Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu khí thực các mố tiêu năng sau công trình tháo nước, áp dụng cho đường tràn hồ Tả Trạch

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.86 MB, 120 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTTRUONG DAI HỌC THUY LỢI

VŨ BA CHÍ

NGHIÊN CỨU KHÍ THUC CAC MO TIỂU NANG

SAU CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC, ÁP DỤNG

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Trang |

MỞ ĐÀU1. Tính cấp thiết của đề tài.

Trong những năm gin đây, chúng ta xây dựng hàng ngàn cơng trình.đầu mối thủy lợi để phục vụ các mục đích dân sinh kinh tế, phát triển đất

nước. Do mức độ quan trọng va đặc thủ của cơng trình thủy lợi, những u

về đảm bảo an tồn & kinh tế trong vit h tốn thiết kế, thi công vàquản lý khai thác đặt rà ngày cảng cao.

“Cơng trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của

một hệ thống thủy lợi. Chính ở đây diễn ra sự tương tác giữa dịng chảy vàthành rin, Sự tương tác đó đặc biệt khi dong cháy có lưu tốc lon sẽ gây ra

những hệ quả bat lợi cho cơng trình như mạch động, song xung kích, ham khí.khí thực... Trong đó khí thực là một trong những van dé rất quan trọng và cần.

được xem xét

Đáng chú ý là vấn dé tinh tốn khí thực trong các cơng trình tháo nước.

ở nước ta trong thời gian qua chưa được chú trọng đúng mức. Trong khi đó,

những năm gần đây, đã có nhiều sự cố hư hỏng cơng trình do các ngun.

nhân lien quan đến hiện tượng ki

đầu mỗi Nam Thạch Han, Thác Bà, Phú Ninh.... Điều nay địi hỏi trong tínhthực gây nên như đường tran cơng trình.tốn thiết kế cũng như thi cơng xây dựng các cơng trình mới phải được dé capđầy đủ hơn đến vấn dé khí thực cũng như áp dụng các biện pháp kỹ thuậtchun mơn để phịng ngừa sự cố. Ngồi ra, ở các cơng trình đã xây cũng cinphải tiến hành tính tốn kiểm tra và áp dụng các biện pháp xử lý cần thiết

Qua đây ta có thể thấy đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực ticao vi nó liên quan trực tiếp đến an tồn và kinh tế của cơng trình thủy lợi,

đồng thời đây cũng la vẫn để cắp thiết của ngành thủy lợi hiện nay.

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.

~ Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngồinước có liên quan đến dé tài.

~ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Ứng dụng tính tốn kiểm tra khả năng khí thực và giải pháp phịng khí

thực ởije m6 tiêu năng.

~ Phân tích kết quả đánh giả.

- Để xuất e:pháp phịng chống khí thực ở mồ tiêu năng.

- Kiểm tra khí hóa và khí thực tại các mồ tiêu năng của đập tràn Tả Trạch.~ Để xuất giải pháp phịng khí thực tại các mé

u năng sau đập tràn Tả

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Trang 3

CHƯƠNG 1:

È CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC, TIÊU NẴNG VÀ KHÍTHYC Ở CÁC MO TIÊU NĂNG.

1.1 Tổng quan về cơng trình tháo nước.

1.1.1 Khái niệm cơng trình tháo nước.

“Thuật ngữ cơng trình tháo nước ( CTTN ) dung dé chỉ những hạngTONG QUAN VI

mục cơng trình đầu mối thủy lợi cho nước tràn qua. Nhiệm vụ của CTTN cóthé là tháo lũ, tháo nước thừa, nước thải, tháo cạn hồ chứa hay lấy nước từsong, hỗ cho các mục đích sử dụng khác nhau. CTTN thường được bổ trí ởđầu mỗi hồ chứa, đập dâng trên sơng, hay các cơng trình tháo nước cuối hệthống tiêu, công lấy nước từ sông, ho.

Đối với các hồ chứa và đập dâng trên sông thi nhiệm vụ quan trọngnhất của CTTN là tháo lũ bảo vệ an tồn cho bản thân cơng trình đâu mỗicũng như khu vực hạ du. Ngồi ra, có thể kết hợp tháo nước trong thời kỳ thicông

Đối với các hệ thống thoát nước thừa, nước thai tir các khu vực sản

xt nơng nghiệp, cơng nghiệp hay khu dân cư thì CTTN được đặt ở cuối

kênh tiêu dé tháo nước ra biễn, ra sông hay ra kênh khác.

Đặc điểm quan trọng của CTTN là làm việc trong điều kiện có chênh.lệch mực nước rõ rệt giữa thượng hạ lưu. Cột nước cơng tác ở CTTN có thể

từ một. vài mét ( ở các cổng tiêu ) cho tới hing trăm mét ( ở các hồ chứa có

cột nước cao ). Dịng chảy qua CTTN thường là dòng chảy xiết với độ xiết(đặc trưng bởi trị số Fr = vigh hoặc Fre = V/gR ) phụ thuộc vào cột nước

công tắc và quy mơ cơng trình. Ở các CTTN ma dong chảy có độ xiết cao ( trị

số Fr lớn ) thì có thé phát sinh nhiều hiện tượng thủy lực bat lợi như ham khí,khí thực, sóng xung kích ... Do đó trong tính tốn cần phải tim cách khäcphục hoặc hạn chế tác hại của các hiện tượng này.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.1.2 Tình hình xây dựng các cơng trình thủy lợi, thủy điện trênvà Việt Nam.

Theo con số của hội đập cao thé giới ( ICOLD ) tính đến năm 2000

trên thé giới có khoảng 45000 đập lớn. Trong đó nước có nhiều dap nhất thégiới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập thé giới. Đứng thứ 2 là."Mỹ có 6.575 đập. Đứng thứ 3 là An Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập.... Và Việt Nam có gin 500đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn trên thé giới.

— TBSueet

Hình 1.1 Biểu dé phân bố đập ở 1 số.

‘chau A T8yẢu ChàoPh ĐơONÂu NamM - BảCMỹ Khu weHình 1.2 Biểu đồ phân bé đập các khu vực.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

‘Trang Š

6 Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đắt nước có nên kinh tế là nơngnghiệp, tải nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vingcua đất nước. Tuy vậy do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống.đầu mỗi thủy lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thể giới.Từ khi đất nước thống nhất đến nay, thủy lợi nước ta mới thực sự trở thành.một ngành thuộc kết cau hạ tang kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư. Đến naynước ta có khoảng 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hỗ chứa đập cỡ.nhỏ. Các hệ thống thủy lợi ở nước ta có thể kể đến như hệ thống thủy lợi ĐạiLai, Cắm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dau Tiếng hay các công trình sử:dụng tổng hợp nguồn nước như đập thủy điện Hịa Bình, Thác Bà. Đa Nhim,

Trị An

Tir khi * Luật tài nguyên nước ” của nước ta ra đời năm 1998 đã 1 Linnữa khẳng định tim quan trọng của các cơng trình thủy lợi đối với việc pháttriển và bảo vệ đất nước. Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu.mối thủy lợi, thủy điện nước ta phát triển khá mạnh.

1.1.3 Một số cơng trình tháo lũ điển hình ở Việt Nam.

Cơng trình tháo lũ là loại cơng trình tháo nước ( CTTN ) điền hình

nhất. Nó là một hang mục khơng thé thiểu ở các đầu mỗi thủy lợi, có chứcnăng tháo nước thửa trong mùa lũ để đám bảo an tồn cho cơng trình đầu mícũng như vùng hạ du. Ở một số đầu mồi thủy lợi, cơng trình tháo lũ cịn được.kết hợp dé tháo nước thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ.chứa khi cần thiết, hay kết hợp để tháo nước trong thời kỳ thi công.

Ở các cơng trình đầu mồi có đập dâng là đập bê tơng hay đá xây thicơng trình tháo lũ thường là tran hở bổ trí ngay trên tuyến đập dng. Ngượclại. khi đập dang được dap bằng vật liệu địa phương như dat, đá... thì cơng.trình tháo lũ phải bố trí ngồi tuyến đập, có thé là đầu đập, hay ở một eo núi.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

xa vị tri đập. Hình thức của cơng trình tháo lũ loại này có thể là tràn xả sâu,chế độ chảy là không áp hoặc có áp.

Một số cơng trình tháo nước có quy mô lớn ở Việt Nam.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

+ Địa điểm: Sơn La.

Hình 1.5, Thủy điện Nam Chi

+ Hình thức tiêu năng: mũi

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Trang 9

một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa

nước và không khi . Sức cản nội bộ dịng chảy cảng lớn thì tiêu hao nănglượng do xói lở cảng nhỏ và ngược lại. Vì vậy thường dùng biện pháp tiêu

hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dịng chảy va dùng hình thức phỏng xalàm cho nước hỗn hợp với khơng khí gây ma sit có tác dụng tiêu hao năng

lượng và giảm x6i lở. Để đạt được những mục đích trên thường dùng các hìnhthức tiêu năng sau đây: tiêu năng đồng day (hình 1.94), tiêu năng dịng mặt(hình 1.96), tiêu năng dong mặt ngập (hình 1.9¢), tiêu năng phóng xa (hình

Ngun lý cơ bản của các hình thức tiêu. năng là làm cho năng lượng

tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cầu dịng chảy bằng xáo trộn vớikhơng khí, khuyếch tin để giảm lưu lượng đơn vị. Các hình thức tiêu năng cóliên quan lẫn nhau.

Hình 1.9. Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu

Khi mực nước hạ lưu thay đổi, các hình thức đó có thể chuyển

nhau.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

1.2.1 Tiêu năng dong đáy,

Đặc điểm tiênăng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước.

nhảy để tiêu năng. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâunước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy (hy > h,”)

dé đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung. Trong tiêu năng đáy,

lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả năng gây xói lở, vì thétrong khu vực nước nhảy cin bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau). Khi nền đá.xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cin được bảo vệ thích đáng.

Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sin sau có xây thêm các thiết bị

tiêu năng phụ như mồ, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ dong chảy cảng

mãnh liệt và ma sát giữa dong chảy với các thiết bị đó cũng có thể tiêu hao

một phần năng lượng. Biện pháp nay có hiệu quả tốt và được ứng dụng

rộng rãi. Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền.tương đối kém.

Hình 1.10. Hình thức bể tiêu năng,

«a. Bé tiêu năng (hình 1.10)

Sau khi xây bể làm tang mực nước trên sân sau và thoả mãn yêu cầu:

hy=d +h, + AZ > hệt, at)

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

‘Trang 1

Chiều dài sân sau L, lúc có bể hoặc tường tiêu năng được tính tir mặt

eo hẹp ngay sát chân đập tran. Trong thực sản sau khi có bé hoặc

tường sẽ hình thành nước nhảy khơng tự do nên chiều dai của nó nhỏ honchiều dai nước nhảy tự do (1,). Theo đề nghị của M.Đ.Tsêtouxôp như sautio}

L.= Bhs (2)Trong đó

B - hệ số thực nghiệm, lay bằng 0,7 + 0,8;

1, - được tinh theo thực nghiệm:

1 =5(h.” =hủ; (13)hoặc = 4,5h." q4)

Hình dạng bể tiêu năng trong mặt phẳng thẳng đứng là hình chữ nhật(hình 1. 9a) thì hiệu quả tiêu năng tốt. Nhưng do dịng chảy có thể bảo mịncạnh và góc, nhất là khi nước có nhiều bùn cát, nên thưởng thiết kế bể có

dang hình thang (hình 1.10).

5. Tưởng tiêu năng (hình 1.11)

Khi đo điều kiện kết cấu và thi cơng, bé tiêu năng khơng thích hợp thinên dùng tường tiêu năng. Tường có thé đắng mục nước hạ lưu và giảm khốilượng đào. Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa. Chiều cao củasâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác.tường cũng giống như chỉ:

nhau 1u khi xác định được kích thướiim được chiều cao tưởng lớn nhất

của tường cần phải kiểm tra xem sau tường có nước nhảy xa nữa khơng. Nếu.

có thi phải thiết kế thêm tường tiêu năng thứ hai. Hình dang tưởng tiêu năng

thường làm mặt cắt trơn và thuận để tránh phá hoại do bảo mòn, (hình 1.10),

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 1.11, Tường tiêu năng

e Bê và tường tiéu năng kết hợp (hình 1.12)

Khi ding bể tiêu

thấp, do đó khối lượng đập tăng: nếu dùng tường tiêu năng thì phải q cao,tăng có khối lượng đào lớn và cao trình đáy đập phải

sau tường có thể sinh nước nhảy xa và cần thêm tường tiêu năng thứ 2, làm

tăng khơi lượng bảo vệ. Lúc đó edn dùng bể và tường kết hợp (hình 1.12) để

giảm khối lượng đào, khối lượng đập va thiết bị bảo vệ.

Hình 1.12. Bê và tường tí

d. Các biện pháp tiêu năng khác

Sân sau mở rộng dẫn (hình 1.15): dịng chảy được khuếch tán sang hai

bên, giảm được lưu lượng đơn vị, do đó giảm được h.”

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Trang 13,

Hinh 1.14, Sin tiêu năng có độ dốc thuận

Góc khuếch tán B khơng nên lớn q, nếu lớn q dịng chảy bị tách

khỏi tường bên và tạo nên dịng xốy hoặc chảy xiên gây xói lở.

108 a5)

~ Sân sau đốc thuận: khi độ sâu nước ha lưu lớn rất nhiều so với h.” thìdịng chảy khó khuếch tần theo phương thẳng đứng, gây nên dịng chảy ngậpcó lưu tốc lớn ở đáy, lịng sơng có thể bị xói lở. Trường hợp nảy nên làm sân.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

sau đốc thuận (hình 1.14) để với mọi mực nước và lưu lượng đều có nước.nhảy với độ ngập khơng lớn lắm. Sân sau có độ đốc thuận nên trọng lượng.nước có thành phần song song với đáy, hướng về hạ lưu làm tăng h,”. Theo.

định luật động lượng, h,” có 1

sen fe

Trong đó

a. - góc nghiêng của đáy sân sau với mặt phẳng nằm ngang;

‹ - hệ số điều chỉnh của áp lực nước lên mặt nghiêng đối với thànhphần lực nằm ngang, khi độ đốc đáy bằng 0,05 + 0,30 thi:

4®=3/15 + 251ga - I5tg 0. ay

Khi œ = 0, công thức (1-6) trở thành công thức nước nhảy thông

thường. Dòng chảy trên đốc thuận bắt kỳ lưu lượng lớn hay bé đều có nước.nhảy để hạn chế dịng ngập có lưu tốc cao ở đáy. Độ đốc đáy khơng được dốc.

Nhu vậy, khi thiết kế sân sau ngoài việc xét lưu lượng thiết kế qua đập.tràn, côn cin phải xét tình hình kim việc của sản sau ứng với các lưu lượngkhác nhau để đảm bảo bắt kỳ ví một lưu lượng nảo cũng sinh ra nước nhảy

ngập thích hop. Độ ngập thích hợp nhất 9 =". 13

1.2.2, Tiêu năng mat.

Dang chảy của hình thức tiêu năng nảy ở trang thái chảy mặt (hình

1.9b, e). Kinh nghiệm cho biết, hiệu qua tiêu năng này so với tiêu năng diy

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Khi fy > hyo sẽ sinh ra ding mặt ngập.

G đây hy, hạ: gọi là độ sâu giới hạn thứ nhất và độ sâu giới hạn thứ

hai. Việc xác định hạ, và hyo bằng lý thuyết đưa đến biểu thức phức tạp,TN Axtafiséva đề nghị công thức thực nghiệm như sau [I0]

“Trong đó: họ

Các ký hiệu khác như hình 1.16, cơng thức (1-8) và (1-9) được dùng

~ chiều sâu phân giới.

trường hợp khi cửa van trên đỉnh đập mở hoàn toàn, cột nước trên đỉnh

its 26, và cũng có thẻ (nh gần đăng chủ tường hợp mỡ cửa vat với mộ độ

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

mở nào đó. Cơng thức (1-8) chỉ đúng với điều kiện > 0,2 là trường hopthường dùng nhất. Nếu & < 0,2, T.N.Axtafitséva dé nghị [10]:

iy = 0820+ ETE bys (1-10)

Dang mặt không ngập yêu cầu hy > h,” của nước chảy đầy, đồng thời

h,> a, thường dùng chiều cao a = (0,25 + 0,35) chiều cao đập. Góc nghiêng 0.ở chân đập có ảnh hưởng đến trang thái chảy, © lớn quá có thể sinh chảy phóngxa, bé quá có thé xuất hiện dòng chảy đáy. Thường dùng @ < 10" + 15” là thíchhợp.

Hình thức tiêu năng mặt cịn một số nhược điểm là làm việc không

ôn định khi mye nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng ảnh hưởng

đến sự làm việc của các cơng trình khác như thuỷ điện, âu tàu và xói lở bờ

1.2.3. Tiêu năng phóng xa (xem hình 1.94)a. Đặc điểm

Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lưu

446 dịng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập. Dịng chảy được khuếch

tin trong khơng khí, sau đó đỗ xuống lịng sơng. Do dịng chảy được tiêu hao

năng lượng rất lớn trong khơng khí nên giảm năng lực xói lịng sơng và giảm.ảnh hưởng nguy hại đến an tồn đập. Ở hình thức này, năng lượng dịng chảy.được tiêu hao trong khơng khí và một phần ở lịng sơng. Dịng chảy phóngxuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định nào đấy thì năng lượng.

thửa của dịng chảy được hồn toàn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, cho nên nichiềlu nước ha lưu cảng lớn cảng giảm được xói lở lịng sơng,

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Để đạt được hiệu quả tiêu năng cao, chúng ta muốn chi đài phông

xa lớn, mà u cầu xói lở lại ít, nhưng thực tế chiều dài phóng xa cảng lớn thi

khả năng xối lở cảng lớn, do đó trong thiết kế thường dùng tỷ số '° làm tiêu

chuẩn khống chế, trong đó tụ — chiều sâu lớn nhất của hồ xói, L ~ khoảng cách.

tir đáy hé xói đến chân đập. Tốt nhất chọn tỷ * là nhỏ nhất. Độ phóng xa

của dịng phun chủ yếu phụ thuộc: lưu tốc trên mũi phun, góc phun, cao trình.mũi phun, bán kính cong mặt tran gin mũi phun v.v... Chiều sâu và phạm vi

xói lờ phụ thuộc: độ sâu nước hạ lưu, địa chất lòng sông, chênh lệch mực

nước thượng hạ lưu (lưu tốc), lưu lượng đơn vị, tình hình khuếch tán của

đơng chảy,

b. Các hình thức kết edu mũi phun:

~ Mũi phun liên tue (hình 1.17)

Với quan điểm chiều dai phun lớn thi người ta dùng hình thúc này. Ưu

điểm là cấu tạo đơn giản, khoảng cách phóng xa lớn, nhưng dịng chảy

khuế: fh tin kém và xói lở lịng sơng nhiều. Có thé làm các tường phan dòng,nổi liền trụ pin kéo dài đến phan mũi phun (hình 1.17b) để cho dịng chảy.tập trung ở trên mặt tran và giảm tổn thất thuỷ lực. Như vậy chiều dàidong phun tăng và mức độ khuếch tán dong chảy trên mặt bằng cũng được.mở rộng. Khi thiết kế mũi phun liên tục cần chú ý: góc nghiêng œ của mũiphun thường ding 30° + 35° là hợp lý, bán kính cong R của ngưỡng phun.khơng nên lấy R < 6h, phải đảm bảo R > (8 + 10)h (h - độ sâu nước trên

ngưỡng), cao trình ngưỡng phun cing thấp thì góc nghiêng của dịng nước đỏ

xuống mặt nước hạ lưu cảng nhỏ, hỗ xói cảng nơng. Vì vậy cao trình ngưỡng

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

cảng thấp cảng có lợi, nhưng phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu

Hình 1.16, Mai phun liên tục

- Mai phun khơng liên tục (hình 1.18) lả loại cải tiễn của mồi phunliên tục. Dòng chảy trên mũi phun được phân thành các phần trên đỉnh răngvà ở giữa các khe răng. Theo phương thẳng đứng ding chảy được khuếch tinnhiều hơn so với mũi phun liên tue, đồng thời. có sự va chạm các tỉa dng nên

có thể tiêu hao một phần năng lượng, giảm khả năng xói, chiều sâu hồ xói có thểgiảm được 35% so với mũi phun liên tục, nhưng chiều dai phóng xa kém hơn.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Trang 19

Hình 1.17. Mũi phun khơng liên tục

“Theo thí nghiệm, kích thước hợp lý đối với mũi phun khơng liên tục

có răng hình chữ nhật (hình 1,18a) như sau [10]:

+ 10°, ty số giữa chiều rộng khe a và chiều rộng răng b la

gục 0y

$= lật 2: tý số giữa độ lệch của mỗi d và độ sâu nước trên mũi phun hthường không chế vào khoảng 0,5 < “ <10 là tích hợp, Khi lu tốc lớn hơn

20m/s. Nhược điểm của mũi phun kiểu răng chữ nhật là đồng chảy ở giữa các

khe rit tập trung, khó khuếch tán, nên người ta thường dùng mũi phun lệch

ih thang (hình 1.18b) để khắc phục.1.3 Bố trí các mé tiêu năng.

Mồ tiêu năng, tường và mé phân dịng là những vật xây dựng thường.có hình khối trụ hoặc chữ nhật bằng bê tông hoặc đá xây, xây nhơ lên được bốtrí ở hạ lưu cơng trình tháo nước dé cải thiện điều kiện tiêu năng và phân tindong chảy trên mặt bằng. Điều kiện chảy bao quanh các mé và tường nàythường là không thuận nên khi déng chảy có lưu tốc lớn thì thường xuất hiệnkhí hóa và có thẻ dẫn đến khí thực làm hư hỏng các thiết bị này.

‘Thi nghiệm chứng minh rằng, nếu bó trí thích hợp các mồ tiêu năng đó có.

thé giảm được (20% + 30%4)h.”

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

: T—g—s1 2 oo

Hình 1.18. Hình thức các thiết bị tiêu năng,

- Ngưỡng tiêu năng (hình 1.19a) ngập trong nước nhảy, góc nghiêng

mái thượng lưu ngưỡng nhỏ hơn 90” và lớn hon 60” thi không ảnh hưởng đến

hiệu quả tiêu năng. Vị trí ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dai sân sau.tiêu năng (hình 1.19b, c, d) thường bỗ t

sau, tại khu vực dịng chảy có lưu tícao, cách chân đập một đoạn dai hơn

lớn đối với dịng chảy. Theo thí nghiệm, kích thước n

Chiều cao mé dy = (0.75 + 1,0)h,. chiều rộng mồ by = (0.5 + 1) dụ.khoảng cách By, giữa mép của hai mô gần nhau By < bạ. Nếu bố trí hai hàng.mé, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng. Khoảng cách giữa hai hàng.mồ Le

phụ thuộc vào hình thức m6, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bé khơng tốt.(2 + 3)d„, bố trí các mé theo hình hoa mai. Chọn số hàng mé cịnCó nhiều hình thức mồ tiêu năng (hình 1.20): để cải thiện điều kiện thuỷ lực,ở cạnh mép mồ thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

‘Trang 21

Mố phân dịng có thể Lim cho ding chảy có lưu tốc cao ở chân đập

chuyển thành trang thải đồng chảy có lợi. Nói chung sau mé phân dịng nên có

mồ tiêu năng (hình 1.19d); do ở giữa các mó phân dịng có dỏng chảy tập.trung, sau đó gặp phan kích của mồ tiêu năng cảng làm cho hiệu quả tiêu năng.

“Trước đây, trong thiết kế cơng trình tháo nước ở Việt Nam, vấn dé khí

hóa và khí thực tại các bộ phận cơng trinh chưa được chú ý đúng mức. Ngàynay, với sự phát triển mạnh mé của xây dựng thủy lợi, thủy điện, đặc biệt làvới cơng trình có cột nước cao, lưu lượng tháo lớn, việc tính tốn khí thực đã

được quan tâm nhiều hơn. Năm 2006 bộ nông nghiệp và PTNT đã ban hành

tiêu chuẩn ngành I4TCN 198 - 2006: cơng trình thiiy lợi — các cơng trìnhháo nước — hướng dẫn tính tốn Khi thực (1). Việc ấp dụng các biện phápphịng chống khí thực đã được áp dụng ở các đập lớn như Hịa Bình, Sơn La,

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Lai Châu, Cửa Dat... Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn dé cần tiếp tục nghiên.cứu, trong đó có các khía cạnh về khí thực ở mồ. tăng, điều kiện bố trí mé

tiêu năng để khơng phát sinh khí hóa, khí thực, giải pháp phịng khí thực cho

mồ tiêu năng khi phải làm việc trong điều kiện có khí hóa.

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu.

tượng nghiên cứu của luận văn là khí thực ở các mồ tiêu năng sau

cơng trình tháo nước, trong đó cần chú trọng các vin đề:~ Chế độ thủy lực tại các mồ tiêu năng.

- Bố trí và tinh tốn các thơng số của thiết bị tiếp khí cho mé tiêu

= Dự báo khí hóa, khí thực tại các mồ và biện pháp phòng tránh.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

‘Trang 23

CHƯƠNG 2:

LY THUYET VE KHÍ HĨA VÀ KHÍ THỰC, ÁP DUNG CHO MONẴNG.

2.1 Khi iệm khí hóa và điều kiện phát sinh khí hóa.

2.1.1 Hiện tượng khí hóa ( cavitation )

Khí hóa được định nghĩa là sự hình thành các bọt hay phần tử rỗngtrong lịng chất long. Nếu phan rỗng đó chủ yếu chứa đầy hơi nước thì qtrình đó được xếp vào loại khí hóa hơi, nếu phần rỗng đó chúa đầy khí thi q

trình đó được gọi là hóa khí.

Trong các kết cấu thủy cơng, nước chứa các bọt khơng khí và rấtnhiều loại tạp chất phức tạp với các kích thước khác nhau. Những bọt khơng.khí cùng với các chất nay trong nước chính là điều kiện tạo ra hiện tượng khíhóa. Tuy nhiên sự bốc hơi là yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự phát triểncủa các bọt gây khí hóa. Sự có mặt của các bọt khơng khí trong chất lỏngcũng có ảnh hưởng tới sự phá hoại và tiếng ồn được gây ra trong q trình khí

hóa. Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất long khi áp lực trong đó giảm

đến một giới hạn lim mắt đi tính tồn khối của chất long đó. Sự bat đầu khíhóa được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọt li ty chứa đầy khí và hơi củachất lỏng đang xét. Đây chính là hiện tượng sơi của chất lỏng ở nhiệt độ bình.thường khi áp suất trong đó giảm đến một giới hạn nhất định.

2.1.2. Điều kiện phát sinh khí hóa.

Đối với các CTTN, chất lỏng được xét đến là nước, hơi xuất hiện dướidạng các bong bóng là hơi nước, áp suất phân giới chính là áp suất hóa hơi

của nước ở nhiệt độ tương ứng,

"Như vậy điều kiện phát sinh khí hóa tại 1 khu vực nào đó dịng chảy làkhi ở đó có:

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

p = Pye Hoặc H < Hạ, 1Trong đó,

p- Ap suất tuyệt đối tại khu vực đang xét,

""ột nước áp lực trong ứng với p.

Pạ;- Ap suất phân giới của nước.

Hyx- Cột nước tương ứng với Pye.

“Các bong bong khí được hình thành tập trung trong một khu vực nhấtđịnh của déng chảy gọi là đuốc khí ( hình 2.1 ). Phạm vi của dude khí có thể

dài, ngắn khác nhau tùy theo mức độ mạnh yếu của khí hóa.

a - Khi cháy bao quanh bậc lơi; b- Chay bao quanh hình tru.2.2 Khí thực và điều kiện khí phát sinh ki

2.2.1 Khí thực ( cavitation erosion ).

Khi khí hóa đủ mạnh và duy tri trong một thời gian nhất định thì sẽdẫn đến hiện tượng bong tróc, phá hoại vật liệu, xâm thực về mặt lòng din,phá hủy thành rắn. Đó là hiện tượng khi thực.

Đối với thành lịng dẫn bằng vật liệu bê tơng thì sự phá hoại do khíthực chủ yếu là từ tác động cơ học. Các bong bong khí được hình thành tậptrung trong vùng hạ áp sẽ được ding chảy cuốn theo đến vùng có áp suất caohơn, chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị iêu hủy. Néu sự tiêu hủy này xây ra

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

2.3.2 Phương pháp kiểm tra khí thực.

“Trong trường hợp thiết kế các bộ phận của cơng trình tháo nước theo.điều kiện khơng cho phép phát sinh khí hóa, hoặc chỉ cho phép phát sinh khíhóa ở giai đoạn đầu mà dẫn đến kích thước của cơng trình q lớn, khơng.đảm bảo u cầu kinh tế thì có thé xem xét trường hợp chấp nhận có phát sinhkhí hóa, nhưng phải lựa chọn vật liệu làm bé mặt lịng dẫn di độ bên để

khơng xay ra khí thực nguy hiểm

Việc tính tốn kiểm tra cũng phải tiến hành với các chế độ lim việckhác nhau, tại các vị trí khác nhau của cơng trình tháo nước và lại các vị trí

mà qua kiểm tra thấy có xuất hiện khí hóa.

a. Kiểm tra theo lưu tốc ngưỡng xâm thực.

Lưu tốc ngưỡng xâm thực (Vag ) là một trị số mà khi lưu tốc đặctrưng nhỏ hơn lưu tốc xâm lược ngưỡng ( Vor< Veg ) thì vật liệu bề mặt longdẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và tác động trong thời gian

Trong đó:

= Vor: là trị số lưu tốc quy ước đẻ xác định hệ số khí hóa, cách xác

định Vor được quy ước chung cho từng loại vật chảy bao.

~ Vạy: lưu tốc ngưỡng xâm thực của vật liệu bề mặt long dẫn. Đồi vớivật liệu bê tông, trị số Vy, phụ thuộc vào độ bền nén của vật liệu (Ry) và hệ

số ham khí trong nước như thể hiện ở hình 2.4.

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Trang 21(Mpa)

Hình 2.4: Quan hệ Vop(R,,S) của vật liệu bê tông [1]

Ở đây S được tính theo cơng thức: $= * (22)

do tác động cơ học ( mục 2.2.1 ). Lớp dòng chảy sắt thành có him lượng

khơng khí lớn sẽ có độ đàn hồi cao, nó đóng vai trị như một lớp đệm phủ lênbẻ mặt lòng dẫn làm giảm ảnh hưởng của các tác động khi phá hủy các bongbóng khí, làm cho vật liệu bề mặt lịng dẫn khó bị phá hoại hơn.

b. Kiểm tra theo lưu tốc cho phép không xâm thực.

Trong thiết kế sơ bộ, lựa chọn phương án cũng như thiết kế kỹ thuậtcác cơng trình tir cắp IIL trở xuống có thể kiểm tra khả năng khí thực theo lưu.tốc cho phép không xâm thực:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Lưu tốc cho phép không xâm thực ( Vạ,) là một trị số mà khi V < Voy

thì vật liệu bề mặt lịng dẫn khơng bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và

tác động trong thời gian dài. Trong đó:

~ V: trị số lưu tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt đang xét.

~ Vg: lưu tốc cho phép không xâm thực, trị số Vy được suy diễn tir'V„; và phụ thuộc vio nhiều yếu tố khác nhau như: loại vật liệu, dang mặt cắt,dạng chảy bao và kích thước các mau gồ ghé.

Cơng thức để xác định Vy như sau [1]}

+ Su, phụ thuộc vào tỷ số đ/A và y/A tra hình 2.5

+ 6: chiều day lớp biên tại mặt cắt đang xét ở = min(h,B/2).+ Zn: chiều cao mau go ghé cục bộ.

+ A: chiều cao mỗ nhám tương đương của mỗ nhám phânbố trên bé mặt, phụ thuộc vào loại vật liệu và chất lượng thi cơng.

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

2.3 Khí hóa và khí thực ở các mồ tiêu năng.

Mồ tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt, nhưng bản thân mó.

tiêu năng lại là những vật cản khơng thuận dong, do đó dong chảy khi di qua

rất dé gây ra khi hóa, hiện tượng nảy kéo dai dẫn đến khí thực. Trong thực tếq trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khácnhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dịng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí

trong nước...

Hình 2.6: Khí thực các mồ tiêu năng (a) và mé phân dòng (b).'Với những cơng trình có cột nước thấp, lưu tốc dịng chảy bao quanh.các mỗ nhỏ nên khó xảy ra hiện tượng khí thực tại các mé tiêu năng. Do đósau các cổng ở khu vực đồng bằng sử dụng các mé tiêu năng và mé phândong đem lại hiệu quả tiêu năng cao. Gần đây, giải pháp mé tiêu năng trong'bê đã được dé xuất áp dụng ở một số đập tràn khá cao như hỗ Nước Trong, ho‘Ta Trạch, nhưng biện pháp phịng chống khí thực cho các mố này đã khôngđược cơ quan tư vấn thiết kế xem xét đầy đủ.

‘Van đề nảy cần được tiếp tục nghiên cứu và là đối tượng của luận vănnày.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

‘Trang 31

24 Kết luận chương 2.

~ Khí hóa là hiện tượng xảy ra trong chất long khi áp lực trong đó

giảm đến một giới hạn làm mắt đi tính tốn khối của chất lơng đó.~ Sự bắt đầu khí của ki

li ti chứa đầy khí và hơi của chất lỏng đang xét, đây chính là hiện tượng sơi.15a được đặc trưng bởi việc xuất hiện các bọtcủa chất lỏng ở nhiệt độ bình thường khi áp suất trong đó giảm đếm giới hạn.

~ Khí hóa đủ mạnh và duy trì trong thời gian dài nhất định sẽ dẫn đếnlàm bong tróc vật liệu, phá hủy thành rắn - hiện tượng khí thực.

~ Lý thuyết về khí hóa, khí thực các bộ phận cơng trình tháo nước đãđược nghiên cứu khá nhiều ở các nước phát triển. Ở Việt Nam, trong thời gian

gin đây cũng bước đầu có các nghiên cứu ứng dụng các biện pháp phịng khí

thực. Tuy nhiên, các nghiên cứu cịn tản mạn cho từng cơng trình cụ thể, chưa

có những tổng kết và phổ biến rộng rãi.

~ Với các mồ tiêu năng, ding chảy di qua thường là không thuận nêndễ gây ra hiện tượng khí hóa là điều kiện để hình thành hiện tượng khí thực,dễ gây hư hỏng các mé tiêu năng. Do đó cần phải nghiên cứu sâu thêm vẻ vin

í thực tại mé tiêu năng và đề xuất biện pháp khí thực khi cần thiết

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

+ Kye khí hóa phân giới, phụ thuộc vào đặc trưng hình học của

vật chảy bao,

~ K: là hệ số khí hóa thực tế, xác định theo công thức [1]:

forte (32)

~ Hox: là cột nước áp lực toàn phan đặc trưng, Hor =H, +h

- Hạ cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm tính tốn,xác định theo bing sau:

Bảng 3.1: Biến đổi của cột nước áp lực khí trời theo độ cao [1]

Độcao| H, j[Độcao| H, [Độcaol H, |Độcao| H,

(m | (m ¡ (m | (m | (m) | (m | (m) | (m)0 | 1033.) 400 | 984 | 800 | 938 | 1500 | 8,64

100 | 1023 500 | 974 | 900 | 928 | 2000 | 8.14

200 | 1009) 600 | 9/62 | 1000 | 918 | 2500 | 720300 | 998 | 700 | 952 | 1200 | 895 | 3000 | 7,37

~ h: Chiều day lớp nước trên đỉnh mó, tường tiêu năng, xác định theo.

tính tốn thủy lực.

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

1, Các mé tiêu năng, mé phân dòng:

Trị số Kyy của các mồ tiêu năng, mồ phân dòng được dẫn ra trên hình.

3.1. Khi sử dung các trị số Ky. này, trong cơng thức (3-1) edn lấy Hp;=H,thTrong đó:

~ b: là chiều cao cột nước trên mồ, Đồi với mồ tiêu năng đặt ở cuối bể

có thể lấy gần đúng h = hy = hạ, ở đây hạ chiều cao md, Đối với các mékhông đặt ở cuối bé, trị số h cần lấy theo tai liệu thí nghiệm. Khi —=0.25 (vớix: khoảng cách tính từ mặt cắt co hẹp, I„: chiều dai nước nhảy), có thé lấy h =(0,75 -0,75)(hy — hạ).

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

1 3 7

Hinh 3.1. Sơ đồ một số loại mồ tiêu năng và trị số Ky, [1].

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

‘Trang 35

Trong trường hợp có nước nhảy ngập trên mé với hệ số ngập trong

phạm vio, = 1,0 — 1,5 thì trị số Kyy tương ứng xác định gin đúng theo công

thức Rozanop [5]

đ)z= Kạy - ao, =D (33).

“Trong đó:

= (Kyp Jor: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập @,

~ Kạy: hệ số khí hóa phân giới ứng với độ ngập.

= a: hệ số thực nghiệm:

+ ø=0,70 đối với mé hình quân cờ vng.+ ø=0,52 đối với mồ hình qn cờ thoi

+ ø=0,64 đổi với mồ hình tháp.

So đỗ của một loại mé phân dong trình bảy trên hình 3.2a. Đối với

loại này Ky» = 0,64 khi Hyp = Hy và Vor =

mồ, cịn ảnh hưởng của sự lượn trịn mép đọc phía trên của mồ đến trị số Kye

‘as Vụ: lưu tốc ở mat cất trước.

như trên hình 3.2b,

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Hinh 3.2: ơ đồ 1 loại mồ phân dòng.

2. Các dang tường tiêu năng.

“Các dạng mặt cắt tưởng đã thí nghiệm trên hình 3.3. Trị số của hệ sốkhí hóa phân giới K,.: cho từng mặt dang mặt cắt được nêu trên hình 3.4.

as Pw,

Hình 3.3: Các dang mat cắt tường tiêu năng.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

khoảng cách tir đầu bề đến vị trí đặt tường.

¿ chiều cao nước nhảy, xác định theo tính tốn thủy lực,

Trị số Kye xác định trong điều kiện chiều cao tường C = Cụ, và hệ số

ngập của nước nhảy trong bé o,

G đây Cy, là chiều cao phân giới của tường tương ứng với trường hop

có nước nhay tại chỗ sau tường, xác định theo tính tốn thủy lực.'Hệ số nhảy ngập trong bể ø, =

Trong đó

~ hy: chiều sâu nước trong bể,

~ 8ˆ: độ sâu liên hiệp của độ dâu co hẹp hy

“Trong thiết kế thường khống chế ,05 — 1,1; còn trong thực tế khi

bể làm việc với các cấp lưu lượng khác nhau thì trị số oy, có thể lớn hơn.

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Khi điều kiện làm việc của tường khác với điều kiện tiêu chuẩn thì

Kp» xác định như sau:nêu trên thì tri số K,

- Với mị =0;

(34)Kye = Kyet — 074(2,-1) — 0/401

- Với m= 0,5:

3.1.3 Trinh tự kiểm tra lựa chọn mặt cắt tường tiêu năng.

Ban đầu kiểm tra với dang mặt cắt 1 ( mặt cắt hình thang ). Nếu thỏa.mãn điều kiện K > Kye thì chọn dạng mặt cắt này, cịn nếu khơng thỏa mãn thi

chuyển sang chọn mặt cắt dạng 2 ( mặt cắt hình đa giác )

Đề giảm khối lượng bê tơng của tường có mặt cắt đa giác với my =

0,5, có thể chiều rộng của đỉnh tường tiêu năng đến > 0,15 ( với hy là độ sâu

đầu nước nhảy ) và thay đổi độ nghiêng của mái hạ lưu đến m; = 0,5 hoặcthậm chí m;=0. Khi đồ trị u đồ

u yêu cầu vốn đầu tư cao nên phải thông qua so sánh kinh tế.

~ kỹ thuật để lựa chọn phương án cho phủ hợp.

3.2 Kiểm tra sự phát sinh khí hóa ứng với các thơng số khác nhau

của cơng trình tháo nước.

Như đã trình bày ở trên, nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng

là làm cho năng lượng tiêu hao bằng ma sát nội bộ, phá hoại kết cấu dòng

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

“Trang 39

chảy bằng xáo trộn với khơng khí, khuyếch tán để giảm lưu lượng đơn vị. Cácnhau. Bị năng và mồ tiêu năng là

hình thức tiêu năng có liên quan

những giải pháp hiệu quả cho việc tiêu năng, giảm bớt năng lượng dịng chảy.

‘Hinh 3.5 Sơ dé bố trí bể tiêu năng cuối đốc nước

Mé tiêu năng có tác dụng hỗ trợ tiêu năng rất tốt nhưng nó lại là vat

cản khơng thuận dịng, dịng chảy đi qua các mé tiêu năng rất dễ gây ra hi

tượng khí thực, gây bong tróc vật liệu, ảnh hưởng đến chất lượng cơng trình‘Tham chí trong quy phạm thủy lợi ở 1 số quốc gia ví dụ như Trung Quốc cịn

khuyến cáo khi lưu tốc ở mặt cắt co hẹp lớn hơn 18 m/s thì khơng nên lartiêu năng vi dễ sinh ra khí thực. Tuy vậy, không thé không thừa nhận hiệu quả

của các thiết bị tiêu năng này, do đó cần nghiên cứu tính tốn với các mức độ

ưu tốc ding chảy để khuyến cáo chính xác hơn cho người thiết kế lựa chọnđược những phương án tối ưu giúp cơng trình đảm bảo được về mặt kỹ thuậtva kinh tế.

Đối với dong chảy trên đốc nước, ta có năng lượng toản phần cuadong chảy tính đến mặt chuẩn ở đáy bé tiêu năng:

“iPad (36)E,=h„+

Trong đó

~ hạ; độ sâu nước ở mặt cắt cuối đốc nước.

</div>