So sánh ưu điểm của mũi phun hai tầng với mũi phun liên tục

. Do đó, độ sâu hố xói và xói lở hai bờ hạ lưu cũng giảm so với m ũi phun liên tục, khối lượng gia cố và bảo vệ hạ lưu cũng giảm m ang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Bài viết nêu ưu điểm của mũi phun 2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống) Từ khóa: Mũi phun hai tầng. Summary: The double layer flip bucket (consisting of continuous and trapezoidal tooth) is proposing m any advantage such as flow passes through continuous and trapezoidal tooth is being surplus m ixed in air-water environment for which providing m ore efficient in energy dissipating. Hence, flow velocity and wave in downstream of spillway are being decreased causing smaller depth of scouring pool, boundary of both sides of bank erosion and quantity of strengthen and protection in downstream area with m ore technical- economic efficient comparing to sole continuous type. The paper is to present the advantage of double layer comparing to continuous (normal) type. Key words: Double layer flip bucket I. MỞ ĐẦU* Theo các công trình nghiên cứu [3,4,5], cũng như qua thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ một số công trình thủy lợi, thủy điện như Sông Bung 4, Krông Bách Thượng, cho thấy mố phun dạng hình thang có hiệu quả tiêu năng tương đối tốt. Theo kết quả nghiên cứu của Trường Đại học Thiên Tân [4] thì dạng mố phun hình thang so với mố phun dạng chữ nhật có độ sâu xói giảm khoảng 2030%, do hiệu quả khuyếch tán của mố phun dạng hình thang so với mố chữ nhật tăng lên rõ rệt. Theo kết quả thí nghiệm Chastang của Pháp, dùng mố hình thang với lưu lượng thích hợp, chùm dòng phun bay xa hình thành dạng móng ngựa; diện tích dòng phun khuyếch tán lớn, một mặt có thể giảm nhỏ năng lượng tác dụng Người phản biện: TS. Nguyễn Ngọc Nam Ngày nhận bài: 08/8/2014 Ngày thông qua phản biện: 12/9/2014 Ngày duyệt đăng: 08/10/2014 trên đơn vị diện tích ở hạ lưu, mặt khác dòng phun tăng thêm diện tích tiếp xúc với không khí càng thuận lợi cho luồng phun của nước trộn bọt khí dễ tan. Khi dòng chảy qua mố phun không sinh áp suất âm (nếu có thì cũng nhỏ); đó là một số ưu điểm nổi bậ t của mố phun hình thang. Dưới đây sẽ phản ánh ưu điểm của mũi phun 2 tầng so với mũi phun liên tục (truyền thống). II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC II.1. Mô hình hóa Để xác định các thông số thủy lực, đã xây dựng mô hình tổng thể chính thái, tỷ lệ 1/80, lòng cứng. Để xác định các thông số xói, đã dùng vật liệu rời bằng đá có đường kính d=1-2 cm. Trên mô hình thí nghiệm với 5 cấp lưu lượng nêu ở bảng 1. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 103 Bảng 1. Các cấp lưu lượng thí nghiệm TT P (%) Q(m3/s) q (m3/s.m) Z hồ (m) Zhạ lưu (m) Z (m) 1 10% 3.200 53,33 403,09 324,46 79,54 2 4.500 75,00 405,21 327,07 78,14 3 1% 5.800 96,67 407,10 329,67 77,43 4 6.500 108,33 408,25 331,07 77,08 5 0.5% 7.400 123,33 409,36 332,87 76,49 II.2. Sơ đồ nghiên cứu so sánh mũi phun 2 tầng và mũi phun liên tục Để so sánh, đánh giá tính ưu việt của mũi phun 2 tầng với mũi phun liên tục (truyền thống) tiến hành nghiên cứu với sơ đồ mũi phun hai tầng (hình 1 và ảnh 1), sơ đồ mũi phun liên tục (hình 2 và ảnh 2). Mô tả thông số của 2 dạng mũi phun ở hình 1,2. Các thông số về luồng phun và xói sâu xem hình 3;4. (1) m (m s ) (3) (1) (3) Hình 1. Mũi phun 2 tầng Hình 2. Mũi phun liên tục KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 104 Ảnh 1. Mũi phun hai tầng Ảnh 2. Mũi phun liên tục Trong các hình 1;2: - Kích thước và cao độ ghi là (m) (1) - Thân tràn; d - chiều cao mố phun; (2) - mố phun; 1 - góc hất mũi phun liên tục, 1=250 (3) - mũi phun liên tục 2 - góc hất mố phun; 2=300 R2 - bán kính mũi phun không liên tục; R1 - bán kính mũi phun liên tục; m s - hệ số mái sau mố phun m - hệ số mái bên mố phun; Bđm - bề rộng đầu mố phun;  - góc khuyếch tán ngang của mố phun; b - bề rộng đỉnh mố phun; a - khoảng cách khe rãnh, Br - bề rộng luồng phun (2)(1) Hình 2. Các thông số luồng phun Ghi chú: L1 - chiều dài từ mũi phun tới mép trong luồng phun. L2 - chiều dài từ mũi phun tới mép ngoài luồng phun. Br - bề rộng luồng phun 1 2 3 Hình 3. Các thông số về xói Ghi chú: T - chiều sâu xói (m) Lx1 - chiều dài từ mũi phun tới mép trước hố xói Lx2 - chiều dài từ mũi phun tới điểm xói sâu nhất Lx3 - chiều dài từ mũi phun tới mép sau hố xói KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 105 II.3. Kết quả nghiên cứu mũi phun 2 tầng hay không liên tục (KLT) và liên tục (LT) Để đánh giá ưu điểm của mũi phun không liên tục (KLT) và liên tục (LT) đã tiến hành xác định, so sánh các thông số thủy lực chủ yếu: Chiều dài phun xa, xói lở và sóng ở hạ lưu, hiệu quả tiêu năng của hai loại mũi phun với 5 cấp lưu lượng. II.3.1. C hiều dài phun xa Kết quả thí nghiệm về thông số chiều dài phun xa của 2 loại mũi phun nêu ở bảng 2 Bảng 2. Thông số dòng phun xa của mũi phun không liên tục và mũi phun liên tục (mô hình lòng cứng) Thông số Lưu lượng đơn vị q (m3/s.m) 53,33 75,00 96,67 108,33 123,33 KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT KLT LT L1(m) 83,20 87,60 85,60 91,20 86,40 91,20 86,60 90,40 82,80 88,40 L2(m) 107,20 102,80 108,80 104,80 110,80 112,00 110,40 112,00 111,60 110,40 Br (m) 24,00 15,20 23,20 13,60 24,40 20,80 23,80 21,60 28,80 22,00 Từ bảng trên ta thấy mũi phun không liên tục so với mũi phun liên tục có ưu điểm về dòng phun như sau: - Bề rộng luồng phun lớn hơn từ 4  10m. - Khi xả lưu lượng q  100m3/s.m chiều dài phun xa của mũi phun không liên tục xa hơn khoảng 5m so với mũi phun liên tục. Khi q > 100m 3/s.m do độ sệ của luồng phun, bề dày dòng phun dày hơn, góc phun của mố lớn làm giảm chiều dài phun xa của luồng phun (chiều dài phun xa tương đương mũi phun liên tục). - Bề dày luồng phun xa của mũi phun không liên tục lớn hơn, góc đổ luồng phun lớn hơn, bề rộng luồng phun lớn làm tăng diện tích tiếp xúc lớp nước đệm hạ lưu. Các yếu tố đó làm cho mũi phun không liên tục có chiều sâu xói giảm, chiều cao sóng giảm, vận tốc hạ lưu cũng giảm và hiệu quả tiêu năng tăng. II.3.2. Kết quả nghiên cứu về xói lở hạ lưu Kết quả thí nghiệm xói vật liệu rời hạ lưu đối với mũi phun không liên tục - phương án chọn và mũi phun liên tục xem bảng 3. Bảng 3. So sánh các thông số xói sâu của 2 loại mũi phun TT Thông số Lưu lượng đơn vị (m 3/s.m) 56,33 96,67 123,33 KLT LT KLT LT KLT LT 1 T(m) 16,45 22,45 24,29 37,85 31,35 40,95 2 Độ giảm chiều sâu xói(%) 26,73 35,83 23,44 3 Lx1(m) 83,20 84,80 89,60 88,00 91,20 89,60 4 Lx3(m) 154,40 188,00 206,40 269,60 236,80 292,80 Từ kết quả bảng 3, có thể rút ra kết luận về xói hạ lưu như sau: - So với mũi phun liên tục, chiều sâu hố xói sau tràn của mũi phun không liên tục giảm từ 25  35%. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 106 - Khoảng cách từ mũi phun đến mép trong của hố xói đối với 2 loại mũi phun là tương tự như nhau. - Khoảng cách từ mũi phun đến mép ngoài của hố xói: mũi phun không liên tục cho khoảng cách giảm khoảng 20% so với mũi phun liên tục. Một số hình ảnh mô tả xói với 2 loại mũi phun ở ảnh 3 ÷ 8. II.3.3. Vận tốc dòng chảy Kết quả nghiên cứu vận tốc và mạch động vận tốc trên tràn, hạ lưu công trình ứng với 2 loại mũi phun trên mô hình lòng cứng cho thấy vận tốc vùng mũi phun không liên tục đạt giá trị max = 25,33 (m/s) không tăng cao nhiều so với vận tốc mũi phun liên tục max = 25,15 (m/s). Tuy nhiên trong khe rãnh thì giá trị mạch động vận tốc của mũi phun không liên tục có tăng nhẹ. Giá trị vận tốc và mạch động vận tốc trong hố xói nêu trong bảng 4. Ta nhận thấy rằng: mũi phun 2 tầng có giá trị vận tốc và mạch động vận tốc tại đáy hố xói giảm từ 18  40%. Ảnh 3. Hố xói hạ lưu mũi phun không liên tục; q=56,33m 3/s.m Ảnh 4. Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=56,33m3/s.m Ảnh 5. Hố xói hạ lưu mũi phun không liên tục; q=96,67m 3/s.m Ảnh 6. Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=96,67m3/s.m KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 107 Ảnh 7. Hố xói hạ lưu mũi phun không liên tục; q=123,33m3/s.m Ảnh 8. Hố xói hạ lưu mũi phun liên tục; q=123,33m3/s.m Bảng 4. Vận tốc và mạch động vận tốc trong hố xói q (m3/s.m) Mũi phun không liên tục Mũi phun liên tục v (%) σv (%) v (m/s) v (m/s) v (m/s) v (m/s) 53,33 5,19 1,73 8,82 2,94 41,16 41,16 75,00 7,53 2,51 10,56 3,52 28,69 28,69 96,67 10,70 3,57 13,53 4,51 20,92 20,84 108,33 11,92 3,97 15,20 5,07 21,58 21,70 123,33 14,45 4,82 17,53 5,84 17,57 17,47 II.3.4. Hiệu quả tiêu năng Để nghiên cứu so sánh hiệu qủa tiêu năng giữa mũi phun không liên tục và mũi phun liên tục, thiết lập phương trình năng lượng cho 2 mặt cắt: - Mặt cắt 0-0 trên lòng hồ cách tràn 100m: g V ZE o 2 2 00  (1) - Mặt cắt HL7-HL7 cách mũi hắt 578m về hạ lưu: g VZE 2 2 7 77  (2) Z: giá trị chênh lệch từ mặt chuẩn (lấy tại cao trình đáy hố xói 295,0m) đến mực nước trung bình tại mặt cắt. :V giá trị vận tốc trung bình tại mặt cắt. Khi đó: - E1 = E0 - E7: ứng với mũi phun không liên tục. - E2 = E0 - E7: ứng với mũi phun liên tục. Từ thí nghiệm mô hình ta có số liệu trung bình của mực nước và vận tốc tương ứng với 2 loại mũi phun thay vào công thức (1) và (2) ta có hiệu quả tiêu năng nêu ở bảng 5 Như vậy: so với mũi phun liên tục, năng lượng dòng chảy qua mũi phun không liên tục được tiêu hao nhiều hơn; hiệu quả tiêu năng tăng khoảng 6%. Tuy nhiên với cấp lưu lượng đơn vị q > 97 m 3/s.m thì hiệu quả tiêu hao năng lượng giảm đi, đây cũng là một yếu tố để xem xét kiến nghị phạm vi ứng dụng của mũi phun không liên tục KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 108 Bảng 5. Năng lượng tại các mặt cắt ứng với 2 loại mũi phun q (m3/s.m) E0 E7 (KLT) E7 (LT) E1 (KLT) E2 (LT) Tiêu năng lượng tăng của mũi phun KLT (%) 53,33 108,09 28,23 28,67 79,86 79,42 1,53% 75,00 110,21 30,26 31,46 79,95 78,75 3,81% 96,67 112,10 32,23 34,16 79,87 77,94 5,65% 108,33 113,26 34,42 35,58 78,84 77,68 3,26% 123,33 114,37 36,29 37,52 78,08 76,85 3,28% II.3.5. Chiều cao sóng Từ số liệu đo chiều cao sóng leo 2 bờ và chiều cao sóng đứng tại mặt cắt HL6, HL7 (xem bảng 6 và 7). Ta thấy rằng mũi phun không liên tục cho hiệu quả giảm chiều cao sóng leo và chiều cao sóng đứng ở hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục. Bảng 6. Sóng leo 2 bờ hạ lưu Mặt cắt Sóng leo bờ trái Sóng leo bờ phải KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) Q= 3.200 m 3/s (q= 56,33m 3/s.m) HL6 2,44 2,80 -0,36 12,86 2,40 2,82 -0,42 14,89 HL7 1,52 2,24 -0,72 32,14 1,84 2,42 -0,58 23,97 Q= 4.500 m 3/s (q= 75,00m 3/s.m) HL6 2,48 3,04 -0,56 18,42 2,24 2,80 -0,56 20,00 HL7 2,40 3,16 -0,76 24,05 2,16 2,96 -0,80 27,03 Q= 5.800 m 3/s (q= 96,67m 3/s.m) HL6 2,04 3,05 -1,01 33,12 2,28 2,98 -0,70 23,49 HL7 2,52 3,32 -0,80 24,10 2,24 2,96 -0,72 24,32 Q= 6.500 m 3/s (q= 108,33m3/s.m) HL6 2,82 3,66 -0,84 22,95 2,52 2,94 -0,42 14,29 HL7 2,88 3,56 -0,68 19,10 2,40 3,68 -1,28 34,78 Q= 7.400 m 3/s (q= 123,33m3/s.m) HL6 2,52 3,76 -1,24 32,98 2,64 4,06 -1,42 34,98 HL7 2,32 3,24 -0,92 28,40 2,84 3,60 -0,76 21,11 Bảng 7. Sóng đứng 2 bờ hạ lưu Mặt cắt Sóng đứng bờ trái Sóng đứng bờ phải KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) Q= 3.200 m3/s (q= 56,33m3/s.m) HL6 2,00 3,00 -1,00 33,33 1,60 2,16 -0,56 25,93 HL7 1,60 2,00 -0,40 20,00 1,60 2,00 -0,40 20,00 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 109 Mặt cắt Sóng đứng bờ trái Sóng đứng bờ phải KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) KLT (m) LT (m) Giảm chiều cao (m) Hiệu quả giảm(%) Q= 4.500 m3/s (q= 75,00m3/s.m) HL6 HL7 2,16 3,04 -0,88 28,95 2,16 3,04 -0,88 28,95 2,00 2,40 -0,40 16,67 1,76 2,80 -1,04 37,14 Q= 5.800 m3/s (q= 96,67m3/s.m) HL6 2,10 2,80 -0,70 25,00 2,15 2,84 -0,69 24,30 HL7 2,16 2,96 -0,80 27,03 2,40 3,00 -0,60 20,00 Q= 6.500 m3/s (q= 108,33m3/s.m) HL6 2,40 3,60 -1,20 33,33 2,80 3,76 -0,96 25,53 HL7 2,16 3,06 -0,90 29,41 2,56 3,80 -1,24 32,63 Q= 7.400 m3/s (q= 123,33m3/s.m) HL6 3,00 4,00 -1,00 25,00 2,80 3,60 -0,80 22,22 HL7 2,20 3,20 -1,00 31,25 2,20 3,40 -1,20 35,29 II.3.6. Xói lở hai bờ hạ lưu Kết quả xác định vận tốc dòng chảy tại hai bờ hạ lưu cho thấy so với mũi phun liên tục, mũi phun không liên tục có giá trị vận tốc dòng chảy, ven bờ hạ lưu giảm từ 20-40%. Mạch động vận tốc giảm từ 40-70%. Do đó xói lở 2 bờ hạ lưu giảm, khối lượng gia cố hai bờ hạ lưu cũng giảm. III. KẾT LUẬN Qua thí nghiệm xác định các thông số thủy lực chủ yếu của mũi phun 2 tầng (hình 1) và mũi phun liên tục (hình 2): dòng phun xa, vận tốc dòng chảy, tiêu hao năng lượng, xói lở hạ lưucó thể rút ra một số kết luận như sau: 1. Chiều sâu hố xói sau tràn của mũi phun hai tầng so với mũi phun liên tục giảm khoảng từ 25  30%. 2. Khoảng cách từ mũi phun tới mép trước của hố xói là tương tự như nhau. 3. Cùng một kết cấu tràn xả lũ: Mũi phun hai tầng có giá trị vận tốc và mạch động vận tốc tại đáy hố xói giảm từ 18 ÷ 40% so với mũi phun không liên tục. 4. So với mũi phun liên tục, năng lượng dòng chảy qua mũi phun 2 tầng được tiêu hao nhiều hơn; hiệu quả tiêu năng tăng khoảng 6%. 5. Về thông số luồng phun: mũi phun không liên tục cho chiều dài phun xa tương đương mũi phun liên tục. Tuy nhiên có ưu điểm là bề dày luồng phun lớn, bề rộng luồng phun tăng là tăng diện tích mặt tiếp xúc của lớp nước đệm, do đó giảm vận tốc trong hố xói và giảm chiều sâu xói. 6. Mũi phun hai tầng cho hiệu quả giảm chiều cao sóng leo và chiều cao sóng đứng ở 2 bờ hạ lưu từ 13  35% so với mũi phun liên tục. 7. Qua thí nghiệm xác định các thông số thủy lực cho thấy phạm vi áp dụng mũi phun 2 tầng có hiệu quả nhất với tràn xả lũ có lưu lượng đơn vị q97 m3/s, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu Z78m 8. Kết cấu mũi phun không liên tục nêu ở hình 1 với các thông số như sau: Thông số của kết cấu mũi phun không liên tục (tràn đặt giữa lòng sông) Tỷ số     oh d Hiệu số (2 - 1) Hệ số mái bên của mố phun (m) Góc khuyếch tán ngang (o) Tỷ số     oh b Hệ số mái sau của mố phun (ms) Tỷ số    b a 0,7 5o 0,5 25o≥o≥20o 2,0 1,0 0,91,0 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 110 Trong đó: d (m): chiều cao mố phun (tính từ mặt tràn đến đỉnh mố phun); ho (m): độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hẹp ứng với QTK; 1o: góc hất của khe rãnh; 2o: góc hất của mố phun; o: góc khuyếch tán ngang của mố phun; a (m): chiều rộng khe rãnh. b (m): chiều rộng đỉnh mố phun; m: hệ số mái bên của mố phun; m s: hệ số mái sau của mố phun; 9. Mũi phun liên tục có ưu điểm nữa là bố trí mố phun theo các vị trí phù hợp theo yêu cầu, dịch chuyển ra mép ngoài hay lùi vào trong trên mũi phun liên tục để tạo dòng phun phù hợp với yêu cầu thực tế. Do ưu điểm của mũi phun 2 tầng nên đã được áp dụng cho một số tràn xả lũ như: Sông Hinh, Sông Bung 4 (ảnh 9, 10) Có thể sử dụng kết cấu mũi phun 2 tầng (hay không liên tục) nêu trên áp dụng cho thiết kế, xây dựng tràn xả lũ cho các công trình thủy lợi, thủy điện có điều kiện tương tự Ảnh 9: Mũi phun 2 tầng tràn Sông Hinh Ảnh 10. Mũi phun 2 tầng tràn sông Bung 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngô Trí Viềng [2005] Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi. NXB Xây dựng - Hà Nội. [2] Trần Quốc Thưởng [2005] Thí nghiệm mô hình thuỷ lực công trình - NXB Xây dựng. [3] Trần Quốc Thưởng [2010] Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: Chọn kết cấu mũi phun hợp lý cho tràn xả lũ có dốc nước i ≤ 30%, Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam. [4] Báo cáo chuyên đề thủy công [1964], NXB Thủy lợi - Thủy điện, Bắc Kinh. [5] Trần Vũ [2013] Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu lựa chọn hợp lý kết cấu mũi phun không liên tục cho tràn xả lũ - Viện Năng lượng.