Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang hồ chứa nước quang hiển, tỉnh bình định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


TRẦN HỮU SÁNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG
DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG
HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Đà Nẵng - Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


TRẦN HỮU SÁNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG
DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG

HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số

: 58.80.02.02

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2018


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Trần Hữu Sáng

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................. 1
MỤC LỤC .............................................................................................................................................. 2
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................................ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................................. 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................................... 9
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................... 11

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................ 11
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................... 11
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................... 12
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 12
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .............................................. 13
6. CẤU TRÖC LUẬN VĂN ........................................................................... 13
CHƢƠNG I .......................................................................................................................................... 14
TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ ............................................................ 14

1.1 CÔNG TRÌNH TRÀN TIÊU BIỂU........................................................ 14
1.1.1 Tình hình xây dựng, công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới14
1.1.2 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện ở nƣớc ta .. 16
1.1.3 Nhận xét về công trình tháo lũ ở nƣớc ta ................................... 18
1.2 CÁC VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÕNG CHẢY QUA CÁC
TRÌNH THỦY LỢI ........................................................................................ 18
1.2.1 Khái niệm về mô hình toán của dòng chảy................................. 18
1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy trong máng ngang .. 21
KẾT LUẬN CHƢƠNG I .................................................................................................................. 21
CHƢƠNG II ........................................................................................................................................ 23

3

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ MÔ HÌNH TELEMAC3D............................................................................................................................................................ 23

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH TOÁN ............. 23
2.1.1 Mục đích mô phỏng bằng mô hình toán ..................................... 23
2.1.2 Qui trình kiểm định mô hình và nội dung nghiên cứu. ............. 23
2.2TÀI LIỆU ĐƢỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH ......................... 25
2.2.1Giới thiệu chung ............................................................................. 25
2.2.2 Tài liệu thủy văn ............................................................................ 28
2.2.3 Tài liệu địa hình............................................................................. 30
2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY LỰC TRÀN MÁNG BÊN........... 32

2.3. 1Tính toán thủy lực cho ngƣỡng tràn ........................................... 32
2.3.2 Tính toán thủy lực máng ngang ................................................... 32
2.3.2.1 Phương pháp đơn giản của Giáo sư E.A.Zamarin ................... 33
2.3.2.2 Phương pháp dòng biến lượng ................................................... 34
2.3.2.3 Các phương pháp khác ............................................................... 35
2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHẦN MỀM TELEMAC .................. 35
2.4.1 Thủy lực 1 chiều (1D): .................................................................. 37
2.4.2 Thủy lực 2 chiều (2D): .................................................................. 37
2.4.3 Thủy lực 3 chiều (3D): .................................................................. 37
2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống TELEMAC: ......................... 37
2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D ............................ 39
KẾT LUẬN CHƢƠNG II ................................................................................................................. 44

CHƢƠNG III ....................................................................................................................................... 46
ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TELEMAC-3D MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG
TRÌNH TRÀN XẢ LŨ....................................................................................................................... 46

3.1 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ
THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG TRÊN TELEMAC-3D46
3.1.1 Xây dựng mô hình tràn ba chiều (3D) ........................................ 46


4

3.1.2 Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D ................................................. 46

3.1.3 Kết quả tạo lƣới ............................................................................. 47
3.1.4 Các thông số hình học trong mô hình Telemac .......................... 49
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG50
3.2.1 Khả năng xả lũ............................................................................... 50
3.2.2 Các thông số thủy lực của tràn qua mô phỏng mô hình ........... 56
KẾT LUẬN CHƢƠNG III ............................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 65

1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 65
2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 66
3. NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI..................................................................... 67

5

TÓM TẮT LUẬN VĂN
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA
MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH
Học viên: Trần Hữu Sáng. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60.58.02.02. Khóa: 2016-2018. Trường Đại học Bách khoa –
ĐHĐN.
Tóm tắt – Công trình tháo lũ nằm trong cụm đầu mối công trình thủy lợi, thủy
điện là một trong những công trình rất quan trọng. Nên việc nghiên cứu thiết kế, xây
dựng công trình hết sức là cẩn trọng. Đối với công trình tràn có qui mô lớn (cấp II trở

lên) việc thực hiện mô hình vật lý khá tốn kém về thời gian và kinh phí thực hiện;
nhưng kết quả cũng chỉ là tương đối, cũng cần kiểm chứng công trình tương tự ngoài
thực địa. Đối với các công trình tháo lũ có qui nhỏ hơn (Không yêu cầu làm mô hình
vật lí) thì việc tính toán thiết kế theo Qui chuẩn, Tiêu chuẩn, Sổ tay tính toán…hiện
hành của Nhà Nước chưa phản ánh đúng các hiện tượng vật lý khi tràn làm việc. Đặc
biệt, dòng chảy trong đường tràn ngang là dòng chảy biến lượng theo 3 chiều, xoắn ốc
khá phức tạp. Ứng dụng mô hình toán 3 chiều bằng mô hình TELEMAC-3D cho dòng
trong máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang Hiển nói riêng, công trình vừa và nhỏ
nói chung rất có ý nghĩa rất lớn trong công tác thiết kế. Nhằm nâng cao độ tin cậy
trong tính toán thiết kế và có thể chạy nhiều phương án khác nhau về hình dạng, kích
thước, độ dốc của máng ngang để tìm ra phương án thiết kế phù hợp về mặt thủy lực,
an toàn và hiệu quả kinh tế.

Từ khóa – Máng tràn ngang – Quang Hiển, mô phỏng máng ngang, dòng chảy
biến lương, mô hình TELEMAC-3D.
APPLICATION OF OVERFLOW SIMULATION MODEL FOR
QUANG HIEN RESERVOIR IN BINH DINH PROVINCE
Abstract: In general, seepage in the earth dam is really complex, especially
the 3D seepage at the locations which are contacted to hillsides, spillways, culverts.
Seepage has intimately relation to the conditions of topology, geology and hydrology.
In present design calculation of earth dam, seepage calculation is normally used 2dimensional vertical model (2DV), which is solved according to finite element method
(FEM) for computation of typical cross-sections of earth dam. However, this model
has not reflexed correctly the real seepage, especially in the high dam with the ratio
between the dam length (L) and the dam height (H) from 1 to 5. The result of design
calculation has ability of causing the incidents or increasing the budget. In this paper,

the authors studies 3D seepage of Atop Kon-Tum earth dam, in special topology and
geology, to evaluate their impacts on the dam safety and economic effective. Since
then, proposals of the study are given in earth dam design.
Key words- Lateral spillway, Quang Hien, simulation of lateral spillway,
changeable flow, TELEMAC-3D model.


6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

BNN&PTNN : Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn
KTTV

: Khí tượng thủy văn

MNDBT

: Mực nước dâng bình thường

MNLTK

: Mực nước lũ thiết kế

MNC

: Mực nước chết

MNLKT

: Mực nước lũ kiểm tra

MNHL

: Mực nước hạ lưu


7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
F

: Diện tích lưu vực (Km2)

P%

: Tần suất

Q

: Lưu lượng

t

: Thời gian

Qp%

: Lưu lượng tương ứng với từng tần suất

Vc

: Thể tích chết

VMNDBT

: Thể tích mực nước dâng bình thường

X

: Lượng mưa năm

Znc

: Lượng bốc hơi đo bằng mực nước

Z

: Mực nước

U

: Lượng ẩm

Wtb

: Dung tích toàn bộ.

8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1- 1:Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam. .......................................16
Bảng 2- 1: Nội dung nghiên cứu mô phỏng mô hình tràn .............................24
Bảng 2- 2:Bảng tần suất thiết kế của công trình ...........................................26
Bảng 2- 3: Các thông số kỹ thuật chính của công trình ................................26
Bảng 2- 4: Đặc trưng khu vực ........................................................................28
Bảng 2- 5: Dòng chảy năm ............................................................................28
Bảng 2- 6: Dòng chảy lũ thiết kế ...................................................................29
Bảng 3- 1: Khả năng xả qua tràn phương án thiết kế ...................................50
Bảng 3- 2: Khả năng xả qua tràn ứng lũ 2017 ..............................................53

Bảng 3- 3: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 1.0% .....................................55
Bảng 3- 4: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 0.2% ....................................55
Bảng 3- 5: Kết quả khả năng xả lũ qua tràn theo 2 phương pháp tính .........56
Bảng 3- 6: So sánh mực nước trong máng theo 2 phương pháp tính (Q1%) ..59
Bảng 3- 7: So sánh mực nước trong máng theo 2 phương pháp tính (Q0.2%) 60
Bảng 3- 8: So sánh mực nước trong dốc 2 phương pháp tính Q1.0% ..............60
Bảng 3- 9: So sánh mực nước trong dốc 2 phương pháp tính Q0.2% ..............61


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1. 1: Đập Gran Coulee, Mỹ ........................................................................... 14
Hình 1. 2: Đập Tam Điệp, Trung Quốc ................................................................. 15
Hình 1. 3: Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay ............................................ 15
Hình 1. 4: Đập Guri, Venezuela............................................................................. 15
Hình 1.5:Đập Tucurui, Brazil ................................................................................ 16
Hình 1. 6: Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình ...................................................... 17
Hình 1. 7: Hồ Nước Trong, Quảng Ngãi ............................................................... 17
Hình 1.8:Đập Hồ chứa nước Định Bình ................................................................ 17
Hình 2. 1: Vị trí công trình trên Google Earth Pro ............................................... 25
Hình 2.2:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2009 ................................................................. 29
Hình 2.3:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016 ................................................................. 30
Hình 2.4:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016 ................................................................. 30

Hình 2.5:Mặt bằng tràn xả lũ Hồ chứa nước Quang Hiển – Tỉnh Bình Định ....... 31
Hình 2. 6: Hình mặt cắt ngang ngưỡng tràn.......................................................... 32
Hình 2.7: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret ................................ 35
Hình 2. 8: Hệ thống phần mềm TELEMAC (www.opentelemac.org) .................... 36
Hình 3.1: Hình 3D tràn Hồ chứa nước Quang Hiển – Bình Định....................... 46
Hình 3.2: Mô tả một lưới ba chiều Telemac-3D .................................................... 47
Hình 3.3: Tạo lưới cho phần ngưỡng và máng bên ............................................... 48
Hình 3.4: Tạo lưới cho phần dốc nước .................................................................. 48
Hình 3.5: Số lượng nút và phần tử mô hình tính toán ........................................... 50
Hình 3.6: Hình ảnh nước qua tràn ứng với mực nước hồ 60.77m ........................ 51
Hình 3.7: Mặt bằng tràn và vị trí cho kết quả mô hình ........................................ 52
Hình 3.8: Đồ thị lưu lượng cửa vào tràn Qđo= 14.834 m3/s ................................. 52

Hình 3. 9: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Qđo= 14.834 m3/s ........................... 53
Hình 3.10: Đồ thị lưu lượng đầu cửa tràn QP=1.0% ................................................ 54
Hình 3. 11: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Q1%= 190.00 m3/s ........................ 54
Hình 3.12: Đồ thị lưu lượng đầu cửa tràn QP=0.2% ................................................ 55
Hình 3.13: Hình mô tả vùng xoáy đầu máng ......................................................... 56
Hình 3.14: Vùng xoáy đầu máng không còn .......................................................... 57


---10---

Hình 3.15: Đồ thị lưu tốc đầu máng lớp 2 (QP=1,0%).............................................. 57
Hình 3.16: Hình dạng mực nước chảy qua nước và trong máng .......................... 58

Hình 3.17: Đồ thị mực nước ngang máng và dọc công trình (QP=1.0%) ................. 58
Hình 3.18: Đồ thị mực nước ngang máng và dọc máng (QP=0.2%)......................... 59
Hình 3.19: Đồ thị lưu tốc trước ngưỡng, ngang máng và dọc máng tràn QP=0,2% 62
Hình 3.20: Đồ thị lưu tốc trước ngưỡng, ngang máng và dọc máng tràn QP=1,0% 63


---11---

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, nó ảnh hưởng rất lớn đến sự sống
còn của con người, nó có những mặt tích cực và những mặt tiêu cực rất lớn, có khi là

hiểm họa của nhân loại, nếu chúng ta không biết phát huy, hạn chế và bảo vệ nó. Do đó,
ngày nay nhiệm vụ chính của các nhà khoa học nghiên cứu về dòng chảy của nước là
nghiên cứu tìm ra những lợi ích to lớn của nó và những mặt bất lợi để hạn chế phục vụ
cho cuộc sống con người ngày càng an toàn hơn, thân thiện hơn. Có nhiều giải pháp đem
đến lợi ích cho con người, trong đó có giải pháp xây dựng công trình thủy như: công
trình dâng nước phục vụ phát điện, tưới, tiêu, hạn chế ngập lụt ở hạ lưu, công trình bảo
vệ giảm nhẹ thiên tai do bão, lũ lụt gây ra....
Công trình hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định được xây dựng và đưa vào
sử dụng từ năm 2006. Nhiệm vụ công trình là cấp nước tưới phục vụ sản xuất nông
nghiệp và nước sạch cho vùng đồng bào miền cao của huyện Vân Canh. Trong tổng thể
cụm công trình đầu mối của hồ chứa, công trình tràn tháo lũ là một hạng mục quan trọng
nhất và không thể thiếu được. Do đặc thù của công trình tháo lũ là dòng chảy qua công

trình thường là dòng chảy xiết, sinh ra các hiện tượng vật lý bất lợi cho công trình tràn
nói chung. Đặc thù công trình tràn hồ Quang Hiển là máng tràn ngang, dòng chảy sau
ngưỡng là dòng biến lượng theo 3 hướng, xoắn ốc khá phức tạp trong máng ngang. Đối
với công trình cấp III trở xuống như công trình tràn hồ chứa nước Quang Hiển, khi thiết
kế công trình chỉ áp dụng Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, sổ tay tính toán hiện nay còn nhiều tồn
tại và hạn chế, chưa phản ánh dòng chảy thực của công trình máng tràn ngang.
Do đó, đề tài luận văn được chọn: “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy
qua máng tràn ngang Hồ chứa nƣớc Quang Hiển, Tỉnh Bình Định” để nghiên cứu.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Ứng dụng mô hình TELEMAC-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình máng
tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định, nhằm xác định:
+ Tính hợp lý của hình dạng, kích thước các bộ phận công trình tràn xả lũ; xem

xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của việc bố trí các hạng mục công trình
tràn xả lũ máng ngang;


---12---

+ So sánh kết quả tính toán trên mô hình toán với kết quả tính toán theo thiết kế
cổ điển, để từ đó đánh giá, nhận xét tính ưu việc giữa 2 phương pháp tính, giúp cho các
kỹ sư thiết kế có tầm nhìn tổng quát hơn, khoa học hơn.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng nghiên cứu:
- Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Quang Hiển: xác định khả năng xả lũ của

tràn, đường mực nước sau ngưỡng tràn và bình đồ dòng chảy, chế độ thuỷ lực trong
máng tràn ngang;
- Xác định các đặc trưng của dòng chảy: lưu tốc, áp suất, độ sâu của dòng chảy
tại một số vị trí xung yếu trong máng ngang. Xác định đường mực nước ngang và dọc
trong máng ngang và độ dốc công trình nối tiếp ảnh hưởng đến chế độ thủy lực máng
ngang…
- So sánh các đặc trưng của dòng chảy tính toán bằng mô hình Telemac-3D với
phương pháp tính cổ điển để đề xuất giải pháp thiết kế công trình tràn hợp lý và hiệu quả.
b. Phạm vi nghiên cứu:
Áp dụng phần mềm Telemac-3D để mô phỏng dòng chảy lũ qua máng tràn ngang
của công trình Hồ chứa nước Quang Hiển.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a. Cách tiếp cận:
- Dựa vào các tài liệu lý thuyết và số liệu nghiên cứu các nhà khoa học về tính
toán thủy lực tràn xả lũ áp dụng cho đề tài;
- So sánh với các phương pháp tính thủy lực máng ngang đã và đang áp dụng ở
Việt Nam cũng như trên thế giới;
- Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Telemac-3D, hồ sơ thiết kế và hiện trạng của công
trình tràn Hồ chứa nước Quang Hiển; các tài liệu có liên quan của Công ty Trách Nhiệm
Hữu hạn(TNHH) và khai thác công trình thủy lợi Bình Định trong quá trình vận hành
khai thác; hay từ những đề tài, dự án đã được nghiên cứu trước đây liên quan đến đề tài.
b. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích tài liệu: Thu thập số liệu thiết kế, hiện trạng công trình
và xử lý các số liệu liên quan đến công trình trong quá trình quan trắc, vận hành khai

thác; nghiên cứu cơ sở lý thuyết các thông số thủy lực ở cửa vào, ngưỡng tràn, dòng chảy


---13---

trong máng, dốc nước, tiêu năng, kênh nối tiếp hạ lưu …và xem xét những tác động của
dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang, dòng chảy có lưu tốc cao khi tràn làm
việc trên dốc nước....
- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu có liên quan.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số và xây dựng phần mềm
tính toán, so sánh với các phương pháp tính cổ điển hiện đang áp dụng.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Việc nghiên cứu dòng chảy qua máng tràn ngang bằng mô hình toán 3 chiều rất có
ý nghĩa đối công trình không yêu cầu làm mô hình thí nghiệm. Thông qua việc chạy mô
hình, ta có thể sơ bộ biết được các thông số thủy lực bất lợi khi tràn làm việc. Từ đó xác
định hình dạng, kích thước, kết cấu công trình cho phù hợp về mặt thủy lực và hiệu quả
kinh tế. Hơn thế nữa, mô hình có thể chạy nhiều phương án khác nhau khi thay đổi về độ
dốc đáy máng, độ dốc công trình nối tiếp sau máng, hay các cấp lưu lượng khác nhau để
tìm ra các yếu tố thủy lực bất lợi nhất, …nhằm tìm ra phương án tốt nhất để thiết kế xây
dựng công trình có độ tin cậy cao hơn.
6. CẤU TRÖC LUẬN VĂN
Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, gồm có 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về dòng chảy qua tràn xả lũ.
Chương 2: Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn bằng mô hình TELEMAC-3D.

Chương 3: Áp dụng mô hình toán TELEMAC-3D mô phỏng dòng chảy qua công
trình tràn xả lũ.


---14---

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ
1.1 CÔNG TRÌNH TRÀN TIÊU BIỂU
1.1.1 Tình hình xây dựng, công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới
Công trình thủy lợi phục vụ cho sản xuất nông nghiệp có từ ngàn xưa, từ khi con
người biết chống chọi với thiên nhiên hạn hán, lũ lụt ...Để đảm bảo sự sinh tồn, con

người đã vận động phát triển và tìm mọi cách khai thác, chế ngự thiên nhiên phục vụ lại
con người.
Từ đó đến nay, ngành công trình thủy đã và đang phát triển rất mạnh. Cụ thể các
nước tiên tiến trên thế giới ở Châu Mỹ, Châu Âu phát triển rất mạnh vào đầu những năm
thế kỹ XX. Ở Châu Á phát triển giai đoạn cuối thế kỹ XX như Trung Quốc là một điển
hình. Còn ở Việt Nam khi giành lại độc lập dân tộc năm 1945 mới bắt đầu hình thành
ngành thủy lợi – Thủy điện. Sau đây là một số hình ảnh về công trình tràn tiêu biểu của
thế giới đã xây dựng (Trích từ internet: 10 Đập nước lớn nhất thế giới – Phần 1).

+ Trên sông Columbia
+ Cung cấp 6.809 MW điện và
cấp nước 671 mẫu Anh.

Đập Grand Coulee, Mỹ
Hình 1. 1: Đập Gran Coulee, Mỹ


---15---

+ Trên sông Trường Giang
+ Năm tích nước 2003
+ Tổng công suất điện: 22.500 MW
+ Chiều dài đập: 2.355m
+ Chiều cao đập: 181m

Đập Tam Điệp, Trung Quốc
Hình 1. 2: Đập Tam Điệp, Trung Quốc

+ Trên sông Parana biên giới giữa
Brazin và Paraguay
+ Tổng công suất điện: 14.000 MW
+ Chiều dài đập: 7.235m

Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay
Hình 1. 3: Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay

+ Trên sông Caronni
+ Tổng công suất điện: 10.235 MW
+ Chiều dài đập: 7.235m
+ Chiều đập: 162m

Đập Guri, Venezuela
Hình 1. 4: Đập Guri, Venezuela


---16---

+ Trên sông Tocantins

+ Chiều dài đập: 6.900m
+ Chiều đập: 78m
+ Cung cấp điện 13 triệu người và
60% lượng điện phục vụ công
ngành công nghiệp.

Đập Tucurui, Brazil
Hình 1.5:Đập Tucurui, Brazil
1.1.2 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện ở nƣớc ta
Do đất nước ta ra đời sau, đồng thời bị chiến tranh nên ngành thủy lợi chưa phát
triển so với các nước khác. Những năm cuối thế kỹ XX và đầu thế kỷ XXI mới xây dựng
đáng kể, để phát triển kinh tế xã hội.

Năm 2015 theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn,
Việt Nam có 6.648 hồ chứa nước lớn nhỏ các loại, với tổng dung tích các hồ đạt đến
35,34 tỷ m3; trong đó có 26 hồ thuỷ điện với 27,12 tỷ m3 và còn lại là các hồ thủy lợi.

Bảng 1- 1:Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam.

1

Tên công
trình
Sơn La

2

Sơn La

Dốc nước, mũi phun

H tràn
(m)
13

Cửa Đạt

Thanh Hóa

Dốc nước, mũi phun

17

75

11600

3

Nước Trong

Quảng Ngãi

Đập trà – Bể Tiêu Năng

14

62.5

6728

4

Sê San 3

Kon Tum

Đập tràn, mũi phun

16,3

90

17536

5

Bản Vẽ

Nghệ An

Đập tràn, mũi phun

11,5

60

10500

6

Bình Điền

T. Thiên Huế

Đập tràn, mũi phun

12,96

50

4519

7

SRêPok 3

Đak Nông

Đập tràn, mũi phun

15,5

75

12320

8

NậmChiến

Sơn La

Đập tràn, mũi phun

5,63

80

2387

9

Đại Ninh

Bình Thuận

Dốc nước, mũi phun

18,6

52

5676

10

Định Bình

Bình Định

Đập tràn, mũi phun

TT

Địa điểm

Hình thức tiêu năng

Btràn
(m)
90

Qxả max
(m3/s)
34.780

4636

---17---

Trên sông: Đà
Năm hoàn thành: 1988
Hình thức tiêu năng: Mũi phun xoắn
Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van (Trong đó 12
cửa xả đáy)
Lưu lượng xả lũ: 35.400m3/s
Công suất phát điện: 19.200MW

Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình

Hình 1. 6: Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình

Trên sông: Nước Trong
Năm hoàn thành: 2010
Hình thức tiêu năng: Bể tiêu năng
Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung
Lưu lượng xả lũ: 6.728m3/s
Công suất phát điện: 16MW

Hồ Nƣớc Trong, Quảng Ngãi
Hình 1. 7: Hồ Nước Trong, Quảng Ngãi

Trên sông: Kone – Bình Định
Dung tích hữu ích: 170 x 106 m3
Chiều dài đập: 380m (571m)
Chiều cao đập: 54,5m
Diện tích tưới: 7.800 ha

Đập Định Bình, Bình Định
Hình 1.8:Đập Hồ chứa nước Định Bình


---18---

1.1.3 Nhận xét về công trình tháo lũ ở nƣớc ta
Các công trình tháo lũ có quy mô vừa và lớn ở nước ta phần lớn là loại đập tràn,
đường tràn dọc, có kích thước lớn, kiểu dáng đa dạng và có lưu lượng tháo lũ rất lớn.
Còn dạng đường tràn ngang ít thấy áp dụng cho các công trình lớn.
1.2 CÁC VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÕNG CHẢY QUA CÁC TRÌNH
THỦY LỢI
1.2.1 Khái niệm về mô hình toán của dòng chảy
Theo quy chuẩn 04-05:2012 các công trình Thuỷ lợi -Thuỷ điện từ cấp II trở lên để
phục vụ cho công tác thiết kế cần phải có kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ
lực (Mô hình vật lý), kết hợp với chạy mô hình toán để đưa ra các thông số thiết kế hợp
lý. Việc tính toán lý thuyết bằng mô hình toán và mô hình vật lý cũng chưa phản ánh
đúng thực tế khi tràn làm việc, cũng cần kiểm chứng thực tế một số công trình tương tự,

để đưa ra kết quả thiết kế tốt nhất. Đối với các công trình này rất mất nhiều thời gian và
kinh phí thực hiện trong quá trình xây dựng mô hình vật lý.
Đối với các công trình thủy lợi, thủy điện có quy mô cấp III trở xuống vừa và nhỏ
không có yêu cầu về mô hình thí nghiệm thì việc tính toán gần đúng theo Quy chuẩn,
Tiêu chuẩn, Sổ tay tính toán cũng chưa mô tả hết các hiện tượng vật lý khi tràn làm việc,
và nhất là công trình tràn có máng ngang rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, tác giả
muốn xem xét kết quả tính bằng mô hình toán so sánh với kết quả tính toán bằng công
thức cổ điển hiện nay đang áp dụng hoặc có thể mở rộng kết hợp với số liệu thực đo
ngoài thực địa khi tràn làm việc trong mùa lũ, để đưa ra phương án thiết kế tốt nhất.
Trước hết ta nói về mô hình toán là gì?
Trong nhiều lĩnh vực thực tế hàng ngày của chúng ta hiện nay đều phải thực hiện
các phép tính toán từ đơn giản đến phức tạp. Từ cộng trừ nhân chia đến các phép tính

đạo hàm, vi phân, tích phân; rồi đến cao hơn dùng phương pháp số như sai phân hữu hạn,
phần tử hữu hạn...gọi chung là công cụ toán học và sử dụng chúng để giải quyết các bài
toán thực tế hàng ngày từ đơn giản đến phức tạp. Ngày nay, với sự phát triển của công
nghệ thông tin, kĩ thuật máy tính và các công cụ toán học hiện đại, mô hình toán học đã
được phát triển nhanh và trở thành công cụ nhanh mạnh, không thể thiếu đối với người
làm công tác khoa học kỹ thuật nói chung, nói riêng cho ngành nghiên cứu về dòng chảy
có mặt thoáng rất thiết thực trong cuộc sống của chúng ta ngày nay.


---19---

Các bước cơ bản để xây dựng một mô hình toán (Theo bài viết của TS Tô Văn

Trường – Về các mô hình toán của dòng chảy):
+ Lựa chọn phương trình hay hệ phương trình toán học mô tả các qúa trình vật lý
hoặc bài toán mà ta phải giải quyết. Trong thực tế các bài toán kĩ thuật thì các phương
trình, hệ phương trình cơ bản đều là các phương trình vi phân, tích phân, đạo hàm riêng
không thể giải quyết chúng bằng tay được mà nhờ vào phương pháp số và máy tính.
Thông thường để có được các phương trình cơ bản mô tả quá trình vật lý nào đó ta
thường áp dụng các định luật bảo toàn cho các quá trình vật lý đó như bảo toàn khối
lượng, bảo toàn momen động lượng hay bảo toàn năng lượng. Tùy theo yêu cầu của bài
toán có thể mô hình bảo toàn hoặc không bảo toàn.
+ Đối với bài toán kĩ thuật phức tạp mô tả bởi các phương trình đạo hàm riêng thì
cần phải có điều kiện biên, điều kiện ban đầu, các tham số và hệ số trong phương trình.
+ Các phương trình mô tả nêu trên thường không có nghiệm giải tích hay nghiệm

chính xác, vì thế phải dùng phương pháp số để tìm kết quả gần đúng. Có nhiều phương
pháp số để giải quyết nó phụ thuộc vào trình độ và kiến thức của người lập mô hình.
+ Với sự phát triển rất nhanh của kỹ thuật máy tính, hầu hết các phương pháp số
đều có thể chạy trên máy tính với thuật toán số tương ứng đã lập trình và chạy được
thông qua máy tính. Đây là bước không thể thiếu khi xây dựng mô hình toán.
+ Chạy một số bài toán mẫu để đảm bảo rằng kết quả tính toán phản ánh tương đối
chính xác các qui luật vật lý của quá trình mô phỏng. Chẳng hạn kết quả tính được bảo
toản khối lượng, như cân bằng nước, độ mặn không được số âm. Nếu thấy kết quả sai
cần xem xét lại từ bước đầu tiên.
Với 5 bước chính nêu trên ta có một mô hình toán học. Độ chính xác của kết quả
phụ thuộc vào mô hình và số liệu đầu vào. Vì vậy, khi sử dụng bất kỳ một mô hình nào
cũng cần phải thực hiện bước sau:

+ Hiệu chỉnh mô hình: Khi giải quyết bất kì một bài toán kỹ thuật nào kết quả của
mô hình đều phụ thuộc vào số liệu đầu vào và các tham số mô hình. Dựa vào một số số
liệu đầu vào đã được đo đạt chính xác và chạy mô hình với từng tập số liệu đã thay đổi;
khi chạy với tập tham số mô hình nào mà kết quả tính toán gần nhất với kết quả thực đo,
thì tập tham số này được chọn làm tham số cho mô hình. Công việc này gọi là hiệu chỉnh
mô hình.


---20---

+ Kiểm định mô hình: Một mô hình đã hiệu chỉnh tốt cần phải chạy với một tập số
liệu khác để kiểm tra xem các tham số mô hình đã được xác định có đúng với trường

hợp khác không; nếu kết quả tính không sai nhiều so với kết quả thực đo thì mô hình đó
có thể gọi mô hình kiểm định và được dùng để tính toán cho các kịch bản khác nhau.
Theo thống kê thì tất cả các công trình tràn xả lũ đã xây dựng đều có mặt cắt dạng
Ô-fi-xê-rôp. Đây là loại dạng mặt cắt không có hệ số lưu lượng lớn. Dòng chảy trong dốc
nước có thể ở trạng thái chảy êm hay chảy xiết. Trên các đường tràn, dốc nước ở các
công trình thủy lợi đầu mối thường là dòng chảy xiết. Các dạng công trình này thường có
đoạn thu hẹp nhằm chuyển tiếp dòng chảy sau đập tràn đỉnh rộng hoặc mặt cắt thực dụng
với đoạn dốc không thu hẹp ở phía sau. Không như dòng chảy êm biến đổi dần, trong
dòng chảy xiết có thể xuất hiện các hiện tượng như: sóng lăn, trộn khí, hay khí thực.
Thêm vào đó nếu số Froude của dòng chảy lớn, sự xuất hiện của sóng đứng hay sự dao
động của mặt nước trên dốc là vấn đề cần lưu ý khi tính toán thủy lực hay thiết kế đường
tràn.

Đối với công trình tháo nước nói chung cũng như đối với đập tràn cao nói riêng thì
dòng chảy qua đập có lưu lượng và lưu tốc thường là rất lớn, nó tác động đến quá trình
làm việc của công trình tháo nước. Các dòng chảy lưu tốc cao có những nét đặc thù là:
- Có mức độ xáo trộn mãnh liệt, mạch động áp lực, lưu tốc… có trị số lớn, ảnh
hưởng trực tiếp tới ổn định và độ bền của công trình.
- Quán tính của một đơn vị thể tích nước rất lớn, trong khi trở lực của độ nhớt
không thể hiện rõ ràng.
- Dòng chảy rất nhạy bén với đường biên: các nhiễu động phát sinh tại một điểm
bất kỳ trong dòng chảy có thể được truyền đi và gây ảnh hưởng trong một phạm vi rất
rộng xuôi theo chiều dòng chảy.
Khi xem xét xử lý các hiện tượng thủy lực đặc biệt trên các bộ phận của công trình
xả nước có cột nước cao, hay dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang cần phải

xem xét tới tác động của dòng xoáy lên các bộ phận công trình:
- Đặc trưng mạch động của tải trọng thủy động gây nên ứng suất mỏi trong các kết
cấu; khí thực và xâm thực khí thực.
- Hàm khí và thoát khí làm thay đổi chiều sâu dòng chảy gây chấn động hoặc nước
va trong đường xả kín.


---21---

- Sự hình thành và truyền sóng nhiễu trong lòng dẫn không áp, khả năng mài mòn
thành lòng dẫn khi dòng chảy mang theo nhiều bùn cát thô.
1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy trong máng ngang

Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về dòng chảy
sau đập tràn. Những thành quả của các nhà khoa học đã đóng góp không nhỏ cho sự phát
triển kinh tế đất nước trong năm gần đây cuối thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI. Cụ thể các
công trình tiêu biểu được thống kê ở mục 1.1.2. Những thành tựu đạt được ở trên, phần
lớn nghiên cứu về dòng chảy có lưu tốc cao, có hàm khí thực, dòng chảy trong bể tiêu
năng, dòng chảy hạ lưu công trình....đều nhằm mục đích tìm ra các yếu tố thủy lực bất lợi
nhất, đề xuất giải pháp công trình hợp lý, công trình ổn định lâu dài.
Về dòng chảy biến lượng sau ngưỡng tràn của đường tràn ngang có rất ít nghiên
cứu về nó. Đây cũng là vấn đề rất khó khăn cho các kỹ sư thiết kế công trình khi phải
gặp loại công trình này, Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9147:2012 - Công trình thủy lợi –
Qui trình tính toán thủy lực đập tràn cũng không đề cập đến vấn đề này. Hiện nay, lý
thuyết, tài liệu nghiên cứu về dòng chảy trong máng tràn ngang không nhiều. Trong giáo

trình Thủy công tập 2 hay Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi chỉ
trình bày các phương pháp tính gần đúng để xác định đường mực nước trong máng, từ đó
xác định sơ bộ kích thước và độ dốc đáy công trình. Do điều kiện ban đầu của các
phương pháp này là dòng chảy trong máng là dòng đều, ổn định, nên kết quả cũng chỉ
mang tính gần đúng. Thực tế dòng chảy trong máng sau ngưỡng tràn là dòng chảy biến
lượng 3 chiều, xoắn ốc, khá phức tạp. Luận văn chọn đề tài này để nghiên cứu.
KẾT LUẬN CHƢƠNG I
Với những nội dung nghiên cứu ở trong Chương I, chúng ta thấy được rằng, vấn đề
xác định các thông số thủy lực của dòng chảy trong máng tràn ngang là một vấn đề rất
quan trọng trong các công trình tháo nước qua đập tràn. Nó ảnh hưởng rất lớn đến kinh
phí thực hiện, quá trình làm việc cũng như tuổi thọ của các công trình tháo nước. Công
trình tràn trong đầu mối thủy lợi đóng một vai trò rất quan trọng. Các công trình nêu trên

phần lớn là kiểu tràn dọc. Tràn ngang có điều kiện xây dựng rất đặc biệt, một khi không
tìm được vị trí xây dựng được đường tràn dọc thì buộc phải xây dựng dựng tràn ngang,
công trình tràn thường nằm ở vị trí vách núi đá có độ dốc cao, ảnh hưởng rất lớn đến


---22---

kinh phí xây dựng công trình, nếu như tính toán thiết kế chưa phù hợp với chế độ làm
việc của tràn.
Do vai trò quan trọng của công trình tháo lũ, nên các nhà Khoa học trên thế giới đã
chú trọng phát triển các mô hình tính toán để phục vụ cho công tác thiết kế công trình.
Trong chương sau luận văn nghiên cứu các lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn

xả lũ và ứng dụng hệ thống mô hình toán Telemac – Mascaret để tính toán dòng chảy
qua tràn và so sánh với phương pháp tính cổ điển hiện nay đang áp dụng.


---23---

CHƢƠNG II
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ
MÔ HÌNH TELEMAC-3D
2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH TOÁN
2.1.1 Mục đích mô phỏng bằng mô hình toán
Dòng chảy sau đập tràn thường là dòng chảy có các dạng như sau: dòng chảy xiết

có lẫn khí thực trên ngưỡng tràn, dốc nước, dòng chảy biến lượng, xoắn ốc trong máng
ngang, dòng chảy bị thu hẹp dần hay phóng xa... Do đó cần phải nghiên cứu kỹ các yếu
tố thủy lực bất lợi do nó gây ra, để có biện pháp xử lý, phù hợp. Các phương pháp cổ
điển tính toán hiện nay là dòng chảy ổn định, một chiều không thể mô tả đúng hiện tượng
vật lí mà tràn làm việc, nên rất cần thiết dùng mô hình toán để mô phỏng. Luận văn ứng
dụng mô hình toán TELEMAC-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình xả lũ máng
tràn ngang của hồ chứa nước Quang Hiển, nhằm xác định:
- Tính hợp lý của hình dạng, kích thước máng tràn ngang, xem xét đánh giá các
tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của công trình.
- So sánh kết quả tính toán giữa mô hình và phương pháp tính toán cổ điển, giữa
kết quả mô hình và số liệu thực đo thực tế khi tràn làm việc.
- Thông qua mô hình đánh giá, tồn tại, từ đó đề xuất kiến nghị, sửa đổi lựa chọn

phương án tối ưu đảm bảo công trình xả lũ vận hành an toàn và hiệu quả.
2.1.2 Qui trình kiểm định mô hình và nội dung nghiên cứu.
a. Qui trình kiểm định mô hình:
- Trước hết xây dựng mô hình dựa theo TCVN 8214-2009 – Thí nghiệm mô hình
thủy lực công trình thủy lợi, thủy điện;
- Tiến hành chia lưới và xây dựng bản đồ DEM tính toán cho công trình. Đảm bảo
thể hiện đúng hình dạng công trình tính toán, đặc biệt tại các vị trí thay đổi lớn về hình
dạng;
- Khai báo đúng hệ số nhám tại các vị trí và thành bên công trình;
- Lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các vị trí dòng chảy thay đổi lớn;
- Gán điều kiện biên, điều kiện ban đầu;