www.phanmemxaydung.com 228 Phân tích tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau (hình 6-18) và viết phFơng trình động lFợng cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2, ta có: , 2 h Rqv g2 h qv g 2 2 2 0 2 1 c 0 g ++ ga = g + ga (6-46) trong đó: R - phản lực của thiết bị tiêu năng ; C - hệ số, phụ thuộc vào tình hình dòng chảy và hình dạng mố tiêu năng xác định bằng thí nghiệm ; w - diện tích hình chiếu đứng của mố tiêu năng ; q - lFu lFợng đơn vị ; a o - hệ số phân bố có thể lấy bằng 1. ;<$$$$$$$$$><$ 7'"($89:[. Sơ đồ tình hình dòng chảy khi có thiết bị tiêu năng trên sân sau. Sau khi có thiết bị tiêu năng, do tăng xung lFợng ở mặt cắt 2-2, giảm đFợc chiều sâu liên hiệp nFớc nhảy, tức là giảm đFợc độ sâu đào bể tiêu năng hoặc giảm chiều cao tFờng tiêu năng. Trong điều kiện nhF nhau, đảm bảo độ ngập giống nhau, nhFng nhờ có thiết bị tiêu năng trên sân sau nên hình 6-18b giảm đFợc chiều sâu đào bể một trị số là - _ $g$( @ h $9$( @ so với hình 6-18a. Thiết bị tiêu năng thFờng bố trí ở những nơi có lFu tốc lớn nên xung quanh mố dễ sinh áp lực âm. LFu tốc càng lớn, nếu mố không thuận thì áp lực âm càng lớn , gây lên khí thực, phá hoại bêtông làm cho điều kiện làm việc của thiết bị tiêu năng không tốt. Sau đây sẽ nêu một số hình thức, kích thFớc và bố trí thiết bị tiêu năng. a <$i#.j"#$%043$"^"#$ (hình 6-17a). NgFỡng tiêu năng ngập trong nFớc nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối với dòng chảy có lFu tốc cao, giảm chiều sâu nFớc nhảy h c " . Thí nghiệm cho thấy rằng, góc nghiêng mái thFợng lFu của ngFỡng nhỏ hơn 90 0 và phải lớn hơn 60 0 thì không có ảnh hFởng tới hiệu quả tiêu năng, nhFng cải thiện đFợc trạng thái dòng chảy rất lớn. Muốn tăng lực phản kích thì cần tăng chiều cao ngFỡng với nguyên tắc là không sinh ra nFớc nhảy sau ngFỡng. Chiều cao ngFỡng có thể lấy bằng 1,9 (h c - h h ). Vị trí của ngFỡng nên đặt chính giũa chiều dài sân sau. Đặt gần phía trFớc thì lực phản kích R lớn hơn, nhFng dòng chảy biến động lớn. Đặt gần phía sau thì mức độ ngập của nFớc nhảy kém, có khi không ngập. b <$kT$%043$"^"# (hình 6-17b, c, d). Mố tiêu năng thFờng bố trí gần nơi bắt đầu của sân sau, tại khu vực dòng chảy có lFu tốc cao, cách chân đập một đoạn dài hơn chiều sâu phân giới của dòng chảy. Kích thFớc và vị trí mố tiêu năng có ảnh hFởng lớn đối với dòng chảy, nhFng cho đến nay chFa có phFơng pháp nào tính toán chính xác, thFờng phải thông qua thí nghiệm để quyết định. Theo thí nghiệm, kích thFớc mố có thể lấy nhF sau: chiều cao mố d n h' 2 t d t h h 2 2 1 1 o 1 2 www.phanmemxaydung.com 229 ằ ( 0,75 á 1,0) h c , chiều rộng mố b n =(0,5 á 1,0) d n , khoảng cách B n giữa mép của hai mố gần nhau B n Ê b n ; kích thFớc cụ thể còn phụ thuộc vào hình thức và cấu tạo . Nếu bố trí hai hàng mố thì hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với bố trí một hàng khoảng cách giữa hai hàng mố L n ằ ( 2 á 3) d n bố trí các mố theo hình hoa mai chọn số hình mố còn phụ thuộc vào hình thức mố có lúc bố trí hai hàng lFu tốc phân bố không đFợc tốt. Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 619): mặt thFợng lFu của mố thẳng đứng (hình 619a) gây nên lực phản kích lớn hơn so với mố có mặt thFợng nghiêng, nhFng dòng chảy biến động lớn. Hiệu quả tiêu năng của loại nhF hình 6 -19d không tốt bằng các loại khác (hình 6 19a,b,c). Mặt hai bên của mố là thẳng đứng thì dễ sinh áp lực âm rất lớn, gây nên khí thực. Muốn giảm hoặc tiêu trừ áp lực âm, thFờng các góc cạnh của mố làm thành góc tròn(hình 6 19a,b) hoặc hình thức khuếch tán (hình 6 -19c,d) làm nhF vậy tuy ít nhiều có giảm hiệu quả tiêu năng, nhFng rất cần thiết. Mái thFợng lFu của mố nghiêng có thể giảm đFợc áp lực âm ở đỉnh mố. ;<$$$><$$$$$$=<$$$$$$$$$-<$$ 7'"($89:\. Các hình thức mô tiêu năng. g < kT$L(2"$-l"# (hình 6 - 20): dùng mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy có lFu tốc cao ở chân đập tạo thành trạng thái dòng chảy có lợi.ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy đáy và trên mặt có xoáy, trên các mố phân dòng có dòng chảy mặt và ở sát đỉnh mố có xoáy, hai loại dòng chảy ấy tác dụng tFơng hỗ nhau có thể tiêu hao năng lFợng nhiều hơn. Nói chung sau mố phân dòng nên có mố tiêu năng (hình 6 -17d). Do ở giữa các mố phân dòng chảy tập trung, sau đó gặp tác dụng phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng tăng thêm. 7'"($89@_. Mố phân dòng. ?C$km$&n"#$-o"$12"$1;3$(hình 6 -21) nếu sân sau đFợc mở rộng dần thì dòng chảy đFợc khuếch tán sang hai bên giảm đFợc lFu lFợng đơn vị, do đó giảm đFợc h c , nhF vậy nâng cao đFợc cao trình sân sau. Góc khuếch tán b không nên lớn quá, nếu lớn quá thì dòng chảy bị tách khỏi tFờng bên và tạo nên dòng xoáy hoặc dòng chảy xiên gây xói lở: d h H' b b b b b 1 c 1 1 1 www.phanmemxaydung.com 230 10 1 8 1 tg á<b ; (647) NC$p2"$1;3$=U$Jn$-T=$%(3K". Khi độ sâu nFớc hạ lFu lớn hơn h c rất nhiều thì dòng chảy khó khuếch tán theo phFơng thẳng đứng gây nên dòng chảy ngập có lFu tốc lớn ở đáy lòng sông có thể bị xói lở. TrFờng hợp này làm sân sau dốc thuận (hình 6 22). Để đảm bảo với một lFu lFợng và mực nFớc bất kỳ nào đó cũng có thể sinh ra nFớc nhảy có độ ngập không lớn. Sân sau có độ dốc thuận nên trọng lFợng nFớc có thành phần lực nằm ngang hFớng về hạ lFu làm tăng độ sâu liên hiệp nFớc nhảy h c . Căn cứ vào định luật động lFợng h c có thể tính theo biểu thức: ' c h = a cos 2 h c ( af- a + tg21 cos gh q8 1 3 3 c 2 - 1) , (648) trong đó: a - góc nghiêng của đáy sân sau với mặt phẳng nằm ngang ; f - hệ số điều chỉnh của áp lực nFớc lên mặt nghiêng đối với thành phần lực nằm ngang, khi độ dốc đáy bằng 0,05 á 0,30 thì : f = 3,75 + 25 tga - 15tg 2 a$ .$$$$ (649) 7'"($89@:. Bể tiêu năng khuếch tán 7'"($89@@C$ Sân tiêu năng có độ dốc thuận Khi a = 0 thì biểu thức (6- 48) trở thành biểu thức (6- 22).Dòng chảy trên dốc thuận, bất kỳ lFu lFợng lớn hay nhỏ đều có nFớc nhảy để hạn chế dòng ngFợc có lFu tốc cao ở đáy. Độ dốc đáy không đFợc dốc hơn 1: 4. Khi chiều sâu dốc hạ lFu rất nhỏ thì sân sau có thể làm hình thức dốc ngFợc. Bắt đầu tại mặt cắt co hẹp, đFợc đào sâu xuống và sau đó sân sau làm theo độ dốc ngFợc khiến cho dòng chảy có phản lực ngFợc trở lại và tạo thành nFớc nhảy. NhF vậy khi thiết kế sân sau, ngoài việc xét lFu lFợng qua đập tràn ứng với lFu lFợng thiết kế , còn cần phải xét tình hình làm việc của sân sau ứng với các lFu lFợng khácđể đảm bảo bất kỳ với một lFu lFợng nào cũng sinh ra nFớc nhảy ngập thích hợp. Để đảm bảo nFớc chảy ngập h = '' c h h h 1,1 và đề phòng nFớc chảy có độ ngập lớn, lFu tốc cao thì h Ê 1,3. Nói chung, tốt nhất là h = 1,2 á 1,3. v v 2 c 8 10 á 20.0 d h L h www.phanmemxaydung.com 231 Trong thực tế, quan hệ giữa lFu lFợng và cột nFớc hạ lFu Q~ h c thFờng xuất hiện ở sân sau nhF hình 6- 23. - ĐFờng cong I: Với lFu lFợng bất kỳ đều có nFớc nhảy xa. TrFờng hợp này cần dùng bể hoặc tFờng tiêu năng hoặc bể tFờng kết hợp để cho đFờng cong I luôn luôn nằm dFới đFờng Q~ h h . - ĐFờng cong II: NFớc hạ lFu rất sâu, có nFớc nhảy ngập lớn, có thể làm sân sau dốc thuận hoặc làm ngFỡng cuối sân sau hoặc có thể tăng lFu lFợng đơn vị qua đập . - ĐFờng cong III: Lúc lFu lFợng nhỏ không có nFớc chảy ngập, cần có thiết bị tFờng chắn ở hạ lFu để dâng mực nFớc ở sân sau. NhF vậy khi lFu lFợng nFớc lớn có thể tăng đọ ngập, nhFng do tác dụng của tFờng nên không sinh dòng ngập lớn. - ĐFờng cong IV: ngFợc lại với trFờng hợp III, dùng các thiết bị mố tiêu năng hoặc ngFỡng tiêu năng để cải thiện tình hình dòng chảy. 2. Hình thức tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt (hình 6-8 c,d). Kinh nghiệm cho biết, hiệu quả tiêu năng trong hình thức tiêu năng mặt so với hình thức tiêu năng đáy không kém nhièu (có thể đạt 65%), nhFng chiều dài sân sau ngắn hơn 5 1 2 1 á lần, đồng thời lFu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau có thể bé, thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau. Ngoài ra còn có Fu điểm là có thể tháo các vật nổi qua đập mà không hỏng sân sau. 7'"($89@RC$Trạng thái dòng chảy ở hạ lFu đập tràn có bậc thụt. Khi mực nFớc ở hạ lFu thay đổi, trạng thái dòng chảy ở hạ lFu đập tràn có bậc thụt (hình 6-24) khác nhau. Sau đây ta sẽ phân biệt trạng thái dòng chảy đó. -Trạng thái thứ nhất : khi mực nFớc hạ lFu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức là h h < a, dòng chảy ở hạ lFu là dòng chảy phóng xa (hình 6-8e). h" 0 Q h h Q ~h h II I III IV c 7'"($89@O. Quan hệ Q ~ " c h và Q ~ h h a R E E v o h h C i = 0 q h o www.phanmemxaydung.com 232 -Trạng thái thứ hai : khi cột nFớc hạ lFu h h nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất h ghI : dòng chảy ở trạng thái chảy đáy (hình 6-8b), lúc đó có thể là nFớc nhảy ngập hoặc nhảy xa tuỳ theo " c h và h h . h h < h ghI , (6-50) -Trạng thái thứ ba : gọi là dòng chảy mặt không ngập, khi cột nFớc hạ lFu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất h ghI và độ sâu giới hạn thứ hai h gh2 (hình 6-8c) : h ghI < h h < h ghII , (6-51) -Trạng thái thứ tF : dòng chảy mặt ngập, khi cột nFớc hạ lFu lớn hơn độ sâu giới hạn thứ hai (hình 6-8d) : h h > h ghII (6-52) Trạng thái thứ nhất sẽ đFợc trình bày ở mục V-3 6-2 về tiêu năng phóng xa, còn trạng thái thứ hai đã trình bày ở mục V-1 6-2 nói về tiêu năng đáy, ở đây nói về trạng thái dòng chảy thứ ba và thứ tF. Khi h h = h ghI dòng chảy từ trạng thái đáy chuyển sang dòng chảy mặt không ngập. Khi h h = h ghII dòng chảy từ trạng thái chảy mặt không ngập chuyển sang dòng chảy mặt ngập. ;<7'"($%(q=$-l"#$56%$M(!"#$"#KLC NhF ở trên đã trình bày, dòng chảy ở trạng thái này xảy ra khi h ghI < h h < h ghII , lúc đó độ sâu nFớc hạ lFu h h cần phải lớn hơn h c của nFớc nhảy đáy, đồng thời h h > a (a-chiều cao bậc thụt, xem hình 6-24). Chiều cao a =(0,25 á 0,35) chiều cao đập ( với đập cao a= 0,25 ; với đập thấp a=0,35). Góc nghiêng q ở chân đập lớn hay nhỏ có ảnh hFởng rất lớn đến trạng thái dòng chảy. Nếu q lớn quá có thể sinh chảy phóng xa, q nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy. ThFờng dùng q < 10 á 15 0 là thích hợp. Thiết kế hình thức tiêu năng mặt không ngập thích hợp với đập tràn có tháo các vật nổi để tránh các vật nổi va chạm vào sân sau hoặc chân đập. NhFợc điểm của hình thức tiêu năng này là làm việc không ổn định khi mực nFớc hạ lFu thay đổi lớn ; ở hạ lFu có sóng làm ảnh hFởng không tốt làm ảnh hFớng đến sự làm việc của trạm thuỷ điện, vận tải thuỷ và xói lở bờ sông; yêu cầu mực nFớc hạ lFu phải sâu. ><$7'"($%(q=$-l"#$56%$"#KLC Khi h h > h ghII thì có dòng mặt ngập. Hình thức này có nhFợc điểm gây lực xung kích lớn ở mũi chân đập và có ảnh hFởng tới ổn định đập. Sau đây ta sẽ nói đến độ sâu giới hạn thứ nhất h ghI và thứ hai h ghII . Kết quả xác định h ghI và h ghII bằng lý thuyết đFa đến những biểu thức tính rất phức tạp và khối lFợng tính toán lớn. T.N Axtafitsêva đề nghị xác định các trị số đó bằng các biểu thức thực nghiệm sau đây : pg h ghI h C a 244,2a82,0h ữ ữ ứ ử ỗ ỗ ố ổ -+= , (6-53) pg h ghII h C a 55,250,2a22,1h ữ ữ ứ ử ỗ ỗ ố ổ -+= , (6-54) trong đó: h pg - chiều sâu phân giới ; các ký hiệu khác nhF hình 6-24. www.phanmemxaydung.com 233 Các biểu thức (6-53) và (6-54) đFợc tính với trFờng hợp khi cửa van trên đỉnh đập mở hoàn toàn và cột nFớc trên đỉnh đập H Ê h C 3 2 ; nhFng cũng có thể tính gần đúng cho trFờng hợp mở cửa van với một độ mở nào đó. Biểu thức (6-54) chỉ đúng với điều kiện 2,0 C a h , đó là trFờng hợp trong thực tế thFờng gặp nhất. Nếu 2,0 C a h < , T.N Axtafitsêva đề nghị dùng biểu thức : pg h ghI h C a 744,3a82,0h ữ ữ ứ ử ỗ ỗ ố ổ -+= (6-55) Khi thiết kế tiêu năng hình thức dòng chảy mặt cần chú ý một số điểm sau đây: 1. Theo thí nghiệm, khi chiều cao bậc thụt a nhỏ thì có thể chỉ xảy ra trạng thái chảy đáy mà không sinh ra dòng mặt. 2. Khi a < 0,2C h , trạng thái nối tiếp dòng chảy ở hạ lFu không ổn định vì thế chiều cao a không đFợc nhỏ hơn 0,2C h . 3. Cần chú ý rằng, khi độ sâu nFớc hạ lFu thoả mãn điều kiện (6-52) nhFng ở hạ lFu có thể xảy ra và dòng mặt, vừa dòng đáy, tức là trạng thái dòng mặt ở sát đập, trạng thái dòng đáy ở sau đập (hình 6-25). 4. Sự thay đổi góc q trong phạm vi ( 0 0 á 15 0 ) hầu nhF không ảnh hFởng đến các trị số h ghI và h ghII . 3. Hình thức tiêu năng phóng xa (hình 6-8e) ;<$r6=$J0]5$=I;$%043$"^"#$L(U"#$s;C$ Tiêu năng phóng xa đFợc lợi dụng mũi phun ở chân đập hạ lFu để dòng chảy có lFu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập. Dòng chảy đFợc khuếch tán trong không khí, sau đó đổ xuống lòng sông. Do dòng chảy đFợc tiêu hao năng lFợng rất lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông, đồng thời dòng chảy đFợc phóng khỏi chân đập tFơng đối xa nên dù có gây xói lở cục bộ đáy sông hạ lFu cũng ít ảnh hFởng nguy hại đến an toàn của đập. Tiêu năng hình thức này bao gồm hai quá trình : một bộ phận tiêu năng trong không khí và một phần tiêu năng ở lòng sông. Dòng chảy càng khuếch tán lớn trong không khí và trộn lẫn nhiều không khí thì năng lFợng tiêu hao càng lớn, do đó giảm đFợc xói lở lòng sông hạ lFu. Dòng chảy phóng xuống hạ lFu gây nên xói lở, sau khi hố xói đạt đến một độ sâu nhất định thì năng lFợng thừa của dòng chảy đFợc hoàn toàn tiêu hao bằng ma sát nội bộ, cho nên nếu chiều sâu nFớc hạ lFu càng lớn thì càng giảm đFợc xói lở dòng sông. Chiều dài phóng xa càng lớn, càng có lợi. Đối với đập tràn cao, chiều dài đó có thể đến hàng trăm mét. Trái lại, với đập thấp, nFớc sẽ phóng gần chân đập, nên việc dùng hình thức tiêu năng này bị hạn chế. a H h h 7'"($89@YC$Trạng thái dòng mặt ở sát đập, dòng đáy ở sau đập. . cải thiện tình hình dòng chảy. 2. Hình thức tiêu năng mặt: Dòng chảy hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt (hình 6-8 c,d). Kinh nghiệm cho biết, hiệu quả tiêu năng trong hình thức tiêu. đến an toàn của đập. Tiêu năng hình thức này bao gồm hai quá trình : một bộ phận tiêu năng trong không khí và một phần tiêu năng ở lòng sông. Dòng chảy càng khuếch tán lớn trong không khí và. > a (a-chiều cao bậc thụt, xem hình 6-24). Chiều cao a =(0,25 á 0,35) chiều cao đập ( với đập cao a= 0,25 ; với đập thấp a=0,35). Góc nghiêng q ở chân đập lớn hay nhỏ có ảnh hFởng rất