Phương pháp thực nghiệm mô hình thủy lực

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG KÊNH CỤT

3.3. Phương pháp thực nghiệm mô hình thủy lực

Vấn đề tính toán thủy lực dòng chảy qua cống là một trong những công tác tính toán rất khó khăn để tìm ra kích thước phù hợp. Để tìm ra được bộ thông số tối iu cho công trình cống, đáp ứng yêu cầu đặt ra và bền vũng trong quá trình hoạt động. Với những vấn đề này thực tế cho thấy MHTL đã giải quyết được những vấn đề phức tạp của dòng chảy qua cống mà việc tính toán lý thuyết là rất khó xác định. Vì thế khi tính toán thiết kế công trình thủy lợi có tính phức tạp thì mô hình thủy lực là một lựa chọn không thể thiếu. Để có kết quả tốt nhất cho việc tính toán diễn biến thủy lực trước và sau cống thì cần kết hợp tính toán thiết kế với thí nghiệm mô hình thủy lực.

3.3.2. Các tài liệu cơ bản thí nghiệm mô hình

Các tài liệu liên quan đến việc thí nghiệm mô hình cống ngăn triều Kênh Cụt:

- Bình đồ khu vực công trình đầu mối - Mặt bằng bố trí công trình đầu mối

- Các bản vẽ mặt bằng, cắt dọc, cắt ngang cống

- Các bản vẽ kết cấu, bản vẽ chi tiết các bộ phận của cống

- Tài liệu về tính toán thủy lực, thủy văn công trình, quan hệ Q ~ Z - Các mặt cắt địa chất và các chỉ tiêu cơ lý nền

- Đề cương yêu cầu thí nghiệm do cơ quan tư vấn thiết kế lập 3.3.3. Thiết kế mô hình và trình tự thí nghiệm

3.3.3.1. Thiết kế mô hình hóa a. Phạm vị trên nguyên hình:

Theo TCVN 8214: 2009 phạm vi mô hình cần phải xác định cụ thể trên bình đồ tổng thể bố trí công trình đầu mối cống đảm bảo yêu câu:

- Chiều dài công trình: Dòng chảy qua cống là dòng chảy hai chiều ( chảy từ đồng ra biển và ngược lại). Tính từ mặt cắt (QT)/(Z/T)phía đồng và mặt cắt (QT)/(ZT)P. biển lấy về phía ngoài của mặt cắt khoảng 300m. Khoảng cách giữa hai mặt cắt là 160m. Như vậy tổng chiều dài tối thiểu để xây dựng mô hình là:

50

L = L1+ L2 + L3 = 300m + 160m + 300m = 760m

Chiều rộng đủ rộng để bao hết đường mặt nước cao nhất, đồng thời có độ an toàn thích hợp: Theo bản vẽ mặt bằng của công trình, chiều rộng trung bình ngoài thực tế để xây dựng mô hình là B = 280m.

Chiều cao để làm mô hình: Lấy từ cao trình +2,0m đến cao trình địa hình thấp nhất là - 7,0m như vậy chiều cao tối thiểu cần có để làm mô hình là H = 9m.

b. Chọn tỷ lệ mô hình

Bảng 3.1 Quan hệ giữa các đại lượng thông qua tỷ lệ mô hình

STT Đại lượng Quan hệ tính Giá trị

1 Tỷ lệ về diện tích s  l 1.225,00

2 Tỷ lệ về thể tích w  l 42.875,00

3 Tỷ lệ về lưu lượng Q  l 7.247,20

4 Tỷ lệ về lưu lượng đơn vị q  l 207,06

5 Tỷ lệ về vận tốc v  l 5,92

6 Tỷ lệ về kích thước hình học h  l 35,00 7 Tỷ lệ về chiều cao áp suất dư p  l 35,00

8 Tỷ lệ về thời gian tt 5,92

9 Tỷ lệ về nhám của lòng dẫn     1,81

Tỷ lệ mô hình khi chọn đảm bảo tiêu chuẩn tương tự: Fr = Idem; Re.m  Regh; C = Idem Dựa trên quy mô và khả năng cấp nước của phòng thí nghiệm, mặt bằng khu thí nghiệm,

các yêu cầu về độ chính xác, quy mô kích thước của công trình cống Kênh Cụt...

Bên cạnh đó đảm bảo tương tự theo tiêu chuẩn Froude và kiểm tra lại tỷ lệ mô hình trong hồ sơ mời thầu. Chọn tỷ lệ mô hình =35.

Từ các kết quả trình bày ở trên ta có được quan hệ giữa các đại lượng thông qua tỷ lệ mô hình như bảng 3.1.

3.3.3.2. Vật liệu làm mô hình

Trên cơ sở thiết kế và xây dựng mô hình vật liệu làm mô hình được chọn trên cơ sở đảm bảo tương tự về độ nhám trên các bề mặt kết cấu công trình tiếp xúc với nước tương ứng.

Đối với tỷ lệ mô hình như đã chọn l=35 thì tỷ lệ hệ số nhám là n=

m n

n

n =(35)1/6 =1,81.

51

Xuất phát từ đó vật liệu chế tạo được chọn cho các phần kết cấu công trình như sau:

- Đối với mặt bê tông rất nhãn, chất lượng thi công cao như các thành phần công trình đầu mối cống( nn = 0,014÷0,017) dùng kính hữu cơ có độ nhám nm0,008.

- Đối với các bộ phận kết cấu công trình khác có bề mặt tương đối nhẵn (nn = 0, 018÷0,020) trát bằng vữa xi măng cát mịn mài nhãn có nm (0,01÷0,011) bảo đảm tỷ lệ n=1,81.

- Đối với địa hình lòng sông tự nhiên dùng vữa xi măng hạt thô trát nhẵn, trên mặt trải nhám để đảm bảo độ nhám tự nhiên.

3.3.3.3. Phạm vi xây dựng trên mô hình

Mô hình vật lý dùng để thí nghiệm cống Kênh Cụt chọn loại mô hình chính thái chỉnh thể.

Như đã chọn tỷ lệ mô hình là l = 35 thì kích thước trên mô hình cần có như sau:

- Chiều dài mô hình Lmh = 760/35  22,0m - Chiều rộng mô hình Bmh = 280/35 = 8,0m - Chiều cao mô hình 9/35+0,2m+0,1m  0,6m.

- Diện tích mô hình SMH = (22,0m x 8,0m) = 176,0m² 3.3.3.4. Các thiết bị đo đạc

Các thiết bị chính dùng cho xây dựng, gia công chế tạo và đo đạc trên mô hình là:

1. Máy thăng bằng độ chính sác cao Ni-005

2. Các kim do mực nước độ chính sác cao H1-8, và H1-3 di đọng, cố định, và hiệu số của Amfield –Anh

3. Các thiết bị cấp nước cho phòng thí nhiệm thủy lực: Nguồn cấp nước ( gồm hồ chứa, máy bơm, hệ thống các đường ống dẫn tới mô hình, các van điều chỉnh...)

4. Các thiết bị đo đạc gồm:

- Máy đo lưu tốc kiểu điện từ PEMS - E30 và PEMS - E40 - Máy đo lưu tốc bằng lade

- Máy đo lưu tốc cực nhỏ kiểu 1205 (1,5-91cm/s) - Máy đo lưu tốc kiểu cánh quay WVM

- Đầu đo lưu tốc kiểu ống CM-10S-0071 - Đầu đo lưu tốc nhỏ kiểu 1210 (3-6cm/s) - Máy đo mực nước thay đổi GHM.

52

- Bộ lưu trữ và sử lý số liệu HYDRA-DATALOGER và TDS-303 (hãng Fluke).

- Đầu đo áp lực, chuyển vị, áp suất, biến dạng và rung động.

5. Thiết bị đong lưu lượng trên mô hình: Dùng máng lường thành mỏng dạng chữ nhật để đong lưu lượng.

Theo TCVN 8214:2009 lưu lượng qua máng lường thành mỏng dạng chữ nhật được tính theo công thức của Rehbock

Q=(1,782 + 0,24 P h*

)b.h*32

Trong đó: P – Chiều cao đập thành mỏng so với đáy thượng lưu.

b – Chiều rộng đập thành mỏng h: Cột nước trên đỉnh đập tràn h*=h+0,0011 m

Những thiết bị trên đây thuộc vào loại hiện đại trên thế giới, có khả năng thu nhận tín hiệu, xử lý tự động, kết xuất theo yêu cầu người sử dụng một cách thuận lợi, có thể đo trị số tức thời và trung bình theo các khoảng thời gian bất kỳ.

3.3.3.5. Kiểm định mô hình

a. Kiểm tra điều kiện giới hạn trên mô hình

Dòng chảy tại trước cống và sau cống: ((l=35, Qmin=84,1m3/s cống mở 1 cửa, chảy từ đồng ra sông, Bkênh=82,5m

m m m

m m em

q h R V



 

 .

Trong đó

L L kênh

m B

q Q



 . .

 min ; Hệ số nhớt động học m= 0,81*10-6m/s

 Rem=6.078 > Regh=(5.0006.000) b. Kiểm tra sai số xây dựng mô hình

Mô hình được thu nhỏ theo tỷ lệ 1:35, việc tạo địa hình trên mô hình theo phương pháp mặt cắt, phương pháp điểm cọc. Kết quả kiểm tra công việc xây dựng mô hình tại một số vị trí được ghi trong bảng PL01 trong phụ lục.

Như vậy sau khi tính toán bố trí và xây dựng mô hình, mô hình đã được kiểm tra lại các chi tiết hình học, kết quả cho thấy sai số về cao độ, kích thước trên mô hình đều nằm trong phạm vi sai số cho phép (TCVN 8214: 2009), đồng thời thỏa mãn điều kiện giới hạn trạng

53

thái chảy (Rem>Regh) – đảm bảo dòng chảy trên mô hình tương tự với trạng thái chảy trên thực tế (Khu sức cản bình phương)… Kết luận là dòng chảy trên mô hình tương tự dòng chảy ngoài thực tế.

c. Xác định vận tốc xói cho phép Vcpx

Từ số liệu địa chất tại các hố khoan HKTK1 đến HKTK15 cho thấy ứng với địa chất thuộc lớp 1: Bùn sét màu xám đen, trạng thái chảy có các chỉ tiêu cơ lý sau:

- Góc ma sát trong =2045’

- Lực dính C=0,055 kg/cm2

 Xác định được vận tốc xói cho phép của lớp 1, lòng dẫn phía Biển là Vcpx = 0,66 m/s.

Vận tốc xói cho phép của lớp 1, lòng dẫn phía đồng là Vcpx = 1,0 m/s.

Lớp 2: Sét màu nâu đỏ, xám xanh, nâu vàng, xám trắng, trạng thái nửa cứng, cứng có các chỉ tiêu cơ lý sau:

- Góc ma sát trong =15019’

- Lực dính C=0,429 kg/cm2

 Xác định được vận tốc xói cho phép của lớp 2, lòng dẫn phía Biển là Vcpx = 1,43m/s.

Vận tốc xói cho phép của lớp 2, lòng dẫn phía đồng là Vcpx = 2,45m/s.

Đối với rọ đá Vcpx = 4,0m/s.

Đối với thảm đá Vcpx = 2,0m/s.

d. Bố trí các mặt cắt đo đạc

Đo lưu tốc: Dọc theo chiều dòng chảy bố trí 16 mặt cắt đo đạc cả trước và sau cống. Trên mỗi mặt cắt bố trí từ 5 đến 7 thủy trực đo, mỗi thủy trực đo 2 điểm mặt và đáy.

- Đo đường mặt nước: dọc theo cống từ vị trí đặt ống lấy mực nước trước và sau cống đặt các ống nước tại các mặt cắt đo, ống nước được dẫn đến các kim đo để xác định diễn biến đường mực nước dọc theo cống.

- Đo mạch động vận tốc: Tại các điểm cục bộ xẽ được đo mạch động để xác định biên độ mạch động tại các điểm đo.

3.3.3.6. Trình tự thí nhiệm trên mô hình

Các công tác thực hiện thí nghiệm được tiến hành theo các bươc như sau:

a. Mở nước.

54

Vận hành máy bơm đưa nước từ bể chứa ngầm lên bể áp lực rồi từ đấy chảy qua máng lường đo lưu lượng rồi chảy vào mô hình.

b. Xác định lưu lượng, mực nước thí nghiệm.

- Dùng van điều chỉnh, khống chế lưu lượng chảy qua máng lường vào mô hình.

- Khi mực nước hạ lưu và máng lường ổn định, đọc giá trị mực nước thượng lưu.

- Mực nước hạ lưu được khống chế nhờ kim đo mực nước hạ lưu c. Đo đạc tính toán ứng với từng trường hợp

Các số liệu đo đạc được ghi chép tại mô hình, sau đó tổng hợp phân loại, tính toán xử lý, phân tích lưu trữ trên máy tính.

3.3.4. Mô phỏng các trường hợp thiết kế

3.3.4.1. Mô phỏng kiểm nghiệm phương án thiết kế (PATK) - Kiểm tra khả năng tháo của phương án thiết kế

- Đo độ đóng mở của van, đường mặt nước, chế độ thủy lực

- Xác định phân bố lưu tốc theo chiều ngang, chiều sâu của từng mặt cắt

Để xác định yếu tố bất lợi về thủy lực của phương án thiết kế ban đầu từ đó đề xuất thí nghiệm sủa đổi cho chi tiết chưa đạt yêu cầu về thủy lực.

3.3.4.2. Mô phỏng thí nghiệm phương án sửa đổi

- Thí nghiệm đề xuất các phương án sửa đổi kết cấu tiêu năng - Thí nghiệm với các phương án chọn để chọn ra phương án hợp lý - Phân tích đánh giá, chọn phương án hợp lý

3.3.4.3. Mô phỏng thí nghiệm kiểm tra phương án thiết kế hoàn chỉnh ứng với các trường hợp đống mở của van khi gặp sự cố