Với giả thiết các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Zm = 5mm, loại mố gồ ghề là bậc lồi theo chiều dòng chảy (Loại I theo bảng 2.4) có góc = 900. Khi đó đệ số khí hóa phân giới tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi sẽ là: Kpg = 0,125. 0,65 = 2,33.
Trang 1MỤC LỤC
Tài liệu tính toán: 2
Yêu cầu tính toán: 2
I Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo Q tk 3
I.1 Vẽ đường mặt nước trên dốc nước: 3
I.2 Xác định hệ số hóa phân giới: 6
I.3 Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán: 6
II Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc nước 6
III Thiết kế bộ phận tiếp khí trên dốc nước để đề phòng khí thực 8
III.1 Bố trí các bộ phận tiếp khí trên dốc nước: 8
III.2 Tính toán BPTK1 8
Trang 2TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC
ĐỀ SỐ 43 Tài liệu tính toán:
- Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ như hình 1
- Chiều dài từ ngưỡng tràn đến đầu dốc : Lo = 30m
- Chiều dài dốc : L = 200m (trên mặt bằng) 10 đoạn x 20m
- Độ nhám bề mặt : n = 0,017 ( = 0,5mm)
- Gồ ghề cục bộ tại các khớp nối (dự kiến) : Zm = 5mm
- Mặt cắt ngang dốc : chữ nhật, B = 20m
- Lưu lượng thiết kế : QTK = 400 m3/s
- Hình thức tiêu năng cuối dốc : mũi phun
Yêu cầu tính toán:
- Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo Qtk
- Kiểm tra khí thực trên dốc nước:
- Thiết kế bộ phận tiếp khí (BPTK) đề phòng khí thực nếu có
Trang 3BÀI LÀM
I Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo
I.1 Vẽ đường mặt nước trên dốc nước:
I.1.1 Xác định định tính đường mặt nước trên dốc nước:
Để xác định tính đường mặt nước trên dốc nước ta xác định các độ sâu h0, h1, hk như sau: + Xác định hk:
Mặt cắt ngang dốc là mặt cắt chữ nhật B = 20m nên ta sử dụng công thức sau để tính hk:
3 2
g
q
Trong đó:
Q: lưu lượng đơn vị q = 20( / )
20
s m B
Q
: hệ số lưu tốc: = 1
G: gia tốc trọng trường: g = 9.81
Thay số liệu vào biểu thức (1) ta được:hk = 3,44m
+ Xác định ho:
Để xác định chiều sâu dòng chảy đều trên dốc nước ta sử dụng phương pháp tính toán lợi nhất
về mặt thủy lực trên kênh:
Tính f(Rln) = 0,01077
400
29 , 0 8 4
Q
i
m o
Tra phụ lục (8-1) giáo trình thủy công tập 1 với n = 0,017 ta được: Rln = 1,2
Tra phụ lục (8-3) giáo trình thủy công tập 1 với n = 0,17 và B/Rln = 20/1,2 = 16,67 ta được:
m R
h R
h
804 , 0 2 , 1 670 , 0 670
, 0 670
,
ln
Vậy chiều sâu dòng chảy đều trong dốc nước ho = 0,804m
Các độ sâu mực nước trong dốc nước tương ứng: hk = 3,44m; ho = 0,804m, hđ = 3,31m
Với i = 0,29 và h0<h<hk dòng chảy trong kênh có dạng đường nước đổ bII
I.1.2 Xác định định lượng đường mặt nước trên dốc nước:
Sử dụng phương pháp sai phân , xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước tại các mặt cắt tiếp theo bằng phương pháp thử dần theo phương trình:
ra
J i
E L
Trang 4Trong đó:
- L : khoảng cách theo (theo) phương ngang giữa 2 mặt cắt tính toán:
- E: E2 – E1;
-g
V h
E
2
2 2 2
2 ;
g
V h E
2
2 1 1
1
- h1,h2: Độ sâu tương ứng tại mặt cắt 1 (đầu đoạn) và mặt cắt 2 (cuối đoạn)
- V1, V2: Lưu tốc bình quân giữa 2 mặt cắt 1 và 2
- I: độ dốc đáy dốc nước
- JTB = (J1 + J2)/2;
- J1, J2: độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1 và 2
Kết quả tính toán và vẽ đường mặt nước như trên bảng C.1
Trong đó:
Cột (1): các mực nước giả thiết trên dốc nước
Cột (2): Chu vi ướt
Cột (3): Diện tích mặt cắt ướt
Cột (4): bán kính thủy lực
Cột (5): Hệ số Seerry (ở đây tính theo công thức maninh)
Cột (6): vận tốc trung bình mặt cắt
Cột (7): Độ dốc thủy lực tại mặt cắt tính toán
Cột (8): độ dốc thủy lực trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán
Cột (9): Chênh lệch độ dốc đáy kênh và độ dốc thủy lực
Cột (10): Năng lượng đơn vị của mặt cắt tính toán
Cột (11): Năng lượng đơn vị trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán
Cột (12): Khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán
Cột (13): Chiều dài từ mặt cắt đầu đến mặt cắt tính toán
Trang 5Bảng 1: TÍNH ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỜNG MẶT NƯỚC TRÊN DỐC NƯỚC
Mặt
cắt
C(R)1/2 V
Trang 6I.2 Xác định hệ số hóa phân giới:
Với giả thiết các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Zm = 5mm, loại mố gồ ghề là bậc lồi theo chiều dòng chảy (Loại I theo bảng 2.4) có góc = 900 Khi đó đệ số khí hóa phân giới tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi
sẽ là:
Kpg = 0,125 0,65 = 2,33
I.3 Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán:
Theo công thức xác định hệ số khí hóa ta có:
g V
H H K
ĐT
pg ĐT
2 2
Trong đó:
- HĐT = Ha + hcos;
- H – độ sâu nước tại mặt cắt tính toán
- Ha – cột nước khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước tại mặt cắt
- Zmn = Zđáy + h
- Hpg = 0,32 (ứng với T = 250)
- VĐT = Vy = 1.2
v
V
Sử dụng biểu đồ 2.6 xác định được các giá trị 1, 2, từ đó tính được v theo công thức:
3 ln
) 2 ).(
(
B h
h B
v
) ( *
L f
trong đó L* = L + L0; = 0.0005m
) ( 2
) ( 1
f
; trong đó dạng mấu gồ ghề thuộc loại I tra bảng 2.4 ta có y = Zm + Kết quả tính toán được ghi trên bảng 2
II Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc nước.
Khi khí hóa được 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 VĐT lấy trong bảng 2 còn trị số Vng tra theo đồ thị hình (1.1) Với với bê tông mặt lòng dẫn BTCTM200 ta có Rb = 20 MPa; độ hàm khí trong nước S = 0 ta có: Vng = 9,5 m/s
Trang 7Bảng 2: KIỂM TRA KHÍ THỰC TẠI CÁC MẶT CẮT TÍNH TOÁN:
Mặt
cắt
Kết luận
1 3.310 300.0 303.310 9.967 13.15 30.00 6.000 0.800 1.400 198 0.984 3.23 24.058 Không
2 1.498 294.2 295.698 9.977 11.42 50.00 10.000 1.400 1.091 198 0.949 6.54 5.094 Không
3 1.203 288.4 289.603 9.984 11.14 69.99 13.999 1.510 1.084 198 0.934 8.25 3.122 Không
4 1.058 282.6 283.658 9.992 11.01 89.99 17.998 2.000 1.051 198 0.906 9.52 2.315 Có
5 0.972 276.8 277.772 9.999 10.93 110.00 22.000 2.644 1.007 198 0.871 10.54 1.874 Có
6 0.917 271.0 271.917 10.007 10.89 130.00 26.001 3.092 0.976 198 0.845 11.35 1.610 Có
7 0.880 265.2 266.080 10.014 10.86 150.00 30.001 3.540 0.946 198 0.820 12.00 1.436 Có
8 0.853 259.4 260.253 10.022 10.84 170.01 34.001 3.988 0.915 198 0.796 12.54 1.314 Có
9 0.834 253.6 254.434 10.029 10.83 190.01 38.002 4.436 0.885 198 0.773 12.97 1.225 Có
10 0.821 247.8 248.621 10.037 10.83 210.01 42.002 4.884 0.854 198 0.752 13.33 1.159 Có
11 0.811 242.0 242.811 10.044 10.82 230.01 46.002 5.332 0.824 198 0.731 13.63 1.109 Có
Kết luận:
Tại mặt cắt 3 VĐT < Vng không bị xâm thực
Tại mặt cắt thứ 4 VĐT > Vng bị xâm thực
Bằng cách nội suy từ biểu đồ lưu tốc VĐT dọc theo dòng chảy xác định được mặt cắt có VĐT = Vng = 9,5m/s là mặt cắt B nằm giữa mặt cắt 3 và 4 cách đầu dốc một đoạn Lb = 59,57 m
Đoạn từ mặt cắt B tới cuối dốc cần có biên pháp bảo vệ hợp lý chống khí thực
Trang 8III Thiết kế bộ phận tiếp khí trên dốc nước để đề phòng khí thực.
III.1 Bố trí các bộ phận tiếp khí trên dốc nước:
Hình thức của hệ thống thông khí ơ đây chọn là mũ hắt kết hợp với máng thông khí
Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc khoảng 59,56m) cần phải bảo vệ chống khí thực để đảm bảo an toàn cho thân dốc, bố trí các BPTK như sau:
- BPTK1 đặt tại mặt cắt M1, cách đầu dốc 30m;
- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 90m;
- BPTK3 đặt tại mặt cắt M3, cách đầu dốc 150m;
Theo cách bố trí này, chiều dài bảo vệ Lp của các BPTK là bằng nhau và bằng 60m (xem hình 1) Trong thực tế thiết kế cần tính toán với một số phương án bố trí khác nhau để so sánh và chọn phương án hợp lý nhất
Hình 1: Sơ đồ bố trí các bộ phận tiếp khí:
Với phương án bố trí đã nêu, nội suy từ đường mặt nước (bảng 1) ta có các thông số thủy lực tại mặt cắt có bố trí BPTK như sau:
Bảng 3: THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CÁC BPTK
Trong đó:``
- L: khoảng cách từ đầu dốc tới mặt cắt tính toán
- Lp: chiều dài cần bả vệ sau từng BPTK
III.2 Tính toán BPTK1
III.2.1 Xác định chiều cao mũi hắt: (Z m )
Áp dụng công thức: 25 1
2 cos
Fr
L
m
Trang 9Thay vào ta được: Zm = 0.74m.
III.2.2 Chọn độ nghiêng mũi hắt:
Sơ đồ bố trí mũi hắt như trên hình 2:
Với dốc nước ta chọn mũi hắt ngược
với góc hắt = 00 60 trong bài toán này
lòng dẫn có độ dốc i = 0,29 không lớn lắm
nên chọn = 40 khi đó tan = 0,07
Theo sơ đồ bố trí mũi hắt ta tính được:
Z1 = tan Lm = 0,07 Lm
Z2 = tan Lm = 0,29 Lm
Zm = Z1 + Z2 = (0.07 + 0,29) Lm = 0,36 Lm = 0,74
Vậy Lm = 2,1m
III.2.3 Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt:
Áp dụng công thức (4.2) 14TCN 1998:2006 ta có chiều dài buồng khí sau mũi hắt được tính theo công thức sau:
cos
cos cos
2
h
Z Fr
Fr Fr
h
Z h
b
Thay số được Lb = 14,292m
III.2.4 Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp:
qa = 0,033 x Lb x V
Trong đó:
V: lưu tốc bình quân dòng chảy phía trên buồng khí có thể lấy bằng lưu tốc dòng chảy phía trên mũi hắt
Thay số qa = 0,033 x 14,292 x 15,16 = 7,5 m3/s.m
III.2.5 Lưu lượng khí tổng cộng:
Qa = qa B = 7,5.20 = 150m3/s
III.2.6 Tính diện tích tổng cộng của mặt cắt ngang các ống dẫn khí:
a
a
a
V
Q
chọn Va = 30m/s ta có a = 5m2
Do trị số a nhỏ nên ta chỉ cần bố trí 2 ống thông khí tại 2 bên thành bên của dốc nước
Như vậy ta có tổng là 2 ống thông khí 2 bên thành
Hình 2: Sơ đồ bố trí mũi hắt
Trang 10III.2.7 Chọn kích thước ống:
Ba x ta = 2,5 x 1,0 m
Trong đó:
Ba: cạnh của mặt cắt ngang ống theo chiều dòng chảy
ta: cạnh của mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên của tường hay trụ
Với kích thước ống đã chọn, vận tốc khí trong ống sẽ là:
s m t
B
Q V
a a
a
0 , 1 5 , 2 2
150
III.2.8 Xác định độ chân không ở trong buồng khí:
Theo công thức (4.7) 14TCN 1998 – 2006 ta có:
a a
a
V
2 2
2
Trong đó:
- Va = 30m/s;
780
1
a
- a: hệ số xác định theo công thức (4.8) 14TCN 1998 – 2006
i
a
1
1
i: tổng tổn thất áp lực qua ống dẫn khí bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường +Tính tổn thất cục bộ bao gồm tổn thất tại cửa vào (cv) và tổn thất tại đoạn uốn cong gấp (u) Tại cửa vào không thuận cv = 0,5
Tại vị trí uốn cong gấp 900 (trục ống thẳng đứng chuyển sang nằm ngang ở đáy dốc): u = 1,1 + Tính tổn thất dọc đường
Với chiều dài ống: a t
t
2 2
1
Trong đó:
Ht: Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 2m
ta: Chiều rộng mặt cắt ống thông khí ta = 1m
B1: Bề rộng lòng dẫn: B1 = B = 20m
tt: Chiều dày thành ống dẫn trong thành bên, chọn tt = 0,7m
Thay vào ta được La = 13,9m
Mặt cắt ống có : Ba = 2,5m, ta = 1, a = 7m, a = 2,5 m, Ra = 0,357m, C R = 29,61
Khi đó hệ số tổn thất áp lực dọc đường : 2
2
R C
gL a
Như vậy trong ống có : i = 0,5 + 1,1 + 0,311 = 1,911
Thay vào công thức (4.8) ta có a = 0,586
Trang 11III.2.9 Tính toán kích thước máng dẫn khí ở đáy sau dốc nước
Sơ đồ máng như hình 3:
Bề rộng máng: Bmk = Ba = 2,5m
- Chiều sâu máng: tmk = ta – Zm = 1
– 0,74 = 0,26m
III.2.10 Tính chiều cao lớn nhất của
buồng khí:
Theo công thức (4.10) 14TCN
1988 – 2006 ta có:
2
2
cos
2g tg tg
V Z
Trong đó:
Zm: chiều cao mũi hắt m = 0,74m
: góc hắt = 40
V: lưu tốc trung bình mặt cắt tại vị trí đặt BPTK: V = 15,16m/s
: góc nghiêng của dốc nước = 16,170
Thay số vào công thức ta tính được: hb = 2,25m
Với các bộ phận tiếp khí khác cũng tính tương tự
Kết quả tính toán thiết kế BPTK cho dốc nước được thể hiện ở bảng 4:
Bảng 4: BẢNG TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN TIẾP KHÍ
7 Lưu lượng khí tổng cộng Qa m3/s 143.00 204.80 910.59
9 Kích thước 1 ống Ba x ta m 2,5 x 1 3 x 1,2 3,5 x 1,5
Hình 3: Sơ đồ máng dẫn khí