Thủy lực 2 ( Nxb Nông nghiệp ) - Chương 15 pdf

Chương XV Nối tiếp tiêu hạ lưu công trình A- Nối tiếp dòng chảy hạ lưu công trình Dòng chảy từ thượng lưu đập tràn hay qua cửa van nối tiếp với dòng chảy kênh dẫn sau công trình hai hình thức chủ yếu: Hình thức nối tiếp trạng thái chảy đáy (hình 15-1) Trạng thái chảy đáy trạng thái mà lưu tốc lớn dòng chảy xuất gần đáy kênh dẫn Hình thức nối tiếp trạng thái chảy mặt (hình 15-2) Trạng thái chảy mặt trạng thái mà lưu tốc lớn dòng chảy không xuất gần đáy kênh dẫn mà gần mặt tự b) a) E0 E E0 E hh hh 0 0 H×nh 15-1 a) E0 E hh 0 b) E0 E hh 0 Hình 15-2 http://www.ebook.edu.vn 169 Trạng thái chảy mặt xảy điều kiện chân công trình phía hạ lưu có bậc thẳng đứng (hình 15-2) Để đơn giản vấn đề, ta xét trường hợp kênh dẫn lăng trụ, dòng chảy kênh chảy với độ sâu bình thường hh Đ15-1 Nối tiếp chảy đáy Để ngắn gọn, ta gọi hình thức nối tiếp trạng thái chảy đáy nối tiếp chảy đáy Tùy theo độ dốc đáy kênh dẫn, dòng chảy thường hạ lưu chảy êm (khi i < ik) Vì thế, nối tiếp chảy đáy hạ lưu công trình gặp hai trường hợp: Tr-ờng hợp Dòng chảy hạ lưu dòng chảy êm, mặt cắt dòng chảy qua công trình bị thu nhỏ dần lúc dòng chảy đổ xuống hạ lưu hình thành mặt cắt co hẹp, ký hiệu mặt cắt (C-C) Mặt cắt co hẹp gần chân công trình, lưu tốc đạt trị số lớn nhất, độ sâu tương ứng gọi độ sâu co hẹp, ký hiệu h c Độ sâu co hẹp luôn bé độ sâu phân giới (hc < hk) Như dòng chảy qua công trình xuống kênh dẫn dòng chảy xiết (hình 15-3) Sự nối tóp dòng chảy xiết với dòng chảy êm bắt buộc phải qua nước nhảy av2 2g H0 P P' K C hk hh K C Hình 15-3 Bây ta nghiên cứu dạng vị trí nước nhảy Dạng vị trí nước nhảy phụ thuộc vào lượng đơn vị mặt cắt co hẹp mặt cắt có độ sâu bình thường dòng chảy lòng dẫn hạ lưu 170 http://www.ebook.edu.vn Với lưu lượng đơn vị, độ sâu co hẹp bé (lưu tốc lớn) lượng đơn vị mặt cắt lớn, có khả đẩy nước nhảy xa công trình Ngược lại, độ sâu bình thường lớn, lượng dự trữ nhiều có khả đưa nước nhảy tiến lại gần công trình Giả sử độ sâu co hẹp hc độ sâu trước nước nhảy, ta tính độ sâu liên hiệp với h c" So sánh độ sâu hc" với độ sâu bình thường hh ta có dạng nối tiếp đây: hc" = hh: nước nhảy bắt đầu mặt cắt co hẹp, độ sâu trước nước nhảy độ sâu co hẹp: hc' = hc Trường hợp này, lượng thừa dòng chảy thượng lưu tiêu hao gần nhảy Sau nước nhảy lượng lại dòng chảy thượng lưu gần vừa lượng dòng chảy lòng dẫn nên nước nhảy kết thúc mặt cắt có độ sâu liên hiệp h c" = hh (hình 15-4) h" = h h c C hh i < ik C Hình 15-4 Dạng nước nhảy gọi nước nhảy chỗ hay nước nhảy phân giới Như điều kiện cần thiết để có nước nhảy chỗ là: hc " = hh (15-1) Vì lưu lượng chảy qua công trình thường không ổn định, cần thay đổi độ sâu co hẹp độ sâu bình thường thay đổi nên dạng nước nhảy không ổn định hc" > hh: nước nhảy không bắt đầu mặt cắt co hẹp, mà bắt đầu mặt cắt (1-1) sau mặt cắt co hẹp, ứng với độ sâu h'h > hc (hình 15-5) Trong trường hợp này, dòng chảy thượng lưu tiêu hao hết lượng thừa nước nhảy chỗ, nên phải tiêu hao phần tổn thất dọc đường qua đoạn đường nước dâng kiểu c, từ mặt cắt co hẹp đến mặt cắt (1-1), phần lượng thừa tiêu hao nước nhảy Sau nước nhảy, lượng dòng chảy gần vừa lượng dòng chảy bình thường hạ lưu Như vậy, nước nhảy kết thúc mặt cắt có độ sâu bình thường h h, hay nói cách khác, độ sâu liên hiệp sau nước nhảy độ sâu bình thường hạ lưu: h " = hh ü ï ' ý h ' = hh ï ỵ (15-2) đó: h' h" độ sâu liên hiệp nước nhảy, hình thành sau đoạn nước dâng (hình 15-5) http://www.ebook.edu.vn 171 h" > hh c đường nước d©ng C C k hc k hh h'h hk lp C Hình 15-5 Chú ý rằng, hc" độ sâu liên hiệp hc hh độ sâu liên hiệp hh Vì hc" > hh nên theo tính chất độ sâu liên hiệp, ta có: h'h > hc Dạng nước nhảy gọi nước nhảy xa hc < hh: trường hợp lượng thừa dòng chảy thượng lưu không đủ để tiêu hao nước nhảy chỗ, hay nói cách khác, lượng dự trữ dòng chảy kênh dẫn đủ khả đưa nước nhảy tiến lại gần công trình Nước nhảy làm ngập mặt cắt co hẹp khu nước vật mặt (hình 15-6) Mức độ ngập nước nhảy đặc trưng hệ số: s’ = hh (15-3) h" c h" < h h c hh i < ik Hình 15-6 Dạng nước nhảy gọi nước nhảy gần hay nước nhảy ngập Như đ giả thiết dòng chảy kênh dòng chảy Tuy nhiên, suy luận cho trường hợp dòng chảy kênh dẫn dòng không đều, trường hợp độ sâu sau nước nhảy hh số mà tùy thuộc vào vị trí nước nhảy Cách xác định vị trí nước nhảy trường hợp xem Đ16-4 Đứng quan điểm thủy công dạng nối tiếp nước nhảy xa bất lợi việc tiêu hao lượng tổn thất dọc đường dọc theo dòng chảy chậm nên đoạn đường nước dâng thường dài Trường hợp này, phạm vi đường nước dâng, dòng chảy xiết có lưu tốc lớn, cần phải tăng cường gia cố hạ lưu Do đó, để tránh đoạn dòng chảy xiết dạng nối tiếp nước nhảy ngập tốt 172 http://www.ebook.edu.vn Tr-ờng hợp Dòng chảy hạ lưu dòng chảy xiết Dòng chảy qua công trình xuống kênh dẫn dòng chảy xiết, dòng chảy kênh dẫn dòng chảy xiết nên trường hợp nối tiếp dòng chảy hạ lưu không qua nước nhảy c Đường nước hạ bII c hc hc i > ik h0 N hh hh c N c Hình 15-7 Hình 15-8 So sánh độ sâu co hẹp hc với độ sâu bình thường hh dòng chảy kênh dẫn hạ lưu ta có dạng nối tiếp sau đây: Nếu hc = hh, mặt cắt co hẹp hạ lưu công trình hình thành dòng chảy (hình 15-7) Nếu hc > hh, sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy giảm dần từ hc đến hh hình thành đường nước hạ nối tiếp với dòng chảy kênh dẫn (hình 15-8) Nếu hc < hh, sau mặt cắt co hẹp, độ sâu dòng chảy tăng dần từ hc đến hh hình thành đường nước dâng nối tiếp với dòng chảy kênh dẫn (hình 15-9) Với điều kiện dòng chảy bình thường kênh dòng chảy xiết dạng nối tiếp thứ bất lợi Trong phạm vi đường n­íc d©ng, l­u tèc th­êng rÊt lín cã thĨ g©y xói lở đáy hạ lưu công trình Đường nước d©ng C II c hc K N hk h0 i > ik K N hh c H×nh 15-9 http://www.ebook.edu.vn 173 Đ15-2 Hệ thức tính toán nối tiếp chảy đáy Nhiệm vụ tính toán nối tiếp hạ lưu công trình bao gồm: - Xác định độ sâu co hẹp hc độ sâu liên hiệp hc"; - So sánh hc" với hh để biết hình thức nối tiếp Nếu hình thức nối tiếp nước nhảy xa phải xác định vị trí nước nhảy Xác định hc hc" Viết phương trình Bécnuiy cho hai mặt cắt: mặt cắt (0-0) trước công trình mặt cắt co hẹp, lấy mặt chuẩn đáy hạ lưu công trình (hình 15-10) av 2g H E0 h" c P hh h'h hc lp ln H×nh 15-10 Dòng chảy hai mặt cắt đ chọn dòng chảy thay đổi dần nên áp suất phân bố theo quy luật thủy tĩnh, ta có phương trình: H+P+ a0 v2 a v2 = E0 = hc + c c + h w 2g 2g ®ã: E0 - lượng đơn vị dòng chảy thượng lưu so với mặt chuẩn đ chọn; P - chiều cao công trình so với đáy hạ lưu; hw - tổn thất lượng, viết: hw = ồx v2 c 2g Do ®ã: E0 = hc + 174 ac v2 v2 v2 c + åx c = hc + c (ac + åx) 2g 2g 2g http://www.ebook.edu.vn Thay: (ac + åx) = j2 Ta cã: E0 = h c + v2 c (15-4) 2gj2 Thay: Q = wc vc th×: E0 = h c + Q2 2gj2 w2 c (15-4’) Tõ ®ã: Q = j wc 2g(E - h c ) (15-5) Đây phương trình thứ để tính nối tiếp thượng hạ lưu Từ ta xác định độ sâu co hẹp hc Nếu kênh dẫn hạ lưu kênh chữ nhật hay kênh có đáy rộng đưa toán phẳng Ta có: q= Q b đó: q - lưu lượng đơn vị; b - chiều rộng kênh dẫn Phương trình (15-4) cã d¹ng: E0 = h c + q2 2gj2 h c (15-4) Còn (15-5) là: q = j hc 2g(E - h c ) (15-5) Phương trình thứ hai để tính nối tiếp thượng hạ lưu phương trình nước nhảy (13-2) trường hợp i < ik: a0 Q2 a Q2 + y1 w1 = + y2 w2 gw1 gw2 http://www.ebook.edu.vn (15-6) 175 Và trường hợp mặt cắt chữ nhật phương trình (13-14) (13-15): h" = ự 8q h' é ê 1+ - 1ú ê ú gh '3 ë û (15-7) h' = ù 8q h" é ê 1+ - 1ú ê ú g h "3 ỷ (15-8) hay: Với hai phương trình (15-5) (15-6), (trường hợp toán phẳng với hai phương trình (15-5) (15-7), biết E0, Q, j ta tính h c hc" Biết hc" so sánh với hh ta xác định hình thức nối tiếp Hệ số lưu tốc j đánh giá tổn thất lượng dòng chảy qua công trình, lấy trị số theo bảng Pavơlốpski (bảng 15-1) Bảng 15-1 Bảng trị số hệ số j Sơ đồ công trình j Chảy trực tiếp từ lỗ vào không khí (không tràn qua đập tràn) 1,00 0,97 Chảy từ lỗ đáy 1,00 0,95 Chảy qua bậc nước cửa van Chảy qua bậc nước có cửa van 1,00 1,00 0,97 Các đập tràn có dạng thận dòng, cửa van, mặt tràn trơn a) chiều dài mặt tràn bé 1,00 b) chiều dài mặt tràn trung bình 0,95 c) chiều dài mặt tràn lớn 0,90 Các đập tràn có dạng thận dòng, có cửa van 0,80 0,85 Các đập tràn có dạng gẫy khúc 0,90 0,80 Các đập tràn đỉnh rộng 0,95 0,85 Tính độ sâu co hẹp hc từ biểu thức (15-5) hay (15-5) phương pháp thử dần Nhiều tác giả đ thành lập biểu đồ bảng tính để tính toán độ sâu co hẹp nhanh giới thiệu phương pháp GS I.I Agơrốtskin áp dụng toán phẳng Đặt: tc = 176 hc E0 (15-9) http://www.ebook.edu.vn vµ t" = c h" c E0 (15-10) Tõ (15-9), thay hc = tc E0 vµo phương trình (15-5), ta có: q = j tc E0 2g(E - tc E ) hay: q jE3/2 = 2g tc - tc (15-11) Râ rµng vế phải phương trình phụ thuộc vào tc, tøc lµ: F(tc) = 2g tc - tc (15-12) Do (15-11) viết thành: q jE3/2 = F(tc) (15-13) Tõ (15-10), (15-11), thay: hc" = tc" E0 vµ: q = j E3 / 2g tc - tc vào công thức nước nhảy (15-7), sau giản lược ta có: ộ ự - tc tc" = 0,5 tc ê + 16j2 - 1ú tc ê ú ë û Nh­ vËy, víi hƯ số j xác định, trị số F(tc) = (15-14) q j E3/2 tương ứng với trị số tc trị số tc" I.I Agơrốtskin đ lập bảng tính sẵn quan hệ tc, tc" F(tc) theo biểu thức (15-12) (15-14) ứng với trị số j thường gặp từ 0,85 đến 1,00 (phụ lục 15-1) Với bảng đó, biết q, E0, j ta tÝnh F(tc) theo (15-13), råi tra phô lôc (15-1) trị số tc tc", từ cã: hc = tc E0 vµ: hc" = tc" E0 http://www.ebook.edu.vn 177 Xác định vị trí n-ớc nhảy xa Khi hc" > hh, ta cã h×nh thøc nèi tiÕp nước nhảy xa Việc xác định vị trí nước nhảy, tính chiều dài đoạn dòng chảy xiết trước nước nhảy có ý nghĩa thực tiễn quan trọng Ta đ biết, hình thức nối tiếp nước nhảy xa, độ sâu sau nước nhảy độ sâu dòng chảy bình thường hạ lưu hh (1) Từ phương trình nước nhảy (15-6) (15-8), ta tính độ sâu trước nước nhảy h'h Như đ nói: hh' > hc Đoạn dòng chảy xiết trước nước nhảy, có độ sâu mặt cắt hc độ sâu mặt cắt hh' Biết hai độ sâu đó, ta dùng phương pháp tính dòng không (chương IX) xác định chiều dài lp (hình 15-10) Thí dụ 15-1: Xác định hình thức nối tiếp hạ lưu đập tràn có mặt cắt thực dơng, cao P = m (h×nh 15-11), chiỊu réng kênh dẫn chiều dài đập (bài toán phẳng) Kênh dẫn sau đập có độ dốc đáy i = 0,0002, lát đá xây (n = 0,017) Lưu lượng riêng tràn qua công trình q = m3/s.m Độ sâu bình thường hạ lưu h h = 3,60 m H v0 P=7m hh = 3,6 m hc ln Hình 15-11 Giải: Lưu lượng qua đập tràn tính b»ng c«ng thøc: q = m 2g H3 / Từ cột nước đỉnh đập tràn là: ổ q H0 = ỗ ữ ỗ m 2g ữ ố ứ 2/3 (1) Với dòng chảy hạ lưu dòng chảy không độ sâu h h sau nước nhảy lại phụ thuộc vào vị trí nước nhảy nên việc tính toán phiền phức (xem Đ16-4) 178 http://www.ebook.edu.vn Đ15-9 Tính toán thủy lực bể tiêu kết hợp Trong thực tế, có nhiều trường hợp làm bể tiêu cách hạ thấp đáy kênh hạ lưu cách xây tường không hợp lý Trong trường hợp thứ nhất, bể phải sâu, đáy kênh hạ lưu phải hạ thấp nhiều tiêu hạ lưu đập nặng nề thêm Trong trường hợp thứ hai, tường phải cao, sau tường có khả xảy nước nhảy xa ta phải làm tiÕp t­êng thø hai Trong ®iỊu kiƯn nh­ thÕ, tốt hết kết hợp hai biện pháp trên, vừa hạ thấp đáy kênh, vừa làm tường gọi bể tiêu kết hợp Thực tế chứng tỏ dùng biện pháp nhiều trường hợp có lợi mặt kinh tế kỹ thuật Sau trình bày cách xác định hai trị số d, c av 2g E' E0 H1 hb c d hh Hình 15-33 Xem sơ đồ hình (15-33), ta thấy độ sâu bể tiêu kết hợp b»ng: h b = d + c + H1 Ta cần có nước nhảy ngập bể, nghĩa là: hb = s (hc") VËy: d + c = s (hc") H1 (15-47) H1 xác định công thức (15-46) trường hợp Trong phương trình (15-47) có hai đại lượng chưa biết d c Có hai cách đặt vấn đề để giải quyết: Tự định hai đại lượng d c tìm đại lượng lại, sau điều chỉnh cho chiều sâu đào bể d chiều cao tường c có tỷ lệ lợi hợp lý nhÊt vỊ kü tht vµ kinh tÕ 200 http://www.ebook.edu.vn Như việc tính toán xác định d đ định trước c (hoặc ngược lại) tiến hành cách dùng công thức (15-46) (15-47) Bài toán nói chung phải giải cách tính dần Xác định chiều cao tường lớn cho dòng chảy qua tường chảy không ngập nước nhảy sau tường nước nhảy ngập; đào sâu sân công trình để đảm bảo bĨ cã n­íc nh¶y ngËp Mn vËy, tr­íc hÕt ta xét trường hợp phân giới trường hợp cho sau tường có nước nhảy chỗ (hình 15-34) Chiều cao tương ứng với trường hợp ký hiƯu lµ c av 2g E' av b E0 2g c hc E10 H1 c' D Z0 hh c0 d0 c' c H×nh 15-34 a) Xác định c0 Khi có nước nhảy chỗ sau tường độ sâu co hẹp sau tường hc1 độ sâu liên hiệp với dòng chảy bình thường hạ lưu: hc = ự hh é a0 q2 ê 1+ - 1ú ê ỳ gh3 h ỷ (15-48) Độ sâu co hẹp hc1 với cột nước toàn phần E10 trước tường (trong bể) so với đáy hạ lưu có quan hệ víi theo c«ng thøc (15-4”): E10 = hc1 + q2 j '2 2gh 21 c (15-49) Tõ h×nh vÏ, ta l¹i cã: E10 = c0 + H10 (15-50) đó: H10 cột nước toàn phần đỉnh tường, tính công thức đập tràn thực dụng chảy không ngập: ổ q H10 = ỗ ữ ỗ m ' 2g ÷ è ø 2/3 http://www.ebook.edu.vn (15-51) 201 VËy: c0 = E10 – H10 c = hc + (15-52) q2 j '2 2gh 21 c æ q -ỗ ữ ỗ m ' 2g ữ ố ứ 2/3 (15-52) b) Xác định d0: Trị số d0 xác định từ điều kiện cho có nước nhảy chỗ bể: d0 + c0 + H1 = (hc")0 d0 = (hc")0 - c0 - H1 = (hc")0 - E1 ỉ a v2 b d0 = (hc")0 - ç E10 ÷ ç 2g ÷ è ø hay: ỉ aq d0 = (hc")0 - ỗ E10 ỗ 2g (h" )2 è c ÷ ÷ ø (15-53) Vì (hc")0 lại phụ thuộc d0 nên toán phải giải tính dần c) Sau có d0 c0, ta giảm c0 ít, tăng d0 lên để có nối tiếp nước nhảy ngập bể sau tường Chú ý cần tăng d0 nhiều giảm c0 Cuối kiểm tra lại xem có thỏa mn điều kiện: hb = d + c + H1 ³ s(hc") (15-54) hay không H1 tính theo (15-46), c < c0; d > d0 víi c0 vµ d0 tÝnh theo (15-52) (15-53) Đ15-10 Tính chiều dài bể tiêu Cũng việc xác định chiều sầu bể tiêu (hay chiều cao tường tiêu năng), việc xác định chiều dài bể tiêu lb vấn đề quan trọng khó khăn, chưa có lời giải lý thuyÕt V× vËy, thiÕt kÕ ng­êi ta th­êng dïng công thức kinh nghiệm mà kết tính nhiỊu lóc sai lƯch kh¸ lín Khi tÝnh chiỊu dài bể cần phân biệt hai trường hợp sau: Trường hợp 1: Khi bể nằm sau đập tràn có mặt tràn hình cong thuận (xem hình 15-31 đến 15-34), chiều dài bể tính từ mặt cắt co hẹp (C-C) Vị trí mặt cắt phụ thuộc vào kết cấu đập 202 http://www.ebook.edu.vn Trường hợp 2: Khi bể nằm sau tường chắn đứng nghiêng chiều dài bể tính từ mặt cắt co hẹp (C-C) mà tính từ chân công trình (hình 15-35) Như vậy, so với trường hợp (1) chiều dài bể tăng lên đoạn l1, khoảng cách từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp (C-C) Trị sè l1 nµy hoµn toµn tïy thc vµo chiỊu dµi nước rơi mái dốc hạ lưu công trình, ta xét sau Trước hết hy bàn trường hợp (1), nghĩa xác định chiều dài từ mặt cắt (C-C) trë xuèng m H0 c P s l1 c l rơi l' lnn lb m Hình 15-35 Từ hình vÏ (15-35), ta thÊy r»ng, bĨ cã n­íc nhảy ngập, tồn hai khu nước vật có trục nằm ngang Chiều dài bể phải định cho nước nhảy ngập nằm gọn đó, đồng thời cho khu nước vật khu nước vật không che lấp lẫn nhau, tức cho dòng chảy đến ngưỡng bể tiêu bình thường Điều có nghĩa lbể phải chọn cho mặt cắt (m-m) mặt cắt cuối khu nước vật trên, đồng thời mặt cắt đầu khu nước vật Nếu cho phép bể xảy nước nhảy vị trí phân giới xuất phát từ lý luận trên, ta cã: lb = ln + l’ + l1 (15-55) đó: ln - chiều dài nn hoàn chỉnh, không ngập; l - chiều dài khu nước vật Thùc tÕ, bĨ cã n­íc nh¶y ngËp, víi chiỊu dài lnn (chiều dài nước nhảy ngập) bé ln trên, nên chiều dài bể thực không cần lớn tính (15-55) Vì lý đó, nhiều tác giả đ đề công thức tính lb, cho trị số bé trị số tính theo (15-55) Chẳng hạn, giáo sư M Đ Tréctôuxốp đề c«ng thøc sau: lb = b ln + l1 (15-56) http://www.ebook.edu.vn 203 ®ã: ln; l1 - ký hiƯu nh­ trªn; b - hƯ sè kinh nghiƯm, lÊy b»ng 0,70 0,80 Do kết chỉnh lý tài liệu thí nghiệm, V Đ Durin đưa công thức thực nghiệm tính chiều dài bể tiêu kết hợp: lb = 3,2 H (c + d + 0,83H ) + l1 (15-57) I.I Agơrốtskin đưa công thức: lb = 3hb + l1 (15-58) CÇn chó ý r»ng, bể tiêu dài không cần thiết, ngắn lại không hình thành nước nhảy bể mà dòng chảy diễn hình (15-36) Khi đó, bể không thực nhiệm vụ tiêu mà dòng chảy vọt làm xói lở phá hoại lớp gia cố lòng dẫn hạ lưu sau bể Hình 15-36 Cuối cùng, giới thiệu cách tính l1: Từ sơ đồ (hình 15-35), ta có: l1 = lrơi - s (15-59) đó: s - chiều dài nằm ngang mái dốc hạ lưu công trình; lrơi - chiều dài nằm ngang dòng nước rơi tính từ cửa công trình đến mặt cắt (C-C), tính theo công thức thực nghiệm sau đây: Chảy qua đập tràn thực dụng, mặt cắt hình thang, (hình 15-35): lrơi = 1,33 H ( P + 0, 3H ) (15-60) Chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van đỉnh đập, (hình 15-37): lrơi = H ( P + 0,32a ) đó: a độ mở cửa van 204 http://www.ebook.edu.vn (15-61) a lrơi Hình 15-37 Chảy qua đập tràn đỉnh rộng (hình 15-38): lrơi = 1,64 H (P + 0, 24H ) (15-62) Chảy từ bậc xuống (hình 15-39): lrơi = P + hk (15-63) av0 2g H0 hk P P lrơi lrơi Hình 15-39 Hình 15-38 Thí dụ 15-2: Cho đập tràn mặt cắt hình cong, cao P = 7,40 m, cột nước tràn H0 = 2,00 m Kênh hạ lưu mặt cắt chữ nhật, q = m3/s.m, độ sâu trung bình tương ứng hh = 3,2 m Giải tiêu cách đào bể Lấy jđập = 0,90, jbể = 0,95 Tính chiều sâu chiều dài bĨ Gi¶i: F(tc) = q j E3/2 = 0, 9(7, + 2)3 / = 0,308 tc = 0,072 ® hc = 0,072 ´ 9,40 = 0,68 m http://www.ebook.edu.vn 205 tc" = 0,431 ® hc" = 0,431 ´ 9,40 = 4,05 m hc" > hh: nèi tiÕp nước nhảy xa phải giải tiêu S¬ bé lÊy: d1 = hc" - hh = 4,05 3,20 = 0,85 m Tính lại hc hc": E01 = E0 + d1 = 9,40 + 0,85 = 10,25 m F(tc) = 0, 9(10, 25)3 / = 0,270 m tc = 0,064 nªn hc = 0,064 ´ 10,25 = 0,655 m tc" = 0,405 nªn hc" = 0,405 ´ 10,25 = 4,15 m Dz = Dz = LÊy: q2 2gj'2 h h - q2 ( ) 2g h" c 82 19, 62 ´ 0,952 ´ 3,22 - 82 19, 62 ´ 4,152 = 0,16 m s = 1,05 d = s (hc") – hh - Dz d = 1,05 ´ 4,15 – 3,2 – 0,16 = 1,00 m Giá trị d chưa giá trị d1 lấy nên cần tính lại lần theo trình tự chiều sâu bể cần đào là: d = 1,06 m Bây tính chiều dài bể theo công thức (15-56), với b = 0,8 vµ l1 = 0, ta cã: lbĨ = 0,8 ln Tính chiều dài nước nhảy ln theo công thức (13-31): ln = 4,5 hc" Ta được: ln = 4,5 ´ 4,15 = 18,7 m VËy: lb = 0,8 ´ 18,7 = 15 m ThÝ dô 15-3: Cũng toán trên, độ sâu hạ lưu hh = 2,50 m Thiết kế bể tiêu kết hợp có chiều cao tường đối đa 206 http://www.ebook.edu.vn Giải: Khi chưa làm bể tiêu năng, thí dụ (15-2) ta đ tính được: hc" = 4,05 m Tính d0 c0 để có nước nhảy phân giới sau t­êng vµ bĨ a) TÝnh c0 hc1 = ù é ù hh é 8a q ê + - 1ú = 2,5 ê + ´ - 1ú = 1,35 m ê ê ú ú gh3 9,81 ´ 2,53 h ë û ë û E10 = hc1 + q2 j2 2gh 21 c ổ q H10 = ỗ ữ ỗ m ' 2g ÷ è ø 2/3 = 1,35 + 82 0, 952 ´ 19,62 ´ 1,352 ỉ =ỗ ữ ố 0, 42 4,43 ứ = 3,27 m 2/3 = 2,65 m c0 = E10 – H10 = 3,27 – 2,65 = 0,62 m b) TÝnh d0 ( ) d = h" c æ a q2 - ỗ E10 ỗ 2g (h"c )2 ố ữ ữ ứ Lấy gần lần thứ (h c")0 = 4,1 m æ 82 d0 = 4,1 ỗ 3, 27 ỗ 19,62 4,12 ố ÷ = 1,03 m ÷ ø E0' = 9,40 + 1,03 = 10,43 m Tính được: (hc")0 = 4,17 m ổ 82 d0 = 4,17 ỗ 3, 27 ç 19,62 ´ 4,172 è ÷ = 1,09 m ÷ ø Ta lÊy: c = 0,55 m < c0; d = 1,20 m > d0 Víi d, c lÊy ta thấy điều kiện hb = d + c + H1 s (hc") đ thỏa mn tính toán kết thúc http://www.ebook.edu.vn 207 Đ15-11 Lưu lượng tính toán tiêu ta đ xét cách xác định kích thước bể tường tiêu ứng với lưu lượng Q định Thông thường công trình thủy lợi làm việc với lưu lượng biến đổi phạm vi từ trị số nhỏ Qmin đến trị số lớn Qmax Thiết bị tiêu phải giải tốt vấn đề tiêu cho cấp lưu lượng có phạm vi Do đó, thiết kế tiêu năng, ta phải tính toán theo lưu lượng gây nối tiếp bất lợi nhất, lưu lượng gọi lưu lượng tính toán tiêu năng, ký hiệu Qtt Tính theo lưu lượng bể tiêu có kích thước lớn Trường hợp bất lợi trường hợp nối tiÕp b»ng n­íc nh¶y xa cã hiƯu sè (h c" - hh) lớn nhất; lúc có chiều dài đoạn chảy xiết lớn nhất, cần chiều sâu chiều dài bể lớn Lưu lượng tính toán tiêu không thiết lưu lượng lớn Q tăng lên hc" nói chung tăng lên, độ sâu hạ lưu tăng theo Do đó, cách xác định Qtt cụ thể sau: Lấy số trị số Q từ to đến nhỏ phạm vi biến đổi lưu lượng tháo qua công trình ứng với trị số Q đó, ta tính hc' hh tương ứng, từ tính hiệu số (hc" - hh) tương ứng, hạ lưu có hình thức nối tiếp nước nhảy Vẽ đồ thị Q ~ (hc" - hh), ta tìm trị số Q ứng với hiệu số (hc" - hh) lín nhÊt (h×nh 15-40) h" = hh c Q tt Q Hình 15-40 Cần ý lưu lượng tháo qua công trình Q với lưu lượng dòng chảy hạ lưu Qh khác nhau, có công trình khác bên cạnh chảy vào lòng dẫn hạ lưu (chẳng hạn tính tiêu cho đập tràn có nhà máy thủy điện bên cạch, lưu lượng lòng dẫn hạ lưu Qh bao gồm lưu lượng qua đập tràn lưu lượng qua nhà máy thủy điện) Vì có thĨ viÕt: Qh = Q + åQ1 ®ã: åQ1 tổng số lưu lượng tháo qua công trình khác chảy vào lòng dẫn hạ lưu làm ảnh hưởng đến mực nước hạ lưu công trình ta xét 208 http://www.ebook.edu.vn Trong tính toán tiêu năng, hc" chØ phơ thc Q nh­ng hh l¹i phơ thc Qh theo tài liệu quan hệ lưu lượng với mực nước lưu lượng với độ sâu lòng dẫn hạ lưu ta xét đến lưu lượng tính toán, thực tế không riêng lưu lượng mà mực nước thượng, hạ lưu thường thay đổi Do đó, việc định trường hợp tính toán bất lợi để thiết kế tiêu tương đối khó khăn, đòi hỏi người thiết kế phải suy nghĩ, phân tích toàn diện mà giải vấn đề cho trường hợp cụ thể Thí dụ 15-4: Đập tràn cao P = m, réng b = 15 m, cã M = m 2g = 2,00 m0,5/s vµ j = 0,95 Đập làm việc từ Qmin = đến Qmax = 90 m3/s Bên cạnh đập có nhà máy thủy điện làm việc với lưu lượng cố định Q = 10 m3/s Đ biết đường quan hệ lưu lượng với độ sâu kênh hạ lưu (ghi cột cột bảng tính đây) Tìm lưu lượng tính toán tiêu Giải: Trình tự tính toán kết tính toán ghi bảng đây: Q (m /s) ỉ Q ÷ è Mb ø H0 = ỗ (m) 2/3 E0 = H0 + P (m) F(tc) t”c h”c = t"c E0 Qh hh h”c - hh (m) (m /s) (m) (m) 15 0,62 6,62 0,052 0,207 1,43 25 1,28 0,15 22,5 0,83 6,83 0,089 0,258 1,76 32,5 1,50 0,26 30 1,00 7,00 0,114 0,290 2,03 40 1,87 0,16 60 1,59 7,59 0,202 0,378 2,87 70 2,74 0,13 90 2,07 8,07 0,276 0,436 3,52 100 3,42 0,10 Kết tính toán cho ta tìm lưu lượng tính toán tiêu Qtt = 22,5 m3/s Đ15-12 Về đoạn sau nước nhảy Như ta đ biết, nước nhảy làm thay đổi đột ngột kết cấu dòng chảy, làm mạch động lưu tốc áp suất dòng chảy tăng lên nhiều Do đoạn dòng chảy sau nước nhảy, tính chất chuyển động khác nhiều so với tính chất chuyển động dòng chảy rối có lưu tốc trung bình v, nên không thích ứng với lòng dẫn thiên nhiên gây xói lở Vì vậy, việc xác định chiều dài sau nước nhảy vấn đề quan trọng liên quan đến việc chọn chiều dài gia cố hạ lưu công trình http://www.ebook.edu.vn 209 Dưới trình bày đặc điểm khả làm xói lở lòng dẫn đoạn sau nước nhảy trường hợp nước nhảy ngập, đáy nằm ngang thiết bị tiêu Ta biết dòng chảy rối dòng chảy rối không thay đổi dần, cường độ rối (hay cường độ mạch động) có trị số bé nên bỏ qua ảnh hưởng Chẳng hạn, tính động đơn vị trung bình dòng chảy rối đều, ta dùng công thức: hv = a v2 2g (15-64) ®ã: v - l­u tèc trung bình mặt cắt ướt; a - hệ số sửa chữa động năng, tính đến phân bố không lưu tốc trung bình thời gian mặt cắt Đối với dòng chảy có cường độ rối (mạch ®éng) cao, ta ph¶i tÝnh: hv = ac v2 2g (15-65) đó: ac = a + ap hệ số sửa chữa động suy rộng, phân bố không lưu tốc trung bình thời gian (a) cường độ mạch động lưu tốc (ap) ac tăng lên đột ngột từ đầu cuối nước nhảy (mặt cắt 2-2 hình 15-41) đạt trị số lớn Tại mặt cắt cuối nước nhảy, trị số ac xác định theo công thức thực nghiệm sau M X Vưdơgô: ac = 3 h - ®ã: h= (15-66) hh hc Thí nghiệm cho biết mặt cắt này, Ê h Ê 14, ac biến đổi phạm vi từ 2,5 đến 5,5 đoạn sau nước nhảy (lsn), hệ số ac lúc đầu giảm nhanh, sau giảm từ từ đến trị số 1,0 1,1 Đ I Cumin đ biểu diễn biến đổi động dọc dòng chảy hình (15-41) Trên hình (15-41): Vùng (1): biểu đồ biểu thị tổn thất cột nước; Vùng (2): biểu đồ động mạch động (rối) cao lưu tốc gây nên, tức 210 http://www.ebook.edu.vn ap v2 2g ; av Trên 2g hình ta thấy nước nhảy tiêu hao lượng lớn sau nước nhảy lại lượng dư d (ĐN) Năng lượng bé so với lượng đ tiêu Vùng (3): biểu đồ động xét lưu tốc trung bình thời gian hao trước mặt cắt (2-2), lại tương đối lớn so với động hạ lưu av Đoạn 2g sau nước nhảy phải tiêu hao toàn lượng dư d (ĐN) phải dài Ký hiệu (hình 15-42): l1 - chiều dài, đồ phân bố lưu tốc trung bình thời gian (A) sau nước nhảy biến đổi dần thành đồ phân bố lưu tốc (B) dòng chảy bình thường l2 - chiều dài, mạch động lưu tốc tắt dần trị số bình thường dòng chảy l3 - chiều dài, mạch động áp suất tắt dần trị số bình thường dòng chảy av Đườ ng 2g c ột n ước toàn phần hw apv 2g c av2 2 acv 2g 2g l1 lsn = l2 l nn c H×nh 15-41 ThÝ nghiƯm cho biÕt (h×nh 15-42): l1 < l2 < l3 Ng­êi ta lấy chiều dài l2 làm chiều dài đoạn sau nước nhảy đ nói tiết Đ15-35: lsn = l2 Theo nhiều tác giả, trị số lsn nằm khoảng (13 28)hh (xem công thức 15-35 15-38) http://www.ebook.edu.vn 211 C m (A) (B) lnn C (B) l1 m lsn = l2 l3 x X vcp (v0)cp vcp Hình 15-42 Bây ta xét khả gây xói lở dòng chảy đoạn sau nước nhảy Giả sử đoạn sau nước nhảy lsn đoạn dòng chảy tiếp sau có độ sâu lưu tốc trung bình giống nhau, lòng dẫn phủ loại cát, đá có đường kính hạt Lấy hai mặt cắt: - Mặt cắt (m-m) nằm phạm vi đoạn sau nước nhảy, cách mặt cắt (2-2) khoảng x (hình 15-42): x < lsn - Mặt cắt (5-5) nằm phạm vi đoạn sau nước nhảy Thực nghiệm thấy lưu tốc trung bình lớn cho phép (không xói) dòng chảy bình thường mặt cắt (5-5), ký hiệu (v0)cp, lớn lưu tốc cho phép dòng chảy đoạn sau nước nhảy (vcp): vcp < (v0)cp, Nói cách khác, với loại hạt, lưu tốc trung bình dòng chảy bình thường không bị xói, đoạn sau nước nhảy lại bị xói Sở dĩ đoạn sau nước nhảy có mạch động lớn lưu tốc, áp suất, lưu tốc đoạn phân bố theo quy luật lơi (phía dưới, gần đáy lưu tốc lại lớn) Sự biến đổi vcp đoạn sau nước nhảy biểu thị hình (15-42) 212 http://www.ebook.edu.vn Ta gọi: k= (v )cp v cp >1 (15-67) lµ hƯ sè khả xói dòng chảy Hệ số k đạt trị số lớn mặt cắt (2-2) giảm h dần mặt cắt (4-4) k phơ thc hƯ sè më réng cđa n­íc nh¶y h = h hc khoảng cách x: ổ x k = f ỗ , hữ ố hh ứ (15-68) Đ I Cumin dựa vào thực nghiệm, tìm quy luật biến đổi k theo (15-68) cho biểu đồ hình (15-43) k 3,4 h=14 3,0 h=12 2,6 h=10 h=8 2,2 h=6 1,8 h=4 1,4 1,0 10 12 14 16 18 20 x 22 hh Hình 15-43 Theo kết nghiên cứu đó, ta xác định đường kính hạt cát, đá nhỏ phủ lên lòng dẫn đoạn sau nước nhảy mà không bị xói Cách tính cụ thể sau: - Tại mặt cắt (m-m) có tọa độ x, đ tính h x , theo đồ thị (15-43), hh ta tìm k; http://www.ebook.edu.vn 213 - Tại ta biết lưu tốc trung bình v; - Xét trạng thái cân giới hạn (hạt cát sửa bị xói), ta có: v = vcp - Để vận dụng công thức l­u tèc cho phÐp (tøc l­u tèc khëi ®éng) ®∙ nghiên cứu dòng chảy bình thường vcp, ta phải quy trị số vcp nói (v0)cp cách nhân với k theo công thức (15-67): (v 0)cp = kvcp = kv - Víi (v0)cp ®ã sÏ xác định đường kính hạt cát, đá phủ đoạn sau nước nhảy cách dựa vào công thøc tÝnh l­u tèc kh«ng xãi cho phÐp (l­u tèc khởi động) đ giới thiệu chương XII (xem công thức (12-37) đến (12-40)) Đó đường kính hạt nhỏ không bị xói mặt cắt (m-m) Cần nói thêm kết nghiên cứu đoạn sau nước nhảy nói sơ lược, chưa thỏa mn vấn đề phòng chống xói hạ lưu công trình Thực tế nhiều công trình có cét n­íc thÊp, cã nèi tiÕp b»ng n­íc nh¶y ngËp hạ lưu, bị xói lở nghiêm trọng Vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, giải quyÕt 214 http://www.ebook.edu.vn ... tøc lµ: F(tc) = 2g tc - tc (1 5- 1 2) Do ®ã (1 5-1 1) cã thĨ viÕt thµnh: q jE3 /2 = F(tc) (1 5-1 3) Tõ (1 5-1 0), (1 5-1 1), thay: hc" = tc" E0 vµ: q = j E3 / 2g tc - tc vµo công thức nước nhảy (1 5- 7), sau... b? ?): Dz0 = Dz + av b 2g (1 5-3 6) Tõ (1 5-3 5) vµ (1 5-3 6) ta cã: q2 Dz = - 2gj ''2 h h av b 2g ®ã: vb - l­u tèc bÓ cã thÓ tÝnh gần bằng: q vb = Vậy: ( h b )0 q Dz = = q (h ) " c q2 - 2gj ''2 h h 2g (1 5-3 7). .. b»ng: ( ) hb = hh + d + Dz = s h" c Tõ ®ã: (1 5-3 8) d = hb - (hh + Dz) ( ) hay lµ: d = s h" - (hh + Dz) c ®ã: Dz = q2 2gj ''2 h h - (1 5-3 9) q2 2g é s h" ù ë cû http://www.ebook.edu.vn (1 5-3 7 '') 195