Nghiên Cứu Giải Pháp Tiêu Năng Hợp Lý Cho Đập Tràn Xả Lũ Bản Mòng Tỉnh Sơn La

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu giải pháp tiêu năng hợp lý đối với đập tràn xả lũ bản mòng tỉnh sơn la, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Mã Văn Hùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Bản
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Công trình
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Pháp Tiêu Năng Hợp Lý Đối Với Đập Tràn Xả Lũ Bản Mòng Tỉnh Sơn La
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN CAM KẾT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THƯỜNG ÁP DỤNG
• 1.1. Các giải pháp tiêu năng thường dùng ở hạ lưu
• 1.2. Các loại mũi phun thường dùng
• 1.3. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về tiêu năng mũi phun
• 1.3.1. Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài

Tóm tắt

I. Giải pháp tiêu năng hiệu quả

Giải pháp tiêu năng là yếu tố quan trọng trong thiết kế đập tràn xả lũ nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành. Tại Bản Mòng, tỉnh Sơn La, việc áp dụng giải pháp tiêu năng dòng phun được nghiên cứu kỹ lưỡng để giảm thiểu năng lượng dòng chảy. Các phương pháp như tiêu năng đáy và tiêu năng dòng phun được so sánh, trong đó tiêu năng dòng phun chiếm ưu thế với hiệu quả lên đến 70%. Tuy nhiên, việc sử dụng mũi phun liên tục gây ra xói mòn hạ lưu nghiêm trọng, dẫn đến chi phí thi công cao và nguy cơ sạt lở. Do đó, mũi phun so le được đề xuất để giảm lưu lượng dòng phun và tăng khả năng trộn khí, từ đó giảm thiểu xói mòn.

1.1. Hiệu quả tiêu năng

Hiệu quả tiêu năng được đánh giá dựa trên khả năng tiêu hao năng lượng dòng chảy. Các nghiên cứu chỉ ra rằng tiêu năng dòng phun có thể tiêu hao từ 55% đến 70% năng lượng dư, trong khi tiêu năng đáy đạt khoảng 65%. Tại Bản Mòng, việc áp dụng mũi phun so le giúp giảm lưu lượng dòng phun và tăng khả năng trộn khí, từ đó nâng cao hiệu quả tiêu năng. Điều này không chỉ giảm thiểu xói mòn mà còn tiết kiệm chi phí thi công và bảo trì.

1.2. Kỹ thuật tiêu năng

Kỹ thuật tiêu năng bao gồm việc tính toán các thông số như chiều dài phun xa, góc phun, và độ sâu xói. Đối với mũi phun so le, các thông số như góc phun của mố (θm) và rãnh (θr) được xác định để tối ưu hóa hiệu quả tiêu năng. Các công thức tính toán chiều dài phun xa và độ sâu xói được áp dụng để đảm bảo an toàn cho công trình. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mũi phun so le giúp giảm độ sâu xói so với mũi phun liên tục, từ đó tăng tính ổn định cho công trình.

II. Đập tràn xả lũ Bản Mòng

Đập tràn xả lũ Bản Mòng là một công trình thủy lợi quan trọng tại tỉnh Sơn La, đóng vai trò điều tiết lũ và bảo vệ hạ lưu. Với chênh lệch cột nước lớn và lưu lượng xả lũ cao, việc áp dụng giải pháp tiêu năng hiệu quả là yêu cầu cấp thiết. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế mũi phun so le để giảm thiểu xói mòn và tăng tính ổn định cho công trình. Các thông số kỹ thuật như góc phun, chiều dài phun xa, và độ sâu xói được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả tiêu năng.

2.1. Quản lý lũ lụt

Quản lý lũ lụt là một trong những mục tiêu chính của đập tràn xả lũ Bản Mòng. Việc áp dụng giải pháp tiêu năng hiệu quả giúp giảm thiểu tác động của lũ lụt đến hạ lưu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng mũi phun so le không chỉ giảm xói mòn mà còn phân tán năng lượng dòng chảy, từ đó giảm thiểu nguy cơ sạt lở và bảo vệ các khu vực dân cư xung quanh.

2.2. Công trình thủy lợi

Công trình thủy lợi như đập tràn xả lũ Bản Mòng đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết nước và phòng chống lũ lụt. Việc áp dụng giải pháp tiêu năng hiệu quả không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình mà còn tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Các nghiên cứu về mũi phun so le tại Bản Mòng đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống, từ đó mở ra hướng đi mới trong thiết kế và xây dựng các công trình thủy lợi tương tự.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về giải pháp tiêu năng hiệu quả tại đập tràn xả lũ Bản Mòng không chỉ mang lại lợi ích cho công trình này mà còn có thể áp dụng rộng rãi cho các công trình thủy lợi khác. Các kết quả nghiên cứu về mũi phun so le đã được kiểm chứng qua mô hình thí nghiệm và thực tế, chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc giảm xói mòn và tăng tính ổn định cho công trình. Điều này mở ra hướng đi mới trong thiết kế và xây dựng các công trình thủy lợi, đặc biệt là tại các khu vực có điều kiện địa hình và địa chất phức tạp.

3.1. Giải pháp thủy lợi

Giải pháp thủy lợi như mũi phun so le không chỉ áp dụng cho đập tràn xả lũ Bản Mòng mà còn có thể sử dụng cho các công trình tương tự. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc áp dụng mũi phun so le giúp giảm thiểu xói mòn và tăng tính ổn định cho công trình, từ đó tiết kiệm chi phí thi công và bảo trì. Điều này đặc biệt quan trọng tại các khu vực có điều kiện địa hình và địa chất phức tạp.

3.2. Kết quả nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu về giải pháp tiêu năng hiệu quả tại đập tràn xả lũ Bản Mòng đã được công bố và áp dụng rộng rãi trong ngành thủy lợi. Các nghiên cứu chỉ ra rằng mũi phun so le không chỉ giảm xói mòn mà còn tăng hiệu quả tiêu năng, từ đó đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình. Điều này mở ra hướng đi mới trong thiết kế và xây dựng các công trình thủy lợi, đặc biệt là tại các khu vực có điều kiện địa hình và địa chất phức tạp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi và thủy điện, việc xử lý động năng dòng chảy tháo qua đập tràn có ý nghĩa sống còn đối với an toàn công trình. Thống kê từ hơn 48 công trình đập tràn quy mô vừa và lớn xây dựng tại Việt Nam cho thấy giải pháp tiêu năng dòng phun chiếm tới 52% đến 65% tổng số dự án. Tuy nhiên, hình thức mũi phun liên tục truyền thống thường tạo ra dòng rơi tập trung cao độ, gây ra hố xói sâu và đe dọa trực tiếp đến sự ổn định chân đập cùng mái dốc hai bờ hạ lưu.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thủy lực phức tạp này bằng việc phân tích, xác lập cơ sở lý luận và kiểm chứng giải pháp mũi phun không liên tục, hay còn gọi là mũi phun so le, ứng dụng trực tiếp vào công trình đập tràn xả lũ hồ chứa Bản Mòng tại tỉnh Sơn La. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng các công thức giải tích xác định biên ngoài phun xa nhất và biên trong phun gần nhất của luồng nước, đồng thời làm rõ cơ chế thủy lực và phân bố vận tốc nhằm tối ưu hóa kích thước hình học cụ thể của kết cấu mố và rãnh phun.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện đối với cụm công trình đầu mối Bản Mòng trên lưu vực suối Nậm La có diện tích 161,6 km2. Đập bê tông trọng lực có chiều cao lớn nhất 46,0 m, dung tích toàn bộ hồ chứa đạt 16,44 triệu m3 và lưu lượng xả lũ thiết kế đạt 614 m3/s ở tần suất 1%. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc nâng cao hiệu quả tiêu tán năng lượng dư đạt từ 55% đến trên 67%, giảm thiểu đáng kể khối lượng đào hố xói, ngăn ngừa nguy cơ sạt lở bờ sông và tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xây dựng công trình gia cố hạ lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết thủy lực công trình và cơ học đá hiện đại:

1. Lý thuyết động lực học dòng tia ném xiên trong không gian: Mô tả chuyển động của chất điểm nước theo quỹ đạo đường đạn parabol chịu tác dụng của gia tốc trọng trường 9,81 m/s2 và lực cản không khí. Lý thuyết này cho phép thiết lập phương trình liên hệ giữa vận tốc thoát dòng, độ sâu dòng chảy và góc hắt của mũi phun đối với luồng phun xa và luồng phun gần.

2. Lý thuyết dòng chảy rối hai pha khí - nước: Giải thích hiện tượng xáo trộn, khuyếch tán ngang và cuốn khí tự nhiên khi luồng phun rời khỏi mũi phóng bay vào không trung. Quá trình ma sát với không khí giúp tiêu tán từ 6% đến 7% năng lượng ban đầu trước khi dòng nước tiếp xúc với mặt nước hạ lưu.

3. Cơ chế xói lở thủy động lực cục bộ lòng dẫn đá nứt nẻ: Vận dụng mô hình cơ lý của Anton Schleiss và Eiric Bollart để phân tích sự tương tác giữa áp lực mạch động của dòng tia rơi tự do với hệ thống khe nứt nền đá có ứng suất nén từ 600 kg/cm2 đến 1200 kg/cm2, giải thích quá trình đẩy nổi tảng đá và hình thành đống đá bồi lắng phía sau hố xói.

Các khái niệm chính được làm rõ gồm: tỷ lưu xả qua tràn, hệ số lưu tốc trên mặt tràn, góc tới của dòng phun vào lớp nước đệm và độ sâu xói giới hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa suy diễn lý thuyết toán học và thực nghiệm mô hình vật lý thủy lực 3 chiều:

1. Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu thực nghiệm: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình vật lý không gian ba chiều chế tạo theo quy chuẩn tương tự Froude tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Thủy lực và Động lực học sông biển. Bộ mẫu thí nghiệm bao gồm 5 cấp lưu lượng thủy lực điển hình: lưu lượng kiểm tra tần suất 0,2% với 718 m3/s, lưu lượng thiết kế tần suất 1% với 614 m3/s, lưu lượng cắt lũ thường xuyên tần suất 5% với 227 m3/s, cùng 2 cấp lưu lượng trung gian là 500 m3/s và 350 m3/s.

2. Phương pháp chọn mẫu và kịch bản bố trí: Nghiên cứu thực hiện phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích trên 3 phương án kết cấu: phương án mũi phun liên tục nguyên bản theo thiết kế cơ sở, phương án mũi phun so le dạng mố chữ nhật và phương án cải tiến mũi phun so le hình thang loe mở rộng đáy.

3. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Dòng chảy qua mũi phun so le có tính chất không gian ba chiều cực kỳ phức tạp với sự va đập, phân tầng và trộn khí mạnh mẽ. Việc sử dụng mô hình vật lý lòng cứng kết hợp đo đạc vận tốc bằng ống Pitot và đo áp lực đáy là phương pháp chính xác nhất để kiểm chứng các công thức giải tích đề xuất, loại bỏ các sai số giả định trong mô hình tính toán giải tích đơn thuần. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu hoàn thành trong giai đoạn 2012 - 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm mô hình đã đem lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, nghiên cứu đã thiết lập thành công hệ phương trình toán học xác định chính xác phạm vi rơi của dòng tia mũi phun so le. Luồng phun qua mố đạt chiều dài phóng xa nhất được tính theo hàm số của vận tốc trên đỉnh mố, độ sâu nước và góc hắt mố bằng 35 độ. Luồng phun qua rãnh tạo biên trong gần nhất được tính theo hàm số của vận tốc qua rãnh, độ sâu nước trên rãnh và góc hắt rãnh bằng 20 độ.

Thứ hai, kết cấu mũi phun so le tạo ra cơ chế phân tầng dòng chảy không gian rõ rệt. Dòng nước thoát qua tràn bị tách đôi thành hai luồng độc lập: luồng trên bay cao, phóng xa và luồng dưới bay thấp, rơi gần. Hai luồng tia nước va chạm mãnh liệt ngay trên không trung, gia tăng lượng khí hòa trộn và phân tán đều diện tích va đập khi rơi xuống hố xói, giúp giảm cục bộ tỷ lưu xả từ trên 75 m2/s xuống mức phân tán an toàn.

Thứ ba, thực nghiệm đối chứng trên 4 dạng mũi phun cho thấy dạng mố hình thang loe giúp suy giảm chiều sâu hố xói vượt trội. Tỷ số chiều sâu xói tương đối của mố hình thang loe chỉ bằng 22,3% so với mũi phun liên tục truyền thống, tương đương mức giảm độ sâu xói lên tới 77,7%. Đồng thời, tỷ số chiều sâu nước tổng cộng trên chiều dài dòng rơi ở tâm hố giảm từ 0,281 đối với mũi liên tục xuống còn 0,194 đối với mố hình thang loe, giúp biên hố xói dịch chuyển xa chân đập và thoải hơn đáng kể.

Thứ tư, nghiên cứu chỉ ra rằng khi khống chế góc tới của luồng nước tiếp xúc mặt đệm hạ lưu ở mức dưới 30 độ, trạng thái dòng chảy trong hố xói chuyển dịch hoàn toàn sang dạng chảy mặt, triệt tiêu dòng xoáy cuộn đáy nguy hiểm và hạn chế xói chân đập bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản giúp mũi phun so le đạt hiệu quả tiêu năng vượt trội là do sự phá vỡ tính tập trung năng lượng của tia nước liên tục. Dòng chảy bị xé nhỏ và trải qua quá trình tiêu hao năng lượng liên hoàn: tiêu hao do ma sát không khí đạt 6% đến 7%, tiêu hao do va chạm giao thoa giữa hai luồng tia trên không trung và tiêu tán từ 50% đến 60% năng lượng khi va đập vào lớp nước đệm hố xói.

So sánh với các công trình thực tế như Thủy điện Hòa Bình sau khi cải tạo bổ sung 7 mố phun so le vào năm 1991 hay Thủy điện Sông Tranh 2 với góc hắt rãnh 17 độ và góc mố 27 độ, kết quả nghiên cứu tại Bản Mòng cho thấy sự tương thích hoàn toàn về quy luật thủy lực, đồng thời tối ưu hơn về kích thước góc hắt mố 35 độ và rãnh 20 độ phù hợp với lòng sông hẹp miền núi phía Bắc.

Dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua các biểu đồ phân bố đường viền xói lòng sông và bảng so sánh thông số thủy lực 4 loại mũi phóng. Biểu đồ đường bao hố xói thể hiện rõ đáy hố xói của phương án mũi liên tục có dạng hình phễu sâu và hẹp, trong khi phương án mũi so le hình thang loe tạo ra mặt đáy phẳng, rộng và nông hơn hẳn, chứng minh tính ưu việt của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm áp dụng cho đập tràn xả lũ Bản Mòng và các công trình có điều kiện tương tự:

1. Áp dụng kết cấu mũi phun so le hình thang loe chuẩn hóa: Đơn vị tư vấn thiết kế cần thay thế toàn bộ kết cấu mũi phun liên tục góc 25 độ ban đầu bằng mũi phun so le với các thông số tối ưu: góc hắt rãnh 20 độ, góc hắt mố 35 độ, tỷ số chiều cao mố trên độ sâu dòng chảy đạt 0,8 đến 1,0, góc khuyếch tán ngang từ 13 độ đến 20 độ và mái bên mố m bằng 0,5. Giải pháp này giúp triệt giảm trên 65% áp lực xói đáy. Thời gian thực hiện điều chỉnh hồ sơ bản vẽ thi công trong vòng 2 tháng do Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Thủy lợi chủ trì.

2. Bố trí nửa mố phun sát tường bên và lùi vị trí mũi hắt: Đơn vị thi công cần lắp đặt hai nửa mố phun tiếp giáp với tường phân lưu hai bên dốc nước và bố trí đỉnh mố lùi sâu vào phía thượng lưu dốc tràn một đoạn từ 1,5 m đến 2,5 m. Biện pháp này nhằm thu hẹp dòng tràn biên, ngăn ngừa hiện tượng dòng xiết va đập trực tiếp gây xói lở bờ tả và bờ hữu suối Nậm La.

3. Đào mồi tạo hố đệm nước hạ lưu chủ động: Nhà thầu xây lắp cần thực hiện đào mồi hố xói hạ lưu với chiều sâu lớp nước đệm ban đầu đạt từ 3,0 m đến 4,5 m trước khi đập tiến hành xả lũ thử nghiệm. Việc tạo đệm nước chủ động giúp tạo môi trường hấp thụ năng lượng ngay từ đợt xả đầu tiên, ngăn chặn dòng tia tác động trực tiếp vào nền sa thạch nứt nẻ. Tiến độ hoàn thành đồng bộ trước giai đoạn tích nước công trình.

4. Xây dựng quy trình vận hành đóng mở cửa van phân kỳ: Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi cần ban hành quy trình khống chế đóng mở đối xứng 3 cửa van cung kích thước 5x9,25 m. Trong các trận lũ thường xuyên có tần suất từ 5% trở lên, chỉ vận hành mở cửa van giữa với lưu lượng khống chế tối đa 227 m3/s để đảm bảo an toàn ngập lụt cho Cầu Trắng và ổn định hạ lưu. Quy trình cần được cập nhật và kiểm chuẩn định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy - thủy điện: Cung cấp trực tiếp các công thức toán học tính toán chiều dài phóng xa nhất và gần nhất cùng bộ thông số kích thước tối ưu của mố phun so le, giúp kỹ sư thiết kế nhanh chóng xác định phạm vi gia cố lòng dẫn mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào các công thức kinh nghiệm mũi liên tục đã lỗi thời.

2. Cán bộ nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Thủy lợi: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về động lực học dòng tia, cơ chế tương tác khí - nước và phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý thủy lực không gian 3 chiều phục vụ công tác giảng dạy sau đại học và nghiên cứu khoa học.

3. Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án thủy lợi, thủy điện: Giúp chủ đầu tư đánh giá chính xác tính khả thi kỹ thuật - kinh tế của phương án xả lũ, lựa chọn giải pháp tiêu năng dòng phun thay thế bể tiêu năng đáy để giảm từ 20% đến 30% chi phí xây lắp bê tông và đào đắp nền móng.

4. Cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị thẩm định an toàn đập: Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ thẩm định thiết kế cơ sở, đánh giá rủi ro xói lở hạ du và xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết kế đập tràn xả lũ cột nước cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Mũi phun so le mang lại ưu thế vượt trội gì so với mũi phun liên tục truyền thống? Mũi phun so le chia dòng xả tập trung thành hai luồng tia bay ở cao độ khác nhau, luồng qua mố đạt góc hắt 35 độ bay xa và luồng qua rãnh góc hắt 20 độ bay gần. Sự va chạm giữa hai luồng tia trong không gian giúp tiêu hao năng lượng sớm, mở rộng diện tích dòng rơi và giảm độ sâu xói cục bộ tới 77,7% so với mũi liên tục.

2. Vì sao cần chọn độ chênh lệch góc hắt giữa mố và rãnh trong khoảng từ 10 đến 15 độ? Khoảng chênh lệch góc từ 10 đến 15 độ là điều kiện hình học tối ưu để hai luồng tia nước tách rời hoàn toàn về mặt quỹ đạo nhưng vẫn duy trì vùng giao thoa va đập trên không. Nếu chênh lệch nhỏ hơn 10 độ, dòng chảy có xu hướng nhập thành một luồng đặc, làm mất tác dụng phân tán và trộn khí của kết cấu so le.

3. Khi nào công trình nên sử dụng tiêu năng đáy thay vì tiêu năng mũi phun? Tiêu năng đáy bằng bể tiêu năng phù hợp với công trình có nền đá hạ lưu mềm yếu, nứt nẻ mạnh với cường độ kháng nén dưới 400 kg/cm2 hoặc nền đất cát. Ngược lại, tiêu năng mũi phun đòi hỏi nền địa chất hạ lưu là đá gốc cứng chắc như granit hay sa thạch có cường độ chịu nén trên 600 kg/cm2 để chịu được tác động của dòng tia rơi.

4. Chiều dài phóng xa của luồng nước mũi phun so le được tính toán bằng cách nào? Chiều dài phun xa được xác định thông qua hệ phương trình chuyển động đường đạn kết hợp hệ số tổn thất lưu tốc từ 0,65 đến 0,80. Biên ngoài xa nhất được tính theo vận tốc và góc hắt của mố phun, trong khi biên trong gần nhất được tính dựa trên vận tốc và góc hắt của đáy rãnh, giúp định vị chính xác vị trí hố xói hạ lưu.

5. Kết quả nghiên cứu tại đập Bản Mòng có thể áp dụng cho các công trình thủy lợi khác không? Toàn bộ hệ thống công thức giải tích xác định quỹ đạo dòng phun và nguyên tắc bố trí mố hình thang loe hoàn toàn có thể chuyển giao, áp dụng trực tiếp cho các đập tràn có cột nước từ 20 m đến trên 100 m và tỷ lưu xả từ 50 m2/s đến 150 m2/s trên phạm vi toàn quốc.

Kết luận

• Xác lập thành công hệ phương trình giải tích xác định biên ngoài phóng xa nhất và biên trong phóng gần nhất cho dòng chảy qua mũi phun so le, khắc phục thiếu sót lý thuyết kéo dài trong ngành thủy lực công trình.
• Làm sáng tỏ cơ chế thủy lực phân tầng dòng tia, gia tăng mức độ trộn khí và va chạm không gian, giúp tiêu tán từ 55% đến trên 67% động năng dư thừa của dòng nước lũ.
• Chứng minh thực nghiệm mố phun so le hình thang loe giúp triệt giảm độ sâu hố xói hạ lưu tới 77,7% so với thiết kế mũi liên tục, bảo vệ tuyệt đối an toàn chân đập Bản Mòng.
• Đề xuất bộ thông số kích thước hình học chuẩn xác với góc hắt mố 35 độ, góc hắt rãnh 20 độ và bố trí nửa mố sát tường bên, tạo tiền đề vững chắc cho việc hiệu chỉnh thiết kế thi công công trình.
• Cung cấp luận cứ khoa học hoàn chỉnh hỗ trợ xây dựng quy trình vận hành xả lũ an toàn và tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng các cụm công trình đầu mối thủy lợi - thủy điện tại Việt Nam.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã chuẩn hóa phương pháp tính toán thủy lực cho mũi phun so le từ lý thuyết đến thực tiễn công trình. Để tiếp tục phát triển đề tài, các đơn vị nghiên cứu cần triển khai mô phỏng số 3D kết hợp quan trắc áp lực mạch động thực địa tại đập Bản Mòng trong giai đoạn 2024 - 2026. Các kỹ sư thiết kế và nhà thầu xây dựng hãy tham khảo và ứng dụng ngay giải pháp mũi phun so le hình thang loe vào các dự án đập tràn hiện hữu nhằm nâng cao mức độ an toàn và tiết kiệm chi phí đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.