CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÓI Ở HẠ LƯU ĐẬP DÂNG TRÀN 1.1 Tổng quan về đập dâng tràn 1.1 Khái quát về đập dâng tràn Đập dâng tràn là một kiến trúc làm cho dòng chảy bị thu hẹp đứng hoặc ngang, chất lỏng bị ngăn lại và dâng cao rồi tràn qua, dòng chảy qua vật kiến trúc gọi là lưu lượng tràn. Đập dâng tràn có thể là đập đầu mối độc lập hay là một bộ phận quan trọng trong hệ thống thủy lợi. Để điều tiết nước cho hạ du thường xây dựng hồ chứa nước.
Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp khi so sánh về hiệu ích kinh tế hoặc khi thấy việc xây dựng hồ chứa có vùng ngập lớn, gây mất đất, phá vỡ cân bằng sinh thái … và đặc biệt khi lưu lượng đến lớn hơn lưu lượng cần thì phương án xây dựng dập dâng tràn là hợp lý hơn xây dựng hồ chứa. Nhiệm vụ cơ bản của đập dâng là dâng cao mực nước thượng lưu để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau: + Với bãi tưới cao hơn mực nước sông, kênh khi dâng cao mực nước có thể đưa nước tưới vào bãi tưới. + Một số đập dâng tràn có thể tạo hồ chứa để điều tiết nước cho hạ lưu. + Dâng cao mực nước để tạo cột nước cho nhà máy thủy điện.
+ Đập dâng tràn cũng dùng để ngăn lũ, chậm lũ hay ngăn dòng chảy bùn cát. Với kết cấu và hình thức phù hợp nó có thể góp phần làm giảm xói ngược lòng kênh hay phá hủy kênh tiêu thoát nước. Một số trường hợp đập dâng còn được xây dựng để đưa nước sang lưu vực liền kề tiếp nước cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.2 Phân loại đập dâng tràn 1.1 Phân loại theo hình thức tràn qua đập + Lưu lượng tràn qua toàn bộ phần đập tràn; + Lưu lượng tràn qua cả hai bên vai đập tràn. Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 4 Hình 1.1: Đập có lưu lượng tràn qua vai Hình 1.2: Đập có lưu lượng tràn toàn bộ qua phần tràn 1.2 Phân loại theo hình dạng và mặt cắt ngang đập tràn + Đập tràn thành mỏng: khi chiều dày đỉnh đập δ < 0,67 H; + Đập tràn thực dụng: 0,67H < δ ≤ (2-:-3)H; + Đập tràn đỉnh rộng: (2-:-3)H ≤ δ ≤ (8-:-10)H.3: Đập tràn thành mỏng Hình 1.4: Đập tràn thực dụng Hình 1.5: Đập tràn đỉnh rộng Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 5 1.3 Phân loại theo ngưỡng đập tràn trên mặt bằng + Đập tràn thẳng hoặc chính diện; + Đập tràn hình cong; + Đập tràn xiên; + Đập tràn hình gẫy khúc; + Đập tràn hình zíczắc.6: Đập tràn thẳng (chính diện) Hình 1.7: Đập tràn cong Hình 1.8: Đập tràn xiên Hình 1.9: Đập tràn gẫy khúc Hình 1.10: Đập tràn ZícZắc 1.4 Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đối với đập tràn + Đập chảy ngập; + Đập chảy không ngập.5 Phân loại theo hình thức lấy nước + Lấy nước ở hai bên vai đập; + Lấy nước ở đỉnh đập; + Lấy nước đáy đập.
Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 6 1.3 Tình hình xây dựng đập dâng tràn hiện nay ở Việt Nam 1.1 Tình hình chung Trước đây hầu hết các đập dâng ở Việt Nam đều được xây dựng theo quy phạm cũ, phần đập tràn được thiết kế theo dạng Ophixerop; vật liệu xây dựng là bê tông truyền thống, đá xây vữa hay rọ thép xếp đá hộc. Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế làm tăng nhu cầu về sử dụng điện, nước…; kèm theo đó là sự biến đổi mạnh mẽ của khí hậu toàn cầu đã tạo nên sức ép phải có những tiến bộ về khoa học và công nghệ trong xây dựng công trình thủy lợi. Từ năm 1999 cùng với sự trao đổi khoa học kỹ thuật và các chuyên gia tư vấn nước ngoài nên nước ta đã xây dựng đươc nhiều đập tràn có mặt cắt dạng WES như đập tràn Thủy điện Sơn La, đập tràn Hồ chứa nước Cửa Đạt, đập tràn Thủy điện Se San 3 …; đập tràn ZícZắc bước đầu đang được nghiên cứu và áp dụng như: tràn xả lũ hồ Tuyền Lâm, tràn xả lũ Phước Hòa, tràn xả lũ sông Móng … 1.2 Một số vấn đề đặt ra a) Hiệu quả sử dụng Hiện nay do nhiều yếu tố khách quan như biến đổi khí hậu làm cho tỷ số lưu lượng Q max /Q min ngày càng tăng, hay việc nhu cầu sử dụng nước tăng đột biến làm R R R R cho việc cùng lúc đập phải tháo được lượng lũ lớn nhất và việc cung cấp nước cho các nhu cầu sử dụng là tối ưu trở nên cấp thiết. Hiệu quả sử dụng phụ thuộc rất nhiều vào công tác quản lý, tuy nhiên chỉ có ở một số công trình lớn có mục đích sử dụng tổng hợp thì công tác này mới được quan tâm đúng mức.
Còn đối với các công trình nhỏ, ở các vùng sâu vùng xa thì công tác này rất hạn chế nên việc nâng cao hiệu quả sử dụng là rất khó khăn. Đập dâng ở Việt Nam đã xuất hiện từ lâu nên việc xuống cấp hay bị lạc hậu về công nghệ của một số đập nên không đáp ứng được nhu cầu dùng nước hiện tại. b) An toàn đập và tính toán an toàn đập Phương pháp thiết kế hiện nay được gọi là phương pháp tất định, các tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên trạng thái giới hạn của các cơ chế phá hỏng trong đó có kể đến số dư an toàn thông qua các hệ số an toàn. Theo phương pháp này công Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 7 trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và sức chịu tải đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của cơ chế phá hỏng của tất cả các thành phần công trình.
Tuy nhiên phương pháp này có một số hạn chế như sau: + Trên thực tế chưa xác định được xác suất phá hỏng của từng thành phần cũng như của toàn công trình; + Chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh; + Chưa kể đến ảnh hưởng của quy mô hệ thống, chỉ tính toán cho một mặt cắt đập rồi áp dụng cho toàn bộ chiều dài đập; + Không so sánh được độ bền tại các mặt cắt khác nhau; + Không đưa ra được xác suất thiệt hại và mức độ gây thiệt hại khi có sự cố. Đối với một số đập dâng tràn nhỏ ở miền núi, khi thiết kế để tràn có thể tháo được toàn bộ lưu lượng ứng với tần suất thiết kế thì quy mô, kinh phí xây dựng đập là quá lớn so với mục tiêu phục vụ. Trong trường hợp này có thể tính toán để tràn chính chỉ tháo một phần lưu lượng lũ, phần còn lại để tràn qua hai bên vai đập từ đó giảm được kinh phí đầu tư xây dựng. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào về vấn đề này.
Sự hình thành hố xói có thể làm ảnh hưởng đến ổn định trượt và lật của đập. Tuy nhiên hiện nay mới chỉ có những nghiên cứu ban đầu mà chưa có tiêu chuẩn và hướng dẫn cụ thể trong tính toán và thiết kế đập.2 Tiêu năng sau đập dâng tràn 1.1 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. 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. Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 8 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 1.1 Tiêu năng dòng đáy a. Nguyên lý chung: 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, bể tường kết hợp, 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 tiêu năng. Biện pháp 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 lroi ln l' Eo E'0 Z p hb hh d lb Hình 1.11: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng Công thức tính toán: d bể = h b - h h - ∆Z R R R R R R (1-1) Trong đó: d bể : chiều sâu đào bể; R R h b : độ sâu cuối bể; h b = σ.h”; R R R R h h : độ sâu mực nước hạ lưu; R R ∆Z: Độ chênh mực nước cuối bể và hạ lưu. Học viên: Lường Khắc Kiên CH18C11 9 c.
Xác định chiều cao tường Hình 1.12: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng Công thức tính toán: C = hb - Ht R R R R (1-2) Trong đó: C: chiều cao tường tiêu năng; h b : độ sâu cuối bể; h b = σ.h”; R R R R H t : cột nước tràn của tường. coi tường là đập thực dụng. Xác định bể tường kết hợp 2 α Eo E'0 H1 hb hh c d Hình 1.13: Sơ đồ tính toán bể tường kết hợp Nguyên tắc tính toán: + Tìm độ sâu bể tối thiểu d 0 để có nước nhảy tại chỗ trong sân tiêu năng. R R + Tìm chiều cao bể tối đa C 0 để có nước nhảy tại chỗ sau tường tiêu năng.
R R + Chọn các giá trị d = d 0 + ∆d để có nước nhảy ngập trong sân tiêu năng với R R hệ số ngập σ = 1,05-:-1,1 và C = C 0 - ∆C để có nước nhảy ngập sau tường. Xác định chiều dài bể tiêu năng.