Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
160
MỘT SỐ VẤN ĐỀ THỦY LỰC DÒNG CHẢY KHI BỐ TRÍ
MỐ NHÁM GIA CƯỜNG TRÊN DỐC NƯỚC - ÁP DỤNG CHO
TRÀN XẢ LŨ HỒ CHỨA NƯỚC KAZAM, TỈNH LÂM ĐỒNG
Nguyễn Phương Dung1, Phùn Duy Vinh1, Ngô Quang Hồng Sơn2
1Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyenphuongdungn@tlu.edu.vn
2Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đầu mối công trình thủy luôn được bố trí
tràn tháo lũ để đảm bảo an toàn cho hệ thống
và hạ du. Một số đầu mối do đặc trưng địa
hình, địa chất và việc bố trí tuyến nên có
đường tràn tháo lũ rất dài hoặc rất dốc (như ở
tràn Kazam là có cả 2 điều kiện này). Điều
này dẫn đến dòng chảy trên dốc nước có lưu
tốc tăng nhanh, có thể đạt đến giá trị gây phá
hủy bề mặt dốc nước. Trong một số trường
hợp vì lưu tốc cuối dốc quá lớn nên cần bố trí
kết cấu tiêu năng phụ ngay trên dốc. Mố
nhám gia cường trên dốc nước là một trong
những giải pháp thiết kế hiệu quả được áp
dụng nhiều cho các công trình có dòng xiết
nhằm tăng chiều sâu và giảm lưu tốc dòng
chảy. Nó thường được bố trí tại các vị trí có
vận tốc dòng chảy lớn hơn vận tốc cho phép.
Một số hiện tượng bất lợi xảy ra trên dốc
nước khi có kết cấu tiêu năng thường được đề
cập đến như sóng trên dốc nước, hàm khí, khí
thực… [1]. Dù có một số hiện tượng bất lợi
nhưng không thể phủ nhận hiệu quả giảm
được trị số lưu tốc cuối dốc và giảm kích
thước của công trình tiêu năng sau dốc.
Tuy nhiên việc bố trí kết cấu tiêu năng trên
dốc nước thường được áp dụng khá thận trọng
[1]. Việc hư hỏng kết cấu này sau một thời
gian vận hành xả lũ là không tránh khỏi. Bên
cạnh đó quá trình tính toán thủy lực dốc nước
sẽ phức tạp hơn so với dốc không bố trí các
kết cấu tiêu năng phụ. Ngoài ra, tác động của
việc bố trí này còn thể hiện ở việc: (1) hình
thành dòng chảy vượt ra ngoài phạm vi mặt
dốc, hình thành mũi phun ngay trên dốc nước;
(2) hình thành dòng chảy cuộn khí trên dốc;
(3) các hiện tượng thủy lực bất lợi trên dốc [1].
Mục đích nghiên cứu đặt ra ở đây tập trung
vào các vấn đề sau: (1) chỉ ra các hiện tượng
thủy lực bất lợi khi có bố trí kết cấu tiêu năng
trên dốc nước; (2) đánh giá kết quả tính toán
mô hình toán so với mô hình vật lý của tràn
xả lũ ở đầu mối Kazam. Việc nghiên cứu trên
mô hình toán sử dụng phần mềm Flow 3D
theo tỷ lệ 1:20 của thí nghiệm mô hình vật lý
đã tiến hành trước đó. Đồng thời, mô hình
toán cũng được thực hiện cho dốc nước với
các kết cấu tiêu năng được khuyến nghị sửa
đổi. Các thông số mực nước, vận tốc, áp suất
sẽ được tổng hợp và đối chứng, từ đó đưa ra
các kiến nghị về giải pháp giúp công trình
đảm bảo kỹ thuật, an toàn trong quá trình xây
dựng, khai thác sử dụng có hiệu quả. Nghiên
cứu cũng giới hạn đề cập đến dòng chảy trên
dốc nước, đặc biệt qua mố nhám gia cường.
Dòng chảy và chế độ thủy lực dòng chảy qua
ngưỡng và ở bể tiêu năng sẽ được đề cập ở
nghiên cứu khác.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu áp dụng phương pháp tính
toán động lực học chất lỏng (CFD) sử dụng
phần mềm Flow 3D Hydro. Cơ sở của việc
giải quyết bài toán động lực học chất lỏng là
tìm lời giải cho phương trình Navier-Stokes
bằng việc áp dụng phương pháp thể tích hữu
hạn, đồng thời thỏa mãn các điều kiện ban
đầu và điều kiện tại biên. Phương trình
Navier-Stokes trong Flow3D là sự kết hợp
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
161
của hai phương trình bảo toàn khối lượng và
động lượng ở không gian 3 chiều [3]:
0
i
i
u
x
(1)
2
1
ii i
i
iiii
uu u
u
tx xxx



(2)
trong đó: ui là thành phần vận tốc theo 3
phương x, y, z;
là áp suất;
là hệ số nhớt
động học.
Áp dụng giải bằng phương pháp thể tích
hữu hạn, trạng thái gần đúng với số Reynolds
cao, dòng chất lưu trên bề mặt có thể được
chia thành khu vực ngoài của dòng không
nhớt, không bị ảnh hưởng bởi độ nhớt (phần
lớn của dòng chảy) và gần với khu vực mà độ
nhớt là quan trọng (các lớp biên) [3].
Trong bài viết có sử dụng kết quả thí
nghiệm mô hình dốc nước có các mố nhám
tiêu năng so le của tràn Kazam, tỷ lệ 1:20 [2].
Tràn xả lũ bố trí ở vai trái đập, kết cấu tràn
bằng bê tông cốt thép, trong đó: cao trình
ngưỡng tràn piano +1063,50m; bề rộng
ngưỡng tràn B = 15,0m; nối tiếp sau ngưỡng
tràn là dốc nước, tổng chiều dài tràn L =
280,7m; bề rộng dốc nước B = 15,0m. Dốc
nước gồm 2 độ dốc và đoạn chuyển tiếp
cong: đoạn i = 7% bố trí mố có h = 0,2m
hoặc h = 0,25m; đoạn chuyển tiếp độ dốc bố
trí mố có h = 0,25m; và đoạn dốc i = 21% bố
trí mố h = 0,25m. Những thông số này đã
được mô phỏng ba chiều và đưa vào mô hình
toán, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn
đã nêu (hình 1). Hàng mố 1 được bố trí trước
MC1, từ MC1 trở về sau là hàng mố 2.
Hình 1. Mô hình 3 chiều tràn Kazam
Mô hình toán có kích thước tương tự mô
hình vật lý, thỏa mãn các yêu cầu về tương tự
Reynolds. Số phần tử là trên 1,5 triệu. Điều
kiện biên là cột nước khống chế trên tràn và
lưu lượng tháo lớn nhất tính toán, tương ứng
là Q = 243,3m3/s. Điều kiện biên hạ lưu được
khống chế chảy tự do.
Trường hợp tính toán: đánh giá kết quả mô
hình toán với lũ thiết kế qua tràn theo phương
án chọn: Mố tiêu năng cách đều nhau và có
kích thước khác nhau trên 2 đoạn dốc.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Phía hạ lưu trên dốc nước: các hàng nhám
trên dốc nước làm phân tán dòng chảy, cột
nước trên mặt cắt ngang khá đều và ổn định
(hình 2); đường mặt nước vồng cao hơn tại vị
trí mố tiêu năng (hình 3). Độ dốc đường mặt
nước tại đoạn dốc nước 7% là j = 10,9÷12,3%;
đoạn cong chuyển tiếp là j = 17,7÷18,0% và
đoạn dốc 21% là j = 20,8÷21,3% (độ dốc
thủy lực xấp xỉ với với độ dốc của dốc nước).
Tuy nhiên ở cả 2 trường hợp đều hình thành
khu vực lưu tốc cao giữa các hàng mố nhám
(hình 2) với giá trị V= 4,944m/s. Trên mô
hình toán, dễ dàng quan sát thấy trường vận
tốc này.
Hình 2. Kết quả vận tốc trên dốc nước
Lưu tốc dòng chảy dọc theo tuyến công
trình, trên dốc nước, dòng chảy va đập vào các
mố nhám được bố trí so le trên dốc làm tiêu
hao năng lượng và phân tán dòng chảy. Giá trị
lưu tốc trên đoạn dốc 7%, bố trí hàng mố 1 có
Vmax = 1,85 ÷ 2,9m/s, đoạn chuyển tiếp lưu tốc
Vmax = 3,1 ÷ 3,6m/s, hàng mố 2 trên dốc 21%
có giá lưu tốc Vmax = 3,8 ÷ 4,5m/s. Phần cuối
dốc gần bể tiêu năng không có mố nhám lưu
tốc đạt Vmax = 4,944 m/s.
Kết quả trên hình 3 cũng cho thấy việc
hình thành những đệm khí ngay sau mố nhám
(dòng chảy không bám sát đáy). Kích thước
của những đệm khí này tăng dần theo chiều
dòng chảy. Trên bề mặt, nước cũng có xu
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
162
hướng dềnh lên tại vị trí có mố nhám (hình 3)
- lưu tốc cũng giảm ở những vị trí này. Nếu
bố trí mố nhám không cách đều: giảm dần
khoảng cách ở cuối dốc nước thì hiệu quả
giảm tốc càng tăng.
Hình 3. Kết quả vận tốc trên dốc nước
Bảng 1. Giá trị lưu tốc tại một số
khu vực trên dốc nước (m/s)
Lưu lượng qua tràn
Q = 243,3 (m3/s)
(ZTL = 1065,43m)
Lưu tốc trung bình
(m/s)
MC 1 MC 2 MC 3
Mặt 2,57 2,68 2,82
Thí Ngiệm Đáy 2,5 2,27 2,55
Mặt 2,7 2,85 3
Mô hình Đáy 2,3 2,4 2,45
Mặt 4,8% 8,1% 6,0%
So Sánh Đáy 8,7% 5,4% 4,1%
Hình 4. Áp suất trên dốc nước
Giá trị áp suất trên dốc nước có hiện tượng
giảm trên đoạn dốc 7% đến đầu đoạn chuyển
tiếp, sau đó lại tăng lên do thay đổi độ dốc
lưu tốc dòng chảy tăng. Trên đoạn dốc 21%
phần không có mố nhám áp suất 3,4 (kPa)
cộng thêm với lưu tốc lớn có thể gây xâm
thực bề mặt.
Bảng 2. Giá trị áp suất trên dốc nước (kPa)
Vị
trí
Đầu
dốc
7%
Cuối
dốc
7%
Đầu đoạn
chuyển
tiếp
Cuối đoạn
chuyển
tiếp
Đầu
dốc
21%
Áp suất
(kPa) 1,9 1,6 1,2 1,4 2,1
Tính tương đồng kết quả thí nghiệm mô
hình vật lý và kết quả mô hình toán đạt giá trị
cao. Từ kết quả mô hình toán, có thể khai
thác chuỗi kết quả về trường vận tốc và
trường áp lực trên dốc nước có bố trí mố
nhám tiêu năng. Theo đó, có thể phân bố lại
mố nhám, kích thước mố nhám trên dốc nước
tràn Kazam.
4. NHẬN XÉT VÀ TRAO ĐỔI
Việc bố trí kích thước mố khác nhau tuy
có thể giảm được các tác động bất lợi của
dòng chảy trên dốc, tuy nhiên nếu bố trí các
cấu kiện nhiều kích cỡ trên dốc tháo nước thì
không thực sự tiện lợi trong quá trình thi
công mới hoặc thi công sửa chữa.
Nếu áp dụng hình thức mố/dầm tiêu năng
trên dốc trong sửa chữa công trình tháo lũ thì
tác giả thiên về việc bố trí các cấu kiện có
cùng kích thước nhưng khoảng cách không
đều trên toàn bộ chiều dài dốc nước. Việc
tính toán khoảng cách giữa các mố/dầm cần
căn cứ vào các thông số như cột nước vận
hành, lưu lượng đơn vị, chiều dài dốc, trạng
thái vận hành cửa van... Kích thước các
mố/dầm có thể tính toán với lưu lượng đơn vị
trong khoảng đã xét để không gây nên các
hiện tượng thủy lực bất lợi.
Trong tính toán chiều cao tường bên dốc ở
đây, không chỉ đơn thuần cộng thêm độ cao
hàm khí của dòng chảy mà cần tính toán đến
khả năng dòng chảy tách khỏi bản đáy khi
lưu lượng đơn vị quá lớn, lưu tốc khá cao.
Trong phạm vi tính toán của nghiên cứu,
tác giả chưa đề cập tới các răng/mố tiêu năng
trong bể cuối công trình tháo. Hiệu quả khi
kết hợp sử dụng cả mố/dầm tiêu năng trên
dốc và các răng/mố trong bể sẽ được tiếp tục
nghiên cứu thêm.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Chiến, Tính toán thủy lực công
trình tháo nước, NXB Xây dựng, 2015.
[2] Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về
động lực học sông biển, Báo cáo thí nghiệm
mô hình thủy lực, 2022.
[3] Flow3D Hydro Manual.