Đập tràn là gì?

Đập là công trình quan trọng được xây dựng trên sông để cung cấp khả năng lưu trữ nước. Nước được lưu trữ có thể sử dụng cho một số mục đích khác nhau như sản xuất điện, thủy lợi và kiểm soát lũ lụt.

Dòng chảy của các con sông thường thay đổi, không phải lúc nào cũng hiền hòa. Một số dòng chảy có thể rất lớn với nhiều lưu vực, tạo ra một lượng nước khổng lồ chỉ trong một cơn bão. Trong trường hợp như vậy, các dòng chảy có thể chảy nhanh đến một hồ chứa mà hầu như không có cảnh báo trước. Do đó, các đập phải luôn sẵn sàng để đối phó với bất kỳ cơn bão nào.

Do sự thay đổi thời tiết của từng mùa, các kỹ sư không thể dự đoán chính xác lượng nước lũ do lượng mưa. Do đó, việc thiết kế một con đập để xả lượng nước cụ thể là gần như không thể. Để khắc phục điều này, hầu hết đập đều có các cửa tràn (cống tràn). Nếu mực nước dâng cao đột ngột ở thượng nguồn của đập, cửa tràn sẽ cho phép nước xả qua, ngăn tràn đập.

Ở các nhà máy thủy điện, đập tràn là công trình quan trọng để tạo đường thoát nước lũ an toàn đến khu vực hạ lưu. Đập tràn cung cấp cách xả một lượng nước dư thừa từ hồ chứa, nhường chỗ cho lượng nước mới.  

Mỗi hồ chứa thủy điện đều có một dung tích hoặc lượng nước nhất định mà nó có thể chứa. Nếu hồ chứa đã đầy nhưng nước lũ tiếp tục tràn vào hồ chứa, mực nước sẽ tăng lên, có thể dẫn đến tràn đập. Nếu điều này xảy ra, cấu trúc và thiết kế của đập có thể bị hư hỏng. Do đó, cần phải xả nước dư thừa thành công để tránh các thảm họa tiềm ẩn.

Các loại đập tràn

Các nhà máy thủy điện trên thế giới xây dựng các loại đập tràn hoạt động khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể. Bất kể loại đập tràn nào được sử dụng, chúng đều có chung vai trò là xả nước để ngăn chặn bất kỳ trận lũ lụt nào do mực nước dâng cao. Sau đây là các loại đập tràn chính:

1. Tràn xả thẳng (Straight Drop Spillway). Tràn xả thẳng có tường đập tràn gần như thẳng đứng, chiều cao thấp với mặt hạ lưu. Khi mực nước trong hồ chứa dâng cao hơn mực nước hồ bình thường, nước dư thừa sẽ rơi tự do từ đỉnh đập tràn xuống hạ lưu, do đó được gọi là tràn xả thẳng hoặc tràn xả tự do. Để ngăn chặn xói mòn lòng hồ hạ lưu do tia nước rơi xuống, thường có vành chắn bằng bê tông và đập phụ thấp hơn xây dựng ở phía hạ lưu. Tràn xả thẳng phù hợp ở các đập nhỏ, đập vòm mỏng, đập đất, hoặc bờ kè.

2. Tràn Ogee (Ogee Spillway). Tràn Ogee là dạng cải tiến của tràn xả thẳng, giải quyết được vấn đề xói mòn ở đáy hạ lưu. Trong trường hợp này, phía hạ lưu của đập tràn được xây dựng tương ứng với hình dạng Ogee, được thiết kế dựa trên nguyên lý của một vật phóng (bắn) ra. Tràn Ogee có hiệu suất xả rất cao so với tràn máng (Chute Spillway). Ngoài ra, tràn Ogee có thể kiểm soát tốt việc xả qua tràn bằng cách sử dụng các cửa cống thích hợp. Tràn Ogee thường được sử dụng trong đập trọng lực, đập vòm, đập trụ,… Đối với đập trọng lực, nó thường nằm trong thân đập.

3. Tràn trục (Shaft Spillway). Tràn trục là loại tràn có một giếng thẳng đứng nằm trên bề mặt của hồ chứa, tiếp theo là ống dẫn ngang (như hình chữ L). Tràn có chiều cao cụ thể, liên quan đến mức nước. Khi nước dư thừa dâng lên, tràn qua đập, chảy vào phễu giếng, theo đường hầm đến ống dẫn ngang, rồi chảy đến hạ lưu, từ đó cho phép nước thoát ra ở mọi hướng. Ở các dự án lớn, phễu giếng được tạo hình đặc biệt được gọi là vòng hào quang. Do đó, tràn trục còn được gọi là tràn hào quang (Morning Glory Spillway) hoặc tràn miệng chuông (Bell Mouth Spillway). Tràn trục được sử dụng khi không có không gian thực hiện các loại tràn khác như tràn Ogee, tràn xả thẳng…

4. Tràn máng (Chute Spillway). Tràn máng xả nước dư thừa từ thượng nguồn xuống hạ lưu thông qua một kênh hở. Mục đích của tràn máng là để giảm độ rơi thẳng đứng của nước có thể gây hư hại cho đáy hạ lưu. Tràn máng thích hợp cho đập trọng lực, đập đất, đập đá đổ,… Loại tràn này có thể ở gần đập hoặc cách xa một khoảng cách nơi có điều kiện tốt hơn. Tràn máng cũng được gọi là tràn kênh hở. Độ dốc của tràn máng được thiết kế theo cách mà dòng chảy luôn ở trạng thái tối ưu. Để tiêu tán năng lượng từ nước đổ xuống, có thể bố trí các điểm tiêu tán năng lượng trên lòng tràn máng. Chúng được lát và lót bê tông ở đáy và hai bên để bảo vệ đáy và đập.

5. Tràn kênh bên (Side Channel Spillway). Tràn kênh bên thường được sử dụng để xả lũ theo hướng vuông góc với hướng dòng chảy chung bằng cách đặt đập kiểm soát song song với phần trên của kênh xả. Sau khi chảy qua tràn từ đỉnh, nước vào kênh phụ, đưa đến phía hạ lưu của đập bằng máng. Nó cung cấp vận tốc dòng chảy thấp ở thượng nguồn và giảm thiểu xói mòn. Thỉnh thoảng, người ta sử dụng đường hầm thay cho máng. Tràn kênh bên có thể có hoặc không có cửa xả.

6. Tràn Siphon (Siphon Spillway). Tràn Siphon được thiết kế kiểu đường ống hình chữ U ngược. Nó thường được bố trí bên trong thân đập hoặc trên đỉnh đập. Loại cống tràn này tận dụng sự chênh lệch về độ cao giữa cửa đầu vào và cửa đầu ra tạo ra chênh lệch áp suất, giúp loại bỏ lượng nước dư thừa khỏi hồ chứa. Bất cứ khi nào mực nước dâng cao hơn mực nước hồ bình thường, nước sẽ chảy vào ống dẫn, được xả xuống hạ lưu bằng tác động Siphon. Loại đập tràn này có thể xả một lượng nước khá lớn.

7. Tràn Labyrinth (Labyrinth Spillway). Tràn kiểu mê cung có tường đập tràn được thiết kế theo kiểu zíc zắc (trông giống phím đàn piano) để tăng chiều dài hiệu dụng của đỉnh đập tràn so với chiều rộng kênh. Sự gia tăng chiều dài hiệu dụng này làm tăng khả năng xả của đập tràn.

8. Tràn bậc thang (Stepped Spillway). Tràn nước bậc thang được thiết kế để giảm tốc độ dòng nước chảy. Loại tràn này đã được sử dụng trong 300 năm. Bất chấp các tràn nước hiện đại, việc sử dụng tràn nước bậc thang vẫn tiếp tục được sử dụng. Nước chảy khi đi qua nhiều bậc của đường dẫn nghiêng sẽ làm giảm tốc độ của nước.