1 NỐI TIẾP DỊNG CHẢY Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH Chương 9: NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH MAI Quang Huy Bộ mơn Thủy lực – Thủy văn, Khoa Cơng trình Trường Đại học Giao thơng Vận tải Nối tiếp trạng thái chảy đáy Nối tiếp trạng thái chảy mặt Lưu tốc lớn xuất gần đáy đáy hạ lưu (HL) dễ xói Lưu tốc lớn xuất gần mặt (khi chân cơng trình có bậc thẳng đứng) gặp ngành GT Hà nội 2014 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình 1 NỐI TIẾP (NT) CHẢY ĐÁY NỐI TIẾP (NT) CHẢY ĐÁY a D/c (HL) dòng xiết ( i> ik): NT với HL không qua nước a D/c (HL) dòng êm ( i< ik): NT với HL nhảy (NN) (có trường hợp) qua nước nhảy (NN) (có trường hợp) (1) NT NN chỗ (hc’’ = hh): NL thừa dòng chảy thượng lưu bị tiêu hao hết qua NN; (2) NT NN phóng xa (hc’’ > hh): NL thừa dịng chảy thượng lưu không bị tiêu hao hết qua NN, mà phải tiêu hao ma sát qua đoạn nước dâng xiết từ mc(C-C); (3) NT NN ngập (hc’’ < hh): NL thừa dòng chảy thượng lưu nhỏ, NL dự trữ HL lớn, vị trí NN bị đẩy gần phía chân cơng trình, mc(C-C) bị ngập Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình (1) hc = hh; hình thành dịng HL; (2) hc > hh; hình thành đường nước hạ bII, nối tiếp với dòng HL; (3) hc < hh; hình thành đường nước dâng cII, nối tiếp với dòng HL; Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY Nhiệm vụ tính tốn nối tiếp HL cơng trình: (1) Xác định độ sâu co hẹp hc; (2) Xác định độ sâu liên hiệp với hc hc”; (3)So sánh hc hc”, có NN phóng xa phải xác định vị trí NN xa Sơ đồ tính: hình bên Xác định hc: w Viết pt Becnuli cho mc TL mc(c-c), đáy HL mặt chuẩn (chi tiết SGK): Khi biết Q, từ (1) tìm hc cách thử dần; Xác định hc”: sử dụng phương trình NN hoàn chỉnh; Q2 Q2 (2) y11 01 y22 02 1 2 w Với mc chữ nhật: Với mc hình chữ nhật: hk hC hC " 8 1 hC (2a) PT(1) (2) hệ thức nối tiếp chảy đáy; Sau tính hc hc”, so sánh hc hc” biết hình thức nối tiếp Nếu nối tiếp NN phóng xa, ta xác định vị trí NN xa; j: hệ số lưu tốc (1) Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY PHƯƠNG PHÁP CỦA GS A-GƠ –RỐT-SKIN Xác định vị trí nước nhảy xa: Sơ đồ tính: hình bên - NN bị đẩy xa đến mc(1-1), cách mc(c-c) đoạn lpx ; + Xác định hh’ TH tốn phẳng, mặt cắt hình chữ nhật: q = Q/b; Khi đó: (1) q jh."hc g ( E0 hc ) (1a); hc c t " t Đặt: c E c E 0 Thay vào phương trình (1a): q j.t c E0 g ( E0 t c E0 ) q g t c t c (3) j.E03 / VP PT phụ thuộc vào tc; nghĩa qlà: F (t c ) g t c t c ; đó: F (t c ) (4) j.E03 / 2 thay: hc = tc.E0; hc” = tc”.E0; hk q / g vào pt (2a): t c (5) t c " 0,5.t c 16.j 1 t c q F (t c ) Với j xác định, trị số j.E03 / cho số tc;tc” GS A-Gơ-Rốt-Skin lập bảng tính sẵn quan hệ tc;tc” F(tc) Khi biết: q, E0, j, tính F(tc), tra bảng tc;tc” => hc hc” hh ' hc”>hh lpx h hh 8 k 1 2 hh + Xác định lpx: Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn (xem chương 5): l px lc1 ec1 e e c i J c1 i J c1 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY Ví dụ: Xác định hình thức nối tiếp HL đập tràn có mc thực dụng (m = 0,49; j = 0,9), cao P = 7m, chiều rộng kênh dẫn chiều dài đập tràn (BT phẳng) Kênh dẫn HL đập có độ dốc i = 0,0002, lát đá xây có hệ số nhám n = 0,017 Lưu lượng riêng tràn qua cơng trình q = 8m3/s.m Độ sâu hạ chảy hạ lưu hh = 3,6m Bài giải 2/3 q 3/ q m g H H LL qua tràn: 0 m g thay số H0 = 2,38m; NL đơn vị dc trước đập mặt chuẩn HL: E = H0 + P = 9,38m; q F (t c ) 0,308 tra bảng ta được: t = 0,072; t ” = 0,432; c c j.E03 / hc = tc.E0 = 0,68m; h”c = tc”.E0 = 4,05m; h”c > hh => NT nước nhảy phóng xa => xác định đoạn chảy xiết phóng xa trước nước nhảy Biết độ sâu sau nước nhảy h” = hh = 3,6m; hh q2 hc”>hh hh ' 1 0,83m 2 g.hh Đoạn chảy xiết có độ sâu hai đầu là: h1 = hc = 0,68m h2 = hh’ = 0,83m Tính chiều dài PP sai phân hữu hạn: lpx l px l12 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu công trình e12 iJ 10 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY h (m) V V2/2g (m/s) (m) e (m) C.R0,5 (m/s) J =v2/(C2R) 0,68 11,8 7,08 7,76 46,1 0,0655 0,83 9,64 4,77 5,60 52,3 0,0337 Jtb 0,0496 i -Jtb TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH e (m) -0,0494 -2,16 + Đoạn chảy xiết sau mc co hẹp (c-c), trước nước nhảy có lưu tốc lớn => dễ gây xói HL cơng trình Nếu vị trí nước nhảy xa => đoạn xói lở dài => người ta thường giới hạn nước nhảy HL cơng trình => để tiêu hao hết lượng thừa, sau dịng chảy êm vào hạ lưu + Các biện pháp tạo nước nhảy chân cơng trình: (1) Bể tiêu năng; (2) Tường tiêu năng; (3) Bể tường kết hợp + Phương pháp xác định kích thước cơng trình tiêu năng: (1) Sử dụng biểu đồ từ kết thực nghiệm; (2) Tính tốn dựa số giả thiết dòng chảy l (m) 43,7 Kết luận: Chiều dài đoạn chảy xiết trước nước nhảy lpx = 43,7m 11 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình 12 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình TÍNH TỐN BỂ TIÊU NĂNG TÍNH TỐN BỂ TIÊU NĂNG Sơ đồ tính: hình bên; Ngun tắc tính: b Xác định chiều sâu đào E0’ bể cho h2 chiều sâu liên hiệp sau NN hc b (NN chỗ) Giả thiết: dòng chảy qua bể vào kênh HL tương tự dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, có hệ số lưu tốc jd; Trước đào bể: E0 = H + P +V2/2g; Sau đào bể: E’0 = E0 + d; Cột nước bể: hb = hh + d + z > hc”; d lớn => mức độ ngập lớn Muốn xác định d thích hợp, ta xác định d0 ứng với trạng thái phân giới (NN chỗ): (hb)0 = hh + d0 + z = (hc”)0 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình d0 = (hc”)0 - hh - z (1) Cần xác định z; dựa vào giả thiết dòng chảy qua bể giống sơ đồ dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng Với z chênh mực nước thượng lưu đập với mực nước đỉnh đập Nên: q jb hh gz0 Trong đó: jb – hệ số lưu tốc cửa bể (jb = 0,95 -1,0); vb2 v q2 (2) z0 z b z gj b2 hh2 g 2g q q Với vb vận tốc bể tính gần đúng: vb h h " b c Chọn d0 (1) cho nước nhảy chỗ (không ổn định) nên thực tế chọn: h s b 1,05 1,10 hb = hh + d + z = s.hc” hc " Hay: d = s.hc” – (hh + z) (3) 13 14 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình TÍNH TỐN BỂ TIÊU NĂNG TÍNH TỐN TƯỜNG TIÊU NĂNG Cơng thức (2) (3) công thức chủ yếu để xác định chiều sâu bể tiêu Phải tính pp thử dần Có thể tính theo bước sau: (1) Tính d lần theo biểu thức: d1= hc” – hh; (2) Tính E0’ = E0 + d1, tính đươc độ sâu co hẹp hc độ sâu liên hiệp hc” ( theo pp trình bày tiết trước); (3) Định chiều sâu nước bể tiêu năng: hb = s.hc”; (4)Tính z theo phương trình (2); (5) Tính chiều sâu bể d theo phương trình (3); (6) So sánh d với giá trị d1, hai giá trị gần dưng lại =>chiều sâu bể d Nếu chưa cần lấy giá trị d vừa tìm được, để tính lại lần theo trình tự trên; Chú ý: sai số cho phép giá trị d lấy 5%; 15 Sơ đồ tính: hình vẽ; + Xây tường tiêu 10 b Năng có chiều cao c Tăng mực nước hạ lưu; Giả thiết: b Xem dòng chảy qua tường dòng chảy qua đập tràn mặt cắt thực dụng; Phương pháp tính: Sau làm tường, có nước nhảy ngập bể: hb > hc”; Từ điều kiện: hb = s.hc” (s = 1,05 – 1,10); Theo sơ đồ tính: hb = c + H1 => c = hb - H1 H1 = H10 – .vb2/2g Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình (1) (2) 16 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình TÍNH TỐN TƯỜNG TIÊU NĂNG TÍNH TỐN TƯỜNG TIÊU NĂNG Giả thiết dịng chảy qua tường qua đập tràn mc thực dụng 2/3 chảy ngập: q 3/ q s n mt g H 10 H 10 s n mt g Với :mt – hệ số lưu lượng mt = 0,4 – 0,42; sn – hệ số ngập tràn mc thực dụng, vào sn = f(hn/H1); q q vb – lưu tốc bể; vb hb shc " 2/3 Thay vào (2): q q2 H (3) s m 2g g s h " Trình tự tính chiều cao tường c: (1) Sau xđ hc hc”, ta tính H1 theo cơng thức (3) với sn =1; tính c theo công thức (1); + Nếu c > hh => Nhưng thường c < hh => sn < 1; tính hn = hh – c tìm sn = f(hn/H1) – tra bảng hệ số ngập đập tràn mặt cắt thực dụng, tính lại chiều cao tường; + Sau tính c phải kiểm tra nước nhảy sau tường Nếu sau tường có nước nhảy phóng xa phải xây tường tiếp, cho sau tường cuối có nước nhảy ngập n t c (1) (3) phương trình xác định chiều cao tường tiêu c Giải pp thử dần 17 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình 18 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu công trình TÍNH CHIỀU DÀI BỂ TIÊU NĂNG Sơ đồ: hình bên; - Cơng thức kinh nghiệm Của Trec-tơ-u-xốp: Lb L1 L' bLn Với: L1 Lroi s L’ – chiều dài khu nước vật ( = 0); S- chiều dài nằm ngang mái hạ lưu; Hệ số kinh nghiệm b = 0,7 – 0,8; Ln – chiều dài nước nhảy hồn chỉnh khơng ngập; Lroi – chiều dài nằm ngang dịng nước tính từ cửa cơng trình đến mc (c-c); + Với ĐT thực dụng mc hình thang: Lroi 1,33 H P 0,3H + Với ĐT đỉnh rộng: L 1,64 H P 0,24 H roi 0 19 Chương IX - Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình 10 ... dòng chảy thượng lưu bị tiêu hao hết qua NN; (2) NT NN phóng xa (hc’’ > hh): NL thừa dịng chảy thượng lưu không bị tiêu hao hết qua NN, mà phải tiêu hao ma sát qua ? ?o? ??n nước dâng xiết từ mc(C-C);... 0,68 11,8 7,08 7,76 46,1 0,0655 0,83 9, 64 4,77 5,60 52,3 0,0337 Jtb 0,0 496 i -Jtb TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH e (m) -0,0 494 -2,16 + ? ?o? ??n chảy xiết sau mc co hẹp (c-c), trước nước nhảy có lưu... vị trí nước nhảy xa => ? ?o? ??n xói lở dài => người ta thường giới hạn nước nhảy HL cơng trình => để tiêu hao hết lượng thừa, sau dịng chảy êm v? ?o hạ lưu + Các biện pháp t? ?o nước nhảy chân cơng trình: