CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN 1. Các loại đập tràn và khả năng tháo của từng loại. Thiết kế công trình tháo lũ trước hết phải xác định lưu lượng thiết kế tháo qua công trình. Dựa vào quy phạm, xác định tần suất thiết kế qua tính toán điều tiết hồ, xác định được lưu lượng thiết kế phải tháo qua công trình tháo lũ.
Công trình tháo lũ có thể chia làm 2 loại: Công trình tháo lũ dưới sâu và công trình tháo lũ trên mặt. Đập tràn là công trình tháo lũ trên mặt, giữ một vị trí vai trò quan trọng trong hệ thống công trình đầu mối. Việc tính toán, thiết kế, lựa chọn phương án tối ưu để đập tràn làm việc an toàn về kỹ thuật nhưng vẫn đáp ứng được về mặt kinh tế là điều hết sức cần thiết. Khả năng tháo của đập tràn là một thông số quan trọng, có liên quan đến an toàn của bản thân công trình đầu mối cũng như khu vực hạ du.
Đại luợng đặc trưng cho khả năng tháo của đập tràn chính là lưu lượng tháo Q (m3/s). P P Theo chức năng của đập tràn trong đầu mối hồ chứa có thể phân loại như sau: đập tràn chính, đập tràn phụ, đập tràn sự cố. + Tràn chính: Là công trình tháo nước chính để đảm bảo an toàn cho các hạng mục công trình đầu mối và hạ du, đuợc thiết kế kiên cố theo cấp của công trình đầu mối. + Tràn phụ: Được xây dựng để cùng với tràn chính tháo đuợc con lũ kiểm tra, đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối và hạ du.
+ Tràn sự cố: Được xây dựng để tham gia tháo nước khi tràn chính bị sự cố làm giảm năng lực tháo (do kẹt cửa van, vật cản ở cửa tràn….) hay khi con lũ vượt quá tần suất quy định. Theo chiều dày đỉnh đập có các dạng đập tràn sau: Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -4- 1. Đập tràn thành mỏng. Khi chiều dày của đỉnh đập δ < 0,67H, làn nước tràn ngay sau khi qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập; không chạm vào toàn bộ mặt đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng tràn.1: Đập tràn thành mỏng Khả năng xả được tính theo công thức: Q = m0b 2 g H 3/ 2 Trị số m0 được xác định bằng công thức thực nghiệm: 0, 003 H 2 m0 = 0, 405 + 1 + 0,55 H H + P 1.
Đập tràn đỉnh rộng. Khi đỉnh đập nằm ngang và có một chiều dày tương đối lớn, trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần. Nếu chiều dày đỉnh đập quá lớn δ > (8-:-10)H thì không thể coi là đập tràn nữa mà coi như một đoạn kênh dẫn (2-:-3)H < δ < (8-:-10)H Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -5- Hình 1.2: Đập tràn đỉnh rộng Khả năng xả được tính theo công thức: =Q ϕ. 2 g ( H 0 − h) Trong đó: ω : là diện tích mặt cắt ướt.
ϕ : phụ thuộc vào sức cản khi đi từ kênh thượng lưu vào đập, tức là phụ thuộc vào mức độ thu hẹp và hình thức thu hẹp theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang. Có nghĩa phụ thuộc vào chiều cao ngưỡng P so với cột nước H, hình dạng phần đầu ngưỡng (lượn tròn, bạt góc hay vuông góc), chiều rộng đập so với bề rộng kênh thượng lưu… 1. Đập tràn có mặt cắt thực dụng. Đập tràn có mặt cắt thực dụng là loại đập tràn thường dùng trong các công trình tháo lũ trên sông, có năng lực tháo nước lớn, tháo các vật nổi trôi lẫn trong nước một cách dễ dàng, hình dạng cũng dễ thi công, dùng vật liệu tại chỗ nên mặt cắt đập có thể là dạng hình thang hoặc hình cong.3: Đập tràn mặt cắt thực dụng Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -6- Khả năng tháo của đập tràn mặt cắt thực dụng: Q = σ n .∑ b 2 g H 03/ 2 Trong đó: Q: lưu lượng tháo qua đập tràn (m3/s).
m: hệ số lưu lượng. n: Số khoang tràn. vo2 H 0 : Cột nước tác dụng trên tràn có xét đến lưu tốc tiến gần v 0 : H= R R o H+ R R. 2g g: Gia tốc trọng lực (g = 9,81 m/s2) P P ε : Hệ số co hẹp được tính theo công thức: Ho ε =1 − 0, 2 [ξ k + (n − 1)ξo ] nb θ θ ≤π 2 εo =0,80 εo =0,45 εo =0,45 εo =0,25 a.
Đập tràn dạng hình thang: Chiều dày đỉnh trong phạm vi: 0,67H < δ < (2-:-3)H Mái dốc thượng và hạ lưu có các trị số khác nhau được xây dựng bằng bê tông, đá xây, hay gỗ. nhưng nhược điểm của loại đập này là hệ số lưu lượng nhỏ so với dạng mặt cắt hình cong, hệ số m thường là 0,41 -:- 0,42. Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -7- Hình 1.4: Đập tràn dạng hình thang b. Đập tràn dạng mặt cắt cong: Có profil và mái hạ lưu hình cong, lượn theo làn nước trên mặt tràn, nên dòng chảy trên mặt tràn thuận, hệ số lưu lượng lớn, nhưng thi công phức tạp hơn đập hình thang.
Hệ số lưu lượng thường là m = 0,48 -:- 0,49. Bazin là người đầu tiên đã có những nghiên cứu rất chi tiết về đập tràn thành mỏng và đã công bố những kết quả nghiên cứu của ông vào các năm 1886 -:- 1888, rồi năm 1889 Pascan cũng dựa vào các nguyên tắc trên tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Phương trình mặt dưới của luồng nước tràn tự do có dạng tổng quát (như hình 1.5: Sơ đồ mô tả mặt dưới luồng nước tràn tự do Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -8- 2 Y X X = A + B +C + D (1.1) Hd Hd Hd Trong đó: H d : Là cột nước thiết kế mặt cắt có tính đến cả cột nước lưu tốc tiến gần: R R Vo2 hv = 2g Theo số liệu của US Bureau of Reclamation (Mỹ) và của Hinds, Cơrigiơ, Justin, Ippen, Blaisdell đã đưa ra phương trình sau cho các hệ số A, B, C, D: h A= −0, 425 + 0, 25 v (1.3) Hd Hd Hd hv =C 0,150 − 0, 45 (1.5) hv Trong đó: = m − 0, 208 Hd Như vậy khi h v = 0 thì A = -0,425; B = 0,055; C = 0,150; D = 0,559. R R X h Các phương trình trên không có giá trị với < −0,50 và khi v > 0, 2 thì Hd Hd cần có số liệu kiểm định riêng.
Cần chú ý là phương trình trên được thiết lập trong điều kiện dòng tới đập chảy êm (F r < 1). R R Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 -9- Về lý thuyết thì như vậy, song trong thực tế chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố nên tình hình lại khác. Vì thế về sau người ta đã nghiên cứu hoàn thiện hơn và đã lần lượt ra đời các dạng mặt cắt sau: - Dạng mặt cắt DeMarchi (1928) - Dạng mặt cắt Cơrigiơ (1929) dựa trên số liệu của BaZin. - Dạng mặt cắt Cơrigiơ cải tiến (1945) dựa trên số liệu của Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở DenVer) - Dạng mặt cắt Seimemi (1930) - Dạng mặt cắt Escande (1937) - Dạng mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp.
- Dạng mặt cắt Lane - Dvis (1952) dựa trên số liệu của BaZin, của Seimemi, của Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở Fort - Collins Mỹ) - Mặt cắt WES (1952) của Waterways Experiment Station dưới đây xin giới thiệu 4 loại mặt cắt đập tràn thực dụng trong số các phương trình trên được áp dụng và nhắc tới nhiều nhất: (1) Mặt cắt Seimemi: 1,85 Y X = 0,5 (1.6) Hd Hd Hd là cột nước thiết kế, tức là cột nước mà với nó người ta tính ra tọa độ mặt cắt trong (1-6) thì giá trị của X,Y ≥ 0. (2) Mặt cắt Cơrigiơ 1,80 Y X = 0, 47 (1.7) Hd Hd Mặt cắt này ứng với hệ số an toàn 10% đối với cột nước. Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 - 10 - (3) Mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp 1,80 Y X = 0, 475 (1.8) Hd Hd Đoạn cong từ mặt thượng lưu đến đỉnh đập lấy theo cung tròn bán kính r= 0,25 x H d R R (4) Mặt cắt WES Xn =K × H dn −1 × Y (1.9) Trong bốn dạng mặt cắt đập tràn nêu trên, hai dạng mặt cắt được dùng phổ biến nhất là: + Mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp được các nhà khoa học của Liên Xô (cũ) nghiên cứu và áp dụng. + Mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ.
Ở đây ta nghiên cứu khả năng tháo của đập tràn thực dụng với công thức tính: Q = σ n. Các nghiên cứu trong và ngoài nước. Các nghiên cứu trong nước. Tính toán khả năng tháo đã được nghiên cứu và tìm ra công thức chung nhất, nó được áp dụng để tính toán thiết kế công trình tháo lũ.
Với các công trình quan trọng đều được đối chiếu lại với số liệu của thí nghiệm mô hình. Khi đập tràn có hình dạng và kích thước khác với đập tiêu chuẩn thì kết quả thí nghiệm mô hình sẽ đưa ra được những hiệu chỉnh cần thiết, đó cũng chính là những nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của công trình tháo lũ, như công trình Thủy điện Sơn La, Bản Chát, Huội Quảng, Lai Châu… Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm Lớp: 18C21 - 11 - Ở nước ta từ năm 1960 đến năm 1998 các công trình đập tràn thực dụng đều được thiết kế theo dạng mặt cắt Ôphixêrốp như: Đập tràn hồ chứa nước Thác Nhồng (Quảng Ninh), Đập tràn Thông Gót (Cao Bằng), đập tràn Ngòi Nhì (Yên Bái)… đều là loại đập dâng chủ yếu là để lấy nước tưới và một phần tạo đầu nước phát điện. Qua kết quả thí nghiệm hệ số lưu lượng m chỉ là 0,42 ÷ 0,44; cột nước lũ trên đỉnh tràn không lớn chỉ 4 ÷ 6m; đây là các công trình được xây dựng dưới thời bao cấp, nền kinh tế của nước ta còn chưa chuyển mình. Để thoát khỏi lạc hậu Đảng và Nhà nước ta đã thực hiện đường lối mở cửa nhằm đưa nước ta từ một nước nông nghiệp dần dần trở thành một nước công nghiệp.