phần mở đầu, phần kết thúc phần phụ lục, danh mục tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận văn gồm 4 chương chính. TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG 1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lƣu công trình.1 Khái quát chung về tiêu năng. Là tìm các biện pháp làm tiêu hao toàn bộ hay một phần năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu khi đi qua các công trình trên sông, trên kênh, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công trình. Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là: Tiêu năng đáy với các hình thức như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp; tiêu năng mặt; tiêu năng phóng xa và một số hình thức tiêu năng đặc biệt.
Về lưu lượng tính tiêu năng thì một số nước trên thế giới lấy lưu lượng ứng với tần suất thiết kế đập tràn, một số nước lấy với một tần suất cụ thể. Ở Việt Nam thì chưa có quy định nào về lưu lượng tính tiêu năng. Về lý thuyết thì lưu lượng tính tiêu năng chính là lưu lượng tạo ra năng lượng thừa lớn nhất. Tuy nhiên cơ chế tiêu hao năng lượng dư ở hạ lưu là rất phức tạp nên tính toán theo tiêu chuẩn này thì cũng không thể tiêu hao hết năng lượng dư trong mọi trường hợp.2 Các hình thức tiêu năng.1 Tiêu năng dòng đáy: a.
Nguyên lý chung: Tiêu năng dòng đáy là hình thức lợi dụng nội ma sát để tiêu hao năng lượng thừa. Tức là tìm biện pháp công trình sao cho toàn bộ năng lượng thừa bị tiêu hao trong nước nhảy ngập với hệ số ngập = 1,05-:-1,1. Nhóm giải pháp này gồm: đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp. Ngoài ra ta có thể kết hợp với một số các thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tường hướng dòng, thay đổi độ dốc của bể cho phù hợp với mực nước hạ lưu.
Tiêu năng đáy phù hợp với các công trình tháo có cột nước thấp và địa chất nền yếu, mực nước hạ lưu thay đổi. Xác định độ sâu đào bể: 4 lroi ln l' Eo Z E'0 p hh hb d lb Hình 1.1: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng - Công thức tính toán: d bể = hb - hh - Z (1-1) - Trong đó: dbể: Chiều sâu đào bể; hb: Độ sâu cuối bể; hb= .h”; hh: Độ sâu mực nước hạ lưu; Z: Độ chênh mực nước cuối bể và hạ lưu, xác định theo quy luật đập tràn đỉnh rộng. Xác định chiều cao tường: Hình 1.2: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng - Công thức tính toán: C=h b - Ht (1-2) - Trong đó: C: Chiều cao tường tiêu năng; hb: Độ sâu cuối bể; hb= .h”; Ht: Cột nước tràn của tường. tính toán coi tường là đập thực dụng.
5 - Khi tính toán tường tiêu năng thì phải kiểm tra lại nước nhảy sau tường để có giải pháp công trình phù hợp. Xác định bể tường kết hợp: 2 Eo E'0 H1 hb hh c d Hình 1.3: Sơ đồ tính toán bể tường kết hợp - Nguyên tắc tính toán: + Tìm độ sâu bể tối thiểu d0 để có nước nhảy tại chỗ ngay trong sân tiêu năng (tính toán như bể tiêu năng). + Tìm chiều cao bể tối đa C 0 để có nước nhảy tại chỗ ngay sau tường tiêu năng (tính toán như tường tiêu năng). + Chọn các giá trị d = d0 + ∆d để có nước nhảy ngập trong sân tiêu năng với hệ số ngập = 1,05-:-1,1 và C = C0 - ∆C để có nước nhảy ngập sau tường.
Xác định chiều dài bể tiêu năng: - Công thức chung: L=L r + L1 (1-3) - Trong đó: Lr: chiều dài nước rơi, được xác định theo công thức: + Với đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang: L r = 1,33 H 0p 0,H 3 0 + Với đập tràn thực dụng có cửa va2n: Lr = 0,30 2 p H a ộngp: Lr = 1,H + Với đập tràn đỉnh rH 64 0 0,24 0 + Với đập dạng bậc: Lr = p+hk + Với đập tràn mặt cắt hình cong: Lr = 0 L1: chiều dài nước nhảy, được xác định theo công thức: + Theo N.Novak: L1 = K(h”-h’) 6 + Theo Pavlopski: L1 = (7,21-:-8,24)h F r1 1 0,81 Với: p: Chiều cao ngưỡng tràn so với bể. a: Độ mở cửa van. H0: Cột nước tràn. K: Lấy theo tỷ số h”/h’ (bảng 2-1 [nối tiếp và tiêu năng T.Quý] : Hệ số lấy bằng 0,7-:-0,8.
Hình thức tiêu năng của Cục khai hoang Hoa Kỳ: - Hiện nay việc tính toán cụ thể cho công trình tiêu năng là cần thiết, nhưng theo xu hướng chung các công trình có thể áp dụng các tiêu chuẩn của Mỹ hay các nước châu Âu khác như áp dụng các bể tiêu năng đã được tiêu chuẩn hóa.4: Bể tiêu năng kiểu III Hình 1.5: Bể tiêu năng kiểu II 7 1. Tiêu năng dòng mặt. Điều kiện áp dụng. - Nền công trình cấu tạo địa chất yếu, mềm.
- Bậc thụt ở hạ lưu có đỉnh thấp hơn mực nước hạ lưu, thỏa mãn điều kiện: a > amin = 0,27hk – 4,32h - Điều kiện để nối tiếp chảy mặt ổn định a/P > 0,2 Trong đó: hk: Là độ sâu phân giới trên dốc, h là độ sâu mũi bậc). P: chiều cao công trình tràn. - Lưu lượng qua công trình vừa và lớn, nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn lắm. - Bờ hạ lưu công trình cần phải ổn định.
- Đối với những nơi có lưu lượng lớn thì nên chọn tiêu năng dòng phễu và hh lớn sẽ có hiệu quả cao hơn.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng mặt b. Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt. - Nguyên tắc bố trí: Hình dạng kích thước của bậc mũi phun sao cho đảm bảo hiệu quả tiêu năng, xung vỗ hạ lưu là nhỏ nhất và có giải pháp hữu hiệu bảo vệ hạ lưu. - Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn không có cửa van.
+ Không tạo dòng phun với lưu lượng nhỏ nhất. + Không có dòng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất + Chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao nhỏ nhất a min: 8 amin = 0,27hk – 4,32h. (1-4) amin = 4,053 Frc h (1-5) Trong đó: hk: độ sâu phân giới; h: chiều dày lớp nước trên mũi phun bậc; V2 Frc 1 với V1 là lưu tốc trên mũi bậc; gh = 0,4 + 8,4 với là góc giữa tiếp tuyến của đường cong tại chỗ dòng chảy đi qua mũi phun và phương ngang. - Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn cửa van: Nguyên tắc thiết kế là phải căn cứ vào chiều sâu mực nước hạ lưu hh: + hh phải đảm bảo trong suốt quá trình vận hành sao cho ứng với mọi cấp lưu lượng đều có chế độ chảy mặt.
+ Khi mực nước hạ lưu nhỏ phải chọn góc nghiêng cho hợp lý. - Góc nghiêng ở đỉnh bậc : đối với tiêu năng dòng mặt thì đỉnh bậc nằm ngang, chỉ trong trường hợp hh nhỏ thì thiết kế bậc có góc nghiêng nhỏ. Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lƣu công trình. Tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay đổi kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ dòng chảy tăng lên, tạo nên động năng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của lòng dẫn ở hạ lưu.
Xói xuất hiện ngay ở chân công trình, nơi có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn. Quá trình xói có thể chia làm ba giai đoạn [Nối tiếp và tiêu năng] + Giai đoạn đầu: Xói trong thời gian tương đối ngắn, hố xói được tạo nên rất nhanh. + Giai đoạn hai: Xói trong giai đoạn này diễn ra từ từ, sự hủy hoại lòng dẫn diễn ra tương đối chậm, thời gian diễn ra giai đoạn này là rất lớn. 9 + Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn đến giảm cao trình đáy của lòng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ dốc của lòng dẫn.
Xói cục bộ của lòng dẫn ngay sau chân công trình thủy lợi có rất nhiều nguyên nhân khác nhau: - Do không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước từ thượng lưu đổ về hạ lưu. - Việc co hẹp lòng dẫn (do xây dựng công trình) đã dẫn đến việc tăng lên một cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy sau công trình trong sự so sánh với lưu lượng, lưu tốc dòng chảy trong điều kiện tự nhiên. Ở hạ lưu công trình xuất hiện dòng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp lực. - Do hình thức, kích thước và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phận kết cấu công trình tạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói.
- Dòng chảy qua công trình vượt qua sức chịu theo thiết kế của nó. Xói có thể xảy ra với chế độ chảy đáy và cả chế độ chảy mặt ở hạ lưu công trình. Xói sau công trình dẫn nước, tháo nước, lấy nước đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu về lĩnh vực này, đã thu được kết quả nhất định về nguyên nhân, bản chất của xói về kích thước hình học của hố xói, hình dạng hố xói và xói theo thời gian. Xói cục bộ sau công trình thủy lợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: + Các yếu tố công trình : - Chiều cao ngưỡng tràn.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van. - Chiều dài toàn bộ đọan gia cố. - Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng. - Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng và kích thước mố trụ. - Hình dạng mặt cắt tràn. 10 - Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp. - Độ dốc lòng dẫn.
+ Các yếu tố thuỷ lực, thuỷ văn: - Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động học. - Lưu tốc trung bình mặt cắt. - Sự phân bố của lưu tốc biểu thị qua hệ số Coriolis: - Mức độ chảy rối của dòng chảy. - Mực nước hạ lưu.
- Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu. - Hàm lượng bùn cát trong dòng nước. + Các yếu tố của đất nền: - Khối lượng riêng của đất nền. - Hình dạng, kích thước hạt.
- Đường cong cấp phối hạt. -Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền. Đặc điểm cống vùng triều. Đặc điểm cống vùng triều.