Nghiên cứu tình hình xâm thực bề mặt dọc nước và mũi phun ở đường tràn xã lũ hồ chứa nước Kẻ Gỗ và biện pháp khắc phục

nghiªn cøu t×nh h×nh x©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun ë ®­êng trµn x¶ lò hå chøa n­íc kÎ gç vµ biÖn ph¸p kh¾c phôc PGS. TS. NguyÔn ChiÕn - Tr­êng §¹i häc Thuû lîi Hµ Néi KS. TrÇn M¹nh C­êng - Cty CPTVXD thñy lîi Hµ TÜnh Tãm t¾t XuÊt ph¸t tõ thùc tÕ x©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun cña ®­êng trµn KÎ Gç, bµi b¸o ®· chØ ra ®­îc nguyªn nh©n h­ háng lµ do khÝ thùc. §¸ng chó ý lµ khÝ thùc ®· xÈy ra khi l­u l­îng x¶ qua trµn cßn nhá h¬n nhiÒu so víi QTK; ®iÒu nµy cho thÊy sù cÇn thiÕt ph¶i ¸p dông c¸c biÖn ph¸p phßng chèng khÝ thùc ®Ó c«ng tr×nh ®­îc an toµn khi lµm viÖc víi QTK. Trong bµi, c¸c biÖn ph¸p phßng khÝ thùc cho trµn KÎ Gç ®· ®­îc t×nh to¸n vµ kiÕn nghÞ. 1. §Æt vÊn ®Ò C«ng tr×nh trµn x¶ lò KÎ Gç ®­îc thiÕt kÕ x©y dùng tõ nh÷ng n¨m 1970 ®Õn n¨m 1979 vµ chÝnh thøc bµn giao ®­a vµo khai th¸c sö dông tõ n¨m 1987, tÇn suÊt lò PTK = 0,5%, l­u l­îng lò thiÕt kÕ QTK = 1080 (m3/s). Trµn gåm cã 2 cöa, chiÒu réng mçi cöa B = 10m; H×nh thøc trµn x¶ s©u, ng­ìng kiÓu ®Ëp trµn thùc dông, ®iÒu tiÕt b»ng cöa van cung. Dèc n­íc vµ mòi phun bè trÝ theo h×nh thøc më réng dÇn, víi gãc më  = 12012`, chiÒu réng ®Çu dèc n­íc 21,5m, cuèi mòi phun 36,5m, chiÒu dµi dèc n­íc 23,5m, chiÒu dµi m¸ng phun 36,5m, chiÒu dµi mòi phun 3m; ®é dèc dèc n­íc vµ m¸ng phun thiÕt kÕ lµ i = 0,10 (h×nh 1). H×nh 1. Nh×n tõ h¹ l­u trµn KÎ Gç Ngoµi trµn x¶ lò chÝnh cßn bè trÝ 2 cöa trµn kÕt hîp víi cèng lÊy n­íc, chiÒu réng mçi cöa BP = 3m, ng­ìng kiÓu thùc dông ®iÒu tiÕt b»ng cöa van cung, víi l­u l­îng thiÕt kÕ QPTK = 296 m3/s. Sau h¬n 20 n¨m khai th¸c sö dông, c«ng tr×nh ®· ph¸t huy tèt c¸c nhiÖm vô ®iÒu tiÕt l­îng n­íc trong hå vµ x¶ l­îng n­íc thõa vÒ c¸c mïa lò. Theo sè liÖu qu¶n lý vÒ l­u l­îng x¶ lò hµng n¨m lín nhÊt lµ 450m3/s, thêi gian duy tr× l­u l­îng ®ît 1 lµ 9 giê vµ ®ît 2 lµ 18 giê vµo n¨m 1989, tiÕp theo lµ c¸c cÊp l­u l­îng 350m3/s, 250m3/s vµ nhá h¬n. Qua ®¸nh gi¸ thùc tÕ th× ë phÇn mòi phun ®· xuÊt hiÖn hiÖn t­îng x©m thùc do khÝ thùc, bÒ mÆt mòi phun t¹o thµnh c¸c lç H×nh 2. KhÝ thùc trªn mÆt mòi phun 1 víi chiÒu s©u tõ 23cm, cã chç lªn tíi 5cm vµ ®· bÞ lé cèt thÐp ra ngoµi (h×nh 2). 2. Nh÷ng luËn ®iÓm c¬ b¶n vÒ khÝ thùc trªn mÆt trµn vµ mòi phun 2.1. HiÖn t­îng khÝ ho¸ KhÝ ho¸ lµ hiÖn t­îng xÈy ra trong chÊt láng khi ¸p suÊt trong ®ã gi¶m ®Õn mét giíi h¹n lµm mÊt ®i tÝnh toµn khèi cña chÊt láng ®ã. Sù b¾t ®Çu cña khÝ ho¸ ®­îc ®Æc tr­ng bëi viÖc xuÊt hiÖn c¸c bät li ti chøa ®Çy khÝ vµ h¬i cña chÊt láng ®ang xÐt. §©y chÝnh lµ hiÖn t­îng s«i cña chÊt láng ë nhiÖt ®é b×nh th­êng khi ¸p suÊt trong ®ã gi¶m ®Õn giíi h¹n. Khi khÝ ho¸ tiÕp tôc ph¸t triÓn, c¸c bät h¬i h×nh thµnh tËp trung trong mét ph¹m vi nhÊt ®Þnh gäi lµ ®uèc khÝ (h×nh 3) víi chiÒu ®­îc dßng ch¶y cuèn theo, ®Õn khu vùc cã ¸p suÊt cao h¬n, chóng sÏ bÞ ph¸ hñy. NÕu sù ph¸ hñy xÈy ra dån dËp ë gÇn thµnh r¾n th× sÏ t¹o ra mét xung lùc lín (h×nh 4) vµ lÆp l¹i nhiÒu lÇn lµm cho vËt liÖu thµnh r¾n bÞ mái dÉn ®Õn ph¸ ho¹i. Vo - + H×nh 4. S¬ ®å lan truyÒn sãng xung kÝch khi ph¸ hñy bät khÝ ë gÇn thµnh r¾n[3]. 2-3. L­u tèc ng­ìng L­u tèc ng­ìng lµ trÞ sè giíi h¹n cña l­u tèc kh«ng g©y ra x©m thùc vËt liÖu ngay c¶ khi dßng ch¶y bÞ khÝ ho¸, ký hiÖu Vng. §©y dµi ®Æc tr­ng lµ L®. L® lµ trÞ sè l­u tèc côc bé cña dßng ch¶y trªn bÒ mÆt vËt liÖu, hay chÝnh x¸c h¬n lµ trªn ®Ønh Vïng x©m thùc c¸c mÊu nh¸m tù nhiªn hay nh©n t¹o tån t¹i trªn bÒ mÆt dèc vµ mòi phun. TrÞ sè cña Vng phô thuéc nhiÒu yÕu tèc H×nh 3. Sù h×nh thµnh ®uèc khÝ khi ch¶y bao quanh bËc låi vµ vïng x©m thùc t­¬ng øng [3] Nh­ vËy ®iÒu kiÖn ®Ó cã khÝ ho¸ trong chÊt lâng lµ[3]: p  pgh ; (1) trong ®ã: p - ¸p suÊt tuyÖt ®èi t¹i ®iÓm xÐt. pgh - trÞ sè ¸p suÊt tuyÖt ®èi giíi h¹n mµ øng víi nã chÊt láng b¾t ®Çu ho¸ khÝ. TrÞ sè pgh phô thuéc vµo lo¹i chÊt láng vµ nhiÖt ®é m«i tr­êng. kh¸c nhau nh­ lo¹i vËt liÖu, h×nh d¸ng vËt ch¶y bao, giai ®o¹n khÝ ho¸, ®é hµm khÝ trong n­íc… §Ó x¸c ®Þnh Vng cho mét lo¹i vËt liÖu x¸c ®Þnh, th­êng dïng ph­¬ng ph¸p thÝ nghiÖm trong phßng, trªn c¸c gi¸ khÝ thùc cã thÓ t¹o ®­îc l­u tèc lín. Ngoµi ra viÖc thu thËp c¸c tµi liÖu vÒ c«ng tr×nh thùc tÕ lµ rÊt quan träng. Rb(MPa) 2.2. HiÖn t­îng khÝ thùc 40 S = 0 Khi khÝ ho¸ ®ñ m¹nh vµ duy tr× mét thêi 30 4% gian nhÊt ®Þnh th× sÏ dÉn ®Õn lµm bong trãc vËt liÖu, ph¸ huû thµnh r¾n. §ã lµ hiÖn t­îng khÝ thùc. Qu¸ tr×nh t¹o nªn khÝ thùc nh­ sau: c¸c bät khÝ ®­îc h×nh thµnh trong khu h¹ ¸p sÏ 2 20 6% S = 8% 10 15 20 25 30 35(m/s) H×nh 5. TrÞ sè Vng cña c¸c lo¹i bª t«ng; S - ®é hµm khÝ trong n­íc[6]. Trªn h×nh 5 tr×nh bµy trÞ sè Vng cña c¸c lo¹i bª t«ng kh¸c nhau phô thuéc ®é hµm khÝ S. 2.4. L­u tèc cho phÐp kh«ng x©m thùc Khi ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng khÝ thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun, ta sö dông kh¸i niÖm l­u tèc cho phÐp kh«ng x©m thùc Vcp (lµ trÞ sè l­u tèc trung b×nh mÆt c¾t mµ øng víi nã, khÝ thùc kh«ng xÈy ra ngay c¶ khi dßng ch¶y bÞ khÝ ho¸ l©u ngµy). TrÞ sè Vcp ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau[3]: Vcp = 1.g ; (2) trong ®ã: Vng - l­u tèc ng­ìng. 1, 2 - hÖ sè, 1 = f(y/Δ), 1 = f(/Δ), tra h×nh (2-10) cña [3]. v - lµ mét hµm sè, v = f(h, B, , Δ). §èi víi m/c ch÷ nhËt, v x¸c ®Þnh nh­ sau [6].   v = 1 (h−)(B−2)+ 2 B+2hln  +2−2ln  −5  ln Δ +3  B - chiÒu réng cña m¸ng phun, m. h - chiÒu s©u cét n­íc trªn m¸ng phun.  - chiÒu dµy líp biªn, phô thuéc vµo vÞ trÝ mÆt c¾t. Δ - chiÒu cao mÊu gå ghÒ. Nh­ vËy trÞ sè Vcp ®­îc x¸c ®Þnh, so s¸nh Vcp víi VTB sÏ kÕt luËn ®­îc lµ t¹i mÆt c¾t ®ang xÐt cã bÞ khÝ thùc hay kh«ng, nÕu ë ®©y tån t¹i c¸c mÊu gå ghÒ côc bé. Ph­¬ng ph¸p nµy cã thÓ gi¶i c¸c bµi to¸n sau: a) KiÓm tra kh¶ n¨ng x©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau khi ®· cho c¸c yÕu tè h×nh häc vµ thñy 3. ph©n tÝch c¸c nguyªn nh©n x©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun trµn KÎ Gç 3.1. X©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc 3.1.1. C¸c ®iÒu kiÖn thùc tÕ a) Gå ghÒ côc bé trªn mÆt dèc n­íc: kÕt qu¶ ®iÒu tra thùc tÕ cho thÊy trªn bÒ mÆt vµ t­êng bªn dèc n­íc trµn KÎ Gç cã rÊt nhiÒu c¸c mÊu gå ghÒ côc bé do qu¸ tr×nh thi c«ng vµ khai th¸c c«ng tr×nh ®Ó l¹i nh­ (c¸c cèt liÖu th«, c¸c chç nèi v¸n khu«n, c¸c ®Çu cèt thÐp nh« ra, chªnh lÖch gi÷a khe lón…). b) Thùc tr¹ng vËt liÖu th©n dèc: m¸c bª t«ng thiÕt kÕ th©n dèc trµn KÎ Gç lµ M20, nh­ng do chÊt l­îng bª t«ng lóc ®æ kh«ng ®­îc tuyÖt ®èi ®óng nh­ thiÕt kÕ, mÆt kh¸c do sù tho¸i ho¸ vËt liÖu theo thêi gian, nªn c­êng ®é bª t«ng hiÖn t¹i nhá h¬n so víi thiÕt kÕ, b»ng ph­¬ng ph¸p kiÓm tra b¾n sóng bËt nÈy t¹i hiÖn tr­êng c«ng tr×nh chóng t«i x¸c ®Þnh ®­îc m¸c bª t«ng thùc tÕ tõ M16,5M17,0. 3.1.2. TÝnh to¸n kiÓm tra kh¶ n¨ng khÝ thùc trªn dèc n­íc B»ng ph­¬ng ph¸p sö dông l­u tèc cho phÐp kh«ng x©m thùc, víi c¸c ®iÒu kiÖn thñy lùc t¹i mÆt c¾t cuèi dèc, mÊu gå ghÒ côc bé lín nhÊt 30mm, x¸c ®Þnh ®­îc c¸c chØ tiªu ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng x©m thùc nh­ b¶ng 1. B¶ng 1. TrÞ sè l­u tèc trung b×nh vµ l­u tèc cho phÐp t¹i mÆt c¾t cuèi m¸ng phun. TT (m3/s) h (m) v (m/s) (m/s) 1 1080 1,827 0,953 14,22 16,65 2 810 1,441 0,942 14,06 15,84 lùc trªn ®ã. b) X¸c ®Þnh ®é gå ghÒ côc bé cho phÐp trªn bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun cã c¸c ®Æc tr­ng h×nh häc vµ thñy lùc ®· biÕt. 3 720 1,305 4 540 1,035 5 450 0,894 6 350 0,732 7 270 0,602 0,937 13,99 15,55 0,923 13,77 14,70 0,912 13,61 14,18 0,897 13,39 13,46 0,898 13,41 12,64 3 KÕt qu¶ tÝnh to¸n víi bª t«ng mÆt m¸ng phun M16,5 cho thÊy mÆt m¸ng phun bÞ ph¸ ho¹i do khÝ thùc t¹i c¸c vÞ trÝ cã c¸c mÊu gå ghÒ côc bé víi Δ = 30mm, khi trµn th¸o víi l­u l­îng Q = 450m3/s[2]. TrÞ sè l­u l­îng nµy ®· diÔn ra trong thùc tÕ vµ mÆt m¸ng phun trµn KÎ Gç. §iÒu ®¸ng nãi lµ trÞ sè l­u l­îng nµy cßn nhá h¬n nhiÒu so víi l­u l­îng thiÕt kÕ. VËy khi l­u l­îng ®¹t QTK th× møc ®é ph¸ hñy h¼n cßn d÷ déi h¬n nhiÒu. H§T - cét n­íc ¸p lùc toµn phÇn ®Æc tr­ng cña dßng ch¶y bao quanh mÊu gå ghÒ ®ang xÐt. V§T - l­u tèc trung b×nh thêi gian ®Æc tr­ng cña dßng ch¶y t¹i mÊu gå ghÒ ®ang xÐt. g - gia tèc träng tr­êng. Ta cã kÕt qu¶ tÝnh to¸n nh­ b¶ng 2. B¶ng 2. HÖ sè khÝ ho¸ hiÖn t¹i (K) vµ hÖ sè khÝ ho¸ ph©n giíi cña mòi phun trµn KÎ Gç. §©y lµ mét ®iÒu c¶nh b¸o quan träng, cho thÊy yªu cÇu ph¶i cã mét sù nghiªn cøu ®Çy ®ñ vµ cã hÖ thèng h¬n ®Ó cã biÖn ph¸p thÝch hîp ®Ò phßng sù ph¸ ho¹i c«ng tr×nh. 3.2. X©m thùc bÒ mÆt mòi phun 3.2.1. C¸c ®iÒu kiÖn thùc tÕ BÒ mÆt mòi phun còng t­¬ng tù nh­ bÒ mÆt dèc n­íc, hiÖn t¹i cã rÊt nhiÒu c¸c mÊu TT 1 2 3 4 5 6 7 Q (m3/s) 1080 810 720 540 450 350 270 h (m) 1,827 1,441 1,305 1,035 0,894 0,732 0,602 V§T (m/s) 16,65 15,84 14,70 14,70 14,18 13,46 12,60 K Kpg 0,83 0,68 0,88 0,68 1,01 0,68 0,99 0,68 1,05 0,68 1,15 0,68 1,30 0,68 gå ghÒ côc bé do qu¸ tr×nh thi c«ng vµ sù bµo mßn bª t«ng ®Ó l¹i nh­ c¸c cèt liÖu th« nh« lªn, m¸c bª t«ng hiÖn t¹i kiÓm tra tõ M16,5  M17,0. 3.2.2. TÝnh to¸n kh¶ n¨ng khÝ thùc bÒ mÆt mòi phun Mè mòi phun ®­îc bè trÝ ë cuèi m¸ng phun ®Ó ph©n t¸n dßng ch¶y khi ra khái mòi phun. §iÒu kiÖn ch¶y bao cña c¸c mè phun th­êng lµ kh«ng thuËn vµ do ®ã khi l­u tèc lín th× xuÊt hiÖn khÝ thùc. Sö dông ®iÒu kiÖn khÝ ho¸: K  Kpg; (3) trong ®ã: Kpg - hÖ sè khÝ ho¸ ®Æc tr­ng cho vËt ch¶y bao. K - hÖ sè khÝ ho¸, ®­îc x¸c ®Þnh theo: H§T −Hpg V§T /2g Hpg - cét n­íc toµn phÇn ph©n giíi cña n­íc thay ®æi theo nhiÖt ®é. 4 Víi h×nh d¹ng kÝch th­íc mòi phun vµ c¸c yÕu tè thñy lùc ®· x¸c ®Þnh, qua kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy ch­a cã hiÖn t­îng khÝ ho¸ xÈy ra, nh­ng trong thùc tÕ mòi phun trµn KÎ Gç ®· bÞ x©m thùc m·nh liÖt, phÇn cèt thÐp mòi phun ®· lé h¼n ra ngoµi (h×nh 2). §iÒu nµy ®· nãi lªn trong tr­êng hîp nµy chÊt l­îng bª t«ng quyÕt ®Þnh ®Õn vÊn ®Ò x©m thùc do khÝ thùc cña mòi phun trµn KÎ Gç. 4. Gi¶i ph¸p kh¾c phôc §èi víi trµn KÎ Gç, biÖn ph¸p phßng vµ chèng khÝ thùc ph¶i ®­îc xem xÐt trªn c«ng tr×nh ®· cã. Râ rµng rÊt khã cã thÓ thay ®æi bÒ réng hay ®é dèc cña dèc n­íc hay bè trÝ l¹i mòi phun.v.v… BiÖn ph¸p kh¶ thi chØ cã thÓ lµ gia cè mÆt trµn vµ bè trÝ thiÕt bÞ trén khÝ trªn ®ã, còng dÔ thÊy lµ biÖn ph¸p gia cè mÆt trµn th«ng th­êng sÏ ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu so víi tr­êng hîp ®Æt thiÕt bÞ trén khÝ trªn dèc. V× vËy sau ®©y ­u tiªn xem xÐt ph­¬ng ¸n gia cè mÆt trµn bao gåm viÖc bäc líp bª t«ng m¸c cao vµ khèng chÕ ®é gå ghÒ côc bé trªn mÆt dèc n­íc vµ m¸ng phun. Víi c¸c th«ng sè thñy lùc trµn x¶ lò KÎ thiÕt ph¶i nghiªn cøu, ph©n tÝch nguyªn nh©n x©m thùc vµ t×m ra gi¶i ph¸p kh¾c phôc ®Ó ®¶m b¶o tÝnh an toµn cho c«ng tr×nh khi lµm viÖc víi l­u l­¬ng thiÕt kÕ. Gç ®· x¸c ®Þnh, øng víi l­u l­îng 5.2. ViÖc nghiªn cøu thùc tÕ tÝnh to¸n Qmax=1080m3/s, ®é nh¸m trung b×nh bÒ mÆt Δ=0,6mm. T¹i mçi mÆt c¾t x¸c ®Þnh, khèng chÕ l­u tèc cho phÐp vcp = vtb; tõ c¸c th«ng sè thñy lùc trªn mÆt c¾t, x¸c ®Þnh ®­îc v, 2, tõ h×nh (2.10) cña [3] x¸c ®Þnh ®­îc: 1 =  v .vng 2 ; (5)  2 cp  (TÝnh to¸n víi m¸c bª t«ng M200, lÊy vng = 13,2m/s; øng víi S = 0)[6]. Tõ biÓu ®å quan hÖ 1 = f(y/Δ) h×nh (2.10) cña [3] x¸c ®Þnh ®­îc y/Δ, tõ ®ã: Zm =  y −1.Δ; (6) KÕt qu¶ tÝnh to¸n cô thÓ ghi ë b¶ng (3). T L B h Vtb y Zm T (m) (m) (m) (m/s) Δ (m) 1 0 10,500 4,261 12,07 5 0,002 2 6 11,225 3,733 12,89 163 0,097 kiÓm tra chØ ra r»ng nguyªn nh©n g©y x©m thùc mÆt trµn lµ do x©m thùc trong ®iÒu kiÖn bÒ mÆt c¸c gå ghÒ côc bé v­ît qu¸ møc cho phÐp vµ vËt liÖu th©n dèc cã c­êng ®é thÊp h¬n so víi m¸c bª t«ng khèng chÕ trong thiÕt kÕ. 5.3. Gi¶i ph¸p hîp lý ®Ó phßng khÝ thùc cho bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi phun cña trµn KÎ Gç hiÖn nay lµ gia cè mÆt ®¸y b»ng mét líp bª t«ng cèt thÐp M20 trë lªn, ®ång thêi cÇn khèng chÕ bÒ mÆt kh«ng cã c¸c gå ghÒ côc bé cao qu¸ 50mm. tµi liÖu tham kh¶o [1]. Hå s¬ thiÕt kÕ C«ng tr×nh Hå chøa n­íc KÎ Gç - Hµ TÜnh. ViÖn thiÕt kÕ Thñy lîi, Thñy ®iÖn - Phßng thiÕt kÕ thñy c«ng 2, 1970. [2]. Sè liÖu qu¶n lý C«ng tr×nh Hå chøa n­íc KÎ Gç - Hµ TÜnh. C«ng ty qu¶n lý vµ 3 12 11,950 3,336 13,55 185 0,110 4 18 12,675 3,020 14,11 183 0,109 5 24 13,400 2,760 14,60 181 0,108 6 30 14,125 2,543 15,03 165 0,098 7 36 14,850 2,358 15,42 149 0,089 8 42 15,575 2,198 15,78 137 0,082 9 48 16,300 2,058 16,10 121 0,072 10 54 17,025 1,936 16,39 107 0,064 11 60 17,750 1,827 16,65 86 0,051 khai th¸c c«ng tr×nh thñy lîi KÎ Gç Hµ TÜnh. [3]. NguyÔn ChiÕn. TÝnh to¸n khÝ thùc c¸c c«ng tr×nh thñy lîi. Nhµ xuÊt b¶n X©y Dùng. Hµ néi 2003. [4]. Ng« TrÝ ViÒng, NguyÔn ChiÕn & nnk. Sæ tay kü thuËt thñy lîi - PhÇn II, tËp II. NXB N«ng nghiÖp. Hµ néi 2004. [5]. TÝnh to¸n thñy lùc c¸c c«ng tr×nh 5. kÕt luËn th¸o n­íc - Sæ tay chuyªn ngµnh (b¶n tiÕng 5.1. X©m thùc bÒ mÆt dèc n­íc vµ mòi Nga). NXB N¨ng l­îng nguyªn tö. phun ë trµn KÎ Gç lµ mét thùc tÕ ®ang tån t¹i, mÆc dï l­u l­îng x¶ qua trµn trong Matxc¬va 1988. [6]. Cavitation in Chutes and Spillways. nh÷ng n¨m qua cßn nhá h¬n nhiÒu so víi l­u United States Department of the interior l­¬ng thiÕt kÕ. §iÒu nµy cho thÊy sù cÇn Bureau of Reclamation, 1990. 5 ... - tailieumienphi.vn