Thiết kế tràn tháo lũ

CHƯƠNG III. PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT VÀ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

3.6.3. Thiết kế tràn tháo lũ

3.6.3.1. Tính toán thủy lực dốc nước.

Dựa vào mặt cắt dọc tuyến tim của dốc nước, giả thiết vị trí tim dốc nước vuông góc với tuyến đập và trùng với tim tràn xả. Khi đó ứng với mỗi phương án Btr khác nhau ta có thể vẽ ra mặt cắt tim tuyến tràn và sơ bộ chọn chiều dài dốc nước và độ dốc của dốc nước ứng với các phương án Btr khác nhau. Để đơn giản khi tính toán lựa chọn phương án thì ta có thể chọn Lđoạn thu hep = 50m ,Ldốc = 100m và idốc = 6% cho cả 3 phương án Btr trong trường hợp này ta tính cả đoạn thu hẹp.

Chia ngưỡng tràn làm 6 khoang, có 4 mố trụ mỗi mố dầy 1,52 m và 2 mố bên mỗi mố dày 1m.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 59 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

a. Tài liệu tính toán :

- Chiều dài toàn dốc nước : L = 150m.

- Chiều dài đoạn thu hẹp : Lth = 50m - Chiều dài đoạn không đổi : Lkđ = 100m - Độ dốc i = 6%

- Góc thu hẹp  = 10o.

- Độ nhám trong dốc nước :  = 0,017 (dốc nước làm bằng bê tông) - Cao trình đoạn đầu dốc : +50,95 (bằng cao trình ngưỡng tràn) - Cao trình đoạn cuối dốc : +41,95m.

- Bề rộng dốc nước : (bảng tính 6-10)

Bđầu dốc = Btràn + mố = Btràn + 7,6m

k k

k N k

N

Hình 3-1. Sơ đồ tính đường mặt nước trên dốc nước.

Bảng 3-18. Bảng tính bề rộng dốc nước.

Btràn (m) Bđầu (m) Bcuối (m)

25 32,6 15

30 37,6 20

35 42,6 25

b. Tính toán thủy lực đoạn ngưỡng tràn :

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 60 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

SV: Lớp:

Tính cho trường hợp Q = Qmax . Khi đó tràn là tràn đỉnh rộng chảy tự do, cột nước trên tràn là Htr

Do ngưỡng tràn có độ dốc i = 0 nên theo mục b trang 54 giáo trình Thuỷ Lực II trên ngưỡng không có dòng chảy đều, dòng chảy trên ngưỡng chỉ có 2 trường hợp là đường nước dâng hoặc đường nước hạ.

Theo qui phạm QP TL.C8 – 76 độ sâu phân giới hk xác định theo công thức : hk = 3

2

g

q

(6-4)

Trong đó :

 : Hệ số động lượng ,  = 1.

q : Lưu lượng đơn vị : q =

tr xa

B Q max

Bảng 3-19. Tính hk cho từng phương án Btr

Btr (m) Qtr (m3/s) qtr (m3/s.m) Htr (m) hk (m)

25 223,69 8,95 3,22 2,01

30 231,19 7,71 2,91 1,82

35 237,73 6,79 2,68 1,68

Ta thấy cột nước trên ngưỡng tràn Htr của từng phương án có giá trị lớn hơn hk nên cũng theo mục b trang 54 giáo trình Thuỷ Lực II đường mặt nước trên ngưỡng tràn chỉ có thể là đường nước đổ b0. Tại cuối ngưỡng tràn, độ sâu dòng chảy là h = hk

Kiểm tra lại điều kiện chảy ngập:

Theo điều 3-4 trang 20 QP TL.C8 – 76 : Tràn chảy không ngập khi:

hn < n.H0 (6-5)

Trong đó:

n = (0,75~0,85): Chỉ số ngập, ta chọn n = 0,8

H0 : Cột nước thượng lưu có kể đến lưu tốc tới gần, trong tính toán sơ bộ này ta không xét đến lưu tốc tới gần (V0 = 0):H0 = Htr

hn = hk : cột nước cuối ngưỡng tràn.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 61 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

Bảng 3-20. Bảng tính điều kiện chảy ngập.

Btr (m) H0 (m) hn = hk(m) n.H0

25 3,22 2,01 2,58

30 2,91 1,82 2,33

35 2,68 1,68 2,14

Ta thấy với các phương án Btr đều thoả điều kiện 6-5)

Vậy đập tràn chảy không ngập( chảy tự do).

c. Tính toán thủy dốc nước.

*)Chiều cao và lưu tốc đầu đoạn thu hẹp.

Đối với đập tràn đỉnh rộng, chiều sâu mực nước tại đầu dốc bằng chiều sâu cuối ngưỡng tràn.

Xác định lưu tốc tại đầu dốc nước, được xác định theo công thức :

k k tr xa xa

h q h B Q

V Q  

.

max max

 (6-6)

Kết quả tính được thể hiện trong bảng (6-13).

Bảng 3-21. Bảng tính vận tốc đầu dốc nước:

Btr (m) Qtr (m3/s) qtr (m3/s) Hđầu dốc = hk

(m) Vđầu dốc (m/s)

25 223,69 8,95 2,01 4,52

30 231,19 7,71 1,82 4,24

35 237,73 6,79 1,68 4,04

So sánh vận tốc đầu dốc nước với lưu tốc cho phép:

Đối với dốc nước làm bằng bê tông cốt thép M200 thì [Vcp] = 20m/s

Dựa vào bảng tính ta thấy Vđầu dốc thỏa mãn yêu cầu không gây xói lở dốc nước.

( Vđầu dốc < [Vcp] )

*)Xác định đặc tính đường mặt nước trên dốc nước:

Xác định độ sâu dòng đều trong dốc nước:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 62 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

SV: Lớp:

Để tính chiều sâu dòng chảy đều trong dốc nước ta coi dốc nước như một kênh có độ dốc lớn.Và áp dụng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực để tính.

- Xác định f(Rln): f(Rln) = Q

i mo

4 (6-7)

Trong đó: mo = 2 m2 1 - m.

Với dốc nước có mặt cắt hình chữ nhật m = 0 mo = 2 Q: lưu lượng lớn nhất tháo qua tràn (m3/s).

i: độ dốc của dốc nước i = 6%.

- Sau khi xác định được f(Rln) ta tra bảng (8 - 1) bảng tra thủy lực tìm được Rln. Với hệ số nhám của lòng dẫn (dốc nước làm bằng bê tông): n = 0.017.

- Tính giá trị Rln

b (với b = B), tra Rln

ho

theo bảng (8 - 3) bảng tra thủy lực với hệ số mái m = 0.

- Tính ho : ho = Rln

ho . Rln.

- Kết quả tính toán độ sâu dòng chảy đều trong dốc nước ứng với từng phương án tràn: (Bảng 6-14, 6-15)

Bảng 3-22. Độ sâu dòng đều ho trên dốc nước đoạn không đổi B(m) Q(m3/s) fRln(m) Rln(m)

Rln

b

Rln

h ho(m)

15 223,69 0,008762 1,287 11,655 0,847 1,09

20 231,19 0.008478 1,302 15,361 0,706 0,92

25 237,73 0,008245 1,317 18,983 0,617 0,81

Xác định độ sâu phân giới.

Vì dốc nước có dạng hình chữ nhật nên hk được xác định theo công thức:

hk = 3 . 2

g

q

Trong đó :

q : Lưu lượng đơn vị qua dốc nước q = Q/Bd

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 63 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

: Hệ số sửa chữa động năng ( chọn =1 ) g : Gia tốc trọng trường

Độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp :

Kết quả tính toán độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp được tính ở bảng sau:

Bảng 3-23: Độ sâu phân giới đầu đoạn thu hẹp B

(m)

Q (m3/s)

q (m3/s.m)

hk (m)

32,6 223,69 6,86 1,69

37,6 231,19 6,15 1,57

42,6 237,73 5,58 1,47

Độ sâu phân giới của dốc nước sau đoạn thu hẹp:

Bảng 3-24. Độ sâu phân giới cuối đoạn thu hẹp B

(m)

Q (m3/s)

q (m3/s.m)

hk (m)

15 223,69 14,91 2,83

20 231,19 11,56 2,39

25 237,73 9,51 2,10

*)Xác định độ dốc phân giới: (ik)

Áp dụng công thức (9-18) /41giáo trình Thuỷ lực II:

ik =

k k

k C R

Q . . 2

2 2

 (6-8)

Trong đó:

ik: độ dốc phân giới.

g: gia tốc trọng trường (m/s2).

k: chu vi ướt ứng với hk.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 64 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

SV: Lớp:

Bk: bề rộng mặt thoáng ứng với hk.

: hệ số sửa chữa động năng lấy bằng 1.

Ck: hệ số sêdi ứng với độ sâu phân giới, Ck = n 1.Rk1/6

. Với: n = 0.017: hệ số nhám

Rk: bán kính thủy lực ứng với hk (m); Rk =

k k





k,K: chu vi, diện tích ướt ; k =B.hk Kết quả tính toán ik ứng với từng phương án tràn

Bảng 3-25. Tính ik đầu đoạn thu hẹp

B (m) Q (m3/s) hk (m) k (m2) Rk (m) Ck ik

32,6 223,69 1,69 55,09 1,53 63,14 0,0027

37,6 231,19 1,57 59,03 1,45 62,58 0,0027

42,6 237,73 1,47 62,62 1,38 62,03 0,00271

Bảng 3-26. Tính ik đầu đoạn không thu hẹp (cuối đoạn thu hẹp) B (m) Q (m3/s) hk (m) k (m2) Rk (m) Ck ik

15 223,69 2,83 42,45 2,09 66,51 0.003

20 231,19 2,39 47,8 1,93 65,64 0.0028

25 237,73 2,10 52,5 1,8 64,88 0.0027

Từ kết quả tính toán trên với từng phương án Btr ta thấy:

ho < hk và id = 0,06 > ik. Nên trên toàn dốc nước là đường nước hạ bII.

*) Vẽ đường mặt nước trong dốc nước:

Tính toán vẽ đường mặt nước trong dốc nước sẽ giúp ta xác định được chiều cao cột nước, vận tốc cuối dốc nước từ đó xác định được cao trình đỉnh tường bên của dốc nước cần thiết để cho nước không bị tràn. Ta tiến hành chia làm hai đoạn để tính toán.

- Tính vẽ đường mặt nước trong đoạn thu hẹp:

+ Để vẽ đường mặt nước có nhiều phương pháp ở đây ta áp dụng phương pháp cộng trực tiếp được trình bày trong giáo trình thủy lực tập II.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 65 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

+ Ta định trước chiều dài đoạn thu hẹp sau đó xác định chiều sâu dòng nước tại các vị trí khác nhau của đoạn thu hẹp.

+ Theo tính toán trên thì chiều sâu tại đầu dốc nước cuối ngưỡng tràn chính bằng hk, do đó đường mặt nước trong dốc nước sẽ là đường nước đổ bII.

+ Trên cơ sở những nhận xét trên ta giả thiết khoảng cách giữa hai mặt cắt liên tiếp (L = 2m). Sau đó giả thiết các cột nước tại đó và kết hợp với phương pháp cộng trực tiếp để kiểm tra lại theo công thức:

L = Jtb

i



 (6-9)

Trong đó:

i = 6% : Độ dốc đáy dốc nước.

 = 2 - 1

1: Năng lượng đơn vị tại mặt cắt đầu khoảng tính toán(m).

2: Năng lượng đơn vị tại mặt cắt cuối khoảng tính toán(m).

i = hi + g Vi

2

2

: Năng lượng đơn vị tại mặt cắt thứ i.

hi: Cột nước tại mặt cắt thứ i (m).

Vi = h b Q

i xa

.

max : Vận tốc tại mặt cắt thứ i (m/s).

Jtb = 2

2

1 J

J 

: Độ dốc thuỷ lực trung bình trong đoạn tính toán.

Ji =

i i

i C R

Q . . 2

2 2

 : Độ dốc mặt nước tại mặt cắt thứ i.

Ri =

i i



 : Bán kính thủy lực tại mặt cắt thứ i.

i = bi + 2.hi : Chu vi ướt tại mặt cắt thứ i.

Ci = n 1.Ri

1/6

: Hệ số Sêdi ; n = 0.017.

Trình tự tính toán đường mặt nước cho đoạn thu hẹp như sau:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 66 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

SV: Lớp:

Bước 1 : Chọn khoảng cách giữa hai mặt cắt tính toán là L, từ đó ta sẽ xác định được Bth của từng mặt cắt.(ở đây khoảng cách L = 2m)

Bước 2 : Trên cơ sở đã biết độ sâu dòng chảy tại đầu đoạn thu hẹp (hđầu = hk) tiếp tục giả thiết độ sâu dòng chảy hi trên mặt cắt thu hẹp kế tiếp ứng với mỗi đoạn Lgt

Bước 3 : Tính i . Bước 4 : Tính Vi =

i

Q

 .

Bước 5 : Tính i , sau đó tính  . Bước 6 : Tính i .

Bước 7 : Tính Ri . Bước 8 : Tính Ci . Bước 9 : Tính Ji . Bước 10 : Tính J. Bước 11 : Tính i - J.

Bước 12 : Tính kiểm tra lại Ltt theo công thức (6-9) Nếu Ltt  Lgt thì phải giả thiết lại hi.

Nếu Ltt = Lgt thì tiếp tục tính toán cho các mặt cắt tiếp theo.

Việc tính toán chỉ dừng lại khi L = 50 m.

Kết quả tính toán được thể hiện cụ thể trong Phụ Lục II.

- Tính vẽ đường mặt nước trong đoạn không thu hẹp:

Phương pháp tính toán cũng áp dụng phương pháp cộng trực tiếp, bằng cách giả thiết chiều sâu mực nước tại mặt cắt ta tính toán không nhất thiết phải chia từng đoạn L để tính toán mà ứng với mỗi chiều sâu mực nước giả thiết ta tính được một giá trị L, tiếp tục làm như vậy cho đến giá trị Hgt ứng với L = 100 chính là giá trị mực nước tại cuối chân dốc.

Bảng 3-27. Bảng tóm tắt kết quả tính toán đường mặt nước.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 67 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

Btr(m) Bđầu(m) Bcuối(m) Qxả (m3/s)

hđ.thu hẹp (m)

hc.thu hẹp (m)

hcuối dốc (m)

Vc.thu hẹp (m/s)

Vcuối dốc (m/s)

25 32.6 15 223.69 1.69 1.9 1.25 7.86 11.9

30 37.6 20 231.19 1.57 1.43 1.01 8.1 11.49

35 42.6 25 237.73 1.47 1.17 0.86 8.13 11.05

Kiểm tra điều kiện không xói cuối dốc:

Theo bảng 5 trang 91 TCVN 4118-85(hệ thống kênh tưới và tiêu chuẩn thiết kế) với kênh làm bằng bê tông M200 có độ sâu mực nước trong kênh h = (1,0 3,0)m thì vận tốc không xói cho phépVk.x = (17,320)m/s.Vậy với các phương án trên vận tốc dốc nước đảm bảo yêu cầu về chống xói.

- Đường mặt nước trong dốc nước có kể đến hàm khí:

Với 3 phương án tràn tính toán, ta thấy lưu tốc dòng chảy trong dốc nước tương đối lớn, vì vậy khi tính toán vẽ đường mực nước trong dốc nước ta phải kể đến hàm khí. Đó là hiện tượng khi dòng chảy có lưu tốc lớn, lớp không khí ở gần mặt nước bị hút vào nước, các bọt khí đó pha trộn vào nước trên vùng mặt, chuyển động cùng với dòng chảy làm cho chiều sâu nước trên dốc tăng so với tính toán khi không có hàm khí. Do vậy mà tường bên dốc nước phải cao hơn. Chiều sâu nước ngậm khí có thể tính theo công thức :

Hhk = h(1+

100

v )( Theo GT Thủy Công tập II/ 29) Trong đó :

h: chiều sâu mực nước khi không có hàm khí

V:lưu tốc dòng chảy, với v > 3 m/s là dòng nước bắt đầu ngậm khí Bảng 3 -28. Kết quả tính đường mặt nước có kể đến hàm khí:

Q (m3/s)

Mặt cắt 1-1 Mặt cắt 2-2 Mặt cắt 3-3

Bđầu (m)

h1 (m)

V1 (m/s)

Hh.khí (m)

Bcuối (m)

h2 (m)

V2 (m/s)

Hh.khí (m)

Bdốc (m)

h3 (m)

V3 (m/s)

Hh.khí (m) 223,69 32,6 1.69 4,07 1,76 15 1.9 7.86 2.05 15 1.25 11.9 1.4

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 68 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

SV: Lớp:

231,19 37,6 1.57 3,92 1,63 20 1.43 8.1 1.55 20 1.01 11.49 1.13 237,73 42,6 1.47 3,8 1,53 25 1.17 8.13 1.27 25 0.86 11.05 0.96

3.6.3.2. Thiết kế tràn và cấu tạo các bộ phận của tràn.

a. Tường hướng dòng thượng lưu.

Tường cánh thượng lưu có góc thu hẹp =120. Bề dày d=0,6m.

Chiều dài L = 20m b. Bản đáy.

Cao trình ngưỡng tràn thấp hơn mực nước dâng bình thường 2 m Bề rộng ngưỡng tính với 3 phương án: Btr=25, Btr = 30, Btr = 35

Sơ bộ bố trí tràn có 5 khoang gồm 4 mố giữa và 2 mố bên.Cửa van được làm bằng cửa van phẳng.

Chiều dài ngưỡng theo hướng nước chảy được chọn dựa vào sơ bộ chọn theo điều kiện của đập tràn đỉnh rộng. Ở đây chọn L = 10 m cho cả 3 phương án Btr

Bản đáy được làm bằng bê tông cốt thép M200 – 100cm;

Lớp lót là bê tông M100- 10 cm.

c. Trụ pin.

Trụ pin được làm bằng bêtông cốt thép M200 Cao trình đỉnh trụ pin bằng cao trình đỉnh đập.

Đường kính mố giữa d = 1,4m, đường kính mố bên d = 1 m.

d. Dốc nước.

Để đảm bảo điều kiện ổn định của dốc nước ( do lún không đều ) ta chia dốc nước đoạn có bề rộng không đổi làm 10 mảng ,hai mảng gần nhau tạo thành khe lún,trong khe lún bố trí các thiết bị chống thấm và 1 mảng cuối có cấu tạo như máng phun.

*)Bản đáy dốc nước:

Bản đáy dốc nước được làm bằng bê tông cố thép M200 dày 30 (cm).

Lớp lót bản đáy là bê tông M100 dày 10 (cm).

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Trang 69 Thiết kế hồ chứa nước Suối

Đuốc

*)Tường trên dốc nước:

Chiều cao tường bên dồc nước được xác định theo công thức : ht= hhk + a Trong đó :

hhk: Chiều cao nước trong dốc nước có kể đến hàm khí a: Độ vượt cao an toàn ,chọn a = 0,5 (m)

Vậy với các phương án Btr khác nhau, chiều cao tường bên dốc nước ở các mặt cắt : 1 - 1 ; 2 - 2 ; 3 - 3 là các mặt cắt đi qua đầu đoạn thu hẹp, cuối đoạn thu hẹp và cuối dốc nước :

Bảng 3-29. Bảng tính toán chiều cao tường bên dốc nước

Btr

mặt cắt 1-1 mặt cắt 2-2 mặt cắt 3-3