Thiết kế kênh hạ lưu cống

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

6.2. Thiết kế cống lấy nước

6.2.2. Thiết kế kênh hạ lưu cống

Kênh hạ lưu cống có nhiệm vụ dẫn nước từ hạ lưu cống về khu tưới. Mặt cắt kênh hợp lý là đảm bảo dẫn được lưu lượng yêu cầu lớn nhất mà kênh vẫn an toàn, không bị xói lở. Thiết kế kênh hạ lưu cống để làm cơ sở cho việc tính toán thuỷ lực cống sau này.

1) Thiết kế mặt cắt kênh

Mặt cắt kênh hạ lưu cống được tính toán với lưu lượng thiết kế: Qtk = 1,22 m3/s Căn cứ vào địa chất nền nơi tuyến cụng trỡnh đi qua sơ bộ chọn các chỉ tiêu thiết kế kênh nhƣ sau:

- Mặt cắt kênh hình thang, hệ số mái kênh m=1,5.

- Độ dốc đáy kênh ik = 2.10-4 - Độ nhám lòng kênh n = 0,025.

a) Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu mực nước trong kênh:

- Sơ bộ xác định vận tốc không xói (TCVN 4118 – 2012 theo mục 7.2.12):

VKX = K.Q0,1 = 0,53.1,220,1 = 0,54 (m/s) Trong đó:

+ Q: lưu lượng của kênh (m3/s): Q = 1,22 (m3/s).

+ K: hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha, K = 0,53.

- Sơ bộ định chiều sâu h, theo công thức kinh nghiệm:

h = 0,5.(1 + VKX).3 Q = 0,5.(1 + 0,54).31, 22 = 0,82 (m)

- Xác định b theo phương pháp đối chiếu mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực:

f(Rln) = 4.m0. i

Q = 4.2,106. 2.10 4 1, 22



= 0,098 với m0= 2. m2 1 m =2,106 ; m = 1,5; i = 2.10-4 Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,603(m).

 Rln

h = 0,82

0, 603 = 1,36

Tra phụ lục (8-3), bảng tra thuỷ lực ta có:

Rln

b = 4,414 b = 0,603.4,414 = 2,7 (m)

Kiểm tra:

h

b = 2, 7

0,82 = 3,29 ∈ (2÷5). Chọn lại b = 3 m

 Rln

b = 3

0, 603=4,98 tra bảng thuỷ lực  Rln

h =1,29h=0,603.1,29 =0,78m

h

b = 3

0, 78 = 3,8 ϵ (2÷5).

b) Kiểm tra điều kiện không xói:

Vì kênh dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng. Ngƣợc lại, cần kiểm tra điều kiện xói lở:

Vmax < VKX

Trong đó: Vmax là lưu lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng Qmax. Qmax = K.1,22 = 1,2.1,22 = 1,464 (m3/s)

K là hệ số phụ thuộc Q, lấy bằng 1,2 Ta tính độ sâu dòng chảy trong kênh ứng với Qmax:

f(Rln) =

max 0. . 4

Q i m =

4.2,106. 2.10 4 1, 464



= 0,081

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,65 (m).

 Rln

b = 3

0, 65 = 4,61  Rln

h = 1,34  h = 0,65.1,34 = 0,871 (m)

Có:  = (b + m.h ).h = (3 + 1,5.0,871).0,871 = 3,75 m2.

 Vmax =

m ax

Q = 1, 464

3, 75 = 0,39 (m/s)

Ta thấy: Vmax = 0,39 (m/s) < VKX = 0,54 (m/s)  thoả mãn điều kiện không xói.

2) Tính toán khẩu diện cống

 Trường hợp tính toán:

Khẩu diện được tính với trường hợp chênh lệch mực nược thượng hạ lưu nhỏ và lưu lượng lấy nước tính toán tương đối lớn. Thường tính với trường hợp MNC ở thượng lưu, lấy lưu lượng Qtk

Tổn thất cột nước thượng hạ lưu cống là [Z] = MNC - TTC = 193,6 - 193,0 = 0,6m

Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết cửa van. Sơ đồ tính toán như hình vẽ:

Hình 6.1: Sơ đồ tính toán thuỷ lực xác định khẩu diện cống Trong đó: + Z1: tổn thất cột nước ở cửa vào;

+ Zp: tổn thất cột nước do khe phai;

+ ZL: tổn thất qua lưới chắn rác;

+ Zv: tổn thất qua tháp van;

+ Z2 : tổn thất ở cửa ra.

a) Tính bề rộng cống bc

Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy được lưu lượng cần thiết Q khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z] đó khống chế, tức phải bảo đảm điều kiện:

Zi  [Z]

Trong đó: Zi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + iL i: độ dốc dọc cống ; L: tổng chiều dài cống.

 Trị số bc được xác định bằng phương pháp giải đúng dần.

Ta giả thiết các giá trị bc. Với mỗi trị số bc, ta xác định các tổn thất cột nước dọc theo chiều dài cống; sau đó tính tổng tổn thất Zi , lập quan hệ bc~ Zi. Từ [Z] tra quan hệ ta tìm đƣợc bc. Trình tự tính toán cụ thể nhƣ sau :

+ Tổn thất cửa ra Z2:

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

Z2 =

2

2 .( n. . )h 2

Q

g  b h - g 2

v . 2b



Trong đó: + b: bề rộng cuối bể tiêu năng, b = bk = 3,0 m;

+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q, hh = 0,78 m;

+ n: hệ số lưu tốc (trường hợp chảy ngập), n = 0,96;

+ vb: lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng, Q

V Q

b .h b .(h d)

b

b b b

 

 = 0,32 m/s.

Giả thiết chiều sâu bể d = 0,5m.  Z2 = 0,0097 m.

+ Tổn thất dọc đường:

Coi dòng chảy trong cống là dòng đều với độ sâu:

h1 = hh + Z2 = 0,78 +0,0097 = 0,79 m

Khi đó tổn thất dọc chiều dài cống bằng iL, i là độ dốc cống đƣợc xác định nhƣ sau:

i =

2

R C

Q 



 







Trong đó: +i:diện tích mặt cắt cống ứng với các bề rộng cống khác nhau i = bc.h1 +C = 1R1/6

n ; R = i

i



 ; cống ngầm làm bằng bêtông nên lấy n = 0,014.

 :chu vi ƣớt  = 2.h1 + bc ( m ) L: chiều dài cống, L = 122,3 m.

+ Tổn thất qua tháp van:

Trong tháp van bố trí 2 khe van (một khe van sửa chữa , một khe van công tác).

Do đó tổng tổn thất qua 2 khe van là :

2.g .α.V 2.ξ Z

v2 v

v  Trong đó:

+ Vv - Lưu tốc dòng chảy ngay sau cửa van, ở đây ta coi dũng chảy trong cống là dũng đều với độ sâu h1 nên có thể coi chiều sõu dũng chảy ngay sau cửa van là hv = h1.

1

Q Q Q

Vv ωv b .hc v b .hc

+ v : Hệ số tổn thất qua khe van xác định theo quy phạm “Tính toán thuỷ lực cống dưới sâu QPTL C1-75”: v= f(bn/b)

bn : bề rộng tương đối của khe van, chọn bn = 30cm.

b : bề rộng cống trên phần bố trí cửa van.

Khi bn 0,1

b   v= 0,05 ; Khi bn 0, 2

b   v= 0,1 Khi 0,1 b 0, 2

b

 n  => Nội suy ở 2 giá trị trên.

+ Tổn thất qua lưới chắn rác:

Tổn thất qua lưới chắn rác được tính theo công thức:

α.V2

Z ξ . 2.g

L

L  L

Trong đó: +L: Hệ số tổn thất qua lưới, L xác định theo sổ tay tính toán thuỷ lực:

l= .sin.(t/b)4/3

Với: : Hệ số phụ thuộc cấu trúc tấm lưới chắn rác. Lưới làm bằng thanh tròn   = 1,79.

: Góc nghiêng của lưới so với phương ngang ,=750. t : Bề dày của 1 thanh lưới, chọn t = 10 mm.

b : khoảng cách giữa các mắt lưới, chọn b = 100 mm.

 L = 0,08

+ VL : Vận tốc dòng chảy qua lưới chắn rác (m/s).

2 1

Q Q Q

VL ωL b .hc  b .(hc Z )v

 h2: cột nước sau lưới chắn rác. h2=h1+Zv + Tổn thất qua khe phai:

Bố trí 2 khe phai; do đó tổng tổn thất qua cả 2 khe phai:

2.g .α.V 2.ξ Z

p2 p p 

Trong đó: + p: hệ số tổn thất qua một khe phai, tính tương tự như khe van.

+Vp : Vận tốc dòng chảy ngay sau khe phai.

p

p c p c 1 v L

Q Q Q

V ω b .h b .(h Z Z )

 

hp : mực nước tại mặt cắt khe phai.

+ Tổn thất cửa vào:

Xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:

2 2

0

1 2

V

Z Q α.

2.g.(ε. .ω ) 2.g

 

Trong đó: +  : Hệ số lưu tốc ở cửa vào.

Tra QPTL C8-76 khi chọn m = 0,36 ta đƣợc  = 0,95.

+  : Hệ số co hẹp bên ở cửa vào,  =0,95

+ cv : Diện tích mặt cắt ƣớt tại ngay sau cửa vào.

cv = bc.hcv = bc.( h1 + Zv + ZL + Zp )

+ V0 : Lưu tốc tới gần tính theo công thức :

1

0

Q Q

V  ω b .(hc Zv Zl Z )p

   Từ các tổn thất xác định ở trên lập bảng tính bề rộng cống bc:

Bảng : 6-1 Bảng tính bề rộng cống bc Kết quả tính toán xem phụ lục chương 6

Hình 6.2 : Quan hệ Zi~bc

Theo bảng tính bc trên ta xác định đƣợc bề rộng cống theo điều kiện (10-5):

Zi<Z là bc = 1 m. Để đảm bảo yêu cầu cấu tạo bc  (11,2)m và phù hợp với kích thước chuẩn quy định trong mục 7.4.4 QCVN 04-05: 2012 ta chọn bề rộng cống hợp lý bc = 1m với độ dốc tương ứng i= 0,0044.

b) Xác định chiều cao mặt cắt cống

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

Hc = h1 + 

Trong đó : +h1 : chiều sâu dòng chảy trong cống khi cống lấy nước với lưu lượng thiết kế; h1 = 0,79 m.

+  : Độ lưu không ; = (0,5  1) (m), ở đây chọn  = 1 (m).

 Hc = 0,79 + 0,5 = 1,29 (m).( thoả mãn điều kiện cấu tạo(Hc 1,6m).

Chọn chiều cao cống là Hc = 2,0m theo yêu cầu chuẩn hóa kích thước.

 Vậy kích thước cống là (bc x Hc) = (1x 2,0)m.

3) Cao trình đặt cống :

 Cao trình đặt cống ở cửa vào : Zv = MNC – h - Zi

Trong đó: + h: độ sâu dòng đều trong cống khi tháo Qtk : h = h1 = 0,79 (m)

+ Zi - Tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, tháp van khi tháo Qtk .

Zi = Zvào + Zphai + Zlưới + Zvan = 0,009 +0,015 + 0,003 + 0,003 = 0,03 (m) .

 Zv = 193,6 – 0,79 – 0,03 = 192,8 (m) .

 Cao trình đáy cống cửa ra : Z r = Z v - i L