BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

HOÀNG THỊ HƯỜNG CẨM

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
KHẢ NĂNG THÁO CỦA CÔNG TRÌNH XẢ LŨ
THUỶ ĐIỆN BẮC HÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2013



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

HOÀNG THỊ HƯỜNG CẨM

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
KHẢ NĂNG THÁO CỦA CÔNG TRÌNH XẢ LŨ
THUỶ ĐIỆN BẮC HÀ


Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến người thân, bạn bè và
đồng nghiệp đã khích lệ động viên tôi thực hiện đề tài luận văn này./.
TÁC GIẢ

Hoàng Thị Hường Cẩm

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


BẢN CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép từ
bất kì công trình nghiên cứu nào khác.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./.
TÁC GIẢ

Hoàng Thị Hường Cẩm

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... Trang 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN THỰC
DỤNG ......................................................................................................... Trang 3

2.3. Kết luận ............................................................................................... Trang 52
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC
……………….……………………………………………..…………… Trang 54
3.1. Giới thiệu công trình Bắc Hà ............................................................. Trang 54
3.1.1. Vị trí địa lý …………...................................................................... Trang 54
3.1.2. Điều kiện địa hình, địa chất công trình ........................................... Trang 55
3.1.3. Điều kiện địa lý (Khí tượng thủy văn) ............................................ Trang 55
3.1.4. Quy mô công trình ………………................................................... Trang 58
3.1.5. Các thông số kỹ thuật chính của công trình Bắc Hà ........................ Trang 60
3.2. Lý luận thực nghiệm mô hình thuỷ lực ..…………………….……… Trang 63
3.2.1. Phương pháp giải quyết các vấn đề thủy động lực học ................... Trang 63
3.2.2. Các loại hình thực nghiệm ................................................................ Trang 63
3.2.3. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực ...................... Trang 64
3.2.4. Lý thuyết tương tự để thiết lập mô hình thủy lực ............................ Trang 66
3.3. Lập phương trình xác định khả năng tháo của tràn Bắc Hà theo định lý hàm Π
(phương pháp Buckingham) ...................................................................... Trang 70

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


3.3.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp BucKingham (Định lý hàm Π)
.................................................................................................................... Trang 71
3.3.2. Thiết lập phương trình chung .......................................................... Trang 73
3.4. Thiết kế mô hình và tiến hành thí nghiệm .......................................... Trang 81
3.4.1. Tỷ lệ mô hình ................................................................................... Trang 81
3.4.2. Vật liệu làm mô hình ....................................................................... Trang 84
3.4.3. Phạm vi mô hình .............................................................................. Trang 85
3.4.4. Quy trình thí nghiệm ........................................................................ Trang 85

4.3.3. Trường hợp các cửa van chỉ mở với độ mở a ………….………….. Trang 100
4.4. Đánh giá định lượng kết quả thí nghiệm …………..…….………….. Trang 101
4.4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................ Trang 101
4.4.2. Phương pháp tổng bình phương nhỏ nhất với mô hình xấp xỉ tuyến tính, ứng
dụng tìm các hệ số chưa biết của một đa thức bằng số liệu thực nghiệm
.................................................................................................................... Trang 102
4.5. So sánh đánh giá ................................................................................. Trang 113
4.5.1. Trường hợp mở hoàn toàn 4 khoang tràn ........................................ Trang 113
4.5.2. Trường hợp mở cửa van với độ mở a .............................................. Trang 115
4.6. Kết luận .............................................................................................. Trang 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... Trang 117
1. Những kết quả đạt được ......................................................................... Trang 117
2. Những đóng góp và kiến nghị ................................................................ Trang 119
3. Những tồn tại .......................................................................................... Trang 120
4. Hướng nghiên cứu tiếp theo ................................................................... Trang 120

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


-1-

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của Đề tài:
Khi xây dựng đầu mối công trình hồ chứa nước, công trình thủy lợi, thủy
điện, đập tràn là một hạng mục công trình lớn, có tầm quan trọng đặc biệt ảnh
hưởng đến việc kiểm tra, sửa chữa, đảm bảo đến sự làm việc bình thường và sự an
toàn cho toàn bộ công trình.
Trong các công trình đầu mối, có thể làm công trình ngăn nước và tháo nước

R

R

- Phương pháp nghiên cứu: Dùng phương pháp thực nghiệm mô hình, lập
phương trình chung nhất thể hiện quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
xả của tràn. Tiến hành thí nghiệm, đo đạc các giá trị trên mô hình, tính toán chuyển
đổi thành giá trị thực tế.
IV. Kết quả dự kiến đạt được:
Đánh giá kết quả thí nghiệm, so sánh với kết quả tính toán của Tư vấn thiết
kế và các kết quả đã nghiên cứu trước đó về khả năng xả của tràn. Đề xuất và lựa
chọn hình thức tràn tối ưu.
V. Nội dung luận văn:
Luận văn gồm 133 trang, 37 hình vẽ và 32 bảng biểu.
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về khả năng tháo của đập tràn.
Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của đập
tràn thực dụng thuỷ điện Bác Hà.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm mô hình thuỷ lực.
Chương 4: Đánh giá kết quả thí nghiệm.
Kết luận và kiến nghị.
Phụ lục

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


-3CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN
1.1. Các loại đập tràn và khả năng tháo của từng loại.



-41.1.1. Đập tràn thành mỏng.
Khi chiều dày của đỉnh đập δ < 0,67H, làn nước tràn ngay sau khi qua mép
thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập; không chạm vào toàn bộ mặt
đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn
và lưu lượng tràn.

Hình 1.1: Đập tràn thành mỏng
Khả năng xả được tính theo công thức:
Q = m0b 2 g H 3/ 2

Trị số m0 được xác định bằng công thức thực nghiệm:
2
0, 003  

 H  
m0 =
 0, 405 +
 1 + 0,55 
 
H  

 H + P  

1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng.
Khi đỉnh đập nằm ngang và có một chiều dày tương đối lớn, trên đỉnh đập
hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần. Nếu chiều dày đỉnh đập
quá lớn δ > (8-:-10)H thì không thể coi là đập tràn nữa mà coi như một đoạn kênh
dẫn (2-:-3)H < δ < (8-:-10)H


-6Khả năng tháo của đập tràn mặt cắt thực dụng:
Q = σ n .ε .m.∑ b 2 g H 03/ 2

Trong đó:
Q: lưu lượng tháo qua đập tràn (m3/s).
m: hệ số lưu lượng.
n: Số khoang tràn.
H 0 : Cột nước tác dụng trên tràn có xét đến lưu tốc tiến gần v 0 : H=
H+
o
R

R

R

R

vo2
.
2g

g: Gia tốc trọng lực (g = 9,81 m/s2)
P

P

ε : Hệ số co hẹp được tính theo công thức:
ε =1 − 0, 2 [ξ k + (n − 1)ξo ]

b. Đập tràn dạng mặt cắt cong:
Có profil và mái hạ lưu hình cong, lượn theo làn nước trên mặt tràn, nên
dòng chảy trên mặt tràn thuận, hệ số lưu lượng lớn, nhưng thi công phức tạp hơn
đập hình thang.
Hệ số lưu lượng thường là m = 0,48 -:- 0,49.
Bazin là người đầu tiên đã có những nghiên cứu rất chi tiết về đập tràn thành
mỏng và đã công bố những kết quả nghiên cứu của ông vào các năm 1886 -:- 1888,
rồi năm 1889 Pascan cũng dựa vào các nguyên tắc trên tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm.
Phương trình mặt dưới của luồng nước tràn tự do có dạng tổng quát (như
hình 1.5):

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả mặt dưới luồng nước tràn tự do

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


-82

 X 
 X
Y
= A
 + B
Hd
 Hd 
 Hd


h
0, 411 − 1, 603 v − 1, 658  v  − 0,892 v + 0,127
B=
Hd
Hd
 Hd 
=
C 0,150 − 0, 45

hv
Hd

(1.4)

=
D 0,57 − 0, 02(10m) 2 exp(10m)

Trong đó:

(1.3)

=
m

(1.5)

hv
− 0, 208
Hd


- Dạng mặt cắt Cơrigiơ cải tiến (1945) dựa trên số liệu của Bureau of
Reclamation (từ các thử nghiệm ở DenVer)
- Dạng mặt cắt Seimemi (1930)
- Dạng mặt cắt Escande (1937)
- Dạng mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp.
- Dạng mặt cắt Lane - Dvis (1952) dựa trên số liệu của BaZin, của Seimemi,
của Bureau of Reclamation (từ các thử nghiệm ở Fort - Collins Mỹ)
- Mặt cắt WES (1952) của Waterways Experiment Station dưới đây xin giới
thiệu 4 loại mặt cắt đập tràn thực dụng trong số các phương trình trên được áp dụng
và nhắc tới nhiều nhất:
(1) Mặt cắt Seimemi:
1,85

 X 
Y
= 0,5 

Hd
 Hd 

(1.6)

Hd là cột nước thiết kế, tức là cột nước mà với nó người ta tính ra tọa độ mặt
cắt trong (1-6) thì giá trị của X,Y ≥ 0.
(2) Mặt cắt Cơrigiơ
1,80

 X 
Y
= 0, 47 

(4) Mặt cắt WES
Xn =
K × H dn −1 × Y

(1.9)

Trong bốn dạng mặt cắt đập tràn nêu trên, hai dạng mặt cắt được dùng phổ
biến nhất là:
+ Mặt cắt Cơrigiơ - Ôphixêrốp được các nhà khoa học của Liên Xô (cũ)
nghiên cứu và áp dụng.
+ Mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp dụng phổ biến
ở các nước Anh - Mỹ.
Ở đây ta nghiên cứu khả năng tháo của đập tràn thực dụng với công thức
tính: Q = σ n .ε.m.∑b. 2 g .H o 3/2
R

R

R

RP

1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.2.1. Các nghiên cứu trong nước.
Tính toán khả năng tháo đã được nghiên cứu và tìm ra công thức chung nhất,
nó được áp dụng để tính toán thiết kế công trình tháo lũ. Với các công trình quan
trọng đều được đối chiếu lại với số liệu của thí nghiệm mô hình. Khi đập tràn có
hình dạng và kích thước khác với đập tiêu chuẩn thì kết quả thí nghiệm mô hình sẽ
đưa ra được những hiệu chỉnh cần thiết, đó cũng chính là những nghiên cứu về các
yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của công trình tháo lũ, như công trình Thủy


P

P

P

đều phân thành nhiều khoang, có lắp đặt cửa van hình cung để khống chế mực nước
và lưu lượng xả lũ. Ở giữa các khoang có trụ pin dày từ 2,5m đến 3,0m; một vài
công trình có số khoang tràn nhiều để tiện phân chia khe chống lún còn được thiết
kế trụ pin giữa theo dạng trụ pin kép dày từ 5 đến 6m; chính sự tồn tại các trụ pin
giữa đã tạo ra co hẹp bên ở cửa vào tràn dẫn tới ảnh hưởng giảm bớt một phần khả
năng tháo của tràn.
Như đập tràn thuỷ điện Hoà Bình khoang tràn mặt số 6 (bên vai phải) chịu
ảnh hưởng co hẹp bên lớn nên làm cho khả năng xả qua khoang số 6 bị giảm. Điều
này cho thấy khi nghiên cứu các đập tràn có cửa điều tiết cần phải lưu ý đến đường

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

Lớp: 18C21


- 12 viền của đầu trụ pin giữa và hình dạng chuyển tiếp của hai trụ pin bên nhằm giảm
bớt ảnh hưởng co hẹp bên để tăng khả năng xả của tràn.
Từ những năm 2000 trở lại đây do việc hợp tác khoa học kỹ thuật với nhiều
nước nên ta đã áp dụng mặt cắt đập tràn WES vào một số công trình như:
Đập tràn hồ chứa Nước Trong;
Đập tràn thủy điện Kanak
Đập tràn thủy điện Bình Điền;
Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt;

Cao độ ngưỡng tràn là

2

6728,0

129,78

14,28

14940,88

0,4503

115,50m

3

6515,0

129,48

13,98

14472,53

0,4501

m hệ số lưu lượng đã


9,40

7979,50

0,4386

7

2000,0

122,20

6,70

4801,71

0,4165

thước mỗi khoang

8

1000,0

119,80

4,30

2468,80


Tràn dạng mặt cắt WES,
có 5 khoang cửa, kích

Lớp: 18C21


- 13 Từ kết quả thí nghiệm thu được trong bảng 1.1 so sánh với mực nước hồ tính
toán theo thiết kế thì mực nước hồ ứng với lưu lượng xả lũ có tần suất P = 1% đến
lũ kiểm tra P = 0,1% giá trị tính toán cao hơn mực nước trong thí nghiệm mô hình
từ 5 ÷ 30cm . Với sự chênh lệch mực nước hồ như trên có thể nói rằng với kích thước
và cao trình ngưỡng tràn đã chọn của thiết kế là tương đối phù hợp, đủ đảm bảo khả
năng xả lũ qua tràn an toàn.

Hình 1.6: Mô hình đầu mối hồ chứa Nước Trong
Mặt khác với cột nước tác dụng trên đỉnh tràn =
H tr 4,30 ÷ 15, 6m ta thấy hệ
số lưu lượng m tăng dần từ 0, 405 ÷ 0, 4526 ; nghĩa là khả năng tháo tăng lên khi cột
nước trên đỉnh tràn tăng lên; nói cách khác là m tỷ lệ thuận với H tr .
R

R

Kết quả thí nghiệm của tràn Kanak ở Bảng 1.2
Đối với tràn công trình Kanak, từ đồ án thiết kế thì có 3 khoang tràn:
3 × 12 = 36m cao trình ngưỡng tràn đặt tại +502,0m; theo thiết kế tính toán cột nước

kiểm tra mặt trước tràn là 14,8m so với kết quả thí nghiệm là 14,26m nên giá trị
thiết kế tính toán cao hơn trị số thí nghiệm gần 0,54m; nguyên nhân là do thiết kế
chọn hệ số m thiên thấp.



MHT

hẹp

Thể m’

R

MH m/c m’

(m3/s)

(m)

1

3910,22

517,17

465,73

18,17

0,8989

0,462

0,476


0,461

4

2453,61

513,26

460,24

11,26

0,9249

0,440

0,453

5

2118,13

512,29

459,85

10,29

0,9314


Z hồ (m)

H Tr (m)

V o (m)

H o (m)

hệ số m

1

4446,0

85,14

12,14

1,24

12,22

0,470

2

4044,0

84,46


0,92

10,00

0,457

5

2716,0

82,00

9,00

0,80

9,03

0,452

6

1500,0

79,25

6,25

0,46


R

Học viên: Hoàng Thị Hường Cẩm

R

R

R

R

R

Ghi chú

Dạng mặt
cắt WES

Lớp: 18C21


- 15 Tràn Bình Điền tính toán thủy lực tương đối hợp lý nên hệ số lưu lượng và
mực nước theo tính toán của thiết kế không sai khác mấy với kết quả thí nghiệm
trên mô hình.
Kết quả thí nghiệm của tràn Cửa Đạt ở Bảng 1.4
Bảng 1.4: Xác định khả năng xả của tràn Cửa Đạt
H o (m)


17,71

2,38

18,00

0,452

5

6530

112,0

14,84

1,77

15,00

0,461

6

5450

110,0

12,92


4

R

R

P

P

R

R

H Tr (m) V o (m/s)
R

R

R

R

R

R

Ghi chú

Dạng mặt