ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

Chọn các đại lượng của đập T. Đập T là đập thực dụng mặt cắt hình cong không chân không loại 2. Chọn số nhịp đập n=9 Chiều rộng tràn nước của mỗi nhịp đập b=10m. Chọn mố bên và mố trụ của đập lượn tròn. Chiều dày mố trụ d=2m.Chi

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỦY LỰC CÔNG TRÌNH Thiết kế đập tràn T ứng với Q TK và Z TK trên sông S. 1. Chọn các đại lượng của đập T. Đập T là đập thực dụng mặt cắt hình cong không chân không loại 2. Chọn số nhịp đập n=9 Chiều rộng tràn nước của mỗi nhịp đập b=10m. Chọn mố bên và mố trụ của đập lượn tròn. Chiều dày mố trụ d=2m.Chiều dày mố bên d’=1m.Chiều dày a=1m. Đập có góc α=45 0 , góc β=60 0 và tỷ số 9,0 1 = P l Tổng chiều dài đập (kể cả mố) là B Đập = 2d’+(n-1)d+nb (m)= 2x1+(9-1)x2+9x10= 108 Lưu lượng đơn vị của dòng chảy ở hạ lưu đập q TK = == 108 3580 Bdap Qtk 33.15(m2/s)<[q]=37.8(m2/s) 2. Xác định cao trình đỉnh đập Z ođ ứng với Q TK và Z TK của sông S. a) Tính cột nước tràn thiết kế H TK của đập T. Vẽ quan hệ Q~Z h ở ngay sau đập tràn theo số liệu ở bảng 1 (hình 1) Biết Q TK của đập tra đồ thị Q~Z h này ta được Z htk =26,83m Độ sâu nước trong sông sau đập tràn: h htk =Z htk -Z 0 = 26,83-24=2.83m Vì cao trình đỉnh đập tràn Z 0đ chưa biết, ta giả thiết đập T chảy tự do và co hẹp bên, nên 3/2 0 2         = gnbm Q H TK TK ε (1) Trong (1): Q TK =3580m 2 /s ; nb=9.10=90 (m) ; g2 =4,43 Hệ số lưu lượng của đập: m=m vc .σ hd . σ H = 0,48. 0,978 .1 =0,469 Giả thiết ε gt =0,93. Thay tất cả vào (1) ta tính được )(511,.7 43,4.90.469,0.93,0 3580 3/2 0 mH TK =       = Kiểm tra lại bằng cách tính : ε tt = 1-0,2 TKH nb mtnmb 0. )1( ξξ −+ (2) Trong (2): mb ξ =0,7 ( mố bên lượn tròn ) ; mt ξ =0,45 ( mố trụ lượn tròn ) Trang 1 Thay tất cả vào (2) ta được: ε tt =1-0,2 90 45,0).19(7,0 −+ .7,511=0,93 So sánh ε gt và ε tt, ta thấy ε gt ≈ ε tt , vậy H 0TK =7,511 m là đúng. Cột nước tràn thiết kế của đập tràn T là H TK = H 0TK - g V 2 2 0 α (3) Giả thiết vận tốc tới gần V 0 ≈ 0, ta có: H TK = H 0TK =7,511 m b) Cao trình đỉnh đập tràn T: Z 0đ Z 0đ = Z TK – H TK = 47,8-7,511 = 40,289 m Chiều cao của đập so với đáy sông thượng lưu đập: P 1 = Z 0đ – Z 01 = 40,289-24 = 16,289 (m) Chiều cao của đập so với đáy sông hạ lưu đập: P 1 = Z 0đ – Z 0 = 40,289-21 = 19,289 (m) + Kiểm tra lại vận tốc V 0 : Vì Ώ TL = 1,3Bđ.(P 1 + H TK ) = 1,3.108.(16,289 + 7,511)=3341,52> 4.nb.H TK = 2704m 2 nên bỏ qua vận tốc V 0 ở trên là đúng. + Ta kiểm tra đập T chảy tự do hay chảy ngập: Vì Z hTK = 26,83m < Z 0đ = 40.289 m nên giả thiết đập tràn T chảy tự do là đúng Kết quả : H TK của đập = 7,511 m Cao trình đỉnh đập tràn Z 0đ = 40.289 m 3. Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn T. Có H TK =7,511m, tra phụ lục (14-2) sách thủy lực tập II, ứng với đập loại 2 ta được các giá trị YX , ứng với H TK =1m, ta tính được tọa độ X, Y của mặt cắt ngang đập T là: X = X .H TK , Y= Y .H TK . Kết quả tính toán được ghi ở bảng 2. Bảng 2 X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.7 2.0 2.5 X 0 1.502 3.005 4.507 6.009 7.511 9.014 10.516 12.769 15.023 18.778 Y 0.043 0.000 0.023 0.09 0.189 0.321 0.480 0.665 0.992 1.377 2.140 Y 0.323 0.000 0.173 0.676 1.420 2.411 3.605 4.995 7.451 10.343 16.074 Biết P = 19,914m, H TK = 7,511 m, tra bảng (14-6) sách thủy lực tập II, ta được R = 12,6 m. Trang 2 Từ kết quả ở bảng 2 và R = 12,6m, ta sẽ vẽ được mặt cắt ngang của đập tràn T ở hình vẽ số 2 và 3. Tính toán tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T. 1) Xác định hình thức nối tiếp sau đập T với mọi cấp lưu lượng. Ta chọn ra 5 giá trị Q tràn qua đập T biến đổi từ Q S m/n đến Q S max . Đối với mỗi lưu lượng Q ta cần tính các đại lượng sau: a) Tính h c, h c ’’ . Từ công thức : F (τc) = 2/3 0 .E q ϕ (4) Với hệ số lưu tốc φ = 0.95 Lưu lượng đơn vị ở hạ lưu q = dap B Q E 0 = P + H 0 trong đó cột nước tràn toàn phần H 0 được tính theo công thức 3/2 0 2         = gnbm Q H ε Để tính H 0 tương ứng với các giá trị Q khác nhau ta lấy các hệ số như sau : m= m vc = 0.48 và ε = 0.95. Từ F (τc) ta tra được τc và τc ’’ ở bảng ( 15-1 ), từ đó ta có h c = E 0 .τ c h c ‘’ = E 0 . τ c’’ Kết quả tính toán h c, h c ‘’ được ghi ở bảng số 3 b) Tính h h Có Q tra đồ thị Q~ Z h ta tìm được Z h tương ứng. C ó Zh ta tính được độ sâu h h ở hạ lưu đập tràn T là h h = Z h – Z 0 Kết quả tính toán h h ghi ở bảng số 3. b) Tính h k Có Q ta tính được q = dap B Q = bdnd Q ∑+−+ )1('2 , Tính h k = 3 2 . g q α , chọn α=1 Kết quả tính toán h k ghi ở bảng số 3. Trang 3 Bảng 3 Q (m3/s) H 0 (m) E 0 (m) h k (m) h h (m) h c (m) h c ” (m) h c ”- h k (m) Ghi chú 2400 5.59 25.50 3.692 3.45 1.066 9.104 5.654 Ko có nước nhảy 3200 6.77 26.68 4.473 5.19 1.422 10.686 5.496 Có nước nhảy 3420 7.07 26.99 4.676 5.56 1.501 11.038 5.478 4200 8.11 28.03 5.362 6.95 1.827 12.275 5.325 5000 9.11 29.03 6.023 7.71 2.035 13.120 5.410 2) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng: Q tn Căn cứ vào kết quả ở bảng 3, ta chọn được sơ bộ Q tn = 5000 m 3 /s Để có được Q tn chính xác, ta phải tính lại h c và h c ’’ như sau: Tính chính xác cột nước tràn toàn phần H 0 của đập T theo công thức: 3/2 0 2         = gnbm Q H ε (5) Giả thiết ε gt =0.91; m gt =0.48 thay vào công thức (5) tính được : 3/2 0 43,4.90 48,0.91,0 5000       = tn H =9.376(m) Từ đó ta được H tn, = H 0tn - g v 2 . 2 0 α . Coi V 0 ≈ 0 nên H 0 ≈ H 0tn =9,376 Có H tn, H 0tn tính được ε tt =1 – 0,2 nb mtnmb .)1(. ξξ −+ . H 0tn (6) Trong (6): ξmb = 0,7 . ξmt =0,45 ( mố bên và mố trụ lượn tròn ) nb =90 m h 0tn = 9.376 m Thay tất cả vào (6) ta được ε tt =1 – 0,2 90 45,0*87,0 + .9.376 = 0,9104 m tt = m vc .σ hd . σ H (7) Trong (7) m vc = 0,48 α = 45 0 , β = 60 0 , P l = 0.9 tra bảng ( 14-7 ) ta được σ hd = 0,978 α = 45 0 , TK tn H H = 511.7 376.9 = 1.25 tra bảng ( 14-8 ) ta được σ H = 1,021 Thay tất cả vào (7) ta được m tt = 0,48.0.978.1,021 = 0.479 Vậy ε tt ≈ ε gt và m tt ≈ m gt , cột nước H tn đã tính đúng. Từ H tn chính xác, tính E 0 = P + H 0tn = 19.914 + 9.376 = 29,29 m Ta có F ( τ c) = 2/3 0 .E q ϕ = 2/3 03,29.95,0 296,46 = 0,312 tra phục lục ( 15-1 ) được τ c = 0,071; τ c ’’ = 0.454 Từ đó ta có h c = τ c .E 0 = 0,071.29,03 = 2,06 (m) Trang 4 h c ’’ = τ ’ c .E 0 = 0,454.29,03 = 13,18 (m) So sánh 4 độ sâu h h , h c, h c ’’ , h k ta thấy h c ’’ = 13,18 m > hh = 7,71 (m) > hk = 6,023 (m) > hc = 2.06 ( m) Vậy sau đập có nước nhảy phóng xa, phải thiết kế công trình tiêu năng ứng với lưu lượng tính toán tiêu năng Q tn ở trên để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập. 3) Thiết kế công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T. Công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T là đào bể tiêu năng. Ta cần phải tính chiều sâu bể (d) và chiều dài bể (L b ) để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập. + Sơ bộ lấy d 1 = 5,4 m + Tính lại h c ; h c ’’ E 01 = E 0 + d 1 = 29,03 + 5,30 = 34,33 m F ( τ c) = 2/3 0 .E q ϕ (8) Trong (8) : q = B Q tn = 108 5000 = 46,296m 2 /s; φ = 0,95 Thay tất cả vào (7) ta được có F ( τ c) = 2/3 33,34.95,0 296,46 = 0.242 tra phục lục (15-1) ⇒ τ c ’’ = 0.410 h c ’’ = τ ’’ c .E 01 = 0,410*34,33 = 14,08 (m) + Tính ∆Z ∆Z = gh q hh 2 22 2 ϕ - 2'' 2 )(2 c hg q δ α (9) Trong (9) q = 46,296 m 2 /s, φ b = 0.9; h h = 7,71 m; g = 9,81 m/s 2 σ = 1,05; h c ‘’ = 14,08 m Thay tất cả vào (8) ta được: ∆Z = 62,19.71,7.9,0 296,46 22 2 - 2 2 )08,14.05,1(62,19 296,46.1 = 1.77m Chiều sâu bể d = σh c ’’ - h h - ∆Z = 1,05.14,08 – 7,71 – 1,77= 5,304 m Vậy d = 5.304 ≈ d 1 = 5,30 m ( giả thiết đúng ) Tính chiều dài d = L b = L 1 + βL n (10) Trong đó : L 1 = 0; β = 0.8; L n = 4,5. h c ‘’ = 4,5.14,08 = 63,36 m Thay tất cả vào (10) ta được : L b = 0.8 . 63,36 = 50,688m Kết quả : d = 5,30 m L b = 50,688 m Trang 5 III. Thiết kế mặt cắt ngang kênh chính sau cống A. Kênh chính sau cống A có mặt cắt ngang hình thang cân với m=1.5, n=0.025, I =0.0004, β = 4,5 và lưu lượng thiết kế Q K TK = 51,8 m 3 /s 1) Tính b k và h 0TK của kênh chính. Tính f(R ln ) = K TK Q im 4 0 = 8.51 0004.0.424,8 = 0.00325, tra phụ lục (8-1) được R ln = 2,15 m Tính σ = m m + β 0 = 5,15,4 106,2 + = 0,35 tra phụ lục (8-3) được ln R b = 5,53 và ln R h = 1,224. Chiều rộng thiết kế của đáy kênh chính : b tk = ( ln R b ).R ln = 5,53.2,15 = 11,89 (m) Chiều sâu nước thiết kế của kênh chính : h 0TK = ( ln R h ).R ln = 1,224.2,15 = 2.63 (m) 2) Kiểm tra điều kiện của kênh chính. Kênh chính sau cống A muốn làm việc tốt phải thoả mãn yêu cầu: 0,5m/s ≤ V ≤ 1,5 m/s với mọi cấp lưu lượng trong kênh. Muốn kiểm tra điều kiện này làm như sau: a.Khi lưu lượng trong kênh là Q K min = k 1 . Q K TK = 0,75.51,8 = 38,85 ( m 3 /s) Tính f(R ln ) = K Q im min 0 4 = 85,38 0004.0.424,8 = 0.00434, tra phụ lục (8-1) được R ln = 1,91m Lập tỉ số ' ln R b TK = 91,1 89,11 = 6,225 tra phụ lục (8-3) được ' ln R h = 1,152 Chiều sâu nước trong kênh ứng với Q K min là : h 0min = ( ' ln R h ).R’ ln = 1,152.1,91 = 2,2 (m) Tính vận tốc V min = minmin min ).( ooTK k hhmB Q + = 2,2).2,2*5,189,11( 85,38 + = 1,16 (m/s) Kiểm tra điều kiện này 0,5m/s < V min = 1,16 m/s < 1,5 m/s .Vậy kênh chính đạt yêu cầu b. Khi lưu lượng trong kênh là Q K max = k 2 . Q K TK = 1,3.51,8 = 67,34 ( m 3 /s) Tính f(R’’ ln ) = K Q im max 0 4 = 34,67 0004.0.424,8 = 0.00250, tra phụ lục (8-1) được R’’ ln = 2,35 m Lập tỉ số ' ln R b TK = 35,2 89,11 = 5,06 tra phụ lục (8-3) được '' ln R h = 1,276 Chiều sâu nước trong kênh ứng với Q K max là :h 0max = ( '' ln R h ).R’’ ln = 1,276.2,35 = 2.998 (m) Tính vận tốc V max = maxmax max ).( ooTK k hhmB Q + = 998,2).998,2.5,189,11( 34,67 + = 1,37 (m/s) Kiểm tra điều kiện này 0,5m/s < V TK = 1,37 m/s < 1,5 m/s ( thoả mãn ) Trang 6 3) Xây dựng quan hệ Q ~ h 0 của kênh chính từ Q min đến Q max Từ kết quả ở phần trên, ta lập được bảng sau: Bảng 4 Q (m 3 /s) 0 Q K min = 38,85 m 3 /s Q K TK = 51,8 m 3 /s Q K max = 67,34 m 3 /s h 0 của kênh 0 h 0min = 2,2m h 0TK = 2,63m h 0max = 2,998m Với kết quả ở bảng 4 ta vẽ được đường quan hệ Q~h 0 của kênh chính, kết hợp với mặt cắt ngang của kênh chính ở hình vẽ số 5. IV. Tính toán thủy lực cống đầu kênh A. Cống đầu kênh A là một cống lộ thiên có cao trình đáy cống bằng cao trình đáy kênh chính. Tính toán thủy lực cống đầu kênh A ta làm như sau: 1)Xác định cao trình đáy cống. Khi mực nước trong sông S là nhỏ nhất ( Q s min = 2400 m3/s )và cống làm việc như một đập tràn đỉnh rộng, cao trình đáy cống ứng với lưu lượng thiết kế của kênh chính Q K TK được xác định theo công thức: Z đc =Z s min –( h otk + ∆Z ) (11) Trong (11) h otk =2,63m và ∆Z =0,3m Ta tính Z s min = Z ođ + H s min. a.Tính cột nước tràn H s omin đập tràn T ứng với Q s min = 2400m 3 /s. Dựa vào kết quả ở bảng 3, ta tính lại chính xác cột nước tràn H s omin của đập tràn T khi Q min =2400m 3 /s tràn qua đập. + Công thức tính cột nước tràn toàn phần của đập tràn thực dụng: 3/2 min min0 2         = gnbm Q H s s ε (12) Trong (12) ε gt = 0,94; m tt = 0,46; nb = 90m; Q s min = 2400m 3 /s Thay tất cả vào (12) 3/2 min0 43,4.90.46,0.94,0 2400       = s H = 5,79m g HH ss 2 2 0 min0min αν −= Coi V 0 ≈ 0, mHH ss 79,5 min0min == + Kiểm tra lại V 0 Ω = 1,3. B đập .( P 1 + H s omin ) = 1,3. 108. ( 16,289+ 5,79 ) = 3099,89 m 2 > 4.nb.H tk =4.90.7,511 = 2703,96 m 2 nên bỏ qua vận tốc V 0 ở trên là đúng. + Kiểm tra ε gt và m gt 945,079,5 90 45,0.87,0 2,01 )1( 2,01 min0 = + −= −+ −−= s gtmb tt H nb n ξξ ε Trang 7 m tt = m tc . σ hd . σ h (*) Với α 0 =45 0 ; tk H H min = 511,7 79,5 =0,78 tra bảng (14-8) δ H = 0,975 m tc = 0,48 ; σ hđ = 0.978 Thay tất cả vào (*) ta được m tt = 0,48 . 0,978 . 0,975 = 0,458 So sánh ta thấy ε tt ≈ ε gt ; m tt ≈ m gt ( giả thiết đúng ) Vậy mH s 79,5 min = . b. Cao trình đáy cống A. Cao trình mặt nước song S nhỏ nhất Z s min = Z ođ + H s min = 40,289 + 5,79 = 46,08m Cao trình đáy cống A: Z dc = Z s min – (h otk + ∆Z) = 46,08 – ( 2,63+ 0,3 ) = 43,15 m 2)Xác định bề rộng cống để lấy được Q k TK ứng với Z s min. Khi cánh cửa cống kéo lên khỏi mặt nước, cống lộ thiên A làm việc như một đập tràn đỉnh rộng có H min = Z s min – Z dc = h otk + ∆Z = 2,63+0,3=2,93m a.Xác định số cửa cống của cống A Với Q k TK = 51,8 m 3 /s qua cống, để tránh dòng chảy tập trung, ta chọn số cửa cống của cống là n =2. Lưu lượng thiết kế qua mỗi cửa cống là Q c TK = 9,25 2 8,51 == n Q k TK m 3 /s b.Xác định chiều rộng B của mỗi cửa cống. Ta chọn cống A có tường cống thu hẹp dần với góc α = 45 0 . Ta tính chiều rộng b c của mỗi cửa cống như sau: Xác định chế độ chảy của đập đỉnh rộng: Biết cột nước ở thượng lưu cống : H min = 2,93 m Biết độ sâu ở hạ lưu cống h h = h otk = 2,63 m Độ sâu h n = h h Vận tốc V 0 = sm HHmb Q TK k TK /193,1 93,2).93,2.189,11( 8,51 ).( minmin = + = + Độ sâu H 0 = H min + )(002,3 62,19 193,1.1 93,2 2 . 2 2 0 m g V =+= α Lập tỷ số 75,0)(876,0 002,3 63,2 00 =>== pg nn H h H h , đập đỉnh rộng chảy ngập Chiều rộng b c của mỗi cửa cống được xác định theo công thức: B c = ).(2 ).(2 0)00 nnn k TK nn c TK hHgnh Q hHgh Q − = − ϕϕ (13) Trong (13) độ sâu hồi phục Z 2 nhỏ nên được bỏ qua. Giả thiết hệ số lưu lượng của đập đỉnh rộng: m gt = 0,36 Tra bảng (14-1) được φ n = 0,983 Thay các giá trị đã biết vào (13) ta tính được b c của mỗi cửa cống. b c = = − )63,2002,3.(62,192.63,2.983,0 8,51 3,708(m) Trang 8 Kiểm tra lại m gt : lập tỷ số β = 624,0 89,11 708,3.2 . == TK c b bn Tra phụ lục (14-8) được m tt = 0,362. Vậy m gt ≈ m tt = 0,36 Chiều rộng tràn nước của cả cống A là: Σb = n.b c = 2.3,708 = 7,416 (m) 3)Vẽ mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của cống A. Cống A có n= 2 cửa, chièu rộng mỗi cửa b c = 3,708m Tường cánh có góc thu hẹp dần với gốc α = 45 0 , Mố cống có chiều dày d = 0,8m, đầu mố vát nhọn với góc ở đỉnh θ=90 0 . Chiều rộng đáy kênh thượng, hạ lưu cống b TK = 11,89m . Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc cống A được thể hiện ở hình vẽ số 6. 4)Xây dựng quan hệ Q ~ a của cống A ứng với mực nước song thiết kế Z s TK . Khi cánh cống đóng xuống nước với độ mở cống là a, cột nước ở thượng lưu cống là H TK = Z s TK = (Z ođ + H s TK ) - Z đc = (40.289+7.511) - 43.15 = 4,65 m , lưu lượng tháo qua cống là Q, ta xây dựng quan hệ Q ~ a như sau: Chọn 5 giá trị Q K biến đổi từ Q K min = 38,85m3/s đến Q K max = 67,34m3/s. Coi dòng chảy ở hạ lưu cống A là dòng chảy đều nên từ Q K đã biết tra đồ thị Q~h0 ở hình vẽ số 3, ta tìm được h h = h 0 tương ứng. Có Q K rồi ta tính được độ sâu phân giới h K theo công thức : h K = h KCN       + 2 .105,0 3 1 CN CN σ σ (14) Trong (14) cần tính : h KCN = 3 2 . g q α và σ KCN = TK KCN b hm. với q = TK K b Q Độ sâu h K này là độ sâu phân giới trong kênh chính sau cống A, vì vậy muốn biết cống chảy tự do hay chảy ngập, ta cần xác định các độ sâu h c và h’’ c của cống như sau: Tính F(τ c ) = 2/3 0 .H q c ϕ (15) với q c = c c bn Q . , φ = 0,95, H 0 = H TK + g V o 2 . 2 α V 0 = TKTKTK c HHmb Q ).( + Có F(τ c ) ở (15) tra bảng (16-1) được τ c và τ’’ c . Từ đây ta tính được h c và h’’ c : H c = τ c . H 0 ; h’’ c = τ’’ c .H 0 So sánh 4 độ sâu đã biết h c , h’’ c , h h , h’’ K nếu cống chảy tự do thì từ F(τ c ) ở (15) tra bảng (16-1) được H H a ).( Còn nếu cống chảy ngập thì phải tính h z trước theo công thức: h 2 z + A. z hH −0 -B = 0 Với A = 2 c q g 2 0 ϕα ; B = h 2 h + h c hg q . 2 2 0 α Khi tính A và B lấy α 0 =1 , φ = 0,95, g = 9,81m 2 /s, q c = c c bn Q . . Sau đó tính τ c = )(2 00 0 zc c hHgHnb Q H h − = ϕ (16) Trang 9 Có τ c tra bảng (16-1) được H a và tính được độ cao mở cống a = ( H a ).H. Kết quả tính toán quan hệ Q~a của cống A được ghi ở bảng 5. Bảng 5 Q (m 3 /s) h K (m) h h (m) h c (m) h’’ c (m) F(τ c ) (15) τ c (16) H a A (m) Trạng thái chảy Q k min 1,018 2,20 0,624 2,715 0,559 0,134 0,23 1,07 tự do Q k 1 1,080 2,32 0,685 2,804 0,600 0,147 0,24 1,12 tự do Q k TK 1,231 2,63 0,811 2,974 0,731 0,174 0,27 1,26 tự do Q k 2 1,288 2,72 0,942 3,115 0,782 0,202 0,35 1,63 tự do Q k max 1,462 3,00 1,153 3,301 0,947 0,247 0,37 1,72 tự do Căn cứ vào kết quả ở bảng 5 ta vẽ quan hệ Q~a của cống lộ thiên A ở hình vẽ số 6. Trang 10