Luan van cao học thủy lợi

1

MỤC LỤC
- Tỷ lệ về diện tích: λS = λL2 39

MỤC LỤC BẢNG

- Tỷ lệ về diện tích: λS = λL2 39

MỤC LỤC HÌNH, ẢNH

- Tỷ lệ về diện tích: λS = λL2 39

MỞ ĐẦU
1.Ý nghĩa thực tiễn, khoa học của luận văn.
Đất nước ta có điều kiện địa hình rất đặc thù, phía Tây là đồi núi cao,
phía Đông là các vùng đồng bằng lớn ven biển, Việt Nam là một trong những
nước có hệ thống sông, suối dày đặc. Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng
và phát triển các công trình thủy điện, thủy lợi phục vụ cho công cuộc công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, góp phần vào quá trình phát triển xã hội,
cải thiện đời sống nhân dân.
Việc xây dựng các đập ngăn, đập dâng trên các sông, suối sẽ làm hình
thành nên các hồ chứa. Bên cạnh tác dụng điều hòa dòng chảy trong mùa lũ,

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


2

giảm đỉnh lũ, và phục vụ mục đích thủy lợi, thủy điện.. hồ chứa lại làm tăng
cột nước, một trong những mối nguy hại lớn cho cả vùng hạ du khi có sự cố

công trình xảy ra. Do đó ở các hồ chứa, người ta bố trí tràn xả lũ nhằm đảm
bảo an toàn cho cụm đầu mối công trình, an toàn cho cả dự án trong quá trình
xây dựng và hoạt động. Ngoài tràn xả lũ thường xuyên nhiều công trình còn
bố trí tràn sự cố để xả lũ, đảm bảo an toàn cho công trình.
Theo số liệu thống kê, đến năm 2003 cả nước đã có 1967 hồ chứa có
dung tích chứa từ 0,2 triệu m 3 trở lên với tổng dung tích trữ là 24,82 tỷ m 3 và
thống kê có được cho thấy ở các hồ chứa, sự cố đập do nguyên nhân hư hỏng
tràn chiếm tỉ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn. Theo số liệu điều tra năm
1992 ở nước ta, trong số các hồ chứa đã xây dựng chỉ có 39,1% đập, đập tràn
làm việc bình thường, trong khi 38,7% có hư hỏng nhỏ và 22,2% có hư hỏng
lớn. Theo tài liệu điều tra của Cục Thuỷ lợi, sự cố công trình mà nguyên nhân
xuất phát từ việc hư hỏng công trình tràn có tỷ lệ như sau: Hồ có dung tích từ
5 ÷ 10 triệu m3 có gần 30% hư hỏng là do sự cố tràn; Hồ có dung tích 1 ÷ 5
triệu m3 có gần 40% và hồ có dung tích 0,2 ÷ 1 triệu m3 là gần 45%.
Như vậy hạng mục công trình tràn xả nước là một trong những yếu tố
quan trọng quyết định hiệu quả làm việc của tổng thể một dự án thủy lợi, thủy
điện. Việc bố trí đập tràn có quan hệ với bố trí tổng thể, điều kiện thi công,
điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn..., việc chọn ra được kết cấu tràn phù
hợp cũng là một vấn đề luôn được quan tâm. Hình thức kết cấu công trình
tràn được chọn sẽ quyết định hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa của dòng
chảy qua tràn. Trong đó kết cấu mặt cắt tràn quyết định khả năng tiêu hao
năng lượng trên đoạn mặt tràn và hình thức tiêu năng quyết định khả năng
tiêu hao năng lượng đoạn sau tràn.
Với những công trình có cột nước cao có nhiều biện pháp tiêu năng như:
Tiêu năng phóng xạ, tiêu năng dòng mặt, tiêu năng dòng đáy… Mỗi hình thức

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


3

tiêu năng này lại có những ưu nhược điểm khác nhau và phù hợp với những
điều kiện địa hình, địa chất khác nhau. Chính vì vậy việc nghiên cứu một biện
pháp tiêu năng thích hợp cho mỗi công trình là hết sức cần thiết. Nó là tiền đề
cho công trình hoạt động ổn định có hiệu quả sau này. Với những công trình
có địa chất yếu (nền đất hoặc đá phong hoá mạnh) hoặc có cột nước thấp thì
việc chọn hình thức tiêu năng kiểu mũi phun là không hợp lý. Khi đó biện
pháp tiêu năng được lựa chọn là bể tiêu năng (tiêu năng đáy).
Nguồn năng lượng dư thừa của dòng nước xả qua đập tràn là rất lớn,
nếu không có biện pháp tiêu năng hợp lý sẽ tạo nên những chế độ nối tiếp
thủy lực phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình và xói lở
lòng dẫn phía hạ lưu công trình tràn.
Vì vậy một trong những vấn đề hàng đầu trong thiết kế, bố trí công
trình là giải quyết tốt vấn đề nối tiếp thủy lực sau công trình xả, đảm bảo an
toàn làm việc cho hạng mục tràn nói riêng và các hạng mục khác trong dự án
nói chung. Việc tính toán thiết kế kết hợp với thí nghiệm mô hình nhằm kiểm
chứng kết quả tính toán lý thuyết bằng các số liệu đo tương đối tương đồng
với thực tế đồng thời tìm ra những hiện tượng bất lợi cho công trình mà trên
lý thuyết không thể lường hết được là một trong những biện pháp đang được
áp dụng ngày càng rộng rãi.
Đối với tràn vận hành, các cấp lưu lượng, mực nước xả qua tràn có độ
chênh lệch khá lớn nên hiệu quả làm việc của tràn phụ thuộc rất nhiều vào
hình dạng kích thước của tràn. Đặc biệt là chiều dài, chiều sâu bể. Chiều sâu
bể quyết định chế độ nước nhảy sau bể tiêu năng (nước nhảy ngập, nhảy tại
chỗ, nhảy phóng xa); còn chiều dài bể ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện kinh tế
kỹ thuật công trình. Vì vậy, tính toán và lựa chọn kính thước hợp lý của bể
tiêu năng sẽ góp phần rất lớn trong hiệu quả tiêu hao năng lượng của dòng
chảy, giải quyết vấn đề nối tiếp thủy lực sau công trình xả, làm giảm xói lở hạ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

4

lưu công trình và giảm mức độ uy hiếp sự cố tới tổng thể dự án và đem lại
hiệu quả kinh tế cho công trình.
Việc xác định kích thước bể tiêu năng hiện nay đều dựa trên các
phương pháp lý thuyết và công thức thực nghiệm tính toán chung dành cho tất
cả các công trình. Trong khi, thực tế mỗi công trình có những điều kiện đặc
trưng về địa hình, địa chất, thủy văn thủy lực...là rất khác nhau, nên việc áp
dụng hình thức tiêu năng của từng công trình cũng khác nhau. Do đó việc
nghiên cứu bể tiªu n¨ng hợp lý chỉ đúng khi ta nghiên cứu với từng công trình
cụ thể.
Do đó, bên cạnh kết quả tính toán lý thuyết, việc kết hợp thí nghiệm mô
hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi công trình sẽ rất hữu ích và
phù hợp cho công trình đó.
Công trình Đá Hàn tỉnh Hà tĩnh thiết kế ban đầu chọn hình thức tiêu
năng kiểu mũi phun song do tình hình địa chất tại tuyến tràn không phải là
nền đá, ngay cả lớp đá phiến sét 4b có cường độ kháng nén khô chưa tới
185KG/cm2 do vậy phương án tiêu năng bằng mũi phun sau tràn là không
thích hợp. Do đó phải chuyển đổi sang tiêu năng đáy nhằm bảo đảm ổn định
công trình.
Các thông số về bể tiêu năng của tràn vận hành Đá Hàn đã được tính
toán và được tiến hành thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Thủy lực –
Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - Viện
Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Tuy nhiên kết quả thí nghiệm đó chưa được
nghiên cứu, phân tích, đánh giá và đối chứng với tính toán lý thuyết trong bài
toán cụ thể nhằm xác định kích thước hợp lý cho bể tiêu năng của tràn vận
hành Đá Hàn và cho các công trình tương tự.
Đề tài “Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý áp dụng

cho công trình Đá Hàn Hà Tĩnh ” tiến hành phân tích kết quả đo được từ thí

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


5

nghim mụ hỡnh, so sỏnh, i chng vi cỏc kt qu tớnh toỏn lý thuyt l ht
sc cn thit v cú ý ngha thc tin i vi cụng trỡnh ỏ Hn núi riờng v
cỏc cụng trỡnh cú iu kin tng t núi chung, nờn õy l ti cn thit v
cú ý ngha thc tin.
2. Mc tiờu, phng phỏp v phm vi nghiờn cu.
2.1. Mc ớch ca ti:
- Nghiên cứu xác định kích thớc hợp lý của bể tiêu năng và khả năng tiêu
năng của tràn, tính toán áp dụng cụ thể cho tràn vận hành Đá Hàn tỉnh Hà
Tĩnh.
- ánh giá so sánh kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô
hình để rút ra vấn đề cần lu ý trong việc nghiên cứu xác định kích thớc bể tiêu
năng.
- Thu thp cỏc ti liu tham kho.
2.2. Phng phỏp nghiờn cu:
- Lun vn kt hp gia nghiờn cu lý lun v nghiờn cu thc nghim
a ra nhng so sỏnh, kt lun v xut ỏp dng.
- Tp hp cỏc ti liu v kt qu nghiờn cu ó cú, s dng kt qu thớ
nghim mụ hỡnh trn vn hnh ỏ Hn so sỏnh, i chng v kim nh
vi kt qu tớnh toỏn lý thuyt.
2.3. Phm vi nghiờn cu
Xỏc nh kớch thc b tiờu nng hp lý ca trn vn hnh ỏp dng cho
trn vn hnh ỏ Hn.
2.4. Kt qu d kin t c:

- a ra c kt qu kớch thc hp lý ca b tiờu nng.
- Kim tra, ỏnh giỏ tin cy ca kt qu thớ nghim, s dng cho thit
k c th b tiờu nng trn vn hnh ỏ Hn.

Lun vn thc s k thut


6

- L ti liu tham kho cho cỏc cụng trỡnh tng t.
3. B cc ca lun vn
M U
CHNG 1: TNG QUAN
1.1 Tng quan v tỡnh hỡnh xõy dng p trn v tiờu nng sau trn trong
cỏc cụng trỡnh thy li, thy in Vit Nam.
1.2 Tng quan tiờu nng đáy sau trn thc dng v cui dc nc.
1.3. nh hng ca chiu sõu, chiu di b n hiu qu tiờu nng.
1.4. Cỏc hỡnh thc kt cu tiờu nng dũng ỏy.
CHNG 2: NGHIấN CU Lí THUYT V B TIấU NNG SAU
TRN VN HNH
2.1 Lý thuyt tng t thit lp mụ hỡnh nghiờn cu.
2.2 Nghiờn cu lý thuyt v ni tip v tiờu nng sau trn.
2.3 Tớnh toỏn b tiờu nng sau trn.
CHNG 3: NGHIấN CU TH NGHIM Mễ HèNH THY LC TRN
VN HNH đá hàn.
3.1. Gii thiu chung v cụng trỡnh ỏ Hn.
3.2. Nhim v thớ nghim mụ hỡnh.
3.3. Xõy dng mụ hỡnh.
3.4. Kt qu thớ nghim phng ỏn thit k.
3.5. kt qu thớ nghim phng ỏn hon thin.

CHNG 4: SO SNH KT QU TNH TON Lí THUYT V TH
NGHIM Mễ HèNH.
4.1. S liu ban u.
4.2. Kt qu tớnh toỏn.
4.3. Nhn xột kt qu tớnh toỏn v kt qu thớ nghim mụ hỡnh.

Lun vn thc s k thut


7

KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tình hình xây dựng tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn
trong các công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam, [13].
Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước đã và đang được xây
dựng. Các công trình này chủ yếu được xây dựng ở trung du và miền núi. Các
công trình này đóng góp một phần không nhỏ cho sự phát triển của nhiều
ngành kinh tế, góp phần ổn định xã hội, an ninh, quốc phòng.
Tràn xả lũ là một phần không thể thiếu trong hệ thống đầu mối công
trình hồ chứa, chiếm một tỷ trọng khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng
công trình. Vì vậy việc tính toán, lựa chọn phương án tràn xả lũ và tiêu năng
sau tràn có ý nghĩa rất quan trọng. Việc lựa chọn hình thức, bố trí tràn xả lũ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


8

và tiêu năng sau tràn tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, giải pháp bố
trí tổng thể công trình, điều kiện quản lý vận hành...
Với công trình tràn xả lũ việc tiêu hao năng lượng của dòng chảy là vô
cùng quan trọng. Chính vì vậy việc lựa chọn hình thức tiêu năng có ý nghĩa
quan trọng với công trình tràn xả lũ và với cả hệ thống công trình. Với những
công trình có địa chất nền yếu, cột nước thấp thì sử dụng biện pháp tiêu năng
đáy là thích hợp. Trong thực tế ở nước ta cũng rất nhiều công trình sử dụng
biện pháp tiêu năng đáy.
Bảng 1.1. Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử
dụng biện pháp tiêu năng đáy.
Năm
TT Tên công trình

xây

Loại
đập

dựng
Hồ chứa nước Suối 1958-

Đập

Hai
Hồ

1964
nước 1969-

đất
Đập

2

Đồng Mô-Ngải Sơn 1974
Hồ chứa nước Đại 1959-

đất
Đập

3

Lải

đất

1

4

chứa

1961

Hồ chứa nước An

Đập

Mã

đất

Hồ chứa nước Cam
5
6
7

ranh

1996

Đập
đất

Hồ chứa nước Đạ 1986-

Đập

Tẻh
Hồ

chứa

1996
nước 1982-

đất
Đập

Tuyền Lâm

1987

đất

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

(m3/s)

Hmax
29
20
12,5

max

Tràn tự do
Tràn có cửa,
tiêu năng đáy
Tràn đỉnh rộng

80
90

474,6

Tràn
27,5

Ôphixêrốp, ko
chân không
Tràn thực dụng,

23,21

27,3
32

có cửa van điều
tiết
Tràn BTCT-TN
đáy
Ngưỡng tràn
đỉnh rộng, nối

539

618
500


9

Năm

TT Tên công trình

xây
dựng

Loại
đập

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

max
(m3/s)

Hmax
tiếp dốc nước,

Hồ Iamơ
8
Hồ Sông Ray
9

2006-

Đập

2010

đất

2006-

Đập

2010

đất

bậc nước
Tràn có cửa/
32

Thực dụng +
Dốc nước
Có cửa/ Dốc

35

nước + Tiêu
năng đáy

Bê
Hồ Nước Trong

2006-

tông

2010

đầm

2006-

lăn
Đập

10
11 Hồ Tả Trạch

2010

Thủy điện Thác bà

14 TĐ Sroc-phumieng
15 Thủy lợi Phước hòa
16 TĐ Đami
17 TĐ Avương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

72

56

19841991
2002

2006-

lực
Đập
đất
Đập
đất
Đập

2010
đất
1997- Đập đá
2001
2004-

đổ
Bê

2008

tông

Cửa van + TN
đáy
Cửa van + TN
đáy
Cửa van đt +

trọng

12
13 Thủy điện Trị An

đất
BT

654

TN đáy
40
31
28

Tiêu năng đáy
Có cửa van.
Tiêu năng đáy

80

Tràn bên tự do

72

Có cửa van +
Dốc nước

2400


10

Năm
TT Tên công trình

xây
dựng

Loại
đập

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

max
(m3/s)

Hmax

đầm
lăn
Đá đổ
TĐ Tuyên quang

2002-

+ BT

2007

bản

18

92,2

Có cửa van. TN
đáy

mặt
Bê
Sông Ba hạ

2005-

tông

2010

đầm

19

50

Có cửa van. TN
đáy

lăn

1.2. Tổng quan tiêu năng ®¸y sau tràn thực dụng và cuối dốc nước, [6],
[13].
1.2.1.Tình hình xây dựng công trình tràn tiêu năng đáy.
Theo thống kê Việt nam có khoảng trên 650 hồ, đập chứa cỡ lớn và
vừa, trên 35.000 hồ, đập chứa cỡ nhỏ. Tính đến nay, chúng ta đã xây dựng và
đưa vào khai thác trên 500 hồ chứa nước có dung tích từ 1 triệu mét khối trở
lên, trừ một số hồ có mục đích chính là phát điện còn lại chủ yếu là trữ nước
để tưới và cấp nước sinh hoạt.
Trong việc bố trí tổng thể một dự án thủy lợi, thủy điện, công trình tràn
xả nước và vấn đề tiêu năng sau tràn nhằm đảm bảo nối tiếp dòng chảy hạ lưu
chiếm một vị trí quan trọng. Hình thức tiêu năng phòng xói được lựa chọn
dựa trên điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện dòng xả, phương thức vận
hành, chiều sâu nước hạ lưu...

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


11

Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy,
đó là hình thức thường dùng nhất. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng
này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai của
nước nhảy hh > hc'' để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả
năng xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy (sân sau) phải bảo vệ bằng bê
tông. Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp theo sau sân sau (sân sau thứ hai) cần
được bảo vệ thích đáng. Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sau
xây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, v.v....để cho sự xung

kích nội bộ dòng chảy càng mãnh liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết
bị đó cũng có thể tiêu hao một phần năng lượng. Biện pháp này có hiệu quả
tốt và được ứng dụng rộng rãi. Tiêu năng dòng đáy thường được dùng với cột
nước thấp, địa chất nền tương đối kém. Khi cột nước cao, h c" rất lớn, yêu cầu
chiều sâu nước ở hạ lưu lớn, như vậy phải đào sâu sân sau và cần được bảo vệ
kiên cố hơn. Lúc đó, hình thức tiêu năng đáy thường không kinh tế.
Trong những năm gần đây, các công trình thủy điện, thủy điện kết hợp
thủy lợi lớn được phát triển xây dựng nhanh, trong lúc kinh nghiệm thiết kế,
nghiên cứu của ta còn hạn chế. Nhiều nghiên cứu của nước ngoài chưa được
cập nhật hướng dẫn sử dụng trong nước. Hiện nay có rất nhiều công thức và
đưa đến những kết quả cũng rất khác nhau. Do đó việc áp dụng công thức tính
toán như thế nào để kết quả tính toán là chỉ tiêu kỹ thuật tin cậy, an toàn và
kinh tế cho công trình là một bài toán cho mỗi công trình cụ thể. Để giải
quyết vấn đề này, việc kết hợp phân tích, đối chứng, so sánh giữa tính toán lý
thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô hình đang là hướng đi hợp lý
và ngày càng phổ biến.
1.2.2. Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và công trình xả lũ.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


12

Các hồ chứa ở nước ta hiện nay thường gặp những sự cố chủ yếu sau:
Sạt mái thượng lưu (25,84%); Hỏng đập tràn xả lũ (25,39%); Cống bị hỏng
(17,3%); Đập bị thấm (15,06%); Đỉnh đập thấp (9,00%); Cửa van bị hỏng
(3,60%).
Như vậy sự cố hồ chứa do sự cố đập tràn gây ra chiếm tỷ lệ rất cao. Sự
cố đập tràn thường do các nguyên nhân: Lũ vượt qua đỉnh đập tràn; Thấm qua
nền; Thấm qua thân đập; Đập bị trôi hoặc bị gãy; Xói tiêu năng; Xói lở hạ

lưu; Gãy, kẹt cửa van; Hỏng thiết bị đóng mở...
Trong đó xói tiêu năng thường do các nguyên nhân sau: Đánh giá sai
địa chất nền; Xác định sai mức nước hạ lưu đập, Biện pháp tiêu năng không
hợp lý; Thi công phần tiêu năng không đảm bảo chất lượng; Vận hành tràn sai
quy trình.
1.3. Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng.
Các kích thước chiều sâu, chiều dài bể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu
quả tiêu năng, phòng xói ở hạ lưu công trình.
Chiều sâu bể phải đảm bảo điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng
đáy là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai của
nước nhảy hh > hc'' để đảm bảo sinh nước nhảy ngập. Nhưng nếu chiều sâu bể
quá lớn sẽ dẫn đến nước nhảy quá ngập, lúc này dòng nước lại chảy luồn ở
đáy và dẫn đến phá hủy lòng dẫn ở đáy công trình.
Chiều dài bể cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật
của công trình. Nếu ta làm bể quá dài thì đảm bảo tiêu năng tập trung trong bể
(bể gói gọn nước nhảy) nhưng không kinh tế và ngược lại nếu bể ngắn thì
chúng ta không gói được nước nhảy trong bể.
Vì vậy ngoài kết quả tính toán lý thuyết, cần tiến hành thí nghiệm mô
hình với mỗi công trình cụ thể, trong điều kiện biên tương đồng với thực tế để

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


13

xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý, đảm bảo tiêu hao năng lượng thừa
của dòng chảy đạt hiệu quả cao nhất đối với công trình đó.

1.4. Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy, [16].
Kết cấu tiêu năng dòng đáy gồm có các hình thức sau: Đào bể tiêu

năng, Xây tường tiêu năng, Bể tường kết hợp.
1.4.1. Bể tiêu năng:
Hình 1.1. Bể tiêu năng
1
qt
vo
Eo

E'o

q

Ct

C
O

h"c
hc

O'
1

Z'
vo

hh
do

Z'o

O
O'

C

Đây là hình thức được áp dụng phổ biến ở các công trình tiêu năng
dòng đáy, đặc biệt là ở những công trình có địa chất nền yếu, có tầng đá gốc
sâu. Hình thức này thường tạo ra chế độ chảy ngập khi qua ngưỡng bể nên chỉ
cần tiêu năng một lần.
1.4.2. Tường tiêu năng:
Nếu điều kiện kết cấu và thi công, khi làm bể tiêu năng không thích
hợp thì nên dùng tường tiêu năng. Tường tiêu năng làm việc như một đập tràn
và chúng ta phải kiểm tra trạng thái chảy qua tường:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


14

- Chảy ngập nếu h 'n > 0 ;
qt
vo

Eo

(v'o )2 q

E

2g

C

hc

O

v'o

Z'

h"c

H'

h'n
Co

hh
O

C

Hình 1.2. Tường tiêu năng
Trường hợp này chảy qua tường là chảy gập nên ta không phải tính
toán tiêu năng cho tường.
- Chảy không ngập nếu h 'n < 0 ;
Trường hợp này ta phải kiểm tra chế độ chảy sau tường. Nếu dòng chảy
sau tường là dòng chảy xiết thì ta phải tiêu năng cho tường.
1.4.3. Bể tường kết hợp:
Trong thực tế, có nhiều trường hợp nếu làm bể tiêu năng chỉ bằng

cách hạ thấp đáy kênh hạ lưu hoặc chỉ bằng cách xây tường thì không hợp
lý. Trong trường hợp thứ nhất, bể sẽ phải rất sâu, đáy kênh hạ lưu phải hạ
thấp quá nhiều và tiêu năng ở hạ lưu đập sẽ nặng nề thêm. Trong trường hợp
thứ hai, tường sẽ phải quá cao, sau tường rất có khả năng xảy ra nước nhảy
xa và ta phải làm tiếp tường thứ hai… Trong điều kiện như thế, tốt hơn hết
là kết hợp cả hai biện pháp trên, vừa hạ thấp đáy kênh, vừa làm tường. Thực
tế chứng tỏ dùng biện pháp này trong nhiều trường hợp rất có lợi về mặt
kinh tế và kỹ thuật.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


15

d

Co

hh

Hình 1.3. Bể tường kết hợp
1.5. Kết luận chương 1:
Hiện nay rất nhiều công trình tháo lũ ở các công trình thủy lợi, thủy
điện sử dụng biện pháp tiêu năng đáy, đặc biệt là những công trình có cột
nước vừa và thấp, những công trình có địa chất nền yếu. Việc lựa chọn hình
thức kết cấu, kích thước bể tiêu năng hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu
quả tiêu năng, đến sự ổn định và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công trình.
Nhưng những vấn đề này chưa được nghiên cứu tính toán cụ thể, cần được
nghiên cứu tính toán cụ thể ở những chương sau.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


16

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG SAU
TRÀN VẬN HÀNH
2.1.Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình nghiên cứu, [9], [12].
2.1.1 Khái niệm về mô hình:
2.1.1.1. Mô hình:
Mô hình là hình ảnh của tư duy hay là một sản phẩm vật chất tạo ra
bằng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống đối tượng nghiên cứu
và những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thông tin chính xác về
đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế.
2.1.1.2. Mô hình hóa:
Mô hình hóa là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện
tượng của thực tế, bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để có thể nghiên
cứu hiệu quả, toàn diện và tối ưu công trình hoặc hiện tượng đó.
2.1.1.3. Mô hình vật lý:
Mô hình vật lý là mô hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể.
Mô hình thủy lực là một loại của mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ
lệ bé hơn và đặt trong phòng thí nghiệm. Vật liệu dùng trong mô hình thủy
lực cũng phải đảm bảo tương tự như trong thực tế.
Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự. Lý thuyết
tương tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nguyên các đại
lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu. Các định luật hay tiêu chuẩn
tương tự cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mô hình sang
thực tế.
2.1.1.4. Mô hình toán:
Mô hình toán được thành lập dựa trên sự tương tự giữa thực tế và tư

duy. Sự tương tự đó cho phép nghiên cứu thực tế bằng sự giúp đỡ của hệ
thống tư duy tưởng tượng vật lý phức tạp, được miêu tả bằng hệ phương trình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


17

vi phân đạo hàm riêng được giải bằng phương pháp số, giải tích hoặc đúng
dần.
+ Mô hình toán một hiện tượng vật lý được tạo thành:
Từ một mô hình thực.
Từ sự biểu thị bằng toán học các mối quan hệ vật lý giữa các đại lượng
xác định hiện tượng cần nghiên cứu.
Từ các phương pháp giải được bằng toán học các mối quan hệ vật lý.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực là khảo sát những
nghiên cứu quy luật của dòng chảy, tác động của nước lên môi trường mà nó
chuyển động trong đó nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu hệ
thống công trình hoặc hạng mục công trình.
+ Nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình thủy lực là:
Bằng thực nghiệm giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xây
dựng và khai thác sử dụng công trình thủy lợi, thủy điện mà những vấn đề đó
không giải quyết thỏa đáng được bằng con đường lý luận.
Phát hiện những quy luật của các hiện tượng thủy động lực học và định
nghĩa được chúng.
Kiểm tra, bổ sung và chính xác hóa các công thức lý thuyết của thủy
lực bằng cách xác định giá trị cụ thể của các hệ số khác nhau (mà trước đó lựa
chọn chỉ là gần đúng), kiểm tra các kết quả của mô hình toán.
Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa thông số riêng biệt của hiện tượng
nghiên cứu.

Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết đã có và góp phần vào sự
phát triển tiếp theo của thủy lực.
+ Khi nghiên cứu trên mô hình thủy lực, có những tiện lợi sau:
Kích thước bé hơn so với thực tế.
Đo các đại lượng thủy lực được chính xác, nhanh và tiện lợi.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


18

Đo đạc mang tính hệ thống cao.
Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo.
Có thể quan sát và nghiên cứu tương đối lâu một hiện tượng hoặc đồng
thời các yếu tố (cả cấu trúc bên trong và tác động bên ngoài).
2.1.2 Lý thuyết tương tự.
2.1.2.1. Tương tự hình học:
Nếu chúng ta chế tạo mô hình giảm nhỏ so với công trình thực tế thì
hình dạng của công trình cũng tương ứng phù hợp. Mọi góc tương ứng không
đổi, mọi kích thước đều được giảm nhỏ theo cùng một tỷ lệ. Ta gọi đó là
tương tự hình học giữa mô hình và thực tế. Tỷ lệ giữa độ dài trong thực tế (l t)
và độ dài tương ứng trên mô hình (lm) gọi là tỷ lệ hình học.
λl =

lt
lm

(2.1)

Nếu λl là hệ số không đổi cho toàn bộ mô hình thì tỷ lệ về diện tích và thể tích

là:

λs =

St
V
2
3
= λl ; λv = t = λl
Vm
Sm

λlx = λly = λlz ; λax = λay = λaz =

λlx λu
=
;
λt λl

2.1.2.2. Tương tự động học:
Tương tự động học là tương tự các thành phần tương ứng của lưu tốc,
gia tốc thực tế và mô hình.
Ta có:
λl =

tt
tm

Nếu tỷ lệ độ dài theo 3 phương là:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(2.2)


19

lty
ltx
ltz
; λly =
; λlz =
l mx
lmy
lmz

(2.3)

λux =

uty
utx
utz
; λuy =
; λuz =
u mx
u mz
u my

(2.4)

λax =

aty
atx
atz
; λay =
; λaz =
amz
amx
amy

λlx =

Thì tỷ lệ lưu tốc điểm là:

Và tỷ lệ gia tốc là:

Khi chúng ta có tỷ lệ lưu tốc và tỷ lệ gia tốc là hằng số thì chúng ta có được
tương tự động học:
λlx = λly = λlz ; λax = λay = λaz =

λlx λu
=
;
λt λl

2.1.2.3. Tương tự động lực học:
Là sự tương tự hoàn toàn của các lực trong thực tế và trên mô hình.
Theo định luật Newton (P = m.a) chúng ta có thể viết:

Ptx = mt .atx ; Pty = mt .aty ; Ptz = mt .atz
Pmx = mm .amx ; Pmy = mm .amy ; Pmz = mm .amz

Khi có tương tự hình học theo cả 3 phương như nhau ( λlx = λly = λlz ) thì ta có:
λp =

λm .λl
λ2 t

Vì

λm = λ p .λv = λ p .λ3l

Nên:

λ p = λ p .λ2 l .λ2v

Tương tự cơ học giữa công trình thực tế và mô hình được đảm bảo khi có
được tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


20

2.1.2.4. Tiêu chuẩn tương tự.
Dòng chảy qua công trình tháo lũ và ở hạ lưu thường là dòng chảy tự
do - dòng chảy có mặt thoáng, chịu tác động chủ yếu của trọng lực, theo lý
thuyết mô hình thủy lực có thể sử dụng tiêu chuẩn tương tự chính là Froude
(Fr).

Fr =

V2
= idem
gL

V 2 
V 2 


=
Fr = idem hay    
 gL  m  gL  n

Đồng thời thỏa mãn Re m ≥ Regh (để đảm bảo chế độ chảy ở khu bình phương
sức cản).
Trị số Regh có thể xác định theo các công thức sau:
Re gh =

14 Rm
∆m ε m

hoặc Re gh = 500

dm
km

Trong đó:
V: Lưu tốc dòng chảy.
L: Kích thước dài.

G: Gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2).
∇m: Độ nhám tương đối của mô hình.
Rm: Bán kính thủy lực trong mô hình.
εm: Hệ số sức cản ma sát của mô hình.
n, m: Ký hiệu nguyên hình và mô hình.
Nói một cách chặt chẽ thì tiêu chuẩn Froude được áp dụng khi lực nhớt
có thể bỏ qua so với trọng lực, Reynolds bé nhất trên mô hình phải không bé
hơn giá trị giới hạn (Regh) nào đó. Nghĩa là khi đó tiêu chuẩn Reynolds không
có hiệu lực, dòng chảy ở khu tự động mô hình hay khu bình phương sức cản.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


21

2.2. Nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêu năng sau tràn, [8].
2.2.1. Nước nhảy.
2.2.1.1. Khái niệm:
Là hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình dòng chảy chuyển từ
trạng thái chảy xiết sang trạng thái chảy êm. Hiện tượng này được đặc trưng
bởi khu luồng chính chảy xuôi, mở rộng đột ngột và khu chảy xoáy chuyển
động vòng quanh tại chỗ trên mặt khu luồng chính.
2.2.1.2. Phân loại:
+ Theo điều kiện nảy sinh và cấu trúc của nước nhảy: Nước nhảy hoàn chỉnh;
Nước nhảy dâng; Nước nhảy mặt; Nước nhảy sóng.
+ Theo vị trí nước nhảy: Nước nhảy phóng xa; Nước nhảy tại chỗ; Nước nhảy
ngập.
+ Theo trị số Froude trước nước nhảy:

V2

Fr1 =
gh

Nước nhảy sóng khi Fr1 = 1 ÷ 3
Nước nhảy yếu khi Fr1 = 3 ÷ 6
Nước nhảy dao động khi Fr1 = 6 ÷ 20
Nước nhảy ổn định khi Fr1 = 20 ÷ 80
Nước nhảy mạnh khi Fr1 ≥ 80
2.2.2. Nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu công trình.
Ở hạ lưu công trình có ba dạng nối tiếp dòng chảy: Nối tiếpchảy đáy;
Nối tiếp chảy mặt; Nối tiếp phóng xa.
2.2.2.1. Nối tiếp chảy đáy:
Là trạng thái mà lưu tốc lớn của dòng chảy xuất hiện ở gần đáy. Nối
tiếp chảy đáy có hai trường hợp sau:
* Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm: Trong trường hợp này dòng chảy qua
ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất hiện mặt cắt co hẹp C – C. Tại mặt cắt co
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


22

hẹp, độ sâu dòng chảy (hc) là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất. Khi đó
có hc < hk do vậy nối tiếp chảy đáy trong trường hợp này bắt buộc phải qua
nước nhảy.
"
+ Nếu hc = hh có nước nhảy tại chỗ, năng lượng thừa sẽ tiêu hao một phần

lớn bởi nước nhảy. Dạng nước nhảy này không ổn định.
"
+ Nếu hc > hh có nước nhảy phóng xa, năng lượng thừa sẽ tiêu hao bằng tổn

thất dọc đường ở đoạn nước dâng và nước nhảy.
"
+ Nếu hc < hh ta có nước nhảy ngập.

*. Trường hợp dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy xiết: Trường hợp này dòng
chảy ở hạ lưu không qua nước nhảy.
+ Nếu hc = ho ngay tại mặt cắt co hẹp thì có dòng chảy đều.
+ Nếu hc > ho sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ giảm dần và hình thành
đường nước đổ b2.
+ Nếu hc < ho sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy sẽ tăng dần và có đường
nước dâng c2.
2.2.2.2. Nối tiếp chảy mặt.
Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy
không xuất hiện sát đáy mà ở gần mặt thoáng tự do.
Nối tiếp chảy đáy thường gặp trong điều kiện có bậc thẳng đứng ở hạ
lưu. Tùy theo mực nước ở hạ lưu, lưu lượng, kích thước và hình dạng bậc có
thể xuất hiện một số dạng nối tiếp sau:
+ Khi độ sâu mực nước hạ lưu không lớn, dòng chảy ra khỏi bậc vẫn ở trạng
thái chảy đáy.
+ Khi độ sâu mực nước hạ lưu tăng đến một mức độ nào đó thì dòng chảy
không đi xuống đáy nữa mà phóng ra xa theo hướng lên mặt thoáng hình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


23

thành dòng chảy mặt không ngập. Dạng này tồn tại trong phạm vi h h thay đổi
khá lớn.

+ Khi hh tiếp tục tăng đến một lúc nào đó thì có dạng nối tiếp mặt đáy không
ngập. Ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt ở khu vực sau là chảy đáy. Dạng
nối tiếp này là trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm vi thay đổi
rất nhỏ của độ sâu hạ lưu.
+ Nối tiếp chảy mặt ngập: Khi trên bậc có khu chảy cuộn và lưu tốc lớn nhất
của dòng chảy xuất hiện ở trên mặt. Đây là dạng nối tiếp ổn định và tồn tại
trong phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu khá lớn.
Trong nối tiếp chảy mặt, khi bậc có bán kính cong ngược khá lớn sẽ
hình thành cuộn nước dạng phễu gọi là dòng phễu. Nối tiếp dạng này tiêu hao
năng lượng khá lớn. Nối tiếp dòng phễu có: Dòng phễu giới hạn; Dòng phễu
ổn định; Dòng phễu chìm. Trạng thái dòng phễu là quá trình chuyển hóa của
dòng chảy mặt khi lưu lượng qua tràn thay đổi.
+ Nối tiếp chảy đáy hồi phục:
2.2.2.3. Nối tiếp phóng xa:
Dòng chảy từ thượng lưu đến cuối công trình nối tiếp sau ngưỡng tràn
được nối với hạ lưu bằng dòng phun vào không khí. Cao trình mũi phun phải
cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu.
2.3. Tính toán bể tiêu năng sau tràn, [4], [5], [8], [16].
Mục đích của việc tính toán bể tiêu năng sau tràn là thiết kế bể tiêu
năng hợp lý cho công trình, nhằm tiêu hao phần năng lượng thừa của dòng
chảy trước khi xả vào kênh dẫn hạ lưu, chống xói lở lòng dẫn hạ lưu, đảm bảo
an toàn cho công trình. Tính toán bể tiêu năng cần xác định các đại lượng:
Lưu lượng tiêu năng; Chiều sâu bể; Chiều dài bể; Chiều dài đoạn gia cố hạ
lưu.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


24

2.3.1. Tính toán chiều sâu bể
1
qt
vo
Eo

E'o

q

Ct

C
O

h"c

Z'
vo

hc

O'
1

Z'o

hh
do

O
O'

C

Hình 2.1. Sơ đồ tính toán bể tiêu năng.
Phương pháp chung dựa trên các phương trình sau:
+ Phương trình quan hệ mực nước thượng, hạ lưu:

hc =

Hoặc:

q

ϕ 2 g ( E 0 − hc )

F (τ c ) =

(2 – 5)

q
ϕE 02 / 3

+ Phương trình nước nhảy được viết dưới dạng xác định độ sâu liên hiệp sau
nước nhảy. Với nước nhảy tại chỗ trong lòng dẫn lăng trụ, mặt cắt chữ nhật ta
có




α 0 8q 2

h = 0,5hc 1 +
− 1
3


ghc


"
c

(2 – 6)

+ Phương trình hình học:

hb = σhc" = d + hh + ∆Z

q2
αq 2
∆Z =
−
2 gϕ 2 hh2 2 ghb2
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(2 – 7)


25

2.3.2. Tính toán chiều dài bể:
Chiều dài bể phải đủ dài để nước nhảy nằm gọn trong bể, khi đó hiệu
quả tiêu năng của bể mới đảm bảo.
L = Lr + L1
Trong đó:

(2 – 8)
Lr – chiều dài nước rơi
L1 – chiều dài gói nước nhảy

Chiều dài nước rơi (Lr) được tính toán như sau:
+ Nếu chảy qua đập tràn thực dụng có mặt cắt hình thang:
Lr = 1,33 H 0 ( p + 0,3H 0 )

(2 – 9)

+ Chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van:
Lr = 2 H 0 ( p + 0,32a )

(2 – 10)

+ Chảy qua đập tràn đỉnh rộng
Lr = 1,64 H 0 ( p + 0,24 H 0 )

(2 – 11)

+ Chảy từ bậc nước xuống:
Lr = p + hk
Trong đó:

(2 – 12)

p – chiều cao ngưỡng tràn so với đáy bể
a – Độ mở cửa van
H0 – Cột nước tràn có kể tới lưu tốc tới gần

* Lưu ý: Lr có thể bằng không khi dòng nước tràn theo mặt tràn
Chiều dài gói nước L1 được tính toán như sau:
+ Theo P.Novak
L1 = K(h” – h’)
Trong đó:

h’, h” – Độ sâu liên hiệp nước nhảy
K phụ thuộc vào tỷ số h”/h’

K = 5,5 khi h”/h’ = 3 ÷ 4;
K = 5,0 khi h”/h’ = 4 ÷ 6;

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(2 – 13)