Bài tập tính toán kiểm tra khí thực

Yêu cầu: - Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc tại các vi trí khớp nối khi tháo Qtk?. NỘI DUNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ THỰC VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC

1

BÀI TẬP ĐỀ SỐ 15 TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC

I Tài liệu ban đầu:

- Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ như hình vẽ (hình 1)

- Chiều dài từ ngưỡng tràn đến đầu dốc L0 = 30 m

- Chiều dài dốc nước L = 200 m (trên mặt bằng): 10 đoạn x 20 m

- Độ dốc: i = 0,26

- Vật liệu thân dốc: BTCT M200

- Độ nhám bề mặt n = 0,017 (Δ = 0,5 mm)

- Gồ ghề cục bộ tại các khớp nối (dự kiến): Zm = 5 mm

- Cao độ đầu dốc: đ = 300 m; nhiệt độ nước T = 250

- Mặt cắt ngang dốc chữ nhật, B = 20 m

- Lưu lượng thiết kế: Qtk = 512 m3/s

- Độ sâu đầu dốc: hđ = 3,14 m

- Hình thức tiêu năng cuối dốc: Mũi phun

II Yêu cầu:

- Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc tại các vi trí khớp nối khi tháo Qtk ?

- Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc?

- Thiết kế bộ phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực (nếu có)?

Hình 1 : sơ đồ dốc nước sau đập tràn

NỘI DUNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ THỰC

VÀ GIẢI PHÁP PHÒNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC

I Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc khi tháo lưu lượng thiết kế:

1 Vẽ đường mặt nước trên dốc:

Dùng phương pháp sai phân, xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước tại các mặt cắt tiếp theo bằng cách thử dần theo phương trình:

TB J i

E L









Trong đó:

∆L: Khoảng cách (theo phương ngang) giữa 2 mặt cắt tính toán;

∆E = E2 – E1 ;

g

V h E

2

2 2 2

g

V h E

2

2 1 1

h1; h2 : Độ sâu tương ứng tại mặt cắt 1 (đầu đoạn) và 2 (cuối đoạn);

V1; V2: Lưu tốc bình quân tại mặt cắt 1 và 2;

i: Độ dốc đáy dốc;

JTB = (J1 + J2)/2;

J1; J2: Độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1 và 2

Kết quả tính toán và vẽ đường mực nước như trên Bảng 1;

Ghi chú công thức tính toán trong Bảng 1:

h: Độ sâu mực nước trong dốc (giả thiết);

: Chu vi ướt của mặt cắt tính toán, được xác định:  = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật);

: Diện tích mặt cắt ướt;  = B.h;

R: Bán kính thủy lực; R = /

R R n R

C 1 1/6

V: Vận tốc dòng chày đoạn tính toán: V = Q/;

J: Độ dốc thủy lực:

R C

V

2

Bảng 1: Kết quả tính toán vẽ đường mực nước trên dốc

2 1,88 23,75 37,50 1,58 79,77 13,65 0,0293 0,0177 0,2423 11,375 4,847 20,00 20,00

3 1,53 23,07 30,68 1,33 71,14 16,69 0,0550 0,0422 0,2178 15,731 4,357 20,00 40,00

4 1,35 22,71 27,09 1,19 66,16 18,90 0,0816 0,0683 0,1917 19,565 3,833 20,00 60,00

5 1,24 22,49 24,85 1,11 62,88 20,60 0,1073 0,0945 0,1655 22,875 3,310 20,00 80,00

6 1,17 22,33 23,34 1,05 60,58 21,94 0,1311 0,1192 0,1408 25,691 2,816 20,00 100,00

7 1,11 22,23 22,27 1,00 58,90 22,99 0,1524 0,1417 0,1183 28,056 2,365 20,00 120,00

8 1,07 22,15 21,48 0,97 57,64 23,83 0,1709 0,1617 0,0983 30,022 1,967 20,00 140,00

9 1,04 22,09 20,90 0,95 56,68 24,50 0,1868 0,1789 0,0811 31,644 1,622 20,00 160,00

10 1,02 22,04 20,45 0,93 55,95 25,04 0,2003 0,1936 0,0664 32,973 1,329 20,00 180,00

11

1,005 22,01 20,11 0,91 55,38 25,46 0,2114 0,2058 0,0542 34,056 1,083 20,00 200,00

2 Xác định hệ số khí hóa phân giới:

Với giả thiết tại các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Zm = 5 mm, góc  = 90o Khi đó hệ

số khí hóa phân giới (tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi) Tra bảng 2.4 trang 35, 14-TCN) ta có:

33 , 2

125 ,

0 0,65 

pg K

3 Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán:

Hệ số khí hóa được xác định theo công thức:

g V

H H K

ĐT

pg ĐT

2

2





Trong đó:

HĐT: Cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy; HĐT = Ha + h.cos h: Độ sâu nước tại mặt cắt tính toán

Ha: Cột nước áp lực khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước tại mặt cắt tính toán

Zmn = Zđáy + h

: Góc nghiệng của đáy lòng dẫn so với phương ngang

Hpg: Cột nước áp lực phân giới, ứng với nhiệt độ T = 25o theo số liệu đầu bài, tra Bảng 2.2 Tiêu chuẩn 14 TCN 198:2006 được Hpg = 0,32 m

VĐT: Lưu tốc đặc trưng khi vị trí có mấu gồ ghề thuộc các đoạn khác nhau trên dòng chày được xác định theo công thức:

2

1 



V

TB y ĐT

V V

Trong đó:

VTB: Lưu tốc trung bình mặt cắt

V: Hệ số biểu thị quan hệ giữa lưu tốc trung bình và lưu tốc lớn nhất trong dòng chảy khi chiều dày lớp biên và dạng mặt cắt ngang của dòng chảy đã cho Với dòng không áp mặt cắt ngang hình chữ nhật có bề rộng B và độ sâu nước h, V được xác định theo công thức:







































































3 ln 2















Bh V

∆: Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt Ứng với mặt bê tông với ván khuôn bằng kim loại thì ∆ = 0,5 ÷ 1,0 mm; Chọn ∆ = 0,5 mm

Theo biểu đồ Hình 2.6 Tiêu chuẩn 14 TCN 198:2006 xác định được 1; 2

và 

Kết quả tính toán được ghi trong Bảng 2 Từ kết quả này cho thấy từ mặt cắt

3 đến mặt cắt 11 mặt cắt có K < Kpg = 2,33 Vậy tại các mặt cắt này có khí hóa dòng chảy

Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2

5

Bảng 2: Kiểm tra khả năng khí hóa tại các mặt cắt tính toán:

MC h (m)

Zmn (m) Ha (m)

H ĐT (m) L* (m)

L*/∆

(10 4 )

∆

(10 3 )  (m) 2 (10 -3 ) 1 v

V ĐT (m/s) K KNKH

1 3,14 303,14 10 13,01 30,00 6,00 0,79 0,40 1,48 230 0,941 5,06 9,719 Không

2 1,88 296,68 9,98 11,80 50,00 10,00 1,28 0,64 1,15 230 0,879 8,00 3,518 Không

4 1,35 285,75 10,00 11,31 90,00 18,00 2,27 1,14 0,97 230 0,763 11,72 1,569 Có

5 1,24 280,44 10,00 11,20 110,00 22,00 2,70 1,35 0,94 230 0,713 13,45 1,180 Có

6 1,17 275,17 10,01 11,14 130,00 26,00 3,10 1,55 0,92 230 0,666 15,16 0,924 Có

7 1,11 269,91 10,01 11,09 150,00 30,00 3,44 1,72 0,91 230 0,626 16,76 0,752 Có

8 1,07 264,67 10,02 11,06 170,00 34,00 3,90 1,95 0,89 230 0,579 18,60 0,609 Có

9 1,04 259,44 10,02 11,04 190,00 38,00 4,42 2,21 0,87 230 0,531 20,69 0,491 Có

10 1,02 254,22 10,03 11,02 210,00 42,00 4,95 2,47 0,86 230 0,485 22,95 0,398 Có

11 1,005 249,01 10,04 11,01 230,00 46,00 5,24 2,62 0,85 230 0,458 24,63 0,346 Có

II Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc:

Khi khí hóa được duy trì trong thời gian đủ dài và dòng chảy có lưu tốc cục

bộ tại đỉnh mấu gồ ghề VĐT > Vng thì thành dốc nước có khả năng bị xâm thực

Trị số lưu tốc ngưỡng xâm thực Vng của vật liệu bê tông phụ thuộc vào độ bền nén của vật liệu (Rb) và hệ số hàm khí trong nước S Ứng với bê tông bề mặt lòng dẫn có Rb = 20 Mpa; độ hàm khí trong nước S = 0, tra đồ thị Hình 1.1 (trang 28) Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta được Vng = 9 m/s

Từ các giá trị VĐT ở Bảng 2 cho thấy:

- Từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 có VĐT < Vng  không bị xâm thực

- Từ mặt cắt 3 đến cuối dốc có VĐT > Vng  có khả năng xâm thực

Bằng nội suy từ biểu đồ lưu tốc VĐT dọc theo dòng chảy, xác định được mặt cắt có VĐT = Vng = 9 m/s là mặt cắt B cách đầu dốc một khoảng LB = 30,76

m

Đoạn từ mặt cắt B đến cuối dốc cần có biện pháp bảo vệ chống khí thực

III Thiết kế bộ phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực:

1 Bố trí các BPTK trên dốc:

Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 30,76 m) cần được bảo vệ chống khí thực Để đảm bảo an toàn cho thân dốc,

bố trí các bộ phận tiếp khí như sau:

- BPTK1 đặt tại mặt cắt M1, cách đầu dốc 40 m

- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 100 m

- BPTK3 đặt tại mặt cắt M3, cách đầu dốc 160 m

Với phương án bố trí đã nêu, từ Bảng 1 ta có các thông số thủy lực tại các mặt cắt có bố trí BPTK như sau:

Bảng 3: Thông số tính toán các bộ phận tiếp khí:

Vị trí L (m) Lp (m) h (m) V (m/s) Fr Fr

Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2

7

2 Tính toán bộ phận tiếp khí 1:

Hình 2 : Bố trí mũi hắt tại BPTK

Bước 1: Xác định chiều cao mũi hắt Z m theo công thức:

) 1 Fr ( 25

2 cos L







Trong đó:

+ Lp: Chiều dài cần bảo vệ sau BPTK, Lp = 60m

+ : Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang; ψ = 16,170 + Fr: Số Froud ;

2

v Fr gh

 (mặt cắt hình chữ nhật); Fr = 15,65

Thay vào công thức tính Zm ta có:

) 1 Fr ( 25

2 cos L





Bước 2: Chọn độ nghiêng mũi hắt:

Sơ đồ bố trí mũi như trên hình 3

Giả thiết chiều dài mũi Lm; điều kiện để chọn chiều dài mũi hợp lý: 5

1

6

1





m

m

L

Z

Chọn chiều dài mũi Lm = 3,0m Với độ dốc dọc tgψ = 0,29 ta có:

Z1 = 3,0*0,29 = 0,87 m

Z2 = Zm – Z1 = 0,63 - 0,87 = - 0,24 m

tg =

Lm

Z 2

= 0 , 3

24 , 0

 = -0,08 => θ = - 2,770 ( mũi dốc thuận)

Bước 3: Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt:

Theo công thức (4-2) Trang 47 Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta có:























































h

Z 2 sin Fr sin

Fr cos

) cos(

Fr h

Z cos

h

b

Với h = 1,53 m, Zm = 0,63 ; Fr = 18,51; Fr = 4,30; sin = sin (-2,770) = -0,36;

cos (-) = 0,955

Thay số vào ta được Lb= 5,44 m

Bước 4: Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp:

Áp dụng công thức 4-3 trang 47 Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 ta có:

qa = 0,033.V.Lb

Trong đó:

+ V = 16,69 m/s

+ Lb = 5,44 m

 qa = 2,99 m3/s.m

Bước 5: Tính lưu lượng khí tổng cộng:

Qa = qa.B = 2,99*20 = 59,87 m3/s

Bước 6: Tính diện tích tổng cộng của mặt cắt ngang các ống dẫn khí:

a

a a

V

Q





Va: Lưu tốc khí khống chế trong ống; Va  60 m/s

Chọn Va= 50 m/s, ta có ωa = 1,20 m2

Bố trí 2 ống cấp khí ở 2 tường bên của đường tràn Bố trí kích thước các ống như nhau, diện tích tối thiểu mỗi ống phải là:

2

a 1

a





 = 0,60 (m2)

Bước 7: Chọn kích thước ống:

Ba * ta = 1,0m x 1,0 m (a1= 1,0 m2)

Trong đó:

+ Ba: Cạnh của mặt cắt ngang ống theo chiều dài dòng chảy

Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2

9

+ ta: cạnh của mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên của trụ hay tường

Với kích thước ống đã chọn, vận tốc khí trong ống sẽ là:

a a

a a

B t 2

Q

1 1 2

87 , 59

= 29,93 (m/s)

Bước 8: Xác định độ chân không ở trong buồng khí:

Theo công thức:







a

a

a ck g

V

.

2



Trong đó:

+ Va : Lưu tốc khí tới gần;

.

a a

a a

Q V

n B t

 = 29,93 (m/s)

+

780

1





a

+ Trị số μa xác định theo công thức thủy lực (4-8) trong đó các hệ số tổn

thất áp lực như sau:







i

a



 1 1

Tổn thất tại cửa vào: ξv = 0,5

Tổn thất tại vị trí uốn cong gấp 900: ξu = 1,1

Tổn thất áp lực dọc đường tính với chiều dài ống:

La = Ht +

2 2

1

B

t a

 + 2.tt Trong đó:

Ht – Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 4,0 m

Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H

2 2

2

) (

cos

2  tg tg

g

V Z

h : Chiều dày lớp nước phía trên buồng khí (lấy gần đúng bằng độ sâu nước trên mũi hắt); h=1,58m

∆H : Độ cao an toàn, xác định theo cấp công trình, chọn ∆H = 0,5 m

ta – Chiều rộng mặt cắt ống thông khí, ta = 1,0 m

B1 – Bề rộng của mỗi khoang, B1 =B=20m

tt – Chiều dày lớp thành ống dẫn trong trụ và thành bên, chọn

tt = 0,4m;

Thay vào công thức ta được: La = 15,3 m

Mặt cắt ống có: Ba = 1,0 m; ta = 1,0 m; χa = 4,0 m; ωa1 = 1,0 m2; R = 0,25 m; C R = 23,34

Hệ số tổn thất áp lực dọc đường:

R C

L g

2

2 a

d 

 =2.9,81.15,32

23,34 = 0,55 Như vậy ống có ∑ξi = 0,5+1,1+0,55 = 2,15









i

a

1

1

1 2,15  = 0,563

Thay vào:







2 a

2 a

g 2

V

h = 0,18 < 0,5m, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định của đường tháo

Bước 9: Tính toán kích thước máng dẫn khí ở đáy, sau mũi hắt:

- Bề rộng máng: Bmk = Ba = 1,0m;

- Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 1,0 – 0,63 = 0,37 m Chọn tmk = 0,4 m

Hình 3: Bố trí mũi hắt và ống dẫn khí (BPTK1)

Bước 10: Tính chiều cao lớn nhất của buồng khí:

Thay vào công thức:

2 2

cos

g

V Z

Lặp lại các bước tính toán như trên đối với các BPTK2 và BPTK3 khác ta

có kết quả cho ở bảng sau:

Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2

11

Bảng 4 : Kết quả tính toán các BPTK

Thông số Kí hiệu Đơn vị BPTK1 BPTK2 BPTK4

Lưu lượng khí Qa m3/s 59,87 57,51 28,31

Kích thước 1 ống Ba x ta m 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0

Học viên: Phan Quốc Thanh - Lớp CH18C-ĐH2

12

Hình 4 : sơ đồ bố trí BPTK trên dốc nước sau đập tràn