CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRÀN XẢ LŨ 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TRÀN XẢ LŨ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI Trong đầu mối công trình thuỷ lợi, công trình tháo là một bộ phận quan trọng, nó có thể dùng để tháo phần nước lũ thừa trong thời gian hồ đầy đến mực nước tính toán hoặc kết cấu tháo vật nổi về hạ lưu, có thể dùng để 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. Trong những năm gần đây, đặc biệt từ năm 2002, ở nước ta đã đang và sẽ triển khai thiết kế và xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong đó nhiều công trình có hồ chứa và công trình xả lũ có quy mô lớn.
Có thể nêu ra một số dự án như thuỷ điện Sê San 3, Na Hang (Tuyên Quang), Rào Quán (Quảng Trị), Plêikrông, Sê San 3A, Sê San 4, A Vương, Buôn Kướp, Đại Ninh, Sêrêpôk, Buôn Tua Sa, Bản Vẽ, Sông Ba Hạ, An Khê-Ka Năc, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Cửa Đạt, Bắc Hà,… Đây là những công trình có quy mô hồ chứa có dung tích từ hàng triệu cho đến hàng chục tỷ m3 nước, khả năng tháo của công trình xả nước cũng từ hàng ngàn cho đến vài chục ngàn m3/s. Có thể nói trong khoảng gần 20 năm trở lại đây, tốc độ xây dựng các đập cao, hồ chứa lớn phát triển nhanh. Chúng ta đã nhanh chóng áp dụng thành công những công nghệ thiết kế, thi công tiên tiến của thế giới để xây dựng các công trình đầu mối ở Việt Nam như đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD), đập bê tông đầm lăn (RCC), đập bê tông truyền thống (CVC) khối lớn cấp phối liên tục. Trong số đó có những đập đã được đưa vào vận hành an toàn, về đập đá 6 đổ bản mặt có đập hồ chứa nước thuỷ lợi-thuỷ điện Quảng Trị, thuỷ điện Tuyên Quang; về đập CVC có đập Sê San 3, Sê San 3A; Về đập RCC có đập Plêikrông.
Trước đó, chúng ta cũng đã xây dựng một số đập, hồ chứa lớn như Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Ialy, Sông Hinh, Vĩnh Sơn, Dầu Tiếng, A Yun Hạ, Phú Ninh,… Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn của từng công trình mà đã thiết kế nhiều dạng công trình tháo lũ khác nhau trong tổng thể bố trí công trình, bao gồm cả tràn xả mặt sông (Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Plêikrông, A Vương, Bản Chát, Huội Quảng, …), xả mặt kết hợp với xả sâu (Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang), đường tràn dọc (Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Rào Quán, Đại Ninh,…). Về hình thức tiêu năng sau công trình tháo nước, thường có 3 dạng tiêu năng được áp dụng: Tiêu năng đáy: Đặc điểm tiêu năng bằng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy. Có thể áp dụng kiểu bể, hay tường + bể kết hợp. Biện pháp tiêu năng đáy thường được áp dụng cho các công trình vừa và nhỏ, mực nước hạ lưu tương đối lớn, địa chất nền công trình thường là đá yếu (Trị An, A Lưới,…).
Loại hình này đảm bảo tiêu tán hết năng lượng dư nhưng đòi hỏi khối lượng xây lắp khá lớn, giá thành cao, đặc biệt đối với các công trình có quy mô lớn. Tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt, chỉ sau khi mở rộng hoàn toàn mới đạt đến đáy. Nhìn chung, với chế độ chảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này. Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy.
Chế độ chảy mặt có thể áp dụng trong trường hợp nền đá, khi không cần gia cố hạ lưu hay giảm chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu cao và thay đổi ít. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TIÊU NĂNG 1. Khái quát chung Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy đổ từ thượng lưu qua công trình về hạ lưu, nguồn năng lượng của dòng chảy khá lớn sẽ tạo ra chế độ thuỷ lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình. Đặc tính thuỷ 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.
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 về hạ lưu. Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa, điều chỉnh lại sự phân bộ vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, 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 thuỷ 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 nghiên cứu chế độ thuỷ lực chọn kết cấu và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thuỷ 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 và mạch động lưu tốc lớn.
Đặc điểm của những chế độ nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa các dòng chảy với công trình 8 nối tiếp và lòng dẫn. Mặt khác, về mặt hình thức và kết cấu 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. Một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài Bài toán về nối tiếp và tiêu năng dòng chảy qua 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 khía cạnh khác nhau. * Các 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; * Theo phương pháp thực nghiệm, dựa trên phương trình năng lượng và động năng có nhiều tác giả đã tiến hành thí nghiệm để tìm ra các hệ thức tính toán nước nhảy 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 Belanger 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, Pavơlôpxki, V.Saomian có nhiều nghiên cứu về vấn đề nước nhảy; - Nghiên cứu về nhảy ngập trong bài toán phẳng có: T Bunsu, An Rakhơmanốp, N.v… - Đối với những trường hợp nước 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, 9 Serenkôp, B.Emxep… đã chứng minh có nước nhảy xiên và đã tìm ra 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 kiến biên mở của các tác giả như: Q. - Khi nhảy ngập trong điều kiện không gian với lòng dẫn mở rộng dần trong khu vực nối tiếp 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 nối tiếp chảy mặt ở hạ lưu công trình có thể kể đến: - Các nghiên cứu của A. Xabanhep xuất phát từ quan điểm cho rằng áp suất ở bậc tuân theo quy luật thuỷ tĩnh để đi đến các hệ thức tính toán thuỷ 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.Sicvascvili về nối tiếp với sự hợp nhau của hai dòng phun tự do.
* Các vấn đề nối tiếp theo dạng xả kết hợp ở hạ lưu công trình có thể kể đến các nghiên cứu của B. * Các nghiên cứu về thuỷ 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 của mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của: Tréc tou xốp, Smetana, Bá Kirova, Ughin trut, P. Novak… 10 - Về xói hạ lưu có các tác giả như: Ter-Arakelian, Chalumina, Vuzgo… - Cu min đã nghiên cứu rất kỹ sự phân bố lưu tốc trong vùng chuyển tiếp thông số đặc trưng α - Vấn đề mạch động trong và sau nước nhảy đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của Lê Vi. - Vấn đề xói: Grund đã tìm ra những cấu trúc đặc biệt bên trong nước nhảy liên qua đến bài toán xói bằng cách khái quát trường lưu tốc bằng ba miền tương hỗ lẫn nhau.
- Liên quan đến chiều sâu xói ổn định đã có các tác giả như: Vuzgo, Schoklitsch, Vernonese, Jaeger, Patresev, Eggenberger, Smolianninov. - Chiều dài xói ổn định có nghiên cứu của Damamzin, Patrasev, Yuricki theo quan điểm chiều dài hố xói liên quan đến độ sâu lớn nhất của hố xói. - Levi, Vuzgo… 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… 1.