LỜI CẢM ƠN
Sau khoảng thời gian học tập và làm Luận văn với sự giúp đỡ quý báu, tận
tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bản và các thầy giáo, cô giáo trường Đại
học Thuỷ Lợi, bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực cố gắng học tập, tìm tòi,
nghiên cứu, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận
văn thạc s
ĩ với đề tài “ Nghiên cứu giải pháp tiêu năng hợp lý đối với đập tràn xả
lũ Bản Mòng tỉnh Sơn La”
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ công nhân
viên Phòng Đào tạo Đại học & Sau Đại học, Khoa Công trình, Trường Đại học
Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Đặc biệt tác giả cũng xin đượ
c gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS.
Nguyễn Văn Bản đã đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa
học quý báu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trung tâm Phòng tránh và
giảm nhẹ Thiên tai - Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây Nguyên nơi tác
giả công tác, Trung tâm Nghiên cứu thủy lực – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quố
c
gia nơi tác giả thu thập tài liệu, gia đình, bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Do hạn chế về thời gian, kiến thức Khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản
thân chưa nhiều nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong
nhận được ý kiến đóng góp và trao đổ
i tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 08 năm 2013
Học viên



1
MỞ ĐẦU

I. Tính cấp thiết của đề tài
Sau khi xây dựng hồ chứa, điều tiết lũ tích một phần ở trong hồ phần còn lại sẽ
thông qua đập tràn xả xuống hạ lưu. Với chênh lệch cột nước cao hàng chục mét
cộng với tỷ lưu lớn, để đảm bảo an toàn cho công trình vận hành cần phải có giải
pháp tiêu năng nhằm tiêu hao phần lớn năng l
ượng của dòng chảy. Giải pháp tiêu
năng thường dùng là:
9 Biện pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng)
9 Biện pháp tiêu năng dòng phun.
Theo tài liệu thống kê thì các công trình đập tràn có cột nước cao, tỷ lưu lớn
dùng giải pháp tiêu năng dòng phun chiếm gần 70%. Khi chọn giải pháp tiêu năng
dòng phun cần phải dựa vào điều kiện địa hình, địa chất, vị trí tuyến công trình với
tuyến lòng sông ở hạ lưu để xét.
Song với dạng tiêu năng dòng phun áp dụng mũi phun liên tục sẽ gây ra xói hạ
lưu lớn. Điều này khiến cho khối lượng thi công đào hố xói nhiều không kinh tế,
mặt khác hố xói sâu dễ gây sạt mái cho hai bờ.
Vì vậy cần nghiên cứu áp dụng giải pháp công trình mũi phun không liên tục
(hay còn gọi là mũi phun so le) để:
9 Giảm nhỏ tỷ lưu của dòng phun phóng xuống hố tiêu năng (giảm q)
9 Tăng khả
năng trộn khí vào luồng phun để giảm nhỏ lưu tốc dòng phun.
9 Tăng khả năng va đập của luồng nước trong không trung để tiêu hao
thêm năng lượng của dòng phun trước khi rơi vào hố xói.
Song với điều kiện cụ thể của các công trình khác nhau, cần phải vận dụng cho
thích hợp dựa vào lý luận chung về tiêu năng dòng phun, nhất là loại mũi phun so le
chưa được nghiên cứu kỹ về:

)
L
min
~ rãnh phun (
r
θ
)
Trong đó: θ
m
, θ
m
: lần lượt là góc phun của mố, góc phun của rãnh
(2) Vị trí đặt mố phun so le một cách hợp lý
(3) Phân tích cơ chế thủy lực của mũi phun so le (có so sánh với cơ chế thủy lực
của mũi phun liên tục)
(4) Phương pháp tính V
r
, V
m
, h
r
, h
m
của mũi phun so le
Trong đó: V
r
, V
m
lần lượt là lưu tốc ở rãnh và ở mố phun
h

)
L
min
~ (V
r
,
r
θ
, h
r
)
(2). Phân tích cơ chế dòng chảy của loại mũi phun so le (mũi phun không liên
tục).
(3). Áp dụng vào công trình Thủy điện Bản Mòng – Sơn La.



ΔH
: Chênh lệch cột nước giữa thượng lưu và hạ lưu (m)
Ví dụ như công trình thủy điện Hòa Bình mà ta đã biết thì:
Lưu lượng xả từ nhỏ đến lưu lượng thiết kế là Q
xả
=13500m
3
/s ÷ 35400m
3
/s,
với chiều rộng dốc nước cuối tràn B=180m thì tỷ lưu thay đổi là q=75m
2
/s
÷

q=196m
2
/s; mực nước mùa lũ ở thượng hạ lưu có độ chênh ΔH =Z
tl
-Z
hl
=120m-
27m=93m. Từ đó suy ra công suất của năng lượng dòng chảy dư đạt tới:
N
min
=9,8*75*85=62475KW/m ( Trường hợp xả lũ nhỏ)
N
max
=9,8*196*93=178634KW/m (Trường hợp xả lũ thiết kế)

nền đá
Đặc trưng cấu tạo nền đá của
hố xói
Phạm
vi
Trung
bình
Giá trị ứng suất
nén của đá
nén
σ

I
( Khó xói)
Dạng khối đá lớn, khe nứt phát
triển chặt chắc
0,8
¸
0,9 0,85 1600
¸
2000
II
( Có thể xói)
Dạng tảng to, khe nứt phát
triển nhiều chỗ rắn chắc có ít
chỗ có nhét
0,9
¸
1,2 1,10 1000
¸

hình 1.1 và 1.2

6

Hình 1.1. Dạng tiêu năng đáy sau đập tràn

Hình 1.2. Dạng tiêu năng dòng phun sau đập tràn
Theo kết quả nghiên cứu thì giải pháp tiêu năng hiệu quả, phần năng lượng dư
của dòng chảy đổ xuống hạ lưu công trình sẽ tiêu hao được 55%
÷
70% năng lượng
dư này; còn nếu hiệu quả tiêu năng chỉ đạt dưới 50% năng lượng dư thì ta coi giải
pháp tiêu năng đã chọn có hiệu quả tiêu năng thấp.
Ví dụ như khi thí nghiệm mô hình đập tràn xả lũ Nước Trong sau đập tràn xả
lũ dùng giải pháp tiêu năng đáy (bể tiêu năng) và mố tiêu năng cho hiệu quả tiêu
năng đạt tới 65% năng lượng dòng chảy qua tràn đổ xuố
ng hạ lưu. Còn tiêu năng
dòng phun xa như kết quả thí nghiệm mô hình đập tràn Thủy điện Hòa Bình theo

7
dạng dòng phun xa đạt hiệu quả tiêu năng tới 67% năng lượng của dòng chảy đổ
xuống hạ lưu.
Về tiêu năng đáy (dùng bể tiêu năng) mục đích là khi dòng chảy từ thân tràn
đổ xuống hạ lưu sẽ hình thành nước nhảy ở trong bể tiêu năng, trong khu nước nhảy
thì lưu tốc của dòng chủ lưu đi sát đáy, lưu tốc rất lớn còn nửa phần trên là dòng
cu
ộn lại trên mặt hướng chảy về phía thượng lưu. Do trạng thái nước nhảy nên các
phần tử nước xáo trộn va chạm lẫn nhau mà năng lượng được tiêu hao đi tỏa ra
nhiệt lượng nghĩa là nhờ nước nhảy đem động năng chuyển thành nhiệt năng, như
vậy sau khi dòng chảy đi ra khỏi bể tiêu năng lưu tốc được giảm xuống ít gây xói lở

– Độ sâu nước nhảy tại mặt cắt co hẹp
h
c
’’
- Độ sâu liên hiệp (cuối nước nhảy)
S- Chiều sâu bể tiêu năng
σ− Hệ số (σ=1,05
÷ 1,10)
Đối với hình thức tiêu năng bằng dòng phun thì trước tiên phải chọn góc mũi
phun hợp lý θ, thông thường góc phun θ được chọn là 25
0

¸
35
0
, đó là dạng mũi
phun liên tục, còn mũi phun so le (mũi phun không liên tục) thì chọn góc phun cho
rãnh θ
r
và góc phun cho mố θ
m
thường chọn θ
r
= 0
0
÷ 15
0
, còn góc phun của mố
θ
m

a – Hệ số hàm khí
K – hệ số có quan hệ đến tính chất của nền đá ở hạ lưu
q – Lưu lượng đơn vị (m
2
/s)
h – Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu (m)
Đối với mũi phun không liên tục nghiên cứu trên mô hình thì dòng phun xa
phân làm hai luồng, luồng ở mố phun xa hơn, còn luồng ở rãnh phun gần hơn, song
trong các tài liệu thủy lực có liên quan cũng như quy phạm ít tài liệu nêu ra công
thức tính chiều dài phun xa đối với dạng mũi phun so le mà mới chỉ có công thức
tính chiều dài phun xa đối với mũi phun liên tục (xác định dòng phun xa nhất).
Tác dụng tiêu năng của dòng phun là quá trình dòng phun bay vào không
trung vừa ma sát với không khí tiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy, theo
kết quả nghiên cứu trước đây thì tác dụng tiêu năng này đạt được khoảng 6
÷ 7%
năng lượng của dòng chảy. Mặt khác dòng phun khi bay vào không trung trộn lẫn
với không khí tạo ra dòng trộn khí, dòng nước trộn khí khi đổ xuống lớp nước đệm
ở hạ lưu trong phạm vi hố xói mà năng lượng dòng chảy được tiêu hao từ 50% đến
60%, phần năng lượng dòng chảy còn lại sẽ chảy xuống hạ lưu nên gây ra xói lở
lòng và bờ kênh dẫn lũ. Vì vậy nên trường hợp dùng giải pháp tiêu năng đáy thì sau
bể tiêu năng còn dùng giải pháp tiêu năng phụ như rãnh tiêu năng, sau bể còn có sân
sau chống xói.

9
1.2. Các loại mũi phun thường dùng
Dạng mũi phun thường dùng ở nước ta có hai dạng đó là:
- Dạng mũi phun liên tục
- Dạng mũi phun không liên tục (mũi phun so le)
Trong thiết kế xây dựng công trình Thủy lợi, thủy điện ở nước ta đã thiết kế xây
dựng nhiều đập tràn xả lũ áp dụng tiêu năng dạng mũi phun như:

θ =25
0
÷ 30
0
là tương đối tốt như là các công trình sau:
+ Dốc nước cuối tràn xả lũ Tuyên Quang chọn
θ=25
0

+ Dốc nước cuối tràn xả lũ Thủy điện Hòa Bình chọn θ=27
0

+ Dốc nước sau tràn Cửa Đạt chọn θ=27
0

+ Góc mũi phun cuối đập tràn thủy điện ĐămBri chọn θ=25
0

+ Góc mũi phun cuối đập tràn Bản Mòng chọn θ=25
0
vv
Khi thiết kế xây dựng dạng tiêu năng mũi phun muốn tạo được dòng phun xa
hợp lý thì không chỉ chọn góc mũi phun
θ thích hợp mà còn phải thiết kế bán kính
cong ngược chuyển tiếp cuối thân đập (hay cuối dốc nước) thích hợp. Theo tài liệu
nghiên cứu của nước ngoài thì giá trị bán kính cong ngược R nên chọn trong phạm
vi R=(6
÷ 10)h (1.6)
Trong đó:
R- Bán kính cong ngược (m)

Hình 1.6. So sánh độ sâu xói của các dạng mố phun
Ghi chú: q
TN
=54,3l/s; thời gian thí nghiệm 2 giờ; vật liệu xói dùng cát thô
d=2
÷ 5mm; độ sâu dòng chảy ở hạ lưu h
h
=27cm
Đường viền xói (1) của mố hình thang xuôi (loe)
Đường viền xói (2) của mố hình chữ nhật
Đường viền xói (3) của mũi phun liên tục
Dưới đây là số liệu thí nghiệm đo các thông số của 4 loại mũi phun được đưa vào
nghiên cứu ghi trong bảng 1.2
Bảng 1.2. So sánh các thông số của 4 loại mũi phun
Mũi
phun
L1 L2 L3 T
2
L
T
%
2
L
T

2
0
L
T


Trong đó: T
0
- Chiều sâu tính từ mặt nước đến đáy hố xói
T
0
=T +h (m)
T – Chiều sâu xói tính từ lòng sông đến đáy hố
h – Độ sâu dòng chảy ở hạ lưu
L
1
- Chiều dài dòng phun gần nhất
L
2
– Chiều dài dòng phun ở tâm hố xói
L
3
– Chiều dài dòng phun xa nhất
1.3. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về tiêu năng mũi phun
1.3.1. Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
Từ giữa thế kỷ 20 ở các nước công nghiệp phát triển yêu cầu điện năng tăng
lên nên việc phát triển xây dựng các công trình thủy điện vừa và lớn phát triển một
cách nhanh chóng để tạo nguồn điện năng sử dụng bằng than đá trắng do đó nhiều
công trình được nghiên cứu và đưa vào xây dựng đã dùng loại đập tràn xả lũ nối
tiếp theo dạng dòng phun có th
ể kể đến Đập Brack (Liên Xô cũ) được xây dựng vào
năm 1960 với lưu lượng đơn vị thiết kế là q=30,5m
2
/s. Đập Brack có 10 khoang tràn
mỗi khoang rộng b=18m, Q
xả

=6000m
3
/s; lưu tốc dòng chảy trên mũi phun đạt tới V
mp
=41m/s;
đập có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu
ΔZ
=130m thể hiện như mặt cắt ngang ở
hình 1.10.
Ở Trung Quốc đã xây dưng đập Đan Giang Khẩu trên sông Hán Giang cao
105m có chênh lệch cột nước ΔH =82m; hay như đập tràn công trình thủy điện Tam
Hiệp ở Trung Quốc thể hiện ở hình 1.11 công trình này có mực nước hồ Z
tl
=175m,
cao trình mũi hắt Z
mp
=85m, góc mũi hắt θ=27
0
, lưu lượng đơn vị thiết kế
q=174m
2
/s, mực nước tương ứng ở hạ lưu Z
hl
=77m. Đập được xây dựng trên nền đá
gốc Grannite có ứng suất nén
σ=1200kg/cm
2
, lưu tốc dòng chảy tại mũi hắt là
V
mp

đoạn chuyển tiếp bán kính cong R=150m, sau đoạn dốc nước thứ hai là đoạn mũi
phun dài g
ần 20,60m, có bán kính cong ngược R=30m, mũi phun có góc dốc
θ=30
0
, lưu lượng xả Q=3000m
3
/s.

Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt: Đập tràn xả lũ gồm 5 khoang, mỗi khoang
rộng 11m, ngưỡng tràn ở cao trình +97,0m, đáy kênh dẫn thượng lưu ở cao trình
+85,0m, giữa các khoang có các trụ pin giữa dày 3,0m, lắp cửa van cung không có
tường ngực, lưu lượng xả Q
xả
từ 3400m
3
/s đến trên 10800m
3
/s.

17
Đập tràn Thủy điện Tuyên Quang: Đập tràn xả lũ được đặt bên bờ phải của
đập dâng nước thiết kế theo dạng xả kết hợp xả mặt và xả sâu. Sau đập tràn là dốc
nước và mũi phun.
+ Tràn xả mặt: Được thiết kế theo dạng mặt cắt thực dụng không chân không
Ôphixêrốp, cột nước thiết kế H=15,15m (cao độ đỉnh ngưỡng tràn là +104,85m), số
khoang tràn trên mặt là 4, bề rộng mỗi khoang B
k
=15m, tổng cộng tràn nước
B

Bản Mòng đều là ban đầu thiết kế dạng mũi
phun liên tục khi nghiên cứu thí nghiệm đổi thành mũi phun so le.
Dưới đây là một số hình ảnh các công trình đập tràn trong nước sử dụng tiêu năng
dòng phun:

18Hình 1.12: Mặt bằng đập tràn Thủy điện Hòa Bình bố trí 7 mố phun cuối dốc nước

Hình 1.13: Cắt dọc đập tràn Thủy điện Sông Tranh 2 19
Hình 1.14: Chính diện hạ lưu tràn xả lũ Yaly

Hình 1.15: Mô hình đập tràn Thủy điện Lai Châu

Hình 1.16: Mô hình đập tràn Thủy điện Sơn La
Trong báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài “Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho
tràn xả lũ có dốc nước” của PGS.TS. Trần Quốc Thưởng năm 2008 đã đi sâu
nghiên cứu chi tiết kích thước của dạng mũi phun đưa ra được các thông số như
bảng 1.3: Trên cơ sở thí nghiệm các mô hình không gian 3 chiều.
Bảng 1.3: Các thông số của mố phun so le
Góc hắt
θ
1

0
25
0

¸
30
0
0,8 ÷ 1,0 0,8÷ 0,9 2,3 ÷ 2,5 13
0
÷ 20
0
0,5

20
Tuy vậy, đối với tiêu năng dòng phun có hai vấn đề quan trọng là nghiên cứu
xác định chiều dài phun xa của luồng phun đi từ mố cho L
max
và luồng phun đi từ
rãnh cho L
min
thì chưa được nghiên cứu sâu đưa ra công thức tính giá trị L
max
và
L
min
.
Thứ hai là đối với nền địa chất là các loại đá ở nước ta đối với dòng phun đổ
xuống hạ lưu sau công trình khi áp dụng dạng mũi phun so le thì chiều sâu xói T
được tính như thế nào cũng chưa được nghiên cứu.
Ngoài ra trong một số trường hợp cụ thể của công trình để tránh gây ra xói lở

21
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ LUẬN VỀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG
2.1. Dạng mũi phun liên tục
2.1.1. Cơ chế dòng chảy ở mũi phun liên tục

Khi dòng nước chuyển động ở mũi phun thì dòng chảy men theo đường biên
của công trình xả, dòng nước ma sát với đường biên làm cho mức độ rối của dòng
chảy tăng lên, không khí được trộn vào nước càng nhiều khiến cho năng lượng của
dòng nước tháo qua tràn xả lũ tiêu hao thêm một phần năng lượng nữa.
Khi dòng chảy chuyển động đến cuối mũi phun đạt giá trị lưu tốc lớn nhất, tùy
theo đơn vi l
ưu lượng thiết kế và chênh lệch cột nước thượng hạ lưu của từng công
trình mà giá trị lưu tốc đạt từ 21m/s
¸
40m/s. Với giá trị lưu tốc lớn như vậy đều là
dòng có lưu tốc cao, khi đi ra khỏi mũi phun bay vào không trung va chạm với
không khí vừa tăng độ trộn khí vừa tiêu hao một phần năng lượng trước khi đổ
xuống mặt nước của hố xói.
Khi dòng phun nhấn chìm vào nước đệm ở hạ lưu, thì mặt nước phía sau và
phía trước của luồng chính được tạo thành hai cuộn nước lớn. Trong vùng cuộ
n
hình thành dòng chảy rối mãnh liệt thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1. Hình thành dòng cuộn rối trong hố xói
Các dòng này va đập xáo trộn lẫn nhau, ma sát với nhau từ đó tiêu hao đi một
phần năng lượng đáng kể. Lớp nước đệm hố xói càng sâu thì khả năng mở rộng của
lưỡi nước càng rộng thì khả năng tiêu hao năng lượng lại càng lớn. Vì vậy trong

22
công trình thực tế một số hố xói được đào mồi trước để tạo độ sâu lớp nước đệm

TT Tác giả Công thức tính toán Ghi chú
2.1
Viện thiết kế
trường sa
(Trung Quốc)
L=
C
C
0,935+0,024θ-Z /Z
.Z
0,007+0,25θ
æö
ç÷
ç÷
èø

Phạm vi ứng dụng
0,5
0,9
C
Z
Z
££
00
15 θ 45
££

θ
-Góc mũi phun
(độ)

4/5
'
1
0,04Rθ+0,1
Fr
Z
0,026Rθ+0,065
P

(2) Khi 10
Rθ 5
³³

L
min
=q
2/3
.
3/4
'
1
0,07Rθ-0,2
Fr
Z
0,05Rθ-0,1+
P

(2) Khi 15 Rθ 10
³³


giá trị Fr
2

ở cuối mũi phun
h
c
-
'
2
866,0
.
gz
q
η

h
c
-h
’
cosθ độ sâu
dòng chảy vuông
góc với mũi phun
(m)
1
η=
1-0,15Rθ

L
min
– Khoảng cách