`

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CÁC ĐẬP TRÀN CAO VÀ VẤN ĐỀ
KHÍ THỰC TRÊN MẶT TRÀN .......................................................................................... 3

1.1.

Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực và đập tràn cao ở Việt Nam. ..3

1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới........ 3
1.1.2. Một số thông số chính về các công trình thủy lợi hiện có ....................... 4
1.2.

Điều kiện làm việc của đập tràn cao.................................................................8

1.2.1. Tác dụng của khí thực .............................................................................. 8
1.2.2. Ảnh hưởng của hàm khí và thoát khí đến sự làm việc của đập tràn ...... 13
1.2.3. Ảnh hưởng của sóng ............................................................................... 14
1.2.4. Sự mài mòn bề mặt ................................................................................. 14
1.2.5. Sự phá hoại do tác dụng của tải trọng động ........................................... 15
1.3.

Các nghiên cứu về khí thực trên mặt tràn. .................................................. 16

1.3.1. Tình hình nghiên cứu khí thực trên mặt tràn của thế giới ...................... 16
1.3.2. Tình hình nghiên cứu khí thực trên mặt tràn ở Việt Nam ...................... 17
1.3.3. Một số hình ảnh về bố trí thiết bị tiếp khí trên công trình tràn tháo lũ.18
1.4.


2.3.2. Tính toán cho trường hợp 1 (H mt = 80m, h tk = 12m, R b =30MPa) ........ 38
2.3.3. Tính toán cho các trường hợp khác ........................................................ 45
2.4.

Phân tích kết quả tính toán ............................................................................. 63

2.4.1. Phân tích khả năng khí hóa..................................................................... 63
2.4.2. Phân tích khả năng khí thực ................................................................... 64
2.5.

Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 66

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN THỦY ĐIỆN XEKAMAN 1 .................67

3.1.

Giới thiệu công trình. ....................................................................................... 67

3.1.1. Vị trí công trình. ..................................................................................... 67
3.1.2. Nhiệm vụ, quy mô công trình ................................................................. 67
3.2.

Các thông số tính toán khí thực đập tràn [6]. .............................................. 71

3.3.

Kiểm tra khí hóa và khí thực mặt tràn. ........................................................ 73

3.3.1. Kiểm tra khí hóa ..................................................................................... 73
3.3.2. Kiểm tra khí thực .................................................................................... 79

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Công trình đầu mối Hồ chứa nước Định Bình ..............................................6
Hình 1.2: Đập tràn và Đập dâng hồ chứa nước Cửa Đạt ..............................................6
Hình 1.3: Đập tràn và Đập dâng Công trình thủy điện Đồng Nai 4 .............................7
Hình 1.4: Công trình thủy điện Sơn La nhìn từ hạ lưu ..................................................7
Hình 1.5: Khí thực trên mặt tràn đập Bratxcaia (Nga) [1] .... ................................9
Hình 1.6: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà ........................................10
Hình 1.7: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt dốc nước tràn Kẻ Gỗ [1] ...............12
Hình 1.8: Bố trí hệ thống ống dẫn khí trên trụ pin đập tràn .......................................19
Hình 1.9: Bố trí TBTK trên đập tràn ............................................................................19
Hình 1.10: Bộ phận tiếp khí trên đập tràn ....................................................................20
Hình 1.11: Quan sát trộn khí trên bề mặt dốc tràn khi có TBTK ...............................20
Hình 2.1: Sự hình thành đuốc khí [9] ...........................................................................23
Hình

2.2:

Xác

định

hd

....................................................................................................26
Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ ξ1 = f (y/∆); ξ2 = f(δ/∆); δ/∆ = f (L/∆) [1] .......................31
Hình 2.4: Sơ đồ xây dựng mặt cắt đập tràn .................................................................34
Hình 2.5: Mặt cắt đập tràn ............................................................................................35
Hình 2.6: Sơ đồ mặt cắt đập tràn ..................................................................................37
Hình


với

Hmt=60m

quan

hệ

K=f(Zm,

htk)

ứng

với

Hmt=80m

quan

hệ

K=f(Zm,

htk)

ứng

........................................46
Hình



`

Hình

2.11:

Biểu

đồ

quan

hệ

VĐT=f(htk,

Hmt)

ứng

với

Zm=2mm

đồ

quan


quan

hệ

VĐT=f(htk,

Hmt)

ứng

với

Zm=5mm

đồ

quan

hệ

VĐT=f(htk,

Hmt)

ứng

với

Zm=6mm


.................................52
Hình

2.14:

Biểu

.................................53
Hình

2.15:

Biểu

.................................54
Hình

2.16:

Biểu

.................................55
Hình 2.17: Biểu đồ quan hệ VĐT = f(Zm, htk, Vng) ứng với Hmt=40m
..........................57
Hình

2.18:

Biểu


htk,

Vng)

ứng

với

quan

hệ

VĐT

=

f(Zm,

htk,

Vng)

ứng

với

Hmt=60m...........................59
Hình

2.19:

Bảng 2.5: Các Seri tính toán .........................................................................................36
Bảng 2.6: Tọa độ đường cong mặt tràn Ophixerop .....................................................38
Bảng 2.7: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn Hmt = 80m, htk=12m
.......................42


`

Bảng

2.8:

Quan

hệ

K=f(Zm,

htk)

ứng

với

Hmt=40m

K=f(Zm,

htk)


Zm=2mm

hệ

VĐT=f(htk,Hmt)

ứng

với

Zm=3mm

hệ

VĐT=f(htk,Hmt)

ứng

với

Zm=4mm

hệ

VĐT=f(htk,Hmt)

ứng

với



.....................................................47
Bảng

2.10:

Quan

hệ

...................................................48
Bảng

2.11:

Quan

hệ

với

Hmt=100m

.................................................49
Bảng

2.12:

Quan



2.17:

Quan

...............................................55
Bảng

2.18:

Quan

hệ

VĐT=f(Zm,h tk,Vng)

ứng

với

Hmt=40m

hệ

VĐT=f(Zm,h tk,Vng)

ứng

với



Bảng

2.21:

Quan

hệ

VĐT=f(Zm,h tk,Vng)

ứng

với

Hmt=100m

........................................62
Bảng 3.1: Thông số chính công trình thủy điện Xekaman 1 [6] ................................68
Bảng 3.2: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn thủy điện Xekaman 1 .....................76
Bảng 3.3: Kết quả tính toán kiểm tra khí hóa với Zm =6mm ......................................77
Bảng 3.4: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khí hóa với các trị số Zm ..................78
Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khí thực mặt tràn Xekaman 1 (Bê
tông

M30,

Vng=

14,17m/s)

Phụ lục 1.12: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn htk=14m, Hmt=80m
.................106
Phụ lục 1.13: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn htk=8m, Hmt=100m
.................107
Phụ lục 1.14: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn htk=10m, Hmt=100m
...............108
Phụ lục 1.15: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn htk=12m, Hmt=100m
...............109
Phụ lục 1.16: Kết quả vẽ đường mặt nước trên tràn htk=14m, Hmt=100m
...............110
Phụ lục 2.1: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại A
ứng với Hmt=40m ........................................................................................................112
Phụ lục 2.2: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại A
ứng với Hmt=60m ........................................................................................................114
Phụ lục 2.3: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại A
ứng với Hmt=80m ........................................................................................................116
Phụ lục 2.4: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại A
ứng với Hmt=100m ......................................................................................................118
Phụ lục 2.5: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại T
ứng với Hmt=40m ........................................................................................................120


`

Phụ lục 2.6: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại T
ứng với Hmt=60m ........................................................................................................122
Phụ lục 2.7: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại T
ứng với Hmt=80m ........................................................................................................124
Phụ lục 2.8: Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa, khí thực tại T
ứng với Hmt=100m ......................................................................................................126

thành khí hóa và có thể dẫn đến khí thực phá hoại trên bề mặt của đập tràn. Vì
vậy, nghiên cứu khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên đập tràn
cao có tính khoa học và thực tiễn, để giải quyết cấp thiết một vấn đề xây dựng
đập tràn nói riêng cũng như các công trình tháo nước nói chung.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu khả năng khí thực và giải pháp phòng khí thực trên đập
tràn cao.
- Giải pháp công trình đề phòng khí thực.


2

- Tính toán áp dụng cho đập tràn công trình thủy điện Xekaman 1.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
a. Cách tiếp cận
- Từ thực tế: Các trường hợp đập tràn khi vận hành đã có xẩy ra khí thực.
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện
bền, ổn định.
b. Phương pháp nghiên cứu
- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đã có.
- Thu thập tài liệu từ công trình thực tế.
- Phân tích khả năng xẩy ra khí hóa và khí thực trên mặt đập tràn.
- Ứng dụng cho công trình thực tế.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CÁC ĐẬP TRÀN CAO VÀ
VẤN ĐỀ KHÍ THỰC TRÊN MẶT TRÀN
1.1.

Từ khi nước Việt Nam dân chủ cộng hòa ra đời nhất là sau khi hòa bình lập
lại, thủy lợi nước ta mới thật sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng
kinh tế - xã hội được ưu tiên đầu tư. Đến nay cả nước có khoảng 10.000 hồ
chứa lớn nhỏ trong đó có khoảng 500 hồ chứa có đập lớn đứng hàng thứ 16
trong số các nước có nhiều đập cao trên thế giới. Trong số các đập có chiều
cao nhỏ hơn 60m thì đập vật liệu địa phương chiếm tới hơn 80%, còn đối với
đập có chiều cao lớn hơn 60m thì đập bê tông nói chung và đập bê tông trọng
lực nói riêng lại chiếm một tỷ lệ đáng kể. Đầu mối các công trình Bản Chát,
Bản Vẽ, Hủa Na, Trung Sơn, Plêikrông, Sê San 3 và Sê San 4, Sơn La, Lai
Châu, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Tân Giang, Lòng Sông, Định Bình, Nước
Trong… có các đập bê tông trọng lực lớn và đập tràn cao với khối lượng tới
hàng triệu m3, chiều cao đập đến hàng trăm mét.
1.1.2. Một số thông số chính về các công trình thủy lợi hiện có
Gắn liền với các hệ thống đầu mối thủy lợi nêu trên là các công trình
tháo lũ, làm nhiệm vụ tháo phần nước lũ không thể chứa trong hồ, có khi
chúng còn được đặt ở dưới sâu và đảm nhận việc tháo cạn một phần hay toàn
bộ hồ chứa khi cần thiết kiểm tra hoặc sửa chữa.
Công trình tháo lũ trên các hệ thống đầu mối thủy lợi rất đa dạng. Dưới
đây là bảng thống kê các công trình có đập trọng lực và đập tràn cao ở Việt
Nam.
Bảng 1.1: Bảng thống kê một số công trình có cột áp cao ở Việt Nam [10]
Tên công trình
Hồ Định Bình
Hồ Cửa Đạt
Hồ Nước Trong

Năm
xây
dựng
20032006

max
(m3/s)

Dung
tích
toàn bộ
(106m3)

Dung
tích
hữu ích
(106m3)

11.594

1.364,8

1070,8


5

Tên công trình

Năm
xây
dựng

Loại
đập


20032007

TĐ Tuyên
Quang

20022007
20052009
20052010

TĐ Hàm thuận

TĐ Đồng Nai 3
TĐ Đồng Nai 4

B

128

B

69

B

93,5

B

80


Sơn La
Bản Vẽ
Sông Ba Hạ

Ghi chú:

20062010
20052009
20052010

54

D

138,1

D

137

A

50

-A: Đập đất

Hình thức tràn
tiêu năng
Tràn BT 6 cửa

nước + mũi
phun
Đập tràn+ mũi
phun
có cửa + Dốc
nước
Có cửa +Dốc
nước + mũi
phun
Đập tràn + dốc
nước+ mũi phun
có cửa + Mũi
phun
có cửa + Mũi
phun
Đập tràn+ mũi
phun
Đập tràn+ mũi
phun
Tràn mặt + xả
đáy + mũi phun
Đập tràn+ mũi
phun
Đập tràn+ mũi
phun

7.900

343,5



8

1.2.

Điều kiện làm việc của đập tràn cao.
Đối với công trình tháo nước nói chung cũng như đối với đập tràn cao

nói riêng thì dòng chảy qua đập có lưu lượng và lưu tốc lớn, nó tác động đến
quá trình làm việc của công trình tháo nước.
Các dòng chảy cao tốc có những nét đặc thù sau:
- Có mức độ xáo trộn mãnh liệt, mạch động áp lực, lưu tốc... có trị số
lớn, ảnh hưởng trực tiếp tới ổn định và độ bền công trình.
- Quán tính của đơn vị thể tích nước rất lớn, trong khi trở lực của độ
nhớt không thể hiện rõ ràng.
- Dòng chảy rất nhậy bén với đường biên: Các nhiễu động phát sinh
tại một điểm bất kỳ trong dòng chảy có thể được truyền đi và gây
ảnh hưởng trong một phạm vi rất rộng xuôi theo chiều dòng chảy.
Khi xem xét xử lý các hiện tượng thủy lực đặt biệt trên đập tràn có cột
nước cao cần phải xét tới tác dụng của dòng cao tốc tác dụng lên tràn
- Đặc trưng mạch động của tải trọng thủy động gây nên ứng suất mỏi
trong kết cấu.
- Khí thực và xâm thực khí thực trên bề mặt đập tràn.
- Hàm khí và thoát khí làm thay đổi chiều sâu dòng chảy gây chấn
động hoặc nước va trong đường xả kín.
- Sự hình thành và truyền sóng nhiễu trong lòng dẫn không áp.
- Khả năng mài mòn thành lòng dẫn khi dòng chảy mang theo nhiều
bùn cát thô.
1.2.1. Tác dụng của khí thực


hai khoang bên theo sơ đồ tiêu năng đáy, sân tiêu năng dài 28,6m, ở cuối có
bố trí 7 mố tiêu năng, giữa các mố là mũi phun thấp hình nêm. Năm 1990 tràn
xả lưu lượng Q = 1.300m3/s qua 3 khoang khi mực nước hạ lưu ở cao trình
27,65m (sân sau ở cao trình 20m). Nghiên cứu điều kiện làm việc của đập tràn
cho thấy với lưu lượng này thì chiều dài sân không đủ để tạo nước chảy ngập
trong bể ứng với mực nước hạ lưu là 27,65m, dòng chảy trên bề mặt vẫn là
dòng chảy xiết, với vận tốc tại đáy bể là 22,8 – 25m/s, do đó tại các mũi phun
sẽ sinh tách dòng tạo chân không dẫn đến khí thực. Kết quả là mặt sân tiêu
năng giáp với các mố 5, 6 bị bong tróc bê tông từ 10 ÷ 20cm, trơ cốt thép dọc,
cốt thép ngang bị đứt, các thành đứng của các mũi phun thấp hầu hết dưới
chân bị bóc rỗ sâu 5 ÷ 10cm (hình 1.1). Đây là hậu quả của xâm thực khí thực
do bề mặt có gồ ghề cục bộ và đường viền của các mũi phun thấp có cấu tạo
chưa hợp lý [1].

Hình 1.6: Xâm thực mũi phun cuối bể ở đập tràn Thác Bà


11

- Hệ thống đập Bái Thượng – Sông Chu (Thanh Hóa)
Hệ thống được xây dựng vào năm 1920, hoàn thành năm 1926, trong hệ
thống có đập tràn trọng lực ngăn sông Chu để dâng nước đưa vào hệ thống
công trình dẫn nước. Sau 3 năm vận hành (năm 1929), hiện tượng xâm thực
đã xuất hiện ở hạ lưu đập, mỗi năm theo thời gian phát triển thêm và làm xói
chân đập tràn sâu đến 2m, đã phải xử lý bằng cách đắp vào 3000m3 đá. Sau đó
đập vẫn tiếp tục bị phá hoại ở các năm 1939, 1942, 1952, 1980. Đến năm
1988, mặt đập bị xói mòn, lở nhiều chỗ, lớp bê tông bảo vệ trên mặt đập bị
bào mòn 3-5cm, các răng trên mặt đập bị rỗ, có chỗ sâu đến 0,7 đến 0,8m,
chân đập bị xói mòn, khoét sâu dạng hàm ếch từ 0,4-0,8m và dài 2-3m. Sự
phá hủy bê tông và công trình đập Bái Thượng thì do nhiều nguyên nhân

thực do khí thực, bề mặt mũi phun xuất hiện các lỗ với chiều sâu từ 2 – 3cm,
có chỗ sâu tới 5cm và đã bị lộ cốt thép ra ngoài (hình 1.7) [1].

Hình 1.7: Hiện tượng khí thực xâm thực bề mặt dốc nước tràn Kẻ Gỗ [1]


13

- Tràn xả lũ hồ chứa nước Núi Cốc – Thái Nguyên:
Công trình được khởi công xây dựng từ năm 1973, được đưa vào khai
thác sử dụng năm 1982, với lưu lượng thiết kế Q TK = 830 m3/s (P = 0,5%),
B tr = 3 x 8m, hình thức tràn xả mặt, ngưỡng tràn mặt cắt hình thang mái thoải,
điều tiết bằng cửa van cung. Chiều dài dốc nước 20m, chiều dài máng phun,
kể cả mũi phun 40m, độ dốc i = 0,125, kết cấu dốc nước và máng phun bằng
bê tông cốt thép M20.
Qua 22 năm khai thác sử dụng đã có xuất hiện hiện tượng xâm thực do
khí thực ở phần máng phun và mũi phun [2].
1.2.2. Ảnh hưởng của hàm khí và thoát khí đến sự làm việc của đập tràn
Khi thiết kế các đập tràn cao có lưu tốc dòng chảy lớn, phải giải quyết
nhiều vấn đề liên quan đến hiện tượng hàm khí. Do hàm khí, thể tích hỗn hợp
nước - không khí tăng lên nên đối với lòng dẫn không áp thì cần tăng chiều
cao thành bên.
Do hàm khí các tia phóng xuống hạ lưu sẽ làm giảm tầm phóng của tia
và tạo các đám mây bụi nước làm phức tạp các điều kiện khai thác các thiết bị
cơ điện (do độ ẩm tăng lên) và gây bất lợi cho ổn định các mái bờ dốc nối tiếp
với công trình.
Ở đập AtXoan (Ai Cập) các tia có tầm phóng tới 150m, dọc con đường
nắm trên bờ đá dốc bị bao phủ bởi một lớp bụi nước làm cản trở giao thông
ngay từ khi bắt đầu khai thác công trình. Mái đất bị bão hòa nước dẫn đến mất
ổn định làm cho đường giao thông bị phá hoại.



15

mài mòn lớp bọc kim loại của đường hầm dài tới chiều sâu 7cm khi tháo lưu
lượng thi công với vận tốc V=9m/s.
1.2.5. Sự phá hoại do tác dụng của tải trọng động
Với các công trình xả có cột nước cao, năng lượng thừa của dòng chảy
xuống hạ lưu là rất lớn. Việc sử dụng các mố tiêu năng và mố phân dòng để
giảm chiều sâu đào bể và làm giảm năng lượng dòng chảy ở hạ lưu bị hạn chế
do khả năng phát sinh khí thực. Vì vậy trong nhiều trường hợp, việc áp dụng
tiêu năng bằng mũi phun là rất hợp lý. Ở đây xin dẫn chứng một số ví dụ để
chứng minh tầm quan trọng của việc chọn sơ đồ nối tiếp hạ lưu.
Ở đập Vacô (Hoa Kỳ), chiều dài của tấm tiêu năng chọn đảm bảo với
chiều dài của nước nhẩy (nối tiếp chảy đáy). Kết cấu gia cố hạ lưu như vậy
hoàn toàn đảm bảo chế độ làm việc bình thường của công trình. Tuy nhiên,
sau 16 năm khai thác đã xẩy ra xói lớp gia cố hạ lưu. Thể tích vật liệu bị bong
ra (gồm bê tông và đá nền) lên tới 380.000m3, chiều sâu tới 6,7m.
Đập tràn của công trình XupKhun (Triều Tiên) có chiều cao H=107m,
chiều dài khoảng 370m, cột nước trên đỉnh 6,5m. Tấm tiêu năng dài 30m có
mũi phun ở cuối để tạo cơ chế độ chảy mặt ở sân sau. Khi xả nước trong thời
gian 11,5 tháng với lưu lượng đơn vị trên tấm tiêu năng là 22,8-31,4m3/s.m và
lưu tốc 35m/s, tấm tiêu năng bị bẻ gẫy, nền đá bị xói, chiều sâu phá hoại đạt
tới 4,8m, thể tích bê tông bị cuốn đi chiếm 1/3 tổng thể của tấm tiêu năng.
Nguyên nhân của sự cố là do không đặt các thiết bị thoát nước thấm từ nền và
không neo chặt tấm vào nền. Một phần của tấm tiêu năng được đúc bằng cách
đổ bê tông trong nước do thi công không có biện pháp thoát nước thấm làm
khô hố móng. Trong biện pháp sửa chữa đã bố trí các lỗ thoát nước và neo
chặt tấm tiêu năng vào nền, do đó công trình lại làm việc an toàn.