5.3.1. mục đích tính toán
Mục đích của tính toán thủy lực là xác định độ sâu nước ở vị trí khác nhau trong dốc nước, từ đó xác định được cao trình tường bên dốc nước.Ngoài ra ta còn phải xác định đƣợc trị số Q hợp lý để tính toán tiêu năng.
Hình 5.2 : Sơ đồ tính toán thủy lực dốc nước K
K N N
L
Bd Bc
Lth Lkd
5.3.2. Trường hợp tính toán
Tiến hành tính toán Thủy lực dốc nước với các cấp lưu lượng khác nhau từ 0 đến Qmax. Ta tính với 5 cấp lưu lượng sau: 0,3Qtk ; 0,5Qtk; 0,7Qtk ; 0,9Qtk; Qtk
Ta có các lưu lượng tương ứng như sau:
Bảng 5.2: Các cấp lưu lượng tính toán
0,3Qtk (m3/s) 0,5Qtk(m3/s) 0,7Qtk(m3/s) 0,9Qtk(m3/s) Qtk(m3/s)
95,897 159,829 223,761 287,692 319,658
5.3.1. Xác định dạng đường mặt nước trên dốc nước có bề rộng thay đổi.
Xác định độ sâu phân giới hk
Vì dốc nước có mặt cắt hình chữ nhật nên theo ta có công thức tính hk:
3
. 2
g hk q
Trong đó:
là hệ số sửa chữa động năng, lấy = 1.
G là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2. Q là lƣợng đơn vị, q =
Bd
Qm ax
(m3/s.m)
TÍnh lần lượt cho cỏc phươn án BTr và ta được kết quả ở bảng sau Bảng 5.3: Kết quả tính toán độ sâu phân giới
Xác định độ sâu dòng đều trong dốc nước ho.
Dùng phương pháp đối chiếu lợi nhất về mặt thủy lực của Agơrôtskin.
Bước 1: Tính: f (Rln) = Q
i m . 4 0 Trong đó:
- m0 = 2 1m2 m
với m là hệ số mái của dốc nước. Dốc nước có mặt cắt hình chữ nhật m=0.
i- độ dốc dốc nước, i = 0,1
- Q-lưu lượng tháo qua dốc nước,QQm ax(m3/s) tương ứng trường hợp trên.
Bước 2: Có f (Rln) và n = 0,017
Với n- hệ số nhám dốc nước bằng bêtônG tra bảng 2 trang 92 TCVN 4118-2012.
Tra phụ lục (8-1) Các bảng tính thủy lực-ĐHTL đƣợc: Rln
Bước 3: Lập tỉ số:
Rln
b = (Với b = Bd)
Có Rln
b và m = 0. Tra phụ lục (8-3) Các bảng tính thủy lực-ĐHTL đƣợc Rln
h
Bước 4: Độ sâu dòng đều trên dốc nước:
Bdốc (m) Qmax(m3/s) q (m3/s.m) hk (m)
32m đến 26m 319.658 9.989 2.166
32m đến 26m 287.692 8.990 2.020
32m đến 26m 223.761 6.993 1.710
32m đến 26m 159.829 4.995 1.364
32m đến 26m 95.897 2.997 0.971
h0 = h = Rln
h . Rln(m )
Áp dụng lần lượt cho phương án BTr và được kết quả ở bảng sau
Bảng 5.4: Kết quả tính toán độ sâu dòng đều trên dốc nước.
Tính chiều sâu dòng chảy và lưu tốc đầu dốc nước
Chiều sâu dòng chảy đầu dốc nước chính là chiều sâu mặt cắt co hẹp sau ngưỡng tràn hc. Xác định theo phương pháp Agơrụtkin :hc c.E0
Bước 1: Tính F(c) =
32
.E0
q
Trong đó:
- q- lưu lượng đơn vị tại mặt cắt co hẹp.
q =
dn xa
B Qm ax
(m3/s.m)
- - hệ số lưu tốc.Tra bảng 15-1Các bảng tính Thủy lực-ĐHTL được =0,95.
- E0- năng lượng đơn vị của dòng chảy ở thượng lưu so với mặt chuẩn đó chọn là đầu dốc nước Zđầu dốc = +197,1 m. E0 = Ht + P (m)
- Ht- Cột nước toàn phần trên đỉnh tràn, Ht = H(m)
- P- Chênh lệch địa hình từ cao trình ngƣỡng tràn đến mặt chuẩn, - P = Zngƣỡng - Zđầu dốc = 204,48-197,1= 7,38 (m)
Bước 2: Có F(c) tra phụ lục (15-1) Các bảng tính Thủy lực-ĐHTL đƣợc giá trị c Tính đƣợc: hc = c . E0(m)
Xác định lưu tốc dòng chảy tại mặt cắt co hẹp:
vc =
c
c h
q Q
(m/s).
Bdốc (m) Qmax (m) f(Rln) (m) Rln (m) Bdn/Rln (m) h/Rln (m) h0(m)
32-26 319.658 0.00791 1.33 19.55 0.593 0.789
32-26 287.692 0.00879 1.28 20.31 0.5754 0.737
32-26 223.761 0.01131 1.15 22.61 0.558 0.642
32-26 159.829 0.01583 1.03 25.24 0.558 0.575
32-26 95.897 0.02638 0.85 30.59 0.558 0.474
Tính tương lần lượt như trên cho các trường hợp BTr. Kết quả thể hiện ở bảng sau:
Bảng 5.5: Kết quả tính toán chiều sâu dòng chảy và lưu tốc tại đầu dốc nước
B dốc Qmax Htr P q E0 F(c) c hc Vc
32-26 319,658 3,79 7,38 9,989 11,17 0,2817 0,068 0,76 13,14 32-26 287,692 2,60 7,38 8,99 9,98 0,2968 0,069 0,69 13,02 32-26 223,761 2,20 7,38 6,993 9,58 0,2483 0,057 0,546 12,81 3226 159,829 1,75 7,38 4,995 9,13 0,1906 0,045 0,411 12,15 32-26 95,897 1,25 7,38 2,997 8,63 0,1244 0,034 0,293 10,23 So sánh vc với [v]:
Với dốc nước bê tông cốt thép M200 Tra bảng 5 trang 91 TCVN 4118-2012 ta xác định được lưu tốc cho phép của vật liệu làm dốc [v] = 20m/s.
Ta thấy vc trong trường hợp này nhỏ hơn [v]=20 m/s Đảm bảo yêu cầu phòng xói.
Ta thấy hc < h0 < hk: vậy đường mặt nước trong đoạn dốc có mặt cắt thay đổi là đường nước dâng.
- Để giảm bớt khối lượng đào đắp, bề rộng dốc nước được thiết kế nhỏ hơn bề rộng tràn, vì vậy có đoạn thu hẹp từ mép cuối của tràn đến mép đầu của dốc nước.
- Mắt cắt thu hẹp hình chữ nhật.
- Tường bên cấu tạo bằng BTCT, tường cao chiều cao hạ dần từ đầu đoạn thu hẹp đến cuối đoạn thu hẹp, chiều cao tường sẽ được tính sau khi xác định được đường mặt nước trong dốc nước.
- Theo kinh nghiệm ta chọn góc thu hẹp220, với giá trị này thì dòng chảy không bị co hẹp đột ngột.
- Bề rộng đoạn thu hẹp thay đổi với bề rộng đầu đoạn là Btràn ,bề rộng cuối đoạn thu hẹp bằng chiều rộng dốc nước.
- Đáy đoạn thu hẹp có độ dốc i = 10%.
- Chiều dài đoạn thu hẹp phương ngang sẽ là Lth = 15m.
- Cao trình đầu đoạn thu hẹp = 197,1m.
- Cao trình cuối đoạn thu hẹp là:
.0,1 197,1 15.0,1 195,6
L m
nguongtran
cth th
Chia đoạn thu hẹp thành các đoạn có chiều dài là ∆L với: ∆L = 2,5m chọn n = 6.
Góc thu hẹp là 100
Ta biết chiều rộng của các mặt cắc tính toán, biết trước chiều dài đoạn tính toán, ta tiến hành giả thiết các giá trị các giá trị cột nước tại mặt cắt tính toán rồi tính ra khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán, nếu khoaangr cách này gần đạt giá trị ∆L thì chiều sâu cột nước ta giả thiết đúng. Ta tiến hành tính cho các mặt cắt trên toàn đoạn thu hẹp ta vẽ được đường mặt nước trên toàn đoạn. trình tự cụ thể như sau:
Dùng phương pháp cộng trực tiếp (còn gọi là phương pháp sai phân) để tính toán Chia dốc nước thành n đoạn ngắn, như vậy ta sẽ có (n+1) mặt cắt
Xác định đường mặt nước theo công thức:
J L i
Trong đó:
L : khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán.
: chênh lệch tỉ năng giữa 2 mặt cắt.
i : độ dốc của dốc nước i = 0,10
J: độ dốc thủy lực trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán.
Hình 5.2: Dạng đường mặt nước trên dốc nước
1 2 i-1
i i+1
n
n i i+1
2 i-1 1
L
Li Li+1
h2
v
hi-1
hi
hi+1
hn
Hình 5.2: Dạng đường mặt nước trên dốc nước
Để thuận tiện cho việc tính toán, ta lập bảng tính toán đường mặt nước Bảng 5.6: Tính toán thủy lực cho đoạn dốc thu hẹp
Giải thích các giá trị trong bảng tính:
Ta có:
- Cột 1: Chiều rộng đáy dốc nước tại mặt cắt tính toán - Cột 2: Chiều sâu cột nước giả thiết tại mặt cắt tính toán.
- Cột 3: Diện tích ƣớt tại mặt cắt tính toán i = Bi . hi - Cột 4: Chu vi mặt căt ƣớt :i Bi2.hi
- Cột 5: Lưu tốc tại mặt cắt tính toán vi =
i i
v Q
, Q = Qmax - Cột 6: Tỉ năng tại mặt cắt tính toán i = hi +
g vi 2
. 2
- Cột 7: Bán kính thủy lực Ri =
i i
- Cột 8: Hệ số Cedi Ci =1. 16 Rk
n , n = 0,017 là hệ số nhám của vật liệu làm dốc - Cột 9: Độ dốc thủy lực Ji =
R C
v
i i 2.
2
- Cột 10: Độ dốc thủy lực trung bìnhJ = 2
1
i
i J
J
- Cột 11: Chênh lệch tỉ năng giữa 2 mặt cắt = i - i-1
- Cột 12: Khoảng cỏch giữa 2 mặt cắt tính toán
J Ltt i
- Cột 13: Cộng dồn Ltt đến khi Ltt = Ldốc = 15 m thì dừng.
Đường mặt nước bắt đầu từ độ sâu co hẹp h1 = hc đến tiệm cận đường N-N có độ sâu ho. Kết quả tính đường mặt nước trên dốc nước ứng với các cấp lưu lượng 0,3QTk, 0,5QTk, 0,7QTk, 0,9QTk,QTk được trình bày trong phụ lục chương 5 Kiểm tra khả năng xói cuối dốc nước có mặt cắt thay đổi.
B H W X V E R dE dL L
(m) (m) (m2) (m) (m/s) (m) (m) (m) (m) (m)
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13
C J Jtb
Từ kết quả tính toán đường mặt nước trên dốc nước, ta sẽ kiểm tra gây xói bề mặt dốc nước ứng với mỗi cấp lưu lượng.
Điều kiện không xói bề mặt dốc là:
Vm ax ≤ V kx Trong đó: Vm ax: Vận tốc lớn nhất trên dốc.
V kx: Vận tốc cho phép lớn nhất đối với vật liệu làm dốc. Tra bảng 11-9 - Sổ tay tính toán thủy lực, với bêtông M200 ta đƣợc V kx= 20 m/s.
Bảng 5.11:Kiểm tra khả năng xói bề mặt dốc với các cấp lưu lượng Q
(m3/s)
Hcuối dốc
(m)
Vmax
(m/s)
[V]kx
(m/s) Kết luận
319,658 0,9202 13,14 20 Không gây xói
287,692 0,8396 13,02 20 Không gây xói
223,761 0,6755 12,81 20 Không gây xói
159,829 0,5207 12,15 20 Không gây xói
95,897 0,3788 10,23 20 Không gây xói
5.3.2. Xác định dạng đường mặt nước cho đoạn dốc nước có bề rộng không đổi.
- Mặt cắt hình chữ nhật.
- Chiều dài dốc nước theo xác định sơ bộ trên mặt bằng bình đồ là Ldn = 40m.
- Bản đáy có cấu tạo BTCT M200.
- Tường bên có cấu tạo BTCT đổ liền bản đáy, chiều cao và chiều dày của tường bên sẽ đƣợc tính toán cụ thể trong các phần sau.
- Độ dốc i = 10%
- Trên dốc phân đoạn để làm khe lún và bố trí các khớp nối, khoảng cách giữa các khớp nối.
- Cao trình đầu dốc nước là: 195,6m.
- Cao trình cuối dốc nước là: ∇cdn = ∇ddn – Ldn.0,1 = 195,6 – 40.0,1 = 191,6(m).
Xác định độ sâu phân giới hk
Vì dốc nước có mặt cắt hình chữ nhật nên theo ta có công thức tính hk:
3
. 2
g hk q
Trong đó:
là hệ số sửa chữa động năng, lấy = 1.
G là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2. Q là lƣợng đơn vị, q =
Bd
Qm ax
(m3/s.m)
Tính lần lượt cho cỏc phươn án BTr và ta được kết quả ở bảng sau Bảng 5.12: Kết quả tính toán độ sâu phân giới
Bdốc (m) Qmax(m3/s) q (m3/s.m) hk (m)
26 319.658 12.295 2.488
26 287.692 11.065 2.320
26 223.761 8.606 1,962
26 159.829 6.147 1,568
26 95.897 3.688 1.115
Xác định độ sâu dòng đều trong dốc nước ho.
Dùng phương pháp đối chiếu lợi nhất về mặt thủy lực của Agơrôtskin.
Bước 1: Tính: f (Rln) = Q
i m . 4 0 Trong đó:
- m0 = 2 1m2 m
với m là hệ số mái của dốc nước. Dốc nước có mặt cắt hình chữ nhật m=0.
i- độ dốc dốc nước, i = 0,1
- Q-lưu lượng tháo qua dốc nước,QQm ax(m3/s) tương ứng trường hợp trên.
Bước 2: Có f (Rln) và n = 0,017
Với n- hệ số nhám dốc nước bằng bêtông tra bảng 2 trang 92 TCVN 4118-2012.
Tra phụ lục (8-1) Các bảng tính thủy lực-ĐHTL đƣợc: Rln
Bước 3: Lập tỉ số:
Rln
b = (Với b = Bd)
Có Rln
b và m = 0. Tra phụ lục (8-3) Các bảng tính thủy lực-ĐHTL đƣợc Rln
h
Bước 4: Độ sâu dòng đều trên dốc nước:
h0 = h = Rln
h . Rln(m )
Áp dụng lần lượt cho phương án BTr và được kết quả ở bảng sau
Bảng 5.13: Kết quả tính toán độ sâu dòng đều trên dốc nước.
Xác định độ dốc phân giới ik.
Xác định từ công thức tính lưu lượng của Cêzi:Q = .C. R.i , ta được:
ik =.
R C Q
k k2. 2.
2
Trong đó:
- Q : lưu lượng xả lớn nhất, Q = Qmax(m3/s).
- k: diện tích ƣớt ứng với độ sâu hk: k = Bd.hk (m2).
- Rk: bán kính thủy lực ứng với độ sâu phân giới: Rk =
k k
- k : chu vi ƣớt ứng với độ sâu phân giới: k = B + 2hk(m) - Ck : hệ số Cedi, xác định theo công thức Maninh: Ck = 1. 16
Rk
n Tính lần lượt cho các phươn án BTr và ta được kết quả ở bảng sau
Bdốc (m) Qmax (m) f(Rln) (m) Rln (m)Bdn/Rln (m)h/Rln (m) h0(m)
26 320 0.0079 1.34 19 0.6 0.804
26 287.692 0.0088 1.28 20.313 0.57 0.7296 26 223.761 0.0113 1.17 22.222 0.5 0.585 26 159.829 0.0158 1.03 25.243 0.5 0.515 26 95.8974 0.0264 0.79 32.911 0.5 0.395
Bảng 5.14: Kết quả tính toán độ dốc phân giới ik
Ta thấy phương án BTr đều thỏa mãn điều kiện:
i = 0,10 ik và h0< hc< hk . với hc là chiều cao cuối dốc nước có mặt cắt thay đổi
Kết luận: Vậy dạng đường mặt nước trên dốc nước là đường nước đổ bII .
định lượng đường mặt nước khi không xét đến hàm khí:
Dùng phương pháp cộng trực tiếp (còn gọi là phương pháp sai phân) để tính toán . Chia dốc nước thành n đoạn ngắn, như vậy ta sẽ có (n+1) mặt cắt
Xác định đường mặt nước theo công thức:
J L i
Trong đó:
L : khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán.
: chênh lệch tỉ năng giữa 2 mặt cắt.
i : độ dốc của dốc nước i = 0,10
J: độ dốc thủy lực trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán.
1 2 i-1
i i+1
n
n i i+1
2 i-1 1
L
Li Li+1
h2
v
hi-1
hi
hi+1
hn
Hình 5.3: Dạng đường mặt nước trên dốc nước
Bdốc Qmax hk k k Rk
(m) (m3/s) (m) (m2) (m) (m)
26 320 2.488 64.688 30.976 2.088 66.5 0.0026
26 287.692 2.32 60.320 30.640 1.969 66.503 0.0026 26 223.761 1.962 51.012 29.924 1.705 65.854 0.0026 26 159.829 1.568 40.768 29.136 1.399 64.292 0.0027 26 95.8974 1.115 28.990 28.230 1.027 62.211 0.0028
Ck ik
Để thuận tiện cho việc tính toán, ta lập bảng tính toán đường mặt nước Bảng 5.15: Tính toán thủy lực cho đoạn dốc không đổi
Giải thích các giá trị trong bảng tính:
- Cột 1: Chiều rộng đáy dốc nước tại mặt cắt tính toán - Cột 2: Chiều sâu cột nước giả thiết tại mặt cắt tính toán.
- Cột 3: Diện tích ƣớt tại mặt cắt tính toán i = Bi . hi - Cột 4: Chu vi mặt căt ƣớt : B 2.h
i i i
- Cột 5: Lưu tốc tại mặt cắt tính toán vi =
i i
v Q
, Q = Qmax - Cột 6: Tỉ năng tại mặt cắt tính toán i = hi +
g vi 2
. 2
- Cột 7: Bán kính thủy lực Ri =
i i
- Cột 8: Hệ số Cedi Ci =1. 16 Rk
n , n = 0,017 là hệ số nhám của vật liệu làm dốc
B H W X V E R dE dL L
(m) (m) (m2) (m) (m/s) (m) (m) (m) (m) (m)
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13
C J Jtb
- Cột 9: Độ dốc thủy lực Ji = R C
v
i i 2.
2
- Cột 10: Độ dốc thủy lực trung bìnhJ = 2
1
i
i J
J
- Cột 11: Chênh lệch tỉ năng giữa 2 mặt cắt = i - i-1
- Cột 12: Khoảng cỏch giữa 2 mặt cắt tính toán
J Ltt i
- Cột 13: Cộng dồn Ltt đến khi Ltt = Ldốc = 40 m thì dừng.
Đường mặt nước bắt đầu từ độ sâu co hẹp h = hcuối dốc thu hẹpđến tiệm cận đường N-N có độ sâu ho. Kết quả tính đường mặt nước trên dốc nước ứng với các cấp lưu lượng 0,3QTk, 0,5QTk, 0,7QTk, 0,9QTk,QTk được trình bày trong phụ lục chương 5.
Kiểm tra khả năng xói cuối dốc nước
Từ kết quả tính toán đường mặt nước trên dốc nước, ta sẽ kiểm tra gây xói bề mặt dốc nước ứng với mỗi cấp lưu lượng.
Điều kiện không xói bề mặt dốc là:
Vm ax ≤ V kx Trong đó: Vm ax: Vận tốc lớn nhất trên dốc.
V kx: Vận tốc cho phép lớn nhất đối với vật liệu làm dốc. Tra bảng 11-9 - Sổ tay tính toán thủy lực, với bêtông M200 ta đƣợc V kx= 20 m/s.
Bảng 5.20:Kiểm tra khả năng xói bề mặt dốc với các cấp lưu lượng Q
(m3/s)
hcuối dốc
(m)
Vmax
(m/s)
[V]kx
(m/s) Kết luận
316,49 0,80175 13,361 20 Không gây xói
248,841 0,7385 13,179 20 Không gây xói
221,543 0,614 12,74 20 Không gây xói
145,245 0,5199 11,806 20 Không gây xói
94,947 0,386 9,74 20 Không gây xói
Vấn đề hàm khí trên dốc nước
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 dũng chảy làm
cho chiều sâu nước trên dốc tăng so với tính toán khi không có hàm khí. Do đó tường bên của dốc nước phải cao hơn. Chiều sâu nước ngậm khí có thể tính theo công thức: hhk = h (1 +
100 V ) Trong đó : h: Chiều sâu dũng nước trên thân dốc.
V: Vận tốc dũng chảy tại mặt cắt tớnh toỏn.
Tính toán đường mặt nước trong dốc nước có kể đến hàm khí được dùng để xác định cao trình đỉnh tường bên dốc nước. Ta tính cho trường hợp lưu lượng xả qua tràn lớn nhất Qmax = 319,658 (m3/s), có vận tốc chảy lớn và độ sâu dòng đều lớn.
Xác định chiều cao tường bên dốc nước
Cao trình đỉnh tường bên được xác định theo công thức:
đỉnh tường = đáy dốc + hhk + a . ht = đỉnh tường - đáy dốc. Trong đó: a: Độ vƣợt cao an toàn , lấy a = 0,5 m.
hhk: Chiều sâu dũng chảy trong dốc nước có kể đến hàm khí . Tính cho các mặt cắt dọc theo chiều dòng chảy trên dốc
- Mặt cắt 1-1: Đầu dốc nước
- Các mặt cắt tiếp theo cách nhau 5m.
- Mặt cắt 8-8: Cuối dốc nước.
Các kết quả tính toán đường mặt nước trên dốc và chiều cao tường bên dốc nước khi có kể đến vấn đề hàm khí đƣợc trình bày trong bảng 5.21
Bảng 5.21: Đường mặt nước trên dốc nước và chiều cao tường bê dốc nướckhi kể đến vấn đề hàm khí
Mặt cắt h (m) Khoảng cách (m) v (m/s) hhk(m)
1-1 0,8069 5 13,205 0,913
2-2 0,8598 5 13,278 0,974
3-3 0,9202 5 13,361 1,043
4-4 0,835 5 15,27 0,963
5-5 0,833 5 15,305 0,96
6-6 0,803 5 15,31 0,926
7-7 0,8027 5 15,316 0,926
8-8 0,8024 5 15,322 0,926
9-9 0,8022 5 15,326 0,925
10-10 0,8019 5 15,330 0,925
11-11 0,8017 5 15,335 0,925
Xác định chiều cao tường bên dốc nước Đƣợc làm bằng BTCT M200
Sơ bộ chọn chiều dày đỉnh tường dày 0,5 m, đáy tường dày 0,5 m.
Chiều cao tường bên dốc nước được xác định theo công thức:
ht = hhk + a (6-12) Trong đó: +hhk: Chiều sâu ngậm khí trong dốc nước
+a: Độ vƣợt cao an toàn, chọn a = 0,5 (m).
Chiều cao tường bên dốc nước ở các mặt cắt điển hình được xác định như sau:
Bảng 5.21: Kết quả tính chiều cao tường bên dốc nước.
(ứng với Qxảtk
=329,6258m3/s)
Mặt cắt Btràn(m) V (m/s) hhk (m) ht(m) Chọn ht(m)
Đầu đoạn thu hẹp 32 13,205 0,913 1,413 1,6
Cuối đoạn thu hẹp 26 13,361 1,043 1,543 1,6
Cuối đoạn không đổi 26 15,335 0,925 1,425 1,6