Một vài ý kiến về công trình dẫn dòng thi công dạng bậc nước - Vũ Thanh Te

Nội dung text: Một vài ý kiến về công trình dẫn dòng thi công dạng bậc nước - Vũ Thanh Te

1. Một vài ý kiến về công trình dẫn dòng thi công dạng bậc nước Vũ Thanh Te Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện lớn thời gian dẫn dòng thi công kéo dài vài ba năm; do đó khi xả lưu lượng dẫn dòng thi công vào mùa lũ qua cống hay tuy nen sẽ rất tốn kém. Vì vậy, một số nước đã nghiên cứu và áp dụng vào xây dựng công trình biện pháp dẫn dòng thi công là xả lũ thi công qua đập xây dở dạng bậc nước. Bài viết nêu một số ý kiến về vấn đề bậc nước thảm rọ đá. I. Đặt vấn đề: II. Nội dung nghiên cứu Trước đây trên các đoạn sông đi qua chỗ địa 1. Chế độ thủy lực trên bậc nước hình thay đổi đột ngột từ cao xuống thấp phải Chế độ thủy lực từ đỉnh đập đá đổ đắp dở làm công trình chuyển tiếp. Nhiệm vụ của công chảy qua các bậc xuống chân đập có thể được trình là tiêu hao năng lượng của dòng chảy; coi là sự hình thành của nhiều bậc nước liên tiếp tránh xói lở hạ lưu. Trong trường hợp này có dòng chảy rơi tự do như hình 1. thường làm công trình chuyển tiếp dạng bậc Nuớc nhảy Dòng êm nước. Với những công trình vĩnh cửu như đập Dòng xiết Bái Thượng, đã dùng vật liệu bằng bê tông dạng hpg hđ bậc nước, độ cao của các bậc nước có thể chọn k chênh cao h của các bậc từ 0.40m1.0m. h''c hpg hc Gần đây đối với những công trình xả lũ thi công dẫn dòng qua đập đá đổ đắp dở, vì loại L công trình này là loại công trình dẫn dòng tạm thời nên một số nơi cũng đã áp dụng rọ thép bỏ Hình 1. Chế độ thủy lực trên bậc nước đá theo dạng bậc nước tạo thành hình thức Trường hợp bậc nước bằng các rọ thép bỏ đá chuyển tiếp dòng chảy để thực hiện nhiệm vụ có phần bậc nhô đủ rộng thì dòng chảy từ mỗi của công trình là tiêu hao năng lượng của dòng bậc phun xuống bậc kế tiếp tạo thành dạng mũi chảy, giảm thiểu năng lực xói lở, như: đập đá đổ phun có góc hắt = 0, sau dòng phun có nước Tân Hoa, Thiên Sinh Kiều, Liên Hoa ở Trung nhảy. Khi đó mái hạ lưu đập đá đổ có thể coi là một hệ thống các bậc nước hoàn chỉnh liên tiếp Quốc, đập Sa Na ở úc nhau. Nếu bậc không đủ rộng để có thể gói trọn Như vậy, với dạng mái đập có hình thức bậc cả dòng rơi và nước nhảy thì dòng chảy sẽ đổ từ nước nhằm chuyển tiếp dòng chảy từ thượng lưu bậc nọ xuống bậc kia thành các cung cong liên xuống hạ lưu, năng lượng của dòng chảy được tiếp, nếu bậc ngắn thì dòng chảy vượt qua cả tiêu hao trên các bậc nước để năng lượng dòng mũi bậc và đổ xuống bậc kế tiếp. Từ tính chất chảy đến bậc cuối cùng được giảm thiểu không thủy lực này khi thiết kế bậc có chiều cao đã gây xói lở hạ lưu. Mức độ và hiệu quả tiêu năng định [ h=a(m)] thì chiều dài mỗi rọ thép phải có trên từng bậc nước phụ thuộc vào hình thức kết kích thước nhất định, chiều dài đó là: cấu và độ dốc của đáy bên. Do đó cần chọn kết Lrọ = L1 + L2 + L3 (1) cấu như thế nào cho hợp lý. Lrọ - Chiều dài cần thiết của rọ thép (m) 31
2. L1 - Chiều dài gối vào bên trong thân đập (m) khí, một phần tiêu hao do dòng phun va đập với L2 - Chiều dài tạo ra bậc nước, hứng được mặt rọ đá và một phần tiêu hao do nước nhảy ở dòng rơi từ bậc phía trên đổ xuống (m) trên bậc (trường hợp bậc rọ đá đủ dài). L3 - Chiều dài để dòng chảy sinh nước nhảy Trường hợp chiều cao chênh lệch giữa đỉnh trên bậc nước đập đá đổ với đáy lòng sông hạ lưu lớn, nếu mỗi Qua nghiên cứu thí nghiệm mô hình để bậc bậc phải làm đủ chiều dài L= (L1 + L2 +L3) thì nước có kết cấu ổn định thì chiều dài L1 L2; khối lượng làm rọ thép bỏ đá sẽ tăng lên nhiều. thường là lớn hơn L2 để đảm bảo trọng tâm của Vì vậy sẽ làm rọ đá có chiều dài L=(L1 + L2) để rọ nằm thiên về phía thân đập (đây là trường hợp giảm bớt chiều dài xây dựng tạm thời khi xả lũ bậc không hình thành nước nhảy trên bậc). thi công; song để giảm bớt chiều dài xây dựng Muốn xác định được chiều dài L1 và L2 cần tạm thời khi xả lũ thi công, để đảm bảo an toàn phải tính được khoảng cách phóng xa của dòng cho công trình cần phải chấp nhận việc tăng chảy từ đỉnh đập đá đổ xuống bậc thứ nhất. Ta cường công tác gia cố bằng tăng đường kính gọi X là khoảng cách phóng xa thì X được xác thép hàn lưới của rọ, và tăng thép néo. Điều này định theo công thức: sẽ được đề cập rõ hơn trong phần tính kết cấu X 2 Z g fg Zg f3 (2) của rọ thép bỏ đá. 2. Tính kết cấu cho rọ đá Trong đó ở trên đã trình bày phương pháp tính thủy lực f - Cao độ đỉnh bậc thứ nhất g cho mái đập đá đổ được thiết kế theo dạng bậc Z - Cao độ trung bình mực nước ở cuối bậc g thang. Để đáp ứng được tình hình thủy lực và thứ nhất Z 0 Z 1 Z g chịu được vận tốc dòng chảy khi xả lũ thi công 2 thì không thể dùng rọ thép thông thường mà f3 - Cao độ đỉnh bậc thứ hai Các ký hiệu trong công thức (2) thể hiện trên thiết kế loại rọ thép bỏ đá phi tiêu chuẩn. hình 2. Dưới đây giới thiệu cách tính toán rọ thép bỏ đá. g a. Nguyên tắc bố trí rọ đá và các chi tiết 1 2 3 Zo Zo Với quan điểm độ bền và ổn định, rọ đá trong Z 1 công trình phải thoả mãn các yêu cầu. Z 3 + Phân bố lưới thép trong công trình là đồng đều. + Công trình không bị biến dạng do lực cắt gây ra. X Muốn đạt được yêu cầu thứ hai thì nên bố trí Hình 2. Các thông số bậc nước nhiều thép thẳng đứng và song song với hướng Khi có thí nghiệm ta sử dụng trị số đo đường tác dụng của lực cắt. mặt nước để xác định giá trị Z0, Z1 để suy ra Zg. b. Rọ thép bỏ đá Khi chưa có số liệu thí nghiệm thì tính Z0 và Z1 + Hình dạng tương tự như rọ đá, nhưng kết như mực nước trên đập tràn đỉnh rộng chảy tự cấu chắc chắn hơn, các tấm lưới không dùng do. Độ sâu dòng chảy ở mặt cắt 1-1 tại mũi hất lưới thép đan bện mà dùng sắt có đường kính từ (mép cuối bậc) là h1 qua thực nghiệm cho thấy 4mm trở lên hàn liên kết thành các tấm lưới theo luôn nhỏ hơn độ sâu phân giới hpg, có thể xác kích thước thiết kế, ô lưới dạng hình vuông: a a định theo công thức thực nghiệm của Mooer và =10cm 10cm hoặc a a = 15cm 15cm. Rand. Thép làm khung của rọ là loại sắt tròn có h1 = 0.715hpg (3) đường kính lớn, dùng thép 2026mm; trong Năng lượng của dòng chảy được tiêu hao qua mỗi rọ các vách ngăn cũng làm khung để tăng dòng phun rơi một phần khuếch tán trong không độ bền ổn định cho thảm rọ đá. 32
3. Để chống sự phá hoại của dòng chảy trên tấm 1 V=1/nR2/3 i1/2, x R2/3 x i1/2 (5) nắp rọ còn dùng thép 2226 hàn nối với các n thanh thép khung của rọ; khoảng cách chia ô để Trường hợp dòng chảy trượt trên các bậc hàn là 1.0m 1.0 hoặc 1.5m 1.5m. Loại rọ đá thang thì tạm lấy i=i, i bằng độ dốc của mái đập này được dùng khi bảo vệ mái các đập đá đổ xây hạ lưu ( Z/L, Z là chênh lệch độ cao tính từ dở cho tràn nước để xả lũ thi công. Nhằm giữ ổn đỉnh đập đá đổ đến đáy sông hạ lưu, L là chiều định chống lôi cho rọ đá khi dòng chảy có lực dài các bậc từ đỉnh đập đá đổ đến chân bậc cuối tác động lớn nên dưới đáy rọ còn dùng thép néo, cùng). Còn bán kính thủy lực R khi bề rộng đập đường kính của thép néo là 2226. tràn đá đổ tương đối lớn thì lấy R h. Mật độ thép néo bố trí dày hay thưa tuỳ thuộc + Lực cắt giới hạn tại mặt dưới của rọ tính vào lực tác dụng của dòng chảy. Một số công theo công thức: trình bố trí thép néo theo dạng hoa mai, với cự ly cđ= C(đ - w) t (6) 1m 1m hoặc 2m 2m hoặc Trong đó: 3m 3m; cố định thép néo dùng các cục bê t- Chiều dày rọ (m) 3 tông: 0.5m 0.5m 0.5m để chôn vào thân mái đ - Trọng lượng đơn vị của đá (T/m ) đập; chiều dài thép néo tối tiểu là 3m, lớn có thể C - Hệ số thực nghiệm được lấy như sau đến 78m thông qua tính toán lực kéo ở đáy của C=0.10 đối với rọ bỏ đá, C=0.047 với đá rời rọ. + Lực cắt giới hạn của rọ đá ở hai mái bờ Xin giới thiệu sơ đồ rọ thép (hình 3). Sin 2 cm=cđ 1 (7) Nắp đậy 2 Thép khung  Sin Thép  - Góc nghiêng của mái dốc bờ so với mặt phẳng nằm ngang (độ) Vách ngăn - Góc nghỉ tự nhiên của đá, đối với rọ đá 1m thường lấy = 41 3m 1m Điều kiện ổn định của thảm rọ đá trên mái hai bờ là: Hình 3. Mô tả sơ bộ rọ thép m cm (8) c. Tính kết cấu rọ thép Cân bằng giá trị của m và cm sẽ tìm được Rọ phải đảm bảo không bị dòng chảy cuốn chiều dày t của rọ đá. trôi, tức là ổn định dưới tác dụng của dòng chảy. Dựa theo cách tính như trên thì chiều dày rọ Chiều dày rọ được xác định như sau: đá thường không lớn, nên theo kinh nghiệm thực - ứng suất cắt của dòng chảy trên mặt rọ là tế người ta chọn chiều dày rọ đá theo vận tốc tới đ=whi ở mái bờ hai bên thì m=0.75 đ ta có: hạn của dòng chảy (Vth). Khi mà vận tốc lớn hơn V 2  hxi  2 (4) 5m/s cần dùng rọ đá có chiều dày 0.50m trở lên.  m 0.75 w h i 0.75 w n 1 / 3 Hỡ R 3. Một số ví dụ của Trung Quốc dùng rọ Trong công thức (4): thép bỏ đá w - Dung trọng của nước a. Công trình thủy điện Thiên Sinh Kiều h- Chiều sâu trung bình dòng chảy + Sơ lược về công trình i- Độ dốc đường mặt nước Công trình này là bậc thang thủy điện cấp I n- Hệ số nhám của rọ trên sông Hồng; chiều cao đập bản mặt là 178m, V - Vận tốc trung bình của dòng chảy chiều dài đỉnh đập 1168m, khối lượng đắp đập R- Bán kính thủy lực là 18.750.000m3, tổng dung tích hồ là 10.26tỷ Khi chưa có số liệu thí nghiệm mô hình thì m3, công suất lắp máy là 1200MW (4*300MW). vận tốc V được tính theo công thức Manning: + Phương án dẫn dòng 33
4. Năm đầu xả lưu lượng thi công qua 2 tuy nen 6180 1800 1500 dẫn dòng (13.5 13.5m) và tích nước trong hồ 1928 (do đê quai thượng và hạ lưu ngăn nước); (7) (2) (5) 3 Q=1670m /s. (1) (4) (6) Mùa lũ năm thứ 2 và 3 xả lưu lượng thi công 1915 (3) qua 2 tuy nen dẫn dòng và đoạn đập đắp dở (8) (B=300m). Hình 4. Mặt cắt ngang đập chính Để lựa chọn kết cấu dẫn dòng hợp lý đã tiến tràn nước xả lũ hành thí nghiệm mô hình tỷ lệ 1/100. Qua thí Ghi chú: nghiệm xả 9 cấp lưu lượng Q=2500, 3000, 3500, (1) Đê quai (5) Đá lát khan 4400, 5500, 6500, 7760, 9670, 10800m3/s mới (2) Khối đá nén (6) Đá đắp đập chọn kết cấu rọ thép bỏ đá gia cố đoạn đập xây (3) Rãnh đổ bê tông (7) Rọ thép bỏ đá dở hợp lý. (4) Màng composit (8) Lớp bê tông đệm + Kết quả xả lũ thực tế Kết quả tính đường kính đá quy đổi bảo vệ Mùa lũ năm 1995 mặt đập tràn nước 11 lần, mặt và lưu tốc tràn qua mặt đập ở cao trình theo thống kê thời gian xả lũ là 1848giờ, lưu 1928m ở bảng 1. lượng đến lớn nhất của sông là 4750m3/s, lưu tốc bình quân là 13.72m/s. Bảng 1. Quan hệ V~d của mặt đập Mùa lũ năm 1996 mặt đập tràn nước xả lũ 4 đắp dở Tân Hoa lần, theo thống kê thời gian tháo lũ là 348giờ; V (m/s) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 3 lưu lượng đến lớn nhất của sông là 3790m /s, d (m) 0.02 0.09 0.20 0.35 0.55 0.80 lưu tốc bình quân là 10.32m/s. G (kg) 0.8 16.5 82 250 617 1307 + Kết luận: Qua các mùa lũ lớn, đoạn đập đắp dở vẫn an toàn. Công trình đã xả lũ thi công năm 2002 an Thực tế cho thấy để an toàn, đã thí nghiệm toàn và hoàn thành xây dựng năm 2005. với nhiều cấp lưu lượng và cấp lớn nhất xả qua c. Công trình thủy điện Liên Hoa - tỉnh đập đắp dở gần gấp 2 lần lưu lượng tính toán và Cát Lâm thực tế xảy ra. + Phương án dẫn dòng b. Công trình thủy điện Tân Hoa Lưu lượng lũ là 8070m3/s. Biện pháp tháo lũ + Sơ lược về công trình là xả qua hai tuy nen dẫn dòng kết hợp với đoạn Hồ chứa nước Tân Hoa được xây dựng ở đập đắp dở. Theo tiến độ thi công thực của công thượng lưu sông Quan Thôn thuộc nhánh sông trình thủy điện Liên Hoa, trên nguyên tắc cố Ngư Hà trên địa phận thôn Phát Đông xã Tân gắng tiết kiệm kinh phí bảo vệ đường tràn dẫn lũ Vân huyện Hội Đông tỉnh Tứ Xuyên là một đã tiến hành nghiên cứu so chọn các phương án công trình thủy lợi loại vừa có nhiệm vụ sử dụng đáy đoạn đập đắp dở là: 150, 200, 250, 300m. tổng hợp, lấy nước tưới là chính kết hợp cấp Ngoài tính toán về thủy lực ra còn tiến hành thí nước cho thành thị, phát điện kiêm chống lũ, nghiệm mô hình thủy lực tổng thể công trình và nuôi cá và du lịch. Đập chính ngăn sông là đập mô hình mặt cắt khi dẫn qua đoạn đập đắp dở. đá đổ đầm nén tường tâm bằng đất sét, chiều cao Qua tổng hợp phân tích so sánh xác định lớn nhất của đập là 66m, mặt đập rộng 8m, phương án xả lũ qua đoạn đập đắp dở là: chiều chiều dài theo tuyến tim đỉnh đập là 238.75m. rộng đáy dài 250m, cao trình đáy là 173.0m, + Phương pháp dẫn dòng hai bên bờ có mái là1:1.5. Thời đoạn lũ lớn sử Mùa khô xả lũ qua tuy nen dẫn dòng, mùa lũ dụng hai tuy nen xả lũ kết hợp với đoạn đập đắp xả qua tuy nen và đoạn đập đắp dở. Đoạn đập dở đã được bảo vệ để tháo lũ. Xác định các đắp dở xả lũ thường chia là 3 bậc như hình 4. thông số thủy lực nêu ở bảng 2. 34
5. Bảng 2: Các thông số thủy lực xả lũ Lưu Chiều Thông số thủy lực theo Thông số thủy lực theo thí nghiệm lượng rộng tính toán (m3/s) Chỗ Lưu tốc Lưu tốc ở Độ sâu dòng Lưu tốc Lưu tốc ở Độ sâu ở chừa mặt đập mái đập hạ chảy ở mái mặt đập mái đập hạ mái đập (m) (m) lưu (m/s) đập hạ lưu (m) (m/s) lưu (m/s) hạ lưu (m) 8070 250 3.37.65 18.52 1.074 2.157.85 10.2715.03 1.452.33 Bảo vệ mái đập hạ lưu dùng lưới cốt thép gia đoạn đập đắp dở mang lại hiệu quả kinh tế lớn, cố bảo vệ, thép khung dùng 25mm, kích thước nên Trung Quốc dùng khá phổ biến. Tuy nhiên, của mắt lưới là 15cm*15cm, thép néo trên mặt để áp dụng phương pháp này Trung Quốc đã thí bằng 32mm dài 10m khoảng cách ngang và nghiệm nhiều phương án khác nhau với nhiều khoảng cách dọc đều dùng 90cm, thép néo liên cấp lưu lượng, trong đó có một số cấp lớn hơn kết với lưới cốt thép bằng hàn. tính toán để đảm bảo an toàn khi xả lũ thi công. Chúng tôi xin giới thiệu để bạn đọc tham khảo. IIi. Kết luận: Một số nội dung chi tiết về xả lũ thi công qua Phương pháp dẫn dòng xả lũ thi công qua đập đắp dở chúng tôi sẽ nêu vào dịp khác. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Khánh Tường; Rọ đá trong các công trình Thủy lợi - Giao thông - Xây dựng. NXB Xây dựng. Năm 2001. 2. Trần Quốc Thưởng, Vũ Thanh Te; Đập tràn thực dụng. NXB Xây dựng. Năm 2007. 3. Viện Khoa học Thủy lợi; Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước mã số 6-201J. Năm 2007 Summary soMe recommendations on step -based weir hydraulic structures for constructive flow discharge Construction work of hydraulic structures for various water resources and hydropower projects are requiring long time of constructive flow discharge i.e. some to three years. In flooding period, constructive flow discharge through sluice or tunnel structures will demand a large invested budget. Thus, in dealing with problem, in some countries, constructive flow discharge by incomplete step- based weir has been researched and applied into construction phase. This paper intends to present some recommendation on subject of incomplete step-based weir with laid-down steel-galvanized rock gabion. Người phản biện: PGS.TS. Lê Xuân Roanh 35