Chọn các đại lượng của đập T. Đập T là đập thực dụng mặt cắt hình cong không chân không loại 2. Chọn số nhịp đập n=9 Chiều rộng tràn nước của mỗi nhịp đập b=10m. Chọn mố bên và mố trụ của đập lượn tròn. Chiều dày mố trụ d=2m.Chi
Trang 1ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THỦY LỰC CÔNG TRÌNH
Thiết kế đập tràn T ứng với Q TK và Z TK trên sông S.
1 Chọn các đại lượng của đập T
Đập T là đập thực dụng mặt cắt hình cong không chân không loại 2
Chọn số nhịp đập n=9
Chiều rộng tràn nước của mỗi nhịp đập b=10m
Chọn mố bên và mố trụ của đập lượn tròn
Chiều dày mố trụ d=2m.Chiều dày mố bên d’=1m.Chiều dày a=1m
Đập có góc α=450, góc β=600 và tỷ số 0,9
1=
P l
Tổng chiều dài đập (kể cả mố) là BĐập = 2d’+(n-1)d+nb (m)= 2x1+(9-1)x2+9x10= 108
Lưu lượng đơn vị của dòng chảy ở hạ lưu đập qTK= = =
108
3580
Bdap Qtk
33.15(m2/s)<[q]=37.8(m2/s)
2 Xác định cao trình đỉnh đập Zođ ứng với QTK và ZTK của sông S.
a) Tính cột nước tràn thiết kế HTK của đập T
Vẽ quan hệ Q~Zh ở ngay sau đập tràn theo số liệu ở bảng 1 (hình 1)
Biết QTK của đập tra đồ thị Q~Zh này ta được Zhtk=26,83m
Độ sâu nước trong sông sau đập tràn: hhtk=Zhtk-Z0 = 26,83-24=2.83m
Vì cao trình đỉnh đập tràn Z0đ chưa biết, ta giả thiết đập T chảy tự do và co hẹp bên, nên
3 / 2
0
2
=
g nb m
Q
TK
Trong (1):
QTK=3580m2/s ; nb=9.10=90 (m) ; 2g =4,43
Hệ số lưu lượng của đập: m=mvc σhd σH = 0,48 0,978 1 =0,469
Giả thiết εgt =0,93 Thay tất cả vào (1) ta tính được
,.511( )
43 , 4 90 469 , 0 93 , 0
Kiểm tra lại bằng cách tính :
εtt = 1-0,2 H TK
nb
mt n
mb
0 ) 1
(2) Trong (2):
ξmb=0,7 ( mố bên lượn tròn ) ; ξmt =0,45 ( mố trụ lượn tròn )
Trang 2
Thay tất cả vào (2) ta được:
εtt =1-0,2
90
45 , 0 )
1 9 ( 7 ,
.7,511=0,93
So sánh εgt và εtt, ta thấy εgt ≈ εtt, vậy H0TK=7,511 m là đúng
Cột nước tràn thiết kế của đập tràn T là HTK = H0TK -
g
V
2
2 0
α
(3) Giả thiết vận tốc tới gần V0≈ 0, ta có:
HTK = H0TK=7,511 m
b) Cao trình đỉnh đập tràn T: Z0đ
Z0đ = ZTK – HTK = 47,8-7,511 = 40,289 m
Chiều cao của đập so với đáy sông thượng lưu đập:
P1 = Z0đ – Z01 = 40,289-24 = 16,289 (m)
Chiều cao của đập so với đáy sông hạ lưu đập:
P1 = Z0đ – Z0 = 40,289-21 = 19,289 (m)
+ Kiểm tra lại vận tốc V0:
Vì ΏTL = 1,3Bđ.(P1 + HTK) = 1,3.108.(16,289 + 7,511)=3341,52> 4.nb.HTK = 2704m2
nên bỏ qua vận tốc V0 ở trên là đúng
+ Ta kiểm tra đập T chảy tự do hay chảy ngập:
Vì ZhTK = 26,83m < Z0đ = 40.289 m nên giả thiết đập tràn T chảy tự do là đúng
Kết quả : HTK của đập = 7,511 m
Cao trình đỉnh đập tràn Z0đ = 40.289 m
3 Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn T
Có HTK=7,511m, tra phụ lục (14-2) sách thủy lực tập II, ứng với đập loại 2 ta được các giá trị X , Y ứng với HTK=1m, ta tính được tọa độ X, Y của mặt cắt ngang đập T là:
X = X HTK, Y=Y.HTK Kết quả tính toán được ghi ở bảng 2
Bảng 2
X 0 1.502 3.005 4.507 6.009 7.511 9.014 10.516 12.769 15.023 18.778
Trang 3Từ kết quả ở bảng 2 và R = 12,6m, ta sẽ vẽ được mặt cắt ngang của đập tràn T ở hình vẽ số
2 và 3
Tính toán tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T.
1) Xác định hình thức nối tiếp sau đập T với mọi cấp lưu lượng
Ta chọn ra 5 giá trị Q tràn qua đập T biến đổi từ QS
m/n đến Q S
max Đối với mỗi lưu lượng
Q ta cần tính các đại lượng sau:
a) Tính hc, hc’’
Từ công thức : F (τc) = 3/2
0
.E
q
ϕ (4)
Với hệ số lưu tốc φ = 0.95
Lưu lượng đơn vị ở hạ lưu q =
dap
B Q
E0 = P + H0 trong đó cột nước tràn toàn phần H0 được tính theo công thức
3 / 2
0
2
=
g nb m
Q H
ε
Để tính H0 tương ứng với các giá trị Q khác nhau ta lấy các hệ số như sau :
m= mvc= 0.48 và ε = 0.95.
Từ F(τc) ta tra được τc và τc’’ ở bảng ( 15-1 ), từ đó ta có
hc = E0 τ c
hc‘’ = E0 τc’’
Kết quả tính toán hc, hc‘’ được ghi ở bảng số 3
b) Tính hh
Có Q tra đồ thị Q~ Zh ta tìm được Z h tương ứng C ó Zh ta tính được độ sâu hh ở hạ lưu đập
tràn T là hh = Zh – Z0
Kết quả tính toán hh ghi ở bảng số 3
b) Tính hk
Có Q ta tính được q =
dap
B
Q
=2d'+(n−Q1)d+∑b, Tính hk = 3
2
g
q
α
, chọn α=1
Kết quả tính toán hk ghi ở bảng số 3
Trang 4
Bảng 3
Q
(m3/s)
H 0
(m)
E 0
(m)
h k
(m)
h h
(m)
h c
(m)
h c ” (m)
h c ”- h k
(m) Ghi chú
2400 5.59 25.50 3.692 3.45 1.066 9.104 5.654
Ko có nước nhảy
3200 6.77 26.68 4.473 5.19 1.422 10.686 5.496 Có nước
nhảy
3420 7.07 26.99 4.676 5.56 1.501 11.038 5.478
4200 8.11 28.03 5.362 6.95 1.827 12.275 5.325
5000 9.11 29.03 6.023 7.71 2.035 13.120 5.410
2) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng: Qtn
Căn cứ vào kết quả ở bảng 3, ta chọn được sơ bộ Qtn = 5000 m3/s
Để có được Qtn chính xác, ta phải tính lại hc và hc’’ như sau:
Tính chính xác cột nước tràn toàn phần H0 của đập T theo công thức:
3 / 2
0
2
=
g nb m
Q H
ε (5)
Giả thiết εgt =0.91; mgt =0.48 thay vào công thức (5) tính được :
3 / 2
0
43 , 4 90
48 , 0 91 , 0
5000
=
tn
Từ đó ta được Htn, = H0tn -
g
v
2
2 0
α
Coi V0 ≈ 0 nên H0 ≈ H0tn =9,376
Có Htn, H0tn tính được
εtt =1 – 0,2
nb
mt n
mb ( 1)
H0tn (6) Trong (6):
ξmb = 0,7 ξmt =0,45 ( mố bên và mố trụ lượn tròn )
nb =90 m
h0tn = 9.376 m
Thay tất cả vào (6) ta được εtt =1 – 0,2
90
45 , 0
* 8 7 ,
.9.376 = 0,9104
mtt = mvc.σhd σH (7)
Trong (7)
mvc = 0,48
α = 450, β = 600,
P
l
= 0.9 tra bảng ( 14-7 ) ta được σhd = 0,978
α = 450,
TK
tn
H
H
= 511 7
376 9
= 1.25 tra bảng ( 14-8 ) ta đượcσH = 1,021 Thay tất cả vào (7) ta được mtt = 0,48.0.978.1,021 = 0.479
Trang 5hc’’ = τ’
c.E0 = 0,454.29,03 = 13,18 (m)
So sánh 4 độ sâu hh, hc, hc’’, hk ta thấy
hc’’ = 13,18 m > hh = 7,71 (m) > hk = 6,023 (m) > hc = 2.06 ( m)
Vậy sau đập có nước nhảy phóng xa, phải thiết kế công trình tiêu năng ứng với lưu lượng tính toán tiêu năng Qtn ở trên để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập
3) Thiết kế công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T
Công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T là đào bể tiêu năng Ta cần phải tính chiều sâu bể (d) và chiều dài bể (Lb) để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập
+ Sơ bộ lấy d1 = 5,4 m
+ Tính lại hc; hc’’
E01 = E0 + d1 = 29,03 + 5,30 = 34,33 m
F( τ c) = 3 / 2
0
.E
q
ϕ (8)
Trong (8) : q =
B
Q tn
= 108
5000
= 46,296m2/s; φ = 0,95 Thay tất cả vào (7) ta được
có F( τ c) = 0,95.34,333 / 2
296 , 46
= 0.242 tra phục lục (15-1) ⇒τc’’ = 0.410
hc’’ = τ’’
c.E01 = 0,410*34,33 = 14,08 (m)
+ Tính ∆Z
∆Z =
g h
q
h
h2 2.2
2
2
) (
2g h c
q
δ
α
(9) Trong (9) q = 46,296 m2/s, φb = 0.9; hh = 7,71 m; g = 9,81 m/s2
σ = 1,05; hc‘’ = 14,08 m
Thay tất cả vào (8) ta được:
∆Z = 0,9246.7,,712962.19,62
2
2
) 08 , 14 05 , 1 ( 62 , 19
296 , 46 1
= 1.77m Chiều sâu bể d = σhc’’- hh - ∆Z = 1,05.14,08 – 7,71 – 1,77= 5,304 m
Vậy d = 5.304 ≈ d1 = 5,30 m ( giả thiết đúng )
Tính chiều dài d = Lb = L1 + βLn (10)
Trong đó : L1 = 0; β = 0.8; Ln = 4,5 hc‘’ = 4,5.14,08 = 63,36 m
Thay tất cả vào (10) ta được : Lb = 0.8 63,36 = 50,688m
Kết quả : d = 5,30 m
Lb = 50,688 m
Trang 6III Thiết kế mặt cắt ngang kênh chính sau cống A.
Kênh chính sau cống A có mặt cắt ngang hình thang cân với m=1.5, n=0.025, I =0.0004, β
= 4,5 và lưu lượng thiết kế QK
TK = 51,8 m3/s 1) Tính bk và h0TK của kênh chính
Tính f(Rln) = K
TK
Q
i
m
4 0
=
8 51
0004 0 424 ,
8 = 0.00325, tra phụ lục (8-1) được Rln= 2,15 m Tính σ = βm+m
0
= 4,25,106+1,5= 0,35 tra phụ lục (8-3) được Rln
b
= 5,53 và
ln
R
h
= 1,224
Chiều rộng thiết kế của đáy kênh chính : btk = (
ln
R
b
).Rln = 5,53.2,15 = 11,89 (m)
Chiều sâu nước thiết kế của kênh chính : h0TK = (
ln
R
h
).Rln = 1,224.2,15 = 2.63 (m) 2) Kiểmtra điều kiện của kênh chính.
Kênh chính sau cống A muốn làm việc tốt phải thoả mãn yêu cầu:
0,5m/s ≤ V ≤ 1,5 m/s với mọi cấp lưu lượng trong kênh Muốn kiểm tra điều kiện này làm như sau:
a.Khi lưu lượng trong kênh là QK
min = k1 QK
TK = 0,75.51,8 = 38,85 ( m3/s) Tính f(Rln) = K
Q
i m
min
0 4
=
85 , 38
0004 0 424 , 8
= 0.00434, tra phụ lục (8-1) được Rln = 1,91m
Lập tỉ số '
ln
R
b TK
= 111,,9189= 6,225 tra phụ lục (8-3) được '
ln
R
h
= 1,152 Chiều sâu nước trong kênh ứng với QK
min là : h0min = ( '
ln
R
h
).R’ln = 1,152.1,91 = 2,2 (m)
Tính vận tốc Vmin =
min min
min
)
k
h h m B
Q
85 , 38
Kiểm tra điều kiện này 0,5m/s < Vmin = 1,16 m/s < 1,5 m/s Vậy kênh chính đạt yêu
cầu
b Khi lưu lượng trong kênh là QK
max = k2 QK
TK = 1,3.51,8 = 67,34 ( m3/s) Tính f(R’’ln) = K
Q
i m
max
0 4
=
34 , 67
0004 0 424 , 8
= 0.00250, tra phụ lục (8-1) được R’’ln = 2,35 m
Lập tỉ số '
ln
R
b TK
= 112,,3589= 5,06 tra phụ lục (8-3) được ''
ln
R
h
= 1,276 Chiều sâu nước trong kênh ứng với QK
max là :h0 max = (R''
h
).R’’ln = 1,276.2,35 = 2.998
Trang 73) Xây dựng quan hệ Q ~ h0 của kênh chính từ Qmin đến Qmax
Từ kết quả ở phần trên, ta lập được bảng sau:
Bảng 4
Q (m3/s) 0 QK
min = 38,85 m3/s QK
TK = 51,8 m3/s QK
max = 67,34 m3/s
h0 của kênh 0 h0min = 2,2m h0TK = 2,63m h0 max= 2,998m
Với kết quả ở bảng 4 ta vẽ được đường quan hệ Q~h0 của kênh chính, kết hợp với
mặt cắt ngang của kênh chính ở hình vẽ số 5.
IV Tính toán thủy lực cống đầu kênh A.
Cống đầu kênh A là một cống lộ thiên có cao trình đáy cống bằng cao trình đáy kênh chính Tính toán thủy lực cống đầu kênh A ta làm như sau:
1)Xác định cao trình đáy cống.
Khi mực nước trong sông S là nhỏ nhất ( Qs
min = 2400 m3/s )và cống làm việc như một đập tràn đỉnh rộng, cao trình đáy cống ứng với lưu lượng thiết kế của kênh chính QK
TK được xác định theo công thức:
Z đc =Zs
min –( hotk + ∆ Z ) (11) Trong (11) hotk =2,63m và ∆ Z =0,3m
Ta tính Zs
min = Z ođ + Hs
min.
a.Tính cột nước tràn Hs omin đập tràn T ứng với Qs min = 2400m3 /s
Dựa vào kết quả ở bảng 3, ta tính lại chính xác cột nước tràn Hs
omin của đập tràn T khi Qmin =2400m3/s tràn qua đập.
+ Công thức tính cột nước tràn toàn phần của đập tràn thực dụng:
3 / 2 min min
0
2
=
g nb m
Q H
s s
ε (12)
Trong (12) εgt = 0,94; mtt = 0,46; nb = 90m; Qs
min = 2400m3/s
Thay tất cả vào (12)
3 / 2
min 0
43 , 4 90 46 , 0 94 , 0
2400
=
s
g H
2
2 0 min 0 min
αν
−
=
Coi V0≈ 0, Hmins =H0smin =5,79m
+ Kiểm tra lại V0
Ω = 1,3 Bđập .( P1 + Hs
omin ) = 1,3 108 ( 16,289+ 5,79 ) = 3099,89 m2 > 4.nb.Htk
=4.90.7,511 = 2703,96 m2 nên bỏ qua vận tốc V0 ở trên là đúng.
+ Kiểm tra εgt và mgt
945 , 0 79 , 5 90
45 , 0 8 7 , 0 2 , 0 1 )
1 ( 2
,
0
nb
ξ ε
Trang 8mtt = mtc σhd σh (*)
Với α0 =450 ;
tk
H
Hmin
=75,,51179 =0,78 tra bảng (14-8) δH = 0,975
mtc = 0,48 ; σhđ = 0.978
Thay tất cả vào (*) ta được mtt = 0,48 0,978 0,975 = 0,458
So sánh ta thấy εtt≈ εgt ; mtt ≈ mgt ( giả thiết đúng )
Vậy Hmins =5,79m
b Cao trình đáy cống A
Cao trình mặt nước song S nhỏ nhất Zs
min = Zođ + Hs
min = 40,289 + 5,79 = 46,08m Cao trình đáy cống A: Zdc = Zs
min – (hotk + ∆Z) = 46,08 – ( 2,63+ 0,3 ) = 43,15 m
2)Xác định bề rộng cống để lấy được Qk TK ứng với Zs min.
Khi cánh cửa cống kéo lên khỏi mặt nước, cống lộ thiên A làm việc như một đập tràn đỉnh rộng có Hmin = Zs
min – Zdc = hotk + ∆Z = 2,63+0,3=2,93m a.Xác định số cửa cống của cống A
Với Qk
TK = 51,8 m3/s qua cống, để tránh dòng chảy tập trung, ta chọn số cửa cống của cống là n =2
Lưu lượng thiết kế qua mỗi cửa cống là
Qc
TK = 25,9
2
8 ,
51 =
=
n
Q k
b.Xác định chiều rộng B của mỗi cửa cống
Ta chọn cống A có tường cống thu hẹp dần với góc α = 450
Ta tính chiều rộng bc của mỗi cửa cống như sau:
Xác định chế độ chảy của đập đỉnh rộng:
Biết cột nước ở thượng lưu cống : Hmin = 2,93 m
Biết độ sâu ở hạ lưu cống hh = hotk = 2,63 m
Độ sâu hn = hh
H H m b
Q
TK
k
93 , 2 )
93 , 2 1 89 , 11 (
8 , 51 )
+
= +
Độ sâu H0 = Hmin + 3,002( )
62 , 19
193 , 1 1 93 , 2 2
g
V
= +
= α
002 , 3
63 , 2
0 0
=
>
=
n
H
h H
h
, đập đỉnh rộng chảy ngập Chiều rộng bc của mỗi cửa cống được xác định theo công thức:
0 )
0
k TK n
n
c TK
h H g n h
Q h
H g h
Q
−
=
Trong (13) độ sâu hồi phục Z2 nhỏ nên được bỏ qua
Giả thiết hệ số lưu lượng của đập đỉnh rộng: mgt = 0,36
Trang 9Kiểm tra lại mgt: lập tỷ số β = . = 211.3,,89708 =0,624
TK
c
b
b n
Tra phụ lục (14-8) được mtt = 0,362 Vậy mgt≈ mtt = 0,36
Chiều rộng tràn nước của cả cống A là:
Σb = n.bc = 2.3,708 = 7,416 (m)
3)Vẽ mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của cống A
Cống A có n= 2 cửa, chièu rộng mỗi cửa bc = 3,708m
Tường cánh có góc thu hẹp dần với gốc α = 450, Mố cống có chiều dày d = 0,8m, đầu mố vát nhọn với góc ở đỉnh θ=900 Chiều rộng đáy kênh thượng, hạ lưu cống bTK = 11,89m Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc cống A được thể hiện ở hình vẽ số 6
4)Xây dựng quan hệ Q ~ a của cống A ứng với mực nước song thiết kế Zs TK
Khi cánh cống đóng xuống nước với độ mở cống là a, cột nước ở thượng lưu cống là
HTK = Zs
TK = (Zođ + Hs
TK) - Zđc = (40.289+7.511) - 43.15 = 4,65 m , lưu lượng tháo qua cống
là Q, ta xây dựng quan hệ Q ~ a như sau:
Chọn 5 giá trị QK biến đổi từ QK
min = 38,85m3/s đến QK
max = 67,34m3/s
Coi dòng chảy ở hạ lưu cống A là dòng chảy đều nên từ QK đã biết tra đồ thị Q~h0 ở hình
vẽ số 3, ta tìm được hh = h0 tương ứng Có QK rồi ta tính được độ sâu phân giới hK theo công thức :
hK = hKCN 1 3 +0,105. CN2
σ
(14) Trong (14) cần tính : hKCN = 3
2
g
q
α
và σKCN =
TK
KCN
b
h m.
với q =
TK
K
b Q
Độ sâu hK này là độ sâu phân giới trong kênh chính sau cống A, vì vậy muốn biết cống chảy tự do hay chảy ngập, ta cần xác định các độ sâu hc và h’’c của cống như sau:
Tính F(τc) = 3 / 2
0
.H
q c
ϕ (15) với qc =
c
c
b n
Q
, φ = 0,95, H0 = HTK +
g
V o
2
2
α
V0 =
TK TK TK
c
H H m b
Q
)
Có F(τc) ở (15) tra bảng (16-1) được τc và τ’’c Từ đây ta tính được hc và h’’c:
Hc = τc H0 ; h’’c = τ’’c.H0
So sánh 4 độ sâu đã biết hc, h’’c, hh, h’’K nếu cống chảy tự do thì từ F(τc) ở (15) tra bảng (16-1) được (H a ).H
Còn nếu cống chảy ngập thì phải tính hz trước theo công thức:
h2
z + A H0−h z -B = 0 Với A = 2 q c
g . .
2
0ϕ
α ; B = h2
h +
h
c
h g
q
0
α
Khi tính A và B lấy α0 =1 , φ = 0,95, g = 9,81m2/s, qc =
c
c
b n
Q
Sau đó tính τc = . . 2 ( )
0 0
c
h H g H nb
Q H
h
−
=
Trang 10Có τc tra bảng (16-1) được H a và tính được độ cao mở cống a = (H a ).H.
Kết quả tính toán quan hệ Q~a của cống A được ghi ở bảng 5
Bảng 5
Q
(m3/s) h
K
h
c
c (m) F(τc)
(15) τc
(m) Trạng thái
chảy
Qk
Qk
Qk
Qk
Qk
Căn cứ vào kết quả ở bảng 5 ta vẽ quan hệ Q~a của cống lộ thiên A ở hình vẽ số 6