Nhà máy thủy điện - Các vấn đề về thủy lực dòng ổn định trong trạm thủy điện

  

1.1 CÁC BỘ PHẬN DẪN NƯỚC VÀO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

1.1.1 Lòng dẫn

Phần thượng lưu nhà máy thuỷ điện trước cửa  lấy nước được gọi là  lòng dẫn, nó bảo đảm dẫn nước vào nhà máy một cách thuận lợi.

Ở các trạm thuỷ điện đường dẫn cột nước thấp thì việc dẫn nước vào cửa lấy nước nhà máy thuỷ điện chủ yếu tập trung vào việc đảm bảo ngăn chặn bùn cát lắng đọng. Còn  ở các trạm thuỷ điện với sơ đồ  khai thác sau đập hoặc đập kết hợp  đường dẫn thì thường cửa lấy nước đặt cao hơn đáy sông rất nhiều do đó không cần thiết phải có các bộ phận như tường hướng dòng, đào sâu lòng dẫn hoặc biện pháp gia cố lòng dẫn. Vì vậy, trong các trường hợp này các bộ phận công trình lòng dẫn không cần thiết phải có.

Đối với trạm thuỷ điện kiểu lòng sông về nguyên tắc phải có phần lòng dẫn, hình dạng và kết cấu của nó phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất và sơ  đồ bố  trí tổng thể chung của toàn bộ công trình đầu mối, đặc biệt là vị trí nhà máy trong bố  trí tổng thể đó (Ví dụ bố  trí giữa dòng sông, bãi sông hoặc trong bờ). Khi thiết kế cần phải xác định hình dạng, kích thước các tường hướng dòng cũng như kênh  dẫn dòng vào nhà máy thuỷ điện. Trong một số trạm thuỷ điện cần thiết phải có các biện pháp gia cố lòng dẫn và bờ kênh dẫn dòng để  đảm bảo chống xói  lở  thượng lưu.

Cao trình đáy lòng dẫn phụ thuộc vào cao trình cửa lấy nước, chiều dài lòng dẫn, độ sâu dòng chảy và các điều kiện địa hình, địa chất cũng như các biện pháp  dẫn dòng thi công mà có thể bố trí khác nhau. Đáy lòng dẫn nằm ngang trên toàn bộ chiều dài  của nó hoặc là có dốc ngược ở đoạn đầu sau đó là đoạn nằm ngang nối   tiếp với cửa lấy nước. Cũng có nhiều trường hợp đoạn  đầu  nằm ngang,  đoạn cuối có dốc thuận đến cửa lấy nước. Độ dốc của lòng dẫn ở các đoạn không nằm ngang thường lấy m ³ 4.

Tổn thất thuỷ lực trong lòng dẫn nước đến cửa trạm thuỷ điện chủ yếu là tổn thất do ma sát và tổn thất mở rộng theo hướng đứng do hạ thấp lòng dẫn trước khi vào cửa lấy nước. Nhưng nói chung tổn thất cột nước trong nó không lớn nên có thể cho phép nâng cao đáy và hạ thấp nó so với ngưỡng cửa lấy nước trong trường hợp cần thiết để tiện lợi trong việc bố trí tổng thể công trình.

Sự cần thiết phải gia cố lòng dẫn và bờ được quyết định bởi vận tốc  dòng  chảy trong nó. Khi vận tốc dòng chảy lớn hơn vận tốc xói lở tính toán, đặc biệt là   đối với các trạm thuỷ điện kết hợp xả lũ thì việc gia cố lòng dẫn là cần thiết. Trong nhiều trường hợp việc gia cố lòng dẫn được quyết định bởi các giải  pháp dẫn dòng thi công qua nó.

Như đã nói ở trên, sự cần thiết phải gia cố lòng dẫn được quyết định bởi vận tốc dòng chảy, do đó khi chọn cao trình đáy lòng dẫn cần phải xem xét việc nâng   cao đáy dẫn đến làm tăng vận tốc dòng chảy và cần thiết phải gia cố đoạn đầu lòng dẫn. Sự cần thiết phải gia cố đoạn đầu lòng dẫn phải trên cơ sở tính toán độ sâu xói lở trước đoạn gia cố  nằm ngang (sân phủ). Độ sâu xói lở trước đoạn gia cố có thể  xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau:

 

 

1.1.2 Các công trình hướng dòng. (hình 3-2).

Với mục đích tạo điều kiện thuận lợi về thuỷ lực khi dòng chảy chảy vào cửa lấy nước của trạm thuỷ điện, đảm bảo phân bố đều lưu lượng cho các tổ máy ở các trạm thuỷ điện kiểu lòng sông với đập đất hoặc bên bờ người ta bố trí các tường hướng dòng.

Hình dạng tối ưu của các tường hướng dòng trong các trường hợp cụ thể xác

Hình 3-2. Hình dạng các tường hướng và phân dòng.

định trên cơ sở thí nghiệm mô hình. Khi thiết kế sơ bộ đối với các trạm thuỷ điện  kiểu lòng sông nhà máy tiếp nối với đập đất bởi các tường hướng dòng thì chiều dài   l của nó có thể lấy bằng phần mái dốc thượng lưu của đập đất (hình 3-2,a,b,c). Khi nhà máy tiếp nối với bờ thì chiều dài đường hướng dòng có thể ngắn nhưng không thể ngắn hơn chiều dài sân phủ nếu như phía trước nhà máy có sân phủ.

Trên hình chiếu mặt bằng đường hướng dòng có dạng hình tròn (hình 3-2b) với bán kính cong R hoặc hình elíp (hình 3-2,c), nhưng tốt nhất là hình elíp hoặc gần    với nó.

Với hình elíp (hình 3-2,c) thì phương trình của  hình elíp thể hiện dưới công thức sau:

 

Tỉ số l/a thường được chọn trong khoảng l/a= 2,5¸3.

Ở các trạm thuỷ điện không kết hợp, khi vận tốc trong lòng dẫn nhỏ hơn 1 m/s  thì tường hướng dòng có kết cấu đơn giản do tổn thất thuỷ lực không đáng kể (hình 2, d).

1.1.3 Tường phân dòng

Ở các trạm thuỷ điện không kết hợp tràn xả lũ cùng với nhà náy thuỷ điện thì giữa tràn xả lũ và nhà máy thuỷ điện được bố trí một tường phân dòng để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy khi trạm thuỷ điện và tràn xả lũ làm việc riêng biệt  cũng như khi cùng làm việc. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ở các nhà máy không kết hợp xả lũ khi tràn xả lũ không làm việc thì điều kiện dẫn nước vào nhà  máy thuận lợi nhất trong trường hợp tường phân dòng ngắn. Ở các  trạm thuỷ điện  kết hợp xả lũ trong phạm vi nhà máy khi cả tràn và nhà máy đồng thời làm việc do dòng chảy thẳng góc với tuyến công trình nên điều kiện thuỷ lực  khi  chúng làm  việc nói chung là thuận lợi.

Sự cần thiết phải bố trí tường ngăn và kích thước của nó trong các trường hợp   cụ thể cần phải được giải quyết trên cơ sở thí nghiệm mô hình. Kích thước sơ bộ có

thể xác định theo sơ đồ hình 3-2e, trong đó R £ 0,1B (B - chiều dài nhà máy thuỷ điện tính theo phương chính diện của cửa lấy nước)  nhưng không vượt quá 5 - 6 m. trong một số trường hợp tường ngăn có thể dài nhưng không vượt quá chiều dài sân phủ, còn trong trường hợp vận tốc trong lòng dẫn nhỏ (< 1 m/s) thì không cần thiết phải bố trí tường phân dòng.

1.1.4 Hình dạng đường viền ven bờ

Khi nhà máy được bố trí bên bờ hoặc  một phần đặt vào bờ thì đường viền lòng dẫn  phía bờ có ý nghĩa lớn đối với tổn thất thuỷ lực khi trạm

Hình 3-3. Hình dạng đường viền ven bờ của lòng dẫn

thuỷ điện làm việc. Đường viền này dưới dạng là một tường chắn đất hoặc mái dốc nghiêng nhưng chúng phải bảo đảm sự phân bố đều  lưu  lượng cho các tổ máy thuỷ điện cùng hoạt động. Nói chung chiều dài đoạn chuyển tiếp l càng lớn thì lưu lượng phân bố giữa các tổ máy càng thuận lợi, tổn thất cột nước ít nhưng khối lượng công trình càng lớn do  vậy  việc lựa chọn hình dạng đường viền ven bờ phải tiến hành trên cơ sở luận chứng kinh tế kỹ thuật. Khi thiết kế sơ bộ thì có thể xác định kích thước của nó theo hình 3-3.

1.2 CÁC BỘ PHẬN DẪN DÒNG SAU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

1.2.1 Các thành phần công trình

Sau khi nước ra khỏi turbin của trạm thuỷ điện nói chung vẫn còn một phần  năng lượng tương đối lớn được tàng trữ dưới dạng động năng, với năng lượng này dòng chảy có thể làm hư hỏng các thành phần công trình phía hạ lưu nhà máy, gây xói lở hạ lưu. Để làm giảm sự phá huỷ hạ lưu của dòng chảy cần có các biện pháp  làm tiêu hao năng lượng thừa này hoặc các bộ  phận công trình phía hạ  lưu phải  được gia cố bảo vệ để chống xói lở. Các bộ phận phần gia cố hạ lưu nhà máy thuỷ điện được thể hiện trên hình 3-4. Phần sân tiêu năng là bộ phận nối trực tiếp với    nhà máy thuỷ điện chịu tác động của vận tốc lớn  nhất, sự phân bố không đều của vận tốc dòng chảy, áp lực mạch động. Vùng này là  vùng mà khả năng xói lở  lớn  nhất của dòng chảy. Sau sân tiêu năng là bộ phận được gọi là sân sau (sân thứ hai) nhằm mục đích tiêu hao phần năng lượng còn lại dưới dạng động năng bằng cách điều hoà vận tốc dòng chảy và ổn định mực nước sau sân tiêu năng. Bộ phận cuối cùng sau sân thứ hai là phần gia cố bảo vệ cho sân thứ hai này khỏi bị xói lở dưới dạng hố tiêu năng (hình 3 - 4a), hoặc tường răng cắm sâu vào đất (hình 3 - 4b).

Hình 3-4. Các thành phần gia cố sau nhà máy thuỷ điện

a, Sân sau được kết thúc bằng hố tiêu năng; b. Sân sau được kết thúc bởi tường răng

Hạ lưu nhà máy thuỷ  điện  cũng có thể bố trí tường phân cách  giữa  tràn xả lũ và nhà máy thuỷ điện nhằm bảo đảm cho chế độ thuỷ lực của hai công trình độc lập nhau, tránh hiện tượng giao thoa của dòng chảy có thể tăng khả năng xói lở của nó và  sự  biến đổi của mực nước. Ngoài ra, để bảo vệ bờ hạ lưu hoặc đập đất người ta bố trí thêm các tường cánh nối tiếp vào các tường chắn hai đầu nhà máy tương tự như ở phần lòng dẫn phía thượng lưu.

Ở các  trạm thuỷ điện kết hợp xả  lũ trong phạm vi nhà máy, khi các công trình xả lũ làm việc chúng tạo nên hạ lưu dòng chảy rối và có thể gây nên nước nhảy đáy phóng xa. Để tạo nên nước nhảy ngập sau nhà máy cần phải có biện pháp làm sâu dòng chảy hạ lưu. Để làm được điều đó nhiều khi người ta sử dụng bể tiêu năng. Việc sử dụng các công trình tiêu năng sau nhà máy thuỷ điện là không có lợi vì điều đó sẽ dẫn đến việc giảm cột nước công tác của trạm thuỷ điện.

Việc tính toán thuỷ lực hạ lưu nhà máy  thuỷ điện bao  gồm xác định độ sâu phục hồi của dòng chảy, cao độ và chiều dài phần gia cố hạ lưu, độ sâu hố xói để có biện pháp bảo vệ sau tiêu năng, đường kính trung bình của lớp đá lát bảo vệ hố xói. Đối với trạm thuỷ điện kết hợp ngoài những việc kể trên cần phải tính toán chế độ dòng chảy hạ lưu cần thiết để thiết kế các thành phần gia cố và xác  định hiệu quả  của hiện tượng phun xiết sau nhà máy thuỷ điện.

1.2.2 Tính toán xác định độ sâu phục hồi, cao trình đáy và chiều dài gia cố hạ lưu

Vận tốc dòng chảy sau khi ra khỏi ống hút của trạm thuỷ điện không lớn lắm. Sau ống hút thường tạo nên vùng xoáy mặt. Nếu cao trình sân tiêu năng lựa chọn hợp lý, khi đó độ sâu dòng chảy h_t (hình 3- 5) lớn hơn độ sâu phân giới h_k = , trong đó q - lưu lượng đơn vị; a = 1,15 ¸ 1,2, mực nước tại cửa ra ống hút sẽ thấp hơn mực nước trên sân tiêu năng với một độ chênh Äh₀ được gọi là độ sâu phục hồi làm tăng cột nước công tác của turbin. Khi độ sâu h_t trên sân tiêu năng không lớn, thay vào độ sâu phục hồi là độ sâu ngập Äh₀ (hình 3 - 5b) làm giảm cột nước công tác của turbin. Trong trường hợp khi h_t = h_k thì phía hạ lưu  trên đoạn   dốc của sân tiêu năng xuất hiện dòng chảy sóng. Khả năng xuất hiện sóng và các thông số của nó cũng có thể xác định một cách gần đúng theo các tài liêụ  hiện nay về sóng dao động. Nhưng khi thiết kế trạm thuỷ điện cần phải loại bỏ mọi khả năng xuất hiện sóng ở hạ lưu nhà máy. khi trị số Frut F_r =  q²/(q.h_t³) £  0,1  thì  biên độ sóng không vượt quá 0,1h_t và sóng này sẽ không nhận thấy được. Do vậy trong các

 

Hình 3-5. Sơ đồ tính toán độ sâu phục hồi

trường hợp tính toán cần đảm bảo  hạ lưu không xuất hiện sóng hoặc nếu xuất hiện thì biên độ của nó  phải rất nhỏ.

Độ sâu phục hồi hoặc độ sâu ngập Äh₀ phụ  thuộc  vào  cao  trình  đáy và độ sâu dòng chảy ở  hạ  lưu và có thể xác định được từ phương trình biến thiên động lượng chiếu trên mặt nằm ngang theo hướng dòng chảy của một khối nước nằm giữa hai mặt cắt 1-1 và t-t. Các lực tác dụng vào khối chất lỏng đó bao gồm: áp lực nước tại tiết diện  t-t mại (biểu đồ 1) và tại tiết diện 1-1 (biểu đồ 2); thành phần phản  lực  của áp lực thuỷ tĩnh trên đoạn nghiêng (biểu đồ 3) và thành phần phản lực theo hướng nằm ngang xuất hiện khi dòng chảy đổi hướng sau khi ra khỏi ống hút, thành phần này bằng rgb_TR_x

Phương trình biến thiên động lượng của khối nước đang xét khi xuất hiện cột nước Äh₀ phục hồi có thể viết dưới dạng:

 

Trong đó c = h_t + d.

Khi thiết kế lòng dẫn hạ lưu, cần phải tính đến khả năng có được độ sâu phục  hồi lớn nhất. Để làm được điều đó, đối với các trạm thuỷ điện không kết hợp dựa  vào phương trình (3-6) xây dựng các đồ thị Äh₀ = f(d) (hình 3-5,c). Trị số d được chọn trên đồ thị tại vị trí mà khi đó trị số Äh₀ bắt đầu giảm nhanh vì từ vị trí đó nếu d thì trị số cột nước phục hồi Äh₀ cũng tăng lên không đáng kể. Trong nhiều trường hợp cao độ sân tiêu năng do điều kiện địa chất quyết định. Khi tính toán sơ bộ, cao độ sân tiêu năng có thể xác định theo công thức (3-12) đối với chế độ tính toán là   chế độ mà trạm thuỷ điện duy trì lâu nhất.

Khi tính toán nhà máy trạm thuỷ điện kết hợp xả lũ, vấn đề trước hết là xác định vị trí cao độ sân tiêu năng bảo đảm cho nước nhảy ngập khi các công trình xả lũ làm việc. Điều này đặc biệt quan trọng khi thiết kế trạm thuỷ điện với turbin chảy thẳng kiểu capxun và tràn trên mái kiểu tràn đỉnh rộng. Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay chưa xây dựng các công trình thuỷ điện kết hợp xả lũ do nhiều lý do,  cơ  bản là do tính chất phức tạp của kết cấu công trình.

Tính toán tiêu năng nước nhảy đáy tiến hành theo các phương pháp thông thường, có nghĩa là xác định độ sâu co hẹp h_c và độ sâu liên hợp h_c’ trên sân tiêu năng. Điểm lưu ý là phải xem xét chế độ làm việc của các công trình xả lũ khi mở toàn bộ hoặc một phần (0,1 ¸ 0,2) các cánh cửa cống xả.

Độ sâu liên hợp h_c trên hình (3-6) nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ không chỉ  phụ thuộc vào lưu lượng của các công trình xả lũ mà còn phụ thuộc vào vận tốc ở   tiết diện co hẹp h_c và lưu lượng qua các turbin của trạm thuỷ điện xả xuống hạ lưu qua các ống hút của nó. Tuy nhiên,. trong tính toán hiện nay cũng chưa kể đến điều này, tức là không kể tới sự ảnh hưởng của lưu lượng qua turbin đến độ sâu co hẹp  nhà máy khi xả lũ và h_c được xác định theo công trình:

Trong đó: m = 0,3 ¸ 0,38 - hệ số lưu lượng. Đối với trạm thuỷ điện kết hợp xả lũ bằng các công trình có áp (hình 3 - 6, b), độ sâu h₁ của dòng chảy trên mũi phun có thể lấy  bằng chiều cao tiết diện cửa ra của công trình xả lũ và vận tốc v₁ = Q_x/  h₁b, ở đây Q_x, b - tương ứng là lưu lượng và chiều rộng của công trình xả lũ. Việc xác định lưu lượng của công trình xả lũ với tràn tiết diện thực dụng (hình 3 - 6,c),độ sâu h₁ trên mũi phun xác định bằng cách thử dần từ công thức:

  

Điều kiện nối tiếp hạ lưu bằng nước nhảy ngập thể hiện qua công thức (3-18)

đó là độ sâu hạ lưu trên sân tiêu năng phải đảm bảo điều kiện:

h_t = ( 1,05 - 1,1 ) h_e”                                                                   (3-18 )

Ở một số nhà máy thuỷ điện người ta vẫn  bố trí bể  tiêu năng mặc dù  làm như thế sẽ giảm cột nước phục hồi và giảm hiệu quả của phun xiết sau nhà máy  thuỷ  điện.

Sau khi thực hiện xong các bước tính toán liên quan tới việc  bảo  đảm nước  chảy ngập ở hạ lưu, bước tiếp theo là xác định cao trình tối ưu của sân tiêu năng. Đối với trạm thuỷ điện không kết hợp xả lũ việc tính toán cũng  theo trình tự đó  song trị số d lớn nhất được coi là đã biết trước.

Độ dốc của sân tiêu năng theo các nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định rằng đoạn dốc của sân tiêu năng nên chọn trong khoảng m = 3 ¸ 3,5. Khi đó cột nước phục hồi sẽ đạt được giá trị lớn nhất. Kết quả nghiên cưú cũng cho thấy rằng hiệu  suất của tuabin cũng không thay đổi khi độ dốc đoạn đầu sân tiêu năng m = 3 ¸ 3,5. Do việc tăng độ dốc sân tiêu năng sẽ làm giảm khối lượng đào móng công trình và dòng dẫn hạ lưu do đó trong thiết kế người ta đề nghị chọn độ dốc của nó m = 3 ¸  3,5. Đoạn dốc sân tiêu năng bắt đầu sau ống hút của trạm thuỷ điện một khoảng cách từ 1 ¸ 2 m.

Chiều dài đoạn gia cố hạ lưu (hình 3-4 ) phụ thuộc vào địa chất nền móng mà  trên đó bố trí các thành phần công trình gia cố hạ lưu, vào độ sâu dòng chảy và tỷ năng dòng chảy tức là năng lượng cần tiêu hao. Lưu lượng đơn vị, động năng và mạch động trên sân sau (sân thứ 2) luôn luôn lớn hơn so với dòng chảy trong sông, do vậy, nếu chiều dài gia cố không đủ lớn sẽ xảy ra  xói  lở.  Các  thí  nghiệm đã khẳng định được rằng sau các đập tràn với chiều sâu nước h_e = (1,05ữ1,1)h_e” dòng chảy đảm bảo ổn định và độ sâu tương đối của bể xói có thể chấp nhận và ổn định trên chiều dài gia cố l = (11 - 12,5)h_e”. Khi độ sâu hạ lưu lớn hơn, sau các trạm  thuỷ điện kết hợp xả lũ điều kiện để tiêu năng tốt hơn, tuy nhiên do trong quá trình

vận hành của trạm thuỷ điện kết hợp xả lũ các chế độ vận hành của các công trình phức tạp mà các thực nghiệm chưa khẳng định được nên khi thiết kế  vẫn không giảm chiều dài đoạn gia cố so với đập tràn không kết hợp.

Mạch động của vận tốc đáy trong lòng dẫn hạ lưu nhà máy thuỷ điện không kết hợp xả lũ giảm dần theo chiều dài và như trên một chiều dài tương đối ở đập tràn thông thường nhưng mức độ mạch động và do đó khả năng xói lở của dòng chảy ít hơn. Chính vì vậy mà ở trạm thuỷ điện không kết hợp chiều dài gia cố có thể lấy ngắn hơn một ít so với ở nhà máy thuỷ điện có kết hợp xả lũ (Xét theo chiềi u dà tương đối).

Chiều dài phần gia cố hạ lưu có thể lấy như sau:

- Đối với nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ:

+ Đất mềm:              l = (10 - 12)h_e                                                          (3-19)

+ Đá yếu (nửa đá): l = (7  - 9)h_e”                                                             (3-20)

- Đối với trạm thuỷ điện không kết hợp xả lũ:

+ Đất mềm:             l = (9 -11) h_e”                                                           (3-21)

+ Đá yếu :               l = (6 - 8) h_e”                                                            (3-22)

- Đối với trạm thuỷ điện kết hợp đặt trên nền đá thì chiều dài gia cố tính hết  phần nước nhảy (hình 3-6). Chiều dài nước nhảy có thể xác định theo biểu thức:

l_n = 6 (1,1h_e” - h_c)                                                               (3-23)

- Đối với trạm thuỷ điện không kết hợp đặt trên nền đá thì phần gia cố lòng dẫn hạ lưu nói chung là không cần thiết.

1.2.3 Tính toán phần cuối đoạn gia cố

Việc xác định độ sâu hố xói hoặc độ sâu của tường răng sau sân thứ 2, cũng như xác định khối lượng và đường kính của lớp đá bảo vệ phần gia cố  bị xói  lở  được căn cứ trên cơ sở xác định được độ sâu và hình dạng hố xói. Cũng căn cứ vào độ sâu và hình dạng của hố xói để đánh giá mức độ an toàn của công trình trong trường hợp không có biện pháp gia cố.

Vận tốc không xói lở v₀, m/s, của dòng chảy đều độ sâu h, m, đối với đất không dính được xác định theo công thức thực nghiệm:

Trong đó: d - đường kính trung bình của hạt tương ứng với 50% trên  đường biểu diện thành phần hạt; a = 1,1 đối với dòng chảy đều là hệ số động năng.

Độ sâu dòng chảy trong hố xói  (hình 3-4) có  thể  xác định từ  biểu thức (3-24) có tính tới sự phân bố không đều của lưu tốc và lưu lượng theo chiều rộng của dòng chảy, khi đó v₀ = c q/h_p:

Trong đó: q - lưu lượng đơn vị trung bình ở cuối đoạn gia cố; c = 1,1 - 1,3 -   hệ số phân bố không đều của lưu lượng q theo chiều rộng của dòng chảy; - vận tốc không xói của dòng chảy đều với độ sâu 1,0 m; k_p - hệ số gia tăng khả năng xói lở của dòng chảy do động năng dòng chảy chưa tiêu hao  triệt để. Hệ số k_p phụ thuộc vào chiều dài đoạn gia cố và hệ số mái dốc của hố xói. Với chiều dài đoạn gia cố được tính theo các công thức (3-19) đến (3-22) nếu mái  dốc hố xói không lớn (m ³ 6) k_p = 1,05, với m = 3¸4 thì k_p = 1,0. Nếu phần gia cố   chỉ được bố  trí trên chiều dài đoạn có nước chảy đối với trạm thuỷ điện kiểu kết  hợp xả lũ k_p = 1,7 và đối với trường hợp dòng chảy đều k_p = 1,0.

Công thức (3-25) cũng cho phép xác định độ sâu dòng chảy sau hố xói (hình 3-n4) khi đó dòng chảy là dòng đều và hệ số k_p = 1,0.

Đối với đất không dính, vận tốc không xói v₀, có thể xác định từ biểu thức (2-n24) khi biết đường kính trung bình của thành phần hạt d₅₀ với độ sâu nước h = 1m, hoặc có thể xác định theo các bảng tra có sẵn (ví dụ: bảng 3-1 và bảng 3-2).

Bảng 3 - 1

Loại đất	Đường kính trung bình của thành phần hạt d50, mm	Vận tốc không xói v01, m/s khi h = 1,0 m
Cát	0,25 ¸ 2	0,4 ¸ 0,7
Dăm	2 ¸ 10	0,7 ¸ 1,2
sỏi	10 ¸ 25 30 ¸ 100	1,2 ¸ 1,65 1,7 ¸ 2,5

Bảng 3 - 2

Lực dính đơn vị của đất sét C, kG/cm2	0,005 ¸ 0,05	0,075 ¸ 0,25	0,3 ¸ 0,4	0,45 ¸ 0,6
Vận tốc không xói v01	0,4 ¸ 0,8	0,9 ¸ 1,5	1,7 ¸ 2,0	2,1 ¸ 2,4

Đối với đất dính vận tốc không xói chủ yếu phụ thuộc vào lực dính đơn vị của  đất và có thể xác định theo bảng 3-2. Đối với nền đá vận tốc không xói phụ thuộc vào sức kháng nén tạm thời của đất đá. Khi sức kháng nén tạm thời của đá thay đổi  50 ¸ 1000 kg/cm² thì vận tốc v₀₁ thay đổi trên thực tế tỷ lệ  thuận từ 3 ¸ 11m/s.  Chính vì vậy khi sử dụng công thức (3-25) để tính độ sâu xói lở của nền đá bằng  cách xem nó như đất không dính với các hạt độc lập và hòn đá tách rời với  kích thước nhất định là điều hoàn toàn gần đúng. Sử dụng công thức (3-24) cũng có thể xác định được đường kính của các lớp gia cố nếu đất gia cố là đất rời khi biết độ sâu dòng chảy đều h và vận tốc dòng chảy v₀.

1.3 VẤN ĐỀ NỐI TIẾP CÁC BỘ PHẬN CÔNG TRÌNH PHÍA HẠ LƯU TRẠM THỦY ĐIỆN

Mặt nước tự do ở hạ lưu trạm thuỷ điện sau nhà máy, sau đập không xả tràn và đập tràn xả lũ có cao độ khác nhau: mực nước cao nhất sau đập không có tràn, mực nước thấp nhất sau tràn xả lũ hoặc sau nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ. Do có sự

khác nhau về mực nước đó nên ở hạ lưu nhà máy thuỷ điện sẽ xuất  hiện  dòng chảy ngang gây nên dòng chảy chia cắt phức tạp ở lòng dẫn hạ lưu. Các thí nghiệm đã khẳng định được  rằng,  nếu nhà máy thuỷ điện không kết hợp nối tiếp với tràn xả lũ thì khi tràn xả lũ làm việc phía sau nhà máy thuỷ điện xuất hiện  dòng chảy ngược khi các tổ máy thuỷ  điện làm  việc cũng như khi  chúng không

Hình 3-7. Các công trình nối tiếp hạ lưu

a - c nhà máy nối tiếp với đập đất, d - nhà máy nối tiếp với đập bê tông, e - nhà máy nối tiếp với đập tràn, f - nhà máy nối tiếp với bờ, 1 - tổ máy thuỷ điện, 2 - đỉnh đập, 3 - 4 - sân tiêu năng và sân thứ hai của nhà máy thuỷ điện, 5 - 6 - sân tiêu năng và sân thứ hai của đập, 7 - đê hướng dòng, 8 - hố xói, 9 - tường hướng dòng, 10 - tường phân dòng, 11 - bờ, 12 - tường nối tiếp.

làm việc lưu lượng đơn vị trwn sân thứ  hai của đập trong trường hợp đó tăng lên và gây khó khăn cho điều kiện làm việc của nó. Ngoài ra khi xuất hiện dòng chảy ngược nó làm giảm hoặc loại bỏ hoàn  toàn cột nước phục hồi và do đó gây ảnh hưởng xấu tới đặc tính năng lượng của trạm thuỷ điện. Để loại bỏ những ảnh hưởng xấu nói trên, hạulưu trạm th ỷ điện cần phải có các công trình nối tiếp.

Các công trình nối tiếp hạ lưu đồng thời là những công trình hướng dòng nhằm để bảo vệ bờ và đập đất tiếp giáp với nhà máy khỏi bị xói lở cũng như điều  hoà dòng chảy và chống lại hiện tượng chảy quẩn ở hạ lưu nhà máy. Các công trình nối tiếp hạ lưu thường dưới dạng tường cánh, kênh hướng dòng và tường phân dòng (hình 3 - 10). Để bảo đảm cho dòng chảy không xảy ra hiện tượng tách dòng, các tường hướng dòng và bờ kênh trên mặt bằng không bố trí với  góc  ngoặt a  > lớn  hơn 6 - 10⁰. Đối với trạm thuỷ điện kết hợp xả lũ, trong trường hợp không thể tránh được khả năng các công trình xả lũ làm việc không đều, tức là các khoang xả lũ không làm việc đồng thời cũng như khi các tổ máy thuỷ điện đưa vào vận hành theo tưngf giai đoạn khác nhau thì hạ lưu trạm thuỷ điện bố trí các tường ngăn theo từng nhóm tổ máy hoặc từng khoang tổ máy.

Chiều dài của tường hướng dòng và phân dòng được xác định theo các yêu cầu về kết cấu và thuỷ lực, nó phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực ở hạ lưu và lưu lượng đơn   vị sau nhà máy trạm thuỷ điện và sau đập tràn. ở các trạm thuỷ điện lớn chiều dài tường nối tiếp được chọn trên cơ sở thí nghiệm mô hình. khi thiết kế sơ  bộ  có thể tiến hành chọn như sau:

Giữa nhà máy không kết hợp xả lũ và đập  thông thường, tường hướng dòng hoặc đê hướng dòng có chiều dài kể từ cửa ra của ống hút phải đảm bảo điều kiện sau:

Chiều dài tường  hướng dòng giữa nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ và đập thông thường (hình 3-8b) hoặc giữa nhà máy không kết hợp xả lũ và đập tràn xả lũ phải đảm bảo không nhỏ hơn tổng chiều dài phóng xa và chiều dài đoạn nước nhảy:

l_CT ³ L + l_n          (3 - 27)

Ở chế độ tiêu năng mặt, tường ngăn dòng không được ngắn hơn cách từ mũi phun đến

Hình 3-8. Sơ đồ xác định chiều dài tối thiểu tường phân dòng hạ lưu.

a - nhà máy thuỷ điện không kết hợp, b - nhà máy kết hợp khi tiêu năng đáy, c - nhà máy kết hợp tiêu năng mặt, TP - Điểm gãy đường mặt nước.

điểm gãy của đường mặt nước (hình 3-8,c)

Khi nối tiếp hạ lưu bằng tia phóng xa với lưu lượng đơn vị ở hạ lưu đập tràn lớn (q ³ 60 m³/s.m. như ở trạm thuỷ điện Kracno - Iarsk) dưới dòng tia mực nước giảm thấp đi rất nhiều và do đó nếu nhà máy nối tiếp với đập tràn và giữa nó không có tường ngăn thì hạ lưu công trình sẽ xuất hiện dòng chảy ngang và tạo nên vùng xoáy. Để loại trừ hiện tượng bất lợi này một cách triệt để chỉ có thể bằng cách xây dựng các tường ngăn với chiều dài bằng chiều dài phóng xa của dòng tia. Để giảm chiều dài tường chắn cần  phải  tăng khoảng cách giữa tường chắn và khoang biên của tràn.

Khi giảm lưu lượng đơn vị, chiều dài cần thiết tối thiểu của tường ngăn ở hạ lưu cũng giảm.

1.4 CÁC CHẾ ĐỘ THỦY LỰC HẠ LƯU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KẾT HỢP XẢ LŨ

Thông thường cửa xả của các công trình xả lũ nhà máy  thuỷ điện kiểu kết hợp đặt cao hơn miệng ống hút. Khi xả lũ hạ lưu nhà máy xuất hiện dòng chảy xiết. Phụ thuộc vào vị trí của các công trình xả lũ, lưu lượng và độ sâu nước ở hạ lưu mà khi nối tiếp dòng chảy xiết với dòng chảy êm ở hạ lưu có thể xảy ra các trạng thaí thuỷ lực khác nhau.

Trạng thái nối tiếp dòng chảy đáy (hình 3-9, a,b): dòng tia sau khi ra khỏi các công trình xả sâu hoặc ra khỏi mũi tràn sẽ chuyển động tới đáy hạ lưu tạo nên nước nhảy ngập hoặc nước nhảy phóng xa.

Trạng thái nối tiếp dòng chảy mặt (hình 3 - 9 c, d): dòng tia sau khi ra khỏi mũi tràn hoặc cửa ra của các công trình xả lũ dưới sâu được mở rộng dần và tiếp xúc với đáy hạ lưu sau khi mở rộng hoàn toàn. Nếu phía trên dòng  phun tạo ra vùng xoáy thì trạng thái chảy này được gọi là trạng thái nối tiếp chảy mặt với chế độ chảy ngập (hình 3 - 9d). Ngược lại,

Hình 3-9. Các trạng thái nối tiếp hạ lưu nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ.

nếu phía trên dòng tia không xuất hiện vùng xoáy thì  chế độ  nối  tiếp được gọi là nối tiếp chảy mặt không ngập (hình 3 - 9c). Trong một số điều kiện nhất đinh trạng thái nối tiếp chảy mặt có thể chuyển sang trạng thái vừa chảy mặt vừa chảy đáy. Ở trạng thái này đoạn đầu dòng tia nâng lên sau đó hạ xuống tới đáy như ở chế độ nối tiếp chảy đáy. Cũng tương tự các trạng thái trên nếu ở đoạn đầu phía trên dòng tia không xuất hiện vùng xoáy thì chế độ  được coi là ngập, còn nếu xuất hiện cùng xoáy thì chế độ được coi là dòng tia chảy đáy bị ngập (hình 3 - 9 e,f).

Trong tất cả mọi trường hợp kể trên ngay tại cửa ra của nhà máy thuỷ điện đều xuất hiện vùng xoáy ở dưới đáy và có ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nhà máy thuỷ điện.

Khi nối tiếp dòng đáy chảy ngập (hình 3 - 9b), dòng tia của công trình xả lũ có thể lấn át dòng chảy từ ống hút của trạm thuỷ điện và do đó dẫn đến làm giảm lưu lượng cũng như công suất của nó. Khi chuyển từ chế độ chảy đáy sang chế độ chảy mặt không ngập (hình 3 - 9e) có khả năng xuất hiện sự dao động mực nước hạ lưu tương đối lớn. Các chế độ nối tiếp kiểu chảy mặt kết hợp chảy đáy ở trên có thể đòi hỏi phải tăng chiều dài phần gia cố hạ lưu, do đó khi thiết kế phải cố gắng tránh các trạng thái nối tiếp này.

Sự biến đổi giữa các trạng thái chảy đáy và chảy mặt xảy ra qua một trạng thái trung gian gọi là trạng thái giới hạn tương ứng với độ sâu nhất định của mực nước   hạ lưu gọi là độ sâu phân giới.

Trạng thái phân giới được đặc trưng bởi các chế độ sau:

- Chế độ nước nhảy ngập: nó xuất hiện khi mực nước hạ lưu ở tiết diện co hẹp trên sân tiêu năng bằng độ sâu liên hiệp được tính theo (3 - 17).

- Trạng thái phân giới thứ nhất: là trạng thái phân cách chế độ  chảy đáy  ngập và chế độ chảy mặt không ngập. Trạng thái phân giới thứ nhất có hai giới hạn trên và dưới. Giới hạn dưới tương ứng với độ sâu khi đó trạng thái chảy đáy bắt đầu chuyển sang trạng thái chảy mặt, giới hạn trên tương ứng với độ sâu khi chuyển từ chế độ chảy mặt sang chế độ chảy đáy. Trong khoảng hai giới hạn này là trạng thái không ổn định.

- Trạng thái phân giới thứ hai: là trạng thái phân cách giữa các chế độ nối tiếp chảy mặt hoặc chảy mặt kết hợp chảy đáy ngập với chế độ chảy không ngập.

Chế độ nối tiếp thuỷ lực hạ lưu nhà máy thuỷ điện kết hợp có thể xác định nếu biết được độ sâu mực nước hạ lưu và độ sâu phân giới của các chế độ tương ứng.

- Trạng thái phân giới thứ ba phân cách hai chế độ nối tiếp chảy mặt và chảy mặt kết hợp chảy đáy không ngập.

Với một trị số lưu lượng qua nhà máy và qua công trình xả lũ , chế độ thuỷ lực ở hạ lưu phụ thuộc vào độ sâu của dòng tia trên mũi tràn h₁, độ sâu mực nước hạ  lưu  và cột nước đo áp h₀ dưới dòng tia

Hình 3-10. Sơ đồ xác định độ sâu phân giới hạ lưu

tại mũi tràn (hình 3-10).

Độ sâu h₁ trên mũi tràn của trạm thuỷ điện kết hợp được xác định theo công thức (3-15) hoặc (3-16). Đối với trường hợp công trình xả lũ là công trình xả đáy thì độ sâu h₁ ở tiết diện cửa ra bằng chiều cao miệng cửa ra của công trình trình xả lũ có áp, còn hệ số vận tốc lấy bằng hệ số lưu lượng: j = m.

Cột nước đo áp dưới dòng tia h_0k ở các chế độ phân giới được xác định theo các công thức sau:

Nếu nhà máy kết hợp xả lũ thì h_0k xác định theo công thức (3-29):

Trong đó: b = b/B₀ khi l_p > h₁ (l_p - chiều dài trụ  pin); b  =  b/B  khi  l_p < h₁ (trụ pin ngắn); q - lưu lượng đơn vị của công trình xả lũ.

Độ sâu phân giới là độ sâu của lòng dẫn hạ lưu, khi đó trạng thái nối tiếp của dòng chảy thay đổi chế độ. Độ sâu này có thể xác định từ phương trình biến thiên động lượng của khối chất lỏng nằm giữa hai mặt cắt 1-1 và t-t (hình 3-10) chiếu lên trục nằm ngang:

Trong đó: các chỉ số “1” và “t” tương ứng với c tiết diện 1 - 1 và t - t ở hạ lưu; chỉ số “T”- ứng với tiết diện cửa ra của ống hút; Q_x, Q_T - lưu lượng xả lũ và  lưu lượng qua turbin; w - diện tích các tiết diện tương ứng theo chỉ số a_t, a₁, a_T - các     hệ số động lượng tương ứng với các tiết diện; R_TP, R_M, R_dn, R_t, P - là các lực (phản lực) tác động lên khối chất lỏng đang xét từ từ  các trụ pin phân cách, từ mũi tràn với chiều cao a, từ đoạn dốc sủa sâu tiêu năng, áp lực nước hạ lưu, áp lực của dòng tia.

Áp suất trên bề mặt của dòng tia từ công trình xả lũ trong trường hợp không  ngập bằng không, còn ở tại đáy xác định bởi áp suất của cột nước đo áp h₀. Do đó:

Khi h₀ > h₁

P = rg.0,5h₁h₀b                                                                     (3 - 31)

Khi h₀ < h₁ áp suất trong dòng tia phân bố theo quy luật parabol và  xác  định theo công thức sau:

P = rg (0,3h₁² + 0,2h₁h₀)b                                                  (3 - 32)

Khi h₀ < 0, để loại bỏ chân không phía dưới dòng tia  người ta  thường dẫn  không khí vào, do đó áp suất dưới dòng tia bằng không và:

P = rg0,25h₁²b                                                                      (3 - 33)

Áp suất lên mũi tràn (công trình xả lũ) theo chiều cao phân bố theo quy luật áp suất thuỷ tĩnh. Do đó

Khi h₀ ¹ h₁

Áp lực từ phía trụ pin phân cách phân bố theo quy luật áp suất thuỷ tĩnh theo độ sâu:

Trong đó: L - chiều dài phóng xa của dòng tia xác định theo các công thức (3 - 53) và (3 - 55) hình 3 - 15; l_nd - khoảng cách từ mũi tràn đến cuối đoạn dốc nghiêng của sân tiêu năng, tức là đầu đoạn nằm ngang. Ở các  chế độ  nối tiếp bằng dòng  chảy mặt điểm rơi  của dòng tia xả lũ thường nằm trên đoạn dốc nghiêng của sân   tiêu năng.

Áp lực nước hạ lưu ở tiết diện t - t xác định theo công thức:

 

Trong đó: w₁ = h₁b; w_T - diện tích tiết diện cửa ra của ống hút; w_t = h_tB. ta  có  thể xác định được độ sâu hạ lưu tương ứng với các trạng thái phân giới được viết dưới dạng trong bảng 3 - 3.

Khi biết được mực nước hạ lưu tương ứng với các trạng thái phân giới và trạng thái không ổn định ở bảng 3 - 3, có thể điều chỉnh cao độ đáy sân tiêu năng sao cho trong lòng dẫn hạ lưu không xuất hiện các trạng thái không ổn định và hạn chế tới mức tối đa trạng thái chảy mặt kết hợp chảy đáy. làm như vậy  tất  nhiên là  xét  về cột nước phục hồi không phải là tối ưu, tức là sẽ làm giảm năng lượng phát điện.

Bảng 3-3. Các công thức xác định độ sâu phân giới ở hạ lưu trạm thuỷ điện có kết hợp xả lũ

Trạng thái thuỷ lực	b = b/B	Công thức xác định độ sâu phân giới ht.k	Độ sâu hạ lưu ht
Trạng thái	Với mọi b	Nhà máy thuỷ điện kết hợp	Khi hc” £ 0,93 htk1

Ghi chú: A - được tính theo công thức (3 - 40), trong đó a₁ = 1,0; a_T = 1,35 -  1,4; w₁ = h₁b; w_t = h_tB; khi tính w_t cần phải sử dụng h_t đối với trạng thái giới hạn    thứ nhất: h_t = a - d + h_0k; h_0k xác định theo các biểu thức (3 - 28) hoặc (3 - 29); b = b/B; a, d, b, B, h₁, h_t thể hiện trên hình 3 - 10.

1.5 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA CÔNG TRÌNH XẢ LŨ CÓ ÁP CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KẾT HỢP

Khả năng tháo nước của các công trình xả lũ có áp trạm thuỷ điện kết hợp phụ thuộc vào diện tích tiết diện cửa ra cuả chúng. Đường hầm xả nước có áp phải đi vòng qua đoạn cống của ống hút và ra khỏi tổ máy phía trên ống hút do đó về mặt thuỷ lực mà nói là không thuận lợi lắm. Do đó để tránh dòng chảy bị gián đoạn và  các hiện tượng mạch động áp lực quá lớn hoặc các hiện tượng không có lợi khác, công trình xả lũ có áp có tiết diện thu hẹp dần hoặc tiết diện không thay đổi (hình 3 - 11). Ở các trạm thuỷ điện cột nước thấp (H £ 15m) với các công trình đường hầm  xả lũ có áp dưới buồng xoắn trong một số trường hợp có thể cho phép co hẹp tiết diện một ít trong khoảng w₁/w_v = 1,1 - 1,2 (w_v - diện tích tiết diện cửa vào).

Lưu lượng các công trình xả lũ có áp xác định theo công thức:

 

Hiện tượng ngập miệng công trình xả lũ sẽ xuất hiện khi chiều sâu hạ lưu ở sân thứ hai lớn hơn h_tk2.

Cột nước phục hồi Äh₀ khi cửa ra  công  trình  xả  lũ  bị  ngập  khi  tính  gần đúng với độ chính xác có thể chấp nhận được có thể xác định từ phương trình Becnuly viết cho tiết diện 1 - 1 và t - t (hình 3 - 12c).

Hình 3-12. Các đặc tính của dòng chảy ra khỏi CT xả lũ có áp

 Do khi các cửa xả bị ngập, trị số Äh₀ và H liên quan với nhau nên việc xác định cột nước H phải tiến hành bằng cách thử dần bắt đầu từ Äh₀ = 0.

Các bước tiến hành tính toán thuỷ lực công trình xả lũ của trạm thuỷ điện kết  hợp như sau:

1. Theo độ ngập sâu của trần cống xả xác định trạng thái của  dòng chảy từ cửa ra cửa cống (hình 1- 12). Khi nước chảy ra tự do thì theo các công thức (3 - 46), (3- 47) xác định Q_x và H

2. Nếu tràn cống xả ngập dưới mực nước hạ lưu thì xác định độ sâu phân giới H_tk2 (theo bảng 3 -3) và so sánh với độ sâu nước hạ lưu h_t. Nếu h_t , h_tk2 thì cửa ra cống không ngập (hình 3 -12,b) và theo (3 - 46), (3 - 47) xác định Q_x và Nếu h_t

³ h_tk2 thì miệng cống bị ngập thì  theo (3 - 48) và (3 - 51) bằng cách thử  dần tính  theo Äh_o và H sau đó theo (3 - 46) xác định Q_x.

1.6 HIỆN TƯỢNG PHUN XIẾT Ở CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN KẾT HỢP XẢ LŨ

Mực nước hạ lưu ở các trạm thuỷ điện kiểu lòng sông vào thời gian xả lũ rất cao do đó làm giảm cột nước và công suất của turbin. Có thể thu hồi một phần cột nước và công suất phát điện do hiệu quả của phun siết dựa trên kết quả của việc tác dụng tương hỗ của lưu lượng qua turbin và lưu lượng xả lũ. Hiện tượng phun xiết   có thể xảy ra ở hạ lưu hoặc trong ống hút của turbin. Hiện tượng phun xiết ở hạ lưu được ứng dụng phổ biến, còn phun xiết trong ống hút ít khi được ứng dụng.

Tính toán hiệu quả của phun xiết bao  gồm xác định độ  chênh áp suất ở  cửa  ra của ống hút so với áp lực nước hạ lưu sân tiêu năng thứ hai, có nghĩa là xác định độ chênh cột nước của turbin. Cột nước tăng do hiệu quả của phun xiết sẽ dẫn đến tăng lưu lượng và công suất của turbin.

Ở các trạm thuỷ điện kết hợp xả đáy và ở các trạm thuỷ điện với turbin chảy thẳng kết hợp tràn cột nước thấp khi turbin và công trình xả lũ đồng thời làm việc  thì tổn thất cột nước trong cửa lấy nước tăng lên do đó trong thực tế hiệu quả của phun xiết sẽ giảm đi một đại lượng tương ứng với tổn thất tăng  thêm ở  cửa  lấy nước. Tổn thất này có thể xác định trên cơ sở thực nghiệm. Nếu như việc tính toán  sử dụng hiệu quả phun xiết không thành công, khi đó tổn thất tăng thêm ở cửa lấy nước vượt quá hiệu quả ở cửa phun xiết về mặt cột nước sẽ dẫn đến làm giảm công suất turbin khi công trình xả lũ làm việc.

Khi xác định được độ chính xác cột nước kết quả của phun xiết Ä H,  lưu lượng tăng thêm của turbin thay đổi là Äh thì hiệu quả của phun xiết xét về công suất sẽ là:

ÄN  = 9,81.(Q + ÄQ)(H + ÄH)( h + Äh) - 9,81.QHh                               (3 - 52)

Hiệu quả của phun xiết phụ thuộc vào lưu lượng của công trình xả lũ, khi  tăng lưu lượng xả lũ hiệu quả phun xiết sẽ tăng thêm (hình 3 -13)

  

Hình 3-13. Sự phụ thuộc của hiệu quả phun xiết vào độ mở của cổng xả Q_b (theo kết quả thí nghiệm)

Kết quả thực tiễn ở các công trình thuỷ điện nước ngoài cho thấy hiệu quả phun xiết đạt được từ 4 -  10% về  cột nước và 2,5 đến 14,5% về công suất. Một điểm cần lưu ý là hiệu quả phun xiết chỉ là nguồn năng lượng bổ sung trong thời gian xả lũ, nó  không kéo dài trong suốt thời gian vận hành

Hiệu quả phun xiết về cột nước được thể hiện trên sơ đồ hình 3 - 14, phương  pháp tính toán hiệu quả phun xiết ở hạ  lưu trạm thuỷ điện cũng tương tự  như khi xác định độ sâu phân giới trên cơ sở sử dụng phương trình biến thiên động lượng (3

-30) đối với khối chất lỏng nằm giữa cửa ra của ống hút và thiết diện trên sân sau ở

hạ lưu nơi mà sự phân bố lưu tốc có thể xem là đều.

Phản lực của đoạn dốc sâu tiềm năng R_dn phụ thuộc vào điểm rơi của dòng tia    xả lũ và xác định theo các công thức (3-37) và (3 – 38). Do đó đối với chế độ nối   tiếp chảy đáy cần phải phân biệt các trường hợp dòng tia rơi trên đoạn dốc của sân tiêu năng hoặc sau đoạn dốc đó.

Để xác định điểm rơi trên sân tiêu năng của dòng tia (hình 3 -15) có  thể  sử  dụng công thức tính khoảng cách hay xa của chất điểm:

 

Đối với trạm thuỷ điện kết hợp tràn xả lũ đỉnh rộng (hình 3-15, b)  khi  h₁ =  0,47. T_o^’, v₁ = q/h₁, biểu thức (3 -53) có dạng:

L = 4,26.m.                  (3-55)

  

Hình 1-14. Sơ đồ xác định hiệu quả phun xiết về cột nước

a - phun xiết do tràn; b - phun xiết do xả lũ có áp

Khi nối tiếp hạ lưu bằng dòng chảy đáy nối với các phương án kết hợp xả tràn lũ hoặc xả lũ đáy có áp để xác định cột nước đo áp ở cửa ra ống hút đều sử dụng các công thức như nhau.

Khi trạng thái nối tiếp là dòng chảy mặt không ngập, dòng tia thường rơi ngoài đoạn dốc của sân tiêu năng, do đó các công thức tính toán để h_o để cho các phương án phun xiết là khác nhau.

 

Hình 1-15. Sơ đồ xác định điểm rơi của dòng tia trên sân tiêu năng

a - phun xiết do xả lũ có áp; b - phun xiết do tràn xả lũ

Khi phun xiết nơi đập tràn đối với trạng thái nối tiếp chảy mặt ngập bằng lý thuyết không có được công thức xác định h_o. Vì  vậy  ở các chế độ đó việc xác định h_o có thể sử dụng các công thức trong bảng 3 - 4

Đối với trường hợp phun xiết bởi cổng xả có áp miệng ngập (hình 3-12,c) được phân thành hai trường hợp:

- Khi miệng cống xả ngập không sâu:

h_ngập £ 3(h_0k - h₁)

- Khi miệng cống xả ngập sâu

h_ngập = > 3(h_0k - h₁)

Trong các công thức trên h_0k xác định theo (3-29).

Bảng 3 - 4. Các công thức xác định cột nước đo áp h₀ ở cửa ra ống hút khi tính toán phun xiết

Khi miệng cống ngập sâu, cột nước đo áp ở cửa ra ống hút h₀ > h₁ + d và h₀ = f(d).

Khi miệng cống ngập sâu dưới mực nước hạ lưu h₀ = h₁ + d, có nghĩa là cột   nước đo áp xác định bằng mực nước ở cửa ra cống xả và hiệu quả phun xiết về cột nước ÄH bằng cột nước phụ  hồi  Äh_o. Cột  nước phụ hồi  có  thể  xác  định bằng  cách thử dần theo các biểu thức (3-48) và (3-51); theo các công thức (3-61) bảng 3-4

Xác định cột nước đo áp và sau đó là xác định hiệu quả phun xiết về cột nước (hình 3 -14).

Các công thức để xác định cột nước đo áp h_o được trình bày trong bảng 3-4

Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team