BÀI tập lớn CÔNG TRÌNH THÁO nước đề số 10

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 ms

Trang 1

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN DỐC NƯỚC

ĐỀ SỐ 10

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 = 0.290

- 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 =472 m3/s

- Độ sâu đầu dốc: hd =3.04 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:

∆E = E2 – E1 ;

g

V h E

2

2 1 1

g

V h E

2

2 2 2

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

JTB = (J1 + J2)/2

1

2 1

2 1 1

R C

V

2

2 2

2 2 2

R C

V

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

GVHD: GS-TS Nguyễn Chiến Trang 2 HV: Nguyễn Thị Phượng –

Trang 3

CH21C-Bảng 1: Kết quả tính toán vẽ đường mực nước trên dốc

Mặ

t

cắt

h

(m)

h i

(m)

W (m 2 )

V (m/

0 2.92

0 58.40 8.08 3.33 6.25 25.84 2.26

67.38 6

101.30

1.23 1

0.020 5

0.269

5 5.391 20 0

1 1.689 33.78 13.97 9.95 11.64 23.38 1.44 62.545 75.182 0.0345 20

0.31 6

0.050 5

0.239

5 4.790 20 0

2 1.373 27.46 17.19 15.06 16.43 22.75 1.21 60.700 66.694 0.0664 40

0.16

3 1.21

1 24.22 19.49 19.36 20.58 22.42 1.08

59.58

0.09 9

0.114 6

0.175

4 3.507 20 0

4 1.11

2 22.23 21.23 22.97 24.08 22.22 1.00

58.82

0.06 6

0.144 2

0.145

8 2.915 20 0

5 1.046 20.92 22.57 25.95 27.00 22.09 0.95 58.290 56.720 0.1583 100

0.04

6 1.000 20.00 23.60 28.39 29.39 22.00 0.91 57.896 55.202 0.1828 120

g

V

2

R

C

Trang 4

7 0.96

7 19.34 24.41 30.36 31.32 21.93 0.88

57.60

0.02 4

0.212 2

0.077

8 1.555 20 0

8 0.943 18.86 25.03 31.94 32.88 21.89 0.86 57.381 53.261 0.2209 160

0.01 8

0.228 0

0.062

0 1.240 20 0

9 0.925 18.50 25.52 33.20 34.12 21.85 0.85 57.212 52.637 0.2351 180

0.01

10 0.91

1 18.22 25.90 34.19 35.10 21.82 0.84

57.08

Trang 5

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 ;  = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật)

 : Diện tích mặt cắt ướt ;  = B.h

R : Bán kính thủy lực ; R = /

R R n R



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

J : Độ dốc thủy lực ;

R C

V

2



Hình 2: Đường mặt nước trên tràn

Trang 6

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 ,

0 



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

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

Zmn = Zđáy + h

Hpg : Cột nước áp lực phân giới

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

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 7

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

Mặ

t

cắt

h

*

mn

a

ĐT

(m)

V TB

(m/s

 2 (103

)



(m) v

V ĐT

(m/s

Khả năng khí hóa

0 2.92

0 0 30.00

302.9

2 9.98 12.78 8.42

11.0

0 60,000 800.0 195.0 1.20

0.40

0 0.970 4.19

13.9

0 Không có

1 1.68

9 20 50.82

295.8

9 9.98 11.61 14.55

11.0 0

101,64 8

1,370.

6 195.0 1.11

0.68

5 0.925 7.30 4.15 Không có

2 1.373 40 71.65 289.77 9.99 11.31 17.90 11.00 143,296 1,849.4 195.0 1.05 0.925 0.883 9.17 2.57 Không có

3 1.211 60 92.47 283.81 10.00 11.16 20.30 11.00 184,944 2,374.2 195.0 0.99 1.187 0.837 10.68 1.87 Bắt đầu

4 1.11

2 80

113.3 0

277.9

1 10.00 11.07 22.10

11.0 0

226,59 2

2,865.

9 195.0 0.97

1.43

3 0.792 12.11 1.44 Mạnh

5 1.046 100 134.12 272.05 10.01 11.02 23.49 11.00 268,240 3,282.4 195.0 0.95 1.641 0.754 13.41 1.17 Mạnh

6 1.000 120 154.94 266.20 10.02 10.98 24.57 11.00 309,888 3,679.1 195.0 0.93 1.840 0.718 14.61 0.98 Mạnh

7 0.96

7 140

175.7 7

260.3

7 10.02 10.95 25.41

11.0 0

351,53 6

4,018.

4 195.0 0.92

2.00

9 0.687 15.68 0.85 Mạnh

8 0.94

3 160

196.5 9

254.5

4 10.03 10.94 26.06

11.0 0

393,18 4

4,518.

2 195.0 0.90

2.25

9 0.647 16.88 0.73 Mạnh

9 0.925 180 217.42 248.72 10.04 10.92 26.57 11.00 434,832 5,091.8 195.0 0.87 2.546 0.604 18.15 0.63 Mạnh

10 0.91

1 200

238.2 4

242.9

1 10.04 10.92 26.97

11.0 0

476,48 0

5,480.

5 195.0 0.86

2.74

0 0.574 19.24 0.56 Mạnh

Trang 8

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 –

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

Mặ

t

cắt

V TB

(m/s

)

V y

(m/s

ξ 2

(10 -3 ) v V ng

(m/s)

V cp

(m/s )

Xét theo lưu tốc ngưỡng xâm thực

Xét theo lưu tốc cho phép xâm thực

0 8.42 4.19 195 1.20 0.970 9.55 19.15 Không xâmthực Không xâmthực

1 14.55 7.30 195 1.11 0.925 9.55 19.02 Không xâm

thực

Không xâm thực

2 17.90 9.17 195 1.05 0.883 9.55 18.64 Không xâm

thực

Không xâm thực

3 20.30 10.68 195 0.99 0.837 9.55 18.15 Có xâm thực Có xâm thực

Từ các giá trị VĐT ở Bảng 3 cho thấy

- Từ mặt cắt 0 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 (bảng 2), xác định được mặt cắt có VĐT = Vng = 9.55 m/s là mặt cắt B (nằm giữa mặt cắt 2 và 3) cách đầu dốc một khoảng LB = 45.04 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 50 m (theo phương ngang)

Trang 9

- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 100 m (theo phương ngang).

- BPTK3 đặt tại mặt cắt M3, cách đầu dốc 155 m (theo phương ngang)

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

Tên L (m) Lp (m) h (m) V (m/s) Fr Fr BPTK1 50 50 1.29 18.34 26.54 5.15

BPTK2 100 50 1.05 23.08 51.93 7.21

BPTK3 150 50 0.95 24.72 65.23 8.08

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

2 cos





Fr

L

Z m p  = 0.41 m

Trong đó:

Lp = 50 (m) : Chiều dài bảo vệ (phương ngang) của BPTK1

 =16.17 do : Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang

gh

v Fr

2



26.54 (mặt cắt hình chữ nhật)

2) Chọn độ nghiêng mũi hắt

Sơ đồ bố trí mũi như trên Hình 3

m

L

Z

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

m

L Z

Trang 10

Ta có :  Z L tg

L

Z

m

.

1 1





 = 2.3 x 0.290 = 0.67 m









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:





































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 = 3.52 m3/s.m

Trong đó:

V = 18.34(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 = 3.52.20 = 70.38 m3/s

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

a

a V

Q



 =1.41 m2

Trong đó:

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

Vì a = 1,41 m2nhỏ 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  = 0.7 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 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

.

 = 41.89 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:

Trang 11





a a

a ck

g

V

2

Trong đó:

Va = 41.89 m/s : Lưu tốc khí trong ống





a





1

0.592

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

B1 = 6.67 m : Bề rộng của mỗi khoang (1 khoang)

Hệ số tổn thất dọc đường :

R C

gL a

d 2

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= 0.33 m < 0.5m 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 =1.20 m

Chiều sâu: tmk = ta – Zm =0.70 – 0.41= 0.29 m

10) Tính toán chiều cao thành lòng dẫn sau BPTK

Trang 12

Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H = 3.64(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

3.3 Tính toán bộ phận tiếp khí 2 (BPTK2)

2 cos





Fr

L

Trong đó:

gh

v Fr

2



Giả thiết chiều dài mũi Lm =1.50 m; Ta thấy 

m

L

Z

m

L Z

L

Z

m

.

1 1













m m

L tg

Z Z Z

2 1 2

Trang 13





































cos

) cos(

cos

2

h

Z Fr

Fr Fr

h

Z h

Được xác định theo công thức: qa = 0,033.V.Lb = 4.31 (m3/s.m)

Trong đó:

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 =86.20 m3/s

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

a

a a

V

Q



 = =1.72 m2

Trong đó:

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

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 1.72/2=0.86 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:

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

a a

t B n

Q V

.

 = 51.31 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

 = 0.49 m

Trong đó:

Trang 14

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





a





1

0.592

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

Hệ số tổn thất dọc đường :

R C

gL a

d 2

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 = 0.49 m < 0.5m 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 =1.20 m

Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 0.70 – 0.28= 0.42 (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 b  m   =1.72 m

Trang 15

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 )

2 cos





Fr

L

Trong đó:

gh

v Fr

2



Giả thiết chiều dài mũi Lm =1.00 m; Ta thấy 

m

L

Z

m

L Z

L

Z

m

.

1 1













m m

L tg

Z Z Z

2 1 2





































cos

) cos(

cos

2

h

Z Fr

Fr Fr

h

Z h

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	849,5 KB