Nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau công trình tháo nước

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cơ giáo trong trường Đại học Thuỷ lợi, các cán bộ, nhân viên thư viện trường
Đại học Thuỷ lợi. Tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài:
“Nghiên cứu hiệu quả và điều kiện bố trí mố tiêu năng sau cơng trình tháo
nước”.
Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong
q trình tính tốn, bố trí mố tiêu năng sau cơng trình tháo. Do thời gian và kinh
nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ kỹ thuật còn tồn tại một
số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo
của các thầy cơ giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – GS.TS Nguyễn Chiến đã
nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình làm
luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ giáo khoa Cơng trình - Trường Đại
học Thuỷ lợi, và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tạo điều kiện
thuận lợi trong q trình học tập nghiên cứu để tác giả hồn thành tốt luận văn.
Sau cùng tác giả xin cảm ơn bạn bè và những người thân trong gia đình đã
động viên, khích lệ trong q trình nghiên cứu và làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng ….. năm 2016
Tác giả

Nguyễn Huy Hưng


BẢN CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Huy Hưng, tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu
của riêng tơi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào.

TÁC GIẢ

Nguyễn Huy Hưng


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU CƠNG
TRÌNH THÁO NƯỚC................................................................................................4
1.1.

Tình hình xây dựng các cơng trình tháo nước. .................................................4

1.2. Nghiên cứu về tiêu năng sau cơng trình tháo nước..............................................8
1.2.1 Mục đích của cơng trình tiêu năng.....................................................................8
1.2.2 Các hình thức của cơng trình tiêu năng..............................................................9
1.2.3 Tính tốn tiêu năng đáy....................................................................................12
1.3. Về bố trí các thiết bị tiêu năng phụ cho hình thức tiêu năng đáy.......................13
1.3.1 Mục đích bố trí thiết bị tiêu năng phụ..............................................................13
1.3.2 Các dạng thiết bị tiêu năng phụ........................................................................14
1.3.3 Những tồn tại trong thiết kế các thiết bị tiêu năng phụ....................................18
1.4. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn .....................................................20
CHƯƠNG 2 :NGHIÊN CỨU CỞ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC
VÀ HIỆU QUẢ CỦA MỐ TIÊU NĂNG .................................................................21
2.1.Bố trí mố tiêu năng trong bể. ..............................................................................21
2.1.1

Mục đích của việc bố trí mố trong bể tiêu năng ..........................................21

2.1.2

Phân loại mố tiêu năng ................................................................................21

2.1.3: Các mố quân cờ...............................................................................................24
2.2.Thiết lập phương trình xác định hiệu quả của việc bố trí mố tiêu năng .............25
2.3.Vai trị của thí nghiệm mơ hình trong thiết kế bể có bố trí mố tiêu năng ...........28
2.3.1.Khái niệm về mơ hình ......................................................................................28
2.3.2. Vai trị của thí nghiệm mơ hình ......................................................................29
2.4.Về khả năng khí thực ở các mố tiêu năng. ..........................................................30


2.4.1. Điều kiện phát sinh khí hóa.............................................................................31
2.4.2. Điều kiện phát sinh khí thực ...........................................................................32
2.5. Quy trình thiết kế tiêu năng đáy có sử dụng thiết bị tiêu năng phụ ...................33
2.6. Kết luận chương 2. .............................................................................................34
CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN ÁP DỤNG CHO MỘT SỐ CƠNG TRÌNH..................35
3.1. Đập tràn Nước Trong. ........................................................................................35
3.1.1. Giới thiệu cơng trình hồ Nước Trong .............................................................35
3.1.2. Kết quả tính tốn tiêu năng cho tràn Nước Trong ..........................................39
3.1.3 Tính tốn kiểm tra khí hóa tại các mố và tường tiêu năng [3]. ........................39
3.2. Đường tràn hồ Tả Trạch.....................................................................................42
3.2.1. Giới thiệu cơng trình hồ Tả Trạch...................................................................42
3.2.2. Tính tốn bể khi có bố trí mố tiêu năng ..........................................................46
3.2.3. Các kết quả thí nghiệm mơ hình .....................................................................51
3.3. Đường tràn hồ Ngàn Trươi. ...............................................................................53
3.3.1. Giới thiệu cơng trình hồ Ngàn Trươi ..............................................................53
3.3.2. Tính tốn bể khi có bố trí mố tiêu năng ..........................................................57
3.3.3. Kết quả thí nghiệm mơ hình tiêu năng sau tràn ..............................................62
3.4. Kết luận chương 3. .............................................................................................63
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................65
I – CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN..............................................65

II- MỘT SỐ ĐIỂM CÒN TỒN TẠI .........................................................................65
III- KIẾN NGHỊ ........................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................67


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Một số cơng trình tháo nước được xây dựng gần đây ...............................4
Bảng 3.1: Các thông số của hồ chứa Nước Trong ....................................................38
Bảng 3.2: Các thông số tràn xả lũ hồ chứa Nước Trong [3] .....................................38
Bảng 3.3: Các thông số cơ bản của hồ chứa Tả Trạch..............................................43
Bảng 3.4: Bảng thông số các đập phụ hồ chứa Tả Trạch..........................................44
Bảng 3.5: Các thơng số để tính tốn tiêu năng cho hồ chứa Tả Trạch [11]..............46
Bảng 3.6: Bảng kết quả thí nghiệm bể tiêu năng cho hồ chứa Tả Trạch [11] ..........52
Bảng 3.7: Các thơng số để tính toán tiêu năng cho hồ chứa Ngàn Trươi [11] .........57
Bảng 3.8: Bảng kết quả thí nghiệm bể tiêu năng cho hồ chứa Ngàn Trươi [11] ......63


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Đập tràn xả lũ hồ Hồ Bình – Hồ Bình.....................................................6
Hình 1.2: Tràn xả lũ hồ chứa nước suối Đuốc – Bình Định .......................................7
Hình 1.3: Tràn xả lũ hồ Tả Trạch – Thừa Thiên Huế .................................................7
Hình 1.4: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dịng đáy - bể tiêu năng [2]................................9
Hình 1.5: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dịng đáy - tường tiêu năng[2] .........................10
Hình 1.6: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dịng đáy – bể và tường tiêu năng kết hợp[2] ..10
Hình 1.7: Sơ đồ tính tốn tiêu năng phóng xa [2].....................................................10
Hình 1.8: Trạng thái dịng chảy ở hạ lưu có bậc thụt [2] ..........................................11
Hình 1.9: Bể tiêu năng khuyếch tán[2] .....................................................................11
Hình 1.10: Sân tiêu năng có độ dốc thuận[2]............................................................11
Hình 1.11: Ngưỡng tiêu năng....................................................................................14
Hình 1.12: Các hình thức mố tiêu năng[8]................................................................15

Hình 1.13: Các dạng mố nhám trong lịng dẫn [8]....................................................16
Hình 1.14: Ngưỡng răng theo kiểu Rehbock [8].......................................................17
Hình 1.15: Ngưỡng răng theo kiểu Smirceck [8]......................................................17
Hình 1.16: Mố tiêu năng theo kiểu II [8] ..................................................................17
Hình 1.17: Mố tiêu năng theo kiểu III [8].................................................................17
Hình 1.18: Mố phân dịng .........................................................................................18
Hình 2.1: Các dạng mố..............................................................................................22
Hình 2.2: Các ví dụ về ngưỡng tiêu năng .................................................................22
Hình 2.3: Nối tiếp hạ lưu (khi hc – const).................................................................25
Hình 2.4: Sơ đồ tính độ sâu liên hiệp nước nhảy khi có mố tiêu năng .....................26
Hình 2.5: Hình ảnh mố phân dịng ............................................................................33
Hình 3.1: Cụm cơng trình đầu mối hồ chứa Nước Trong .........................................35


Hình 3.2: Cụm cơng trình đầu mối hồ Tả Trạch.......................................................42
Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn độ sâu đào bể tiêu năng ...................................................47
Hình 3.6: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng theo kinh nghiệm.............................................50
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng..........................................................................51
Hình 3.6 Cụm cơng trình hố chứa Ngàn Trươi .........................................................53
Hình 3.7: Sơ đồ tính tốn độ sâu đào bể tiêu năng ...................................................58
Hình 3.8: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng theo kinh nghiệm.............................................61
Hình 3.9: Sơ đồ bố trí mố tiêu năng..........................................................................62


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của Đề tài:
Một trong những vấn đề cơ bản trong tính tốn thiết kế các cơng trình thủy lợi,
thủy điện hiện nay là việc giải quyết tiêu năng ở hạ lưu. Năng lượng của dòng chảy

khi qua cơng trình xả lũ là rất lớn, nếu khơng có biện pháp tiêu năng sẽ tạo nên những
chế độ nối tiếp thủy lực rất phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của cơng trình.
Để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa, ta sử dụng các thiết bị tiêu
năng phụ, thường áp dụng ở hạ lưu cơng trình, đặc biệt là với các dịng chảy có lưu
tốc lớn.
Về các hình thức tiêu năng phụ theo điều kiện và hình thức cơng trình chính
để xét chọn:
- Đối với sau tràn có dốc nước thì để giảm bớt một phần năng lượng của
dòng chảy trước khi đổ xuống hạ lưu, thì trên dốc nước có thể dùng các mố tiêu
năng phụ, bố trí nhiều hàng để giảm lưu tốc dòng chảy trước khi xuống cuối dốc, về
các mố nhám này có nhiều dạng:
- Mố dạng chữ nhật
- Mố dạng quả trám
- Ngưỡng tiêu năng
Dùng mố tiêu năng phụ trong bể tiêu năng: Trường hợp dòng chảy xiết từ
tràn xả lũ hay trên dốc nước đổ xuống bể tiêu năng tạo ra nước nhảy phóng xa bất
lợi cho xói lở hạ lưu, nên cần phải dùng hoặc 1 đến 2 hàng mố tiêu năng đặt ở đầu
bể và ở gần 1/3 chiều dài bể.
Các tồn tại của nghiên cứu về tiêu năng phụ là hiện tượng xâm thực do khí
thực hoặc ăn mịn xảy ra xung quanh thiết bị tiêu năng phụ và hiện tượng các vật
nổi va đập. Để lựa chọn được hình dáng, kích thước cà bố trí thiết bị tiêu năng phụ
cho hợp lý thì phụ thuộc vào từng cơng trình cụ thể, điều kiện địa hình, địa chất,


2

chưa có một tiêu chuẩn, lý thuyết tính tốn chuẩn mực nào để áp dụng cụ thể. Vì
vậy cần phải qua nghiên cứu thí nghiệm mơ hình xác định đúng hình dáng, kích
thước và bố trí, các dạng tiêu năng phụ đó là: loại mố nhám dùng trong lịng máng
dẫn; hoặc ngưỡng tiêu năng, tường phân dịng.

Tóm lại, tính tốn nghiên cứu hiệu quả, điều kiện để bố trí mố tiêu năng sau
cơng trình tháo nước là rất cần thiết và quan trọng, có ý nghĩa về mặt khoa học cũng
như thực tiễn trong công tác thiết kế, xây dựng cơng trình.
Với tất cả những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu hiệu quả và
điều kiện bố trí mố tiêu năng sau cơng trình tháo nước”
Từ kết quả nghiên cứu những cơng trình cụ thể, ta có thể rút ra những kết
luận chung cho những cơng trình có điều kiện và hình thức tương tự.
2. Mục đích của Đề tài:
Nghiên cứu phương pháp xác định hiệu quả và các điều kiện thực tế bố trí
mố tiêu năng sau cơng trình tháo nước, đề xuất quy trình thiết kế tiêu năng có áp
dụng mố tiêu năng nhằm hợp lý hóa, tối ưu hóa q trình thiết kế, lựa chọn kích
thước và bố trí mố tiêu năng.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Tiếp cận từ thực tế làm việc của các cơng trình tiêu năng và quá trình thiết
kế tiêu năng.
- Vận dụng lý luận thủy lực trong tính tốn xác định hiệu quả tiêu năng.
- Đối chiếu với các kết quả thí nghiệm mơ hình thủy lực.
4. Kết quả đạt được:
- Trên cơ sở lý thuyết, thiết lập được phương trình tính tốn kích thước tổng
cộng của các mố tiêu năng (Am) đảm bảo yêu cầu giảm nhỏ nhất kích thước bể tiêu
năng đã đặt ra.


3

- Đưa ra quy trình thiết kế tiêu năng phịng xói sau cơng trình tháo khi áp
dụng các thiết bị tiêu năng phụ
- Kiến nghị phạm vi áp dụng thiết bị tiêu năng phụ sau cơng trình tháo

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TIÊU NĂNG SAU CƠNG
TRÌNH THÁO NƯỚC
1.1.

Tình hình xây dựng các cơng trình tháo nước.
Nước ta đang trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng

nước ngày càng tăng. Vì thế, trong những năm gần đây nhiều cơng trình thủy lợi, hồ
chứa được xây dựng. Kèm theo đó là rất nhiều cơng trình tháo đã và đang được xây
dựng như: đường tràn hồ Tả Trạch, đường tràn hồ Nước Trong, đường tràn hồ Ngàn
Trươi…. Cơng trình tháo nước là cơng trình quan trọng và khơng thể thiếu trong
cụm đầu mối các cơng trình thủy lợi, thủy điện. Mục đích của nó là tháo phần nước
thừa trong mùa lũ để đảm bảo an tồn cho đập, cụm cơng trình đầu mối. Ngồi ra,
cơng trình tháo có thể được kết hợp để tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu (với
những đường tràn có cửa van điều tiết và cao trình ngưỡng nằm dưới mực nước
dâng bình thường)
Qua thực tế các cơng trình tháo từ các hồ chứa đã được xây dựng cho thấy
cơng trình tháo nước được thiết kế đa dạng về chủng loại, quy mơ, kích thước. Căn
cứ vào cao trình đặt, có thể phân thành hai loại: cơng trình tháo nước kiểu xả sâu (lỗ
tháo nước) và cơng trình tháo nước trên mặt (đường tràn tháo nước)
Bảng 1.1 : Một số cơng trình tháo nước được xây dựng gần đây
T
T

Cơng trình

Tdnh
Đà Nẵng

3
4
5

An Trạch
Bái
Thượng
Bàn Thạch
Bản Vẽ
Bàu Nít

6

Cam Ranh

7
8

Cẩm Sơn
Cần Đơn

1
2

Lưu lượng
q
Q
(m3/s.
(m3/s)

m)
1800
37,5

Chiều
cao
đập
(m)

Chiều
rộng
tràn
(m)
48

Số
khoang
tràn

Loại đập

12

Đập tràn

Thanh Hóa

9700

44,1

17,0

220

Đập dâng

Thanh Hóa
Nghệ An
Đà Nẵng
Khánh
Hịa
Hà Bắc
Sơng Bé

36,72
7847,2
750

2,8
130,8
31,3

4,2
135

13,2
10
24

6
6
3

Đập tràn
Đập tràn
Đập tràn

720,25

30,1

23,2

24

3

Đập tràn

476
5287

24,4
105,7

5,0

19,5
50

3
5

Đập tràn
Đập tràn


5
Lưu lượng
q
Q
(m3/s.
(m3/s)
m)

T
T

Cơng trình

Tdnh

9

Cẩm Ly

Quảng
Bình

265

29,4

10

Đại Lải

Vĩnh Phú

366

11,4

11

Đồng Mơ

Hà Tây

120

7,5

12

Sơng Hinh

Phú n

6128

85,9

13

Hùng Sơn

Hịa Bình

296

7,4

14

Kẻ Gỗ

Nghệ An

912

15,2

15

Minh Hịa

16
17

18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

Thanh Hóa
Bình
Lịng Sơng
Thuận
Đập Nại
Hịa Bình
Năng Phai n Bái
Tun
Nhân Mục
Quang
Ngịi Nhì
n Bái
PleiKrong Gia Lai
Sơng Tiêm Hà Tĩnh
Sê San 4

Gia Lai
Tân Quang Hà Giang
Thác
Thái
Huống
Ngun
Thác
Quảng
Nhơng
Ninh
Thạch
Quảng
Nham
Ngãi
Thơng Gót Cao Bằng
Thuận
Bình Định
Ninh
Thượng
Hà Tĩnh
Tuy
Vạn Hội

Bình Định

1540

Chiều
cao
đập

(m)

12,5

Chiều
rộng
tràn
(m)

Số
khoang
tràn

Loại đập

9

1

Đập tràn

32

4
2

72
2,7

6

40
60

10,5
48

2093

433,6

270
1430

6,0
26,0

3,0

45
55

Đập tràn
Đập dâng

197

4,7

6,0

42

Đập dâng

1291
7606
2519
20090
1092

19,9
126,8
25,2
167,4
22,4

8,0
54,7
49,0
11,0

65
60
100
120
48,8

Đập tràn
Đập tràn

Đập tràn
Đập tràn
Đập dâng

3000

32,4

6,7

92,6

540

9,8

2,2

55

Đập tràn

16200

81,0

11,5

200

Đập dâng

1530

15,3

5,5

200

Đập tràn

590

24,6

28,7

24

177

3,0

2,5

60

329

36,6

9

6

Đập tràn
đỉnh rộng
Đập tràn
Đập tràn
đỉnh rộng
Đập dâng
Tràn thực
dụng
Đập tràn

6
8
5

3

Tràn xả lũ

Đập tràn

Đập dâng
Đập dâng

3

Đập tràn
thực dụng


6

Cơng trình tháo nước kiểu xả sâu có thể đặt ở các cao trình khác nhau ( nền,
qua thân đập, trong bờ..). Đặc điểm của cơng trình tháo nước kiểu xả sâu là có thể
tháo nước ở trong hồ với bất kỳ cao trình nào, thậm chí có thể tháo cạn hồ. Loại
này ngoài nhiệm vụ tháo nước thừa trong mùa lũ, mà tùy vào cao trình, vị trí và
mục đích sử dụng có thể dẫn dịng thi cơng lúc xây dựng, tháo bùn cát lắng đọng
trong hồ chứa hoặc lấy nước tưới, phát điện. Nhưng việc tính tốn thủy lực tương
đối phức tạp, yêu cầu người vận hành phải có năng lực và chun mơn.
Cơng trình tháo nước trên mặt thường được đặt ở cao trình tương đối cao.
Do cao trình của ngưỡng tràn cao, nên chỉ có thể dùng để tháo dung tích phịng lũ
của hồ chứa. Đặc điểm của cơng trình tháo nước trên mặt là thuận lợi cho việc vận
hành, và tính tốn thủy lực khơng q phức tạp. Do đó, cơng trình tháo nước trên
mặt được xây dựng phổ biến và rất đa dạng gồm các kiểu sau đây:
- Đập tràn
- Đường tràn dọc
- Xi phơng tháo lũ
- Giếng tháo lũ
- Đường tràn kiểu gáo

Hình 1.1: Đập tràn xả lũ hồ Hồ Bình – Hồ Bình


7

Hình 1.2: Tràn xả lũ hồ chứa nước suối Đuốc – Bình Định

Hình 1.3: Tràn xả lũ hồ Tả Trạch – Thừa Thiên Huế


8

1.2. Nghiên cứu về tiêu năng sau cơng trình tháo nước.
1.2.1 Mục đích của cơng trình tiêu năng
Nhiệm vụ của cơng trình tháo nước là để tháo lượng nước từ thượng lưu về
hạ lưu. Đặc điểm của dòng chảy từ thượng lựu xuống hạ lưu là năng lượng của dòng
nước rất lớn (ở đây chủ yếu là thế năng do chệnh lệch cột nước). Khi dòng chảy đổ
từ thượng lưu về hạ lưu thế năng chuyển thành động năng. Một phần động năng
phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng
thừa) nếu khơng có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng cho
hạ lưu, ảnh hưởng đến an tồn cơng trình.
Việc tạo nên chế độ chảy mặt – đáy ở hạ lưu cơng trình làm cho việc gia cố
lòng dẫn hạ lưu được giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lịng dẫn hạ lưu
vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại đất nhẹ. Đặc biệt, nếu hình thức nối
tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưu khơng phải là
đá thì vấn đề tiêu năng càng trở nên quan trọng hơn. Trường hợp này, ngay cả với
một số loại đá như đá vơi, đơ-mơ-mít….và những đá yếu cũng có thể bị xói lở.
Nếu trong phạm vi cơng trình, động năng thừa khơng được tiêu hao hồn
tồn và nếu lịng dẫn hạ lưu khơng phải là đá thì ngay sau cơng trình sẽ hình thành
phễu xói. Qua tài liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng chiều sâu của phễu xói
có thể đạt 2,5H ( H là cột nước trên cơng trình), cịn chiều dài có thể biến đổi trong
khoảng (4 ÷ 6)H
Chẳng hạn, một cống lấy nước chỉ với cột nước tương đối bé H =1,2 ÷ 2 m,
nhưng sau ba năm khai thác, ở hạ lưu đã hình thành một phễu xói có chiều sâu hx =
3m gần bằng 2H: chiều dài lx=30m gần bằng 20H… làm ảnh hưởng đến sự an tồn

của cơng trình.
Động năng thừa cịn thể hiện dưới dạng mạch động lưu tốc và mạch động
áp lực. Thường trên một đoạn dài sau cơng trình, tuy lưu tốc trung bình đã khơng
lớn lắm, nhưng mạch động cịn rất mạnh so với mạch động của dịng chảy bình


9

thường ở hạ lưu và cũng gây ra xói lở trên một đoạn dài. Trong trường hợp bài tốn
khơng gian, ví dụ khi cơng trình có nhiều cửa nhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại
xuất hiện dịng chảy xiên diễn ra trên một đoạn khá dài.
Mục đích của cơng trình tiêu năng là tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy
từ thượng lưu về hạ lưu, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động.
Qua cơng trình tiêu năng, dịng chảy có thể trở về trạng thái tự nhiên của nó trên
một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu.
Ta biết rằng nối tiếp ở hạ lưu cơng trình dưới dạng hình thức chảy đáy có
nước nhảy xa là nguy hiểm nhất, vì đoạn dịng chảy trước nước nhảy, ở đó có lưu
tốc lớn, rất dài. Do đó, phải tìm biện pháp làm mất trạng thái chảy đó, chuyển thành
dạng nối tiếp nước nhảy ngập.
Tuy nhiên, dòng chảy sau nước nhảy ngập vẫn còn lưu tốc lớn ở đáy và mạch
động lớn trên một đoạn dài. Do đó trong những điều kiện cần thiết và cho phép,
người ta thường tạo thành chế độ chảy mặt
1.2.2 Các hình thức của cơng trình tiêu năng
Dựa vào nguyên lý cơ bản của hình thức tiêu năng dòng chảy là làm cho
dòng chảy tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dịng chảy bằng
xáo trộn với khơng khí, khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang mà các
nhà khoa học đã tìm ra và áp dụng các hình thức tiêu năng như:
- Tiêu năng dịng đáy

Hình 1.4: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dịng đáy - bể tiêu năng [2]

10

Hình 1.5: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dịng đáy - tường tiêu năng[2]

Hình 1.6: Sơ đồ tính tốn tiêu năng dòng đáy – bể và tường tiêu năng kết hợp[2]
- Tiêu năng phóng xa

Hình 1.7: Sơ đồ tính tốn tiêu năng phóng xa [2]


11

- Tiêu năng mặt khơng ngập
- Tiêu năng dịng mặt ngập

Hình 1.8: Trạng thái dịng chảy ở hạ lưu có bậc thụt [2]
- Một số hình thức tiêu năng đặc biệt khác

Hình 1.9: Bể tiêu năng khuyếch tán[2]

Hình 1.10: Sân tiêu năng có độ dốc thuận[2]


12

1.2.3 Tính tốn tiêu năng đáy
Tiêu năng dịng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu hao
năng lượng thừa. Đây là hình thức khá phổ biến và thường được dùng trong các

cơng trình tháo nước với cột nước thấp, nền đất. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu
năng này là cột nước hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ 2 của nước nhảy
(hh > hc’’) để đảm bảo sinh ra nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Trong tiêu năng đáy, lưu tốc đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng
gây xói lở, vì thế khu vực nước nhảy (sân sau) phải được bảo vệ bằng bê tông. Khi
nền đá xấu, đoạn nối tiếp theo sau sân sau (sân thứ hai) cần được bảo vệ thích đáng.
Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sau thường xây thêm các thiết bị
tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, v.v… để cho sự xung kích nội bộ dịng chảy mãnh
liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng có thể tiêu hao một phần năng
lượng. Biện pháp này có hiệu quả tốt và được ứng dụng rộng rãi. Tiêu năng dòng đáy
thường được dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối yếu. Khi cột nước cao,
hc’’ rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở hạ lưu lớn, như vậy phải đào sâu sân sau và cần
được bảo vệ kiên cố hơn. Lúc đó, hình thức tiêu năng đáy thường không kinh tế
Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu năng dòng đáy:
1.2.3.1. Ảnh hưởng của trị số Fr
- Khi Fr < 4.5 cuộn xoáy của vùng nước nhảy phát triển khơng bình thường,
sau nước nhảy dễ xuất hiện hiện tượng sóng, vì vậy cần có thêm biện pháp phịng trừ
và tiêu hao sóng.
- Khi Fr = 4,5 ÷ 9 nước nhảy ổn định có thể dùng hình thức bể tiêu năng,
tường tiêu năng. Khi cần thiết để có thể đặt thêm thiết bị tiêu năng phụ trợ để giảm
quy mô của bể và tường
- Khi Fr > 10 : dùng biện pháp tiêu năng đáy không kinh tế


13

1.2.3.2. Ảnh hưởng của cột nước hạ lưu
Cột nước hạ lưu là một trong những điều kiện quyết định để có thể tạo ra
nước nhảy ngập ở trong bể hay khơng. Nếu cột nước thấp sẽ hình thành nước nhảy
phóng xa, nếu cột nước quá sâu dễ phát sinh sóng mặt. Do đó, cần nghiên cứu kỹ

trong q trình tính toán tiêu năng
1.2.3.3 Các biện pháp thường dùng trong tiêu năng đáy
Để tiêu năng dòng đáy thường dùng các biện pháp sau để tạo ra nước nhảy
ngập sau tràn:
- Bể tiêu năng
- Tường tiêu năng
- Bể và tường tiêu năng kết hợp
- Các biện pháp tiêu năng khác
Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy lớn, mạnh động cũng rất lớn có khả năng
gây xói lở. Để tăng hiệu quả tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy có thể bố trí thiết
bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tường phân dòng để khuyếch tán
đều ở hạ lưu. Thiết kế đáy dốc ngược khi mực nước hạ lưu nhỏ, làm đáy dốc thuận
khi mực nước hạ lưu lớn, để tăng sự xáo trộn nội bộ của dòng chảy và tăng ma sát
giữa dòng chảy với các thiết bị tiêu năng nhằm tiêu hao một phần năng lượng. Biện
phạm này cho hiệu quả tốt, được thiết kế và sử dụng rộng rãi
1.3. Về bố trí các thiết bị tiêu năng phụ cho hình thức tiêu năng đáy
1.3.1 Mục đích bố trí thiết bị tiêu năng phụ
Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu cơng trình thủy lợi, để tăng cường hiệu
quả tiêu hao năng lượng thừa ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ. Thiết bị tiêu
năng phụ làm cho dòng chảy gây nên lực phản kích lại và giảm được hc’’, rút ngắn
chiều dài sân sau.


14

Theo thí nghiệm, nếu bố trí hợp lý thiết bị tiêu năng phụ thì có thể giảm hc’’
được 20% - 25%, thậm chí cỏ thể lên tới 30%. Thiết bị tiêu năng phụ thường bố trí
ở nơi có lưu tốc lớn nên xung quanh dễ sinh áp lực âm. Lưu tốc càng lớn, nếu mố
khơng thuận thì áp lực âm càng lớn có thể gây ra khí thực, phá hoại bê tông. Đồng
thời cần chú ý hiện tượng các vật nổi va đập vào thiết bị tiêu năng phụ

1.3.2 Các dạng thiết bị tiêu năng phụ
1.3.2.1 Ngưỡng tiêu năng
Ngưỡng tiêu năng ngập trong nước nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối với
dòng chảy lưu tốc cao, giảm hc’’. Nếu góc nghiênh mái thượng lưu của ngưỡng nhỏ
hơn 90o nhưng lớn hơn 60o thì khơng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tiêu năng nhưng
cải thiện được trạng thái dòng chảy lớn. Muốn tăng lực phản kích thì phải tăng
chiều cao ngưỡng nhưng phải đảm bảo không sinh nước nhảy sau ngưỡng
Ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau. Đặt gần phía trước thì lực phản
kích lớn hơn nhưng dịng chảy biến động lớn. Đặt gần phía sau thì mức độ ngập của
nước nhảy kém, có khi khơng ngập

Hình 1.11: Ngưỡng tiêu năng
1.3.2.2 Mố tiêu năng
Mố tiêu năng thường đặt gần nới bắt đầu sân sau, tại khu vực dòng chảy có
lưu tốc cao, cách chân đập một khoảng dài hơn chiều sâu phân giới của dịng chảy.
Kích thước và vị trí mố tiêu năng có ảnh hưởng lớn đối với dòng chảy, nhưng cho


15

đến nay chưa có phương pháp nào tính tốn chính xác, thường phải thơng qua thí
nghiệm để quyết định. Theo thí nghiệm, kích thước mố có thế lấy như sau: chiều
cao mố dm ≈ (0,75÷1,0) hc , chiều rộng mố bm =( 0,5÷1,0) dm, khoảng cách Bm giữa
mép của hai mố gần nhau Bm < bm , kích thước cụ thể cịn phụ thuộc vào hình thức
và cấu tạo.
Nếu bố trí hai hàng mố thì hiệu quả tiêu năng sẽ tốt hơn so với bố trí một
hàng, khoảng cách giữa hai hàng mố Lm ≈ (2÷3) dm bố trí các mố theo hình hoa
mai chọn số hình mố cịn phụ thuộc vào hình thức mố có lúc bố trí hai hàng lưu tốc
phân bố khơng được tốt.
Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.12), mặt thượng lưu của mố thẳng

đứng (hình 1.12 a) gây nên lực phản kích lớn hơn so với mố có mặt thượng lưu
nghiêng, nhưng dịng chảy biến động lớn. Hiệu quả tiêu năng của loại như (hình
1.12 d) khơng tốt bằng các loại khác (hình 1.12 a,b,c). Mặt hai bên của mố là thẳng
đứng thì dễ sinh ra áp lực âm rất lớn gây ra khí thực, muốn giảm hoặc tiêu trừ áp
lực âm, thường các góc cạnh của mố làm thành góc trịn như (hình 1.12 a,b) hoặc
hình khuyếch tán như (hình 1.12 c, d). Như vậy, tuy ít nhiều giảm hiệu quả tiêu
năng của mố nhưng cần thiết để đảm bảo mố làm việc bình thường và có tuổi thọ
lâu dài

Hình 1.12: Các hình thức mố tiêu năng[8]


16

a) Mố nhám dùng trong lòng máng dẫn
Mố nhám nhân tạo dùng trong lòng máng dẫn là các vật cản có hình dạng,
kích thước rất khác nhau, thường đặt ở đáy và có khi đặt ở hai bên thành máng
-

Kiểu mố nhám bằng dầm chữ nhật đặt thẳng góc với dịng chảy (hình 1.13 a)

-

Kiểu mố nhám bằng các dầm nửa trịn đặt thẳng góc với dịng chảy (hình 1.13 b)

-

Kiểu mố nhám quan cờ đặt ở đáy theo hình bàn cờ (hình 1.13 c)

-

Kiểu mố nhám chữ V ngược dịng (hình 1.13 d)

-

Kiểu mố nhám hình W (hình 1.13 e)

-

Kiểu mố nhám răng cưa đặt xi dịng (hình 1.13 g) hoặc ngược dòng

-

Kiểu mố nhám đặt hai bên bờ (hình 1.13 h)

-

Kiểu mố nhám đặt hai bên bờ và cả ở đáy bể (hình 1.13 i)

Hình 1.13: Các dạng mố nhám trong lòng dẫn [8]
b) Mố tiêu năng dùng ở bể
Mố tiêu năng dùng ở bể được bố trí liên tục hoặc lệch gọi là ngưỡng răng.
Mục đích bố trí chúng là để một mặt giữ ổn định nước nhảy trong bể, mặt khác
hướng dòng chảy lên bể tránh xói lở lịng dẫn sau ngưỡng


17

Hình 1.14: Ngưỡng răng theo kiểu Rehbock [8]

Hình 1.15: Ngưỡng răng theo kiểu Smirceck [8]

Hình 1.16: Mố tiêu năng theo kiểu II [8]

Hình 1.17: Mố tiêu năng theo kiểu III [8]


18

1.3.2.3. Mố phân dịng
Mố phân dịng có thể làm cho dịng chảy có lưu tốc cao ở chân đập tạo thành
trạng thái chảy có lợi. Ở giữa các mố phân dịng có dịng chảy đáy và trên mặt có
xốy, trên các mố phân dịng có dịng chảy mặt và ở sát đỉnh mố có xốy, hai loại
dịng chảy ấy tác dụng tương hộ lẫn nhau có thể tiêu hao năng lượng nhiều hơn.
Nói chung sau mố phân dịng nên có mố tiêu năng. Do ở giữa các mố phân
dòng chảy tập trung, sau đó gặp tác dụng phản kích của các mố tiêu năng càng làm
cho hiệu quả tiêu năng tăng thêm

Hình 1.18: Mố phân dịng

1.3.3 Những tồn tại trong thiết kế các thiết bị tiêu năng phụ
Trong thiết kế thiết bị tiêu năng phụ chủ yếu dựa vào thí nghiệm, chưa có
tính tốn cụ thể, chi tiết cho từng loại thiết bị tiêu năng phụ. Vì vậy, việc lựa chọn
thơng số đầu vào như kích thước, số lượng thiết bị tiêu năng phụ dựa vào kinh
nghiệm là chủ yếu.
Do đó, cần có những lý thuyết tính tốn, trước khi lựa chọn kích thước, số
lượng thiết bị tiêu năng phụ để thí nghiệm. Kết quả của những tính tốn này là cơ sở
để lựa chọn thông số thiết lập mô hình thí nghiệm.