Tính toán tiêu năng sau dốc nước

5.4.1. Mục đích:

Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn.

Năng lƣợng đó đƣợc tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần năng lƣợng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở cục bộ , một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí. Sức cản nội bộ dòng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lƣợng do xói lở càng nhỏ và ngƣợc lại. Vì vậy,

các biện pháp tiêu năng đƣợc dùng để tiêu hao phần năng lƣợng thừa của dòng chảy để đảm bảo ổn định cho kênh và hạ lưu công trình.

5.4.2. Các hình thức tiêu năng:

Thường dùng các hình thức tiêu năng: Tiêu năng dòng đáy, tiêu năng mặt, tiêu năng phóng xa và tiêu năng dòng mặt ngập.

- Tiêu năng đáy: Lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy. Thường dùng các biện pháp tiêu năng như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp.

- Tiêu năng phóng xa: Làm mũi phun ở chân đập hạ lưu để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi chân đập.

 Chọn hình thức tiêu năng:

Qua nghiên cứu tài liệu địa hình, địa chất tại vị trí cuối dốc và đầu kênh xả hạ lưu ta thấy địa chất nền tương đối kém do đó ta dùng hình thức tiêu năng đáy. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy (hh > hc’’) để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung. Để đảm bảo sinh nước nhảy ngập cuối dốc, ta dùng hình thức tiêu năng bể. Ƣu điểm của nó là rút ngắn đƣợc chiều dài gia cố và mau chóng tạo nên sự nối tiếp của dòng chảy cuối dốc với dòng chảy của sông phía hạ lưu.

Sơ đồ tính toán nhƣ sau : E

d

h"c

hc

Z2

hk

l1 ln

y

x vx

vy vcd hcd

v2



2g o

Hình 5.4: Sơ đồ tính tiêu năng sau dốc nước 5.4.3. Kênh dẫn hạ lưu.

5.4.3.1. Các thông số tính toán:

Kênh dẫn hạ lưu là kênh đất có mặt cắt mui rua với các thông số:

- Độ dốc kênh: i = 0,001

- Hệ số mái: m = 1,5.

- Hệ số nhám: n = 0,025.

- Bề rộng đáy kênh: Bk = 45 m.

- Lưu lượng kênh xả là lưu lượng lớn nhất: Qm ax= 319,658 (m3/s).

5.4.3.2. Xác định mực nước đầu kênh:

Ứng với mỗi cấp lưu lượng ta xác định mực nước đầu kênh bằng cách vẽ đường mặt nước từ phía hạ lưu ngược lên đầu kênh, với mực nước hạ lưu tương ứng bằng độ sâu dòng chảy phân giới trong kênh.

 Xác định độ sâu phân giới.

Độ sâu phân giới hk đƣợc xác định theo công thức:

N kN N

k h

h 0,105 .

1 3 2 



 



  

  

+ hk là độ sâu phân giới của kênh hình thang

+ hkNlà độ sâu phân giới của kênh chữ nhật có bề rộng đáy bằng đáy kênh hình thang. 3

. 2

g hkN  q

+ Nlà hệ số đƣợc tính theo công thức:

b h m kN

N

 .



Bảng 5.22: Độ sâu phân giới trong kênh ứng với các cấp lưu lượng Q(m3/s) Bk(m) q (m3/(s.m)) hkn (m) σN hk (m)

319.658 45 7.1035111 1.726205 0.0575402 1.6936964

287.6922 45 6.39316 1.6091161 0.0536372 1.5808327

223.7606 45 4.9724578 1.3608943 0.0453631 1.3406102

159.829 45 3.5517556 1.087441 0.036248 1.0744518

95.8974 45 2.1310533 0.7735823 0.0257861 0.7669871

 Xác định độ sâu dòng đều của kênh hạ lưu sau tràn

Tương tự như tính toán độ sâu dòng đều ở trên ta có bảng giá trị độ sâu dòng đều trên kênh

Bảng 5.23: Độ sâu dòng đều trên kênh hạ lưu sau tràn Chọn vật liệu gia cố kênh hạ lưu là các rọ đá có kích thước(2,5x1x0,5)m

Theo TCVN 4118-2012, vận tốc không xói cho phép của kênh là: [Vkx ]=7,3m/s Dựa vào kết quả tính ở Bảng 8-6, ta thấy kênh đảm bảo điều kiện không bị xói do Vk max<[Vkx ] đối với các cấp lưu lượng tính toán.

5.4.4. Tính toán tiêu năng:

.4.1. Chọn lưu lượng tính toán tiêu năng:

Để chọn lưu lượng tính toán tiêu năng trước hết ta phải tính được độ sâu dòng đều trong kênh chuyển tiếp tương ứng với các cấp lưu lượng. Ứng với mỗi cấp lưu lượng khác nhau ta sẽ có 1 giá trị hc” sau dốc khác nhau. Chọn lưu lượng tính toán tiêu năng là lưu lượng cho giá trị( hc” – hh ) là max .Theo sách “ Nối tiếp tiêu năng và hạ lưu công trình tháo nước ” của GS.TS Phạm Ngọc Quý.

- Độ sâu nước hạ lưu với các cấp lưu lượng lấy bằng độ sâu dòng đều trong kênh dẫn hạ lưu tràn theo bảng 8-9

Xác định độ sâu liên hiệp hc’’ theo công thức Angơôtskin: Năng lƣợng dòng chảy tại mặt cắt cuối dốc so với mặt chuẩn là đáy kênh hạ lưu :

2 0

. 2.

cd cd

E h V

g

 

Trong đó :

- hcd là chiều sau dòng chảy tại cuối dốc

Q F(Rln) Rln b/Rln h/Rln h0 Vk

319.66 0.0008 2.95 15.254 0.558 1.646 4.315

287.69 0.0009 2.85 15.789 0.558 1.590 4.020

223.76 0.0012 2.75 16.364 0.558 1.535 3.240

159.83 0.0017 2.4 18.750 0.558 1.339 2.652

95.90 0.0028 1.98 22.727 0.558 1.105 1.929

- Vcd vận tốc dòng chảy tại mặt cắt cuối dốc Tính toán cho trường hợp Q = Qmax =319,658 (m3/s)

2 2

0

. 1.15,335

0,802 12, 788

2. 2.9,81

cd cd

E h V

g

     (m)

Xác định 3/ 2 1,5

0

319, 658 ( )c . cd. 0, 95.26.12, 788 F Q

 B E

  = 0,285

Trong đó : φ hệ số lưu tốc chọn =0,95

Từ F(τc) và φ Tra phụ lục 15-1 ta đƣợc: τc'' = 0,44 hc’’ = τc'' .E0 = 0,44.12,72 = 5,97m.

Tương tự tính cho các cấp lưu lượng ta có :

Bảng : 5.24 Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng

Vậy chọn lưu lượng tính tiêu năng là QTN = 319,658 (m3/s) ( ứng với (hc" - hh)max ) .4.2. Xác định kích thước bể tiêu năng:

 Trình tự tính toán:

Sơ bộ lấy: d1 =hc" - hh = 3,98 (m) Tính lại: E0’ = E0 + P + d1

+ Với P : Chênh lệch cao độ giữa cao trình cuối dốc và đáy kênh + Cao trình cuối dốc: +191,6 m.

+ Cao trình đầu kênh hạ lưu : +187,1 m.

P = cd -dk = 191,6-187,1= 4,5 m E0’ = 12,788 + 4,5 + 3,98 = 21,268 (m)

Q hcd Vcd q Eo F(tc) τc" hc" hh hc" - hh

(m3/s) (m) (m/s) (m2/s) (m) (m) (m) (m)

319.66 0.802 15.335 12.295 12.788 0.283 0.44 5.63 1.65 3.98 287.69 0.739 14.983 11.065 12.181 0.274 0.438 5.34 1.59 3.74 223.76 0.614 14.017 8.6062 10.628 0.2615 0.437 4.64 1.53 3.11 159.83 0.52 11.824 6.1473 7.6457 0.3061 0.452 3.46 1.34 2.12 95.897 0.386 9.561 3.6884 5.0452 0.3426 0.452 2.28 1.10 1.18

F(c) = ' 3/ 2 3/ 2

0

q 12, 295

.(E ) 0, 95.21, 268

 =0,13

Tra bảng tra thuỷ lực ta đƣợc:

c'' 0,31 Từ đó: hc'' c''.E'0 0,31.21, 2686,59 TínhZ theo công thức:

2 2 2 2

2 2 '' 2 2 2 2

12, 295 12, 295

2, 73( ) 2 . . h 2 .( . )c 2.9,81.0,95 .1, 646 2.9,81.(1,1.3,98)

q q

Z m

g h g  h

     

Với  = 1,1 là hệ số ngập

 Tính lại chiều sâu đào bể :

d= ( .hc’’)-(hh + Z) =(1,1.3,98)–(1,646+ 2,73) = 0,002 (m)

Ta thấy dtt khác d giả thiết nên giả thiết lại d tính toán tương tự như trên ta có bảng tính toán sau:

Bảng 5.25: Bảng tính chiều sâu đào bể.

Vậy chiều sâu bể cần đào là 2,6 m.

Chiều dài bể nước nhảy tính như công thức sau:

lb = 0,8.ln + S - S là chiều dài nước rơi

- ln là chiều dài nước nhảy, được tính theo công thức:

ln = 4,5.hc’’ = 4,5 . 6,58 = 29,61 (m)

 Tính toán đoạn nước rơi cuối dốc:

Ta có: id = 0,0026 ; Vcd = 15,335 (m/s)

2 2 2 2

(0,1. )

cd x y x x

V V V V V

     14, 62( / )

1, 46( / )

x y

V m s

V m s

 

  

dgiả thiết Eo' q F(τc) τc'' hc'' hh ∆ Z di

3 20.288 12.29 0.14 0.33 6.70 1.646 3.01 2.71

2.8 20.088 12.29 0.14 0.331 6.65 1.646 3.01 2.66

2.6 19.888 12.29 0.15 0.331 6.58 1.646 3.00 2.59

+Phương trình xác định thời gian nước rơi:

2

0

2 0

1 2

4,5 2, 6 7,1 4,905 1, 46 7,1 1, 06( ) gt V ty P

P P d t t t s

 

         

+Chiều dài nước rơi:

S = Vx.t = 14,62.1,06 = 15,49 (m)

Ta có: Lb = 0,8.ln + S = 0,8. 29,61 + 15,49 = 39,17 (m) chọn lb = 40 m.

Vậy làm bể tiêu năng với chiều sâu đào bể là 2,6 m và chiều dài bể tiêu năng là 40 m.