Nghiên cứu lựa chọn giải pháp hợp lý khắc phục khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước áp dụng cho tràn xả lũ hồ yên lập
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.93 MB, 99 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xincam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn
nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn
Vũ Quang Hậu
i
LỜI CẢM ƠN
Hiện nay, ngày càng nhiều các cơng trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng để khai
thác năng lượng của nguồn nước phục vụ cho nhu cầu sản xuất và dân sinh kinh tế góp
phần thúc đẩy đất nước phát triển. Tuy nhiên việc sử dụng các biện pháp cơng trình
khai thác tiềm năng của dịng chảy tự nhiên là một điều không hề dễ dàng, một trong
những vấn đề chúng ta phải đối mặt ở hầu hết các cơng trình là sự xuất hiện các hiện
tượng thủy lực bất lợi của dịng chảy có lưu tốc cao trên cơng trình tháo, trong đó nổi
bật hơn cả là hiện tượng khí hóa – khí thực. Khí thực tác động lên cơng trình làm phá
hỏng vật liệu bề mặt lòng dẫn hoặc các thiết bị tiêu năng đặt trong lịng dẫn, nếu diễn
biến lâu dài khí thực có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng trong quá trình khai thác sử
dụng cơng trình. Chính vì thế việc tìm hiểu, nghiên cứu về khí thực để đưa ra các giải
pháp phịng tránh và khắc phục cho cơng trình ngày càng trở nên cấp thiết. Nhận thấy
tầm quan trọng của cơng tác nghiên cứu tính tốn về khí thực ở các cơng trình tháo, tác
giả đã quyết định lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ: “ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HỢP
LÝ ĐỂ KHẮC PHỤC KHÍ THỰC Ở DẦM TIÊU NĂNG TRÊN DỐC NƯỚC – ÁP
DỤNG CHO TRÀN XẢ LŨ HỒ YÊN LẬP ”.
Qua đây tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo GS.TS. Phạm Ngọc
Quý, là người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong thời gian tác giả thực
hiện bài luận văn này. Bên cạnh đó, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy
cô giáo trong nhà trường và các bạn bè, người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và góp ý để
tác giả hồn thành bài luận văn.
Do thời gian cũng như kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên việc nghiên cứu
và thực hiện đề tài khơng thể tránh khỏi những thiết sót, rất mong được sự chỉ bảo của
thầy cơ giáo, sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để đề
tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn !
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii
MỤC LỤC..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1.
Tính cấp thiết của đề tài: .................................................................................... 1
2.
Mục tiêu nghiên cứu: ......................................................................................... 2
3.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: ....................................................... 2
4.
Kết quả đạt được ................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DỐC NƯỚC VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG THỦY
LỰC BẤT LỢI TRÊN DỐC NƯỚC ........................................................................... 4
1.1 Khái quát về dốc nước ....................................................................................... 4
1.1.1
Dốc nước và phân loại dốc nước ............................................................... 4
1.1.2
Đặc điểm cấu tạo và chức năng của dốc nước .......................................... 8
1.1.3
Phạm vi ứng dụng của dốc nước ............................................................. 16
1.2 Tổng quan về các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc nước .......................... 17
1.2.1
Đặc điểm của dòng chảy trên dốc nước .................................................. 17
1.2.2
Các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc nước ........................................ 18
1.3 Giải pháp khắc phục các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc nước ............... 25
1.3.1
Các giải pháp đã được nêu ra trong các tài liệu giáo trình ...................... 25
1.3.2
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................... 27
1.4 Các vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu .......................................................... 31
1.4.1
Các vấn đề tồn tại .................................................................................... 31
1.4.2
Hướng nghiên cứu ................................................................................... 32
1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 32
iii
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG KHÍ HĨA VÀ KHÍ THỰC
Ở DẦM TIÊU NĂNG TRÊN DỐC NƯỚC .............................................................. 33
2.1 Hiện tượng khí hóa........................................................................................... 33
2.1.1
Khái niệm ................................................................................................ 33
2.1.2
Điều kiện phát sinh khí hóa ..................................................................... 34
2.1.3
Các thơng số đặc trưng của khí hóa ........................................................ 34
2.2 Hiện tượng khí thực ......................................................................................... 36
2.2.1
Khái niệm ................................................................................................ 36
2.2.2
Cơ chế phát sinh khí thực ........................................................................ 36
2.2.3
Thơng số đặc trưng của khí thực ............................................................. 38
2.3 Khí hóa – khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước.......................................... 40
2.3.1
Hình thức dầm tiêu năng trên dốc nước .................................................. 40
2.3.2
Đặc điểm thủy lực của dòng chảy trong dốc nước có bố trí dầm tiêu năng
…………………………………………………………………………………..41
2.3.3
Hiện tượng khí hóa khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước .................. 42
2.4 Kiểm tra sự xuất hiện khí hóa tại các dầm tiêu năng trên dốc nước ................ 43
2.4.1
Công thức chung ..................................................................................... 43
2.4.2
Kiểm tra sự xuất hiện khí hóa tại dầm tiêu năng trên dốc nước ............. 43
2.5 Kiểm tra khả năng xâm thực lòng dẫn tại các dầm tiêu năng trên dốc nước ... 47
2.5.1
Nguyên tắc kiểm tra khí thực .................................................................. 47
2.5.2
Kiểm tra khả năng xâm thực tại các vị trí dầm tiêu năng trên dốc nước 47
2.6 Các giải pháp phịng tránh và khắc phục khí thực tại dầm tiêu năng trên dốc
nước ………………………………………………………………………………..48
2.6.1
Giới hạn khí hóa dịng chảy ở giai đoạn đầu ........................................... 48
2.6.2
Lựa chọn vật liệu theo độ bền khí thực ................................................... 49
2.6.3
Dẫn khơng khí vào miền hạ áp ................................................................ 51
2.6.4
Dẫn nước vào vùng hạ áp ........................................................................ 54
2.6.5
Nâng cao chất lượng thi cơng .................................................................. 56
2.6.6
Lập quy trình vận hành hợp lý ................................................................ 57
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 59
iv
CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ KHẮC PHỤC KHÍ THỰC Ở
DẦM TIÊU NĂNG TRÊN DỐC NƯỚC CỦA TRÀN XẢ LŨ HỒ YÊN LẬP ..... 60
3.1 Giới thiệu công trình ........................................................................................ 60
3.1.1
Vị trí của cơng trình ................................................................................ 60
3.1.2
Quy mơ cơng trình................................................................................... 61
3.2 Hiện trạng khí hóa – khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước ........................ 66
3.2.1
Hiện trạng của tràn xả lũ ......................................................................... 66
3.2.2
Hiện trạng khí hóa – khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước ................ 67
3.3 Kiểm tra khí hóa – khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước ........................... 68
3.3.1
Số liệu và trường hợp tính tốn ............................................................... 68
3.3.2
Kiểm tra khả năng khí hóa ở dầm tiêu năng ........................................... 69
3.3.3
Kiểm tra khả năng xâm thực tại dầm tiêu năng theo lưu tốc ngưỡng xâm
thực….…………………………………………………………………………..70
3.3.4
Kết luận khả năng khí hóa – khí thực ở dầm tiêu năng ........................... 71
3.4 Lựa chọn giải pháp hợp lý khắc phục khí thực tại các dầm tiêu năng. ............ 71
3.4.1
Tiêu chí lựa chọn giải pháp ..................................................................... 71
3.4.2
Các giải pháp khắc phục.......................................................................... 73
3.4.3
Lựa chọn giải pháp hợp lý ....................................................................... 80
3.5 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 84
1. Kết luận ................................................................................................................. 84
2. Những vấn đề tồn tại ............................................................................................ 85
3. Các kiến nghị ........................................................................................................ 85
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 86
v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ dồ dốc nước điển hình…………………………………………………….4
Hình 1.2 Phân loại dốc nước theo địa chất nền…..…………………………………….5
Hình 1.3 Phân loại dốc nước theo vật liệu……………………………………………..6
Hình 1.4 Phân loại dốc nước theo tuyến…………………………………...…………..6
Hình 1.5 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt cắt dọc…………………….………..6
Hình 1.6 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt bằng…………………….…………..7
Hình 1.7 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt cắt ngang…………………….……..7
Hình 1.8 Phân loại dốc nước theo độ dốc………………………………………..……..7
Hình 1.9 Phân loại dốc nước theo hình thức kết hợp..………………………….….…..7
Hình 1.10 Phân loại dốc nước theo hình thức nhám trên thân dốc…………..…….…..8
Hình 1.11 Phân loại dốc nước theo hình thức tiêu năng cuối dốc……………………..8
Hình 1.12 Các hình thức kết cấu bản đáy dốc nước.……………………………..…..10
Hình 1.13 Đoạn thu hẹp dốc nước……...……………………………………………..11
Hình 1.14 Đoạn cong của dốc nước……………………………………….………….11
Hình 1.15 Các loại mố nhám gia cường…..………….……………………………….12
Hình 1.16 Các hình thức tiêu năng đáy……………………………………………….13
Hình 1.17 Các hình thức tiêu năng phóng xa…………………………………………13
Hình 1.18 Mố hắt và tương hướng dịng cuối máng phun……………………………14
Hình 1.19 Dốc nước sau ngưỡng tràn………………………………………………...14
Hình 1.20 Dốc nước tràn xả lũ bên vai đập..……………………………….…………15
Hình 1.21 Dốc nước nối tiếp tuyến kênh qua khu vực địa hình dốc….………………15
Hình 1.22 Khí thực trên dốc nước và mố tiêu năng…………………..………………19
Hình 1.23 Sơ đồ dịng chảy tự hàm khí…….…………………………………………20
Hình 1.24 Cơ chế cuốn khơng khí vào dịng chảy qua mặt thống...…………………20
Hình 1.25 Sự hình thành sóng xiên………………………………...…………………22
Hình 1.26 Sóng xiên thoải và sóng xiên dốc.…………………………………………22
Hình 1.27 Sóng trong dốc nước………………………………………………….……23
Hình 1.28 Mố nhám dạng dầm vng góc trên dốc nước……………………….……25
Hình 1.29 Mũi phun phân tán dịng chảy….…………………………………….……25
Hình 1.30 Mặt cắt dốc hình tam giác và hình parabol..………………………….……26
Hình 1.31 Giải pháp tăng chiều cao tường bên khi có hàm khí…...…………….……26
Hình 1.32 Kết cấu phương án kiến nghị của bài nghiên cứu……...…………….……27
Hình 1.33 Hình ảnh xâm thực do mực nước thay đổi……...……...…………….……28
Hình 1.34 Hình ảnh thẩm thiết vơi từ trong bê tơng ra ngồi ..…...…………….……28
Hình 1.35 Khí thực trên mặt mũi phun đường tràn xả lũ hồ Kẻ Gỗ.…………….……29
Hình 1.36 Sơ đồ bố trí bộ phận tiếp khí trên tràn xả lũ Cửa Đạt…..…………….……29
Hình 1.37 Đập Hoover – Mỹ……………………………….....…...…………….……30
Hình 1.38 Bố trí ống thơng nước cho mố tiêu năng…………………….....…….……31
Hình 2.1 Hiện tượng khí hóa……………………….…………………………………33
Hình 2.2 Ảnh hưởng của giai đoạn khí hóa đến cường độ khí thực…..………………36
Hình 2.3 Sơ đồ lan truyền sóng xung kích khi tiêu bong bóng khí bị tiêu hủy.………37
vi
Hình 2.4 Quan hệ V ng = f (R b , S) của bê
tơng.…………………………………..……39
Hình 2.5 Sơ đồ bố trí dầm tiêu năng trên dốc nước……......................………………40
Hình 2.6 Các dạng dịng chảy trên dốc nước có dầm tiêu năng……....………………41
Hình 2.7 Hiện tượng khí hóa và khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước……………42
Hình 2.8 Sơ đồ xác định K pg của bậc lồi theo chiều dịng chảy……....………………43
Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ ξ 1 = f(y/Δ); ξ 2 = f(δ/Δ); δ/Δ = f(L/Δ)…..…..………………46
Hình 2.10 Giải pháp bọc thép bề mặt dầm tiêu năng…………………………………49
Hình 2.11 Các hình thức bố trí hệ thống tiếp khí cho dầm tiêu năng…………………51
Hình 2.12 Tiếp khí cho dầm tiêu năng với cơng trình làm mới………………………52
Hình 2.13 Tiếp khí cho dầm tiêu năng với cơng trình sửa chữa...……………………53
Hình 2.14 Bố trí dẫn nước vào vùng hạ áp phía sau dầm tiêu năng.…………….……55
Hình 3.1 Vị trí cụm cơng trình đầu mối trên bản đơ Tỉnh Quảng Ninh…..………..…60
Hình 3.2 Mặt bằng cụm đầu mối…………………...……………………..………..…61
Hình 3.3 Hình ảnh đập chính cơng trình hồ chứa nước Yên Lập …………….........…62
Hình 3.4 Mặt cắt đập chính……………….…………..…………………..………..…62
Hình 3.5 Hình ảnh thượng – hạ lưu tràn xả lũ….……..…………………..………..…64
Hình 3.6 Mặt bằng và cắt dọc tràn xả lũ…….….……..…………………..………..…64
Hình 3.7 Hình ảnh tháp van và hạ lưu cống lấy nước...…………………..………..…65
Hình 3.8 Hình ảnh các dầm tiêu năng bố trí trên dốc nước ..……………..………..…66
Hình 3.9 Hình ảnh hiện trạng khí thực tại vị trí các dầm tiêu năng .……..………..…67
Hình 3.10 Giải pháp gia cố dầm bằng bê tơng M25...……...……………..………..…74
Hình 3.11 Bố trí gờ chắn nước tiếp khí cho dầm tiêu năng…………...…..………..…76
Hình 3.12 Sơ đồ tính kích thước gờ chắn…………...…………………….………..…76
Hình 3.13 Bố trí ống thơng nước dưới đáy dầm….....…………………….………..…78
Hình 3.14 Giải pháp lựa chọn hình thức làm gờ chắn …...……………….………..…83
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Giá trị áp suất hóa hơi của nước ở các nhiệt độ khác nhau ………………..33
Bảng 2.2 Quan hệ giữa cột nước áp lực khí trời và cao độ ………………………..…44
Bảng 2.3 Trị số của cột nước áp lực phân giới …………..………………………...…44
Bảng 2.4 Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt của một số vật liệu chính …...…45
Bảng 3.1 Tính tốn đường mặt nước trong dốc nước có dầm tiêu năng ………......…86
Bảng 3.2 Tính tốn đường mặt nước trong dốc nước có dầm tiêu năng (tiếp theo)..…87
Bảng 3.3 Tính tốn hệ số khí hóa thực tế của dịng chảy tại các dầm tiêu năng.......…88
Bảng 3.4 Tính tốn hệ số khí hóa thực tế của dịng chảy tại các dầm tiêu năng (tiếp
theo)...........................................................................................................................…89
Bảng 3.5 Tính tốn khả năng tự hàm khí của dịng chảy trên dốc……………........…90
viii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong những năm gần đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn cơng 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 và hiệu quả 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. Khả năng tháo nước và sự làm việc an tồn của cơng trình tháo nước có ảnh
hưởng trực tiếp đến an tồn bản thân cơng trình đầu mối cũng như khu vực hạ du cơng
trình. Đặc thù của cơng trình tháo nước là làm việc trong điều kiện có chênh lệch rõ rệt
mực nước thượng hạ lưu, dịng chảy qua cơng trình tháo nước thường là dịng xiết và
có thể gây ra các hiện tượng thủy lực bất lợi như hàm khí, khí thực, sóng xung kích,
xói lở hạ lưu… Vì vậy việc tính toán kiểm tra khả năng xảy ra các hiện tượng thủy lực
bất lợi trong q trình xả lũ của cơng trình tháo là hết sức cần thiết, từ đó nghiên cứu
đề ra các giải pháp hợp lý phòng tránh và khắc phục đảm bảo khả năng làm việc của
cơng trình tháo và an tồn cho cơng trình.
Đáng chú ý là vấn đề khí hóa – khí thực vẫn đang là một trong những nguyên nhân
chính gây ra các sự cố hư hỏng trong quá trình vận hành đối với các cơng trình đã xây
dựng và chưa được chú trọng đúng mức đối với các cơng trình xây mới. 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 và các biện pháp kĩ thuật chun mơn để phịng
ngừa sự cố, cùng với đó ở các cơng trình đã xây dựng cũng cần tính tốn kiểm tra để
có biện pháp khắc phục hợp lý và kịp thời.
Thực trạng ở nước ta đa phần các hồ chứa xây dựng lâu năm có hình thức đập dâng là
đập vật liệu đia phương với dạng cơng trình tháo phổ biến là tràn xả lũ bên vai đập.
Đối với tràn xả lũ ở các cơng trình này thường bố trí dốc nước ngay sau ngưỡng tràn
để tháo nước về hạ lưu. Dốc nước thường khá dài và có độ dốc thuận chiều dịng chảy
nên lưu tốc dòng chảy rất lớn, vấn đề lưu tốc lớn chinh là nguyên nhân làm xuất hiện
1
các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc nước gây nguy hiểm cho cơng trình nhất là đối
với các cơng trình đã làm việc một thời gian dài. Đã có nhiều cơng trình xảy ra sự cố
hư hỏng bề mặt ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc do các ngun nhân liên quan đến
hiện tượng khí hóa – khí thực gây ra như đườn tràn cơng trình đầu mối Hịa Bình, Nam
Thạch Hãn, Thác Bà, Phú Ninh…
Cơng trình hồ chứa nước n Lập là một ví dụ điển hình cho việc dốc nước của tràn
xả lũ bị xâm thực tại vị trí các dầm tiêu năng bố trí trên bề mặt dốc nước. Để khắc
phục được hiện tượng này cần phải nghiên cứu tính tốn lựa chọn giải pháp tiếp khí
hợp lý cho dầm tiêu năng trên dốc nước đảm bảo được hiệu quả tháo nước và an toàn
cho cơng trình.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu hiện tượng khí thực trên dốc nước xảy ra ở các dầm tiêu năng và giải
pháp phòng tránh, khắc phục.
- Đề xuất giải pháp hợp lý khắc phục khí thực ở dầm tiêu năng trên dốc nước.
- Áp dụng đưa ra giải pháp hợp lý khắc phục khí thực ở dầm tiêu năng cho dốc nước
tràn xả lũ hồ Yên Lập.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
3.1. Cách tiếp cận:
- Tìm hiểu về thực trạng khí hóa – khí thực tại các cơng trình thủy lợi
- Những vấn đề đặt ra từ thực tế
3.2. Phương pháp nghiên cứu:
- Kế thừa các nghiên cứu trước đã có.
- Thu thập tài liệu từ cơng trình thực tế.
- Tìm hiểu tài liệu lý thuyết, tham khảo các cơng thức thực nghiệm để tính toán, kiểm
tra và đề xuất các giải pháp.
2
- So sánh, phân tích và đánh giá kết quả và lựa chọn giải pháp hợp lý.
4. Kết quả đạt được
- Tổng quan về các cơng trình có bố trí dốc nước, đặc điểm và hình thức làm việc của
dốc nước;
- Nghiên cứu các hiện tượng thủy lực bất lợi xảy ra trên dốc nước và biện pháp khắc
phục;
- Tính toán kiểm tra và đưa ra giải pháp hợp lý khắc phục hiện tượng khí thực tại các
vị trí dầm tiêu năng trên dốc nước tràn xa lũ hồ Yên Lập.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ DỐC NƯỚC VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG
THỦY LỰC BẤT LỢI TRÊN DỐC NƯỚC
1.1
Khái quát về dốc nước
1.1.1 Dốc nước và phân loại dốc nước
1.1.1.1 Khái niệm dốc nước
a)
b)
Hình 1.1 Sơ đồ dốc nước điển hình
a) Cắt dọc dốc nước; b) Mặt bằng dốc nước
Dốc nước là một trong các thành phần cơng trình của đường tràn dọc tháo lũ ven bờ, là
loại kênh dẫn hở có độ dốc lớn, được xây dựng trên nền đất hoặc nền đá, nối tiếp sau
ngưỡng tràn để đưa nước xuống hạ lưu (hình 1.1).
Đường tràn dọc tháo lũ ven bờ là loại cơng trình tháo lũ kiểu mặt và thường gặp nhất
khi khơng được phép hoặc khơng có điều kiện để tháo nước qua thân đập. Các bộ phận
của đường tràn tháo lũ bao gồm kênh dẫn vào và tường cánh phía thượng lưu, ngưỡng
4
tràn (có thể là tràn tự do hoặc có cửa van), kênh tháo để đưa nước xuống hạ lưu (dốc
nước hoặc bậc nước) và bộ phận tiêu năng. Loại công trình này có các ưu điểm là:
+ Thi cơng và quản lí đơn giản vì nó dạng cơng trình hở;
+ Xây dựng được trong nhiều điều kiện địa hình khác nhau, có thể bố trí ở đầu
đập, sát ven bờ hoặc ở những vùng eo núi khác trong lưu vực, cách xa thân đập;
+ Yêu cầu về địa chất không cao, có thể xây trên nền đá, nền đá xấu và cả trên
nền đất;
+ Lưu lượng tháo có thể từ hàng chục m3/s đến hàng vạn m3/s, chiều dài diện
tràn từ hàng chục đến hàng trăm mét, tùy theo yêu cầu của cơng trình, phụ thuộc vào
địa chất của nền và hạ lưu cơng trình;
+ Việc sử dụng hoặc tăng khả năng tháo lũ của cơng trình khơng phức tạp như
cơng trình ngầm, độ an tồn về sự phịng tháo lũ lớn, do đó nó là loại cơng trình tháo
lũ an tồn.
Như vậy có thể thấy dốc nước là một thành phần rất quan trọng của đường tràn dọc
không chỉ có tác dụng tháo nước xuống hạ lưu mà cịn đảm bảo được sự an tồn cho
cơng trình khi hoạt động.
1.1.1.2 Phân loại dốc nước:
- Theo địa chất nền: dốc nước trên nền đá, dốc nước trên nền đất;
a)
Hình 1.2 Phân loại dốc nước theo địa chất nền
a) Dốc nước trên nền đất; b) Dốc nước trên nền đá
5
b)
- Theo vật liệu làm dốc nước: dốc nước làm bằng bê tông, dốc nước làm bằng bê tông
cốt thép, dốc nước làm bằng đá xây, dốc nước làm bằng chính bản thân mái đào có địa
chất tốt.
a)
b)
d)
c)
Hình 1.3 Phân loại dốc nước theo vật liệu
a) Dốc nước làm bằng bê tông cốt thép; b) Dốc nước làm bằng bê tông;
c) Dốc nước làm bằng đá xây; d) Dốc nước bằng chính mái đào địa chất tốt.
- Theo dạng tuyến: dốc nước thẳng, dốc nước cong;
a)
b)
Hình 1.4 Phân loại dốc nước theo tuyến
a) Tuyến thẳng; b) Tuyến cong
- Theo hình dạng mặt cắt dọc: dốc nước có độ dốc khơng đổi, dốc nước có độ dốc thay
đổi (gồm nhiều đoạn có độ dốc khác nhau), dốc nước có dạng mặt cắt dọc thích ứng
với điều kiện địa hình (dốc lượn).
i=c
ons
t
i = i1
i=i
2
i=i
3
a)
b)
c)
Hình 1.5 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt cắt dọc
a) Độ dốc không đổi; b) Độ dốc thay đổi (i 1 < i 2 < i 3 ); c) Uốn lượn theo địa hình
6
- Theo hình dạng mặt bằng: dốc nước có bề rộng khơng đổi, dốc nước có bề rộng thay
đổi (mở rộng hay thu hẹp dần);
a
B1
B= const
B3
B2
a)
B1
B4
B2
b)
B3
B4
c)
Hình 1.6 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt bằng
a) Bề rộng khơng đổi; b) Bề rộng mở rộng dần; c) Bề rộng thu hẹp dần
- Theo hình dạng mặt cắt ngang: Dốc nước có mặt cắt ngang hình chữ nhật; hình
thang; hình móng ngựa, hình bán nguyệt…
b)
a)
c)
d)
Hình 1.7 Phân loại dốc nước theo hình dạng mặt cắt ngang
a) Mặt cắt hình chữ nhật; b) Mặt cắt hình thang; c) Mặt cắt hình móng ngựa; d) Mặt
cắt hình bán nguyệt
- Theo độ dốc: Dốc nước có độ dốc lớn, dốc nước có độ dốc vừa, dốc nước có độ dốc
nhỏ.
i>
30%
30
%
a)
i < 10%
>i>
10%
c)
b)
Hình 1.8 Phân loại dốc nước theo độ dốc
a) Độ dốc lớn; b) Độ dốc vừa; c) Độ dốc nhỏ
- Theo hình thức kết cấu: Dốc nước độc lập, dốc nước kết hợp với bậc nước.
b)
a)
Hình 1.9 Phân loại dốc nước theo hình thức kết hợp
7
- Theo hình thức nhám trên thân dốc : Dốc nước có bố trí nhám, dốc nước khơng bố trí
nhám.
b)
a)
Hình 1.10 Phân loại dốc nước theo hình thức nhám trên thân dốc
a) Dốc nước khơng có mố nhám; b) Dốc nước có mố nhám
- Theo hình thức tiêu năng cuối dốc nước: Dốc nước có tiêu năng cuối dốc dạng tiêu
năng đáy (bể tiêu năng, bể kết hợp tường tiêu năng…); dốc nước có tiêu năng cuối dốc
dạng tiêu năng mặt (mũi phóng, máng phun kết hợp tường hướng dịng…)
b)
a)
Hình 1.11 Phân loại dốc nước theo hình thức tiêu năng cuối dốc
a) Hình thức bể tiêu năng; b) Hình thức mũi phun
1.1.2
Đặc điểm cấu tạo và chức năng của dốc nước
1.1.2.1 Đặc điểm cấu tạo
a) Đặc điểm mặt cắt ngang:
Dốc nước là dạng lịng dẫn hở nên hình dạng mặt cắt ngang của dốc nước mang đặc
tính điển hình của dạng kênh dẫn hở, tuy nhiên về chi tiết sẽ có sự khác nhau rõ rệt
trong các trường hợp dốc nước xây dựng trên nền đá và dốc nước xây dựng trên nền
đất cụ thể như sau:
- Đối với dốc nước xây dựng trên nền đất, mặt cắt ngang dốc thường có dạng hình
thang mái dốc 1:1 đến 1:1,5, cũng có trường hợp mặt cắt ngang hình chữ nhật hai bên
bờ là tường trọng lực (Hình 1.2a)
- Đối với dốc nước xây dựng trên nền đá, mặt cắt ngang thường là dạng hình chữ nhật
hoặc là hình thang mái rất dốc (Hình 1.2b).
8
b) Đặc điểm mặt cắt dọc:
- Đối với dốc nước trên nền đất, mặt cắt dọc dốc nước được chia thành một số đoạn
nhỏ và nối với nhau bởi khớp lún (Hình 1.5a,b). Chiều dài các đoạn dốc có thể ngắn
hoặc dài tùy thuộc vào hình dạng kết cấu mặt cắt ngang và độ dốc lựa chọn của dốc
nước, thông thường hay chọn chiều dài mỗi đoạn dốc không quá 15m.
- Đối với dốc nước trên nền đá, mặt cắt dọc dốc nước thường không chia đoạn mà
được làm liền khối với nhau, chiều dài dốc cũng thường ngắn hơn dốc trên nền đất do
có độ dốc lớn hơn nhiều. Ngoài ra mặt cắt dọc dốc nước trên nền đá cịn có dạng lượn
bám theo đường địa hình mái đá (Hình 1.5c).
c) Đặc điểm về độ dốc:
Điểm khác biệt rõ ràng nhất của dốc nước so với các hình thức kênh dẫn nước khác
chính là có độ dốc lịng dẫn lớn. Độ dốc của dốc nước thường phụ thuộc vào các yếu
tố địa hình, địa chất khu vực đặt dốc nước, kết cấu và vật liệu làm dốc nước…
- Đối với trường hợp xây dựng dốc nước trên nền đất hoặc khu vực địa chất yếu
thường lựa chọn hình thức có độ dốc khơng qua lớn và khơng đổi dọc theo chiều dài
tuyến để đảm bảo tính ổn định của cơng trình, trường hợp địa chất tốt như nền đá dốc
nước có độ dốc lớn có thể đạt tới 50%, ngồi ra độ dốc cũng có thể thay đổi theo địa
hình để giảm bớt khối lượng đào.
- Đối với những dốc nước cấu tạo bằng bê tông cốt thép thường có độ bền cao, khả
năng chống lúc tốt và đa dạng hơn về các hình thức do đó độ dốc của loại dốc nước
này thường tương đối lớn. Trái lại, với các loại dốc bằng bê tông không cốt thép hoặc
đá xây khả năng chịu lún kém dễ bị nứt gãy vì thế thường lựa chọn độ dốc khơng q
lớn và phân thành nhiều đoạn nhỏ để có thể bố trí khớp lún.
c) Đặc điểm về hình thức kết cấu bản đáy:
Bản đáy là bộ phận quan trọng nhất của dốc nước vì nó là vị trí chịu tải trọng trực tiếp
của khối nước chảy qua, đồng thời cũng là vị trí chịu nhiều tác động xâm thực và mài
9
mịn của dịng chảy. Hình thức cấu tạo của bản đáy phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm
địa chất nền đặt dốc nước:
- Trường hợp dốc nước xây dựng trên nền đất và đá xấu (Hình 1.12a), đáy dốc phải gia
cố bằng bản bê tông, bê tông cốt thép hoặc đá xây và độ dốc không nên vượt quá 8%.
Chiều dày bản lát dốc nước trên nền đất và đá xấu có thể tính sơ bộ theo biểu thức của
V.M. Dombrovxki : t = (0,030-0,035) α v h
t
neo thép
a)
b)
Hình 1.12 Các hình thức kết cấu bản đáy dốc nước
- Trường hợp xây dựng trên nền đá (Hình 1.12b), độ dốc của đáy lớn hơn, các bản bê
tông trên nền đá có chiều dày 0,15 -:- 0,6cm và nếu độ dốc lớn phải neo vào đá bằng
các neo thép ϕ20 đặt cách nhau 1-:-2m, một đầu chôn sâu vào đá khoảng 1m, đầu kia
gắn chặt vào bản bê tông. Trường hợp đặc biệt nếu nền đá tốt và không cần giảm độ
nhám thì có thể khơng làm bản bê tơng. Trong cả hai trường hợp (trên nền đá và trên
nền đất) bản đáy đều phải có lỗ thốt nước để giảm áp lực thấm và áp lực đẩy nổi.
d) Đặc điểm đoạn dốc thu hẹp:
Trong xây dựng dốc nước để tiết kiệm khối lượng cơng trình, dốc nước được làm có
bề rộng thu hẹp dần, tuy nhiên do thi công trên tuyến dài phức tạp nên thay vì làm dốc
thu hẹp dần thường bố trí một đoạn thu hẹp tại đầu dốc (hình 1.13). Hình dạng và kích
thước đoạn thu hẹp được sẽ được lựa chọn phù hợp dựa vào các kết quả tính tốn thủy
lực để đảm bảo sự ổn định của dòng chảy trước khi vào dốc nước.
10
Hình 1.13 Đoạn thu hẹp trên dốc nước
e) Đặc điểm đoạn dốc cong:
Khi muốn rút ngắn chiều dài dốc hoặc để tránh các chướng ngại vật của địa hình xây
dựng, dốc nước có thể làm dạng tuyến cong có một số đặc điểm như sau:
- Tại đoạn cong của dốc nước, tường bên phía bờ lõm thường làm cao hơn tường bên
phía bờ lồi (hình 1.14a) hoặc đáy ngang của dốc nước làm nghiêng một góc β < α
(hình 1.14b) để giảm khối lượng đào và chống hiện tượng tách dòng.
- Nếu bề rộng (B d ) và lưu tốc trong dốc lớn, có thể làm các tường phân dịng để phân
dòng chảy trong dốc thành nhiều luồng. Làm như vậy sẽ giảm được độ nghiêng của
mặt nước (hình 1.14c).
- Bán kính bờ lồi (r 1 ) nên chọn
r1
≥ 1,5 .
Bd
a)
b)
Hình 1.14 Đoạn cong của dốc nước
11
c)
g) Các hình thức tiêu năng của dốc nước:
- Các hình thức tiêu năng trên thân dốc:
Thiết bị tiêu năng bố trí trên thân dốc là các mố nhám gia cường có hình dạng khác
nhau, xây liền với đáy dốc nước hoặc cả hai bên tường để tăng thêm độ nhám, tăng ma
sát dọc đường. Kết quả là làm tăng chiều sâu dịng chảy trong dốc, giảm lưu tốc, thậm
chí có thể biến dịng xiết thành dịng êm và làm nhiệm vụ tiêu năng dọc theo dốc. Một
số dạng mố nhám gia cường hay sử dụng như:
+ Mố nhám hình dích dắc kép (hình 1.15a);
+ Mố nhám hình dích dắc đơn (hình 1.15b);
+ Mố nhám dạng dầm thẳng (dầm có góc hoặc dầm trịn) (hình 1.15c);
+ Mố nhám dạng thang đặt xen kẽ (hình 1.15d);
+ Mố nhám hình quân cờ (hình 1.15e);
+ Mố nhám kiểu bậc thang đặt xi dịng chảy (hình 1.15f);
+ Mố nhám kiểu bậc thang đặt ngược dịng chảy (hình 1.15g);
+ Mố nhám bên thành tường.
d)
a)
b)
e)
f)
c)
g)
Hình 1.15 Các loại mố nhám gia cường
12
- Các hình thức tiêu năng cuối dốc nước:
+ Tiêu năng đáy: lợi dụng nội ma sát của dòng chảy để tiêu hao năng lượng thừa. Các
hình thức điển hình như: bể tiêu năng, tường tiêu năng hoặc bể và tường tiêu năng kết
hợp… Bể tiêu năng có thể tạo ra bằng cách đào bể nối tiếp ở cuối dốc hoặc xây tường
trên sân tiêu năng để tạo bể, cũng có thể kết hợp cả đào bể và xây tường để tăng chiều
sâu cho bể (Hình 1.16). Ngồi ra để tăng hiệu quả tiêu năng của bể người ta còn bố trí
các mố hoặc dầm ngưỡng ở đáy bể tiêu năng. Hình thức tiêu năng đáy thường áp dụng
với các các dốc nước trên nền đất và cột nước thượng h lu chờnh lnh thp.
dốc nước
bể tiêu năng
tường tiêu năng
dốc níc
Hình 1.16 Các hình thức tiêu năng đáy
- Tiêu năng phóng xa: lợi dụng ma sát với khơng khí để tiêu hao một phần năng lượng,
còn lại năng lượng sẽ được tiêu tán khi nước rơi xuống lớp nước mặt ở hạ lưu. Hình
thức tiêu năng này thường làm mũi phun hoặc máng phun ở cuối dốc để tạo ra dịng
phun khuếch tán vào khơng khí và rơi xuống hạ lưu, lưu tốc sẽ giảm rất nhiều nên hạn
chế được khả năng xói lở hạ lưu (Hình 1.17).
dèc níc
mịi phun
hè xãi
dèc níc
m¸ng phun
hè xãi
Hình 1.17 Các hình thức tiêu năng phóng xa
13
Ngồi ra với hình thức máng phun, để giảm bớt năng lượng dịng nước phun ra có thể
bố trí các mố hắt nước ở cuối máng phun (Hình 1.18a), hoặc muốn giảm lưu lượng
đơn vị người ta dùng tường hướng dịng mở rộng (Hình 1.18b). Hình thức này áp dụng
với các dốc nước có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu trung bình và lớn với điều kiện
mực nước hạ lưu lớn nhất phải thấp hơn cao trình mũi phun hoặc máng phun.
a)
b)
Hình 1.18 Mố hắt và tường hướng dịng cuối máng phun;
1.1.2.2 Chức năng của dốc nước
- Tháo nước từ ngưỡng tràn xuống hạ lưu:
Đa số dốc nước được biết đến là một hình thức cơng trình nối tiếp hạ lưu của đập tràn
và có nhiệm vụ chính là tháo nước từ ngưỡng tràn xuống hạ lưu. Sự khác biệt cơ bản
của dốc nước với các loại kênh tháo thông thường là độ dốc lớn hơn nhiều do sự chênh
cao rất lớn giữa mực nước thượng lưu và mực nước hạ lưu, dòng chảy khi được tháo
từ trên cao xuống có lưu tốc cao và dễ phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bất lợi do
đó dốc nước ngồi nhiệm vụ dẫn nước còn cần đảm bảo sự ổn định về mặt thủy lực
của dịng chảy.
Hình 1.19 Dốc nước sau ngưỡng tràn
14
- Dẫn nước qua vùng có địa chất yếu:
Đối với tràn xả lũ bố trí bên vai của đập đất, hoặc vị trí cửa ra của các cống qua đường
có mái là đất đắp, dốc nước được xây dựng để tháo nước, hướng dịng chảy ra xa chân
cơng trình và đảm bảo an tồn cho mái đắp khơng cho dịng chảy mặt tác động trực
tiếp lên bề mặt, gây xói lở mái cơng trình.
Hình 1.20 Dốc nước tràn xả lũ bên vai đập
- Dẫn nước qua khu vực có địa hình đặc biệt:
Khi quá trình xây dựng các tuyến kênh dẫn nước qua các vị trí có địa hình dốc, các vị
trí chuyển tiếp có cao độ chênh lệch, dốc nước được xem như một hình thức cơng trình
hợp lý để dẫn nước qua các vị trí này. Ngồi ta khi độ dốc qua lớn có thể xem xét kết
hợp với hình thức bậc nước khi xây dựng dốc nước trong các trường hợp này.
Hình 1.21 Dốc nước nối tiếp tuyến kênh qua khu vực địa hình dốc
15
1.1.3 Phạm vi ứng dụng của dốc nước
Dốc nước thường được bố trí sau ngưỡng tràn và phụ thuộc vào các điều kiện địa hình,
địa chất đồng thời phải đạt yêu cầu thuận lợi về chế độ thủy lực, an tồn cho cơng trình
và giảm khối lượng cơng trình đến mức tối đa nên các tiêu chí mặt cắt dọc của dốc,
hình thức nối tiếp dốc với ngưỡng tràn và hình chiếu bằng của dốc nước có thể có các
dạng khác nhau phù hợp với từng điều kiện cụ thể như sau:
- Mặt cắt dọc của dốc nước chọn theo các tiêu chí:
+ Độ dốc khơng đổi i = const > i pg , thường áp dụng dốc trên nền đất;
+ Độ dốc thay đổi tùy theo địa hình (i 1 ≠ i 2 ≠ i 3 …) để giảm khối lượng cơng trình,
thường áp dụng dốc trên nền đá;
+ Độ dốc thích ứng với điều kiện địa hình, có thể là dốc lượn, áp dụng chỉ với dốc trên
nền đá.
- Hình chiếu bằng của dốc nước có thể lựa chọn như sau:
+ Tuyến của dốc nước có thể thẳng hoặc cong tùy theo điều kiện địa hình, địa chất,
bảo đảm khối lượng cơng trình hợp lý và dịng chảy sau phần tiêu năng không gây tác
hại cho đập và bờ;
+ Chiều rộng dốc nước có thể khơng đổi trong suốt chiều dài của dốc nước, hoặc để
tiết kiệm khối lượng cơng trình ở đầu dốc làm đoạn thu hẹp hoặc làm dốc nước thu hẹp
dần; trong tất cả các trường hợp đều phải đảm bảo trị số lưu lượng đơn vị ở cuối dốc
không vượt quá trị số lưu lượng đơn vị cho phép đối với mỗi loại nền.
- Lựa chọn hình thức của dốc nước:
+ Dốc nước làm độc lập (khơng kết hợp với các hình thức khác), hình thức này được
sử dụng rộng rãi khi cơng trình có cột nước thấp, tuyến dốc xây dựng trên khu vực địa
có địa hình địa chất ổn định.
+ Dốc nước được làm kết hợp với bậc nước khi tuyến đi qua khu vực địa hình dốc đột
ngột và địa chất yếu khơng đảm bảo sự ổn định cơng trình nếu làm dốc ở vị trí này, do
16
đó người ta lựa chọn hình thức xây bậc nối tiếp với dốc để khắc phục bất lợi trên.
Ngoài ra nhằm mục đích tiêu hao năng lượng dịng chảy khi đổ xuống hạ lưu có thể
dùng hình thức dốc nước kết hợp với bậc nước ở cuối dốc.
- Nối tiếp dốc nước với ngưỡng tràn lựa chọn các hình thức với từng trường hợp:
+ Nếu ngưỡng tràn là đập thấp , động năng ở chân đập không lớn, dốc nước thường
tiếp theo ngay sau đập (dốc có thể nối liền với mặt ngưỡng hoặc đỉnh ngưỡng cao hơn
đáy dốc nước);
+ Nếu ngưỡng tràn là đập cao (đập tràn thực dụng), ở chân đập thường bố trí hố tiêu
năng, tiêu hao bớt một phần năng lượng, sau đó mới nối tiếp vào dốc nước, tránh có
dịng chảy q xiết trong dốc nước;
+ Trên nền đá tốt, tuy ngưỡng tràn có thể cao, dịng xiết lớn, nhưng dốc nước có thể
nối tiếp theo đập và tập trung tiêu năng ở cuối dốc, thường dùng hình thức tiêu năng
mũi phun.
1.2
Tổng quan về các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc nước
1.2.1 Đặc điểm của dòng chảy trên dốc nước
- Dòng chảy trên dốc có hình thức chảy khơng áp:
Do đặc trưng của dốc nước là dạng kênh tháo kiểu hở, do đó dịng chảy trên dốc nước
ln có mặt thống khí phía trên. Hình thức chảy của dịng nước trên dốc là dạng chảy
khơng áp, hình thức chảy này ổn định và an tồn cho cơng trình hơn so với hình thức
chảy có áp.
- Dịng chảy trên dốc có lưu tốc lớn:
Do chênh lệch cột nước đầu dốc và cuối dốc cao nên dịng chảy trên dốc nước là dịng
xiết có lưu tốc rất lớn. Vấn đề lưu tốc lớn là nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng
thủy lực bất lợi của dịng chảy trên dốc nước như hàm khí, mài mịn lịng dẫn, xâm
thực do khí thực, sóng xiên… tác động trực tiếp lên cơng trình gây ra các sự cố hư
hỏng trong quá trình hoạt động. Khi xây dựng dốc nước cần tính tốn kiểm tra khả
17
