Nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình hồ sông cái tỉnh ninh thuận
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.53 MB, 139 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
PHẠM PHÙNG THƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘTHỦY LỰC CỦA TRÀN XẢ LŨ
NHẰM XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH CẦU GIAO THÔNG Ở HẠ
LƯU CÔNG TRÌNH HỒ SÔNG CÁI – TỈNH NINH THUẬN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
PHẠM PHÙNG THƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘTHỦY LỰC CỦA TRÀN XẢ LŨ
NHẰM XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH CẦU GIAO THÔNG Ở HẠ
LƯU CÔNG TRÌNH HỒ SÔNG CÁI – TỈNH NINH THUẬN
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 LÊ VĂN NGHỊ
Hà Nội - 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1
LỜI CÁM ƠN
Gần ba năm học tập lớp cao học khóa 16 tại trường, học viên đã được các
thầy cô ở các bộ môn khoa học của trường tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, được khoa
đào tạo sau đại học quan tâm. Đồng thời trong thời gian học tập cao học, học
viên đã được sự giúp đỡ của các anh chị em học viên cùng khóa giúp đỡ, trao
đổi các bài giảng tại trường, giúp cho bản thân học viên hiểu sâu hơn về nội
dung các bài giảng.
Đến nay chuyển sang phần viết luận văn, học viên lại được sự hướng dẫn
tận tình của thầy PGS – TS Lê Văn Nghị cơng tác tại Phịng thí nghiệm trọng
điểm quốc gia về động lực học sơng biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam
hướng dẫn khoa học thực hiện luận văn này. Song để có được tài liệu viết luận
văn học viên đã được sự giúp đỡ của Trung tâm nghiên cứu thủy lực, của cơ
quan tư vấn thiết kế– Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi HEC1.
Vì vậy nhân dịp này học viên xin chân thành gửi tới nhà trường, các thầy
cô, bạn bè khóa học, anh chị em ở đơn vị cơng tác và gia đình học viên lời biết
ơn và cám ơn sâu sắc nhất.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do trình độ và điều kiện thời gian có hạn
nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, học viên rất mong
nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, các anh chị và bạn bè đồng
nghiệp./.
Học viên
Phạm Phùng Thường
Phạm Phùng Thường
2
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 5
I. Tính cấp thiết của đề tài. ................................................................................ 5
II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:................................................................. 6
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. ................................................ 7
IV. Kết quả dự kiến đạt được. ........................................................................... 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .................................................................................. 9
1.1. Tổng quan về cơng trình tiêu năng sau tràn xả lũ. .................................. 9
1.1.1 Tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới: ...... 9
1.1.2 Tổng quan tình hình xây dựng cơng trình tràn xả lũ tiêu năng dạng
mũi phun ở Việt Nam ta. .............................................................................. 13
1.1.3 Tổng quan về hình thức tiêu năng phịng xói. ................................. 14
1.1.4. Dạng mũi phun so le. ......................................................................... 18
1.1.5. Tổng quan xác định chiều sâu hố xói và chiều dài phun xa. ............. 21
1.2. Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun ảnh
hưởng tới cầu giao thông................................................................................. 22
1.3 Nhận xét chương 1: ................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHẾ ĐỘ THỦY LỰC DÒNG
CHẢY SAU CƠNG TRÌNH TIÊU NĂNG HẠ LƯU .................................... 26
2.1. Đặc điểm của công trình tiêu năng sau tràn xả lũ.................................... 26
2.1.1.Tiêu năng dòng đáy: ............................................................................ 27
2.1.2.Tiêu năng mặt. ..................................................................................... 30
2.1.3. Tiêu năng phóng xa: ........................................................................... 31
2.2. Chiều dài phóng xa của các công trình tiêu năng bằng mũi phun........... 33
2.3. Quá trình xói lở nền đá và xác định chiều sâu hố xói. ............................. 40
2.3.1. Tác động của dịng phun gây xói nền đá. .......................................... 40
2.3.2. Q trình vật lý của hiện tượng xói do dịng phun. ........................... 41
2.4. Các nhân tố ảnh hưởng tới chiều sâu hố xói. ........................................... 43
2.4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đơn vị ....................................................... 44
2.4.2. Ảnh hưởng của tính chất cơ lý của nền đá ở hạ lưu. ......................... 44
2.4.3. Ảnh hưởng chiều sâu nước đệm hạ lưu đến chiều sâu hố xói. .......... 45
2.4.4. Ảnh hưởng của thời gian xả lũ tới chiều sâu hố xói. ......................... 47
2.4.5. Ảnh hưởng của góc hắt và góc tới của dịng phun đến chiều sâu hố xói. 48
2.4.6. Ảnh hưởng của mạch động áp lực đến chiều sâu xói. ....................... 50
2.4.7. Ảnh hưởng xói của quy trình vận hành cửa van để xả lũ. ................. 50
2.5. Cơ chế xói nền đá trong hố xói và dự báo chiều sâu xói ......................... 51
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
Phạm Phùng Thường
T
0
T
0
3
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.5.1 Cơ chế xói nền đá trong hố xói: ............................................................. 51
2.5.2. Cơng thức ước tính độ sâu xói của hố xói. ........................................... 52
2.5.2.1 Loại cơng thức kinh nghiệm: .............................................................. 52
2.5.2.2 Loại công thức bán kinh nghiệm: ....................................................... 52
2.6. Nối tiếp dòng chảy và năng lượng dư tác động đến mực nước của cầu giao
thông ở hạ lưu cơng trình ................................................................................ 55
2.7. Nhận xét chương 2: .................................................................................. 61
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY LỰC TIÊU
NĂNG CỦA CƠNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ SƠNG CÁI .................................. 64
3.1. Giới thiệu chung về cơng trình................................................................ 64
3.1.1 Vị trí cơng trình:..................................................................................... 64
3.1.2. Nhiệm vụ cơng trình:............................................................................. 64
3.1.3 Quy mơ cơng trình: ................................................................................ 65
3.1.4 Các u cầu thí nghiệm:......................................................................... 65
3.1.5. u cầu về loại mơ hình và tỷ lệ mơ hình: ............................................ 66
3.1.6 Trình tự nghiên cứu thí nghiệm: ........................................................... 66
3.2. Các yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm chi tiết trên mơ hình ....................... 66
3.2.1.Đối tượng thí nghiệm mơ hình thủy lực.............................................. 66
3.2.2.Thí nghiệm phương án thiết kế. .......................................................... 67
3.2.3. Hạng mục cơng trình thí nghiệm và u cầu thí nghiệm ...................... 69
+ Hình thức tiêu năng: Tiêu năng phóng xa.
3.2.4.Thiết kế chế tạo, lắp ráp mơ hình và các thiết bị đo ........................... 70
3.3. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án thiết kế .............................. 78
3.3.1 Về tình hình dịng chảy ....................................................................... 78
3.3.2 Về nối tiếp tiêu năng hạ lưu. ............................................................... 80
3.3.3 Về chiều dài dòng phun ....................................................................... 80
3.3.4 Về lưu tốc, mạch động lưu tốc ............................................................ 83
3.3.5 Đánh giá khả năng xói lở do dịng chảy khi xả lũ gây ra. .................. 90
3.3.6 Về đường mặt nước ............................................................................. 93
3.3.7 Về mạch động áp suất ......................................................................... 95
3.4. Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi và : ............................................. 97
3.4.1. Phương án sửa đổi .............................................................................. 97
3.4.2. Về tình hình dòng chảy dưới hạ lưu: ................................................. 98
3.4.3. Kết quả về nối tiếp tiêu năng ở hạ lưu: .............................................. 98
3.4.4. Về lưu tốc và mạch động lưu tốc: ...................................................... 99
3.5. Nhận xét chương 3: ................................................................................ 105
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
Phạm Phùng Thường
T
0
T
0
4
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT VÀ THÍ
NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY LỰC VỀ TIÊU NĂNG ....................................... 106
TRÀN XẢ LŨ SÔNG CÁI ................................................................................ 106
4.1. Số liệu cơ bản để tính tiêu năng ............................................................. 106
4.2. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết và thí nghiệm mơ hình thủy lực..... 111
4.4. Phân tích về giải pháp thi cơng hố xói. .................................................. 114
4.5. Nhận xét chương 4 ................................................................................. 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 117
1. Kết luận: .................................................................................................... 117
2. Kiến nghị: .................................................................................................. 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................... Error! Bookmark not defined.
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
T
0
Phạm Phùng Thường
T
0
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
5
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài.
Hồ chứa nước là cơng trình thủy lợi với mục đích sử dụng tổng hợp nguồn
nước phục vụ các mục tiêu phát triển bền vững về kinh tế xã hội, cải thiện giao
thông thủy và môi trường.
Việc thiết kế, xây dựng các hồ chứa thì đường tràn xả lũ là một hạng mục
quan trọng trong cụm đầu mối cơng trình thủy lợi và thủy điện. Hồ chứa có
nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ, cịn đập tràn có nhiệm vụ xả lưu lượng nước dư
để đảm bảo an tồn cho tồn bộ cụm cơng trình.
Trong thiết kế đập tràn xả lũ thì việc lựa chọn hình thức tiêu năng nào để
phù hợp với các yêu cầu:
- Bố trí chung cụm cơng trình đầu mối;
- Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và các thơng số thủy
lực của dòng chảy;
- Tiêu hao được tốt nhất năng lượng của dòng chảy, để phần năng lượng
dư đổ xuống hạ lưu ít ảnh hưởng đến sự an tồn của cơng trình lân cận, đến sự
xói lở hai bờ, đến các cơng trình qn sự, cơng nghiệp, giao thơng, dân sinh ở hạ
lưu đập tràn.
Về hình thức tiêu năng thường áp dụng hiện nay gồm hai dạng:
+ Dạng tiêu năng đáy (dùng bể tiêu năng và các biện pháp tiêu năng phụ
như ngưỡng tiêu năng, mố tiêu năng, rãnh tiêu năng). Bể tiêu năng được bố trí
ngay sau chân đập như đập tràn cơng trình thủy điện An Khê, hay đập tràn Nước
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
6
Trong. Song cũng có cơng trình do điều kiện địa hình nên sau chân đập cịn có
dốc nước và đoạn cong chuyển tiếp nối với bể tiêu năng như cơng trình thủy lợi
Đá Hàn (Hà Tĩnh) hay cơng trình đập tràn EA Rớt (Đắc Lắc)…
- Dạng tiêu năng dòng phun: với điều kiện địa chất tại nền và hạ lưu cơng
trình tốt (là loại đá gốc: granite, hoa cương, thạch anh…có cường độ kháng nén
σ>600 kg/cm2 trở lên thì nên dùng dạng tiêu năng này.
Trong luận văn này học viên đi sâu nghiên cứu tác dụng của hố tiêu năng
sau dịng phun của cơng trình đập tràn Hồ Sơng Cái ảnh hưởng đến tình hình
thủy lực hạ lưu đặc biệt là cao trình cầu giao thơng ở hạ lưu.
Giai đoạn vừa qua có nhiểu cơng trình tràn xả lũ vận hành đã có tác động
xấu đến cầu giao thông ở hạ lưu. Như mùa lũ năm 2006, xả lũ đập tràn sông
Hinh đã làm trôi cầu giao thơng trên đường vào khu vực cơng trình mà kết quả
nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực đã cảnh báo. Lại như năm 2008 xả lũ thi
công của cơng trình Cửa Đạt – Thanh Hóa đã làm vỡ mố cầu bờ trái, mà điều
này cũng đã được cảnh bảo trong kết quả nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy
lực tại viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.
Vì tình hình thủy lực diễn ra phức tạp khi xả lũ, mà trong đồ án thiết kế
khơng tính tốn lường trước hết được. Bởi vậy, tác giả luận văn cho rằng đi sâu
nghiên cứu vấn đề xác định cao trình cầu giao thông khi xả lũ xuống hạ lưu của
Hồ Sơng Cái sẽ là một đóng góp cần thiết cho công việc thiết kế cầu giao thông
ở hạ lưu tràn xả lũ trong giai đoạn sắp tới.
II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài:
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
7
- Là để học viên làm quen và tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa
học có tính độc lập, tập phân tích các vấn đề, hiện tượng thủy lực của dòng chảy
lũ, nhận biết các ảnh hưởng xấu đến các cơng trình ở hạ lưu đập tràn;
- Nghiên cứu phương thức tính tốn, đánh giá sự khác biệt của dòng chảy
tự nhiên khi chưa có và đã xây dựng cơng trình xả lũ, đưa ra quy luật ảnh hưởng
của dịng chảy sau khi cơng trình xả lũ;
- Thu thập các tài liệu tham khảo có liên quan để làm tư liệu tham khảo
cho cơng tác cần thiết sau này, dựa trên cơ sở đó để đánh giá tác động của dịng
chảy đến các cơng trình tương tự.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Cách tiếp cận:
+ Dựa vào các tài liệu tham khảo: giáo trình thủy cơng, giáo trình thủy lực,
động lực học dịng sơng, các tài liệu chun khảo về đập tràn – nối tiếp tiêu năng
sau đập tràn xả lũ, các báo cáo kết quả nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực
của hai Viện: Viện năng lượng và Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, các tài liệu
dịch từ nước ngồi để cập nhật các thơng tin cần thiết có liên quan đến đề tài của
luận văn.
+ Sử dụng thuyết minh tính tốn thủy lực của thiết kế và báo cáo kết quả
nghiên cứu thí nghiệm thủy lực đầu mối Hồ chứa Sơng Cái của “ Phịng thí
nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển”.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Nghiên cứu lý thuyết về cách tính toán trong các tài liệu tham khảo.
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
8
+ Kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình thủy lực của cơng trình
đầu mối hồ chứa nước Sơng Cái (tỉnh Ninh Thuận) để so sánh với tính tốn theo
thiết kế, từ đó đưa ra các kiến nghị thực hiện theo giải pháp hợp lý.
IV. Kết quả dự kiến đạt được.
- Với phương pháp nghiên cứu khoa học, phân tích hiện tượng thủy lực của
dịng chảy khi chưa có cơng trình và sau khi đã xây dựng cơng trình tràn xả lũ,
dùng các số liệu khi đã xây dựng cơng trình tràn xả lũ, dùng các số liệu thu được
từ kết quả thí nghiệm mơ hình thủy lực để đề xuất việc xác định cao trình cầu
giao thơng.
- Nghiên cứu cách tính tốn, đưa ra các yếu tố ảnh hưởng của dòng chảy sau
cơng trình tràn xả lũ đến việc an tồn ổn định của cầu giao thông ở hạ lưu gần
đập tràn (như cầu giao thông bắc qua sông Cái).
- Đưa ra các phương án về bố trí kích thước hố xói sau tràn xả lũ để cải
thiện tình hình thủy lực đối với hai bờ và hạ lưu nhằm giảm bớt đáng kể mực
nước, dao động sóng, vận tốc dịng chảy tại vị trí cầu giao thơng, trên cơ sở đó
kiến nghị phương pháp chọn kích thước hố xói cần thiết.
- Là tài liệu tham khảo đối với các cơng trình tương tự.
- Đề xuất một số ý kiến đóng góp vào việc chọn tần suất lũ thiết kế cầu giao
thông trong điều kiện thủy văn chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và mơi
trường rừng đầu nguồn bị xâm hại như hiện nay.
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.
Tổng quan về cơng trình tiêu năng sau tràn xả lũ.
1.1.1 Tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới:
Thủy điện là nguồn năng lượng sạch chiếm gần 1/5 sản lượng điện trên
toàn thế giới. Trong thực tế nó đóng vai trị chủ yếu về việc cung cấp điện ở 55
quốc gia. Công suất lắp đặt thủy điện hiện nay khoảng 737,4 GW với tổng điện
lượng hàng năm ước tính khoảng 2.767 TWh và có khoảng 118 GW công suất
mới đang được xây dựng. Đến nay gần 2/3 tiềm năng về thủy điện khả thi của
thế giới chưa được khai thác.
Song phạm vi khai thác ở các vùng lại khác nhau một cách đáng kể. Ở
Châu Âu và Bắc Mỹ hầu hết tiềm năng thủy điện đã được khai thác hết, còn
Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ nơi mà nhu cầu về nước và năng lượng là cấp
thiết lại vẫn còn tiềm năng đáng kể chưa được sử dụng.
Để có được nguồn than đá trắng phục vụ cho tuốc bin phát điện, và điều
tiết nước hợp lý cho hạ du vào mùa kiệt là cần thiết nên phải xây dựng các hồ
chứa để tích nước, đồng thời điều tiết lũ, giảm bớt ngập lụt đối với hạ lưu. Ngồi
dung tích nước cần thiết được giữ lại trong hồ, lượng nước dư phải xả xuống hạ
lưu qua tràn xả lũ.
Một dịng sơng tự nhiên khi chưa được khai thác thì dịng chảy trong sơng
chuyển động theo quy luật thơng thường, tốc độ của dịng chảy lũ thường là
2,50m/s ÷ 3,0m/s, mực nước trên từng đoạn sông tương ứng với lưu lượng lũ
đến, năng lượng của dòng chảy được tiêu hao theo tổn thất dọc đường do sức cản
của lịng dẫn và hai bờ; khơng có hiện tượng dịng chảy tập trung mạnh gây ra
Phạm Phùng Thường
10
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
sóng lớn dao động ở hai bờ và tác động đến độ dâng mực nước đối với cơng
trình giao thơng ở đoạn hạ lưu sau đó.
Song khi xây dựng hồ chứa và cụm cơng trình đầu mối đập dâng, đập tràn xả
lũ, nhà máy thủy điện, âu thuyền, âu tàu vv… thì dịng chảy lũ được điều tiết trữ
lại trong lòng hồ, tạo ra mực nước thượng hạ lưu trên đoạn sơng có chênh lệch
lớn mà ta gọi là Δz (Z hồ - Z
R
R
R
hạ ),
R
khi gặp các lũ lớn vượt quá lưu lượng điều tiết
của hồ chứa, cần mở cửa đập tràn (cửa xả đáy hoặc cửa xả mặt) để tháo lưu
lượng dư xuống lòng sông hạ lưu. Phần lưu lượng này tập trung đổ xuống sau
đập tràn bằng một trong hai hình thức đó là:
- Nối tiếp theo dạng tiêu năng đáy;
- Hoặc nối tiếp theo dạng tiêu năng dòng phun. Mà đối với hồ Sơng Cái
dùng hình thức này.
Ở nước ngồi đập tràn xả lũ nối tiếp theo dạng dịng phun có thể kể đến như
đập Brack (Liên Xô cũ); được xây dựng từ năm 1960 với lưu lượng đơn vị thiết
kế q= 30,5m3/s-m. Đập tràn có 10 khoang, mỗi khoang có chiều rộng b=18m,
P
P
Q xả =5490m3/s, lưu tốc trên mũi phóng đạt V mp = 35m3/s, bán kính cong cuối đập
R
R
P
P
R
R
R =15m, góc mũi hắt α= 35o, thể hiện như hình 1-1.
P
Phạm Phùng Thường
P
P
P
11
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1-1. Mặt cắt ngang đập tràn Brack.
Hay như đập tràn cơng trình thủy điện Guri (Venezuela) cơng trình được
xây dựng năm 1982 với lưu lượng đơn vị thiết kế q= 150m3/s-m . Chiều rộng
P
P
tràn B=40m, lưu lượng xả Q=600m3/s.
P
P
Lưu tốc chảy trên mũi phóng V mp = 41m/s, đập có chênh lệch cột nước thượng hạ
R
R
lưu Δz = 130m; Mặt cắt ngang đập tràn Guri xem hình 1-2.
Phạm Phùng Thường
12
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Vï n g bª t ô n g bịph á h o ạ i
Hỡnh 1-2. Mặt cắt ngang đập tràn Guri.
Hay như mặt cắt đập tràn cơng trình thủy điện Tam Hiệp ở Trung quốc (
xem hình 1-3). Cơng trinh này mực nước hồ Z hồ max = 175m, cao trình mũi hắt
R
R
Z mp = 85m, góc mũi hắt α= 27050’; lưu lượng đơn vị thiết kế q= 174m3/s.m; mực
R
R
P
P
P
P
nước tương ứng ở hạ lưu là Z hl = 77.05m. Đập được xây dựng trên nền đá gốc
R
R
granite, có ứng suất nén σ= 1200kg/cm2; lưu tốc dòng chảy tại mũi hắt h mp =
P
P
5.10m; bán kính cong ngược ở cuối tràn chọn R= 24.0m.
Hình 1-3. Mặt cắt đập tràn Tam Hiệp (TQ)
Phạm Phùng Thường
R
R
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
13
Như vậy qua 3 công trình đập tràn nối tiếp tiêu năng dạng dịng phun nêu
trên có hình dạng tương tự đập tràn xả lũ Hồ Sơng Cái mà ở nước ngồi đã áp
dụng.
1.1.2 Tổng quan tình hình xây dựng cơng trình tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi
phun ở Việt Nam ta.
Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, ở nước ta bắt đầu xây dựng các cơng trình
hồ chứa thủy lợi- thủy điện lớn như:
- Đập tràn thủy điện Hịa Bình;
- Đập tràn thủy điện Sông Hinh;
- Đập tràn thủy điện Yaly;
- Đập tràn thủy điện Tuyên Quang;
- Đập tràn hồ chứa Tả Trạch;
- Đập tràn thủy điện Sơn La;
- Đập tràn thủy điện Bản Vẽ;
- Đập tràn thủy điện Bản Chát;
- Đập tràn hồ chứa thủy lợi – thủy điện Cửa Đạt, v.v…
- Hồ Tả Trạch thừa Thiên Huế;
Sắp tới xây dựng các cơng trình:
- Đập tràn thủy điện Lai Châu;
- Đập tràn hồ chứa Krong Pach Thượng Đắc Lắc;
- Đập tràn Sông Cái tỉnh Ninh Thuận;
- Đập tràn hồ chứa Bản Mòng tỉnh Sơn La, vv…
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
14
Trong việc bố trí đầu mối thủy lợi- thủy điện thì tràn xả lũ và vấn đề biện
pháp tiêu năng sau tràn nhằm nối tiếp dịng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu có
một vị trí quan trọng; bởi lẽ hình thức tiêu năng được chọn thích hợp khơng chỉ
giữ ổn định cho vùng chân đập tràn xả lũ mà cịn khơng gây tác động xấu đến
các cơng trình lân cận, ít gây xói lở đối với hai bờ hạ lưu sau cơng trình, cũng
như tác động xấu đến cầu giao thông và các công trình dân sinh khác ở hạ lưu
sau đập tràn.
1.1.3 Tổng quan về hình thức tiêu năng phịng xói.
Cách lựa chọn là dựa trên các điều kiện:
- Điều kiện địa hình, địa chất, địa thế sau tràn;
- Điều kiện các yếu tố thủy lực xả lũ qua tràn, như lưu lượng đơn vị thiết kế
xả qua tràn, lưu tốc dòng chảy ở cuối tràn hoặc mũi phun, mực nước hạ
lưu tương ứng với lưu lượng xả;
- Phương thức vận hành tràn xả lũ.
Ở Việt Nam đập tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun đã được áp dụng rất phổ
biến. Từ năm 1990 đến nay đã có 48 cơng trình tràn được xây dựng, trong đó có
tới 25 cơng trình áp dụng dạng tiêu năng mũi phun chiếm tới 52%.
Đặc biệt các cơng trình thủy lợi thủy điện lớn ngày nay xu hướng sử dụng
tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ngày một gia tăng chiếm tới 65% trong tổng
số các cơng trình đã xây dựng và sẽ xây dựng.
Với dạng tiêu năng mũi phun khi mà luồng chảy phóng xuống dịng sơng hạ
lưu, năng lượng mà dịng chảy nó mang theo cần được tiêu hao một cách tốt nhất
khi dịng phun rơi vào hố xói được đào trước (đào một phần hoặc đào cả) là để
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
15
tạo được lớp nước đệm đủ cho luồng chảy phóng xuống nối tiếp với mặt nước ở
hạ lưu. Năng lượng được tiêu hao tốt nhất, phần năng lượng dư ít gây xói lở, bào
xói lịng dẫn hạ lưu, ít gây ra sóng dềnh lan truyền vào hai bờ và đến các cơng
trình lân cận, đến cầu giao thông bắc qua sông. Về phương thức đào hố xói có
hai cách thực hiện là:
- Đào sâu một phần, tiếp đó khoan tơi để khi vận hành xả lũ, dịng nước sẽ
xói trơi lớp đá khoan tơi, dùng năng lượng dòng nước dịch chuyển chúng rải ra
trên bãi và lịng sơng hạ lưu. Cách này đã được thực hiện ở hố tiêu năng sau tràn
xả lũ thủy điện Hịa Bình;
- Căn cứ vào lý thuyết tính tốn khả năng dịng phun sẽ xói sâu để đào sẵn
hố xói đến cao trình dự kiến, nhằm tạo đủ lớp nước đệm ứng với lưu lượng thiết
kế tiêu năng và được kiểm tra ứng với lưu lượng xả lũ thiết kế.
Hai cách thực hiện trên, mỗi cách có ưu điểm, nhược điểm riêng, tác giả sẽ
phân tích trong chương 4 của luận văn này đồng thời đưa ra ý kiến của mình khi
vận dụng một trong hai cách trên.
Vì vậy khi thiết kế tràn xả lũ tiêu năng theo dạng dòng phun (dòng phun từ
mũi hắt cuối đập tràn với đập bố trí ở giữa dịng sơng, hay dịng phun từ cuối dốc
nước khi đập tràn bố trí ở bên bờ) cần phải chú đến việc tính tốn là:
- Chọn hình dạng mũi phun: dùng mũi phun liên tục hay mũi phun dạng so
le;
- Với mũi phun liên tục thì nên chọn góc hắt α thích hợp để có được dịng
phun xa nhất, nghĩa là với dạng mũi phun đó ta có chiều dài dịng phun L max và
R
góc tới (góc đổ vào mặt nước hạ lưu β) thích hợp. (Hình 1-3 và 1-4)
Phạm Phùng Thường
R
16
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- Với mũi phun so le (mũi phun hai tầng) thì cần chọn góc hắt của rãnh và
góc hắt của răng phun thích hợp (Xem hình 1-5);
- Dựa vào lý thuyết để tính chiều dài phun xa Lmax và Lmin để xác định
tim và kích thước hố xói khi đã định chọn góc hắt α ứng với các tham số tính
tốn thủy lực V mp , α mp , Q tk , ΔZ tk của cơng trình tràn xả lũ mà ta đang nghiên cứu
R
R
R
R
R
R
R
R
(Trong luận văn này là tràn xả lũ Hồ Sông Cái).
- Dựa vào tài liệu địa chất ở chân cơng trình và lịng sơng sau cơng trình để
tính tốn ước tính chiều sâu hố xói;
- Dựa vào tình hình địa hình đoạn sơng sau đập tràn, cầu giao thơng, các
cơng trình kiến trúc dân sinh khác hai bên bờ hạ lưu sau đập tràn xả lũ để xác
định phương thức đào sâu hố xói, tránh các ảnh hưởng xấu đến các cơng trình kể
trên nhằm tránh mọi tổn hại đến các cơng trình đó. Đây mới là quan điểm xem
xét tồn cục, tránh phiến diện để gây ra hiệu quả xấu sau này.
Hình 1.4. Dạng mũi phun liên tục cuối đập tràn.
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
17
Hình 1.5. Dạng mũi phun liên tục cuối dốc nước.
Hình 1.6. Dạng mũi phun so le cuối đập tràn.
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
18
Về giá trị góc hắt α của mũi phun liên tục thường được chọn từ 25o đến 35o, qua
P
P
P
P
tài liệu nghiên cứu thấy rằng góc hắt α = 25o là tốt hơn so với α = 35o.
P
P
P
P
Một số cơng trình tràn xả lũ ở nước ta đã được xây dựng thì góc hắt α
thường được chọn là:
+ Góc hắt cuối dốc nước trạm thủy điện Tuyên Quang α = 25o;
P
P
+ Góc hắt cuối dốc nước sau tràn trạm thủy điện Hịa Bình α = 27o;
+ Góc hắt cuối dốc nước sau tràn Cửa Đạt α = 27o;
+ Góc hắt cuối đập tràn trạm thủy điện Đăm Bri α = 25o;
Góc hắt cuối tràn Bản Mịng α = 25o;
1.1.4. Dạng mũi phun so le.
Về kích thước của rãnh và mố của mũi phun so le thì một số cơng trình
thực tế nước ta đã áp dụng như:
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn thủy điện Hịa Bình (được
nghiên cứu sửa đổi sau lũ 1991);
+ Mũi phun so le cuối đập tràn thủy điện Đăm Bri;
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn Tả Trạch (phương án tiêu
năng dòng phun);
+ Mũi phun so le cuối dốc nước sau tràn Krong Pách Thượng(Đắc
Lắc);
Về kích thước giữa rãnh và mố của mũi phun so le đã được nghiên cứu
nhiều, từ kết quả nghiên cứu ở nước ngoài cũng như đề tài nghiên cứu khoa học
ở nước ta do PGS.TS Trần Quốc Thưởng chủ trì đã cơng bố kết quả có thể tóm
tắt trong Bảng 1.1
Phạm Phùng Thường
19
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Bảng 1.1 . Các thông số mũi hắt hai tầng của các tràn xả lũ
Góc hắt
α1
α1
R
Cao độ
Tỷ số
tương
bề rộng
đối của
rãnh và
mố d/h 0
mố a/b
R
R
Chiều
Góc
Mái
rộng
khuếch
bên
tương
tán
của
đối của
ngang
mố
mố b/h 0
θ0
m
R
100
P
P
0
P
P
25 ÷30
÷150
P
0
P
P
P
0.8
1.0 ÷
2.3 ÷
200
÷1.0
1.1
2.5
÷250
P
P
Ghi
chú
P
P
0.5
P
Chi tiết cụ thể xem hình 1.6
Qua nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước thấy rằng dạng mố
phun hình thang xi là loại mố phun hợp lý nhất bởi lẽ chiều sâu hố xói nơng
nhất, đồng thời trên vùng mũi hắt và mố không xuất hiện áp suất âm.
Khi áp dụng nếu chọn α 1 =10o (góc hắt của rãnh) thì nên chọn góc hắt của
R
R
P
P
mố α 2 =25o, nếu chọn góc hắt của rãnh α 1 =15o, thì nên chọn góc hắt của mố
R
R
P
P
R
R
P
P
α 2 =30o, cả mố và rãnh đều có cùng bán kính cong ngược R ở cuối mặt tràn hoặc
R
R
P
P
cuối dốc nước, và giá trị của bán kính cong ngược nên lấy:
R ngược =(6÷7) h oTK
R
R
Phạm Phùng Thường
R
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
20
Hình 1.7a. Mặt bằng bố trí 7 mố phun trên dốc nước trạm TĐ Hịa Bình.
Hình 1.7b. Dạng mố phun hình thang.
Phạm Phùng Thường
21
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.7c. So sánh độ sâu xói của các dạng mố phun
Ghi chú: q TN = 54,3 l/s;
R
R
Thời gian xói T = 1 giờ;
Vật liệu xói cát thơ: d = 27 cm;
Độ sâu hạ lưu: h h = 27 cm;
R
R
Đường viền xói 1 của mố hình thang;
Đường viền xói 2 của mố hình chữ nhật;
Đường viền xói 3 của mũi phun liên tục;
1.1.5. Tổng quan xác định chiều sâu hố xói và chiều dài phun xa.
Trường hợp áp dụng hình thức tiêu năng theo dạng dịng phun cần tính
tốn được chiều dài dịng phun L phun xa và chiều sâu T x của hố xói.
R
R
R
R
Tính chiều dài phun xa có nhiều cơng thức, nhưng thường dùng công thức
theo quy phạm (Liên Xô cũ) là:
Lp =
αv 2 sin α cos β + v cos β v 2 sin 2 β + 2 g ( p + h)
g
Trong đó: β – Góc hắt của mũi phun (o);
P
Phạm Phùng Thường
P
(1.1)
22
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
V – Lưu tốc tại mũi phun (m/s);
H – Độ sâu trên mũi phun (m);
P – Chênh cao từ mũi phun đến mặt nước ở hạ lưu(m).
Ngồi ra cịn nhiều cơng thức lý thuyết và kinh nghiệm khác để tính chiều
dài phun xa.
Đối với chiều sâu hố xói cũng có khơng ít cơng thức tính độ sâu hố xói
của nhiều tác giả như cơng thức của M.C Vưzgo; công thức của M.A Mikhalop;
công thức của Từ Thượng Thiên, công thức của Trương Phúc Nghĩa vv…
Nhưng tính chiều sâu xói đối với nền đá được áp dụng nhiều là cơng thức của
Trần Xn Đình (TQ):
T= kq 0,5 h 0, 25
(1.2)
Trong đó: T- Chiều sâu tính từ mặt nước hạ lưu đến đáy hố xói (m);
q- lưu lượng đơn vị (m3/sm) ở chỗ lưỡi nước của dòng phun đi vào mặt
P
P
lớp nước đệm;
h- Chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu của cơng trình tràn (m);
k- Hệ số tổng quát tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu xói, xét tới tính
chất của đá lịng sông.
1.2. Tổng quan về chế độ thủy lực hạ lưu tiêu năng theo dạng dòng phun
ảnh hưởng tới cầu giao thông.
Hơn mười lăm năm qua từ kết quả nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực
về đập tràn xả lũ nối tiếp với mực nước hạ lưu theo dạng tiêu năng dòng phun,
Phạm Phùng Thường
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
23
mà chế độ thủy lực ở hạ lưu đã ảnh hưởng xấu tới cầu giao thơng ở hạ lưu cơng
trình có thể kể đến là:
Tràn xả lũ sông Hinh năm 2006 thực hiện xả lũ xuống hạ lưu đã xói trơi cầu
giao thơng bắc qua sơng Hinh cách vị trí tràn xả lũ khoảng 800m bị trơi; do cao
trình mặt cầu thấp hơn mực nước xả lũ sau tràn;
Thí nghiệm mơ hình đập tràn xả lũ Tuyên Quang năm 2003 đã cảnh báo cầu
giao thông bắc qua sơng Gâm ở hạ lưu cơng trình, khi thực hiện tràn vận hành xả
lũ với lưu lượng xả lớn hơn tần suất lũ P (1%) thì chân trụ cầu có khả năng bị xói
R
R
sâu tới từ 8 ÷ 10m và uy hiếp mố cầu bờ trái nối với đường dẫn đi vào thị trấn NaHang, bị ngập gây trở ngại cho việc đi lại ở hai bờ; cầu giao thơng này cách cơng
trình tràn xả lũ gần 1500m về hạ lưu;
Năm 1998 cũng dựa trên kết quả thí nghiệm mơ hình thủy lực đã thấy rõ
tình hình thủy lực ở hạ lưu tràn xả lũ Hịa Bình diễn ra rất phức tạp. nếu lưu
lượng xả lũ Q ≥ 25000 m3/s xuống hố tiêu năng thì dịng phun phóng xuống hố xói
P
P
tiêu năng và chảy ra khỏi hố xói gây ra sóng lớn lan truyền xuống hạ lưu, sóng
cao sẽ va đập vào dầm cầu giao thông ở hạ lưu bắc qua sơng Đà, với ngọng sóng
cao tới 1,5m có khả năng tràn nước lên mặt cầu gây nguy hiểm cho người và
phương tiện qua cầu. Mặt khác lại tạo thành khu nước quẩn chảy ngược từ mỏ
hàn về tường lái dòng bên bờ phải rồi chảy thúc vào chân mái đá hạ lưu của đập
Hịa Bình gây xói sạt mái hạ lưu, đồng thời tạo ra dòng quẩn ở chân đập, có sóng
dao động cao từ 2,5-3,0m làm kéo trôi các tấm bê tông bảo vệ mặt mái nặng tới
24 tấn; ngồi ra cịn tạo ra độ dốc ngang của mặt nước giữa hai bờ, mà độ chênh
lệch mặt nước tới 7-8m, gây sạt lở cho hai bờ;
Phạm Phùng Thường
