phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, nội dung chính của luận án đƣợc trình bày trong 04 chƣơng, bao gồm: - Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu về máng tràn bên và dòng biến lƣợng - Chƣơng 2. Hệ phƣơng trình vi phân dòng biến lƣợng một chiều không ổn định - Chƣơng 3. Phân tích kết quả thực nghiệm xác định một số đặc trƣng thủy động lực học của dòng biến lƣợng trong máng tràn bên - Chƣơng 4.
Lập trình và ứng dụng tính toán đƣờng mặt nƣớc trong máng tràn bên. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁNG TRÀN BÊN VÀ DÕNG BIẾN LƢỢNG 1. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÕNG CHẢY 1. Phân loại chuyển động Sự chuyển động của dòng chảy đƣợc phân loại theo các cách khác nhau, nhƣ chuyển động chảy tầng - rối, chảy êm - xiết, chảy đều - không đều, ổn định - không ổn định, liên tục - gián đoạn, có áp - không áp, xoáy - không xoáy [3][40].
Khi dòng chảy có sự gia nhập hoặc phân tán liên tục dọc theo chiều lòng dẫn đƣợc gọi là dòng biến lƣợng (Spatially Varied Flow - SVF). Dòng chảy trong tự nhiên về bản chất là dòng không ổn định với các yếu tố thủy lực thay đổi theo thời gian và đƣợc chia thành hai loại [3][70][72]: (1) Chuyển động không ổn định biến đổi chậm nhƣ dòng chảy lũ hay dòng chảy chịu tác động của thủy triều, có các yếu tố cơ bản nhƣ lƣu tốc hay áp suất thay đổi chậm theo thời gian; (2) Chuyển động không ổn định biến đổi gấp nhƣ lũ quét hay dòng chảy sau sự cố vỡ đập, có các yếu tố cơ bản thay đổi rất nhanh theo thời gian. Dòng chảy đều là dòng chảy ổn định trong lòng dẫn nhân tạo dạng kênh dẫn lăng trụ có độ dốc đáy (S0) và độ nhám (n) không đổi [3][17][40]. Tuy nhiên, cũng có thể coi có dòng chảy đều trong những đoạn nhất định của sông thiên nhiên, khi những điều kiện trên đƣợc coi là đầy đủ ở những đoạn đó.
Công thức cơ bản áp dụng cho dòng chảy đều là công thức Chezy [17][40][70][72]: v c RS0 (1.1) 8g trong đó: v - lƣu tốc trung bình mặt cắt, m/s; c - hệ số Chezy, m / s , c ; f - hệ f số ma sát; g - gia tốc trọng trƣờng, g = 9,81m/s2; R - bán kính thủy lực, m. Vì dòng chảy trong lòng dẫn hở đa phần ở chế độ chảy rối khu vực hoàn toàn nhám (khu bình phƣơng sức cản) nên hệ số Chezy có thể xác định bằng các công thức Manning [40], Forchheimer [70], Pavlovski [3], Ganguillet và Kutter [40], Agroskin [17], Bazin [17]. Các công thức xác định hệ số Chezy cho thấy, nếu độ nhám của lòng dẫn càng lớn thì hệ số Chezy càng nhỏ. Hệ số nhám lòng sông có giá LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 trị khoảng 0,02 0,10, hệ số nhám bãi sông khoảng 0,03 0,18 [40].
Hệ số nhám đƣợc coi là không đổi khi độ sâu dòng chảy thay đổi, tuy nhiên ở một số sông, giá trị của hệ số này biến đổi đáng kể khi độ sâu dòng chảy thay đổi. Hệ số Chezy của lòng sông thƣờng dao động trong khoảng 40 60 m / s [17]. SVF là thuật ngữ mô tả hiện tƣợng dòng chảy ổn định hoặc không ổn định có lƣu lƣợng dọc theo chiều dòng chính thay đổi bởi sự gia nhập hoặc phân tán liên tục của dòng chảy bên. Có thể hiểu đơn giản, SVF là dòng chảy chuyển động trong lòng dẫn mà lƣu lƣợng thay đổi dọc theo chiều dòng chảy hay còn đƣợc gọi là dòng chảy có lƣu lƣợng thay đổi theo không gian [41].
Hiện tƣợng dòng biến lƣợng SVF thƣờng gặp nhiều trong kỹ thuật thủy lợi và trong công nghiệp nhƣ vận tải bằng đƣờng ống, khai thác và vận chuyển dầu khí hay đƣờng ống khí nén. Trong thủy lợi và cấp nƣớc, máng tràn ngang, kênh cắt dốc, tràn xả thừa trên kênh tƣới; dòng chảy trong ống phân phối liên tục, đƣờng ống tiêu nƣớc ngầm có đục lỗ hay đƣờng ống tƣới ngầm là trƣờng hợp dòng chảy có lƣu lƣợng thay đổi dọc theo đƣờng ống có áp [1]. Chế độ thủy lực trong máng tràn bên rất phức tạp, gây ra bởi lực tác động của dòng gia nhập vào dòng chính, tạo ra những dòng xoắn ba chiều (3D) trên quy mô lớn và những dòng xoắn thứ cấp [6][7][10][12][33][40] làm cho việc mô phỏng hiện tƣợng bằng toán học gặp nhiều khó khăn, rất khó để mô phỏng chính xác. Bằng việc sử dụng mô hình toán 3D có thể mô phỏng đƣợc chế độ thủy lực trong máng nhƣng cũng gặp nhiều khó khăn khi mô tả chi tiết cấu trúc của nó.
Trong thực tế thiết kế, không phải lúc nào cũng có điều kiện thực hiện thí nghiệm trên mô hình vật lý, do đó cần chấp nhận một số giả thiết để đơn giản hóa hiện tƣợng nhằm mô phỏng gần đúng bằng bài toán 1D nhƣng kết quả vẫn đạt yêu cầu và đủ độ tin cậy. MÁNG TRÀN BÊN 1. Đặc điểm công trình máng tràn bên Máng tràn bên là bộ phận chính của công trình tháo lũ đƣờng tràn ngang áp dụng ở các hồ chứa không có vị trí, địa hình phù hợp để bố trí tràn dọc hay các hình thức tháo lũ khác mà vẫn đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (Hình 1. Ngoài ra, đƣờng tràn ngang có thể áp dụng làm tràn phụ, tràn sự cố [22], thích hợp với các loại công trình lớn, vừa và nhỏ [31][33].
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 (1) Máng tràn bên; (2) Kênh tháo; (3) Công trình nối tiếp; (4) Kênh dẫn hạ lƣu; (5) Đập; (6) Cầu; (7) Ngƣỡng tràn Hình 1. Các bộ phận công trình đường tràn ngang Ƣu điểm của công trình là: (1) Bố trí ngƣỡng tràn bám theo đƣờng đồng mức, ngƣỡng tràn có thể đƣợc kéo dài mà khối lƣợng công trình tăng không đáng kể so với việc thay đổi kích thƣớc tràn dọc; (2) Cột nƣớc trên ngƣỡng tràn thấp nên có thể giảm độ cao của đập và giảm diện tích ngập lụt thƣợng lƣu; (3) Lƣu tốc đoạn đầu máng nhỏ; (4) Lƣu lƣợng xả tăng lên nhƣng cột nƣớc tràn tăng không nhiều; (5) Năng lƣợng đƣợc tiêu tán tốt hơn, cột nƣớc đầu kênh chuyển tiếp lớn hơn so với tràn dọc với cùng lƣu lƣợng đơn vị; và (6) Giảm nguy cơ xói lở [33][45][47]. Bên cạnh đó, công trình cũng có nhƣợc điểm cơ bản là: (1) Chế độ thủy lực trong máng tràn bên rất phức tạp, dòng xoắn có thể lan truyền xuống hạ lƣu ảnh hƣởng đến khả năng tháo; (2) Khi dòng chảy qua tràn chuyển trạng thái từ chảy tự do sang chảy ngập gây tăng đột biến mực nƣớc hồ [45][47]. Các hình thức tháo lũ qua đƣờng tràn ngang có thể thông qua một cạnh của tràn (Hình 1.2a); một cạnh và đầu tràn (Hình 1.2b); hai cạnh và đầu tràn (Hình 1.2c); hoặc tràn dạng máng kép (Hình 1.2d) kiểu zigzag (tràn Labyrinth) trên đỉnh tràn thực dụng hiện hữu, trong điều kiện mặt bằng xây dựng chật hẹp.
Hiện nay, tràn zigzag đã đƣợc cải tiến thành dạng tràn Piano [21][22]. Mặt cắt ngang của máng bên có nhiều dạng khác nhau, đƣợc thiết kế đối xứng hoặc không đối xứng phù hợp điều kiện địa hình hoặc yêu cầu thiết kế. Các dạng mặt cắt ngang hình chữ nhật và hình thang (Hình 1.3a, b) hoặc dạng hỗn hợp (Hình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3e) với các hệ số mái (m1, m2) là mặt cắt thƣờng gặp đối với máng tràn bên. Mặt cắt tam giác (Hình 1.3c) thƣờng áp dụng với rãnh thu nƣớc nhỏ và dạng bán nguyệt (Hình 1.3d, g) thƣờng gặp ở các máng thu nƣớc mƣa.
Các hình thức lấy nước qua tràn vào máng bên Hình 1. Các dạng mặt cắt ngang của máng bên Mặt bằng máng có dạng kênh lăng trụ (Hình 1.4a) hoặc phi lăng trụ mặt cắt mở rộng dần (Hình 1. Máng phi lăng trụ thu hẹp dần (Bđầu > Bcuối) không nên sử dụng vì làm tăng mức độ phức tạp cho chế độ thủy lực hạ lƣu máng, bởi lƣu tốc cuối máng sẽ tăng mạnh do lƣu lƣợng là lớn nhất trong khi kích thƣớc mặt cắt giảm. Với máng tràn bên lăng trụ và phi lăng trụ có cùng Bcuối, S0 và điều kiện hình học kênh chuyển tiếp thì lƣu tốc và mực nƣớc đầu máng phi lăng trụ sẽ lớn hơn với cùng lƣu lƣợng tháo.
Tuy nhiên trong thực tế, máng phi lăng trụ thƣờng đƣợc áp dụng khi kích thƣớc mặt cắt đầu máng bị hạn chế mà không làm thay đổi chế độ thủy lực từ hạ lƣu máng sang kênh chuyển tiếp. Kênh chuyển tiếp thƣờng đƣợc thiết kế dạng dốc nƣớc với mặt cắt hình chữ nhật hoặc hình thang, phổ biến ở dạng lăng trụ, nhƣng vẫn có thể có dạng phi lăng trụ phụ thuộc kết quả tính toán thủy lực và điều kiện địa hình. Trong một số trƣờng hợp, tại vị trí cuối máng đƣợc thiết kế thêm ngƣỡng (Hình 1.5b) hoặc bậc nƣớc nhằm tạo chế độ thủy lực gián đoạn giữa hạ lƣu máng với kênh chuyển tiếp. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các dạng mặt bằng của máng tràn bên 1. Một số công trình hồ chứa áp dụng hình thức máng tràn bên tháo lũ 1. Các công trình trên thế giới Đập Hoover (Mỹ) là công trình đầu tiên trên thế giới ứng dụng đƣờng tràn ngang để tháo lũ thiết kế (QTK) trên 10.000m3/s dựa trên kết quả nghiên cứu thử nghiệm đầu những năm 30 của thế kỷ XX [45]. Công trình đƣợc xây dựng trên sông Colorado tại vị trí biên giới bang Nevada và Arizona với tên gọi ban đầu là Boulder Canyon và đƣợc đổi tên thành Hoover vào năm 1947.
Đây là đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng có cửa van điều tiết (Hình 1. Đập Karahnjukar (Iceland) là đập lớn nhất châu Âu với chiều dài đập chính 730m và cao 198m. Cột nƣớc làm việc của 6 turbine khoảng 600m. Đƣờng tràn ngang có mặt cắt thực dụng không có cửa van điều tiết (Hình 1.
Đập Arrowrock (Mỹ) trên sông Boise thuộc bang Idaho có đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng, với 6 cửa van điều tiết (Hình 1. Đập Burrinjuck (Australia) trên sông Murrumbidgee, bang New South Wales (Hình 1.8), tuyến tràn ngang lƣợn cong, có ngƣỡng thực dụng, không có cửa van điều tiết [69]. Đập Fort Smith (Mỹ) trên sông Frog Bayou, bang Arkansas (Hình 1.9) có đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng, không có cửa van điều tiết [38]. Đập Flatiron (Mỹ) thuộc quận Larimer, bang Colorado (Hình 1.10), có đƣờng tràn ngang dạng chữ U cho phép tháo lũ qua 3 cạnh của đƣờng tràn, ngƣỡng tràn có mặt cắt thực dụng, không có cửa van điều tiết [38].
Các công trình nêu trên là những dạng công trình đƣờng tràn ngang thƣờng gặp, chủ yếu là loại đập vật liệu địa phƣơng.