Bài tập tính toán kiểm tra khí thực

Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u BÀI TẬP ĐỀ SỐ 15 TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC I Tài liệu ban đầu: - Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ hình vẽ (hình 1) - Chiều dài từ ngưỡng tràn đến đầu dốc L0 = 30 m - Chiều dài dốc nước L = 200 m (trên mặt bằng): 10 đoạn x 20 m - Độ dốc: i = 0,26 - Vật liệu thân dốc: BTCT M200 - Độ nhám bề mặt n = 0,017 (Δ = 0,5 mm) - Gồ ghề cục khớp nối (dự kiến): Zm = mm - Cao độ đầu dốc:  đ = 300 m; nhiệt độ nước T = 250 - Mặt cắt ngang dốc chữ nhật, B = 20 m - Lưu lượng thiết kế: Qtk = 512 m3/s - Độ sâu đầu dốc: hđ = 3,14 m - Hình thức tiêu cuối dốc: Mũi phun II Yêu cầu: - Kiểm tra khả khí hóa dòng chảy dốc vi trí khớp nối tháo Qtk ? - Kiểm tra khả khí thực dốc? - Thiết kế phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực (nếu có)? Hình : sơ đồ dốc nước sau đập tràn Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u NỘI DUNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC I Kiểm tra khả khí hóa dòng chảy dốc tháo lưu lượng thiết kế: Vẽ đường mặt nước dốc: Dùng phương pháp sai phân, xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước mặt cắt cách thử dần theo phương trình: L  E i  J TB Trong đó: ∆L: Khoảng cách (theo phương ngang) mặt cắt tính toán; V22 V12 ∆E = E2 – E1 ; E  h2  ; E1  h1  2g 2g h1; h2 : Độ sâu tương ứng mặt cắt (đầu đoạn) (cuối đoạn); V1; V2: Lưu tốc bình quân mặt cắt 2; i: Độ dốc đáy dốc; JTB = (J1 + J2)/2; J1; J2: Độ dốc thủy lực mặt cắt Kết tính toán vẽ đường mực nước Bảng 1; Ghi công thức tính toán Bảng 1: h: Độ sâu mực nước dốc (giả thiết); : Chu vi ướt mặt cắt tính toán, xác định:  = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật); : Diện tích mặt cắt ướt;  = B.h; R: Bán kính thủy lực; R = / C R 1/ R R n V: Vận tốc dòng chày đoạn tính toán: V = Q/; J: Độ dốc thủy lực: J  V2 ; C2R Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bảng 1: Kết tính toán vẽ đường mực nước dốc  (m ) R (m) C(R)0,5 ∆E ∆L L MC h (m)  (m) 3,14 26,28 62,80 2,39 105,14 8,15 1,88 23,75 37,50 1,58 79,77 13,65 0,0293 0,0177 0,2423 11,375 4,847 20,00 20,00 1,53 23,07 30,68 1,33 71,14 16,69 0,0550 0,0422 0,2178 15,731 4,357 20,00 40,00 1,35 22,71 27,09 1,19 66,16 18,90 0,0816 0,0683 0,1917 19,565 3,833 20,00 60,00 1,24 22,49 24,85 1,11 62,88 20,60 0,1073 0,0945 0,1655 22,875 3,310 20,00 80,00 1,17 22,33 23,34 1,05 60,58 21,94 0,1311 0,1192 0,1408 25,691 2,816 20,00 100,00 1,11 22,23 22,27 1,00 58,90 22,99 0,1524 0,1417 0,1183 28,056 2,365 20,00 120,00 1,07 22,15 21,48 0,97 57,64 23,83 0,1709 0,1617 0,0983 30,022 1,967 20,00 140,00 1,04 22,09 20,90 0,95 56,68 24,50 0,1868 0,1789 0,0811 31,644 1,622 20,00 160,00 10 1,02 22,04 20,45 0,93 55,95 25,04 0,2003 0,1936 0,0664 32,973 1,329 20,00 180,00 11 1,005 22,01 20,11 0,91 55,38 25,46 0,2114 0,2058 0,0542 34,056 1,083 20,00 200,00 V (m/s) J JTB i - JTB 0,0060 E 6,528 0,00 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Xác định hệ số khí hóa phân giới: Với giả thiết khớp nối lún không đoạn phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Zm = mm, góc  = 90o Khi hệ số khí hóa phân giới (tính cho trường hợp bất lợi bậc lồi) Tra bảng 2.4 trang 35, 14-TCN) ta có: K pg  0,125. 0, 65  2,33 Xác định hệ số khí hóa thực tế mặt cắt tính toán: Hệ số khí hóa xác định theo công thức: K  H ĐT  H pg V ĐT 2g Trong đó: HĐT: Cột nước áp lực toàn phần đặc trưng dòng chảy; HĐT = Ha + h.cos h: Độ sâu nước mặt cắt tính toán Ha: Cột nước áp lực khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước mặt cắt tính toán Zmn = Zđáy + h : Góc nghiệng đáy lòng dẫn so với phương ngang Hpg: Cột nước áp lực phân giới, ứng với nhiệt độ T = 25o theo số liệu đầu bài, tra Bảng 2.2 Tiêu chuẩn 14 TCN 198:2006 Hpg = 0,32 m VĐT: Lưu tốc đặc trưng vị trí có mấu gồ ghề thuộc đoạn khác dòng chày xác định theo công thức: V ĐT  V y  VTB V 1  Trong đó: VTB: Lưu tốc trung bình mặt cắt V: Hệ số biểu thị quan hệ lưu tốc trung bình lưu tốc lớn dòng chảy chiều dày lớp biên dạng mặt cắt ngang dòng chảy cho Với dòng không áp mặt cắt ngang hình chữ nhật có bề rộng B độ sâu nước h, V xác định theo công thức:       B  2h      V   ln    ln  5  h   B  2     Bh        ln      ∆: Chiều cao nhám tương đương bề mặt Ứng với mặt bê tông với ván khuôn kim loại ∆ = 0,5 ÷ 1,0 mm; Chọn ∆ = 0,5 mm Theo biểu đồ Hình 2.6 Tiêu chuẩn 14 TCN 198:2006 xác định 1; 2  Kết tính toán ghi Bảng Từ kết cho thấy từ mặt cắt đến mặt cắt 11 mặt cắt có K < Kpg = 2,33 Vậy mặt cắt có khí hóa dòng chảy Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bảng 2: Kiểm tra khả khí hóa mặt cắt tính toán: MC h (m) Zmn (m) Ha (m) HĐT (m) L* (m) L*/∆ (104) ∆ (103)  (m) 2 (10 ) -3 1 v VĐT (m/s) K KNKH 3,14 303,14 10 13,01 30,00 6,00 0,79 0,40 1,48 230 0,941 5,06 9,719 Không 1,88 296,68 9,98 11,80 50,00 10,00 1,28 0,64 1,15 230 0,879 8,00 3,518 Không 1,53 291,13 9,99 11,47 70,00 14,00 1,80 0,90 1,02 230 0,818 9,86 2,252 Có 1,35 285,75 10,00 11,31 90,00 18,00 2,27 1,14 0,97 230 0,763 11,72 1,569 Có 1,24 280,44 10,00 11,20 110,00 22,00 2,70 1,35 0,94 230 0,713 13,45 1,180 Có 1,17 275,17 10,01 11,14 130,00 26,00 3,10 1,55 0,92 230 0,666 15,16 0,924 Có 1,11 269,91 10,01 11,09 150,00 30,00 3,44 1,72 0,91 230 0,626 16,76 0,752 Có 1,07 264,67 10,02 11,06 170,00 34,00 3,90 1,95 0,89 230 0,579 18,60 0,609 Có 1,04 259,44 10,02 11,04 190,00 38,00 4,42 2,21 0,87 230 0,531 20,69 0,491 Có 10 1,02 254,22 10,03 11,02 210,00 42,00 4,95 2,47 0,86 230 0,485 22,95 0,398 Có 11 1,005 249,01 10,04 11,01 230,00 46,00 5,24 2,62 0,85 230 0,458 24,63 0,346 Có Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u II Kiểm tra khả khí thực dốc: Khi khí hóa trì thời gian đủ dài dòng chảy có lưu tốc cục đỉnh mấu gồ ghề VĐT > Vng thành dốc nước có khả bị xâm thực Trị số lưu tốc ngưỡng xâm thực Vng vật liệu bê tông phụ thuộc vào độ bền nén vật liệu (Rb) hệ số hàm khí nước S Ứng với bê tông bề mặt lòng dẫn có Rb = 20 Mpa; độ hàm khí nước S = 0, tra đồ thị Hình 1.1 (trang 28) Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta Vng = m/s Từ giá trị VĐT Bảng cho thấy: - Từ mặt cắt đến mặt cắt có VĐT < Vng  không bị xâm thực - Từ mặt cắt đến cuối dốc có VĐT > Vng  có khả xâm thực Bằng nội suy từ biểu đồ lưu tốc VĐT dọc theo dòng chảy, xác định mặt cắt có VĐT = Vng = m/s mặt cắt B cách đầu dốc khoảng LB = 30,76 m Đoạn từ mặt cắt B đến cuối dốc cần có biện pháp bảo vệ chống khí thực III Thiết kế phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực: Bố trí BPTK dốc: Theo tính toán mục đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 30,76 m) cần bảo vệ chống khí thực Để đảm bảo an toàn cho thân dốc, bố trí phận tiếp khí sau: - BPTK1 đặt mặt cắt M1, cách đầu dốc 40 m - BPTK2 đặt mặt cắt M2, cách đầu dốc 100 m - BPTK3 đặt mặt cắt M3, cách đầu dốc 160 m Với phương án bố trí nêu, từ Bảng ta có thông số thủy lực mặt cắt có bố trí BPTK sau: Bảng 3: Thông số tính toán phận tiếp khí: Vị trí L (m) Lp (m) h (m) V (m/s) Fr Fr BPTK1 40 60 1,53 16,69 18,51 4,30 BPTK2 100 60 1,17 21,94 42,03 6,48 BPTK3 160 40 1,04 24,50 58,58 7,65 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Tính toán phận tiếp khí 1: Hình : Bố trí mũi hắt BPTK Bước 1: Xác định chiều cao mũi hắt Zm theo công thức: Zm  L p cos 2 25( Fr  1) Trong đó: + Lp: Chiều dài cần bảo vệ sau BPTK, Lp = 60m + : Góc hợp bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang; ψ = 16,170 + Fr: Số Froud ; Fr  v2 (mặt cắt hình chữ nhật); Fr = 15,65 gh Thay vào công thức tính Zm ta có: Z m  L p cos 2 25( Fr  1) = 0,63 Bước 2: Chọn độ nghiêng mũi hắt: Sơ đồ bố trí mũi hình Giả thiết chiều dài mũi Lm; điều kiện để chọn chiều dài mũi hợp lý: Zm 1   Lm Chọn chiều dài mũi Lm = 3,0m Với độ dốc dọc tgψ = 0,29 ta có: Z1 = 3,0*0,29 = 0,87 m Z2 = Zm – Z1 = 0,63 - 0,87 = - 0,24 m tg  = Z2  0,24 = = -0,08 => θ = - 2,770 ( mũi dốc thuận) Lm 3,0 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bước 3: Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt: Theo công thức (4-2) Trang 47 Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta có: Lb   2.Z m h  Zm cos(  )   Fr Fr sin   Fr sin   cos      cos   h cos   h   Với h = 1,53 m, Zm = 0,63 ; Fr = 18,51; Fr = 4,30; sin  = sin (-2,770) = -0,36; cos (  -  ) = 0,955 Thay số vào ta Lb= 5,44 m Bước 4: Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp: Áp dụng công thức 4-3 trang 47 Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta có: qa = 0,033.V.Lb Trong đó: + V = 16,69 m/s + Lb = 5,44 m  qa = 2,99 m /s.m Bước 5: Tính lưu lượng khí tổng cộng: Qa = qa.B = 2,99*20 = 59,87 m3/s Bước 6: Tính diện tích tổng cộng mặt cắt ngang ống dẫn khí: a  Qa Va Va: Lưu tốc khí khống chế ống; Va  60 m/s Chọn Va= 50 m/s, ta có ωa = 1,20 m2 Bố trí ống cấp khí tường bên đường tràn Bố trí kích thước ống nhau, diện tích tối thiểu ống phải là:  a1  a = 0,60 (m2) Bước 7: Chọn kích thước ống: Ba * ta = 1,0m x 1,0 m (  a1= 1,0 m2) Trong đó: + Ba: Cạnh mặt cắt ngang ống theo chiều dài dòng chảy Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u + ta: cạnh mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên trụ hay tường Với kích thước ống chọn, vận tốc khí ống là: Va  Qa 59,87 = = 29,93 (m/s) *1 *1 2.t a B a Bước 8: Xác định độ chân không buồng khí: Theo công thức: hck  Va2  a 2.g  a2  Trong đó: + Va : Lưu tốc khí tới gần; Va  + Qa = 29,93 (m/s) n.Ba ta a   780 + Trị số μa xác định theo công thức thủy lực (4-8) hệ số tổn thất áp lực sau: a  1  i Tổn thất cửa vào: ξv = 0,5 Tổn thất vị trí uốn cong gấp 900: ξu = 1,1 Tổn thất áp lực dọc đường tính với chiều dài ống: La = Ht + t a B1 + 2.tt  2 Trong đó: Ht – Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 4,0 m Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H hb  Z m  V2 cos  (tg  tg ) 2g h : Chiều dày lớp nước phía buồng khí (lấy gần độ sâu nước mũi hắt); h=1,58m ∆H : Độ cao an toàn, xác định theo cấp công trình, chọn ∆H = 0,5 m ta – Chiều rộng mặt cắt ống thông khí, ta = 1,0 m B1 – Bề rộng khoang, B1 =B=20m tt – Chiều dày lớp thành ống dẫn trụ thành bên, chọn tt = 0,4m; Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Thay vào công thức ta được: La = 15,3 m Mặt cắt ống có: Ba = 1,0 m; ta = 1,0 m; χa = 4,0 m; ωa1 = 1,0 m2; R = 0,25 m; C R = 23,34 Hệ số tổn thất áp lực dọc đường: d  2.g.L a 2.9,81.15,3 = = 0,55 23,342 C R Như ống có ∑ξi = 0,5+1,1+0,55 = 2,15 a  1   i = Thay vào: h ck  = 0,563  2,15 Va2  a = 0,18 < 0,5m, đảm bảo điều kiện làm việc ổn 2.g. a2  định đường tháo Bước 9: Tính toán kích thước máng dẫn khí đáy, sau mũi hắt: - Bề rộng máng: Bmk = Ba = 1,0m; - Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 1,0 – 0,63 = 0,37 m Chọn tmk = 0,4 m Hình 3: Bố trí mũi hắt ống dẫn khí (BPTK1) Bước 10: Tính chiều cao lớn buồng khí: Thay vào công thức: V2 hb  Z m  cos  tg  tg  =1,27 m 2.g Lặp lại bước tính toán BPTK2 BPTK3 khác ta có kết cho bảng sau: 10 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bảng : Kết tính toán BPTK Thông số Kí hiệu Đơn vị Vị trí đặt L m 40 100 160 Chiều cao mũi hắt Zm m 0,63 0,38 0,21 Chiều dài mũi hắt Lm m 3,0 2,0 1,5 Góc nghiêng mũi  độ -2,77 -3,94 -6,84 Chiều dài buồng khí Lb m 5,44 3,97 1,75 Lưu lượng khí Qa m3/s 59,87 57,51 28,31 Số ống dẫn khí n 2 Ba x ta m 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 Độ chân không hck m 0,18 0,17 0,04 Bề rộng máng khí Bmk m 1,0 1,0 1,0 Chiều sâu máng tmk m 0,37 0,62 0,79 Chiều cao buồng khí hb m 1,27 1,27 0,80 Kích thước ống BPTK1 BPTK2 BPTK4 11 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Hình : sơ đồ bố trí BPTK dốc nước sau đập tràn 12 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 [...].. .Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bảng 4 : Kết quả tính toán các BPTK Thông số Kí hiệu Đơn vị Vị trí đặt L m 40 100 160 Chiều cao mũi hắt Zm m 0,63 0,38 0,21 Chiều dài mũi hắt Lm m 3,0 2,0 1,5 Góc nghiêng mũi  độ -2,77 -3,94 -6,84 Chiều dài buồng khí Lb m 5,44 3,97 1,75 Lưu lượng khí Qa m3/s 59,87 57,51 28,31 Số ống dẫn khí n cái 2 2 2 Ba x ta m... cái 2 2 2 Ba x ta m 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 Độ chân không hck m 0,18 0,17 0,04 Bề rộng máng khí Bmk m 1,0 1,0 1,0 Chiều sâu máng tmk m 0,37 0,62 0,79 Chiều cao buồng khí hb m 1,27 1,27 0,80 Kích thước 1 ống BPTK1 BPTK2 BPTK4 11 Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Hình 4 : sơ đồ bố trí BPTK trên dốc nước sau đập tràn 12 Học viên: .. .Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u NỘI DUNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC I Kiểm tra khả khí hóa dòng... 0,346 Có Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2 Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u II Kiểm tra khả khí thực dốc: Khi khí hóa trì thời gian đủ dài dòng chảy có lưu tốc... R n V: Vận tốc dòng chày đoạn tính toán: V = Q/; J: Độ dốc thủy lực: J  V2 ; C2R Bài tập môn học tính toán khí thực công trình thủy lợi H.W.r.u Bảng 1: Kết tính toán vẽ đường mực nước dốc 