Tính toán tiêu năng dòng mặt sau bậc thụt có mũi hất cong và góc hất lớn

Tiêu năng dòng mặt gắn liền với bậc thụt, áp dụng phù hợp cho các công trình ngăn sông có điều kiện địa chất là đá phong hóa vừa đến phong hóa, là hình thức tiêu năng có nhiều ưu điểm: hiệu quả tiêu năng không kém nhiều so với tiêu năng dòng đáy, đạt tới 65% nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn (1/2÷1/5 ) lần, đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau nhỏ, thậm chí trên nền đá không cần làm sân sau.

Các hình thức nối tiếp mặt, mặt đáy hỗn hợp với bậc thụt phẳng góc hất nhỏ (0÷150) đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh, nhưng do nhược điểm không ổn định và có sóng lan truyền dài ở hạ lưu mà ở Việt Nam nó hầu như rất ít được áp dụng.

Trong bài báo này, trình bày phương pháp tính toán tiêu năng dòng phễu là trường hợp mở rộng của nước nhảy mặt đáy hỗn hợp, với các ưu điểm của tiêu năng mặt, nhưng ổn định trong khoảng thay đổi lớn của mực nước hạ lưu và “cắt được” sóng lan truyền ở hạ lưu bởi sự hình thành “3 cuộn, 1 sóng” ở sau bậc thụt có mũi cong góc hất lớn mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

1. MỞ ĐẦU

Công trình tháo có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình đầu mối và lòng dẫn hạ lưu. Nó rất phong phú về thể loại, đa dạng về hình thức kết cấu, được quan tâm đặc biệt của người quản lý, các nhà khoa học và người thiết kế. Trong công trình tháo, bộ phận quan trọng, tốn nhiều công sức nhất là hình thức, kết cấu tiêu năng và nối tiếp thượng hạ lưu.

Công trình tiêu năng là giải pháp công trình được thiết kế nhằm ổn định một hình thức nối tiếp bằng nước nhảy hoặc nối tiếp xiết êm với mong muốn tạo ra một cách ổn định và hiệu quả tiêu năng cao, nhằm đảm bảo an toàn, chống xói lở cục bộ sau công trình, chống phá hủy lòng dẫn.

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu năng là năng lượng thừa được tiêu tán bằng nội ma sát, bằng xáo trộn với không khí, khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang. Các hình thức tiêu năng có liên quan lẫn nhau, khi mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức đó có thể chuyển hóa lẫn nhau

Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là: Tiêu năng phóng xa (gắn với mũi phun tự do); tiêu năng đáy (gắn với bể tiêu năng và nước nhảy đáy); tiêu năng mặt (gắn với bậc thụt và nước nhảy mặt, mặt đáy hỗn hợp); và các hình thức tiêu năng đặc biệt khác như tiêu năng Phễu, tiêu năng bồn.

Tiêu năng hay nối tiếp dòng phễu là trường hợp mở rộng của nước nhảy mặt đáy hỗn hợp, là loại nối tiếp đa xoáy, với khả năng tiêu hao năng lượng lớn, “cắt được” sóng lan truyền ở hạ lưu bởi sự hình thành “3 cuộn, 1 sóng” ở sau bậc thụt có mũi cong góc hất lón, có vận tốc dòng đáy nhỏ [2]. Dòng chảy phễu được tạo ra ở hạ lưu bậc thụt với sự kết hợp của hiện tượng nước nhảy mặt và nối tiếp trong bồn tiêu năng, hay được tạo ra bởi một bậc thụt có chiều cao đủ lớn a/P>0,2, và góc hất lớn hơn 250.

Với những công trình ngăn sông có mực nước hạ lưu cao và thay đổi lớn, điều kiện địa chất không tốt lắm (đá phong hóa vừa đến phong hóa) thì việc ứng dụng hình thức nối tiếp chảy mặt có hiệu quả, nhằm tận dụng chênh cao địa hình để tạo bậc thụt. Việc khai thác tối đa hiệu quả khả năng triệt tiêu năng lượng của dòng chảy bằng chính lớp nước đệm hạ lưu bằng cách tạo ra nhiều xoáy cuộn theo chiều đứng là một hướng đi triển vọng vừa đáp ứng mục đích tiêu hao năng lượng, an toàn công trình và hạ du vừa tiết kiệm kinh phí trong việc xây dựng các công trình tiêu năng kiên cố.

Bài báo trình bày phương pháp, quy trình tính toán tiêu năng dòng phễu sâu bậc thụt cong, có góc hất lớn (250≤q<550) nhằm góp phần bổ sung vào lĩnh vực nhiệm vụ giải pháp tiêu năng dòng mặt truyền thống, đáp ứng, vận dụng, khai thác tối đa điều kiện dòng chảy ở hệ thống sông suối trung du và miền núi, nhằm xây dựng các công trình an toàn, tiết kiệm.

2. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN

A.   Yêu cầu, mục đích và sơ đồ tính toán

B.  Các bước và công thức tính toán

3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN

C.   Giới thiệu về công trình và các thông số tính toán

D.   Xác định các thông số công trình nối tiếp tiêu năng dòng chảy phễu

E.  Tính các thông số thủy lực của dòng chảy phễu

4.  KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cung, nnk.2006. Giáo trình thủy lực tập 1,2,3 Nhà xuất bản Nông nghiệp.

[2]. Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng, Ngô Trí Viềng. 2005. Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thuỷ lợi. NXB KH & KT 1977.

[3]. Nguyễn Quốc Huy, Lê Văn Nghị, Đặc trưng hình dạng của dòng chảy phễu sau bậc thụt có góc hất lớn, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi, tháng 8/2016 và Môi trường số tháng 8/2016.

[4]. Lê Văn Nghị, Nguyễn Quốc Huy, Đoàn Thị Minh Yến, Điều kiện hình thành, chuyển hóa các trạng thái dòng chảy ở hạ lưu công trình dạng bậc thụt có góc hất lớn, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi, số 25, tháng 2/2015.

[5]. Lê Văn Nghị, Nguyễn Quốc Huy, Đoàn Thị Minh Yến, và nnk “Báo cáo “Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý giải pháp công trình tiêu năng, nhằm bảo vệ và chống sạt lở”, thuộc đề tài cấp bộ nghiên cứu chế độ thủy động lực và đề xuất giải pháp ổn định lòng dẫn khu vực quảng huế sông vu gia - thu bồn, Hà Nội, 20115.

[6]. A.J.Peterka (1958), Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators. US Department Interior, Bureau of Reclamation, Engineering Monograph, 25: Denver, Col. (Appeared also as 7th Printing in 1983).

[7]. P.G. Kixelep, A.D Altsul, nnk. 2008. Sổ tay tính toán thủy lực. NXB xây dựng.

[8].  А.А.Каверин (2013), Результаты экспериментальных исследований границ смены режимов течения за уступом, Инженерно-строительный журнал, № 2. C. 62-66.