CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRÀN TỰ LẬT CHO HỒ CHỨA VỪA VÀ NHỎ
2.5 Tính toán điều tiết tràn tự lật
Tính toán điều tiết lũ tràn tự lật vẫn dựa trên các lý thuyết cơ bản để tính toán, chỉ khác so với tính toán điều tiết khác là tính toán điều tiết tràn tự lật sẽ bảo gồm tính toán điều tiết cho cả tràn chính và tràn tự lật làm việc đồng thời.
a. Mục đích tính toán
Tính toán điều tiết lũ tràn tự lật là nội dung quan trọng khi thiết kế tràn để xác định quy mô, kích thước của công trình xả lũ, dung tích điều tiết lũ, mực nước lớn nhất trong hồ chứa đã đảm bảo an toàn và khả năng ảnh hưởng đến hạ lưu khi tràn tự lật làm việc.
- Xác định mực nước an toàn cho hồ khi tràn tự lật làm việc Zsc. - Xác định quá trình xả lũ của hồ chứa qxả ~ t.
b. Nguyên lý tính toán
Dòng chảy trong sông thời kì có lũ là dòng chảy không ổn định nên được diễn toán trên cơ sở hệ phương trình Saint - Veant bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lực:
t q A x
Q =
∂ +∂
∂
∂∂ (2.22)
2 0
K Q Q x v v g t v g x
Z −
∂ =
− ∂
∂ + ∂
∂
∂ α α
(2.23) Trong đó:
Q: Lưu lượng dòng chảy trong sông (m3/s) Z: Mực nước tại mặt cắt tính toán (m) v: Lưu tốc trung bình mặt cắt (m/s) K: Mô đun lưu lượng.
q: Lưu lượng gia nhập trên 1m chiều dài đoạn sông (m3/s) x: Tọa độ dài đoạn sông (m)
t: Thời gian (giờ)
A: Diện tích mặt cắt ướt (m2) g: Gia tốc trọng trường.
α: Hệ số sửa chữa động năng.
0:
α Hệ số sửa chữa động lượng.
Khi lũ di chuyển qua hồ chứa có các đặc điểm sau: mặt cắt mở rộng đột ngột nên độ dốc đường mặt nước rất nhỏ, độ sâu dòng chảy rất lớn và tốc độ dòng chảy cũng rất nhỏ. Lúc này ta có thể đưa phương phương trình liên tục về dạng vi phân sau:
(Q−q)dt=F.dh Trong đó:
Q: Lưu lượng lũ đến.
q: Lưu lượng xả khỏi hồ.
F: Diện tích mặt thoáng của kho nước dh: Sự thay đổi độ sâu nước trong hồ.
Viết phương trình cân bằng trên dưới dạng sai phân:
1 2 1 2
2 1
( ) ( )
2 2
Q Q q q
t t V V
+ +
∆ − ∆ = − (2.24)
Trong đó :
∆t: là thời đoạn tính toán.
Q1, Q2: là lưu lượng lũ đầu và cuối thời đoạn tính toán.
q1, q2: là lưu lượng xả đầu và cuối thời đoạn tính toán.
V1, V2 : Dung tích hồ đầu và cuối thời đoạn tính toán.
Trong phương trình trên, các đại lượng đã biết gồm: thời đoạn tính toán, lưu lượng đến đầu và cuối thời đoạn tính toán, lưu lượng xả đầu thời đoạn tính toán, thể tích nước trong kho đầu thời đoạn tính toán. Còn các đại lượng chưa biết gồm có hai đại lượng là lưu lượng xả và dung tích hồ ở cuối thời đoạn tính toán. Do đó phương trình trên chưa thể giải được. Muốn giải phương trình trên cần bổ sung thêm phương trình động lực:
(Z Z A)
f q= t; h; Trong đó:
Zt, Zh : Là mực nước thượng lưu, hạ lưu hồ tại thời điểm tính toán t.
A: Là thông số hình thức biểu thị thông số công tác của công trình xả lũ.
Như vậy nguyên lý cơ bản của điều tiết lũ là việc hợp giải phương trình cân bằng nước và phương trình động lực.
c. Phương pháp tính toán
Tính toán điều tiết lũ được thực hiện sử dung chương trinh DTL2002 do Trường đại học Thuỷ lợi xây dựng. Thuật toán tính toán điều tiết lũ dựa trên cơ sở giải phương trình cân bằng nước :
Q q dt
dV = − (2.25) Với các điều kiện biên:
- Đặc trưng dung tích của hồ V = f1 (Z) (2.26)
- Đặc trưng mực nước hạ lưu Zh = f2 (q) (2.27)
Trong đó:
V: dung tích hồ;
t : thời gian;
Q: lưu lượng nước đến;
q: lưu lượng nước tháo ra khỏi hồ;
Z: mực nước hồ;
Zh: mực nước hạ lưu.
Trường hợp nước từ hồ được xả đồng thời qua nhiều bộ phận tháo khác nhau thì:
Q = Σqi (2.28)
Với Qxilà lưu lượng tháo qua bộ phận thứ i ta phân biệt:
- Bộ phận tháo kiểu tràn hở, van mở hoàn toàn qi = σn . ε.m. B . 2g H03/2
(2.29)
- Bộ phận tháo kiểu tràn hở, van mở 1 phần qi = ε . α. A . B 2g(H0 −hz)
(2.30) - Bộ phận tháo kiểu cống xả sâu:
qi = à. ω. 2g(H0−hz)
(2.31) - Tháo qua đỉnh tràn sự cố tự lật khi chưa lật:Áp dụng các công thức tính lưu lượng đã nêu trong mục 2.3.2 Tính toán thủy lực tràn ứng với kết cấu đã thiết kế.
- Tháo qua tràn sự cố khi đã lật: Áp dụng các công thức tính lưu lượng đã nêu trong mục 2.3.2 Tính toán thủy lực tràn ứng với kết cấu đã thiết kế.
Trong đó các tham số tính toán được xác định theo các sổ tay thuỷ lực, quy trình tính toán thuỷ lực đập tràn (TCVN 9147-2012) và yêu cầu kỹ thuật tính toán thuỷ lực cống dưới sâu (TCVN 9151-2012).
Trong tính toán, phương trình (1) được sai phân hoá thành:
1 2 2
1 2
1 ( )
2 ) 1 2(
1 Q +Q ∆t− q +q ∆t=V −V
(2.32) trong đó ∆t: thời đoạn tính toán, chỉ số 1: đầu thời đoạn, chỉ số 2: cuối thời đoạn.
Tính Σqi ứng với mỗi thời điểm cần phải tiến hành bằng phương pháp đúng dần.
* Trình tự tính toán + Số liệu đầu vào:
- Kích thước tràn: chiều rộng B (m); cao trình đỉnh tường Zđt (m); cao trình ngưỡng Zng;
- Hình thức tràn: hệ số lưu lượng trước khi lật: m1; hệ số lưu lượng sau khi lật m2; hệ số co hẹp bên ε
- Thông số mực nước: MNDBT (m); cao trình lật Zlat (m);
- Đường quan hệ Z ~ V;
- Đường quá trình lũ Q ~ t;
- Các thông số của tràn chính và các tràn khác nếu có để tính toán song song;
+ Các bước tính toán:
Sơ đồ khối của chương trình
Hình 2.41: Sơ đồ khối chương trình
* Kết quả tính toán - Đường quan hệ Q ~ t
- Đường quan hệ q ~ t (có thể tách được các thành phần qi) Bắt đầu
Đọc số liệu t = 0 t = t + dt
Gán các giá trị đầu vào thời đoạn tính toán Q1; q1; Z1; H1; V1; Zdt; Zng; Zlat
Giả thiết MNH cuối thờiđoạn tính toán Z2 Kiểm tra trạng thái lật, tính toán Q2, Z2, H2, q2, V2:
Z2 <= Zdt <= Zlat: chưa lật q2 = 0 Z2 > Zdt < Zlat: H2 = Z2 - Zdt, tính q2 Z2 > Zlat: H2 = Z2 - Zng, tính q2 Z2 <= Zlat <= Zdt: chưa lật q2 = 0 mtm; mdt; e
Kiểm tra cân bằng luu luợng
dtV < [dtV]
Kiểm tra t > tkt q < qkt In kết quả Dừng máy
S S
Ð
Ð