Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP TIÊU NĂNG DÒNG CHẢY SAU CÔNG TRÌNH THÁO 1. Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu công trình tháo. Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy từ thượng lưu qua công trình về hạ lưu, nguồn năng lượng dư của dòng chảy khá lớn sẽ tạo ra chế độ thủy lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình.
Đặc tính thủy lực cơ bản của dòng chảy qua công trình tháo là êm ở thượng lưu (Fr<1); chảy xiết trên đoạn chuyển tiếp (Fr>1), và dần trở lại trạng thái tự nhiên sau khi chảy vào sông thiên nhiên là dòng chảy êm (Fr<1). Động năng thừa của dòng chảy đổ từ thượng lưu qua công trình xuống hạ lưu là rất lớn, nên cần thiết phải giải quyết tiêu năng trước khi dòng chảy nối tiếp với hạ lưu. Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm được giải pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa, điều chỉnh lại sự phân bố vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất nhằm giảm khối lượng gia cố nhưng vẫn bảo vệ được cho công trình đầu mối, cho hai bờ, lòng dẫn hạ lưu và phải đảm bảo sự ổn định trong những điều kiện thủy lực tương ứng với các cấp lưu lượng xả qua công trình. Một trong những nhiệm vụ chính của thiết kế nối tiếp thượng hạ lưu là chọn hình thức kết cấu và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thủy lực của công trình nối tiếp tiêu năng.
Giải quyết đúng đắn nhiệm vụ này là vấn đề rất phức tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu lan truyền xuống và ảnh hưởng đến hạ lưu bao gồm các vấn đề: dòng xiết, hàm khí, mạch động áp suất, lưu tốc và mạch động lưu tốc lớn. Đặc điểm của những chế độ nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa dòng chảy với công trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: Điều kiện địa hình, địa chất tuyến công trình; độ chênh mực nước thượng hạ lưu; đặc điểm kết cấu công trình; trị số và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình. Những kết quả đã nghiên cứu về dòng chảy sau đập tràn xả lũ 1. Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài: Bài toán về nối tiếp và tiêu năng dòng chảy qua công trình là bài toán cơ bản nhất của thủy lực công trình đã được các nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu, đưa ra các lời giải trên các lĩnh vực và các khía cạnh rất khác nhau.
* Nghiên cứu vấn đề nối tiếp chảy đáy ở hạ lưu theo phương pháp lý thuyết có thể kể đến Bidone (năm 1880), Belanger năm 1928 và gần đây là N. Ragiaratman với công thức tính chiều sâu liên hiệp của nước nhảy phân giới. * Nghiên cứu theophương pháp thực nghiệm, dựa trên phương trình năng lượng và động lượng có nhiều tác giả đã tiến hành thí nghiệm để tìm ra các hệ thức tính toán nước nhảy nhằm kép kín hệ phương trình cơ bản và từ đó tính dạng nối tiếp giữa dòng xả và dòng chảy hạ lưu: - Tréc tou xốp sử dụng hệ thức nước nhảy của Bélanger và phương trình năng lượng để xác định độ sâu co hẹp tại chân đập và độ sâu liên hiệp của nó; - Giáo sư A-grốt-skin đã lập các phương trình tính toán nước nhảy theo dạng không thứ nguyên; - Ngoài ra có thể kể đến các tác giả như: Aivadian, Pavơlốpxki, V.Saomian cũng đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy; - Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài toán phẳng có: T Bunsu, An Rakhơmanôp, N. Ragiatman… - Đối với những trường hợp nhảy không gian thì khi mở rộng đột ngột có nhiều nhà nghiên cứu như: Picalôp, Abơranôp đã đưa ra sơ đồ nước nhảy hoàn chỉnh dạng đối xứng.
Các nhà khoa học như Linhxepxki, Guncô, Serenkop, B. Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra được hình dạng cũng như phân bố vận tốc của dòng xiên mở rộng. Cũng còn có thể kể đến các nghiên cứu nối tiếp dòng xiết và dòng êm ở hạ lưu công trình với điều kiện biên mở rộng của tác giả như: Q. Clatnhep; 7 - Khi nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần trong khu vực nối tiếp đã có nhiều tác giả như Ra-Khơ-ma-nốp, T.
Prô-vô-rô-va. * Trong trường hợp bậc thấp có đập thụt nối tiếp: có các kết quả nghiên cứu của Forter và Krinde, Moore và Morgan, Ventechow Yames và Sharp. * Các vấn đề về nối tiếp chảy mặt ở hạ lưu công trình có thể kể đến: - Các nghiên cứu của A.A Xabanhep xuất phát từ quan điểm cho rằng áp suất ở bậc tuân theo quy luật thủy tĩnh để đi đến các hệ thức tính toán thủy lực ở sau bậc; - Ngoài ra, có thể kể đến các nghiên cứu của M. Makhlop về trạng thái nối tiếp chảy mặt; * Các vấn đề nối tiếp chảy mặt dạng dòng phun tự do ở hạ lưu công trình thực chất là việc tính toán chiều sâu hố xói với các nghiên cứu của T.
Mirtxkhulava đối với nền đất không dính và của T. Akhơ-me-đốp với nền đá rắn, các nghiên cứu của B. * Các nghiên cứu về thủy lực và biện pháp công trình trong đoạn chuyển tiếp còn có thể kể đến các tác giả như: - Về tiêu năng trong bể, các ảnh hưởng liên quan đến mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của: Tréc tou xốp, Smetana, Bas Kirova, UghinTrut, P. Novak… - Về xói hạ lưu có các tác giả như Ter-Arakelian, Chalumina, Vưxgo… - Cu min đã nghiên cứu rất kỹ sự phân bố lưu tốc trong vùng chuyển tiếp liên quan hệ số đặc trưng α; - Vấn đề mạch động trong và sau nước nhảy đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của Lê Vi; - Về vấn đề xói: Grund đã tìm ra những cấu trúc đặc biệt bên trong nước nhảy liên quan đến bài toán xói bằng cách khái quát trường lưu tốc bằng 3 miền tương hỗ lẫn nhau; - Liên quan đến chiều sâu hố xói ổn định đã có các tác giả như Vưxgo, Schoklitsh, Vernonese, Jaeger, Pratresev, Eggenberger, Smolianinov.
8 - Về hố xói sau bể tiêu năng thì có các nghiên cứu của Vưxgo, Novak trong đó có chỉ ra các yếu tố có liên quan đến sự phân bố lưu tốc liên quan hệ số α 1 và các vị trí tương ứng của ngưỡng, mố tiêu năng… -Về chiều dài xói ổn định có các nghiên cứu của Damamzin, Patrasev, Yuricki theo quan điểm chiều dài hố xói liên quan tới độ sâu lớn nhất của hố xói; - Levi, Vuxgo … lại xác định chiều dài xói phụ thuộc vào các yếu tố dòng chảy và công trình như: dòng chảy, đất nền, dạng công trình. Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam: Ở Việt Nam, trong mấy thập kỉ gần đây, vấn đề nghiên cứu nối tiếp và giải quyết vấn đề tiêu năng chống xói ở hạ lưu các công trình thủy lợi nói chung đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý công trình thủy lợi. Đã có nhiều công trình nghiên cứu tại Viện khoa học Thủy lợi như: của tác giả: Trương Đình Dụ, Lưu Như Phú, Hàn Quốc Trinh, Nguyễn Ân Niên, Trần Như Hối, Tăng Đức Thắng , Trần Quốc Thưởng, Lê Văn Nghị…; Trường Đại học Thủy lợi có các tác giả: Hoàng Tư An, Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý và nhiều nhà chuyên môn khác. Một số tác giả Việt Nam đã có cùng hướng nghiên cứu với các tác giả trên thế giới để có những kết luận riêng của mình nhưng cũng có các tác giả đi theo những hướng nghiên cứu riêng phù hợp với tình hình thực tiễn ở Việt Nam.
Có thể tóm lược một số kết quả nghiên cứu sau: - Các nghiên cứu của giáo sư Hoàng Tư An sử dụng và phát triển lý thuyết dòng tia rối sử dụng tích phân Karman để tính toán các đặc trưng cở bản của các dạng nước nhảy khác nhau trong các điều kiện biên cụ thể; - Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Đăng dùng lý thuyết lớp biên để thành lập phương trình về nước nhảy ổn định và đặc trưng phân bố lưu tốc trong nước nhảy; - Nghiên cứu của Lê Bá Sơn về các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu công trình; - Nghiên cứu của Võ Xuân Minh về ảnh hưởng liên quan của mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói; 9 - Nghiên cứu của Võ Xuân Minh, Hoàng Văn Quý về góc mở rộng β và một số biện pháp phân bố đều lưu lượng và từ đó tìm biện pháp công trình hợp lý để giải quyết bài toán tiêu năng khi có nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần; - Các nghiên cứu của Hoàng Tư An, Phạm Ngọc Quý, Lê Văn Nghị và một số người khác về xói và ổn định ở hạ lưu công trình tháo nước. - Nghiên cứu của Lưu Như Phú cống ở hạ lưu mở rộng dần với bậc thụt có đập thấp; - Nghiên cứu của Hàn Quốc Trinh, Tăng Đức Thắng, Trần Như Hối về tiêu năng, phòng xói cống vùng triều. Một số vấn đề về công trình xả lũ và tiêu năng hạ lưu. Tình hình xây dựng đập tại Việt Nam: Trong đầu mối công trình thủy lợi, công trình tháo là một bộ phận quan trọng, nó có thể dùng để tháo phần lũ thừa trong thời gian hồ đầy đến mực nước tính toán hoặc kết hợp với tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng tháo hoàn toàn hoặc một phần hồ chứa để sửa chữa hoặc nạo vét và cấp nước cho hạ lưu công trình.
Các công trình tháo đã xây dựng ở nước ta tương đối phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu. Theo hình thức phân loại đập tràn là loại công trình kiểu hở và lưu lượng tháo qua đập tràn khoảng 40÷100 m3/s/m. Khi có điều kiện sử dụng thì đập tràn là một loại công trình tháo lũ rẻ nhất Khoảng 50 ÷ 60 năm trước đây, chỉ mới có đập tràn tháo lũ cao 50÷70m thì ngày nay đã có đập tràn cao trên 130m. Đặc điểm một số đập tràn đã xây dựng ở nước ta Lưu lượng Chiều Chiều Số Công cao rộng Loại TT Tỉnh Q q khoang trình đập tràn đập (m3/s) (m3/s.