tính toán khí thực trên công trình tháo nước

Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC
ĐỀ SỐ 12
I. Đề bài
1. Tài liệu ban đầu
- Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ như hình 1

Hình 1: Sơ đồ bố trí dốc nước sau tràn
- Chiều dài từ ngưỡng tràn đến đầu dốc Lo = 30 m
- Chiều dài dốc L = 200 m (trên mặt bằng): 10 đoạn x 20 m
- Độ dốc: i = 0,25
- Vật liệu thân dốc: BTCT M200
- Độ nhám bề mặt: n = 0,017 (∆ = 0,5 mm)
- Gồ ghề cục bộ tại các khớp nối (dự kiến): Zm = 5 mm
- Cao độ đầu dốc: đ = 300,0 m; nhiệt độ nước T = 25o
- Mặt cắt ngang dốc: chữ nhật, B = 20 m
- Lưu lượng thiết kế: QTK = 520 m³/s
- Độ sâu đầu dốc: hd = 3,16 m
- Hình thức tiêu năng cuối dốc: mũi phun
2. Yêu cầu
- Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc tại các vị trí khớp nối khi tháo Q TK
- Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc
- Thiết kế bộ phận tiếp khí để phòng khí thực (nếu có)
II. Tính toán
1. Kiểm tra khả năng khí hóa dòng chảy trên dốc khi tháo lưu lượng thiết kế
1.1. Vẽ đường mặt nước trên dốc
Dùng phương pháp sai phân, xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước tại các
mặt cắt tiếp theo bằng cách thử dần theo phương trình:
∆L =

∆E
i − J TB

Trong đó:
Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 1


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

∆L: Khoảng cách (theo phương ngang) giữa 2 mặt cắt tính toán
V22
V12
∆E = E2 – E1 ; E 2 = h2 +
; E1 = h1 +
2g
2g

h1; h2 : Độ sâu tương ứng tại mặt cắt 1 (đầu đoạn) và 2 (cuối đoạn)
V1; V2: Lưu tốc bình quân tại mặt cắt 1 và 2
i: Độ dốc đáy dốc
JTB = (J1 + J2)/2
J1; J2: Độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1 và 2.
Kết quả tính toán và vẽ đường mực nước như trên bảng 1
Ghi chú công thức tính toán trong Bảng 1
h: Độ sâu mực nước trong dốc (Giả thiết)
χ: Chu vi ướt của mặt cắt tính toán; χ = B + 2h (mặt cắt hình chữ nhật)
ω: Diện tích mặt cắt ướt; ω = B.h
R: Bán kính thủy lực; R = ω/χ

C R=

1 1/ 6
R
R
n

V: Vận tốc dòng chày đoạn tính toán ; V = Q/ω
J: Độ dốc thủy lực; J =

Học viên: Phạm Quang Mạnh

V2
C2R

Trang 2


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

Bảng 1: Kết quả tính toán vẽ đường mực nước trên dốc
MC h (m) χ (m) ω (m²) R (m)

C R

V (m/s)

J

JTB i - JTB

E

∆L

L

20,00
20,00
20,00
20,00
20,00
20,00
20,00
20,00
20,00

0
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00

1
2

3
4
5
6
7
8
9
10

3,16
1,92
1,57
1,39
1,28
1,20
1,14
1,10
1,07
1,05

26,32
23,84
23,15
22,78
22,56
22,40
22,29
22,21
22,15
22,10

63,20
38,39
31,50
27,84
25,55
24,00
22,89
22,07
21,46
20,99

2,40
1,61
1,36
1,22
1,13
1,07
1,03
0,99
0,97
0,95

105,48
80,82
72,23
67,23
63,92
61,59
59,87

58,58
57,60
56,83

8,23
13,54
16,51
18,68
20,35
21,67
22,72
23,56
24,24
24,78

0,01
0,03
0,05
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,19

11

1,03

22,06

20,63

0,93

56,24

25,21

0,20 0,20 0,054 33,43 1,09 20,00 200,00

0,02
0,04
0,06
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
0,18

0,233
0,210
0,185
0,161
0,137
0,116
0,097
0,081

0,066

6,61
11,27
15,47
19,17
22,39
25,13
27,46
29,40
31,01
32,34

∆E
4,66
4,20
3,71
3,21
2,75
2,32
1,94
1,61
1,33

1.2. Xác định hệ số khí hóa phân giới
Với giả thiết tại các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ phát sinh bậc lồi
(hay bậc thụt) với chiều cao khống chế Z m = 5 mm, góc α = 90o. Khi đó hệ số khí hóa
phân giới (tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi) sẽ là:
K pg = 0,125.α 0,65 = 2,33

1.3. Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán
Hệ số khí hóa được xác định theo công thức:

K=

H ĐT − H pg
2
V ĐT
2g

Trong đó:
HĐT: Cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy; HĐT = Ha + h.cosψ
h: Độ sâu nước tại mặt cắt tính toán
Ha: Cột nước áp lực khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước tại mặt cắt tính toán
Zmn = Zđáy + h
ψ: Góc nghiệng của đáy lòng dẫn so với phương ngang
Hpg: Cột nước áp lực phân giới. Ứng với nhiệt độ T = 25 o tra Bảng 2.2 Tiêu chuẩn
14TCN 198:2006 được Hpg = 0,32 m
VĐT: Lưu tốc đặc trưng khi vị trí có mấu gồ ghề thuộc các đoạn khác nhau trên
dòng chày được xác định theo công thức:
V ĐT = V y =

VTB
ξ1 .ξ 2
ϕV

VTB: Lưu tốc trung bình mặt cắt
ϕV: Hệ số biểu thị quan hệ giữa lưu tốc trung bình và lưu tốc lớn nhất trong dòng
chảy khi chiều dày lớp biên và dạng mặt cắt ngang của dòng chảy đã cho. Với dòng
không áp mặt cắt ngang hình chữ nhật có bề rộng B và độ sâu nước h, ϕV được xác định

theo công thức:

Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 3


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước




1 
δ 2  B + 2h  δ
δ


ϕV =
 ln + 2  − 2 ln − 5 
( h − δ )( B − 2δ ) + δ

Bh 
δ  ∆
∆


ln + 3 
∆



∆: Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt. Ứng với mặt bê tông với ván khuôn
bằng kim loại thì ∆ = 0,5 ÷ 1,0 mm; Chọn ∆ = 0,5 mm
Sử dụng biểu đồ Hình 2.6 14TCN 198:2006 xác định được ξ1; ξ2; δ
Kết quả tính toán được ghi trong bảng 2. Từ kết quả này cho thấy từ mặt cắt 3 đến
mặt cắt 11 mặt cắt có K < Kpg = 2,33. Vậy tại các mặt cắt này có khí hóa dòng chảy.

Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 4


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

Bảng 2: Kết quả tính toán kiểm tra khả năng khí hóa tại các mặt cắt tính toán
MC

h (m)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

3,08
1,75
1,42
1,25
1,15
1,08
1,03
0,99
0,97
0,95
0,93

Zmn
(m)
303,08
295,95
289,82
283,85
277,95
272,08
266,23
260,39
254,57
248,75
242,93

Học viên: Phạm Quang Mạnh

Ha

(m)
9,98
9,98
9,99
10,00
10,00
10,01
10,02
10,02
10,03
10,04
10,04

HĐT (m)
12,93
11,66
11,35
11,20
11,10
11,04
11,00
10,98
10,96
10,95
10,94

L* (m)
30,00
50,00
70,00

90,00
110,00
130,00
150,00
170,00
190,00
210,00
230,00

L*/∆
(104)
6,00
10,00
14,00
18,00
22,00
26,00
30,00
34,00
38,00
42,00
46,00

δ/∆
(103)
0,79
1,28
1,80
2,27
2,70

3,10
3,44
3,90
4,42
4,95
5,24

δ (m)
0,40
0,64
0,90
1,14
1,35
1,55
1,72
1,95
2,21
2,47
2,62

ξ2
(10-3)
1,48
1,15
1,02
0,97
0,94
0,92
0,91
0,89

0,87
0,86
0,85

ξ1

ϕv

230
230
230
230
230
230
230
230
230
230
230

0,940
0,871
0,806
0,746
0,691
0,641
0,598
0,549
0,497
0,449

0,420

VĐT
(m/s)
4,92
8,26
10,33
12,40
14,35
16,28
18,11
20,25
22,73
25,49
27,52

K
10,209
3,265
2,030
1,387
1,028
0,794
0,639
0,510
0,404
0,321
0,275

Khả năng

khí hóa
Không có
Không có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có

Trang 5


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

2. Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc
Khi khí hóa duy trì trong thời gian đủ dài và dòng chảy có lưu tốc cục bộ tại đỉnh
mấu gồ ghề VĐT > Vng thì thành dốc nước có khả năng bị xâm thực.
Trị số lưu tốc ngưỡng xâm thực V ng của vật liệu bê tông phụ thuộc vào độ bền nén
của vật liệu (Rb)và hệ số hàm khí trong nước S. Ứng với bê tông bề mặt lòng dẫn có R b =
20 Mpa; độ hàm khí trong nước S = 0, tra đồ thị Hình 1.12 – Tiêu chuẩn Việt Nam –
14TCN 198:2006 được Vng = 9 m/s
Từ các giá trị VĐT ở Bảng 2 cho thấy
- Từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 có VĐT < Vng ⇒ không bị xâm thực
- Từ mặt cắt 3 đến cuối dốc có VĐT > Vng ⇒ có khả năng xâm thực
Bằng nội suy từ biểu đồ lưu tốc V ĐT dọc theo dòng chảy, xác định được mặt cắt có
VĐT = Vng = 9 m/s là mặt cắt B cách đầu dốc một khoảng LB = 27,19 m

Đoạn từ mặt cắt B đến cuối dốc cần có biện pháp bảo vệ chống khí thực
3. Thiết kế bộ phận tiếp khí (BPTK) để phòng khí thực
3.1. Bố trí các BPTK trên dốc
Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc 27,19
m) cần được bảo vệ chống khí thực. Để đảm bảo an toàn cho thân dốc, bố trí các bộ phận
tiếp khí như sau:
- BPTK1 đặt tại mặt cắt M1, cách đầu dốc 30 m
- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 80 m
- BPTK3 đặt tại mặt cắt M3, cách đầu dốc 140 m
Với phương án bố trí đã nêu, từ Bảng 1 ta có các thông số thủy lực tại các mặt cắt
có bố trí BPTK như sau:
Bảng 3: Thông số tính toán các bộ phận tiếp khí
Vị trí
BPTK1
BPTK2
BPTK3

L (m)
30
80
140

Lp (m)
50
60
60

h (m)
1,58
1,15

0,99

V (m/s)
15,59
21,31
24,57

Fr
15,65
40,42
61,96

Fr
3,96
6,36
7,87

3.2. Tính toán bộ phận tiếp khí 1:

Hình 2: Bố trí mũi hắt tại BPTK

Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 6


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

B1. Xác định chiều cao mũi hắt Zm theo công thức: Z m =

L p . cos 2ψ
25( Fr − 1)

Trong đó:
+ Lp: Chiều dài cần bảo vệ sau BPTK, Lp = 50m.
+ ψ: Góc hợp bởi bề mặt dốc nước so với phương nằm ngang; ψ = 16,170
+ Fr: Số Froud ; Fr =

v2
(mặt cắt hình chữ nhật); Fr = 15,65
gh

Thay vào công thức tính Zm ta có: Z m =

L p . cos 2ψ
25( Fr − 1)

= 0,57

B2. Chọn độ nghiêng mũi hắt:
Sơ đồ bố trí mũi như trên hình 3
Giả thiết chiều dài mũi Lm; điều kiện để chọn chiều dài mũi hợp lý:

Zm 1 1
= ÷
Lm 6 5

Chọn chiều dài mũi Lm = 3,0m. Với độ dốc dọc tgψ = 0,29 ta có:
Z1 = 3,0*0,29=0,87 m.
Z2 = Zm – Z1 = 0,57 – 0,87 = -0,30 m.

tgθ =

Z 2 −0,30
=
= −0,10 => θ = -5,680 ( mũi dốc thuận)
Lm
3, 0

B3. Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt:
Theo công thức (4-2) Trang 47 - 14TCN 198:2006 ta có:
Lb =


2.Z m
h  Zm
cos(ψ − θ) 
+ Fr .
. Fr . sin θ + Fr. sin 2 θ +
. cos ψ 

cos ψ  h
cos ψ 
h


Với h = 1,58m, Zm = 0,57 ; Fr = 15,65; Fr =3,96; sin θ =sin(-5,680) = -0,565;
cos ( ψ - θ ) =0,928
Thay số vào ta được Lb= 3,93m.
B4. Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp:
qa = 0,033.V.Lb

(công thức 4-3 trang 47)

Trong đó:
+ V = 15,59 m/s
+ Lb = 3,93m
⇒ qa = 2,02 m3/s.m

B5. Tính lưu lượng khí tổng cộng:
Qa = qa.B = 2,02*20 = 40,39 m3/s
Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 7


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

B6. Tính diện tích tổng cộng của mặt cắt ngang các ống dẫn khí:
ωa =

Qa
Va

Va: Lưu tốc khí khống chế trong ống; Va ≤ 60 m/s
Chọn Va= 50 m/s, ta có ωa = 0,81m2
Bố trí 2 ống cấp khí ở 2 tường bên của đường tràn. Bố trí kích thước các ống như
nhau, diện tích tối thiểu mỗi ống phải là:
ω a1 =

ωa

= 0,40 (m2)
2

B7. Chọn kích thước ống:
Ba x ta = 1,0m x 1,0 m ( ω a1= 1,0m2)
Trong đó:
+ Ba: Cạnh của mặt cắt ngang ống theo chiều dài dòng chảy.
+ ta: cạnh của mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên của trụ hay tường.
Với kích thước ống đã chọn, vận tốc khí trong ống sẽ là:
Va =

Qa
40,39
=
= 20,19 (m/s)
2.t a .B a 2.1, 0.1, 0

B8. Xác định độ chân không ở trong buồng khí:
Va2 γ a
.
Theo công thức: hck =
2.g .µ a2 γ

Trong đó:
+ Va : Lưu tốc khí tới gần; Va =

Qa
= 20,19 (m/s).
n.Ba .ta

γa
1
=
γ
780
+ Trị số μa xác định theo công thức thủy lực (4-8) trong đó các hệ số tổn thất áp

+

lực như sau:

µa =

1
1 + ∑ξi

Tổn thất tại cửa vào: ξv = 0,5
Tổn thất tại vị trí uốn cong gấp 900: ξu = 1,1.
Tổn thất áp lực dọc đường tính với chiều dài ống:
La = Ht +

t a B1
+
+ 2.tt
2 2

Trong đó:
Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 8

Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

Ht – Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 4,0 m.
Được xác định theo công thức: Ht = hb + h + ∆H
hb = Z m +

V2
cos 2 θ .(tgθ + tgψ ) 2
2g

h : Chiều dày lớp nước phía trên buồng khí (lấy gần đúng bằng độ sâu nước
trên mũi hắt); h=1,58m
∆H : Độ cao an toàn, xác định theo cấp công trình, chọn ∆H = 0,5 m
ta – Chiều rộng mặt cắt ống thông khí, ta = 1,0 m.
B1 – Bề rộng của mỗi khoang, B1 =B=20m
tt – Chiều dày lớp thành ống dẫn trong trụ và thành bên, chọn tt = 0,4m;
Thay vào công thức ta được: La = 15,3 m.
Mặt cắt ống có: Ba = 1,0 m; ta = 1,0 m; χa = 4,0 m; ωa1 = 1,0 m2; R = 0,25 m; C R
= 23,34
Hệ số tổn thất áp lực dọc đường:
ξd =

2.g.L a 2.9,81.15,3
=
=0,55
23,342
C 2 .R

Như vậy ống có ∑ξi = 0,5+1,1+0,55=2,15
µa =

1
1 + ∑ ξi

=

Thay vào: h ck =

1
=0,563
1 + 2,15
Va2 γ a
.
= 0,08<0,5m, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định của
2.g.µ a2 γ

đường tháo.
B9. Tính toán kích thước máng dẫn khí ở đáy, sau mũi hắt:
- Bề rộng máng: Bmk = Ba = 1,0m;
- Chiều sâu: tmk = ta – Zm = 1,0 – 0,57 = 0,43m. Chọn tmk = 0,45m.

Hình 3: Bố trí mũi hắt và ống dẫn khí (BPTK1)
Học viên: Phạm Quang Mạnh

Trang 9


Tính toán khí thực trên công trình tháo nước

B10. Tính chiều cao lớn nhất của buồng khí:
Thay vào công thức:
hb = Z m +

V2
2
. cos 2 θ .( tgθ + tgψ ) =1,02 m
2.g

Với các BPTK2 và BPTK3 khác cũng tính tương tự. Kết quả cho ở bảng sau:
Bảng 4: Kết quả tính toán các BPTK
Thông số
Vị trí đặt
Chiều cao mũi hắt
Chiều dài mũi hắt
Góc nghiêng mũi
Chiều dài buồng khí

Kí hiệu
L
Zm
Lm
θ

Lưu lượng khí
Số ống dẫn khí
Kích thước 1 ống
Độ chân không
Bề rộng máng khí

Qa
n
B a x ta
hck
Bmk

m3/s

tmk
hb

Chiều sâu máng
Chiều cao buồng khí

Học viên: Phạm Quang Mạnh

Lb

Đơn vị
m
m
m
độ
m

BPTK1

BPTK2

BPTK3

30

80

140

0,57

0,38

0,30

3,0
-5,68

2,0
-5,75

1,5
-5,33

3,93

3,20

2,83

40,39

2

44,97
2

45,92
2

m
m
m

1,0 x 1,0

1,0 x 1,0

1,0 x 1,0

0,08

0,10

0,11

1,0

1,0

1,0

m
m

0,45
1,02

0,60
1,20

0,70
1,48

Trang 10