Luận văn thạc sĩ xây dựng công trình thủy nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình hồ sông cái tỉnh ninh thuận

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng công trình thủy nghiên cứu chế độ thủy lực của tràn xả lũ nhằm xác định cao trình cầu giao, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Phạm Phùng Thường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Nghị
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Độ Thủy Lực Tràn Xả Lũ Và Cao Trình Cầu Giao Thông Tại Hồ Sông Cái, Ninh Thuận
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
• 0.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Kết quả dự kiến đạt được
• 1. CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ
• 1.1.1. Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới
• 1.1.2. Tổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHẾ ĐỘ THỦY LỰC DÒNG CHẢY SAU CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG HẠ LƯU
• 2.1. Đặc điểm của công trình tiêu năng sau tràn xả lũ
• 2.2. Cơ chế xói nền đá trong hồ xói
• 2.2.1. Cơ chế xói nền đá trong hồ xói
• 2.2.2. Công thức ước tính độ sâu xói của hồ xói
• 2.2.2.1. Loại công thức kinh nghiệm
• 2.2.2.2. Loại công thức bán kinh nghiệm
• 2.3. Nối tiếp dòng chảy và năng lượng do tác động đến mực nước của cầu giao thông ở hạ lưu công trình
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC TIÊU NĂNG CỦA CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ SÔNG CÁI
• 3.1. Giới thiệu chung về công trình
• 3.2. Nhiệm vụ công trình
• 3.3. Quy mô công trình
• 3.4. Các yêu cầu thí nghiệm
• 3.4.1. Yêu cầu về loại mô hình và tỷ lệ mô hình
• 3.4.2. Trình tự nghiên cứu thí nghiệm
• 3.4.3. Các yêu cầu nghiên cứu thí nghiệm chi tiết trên mô hình
• 3.5. Hạng mục công trình thí nghiệm và yêu cầu thí nghiệm
• 3.6. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phương án thiết kế
• 3.6.1. Về tình hình dòng chảy
• 3.6.2. Về nối tiếp
• 3.6.3. Về chiều dài dòng chảy
• 3.6.4. Về lưu tốc, mạch động
• 3.6.5. Đánh giá khả năng xói lở do dòng chảy khi xả lũ gây ra
• 3.6.6. Về mạch động áp lực
• 3.7. Kết quả thí nghiệm phương án sửa đổi
• 3.7.1. Phương án sửa đổi
• 3.7.2. Về tình hình dòng chảy dưới hạ lưu
• 3.7.3. Kết quả về nối tiếp tiêu năng ở hạ lưu
• 3.7.4. Về lưu tốc và mạch động lưu tốc
• 3.8. Nhận xét chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC VỀ TIÊU NĂNG
• 4.1. Số liệu cơ bản để tính tiêu năng
• 4.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thí nghiệm mô hình thủy lực
• 4.3. Phân tích về giải pháp thi công hồ xói
• 4.4. Nhận xét chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, việc nghiên cứu chế độ thủy lực của các công trình thủy lợi, đặc biệt là các tràn xả lũ, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ môi trường. Hồ chứa nước Sông Cái, tỉnh Ninh Thuận, là một trong những công trình điển hình cần được nghiên cứu sâu hơn để đảm bảo an toàn cho các cầu giao thông ở hạ lưu. Việc xác định cao trình cầu giao thông là cần thiết nhằm tránh tình trạng xói lở và thiệt hại do dòng chảy mạnh khi xả lũ. Như đã xảy ra trong các mùa lũ trước, sự tác động của dòng chảy đến cầu giao thông đã gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng. Do đó, nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế và bảo trì các công trình giao thông liên quan.

II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Mục đích chính của nghiên cứu này là phân tích tác động của chế độ thủy lực tại hồ Sông Cái đến các cầu giao thông ở hạ lưu. Nhiệm vụ cụ thể bao gồm việc xây dựng mô hình thủy lực để đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý cho các công trình giao thông. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc đánh giá tác động của dòng chảy sau khi xả lũ đến cao trình cầu giao thông, đồng thời đề xuất các phương án cải thiện tình hình thủy văn để giảm thiểu rủi ro cho các công trình hạ tầng. Việc này không chỉ giúp nâng cao tính an toàn cho cầu giao thông mà còn góp phần vào việc quản lý lũ một cách hiệu quả hơn.

III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc áp dụng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Đầu tiên, tài liệu tham khảo về thủy lực, động lực học dòng sông sẽ được sử dụng để xây dựng cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu. Sau đó, mô hình thủy lực sẽ được thiết lập để mô phỏng các điều kiện thực tế tại hồ Sông Cái. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ thủy lực và từ đó xác định được cao trình cầu giao thông phù hợp. Các số liệu thu thập từ mô hình sẽ được so sánh với các kết quả tính toán lý thuyết để đưa ra nhận xét và kiến nghị về thiết kế công trình.

IV. Kết quả dự kiến đạt được

Kết quả của nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin quý giá về chế độ thủy lực tại hồ Sông Cái, từ đó xác định được cao trình cầu giao thông cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình hạ tầng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng sẽ đề xuất các giải pháp cải thiện tình hình thủy văn tại khu vực hạ lưu, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của dòng chảy đến các công trình giao thông. Những kết quả này không chỉ có giá trị cho hồ Sông Cái mà còn có thể áp dụng cho các công trình tương tự khác trong tương lai.

V. Tổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ

Nghiên cứu cũng cần xem xét tổng quan về các công trình tiêu năng được xây dựng trên thế giới và tại Việt Nam. Các công trình này đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy và giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt. Việc lựa chọn hình thức tiêu năng phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, và thủy văn là rất cần thiết. Cụ thể, các công trình tiêu năng dạng mũi phun đã được áp dụng rộng rãi và cho thấy hiệu quả trong việc giảm thiểu tác động của dòng chảy đến các công trình hạ tầng ở hạ lưu. Đặc biệt, các công trình tiêu năng này cần được thiết kế sao cho phù hợp với tình hình xây dựng công trình thủy lợi và thủy điện ở Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thủy điện và thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội, cung cấp nguồn năng lượng sạch và điều tiết nước phục vụ sản xuất, sinh hoạt. Trên thế giới, công suất lắp đặt thủy điện đạt khoảng 737,4 GW, chiếm gần 20% tổng sản lượng điện, với khoảng 118 GW công suất mới đang xây dựng. Ở Việt Nam, từ thập niên 80, nhiều công trình thủy điện và thủy lợi lớn đã được xây dựng, trong đó tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun chiếm tỷ lệ cao, khoảng 52% trong tổng số công trình tràn xả lũ. Hồ chứa nước và đập tràn có nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ và xả lưu lượng nước dư đảm bảo an toàn cho công trình và vùng hạ lưu.

Tuy nhiên, dòng chảy sau đập tràn có năng lượng lớn, gây ra hiện tượng xói lở nền đá, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình hạ lưu như cầu giao thông. Ví dụ, mùa lũ năm 2006 tại đập tràn sông Hinh đã làm trôi cầu giao thông cách đập khoảng 800m; năm 2008, xả lũ thi công công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) gây vỡ mố cầu bờ trái. Những hiện tượng này chưa được tính toán đầy đủ trong thiết kế, dẫn đến nguy cơ mất an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình tràn xả lũ Hồ Sông Cái (Ninh Thuận), dựa trên phân tích chế độ thủy lực dòng chảy sau công trình tiêu năng dạng mũi phun. Nghiên cứu nhằm đề xuất các giải pháp kỹ thuật để bảo đảm an toàn công trình giao thông và giảm thiểu xói lở hạ lưu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái, với dữ liệu thí nghiệm mô hình thủy lực và tính toán lý thuyết, trong bối cảnh điều kiện địa chất nền đá granite có cường độ kháng nén trên 600 kg/cm².

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực dòng chảy sau công trình tiêu năng, bao gồm:

• Lý thuyết tiêu năng dòng phun: Dòng chảy phóng ra từ mũi phun có lưu tốc lớn, năng lượng được tiêu hao chủ yếu trong không khí và một phần trong lòng sông qua hồ xói. Chiều dài phóng xa và chiều sâu hồ xói được xác định bằng các công thức kinh nghiệm và lý thuyết, như công thức của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang và công thức tính chiều sâu hồ xói của Trần Xuân Đình.

• Mô hình xói nền đá: Quá trình xói nền đá do tác động của dòng phun được mô tả qua chu trình vật lý gồm dao động áp lực thủy động, lực cắt, lực nâng nước xâm nhập vào khe nứt đá, và sự phá hủy các viên đá. Các yếu tố ảnh hưởng gồm lưu lượng đơn vị, cột nước, tính chất cơ lý của nền đá, chiều sâu nước đệm hạ lưu, thời gian xả lũ, góc hắt và góc tới của dòng phun.

• Khái niệm chính:

  • Chiều dài phóng xa (L): Khoảng cách dòng phun rơi xuống mặt nước hạ lưu.
  • Chiều sâu hồ xói (T): Độ sâu hố xói tại vị trí dòng phun tác động.
  • Góc hắt (α): Góc phóng của dòng chảy tại mũi phun.
  • Lưu tốc mũi phun (Vip): Vận tốc dòng chảy tại mũi phun.
  • Hệ số K: Hệ số liên quan đến tính chất cơ lý của nền đá ảnh hưởng đến độ sâu xói.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng tài liệu chuyên khảo, giáo trình thủy công, thủy lực, động lực học sông biển, báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm mô hình thủy lực công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái. Thí nghiệm mô hình được thực hiện với tỷ lệ mô hình phù hợp, đo đạc các thông số thủy lực như lưu tốc, áp lực, chiều dài dòng phun, chiều sâu hồ xói.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thủy lực được thiết kế theo tỷ lệ chuẩn, đảm bảo tái hiện chính xác điều kiện thực tế của công trình. Các phương án thiết kế và vận hành tràn xả lũ được thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng đến dòng chảy và hồ xói.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2009-2010, bao gồm thu thập tài liệu, thiết kế và thi công mô hình, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chiều dài phóng xa dòng chảy: Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy chiều dài phóng xa dòng phun tại mũi hắt công trình Hồ Sông Cái đạt khoảng 30-35 m, tương ứng với lưu tốc mũi phun Vip khoảng 25-30 m/s và góc hắt α từ 25° đến 27°. So với công thức lý thuyết, sai số dưới 10%, cho thấy mô hình thí nghiệm phản ánh chính xác thực tế.

2. Chiều sâu hồ xói: Độ sâu hồ xói đo được trong mô hình đạt từ 3,5 đến 4,2 m tùy thuộc vào lưu lượng xả lũ và thời gian vận hành. So với công thức tính của Trần Xuân Đình, kết quả thí nghiệm cao hơn khoảng 15%, do ảnh hưởng của đặc tính cơ lý nền đá granite và thời gian xả lũ kéo dài.

3. Ảnh hưởng của lưu lượng và thời gian xả lũ: Khi lưu lượng xả lũ tăng từ 200 m³/s lên 350 m³/s, chiều sâu hồ xói tăng khoảng 20%. Thời gian xả lũ kéo dài từ 1 giờ lên 3 giờ làm chiều sâu hồ xói tăng thêm khoảng 10%, cho thấy thời gian xả lũ là yếu tố quan trọng trong thiết kế hồ xói.

4. Tác động đến cầu giao thông hạ lưu: Mực nước hạ lưu tăng lên 0,5-0,7 m khi xả lũ với lưu lượng lớn, gây dao động sóng và áp lực mạch động lên cầu giao thông cách đập khoảng 800-1500 m. Kết quả thí nghiệm cảnh báo nguy cơ xói lở chân trụ cầu và ngập mặt cầu nếu cao trình cầu không được xác định hợp lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở và tác động đến cầu giao thông là do năng lượng dòng chảy phóng xa từ mũi hắt đập tràn, với lưu tốc cao và góc phóng phù hợp tạo ra dòng phun mạnh. So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại đập Brack (Liên Xô cũ), Guri (Venezuela) và Tam Hiệp (Trung Quốc), công trình Hồ Sông Cái có đặc điểm tương tự về hình thức tiêu năng dòng phun nhưng có sự khác biệt về điều kiện địa chất và lưu lượng thiết kế.

Việc sử dụng mô hình thủy lực giúp đánh giá chính xác hơn các thông số thủy lực và hồ xói, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng xả lũ và chiều sâu hồ xói, bảng so sánh kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết, cũng như sơ đồ mô tả dòng phun và vị trí cầu giao thông hạ lưu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế cao trình cầu giao thông, bố trí hồ xói và lựa chọn phương án vận hành tràn xả lũ nhằm bảo đảm an toàn công trình và giảm thiểu tác động xấu đến môi trường hạ lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xác định cao trình cầu giao thông hợp lý: Đề nghị thiết kế cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình tràn xả lũ Hồ Sông Cái cao hơn mực nước lũ thiết kế ít nhất 1,0 m để tránh ngập và tác động sóng vỗ. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thiết kế cầu. Thời gian: Trước khi thi công cầu.

2. Thiết kế hồ xói tiêu năng phù hợp: Bố trí hồ xói với chiều sâu và chiều dài đủ lớn theo kết quả nghiên cứu mô hình, đảm bảo tiêu hao năng lượng dòng phun hiệu quả, giảm xói lở nền đá và bảo vệ công trình hạ lưu. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế thủy lợi. Thời gian: Giai đoạn thiết kế công trình.

3. Kiểm soát lưu lượng và thời gian xả lũ: Áp dụng quy trình vận hành tràn xả lũ hợp lý, hạn chế lưu lượng xả vượt quá công suất thiết kế và thời gian xả lũ kéo dài để giảm thiểu xói lở và tác động đến cầu giao thông. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa. Thời gian: Trong quá trình vận hành.

4. Gia cố và bảo vệ công trình hạ lưu: Thực hiện gia cố chân trụ cầu, bờ sông và các công trình dân sinh bằng các biện pháp kỹ thuật như bê tông cốt thép, kè đá để chống xói lở. Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý xây dựng và bảo trì công trình. Thời gian: Sau khi hoàn thành công trình.

5. Theo dõi và đánh giá thường xuyên: Thiết lập hệ thống quan trắc thủy lực và xói lở tại khu vực hạ lưu để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu thủy lợi và Ban quản lý hồ chứa. Thời gian: Liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ về chế độ thủy lực dòng chảy sau tràn xả lũ, từ đó thiết kế các công trình tiêu năng và cầu giao thông an toàn, hiệu quả.

2. Quản lý vận hành hồ chứa và đập tràn: Áp dụng các giải pháp vận hành tràn xả lũ hợp lý, kiểm soát lưu lượng và thời gian xả để giảm thiểu rủi ro xói lở và hư hỏng công trình hạ lưu.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên thủy lợi, thủy công: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về thủy lực dòng chảy, mô hình thí nghiệm và thiết kế công trình tiêu năng.

4. Cơ quan quản lý xây dựng và bảo trì công trình giao thông: Hiểu rõ tác động của dòng chảy xả lũ đến cầu giao thông, từ đó có kế hoạch bảo trì, gia cố và nâng cao độ an toàn cho các công trình hạ lưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải nghiên cứu cao trình cầu giao thông sau đập tràn?
   Dòng chảy xả lũ có năng lượng lớn gây dao động sóng và xói lở chân cầu, nếu cao trình cầu thấp hơn mực nước lũ sẽ bị ngập hoặc hư hỏng. Nghiên cứu giúp xác định cao trình phù hợp để bảo đảm an toàn và khai thác lâu dài.

2. Chiều dài phóng xa dòng phun ảnh hưởng thế nào đến hồ xói?
   Chiều dài phóng xa càng lớn thì dòng chảy tác động sâu và rộng hơn đến nền đá hạ lưu, làm hồ xói sâu và rộng hơn. Việc tính toán chính xác chiều dài phóng xa giúp thiết kế hồ xói hiệu quả, giảm thiểu xói lở.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến chiều sâu hồ xói?
   Bao gồm lưu lượng đơn vị, cột nước chênh lệch thượng-hạ lưu, tính chất cơ lý của nền đá, chiều sâu nước đệm hạ lưu, thời gian xả lũ và góc hắt dòng phun. Mỗi yếu tố đều tác động đến mức độ xói lở và cần được xem xét trong thiết kế.

4. Phương pháp thí nghiệm mô hình thủy lực có ưu điểm gì?
   Mô hình thủy lực tái hiện chính xác điều kiện thực tế, giúp đo đạc các thông số thủy lực, đánh giá tác động dòng chảy và hồ xói, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế và vận hành phù hợp, giảm thiểu rủi ro.

5. Làm thế nào để giảm thiểu tác động xấu của dòng phun đến công trình hạ lưu?
   Có thể bố trí hồ xói tiêu năng đúng kích thước, kiểm soát lưu lượng và thời gian xả lũ, gia cố công trình hạ lưu, và thiết kế cao trình cầu giao thông phù hợp nhằm giảm thiểu xói lở và sóng vỗ.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được các thông số thủy lực quan trọng như chiều dài phóng xa dòng phun (30-35 m), lưu tốc mũi phun (25-30 m/s) và chiều sâu hồ xói (3,5-4,2 m) cho công trình Hồ Sông Cái.
• Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hồ xói và tác động đến cầu giao thông hạ lưu giúp đề xuất giải pháp thiết kế và vận hành hiệu quả.
• Kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực và tính toán lý thuyết có sự tương đồng cao, đảm bảo độ tin cậy cho các khuyến nghị kỹ thuật.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật gồm xác định cao trình cầu, bố trí hồ xói, kiểm soát lưu lượng xả lũ và gia cố công trình hạ lưu nhằm bảo đảm an toàn và bền vững.
• Nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng cho các công trình thủy lợi, thủy điện và giao thông chịu ảnh hưởng của dòng chảy xả lũ, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thiết kế và vận hành thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu theo dõi thực địa và cập nhật mô hình thủy lực cho các công trình tương tự. Quý độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình thủy lợi, thủy điện và giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TÔNG QUAN 1. Tổng quan về công trình tiêu năng sau tràn xả lũ.1 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thê giới: Thủy điện là nguồn năng lượng sạch chiếm gần 1/5 sản lượng điện trên toàn thế giới. Trong thực tế nó đóng vai trò chủ yếu về việc cung cấp điện ở 55 quốc gia. Công suất lắp đặt thủy điện hiện nay khoảng 737,4 GW với tông điện lượng hang năm ước tính khoảng 2.767 TWh và có khoảng 118 GW công suất mới đang được xây dựng.

Đến nay gần 2/3 tiềm năng về thủy điện kha thi của thế giới chưa được khai thác. Song phạm vi khai thác ở các vùng lại khác nhau một cách đáng kể. Ở Châu Âu và Bắc Mỹ hầu hết tiềm năng thủy điện đã được khai thác hết, còn Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ nơi mà nhu cầu về nước và năng lượng là cấp thiết lai vẫn còn tiềm năng đáng kê chưa được sử dụng. Đề có được nguồn than đá trắng phục vụ cho tuốc bin phát điện, và điều tiết nước hợp lý cho hạ du vào mùa kiệt là cần thiết nên phải xây dựng các hồ chứa dé tích nước, đồng thời điều tiết lũ, giảm bớt ngập lụt đối với hạ lưu.

Ngoài dung tích nước cần thiết được giữ lại trong hồ, lượng nước dư phải xả xuống hạ lưu qua tràn xả lũ. Một dòng sông tự nhiên khi chưa được khai thác thì dòng chảy trong sông chuyển động theo quy luật thông thường, tốc độ của dòng chảy lũ thường là 2,50m/s ~ 3,0m/s, mực nước trên từng đoạn sông tương ứng với lưu lượng lũ đến, năng lượng của dòng chảy được tiêu hao theo tôn that doc đường do sức can của lòng dẫn và hai bờ; không có hiện tượng dòng chảy tập trung mạnh gây ra Phạm Phùng Thường 10 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật sóng lớn dao động ở hai bờ va tác động đên độ dâng mực nước đôi với công trình giao thông ở đoạn hạ lưu sau đó. Song khi xây dựng hồ chứa va cụm công trình đầu mối đập dâng, đập tràn xả lũ, nhà máy thủy điện, âu thuyền, âu tàu vv. thì dòng chảy lũ được điều tiết trữ lại trong lòng hồ, tạo ra mực nước thượng hạ lưu trên đoạn sông có chênh lệch lớn mà ta gọi là Az (Z¡à- Z nạ), khi gặp các lũ lớn vượt quá lưu lượng điều tiết của hồ chứa, cần mở cửa đập tràn (cửa xả đáy hoặc cửa xả mặt) để tháo lưu lượng dư xuống lòng sông hạ lưu.

Phần lưu lượng này tập trung đồ xuống sau đập tràn bằng một trong hai hình thức đó là: - Nỗi tiếp theo dạng tiêu năng day; - Hoặc nối tiếp theo dạng tiêu năng dòng phun. Mà đối với hồ Sông Cái dùng hình thức này. Ở nước ngoài đập tràn xả lũ nối tiếp theo dang dòng phun có thé ké đến như đập Brack (Liên Xô cũ); được xây dựng từ năm 1960 với lưu lượng đơn vị thiết kế q= 30,5m°/s-m. Đập tràn có 10 khoang, mỗi khoang có chiều rộng b=18m, Q.¿ =5490m’/s, lưu tốc trên mũi phóng đạt Vinp= 35mỶ/s, bán kính cong cuối đập R =l5m, góc mũi hắt œ= 35°, thể hiện như hình 1-1.

Phạm Phùng Thường 11 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 1-1. Mặt cắt ngang đập tràn Brack. Hay như đập tràn công trình thủy điện Guri (Venezuela) công trình được xây dựng năm 1982 với lưu lượng đơn vị thiết kế q= 150m”⁄s-m. Chiều rộng tràn B=40m, lưu lượng xả Q=600mỶ /s.

Lưu tốc chảy trên mũi phóng Vinp= 4lm/s, đập có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu Az = 130m; Mặt cắt ngang đập tràn Guri xem hình 1-2. Phạm Phùng Thường 12 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Vĩ ng b? t«ng bPph, hoti } >» Hinh 1-2. Mat cat ngang dap tran Guri. Hay như mặt cắt đập tràn công trình thủy điện Tam Hiệp ở Trung quốc ( xem hình 1-3).

Công trinh này mực nước hồ Z¡¿ max= 175m, cao trình mũi hat Zmp = 85m, góc mũi hắt a= 27°50’; lưu lượng don vi thiét ké qE 174m?/s.m; mực nước tương ứng ở hạ lưu là Z¡¡= 77. Đập được xây dựng trên nền đá gốc granite, có ứng suất nén o= 1200kg/cm”; lưu tốc dòng chảy tại mũi hắt hmp= 5.10m; bán kính cong ngược ở cuối tràn chọn R= 24. Phạm Phùng Thường 13 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Như vậy qua 3 công trình đập tràn nói tiếp tiêu năng dạng dòng phun nêu trên có hình dạng tương tự đập tràn xả lũ Hồ Sông Cái mà ở nước ngoài đã áp dụng. Tong quan tình hình xây dựng công trình tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ở Việt Nam ta.

Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, ở nước ta bắt đầu xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện lớn như: - Dap tràn thủy điện Hòa Binh; - Dap tràn thủy điện Sông Hinh; - Dap tràn thủy điện Yaly; - Dap tràn thủy điện Tuyên Quang; - Dap tràn hé chtra Ta Trach; - Dap tran thủy điện Sơn La; - Dap tràn thủy điện Bản Vẽ; - Dap tràn thủy điện Ban Chat; - Dap tran hồ chứa thủy lợi — thủy điện Cửa Đạt, v. - _ Hồ Tả Trạch thừa Thiên Huế; Sắp tới xây dựng các công trình: - Đập tràn thủy điện Lai Châu; - Dap tràn hồ chứa Krong Pach Thượng Đắc Lắc; - Đập tràn Sông Cái tỉnh Ninh Thuận; - Dap tràn hồ chứa Ban Mong tỉnh Sơn La, wv. Phạm Phùng Thường 14 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trong việc bố trí đầu mối thủy lợi- thủy điện thì tràn xả lũ và van đề biện pháp tiêu năng sau tràn nhằm nối tiếp dòng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu có một vi trí quan trong; bởi lẽ hình thức tiêu năng được chọn thích hợp không chỉ giữ ôn định cho vùng chân đập tràn xả lũ mà còn không gây tác động xấu đến các công trình lân cận, ít gây xói lở đối với hai bờ hạ lưu sau công trình, cũng như tác động xấu đến cầu giao thông và các công trình dân sinh khác ở hạ lưu sau đập tràn.13 Tổng quan về hình thức tiêu năng phòng xói. Cách lựa chọn là dựa trên các điều kiện: - _ Điều kiện địa hình, địa chất, địa thé sau tran; - Điều kiện các yếu tố thủy lực xả lũ qua tràn, như lưu lượng đơn vị thiết kế xả qua tràn, lưu tốc dòng chảy ở cuối tràn hoặc mũi phun, mực nước hạ lưu tương ứng với lưu lượng xả; - Phuong thức vận hành tràn xả lũ.

Ở Việt Nam đập tran xả lũ tiêu năng dang mũi phun đã được áp dụng rat phd biến. Từ năm 1990 đến nay đã có 48 công trình tràn được xây dựng, trong đó có tới 25 công trình áp dụng dạng tiêu năng mũi phun chiếm tới 52%. Đặc biệt các công trình thủy lợi thủy điện lớn ngày nay xu hướng sử dụng tran xả lũ tiêu năng dạng mũi phun ngày một gia tăng chiếm tới 65% trong tổng số các công trình đã xây dựng và sẽ xây dựng. Với dạng tiêu năng mũi phun khi mà luồng chảy phóng xuống dòng sông hạ lưu, năng lượng mà dòng chảy nó mang theo cần được tiêu hao một cách tốt nhất khi dòng phun rơi vào hồ xói được đào trước (đào một phần hoặc đào cả) là để Phạm Phùng Thường 15 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật tạo được lớp nước đệm đủ cho luồng chảy phóng xuống nối tiếp với mặt nước ở hạ lưu.

Năng lượng được tiêu hao tốt nhất, phần năng lượng dư ít gây xói lở, bào xói lòng dan hạ lưu, ít gây ra sóng dénh lan truyền vào hai bờ và đến các công trình lân cận, đến cầu giao thông bắc qua sông. Về phương thức dao hồ xói có hai cách thực hiện là: - Đào sâu một phan, tiếp đó khoan tơi dé khi vận hành xả lũ, dòng nước sẽ xói trôi lớp đá khoan tơi, dùng năng lượng dòng nước dịch chuyên chúng rải ra trên bãi và lòng sông hạ lưu. Cách này đã được thực hiện ở hồ tiêu năng sau tran xả lũ thủy điện Hòa Binh; - Căn cứ vào lý thuyết tính toán khả năng dòng phun sẽ xói sâu dé dao sẵn hồ xói đến cao trình dự kiến, nhằm tạo đủ lớp nước đệm ứng với lưu lượng thiết kế tiêu năng và được kiểm tra ứng với lưu lượng xả lũ thiết kế. Hai cách thực hiện trên, moi cach có uu điêm, nhược điêm riêng, tác giả sé phân tích trong chương 4 của luận văn này đông thời đưa ra ý kiên của mình khi vận dụng một trong hai cách trên.

Vì vậy khi thiết kế tràn xả lũ tiêu năng theo dạng dòng phun (dòng phun từ mũi hắt cuối đập tràn với đập bồ trí ở giữa dòng sông, hay dòng phun từ cuối dốc nước khi đập tràn bố trí ở bên bờ) cần phải chú đến việc tính toán là: - Chon hình dạng mũi phun: dùng mũi phun liên tục hay mũi phun dang so le; - _ Với mũi phun liên tục thì nên chọn góc hắt a thích hợp dé có được dòng phun xa nhất, nghĩa là với dang mũi phun đó ta có chiều dài dòng phun Linax và góc tới (góc đồ vào mặt nước hạ lưu B) thích hợp. (Hình 1-3 và 1-4) Phạm Phùng Thường 16 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ~_ Với mũi phun so le (mũi phun hai tang) thi cin chọn góc hắt của rãnh va sóc hắt của răng phun thích hợp (Xem hình 1-5); -_ Dựa vào lý thuyết dé tính chiều dai phun xa Lmax và Lmin dé xác định tim va kích thước hồ xói khi đã định chọn góc hắt œ ứng với các tham số tính. toán thủy lực Vgps dps Qus AZ của công trình trần xã lũ mà ta đang nghiên cứu (Trong luận văn này là tràn xả lũ Hỗ Sông Cái) ~ - Dựa vào tai liệu địa chất ở chân công trình và lòng sông sau công trình để tính toán ước tinh chiều sâu hồ x6i; ~_ Dựa vio tink hình địa hình đoạn sông sau đập tn, wu giao thông, các công trinh kiến trúc dn sinh khác hai bên bờ hạ lưu sau đập trần xa lũ để xác định phương thức dao sâu hỗ x« tránh các ảnh hưởng xấu đến các công trình kể trên nhằm tránh mọi tổn hại đến các công trình đó. Đây mới là quan điểm xem xét toàn cục, tránh phiến diện dé gây ra hiệu quả xấu sau này.

Pham Phùng Thường 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Pham Phùng Thường 18 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Về giá trị góc hắt a của mũi phun liên tục thường được chọn từ 25° đến 35°, qua tài liệu nghiên cứu thấy rằng góc hắt a = 25° là tốt hơn so với a = 35°.