Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước áp dụng cho đường tràn hồ tả trạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

VŨ BÁ CHÍ

NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC CÁC MỐ TIÊU NĂNG
SAU CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG
CHO ĐƯỜNG TRÀN HỒ TẢ TRẠCH

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người HDKH: GS.TS NGUYỄN CHIẾN

Hà Nội – 2012


Trang 1

1. Tính cấp thiết của đề tài.

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn công trình
đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất
nước. Do mức độ quan trọng và đặc thù của cơng trình thủy lợi, những yêu
cầu về đảm bảo an toàn & kinh tế trong việc tính tốn thiết kế, thi cơng và

quản lý khai thác đặt ra ngày càng cao.
Cơng trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của
một hệ thống thủy lợi. Chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dòng chảy và
thành rắn. Sự tương tác đó đặc biệt khi dịng chảy có lưu tốc lơn sẽ gây ra
những hệ quả bất lợi cho cơng trình như mạch động, song xung kích, hàm khí,
khí thực… Trong đó khí thực là một trong những vấn đề rất quan trọng và cần
được xem xét.
Đáng chú ý là vấn đề tính tốn khí thực trong các cơng trình tháo nước
ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức. Trong khi đó,
những năm gần đây, đã có nhiều sự cố hư hỏng cơng trình do các nguyên
nhân lien quan đến hiện tượng khí thực gây nên như đường tràn cơng trình
đầu mối Nam Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh…. Điều này địi hỏi trong tính
tốn thiết kế cũng như thi cơng xây dựng các cơng trình mới phải được đề cập
đầy đủ hơn đến vấn đề khí thực cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuật
chun mơn để phịng ngừa sự cố. Ngồi ra, ở các cơng trình đã xây cũng cần
phải tiến hành tính toán kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý cần thiết.
Qua đây ta có thể thấy đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
cao vì nó liên quan trực tiếp đến an tồn và kinh tế của cơng trình thủy lợi,
đồng thời đây cũng là vấn đề cấp thiết của ngành thủy lợi hiện nay.


Trang 2

2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau cơng trình tháo nước và giải
pháp phịng ngừa.
- Đề xuất biện pháp phịng khí thực ở các mố tiêu năng.
- Áp dụng cho đường tràn hồ Tả Trạch
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngồi

nước có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Ứng dụng tính tốn kiểm tra khả năng khí thực và giải pháp phịng khí
thực ở các mố tiêu năng.
- Phân tích kết quả đánh giá.
4. Kết quả đạt được.
- Nghiên cứu xác định được nguyên nhân xâm thực tại các bộ phận trên
cơng trình tháo nước ( tại các mố tiêu năng )
- Thiết lập biểu đồ trạng thái khí hóa ứng với các cấp năng lượng và năng
lượng đơn vị.
- Đề xuất các giải pháp phòng chống khí thực ở mố tiêu năng.
- Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mố tiêu năng của đập tràn Tả Trạch.
- Đề xuất giải pháp phịng khí thực tại các mố tiêu năng sau đập tràn Tả
Trạch.


Trang 3

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC, TIÊU NĂNG VÀ KHÍ
THỰC Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG.
1.1 Tổng quan về cơng trình tháo nước.
1.1.1 Khái niệm cơng trình tháo nước.
Thuật ngữ cơng trình tháo nước ( CTTN ) dung để chỉ những hạng
mục cơng trình đầu mối thủy lợi cho nước tràn qua. Nhiệm vụ của CTTN có
thể là tháo lũ, tháo nước thừa, nước thải, tháo cạn hồ chứa hay lấy nước từ
song, hồ cho các mục đích sử dụng khác nhau. CTTN thường được bố trí ở
đầu mối hồ chứa, đập dâng trên sông, hay các công trình tháo nước cuối hệ
thống tiêu, cống lấy nước từ sông, hồ.
Đối với các hồ chứa và đập dâng trên sơng thì nhiệm vụ quan trọng

nhất của CTTN là tháo lũ bảo vệ an tồn cho bản thân cơng trình đâu mối
cũng như khu vực hạ du. Ngồi ra, có thể kết hợp tháo nước trong thời kỳ thi
công.
Đối với các hệ thống thoát nước thừa, nước thải từ các khu vực sản
xuât nông nghiệp, công nghiệp hay khu dân cư thì CTTN được đặt ở cuối
kênh tiêu để tháo nước ra biển, ra sông hay ra kênh khác.
Đặc điểm quan trọng của CTTN là làm việc trong điều kiện có chênh
lệch mực nước rõ rệt giữa thượng hạ lưu. Cột nước cơng tác ở CTTN có thể
từ một vài mét ( ở các cống tiêu ) cho tới hàng trăm mét ( ở các hồ chứa có
cột nước cao ). Dòng chảy qua CTTN thường là dòng chảy xiết với độ xiết
(đặc trưng bởi trị số Fr = v2/gh hoặc FrR = v2/gR ) phụ thuộc vào cột nước
công tác và quy mơ cơng trình. Ở các CTTN mà dịng chảy có độ xiết cao ( trị
số Fr lớn ) thì có thể phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bất lợi như hàm khí,
khí thực, sóng xung kích … Do đó trong tính tốn cần phải tìm cách khăc
phục hoặc hạn chế tác hại của các hiện tượng này.


Trang 4

1.1.2 Tình hình xây dựng các cơng trình thủy lợi, thủy điện trên
thế giới và Việt Nam.
Theo con số của hội đập cao thế giới ( ICOLD ) tính đến năm 2000
trên thế giới có khoảng 45000 đập lớn. Trong đó nước có nhiều đâp nhất thế
giới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập thế giới. Đứng thứ 2 là
Mỹ có 6.575 đập. Đứng thứ 3 là Ấn Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với
2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập…. Và Việt Nam có gần 500
đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn trên thế giới.
Series1

Số lượng đập

25000
20000
15000
10000
5000
0
Trung
Quốc

Mỹ

Ấn Độ

Nhật Bản

Tây Ban
Nha

Việt Nam
Quốc gia

Hình 1.1 Biểu đồ phân bố đập ở 1 số
nước
Số lượng
35000
30000
25000
20000

Series1

15000
10000
5000
0
Châu Á

Tây Âu

Châu Phi

Đơng Âu

Nam Mỹ

Bắc Mỹ

Hình 1.2 Biểu đồ phân bố đập các khu vực.

Khu vực


Trang 5

Ở Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nên kinh tế là nơng
nghiệp, tài ngun nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững
cuả đất nước. Tuy vậy do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống
đầu mối thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới.
Từ khi đất nước thống nhất đến nay, thủy lợi nước ta mới thực sự trở thành
một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư. Đến nay

nước ta có khoảng 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa đập cỡ
nhỏ. Các hệ thống thủy lợi ở nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi Đại
Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sơng Mực, Dầu Tiếng hay các cơng trình sử
dụng tổng hợp nguồn nước như đập thủy điện Hịa Bình, Thác Bà. Đa Nhim,
Trị An…
Từ khi “ Luật tài nguyên nước ” của nước ta ra đời năm 1998 đã 1 lần
nữa khẳng định tầm quan trọng của các công trình thủy lợi đối với việc phát
triển và bảo vệ đất nước. Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu
mối thủy lợi, thủy điện nước ta phát triển khá mạnh.
1.1.3 Một số cơng trình tháo lũ điển hình ở Việt Nam.
Cơng trình tháo lũ là loại cơng trình tháo nước ( CTTN ) điển hình
nhất. Nó là một hạng mục không thể thiếu ở các đầu mối thủy lợi, có chức
năng tháo nước thừa trong mùa lũ để đảm bảo an tồn cho cơng trình đầu mối,
cũng như vùng hạ du. Ở một số đầu mối thủy lợi, cơng trình tháo lũ cịn được
kết hợp để tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ
chứa khi cần thiết, hay kết hợp để tháo nước trong thời kỳ thi cơng.
Ở các cơng trình đầu mối có đập dâng là đập bê tơng hay đá xây thì
cơng trình tháo lũ thường là tràn hở bố trí ngay trên tuyến đập dâng. Ngược
lại. khi đập dâng được đắp bằng vật liệu địa phương như đất, đá… thì cơng
trình tháo lũ phải bố trí ngồi tuyến đập, có thể là đầu đập, hay ở một eo núi


Trang 6

xa vị trí đập. Hình thức của cơng trình tháo lũ loại này có thể là tràn xả sâu,
chế độ chảy là khơng áp hoặc có áp…
Một số cơng trình tháo nước có quy mơ lớn ở Việt Nam.
+ Địa điểm: Nghệ An.
+ Hình thức tiêu năng: Đập
tràn mũi phun.

+ Thông số thủy lực:
Qxả = 10500 m3/s, BTràn = 60
m
+ HTràn = 11,5 m, q=155,6
m2/s.

Hình 1.3. Thủy điện Bản Vẽ.

+ Địa điểm: Hịa Bình
+ Hình thức tiêu năng: Dốc
nước, mũi phun.
+ Thông số thủy lực:
Qxả = 37800 m3/s, BTràn = 60
m.

Hình 1.4. Thủy điện Hịa Bình.


Trang 7

+ Địa điểm: Sơn La.
+ Hình thức tiêu năng: Đập
tràn, mũi phun.
+ Thông số thủy lực:
Qxả = 2387 m3/s, BTràn = 80 m.
+ HTràn = 5,63 m, q = 24,1
m2/s.

Hình 1.5. Thủy điện Nậm Chiến2.

+ Trên sơng Đà.
+ Hình thức tiêu năng: mũi
phun xoắn.
+ Lưu lượng xả lũ: Qxả =
35400m3/s.
+ Cơng suất phát điện: 19.200
MW.

Hình 1.6. Thủy điện Trị An.


Trang 8

+ Địa điểm: Thanh Hóa
+ Hình thức tiêu năng: Dốc
nước, mũi phun.
+ Thông số thủy lực: Qxả =
11487m3/s, BTràn = 67 m, HTràn
= 24,33 m, q = 171,4 m2/s.

Hình 1.7. Hồ chứa Cửa Đạt
+ Địa điểm: Tuyên Quang.
+ Hình thức tiêu năng: Dốc
nước, mũi phun.
+ Thông số thủy lực: Qxả =
11986 m3/s, BTràn = 60 m,
HTràn = 15,84 m, q = 170 m2/s.

Hình 1.8. Thủy điện Tuyên Quang.
1.2. Tiêu năng sau cơng trình tháo nước.

Dịng chảy sau khi chảy qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất
lớn. Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng
lượng này phá hoại lịng sơng và hai bờ gây nên xói lở cục bộ sau đập,


Trang 9

một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dịng chảy, phần khác do ma sát giữa
nước và khơng khí . Sức cản nội bộ dịng chảy càng lớn thì tiêu hao năng
lượng do xói lở càng nhỏ và ngược lại. Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu
hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy và dùng hình thức phóng xa
làm cho nước hỗn hợp với khơng khí gây ma sát có tác dụng tiêu hao năng
lượng và giảm xói lở. Để đạt được những mục đích trên thường dùng các hình
thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dịng đáy (hình 1.9a), tiêu năng dịng mặt
(hình 1.9b), tiêu năng dịng mặt ngập (hình 1.9c), tiêu năng phóng xa (hình
1.9d).
Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là làm cho năng lượng
tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với
khơng khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị. Các hình thức tiêu năng có
liên quan lẫn nhau.

a)

b)

hh

c)

d)

a
Hình 1.9. Các hình thức nối tiếp dịng chảy ở hạ lưu
Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển
hố lẫn nhau.


Trang 10

1.2.1 Tiêu năng dòng đáy.
Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước
nhảy để tiêu năng. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu
nước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy (hb > hc”)
để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung. Trong tiêu năng đáy,
lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng gây xói lở, vì thế
trong khu vực nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau). Khi nền đá
xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cần được bảo vệ thích đáng.
Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sân sau có xây thêm các thiết bị
tiêu năng phụ như mố, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ dòng chảy càng
mãnh liệt và ma sát giữa dịng 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 dùng với cột nước thấp, địa chất nền
tương đối kém.

d

d

Hình 1.10. Hình thức bể tiêu năng
a. Bể tiêu năng (hình 1.10)

Sau khi xây bể làm tăng mực nước trên sân sau và thoả mãn yêu cầu:
hb = d + hh + ∆Z > hc”,

(1-1)


Trang 11

Chiều dài sân sau Ls lúc có bể hoặc tường tiêu năng được tính từ mặt
cắt co hẹp ngay sát chân đập tràn. Trong thực tế, trên sân sau khi có bể hoặc
tường sẽ hình thành nước nhảy khơng tự do nên chiều dài của nó nhỏ hơn
chiều dài nước nhảy tự do (ln). Theo đề nghị của M.Đ.Tsêtouxôp như sau
[10]:
Ls = βln;

(1-2)

Trong đó:
β - hệ số thực nghiệm, lấy bằng 0,7 ÷ 0,8;
ln - được tính theo thực nghiệm:
ln = 5(hc” - hc);
hoặc

ln = 4,5hc”

(1-3)
(1-4)

Hình dạng bể tiêu năng trong mặt phẳng thẳng đứng là hình chữ nhật
(hình 1. 9a) thì hiệu quả tiêu năng tốt. Nhưng do dịng chảy có thể bào mịn

cạnh và góc, nhất là khi nước có nhiều bùn cát, nên thường thiết kế bể có
dạng hình thang (hình 1.10b).
b. Tường tiêu năng (hình 1.11)
Khi do điều kiện kết cấu và thi công, bể tiêu năng khơng thích hợp thì
nên dùng tường tiêu năng. Tường có thể dâng mực nước hạ lưu và giảm khối
lượng đào. Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa. Chiều cao của
tường cũng giống như chiều sâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác
nhau để tìm được chiều cao tường lớn nhất. Sau khi xác định được kích thước
của tường cần phải kiểm tra xem sau tường có nước nhảy xa nữa khơng. Nếu
có thì phải thiết kế thêm tường tiêu năng thứ hai. Hình dạng tường tiêu năng
thường làm mặt cắt trơn và thuận để tránh phá hoại do bào mịn, (hình 1.10).


Trang 12

1:
5

0,7
122,2
112
105

111

Hình 1.11. Tường tiêu năng
c. Bể và tường tiêu năng kết hợp (hình 1.12)
Khi dùng bể tiêu năng có khối lượng đào lớn và cao trình đáy đập phải
thấp, do đó khối lượng đập tăng; nếu dùng tường tiêu năng thì phải q cao,
sau tường có thể sinh nước nhảy xa và cần thêm tường tiêu năng thứ 2, làm

tăng khối lượng bảo vệ. Lúc đó cần dùng bể và tường kết hợp (hình 1.12) để
giảm khối lượng đào, khối lượng đập và thiết bị bảo vệ.

Hình 1.12. Bể và tường tiêu năng kết hợp
d. Các biện pháp tiêu năng khác
Sân sau mở rộng dần (hình 1.15): dịng chảy được khuếch tán sang hai
bên, giảm được lưu lượng đơn vị, do đó giảm được hc”.


Trang 13

v2

vc
8 ÷ 10

Hình 1.13. Bể tiêu năng khuếch tán
20.0

h
d

l
Hình 1.14. Sân tiêu năng có độ dốc thuận
Góc khuếch tán β khơng nên lớn q, nếu lớn q dịng chảy bị tách
khỏi tường bên và tạo nên dịng xốy hoặc chảy xiên gây xói lở.
β<

1
1

÷
8
10

(1-5)

- Sân sau dốc thuận: khi độ sâu nước hạ lưu lớn rất nhiều so với hc” thì
dịng chảy khó khuếch tán theo phương thẳng đứng, gây nên dịng chảy ngập
có lưu tốc lớn ở đáy, lịng sơng có thể bị xói lở. Trường hợp này nên làm sân


Trang 14

sau dốc thuận (hình 1.14) để với mọi mực nước và lưu lượng đều có nước
nhảy với độ ngập khơng lớn lắm. Sân sau có độ dốc thuận nên trọng lượng
nước có thành phần song song với đáy, hướng về hạ lưu làm tăng hc”. Theo
định luật động lượng, hc” có thể tính như sau [10]:
hc " =


hc 
8q 2 cos 3 α
1+ 3 .
− 1 ,

2 cos α 
ghc 1 − 2φtgα


(1-6)

Trong đó:
α - góc nghiêng của đáy sân sau với mặt phẳng nằm ngang;
Φ - hệ số điều chỉnh của áp lực nước lên mặt nghiêng đối với thành
phần lực nằm ngang, khi độ dốc đáy bằng 0,05 ÷ 0,30 thì:
Φ = 3,75 + 25tgα - 15tg2α.

(1-7)

Khi α = 0, công thức (1-6) trở thành công thức nước nhảy thơng
thường. Dịng chảy trên dốc thuận bất kỳ lưu lượng lớn hay bé đều có nước
nhảy để hạn chế dịng ngập có lưu tốc cao ở đáy. Độ dốc đáy không được dốc
hơn 1:4.
- Sân sau dốc ngược: khi chiều sâu nước hạ lưu rất bé thì sân sau có
thể làm hình thức dốc ngược. Bắt đầu tại mặt cắt co hẹp được đào sâu xuống
và sau đó sân sau làm theo độ dốc ngược khiến cho dòng chảy có phản lực trở
lại và tạo thành nước nhảy.
Như vậy, khi thiết kế sân sau ngoài việc xét lưu lượng thiết kế qua đập
tràn, cịn cần phải xét tình hình làm việc của sân sau ứng với các lưu lượng
khác nhau để đảm bảo bất kỳ với một lưu lượng nào cũng sinh ra nước nhảy
ngập thích hợp. Độ ngập thích hợp nhất η =

hh
= 1,2 ÷ 1,3 .
hc "

1.2.2. Tiêu năng mặt.
Dịng chảy của hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt (hình
1.9b, c). Kinh nghiệm cho biết, hiệu quả tiêu năng này so với tiêu năng đáy

Trang 15

không kém hơn nhiều, nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn

1
1
÷
lần, đồng
5
2

thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé, thậm chí trên nền đá cứng
khơng cần làm sân sau. Ngồi ra có thể tháo vật nổi qua đập mà không sợ
hỏng sân sau. Tuỳ theo mực nước hạ lưu, trạng thái dòng chảy sẽ phân thành
dịng chảy mặt khơng ngập và dịng chảy mặt ngập.

vo

a

E

a

R

i=0

hh

Hình 1.15. Trạng thái chảy ở hạ lưu đập có bậc
Khi hgh1 < hh < hgh2 có dịng chảy mặt khơng ngập.
Khi hh > hgh2 sẽ sinh ra dòng mặt ngập.
Ở đây hgh1, hgh2 gọi là độ sâu giới hạn thứ nhất và độ sâu giới hạn thứ
hai. Việc xác định hgh1 và hgh2 bằng lý thuyết đưa đến biểu thức phức tạp,
T.N.Axtafitsêva đề nghị công thức thực nghiệm như sau [10]:

a 
hgh1 = 0,82a +  2,44 − 2 h pg ;
Ch 


(1-8)


a 
hgh 2 = 1,22a +  2,50 − 2,55 h pg ;
Ch 


(1-9)

Trong đó: hpg - chiều sâu phân giới.
Các ký hiệu khác như hình 1.16, cơng thức (1-8) và (1-9) được dùng
trường hợp khi cửa van trên đỉnh đập mở hoàn toàn, cột nước trên đỉnh
2
3

H≤ Ch và cũng có thể tính gần đúng cho trường hợp mở cửa van với một độ

Trang 16

mở nào đó. Cơng thức (1-8) chỉ đúng với điều kiện
thường dùng nhất. Nếu

a
≥ 0,2 là trường hợp
Ch

a
< 0,2, T.N.Axtafitsêva đề nghị [10]:
Ch


a 
hgh1 = 0,82a +  3,44 − 7 h pg ;
Ch 


(1-10)

Dịng mặt khơng ngập u cầu hh > hc” của nước chảy đáy, đồng thời
hh> a, thường dùng chiều cao a = (0,25 ÷ 0,35) chiều cao đập. Góc nghiêng θ
ở chân đập có ảnh hưởng đến trạng thái chảy, θ lớn quá có thể sinh chảy phóng
xa, bé q có thể xuất hiện dịng chảy đáy. Thường dùng θ < 100 ÷ 150 là thích
hợp.
Hình thức tiêu năng mặt cịn một số nhược điểm là làm việc không
ổn định khi mực nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng ảnh hưởng

đến sự làm việc của các cơng trình khác như thuỷ điện, âu tàu và xói lở bờ
sơng.
1.2.3. Tiêu năng phóng xa (xem hình 1.9d)
a. Đặc điểm:
Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưu
để dịng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập. Dịng chảy được khuếch
tán trong khơng khí, sau đó đổ xuống lịng sơng. Do dịng chảy được tiêu hao
năng lượng rất lớn trong khơng khí nên giảm năng lực xói lịng sơng và giảm
ảnh hưởng nguy hại đến an tồn đập. Ở hình thức này, năng lượng dịng chảy
được tiêu hao trong khơng khí và một phần ở lịng sơng. Dịng chảy phóng
xuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định nào đấy thì năng lượng
thừa của dịng chảy được hồn tồn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, cho nên nếu
chiều sâu nước hạ lưu càng lớn càng giảm được xói lở lịng sông.


Trang 17

Độ dài phóng xa càng lớn càng có lợi. Đập tràn càng cao, độ dài lấy
càng lớn. Trái lại, đập thấp thì chiều dài phóng xa càng ngắn, nếu dùng hình
thức tiêu năng này sẽ bị hạn chế.
Để đạt được hiệu quả tiêu năng cao, chúng ta muốn chiều dài phóng
xa lớn, mà u cầu xói lở lại ít, nhưng thực tế chiều dài phóng xa càng lớn thì
khả năng xói lở càng lớn, do đó trong thiết kế thường dùng tỷ số

t0
làm tiêu
L

chuẩn khống chế, trong đó t0 – chiều sâu lớn nhất của hố xói, L – khoảng cách
từ đáy hố xói đến chân đập. Tốt nhất chọn tỷ số

t0
là nhỏ nhất. Độ phóng xa
L

của dịng phun chủ yếu phụ thuộc: lưu tốc trên mũi phun, góc phun, cao trình
mũi phun, bán kính cong mặt tràn gần mũi phun v.v... Chiều sâu và phạm vi
xói lở phụ thuộc: độ sâu nước hạ lưu, địa chất lịng sơng, chênh lệch mực
nước thượng hạ lưu (lưu tốc), lưu lượng đơn vị, tình hình khuếch tán của
dịng chảy.
b. Các hình thức kết cấu mũi phun:
- Mũi phun liên tục (hình 1.17)
Với quan điểm chiều dài phun lớn thì người ta dùng hình thức này. Ưu
điểm là cấu tạo đơn giản, khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dịng chảy
khuếch tán kém và xói lở lịng sơng nhiều. Có thể làm các tường phân dòng
nối liền trụ pin kéo dài đến phần mũi phun (hình 1.17b) để cho dịng chảy
tập trung ở trên mặt tràn và giảm tổn thất thuỷ lực. Như vậy chiều dài
dòng phun tăng và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặt bằng cũng được
mở rộng. Khi thiết kế mũi phun liên tục cần chú ý: góc nghiêng α của mũi
phun thường dùng 300 ÷ 350 là hợp lý, bán kính cong R của ngưỡng phun
khơng nên lấy R < 6h, phải đảm bảo R > (8 ÷ 10)h (h – độ sâu nước trên
ngưỡng), cao trình ngưỡng phun càng thấp thì góc nghiêng của dịng nước đổ
xuống mặt nước hạ lưu càng nhỏ, hố xói càng nơng. Vì vậy cao trình ngưỡng


Trang 18

càng thấp càng có lợi, nhưng phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu
khoảng 1 ÷ 2m. [10]

R=
6h

a)

b)

Hình 1.16. Mũi phun liên tục
- Mũi phun khơng liên tục (hình 1.18) là loại cải tiến của mũi phun
liên tục. Dòng chảy trên mũi phun được phân thành các phần trên đỉnh răng
và ở giữa các khe răng. Theo phương thẳng đứng dòng chảy được khuếch tán
nhiều hơn so với mũi phun liên tục, đồng thời có sự va chạm các tia dịng nên
có thể tiêu hao một phần năng lượng, giảm khả năng xói, chiều sâu hố xói có thể
giảm được 35% so với mũi phun liên tục, nhưng chiều dài phóng xa kém hơn.


Trang 19

a)

b)
35 °

A

A- A

30 °

a1

a2 d

A

b
a

Hình 1.17. Mũi phun khơng liên tục
Theo thí nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun khơng liên tục
có răng hình chữ nhật (hình 1.18a) như sau [10]:
α1 - α2 ≈ 5 ÷ 100, tỷ số giữa chiều rộng khe a và chiều rộng răng b là
a
1
1
≈ ÷ , tỷ số giữa độ lệch của mũi d và độ sâu nước trên mũi phun h
b
3
2

thường khống chế vào khoảng 0,5 <

d
< 1,0 là thích hợp, khi lưu tốc lớn hơn
h

20m/s. Nhược điểm của mũi phun kiểu răng chữ nhật là dòng chảy ở giữa các
khe rất tập trung, khó khuếch tán, nên người ta thường dùng mũi phun lệch
hình thang (hình 1.18b) để khắc phục.
1.3 Bố trí các mố tiêu năng
Mố tiêu năng, tường và mố phân dịng là những vật xây dựng thường

có hình khối trụ hoặc chữ nhật bằng bê tơng hoặc đá xây, xây nhơ lên được bố
trí ở hạ lưu cơng trình tháo nước để cải thiện điều kiện tiêu năng và phân tán
dòng chảy trên mặt bằng. Điều kiện chảy bao quanh các mố và tường này
thường là không thuận nên khi dịng chảy có lưu tốc lớn thì thường xuất hiện
khí hóa và có thể dẫn đến khí thực làm hư hỏng các thiết bị này.
Thí nghiệm chứng minh rằng, nếu bố trí thích hợp các mố tiêu năng đó có
thể giảm được (20% + 30%)hc”.


Trang 20

b)

a)

L

P

C

d)
15

C

2,5

P

P

c)

5 10 5

37 3

C

7,5

P

L

Hình 1.18. Hình thức các thiết bị tiêu năng
- Ngưỡng tiêu năng (hình 1.19a) ngập trong nước nhảy, góc nghiêng
mái thượng lưu ngưỡng nhỏ hơn 900 và lớn hơn 600 thì khơng ảnh hưởng đến
hiệu quả tiêu năng. Vị trí ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau.
- Mố tiêu năng (hình 1.19b, c, d) thường bố trí gần nơi bắt đầu của sân
sau, tại khu vực dịng chảy có lưu tốc cao, cách chân đập một đoạn dài hơn
chiều sâu phân giới của dòng chảy. Kích thước và vị trí mố có ảnh hưởng
lớn đối với dịng chảy. Theo thí nghiệm, kích thước mố nên lấy như sau:
Chiều cao mố dm = (0,75 ÷ 1,0)hc, chiều rộng mố bm = (0,5 ÷ 1) dm,
khoảng cách Bm giữa mép của hai mố gần nhau Bm < bm. Nếu bố trí hai hàng
mố, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng. Khoảng cách giữa hai hàng
mố Lm = (2 ÷ 3)dm, bố trí các mố theo hình hoa mai. Chọn số hàng mố cịn
phụ thuộc vào hình thức mố, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bố khơng tốt.
Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.20): để cải thiện điều kiện thuỷ lực,

ở cạnh mép mố thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực.


Trang 21

Mố phân dịng có thể làm cho dịng chảy có lưu tốc cao ở chân đập
chuyển thành trạng thái dịng chảy có lợi. Nói chung sau mố phân dịng nên có
mố tiêu năng (hình 1.19d); do ở giữa các mố phân dịng có dịng chảy tập
trung, sau đó gặp phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng
tăng

hem.

a)

b)

c)

d)

Hình 1.19. Các hình thức mố tiêu năng
Mặc dù mố tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng nó lại
là vật cản khơng thuận dịng do đó dịng chảy đi qua dễ sinh ra hiện tượng khí
thực gây nên những hư hỏng cho cơng trình dẫn đến việc tiêu năng khơng đạt
được hiệu quả đúng như thiết kế ban đầu. Trong thực tế đã ở Việt Nam nhiều
cơng trình lớn đã xảy ra hiện tượng khí thực tại mố tiêu năng, gây hỏng hóc
cơng trình như: thủy điện Thác Bà, Thủy điện Phú Ninh ( mố phân dịng ).
Trước đây, trong thiết kế cơng trình tháo nước ở Việt Nam, vấn đề khí
hóa và khí thực tại các bộ phận cơng trinh chưa được chú ý đúng mức. Ngày

nay, với sự phát triển mạnh mẽ của xây dựng thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là
với cơng trình có cột nước cao, lưu lượng tháo lớn, việc tính tốn khí thực đã
được quan tâm nhiều hơn. Năm 2006 bộ nông nghiệp và PTNT đã ban hành
tiêu chuẩn ngành 14TCN 198 – 2006: cơng trình thủy lợi – các cơng trình
tháo nước – hướng dẫn tính tốn khí thực [1]. Việc áp dụng các biện pháp
phịng chống khí thực đã được áp dụng ở các đập lớn như Hịa Bình, Sơn La,


Trang 22

Lai Châu, Cửa Đạt… Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên
cứu, trong đó có các khía cạnh về khí thực ở mố tiêu năng, điều kiện bố trí mố
tiêu năng để khơng phát sinh khí hóa, khí thực, giải pháp phịng khí thực cho
mố tiêu năng khi phải làm việc trong điều kiện có khí hóa…
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là khí thực ở các mố tiêu năng sau
cơng trình tháo nước, trong đó cần chú trọng các vấn đề:
- Chế độ thủy lực tại các mố tiêu năng.
- Bố trí và tính tốn các thơng số của thiết bị tiếp khí cho mố tiêu
năng.
- Dự báo khí hóa, khí thực tại các mố và biện pháp phịng tránh.


Trang 23

CHƯƠNG 2:
LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HĨA VÀ KHÍ THỰC, ÁP DỤNG CHO MỐ
TIÊU NĂNG.
2.1 Khái niệm khí hóa và điều kiện phát sinh khí hóa.
2.1.1 Hiện tượng khí hóa ( cavitation )

Khí hóa được định nghĩa là sự hình thành các bọt hay phần tử rỗng
trong lòng chất lỏng. Nếu phần rỗng đó chủ yếu chứa đầy hơi nước thì q
trình đó được xếp vào loại khí hóa hơi, nếu phần rỗng đó chứa đầy khí thì q
trình đó được gọi là hóa khí.
Trong các kết cấu thủy cơng, nước chứa các bọt khơng khí và rất
nhiều loại tạp chất phức tạp với các kích thước khác nhau. Những bọt khơng
khí cùng với các chất này trong nước chính là điều kiện tạo ra hiện tượng khí
hóa. Tuy nhiên sự bốc hơi là yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự phát triển
của các bọt gây khí hóa. Sự có mặt của các bọt khơng khí trong chất lỏng
cũng có ảnh hưởng tới sự phá hoại và tiếng ồn được gây ra trong q trình khí
hóa. Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất lỏng khi áp lực trong đó giảm
đến một giới hạn làm mất đi tính tồn khối của chất lỏng đó. Sự bắt đầu khí
hóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt li ty chứa đầy khí và hơi của
chất lỏng đang xét. Đây chính là hiện tượng sơi của chất lỏng ở nhiệt độ bình
thường khi áp suất trong đó giảm đến một giới hạn nhất định.
2.1.2. Điều kiện phát sinh khí hóa.
Đối với các CTTN, chất lỏng được xét đến là nước, hơi xuất hiện dưới
dạng các bong bóng là hơi nước, áp suất phân giới chính là áp suất hóa hơi
của nước ở nhiệt độ tương ứng.
Như vậy điều kiện phát sinh khí hóa tại 1 khu vực nào đó dịng chảy là
khi ở đó có:


Trang 24

p ≤ ppg Hoặc H ≤ Hpg

(2-1)

Trong đó:

p- Áp suất tuyệt đối tại khu vực đang xét.
H- Cột nước áp lực tương ứng với p.
ppg- Áp suất phân giới của nước.
Hpg- Cột nước tương ứng với ppg.
Các bong bong khí được hình thành tập trung trong một khu vực nhất
định của dịng chảy gọi là đuốc khí ( hình 2.1 ). Phạm vi của đuốc khí có thể
dài, ngắn khác nhau tùy theo mức độ mạnh yếu của khí hóa.

Ld

Zm

d

Ld
b)

a)
Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí.

a - Khi chảy bao quanh bậc lồi; b- Chảy bao quanh hình trụ.
2.2 Khí thực và điều kiện khí phát sinh khí thực.
2.2.1 Khí thực ( cavitation erosion ).
Khi khí hóa đủ mạnh và duy trì trong một thời gian nhất định thì sẽ
dẫn đến hiện tượng bong tróc, phá hoại vật liệu, xâm thực về mặt lịng dẫn,
phá hủy thành rắn. Đó là hiện tượng khi thực.
Đối với thành lòng dẫn bằng vật liệu bê tơng thì sự phá hoại do khí
thực chủ yếu là từ tác động cơ học. Các bong bong khí được hình thành tập
trung trong vùng hạ áp sẽ được dịng chảy cuốn theo đến vùng có áp suất cao
hơn, chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị tiêu hủy. Nếu sự tiêu hủy này xảy ra