Bài tập Thủy lực ĐH Thủy lợi

Câu 1: Vẽ sơ đồ mặt bằng, cắt dọc và nêu đặc điểm bố trí, ưu nhược điểm, trường hợp sửdụng của các loại công trình tháo lũ: đập tràn, đường tràn dọc, tràn ngang, xi phông, giếng, gáo.. -

Câu 1: Vẽ sơ đồ (mặt bằng, cắt dọc) và nêu đặc điểm bố trí, ưu nhược điểm, trường hợp sử

dụng của các loại công trình tháo lũ: đập tràn, đường tràn dọc, tràn ngang, xi phông, giếng, gáo.

1 Đập tràn:

* Bố trí:

- Khi có nền đá phải tìm mọi cách bố trí đập tràn trên nền đá Nếu không có nền

đá hoặc nền đá xấu thì cũng có lúc phải bố trí ttrên nền không phải là đá

- Cần tạo cho điều kiện thiên nhiên của long song không bị phá hoại, do đó trước tiên cần nghiên cứu bố trí đập tràn tại lòng sông hoặc gần bãi sông Nếu cần rút ngắn chiều rộng đập tràn thì điều kiện thủy lực ban đầu có thể bị phá hoại, do đó phải có biện pháp tiêu năng phức tạp Tuy nhiên, nhiều trường hợp, phương án rút ngắn chiều rộng đập tràn vẫn là kinh tế nhất Nếu lưu lượng tháo nhỏ hoặc dòng chảy đã điều tiết tốt thì không nhất thiết phải bố trí đập tràn giữa lòng sông

- Bố trí đập tràn phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công và phương pháp thi công

- Khi phạm vi nền đá không rộng đập không tràn không phải là đập bê tông, có thể dùng hình thức xả mặt và xả đáy để tháo lũ và tận dụng khả năng tháo lũ qua nhà máy thủy điện, âu thuyền…Ngoài ra cũng có thể xây dựng những đập mà nhà máy thủy điện nằm ngay trong đập và loại đập tràn qua đỉnh nhà máy thủy điện

- Khi có công trình vận tải thủy, việc bố trí đập tràn cần chú ý đảm bảo cho dòng chảy và lưu tốc ở hạ lưu không ảnh hưởng đến việc đi lại của tàu bè

- Bố trí đập tràn cần bảo đảm cho lòng sông và hai bờ hạ lưu không sinh ra xói

lổ, đảm bảo an toàn của công trình

- Đối với sông nhiều bùn cát, bố trí đập tràn cần tránh sinh ra bồi lăng nghiêm trọng

* ưu nhược điểm:

Đập tràn trọng lực là công trình vừa ngăn nước, vừa thoát nước, vì thế không cần xây dựng thêm các công trình thoát nước khác ngoài thân đập, đó là ưu điểm lớn nhất của đập tràn trọng lực Đập tràn trọng lực có khả năng tháo nước lớn, việc bố trí và đóng mở cửa van thuận tiện Ngày nay, do sự phát triển vể khoa học kỹ thuật thủy lợi hiện đại đã cho phép xây dựng các loại đập tràn cao đến 200m Xây dựng được các loại đập tràn cao do điều kiện địa chất và kết cấu công trình quyết định, ngoài ra cần phải giải quyết các vấn đề dòng chảy có lưu tốc lớn như dòng chảy hòa tan khí, mạch động, khí thực, tiêu năng hạ lưu…

* Trường hợp sử dụng:

2 Đường tràn dọc:

* Bố trí:

- Phải xét đến điều kiện địa chất để tránh bị sạt lở, ảnh hưởng tới an toàn của công trình

- Lợi dụng điầu kiện địa hình để giảm tối đa khối lượng đất, đá, bê tông Khi bờ sông tương đối bằng phẳng hoặc có eo núi, lợi dụng chỗ lõm có cao độ gần MNDBT của hồ chứa để bố trí đường tràn là tốt nhất Lợi dụng đất, đá đào để

có thể làm vật liệu, sử dụng cho việc XD công trình thì dù có phải đào vẫn hợp lý

- Vị trí và hướng bộ phận vào và ra của đường tràn phải thích hợp để không làm xói lở đập và các công trình khác, bảo đảm làm việc bình thường cho toàn hệ thống Đường tràn nên tách khỏi đập dâng để sự nối tiếp giữa công trình bê tông (của đường tràn) với đập dâng bằng vật liêuj địa phương đỡ phức tạp và giảm được khối lượng tường chắn đất Đặc biệt phần cửa vào và cửa ra phải cách xa đập (riêng phần cửa ra phải cách chân đập hạ lưu ít nhất 60m) Tuy nhiên đường tràn cũng không nên cách đập quá xa làm ảnh hưởng đến việc không chế mực nước trong hồ hoặc đặt quá sâu vào bờ làm khối lượng đào sẽ tăng Nói chung trừ những trường hợp đặc biệt để việc quản lý và thi công được tập trung nên bố trí đường tràn ở một bên bờ và cách đập không xa lắm

* Ưu nhược điểm:

Thi công và quản lý đơn giản, xây dựng được trong nhiều điều kiện địa hình khác nhau, yêu cầu địa chất không cao, an toàn về tháo lũ

* Trường hợp sử dụng:

Đặt ở ven bờ hồ chứa khi không được phép và không có điều kiện tháo lũ qua đập dâng nước

3 Đường tràn ngang:

* Bố trí:

Đường tràn ngang là loại công trình tháo lũ kiểu hở có ngưỡng tràn đặt dọc theo

bờ hồ chứa, có thể gần thẳng góc với tuyến đập, cong tuyến kênh tháo bố trí giống như đường tràn tháo lũ do đó thẳng góc với chiều nước tràn Dòng nước chảy qua ngưỡng tràn vào móng sẽ rẽ ngọăt một góc thông thường là 900 và chảy xuống kênh thoát

* ưu nhược điểm:

- Có thể bố trí ngưỡng tràn theo đường đồng mức của sườn núi, chiều dài ngưỡng tràn bảo đảm tháo hết lưu lượng lũ cần thiết với cột nước trên ngưỡng thấp mà khối lượng đào đất đá hợp lý Độ dốc kênh tháo tương đối lớn nên mặt cắt kênh có thể giảm nhỏ do đó khối lượng công trình giảm Cũng do cột nước trên ngưỡng tràn thấp mà có thể giảm độ cao của đập và giảm được tổn thất ngập lụt thượng lưu

- Với nền mềm cũng có thể dung loại này nhưng từ sau ngưỡng tràn trở đi cần gia cố do đó vốn đầu tư có thể lớn

* Trường hợp sử dụng:

- Trường hợp ở đầu mối công trình không có vị trí thích hợp để làm đường tràn dọc, nhất là địa hình dốc và hẹp thì nên dùng đường tràn ngang

- Đường tràn ngang có thể sử dụng cho tất cả các loại công trình lớn, vừa và nhỏ Đường tràn ngang thích hợp đối với nền đá Với nền mềm cũng có thể dùng loại này nhưng từ sau ngưỡng tràn trở đi cần gia cố do đó vốn đầu tư có thể lớn

4 Xi phông:

* Bố trí:

* Ưu nhược điểm:

- Tự động tháo nước: khi lũ về, mực nước trong hồ vượt quá MNDBT một trị số nào đó, xi phông có thể bắt đầu làm việc có áp hoàn toàn

- Rẻ tiền: lưu lượng tháo của xi phông lớn nên chiều rộng xi phông nhỏ hơn so với các công trình tháo lũ kiểu hở Sự chênh lệch đó càng lớn khi công trình có lưu lượng lũ TK lớn

- Không cần có cửa van và các thiết bị đóng mở do đó không cần nhân viên phụcvụ

- Độ chân không lớn dễ gây xâm thực, khi tháo lũ gây ra chấn động ảnh hưởng đến ổn định công trình Cấu tạo tương đối phức tạp

* Trường hợp sử dụng:

Khi XD hồ chứa nước vốn đầu tư XD công trình tháo lũ khá lớn Các công trình tháo lũ phải làm việc lâu dài, vững chắc, đơn giản trong quản lý và thỏa mãn điều kiện kinh tế Một trong những công trình thỏa mãn điều kiện đó là xi phông Ở những nơi nước lũ về nhanh khi có mưa, việc ứng dụng xi phông tháo

lũ có tác dụng lớn vì nó làm việc tự động và đảm bảo tháo lũ nhanh chóng

Xi phông được ứng dụng rộng rãi và được xây dựng trong các đập bê tông cao, trong những đập đất không lớn lắm

5 Giếng:

* Bố trí:

* Ưu nhược điểm:

- Khó thi công

- Giếng tháo nước có diện tràn lớn nên có thể tháo được lưu lượng lớn với cột nước không cao

- Khi phễu tràn vào công trình tháo nước kiểu giếng đặt gần bờ, mặt đập, cần có biện pháp chống nước chảy cuộn và phải làm cho phân bố đều, thẳng góc với ngưỡng tràn trước khi vào phễu

* Trường hợp sử dụng:

Là công trình tháo lũ trên mặt thường được xây dựng ngoài thân đập, nằm ở ven

hồ chứa Giếng tháo lũ được xây dựng trong những trường hợp sau:

- Bờ hồ là đá, có địa hình dốc và hẹp không thuận lợi để XD các công trình khác

- Bản thân đường hầm tháo lũ là đường hầm dẫn dòng lúc thi công

Giếng tháo lũ thường được XD trong đầu mối công trình có đập dâng bằng vật liệu địa phương, cũng có trường hợp đập dâng là đập vòm và trụ chống và phải tháo lũ thi công bằng đường hầm

Giếng tháo lũ không những xây dựng ở bờ hồ mà có trường hợp XD trong thân đập đất

6 Gáo:

* Bố trí:

Đây là công trình tháo lũ kiểu kín có thể đặt ở bở sông hay thân đập Các bộ phận của công trình gồm: Ngưỡng tràn, các ống tháo và các thiết bị tiêu năng hạ lưu

* Ưu nhược điểm:

- Cột nước trên đỉnh tràn thường từ 1 – 1,5m nên chiều dài ngưỡng tràn tương đối dài

- Tháo được lưu lượng lớn với cột nước không cao

* Trường hợp sử dụng:

Chỉ áp dụng đối với các công trình loại vừa và nhỏ

Câu 2: Trình bày các chức năng của tràn chính, tràn phụ, tràn sự cố trong công

trình đầu mối Khi nào thì cần bố trí tràn phụ, tràn sự cố

* Tràn chính:

Là công trình tháo nước chính để đảm bảo an toàn cho các hạng mục của công trình đầu mối và vùng hạ du Tràn chính được thiết kế kiên cố theo cấp của công trình đầu mối Kích thước và kết cấu của tràn chính được tính toán với con

lũ thiết kế và được kiểm tra tương ứng khi xả lũ kiểm tra

* Tràn phụ:

Tràn phụ được xây dựng để cùng với tràn chính tháo được con lũ kiểm tra, đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối và vùng hạ lưu Tràn phụ chỉ làm việc khi con lũ xảy ra vượt quá lũ thiết kế Do số lần làm việc ít nên phần hạ lưu của tràn thường không được làm kiên cố, nghĩa là có thể chấp nhận xói ở hạ lưu đường tràn và tìm cách khắc phục lại sau mỗi lần làm việc Vì vậy khi thiết kế đường tràn phụ thường chỉ cần quan tâm đến an toàn của đập và bản thân ngưỡng tràn

* Tràn sự cố:

Tràn sự cố được xây dựng để tham gia tháo nước từ hò chứa khi đường tràn chính bị sự cố làm giảm năng lực tháo( kẹt cửa van…), hay khi xảy ra con

lũ vượt quá tần xuất quy định

Một cách tự nhiên, tràn sự cố cũng được sử dụng như một tràn phụ để giảm nhẹ quy mô của tràn chính Mặc dù vậy, giữa tràn sự cố và tràn phụ vẫn có những đặc điểm khác biệt về mục đính sử dụng, cách bố trí và kết cấu chi tiết

- Tràn tự động

- Tràn qua phần đập đất tự vỡ ứng với một mực nước hồ quy định Cơ cấu tự vỡ có thể được gia tải bằng nước hay có những đường dẫn xói riêng

- Tràn sự cố có cửa van tự động lật trục ngang

- Đập tràn có cửa mở nhanh: trên ngưỡng đập đặt hệ thống các tấm phẳn chán nước được tựa lên các cột đỡ Khi mực nước hồ vượt quá một giới hạn nhất định, hệ thống bản và cột đỡ bị gập nhanh xuống và đưa tràn vào trạng thái làm việc, tháo lũ nhanh

- Tràn qua phần đập được gây vỡ bằng nổ mìn định hướng

Câu 3: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các loại đập tràn Phân

tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến khả năng tháo Trong trường hợp nào phải nghiên cứu khả năng tháo bằng thí nghiệm mô hình

* Công thức: Từ 1 – 9 trang 9, 10 bải giảng tính toán thủy lực công trình tháo

nước - Nguyễn Văn Mạo

* Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng tháo: (Phân tích thêm đầy đủ trong

bải giảng tính toán thủy lực công trình tháo nước - Nguyễn Văn Mạo từ trang

11 – 21)

1 Đập tràn không cửa van:

a) Hình dạng mặt đập tràn:

b) Hệ số lưu lượng của đập tràn Creager

- ảnh hưởng của H/Htk

- Ảnh hưởng của hình dạng đập

- Tổ hợp ảnh hưởng của H/Htk và hình dạng đập với hiện tượng trộn khí

- Ảnh hưởng của chân không

- Ảnh hưởng của tuyến đập trên mặt bằng

- Một số vấn đề sử dụng đập tràn chân không

2 Đập tràn có cửa van:

a) Vị trí cửa van:

b) Hệ số lưu lượng qua đỉnh tràn có cửa van

* Khi nào phải thí nghiệm mô hình:

- Khi nghiên cứu công trình có dòng chảy lưu tốc cao (vượt quá 40m/s) trong các trường hợp này xuất hiện hàng loạt hiện tượng thủy lực đặc biệt Mạch động của dòng chảy xiết tác động vào đường biên của công trình có thể làm cho kết cấu thanh mảnh, (cửa van, tường ngực…) bị chấn động, bị phá hoại Cục bộ ở công trình phát sinh vùng áp thấp, xuất hiện chân không dẫn đến hiện tượng khí thực Dòng chảy có hiện tượng trộn khí, dòng chảy hỗn hợp ảnh hưởng đến kích thước công trình và các bộ phận tiêu năng trên đường dẫn xuất hiện các sóng xung kích Các vấn đề này liên quan mật thiết đến thiết kế hình dạng chi tiết công trình

- Theo tiêu chuẩn thiết kế đối với công trình quan trọng từ cấp 2 trở lên

- Đối với những công trình có những kết cấu khác với công trình tiêu chuẩn

- Khi trong thực tế các phần co hẹp bên khác với giả thiết tính toán dẫn đến một

số yếu tố (hệ số m…) thay đổi nên cần phải thí nghiệm để kiểm chứng

Câu 4: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các CTTN kiểu kín (xi

phông, giếng) Phân tích khả năng chịu được sự quá tải về lưu lượng của loại CTTN này

* Công thức: Từ 10,11 trang 10 bải giảng tính toán thủy lực công trình tháo

nước - Nguyễn Văn Mạo

* Phân tích khả năng chịu được sự quá tải về lưu lượng của loại CTTN:

Từ hình vẽ (tự vẽ theo bài phụ đạo)

- Trong đoạn oa là chảy không áp: khi Q tăng một lượng ∆Q tương đối lớn thì mực nước Z tăng một lượng ∆Z không lớn lắm Công trình an toàn

- Khi công trình nằm trong đoạn ab là đoạn chuyển tiếp từ chảy không áp sang chảy có áp mức độ an toàn của công trình là bình thường

- Đoạn bc chảy có áp đây là đoạn dẽ mất ổn định vì khi ta tăng lưu lượng Q một lượng nhỏ ∆Q thì mực nước ∆Z tăng một lượng khá lớn, nên dễ gây mất an toàn

1) Kiểu giếng:

Trang 26-27 bải giảng tính toán thủy lực công trình tháo nước - Nguyễn Văn Mạo

2) Kiểu xi phông:

Trang 28 bải giảng tính toán thủy lực công trình tháo nước - Nguyễn Văn Mạo

Câu 6

Có ở trang phụ

Câu 7: CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG KHÍ THỰC.

1 Làm đường biên công trình thoải.

Để tránh phát sinh khí hoá cần làm đường biên công trình đủ thoải để thoả mãn điều kiện (6-79) Ví dụ làm cửa vào cống xả sâu với các hệ số Ks, Kr lớn; khống chế độ gồ ghề cục bộ (Zm) trên bề mặt lòng dẫn; lượn tròn mép các khe van, bậc thụt, mố tiêu năng, tường phân dòng

Các biện pháp loại này thường dẫn đến kích thước công trình lớn, yêu cầu khống chế chất lượng thi công bề mặt lòng dẫn phải tốt

Trong một số trường hợp, nếu việc thoả mãn điều kiện (6-79) dẫn đến kích thước công trình quá lớn thì có thể xem xét phương án cho phép hình thành khí hoá nhưng khống chế ở giai đoạn đầu, khả năng xâm thực yếu hoặc không có Khi đó thay cho điều kiện (6-79), người ta chỉ khống chế :

Các bộ phận công trình có đường biên được thiết kế theo điều kiện này cần được định kỳ kiểm tra tình hình xâm thực và có thể sửa chữa khi thấy cần thiết

2 Lựa chọn vật liệu theo độ bền khí thực

Các giải pháp loại này chấp nhận sự phát sinh khí hoá tại những vị trí mà lòng dẫn có đường bao không thuận, như ở các khe van, mố tiêu năng, phân dòng, hay ở các khớp nối trên mặt lòng dẫn mà do lún không đều có thể tạo ra các gồ ghề cục bộ lớn hơn mức khống chế ban đầu

Vật liệu thành lòng dẫn tại các vi trí dự kiến có khí hoá cần được chọn theo tiêu chuẩn độ bền về khí thực Đối với vật liệu bêtông, khi lựa chọn độ bền của

nó có thể sử dụng các quan hệ như hình 6-51: Rb = f(Vng,S)

Ở đây Rb – cường độ bêtông (MPa);

Vng- lưu tốc ngưỡng xâm thực, lấy theo lưu tốc đặc trưng (VĐT) của từng loại vật chảy bao (xem mục II);

S - độ hàm khí trong nước Khi không có tài liệu tin cậy về trị số của S, để an toàn trong tính toán lấy S = 0

Hình 6-50 Trị số lưu tốc ngưỡng xâm thực

của các loại bê tông (tài liệu thí nghiệm của

MỤSỤ – Nga)

10 15 20 25 30 35

V (m/s) 10

20

30

40

R (MPa)

S=0 2%

4%

6%

8%

b

ng

3 Dẫn không khí vào vùng hạ áp.

Việc dẫn không khí trực tiếp vào các vùng bị giảm áp (phát sinh chân không) ở trong lòng dẫn có tác dụng làm hạn chế mức độ chân không, tăng độ hàm khí trong nước và do đó tăng được lưu tốc ngưỡng xâm thực (xem hình 6-51) Các sơ đồ tiếp khí vào dòng chảy như sau

a) Đối với buồng van (đặt ở các cống xả sâu) :

- Tiếp khí vào khoảng không phía trên dòng chảy thông qua ống dẫn khí chính (giếng không khí)

- Tiếp khí thẳng vào các vị trí có tách dòng như khe van, bán khe, ngưỡng đáy, bậc thụt Các ống tiếp khí loại này được bố trí ngầm trong thành bêtông của lòng dẫn, nối từ ống dẫn khí chính đến các vị trí dự kiến có tách dòng

b) Đối với dốc nước, đâp tràn

Các dốc nước, mặt đập tràn có dòng chảy lưu tốc cao thường được chủ động tiếp không khí vào dòng chảy để đề phòng khí thực Các sơ đồ tiếp khí như trên hình 6-52

a) Thông khí kiểu hở b) Thông khí kiểu kín

Hình 6-52 Các sơ đồ thiết bị không khí trên mặt tràn, dốc nước

a dạng mặt nghiêng ở đáy và thành bên ;

b dạng mặt nghiêng và bậc thụt ở đáy ;

ở dạng thông khí kiểu hở, thông khí sẽ tự động được hút vào nhờ các khoảng hở do tách dòng ở thành bên và đáy (hình 6-52a) ở dạng thông khí kiểu kín (hình 6-52b), cần bố trí các ống dẫn luồn từ thành bên xuống đáy lòng dẫn Cửa vào của các ống dẫn này được bố trí ở tường bên và trụ pin nếu có, ở vị trí cao hơn mực nước lớn nhất tại mặt cắt có bố trí ống

c) Đối với các mố tiêu năng, mố phân dòng

L

Z

L T

®

i= Z /L

A

A

L T L

Z

A - A

®

Z Z

Việc tiếp khí trong trường hợp này được tự động thực hiện nhờ ống dẫn nối với khí trời và có các lỗ thông ra mái của mố tiêu năng ở vị trí có chân không (hình 6-53)

Hình 6-53 Sơ đồ các mố phân dòng của

đường tràn Travắc – Nga.Có ống thông khí

tới miền chân không (d1 = 30 cm; d2 = 5 cm;

d3 = 18cm)

Hình 6-54 Sơ đồ mố tiêu

năng có các ống thông nước từ mặt trước ra mặt bên của mố

8 , 0 7 , 0 K

; 6 , 0 d

d

pg v

4 Dẫn nước vào vùng hạ áp

Ví dụ về giải pháp loại này như trên hình 6-54 Nước từ vùng áp lực dương

ở mặt trước được dẫn qua hệ thống cửa thông với vùng chân không trên các mặt bên Tỷ lệ tối ưu của đường kính cửa ra và cửa vào của các ống thông nước là:

dr /dv= 0,6

Câu 8 KẾT CẤU ĐIỀU KHIỂN DÒNG XIẾT TRÊN CTTN

8.1 Sự cần thiết bố trí các kết cấu điều khiển dòng xiết trên CTTN

- Bố trí công trình tháo phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa hình, địa chất

- Để bố trí phù hợp điều kiện thực tế, nhiều khi gặp các bài toán về:

+ Đổi hướng dòng chảy

+Mở rộng, thu hẹp mặt cắt

+Thay đổi hình dạng mặt cắt…

8.2 Các hiện tượng thủy lực bất lợi khi khi bố trí kết cấu dòng xiết không hợp lý

d 10 d

d

d

860

d

2

2 3

1

1

dr dv

- Khi tường ngoặt vào dòng chảy: hình thành tuyến sóng xiên (nơi có các thông số thuỷ lực thay đổi đột ngột)

- Khi tường ngoặt ra khỏi dòng chảy:

o Hình thành tuyến sóng xiên thoải

o Dòng chảy có thể tách khỏi thành rắn

Câu 9: Nêu các dạng đường biên của đoạn thu hẹp đáy phẳng, ưu nhược điểm

và điều kiện áp dụng của mỗi dạng Trình bầy nội dung tính toán các thông số thủy lực trên đoạn thu hẹp chảy xiết có đáy phẳng và tường bên gãy khúc

9.1 Các dạng thu hẹp đáy phẳng

- Tường bên gãy khúc (đơn giản nhất)

- Tường bên dạng cong liên hợp (với các bán kính R1, R2)

- Tường bên dạng đường cong không nhiễu

- Dạng thu hẹp hướng tâm (khi đập tràn tuyến cong)

9.2.Tính toán đoạn thu hẹp đáy phẳng và tường bên gãy khúc

- Các dạng nối tiếp dòng chảy trong đoạn thu hẹp

o Nối tiếp chảy xiết: dòng chảy xiết được duy trì trên toàn đoạn thu hẹp (chế độ làm việc ổn định)

o Nối tiếp có chuyển đổi trạng thái chảy từ xiết đến êm ( thông qua nước nhảy)

Đặc điểm: chế độ làm việc không ổn định, vị trí nước nhaỷ di chuyển , do đó rối loạn đường mặt nước phía sau

- Tính toán để đảm bảo nối tiếp ổn định

+ Bài toán : có B1, B2, h1, Q, i(độ dốc đoạn chuyển tiếp)

Yêu cầu: xác định chiều dài ĐCT (Lct) để đảm bảo chế độ chảy ổn định (nối tiếp chảy xiết)

+ Giải

- Giả thiết Lct

- Vẽ đường mặt nước trong ĐCT, xuất phát từ h1