Phương pháp lập mô hình vật lý công trình thủy lợi

Trờng Đại học thuỷ lợi
Khoa sau đại học


Bài tập môn học

phơng pháp lập mô hình vật lý
công trình thủy lợi

Giáo viên hớng dẫn: TS. Phạm Văn Quốc
Học viên

:

Lớp

:

Hà nội 02-20...


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

Bài tập
Lập mô hình thủy lực cho đập tràn A

A. Đề bài (Đề số 9)
1. Giới thiệu về tràn xả lũ
Các hạng mục công trình đầu mối gồm: Đập đất đồng chất; Tràn xả lũ có
cửa van điều tiết; Cống tới; Hệ thống kênh xả; Khu quản lý trung tâm.
Tràn xả lũ hồ chứa A nằm tại vị trí lòng sông. Nối tiếp với tràn ở hai phía

bờ là đập đất. Đập tràn đợc thiết kế dạng tràn ngỡng thực dụng không chân
không, tiêu năng đáy với 6 khoang có cửa van cung điều tiết, mỗi khoang rộng
11m.
Kênh dẫn sau dốc nớc rộng 150 m, mái dốc m = 2,0; độ dốc i=6.10-4
Sau tràn là dốc nớc có bề rộng Btr = 72,2 m. Sau dốc nớc tiêu năng bằng bể
tiêu năng.
2. Các thông số cơ bản của tràn xả lũ
Cấp công trình
: cấp II
Hình thức tràn
: Tràn có cửa van cung
Số khoang n
:6
Bề rộng mỗi cửa Bc
: 11 m
Kết cấu tràn bê tông cốt thép
Tần suất và lu lợng thiết kế qua tràn : P = 0,5%; QTK = 6.400m3/s
Tần suất và lu lợng kiểm tra qua tràn: P = 0,1%; QKT = 6.900m3/s
Chiều dày trụ pin đơn
: 1,0 m
Chiều dày trụ pin kép
: 1,6 m
Cao trình ngỡng tràn
: + 60,0 m
Mực nớc dâng bình thờng
: + 70,0 m
3. Các tài liệu cơ bản khác
Bình đồ khu vực công trình đầu mối TL 1:250
- Các bản vẽ mặt bằng, cặt dọc, cắt ngang tràn xả lũ.
- Quan hệ Q~Z hạ lu công trình.

- Các mặt cắt địa chất và chỉ tiêu cơ lý nền sau tràn.

Học viên:

2


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

B. Tiến hành thiết kế lập mô hình thủy lực
II. Thiết kế Mục đích thực nghiệm
-Xác định khả năng tháo (lu lợng xả) của tràn xả lũ với các mực nớc thợng
lu tơng ứng với chế độ xả tự do và chiều cao độ mở của van khác nhau.
-Xác định trạng thái của dốc nớc
-Xác định hiệu quả tiêu năng sau dốc nớc
II. Tính toán, bố trí đập tràn thực.
1. Cột nớc siêu cao trên ngỡng tràn
- Trong bài này do không kể đến điều tiết của hồ, nên việc xác định cột nớc siêu cao chỉ dựa vào lu lợng kiểm tra (QKT0,1%=6.900 m3/s)
Xem nh tràn đợc thiết kế có cửa vào thuận, tạm lấy hệ số lu lợng m=0,42
và bỏ qua các tổn thất khác ở cửa vào. Bỏ qua cột nớc lu tốc tới gần, khi đó dựa
vào công thức tính lu lợng qua đập tràn ta có:
H SC

Q KT


=
m.n.B. 2 g

2/3



6900

=
0,42 x 6 x11x 2 x9,81



2/3

= 14,67 m

2. Bố trí đập tràn.
Đập tràn thực (nguyên hình) đợc thiết kế nh hình vẽ kèm theo (bao gồm
toàn bộ kích thớc nh hình vẽ 1).
III. Chọn loại vả tỷ lệ hình học mô hình
1. Chọn loại mô hình
Tràn xả lũ A làm việc trong điều kiện không gian, nên việc nghiên cứu thí
nghiệm đợc tiến hành trên mô hình chính thái tổng thể.
Dòng chảy qua tràn chịu ảnh hởng của trọng lực là chủ yếu, sức cản dọc
đờng là thứ yếu, nên mô hình đợc thiết kế theo tiêu chuẩn Froude.
Do kết cấu của công trình đợc làm hoàn toàn bằng bê tông cốt thép và sự
ảnh hởng của bùn cát trong dòng chảy qua công trình là rất nhỏ nên chọn loại
mô hình lòng cứng để nghiên cứu.
2. Chọn tỷ lệ mô hình
Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình: Do dòng chảy qua tràn và hạ lu chịu

trọng lực là chủ yếu nên chọn tiêu chuẩn Froud để thiết kế mô hình.
- Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự:
Fr = idem
Re.m Regh
C = idem
- Mô hình có đủ diện tích bố trí các bộ phận theo tỷ lệ đã chọn.
- Mô hình thiết kế theo tiêu chuẩn Froud cần phải thỏa mãn một số điều
kiện giới hạn nh sau: lu tốc dòng chảy trên mô hình v0,23m/s; chiều cao dòng
Học viên:

3


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

chảy trên mô hình h 15mm; Cột nớc tràn trên đỉnh ngỡng tràn (tròn) ở mô hình
H 50mm. Khi dòng chảy dới cửa van thì độ mở nhỏ nhất của cửa van a
60mm, cột nớc áp lực h 3,3 a.
- Các thiết bị đo đạc đủ khả năng đo đạc đợc các thông số nh: (vmax, vmin.
v.v) khả năng phòng thí nghiệm đáp ứng đợc về mặt cấp nớc, trang thiết bị, có
đủ khả năng cung cấp vật liệu cho mô hình v.v
- Chọn tỷ lệ hợp lý nhất có thể đợc.
Kết quả tính toán cụ thể ở bảng 1
Bảng 1: Bảng tính toán chọn tỷ lệ mô hình
STT

L

1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100

QTT
(m3/s)
6900
6900

6900
6900
6900
6900
6900
6900
6900
6900
6900
6900
6900

HTTTràn
(m)
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67
14,67

Qmh
(l/s)

681,9
507,9
390,3
307,6
247,4
202,6
168,3
141,6
120,5
103,6
89,8
78,4
69,0

Hmh
(cm)
36,7
32,6
29,3
26,7
24,5
22,6
21,0
19,6
18,3
17,3
16,3
15,4
14,7

Vmh
(m/s)

Remh

1,127
1,062
1,008
0,961
0,920
0,884
0,852
0,823
0,797
0,773
0,751
0,731
0,713

283.237
237.367
202.668
175.669
154.175
136.732
122.347
110.318
100.139
91.435
83.922

77.385
71.654

Xuất phát từ các tài liệu đợc cấp; khả năng năng cấp nớc của phòng thí
nghiệm; mặt bằng khu thí nghiệm; các yêu cầu về độ chính xác, quy mô kích thớc công trình, diện tích mặt bằng thí nghiệm .v.v chọn tỷ lệ hình học của mô
hình L =75.
Theo tiêu chuẩn Froude, từ tỷ lệ của mô hình L = 75, ta có:
- Tỷ lệ về diện tích: s = 2L = 752 = 5.625
- Tỷ lệ về thể tích: s = 3L = 753 = 421.875
- Tỷ lệ về lu lợng: Q = 2L.5 = 75 2.5 = 48.713,93
- Tỷ lệ về vận tốc: V = 1L/ 2 = 751/ 2 = 8,66
- Tỷ lệ về gia tốc: a = 1
- Tỷ lệ về thời gian: T = 1L/ 2 = 751/ 2 = 8,66

Học viên:

4


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

3. Phạm vi bố trí mô hình
Mô hình đợc bố trí ngoài trời với kích thớc nh sau: với
- Chiều dài mô hình: Để loại trừ ảnh hởng của lu tốc tới gần, chiều dài về
phía thợng lu tràn là khoảng 30 lần Htr, tức khoảng 440m, tơng ứng ở mô hình là
5,9m, đảm bảo mực nớc tràn tơng ứng với mặt nớc hồ. Chiều dài về phía hạ lu
đảm bảo bao đợc tuyến đo Q ~ Zhl mà thiết kế đã đo đạc, ở đây bố trí cả đoạn
kênh dẫn ở sau khoảng 450m, tơng ứng ở mô hình là 6,0m.
- Bề rộng mô hình: Xét từ mực nớc lũ lớn nhất ở phía hồ chứa và theo địa
hình lòng sông ở hạ lu, để đảm bảo an toán lấy chiều rộng cần mô hình hóa là

600m tơng ứng ở mô hình là 8,0m.
Để đủ điều kiện bố trí các bộ phận lặng sóng, máng cấp nớc, máng thu hồ
nớc, phạm vi để xây dựng mô hình đợc bố trí trong phạm vi diện tích:
S = B ì L = 10 ì 13 (m2)
(Bố trí mô hình nh hình vẽ 2 và 3 kèm theo).
4. Vật liệu làm mô hình
- Với tỷ lệ mô hình đã chọn L = 75 vậy tỷ lệ nhám n = L1/6 = 751/6 = 2,053.
- Trong thực tế lòng sông có độ nhám n1 = 0,024.
- Công trình đầu mối bê tông có độ nhám n2 = 0,017,
- Cửa van bằng kính hữu cơ có độ nhám = 0,014.
Theo tỷ lệ nhám ở trên thì các chỉ số nhám trong mô hình lần lợt là:
nm1 = 0,0117;
nm2 = 0,0083;
nm3 = 0,0068
Với các độ nhám trên ta chọn vữa xi măng cát mịn làm vật liệu cho công
trình đầu mối và lòng dẫn, kính hữu cơ làm vật liệu chế tạo cửa van nh vậy mô
hình đảm bảo tơng tự về mặt độ nhám.
5. Xây dựng chế tạo mô hình
- Lên cao độ địa hình của mô hình (nh sơ đồ trên) đợc khống chế bằng
máy thủy bình độ chính xác cao Ni-005 của Đức.
- Phần đầu mối và lòng dẫn đợc chế tạo bằng vữa xi măng cát mịn đảm
bảo không biến dạng, không thấm.
- Để đảm bảo dòng chảy trong mô hình tơng tự nh thực tế, khi thí nghiệm
đã lắp đặt thêm bộ phận lặng sóng.
- Các phần còn lại nh lòng hồ, kênh dẫn.v.v đợc làm bằng vữa xi măng
cát đảm bảo khả năng chống thấm, bền vững.
- Lu lợng qua mô hình đợc khống chế qua van điều chỉnh lu lợng và đo
qua máng lờng chữ nhật có dạng đập tràn thành mỏng.
Học viên:

5


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

6. Kiểm tra điều kiện giới hạn Reynolds
Để đảm bảo trạng thái chảy trên mô hình tơng tự với thực tế thì dòng chảy
phải ở trong khu bình phơng sức cản tức Rem > Regh.
- Rem: số Raynolds trong mô hình
- Regh: số Raynolds giới hạn
- Trong đó: Re m =

Vm .R m
và


Re gh =

14

L m m

- : hệ số nhớt động học nớc thí nghiệm, với t = 200C thì = 1,01.10-6m2/s.
- L: tỷ lệ mô hình
- m: độ nhám tuyệt đối trên mô hình; m = 0,65mm
Từ điều kiện chiều cao cột nớc trên đỉnh tràn ở mô hình không nhỏ hơn
5cm; ta giả thiết chiều cao cột nớc tràn nhỏ nhất ở mô hình là 5cm, tơng ứng cột
nớc tràn nguyên hình là Hmin = 75 x 0,05 = 3,75m. Tơng ứng có lu lợng và lu
tốc qua tràn ở nguyên hình là:
3

3

Q = m.n.b 2.g H 2 = 0,42 x 6 x11 2 x9,81x3,75 2 = 891,64m 3 / s
Vn =

Q 891,64
=
= 3,60m / s
66 x3,75

Theo thiết kế kênh dẫn sau dốc nớc có B= 150m; i=0,0006; n=0,024;
m=2. Từ bài toán dòng chảy đều trong kênh hở, dùng công thức tính lu lợng
Q = .C. R.i , ta tính đợc chiều sâu cột nớc ở kênh dẫn hạ lu bằng phơng
pháp thử dần theo bảng sau:
Bảng 2: tính toán dòng chảy trên kênh dẫn sau dốc nớc
H(m)

(m2)

2,00
2,50
2,80
2,86

308,00
387,50
435,68
446,14

(m)
158,94
161,18
162,52
162,81

R(m)

C (m0,5/s)

Q(m3/s)

V(m/s)

1,938
2,404
2,681
2,740

46,524
48,226
49,109
49,289

488,60
709,76
858,10
891,64

1,59

1,83
1,97
2,00

Từ bảng trên, tơng ứng với Qmin = 891,64 m3/s, ta có chiều cao cột nớc
trong kênh dẫn sau dốc nớc là hn = 2,86m, đồng thời có đợc lu tốc V và bán kính
thủy lực R tại một mặt cắt ổn định trên kênh dẫn sau dốc nớc nh bảng trên
- Từ đó tính đợc hh min, Rm, Vm là chiều cao, bán kính thủy lực và vận tốc
nhỏ nhất ở hạ lu dòng chảy trên mô hình:
Hm = hn/l = 286/75 = 3,82cm
Rm = Rn/l = 274/75 = 3,70cm
Vm=Vn/v =2/751/2= 0,231m/s
Học viên:

6


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

Từ đó tính đợc:
Re m =

m =

V m .R m 0,231x0,037
=
= 8.348

1,01x10 6

2 g.R m .i

Re gh =



=

2
m

2 x9,81x0,037 x0,0006
= 0,0081 ;
0,2312

14

1 m m

=

14
75 x0,65 x10 3 x 0,0081

= 3.196

Vậy ta có đợc Remh > Regh (bảng 3).
Bảng 3: Bảng tính kiểm tra điều kiện Reynolds trên mô hình
Hmhmin (cm)
Vmh(m/s)

Remhmin
Regh
So sánh
3,82
0,231
8.348
3.196
Remhmin>Regh
Vậy dòng chảy nằm trong khu tự động mô hình. Dòng chảy trong mô hình
đảm bảo tơng tự với thực tế. Mô hình thoả mãn các điều kiện tơng tự.
7. Các thiết bị đo đạc và thu thập số liệu
7.1. Dụng cụ đo cao độ
Cao độ bình đồ mô hình và đờng mặt nớc đo bằng máy thủy bình độ chính
xác cao Ni-005.
7.2. Dụng cụ đo lu lợng
Đo lu lợng bằng đập tràn thành mỏng (máng lờng) dạng chữ nhật. Lu lợng
qua đập đợc tính theo Rebock nh sau:
Q = (1.782 + 0.24 ì he/P) ìB ì he3/2
trong đó:
Q - lu lợng (l/s)
B - chiều rộng máng đo lu lợng (m)
P - chiều cao đập lờng (m)
he = h0 + 0.0011 (m)
7.3. Thiết bị đo mực nớc
Thiết bị đo mực nớc bằng các kim đo mực nớc của ARMFIELD độ chính
xác cao (thiết bị do Anh sản xuất), độ chính xác kim đo là 0.1mm.
7.4. Đo áp suất mạch động
Đo áp suất mạch động bằng đầu cảm ứng DRUCK.
7.5. Dụng cụ đo lu tốc
Máy đo lu tốc kiểu điện từ Pems-E30, và E-40.

7.6. Thiết bị lu trữ và xử lý số liệu
- Bộ lu trữ, xử lý số liệu Hydra-Datalogger, do Fluke Mỹ sản xuất.
Học viên:

7


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

- Bộ lu trữ và xử lý số liệu TDS-303 do Nhật sản xuất.
- Các thiết bị văn phòng, máy tính, máy in
IV. Thí nghiệm trên mô hình
Công tác thí nghiệm đợc tiến hành theo từng sêry. Mỗi sêry thí nghiệm đợc thực hiện theo các trình tự nh sau:
1. Mở nớc
Vận hành máy bơm đa nớc từ bể chứa ngầm lên bể áp lực rồi từ đấy chảy
qua máng lờng đo lu lợng rồi chảy vào mô hình.
2. Xác định lu lợng, mực nớc thí nghiệm
- Dùng van khống chế lu lợng chảy qua máng lờng vào mô hình.
- Khi mực nớc hạ lu, máng lờng ổn định, đọc giá trị mực nớc thợng lu.
- Mực nớc hạ lu đợc khống chế nhờ kim đo mực nớc hạ lu.
3. Đo đạc tính toán ứng với từng trờng hợp
Các số liệu đo đạc đợc ghi chép tại mô hình sau đó truy cập, tính toán xử
lý, phân tích lu trữ trên máy vi tính. Đồng thời chụp một số hình ảnh của mô
hình kèm vào tài liệu báo cáo.
V. Kết quả thí nghiệm
Tiến hành đo lu lợng xả qua tràn và vận tốc đáy tại các mặt cắt nêu trên với các
trờng hợp sau:
- Mở cửa 1 khoang tràn có độ mở cửa hoàn toàn, mực nớc hồ + 73.95m
- Mở cửa van 2 khoang tràn có độ mở a = 4.0m, mực nớc hồ + 74.3m.
- Mở cửa van 5 khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m.

- Mở cửa van 3 khoang tràn có độ mở a = 1.0m, mực nớc hồ +74.3m.
- Mở cửa van hoàn toàn cả 6 khoang tràn, mực nớc hồ +74.3m.
- Mở cửa van hoàn toàn cả 6 khoang tràn, mực nớc hồ +74.67m.
- Mở cửa van cả 6 khoang tràn có độ mở cửa a = 4.0m, mực nớc hồ +74.67m.
- Mở cửa van cả 6 khoang tràn có độ mở cửa a = 6.0m, mực nớc hồ +74.67m.
Bảng 4 Kết quả các sêri thí nghiệm
TT N
a(m) E(m) Q(m3/s) hh(m) dt(m) ds(m) Lt(m) Ls(m) Lh(m) Uđ(m/s)
1
2
3
4
5
6
7
..
Học viên:

8


Bài tập phơng pháp lập mô hình vật lý CTTL

...

Trong tất cả các trờng hợp mở cửa van đều thay đổi lại các sêry thí nghiệm
về chiều dài, khoảng cách bố trí chiều cao tờng tiêu năng và chiều dài sân sau.
Các kết quả thí nghiệm đợc ghi tại bảng 4.3.
VI. phân tích lập công thức từ kết quả thí nghiệm
Mục đích là tìm ra đợc quy luật ảnh hởng của các yếu tố thủy lực và các

yếu tố công trình tới vận tốc đáy (U đ) tại mặt cắt cuối phần gia cố cứng sau bể
tiêu năng nối tiếp với kênh tự nhiên. Từ quy luật này sẽ tìm mối quan hệ tơng hỗ
giữa các đại lợng biến đổi mà bất kỳ một đại lợng nào đó cũng đợc suy ra từ các
đại lợng khác phục vụ công tác nghiên cứu, vận hành.

Học viên:

9