Nghiên cứu thực nghiệm khả năng tháo năng tháo nước của đập tràn phím piano

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ CHí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ––]—— HUỲNH HÙNG ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA ĐẬP TRÀN PHÍM PIANO CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THUỶ MÃ SỐ NGÀNH: 60.58.40 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - THÁNG 12 NĂM 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG DẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Trương Chí Hiền Cán chấm nhận xét : TS Huỳnh Thanh Sơn Cán chấm nhận xét : TS Huỳnh Công Hoài Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 29 tháng 12 năm 2004 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH HÙNG Ngày tháng năm sinh: 15/06/1977 Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Phái : Nam Nơi sinh: Tiền Giang Mã số: CTTH13.003 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THÁO NƯỚC CỦA ĐẬP TRÀN PHÍM PIANO II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1/ Nhiệm vụ: Khảo sát dòng chảy qua đập tràn phím Piano thí nghiệm mô hình nhằm đo đạc thông số để tìm hệ số lưu lượng thông số cho loại đập tràn phím Piano 2/ Nội dung: Tổng quan Tình hình nghiên cứu đập tràn phím Piano Mục tiêu nội dung nghiên cứu Kết qủa thí nghiệm So sánh ba phương án đập tràn phím Piano Hệ số chảy ngập Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục III NGÀY GIAO NHIỆM V : 20/01/2004 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2004 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRƯƠNG CHÍ HIỀN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NGÀNH TS TRƯƠNG CHÍ HIỀN CHỦ NHIỆM NGÀNH TS NGUYỄN VĂN ĐĂNG BỘ MÔN QUẢN LÝ TS HUỲNH THANH SƠN Nội dung đề cương Luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Luận văn thực từ tháng 01 đến tháng 12 năm 2004 thuộc khoá cao học 13 ngành Xây dựng công trình thủy Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Đây lần thực công tác thí nghiệm nên luận văn thạc só “Nghiên cứu thực nghiệm khả tháo nước đập tràn phím Piano” hoàn thành nỗ lực lớn thân hỗ trợ mong đợi nhiều người: từ gia đình, giáo viên hướng dẫn người giúp tác giả luận văn chế tạo mô hình, dụng cụ thí nghiệm Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn: Ä Ba Mẹ gia đình ủng hộ lo lắng cho việc học hai năm qua Ä Thầy Huỳnh Thanh Sơn, thầy Đặng Quốc Dũng, thầy Huỳnh Công Hoài, thầy Nguyễn Chiến Thắng, thầy Trần Mạnh Vũ trường Đại học Bách Khoa, anh Nguyễn Trần Khánh Viện nghiên cứu khoa học thủy lợi miền Nam có hướng dẫn góp ý bổ ích cho em công tác thí nghiệm Ä Các em Phạm Xuân Trường, Từ Lê Như Việt, Đặng Minh Chương, Trần Thị Mỹ Lệ không tiếc công sức thời gian chế tạo dụng cụ, mô hình thí nghiệm với tác giả thí nghiệm đo đạc thông số Đặc biệt tác giả luận văn xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trương Chí Hiền hướng dẫn tận tình giúp đỡ em mặt vượt qua khó khăn qúa trình thí nghiệm để hoàn thành luận văn đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2004 Trân trọng kính chào ! TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tổng quan Hầu hết đập tự tràn hữu thường có dạng đập bê tông trọng lực kiểu đập tràn thực dụng Creager Creager - Ophixorov Hạn chế chúng lưu lượng đơn vị thấp xấp xỉ q = 2,2 H o3 / (tính m3/s-m) với H o cột nước toàn phần Nhằm tăng lưu lượng tháo qua đập tràn người ta dùng đập tràn có cửa van để hạ thấp cao trình ngưỡng tràn xuống hay tăng chiều cao cột nước tràn để chủ động điều tiết lượng nước xa, hạn chế đập tràn có cửa van việc vận hành phức tạp hay bị kẹt cửa van Để tăng khả tháo nước người ta dùng đập tràn mỏ vịt có chiều dài tường tràn dài nhiều lần bề rộng đập tràn (thường gấp lần trở lên) Kiểu thiết kế thường tăng gấp đôi lưu lượng so với kiểu đập tràn thực dụng Creager hạn chế đập tràn mỏ vịt xây dựng đỉnh đập bê tông trọng lực yêu cầu khu vực móng phẳng vững Chính hạn chế đập tự tràn truyền thống, đập tràn có cửa van đập tràn mỏ vịt đặt vấn đề cho nhóm tác giả hai ông F LEMPERIERE - Chủ tịch HYDROCOOP, Tổ chức quốc tế trao đổi kỹ thuật phi lợi nhuận (4, Cité – 75116 PARIS – FRANCE hydrocoop france@compuserve.com) - Chủ tịch danh dự Hội đồng Pháp đập lớn – Chủ tịch Ủy ban vật giá ICOLD A OUAMANE - Giảng viên Khoa thuỷ lực – Trường đại học Biskra Algeria nghiên cứu tìm kiểu đập tràn có khả tháo nước lớn với hình dạng giống bàn phím đàn Piano đặt tên đập tràn phím Piano Tình hình nghiên cứu đập tràn phím piano Trong năm trở lại đây, đập tràn phím Piano Hiệp hội HYDROCOOP ông F Lemperiere làm Chủ tịch hiệp hội nghiên cứu chứng minh qua 50 thí nghiệm thuỷ lực mà kết thu là: − Đập tràn phím Piano giải pháp an toàn dễ vận hành đập tự tràn truyền thống − Trong chiều rộng kênh tháo lũ B, lưu lượng tháo lũ tăng lên lần so với kiểu đập tràn thực dụng Creager − Đập tràn thực chất làm giảm chi phí hầu hết đập ngăn nước tăng độ an toàn, khả trữ nước, khả kiểm soát lũ đập hữu Đập tràn phím Piano có nhiều dạng nhờ thay đổi kích thước chiều dài, rộng độ sâu phím Các thử nghiệm chi tiết cho thấy mức độ lạc quan khả tăng lưu lượng tuỳ theo tỷ số chiều dài, độ sâu, chiều rộng hình dáng phím đặc biệt phụ thuộc vào tỷ số N tổng chiều dài tường tràn / bề rộng đập tràn Trong thực tế nghiên cứu hai kiểu sau thí nghiệm: − Kiểu A với kết cấu nghiêng thượng lưu hạ lưu, thiên việc sử dụng phần tử bê tông cốt thép đúc sẵn dùng cho lưu lượng đơn vị lên đến 20 m3/s-m Vì lý mà kiểu A thích hợp cho việc cải tạo nhiều đập tràn có − Kiểu B có kết cấu nghiêng thượng lưu, tiết kiệm khoảng 10% so với kiểu A A vấn đề chịu tải kết cấu quan tâm lưu lượng tháo nước lớn Vì vậy, kiểu B giải pháp khả thi cho đập tràn lớn tương lai Mục tiêu & nội dung nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Đập tràn phím Piano loại đập tràn giới chưa có số liệu cụ thể để áp dụng vào thiết kế cải tạo đập tràn hữu Tính ưu việt khả tháo nước lớn phân tích hai tác giả F Lemperiere A Ouamane Các nghiên cứu có hai ông dừng lại hai kiểu A B có N=6 chế độ chảy tự Luận văn tiến hành khảo sát dòng chảy khả tháo nước ba phương án A, B, C đập tràn phím Piano với hệ số N = 4, 5, chế độ chảy tự chảy ngập Dựa kết thực nghiệm tiến hành so sánh ưu nhược điểm ba phương án A, B, C đập tràn phím Piano với đập tràn mỏ vịt – mô hình tiến hành thí nghiệm vào tháng năm 2003 Viện khoa học thủy lợi miền Nam “Báo cáo kết quả: thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước sông Móng - Tỉnh Bình Thuận” mô hình đập tràn mỏ vịt Việt Nam khả tháo nước, hệ số lưu lượng, vận tốc dòng chảy dốc nước Đồng thời tiến hành so sánh khả tháo nước ba phương án A, B, C kiểu A giới thiệu Ngoài ra, dựa vào kết thí nghiệm ba phương án A, B, C chế độ chảy ngập luận văn tính hệ số chảy ngập cho phương án 3.2 Lý thuyết tính toán đập tràn Mô hình thí nghiệm co hẹp bên nên công thức tính lưu lượng đập tràn phím Piano trường hợp tổng quát lấy sau: Q = σn(ΣmiLi) g H03/2 Trong đó: σn hệ số chảy ngập đập tràn phím Piano mi, Li hệ số lưu lượng chiều dài tương ứng đầu, cuối thành bên phím Trong đập tràn phím Piano có loại ngường tràn: có lọai theo mặt cắt hình tam giác thuận ngược (mặt cắt a-a, b-b hình 3.1) loại thứ tràn qua thành bên phím (là loại tràn thành mỏng) Với kết thí nghiệm thu ta tính giá trị (ΣmiLi), có Li vấn đề lại xác định mi loại ngường tràn Đây toán lời giải ta đo đạc thông số Q, H tổng loại ngưỡng tràn trên, nên đơn giản ta phải dùng hệ số lưu lượng tương đương Mp đại diện cho loại ngưỡng tràn với chiều dài tràn tương ứng ΣL Mp.ΣL = ΣmiLi Q = σn.Mp.ΣL g H03/2 Vậy Trong : Mp hệ số lưu lượng tương đương đập tràn phím Piano với chiều dài tràn có hiệu tương ứng ΣL Trường hợp cột nước tràn H không tính cột nước lưu tốc đến công thức trở thaønh: Q = σ n Mop.ΣL g H / Với Mop: hệ số lưu lượng tương đương đập tràn phím Piano không tính cột nước lưu tốc đến 3.3 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm gồm: máy bơm nước, mô hình đập tràn phím Piano dốc nước kính hữu gắn máng thí nghiệm kính dài 34m rộng 0.6m có phòng thí nghiệm môn Cơ lưu chất Nước từ hồ chứa nước phòng thí nghiệm bơm lên máng thí nghiệm kính rộng 0.6m, qua lưới giảm sóng đặt đầu máng tới đập tràn phím Piano đặt máng Sau đến cuối máng thí nghiệm chuyển xuống kênh tháo hạ lưu dài 16m rộng 0.75m, cuối kênh tháo hạ lưu có gắn đập tràn thành mỏng dùng đo lưu lượng Để có sở so sánh với vận tốc trung bình dòng chảy “Báo cáo kết quả: thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước sông Móng”: vận tốc trung bình dòng chảy mô hình thí nghiệm đập tràn phím Piano đo ống Pitô Lưu lượng tháo qua tràn thay đổi nhờ van điều chỉnh máy bơm nước 3.4 Quy hoạch thiết kế thí nghiệm 3.4.1 Luật mô hình chọn tỉ lệ hình học mô hình thí nghiệm Lực chủ yếu khống chế trình chảy qua đập tràn trọng lực nên mô hình hóa theo tiêu chuẩn Froude Mô hình thí nghiệm chọn mô hình không đổi hay gọi mô hình lòng không xói có tỷ lệ mô hình : λL = 25 Với tỷ lệ mô trên, số đại lượng vật lý dòng chảy qua đập tràn phím Piano tính theo: - Tỷ lệ vận tốc: λV= λL0.5 = - Tỷ lệ lưu lượng: λQ= λL2.5 = 3125 - Tỷ lệ độ nhám: λn= λL1/6 = 1.71 - Tỷ lệ thời gian: λT= λL0.5 = 3.4.2 - Các thông số nghiên cứu khoảng biến thiên Lưu lượng: Để so sánh với đập tràn mỏ vịt Sông Móng “Báo cáo kết quả: thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước sông Móng - Tỉnh Bình Thuận” có 05 cấp lưu lượng thực sau: 50, 100, 200, 220, 232 (m3/s) Ta có 05 cấp lưu lượng thí nghiệm mô hình tương ứng QM = 16 , 32 , 64 , 70.4 , 74.24 (lít/s) tháo qua mô hình đập tràn phím Piano - Tỷ số N = tổng chiều dài tường tràn / bề rộng đập tràn = ΣL/b Đây tỷ số hình học có ảnh hưởng đến khả tháo nước đập tràn Mô hình đập tràn phím Piano đưa phương án A, B, C để so sánh với phương án đề nghị đập tràn mỏ vịt Sông Móng Ba phương án A, B, C đập tràn phím Piano có tỷ số N = 5, 7, Phương án đề nghị đập tràn mỏ vịt Sông Móng có N = ΣL/b = 53,2/15 = 3.6 3.4.3 - Chọn phương án quy hoạch thí nghiệm Phương án A : N=5 Phương án A đo 05 cấp lưu lượng mô hình hai trường hợp: chảy không ngập chảy ngập Mỗi cấp lưu lượng mô hình đo lần, lần đo cách phút Thí nghiệm xác định khả tháo nước điều kiện chảy không ngập, có so sánh giá trị lưu tốc trung bình dốc nước với giá trị tương ứng theo báo cáo thí nghiệm đập tràn mỏ vịt Sông Móng Thí nghiệm xác định khả tháo nước điều kiện chảy ngập với độ ngập thay đổi từ 0.07 - 0.86 - Phương án B : N=7 Phương án B đo 05 cấp lưu lượng mô hình hai trường hợp: chảy không ngập chảy ngập Mỗi cấp lưu lượng mô hình đo lần, lần đo cách phút Thí nghiệm xác định khả tháo nước điều kiện chảy không ngập chảy ngập với độ ngập thay đổi từ 0.02 – 0.95 - Phương án C : N=4 Phương án C đo 05 cấp lưu lượng mô hình hai trường hợp: chảy không ngập chảy ngập Mỗi cấp lưu lượng mô hình đo lần, lần đo cách phút Thí nghiệm xác định khả tháo nước điều kiện chảy không ngập chảy ngập với độ ngập thay đổi từ 0.05 – 3.4.4 Thiết kế mặt cắt đo đạc Mô hình thí nghiệm có: - Điểm đo mực nước thượng lưu máng thí nghiệm: trước đập tràn phím Piano 3m - Điểm đo mực nước kênh tháo hạ lưu trước đập tràn thành mỏng 3m - Ba điểm đo vận tốc dòng chảy dốc nước: mặt cắt XI, X, IX (hình 3.4) có vị trí tương ứng với đập tràn mỏ vịt Sông Móng Các điểm đo thủy trực dốc nước độ sâu 0,6h Kết thí nghiệm Kết thí nghiệm trình bày qua: - Biểu đồ so sánh quan hệ H-Q cho ba phương án A, B, C hình 5.1 - Biểu đồ quan hệ H-Mop so sánh ba phương án A, B, C hình 5.2 - Bảng tổng hợp kết qủa đo vận tốc dốc nước phương án A bảng 4.7 So sánh ba phương án a, b, c đập tràn phím piano Cùng số lượng phím giảm chiều dài phím LT khả tháo nước đơn vị dài tràn thực (hay gọi lưu lượng đơn vị) tăng Cùng chiều dài phím LT tăng số lượng phím lên khả tháo nước đơn vị dài tràn thực (hay gọi lưu lượng đơn vị) giảm Khi tăng cột nước tràn đập tràn phím Piano hệ số lưu lượng giảm Hệ số chảy ngập σn Công thức tổng quát tính lưu lượng đập tràn phím Piano trường hợp chảy ngập: Q = σnMop.ΣL g H / Trong trường hợp chảy ngập thí nghiệm đại lượng Q,, ΣL, H công thức đo được, ngoại trừ Mop xác định qua H theo biểu đồ H-Mop trường hợp chảy không ngập Vấn đề lại xác định σn: hệ số chảy ngập Người ta thường biểu diễn khả tháo nước đập tràn trường hợp chảy ngập qua biểu đồ quan hệ: hệ số chảy ngập σn độ ngập mực nước hạ lưu, đó: độ ngập Zhl = (Zhl – Zngưỡngtràn)/H = hn/H σn tính theo công thức: σn = Q / (Mop ΣL g H / ) Kết thí nghiệm thể qua biểu đồ quan hệ σn hn/H ba phương án A, B, C đập tràn phím Piano hình 6.1, 6.2, 6.3 Kết luận & kiến nghị 7.1 Kết luận - Lựa chọn đập tràn phím Piano đập tràn mỏ vịt Sông Móng: Đập tràn phím Piano phương án A, B, C nước tràn H từ 1,7m ÷ 2,3m có khả tháo nước lớn đập tràn mỏ vịt Sông Móng 1,13 ÷ 1,57 lần nên ứng dụng vào thiết kế thay cho phương án đề nghị đập tràn mỏ vịt Sông Móng “Báo cáo kết quả: thí nghiệm mô hình thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước sông Móng - Tỉnh Bình Thuận” - Hệ số lưu lượng Mop đập tràn phím Piano: Đập tràn phím Piano có hệ số lưu lượng Mop giảm dần cột nước tràn H tăng dần Biểu đồ quan hệ hệ số lưu lượng cột nước tràn H-Mop ba phương án A, B, C trình bày hình 5.2 - Hệ số chảy ngập σn đập tràn phím Piano: Đập tràn phím Piano phương án A với độ ngập hn/H = 0,07 ÷ 0,81 có hệ số ngập σn thay đổi từ 0,66 ÷ 0,96 Biểu đồ quan hệ σn – hn/H phương án A trình bày hình 6.1 Đập tràn phím Piano phương án B với độ ngập hn/H = 0,18 ÷ 0,95 có hệ số ngập σn thay đổi từ 0,55 ÷ 0,80 Biểu đồ quan hệ σn – hn/H phương án B trình bày hình 6.2 Đập tràn phím Piano phương án C với độ ngập hn/H = 0,05 ÷ 0,99 có hệ số ngập σn thay đổi từ 0,51 ÷ 0,98 Biểu đồ quan hệ σn – hn/H phương án C trình bày hình 6.3 7.2 Kiến nghị - Đập tràn phím Piano: Khi thiết kế cần phải quan tâm đến phần tiêu sau dốc nước tốc độ dòng chảy dốc nước lớn đập tràn mỏ vịt Sông Móng từ đến (m/s) để tránh gây xói lỡ hạ lưu công trình Xét theo tổng lưu lượng tràn hệ số N định đến khả tháo đập tràn, thực chất xét lưu lượng đơn vị chiều dài tràn (hay gọi lưu lượng đơn vị) hoàn toàn ngược lại Vì việc chọn lựa giá trị hệ số N thích hợp cho chiều rộng tràn BT theo phương vuông góc dòng chảy cần phải xem xét yếu tố: độ dốc phím, bề rộng phím chiều cao đập tràn thời gian hạn chế nên chưa thực cần phải nghiên cứu thêm Ảnh hưởng việc phá chân không nước tràn đến chế độ làm việc đập tràn phím Piano vấn đề nội dung luận văn chưa đề cập cần phải nghiên cứu thêm 95 Hình 9.7 : Thí nghiệm phương án A trường hợp chảy không ngập 96 Hình 9.8 : Thí nghiệm phương án A trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,11 97 Hình 9.9 :Thí nghiệm phương án A trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,07 98 Hình 9.10 : Thí nghiệm phương án A trường hợp chảy không ngập 99 Hình 9.11 : Thí nghiệm phương án B trường hợp chảy không ngập 100 Hình 9.12 : Thí nghiệm phương án B trường hợp chảy không ngập 101 Hình 9.13 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,99 102 Hình 9.14 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,91 103 Hình 9.15 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,44 104 Hình 9.16 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy ngập , hn/H = 0,09 105 Hình 9.17 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy không ngập, H =2,009m 106 Hình 9.18 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy không ngập, H = 1,116m 107 Hình 9.19 : Thí nghiệm phương án C trường hợp chảy không ngập, H = 0,641m TÀI LIỆU [2] 108 109 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Ngày tháng năm sinh: Nơi sinh : Địa liên lạc: HUỲNH HÙNG 15/06/1977 Cái Bè - Tiền Giang 25B Trưng Nữ Vương – Khu 1A – Cái Bè – Tiền Giang QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ năm 1994 – 2000: học Khoa xây dựng – Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM - Từ năm 2002 – 2004: học khoá cao học 13 chuyên ngành Xây dựng công trình thủy trường đại học Bách Khoa Tp.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ năm 2000 – 2002: công tác Công ty xây lắp công nghiệp thuộc Tổng công ty xây dựng Sài Gòn - Từ năm 2002 – 2004: công tác Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình thuộc Sở nông nghiệp &ø phát triển nông thôn Tp.HCM ... mô hình đập tràn phím Piano HM: cột nước tràn mô hình đập tràn phím Piano H: cột nước tràn nguyên hình đập tràn phím Piano Z: cao trình mực nước thượng lưu nguyên hình đập tràn phím Piano 36... cách từ mực nước lũ đến đỉnh đập Một đập tràn phím Piano tràn cho ví dụ lưu lượng 50 m3/s-m với chiều sâu lớp nước tràn 4m 2.9 Đập tràn phím Piano kênh Đập tràn phím Piano dùng phẳng đập tràn mỏ... máy bơm mực nước hạ lưu đập tràn phím Piano cho khả tháo cấp lưu lượng chảy không ngập đập tràn phím Piano, đọc giá trị mực nước hạ lưu đập tràn phím Piano, đọc mực nước kim đo đập tràn thành