Tiêu năng sau công trình tháo nước và phương pháp tính toán

Tiêu năng sau công trình tháo nước và phương pháp tính toán

Chuyên đề: TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC

Khi xây dựng công trình trên sông thì mực nước phía trước công trình sẽ tăng lên,tức là thế năng của dòng chảy tăng lên.Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu thì phần lớn thế năng chuyển thành động năng,thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn.Dòng chảy đó có năng lượng thừa lớn.Khi chảy xuống hạ lưu,nó có thể gây xói lở lòng dẫn nếu không được gia cố đầy đủ.Từ đó có thể làm mất ổn định của cả công trình.Bởi vậy phải chuyển dòng xiết thành dòng chảy êm nghĩa là tao ra nowuwcs nhảy ở hạ lưu.Chúng ta cố gang dịnh vị nước nhay ở ngay chân công trình bằng nhiều loại thiết bị khấc nhau,hoặc cho dòng chảy phun vào không khí rồi rơi xuống hạ lưu

Vì vậy giải quyết vấn đề tiêu năng là một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong tính toán thuỷ lực công trình

1.1 Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu

- Có lưu tốc lớn và phân bố rất không đều trên mặt cắt ngang - Mực nước hạ lưu thường thay đổi

- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao.Thường thì sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình thường,nhưng mạch động thì phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng thái bình thường

- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghoèo,dòng chảy xiên,nước nhảy sóng,…

1.2 Nhiệm vụ tính toán tiêu năng : tìm được biện pháp tiêu huỷ toàn bộ năng lượng

thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất,giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu

1.3 Nguyên lý tiêu năng

- Tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ

- Phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí - Khuếch tán để giảm lưu lượng đơn vị

1.4 Các hình thức tiêu năng

Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là : - Tiêu năng đáy

- Tiêu năng mặt - Tiêu năng phóng xa

1.5 Các phương pháp nghiên cứu tiêu năng

Chọn hình thức tiêu năng và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng cụ thể chưa có lời giải chính xác hoàn toàn.Hiện nay thường áp dụng nhiều phương pháp khác nhau.Có thể áp dụng độc lập hoặc phối hợp các phương pháp

- Phương pháp lý luận : hiện chưa có phương pháp lý luận chính xác.Phương pháp này

thường dẫn tới các công thức lý luận kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh

- Phương pháp thí nghiệm mô hình : từ thí nghiệm mô hình thuỷ lực xây dựng các công

thức thực nghiệm.Các công thức này có phạm vi ứng dụng nhất định và có giá trị gần đúng.Phương pháp này cũng dùng để kiểm chứng các kết quả có được từ phương pháp lý luận

- Nghiên cứu trên nguyên hình : nguyên hình là mô hình có tỷ lệ 1:1,mọi điều kiện

tương tự được đảm bảo

2.1 TIÊU NĂNG DÒNG ĐÁY

- Đặc điểm : lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu năng.Trong tiêu năng đáy

lưu tốc ở đáy rất lớn,mạch động mãnh liệt,có khả năng gây xói lở,vì vậy trong khu vực nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau).Khi nền xấu phải gia cố tiếp đoạn sau thiết bị tiêu năng (xây sân sau thứ hai).Để tăng hiệu quả tiêu năng thì trên sân sau có xây thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố,ngưỡng để tăng sự xáo trộn nội bộ dòng chảy, đồng thời ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng tiêu hao một phần năng lượng

- Điều kiện : chiều sâu nước cuối bể lớn hơn chiều sâu liên hiệp của nước nhảy

h rất lớn,như vậy phải hạ thấp đáy và bảo vệ kiên cố sân sau.Lúc đó hình thức tiêu năng

đáy không kinh tế

2.1.1 Bể tiêu năng

Hình 2.1 : Sơ đồ xác định chiều sâu đào bể 2.1.1 Phương pháp chung

Chiều sâu đào bể xác định từ công thức :

     "    hay d= h

dhhZhZ (2.1)

Trong đó :  1,05 1,10 là hệ số ngập

Để xác định chiều sâu đào bể ta phải dùng phương pháp thử dần như sau : - Xác định h c"

- Tính chiều sâu d2 theo (2.1)

Nếu d2 d1 thì d2 là độ sâu đào bể cần tìm.Nếu d1 và d2 sai khác nhau nhiều thì lấy d2

để tính lại theo trình tự trên

2.1.2 Một số phương pháp khác

Nhiều tác giả như: Téctôuxốp, Smetana, Baskirova, USBR( Cục khai hoang Hoa Kỳ),… đề nghị các phương pháp khác nhưng đều dựa trên các công thức nói trên, trong đó phương pháp giải đồ thị của G.S.Tréctôuxốp được áp dụng rộng rãi trong thưc tế sản xuất

Trong phương pháp tính toán bể tiêu năng, khi tính z các tác giả đều dựa trên giả thiết

là sơ đồ dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng tương tự như sơ đồ dòng chảy ngập qua đập tràn đỉnh rộng.Thực ra giả thiết này không hoàn toàn đúng với thực tế

Theo nghiên cứu của Võ Xuân Minh( Trường Đại hoc Mỏ dịa chất Hà Nội) tại mặt cắt cuối của bể tiêu năng, độ sâu nước tăng nhanh, đường mặt nước là đường cong ( bán kính cong tương đối bé), ở đó kết cấu dòng chảy rất phức tạp không thể có dòng chảy thay đổi dần được Đó là sự khác nhau căn bản so với sơ đồ của dòng chảy ngập qua đập tràn đỉnh rộng

Theo Võ Xuân Minh, trong tính toán có thể tính dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng như dòng chảy qua đập tràn với dạng công thức cơ bản đã biết:

3/ 201210

qmg H

Nhưng hệ số lưu lựng m01 phải có trị số riêng, không thể lấy hệ số lưu lựng chảy ngập của đập tràn đỉnh rộng được Võ Xuân Minh đề nghị đưa vào hệ số mới, gọi là hệ số lưu lượng của bể tiêu năng, kí hiệu là m01 Các trị số m01 lấy ở bảng (2.1)

Bảng 2.1 - Hệ số lưu lượng bể tiêu năng

m 01

m 01

Trong bảng (2.1) trị số z0được tính từ công thức:

Cách tính chiều sâu bể tiêu năng có thể tiến hành như sau:  Xách định hệ số lưu lựng bể tiêu năng:

001

(2.3)  Tính chiều cao cột nước dâng trên ngưỡng bể:

H0 =

vq

 Do đó,chiều sâu bể tiêu năng là:

d = "1

  (2.5)

2.1.2 Tường tiêu năng

Nếu điều kiện kết cấu và thi công không thích hợp với việc đào bể thì có thể dùng tường tiêu năng.Tường tiêu năng làm giảm khối lượng đào.Sau tường không được phép xảy ra nước nhảy phóng xa

Hình 2.2 : Sơ đồ xác định chiều cao tường tiêu năng

Chiều cao tường tiêu năng được xác định :

ChbHt hc"Ht (2.6) Ht là chiều cao cột nước tràn qua tường :

nlà hệ số ngập của tường tiêu năng nn

   

Để xác định C ta phải dùng phương pháp thử dần - Tính h ; ch c"

- Giả sử n  Tính H1 t theo (2.4) rồi tính C theo (2.3)

Nếu C > hh thì chế độ chảy qua tường là tự do,kết quả tính trên là đúng.Nhưng thường thì C < hh,tức là chế độ chảy qua tường là chảy ngập (n  ).Khi đó cần xác định hệ số ngập 1

 và tính lại chiều cao tường

Sau khi tính được C phải kiểm tra lại dạng nước nhảy sau tường.Nếu sau tường có nước nhảy xa phải làm tiếp tường thứ hai và trong trường hợp cần thiết có thể cần đến tường thứ ba…sao cho sau tường cuối cùng là nước nhảy ngập

Thực tế,việc lấy hệ số lưu lượng của tường mt 0, 40 0,42 là chưa chính xác Baskirova dựa trên kết quả thí nghiệm đã đưa ra hệ số lưu lượng đối với một số loại tường như sau :

Hình 2.3 : Một số dạng mặt cắt ngang tường tiêu năng

2.1.3 Bể tường tiêu năng kết hợp

Trong thực tế có nhiều trường hợp nếu chỉ xây bể thì chiều sâu đào bể quá lớn,nếu chỉ xây tường thì tường quá cao,sau tường rất có khả năng xảy ra nước nhảy xa và phải làm tiếp tường thứ 2…Cả hai trường hợp đều không kinh tế.Trường hợp này nên kết hợp cả hai phương pháp,vừa xây tường,vừa đào bể

Nguyên tắc tính toán thuỷ lực trong trường hợp này là chọn chiều cao tường lớn nhất có thể sao cho sau tường có nước nhảy ngập,sau đó xác định chiều sâu đào bể để trong bể có nước nhảy ngập

Hình2 4 : Sơ đồ tính toán bể tường tiêu năng kết hợp

Trình tự tính toán như sau :

2.1.3.1 Xác định chiều cao tường C0 sao cho sau tường có nước nhảy tại chỗ

- Độ sâu co hẹp sau tường hc1 là độ sâu liên hiệp với hh :

1.2

Với H10 là cột nước toàn phần trên đỉnh tường :

h lại phụ thuộc d0 (qua E0) nên phải tính đúng dần

2.1.3.3 Sau khi có d0 và C0 ta lấy C bé hơn C0 một chút Có thể lấy C = 0,95C0.Khi đó  "

dh H C (2.13) Trong đó H1 tính theo (4)

2.1.4 Chiều dài bể

Lb  Lr Ln (2.14) Trong đó : Lr - chiều dài nước rơi

Ln - chiều dài nước nhảy  0, 7 0,8

2.1.4.1 Xác định chiều dài nước rơi Lr

- Nếu chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang :

2.1.5 Sân sau thứ hai

Bể tiêu năng tiêu hao được phần lớn năng lượng thừa,tuy nhiên vẫn còn một phần năng lượng thừa tồn tại dưới dạng động năng,mạch động…và phải được tiêu hao trên một đoạn đủ dài sau bể Đó là sân sau thứ hai.Kết cấu của nó phải có tính dễ biến dạng thích nghi với địa chất nền hạ lưu,dễ thấm nước.Chiều dài sân sau có thể tính theo công thức :

L2 K q H (m) (2.15) Trong đó :

H - chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (m) q – lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng (m3/s.m) K - hệ số phụ thuộc vào địa chất nền và lòng dẫn Với cát mịn,cát pha : K 10 12

Với cát to,đất có tính dính : K   8 9Với đất sét cứng : K 6 7

Công thức (2.12) được dùng khi q H   1 9

2.1.6 Thiết bị tiêu năng phụ trên sân sau

Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình thuỷ lợi,để tăng cường hiệu quả tiêu hao năng lượng thừa ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ.Thiết bị tiêu năng phụ làm cho dòng chảy gây nên lực phản kích lại và giảm được hc",rút ngắn chiều dài sân sau.Theo thí nghiệm,nếu bố trí hợp lý thiết bị tiêu năng phụ thì có thể giảm hc" được 20%-25%,có khi đến 30%

Thiết bị tiêu năng phụ thường bố trí ở nơi lưu tốc lớn nên xung quanh dễ sinh áp lực âm.Lưu tốc càng lớn,nếu mố không thuận thì áp lực càng lớn,gây nên khí thực phá hoại bêtông.Đồng thời cần chú ý hiện tượng các vật nổi va đập vào các thiết bị này

Sau đây là một số thiết bị tiêu năng phụ thường dùng :

2.1.6.1 Ngưỡng tiêu năng

Ngưỡng tiêu năng ngập trong nước nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối với dòng chảy lưu tốc cao,giảm hc".Nếu góc nghiêng mái thượng lưu của ngưỡng nhỏ hơn 900 nhưng hơn 600 thì không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tiêu năng nhưng cải thiện được trạng thái dòng chảy rất lớn.Muốn tăng lực phản kích thì phải tăng chiều cao ngưỡng nhưng phải đảm bảo không sinh nước nhảy sau ngưỡng

Hình2 5 : Ngưỡng tiêu năng

Chiều cao ngưỡng có thể lấy bằng  " 

1,9 hchh

Ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau.Đặt gần phía trước thì lực phản kích lớn hơn nhưng dòng chảy biến động lớn.Đặt gần phía sau thì mức độ ngập của nước nhảy kém,có khi không ngập

- Khoảng cách giữa 2 mép mố gần nhau Bm bm

Nên bố trí 2 hàng mố thì hiệu quả tiêu năng tốt hơn,khoảng cách giữa 2 hàng mố

2 3

L   d ,các mố bố trí theo hình hoa mai

Mố có mặt thượng lưu thẳng đứng thì gây nên lực phản kích lớn hơn so với mặt thượng lưu ngiêng nhưng dòng chảy biến động lớn.Mặt hai bên mố là thẳng đứng thì dễ sinh áp lực âm rất lớn,gây nên khí thực.Để giảm hoặc tiêu trừ áp lực âm thì các góc cạnh của mố thường làm thành góc tròn,mặc dù hiệu quả tiêu năng có giảm ít nhiều

2.1.7 Lưu lượng tính toán tiêu năng

Công trình thuỷ lợi làm việc với lưu lượng biến đổi từ Qmin tới Qmax.Thiết bị tiêu năng phải giải quyết tốt vấn đề tiêu năng cho mọi cấp lưu lượng có thể có trong phạm vi ấy.Vì

vậy trong thiết kế tiêu năng phải tính toán theo lưu lượng nào gây ra sự nối tiếp bất lợi nhất,lưu lượng ấy gọi là lưu lượng tính toán tiêu năng.Thiết kế tiêu năng theo lưu lượng này sẽ cho bể tiêu năng có kích thước lớn nhất

Trường hợp bất lợi nhất là trường hợp nối tiếp bằng nước nhảy xa có  " 

Hình 2.8 : Cách xác định QTN

Trong tính toán cần chú ý lưu lượng tháo qua công trình Q và lưu lượng dòng chảy ở hạ lưu Qh có thể khác nhau,vì có thể có công trình khác bên cạnh cũng chảy vào lòng dẫn hạ lưu (ví dụ với đập tràn có nhà máy thuỷ điện bên cạnh thì lưu lượng ở lòng dẫn hạ lưu bao gồm lưu lượng qua đập tràn và lưu lượng qua nhà máy thuỷ điện).Do đó có thể viết :

Giải:

F(τc) = q

φEo3/2 = =0.308Error! Bookmark not defined

τc = 0,072→hc =0,072.9,40=0,68m

τc″= 0,431 →hc″=0,431.9,4=4,05m

hc″ >hh : nối tiếp bằng nước nhảy xa phải giải quyết bằng tiêu năng

Tính do và co để có nước nhảy phân giới ở sau tường và trong bể a ) Tính co

hc1= hh2

  =

do =(hc”

do

=4,1-2283, 27

c= 0,55m <c0 ; d= 1,20m >do

Với d,c lấy như trên ta thấy điều kiện hb =d+c+H1 (hc”) đã được thỏa mãn và tính toán kết thúc ở đây

2.2 TIÊU NĂNG DÒNG MẶT

- Dòng chảy ở hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt.Theo kinh nghiệm thì hiệu quả tiêu năng so với tiêu năng đáy không kém hơn nhiều nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn,đồng thời lưu tốc đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé,thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau.Ngoài ra còn có thể tháo vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau

= 012

h ha

Hình 2.9 : Trạng thái chảy ở hạ lưu đập có bậc

- Điều kiện ứng dụng : Chiều sâu mực nước hạ lưu ổn định và hh hc";dùng với lưu lượng lớn nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn,bờ ở hạ lưu có khả năng ổn định,chống xói tốt

- Nhược điểm của tiêu năng dòng mặt và dòng phễu :

+ Tiêu năng dòng mặt gây trở ngại cho thuyền bè đi lại ở hạ lưu và đe doạ sự ổn định của bờ,dễ sinh nước nhảy phóng xa,sân sau làm việc với chế độ thay đổi liên tục

+ Tiêu năng dòng phễu là kết quả nghiên cứu thực nghiệm.Loại này yêu cầu về mực nước hạ lưu không khắt khe như dòng mặt,yêu cầu phòng xói lở bờ cũng không cao

2.2.1 Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt

2.2.1.1 Nguyên tắc bố trí

Dựa trên các điều kiện thuỷ văn,thuỷ lực, địa hình, địa chất quyết định hình dạng,kích thước của bậc mũi phun sao cho đảm bảo hiệu quả tiêu năng,xung vỗ hạ lưu là nhỏ nhất và có giải pháp hữu hiệu bảo vệ hạ lưu trước những bất lợi không tránh được

2.2.1.2 Chiều cao nhỏ nhất của bậc tràn khi không có cửa van

Khi chọn chiều cao bậc để tạo dòng mặt cần thoả mãn các yêu cầu : - Không có dòng phun với lưu lượng nhỏ nhất

- Không có dòng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất - Chiều cao bậc lớn hơn chiều cao nhỏ nhất amin

+ Khi   ,theo Skladnev : 0 amin 2,7hk 4,32h

+ Khi 0 120,theo Stepan :  3 

Trong đó :

+ hk là chiều sâu phân giới

+ h là chiều dày lớp nước trên mũi bậc +

2.2.1.3 Chiều cao bậc khi tràn có cửa van

Nguyên tắc thiết kế là căn cứ vào chiều sâu nước hạ lưu hh

+ hh phải đảm bảo trong suốt quá trình vận hành sao cho với mọi cấp lưu lượng đều có chế độ dòng mặt

+ Khi hh nhỏ thì phải chọn góc nghiêng ở đỉnh bậc sao cho hợp lý

2.2.1.4 Góc nghiêng ở đỉnh bậc 

Công trình tiêu năng dòng mặt,đỉnh bậc thường nằm ngang.Đôi khi bậc có góc nghiêng nhỏ.Theo Viện nghiên cứu Thuỷ lợi-Thuỷ điện Quảng Tây,Trung Quốc thì  100150

2.2.1.5 Bán kính cong ngược và chiều dài bậc

Với đập có cột nước trung bình và lớn thì chọn bán kính cong ngược của bậc là 10 25

R  m,với đập vừa và nhỏ thì R 5 12m.Với 1 góc nghiêng nhất định,bán kính cong ngược càng lớn thì khả năng khống chế của bậc càng tốt nhưng mực nước ngay sau đập cao,do đó khối lượng đập lớn.Ngược lại bán kính cong ngược nhỏ thì khối lượng đầu tư vào công trình ít

Với đập cột nước thấp,theo Viện nghiên cứu Thuỷ lợi-Thuỷ điện Quảng Tây :

Khi a/P = 0,3 lấy K = 4,0 ; b = 0,36 Khi a/P = 0,5 lấy K = 3,6 ; b = 0,43 Chiều dài bậc : LRsin

2.2.2 Tiêu năng dòng phễu

Khi bán kính cong ngược lớn,dòng mặt sẽ chuyển thành dòng phễu và tương ứng ta có tiêu năng dòng phễu So với tiêu năng dòng mặt ,tiêu năng dòng phễu có hiệu quả tiêu năng tốt hơn và được ứng dụng ở những nơi có lưu lượng lớn và hh lớn

2.2.2.1.Cấu tạo của phễu tiêu năng

Phễu tiêu năng có các hình thức: Phễu tiêu năng có bậc dạng không liên tục;phễu tiên năng có mũi bậc dạng răng cưa;phễu tiêu năng có ngưỡng bậc lệch (ở các cao độ khác nhau)

Hình dạng kết cấu phễu có các loai:

-Phễu có đoạn nằm ngang từ đó năng lượng dòng chảy được tiêu hao một phần trước khi xuống hạ lưu

-Phễu có các đoạn cong, loại này giảm nhỏ góc phóng của dòng chảy,giảm được mức độ xô động ở hạ lưu

- Phễu có đoạn cong dốc ngược