CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG DƯỚI SÂU

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 9151 : 2012 CƠNG TRÌNH THỦY LỢI - QUY TRÌNH TÍNH TỐN THỦY LỰC CỐNG DƯỚI SÂU Hydraulic structures - Hydraulic calculation process of ground sluice Lời nói đầu TCVN 9151:2012 chuyển đổi từ QP-TL-C-1-75 Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn theo quy định tài khoản điều 69 Luật tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật điểm a khoản điều Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 Chính phủ quy định chi tiết thi hành số điều Luật tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật TCVN 9151:2012 Viện thủy điện lượng tái tạo - Viện khoa học thủy lợi Việt Nam biên soạn, Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học Công nghệ công bố CƠNG TRÌNH THỦY LỢI - QUY TRÌNH TÍNH TỐN THỦY LỰC CỐNG DƯỚI SÂU Hydraulic structures - Hydraulic calculation process of ground sluice Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn dùng để tính tốn thủy lực cống sâu cho cấp cơng trình, giai đoạn thiết kế Ngoài việc áp dụng tiêu chuẩn này, thiết kế cần vận dụng kinh nghiệm khai thác kết nghiên cứu cơng trình tương tự Đối với cơng trình cấp I cấp II cấp thấp phức tạp (không thể dùng cơng thức thơng thường để tính tốn thủy lực) cần tiến hành thí nghiệm thủy lực mơ hình CHÚ THÍCH: Khi nghiên cứu trạng thái dịng chảy cống, liên hiệp dòng chảy sau cống với hạ lưu tiêu cống, cần thực với nhiều độ mở (lưu lượng) khác Tài liệu viện dẫn Các tài liệu viện dẫn sau cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn Đối với tài liệu viện dẫn ghi năm cơng bố áp dụng phiên nêu Đối với tài liệu viện dẫn khơng ghi năm cơng bố áp dụng phiên nhất, bao gồm sửa đổi, bổ sung (nếu có) TCVN 9147:2012 Cơng trình thủy lợi - u cầu tính tốn thủy lực đập tràn Thuật ngữ định nghĩa 3.1 Cống sâu (sluice) Cống có cao độ trần cống cửa vào thấp cao độ mực nước thượng lưu (H đó: 1,5h), H chiều sâu nước thượng lưu, tính đến ngưỡng cống; h chiều cao cống cuối đầu vào (các ký hiệu biểu thị Hình 1) CHÚ THÍCH: 1) Khi nói “cống” hiểu cống lấy nước tháo nước 2) Cống sâu chia thành phần đoạn theo Hình tên gọi quy định 3.1 đến 3.8 3) Ngoài chiều sâu nước thượng lưu H chiều cao cống cuối đầu vào h, độ ngập cửa vào cịn phụ thuộc nhiều yếu tố khác như: hình dạng kích thước phần vào (3.2), cửa vào, cửa ra, chế độ liên hiệp thượng hạ lưu quy định chưa đầy đủ thiếu xác Để đầy đủ xác cần tiến hành thí nghiệm xác định độ ngập cửa vào 3.2 Phần vào (inlet) Phần bố trí kết cấu (tường biên, tường dẫn dịng v.v ) trước cửa vào (phần 1, Hình 1) Hình - Bố trí chung cống 3.3 Đoạn chuyển tiếp (inlet contraction) Đoạn từ cửa vào đến mặt cắt bình thường, thường đoạn ống thu hẹp dần (phần 2, Hình 1) 3.4 Đoạn sau chuyển tiếp (upstream sluice) Đoạn từ đầu vào đến buồng cửa van (phần 3, Hình 1) 3.5 Buồng cửa van (gate chamber of sluice well) Phần bố trí cửa van, tường ngăn phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt phần bố trí cửa van (phần 4, Hình 1) 3.6 Đoạn (downstream sluice) Đoạn từ buồng cửa van đến đầu (phần 5, Hình 1) 3.7 Đầu (Outlet) Phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt (phần 6, Hình 1) Đầu đoạn ống mở rộng thu hẹp theo chiều dòng chảy 3.8 Phần liên hiệp (Energy dissipating device) Phần nối tiếp cống với hạ lưu (phần 7, Hình 1) Phần đoạn kênh chuyển tiếp, kết cấu tiêu năng, mũi phun v.v CHÚ THÍCH: Trong cơng trình cụ thể, phần đoạn riêng cống khơng có kết hợp Ví dụ, cửa van bố trí cuối đầu vào khơng có đoạn vào; cửa van đặt cửa ra, cơng trình khơng có đoạn ra; trường hợp cửa không mở rộng thu hẹp, cổng đầu v.v 3.9 Khí hóa (Gasify) Hiện tượng xuất hàng loạt bong bóng chứa khí lịng chất lịng có nhiệt độ bình thường, áp suất bị giảm xuống trị số giới hạn gọi áp suất phân giới 3.10 Áp suất phân giới (Delimited pressure) Áp suất hóa 3.11 Khí thực (Cavitation) Hiện tượng tróc rỗ, phá hoại xâm thực bề mặt vật liệu lòng dẫn khí hóa đủ mạnh tác động thời gian đủ dài 3.12 Hệ số khí hóa K (Coefficient of gasify) Đại lượng dùng để biểu thị mức độ mạnh yếu khí hóa nước 3.13 Vật chảy bao Vật rắn có mặt ngồi (hay phần mặt ngồi) tiếp xúc với dịng nước chảy 3.14 Hàm khí Hiện tượng chất lỏng có chứa thể tích khơng khí định, khơng khí chứa chất lỏng khí hịa tan tự nhiên khí bị hút vào dịng chảy từ mặt thống dịng chảy có lưu tốc lớn khơng khí đưa vào dịng chảy thơng qua phận tiếp khí 3.15 Cột nước phục hồi Hiệu số cao độ mực nước hạ lưu cao độ mực nước trực tiếp sau cửa Ký hiệu b chiều rộng cống, tính mét (m); c hệ số Sedi; e độ mở cửa van tuyệt đối, tính mét (m); Fr số Froude; h chiều cao cống, tính mét (m); h2 chiều sâu liên hiệp với chiều sâu thu hẹp hc, tính mét (m); hc chiều sâu mặt cắt co hẹp, tính mét (m); hk độ sâu phân giới, tính mét (m); hr chiều sâu mực nước cửa ra, tính mét (m); H chiều sâu mực nước thượng lưu tính đến ngưỡng cống, tính mét (m); HDT cột nước áp lực tồn phần đặc trưng dịng chảy bao quanh cơng trình hay phận xét, tính mét (m); g gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; K hệ số khí hóa; Kpg hệ số khí hóa phân giới; L chiều dài cống, tính mét (m); Q lưu lượng qua cống, tính mét khối giây (m 3/s); Qa lưu lượng khơng khí, tính mét khối giây (m 3/s); Qac lưu lượng tự hàm khí mặt thống dịng chảy, tính mét khối giây (m3/s); Qax lưu lượng khơng khí bị hút vào cống nước nhảy, tính mét khối giây (m3/s); R bán kính thủy lực, tính mét (m); t chiều sâu mực nước hạ lưu, tính mét (m); V lưu tốc bình qn mặt cắt cuối đầu vào, tính mét giây (m/s); Vc lưu tốc bình quân mặt cắt co hẹp, tính mét giây (m/s); VDT lưu tốc (trị số trung bình thời gian) đặc trưng dỏng chảy bao quanh cơng trình hay phận xét, tính mét giây (m/s); Z cột nước tác dụng cống, tính mét (m); Zv chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu với cao trình trần cống mặt cắt cuối đầu vào, tính mét (m); Zph cột nước phục hồi, tính mét (m); hệ số động lượng; r diện tích mặt cắt cửa ra, tính mét vng (m 2); hệ số lưu lượng cống; k hệ số lưu lượng ống dẫn khí; c hệ số vận tốc mặt cắt co hẹp; trọng lượng riêng nước, tính kilơgam mét khối (kg/m 3) Những u cầu kỹ thuật việc tính tốn thủy lực cống sâu 5.1 Khả tháo cống sâu phải phù hợp với mục tiêu nhiệm vụ cống 5.2 Cống sâu với cơng trình khác (cơng trình xả mặt, âu thuyền, nhà máy thủy điện v.v ) phải đảm bảo lưu lượng tính tốn với mức nước thượng lưu định 5.3 Cống sâu cần bảo đảm tháo cạn nước hồ thời gian quy định thiết kế Khi tháo cạn nước hồ cần lợi dụng chức tháo cơng trình khác (cơng trình xả mặt, âu thuyền, nhà máy thủy điện v.v ) Nếu xây dựng cơng trình xả chun để tháo cạn nước hồ cần phải có luận chứng kinh tế kỹ thuật 5.4 Khi dịng chảy có bùn cát cần nghiên cứu biện pháp xả cát qua cống 5.5 Vị trí, kích thước số lượng cơng trình xả phụ thuộc vào yếu tố sau: - Thành phần, kết cấu nhiệm vụ cơng trình; - Các thiết bị khí; - Điều kiện địa hình, địa chất; - Lưu lượng cột nước tính tốn; - Điều kiện thi công, khả kết hợp chức cơng trình xả lũ thi cơng khai thác; - Điều kiện thủy lực cơng trình (chế độ dòng chảy cống, liên hiệp thượng hạ lưu, tiêu v.v ); - Điều kiện vận hành cơng trình CHÚ THÍCH: Kích thước cửa cống có cửa van cần xác định với trường hợp mực nước thấp cống mở hồn tồn lấy đủ lưu lượng thiết kế 5.6 Khi lựa chọn vị trí, kích thước, số lượng kết cấu cơng trình cần phải so sánh phương án sở kinh tế, kỹ thuật Các phương án cần thỏa mãn yêu cầu nêu 5.1 đến 5.4 Trong lúc so sánh phương án cần xét đến khả kết hợp cơng trình lấy nước tháo nước 5.7 Việc lựa chọn hình dạng kích thước đường hầm kết cấu bọc tiến hành theo tiêu chuẩn thiết kế đường hầm thủy lợi hành 5.8 Tuỳ theo kiểu đập, kết cấu ống xả là: - Các ống có khơng có lớp bọc nằm thân đập; - Các ống bê tông cốt thép nằm thân đập bê tông cốt thép; - Các ống bê tông cốt thép đặt đập vật liệu địa phương; - Các ống kim loại nằm tự hành lang bê tông bê tông cốt thép 5.9 Các kiểu bọc ống xả sau: - Trát phun vữa xi măng vào mặt ống có cốt thép trường hợp đặc biệt khơng có cốt thép, sau tiếp tục làm nhẵn bề mặt; - Những bê tông cốt thép khe nối, nối liền với nhau; - Những lớp áo có độ cứng đặc biệt bê tơng mác cao, bê tông vỏ kim loại, bê tông bê tông cốt thép theo phương pháp chân không v.v - Trong trường hợp đặc biệt - lớp áo kim loại có dạng ống CHÚ THÍCH: Trong trường hợp đặc biệt, sở luận chứng đầy đủ kinh tế kỹ thuật dùng lớp bọc khác đá tốt, gang v.v 5.10 Kiểu bọc phụ thuộc vào đại lượng áp suất tác dụng lên mặt ống, mác bê tông đập khu vực đặt cơng trình xả, vận tốc dịng chảy, khả phát sinh khí thực, số lượng, độ lớn độ rắn hạt cát bị dòng chảy qua cống, thời gian làm việc cơng trình điều kiện thi cơng Khi cột áp ống nhỏ 30 m thỏa mãn điều kiện kể khơng cần làm lớp bọc Khi cột áp ống từ 30 m đến 50 m nên làm lớp bọc Vấn đề chống thấm lớp bọc giải theo điều kiện làm việc cơng trình Khi cột áp ống từ 50 m đến 100 m cống kết hợp với nhà máy trạm thủy điện cột nước phải làm lớp bọc bê tông thủy công chống thám mác “B8” đổ bê tông phương pháp chân không Khi cột áp ống lớn 100 m với tổ hợp bất lợi áp suất (chân khơng) vận tốc kết cấu kiểu bọc cần lựa chọn sở nghiên cứu có xét đến điều kiện thực tế CHÚ THÍCH: Trường hợp phía mặt chịu áp lực đập có lớp bê tơng chống thấm bê tơng có chất lượng cao, làm thêm lớp bọc cơng trình xả loại bê-tơng 5.11 Trong trường hợp chung, áo lớp vỏ cống sâu cần thỏa mãn điều kiện độ chắc, tính chống thấm, chống tác dụng xâm thực bào mịn Tính tốn u cầu nói lựa chọn kiểu bọc cần tiến hành sở nghiên cứu 5.12 Tùy theo cách bố trí, buồng cửa van chia thành khoang, hai khoang nhiều khoang Chế độ chuyển động nước phạm vi buồng cửa van chuyển động có áp hỗn hợp - trước cửa van có áp cịn sau cửa khơng áp Buồng cửa van bố trí đoạn nằm ngang đoạn dốc cơng trình xả Mặt cắt buồng cửa van khơng đổi biến đổi theo diện tích Buồng cửa van gồm phần bố trí cửa van phần chuyển tiếp Chiều dài phần bố trí cửa van xác định theo số lượng cách bố trí cửa dự trữ, cửa sửa chữa phụ thuộc vào chiều rộng khe cửa van, khoảng cách cho phép nhỏ khe cửa theo điều kiện bố trí thiết bị khí, quan sát sửa chữa cửa van (cơng tác) Chiều dài đoạn chuyển tiếp phụ thuộc vào biến đổi hình dạng kích thước phạm vi phần phụ thuộc vào góc mở rộng cho phép (xem Bảng 1) 5.13 Với mục đích giảm loại trừ đại lượng chân khơng, buồng cửa van trụ ngăn cần có dáng hình thoi thuận mặt cắt ngang thay đổi đặn theo chiều dài buồng Nói chung cần thoả mãn điều kiện: i i Zi i i Zi (1) i, i, Zi hệ số lưu lượng, diện tích mặt cắt ngang độ ngập buồng cửa van mực nước thượng lưu mặt cắt thứ i xác định theo 7.3 7.4 CHÚ THÍCH: Khi độ chân không buồng cửa van lớn, không nên làm buồng cửa van theo kiểu mở rộng Trong buồng cửa van có phần mở rộng góc mở rộng khơng lớn trị số ghi Bảng Bảng - Góc mở rộng giới hạn buồng cửa van Vận tốc dòng chảy mặt cắt nhỏ (m/s) Góc tâm giới hạn đoạn Mở rộng phẳng mở rộng trục thẳng Mở rộng không gian 25 40 60 4°30’ 2° 1° 2°15' 1° 0°30’ 5.14 Khi thiết kế buồng cửa van cần đánh giá tính chất nguy hiểm tượng xâm thực cấu kiện buồng sở nghiên cứu thực nghiệm đề biện pháp khắc phục hư hỏng tượng gây 5.15 Để quan sát sửa chữa, chiều cao chiều rộng mặt cắt cống không nhỏ 1,6 m 1,2 m Khi không thực theo quy định cần phân tích kỹ điều kiện cụ thể 5.16 Độ dốc đáy cống dài cần tháo cạn nước cống không nhỏ 0,001 5.17 Trường hợp trước cửa vào cống có bố trí lưới chắn rác, tùy theo điều kiện vớt rác thủ công hay máy nên khống chế vận tốc trước lưới từ 0,5 m/s đến 1,0 m/s Các thiết bị cống 6.1 Cống sâu có thiết bị chủ yếu sau đây: 6.1.1 Cửa van dùng để ngăn nước cống không làm việc điều tiết lưu lượng cần thiết Theo điều kiện làm việc, cửa van chia thành hai loại: cửa van điều tiết lưu lượng cửa van không điều tiết lưu lượng Cửa van điều tiết lưu lượng làm việc độ mở cịn cửa van khơng điều tiết lưu lượng làm việc đóng mở hồn tồn 6.1.2 Cửa van dự trữ dùng để đóng cống trường hợp có cố thi cơng khai thác: Có thể dùng cánh cửa dự trữ để đóng cống thời gian sửa chữa cửa van cống (trong trường hợp gọi cánh cửa dự trữ - sửa chữa) 6.1.3 Cánh cửa sửa chữa dùng để đóng cống thời gian sửa chữa Trong thực tế thường dùng cánh cửa dự trữ - sửa chữa 6.1.4 Lưới chắn rác dùng để ngăn rác vật tương đối lớn bị dòng chảy vào cống 6.1.5 Các thiết bị khí đóng, mở cửa lưới chắn rác 6.2 Kiểu cánh cửa định kích thước kết cấu cống, đại lượng cột nước trước cánh cửa yêu cầu khai thác Khi so sánh kinh tế kỹ thuật phương án cần xét: - Điều kiện thủy lực cửa van, khả phát sinh tượng khí thực rung động; - Đặc điểm tăng mức nước thượng lưu có lũ tốc độ mở cửa cần thiết lúc đó; - Điều kiện tiêu dòng nước chảy qua cống; - Khả kết hợp cơng trình xả lũ thi công khai thác; - Điều kiện bố trí thiết bị đóng mở, quan sát sửa chữa; - Điều kiện sửa chữa làm kín nước cửa van CHÚ THÍCH: Khi lựa chọn kiểu cửa van cần dựa vào đặc tính cơng tác đặc trưng thủy lực loại cánh cửa sâu ghi Phụ lục A B 6.3 Cột nước tác dụng lên cửa van ảnh hưởng tới đặc trưng thủy lực tải trọng tác dụng lên cửa xác định kích thước cửa lực nâng cần ý tới đại lượng 6.4 Khi chọn kiểu cửa van vị trí cửa cống cần theo quy định sau: 6.4.1 Khi diện tích cửa lớn 20 m2, theo thứ tự hợp lý dùng cửa cung phẳng 6.4.2 Khi diện tích cửa từ m2 đến 20 m2 theo thứ tự hợp lý dùng cửa cung, cửa phẳng, van kim van hình nón (đặt phần cuối ống) 6.4.3 Khi diện tích cửa nhỏ m2 dùng tất loại cửa sâu Nếu bố trí cửa phần cuối cống, dùng van kim van hình nón 6.4.4 Khi bố trí cửa cuối cống loại trừ tượng chân không cống, dễ dàng quan sát sửa chữa cửa v.v Song, trường hợp này, đoạn ống trước cửa van chịu tác dụng áp lực nước điều kiện liên hiệp thượng hạ lưu cống xấu so với trường hợp bố trí cửa cuối đầu vào đoạn vào 6.4.5 Khi thiết kế cống có cửa đặt cuối đầu vào đoạn vào, cột nước lớn, cần thay đổi mặt cắt cống phạm vi gần cửa để bảo đảm chế độ chảy không áp ổn định đưa khơng khí vào cống Trong trường hợp cần nghiên cứu lớp bọc mặt ống khu vực sau cửa, hình dạng khe van, mép cửa van ngưỡng để tạo chế độ thủy lực tốt sau cửa 6.4.6 Nếu chuyển động nước sau cửa van chuyển động có áp tốt nên dùng loại cửa van khơng cần khe van giảm diện tích mặt cắt Khi giảm diện tích mặt cắt ra, khả tháo cống giảm cần phải luận chứng kinh tế 6.4.7 Trong buồng cửa van cho phép chảy chuyển tiếp trường hợp đưa khơng khí vào cống đầy đủ khơng có nước chảy trực tiếp sau cửa chuyển dịch buồng cửa van 6.5 Đối với cửa dự trữ - sửa chữa nên dùng loại cửa phẳng 6.6 Khi phận cống có khả khí hóa dịng chảy cần áp dụng biện pháp phịng chống khí thực thay đổi đường biên cơng trình, dùng loại vật liệu có độ bền khí thực bố trí ống dẫn khơng khí vào cống Ống dẫn khơng khí tính tốn cần đảm bảo vận tốc khơng khí ống khơng lớn 60 m/s CHÚ THÍCH: Để giảm đại lượng chân khơng, tăng trị số sức kháng phần sau cửa hạ thấp cao độ trục ống mặt cắt cửa ngập nước hạ lưu 6.7 Cần lựa chọn thiết bị đóng mở để đóng mở cửa nhanh chóng kịp thời, đồng thời bố trí thiết bị nâng chỗ khô (buồng hầm), v.v CHÚ THÍCH: Có thể ứng dụng thiết bị điều khiển từ xa tự động 6.8 Cần thiết kế thiết bị đóng mở riêng cửa Trong trường hợp cống có nhiều cửa dùng thiết bị đóng mở số cửa Nội dung trình tự tính tốn thủy lực cống sâu 7.1 Các nội dung cần tính tốn Trong trường hợp chung, tính tốn thủy lực cống sâu gồm: - Nghiên cứu chế độ dòng chảy phần cống; - Xác định khả tháo (lưu lượng) cống; - Kiểm tra khả hình thành phễu khí; - Kiểm tra khí hóa, khí thực xác định áp suất thủy động cống; - Tính tốn liên hiệp dòng chảy sau cống hạ lưu 7.2 Chế độ dòng chảy cống sâu sơ đồ tính tốn thủy lực 7.2.1 Theo chế độ thủy lực, cống sâu chia ra: - Cống có áp, cửa khơng ngập ngập (Hình 2a,b); - Cống làm việc theo chế độ chảy hỗn hợp (Hình 2c,d); - Cống khơng áp (Hình 2e) 7.2.2 Cống sâu cần đảm bảo chế độ có áp khơng áp ổn định Khi thiết kế cống sâu làm việc theo chế độ chuyển tiếp từ có áp sang khơng áp ngược lại, từ khơng áp sang có áp hay chế độ hỗn hợp cần nghiên cứu thực nghiệm luận chứng kinh tế, kỹ thuật 7.2.3 Khi cột nước ngưỡng cửa vào H < 1,15h cống làm việc theo sơ đồ chảy qua đập tràn Trong trường hợp này, khả tháo cửa cống xác định theo TCVN 9147:2012 7.2.4 Trường hợp H ống có áp 1,5h cống làm việc theo sơ đồ chảy qua lỗ, qua vòi (ống ngắn) Nếu chiều dài cống L nhỏ chiều dài giới hạn Lgh, cống làm việc theo sơ đồ chảy qua lỗ Trị số Lgh, phụ thuộc hình dáng cửa vào, lấy theo Bảng Khi L > Lgh, cống làm việc theo chế độ chảy có áp thoả mãn điều kiện nêu 7.2.5 CHÚ THÍCH: 1) Ống coi ống ngắn (có thể bỏ qua tổn thất ma sát theo chiều dài ống) L gh < L < 40R (R bán kính thủy lực) 2) Những vấn đề tồn tiêu chuẩn ngập cửa vào điều 7.2.3 xem thích 3.1 Hình - Các chế độ dòng chảy qua cống Bảng - Chiều dài giới hạn cống Hình dáng đầu vào Lgh Cửa vào mép sắc 4h Cửa vào có mép tròn với: r/h 0,5 3h r/h 1,0 2h Cửa vào có hình dáng thuận (khơng có tượng tia dịng tách khỏi miệng ống) h 7.2.5 Cống làm việc chế độ có áp ổn định khi: - Bố trí cửa van cửa ra; - Cửa cống đặt đầu vào, mở hoàn toàn thoả mãn điều kiện: a) Cửa vào thuận; b) Thỏa mãn bất đẳng thức 1 v v Zv 1 r Z (2) đó: hệ số tổn thất đầu vào; v v diện tích mặt cắt cuối đầu vào, tính m2; r diện tích mặt cắt cửa ra, tính m2; Zv hiệu số cao độ mực nước thượng lưu cao độ trần cống mặt cắt cuối đầu vào, tính m; Z cột nước tác dụng cống, tính m; tổng hệ số tổn thất từ cửa vào đến cửa tính với mặt cắt CHÚ THÍCH: Nếu khơng thỏa mãn điều kiện (2) cần thu hẹp mặt cắt ra, tăng độ nhám phần xả hay bố trí cửa mực nước hạ lưu 7.2.6 Cống làm việc theo chế độ không áp ổn định thực biện pháp sau: - Tăng khoảng không mặt thống trần cống; - Bố trí trần cống cửa cao mực nước hạ lưu; - Tăng độ dốc đáy; - Đưa khơng khí vào đầu đoạn khơng áp CHÚ THÍCH: 1) Để đảm bảo chế độ chảy không áp ổn định cống dài (L/h > 10) số Froude lớn (Fr > 10), tất trường hợp cần đưa khơng khí vào đầu đoạn khơng áp 2) Tính ổn định chế độ không áp biện pháp đưa khơng khí vào cơng trình cấp I, cấp II cơng trình phức tạp (tuyến cống, Fr > 15 20) cấp cần phải luận chứng nghiên cứu chuyên đề 3) Kích thước ống dẫn cần tính tốn cụ thể (xem 7.8) không nhỏ định theo điều kiện: k = 0,04 đó: (3) xác k hệ số lưu lượng ống dẫn khí, xác định theo công thức thủy lực thông thường; diện tích mặt cắt ngang tối thiểu ống dẫn khí, tính mét vng (m 2); điện tích mặt cắt ngang cống, tính mét vuỗng (m 2) 4) Độ dày (theo diện tích) ống không áp không lớn trị số ghi Bảng Bảng - Độ dày giới hạn ống không áp Fr < 10 10-20 > 20 / 0,90 0,80 0,75 n CHÚ THÍCH 1: CHÚ THÍCH 2: n diện tích mặt cắt ướt dịng chảy, tính mét vng (m 2); diện tích mặt cắt ngang cống, tính mét vng (m 2) 7.2.7 Tính ổn định theo chế độ chảy khơng áp xác định theo số Froude (Fr) dòng chảy cống số Froude giới hạn (Frgh) Khi: Fr < Frgh (4) chế độ chảy không áp phần xả cống ổn định Số Fr gh xác định theo 7.2.8 7.2.8 Đối với cống dài (L/h > 10), mặt cắt chữ nhật, chuyển động dòng chảy cống gần chuyển động < Fr < 45, số Frgh xác định theo đồ thị Hình (Khi số Fr > 45 cần nghiên cứu thủy lực mơ hình) CHÚ THÍCH: 1) Khi mặt cắt cống khơng phải hình chữ nhật tính tương đương theo diện tích mặt cắt chữ nhật có kích thước tương ứng với diện tích tính đổi; 2) Trường hợp Fr < 5, xác định tính ổn định chế độ chảy không áp, không cần xét đến ảnh hưởng khơng khí, tức dùng phương pháp vẽ đường mặt nước theo công thức thủy lực thông thường (7.2.9) để nghiên cứu tính ổn định chế độ chảy khơng áp cống (khi khơng có nước nhảy cống chiều sâu dòng chảy cống nhỏ chiều cao cống chế độ chảy qua cống khơng áp ổn định); 3) Khi độ dày n/ lớn 0,7 đến 0,8 Fr < phát sinh tượng tạo sóng cống trường hợp đặc biệt, chiều sâu dòng chảy cống gần chiều sâu phân giới h k phát sinh tượng nhảy sóng CHÚ THÍCH: hn chiều sâu dịng chảy cống; K ; b.h k  diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí; ký hiệu khác xem Điều Hình - Đồ thị xác định số Froude giới hạn 7.2.9 Khi bỏ qua ảnh hưởng khơng khí (Fr < 5), chiều sâu dòng chảy cống xác định theo quan hệ: (i J ) l (5) đó: tỷ mặt cắt tuyến 1-1 2-2, tính mét (m); Các số thứ tự theo chiều dịng chảy (hình 22); i độ dốc đáy; I khoảng cách hai mặt cắt 1-1 2-2, tính mét (m); J độ dốc thủy lực trung bình đoạn I, tính theo cơng thức: v2 C R J (6) v , C , R trị số vận tốc, hệ số Sedi bán kính thủy lực trung bình mặt cắt 1-1 22 v1 v2 ;C v C1 C2 ;R R1 R2 (7) CHÚ THÍCH: Phương trình (5) phải giải cách thử dần Ví dụ, giả thiết trị số tính theo cơng thức (5) Nếu trị số ' theo công thức: ' h2 l h2, 2 v 2.g ' trị số I h2 giả thiết nghiệm cần tìm 7.3 Xác định khả tháo cống sâu 7.3.1 Khả tháo (lưu lượng) cống có áp xác định theo công thức: Q r 2.g Z (8) i r (9) i đó: r hộ số động mặt cắt Khi đặc biệt (gần cửa khơng có chỗ uốn cong, gẫy khúc chướng ngại vật v.v ), lấy r = 1; i hệ số sức kháng thủy lực mặt cắt cần tính tổn thất cột nước cục hệ số tổn thất ma sát theo chiều dài; i r tổng hệ số tổn thất cục ma sát theo chiều dài từ mặt cắt vào đến mặt i cắt quy đổi lưu tốc cửa ra; i diện tích mặt cất tính tổn thất cục diện tích đoạn tính tổn thất ma sát theo chiều dài; Các kí hiệu khác xem Điều CHÚ THÍCH: 1) Các hệ số tổn thất cục cống có áp cần tính đối với: cửa vào, cửa van (khi mở khơng hồn tồn), khe van, chỗ cong, phần thu hẹp mở rộng v.v Các hệ số tổn thất cục kể xác định theo Phụ lục A; 2) Trường hợp sức kháng cục phức tạp cơng trình quan trọng, tổn thất cột nước cục cần xác định thực nghiệm; 3) Tổn thất cột nước ma sát theo chiều dài ống có áp xác định theo tiêu chuẩn tính tốn tổn thất thủy lực ma sát dọc theo chiều dài ống hành, tham khảo Phụ lục E; 4) Cột nước tác dụng cống xác định theo 7.4 5) Khi khơng có thay đổi mặt cắt toàn chiều dài cống hệ số lưu lượng theo cơng thức (10); tính r L D c (10) đó: hệ số sức kháng thủy lực mặt cắt cần tính tổn thất cột nước cục bộ; c E L hệ số tổn thất ma sát theo chiều dài, xem thích 7.3.1 Điều E.1 Phụ lục D 7.3.2 Khả tháo cống ngắn (xem thích 7.2.4) xác định theo 7.3.1 bỏ qua tổn thất thủy lực ma sát chiều dài ống 7.3.3 Khả tháo cống theo sơ đồ chảy qua lỗ xác định theo công thức: Q c e 2.g Z (11) đó: c c hệ số vận tốc mặt cắt co hẹp, lấy = 0,94 trước cửa vào có khe van; c = 0,97 trước cửa vào khơng có khe van ɛ hệ số co hẹp đứng, xác định theo 7.3.4 7.3.5; e diện tích lỗ, tính mét (m); Z cột nước tác dụng xác định theo 7.4, thay h r = hc = h (h chiều cao lỗ) Trường hợp sau lỗ (sau cửa van mở khơng hồn tồn) tồn chân không, đại lượng Z công thức (11) xác định sau: Z = H0 - e + hck; Ho lượng riêng mặt cắt trước lỗ (hoặc trước van) kể cột nước tổn thất từ cửa vào đến mặt cắt cột nước vận tốc tới gần, tính mét (m); hck đại lượng chân khơng ống dẫn khí sau lỗ (hoặc sau cửa van), tính mét (m) 7.3.4 Trong trường hợp chung, hệ số co hẹp dùng chảy qua lỗ xác định theo công thức: c ( c c v 1) (12) CHÚ THÍCH: 1) v hệ số sức kháng thủy lực xác định theo Phụ lục A; 2) Có thể lấy c = 0,97 - 0,98 Khi cửa vào (lỗ) có mép sắc, hệ số lấy theo Bảng Bảng - Hệ số co hẹp trường hợp chảy qua lỗ h/H 0,10 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,617 0,620 0,622 0,625 0,628 0,633 0,638 0,645 0,650 0,660 7.3.5 Hệ số co hẹp dòng chảy chảy loại cửa sâu xác định theo công thức: n c ( c c cc (13) 1) n độ mở tương đối, n = e/h; cc c hệ số tổn thất thủy lực cửa, xác định theo Phụ lục A; hệ số vận tốc mặt cắt co hẹp, lấy theo trị số c công thức (12) Đối với cửa phẳng, thẳng đứng, mép sắc, dịng chảy có áp (các tia ngập) hệ số lấy theo Bảng Trường hợp dịng chảy khơng áp (các tia khơng ngập) hệ số lấy theo Bảng Bảng - Hệ số co hẹp dòng chảy cửa phẳng có áp e/h 0,10 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,630 0,635 0,647 0,665 0,689 0,717 0,755 0,800 0,870 1,00 7.4 Xác định cột nước tác dụng cống sâu 7.4.1 Các trường hợp xác định cột nước tác dụng cống sâu: - Chiều rộng phần liên hiệp chiều rộng cửa (Hình 4); - Chiều rộng phần liên hiệp lớn chiều rộng cửa (Hình 5); - Sau cửa khơng có bậc (Hình 5); - Sau cửa có bậc (Hình 6); - Cửa khơng ngập (Hình 6); - Cửa ngập (Hình 9) Hình - Sơ đồ dòng chảy qua cống chiều rộng liên hiệp chiều rộng cống sau cống khơng có bậc Hình - Sơ đồ dịng chảy qua cống chiều rộng liên hiệp lớn chiều rộng cống sau cổng khơng có bậc Hình - Sơ đồ dịng chảy qua cống trường hợp sau cửa có bậc không ngập 7.4.2 Khi xác định cột nước tác dụng cống khơng có bậc cần phân biệt trường hợp: 7.4.2.1 Cửa không ngập t h2 (14) h2 chiều sâu liên hiệp với chiều sâu thu hẹp hc Trường hợp phần liên hiệp lăng trụ, đáy (độ dốc đáy i = 0) b = B (Hình 4), chiều sâu h2 chiều sâu liên hiệp với chiều sâu nước cửa hr 7.4.2.2 Cửa ngập t > h2 (15) CHÚ THÍCH: Đại lượng h2 xác định theo Phụ lục C 7.4.3 Trường hợp sau cửa khơng có bậc, cột nước tác dụng Z xác định theo công thức: 7.4.3.1 Khi cửa không ngập: Z = To - hr; (16) Khi cửa ngập: Z = To - + Zph (17) v02 2.g To = T + (17) To lượng riêng trước cơng trình ứng với mặt phẳng so sánh, tính mét (m); vo lưu tốc tiến gần, tính mét giây (m/s) 7.4.4 Cột nước phục hồi Zph xác định theo công thức : Zph = A0 v2 ( vr g v2 ) (18) đó: vr vận tốc trung bình mặt cắt (mặt cắt 1-1, Hình 7), tính mét giây (m/s); v2 vận tốc trung bình mặt cắt cuối phần liên hiệp (Hình 7), tính mét giây (m/s); Ao hệ số hiệu chỉnh, xác định theo công thức (19), (20) a) Trường hợp chiều rộng cửa chiều rộng phần liên hiệp (b= B), 2t , 2t Z ph Ao (19) b) Trường hợp chiều rộng phần liên hiệp lớn chiều rộng cửa (Hình 5) Ao 2 (20) B.Z ph Trong đó: diện tích ướt dịng chảy cuối phần liên hiệp (mặt cắt 2-2, Hình 7), tính m 2; B chiều rộng phần liên hiệp, tính mét (m) CHÚ THÍCH: Cơng thức (18) dùng trường hợp lịng dẫn lăng trụ, mặt cắt chữ nhật Hình - Sơ đồ dòng chảy qua cống trường hợp cửa khơng có bậc ngập 7.4.5 Tiêu chuẩn ngập cống có bậc quy định sau : 7.4.5.1 Cửa không ngập t tgh; (21) 7.4.5.2 Cửa ngập (Hình 9) t > tgh (22) tgh chiều sâu giới hạn, xác định theo 7.4.6, tính mét (m) 7.4.6 Khi xác định chiều sâu giới hạn tgh cần phân biệt trường hợp: 7.4.6.1 Trường hợp t gh a2 b > 0,65 B = 2.a.h0 gh o hr2 (1 0,70 ).h02gh A (23) đó: o b Khi trụ ngắn lt < h0gh khơng có trụ lấy B0 o = 1; ký hiệu b, Bo, B hr ghi Hình 8; hogh cột nước giới hạn, xác định theo công thức: h0gh = 0,58.hr '= = '.Frr b lt > hr B0 (24) '= 2.Q g B A r b lt < hr; B q2 ;q g.hr3 Fr r = và t t Q ; b r t r t (25) hệ số động lượng mặt cắt cuối phần liên hiệp, lấy r = diện tích mặt cắt cuối phần liên hiệp, tính mét vng (m ) 7.4.6.2 Trường hợp a) Khi b , < 0,65 cần chia trường hợp: 4.(hopg - hr), trụ dài hay ngắn tgh = a + hopg (26) hopg xác định theo công thức (24) b) Khi b < 4.(h0pg - hr) cần tính sau: - trụ ngắn tgh xác định theo (23); - trường hợp trụ dài tgh xác định theo (26); CHÚ THÍCH: Chiều dài trụ lt, tính từ đầu đến mép bậc (Hình 8) Hình - Sơ đồ dịng chảy qua cống cửa có trụ pin 7.4.7 Cột nước tác dụng cống có bậc xác định sau: 7.4.7.1 Khi cửa không ngập: a) trường hợp b = B Z = T0 - hr; (27) b) trường hợp b < B, áp suất tia áp suất khống khí: Z T0 hr (28) t =1,03; 7.4.7.2 Khi cửa ngập: Z = To - hr - (29 độ ngập tính mét (hình 8) xác định theo 7.4.8 7.4.8 Độ sâu ngập 7.4.8.1 Khi = b > 0,65 - 0,70 cần chia thành hai trường hợp: B a) Trường hợp h0 t2 xác định sau: > (hopg - hr), đại lượng = ho - hr A a (30) (31) trị số A xác định theo biểu thức (25); hiệu số cao độ mực nước hạ lưu đáy cống cửa (hình 8), tính mét; b) Trường hợp 3(hogh - hr) trị số = t - a xác định theo hệ thống phương trình: Khi giải hệ phương trình nên xây dựng đường cong = f(h0) theo phương trình (32) (33) Điểm cắt hai đường cho trị số ho cần tìm Hình - Sơ đồ dịng chảy qua cống trường hợp cửa có bậc ngập 7.4.8.2 Khi < 0,65 cần chia thành hai trường hợp: a) Trường hợp khơng có trụ chiều dài trụ ngắn (I t = t - a - hr 0): (35) b) Trường hợp có trụ, đại lượng xác định theo cơng thức (33) với trị số: h0 = t - a (36) CHÚ THÍCH: Khi khoảng cách từ cửa đến bậc lớn (I hr) tính khơng có bậc 7.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả tháo cổng 7.5.1 Các biện pháp tăng cường khả tháo cống: Ngồi việc tăng diện tích mặt cắt ngang, khả tháo cống tăng thực biện pháp sau: - Thiết kế đầu vào có dạng cong thuận để giảm bớt tổn thất cột nước cửa vào (xem Phụ lục A); - Lựa chọn cửa van có hình dạng hợp lý thủy lực (xem Phụ lục A B); - Nghiên cứu giảm bớt độ nhám thành ống cống ngầm - L < 40R; biện pháp giảm độ nhám thành cống để tăng khả tháo cống có hiệu quả; - Khi cống có đoạn cong, điều kiện nên chọn bán kính cong hợp lý để vận tốc chỗ cong phân bố đặn, khơng phát sinh tượng khí thực tổng hệ số tổn thất đoạn cong nhỏ (7.5.2); - Khi hệ số khí hóa phận cống nhỏ hệ số khí hóa phân giới (7.7.2) nên mở rộng cửa với góc diện tích r hợp lý (7.5.5); - Nghiên cứu hình dáng hợp lý phần liên hiệp hạ lưu để tăng cột nước phục hồi (7.5.6) 7.5.2 Bán kính cong lợi sức kháng thủy lực xác định theo công thức: 7.5.2.1 Đối với đoạn cong có tiết diện trịn rt 4,5 0,003 d 2,17 n2 đó: rt bán kính cong tính đến trục ống, tính mét (m); (37) d đường kính ống, tính mét (m); n hệ số nhám 7.5.2.2 Khi đoạn cong có tiết diện hình chữ nhật: 0,032.h 3,5 R / , n2 rt 4,5 (38) đó: R bán kính thủy lực, tính mét (m); h kích thước mặt cắt theo hướng bán kính cong, tính mét (m); n hệ số nhám 7.5.3 Ảnh hưởng đoạn mở rộng tới khả tháo cống đánh giá theo cơng thức sau: đó: hệ số lưu lượng phần không mở rộng; m.r hệ số lưu lượng phần mở rộng; r i tổng hệ số tổn thất từ mặt cắt vào đến mặt cắt (tính trường hợp đoạn i không mở rộng) Các ký hiệu i, ph r i xem 7.3.1; hệ số phục hồi động phần mở rộng, xác định theo 7.5.4 7.5.4 Hệ số phục hồi động đoạn mở rộng tính theo cơng thức (40) ph = - m.r - , r (40) r đó: m.r hệ số tổn thất đoạn ống mở rộng, tính theo mặt cắt đầu phần mở rộng (xem Phụ lục A); r diện tích mặt cắt đầu cuối (mặt cắt bình thường mặt cắt ra) đoạn mở rộng; r hệ số hiệu chỉnh vận tốc mặt cắt đầu cuối đoạn mở rộng Trong tính tốn gần lấy = 1,0 r = 1,1 1,3 7.5.5 Để đảm bảo khơng có tượng tia dịng tách khỏi thành ống, góc mở rộng tồn theo mặt nên lấy sau: 10o V 5o 10 m/s; 8o 10 m/s < V < 20 m/s Khi vận tốc dòng chảy V > 20 m/s khơng nên mở rộng phần phát sinh tượng khí thực CHÚ THÍCH: Khi mở rộng hướng nên mở rộng theo mặt để giảm trị số lưu lượng riêng 7.5.6 Hiệu phương pháp tăng khả tháo cống biện pháp làm tăng cột nước phục hồi phần liên hiệp đánh giá theo công thức: Q2 Q1 Z ph Z' (41) đó: Q1 lưu lượng cống cao độ trần cống cửa cao cao độ mực nước hạ lưu; Q2 lưu lượng cống bố trí cao độ trần cống cửa thấp cao độ mực nước hạ lưu đại lượng Zph; Z’ độ chênh mực nước thượng hạ lưu cống; Zph cột nước phục hồi Trường hợp hr > hk cột nước phục hồi Zph xác định theo 7.4.4 Khi hr < hk, cao độ trần cống cửa thấp mực nước hạ lưu nhung cửa khơng ngập (hình 10), phần liên hiệp lăng trụ, mặt cắt chữ nhật, cột nước phục hồi Z ph tính gần theo cơng thức (42) (44) 7.5.6.1 Đối với sơ đồ hình 10a, theo đường cong a (Hình 11); 7.5.6.2 Đối với sơ đồ Hình 10b Trường hợp đặc biệt P = hk lấy Zph theo đường cong b Hình 11; Hình 10 - Các trường hợp mực nước hạ lưu lớn cao độ trần cống 7.5.6.3 Đối với sơ đồ hình 10c