Giải pháp phòng khí thực cho các thiết bị tiêu năng sau đập tràn cao, áp dụng cho đập tràn hồ nước trong

GIẢI PHÁP PHỊNG KHÍ THỰC CHO CÁC THIẾT BỊ TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN CAO, ÁP DỤNG CHO ĐẬP TRÀN HỒ NƯỚC TRONG GS.TS Nguyễn Chiến KS Phạm Hồng Hưng Tóm tắt: Khi thiết kế bể tiêu đập tràn cao, lưu lượng đơn vị lớn, việc bố trí thiết bị tiêu phụ bể (mố, dầm…) giúp cải thiện điều kiện tiêu năng, giảm chiều sâu đào bể, chiều dài bể Tuy nhiên thiết bị tiêu lại dễ bị phá hoại khí thực Vì thiết kế cần tính tốn giải pháp phịng khí thực cho thiết bị Bài viết giới thiệu phương pháp bố trí tính tốn đường ống tiếp khí cho mố tiêu năng, áp dụng cho tràn Nước Trong Đặt vấn đề: Khi bố trí thiết bị tiêu sau đập tràn cao, với lưu lượng đơn vị qua đập tràn lớn dẫn đến thiết bị tiêu thường bị xâm thực phá hoại tượng khí thực Hiện tượng khí thực thường xảy mặt đáy, chân tường bên bể tiêu mố, tường tiêu đặt bể (hình 1) Vì cần thiết phải nghiên cứu đưa giải pháp phịng khí thực cho thiết bị tiêu sau đập tràn cao để đảm bảo thiết bị tiêu làm việc bình thường trình vận hành Nội dung sau giới thiệu giải pháp phòng khí thực tính tốn thiết kế phận tiếp khí cho thiết bị tiêu sau đập tràn cao, áp dụng tính tốn cho đập tràn hồ Nước Trong Hình 1: Khí thực mố tiêu mố phân dịng[2] Các giải pháp phịng khí thực cho thiết bị tiêu sau đập tràn cao: 2.1 Giải pháp tăng độ bền vật liệu: Để phịng khí thực cho thiết bị tiêu cần chọn vật liệu có Vng > Vy Trong Vng lưu tốc ngưỡng xâm thực vật liệu; Vy lưu tốc cục sát thành, xác định từ số liệu thí nghiệm mơ hình tính tốn chuyển đổi (bài toán lớp biên) Từ Vy khống chế Vng để khơng sinh khí thực, có Vng lựa chọn vật liệu tương ứng:  Vật liệu bêtơng: Rb ~ Vng (ứng với độ hàm khí nước S = 0) Thực tế Rb cao, khó đạt Vì nên xem xét giải pháp bọc thép chất dẻo  Bọc chất dẻo: vật liệu chất dẻo dễ bị già hóa theo thời gian nói chung chưa kiểm nghiệm thực tế Vì giải pháp mang tính rủi ro cao, khơng khuyến cáo sử dụng  Giải pháp bọc thép: Thép có độ bền khí thực cao nhiều so với bêtông Theo tài liệu thí nghiệm Viện nghiên cứu Thủy lợi tồn Liên Bang (Liên Xơ) [6] so với bêtơng M25, thép cacbon CT3 có độ bền khí thực gấp 500-700 lần, cịn thép khơng rỉ có độ bền khí thực gấp 1000 lần Do việc bọc thép khu vực lân cận mố phân dòng chắn chống tượng khí thực Điều cần lưu ý giải pháp vị trí tiếp giáp lớp bọc phần không bọc thép dễ bị nứt tách, tạo vị trí ghồ ghề cục bộ, hình thành nguồn khí thực phá hoại phần bêtơng phía sau Để tránh nguy phá hoại cần phải bọc thép hết tồn mố, toàn chiều dài đáy chân tường bên bể tiêu tính từ mặt cắt có mố, khối lượng bọc thép lớn, giá thành cao Do cần thiết phải so sánh kinh tế - kỹ thuật phương án để lựa chọn 2.2 Giải pháp dẫn nước vào vùng hạ áp: Theo thí nghiệm nhà khoa học Liên Xơ [6] bố trí ống thơng nước từ mặt trước mố tiêu (nơi có áp suất cao) đến mặt bên mặt mố (nơi có áp suất thấp) nước tự động chảy từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp, làm giảm khả khí hóa chống tượng khí thực mặt mố tiêu Điều cần quan tâm cần chống khí thực cho thân mố tiêu mà cho đáy chân tường bên bể tiêu mặt cắt sau mố Mà vị trí thân ống dẫn nước mố tiêu vươn tầm ảnh hưởng tới Do khơng thể chắn khơng xảy khí thực đáy chân tường bên bể tiêu mặt cắt sau mố Giải pháp xem xét chống khí thực cho thân mố tiêu mố phân dịng mà khơng thể áp dụng để chống khí thực cho tồn tràn 2.3 Giải pháp tiếp khí để phịng khí thực: Khi tăng lượng hàm khí nước lớp sát thành dịng chảy tạo lớp đệm có hiệu mặt chống khí thực Thí nghiệm nhà khoa học Liên Xô [6] cho thấy lưu tốc ngưỡng xâm thực (Vng) tăng lên theo mức độ hàm khí nước Vì giải pháp tốt cần nghiên cứu áp dụng Việc tính tốn bố trí phận tiếp khí (BPTK), tính tốn lưu lượng khí cần tiếp kích thước BPTK thực theo tiêu chuẩn 14TCN 198 – 2006 [1] Phương pháp tính tốn thiết kế phận tiếp khí cho thiết bị tiêu năng: 3.1 Nguyên tắc chung: Mục đích việc tiếp khí vào dịng chảy làm tăng độ hàm khí nước lớp chảy sát thành, nhờ mà tăng lưu tốc ngưỡng xâm thực (Vng) ngăn ngừa khả khí thực thiết bị tiêu CTTN, cho dù xuất khí hố mạnh trì khoảng thời gian dài Trên CTTN có vị trí cần ưu tiên xem xét bố trí phận tiếp khí là:  Bề mặt đập tràn, dốc nước mà tồn mấu ghồ ghề cục  Buồng van, nơi có phận làm cho đường biên dòng chảy thay đổi đột ngột  Các mố thiết bị tiêu năng, phân dịng, nơi có chế độ dịng chảy bao khơng thuận 3.2 Tính tốn thiết kế BPTK cho thiết bị tiêu năng: Các hình thức kết cấu BPTK là: mũi hắt, bậc thụt, máng, dạng hỗn hợp Trình tự phương pháp tính tốn hình thức BPTK nêu trình bày chi tiết [1] Trong nội dung xin trình bày phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống ống tiếp khí cho mố tiêu đặt bể tiêu sau đập tràn cao 3.2.1 Bố trí ống tiếp khí bể tiêu năng: Bố trí ống tiếp khí (d1) hàng mố, sau dẫn khí lên mố tiêu (phía đỉnh mố hai mặt bên mố) đường ống nhánh nhỏ (d2) Đồng thời đỉnh hai mặt bên mố tiêu năng, ta bố trí lỗ trịn đường kính d3 nối thơng từ ống dẫn khí nhánh (d2) đến mặt ngồi mố tiêu (xem hình 3) 3.2.2 Tính tốn ống tiếp khí cho mố tiêu năng: a) Tính lưu lượng khí cần cấp cho vùng tách dịng sau mố tiêu năng: (Qa) Lưu lượng khí cần cấp tính theo cơng thức sau: (tính cho mố) [1] Qam= 0.1Bm.Zm.V (1) Trong đó: – Qam: lưu lượng khí cần cấp cho mố (m3/s)  Bm: bề rộng mố tiêu (m)  Zm: chiều cao mố tiêu (m)  V: lưu tốc trung bình dịng chảy trước mố tiêu (m/s), với mố tiêu đặt bể, lấy V = Vc (với Vc lưu tốc trung bình mặt cắt co hẹp), lấy theo số liệu thí nghiệm mơ hình Trên hàng mố tiêu có n mố tổng lưu lượng khí cần cấp cho hàng mố tiêu là: Qa = n x Qam (m3/s) b) Tính tốn kích thước ống dẫn khí chính: Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí tính theo cơng thức sau: Q (2) a1  a Va Trong đó: - Qa: lưu lượng khí cần dẫn (m3/s) - Va: lưu tốc dịng khí ống, thường chọn Va ≤ 60(m/s) [1,5] Nếu ta bố trí hai ống dẫn khí hai thành bên bể tiêu diện tích tối thiểu ống là: a1 '  a1 (m ) (3) c) Chọn kích thước ống dẫn khí chính: Vì lưu lượng khí cần dẫn qua ống lớn nên thường chọn ống mặt cắt chữ nhật, kích thước ống dẫn khí tính theo cơng thức sau: a1 '  Ba  ta (4) Trong đó: - Ba: cạnh mặt cắt ngang ống theo chiều dòng chảy - ta: cạnh mặt cắt ống theo chiều vng góc với mặt bên tường Nếu lưu lượng khí cần dẫn qua ống nhỏ, ta chọn ống mặt cắt hình trịn d) Tính tốn kích thước ống dẫn khí nhánh (từ ống dẫn khí đến mặt bên mố tiêu năng): (d2) Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn nhánh khí tính theo cơng thức sau: (tính cho mố) Q (5) a  am Va Trong đó: - Qam: lưu lượng khí cần dẫn (m3/s) - Va: lưu tốc dịng khí ống, thường chọn Va ≤ 60(m/s) Nếu ta bố trí hai ống dẫn khí phía hai mặt bên mố tiêu diện tích tối thiểu ống là: a '  a (m ) (6) e) Chọn kích thước ống dẫn khí nhánh: Thường chọn ống mặt cắt trịn, kích thước ống dẫn khí tính theo cơng thức sau:  ' d2  a2 (m) (7)  Tại đỉnh mặt bên mố tiêu năng, ta chừa lỗ trịn đường kính d3, thơng từ ống dẫn khí nhánh (d2) đến mặt mố tiêu f) Tính độ chân khơng đường ống dẫn khí (Ba x ta): Độ chân khơng đường ống dẫn khí tính theo cơng thức: Va2  a hck  (8) 2.g. a2  Trong đó: hck: độ chân khơng (tính theo mét cột nước); Va: lưu tốc khí ống, m/s; a,  trọng lượng riêng khơng khí nước; µa: hệ số lưu lượng ống dẫn khí, xác định theo công thức: (9) a    i Σξi: tổng hệ số tổn thất áp lực toàn ống, bao gồm tổn thất cửa vào, đoạn uốn cong dọc đường Để ổn định đường dẫn khí trị số hck ≤ 0,5m Trường hợp ngược lại, cần chọn lại Va (theo hướng giảm) tính tốn lại g) Tính tốn độ chân khơng buồng khí phía sau mố tiêu năng: Va2  a (10) 2.g. a2  Trong đó: h chênh lệch cột nước đầu ống dẫn khí nhánh (d2) Va, a, ,  a giải thích cơng thức (8) Độ chân khơng buồng khí sau mố tiêu = hck + h ≤ 1,0m đảm bảo chế độ làm việc ổn định Trường hợp ngược lại, cần tính tốn lại mặt cắt ống dẫn khí sở giảm bớt trị số Va Áp dụng tính tốn cho đập tràn hồ Nước Trong: 4.1 Giới thiệu cơng trình: [5] Hồ Nước Trong xây dựng tỉnh Quảng Ngãi cơng trình cấp II Đập tràn Nước Trong đập tràn thực dụng dạng mặt cắt WES, tràn gồm cửa xả mặt, kích thước cửa BxH = 12,5x14,0 m, cao trình ngưỡng tràn: 115,50m Các lưu lượng xả mực nước hồ tương ứng:  Lũ thiết kế (p = 0,5%): Qt = 6728m3/s, MNLTK = 130,00m  Lũ kiểm tra (p = 0,1%): Qt = 7722m3/s, MNLTK = 131,40m Kết cấu bể tiêu (phương án sửa đổi sau thí nghiệm mơ hình) hình h  Theo cơng thức: 1,50 15,38 1,20 72,00 38,62 23,00 67,50 1,20 4,0 63,50 63,50 4,80 77,00 28,00 Hình 2: Cắt dọc bể tiêu (theo phương án sửa đổi)[4]  Chiều dài bể Lb = 77m; bề rộng Bđ = 76,5m, Bc = 81,78m; Zđáy = 63,5m  Trong bể đặt hai hàng mố, mặt cắt hình thang vng, chiều cao mố: 4m, chiều rộng mố: 4,80m, chiều dài đỉnh mố: 1,20m, chiều dài đáy mố: 4,80m; hàng mố thứ gồm mố cách đầu bể tiêu 15,38m, hàng mố thứ hai gồm mố nguyên mố nửa cách hàng mố thứ 23,00m (các mố hàng thứ hai đặt so le với hàng thứ nhất)  Cuối bể tiêu có tường tiêu cao 8,50m (đỉnh tường= 72,0m); bể tiêu thứ hai sau tường có chiều dài Lb2 = 28,0m, cao trình đáy bể 63,5m (bằng đáy bể tiêu chính) Theo [3] tính tốn kiểm tra mố tiêu đặt bể có mức độ khí hóa mạnh (K Vng = 14,50 m/s (ứng với bê tông M30) => xảy tượng khí thực mố tiêu Để đảm bảo cho mố tiêu năng, bố trí ống tiếp khí (Ba x ta) hàng mố, sau dẫn khí lên mố tiêu (phía hai mặt bên) đường ống nhánh nhỏ (d2) Đồng thời đỉnh mặt bên mố tiêu năng, ta chừa lỗ trịn đường kính d nối thơng từ ống dẫn khí nhánh (d2) đến mặt ngồi mố tiêu b) a) 1,20 Ba d2 4,00 Ống dẫn khí nhánh 4,80 d3 ta Ống dẫn khí Ba 4,80 Hình 3: Sơ đồ bố trí phận tiếp khí mố tiêu a) Mặt đứng b) Mặt Trong thực tế cần tính tốn với số phương án bố trí khác nhau, sau so sánh chọn phương án hợp lý Nhưng nội dung tính tốn kiểm tra với phương án bố trí 4.2.2 Tính tốn ống tiếp khí cho hàng mố tiêu thứ nhất: a) Tính lưu lượng khí cần cấp cho vùng tách dòng sau mố tiêu năng: (Qa) Lưu lượng khí cần cấp tính theo cơng thức (1): (tính cho mố) Qam= 0.1Bm.Zm.V Trong đó: - Qam: lưu lượng khí cần cấp cho mố (m3/s) - Bm= 4,80m; Zm= 4,00m - V: lưu tốc trung bình dịng chảy trước hàng mố, theo [4] ta có V = 25,98m/s Thay giá trị vào công thức (1) ta được:Qam = 0,1 x 4,80 x 4,0 x 25,98 = 49,882 m3/s Trên hàng mố có mố, tổng lưu lượng khí cần cấp cho hàng mố tiêu là: Qa = x Qam = 349,171 m3/s b) Tính tốn kích thước ống dẫn khí chính: Q 349,171 Tính theo cơng thức (2) ta có: a1  a   6,983(m2 ) Va 50 Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí tương đối lớn nên ta bố trí hai ống dẫn khí hai thành bên bể tiêu năng, diện tích tối thiểu ống là: a1 '  a1  3,492(m ) c) Chọn kích thước ống dẫn khí chính: Chọn ống mặt cắt chữ nhật, kích thước ống dẫn khí tính theo cơng thức (4): ωa1’ = Ba x ta=> ta chọn Ba x ta = 3,8 x 1,0 = 3,8 m2 Khi vận tốc khí ống dẫn khí lúc là: Va  45,94(m / s) d) Tính tốn kích thước ống dẫn khí nhánh (từ ống dẫn khí (Ba x ta) đến mặt bên mố tiêu năng): (d2) Q 49,882  0,998(m2 ) Tính theo cơng thức (5) ta có: a  am  Va 50 Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí nhánh tương đối lớn nên ta bố trí hai ống dẫn khí phía hai mặt bên mố tiêu năng, diện tích tối thiểu ống là: a '  a 2  0,499(m ) e) Chọn kích thước ống dẫn khí nhánh: Tính theo cơng thức (7): d  a ' 0,499 2  0,797(m)  3,14 => ta chọn d2 = 0,8 (m) Khi vận tốc khí ống dẫn khí nhánh là: Va =49.62 (m/s) Đồng thời đỉnh mặt bên mố tiêu năng, ta chừa lỗ trịn đường kính d3 = 25cm, thơng từ ống dẫn khí nhánh (d2) đến mặt ngồi mố tiêu năng, để cấp lượng khí cần thiết vào buồng khí sau mố tiêu năng, hạn chế khí thực mố tiêu f) Tính độ chân khơng đường ống dẫn khí (Ba x ta): Độ chân khơng đường ống dẫn khí (Ba x ta) tính theo cơng thức (8): Với Va = 45,94m/s Tính tốn hệ số tổn thất áp suất theo công thức thủy lực thông thường (tham khảo [1]) ta có: cửa vào ξcv =0.5; chỗ uốn cong ξu=1.1; dọc đường ξd=0.88 => Σξi = ξcv + ξuc+ ξd = 2.48 ; => a= 0,536 => hck = 0,480m ≤ 0,5m đảm bảo ổn định đường ống dẫn khí g) Tính tốn độ chân khơng buồng khí phía sau mố tiêu năng: Theo công thức (10): với Va = 49,62m/s ; ξcv =0.5; ξu=1.1; ξd=0.21; => Σξi =1,81 ; => a= 0,597 => h = 0,452m Vậy độ chân không buồng khí sau mố tiêu là: hck1 = hck + H = 0,480 + 0,452 = 0,932m ≤ 1,0m đảm bảo chế độ làm việc ổn định 4.2.3 Tính tốn ống tiếp khí cho hàng mố tiêu thứ hai: Theo tài liệu thí nghiệm [4] ta có lưu tốc đặc trưng hàng mố tiêu thứ hai VĐT = 5,32m/s không xảy tượng khí thực hàng mố tiêu thứ hai, khơng cần bố trí BPTK cho hàng mố 4.3 Nhận xét: Từ kết tính tốn trên, hệ thống ống dẫn khí cho mố tiêu với kích thước Ba x ta= (3,8 x 1,0)m ; d2= 0,8m ; d3= 0,25m giải tượng khí thực mố tiêu sau đập tràn, giúp cho mố tiêu làm việc bình thường Tuy nhiên, theo quy phạm [1] quy định đập tràn hồ Nước Trong cơng trình cấp II, kết tính tốn thiết kế BPTK cần phải xác hóa thơng qua thí nghiệm mơ hình thủy lực Kết luận:  Khi tính tốn thiết kế bố trí thiết bị phụ trợ bể tiêu sau đập tràn cao, lưu lượng đơn vị lớn, cần phải có giải pháp tính tốn thiết kế BPTK cho thiết bị tiêu để chúng bảo đảm an tồn khí thực q trình vận hành  Phương pháp nêu áp dụng để tính tốn thiết kế sơ BPTK mố tiêu sau đập tràn Còn cơng trình tháo nước từ cấp II trở lên, kết tính tốn thiết kế BPTK cần phải xác hóa thơng qua thí nghiệm mơ hình thủy lực  Việc xử lý phịng khí thực cho mố tiêu sau đập tràn cao phức tạp tốn kém, thiết kế cần so sánh phương án cân nhắc việc có hay khơng sử dụng mố tiêu đập tràn Nước Trong TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Nơng nghiệp PTNT (2007) Cơng trình thủy lợi – Các cơng trình tháo nước Hướng dẫn tính tốn khí thực – 14TCN 198-2006 Nguyễn Chiến (2003) Tính tốn khí thực cơng trình thủy lợi , NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Chiến (2010) Về tính tốn kiểm tra khí thực thiết bị tiêu sau đập tràn cao, áp dụng cho tràn Nước Trong Nội san Tư vấn Xây dựng Thủy lợi, Tổng Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam Trần Quốc Thưởng (2008) Báo cáo kết thí nghiệm mơ hình thủy lực cơng trình xả nước hồ Nước Trong (Tập 1+2), Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Tổng Công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Việt Nam (2009) Hồ sơ thiết kế kỹ thuật cơng trình hồ Nước Trong 6 Viện nghiên cứu thủy lợi tồn Liên bang VNIIG (1976) Hướng dẫn tính tốn khí thực thiết kế cơng trình thủy lợi (bản tiếng Nga), NXB Xây dựng, Lêningrad Abstract: SOLUTIONS OF PROTECTING CAVITATION FOR ENERGY DISSIPATERS BEHIND HIGH SPILLWAY, APPLIED IN NUOC TRONG SPILLWAY When designing absorption basin of high spillway and high specific capacity, arrangement of auxiliary energy dissipaters in basin (abutment, bar…) helps to improve energy dispersal condition, decrease depth and length of basin However, these energy dissipaters are destroyed by cavitation So calculating solutions of protecting cavitation for them is necessary in design This article presents method of air pipeline arragement and calculation for energy dispersal abutments – applied in Nuoc Trong spillway  ... dẫn khí sở giảm bớt trị số Va Áp dụng tính tốn cho đập tràn hồ Nước Trong: 4.1 Giới thiệu cơng trình: [5] Hồ Nước Trong xây dựng tỉnh Quảng Ngãi cơng trình cấp II Đập tràn Nước Trong đập tràn thực. .. đáy thành bên bể tiêu Theo giải pháp nêu tiếp khí giải pháp tốt cần nghiên cứu áp dụng 4.2 Thiết kế hệ thống ống tiếp khí cho mố tiêu năng: 4.2.1 Bố trí ống tiếp khí bể tiêu năng: Theo tài liệu... sau đập tràn cao, lưu lượng đơn vị lớn, cần phải có giải pháp tính tốn thiết kế BPTK cho thiết bị tiêu để chúng bảo đảm an tồn khí thực trình vận hành  Phương pháp nêu áp dụng để tính tốn thiết