NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN KHÍ HĨA VÀ KHÍ THỰC Ở CÁC MỐ TIÊU NĂNG SAU CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC Nguyễn Chiến , Vũ Bá Chí Tóm tắt: Các mố tiêu bố trí sau cơng trình tháo nước có chế độ nối tiếp hạ lưu chảy đáy ( qua bể tiêu ) Do chế độ chảy bao quanh mố thường khơng thuận dịng nên dễ phát sinh khí hóa dẫn đến khí thực làm hư hỏng mố Trong trình bày phương pháp tính tốn điều kiện phát sinh khí hóa, khí thực mố tiêu có mặt cắt hình thang, ứng với với cấp lưu lượng đơn vị cấp lượng toàn phần khác Từ xây dựng biểu đồ xác định trạng thái khí hóa mố tiêu năng, sở để lựa chọn giải pháp hợp lý cho thiết bị tiêu phụ sau cơng trình tháo nước Từ khóa: cơng trình tháo nước, khí hóa, khí thực, mố tiêu Đặt vấn đề Dòng chảy qua cơng trình tháo nước đổ xuống hạ lưu với lượng thừa lớn gây xói lở mạnh lịng dẫn hạ lưu lan vào đến cơng trình Đối với cơng trình tháo nước có nối tiếp hạ lưu dạng chảy đáy, phận để tiêu hao lượng bể tiêu năng, tường tiêu hay bể tường kết hợp Trong nhiều trường hợp mố tiêu bố trí đáy bể tiêu để tăng khả xáo trộn dòng chảy, làm cho lượng thừa tiêu hao nhiều hơn, giảm chiều sâu đào bể, chiều cao tường rút ngắn chiều dài bể Nhưng thân mố vật chảy bao không thuận, gặp luồng chủ lưu có lưu tốc lớn sinh tượng tách dịng, dẫn đến khí hóa khí thực làm hỏng mố ( hình ) Hình 1: Khí thực mố tiêu [3] Trong tính tốn nghiên cứu giải pháp tiêu đáy cho cơng trình tháo nước ta trước vấn đề khí thực mố tiêu chưa quan tâm nhiều Tuy nhiên việc xây dựng ngày nhiều đập tràn cao, lưu tốc dòng chảy cuối mặt tràn hay dốc nước lớn đòi hỏi phải xem xét đầy đủ khả khí hóa khí thực mố tiêu Nội dung Trường Đại học Thủy lợi nghiên cứu sau nhằm rõ điều kiện lượng toàn phần lưu lượng đơn vị dịng chảy gây khí hóa, khí thực mố tiêu sau đập tràn, dốc nước Nội dung phương pháp nghiên cứu 2.1 Luận điểm chung Đối tượng nghiên cứu mố đặt đáy bể tiêu để tăng khả khuếch tán dịng chảy, làm giảm nhỏ kích thước bể tiêu Nội dung nghiên cứu xác định khả phát KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 63 sinh khí hóa, khí thực mố tiêu Phương pháp nghiên cứu: tính tốn điều kiện phát sinh khí hóa, khí thực mố tiêu theo TCVN 9158:2012 [1], sử dụng tài liệu thiết kế số liệu thí nghiệm số cơng trình tháo nước có [4] đối chiếu kết tính tốn với tài liệu khác (ví dụ [5] ) a) Điều kiện phát sinh khí hóa: Hiện tượng khí hóa dịng chảy xảy thỏa mãn điều kiện: K Kpg, (1) đó: Kpg: hệ số khí hóa phân giới, phụ thuộc vào đặc trưng hình học vật chảy bao K: hệ số khí hóa thực tế, xác định theo điều kiện thủy lực vị trí vật chảy bao b) Điều kiện phát sinh khí thực: Khí thực xảy có khí hóa đủ mạnh, tác dụng thời gian đủ dài dòng chảy lân cận vật chảy bao thỏa mãn điều kiện: VĐT > Vng (2) đó: VĐT lưu tốc đặc trưng dịng chảy phận cơng trình xét; Vng lưu tốc ngưỡng xâm thực, phụ thuộc vào độ bền vật liệu 2.2 Xác định khả khí hóa mố tiêu 2.2.1 Các cơng thức tính tốn: a) Hệ số khí hóa phân giới: Trị số Kpg xác định theo [1], mố hình thang chế độ chảy qua mố khơng ngập Kpg = 2,1 Trường hợp có xét đến nước nhảy ngập thì: (Kpg)n = Kpg - ( n 1) , (3) ứng với mố hình tháp hệ số =0,64, thay vào ( ) (Kpg)n=2,036 b) Hệ số khí hóa thực tế: Theo [1], trị số K xác định theo công thức: K H DT H pg , (4) VDT 2g đó: HĐT- cột nước áp lực toàn phần đặc trưng, HĐT = Ha + h; Ha- cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm tính tốn; hchiều dày lớp nước đỉnh mố tiêu năng, xác định theo tính tốn thủy lực; Hpg- cột nước áp lực hóa hơi, phụ thuộc vào nhiệt độ; VĐT- lưu tốc đặc trưng dòng chảy phận cơng trình xét c) Hệ số giai đoạn khí hóa xác định sau: K , (5) K pg ký hiệu đại lượng nêu Khi > 1: khơng có khí hóa; = (0,8 – 1,0): khí hóa giai đoạn đầu; = (0,1 – 0.8): giai đoạn khí hóa mạnh; < 0,1: giai đoạn siêu khí hóa 2.2.2 Xác định phạm vi nghiên cứu: Tiến hành tính tốn cho trường hợp bảng 1, lượng tồn phần dòng chảy (E0) biến đổi từ 10m đến 120m, lưu lượng đơn vị (q) biến thiên từ 10 đến 180 m3/s.m, phổ biến với cơng trình tháo nước xây dựng Việt Nam Dạng mố tiêu chọn loại thường sử dụng mố có mặt cắt hình thang đặt đáy bể tiêu năng, có chiều cao hm Theo kinh nghiệm cơng trình xây dựng đập Nước Trong ( hm = 4m, hc = 2,615m, hm/hc = 1,53), tràn Tả Trạch ( hm = 3,2m, hc = 2,42 m, hm/hc = 1,32), ta lấy bình quân hm = 1,4.hc Hệ số nước nhảy ngập n 1,1 Bảng 1: Các trường hợp tính tốn ứng với cấp lượng lưu lượng đơn vị Trường Trường Trường Trường Trường Trường hợp hợp hợp hợp hợp hợp Trường hợp E0 q E0 q E0 q E0 q E0 q E0 q E0 q 10,00 20,0 20,0 40,0 40,0 60,0 80,0 20,00 40,0 40,0 60,0 60,0 80,0 100,0 10 30,00 20 60,0 40 60,0 60 80,0 80 80,0 100 100,0 120 120,0 40,00 80,0 80,0 100,0 100,0 120,0 140,0 50,00 100,0 100,0 120,0 120,0 140,0 160,0 120,0 120,0 140,0 140,0 160,0 180,0 64 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 2.2.3 Tính tốn xác định khả khí hóa, khí thực mố tiêu năng: Sơ đồ tính tốn hình Ta có độ sâu co hẹp hc đầu bề: q hc (6) g ( E0 hc ) Trong thực tế vận tốc mặt cắt co hẹp lớn nên khơng bố trí mố tiêu mặt cắt co hẹp C – C dễ gây tượng khí thực, mà bố trí cách mặt cắt co hẹp khoảng cách x1 Khi dịng chảy bao quanh mố có lưu tốc V = Vcb < Vc, Vcb xác định thí nghiệm thủy lực, ví dụ hồ Tả Trạch Vcb = 24,39 m/s, hồ Nước Trong có Vcb = 24,66 25,89 m/s… Hình Sơ đồ xác định Vcb mố tiêu Trong điều kiện chưa có thí nghiệm mơ hình, Vcb nội suy tuyến tính với giả thiết đoạn nước nhảy, ranh giới dòng chủ lưu ( sát đáy ) với phần nước cuộn phía đường nước dâng C0 xuất phát từ mặt cắt C – C, ứng với độ dốc đáy bể i=0 Do dòng chảy bị co hẹp mạnh theo phương đứng nên lấy lưu tốc cục mố Vcb lưu tốc bình quân mặt cắt ngang luồng chủ lưu Ứng với trường hợp tính tốn, tiến hành vẽ đường nước dâng C0 xác định lưu tốc mố tiêu đặt cách mặt co hẹp (C – C) đoạn x1=3,5 hc'' Độ sâu nước đỉnh mố suy từ công thức (6-25) [3] sau: h= h '' 0,85 1 0,55 hc E0 h h ( ) c hh h k k m Với: hh độ sâu hạ lưu, lấy hh = hc'' ( lấy = 1,1 ); hm: chiều cao mố tiêu năng, lấy theo kinh nghiệm hm=1,4.hc Kết tính tốn xác định khả khí hóa khí thực cho mố tiêu cho trường hợp nêu bảng trình bày bảng hình Bảng Kết tính tốn kiểm tra khí hóa khí thực mố tiêu hình thang Eo (m) 10.00 20.00 q (m3/sm) Vđt (m/s) Hđt (m) K = K/Kpg Khả khí hóa Khả khí thực *) 10.00 11.93 12.65 1.68 0.83 Bắt đầu Không 20.00 11.70 14.22 1.97 0.97 Bắt đầu Không 30.00 11.12 14.99 2.31 1.13 Không Không 40.00 10.22 14.98 2.73 1.34 Không Không 50.00 8.23 13.33 3.73 1.83 Không Không 20.00 17.02 13.74 0.90 0.44 Mạnh Có KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 65 Eo (m) 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 q (m3/sm) Vđt (m/s) Hđt (m) K = K/Kpg Khả khí hóa Khả khí thực *) 40.00 16.95 16.59 1.10 0.54 Mạnh Có 60.00 16.56 18.47 1.29 0.63 Mạnh Có 80.00 15.94 19.59 1.48 0.73 Mạnh Có 100.00 15.14 19.69 1.67 0.82 Bắt đầu Có 120.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 14.05 22.94 24.04 24.34 24.33 24.22 24.04 32.26 32.08 31.91 31.73 31.54 31.36 32.18 33.34 33.96 34.28 34.39 34.55 36.51 37.35 37.86 38.19 39.18 38.55 40.27 40.95 41.41 41.73 41.96 42.13 19.40 11.72 15.00 17.67 19.91 21.84 23.50 12.95 15.71 18.15 20.35 22.34 24.16 10.93 13.65 16.12 18.38 20.48 22.43 11.63 14.06 16.32 18.44 20.44 22.33 12.04 14.27 16.38 18.38 20.29 22.12 1.88 0.42 0.49 0.57 0.65 0.72 0.78 0.30 0.35 0.39 0.44 0.48 0.52 0.20 0.23 0.27 0.30 0.33 0.36 0.16 0.19 0.22 0.24 0.26 0.29 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.93 0.21 0.24 0.28 0.32 0.35 0.38 0.15 0.17 0.19 0.21 0.24 0.26 0.10 0.11 0.13 0.15 0.16 0.18 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13 0.14 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 Bắt đầu Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Mạnh Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có *) Ứng với vật liệu mố bê tông M25 66 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) Hình 3: Đồ thị xác định trạng thái khí hóa mố tiêu (I) – Vùng khơng xuất khí hóa; (II) – Vùng khí hóa giai đoạn đầu;;(III) – Vùng khí hóa mạnh Phân tích kết tính tốn 3.1 Về khả khí hóa mố tiêu Nghiên cứu cho loại mố tiêu mặt cắt hình thang ứng với cấp lượng lưu lượng đơn vị khác cho thấy: a) Khả khí hóa mố tiêu phụ thuộc nhiều vào lượng tồn phần dịng chảy tính đến cao trình đáy bể tiêu ( E0 ) Khi E0 ≤ 10 m mố tiêu khơng phát sinh khí hóa có khí hóa giai đoạn đầu b) Khi E0 ≥ 20m có khí hóa mạnh mố tiêu năng, khả khí thực lớn Trị số E0 lớn khả khí hóa mạnh mẽ Cụ thể với E0 = 20m khí hóa mạnh xuất q ≤ 100 m3/m.s Cịn với E0 ≥ 40m khí hóa mạnh bắt đầu xuất tất cấp lưu lượng đơn vị xem xét c) Khả khí hóa mố tiêu có phụ thuộc vào lưu lượng đơn vị, không nhiều, phụ thuộc giảm dần E0 tăng Với cấp E0 thấp, trị số q nhỏ khả phát sinh khí hóa nhiều Cịn E0 > 20m có khí hóa mạnh với tất cấp lưu lượng đơn vị nghiên cứu trị số β ( phản ánh giai đoạn khí hóa ) thay đổi theo q ( bảng ) 3.2 Khả khí thực mố tiêu Khí thực xảy có khí hóa lưu tốc đặc trưng thỏa mãn điều kiện (2) Với vật liệu thường dùng cho bể mố tiêu bê tông M25 khơng có tiếp khí ( S = ) Vng = 12,1 m/s ( theo [1] ), E0 < 10m khơng có khí thực, cịn E0 ≥ 20m có khí thực Nếu chọn vật liệu mố tiêu bê tông M35 có Vng = 17 m/s ( ứng với S = ) khí thực xảy E0 ≥ 40m, phải áp dụng biện pháp phịng khí thực Trong thiết kế chọn giải pháp khác để phịng khí thực ( xem [3] ), xem xét phương án không làm mố tiêu mà tăng kích thước bể để đảm bảo điều kiện tiêu Ví dụ quy phạm thiết kế tràn xả lũ SDJ 341 – 89 Trung Quốc [5] khuyến cáo khí lưu tốc trung bình mặt cắt cuối mặt tràn lớn ( 16 – 18 )m/s khơng bố trí mố tiêu bể Điều phụ hợp với kết nghiên cứu khả phát sinh khí thực Kết luận 1) Việc bố trí mố tiêu sau cơng trình tháo nước có nối tiếp chảy đáy có tác dụng lớn việc hỗ trợ tiêu năng, giảm kích thước bể tiêu Tuy nhiên thiết kế cần kiểm tra điều kiện khí hóa khí thực để có biện pháp xử lý cần thiết 2) Khả xuất khí hóa mố tiêu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 67 phụ thuộc vào lưu lượng đơn vị lượng tồn phần dịng chảy đáy bể tiêu Với loại mố hình thang vng, quan hệ = f(q, E0) biểu diễn hình Biểu đồ hình sử dụng thiết kế sơ để phân tích lựa chọn giải pháp tiêu sau cơng trình tháo nước 3) Khi lượng tồn phần dịng chảy lớn, điều kiện để phịng khí thực phức tạp tốn nên xem xét phương án khơng làm mố tiêu bể Khi kích thước bể phải chọn lớn trường hợp có mố tiêu Phương án hợp lý lựa chọn thông qua so sánh kinh tế kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO Công trình thủy lợi – Phương pháp tính tốn khí thực TCVN 9158:2012 Vũ Bá Chí ( 2012 ), Nghiên cứu khí thực mố tiêu sau cơng trình tháo nước, áp dụng cho đường tràn Tả Trạch Luận văn thạc sĩ, Đại học Thủy lợi Nguyễn Chiến ( 2012 ), Tính tốn thủy lực cơng trình tháo nước NXB Xây dựng, Hà Nội Trần Quốc Thưởng ( 2010 ), Báo cáo kết thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn xả lũ Tả Trạch – Phương án tiêu đáy Viện khoa học thủy lợi Việt Nam Quy phạm thiết kế tràn xả lũ SDJ 341-89 Bản dịch từ tiếng Trung Quốc Abstract COMPUTATION OF CONDITIONS CAVITATION AND CAVITATION EROSION IN THE DIFFUSIONS BEHIND OUTLET The diffusions are arranged behind outlet have downward is flowing bottom (throught drainage) Therefore the flow regime around the the diffusions are not convenient so very likely to occur cavitation In this paper presents methods of calculation arising cavitation, and cavitation erosion in the diffusions of abutment of trapezoidal cross-section, corresponding to the unit-flow and the total energy – flow From that may be built the chart to determine the status of cavitation at diffusions, that is the basis for the selection of a reasonable solution for device after drainage works Keywords: discharge structures, cavitation; cavitation erosion; diffusions Người phản biện: GS TS Phạm Ngọc Quý 68 BBT nhận bài: Phản biện xong: 12/3/2013 6/6/2013 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013)