Xác định khẩu diện cống

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ CỐNG NGẦM LẤY NƯỚC

7.2 Xác định khẩu diện cống

7.2.1 Trường hợp tính toán

      Khẩu diện cống được tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ  và  lưu  lượng  lấy  nước  tương  đối  lớn.  Lúc  này  cống  mở  hết  của  van  để  lấy  đủ  lưu  lượng thiết kế. 

      Ở đây ta tính toán với trường hợp  mực nước thượng lưu cống là MNC, hạ lưu là  mực nước khống chế đầu kênh tưới. Chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu khi đó là: 

       DZ  = MNC – Zkc = 23 – 22.5 = 0,5m. 

h1

h2

d Z2

Z1

Zp ZL

hh

Zh

Zv

Zi

Z ]

bc

bc

O

  Hình 7-1: Sơ đồ tính toán thuỷ lực xác định khẩu diện cống 

Trong đó:  Z1: tổn thất cột nước ở cửa vào. 

        Zp: tổn thất cho khe phai. 

        Zl: tổn thất do lưới chắn rác. 

        Zv: tổn thất qua tháp van. 

        Zr: tổn thất ở của ra.

7.2.2 Tính bề rộng cống

Bề  rộng  cống  (bc)  phải  đủ  lớn  để  lấy  được  lưu  lượng  cần  thiết  Q  khi  chênh  lệch  mực nuớc thượng và hạ lưu  DZ  đã khống chế, tức là phải đảm bảo điều kiện: 

      ΣZi   DZ               (7-1)  Trong đó:       ΣZi  = Z1 + Zp +Zl + Zv + Z2 + i.L       (7-2) 

  i - độ dốc dọc cống 

  L - tổng chiều dài cống. 

      Ta xác định trị số bc bằng phương pháp đúng dần tự cho các giá trị bc, xác định các  trị số tổn thất Zi , sau đó thử lại theo điều kiện (7-1). Ứng với mỗi giá trị bc thì các tổn  thất cột nước được xác định như sau: 

7.2.2.1 Tổn thất cửa ra

      Dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu coi như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập,  khi đó: 

      Z2 =  2

2

) . . .(

.

2g nbhh Q

   -  g Vb . 2

. 2

       (7-3) 

Trong đó:   b : bề rộng ở cuối bể tiêu năng lấy bằng bề rộng đáy kênh hạ lưu; b = 2(m). 

       hh : chiều sâu hạ lưu ứng với Q = 3,2(m3/s); hh = 1,157(m). 

       n: hệ số lưu tốc (trường hợp chảy ngập), n=0,95. 

      Vb: lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng   Giả thiết rằng chiều sâu bể tiêu năng là d = 0,6(m). 

         Vb = 

b

Q

w  =  3, 2

2.(0, 6 1,157) = 0,911(m/s). 

 Z2 = 

2

2

3, 2

2.9,81.(0, 95.2.1,157) - 

1.0, 9112

2.9,81  = 0,0657(m). 

7.2.2.2 Tính tổn thất dọc đường

      Khi tính tổn thất dọc đường coi trong cống là dòng đều với độ sâu dòng chảy là: 

               h1= hh + Z2 = 1,157 + 0,0657 = 1,223 (m). 

      Khi đó tổn thất dọc đường là :  hd =  i.L              (7-4)  Trong đó:   L = 104,15 (m) : Tổng chiều dài cống. 

     i : độ dốc đáy cống tính như sau :   i = 

2

.

. 



 





R C

Q

w     (7-5) 

     w, C, R : Là điện tích mặt cắt ướt, hệ số sedi, bán kính thuỷ lực tính với  bề rộng cống là bi  và chiều sâu dòng chảy là h2 

Trình tự tính toán như sau: 

  - Tính w = bc.h1.    - Tính c = bc + 2h1. 

  - Tính  c

w

R  và tính  1R1/6

C  n , đối với cống làm bằng BTCT n = 0,017. 

7.2.2.3 Tính tổn thất cục bộ

Các tổn thất cục bộ xác định theo công thức chung như sau:   

Zi = xi. g Vi . 2

. 2

             ( 7-6)         Trong đó: xi là các hệ số tổn thất cục bộ xác định như sau: 

         - Hệ số tổn thất cục bộ qua khe van: 

       Theo phụ lục 1 (trang 53) QPTL C1-75, hệ số tổn thất cục bộ qua khe van phụ  thuộc vào bề rộng khe van và bề rộng lỗ cống xv =  n

c

f b b

 

 

 

, trong đó: 

       bn - bề rộng khe van, chọn bn = 0,2m. 

       bc - bề rộng lỗ cống. 

    Khi   n 0,1

c

b

b   thì lấy  xv = 0,05. 

    Khi    n 0, 2

c

b

b   thì lấy xv = 0,1. 

    Nếu 0,1  n

c

b

 b  0,2 thì nội suy giữa 2 giá trị này. 

      Vv =  .

tk c v

Q b h  

Độ sâu trước van: hV = h2 + ZV.     

- Hệ số tổn thất cục bộ qua lưới chắn rác: 

         Hệ số tổn thất cục bộ qua lưới chắn rác xác định theo công thức sau: 

xL = .( )4/3.sin b

S      

Trong đó: 

       - hệ số phụ thuộc hình dạng thanh, với thanh tròn  = 1,79. 

      S - đường kính của thanh lưới thép, S = 10 mm. 

      b - khoảng cách giữa 2 thanh lưới liên tiếp, b = 0,2 m. 

        - góc nghiêng của thanh lưới so với phương ngang,  = 750.    Thay số: 

4

3 0

0, 01

1, 79. .sin 75 0, 032

L 0, 2

x    

  . 

       VL = 

*

tk

c L

Q b h    . 

Độ sâu trước lưới: hL = hV ZL 

- Hệ số tổn thất cục bộ qua khe phai: 

         Tính tương tự như hệ số tổn thất cục bộ qua khe van với bề rộng khe phai là bn 

= 0,2m. 

      Vp =  .

tk

c L

Q b h . 

Độ sâu nước trước khe phai: hP hL Zp.  7.2.2.4 Tổn thất cửa vào

Tổn thất cửa vào được xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập :

      Z1 =  2

2

) . . ( 2g w

Q  – 

g V 2

2

 0

          (7-7)    Trong đó: 

      Q = 3,2 (m3/s). 

      n,  - hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào:  = 1; n = 0,95. 

      w1 - diện tích mặt cắt ướt ở sau cửa vào:  w1 = bc.h = bc*hTP                  V0 - lưu tốc tới gần:  0

1 c* TP

Q Q

V w b h    

Tính toán theo trình tự trên ta được kết quả như Bảng 7-1. Dựa vào kết quả Bảng 7-1  ta vẽ được biểu đồ quan hệ bi  Zi   

Bảng 7-1 : Tính tổn thất qua cống

b Z2 h1 w c R C i iLC xV VV 2xZV xL hL VL ZL xP hP VP 2xZP hCV VCV Z1 Zi

(m) (m) (m) (m2) (m) (m) (m) (m/s) (m) (m) (m/s) (m) (m) (m/s) (m) (m) (m/s) (m) (m)

0.80 0.0657 1.22 0.978 3.245 0.301 48.166 0.01530 1.59399 0.100 3.271 0.10909 0.032 1.332 3.003 0.015 0.100 1.346 2.971 0.08996 1.436 2.785 0.04270 1.916 0.90 0.0657 1.22 1.100 3.345 0.329 48.873 0.01076 1.12086 0.100 2.908 0.08619 0.032 1.309 2.716 0.012 0.100 1.321 2.692 0.07386 1.395 2.549 0.03578 1.394 1.00 0.0657 1.22 1.223 3.445 0.355 49.495 0.00788 0.82051 0.100 2.617 0.06982 0.032 1.293 2.476 0.010 0.100 1.303 2.457 0.06153 1.364 2.346 0.03030 1.058 1.10 0.0657 1.22 1.345 3.545 0.379 50.049 0.00596 0.62040 0.068 2.379 0.03934 0.032 1.262 2.305 0.009 0.068 1.271 2.289 0.03643 1.307 2.226 0.02727 0.798 1.20 0.0657 1.22 1.467 3.645 0.402 50.545 0.00463 0.48174 0.067 2.181 0.03232 0.032 1.255 2.125 0.007 0.067 1.262 2.112 0.03032 1.293 2.063 0.02343 0.641 1.30 0.0657 1.22 1.590 3.745 0.424 50.993 0.00367 0.38248 0.065 2.013 0.02701 0.032 1.250 1.970 0.006 0.065 1.256 1.960 0.02560 1.282 1.921 0.02031 0.527 1.40 0.0657 1.22 1.712 3.845 0.445 51.401 0.00297 0.30945 0.064 1.869 0.02290 0.032 1.246 1.835 0.005 0.064 1.251 1.827 0.02187 1.273 1.796 0.01775 0.443 1.50 0.0657 1.22 1.834 3.945 0.465 51.773 0.00244 0.25444 0.063 1.745 0.01965 0.032 1.242 1.717 0.005 0.063 1.247 1.711 0.01889 1.266 1.685 0.01563 0.379 1.60 0.0657 1.22 1.956 4.045 0.484 52.115 0.00204 0.21215 0.063 1.636 0.01705 0.032 1.240 1.613 0.004 0.063 1.244 1.608 0.01647 1.260 1.587 0.01386 0.329 1.70 0.0657 1.22 2.079 4.145 0.501 52.431 0.00172 0.17907 0.062 1.539 0.01492 0.032 1.238 1.521 0.004 0.062 1.241 1.516 0.01448 1.256 1.499 0.01237 0.290 1.80 0.0657 1.22 2.201 4.245 0.518 52.723 0.00147 0.15278 0.061 1.454 0.01317 0.032 1.236 1.438 0.003 0.061 1.239 1.435 0.01282 1.252 1.420 0.01110 0.259 1.90 0.0657 1.22 2.323 4.345 0.535 52.994 0.00126 0.13161 0.061 1.377 0.01171 0.032 1.234 1.364 0.003 0.061 1.237 1.361 0.01143 1.249 1.349 0.01001 0.234 2.00 0.0657 1.22 2.445 4.445 0.550 53.247 0.00110 0.11434 0.050 1.309 0.00873 0.032 1.231 1.299 0.003 0.050 1.234 1.296 0.00857 1.243 1.287 0.00913 0.209 2.10 0.0657 1.22 2.568 4.545 0.565 53.483 0.00096 0.10011 0.050 1.246 0.00792 0.032 1.231 1.238 0.002 0.050 1.233 1.236 0.00778 1.241 1.228 0.00830 0.192 2.20 0.0657 1.22 2.690 4.645 0.579 53.704 0.00085 0.08825 0.050 1.190 0.00721 0.032 1.230 1.183 0.002 0.050 1.232 1.180 0.00710 1.239 1.174 0.00758 0.178 2.30 0.0657 1.22 2.812 4.745 0.593 53.911 0.00075 0.07829 0.050 1.138 0.00660 0.032 1.229 1.132 0.002 0.050 1.231 1.130 0.00651 1.238 1.124 0.00696 0.166 2.40 0.0657 1.22 2.935 4.845 0.606 54.107 0.00067 0.06985 0.050 1.090 0.00606 0.032 1.229 1.085 0.002 0.050 1.231 1.083 0.00598 1.237 1.078 0.00640 0.156 2.50 0.0657 1.22 3.057 4.945 0.618 54.291 0.00060 0.06265 0.050 1.047 0.00559 0.032 1.228 1.042 0.002 0.050 1.230 1.041 0.00552 1.236 1.036 0.00591 0.147

  Dựa vào Bảng 7-1 với điều kiện khống chế  ΣZi DZ , thuận lợi khi chuẩn hóa và  tăng khả năng lắp đặt khi cần thiết (theo TCXDVN 285-2002) ta chọn bề rộng cống bc = 1,5m. 

7.2.3 Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống 7.2.3.1 Chiều cao mặt cắt cống

      Chiều cao mặt cắt cống được xác định theo công thức: 

      Hc = h + Δ             (7-8)  Trong đó:  h: là độ sâu dòng đều trong cống khi dẫn lưu lượng Qtk, h = 1,223m. 

       Δ: là độ lưu không, có thể lấy từ 0,5 ÷ 1m. Ở đây lấy D = 0,5m. 

         Hc = 1,223 + 0,5 = 1,723 m. 

Theo điều 7.4.4 (TCXDVN 285-2002) chọn chiều cao mặt cắt cống:  Hc = 1,75 m. 

7.2.3.2 Cao trình đặt cống

 * Cao trình đặt cống ở cửa vào được xác định theo công thức:

       Zv = MNC – h – ΣZi         (7-9)  Trong đó:  h: độ sâu dòng đều trong cống khi tháo Qtk, h = 1,223m. 

       + ΣZi - Tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe van, khe phai, lưới chắn rác khi  tháo QTK. 

       ΣZi = 0,387 – 0,0657 = 0,3213 m. 

Vậy:       Zv = 23 – 1,223 - 0,3213 = 21,45 m. 

* Cao trình đáy cống ở cửa ra:    

      Zr = Zv – i.L               (7-10)  Trong đó:  Zv: là cao trình đặt cống ở cửa vào, Zv = 21,45m. 

     L: là tổng chiều dài cống, L = 104,275 m. 

        i: là độ dốc dọc cống,ứng với bề rộng cống bc = 1,5mi = 0.00244 

      Zr = 21,45 – 0,00244.104,14 = 21,2m 

Chọn cao trình đặt cống ở cửa ra là  Zr = 21,2m.