CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CỐNG NGẦM
6.2. Thiết kế cống lấy nước
6.2.3. Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng
1) Mục đích tính toán:
Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van để lấy được lưu lƣợng cần thiết. Do năng lƣợng của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thường là dòng xiết. Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua nước nhảy. Do đó cần tính toán để:
- Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra ở trong cống không. Thường với các mực nước cao ở thượng lưu, cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rung động bất lợi. Còn với các mực nước thấp ở thượng lưu, nước nhảy trong cống là không tránh khỏi. Tuy nhiên khi đó năng lƣợng của dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể.
- Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở kênh hạ lưu.
2) Trường hợp tính toán:
Do yêu cầu dùng nước trong các tháng là khác nhau vì vậy lưu lượng lấy nước trong các thời kỳ cũng khác nhau. Vì vậy để kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng cho cống ta tính với một cấp của lưu lượng lấy lớn nhất ứng với trường hợp mực nước thượng lưu là MNDBT.
Theo tài liệu tính toán ứng với mực nước thượng lưu là MNDBT thì lưu lượng lấy lớn nhất thiết kế là Qmax = 1,46 (m3/s).
Hình 6.3: Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nước cao ở thượng lưu 3) Xác định độ mở cống:
Độ mở cống đƣợc xác định theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ:
. . . . 2. .(c o' . ) Q b a g H a
Trong đó:
+ : hệ số lưu tốc, tra bảng 15-1 Bảng tra thuỷ lực đối với trường hợp chảy từ các lỗ ở đáy ta đƣợc = 0,95.
+ : hệ số co hẹp đứng, = f(a/H).
+ H0’: cột nước tính toán trước cửa van ; H0’ = H0 - hw ; H0 = H +
2
α.V0
2.g
V0- lưu tốc tới gần. Với mực nước cao và được dẫn trực tiếp vào từ hồ chứa nên ta bỏ qua lưu tốc tới gần, V0 = 0.
=> H0 = H = MNDBT - Zđáy cống = 206,48 – 191,8 = 14,68 (m).
+ hw : tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van hw = Z1 + Zp + ZL + i.L1 = 0,564 m.
=> H0’ = H0 - hw = 14,68 – 0,564 = 14,116 m
Xác định hệ số co hẹp đứng :
Hệ số co hẹp đứng phụ thuộc tỷ số a/H, có thể xác định a bằng cách sử dụng bảng quan hệ của Jucốpxki nhƣ sau:
Tính F(c) : 3/2
' o c
c .b .H
) Q F(τ
Với Q = 1,46m3/s; bc = 1m; H0’ = 14,116 m ta đƣợc F(c) = 0,0293 Tra bảng 15-1 (Các bảng tính thủy lực) ta đƣợc các giá trị c = 0,0065
hc = c.H'0 = 0,0065.14,116 = 0,091 (m) Tra bảng 16-1 có: =0,615
0, 0065
0, 010 0, 0102.14, 68 0,14 0, 615
a c
H a
7 m.
Q* = 0,95.0, 615.0,147.1. 2.9,81. 14, 68 0, 611.0,147 = 1,42 m3/s
Q = Q
Q Q *
.100% = 1, 46 1, 42 1, 46
= 2,74% < 5%
Vậy: Giá trị ε = 0,615 và a = 0,147 (m) xác định ở trên có thể chấp nhận đƣợc.
4) Kiểm tra trạng thái chảy trong cống a) Xác định đường mặt nước trong cống
+ Định tính:
Cần xác định 3 độ sâu: hc; h0; hk.
Độ sâu co hẹp sau cửa van: hc = 0,091 m
Độ sâu phân giới trong cống:
2
k 3α.q 0, 601 m
h g ; Trong đó : bc
q Q .
Độ sâu dòng đều trong cống ho
Dùng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực:
Với m = 0; i = 0,0044; n = 0,014; bc = 1 (m); Q = 1,46 (m3/s).
Tính: f(Rln) = Q
i . 4m0
=0,363 ;Tra phụ lục (8-1)-Bảng tra thủy lực ta có đƣợc Rln=0,288
Lập tỷ số Rln
b , tra phụ lục (8 - 3) bảng tra thủy lực ta có Rln
h . Suy ra độ sõu dũng
đều : h0 = ln
ln
h .R R
. Bảng 6.2 :Kết quả tính toán độ sâu dòng đều trong cống
Q(m3/s) f(Rln) Rln(m) b/Rln h/Rln h0(m) hk(m) hc(m) 1,46 0,363 0,288 3,472 2,32 0,67 0,61 0,091
Nhận thấy hc < hk < h0 đường mặt nước trong cống sau cửa van là đường nước dâng CI.
+ Định lượng:
Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C-C cách cửa van 1 khoảng l=1,4a = 0,206 m vẽ về cuối cống.
Với cao trình đáy cống ở cửa vào Zv = 192,8 m và ở cửa ra Zr = 192,22 m;
dựa vào mặt cắt đập ta xác định đƣợc chiều dài từ mặt cắt sau cửa van tới cuối cống là : L2 = 69,9 m.
Dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước:
Theo đó khoảng cách giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 và h2 đó biết là:
L = j i
Δ
Trong đó:
+ : Năng lƣợng đơn vị giữa 2 mặt cắt có độ sâu hi và hi+1. + = 2 - 1. với : i = hi +
2g α.Vi2
; = (h2 + 2.g αV22
) - (h1 + 2g α.V12
).
2 1
J J J 2
;
2
i i
i
i C. R
J V
+ i: Độ dốc của cống; i=0,0044.
Kết quả tính toán đường mặt nước trong cống được thể hiện trong phụ lục chương 6
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
L(m)
H(m)
Hình 6.4 : Đường mặt nước CI trong cống
Theo bảng tính(phụ lục chương 6) với L = 71,036 m > L = 69,9 m ta đã có : h
= hk = 0,61 m, nghĩa là có nước nhảy ngoài cống.
5) Tính toán tiêu năng:
+ Các thông số tính toán của cống :
- Lưu lượng thiết kế qua cống : QTK=1,464 m3/s.
- Kích thước cống : b.h=1.2=2,0 m2. - Cột nước cuối cống : hr=0,6
- Cột nước đầu kênh dẫn ở hạ lưu hkênh=0,78m.Bề rộng đáy kênh bk=3m + Tính toán kích thước bể tiêu năng:
- Cần xác định độ sâu đào bể db và chiều dài bể Lb để có nước nhảy ngập trong bể.Ở đây tính toán với trường hợp tháo lưu lượng thiết kế QTK=1,464 m3/s;với mực nước khai thác cao nhất trong hồ (MNDBT) nhƣ đã xác định ở trên,khi đó độ sâu ở mặt cuối cống là : hr=0,6m
- Chiều sâu bể tối thiểu đã chọn ở phần trên là db=0,5m ;chiều sâu nước trong bể là hb=hh+z2+db=0,78 + 0,0097 + 0,5 =1,3 m.
- Năng lƣợng toàn phần khi tính đến đáy bể P2=0.
E0=hr + . v 2
2
r
g
+db 9Có : =1,05
Vr =
c. r
Q
b h =1, 464
1.0, 6 =2,44 m/s - Thay vào ta có :
E0=0,6 +
1, 05.2, 442
2.9,81 +0,5=1,42 - q= 1, 464 1, 464
1 Q
b .chọn 0, 95
- 1,5 1,5
0
1, 464
( ) 0, 91
. 0, 95.1, 42
C
F q
E
.
- Bảng tra thủy lực suy ra
"
0, 696
c -> " "
. 0
c c
h E = 0,696.1,42=1,0.
- Chọn độ ngập trong bể là n =1,1 ta có n.hc" =1,1.1,0=1,1 (m).
Như vậy hb=1,3 > 1,1 m đảm bảo mực nước chảy ngập trong bể.
- Tính chiều dài bể Lb = L1 + .Ln
L1 :chiều dài nước rơi từ mặt cắt cống đến đáy bể (tương ứng với bậc
P=db=0,5m) xác định theo tầm phóng của làn nước khi ra khỏi cống với vận tốc vr=2,44 m/s theo chiều ngang.
- Thời gian để nước chạm đáy là : 2. 2.0,5
0,319( )
p 9,81
t P s
g
- Tầm phóng tương ứng là :
L1=Vr.tp=2,44.0,319=0,778 (m).
- Chiều dài nước nhảy tính theo công thức kinh nghiệm : Ln=4,5.hc"= 4,5.1,0=4,5 (m).
- Xét đến hệ số nước chảy ngập =0,8.
- Thay vào công thức :
Lb=0,778 + 0,8.4,5 = 4,378 (m).
- Vậy kích thước bê tiêu năng : db= 0,5 (m)
Lb= 4,4 (m).