Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả năng tháo của đập tràn xả lũ Bản Mòng_unprotected

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm.
Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ
nguồn thông tin nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này.
Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2016
Học viên cao học

Phạm Thanh Bình

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian dài làm luận văn, với sự cố gắng nỗ 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, Phòng thí nghiệm trọng điểm
Quốc gia về động lực học Sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, và đặc
biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Ngọc Nam tác giả đã hoàn thành luận
văn tốt nghiệp của mình với đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả
năng tháo của đập tràn xả lũ Bản Mòng – tỉnh Sơn La”.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS.
Nguyễn Ngọc Nam đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng khoa học đã
đóng góp những ý kiến, những lời khuyên quý giá cho luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Quy hoạch thủy lợi (nơi tác giả làm
việc) đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ, động
viên, khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2016
TÁC GIẢ

Phạm Thanh Bình

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN THỰC
DỤNG. .............................................................................................................................3
1.1. Tổng quan về nghiên cứu phát triển đập tràn thực dụng ở nước ngoài .................... 3
1.1.1. Đập tràn thành mỏng. ............................................................................................ 3
1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng. ................................................................................................ 3
1.1.3. Đập tràn có mặt cắt thực dụng. .............................................................................. 4
1.2. Kết quả nghiên cứu về đập tràn thực dụng ở nước ngoài và và khả năng tháo của
nó ..................................................................................................................................... 5
1.2.1. Kết quả nghiên cứu về đập tràn thực dụng dạng mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp. .. 5
1.2.2. Đập tràn mặt cắt dạng WES. ................................................................................. 9
1.3. Tổng quan về khả năng tháo của đập tràn thực dụng ở trong nước và kết quả
nghiên cứu ..................................................................................................................... 12
1.4. Kết quả nghiên cứu các mặt cắt thực dụng khác .................................................... 20
1.4.1. Đập tràn thực dụng dạng mặt cắt hình thang ....................................................... 20
1.4.2. Đập tràn ngưỡng răng cưa ................................................................................... 20
1.5. Phân tích các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng tháo lũ của đập tràn xả lũ .. 23
1.5.1. Ảnh hưởng của vị trí bố trí đập. .......................................................................... 23
1.5.2. Hình dạng mặt cắt. ............................................................................................... 24
1.5.3. Cửa van. ............................................................................................................... 25

1.5.4. Tường cánh trước ngưỡng tràn. ........................................................................... 26
1.5.5. Trụ pin. ................................................................................................................ 27
1.6. Đánh giá bình luận các kết quả nghiên cứu ............................................................ 28
1.7. Nhận xét chương 1.................................................................................................. 29
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG
THÁO CỦA ĐẬP TRÀN XẢ LŨ BẢN MÒNG – TỈNH SƠN LA. NGHIÊN CỨU
THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC. ..................................................................31
2.1. Giới thiệu về công trình Bản Mòng ........................................................................ 31
2.1.1. Vị trí địa lý. .......................................................................................................... 31
2.1.2. Điều kiện địa hình, địa chất công trình. .............................................................. 31
2.1.3. Điều kiện khí tượng và thủy văn công trình. ....................................................... 32
2.1.4. Nhiệm vụ của dự án:............................................................................................ 34
2.1.5. Những thông số kỹ thuật cơ bản của công trình. ................................................. 34
2.2. Phân tích hình dạng cửa vào đập tràn xả lũ Bản Mòng ảnh hưởng đến khả năng
tháo lũ ............................................................................................................................ 37
2.2.1 Ảnh hưởng của dạng biên cửa vào tràn đến khả năng tháo .................................. 37
2.2.2. Ảnh hưởng hình dạng ngưỡng tràn Bản Mòng đến khả năng tháo .................... 39
2.2.3. Điểm đặt rãnh van cung và rãnh khe phai trên mặt đập tràn. .............................. 40
2.2.4. Kích thước bề dày và hình dạng đầu trụ pin. ...................................................... 41
2.2.5. Loại và hình dạng cửa van................................................................................... 41
2.2.6. Bề rộng mỗi khoang tràn và cột nước tràn. ......................................................... 42
2.3. Áp dụng lý thuyết đường cong e líp để xác định biên đoạn chuyển tiếp cửa vào
phía bờ phải tràn xả lũ Bản Mòng ................................................................................. 42
2.4. Phân tích nghiên cứu thay đổi bề rộng tràn phù hợp cho tràn xả lũ Bản Mòng ..... 44
2.5. Khái quát về mô hình thí nghiệm thủy lực ............................................................. 44
iii


2.5.1. Lý thuyết tương tự ............................................................................................... 44
2.5.2. Các tiêu chuẩn tương tự ...................................................................................... 47

2.5.3. Lập phương trình quan hệ giữa các yếu tố xác định khả năng tháo của tràn Bản
Mòng theo định lý hàm π (phương pháp Buckingham). ............................................... 47
2.6. Thiết kế mô hình đập tràn xả lũ Bản Mòng ........................................................... 55
2.6.1. Thiết kế mô hình ................................................................................................. 56
2.6.2. Xây dựng mô hình. .............................................................................................. 58
2.7. Giới thiệu phương pháp thí nghiệm và các trường hợp thí nghiệm tràn xả lũ Bản
Mòng. ............................................................................................................................ 62
2.7.1. Giới thiệu phương pháp thí nghiệm .................................................................... 62
2.7.2. Các trường hợp thí nghiệm.................................................................................. 63
2.8. Kết quả thí nghiệm về khả năng tháo của tràn ....................................................... 64
2.8.1.Trường hợp mở hoàn toàn 3 cửa van – Phương án thiết kế ................................. 64
2.8.2.Trường hợp mở hoàn toàn 3 cửa van – Phương án sửa đổi ................................. 65
2.8.3. Trường hợp mở hoàn toàn cửa van giữa, 2 cửa van bên mở với độ mở a ......... 67
2.9. Tổng kết chương 2.................................................................................................. 68
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.................................................. 71
3.1. Đặt vấn đề chung .................................................................................................... 71
3.2. Đánh giá sai số đối với kết quả đo từ công thức tính và thiết bị đo. ...................... 72
3.3. Đánh giá định lượng kết quả nghiên cứu ............................................................... 73
3.3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 73
3.3.2. Phương pháp tổng bình phương nhỏ nhất với mô hình xấp xỉ tuyến tính, ứng
dụng tìm các hệ số chưa biết của một đa thức bằng số liệu thựcnghiệm. ..................... 73
3.4. So sánh, đánh giá .................................................................................................... 80
3.4.1. Trường hợp mở hoàn toàn. .................................................................................. 80
3.4.2. Trường hợp mở cửa van với độ mở a. ................................................................. 82
3.5. Tổng kết chương 3.................................................................................................. 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 89
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 90

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Đập tràn thành mỏng .......................................................................................3
Hình 1. 2 Đập tràn đỉnh rộng ...........................................................................................4
Hình 1. 3 Đập tràn mặt cắt thực dụng .............................................................................4
Hình 1. 4 Đập tràn dạng hình thang ................................................................................4
Hình 1. 5 Mặt cắt đập tràn chân không ...........................................................................5
Hình 1. 6 Mặt cắt đập tràn không chân không ................................................................5
Hình 1. 7 Sơ đồ thủy lực mặt tràn ...................................................................................7
Hình 1. 8 Hai dạng mặt cắt đầu tràn Cơrigiơ - Ôphixêrốp .............................................7
Hình 1. 9 Đập tràn chảy tự do, co hẹp bên . ....................................................................7
Hình 1. 10 Đập tràn xả nước dưới cửa van ....................................................................8
Hình 1. 11 Mô hình đầu mối hồ chứa Nước Trong ......................................................14
Hình 1. 12 Hình ảnh thi công hạng mục đập tràn thủy điện Tuyên Quang ..................17
Hình 1. 13 Khả năng xả đập tràn mặt cắt hình thang ...................................................20
Hình 1. 14 Mặt bằng đập tràn ngưỡng răng cưa kiều truyển thống .............................20
Hình 1. 15 Đập tràn phím “ Piano” ...............................................................................21
Hình 1. 16 Đồ thị so sánh khả năng xả của đập tràn kiểu Cơrigiơ Ôphixêrốp và kiểu
PKA với H = 4m ...........................................................................................................22
Hình 1. 17 Ngưỡng tràn kiểu Cơrigiơ và ngưỡngtràn kiểu PKA với H = 4m .............22
Hình 1. 18 Đập tràn răng cưa kiểu phím “Piano”..........................................................22
Hình 1. 19 Đập bố trí ở lòng sông - Công trình thuỷ điện Yên Sơn ............................23
Hình 1. 20 Đập bố trí bên bờ - Mô hình đầu mối thủy điện Sơn La ............................24
Hình 1. 21 Mặt cắt đập tràn có cửa van ........................................................................25
Hình 1. 22 Các loại tường cánh trước ngưỡng tràn. ......................................................26
Hình 1. 23 Bờ kênh dạng đường dòng .........................................................................26
Hình 1. 24 Các hình thức trụ pin ..................................................................................27
Hình 2. 1 Mặt bằng bố trí đập tràn Bản Mòng .............................................................38
Hình 2. 2 Mặt cắt ngang đại diện đập tràn Bản Mòng .................................................39

Hình 2. 3 Mặt bằng trụ pin trước và sau sửa đổi ..........................................................41
Hình 2. 4 Mặt bằng tràn sửa đổi đoạn cửa vào phía bờ phải . .......................................43
Hình 2. 5 Vị trí các mặt cắt và thủy trực đo .................................................................62
Hình 2. 6 Quan hệ Q~m tràn xả lũ – Phương án thiết kế .............................................65
Hình 2. 7 Quan hệ Q~m tràn xả lũ – Phương án sửa đổi ..............................................66

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Tham số đường cong mặt tràn ........................................................................ 9
Bảng 1. 2 Xác định khả năng xả của tràn xả lũ hồ chứa Nước Trong .......................... 14
Bảng 1. 3 Xác định khả năng xả của tràn Kanak (mặt cắt dạng WES) ......................... 15
Bảng 1. 5 Xác định khả năng xả của tràn Bình Điền (MHMC) .................................... 16
Bảng 1. 6 Xác định khả năng xả của tràn Cửa Đạt ....................................................... 16
Bảng 1. 7 Xác định khả năng xả tràn mặt của thủy điện Tuyên Quang (dạng mặt cắt
Ôphixêrốp)..................................................................................................................... 17
Bảng 1. 8 Khả năng xả của đập Ngòi Nhì (dạng mặt cắt Ôphixêrốp) .......................... 18
Bảng 1. 9 Khả năng xả của đập Bản Chát (dạng mặt cắt Ôphixêrốp) .......................... 19
Bảng 1. 10 Xác định khả năng xả tràn mặt của thủy điện A Lưới (dạng mặt cắt
Ôphixêrốp)..................................................................................................................... 19
Bảng 2. 1 Quan hệ Z ~ F ~ W hồ chứa Bản Mòng ...................................................... 32
Bảng 2. 2 Đặc trưng nhiệt độ trung bình tháng, năm. ................................................... 32
Bảng 2. 3 Tốc độ gió lớn nhất ....................................................................................... 33
Bảng 2. 4 Lưu lượng bình quân tháng, P = 85% - tuyến đập Bản Mòng – Q(m3/s) .... 33
Bảng 2. 5 Đặc trưng dòng chảy năm khu giữa .............................................................. 33
Bảng 2. 6 Lưu lượng bình quân tháng, P = 85%, 88% - vùng khu giữa – Q(m3/s)...... 34
Bảng 2. 7 Các thông sỗ kỹ thuật cơ bản của công trình ................................................ 35
Bảng 2. 8 Kết quả tính tọa độ đường cong elip ............................................................ 43
Bảng 2. 9 Xác định khả năng tháo khi tràn mở hoàn toàn 3 cửa .................................. 65

Bảng 2. 10 Xác định khả năng xả qua tràn – Phương án sửa đổi.................................. 66
Bảng 2. 11 Lưu lượng xả khi vận hành cửa van có 2 cửa bên với độ mở a khác nhau 68
Bảng 3. 1 Kết quả tính toán theo công thức thực nghiệm. ............................................ 81
Bảng 3. 2 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm – Phương án thiết kế. .................. 81
Bảng 3. 3 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm – Phương án sửa đổi. .................. 81
Bảng 3. 4 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm. .................................................... 82
Bảng 3. 5 Kết quả tính toán theo công thức thực nghiệm. ............................................ 83

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Công trình tháo là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong đầu mối các công trình
thủy lợi, thủy điện. Nghiên cứu công trình tháo nhằm cải thiện tình hình làm việc của
bản thân công trình cũng như để hạn chế ảnh hưởng của dòng chảy qua nó tới các công
trình khác luôn là những vấn đề khoa học mang tính thời sự, có ý nghĩa thực tiễn cao.
Tài liệu tổng kết trong xây dựng các công trình thủy lực, thủy điện cho thấy tỷ trọng
giá thành xây dựng của công trình tháo lũ, nhất là đập tràn xả lũ chiếm một tỷ lệ khá
lớn trong tổng giá thành xây dựng công trình. Do vậy, công trình tháo lũ, đặc biệt là
đập tràn xả lũ giữ vị trí rất quan trọng về kinh tế, kỹ thuật đồng thời có ý nghĩa quyết
định đến hiệu quả khai thác và đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình đầu mối và
vùng hạ du, nơi thường là khu vực trọng yếu của quốc gia về dân sinh, kinh tế, chính
trị văn hóa, quốc phòng .v.v.
Cho đến nay, việc nghiên cứu về đập tràn xả lũ trên thế giới cũng như ở Việt Nam vẫn
còn nhiều vấn đề phải quan tâm nhất là vấn đề khả năng tháo của đập tràn nhằm hoàn
thiện những cơ sở lý luận trong khoa học tính toán kinh tế, kỹ thuật các công trình.
Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả năng tháo của đập tràn xả lũ
Bản Mòng – tỉnh Sơn La” là rất cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như
thực tiễn trong thiết kế, xây dựng công trình.

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu:
 Tổng quan các nghiên cứu về khả năng tháo của đập tràn xả lũ.
 Khảo sát những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng tháo của đập tràn xả lũ.
 Dựa vào quan hệ giữa bề rộng và khoang tràn với sự thay đổi của khả năng tháo
của công trình cụ thể đập tràn xả lũ Bản Mòng – tỉnh Sơn La để đề xuất kích thước
bề rộng khoang tràn hợp lý.

1


3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
3.1 Cách tiếp cận:
Tiếp cận tổng hợp: tiếp cận theo tính toán lý thuyết và tài liệu thí nghiệm mô hình thủy
lực đập tràn.
Tiếp cận kế thừa: các kinh nghiệm và phương pháp tính toán xác định khả năng tháo
của đập tràn xả lũ trong các nghiên cứu trước đây được tham khảo trong luận văn.
3.2 Phương pháp nghiên cứu:
 Thu thập, phân tích, tổng hợp các tài liệu liên quan đến thiết kế đập tràn xả lũ, các
tài liệu liên quan đến khả năng tháo.
 Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả năng tháo cho đập tràn xả lũ Bản Mòng.
 Nghiên cứu thực nghiệm và so sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm mô
hình. Nghiên cứu sẽ dưa vào các phương pháp sau:
+ Mô hình vật lý: dựa vào kết quả thí nghiệm mô hình vật lý tại Trung tâm nghiên cứu
Thủy lực – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển.
+ Thống kê: xử lý số liệu thu thập và thiết lập quan hệ giữa các yếu tố thủy lực theo số
liệu thu thập.

4. Dự kiến kết quả đạt được:
 Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu có liên quan đến đập tràn thực dụng.

 Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của đập tràn xả lũ Bản
Mòng – tỉnh Sơn La.
 Đề xuất ứng dụng hình dạng cửa vào theo lý thuyết đường cong elip.
 Đề xuất thay đổi kích thước bề rộng tràn phù hợp cho đập tràn xả lũ Bản Mòng –
tỉnh Sơn La.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN
THỰC DỤNG.
1.1. Tổng quan về nghiên cứu phát triển đập tràn thực dụng ở nước ngoài
Quá trình nghiên cứu hình dạng mặt cắt đập tràn đã trải qua một thời gian dài: từ
nghiên cứu đập tràn thành mỏng sắc cạnh dần dần sửa đổi để hình thành mặt cắt đập
tràn thực dụng ngày nay.
Theo chiều dày đỉnh đập tràn để phân loại thì đập tràn chia làm ba loại là:
1.1.1. Đập tràn thành mỏng.
Khi chiều dày của đỉnh đập < 0,67H, làn nước tràn ngay sau khi 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.

Hình 1. 1 Đập tràn thành mỏng
1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng.
Khi đỉnh đập nằm ngang và có một chiều dày tương đối lớn (2  3)H < < (8  10)H,
trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần. Nếu chiều dày
đỉnh đập quá lớn > (8  10)H thì không thể coi là đập tràn nữa mà coi như một đoạn
kênh dẫn.

3

Hình 1. 2 Đập tràn đỉnh rộng
1.1.3. Đập tràn có mặt cắt thực dụng.
Đập tràn có mặt cắt thực dụng là loại đập tràn thường dùng trong các công trình tháo
lũ trên sông, có năng lực tháo nước lớn, tháo các vật nổi trôi lẫn trong nước một cách
dễ dàng, hình dạng cũng dễ thi công, dùng vật liệu tại chỗ nên mặt cắt đập có thể là
dạng hình thang hoặc hình cong.

Hình 1. 3 Đập tràn mặt cắt thực dụng
a. Đập tràn dạng hình thang:
Chiều dày đỉnh trong phạm vi: 0,67H < < (2  3)H
Mái dốc thượng và hạ lưu có các trị số khác nhau được xây dựng bằng bê tông, đá xây,
hay gỗ... nhưng nhược điểm của loại đập này là hệ số lưu lượng nhỏ so với dạng mặt
cắt hình cong, hệ số m thường là 0,41  0,42.

Hình 1. 4 Đập tràn dạng hình thang
4


b. Đập tràn dạng mặt cắt cong:
Có profil và mái hạ lưu hình cong, lượn theo làn nước trên mặt tràn, nên dòng chảy
trên mặt tràn thuận, hệ số lưu lượng lớn, nhưng thi công phức tạp hơn đập hình thang.
Hệ số lưu lượng thường là m = 0,48  0,49.
1.2. Kết quả nghiên cứu về đập tràn thực dụng ở nước ngoài và và khả năng tháo
của nó
1.2.1. Kết quả nghiên cứu về đập tràn thực dụng dạng mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp.
Các nhà thủy lực Liên Xô đã nghiên cứu hai dạng:

b

a

C

Dạng đập tràn thực dụng mặt cắt có chân không (như hình 1.5)

Hình 1. 5 Mặt cắt đập tràn chân không
và dạng đập tràn thực dụng mặt cắt không chân không (như hình 1.6)





Hình 1. 6 Mặt cắt đập tràn không chân không
Đối với loại mặt cắt đập tràn thực dụng phi chân không dòng chảy trên mặt đập có áp
suất dọc theo mặt đập thường là dương. Còn mặt cắt đập tràn thực dụng có chân không
5


thì trên đỉnh mặt đập thường có áp suất chân không, khi chân không lớn có thể sinh ra
hiện tượng khí thực nên bê tông mặt đập bị xâm thực.
Hệ số lưu lượng của dạng mặt cắt đập tràn có chân không lớn hơn mặt cắt đập tràn
không chân không khoảng 7 - 10%. Để đảm bảo an toàn cho công trình, tránh hiện
tượng khí thực người ta không cho phép trị số áp suất chân không trên mặt tràn quá
lớn, thường nhỏ hơn áp suất âm cho phép. Theo quy phạm Thiết kế đập tràn của nước
ngoài thì phạm vi cột nước chân không là: (-6,0  -3,0 m cột nước).
1.2.1.1. Về phương pháp thiết kế mặt cắt tràn dạng Ôphixêrốp đã được chỉ dẫn rõ
trong cuốn “Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi” [1].
Khi vẽ được đường cong mặt hạ lưu đập tràn Ôphixêrốp, để nối tiếp với bể tiêu năng
hoặc mũi hắt cuối tràn; bán kính cong nối tiếp R khi cột nước trên đỉnh tràn lớn thì:

R = (0,50  1,0)(Htk+Zmax).
Khi cột nước trên đỉnh tràn nhỏ (nhỏ hơn 5m) thì :
R = (0,25  0,5)(Htk + Zmax)

(1.1)

Trong đó:
Zmax - Độ chênh cột nước lớn nhất giữa thượng và hạ lưu của đập tràn (m).
Htk - Cột nước thiết kế định hình trên đỉnh đập tràn (m).
Còn về mặt tràn phía thượng lưu có thể thẳng đứng, là mái xiên hoặc có đầu nhô.
Thông thường mái đập hạ lưu của dạng mặt cắt Ôphixêrốp đều chọn m = 0,75  0,80.
1.2.1.2. Về xác định lưu tốc dòng chảy trên mặt tràn:
Lưu tốc trên mặt đập tràn được xác định theo biểu thức: Vi   2 gZ i
Trong đó:

(1.2)

: Hệ số lưu tốc.
Zi: Độ chênh cột nước tính từ mực nước TL đến mặt cắt tính toán.

Sơ đồ tính toán như hình 1.7.

6


R


Hình 1. 7 Sơ đồ tính thuỷ lực mặt tràn
1.2.1.3. Về khả năng xả của loại đập tràn Cơrigiơ - Ôphixêrốp:

Đã được các nhà thủy lực Liên Xô cũ nghiên cứu cho kết quả như sau đối với hai dạng
mặt cắt A và B (hình 1.8)

45

MÆt c¾t A

a

m = 0.49

MÆt c¾t B
m = 0.48

Hình 1. 8 Hai dạng mặt cắt đầu tràn Cơrigiơ - Ôphixêrốp
Với hai dạng mặt cắt đập tràn nêu trên A và B các tác giả Liên xô cũ đã đưa ra công
thức tính khả năng xả đập tràn thực dụng mặt cong như sau:
Trong thực tế các loại đập hình cong thường được chia thành nhiều khoang bởi các mố
trụ, dòng chảy tràn bị co hẹp bên; nên công thức tính lưu lượng là:
Q   n m b 2 g H o3/ 2

(1.3)

Hình 1. 9 Đập tràn chảy tự do, co hẹp bên
7


Khi đập làm việc trong chế độ chảy không ngập thì công thức tính lưu lượng sẽ là:
Q   m b 2 g H o3/ 2

(1.4)

Theo quy định nếu thỏa mãn điều kiện sau đây thì lưu tốc tiến gần là đủ nhỏ có thể bỏ
qua cột nước lưu tốc

Vo2
2g

mà lấy Ho = H: t  4 bH

Trường hợp tràn xả nước dưới cửa van (chảy qua lỗ) thì lưu lượng sẽ tính là:
Q   m ba 2 g ( H o   a )

a

a

(1.5)

Hình 1. 10 Đập tràn xả nước dưới cửa van
Trong đó:
n: Hệ số ngập (chảy tự do n=1)
: Hệ số co hẹp bên.
m: Hệ số lưu lượng.
b: Chiều rộng của một khoang đập.
t : Diện tích mặt cắt dòng chảy thượng lưu đập.

b : Chiều rộng tràn nước toàn đập (m).
Ho: Cột nước trên đỉnh đập tràn xét tới

Vo2
2g

: Hệ số co hẹp đứng.
a: Độ mở của cửa van (m).
8

(m)


Bảng 1. 1 Tham số đường cong mặt tràn
Độ dốc mặt
K

n

R1

a

R2

b

3:0

2,00

1,850

0,5 Hd

0,175Hd

0,2Hd

0,282Hd

3:1

1,936

1,836

0,68Hd

0,139Hd

0,21Hd

0,237Hd

3:2

1,938

1,810

0,48Hd

0,115Hd

0,22Hd

0,214Hd

3:3

1,873

1,776

0,45Hd

0,119Hd

thượng lưu

y
x

1.2.2. Đập tràn mặt cắt dạng WES.
1.2.2.1. Xác định dạng mặt cắt WES.
Theo WES thì đường cong trên mặt đập tràn chia thành 2 phần:
Đường cong phía thượng lưu đỉnh tràn, chính dạng đường cong đầu tràn phía thượng
lưu là phần ảnh hưởng tới khả năng tháo của đập tràn (thể hiện qua hệ số lưu lượng).
Đường cong phía hạ lưu đỉnh tràn không ảnh hưởng tới khả năng tháo nhưng ảnh
hưởng tới khối lượng xây dựng và phân bố áp suất trên mặt đập tràn. Dưới đây xin tóm
tắt trình bày các kết quả mà các nhà thuỷ lực Mỹ cũng như Trung Quốc đã đạt được.
Muốn vẽ đường cong mặt tràn thực dụng dạng WES phía hạ lưu ta dựa theo công thức:

X n  KH dn 1 y

(1.6)

Trong đó:
Hd: Cột nước thiết kế định hình đường cong mặt đập tràn phía hạ lưu.
Khi chiều cao đập phía thượng lưu P  1,33Hd thì là loại đập cao. Quy định nên lấy
giá trị: Hd = (0,75  0,95)Hmax

9


Khi chiều cao đập phía thượng lưu P < 1,33Hd thì là loại đập thấp, nên lấy giá trị: H d
= (0,65  0,85)Hmax
Hmax: Cột nước trên tràn ứng với lưu lượng của tần suất lũ kiểm tra.
x, y: Toạ độ các điểm cong trên mặt tràn phía hạ lưu.
n: Chỉ số có liên quan đến độ dốc của mái thượng lưu xem bảng 1.1.
K: Khi

Khi

P
> 1,0 lấy trị số K theo bảng 1.1.
Hd

P
 1,0 lấy trì số K = 2,0  2,2.
Hd

1.2.2.2. Khả năng tháo của đập tràn dạng WES.

(Hiện nay thường tính theo hai công thức)
- Công thức của Mỹ:
Qxả = C.Le.Ho3/2 (feet3/sec)

(1.7)

Trong đó:
Le : Chiều rộng tràn nước hữu dụng (feet)
C: Hệ số lưu lượng: C  0,327  0, 40

H
P

(1.8)

Ho : Cột nước tác dụng trên đỉnh đập tràn (feet)
P : Chiều cao đập phía thượng lưu (feet)
Theo Rouse, công thức trên đối với C vốn dùng cho

H
H
=5, có thể mở rộng đến
=10
P
P

(gần đúng).
Khi

H

>15 thì đập trở thành ngưỡng thấp và khi đó lưu lượng sẽ được xác định qua
P

mặt cắt phân giới ở ngay trước ngưỡng (độ sâu phân giới hc  H +P)
10


H 15
C  5, 68(1  )
P

(1.9)

Trường hợp là đập thấp thì cột nước H tác dụng trên đỉnh đập cần xét thêm cột nước
tiến gần hv.

H o  H  hv  H 

Vo2
2g

Trong đó:
Ho: là cột nước làm việc thực tế của đập còn có thể bỏ qua hv khi P > 1,33Hd tức là đập
đủ cao. Khi P > 1,33Hd, Ho = Hd thì C = Cd.
Đối với đập thấp

P
< 1,33) thì cần tính đến ảnh hưởng hv và tính theo công thức sau:
Hd

H 
H
C
 f ( o ) . Nói chung: C  3,97  o 
Cd
Hd
 Hd 

0,12

- Công thức của Trung Quốc:
Qua quá trình nghiên cứu ứng dụng đập tràn dạng WES các nhà thuỷ lực Trung Quốc
đã đề nghị:

Qxa  C * .m. . n .B 2 g .H o3/ 2

(1.10)

Khi dùng công thức của Trung Quốc thì hệ thống đơn vị tính theo hệ đơn vị quốc tế
(không dùng hệ đơn vị Anh - Mỹ).
Trong đó:
Qxả : Lưu lượng qua tràn (m3/sec).
B : Chiều rộng tràn (m)
Ho : Cột nước tác dụng (m).
Đối với đập cao dạng WES thì đặc tính thuỷ lực của nó là hệ số lưu lượng m chỉ có
quan hệ với

H
P
mà không còn chịu ảnh hưởng của

nữa.
Hd
Hd

11


Nhận xét:
Qua phần trình bày ở trên, để nâng cao khả năng xả của đập tràn thực dụng có mặt cắt
cong dù là ứng dụng dạng mặt cắt đập tràn Cơrigiơ – Ôphixêrốp hay WES; cần chỉ ra
rằng khi thiết kế đường cong mặt tràn cần đặc biệt chú ý việc thiết kế đoạn cong phía
thượng lưu đỉnh tràn phải phù hợp với loại đập tràn, tức là:
+ Loại đập thấp mái thượng lưu cần thiết kế mặt xiên, để nâng cao hệ số C.
+ Loại đập cao mặt hứng nước phía thượng lưu thẳng đứng, đoạn cong phía thượng
lưu đỉnh đập tràn cần dùng 2 hoặc 3 bán kính cong để nối tiếp, không nên thiết kế
thành một đường vát tiếp giáp với đỉnh tràn tạo ra một góc ; thiết kế như vậy sẽ tạo ra
áp suất âm phía đầu tràn khi Htr > HTK, đồng thời làm giảm hệ số lưu lượng m.
1.3. Tổng quan về khả năng tháo của đập tràn thực dụng ở trong nước và kết quả
nghiên cứu
Tính toán khả năng tháo đã được nghiên cứu và tìm ra công thức chung nhất, nó được
áp dụng để tính toán thiết kế công trình tháo lũ. Với các công trình quan trọng đều
được đối chiếu lại với số liệu của thí nghiệm mô hình. Khi đập tràn có hình dạng và
kích thước khác với đập tiêu chuẩn thì kết quả thí nghiệm mô hình sẽ đưa ra được
những hiệu chỉnh cần thiết, đó cũng chính là những nghiên cứu về các yếu tố ảnh
hưởng đến khả năng tháo của công trình tháo lũ, như công trình Thủy điện Sơn La,
Bản Chát, Huội Quảng, Lai Châu…
Ở nước ta từ năm 1960 đến năm 1998 các công trình đập tràn thực dụng đều được thiết
kế theo dạng mặt cắt Ôphixêrốp như:
Đập tràn hồ chứa nước Thác Nhồng (Quảng Ninh), Đập tràn Thông Gót (Cao Bằng),
đập tràn Ngòi Nhì (Yên Bái)… đều là loại đập dâng chủ yếu là để lấy nước tưới và

một phần tạo đầu nước phát điện.
Qua kết quả thí nghiệm hệ số lưu lượng m chỉ là 0,42  0,44; cột nước lũ trên đỉnh tràn
không lớn chỉ 4  6m; đây là các công trình được xây dựng dưới thời bao cấp, nền kinh
tế của nước ta còn chưa chuyển mình. Để thoát khỏi lạc hậu Đảng và Nhà nước ta đã
thực hiện đường lối mở cửa nhằm đưa nước ta từ một nước nông nghiệp dần dần trở
12


thành một nước công nghiệp. Vì lẽ đó nước ta đã đi vào nghiên cứu xây dựng các công
trình thủy lợi – thủy điện lớn, đập tràn có cột nước cao như thủy điện Sông Hinh, đập
tràn thủy điện Yaly, đập tràn hồ chứa nước Tân Giang, đập tràn thủy điện Hòa Bình;
mà chiều cao đập chính từ 60  120m; dung tích hồ chứa từ 500 triệu đến hàng tỷ m3
nước vừa kết hợp chống lũ, phát điện và nuôi trồng thủy sản phát triển giao thông thủy
phù hợp với phương châm tổng hợp lợi dụng nguồn nước.
Qua kết quả thí nghiệm mô hình hệ số lưu lượng m là từ 0,43  0,47 với lưu lượng xả
lũ từ 5.000m3/s đến 37.000m3/s. Để vận hành linh hoạt trên mặt đập tràn đều phân
thành nhiều khoang, có lắp đặt cửa van hình cung để khống chế mực nước và lưu
lượng xả lũ. Ở giữa các khoang có trụ pin dày từ 2,5m đến 3,0m; một vài công trình có
số khoang tràn nhiều để tiện phân chia khe chống lún còn được thiết kế trụ pin giữa
theo dạng trụ pin kép dày từ 5 đến 6m; chính sự tồn tại các trụ pin giữa đã tạo ra co
hẹp bên ở cửa vào tràn dẫn tới ảnh hưởng giảm bớt một phần khả năng tháo của tràn.
Từ những năm 2000 trở lại đây do việc hợp tác khoa học kỹ thuật với nhiều nước nên
ta đã áp dụng mặt cắt đập tràn WES vào một số công trình như:
Đập tràn hồ chứa Nước Trong;
Đập tràn thủy điện Kanak;
Đập tràn thủy điện Bình Điền;
Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt;
Giá trị hệ số lưu lượng của các công trình trên qua kết quả thí nghiệm mô hình thì hệ
số m đạt được theo kết quả thí nghiệm mô hình.
Kết quả thí nghiệm hồ chứa Nước Trong ở Bảng 1.2

13


Bảng 1. 2 Xác định khả năng xả của tràn xả lũ hồ chứa Nước Trong

TT

Qxả
(m3/s)

Zhồ
(m)

HTr
(m)

B 2 g H tr3/ 2

Hệ số lưu
lượng m

1

7722,0 131,10

15,60

17059,67

0,4526

2

6728,0 129,78

14,28

14940,88

0,4503

3

6515,0 129,48

13,98

14472,53

0,4501

4

6120,0 128,93

13,43

13626,92

0,4491

5

4970,0 127,25

11,75

11151,67

0,4457

6

3500,0 124,90

9,40

7979,50

0,4386

7

2000,0 122,20

6,70

4801,71

0,4165

8

1000,0 119,80

4,30

2468,80

0,4051

Ghi chú

Cao độ ngưỡng tràn là
115,50m
m hệ số lưu lượng đã
xét tới co hẹp bên.
(chảy tự do)
Tràn dạng mặt cắt
WES, có 5 khoang cửa,
kích thước mỗi khoang
BxH=12,5x14m

Từ kết quả thí nghiệm thu được trong bảng 1.2 so sánh với mực nước hồ tính toán theo
thiết kế thì mực nước hồ ứng với lưu lượng xả lũ có tần suất P = 1% đến lũ kiểm tra P
= 0,1% giá trị tính toán cao hơn mực nước trong thí nghiệm mô hình từ 5  30cm . Với
sự chênh lệch mực nước hồ như trên có thể nói rằng với kích thước và cao trình
ngưỡng tràn đã chọn của thiết kế là tương đối phù hợp, đủ đảm bảo khả năng xả lũ qua
tràn an toàn.

Hình 1. 11 Mô hình đầu mối hồ chứa Nước Trong
14


Mặt khác với cột nước tác dụng trên đỉnh tràn Htr  4,30 15,6m ta thấy hệ số lưu
lượng m tăng dần từ 0, 405  0, 4526 ; nghĩa là khả năng tháo tăng lên khi cột nước
trên đỉnh tràn tăng lên; nói cách khác là m tỷ lệ thuận với Htr.
Kết quả thí nghiệm của tràn Kanak ở Bảng 1.3
Đối với tràn công trình Kanak, từ đồ án thiết kế thì có 3 khoang tràn: 3  12  36m cao
trình ngưỡng tràn đặt tại +502,0m; theo thiết kế tính toán cột nước kiểm tra mặt trước
tràn là 14,8m so với kết quả thí nghiệm là 14,26m nên giá trị thiết kế tính toán cao hơn
trị số thí nghiệm gần 0,54m; nguyên nhân là do thiết kế chọn hệ số m thiên thấp.
Bảng 1. 3 Xác định khả năng xả của tràn Kanak (mặt cắt dạng WES)

TT

Qxả
(m3/s)

Zhồ (m)

Zh (m)

Ho (m)

Hệ số co

MHT

MH m/c

hẹp

Thể m’

m’

1

3910,22

517,17

465,73

18,17

0,8989

0,462

0,476

2

3337,46

515,63

464,96

13,63

0,9091

0,458

0,466

3

3154,28

515,13

461,0

13,13

0,9125

0,456

0,461

4

2453,61

513,26

460,24

11,26

0,9249

0,440

0,453

5

2118,13

512,29

459,85

10,29

0,9314

0,433

0,448

6

1676,00

510,72

459,37

8,72

0,9419

0,432

0,442

Kết quả thí nghiệm của tràn Bình Điền ở Bảng 1.4
Tràn Bình Điền tính toán thủy lực tương đối hợp lý nên hệ số lưu lượng và mực nước
theo tính toán của thiết kế không sai khác mấy với kết quả thí nghiệm trên mô hình.

15


Bảng 1. 4 Xác định khả năng xả của tràn Bình Điền (MHMC)
TT

Qxả (m3/s)

Zhồ (m)

HTr (m)

Vo (m)

Ho (m)

hệ số m

1

4446,0

85,14

12,14

1,24

12,22

0,470

2

4044,0

84,46

11,46

1,24

11,53

0,467

3

3990,0

84,38

11,38

1,12

11,44

0,465

4

3200,0

82,96

9,96

0,92

10,00

0,457

5

2716,0

82,00

9,00

0,80

9,03

0,452

6

1500,0

79,25

6,25

0,46

6,26

0,432

7

1000,0

77,85

4,85

0,32

4,855

0,422

Ghi chú

Dạng mặt
cắt WES

Kết quả thí nghiệm của tràn Cửa Đạt ở Bảng 1.5
Bảng 1. 5 Xác định khả năng xả của tràn Cửa Đạt
TT

Qxả (m3/s)

Zhồ (m)

HTr (m)

Vo (m/s)

Ho (m)

hệ số m

1

13520

121,33

23,81

3,19

24,33

0,462

2

11460

119,05

21,57

3,01

22,05

0,454

3

10470

117,64

20,28

2,65

20,64

0,458

4

8410

115,0

17,71

2,38

18,00

0,452

5

6530

112,0

14,84

1,77

15,00

0,461

6

5450

110,0

12,92

1,25

13,00

0,470

16

Ghi chú

Dạng mặt
cắt WES


Tràn Cửa Đạt lưu lượng thí nghiệm nói chung thấp hơn so với kết quả thiết kế từ 2,7%
-3,5%, hệ số lưu lượng thí nghiệm thấp hơn tính toán thiết kế 0,01. Như vậy thì kết
quả tính toán thiết kế so với kết quả thí nghiệm trên mô hình sai khác không đáng kể.
Trên đã phân tích kết quả của một số công trình tràn có mặt cắt dạng WES. Dưới đây
xin phân tích về tràn dạng mặt cắt Ôphixêrốp theo kết quả thí nghiệm mô hình.
Kết quả thí nghiệm của tràn Tuyên Quang bảng 1.6
Bảng 1. 6 Xác định khả năng xả tràn mặt của thủy điện Tuyên Quang (dạng mặt cắt
Ôphixêrốp)
H (m)

Vo2
2g

Ho (m)

m

18,40

0,25

18,65

0,452

17,85

0,24

18,09

0,448

16,15

0,21

16,36

0,446

72,03

15,15

0,19

15,34

0,445

112,5

66,15

7,65

0,09

7,74

0,424

110,8

64,35

5,95

0,08

6,03

0,416

TT

Qxả
(m3/s)

Zhồ (m)

1

9670,0

123,25

2

9160,0

122,70

3

7838,0

121,0

4

7115,0

120,0

5

2430,0

6

1635,0

Zhạ
(m)

73,52

Hình 1. 12 Hình ảnh thi công hạng mục đập tràn thủy điện Tuyên Quang
17


Đập tràn xả mặt công trình thủy điện Tuyên Quang có 4 khoang (n = 4) chiều rộng mỗi
khoang b = 15,0m; do đó Btràn  4  15  60m ; trụ pin dày d = 3,5m; đầu trụ pin lượn
tròn r  1,75m ; cao độ ngưỡng tràn là +104,85m. So sánh kết quả thí nghiệm với số
liệu thiết kế tính toán về mực nước hồ khi xả lũ kiểm tra thấy rằng:
+ Mực nước lũ kiểm tra theo thí nghiệm là +123,25m so với mực nước thiết kế tính
toán là +123,89 thấp hơn 0,64m. Như vậy dựa theo số liệu thí nghiệm nêu trên học
viên nhận thấy:
- Về ưu điểm: Kích thước khẩu độ khoang tràn tương đối khả dĩ với tỷ số
bk
15,0

 0,9 . Chiều dày trụ pin là 3,5m tương đối hợp lý vì d  0,205H TK đầu trụ
H tr 17,0

lượn tròn tương đối thuận dòng chảy.
- Nhược điểm: Khi tính lưu lượng tháo, người thiết kế chọn hệ số lưu lượng thiên nhỏ
nên mực nước tính toán so với thí nghiệm cao hơn.
Bảng 1. 7 Khả năng xả của đập Ngòi Nhì (dạng mặt cắt Ôphixêrốp)
3

TT

Qxả (m3/s)

H (m)

Zh (m)

H o2 (m)

m’

1

1291

4,60

4,80

10,516

0,426

2

1050

4,08

4,18

8,527

0,427

3

900

3,70

3,81

7,436

0,420

4

600

2,73

2,93

5,015

0,416

5

300

1,87

1,87

2,557

0,407

Còn công trình đập Ngòi Nhì là loại đập dâng không có cửa, thuộc dạng đập thấp nên
hệ số m nhỏ.

18


Bảng 1. 8 Khả năng xả của đập Bản Chát (dạng mặt cắt Ôphixêrốp)
STT

Qxả (m3/s)

Zh (m)

m

1

9786

478,85

0,450

2

8109

476,85

0,441

3

6595

474,77

0,437

4

5285

472,75

0,436

5

4557

471,60

0,434

6

3642

470,00

0,433

7

3440

469,65

0,432

Bảng 1. 9 Xác định khả năng xả tràn mặt của thủy điện A Lưới (dạng mặt cắt
Ôphixêrốp)
TT

Qxả (m3/s)

Zhồ (m)

Zhạ (m)

H (m)

m

1

5070

554,54

532,80

16,04

0,412

2

4437

552,87

531,90

14,37

0,410

3

4141

552,42

531,40

13,92

0,409

4

2945

549,98

529,50

11,48

0,395

5

2433

548,65

528,60

10,15

0,385

Qua kết quả thí nghiệm khả năng tháo của các công trình bước đầu cho ta nhận xét là
cùng có cột nước tác dụng trên đỉnh tràn xấp xỉ như nhau thì hệ số m của tràn dạng
WES lớn hơn dạng Ôphixêrốp, cụ thể công trình thủy điện Tuyên Quang thiết kế theo
dạng Ôphixêrốp với cột nước tràn Ho = 15,34m có hệ số lưu lượng m = 0,445. Còn đập
tràn Cửa Đạt với cột nước Ho = 15,0m có hệ số lưu lượng m = 0,461.
Như vậy là ở nước ta hiện nay đang áp dụng nhiều loại mặt cắt đập tràn thực dụng như
là Ôphixêrốp, WES.

19