LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm.
Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ
nguồn thông tin nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này.
Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2016
Học viên cao học

Phạm Thanh Bình

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian dài làm luận văn, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân cùng
với sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng đào tạo đại học & sau đại học, khoa Công
trình, các thầy cô giáo trường Đại học Thủy Lợi, Phòng thí nghiệm trọng điểm
Quốc gia về động lực học Sông biển – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, và đặc
biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Ngọc Nam tác giả đã hoàn thành luận
văn tốt nghiệp của mình với đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả
năng tháo của đập tràn xả lũ Bản Mòng – tỉnh Sơn La”.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS.
Nguyễn Ngọc Nam đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng khoa học đã
đóng góp những ý kiến, những lời khuyên quý giá cho luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Quy hoạch thủy lợi (nơi tác giả làm
việc) đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ, động
viên, khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

1.5.4. Tường cánh trước ngưỡng tràn. ........................................................................... 26
1.5.5. Trụ pin. ................................................................................................................ 27
1.6. Đánh giá bình luận các kết quả nghiên cứu ............................................................ 28
1.7. Nhận xét chương 1.................................................................................................. 29
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG
THÁO CỦA ĐẬP TRÀN XẢ LŨ BẢN MÒNG – TỈNH SƠN LA. NGHIÊN CỨU
THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC. ..................................................................31
2.1. Giới thiệu về công trình Bản Mòng ........................................................................ 31
2.1.1. Vị trí địa lý. .......................................................................................................... 31
2.1.2. Điều kiện địa hình, địa chất công trình. .............................................................. 31
2.1.3. Điều kiện khí tượng và thủy văn công trình. ....................................................... 32
2.1.4. Nhiệm vụ của dự án:............................................................................................ 34
2.1.5. Những thông số kỹ thuật cơ bản của công trình. ................................................. 34
2.2. Phân tích hình dạng cửa vào đập tràn xả lũ Bản Mòng ảnh hưởng đến khả năng
tháo lũ ............................................................................................................................ 37
2.2.1 Ảnh hưởng của dạng biên cửa vào tràn đến khả năng tháo .................................. 37
2.2.2. Ảnh hưởng hình dạng ngưỡng tràn Bản Mòng đến khả năng tháo .................... 39
2.2.3. Điểm đặt rãnh van cung và rãnh khe phai trên mặt đập tràn. .............................. 40
2.2.4. Kích thước bề dày và hình dạng đầu trụ pin. ...................................................... 41
2.2.5. Loại và hình dạng cửa van................................................................................... 41
2.2.6. Bề rộng mỗi khoang tràn và cột nước tràn. ......................................................... 42
2.3. Áp dụng lý thuyết đường cong e líp để xác định biên đoạn chuyển tiếp cửa vào
phía bờ phải tràn xả lũ Bản Mòng ................................................................................. 42
2.4. Phân tích nghiên cứu thay đổi bề rộng tràn phù hợp cho tràn xả lũ Bản Mòng ..... 44
2.5. Khái quát về mô hình thí nghiệm thủy lực ............................................................. 44
iii


2.5.1. Lý thuyết tương tự ............................................................................................... 44
2.5.2. Các tiêu chuẩn tương tự ...................................................................................... 47



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Đập tràn thành mỏng .......................................................................................3
Hình 1. 2 Đập tràn đỉnh rộng ...........................................................................................4
Hình 1. 3 Đập tràn mặt cắt thực dụng .............................................................................4
Hình 1. 4 Đập tràn dạng hình thang ................................................................................4
Hình 1. 5 Mặt cắt đập tràn chân không ...........................................................................5
Hình 1. 6 Mặt cắt đập tràn không chân không ................................................................5
Hình 1. 7 Sơ đồ thủy lực mặt tràn ...................................................................................7
Hình 1. 8 Hai dạng mặt cắt đầu tràn Cơrigiơ - Ôphixêrốp .............................................7
Hình 1. 9 Đập tràn chảy tự do, co hẹp bên . ....................................................................7
Hình 1. 10 Đập tràn xả nước dưới cửa van ....................................................................8
Hình 1. 11 Mô hình đầu mối hồ chứa Nước Trong ......................................................14
Hình 1. 12 Hình ảnh thi công hạng mục đập tràn thủy điện Tuyên Quang ..................17
Hình 1. 13 Khả năng xả đập tràn mặt cắt hình thang ...................................................20
Hình 1. 14 Mặt bằng đập tràn ngưỡng răng cưa kiều truyển thống .............................20
Hình 1. 15 Đập tràn phím “ Piano” ...............................................................................21
Hình 1. 16 Đồ thị so sánh khả năng xả của đập tràn kiểu Cơrigiơ Ôphixêrốp và kiểu
PKA với H = 4m ...........................................................................................................22
Hình 1. 17 Ngưỡng tràn kiểu Cơrigiơ và ngưỡngtràn kiểu PKA với H = 4m .............22
Hình 1. 18 Đập tràn răng cưa kiểu phím “Piano”..........................................................22
Hình 1. 19 Đập bố trí ở lòng sông - Công trình thuỷ điện Yên Sơn ............................23
Hình 1. 20 Đập bố trí bên bờ - Mô hình đầu mối thủy điện Sơn La ............................24
Hình 1. 21 Mặt cắt đập tràn có cửa van ........................................................................25
Hình 1. 22 Các loại tường cánh trước ngưỡng tràn. ......................................................26
Hình 1. 23 Bờ kênh dạng đường dòng .........................................................................26
Hình 1. 24 Các hình thức trụ pin ..................................................................................27
Hình 2. 1 Mặt bằng bố trí đập tràn Bản Mòng .............................................................38
Hình 2. 2 Mặt cắt ngang đại diện đập tràn Bản Mòng .................................................39

Bảng 2. 10 Xác định khả năng xả qua tràn – Phương án sửa đổi.................................. 66
Bảng 2. 11 Lưu lượng xả khi vận hành cửa van có 2 cửa bên với độ mở a khác nhau 68
Bảng 3. 1 Kết quả tính toán theo công thức thực nghiệm. ............................................ 81
Bảng 3. 2 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm – Phương án thiết kế. .................. 81
Bảng 3. 3 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm – Phương án sửa đổi. .................. 81
Bảng 3. 4 Kết quả tính toán theo số liệu thí nghiệm. .................................................... 82
Bảng 3. 5 Kết quả tính toán theo công thức thực nghiệm. ............................................ 83

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Công trình tháo là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong đầu mối các công trình
thủy lợi, thủy điện. Nghiên cứu công trình tháo nhằm cải thiện tình hình làm việc của
bản thân công trình cũng như để hạn chế ảnh hưởng của dòng chảy qua nó tới các công
trình khác luôn là những vấn đề khoa học mang tính thời sự, có ý nghĩa thực tiễn cao.
Tài liệu tổng kết trong xây dựng các công trình thủy lực, thủy điện cho thấy tỷ trọng
giá thành xây dựng của công trình tháo lũ, nhất là đập tràn xả lũ chiếm một tỷ lệ khá
lớn trong tổng giá thành xây dựng công trình. Do vậy, công trình tháo lũ, đặc biệt là
đập tràn xả lũ giữ vị trí rất quan trọng về kinh tế, kỹ thuật đồng thời có ý nghĩa quyết
định đến hiệu quả khai thác và đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình đầu mối và
vùng hạ du, nơi thường là khu vực trọng yếu của quốc gia về dân sinh, kinh tế, chính
trị văn hóa, quốc phòng .v.v.
Cho đến nay, việc nghiên cứu về đập tràn xả lũ trên thế giới cũng như ở Việt Nam vẫn
còn nhiều vấn đề phải quan tâm nhất là vấn đề khả năng tháo của đập tràn nhằm hoàn
thiện những cơ sở lý luận trong khoa học tính toán kinh tế, kỹ thuật các công trình.
Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả năng tháo của đập tràn xả lũ
Bản Mòng – tỉnh Sơn La” là rất cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như
thực tiễn trong thiết kế, xây dựng công trình.

 Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tháo của đập tràn xả lũ Bản
Mòng – tỉnh Sơn La.
 Đề xuất ứng dụng hình dạng cửa vào theo lý thuyết đường cong elip.
 Đề xuất thay đổi kích thước bề rộng tràn phù hợp cho đập tràn xả lũ Bản Mòng –
tỉnh Sơn La.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG THÁO CỦA ĐẬP TRÀN
THỰC DỤNG.
1.1. Tổng quan về nghiên cứu phát triển đập tràn thực dụng ở nước ngoài
Quá trình nghiên cứu hình dạng mặt cắt đập tràn đã trải qua một thời gian dài: từ
nghiên cứu đập tràn thành mỏng sắc cạnh dần dần sửa đổi để hình thành mặt cắt đập
tràn thực dụng ngày nay.
Theo chiều dày đỉnh đập tràn để phân loại thì đập tràn chia làm ba loại là:
1.1.1. Đập tràn thành mỏng.
Khi chiều dày của đỉnh đập < 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
1.1.2. Đập tràn đỉnh rộng.
Khi đỉnh đập nằm ngang và có một chiều dày tương đối lớn (2  3)H < < (8  10)H,
trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất thay đổi dần. Nếu chiều dày
đỉnh đập quá lớn > (8  10)H thì không thể coi là đập tràn nữa mà coi như một đoạn
kênh dẫn.

3


a

C

Dạng đập tràn thực dụng mặt cắt có chân không (như hình 1.5)

Hình 1. 5 Mặt cắt đập tràn chân không
và dạng đập tràn thực dụng mặt cắt không chân không (như hình 1.6)





Hình 1. 6 Mặt cắt đập tràn không chân không
Đối với loại mặt cắt đập tràn thực dụng phi chân không dòng chảy trên mặt đập có áp
suất dọc theo mặt đập thường là dương. Còn mặt cắt đập tràn thực dụng có chân không
5


thì trên đỉnh mặt đập thường có áp suất chân không, khi chân không lớn có thể sinh ra
hiện tượng khí thực nên bê tông mặt đập bị xâm thực.
Hệ số lưu lượng của dạng mặt cắt đập tràn có chân không lớn hơn mặt cắt đập tràn
không chân không khoảng 7 - 10%. Để đảm bảo an toàn cho công trình, tránh hiện
tượng khí thực người ta không cho phép trị số áp suất chân không trên mặt tràn quá
lớn, thường nhỏ hơn áp suất âm cho phép. Theo quy phạm Thiết kế đập tràn của nước
ngoài thì phạm vi cột nước chân không là: (-6,0  -3,0 m cột nước).
1.2.1.1. Về phương pháp thiết kế mặt cắt tràn dạng Ôphixêrốp đã được chỉ dẫn rõ
trong cuốn “Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi” [1].
Khi vẽ được đường cong mặt hạ lưu đập tràn Ôphixêrốp, để nối tiếp với bể tiêu năng
hoặc mũi hắt cuối tràn; bán kính cong nối tiếp R khi cột nước trên đỉnh tràn lớn thì:

Đã được các nhà thủy lực Liên Xô cũ nghiên cứu cho kết quả như sau đối với hai dạng
mặt cắt A và B (hình 1.8)

45

MÆt c¾t A

a

m = 0.49

MÆt c¾t B
m = 0.48

Hình 1. 8 Hai dạng mặt cắt đầu tràn Cơrigiơ - Ôphixêrốp
Với hai dạng mặt cắt đập tràn nêu trên A và B các tác giả Liên xô cũ đã đưa ra công
thức tính khả năng xả đập tràn thực dụng mặt cong như sau:
Trong thực tế các loại đập hình cong thường được chia thành nhiều khoang bởi các mố
trụ, dòng chảy tràn bị co hẹp bên; nên công thức tính lưu lượng là:
Q   n m b 2 g H o3/ 2

(1.3)

Hình 1. 9 Đập tràn chảy tự do, co hẹp bên
7


Khi đập làm việc trong chế độ chảy không ngập thì công thức tính lưu lượng sẽ là:
Q   m b 2 g H o3/ 2


Vo2
2g

: Hệ số co hẹp đứng.
a: Độ mở của cửa van (m).
8

(m)


Bảng 1. 1 Tham số đường cong mặt tràn
Độ dốc mặt
K

n

R1

a

R2

b

3:0

2,00

1,850


0,115Hd

0,22Hd

0,214Hd

3:3

1,873

1,776

0,45Hd

0,119Hd

thượng lưu

y
x

1.2.2. Đập tràn mặt cắt dạng WES.
1.2.2.1. Xác định dạng mặt cắt WES.
Theo WES thì đường cong trên mặt đập tràn chia thành 2 phần:
Đường cong phía thượng lưu đỉnh tràn, chính dạng đường cong đầu tràn phía thượng
lưu là phần ảnh hưởng tới khả năng tháo của đập tràn (thể hiện qua hệ số lưu lượng).
Đường cong phía hạ lưu đỉnh tràn không ảnh hưởng tới khả năng tháo nhưng ảnh
hưởng tới khối lượng xây dựng và phân bố áp suất trên mặt đập tràn. Dưới đây xin tóm
tắt trình bày các kết quả mà các nhà thuỷ lực Mỹ cũng như Trung Quốc đã đạt được.
Muốn vẽ đường cong mặt tràn thực dụng dạng WES phía hạ lưu ta dựa theo công thức:

(Hiện nay thường tính theo hai công thức)
- Công thức của Mỹ:
Qxả = C.Le.Ho3/2 (feet3/sec)

(1.7)

Trong đó:
Le : Chiều rộng tràn nước hữu dụng (feet)
C: Hệ số lưu lượng: C  0,327  0, 40

H
P

(1.8)

Ho : Cột nước tác dụng trên đỉnh đập tràn (feet)
P : Chiều cao đập phía thượng lưu (feet)
Theo Rouse, công thức trên đối với C vốn dùng cho

H
H
=5, có thể mở rộng đến
=10
P
P

(gần đúng).
Khi

H

H 
H
C
 f ( o ) . Nói chung: C  3,97  o 
Cd
Hd
 Hd 

0,12

- Công thức của Trung Quốc:
Qua quá trình nghiên cứu ứng dụng đập tràn dạng WES các nhà thuỷ lực Trung Quốc
đã đề nghị:

Qxa  C * .m. . n .B 2 g .H o3/ 2

(1.10)

Khi dùng công thức của Trung Quốc thì hệ thống đơn vị tính theo hệ đơn vị quốc tế
(không dùng hệ đơn vị Anh - Mỹ).
Trong đó:
Qxả : Lưu lượng qua tràn (m3/sec).
B : Chiều rộng tràn (m)
Ho : Cột nước tác dụng (m).
Đối với đập cao dạng WES thì đặc tính thuỷ lực của nó là hệ số lưu lượng m chỉ có
quan hệ với

H
P
mà không còn chịu ảnh hưởng của

một phần tạo đầu nước phát điện.
Qua kết quả thí nghiệm hệ số lưu lượng m chỉ là 0,42  0,44; cột nước lũ trên đỉnh tràn
không lớn chỉ 4  6m; đây là các công trình được xây dựng dưới thời bao cấp, nền kinh
tế của nước ta còn chưa chuyển mình. Để thoát khỏi lạc hậu Đảng và Nhà nước ta đã
thực hiện đường lối mở cửa nhằm đưa nước ta từ một nước nông nghiệp dần dần trở
12


thành một nước công nghiệp. Vì lẽ đó nước ta đã đi vào nghiên cứu xây dựng các công
trình thủy lợi – thủy điện lớn, đập tràn có cột nước cao như thủy điện Sông Hinh, đập
tràn thủy điện Yaly, đập tràn hồ chứa nước Tân Giang, đập tràn thủy điện Hòa Bình;
mà chiều cao đập chính từ 60  120m; dung tích hồ chứa từ 500 triệu đến hàng tỷ m3
nước vừa kết hợp chống lũ, phát điện và nuôi trồng thủy sản phát triển giao thông thủy
phù hợp với phương châm tổng hợp lợi dụng nguồn nước.
Qua kết quả thí nghiệm mô hình hệ số lưu lượng m là từ 0,43  0,47 với lưu lượng xả
lũ từ 5.000m3/s đến 37.000m3/s. Để vận hành linh hoạt trên mặt đập tràn 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.
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;
Giá trị hệ số lưu lượng của các công trình trên qua kết quả thí nghiệm mô hình thì hệ
số m đạt được theo kết quả thí nghiệm mô hình.
Kết quả thí nghiệm hồ chứa Nước Trong ở Bảng 1.2

0,4526

2

6728,0 129,78

14,28

14940,88

0,4503

3

6515,0 129,48

13,98

14472,53

0,4501

4

6120,0 128,93

13,43

13626,92


0,4165

8

1000,0 119,80

4,30

2468,80

0,4051

Ghi chú

Cao độ ngưỡng tràn là
115,50m
m hệ số lưu lượng đã
xét tới co hẹp bên.
(chảy tự do)
Tràn dạng mặt cắt
WES, có 5 khoang cửa,
kích thước mỗi khoang
BxH=12,5x14m

Từ kết quả thí nghiệm thu được trong bảng 1.2 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.

MH m/c

hẹp

Thể m’

m’

1

3910,22

517,17

465,73

18,17

0,8989

0,462

0,476

2

3337,46

515,63


513,26

460,24

11,26

0,9249

0,440

0,453

5

2118,13

512,29

459,85

10,29

0,9314

0,433

0,448

6


Vo (m)

Ho (m)

hệ số m

1

4446,0

85,14

12,14

1,24

12,22

0,470

2

4044,0

84,46

11,46

1,24


0,457

5

2716,0

82,00

9,00

0,80

9,03

0,452

6

1500,0

79,25

6,25

0,46

6,26

0,432



Ho (m)

hệ số m

1

13520

121,33

23,81

3,19

24,33

0,462

2

11460

119,05

21,57

3,01

22,05


5

6530

112,0

14,84

1,77

15,00

0,461

6

5450

110,0

12,92

1,25

13,00

0,470

16

0,452

17,85

0,24

18,09

0,448

16,15

0,21

16,36

0,446

72,03

15,15

0,19

15,34

0,445

112,5



9670,0

123,25

2

9160,0

122,70

3

7838,0

121,0

4

7115,0

120,0

5

2430,0

6

1635,0

TT

Qxả (m3/s)

H (m)

Zh (m)

H o2 (m)

m’

1

1291

4,60

4,80

10,516

0,426

2

1050

4,08


5

300

1,87

1,87

2,557

0,407

Còn công trình đập Ngòi Nhì là loại đập dâng không có cửa, thuộc dạng đập thấp nên
hệ số m nhỏ.

18


Bảng 1. 8 Khả năng xả của đập Bản Chát (dạng mặt cắt Ôphixêrốp)
STT

Qxả (m3/s)

Zh (m)

m

1

9786


4557

471,60

0,434

6

3642

470,00

0,433

7

3440

469,65

0,432

Bảng 1. 9 Xác định khả năng xả tràn mặt của thủy điện A Lưới (dạng mặt cắt
Ôphixêrốp)
TT

Qxả (m3/s)

Zhồ (m)


3

4141

552,42

531,40

13,92

0,409

4

2945

549,98

529,50

11,48

0,395

5

2433

548,65