LỜI CẢM ƠN
Đây là dịp cho tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Ngô Trí
Viềng, người hướng dẫn khoa học, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời
gian làm luận văn. Thầy là tấm gương sáng về tinh thần trách nhiệm, lòng tận
tụy, tình yêu nghề và ý thức nghiên cứu khoa học nghiêm túc. Thầy để lại
trong tôi sự kích phục về tri thức khoa học, lối sống yêu thương, độc lập và
thẳng thắn.
Cho phép tôi trân trọng gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ
môn Thủy công, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học,
Trường Đại học Thủy Lợi, Lãnh đạo Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy
lợi 1 cùng bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi trong
suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013
Tác giả

Phan Đình Hậu


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực. Tôi không sao chép bất kỳ một luận văn hoặc một đề tài nghiên cứu nào
trước đó. Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013
Tác giả

Phan Đình Hậu


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG......................... 4

2.4.3.1. Đoạn thân tràn phía hạ lưu ................................................................. 41
2.4.3.2. Đoạn đầu tràn ..................................................................................... 43
2.5. So sánh đập tràn mặt cắt dạng WES và mặt cắt Ophixerov .................... 44
2.5.1. Diện tích mặt cắt ngang......................................................................... 44
2.5.2. Khả năng tháo ....................................................................................... 45
2.6. Kết luận Chương 2 ................................................................................... 46
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................ 47
VÀO CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MÒNG ................................ 47
3.1. Các thông số cơ bản của hồ Bản Mòng ................................................... 47
3.1.1. Địa điểm xây dựng ................................................................................ 47
3.1.2. Nhiệm vụ công trình.............................................................................. 47
3.1.3. Quy mô công trình ................................................................................ 48
3.2. Tràn xả lũ ................................................................................................. 50
3.2.1. Nhiệm vụ ............................................................................................... 50
3.2.2. Các phương án tràn xả lũ ...................................................................... 50
3.2.3. Tính toán tọa độ mặt tràn ...................................................................... 50
3.2.4. Vẽ đường cong mặt tràn ........................................................................ 54
3.3. Tính toán khả năng tháo ........................................................................... 56
3.3.1. Trường hợp đập tràn mặt cắt Ophixerov............................................... 56
3.3.2. Trường hợp đập tràn mặt cắt elip .......................................................... 57
3.3.3. Trường hợp đập tràn mặt cắt WES ....................................................... 57
3.4. So sánh giữa ba phương án ........................................................................ 59
3.4.1. Về mặt cắt đập ....................................................................................... 59
3.4.2. Về khả năng tháo ................................................................................... 62
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 67


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 3-1: Sơ họa cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Nước Bản Mòng ... 47
Hình 3-2: Đường cong mặt tràn Ophixerov .................................................... 54
Hình 3-3: Đường cong mặt tràn Elip .............................................................. 55
Hình 3-4: Đường cong mặt tràn dạng WES .................................................... 56
Hình 3-5: Đường cong mặt tràn hồ chứa nước Bản Mòng thiết kế theo mặt cắt
WES và mặt cắt Ophixerov ............................................................................. 62
Hình 3-6: Hệ số lưu lượng và cột nước của đập tràn Bản Mòng .................... 63


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo phương
pháp Creager – Ophixerov [3]........................................................................... 8
Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3] ........................................ 9
Bảng 1-3: Tọa độ đường cong mặt tràn có chân không đỉnh elip ( rϕ = 1 )[4] . 10
Bảng 2-1: Hệ số co hẹp đứng α khi nước chảy dưới cửa [13]........................ 18
Bảng 2-2: Bảng tra trị số σhd phụ thuộc vào góc αB và αH và tỷ số a/CB [3][4]
......................................................................................................................... 20
Bảng 2-3. Hệ số hiệu chỉnh cột nước σH của đập tràn không chân không [3][4] 22
Bảng 2-4: Hệ số lưu lượng m của đập chân không, đỉnh elip (theo Rodanop)
......................................................................................................................... 23
Z
Bảng 2-5. Trị số   xác định trạng thái phân giới chảy ngập của đập tràn
 P k

thành mỏng và đập tràn có mặt cắt thực dụng ................................................ 26
Bảng 2-6. Hệ số ngập σn của đập tràn có mặt cắt thực dụng không chân không 26
Bảng 2-7: Bảng hệ số hiệu chỉnh C................................................................. 30
Bảng 2-8: Bảng hệ số lưu lượng m ................................................................. 31
Bảng 2-9: Bảng hệ số hình dạng trụ pin giữa ξo ............................................. 31
Bảng 2-10. Toạ độ các điểm trên đường biên của mặt tràn không chân không


Hệ số sửa chữa cột nước;

σhd

Hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng;

ε

Hệ số co hẹp bên;

ξm.b

Hệ số hình dạng mố biên;

ξm.t

Hệ số hình dạng mố trụ;

Ho

Cột nước trên đỉnh đập tràn có kể đến lưu tốc tới gần (m);

H

Cột nước trên đỉnh đập tràn không kể cột nước lưu tốc (m);

b

Chiều rộng một khoang tràn (m);

có chế độ thủy lực lợi nhất nhằm giảm chi phí xây dựng có ý nghĩa lớn về
kinh tế và có tính khoa học … đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu.
Ở Việt Nam, hầu hết các đập tràn xả lũ thuộc hệ thống đầu mối công
trình thủy lợi, thủy điện đã được xây dựng có dạng mặt cắt thực dụng Creager
hoặc dạng Creager – Ophixerov. Các đập tràn loại này đều được thiết kế theo
quy phạm biên soạn từ tài liệu của Liên Xô và Trung Quốc, điển hình như:
đập tràn thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, sông Hinh, Yaly, Tân Giang, Định
Bình ...
Việc ứng dụng mặt cắt đập tràn dạng WES hay Ophixerov có ý nghĩa
hết sức quan trọng trong sự nghiệp phát triển thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam,
góp phần không nhỏ vào thành tựu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước
trong những năm qua. Vài chục năm trở lại đây, từ khi đập tràn có mặt cắt
dạng WES (Waterways Expriment Station) của Mỹ được nghiên cứu ứng
dụng, có ưu điểm hơn nên nhiều nước áp dụng. Trung Quốc là một quốc gia
có nguồn tài nguyên nước phong phú cũng đã chuyển hướng áp dụng mặt cắt
tràn dạng WES từ năm 1975.
Hồ chứa nước Bản Mòng tỉnh Sơn La đang được đầu tư xây dựng với
nhiệm vụ chống lũ quét, cắt giảm lũ cho thành phố Sơn La, tạo nguồn cấp
nước cho công nghiệp và sinh hoạt, kết hợp du lịch, cải thiện môi trường sinh
thái. Hồ chứa nước Bản Mòng có công trình đầu mối là đập bê tông trọng lực,


2
trong đó đập tràn cao trên 40m chiếm vị trí quan trọng ở lòng sông chính.
Nghiên cứu hình dạng hợp lý mặt cắt đập tràn có ý nghĩa quan trọng về kinh
tế và kỹ thuật, quyết định sự ra đời của dự án này.
2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu khả năng tháo đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng
WES;
+ Nghiên cứu trạng thái dòng chảy qua đập tràn dạng WES và

mặt cắt WES. Các loại đập tràn khác.
Chương 2. Nghiên cứu chế độ thủy lực đập tràn
Trình bày phương pháp xác định khả năng tháo của đập tràn mặt cắt
dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov. Nghiên cứu trạng thái dòng
chảy qua đập tràn mặt cắt dạng WES và đập tràn mặt cắt dang Ophixerov.
Nghiên cứu mặt cắt đập tràn dạng Ophixerov, đập tràn dạng WES. Trên cơ sở
nghiên cứu đó so sánh ưu điểm của WES so với Ophixerov.
Chương 3. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán mặt cắt hợp
lý đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng
Ứng dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết thông qua tính toán để so sánh
với kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực đập tràn hồ chứa nước Bản Mòng.
Kết luận kiến nghị
Trình bày một số kết quả nghiên cứu đạt được cũng như những tồn tại
và hướng phát triển cần được đi sâu nghiên cứu. Từ đó đưa ra những kiến
nghị về việc áp dụng mặt cắt hợp lý của đập tràn.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG
1.1. Các loại đập tràn
Đập tràn là một trong những hạng mục chủ yếu của các đầu mối công
trình thủy lợi, thủy điện: đập tràn nước tháo lũ của hồ chứa, đập ngăn sông
dâng nước v.v... Việc nghiên cứu khả năng tháo nước của đập tràn, tìm các
hình thức đập có chế độ thủy lực lợi nhất và xác định các kích thước cơ bản
của đập ... có một ý nghĩa thực tiễn quan trọng.
Có nhiều cách phân loại đập tràn, chủ yếu là phân loại theo chiều dày
đỉnh đập và hình dạng mặt cắt ngang của đập tràn. Theo cách phân loại này,
đập tràn có thể chia ra làm ba loại: đập tràn thành mỏng, đập tràn đỉnh rộng và
đập tràn mặt cắt thực dụng.

P > 0). Nếu ngưỡng tràn có trụ biên và trụ giữa, tại các mép trụ còn có thể
phát sinh xoáy nước trục đứng. Những hiện tượng trên làm tăng tổn thất do co
hẹp đứng và ngang gây nên và làm giảm khả năng tháo.
Đập tràn đỉnh rộng làm việc có thể theo chế độ chảy không ngập hoặc
chảy ngập. Trong trường hợp chảy ngập, khả năng tháo sẽ giảm rất nhiều. Do
đó đối với ngưỡng tràn của đường tràn tháo lũ cần có những biện pháp thiết
kế để tăng khả năng tháo và thông thường ngưỡng tràn làm việc theo chế độ
chảy không ngập.
2

hn
P

P1

hpg

Z

h1= h2

o

H

3

z

1

δ1

hn Z

h2 Z"

hpg

V

δ2

δ3

P

1

h1

Ho

O

2
l1
O

C


e

CB

f

R

A
D

Hình 1-3. Mặt cắt của đập tràn có chân không


7
+ Nếu làm cho mặt đập sát vào mặt dưới của làn nước tràn, không có
khoảng trống nữa thì sẽ không có chân không, gọi là đập dạng cong không có
chân không.
Nguyên tắc thiết kế mặt cắt đập không có chân không làm cho mặt đập
ăn khớp với mặt dưới của làn nước chảy qua đập thành mỏng tiêu chuẩn ứng
với cột nước H cho trước, gọi là cột nước thiết kế mặt cắt của đập tràn.

B

x

O Co
C α

B

Ophixerov về sau nghiên cứu và sửa chữa đôi chút mặt cắt Creager, cải
biến điều kiên thủy lực của đập này, đưa ra mặt cắt gọi là kiểu Creager –
Ophixerov.


8
Bảng 1-1: Tọa độ đường cong mặt đập không có chân không theo
phương pháp Creager – Ophixerov [3]

x=

x
H tk

y=
Đập loại I
(kiểu Creager – Ophixerov)

y
H tk
Đập loại II
(kiểu Creager)

0

0,126

0,043

0,1


0,147

0,189

1,0

0,256

0,321

1,2

0,393

0,420

1,4

0,565

0,655

1,7

0,873

0,992

2,0


6,220

6,580

Nếu đập cao, bản thân đường cong này không đủ thỏa mãn điều kiện ổn
định của thân đập thì tiếp theo đường cong này là một đoạn thẳng có độ dốc
theo yêu cầu ổn định của thân đập. Phần chân đập, chỗ nối tiếp với sân đập có lượn
theo một cung tròn để dòng chảy xuống chân đập được thuận (xem Hình 1-4).
Bán kính R của cung tròn này lấy theo kinh nghiệm.
Khi đập thấp hơn P < 10m thì có thể lấy R = 0,5P.


9
Bảng 1-2: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập [3]
H(m)
1

2

3

4

5

6

7


7,8

8,9

10,0

11,0

12,0

13,3

14,3

30

4,5

7,5

9,7

11,0

12,4

13,5

14,7


12,0

14,5

16,5

18,0

19,2

20,3

21,3

60

4,9

8,9

13,0

15,5

18,0

20,0

21,0


3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

e
= 3,0
f


y
0,629
0,462
0,327
0,193
0,072
0,018
0,000
0,030
0,095
0,173
0,271
0,381
0,503
0,623
0,760
0,890
1,021
1,163
1,320
1,467
1,628
1,792
1,943
2,106
2,272
3,214
5,452
6,766

4,450
5,299
-

y
0,806
0,672
0,519
0,371
0,241
0,162
0,091
0,046
0,012
0,003
0,000
0,025
0,076
0,147
0,223
0,338
0,461
0,595
0,731
0,913
1,098
1,282
2,246
3,189
5,430

0,327
0,152
0,046
0,000
0,020
0,083
0,200
0,306
0,445
1,282
2,868
4,722
7,410
-

Khi rφ ≠ 1 thì tọa độ các điểm ( x , y ) ở Bảng 1-3 phải nhân với rφ


11
1.4. Đập tràn mặt cắt thực dụng không chân không dạng WES
Đập tràn mặt cắt WES được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu và áp
dụng phổ biến ở các nước Anh - Mỹ.
Các cơ sở nghiên cứu Thuỷ lực của Liên Xô tập trung nghiên cứu dạng
mặt cắt tràn Creger - Ophixerov, còn các cơ sở nghiên cứu thuỷ lực của Mỹ
đều chú trọng nghiên cứu dạng mặt cắt tràn dạng WES. Các kết quả nghiên
cứu đều cho thấy rằng đường cong mặt tràn chia ra làm hai phần:
+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía thượng lưu;
+ Phần đường cong từ đỉnh tràn về phía hạ lưu;
Năm 1961 phòng thí nghiệm xây dựng Tapualispan đối với phần đường
cong phía thượng lưu của mặt cắt tràn dạng WES đã tiến hành thí nghiệm sửa

0.276Hd
0.175Hd

X

O
R3=0.04Hd

n

n-1

X =k.Hd .Y

R2=0.2Hd
R1=0.5Hd

Y

Hình 1-5: Đường cong đầu tràn mặt cắt WES phía thượng lưu có 3 bán kính
Việc phân định loại tràn đập thấp và cao, theo nghiên cứu của Trung
tâm thí nghiệm đường thuỷ của Binh đoàn lục quân Mỹ như sau:
+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị: P < 1,33
Hd

gọi là đập thấp, đập thấp chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần.
+ Khi tỷ số chiều cao đập so với cột nước thiết kế có giá trị: P > 1,33
Hd

gọi là đập cao, đập cao thì không chịu ảnh hưởng của lưu tốc tiến gần.

thay thế sản phẩm nhập ngoại với chất lượng, độ bền tương đương và giá
thành hạ.
Ở Việt Nam, đập cao su đầu tiên đã được xây dựng vào tháng 9/1997 là
đập cao su Ngọc Khô, tỉnh Quảng Nam với quy mô dài 25m cao 2m. Từ đó
đến nay ở nước ta gần hai mươi đập cao su với qui mô và hình thức khác nhau
được xây dựng, đơn cử như:
+ Đập cao su Krông Buk tỉnh Đắc Lắc, dài 50m, cao 2,7m;
+ Đập cao su trên thác Prenn tỉnh Lâm Đồng, dài 20m, cao 2,5m;
+ Đập cao su Đầm Chích tỉnh Kiên Giang, dài 20 m, cao 4 m;


14
+ Đập cao su Nam Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị, dài 140m, cao 2,1m;
+ Đập cao su Sa Cá tỉnh Đồng Nai, dài 15m, cao 1,5m;
+ Đập cao su Ong Kinh tỉnh Ninh Thuận dài 20m, cao 1,5m;
+ Đập cao su Đập Cát tỉnh Bình Định dài 33,6m, cao 2,0m;
+ Đập cao su Lại Giang dài 40m, cao 3,0m;...
Đập cao su hoàn toàn phù hợp với các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên.
(nguồn: Mục Khoa học công nghệ trang điện tử Viện Khoa học TL Việt Nam)
1.5.4. Đập tràn phím đàn
Đập tràn phím piano là một dạng đập tràn có tác dụng tăng lưu lượng
tháo dựa trên nguyên tắc tăng chiều dài đường tràn. Những đập tràn loại này
mới áp dụng ở Việt Nam nên chưa có tiêu chuẩn tính toán. Cho đến nay, các
nghiên cứu về loại đập tràn này chủ yếu đi sâu về mặt thủy lực chứ chưa chú
trọng đến phần tính toán kết cấu. Tràn phím đàn là loại tràn có khả năng tháo
lũ gấp (2 ÷ 5) lần tràn tự do Ophixerov (tùy thuộc vào cách thiết kế chiều dài
đường tràn), tuy nhiên nó có nhược điểm là thi công phức tạp, khó tháo các
vật trôi nổi trên sông. Ở Việt Nam hiện nay đã và đang xây dựng đập tràn
phím piano thuộc dự án thủy điện Đăk Mi 2 (Quảng Nam); Vĩnh Sơn 3 (Bình
Định); Đắc Rông 3 (Quảng Trị); đập dâng Văn Phong (Bình Định); đập tràn

tiếp thu.
Trung Quốc là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú đã
chuyển hướng áp dụng mặt cắt tràn dạng WES từ năm 1975. Sau khi tiếp thu,
ứng dụng, bằng lý luận và kinh nghiệm của mình thông qua nhiều công trình
thực tế và thí nghiệm mô hình đã làm phong phú thêm loại đập tràn mặt cắt
dạng WES. Có thể nêu ra điển hình một số đập tràn mặt cắt WES được xây
dựng ở Trung Quốc sau đây:
+ Đập tràn thủy điện Thạch Tuyến;
+ Đập tràn thủy điện Trấn Hồ Nam;


16
+ Đập tràn thủy điện Yến Đồng Hiệp;
+ Đập tràn thủy điện A Đê Đa;
+ Đập tràn thủy điện Tây Tân;
+ Đập tràn thủy điện Phong Mãn;
+ Đập tràn thủy điện Quách Châu;
+ Đập tràn thủy điện Tam Hiệp;
+ Đập tràn thủy điện Câu Pi Than;…
Ở nước ta, từ năm 1999 đến nay, do yêu cầu cung cấp điện, nước cho
các khu công nghiệp, đô thị và dân sinh kinh tế ..., nhiều công trình thủy lợi,
thủy điện có quy mô lớn đã được thiết kế và xây dựng. Đồng thời, với sự trao
đổi chuyển giao khoa học kỹ thuật qua tư vấn của các chuyên gia nước ngoài
nên đã thiết kế và xây dựng một số đập tràn với mặt cắt dạng WES. Trong số
đó phải kể đến:
+ Đập tràn thủy điện Sơn La;
+ Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt;
+ Đập tràn thủy điện Bình Điền;
+ Đập tràn thủy điện Ba Hạ;
+ Đập tràn thủy điện Sông Tranh II;