CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN CÓ TƯỜNG NGỰC BIÊN CONG 1.1 Khái quát chung về đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong 1.1 Cấu tạo đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong Đập tràn đã được nghiên cứu và xây dựng từ khá lâu trên thế giới. Từ những nghiên cứu ban đầu của Bazin về đập tràn thành mỏng năm 1886 đến thực nghiệm của Pascal năm 1889; tiếp đó là các kết quả của De Marchi 1928, Creager 1929, 1945, Scimemi 1930… đến Creager-Ophixerop, WES 1952 [2], [3], [12], [25], [31], [46], [48], [51]. Có nhiều loại đập tràn, nhưng với các đập cao và vừa thường sử dụng đập tràn thực dụng hình cong, phổ biến là mặt cắt dạng Creager – Ophixerop và dạng WES. Dạng mặt cắt Creager – Ophixerop được các nhà khoa học Liên Xô nghiên cứu phát triển và được áp dụng rộng rãi ở các nước như: Nga, Đông Âu, Việt Nam, Trung Quốc v.v… Dạng mặt tràn WES được các nhà khoa học Hoa Kỳ nghiên cứu và được áp dụng ở Mỹ và các nước phương tây, Ấn Độ….
Ở Việt Nam, từ những năm 2000 đã bắt đầu áp dụng thiết kế mặt tràn WES cho một số công trình thủy điện, thủy lợi lớn như Sơn La, Cửa Đạt, Sông Tranh 2, các công trình này đã được đưa vào vận hành an toàn. Tuy vậy trong quá trình ứng dụng thực tế thiết kế với từng công trình cụ thể, còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết như chế độ chảy, lưu lượng, vận tốc và áp suất, xâm thực mặt đập, tiêu năng hạ lưu. Đập tràn thực dụng có tường ngực là loại đập tràn ngoài đỉnh đập còn được bố trí bộ phận tường ngực ở phía trên. Tường ngực là một bộ phận chắn phía trên ngưỡng tràn nhằm mục đích hạn chế khả năng tăng nhanh của lưu lượng xả khi mực nước thượng lưu lớn, kiểm soát lưu lượng tháo.
Tường ngực có thể là dạng đường thẳng, cong, bố trí cố định hoặc di động. Loại đập tràn này trong thực tế vận hành gặp chế độ dòng chảy không áp và có áp. Trong luận án, chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu là đập tràn dạng Creager-Ophixerop, WES có tường ngực biên cong chảy có áp. Đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong có cấu tạo gồm phần mặt tràn thực dụng hình cong ở phía dưới, tiếp xúc với phần dưới của luồng nước chảy qua tràn, phần biên trên, phía dưới tường ngực giống như cửa vào tuynel hoặc cửa vào cống lấy nước (Hình 1.3) tiếp xúc với phần trên của luồng nước.
5 Như vậy sự khác biệt về cấu tạo của loại đập tràn này là cả biên trên là tường ngực và dưới là mặt tràn đều có dạng hình cong. Mùc níc thîng lu Têng ngùc Trô pin H He n Cöa van D B3 MÆt trµn A3 Tim ®Ëp Hình 1.1 Sơ đồ đập tràn có tường tường ngực Mùc níc thîng lu He=H-D/2 H X2 Y2 R 2 2 2 2 F D a 2 2 2 X Y 1 2 2 2 2 A1 B1 X 4HeY Hình 1.2 Sơ đồ xác định kích thước đập Hình 1.3 Đường cong dưới tường ngực 6 1.2 Một số ứng dụng của đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong Các hồ chứa thường có vai trò đa mục tiêu, ngoài việc cung cấp nước cho thủy lợi, phát điện, nhiều hồ chứa lớn có nhiệm vụ chống lũ cho hạ du, thậm chí một số hồ chứa còn có nhiệm vụ chính là phòng lũ như Hòa Bình, Sơn La,… Khi đó đập tràn phải điều tiết một lượng lũ lớn trong hồ. Cột nước làm việc trên đỉnh đập tràn có thể lên tới vài chục mét, nếu bố trí tràn mặt thông thường với cửa van cung thì chiều cao cửa van rất lớn và khó khăn trong vận hành. Ví dụ như ở công trình thuỷ điện Sơn La (Hình 1.4), do yêu cầu tích nước hồ chứa và phòng lũ PMF, chênh lệch từ ngưỡng tràn ở cao trình 197,80 m, tới mức nước lũ PMF 228,10 m có Hmax=30,30 m.
Việc bố trí đập tràn có tường ngực biên cong đã tối ưu hóa kích thước cửa van còn 12 m, tăng thêm dung tích phòng lũ cho hồ chứa lên đến 3 tỷ m3, góp phần giảm lũ, cắt lũ cho hạ du. Công trình tháo lũ của thuỷ điện Sơn La, gồm có 12 lỗ xả sâu và 6 khoang xả mặt nằm ở bờ phải; 12 lỗ xả sâu kích thước mỗi lỗ 6 x10 m2, cao trình ngưỡng 145 m và 6 khoang xả mặt, chiều rộng mỗi khoang là 15 m, ở cao trình ngưỡng 197,8 m [13], [14]. Trên công trình xả mặt có bố trí tường ngực, cao độ mặt dưới phía thượng lưu của tường ngực ở cao trình 216,4 m và hạ lưu ở 209 m. Đường cong mặt tràn có dạng WES có phương trình X1,85=2,0Hd0,85Y cột nước thiết kế Hd=20,03 m, tương ứng với mức nước gia cường 217,83 m (hình 1.
Đập đầu mối ở dự án Nhà máy thuỷ điện Thana Plaun (191 MW), Ấn Độ bằng bê tông đầm lăn, cao 107 m, đập dài 221 m, lưu lượng lũ 15. Phần đập tràn có tường ngực, chiều dài đập tràn 85m, có 5 khoang, mỗi khoang có cửa van với kích thước rộng 11 m x cao 15,2 m (Hình 1. Đường cong dưới tường ngực có phương trình elip: X2/11,622+ Y2/6,02=1, đường cong mặt tràn ngưỡng thấp có phương trình X2=156Y [47]. Ấn Độ là quốc gia ứng dụng nhiều đập tràn có tường ngực trên thế giới, thống kê một số công trình ứng dụng đập tràn có tường ngực ở Ấn Độ tại Bảng 1.
Đập tràn Mangla - Iran [39], tính với lũ PMF là 28.600 m3/s, được thiết kế dạng tường ngực xả sâu gồm 9 khoang, mỗi khoang rộng 10,97m, cao 12,2m, tỉ lưu 211m2/s; biên trần tường ngực dạng elip, ngưỡng tràn phía dưới dạng ngưỡng thấp (Hình 1. 7 Đập tràn Muskrat Falls-Canada, nhà máy có 4 tổ máy tổng công suất 824 MW, lũ thiết kế cho đập tràn là lũ PMF Q=22.100m3/s, đập tràn xả đáy có 4 khoang với cửa van cung rộng 12,5m, cao 14,8m, xả sâu được thiết kế dạng tường ngực.4 Mặt cắt đập tràn thủy điện Sơn La Hình 1.5 Mặt cắt đập tràn Thana Việt Nam [14] Plaun- Ấn Độ [47] Hình 1.6 Mặt bằng công trình Thana Plaun- Ấn Độ [47] 8 Bảng 1.1 Một số ứng dụng đập tràn có tường ngực ở Ấn Độ [29] Cột Lưu lượng Chiều cao Chiều cao Ngưỡng Số khoang và chiều Lưu lượng Hệ số lưu STT Công trình Mặt tràn Tường ngực nước đơn vị mép vào F lỗ D P rộng khoang m3/s lượng Cd đỉnh H m2/ms Thượng lưu Hạ lưu Mặt dưới m m m m Số lượng Rộng (m) m3/m Kết hợp vùng đường cong bán x 1 Chamara - I kính R=5,2 m và 13 m = 102 + =1 17,77 12,5 32,5 110 8 10 22000 275 0,83 6 2 x 2 Chamara III Đường cong bán kính 26,27 m = 122 + =1 37,96 16,5 37 20 3 12,5 11400 304 0,78 7 3,5 Đường tròn bán kính 6 m mái x 3 Dhaulignaga dốc ngược 1:1 đường tròn R=4,8 = 132 + =1 14 10 41,5 12 3 6 3200 177,77 0,66 m 4,5 2 x x 4 Kurichu + =1 = 80 + =1 24,25 14 28 26 5 10,5 12200 232 0,83 4,5 2,5 5,5 2 x 5 Nathpa Jhakri Phẳng = 126 + =1 11,33 8,5 37,5 23 5 8,5 7200 189,41 0,78 8,5 2,833 x x 6 Nimoobazgo + =1 = 100 + =1 11 9 23,5 28 5 7 4500 128 0,84 5 2 5,6 2 x 7 Pandoh Phẳng + =1 16 13 21,84 5 12 9939 166 0,73 = 4273,5 39,37 13,1 x x 8 Parbati II + =1 = 101 + =1 14,5 9 33 36 3 6 1850 102,77 0,81 7,38 3,5 5 2 x 9 Parbati III + =1 = 100 x = 0,158 , 17,64 14 32 10 2 7,2 3300 157,14 0,74 9,86 5,344 Đường cong R=5m rộng 5 10 Ranganadi Dạng Elipse = 92 m 14 12 23 29 7 10 9100 152 0,78 x x 11 Saw a II + =1 = 96,4 + =1 14,95 10,8 29,5 9,7 4 7 4020 143,57 0,80 8,059 4,152 3,6 2 x 12 Subanairi + =1 = 195 Bề rộng =5m 19,2 14,7 63,25 51 9 11,5 35000 338,16 0,72 5 2 x 13 Tala Phẳng = 111 + =1 19,73 13,15 43 46 5 6,5 10800 326,15 0,92 13,15 6,58 x x 0,65 14 Taagta III + =1 = 126 + =1 18 14 25 1 7 14 10430 106,42 3,4 10 6 3 (tự do) x x 15 Taagta IV + =1 = 67 + =1 22,1 17 25,25 6 7 11 15400 200 0,72 6 3,5 4,25 2 x x 16 Taagta V + =1 , = 45 + =1 17,5 12 40,72 25 5 9 9500 211,11 0,76 6 3,5 6 2 x x 17 Uri II + =1 = 80 + =1 14,65 11,4 24 20 4 9 4850 134,72 0,81 5,4 12,5 4,8 2 9 §êng giao th«ng 39.7 Mặt cắt đập Muskrat Falls-Canada Hình 1.8 Mặt cắt đập tràn Mangla-Iran [39] 1.3 Đặc điểm dòng chảy qua đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong Dòng chảy qua đập tràn có tường ngực, khi thay đổi mực nước thượng lưu từ thấp đến cao trải qua 2 chế độ là không áp (chảy hở) và có áp. Chảy tự do (không áp, chảy hở), khi đường mặt nước chưa chạm biên dưới tường ngực, toàn bộ mặt tràn là dòng chảy hở. Trường hợp này đập tràn làm việc như đập tràn thực dụng thông thường và kết quả nghiên cứu về trạng thái này đã có hướng dẫn, quy phạm và tiêu chuẩn áp dụng.
Chảy có áp, khi mực nước thượng lưu ngập kín biên dưới tường ngực. Dòng chảy trên tràn có hai đoạn riêng biệt: đoạn đầu dưới tường ngực là dòng có áp, sau tường ngực là dòng chảy không áp. Nhưng do tác động của phần có áp ở đoạn dưới tường ngực mà các đặc trưng thủy lực của đoạn chảy hở có sự khác biệt với chế độ chảy hở hoàn toàn. Chế độ này còn được ít nghiên cứu và ở Việt Nam chưa có quy phạm hay hướng dẫn tính toán.
Khi chuyển đổi qua hai chế độ này có một vùng chuyển tiếp, được gọi là trạng thái quá độ hay trạng thái phân giới. Với đối tượng nghiên cứu của luận án thì ranh giới này cũng có sự khác biệt với ranh giới của dòng chảy qua cống ngầm, dưới cửa van, tuynel.2 Các kết quả nghiên cứu về đập tràn thực dụng có tường ngực biên cong 1.1 Kết quả nghiên cứu về hình dạng đường cong đập tràn 1.1 Đường cong phía hạ lưu đập tràn Đường cong mặt hạ lưu tràn của Ấn Độ trước 2010 [34] theo công thức (1.1) D D Trong đó K là hệ số phụ thuộc hình dạng, các ký hiệu công thức (1.