bg thuy luc dai cuong chapter 9 noi tiep va tieu nang o ha luu cong trinh in 9152

NỐI TIẾP DÒNG CHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH Nối tiếp ở trạng thái chảy đáy Lưu tốc lớn nhất xuất hiện gần đáy  đáy hạ lưu HL dễ xói Nối tiếp ở trạng thái chảy mặt Lưu tốc lớn nhất xuất

Trang 1

Chương 9: NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG Ở

HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

MAI Quang Huy

Bộ môn Thủy lực – Thủy văn, Khoa Công trình

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Hà nội 2014

2

1 NỐI TIẾP DÒNG CHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

Nối tiếp ở trạng thái chảy đáy

Lưu tốc lớn nhất xuất

hiện gần đáy  đáy

hạ lưu (HL) dễ xói

Nối tiếp ở trạng thái chảy mặt

Lưu tốc lớn nhất xuất hiện gần mặt (khi chân công trình có

bậc thẳng đứng) ít gặp trong ngành GT

Chương IX - Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình

Trang 2

3

a D/c ở (HL) là dòng

êm ( i< ik): NT với HL

qua nước nhảy (NN)

(có 3 trường hợp)

(1) NT bằng NN tại chỗ

(hc’’ = hh): NL thừa của

dòng chảy thượng lưu

bị tiêu hao hết qua NN;

(2) NT bằng NN phóng xa (hc’’ > hh): NL thừa của dòng chảy

thượng lưu không bị tiêu hao hết qua NN, mà còn phải tiêu hao

bằng ma sát qua đoạn nước dâng xiết từ mc(C-C);

(3) NT bằng NN ngập (hc’’ < hh) : NL thừa của dòng chảy

thượng lưu nhỏ, NL dự trữ ở HL lớn, vị trí NN bị đẩy gần về

phía chân công trình, mc(C-C) bị ngập

a D/c ở (HL) là dòng xiết ( i> ik): NT với HL không qua nước nhảy (NN) (có 3 trường hợp)

(1) h c = h h ; hình thành dòng đều

ở HL;

(2) h c > h h ; hình thành đường

nước hạ bII, nối tiếp với dòng

đều ở HL;

(3) h c < h h; hình thành đường nước dâng cII, nối tiếp với dòng

đều ở HL;

Trang 3

Nhiệm vụ của tính toán nối tiếp ở HL công trình:

(1) Xác định độ sâu co hẹp hc;

(2) Xác định độ sâu liên hiệp với hc là hc”;

(3)So sánh hc và hc”, nếu có NN phóng xa thì phải xác định

vị trí NN xa

Sơ đồ tính: hình bên

Xác định hc:

Viết pt Becnuli cho mc ở

TL và mc(c-c), đáy HL là

mặt chuẩn (chi tiết SGK):

j: hệ số lưu tốc

Với mc chữ nhật: (1)

Chương IX - Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình 5

1 HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA NT CHẢY ĐÁY

w

Khi biết Q, từ (1) có thể tìm hc bằng cách thử dần;

Xác định hc”: sử dụng phương trình cơ bản của NN hoàn chỉnh;

(2) Với mc hình chữ nhật:

(2a) PT(1) và (2) là hệ thức cơ bản của nối tiếp chảy đáy;

Sau khi tính được hc và hc”, so sánh hc và hc” sẽ biết được hình thức nối tiếp Nếu nối tiếp bằng NN phóng xa, ta sẽ xác định vị trí NN xa;

2

2 02 2 2 1

2 01 1



































2

"

3

C k C

C

h

h h

h

Trang 4

Xác định vị trí nước nhảy xa:

Sơ đồ tính: hình bên

- NN bị đẩy ra xa đến

mc(1-1), cách mc(c-c)

một đoạn l px ;

+ Xác định hh’

+ Xác định lpx:

Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn (xem chương 5):

hc”>hh

lpx





























2

'

3

h k h

h

h h

h

1 1

1

1 1















c c c

c c px

J i

e e J i

e l l

TH bài toán phẳng, mặt cắt hình chữ nhật: q = Q/b;

Khi đó: (1)  (1a);

Đặt: và Thay vào phương trình (1a):

(3)

VP của PT chỉ phụ thuộc vào tc; nghĩa là:

; khi đó: (4) thay: hc = tc.E0; hc” = tc”.E0; và vào pt (2a):

(5)

Với j xác định, mỗi trị số cho một số tc;tc”

GS A-Gơ-Rốt-Skin đã lập bảng tính sẵn quan hệ tc;tc” và F(tc) Khi biết: q, E0, j, tính F(tc), tra bảng được tc;tc” => hc và hc”

) ( 2 h c g E0 h c

0

E

h c

c 

t

0

"

E

h c

c

t

) ( 2

qjtc tc

c c g E

j 3 / 2  2 . . 1 0

c c

F(t ) 2 t 1t 3 / 2

0 ) (

E

q

F c

j

t 

3 q2/ g

h k 

















c

c c

t j t

t

2 / 3 0 ) (

E

q

F c

j

t 

Trang 5

hc”>hh

lpx

Ví dụ: Xác định hình thức nối tiếp ở HL đập tràn có mc thực dụng

(m = 0,49; j = 0,9), cao P = 7m, chiều rộng của kênh dẫn bằng

chiều dài đập tràn (BT phẳng) Kênh dẫn ở HL đập có độ dốc i =

0,0002, lát bằng đá xây có hệ số nhám n = 0,017 Lưu lượng

riêng tràn qua công trình q = 8m3/s.m Độ sâu hạ chảy đều ở hạ

lưu hh = 3,6m

Bài giải

LL qua tràn: thay số H0 = 2,38m;

NL đơn vị của dc trước đập đối với mặt chuẩn ở HL:

E0 = H0 + P = 9,38m;

tra bảng ta được: tc= 0,072; tc” = 0,432;

hc = tc.E0 = 0,68m; h”c = tc”.E0 = 4,05m;

h”c > hh => NT bằng nước nhảy phóng xa => xác định đoạn chảy xiết phóng xa trước nước nhảy Biết độ sâu sau nước nhảy h” = hh = 3,6m;

Đoạn chảy xiết có độ sâu ở hai đầu là: h1 = hc = 0,68m và h2 =

hh’ = 0,83m Tính chiều dài bằng PP sai phân hữu hạn:

10

3 / 2 0

2 / 3

















g m

q H

H g m q

308 , 0 )

0



E

q

F c

j t

m h

g

q h

h

8 1 2

2





















J i

e l







 2 2

Trang 6

h

(m)

V

(m/s)

V 2 /2g

(m)

e (m)

C.R 0,5 (m/s)

J =v 2 /(C 2 R) J tb i -J tb e

(m) l

(m)

0,68 11,8 7,08 7,76 46,1 0,0655

0,0496 -0,0494 -2,16 43,7

0,83 9,64 4,77 5,60 52,3 0,0337

Kết luận:

Chiều dài đoạn chảy xiết trước nước nhảy là lpx = 43,7m

+ Đoạn chảy xiết sau mc co hẹp (c-c), trước nước nhảy có lưu tốc lớn => dễ gây xói ở HL công trình Nếu vị trí nước nhảy càng xa

=> đoạn xói lở càng dài => người ta thường giới hạn nước nhảy

ở HL công trình => để tiêu hao hết năng lượng thừa, sau đó là dòng chảy êm khi đi vào hạ lưu

+ Các biện pháp tạo nước nhảy ở chân công trình:

(1) Bể tiêu năng;

(2) Tường tiêu năng;

(3) Bể tường kết hợp + Phương pháp xác định kích thước công trình tiêu năng:

(1) Sử dụng biểu đồ từ kết quả thực nghiệm;

(2) Tính toán dựa trên một số giả thiết về dòng chảy

Trang 7

Sơ đồ tính: hình bên;

Nguyên tắc tính:

Xác định chiều sâu đào

bể sao cho h2 là chiều sâu

liên hiệp sau NN của hc

(NN tại chỗ)

Giả thiết: dòng chảy qua bể vào kênh HL tương tự dòng chảy

qua đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, có hệ số lưu tốc jd;

Trước khi đào bể: E0 = H + P +V2/2g;

Sau khi đào bể: E’0 = E0 + d;

Cột nước trong bể: hb = hh + d + z > hc”;

d càng lớn => mức độ ngập càng lớn Muốn xác định d thích

hợp, ta xác định d0 ứng với trạng thái phân giới (NN tại chỗ):

(hb)0 = hh + d0 + z = (hc”)0 Chương IX - Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình 13

3 TÍNH TOÁN BỂ TIÊU NĂNG

b

d0 = (hc”)0 - hh - z (1) Cần xác định z; dựa vào giả thiết dòng chảy qua bể giống sơ

đồ dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng Với z là chênh mực nước thượng lưu đập với mực nước đỉnh đập Nên:

Trong đó: jb – hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể (jb = 0,95 -1,0);

(2)

Với vb là vận tốc trong bể có thể tính gần đúng:

Chọn d0 như (1) cho nước nhảy tại chỗ (không ổn định) nên thực tế chọn:

khi đó hb = hh + d + z = s.hc” Hay: d = s.hc” – (hh + z) (3)

3 TÍNH TOÁN BỂ TIÊU NĂNG

0

h

qjb h 

g

v z

2

0











g

v h g

q

h

2

2 2

j 







   b 0 c"0

b

h

q h

q

10 , 1 05 , 1



c

b h h

s

Trang 8

Công thức (2) và (3) là 2 công thức chủ yếu để xác định chiều

sâu bể tiêu năng Phải tính bằng pp thử dần

Có thể tính theo các bước sau:

(1) Tính d lần 1 theo biểu thức: d1= hc” – hh;

(2) Tính E0’ = E0 + d1, rồi tính đươc độ sâu co hẹp hc và độ sâu

liên hiệp hc” mới ( theo pp đã trình bày ở tiết trước);

(3) Định chiều sâu nước trong bể tiêu năng: hb = s.hc”;

(4)Tính z theo phương trình (2);

(5) Tính chiều sâu mới của bể d theo phương trình (3);

(6) So sánh d với giá trị d1, nếu hai giá trị này gần bằng nhau

thì dưng lại =>chiều sâu bể là d Nếu chưa bằng nhau cần

lấy giá trị d vừa tìm được, để tính lại lần nữa theo trình tự

trên;

Chú ý: sai số cho phép giữa 2 giá trị d có thể lấy là 5%;

Sơ đồ tính: hình vẽ;

+ Xây một tường tiêu Năng có chiều cao c

Tăng mực nước

hạ lưu;

Giả thiết:

Xem dòng chảy qua tường như dòng chảy qua đập tràn mặt cắt thực dụng;

Phương pháp tính:

Sau khi làm tường, có nước nhảy ngập trong bể: hb > hc”;

Từ điều kiện: hb = s.hc” (s = 1,05 – 1,10);

Theo sơ đồ tính: hb = c + H1 => c = hb - H1 (1)

và H1 = H10 – .vb /2g (2)

10

1

b

Trang 9

Giả thiết dòng chảy qua tường như qua đập tràn mc thực dụng

chảy ngập:

Với :mt – hệ số lưu lượng mt = 0,4 – 0,42;

sn – hệ số ngập của tràn mc thực dụng, vào sn = f(hn/H1);

vb – lưu tốc trong bể;

Thay vào (2):

(3)

(1) và (3) là 2 phương trình cơ bản xác định chiều cao tường

tiêu năng c Giải bằng pp thử dần

3 TÍNH TOÁN TƯỜNG TIÊU NĂNG

3 / 2

10 2 / 3 10

2



g m

q H

H g m q

t n t

s

"

c b b

h

q h

q v

s



 "

2 2

2 3

/ 2

1

c t

q g g

m

q H

s



s  











Trình tự tính chiều cao tường c:

(1) Sau khi xđ được hc và hc”, ta tính H1 theo công thức (3) với

sn =1; rồi tính c theo công thức (1);

+ Nếu c > hh => đúng Nhưng thường c < hh => sn < 1; tính

h n = h h – c rồi tìm sn = f(hn/H1) – tra bảng hệ số ngập của đập tràn mặt cắt thực dụng, và tính lại chiều cao tường;

+ Sau khi tính được c phải kiểm tra nước nhảy sau tường Nếu sau tường có nước nhảy phóng xa phải xây tường tiếp, sao cho sau tường cuối cùng có nước nhảy ngập

3 TÍNH TOÁN TƯỜNG TIÊU NĂNG

Trang 10

Sơ đồ: hình bên;

- Công thức kinh nghiệm

Của Trec-tô-u-xốp:

Với:

L’ – chiều dài khu nước vật ( = 0);

S- chiều dài nằm ngang của mái hạ lưu;

Hệ số kinh nghiệm b = 0,7 – 0,8;

Ln – chiều dài nước nhảy hoàn chỉnh không ngập;

Lroi – chiều dài nằm ngang của dòng nước tính từ cửa công

trình đến mc (c-c);

+ Với ĐT thực dụng mc hình thang:

+ Với ĐT đỉnh rộng:

n

L  1 '  b

s L

L1  roi

33 ,

64 ,

Tiêu đề	Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình
Tác giả	Mai Quang Huy
Trường học	Trường Đại học Giao thông Vận tải
Chuyên ngành	Thủy lực – Thủy văn
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	1,07 MB