Tràn Labyrinth và hiệu quả nâng cao khả năng thoát lũ - KS. Nguyễn Phú Quỳnh

TRµN LABYRINTH Vµ HIÖU QU¶ N¢NG CAO<br /> KH¶ N¡NG THO¸T Lò<br /> KS. Nguyễn Phú Quỳnh<br /> Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam<br /> tãm t¾t<br /> <br /> Trong thời gian gần đây, yêu cầu về sự đảm bảo an toàn các hồ chứa trở nên cấp<br /> thiết, nhiều đập tràn được nâng cấp nhằm tăng khả năng tháo lũ mà vẫn không<br /> làm thay đổi khả năng tích nước của hồ chứa. Các đập đã có thường rất khó mở<br /> rộng khẩu diện tràn hoặc mở thêm tràn phụ. Để tăng lượng tràn cùng một khẩu<br /> độ và không hạ thấp ngưỡng, một trong những giải pháp là đập tràn dạng<br /> labyrinth, loại tràn này có mặt bằng hình gấp khúc (zíc zắc) nhằm kéo dài đường<br /> tràn nước dài hơn tràn thẳng có cùng khẩu độ, lưu lượng xả qua tràn có thể tăng<br /> lên gấp 5 lần so với tràn thẳng. Một số công trình với các điều kiện thích hợp,<br /> tràn labyrinth thực sự có lợi khi so sánh các mặt kinh tế và kỹ thuật<br /> <br /> <br /> <br /> ABSTRACT<br /> Recently, the demand of the safe guarantee of reservoirs become<br /> necessary, many spillways are upgraded to inrease drainage flood in<br /> rainy season and unchance the storage of reservoir. Reality, it is very<br /> difficult to enlarge spillway or build new sub-spillway in existing dams.<br /> For the reason above, in order to increase flow over the same<br /> dimension spillway, Labyrinth is one of the good solution. The shape<br /> Labyrinth is broken (zigzag) to stretch water line, the discharge over<br /> Labyrinth can increase five times compare with straight spillway. In<br /> some reservoirs, with the suitable condition, Labyrinth is very<br /> convenience to apply, bring up economic and technological<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br />  1. Đặc điểm cấu tạo tràn labyrinth<br /> Tràn labyrinth là tràn tự do có mặt bằng hình gấp khúc (zíc zắc) nhằm kéo dài<br /> dường tràn nước dài hơn tràn thẳng có cùng khẩu độ.<br /> <br /> <br /> w<br /> <br /> 2a<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> t<br /> t<br /> <br /> Hình 2: Mặt bằng cấ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> S<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> B<br /> w a<br /> <br /> <br /> Wc = width of labyrinth<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Tràn Ciwadas - Indonesia<br /> <br /> <br /> H­íng dßng ch¶y<br /> CTMN<br /> R R = P/12<br /> Ho: Toå<br /> ng coä<br /> t nöôù<br /> c<br /> t = P/6<br /> <br /> R R R<br /> <br /> P t<br /> <br /> <br /> §Ønh nhän §Ønh 1/4 ®­êng trßn Ñæ<br /> nh daïng ñaë<br /> c bieä<br /> t<br /> §Ønh ph¼ng §Ønh 1/2 ®­êng trßn<br /> <br /> <br /> Hình 3: Các dạng đỉnh tràn<br /> <br /> 2. Phân loại tràn<br /> - Phân loại theo hình dạng mặt bằng<br />  Loại hình tam giác: Loại này thường ít được sử dụng vì tại vị<br /> trí góc tam giác hiệu quả không cao, trong khi đó lại kéo dài<br /> phần đế móng tràn<br />  Loại hình thang: Hầu hết tràn labyrinth có hình dạng mặt bằng<br /> kiểu hình thang, kiểu này khắc phục được nhược điểm của<br /> kiểu tam giác, tại vị trí góc hình tam giác thì được cắt, mục<br /> <br /> <br /> 2<br />  đích là cắt bỏ phần mà khả năng thoát không hiệu quả, đồng<br /> thời còn làm giảm chiều rộng đế móng.<br /> - Phân loại theo các hình thức cấu tạo của ngưỡng tràn (Hình 3)<br /> Mỗi loại ngưỡng tương ứng với các hệ số lưu lượng khác nhau, tùy theo yêu<br /> cầu kỹ thuật mà thiết kế các kiểu tương ứng. Kiểu đỉnh nhọn hoặc đỉnh bằng kỹ<br /> thuật thi công đơn giản, hệ số lưu lượng không cao. Kiểu ¼, ½ đường tròn cho hệ<br /> số lưu lượng cao hơn nhưng lại cần kỹ thuật thi công mỷ hơn. Kiểu đặc biệt chủ<br /> yếu thiết kế để trong đó dễ bố trí hệ thống thông khí, hệ số lưu lượng lại thấp vì<br /> phải kể tổn thất dòng chảy khi qua ngưỡng đồng thời làm giảm tổng chiều dài<br /> đường tràn. Hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất là loại tràn có ngưỡng ¼<br /> đường tròn. Các công thức tính toán sau này cũng chủ yếu nghiên cứu từ dạng này.<br /> <br /> 3. Đặc điểm làm việc<br /> h Ñöôø<br /> ng doø<br /> ng<br /> A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> p<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> A Thöôïng löu traø<br /> n A<br /> W<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> B Ld<br /> B<br /> <br /> B B<br /> haïlöu traø<br /> n<br /> DAÏNG KHOÂ<br /> NG GIAN<br /> A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ngöôõ<br /> ng traø<br /> n<br /> A-A<br /> <br /> B<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> B<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> B-B<br /> Ld<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ld<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vuø<br /> ng xaù<br /> o troä<br /> n<br /> <br /> <br /> <br /> MAË<br /> T BAÈ<br /> NG<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4: Dòng chảy trên tràn Labyrinth<br /> <br /> Dòng chảy qua đập tràn labyrinth có những đặc điểm khác biệt so với dòng<br /> chảy qua đập tràn đỉnh thẳng. Với tràn đỉnh thẳng, tất cả các đường dòng vuông<br /> góc với với đỉnh tràn và là dòng chảy 2 chiều. Với tràn labyrinth được đặt không<br /> vuông góc với dòng chảy, các đường dòng là dòng 3 chiều (Hình 4). Phía dưới lớp<br /> nước dòng chảy vuông góc với ngưỡng, tại mặt thoáng các đường dòng hướng<br /> theo chiều chảy hạ lưu.<br /> <br /> <br /> 3<br />  Dòng chảy qua đập tràn labyrinth càng phức tạp hơn với hiện tượng giao<br /> thoa của các tia nước từ các đỉnh nhọn của tràn (Hình 4). Hiện tượng này là do các<br /> tia nước của 2 tường bên kề nhau sẽ tương tác với nhau và làm giảm lưu lượng tràn<br /> (sau này sẽ được phản ánh trong hệ số lưu lượng). Cấp độ ảnh hưởng càng tăng<br /> nếu chiều cao cột nước trên đỉnh tràn tăng, khi tăng đến 1 giá trị nhất định dòng<br /> chảy qua tràn labyrinth cũng chỉ tương đương với các loại tràn thẳng khác.<br /> Indlekofer và Rouvé (1975) bằng lý thuyết đã chứng minh được rằng chiều<br /> dài đọan xáo trộn trên đỉnh tràn nơi mà lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự giao nhau<br /> của dòng chảy (Ld) phụ thuộc vào chiều cao cột nước tràn, chiều cao đập, góc giữa<br /> 2 tường bên:<br /> <br /> Công thức Indlekofer và Rouvé (1975)<br /> <br /> 3.Q<br /> Lde  (1  C m ).Ld  B <br /> 2.C d 2 g hm3 / 2<br />  <br /> <br /> Lde : là chiều dài ảnh hưởng của vùng xáo trộn<br /> Cd : Hệ số lưu lượng dòng chảy trên 1 tràn thẳng không bị ảnh hưởng của<br /> vùng xáo trộn.<br /> Cm : Phụ thuộc vào sự giảm bớt hệ số lưu lượng<br /> Ld : Chiều dài đọan xáo trộn<br /> B : Chiều dài đỉnh tường nghiêng<br /> hm : Cột nước trên tràn<br /> Lde được tính gần đúng theo công thức kinh nghiệm sau:<br /> <br /> Lde<br />  6.1.e 0.052<br />     h     <br /> <br /> Trong đó:<br /> Góc hợp bởi tường nghiêng và phương dòng chảy<br /> h : Chiều cao cột nước tràn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4<br />  4. Lưu lượng qua tràn labyrinth<br /> <br /> Kết quả nghiên cứu xây dựng đường cong mẫu xác định lưu lượng từ mô<br /> hình vật lý – Tullis và nnk (1995) đưa ra công thức tính lưu lượng như sau:<br /> <br /> 2<br /> Q L  C d .L. . 2.g .H 3 / 2<br /> 3   <br /> <br /> Hệ số Cd được xác định từ họ đường cong mẫu dùng cho đỉnh cong ¼<br /> đường tròn với tràn tam giác. Với những đường cong này hệ số Cd phụ thuộc vào<br /> góc của đỉnh đập và tỷ số H0/P. Xuất phát từ đường họ đường cong mẫu (Hình 5),<br /> Tullis cho ra được phương trình tính hệ số lưu lượng (Cd).<br /> <br /> 2 3 4<br /> H  H  H  H <br /> C d  A1  A2  0   A3  0   A4  0   A5  0 <br />  P   P   P   P  <br /> <br /> <br /> <br /> Tràn<br /> thẳng<br /> <br /> <br /> =350<br /> <br /> <br /> Cd =250<br /> <br /> <br /> =180<br /> <br /> =150<br /> =120<br /> =80<br /> =60<br /> <br /> CTMN<br /> H0/P<br /> Hình 5 : Đường cong hệ số lưu lượng với hình dạng đỉnh ngưỡng ¼ đường<br /> tròn, mặt bằng ngưỡng tam giác (Tullis, Nosratollah &Waldron -1995).<br /> <br /> <br /> <br /> 5<br />  Trong đó các số hạng A1, A2, A3, A4, A5 được đưa ra trong bảng (Bảng 1)<br /> <br /> Bảng 1: Hệ số của đường cong mẫu<br /> <br /> <br /> (độ) A1 A2 A3 A4 A5<br /> 6 0.49 -0.24 -1.20 2.17 -1.03<br /> 8 0.49 1.08 -5.27 6.79 -2.83<br /> 12 0.49 1.06 -4.43 5.18 -1.97<br /> 15 0.49 1.00 -3.57 3.82 -1.38<br /> 18 0.49 1.32 -4.13 4.24 -1.50<br /> 25 0.49 1.51 -3.83 3.40 -1.05<br /> 35 0.49 1.69 -4.05 3.62 -1.10<br /> 90 0.49 1.46 -2.56 1.44 0<br /> <br /> Để xác đinh giá trị hợp lý góc α, tiến hành tính toán hệ số lưu lượng cho hai<br /> góc liền kề và sau đó nội suy giữa hai giá trị và không được nội suy giữa 2 hệ số.<br /> Hệ số cho đập Labyrinth chỉ có giá trị khi tỷ số Ho/P ≤ 0,9. Với tràn thẳng, hệ số<br /> có giá trị khi tỷ số Ho/P ≤ 0,7. Với độ ngập lớn thì dùng Ct = 0,76.<br /> Henry T. Falvey (2002) đưa ra một số ví dụ cụ thể, qua so sánh kết quả tính<br /> toán cộng với mức độ chính xác trong các biều đồ đường cong mẫu, các thông số<br /> phụ thuộc v.v..., đã kết luận họ đường cong xác định hệ số lưu lượng của Tullis có<br /> mức độ chính xác hơn cả và hiện đang được áp dụng nhiều. Tác giả sử dụng kết<br /> quả nghiên cứu này để xây dựng chương trình phần mềm thiết kế các thông số tràn<br /> labyrinth.<br /> <br /> 5. Hiệu quả của việc thay thế tràn labyrinth<br /> Tỷ số giữa tích của hệ số lưu lượng (Cd) và hệ số mở rộng (m) chia cho hệ<br /> số lưu lượng của đập tràn thẳng (Cd90o) gọi là tính hiệu quả của đập Labyrinth.<br /> Tính hiệu quả của loại đập này () được xác định theo công thức:<br /> <br /> Cd  .m<br /> ε<br />   Cd (900 )     <br /> <br /> Trong đó :<br /> Cd() : là hệ số lưu lượng phụ thuộc vào góc mở tường bên.<br /> <br /> <br /> 6<br />  Cd(900):hệ số lưu lượng trường hợp đường tràn thẳng có cùng khẩu độ.<br /> m : hệ số mở rộng<br /> Khi mực nước thượng lưu tăng lên thì hệ số lưu lượng giảm đi. Do đó nếu<br /> tràn labyrinth cần thoát với lưu lượng lớn nhất tuơng ứng với một cao trình hồ<br /> chứa đã cho, thì giá trị của hệ số lưu lượng (Cd) và hệ số mở rộng (m) lúc đó nên là<br /> giá trị lớn nhất.<br /> Ảnh hưởng giữa tổng cột nước tràn và góc mở tường bên được thể hiện trên<br /> hình 6. Hệ số lưu lượng ứng với các góc khác nhau đã xác định trong phần xây<br /> dựng đường cong lưu lượng.<br /> HIEÄ<br /> U QUAÛ<br /> <br /> 7.00<br /> <br /> 6.00<br /> Ho/P = 0.2<br /> 5.00 Ho/P = 0.4<br /> <br /> 4.00 Ho/P = 0.6<br /> Ho/P = 0.7<br /> 3.00<br /> <br /> 2.00<br /> <br /> 1.00<br /> <br /> 0.00<br /> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90<br /> <br /> Goù<br /> c môûtöôø<br /> n g beâ<br /> n (ñoä<br /> )<br /> <br /> <br /> Hình 6: Hiệu quả tràn labyrinth (trường hợp đập tam giác)<br /> <br /> <br /> Ví dụ: Với một giá trị H0/P=0.7, góc mở tường bên =180, ta có<br /> Cd()=0,485; m = 3,24 và C76. Điều này cho biết là hiệu quả tương<br /> đương gấp 2,1 lần. Có nghĩa là đập labyrinth có khả năng tăng lưu lượng gấp đôi<br /> đường tràn thẳng. Nếu góc mở tường bên giảm xuống còn 80, Cd()=0,315, m=<br /> 7,18 và Cd(900)=0,76, thì hiệu quả (ε) sẽ tăng gấp 3 lần. Do đó lưu lượng thoát có<br /> khả năng tăng gấp 3 lần so với đập tràn thẳng.<br /> Để hiệu quả đạt được một giá trị lớn nhất đối với đỉnh đập thì góc nghiêng<br /> của tường bên vào khoảng 80. Giá trị này tương ứng với hệ số mở rộng là 7,2. Hiệu<br /> quả sẽ giảm rất nhanh nếu góc mở của tường bên giảm nhỏ dưới 80. Đồng thời,<br /> trong hình 7 cho thấy hiệu quả giảm khi cột nước tràn tăng .<br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> achieve<br /> ment.<br /> .<br /> 6. Kết luận<br /> Các đập đã có thường rất khó mở rộng khẩu diện tràn hoặc mở thêm tràn<br /> phụ. Để tăng lượng tràn cùng một khẩu độ và không hạ thấp ngưỡng, một trong<br /> những giải pháp là đập tràn dạng labyrinth, có thể tăng lượng xả lũ lên gấp 5 lần<br /> tràn thẳng cùng khẩu độ.<br /> Ngoài ra, để tăng lượng trữ nước cho hồ chứa với công trình tràn không cửa<br /> van cần nâng cao cao trình ngưỡng tràn nhưng không giảm lượng lũ tháo thì đập<br /> tràn labyrinth là tương đối thích hợp.<br /> Đập labyrinth cũng thích hợp với tràn xả lũ cấp bách của các hồ chứa vừa<br /> và nhỏ ở miền núi khi không có cửa van và nếu có cửa van cũng không kịp mở khi<br /> lũ tới rất nhanh và đập tràn hoạt động như tràn sự cố.<br /> <br /> <br /> tµi liÖu tham kh¶o<br /> [1]. Henry T.Falvey (2003) “Hydraulic design of Labyrinth weirs”.<br /> [2]. Darvas, L.A., (1971). “Discussion of ‘Performance and design of<br /> labyrinth weir’ by Hay and Taylor” American Society of Civil<br /> Engineering, Journal of Hydraulic Engineering.<br /> [3]. Hay, N., and Taylor, G., (1970). “Performance and Design of<br /> labyrinth weirs” American Society of Civil Engineering, Journal of<br /> Hydraulic Engineering.<br /> [4]. Lux, F., (1993). “Design methodologies for labyrinth weirs”<br /> Proceedings Water Power 93, Nashville, Tenn.<br /> [5]. Tullis, J.P., Nostratollah, A., and Waldron, D., (1995). “Design of<br /> labyrinth spillways” American Society of Civil Engineering, Journal of<br /> Hydraulic Engineering.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br />