Bài giảng Công trình thủy nâng cao: Chương 6 - PGS.TS. Nguyễn Thống

Bài giảng Công trình thủy nâng cao - Chương 6: Đường hầm thủy công, giếng điều áp cung cấp cho người học các kiến thức tổng quát về đường hầm thủy công và giếng điều áp, hiện tượng dao động mực nước trong công trình điều áp, cấu tạo công trình điều áp. Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

4/26/2016 1

PGS TS NGUYỄN THỐNG

Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr

Web : http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/index

Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 4/26/2016 2

NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1: Thấm qua cơng trình

Chương 2: Áp lực khe rỗng

Chương 3: Đập vật liệu địa phương

Chương 3a: Mơ phỏng Monte Carlo áp

dụng trong đánh giá ổn định mái dốc

Chương 4: Đập bê tơng trọng lực Chương 4a: Đập bê tơng đầm lăng (RCC)

PGS Dr Nguy?n Th?ng

NỘI DUNG MƠN HỌC

Chương 4b: Bài tốn toả nhiệt 3D

Chương 5: Phân tích ứng suất trong đập

bê tơng khi xảy ra động đất

Chương 6: Đường hầm thủy cơng -

Giếng điều áp

Chương 7: Đường ống áp lực – Nước va

trong đường ống

CơNG TRìNH THủY NâNG CAO

PGS Dr Nguy?n Th?ng

NỘI DUNG THỰC HÀNH

1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính nước va trong đường ống áp lực

WaterHammer_BK

2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính khuếch tán nhiệt 3D trong bê tơng thủy cơng

3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm mơ phỏng Monte Carlo ứng dụng trong tính

ổn định mái dốc đập vật liệu địa phương

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thủy công – Tập 1 Trường ĐHXD T/g

Nguyễn Xuân Đặng

2 Cơ học đất – Trường ĐHTL

3 Phần mềm SIGMA

4 Phần mềm SLOPE

5 Phần mềm SEEP

6 Phần mềm Crystal Ball

Tài liệu download tại địa chỉ Web:

Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong

CƠNG TRÌNH ĐIỀU ÁP

1 Tổng quát

2 Hiện tượng dao động mực nước trong cơng trình điều áp (CTĐA)

3 Cấu tạo CTĐA

PGS TS Nguyễn Thống

Chương 7 : Giếng điều áp

Trang 2

4/26/2016 7

TỔNG QUÁT

SỬ DỤNG PHỔ BIẾN TRONG DỰ

ÁN THỦY ĐIỆN KIỂU ĐƯỜNG

DẪN

 Hiện tượng nước va  Thay đổi

áp suất lớn trong đường dẫn

(đường hầm, đường ống áp lực)

Chöông 7 : Giếng điều áp

TỔNG QUÁT Mục đích:

- Giảm áp lực nước va trong đường ống áp lực

- Loại bỏ áp lực nước va trong đường hầm

TỔNG QUÁT

 Giếng (tháp) điều áp

 Bể áp lực

Giếng điều áp được sử dụng khi đường dẫn

nước loại có áp (đường hầm)

Bể áp lực được sử dụng khi đường dẫn

nước loại không áp (kênh dẫn)

Công trình được bố trí ở vị trí cuối đường

dẫn nước (đầu đường ống áp lực)

COÂNG TRÌNH THUÛY NAÂNG CAO

D=3,5m, L=9065m i=0,0061

Đường hầm

Đường ống AL

Q

CÁC LOẠI GIẾNG ĐIỀU ÁP

Trang 3

4/26/2016 13

ĐƯỜNG CỘT NƯỚC ĐO ÁP H

Q

Q p/γ

p: áp suất nước tại vị trí xét

z Mặt chuẩn o- o

H

HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC GiẾNG

Hồ chứa

Mực nước tỉnh

Đường hầm s (m2)

Giếng

S (m 2 )

z

t

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

G0 G1 Z(t)

Zmax

R R’

NM

L

W (m/s)

V(m/s)

Q

Chú ý :

• s : tiết diện hầm

• S : tiết diện giếng điều áp

• L : chiều dài hầm

• z : mực nước giếng tại thời điểm t Quy

ước chiều dương hướng lên và trên mực

nước tỉnh

• w, v : vận tốc TB trong hầm và giếng tại t

MỤC ĐÍCH TÍNH

1 Xác định kích thước giếng (S)  xác định D nếu nó là giếng hình trụ

2 Xác định mực nước cao nhất trong giếng khi có nước va dương  xác định cao trình miệng giếng  Nước KHÔNG bị tràn ra ngoài

Trang 4

4/26/2016 19

MỤC ĐÍCH TÍNH

3 Xác định mực nước thấp nhất

trong giếng khi có nước va âm

 Cao trình đáy đường hầm

(đáy giếng) tại vị trí giếng điều

áp  Tránh hiện tượng không

khí đi vào đường ống áp lực

KHẢO SÁT DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC TRONG GIẾNG KHI CÓ NƯỚC VA

SƠ ĐỒ LÝ TƯỞNG (không mất năng lượng)

Giả thiết:

• S hằng số (giếng điều áp hình trụ)

• Thể tích hồ TL là rất lớn (MN không đổi

khi có nước va)

• Bỏ qua tổn thất năng lượng trong đường

hầm và giếng

• Lưu lượng Q0 giảm về 0 (nước va dương)

là tức thì

SƠ ĐỒ LÝ TƯỞNG

Phương trình thiết lập với :

- Luật Newton 2: F=ma

- Luật bảo toàn khối lượng vật chất (phương trình liên tục)

 Khảo sát khối chất lỏng giới hạn bởi G0 và G1(trong đường hầm)

XÁC ĐỊNH TỔNG NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN G 0 G 1

Hồ chứa

Mực nước tỉnh

Giếng

S (m 2 )

z

t

G0 G1

z

Zmax

R R’

L (H-z)

Q

KHỐI CHẤT LỎNG

XEM XÉT TÍNH F

VỊ TRÍ XÉT PT LIÊN TỤC

H

Phương trình Newton (theo trục đ/hầm) : (1)

Phương trình liên tục : (2)

(w và z là 2 ẩn số)

0









dt

dw g

L dt

dw sL g

zs 



dt

dz S Sv

sw  

F

m

Thể tích nước ra khỏi đường hầm

Thể tích nước vào giếng

Vận tốc TB nước trong hầm

Trang 5

4/26/2016 25

Từ (1) & (2):

Với

Lời giải của phương trình vi phân trên có dạng:

Đây là chuyển động điều hoà có biên độ không

đổi Z m và tần số 

0

2 2

2









dt

z d z

dt

z d s

S g

(3)

LS

gs





Chu kỳ :

Xác định biên độ chuyển động Zm sẽ dựa vào nguyên lý sau :

 Thế năng khối chất lỏng (trong giếng)

khối chất lỏng trong đường hầm

s

S g

L

T  2 

Q

W (m/s)

Từ đó:

2 0

2

1 2

g

Z S

Zm m 

S

s g

L w



Thế

XÁC ĐỊNH 

Trong sơ đồ lý tưởng 

Không có mất năng lượng 

Tại t=0, MN giếng = MN tỉnh

 Z =0

0 = Zmsin(  )   = 0

Tóm lại: z = Zmsin(  t)

Ví dụ 1 : Cho hệ thống với các thông số : L=10km, s=10m2, S=100m2, w0=2m/s Tính T và biên độ dao động nước trong giếng Zmax Lấy g=10m/s2

Lời giải : T=10’28’’, Zmax=20m.

Trang 6

4/26/2016 31

• Ví dụ 2 : Tương tự trên với :

• Ví dụ 3 : Một hệ thống có các thông

15m

Hồ chứa

MN tỉnh

Đường hầm

z

x

G0 G

1

z

Z max

R R’

NM

HỆ THỐNG THỰC

• Phương trình động lực: Theo phương X

Fx =max (4)

Với

L chiều dài; s tiết diện hầm γ trọng lượng

đơn vị nước, g gia tốc trọng trường

Fx = Lực tỉnh (F1) + Lực ma sát (F2)

Ls

m

g





F 1 =γs(z-dh g -dh v ) : lực thuỷ tỉnh

: mất năng lượng cục bộ giếng

: mất năng do mở rộng đột ngột

: lực tương đương với h *

w

: mất năng tổng trong hầm

g g

V V dh

2g





h h V

V V dh

2g



*

F   sh

*

w L c

Từ đó:

Gọi:

Trong đường hầm:

(Z theo chiều từ trên xuống)

h h h h h h h h

*

L

h

*

h  h  dh  dh

 

h

w h

dV g

z h

dt  L 

PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC Nguyên lý bảo toàn khối lượng:

Qtuabin.dt = Vh s.dt + S.dz

đường hầm giếng điều áp

 tuabin h 

dz 1

dt  S 

h h

Q V s

g

Q V S



Lưu lượng vào giếng Lưu lượng

ra hầm

Lưu lượng qua đường ống

áp lực

Trang 7

4/26/2016 37

Giả thiết:

(biên thiên tuyến tính Qtuabin)

Nếu chọn chiều (+) hướng lên, phương

trình (6) là:

(6*)

Và phương trình (2) sẽ là:

(7*)

max tuabin max

van

Q

T

  

h

w h

z h

 tuabin h 

Với 2 ẩn số z (mực nước giếng) và Vh (vận tốc dòng chảy trong hầm) sẽ xác định được với 2 phương trình (6)* và (7)*

Tuy vậy vì nó là phi tuyến do đó trong thực

tế thường dùng phương pháp số (ví dụ sai phân hữu hạn) để giải

Điều kiện D Thoma- Jaeger : Đó là điều kiện để

dao động mực nước trong giếng là TẮT DẦN :

• H 0 =H-h 0 : cột nước tác dụng (A 0 B 0 ) h 0 :mật

năng lượng trong hầm

0

0 0

2

) / 482 , 0 1 (

gcH

H z Ls

F

F  pg 

5 , 0

2 / ) /

(giải lặp !!!!)

Điều kiện D Thoma :

• H 0 : cột nước tác dụng (A 0 B 0 )

• h 0 mất năng lượng trong đường hầm với V h

0 0

2

2 gH h

Ls V F

pg



g V D L

h0  (  /   ). h2/ 2

Bài tập 1 : Tính đường kính tối thiểu của

giếng để dao động mực nước là tắt dần

theo Thoma và theo Thoma-Jaeger

(g=9,81m/s2):

 =0,005,  =0,8

b Vh =3.5m/s, L=8km, d=3m, H0=400m,

 =0,006,  =1,5

(xem Excel  Thoma)

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN

Sai phân hiện

 Sai phân ẩn

Trang 8

4/26/2016 43

PHƯƠNG PHÁP

SAI PHÂN HIỆN

Phương trình liện tục

 dạng sai phân hiện:

* F

t z

z tuabin ham hamt

gieng

t ham 1

t ham     

 tuabin h 

dz 1

dt   S 

Phương trình động lực

 dạng sai phân hiện:

 z h  ( 1 ) L

t g V

ham

t

ham

1

t

 

h

w h

Nhận xét:

Với sơ đồ hiện, 2 ẩn số sẽ được giải trực tiếp từ các phương trình (1) & (2)

PHƯƠNG PHÁP

SAI PHÂN ẨN

HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN Phương trình động lực

] 1 [ ) h z ( L

g dt

w ham

T(s)

Z(m)

0

Cao trình mực nước giếng so với MC Vận tốc TB

nước trong hầm

Trang 9

4/26/2016 49

HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

Phương trình liên tục

Với:

] 2 [ ) F V Q

( F

1

dt

dz

ham ham tuabin

gieng





T(s) Z(m)

0

ham ham

ẨN SỐ BÀI TOÁN  vận tốc dòng chảy trong hầm

 cao độ mực nước giếng

ham

V z

HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN TRƯỜNG

HỢP CHỌN z HƯỚNG LÊN

] 1 [ ) h z ( L

g dt

w ham

T(s)

Z(m)

0

HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN TRƯỜNG

HỢP CHỌN z HƯỚNG LÊN Phương trình liên tục

Với:

] 2 [ ) F V Q

( F

1 dt

dz

ham ham tuabin

gieng







T(s) Z(m)

0

ham ham

PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN

w t 1

t ham

t ham 1

t

ham

h z ) 1 ( z

L

g

t

V



















PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN Phương trình động lực

 ( 1 ) z h  [ 3 ] L

t g

V z

L

t g V

ham w t ham

t ham 1

t ham

1 t ham

















Trang 10

4/26/2016 55

 tham số sai phân theo

Preissmann

 sơ đồ sai phân hoàn

toàn ẩn

 2 / 3  1 





1





PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN Phương trình liên tục

* F

1 t

z z

t ham 1

t ham ham

tuabin

gieng

t ham 1

t ham













Phương trình liên tục

* F

t z

V F

t F

z

t ham ham

tuabin

gieng

t ham 1

t ham gieng

ham

1

t

ham



















Nhận xét:

Với sơ đồ ẩn, 2 ẩn số sẽ được giải từ hệ 2 phương trình (3) & (4)

Giải hệ phương trình [3] & [4]

cho phép xác định:

 Z t+1

 V ham t+1

Bài tập 1 :Dùng sai phân theo sơ

đồ hiện cho hệ p/t trình 6* &

7* Áp dụng giải cho số liệu sau với bước thời gian dt=1.0s Lập bảng tính cho 10 bước thời gian dt.

Trang 11

4/26/2016 61

Lập bảng xác định mực nước giếng Z theo

thời gian (20dt) Số liệu áp dụng (nước va

dương):

• Q 0 = Q max =48 m 3 /s,

• T van =6s, dt=1.0s

• d h =4m

• d g =8m

• L h =800m

• Mất năng lượng lấy gần đúng:

V

* d

L

* 02 0 dh

2

h h



Bài tập 2 : Dùng phương pháp sai phân hiện, giải hệ phương trình [1] & [2] để xác định z &

V theo thời gian t với dt=6”,

mơ phỏng trong 15’ Xác định mực nước thấp nhất trong giếng

Số liệu áp dụng (nước va âm):

• Q=0  Qmax=75 m3/s

• Tmovan=12”

• Zt=0 =0m

• dh=5m

• dg=20m

2 h

L 8.10

2

10

*

.





Bài tập : Dùng Excel với sơ đồ sai phân hiện, giải sự dao động mực nước trong giếng với các tham số như sau

(Xem Excel  GiengDieuAp-NuocVa.xls)

1 Thông số ban đầu

Trường hợp tính nước va (1: n/va duong;

Thời gian đóng van tuabin T : 10 (s)

Lưu lượng qua NM khi bắt đầu đóng (mở)

Vận tốc nước trong đường hầm tại t=0 9.47 (m/s)

Lưu lượng qua NM ổn định sau khi đóng

(mở) van : 172 (m 3 /s)

Lưu lượng MAX theo điều kiện tuabin : 172 (m 3 /s)

Chiều dài đường hầm : 9065 (m)

Đường kính đường hầm : 3.4 (m)

Diện tích mặt cắt ngang đường hầm : 9.08 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D1: 7.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S1: 38.48 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D2: 7.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S2: 38.48 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D3: 15.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S3: 176.71 (m 2 ) Cao độ đáy tháp điều áp 512.0 m

Trang 12

4/26/2016 67

Mức nước trong giếng điếu áp trước khi xãy

ra nước va 595.0 m

MNDBT (m) : 605.0 m

Đường kính cổ giếng 3.4 m

Tiết diện cổ giếng 9.08 (m 2 )

Mức nước trong giếng điếu áp ổn định sau

khi xãy ra nước va 595.0 m

Vận tốc nước trong đường hầm ổn định sau

2, Tổn thất năng lượng cột nước H/số tổn thất đường dài + cục bộ

cửa vào và trong hầm:

Tổng các hệsố tổn thất cục bộ trên đường hầm 3.0 0.15 Hệ số tổn thất cục bộ cửa vào

đường hầm áp lực : 0.8 0.04 Hệ số tổn thất đường dài QP 1-75 Δ 

0.00

4 2.33 H/số tổn thất cục bộ vị trí nối

đ/hầm và giếng : 1 Hệ số cột nước lưu tốc 1 Hệ số tổn thất đường dài 3.25

Thông số khác

Hệ số nhám trong đường hầm : 0.017

Độ dốc đường hầm 0.007

Bước thời gian trong sai phân (s) 1.0 (s)

Gia tốc trọng trường g ( m/s 2 ) : 9.81 (m/s 2 )

3, Trường hợp tính toán Nước va dương Mực nước thượng lưu 580 m Lưu lượng ban đầu qua NM 32.7 (m 3 /s) Lưu lượng sau khi đóng van 0 (m 3 /s) Nước va âm Mực nước thượng lưu 541.7 m Lưu lượng ban đầu qua NM (1 tổ

máy) 16.4 (m 3 /s) Lưu lượng sau khi mở van 32.7 (m 3 /s) PGS TS Nguyễn Thống

530

540

550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440

T (s)

Z(m) nước va dương

Z(m) nước va âm Mực nước tỉnh

Z max (m) 14.70 Zmin (m) -48.72

MNCN (m) 619.70 MNTN (m) 546.28

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	0,97 MB