thiết kế thủy lực công trình cho đường tràn dọc tháo lũ từ hồ thủy điện

Thủy lực công trình là một môn khoa học chuyên nghiên cứu về các quy luật chuyểnđộng của dòng chất lỏng và sự ảnh hưởng của dòng chất lỏng lên các công trình xây dựng.Khi đã lắm bắt được

LỜI NÓI ĐẦU

Trong khi nghiên cứu các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau người ta thường gặp những vấn

đề chuyển động của chất lỏng Sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, sự tương tác lựccủa chất lỏng lên các vật rắn Quá trình nghiên cứu vấn đề này ngày càng phong phú,đadạng và đạt được những thành tựu đáng kể

Qua năm tháng nó đã hình thành nên một môn khoa học đó là “Cơ học chấtlỏng”.Cùng với sự phát triển cả xã hội ngày nay các nhà khoa học đã mở rộng ra nghiêncứu về sự ảnh hưởng của dòng chất lỏng tới các công trình xây dựng nhằm tìm ra các quyluật chung của dòng chất lỏng,từ đó đề xuất ra những phương pháp giúp tránh sự tác độngcủa chất lỏng đến các công trình xây dựng.Và từ đó môn “Thủy lực công trình ” đã đượchình thành và phát triển rộng rãi

Thủy lực công trình là một môn khoa học chuyên nghiên cứu về các quy luật chuyểnđộng của dòng chất lỏng và sự ảnh hưởng của dòng chất lỏng lên các công trình xây dựng.Khi đã lắm bắt được quy luật chung của chất lỏng từ đó chúng ta có thể tiến hành xâydựng các công trình nhằm phục vụ cho nhu cầu xã hội như thủy điện,hồ chứnước,đập,kênh mương,nhà cửa hay cầu cống…Và sau đây em xin trình bày đồ án THIẾT

KẾ THỦY LỰC CÔNG TRÌNH cho đường tràn dọc tháo lũ từ hồ thủy điện

Trong quá trình thực hiện đồ án này được sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của Thầy Phạm Quang Thiền và sự góp ý của các bạn trong lớp mà em đã hoàn thiện bài tập

này.Tuy nhiên sự tiếp thu còn có hạn, đồ án của môn học có liên quan nhiều đến kiến thứcthực tế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự quan tâm chỉ dẫn củathầy giáo để giúp em hoàn thiện được những kiến thức của mình về môn học và những đồ

án khác sắp tới, phục vụ tốt công việc của em sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

II Yêu cầu:

1) Trong quá trình thực hiện, yêu cầu sinh viên hiểu được mục đích, ý nghĩa, nôi dung các phần tính toán Nắm được các bước tính toán, thiết kế và sự quan hệ giữa chúng với

nhau, từ đõ thấy được các công trình trong 1 công trình thủy lợi liên kết với nhau rất chặt chẽ, cái nọ hỗ trợ cái kia

2) Trước khi thực hiện phải ôn lại lý thuyết, làm phần nào, xem lại lý thuyết phần đó

Trong tính toán độc lập suy nghĩ, tự lực cách sinh đồng thời cần phải tranh thủ sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, của bạn bè, phát huy tính sáng tạo của mình để nâng cao và mở rộng kiến thức

3) Sinh viên phải nộp bài đúng thời gian quy định

ĐỀ BÀI

Thiết kế thủy lực công trình cho đường tràn dọc tháo lũ từ một hồ chứa thủy điện theo các yêu cầu sau :

Phương án 1 :Đập tràn thực dụng không cửa van,sau tràn nối tiếp với kênh dẫn hạ lưu

theo kiểu bặc nước đa cấp và tiêu năng bằng nước nhảy ngập

Các số liệu cho trước :

1 Kênh xả hạ lưu

- Kênh hạ lưu được chọn là kênh dẫn hình thang có hệ số mái m= 2,0

- Chiều rộng kênh bằng chiều rộng bể tiêu năng(theo các phương án thiết kế)

- Độ dốc đáy kênh : = 0,001

- Độ nhám : n = 0,0275

- Cao trình đầu kênh : = 50m

- Cao trình cuối kênh : = 44m

2 Ngưỡng tràn

- Hình thức ngưỡng tràn(lấy theo các phương án thiết kế)

- Ngưỡng tràn được làm bằng BTCT M200

3 Kênh dẫn thượng lưu

Kênh dẫn thượng lưu có mặt cắt dạng hình thang dùng để dẫn nước từ hồ chứa vào ngưỡng tràn,các thông số của kênh dẫn như sau :

Hình thức tường bên là tường cánh nghiêng bê tông trọng lực M200,cao trình đỉnh

tường bằng cao trình đỉnh đập,có chiều dài bằng chiều dài sân trước

5 Số liệu thiết kế

Ta có bảng số liệu sau :

BÀI LÀM

Kenh thuong luu

h c MNDBT h'

h HL

h k h

Sơ đồ mặt cắt đường tràn dọc tháo lũ nối tiếp với kênh dẫn hạ lưu theo kiểu bậc nước

1 Kênh dẫn thượng lưu.

Kênh dẫn thượng lưu có mặt cắt dạng hình thang dùng để dẫn nước từ hồ chứa vào ngưỡng tràn, các thông số của kênh dẫn như sau:

- Hệ số mái kênh dẫn: m =1,5

- Bề rộng đáy kênh bằng chiều rộng đầu đoạn sân thượng lưu

- Độ dốc kênh i = 0

2 Tường hướng dòng và tường bên

II.Tính toán thủy lực kênh thượng lưu.

1.Lựa chọ các thông số thiết kế.

Kênh có mặt cắt hình thang.Sơ bộ chọn các chỉ tiêu thiết kế kênh như sau :

- Hệ số mái kênh : m = 2,0

- Cao trình đầu kênh : ∇đk= 50 m

- Cao trình cuối kênh : ∇ = 44 m

- Độ nhám : n = 0,0275

- Độ dốc đáy kênh : ik = 0,001

Kênh được tính toán với lưu lượng thiết kế ứng với Q tk = Qmax= 5538

2 Tính toán thủy lực kênh thượng lưu.

Sơ đồ mặt cắt kênh thượng lưu :

Từ công thức tính lưu lượng của kênh hình thang ta có :

Vận tốc trung bình để thiết kế kênh phải nằm trong giới hạn :

vmin < v < [ v ]kx = vmax

Tra bảng phụ lục I.2 trong giáo trình thủy lực “Dòng chảy trên kênh hở và thủy lực

công trình” nhà xuất bản GTVT đối với loại kênh được xây bằng Bê tông Ta có:

m v

8,553

Chọn kênh thượng lưu có B = 140 (m) và h = 3,8 (m)

III Tính toán điều tiết lũ.

Do ở hai đầu đập có mố bên và trên đỉnh đập có các mố trụ ,chia đập thành nhiều khoang ,làm cho dòng chảy đi vào đỉnh đập bị co hẹp nên chiều rộng thực tế của làn nước tràn trên mỗinhịp là : b c =ε.bvới hệ số co hẹp ε được xác định bằng thực nghiệm.

2 , 0

ζmb : Hệ số hình dạng mố bên lấy theo hình (1-1)

ζmt : Hệ số hình dạng của mố trụ lấy theo hình (1-2)

Ngược lại nếu đập chảy ngập có mức độ ngập lớn >0,75

2

2 0 0

α

+

=

V0: lưu tốc đi tới gần,

Ht : chiều cao cột nước trước tràn ứng với Qmax là 3,76 m

Độ mở cửa vào tràn tgθ, chọn tgθ=1/4

Chọn đoạn ngưỡng vào trước ngưỡng tràn một đoạn có chiều dài L = 40 m

Bề rộng của đầu ngưỡng vào là B

B = 2tg θ L + Btr = 2.1/4.40 + 70= 90 (m)

⇒ V0 = 16,365( / )

76,3.90

365,

= (m)

Có H0 , thay vào (*) ta được : ε = 0,7

b Hệ số lưu lượng m 0 :

Đập tràn thực dụng có cấu tạo đơn giản,dễ xây dựng nhưng hệ số lưu lượng nhỏ thường thì

hệ số lưu lượng được lấy trong khoảng : m = ( 0,35 – 0,45 )

m = σ σ mhd H tc= 0.45

Hình dạng tường cánh thượng lưu mở rộng dần với góc mở chọn β = 200

c Lưu tốc tới gần V 0 :

Vận tốc tới gần Vo lấy bằng vận tốc thiết kế trên kênh dẫn Vo = 8,0 (m/s)

2 Tính toán điều tiết:

Từ những kết quả đã tính toán trên ta bắt đầu tính toán điều tiết lũ với các số liệu sau:

BTr = 70 m; m = 0,45; ε = 0,7

IV Xác định mặt cắt đập tràn.

1.Tính toán mặt cắt cơ bản.

a.Nguyên tắc tính toán.

Mặt cắt cơ bản có dạng tam giác, được tính toán theo 3 điều kiện :

- Điều kiện ổn định : Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm

nhất không nhỏ hơn trị số cho phép

- Điều kiện ứng suất : Khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu

hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép,ứng suất chính nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số cho phép

- Điều kiện kinh tế : Đảm bảo khối lượng công trình là nhỏ nhất.

-Chọn hệ trục Oxy có: trục Ox ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về phía hạ lưu;trục

Oy hướng xuống dưới theo phương thẳng đứng

-Vẽ đường cong theo tọa độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn (đường cong aBd)

-Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang cho đến khi tiếp xúc với biên hạ lưu củamặt cắt cơ bản tại điểm D

-Mặt cắt hạ lưu nối tiếp với phần sau bằng mặt cong có bán kính R:

R=(0,2 ÷ 0,5).(P+Ht)

Trong đó:

P = MNDBT là chiều ngưỡng tràn

Ht là cột nước trên đỉnh tràn: Htk=MNLTK – ∇ngưỡng = MNLTK – MNDBT

Mặt tràn nước cuối cùng sẽ là mặt ABCDEF (hình vẽ).Trong đó:

AB – nhánh đi lên của đường cong Ôphixêrốp

BC – đoạn nằm ngang trên đỉnh (để bố trí cửa van)

CD – một phần của nhánh đi xuống của đường cong Ôphixêrốp

DE – một đoạn của mái hạ lưu mặt cắt cơ bản

EF – cung nối tiếp với phần sau

y

x o

H t

P

Hình 6-4: Đường công ofixerop

b Nội dung tính toán

1 2

HB=K ×

∇đáy : Cao trình đáy đập =57,8 (m)

H1 : Chiều cao mặt cắt đập: H1 = MNLTK - ∇đáy = 69,32 - 57,8 = 11,52(m)

f : Hệ số ma sát : f = 0.65

γ1 : Dung trọng của đập : γ1 = 2.4 T/m3

γ2 : Dung trọng của nước : γ2 = 1 T/m3

n : Hệ số mái dốc thượng lưu : chọn n = 0 (mái thượng lưu thẳng đứng)

α1 : Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm.Vì đập cao,công trình quan trọng nêncần thiết phải xử lý chống thấm cho nền bằng cách phụt vữa tạo màn chống thấm, sơ bộchọn α1 = 0.5 ; α1 sẽ được chính xác hóa bởi việc tính toán xử lý nền sau này

Kc : Hệ số an toàn ổn định cho phép : Kc = 1,15

Thay vào (*) ta được: 1 1

H

2.4 0.65×( +0-0.5)

1

( )m

Chọn sơ bộ ta được các thông số sau :

Bảng 1: Kết quả tính B theo điều kiện ổn định:

Chọn bề rộng của khoang theo điều kiện ổn định là 10 (m)

* Xác định chiều rộng khoang đập theo điều kiện ứng suất:

( )

1 1

1 n

HB=

n=0 =>B= = =

-0.5 -α

1 γ

Bảng 2: Kết quả tính B theo điều kiện ứng suất:

H1 (m) 11,52

Bkhoang (m) 8,36 Chọn bề rộng của khoang theo điều kiện ứng suất là: B = 9 (m)

* Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện kinh tế:

Sẽ tính toán giảm kích thước mặt cắt đập mà vẫn đảm bảo điều kiện ổn định và ứngsuất sau khi tìm ra mặt cắt thực tế của tràn

Chọn lựa B thỏa mãn cả điều kiện ổn định và điều kiện ứng suất.Ta có:

Bảng 3: Tổng hợp kết quả tính chiều rộng đáy đập tràn như sau:

Chọn R chẵn.Với các trường hợp trên chọn R=14 m là hợp lý

Từ các số liệu trên ta có thể vẽ được đường cong Ôphixêrốp.Tiếp tục thực hiện như cácbước đã nêu trong phần lý thuyết ta có được mặt cắt thực dụng của đập tràn

2 Kiểm tra khả năng tháo của đập tràn

a Công thức chung:

Lưu lượng tháo qua tràn là Qt

Q =ε.m.a.b 2g.H t 03

Trong đó: ε: hệ số co hẹp bên

m: hệ số lưu lượng

∑b: tổng chiều dài tràn nước

H0 : cột nước trên đỉnh tràn

Qt: lưu lượng tính toán tháo qua tràn

b Kiểm tra khả năng tháo lũ :

Hệ số co hẹp bên ε: Phụ thuộc vào số khoang và dạng mố, xác định theo công thức:

2

2 0 0

α +

=

V0: lưu tốc đi tới gần,

Ht : chiều cao cột nước trước tràn ứng với Qmax là 3,76 m Độ mở cửa vào tràn tgθ, chọn tgθ=1/4

Chọn đoạn ngưỡng vào trước ngưỡng tràn một đoạn có chiều dài L = 40 m Bề rộng của đầungưỡng vào là B

B = 2tg θ L + Btr = 2.1/4.40 + 70= 90 (m)

⇒ V0 = 16,365( / )

76,3.90

365,

= (m)

Có H0, thay vào (*) ta được : ε = 0,7

,

5571 − .100 = 0,6% < 5% (Thỏa mãn)

Vậy với BTr = 70 m thì đập thoả mãn khả năng tháo lũ

V.Tính toán thủy lực kênh hạ lưu.

Kênh có tác dụng nối tiếp, đưa dòng chảy từ sau đập về lòng suối tự nhiên Kênh hạ lưu có các thông

f 4 o.

) ( ln =

Tra bảng phụ lục 8-1 (Bảng tra thuỷ lực) → R ln

k

k

Kênh hạ lưu

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.Do đó công trình nối tiếp dùng thay thếnhững đoạn kênh dẫn không thể xây dựng ở những nơi có độ dốc lớn với mục đích nốikênh dẫn ở cao trình cao với kênh dẫn ở cao trình thấp.Các công trình này thường là bậcnước một cấp,bậc nước nhiều cấp và dốc nước

1.Tính toán thủy lực bậc nước.

a Xác định chiều cao mỗi bậc.

Chiều cao mỗi bậc thường lấy trong khoảng 0,5 2,5 (m)

Chọn chiều cao mỗi bậc là 1,5 (m)

b Xác định số bậc.

Bậc nước nhiều cấp được xây dựng trong trường hợp độ chênh cao trình mực nước ởkênh thượng lưu và kênh hạ lưu tương đối lớn,lúc đó không thể xây dựng bậc nước mộtcấp vì chiều cao nước rơi sẽ rất lớn Bậc nước nhiều cấp gồm nhiều bậc nước một cấp nốitiếp nhau kiểu bậc thang

Theo kinh nghiệm ta chọn số bậc n = 4

5,1

4450

Trong đó :

∇đk − Cao trình đầu kênh hạ lưu

∇ck − Cao trình cuối kênh hạ lưu

Vậy ta chọn số bậc ở kênh hạ lưu là 4 bậc

c Tính toán các thông số.

- Tính toán cửa vào :

Kênh dẫn nước đến bậc và kênh dẫn nước đi thường có mặt cắt ngang như nhau.Độ dốckênh đến có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn độ dốc phân giới i1 <i k

Xét trường hợp tính toán trên ta tính cho i1 <i k

h KCN = 8,6( )

70.81,9

5538.0,1

3

2

2 3

2

2

m b

g

Q

=

=α

70

6,8.0,2

.105,03

- Xác định chiều sâu h c tại mặt cắt co hẹp (c – c)

Trước hết tính tỉ năng trước đập tràn ứng với đáy mặt cắt co hẹp :

E0 = H0 +P

Ở đây cột áp H0của đập được tính theo công thức :

81,9.2.1.70.4,0.9,0

5538(

).2

3 2 3

g B

m

Q H

n c

=

=

=

σε

2

c

c g

Q h

E

ωϕε

α+

= (1)

5,41

212''

3 3

=

c

k c

c

h

h h

h

Vì h ''c > h0 nên suy ra nối tiếp ở đây bằng nước nhảy phóng xa.Để xác định vị trí nướcnhảy ,cần tính độ sâu ở mặt cắt xảy ra nước nhảy,tức là coi độ sâu chảy đều h0là độ sâuliên hợp sau nước nhảy.Tính độ sâu liên hợp h '2trước nước nhảy :

4,7

95,7.212

4,71

212'

3 3

=

h

h h

.2,84 43,27( / )

0275,0

1

6

1

s m R

n

h'2 =8,53(m); ' ( ' ) ' 230,82( 2)

2 2

.4,79 47,21( / )

0275,0

1

6

1

s m R

' 2

K x

d Tính toán chiều dài sân bậc.

Để giảm chiều dài sân bậc ta thường thiết kế sân bậc có độ dốc i = 0

Chiều dài mỗi sân bậc được tính như sau :

x h

h i

h l

k

c k

k k

Thay vào công thức ta tính được l2k =18,2(m)

- Tính l3

l3 =(2÷2,5)h k =2.7,95=15,9(m)

Vậy tổng chiều dài của mỗi sân bậc tiêu năng được thiết kế là :

L k =12,6+18,2+15,9=46,7(m)

2 Tính toán nước nhảy ngập.

a Phương trình nước nhảy ngập.

Khi mặt cắt trước nước nhảy hoàn chỉnh bị ngập thì ta có nước nhảy ngập.Xét trường hợpnước nhảy ngập sinh ra khi dòng chảy chảy ra phía hạ lưu.Gọi h là độ sâu co hẹp của c

luồng chảy về phía hạ lưu và là độ sâu trước nước nhảy hoàn chỉnh , hz là độ sâu của mặtcắt co hẹp đã bị ngập, h h là độ sâu của hạ lưu tức là độ sâu sau nước ngập.

Khi đó ta có phương trình động lượng cho nước nhảy ngập :

2

1

.2

1

2 2

3 3

.2

1

2

1

h z

c

k h

h

h h

h

−

=

−

Chia 2 vế cho h ,ta có : c2

1

2

1

c

h c

z c

k c

c h

k

h

h h

h h

h h

h h

565 , 5

'

k k

57,10

=( )3 =5,51

c

k c

h

h Rr

0,8

)349,2

11

(51,5.2349,2)

11(

=

S Fr

h

l .

. = λ

Theo công thức kinh nghiệm của A.N.Rakhơmanốp (1956) ta có :

Với S < 12,5

λn.ng =6,5(S −1,3) =6,82

c Tổn thất năng lượng trong nước nhảy ngập

Tổn thất năng lượng h wgiữa hai mặt cắt của nước nhảy ngập có thể tính từ phương trình

Becnuli viết cho hai mặt cắt :

h c h c

c

w

h

h h

h h gh

q gh

q h

h

22

2 3

2

Sau khi rút gọn biểu thức ta có :

( ) ( ) 0,26

349,2.4

1349,24

h

c w

h w =0,26.h c =0,26.4,5=1,17(m)

Vậy tổn thất năng lượng trong nước chảy ngập là 1,17 (m)

3 Tính toán bể tiêu năng

a Xác định chiều sâu bể tiêu năng.

Có nhiều phương pháp xác định chiều sâu bể khác nhau như : phương pháp của Tréc tôuxốp,phương pháp Smectana,phương pháp Bákirova.Tuy nhiên ,yêu cầu chiều sâu bể phảivừa đủ để tạo ra nước nhảy ngập trong bể (với hệ số ngập σn =1,05−1,1)

Phương trình nối tiếp mực nước thượng hạ lưu :

) (

2

c

h E g

q h

(

.E

q F

. . 2 . 0,45.70. 2.9,81.3,762 1017,28( 3/ )

3 2

3

s m H

g B

m

2 0

=

c c

c

h g

q h

2 2

2 2

2

95,17.81,9.2

53,1495

,7.81,9.2

53,14

.2

n

h g

q h

g

q z

ζ ∆z 0,137(m) =

Để tạo ra nước chảy ngập trong bể thì hb > hc''

+ Tính chiều sâu mực nước trong bể :

H b = d +h h +∆z =17,95+0,137 =18,087(m)

Trong đó :

d - chiều sâu bể tiêu năng chọn bằng 10 m

∆ z- Độ chênh mực nước giữa bể tiêu năng và mực nước hạ lưu

hha là chiều cao mực nước hạ lưu chọn bằnghk

+ Tính h ''c:

h ''c = τc'' E0''

Trong đó :