Bộ giáo dục và đào tạo Bộ nông nghiệp và ptnt
Trờng đại học thuỷ lợi


Trần trung dũng
Nghiên cứu thực nghiệm chế độ
nối tiếp và tiêu năng hạ lu
công trình tràn xả lũ bình điền Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Mã số: 60.58.40
luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Lê Thị Nhật
GS.TS Phạm Ngọc Quý


Họ và tên học viên: Trần Trung Dũng
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nối tiếp và tiêu
năng hạ lưu công trình tràn xả lũ Bình Điền”
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất cứ nguồn thông
tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ
hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Học viên cao học
Trần Trung Dũng 1

MỞ ĐẦU
I.ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, ở Việt Nam việc xây dựng các hồ chứa nước phục vụ cho việc
cấp nước sinh hoạt, phát điện, nuôi trồng thủy sản, đáp ứng nhu cầu nước tưới
cho nông nghiệp ngày càng phổ biến. Trong công trình đầu mối hố chứa
nước ngoài các hạng mục như đập, cống lấy nước thì tràn xả lũ là một hạng
mục quan trọng trong hệ thống. Tràn có nhiệm vụ tháo nước thừa về mùa lũ,
khống chế mực nước thượng lưu không cho vượt quá mức nước cho phép
tương ứng với tần suất xả lũ thiết kế. Để đảm bảo cho tràn xả lũ làm việc bình
thường là rất quan trọng, không những đảm bảo an toàn cho bản thân của

- Phân tích đánh giá lựa chọn hình thức nối tiếp và tiêu năng cho tràn xả
lũ Bình Điền đảm bảo an toàn .
- Kiến nghị việc sử dụng giải pháp nối tiếp và tiêu năng hữu hiệu nhất cho
khu vực nghiên cứu.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Điều tra, thống kê và tổng hợp thu thập tài liệu nghiên cứu đã có ở trong
và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
- Phân tích thực nghiệm
- Áp dụng mô hình thủy lực
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng
- Các yếu tố ảnh hưởng đến nối tiếp và tiêu năng
- Nghiên cứu mô hình thực nghiệm
- Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm
III. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM:
3

Mở đầu. Đặt vấn đề, mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Chương I. Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo.
Chương II. Cơ sở lý luận về tính toán nối tiếp và tiêu năng.
Chương III. Nghiên cứu thực nghiệm nối tiếp và tiêu năng tràn xả lũ Bình
Điền
Chương IV. Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
4

CHƯƠNG I .
TỔNG QUAN VỀ NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO
1.1.Tổng quan về nối tiếp và tiêu năng

Tập hợp mọi hiện tượng thủy lực nảy sinh trong quá trình nước nhảy từ
thượng lưu về chân hạ lưu công trình thủy lợi gọi là nối tiếp thượng hạ lưu
công trình thủy lợi. Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng tràn(có hoặc
không có cửa van) nối tiếp với dòng chảy ở hạ lưu công trình bằng các hình
thức khác nhau: nối tiếp chảy đáy, nối tiếp chảy mặt, nối tiếp dòng phun.
Bảng 1.1. Các hình thức tiêu năng của một số công trình thuỷ lợi, thủy
điện nước ta
TT
Tên công trình
Hình thức tiêu năng
1
Hồ chứa nước Ngàn Trươi – Hà Tĩnh
Tiêu năng đáy
2
Hồ chứa nước Khe Dứa – Thanh Hoá
Tiêu năng đáy
3
Hồ chứa nước Khe Rò 1 và 2 - Quảng Trị
Tiêu năng đáy
4
Hồ chứa nước Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh
Tiêu năng đáy
5
Hồ chứa nước Đồng Bò - Quảng Nam
Tiêu năng đáy
6
Hồ chứa nước ALưới - Thừa Thiên Huế
Tiêu năng đáy
7
Hồ chứa nước Khuôn Pin - Lạng Sơn

Hình 1.2. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang – Tiêu năng phóng xa
Công trình thủy điện Tuyên Quang gồm có 3 hạng mục chính: Đập chính
(không tràn) cao 97,3m; tràn xả lũ có 2 phần xả mặt 4(15x15,15m) và xả đáy
8(4,5x6m); nhà máy thủy điện có 3 tổ máy.
7

* Đập thuỷ điện Yaly – Gia Lai:

Hình 1.3. Tràn xả lũ đập thuỷ điện Yaly. Hình thức tiêu năng mũi phun
Tràn xả lũ gồm 6 cửa, dùng van cung. Mỗi cửa rộng 15 m. Ngưỡng tràn
ở cao trình +499,12 ( thấp hơn MNDBT 15,88 m ). Hình thước ngưỡng tràn
Ofixêrop, nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước có độ dốc thay đổi và tiêu
năng mũi phun. Lưu lượng xả lớn nhất là 17.400 m3/s
* Công trình thuỷ điện Đại Ninh – Bình Thuận:

Hình 1.4. Hình thức tiêu năng phóng xa
8

* Công trình thủy điện Đồng Nai 3 – Lâm Đồng và Đăknông:

Hình 1.5. Hình thức tiêu năng phóng xa
Đập tràn: Đập tràn trọng lực, tiêu năng bằng mũi phun. Cao trình ngưỡng
tràn +574m (thấp hơn MNDBT 16m), có 5 cửa kích thước, mỗi cửa b x h =
15 x 16 (m). Cửa van hình cung có b x h = 15 x 16,5 (m). Đóng mở bằng
xilanh thủy lực với sức nâng: 2 x 160T mỗi cửa
* Công trình thủy điện Sơn La:

Hình 1.10. Các hình thức nối
tiếp dòng chảy ở hạ lưu
a. Nối tiếp chảy đáy
b. Nối tiếp chảy mặt
c. Nối tiếp dòng mặt ngập

d. Nối tiếp phóng xa
1.1.2.1.Nối tiếp dòng chảy đáy:
Là dòng chảy từ mặt tràn xuống (hoặc từ cống tháo ra) chảy sát vào đáy
sân sau và khuyếch tán dần theo trục đứng lên phải mặt, hình thành xoáy
11

nước trên mặt. Lưu tốc của phần đáy lớn. Trường hợp này thường xẩy ra khi
chân đập nối tiếp bằng bán kính cong tiếp tuyến với bề mặt sân sau.
Có thể gặp nối tiếp chảy đáy ở 2 trường hợp sau:

Hình 1.11. Sơ đồ tính toán nối tiếp chảy đáy
Trường hợp 1: Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm
Trong trường hợp này dòng chảy qua ngưỡng tràn đổ xuống hạ lưu xuất
hiện mặt cắt co hẹp C-C. Tại mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy (h
R
c
R) là nhỏ
nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất. Khi đó có h
R
c
R< hR
k

R ngay tại mặt cắt co hẹp thì có dòng chảy đều (với hR
0
R là độ
sâu chảy đều).
Nếu h
R
c
R > hR
0
R sau mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy sẽ giảm dần và hình
thành đường nước đổ b
R
2
R.
Nếu h
R
c
R< hR
0
R sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy sẽ tăng dần và có
đường nước dâng c
R
2
R.
1.1.2.2.Nối tiếp dòng chảy mặt:
Là dòng chảy từ chân đập nằm cao hơn nền đổ xuống, khuyếch tán theo
trục đứng xuống phía dưới, hình thành xoáy nước ở đáy sát chân đập. Lưu
tốc ở phần mặt lớn. Trường hợp này thường xẩy ra nếu mũi phun ở chân đập
làm cao hơn nền, nhưng cao trình tại đó thấp hơn mực nước hạ lưu.


h
R tiếp tục tăng cao, vượt quá giới hạn trên của ổn định dòng phễu,
nước trong khối phễu càng xoáy cuộn). Trạng thái dòng phễu là quá trình
chuyển hóa của dòng chảy mặt khi lưu lượng qua tràn thay đổi.
Nối tiếp chảy đáy hồi phục: Trong trường hợp này bậc nước không còn
tác dụng.
Nói chung nối tiếp chảy mặt có khả năng tiêu hao năng lượng rất lớn
qua khu nước nhảy cuộn của đáy và ở mặt, lưu tốc ở đáy bé không gây xói lở
nghiêm trọng. Trong các dạng nối tiếp nêu trên thì tốt nhất là nối tiếp chảy
mặt không ngập, còn chế độ chảy mặt ngập cũng tốt cho việc chống xói ở hạ
lưu nhưng có nhược điểm là có khu xoáy cuộc trên mỗi bậc, làm cho các vật
rắn lẫn trong dòng nước không thoát ngay được xuống hạ lưu mà bị cuốn
trong khu xoáy cuộn và đập vào công trình.
1.1.2.3.Nối tiếp dòng chảy phun xa:
Là một trường hợp của dòng chảy rơi tự do, khi mũi phun nằm cao hơn
mực nước hạ lưu, phía dưới dòng nước phun là không khí .
14 Hình 1.13. Nối tiếp dòng chảy phun xa
 Chiều dài phóng xa
Xác định chiều dài phóng xa dựa trên cơ sở lý luận dòng phun có dạng
parabol:
(1.2)
Với
: góc phóng của dòng nước gần đúng lấy bằng góc nghiêng của
mũi phun
: hệ số lưu tốc
y,z: tọa độ xác định vị trí
Các công thức lý luận xác định L sai khác với thực tế vì:


Hình 1.14. Hố xói sau mũi bậc
Dạng chung thường gặp của công thức thực nghiệm xác định chiều sâu
hố xói là:
16

(1.3)
Với: T- chiều sâu hố xói tính từ mực nước hạ lưu
q- lưu lượng đơn vị
H- chênh lệch mực nước thượng hạ lưu
m,n – các số mũ, có thể xác định được bằng thực nghiệm
K – hệ số địa chất nền. Khi đá có kết cấu sa thạch hoàn chỉnh,
khoảng cách các vân lớn, ít rạn nứt, rắn chắc, khả năng
kháng xung tốt thì K nhỏ.
 Vị trí sâu nhất của hố xói
Vị trí sâu nhất của hố xói bình thường là tại nơi dòng nước va đập
xuống nền. Nhưng có thể diễn ra không ứng với nước rơi xuống mà là nơi có
địa chất yếu.
1.1.3. Các dạng tiêu năng ở hạ lưu đập
Các nguyên tắc để tiêu năng ở hạ lưu đập:
• Năng lượng thừa tiêu tán bằng nội ma sát.
• Năng lượng thừa được tiêu hao bằng xáo trộn với không khí bằng
khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang.
Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là tiêu năng đáy, tiêu năng
phóng xa, tiêu năng mặt và các hình thức tiêu năng đặc biệt. Tiêu năng đáy
có các hình thức đào bể, xây tường, bể tường kết hợp.
1.1.3.1.Tiêu năng khi có dòng đáy
Tiêu năng theo kiểu dòng chảy đáy là loại thường gặp, nhất là trong
trường hợp đập tràn cột nước thấp và trung bình trên nền mềm. Dòng chảy
đáy là dòng xiết nối tiếp với dòng chảy êm của khúc sông hạ lưu bằng hình

RP
’’
P); dùng
với lưu lượng lớn nhưng chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ ở
hạ lưu có khả năng ổn định, chống xói tốt.
Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt
- Điều kiện áp dụng:
18

+ Nền hạ lưu công trình bình thường; bậc thụt ở hạ lưu công trình có
đỉnh bậc thấp hơn mực nước hạ lưu (MNHL)
+ Để chế độ nối tiếp chảy mặt được ổn định thì:
2,
0
≥
P
a
(a: chiều cao bậc, P: chiều cao tràn) (1.4)
+ Lưu lượng qua công trình vừa và lớn nhưng chênh lệch mực nước
thượng hạ lưu không lớn;
+ Bờ sông ở hạ lưu công trình tương đối ổn định.
- Các hình thức tiêu năng dòng đáy: Hình thức nối tiếp chảy mặt không
ngập, nối tiếp chảy mặt ngập tạo ra khu xoáy cuộn tác động xấu vào mặt
công trình.
- Ưu điểm: Biện pháp này có hiệu quả tiêu năng không kém hơn nhiều
so với tiêu năng dòng đáy. Chiều dài sân sau thường ngắn hơn (1/5 ÷1/2) lần,
đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày gia cố bé, thậm chí trên nền đá
cứng không cần làm sân sau. Ngoài ra, có thể tháo vật nổi mà không sợ hỏng
sân sau.
- Nhược điểm: Làm việc không ổn định khi MNHL thay đổi nhiều; ở hạ


trước, tổ tiên ta cũng như một số dân tộc Ai cập, Trung Quốc đã biết lợi
dụng cơ năng của dòng nước để xay lúa, giã gạo và làm cọn nước lên cao
phục vụ nông nghiệp.
Ở nước ta, từ sau năm 1975, việc xây dựng các hồ và đập chứa phát
triển khá mạnh. Tính đến hết năm 2011, cả nước có 6830 hồ chứa nước thủy
lợi các loại và hơn 10.000 đập dâng. Các hồ, đập chứa đa mục tiêu, chủ yếu
phục vụ phát điện và chống lũ lụt.Trong các hạng mục của hồ chứa, tràn xả
lũ của công trình thủy điện, thuỷ lợi là hạng mục công trình quan trọng,
thường có tỷ lưu lớn, hạ lưu tràn là sông cong, có đường giao thông và dân
sinh sống ở bờ sông. Để có giải pháp tối ưu cho hệ thống, vấn đề đặt ra là
nghiên cứu khoa học phục vụ cho an toàn hồ chứa đạt hiệu quả tối ưu và chi
phí bỏ ra thấp nhất.
Hiện nay các biện pháp nghiên cứu đều dựa trên phương pháp lý thuyết
và công thức thực nghiệm tính toán chung cho tất cả các công trình. Trong
khi, thực tế mỗi công trình có những điều kiện về địa hình, địa chất… là rất
khác nhau, nên việc áp dụng hình thức tiêu năng sau dòng phun của từng
công trình cũng khác nhau, nên việc nghiên cứu tiêu năng sau dòng phun chỉ
đúng khi ta nghiên cứu với mỗi công trình cụ thể. Ở Việt Nam, có thể nói là
nghiên cứu còn rất ít ỏi và hạn chế ở một vài công trình cụ thể.
Trên cơ sở các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế cũng như tham khảo
các tiêu chuẩn của nước ngoài, căn cứ vào điều kiện thực tế trong nước, hàng
loạt các tiêu chuẩn tính toán đã được đưa ra.
Tác giả xin đưa ra một kết quả nghiên cứu được trích dẫn từ đề tài cấp
Bộ năm 2011.
Tên đề tài: Một số kiến nghị lựa chọn kết cấu tiêu năng đáy đối với tràn
xả lũ các công trình thủy lợi và thủy điện
Nghiên cứu dựa trên số liệu thí nghiệm mô hình 3 công trình thuỷ lợi
21



34,10

58,69

57,71

Q2

39,28

36,04

44,37

37,44

56,38

58,77

Q3

40,35

37,17

45,87

40,63

1. Số liệu đo thí nghiệm tương đối phù hợp với số liệu thiết kế bể tiêu
năng theo tính toán lý thuyết.
2. Với các bể tiêu năng không có thiết bị tiêu năng phụ thì khả năng
tiêu hao năng lượng chỉ khoảng từ 30% đến 40% năng lượng dư thừa.
3. Với các bể tiêu năng có thêm các thiết bị tiêu năng phụ thì năng
lượng tiêu hao có thể lên đến 60%.
4. Do điều kiện làm việc của các công trình thuỷ lợi, thủy điện phức
tạp: phía sau hạ lưu tràn xả lũ thường có cầu giao thông, kênh xả nhà máy
nên cần nghiên cứu, thiết kế bể tiêu năng hợp lý hơn nhằm đảm bảo các hạng
22

mục công trình đó làm việc hiệu quả và an toàn.
Kết quả thí nghiệm các phương án sửa đổi
Sự khác biệt giữa phương án sửa đổi và phương án thiết kế các bể tiêu năng:
- Công trình thủy điện Sông Tranh 3: cao trình đáy bể nâng lên 4,0m;
chiều dài và chiều rộng bể giữ nguyên.
- Công trình thủy điện Sông Bung 5: cao trình đáy bể hạ xuống 3,0m;
trong bể có bố trí thêm thiết bị tiêu năng phụ; chiều dài và chiều rộng bể giữ
nguyên.
- Công trình thủy điện A lưới: chuyển từ phương án tiêu năng mặt sang
phương án tiêu năng đáy.
- Công trình thủy điện Khe Bố: chiều dài bể ngắn lại 6,0m; cao độ đáy
bể và chiều rộng bể giữ nguyên.
- Công trình hồ chứa Nước Trong: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng bể
giữ nguyên; tường tiêu năng cao hơn PATK 1,5m và chiều dài sân sau thứ
hai dài hơn 1,4m.
- Công trình hồ chứa nước Tả Trạch: cao độ đáy, chiều dài, chiều rộng
bể giữ nguyên; thay 1 hàng mố tiêu năng cho tường tiêu năng ở cuối bể.
Thông số bể tiêu năng các công trình theo phương án sửa đổi xem bảng
Phụ lục 1.3