I. ĐẶT VẤN ĐỀ
2.4 LẬP PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH SÊRY THÍ NGHIỆM NGHIÊN
CỨU TIÊU NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ.
Lập phương trình nhằm xác định sêry thí nghiệm nghiên cứu tiêu năng cho tràn xả lũ, ta dựa vào phương pháp phân tích thứ nguyên.
Phân tích thứ nguyên là phương pháp mà nhờ đĩ chúng ta cĩ thể nắm được những kiến thức cơ bản về hiện tượng thủy lực cần nghiên cứu. Cơ sở lý luận của phương pháp là: một phương trình vật lý đúng là một phương trình đồng nhất về thứ nguyên.
Tất nhiên khơng thể cho rằng, mọi phương trình miêu tả hiện tượng thủy lực sẽ cân bằng thứ nguyên. Phương trình chỉ cĩ thể đạt được đồng nhất thứ nguyên khi các đại lượng biến đổi cĩ trong phương trình được suy diễn qua lại và đủ diễn tả một hiện tượng vật lý. Do đĩ, khi áp dụng phương pháp thứ nguyên, điều quan trọng nhất là phải lựa chọn đúng đắn các đại lượng biến đổi ảnh hưởng đến hiện tượng thủy lực cần nghiên cứu.
Khi nghiên cứu trên mơ hình thủy lực, ta tiến hành khảo sát mối quan hệ tương hỗ giữa các đại lượng mà bất kỳ một đại lượng nào đĩ cũng được suy ra từ các đại lượng khác.
Khi chọn các đại lượng biến đổi, chúng ta đưa vào quan hệ cần thiết lập cả đại lượng khơng đổi. Để lựa chọn đúng đắn các đại lượng biến đổi cần cĩ sự phân tích lý luận hiện tượng cần nghiên cứu.
Phương pháp phân tích thứ nguyên cĩ hai phương pháp gần giống nhau: phương pháp Raybigh và phương pháp Buckingham. Trong phạm vi luận văn này chỉ nghiên cứu phương pháp Buckingham.
Trình tự một nghiên cứu thực nghiệm mơ hình thủy lực cĩ sử dụng phương pháp Buckingham:
1. Xác định các đại lượng biến đổi a1, a2, a3,…, an cĩ ảnh hưởng đến
thủy động lực học cần nghiên cứu.
f(a1, a2, a3,…, an) = 0 (2-63)
Hay a1 = f’(a2, a3,…, an) (2-64)
2. Viết (2-63) hoặc (2-64) về một quan hệ giữa các biến khơng thứ nguyên Π1, Π2, Π3…; với Π1, Π2, Π3…được thiết lập từ các đại lượng a1, a2,
an… Tổng số các biến khơng thứ nguyên sẽ ít hơn tổng số các đại lượng vật lý
biến đổi. Nghĩa là, chúng ta cĩ:
f(Π1, Π2, Π3…Πn-r) (2-65)
Hay Π1 = f’(Π2, Π3…Πn-r) (2-66)
Với các Πj [j = 1 ÷ (n-r)] được xác định từ ai (i = 1 ÷ n)
Quan hệ (2-63) cĩ n đại lượng biến đổi thì ở (2-65) cĩ (n-r) biến khơng thứ nguyên. Khảo sát (2-65) về thực chất giống nhau như khảo sát quan hệ (2- 63) nhưng tổng số biến giảm đi, nghĩa là số thí nghiệm sẽ giảm đi. Thường số
nguyên cơ bản r ≤ m =3 (với m là số thứ nguyên cơ bản lớn nhất cĩ thể chọn
3. Xác định các Πj cần thỏa mãn:
Mỗi Πj là tích của các đại lượng biến đổi với số mũ nào đĩ tích đĩ trở
thành khơng thứ nguyên.
Mỗi biến Πj cần cĩ (r +1) đại lượng biến đổi độc lập chưa biết (ai) phải
đi tìm. Khi chọn các đại lượng biến đổi trong mỗi Πj cần thỏa hai điều kiện:
(1) Đại lượng biến đổi được trùng lặp ở các Πj phải chứa đủ r thứ nguyên cơ
bản đã chọn; (2) Các thứ nguyên cơ bản khơng tự tạo nên các biến khơng thứ
nguyên.
Đại lượng biến đổi thứ (r +1) lần lượt là các đại lượng biến đổi độc lập
cịn lại với số mũ là p = ±1 (thường chọn p = +1)
Để tất cả các đại lượng biến đổi đều cĩ mặt trong (2-65),ta chọn a1, a2,
a3 là ba đại lượng biến đổi độc lập cơ bản được lập lại với số mũ xi, yi, zi và cĩ
đủ ba thứ nguyên cơ bản: L, M và T. Chọn r = 3; Πj với j = 1 ÷ (n-3), nghĩa
là: 1 1 1 1 4 3 2 1 1 =ax .ay .az .ap Π 2 2 2 2 4 3 2 1 2 =ax .ay .az .ap Π (2-67) . . . . 3 3 3 3 4 3 2 1 3 = − . − . − . − Π − xn yn zn pn n a a a a
Biến khơng thứ nguyên Π là một số đơn giản, vì vậy xác định xi, yi, zi
sao cho vế phải của các phương trình (2-67) thành một số khơng thứ nguyên. Số mũ xi, yi, zi của các Πj khác nhau sẽ khác nhau và thỏa mãn:
xi + yi +zi + pi = 0.
Nếu tất cả các đại lượng trong (2-67) đều là các đại lượng động học thì thứ nguyên của chúng ta xác định bằng hai đại lượng cơ bản (L và T) nghĩa là r = 2 và mỗi Πi cĩ r + 1 = 3 thừa số.
Nếu vấn đề cần giảI quyết cĩ nhiều biến khơng thứ nguyên hoặc mức độ cịn quá phức tạp, thì cĩ thể tổ hợp tương hỗ các biến khơng thứ nguyên (bằng phép nhân, phép chia hay phép lũy thừa) để được một quan hệ đơn giản hơn.
4. Tiến hành thí nghiệm:
- Xác định phương trình sêry thí nghiệm. - Thiết kế mơ hình.
- Lắp đặt mơ hình.
- Tiến hành thí nghiệm.
5. Đánh giá kết quả thí nghiệm:
- Về mặt định tính
- Về mặt định lượng.
6. Kết luận 7. Lập báo cáo
Tĩm lại, nghiên cứu trên mơ hình là khảo sát bằng thực nghiệm quan hệ tương hỗ giữa các biến khơng thứ nguyên miêu tả một hiện tượng thủy động lực học phức tạp. Quan hệ được khảo sát bằng thực nghiệm cĩ giá trị khơng chỉ trên mơ hình mà cho cả cơng trình trên thực tế. Vì vậy, khi nghiên cứu cần đảm bảo điều kiện giới hạn và hạn chế theo tùng tiêu chuẩn tương tự nhau. Nghiên cứu thực nghiệm các quan hệ tương hỗ giữa các biến khơng thứ nguyên được tiến hành sao cho tất cả các biến giữ một giá trị khơng đổi, trừ hai biến. Và một trong hai biến đĩ chúng ta thay đổi và quan sát theo dõi sự thay đổi của biến kia.
CHƯƠNG III
THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH TIÊU NĂNG CHO TRÀN XẢ LŨ SƠNG RAY
3.1 GIỚI THIỆU CƠNG TRÌNH SƠNG RAY
3.1.1 TÊN CƠNG TRÌNH VÀ ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG
Tên cơng trình: Cơng trình hồ chứa nước Sơng Ray
Địa điểm xây dựng:
Cơng trình hồ chứa nước sơng Ray được xây dựng trên sơng Ray, nằm trên địa phận của tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
Cơng trình đầu mối và lịng hồ thuộc các xã Sơn Bình, huyện Châu Đức và xã Hịa Bình, Hịa Hưng, Bàu Lâm, huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu và một phần thuộc hai xã Sơng Ray và Lâm San, huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai.
Tuyến đập chính cĩ bờ trái thuộc xã Hịa Hưng, huyện Xuyên Mộc và bờ phải thuộc xã Xuân Sơn, huyện Châu Đức, cách cầu Sơng Ray hiện hữu khoảng 800m về phía thượng lưu.
Tọa độ địa lý: 10035’ độ vĩ Bắc
107024’ độ kinh Đơng.
3.1.2 NHIỆM VỤ CƠNG TRÌNH
Tạo nguồn cấp nước đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế khu vực nằm trong vùng kinh tế trọng điểm gồm: Thành phố Hồ Chí Minh, Biên Hịa, Bà Rịa - Vũng Tàu. Cụ thể:
- Tạo nguồn cấp nước cho cơng nghiệp và sinh hoạt 535.000m3/ngày,
trong đĩ: Khu vực dọc hành lang Quốc lộ 51 và thành phố Vũng Tàu là
500.00m3/ngày; Khu vực Phước Bửu, huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng
- Cấp nước tưới nơng nghiệp 9.157ha, diện tích canh tác thuộc các huyện Long Điền, Đất Đỏ, Châu Đốc và Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu;
- Cấp nước phục vụ cho nuơi trồng thủy sản; - Giảm lũ hạ lưu, duy trì dịng chảy mùa kiệt;
- Cải tạo mơi trường sinh thái cho vùng dự án, tạo điểm du lịch , cải thiện giao thông nơng thơn, ổn định dân cư.
3.1.3 CÁC HẠNG MỤC CHÍNH CỦA CƠNG TRÌNH Đập đất khơng đồng chất.
Tràn xả lũ cĩ cửa van điều tiết. Cống lấy nước. Hệ thống kênh chính. Cơng trình phục vụ quản lý. 3.1.4 CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH Cấp cơng trình : Cấp III Diện tích lưu vực : 770km2
Mực nước dâng bình thường(MNDBT) : +72.85m
Mực nước dâng gia cường(MNDGC) : +73.20m
Mực nước lũ kiểm tra : +74.12m
Mực nước chết : +57.00m
Tần suất lưu lượng lũ thiết kế ứng với p = 1% : 2461.0m3/s
Tần suất lưu lượng lũ kiểm tra ứng với p = 02% : 2783.0m3/s.
3.1.5 GIỚI THIỆU VỀ TRÀN XẢ LŨ
3.1.5.1 Giới thiệu tràn
Tràn xả lũ hồ chứa nước sơng Ray nằm phía bờ trái đập, cách đầu đập phía bờ trái 569m. Đập tràn bằng bê tơng cốt thép cĩ mặt cắt bán thực dụng, dốc nước và tiêu năng bằng máng phun, với 3 khoang tràn cĩ cửa van điều tiết, mỗi khoang rộng 11.0m, cao trình ngưỡng tràn +61.5m.
Sau tràn là dốc nước, cuối dốc nước là cơng trình tiêu năng dạng mũi phun và tạo hố xĩi để tiêu hao năng lượng, cĩ kênh xả sau hố xĩi. Chân mũi phun được cắm sâu vào nền trên cơ sở đảm bảo cơng trình vẫn ổn định ngay cả khi phía hạ lưu bờ xĩi lở đến đường bao hố xĩi hồn chỉnh.
Về địa chất vùng tạo hố xĩi:
- Lớp 5a: á sét nặng ít trung, chứa bụi, xám trắng xanh nhạt, đơi chỗ chứa ít sạn thạch anh.
- Lớp 5: á sét nhẹ trung, xám trắng chấm xanh đen, đơi chỗ chứa ít dăm granite. Nửa cứng-cứng.
- Lớp III: đá xâm nhập xám trắng chấm xanh đen, phong hĩa nứt nẻ vừa đến yếu. Đá cứng chắc cấp 8-9.
Tài liệu về quy mơ kích thước cơng trình:
- Bản vẽ mặt bằng cơng trình, số hiệu N0 254-06-03-01, tỷ lệ 1/500
(Phụ lục 1 - Hình 1).
- Bản vẽ mặt cắt dọc, số hiệu N0 254C-06-03-02, tỷ lệ 1/500 (phụ lục 1
- Hình 2).
3.1.5.2 Các thơng số cơ bản của tràn xả lũ
Vị trí : bên trái đập
Hình thức tràn : Thực dụng cĩ cửa
Số khoang tràn : n = 3
Chiều rộng một khoang tràn : b = 11.0m
Kết cấu tràn : Bê tơng cốt thép
Tần suất lưu lượng thiết kế (p =1%) : Qtk = 2461.0 m3/s
Tần suất lưu lượng kiểm tra (p =0.2%) : Qkt = 2783.0 m3/s
Chiều rộng tràn : 33m
Cao trình ngưỡng tràn : + 61.5m
Mực nước dâng bình thường : ∇ = +72.85m
Mực nước dâng gia cường : ∇ = +73.20m
Mực nước chết : ∇ = +57.00m