CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO TỪNG PHƯƠNG ÁN
6.2 THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ
6.2.2 Tính toán thủy lực dốc nước
Mục đích tính toán thủy lực dốc nước là để xác định đường mặt nước trên dốc, từ đó xác định chiều cao tường biên, tính được lưu tốc trên dốc, điều kiện thủy lực trước khi vào bộ phận tiêu năng để chọn kết cấu bản đáy và tiêu năng được hợp lý 6.2.2.1 Xác định độ sâu dòng chảy đều trong dốc nước(ho)
Dùng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực để tính toán:
- Tính f(Rln) = Q
i mO. .
4 với mo = 2. 1+m2 - m Trong đó :
+ Q : Lưu lượng nước chảy qua dốc nước bằng lưu lưọng lớn nhất xả qua tràn ứng ứng với các giá trị Btr
+ i : Độ dốc của dốc nước ở đoạn dốc nước không đổi, i = 0,08
+ m : Hệ số mái của dốc nước, do dốc nước có mặt cắt chữ nhật nên m = 0 → mo=2
Tra phụ lục bảng tính thuỷ lực ( phụ lục 8-1) , với các hệ số nhám của dốc nước (bằng bê tông) n = 0,017 => Rln
- Lập tỷ số : Rln
Bd
tra phụ lục 8-3 ( Bảng tính thuỷ lực ) ta được Rln
h
- Độ sâu dòng chảy đều trong dốc nước không đổi được xác định theo công thức:
ho= Rln
h .Rln
Kết quả tính toán độ sâu dòng chảy đều trong đoạn không đổi của dốc nước ứng với các phương án Btr khác nhau được ghi ở bảng sau:
Bảng 7 – 1: Độ sâu dòng đều ho trên dốc nước B(m) Q(m3/s) fRln(m) Rln(m)
Rln
b
Rln
h ho(m) 18 679.68 0.003329 1.86106 9.67191 0.9635 1.7931 24 688.03 0.003289 1.86984 12.8353 0.7954 1.4873 30 692.99 0.003265 1.87496 16.0003 0.6882 1.2904
6.2.2.2 Xác định độ sâu phân giới hk
Vì dốc nước có dạng hình chữ nhật nên hk được xác định theo công thức:
hk = 3 . 2
g α q
Trong đó : + q : Lưu lượng đơn vị qua dốc nước q = Q/Bd
+ α : Hệ số sửa chữa động năng ( chọn α =1 ) + g : Gia tốc trọng trường
Độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp :
Kết quả tính toán độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp được tính ở bảng sau:
Bảng 7 – 2: Độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp B
(m) Q
(m3/s) q
(m3/s.m) hk
(m)
18 670.65 37.25822 5.258
24 678.68 28.27833 4.375
30 686.59 22.88633 3.789
* Độ sâu phân giới của dốc nước sau đoạn thu hẹp:
Bảng 7 – 3: Độ sâu phân giới cuối đoạn thu hẹp
B
(m) Q
(m3/s) q
(m3/s.m) hk
(m)
21 670.65 31.9356 4.744
27 678.68 25.1363 4.046
33 686.59 20.8057 3.555
6.2.2.3 Xác định độ dốc phân giới
Độ dốc phân giới được xác định theo công thức ik=
k k
k
B C g
. .
. α 2
Χ
Trong đó:
χ k : Chu vi mặt cắt ướt tương ứng với độ sâu phân giới
Bk: Bề rộng trên mặt thoáng ứng với độ sâu phân giới trong dốc nước α : Hệ số sửa chữa động năng
Ck : Hệ số sêzi ứng với độ sâu phân giới: Ck= n 1 .R1/6 ϖ k = bk.hk Diện tích mặt cắt ướt
Rk : Bán kính thuỷ lực tương ứng với độ sâu phân giới
Kết quả tính toán độ dốc phân giới o đoạn thu hẹp được ghi ở bảng sau:
Bảng 7 – 4: Độ dốc phân giới đầu đoạn thu hẹp B
(m)
Q (m3/s)
hk
(m)
ϖ k (m2)
χk (m)
Rk
(m) Ck ik
18 670.65 5.2110 93.799 28.4221 3.3002 71.775 0.0030 24 678.68 4.3359 104.062 32.6718 3.1851 71.352 0.0026 30 686.59 3.7655 112.966 37.5311 3.0099 70.682 0.0025
Bảng 7 – 5: Độ dốc phân giới cuối đoạn thu hẹp B
(m)
Q (m3/s)
hk
(m)
ϖ k (m2)
χk (m)
Rk
(m) Ck ik
21 670.65 5.2110 109.432 31.4221 3.4826 72.422 0.0028 27 678.68 4.3359 117.069 35.6718 3.2818 71.709 0.0025 33 686.59 3.7655 124.263 40.5311 3.0659 70.900 0.0024 6.2.2.4 Tính đường mặt nước trên dốc nước đoạn thu hẹp
Phương pháp tính toán
Ở đây ta thiết kế đoạn thu hẹp ở đầu dốc nước có đáy và tường hai bên thu hẹp theo dạng đường thẳng,đáy đoạn thu hẹp có độ dốc i = 0.08
Đoạn thu hẹp có bề rộng thay dổi tương ứng với các phương án tràn như sau:
Btr = 18 m => Bd = 21 ÷ 18 m Btr = 24 m => Bd = 27 ÷ 24 m Btr = 30 m => Bd = 33 ÷ 30 m
Tính toán đoạn thu hẹp ở dầu dốc nước có nhiều phương pháp,ở đây ta tính toán theo phương pháp định trước chiều dài đoạn thu hẹp và sau đó xác định chiều sâu nước ở các vị trí khác nhau ở cửa ra của đoạn thu hẹp
Theo “Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thuỷ lợi” trường hợp không có ngưỡng tràn, phía sau ngưỡng tràn là dốc nước,cuối ngưỡng tràn là độ sau phân giới
Do đó đường mặt nước trong dốc sẽ là đường nước đổ bII .Nếu dốc nước dài độ sâu đoạn dưới sẽ tiếp cận với đường N-N,tức là gần bằng độ sâu chảy đều
Tính toán đường mặt nước trong đoạn thu hẹp theo phương pháp giả thiết chiều sâu nước ở các vị trí khác nhau trong đoạn thu hẹp,sau đó kết hợp phương pháp trực tiếp dể kiểm tra giá trị chiều sâu nước tại vị trí vừa giả thiết từ đó xác đinh được chiều sâu nước ở các vị trí khác nhau ở cửa ra của đoạn thu hẹp
Trình tự tính toán như sau:
+ Chọn chiều dài đoạn thu hẹp ứng với các phương án Btr tương ứng là:
Btr = 18 (m) ; Bd = 21 ÷ 18 (m) ; hd = 4.7442 (m) ; Lth = 18 (m) Btr = 24 (m) ; Bd = 27 ÷ 24 (m) ; hd = 4.0452 (m) ; Lth = 15(m) Btr = 30 (m) ; Bd = 33 ÷ 30 (m) ; hd = 3.5557 (m) ; Lth = 12 (m)
+ Chia đoạn thu hẹp thành n đoạn ngắn, từ đó xác dịnh được chiều dài đoạn tính toán:
∆L’=
n Lth
+ Giả thiết giá trị chiều sâư nước ở cuối thời đoạn tính toán
+ Xác định diện tích mặt cắt ướt ở đầu và cuối đoạn tính toán theo công thức:
ϖ I = bi.hi
+ Xác định vận tốc dòng chảy ở đầu và cuối đoạn tính toán theo công thức : Vi =
i Q ϖ
+ Xác định chênh lệch năng lượng đơn vị ở đầu và cuối đoạn tính toán được xác định theo công thức:
∆ ∋=∋i+1-∋i= ( hi+1+ g Vi
. 2
. 2+1
α ) – ( hi+ g Vi . 2
. 2 α )
+ Xác định chu vi ướt ở mặt cắt đầu và cuối đoạn tính toán được xác định theo cong thức: χ I = bi + 2.hi
+ Bán kính thuỷ lực ở mặt cẳt đầu và cuối đoạn tính toán:Ri=
i i χ ϖ
+ Hệ số sêzi ở đầu và cuối đoạn tính toán được xác định theo công thức Maninh :
Ci = n
1.Ri1/6 ; n: hệ số nhám n = 0,017 + Độ dốc mặt nước tại mặt cắt đầu và cuối đoạn tính toán:
ji =
R C Q
k. . 2
2 2
ω
+ Độ dốc trung bình của đoạn tính toán được xác định theo công thức: J= 2
+1
+ i
i J
J
+ Xác định chiều dài đoạn tính toán ứng với giá trị chiều sâu nước giả thiết ở cuồi đoạn theo : ∆L =
J i−
∋
∆
+ So sánh giá trị ∆L vừa tính được với chiều dài đoạn tính toán ∆L‘.Nếu chúng bằng nhau thì giả thiết ở trên là đúng, nều khác nhau thì giả thiết trên là sai
Ta lại phải giả thiết lại từ đầu cho đến khi nào chung gần bằng nhau thì thôi Kết quả tính toán đường mặt nước ở đoạn thu hẹp ứng với các phương án B khác nhau được ghi ở phụ lục 2-1-1, phụ lục 2-2-1, phụ lục 2-3-1
6.2.2.5 Tính đường mặt nước trên đoạn dốc nước không đổi
Qua kết quả tính toán ở trên ta biết độ sâu dòng chảy cuối đoạn thu hẹp cũng chính là độ sâu dòng chảy ở đầu đoạn dốc nước không đổi
Ta nhận thấy : id>ik ; ho<hk
=> Dạng đường mặt nước trên đoạn dốc không đổi là đường nước hạ bII
*) Phương pháp tính toán:
Dùng phương pháp cộng trực tiếp theo công thức:∆L=i∆−∋j Trong đó:
∆L - Khoảng cách giữa hai mặt cắt i - Độ dốc của dốc nước: i = idốc =0,08 j- Độ dốc thủy lực trung bình giữa 2 mặt cắt:
j = (j j )
2 1
2
1+
j1, j2 - Độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1, 2 tính toán xác định theo công thức:
R C j V2
= 2
V - Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt tính toán:
= Qωmaxxa V
ω- Diện tích mặt cắt ướt tại mặt cắt tính toán: ω = B.h C - Hệ số Cêri: C = R1/6
n 1
R = χ
ω : Bán kính thủy lực
χ - Chu vi mặt cắt ướt: χ = B + 2h h - Cột nước tại mặt cắt tính toán
∆∋ - Hiệu năng lượng đơn vị giữa 2 mặt cắt tính toán:
∆∋ = ∋2 - ∋1
∋1, ∋2 - Năng lượng đơn vị tại mặt cắt 1, 2. Được xác định theo công thức:
g 2 h V
2 1 1 1 1
+α
=
∋
g 2 h V
2 2 2 2 2
+α
=
∋
α1, α2 - Hệ số cột nước lưu tốc tại các mặt cắt 1, 2: α1 = α2 = 1 *)Trình tự tính toán như sau:
- Giả thiết các mặt cắt (vị trí được xác định bằng khoảng cách từ đầu dốc đến mặt cắt tính toán) trong phạm vi chiều dài dốc.
- Tại mỗi mặt cắt giả định ở trên thử dần các giá trị chiều sâu cột nước h, sau đó thay vào công thức (6-7) và tính toán xác định chiều dài ∆L theo công thức (6-2) và xác định được ΣL. Nếu ΣL ≈ Lgt thì giá trị h đó chính là giá trị cột nước cần tìm.
Kết quả tính toán đường mặt nước ở đoạn thu hẹp ứng với các phương án B khác nhau nhau được ghi ở phụ lục 2-1-2, phụ lục 2-2-2, phụ lục 2-3-2
6.2.2.6 Đường mặt nước trong dốc nước có kể đến hàm khí
Dòng chảy trong dốc nước có lưu tốc lớn nên lớp không khí gần mặtdòng chảy sẽ bị hút vào lớp nước.Các bọt khí pha trộn vào lớp nước trên vùng mặt chuyển động cùng dòng chảy và do đó chiều sâu dòng nước sẽ tăng so với tính toán khi không có hàm khí => Chiều cao tường bên của dốc nước sẽ tăng hơn so vơí tính toán bình thường.
Đường mặt nước có kể đến hàm khí được xác định theo công thức:
hhk=h .(1+
100 V ) Trong đó:
+ h : Chiều sâu dòng nước trên thân dốc + v : Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt tính toán
Từ đó ta xác định được đường mặt nước có kể đến hàm khí ứng với mỗi phương án Btr như sau:
Bảng 7 – 6: Bảng tính đường mặt nước trên dốc nước có kể đến hàm khí
mc B =18 m B =24 m B =30 m
h(m) v(m) hhk h(m) v(m) hhk h(m) v(m) hhk
1 4.0492 9.325299 4.4268 3.2644 8.782 3.5511 2.8216 8.1869 3.0525 2 4.0392 9.348386 4.4168 3.2544 8.809 3.5411 2.8116 8.216 3.0425 3 4.0292 9.371587 4.4068 3.2444 8.8361 3.5311 2.8016 8.2453 3.0325 4 4.0192 9.394904 4.3968 3.2344 8.8634 3.5211 2.7916 8.2749 3.0225 5 4.0092 9.418338 4.3868 3.2244 8.8909 3.5111 2.7816 8.3046 3.0125 6 3.9992 9.441888 4.3768 3.2144 8.9186 3.5011 2.7716 8.3346 3.0025 7 3.9892 9.465557 4.3668 3.2048 8.9452 3.4915 2.7616 8.3647 2.9925
8 3.9829 9.480529 4.3605 2.7535 8.3892 2.9845