Giáo trình Thủy năng-Thủy điện - Chương 5: Đập dâng và công trình tháo lũ - Nguyễn Thống

Tổng quan. Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch khai thác. Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng lượng nước. Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện. Chương 5 : Đập dâng & cơng trình tháo lũ. Chương 6 : Cơng trình lấy nước và dẫn nước. Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp. Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng nước va. Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 3 ĐẬP DÂNG & CƠNG TRÌNH THÁO LŨ 1. Tổng quát. 2. Đập dâng. 3. Cơng trình tháo lũ. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 1/12/2016 4 ĐẬP DÂNG PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 5 TÀI NGUYÊN NƯỚC VIỆT NAM . Dr. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 6 TÀI NGUYÊN NƯỚC VIỆT NAM 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 7 TÀI NGUYÊN NƯỚC VIỆT NAM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 8 TỖNG QUAN VỀ ĐẬP DÂNG Nhiệm vụ: Đập dâng là một cơng trình thuỷ được xây dựng nhằm để giữ nước nhằm mục đích:  Đổi hướng dịng chảy.  Nâng cao mực nước.  Tạo hồ chứa. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 9 TỖNG QUAN VỀ ĐẬP DÂNG Hạ lưu sau NM:  Điều hồ dịng chảy.  Giảm lưu lượng đỉnh lũ.  Tăng cường lưu lượng mùa kiệt. Hạ lưu đoạn sơng sau đập  NM  Khúc sơng chết (nếu khơng cĩ lưu lượng hồn trả ngay sau đập, nhất là về mùa khơ). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 10 Mực nước khi chưa có đập Đường nước dâng PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 11 MNGC MNDBT MNC MN KHI THÁO CẠN HỒ Whi Wp.lũ WCHẾT CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ THƠNG SỐ HỒ CHỨA PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 12 CHỌN VỊ TRÍ ĐẬP DÂNG Phụ thuộc vào:  Điều kiện địa hình;  Điều kiện địa chất;  Điều kiện thuỷ văn;  Điều kiện dân sinh;  Điều kiện hiệu quả kinh tế-xã hội, tài chính. 3 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 13 ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH Thường sử dụng bản đồ tỷ lệ 1/10.000 (bản đồ khơng ảnh). Nguyên tắc chọn vị trí đập:  Tạo thành hồ chứa phía thượng lưu lớn nhất cĩ thể,  Tuyến cơng trình ngắn (kết hợp đủ chổ để bố trí các cơng trình khác: tháo lũ, lấy nước,...). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 14 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT  Ít hoặc khơng bị nứt nẻ,  Đàn hồi nhỏ,  Chịu lực cao. Các bước nghiên cứu:  Đi thực địa quan sát trực giác (giai đoạn quy hoạch),  Khảo sát thăm dị với mật độ hố khoan, hố đào phù hợp với yêu cầu theo quy phạm theo từng giai đoạn, (giai đoạn Lập dự án đầu tư).  Thí nghiệm trong phòng, hiện tường (thiết kế kỹ thuật). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 15 ĐIỀU KIỆN THUỶ VĂN  Lưu vực đủ lớn (càng lớn càng tốt về mặt thu nước).  Lưu lượng bùn cát nhỏ cĩ thể (dung tích chết  MNC  cao trình cửa lấy nước). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 16 ĐIỀU KIỆN DÂN SINH  Hiện tượng đường nước dâng khi cĩ lũ kiểm tra  di dân. Mực nước khi chưa có đập PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 17 Ví dụ: Sơ bộ với đập cao 60m, độ dốc mặt thống TB là 4m/km  chiều dài ảnh hưởng về thượng lưu hồ là: 60/4 = 15km.  Mất đất ở và nơng nghiệp  Ngập đường giao thơng  Ngập lịng hồ (mơi trường)  Bảo đảm lưu lượng tối thiểu ở hạ lưu đập nếu cần sau khi xây dựng hồ (tránh hiện tượng đoạn sơng chết  mơi trường!). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 18 ĐẬP DÂNG Định nghĩa: Là một kiến trúc giới hạn bởi 2 mặt (thượng lưu và hạ lưu). Phía trên là kết cấu của một đường giao thơng. Phía dưới là giới hạn nền và 2 bên bờ. 4 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 19 BÌNH ĐỒ KHU ĐẦU MỐI TL HL Đập dâng Đê quay TL NMTĐ Kênh dẫn nước PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 20 PHÂN LOẠI  ĐẬP TRỌNG LỰC  ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG  ĐẬP VỊM  ĐẬP DI ĐỘNG. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 21 ĐẬP TRỌNG LỰC P G A ’ W t W n Biểu đồ thấm t/h có bố trí thốt nước TL PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 22 LỰC TÁC DỤNG Trọng lượng bản thân  Áp lực nước thượng (hạ) lưu  Áp lực khe rỗng (vật liệu sét, trong giai đoạn đầu xây dựng, khai thác)  Áp lực thấm (chênh lệch MN thượng & hạ lưu)  Áp lực đẩy nổi (cĩ MN hạ lưu)  Ứng suất nhiệt  Lực do động đất ..  PHẢN LỰC NỀN. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 23 ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC 285m ! PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 24 ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG - Nền đá. - Tuyến đập ngắn. - Vật liệu xi măng đến hiện trường (điều kiện về vận chuyển vật liệu). VẬT LIỆU Hàm lượng xi măng: từ 100 đến 250kg/m3  có thể thay đổi tùy vị trí trong thân đập. 5 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 25 TÍNH ỔN ĐỊNH  Cân bằng (khơng bị trượt, lật dưới tác dụng của nước và các lực khác) Thơng thường: độ dốc TK là m1=0 và HL là m2=0.85  Đảm bảo điều kiện chịu lực của thân đập (khơng sinh ra ứng suất kéobê tơng khơng thiết kê ́ để chịu kéo nếu có cục bợ  bớ trí cốt thép chịu) và nền. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 26 MỘT SỐ KẾT CẤU KHÁC - Vật thốt nước nền  giảm áp lực thấm. - Màng chống thấm  giảm lưu lượng thấm qua nền (nứt nẻ, độ rổng lớn!). - Thốt nước nền  lỗ khoang d=75mm, cự ly 1,5m đến 3m. - Khe lún, khe nhiệt. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 27 Bài tập 1: Cho đập bê tông như hình sau. H=20m, chiều rộng đỉnh B=4m, hệ số ma sát f=0.7,  bt =2.5T/m 3 , hệ số giảm áp =0.6. Tính hệ số ổn định trượt phẳng. (=p A /H, <=1) H A C B m2=0.75 m1=0.1 p A PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 28 Bài tập 2: Cho đập bê tông có H=15m, B=12m. Hệ số ma sát f=0.75,  bt =2.5T/m 3 , hệ số giảm áp =0.8, [k] truot_phang =1.2. a. Kiểm tra ổn định theo điều kiện trượt phẳng. b. Tính k lật (quanh C). H A C B H 1 =4m b m 1 =0 m 2 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 1/12/2016 29 ĐẬP ĐẤT & ĐÁ ĐỖ (Đập bằng VLĐP) PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 30 6 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 31 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 32 ĐẬP ĐẤT PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 33 ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG Yêu cầu chất lượng nền thấp so với đập bê tơng,  Vật liệu sự dụng cĩ thể là đất, đá,  Cĩ màng chống thấm trong thân đập (cĩ thể ở thượng lưu),  Khối lượng đất đá sử dụng lớn (tiết diện lớn hơn đập bê tơng cùng chiều cao). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 34 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 35 TÍNH ỔN ĐỊNH Khác với đập bê tơng: - Tính ổn định trượt mái dốc cục bộ, - Tính ổn định khơng xĩi ngầm thân đập, - Hiện tượng đùn đất ở hạ lưu. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 36 ỔN ĐỊNH MÁI DỐC SOFTWARE GEO-SLOPE 7 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 37 HIỆN TƯỢNG XĨI NGẦM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 38 HIỆN TƯỢNG XĨI NGẦM VÀ & ĐỀ PHỊNG Đề phòng xói ngầm: Tầng lọc ngược, vải địa chất PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 39 ĐẬP ĐÁ ĐỖ H max >(40-50)m PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 40 ĐẬP ĐÁ ĐỖ PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 41 ĐẬP ĐẤT ĐÁ HỖN HỢP THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 1/12/2016 42 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ PGS. TS. Nguyễn Thống 8 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 43 NHIỆM VỤ Chủ động tháo nước ra khỏi hồ chứa khi cần (vào mùa lũ, hồ đã đầy nước (MNDBT) & nước trong sơng từ thượng nguồn tiếp tục vào hồ với lưu lượng ‘lớn’). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 44 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ TỰ TRÀN . Dr. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 45 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ TỰ TRÀN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 46 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ CĨ CỬA VAN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 47 CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI ĐƯỜNG TRÀN DỌC TL HL ĐẬP DÂNG CT NỐI TIẾP- DỐC NƯỚC ĐƯỜNG HẦM DẪN DỊNG PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 48 Đập tràn dạng Creager Tiêu năng dạng phun (dòng nước khuếch tán vào khơng khí để tiêu năng) H 9 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 49 HỐ XĨI ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG TIÊU NĂNG MŨI PHUN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 50 ĐẬP VỊM TL HL PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 51 NHÌN TỪ HẠ LƯU PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 52 Tràn mặt Tràn dưới sâu PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 53 Mục đích: Tháo lưu lượng ra khỏi hồ chứa khi cần thiết (mùa lũ & hồ đã đầy nước). PHÂN LOẠI  Chảy tràn mặt (khơng áp)  Chảy dưới sâu (có áp) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 54 CHẢY TRÀN MẶT  Khơng áp  Đập tràn thực dụng Creager (có hoặc khơng có cửa van  tự tràn  cao trình ngưỡng tràn =MNDBT). Khả năng tháo lưu lượng tốt.  Đập tràn đỉnh rộng. Khả năng tháo lưu lượng nhỏ hơn loại trên. 10 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 55 ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG Với m hệ số lưu lượng [0.35 0.45], B chiều rộng tràn, H0=H+V 2/2g với H chiều cao cột nước tràn, V vận tốc đến gần, n hệ số ngập [01], =1  chảy KHƠNG ngập 2/3 on Hg2mBQ  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 56 ĐẬP TRÀN ĐỈNH RỘNG L h h2 z V z1 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 57 ĐẬP TRÀN ĐỈNH RỘNG Với B chiều rộng tràn, h chiều sâu cột nước tràn (trên đập),  hệ số ngập [01], z chênh lệch mực nước thượng & hạ lưu & z0 = z + V 2/2g, V vận tốc đến gần. 0Zg2hBQ  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 58 THÁO LŨ DƯỚI SÂU (CHẢY CĨ ÁP) tổng các tổn thất thủy lực dòng chảy qua cống. Với  hệ số tổn thất,  tiết diện ướt, z chênh lệch mực nước thượng & hạ lưu. Zg2Q     i i1 1    i i PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 59 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TRÀN  Giả thiết các tổ hợp (B,H)  quy mơ tràn,  Tính điều tiết lũ (lũ với tần suất thiết kế & kiểm tra),  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 60  Xác định MNGC,  Xác định cao trình đỉnh đập dâng  quy mơ đập,  Tổng đầu tư T ($) cơng trình đầu mối (chú ý đến đập & tràn),  Chọn tổ hợp (B,H) cĩ T ($) min (giả thiết tổng đầu tư vào các hạng mục CT khác: NM, đường dẫn, khơng đổi) 11 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 61  (B,H) T ($) Ttràn=f1(B,H) Tđập=f2(B,H) Tđập+Ttràn=g(B,H) Tmin (Bop,Hop) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 62 Bài tập 1: Một đập tràn thực dụng được xây dựng để tháo lưu lượng lũ max là 1000m3/s. Cho biết cột nước tràn H=8m, đập cĩ m=0.4, chảy khơng ngập. Tính chiều rộng B tràn. Bỏ qua ảnh hưởng vận tốc đến gần. Bài tập 2: Một đập thực dụng cao H1=20m, cột nước tràn H=6m, chiều rộng B=40m, hệ số lưu lượng m=0.4. Tính lưu lượng tháo lớn nhất với sai số 2 lần tính liên tiếp của Q là <1%. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 63 Bài tập 3: Một đập tràn đỉnh rộng (i=0) được xây dựng để tháo lưu lượng lũ max là 200m3/s. Cho biết cột nước tràn khi hồ ở MNDBT là H=4m & chiều sâu nước hạ lưu là 3.6m, chảy ngập có =0.8. Tính chiều rộng B tràn. Bỏ qua ảnh hưởng vận tốc đến gần. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 64 Bài 4: Tính lưu lượng qua đập tràn thực dụng với sai số 2 lần tính liên tiếp < 1%(chảy không ngập): Cột nước tràn H=6m, hệ số lưu lượng m=0.42, chiều rộng tràn B=25m, đập cao H 1 = 25m. Bài 5: Tính chiều rộng tràn B để tháo lưu lượng Q=800m 3 /s. Đập có m=0.4, cột nước tràn H=5m. Đập cao 15m. Bỏ qua vận tốc đến gần. Giả thiết chảy không ngập qua đập. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 65 Bài 6: Tính lưu lượng tháo lớn nhất của một đập tràn tháo sâu có độ chênh mực nước thượng & hạ lưu là 25m, cống tháo lũ hình vuơng có cạnh b=3m. Tổng tổn thất năng lượng tại cửa vào, cục bộ & đường dài trong cống là =8. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Cơng trình tháo lũ 1/12/2016 66