CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THƯỜNG ÁP DỤNG 1. Các giải pháp tiêu năng thường dùng ở hạ lưu Dòng nước lũ từ thượng lưu đi vào hồ chứa được điều tiết, tích lại một phần, phần lưu lượng dư được xả qua các công trình tháo lũ như đập tràn xả lũ, đường tràn xả lũ, tuy nen tháo lũ, hay cống xả lũ, đem lưu lượng dư này xả xuống hạ lưu. Nối tiếp dòng chảy từ lòng hồ có thế năng lớn, lưu tốc nhỏ chảy qua công trình tháo đem thế năng dần dần chuyển hóa thành động năng, nên độ sâu dòng chảy giảm dần mà lưu tốc tăng lên nhanh. Vì vậy khi nối tiếp với mặt nước hạ lưu sau chân công trình sẽ làm thay đổi trạng thái dòng chảy ở đoạn lòng sông hạ lưu này.
Do chiều rộng công trình xả lũ so với chiều rộng lòng sông tự nhiên nhỏ hơn nhiều, nên đơn vị lưu lượng có giá trị rất lớn, có động năng được tập trung cao. Theo lý thuyết thì năng lượng dư này được thể hiện trong biểu thức để xác định: N= γ.1) Trong đó: N: Công suất của năng lượng dư (KW/m) γ : Dung trọng của nước (T/m3) ΔH : Chênh lệch cột nước giữa thượng lưu và hạ lưu (m) Ví dụ như công trình thủy điện Hòa Bình mà ta đã biết thì: Lưu lượng xả từ nhỏ đến lưu lượng thiết kế là Qxả=13500m3/s ÷ 35400m3/s, với chiều rộng dốc nước cuối tràn B=180m thì tỷ lưu thay đổi là q=75m2/s ÷ q=196m2/s; mực nước mùa lũ ở thượng hạ lưu có độ chênh ΔH =Ztl-Zhl=120m- 27m=93m. Từ đó suy ra công suất của năng lượng dòng chảy dư đạt tới: Nmin=9,8*75*85=62475KW/m ( Trường hợp xả lũ nhỏ) Nmax=9,8*196*93=178634KW/m (Trường hợp xả lũ thiết kế) Công suất của năng lượng dư này rất lớn khi đổ xuống hạ lưu sẽ đào xói lòng sông và hai bờ ở sau chân công trình gây mất ổn định cho công trình. Chính vì lẽ đó mà khi thiết kế xây dựng các công trình xả lũ, một vấn đề quan trọng cần giải quyết là chọn một giải pháp tiêu năng thích hợp.
Đối với các giải pháp tiêu năng hiện nay thường được áp dụng là: 5 + Dùng biện pháp tiêu năng đáy (Bể tiêu năng) + Dùng biện pháp tiêu năng dòng phun (mũi phun) Đối với mỗi cụm công trình đầu mối, việc bố trí công trình xả lũ ở hạ lưu dùng hình thức tiêu năng đáy (bể tiêu năng) hay dùng hình thức tiêu năng dòng phun đều dựa vào tình hình địa hình, địa chất để xem xét. Khi nền đá hạ lưu công trình là loại đá mềm yếu, cường độ kháng nén σ < 400kg/m2 thì nên dùng hình thức tiêu năng đáy (bể tiêu năng) còn khi nền đá hạ lưu công trình là các loại đá tốt như grannit, hoa cương hay thạch anh vv.có cường độ chịu nén cao σ > 600kg/m2 thì xét dùng hình thức tiêu năng dòng phun. Bởi vì khi dùng dạng tiêu năng dòng phun xa thì hệ số xói K của dòng phun phụ thuộc vào tính chất của nền đá được thể hiện trong bảng phân loại sau: Bảng 1.1: Hệ số xói K của dòng phun phụ thuộc vào địa chất Hệ số K Giá trị ứng suất Phân loại Đặc trưng cấu tạo nền đá của Phạm Trung nén của đá σ nén nền đá hố xói vi bình I Dạng khối đá lớn, khe nứt phát 0,8 ¸ 0,9 0,85 1600 ¸ 2000 ( Khó xói) triển chặt chắc II Dạng tảng to, khe nứt phát ( Có thể xói) triển nhiều chỗ rắn chắc có ít 0,9 ¸ 1,2 1,10 1000 ¸ 1500 chỗ có nhét III Dạng tảng vỡ khe nứt phát (Dễ xói) triển, đại bộ phận khe nứt rõ, 1,2 ¸ 1,5 1,35 600 ¸ 1000 một phần có chất nhét IV Dạng tảng vỡ, khe nứt phát (Rất dễ xói) triển mạnh, vết nứt lớn, một 1,5 ¸ 2,0 1,8 250 ÷ 500 phần có đất sét nhét vào khe Ghi chú: Phạm vi thích hợp với hệ số K là 300< β <700 với β là góc của dòng phun đổ vào mặt nước lòng sông (còn gọi là góc tới). Dạng tiêu năng đáy và tiêu năng dòng phun sau đập tràn xả lũ thể hiện như hình 1.
Dạng tiêu năng đáy sau đập tràn Hình 1. Dạng tiêu năng dòng phun sau đập tràn Theo kết quả nghiên cứu thì giải pháp tiêu năng hiệu quả, phần năng lượng dư của dòng chảy đổ xuống hạ lưu công trình sẽ tiêu hao được 55% ÷ 70% năng lượng dư này; còn nếu hiệu quả tiêu năng chỉ đạt dưới 50% năng lượng dư thì ta coi giải pháp tiêu năng đã chọn có hiệu quả tiêu năng thấp. Ví dụ như khi thí nghiệm mô hình đập tràn xả lũ Nước Trong sau đập tràn xả lũ dùng giải pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng) và mố tiêu năng cho hiệu quả tiêu năng đạt tới 65% năng lượng dòng chảy qua tràn đổ xuống hạ lưu. Còn tiêu năng dòng phun xa như kết quả thí nghiệm mô hình đập tràn Thủy điện Hòa Bình theo 7 dạng dòng phun xa đạt hiệu quả tiêu năng tới 67% năng lượng của dòng chảy đổ xuống hạ lưu.
Về tiêu năng đáy (dùng bể tiêu năng) mục đích là khi dòng chảy từ thân tràn đổ xuống hạ lưu sẽ hình thành nước nhảy ở trong bể tiêu năng, trong khu nước nhảy thì lưu tốc của dòng chủ lưu đi sát đáy, lưu tốc rất lớn còn nửa phần trên là dòng cuộn lại trên mặt hướng chảy về phía thượng lưu. Do trạng thái nước nhảy nên các phần tử nước xáo trộn va chạm lẫn nhau mà năng lượng được tiêu hao đi tỏa ra nhiệt lượng nghĩa là nhờ nước nhảy đem động năng chuyển thành nhiệt năng, như vậy sau khi dòng chảy đi ra khỏi bể tiêu năng lưu tốc được giảm xuống ít gây xói lở hạ lưu. Khi dùng hình thức bể tiêu năng cần phải xác định được chiều dài, chiều sâu bể tiêu năng dựa theo các công thức lý thuyết đã có sẵn: +Về chiều dài bể dùng công thức Lb=6,9(hc’’-hc) hay Lb=6,1hc’’ (1.2) + Chiều sâu bể S dùng biểu thức S= σ.3) Trong đó: Lb – Chiều dài bể tiêu năng hc – Độ sâu nước nhảy tại mặt cắt co hẹp hc’’- Độ sâu liên hiệp (cuối nước nhảy) S- Chiều sâu bể tiêu năng σ− Hệ số (σ=1,05 ÷ 1,10) Đối với hình thức tiêu năng bằng dòng phun thì trước tiên phải chọn góc mũi phun hợp lý θ, thông thường góc phun θ được chọn là 250 ¸ 350, đó là dạng mũi phun liên tục, còn mũi phun so le (mũi phun không liên tục) thì chọn góc phun cho rãnh θr và góc phun cho mố θm thường chọn θr= 00 ÷ 150, còn góc phun của mố θm =25 ÷ 300 đồng thời còn phải thiết kế hình dạng mố phun. Với dạng tiêu năng dòng phun thì cần phải tính các thông số của dòng phun là chiều dài phun xa Lp và tính chiều sâu hố xói của dòng phun T.
+ Chiều dài phun xa theo quy phạm điển hình như công thức của Liên xô (cũ): 8 j .4) g Trong đó: θ − góc hắt của mũi phun (độ) V- lưu tốc tại vị trí mũi phun (m/s) h- độ sâu dòng chảy trên mũi phun (m) P – độ cao chênh lệch từ mũi phun đến mặt nước lòng sông ở hạ lưu (m) Để tính chiều sâu xói của hố xói hạ lưu trước đây thường dùng công thức Bưi- dơ- gô (Liên Xô cũ): T=a.5) Trong đó: a – Hệ số hàm khí K – hệ số có quan hệ đến tính chất của nền đá ở hạ lưu q – Lưu lượng đơn vị (m2/s) h – Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu (m) Đối với mũi phun không liên tục nghiên cứu trên mô hình thì dòng phun xa phân làm hai luồng, luồng ở mố phun xa hơn, còn luồng ở rãnh phun gần hơn, song trong các tài liệu thủy lực có liên quan cũng như quy phạm ít tài liệu nêu ra công thức tính chiều dài phun xa đối với dạng mũi phun so le mà mới chỉ có công thức tính chiều dài phun xa đối với mũi phun liên tục (xác định dòng phun xa nhất). Tác dụng tiêu năng của dòng phun là quá trình dòng phun bay vào không trung vừa ma sát với không khí tiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy, theo kết quả nghiên cứu trước đây thì tác dụng tiêu năng này đạt được khoảng 6 ÷ 7% năng lượng của dòng chảy. Mặt khác dòng phun khi bay vào không trung trộn lẫn với không khí tạo ra dòng trộn khí, dòng nước trộn khí khi đổ xuống lớp nước đệm ở hạ lưu trong phạm vi hố xói mà năng lượng dòng chảy được tiêu hao từ 50% đến 60%, phần năng lượng dòng chảy còn lại sẽ chảy xuống hạ lưu nên gây ra xói lở lòng và bờ kênh dẫn lũ. Vì vậy nên trường hợp dùng giải pháp tiêu năng đáy thì sau bể tiêu năng còn dùng giải pháp tiêu năng phụ như rãnh tiêu năng, sau bể còn có sân sau chống xói.
Các loại mũi phun thường dùng Dạng mũi phun thường dùng ở nước ta có hai dạng đó là: - Dạng mũi phun liên tục - Dạng mũi phun không liên tục (mũi phun so le) Trong thiết kế xây dựng công trình Thủy lợi, thủy điện ở nước ta đã thiết kế xây dựng nhiều đập tràn xả lũ áp dụng tiêu năng dạng mũi phun như: Đập tràn công trình thủy điện Hòa Bình, đập tràn thủy điện Sông Hinh, đập tràn thủy điện Yaly, đập tràn hồ chứa Tả Trạch (Thừa Thiên Huế), đập tràn Bản Vẽ (Nghệ An), đập tràn Thủy điện Sơn La, đập tràn Thủy điện Bản Chát (Lai Châu), đập tràn Thủy điện Lai Châu, đập tràn công trình Thủy lợi, Thủy điện Cửa Đạt (Thanh Hóa), đập tràn hồ chứa Krông Pách Thượng (Đắc Lắc), đập tràn Sông Cái (Ninh Thuận), đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng (Sơn La). Chỉ tính từ năm 1990 đến nay đã có khoảng 48 công trình đập tràn được xây dựng, trong đó có khoảng 25 công trình áp dụng dạng tiêu năng theo hình thức mũi phun chiếm tới khoảng 52%. Đặc biệt các công trình Thủy lợi Thủy điện lớn ngày nay có xu hướng sử dụng tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ngày một tăng chiếm tới 65% trong số các công trình đã và đang được xây dựng. Ngoài hai dạng mũi phun nêu trên thường dùng ở Việt Nam ở nước ngoài đối với công trình thủy điện cột nước cao trên 150m còn sử dụng hình thức mũi phun nhiều tầng như công trình tràn xả lũ Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc) hay dạng mũi phun thu hẹp như mũi phun tràn xả lũ công trình thủy điện Tam Hiệp trên sông Trường Giang (Trung Quốc).
Dưới đây là 2 dạng mũi phun thường dùng là mũi phun liên tục và mũi phun so le.
