BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHAN TRỌNG HIẾU
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG
CỦA ĐẬP TRÀN TUYẾN CONG
Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số : 60 - 58 - 40
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS. TĂNG ĐỨC THẮNG
Hà Nội - 2008
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I
1 CHƯƠNG I 4
1.1. Tổng quan về các loại đập tràn
1.1.1. Phân loại tràn
1.1.2. Các dạng tràn xả lũ
1.1.3. Hình thức kết cấu tràn xả lũ
1.2. Tổng quan về các nghiên cứu lưu lượng qua tuyến tràn có hình dạng
khác nhau
1.2.1. Kiểu bố trí đường tràn xiên một góc α so với hướng của dòng
chảy 10
1.2.2. Kiểu bố trí đường tràn trên một tuyến cong tròn
1.2.3. Giếng tháo lũ
1.2.4. Kiểu tường đứng trên một đáy phẳng với sơ đồ zíc zắc
(Labyrinth)
1.2.5. Kiểu đập tràn phím Piano (tràn PK)
1.3. Một số vấn đề tồn tại trong tính toán lưu lượng tràn tuyến cong
1.4. Phạm vi nghiên cứu của luận văn

3.4.1. Giả thiết hàm toán học biểu thị sự tương quan giữa các kết
quả thí nghiệm
3.4.2. Xác định các thông số chưa biết của hàm giả định
3.4.3. So sánh kết quả tính toán của công thức thực nghiệm và kết
quả thí nghiệm
4 KẾT LUẬN 79
5 KIẾN NGHỊ 81
6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
7 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 1
- 1 -
MỞ ĐẦU
Nhiều năm nay ở nước ta, hồ chứa nước đã đóng vai trò quan trọng
trong việc phát điện, trữ nước mùa mưa, cấp nước trong mùa khô, làm giảm
bớt khó khăn và thiệt hại do hạn hán gây ra, cải thiện môi trường sống.
Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn,
đến nay cả nước có khoảng 3.500 hồ chứa nước các loại. Trong đó hồ chứa
vừa và lớn có khoảng 700 hồ với dung tích mỗi hồ hơn 1 triệu m
3
, đập cao
hơn 10m - chiếm 20%, trong đó có khoảng 72 hồ có dung tích trên 10 triệu m
3
- chiếm 2%, còn lại 80% là các hồ chứa có quy mô nhỏ hơn.
Sau nhiều năm vận hành sử dụng, điều kiện tự nhiên có sự thay đổi
nhiều so với thiết kế ban đầu, như rừng đầu nguồn bị khai thác bừa bãi dẫn
đến thảm thực vật bị thu hẹp 60-70%, khí hậu khu vực thay đổi, yêu cầu dùng
nước ngày càng tăng , có nhiều hồ đã bộc lộ những hư hỏng và tồn tại cần
giải quyết.
Theo Cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT), các hồ chứa nước vừa và nhỏ
chưa được quan tâm, sửa chữa, nâng cấp nên nhiều hồ đang ở tình trạng mất
an toàn cao. Cụ thể, trong số 600 hồ chứa vừa và nhỏ, có tới 30% thiếu năng

và kéo dài đồng thời có thể sẽ xảy ra những trận mưa, lũ lớn. Vì thế, chuẩn bị
sẵn sàng chống lũ cho đê, kè và các hồ chứa nước là việc cần phải được lưu ý.
Để giải quyết nhu cầu cần tăng dung tích hồ mà vẫn đảm bảo yêu cầu thoát lũ
hoặc nhu cầu cần phải đảm bảo thoát được những cơn lũ ngày càng lớn đã trở
nên bức thiết. Để giải quyết vấn đề này có nhiều biện pháp công trình đã được
đề xuất, trong đó việc sử dụng tràn tuyến cong, zíc zắc nhằm kéo dài đường
tràn để tăng khả năng thoát lũ và thoát nước là giải pháp tốt đang được ứng
dụng ở Việt Nam. Loại tuyến tràn này (tuyến cong, gãy khúc) còn ít được
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 3 -
nghiên cứu, nhất là khả năng tháo. Luận văn này giải quyết vấn đề còn tồn tại
là tính toán khả năng tháo các đập tràn tuyến cong/gãy nhằm cung cấp cơ sở
khoa học cho việc thiết kế loại tràn này.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 4 -
1 CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN,
CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG
QUA TRÀN VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các loại đập tràn
Trong cụm công trình đầu mối hồ chứa thường có nhiều hạng mục
công trình như: đập, tràn xả lũ, dốc nước, cống lấy nước, kênh dẫn v.v…
Trong đó tràn xả lũ là hạng mục quan trọng và chiếm tỷ lệ khá cao về kinh phí
xây dựng trong cụm công trình đầu mối, có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho
đập ngăn sông và cung cấp nước (khi cần thiết) cho hạ du. Qua thống kê các
tràn xả lũ ở các hồ chứa đã xây dựng cho thấy tràn xả lũ được thiết kế rất đa
dạng về chủng loại, quy mô, kích thước.
1.1.1. Phân loại tràn
1.1.1.1. Phân loại theo nhiệm vụ
Căn cứ nhiệm vụ công trình tràn xả lũ ở hệ thống thủy lợi có thể phân

- Cửa van tràn xả lũ không mở được hoặc mở không hoàn toàn.
Hình thức kết cấu của loại tràn này chủ yếu là tràn tự do, thường là
kênh hở trên nền đất, đá tự nhiên có cao trình ngưỡng tràn thấp hơn mực nước
lũ thiết kế thường từ 0.5 ÷ 1m, tràn thường được đặt tại những vị trí thuận lợi,
thích hợp.
Trong quá trình xây dựng tùy theo điều kiện cụ thể từng công trình về
điều kiện kinh tế, điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thời điểm xây dựng,
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 6 -
v.v… mà tràn bổ sung có thể kết hợp xây dựng cùng với tràn sự cố.
1.1.1.2. Phân loại theo vị trí công trình
Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và khai thác, người ta
chọn hình thức cấu tạo và kiểu công trình thích hợp, đặt ở các vị trí khác
nhau. Căn cứ vị trí công trình tràn xả lũ ở hệ thống công trình thủy lợi có thể
phân thành hai loại chính:
1. Loại tràn đặt ở trong thân đập
Thường áp dụng ở các đập bê tông, bê tông cốt thép và các đập đất,
đập đất đá hỗn hợp như Thác Bà, Hòa Bình.
2. Loại tràn đặt ngoài thân đập
Các công trình loại này thường đặt bên bờ tại các cao trình tương đối
cao, các bộ phận nối tiếp đơn giản, tuyến xả nước thường rất dài, ta gọi là
đường tràn. Loại này được dùng khá phổ biến ở các hồ chứa nước vừa và nhỏ
của nước ta.
1.1.1.3. Phân loại theo điều kiện thủy lực
Tùy theo điều kiện thủy lực công trình tháo nước được chia ra theo
các tiêu chuẩn sau:
1. Theo độ ngập sâu của cửa vào so với mực nước thượng lưu: Có các
công trình tháo trên mặt, tháo dưới sâu.
2. Theo cột nước tác dụng: (Cột nước lớn nhất trước đập – H
max

1.1.2.2. Tràn xả lũ không có cửa van (tràn tự do)
Chiếm gần 95% tổng số tràn hiện có. Loại tràn này thường được áp
dụng cho các hồ chứa nước vừa và nhỏ, đặc biệt là các hồ chứa nhỏ do các địa
phương thiết kế. Ưu điểm của loại tràn này là dễ quản lý nhưng kém chủ động
hạ thấp mực nước trong hồ khi cần.
1.1.3. Hình thức kết cấu tràn xả lũ
1.1.3.1. Ngưỡng tràn
Hình dạng ngưỡng tràn khá phong phú, hiện nay có khoảng 80% công
trình có ngưỡng tràn thuộc loại đỉnh rộng, 20% công trình có ngưỡng tràn
thuộc loại thực dụng. Nếu theo cách bố trí trên mặt bằng thì đa số tràn có
dạng thẳng, một vài công trình có bố trí dạng Y (Khe Tân - Quảng Nam),
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 8 -
dạng Π (EaKao - ĐắkLắk, Lèn Công - Quảng Bình).
1.1.3.2. Thân tràn
Là bộ phận nối tiếp sau ngưỡng tràn, với tràn hở bộ phận nối tiếp sau
ngưỡng tràn có hai dạng là bậc nước và dốc nước. Bậc nước thường được áp
dụng cho những công trình có địa hình ít dốc và tỷ lưu nhỏ (Pa Khoang - Lai
Châu, Tuyền Lâm - Lâm Đồng, Vực Sanh - Quảng Bình … ). Thân tràn phổ
biến nhất là dạng dốc nước, tuỳ thuộc vào phương án nối tiếp với hạ lưu mà
thân dốc dài ngắn khác nhau. Trước đây một số thiết kế dốc nước thường sử
dụng biện pháp tạo nhám trên thân dốc để giảm vận tốc dòng chảy (Yên Lập -
Quảng Ninh, Đồng Mô – Hà Tây), gần đây ít dùng biện pháp này mà có xu
hướng thiết kế với độ dốc và chiều dài thích hợp sao cho vận tốc cuối dốc
không quá 15m/s.
1.1.3.3. Bộ phận tiêu năng
Thường sử dụng 3 dạng là tiêu năng đáy bằng bể hoặc bể tường kết
hợp, tiêu năng phóng xa và tiêu năng chảy mặt bằng bậc thụt.
- Tiêu năng đáy bằng bể hoặc bể tường kết hợp thường áp dụng với
nền công trình là đất hay đá yếu (Trị An, Kẻ Gỗ, Yên Mỹ, Thạch Hãn, Trúc

dạng khác nhau
- Hầu hết những đập tự tràn lòng sông hiện hữu, thuộc hệ thống công
trình đầu mối thủy lợi, thủy điện, thường có dạng đập tràn thực dụng Creager
hoặc dạng Creager-Ophixerov. Lưu lượng đơn vị của các loại đập tràn này
xấp xỉ q = 2,2H
0
3/2
hoặc q ≈ 2,2H
3/2
, nếu cột nước lưu tốc tiến gần nhỏ.
(H
0
- cột nước toàn phần; H - cột nước hình học).
- Vì vậy để tăng khả năng tháo nước lũ qua đập tràn người ta dùng
đập tràn có cửa van để hạ thấp cao trình ngưỡng tràn xuống (hay tăng chiều
cao lớp nước tràn) để chủ động điều tiết lượng nước xả. Tuy đập tràn có cửa
van có khả năng tháo lớn hơn nhưng vận hành phức tạp và đôi khi ít an toàn
hơn (nếu kẹt cửa van) so với đập tự tràn.
- Để cải thiện khả năng tháo lũ của đập tự tràn, đã có nhiều nghiên
cứu về các kiểu tràn mới (chủ yếu là kéo dài đường tràn) nhằm tăng khả năng
tháo của đập tràn như:
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 10 -
1.2.1. Kiểu bố trí đường tràn xiên một góc α so với hướng của dòng chảy
(Sổ tay tính toán thủy lực - P.G. Kixêlep và một số tác giả) [10]
Hình 1- : Mặt bằng tràn xiên
- Lưu lượng loại tràn này được xác định theo công thức:
2/3
Hg2kmbQ =
(1-1)

H
+
=α
B
b
=β
c
c
H
h
=ψ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 11 -
b, B : chiều rộng ở sau và trước công trình.
h
c
, H
c
: chiều sâu co hẹp và cột nước trên đập tràn.
θ : góc giữa các trục của dòng chảy đến và dòng chảy sau
đập tràn.
1.2.2. Kiểu bố trí đường tràn trên một tuyến cong tròn
(Sổ tay tính toán thủy lực - P.G. Kixêlep và một số tác giả) [10]
Hình 1- : Mặt bằng tràn cong
- Đối với loại tràn này thì cần xác định hệ số lưu lượng bằng nghiên
cứu thí nghiệm.
- Lưu lượng được xác định gần đúng theo công thức:
2/3
Hg2mb'kQ =
(1-3)

+ Mặt tràn (phễu tràn) thường có hình dạng tròn trên mặt bằng (là
một đường tròn khép kín hoặc một phần), ngưỡng tràn kiểu đập thực dụng
hoặc đập đỉnh rộng.
+ Đoạn chuyển tiếp: giếng có đường kính giảm dần theo chiều dài.
+ Giếng đứng có đường kính cố định.
+ Khuỷu nối giếng đứng với đường hầm dẫn nước nằm ngang.
+ Đường hầm dẫn nước nằm ngang, dòng chảy trong hầm có áp hoặc
không áp.
- Khả năng tháo nước của giếng tháo lũ phụ thuộc vào chế độ làm
việc của phễu tràn hình tròn. Khi dòng chảy qua phễu tràn hình tròn có mặt
cắt lượn theo bề mặt dưới của luồng chảy (Hình 1-4) và từ phía tiếp theo của
tuyến xả nước (giếng - khuỷu đường hầm) không gây ngập, thì có thể chia chế
độ làm việc của phễu như sau:
+ H/R < 0.46: Phễu tràn không bị ngập.
+ H/R = 0.46 ÷ 1.0: phễu tràn bị ngập (do tự ngập nên khả năng tháo
của phễu tràn giảm đi; khi H/R = 0.8 ÷ 1.0, trên phễu hình thành một mặt
thoáng phẳng).
+ H/R = 1.0 ÷ 1.6: phễu ngập (chế độ chảy gần với dòng chảy qua lỗ
tràn chìm).
+ H/R > 1.6: phễu bị ngập nhiều.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 14 -
Hình 1- : Các dạng luồng chảy qua phễu tràn
(Sổ tay tính toán thủy lực- P.G. Kixêlep và một số tác giả) [10]
- Hiện tượng phễu tự ngập xảy ra khi R < 2.2H, vì vậy không nên lấy
bán kính đường tràn vòng (không có đỉnh phẳng) bé hơn 2.2H. Hiện tượng
ngập cũng có thể do khả năng tháo của các bộ phận tiếp theo trên tuyến xả
nước sau phễu tràn bị hạn chế.
- Khi tháo với lưu lượng thiết kế thì đỉnh phễu không được ngập.
Tăng lưu lượng lớn hơn lưu lượng thiết kế sẽ xảy ra ngập đỉnh phễu tràn, rồi

- Trong những nghiên cứu về sau, N.L.Rơlê trên cơ sở nghiên cứu thí
nghiệm cũng thu được kết quả gần như của V.E.Vaknê, và đối với đập tràn
thực dụng, m được tính theo biểu thức:
78.0
H
D
383.0m






=
D = 2R (1-6)
- Nhiều nghiên cứu, chủ yếu là cho loại đập tràn thực dụng, khi chưa
xét đến điều kiện làm việc không gian của miệng phễu, hệ số lưu lượng có các
trị số như trong Bảng 1-3.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 16 -
Bảng 1-3: Hệ số lưu lượng m của phễu tràn thực dụng
Biểu thức tính và
tên tác giả
M với các trị số H/R
Điều kiện ứng
dụng
0.092 0.190 0.293 0.390 0.506 0.614
A.N.Ahutin - 0.379 0.380 0.383 0.388 -
Và A.I.Txêpko - 0.460 0.460 0.460 0.460 -
2.05.0 ≥>

bờ (f/D), của độ động lực trên ngưỡng vào (H/P), của tỷ số H/R, của dạng các
tường chống xoáy nước, đã đưa đến những kết quả sau:
+ Ảnh hưởng của độ dốc bờ n không đáng kể.
+ Tường phân dòng chống xoáy nước là dạng tường dài cong, bờ
được đào theo dạng parabol với tỷ số f/D = 1.75 là có lợi nhất.
+ Dự thay đổi của l/D, P/H có ảnh hưởng đến m, nhưng khi H/R
tăng, ảnh hưởng đó giảm dần, xác định được tỷ số tối ưu của l/D, P/H.
Biểu thức tổng quát để tính hệ số lưu lượng do P.P.Moyx đề ra là:
HDDR
H
136.0507.0m
Pfl
σσσ






−=
(1-7)
Với những trị số tối ưu của
H
P
,
D
f
,
D
l










−−














−=
3/22/1
R
P
103.0
R

1
1
λ+ξ+
=µ
∑
(1-11)
Trong đó: (1+∑ξ) : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
λ : hệ số cản theo chiều dài.
d, l : đường kính và chiều dài toàn bộ đường hầm có áp.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 19 -
Hệ số kháng cục bộ ∑ξ gồm hệ số kháng chỗ miệng vào (ξ
v
), hệ số
kháng chỗ cửa ra (ξ
r
), hệ số kháng chỗ uốn cong (ξ
c
) và hệ số kháng do thay
đổi tiết diện (ξ
t
).
1.2.4. Kiểu tường đứng trên một đáy phẳng với sơ đồ zíc zắc
(Labyrinth)
(Nghiên cứu ứng dụng kiểu tràn Labyrinth - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- Nguyễn Phú Quỳnh; Hydraulic Design of Labyrinth Weir - Henry T.Falvey)
[9], [12]
Hình 1- : Tràn Ute - New Mexico (hình ảnh từ internet)
Công trình tràn Labyrinth được xây dựng lần đầu tiên vào năm 1941
tại Australia. Song việc nghiên cứu phát triển về lý thuyết và mô hình và các

D : Chiều dài tràn Labyrinth, theo hướng dòng chảy về hạ lưu.
n : Số răng tràn (trong Hình 1-8 là 4).
W
s
: Khẩu độ tràn.
W : Chiều rộng chân 1 răng tràn.
2a : Bề rộng đỉnh răng tràn.
α : Góc hợp bởi tường nghiêng và phương dòng chảy.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 21 -
t : Chiều dày tường tràn (Hình 1-10).
R : Bán kính đỉnh tràn (Hình 1-10).
P : Chiều cao tràn (Hình 1-10).
H
0
: Tổng chiều cao cột nước bao gồm cả cột nước tới gần
(Hình 1-10).
b) Các dạng mặt bằng của tràn Labyrinth
Đỉnh
TRÀN GẤP NẾP
TRÀN BÊN
Hình tam giác
TRÀN NGHIÊNG
Hồ
Đỉnh
Hình thang
TRÀN MỎ VỊT
Đỉnh
Đỉnh
Hồ