B

GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR

B
NG

I H C THU L I

INH LÊ PH

NGHIÊN C U NH H

NÔNG NGHI P VÀ PTNT

NG ANH

NG C A CÁC Y U T

TH Y L C

P TRÀN CAO

LU N V N TH C S

Hà N i – 2014

N CH




ih

ng d n khoa h c:

GS.TS. Nguy n Chi n

Hà N i – 2014

N CH


L IC M

N

Lu n v n th c s k thu t “nghiên c u nh h ng c a các y u t đ n ch
đ th y l c đ p tràn cao” chuyên ngành xây d ng công trình th y đ c
hoàn thành vào tháng 3 n m 2014 v i s giúp đ , ch b o t n tình c a các
th y cô, cán b khoa sau đ i h c, khoa Công trình th y – Tr ng
ih c
Th y l i.
Tôi xin chân thành c m n các th y cô giáo, các cán b tr ng i h c Th y
l i đã t o đi u ki n, giúp đ trong quá trình theo h c c ng nh hoàn thành
lu n v n c a tôi.
c bi t tác gi xin bày t lòng bi t n sâu s c đ n th y giáo GS.TS. Nguy n
Chi n đã dành th i gian, công s c tr c ti p ch b o, h ng d n, giúp đ tác
gi hoàn thành lu n v n này.
ng th i tác gi c ng xin g i l i c m n chân thành đ n các cán b lãnh
đ o, đ ng nghi p t i Trung tâm Th y đi n – Vi n n ng l ng đã h t s c giúp


inh Lê Ph

ng Anh


.

M CL C
a. Tính c p thi t c a đ tài. .....................................................................................1
b. M c đích c a đ tài. ............................................................................................2
c. Ph ng pháp nghiên c u. ....................................................................................2
d. K t qu nghiên c u .............................................................................................2
e. N i dung nghiên c u. ..........................................................................................2
CH NG 1. T NG QUAN V
P TRÀN VÀ CH
TH Y L C C A
P TRÀN. ................................................................................................................3
1.1. Tình hình xây d ng các đ p tràn cao Vi t Nam ...........................................3
1.2. Các d ng m t c t đ p tràn ng d ng Vi t nam. ............................................5
1.3. Các v n đ th y l c c a đ p tràn cao. ..............................................................8
1.4. M t s ví d v h h ng đ p tràn cao .........................................................10
1.5. Gi i h n ph m vi nghiên c u. ........................................................................11
CH NG 2. C S LÝ LU N V TH Y L C
P TRÀN. .............................12
2.1. Ph ng pháp xây d ng m t c t đ p tràn (d ng WES và Ofixerop), so sánh
hai ph ng pháp. ...................................................................................................12
2.2. Công th c tính l u l ng qua đ p tràn. .........................................................18
2.3. Nghiên c u nh h ng c a các y u t đ n kh n ng x qua tràn. .................21
2.4. Phân b áp su t trên m t tràn. ........................................................................27

ng cong m t đ p không có chân không ..................................13

B ng 2.2: Tr s bán kính n i ti p R

chân đ p.......................................................14

B ng 2.3: B ng tra giá tr k, n và a,b ........................................................................16
B ng 2.4: B ng h s hi u ch nh C ...........................................................................20
B ng 2.5: B ng tra h s l u l

ng m ......................................................................21

B ng 3.1: B ng danh sách thi t b máy móc thí nghi m...........................................38
B ng 4.1. Các thông s chính c a công trình thu đi n Lai Châu (DA T) .............45
B ng 4.2: B ng h s l u l

ng do t v n thi t k tính toán....................................49

B ng 4.2: B ng tính toán kh n ng tháo c a tràn x l v n hành .............................51
B ng 4.3. Các thông s chính c a mô hình t ng th t l λ l = 50 .............................54
B ng 4.4: Các c p l u l
B ng 4.3: M c n

ng th c hi n thí nghi m mô hình ....................................58

c không ch h l u .....................................................................59

B ng 4.5: K t qu thí ngh m xác đ nh h s l u l ng m t s ph ng án thí
nghi m .....................................................................................................62
B ng 4.6: V n t c trung bình (m/s) t i các m t c t th

Hình 2.8: M t c t đ p có chân không .......................................................................23
Hình 2.9: M t c t đ p không có chân không ............................................................23
Hình 2.10: M t c t đ p tràn có c a van. ...................................................................24
Hình 2.11: Các lo i t

ng cánh tr

c ng

ng tràn. .................................................25

Hình 1.12. Quan h (P/H 0 ) và (m nghiêng /m th ng ) .........................................................27
Hình 2.13: Phân b áp su t trên m t tràn tr ng h p có 2 bán kính cong n i
ti p ...........................................................................................................28
Hình 2.14: Phân b áp su t trên m t tràn tr ng h p có 3 bán kính cong n i
ti p ...........................................................................................................30
Hình 3.1: Hình nh các máy móc và thi t b đo. .......................................................39
Hình 3.1: Hình nh các máy móc và thi t b đo (ti p theo) ......................................40
Hình 4.1: B trí t ng th công trình thu đi n Lai Châu ..........................................46
Hình 4.2: C t d c tràn thu đi n Lai Châu ...............................................................47
Hình 4.3: M t b ng công trình tràn và x sâu thu đi n Lai Châu ...........................48
Hình 4.4 : Ph

ng án l a ch n cho thi t k công trình tràn Lai Châu .....................50

Hình 4.6: B trí m t c t đo đ ng m t n c, v n t c th ng h l u công trình
tràn trên mô hình ......................................................................................56
Hình 4.7 : M t c t, th y tr c đi m đo v n t c, đ

ng m t n

Hình 4.15: Áp su t trung bình trên đ u tràn m t khi tháo các c p l u l ng c a
các ph ng án m i phun (PA1÷PA2)......................................................76


1

.

M

U

a. Tính c p thi t c a đ tài.
p tràn là m t trong nh ng h ng m c ch y u và quan tr ng c a nhi u công trình
th y l i. Nó có nhi m v chính là x l u l ng th a trong mùa l đ gi s an toàn
cho toàn b công trình.V i nhi m v nh v y thì ch đ th y l c c a đ p tràn khi
x n c là y u t quan tr ng quy t đ nh kh n ng làm vi c c ng nh hi u qu c a
đ p tràn.
i vói các công trình l n, có đ p cao, l u l ng x l l n, đ p tràn r t d b h
h ng vì ch đ th y l c không thu n d n đ n xâm th c. Khi nghiên c u ch đ th y
l c c a đ p tràn ta còn xem xét các y u t sau: hình d ng m t c t tràn, tràn có hay
không c a van và nh h ng co h p do c a van không m h t, hình d ng c a tr
bên và tr pin gi a đ n h s co h p biên, h s l u l ng các b ph n ti p khí...
i v i hình d ng m t c t tràn chia làm 3 lo i chính: đ p tràn thành m ng, đ p tràn
m t c t th c d ng, đ p tràn đ nh r ng. Trong đó đ p tràn th c d ng hình cong
không chân không d ng WES và Ofixerop là đ c ng d ng nhi u nh t n c ta
hi n nay. M t s đ p tràn cao có tràn MC Ofixerop: Hòa Bình, Thác Bà Sông Hinh
và YaLy ... đ p có tràn MC d ng WES: S n La, C a t, SeSan 3, Bình i n …
V tràn không c a van hay tràn t do và tràn có b trí tr pin, c a van, thì đ m
c a c a van, h s co h p đ ng do c a van và h s co h p bên do hình d ng các tr


⋅ Ph
⋅ Ph
⋅ Ph
⋅ Ph

ng pháp sau:

ng pháp tính toán theo lý thuy t.
ng pháp th c nghi m mô hình.
ng pháp so sánh k t qu gi a lý thuy t và th c nghi m.
ng pháp ng d ng đánh giá ch đ th y l c c a công trình th c t c th .

d. K t qu nghiên c u

⋅

ánh giá đ c nh h ng c a các y u t (c a van, hình d ng m t c t tràn, hình
d ng c a tr bên và tr pin gi a, các hình th c ti p khí ...) đ n ch đ th y l c c a
đ p tràn cao.

⋅

ng d ng đánh giá ch đ th y l c c a công trình đ p tràn Th y đi n Lai Châu.

e. N i dung nghiên c u.

⋅ Tính toán theo lý thuy t kh n ng tháo qua tràn và áp su t phân b trên m t tràn.
⋅ Ti n hành nghiên c u xây d ng mô hình theo các tiêu chu n t ng t , thí nghi m
mô hình và th ng kê k t qu v kh n ng tháo c a tràn và áp su t phân b trên m t


Tr c th i đi m 1990, n c ta có m t s công trình thu đi n l n đ c xây d ng
nh Thác Bà, Hoà Bình, Tr An. Các công trình này do Liên Xô c giúp đ v thi t
k , nghiên c u và chuyên gia xây d ng. T 1990 tr l i đây do nhu c u n ng l ng
cho phát tri n kinh t c a đ t n c, m t lo t các nhà máy thu đi n l n đ c xây
d ng, trong đó đa s công trình tràn có c t n c cao đi m hình m t s công trình
sau:
1.1.1. Công trình thu đi n

ng Nai 2 (hình 1.1a)

Tràn t ng th c a công trình th y đi n
ng nai 2 có m t c t đ p đ c thi t k là
đ p tràn th c d ng m t c t hình cong không chân không, đ ng cong tr c đ nh
tràn đ c thi t k có d ng theo ph ng trình. Mái h l u 1:0,73; bán kính cong
chân đ p R = 20m. Toàn b đ p g m 5 khoang, chi u r ng m i khoang 15m, m tr
và m bên phía th ng l u d ng l n tròn, phía h l u vuông góc, chi u dày m tr
và m bên là 3,5m, có b trí khe van. Cao trình ng ng tràn +665,1m. Hình th c
tiêu n ng: M i phun, h xói v i góc h t c a m i phun là 30o, cao đ m i phun là
+635,00m. áy h xói cao trình +580,0 m.
Tràn t ng th c a đ u m i công trình th y đi n
x th

ng nai 2 có 5 khoang, nh ng khi

ng ch s d ng 4 khoang, khoang cu i bên trái ch s d ng trong tr

x y ra s c . Do v y 4 khoang ph i x v i l u l

ng h p

261,24 mái d i có đ d c 1:0,75, m i phun có bán kính R= 50,0m, cao trình đi m
th p nh t 211,75m và góc α= 30 cao trình cu i m i h t 225,0 m. T i mép d

ic a

đ p có các t ng phân chia v i chi u dày m i t ng là 4,0m đ phân cách các
khoang x , chúng kéo dài cho đ n tuy n cu i c a m i phun..
X sâu g m có 2 h m, m i h m chia ra ra 2 đo n: đo n tr c có áp, đo n sau là
không áp. H m có áp ng ng vào cao đ 221,0m, di n tích ti t di n ngang c a
b nbxh = 4x6 = 24 m2. T i tuy n cu i ph n có áp đã đ c thi t k t đo n th t l i v i
chi u dài 4,0m có di n tích bxh = 4x5,6 = 22,4 m2. Sau tuy n có áp là ph n không
áp đ c m r ng v i chi u dài g n 55,0m, đ b o đ m gi m l u l ng riêng t 1,52 l n. T i tuy n cu i c a x sâu có m i phun cao đ 222,50mt i phía nhà máy và
220,50m v phía b ph i, v i m c đích làm nghiêng dòng ch y ra kh i t phía nhà
máy, v i k t c u nh v y đã t o đ c lu ng dòng tia x ra cách m i phun 120m.
L u l ng tháo v i tr ng h p tính toán c b n là 17300 m3/s t ng ng MNDBT
v i cao đ 295,0m, còn tr ng h p m toàn b c a van thì l u l
PMF là 27600 m3/s t ng ng khi MNTL = 302,75 m.
Các l u l
l

ng đ n v trong gi i h n x có các t

ng 17300 và 27600 m3/s t

dòng tia r i xu ng n

ng tháo t n su t

ng phân dòng khi x các l u



th

ng xuyên 15.000÷20.000m3/s đ

ng l u khi x
c th c hi n


5

.

qua các công trình x sâu, còn các công trình x m t làm vi c ch khi x l l n.
Theo các đi u ki n thi t k đ b o đ m s ho t đ ng c a công trình thu đi n Hoà
Bình phía h l u, l u l ng x t i thi u xu ng h l u c n ph i có g n 10.000m3/s.
L u l ng tính toán qua nhà máy thu đi n khi làm vi c t t c các t máy là
3.200m3/s.
Hình 1.1: M t s hình nh công trình tràn cao

a. Tràn thu đi n

ng Nai 2

c. Tràn thu đi n Lai Châu

1.2. Các d ng m t c t đ p tràn ng d ng

Vi t Nam


x
x
thi t k
ng ng
x m t
ng ng
thi t k
l n nh t
Hd
tràn x m t (kích th c)
x sâu

Ký hi u
nv

n(bxh)
MW

m3/s

m3/s

m

m

c a;m

Sông Hinh


720

13733

15,88

499,12

6;15x18,8

Hoà Bình

1.920

Ofixerop

35400

13

102

6;15x18

Thác Bà

108

Ofixerop


4;11x11

160

Ofixerop

4500

12,8

1029,2

4;11x13,7

Tuyên Quang

342

Ofixerop

12736

11,15

108,85

4;15x15,15

Sê san 3


Ofixerop

4448,7

14

473,5

3;12x16

Sê San 4

360

Ofixerop

16570

20090

15

200

n;8x15

Bình i n

44



12;6x10

79

8;4,5x6


7

.

Các
thông s

Công su t
l p máy

D ng
đ p tràn

B c Hà

90

Ofixerop

Hàm Thu n

300

S c a
Cao trình
x
x
thi t k
ng ng
x m t
ng ng
thi t k
l n nh t
Hd
tràn x m t (kích th c)
x sâu

S n la

2400

WES

Sông Tranh

190

WES

9609

Hu i Qu ng


11

594

5'11x11

S c a
x sâu,
kích th c

không c a
50

35000

7,2

197,8

6;15x13

8000

14

161

n;6x14

15,85

là làm th nào đ gi m thi u các y u t b t l i nh : xâm th c do áp xu t chân
không; tiêu tán n ng l ng đ gi m t i cho h l u công trình... Hi n nay có r t
nhi u đ p cao v i t c đ dòng ch y khá l n vài ch c m/s; l u l

ng đ n v t i hàng

tr m m3/s/m. M ch đ ng dòng ch y l n (σv,σp), c c b v trí công trình phát sinh
áp su t âm, xu t hi n hi n t

ng chân không, khí th c làm cho k t c u công trình b

phá hu .
1.3.2.

c tính m ch đ ng v n t c, áp su t

Dòng ch y t c đ cao th ng là dòng ch y r i, đ c tr ng c b n c a nó là m ch
đ ng v n t c và m ch đ ng áp su t. Quá trình m ch đ ng th ng là m t chu i r i
r c, các giá tr m ch đ ng là tr s ng u nhiên thì giá tr trung bình th i gian c a nó
có th tính theo công th c
n

p t + p 2t 2 + ..... pi ti + .... + p n t n
=
p = M(p) = 1 1
t1 + t 2 + ...ti + ....t n

∑ pt
i =1
n


2

V quy lu t phân b , các tài li u tham kh o đã ch ng t r ng quy lu t phân b m ch
đ ng áp su t, v n t c c a dòng ch y ph bi n nh t theo lu t chu n - lu t Gauss
(hình 1.2 là hình 1.8 tg 29) Hàm m t đ phân b xác su t có d ng sau:
1
f(p' ) =
σ 2

e

u '2
2σ 2


9

a. Bi u đ m ch đ ng áp su t

b.

ng phân b chu n c a m ch đ ng

Hình 1.2. Bi u đ phân b m ch đ ng và phân b chu n c a m ch đ ng áp su t

tin c y c a giá tr m ch đ ng trong kho ng
P’< 1σ là 0.682 hay 68.2%
P’< 2σ là 0.954 hay 95.4%
P’< 3σ là 0.997 hay 99.7%

th

c l y tu thu c vào m c đ quan tr ng c a công trình, thông

ng k=3÷5.

1.3.3.

c tính xâm th c

Xâm th c là quá trình thay đ i và phá hu b m t bê tông do các h t ch t l ng d i
tác đ ng c a thay đ i áp l c. công trình tràn s thay đ i áp l c x y ra t i b m t
tràn. Khi áp l c b h th p t i m c hoá h i, t i khu v c gi m áp s xu t hi n m t th
tích ch t l ng nào đó

d ng túi khí v i các b t nh li ti ch a đ y khí và h i n

c.


10

N u m t biên đ m b o công ngh t t thì các túi khí này không gây xâm th c. Có
nhi u tr ng h p đi u này không đ m b o nên đã x y ra qua trình xâm th c.
Nh v y s phát sinh khí th c đ
gi i h nP

đ p tràn cao

Bong chóc m t tràn do áp l c hoá h n t o nên.
Do xói làm m t n n móng công trình tràn d n đ n s p công trình bê tông. D i đây
là hình nh phá hu bê tông c t thép h l u b ph i c a đ p PleiKrông (hình 1.3)

Hình 1.3: Phá hu bê tông c t thép b ph i c a đ p PleiKrông


11

1.5. Gi i h n ph m vi nghiên c u.
Nh th ng k
trên, thu đi n Vi t nam s d ng khá nhi u các hình d ng m t c t
tràn nh Ofixerop, WES, đ nh r ng, tràn bên, t do... Trong khuôn kh lu n v n này
ch nghiên c u cho hai lo i là Ofixerop và WES v i đ p tràn cao.
V n đ thu l c c a đ p tràn cao có nhi u đ c tính c n nghiên c u nh ch đ thu
l c, đ c tính v áp su t, v v n t c, v m ch đ ng, v hàm khí, v xân th c... trong
khuôn kh lu n v n ch nghiên v kh n ng x và áp su t trên m t tràn có Profil tràn
là WES và Ofixerop.


12

CH

NG 2. C

S

ng trình nh sau:
= 0,47
H tk
 H tk

1,85





 x
y
ng trình nh sau:
= 0,475
H tk
 H tk

4. M t c t WES (Weterways Exporiment Station (1952) có ph
sau: x n = k.H dn −1 .y hay

1,85





1,85



Lo i m t tràn này đ c các n c Liên xô c , Trung qu c và Vi t Nam s d ng
nhi u. Nguyên t c thi t k m t c t đ p tràn không có chân không là làm cho m t c t
đ p n kh p v i m t d i c a làn n c ch y qua đ p tràn thành m ng tiêu chu n,
ng v i m t c t n c cho tr c, g i là c t n c thi t k H tk . Crighe nghiên c u


13

đ

ng cong n

v trí

c r i t do t đ p tràn thành m ng, v qu đ o c a ph n t n

2
1
chi u dày làn n
H , r i t qu đ o y l y xu ng m t đo n b ng
3
3

c
c thì

đ c m t d i c a làn n c tràn t do và cho m t đ p h i l n vào làn n c tràn t
do y. M t đ p v nh th g i là ki u Crighe. Ofixerop sau này nghiên c u và s a
ch a đôi chút m t c t Crighe, c i ti n đi u ki n thu l c c a đ p này, đ a ra m t c t
ki u g i là Crighe-Ofixerop.


0,200

0,007

0,000

4

0,300

0,000

0,005

5

0,400

0,007

0,023

6

0,600

0,060

0,098


0,655

11

1,700

0,873

0,992

12

2,000

1,235

1,377

13

2,500

1,960

2,140

14

3,000

thân đ p thì ti p theo đ ng cong này là đo n th ng có đ d c theo yêu c u n đ nh
c a thân đ p. Ph n chân đ p, ch n i ti p v i sân đ p ho c m i phun có l n theo
cung tròn đ dòng ch y xu ng đ c thu n (hình 2.1)


14

Hình 2.1: M t c t th c d ng c a đ p tràn không chân không

abc- theo t a đ đ ng cong không chân không;
cd – đo n th ng; de – đo n cung tròn

Bán kính cong R c a cung tròn này l y theo kinh nghi m, cho

b ng 2.2

Khi đ p th p h n 10m (P

11,6

20

4,0

6,0

7,8

8,9

10,0

11,0

12,0

13,3

14,3

30

4,5

7,5

9,7


19,0

50

4,8

8,8

12,0

14,5

16,5

18,0

19,2

20,3

21,3

60

4,9

8,9

13,0

m t c t đ p không chân không lo i này d a vào ph ng trình đ ng n c r i c a
dòng ch y t o thành khi ch y qua đ p tràn thành m ng. Ph ng trình đ ng n c
r i đ c xác đ nh b i vi c xem xét c c u chuy n đ ng c a làn n c phóng. Làn
n c này s n đ nh khi kho ng ch ng gi a m t tràn và làn n c đ c l p đ y b ng
v t li u bê tông và c t n c tràn không thay đ i. C t n c đ nh ra m t c t c a đ p
tràn đ c g i là c t n c thi t k (H tk ) và tr s c a h s l u l ng đ c ký hi u là
m o , có giá tr b ng 0,496 ( phòng thí nghi m th y l c Ancara, tr s m o bình quân
b ng 0,4956)
Phòng thí nghi m thu công Hoa k đã th c hi n các sery thí nghi m c a các d ng
đ p tràn và đ a ra công th c t ng quát v i 3 d ng m t cong ki u h nh sau:


16

2.1.2.1. Ki u h I (hình 2.3a)
Ki u h I có ph

ng trình c b n là:X =kH d
n

y
1 x
Y có th vi t là
= .
Hd k  Hd

n-1




+
=1
(a.H d ) 2
(bH d ) 2
2

2

dùng ph

ng trình Xn =kH d n-1Y; v th

Trong đó:

⋅ a.H d : là đ ng cong bán tr c dài, b.H d là đ
⋅ a và b c n c theo quan h sau đây đ ch n

ng cong bán tr c ng n

Khi P 1 /H d > 2: a = 0,28÷0,3; a/b = 0,87+3a
Khi P 1 /H d < 2: a = 0,215÷0,28; b = 0,127-0.163
Khi P 1 /H d nh thì a và b l y s nh .
Bán kính cung tròn R 1 ; R 2 trên hình 2.4b có th l y theo thông s trong b ng 2.3.
B ng 2.3: B ng tra giá tr k, n và a,b

d c m t th ng l u
∆y/∆x

k


ng cong m t tràn có b trí t

ng trình đ

ng cong m t tràn y =

ng ng c (hình 2.3d)

x2
4ϕ 2 2H d

Trong đó

⋅ H d : c t n c thi t k đ nh hình : b ng (56÷77)% c t n c l n nh t H max
⋅ H s ϕ : H s l u t c t i m t c t co h p c a khoang (l ) x có th l y ϕ =0,96.
Khi tr

⋅

c khoang (l ) có b trí khe van s a ch a thì l y ϕ=0,95.

ng cong th ng l u t đi m g c (0) to đ xy nên k t h p s d ng đ
vi n t ng ng c là hình th c b u d c.

a)

ng cong m t tràn ki u h I; d > 0,5H max

b)


ng pháp Ofixerop

Ph

Nguyên Nguyên t c thi t k m t c t đ p tràn
lý xác không có chân không là làm cho m t
đ nh
c t đ p n kh p v i m t d i c a
làn n c ch y qua đ p tràn thành
m ng tiêu chu n và l n sâu vào
dòng n c m t chút

ng pháp WES

Nguyên t c thi t k m t c t đ
không chân không lo i này d
vào ph ng trình đ ng n c r
c a dòng ch y t o thành khi ch
qua đ p tràn thành m ng

p
a
i
y

Ghép t i to đ 0,0 c a tr c X

Hình
d ng
m tc t

Tr c X

2.2. Công th c tính l u l

ng qua đ p tràn.

2.2.1. M t tràn d ng Crighe-Ofixerop
Nga và theo quy ph m Vi t Nam dùng công th c sau đ xác đ nh l u l
tràn
Q = ε .σ ng .m.B 2 g .H o3 / 2

ng qua

(2.1)

Trong đó:

⋅ε : H

s

nh h

 ξ + (n + 1).ξ o   H o 
; ξ - H s
.
n
  Btran 
