+ Ứng với mực nước lũ thiết kế P1% (+ 668,7m) + Mực nước hồ ở MNDBT: (+660,0m)
+ Mực nước hồ ở cao trình dùng để đón lũ: MNTL=655,4m
3.2. Phương pháp mơ hình hóa các hạng mục cơng trình và các trường hợp thí nghiệm nghiệm
3.2.1. Mơ hình hóa các hạng mục cơng trình
Để giải quyết được các nội dung yêu cầu thí nghiệm đã dùng nghiên cứu lý luận kết hợp với thí nghiệm mơ hình. Đã sử dụng loại mơ hình tổng thể chính thái, lịng cứng. Với loại mơ hình cơng trình nên lực tác dụng chính là trọng lực, nên tiêu chuẩn tương tự chính là tiêu chuẩn Froude dùng để thiết kế mơ hình.
Ngồi tn thủ định luật cơ bản nêu trên, tỷ lệ mơ hình phải chọn thích hợp nhằm đáp ứng các điều kiện tương tự với dịng chảy ngồi thực tế đó là:
+ Về chế độ dịng chảy: Nếu ngồi thực tế dòng chảy ở chế độ chảy tầng hoặc chảy rối thì trong mơ hình cũng phải tái diễn tương tự điều kiện đó. Đối với cơng trình này, dịng chảy chủ yếu là dịng chảy rối, ở ngồi khu bình phương sức cản. + Tương tự về nhám: Vì dịng chảy ở nguyên hình và trong mơ hình chủ yếu là dịng chảy rối, khu bình phương sức cản nên khi thiết kế mơ hình cần đảm bảo tương tự về hình học giữa các kích thước tương ứng, kể cả độ nhám tuyệt đối (D). + Tỷ lệ tối đa của mơ hình: (λmax) Để tránh ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài khi chảy qua trụ pin, trụ bên cũng như mặt đập tràn thì việc chọn tỷ lệ mơ hình q nhỏ sẽ ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm mơ hình, nên tỷ lệ tối đa của mơ hình phải thỏa mãn điều kiện λlmax £ λlgh.
Căn cứ vào các tiêu chuẩn nêu trên, dựa vào điều kiện thực tế của phịng thí nghiệm và thơng qua tính tốn, nên đã chọn tỷ lệ λl=30
3.2.2. Thiết kế mơ hình 3.2.2.1. Tiêu chuẩn tương tự
Đối với cụm đầu mối cơng trình đập tràn Bản Mịng, có thể phân ra 2 loại đối tượng cần mơ hình hóa vì dịng chảy ở hai loại cơng trình này ở trạng thái khác nhau.
1. Cống xả hạ lưu: Dịng chảy có áp 2. Tràn xả lũ: Dòng chảy là dòng chảy hở
Trong luận văn này học viên chỉ trình bày các vấn đề liên quan đến tiêu năng xả lũ bằng dòng phun.
Đối với tràn xả lũ: Dòng chảy là dòng chảy hở, lực tác dụng vào dòng chảy chủ yếu là trọng lực nên tiêu chuẩn tương tự mơ hình được chọn là tương tự trọng lực hay tiêu chuẩn Froude:
m ghFr idem Fr idem Re Re C idem ü = ï ï > ý ï ï = ỵ (3.1)
Khi xây dựng nếu đảm bảo cho dịng chảy ở khu bình phương sức cản thì sẽ thỏa mãn điều kiện tự động mơ hình. Nghĩa là lúc này, trị số Re trên mơ hình đủ lớn, vượt qua được giá trị giới hạn Regh. Lúc này có thể bỏ qua lực nhớt so với áp lực và áp dụng được tiêu chuẩn Fr cho đối tượng này. Trị số Regh xác định theo công thức sau: Regh=Re 14 . m gh m m R K e = (3.2)
Trong đó: Rm, Km, εm lần lượt là bán kính thủy lực, độ nhám và hệ số sức cản của ma sát trên mơ hình.
Đối với cơng trình Bản Mòng áp dụng tiêu chuẩn Froude. Với tỷ lệ λl=30 đã chọn đều đảm bảo điều kiện dòng chảy ở trạng thái tự động mơ hình, đồng thời đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho bố trí các thiết bị đo ở mọi vị trí.
3.2.2.2 Kiểm tra điều kiện tự động mơ hình:
Để kiểm tra điều kiện tư động mơ hình, đã tính tốn với trường hợp bất lợi nhất (Q,H)min trên mơ hình:
Dịng chảy ở hạ lưu mơ hình tổng thể (λl=30) Dịng chảy trên đập tràn mơ hình tổng thể (λl=30)
Các giới hạn về độ sâu, lưu tốc và chế độ chảy đều được đảm bảo theo tiêu chuẩn của quy trình thí nghiệm mơ hình. Qua kiểm tra các hạng mục ở mơ hình đã chọn là thỏa mãn điều kiện tương tự mơ hình.
Với λl=30 suy ra các tỷ lệ khác nhau có liên quan
λl= n 30 m L L = , λh= n 30 m H H = (tỷ kệ chiều cao) 30 30 900 n S m S S l = = ´ = (tỷ lệ diện tích) 3 W W 30 30 30 2700 W n l m l = =l = ´ ´ = (tỷ lệ thể tích) 30 n n P h m m P H P H l = = =l = (tỷ lệ áp suất) 5, 477 n V l m V V l = = l = (tỷ lệ lưu tốc) 1/6 1,762 n n l m n n l = =l = (tỷ lệ độ nhám) 5/2 30 30 30 4929,5 n Q l m Q Q l = =l = ´ ´ = (tỷ lệ lưu lượng) 3.2.2.3.Phạm vi xây dựng mơ hình
Ở thượng lưu: Theo tiêu chuẩn TCVN 8214:2009 phần thượng lưu cần lấy cách tim đập tràn khoảng 30 lần cột nước thiết kế. Mặt khác theo quy phạm tính tốn thủy lực đập tràn QP.TL.C8-76 phạm vi ảnh hưởng vận tốc tới gần nằm trong khoảng (3-5)H, và trong mọi trường hợp nếu diện tích mặt cắt ướt thượng lưu lớn hơn 4 lần mặt cắt ướt của tràn: Thỏa mãn biểu thức W >T 4.( .HåB) thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của vận tốc tới gần.
Đối với tràn Bản Mòng với Qtk=614m3/s (P=1%) khi mở cả 3 cửa thì Htk=7,28m, khi mở 2 cửa thì Htk=8,7m. Chiều dài mơ hình phía thượng lưu cần lấy là: LTL=30.Htk»260m là phù hợp cộng thêm đoạn quá độ ở cửa vào DLvm =1mtương đương thực tế là 30m. Như vậy chiều dài phía thượng lưu mơ hình lấy L=300m
Phía hạ lưu: Theo tiêu chuẩn TCVN 8214: 2009 cần lấy cách mặt cắt xác định Q=f(Hhl) ít nhất là 300m. Tuy nhiên trong mục 1 phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn
này có khuyến kích áp dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn có liên quan. Do vậy để tiết kiệm kinh phí xây dựng mơ hình mà lại đảm bảo vận dụng hợp lý các kết quả nên đã tham khảo quy phạm SL-155-95: Quy trình thí nghiệm mơ hình thủy cơng (bản tiếng Trung Quốc) thì phạm vi mơ hình có khuyến cáo là: Phạm vi hạ lưu lấy làm sao cho khơng ảnh hưởng đến dịng chảy. Mặt khác, trong quy định thiết kế, chế tạo, xây dựng các loại mơ hình của quy trình này về tràn xả lũ thì phạm vi có quy định đối với cơng trình cấp I và cấp đặc biệt thì vị trí cửa điều chỉnh hạ lưu phải cách mặt cắt khống chế mực nước hạ lưu tuyến đập với chiều dài khơng được nhỏ hơn 100m. Đối với cơng trình cấp II hoặc cấp III tùy theo điều kiện cụ thể có xem xét đến sự an tồn của các cơng trình dân sinh kinh tế ở khu ngang sát hạ lưu tuyến tràn hay không mà khống chế chiều dài mơ hình lấy về phía hạ lưu từ (400¸1000m).
Tràn xả lũ Bản Mịng là cơng trình cấp III ngay sát chân đập thuộc khu vực hạ lưu tràn xả lũ khơng có cơng trình dân sinh kinh tế quan trọng nên kéo dài phạm vi phần hạ lưu mơ hình thêm một đoạn q độ ban đầu D =L 2m(tức là LHL=490m). Mặt khác với số liệu địa hình đo đạc được cấp để xây dựng mơ hình chỉ đến hết hố xói hạ lưu (cách tim tràn 155m) thì phạm vi hạ lưu mơ hình 490m là phù hợp.
Tóm lại:
+ Tổng chiều dài mơ hình: Phía thượng lưu 260m; phía hạ lưu lấy 490m như vậy chiều dài mơ hình chưa kể đoạn quá độ là åL=750 .m Do đó, tổng chiều dài mơ
hình là: 750 1 25 1 26 30 m l L L L m l =å + D = + = + = å + Chiều rộng mơ hình: Bm= 240 8 30 TT l B m l = =
+ Chiều cao mơ hình: Khống chế từ cao trình 670m xuống đến đáy hố xói ở cao trình 612m (chưa kể lớp cát đệm đáy hố xói) là 57m do vậy:
57 1,9 30 TT m l H H m h l
= = = + D (Chọn Hm=2,0m ở phía thượng lưu)
Chiều cao mơ hình phía hạ lưu là 20m (lấy từ cao trình 612m đến 643m để tiết kiệm kinh phí xây dựng mơ hình)
Do đó: HHL=30 1
31» mnên chọn HH=1m
Như vậy chiều dài toàn tuyến cơng trình cách cửa ra khoảng 690m, chiều rộng mơ hình lấy bao đến đường đồng mức ở cao trình 670m với tổng chiều rộng 240m, chiều cao địa hình cần thể hiện từ cao trình thấp hơn đáy hố xói đến trên mực nước hồ lớn nhất cần thí nghiệm với chiều cao là 57m từ cao trình 612m đến 670m. Như vậy mơ hình tổng thể cơng trình đầu mối hồ chứa nước Bản Mòng được xây dựng với kích thước mơ hình là LxBxH=(26x8x2)m chưa kể đến tới hệ thống cấp, xả và tuần hoàn nước của Phịng thí nghiệm.
3.2.2.4. Vật liệu xây dựng và chế tạo mơ hình:
+ Phần địa hình lịng hồ, kênh xả hạ lưu trong thực tế có độ nhám n=0,025
¸0,03, nên độ nhám của vật liệu làm mơ hình là: nm=0,025 0,03 0,014 0,017
1,762 ¸
= ¸ nên cho phép dùng vữa xi măng trát xoa nhẵn.
+ Phần cơng trình như đập tràn, cửa van, trụ pin trong thực tế bằng bê tơng có độ nhám: n=0,016¸0,018 vì vậy vật liệu trong mơ hình gia cơng đầu mối có độ nhám là: nm=0,016 0,018 0,00907 0,0102
1,762 ¸
= ¸ nên cho phép dùng kính hữu cơ chế tạo để tiện cho việc quan sát dịng chảy trên mơ hình.
3.2.2.5. Dụng cụ và phương pháp đo đạc quan trắc trên mơ hình:
Sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có của phịng thí nghiệm với các thiết bị đo đạc hiện đại để thu thập các thông số thủy lực như áp suất trung bình, mạch động áp suất, vận tốc trung bình và mạch động vận tốc của dịng chảy, cao trình mực nước, cao độ cơng trình, lưu lượng chảy qua đập tràn, bình đồ và lưu hướng dòng chảy, các thiết bị quay phim chụp ảnh…vv phục vụ việc làm báo cáo. Để thực hiện các việc trên đã sử dụng các thiết bị sau:
- Đo lưu lượng trên mơ hình: Dùng đập tràn thành mỏng chữ nhật, lưu lượng qua tràn chữ nhật tính theo cơng thức Rehbock.
Q= (1,782+0,24hc)
Trong đó: Q- Lưu lượng (l/s)
B- Chiều rộng máng đo lưu lượng (m) P- Chiều cao đập (m)
hc=h0+0,0011 (m)
h0- Cột nước trên đỉnh đập lường (m)
Công thức trên áp dụng trong phạm vi 0,15<P<1,22m và H<4P cho kết quả sai số không vượt quá 1%.
- Đo địa hình và đo đường mặt nước
Dùng thiết bị đo sâu hồi âm UBM-3 của Hà Lan và máy thủy bình Ni0=4 của Đức để đo cao độ và thước dây để đo khoảng cách trên mặt bằng.
Đo mực nước: Mực nước trên mơ hình được đo bằng hệ thống kim đo cố định và kim đo tự động do Trung Quốc sản xuất
Đo lưu tốc: Vận tốc trung bình dịng chảy theo thời gian (u) và mạch động vận tốc (u’) được đo bằng thiết bị điện tử kiểu cảm ứng điện từ P.E.M.S của Hà Lan, dải đo từ 0 ¸5m/s; độ chính xác ±0,01 /m s. Với đầu đo P.E.M.S còn cho phép xác định phương và chiều của vận tốc. Hướng dòng chảy được xác định bằng các thước đo lưu hướng và chỉ đo lưu hướng.
Đo áp lực: Đo áp lực mạch động dùng đầu đo áp suất điện tử dùng bộ ghi SE do Áo chế tạo, có phần mềm xử lý số liệu.
Đo áp suất trung bình bằng hệ thống đo áp Pi zô mét
Các thiết bị điện tử nói trên đã được kiểm định theo tiêu chuẩn trước khi đưa vào sử dụng. Số liệu nhận được của các đầu đo đều truyền về máy vi tính tiếp nhận và xử lý. Để đảm bảo số liệu đo mỗi điểm đo được kéo dài từ 20~30s, mỗi giây nhận 10 tín hiệu. Do đó trị số của mỗi lần đo ghi được là n=200¸300
Việc tính các đại lượng đặc trưng của dịng rối được thể hiện qua các biểu thức:
+ Lưu tốc mạch động và áp suất mạch động U’=U-U (3.6)
Trong đó: U, P là trị số tức thời
U , Plà trị số lưu tốc và áp suất trung bình 1 n U U n =å (3.8) 1 n P P n =å (3.9) Chuẩn mạch động lưu tốc và áp suất
D(U’)= 2 2 1 ( ) n U U U n - = å (3.10) D(P’)= 2 2 1 ( ) n P P P n - = å (3.11) Về cường độ rối, cường độ mạch động áp suất:
'( ) ( ) v D U U s = (3.12) ' ( ) P D P P s = (3.13)
Để tiện cho việc sử dụng tài liệu, các kết quả về mạch động lưu tốc và mạch động áp suất đã đem các giá trị đo được chuyển sang giá trị có thứ nguyên.