Bài tập lớn Môn thủy lực công trình đại học thủy lợi

Họ tên sinh viên: Lớp: Số bài tập:Trên sông S sẽ xây dựng một đập tràn T để nâng cao mực nước lấy vào kênh chính K.. Xác định cao trình đỉnh đập tràn Zođ ứng với lưu lượng và mực nước th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN THỦY LỰC



BÀI TẬP LỚN

THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

NHÓM MT1

Hà Nội, 22 tháng 12 năm 2016

BÀI TẬP LỚN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

Sinh viên:

Lớp :

Mã SV :

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN THỦY LỰC

Họ tên sinh viên: Lớp: Số bài tập:

Trên sông S sẽ xây dựng một đập tràn T để nâng cao mực nước lấy vào kênh chính K Đầu và cuối kênh chính có một cống lộ thiên A để điều tiết lưu lượng và một bậc nước B

YÊU CẦU:

1 Xác định cao trình đỉnh đập tràn Zođ ứng với lưu lượng và mực nước thiết kế đập (QTK

và ZTK) Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn

Đập tràn hình cong không chân không Lưu lượng đơn vị cho phép đối với nền lòng dẫn sau đập là [q]

2 Xác định hình thức nối tiếp ở hạ lưu đập tràn với mọi cấp lưu lượng Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng Vẽ sơ đồ dòng chảy qua đập tràn

3 Thiết kế mặt cắt ngang kênh chính Kênh có mặt cắt ngang là hình thang cân, hệ số mái m và hệ số nhám n Lưu lượng thiết kế kênh là QK

TK Lưu lượng kiểm tra:

Qmin=k1.QK

TK và Qmax=k2 QK

TK Mặt cắt kênh thiết kế phải thỏa mãn hai yêu cầu sau:

0,3m/s < V < 1,5m/s và 3 <

o h

b

< 6

4 Tính toán và vẽ đường mặt nước trên kênh chính khi kênh dẫn lưu lượng thiết kế

Kênh chính dài 6km, cuối kênh là bậc nước.

5 Xác định cao trình đáy cống, số khoang cống và chiều rộng một khoang cống để khi mực nước trước cống là nhỏ nhất, cửa cống mở hết, cống lấy được lưu lượng thiết kế kênh Chênh lệch mực nước trước và sau cống là ΔZ Vẽ mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của cống

6 Xác định độ mở cống để lấy đươc lưu lượng thiết kế kênh ứng với mực nước sông thiết kế (các khoang cống có cùng độ mở) Nếu có nước nhảy sau cống, xác định các

độ sâu tại các mặt cắt trước và sau nước nhảy Vẽ sơ đồ dòng chảy qua cống

Zođ

ZTK

o

ĐẬP TRÀN T

Bậc nước B Kênh chính K

Cống A

Đập tràn T

T

Sông S

CÁC SỐ LIỆU CHUNG

1 Quan hệ Q~Z h ở ngay sau đập tràn:

Bảng 1

Q(m 3 /s) 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000

Zh (m) 21 22,3 23,5 24,6 25,54 26,47 27,16 27,67

2 Chiều rộng sông thượng lưu đập lấy bằng 1,3 lần chiều rộng toàn bộ đập (kể cả mố)

3 Lòng dẫn công trình tiêu năng sau đập có mặt cắt ngang là hình chữ nhật, chiều rộng bằng chiều rộng toàn bộ đập

4 Mỗi khoang đập có chiều rộng từ 10m đến 20m ; mố đập dày từ 2m đến 3m.

5 Mỗi khoang cống có chiều rộng từ 2m đến 4m ; mố cống dày từ 0,6m đến 0,8m.

6 Cao trình đáy cống lấy bằng cao trình đáy kênh

CÁC SỐ LIỆU GIAO CHO TỪNG SINH VIÊN:

1 Số liệu về đập tràn:

Bảng 2

[q] (m 2 /s) Zo1 (m) Zo (m) ZTK (m) QTK (m 3 /s)

2 Các số liệu về kênh chính và cống:

Bảng 3

QK

Ghi rõ họ tên SV, số bài tập, số liệu được giao vào đề bài và đóng đề bài vào đầu bài làm Hình vẽ trên giấy kẻ ô li A4.

Nộp bài đúng thời gian quy định.

3

HƯỚNG DẪN BÀI TẬP LỚN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

1 Xác định cao trình đỉnh đập tràn Z ođ ứng với lưu lượng và mực nước thiết kế

đập (Q TK và Z TK ) Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn.

1.1 Chọn loại đập : loại 1 (mtc=0,504) hoặc loại 2 (mtc=0,48) Chọn hình dáng đập (chọn α,

β, ℓ/PP1) Chọn hình thức mố (ξmố), chiều dày mố trụ (dmt) và mố bên(dmb), xem bảng số liệu chung

1.2 Xác định bề rộng sân tiêu năng sau tràn (Bs) số khoang (n) và bề rộng một khoang

tràn(b) theo hai công thức: Bs= nb+(n-1)dmt+2dmb và Bs ≥ Q qmax

Chọn bề rộng b= 10m đến 20m, n và Bs theo cách thử đúng dần

Qmax lấy theo bảng 1, [q] lấy theo số liệu của từng sinh viên

1.3 Xác định cột nước tràn thiết kế (HTK): Giả thiết chảy tự do: σn= 1 Bỏ qua Vo

3

2

2

















g b n m

Q H

oTK TK

Hệ số lưu lượng m= mtc.σhd.σH

Tra bảng xác định σhd = f(α, β, ℓ/PP1) σH = f(α, H/PHTK)

Bảng 14-7: Hệ số sửa chữa hình dáng σhd

α β l/P1

15

15 30 60

0,880 0,910 0,927

0,878 0,908 0,925

0,855 0,885 0,902

0,850 0,880 0,895

0,933 0,974 1,000

45 1530

60

0,915 0,953 0,974

0,915 0,950 0,974

0,911 0,950 0,970

0,919 0,956 0,978

0,933 0,974 1,000

75 1530

60

0,930 0,972 0,998

0,930 0,972 0,998

0,930 0,972 0,998

0,930 0,972 0,999

0,933 0,974 1,000

Bảng 14-8: Hệ số sửa chữa cột nước σH

tk

H

Tính đúng dần: Trước hết giả thiết ε < 1, tính gần đúng HTK;

Có HTK tính lại oTK

mt

nb

n 



2 , 0

 và tính lại HTK. Tính lại hai đến ba lần 1.4 Cao trình đỉnh tràn Zođ = ZTK - HTK Chiều cao đập P = Zođ - Zo và P1 = Zođ - Zo1

ZTK , Zo và Zo1 lấy theo bảng số liệu

1.5 Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn.

- Xác định tọa độ của đường cong mặt đập: X=x.HTK và Y=y HTK

Lập bảng quan hệ X ~ Y (Lấy Y= 0 ÷ P)

- Xác địnhtrị số bán kính nối tiếp R ở chân đập

- Vẽ đường cong mặt đập trong hệ tọa độ XOY

- Căn cứ vào giá trị P, P1, α, β, ℓ/PP1 vẽ nền, mặt đập thượng và hạ lưu

Bảng tính tọa độ đường cong mặt đập Bảng 14-6: Trị số bán kính nối tiếp R ở chân đập

tk

H

x

y

y 

Đập loại I Đập loại II

2 Tính toán tiêu năng ở hạ lưu đập tràn.

Chọn 5 cấp lưu lượng qua tràn từ Qmin= 1200m 3 /s đến Qmax= 4000m 3 /s.

Với mỗi cấp lưu lượng xác định 4 độ sâu: hh, hk, hc và hc’’

2.1 Xác định hh và vẽ quan hệ Q ~ hh

- Dựa vào bảng quan Q ~ Zh lập bảng và vẽ quan hệ Q ~ hh ( hh = Zh – Zo )

2.2 Xác định các độ sâu hk

- Xác định lưu lượng đơn vị q = Q/PBs ; tính hk =

3 /P 1 2













g q

2.3 Xác định hc và hc’’

- Tính đúng dần cột nước tràn

3 /P 2

2











g b n m

Q H

 ; (hh<P, chảy tự do, σn= 1) Giả thiết ε, σH, tính m= mtc.σhd.σH (σhd lấy theo mục 1.3) Tính gần đúng được Ho

Xác định lại ε và σH sau đó tính lại một lần giá trị Ho

- Xác định năng lượng đơn vị trước đập Eo = Ho+P

- Giải phương trình bậc 3 tìm hc: 0

2 2

2 2 3







g

q h E

h c o c

 ; Chọn nghiệm hc < hk

Hệ số lưu tốc φ = 0,9 ÷ 0.95

- Tính '' 0 , 5 ( 1 1 8 2 )

c c

h     với Fc2 =(hk/Phc)3

Kết quả tính toán ghi vào bảng tính nối tiếp:

Q(m 3 /s) q (m 2 /s) h h(m h k(m H o(m) Eo(m) h c(m) h c’’(m) h c’’- h h Hình thức nối tiếp

H(m)

30 4,5 7,5 9,7 11,0 12,4 13,5 14,7

40 4,7 8,4 11,0 13,0 14,5 15,8 17,0

50 4,8 8,8 12,0 14,5 16,5 18,0 19,2

60 4,9 8,9 13,0 15,5 18,0 20,0 21,0

5

ℓ

P1

Zo

Zo1

o α

β X

Y

R P

Zođ

) )

1200

Q TK

4000

Vẽ đồ thị quan hệ Q ~ (hc’’- hh), dựa vào đồ thị tìm (hc’’- hh)max và Qtn

- Vẽ sơ đồ dòng chảy qua đập tràn

3 Thiết kế mặt cắt ngang kênh chính.

3.1 Chọn tỷ số β trong khoảng từ 3 ÷ 6 ta có b= βho TK

Dựa vào công thức dòng đều trên kênh o R ho S o

n

A

2

Trong đó Ao= (β+m) (ho TK)2 Po=(β+2 1 m 2 )ho TK Rho=Ao/PPo

Q= QTK , m , n , So lấy theo bảng số liệu

- Biến đổi công thức (*) trở thành công thức trực tiếp tính độ sâu hoTK

- Có ho TK tính được b=β ho TK

3.2 Kiểm tra điều kiện bồi xói

Có bề rộng b, Qmin=K1QTK , Qmax=K2QTK , m , n , So lấy theo bảng số liệu, tính đúng dần

homin và homax

-vận tốc Vmin= Qmin/PAomin ; Vmax= Qmax/PAomax

Kiểm tra điều kiện bồi xói: Vmin ≥ 0,3m/s và Vmax ≤ 1,5m/s là được.

Nếu một trong hai bất đẳng thức trên không thỏa mãn, có nghĩa là kênh sẽ bị bồi hoặc xói, tỷ số β chưa hợp lý, phải chọn lại β và tính lại Vmin và Vmax sao cho thỏa mãn cả hai bất đẳng thức

3.3 Vẽ mặt cắt kênh thiết kế

4 Tính toán và vẽ đường mặt nước trên kênh chính

Số liệu tính toán: QTK, b, m, n, So, chiều dài kênh L= 6km.

4.1 Tính hk

2

3k 1

k

Q B

g A





 ; Ak = (b+mhk)hk; Bk = b+2hk 1 m 2 4.2 Vẽ định tính dạng đường mặt nước trên kênh chính

- Vẽ các đường NN và KK Giá trị hoTK lấy ở mục 3

- Điều kiện biên: độ sâu cuối kênh là hk < ho Vẽ định tính đường nước hạ M2

4.3 Tính toán và vẽ định lượng đường mặt nước trên kênh chính

- Theo đường nước hạ M2 độ sâu dòng chảy trên kênh chính giảm dần từ h ≈ ho ở đầu kênh đến h = hk ở cuối kênh Chọn trước 10 độ sâu: h10=hk , , h1=ho Có 9 đoạn kênh

- Tiến hành tính toán chiều dài dòng chảy giữa hai độ sâu gần nhau, bắt đầu từ đoạn 9 cuối kênh có độ sâu ở đầu là h9 và ở cuối là h10

3 /P 2 10

9

2 9 9

2 10 10

9

) (

5 , 0

2 2





















































hi i

TK i

nQ S

S S S

g

V h g

V h L

Các đoạn 8, 7, 6, tính toán tương tự Kết quả tính toán ghi vào bảng tính:

-Vẽ định lượng đường mặt nước:

Bắt đầu từ mặt cắt 10 với độ sâu h10 , xác định vị trí các mặt cắt 9, 8, 7, (mặt cắt cuối cùng có ΣΔL= 6km) rồi dựng các độ sâu tương ứng.

5 Xác định cao trình đáy cống, số khoang cống và chiều rộng một khoang cống

Cửa cống mở hết, cống làm việc như một đập tràn đỉnh rộng không ngưỡng, có co hẹp bên

Phụ lục 14-1 b: Hệ số lưu lượng của đập tràn đỉnh rộng không ngưỡng, có co hẹp bên

5.1 Xác định cao trình đáy cống: Zđc = Zmin - ΔZ - ho TK

Giá trị Zmin lấy ở bảng tính nối tiếp, mục 2.3, ΔZ lấy ở bảng số liệu, ho TKlấy ở mục 3.1 5.2 Xác định số khoang cống và chiều rộng một khoang cống (Tính đúng dần):

Chọn hình thức cửa vào (Vát xiên, lượn tròn )

- Cột nước tràn Ho ≈ H = Zmin - Zđc ; Độ sâu ngập hạ lưu hn = ho TK

- Xác định chế độ chảy: lập tỷ số hn/PHo so sánh với (hn/PHo)pg ≈ 0,8 để biết chế độ chảy Theo số liệu của đồ án đập chảy ngập

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)

9

8

7

10

9

8

7

h 10 (h k )

h 9

h 8

h 7

ΔL 9

ΔL 8

ΔL 7

ΔL 9

ΔL 9+8

ΔL 9+8+7

β =

B

b



b

a





b

0

0 0,320 0,350 0,353 0,350 0,320 0,342 0,354 0,360 0,320 0,340 0,345 0,350 0,2 0,324 0,352 0,355 0,352 0,324 0,345 0,356 0,362 0,324 0,343 0,348 0,352 0,4 0,330 0,356 0,358 0,356 0,330 0,349 0,359 0,364 0,330 0,347 0,351 0,356 0,6 0,340 0,361 0,363 0,361 0,340 0,354 0,363 0,368 0,340 0,354 0,357 0,361 0,8 0,355 0,369 0,370 0,369 0,355 0,365 0,371 0,373 0,355 0,364 0,366 0,369 1,0 0,385 0,385 0,385 0,385 0,385 0,385 0,385 0,385 0,375 0,385 0,385 0,385

7

Cửa van

h = h

o TK

Zmin

h

Z

Zđc

- Công thức tính toán: . 2 ( )

h H g h

Q b

n

o n

K TK





 ; với b = 2m ÷ 4m

Tìm n và b khi bỏ qua độ cao hồi phục Z2

- Giả thiết Z2=0 ; h ≈ hn = ho TK

- Giả thiết hệ số lưu lượng m theo phụ lục 14-1, tìm φ n theo quan hệ m ~ φ n

- Tính nb theo công thức, chọn n và b sao cho b= 2m ÷ 4m

- Có n và b, lập tỷ số  nb/PB k nb/Pb k ; (B là bề rộng trung bình của mặt cắt ướt

trước cống), tra phụ lục 14-1 tìm được m và tra quan hệ m ~ φn tìm được φn

- Tính lại b theo công thức

Tìm lại b khi xét đến độ cao hồi phục Z2

kênh oTK

k TK h

n

k TK h

h

mh b

Q V

nbh

Q V g

V V V Z











(

;

; ) (

- Tính lại h = hn – Z2 = ho TK – Z2

- Tính lại b theo công thức

5.3 Vẽ mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của cống

Khi mực nước trong

sông là ZTK để lấy được

lưu lượng thiết kế, cửa

cống phải hạ xuống với

độ mở a

6.1 Xác định chế độ chảy

- Giả thiết chảy tự do

- Tính hk trong thân cống: ( /P )

3 /P 1 2

nb Q q g

q

TK













- Giải phương trình bậc 3 tìm hc: 0

2 2

2 2

g

q h H

 ; Chọn nghiệm hc < hk

Ho ≈ H = ZTK – Zđc ; Hệ số lưu tốc φ ≈ 0,9 ÷ 0,95

- Tính hc’’ theo công thức nước nhảy

- So sánh hc’’ với hh = hoTK để xác định chế độ chảy

6.2 Xác định độ mở cống

- Nếu cống chảy tự do, giá trị hc tính được ở trên là đúng, lập tỷ số hc/PH, tra bảng tính cống tìm tỷ số a/PH và tính được a= (a/PH)*H

- Nếu chảy ngập, tính đúng dần độ sâu hz theo công thức:

3 2 0

2

















h

k h o

z z

h

h h B g q A

B h H A

- Tính độ sâu hc theo công thức cống hở: . . 2 ( )

z o

k TK c

h H g b n

Q h







- Lập tỷ số hc/PH, tra bảng tính cống tìm tỷ số a/PH và tính được a=(a/PH)H

6.3 Vẽ sơ đồ dòng chảy qua cống

- Xác định hình thức nối tiếp dòng chảy sau cửa cống:

hc

a

Z

TK

Cửa van

Ho

hh= hoTK C

C

Nếu cống chảy ngập, nối tiếp bằng nước nhảy ngập.

- Dựa vào hình thức nối tiếp để vẽ sơ đồ dòng chảy

Bảng tính cống hở

a/PH 0 0,10 0,15 0,20 0,25 0,3 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60

9

SỐ LIỆU BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

Giao cho từng sinh viên nhóm: N4

TT Họ và tên sinh viên (m[q]3 /s.m) Z TK

(m 3 /s)

Ghi chú

8 Nguyễn Thị Phương Hà 41.7 39.8 2070 0,5 0,014 45.7

13 Phạm Thị Thu Hoài(NH) 42.2 40.3 2120 1,75 0,019 46.2

15 Trình Thị Khánh Huyền 42.4 40.5 2140 0,5 0,014 46.4

23 Lại Thị Phương Linh 43.2 41.3 2220 0,75 0,015 47.2

28 Nguyễn Thị Hương Quỳnh 43.7 41.8 2270 2 0,020 47.7

37 Phạm Sơn Tùng 44.6 42.7 2360 0,75 0,015 48.6

11