H ình 2.1: Sơ đ ồ cống ngầm chảy không áp
2.3.Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu cống
Việc giải quyết vấn đề tiêu năng, tức tiêu hao năng lượng thừa mà dòng chảy mang theo nó từ thượng lưu qua cống xuống hạ lưu là một trong những
31
giai đoạn quan trọng nhất trong tính toán thủy lực công trình.
Ta biết rằng với việc xây dựng đập trên sông mực nước ở thượng lưu công trình sẽ dâng lên so với lúc trước, vì vậy, thế năng của dòng nước thượng lưu cũng tăng lên. Khi dòng nước từ thượng lưu đổ xuống hạ lưu, phần lớn thế năng này biến thành động năng, dòng chảy ngay sau cửa ra cống có lưu tốc tăng lên đột ngột, thường lớn hơn nhiều so với lưu tốc dòng chảy ở trạng thái tự nhiên. Bởi vậy, ngay sau cống lòng dẫn có thể bị xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình.
Việc tạo nên chế độ chảy mặt - đáy ở hạ lưu cống làm cho việc gia cố lòng dẫn hạ lưu được giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn hạ lưu vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại đất. Đặc biệt, nếu hình thức nối tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thì vấn đề tiêu năng càng trở nên quan trọng hơn. Trường hợp này, ngay cả với một số loại đá như đá vôi, đô-lô-mít… và những đá yếu cũng vẫn có thể bị xói.
Nếu trong phạm vi công trình, động năng thừa không được tiêu hao hoàn toàn và nếu lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thì ngay sau công trình sẽ hình thành phễu xói. Qua tài liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng chiều sâu của phễu xói có thể đạt đến 2,5H (H là cột nước trên công trình), còn chiều dài có thể biến đổi trong khoảng từ (4 ÷ 6)H. Ở nước ta có khá nhiều cống có hiện tượng như thế.
Chẳng hạn, một cống lấy nước chỉ với cột nước tương đối bé H = 1,5 ÷ 2m, nhưng sau ba năm khai thác, ở hạ lưu đã hình thành một phễu xói có chiều sâu hx = 3m ≈2H; chiều dài lx = 30m ≈ 20H v.v… làm ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình.
Động năng thừa còn thể hiện dưới dạng mạch động lưu tốc và mạch động áp lực. Thường trên một đoạn dài sau công trình, tuy lưu tốc trung bình
32
đã không lớn lắm, nhưng mạch động còn rất mạnh so với mạch động của dòng chảy bình thường ở hạ lưu và cũng gây ra xói lở trên một đoạn dài. Trong trường hợp bài toán không gian, ví dụ khi công trình có nhiều cửa nhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại xuất hiện dòng chảy xiên diễn ra trên một đoạn khá dài.
Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công trình.
Ta biết rằng nối tiếp ở hạ lưu công trình dưới dạng hình thức chảy đáy có nước nhảy xa là nguy hiểm nhất, vì đoạn dòng chảy trước nước nhảy, ở đó có lưu tốc lớn, rất dài. Do đó phải tìm biện pháp làm mất trạng thái chảy đó, chuyển thành dạng nối tiếp bằng nước nhảy ngập.
Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là tiêu năng đáy, tiêu năng phóng xa, tiêu năng, tiêu năng mặt và các hình thức tiêu năng đặc biệt. Tiêu năng đáy có các hình thức đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp.
Đối với cống ngầm lấy nước, hình thức tiêu năng chủ yếu là đào bể. Khi đó cần tính toán kích thước của bể tiêu năng ( chiều sâu đào bể db, chiều dài bể Lb) để đảm bảo nước nhảy chỉ xảy ra trong phạm vi của bể.
Trường hợp tính toán trạng thái chảy trong cống đã xác định là nước nhảy xảy ra trong cống thì dòng chảy ở cửa ra cống là dòng êm. Khi đó kích thước bể tiêu năng chỉ cần chọn theo cấu tạo. Còn khi không có nước nhảy trong cống, nghĩa là dòng chảy duy trì trạng thái xiết đến cửa ra và sẽ nối tiếp với dòng chảy êm ở hạ lưu thông qua nước nhảy. Sơ đồ tính toán bể tiêu năng như trên hình 2.13
33
Hình 2.13: Sơ đồ tính toán bể tiêu năng sau cống
Gọi chiều sâu bể cần phải đào là db, khi đó năng lượng toàn phần của dòng chảy đối với mặt chuẩn ở đáy bể là:
b r r P d g V h E0 = + 2 + 2 + 2 α (2-13) Trong đó:
hr: Độ sâu nước ở mặt cắt cuối cống
Vr: Lưu tốc bình quân tại mặt cắt cuối cống
P2: Chênh lệch cao độ đáy cuối cống với đáy kênh hạ lưu
Từ E0 sẽ xác định được độ sâu liên hiệp sau nước nhảy, ví dụ theo phương pháp Agrôtskin: Tính 3/2 0 . ) ( E q F c ϕ τ = (2-14) Trong đó:
q: Lưu lượng đơn vị (m2
/s)
ϕ: Hệ số lưu tốc của dòng chảy từ mặt cắt cửa cống đến mặt cắt co hẹp đầu bể.
Từ F(τc) tra bảng tra thủy lực tương ứng được τ”
c, từ đó 0 " " .E hc =τc (2-15) Độ sâu hc,h”c có thể tính theo các công thức giải tích tương ứng của
34
thủy lực để tiện khi sử dụng máy tính.
Chiều sâu bể được tính thử dần từ phương trình db = hc"−hh −∆Z (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
.
σ (2-16) Trong đó: ∆Z là độ hạ thấp mực nươc để bể tiêu năng xuống kênh hạ lưu, được xác định khi có dòng chảy từ bể vào kênh hạ lưu như ở đập tràn đỉnh rộng chảy ngập ) . ( 2 . . 2 " 2 2 2 c h n g h q h g q Z σ α ϕ − = ∆ (2-17) Trong đó:
ϕn: Hệ số lưu tốc khi chảy ngập qua đập tràn đỉnh rộng
σ: Hệ số ngập của nước nhảy trong bể tiêu năng, khống chế σ=1.05- 1.1
Quy trình xác định dbnhư sau: - Giả thiết db;
- Tính F(τc) theo (2-14), tính h”c theo (2-15) - Tính ∆Z theo (2-17)
- Tính lại db theo (2-15).
Nếu db xấp xỉ bằng trị số đã giả thiết (với sai số trong phạm vi cho phép) thì chấp nhận. Còn khi db khác với trị số ban đầu thì cần phải giả thiết lại. Lúc đó tính chiều sâu bể tiêu năng thể hiện trên hình 2.14
35
Hình 2.14: Lưu đồ tính toán bể tiêu năng
Bắt đầu Nhập số liệu Q, b, hr, Vr, P2, hh Giả thiết d Tính E0, F(τc), τ” c, h”c Tính ∆Z Tính db=σh”c-hh-∆Z ss d d d b b − ≤ Ghi nhận db Kết thúc S Đ
36