Tài liệu ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua công trình trnà xa lũ hồ chứa nước nặm cắt tỉnh bắc cạn

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ HỒ CHỨA NƢỚC NẶM CẮT – TỈNH BẮC KẠN Học viên: Nguyễn Thanh Nhã Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa: 2015-2017 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tính toán, việc ứng dụng các phần mềm để tính toán giải quyết các bài toán trong xây dựng là một xu thế rất cần thiết. Nhất là các phần mềm có tính ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật, có thể giải quyết đƣợc các bài toán phức tạp theo các phƣơng pháp số nhƣ phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM), thể tích hữu hạn (FVM). Trong đề tài này tác giả chọn mô hình tính toán thủy lực bằng Telemac-Mascaret với modul Telemac-3D đƣợc giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dòng chảy qua các công trình thủy lợi; cụ thể là qua tràn xả lũ Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn. Đây là loại tràn có mặt cắt thực dụng, từ đó xuất dữ liệu thông số cơ bản của một bài toán thủy lực nhƣ lƣu lƣợng qua tràn, vận tốc lớn nhất, nhỏ nhất, đƣờng mực nƣớc..vv.. và kết quả mô phỏng dƣới dạng 3D. Kết quả cho thấy mô hình Telemac-3D đáp ứng đƣợc yêu cầu trong thực tế, kiểm tra đƣợc định tính và định lƣợng đƣợc bài toán. Phần mềm đƣợc tích hợp với các phần mềm khác nhƣ AutoCad, SketchUp Pro, BlueKenue, Fuddaa-prepro rất thuận lợi trong quá trình giải quyết bài toán. Từ khóa - Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt; mô hình hóa Telemac-3D; phƣơng pháp phần tử hữu hạn; thể tích hữu hạn; đập tràn thực dụng. APPLICATION OF SIMULATION MODEL FOLW THROUGH THE NAM CAT RESERVOIR FLOOD DRAINAGE PROJECT – BAC KAN PROVINCE Abstract - Nowadays, along with the rapid development of computational mathematics, the application of software to solve many problems in hydraulic structures is a very necessary trend. Specially, the software which can be applied widely in engineering, can solve complex mathematical problems by finite element method (FEM) or by finite volume method (FVM). In this topic, the author selects the hydrodynamic modeling equation using Telemac-Mascaret with modul Telemac-3D established by finite element methodor by finite volume method (FVM) to simulate flow over hydraulic structures, namely through the Nam Cat reservoir flooddrainage project – Bac Kan province. This type of spill has a practical cross-section, which outputs basic data of a hydraulic problem such as overflow, maximum velocity, minimum velocity, Water depth..etc.. and the results are simulated in 3D. The results show that the Telemac-3D model meets the real demand, qualitative and quantitative testing of the problem. Software is integrated with other software such as Auto Cad, SketchUp Pro, BlueKenue, Fuddaa-preprowhich is very convenient in process of solving problems. Key words - The Nam Cat reservoir; Mathematical model Telemac-3D; By finite element method (FEM); By finite volume method (FVM); practical weir. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................................... i CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................................................... vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................. ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................. 2 6. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 3 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ ............................... 4 1.1. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƢỚC Ở VIỆT NAM HIỆN NAY ............................................................................................................ 4 1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện ......................................... 4 1.1.2. Một số thông số chính về các công trình xả lũ ở nƣớc ta ...................................... 6 1.1.3. Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nƣớc ta ........................... 10 1.2. VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA CÔNG CÁC TRÌNH THỦY LỢI.................................................................................. 10 1.2.1. Đánh giá dòng chảy xiết qua dốc nƣớc (tràn xả lũ) ............................................ 10 1.2.2. Nghiên cứu chế độ nối tiếp dòng chảy từ thƣợng lƣu với hạ lƣu qua tràn xả lũ 11 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ......................................................................................................... 13 Chƣơng 2 – LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ CỦA MÔ HÌNH TELEMAC-3D ...................................................................................................... 14 2.1. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH .......................................... 14 2.1.1. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 14 2.1.2. Nội dung nghiên cứu. .......................................................................................... 14 2.2. TÀI LIỆU ĐƢỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH ......................................... 15 2.2.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 15 2.2.2. Tài liệu thủy văn .................................................................................................. 17 iv 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM .................................................................................... 19 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D ............................................ 22 2.4.1. Mô hình động lực học .......................................................................................... 22 2.4.2. Dòng chảy qua tràn .............................................................................................. 26 2.4.3. Dòng chảy qua bể tiêu năng sau tràn ................................................................... 28 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 30 Chƣơng 3 – ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TELEMAC-3D MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ ....................................................................... 31 3.1. CÁC BƢỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG TRÊN TELEMAC-3D............................. 31 3.1.1. Xây dựng mô hình Tràn 3D ................................................................................. 31 3.1.2. Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D ......................................................................... 31 3.1.3. Kết quả tạo lƣới ................................................................................................... 31 3.1.4. Thiết lập điều kiện biên ....................................................................................... 32 3.1.5. Các thông số hình học thiết lập trong mô hình Telemac ..................................... 35 3.2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG SAU TRÀN ...................................................................................... 37 3.2.1.Khả năng xả .......................................................................................................... 37 3.2.3. Đƣờng mực nƣớc dọc tuyến công trình ............................................................... 44 3.2.4. Lƣu tốc dòng chảy ............................................................................................... 47 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ......................................................................................................... 50 Chƣơng 4 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VẬN HÀNH CỬA VAN ...................................... 51 4.1. TRƢỜNG HỢP MỞ CỬA HOÀN TOÀN 2 CỬA VAN ...................................... 51 4.1.1. Thí nghiệm khả năng xả ...................................................................................... 51 4.1.2. Đƣờng mực nƣớc dọc tuyến công trình ............................................................... 54 4.1.3. Lƣu tốc trung bình dòng chảy dọc tuyến công trình ........................................... 57 4.2. TRƢỜNG HỢP MỞ CỬA HOÀN TOÀN 1 CỬA VAN ...................................... 59 4.2.1. Thí nghiệm khả năng xả ...................................................................................... 59 4.2.2. Đƣờng mực nƣớc dọc tuyến công trình ............................................................... 62 4.2.3. Lƣu tốc dòng chảy ............................................................................................... 64 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ......................................................................................................... 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 66 1. Kết luận .......................................................................................................... 66 v 2. Kiến nghị ........................................................................................................ 67 3. Những vấn đề còn tồn tại ................................................................................. 67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ........................................................... 71 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 72 PHẦN MỞ RỘNG LUẬN VĂN vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU : V L g C Regh Δ nn Vđộng V v h Zs U, V, W T p patm υ Zf ρ0 Δρ t x,y z Fx, Fy Q Tref ρref βi d Fr H ZTLTN ZHLTN QTN qtran Vận tốc Kích thƣớc dài Gia tốc trọng trƣờng Hệ số Chezy Hệ số Rây-nôn Độ nhám tuyệt đối Độ nhám bê tông Lƣu tốc thủy động tức thời ở một vị trí nào đó Lƣu tốc trung bình thủy trực tại vị trí cần xét Mạch động vận tốc Độ sâu Độ cao bề mặt thoáng Các thành phần vận tốc Chất đánh dấu Áp suất Áp suất khí quyển Hệ số khếch tán chất đánh dấu và vận tốc Chiều sâu đáy Mật độ chuẩn Biến thiên mật độ Thời gian Các thành phần không gian theo chiều ngang Thành phần không gian theo chiều dọc Số hạng nguồn Nguồn chất đánh dấu thêm vào hoặc mất đi Nhiệt độ tham chiếu là 4°C Mật độ tham chiếu nhiệt độ Hệ số giãn nở Độ sâu dòng chảy tại mặt cắt trƣớc nƣớc nhảy Hệ số Froud Độ sâu nƣớc Cao trình mực nƣớc thƣợng lƣu thí nghiệm Cao trình mực nƣớc hạ lƣu thí nghiệm Lƣu lƣợng tính toán và lƣu lƣợng khống chế trong mô hình Tỷ lƣu qua tràn vii Btràn Ho m' Qxả B m Chiều rộng khoang tràn Cột nƣớc trên tràn có kể tới lƣu tốc tới gần Hệ số lƣu lƣợng đã kể tới co hẹp Lƣu lƣợng tháo qua đập tràn Chiều rộng thoát nƣớc của tràn Hệ số lƣu lƣợng CÁC CHỮ VIẾT TẮT : CTTL LNHE FEM MNKT MNTK Công trình tháo lũ Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lực của Điện Lực Pháp Phƣơng pháp phần tử hữu hạn Mực nƣớc kiểm tra Mực nƣớc thiết kế viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam 6 2.1 Nội dung nghiên cứu mô phỏng mô hình thực tế 15 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của tràn xả lũ 15 3.1 Khả năng xả qua tràn phƣơng án thiết kế mô hình 37 So sánh kết quả lƣu lƣợng xả qua tràn trên mô hình thí nghiệm và 3.2 mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s và QTK=720,5m3/s) (Mở 42 3 cửa van) So sánh kết quả lƣu tốc max qua tràn xả lũ và bể tiêu năng trên 3.3 mô hình thí nghiệm và mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s 49 3 và QTK=720,5m /s) (Mở 3 cửa van) So sánh kết quả lƣu tốc max qua tràn xả lũ và bể tiêu năng trên 4.1 mô hình thí nghiệm và mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s và QTK=720,5m3/s) (Mở cửa van số 2 và số 3) 59 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX 4 1.2 Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX 5 1.3 Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam) 7 1.4 Đập tràn thủy điện Trị An 7 1.5 Đập tràn thủy điện Hòa Bình 8 1.6 Đập tràn hồ chứa nƣớc Cửa Đạt 8 1.7 Mô hình tổng thể hồ chứa nƣớc Nƣớc Trong 8 1.8 Tràn xả lũ hồ chứa nƣớc Ayun Hạ 9 1.9 Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La 9 1.10 Mô hình tổng thể hồ chứa nƣớc Tả Trạch 9 2.1 Quan hệ Q=f(H) Hạ lƣu tràn Nặm Cắt 17 2.2 Kích thƣớc thực tế tràn xả lũ Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn 18 2.3 Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret 21 2.4 Sơ đồ tính đƣờng mặt nƣớc và vận tốc dòng chảy qua tràn 27 2.5 2.6 Quan hệ giữa hệ số lƣu tốc trên mặt tràn với lƣu lƣợng đơn vị q và khoảng cách l theo mặt đập kể từ đỉnh đập đến mặt cắt tính toán. Quan hệ giữa hệ số lƣu tốc 0 tại mũi phun với lƣu lƣợng đơn vị q và chiều dài S theo mặt đập kể từ đỉnh đập đến mũi phun. 27 28 2.7 Bể tiêu năng loại II(a) và loại III(b) 29 2.8 Bể tiêu năng loại IV(a) và loại SAF(b) 29 3.1 Hình ảnh 3D tràn xả lũ Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn 31 3.2 Tạo lƣới cho phần Trụ pin tràn xả lũ 32 x 3.3 Tạo lƣới cho phần dốc nƣớc và bể tiêu năng 32 3.4 Tạo một tệp điều kiện ranh giới mới cho đối tƣợng Bottom. 33 3.5 Các loại nút điều kiện biên cho Telemac-3D 33 3.6 3.7 Chọn nút cuối của phân đoạn và nhấp chuột phải vào Add Boundary Segment Áp dụng một ranh giới mở với quy định Q vào đƣờng Boundary thƣợng lƣu 34 34 3.8 Kết quả điều kiện biên áp dụng đối với đối tƣợng Bottom_bc 35 3.9 Số lƣợng nút và phần tử mô hình tính toán 36 3.10 Mô tả một lƣới ba chiều Telemac-3D 37 3.11 Quan hệ Q- tràn phƣơng án thiết kế 38 3.12 Quan hệ Q- ZTL và Q-m’ qua tràn phƣơng án thiết kế 38 3.13 Xuất kết quả tọa độ các vị trí điểm A-B-C tại ngƣỡng tràn 39 3.14 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=0,2% 40 3.15 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=0,2% 40 3.16 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=1,0% 41 3.17 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=1,0% 42 3.18 Nƣớc dềnh tại trụ pin thƣợng lƣu 43 3.19 Hai dòng phun từ đuôi trụ pin kéo dài 43 3.20 Tình hình thủy lực trong bể tiêu năng 44 3.21 Nƣớc nhảy trong bể tiêu năng 44 3.22 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=0,2% 45 3.23 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=1,0% 45 3.24 Tổn thất co hẹp bên tại các khoang tràn 46 xi 3.25 Mực nƣớc trên dốc nƣớc mở hoàn toàn 3 cửa van 46 3.26 Nƣớc nhảy trong bể tiêu năng mở hoàn toàn 3 cửa van 47 3.27 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=0,2% 48 3.28 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=1,0% 48 3.29 Đồ thị sai số lƣu tốc Vmax dọc theo tràn 49 4.1 Xuất kết quả tọa độ các vị trí điểm B và C tại ngƣỡng tràn 51 4.2 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=0,2% 52 4.3 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=0,2% 52 4.4 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=1,0% 53 4.5 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=1,0% 54 4.6 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=0,2% 55 4.7 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=1,0% 55 4.8 Tổn thất co hẹp bên tại các khoang tràn 56 4.9 Mực nƣớc trên dốc nƣớc trƣờng hợp mở cửa số 2 và 3 56 4.10 Nƣớc nhảy trong bể tiêu năng trƣờng hợp mở cửa số 2 và 3 57 4.11 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=0,2% 58 4.12 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=1,0% 58 4.13 Đồ thị sai số lƣu tốc Vmax dọc theo tràn 59 4.14 Xuất kết quả tọa độ vị trí điểm B tại ngƣỡng tràn 60 4.15 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=0,2% 60 4.16 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=0,2% 61 4.17 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị đầu cửa tràn QP=1,0% 61 xii 4.18 Đồ thị lƣu lƣợng đơn vị dọc theo tràn QP=1,0% 61 4.19 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=0,2% 62 4.20 Đồ thị độ sâu nƣớc dọc theo tràn QP=1,0% 63 4.21 Tổn thất co hẹp bên tại khoang tràn số 2 63 4.22 Mực nƣớc trên dốc nƣớc trƣờng hợp mở của số 2 64 4.23 Nƣớc nhảy trong bể tiêu năng trƣờng hợp mở cửa số 2 64 4.24 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=0,2% 65 4.25 Đồ thị vận tốc dọc theo tràn ứng với QP=1,0% 65 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nƣớc và dòng chảy của nó có những lợi ích to lớn, nhƣng cũng có những bất lợi. Nhiệm vụ của các nhà khoa học thủy lợi là tận dụng những lợi ích và hạn chế những bất lợi của nó. Nhiệm vụ đó đƣợc thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó có việc xây dựng các công trình thủy lợi khác nhau. Đó là các công trình dâng nƣớc, dẫn nƣớc, lấy nƣớc, công trình bảo vệ, công trình giao thông…Bằng giải pháp kết cấu đặc thù của mình các công trình thủy lợi tạo ra và đảm bảo đủ mực nƣớc hoặc lƣu lƣợng, đồng thời tháo lũ, tháo lƣợng nƣớc thừa về phía hạ lƣu, dẫn nƣớc đáp ứng các yêu cầu hoặc ngăn ngừa những ảnh hƣởng bất lợi từ phía hạ lƣu. Các công trình thủy lợi còn tạo ra giao thông thủy, chênh lệch đầu nƣớc tập trung phục vụ cho phát điện. Công trình hồ chứa nƣớc Nặm Cắt, tỉnh Bắc Kạn đƣợc xây dựng để tạo nguồn cấp nƣớc, giảm lũ cho thị xã Bắc Kạn, cải thiện môi trƣờng.... nâng cao đời sống cho đồng bào trong khu vực, phục vụ phát triển các ngành kinh tế, xã hội và an ninh quốc phòng cho tỉnh Bắc Kạn. Công trình tháo nƣớc là một trong những hạng mục quan trọng nhất của đầu mối hồ chứa. Đặc thù của công trình tháo nƣớc là dòng chảy qua công trình ở trạng thái xiết, có thể gây ra các hiện tƣợng thủy lực bất lợi nhƣ: hàm khí, khí thực, sóng xung kích, xói lở hạ lƣu,...Vì vậy, tính toán thủy lực công trình tháo nƣớc vẫn phải giải quyết các bài toán về khả năng tháo nƣớc, tƣơng tác giữa dòng chảy và công trình, nối tiếp và tiêu năng hạ lƣu,… Việc tính toán lý thuyết các thông số thuỷ lực: cửa vào tràn, dốc nƣớc, bể tiêu năng,…và những tác động của dòng chảy lƣu tốc cao khi tràn làm việc rất khó đạt kết quả đáp ứng thực tế. Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình vật lý để đo đạc, kiểm tra các thông số thủy lực của công trình tràn xả lũ là rất cần thiết. Do đó, luận văn lựa chọn: “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả lũ Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn” để nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu + Ứng dụng mô hình Telemac-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả lũ, tiêu năng đáy, nhằm xác định: - Tính hợp lý của hình dạng, kích thƣớc các bộ phận công trình tràn xả lũ; xem xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của việc bố trí các hạng mục và công trình tràn xả lũ. - Kiểm nghiệm; chính xác hoá các thông số thủy lực, nối tiếp cửa vào, cửa ra, thƣợng lƣu; đánh giá chế độ dòng chảy, chế độ thủy lực nối tiếp thƣợng hạ lƣu, tiêu năng dòng chảy hạ lƣu công trình. + Qua mô hình mô phỏng đánh giá, tồn tại, từ đó đề xuất kiến nghị sửa đổi lựa chọn phƣơng án tối ƣu đảm bảo công trình xả lũ vận hành an toàn và hiệu quả. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu: - Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Nặm Cắt: xác định khả năng xả lũ của tràn, đƣờng mực nƣớc dọc tuyến công trình tràn xả lũ và bình đồ dòng chảy, chế độ thuỷ lực. - Xác định lƣu tốc trung bình, xác định mạch động lƣu tốc, áp suất trung bình và áp suất mạch động của dòng chảy tại một số vị trí xung yếu. - Tiêu năng hạ lƣu công trình, chế độ nối tiếp dòng chảy, đánh giá xói lở, bồi lắng thƣợng, hạ lƣu công trình trên mô hình lòng cứng, đặc điểm dòng chảy trên dốc nƣớc. - Luận văn áp dụng mô hình Telemac-3D để tính toán các thông số thủy lực, dựa vào mô hình vật lý để hiệu chỉnh các tham số mô hình, so sánh các phƣơng án tràn xả lũ sao cho hợp hợp lý về thủy lực. b. Phạm vi nghiên cứu: - Áp dụng phần mềm Telemac-3D để mô phỏng dòng chảy qua tràn xả lũ và tiêu năng sau tràn của công trình Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu a. Cách tiếp cận: - Dựa vào các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm về tính toán thủy lực tràn xả lũ. - So sánh các phƣơng pháp tính thủy lực dốc nƣớc đã và đang áp dụng ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới. - Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Telemac-3D, hồ sơ thiết kế công trình thực tế Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt, các tài liệu có liên quan, từ những đề tài, dự án đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây. b. Phương pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp phân tích tài liệu: Thu thập thông tin về các công trình thực tế, nghiên cứu cơ sở lý thuyết các thông số thủy lực: cửa vào, trên tràn, dốc nƣớc, tại bể tiêu năng…và những tác động của dòng chảy lƣu tốc cao khi tràn làm việc. Tính toán áp dụng trên công trình thực tế. - Phƣơng pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan. - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu các thông số thuỷ lực tràn xả lũ nhƣ: đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra, thƣợng lƣu; đánh giá chế độ dòng chảy, chế độ thủy lực nối tiếp thƣợng hạ lƣu, tiêu năng dòng chảy hạ lƣu công trình bằng mô hình toán, có đối chiếu hiệu chỉnh tham số bằng mô hình vật lý nhằm đảm bảo phƣơng án hợp lý về thủy lực, tuổi thọ và an toàn cho công trình Hồ chứa nƣớc Nặm Cắt cũng nhƣ các công trình Thủy lợi – Thủy điện 3 tƣơng tự là rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, gồm có 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về dòng chảy qua tràn xả lũ. Chƣơng 2: Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn xả lũ của mô hình Telemac-3D. Chƣơng 3: Áp dụng mô hình toán Telemac-3D mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả lũ. Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng vận hành cửa van. 4 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ 1.1. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƢỚC Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 1.1.1. Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện Công trình thủy lợi, thủy điện đã xuất hiện từ năm 3000 năm trƣớc công nguyên và phát triển mạnh bắt đầu từ nửa sau thế kỷ XX. Từ trƣớc những năm 1980 phát triển mạnh ở các nƣớc Châu Âu và Bắc Mỹ, năm 1980 đến nay phát triển mạnh ở Châu Á và nhất là ở Trung Quốc, đối với Việt Nam bắt đầu phát triển từ sau năm 1945 và phát triển mạnh từ sau những năm 1998. Theo thống kê năm 1998 của Uỷ ban đập nƣớc Thế giới (World Commission on Dams – WCD) Hình 1.1 biểu thị số lƣợng và phân bố các đập lớn tại các vùng trên thế giới [1]. Hình 1.1 Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX Thời gian xây dựng các đập dài, thƣờng từ 5 ÷ 10 năm và trung bình mỗi năm trên thế giới có khoảng 160 đến 320 đập đƣợc xây dựng mới. Vào những năm 70, việc xây dựng đập tăng lên nhanh chóng; trên thế giới nhiều lúc có đến 2 hay 3 đập lớn đƣợc hoàn thành. Hình 1.2 biểu thị tốc phát triển xây dựng các đập tại một số vùng trên thế giới đến cuối thế kỷ XX. Vào những năm 90 trung bình mỗi năm chi phí khoảng 2 – 46 tỉ USD để xây dựng các đập lớn, mà 4/5 số đập ở các nƣớc đang phát triển với kinh phí đầu tƣ 22 – 31 tỉ USD [1]. 5 8 000 Asia North America Europe Number of dams 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 Afica South America Austral - Asia 2 000 1 000 19 10 s 19 20 s 19 30 s 19 00 s 19 40 s 19 50 s 19 60 s 19 70 s 19 80 s af ter 19 90 be fo re 19 00 0 Time Hình 1.2 Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX Đối với Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nƣớc có nền kinh tế nông nghiệp, tài nguyên nƣớc có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững của đất nƣớc. Lịch sử hình thành và phát triển của dân tộc Việt Nam gắn liền với sự hình thành của hệ thống đê điều chống lũ hàng ngàn năm với hệ thông kênh rạch để mở mang vùng đất mới, phát huy mặt lợi của nƣớc, hạn chế mặt hại để tồn tại và phát triển. Cũng chính nhờ lợi thế đó, một nền văn minh lúa nƣớc đã hình thành từ nghìn năm ở Đồng bằng sông Hồng và di cƣ vào Đồng bằng sông Cửu Long 300 năm trƣớc đây. Tuy vậy, nhƣng do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thuỷ lợi ở nƣớc ta chậm hơn so với các nƣớc phát triển trên thế giới. Đến nay cả nƣớc có khoảng trên 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa, đập cỡ nhỏ [2]. Các hệ thống thuỷ lợi của nƣớc ta có thể kể đến nhƣ hệ thống thuỷ lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng, Thạch Nham hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nƣớc nhƣ Thuỷ điện Hoà Bình, Thác Bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh Sơn, Thác Mơ… Ngày 20 tháng 5 năm 1998 “Luật tài nguyên nƣớc” của nƣớc ta đã đƣợc Quốc hội khoá X kỳ họp thứ 3 thông qua, đã một lần nữa khẳng định rằng: “Do nhận thức đƣợc vị trí quan trọng của công tác thuỷ lợi trong việc bảo vệ và phát triển đất nƣớc nên Đảng và Chính phủ đã có những quyết định đúng đắn về chủ trƣơng, kế hoạch, chính sách đầu tƣ thuỷ lợi, phát triển nguồn tài nguyên nƣớc, vạch ra những bƣớc đi thích hợp cho từng giai đoạn” [2]. Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thuỷ lợi, thuỷ điện nƣớc ta phát triển khá mạnh. Các công trình tháo đã xây dựng ở nƣớc ta tƣơng đối phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu. Theo hình thức phân loại 6 đập tràn là loại công trình kiểu hở và lƣu lƣợng tháo qua đập tràn khoảng 40÷100 m3/s/m. Khi có điều kiện sử dụng thì đập tràn là một loại công trình tháo lũ rẻ nhất. Khoảng 50 ÷ 60 năm trƣớc đây, chỉ mới có đập tràn tháo lũ cao 50÷70m thì ngày nay đã có đập tràn cao trên 130m. 1.1.2. Một số thông số chính về các công trình xả lũ ở nƣớc ta Gắn liền với các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nêu trên là các công trình tháo lũ (CTTL) xả nƣớc mặt, làm nhiệm vụ tháo phần nƣớc lũ không thể chứa trong hồ, có khi chúng còn đƣợc đặt ở dƣới sâu và đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa khi cần thiết kiểm tra hoặc sửa chữa. Có công trình tháo lũ hồ chứa mới làm việc đƣợc bình thƣờng và an toàn. Vốn đầu tƣ để xây dựng CTTL phụ thuộc vào quy mô và điều kiện cụ thể của từng công trình, nói chung nó chiếm một tỷ lệ khá lớn trong tổng vốn đầu tƣ xây dựng hệ thống đầu mối, có khi tới (70 ÷ 80)%. Vì vậy mà chúng thƣờng xuyên đƣợc quan tâm cân nhắc rất kỹ lƣỡng trong thiết kế, thi công các hệ thống đầu mối thuỷ lợi. CTTL trên các hệ thống đấu mối thuỷ lợi rất đa dạng, Bảng 1-1 thống kê chi tiết một số thông số chính của một số CTTL ở nƣớc ta; các hình từ Hình 1.3 đến Hình 1.10 thể hiện một số hình ảnh về các CTTL trên các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nƣớc ta. Bảng 1-1: Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam. TT Tên công trình Địa điểm Hình thức tiêu năng H tràn Btràn Qxả max (m) (m) (m3/s) 90 37800 1 Hoà Bình Hoà Bình Dốc nƣớc, mũi phun 2 Sơn La Sơn La Dốc nƣớc, mũi phun 13 90 34.780 3 Cửa Đạt Thanh Hóa Dốc nƣớc, mũi phun 17 75 11600 5 Nƣớc Trong Quảng Ngãi Đập tràn – Bể tiêu năng 14 62.5 6728 6 Yali Gia Lai Dốc nƣớc, mũi phun 18,8 105 17400 7 Ayun Hạ Gia Lai Dốc nƣớc, mũi phun 10,92 23 1237 8 Đồng Nai 4 Đắc Nông, Lâm Đồng Dốc nƣớc, mũi phun 16 75 13300 9 Plêi Krông Kon Tum Dốc nƣớc, mũi phun 18 70 6050 10 Sê San 3 Kon Tum Đập tràn, mũi phun 16,3 90 17536 11 Tuyên Quang Tuyên Quang Dốc nƣớc, mũi phun 15,84 60 12484 12 Bản Vẽ Nghệ An Đập tràn, mũi phun 11,5 60 10500 13 Huội Quảng Lào Cai Đập tràn, mũi phun 13,0 90 47700 14 Cần Đơn Bình Phƣớc 12 50 6965 Đập tràn – Bể tiêu năng 7 TT Tên công trình Địa điểm Gia Lai, Kon H tràn Btràn Qxả max (m) (m) (m3/s) Đập tràn – Bể tiêu năng 17,76 105 1800 Hình thức tiêu năng 15 Sê San 3A 16 Bình Điền T. Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12,96 50 4519 17 SRêPok 3 Đak Nông Đập tràn, mũi phun 15,5 75 12320 18 NậmChiến Sơn La Đập tràn, mũi phun 5,63 80 2387 19 Sê San 4 Đập tràn, mũi phun 15,6 120 20090 20 Rào Quán Quảng Trị Dốc nƣớc, mũi phun 5,05 80 2890 21 Thác Mơ Bình Phƣớc Đập tràn – Bể tiêu năng 13,8 52 6100 22 Đại Ninh Bình Thuận Dốc nƣớc, mũi phun 18,6 52 5676 23 Đrây Hlinh Đắc Lắc Dốc nƣớc, mũi phun 3,6 480 7590 Tum Gia Lai, Kon Tum Trên sông: Sê San Năm hoàn thành: 2003 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 17.400m3/s Công suất phát điện: 720MW Hình 1.3 Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam) Trên sông: Đồng Nai Năm hoàn thành: 1989 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 8 cửa van Lưu lượng xả lũ: 18.450m3/s Công suất phát điện: 400MW Hình 1.4 Đập tràn thủy điện Trị An 8 Trên sông: Đà Năm hoàn thành: 1988 Hình thức tiêu năng: Mũi phun xoắn Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van (Trong đó 12 cửa xả đáy) Lưu lượng xả lũ: 35.400m3/s Công suất phát điện: 19.200MW Hình 1.5 Đập tràn thủy điện Hòa Bình Trên sông: Chu Năm hoàn thành:2010 Hình thức tiêu năng: Bể tiêu năng Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 8.200m3/s Công suất phát điện: 97MW Hình 1.6 Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt Trên sông: Nước Trong Năm hoàn thành: 2010 Hình thức tiêu năng: Bể tiêu năng Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 6.728m3/s Công suất phát điện: 16MW Hình 1.7 Mô hình tổng thể hồ chứa nước Nước Trong 9 Trên sông: Ayun Năm hoàn thành: 2002 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 3 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 1.237m3/s Công suất phát điện: 2.700KW Hình 1.8 Tràn xả lũ hồ chứa nước Ayun Hạ Trên sông: Đà Năm hoàn thành: 2012 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 34.780m3/s Công suất phát điện: 2.400MW Hình 1.9 Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La Trên sông: Hương Năm hoàn thành: 2011 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 6.147m3/s Công suất phát điện: 19,5MW Hình 1.10 Mô hình tổng thể hồ chứa nước Tả Trạch