Mặt cắt hình thang:đỉnh nằm ngang chiều dày đỉnh δ trong phạm vi [3]:
0,67H < δ < (2 ÷ 3)H
Mái dốc thượng, hạ lưu có thể có các trị số khác nhau, các đập này cấu
tạo đơn giản, dễ xây dựng bằng mọi loại vật liệu như bê tông, gạch, đá, gỗ, …
nhưng có nhược điểm là có hệ số lưu lượng nhỏ so với các mặt cắt hình cong.
• Mặt cắt hình cong: có đỉnh và mái hạ lưu hình cong, lượn theo làn
nước tràn, nên dòng chảy tràn được thuận, hệ số lưu lượng lớn, dễ tháo các
vật trôi trong nước, nhưng xây dựng phức tạp hơn. Đập mặt cắt hình cong có
hai loại:
+ Nếu giữa mặt đập với mặt dưới của làn nước tràn có khoảng trống thì
không khí ở đó bị làn nước cuốn đi, sinh ra chân không, gọi là đập hình cong
có chân không.
B

C

e

CB

f

R

A
D

Hình 1-3. Mặt cắt của đập tràn có chân không


7
+ Nếu làm cho mặt đập sát vào mặt dưới của làn nước tràn, không có
khoảng trống nữa thì sẽ không có chân không, gọi là đập dạng cong không có
chân không.
Nguyên tắc thiết kế mặt cắt đập không có chân không làm cho mặt đập
ăn khớp với mặt dưới của làn nước chảy qua đập thành mỏng tiêu chuẩn ứng
với cột nước H cho trước, gọi là cột nước thiết kế mặt cắt của đập tràn.

B

x

O Co
C α

B

D

CB

a

E
R

αH
A

F
D'

y
Hình 1-4. Mặt cắt của đập tràn không chân không
1.2. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không kiểu Creager –
Ophixerov
Creager nghiên cứu đường cong nước rơi tự do từ đập thành mỏng, vẽ
quỹ đạo của hạt nước ở vị trí 2 H , rồi từ quỹ đạo ấy lấy xuống một đoạn bằng
3

1 chiều
3

dày làn nước thì được mặt dưới của làn nước tràn tự do và cho mặt đập

hơi ăn lấn vào làn nước tràn tự do ấy. Mặt đập vẽ như thế gọi là kiểu Creager.

Ophixerov về sau nghiên cứu và sửa chữa đôi chút mặt cắt Creager, cải
biến điều kiên thủy lực của đập này, đưa ra mặt cắt gọi là kiểu Creager –
Ophixerov.


8
Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo
phương pháp Creager – Ophixerov [3]

x=

x
H tk

y=
Đập loại I
(kiểu Creager – Ophixerov)

y
H tk
Đập loại II
(kiểu Creager)

0

0,126

0,043

0,1

0,036

0,010

0,2

0,007

0,000

0,3

0,000

0,005

0,4

0,007

0,023

0,6

0,060

0,098

0,8

0,147

0,189

1,0

0,256

0,321

1,2

0,393

0,420

1,4

0,565

0,655

1,7

0,873

0,992

2,0

1,235

1,377

2,5

1,960

1,140

3,0

2,284

3,060

3,5

3,818

4,080

4,0

4,930

5,240

4,5

6,220

6,580

Nếu đập cao, bản thân đường cong này không đủ thỏa mãn điều kiện ổn
định của thân đập thì tiếp theo đường cong này là một đoạn thẳng có độ dốc
theo yêu cầu ổn định của thân đập. Phần chân đập, chỗ nối tiếp với sân đập có lượn
theo một cung tròn để dòng chảy xuống chân đập được thuận (xem Hình 1-4).
Bán kính R của cung tròn này lấy theo kinh nghiệm.
Khi đập thấp hơn P < 10m thì có thể lấy R = 0,5P.


9
Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3]
H(m)
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3,0

4,2

5,4

6,5

7,5

8,5

9,5

10,6

11,6

20

4,0

6,0

7,8

8,9

10,0

11,0

12,0

13,3

14,3

30

4,5

7,5

9,7

11,0

12,4

13,5

14,7

15,8

16,8

40

4,7

8,4

11,0

13,0

14,5

15,8

17,0

18,0

19,0

50

4,8

8,8

12,0

14,5

16,5

18,0

19,2

20,3

21,3

60

4,9

8,9

13,0

15,5

18,0

20,0

21,0

22,2

23,2

P(m)

Phía thượng lưu mặt cắt lý thuyết nói trên, có thể làm thêm một đoạn
dày (chiếu bằng của đoạn BC trên Hình 1-4), phần trên có mặt dốc một góc α
để tháo các vật trôi nổi trong nước. Trị số đoạn dày làm thêm đó và góc α tùy
theo yêu cầu kiến trúc của thân đập. Góc α thường lấy bằng 45o.
1.3. Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không kiểu Rodanop [3][4]
Mặt cắt đập phải thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Có hệ số lưu lượng lớn nhất khi chảy với cột nước thiết kế.
+ Có chân không ở phần đỉnh của đập, không có phần dưới của
mặt tràn.
+ Độ chân không σ ck =h ck không quá lớn.
Ho

+ Đảm bảo không có không khí lọt vào dưới làn nước.
+ Không có áp lực mạch động quá lớn.
Hiện nay, công trình nghiên cứu về mặt cắt đập không chân không chưa
nhiều; Aboroximop và Rodanop đã nghiên cứu đập đầu tròn và đầu elip.


10
Bảng 1-3: Tọa độ đường cong mặt tràn có chân không đỉnh elip
( rϕ = 1 )[4]
Tên điểm
1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

e
= 3,0
f

x
-0,472
-0,462
-0,432
-0,370
-0,253
-0,131
0,000
0,194
0,381
0,541
0,707
0,866
1,022
1,168
1,318
1,456
1,584
1,714
1,855
1,979
2,104
2,240
2,346
2,462
2,575
3,193
4,685
5,561

y
0,629
0,462
0,327
0,193
0,072
0,018
0,000
0,030
0,095
0,173
0,271
0,381
0,503
0,623
0,760
0,890
1,021
1,163
1,320
1,467
1,628
1,792
1,943
2,106
2,272
3,214
5,452
6,766

e
= 2,0
f

x
-0,700
-0,694
-0,670
-0,624
-0,553
-0,488
-0,402
-0,312
-0,215
-0,117
0,000
0,173
0,334
0,490
0,631
0,799
0,957
1,107
1,243
1,405
1,551
1,688
2,327
2,956

4,450
5,299
-

y
0,806
0,672
0,519
0,371
0,241
0,162
0,091
0,046
0,012
0,003
0,000
0,025
0,076
0,147
0,223
0,338
0,461
0,595
0,731
0,913
1,098
1,282
2,246
3,189
5,430

6,704
-

e
= 1,0
f

x
-1,000
-0,960
-0,880
-0,740
-0,530
-0,300
0,000
0,200
0,400
0,600
0,720
0,832
1,377
2,434
3,670
5,462
-

y
1,000
0,720
0,525

0,327
0,152
0,046
0,000
0,020
0,083
0,200
0,306
0,445
1,282
2,868
4,722
7,410
-

Khi rφ ≠ 1 thì tọa độ các điểm ( x , y ) ở Bảng 1-3 phải nhân với rφ


11
1.4. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES
Đập tràn mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp
dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ.
Các cơ sở nghiên cứu Thuỷ lực của Liên Xô tập trung nghiên cứu dạng
mặt cắt tràn Creger - Ophixerov, còn các cơ sở nghiên cứu thuỷ lực của Mỹ
đều chú trọng nghiên cứu dạng mặt cắt tràn dạng WES. Các kết quả nghiên
cứu đều cho thấy rằng đường cong mặt tràn chia ra làm hai phần:
+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía thượng lưu;
+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía hạ lưu;
Năm 1961 phòng thí nghiệm xây dựng Tapualispan đối với phần đường
cong phía thượng lưu của mặt cắt tràn dạng WES đã tiến hành thí nghiệm sửa

đổi đem nguyên gốc hai cung tròn đổi thành ba cung tròn tăng thêm một bán
kính ngắn R3 = 0,04Hd. Như vậy cải thiện thêm sự nối tiếp giữa mặt thẳng
đứng thượng lưu đập nối tiếp một cách thuận hơn. Trạm thí nghiệm đường
thuỷ của binh đoàn lục quân Mỹ qua thí nghiệm mô hình phát hiện khi cột
nước tác dụng vượt quá giá trị HTK còn có thể cải thiện thêm tình hình phân
bố áp suất trên mặt tràn, đồng thời tăng thêm hệ số lưu lượng. Do đó, từ năm
1970 kiến nghị dùng mặt cắt dạng WES mà đường cong phần thượng lưu có 3
cung tròn như Hình 1-5, còn đường cong mặt đập phía hạ lưu không thay đổi,
các tham số của đường cong phần thượng lưu có 3 bán kính như sau:
R1 = 0,5Hd;

C1 = 0,175Hd;

a1 = 0,0316Hd;

R2 = 0,2Hd;

C2 = 0,276Hd;

a2 = 0,1153Hd;

R3 = 0,04Hd;

C3 = 0,2185Hd;

a3 = 0,126Hd;


12
0.282Hd

0.276Hd
0.175Hd

X

O
R3=0.04Hd

n

n-1

X =k.Hd .Y

R2=0.2Hd
R1=0.5Hd

Y

Hình 1-5: Đường cong đầu tràn mặt cắt WES phía thượng lưu có 3 bán kính
Việc phân định loại tràn đập thấp và cao, theo nghiên cứu của Trung
tâm thí nghiệm đường thuỷ của Binh đoàn lục quân Mỹ như sau:
+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị: P < 1,33
Hd

gọi là đập thấp, đập thấp chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần.
+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị: P > 1,33
Hd

gọi là đập cao, đập cao thì không chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần.

1.5. Các loại đập tràn khác [13]
1.5.1. Đập vòm tràn nước
Đập vòm đầu tiên trên thế giới được làm bằng đá xây năm 1611, đó là
đập Ponte Anto ở Italia. Sau đó các đập vòm khác ra đời như:
+ Đập Zolia cao 38m xây dựng năm 1843 tại Pháp;
+ Đập Mavuaden cao 237m xây dựng năm 1958 tại Thụy Sỹ;
+ Đập Lazanuan (Liên Xô) cao 67m;
+ Đập Tsircayxcaia (Liên Xô) cao 236m;
+ Đập Vaiont (Italia) cao 266m;...


13
1.5.2. Đập bản chống
Một trong những đập bản chống đầu tiên được xây dựng là đập
liên vòm bằng đá Eltra cao 23m ở Tây Ban Nha vào cuối thế kỷ XVI. Sang thế
kỷ XX thì xây dựng loại đập này rất nhiều:
+ Đập Possum Kingdom ở Mỹ cao 57,8m xây năm 1941;
+ Đập Rodrighets ở Mehico xây dựng năm 1935 cao 76m;
+ Đập Daniele Gionxon ở Canada xây dựng năm 1970 cao 215m;...
1.5.3. Đập cao su
Đập cao su, một công trình thủy lợi có khả năng ngăn nước, xả lũ, điều
tiết mực nước và lưu lượng chảy qua. Đây là một dạng công trình mới về vật
liệu kiến trúc thủy công, xuất hiện vào cuối thập kỷ 60 của thế kỷ XX, với sự
phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp cao phân tử. Đập được cấu tạo bởi
túi cao su chứa khí (hoặc nước), móng đập bằng BTCT mỏng, bộ phận neo
giữ và máy nén khí (hoặc máy bơm nước) để nâng hạ túi cao su. Từ khi ra đời
đến nay đập cao su đã được ứng dụng rộng rãi ở hầu hết các nước tiên tiến
trên thế giới.
Sản phẩm túi đập cao theo công nghệ và vật liệu sản xuất tại Việt Nam
đã được Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện thành công có khả năng

thay thế sản phẩm nhập ngoại với chất lượng, độ bền tương đương và giá
thành hạ.
Ở Việt Nam, đập cao su đầu tiên đã được xây dựng vào tháng 9/1997 là
đập cao su Ngọc Khô, tỉnh Quảng Nam với quy mô dài 25m cao 2m. Từ đó
đến nay ở nước ta gần hai mươi đập cao su với qui mô và hình thức khác nhau
được xây dựng, đơn cử như:
+ Đập cao su Krông Buk tỉnh Đắc Lắc, dài 50m, cao 2,7m;
+ Đập cao su trên thác Prenn tỉnh Lâm Đồng, dài 20m, cao 2,5m;
+ Đập cao su Đầm Chích tỉnh Kiên Giang, dài 20 m, cao 4 m;


14
+ Đập cao su Nam Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị, dài 140m, cao 2,1m;
+ Đập cao su Sa Cá tỉnh Đồng Nai, dài 15m, cao 1,5m;
+ Đập cao su Ong Kinh tỉnh Ninh Thuận dài 20m, cao 1,5m;
+ Đập cao su Đập Cát tỉnh Bình Định dài 33,6m, cao 2,0m;
+ Đập cao su Lại Giang dài 40m, cao 3,0m;...
Đập cao su hoàn toàn phù hợp với các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên.
(nguồn: Mục Khoa học công nghệ trang điện tử Viện Khoa học TL Việt Nam)
1.5.4. Đập tràn phím đàn
Đập tràn phím piano là một dạng đập tràn có tác dụng tăng lưu lượng
tháo dựa trên nguyên tắc tăng chiều dài đường tràn. Những đập tràn loại này
mới áp dụng ở Việt Nam nên chưa có tiêu chuẩn tính toán. Cho đến nay, các
nghiên cứu về loại đập tràn này chủ yếu đi sâu về mặt thủy lực chứ chưa chú
trọng đến phần tính toán kết cấu. Tràn phím đàn là loại tràn có khả năng tháo
lũ gấp (2 ÷ 5) lần tràn tự do Ophixerov (tùy thuộc vào cách thiết kế chiều dài
đường tràn), tuy nhiên nó có nhược điểm là thi công phức tạp, khó tháo các
vật trôi nổi trên sông. Ở Việt Nam hiện nay đã và đang xây dựng đập tràn
phím piano thuộc dự án thủy điện Đăk Mi 2 (Quảng Nam); Vĩnh Sơn 3 (Bình
Định); Đắc Rông 3 (Quảng Trị); đập dâng Văn Phong (Bình Định); đập tràn

Ngàn Trươi – Cẩm Trang (Hà Tĩnh);...
1.6. Đập tràn được xây dựng trên thế giới và Việt Nam
- Ngược dòng lịch sử, Bazil là người đầu tiên đã có những nghiên cứu
rất chi tiết về đập tràn thành mỏng và đã công bố những kết quả nghiên cứu
của ông vào các năm 1886 ÷ 1888.
- Về sau, người ta đã nghiên cứu cải tiến mặt cắt tràn ngày càng hoàn
thiện hơn và đã lần lượt ra đời các mặt cắt sau:
+ Mặt cắt De Marchi (1928);
+ Mặt cắt Cơrighe (1929) dựa trên số liệu của Bazil;


15
+ Mặt cắt Cơrighe cải tiến (1945) dựa trên số liệu của Bureau of
Reclamation (từ các thử nghiệm ở Denver);
+ Mặt cắt Scimemi (1930);
+ Mặt cắt Escande (1937);
+ Mặt cắt Smetana (1948 ÷ 1949);
+ Mặt cắt Cơrighe - Ophixerov (1938);
+ Mặt cắt Lance – Davis (1952) dựa trên số liệu của Bazil,của
Scimemi, của US Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở Fort – collins,
Mỹ);
+ Mặt cắt WES (1952) của Waterways Expriment Station, Mỹ;
Mặt cắt tràn dạng Ophixerov trước đây đã được các nhà thủy lực học
của Liên Xô (cũ) nghiên cứu, đưa ra nhiều kết quả quan trọng đóng góp cho
việc phát triển thủy lợi, thủy điện của đất nước Xô Viết cũng như các nước xã
hội chủ nghĩa trong nhiều thập kỷ qua của thế kỷ trước (từ thập kỷ 30 đến
thập kỷ 70 của thế kỷ XX).
Đập tràn mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và ứng
dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ. Các kết quả nghiên cứu và thực tiễn cho
thấy mặt cắt WES có nhiều ưu điểm hơn nên đã có nhiều nước trên thế giới

tiếp thu.
Trung Quốc là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú đã
chuyển hướng áp dụng mặt cắt tràn dạng WES từ năm 1975. Sau khi tiếp thu,
ứng dụng, bằng lý luận và kinh nghiệm của mình thông qua nhiều công trình
thực tế và thí nghiệm mô hình đã làm phong phú thêm loại đập tràn mặt cắt
dạng WES. Có thể nêu ra điển hình một số đập tràn mặt cắt WES được xây
dựng ở Trung Quốc sau đây:
+ Đập tràn thủy điện Thạch Tuyến;
+ Đập tràn thủy điện Trấn Hồ Nam;


16
+ Đập tràn thủy điện Yến Đồng Hiệp;
+ Đập tràn thủy điện A Đê Đa;
+ Đập tràn thủy điện Tây Tân;
+ Đập tràn thủy điện Phong Mãn;
+ Đập tràn thủy điện Quách Châu;
+ Đập tràn thủy điện Tam Hiệp;
+ Đập tràn thủy điện Câu Pi Than;…
Ở nước ta, từ năm 1999 đến nay, do yêu cầu cung cấp điện, nước cho
các khu công nghiệp, đô thị và dân sinh kinh tế ..., nhiều công trình thủy lợi,
thủy điện có quy mô lớn đã được thiết kế và xây dựng. Đồng thời, với sự trao
đổi chuyển giao khoa học kỹ thuật qua tư vấn của các chuyên gia nước ngoài
nên đã thiết kế và xây dựng một số đập tràn với mặt cắt dạng WES. Trong số
đó phải kể đến:
+ Đập tràn thủy điện Sơn La;
+ Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt;
+ Đập tràn thủy điện Bình Điền;
+ Đập tràn thủy điện Ba Hạ;
+ Đập tràn thủy điện Sông Tranh II;

+ Đập tràn thủy điện Kanak;
+ Đập tràn thủy điện Sê San 3;
+ Đập tràn thủy lợi – thủy điện Nước Trong;…
1.7. Kết luận Chương 1
Đập tràn là một trong những công trình chủ yếu và quan trọng ở đầu
mối thủy lợi, thủy điện, có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc an toàn và ổn
định lâu dài của hồ chứa nước. Do có nhiều ưu điểm về thủy lực nên đập tràn
mặt cắt thực dụng dạng Creger – Ophixerov đã được ứng dụng nhiều ở Việt


17
Nam như đập tràn thủy điện Hòa Bình; đập tràn thủy điện Thác Bà; đập tràn
hồ chứa nước Định Bình, Phú Ninh, Phú Xuân, Thuận Ninh,…
Từ khi mặt cắt tràn dạng WES do Mỹ nghiên cứu, ứng dụng có ưu
điểm hơn nên nhiều nước đã tiếp thu kết quả đó. Trung Quốc đã ban hành một
loạt quy phạm thiết kế và quy trình nghiên cứu thí nghiệm về đập tràn mặt cắt
WES được thống nhất áp dụng toàn quốc gia và đã chuyển sang áp dụng mặt
cắt tràn dạng WES cho các công trình thiết kế xây dựng mới cũng như sửa
chữa cải tạo các công trình đập tràn cũ đã xây dựng trước đây.
Việt Nam cũng đã tiếp thu và đang ứng dụng vào xây dựng một số
công trình thủy lợi, thủy điện như: đập tràn thủy điện Sơn La; đập tràn hồ
chứa nước Cửa Đạt; đập tràn hồ chứa nước Nước Trong,…