LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG hợp lý CHO TRÀN xả lũ TỈNH bà rịa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
---------------------------------

 
 

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 
LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HỢP LÝ 
CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU
LUẬN VĂN THẠC SĨ  KỸ THUẬT
Chuyên ngành: CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 
Mã số:   

Người hướng dẫn khoa học:GS-TS PHẠM NGỌC QUÝ
 
Hµ Néi - 2008


NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM
Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp, nội dung nghiên cứu
Chương I: Tổng quan chung về tiêu năng sau tràn xả lũ.
Chương II: Cơ sở lý luận nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy
lực cho tràn xả lũ sông Ray.
Chương  III:Thí nghiệm mô hình tiêu năng cho tràn xả lũ sông
Ray.
Chương IV:Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm.
Kết luận

Tài liệu tham khảo
Phụ lục


MỞ ĐẦU  
Trong công trình đầu mối hồ chứa nước ngoài các hạng mục
như đập, cống lấy nước…thì tràn xả lũ là một hạng mục quan
trọng không thể thiếu trong hệ thống và vấn đề về lựa chọn giải
pháp tiêu năng hợp lý sau tràn cần phải được quan tâm nhất.
Nhưng việc tính toán thủy lực nối tiếp tiêu năng phòng xói
sau tràn xả lũ rất phức tạp. Vì thế, để hoàn thiện phương án
thiết kế, thường thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô
hình thủy lực nhằm so sánh, lựa chọn và tối ưu hóa các thông số
kỹ thuật đáp ứng yêu cầu về thoát lũ, tiêu năng hạ lưu tràn để
tìm được chế độ nối tiếp thượng hạ lưu hợp lý, và chọn được
kích thước hình học và kết cấu phù hợp đảm bảo điều kiện kinh
tế, kỹ thuật.
Lựa chọn đề tài: ‘‘Nghiên  cứu  thực  nghiệm  lựa  chọn  giải 
pháp tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray’’


MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG 
NGHIÊN CỨU
1.MỤC TIÊU: 
* Tìm được giải pháp tiêu năng hợp lý cho tràn.
* Khái quát kết quả nghiên cứu nhằm rút ra kết luận chung để
có thể áp dụng cho những công trình có hình thức và điều kiện
tương tự
2. PHƯƠNG PHÁP:
Kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm:

* Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu đã có.
* Thí nghiệm mô hình thủy lực cho tràn xả lũ sông Ray.
Khái quát hóa các kết quả nghiên cứu thực nghiệm thông
qua việc ứng dụng công nghệ thông tin nhằm giải quyết vấn đề
đặt ra.


3. NỘI DUNG:
Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thủy lực tràn xả lũ
sông Ray với 2 nội dung sau:
* Nghiên cứu thực nghiệm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ
lưu công trình.
* Xây dựng quan hệ giữa các yếu tố thủy lực phục vụ cho việc
lựa chọn giải pháp tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ sông Ray.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ 
TIÊU NĂNG SAU TRÀN XẢ LŨ
1.TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA:
Hồ chứa là loại công trình phổ biến, được xây dựng để điều
tiết dòng chảy và phục vụ đa mục tiêu như: tưới tiêu, phát điện,
cắt lũ hạ du, cung cấp nước cho dân cư,thau chua rửa mặn ...
Việc xây dựng các hồ chứa cũng đã phát triển khá mạnh ở
Việt Nam. Hiện cả nước có 1.957 hồ chứa (chưa kể hồ thuỷ
điện) đã xây dựng và đưa vào khai thác, trong đó 79 hồ lớn với
trữ lượng trên 10 triệu m3 và trên 460 hồ chứa nước có dung tích
trữ từ 1 triệu m3
Trên thế giới hồ chứa được xây dựng, phát triển đa dạng và
phong phú. Hiện thế giới có 45.000 hồ có dung tích từ 1 triệu
m3. Trung Quốc có 22.000 hồ; Mỹ có 6.575 hồ; Ấn Độ có 4.291

hồ; Nhật Bản có 2.675 hồ; Tây Ban Nha có 1.196 hồ


2.TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ:
Đa phần tràn xả lũ đã xây dựng là tràn không có cửa van
chiếm 95% (tính theo số lượng), 80% là ngưỡng tràn đỉnh rộng,
nối tiếp sau tràn là dốc nước hoặc bậc nước, thường sử dụng 3
dạng hình thức tiêu năng là tiêu năng đáy bằng bể, bể tường kết
hợp; tiêu năng phóng xa và tiêu năng chảy mặt bằng bậc thụt.
Căn cứ vào tài liệu thống kê sơ bộ, hình thức tiêu năng của
tràn xả lũ (kiểu bờ sông)của những công trình lớn và vừa đại đa
số dùng dòng phun. Ở Trung Quốc 85% dùng kiển dòng phun,
15% dùng tiêu năng đáy, ở các nước khác 75% dùng kiểu dòng
phun, 25% dùng kiểu tiêu năng đáy hoặc mặt. Ở Việt Nam
khoảng 60-70% các công trình được ứng dụng tiêu năng xả lũ
kiểu dòng phun.


3.NHỮNG KẾT QUẢ VỀTIÊU NĂNG SAU TRÀN:
Tràn xả lũ là một trong những hạng mục làm việc nặng nề
nhất của đấu mối công trình thủy lợi, nó có thể bị phá hủy bởi
sự xuất hiện xói không tính trước.Điển hình như đập tràn ở
sông Yabe (Mỹ-1904) sau 1 thời gian khai thác thì đã ngừng
hoạt động vì ở hạ lưu xuất hiện hố xói với chiều sâu lớn nhất là
5.8m. Còn đối với đập Vacô (Mỹ) thì toàn bộ tấm đáy bể tiêu
năng bị bẻ gãy và cuốn trôi nhiều khối đá nền tạo nên hố xói có
chiều sâu 6.7m. Còn ở nước ta, trong thời gian gần đây cũng có
một số trường hợp tràn gặp sự cố như: Đập tràn Thác Bà, Nam
Thạch Hãn trong quá trình xây dựng và khai thác thì làm cho hạ
lưu bị xói nghiêm trọng.

Do đó, vấn đề đặt ra cho các hình thức tiêu năng sau tràn là
cần quan tâm đến xói lở ở hạ lưu và vấn đề về tính toán thủy
lực tiêu năng phòng xói sau tràn.


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU 
THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC CHO 
TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY
1.TIÊU NĂNG SAU TRÀN:
Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng tràn nối tiếp với dòng
chảy ở hạ lưu công trình bằng 2 hình thức chủ yếu:
* Trạng thái chảy đáy là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng
chảy xuất hiện ở gần đáy kênh dẫn.
* Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của
dòng chảy không xuất hiện ở gần mặt thoáng.
EO

EO

Umax

Hình 2-1: Nối tiếp chảy đáy và chảy mặt

hh

hh

Umax

2.CÁC HÌNH THỨC TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU:
* Tiêu năng dòng đáy ( hình 2-2a).
* Tiêu năng dòng mặt không ngập (hình 2-2b).
* Tiêu năng dòng mặt ngập (hình 2-2c).
* Tiêu năng phóng xa (hình 2-2d).
b)

hh

a)

c)

a

d)

Hình 2-2: Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu công trình


3.XÓI CỤC BỘ Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH
Hiện tượng dòng chảy cuốn theo đất cát về hạ lưu tạo ra các
hố sâu ở ngay chân công trình gọi là hiện tượng xói cục bộ.
Kích thước hình học (giới hạn trong bài toán phẳng)của hố
xói bao gồm:
* Chiều sâu lớn nhất của hố xói:
dmax
* Chiều dài hố xói:

Lx

* Vị trí sâu nhất của hố xói:

Lmax

hh

P

Z

H

* Chiều sâu hố xói cuối sân gia cố cứng: do

d0

dmax

Lx

Lv

Lmax
L0

Hình 2-3: Sơ đồ hố xói và các kích thước cơ bản


4. ĐÁNH GIÁ CÁC LÝ THUYẾT HIỆN NAY VÀO TÍNH 

TIÊU NĂNG HỢP LÝ CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY
Về bản chất thủy lực, nối tiếp thượng hạ lưu đập tràn có tính
chất không gian, nhưng khi thiết kế thì tính theo bài toán phẳng,
nên có nhiều sai số về tính toán thủy lực dẫn đến việc lựa chọn
kích thước, kết cấu tiêu năng đôi khi không phù hợp.
Việc tính toán thủy lực để lựa chọn hình thức kết cấu hợp lý
cho việc tiêu năng, phòng xói khi xét đến chế độ vận hành tràn
làm việc với nhiều cấp lưu lượng, mực nước khác nhau là rất
phức tạp.
Do vậy, phương pháp tính toán thủy lực nhằm lựa chọn giải
pháp tiêu năng hợp lý cho tràn thông thường khó có thể giải
quyết được. Điều này đòi hỏi phải có cách tính toán phù hợp
hơn và rất cần thiết phải nghiên cứu trên mô hình thủy lực.


CHƯƠNG III:THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TIÊU 
NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ SÔNG RAY 
1.GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH SÔNG RAY
Công trình hồ chứa nước sông Ray được xây dựng trên sông
Ray, nằm trên địa phận của tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
Nhiệm  vụ  công  trình: cấp nước cho công nghiệp, nông
nghiệp và sinh hoạt, phục vụ cho nuôi trồng thủy sản, cải tạo
môi trường sinh thái cho vùng dự án, tạo điểm du lịch, cải thiện
giao thông nông thôn, ổn định dân cư.
Các thông số cơ bản của tràn xả lũ:
Vị trí
:bên trái đập
Hình thức tràn
:Thực dụng có cửa
Số khoang tràn

:n = 3
Chiều rộng tràn
:b = 33.0m


Qtk (p =1%)

: 2461.0 m3/s

Qkt (p =0.2%)

: 2783.0 m3/s

Chiều rộng tràn
Cao trình ngưỡng tràn
Cột nước tràn lớn nhất

: 33m
: + 61.5m
: Htr max = 11.7m

Mực nước dâng bình thường : ∇ = +72.85m
Mực nước dâng gia cường
: ∇ = +73.20m
Mực nước chết
: ∇ = +57.00m


2.MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM
Mục  đích là đảm bảo cho công trình tràn có thể làm việc

hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về thủy lực của tràn xả lũ do cơ quan
thiết kế đề ra. Biện pháp công trình có hiệu quả nhất để bảo vệ
hạ lưu công trình là làm hố xói sau tràn để tiêu hao năng lượng.
Nhiệm vụ: Đo vận tốc trên mặt tràn, vận tốc cuối phần gia
cố cứng, chiều sâu mực nước hạ lưu khi công trình tràn mở hết
3 cửa và xả với các cấp lưu lượng khác nhau.


3. PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH SÊRY THÍ NGHIỆM
Xây dựng biểu thức quan hệ giữa vận tốc đáy Ud với thiết bị
tiêu năng
Q

LNtràn

hh

Ldp

Ld

dx

TL

Van cung

lmf

Lx

Hình 3-1:Mô hình xác định các đại lượng cơ bản của tràn
Tại mặt cắt kênh tiếp giáp giữa phần được gia cố và phần
kênh tự nhiên trạng thái dòng chảy tại một thời điểm chịu ảnh
hưởng của các đặc trưng hình học, thủy động lực học như sau:
Ud ∈ Btr, Htr, Ldp, v, ρ, g, µ, hh, H, Bd, Ld, Lx, dx, lmf, N)
Dùng phương pháp Buckingham phân tích các ảnh hưởng được
 Ld L x d x l mf Btr hh H 
Ud
= f
,
,
,
,
,
,

v
 Ldp Ldp Ldp Ldp Ldp Ldp Ldp 


4.THIẾT KẾ MÔ HÌNH 
Việc nghiên cứu thí nghiệm được tiến hành trên mô hình
chính thái tổng thể được thiết kế theo tiêu chuẩn Froude là loại
mô hình lòng cứng.
Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình:
*Đảm bảo tiêu chuẩn tương tự:
Fr = idem
Rem ≥ Regh
C = idem

*Các điều kiện giới hạn:v≥ 0,23m/s,H ≥ 50mm,h ≥ 15mm…
*Các thiết bị đo đạc đủ khả năng đo đạc được các thông số.
*Đảm bảo khả năng về: diện tích sân bãi, tính năng kỹ thuật
của thiết bị trong phòng thí nghiệm, khả năng cấp nước của khu
thí nghiệm…


5.XÂY DỤNG MƠ HÌNH
*Vật liệu chế tạo mơ hình đảm bảo tương tự về mặt độ nhám.
*Dòng chảy trên mơ hình tương tự dòng chảy trong thực tế.
*Thí nghiệm theo từng sêry.
*Khu thí nghiệm mơ hình được bố trí như hình 3-2

Tràn xả lũ

Máng hồi nước

HỒ CHỨA

Khu thoát nước
hạ luu

Khu lặng nước
thượng luu

Đường cấp nước

Máng dẫn nước

Van khống chế

                     
                
 
Hình 3-2: Sơ đồ bố trí khu thí nghiệm mơ hình


6. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
Tác giả tiến hành thí nghiệm trên mô hình tràn với tiêu năng
mặt dạng mũi phun tạo hố xói ngay cuối dốc nước ứng với các
tổ hợp mực nước hồ +74.12m; +73.2m; 72.85m và mở hoàn
toàn 3 cửa.
Trong tổ hợp các mực nước đều thay đổi lại các sêry thí
nghiệm về chiều dài dốc nước, chiều sâu và chiều dài hố xói.
Kết quả thí nghiệm được ghi tại bảng 3-1.


7. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 
TT

Zh

Q

H

vmtTB

Ldp

Ld

hh

lmph

dx

Lx

Btr

Ud

(m)

(m3/s)

(m)

(m/s)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m/s)

1

74.12 2998.90 39.12 11.70 21.70 59.50 8.60 8.20 10.00 30.00 33.00

6.60

2

74.12 2998.90 39.12 12.90 21.70 59.50 8.60 8.10 10.00 30.00 33.00

7.50

3

74.12 2998.90 39.12 15.80 21.70 59.50 8.60 8.20 10.00 30.00 31.50

9.00

4

74.12 2998.90 39.12 16.30 21.70 59.50 8.60 8.20 10.00 30.00 31.50

8.80

5

74.12 2998.90 39.12 16.40 21.70 59.50 8.60 8.20 10.00 30.00 30.00

8.60

6

73.20 2673.50 38.20 12.50 21.50 58.15 8.20 6.20

8.00 24.80 33.00

5.60

7

73.20 2673.50 38.20 14.30 21.50 58.15 8.20 6.20

8.00 24.80 33.00

6.80

8

73.20 2673.50 38.20 14.60 21.50 58.15 8.20 6.20

8.00 24.80 31.50

7.30

9

73.20 2673.50 38.20 15.60 21.50 58.15 8.20 6.20

8.00 24.80 31.50

7.20

10 73.20 2673.50 38.20 15.20 21.50 58.15 8.20 6.20

8.00 24.80 30.00

6.70

11 74.12 2998.90 39.12 11.60 21.55 63.00 8.00 6.10 10.00 32.80 33.00

5.60

12 73.20 2673.50 38.20 11.70 22.30 57.00 7.40 6.10

9.00 32.80 33.00

5.90

13 73.20 2673.50 38.20 15.50 22.73 59.70 7.75 6.40

8.70 34.40 33.00

8.30

14 72.85 2568.20 37.85 16.00 21.80 59.70 7.76 6.40

8.50 34.40 33.00

7.50

15 72.85 2568.20 37.85 15.20 22.90 57.00 7.30 6.70

7.10 36.00 33.00

7.20

Bảng 3-2:
Các sêry thí
nghiệm với
trường hợp
mở 3 cửa


8. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Mục đích nhằm tìm ra được quy luật ảnh hưởng của Ud với các
đại lượng:,Btr, Ldp, v, hh, H, Ld, Lx, dx, lmf..
Các bước lập như sau:
*Tìm hàm toán học có thể biểu thị sự tương quan giữa các đại
lượng.
*Xác định thông số của hàm giả định.
*Tìm hệ số tương quan và độ lệch trung bình.
*Chọn công thức thực nghiệm có được từ kết quả thí nghiệm.

1.Lập quan hệ: Ud = f(Ld, Lx, dx, lmf , Btr, Ldp, v, hh, H)
2.Từ quy luật này tìm mối quan hệ tương hổ giữa các đại lượng
biến đổi còn lại.
3.Lập bảng thống kê Các sêry thí nghiệm với đại lượng không
thứ nguyên được bảng 3-2


LẬP BẢNG THỐNG KÊ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỚI 
CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG THỨ NGUYÊN 
TT P0=Ud/v P1=Ld/Ldp P2=Lx/Ldp P3=dx/Ldp P4=lmf/Ldp P5=Btr/Ldp P6=hh/Ldp P7=H/Ldp
1

0.564

2.742

1.382

0.461

0.378

1.521

0.396

1.803

2

0.581

2.742

1.382

0.461

0.373

1.521

0.396

1.803

3

0.570

2.742

1.382

0.461

0.378

1.452

0.396

1.803

4

0.540

2.742

1.382

0.461

0.378

1.452

0.396

1.803

5

0.524

2.742

1.382

0.461

0.378

1.382

0.396

1.803

6

0.448

2.705

1.154

0.372

0.288

1.535

0.381

1.777

7

0.476

2.705

1.154

0.372

0.288

1.535

0.381

1.777

8

0.500

2.705

1.154

0.372

0.288

1.465

0.381

1.777

9

0.462

2.705

1.154

0.372

0.288

1.465

0.381

1.777

10 0.441

2.705

1.154

0.372

0.288

1.395

0.381

1.777

11 0.483

2.923

1.522

0.464

0.283

1.531

0.371

1.815

12 0.504

2.556

1.471

0.404

0.274

1.480

0.332

1.713

13 0.535

2.627

1.514

0.383

0.282

1.452

0.341

1.681

14 0.469

2.739

1.578

0.390

0.294

1.514

0.356

1.737

15 0.474

2.489

1.572

0.310

0.293

1.441

0.319

1.653

Bảng 3-3:
Các sêry thí

nghiệm với đại
lượng không
thứ nguyên


9. GIẢ THIẾT HÀM TOÁN HỌC
Biểu thị mối quan hệ giữa các đại lượng không thứ nguyên
ở bảng 3-3 bằng một hàm toán học như sau:
β1
β2
β3
β4
β5
β6
β7
P0, P1P
,P
,
P
,
P
,
P
,
P
,
P
là
các
giá

trị
đã
biết
từ bảng 3-3.(3-7)
=
α
.
P
.
P
.
P
.
P
.
P
.
P
.
P
3 14
52
63 7 4
0 2
5
6
7
α, βi (i = 1 ÷ 7) là các giá trị cần tìm

Logarit hai vế phương trình (3-7) được:

lnP0=lnα+β1lnP1+β2lnP2+β3lnP3+β4lnP4+β5lnP5+β6lnP6+β7lnP7

(3-8)

Đặt:
y*= lnP0; a1k=1;
a5k=(lnP4)k;
x1=lnα;
x5=lnβ4;

a2k=(lnP1)k;
a6k=(lnP5)k;
x2=lnb1;
x6=lnβ5;

a3k=(lnP2)k;
a7k=(lnP6)k;
x3=lnb2;
x7=lnβ6;

Thay vào phương trình (3-8) có dạng:

a4k=(lnP3)k;
a8k=(lnP7)k;
x4=lnb3;
x8=lnβ

y*= x1+x2.a2+x3a3+x4.a4+ x5.a5+ x6.a6+ x7.a7+ x8.a8

(3-9)

GIẢ THIẾT…
Dùng phương pháp tổng bình phương sai số nhỏ nhất để
được tương quan phù hợp với kết quả thí nghiệm. Điều kiện
tổng bình phương sai số nhỏ nhất là :
n

∑(y

k

(3-11)

− y * ) 2 ⇒ min

k

2

8


F = ∑  y k − ∑ a ik .x i  ⇒ min
k =1 
i =1

n

Hay:

Muốn thỏa mãn (3-12) thì:

(3-12)

∂F
= 0, j = 1...8
xj

(3-13)

Khai triển (3-13) và viết hệ dưới dạng ma trận được :
 n

∑ a 2 k
∑ a3k

 ...
 a
∑ 8k

∑a
∑a
∑a a
2k
2
2k

∑a

∑a
∑a a
∑a

...

3k

3k

2i

3i

2k

a8 k

2
3k

...

2k

...
∑ a 4 k a3k
...

  x1   ∑ y k 

  

...
y
A
∑
8k a2 k   x2 
k
2
k







...
8 k a 3 k  x3  = ∑ y k A3 k
  

...
  ...  

∑ a7 k a8k ∑ a82k   x8  ∑ y K A8k 
...

∑a
∑a
∑a

8k

Viết gọn ma trận (3-15) có dạng: A.X=B

(3-15)

(3-16)


SƠ ĐỒ KHỐI CÁC MODULE CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ 
SỐ LIỆU MÔ HÌNH THỦY LỰC TRÀN 
Nhập các giá trị Pjk từ thí nghiệm
Tính các giá trị yk và aik
Tính Bj, Aij theo (3-18), (3-19)
Giải hệ (3-15) tìm các xi
Kết quả: hệ số α và các βi