Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý áp dụng cho công trình đá hàn hà tĩnh

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập cao học khóa 16 tại trường, học viên đã được các thầy
cô ở các bộ mơn khoa học của trường tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, được khoa đào tạo sau
đại học quan tâm. Đồng thời học viên luôn nhận được sự giúp đỡ của các anh chị em
học viên cùng khóa.
Trong thời gian học viên làm luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy
giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê Văn Nghị, cơng tác tại Phịng thí nghiệm trọng
điểm quốc gia về động lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, giúp
học viên hoàn thành luận văn này. Được Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về
động lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam và cơ quan tư vấn thiết kế
giúp cung cấp tài liệu để học viên làm luận văn.
Ngoài ra để hồn thành được khóa học, học viên đã nhận được sự giúp đỡ tạo
mọi điều kiện của gia đình, của lãnh đạo và anh chị em trong đơn vị mà học viên cơng
tác.
Vì vậy nhân dịp này học viên xin chân thành gửi tới nhà trường, các thầy cô,
bạn bè, anh chị em ở đơn vị công tác và gia đình học viên lời biết ơn và cảm ơn sâu sắc
nhất.
Đặc biệt học viên xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng
dẫn khoa học PGS.TS Lê Văn Nghị và Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động
lực học sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam đã giúp đỡ học viên hồn thành
luận văn này.
Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn khơng thể tránh khỏi những tồn tại,
hạn chế. Tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của
người đọc.
Hà Nội, ngày 01 tháng 12 năm 2010
Học viên

Trần Doãn Hùng


1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................5
1.Ý nghĩa thực tiễn, khoa học của luận văn. ..............................................................5
2. Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu. ....................................................8
3. Bố cục của luận văn ...............................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................10
1.1. Tổng quan về tình hình xây dựng tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn trong các cơng
trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam ........................................................................11
1.2. Tổng quan tiờu nng đáy sau trn thc dng v cui dốc nước. .......................14
1.2.1.Tình hình xây dựng cơng trình tràn tiêu năng đáy. ..........................................14
1.2.2. Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và cơng trình xả lũ. ................15
1.3. Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng. ......................16
1.4. Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy. .......................................................16
1.4.1. Bể tiêu năng: ..................................................................................................17
1.4.2. Tường tiêu năng..............................................................................................17
1.4.3. Bể tường kết hợp: ...........................................................................................18
1.5. Kết luận chương 1: ............................................................................................19
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG SAU TRÀN
VẬN HÀNH .............................................................................................................20
2.1.Lý thuyết tương tự để thiết lập mơ hình nghiên cứu. .........................................20
2.1.1 Khái niệm về mơ hình: ....................................................................................20
2.1.2 Lý thuyết tương tự. ..........................................................................................22
2.2. Nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêu năng sau tràn. ....................................25
2.2.1. Nước nhảy. .....................................................................................................25
2.2.2. Nối tiếp dịng chảy ở hạ lưu cơng trình. .........................................................25
2.3. Tính tốn bể tiêu năng sau tràn. ........................................................................27
2.3.1. Tính tốn chiều sâu bể.................................................................................... 28
2.3.2. Tính tốn chiều dài bể: ...................................................................................29
2.3.3. Đoạn gia cố hạ lưu. ........................................................................................31

2.3.4. Các biện pháp tiêu năng phụ trợ. ...................................................................32
2.3.5. Lưu lượng tính tốn tiêu năng. ....................................................................... 37
2.4. Kết luận chương 2: ............................................................................................38
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY LỰC TRÀN VẬN
HÀNH ĐÁ HÀN HÀ TĨNH ....................................................................................39
3.1. Giới thiệu chung về công trình Đá Hàn Hà Tĩnh. .............................................39
3.1.1. Vị trí cơng trình. .............................................................................................39
T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


2

3.1.2. Nhiệm vụ cơng trình. ......................................................................................39
3.1.3. Quy mơ cơng trình. ........................................................................................ 39
3.2. Nhiệm vụ thí nghiệm mơ hình. .........................................................................42
3.3. Xây dựng mơ hình. ............................................................................................42
3.3.1.Chọn loại mơ hình. ..........................................................................................42
3.3.2.Tiêu chuẩn tương tự. .......................................................................................43
3.3.3. Chọn tỷ lệ mơ hình. ........................................................................................ 44
3.3.4. Xây dựng mơ hình. .........................................................................................45
3.3.5. Thiết bị đo đạc, thí nghiệm mơ hình. .............................................................47

3.3.6. Đánh giá sai số về xây dựng và lắp đặt mơ hình đập tràn ..............................49
3.4. Kết quả thí nghiệm phương án thiết kế. ............................................................50
3.4.1. Các trường hợp và lưu lượng yêu cầu thí nghiệm. .........................................50
3.4.2. Thí nghiệm kiểm nghiệm mơ hình. ................................................................50
3.4.3. Kết quả thí nghiệm mơ hình phương án thiết kế. ...........................................53
3.4.4. Nhận xét phương án thiết kế và một số đề nghị. ............................................65
3.5. Kết quả thí nghiệm phương án hồn thiện. .......................................................69
3.5.1. Nội dung của phương án hồn thiện đưa vào thí nghiệm. ....................................69
3.5.2. Kết quả thí nghiệm phương án hồn thiện. ...................................................70
3.6. Kết luận chương 3: ............................................................................................88
Chương 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT VÀ THÍ NGHIỆM
MƠ HÌNH ................................................................................................................89
4.1. Số liệu ban đầu. .................................................................................................89
4.2. Kết quả tính tốn. ..............................................................................................90
4.2.1. Phương án thiết kế. .........................................................................................90
T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

4.2.2. Phương án hoàn thiện......................................................................................92
4.3. Kết luận. ............................................................................................................96
KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................97
1. Kết luận. ...............................................................................................................97
2. Những vấn đề còn tồn tại, kiến nghị. ...................................................................98
2.1. Vấn đề còn tồn tại, hạn chế. ..............................................................................98
2.2. Kiến nghị. ..........................................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................101
T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T

1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

T
1


3

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1. Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử dụng
biện pháp tiêu năng đáy. ...........................................................................................11
Bảng 2.1. Trị số a*, b*, c*, S .....................................................................................34
Bảng 2.2. Trị số M, N ..............................................................................................35
Bảng 2.3. Trị số A ....................................................................................................35
Bảng 2.4. Các hệ số r, t,s ..........................................................................................36
Bảng 3.1. Kết quả kiểm nghiệm mơ hình về khả năng tháo - PATK.......................50
Bảng 3.2. Kết quả kiểm nghiệm mô hình về khả năng tháo - PATK.......................51
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước Tràn xả lũ Đá Hàn - Phương án
thiết kế Q=2038 m3/s; Z TL = 43,38m; Z HL = 24,70m; ...............................................55
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước Tràn xả lũ Đá Hàn Phương án
thiết kế Q=1742 m3/s; Z TL = 42,76m; Z HL = 24,05m ................................................56
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước Tràn xả lũ Đá Hàn Phương án
thiết kế, Q=1400 m3/s; Z TL = 42,05m; Z HL = 23,30m ................................................57
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước tràn xả lũ Đá Hàn Phương án
thiết kế, Q=1100 m3/s; Z TL = 41,40m; Z HL = 22,58m ............................................... 58
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước tràn xả lũ Đá Hàn Phương án
thiết kế, Q=800 m3/s; Z TL = 40,69m; Z HL = 21,80m ..................................................59
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước tràn xả lũ Đá Hàn - Phương án
thiết kế, Q=500 m3/s; Z TL = 39,90m; Z HL = 20,85m ..................................................60
Bảng 3.9. Bảng các thông số nước nhảy - PATK ....................................................64
Bảng 3.10. Bảng xác định hiệu quả tiêu năng – PATK ..........................................65
Bảng 3.11. Độ sâu dòng chảy trên ngưỡng và cuối dốc. .........................................70
Bảng 3.12. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hồn thiện, Q=2038 m3/s; Z TL = 43,38 m; Z HL = 27,75m .......................74
Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hoàn thiện, Q=1742 m3/s; Z TL = 42,67 m; Z HL = 26,87m .......................75
Bảng 3.14. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hoàn thiện, Q=1400m3/s; Z TL = 41,40m; Z HL = 26,47m .........................76
Bảng 3.15. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hoàn thiện, Q=1100 m3/s; Z TL = 42,05 m; Z HL = 25,87m .......................77

Bảng 3.16. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hoàn thiện, Q=800 m3/s; Z TL = 40,68 m; Z HL = 24,47m .........................78
Bảng 3.17. Kết quả thí nghiệm đo đường mặt nước mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn Phương án hoàn thiệnQ=500 m3/s; Z TL = 39,90 m; Z HL = 23,16m ...........................79
Bảng 3.18. Các thông số của nước nhảy- PAHT .....................................................84
Bảng 3.19. Xác định năng lượng tiêu hao trong bể -PA hoàn thiện ........................ 85
Bảng 3.20. So sánh hiệu quả hai phương án ............................................................87
Bảng 4.1. Bảng số liệu đầu vào để tính tốn thông số chiều dài nước nhảy ............89
Bảng 4.2. Kết quả tính chiều dài nước nhảy – phương án thiết kế ..........................93
Bảng 4.3. Kết quả tính chiều dài nước nhảy – phương án thiết kế ..........................94
Bảng 4.4. Kết quả tính chiều dài nước nhảy – phương án hoàn thiện. ....................95
T
1

T
1

T
1

P

P

P

T
1

P

P

P

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

P

P

R

R

R

R

P

P

R

R

R

R

T
1

T
1

T
1

T
1

P

P

R

R

R

R

P

P

R

R

R

R

T
1

T
1

T
1

P

P

R

R

R

R

P

P

R

R

R

R

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

P

P

R

R

R

R

P

P

R

R

R

R

T
1

T
1

P

P

R

R

R

R

T
1

P

P

R

R

R

R

T
1

P

P

R

R

R

R

T
1

P

P

R

R

R

T
1

R

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

T
1


4

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Bể tiêu năng ..............................................................................................17
Hình 1.2. Tường tiêu năng ....................................................................................... 18
Hình 1.3. Bể tường kết hợp ...................................................................................... 19
Hình 2.1. Sơ đồ tính tốn bể tiêu năng .................................................................... 28
Hình 2.2. Biểu đồ lưu tốc cơng trình tháo ............................................................... 31
Hình 2.3. Một số hình thức mố nhám ...................................................................... 33
Hình 2.4. Hình thức các thiết bị tiêu năng (kích thước trong hình ghi theo m) ...... 36
Hình 2.5. Sơ đồ tình hình dịng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau............. 37
Hình 3.1. mặt bằng mơ hình tổng thể tràn xả lũ Đá Hàn ......................................... 46
Hình 3.2. Cắt dọc mơ hình tràn xả lũ Đá Hàn .......................................................... 46
Hình 3.3. Vị trí mặt cắt và điểm đo lưu tốc và mực nước trên mơ hình .................. 49
Hình 3.4. Quan hệ thực nghiệm Q = f(Z hồ ) và Q = f(Z kênh ) ..................................... 51
Hình 3.5. Quan hệ thực nghiệm Q = f(m) - tràn tự do ............................................. 52
Ảnh 3.1. Tình hình thủy lực trên tràn và dốc nước – PATK ................................... 54
Ảnh 3.2. Nước nhảy trong bể tiêu năng và nhảy thứ cấp sau bể - PATK ............... 55
Ảnh 3.3. Bố trí 02 ngưỡng trên dốc nước, hai hàng mố trong bể và rút ngắn chiều
dài bể tiêu năng (L b =30m)- PAHT .......................................................................... 68

Ảnh 3.4. Tình hình thủy lực trên dốc nước và trong bể tiêu năng, nước tràn qua đỉnh
thành bể - PAHT ...................................................................................................... 72
Ảnh 3.5. Nước nhảy đẩy lùi vào đầu bể và nhảy ngập trong bể tiêu năng, khơng cịn
nước nhảy thứ cấp ở kênh xả sau bể – PAHT .......................................................... 73
T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

R

R

R

R

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

T
1

R

R

T
1

T
1

T
1

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

5

MỞ ĐẦU
1.Ý nghĩa thực tiễn, khoa học của luận văn.
Đất nước ta có điều kiện địa hình rất đặc thù, phía Tây là đồi núi cao,
phía Đơng là các vùng đồng bằng lớn ven biển, Việt Nam là một trong những
nước có hệ thống sơng, suối dày đặc. Đây là một tiềm năng lớn để xây dựng
và phát triển các cơng trình thủy điện, thủy lợi phục vụ cho cơng cuộc cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, góp phần vào quá trình phát triển xã hội,
cải thiện đời sống nhân dân.
Việc xây dựng các đập ngăn, đập dâng trên các sơng, suối sẽ làm hình
thành nên các hồ chứa. Bên cạnh tác dụng điều hòa dòng chảy trong mùa lũ,
giảm đỉnh lũ, và phục vụ mục đích thủy lợi, thủy điện.. hồ chứa lại làm tăng
cột nước, một trong những mối nguy hại lớn cho cả vùng hạ du khi có sự cố
cơng trình xảy ra. Do đó ở các hồ chứa, người ta bố trí tràn xả lũ nhằm đảm
bảo an tồn cho cụm đầu mối cơng trình, an tồn cho cả dự án trong q trình
xây dựng và hoạt động. Ngoài tràn xả lũ thường xuyên nhiều cơng trình cịn
bố trí tràn sự cố để xả lũ, đảm bảo an tồn cho cơng trình.
Theo số liệu thống kê, đến năm 2003 cả nước đã có 1967 hồ chứa có
dung tích chứa từ 0,2 triệu m3 trở lên với tổng dung tích trữ là 24,82 tỷ m3 và
P

P

P

P

thống kê có được cho thấy ở các hồ chứa, sự cố đập do nguyên nhân hư hỏng

tràn chiếm tỉ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn. Theo số liệu điều tra năm
1992 ở nước ta, trong số các hồ chứa đã xây dựng chỉ có 39,1% đập, đập tràn
làm việc bình thường, trong khi 38,7% có hư hỏng nhỏ và 22,2% có hư hỏng
lớn. Theo tài liệu điều tra của Cục Thuỷ lợi, sự cố cơng trình mà ngun nhân
xuất phát từ việc hư hỏng cơng trình tràn có tỷ lệ như sau: Hồ có dung tích từ
5 ÷ 10 triệu m3 có gần 30% hư hỏng là do sự cố tràn; Hồ có dung tích 1 ÷ 5
P

P

triệu m3 có gần 40% và hồ có dung tích 0,2 ÷ 1 triệu m3 là gần 45%.
P

P

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

P

P


6

Như vậy hạng mục cơng trình tràn xả nước là một trong những yếu tố
quan trọng quyết định hiệu quả làm việc của tổng thể một dự án thủy lợi, thủy
điện. Việc bố trí đập tràn có quan hệ với bố trí tổng thể, điều kiện thi cơng,
điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn..., việc chọn ra được kết cấu tràn phù
hợp cũng là một vấn đề luôn được quan tâm. Hình thức kết cấu cơng trình tràn
được chọn sẽ quyết định hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa của dịng chảy

qua tràn. Trong đó kết cấu mặt cắt tràn quyết định khả năng tiêu hao năng
lượng trên đoạn mặt tràn và hình thức tiêu năng quyết định khả năng tiêu hao
năng lượng đoạn sau tràn.
Với những cơng trình có cột nước cao có nhiều biện pháp tiêu năng như:
Tiêu năng phóng xạ, tiêu năng dịng mặt, tiêu năng dịng đáy… Mỗi hình thức
tiêu năng này lại có những ưu nhược điểm khác nhau và phù hợp với những
điều kiện địa hình, địa chất khác nhau. Chính vì vậy việc nghiên cứu một biện
pháp tiêu năng thích hợp cho mỗi cơng trình là hết sức cần thiết. Nó là tiền đề
cho cơng trình hoạt động ổn định có hiệu quả sau này. Với những cơng trình
có địa chất yếu (nền đất hoặc đá phong hố mạnh) hoặc có cột nước thấp thì
việc chọn hình thức tiêu năng kiểu mũi phun là khơng hợp lý. Khi đó biện
pháp tiêu năng được lựa chọn là bể tiêu năng (tiêu năng đáy).
Nguồn năng lượng dư thừa của dòng nước xả qua đập tràn là rất lớn,
nếu khơng có biện pháp tiêu năng hợp lý sẽ tạo nên những chế độ nối tiếp
thủy lực phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của cơng trình và xói lở
lịng dẫn phía hạ lưu cơng trình tràn.
Vì vậy một trong những vấn đề hàng đầu trong thiết kế, bố trí cơng
trình là giải quyết tốt vấn đề nối tiếp thủy lực sau cơng trình xả, đảm bảo an
toàn làm việc cho hạng mục tràn nói riêng và các hạng mục khác trong dự án
nói chung. Việc tính tốn thiết kế kết hợp với thí nghiệm mơ hình nhằm kiểm
chứng kết quả tính tốn lý thuyết bằng các số liệu đo tương đối tương đồng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


7

với thực tế đồng thời tìm ra những hiện tượng bất lợi cho cơng trình mà trên
lý thuyết khơng thể lường hết được là một trong những biện pháp đang được
áp dụng ngày càng rộng rãi.

Đối với tràn vận hành, các cấp lưu lượng, mực nước xả qua tràn có độ
chênh lệch khá lớn nên hiệu quả làm việc của tràn phụ thuộc rất nhiều vào
hình dạng kích thước của tràn. Đặc biệt là chiều dài, chiều sâu bể. Chiều sâu
bể quyết định chế độ nước nhảy sau bể tiêu năng (nước nhảy ngập, nhảy tại
chỗ, nhảy phóng xa); cịn chiều dài bể ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện kinh tế
kỹ thuật cơng trình. Vì vậy, tính tốn và lựa chọn kính thước hợp lý của bể
tiêu năng sẽ góp phần rất lớn trong hiệu quả tiêu hao năng lượng của dòng
chảy, giải quyết vấn đề nối tiếp thủy lực sau cơng trình xả, làm giảm xói lở hạ
lưu cơng trình và giảm mức độ uy hiếp sự cố tới tổng thể dự án và đem lại
hiệu quả kinh tế cho cơng trình.
Việc xác định kích thước bể tiêu năng hiện nay đều dựa trên các
phương pháp lý thuyết và cơng thức thực nghiệm tính tốn chung dành cho tất
cả các cơng trình. Trong khi, thực tế mỗi cơng trình có những điều kiện đặc
trưng về địa hình, địa chất, thủy văn thủy lực...là rất khác nhau, nên việc áp
dụng hình thức tiêu năng của từng cơng trình cũng khỏc nhau. Do ú vic
nghiờn cu b tiêu năng hp lý chỉ đúng khi ta nghiên cứu với từng công trình
cụ thể.
Do đó, bên cạnh kết quả tính tốn lý thuyết, việc kết hợp thí nghiệm mơ
hình trong những điều kiện biên cụ thể của mỗi cơng trình sẽ rất hữu ích và
phù hợp cho cơng trình đó.
Cơng trình Đá Hàn tỉnh Hà tĩnh thiết kế ban đầu chọn hình thức tiêu
năng kiểu mũi phun song do tình hình địa chất tại tuyến tràn không phải là
nền đá, ngay cả lớp đá phiến sét 4b có cường độ kháng nén khô chưa tới
185KG/cm2 do vậy phương án tiêu năng bằng mũi phun sau tràn là không

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


8

thích hợp. Do đó phải chuyển đổi sang tiêu năng đáy nhằm bảo đảm ổn định
cơng trình.
Các thơng số về bể tiêu năng của tràn vận hành Đá Hàn đã được tính
tốn và được tiến hành thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Thủy lực –
Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - Viện
Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Tuy nhiên kết quả thí nghiệm đó chưa được
nghiên cứu, phân tích, đánh giá và đối chứng với tính tốn lý thuyết trong bài
tốn cụ thể nhằm xác định kích thước hợp lý cho bể tiêu năng của tràn vận
hành Đá Hàn và cho các cơng trình tương tự.
Đề tài “Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý áp dụng
cho cơng trình Đá Hàn Hà Tĩnh ” tiến hành phân tích kết quả đo được từ thí
nghiệm mơ hình, so sánh, đối chứng với các kết quả tính tốn lý thuyết là hết
sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn đối với cơng trình Đá Hàn nói riêng và
các cơng trình có điều kiện tương tự nói chung, nên đây là đề tài cần thiết và
có ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu.
2.1. Mục đích ca ti:
- Nghiên cứu xác định kích thước hợp lý của bể tiêu năng và khả năng
tiêu năng của tràn, tính toán áp dụng cụ thể cho tràn vận hành Đá Hàn tỉnh Hà
Tĩnh.
- ánh giá so sánh kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô
hình để rút ra vấn đề cần lưu ý trong việc nghiên cứu xác định kích thước bể
tiêu năng.
- Thu thập các tài liệu tham khảo.
2.2. Phương pháp nghiên cứu:
- Luận văn kết hợp giữa nghiên cứu lý luận và nghiên cứu thực nghiệm
để đưa ra những so sánh, kết luận và đề xuất áp dụng.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

9

- Tập hợp các tài liệu và kết quả nghiên cứu đã có, sử dụng kết quả thí
nghiệm mơ hình tràn vận hành Đá Hàn để so sánh, đối chứng và kiểm định
với kết quả tính tốn lý thuyết.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
Xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý của tràn vận hành áp dụng cho
tràn vận hành Đá Hàn.
2.4. Kết quả dự kiến đạt được:
- Đưa ra được kết quả kích thước hợp lý của bể tiêu năng.
- Kiểm tra, đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, sử dụng cho thiết
kế cụ thể bể tiêu năng tràn vận hành Đá Hàn.
- Là tài liệu tham khảo cho các cơng trình tương tự.
3. Bố cục của luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập tràn và tiêu năng sau tràn trong
các cơng trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam.
1.2 Tng quan tiờu nng đáy sau trn thc dng và cuối dốc nước.
1.3. Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng.
1.4. Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG SAU
TRÀN VẬN HÀNH
2.1 Lý thuyết tương tự để thiết lập mơ hình nghiên cứu.
2.2 Nghiên cứu lý thuyết về nối tiếp và tiêu năng sau tràn.
2.3 Tính tốn bể tiêu năng sau tràn.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CU TH NGHIM Mễ HèNH THY LC TRN
VN HNH đá hµn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

10

3.1. Giới thiệu chung về cơng trình Đá Hàn.
3.2. Nhiệm vụ thí nghiệm mơ hình.
3.3. Xây dựng mơ hình.
3.4. Kết quả thí nghiệm phương án thiết kế.
3.5. kết quả thí nghiệm phương án hoàn thiện.
CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT VÀ THÍ
NGHIỆM MƠ HÌNH.
4.1. Số liệu ban đầu.
4.2. Kết quả tính tốn.
4.3. Nhận xét kết quả tính tốn và kết quả thí nghiệm mơ hình.
KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


11

1.1. Tổng quan về tình hình xây dựng tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn
trong các cơng trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam, [13].
Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa nước đã và đang được xây
dựng. Các cơng trình này chủ yếu được xây dựng ở trung du và miền núi. Các
cơng trình này đóng góp một phần khơng nhỏ cho sự phát triển của nhiều
ngành kinh tế, góp phần ổn định xã hội, an ninh, quốc phịng.
Tràn xả lũ là một phần khơng thể thiếu trong hệ thống đầu mối cơng

trình hồ chứa, chiếm một tỷ trọng khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng
cơng trình. Vì vậy việc tính tốn, lựa chọn phương án tràn xả lũ và tiêu năng
sau tràn có ý nghĩa rất quan trọng. Việc lựa chọn hình thức, bố trí tràn xả lũ
và tiêu năng sau tràn tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, giải pháp bố
trí tổng thể cơng trình, điều kiện quản lý vận hành...
Với cơng trình tràn xả lũ việc tiêu hao năng lượng của dịng chảy là vơ
cùng quan trọng. Chính vì vậy việc lựa chọn hình thức tiêu năng có ý nghĩa
quan trọng với cơng trình tràn xả lũ và với cả hệ thống cơng trình. Với những
cơng trình có địa chất nền yếu, cột nước thấp thì sử dụng biện pháp tiêu năng
đáy là thích hợp. Trong thực tế ở nước ta cũng rất nhiều cơng trình sử dụng
biện pháp tiêu năng đáy.
Bảng 1.1. Bảng thống kê một số hồ đập, đập tràn xây dựng ở Việt Nam sử
dụng biện pháp tiêu năng đáy.
Năm
TT Tên cơng trình

xây
dựng

1

đập
Đập

Hai

1964

đất

nước 1969-

Đập

chứa

Đồng Mơ-Ngải Sơn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1974

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

đất

29

20

max
(m3/s)

H max
R

Hồ chứa nước Suối 1958Hồ
2

Loại

P

Tràn tự do
Tràn có cửa,
tiêu năng đáy

P

80

90


12

Năm
TT Tên cơng trình

xây
dựng

3

4

5
6

Loại
đập
Đập

Lải

đất

Hồ chứa nước An

Đập

Mã

đất

Hồ chứa nước Cam

Đập

ranh

1996

đất

Hồ chứa nước Đạ 1986-

Đập

Tẻh

đất

1996

cao

Qxả
Hình thức tràn

12,5

max
(m3/s)

H max
R

Hồ chứa nước Đại 19591961

Chiều

P

Tràn đỉnh rộng

P

474,6

Tràn
27,5

Ơphixêrốp, ko
chân khơng
Tràn thực dụng,

23,21

có cửa van điều

539

tiết
27,3

Tràn BTCT-TN
đáy

618

Ngưỡng tràn
Hồ

chứa

nước 1982-

Đập

Tuyền Lâm

1987

đất

32

7

đỉnh rộng, nối
tiếp dốc nước,

500

bậc nước
Hồ Iamơ

8

Hồ Sơng Ray
9

Hồ Nước Trong
10

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2006-

Đập

2010

đất

2006-

Đập

2010

đất

20062010

Tràn có cửa/
32

đầm

654

Dốc nước
Có cửa/ Dốc
35

nước + Tiêu
năng đáy

Bê
tơng

Thực dụng +

72

Cửa van + TN
đáy

2400


13

Năm
TT Tên cơng trình

xây
dựng

Loại
đập

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

(m3/s)

H max
R

P

lăn
11 Hồ Tả Trạch

2006-

Đập

2010

đất

56

BT
12

14 TĐ Sroc-phumieng
15 Thủy lợi Phước hòa
16 TĐ Đami

1984-

Đập

1991

đất

2002

Đập
đất

2006-

Đập

2010

đất

1997- Đập đá
2001

đổ

đáy

TN đáy

lực

13 Thủy điện Trị An

Cửa van + TN

Cửa van đt +

trọng

Thủy điện Thác bà

40

31

28

80

Tiêu năng đáy
Có cửa van.
Tiêu năng đáy
Tràn bên tự do

Bê
TĐ Avương

2004-

tơng

2008

đầm

17

72

Có cửa van +
Dốc nước

lăn
Đá đổ
TĐ Tun quang

2002-

+ BT

2007

bản

18
19 Sơng Ba hạ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

92,2

Có cửa van. TN
đáy

mặt
2005-

Bê

50

max

Có cửa van. TN

P


14

Năm
TT Tên cơng trình

xây
dựng
2010

Loại

đập

Chiều
cao

Qxả
Hình thức tràn

(m3/s)

H max
R

tơng

max
P

P

đáy

đầm
lăn
1.2. Tổng quan tiêu nng đáy sau trn thc dng v cui dc nc, [6],
[13].
1.2.1.Tình hình xây dựng cơng trình tràn tiêu năng đáy.
Theo thống kê Việt nam có khoảng trên 650 hồ, đập chứa cỡ lớn và
vừa, trên 35.000 hồ, đập chứa cỡ nhỏ. Tính đến nay, chúng ta đã xây dựng và
đưa vào khai thác trên 500 hồ chứa nước có dung tích từ 1 triệu mét khối trở

lên, trừ một số hồ có mục đích chính là phát điện cịn lại chủ yếu là trữ nước
để tưới và cấp nước sinh hoạt.
Trong việc bố trí tổng thể một dự án thủy lợi, thủy điện, cơng trình tràn
xả nước và vấn đề tiêu năng sau tràn nhằm đảm bảo nối tiếp dòng chảy hạ lưu
chiếm một vị trí quan trọng. Hình thức tiêu năng phịng xói được lựa chọn
dựa trên điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện dịng xả, phương thức vận
hành, chiều sâu nước hạ lưu...
Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy,
đó là hình thức thường dùng nhất. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng
này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai của
nước nhảy h h > h c '' để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
R

R

R

RP

P

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả
năng xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy (sân sau) phải bảo vệ bằng bê

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


15

tông. Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp theo sau sân sau (sân sau thứ hai) cần

được bảo vệ thích đáng. Muốn tăng hiệu quả tiêu năng thì thường trên sân sau
xây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng, v.v....để cho sự xung
kích nội bộ dịng chảy càng 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 kém. Khi cột nước cao, h c " rất lớn, yêu cầu
R

RP

P

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 khơng kinh tế.
Trong những năm gần đây, các cơng trình thủy điện, thủy điện kết hợp
thủy lợi lớn được phát triển xây dựng nhanh, trong lúc kinh nghiệm thiết kế,
nghiên cứu của ta còn hạn chế. Nhiều nghiên cứu của nước ngoài chưa được
cập nhật hướng dẫn sử dụng trong nước. Hiện nay có rất nhiều cơng thức và
đưa đến những kết quả cũng rất khác nhau. Do đó việc áp dụng cơng thức tính
tốn như thế nào để kết quả tính tốn là chỉ tiêu kỹ thuật tin cậy, an tồn và
kinh tế cho cơng trình là một bài tốn cho mỗi cơng trình cụ thể. Để giải quyết
vấn đề này, việc kết hợp phân tích, đối chứng, so sánh giữa tính tốn lý thuyết
và kết quả nghiên cứu thực nghiệm mơ hình đang là hướng đi hợp lý và ngày
càng phổ biến.
1.2.2. Tình hình vận hành thực tế ở một số hồ chứa và cơng trình xả lũ.
Các hồ chứa ở nước ta hiện nay thường gặp những sự cố chủ yếu sau:
Sạt mái thượng lưu (25,84%); Hỏng đập tràn xả lũ (25,39%); Cống bị hỏng
(17,3%); Đập bị thấm (15,06%); Đỉnh đập thấp (9,00%); Cửa van bị hỏng
(3,60%).
Như vậy sự cố hồ chứa do sự cố đập tràn gây ra chiếm tỷ lệ rất cao. Sự

cố đập tràn thường do các nguyên nhân: Lũ vượt qua đỉnh đập tràn; Thấm qua

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


16

nền; Thấm qua thân đập; Đập bị trôi hoặc bị gãy; Xói tiêu năng; Xói lở hạ
lưu; Gãy, kẹt cửa van; Hỏng thiết bị đóng mở...
Trong đó xói tiêu năng thường do các nguyên nhân sau: Đánh giá sai
địa chất nền; Xác định sai mức nước hạ lưu đập, Biện pháp tiêu năng không
hợp lý; Thi công phần tiêu năng khơng đảm bảo chất lượng; Vận hành tràn sai
quy trình.
1.3. Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều dài bể đến hiệu quả tiêu năng.
Các kích thước chiều sâu, chiều dài bể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu
quả tiêu năng, phịng xói ở hạ lưu cơng trình.
Chiều sâu bể phải đảm bảo điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng
đáy là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai của
nước nhảy h h > h c '' để đảm bảo sinh nước nhảy ngập. Nhưng nếu chiều sâu bể
R

R

R

RP

P

quá lớn sẽ dẫn đến nước nhảy quá ngập, lúc này dòng nước lại chảy luồn ở

đáy và dẫn đến phá hủy lòng dẫn ở đáy cơng trình.
Chiều dài bể cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật
của cơng trình. Nếu ta làm bể quá dài thì đảm bảo tiêu năng tập trung trong bể
(bể gói gọn nước nhảy) nhưng khơng kinh tế và ngược lại nếu bể ngắn thì
chúng ta khơng gói được nước nhảy trong bể.
Vì vậy ngồi kết quả tính tốn lý thuyết, cần tiến hành thí nghiệm mơ
hình với mỗi cơng trình cụ thể, trong điều kiện biên tương đồng với thực tế để
xác định kích thước bể tiêu năng hợp lý, đảm bảo tiêu hao năng lượng thừa
của dòng chảy đạt hiệu quả cao nhất đối với cơng trình đó.

1.4. Các hình thức kết cấu tiêu năng dòng đáy, [16].

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


17

Kết cấu tiêu năng dịng đáy gồm có các hình thức sau: Đào bể tiêu
năng, Xây tường tiêu năng, Bể tường kết hợp.
1.4.1. Bể tiêu năng:
1
vo
Eo

qt

E'o

C

O
O'

q

Ct

h"c
hc
1

Z'
vo

hh
do

Z'o
O
O'

C
Hình 1.1. Bể tiêu năng

Đây là hình thức được áp dụng phổ biến ở các cơng trình tiêu năng
dịng đáy, đặc biệt là ở những cơng trình có địa chất nền yếu, có tầng đá gốc
sâu. Hình thức này thường tạo ra chế độ chảy ngập khi qua ngưỡng bể nên chỉ
cần tiêu năng một lần.
1.4.2. Tường tiêu năng:
Nếu điều kiện kết cấu và thi cơng, khi làm bể tiêu năng khơng thích

hợp thì nên dùng tường tiêu năng. Tường tiêu năng làm việc như một đập tràn
và chúng ta phải kiểm tra trạng thái chảy qua tường:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


18

- Chảy ngập nếu h 'n > 0 ;
qt
vo

Eo

(v'o )2 q

E

2g
C

hc

O

v'o

Z'

h"c

H'

h'n
Co

hh
O

C

Hình 1.2. Tường tiêu năng
Trường hợp này chảy qua tường là chảy gập nên ta khơng phải tính
tốn tiêu năng cho tường.
- Chảy không ngập nếu h 'n < 0 ;
Trường hợp này ta phải kiểm tra chế độ chảy sau tường. Nếu dòng chảy
sau tường là dòng chảy xiết thì ta phải tiêu năng cho tường.
1.4.3. Bể tường kết hợp:
Trong thực tế, có nhiều trường hợp nếu làm bể tiêu năng chỉ bằng
cách hạ thấp đáy kênh hạ lưu hoặc chỉ bằng cách xây tường thì khơng hợp
lý. Trong trường hợp thứ nhất, bể sẽ phải rất sâu, đáy kênh hạ lưu phải hạ
thấp quá nhiều và tiêu năng ở hạ lưu đập sẽ nặng nề thêm. Trong trường hợp
thứ hai, tường sẽ phải quá cao, sau tường rất có khả năng xảy ra nước nhảy
xa và ta phải làm tiếp tường thứ hai… Trong điều kiện như thế, tốt hơn hết
là kết hợp cả hai biện pháp trên, vừa hạ thấp đáy kênh, vừa làm tường. Thực
tế chứng tỏ dùng biện pháp này trong nhiều trường hợp rất có lợi về mặt
kinh tế và kỹ thuật.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

19

d

Co

hh

Hình 1.3. Bể tường kết hợp
1.5. Kết luận chương 1:
Hiện nay rất nhiều cơng trình tháo lũ ở các cơng trình thủy lợi, thủy
điện sử dụng biện pháp tiêu năng đáy, đặc biệt là những cơng trình có cột
nước vừa và thấp, những cơng trình có địa chất nền yếu. Việc lựa chọn hình
thức kết cấu, kích thước bể tiêu năng hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu
quả tiêu năng, đến sự ổn định và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của cơng trình.
Nhưng những vấn đề này chưa được nghiên cứu tính tốn cụ thể, cần được
nghiên cứu tính tốn cụ thể ở những chương sau.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


20

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ BỂ TIÊU NĂNG SAU
TRÀN VẬN HÀNH
2.1.Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình nghiên cứu, [9], [12].
2.1.1 Khái niệm về mơ hình:
2.1.1.1. Mơ hình:
Mơ hình là hình ảnh của tư duy hay là một sản phẩm vật chất tạo ra

bằng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống đối tượng nghiên cứu
và những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thơng tin chính xác về
đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế.
2.1.1.2. Mơ hình hóa:
Mơ hình hóa là sự biểu thị bằng hình ảnh các cơng trình hoặc hiện
tượng của thực tế, bằng công cụ vật lý và tốn học hợp lý để có thể nghiên
cứu hiệu quả, tồn diện và tối ưu cơng trình hoặc hiện tượng đó.
2.1.1.3. Mơ hình vật lý:
Mơ hình vật lý là mơ hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể.
Mơ hình thủy lực là một loại của mơ hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ
lệ bé hơn và đặt trong phịng thí nghiệm. Vật liệu dùng trong mơ hình thủy
lực cũng phải đảm bảo tương tự như trong thực tế.
Mơ hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự. Lý thuyết
tương tự xuất phát từ sự phân tích tốn học hoặc phân tích thứ nguyên các đại
lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu. Các định luật hay tiêu chuẩn
tương tự cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mơ hình sang
thực tế.
2.1.1.4. Mơ hình tốn:
Mơ hình tốn được thành lập dựa trên sự tương tự giữa thực tế và tư
duy. Sự tương tự đó cho phép nghiên cứu thực tế bằng sự giúp đỡ của hệ
thống tư duy tưởng tượng vật lý phức tạp, được miêu tả bằng hệ phương trình
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


21

vi phân đạo hàm riêng được giải bằng phương pháp số, giải tích hoặc đúng
dần.
+ Mơ hình tốn một hiện tượng vật lý được tạo thành:
Từ một mơ hình thực.

Từ sự biểu thị bằng toán học các mối quan hệ vật lý giữa các đại lượng
xác định hiện tượng cần nghiên cứu.
Từ các phương pháp giải được bằng toán học các mối quan hệ vật lý.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm mơ hình thủy lực là khảo sát những
nghiên cứu quy luật của dòng chảy, tác động của nước lên mơi trường mà nó
chuyển động trong đó nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu hệ
thống cơng trình hoặc hạng mục cơng trình.
+ Nhiệm vụ của thí nghiệm mơ hình thủy lực là:
Bằng thực nghiệm giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xây
dựng và khai thác sử dụng cơng trình thủy lợi, thủy điện mà những vấn đề đó
khơng giải quyết thỏa đáng được bằng con đường lý luận.
Phát hiện những quy luật của các hiện tượng thủy động lực học và định
nghĩa được chúng.
Kiểm tra, bổ sung và chính xác hóa các công thức lý thuyết của thủy
lực bằng cách xác định giá trị cụ thể của các hệ số khác nhau (mà trước đó lựa
chọn chỉ là gần đúng), kiểm tra các kết quả của mơ hình tốn.
Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa thông số riêng biệt của hiện tượng
nghiên cứu.
Kiểm tra các kết quả tính tốn theo lý thuyết đã có và góp phần vào sự
phát triển tiếp theo của thủy lực.
+ Khi nghiên cứu trên mơ hình thủy lực, có những tiện lợi sau:
Kích thước bé hơn so với thực tế.
Đo các đại lượng thủy lực được chính xác, nhanh và tiện lợi.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


22

Đo đạc mang tính hệ thống cao.

Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo.
Có thể quan sát và nghiên cứu tương đối lâu một hiện tượng hoặc đồng
thời các yếu tố (cả cấu trúc bên trong và tác động bên ngoài).
2.1.2 Lý thuyết tương tự.
2.1.2.1. Tương tự hình học:
Nếu chúng ta chế tạo mơ hình giảm nhỏ so với cơng trình thực tế thì
hình dạng của cơng trình cũng tương ứng phù hợp. Mọi góc tương ứng khơng
đổi, mọi kích thước đều được giảm nhỏ theo cùng một tỷ lệ. Ta gọi đó là
tương tự hình học giữa mơ hình và thực tế. Tỷ lệ giữa độ dài trong thực tế (l t )
R

R

và độ dài tương ứng trên mơ hình (l m ) gọi là tỷ lệ hình học.
R

λl =

R

lt
lm

(2.1)

Nếu λ l là hệ số khơng đổi cho tồn bộ mơ hình thì tỷ lệ về diện tích và thể
R

R

tích là:

λs =

St
V
2
= λl ; λv = t = λl 3
Sm
Vm

λlx = λly = λlz ; λax = λay = λaz =

λlx λu
= ;
λt λl

2.1.2.2. Tương tự động học:
Tương tự động học là tương tự các thành phần tương ứng của lưu tốc,
gia tốc thực tế và mơ hình.
Ta có:
λl =

tt
tm

Nếu tỷ lệ độ dài theo 3 phương là:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(2.2)


23

l
ltx
l
; λly = ty ; λlz = tz
l mx
lmz
lmy

(2.3)

λux =

uty
utx
u
; λuy =
; λuz = tz
u mz
u mx
u my

(2.4)

λax =

aty
atx
a
; λay =
; λaz = tz
amx
amy
amz

λlx =

Thì tỷ lệ lưu tốc điểm là:

Và tỷ lệ gia tốc là:

Khi chúng ta có tỷ lệ lưu tốc và tỷ lệ gia tốc là hằng số thì chúng ta có được
tương tự động học:
λlx = λly = λlz ; λax = λay = λaz =

λlx λu
= ;
λt λl

2.1.2.3. Tương tự động lực học:
Là sự tương tự hoàn toàn của các lực trong thực tế và trên mơ hình.
Theo định luật Newton (P = m.a) chúng ta có thể viết:
Ptx = mt .atx ; Pty = mt .aty ; Ptz = mt .atz
Pmx = mm .amx ; Pmy = mm .amy ; Pmz = mm .amz

Khi có tương tự hình học theo cả 3 phương như nhau ( λlx = λly = λlz ) thì ta có:

λp =

λm .λl
λ2 t

Vì

λm = λ p .λv = λ p .λ3l

Nên:

λ p = λ p .λ2 l .λ2v

Tương tự cơ học giữa cơng trình thực tế và mơ hình được đảm bảo khi có
được tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


24

2.1.2.4. Tiêu chuẩn tương tự.
Dịng chảy qua cơng trình tháo lũ và ở hạ lưu thường là dòng chảy tự
do - dịng chảy có mặt thống, chịu tác động chủ yếu của trọng lực, theo lý
thuyết mơ hình thủy lực có thể sử dụng tiêu chuẩn tương tự chính là Froude
(Fr).
V2
= idem
gL

Fr =

V 2 
V 2 


=
Fr = idem hay    
 gL  m  gL  n

Đồng thời thỏa mãn Re m ≥ Re gh (để đảm bảo chế độ chảy ở khu bình phương
R

R

R

R

sức cản).
Trị số Re gh có thể xác định theo các cơng thức sau:
R

R

Re gh =

14 Rm
∆m ε m

hoặc Re gh = 500

dm
km

Trong đó:
V: Lưu tốc dịng chảy.
L: Kích thước dài.
G: Gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2).
P

P

∇ m : Độ nhám tương đối của mơ hình.
R

R

R m : Bán kính thủy lực trong mơ hình.
R

R

ε m : Hệ số sức cản ma sát của mơ hình.
R

R

n, m: Ký hiệu ngun hình và mơ hình.
Nói một cách chặt chẽ thì tiêu chuẩn Froude được áp dụng khi lực nhớt

có thể bỏ qua so với trọng lực, Reynolds bé nhất trên mơ hình phải không bé
hơn giá trị giới hạn (Re gh ) nào đó. Nghĩa là khi đó tiêu chuẩn Reynolds khơng
R

R

có hiệu lực, dịng chảy ở khu tự động mơ hình hay khu bình phương sức cản.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật