Bảng 4.14: Tính chiều dài nước rơ
6.3. Kiểm tra trạng thái chảy trong cống
Kiểm tra trạng thái chảy trong cống, ta vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống hr. Để vẽ được đường mặt nước trong cống ta phải xác định được các đại lượng: độ sâu dòng đều trong cống h0, độ sâu phân giới hk và độ sâu co hẹp hc. 6.3.1. Trường hợp tính toán
Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van để lấy được lưu lượng cần thiết. Do năng lượng của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thường là dòng xiết. Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua nước nhảy, do đó cần tính toán để:
+ Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra trong cống không, thường với các mực nước cao ở TL cần khống chế không cho nước ngảy trong cống để tránh rung động bất lợi, còn với các mực nước thấp ở TL, nước nhảy trong cống là không tránh khỏi. Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể.
+ Xác định chiều sâu cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở ở kênh hạ lưu.
Theo tài liệu tính toán ứng với mực nước TL là MNDBT thì lưu lượng lấy lớn nhất thiết kế là Qmax = 3.3 m3/s.
Hình 6.4: Sơ đồ tính toán thủy lực cống khi thương lưu ứng với MNDBT
Các thông số của cống:
+ khẩu độ cống: bc = 1.6m, chiều cao cống Hc = 2.5m + độ dốc đáy cống: i = 0.004
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 114 Ngành Kỹ thuật công trình
+ chiều dài từ của vào đến khe van tháp cống là: L2 = 37m
+ chiều dài từ khe van tháp cống đến bể tiêu năng là: L1 = 67.5m
6.3.2. Xác định độ mở cống a
Tính theo công thức chảy tự do qua lỗ: Q = **a.bc* Trong đó:
+ : hệ số lưu tốc, = 0.95
+ H0’: cột nước tính toán trước của van, H0’ = H0 – hw
Với: H0 = H + = MNDBT - = 103.2 – 92 = 11.2m (vì cột nước H cao và cửa vào thuận nên bỏ qua )
hw: tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van. Do dòng chảy ở đoạn cống trước là có áp nên:
hw = *, với = + + +
+ h/s tổn thất cửa vào: chọn cửa vào có trần lượn tròn với r = 1.2m; r/Hc= 0.48 tra Hình A1 14TCN197-2006 ta được: = 0.25
+ h/s tổn thất tại khe phai, = 0.1 (theo tính toán ở trên) + h/s tổn thất tại lưới chắn rác, = 0.08
+ h/s tổn thất dọc đường ở đoạn cống trước van, =
Ở đây L2 = 37m, = bc*Hc = 1.6*2.5 = 4m2, X = 2*(bc + Hc) = 8.2m
R = /X = 0.488(m), tra bảng sổ tay tính toán thủy lực với n = 0.017 được C = 36.46, = 1.05. Ta có VTV = = = 0.825m/s, = = 0.546
Vậy: hw = 0.976* = 0.036m => H0’ = 11.2 – 0.035 = 11.165m
+ h/s co hẹp đứng phụ thuộc vào tỷ số a/H0’ (tra theo bảng tra 5.5 của Jucovxki – sổ tay tính toán thủy lực).
+ trị số a được xác định bằng cách tính thử dần theo công thức tính Q ở trên bằng cách giả thiết a. Kết quả thể hiện như bảng sau:
Bảng 6.3: Xác định độ mở cống a a (m) H0’ (m) a/H’ 0 bc (m) Q (m3/s) 0.1 11.165 0.00895656 0.6114 1.6 1.3860369 0.1467 11.165 0.01313927 0.6115 1.6 2.0312298 0.191 11.165 0.01710703 0.6117 1.6 2.6421081 0.239 11.165 0.02140618 0.6119 1.6 3.3026089
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 115 Ngành Kỹ thuật công trình 0.2868 11.165 0.02568742 0.6122 1.6 3.9597285 0.3335 11.165 0.02987013 0.6123 1.6 4.5999171 Vậy trị số a = 0.24m là phù hợp. Ta có hc = *a = 0.6119*0.24 = 0.147m 6.3.3. Xác định đường mặt nước
6.3.3.1. Định tính đường mặt nước trong đoạn cống sau tháp
+ Mặt cắt đầu có hc = 0.147m, vị trí cách cửa van một đoạn bằng 1.4a = 0.366m.
+ Độ dốc thân cống i = 0.004 theo kết quả tính được ở trên
+ Độ sâu dòng đều trong cống h0 = 1.482m (theo kết quả tính h1 ở trên) + Độ sâu phân giới: Tính với q = = = 2.063 m2/s
hk = = = 0.76m, như vậy hc < hk < h0 do đó đường mặt nước là đường nước dâng C1
6.3.3.2. Định lượng đường mặt nước
Chiều dài tính toán từ mặt cắt co hẹp (c-c) đến cuối cống là: Ltt = L1 – 1.4*a =67.164m.
Sử dụng phương pháp cộng trực tiếp để tính và vẽ đường mặt nước theo công thưc sau:L =
Với: i = 0.004, E = E2 – E1 ; E2 = h2 + , E1 = h1 + ; = ; J2 = , J1 =
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 116 Ngành Kỹ thuật công trình
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 117 Ngành Kỹ thuật công trình
Bảng 6.4: Tính toán đường mặt nước sau cửa van
M C h(m) χ R C C2R V V2/2g E J i- Li L c 0.147 0.235 1.894 0.124 41.549 214.377 14.031 10.034 10.181 0.918 0 1 0.2074 5 0.33 2 2.01 5 0.165 43.55 3 312.47 0 9.942 5.038 5.245 -4.935 0.31 6 0.617 -0.613 8.04 7 8.047 2 0.2679 0.429 2.136 0.201 45.010 406.579 7.699 3.021 3.289 -1.957 0.146 0.231 -0.227 8.617 16.664 3 0.32835 0.525 2.257 0.233 46.137 495.541 6.281 2.011 2.339 -0.949 0.079 0.113 -0.109 8.735 25.399 4 0.3888 0.622 2.378 0.262 47.044 579.045 5.305 1.434 1.823 -0.516 0.049 0.064 -0.060 8.589 33.988 5 0.44925 0.719 2.499 0.288 47.794 657.164 4.591 1.074 1.524 -0.300 0.032 0.040 -0.036 8.245 42.232 6 0.5097 0.81 6 2.61 9 0.311 48.42 7 730.15 1 4.046 0.835 1.344 -0.179 0.02 2 0.027 -0.023 7.71 0 49.942 7 0.57015 0.912 2.740 0.333 48.971 798.332 3.617 0.667 1.237 -0.107 0.016 0.019 -0.015 6.953 56.895 8 0.6306 1.009 2.861 0.353 49.443 862.058 3.271 0.545 1.176 -0.061 0.012 0.014 -0.010 5.893 62.788 9 0.69105 1.106 2.982 0.371 49.858 921.676 2.985 0.454 1.145 -0.031 0.010 0.011 -0.007 4.372 67.160
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 118 Ngành Kỹ thuật công trình
Độ sâu cuối cống là: hr = 0.69m
Xác định độ sâu liên hiệp hh’ của độ sâu hạ lưu hh theo công thức độ sâu liên hiệp trong kênh chữ nhật. hh’ =
Ở đây có: hh = 1.46m, hk = 0.76m => hh’ = = 0.34m
Chọn cao trình cuối cống bằng cao trình đáy kênh hạ lưu, do đó P2 =0
Như vậy các điều kiện không xảy ra nước nhảy trong cống không thỏa mãn. Vậy vậy trong cống có hiện tượng nước nhảy.
hr = 0.69m < hk = 0.76m và hr = 0.69m > hh’ – P2 = 0.34m. 6.3.4. Xác định vị trí và chiều cao nước nhảy
Vận dụng lý thuyết về sự nối tiếp, trước nước nhảy là đoạn chảy xiết theo đường nước dâng CI bắt đầu từ mặt cắt co hẹp có độ sâu hc đến mặt cắt I-I có độ sâu h’. Sau nước nhảy là đoạn chảy êm theo đường nước hạ b1 bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu h’’ đến mặt cắt cửa ra có độ sâu hr
Ở đây ta có: hh = 1.46m > hk = 0.76m vì vậy ta chọn hr = hh = 1.46m
Hình 6.5: Sơ đồ tính toán nước nhảy trong cống
Cách xác định vị trí nước nhảy:
+ Vẽ đường mặt nước CI bắt đầu từ mặt cắt C-C có độ sâu hc trở xuống
+ Vẽ đường CI’ có độ sâu liên hiệp với đường CI bằng cách lấy một số điểm trên đường CI và tính ra độ sâu liên hiệp tương ứng.
+ Lùi đường CI’ về hạ lưu một đoạn bằng chiều dài nước nhảy tương ứng với từng độ sâu h’’ được đường CI’’.
+ Vẽ đường b1 bắt đầu từ cửa cuối có độ sâu hr và vẽ ngược trở lên.
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 119 Ngành Kỹ thuật công trình
+ Đường b1 cắt đường CI’’ tại một điểm có độ sâu h’’. Đó chính là độ sâu sau nước nhảy có thể xảy ra trong cống.
+ Từ điểm cuối của nước nhảy (trên đường CI’’) vẽ đường nằm ngang cắt CI’
tại vị trí chính là mặt cắt đầu của nước nhảy. Ta có bảng tính toán nước nhảy trong cống:
Bảng 6.5: Bảng tính đường CI’’ và đường CI’ L (m) h’ (m) h’’(m) Ln(m) L+Ln(m) 0 0.147 2.36 10.62 10.62 6.66 0.197 2.00 9.00 15.66 13.68 0.247 1.75 7.88 21.56 20.87 0.297 1.56 7.02 27.89 28.05 0.347 1.41 6.35 34.40 35.11 0.397 1.28 5.76 40.87 41.93 0.447 1.17 5.27 47.20 48.32 0.497 1.07 4.82 53.14 54.23 0.547 0.99 4.46 58.69 59.51 0.597 0.91 4.10 63.61 Trong đó: h’’ = *( - 1) , với q = = = 2.0625 m3/s.m L: khoảng cách từ mặt cắt co hẹp C-C đến mặt cắt I-I Ln = 4.5h’’: chiều dài nước nhảy
L+Ln: khoảng cách từ mặt cắt C-C đến mặt cắt II-II Dựa vào bảng tính ta thấy độ sâu lớn nhất h’’
max= 2.36m < Hc = 2.5m nên nước nhảy không chậm trần cống.
Vẽ đường nước đổ b1 trong cống: Sau nước nhảy bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu liên hiệp h’’ và tận cùng ở cửa ra có độ sâu hr = hh = 1.46m và vẽ ngược lên thượng lưu.
Đường nước đổ b1 về phía hạ lưu xuất phát từ độ sâu hh của kênh ngay tại cửa ra của cống h = 1.46m, tính với hmax = h’’ = 2.36m là độ sâu liên hiệp của hc. Lập bảng tính theo phương pháp cộng trực tiếp với L = 67.16m là đoạn tính từ mặt cắt co hẹp C-C tới cuối cống. Kết quả tính như bảng sau:
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 120 Ngành Kỹ thuật công trình
Bảng 6.6: Bảng tính toán đường nước hạ b1
h(m) χ R C C2R V V2/2g E J i- Li L 1.46 2.336 4.52 0.517 52.695 1435.097 1.413 0.102 1.562 0.00139 0 1.4851 2.376 4.570 0.520 52.748 1446.626 1.389 0.098 1.583 0.0217 0.00133 0.00136 0.00264 8.222 8.222 1.5102 2.416 4.620 0.523 52.800 1457.925 1.366 0.095 1.605 0.0219 0.00127 0.00131 0.00269 8.115 16.337 1.5353 2.456 4.671 0.526 52.850 1469.004 1.343 0.092 1.627 0.0220 0.00123 0.00125 0.00275 8.018 24.355 1.5604 2.497 4.721 0.529 52.898 1479.867 1.322 0.089 1.649 0.0222 0.00118 0.00120 0.00280 7.929 32.284 1.5855 2.537 4.771 0.532 52.946 1490.520 1.301 0.086 1.672 0.0223 0.00114 0.00116 0.00284 7.847 40.131 1.6106 2.577 4.821 0.535 52.992 1500.971 1.281 0.084 1.694 0.0224 0.00109 0.00111 0.00289 7.773 47.904 1.6357 2.617 4.871 0.537 53.037 1511.223 1.261 0.081 1.717 0.0226 0.00105 0.00107 0.00293 7.704 55.608 1.6608 2.657 4.922 0.540 53.081 1521.284 1.242 0.079 1.739 0.0227 0.00101 0.00103 0.00297 7.640 63.248 1.6859 2.697 4.972 0.543 53.124 1531.157 1.223 0.076 1.762 0.0228 0.00098 0.00099 0.00300 7.581 70.829
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 121 Ngành Kỹ thuật công trình
Từ 2 bảng trên ta xác định được chiều cao sau nước nhảy là: h’’ = 1.5855m. Vậy chiều cao sau nước nhảy h’’ = 1.5855m < Hc = 2.5m nên nước nhảy không chạm trần cống.
Vị trí nước nhảy cách C-C một đoạn là: L = 0.366 + 19.953 = 20.32m (giá trị 19.953m cũng được nội suy từ bảng 6.5).
Chiều dài nước nhảy: Ln = 7.13m (nội suy từ bảng 6.5)
Vậy để đảm bảo ổn định cho cống trong quá trình vận hành ta phải chú trọng đảm bảo độ bền các khớp nối của cống để tránh nước nhảy làm rung động, phá hỏng khớp.