Trờng Đại học thuỷ lợi Khoa sau đại học Bài tập môn học phơng pháp lập mô hình vật lý công trình thủy lợi Giáo viên hớng dẫn: TS Phạm Văn Quốc Học viên : Lớp : Hà nội 02-20 Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Bài tập Lập mô hình thủy lực cho đập tràn A A Đề (Đề số 9) Giới thiệu tràn xả lũ Các hạng mục công trình đầu mối gồm: Đập đất đồng chất; Tràn xả lũ có cửa van điều tiết; Cống tới; Hệ thống kênh xả; Khu quản lý trung tâm Tràn xả lũ hồ chứa A nằm vị trí lòng sông Nối tiếp với tràn hai phía bờ đập đất Đập tràn đợc thiết kế dạng tràn ngỡng thực dụng không chân không, tiêu đáy với khoang có cửa van cung điều tiết, khoang rộng 11m Kênh dẫn sau dốc nớc rộng 150 m, mái dốc m = 2,0; độ dốc i=6.10-4 Sau tràn dốc nớc có bề rộng Btr = 72,2 m Sau dốc nớc tiêu bể tiêu Các thông số tràn xả lũ Cấp công trình : cấp II Hình thức tràn : Tràn có cửa van cung Số khoang n :6 Bề rộng cửa Bc : 11 m Kết cấu tràn bê tông cốt thép Tần suất lu lợng thiết kế qua tràn : P = 0,5%; QTK = 6.400m3/s Tần suất lu lợng kiểm tra qua tràn: P = 0,1%; QKT = 6.900m3/s Chiều dày trụ pin đơn : 1,0 m Chiều dày trụ pin kép : 1,6 m Cao trình ngỡng tràn : + 60,0 m Mực nớc dâng bình thờng : + 70,0 m Các tài liệu khác Bình đồ khu vực công trình đầu mối TL 1:250 - Các vẽ mặt bằng, cặt dọc, cắt ngang tràn xả lũ - Quan hệ Q~Z hạ lu công trình - Các mặt cắt địa chất tiêu lý sau tràn Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL B Tiến hành thiết kế lập mô hình thủy lực II Thiết kế Mục đích thực nghiệm -Xác định khả tháo (lu lợng xả) tràn xả lũ với mực nớc thợng lu tơng ứng với chế độ xả tự chiều cao độ mở van khác -Xác định trạng thái dốc nớc -Xác định hiệu tiêu sau dốc nớc II Tính toán, bố trí đập tràn thực Cột nớc siêu cao ngỡng tràn - Trong không kể đến điều tiết hồ, nên việc xác định cột nớc siêu cao dựa vào lu lợng kiểm tra (QKT0,1%=6.900 m3/s) Xem nh tràn đợc thiết kế có cửa vào thuận, tạm lấy hệ số lu lợng m=0,42 bỏ qua tổn thất khác cửa vào Bỏ qua cột nớc lu tốc tới gần, dựa vào công thức tính lu lợng qua đập tràn ta có: H SC Q KT = m.n.B g 2/3 6900 = 0,42 x x11x x9,81 2/3 = 14,67 m Bố trí đập tràn Đập tràn thực (nguyên hình) đợc thiết kế nh hình vẽ kèm theo (bao gồm toàn kích thớc nh hình vẽ 1) III Chọn loại vả tỷ lệ hình học mô hình Chọn loại mô hình Tràn xả lũ A làm việc điều kiện không gian, nên việc nghiên cứu thí nghiệm đợc tiến hành mô hình thái tổng thể Dòng chảy qua tràn chịu ảnh hởng trọng lực chủ yếu, sức cản dọc đờng thứ yếu, nên mô hình đợc thiết kế theo tiêu chuẩn Froude Do kết cấu công trình đợc làm hoàn toàn bê tông cốt thép ảnh hởng bùn cát dòng chảy qua công trình nhỏ nên chọn loại mô hình lòng cứng để nghiên cứu Chọn tỷ lệ mô hình Các yêu cầu chọn tỷ lệ mô hình: Do dòng chảy qua tràn hạ lu chịu trọng lực chủ yếu nên chọn tiêu chuẩn Froud để thiết kế mô hình - Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự: Fr = idem Re.m Regh C = idem - Mô hình có đủ diện tích bố trí phận theo tỷ lệ chọn - Mô hình thiết kế theo tiêu chuẩn Froud cần phải thỏa mãn số điều kiện giới hạn nh sau: lu tốc dòng chảy mô hình v0,23m/s; chiều cao dòng Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL chảy mô hình h 15mm; Cột nớc tràn đỉnh ngỡng tràn (tròn) mô hình H 50mm Khi dòng chảy dới cửa van độ mở nhỏ cửa van a 60mm, cột nớc áp lực h 3,3 a - Các thiết bị đo đạc đủ khả đo đạc đợc thông số nh: (vmax, vmin v.v) khả phòng thí nghiệm đáp ứng đợc mặt cấp nớc, trang thiết bị, có đủ khả cung cấp vật liệu cho mô hình v.v - Chọn tỷ lệ hợp lý đợc Kết tính toán cụ thể bảng Bảng 1: Bảng tính toán chọn tỷ lệ mô hình STT L 10 11 12 13 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 QTT (m3/s) 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 6900 HTTTràn (m) 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 14,67 Qmh (l/s) 681,9 507,9 390,3 307,6 247,4 202,6 168,3 141,6 120,5 103,6 89,8 78,4 69,0 Hmh (cm) 36,7 32,6 29,3 26,7 24,5 22,6 21,0 19,6 18,3 17,3 16,3 15,4 14,7 Vmh (m/s) Remh 1,127 1,062 1,008 0,961 0,920 0,884 0,852 0,823 0,797 0,773 0,751 0,731 0,713 283.237 237.367 202.668 175.669 154.175 136.732 122.347 110.318 100.139 91.435 83.922 77.385 71.654 Xuất phát từ tài liệu đợc cấp; khả năng cấp nớc phòng thí nghiệm; mặt khu thí nghiệm; yêu cầu độ xác, quy mô kích thớc công trình, diện tích mặt thí nghiệm v.v chọn tỷ lệ hình học mô hình L =75 Theo tiêu chuẩn Froude, từ tỷ lệ mô hình L = 75, ta có: - Tỷ lệ diện tích: s = 2L = 752 = 5.625 - Tỷ lệ thể tích: s = 3L = 753 = 421.875 - Tỷ lệ lu lợng: Q = 2L.5 = 75 2.5 = 48.713,93 - Tỷ lệ vận tốc: V = 1L/ = 751/ = 8,66 - Tỷ lệ gia tốc: a = - Tỷ lệ thời gian: T = 1L/ = 751/ = 8,66 Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Phạm vi bố trí mô hình Mô hình đợc bố trí trời với kích thớc nh sau: với - Chiều dài mô hình: Để loại trừ ảnh hởng lu tốc tới gần, chiều dài phía thợng lu tràn khoảng 30 lần Htr, tức khoảng 440m, tơng ứng mô hình 5,9m, đảm bảo mực nớc tràn tơng ứng với mặt nớc hồ Chiều dài phía hạ lu đảm bảo bao đợc tuyến đo Q ~ Zhl mà thiết kế đo đạc, bố trí đoạn kênh dẫn sau khoảng 450m, tơng ứng mô hình 6,0m - Bề rộng mô hình: Xét từ mực nớc lũ lớn phía hồ chứa theo địa hình lòng sông hạ lu, để đảm bảo an toán lấy chiều rộng cần mô hình hóa 600m tơng ứng mô hình 8,0m Để đủ điều kiện bố trí phận lặng sóng, máng cấp nớc, máng thu hồ nớc, phạm vi để xây dựng mô hình đợc bố trí phạm vi diện tích: S = B ì L = 10 ì 13 (m2) (Bố trí mô hình nh hình vẽ kèm theo) Vật liệu làm mô hình - Với tỷ lệ mô hình chọn L = 75 tỷ lệ nhám n = L1/6 = 751/6 = 2,053 - Trong thực tế lòng sông có độ nhám n1 = 0,024 - Công trình đầu mối bê tông có độ nhám n2 = 0,017, - Cửa van kính hữu có độ nhám = 0,014 Theo tỷ lệ nhám số nhám mô hình lần lợt là: nm1 = 0,0117; nm2 = 0,0083; nm3 = 0,0068 Với độ nhám ta chọn vữa xi măng cát mịn làm vật liệu cho công trình đầu mối lòng dẫn, kính hữu làm vật liệu chế tạo cửa van nh mô hình đảm bảo tơng tự mặt độ nhám Xây dựng chế tạo mô hình - Lên cao độ địa hình mô hình (nh sơ đồ trên) đợc khống chế máy thủy bình độ xác cao Ni-005 Đức - Phần đầu mối lòng dẫn đợc chế tạo vữa xi măng cát mịn đảm bảo không biến dạng, không thấm - Để đảm bảo dòng chảy mô hình tơng tự nh thực tế, thí nghiệm lắp đặt thêm phận lặng sóng - Các phần lại nh lòng hồ, kênh dẫn.v.v đợc làm vữa xi măng cát đảm bảo khả chống thấm, bền vững - Lu lợng qua mô hình đợc khống chế qua van điều chỉnh lu lợng đo qua máng lờng chữ nhật có dạng đập tràn thành mỏng Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Kiểm tra điều kiện giới hạn Reynolds Để đảm bảo trạng thái chảy mô hình tơng tự với thực tế dòng chảy phải khu bình phơng sức cản tức Rem > Regh - Rem: số Raynolds mô hình - Regh: số Raynolds giới hạn - Trong đó: Re m = Vm R m Re gh = 14 L m m - : hệ số nhớt động học nớc thí nghiệm, với t = 200C = 1,01.10-6m2/s - L: tỷ lệ mô hình - m: độ nhám tuyệt đối mô hình; m = 0,65mm Từ điều kiện chiều cao cột nớc đỉnh tràn mô hình không nhỏ 5cm; ta giả thiết chiều cao cột nớc tràn nhỏ mô hình 5cm, tơng ứng cột nớc tràn nguyên hình Hmin = 75 x 0,05 = 3,75m Tơng ứng có lu lợng lu tốc qua tràn nguyên hình là: 3 Q = m.n.b 2.g H = 0,42 x x11 x9,81x3,75 = 891,64m / s Vn = Q 891,64 = = 3,60m / s 66 x3,75 Theo thiết kế kênh dẫn sau dốc nớc có B= 150m; i=0,0006; n=0,024; m=2 Từ toán dòng chảy kênh hở, dùng công thức tính lu lợng Q = C R.i , ta tính đợc chiều sâu cột nớc kênh dẫn hạ lu phơng pháp thử dần theo bảng sau: Bảng 2: tính toán dòng chảy kênh dẫn sau dốc nớc H(m) (m2) 2,00 2,50 2,80 2,86 308,00 387,50 435,68 446,14 (m) 158,94 161,18 162,52 162,81 R(m) C (m0,5/s) Q(m3/s) V(m/s) 1,938 2,404 2,681 2,740 46,524 48,226 49,109 49,289 488,60 709,76 858,10 891,64 1,59 1,83 1,97 2,00 Từ bảng trên, tơng ứng với Qmin = 891,64 m3/s, ta có chiều cao cột nớc kênh dẫn sau dốc nớc hn = 2,86m, đồng thời có đợc lu tốc V bán kính thủy lực R mặt cắt ổn định kênh dẫn sau dốc nớc nh bảng - Từ tính đợc hh min, Rm, Vm chiều cao, bán kính thủy lực vận tốc nhỏ hạ lu dòng chảy mô hình: Hm = hn/l = 286/75 = 3,82cm Rm = Rn/l = 274/75 = 3,70cm Vm=Vn/v =2/751/2= 0,231m/s Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Từ tính đợc: Re m = m = V m R m 0,231x0,037 = = 8.348 1,01x10 g.R m i Re gh = = m x9,81x0,037 x0,0006 = 0,0081 ; 0,2312 14 m m = 14 75 x0,65 x10 x 0,0081 = 3.196 Vậy ta có đợc Remh > Regh (bảng 3) Bảng 3: Bảng tính kiểm tra điều kiện Reynolds mô hình Hmhmin (cm) Vmh(m/s) Remhmin Regh So sánh 3,82 0,231 8.348 3.196 Remhmin>Regh Vậy dòng chảy nằm khu tự động mô hình Dòng chảy mô hình đảm bảo tơng tự với thực tế Mô hình thoả mãn điều kiện tơng tự Các thiết bị đo đạc thu thập số liệu 7.1 Dụng cụ đo cao độ Cao độ bình đồ mô hình đờng mặt nớc đo máy thủy bình độ xác cao Ni-005 7.2 Dụng cụ đo lu lợng Đo lu lợng đập tràn thành mỏng (máng lờng) dạng chữ nhật Lu lợng qua đập đợc tính theo Rebock nh sau: Q = (1.782 + 0.24 ì he/P) ìB ì he3/2 đó: Q - lu lợng (l/s) B - chiều rộng máng đo lu lợng (m) P - chiều cao đập lờng (m) he = h0 + 0.0011 (m) 7.3 Thiết bị đo mực nớc Thiết bị đo mực nớc kim đo mực nớc ARMFIELD độ xác cao (thiết bị Anh sản xuất), độ xác kim đo 0.1mm 7.4 Đo áp suất mạch động Đo áp suất mạch động đầu cảm ứng DRUCK 7.5 Dụng cụ đo lu tốc Máy đo lu tốc kiểu điện từ Pems-E30, E-40 7.6 Thiết bị lu trữ xử lý số liệu - Bộ lu trữ, xử lý số liệu Hydra-Datalogger, Fluke Mỹ sản xuất Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL - Bộ lu trữ xử lý số liệu TDS-303 Nhật sản xuất - Các thiết bị văn phòng, máy tính, máy in IV Thí nghiệm mô hình Công tác thí nghiệm đợc tiến hành theo sêry Mỗi sêry thí nghiệm đợc thực theo trình tự nh sau: Mở nớc Vận hành máy bơm đa nớc từ bể chứa ngầm lên bể áp lực từ chảy qua máng lờng đo lu lợng chảy vào mô hình Xác định lu lợng, mực nớc thí nghiệm - Dùng van khống chế lu lợng chảy qua máng lờng vào mô hình - Khi mực nớc hạ lu, máng lờng ổn định, đọc giá trị mực nớc thợng lu - Mực nớc hạ lu đợc khống chế nhờ kim đo mực nớc hạ lu Đo đạc tính toán ứng với trờng hợp Các số liệu đo đạc đợc ghi chép mô hình sau truy cập, tính toán xử lý, phân tích lu trữ máy vi tính Đồng thời chụp số hình ảnh mô hình kèm vào tài liệu báo cáo V Kết thí nghiệm Tiến hành đo lu lợng xả qua tràn vận tốc đáy mặt cắt nêu với trờng hợp sau: - Mở cửa khoang tràn có độ mở cửa hoàn toàn, mực nớc hồ + 73.95m - Mở cửa van khoang tràn có độ mở a = 4.0m, mực nớc hồ + 74.3m - Mở cửa van khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m - Mở cửa van khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m - Mở cửa van hoàn toàn khoang tràn, mực nớc hồ +74.3m - Mở cửa van hoàn toàn khoang tràn, mực nớc hồ +74.67m - Mở cửa van khoang tràn có độ mở cửa a = 4.0m, mực nớc hồ +74.67m - Mở cửa van khoang tràn có độ mở cửa a = 6.0m, mực nớc hồ +74.67m Bảng Kết sêri thí nghiệm TT N a(m) E(m) Q(m3/s) hh(m) dt(m) ds(m) Lt(m) Ls(m) Lh(m) Uđ(m/s) Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Trong tất trờng hợp mở cửa van thay đổi lại sêry thí nghiệm chiều dài, khoảng cách bố trí chiều cao tờng tiêu chiều dài sân sau Các kết thí nghiệm đợc ghi bảng 4.3 VI phân tích lập công thức từ kết thí nghiệm Mục đích tìm đợc quy luật ảnh hởng yếu tố thủy lực yếu tố công trình tới vận tốc đáy (U đ) mặt cắt cuối phần gia cố cứng sau bể tiêu nối tiếp với kênh tự nhiên Từ quy luật tìm mối quan hệ tơng hỗ đại lợng biến đổi mà đại lợng đợc suy từ đại lợng khác phục vụ công tác nghiên cứu, vận hành Học viên: ... tràn xả lũ - Quan hệ Q~Z hạ lu công trình - Các mặt cắt địa chất tiêu lý sau tràn Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL B Tiến hành thiết kế lập mô hình thủy lực II Thiết kế Mục đích...Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Bài tập Lập mô hình thủy lực cho đập tràn A A Đề (Đề số 9) Giới thiệu tràn xả lũ Các hạng mục công trình đầu mối gồm: Đập đất đồng... = 751/ = 8,66 Học viên: Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL Phạm vi bố trí mô hình Mô hình đợc bố trí trời với kích thớc nh sau: với - Chiều dài mô hình: Để loại trừ ảnh hởng lu tốc tới