Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

MỘT SỐ GIỚI HẠN KHI ÁP DỤNG TRÀN MỎ VỊT
ĐỂ TĂNG KHẢ NĂNG THÁO
Nguyễn Phương Dung1, Hồ Sỹ Tâm1 Nguyễn Văn Thức2
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:
2
Công ty Tư vấn - CTC Trường Đại học Thủy lợi

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong số gần 7000 hồ chứa ở Việt Nam [1]
thì số lượng các hồ chứa thủy lợi cần tăng
khả năng tháo lũ là rất nhiều. Việt Nam nằm
trong số 5 nước chịu ảnh hưởng lớn do nước
biển dâng và biến đổi khí hậu, đặc điểm này
dẫn đến dịng chảy các đầu mối cơng trình
thủy thay đổi đáng kể: vào mùa lũ lưu lượng
tăng lên so với phương án thiết kế ban đầu;
thời gian lũ có thể kéo dài, đỉnh lũ lớn hoặc
lũ chồng lũ.
Việc nâng cấp đầu mối, cải tạo tràn đặt ra
nhu cầu bức thiết về việc đảm bảo khả năng
tháo được lũ cực đoan, đồng thời đảm bảo an
toàn cho đầu mối và hạ du. Thực tế cho thấy
rất nhiều các đầu mối đã tiến hành nâng cấp
tràn để tăng khả năng tháo cho tràn chính
hoặc làm thêm tràn phụ. Bài tốn giữ được
hiện trạng cơng trình mà vẫn tăng khả năng
tháo được giải quyết với một số hình thức

như tràn mỏ vịt, tràn labyrinth, tràn piano…
Các hình thức này đã được chứng minh tăng
khả năng tháo lũ so với tràn đỉnh rộng hoặc
thực dụng truyền thống.
Nghiên cứu này sẽ trả lời câu hỏi, liệu có
giới hạn nào cho việc áp dụng các hình thức
tràn vừa nêu ở đầu mối cơng trình thủy để
tăng khả năng tháo lũ. Bài viết sẽ đánh giá
tập trung vào các đặc điểm: cột nước trên
tràn, hệ số lưu lượng thực tế, hệ số hình dạng
mặt cắt ở tràn mỏ vịt. Khả năng tháo của tràn
mơ phỏng trên mơ hình tốn sẽ được so sánh
với lưu lượng tháo tính theo phương pháp cơ
học chất lỏng trong cùng điều kiện. Trong
giới hạn của nghiên cứu sẽ chỉ tìm hiểu về
khả năng tháo của tràn tự do dạng mỏ vịt.

Ngun mẫu kích thước cơng trình được lấy
từ Báo cáo TKKT tràn Ea Uy Thượng, huyện
Krông Păk, tỉnh Đắk Lắk [2]. Nghiên cứu sẽ
tập trung vào biện pháp tăng chiều dài ngưỡng
bằng cách đẩy lùi nó về phía thượng lưu - tạo
thành hình mỏ vịt trên mặt bằng, phía sau
ngưỡng tràn giữ nguyên kích thước dốc nước
và cơng trình tiêu năng (xem Hình 1).

Tràn xả lũ
Hình 1. Mặt bằng tràn Ea Uy Thượng
sau khi nâng cấp
Nhiệm vụ cụ thể của nghiên cứu là tính

tốn lưu lượng tháo qua tràn mỏ vịt với các
cột nước khác nhau; đánh giá hiệu quả tháo
của tràn mỏ vịt theo các thơng số kỹ thuật đã
có, từ đó chỉ ra các giới hạn áp dụng của tràn
mỏ vịt trong thực tế.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các tác giả sẽ sử dụng phần mềm CFD mơ
phỏng dịng chảy qua tràn mỏ vịt và đối
chứng với kết quả tính tốn từ các phương
trình cơ học chất lỏng.
2.1. Phương pháp thể tích hữu hạn
(FVM - Finite Volume Method)
Mơ hình động lực học hai chiều được xây
dựng dựa trên cơ sở hệ phương trình

211


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

Raynolds với các thành phần được lấy trung
bình theo độ sâu, dưới dạng véc tơ [3], được
viết như sau:
q F G


D
t x y


(1)

Bản chất toán học của phương pháp thể
tích hữu hạn là biến đổi hệ phương trình sóng
động lực hai chiều ngang dưới dạng các
phương trình đạo hàm riêng thành hệ các
phương trình vi phân thỏa mãn các điều kiện
ban đầu và điều kiện tại biên. Khi đó, việc
giải bài tốn sóng động lực đã trở thành bài
tốn tìm nghiệm của hệ các phương trình vi
phân thường. Trạng thái gần đúng đối với số
Reynolds cao dòng chất lưu trên bề mặt có
thể được chia thành khu vực ngồi của dịng
khơng nhớt khơng bị ảnh hưởng bởi độ nhớt
(phần lớn của dòng chảy) và gần với khu vực
mà độ nhớt là quan trọng (các lớp biên).
Các phương trình liên tục và phương trình
Navier-Stokes cho dịng chảy được phân tách
thành phần trung bình và dao động (mean and
fluctuating component) được cho ở phương
trình 2 và 3:
u  v

0
x y

(2)

u


u v
1  p  2 u 2 u  

v  
 v  2  2   (u ' v ')  (u '2 )
x y
 x  x y  y
x

u

u v
1  p  2 u 2 u  

 v 
 v 2  2   (u ' v')  (v'2 ) (3)
x y
 x  x y  x
y

Trong đó: u và v là các thành phần vận tốc
(tương ứng là giá trị trung bình và dao động
của chúng); p là mật độ; p là áp suất; ν là độ
nhớt động học của lưu chất tại một điểm.
Việc giải các phương trình dao động trên
được thực hiện bằng các mơ phỏng tốn dùng
Flow3D. Mơ hình được thể hiện ở Hình 2.

2.2. Phương pháp cơ học chất lỏng
Lưu lượng tháo qua tràn tự do khi tăng chiều

rộng tràn nước được tính theo cơng thức (4).
Mặt cắt của ngưỡng được thể hiện trên Hình 3.

Hình 3. Mặt cắt tràn Ea Uy Thượng
Q = εm.b + b. 2g .Ho3/2

(4)

Trong đó: b là chiều dài mở rộng của tràn.
Từ các kết quả tính tốn khả năng tháo
bằng phương pháp mơ hình tốn và phương
pháp cơ học chất lỏng sẽ tiến hành so sánh
trong các trường hợp khác nhau để kết luận về
một số giới hạn nhất định khi áp dụng hình
thức tràn mỏ vịt ở đầu mối cơng trình thủy.
2.3. Các trường hợp tính tốn
Tràn tháo lũ của đầu mối cơng trình Ea Uy
Thượng được sửa chữa nhằm nâng cao năng
lực tháo lũ qua tràn. Cụ thể, ở phương án cũ
tràn chỉ rộng 15m (bằng đúng chiều rộng dốc
nước); phương án mới được thay thế bằng tràn
mỏ vịt - ngưỡng tràn được đẩy về phía thượng
lưu, chế độ chảy tự do, tổng chiều dài ngưỡng
tràn là 45m (gấp 3 lần phương án ban đầu).
Các cột nước được khảo sát sẽ thay đổi từ
- 2m. Mơ hình tốn mơ phỏng bằng
Flow3D và chia lưới thế tích được thể hiện
trên Hình 4.

Hình 4. Lưới thể tích ở thượng lưu tràn

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Hình 2. Mơ hình tràn Ea Uy Thượng
sau khi nâng cấp

Thực hiện các mô phỏng trên mô hình
tốn, kết quả được trích xuất trên hình 5. Cột
nước được thể hiện là H = 1,5m. Lưu lượng
ghi nhận được trên mơ hình tốn khi ổn định
là xấp xỉ 110m3/s. Trong khi đó, khi dùng
212


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

cơng thức (4) thì khả năng tháo là 136m3/s.
Điều này cho thấy hệ số lưu lượng và mức độ
ảnh hưởng của hệ số hình dạng đã làm khả
năng tháo thay đổi theo hướng giảm đi khi
cột nước tăng lên.
Hình 7. Dạng biến đổi của hệ số lưu lượng
và hệ số hình dạng
4. KẾT LUẬN

Hình 5. Kết quả khả năng tháo trên Flow3D
ứng với cột nước H = 1,5m
So sánh giá trị lưu lượng tháo khi cột nước
tăng dần từ 0,5m - 2,0m được biểu đồ như ở
hình 6. Khả năng tháo thực tế khi cột nước
cao không thể chỉ đơn thuần tính tốn theo

cơng thức (4).

Hình 6. So sánh khả năng tháo qua tràn
Ở các trường hợp cột nước < 1m thì lưu
lượng tháo theo cả 2 phương pháp sẽ cho trị
số lớn tương đương nhau. Theo cơng thức
tính tốn lưu lượng đã nêu thì trong tất cả các
trường hợp đều có B = 45m. Điều đó có
nghĩa là tràn mỏ vịt đã phát huy tác dụng kéo
dài khẩu diện tràn nước của tuyến tràn và làm
cho lưu lượng qua tràn tăng lên đáng kể. Hệ số
lưu lượng trong các trường hợp đều cho
ε(m) ~ 0,39. Cột nước càng lớn hệ số lưu
lượng càng giảm; ứng với trường hợp cột nước
H = 0,5m cho kết quả hệ số lưu lượng và hệ
số hình dạng là lớn nhất.

Theo các kịch bản tính tốn, lưu lượng
tháo với tràn mỏ vịt chỉ có hiệu quả ứng với
cột nước H < 1m. Cột nước từ 1m - 2m thì
khả năng tháo đã giảm. Như vậy giới hạn áp
dụng trong trường hợp cụ thể này là cột nước
nhỏ hơn 1m. Có thể tràn mỏ vịt vẫn phát huy
hiệu quả đối với cột nước 1,5m nhưng cột
nước càng cao thì khả năng tháo của tràn mỏ
vịt không khác với phương án đã thiết kế ban
đầu (Btr = 15m).
Mối tương quan giữa hệ số lưu lượng,
chiều dài, lưu lượng tháo nước là tương đối
phức tạp. Thực tế cho thấy các tính tốn điều

tiết lũ cho dạng tràn mỏ vịt (hay móng ngựa
hoặc labyrinth, piano) đều đang chọn hệ số lưu
lượng ít thay đổi trong các điều kiện cột nước
khác nhau. Điều này có thể dẫn đến sai lệch trị
số lưu lượng tháo thực tế và từ đó làm sai lệnh
đường q trình xả trên biểu đồ điều tiết lũ.
Hậu quả là mực nước hồ có thể tăng lên rất
nhanh, có thể gây mất an tồn đầu mối.
Trong khối lượng tính tốn của các tác giả
đã xét đến ảnh hưởng của cột nước sau
ngưỡng, độ dốc của máng sau ngưỡng và cột
nước trên dốc của tràn đến khả năng tháo.
Các nội dung này sẽ được các tác giả tổng
hợp và phân tích đầy đủ ở những nghiên cứu
tiếp theo.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] />2021, Thống kê của Tổng cục Thủy lợi.
[2] HEC-ICC4, 2017, Phụ lục báo cáo TKKT
hồ Ea Uy Thượng.
[3] FLOW-3D® Version 12.0 User’s Manual
(2018). FLOW-3D [Computer
software].
Santa
Fe,
NM:
Flow
Science,
Inc. .

213