Thủy lực 2 ( Nxb Nông nghiệp ) - Chương 17 docx

Tính toán cửa vào Trong thực tế cửa vào của bậc nước thường là đập tràn đỉnh rộng hay đập tràn thực dụng... Lúc lưu lượng chảy qua bậc nước không thay đổi nhiều lắm, người ta thường làm

Chương XVII

Công trình nối tiếp

Công trình nối tiếp là những công trình đặc biệt, được xây dựng ở những nơi địa hình

có độ dốc lớn để đưa nước từ trên cao xuống thấp Do đó, công trình nối tiếp dùng thay thế những đoạn kênh dẫn không thể xây dựng ở những nơi có độ dốc lớn với mục đích nối kênh dẫn ở cao trình cao với kênh dẫn ở cao trình thấp

Các công trình này thường là bậc nước một cấp, bậc nước nhiều cấp và dốc nước (hình 17-1, 17-13, 17-20) Có loại công trình nối tiếp có thể đưa nước từ kênh dẫn có cao trình cao xuống nơi chứa nước dưới thấp như hồ, khe, sông, bằng cách phun ra ngoài không khí và được gọi là máng phun (hình 17-25)

Đ17-1 Tính toán thủy lực bậc nước một cấp

Bể tiêu năng

Hình 17-1

1 Tính toán cửa vào

Trong thực tế cửa vào của bậc nước thường là đập tràn đỉnh rộng hay đập tràn thực dụng

Lúc lưu lượng chảy qua bậc nước không thay đổi nhiều lắm, người ta thường làm đập tràn hình chữ nhật có cao trình đỉnh đập bằng hoặc cao hơn cao trình đáy kênh (hình 17-2), (hình 17-3)

Hình 17-3

Với cửa vào là đập tràn hình chữ nhật thì không thể tự điều tiết mực nước trong kênh thượng lưu được Trong trường hợp này người ta điều tiết mực nước bằng cửa van đặt ở cửa vào (hình 17-4)

Hình 17-4

Trong thực tế người ta cũng thường làm những loại đập tràn tự điều tiết mực nước trong kênh thượng lưu ứng với các lưu lượng khác nhau

Loại đập tràn tự điều tiết này thường có mặt tràn hình cong (hình 17-5a) hay hình thang (hình 17-5b) Loại đập tràn hình thang đơn giản và cũng có thể giải quyết yêu cầu

điều tiết trong một chừng mực nhất định nên thường được ứng dụng rộng r∙i Các đập tràn

tự điều tiết gọi là đập tràn khe hở

Hình 17-5

Bài toán về cửa vào của bậc nước thường là xác định chiều rộng cần thiết của đập tràn

để thoát qua lưu lượng cho trước và đồng thời bảo đảm mực nước thượng lưu theo yêu cầu Nếu đập tràn không có ngưỡng tức là P = 0, cửa vào của bậc nước thường có tường ở hai bên để thu hẹp mặt cắt so với mặt cắt kênh dẫn

Nếu chiều dày d của tường bên, hoặc chiều dày của ngưỡng cửa là: d³ (2 á 3) H thì cửa vào bậc nước làm việc như đập tràn đỉnh rộng Nếu chiều dày của tường bên hoặc chiều dày của ngưỡng: d < (2 á 3)H thì cửa vào bậc nước làm việc như đập tràn thực dụng Công thức tính lưu lượng qua cửa vào là công thức tính đập tràn:

Như vậy, khi cửa vào bậc nước không có ngưỡng thì:

và khi cửa vào có ngưỡng với chiều cao P thì:

Trong thực tế lưu lượng chảy qua kênh dẫn thường thay đổi cho nên việc xây dựng bậc nước sẽ gây nên chế độ chảy không đều Thực vậy, với dòng chảy đều trong kênh ta vẽ

đường quan hệ Q = f1(h0) và đối với dòng chảy qua đập tràn ta vẽ đường quan hệ

Q = f2(h) Hai đường này cắt nhau tại một điểm (hình 17-6) ứng với lưu lượng Q0

Rõ ràng rằng, khi lưu lượng chảy qua bậc nước là Q0 thì chiều rộng tính toán của đập tràn mới làm thỏa m∙n điều kiện

Nếu lưu lượng Q < Q0 thì h < h0 và dòng chảy trong kênh trở thành dòng chảy không

đều, trước đập tràn sẽ xảy ra đường nước hạ Trong trường hợp này lưu tốc dòng chảy gần cửa vào sẽ tăng lên, có thể gây xói lở ngay trước công trình

Ngược lại, với Q > Q0 thì h > h0 và dòng chảy trong kênh cũng trở thành dòng không

đều, trước đập tràn sẽ xảy ra đường nước dâng Trong trường hợp này, lưu tốc dòng chảy gần cửa vào sẽ giảm đi, có thể gây nên bồi lắng ngay trước công trình

Hiện tượng xói lở và bồi lắng đều không có lợi cho công trình Nói chung, muốn tránh các hiện tượng trên người ta có thể chọn một hình thức cửa vào thích hợp sao cho độ sâu trước cửa vào luôn luôn bằng độ sâu chảy đều ở trong kênh dẫn với bất kỳ lưu lượng nào Ngoài ra, người ta cũng còn có thể điều tiết mực nước bằng cửa van trước bậc để giữ cho độ sâu trước đập tràn gần bằng độ sâu chảy đều trong kênh

Nhưng tốt hơn là sử dụng đập tràn hình thang Loại đập tràn này đơn giản và cũng có khả năng tự điều tiết trong một phạm vi nhất định Muốn thế đập tràn cần có đường quan hệ

Q = f2(h) của dòng chảy qua nó luôn luôn gần với đường quan hệ Q = f1(h0) của dòng chảy

đều trong kênh

Ta phải xác định chiều rộng b’ và hệ số mái dốc m’ của đập tràn hình thang để đạt

điều kiện trên

Giả thiết hai lưu lượng Q1, Q2 chảy qua bậc nước là hai lưu lượng tính toán, các độ sâu tương ứng trong kênh dẫn là h1 và h2 (hình 17-7) Nếu đập tràn không có ngưỡng thì phải có

2 tb

AbAb

ỹ

= e ùùýù

2 02

QA

m 2gHQA

m 2gH

(17-10)

Các đại lượng A1, A2 là các đại lượng biết trước

Hai công thức (17-13) và (17-14) dùng để tính chiều rộng đáy đập hình thang b’ và

hệ số mái dốc m’ Hai công thức này không phụ thuộc vào loại đập Thường người ta lấy hệ

trong đó:

hmax - độ sâu dòng chảy đều trong kênh dẫn khi ứng với lưu lượng Qmax

b0 - chiều rộng đáy kênh thượng lưu

b 0

Hình 17-8

Lúc đó lưu lượng chảy qua mỗi cửa là:

Nếu trong kênh dẫn tồn tại độ sâu lớn nhất hmax (với Qmax) và độ sâu bé nhất hmin (với Qmin) thì các độ sâu tính toán h1 và h2 có thể lấy:

2 Tính toán sân bậc

Sân bậc của bậc nước phải đảm bảo sự nối tiếp ở hạ lưu bằng nước nhảy ngập

Trong thực tế sân bậc thường làm theo sơ đồ bể hoặc tường tiêu năng Phương pháp tính toán bể hoặc tường tiêu năng đ∙ trình bày ở chương XV ở đây chỉ nêu thêm một số

điểm có liên quan đến dòng chảy mở rộng ở hạ lưu vì chiều rộng sân bậc thường lớn hơn chiều rộng cửa vào

Lúc cửa vào và sân bậc có mặt cắt hình chữ nhật, mà chiều rộng của cửa vào b’ bé hơn chiều rộng b của sân bậc (hình 17-9), có thể lấy chiều rộng tính toán sân bậc btt bằng:

trong đó: l1 - chiều dài đoạn nước rơi, tính theo các công thức (15-60) á (15-63)

Hình 17-9

Lúc cửa vào và sân bậc có cửa vào hình thang mà chiều rộng đáy b’ bé hơn chiều rộng của sân bậc b (hình 17-10), có thể xem sân bậc như có dạng hình chữ nhật và xác định chiều rộng tính toán btt bằng hệ thức:

trong đó: b’ - chiều rộng đáy kênh thượng lưu

Chú ý rằng, nếu chiều rộng tính toán btt lớn hơn chiều rộng sân bậc b thì phải lấy chiều rộng tính toán của sân bậc

Hình 17-11

3 Tính toán cửa ra của bậc n-ớc

Cửa ra của bậc nước làm việc như đập tràn đỉnh rộng (nếu ở hạ lưu bậc nước có thể làm bể tiêu năng), hay đập tràn thực dụng (nếu ở hạ lưu bậc nước làm tường tiêu năng) Cách tính toán giống như đ∙ trình bày ở chương XV

Nếu mặt cắt của cửa ra có dạng hình thang, phải lấy chiều rộng trung bình xác định theo công thức (17-5) làm chiều rộng tính toán

Đ 17-2 Tính toán thủy lực bậc nước nhiều cấp

Bậc nước nhiều cấp được xây dựng trong trường hợp độ chênh cao trình mực nước ở kênh thượng lưu và kênh hạ lưu tương đối lớn, lúc đó không thể xây dựng bậc nước một cấp vì chiều cao nước rơi sẽ rất lớn Bậc nước nhiều cấp gồm nhiều bậc nước một cấp nối tiếp nhau kiểu bậc thang (hình 17-12)

Hình 17-12

Để giảm chiều dài của sân bậc, người ta xây dựng tường tiêu năng ở cuối mỗi bậc (hình 17-13) Lúc đó bậc nước nhiều cấp gồm nhiều bể tiêu năng nối tiếp nhau kiểu bậc thang

1 Xác định chiều cao mỗi bậc

Chiều cao mỗi bậc có thể lấy bằng nhau:

Do đó, chiều cao mỗi bậc tính bằng:

n

ẹ - ẹ

(17-24) trong đó:

ẹt, ẹh - cao trình đáy kênh thượng lưu và kênh hạ lưu;

ẹ - ẹ

(17-25) trong đó: ẹt', ẹ'h - cao trình mực nước trong kênh thượng lưu và kênh hạ lưu (có kể đến cột nước lưu tốc)

2 Tính toán sân bậc

Dòng chảy đổ xuống sân bậc mang theo động năng tương đối lớn, vì thế ở sân bậc phải tiêu hao hết phần năng lượng thừa của dòng chảy mang theo Ta xét hai trường hợp: Sân bậc không có tường tiêu năng và sân bậc có tường tiêu năng

a) Sân bậc không có t-ờng tiêu năng

Sau lúc đổ xuống sân bậc và hình thành mặt cắt co hẹp, dòng chảy sẽ ở trạng thái chảy xiết với dạng đường nước dâng c0 Ta biết rằng trong đường nước dâng c0, độ sâu dòng chảy lớn nhất cũng chỉ đạt độ sâu phân giới hk

Gọi khoảng cách đường mặt nước từ mặt cắt co hẹp tới mặt cắt có độ sâu hk là lk (hình 17-14) ta có:

trong đó:

Lk - chiều dài sân bậc để cuối bậc có độ sâu phân giới hk;

l1 - chiều dài đoạn nước rơi, xác định theo công thức (15-60) á (15-63);

l2 - khoảng cách từ độ sâu phân giới tới cuối bậc, thường lấy:

c k

Đường nước dâng C

ch

L < Lk

Hình 17-15

P

Hình 17-16

Nếu tăng chiều dài của sân bậc tới L = Lk (hình 17-14) để độ sâu ở cuối sân bậc bằng

độ sâu phân giới hk tức là: h1 = hk, lúc đó năng lượng tại mặt cắt cuối bậc sẽ bé nhất ('min),

có nghĩa là năng lượng thừa của dòng chảy đ∙ được tiêu hao hoàn toàn trên sân bậc, dòng chảy không còn sự tích lũy năng lượng để chuyển xuống các bậc dưới

Nếu chiều dài của sân bậc quá lớn: L > Lk (hình 17-17) thì không những trên sân bậc xảy ra chảy xiết mà còn cả chảy êm

Đường mặt nước ở trạng thái chảy êm là đường nước hạ b0, độ sâu ở cuối bậc bằng độ sâu phân giới hk Trong trường hợp này năng lượng ở mặt cắt cuối sân bậc bé nhất, chứng tỏ rằng dòng chảy cũng đ∙ tiêu hao hết hoàn toàn năng lượng thừa

Trong tính toán thủy lực, sơ đồ hình (17-14) là hợp lý hơn cả, vì rằng với chiều dài bậc lớn như ở hình (17-17), về mặt năng lượng không có lợi gì hơn mà về kinh tế lại tốn kém hơn

Vậy chiều dài sân bậc khi không có tường tiêu năng xác định theo (17-26) là tốt nhất Tuy nhiên kiểu sân bậc này không phải lúc nào cũng dùng được vì độ dài Lk tính theo (17-26)

có khi rất lớn nên trong thực tế thường làm tường tiêu năng để tạo nên nước nhảy ngập

Đường nước hạ b

Đường nước dâng C

k

c h

Tính toán tường tiêu năng như trình bày ở chương XV

Chiều dài của sân bậc có thể tính theo:

trong đó:

ln.ng - chiều dài của nước nhảy ngập, tính theo các công thức (13-45) á (13-49);

d - chiều dày của tường tiêu năng;

l1 - chiều dài đoạn nước rơi

Qmax = 12,8 m3/s øng víi hmax = 1,81 m

Qmin = 5,5 m3/s øng víi hmin = 1,17 m

Ta nghiên cứu cách tính cho từng bộ phận

1 Tính toán cửa vào

Cửa vào của dốc nước tương tự như cửa vào của bậc nước Hình thức cửa vào có thể là

đập tràn đỉnh rộng, đập tràn thực dụng hay đập tràn khe hở

Khác với cửa vào của bậc nước, cửa vào của dốc nước thường có một đoạn chuyển tiếp thu hẹp nối với đầu dốc Đoạn chuyển tiếp thường có độ dốc đáy rất bé hoặc đáy nằm ngang (hình 17-20)

Dạng đường mặt nước hoàn toàn phụ thuộc vào hình thức cửa vào

Ta xét những trường hợp hay gặp sau đây:

Cửa vào không có ngưỡng:

Trong trường hợp này, độ sâu dòng chảy ở đầu dốc bằng độ sâu phân giới hk, do đó

đường mặt nước trong thân dốc là đường nước hạ bII (hình 17-20)

Cửa vào có ngưỡng:

Trong trường hợp này độ sâu dòng chảy ở đầu dốc là độ sâu co hẹp hc

Lúc hc > h0 (h0 là độ sâu chảy đều trên thân dốc thì đường mặt nước là đường nước hạ

bII (hình 17-21a) và khi hc < h0, đường mặt nước là đường nước dâng cII (hình 17-21b)

Cửa vào có cửa van điều tiết:

Sau cửa van có đoạn chuyển tiếp đáy nằm ngang, nên độ sâu hđ ở đầu dốc có thể lớn hơn hay bé hơn độ sâu chảy đều h0 trên dốc

Sau khi biết được độ sâu đầu dốc, ta tính đường mặt nước trên thân dốc theo các phương pháp tính đường mặt nước đ∙ giới thiệu ở chương IX, từ đó tính được độ sâu cũng như lưu tốc dọc theo thân dốc

Độ sâu cuối dốc hI, thường gần bằng độ sâu chảy đều h0 trên thân dốc

Trong tính toán dốc nước cũng cần kiểm tra lưu tốc lớn nhất của dòng chảy trên dốc Lưu tốc lớn nhất vmax không được vượt quá lưu tốc cho phép [vmax] nghĩa là cần có:

htk - độ sâu tính toán có tính đến ảnh hưởng của dòng chảy trộn khí

Công thức này áp dụng cho v Ê 20 m/s

b) Dốc n-ớc hình không lăng trụ (chiều rộng đáy thay đổi)

Để đảm bảo độ sâu dòng chảy trên thân dốc không đổi, người ta thường thu hẹp chiều rộng đáy dốc Trong trường hợp này đường mặt nước là đường thẳng song song với đáy Tính toán thủy lực cho loại dốc này là chọn chiều rộng đáy b, cách tính tương tự như trường hợp tính dòng chảy ổn định không đều trong kênh không lăng trụ có chiều sâu không đổi (xem Đ9-10)

Cần chú ý rằng độ sâu của dòng chảy h trong kênh có thể chọn tùy ý nhưng phải bé hơn độ sâu phân giới hk ở mặt cắt đầu thân dốc Nếu h > hk, độ sâu ở thân dốc sẽ ảnh hưởng

đến đường mặt nước trong kênh thượng lưu

Cũng có lúc người ta xây dựng dốc nước có chiều rộng đáy tăng dần như ở công tình

b

Đoạn chuyển tiếp

Hình 17-24

Đoạn mở rộng này thường có độ dốc đáy rất bé hay đáy nằm ngang

Góc mở rộng của đoạn chuyển tiếp thường lấy trong giới hạn:

12 á 1

8 Trong giới hạn góc mở rộng này dòng chảy vẫn giữ được điều kiện của dòng chảy thay đổi dần, không sinh ra hiện tượng dòng chảy tách rời có thể làm xói lở ở đáy hay phá hoại hai bên bờ

Dòng chảy từ dốc đổ xuống là dòng chảy xiết, nối với dòng chảy trong kênh hạ lưu là dòng chảy êm nên sự nối tiếp ở hạ lưu có thể là nước nhảy xa tại chỗ hay nước nhảy ngập Nếu dòng chảy nối tiếp bằng nước nhảy xa thì phải làm bể tiêu năng hoặc tường tiêu năng

để đảm bảo nước nhảy ngập

Để tính nối tiếp ta lấy độ sâu ở cuối dốc h1 (ở đầu đoạn mở rộng) làm độ sâu trước nước nhảy h' và xác định độ sâu liên hiệp với nó h"

Phương pháp tính toán như đ∙ giới thiệu ở Đ13-6

Vì đoạn chuyển tiếp ở đây có góc mở rộng b không lớn lắm nên khi tính toán tiêu năng có thể xem như bài toán phẳng và phương pháp tính toán tương tự như đ∙ trình bày ở chương XV

Đ17-4 Tính toán thủy lực máng phun

Máng phun là một dốc nước kiểu côngxon và cuối dốc là mũi phun (hình 17-25)

Chiều dài mũi phun phụ thuộc vào chiều dài của dốc nước, có thể từ 1 á 2 m

Tính toán thủy lực máng phun là tính toán dốc nước và tính toán hạ lưu tức là xác

định tầm phóng xa của dòng chảy cũng như tính toán kích thước phễu xói

Cửa vào của máng phun cũng tương tự như cửa vào của bậc và dốc nước

Tính toán dốc nước là xác định kích thước của thân dốc, độ dốc đáy cũng như tính toán đường mặt nước trên dốc

Theo sơ đồ hình (17-26) ta ký hiệu S1 là khoảng cách từ cao trình mực nước thượng lưu đến mũi phun; S2 là khoảng cách từ cao trình mũi phun đến đáy hạ lưu công trình lúc chưa bị xói Như vậy, độ rơi của máng phun (là khoảng cách từ cao trình mực nước thượng lưu đến đáy hạ lưu công trình lúc chưa bị xói) là:

Đặt: s = S1

thì: S1 = sS

Ta có (xem hình 17-26):

trong đó:

H - cột nước trên cửa vào;

l - chiều dài của dốc;

l’ - chiều dài của mũi phun;

i - độ dốc đáy của dốc nước

l1

h h

Bây giờ ta xác định chiều dài phóng xa của dòng chảy, giả thiết rằng khi chuyển

động tự do trong không khí, cấu tạo của dòng chảy vẫn giữ nguyên và không có tổn thất năng lượng

Ta xét chất điểm 0 (hình 17-26) nằm ở tâm mặt cắt cuối mũi phun Phương trình chuyển động của nó sẽ là:

Trong thực tế người người ta lấy góc qÊ 150 và trị số s khoảng chừng 0,50

Chú ý rằng chiều dài phóng xa của dòng phun thực tế bé hơn nhiều so với chiều dài lý thuyết tính theo (17-40), (17-41) vì rằng khi phun ra không khí dòng phun bị phân tán và

ma sát nên tổn thất nhiều năng lượng

Bây giờ ta xác định kích thước phễu xói trong điều kiện bài toán phẳng

Một cách gần đúng có thể xem chiều sâu phễu xói lớn nhất bằng chiều sâu bể tiêu năng

Từ đó chiều sâu phễu xói dx có thể tính bằng:

Phương pháp tính toán phễu xói trình bày ở đây chỉ là gần đúng và rất sơ lược vì không kể đến ảnh hưởng do cấu tạo của đất ở hạ lưu Vì thế khi tính chiều sâu của phễu xói cần đưa vào hệ số dự trữ, tức là:

Theo M X Vưdơgô thì: e = 2 á 2,70