NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHỌN KẾT CẤU MŨI PHUN 2 TẦNG CHO TRÀN XẢ LŨ CÓ DỐC NƯỚC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.38 MB, 144 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
TÔ VĨNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
CHỌN KẾT CẤU MŨI PHUN 2 TẦNG CHO
TRÀN XẢ LŨ CÓ DỐC NƯỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội, 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
TÔ VĨNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
CHỌN KẾT CẤU MŨI PHUN 2 TẦNG CHO
TRÀN XẢ LŨ CÓ DỐC NƯỚC
Chuyên ngành:
Xây dựng công trình thủy
Mã số:
60 – 58 – 40
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần Quốc Thưởng
Hà Nội, 2011
LỜI CẢM ƠN!
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công trình thủy lợi với đề tài
“Nghiên cứu thực nghiệm chọn kết cấu mũi phun 2 tầng cho tràn xả lũ có
dốc nước” được hoàn thành với sự cố gắng nổ lực của bản thân cùng với sự
giúp đỡ nhiệt tình của Phòng đào tạo đại học & sau đại học, khoa Công trình,
các thầy cô giáo trường Đại học Thủy lợi. Ban lãnh đạo Trung tâm nghiên
cứu thủy lực và các phòng ban khác của Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc
gia về động lực học Sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo
điều kiện và động viên giúp đỡ về mọi mặt. Tác giả xin chân thành cảm ơn
các cơ quan đơn vị và cá nhân nói trên.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn
PGS.TS. Trần Quốc Thưởng đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình trong
suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực – Phòng
thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học Sông biển (nơi tác giả làm
việc) đã động viện, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, công
tác và hoàn thành phần nghiên cứu thực nghiệm của luận văn.
Xin cảm ơn nhóm nghiên cứu đề tài: “Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho
tràn xả lũ có dốc nước” đã tạo điều kiện giúp đỡ, góp các ý kiến quý báu cho
việc hoàn thành luận văn.
Sau cùng tôi xin cảm ơn những người thân, gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã giúp đỡ cổ vũ động viên, khích lệ tôi trong quá trình làm luận văn.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do điều kiện luận văn có hạn nên
không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong được sự giúp đỡ chân
thành của các thầy cô giáo, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà nội, ngày 30 tháng 9 năm 2011.
TÁC GIẢ
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: .............................................................1
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: .......................................................................2
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: .....................2
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC: ........................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ ....................................... 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ CÓ HÌNH THỨC TIÊU NĂNG PHÓNG
XA. .................................................................................................................4
1.2. MỘT SỐ TRÀN XẢ LŨ CÓ DỐC NƯỚC .................................................10
1.2.1. Công trình thuỷ điện Kanak – Gia Lai ...............................................10
1.2.2. Công trình Cửa Đạt – Thanh Hoá ......................................................11
1.2.3. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang ....................................................12
1.2.4. Công trình thuỷ điện Sơn La ..............................................................12
1.2.5. Công trình Krông Pách Thượng .........................................................13
1.3. CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC CƠ BẢN VỀ MŨI PHUN ........................13
1.3.1. Chiều dài dòng phun ..........................................................................14
1.3.2. Góc nghiêng θ ....................................................................................18
1.3.3. Vận tốc bình quân của dòng chảy tại mũi phun. ................................19
1.3.4. Bán kính cong của đoạn cong ngược .................................................21
1.3.5. Độ sâu của hố xói ...............................................................................21
1.4. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ MŨI PHUN DẠNG 2 TẦNG. .................26
1.4.1. Các dạng mũi phun 2 tầng ..................................................................26
1.4.2. Một số các hình thức mũi hất đã được ứng dụng ...............................29
1.4.3. Thông số cơ bản của các dạng mũi phun 2 tầng ................................32
1.5. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ TRÀN
XẢ LŨ DẠNG MŨI PHUN 2 TẦNG. ........................................................34
1.5.1. Kết quả nghiên cứu trong nước: .........................................................34
1.5.2. Kết quả nghiên cứu trên thế giới: .......................................................35
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ...............36
2.1. LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG. ..............36
2.1.1. Lý thuyết tương tự ..............................................................................36
2.1.2. Các tiêu chuẩn tương tự .....................................................................38
2.1.3. Phương trình quỹ đạo chuyển động liên hệ giữa các yếu tố nghiên
cứu .....................................................................................................................38
2.2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH. .....................................................40
2.2.1. Thiết kế mô hình ................................................................................40
2.2.2. Xây dựng mô hình. .............................................................................42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC
CƠ CHO MŨI PHUN 2 TẦNG .....................................................................47
3.1. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN. ..............................47
3.1.1. Sơ đồ tính toán ...................................................................................47
3.1.2. Xác định dạng đường mặt nước trên dốc ...........................................48
3.1.3. Tính toán và vẽ đường mặt nước trên thân dốc .................................49
3.1.4. Tính toán xác định đường mặt nước trên mũi phun ...........................52
3.1.5. Tính chiều dài dòng phun xa. .............................................................58
3.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. ........................................................................61
3.2.1. Vận tốc dòng chảy:.............................................................................66
3.2.2. Dòng phun xa .....................................................................................67
3.2.3. Áp suất dòng chảy: .............................................................................69
3.2.4. Xói ở hạ lưu công trình: .....................................................................71
3.2.5. Lựa chọn mũi phun dạng 3: ...............................................................74
3.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.........................................................76
I. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................85
II. TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................87
1. Tồn tại và hạn chế. .............................................................................87
2. Kiến nghị. ..........................................................................................87
III. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP ....................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................89
PHỤ LỤC
Trang 1
MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:
Trong công trình thủy lợi, thủy điện lớn, công trình làm việc với cột
nước cao thì dòng chảy qua thân tràn, dốc nước, mũi phun thường là dòng
chảy rối, lưu tốc dòng chảy cao và năng lượng dòng chảy lớn v.v… để tăng
cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa, chúng ta thường sử dụng biện pháp
công trình như sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ và một trong những loại đó
là mũi phun. Tuy nhiên như đã đề cập do dòng chảy thường là dòng lưu tốc
cao nên trong khi tính toán thiết kế cần phải chú ý đến các hiện tượng xâm
thực do khí thực, hoặc mài mòn xảy ra xung quanh các thiết bị tiêu năng phụ,
hơn nữa khi tính toán các thông số thiết bị tiêu năng chỉ dựa vào các công
thức thực nghiệm. Chính vì thế cần phải thông qua thí nghiệm mô hình để tạo
ra hình dáng, kích thước và bố trí cho hợp lý.
Mỗi loại vật liệu dùng để xây dựng tràn có thể chịu được tác dụng giới
hạn nào đó của vận tốc, gọi là vận tốc cho phép [V cp ]. Chẳng hạn như vận tốc
chống xói cho phép [V cp ] ứng với từng vật liệu. Nếu vận tốc qua tràn lớn hơn
vận tốc chống xói cho phép của vật liệu xây dựng tràn thì tràn sẽ bị phá hoại
khi đó mũi phun cũng sẽ bị phá hoại. Như vậy, để đảm bảo tràn không bị phá
hoại hay mũi phun không bị phá hoại thì phải xác định vận tốc trên mặt mũi
phun ứng với các cấp lưu lượng khác nhau là việc làm cần thiết để từ đó xác
định kết cấu tiêu năng hợp lý cho tràn xả lũ.
Quy phạm tính toán thuỷ lực mới nêu về tính toán mặt cắt tràn, còn tính
toán mũi phun chưa đề cập đến. Vì vậy khi tính toán tham khảo các tài liệu là
chính. Do đó có nhiều phương pháp và cách tính khác nhau.
Trang 2
Tuy nhiên trong khi tính toán có nhiều yếu tố không thể xác định được
bằng lý thuyết, nên việc tính toán thường phải kết hợp với thí nghiệm mô hình
thuỷ lực nhằm hiệu chỉnh một số thông số thuỷ lực.
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI:
Ở nước ta, cũng như nhiều nước trên thế giới các công trình thủy lợi,
thủy điện có tràn xả lũ mà nối tiếp sau thân tràn theo nhiều hình thức khác
nhau, trong đó dạng thân tràn kết hợp với dốc nước chiếm một tỷ lệ lớn, dùng
hình thức tiêu năng dòng phun là chủ yếu, dựa vào sự khuyếch tán của các
phần tử nước với nhau và với không khí làm tiêu hao bớt năng lượng thừa. Do
hầu hết dòng chảy trên dốc nước và nhất là đầu dốc nước là dòng xiết có lưu
tốc lớn, khi chảy xuống hạ lưu có thể gây ra xói lở lòng dẫn nếu như hạ lưu
không được gia cố đảm bảo, từ đó gây ra mất ổn định đến công trình. Nghiên
cứu chế độ thủy lực nối tiếp hạ lưu nhằm nắm rõ tình hình làm việc bản thân
để hạn chế tối đa ảnh hưởng của dòng xiết đó là một vấn đề khoa học mang ý
nghĩa thực tiễn cao. Bài toán đặt ra ở đây là phải làm sao để năng lượng thừa
sau khi ra khỏi mũi phun được chuyển đến hạ lưu là nhỏ nhất, chúng ta đã dựa
vào đặc trưng của dòng phun về sự khuyếch tán để làm tiêu hao bớt năng
lượng thừa bằng các thiết bị tiêu năng phụ.
Qua thực nghiệm mô hình xác định được mũi phun hợp lý cho tràn xả lũ
nối tiếp sau tràn là dốc nước có độ dốc (i = 20% ÷ 30%).
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
● Nghiên cứu lý thuyết
Tổng quan và phân tích các kết quả nghiên cứu về các dạng mũi phun,
tính toán theo các công thức xác định chiều sâu và vận tốc dòng chảy trên
mũi phun.
Trang 3
● Nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực
- Kiểm tra các kết quả tính toán;
- Nghiên cứu kiểm tra về áp suất, mạch động áp suất tại mũi phun 2 tầng;
- Nghiên cứu bố trí kích thước kết cấu mũi phun 2 tầng để tối ưu hiệu
quả tiêu năng.
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:
Mũi phun hai tầng là bộ phận nối tiếp cuối dốc nước. Đối với các dốc
nước mà dòng chảy trên đó có lưu tốc lớn, độ xiết cao thì một trong những
giải pháp nối tiếp, tiêu năng hợp lý là bố trí mũi phun hai tầng ở cuối dốc
nước, dòng chảy trên mũi phun hai tầng được phân thành hai dòng: ở trên
đỉnh và ở dưới khe, cho phép dòng chảy khuếch tán nhiều hơn theo phương
thẳng đứng, đồng thời có sự va chạm giữa các dòng tia, trộn khí tốt hơn, ma
sát với không khí nhiều hơn… nên năng lượng của dòng phun được tiêu hao
nhiều, giảm khả năng xói lở ở hạ lưu, giảm chiều sâu hố xói.
Qua phân tích tính toán lý thuyết và so sánh với thực nghiệm một số các
thông số thủy lực như vận tốc, vận tốc mạch động, áp suất, áp suất mạch
động, chiều dài phun xa… để lựa chọn đưa ra được dạng mũi phun hai tầng
hợp lý cho tràn xả lũ có dốc nước (i = 20% ÷ 30%).
Trang 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ
1.1. TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ CÓ HÌNH THỨC TIÊU NĂNG
PHÓNG XA.
Công trình xả lũ là một bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong
đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện của hồ chứa nước. Nó có nhiệm vụ xả lưu lượng
thừa trong mùa lũ, xả lưu lượng cần dùng cho các nhu cầu ở hạ lưu và xả cạn
hồ chứa khi cần thiết hay để kết hợp xả bùn cát đáy nhằm nâng cao tuổi thọ
của hồ chứa, xả nước khi thi công,… Các nhiệm vụ đó có thể do một hay
nhiều loại công trình xả cùng thực hiện, nhưng nói chung công trình xả nước
luôn là thành phần quan trọng đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình đầu
mối cũng như đối với hạ du.
Tuỳ theo đặc điểm địa hình, địa chất của khu vực tuyến công trình, bố trí
tổng thể công trình đầu mối và nhiệm vụ của công trình xả nước, có thể bố trí
theo nhiều hình thức khác nhau, như công trình xả nước trên mặt: tràn dọc,
tràn ngang, tháo nước kiểu xi phông, kiểu giếng,… và công trình tháo nước
dưới sâu: cống ngầm, đường hầm. Trong đó, hình thức công trình xả mặt
chiếm đa số ở nước ta.
Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đang triển
khai thiết kế và xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều
công trình có hồ chứa và công trình xả lũ có quy mô lớn. Có thể nêu ra một số
dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng
Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San 4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh,
Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3,
Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc
Hà,… Đây là những công trình có quy mô hồ chứa có dung tích từ hàng triệu
cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của công trình xả nước cũng từ
Trang 5
hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s. Có thể nói trong khoảng 5÷6 năm trở
lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ chứa lớn phát triển nhanh. Chúng ta
đã nhanh chóng áp dụng thành công những công nghệ thiết kế, thi công tiên
tiến của thế giới để xây dựng các công trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá
đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền
thống (CVC) khối lớn cấp phối liên tục. Trong số đó có những đập đã được
đưa vào vận hành an toàn, về đập đá đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ
lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San
3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập Plêikrông. Trước đó, chúng ta cũng đã xây
dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy,
Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng, A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều
kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn của từng công trình mà đã thiết kế nhiều
dạng công trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí công trình, bao gồm cả
tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản
Chát, Huội Quảng, …), xả mặt kết hợp với xả sâu (Hoà Bình, Sơn La, Tuyên
Quang), đường tràn dọc (Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang,
Rào Quán, Đại Ninh,…).
Về hình thức tiêu năng sau công trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu
năng được áp dụng:
- Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản
nội bộ của nước nhảy. Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp. Biện
pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các công tình vừa và nhỏ, mực
nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An,
A Lưới,…). Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi
khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có
quy mô lớn.
Trang 6
- Tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy
mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy. Nhìn chung, với chế độ
chảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này. Thường
động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy.
Chế độ chảy mặt có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia
cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít.
- Tiêu năng bằng dòng phun xa: Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi
phun ở chân đập hoặc cuối dốc nước để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa
khỏi chân đập. Đây là hình thức tiêu năng được dùng khá phổ biến, đặc biệt
trong các công trình xả có cột nước cao. Tiêu năng dòng phun xa được chia
làm hai loại cơ bản theo đặc điểm kết cấu mũi phun:
+ Mũi phun liên tục: đặc điểm dòng phun là 1 dòng chảy không có sự va
đập với nhau trong quá trình bay trong không khí, dòng đổ xuống hạ lưu do
năng lượng tiêu hao ít nên gây ra vận tốc và sóng lớn ở hạ lưu. Mặt khác,
dòng phun là dòng chảy tập trung ít trộn khí nên trong trường hợp cột nước
cao, tỷ lưu lớn sẽ làm cho chiều sâu xói lớn.
+ Mũi phun không liên tục (hay mũi phun 2 tầng): là loại mũi phun tạo
nên các dòng phun va đập vào nhau trong quá trình bay trong không khí, dòng
đặc tập trung được phân tán thành nhiều dòng rơi xuống mặt nước hạ lưu.
Năng lượng dòng chảy được tiêu hao nhiều nên vận tốc và sóng ở hạ lưu nhỏ,
do đó giảm chiều sâu xói và khối lượng gia cố ở hạ lưu.
Đối với hình thức tiêu năng bằng dòng phun ở chân đập đã được thiết kế
ở một loạt các công trình có đập bê tông (CVC và RCC) như Sê San 3,
Plêikrông, Sê San 3A, A Vương, Bản Vẽ, Bản Chát, Huội Quảng, Đồng Nai
3, Đồng Nai 4,… Hình thức tiêu năng bằng mũi phun cuối dốc nước cũng
được áp dụng cho một loạt các công trình xả cột nuớc cao, lưu lượng lớn như:
Ialy, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Sơn La, Cửa Đạt…(bảng 1.1)
Trang 7
Bảng 1.1 - Thống kê một số công trình xả nước có quy mô lớn ở Việt Nam
TT
Tên công
trình
Địa điểm
H tràn
B tràn
tiêu năng
(m)
(m)
(m3/s) (m2/s)
90
37800
13.8
52
6100
18.8
105
17570 137.8
18.6
45
7390
102.6
10.92
23
1237
48.5
16
75
13300 141.5
18
70
6050
16.3
90
17536 173.6
5.05
30
1668
15.84
60
11986 170.0
Dốc nước,
1
Hoà Bình
Hoà Bình
2
Thác Mơ
Bình Phước
3
Yali
Gia Lai
4
Đại Ninh
Bình Thuận
5
Ayun Hạ
Gia Lai
6
Đồng Nai 4
7
Plêikrông
Kon Tum
8
Sê San 3
Kon Tum
9
Rào Quán
Quảng Trị
Tuyên
Tuyên
Đập tràn,
Quang
Quang
mũi phun
10
mũi phun
Bể tiêu
năng
Dốc nước,
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
Đ.Lắc,
Dốc nước,
L. Đồng
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
Đập tràn,
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
Q xả
q
Hình thức
105.2
84.0
69.5
Trang 8
TT
Tên công
trình
Địa điểm
11
Bản Vẽ
Nghệ An
12
Huội Quảng
Lai Châu
13
Bản Chát
Lai Châu
14
Cần Đơn
Bình Phước
15
Sê San 3A
16
Bình Điền
17
SrêPok 3
Đak Nông
18
Nậm Chiến
Sơn La
19
Sê San 4
Hình thức
H tràn
B tràn
tiêu năng
(m)
(m)
(m3/s) (m2/s)
11.5
60
10500 155.6
13.0
90
47700 460.6
15.0
60
11981 178.8
12
50
6965
181.1
17.76
105
1800
141.2
12.96
50
4519
76.6
15.5
75
12320 131.1
5.63
80
2387
15.6
120
20090 139.5
Đập tràn,
mũi phun
Đập tràn,
mũi phun
Đập tràn,
mũi phun
Bể tiêu
năng
Gia Lai,
Bể tiêu
Kon Tum
năng
Thừa Thiên
Đập tràn,
Huế
mũi phun
Đập tràn,
mũi phun
Đập tràn,
mũi phun
Gia Lai,
Đập tràn,
Kon Tum
mũi phun
Q xả
q
24.1
Trang 9
Tên công
TT
trình
Cửa Đạt
20
Địa điểm
Thanh Hoá
Krông Pách
21
Thượng
Sơn La
22
Đắk lắk
Sơn La
Hình thức
H tràn
B tràn
tiêu năng
(m)
(m)
(m3/s) (m2/s)
24.33
67
11487 171.4
8.07
30
1183
39.4
28.76
167
38240
236
Dốc nước,
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
Dốc nước,
mũi phun
q
Q xả
Bảng 1.2 - Thông số kỹ thuật một số tràn + dốc nước có quy mô lớn ở
Việt Nam
TT
Tên công trình
1
Đặc trưng của dốc nước
Qxả
(m3/s)
B (m)
q (m2/s)
L (m)
i (%)
Cầu Mới
352
25
14.1
107
10
2
Dầu Tiếng
2,810
72
39.0
60
5
3
An Mã
332
18
18.4
64
7
4
Vệ Rừng
159
8.5
18.7
48
15
5
Đồng Mô
120
12
10.0
82
15
6
Yên Lập
830
27.6
30.1
150
15
7
Cam Ranh
539
27.2
19.8
60
15
8
Sông Hinh
6,285
89.5
70.2
64
15
Trang 10
TT
Tên công trình
9
Đặc trưng của dốc nước
Qxả
(m3/s)
B (m)
q (m2/s)
L (m)
i (%)
Núi Cốc
584
18
32.4
66
15
10
Việt An
543
38
14.3
128
20
11
Yaly
17,570
105
137.8
194
10và50
12
Rào Quán
1668
24
69.5
185.9
5 và 35
13
Đại Ninh
7390
52
142.1
116.12
-4.4
14
Tuyên Quang
11986
70.5
170.0
112.5
13.8
15
Cửa Đạt
11,487
67
171.4
220
20.0
16
Sơn La
38240
167
236
283.8
4.6
1183
30
39.4
115
8.0
17
Krông Pách
Thượng
1.2. MỘT SỐ TRÀN XẢ LŨ CÓ DỐC NƯỚC
Nước ta có một số công trình thuỷ lợi, thuỷ điện có tràn xả lũ tiêu năng
bằng mũi phun ở cuối dốc nước, như: Hoà Bình, Kanak, IALY, Cửa Đạt,
Krông pách Thượng…
1.2.1. Công trình thuỷ điện Kanak – Gia Lai
Công trình thuỷ điện Kanak – Gia Lai có công suất lắp máy là 13MW,
điện lượng trung bình hàng năm là 58.5 triệu kwh, nhằm bổ sung nguồn điện
vào lưới điện quốc gia cấp cho các tỉnh miền Trung và miền Nam. Đồng thời
còn bổ sung nguồn nước tưới cho vùng đồng bằng hạ lưu sông Côn phía Nam
tỉnh Bình Định, đảm bảo nguồn nước môi trường hạ lưu sông Ba.
Đập dâng bằng đá đổ bản mặt bê tông cao 68.0m, chiều dài toàn đập là
Trang 11
849.0m. Đập tràn xả lũ vận hành bố trí bên bờ phải kiển thực dụng gồm 3
khoang có kích thước: nxbxh=3x12x13m; kết cấu bê tông cốt thép, tiêu năng
theo dạng dốc nước mũi phun và hố xói: Dốc nước dài 215.15m đoạn đầu dài
135.88m với độ dốc i=10%, đoạn sau dài 58.65m độ dốc i=19.8%, giữa hai
đoạn dốc có đoạn chuyển tiếp với bán kính cong lồi R=150m, sau đoạn dốc
thứ hai là đoạn mũi phun dài 20.64m, đoạn này có bán kính cong ngược
R=30m; mũi hất có góc độ θ = 30o. Tuyến năng lượng kiểu đường dẫn bố trí
bên bờ trái bao gồm cửa lấy nước 2 khoang bằng bê tông cốt thép có lưu
lượng thiết kế là Q TĐ = 40.8m3/s; đường hầm dẫn nước dài gần 462.0m,
đường kính trong D=4.0m, có áo bọc bằng bê tông dày 0.40m; nhà máy thuỷ
điện với 2 tổ máy tuốc bin cánh quay trục đứng N Lm =2*6.5Mw; kênh xả dài
111.5m, đáy rộng 8.0m; trạm phân phối điện có kích thước dài*rộng =
38.5*24.75m.
1.2.2. Công trình Cửa Đạt – Thanh Hoá
Công trình đầu mối thuỷ lợi hồ chứa nước Cửa Đạt là một công trình cấp
I theo tiêu chuẩn TCXDVN 285-2002, có tính chất kỹ thuật phức tạp. Hệ
thống công trình gồm:
- Đập chính đầu mối Cửa Đạt.
- Đầu mối đập phụ Dốc Cáy.
Đầu mối đập phụ Hòn Can. Trong đó cụm đầu mối Cửa Đạt là lớn và phức
tạp nhất. Cụm công trình này bao gồm các hạng mục:
- Đập chính là đập đá đổ chống thấm bằng bê tông bản mặt.
- Đập tràn xả lũ gồm 5 khoang mỗi khoang rộng 11.0m; ngưỡng tràn ở cao
trình 97m, đáy kênh dẫn thượng lưu ở cao trình 85m; giữa các khoang tràn có
trụ pin giữa dày 3.0m trên đỉnh tràn có lắp các cửa van cung; không có tường
ngực. Tràn xả lũ có dạng xả mặt.
- Nối với đập tràn là dốc nước dài 240m; i=20% tiêu năng bằng mũi phun liên
tục với góc hất α=30o.
Trang 12
1.2.3. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang
Công trình thuỷ điện Tuyên Quang có dung tích hồ chứa toàn bộ lớn hơn
2tỷ m3, công suất phát điện lớn hơn 300MW, theo tiêu chuẩn Việt Nam
TCXDVN 285-2002 công trình thuộc cấp I.
Đập tràn xả lũ được đặt bên bờ phải của đập dâng nước, thiết kế theo
kiểu xả kết hợp - xả mặt và xả sâu.
- Xả mặt: Mặt tràn được chọn theo mặt cắt thực dụng phi chân không
Creager-Oficerov, với cột nước thiết kế mặt cắt H tk = 15.15m (cao độ đỉnh
tràn là 104.85m). Số khoang tràn n 1 = 4, chiều rộng mỗi khoang b o =15m, do
đó chiều rộng tràn nước tổng cộng là b=60m. Trụ đập dày d=3.5m, đầu trụ
phía thượng lưu lượn tròn (trên bình diện) với bán kính công r=1.75m. Mặt
tràn kết thúc ở cao độ 86.7m với bán kính cong (lõm) 18.5m, các trụ đập kéo
dài hơn mặt tràn về phía hạ lưu.
- Xả sâu: Số lỗ xả sâu n 2 =8; lỗ có tiết diện chữ nhật với kích thước
rộng*cao=4.5*6m, cao độ đáy lỗ 79m, cao độ trần lỗ 85m, trần cửa vào có
dạng cong elíp. Trụ phân cách giữa các lỗ có 2 loại, dày 6m và 3.5m, đầu vào
cong tròn với bán kính 1.75m. Dốc nước tiếp sau các lỗ xả sâu có độ dốc đáy
i=0.13, dài 85m, mũi phun dạng liên tục với góc hất α=25o. Các lỗ xả đều
được đóng bằng cửa van cung.
1.2.4. Công trình thuỷ điện Sơn La
Công trình thuỷ điện Sơn La với công suất lắp máy 2400Mw sẽ đưa vào
hệ thống điện quốc gia sản lượng điện một năm 8.71 tỷ kwh cộng với điều tiết
dòng chảy, cho phép nhận sản lượng điện bổ sung tại các tổ máy của nhà máy
thuỷ điện Hoà Bình 719 triệu kwh và tăng công suất đảm bảo lên 107Mw.
Dốc nước tràn xả lũ dài 285m, bề rộng (đầu là 111.50m, cuối là 171.3m),
mũi phun liên tục với góc hất α=22o.
Trang 13
1.2.5. Công trình Krông Pách Thượng
Đập tràn được nối với dốc nước, chiều rộng đáy dốc là 25.0m; cao độ
ngưỡng tràn là ∇489.50m, độ dốc của dốc nước i=7%, chiều dài dốc nước là
135.0m. Mũi phun không liên tục liên tục (mũi phun 2 tầng).
- Kết cấu mũi phun:
+ Hàng mố gồm 3 mố nguyên và 2 mố nửa, cao trình đỉnh mố ∇478.44m,
(góc mố phun khoảng 300).
+ Mũi phun liên tục, cao trình đỉnh mũi phun ∇478,84m (góc mũi phun
khoảng 240).
1.3. CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC CƠ BẢN VỀ MŨI PHUN
Ta đã biết hình thức tiêu năng bằng mũi phun là hình thức tiêu năng cơ
bản và khá phổ biến ở hầu hết các công trình thủy lợi. Điều kiện để thực hiện
được hình thức này là chiều cao cột nước đủ lớn để tạo ra dòng phóng xa
không gây ảnh hưởng xấu đến công trình kết hợp với dòng chảy ở hạ lưu
cũng phải có một lớp nước đệm đủ lớn để đảm bảo độ sâu của hố xói không
quá lớn ảnh hưởng đến móng của công trình.
Vì vậy theo kinh nghiệm xây dựng ở nhiều nước thì hình thức này đã
được áp dụng nhiều đối với các hồ chứa có cột nước cao và trung bình.
Khi áp dụng loại hình thức mũi phun do vận tốc ở cuối mũi phun lớn, do
chênh lệch cột nước lớn nên thường có một các tồn tại thường xảy ra như:
- Hố xói làm biến dạng lòng sông, làm cho mức nước hạ lưu trạm thủy
điện thay đổi ảnh hưởng đến khả năng phát điện.
- Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn chảy ngược hoặc sóng
vỗ vào mái đập.
Trang 14
- Mũi phun thường hay xảy ra xâm thực
- Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và các thiết bị
điện ở khu vực xung quanh.
1.3.1. Chiều dài dòng phun
Nhân tố quan trọng nhất và ảnh hưởng lớn nhất đến hệ thống công trình
là chiều dài của dòng phun xa vì chiều dài của nó phải đảm bảo để không làm
ảnh hưởng đến hoạt động của các công trình khác và đảm bảo an toàn hoạt
động của toàn hệ thống, không gây xói lở và mất ổn định chính vì vậy mà
trong quá trình tính toán lựa chọn các thông số thủy lực của mũi phun làm sao
chiều dài dòng phun là hợp lý nhất.
Khi dòng chảy ở mũi phun, dòng chảy men theo đường biên, ma sát
đường biên làm mức độ rối của dòng chảy tăng lên, không khí trộn vào dòng
nước càng nhiều, năng lượng dòng chảy được tiêu hao thêm một phần năng
lượng nữa. Dòng chảy sau khi nhấn chìm vào trong mặt nước phía sau và phía
trước, dòng chính được cuộn thành hai cuộn nước. Trong vùng cuộn được
hình thành dòng rối mãnh liệt, các dòng này va đập và xáo trộn lẫn nhau, ma
sát tương đối với nhau từ đấy tiêu hao đi một năng lượng đáng kể. Đệm nước
càng sâu khả năng mở rộng của lưỡi nước càng nhiều thì khả năng tiêu hao
của lượng nước càng lớn. Nếu hố xói đạt đến một mức độ sâu nhất định thì
mới có hiệu quả tiêu năng. Khi lòng sông rắn chắc công trình ít bị rung động.
Xác định chiều dài dòng phun bằng cách coi dòng phun có dạng Parabol.
Căn cứ vào công thức lý luận tính được khoảng cách theo phương ngang của
dòng phun L=f(ϕ,θ,v,z), trong tính toán có sai khác với thực tế nguyên nhân
là:
- Trong tính toán các giá trị θ, v, ϕ chỉ là các giá trị gần đúng
Trang 15
- Trong các công thức đều chưa đề cập đến bán kính R của đoạn cong
ngược.
- Trong tính toán chưa đề cập đến khoảng cách từ điểm thấp nhất của
đoạn cong tới đỉnh mũi phun.
- Chưa xét đến mức độ mở rộng, hiện tượng trộn khí, sức cản của không
khí…
- Khi dòng phun nhấn chìm vào trong mực nước thì tình hình diễn biến
rất phức tạp, hiện nay chưa có vấn đề nào đề cập đến vấn đề này.
Dưới đây giới thiệu công thức tính chiều dài phun xa. Chiều dài phun xa
thông thường dựa vào lý thuyết chuyển động ném xiên. Nếu như lưỡi nước đi
vào lớp nước đệm vẫn chuyển động theo quỹ đạo Parabol đi thì khoảng cách
nằm ngang từ cuối mũi phun đến điểm xói sâu nhất L được diễn tả là:
y+T
L = ϕ12 Z c sin 2θ 1 + 1 + 2
ϕ1 sin 2 θZ c
Trong đó:
θ - góc hất của mũi phun (°)
Z c - độ chênh cao từ mặt nước thượng lưu đến đỉnh mũi phun (m)
T - chiều sâu xói lớn nhất (m)
Thực tế chứng minh giá trị tính chiều dài dòng phun theo lý thuyết so với
giá trị thực đo có một số sai khác nhất định. Để cho việc tính toán càng phù
hợp thực tế ở các nước nhiều tác giả bắt tay từ phương pháp thực nghiệm dựa
trên cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm, đưa ra một số công thức tính toán theo
kinh nghiệm.
Trong quy phạm của ta dùng công thức của Liên Xô cũ
LP =
ϕ v 2 sin β cos β + v cos β v 2 sin 2 β + 2g (p + h )
g
Trang 16
Trong đó:
β - góc hất của mũi phun
v - lưu tốc tại mũi phun
h - độ sâu trên mũi phun
p - chênh lệch từ mũi phun đến mặt nước hạ lưu.
Ở Trung Quốc cũng có nhiều đơn vị và cá nhân nghiên cứu đề xuất công
thức thực nghiệm tính chiều dài phun xa, như: Viện nghiên cứu Thủy lợi Tây
Bắc, Viện nghiên cứu Khoa học Thủy lợi tỉnh An Huy…
Một số công thức thực nghiệm được thống kê trong bảng .
Bảng 1.3 - Tính chiều dài dòng phun
TT
Tác giả
Viện
1
thiết kế
Trường
Sa
Biểu thức tính toán L
Ghi chú
Z
0,935 + 0,024θ − c
Z Z
L=
c
0,007 + 0,25
phạm vi ứng dụng:
Khoa
2
học
Thủy lợi
Tây Bắc
0,04 Rθ + 0,1
Z
0,026 Rθ + 0,065
Pf
2. Khi 10≥ Rθ ≥5
nước thượng lưu đến cuối
mũi hất (m)
đến điểm tính chiều dài
dòng phun (bao gồm cột
nước v tiến gần)
θ - góc mũi hất (rad)
1. Khi 5≥ Rθ ≥1
L min = q 2 / 3
Z c - đầu nước tính từ mặt
Z - cột nước từ thượng lưu
Z
0,5≤ c ≤0,90
Z
15°≤ θ ≤45°
Viện
θ - góc mũi hất (°)
Fr4 / 5
Fr2 =
v 2c
-giá trị F r 2 ở cuối
gh c
mũi hất.
h' c = η
0,886 q
2gZ'
Trang 17
TT
Tác giả
Biểu thức tính toán L
L min = q 2 / 3
0,07Rθ − 0,2
0,05Rθ − 0,1 +
Z'
Pf
Ghi chú
Fr3 / 4
3.Khi 15≥ Rθ ≥10
L min = q 2 / 3
0,093Rθ − 0,6
Fr2 / 3
Z'
0,06 Rθ − 0,4 +
Pf
Ghi chú:
P f - cao độ của đập tràn (m)
q- lưu lượng đơn vị (m3/s.m)
h- cột nước trên đỉnh tràn (m)
h c = h' cos θ - độ sâu dòng
chảy vuông góc với mũi
hất (m)
η=
1
1 − 0,015 Rθ
L min - khoảng cách mép
trong của lưỡi nước (m)
R - bán kính cong của mũi
hất (m)
Z’- chênh cao từ đỉnh đập
đến đỉnh mũi hất (m)
T- chiều sâu xói lớn nhất
tức là từ mặt nước hạ lưu
đến đáy của hố xói (m)
Chương
3
Phúc
Z- chênh lệch mực nước
L = 6 sin θ Z ( P + T )
thượng và hạ lưu (m)
P- chênh lệch độ cao từ
Nghĩa
mũi hất đến mặt nước hạ
lưu (m)
θ - góc mũi hất (°)
θ - góc mũi hất (°)
E.A.Elev
4
a
Toroki
L = 1,9 Z c sin 2θ
Z c - chênh lệch độ cao từ
đỉnh mũi hất đến mặt
nước thượng lưu (m)
Trang 18
TT
Tác giả
Biểu thức tính toán L
Ghi chú
k - hệ số hiệu chỉnh
L=k
v 2c sin θ cos θ + v c cos v 2c sin θ + 2gp
g
g - gia tốc trọng trường
1. Khi dòng 2 pha thì k = 0,92
(m/s2)
2. Khi dòng phun khuếch tán ở
Z- chênh lệch mực nước
cửa ra máng tháo nước
gZp
k = 1,05
q
Khoa
5
mũi phun đến mặt nước hạ
lưu (m)
k = L thực đo/L lý thuyết
Viện
p - chênh lệch độ cao từ
học
Thủy lợi
khi
An Huy
0,105
3. Khi dòng phun là máng treo:
khi
v c - vận tốc trung bình
cuối mũi hất (m/s)
gZp
≥ 1 thì k >1
q
gZp
k = 0,78
q
thượng hạ lưu (m)
0, 075
gZp
≥ 1,3 thì k >1
q
gZp
≤ 1,3 thì k ≤ 1
q
H c - cột nước trên mũi hất
(m)
θ - góc hất (°)
Phạm vi ứng dụng cho 3
trường hợp bên:
1.
v 2c
= 9,15 − 27,2
gh c
2.
v 2c
= 12∼58
gh c
3.
v 2c
= 13∼47
gh c
1.3.2. Góc nghiêng θ
Trong tính toán góc nghiêng θ chính là góc nghiêng của mũi phóng.
Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu nhằm chính xác vấn đề này nhưng vẫn chưa
Trang 19
đạt được độ chính xác để ứng dụng, lựa chọn góc θ có ảnh hưởng đến chiều
dài phóng xa L rất lớn. Theo đường Parabol tìm được góc θ như sau:
θ max = cot ag 1 +
P
T
Trong đó:
P- là chiều cao từ đỉnh mũi phun đến mực nước hạ lưu (m)
T- là chiều sâu lớp nước tác dụng vào đoạn mũi phun (m)
Khi P= 0 thì θ max = 450 có khoảng cách phóng xa nhất và tác dụng của
dòng chảy xuống hạ lưu cũng mạnh mẽ nhất. Tuy nhiên trong thực tế bao giờ
cũng có P>0 tương ứng với θ<450 .
Trong thực tế thường dùng góc θ<450. Khi mũi phun đặt ở vị trí đoạn
cong thân đập trên cao nên dùng θ=150- 250 . Các trường hợp khác góc θ=250300. Các mũi phun có bậc cao thấp khác nhau, bậc cao θ=300- 350, bậc thấp
θ=350- 400 thì lúc này cự ly phóng lớn nhất. Khi bố trí mũi phun ở trên cao ở
gần với đỉnh đập tràn thì góc phóng nên chọn nhỏ để tránh rung động.
1.3.3. Vận tốc bình quân của dòng chảy tại mũi phun.
Tốc độ bình quân của dòng chảy tại mũi phun được xác định theo công
thức: v = ϕ 2 gh
Các nhân tố ảnh hưởng đến v chủ yếu là: chiều cao cột nước tác dụng
đến mũi, các tổn hao của dòng chảy ở cửa vào, cửa ra, theo đường biên công
trình. Toàn bộ các tổn thất này được phản ảnh qua hệ số lưu tốc ϕ. Trong thực
tế tính toán khó có thể phân tích lý luận để xác định giá trị ϕ. Chỉ có thể thông
qua mô hình hoặc tài liệu quan sát nguyên hình các nhân tố chủ yếu, tìm ra
công thức kinh nghiệm. Hiện nay tồn tại nhiều công thức để tính ϕ của nhiều
Trang 20
tác giả cho kết quả tính toán khác nhau.
- Công thức của Sở thủy lợi Đông Bắc Trung Quốc: ϕ = 1 −
0,0077
( q / S ' )1,15
2/3
Trong đó S’≈( Z’)2+(B’)2 chiều dài dòng chảy trên mặt đập. Z’ là khoảng
cách từ đỉnh đập đến đến đỉnh mũi phun. B’ là khoảng cách trên mặt phương
ngang từ đỉnh đập đến đỉnh bậc nhảy.
q2 / 3
- Công thức của Trần Xuân Đỉnh: ϕ =
H
0, 2
Trong đó: q là lưu lượng đơn vị ở đỉnh tràn (m3/s/m)
H là chiều cao cột nước (m) tính từ thượng lưu đến điểm thấp
nhất của đoạn cong.
- Công thức của Viện thủy lợi Nam Kinh: ϕ = 0,83
h0
+ 0,65
Z'
Trong đó: h 0 là cột nước tràn; Z’ là khoảng cách từ đỉnh đập đến đến
đỉnh mũi phun.
- Theo công thức của Liên Xô cũ: ϕ = 1 − 0,015
S '−h0
h0
Trong đó: S’≈( Z’)2+(B’)2 chiều dài dòng chảy trên mặt đập. Z’ là khoảng
cách từ đỉnh đập đến đến đỉnh mũi phun. B’ là khoảng cách trên mặt phương
ngang từ đỉnh đập đến đỉnh bậc nhảy; h 0 là cột nước tràn.
Từ các công thức tính toán ϕ ở trên ta thấy rằng hệ số lưu tốc chịu ảnh
hưởng của hai yếu tố cơ bản đó là lưu lượng qua tràn q và chiều dài của dòng
chảy S’.
