Tính toán thiết kế tràn xã lũ theo mặt cắt dạng WES ppsx

Tính toán thiết kế tràn xã lũ theo mặt cắt dạng WES
(Waterways Expriment Station)

Ngày nay một số quốc gia tây phương hay thiết kế đập tràn để xã lũ theo mặt
cắt dạng WES vì loại đập tràn nầy cho lưu lượng tháo lớn hơn loại Ophixerop.
Sau đây là một ví dụ tính toán.

Xác định mặt cắt đập tràn dạng WES
1. Đoạn thân tràn phía hạ lưu
Tính đường cong mặt tràn dạng WES theo công thức.
yHkx
n
d
n

1−
= (1)
Trong đó:
x,y: Hoành độ và tung độ của mặt tràn phía hạ lưu.
n: Chỉ số mái đập, Khi mái đập ở thượng lưu thẳng đứng lấy n=1,85.
k: là hệ số phụ thuộc vào tỉ số P/H
tk.
nếu P/H
tk
>1 thì k=2.0
H
d
: cột nước thiết kế định hình đường cong mặt đập tràn:
Cột nước H
max
= CT

MNLKT
- CT
NT
= 211,87 – 206,94 = 4,93m.
Chiều cao ngưỡng tràn: P = 206,94 – 174,5 = 32,44m.
Cột nước H
tk
= CT
MNLTK
- CT
NT
= 211,2 – 206,94 = 4,26m
Tính tỷ số: P/H
tk
= 32,44/4,26 = 7,62
Ta thấy tỉ số P/H
tk
= 7,62 > 1,33 vậy đập thuộc dạng đập cao nên H
d
được
tính theo công thức sau:
H
d
= (0,75 ÷ 0,95)H
max
Trong đó:
H
d
: Cột nước định hình.
H

max
: Cột nước ứng với lưu lượng lũ kiểm tra.
Giả sử chọn H
d
= 0,85H
max
và H
đ
= 0,9H
max
ta được:
H
d
= 0,85.H
max
= 0,85.4,93 = 4,19m
H
d
= 0,90.H
max
= 0,90.4,93 = 4,44m
Chọn H
d
= 4,2m để xác định đường cong mặt tràn phía hạ lưu theo công thức (1).
yx .2,4.0,2
85,085,1
= (2)
Ta xác định được đường cong mặt tràn phía hạ lưu như bảng sau:
Bảng 9.12
Điểm

Thứ
x(m) x
1,85
Y(m)
Điểm
thứ
x(m) x
1,85
y(m)
1 1.0 1.000 0.148 16 9.0 58.257 8.601
2 1.5 2.117 0.313 17 10.0 70.795 10.452
3 2.0 3.605 0.532 18 11.0 84.445 12.468
4 2.5 5.447 0.804 19 12.0 99.194 14.645
5 3.0 7.633 1.127 20 13.0 115.026 16.983
6 3.5 10.151 1.499 21 14.0 131.928 19.478
7 4.0 12.996 1.919 22 15.0 149.889 22.130
8 4.5 16.160 2.386 23 16.0 168.897 24.936
9 5.0 19.638 2.899 24 17.0 188.943 27.896
10 5.5 23.425 3.458 25 18.0 210.017 31.007
11 6.0 27.516 4.062 26 19.0 232.110 34.269
12 6.5 31.907 4.711 27 20.0 255.215 37.680
13 7.0 36.596 5.403 28 21.0 279.322 41.240
14 7.5 41.578 6.139 29 22.0 304.426 44.946
15 8.0 46.851 6.917 30 23.0 330.519 48.798

- Xác định toạ độ tiếp điểm giữa đoạn thân tràn phía hạ lưu và đoạn cong mũi
phun C(xi, yi).
Ta có mái dốc hạ lưu tính từ mặt cắt cơ bản của đập là m = 0,74
→
74,0

11
==
mdx
dy

Theo (9.2) ta có:
yyx .773,6.2,4.0,2
85,085,1
==
→ y = 0,1476.x
1,85

Lấy đạo hàm 2 vế ta được:
0,850,851,85
.x273,05.x0,1476.1,8)'0,1476.x( ===
dx
dy

Hay:
0,85
.x273,0
74,0
1
=
→ x = 6,564m
→ y = 4,796m
Như vậy mặt tràn phía hạ lưu chỉ cần vẽ đến điểm thứ 12 có toạ độ (6,5;
4,711) là gần với điểm C(6,564; 4,796).
Kéo dài đoạn CD với mái m = 0,74 nối tiếp đoạn cong OC. Điểm D được
chọn có cao trình lớn hơn cao trình mũi hắt. Từ cao trình mũi hắt là 182,8(m) và

cung tròn DE có R = 12m, α = 65
o
tiếp tuyến tại D ta xác định được điểm D và E
với các toạ độ như sau: D(17,60; 20,21), E(29,88; 24,14).
Từ E vát 1 góc 25
o
ta xác định được điểm F, như vậy ta có được mặt tràn
phía hạ lưu hoàn chỉnh.
2. Đoạn đầu tràn
Chọn hình thức đập tràn có đầu nhô về phía thượng lưu, để tính toán hình
dạng đoạn đầu tràn ta dùng đường cong elíp với phương trình như sau:
1
)(
)(
)(
2
2
2
2
=
−
+
d
d
d
bH
ybH
aH
x

Trong đó:
aH
d
: nữa trục dài của đường cong elip
bH
d
: nữa trục ngắn của đường cong elip
Theo Quy phạm thiết kế đập tràn của Trung Quốc khi P1/H
d
≥ 2thì:
a = 0,28-0,30; a/b=0,87 + 3a.
Chọn a = 0,28 ta có: aH
d
= 0,28.4,2 = 1,2(m).
a/b = 0,87 + 3.a = 0,87 + 3.0,28 = 1,71
→ b = 0,28/1,71 = 0,1637
→ bH
d
= 0,1637.4,2 = 0,69(m)
+ Với đập tràn đầu nhô theo quy phạm của Trung Quốc thì chiều cao đầu nhô
phải thoả mãn:
d > H
max
/2 = 4,93/2 = 2,465(m).
Lấy chiều cao d = 4,3(m) ta xác định được vị trí điểm vát A của đầu nhô, từ
A vát xuống mặt đập với mái vát 1:1 ta có được điểm A1.
- Vẽ mặt cắt tràn
50
45
40

35
30
25
20
15
10
5
0
50
45
4035302520
15
10
5
X(m)
Y(m )
F
D
C
E
182.8
174.5
o
A
B

3. Khả năng tháo của đập
- Trường hợp thiết kế (P = 1%)
Lưu lượng tháo lũ của đập tràn dạng WES được tính toán dựa trên công thức
sau:

Q = C.L.H
3/2
(feet
3
/s).
L- Chiều rộng tràn nước. L = 80m = 262,467(foot).
H- Cột nước tràn không kể lưu tốc tới gần. H = 4,26m = 13,976(foot).
P- Chiều cao đập phía thượng lưu. P = 32,44m = 106,43(foot)
C- Hệ số lưu lượng
Với P = 32,44m>1,33.H =1,33.4,26 = 5,667 tức khi đập đủ cao ta lấy C =
4,03.
Thay vào công thức trên ta xác định được khả năng tháo qua tràn như sau.
Q = 4,03.262,467.13,976^
3/2
= 55267,781(feet
3
/s) = 1565(m
3
/s)
Ta thấy: Q = 1565(m
3
/s) > Q
max1%
= 1465(m
3
/s)
Vậy bề rộng tràn L= 80m thiết kế theo mặt cắt dạng WES đủ khả năng tháo lưu
lượng lớn nhất ứng với tần suất lũ thiết kế.
- Trường hợp kiểm tra (P = 0,2%)
H = CT

MNLKT
- CT
MNDGC
= 211,87 – 206,94 = 4,93(m) = 16,175(foot);
Vậy lưu lượng tính toán:
Q = 4,03.262,467.16,175
3/2
= 68806,218(feet
3
/s) = 1948(m
3
/s)
Ta thấy: Q = 1948(m
3
/s) > Q
max0,2%
= 1821(m
3
/s)
Vậy bề rộng tràn L=80m được thiết kế theo mặt cắt dạng WES đủ khả năng
tháo lưu lượng lớn nhất ứng với tần suất lũ kiểm tra.
4. Vẽ đường mặt nước trên tràn
Việc xác định đường mặt nước trên tràn có ý nghĩa lớn trong việc xác định
chiều cao trụ pin, cao trình ở tim đỉnh cửa van cung, đỉnh tường biên.
Ta có: H/H
d
= 4,26/4,2 = 1,01
Đối với đập tràn dạng WES thuộc loại đập cao thì đường mặt nước không có
trộn khí trong trường hợp H/H
d

= 1,01 (nằm trong khoảng từ 0,5-1,33) được xác
định như bảng sau:
Bảng 9.13
H/Hd 1 1.01 1.33 Toạ độ mặt nước
x/Hd y/Hd x y
-1.0 -0.933 -0.933 -1.210 -4.200 -3.920
-0.8 -0.915 -0.915 -1.185 -3.360 -3.844
-0.6 -0.893 -0.893 -1.151 -2.520 -3.752
-0.4 -0.865 -0.865 -1.110 -1.680 -3.634
-0.2 -0.821 -0.821 -1.060 -0.840 -3.449
0.0 -0.755 -0.755 -1.000 0.000 -3.172
0.2 -0.681 -0.681 -0.919 0.840 -2.861
0.4 -0.586 -0.586 -0.821 1.680 -2.462
0.6 -0.465 -0.465 -0.705 2.520 -1.954
0.8 -0.320 -0.320 -0.569 3.360 -1.345
1.0 -0.145 -0.145 -0.411 4.200 -0.610
1.2 0.055 0.055 -0.411 5.040 0.229
1.4 0.294 0.293 -0.220 5.880 1.233
1.6 0.563 0.562 -0.243 6.720 2.361
1.8 0.857 0.856 -0.531 7.560 3.594