BÀI TẬP LỚN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC ĐỀ SỐ 8

III. THIẾT KẾ BỘ PHẬN TIẾP KHÍ (BPTK) ĐỂ PHÒNG KHÍ THỰC 3.1. Bố trí các BPTK trên dốc nước Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 56.99 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 50 m (theo phương ngang). - BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 125 m (theo phương ngang). Theo cách bố trí này, chiều dài bảo vệ Lp của BPTK1 và BPTK2 (theo phương ngang) là 75 m. Với phương án bố trí đã nêu, nội suy từ đường mặt nước (Bảng 1) ta có các thông số thủy lực tại các mặt cắt có bố trí BPTK như sau:

Trang 1

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC

ĐỀ SỐ 08

A ĐỀ BÀI

I Tài liệu ban đầu

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

Hình 1: Sơ đồ bố trí dốc nước sau tràn

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

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

- Độ dốc: i = 0.270

- Vật liệu thân dốc: BTCT M200

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

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

- Cao độ đầu dốc: đ = 300,0 m; nhiệt độ nước T = 25o

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

- Lưu lượng thiết kế: QTK =456 m3/s

- Độ sâu đầu dốc: hd =3.00 m

- Hình thức tiêu năng cuối dốc: mũi phun

II Yêu cầu

- Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc tại các vị trí khớp nối

- Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc

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

Trang 2

B TÍNH TOÁN

I KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ HÓA DÒNG CHẢY TRÊN DỐC NƯỚC KHI THÁO LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ

1.1 Vẽ đường mặt nước trên dốc nước

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 (giả thiết nhiều lần giá trị h, theo các công thức ta xác định được trị số ∆L, nếu ∆L đúng với cách chọn ban đầu thì lấy h vừa giả thiết làm giá trị đúng, nếu không thì phải giả thiết và tính lại từ đầu đến khi ∆L đúng bằng giá trị chọn):

TB

J i

E L









Trong đó:

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

∆E : Chênh lệch năng lượng giữa mặt cắt 1 và mặt cắt 2

∆E = E2 – E1 ;

g

V h E

2

2 1 1

1   : Năng lượng của mặt cắt 1

g

V h E

2

2 2 2

2   : Năng lượng của mặt cắt 2 h1 ; h2 : Độ sâu tương ứng tại mặt cắt 1 và mặt cắt 2

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

i : Độ dốc của đáy dốc

JTB : Độ dốc thủy lực trung bình giữa mặt cắt 1 và mặt cắt 2

JTB = (J1 + J2)/2

1

2 1

2 1 1

R C

V

J  : Độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1

2

2 2

2 2 2

R C

V

J  : Độ dốc thủy lực tại mặt cắt 2

Kết quả tính toán và vẽ đường mực nước thể hiện ở bảng 1

Trang 3

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

Mặt

cắt h (m) hi (m) W (m2) V (m/s) З c ((m) R C J Jtb i -

Jtb ∆З

∆L (m)

S∆L (m)

R C g

V

2

Ghi chú: công thức tính toán trong Bảng 1;

h : Độ sâu mực nước trong dốc (Giả thiết)

c : Chu vi ướt của mặt cắt tính toán ; c = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật)

Trang 4

 : Diện tích mặt cắt ướt ;  = B.h

R : Bán kính thủy lực ; R = /c

R R n R



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

J : Độ dốc thủy lực ;

R C

V

J 2

2



Hình 2: Đường mặt nước trên tràn

Trang 5

1.2 Xác định hệ số khí hóa phân giới K pg

Với chiều dài dốc nước L = 200m, ta chia dốc thành 10 đoạn, mỗi đoạn có chiều dài ∆L = 20m Giữa các đoạn phân ta bố trí các khớp nối

Với giả thiết tại các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ làm 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) sẽ là:

65 , 0

125 ,



pg

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

Hệ số khí hóa K được xác định theo công thức:

g V

H H K

ĐT

pg ĐT

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

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 , tra Bảng 2.2 – Tiêu chuẩn Việt Nam – 14TCN

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

V  

VTB : Lưu tốc trung bình mặt cắt tại các mặt cắt tính toán

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



B h Bh

V

∆ : Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt Với n = 0.017; ∆ =0.5 mm

Sử dụng biểu đồ Hình 2.6 – Tiêu chuẩn Việt Nam – 14TCN 198:2006 xác định

được (1 ; 2 ;  Kết quả tính toán được ghi trong bảng 2

Trang 6

Bảng 2 : Kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa tại các mặt cắt tính toán

Mặt

Zmn

V TB

(m/s) y/ L*/  /  1 10^-32*  (

V ĐT

Khả năng khí hóa

0 2.920 0 30.00 302.92 9.98 12.79 7.52 11.00 60,000 800.0 195.0 1.20 0.400 0.970 3.75 17.42 Không có

1 1.593 20 50.72 296.19 9.98 11.52 13.78 11.00 101,432 1,367.9 195.0 1.11 0.684 0.921 6.95 4.55 Không có

2 1.291 40 71.43 290.49 9.99 11.24 17.01 11.00 142,865 1,843.0 195.0 1.05 0.921 0.877 8.77 2.78 Không có

3 1.139 60 92.15 284.94 10.00 11.10 19.29 11.00 184,297 2,364.5 195.0 0.99 1.182 0.828 10.25 2.01 Bắt đầu

4 1.047 80 112.86 279.45 10.00 11.01 20.98 11.00 225,729 2,857.3 195.0 0.97 1.429 0.782 11.66 1.54 Mạnh

5 0.986 100 133.58 273.99 10.01 10.96 22.27 11.00 267,162 3,271.6 195.0 0.95 1.636 0.741 12.93 1.25 Mạnh

6 0.944 120 154.30 268.54 10.01 10.93 23.25 11.00 308,594 3,668.8 195.0 0.93 1.834 0.703 14.11 1.04 Mạnh

7 0.915 140 175.01 263.11 10.02 10.90 24.01 11.00 350,026 4,000.3 195.0 0.92 2.000 0.672 15.15 0.90 Mạnh

8 0.893 160 195.73 257.69 10.03 10.89 24.58 11.00 391,459 4,497.5 195.0 0.90 2.249 0.630 16.34 0.78 Mạnh

9 0.877 180 216.45 252.28 10.03 10.88 25.03 11.00 432,891 5,073.7 195.0 0.87 2.537 0.586 17.63 0.67 Mạnh

10 0.866 200 237.16 246.87 10.04 10.87 25.37 11.00 474,324 5,460.4 195.0 0.86 2.730 0.555 18.73 0.59 Mạnh

Trang 7

II KIỂM TRA KHẢ NĂNG KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC

Khi khí hóa 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 – Tiêu chuẩn Việt Nam –

14TCN 198:2006 được Vng =9.55 m/s

Bảng 3 : Kết quả tính toán kiểm tra khả năng xâm thực tại các mặt cắt tính toán

Mặt

cắt

V TB

(m/s)

V y (m/s)  1 2*10^-3 v V ng (m/s) V cp

(m/s)

Xét theo lưu tốc cho phép xâm thực

Có xâm thực

Không xâm thực Không xâm thực Không xâm thực

Có xâm thực

Xét theo lưu tốc ngưỡng xâm thực

Không xâm thực Không xâm thực Không xâm thực

Có xâm thực

Từ các giá trị VĐT ở Bảng 3 cho thấy

- Từ mặt cắt 0 đến mặt cắt 3 có VĐT < Vng  không bị xâm thực

- Từ mặt cắt 4 đến cuối dốc có VĐT > Vng  có khả năng xâm thực

Bằng nội suy từ biểu đồ lưu tốc VĐT dọc theo dòng chảy (bảng 2), xác định được

mặt cắt có VĐT = Vng = =9.55 m/s là mặt cắt B (nằm giữa mặt cắt 3 và 4) cách đầu dốc một

khoảng LB = 50.44 m (theo phương ngang của dốc)

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

biện pháp công trình để chống khí thực, căn cứ vào điều kiện kinh tế, kỹ thuật để lựa

chọn các phương án Đối với bài này, chọn phương án xây dựng bộ phận tiếp khí

III THIẾT KẾ BỘ PHẬN TIẾP KHÍ (BPTK) ĐỂ PHÒNG KHÍ THỰC

3.1 Bố trí các BPTK trên dốc nước

Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 72,4

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 45 m (theo phương ngang)

Trang 8

Theo cách bố trí này, chiều dài bảo vệ Lp của BPTK1 và BPTK2 (theo phương ngang) là 55 m

Với phương án bố trí đã nêu, nội suy từ đường mặt nước (Bảng 1) ta có các thông

số thủy lực tại các mặt cắt có bố trí BPTK như sau:

Bảng 4 : Thông số tính toán các bộ phận tiếp khí

3.2 Tính toán bộ phận tiếp khí 1 (BPTK1)

Hình 3 : Bố trí mũi hắt tại BPTK1 1) Xác định chiều cao mũi hắt Z m

Được xác định theo công thức: 25( 1)

2 cos





Fr

L

m



=0.47 m

Trong đó:

Lp = 55 (m) : Chiều dài bảo vệ (phương ngang) của BPTK1

 =15.11 do : Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang

gh

v Fr

2



25.76 (mặt cắt hình chữ nhật)

2) Chọn độ nghiêng mũi hắt

Sơ đồ bố trí mũi như trên Hình 3

Giả thiết chiều dài mũi Lm =2.50 m; Ta thấy 

m

L

Z

0.187 đảm bảo điều kiện chọn chiều dài mũi hợp lý: 6151

m

L Z

L

Z

m

.

1 1





 = 3.0.270 =0.68 m Mặt khác: 









m m

L tg

Z Z Z

2 1 2

3) Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt

Được xác định theo công thức:

Trang 9





































cos

) cos(

cos

2

h

Z Fr

Fr Fr

h

Z h

4) Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp

Được xác định theo công thức: qa = 0,033.V.Lb =3.46 m3/s.m

Trong đó:

V = 17,20 (m/s) : Lưu tốc bình quân của dòng chảy phía trên buồng khí, có thể lấy bằng lưu tốc bình quân của dòng chảy phía trên mũi hắt

5) Tính lưu lượng khí tổng cộng cần phải cấp

Được xác định theo công thức: Qa = qa.B =3.46.20 =69.17 m3/s

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

a

a a

V

Q



Trong đó:

Va = 50m/s : Lưu tốc khí khống chế trong ống; chọn Va  60 m/s

Vì a = 1,50m2 nhỏ nên chỉ cần bố trí 2 ống thông khí ở 2 tường bên (n = 2), Khí

đó diện tích tối thiểu của mỗi ống dẫn khí là:

n

a a



 1  =0.69 m2

7) Xác định kích thước ống dẫn khí

Ống dẫn khí cấp cho buồng khí chọn theo mặt cắt hình chữ nhật, kích thước Ba x ta

Trong đó:

Chọn Ba =1.00 m : Độ dài cạnh theo phương dòng chảy

Chọn ta =0.70 m : Độ dài cạnh theo chiều dày tường

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

a a

t B n

Q V

.

 =49.41 m/s

8) Xác định độ chân không ở trong buồng khí

Độ chân không (tính theo mét cột nước) ở trong buồng khí để tạo áp lực hút khí vào buồng xác định theo công thức:





a a

a ck

g

V

2

Trong đó:

Va =49.41 m/s : Lưu tốc khí trong ống

a : Hệ số lưu lượng của ống dẫn khí; 





a



 1 1

0.590

Trang 10

i : Tổng hệ số tổn thất áp lực trên toàn ống dẫn, bao gồm tổ thất tại cửa vào, các đoạn uốn cong và tổn thất dọc đường

Tổn thất tại cửa vào: cv = 0.50(cửa vào không thuận)

Tổn thất tại vị trí uốn cong gấp 90o (trục ống từ thẳng đứng chuyển sang nằm ngang ở đáy dốc): u = 1.10

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

2

B H

L a  t =5.93 m Với Ht =2.60 m : Chiều cao thành lòng dẫn

B =6.67 m : Bề rộng của mỗi khoang (1 khoang)

Hệ số tổn thất dọc đường :

R C

gL a

2



a : Trọng lượng riêng của không khí (KN/m³)

 : Trọng lượng riêng của nước (KN/m³)

Trong điều kiện bình thường, lấy 7801



a

Để đảm bảo ổn định của đường tháo, trị số hck không được vượt quá 0,5m Ta thấy hck = 0.46 m < 5m nên đường tháo làm việc ổn định

9) Tính toán kích thước máng dẫn khí sau mũi hắt:

Hình 4 : Bố trí mũi hắt và ống dẫn khí

Bề mộng máng : Bmk = Ba =1.00 m

Chiều sâu: tmk = ta – Zm =0.70 – 0.47=0.23 m

10) Tính toán chiều cao thành lòng dẫn sau BPTK

Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H = 3.32(m)

Trong đó:

hb : Chiều cao lớn nhất của buồng khí

2 2

2

) (

cos

2g  tg tg

V Z

h : Chiều dày lớp nước phía trên buồng khí (lấy gần đúng bằng độ sâu nước trên mũi hắt)

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

Trang 11

Kết quả tính toán các BPTK ghi trên Bảng 5

3.3 Tính toán bộ phận tiếp khí 2 (BPTK2)

2 cos





Fr

L

Trong đó:

Lp = 55 m : Chiều dài bảo vệ của BPTK2,

gh

v Fr

2



m

L

Z

0.16 đảm bảo điều kiện chọn chiều dài mũi hợp lý: 6151

m

L Z

L

Z

m

.

1 1





Mặt khác: 









m m

L tg

Z Z Z

2 1 2





































cos

) cos(

cos

2

h

Z Fr

Fr Fr

h

Z h

Được xác định theo công thức: qa = 0,033.V.Lb = 4.21 (m3/s.m)

Trong đó:

Trang 12

Được xác định theo công thức: Qa = qa.B =84.22 m3/s

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

a

a a

V

Q



 = =1.68 m2

Trong đó:

Va =50.00 m/s : Lưu tốc khí khống chế trong ống; chọn Va  60 m/s

Vì a =1.68 m2 nhỏ nên chỉ cần bố trí 2 ống thông khí ở 2 tường bên (n = 2), Khí đó diện tích tối thiểu của mỗi ống dẫn khí là:

Như vậy, tổng cộng có 2 ống thông khí (1 ống ở tường bên, 1 ống ở trụ) Khí đó diện tích tối thiểu của mỗi ống dẫn khí là:



n

a a



 1 1.68/2=0.84 m2

7) Xác định kích thước ống dẫn khí

Ống dẫn khí cấp cho buồng khí chọn theo mặt cắt hình chữ nhật, kích thước Ba x ta

Trong đó:

Chọn Ba =1.00 m : Độ dài cạnh theo phương dòng chảy

Chọn ta =0.70 m : Độ dài cạnh theo chiều dày tường

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

a a

a

Q V

.

 =60.15 m/s

8) Xác định độ chân không ở trong buồng khí

Độ chân không (tính theo mét cột nước) ở trong buồng khí để tạo áp lực hút khí vào buồng xác định theo công thức:





a a

a ck

g

V

2

Trong đó:

Va = 60.15 (m/s) : Lưu tốc khí trong ống

a : Hệ số lưu lượng của ống dẫn khí; 





a



 1

1

0.560

i : Tổng hệ số tổn thất áp lực trên toàn ống dẫn, bao gồm tổ thất tại cửa vào, các đoạn uốn cong và tổn thất dọc đường

Tổn thất tại cửa vào: cv = 0.50 (cửa vào không thuận) Tổn thất tại vị trí uốn cong gấp 90o (trục ống từ thẳng đứng chuyển sang nằm ngang ở đáy dốc): u = 1.10

Trang 13

Tổn thất áp lực dọc đường: tính với chiều dài ống L a H t B2 =12.60 m

Với Ht =2.60 m : Chiều cao thành lòng dẫn

B =20.00 m : Bề rộng của mỗi khoang (1 khoang)

Hệ số tổn thất dọc đường :

R C

gL a

2



a : Trọng lượng riêng của không khí (KN/m³)

 : Trọng lượng riêng của nước (KN/m³)

Trong điều kiện bình thường, lấy 7801



a

Để đảm bảo ổn định của đường tháo, trị số hck không được vượt quá 0,5m Ta thấy hck = 0.75 m < 5m nên đường tháo làm việc ổn định

9) Tính toán kích thước máng dẫn khí sau mũi hắt:

Hình 6 : Bố trí mũi hắt và ống dẫn khí

Bề mộng máng : Bmk = Ba =1.00 m

Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 0.70 – 0.32= 0.38 (m)

10) Tính toán chiều cao thành lòng dẫn sau BPTK

Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H = 3.75(m)

Trong đó:

hb : Chiều cao lớn nhất của buồng khí

2 2

2

) (

cos

2g  tg tg

V Z

h : Chiều dày lớp nước phía trên buồng khí (lấy gần đúng bằng độ sâu nước trên mũi hắt)

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

Kết quả tính toán các BPTK ghi trên Bảng 5

3.

4 Tính toán bộ phận tiếp khí 3 (BPTK 3 )

Trang 14

2 cos





Fr

L

Trong đó:

Lp = 45 m : Chiều dài bảo vệ của BPTK2,

gh

v Fr

2



m

L

Z

0.15 đảm bảo điều kiện chọn

chiều dài mũi hợp lý: 6151

m

L Z

L

Z

m

.

1 1





Mặt khác: 









m m

L tg

Z Z Z

2 1 2





































cos

) cos(

cos

2

h

Z Fr

Fr Fr

h

Z h

Được xác định theo công thức: qa = 0,033.V.Lb = 4.15 (m3/s.m)

Trong đó:

Được xác định theo công thức: Qa = qa.B =84.22 m3/s

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	2,84 MB