CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP TRÀN CAO VÀ CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CẦN GIẢI QUYẾT 1. Tình hình xây dựng các đập tràn trọng lực cao Những năm gần đây, do yêu cầu cung cấp điện, nước cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn đã được thiết kế xây dựng. Trong các hạng mục của một công trình thủy lợi, thủy điện thì đập tràn tháo lũ chiếm một vị trí quan trọng. Nếu như những năm 70 – 80 của thế kỷ trước, chỉ mới có đập tràn cao 50 – 70 m thì ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong công nghệ thiết kế và thi công, nước ta đã có đập tràn cao trên 100m.
Điển hình như đập tràn thủy điện Sơn La, đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt…. Thống kê các đập tràn cao các công trình thủy lợi-thủy điện xây dựng tại Việt Nam Địa điểm Chiều cao Năm hoàn STT Tên đập (tỉnh) (m) thành (1) (2) (3) (4) (5) 1 Pleikrông Kon Tum 75 2006 2 Định Bình Bình Định 54,55 2007 3 Nước Trong Quảng Ngãi 68 - 4 A Vương Quảng Nam 70 2008 5 Bắc Hà Lào Cai 100 2008 6 Bản Chát Lai Châu 70 - 7 Bản Vẽ Nghệ An 138 2010 8 Bình Điền Huế 75 2007-2008 9 Cổ Bi Huế 70 2008 10 Đak Rinh Quảng Ngãi 100 2008 11 Đồng Nai 3 Đắc Nông 110 2009 11 (1) (2) (3) (4) (5) 12 Đồng Nai 4 Đắc Nông 127,5 2010 13 Hủa Na Nghệ An 95 2010 14 Huội Quảng Sơn La 104 2012 15 Lai Châu Lai Châu 117 2016 16 Nậm Chiến Sơn La 130 2013 17 Pleikrông Kon Tum 75 2006 18 Sê San 4 Gia Lai 80 2007-2008 19 Sơn La Sơn La 138 2009 20 Sông Bung 2 Quảng Ngãi 95 2010-2012 21 Sông Côn 2 Quảng Nam 50 2010 22 Sông Tranh 2 Quảng Ngãi 100 2010 23 Thượng Kon Tum Kon Tum - 2009 24 Trung Sơn Thanh Hoá 85 2011 Mặt cắt đập tràn sử dụng trong các công trình có cột nước trên ngưỡng cao thường là kiểu mặt cắt thực dụng, dòng chảy nối tiếp tương đối thuận, hệ số lưu lượng tháo qua đập tràn lớn hơn đập tràn đỉnh rộng hình thang. Đập tràn thực dụng được thiết kế theo hai dạng: mặt cắt có chân không và dạng mặt cắt không chân không theo Ophixerov hoặc theo WES. Hình ảnh đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt Hình 1-2.
Hình ảnh đập tràn nhà máy thủy điện Sơn La 1. Các vấn đề thuỷ lực khác biệt ở đập tràn cao - Chọn vị trí lỗ tràn - Xác định lưu lượng đơn vị - Chọn hình thức mặt cắt đập tràn 13 - Tính toán khả năng tháo nước của đập tràn. - Biện pháp tiêu năng và tính toán tiêu năng sau đập tràn - Tính toán khí thực và các biện pháp phòng ngừa. Những hư hỏng của đập tràn do các nguyên nhân về thủy lực Sự cố hư hỏng tràn xả lũ xảy ra ở nước ta là không nhỏ và liên quan tới nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó nguyên nhân liên quan về thủy lực công trình gồm có: - Tính toán thủy văn không phù hợp với thực tế, nên tràn không đủ năng lực xả lũ, phải khắc phục bằng cách làm thêm tràn phụ như hồ Phú Ninh (Quảng Nam), hồ Núi Cốc ( Thái Nguyên), hồ Vực Tròn (Quảng Bình)… - Cửa van hoặc thiết bị đóng mở gãy, kẹt.
Ví dụ như tràn hồ Yên Lập trong lũ cả 3 cửa van bị kẹt, tràn hồ Dầu Tiếng cửa van giữa bị đứt vỡ tai cửa, tràn xả lũ thủy điện Hố Hô bị kẹt, không xả nước được khi lũ về. Hình ảnh sự cố đập tràn nhà máy thủy điện Hố Hô - Tính toán thủy lực về khả năng tháo, tiêu năng sau tràn chưa hợp lý, dẫn đến hư hỏng công tràn, xói bể tiêu năng. - Ngoài ra, các đập tràn lớn làm việc với cột nước cao, lưu tốc lớn, ngoài các 14 vấn đề thủy lực nêu trên, ta còn đặc biệt quan tâm đến vấn đề khí thực gây xâm thực lòng dẫn. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Các đập tràn bê tông trọng lực trên nền đá, có chiều cao từ 60m trở lên (Công trình từ cấp II trở lên).
Trong đó tổng quát nghiên cứu các vấn đề sau: 1. Hình thức và lựa chọn mặt cắt đập tràn thực dụng. Hình thức tiêu năng sau đập là tiêu năng mặt hoặc tiêu năng phóng xa. Tập trung nghiên cứu hiện tượng khí thực trên mặt tràn và biện pháp phòng khí thực.
15 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA ĐẬP TRÀN TRỌNG LỰC CAO 2. Mặt cắt đập và khả năng tháo nước qua đập 2.1 Các loại đập tràn thường dùng Về lý thuyết đập tràn có rất nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế thì hai dạng ngưỡng tràn được sử dụng rộng rãi nhất là đập tràn thực dụng và đập tràn đỉnh rộng. Đập tràn mặt cắt thực dụng có các dạng sau: a.
Đập hình cong không chân không Đây là dạng mặt cắt phổ biến nhất do có chế độ làm việc ổn định và hệ số lưu lượng tương đối lớn. Mặt cong của tràn được xây dựng từ đường cong giới hạn dưới của làn nước rơi từ ngưỡng tràn thành mỏng, khi cột nước trên tràn là cột nước định hình (Hđ). Với đập tràn xây dựng theo nguyên tắc này, áp lực trên mặt tràn luôn luôn dương khi cột nước tràn thực tế H≤Hđ. Khi cột nước tràn H > Hđ, trên mặt tràn có thể xuất hiện áp lực âm, nhưng có trị số nhỏ, không ảnh hưởng đến an toàn của mặt đập (không sinh ra khí hóa dẫn đến khí thực).
Việc khống chế trị số của áp suất âm trên mặt tràn chủ yếu phụ thuộc vào cách lựa chọn trị số của cột nước định hình. Trị số an toàn thường được lựa chọn là lấy theo cột nước tràn thiết kế: Hđ = Htk. Tuy nhiên, để khai thác mặt tích cực của áp lực âm (làm tăng hệ số lưu lượng), Qui phạm thiết kế của một số nước khuyến cáo chọn Hđ nhỏ hơn. Chẳng hạn qui phạm thiết kế tràn xả lũ của Trung Quốc [10] khuyến cáo lấy Hđ = (0,75 ÷ 0,95)Hmax đối với tràn ngưỡng cao và Hđ = (0,65 ÷ 0,85)Hmax đối với tràn ngưỡng thấp.
Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của nhiều nhà khoa học, dạng tổng quát của đường cong mặt tràn được cho bởi phương trình sau [11] 16 n y ⎛ x ⎞ = a⎜⎜ ⎟⎟ (2-1) Hd ⎝ Hd ⎠ Trong đó: x, y: Tọa độ các điểm trên mặt tràn Hđ : Cột nước định hình a, n: các tham số của đường cong, phụ thuộc vào điều kiện biên như độ nghiêng của mái thượng lưu đập, độ nhô của phần đỉnh về phía trước so với mặt thượng lưu đập… Một số mô phỏng cụ thể do các tác giả khác nhau đề nghị như sau [11]: - Theo Creager-Scimemi: 1,85 y ⎛ x ⎞ = 0,5⎜⎜ ⎟⎟ (2-2) Hd H ⎝ d⎠ 1,80 y ⎛ x ⎞ = 0,47⎜⎜ ⎟⎟ (2-3) Hd H ⎝ d⎠ - Theo Semetana: 1,85 y ⎛ x ⎞ = 0,461⎜⎜ ⎟⎟ (2-4) Hd ⎝ Hd ⎠ - Theo de Marche: 2 y ⎛ x ⎞ = 0,556⎜⎜ ⎟⎟ (2-5) Hd ⎝ Hd ⎠ - WES (Phòng thí nghiệm công trình thủy, Hoa Kỳ) đã thực hiện hàng loạt các thí nghiệm trên các dạng đập tràn và đưa ra công thức tổng quát có dạng như sau: n y 1⎛ x ⎞ = ⎜⎜ ⎟ (2-6) H d k ⎝ H d ⎟⎠ Giá trị của k và n phụ thuộc vào góc nghiêng bề mặt công trình, cụ thể như trong bảng 2-1. Giá trị của k và n trong mặt cắt WES [11] Hệ số mái TL (m1) 0 1:3 2:3 1 K 2,00 1,963 1,939 1,873 N 1,85 1,863 1,810 1,776 Hình 2-1. Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=0 a = 0,175Hd; b = 0,282 Hd; R1 = 0,2 Hd; R2 = 0,5Hd; k = 2,0; n = 1,85 Hình 2-2. Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=2/3, m2 = 1/3 18 Bảng 2-2.
Thông số xác định mặt cắt tràn WES khi m1=1/3 và m2=2/3 [11] m1 R1/Hd R2/Hd a/Hd b/Hd k n 1/3 0,68 0,21 0,139 0,237 1,936 1,836 2/3 0,48 0,22 0,115 0,214 1,939 1,810 Hình 2-3. Mặt cắt đập tràn tiêu chuẩn của WES với m1=1 a = 0,1191Hd; R1 = 0,45Hd; k = 1,873; n = 1,776 - Trên cơ sở công thức của Creager và số liệu thí nghiệm, Ophixerov đã hiệu chỉnh và đề nghị bảng tọa độ không thứ nguyên của mặt tràn không chân không Creager – Ophixerov (xem [3]). Các giá trị của hệ số sửa chữa hình dạng của mặt cắt cũng đã được đề nghị cụ thể trong [3]. Hình dạng mặt cắt đập tràn Creager – Ophixerov So sánh mặt tràn dạng WES và dạng Creager – Ophixerov cho thấy về cơ bản chúng tương đồng với nhau.
Khi chiều cao đập lớn thì mặt tràn vẽ theo WES có thấp hơn mặt tràn Creager – Ophixerov một ít nhưng khối lượng bê tông đập giảm không đáng kể. Vả lại, khối lượng đập có được giảm hay không còn phụ thuộc vào ổn định chống trượt của toàn đập và được quyết định thông qua tính toán kiểm tra ổn định đập. Hiệu quả đáng kể nhất của việc hạ thấp mặt tràn là làm cho hệ số lưu lượng tăng lên một ít, nhưng đổi lại là phải chấp nhận có áp lực âm trên mặt tràn. Với các đập cao hay cấp công trình quan trọng, cần thiết phải có thí nghiệm mô hình để xác định và khống chế trị số áp lực âm trên mặt tràn nhằm đảm bảo điều kiện làm việc ổn định và chống khí thực.
Hệ số lưu lượng trên chuẩn của các dạng mặt cắt đập tràn không chân không được xác định theo các sổ tay thủy lực. Đập hình cong có chân không Đập hình cong có chân không thường được xây dựng từ mặt cắt cơ bản hình thang có mặt thượng lưu thẳng đứng, mái hạ lưu tương đối dốc, đáy nhỏ 20 của hình thang ngang với cao trình ngưỡng tràn; phần lượn cong trên đỉnh là một cung elip tiếp xúc với mặt trước, mặt trên và mặt sau của ngưỡng tràn (hình 2-5). Trục dài của elip song song với mặt hạ lưu đập. Khi elip có hai trục bằng nhau thì đỉnh đập tràn là một cung tròn bán kính R.
Mặt cắt đập tràn hình cong có chân không Hệ số lưu lượng của đập tràn chân không thường lớn hơn của đập tràn không chân không. Trị số của m phụ thuộc vào tỷ số các bán trục của elip (a/b) và được cho trong các sổ tay tính toán thủy lực. Nhược điểm cơ bản của đập tràn chân không là làm việc thiếu ổn định do mạch động làm thay đổi trị số chân không ở đỉnh, làm cho hệ số lưu lượng thay đổi.