Phương pháp lập mô hình vật lý công trình thủy lợi

Thiết kế Mục đích thực nghiệm -Xác định khả năng tháo lu lợng xả của tràn xả lũ với các mực nớc thợng lu tơng ứng với chế độ xả tự do và chiều cao độ mở của van khác nhau.. Chọn loại mô

Khoa sau đại học



Bài tập môn học

phơng pháp lập mô hình vật lý

công trình thủy lợi

Giáo viên hớng dẫn: TS Phạm Văn Quốc Học viên :

Lớp :

Bài tập Lập mô hình thủy lực cho đập tràn A

A Đề bài (Đề số 9)

1 Giới thiệu về tràn xả lũ

Các hạng mục công trình đầu mối gồm: Đập đất đồng chất; Tràn xả lũ có cửa van điều tiết; Cống tới; Hệ thống kênh xả; Khu quản lý trung tâm

Tràn xả lũ hồ chứa A nằm tại vị trí lòng sông Nối tiếp với tràn ở hai phía

bờ là đập đất Đập tràn đợc thiết kế dạng tràn ngỡng thực dụng không chân không, tiêu năng đáy với 6 khoang có cửa van cung điều tiết, mỗi khoang rộng 11m

Kênh dẫn sau dốc nớc rộng 150 m, mái dốc m = 2,0; độ dốc i=6.10-4

Sau tràn là dốc nớc có bề rộng Btr = 72,2 m Sau dốc nớc tiêu năng bằng bể tiêu năng

2 Các thông số cơ bản của tràn xả lũ

Kết cấu tràn bê tông cốt thép

Tần suất và lu lợng thiết kế qua tràn : P = 0,5%; QTK = 6.400m3/s

Tần suất và lu lợng kiểm tra qua tràn: P = 0,1%; QKT = 6.900m3/s

Mực nớc dâng bình thờng : + 70,0 m

3 Các tài liệu cơ bản khác

Bình đồ khu vực công trình đầu mối TL 1:250

- Các bản vẽ mặt bằng, cặt dọc, cắt ngang tràn xả lũ

- Quan hệ Q~Z hạ lu công trình

- Các mặt cắt địa chất và chỉ tiêu cơ lý nền sau tràn

B Tiến hành thiết kế lập mô hình thủy lực

II Thiết kế Mục đích thực nghiệm

-Xác định khả năng tháo (lu lợng xả) của tràn xả lũ với các mực nớc thợng

lu tơng ứng với chế độ xả tự do và chiều cao độ mở của van khác nhau

-Xác định trạng thái của dốc nớc

-Xác định hiệu quả tiêu năng sau dốc nớc

II Tính toán, bố trí đập tràn thực

1 Cột nớc siêu cao trên ngỡng tràn

- Trong bài này do không kể đến điều tiết của hồ, nên việc xác định cột

n-ớc siêu cao chỉ dựa vào lu lợng kiểm tra (QKT0,1%=6.900 m3/s)

Xem nh tràn đợc thiết kế có cửa vào thuận, tạm lấy hệ số lu lợng m=0,42

và bỏ qua các tổn thất khác ở cửa vào Bỏ qua cột nớc lu tốc tới gần, khi đó dựa vào công thức tính lu lợng qua đập tràn ta có:

m x

x x x g

B n m

Q

81 , 9 2 11 6 42 , 0

6900 2

.

3 / 2 3

/ 2

=

















=

















=

2 Bố trí đập tràn.

Đập tràn thực (nguyên hình) đợc thiết kế nh hình vẽ kèm theo (bao gồm toàn bộ kích thớc nh hình vẽ 1)

III Chọn loại vả tỷ lệ hình học mô hình

1 Chọn loại mô hình

Tràn xả lũ A làm việc trong điều kiện không gian, nên việc nghiên cứu thí

nghiệm đợc tiến hành trên mô hình chính thái tổng thể.

Dòng chảy qua tràn chịu ảnh hởng của trọng lực là chủ yếu, sức cản dọc

đờng là thứ yếu, nên mô hình đợc thiết kế theo tiêu chuẩn Froude

Do kết cấu của công trình đợc làm hoàn toàn bằng bê tông cốt thép và sự

ảnh hởng của bùn cát trong dòng chảy qua công trình là rất nhỏ nên chọn loại mô hình lòng cứng để nghiên cứu

2 Chọn tỷ lệ mô hình

Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình: Do dòng chảy qua tràn và hạ lu chịu trọng lực là chủ yếu nên chọn tiêu chuẩn Froud để thiết kế mô hình

- Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự: Fr = idem

Re.m ≥ Regh

C = idem

- Mô hình có đủ diện tích bố trí các bộ phận theo tỷ lệ đã chọn

chảy trên mô hình h ≥ 15mm; Cột nớc tràn trên đỉnh ngỡng tràn (tròn) ở mô hình

H ≥ 50mm Khi dòng chảy dới cửa van thì độ mở nhỏ nhất của cửa van a ≥

60mm, cột nớc áp lực h ≥ 3,3 a

- Các thiết bị đo đạc đủ khả năng đo đạc đợc các thông số nh: (vmax, vmin v.v ) khả năng phòng thí nghiệm đáp ứng đ… ợc về mặt cấp nớc, trang thiết bị, có

đủ khả năng cung cấp vật liệu cho mô hình v.v…

- Chọn tỷ lệ hợp lý nhất có thể đợc

Kết quả tính toán cụ thể ở bảng 1

Bảng 1: Bảng tính toán chọn tỷ lệ mô hình

(m 3 /s) H TT

Tràn

(m) Q (l/s) mh (cm) H mh (m/s) V mh Re mh

8 75 6900 14,67 141,6 19,6 0,823 110.318

Xuất phát từ các tài liệu đợc cấp; khả năng năng cấp nớc của phòng thí nghiệm; mặt bằng khu thí nghiệm; các yêu cầu về độ chính xác, quy mô kích

th-ớc công trình, diện tích mặt bằng thí nghiệm v.v chọn tỷ lệ hình học của mô… hình λL =75.

Theo tiêu chuẩn Froude, từ tỷ lệ của mô hình λL = 75, ta có:

- Tỷ lệ về diện tích: λs = λ2L = 752 = 5 625

- Tỷ lệ về thể tích: λs = λ3L = 753 = 421 875

- Tỷ lệ về lu lợng:λQ = λ2L.5 = 752.5 = 48 713 , 93

- Tỷ lệ về vận tốc: λ λ 1 / 2 75 1 / 2 8 , 66

L

- Tỷ lệ về gia tốc: λa = 1

- Tỷ lệ về thời gian: λT = λ1L/2 = 751/2 = 8 , 66

3 Phạm vi bố trí mô hình

Mô hình đợc bố trí ngoài trời với kích thớc nh sau: với

- Chiều dài mô hình: Để loại trừ ảnh hởng của lu tốc tới gần, chiều dài về phía thợng lu tràn là khoảng 30 lần Htr, tức khoảng 440m, tơng ứng ở mô hình là 5,9m, đảm bảo mực nớc tràn tơng ứng với mặt nớc hồ Chiều dài về phía hạ lu

đảm bảo bao đợc tuyến đo Q ~ Zhl mà thiết kế đã đo đạc, ở đây bố trí cả đoạn kênh dẫn ở sau khoảng 450m, tơng ứng ở mô hình là 6,0m

- Bề rộng mô hình: Xét từ mực nớc lũ lớn nhất ở phía hồ chứa và theo địa hình lòng sông ở hạ lu, để đảm bảo an toán lấy chiều rộng cần mô hình hóa là 600m tơng ứng ở mô hình là 8,0m

Để đủ điều kiện bố trí các bộ phận lặng sóng, máng cấp nớc, máng thu hồ nớc, phạm vi để xây dựng mô hình đợc bố trí trong phạm vi diện tích:

S = B ì L = 10 ì 13 (m2)

(Bố trí mô hình nh hình vẽ 2 và 3 kèm theo)

4 Vật liệu làm mô hình

- Với tỷ lệ mô hình đã chọn λL = 75 vậy tỷ lệ nhám λn = λL1/6 = 751/6 = 2,053

- Trong thực tế lòng sông có độ nhám n1 = 0,024

- Công trình đầu mối bê tông có độ nhám n2 = 0,017,

- Cửa van bằng kính hữu cơ có độ nhám = 0,014

Theo tỷ lệ nhám ở trên thì các chỉ số nhám trong mô hình lần lợt là:

nm1 = 0,0117; nm2 = 0,0083; nm3 = 0,0068 Với các độ nhám trên ta chọn vữa xi măng cát mịn làm vật liệu cho công trình đầu mối và lòng dẫn, kính hữu cơ làm vật liệu chế tạo cửa van nh vậy mô hình đảm bảo tơng tự về mặt độ nhám

5 Xây dựng chế tạo mô hình

- Lên cao độ địa hình của mô hình (nh sơ đồ trên) đợc khống chế bằng máy thủy bình độ chính xác cao Ni-005 của Đức

- Phần đầu mối và lòng dẫn đợc chế tạo bằng vữa xi măng cát mịn đảm bảo không biến dạng, không thấm

- Để đảm bảo dòng chảy trong mô hình tơng tự nh thực tế, khi thí nghiệm

đã lắp đặt thêm bộ phận lặng sóng

- Các phần còn lại nh lòng hồ, kênh dẫn.v.v đ… ợc làm bằng vữa xi măng cát đảm bảo khả năng chống thấm, bền vững

6 Kiểm tra điều kiện giới hạn Reynolds

Để đảm bảo trạng thái chảy trên mô hình tơng tự với thực tế thì dòng chảy phải ở trong khu bình phơng sức cản tức Rem > Regh

- Rem: số Raynolds trong mô hình

- Regh: số Raynolds giới hạn

- Trong đó:

ν

R V

m m L gh

λ

λ ∆

= 14 Re

- ν: hệ số nhớt động học nớc thí nghiệm, với t = 200C thì ν = 1,01.10-6m2/s

- λL: tỷ lệ mô hình

- ∆m: độ nhám tuyệt đối trên mô hình; ∆m = 0,65mm

Từ điều kiện chiều cao cột nớc trên đỉnh tràn ở mô hình không nhỏ hơn 5cm; ta giả thiết chiều cao cột nớc tràn nhỏ nhất ở mô hình là 5cm, tơng ứng cột nớc tràn nguyên hình là Hmin = 75 x 0,05 = 3,75m Tơng ứng có lu lợng và lu tốc qua tràn ở nguyên hình là:

s m x

x x x H

g b n m

Q 2 0 , 42 6 11 2 9 , 81 3 , 752 891 , 64 3 /

3 2

3

=

=

=

s m x

Q

75 , 3 66

64 ,

=

=

ω

Theo thiết kế kênh dẫn sau dốc nớc có B= 150m; i=0,0006; n=0,024; m=2 Từ bài toán dòng chảy đều trong kênh hở, dùng công thức tính lu lợng

i R C

Q= ω , ta tính đợc chiều sâu cột nớc ở kênh dẫn hạ lu bằng phơng pháp thử dần theo bảng sau:

Bảng 2: tính toán dòng chảy trên kênh dẫn sau dốc nớc

H(m) ω (m 2 ) χ (m) R(m) C (m 0,5 /s) Q(m 3 /s) V(m/s)

2,00 308,00 158,94 1,938 46,524 488,60 1,59

2,50 387,50 161,18 2,404 48,226 709,76 1,83

2,80 435,68 162,52 2,681 49,109 858,10 1,97

2,86 446,14 162,81 2,740 49,289 891,64 2,00

Từ bảng trên, tơng ứng với Qmin = 891,64 m3/s, ta có chiều cao cột nớc trong kênh dẫn sau dốc nớc là hn = 2,86m, đồng thời có đợc lu tốc V và bán kính thủy lực R tại một mặt cắt ổn định trên kênh dẫn sau dốc nớc nh bảng trên

- Từ đó tính đợc hh min, Rm, Vm là chiều cao, bán kính thủy lực và vận tốc nhỏ nhất ở hạ lu dòng chảy trên mô hình:

Hm = hn/λl = 286/75 = 3,82cm

Rm = Rn/λl = 274/75 = 3,70cm

Vm=Vn/λv =2/751/2= 0,231m/s

Từ đó tính đợc:

348 8 10

01 , 1

037 , 0 231 , 0

x

x R

V m m

0081 , 0 231

, 0

0006 , 0 037 , 0 81 , 9 2 2

2

= g R i x x x

m

m m

ν

196 3 0081 , 0 10 65 , 0 75

14 14

Re

3 1

=

=

∆

x x x m

m gh

λ λ

Vậy ta có đợc Remh > Regh (bảng 3)

Bảng 3: Bảng tính kiểm tra điều kiện Reynolds trên mô hình

Vậy dòng chảy nằm trong khu tự động mô hình Dòng chảy trong mô hình

đảm bảo tơng tự với thực tế Mô hình thoả mãn các điều kiện tơng tự

7 Các thiết bị đo đạc và thu thập số liệu

7.1 Dụng cụ đo cao độ

Cao độ bình đồ mô hình và đờng mặt nớc đo bằng máy thủy bình độ chính xác cao Ni-005

7.2 Dụng cụ đo lu lợng

Đo lu lợng bằng đập tràn thành mỏng (máng lờng) dạng chữ nhật Lu lợng qua đập đợc tính theo Rebock nh sau:

Q = (1.782 + 0.24 ì he/P) ìB ì he3/2

trong đó: Q - lu lợng (l/s)

B - chiều rộng máng đo lu lợng (m)

P - chiều cao đập lờng (m)

he = h0 + 0.0011 (m)

7.3 Thiết bị đo mực nớc

Thiết bị đo mực nớc bằng các kim đo mực nớc của ARMFIELD độ chính xác cao (thiết bị do Anh sản xuất), độ chính xác kim đo là 0.1mm

7.4 Đo áp suất mạch động

Đo áp suất mạch động bằng đầu cảm ứng DRUCK

7.5 Dụng cụ đo lu tốc

Máy đo lu tốc kiểu điện từ Pems-E30, và E-40

- Bộ lu trữ và xử lý số liệu TDS-303 do Nhật sản xuất.

- Các thiết bị văn phòng, máy tính, máy in…

IV Thí nghiệm trên mô hình

Công tác thí nghiệm đợc tiến hành theo từng sêry Mỗi sêry thí nghiệm

đ-ợc thực hiện theo các trình tự nh sau:

1 Mở nớc

Vận hành máy bơm đa nớc từ bể chứa ngầm lên bể áp lực rồi từ đấy chảy qua máng lờng đo lu lợng rồi chảy vào mô hình

2 Xác định lu lợng, mực nớc thí nghiệm

- Dùng van khống chế lu lợng chảy qua máng lờng vào mô hình

- Khi mực nớc hạ lu, máng lờng ổn định, đọc giá trị mực nớc thợng lu

- Mực nớc hạ lu đợc khống chế nhờ kim đo mực nớc hạ lu

3 Đo đạc tính toán ứng với từng trờng hợp

Các số liệu đo đạc đợc ghi chép tại mô hình sau đó truy cập, tính toán xử

lý, phân tích lu trữ trên máy vi tính Đồng thời chụp một số hình ảnh của mô hình kèm vào tài liệu báo cáo

V Kết quả thí nghiệm

Tiến hành đo lu lợng xả qua tràn và vận tốc đáy tại các mặt cắt nêu trên với các trờng hợp sau:

- Mở cửa 1 khoang tràn có độ mở cửa hoàn toàn, mực nớc hồ + 73.95m

- Mở cửa van 2 khoang tràn có độ mở a = 4.0m, mực nớc hồ + 74.3m

- Mở cửa van 5 khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m

- Mở cửa van 3 khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m

- Mở cửa van hoàn toàn cả 6 khoang tràn, mực nớc hồ +74.3m

- Mở cửa van hoàn toàn cả 6 khoang tràn, mực nớc hồ +74.67m

- Mở cửa van cả 6 khoang tràn có độ mở cửa a = 4.0m, mực nớc hồ +74.67m

- Mở cửa van cả 6 khoang tràn có độ mở cửa a = 6.0m, mực nớc hồ +74.67m

Bảng 4 Kết quả các sêri thí nghiệm

TT N a(m) E(m) Q(m 3 /s) h h(m) d t (m) d s (m) L t (m) L s (m) L h (m) U đ (m/s) 1

2

3

4

5

6

7

Trong tất cả các trờng hợp mở cửa van đều thay đổi lại các sêry thí nghiệm

về chiều dài, khoảng cách bố trí chiều cao tờng tiêu năng và chiều dài sân sau Các kết quả thí nghiệm đợc ghi tại bảng 4.3

VI phân tích lập công thức từ kết quả thí nghiệm

Mục đích là tìm ra đợc quy luật ảnh hởng của các yếu tố thủy lực và các yếu tố công trình tới vận tốc đáy (Uđ) tại mặt cắt cuối phần gia cố cứng sau bể tiêu năng nối tiếp với kênh tự nhiên Từ quy luật này sẽ tìm mối quan hệ tơng hỗ giữa các đại lợng biến đổi mà bất kỳ một đại lợng nào đó cũng đợc suy ra từ các

đại lợng khác phục vụ công tác nghiên cứu, vận hành