Tính toán khí thực công trình tháo nước TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC ĐỀ SỐ 12 I Đề Tài liệu ban đầu - Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ hình 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 = 0,25 - Vật liệu thân dốc: BTCT M200 - Độ nhám bề mặt: n = 0,017 (∆ = 0,5 mm) - Gồ ghề cục khớp nối (dự kiến): Zm = 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: QTK = 520 m³/s - Độ sâu đầu dốc: hd = 3,16 m - Hình thức tiêu cuối dốc: mũi phun Yêu cầu - Kiểm tra khả khí hóa dòng chảy dốc vị trí khớp nối tháo Q TK - Kiểm tra khả khí thực dốc - Thiết kế phận tiếp khí để phòng khí thực (nếu có) II Tính toán Kiểm tra khả khí hóa dòng chảy dốc tháo lưu lượng thiết kế 1.1 Vẽ đường mặt nước dốc Dùng phương pháp sai phân, xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước mặt cắt cách thử dần theo phương trình: ∆L = ∆E i − J TB Trong đó: Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước ∆L: Khoảng cách (theo phương ngang) mặt cắt tính toán V22 V12 ∆E = E2 – E1 ; E = h2 + ; E1 = h1 + 2g 2g h1; h2 : Độ sâu tương ứng mặt cắt (đầu đoạn) (cuối đoạn) V1; V2: Lưu tốc bình quân mặt cắt i: Độ dốc đáy dốc JTB = (J1 + J2)/2 J1; J2: Độ dốc thủy lực mặt cắt Kết tính toán vẽ đường mực nước bảng Ghi công thức tính toán Bảng h: Độ sâu mực nước dốc (Giả thiết) χ: Chu vi ướt mặt cắt tính toán; χ = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật) ω: Diện tích mặt cắt ướt; ω = B.h R: Bán kính thủy lực; R = ω/χ C R= 1/ R R n V: Vận tốc dòng chày đoạn tính toán ; V = Q/ω J: Độ dốc thủy lực; J = Học viên: Phạm Quang Mạnh V2 C2R Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Bảng 1: Kết tính toán vẽ đường mực nước dốc MC h (m) χ (m) ω (m²) R (m) C R V (m/s) J JTB i - JTB E ∆L L 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 10 3,16 1,92 1,57 1,39 1,28 1,20 1,14 1,10 1,07 1,05 26,32 23,84 23,15 22,78 22,56 22,40 22,29 22,21 22,15 22,10 63,20 38,39 31,50 27,84 25,55 24,00 22,89 22,07 21,46 20,99 2,40 1,61 1,36 1,22 1,13 1,07 1,03 0,99 0,97 0,95 105,48 80,82 72,23 67,23 63,92 61,59 59,87 58,58 57,60 56,83 8,23 13,54 16,51 18,68 20,35 21,67 22,72 23,56 24,24 24,78 0,01 0,03 0,05 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,19 11 1,03 22,06 20,63 0,93 56,24 25,21 0,20 0,20 0,054 33,43 1,09 20,00 200,00 0,02 0,04 0,06 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,18 0,233 0,210 0,185 0,161 0,137 0,116 0,097 0,081 0,066 6,61 11,27 15,47 19,17 22,39 25,13 27,46 29,40 31,01 32,34 ∆E 4,66 4,20 3,71 3,21 2,75 2,32 1,94 1,61 1,33 1.2 Xác định hệ số khí hóa phân giới Với giả thiết khớp nối lún không đoạn phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Z m = mm, góc α = 90o Khi hệ số khí hóa phân giới (tính cho trường hợp bất lợi bậc lồi) là: K pg = 0,125.α 0,65 = 2,33 1.3 Xác định hệ số khí hóa thực tế mặt cắt tính toán Hệ số khí hóa xác định theo công thức: K= H ĐT − H pg V ĐT 2g Trong đó: HĐT: Cột nước áp lực toàn phần đặc trưng dòng chảy; HĐT = Ha + h.cosψ h: Độ sâu nước mặt cắt tính toán Ha: Cột nước áp lực khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước mặt cắt tính toán Zmn = Zđáy + h ψ: Góc nghiệng đáy lòng dẫn so với phương ngang Hpg: Cột nước áp lực phân giới Ứng với nhiệt độ T = 25 o tra Bảng 2.2 Tiêu chuẩn 14TCN 198:2006 Hpg = 0,32 m VĐT: Lưu tốc đặc trưng vị trí có mấu gồ ghề thuộc đoạn khác dòng chày xác định theo công thức: V ĐT = V y = VTB ξ1 ξ ϕV VTB: Lưu tốc trung bình mặt cắt ϕV: Hệ số biểu thị quan hệ lưu tốc trung bình lưu tốc lớn dòng chảy chiều dày lớp biên dạng mặt cắt ngang dòng chảy cho Với dòng không áp mặt cắt ngang hình chữ nhật có bề rộng B độ sâu nước h, ϕV xác định theo công thức: Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước     δ  B + 2h  δ δ   ϕV =  ln +  − ln − 5  ( h − δ )( B − 2δ ) + δ  Bh  δ  ∆ ∆   ln +  ∆   ∆: Chiều cao nhám tương đương bề mặt Ứng với mặt bê tông với ván khuôn kim loại ∆ = 0,5 ÷ 1,0 mm; Chọn ∆ = 0,5 mm Sử dụng biểu đồ Hình 2.6 14TCN 198:2006 xác định ξ1; ξ2; δ Kết tính toán ghi bảng Từ kết cho thấy từ mặt cắt đến mặt cắt 11 mặt cắt có K < Kpg = 2,33 Vậy mặt cắt có khí hóa dòng chảy Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Bảng 2: Kết tính toán kiểm tra khả khí hóa mặt cắt tính toán MC h (m) 10 11 3,08 1,75 1,42 1,25 1,15 1,08 1,03 0,99 0,97 0,95 0,93 Zmn (m) 303,08 295,95 289,82 283,85 277,95 272,08 266,23 260,39 254,57 248,75 242,93 Học viên: Phạm Quang Mạnh Ha (m) 9,98 9,98 9,99 10,00 10,00 10,01 10,02 10,02 10,03 10,04 10,04 HĐT (m) 12,93 11,66 11,35 11,20 11,10 11,04 11,00 10,98 10,96 10,95 10,94 L* (m) 30,00 50,00 70,00 90,00 110,00 130,00 150,00 170,00 190,00 210,00 230,00 L*/∆ (104) 6,00 10,00 14,00 18,00 22,00 26,00 30,00 34,00 38,00 42,00 46,00 δ/∆ (103) 0,79 1,28 1,80 2,27 2,70 3,10 3,44 3,90 4,42 4,95 5,24 δ (m) 0,40 0,64 0,90 1,14 1,35 1,55 1,72 1,95 2,21 2,47 2,62 ξ2 (10-3) 1,48 1,15 1,02 0,97 0,94 0,92 0,91 0,89 0,87 0,86 0,85 ξ1 ϕv 230 230 230 230 230 230 230 230 230 230 230 0,940 0,871 0,806 0,746 0,691 0,641 0,598 0,549 0,497 0,449 0,420 VĐT (m/s) 4,92 8,26 10,33 12,40 14,35 16,28 18,11 20,25 22,73 25,49 27,52 K 10,209 3,265 2,030 1,387 1,028 0,794 0,639 0,510 0,404 0,321 0,275 Khả khí hóa Không có Không có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Kiểm tra khả khí thực dốc Khi khí hóa trì thời gian đủ dài dòng chảy có lưu tốc cục đỉnh mấu gồ ghề VĐT > Vng thành dốc nước có khả bị xâm thực Trị số lưu tốc ngưỡng xâm thực V ng vật liệu bê tông phụ thuộc vào độ bền nén vật liệu (Rb)và hệ số hàm khí nước S Ứng với bê tông bề mặt lòng dẫn có R b = 20 Mpa; độ hàm khí nước S = 0, tra đồ thị Hình 1.12 – Tiêu chuẩn Việt Nam – 14TCN 198:2006 Vng = m/s Từ giá trị VĐT Bảng cho thấy - Từ mặt cắt đến mặt cắt có VĐT < Vng ⇒ không bị xâm thực - Từ mặt cắt đến cuối dốc có VĐT > Vng ⇒ có khả xâm thực Bằng nội suy từ biểu đồ lưu tốc V ĐT dọc theo dòng chảy, xác định mặt cắt có VĐT = Vng = m/s mặt cắt B cách đầu dốc khoảng LB = 27,19 m Đoạn từ mặt cắt B đến cuối dốc cần có biện pháp bảo vệ chống khí thực Thiết kế phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực 3.1 Bố trí BPTK dốc Theo tính toán mục đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 27,19 m) cần bảo vệ chống khí thực Để đảm bảo an toàn cho thân dốc, bố trí phận tiếp khí sau: - BPTK1 đặt mặt cắt M1, cách đầu dốc 30 m - BPTK2 đặt mặt cắt M2, cách đầu dốc 80 m - BPTK3 đặt mặt cắt M3, cách đầu dốc 140 m Với phương án bố trí nêu, từ Bảng ta có thông số thủy lực mặt cắt có bố trí BPTK sau: Bảng 3: Thông số tính toán phận tiếp khí Vị trí BPTK1 BPTK2 BPTK3 L (m) 30 80 140 Lp (m) 50 60 60 h (m) 1,58 1,15 0,99 V (m/s) 15,59 21,31 24,57 Fr 15,65 40,42 61,96 Fr 3,96 6,36 7,87 3.2 Tính toán phận tiếp khí 1: Hình 2: Bố trí mũi hắt BPTK Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước B1 Xác định chiều cao mũi hắt Zm theo công thức: Z m = L p cos 2ψ 25( Fr − 1) Trong đó: + Lp: Chiều dài cần bảo vệ sau BPTK, Lp = 50m + ψ: Góc hợp bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang; ψ = 16,170 + Fr: Số Froud ; Fr = v2 (mặt cắt hình chữ nhật); Fr = 15,65 gh Thay vào công thức tính Zm ta có: Z m = L p cos 2ψ 25( Fr − 1) = 0,57 B2 Chọn độ nghiêng mũi hắt: Sơ đồ bố trí mũi hình Giả thiết chiều dài mũi Lm; điều kiện để chọn chiều dài mũi hợp lý: Zm 1 = ÷ Lm Chọn chiều dài mũi Lm = 3,0m Với độ dốc dọc tgψ = 0,29 ta có: Z1 = 3,0*0,29=0,87 m Z2 = Zm – Z1 = 0,57 – 0,87 = -0,30 m tgθ = Z −0,30 = = −0,10 => θ = -5,680 ( mũi dốc thuận) Lm 3, B3 Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt: Theo công thức (4-2) Trang 47 - 14TCN 198:2006 ta có: Lb =  2.Z m h  Zm cos(ψ − θ)  + Fr  Fr sin θ + Fr sin θ + cos ψ   cos ψ  h cos ψ  h  Với h = 1,58m, Zm = 0,57 ; Fr = 15,65; Fr =3,96; sin θ =sin(-5,680) = -0,565; cos ( ψ - θ ) =0,928 Thay số vào ta Lb= 3,93m B4 Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp: qa = 0,033.V.Lb (công thức 4-3 trang 47) Trong đó: + V = 15,59 m/s + Lb = 3,93m ⇒ qa = 2,02 m3/s.m B5 Tính lưu lượng khí tổng cộng: Qa = qa.B = 2,02*20 = 40,39 m3/s Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước B6 Tính diện tích tổng cộng mặt cắt ngang ống dẫn khí: ωa = Qa Va Va: Lưu tốc khí khống chế ống; Va ≤ 60 m/s Chọn Va= 50 m/s, ta có ωa = 0,81m2 Bố trí ống cấp khí tường bên đường tràn Bố trí kích thước ống nhau, diện tích tối thiểu ống phải là: ω a1 = ωa = 0,40 (m2) B7 Chọn kích thước ống: Ba x ta = 1,0m x 1,0 m ( ω a1= 1,0m2) Trong đó: + Ba: Cạnh mặt cắt ngang ống theo chiều dài dòng chảy + ta: cạnh mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên trụ hay tường Với kích thước ống chọn, vận tốc khí ống là: Va = Qa 40,39 = = 20,19 (m/s) 2.t a B a 2.1, 0.1, B8 Xác định độ chân không buồng khí: Va2 γ a Theo công thức: hck = 2.g µ a2 γ Trong đó: + Va : Lưu tốc khí tới gần; Va = Qa = 20,19 (m/s) n.Ba ta γa = γ 780 + Trị số μa xác định theo công thức thủy lực (4-8) hệ số tổn thất áp + lực sau: µa = 1 + ∑ξi Tổn thất cửa vào: ξv = 0,5 Tổn thất vị trí uốn cong gấp 900: ξu = 1,1 Tổn thất áp lực dọc đường tính với chiều dài ống: La = Ht + t a B1 + + 2.tt 2 Trong đó: Học viên: Phạm Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Ht – Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 4,0 m Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H hb = Z m + V2 cos θ (tgθ + tgψ ) 2g h : Chiều dày lớp nước phía buồng khí (lấy gần độ sâu nước mũi hắt); h=1,58m ∆H : Độ cao an toàn, xác định theo cấp công trình, chọn ∆H = 0,5 m ta – Chiều rộng mặt cắt ống thông khí, ta = 1,0 m B1 – Bề rộng khoang, B1 =B=20m tt – Chiều dày lớp thành ống dẫn trụ thành bên, chọn tt = 0,4m; Thay vào công thức ta được: La = 15,3 m Mặt cắt ống có: Ba = 1,0 m; ta = 1,0 m; χa = 4,0 m; ωa1 = 1,0 m2; R = 0,25 m; C R = 23,34 Hệ số tổn thất áp lực dọc đường: ξd = 2.g.L a 2.9,81.15,3 = =0,55 23,342 C R Như ống có ∑ξi = 0,5+1,1+0,55=2,15 µa = 1 + ∑ ξi = Thay vào: h ck = =0,563 + 2,15 Va2 γ a = 0,08 ... tốc dòng chày đoạn tính toán ; V = Q/ω J: Độ dốc thủy lực; J = Học viên: Phạm Quang Mạnh V2 C2R Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Bảng 1: Kết tính toán vẽ đường mực nước dốc MC h (m)... 0,639 0,510 0,404 0,321 0,275 Khả khí hóa Không có Không có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước Kiểm tra khả khí thực dốc Khi khí hóa trì thời gian đủ dài dòng... Quang Mạnh Trang Tính toán khí thực công trình tháo nước B10 Tính chiều cao lớn buồng khí: Thay vào công thức: hb = Z m + V2 cos θ ( tgθ + tgψ ) =1,02 m 2.g Với BPTK2 BPTK3 khác tính tương tự Kết