Thủy năng và thủy điện - Chương 5: đập dâng và công trình tháo lũ

1 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC PGS. TS. NGUYỄN THỐNG Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/ Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 2 THUỶ NĂNG & THUỶ ĐIỆN Chương 1 : 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 & công trình tháo lũ. Chương 6 : Công 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 & Công trình tháo lũ 3 ĐẬP DÂNG & CÔNG TRÌNH THÁO LŨ 1. Tổng quát. 2. Đập dâng. 3. Công trình tháo lũ. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 4/4/2013 4 ĐẬP DÂNG PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 5 TAØI NGUYEÂN NÖÔÙC VIEÄT NAM . Dr. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 6 TAØI NGUYEÂN NÖÔÙC VIEÄT NAM 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 7 TAØI NGUYEÂN NÖÔÙC VIEÄT NAM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 8 TỖNG QUAN VỀ ĐẬP DÂNG Nhiệm vụ: Đập dâng là một công trình thuỷ được xây dựng nhằm để giữ nước nhằm mục đích:  Đổi hướng dòng chảy.  Nâng cao mực nước.  Tạo hồ chứa. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 9 TỖNG QUAN VỀ ĐẬP DÂNG Hạ lưu sau NM:  Điều hoà dòng chảy.  Giảm lưu lượng đỉnh lũ.  Tăng cường lưu lượng mùa kiệt. Hạ lưu đoạn sông sau đập  NM  Khúc sông chết (nếu không có lưu lượng hoàn trả ngay sau đập, nhất là về mùa khô). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công trình tháo lũ 11 MNGC MNDBT MNC MN KHI THÁO CẠN HỒ Whi Wp.lũ WCHẾT CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ THÔNG SỐ HỒ CHỨA PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công trình tháo lũ 13 ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH Thường sử dụng bản đồ tỷ lệ 1/10.000 (bản đồ không ảnh). Nguyên tắc chọn vị trí đập:  Tạo thành hồ chứa phía thượng lưu lớn nhất có thể,  Tuyến công trình ngắn (kết hợp đủ chổ để bố trí các công trình khác: tháo lũ, lấy nước,...). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 14 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT  Ít hoặc không 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 dò 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 & Công 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 có thể (dung tích chết  MNC  cao trình cửa lấy nước). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 16 ĐIỀU KIỆN DÂN SINH  Hiện tượng đường nước dâng khi có lũ kiểm tra  di dân. Mực nước khi chưa có đập PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 17 Ví dụ: Sơ bộ với đập cao 60m, độ dốc mặt thoáng TB là 4m/km  chiều dài ảnh hưởng về thượng lưu hồ là: 60/4 = 15km.  Mất đất ở và nông nghiệp  Ngập đường giao thông  Ngập lòng hồ (môi trường)  Bảo đảm lưu lượng tối thiểu ở hạ lưu đập nếu cần sau khi xây dựng hồ (hiện tượng đoạn sông chết). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 thông. Phía dưới là giới hạn nền và 2 bên bờ. 4 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công trình tháo lũ 20 PHÂN LOẠI  ĐẬP TRỌNG LỰC  ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG  ĐẬP VÒM  ĐẬP DI ĐỘNG. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 21 ĐẬP TRỌNG LỰC P G A ’ W n W n Biểu đồ thấm t/h có bố trí thoát nước TL PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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)  Áp lực thấm (chênh lệch MN thượng & hạ lưu)  Áp lực đẩy nổi (có 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 & Công trình tháo lũ 23 ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 285m ! PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công trình tháo lũ 25 TÍNH ỔN ĐỊNH Cân bằng (không bị trượt, lật dưới tác dụng của nước và các lực khác) Thông thường: độ dốc TK là m=0 và HL là m=0.85 Đảm bảo điều kiện chịu lực của thân đập (không sinh ra ứng suất kéobê tông không thiết kế để chịu kéo nếu có cục bộ  bố trí cốt thép chịu) và nền. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 26 MỘT SỐ KẾT CẤU KHÁC - Vật thoát nước nền  giảm áp lực thấm. - Màng chống thấm  giảm lưu lượng thấm qua nền. - Thoát 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 & Công trình tháo lũ 27 Baøi taäp 1: Cho ñaäp beâ toâng nhö hình sau. H=20m, chieàu roäng ñænh b=4m, heä soá ma saùt f=0.7,  bt =2.5T/m 3 , heä soá giaûm aùp =0.6. Tính heä soá oån ñònh tröôït phaúng. (=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 & Công trình tháo lũ 28 Baøi taäp 2: Cho ñaäp beâ toâng coù H=15m, b=12m. Heä soá ma saùt f=0.75,  bt =2.5T/m 3 , heä soá giaûm aùp =0.7, [k] truot_phang =1.2. a. Kieåm tra oån ñònh theo ñieàu kieän tröôït phaúng. b. Tính k laät (quanh C). H A C B H 1 =4m b m 1 =0 m 2 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 4/4/2013 29 ĐẬP ĐẤT & ĐÁ ĐỖ (Đập bằng VLĐP) PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 30 6 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 31 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 32 ĐẬP ĐẤT PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 33 ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG Yêu cầu chất lượng nền thấp so với đập bê tông,  Vật liệu sự dụng có thể là đất, đá,  Có màng chống thấm trong thân đập (có thể ở thượng lưu),  Khối lượng đất đá sử dụng lớn (tiết diện lớn hơn đập bê tông cùng chiều cao). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 34 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 35 TÍNH ỔN ĐỊNH Khác với đập bê tông: - Tính ổn định trượt mái dốc cục bộ, - Tính ổn định không xói ngầm thân đập, - Hiện tượng đùn đất ở hạ lưu. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 36 ỔN ĐỊNH MÁI DỐC SOFTWARE GEO-SLOPE 7 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 37 HIỆN TƯỢNG XÓI NGẦM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 38 HIỆN TƯỢNG XÓI NGẦM VÀ & ĐỀ PHÒNG Đề phòng xói ngầm: Tầng lọc ngược, vải địa chất PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 39 ĐẬP ĐÁ ĐỖ H max >(40-50)m PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 40 ĐẬP ĐÁ ĐỖ PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 41 ĐẬP ĐẤT ĐÁ HỖN HỢP THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 4/4/2013 42 CÔNG TRÌNH THÁO LŨ PGS. TS. Nguyễn Thống 8 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 tiếp tục vào hồ với lưu lượng ‘lớn’). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 44 CÔNG TRÌNH THÁO LŨ TỰ TRÀN . Dr. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 45 CÔNG TRÌNH THÁO LŨ TỰ TRÀN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 46 CÔNG TRÌNH THÁO LŨ CÓ CỬA VAN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 47 COÂNG TRÌNH ĐẦU MỐI ĐƯỜNG TRÀN DỌC TL HL ĐẬP DÂNG CT NỐI TIẾP- DỐC NƯỚC ĐƯỜNG HẦM DẪN DÒNG PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 48 Đập tràn dạng Creager Tiêu năng dạng phun (dòng nước khuếch tán vào không khí để tiêu năng) H 9 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 49 HỐ XÓI ĐẬP TRÀN THỰC DỤNG TIÊU NĂNG MŨI PHUN PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 50 ĐẬP VÒM TL HL PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 51 NHÌN TỪ HẠ LƯU PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 52 Tràn mặt Tràn dưới sâu PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 (không áp)  Chảy dưới sâu (có áp) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công trình tháo lũ 54 CHẢY TRÀN MẶT  Không áp  Đập tràn thực dụng Creager (có hoặc không 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 & Công 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 KHÔNG ngập 2/3 on Hg2mBQ  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công 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 & Công trình tháo lũ 58 THÁO LŨ DƯỚI SÂU (CHẢY CÓ 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 & Công trình tháo lũ 59 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TRÀN  Giả thiết các tổ hợp (B,H)  quy mô 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 & Công trình tháo lũ 60  Xác định MNGC,  Xác định cao trình đỉnh đập dâng  quy mô đập,  Tổng đầu tư T ($) công trình đầu mối (chú ý đến đập & tràn),  Chọn tổ hợp (B,H) có T ($) min 11 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 & Công 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 có m=0.4, chảy không 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 & Công 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 & Công trình tháo lũ 64 Baøi 4: Tính löu löôïng qua ñaäp traøn thöïc duïng vôùi sai soá 2 laàn tính lieân tieáp < 1%(chaûy khoâng ngaäp): Coät nöôùc traøn H=6m, heä soá löu löôïng m=0.42, chieàu roäng traøn B=25m, ñaäp cao H 1 = 25m. Baøi 5: Tính chieàu roäng traøn B ñeå thaùo löu löôïng Q=800m 3 /s. Ñaäp coù m=0.4, coät nöôùc traøn H=5m. Ñaäp cao 15m. Boû qua vaän toác ñeán gaàn. Giả thiết chảy khoâng ngập qua ñaäp. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 5: Đập dâng & Công 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 vuông 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 & Công trình tháo lũ 4/4/2013 66