Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mặt cắt hợp lý của đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng Sơn La

• Tác giả: Phan Đình Hậu
• Người hướng dẫn: GS.TS Ngô Tri Viềng
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy công
• Đề tài: Nghiên cứu mặt cắt hợp lý cho đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng Sơn La
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG
• 1.1. Các loại đập tràn
• 1.2. Đập tràn thành mỏng
• 1.3. Đập tràn đỉnh rộng
• 1.4. Đập tràn mặt cắt thực dụng
• 1.4.1. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không kiểu Creager - Ophixerov
• 1.4.2. Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không kiểu Rodanop
• 1.4.3. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES
• 1.5. Các loại đập tràn khác
• 1.5.1. Đập vòm tràn nước
• 1.5.2. Đập bản chống
• 1.5.3. Đập cao su
• 1.6. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC ĐẬP TRÀN
• 2.1. Khả năng tháo của đập tràn thực dụng
• 2.1.1. Khả năng tháo của đập tràn dạng WES
• 2.1.2. Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của các nhà khoa học Mỹ
• 2.1.3. Theo tài liệu nghiên cứu đập tràn dạng WES của Trung Quốc
• 2.2. Trạng thái dòng chảy
• 2.3. Tính toán thủy lực xác định đường mặt nước
• 2.4. Phân bổ áp suất mặt tràn
• 2.5. Phương pháp xác định mặt cắt tràn
• 2.5.1. Phương pháp xác định mặt cắt tràn dạng Creager - Ophixerov
• 2.5.2. Phương pháp xác định mặt cắt tràn có chân không dạng Rodanop
• 2.5.3. Phương pháp xác định mặt cắt đập tràn dạng WES
• 2.6. Đoạn thân tràn phía hạ lưu
• 2.7. Đoạn đầu tràn so với
• 2.8. So sánh đập tràn mặt cắt dạng WES và mặt cắt Ophixerov
• 2.9. Diện tích mặt cắt ngang. Khả năng tháo
• 2.10. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MÒNG
• 3.1. Các thông số cơ bản của hồ Bản Mòng
• 3.2. Địa điểm xây dựng
• 3.3. Nhiệm vụ công trình. Quy mô công trình
• 3.4. Các phương án tràn xã I
• 3.4.1. Tính toán tọa độ mặt tràn
• 3.4.2. Vẽ đường cong mặt tràn
• 3.4.3. Tính toán khả năng tháo
• 3.5. Trường hợp đập tràn mặt cắt Ophixerov
• 3.6. Trường hợp đập tràn mặt cắt clip
• 3.7. Trường hợp đập tràn mặt cắt WES
• 3.8. So sánh giữa ba phương án về mặt cắt đập và khả năng tháo
• 3.9. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về đập tràn thực dụng

Đập tràn là một trong những hạng mục chủ yếu của các đầu mối công trình thủy lợi, thủy điện, có nhiệm vụ xả lũ và điều tiết dòng chảy. Việc nghiên cứu khả năng tháo nước của đập tràn và xác định các kích thước cơ bản có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Các loại đập tràn có thể chia thành ba loại chính: đập tràn thành mỏng, đập tràn đỉnh rộng và đập tràn mặt cắt thực dụng. Mỗi loại đập tràn này có những đặc điểm riêng về hình dạng và khả năng tháo nước, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của công trình. Đặc biệt, đập tràn mặt cắt thực dụng được sử dụng phổ biến trong các công trình tháo lũ trên sông nhờ vào khả năng tháo nước lớn và thiết kế đơn giản. Nghiên cứu về các loại đập tràn này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả công trình mà còn tiết kiệm chi phí xây dựng.

1.1. Các loại đập tràn

Các loại đập tràn bao gồm: đập tràn thành mỏng, nơi dòng chảy tách rời khỏi đỉnh đập ngay sau khi đi qua mép thượng lưu; đập tràn đỉnh rộng, có khả năng tháo nước lớn nhưng dễ gặp phải tình trạng giảm khả năng tháo khi chảy ngập; và đập tràn mặt cắt thực dụng, được thiết kế để đáp ứng nhiều yêu cầu về khả năng tháo nước và độ bền của công trình. Mỗi loại đập tràn có ưu điểm và nhược điểm riêng, từ đó cần có các phương pháp thiết kế phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất của công trình.

II. Nghiên cứu chế độ thủy lực đập tràn

Nghiên cứu chế độ thủy lực của đập tràn là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình và hiệu quả trong việc điều tiết dòng chảy. Các phương pháp xác định khả năng tháo của đập tràn mặt cắt dạng WES và Ophixerov được áp dụng để đánh giá hiệu quả hoạt động của các loại đập tràn này. Việc phân tích trạng thái dòng chảy qua đập tràn giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý. Các nghiên cứu cho thấy đập tràn mặt cắt WES có khả năng tháo nước tốt hơn so với các loại đập tràn khác, nhờ vào hình dạng tối ưu của mặt cắt.

2.1. Khả năng tháo của đập tràn thực dụng

Khả năng tháo của đập tràn thực dụng được xác định thông qua việc phân tích áp lực và lưu lượng nước chảy qua đập. Các phương pháp xác định mặt cắt của đập tràn như Creager-Ophixerov và WES cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu quả tháo nước. Đặc biệt, mặt cắt WES được cho là có hệ số lưu lượng lớn hơn, cho phép tháo nước hiệu quả hơn trong các điều kiện dòng chảy khác nhau. Việc nghiên cứu kỹ lưỡng khả năng tháo của các loại đập tràn là cần thiết để đảm bảo tính an toàn cho công trình và giảm thiểu rủi ro trong mùa mưa lũ.

III. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công trình hồ chứa nước Bản Mòng

Kết quả nghiên cứu về mặt cắt hợp lý cho đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng công trình. Việc lựa chọn mặt cắt WES hoặc Ophixerov sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tháo nước, từ đó quyết định đến hiệu quả hoạt động của hồ chứa. Các thông số cơ bản như địa điểm xây dựng, quy mô công trình và nhiệm vụ công trình đều được xem xét kỹ lưỡng để đưa ra quyết định cuối cùng. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện khả năng tháo nước mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

3.1. Các thông số cơ bản của hồ chứa nước Bản Mòng

Hồ chứa nước Bản Mòng được xây dựng với nhiệm vụ chống lũ quét và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp. Việc xác định mặt cắt hợp lý cho đập tràn tại hồ chứa này là rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho công trình và hiệu quả trong việc điều tiết dòng chảy. Các thông số như chiều cao đập, khả năng tháo nước và hình dạng mặt cắt đều cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo đạt tiêu chuẩn thiết kế và đáp ứng yêu cầu thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Đập tràn là một trong những công trình chủ yếu và quan trọng trong hệ thống đầu mối thủy lợi, thủy điện, có nhiệm vụ xả lũ, điều tiết dòng chảy nhằm đảm bảo an toàn cho công trình và hạ du. Theo ước tính, đập tràn chiếm tỷ trọng vốn đáng kể trong chi phí xây dựng hệ thống công trình đầu mối. Việc nghiên cứu và lựa chọn mặt cắt đập tràn hợp lý nhằm tăng khả năng tháo nước, tối ưu chế độ thủy lực, đồng thời giảm chi phí xây dựng có ý nghĩa lớn về kinh tế và khoa học.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng tháo nước và hình dạng mặt cắt đập tràn dạng Ophixerov và WES (Waterways Experiment Station) – hai dạng mặt cắt phổ biến trên thế giới và tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện với phạm vi áp dụng cho đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng, tỉnh Sơn La, một công trình trọng điểm có chiều cao đập trên 40m, phục vụ chống lũ quét, cung cấp nước cho công nghiệp, sinh hoạt và phát triển du lịch sinh thái.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích trạng thái dòng chảy, xác định các thông số thủy lực, so sánh ưu nhược điểm của hai dạng mặt cắt đập tràn, từ đó đề xuất mặt cắt hợp lý cho đập tràn Bản Mòng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành công trình, đảm bảo an toàn và giảm thiểu chi phí đầu tư, góp phần phát triển bền vững ngành thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu thủy lực đập tràn, trong đó nổi bật là:

• Lý thuyết dòng chảy qua đập tràn: Áp dụng phương trình Bernoulli kết hợp với phương pháp Tsanomxki để xác định đường mặt nước và lưu tốc dòng chảy trên mặt cắt đập tràn.
• Mô hình mặt cắt đập tràn thực dụng: Bao gồm các dạng mặt cắt Creager – Ophixerov và WES, với các khái niệm chính như hệ số lưu lượng (m), hệ số co hẹp bên (e), hệ số ngập (ơ), và các tham số hình học đặc trưng của mặt cắt.
• Phân tích áp suất trên mặt tràn: Xác định áp suất tác dụng lên mặt đập để đảm bảo không xuất hiện áp suất âm gây hiện tượng khí thực, ảnh hưởng đến an toàn công trình.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: cột nước thiết kế (Hy), chiều rộng khoang tràn (b), hệ số hiệu chỉnh cột nước (oy), hệ số hình dạng trụ pin (Eq), và trạng thái dòng chảy chảy ngập hay không ngập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực tế từ công trình đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng, tài liệu lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực từ các nghiên cứu trong và ngoài nước. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các thông số kỹ thuật và hình dạng mặt cắt của đập tràn dạng Ophixerov và WES, được lựa chọn dựa trên tính đại diện và phổ biến trong thiết kế đập tràn hiện nay.

Phương pháp phân tích chính là phương pháp tổng hợp, so sánh kỹ thuật và kinh tế giữa hai dạng mặt cắt đập tràn. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: thu thập và tổng hợp tài liệu (3 tháng), phân tích lý thuyết và mô phỏng thủy lực (4 tháng), áp dụng kết quả vào công trình thực tế (2 tháng), và hoàn thiện luận văn (1 tháng).

Phương pháp tính toán thủy lực sử dụng công thức lưu lượng chuẩn, kết hợp bảng tra hệ số lưu lượng, hệ số co hẹp và hệ số ngập. Phương pháp xác định đường mặt nước và áp suất trên mặt tràn được thực hiện bằng giải pháp số dựa trên phương trình Bernoulli và phương pháp Tsanomxki, đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng tháo nước của đập tràn dạng WES vượt trội hơn dạng Ophixerov
   Kết quả tính toán cho thấy hệ số lưu lượng m của đập tràn WES đạt khoảng 0,50 – 0,51, cao hơn khoảng 7-15% so với hệ số lưu lượng của đập tràn dạng Ophixerov (khoảng 0,43 – 0,48). Điều này đồng nghĩa với khả năng tháo nước lớn hơn, giúp giảm áp lực nước và tăng hiệu quả xả lũ.

2. Ảnh hưởng của trạng thái dòng chảy và hệ số ngập đến lưu lượng xả
   Khi dòng chảy không ngập, hệ số ngập ơ, bằng 1, lưu lượng đạt tối đa. Tuy nhiên, trong trường hợp dòng chảy ngập, hệ số ngập giảm xuống còn khoảng 0,67 – 0,78 tùy thuộc vào chiều sâu nước hạ lưu, làm giảm lưu lượng xả từ 20-30%. Đây là yếu tố quan trọng cần được tính toán chính xác để đảm bảo an toàn vận hành.

3. So sánh mặt cắt đập tràn WES và Ophixerov về mặt hình học và thủy lực
   Mặt cắt WES có đường cong thượng lưu gồm ba bán kính cong, giúp dòng chảy thuận lợi hơn và giảm tổn thất thủy lực. Mặt cắt Ophixerov có cấu trúc đơn giản hơn nhưng dễ phát sinh chân không và áp lực mạch động lớn hơn. Biểu đồ quan hệ giữa cột nước và lưu lượng cho thấy WES có khả năng duy trì lưu lượng ổn định ở các mức cột nước khác nhau tốt hơn.

4. Ứng dụng thực tế tại đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng
   Việc áp dụng mặt cắt WES cho đập tràn Bản Mòng giúp tăng khả năng tháo nước lên khoảng 10% so với thiết kế ban đầu dạng Ophixerov, đồng thời giảm chi phí xây dựng do tiết kiệm vật liệu và giảm tổn thất thủy lực. Kết quả mô phỏng thủy lực và thí nghiệm mô hình cho thấy sự phù hợp và hiệu quả của mặt cắt WES trong điều kiện địa hình và lưu lượng tại địa phương.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng tháo nước của đập tràn WES vượt trội là do thiết kế mặt cắt có đường cong thượng lưu phức tạp hơn, giúp dòng chảy ổn định, giảm hiện tượng phân tách dòng và chân không. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học Mỹ và Trung Quốc, khẳng định tính ưu việt của mặt cắt WES trong thiết kế đập tràn hiện đại.

Việc phân tích hệ số ngập và trạng thái dòng chảy cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát mực nước hạ lưu để duy trì hiệu quả xả lũ. So sánh biểu đồ lưu lượng – cột nước giữa hai dạng mặt cắt có thể được trình bày qua bảng số liệu và biểu đồ đường cong, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu suất.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành công trình thủy lợi, thủy điện, đồng thời giảm thiểu rủi ro do áp lực thủy lực không ổn định. Việc áp dụng mặt cắt WES tại đập Bản Mòng là minh chứng cho sự thành công của nghiên cứu, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các công trình tương tự trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mặt cắt đập tràn dạng WES cho các công trình thủy lợi, thủy điện mới
   Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi, các đơn vị thiết kế công trình.
   Mục tiêu: Tăng khả năng tháo nước, giảm tổn thất thủy lực, nâng cao an toàn vận hành.
   Thời gian: Áp dụng trong các dự án thiết kế và xây dựng trong vòng 3-5 năm tới.

2. Kiểm soát và duy trì mực nước hạ lưu để giảm hiện tượng ngập dòng chảy
   Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa, cơ quan vận hành công trình.
   Mục tiêu: Giữ hệ số ngập ơ, gần bằng 1 để đảm bảo lưu lượng xả tối ưu.
   Thời gian: Thường xuyên trong quá trình vận hành.

3. Nâng cao chất lượng vật liệu và kỹ thuật thi công mặt cắt cong của đập tràn WES
   Chủ thể thực hiện: Nhà thầu xây dựng, Viện Khoa học Thủy lợi.
   Mục tiêu: Đảm bảo độ bền, độ nhẵn mặt tràn, tránh hiện tượng chân không và áp lực mạch động.
   Thời gian: Trong giai đoạn thi công và bảo trì công trình.

4. Tăng cường nghiên cứu, thí nghiệm mô hình thủy lực để hoàn thiện thiết kế mặt cắt đập tràn
   Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học chuyên ngành thủy lợi.
   Mục tiêu: Cập nhật, điều chỉnh các tham số thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế và công nghệ mới.
   Thời gian: Liên tục, ưu tiên trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện
   Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về mặt cắt đập tràn hiện đại, áp dụng vào thiết kế tối ưu, nâng cao hiệu quả công trình.

2. Ban quản lý và vận hành hồ chứa nước
   Lợi ích: Hiểu rõ về khả năng tháo nước và các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành an toàn, từ đó điều chỉnh quy trình vận hành phù hợp.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, thủy điện
   Lợi ích: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thủy lực đập tràn, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và xây dựng công trình thủy lợi
   Lợi ích: Đánh giá, ban hành các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế đập tràn phù hợp với điều kiện thực tế và xu hướng phát triển công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nên chọn mặt cắt đập tràn dạng WES thay vì Ophixerov?
   Mặt cắt WES có hệ số lưu lượng cao hơn khoảng 7-15%, giúp tăng khả năng tháo nước và giảm tổn thất thủy lực. Thiết kế đường cong thượng lưu phức tạp hơn giúp dòng chảy ổn định, giảm hiện tượng chân không và áp lực mạch động.

2. Hệ số ngập ơ, ảnh hưởng thế nào đến khả năng tháo nước của đập tràn?
   Khi dòng chảy không ngập, ơ, = 1, lưu lượng đạt tối đa. Nếu dòng chảy ngập, ơ, giảm xuống khoảng 0,67 – 0,78, làm giảm lưu lượng xả từ 20-30%, ảnh hưởng đến hiệu quả xả lũ và an toàn công trình.

3. Phương pháp xác định đường mặt nước trên đập tràn được thực hiện như thế nào?
   Sử dụng phương trình Bernoulli kết hợp phương pháp Tsanomxki để tính toán đường mặt nước và lưu tốc dòng chảy trên mặt cắt đập tràn, đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.

4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các công trình đập tràn khác không?
   Có, nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích có thể áp dụng cho các công trình đập tràn có quy mô và điều kiện tương tự, đặc biệt là các đập tràn bê tông trọng lực cao trên 40m.

5. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng chân không và áp lực mạch động trên mặt tràn?
   Thiết kế mặt cắt đập tràn có đường cong phù hợp, đảm bảo không có khoảng trống lớn giữa mặt đập và làn nước tràn, sử dụng vật liệu bê tông có độ nhẵn cao và kiểm soát cột nước thiết kế hợp lý giúp giảm thiểu các hiện tượng này.

Kết luận

• Đập tràn dạng WES có khả năng tháo nước vượt trội hơn dạng Ophixerov, với hệ số lưu lượng cao hơn từ 7-15%.
• Trạng thái dòng chảy và hệ số ngập ảnh hưởng lớn đến lưu lượng xả, cần kiểm soát mực nước hạ lưu để duy trì hiệu quả vận hành.
• Mặt cắt WES với đường cong thượng lưu ba bán kính cong giúp dòng chảy ổn định, giảm tổn thất thủy lực và áp lực mạch động.
• Ứng dụng mặt cắt WES tại đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
• Đề xuất áp dụng mặt cắt WES cho các công trình thủy lợi, thủy điện mới, đồng thời tăng cường nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế mặt cắt đập tràn trong tương lai.

Next steps: Triển khai áp dụng thiết kế mặt cắt WES trong các dự án mới, đồng thời tổ chức các khóa đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về thủy lực đập tràn.

Call to action: Các đơn vị thiết kế và quản lý công trình thủy lợi, thủy điện nên xem xét áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.