Bộ giáo dục và đào tạo Bộ nông nghiệp và ptnt Trờng đại học thuỷ lợi Trần trung dũng Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lu công trình tràn xả lũ bình điền Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ Mã số: 60.58.40 luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Lê Thị Nhật GS.TS Phạm Ngọc Quý Hà nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ với đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu quả của Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa Công trình, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã truyền thụ kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn. Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Phạm Ngọc Quý và TS. Lê Thị Nhật đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả có được kết quả như hôm nay là nhờ vào sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô giáo, cũng như sự động viên cổ vũ của cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong thời gian qua. Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp. Luận văn được hoàn thành tại Khoa công trình và Phòng đào tạo Đại học và sau Đại hoc, Trường Đại học Thuỷ Lợi. Hà Nội, Ngày tháng năm 2013 Học viên cao học Trần Trung Dũng BẢN CAM KẾT Họ và tên học viên: Trần Trung Dũng Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm. Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất cứ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Học viên cao học Trần Trung Dũng 1 MỞ ĐẦU I.ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, ở Việt Nam việc xây dựng các hồ chứa nước phục vụ cho việc cấp nước sinh hoạt, phát điện, nuôi trồng thủy sản, đáp ứng nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp ngày càng phổ biến. Trong công trình đầu mối hố chứa nước ngoài các hạng mục như đập, cống lấy nước thì tràn xả lũ là một hạng mục quan trọng trong hệ thống. Tràn có nhiệm vụ tháo nước thừa về mùa lũ, khống chế mực nước thượng lưu không cho vượt quá mức nước cho phép tương ứng với tần suất xả lũ thiết kế. Để đảm bảo cho tràn xả lũ làm việc bình thường là rất quan trọng, không những đảm bảo an toàn cho bản thân của công trình đầu mối mà còn cho cả lưu vực hạ lưu. Nước chảy qua công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn, dòng chảy đó có năng lượng thừa lớn. Khi chảy xuống hạ lưu, dòng chảy có thể gây ra xói lở lòng dẫn nếu không được gia cố đầy đủ. Từ đó có thể làm mất ổn định của công trình. Bởi vậy phải chuyển dòng chảy xiết thành dòng chảy êm nghĩa là tạo ra nước nhảy ở hạ lưu. Trạng thái thủy lực nối tiếp có nước nhảy diễn ra rất phức tạp, gây nên các sự cố lớn và phổ biến, ảnh hưởng trầm trọng đến độ bền và tuổi thọ của công trình. Khi xây dựng công trình dâng nước mực nước trước công trình tăng lên dẫn đến thế năng dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu thế năng đó chuyển hóa thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp thiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến an toàn công trình. Thêm vào đó việc xây dựng công trình thủy lợi trên sông đã phá hủy trạng thái cân bằng tự nhiên của lòng dẫn và có thể gây xói lở ở hạ lưu gây mất an toàn cho công trình. 2 Việc tính toán lựa chọn hình thức nối tiếp và tiêu năng cho công trình sao cho hợp lý đảm bảo an toàn và kinh tế là việc cần thiết. Đây là bài toán thường được đặt ra trong thực tiễn, cần sự nghiên cứu để ứng dụng giải quyết. Với lý do trên, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền” nhằm tìm ra được hình thức tiêu năng phòng xói hợp lý cho một số công trình cụ thể là tràn xả lũ Bình Điều – Thừa Thiên Huế. Từ kết quả nghiên cứu công trình cụ thể này, có thể rút ra được những kết luận chung cho những công trình có điều kiện tương tự. II. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp các kiến thức, các kết qủa nghiên cứu về nối tiếp và tiêu năng - Phân tích đánh giá lựa chọn hình thức nối tiếp và tiêu năng cho tràn xả lũ Bình Điền đảm bảo an toàn . - Kiến nghị việc sử dụng giải pháp nối tiếp và tiêu năng hữu hiệu nhất cho khu vực nghiên cứu. 2. Phương pháp nghiên cứu - Điều tra, thống kê và tổng hợp thu thập tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. - Phân tích thực nghiệm - Áp dụng mô hình thủy lực 3. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng - Các yếu tố ảnh hưởng đến nối tiếp và tiêu năng - Nghiên cứu mô hình thực nghiệm - Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm III. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM: 3 Mở đầu. Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu Chương I. Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo. Chương II. Cơ sở lý luận về tính toán nối tiếp và tiêu năng. Chương III. Nghiên cứu thực nghiệm nối tiếp và tiêu năng tràn xả lũ Bình Điền Chương IV. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 4 CHƯƠNG I . TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO 1.1.Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng 1.1.1.Tổng quan: Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước sẽ tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu thế năng đó chuyển hóa thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa). Hình 1.1. Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu Ví dụ: nếu dòng chảy đó có lưu lượng riêng q, lưu tốc ở chân đập , lưu tốc ở mặt cắt gặp sông thiên nhiên là vR 0 R thì phần năng lượng từ chân đập đến khi gặp sông thiên nhiên dưới tính bằng: (trên 1m chiều dài) (1.1) Phần năng lượng đó được tiêu hao một phần do khắc phục những lực cản trong nội bộ dòng chảy ( ma sát nội bộ, khuyếch tán dòng chảy, hình thành nước quẩn, xoáy nước, nước va ) một phần do ma sát giữa mặt dòng chảy với khí trời, và một phần khá lớn sẽ tiêu hao trong việc bào mòn đáy sông và hai bờ hạ lưu đập, gây nên xói lở cục bộ. Nếu không có giải pháp 5 tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến an toàn công trình. Hiện tượng xói lở đó không chỉ xẩy ra trên nên đất mà ngay cả đối với nền đá, thậm chí nền đá tốt. Bởi vì trong nền đá thường có các khe nứt phân nền đá thành những khối nhỏ, dưới tác dụng của dòng chảy, có lưu tốc lớn, nền đá sẽ bị bào mòn thành hố xói. Vấn đề xói lở ở hạ lưu công trình là một trong những nguyên nhân chủ yếu nhất làm sạt lở công trình. Nhưng nếu những trở lực trong nội bộ dòng chảy tăng lên, phần năng lượng bị tiêu hao càng nhiều, việc xói lở cục bộ ở hạ lưu công trình sẽ bị hạn chế. Tập hợp mọi hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình nước nhảy từ thượng lưu về chân hạ lưu công trình thủy lợi gọi là nối tiếp thượng hạ lưu công trình thủy lợi. Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng tràn(có hoặc không có cửa van) nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu công trình bằng các hình thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt, nối tiếp dòng phun. Bảng 1.1. Các hình thức tiêu năng của một số công trình thuỷ lợi, thủy điện nước ta TT Tên công trình Hình thức tiêu năng 1 Hồ chứa nước Ngàn Trươi – Hà Tĩnh Tiêu năng đáy 2 Hồ chứa nước Khe Dứa – Thanh Hoá Tiêu năng đáy 3 Hồ chứa nước Khe Rò 1 và 2 - Quảng Trị Tiêu năng đáy 4 Hồ chứa nước Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh Tiêu năng đáy 5 Hồ chứa nước Đồng Bò - Quảng Nam Tiêu năng đáy 6 Hồ chứa nước ALưới - Thừa Thiên Huế Tiêu năng đáy 7 Hồ chứa nước Khuôn Pin - Lạng Sơn Tiêu năng đáy 8 Công trình thủy điện Đại Ninh – Bình Thuận Tiêu năng phóng xa 9 Công trình thủy điện Yaly – Gia Lai Tiêu năng phóng xa 6 10 Hồ chứa nước Gò Miếu - Thái Nguyên Tiêu năng phóng xa 11 Hồ chứa nước Lòng Sông – Bình Thuận Tiêu năng phóng xa 12 Hồ chứa nước Dầu Tiềng – Tây Ninh Tiêu năng phóng xa 13 Công trình thủy điện Sơn La – Sơn La Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy 14 Công trình thủy điện Định Bình – Bình Định Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy 15 Hồ chứa nước Suối Chỉ - Quảng Ngãi Tiêu năng mặt Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình * Công trình thuỷ điện Tuyên Quang: Hình 1.2. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang – Tiêu năng phóng xa Công trình thủy điện Tuyên Quang gồm có 3 hạng mục chính: Đập chính (không tràn) cao 97,3m; tràn xả lũ có 2 phần xả mặt 4(15x15,15m) và xả đáy 8(4,5x6m); nhà máy thủy điện có 3 tổ máy. 7 * Đập thuỷ điện Yaly – Gia Lai: Hình 1.3. Tràn xả lũ đập thuỷ điện Yaly. Hình thức tiêu năng mũi phun Tràn xả lũ gồm 6 cửa, dùng van cung. Mỗi cửa rộng 15 m. Ngưỡng tràn ở cao trình +499,12 ( thấp hơn MNDBT 15,88 m ). Hình thước ngưỡng tràn Ofixêrop, nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước có độ dốc thay đổi và tiêu năng mũi phun. Lưu lượng xả lớn nhất là 17.400 m3/s * Công trình thuỷ điện Đại Ninh – Bình Thuận: Hình 1.4. Hình thức tiêu năng phóng xa [...]... bậc thụt ở hạ lưu công trình có đỉnh bậc thấp hơn mực nước hạ lưu (MNHL) + Để chế độ nối tiếp chảy mặt được ổn định thì: a ≥ 0,2 (a: chiều cao bậc, P: chiều cao tràn) P (1.4) + Lưu lượng qua công trình vừa và lớn nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn; + Bờ sông ở hạ lưu công trình tương đối ổn định - Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức nối tiếp chảy mặt không ngập, nối tiếp chảy... các công trình Trong khi, thực tế mỗi công trình có những điều kiện về địa hình, địa chất… là rất khác nhau, nên việc áp dụng hình thức tiêu năng sau dòng phun của từng công trình cũng khác nhau, nên việc nghiên cứu tiêu năng sau dòng phun chỉ đúng khi ta nghiên cứu với mỗi công trình cụ thể Ở Việt Nam, có thể nói là nghiên cứu còn rất ít ỏi và hạn chế ở một vài công trình cụ thể Trên cơ sở các nghiên. .. 7.800 Ha *Công trình thủy điện Bình Điền – Thừa Thiên Huế Hình 1.8 Hình thức tiêu năng phóng xa 10 * Hồ chứa nước Đá Đen Hình 1.9 Tràn xả lũ hồ chứa nước Đá Đen Đập tràn mặt cắt thực dụng Ôphixêrốp, tiêu năng đáy với các thông số: - Cao độ đỉnh tràn : +39.0m - Chiều rộng tràn : nx(BxH) = 2x(7x7)m - Kết cấu tiêu năng : Bể tiêu năng, bậc thụt 1.1.2.Các dạng nối tiếp dòng chảy từ đập tràn xuống hạ lưu: a)... điểm công trình xả lũ nối tiếp tiêu năng thường rất phức tạp và liên quan đến công trình phụ trợ Do đó đòi hỏi cần có thêm thí nghiệm mô hình để tìm ra kết cấu tiêu năng hợp lý đối với các công trình quan trọng hoặc có đặc điểm bố trí phức tạp 1.3.Các nghiên cứu ngoài nước Việc phát triển về thủy lợi đã có từ rất lâu nhưng việc đưa ra các công thức tính về nối tiếp và tiêu năng, phát triển những công. .. việc tính toán, dự báo khả năng xói hạ lưu cũng đã có rất nhiều công thức và đưa đến những kết quả cũng rất khác nhau Do đó việc áp dụng công thức tính toán như thế nào để kết quả tính toán là chỉ tiêu kỹ thuật tin cậy, an toàn và kinh tế cho công trình là một bài toán cho mỗi công trình cụ thể Đặc biệt trong việc nghiên cứu tính toán chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình thủy lợi – thủy điện... số liệu thí nghiệm mô hình thủy lực các phương án thiết kế và sửa đổi; nhóm nghiên cứu đã phân tích, đánh giá hiệu quả tiêu năng của các dạng bể và đưa ra nhận xét như sau: 1 Công trình thủy lợi, thủy điện sử dụng hình thức tiêu năng đáy nối tiếp sau tràn xả lũ thường có cột nước thấp (∆Z < 30m); lưu lượng xả lũ tương đối lớn, tỷ lưu lượng có thể lên đến vài trăm m3/s/m Hình thức tiêu P P năng đáy thích... các công trình thuỷ lợi, thủy điện phức tạp: phía sau hạ lưu tràn xả lũ thường có cầu giao thông, kênh xả nhà máy nên cần nghiên cứu, thiết kế bể tiêu năng hợp lý hơn nhằm đảm bảo các hạng 22 mục công trình đó làm việc hiệu quả và an toàn Kết quả thí nghiệm các phương án sửa đổi Sự khác biệt giữa phương án sửa đổi và phương án thiết kế các bể tiêu năng: - Công trình thủy điện Sông Tranh 3: cao trình. .. trình thủy điện A lưới: sau khi chuyển từ phương án tiêu năng nước mặt về phương án tiêu năng đáy thì hiệu quả tiêu năng đã được cải thiện đáng kể Công trình thủy điện Khe Bố: chiều dài bể tiêu năng được rút ngắn từ 62,3m về 57,0m tuy nhiên hiệu quả tiêu năng gần như vẫn không thay đổi Công trình hồ chứa Nước Trong và hồ Tả Trạch: khi thêm các hàng răng tiêu năng và tường tiêu năng, hiệu quả tiêu năng. .. dụng là tiêu năng đáy, tiêu năng phóng xa, tiêu năng mặt và các hình thức tiêu năng đặc biệt Tiêu năng đáy có các hình thức đào bể, xây tường, bể tường kết hợp 1.1.3.1 .Tiêu năng khi có dòng đáy Tiêu năng theo kiểu dòng chảy đáy là loại thường gặp, nhất là trong trường hợp đập tràn cột nước thấp và trung bình trên nền mềm Dòng chảy đáy là dòng xiết nối tiếp với dòng chảy êm của khúc sông hạ lưu bằng... địa chất nền và bố trí tổng thể công trình Do đó đối với bể có mặt cắt ngang chữ nhật, để tăng hiệu quả tiêu năng của bể thì cần tăng chiều dày lớp nước trong bể 5 Với các công trình có dạng bố trí mặt bằng có kênh xả nhà máy thuỷ điện ngay sát cạnh công trình tràn ở hạ lưu, mấy năm gần đây, tiêu năng bể vẫn được lựa chọn với các công trình xả có cột nước cao, lưu lượng đơn vị lớn, nền hạ lưu là nền . Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền nhằm tìm ra được hình thức tiêu năng phòng xói hợp lý cho một số công trình cụ thể là tràn xả lũ. Trung Dũng Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền Tôi xin cam đoan đề tài luận. Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ với đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền được hoàn thành với sự giúp đỡ