CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Cửa van ở công trình tháo lũ 1.1 Công trình tháo lũ và vai trò của cửa van 1. Lũ và công trình tháo lũ ở đầu mối thủy lợi Lũ lụt là một trong những mối hiểm họa lớn của thiên nhiên đối với con người. Phòng chống lũ là một trong các nhiệm vụ chủ yếu của công trình và dự án thủy lợi. HTTL làm nhiệm vụ phòng chống lũ tiêu biểu nhất là các tuyến đê sông của chúng ta, ngoài ra còn có những dạng dự án khác như dự án phân lũ, chuyển lũ, lái lũ (như đã nghiên cứu), dự án cắt lũ và làm chậm lũ tại các hồ chứa nước ở thượng du.
Mục đích chung của tất cả các dự án phòng chống lũ đều là phòng chống hoặc giảm nhẹ cường độ lũ, đảm bảo an toàn về tính mạng và tài sản của con người. Thiên tai lũ lụt đã được lịch sử loài người ghi chép trong nhiều sử sách. Trong thế kỷ XX, trận lũ lụt tháng IV năm 1927 trên lưu vực sông Mixixipi của Mỹ đã làm ngập lụt 7 triệu ha, làm chết 246 người. Gần đây nhất, nạn “Đại hồng thủy” năm 1998 trên sông Trường Giang và Tùng Hoa Giang của Trung Quốc đã gây thiệt hại hàng chục tỷ đô la Mỹ, 4150 người chết, hàng trăm triệu người bị ảnh hưởng trực tiếp của lũ lụt.
Trung Quốc phải tuyên bồ tình trạng khẩn cấp ở nhiều tỉnh trong tháng. Lịch sử nước ta không ghi đầy đủ những số liệu về các trận lũ lớn trong thế kỷ trước, nhưng chúng ta cũng biết nhiều về trận lũ dẫn đến nạn đói chết hơn hai triệu người năm 1945 và ngập 312.000 ha sản xuất; trận lũ lịch sử năm 1971 gây vỡ đê làm ngập lụt nghiêm trọng nhiều tỉnh ở đồng bằng Bắc Bộ làm ngập 250.000 ha và 2,7 triệu người bị ảnh hưởng. Tại miền trung, lũ lụt nghiêm trọng trên diện rộng đã xảy ra năm 1964, 1999 tại các tỉnh từ Huế vào Bình Định; lũ lịch sử làm vỡ đê gây ngập lụt lớn trên sông Cả, sông La năm 1978. Đồng bằng sông Cửu long hầu như cứ 3-4 năm lại xảy ra lụt lớn; lụt nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về người và của như đã xảy ra trong các năm 1961, 1966, 1996, 2000.
Theo thống kê của Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão trung ương, trong thời kỳ từ năm 1971 đến đầu năm 2001, thiệt hại do thiên tai gây ra ở nước ta, trong đó lũ lụt chiếm phần chủ yếu, lên tới hàng chục tỷ đô la Mỹ, trên 15.500 người chết và mắt tích. Đối với các hồ chứa khai thác tổng hợp nguồn nước bao giờ cũng phải tính toán điều tiết lũ để đảm bảo an toàn chống lũ cho bản thân đầu mối thủy lợi - thủy điện. Nhiệm vụ của tính toán chống lũ đảm bảo an toàn cho công trình là thiết kế công trình tháo lũ ở đầu mối thủy lợi có quy mô, độ bền, độ ổn định đủ để tháo các con lũ thiết kế và lũ kiểm tra sao cho mực nước dâng lên trong hồ chứa không vượt qua cao độ cho phép (thường là mực nước cao nhất thiết kế). Nếu để nước lũ tràn qua đỉnh đập, sẽ gây nguy hiểm đến sự an toàn của đập dâng.
Như vậy dung tích phòng lũ ở hồ chứa trong trường hợp này được sử dụng để điều tiết con lũ thiết kế và lũ kiểm tra. Mà lũ thiết kế và lũ kiểm tra thường là các con lũ lớn, tần suất xuất hiện các con lũ này rất nhỏ và do đó mực nước trước lũ của hồ chứa thường khá thấp. Xây dựng công trình tháo lũ ở đầu mối thủy lợi phục vụ nhiệm vụ phòng lũ bản thân công trình vafphongf lũ hạ du. Ngoài nhiệm vụ phòng lũ cho bản thân công trình, ở một số hồ lớn nằm ở đầu nguồn còn có thể được giao nhiệm vụ phòng lũ cho hạ du.
Phòng lũ hạ du tức là khống chế mực nước ở hạ lưu hồ chứa không vượt qua cao độ nào đó. Điều này có nghĩa là cần khống chế được lưu lượng xả lớn nhất xuống hạ du. Với nhiệm vụ như vậy, dung tích phòng lũ của hồ chứa lại được sử dụng để điều tiết lưu lượng xả xuống hạ du, tương tự như khi phòng lũ cho bản thân công trình. Nhưng lúc này mực nước trước lũ sẽ không phải đưa xuống quá thấp, bởi vì tần suất xuất hiện của các con lũ này thường lớn hơn so với lũ thiết kế và lũ kiểm tra (thường tần suất lũ là 5% đến 10%).
Nếu không có hồ chứa điều tiết dòng chảy lũ để phòng chống lũ cho hạ du thì phải thường xuyên nâng cấp hệ thống đê điều, đê bao ở hạ lưu để các tuyến đê đủ cao và đủ vững chãi trước sức uy hiếp của con lũ. Trong nghiên cứu này, quan tâm chủ yếu đến nhiệm vụ phòng lũ bản thân công trình và các cửa van bố trí ở các công trình tháo lũ. Vai trò của cửa van ở công trình tháo lũ Công trình tháo lũ ở đầu mối thủy lợi có thể không có cửa van (thường được gọi là tràn tự do không cửa van) hoặc cửa van. Với công trình quy mô lớn, diện tích lưu vực lớn, lũ lớn thì cửa van thường được thiết kế và lắp đặt để làm nhiệm vụ điều tiết lũ.
Đối với công trình tháo lũ có cửa van thì vai trò của cửa van là công cụ để thực hiện điều tiết lũ. Muốn điều chỉnh mực nước hồ, điều chỉnh lưu lượng xả xuống hạ lưu thì không thể không có cửa van.2 Nhiệm vụ và phân loại cửa van ở CT tháo lũ 1. Nhiệm vụ của cửa van ở công trình tháo lũ Như vậy, cửa van ở công trình tháo lũ có một 36 nhiém vu sau: (1) Chắn và dâng nước theo đồ án thiết kế; (2) Vận hành theo quy trình điều tiết lũ và khống chế lưu lượng xả xuống hạ lưu; (3) Hạ mực nước hồ xuống ngưỡng tràn; -15- (4) Xả một phần bùn cát trong quá trình xả lũ. Phân loại cửa van ở công trình tháo lũ - Về mặt kết cấu và hình dáng có thé phân thành: + Cửa van phẳng: + Cửa van cung; + Cửa van trục trên; + Cửa van trục dưới; nh Cửa van quay trục đứng; + Cửa van quay trục ngang.
- Về cơ chế thao tác van, có thể phân thành: + Van điều khiển bằng tay; + Van điều khiển bằng điện; + Van điều khiển bằng điện - điện tử; + Van điều khiển bằng thủy lực; + Van tự động điều khiển bằng thủy lực tự hồi phục hoặc không tự hồi phục. - Về vật liệu chế tạo, có thể phân thành: + Van thép; + Van bê tông cốt thép; + Van kết hợp thép và BTCT; + Van bằng cao su tổng hợp; + Van chế tạo bằng các vật liệu đặc biệt. Giải pháp kỹ thuật để tăng khả năng tháo của CT tháo lũ Chúng ta đã rất quen thuộc công thức tổng quát xác định khả năng tháo của công trình tháo lũ. Đối với tháo mặt: OQ = mo,e€> b 2g He” (1.1) Đôi với tháo sâu: Q=ueø.2) -16- Trong đó: = Q: Lưu lượng tháo của công trình tháo lũ (mỶ⁄s) m: Hệ số lưu lượng của công trình tháo mặt ụ: Hệ số lưu lượng của công trình tháo sâu THƯ VIỆN 6 nộ Hệ :số gập ngập ở công ng trìnhtrìn tháo mặ mặt TRƯỜNG XÂY ĐẠI HỌC a“ DỰNG E: Hệ số co hẹp @: Diện tích mặt cắt ngang ham thao sau (m’) b:.
Chiều dài một khoang tràn mặt (m) g: Gia tốc trọng trường (m/s?) Hạ: Cột nước tràn mặt có kể cột nước lưu tốc (m) Z: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu tính toán tháo sâu (m) Từ công thức tính khả năng tháo trên, có thể phân tích rằng: các yếu tố về diện tràn (hay điện tích mặt cắt lỗ tháo sâu) và chênh lệch mực nước thượng lưu với ngưỡng tràn có ảnh hưởng lớn nhất đến lưu lượng tháo. Các yếu tố khác có ảnh hưởng nhưng ảnh hưởng không lớn. Như vậy, trong thực tế để tăng khả năng tháo lũ, người ta đi theo 2 hướng giải pháp. Giải pháp thứ nhất là tăng diện tích tháo lũ và giải pháp thứ hai là hạ cao độ ngưỡng công trình tháo lũ.
Giải pháp tăng diện tích tháo lũ a Ai TRE, Tru tn Barbee Đối với giải pháp tăng diện tích tháo lũ, ở công trình tháo sâu cần tăng œ. Để tăng œ có thể tăng số lượng hằm tháo lũ hoặc tăng diện tích tiết diện của hầm. Đối với công trình tháo mặt, về lý thuyết thì tăng tổng diện tràn ve lén, nhung hướng tăng tổng diện tràn theo phương vuông góc với dòng chảy (là hướng lợi nhất về chế độ thủy lực) rất có thể gặp khó khăn bởi tuyến tràn tự nhiên hẹp, không thể tăng lên theo như mong muốn. Trong trường hợp này người ta đã có một số biện pháp kỹ thuật hiệu quả như: + Thiết kế mặt bằng tuyến tràn hình cung lồi về phía thượng lưu; + Thiết kế mặt bằng tuyến tran zich zắc (tran phím đàn piano); + Thiết kế thêm máng tràn ngang nhô ra phía thượng lưu.
Những giải pháp trên rất hiệu quả đối với tràn tự do không cửa van. 2s Giải pháp giảm cao độ ngưỡng Nếu giảm cao độ ngưỡng công trình tháo lũ thì cột nước tràn sẽ tăng và qua đó sẽ tăng khả năng tháo. đi? Biện pháp truyền thống là đưa ngưỡng công trình tháo xuống thấp nhất có thể được (cần kiểm tra các điều kiện về bôi lắng lòng hồ, khả năng chế tạo và vận hành cửa van sâu,. Biện pháp này được sử dụng với hồ chứa trung bình và lớn có dung tích điều tiết lớn, khả năng điều tiết sâu.
Giải pháp trung gian mà gần đây rất được quan tâm nghiên cứu là cải tiến tràn tự do không cửa van với cao độ ngưỡng cao thành tràn có cửa van với ngưỡng tràn thấp hơn. Giải pháp này sẽ tạo một dung tích điều tiết nào đó làm tăng hiệu quả sử dụng nước mà vẫn đảm bảo khống chế mực nước lũ cao nhất cho phép. Với hồ chứa quy mô nhỏ, lưu lượng lũ khá lớn thì giải pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt khi lắp đặt loại cửa van tự động điều kiển thủy lực tự hồi phục. 1⁄22 Tinh hình nghiên cứu ngoài nước 1.1 Tổng quát về các loại van lật và tràn Trong "Design of Movable Weirs and Storm Surge Barriers", tháng 6/2005 của InCom Working Group 26 [10] da téng két 12 loai tran (movable weirs) va van lật kiéu nay.
Théng ké nguyên lý hoạt động và ứng dụng điển hình 12 loại tràn van cho trong bang 1.