BÀI tập lớn CÔNG TRÌNH THÁO nước đề số 32

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:

BÀI TẬP PHẦN

“TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC”

(ĐỀ SỐ 32)

Đề bài

1) 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 = 0,21

- Vật liệu thân dốc: BTCT M20

- 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: Q TK = 480 m³/s

- Độ sâu đầu dốc: h đ = 3,09 m

- Hình thức tiêu năng cuối dốc: mũi phun

2) 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 (BPTK) để phòng khí thực (nếu có)

TÍNH TOÁN

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

1) Xác định và tính, vẽ đường mặt nước trên dốc nước tràn:

a) Xác định đường mặt nước với lưu lượng qua dốc tràn Q TK =480 m 3 /s

Để xác định đường mặt nước trong thâm dốc, ta cần phải tính độ sâu phân giới hk, độ dốc phân giới ik và độ sâu dòng chảy đều h0

Xác định độ sâu phân giới h h theo công thức sau: h k = 3

2

g

q



Trong đó:

- q = Q/Bd = 480/30=16(m3/s-m)

- g : là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2

- Q : là lưu lượng xả trên dốc

- Bd : là bề rộng đốc nước: bd=30m

-  = 1, 1 là hệ số phân bố lưu tốc

Xác định độ dốc phân giới i h theo công thức sau; ik =

2

















kCk Rk Q

Trong đó:

- k : là diện tích mặt cắt ướt với độ sâu phân giới hk

- Rk =

k

k



 , là bán kính thủy lực

- k : là chu vi ướt; k = Btr + 2hk

Từ hệ số nhám n = 0,017 và Rk tra phụ lục 8-2 bảng tra thủy lực ta được Ck Rk .

- Q : là lưu lượng xả lớn nhất Q=Qtk=480 m3/s

Kết quả tính toán h k , i k được thể hiện ở bảng sau:

30 480 16 3.06 91.8 36.12 2.54 125.35 0.002

Xác định độ sâu dòng đều h 0

Độ sâu dòng chảy đều trên thân dốc nước được tính dựa vào phương trình cơ bản sau:

Q = .C Ri Trong đó:

- Q : là lưu lượng trên dốc

-  : là diện tích mặt cắt ướt với độ sâu dòng đều h0

- R = , là bán kính thủy lực

-  : là chu vi ướt;  = Btr + 2h0

- Ci : hệ số Sêdi tại mặt cắt thứ i, được tính theo công thức: Ci = n

1 R1/6 i

Để tính toán độ sâu dòng chảy đều trên dốc nước ta giải bằng phương pháp thử dần kết quả tính toán bảng sau:

k

R

h0 Bd  V  R C Q

0,35 30 10,50 28,77 30,7 0,342 49,192 0,58 302,070 0,4 30 12,00 31,38 30,8 0,390 50,272 0,62 376,547

0,47 30 13,95 34,60 30,93 0,451 51,513 0,67 480,001

0,5 30 15,00 36,26 31 0,484 52,120 0,70 543,829

Kết quả tính toán cho phương án chọn

Phương án hk

h0 m

Ghi chú

* Nhận xét: Ta thấy hk > h > h0 Từ công thức (9-31) trang 59 GTTL tập II ta có:

r

F

J

i B g

Qk

Q i di

dh

















1

2 2 2

Ta thấy:

- hk > h thì Fr < 1 nên mẫu số < 0

- h > h0 thì i > J nên tử số < 0  0

dl dh

Vậy đường mặt nước trong dốc ứng với các phương án là đường nước đổ b2

b) Tính và vẽ đường mặt nước với lưu lượng qua dốc tràn Q TK =480 m 3 /s

Dùng phương pháp phương trình sai phân, bắt đầu từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước tại các mặt cắt kế tiếp bằng cách thử dần cho từng mặt cắt (giả thiết giá trị h, theo các công thức dưới đây để xác định trị số ∆L, nếu trị số đúng với ∆L chọn 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):

Từ công thức

TB

J i

E L







 Trong đó:

∆L : Khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán

i : Độ dốc của đáy dốc nước tràn

Giải thích trình tự tính toán trong Bảng 1:

Cột 2: h là độ sâu mực nước trong dốc (Giả thiết)

Cột 3:  là diện tích mặt cắt ướt ;  = B.h

Cột 4: Vi là Vận tốc dòng chảy tại MC tính toán ; Vi = Qi/i

Cột 6: Ei là năng lượng mặt cắt thứ i

Cột 7:  là Chu vi ướt của mặt cắt tính toán ;  = B + 2h (Mặt cắt CN)

`

k

R

Cột 8: R là Bán kính thủy lực; R = /

Cột 9: Ci là Hệ số Sedi tại MC tính toán thứ i; C= 6

1

1

R n

n R



Cột 11: Ji là Độ dốc thủy lực tại mặt cắt thứ i;

R C

V

2



Cột 12: JTB là độ dốc thủy lực trung bình giữa mặt cắt thứ i và mặt cắt thứ i+1 Với JTB = (J1 + J2)/2 : Ví dụ

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

Cột 14 : E = Ei+1 - Ei Hệ số tỷ năng

Cột 15: Li Khoảng cách giữa 2 MC ở đây chọn các Li=20m

Cột 16: L là khoảng cách cộng dồn từ MC đầu đến MC tính toán

Kết quả tính toán để vẽ đường mực nước trên dốc thể hiện ở Bảng 1.

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

cắt (m) h 

i (m 2 ) V

i (m/s) Ei im

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16)

R C

g

V

2 2

2) Xác định hệ số khí hóa phân giới K pg :

Chiều dài dốc nước L = 200m, chia dốc thành 10 đoạn, mỗi đoạn có chiều dài ∆L

= 20m Giữa các đoạn bố trí 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, cho góc  = 90o

Khi đó hệ số khí hóa phân giới (tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi), Tra Bảng 4

TCVN 9158:2012 – Các dạng mấu gồ ghề đặc trưng và trị số Kpg tương ứng sẽ là:

33 , 2

125 ,



pg

K

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

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 Bảng2 Trị số của cột nước áp lực phân giới –

TCVN 9158:2012 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 = 0.17 ; ∆ = 0.5 mm Tra Hình 7 - TCVN 9158:2012 - Biểu đồ quan hệ 1 = f (y/);  2 = f(/); / = f (L/)

xác định được 1 ; 2 ;  Kết quả tính toán được ghi trong Bảng 2

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

Mặt

cắt h (m) (m) L (m) L* Z mn (m) H a

ĐT

TB

(10 -3 )



(m) v V ĐT

Khả năng khí hóa

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18)

4 1,275 80 111,74 284,48 10,00 11,25 19,23 11,00 223.490 2.845,4 195,0 0,97 1,423 0,892 9,37 2,44 Không có

5 1,199 100 132,18 280,20 10,01 11,18 20,45 11,00 264.362 3.256,8 195,0 0,95 1,628 0,873 10,09 2,09 Bắt đầu

- L*: Là khoảng cách theo mặt nghiêng của dốc, từ ngưỡng đặt cửa van đến mặt cắt đang xét

- L: Là khoảng cách nằm ngang theo trục tọa độ từ đầu dốc đến vị trí mặt cắt đang xét

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, Hình 1: Quan hệ V ng = f(R b,S) của vật liệu bê tông – TCVN 9158:2012 được V ng = 9,55 m/s.

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

Mặt

TB

ĐT

(m/s) 1 2 *10 -3

v V ng

cp

(m/s) ngưỡng xâm thực Xét theo lưu tốc Xét theo lưu tốc cho phép xâm thực

Từ các giá trị VĐT ở Bảng 3 cho thấy

- Từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 4 có VĐT < Vng  không bị xâm thực

- Từ mặt cắt 5 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 (nằm giữa mặt cắt 4 và 5) cách đầu dốc một khoảng LB = 84,99m (theo phương ngang của dốc) – Gọi mặt cắt có VĐT = Vng = 9,55 m/s

là mặt cắt B)

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

(theo TCVN 9158:2012) 1) Bố trí các BPTK trên dốc nước: (theo TCVN 9158:2012 - Mũi hắt đơn thuần hoặc kết hợp với máng dẫn khí : Z m lấy từ 0,50 m đến 0,85 m)

Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 84,99m) cần được bảo vệ chống khí thực Để đảm bảo an toàn cho thân dốc, chon vị trí

để bố trí các bộ phận tiếp khí như sau:

- BPTK1 đặt tại mặt cắt M1, cách đầu dốc 80 m (theo phương ngang)

- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 140 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 được 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

2) Tính toán bộ phận tiếp khí 1 (BPTK1)

Hình 2 : Bố trí mũi hắt tại BPTK1

a) Xác định chiều cao mũi hắt Z m :

Được xác định theo công thức:  Fr  m

L

1 25

2 cos





Trong đó:

Lp = 60 (m) : Chiều dài bảo vệ (theo phương ngang) của BPTK

 = Arctan(21/100) =11.860 : Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang

2





gh

v

Fr (mặt cắt hình CN)

b) Chọn độ nghiêng mũi hắt: Với dốc nước: chọn mũi hắt dốc ngược với góc hắt  lấy từ 0 0 đến 6 0 (chọn  thiên nhỏ khi lòng dẫn có độ dốc lớn và lưu tốc lớn)

Sơ đồ bố trí mũi như trên Hình 2

Giả thiết chiều dài mũi Lm = 4m; Ta thấy Zm/Lm = 0.69/4=0.173 đảm bảo điều kiện chọn chiều dài mũi hợp lý: 6151

m

m

L Z

L

Z

m

.

1 1





 = 4*tan11.860’= 4x0.2 = 0.84 (m) Mặt khác: Z2=Zm-Z1=0.69-0.84=-0.15; tg=Z2/Lm=-0.15/4= - 0.375   = -5.70

c) 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

d) Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp :

Được xác định theo công thức: qa = 0.033*V*Lb = 0,33*19.42*6.57=4.21 (m3/s.m)

Với V = 19.42 (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

e) Tính lưu lượng khí tổng cộng cần phải cấp :

Được xác định theo công thức: Qa = qa*B =4.21*20 = 84.22 (m3/s)

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

Được xác định theo công thức: a=Qa/Va=84.22/50= 1.68 (m2)

Trong đó:

Chọn Va = 50m/s: Lưu tốc khí khống chế trong ống; 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:

a1= /n=1.68/2=0.84

g) 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 = 1,0 m : Độ dài cạnh theo phương dòng chảy

Chọn ta = 1.0 m : Độ dài cạnh theo chiều dày tường

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

s m t

B n

Q V

a a

a

.



h) 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

2

Trong đó:

Va =42.11(m/s) : Lưu tốc khí trong ống

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





 i

a



 1

1

0,561

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 = 0,5 (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 = 1,1

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

t

a t

2 2

1 





Với Ht = 4,5 m : Chiều cao thành lòng dẫn (Chọn Ht >hđ từ 1-2m, với hđ =3.09m )

B1 = 20 m : Bề rộng của mỗi khoang (1 khoang)

tt là chiều dày thành ống dẫn trong trụ và thành bên chọn tt =0,5m

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 = 0,37m < 0,5m nên đường tháo làm việc ổn định

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

Hình 3 : Bố trí mũi hắt và ống dẫn khí

Bề mộng máng : Bmk = Ba = 1.0 (m)

Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 1.0 – 0.69 = 0.31 (m)

k) Tính toán chiều cao thành lòng dẫn sau BPTK :

Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H = 1.32+1.24+0.5=3.06 (m)

Trong đó:

hb : Chiều cao lớn nhất của buồng khí

2 2

2

) (

cos

V Z

= 0.69+ (19.422/2*19.62)*{cos2(-5.70)*[tan(-5.70)*tan(11.860’)]}= 1.32 (m)

h : Chiều dày lớp nước phía trên buồng khí (lấy gần đúng bằng độ sâu nước trên mũi hắt); h=1.24m

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

Kết quả tính toán BPTK1 Bảng 4

Bảng 4 : Thông số tính toán BPTK1

Chiều dài buồng khí sau mũi hắt Lb m 6.57

Diện tích MCN của 1 ống khí a1 m² 0.84

Kích thước 1 ống dẫn khí Ba x ta m 1.0 x 1.0

Độ chân không ở trong buồng khí hck m 0.37

Bề rộng máng khí Bmk m 1.0

Chiều sâu máng khí tmk m 0.31

Chiều cao buồng khí hb m 1.32

3) Tính toán bộ phận tiếp khí 2 (BPTK2) tính tương tự như trên:

Hình 2 : Bố trí mũi hắt tại BPTK1 a) Xác định chiều cao mũi hắt Z m :

Được xác định theo công thức:  Fr  m

L

1 25

2 cos





Trong đó:

Lp = 60 (m) : Chiều dài bảo vệ (phương ngang) của BPTK1

 = 11.860 : Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang

2





gh

v

Fr 

(mặt cắt hình CN)

b) Chọn độ nghiêng mũi hắt:

Sơ đồ bố trí mũi như trên Hình 2:

Giả thiết chiều dài mũi Lm = 2m; Ta thấy 0,444 0,11

m

m

L

Z

= 0.71/4=0.18 đảm bảo điều kiện chọn chiều dài mũi hợp lý: 6151

m

m

L Z

L

Z

m

.

1 1





 = 4*tan(11.860)= 0,84 (m) Mặt khác: Z2=Zm-Z1=0.71-0.84=-0.13; tg=Z2/Lm=-0.13/4= - 0.015   = -1.850

c) 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

d) Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp

Được xác định theo công thức: qa = 0,033.V.Lb = 0.033*21.87*5.84=3.74 (m3/s.m)

Trong đó: V = 21.87 (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

e) Tính lưu lượng khí tổng cộng cần phải cấp

Được xác định theo công thức: Qa = qa.B =3.74*20 = 74.82 (m3/s)

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

Được xác định theo công thức:  8250,94

a

a a

V

Q

 a= Qa/Va=74.82/50= 1.5(m 2)

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:

1=a/n=1.5/2=0.75m2

h) 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 = 1.0 m : Độ dài cạnh theo phương dòng chảy

Chọn ta = 0.8 m : Độ dài cạnh theo chiều dày tường

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

s m t

B n

Q V

a a

a

.

