Chương 1 sẽ tập trung phân tích các kết quả nổi bật này, từ đó xác định hình dạng mặt cắt, đơn vị tràn tiêu chuẩn, xác định các hạn chế, tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án.1 GIỚI THIỆU VỀ TRÀN PIANO 1.1 Sự ra đời và phát triển Tràn piano tiền thân là tràn Labyrinth kiểu cung đã phát triển từ những năm 30 của thế kỷ trước. Tràn Labyrinth được cải tiến từ tràn truyền thống chảy tự do, dựa trên nguyên lý tăng chiều dài đường tràn để tăng khả năng tháo cho công trình trong điều kiện địa hình chật hẹp, theo đó tuyến tràn từ dạng thẳng cải tiến thành dạng cong và phát triển theo đường zic zắc với tường thượng lưu, tường hạ lưu tràn dạng thẳng đứng, đáy khu vực nước vào, nước ra nằm ngang (đáy phẳng), chiều dài chân tràn bằng chiều dài đỉnh theo trục dòng chảy. Một số kiểu tràn tuyến cong như tràn mỏ vịt, tràn cánh quạt, tràn chữ Y, tràn hoa cúc và tràn tuyến zic zắc, Labyrinth thể hiện trên Hình 1. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, cần cải tạo, nâng cấp khả năng xả lũ cho hồ chứa hiện hành.
Nhiều công trình bố trí tràn tự do kiểu zic zắc trên đỉnh tràn thực dụng hiện hữu, trong điều kiện mặt bằng xây dựng chật hẹp. Các nhà khoa học đã cải tiến tràn Labyrinth từ dạng tường thượng lưu, hạ lưu thẳng đứng thành tường nghiêng khúc khuỷu, đáy các ô nước ra và ô nước vào từ dạng nằm ngang thành có mái dốc, hình thành nên các hốc phím, gọi là tràn piano. Các nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực này là nhóm HydroCoop, Điện lực Pháp, Đại học Biskra (An giê ri), Đại học Roorkee (Ấn Độ) từ những năm 1999÷2002. Các nghiên cứu và cải tiến này không chỉ cải thiện chế độ thủy lực mà phần chân tràn piano được giảm nhỏ, còn 2/3 so với tràn Labyrinth, đã đem lại hiệu quả 6 về kinh tế.
Do đó tràn piano được coi là giải pháp ưu việt cho bài toán kỹ thuật, kinh tế, được định nghĩa như một “giải pháp hiệu quả về giá thành cho tràn xả lũ” [46], [40]. Tràn mỏ vịt 2. Tràn cánh quạt A-A A-A A A A A 3. Tràn Labyrinth Một số kiểu tràn tuyến cong, tuyến zic zắc tiền thân của PKW 1.2 Phân loại tràn Có nhiều cách phân loại PKW, chủ yếu là theo hình thức tràn, hình thức ngưỡng và chế độ chảy.
Theo hình thức tràn, các kiểu tràn piano được phân định bởi cấu tạo hình học đặc trưng. Theo những nghiên cứu ban đầu của F.Ouamane (2003), tràn piano được chia làm 2 dạng là loại A và loại B. Tràn loại A có kết cấu đối xứng gồm hốc phím thượng lưu, hốc phím hạ lưu. Tràn loại B có kết cấu không đối xứng, chỉ có hốc phím thượng lưu, tường hạ lưu của tràn dạng thẳng đứng, (Hình 1.
7 Đến năm 2011, có nhiều nghiên cứu chi tiết hơn về hình thức, cấu tạo của PKW, theo đó tràn chia làm 4 loại chính: Loại A, B như trên, loại C chỉ có hốc phím hạ lưu, loại D không có hốc phím thượng lưu, hốc phím hạ lưu. Ngoài ra một số tài liệu đề cập tới loại E, đây là dạng tương tự như loại D nhưng đáy phím nằm ngang, có bậc, hay là dạng tràn Labyrinth có bố trí bậc trên phím nước vào, phím nước ra. Trong luận án này không tổng quan về kiểu tràn có đáy phím nằm ngang, (Hình 1. Loại A Loại B Loại C Loại D Loại E Các kiểu tràn piano Cắt ngang tràn piano, loại A Mặt bằng tràn piano Cắt dọc ngang piano, loại B Kết cấu tràn piano 8 Phân loại theo hình thức ngưỡng, có tràn đỉnh nhọn, đỉnh bằng và đỉnh nửa hình tròn hoặc ¼ cung tròn, tuy nhiên các hình thức ngưỡng này được xác định, phân loại trong một vài nghiên cứu ban đầu về tràn piano.
Các nghiên cứu sau này đều lựa chọn hình thức ngưỡng cong bán nguyệt (nửa hình tròn) và không đề cập, nghiên cứu tới các hình thức ngưỡng khác nữa. Phân loại theo chế độ chảy, cũng như các dạng tràn truyền thống, có tràn piano chảy tự do và tràn chảy ngập. Ngoài ra, luận án sẽ phát triển thêm phân loại tràn theo khái niệm trạng thái chảy đầy hay không đầy phím nước ra.3 Thành tựu ứng dụng Tràn piano đầu tiên được xây dựng vào năm 2006, đặt trên đỉnh đập Golours ở Pháp (Laugier, 2007), tràn rộng 12m lưu lượng xả lớn nhất là 68m3/s. Tiếp theo từ năm 2008 đến năm 2010, Công ty Điện lực Pháp đã ứng dụng và xây dựng PKW tại 3 đập: đập St Marc (2008), tràn rộng 18m, lưu lượng tháo 138m3/s; đập Etroit (2009), tràn rộng 18,7m, lưu lượng tháo lớn nhất 82m3/s và đập Gloriettes (2010), tràn rộng 18,5m, lưu lượng tháo 90m3/s.
Năm 2011, PKW tiếp tục được xây dựng tại đập Malarce trên sông Chassezac miền nam nước Pháp, tràn rộng 42,5m, lưu lượng xả lũ 600m3/s, đây cũng là tràn piano lớn nhất ở Pháp. Tại các công trình này, PKW đều được bố trí trên đỉnh đập thực dụng hiện trạng, là giải pháp chủ động và tăng khả năng xả lũ cho những đập tràn đang vận hành khi dòng chảy đến hồ tăng [46], [39]. Một số tràn piano đã được thiết kế và thí nghiệm trên thế giới như: tràn xả lũ của dự án thủy điện Sawara Kuddu, Ấn độ (2005), tràn rộng 138m, lưu lượng xả lớn nhất 3900m3/s [47]; tràn xả lũ của đập đá đổ Dartmouth trên sông Mitta Mitta, Australia (2013). Công trình đập Hazelmere, Nam Phi [22]; tràn tháo nước của khu chứa Rambawa - Sri Lanka.
Tràn piano cũng được ứng dụng làm tràn bên trên nền địa chất yếu cho đập đất sét Ramdane Djamel ở Đông Bắc An-giê-ri (2012), tràn rộng 90m, lũ thiết kế 3445m3/s [23]; cho công trình phân lũ ở vùng đồng bằng hoặc công trình xả nước thải cho bể chứa của dự án khai thác mỏ [31]. 9 Đến nay, trên thế giới đã có 25 công trình ứng dụng, trên 20 tạp chí và hơn 100 bài báo công bố các nghiên cứu về loại tràn này [26].4 biểu thị những thông số và hình ảnh của một số công trình tràn xả lũ kiểu phím piano trên thế giới và ở Việt Nam. Đập Saint Marc – Pháp (2008) Nâng cấp đập tràn Hazelmere, Nam Phi (2012) Thủy điện Đăk mi 4B, Quảng Nam Vị trí các công trình ứng dụng tràn piano (2007) trên thế giới Đập dâng Văn Phong, Bình Định (2010) Một số công trình xả lũ ứng dụng tràn piano Việt Nam là một trong những nước có nhiều công trình ứng dụng PKW. Các tràn này là hạng mục công trình tháo lũ của các dự án thủy điện xây mới như: Thủy điện Đăk Mi 4B (Q=634m3/s), Đăk Mi 2 (Q= 3440m3/s), Đăk Mi 3 10 (Q=7400m3/s), tỉnh Quảng Nam; Thủy điện Vĩnh Sơn 3 (Q=4000m3/s), tỉnh Bình Định.
Ngoài ra, PKW còn được ứng dụng sáng tạo cho công trình tháo cột nước thấp tại đập dâng Văn Phong, tỉnh Bình Định. Đây cũng là tràn piano lớn nhất trên thế giới cho đến thời điểm hiện nay (Q= 8700m3/s) hay tại tràn xả lũ Xuân Minh, tỉnh Thanh Hóa [32], [39], [5], [13]. Tuy nhiên, các công trình xả lũ kiểu phím piano này đều áp dụng theo một vài mẫu PKW cơ bản, giống hoàn toàn về hình dạng mặt cắt, các tỷ lệ cấu tạo và đều được thí nghiệm trên mô hình vật lý. Một số công trình được thí nghiệm với đúng kích thước nguyên hình.
Những mẫu PKW gồm: tràn xả lũ Bambakari (Burkina Faso), tràn Lhasi (Ấn độ) theo nghiên cứu của F.Lempérière (2011); tràn xả lũ tại các đập Goulours, St-Marc, Etroit, Gloriettes (Pháp) thiết kế theo nghiên cứu của M.Leite Ribeiro và cs (2009); tràn Raviege (Pháp) ứng dụng kết quả nghiên cứu của S.Erpicum và cs (2011). Các tràn piano ở Việt Nam như Văn Phong, Đăkmi 2, 3, 4B, Ngàn Trươi, Vĩnh Sơn 3, Đăk Rông 3, Xuân Minh được thiết kế với hình dạng và tỷ lệ kích thước chính theo dạng mặt cắt nghiên cứu của M. Hồ Tá Khanh và cs. Một số công trình đã xây dựng, ứng dụng từ những kết quả nghiên cứu ban đầu về PKW nên tỷ lệ kết cấu hình học chưa phải là tối ưu cho khả năng tháo và kinh tế, như tràn có tỷ lệ Wi/Wo≤1.
Điều này chỉ được thấy rõ khi ngày nay có những kết quả nghiên cứu mới chi tiết hơn về loại tràn này. Một số công trình ứng dụng tràn piano Tên công Kiểu Nghiên cứu Quốc gia q HTK/P L/W Pi/Wi Wi/Wo trình tràn mẫu Burkina F.Lempérière Bambakari 5,0 0,27 6,0 2,67 0,77 Faso và cs, (2011) Dugué và cs, Gage II Pháp 11,8 0,25 7,8 3,75 1,23 (2011) S.Erpicum và Raviege Pháp B 10,4 0,32 6,8 2,08 1,5 cs, (2011) Pinchard và cs, Malarce Pháp A 12,3 0,34 8,1 2,67 1,04 (2011) Goulours Pháp A 5,7 0,31 4,9 1,15 1,8 M.Leite 11 Tên công Kiểu Nghiên cứu Quốc gia q HTK/P L/W Pi/Wi Wi/Wo trình tràn mẫu Ribeiro và cs, St-Marc Pháp A 7,7 0,32 4,3 1,35 1,41 (2009) Etroit Pháp A 7,0 0,18 6,7 1,96 1,54 Gloriettes Pháp A 4,9 0,27 4,7 1,3 1,53 F.Lempérière Lhasi Ấn Độ 1,0 0,13 6,0 2,17 1,25 và cs, (2011) Sawaa Das Singhal & Ấn Độ 38,0 0,56 4,9 1,33 1,0 Kudd Sharma (2011) Ouldjet Pfister và cs, An-giê-ri 0,7 0,66 4,8 1,37 Mellegue (2012) M.Hồ Tá Đăk rông Việt Nam, Khanh và cs. A 3 Quảng Trị Vận hành 2010 Việt Nam, M.Hồ Tá Đăk mi 4 Quảng B Khanh và cs. Nam Vận hành 2010 M.Hồ Tá Văn Việt Nam, Khanh và cs B 28,9 6,0 2,08 1,20 Phong Bình Định (2011).
VH 4/2015 Việt Nam, M.Hồ Tá Đăk mi 2 Quảng B 6,7 5,0 Khanh và cs. Nam Đang XD Việt Nam, M.Hồ Tá Đăk mi 3 Quảng B 40,0 5,0 Khanh và cs. Nam Đang XD 1.4 Quá trình hoàn thiện cấu tạo tràn piano Tràn piano có cấu tạo phức tạp hơn tràn truyền thống. Đường tràn hình zíc zắc, các thành bên nghiêng, khúc khuỷu, đáy ô nước vào, ô nước ra có độ dốc nên dù các tràn piano cùng loại mà có tỷ lệ kích thước hình học khác nhau sẽ cho khả năng tháo khác nhau.
Tiếp nối các nghiên cứu ban đầu về PKW, cho đến nay, các nghiên cứu vẫn không ngừng tìm tòi nhằm xác định các tỷ lệ kích thước hợp lý của đơn vị tràn piano cho tối ưu về thủy lực và kinh tế. 12 Năm 2013, trong bài viết “Triển vọng - 15 năm nghiên cứu và phát triển”, tác giả M. Hồ Tá Khanh đã đề cập tới mô hình tiêu chuẩn cho tràn PKW – “Standard model” [34]. Đây là mô hình tràn piano được nhóm Hydrocoop (2006) nghiên cứu tìm tòi phục vụ cho thiết kế cơ sở, ước lượng kinh tế để so sánh với các giải pháp công trình khác trong dự án.
