Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc để tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc
để tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa” được hoàn thành với kết quả còn nhiều
hạn chế, tác giả hy vọng vấn đề được nghiên cứu trong đề tài sẽ được áp dụng cho
các hồ chứa nước vừa và lớn đã và sẽ được xây dựng ở nước ta nhằm mục đích đảm
bảo khai thác có hiệu quả hồ chứa và hạ du.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy GS.TS Nguyễn Chiến đã tận
tình hướng dẫn và chỉ bảo tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo ĐH và SĐH, Khoa Công
trình, Cơ sở 2, Viện Khoa học Thủy lợi miền nam, các Thầy, Cô giáo đã tham gia
giảng dạy trực tiếp Cao học của trường đại học Thủy lợi đã tận tình giúp đỡ và
truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như
quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành luận văn.
Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy Cô giáo
và các bạn đồng nghiệp để luận văn này được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2012

Hồ Quang Tuấn


BẢN CAM ĐOAN
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc để
tăng khả năng phòng lũ cho hồ chứa”.
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu
vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào
của Nhà trường.

Học viên

Hồ Quang Tuấn


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA, ĐƯỜNG TRÀN ZÍC ZẮC VÀ
VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU.................................................................................4
1.1

Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam .......................4

1.2

Tổng quan về các công trình Tháo lũ ở hồ chứa ..........................................6

1.3

Tổng quan về tràn zíc zắc (tràn Lybyrinth)................................................15

1.4

Phạm vi nghiên cứu của luận văn...............................................................25

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA NGƯỠNG
TRÀN ZÍC ZẮC......................................................................................................26
2.1

Tính toán khả năng tháo qua ngưỡng .........................................................26

2.2

Giải pháp đảm bảo chảy tự do qua ngưỡng................................................30

2.3

Tính toán khả năng tháo có xét đến chảy ngập. .........................................39

2.4

Vấn đề chân không sau ngưỡng và biện pháp xử lý ..................................41

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO TRÀN SÔNG MÓNG.................44
3.1

Giới thiệu công trình hồ sông Móng ..........................................................44

3.2

Giải pháp tràn zíc zắc ở hồ sông Móng và những vấn đề tồn tại. ..............46

3.3

Thí nghiệm và tính toán phương án mới bố trí tràn ở hồ sông Móng........51

3.4

Tóm tắt kết quả nghiên cứu bổ sung tràn sông Móng................................75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các đại lượng đặc trưng của đập tràn.......................................................7
Hình 1-2: Mặt cắt của tràn thực dụng ........................................................................7
Hình 1-3: Mặt cắt của tràn đỉnh rộng.........................................................................8
Hình 1-4: Các hình dạng cửa tràn..............................................................................8
Hình 1-5: Các dạng tuyến đập ....................................................................................9
Hình 1-6 : Các hình thức tiêu năng đáy....................................................................13
Hình 1-7: Các hình thức tiêu năng mặt ....................................................................14
Hình 1-8: Các hình thức mũi phun trong tiêu năng phóng xa..................................15
Hình 1 -9 Tràn zíc zắc - Mỹ (nhìn từ hạ lưu) ............................................................15
Hình 1-10: Cấu tạo tràn labyrinth ............................................................................16
Hình 1-11: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt ..............................................18
Hình 1-12: Các dạng đỉnh tràn.................................................................................18
Hình 1- 13: Dòng chảy trên tràn Labyrinth..............................................................19
Hình 1-14: Mô hình tràn Sông Móng (nhìn từ thượng lưu)......................................23
Hình 1-15 : Mô hình ½ tràn Phước Hòa (nhìn từ thượng lưu).................................24
Hình 2-1: Dòng chảy qua tràn zích zắc kiểu phím đàn piano ..................................26
Hình 2.2: Quan hệ góc mở  α đập labyrinth dạng tam giác với hệ số mở rộng (m) 31
Hình 2. 3: Hiệu quả đối với đập tam giác.[17] ........................................................32
Hình 2.4: Minh họa ảnh hưởng của sự xáo trộn dòng chảy .....................................34
Hình 2.5: Vị trí và hướng của đập tràn labyrinth - Houston (1983) ........................35
Hình 2. 6: Sân phủ hạ lưu (The performance of labyrinth weir-Taylor 1968).........36
Hình 2.7: Ảnh hưởng của một số loại sân phủ đến lưu lượng.-Taylor (1968). “The
perfomance of labyrinth weis”..................................................................................37
Hình 2.8: Cấu trúc đập tràn Labyrinth.....................................................................38
Hình 2-10: Đập tràn zíchzắc ở Mỹ ...........................................................................40

Hình 2-11: Đập tràn zíchzắc TVA's Holston ............................................................41
Hình 3.1: Mô Hình tràn Sông Móng (nhìn từ thượng lưu) ......................................46


Hình 3 -2 Tràn Sông Móng nhìn phía hạ lưu............................................................47
Hình 3-3 Toàn cảnh hồ Sông Móng ..........................................................................47
Hình 3-4 Quan hệ Zt – Q khi chưa phá chân không .................................................48
Hình 3. 5: Quan hệ khả năng tháo giữa labyrinth và tràn thẳng ............................52
Hình 3.6: Quan hệ giữa hệ số lưu lượng Cd và Ho/P ứng với các góc khác nhau ..53
Hình 3.7: Chi tiết bố trí ống thông khí......................................................................56
Hình 3-8 Quan hệ Zt – Q sau khi phá chân không ...................................................57
Hình 3.9 : Mặt bằng tổng thể tràn xả lũ sông Móng ................................................57
Hình 3.10 : Mặt bằng dốc nước tràn sông Móng .....................................................58
Hình 3.11 : Đường mặt nước trên dốc nước.............................................................61
Hình 3.12 Đường bao hố xói ứng với mỗi cấp lưu lượng.........................................75


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Một số sơ đồ và công thức tính toán lưu lượng qua tràn ........................10
Bảng 1-2. Thông số cơ bản một số đập tràn labyrinth đã xây dựng trên thế giới [15]
...................................................................................................................................21
Bảng 2.1: Hệ số Ai trong công thức 2 - 5 .................................................................28
Bảng 2.2: Bảng tra hệ số triết giảm lưu lượng của tràn xiên (k) [2] ......................29
Bảng 3- 1: Khả năng tháo trên kết quả mô hình.......................................................51
Bảng 3.2 Các giá trị của đường mặt nước trên dốc .................................................61
Bảng 3.3. Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 100 m3/s. Đoạn 1 ..........62
Bảng 3.4: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 100 m3/s. Đoạn 2..........63
Bảng 3.5. Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 220 m3/s. Đoạn 1 ..........64
Bảng 3.6: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 220 m3/s. Đoạn 2..........65
Bảng 3.7. Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 200 m3/s. Đoạn 1 ..........66

Bảng 3.8: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 200 m3/s. Đoạn 2..........67
Bảng 3.9. Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 50 m3/s. Đoạn 1 ............68
Bảng 3.10: Kết quả tính toán thủy lực đoạn dốc nước, Q = 50 m3/s. Đoạn 2..........69
Bảng 3.11 Xác định giá trị chiều sâu dòng đều trong kênh hạ lưu ..........................72
Bảng 3.12: Kết quả tính chiều sâu hố xói theo Vưzgo.............................................73
Bảng 3.13: Bảng kết quả tính chiều dài phun xa. .....................................................74


1

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài.
Nhiều năm nay ở nước ta, những hồ chứa nước đã đóng vai trò tích cực trong
việc trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô nắng nóng, làm giảm bớt khó khăn
và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống. Thực tế, các hồ đã trở
thành một phần không thể thiếu trong phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống hằng
ngày của người dân ở địa phương.
Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đến nay
cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại. Trong đó hồ chứa vừa và lớn có
khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m3, đập cao hơn 10m - chiếm 20%,
trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m3 - chiếm 2%, còn lại 80% là
các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn.
Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi nhiều so
với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn đến thảm thực vật
bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng nước ngày càng tăng ...,
có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần giải quyết.
Theo kết quả khảo sát mới nhất về hiện trạng hồ đập trên cả nước mới được
Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT) công bố cho thấy, các hồ chứa nước vừa và nhỏ
chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất an toàn
cao. Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ, 17%

số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều bị rò
rỉ do xuống cấp nghiêm trọng.Vì không đủ năng lực xả lũ, nên ở nhiều nơi người dân
đã phải tháo tràn nước từ hồ ra, chỉ giữ lại dung tích chứa còn 30-40%, điều này đã
biến nhiều hồ thành các ao chứa nước, không còn tác dụng tích nước như thiết kế.
Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục công trình
như: đập, tràn xả lũ, cống lấy nước, dốc nước, kênh dẫn v.v….Trong đó đường tràn
là bộ phận không thể thiếu dùng để xả lũ, bảo vệ an toàn cho đầu mối hồ chứa.
Trong thời gian gần đây, do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có sự
tàn phá của môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho lũ đến hồ chứa có


2

những biến đổi bất thường, chưa lường trước được. Hiện tượng lũ vượt thiết kế ở hồ
chứa có thể gây nên các sự cố hồ chứa như: nước tràn qua đỉnh gây hư, hỏng đập,
lưu lượng tháo quá lớn làm hư hỏng đường tràn hay thiết bị tiêu năng ...Một trong
những biện pháp đảm bảo an toàn cho hồ chứa là mở rộng đường tràn, làm tràn sự
cố, trong đó có hình thức ngưỡng tràn zíc zắc, tức bố trí ngưỡng tràn dạng gấp khúc
để tăng bề rộng tràn nước, giảm cột nước trên đỉnh tràn. Tuy nhiên, chúng ta chưa
có nhiều kinh nghiệm về thiết kế loại ngưỡng tràn zíc zắc. Một số vấn đề cần phải
được tiếp tục nghiên cứu làm rõ như: bố trí mặt bằng đường zíc zắc sao cho hợp lý
nhất, vấn đề chảy ngập qua ngưỡng tràn, xử lý chân không sau ngưỡng tràn...
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu giải pháp bố trí hợp lý tràn zíc zắc để tăng khả
năng phòng lũ cho hồ chứa” là có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
II. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
- Làm rõ phạm vi và điều kiện áp dụng hình thức tràn zíc zắc cho các hồ chứa nước.
- Xem xét khả năng chảy ngập qua ngưỡng tràn zíc zắc và giải pháp bố trí ngưỡng
để hạn chế khả năng chảy ngập, tăng khả năng tháo.
- Ảnh hưởng của hiện tượng chân không sau ngưỡng và giải pháp loại trừ chân
không.

III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1- Cách tiếp cận
-

Từ yêu cầu của thực tế mà đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu

-

Từ việc giải quyết các vấn đề và trường hợp cụ thể đế khái quát hóa và đề

xuất giải pháp hợp lý về bố trí và tính toán.
2- Phương pháp nghiên cứu
-

Thu thập các tài liệu thực tế về hồ chứa nước và đường tràn.

-

Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có.

-

Phân tích và đề xuất phương pháp bố trí, tính toán.

-

Ứng dụng cho công trình cụ thể, đối chiếu với các tài liệu đã có để phân tích, lựa chọn.
IV- Kết quả dự kiến đạt được

-

Nghiên cứu tổng quan về tràn zíc zắc, đặc điểm bố trí và phạm vi áp dụng;

những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. .


3

-

Khả năng chảy ngập qua ngưỡng tràn và giải pháp hạn chế chảy ngập để

tăng khả năng tháo qua ngưỡng tràn.
-

Ảnh hưởng của chân không sau ngưỡng và biện pháp khắc phục.

-

Ứng dụng tính toán cho hồ sông Móng: đề xuất giải pháp bố trí tràn zíc zắc

và các tính toán tương ứng.
V- Nội dung của luận văn.
Chương 1 – Tổng quan về hồ chứa, đường tràn zíc zắc và vấn đề cần nghiên cứu.
1.1

Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam.

1.2

Tổng quan về các công trình tháo lũ ở hồ chứa.

1.3

Tổng quan về tràn zíc zắc (tràn Lybyrinth)

1.4

Giới hạn các vấn đề nghiên cứu.

Chương 2 – Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của ngưỡng tràn zíc zắc.
2.1

Tính toán khả năng tháo qua ngưỡng

2.2

Giải pháp đảm bảo chảy tự do qua ngưỡng.

2.3

Tính toán khả năng tháo có xét đến chảy ngập.

2.4

Vấn đề chân không sau ngưỡng và biện pháp xử lý.

Chương 3 – Tính toán áp dụng cho tràn sông Móng.
3.1

Giới thiệu công trình hồ sông Móng

3.2

Giải pháp tràn zíc zắc ở hồ sông Móng và những vấn đề tồn tại.

3.3

Tính toán phương án mới bố trí tràn zíc zắc ở hồ sông Móng.

3.4

Phân tích kết quả tính toán.

Chương 4 – Kết luận, kiến nghị
4.1

Các kết quả đạt được của Luận văn.

4.2

Một số vấn đề tồn tại.

4.3

Kiến nghị.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

4

2

3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA, ĐƯỜNG TRÀN ZÍC ZẮC VÀ VẤN ĐỀ
CẦN NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình xây dựng và khai thác hồ chứa nước ở Việt Nam
Nhiều năm nay ở nước ta, những hồ chứa nước đã đóng vai trò tích cực trong
việc trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô nắng nóng, làm giảm bớt khó khăn
và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống. Thực tế, các hồ đã trở
thành một phần không thể thiếu trong phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống hằng
ngày của người dân ở địa phương.
Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đến nay
cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại. Trong đó hồ chứa vừa và lớn có
khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m3, đập cao hơn 10m - chiếm 20%,
trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m3 - chiếm 2%, còn lại 80% là
các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn.
Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi nhiều so
với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn đến thảm thực vật
bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng nước ngày càng tăng ...,
có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần giải quyết.
Theo kết quả khảo sát mới nhất về hiện trạng hồ đập trên cả nước mới được
Tổng Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT) công bố cho thấy, các hồ chứa nước vừa và
nhỏ chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất an

toàn cao. Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng lực xả lũ,
17% số hồ đập bị thẩm lậu, xô tụt lớp gia cố mái thượng lưu, các cống lấy nước đều
bị rò rỉ do xuống cấp nghiêm trọng.Vì không đủ năng lực xả lũ, nên ở nhiều nơi
người dân đã phải tháo tràn nước từ hồ ra, chỉ giữ lại dung tích chứa còn 30-40%,
điều này đã biến nhiều hồ thành các ao chứa nước, không còn tác dụng tích nước
như thiết kế.


5

Nguyên nhân chủ yếu của tình trạng xuống cấp các hồ đập là phần lớn các hồ
chứa nước hiện nay được xây dựng từ những năm 70, 80 của thế kỷ trước. Do thời
gian thi công gấp nên công tác khảo sát, thiết kế, thi công có nhiều thiếu sót, nhiều
hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ - do mô hình thiết kế lũ không phù hợp với tình
hình mưa (thực tế) trên lưu vực, do tài liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn ngắn nên
thiết kế không chính xác, trong khi đó diễn biến thời tiết ngày càng bất lợi, hạn hán,
lũ lụt xảy ra liên tiếp, rừng đầu nguồn hồ chứa bị tàn phá nên tốc độ lũ trên lưu vực
đổ tập trung về hồ nhanh, mạnh và nhiều hơn so với trước đây làm mực nước trong
hồ dâng cao xấp xỉ cao trình đập, gây mất an toàn.
Một nguyên nhân khác làm cho các hồ chứa ở tình trạng mất an toàn là cơ sở
hạ tầng phục vụ cho công tác quản lý vận hành còn thiếu và yếu kém: nhiều hồ
không có đường cho xe cơ giới tiếp cận công trình để ứng cứu khi có sự cố, nhiều
hồ thiếu phương tiện thông tin liên lạc phục vụ công tác quản lý và phòng chống lụt
bão. Bên cạnh đó, công tác quản lý các hồ (đặc biệt là các hồ nhỏ) đã bộc lộ nhiều
bất cập. Đó là, năng lực cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý còn yếu. Các khâu đào tạo,
tập huấn những kiến thức tối thiểu về quản lý hồ chưa được ai chú trọng (nhất là các
hồ do dân quản lý). Thiếu kinh phí cho việc duy tu, bão dưỡng định kỳ, cho nên
thường là chỉ đến khi công trình có nguy cơ sụp đổ cao hoặc đã bắt đầu hư hỏng
mới được cấp kinh phí sữa chữa...
Trong khi tình trạng các hồ chứa như trên thì theo dự báo của ngành khí

tượng thủy văn, thời tiết năm nay tiếp tục có những diễn biến phức tạp, hạn hán
diễn ra trên diện rộng và kéo dài trong những tháng đầu năm, tháng 9, 10 vừa qua
đã có những trận mưa, lũ lớn. Vì thế, chuẩn bị sẵn sàng chống lũ cho đê, kè và các
hồ chứa nước là việc cần phải được lưu ý.
Để giải quyết nhu cầu cần tăng dung tích hồ mà vẫn đảm bảo yêu cầu thoát
lũ hoặc nhu cầu cần phải đảm bảo thoát được những cơn lũ ngày càng lớn, có nhiều
biện pháp công trình đã được đề xuất:


6

1 - Nâng ngưỡng tràn chính bằng đập tràn bê tông trọng lực có mặt cắt thực
dụng kiểu Creager-Ophixerov: Phương án này có giá thành thấp nhưng không đảm
bảo khả năng thoát lũ thiết kế (vì giảm mặt cắt thoát lũ).
2 - Làm tràn nhiều khoang có cửa van: Phương án này đảm bảo mục đích
công trình đề ra nhưng kết cấu công trình phức tạp, giá thành công trình cao, vận
hành khó khăn.
3 – Mở rộng ngưỡng tràn để tăng khả năng thoát lũ: đây là giải pháp mới,
đang được ứng dụng ở Việt Nam. Phương án này có ưu điểm là tăng được lưu
lượng xả, giảm diện tích ngập ở thượng lưu, giá thành thi công rẻ, vận hành đơn
giản, an toàn, thích hợp với các công trình vừa và nhỏ, đặc biệt là các công trình cần
nâng cấp tràn để đáp ứng nhu cầu dùng nước hoặc đảm bảo khả năng thoát lũ trong
tình hình thời tiết hiện tại.
1.2

Tổng quan về các công trình tháo lũ ở hồ chứa
Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục công trình

như: đập, tràn xả lũ, cống lấy nước, kênh dẫn v.v….Trong đó tràn xả lũ là hạng mục
quan trọng và chiếm tỷ lệ khá cao về kinh phí xây dựng trong cụm công trình đầu

mối, có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối và cả vùng hạ du.
Trong những năm gần đây nhiều công trình bị lũ đe dọa phá hoại nên đã
nâng cấp hoặc xây dựng thêm tràn sự cố. Qua thống kê các tràn xả lũ ở các hồ chứa
đã xây dựng cho thấy tràn xả lũ được thiết kế rất đa dạng về chủng loại, quy mô,
kích thước.
1.2.1 Phân loại tràn
1.2.1.1. Phân loại theo hình dạng kích thước mặt cắt ngang tràn:
Theo cách phân loại này đập tràn có thể chia ra làm 3 loại sau đây:
a. Đập tràn thành mỏng (hình 1-1).
Khi chiều dày của đỉnh đập δ < 0.67H, làn nước ngay sau khi tràn qua mép
thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời 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.


7

B

0

H

b

Z

δ

hh

P

P1

Vo

0

1. Hình 1-1: Các đại lượng đặc trưng của đập tràn
Với: b:

Chiều rộng đập tràn: là chiều dài đoạn tràn nước.

P1:

Chiều cao của đập so với đáy kênh hoặc sông thượng lưu.

P:

Chiều cao của đập so với đáy hạ lưu.

H:

Cột nước tràn: là chiều cao mặt nước thượng lưu so với đỉnh đập.

δ:

Chiều dày đỉnh đập.

hh:

Chiều sâu cột nước hạ lưu.

hn:

Độ ngập hạ lưu: là chiều sâu từ mặt nước hạ lưu đến đỉnh đập (khi

nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập), hn = hh - P
b. Đập tràn có mặt cắt thực dụng (hình 1-2).
Khi chiều dày đỉnh đập ảnh hưởng đến làn nước tràn, nhưng không quá lớn, cụ thể
là:
0.67H < δ < (2÷3)H
Mặt cắt đập có thể là đa giác hoặc hình cong.
H

O = 90

O

a

§¸ x©y

a)

b)

c)

2. Hình 1-2: Mặt cắt của tràn thực dụng
a) Đập thực dụng hình cong; b) Đập thực dụng hình thang; c) Đập tràn thực
dụng có cửa van điều tiết lưu lượng


8

c. Đập tràn đỉnh rộng (hình 1-3).
Khi đỉnh đập nằm ngang (hoặc rất ít dốc) và có chiều dày tương đối lớn:
(2÷3)H < δ < (8÷10)H
Trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần.
Nhưng nếu chiều dày đỉnh đập quá lớn δ > (8÷10)H, thì không thể coi là đập tràn

P

P1

H

nữa mà phải coi như một đoạn kênh.

3. Hình 1-3: Mặt cắt của tràn đỉnh rộng
1.2.1.2

Phân loại theo hình dạng cửa tràn:
c. Đập tràn cửa hình thang (1-4c)

b. Đập tràn cửa tam giác (1-4b)

d. Đập tràn cửa hình cong (1-4d)

H

H

H

H

a. Đập tràn cửa chữ nhật (1-4a)

4. Hình 1-4: Các hình dạng cửa tràn
1.2.1.3

Phân loại theo dạng tuyến đập trên mặt bằng:

a. Ngưỡng tràn trên mặt bằng có dạng đường thẳng.
-

Đập tràn thẳng hoặc tràn chính diện (hình 1-5a)

-

Đập tràn xiên (hình 1-5b)

-

Đập tràn bên (hình 1-5c)

b. Ngưỡng tràn trên mặt bằng có dạng không phải là đường thẳng.

-

Đập tràn hình gãy khúc (hình 1-5d)


9

-

Đập tràn hình cong (hình 1-5e)

-

Đập tràn khép kín (thường là kiểu giếng đứng) (hình 1-5f)

b

b

b

5. Hình 1-5: Các dạng tuyến đập
1.2.1.4

Phân loại theo ảnh hưởng mực nước hạ lưu đối với dòng chảy:

a. Đập tràn không ngập, lúc đó Q và H đều không phụ thuộc vào hn.
b. Đập tràn chảy ngập: Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập đến mức độ
ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và năng lực tháo nước của đập.
Ngoài ra đập tràn cửa chữ nhật còn phải căn cứ vào quan hệ giữa chiều dài tràn

nước của đập với chiều rộng lòng dẫn ở thượng lưu mà chia ra hai loại là: đập không
có co hẹp bên và đập có co hẹp bên.
1.2.2 Lưu lượng qua đập tràn.
Trong trường hợp chung, khi cửa tràn hình chữ nhật, lưu lượng qua tràn phụ
thuộc vào các đại lượng chủ yếu sau:
-

Chiều rộng cửa tràn b.

-

Chiều rộng sông thượng lưu B.

-

Cột nước toàn phần trên đỉnh tràn Ho.

-

Chiều sâu ở hạ lưu hh.

-

Chiều cao đập P.

-

Gia tốc trọng trường g.

Khi đó, có công thức chung tính lưu lượng qua tràn: [2]

Q = σn.ε.m.b. 2g .Ho3/2

(1-1)

Trong đó:
m: Hệ số lưu lượng phụ thuộc đặc tính, cấu tạo từng loại đập.


10

ε: Hệ số co hẹp bên, phụ thuộc mức độ co hẹp h/B và hình dạng cửa vào trên
mặt bằng.
σn: Hệ số ngập (σn<1), phụ thuộc chủ yếu vào mức độ ngập, tức quan hệ giữa
hn và H.
Các trị số m, ε, σn sẽ được xét riêng cho từng loại đập cụ thể.
Một số công thức tính lưu lượng của dòng chảy qua một số loại mặt cắt đập
thường gặp thể hiện ở bảng 1-1.
Bảng 1-1: Một số sơ đồ và công thức tính toán lưu lượng qua tràn
TT

Sơ đồ

(1)

(2)

Công thức tính lưu

Hệ số lưu lượng

lượng

thiết kế

(3)

(4)

Q=m.b. 2g .Ho3/2

mo= 0.49

Q=m.b. 2g .Ho3/2

mo~ 0.48

Q=m.b. 2g .Ho3/2

mo=0.552÷0.554

Q=m.b. 2g .Ho3/2

mo=0.55÷0.57

x
1

y
x
2

y
3
a
2b

4
2/3
m=


11

0.333H

Q=m.b. 2g .Ho3/2

(phụ thuộc vào c,
H,p)

P

5

H/c=2-0.5
c

mo~0.33÷0.44
Q=m.b. 2g .Ho3/2

H

6

mh)

m
2

c

1
m

(phụ thuộc vào mt,

z

Q=m.b. 2g .Ho3/2

0.082<σn<1

h

h2

H
P

8

(không ngập)

c/H=3-10

c

hn z

7

Q=m.b. 2g .Ho3/2

P

H

h z'

mo~0.3÷0.385

10

h1

9

d1 h2

He

c

d
= 0.1 ÷ 0.7
h1

2
c 2g(h 13 − h 32 )
3

c=0.64÷0.715

Q=ε.b.(2πR-

mo=0.2÷0.45

no.S) 2g .H3/2

(ε ≈ 0.9)

Q=


12

(H/R≤1 không

D

ngập)

H

R

P

yn

ymax

x

y

PhÔu tho¸t n−íc

dn

§o¹n chuyÓn tiÕp 1

μ=f(∑ξi)
μ ≈ 0.7÷0.85

A

t

H

11

Q = μ.ω 2g(H + z d )

ξi là tổn thất từ cửa

(H/R≥1.6 bị ngập)

vào tới B-B

Bảng trên chỉ mang tính chất tổng quát, khi tính toán chi tiết phải sử dụng các
sổ tay tính toán thủy lực và hướng dẫn thiết kế.
1.2.3

Tiêu năng sau đập tràn.

Có 3 hình thức tiêu năng ứng với 3 hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu. Khi
mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức đó có thể chuyển hóa lẫn nhau.
a) Tiêu năng dòng đáy:
- Điều kiện áp dụng: Dùng với cột nước thấp; nền hạ lưu công trình tương đối
kém; độ sâu hạ lưu hh thay đổi trong phạm vi lớn.
- Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức bể tiêu năng (hình 1-6a), tường
tiêu năng (hình 1-6b), bể tường kết hợp (hình 1-6c).
- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tiêu năng tốt và làm việc ổn định.
- Nhược điểm: Khi cột nước cao, hc’’ rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở bể tiêu
năng 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.

13

q

t

q

Eo
Ct

Ct

E 'o

E'o

Eo

t

C

C
do

c

0

0
0'

0'
C

C

a.

b.

E'o
Ct

Eo

qt

C

d

c

0
0'
C

c.
6. Hình 1-6 : Các hình thức tiêu năng đáy
a. Bể tiêu năng

b. Tường tiêu năng

c. Bể - tường kết hợp

b) Tiêu năng mặt:
- Điều kiện áp dụng:
+ 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:
a/P ≥ 0.2 (a: chiều cao bậc, P: chiều cao tràn)
+ 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 mặt: Hình thức nối tiếp chảy mặt không ngập
(hình 1-7a), nối tiếp chảy mặt ngập (hình 1-7b) 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 so với tiêu
năng dòng đáy. Chiều dài sân sau thường ngắn hơn (1/5 ÷1/2) lần, đồng thời lưu tốc


14

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.
h"c < hh
h"c > hh
1

c

hh

h'h

hc

i < ik

c

a.

hk

i < ik

1
Lp

b.

7. Hình 1-7: Các hình thức tiêu năng mặt
a. Tiêu năng mặt

b. Tiêu năng mặt ngập

c) Tiêu năng phóng xa:
- Điều kiện áp dụng:
+ Công trình có cột nước trung bình và lớn, địa hình thuận lợi, địa chất tốt.
+ Đỉnh mũi phun phải cao hơn MNHLmax
+ Chiều cao cột nước trước đập phải đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa.
- Các loại mũi phun: Mũi phun liên tục (hình 1-8a), mũi phun không liên tục
(hình 1-8b), mũi phun mở rộng (phát tán), mũi phun thu hẹp.
- Ưu điểm: Khả năng tiêu năng tốt do tia nước ma sát với cả không khí và khối
nước hạ lưu, hố xói được tạo ra xa chân công trình nên đảm bảo an toàn.
- Nhược điểm: Khi đập thấp chiều dài phóng xa ngắn, dùng hình thức tiêu năng
này sẽ bị hạn chế. Dòng phun xuống hạ lưu gây sương mù, ẩm ướt, dễ gây sạt lở bờ.


15

a
)

b
)

8. Hình 1-8: Các hình thức mũi phun trong tiêu năng phóng xa
1.3 Tổng quan về tràn zíc zắc (tràn Labyrinth)
1.3.1 Khái niệm:
Tràn labyrinth là tràn tự do có mặt bằng hình gấp khúc (zíc zắc) nhằm kéo dài
đường tràn nước dài hơn tràn thẳng có cùng khẩu độ.

9. Hình 1 -9 Tràn zíc zắc - Mỹ (nhìn từ hạ lưu)
Lâu nay, đập tràn zíc zắc truyền thống đã được áp dụng thành công tại rất
nhiều nơi trên thế giới. Tràn zíc zắc đầu tiên được xây dựng ở Australia vào năm
1941, có lưu lượng xả lớn nhất Q=1020m3/s, cột nước tràn H=1,36m,chiều cao
ngưỡng tràn P=2,13m, số nhịp n=11. Những nghiên cứu sâu về lý thuyết và mô hình
có từ cuối những năm 60, đầu những năm 70 của thế kỷ XX. Tràn zíc zắc lớn nhất


16

hiện nay là đập Ute trên sông Canadian ở New Mexico có Qmax=15.700m3/s, cột
nước tràn H=1,36m,chiều cao ngưỡng tràn P = 9,14m; n = 11 chu kỳ zíc zắc, tổng
chiều dài đỉnh là W = 1024m trên đường tràn rộng 256m.
1.3.2 Đặc điểm cấu tạo và kích thước của tràn:
Ngưỡng tràn gồm những tường bê tông cốt thép thẳng đứng, tương đối mỏng,
được đặt trên sàn phẳng theo dạng răng cưa hình thang (h.1-10). Tỷ số N=L/W
thường bằng 4 (L là chiều dài ngưỡng theo tuyến răng cưa và W là bề rộng khoang
tràn) cho lưu lượng xả tràn lớn gấp đôi so với ngưỡng tràn thông thường kiểu
Creager. Nhược điểm của kiểu ngưỡng tràn này là muốn tăng lưu lượng tràn thì phải
tăng chiều cao tường. và cần diện tích rộng cho sàn phẳng, khó bố trí trên đỉnh đập
trọng lực.
Loại đập này có nhiều biến thái khác nhau, nhìn chung cũng chỉ nhằm kéo dài
ngưỡng tràn (Hình 1-10).
MÆt b»ng trµn
Wc
a

W

B

Tw

2a

Rc

Ts

S

C¾t ngang t−êng

P Ho

C¾t däc trµn

Fb

T−êng labyrinth

T−êng labyrinth

Tw

10. Hình 1-10: Cấu tạo tràn labyrinth
B : Chiều dài 1 cánh tường bên.
D : Chiều dài tràn labyrinth, theo hướng dòng chảy về hạ lưu.
n : Số răng tràn (trong hình 1-10 là 2)
Wc : Khẩu độ tràn.

17

W : Chiều rộng chân 1 răng tràn.
2a : Bề rộng đỉnh răng tràn
α: Góc hợp bởi tường nghiêng và phương dòng chảy
t : Chiều dày tường tràn (Hình 1-12)
R : Bán kính đỉnh tràn (Hình 1-12)
P : Chiều cao tràn (Hình 1-12)
Ho : Tổng chiều cao cột nước bao gồm cả cột nước tới gần
* Các kích thước của đập labyrinth được xác định như sau:
Chiều rộng mỗi răng tràn :
Ω = Ωχ /υ

(1-2)

Chiều dài đỉnh đập:
Λω = (Λ / Ω).Ω = μ .Ω

(1-3)
Góc mở tường bên:

α = arctan

W − 4.a
2.S

(1-4)

Chiều rộng chân tường :

B=

L − 2.(2.a)
2

(1-5)

Chiều dài đập theo hướng dòng chảy:

W − 2.a
S= B −
2


2

2

(1-6)

Cột nước trên đỉnh (cột nước tràn):

Ho = H +

α.V 2
2.g

(1-7)

18

1.3.3 Các dạng mặt bằng của tràn Labyrinth.
a)

b)

c)

d)

e)

f)

Hình 1-11: Mặt bằng các dạng ngưỡng tràn đặc biệt
- Loại hình tam giác (hình 1-11b): Có mặt bằng hình tam giác, loại này thường ít
được sử dụng vì tại vị trí đỉnh tam giác hiệu quả khơng cao, trong khi đó lại kéo dài phần
đế móng tràn.
- Loại hình thang (hình 1-11a): Hầu hết tràn labyrinth có hình dạng mặt bằng kiểu
hình thang, thậm chí có tác giả còn định nghĩa “tràn labyrinth là tràn tự do có hình dạng
mặt bằng là một số hình thang xếp liền kề”. Kiểu hình thang khắc phục được nhược điểm
của kiểu tam giác, tại vị trí góc hình tam giác thì được cắt đi, mục đích là cắt bỏ phần mà
khả năng thốt khơng hiệu quả, đồng thời còn làm giảm chiều rộng đế móng.
- Kiểu chữ nhật hay phím đàn piano (Hình 1-11c)
- Kiểu mỏ vịt (Hình 1-11d)
- Kiểu tràn xiên (Hình 1-11e)
- Kiểu tràn bên (Hình 1-11f)

1.3.4 Các hình thức cấu tạo của ngưỡng tràn (Hình 1-12)
H−íng dßng ch¶y

CTMN

R
P

R = P/12
t = P/6

R

Ho: Tổng cột nước

R

R

t

§Ønh nhän
§Ønh ph¼ng

§Ønh 1/4 ®−êng trßn
Đỉnh dạng đặc biệt
§Ønh 1/2 ®−êng trßn

11. Hình 1-12: Các dạng đỉnh tràn

19

Loại có ngưỡng dạng đỉnh nhọn
Loại có ngưỡng dạng phẳng
Loại có ngưỡng dạng ¼ đường tròn
Loại có ngưỡng ½ đường tròn
Loại có ngưỡng dạng đặc biệt
1.3.5 Đặc điểm làm việc.
Dòng chảy qua đập tràn labyrinth có những đặc điểm khác biệt so với dòng
chảy qua đập tràn đỉnh thẳng. Với tràn đỉnh thẳng, tất cả các đường dòng vng góc
với với đỉnh tràn và là dòng chảy 2 chiều. Với tràn labyrinth được đặt khơng vng
góc với dòng chảy, dòng chảy qua ngưỡng là dòng 3 chiều (Hình 1.13). Phía dưới
lớp nước dòng chảy vng góc với ngưỡng, tại mặt thống các đường dòng hướng
theo chiều chảy hạ lưu

h

A

Thượng lưu tràn

p

B

B

B
A

hạ lưu tràn

Ld

B

DẠNG KHÔNG GIAN

A-A

Ngưỡng tràn

B-B
B

B

α

Ld

Ld

A

W

A

Đường dòng

Vùng xáo trộn

MẶT BẰNG

12. Hình 1- 13: Dòng chảy trên tràn Labyrinth