Tiêu năng sau công trình tháo nước và phương pháp tính toán

Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 1 - Lớp 48C4


Chuyên đề: TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH THÁO
NƯỚC


Chương 1 : KHÁI QUÁT CHUNG


Khi xây dựng công trình trên sông thì mực nước phía trước công trình sẽ tăng lên,tức là
thế năng của dòng chảy tăng lên.Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu thì phần lớn
thế năng chuyển thành động năng,thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn.Dòng chảy đó
có năng lượng thừa lớn.Khi chảy xuống hạ lưu,nó có thể gây xói lở lòng dẫn nếu không
được gia cố đầy đủ.Từ đó có thể làm mất ổn định của cả công trình.Bởi vậy phải chuyển
dòng xiết thành dòng chảy êm nghĩa là tao ra nowuwcs nhảy ở hạ lưu.Chúng ta cố gang
dịnh vị nước nhay ở ngay chân công trình bằng nhiều loại thiết bị khấc nhau,hoặc cho
dòng chảy phun vào không khí rồi rơi xuống hạ lưu.
Vì vậy giải quyết vấn đề tiêu năng là một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong
tính toán thuỷ lực công trình.

1.1. Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu
- Có lưu tốc lớn và phân bố rất không đều trên mặt cắt ngang
- Mực nước hạ lưu thường thay đổi
- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao.Thường thì
sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình thường,nhưng mạch động thì
phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng thái bình thường
- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghoèo,dòng chảy xiên,nước nhảy
sóng,…
1.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng : tìm được biện pháp tiêu huỷ toàn bộ năng lượng

thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về
trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất,giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu.
1.3. Nguyên lý tiêu năng
- Tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ
- Phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí
- Khuếch tán để giảm lưu lượng đơn vị
1.4. Các hình thức tiêu năng
Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là :
- Tiêu năng đáy
- Tiêu năng mặt
- Tiêu năng phóng xa
1.5. Các phương pháp nghiên cứu tiêu năng
Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 2 - Lớp 48C4
Chọn hình thức tiêu năng và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng cụ thể chưa
có lời giải chính xác hoàn toàn.Hiện nay thường áp dụng nhiều phương pháp khác
nhau.Có thể áp dụng độc lập hoặc phối hợp các phương pháp
- Phương pháp lý luận : hiện chưa có phương pháp lý luận chính xác.Phương pháp này
thường dẫn tới các công thức lý luận kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh.
- Phương pháp thí nghiệm mô hình : từ thí nghiệm mô hình thuỷ lực xây dựng các công
thức thực nghiệm.Các công thức này có phạm vi ứng dụng nhất định và có giá trị gần
đúng.Phương pháp này cũng dùng để kiểm chứng các kết quả có được từ phương pháp lý
luận.
- Nghiên cứu trên nguyên hình : nguyên hình là mô hình có tỷ lệ 1:1,mọi điều kiện
tương tự được đảm bảo


Chương 2 : CÁC BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG

2.1. TIÊU NĂNG DÒNG ĐÁY

- Đặc điểm : lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu năng.Trong tiêu năng đáy
lưu tốc ở đáy rất lớn,mạch động mãnh liệt,có khả năng gây xói lở,vì vậy trong khu vực
nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây sân sau).Khi nền xấu phải gia cố tiếp đoạn sau
thiết bị tiêu năng (xây sân sau thứ hai).Để tăng hiệu quả tiêu năng thì trên sân sau có xây
thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố,ngưỡng để tăng sự xáo trộn nội bộ dòng chảy,
đồng thời ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó cũng tiêu hao một phần năng lượng
- Điều kiện : chiều sâu nước cuối bể lớn hơn chiều sâu liên hiệp của nước nhảy
 
"
b c
h h

- Ứng dụng : dùng với cột nước thấp,địa chất nền tương đối kém.Khi cột nước cao thì
"
c
h rất lớn,như vậy phải hạ thấp đáy và bảo vệ kiên cố sân sau.Lúc đó hình thức tiêu năng
đáy không kinh tế.

2.1.1. Bể tiêu năng
Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 3 - Lớp 48C4
d
h
h
z
E
0
E'

0
h
b
h
c
V
2g
2
0

Hình 2.1 : Sơ đồ xác định chiều sâu đào bể
2.1.1. Phương pháp chung
Chiều sâu đào bể xác định từ công thức :


      
"
hay d= h
b h c h
d h h Z h Z (2.1)

Trong đó : 1,05 1,10

  là hệ số ngập

2 2
2 2 2
2 2
b h b
q q

Z
g h gh

  
(2.2)
0,95 1,00
b

  là hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể
Để xác định chiều sâu đào bể ta phải dùng phương pháp thử dần như sau :
- Xác định
"
c
h
Tính
 
3/2
® 0
c
q
F
E


 ,tra bảng được
c

;
"
c


0c c
h E

  và
" "
0c c
h E


- Sơ bộ lấy
"
1 c h
d h h 
- Tính
'
0 0 1
E E d 
- Từ
'
0
E tính lại
c
h ;
"
c
h
- Tính
Z
theo (2.2)

- Tính chiều sâu d
2
theo (2.1)
Nếu
2 1
d d thì d
2
là độ sâu đào bể cần tìm.Nếu d
1
và d
2
sai khác nhau nhiều thì lấy d
2

để tính lại theo trình tự trên.
2.1.2. Một số phương pháp khác
Nhiều tác giả như: Téctôuxốp, Smetana, Baskirova, USBR( Cục khai hoang Hoa Kỳ),…
đề nghị các phương pháp khác nhưng đều dựa trên các công thức nói trên, trong đó
phương pháp giải đồ thị của G.S.Tréctôuxốp được áp dụng rộng rãi trong thưc tế sản xuất.

Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 4 - Lớp 48C4
Trong phương pháp tính toán bể tiêu năng, khi tính z các tác giả đều dựa trên giả thiết
là sơ đồ dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng tương tự như sơ đồ dòng chảy ngập qua đập tràn
đỉnh rộng.Thực ra giả thiết này không hoàn toàn đúng với thực tế.
Theo nghiên cứu của Võ Xuân Minh( Trường Đại hoc Mỏ dịa chất Hà Nội) tại mặt cắt
cuối của bể tiêu năng, độ sâu nước tăng nhanh, đường mặt nước là đường cong ( bán kính
cong tương đối bé), ở đó kết cấu dòng chảy rất phức tạp không thể có dòng chảy thay đổi
dần được. Đó là sự khác nhau căn bản so với sơ đồ của dòng chảy ngập qua đập tràn đỉnh
rộng.

Theo Võ Xuân Minh, trong tính toán có thể tính dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng như dòng
chảy qua đập tràn với dạng công thức cơ bản đã biết:

3/2
01 10
2q m gH
Nhưng hệ số lưu lựng m
01
phải có trị số riêng, không thể lấy hệ số lưu lựng chảy ngập của
đập tràn đỉnh rộng được. Võ Xuân Minh đề nghị đưa vào hệ số mới, gọi là hệ số lưu
lượng của bể tiêu năng, kí hiệu là m
01
. Các trị số m
01
lấy ở bảng (2.1)


Bảng 2.1 - . Hệ số lưu lượng bể tiêu năng

o
h
z
h


m
01
o
h
z

h


m
01

o
h
z
h


m
01

0,015 0,120 0,06 0,23 0,16 0,32
0,020 0,145 0,08 0,25 0,18 0,33
0,030 0,163 0,10 0,27 0,20 0,34
0,040 0,185 0,12 0,285 0,23 0,35
0,050 0,205 0,14 0,305
Hệ số lưu lựng của bể tiêu năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố thủy lực như: hình dạng của
ngưỡng bể tiêu năng, mức độ ngập của dòng chảy…
Hiện nay trong thực tế, ngưỡng bể tiêu năng được áp dụng rông rãi là ngưỡng vuông góc.
Với loại ngưỡng đó,Võ Xuân Minh đã tiến hành hang loạt thí nghiệm mô hình với nhiều
kiểu đập khác nhau kết hợp vơi phân tích tài liệu thực tế, và đưa ra bảng “Hệ số lưu lựng
bể tiêu năng”
Trong bảng (2.1) trị số
0
z được tính từ công thức:

2
0
' 3
2
h h
z
q
h g h




Cách tính chiều sâu bể tiêu năng có thể tiến hành như sau:
 Xách định hệ số lưu lựng bể tiêu năng:

0
01
h
z
m f
h
 


 
 
(2.3)
 Tính chiều cao cột nước dâng trên ngưỡng bể:
H
0

=
2/3
2
01
2
2
b
v
q
g
m g

 

 
 
 
(2.4)
Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 5 - Lớp 48C4
 Do đó,chiều sâu bể tiêu năng là:
d =
"
1c
h H

 (2.5)
2.1.2. Tường tiêu năng
Nếu điều kiện kết cấu và thi công không thích hợp với việc đào bể thì có thể dùng tường
tiêu năng.Tường tiêu năng làm giảm khối lượng đào.Sau tường không được phép xảy ra

nước nhảy phóng xa.
c
h
h
z
E
0
H
t
h
c
V
2g
2
0

Hình 2.2 : Sơ đồ xác định chiều cao tường tiêu năng

Chiều cao tường tiêu năng được xác định :

"
b t c t
C h H h H

    (2.6)
H
t
là chiều cao cột nước tràn qua tường :

 

2/3
2
2
"
2
2
t
n t
c
q q
H
m g
g h



 
 
 
 
 
(2.7)
0,40 0,42
t
m   là hệ số lưu lượng của tường tiêu năng

n

là hệ số ngập của tường tiêu năng.
n

n
t
h
f
H

 

 
 

Để xác định C ta phải dùng phương pháp thử dần
- Tính
c
h ;
"
c
h
- Giả sử 1
n

 .Tính H
t
theo (2.4) rồi tính C theo (2.3)
Nếu C > h
h
thì chế độ chảy qua tường là tự do,kết quả tính trên là đúng.Nhưng thường thì
C < h
h
,tức là chế độ chảy qua tường là chảy ngập ( 1

n

 ).Khi đó cần xác định hệ số ngập
n

và tính lại chiều cao tường.
Sau khi tính được C phải kiểm tra lại dạng nước nhảy sau tường.Nếu sau tường có nước
nhảy xa phải làm tiếp tường thứ hai và trong trường hợp cần thiết có thể cần đến tường
thứ ba…sao cho sau tường cuối cùng là nước nhảy ngập.
Thực tế,việc lấy hệ số lưu lượng của tường 0,40 0,42
t
m   là chưa chính xác.
Baskirova dựa trên kết quả thí nghiệm đã đưa ra hệ số lưu lượng đối với một số loại tường
như sau :
Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 6 - Lớp 48C4
m=0,36
p
1,6p 1,8p
p
m=0,37
1,8p
p
p
m=0,4
1,8p
p
p
m=0,41

Hình 2.3 : Một số dạng mặt cắt ngang tường tiêu năng

2.1.3. Bể tường tiêu năng kết hợp

Trong thực tế có nhiều trường hợp nếu chỉ xây bể thì chiều sâu đào bể quá lớn,nếu chỉ
xây tường thì tường quá cao,sau tường rất có khả năng xảy ra nước nhảy xa và phải làm
tiếp tường thứ 2…Cả hai trường hợp đều không kinh tế.Trường hợp này nên kết hợp cả
hai phương pháp,vừa xây tường,vừa đào bể.
Nguyên tắc tính toán thuỷ lực trong trường hợp này là chọn chiều cao tường lớn nhất có
thể sao cho sau tường có nước nhảy ngập,sau đó xác định chiều sâu đào bể để trong bể có
nước nhảy ngập.
c
h
h
z
0
E'
0
H
1
h
c
V
2g
2
0
d
h
c1
E

0
E
10

Hình2. 4 : Sơ đồ tính toán bể tường tiêu năng kết hợp

Trình tự tính toán như sau :

2.1.3.1 Xác định chiều cao tường C
0
sao cho sau tường có nước nhảy tại chỗ
- Độ sâu co hẹp sau tường h
c1
là độ sâu liên hiệp với h
h
:

2
0
1
3
8
1 1
2
h
c
h
h q
h
gh


 
   
 
 
(2.8)
- Cột nước toàn phần trước tường so với đáy hạ lưu :

2
10 1
2 2
1
.2
c
c
q
E h
gh

 
(2.9)
- Tính chiều cao tường C
0
: C
0
= E
10
– H
10
(2.10)

Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 7 - Lớp 48C4
Với H
10
là cột nước toàn phần trên đỉnh tường :

2/3
10
2
t
q
H
m g
 

 
 
 
(2.11)
2.1.3.2. Xác định d
0
sao cho trong bể có nước nhảy tại chỗ
- Từ biểu thức :
 
"
0 0 1
0
b c
d C H h h   

     
2
" " "
0 0 1 1 10
0 0 0
2
b
c c c
V
d h C H h E h E
g

 
        
 
 

hay
 
 
2
"
0 10
2
0
"
0
2
c

c
q
d h E
g h

 
 
  
 
 
(2.12)
Do
 
"
0
c
h
lại phụ thuộc d
0
(qua E
0
) nên phải tính đúng dần.
2.1.3.3. Sau khi có d
0
và C
0
ta lấy C bé hơn C
0
một chút
Có thể lấy C = 0,95C

0
.Khi đó
 
"
1
0
c
d h H C

  
(2.13)
Trong đó H
1
tính theo (4).

2.1.4. Chiều dài bể

b r n
L L L

  (2.14)
Trong đó : L
r
- chiều dài nước rơi
L
n
- chiều dài nước nhảy
0,7 0,8

 

2.1.4.1. Xác định chiều dài nước rơi L
r
- Nếu chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang :
 
0 0
1,33 0,3
r
L H P H 
- Nếu chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van :
 
0
2 0,32
r
L H P a 
- Nếu chảy qua đập tràn đỉnh rộng :
 
0 0
1,64 0,24
r
L H P H 
- Nếu chảy từ bậc nước xuống :
r k
L P h 
Trong đó : P - chiều cao ngưỡng tràn so với đáy bể
a - độ mở cửa van
H
0
- cột nước tràn có kể tới lưu tốc tới gần
Khi dòng nước tràn theo mặt tràn thì L
r

= 0
2.1.4.2. Chiều dài nước nhảy L
n

- Theo Saphoranet :
"
4,5
n
L h
- Theo Trectouxốp :
 
0,81
'
1
10,3 1
n
L h Fr 
Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng
Sinh viên : Lê Văn Cường - 8 - Lớp 48C4
- Theo Smetana :
 
" '
6 6
n
L a h h  

- Theo Pavlopxki :
 
" '
2,5 1,9

n
L h h 

2.1.5. Sân sau thứ hai
Bể tiêu năng tiêu hao được phần lớn năng lượng thừa,tuy nhiên vẫn còn một phần năng
lượng thừa tồn tại dưới dạng động năng,mạch động…và phải được tiêu hao trên một đoạn
đủ dài sau bể. Đó là sân sau thứ hai.Kết cấu của nó phải có tính dễ biến dạng thích nghi
với địa chất nền hạ lưu,dễ thấm nước.Chiều dài sân sau có thể tính theo công thức :

2
L K q H  (m) (2.15)
Trong đó :
H - chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (m)
q – lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng (m
3
/s.m)
K - hệ số phụ thuộc vào địa chất nền và lòng dẫn
Với cát mịn,cát pha :
10 12K  

Với cát to, đất có tính dính :
8 9K  

Với đất sét cứng :
6 7K  

Công thức (2.12) được dùng khi 1 9q H  

2.1.6. Thiết bị tiêu năng phụ trên sân sau
Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình thuỷ lợi,để tăng cường hiệu quả tiêu hao

năng lượng thừa ta còn sử dụng các thiết bị tiêu năng phụ.Thiết bị tiêu năng phụ làm cho
dòng chảy gây nên lực phản kích lại và giảm được
"
c
h ,rút ngắn chiều dài sân sau.Theo thí
nghiệm,nếu bố trí hợp lý thiết bị tiêu năng phụ thì có thể giảm
"
c
h được 20%-25%,có khi
đến 30%.
Thiết bị tiêu năng phụ thường bố trí ở nơi lưu tốc lớn nên xung quanh dễ sinh áp lực
âm.Lưu tốc càng lớn,nếu mố không thuận thì áp lực càng lớn,gây nên khí thực phá hoại
bêtông.Đồng thời cần chú ý hiện tượng các vật nổi va đập vào các thiết bị này.
Sau đây là một số thiết bị tiêu năng phụ thường dùng :
2.1.6.1. Ngưỡng tiêu năng
Ngưỡng tiêu năng ngập trong nước nhảy có tác dụng phản kích mạnh đối với dòng chảy
lưu tốc cao,giảm
"
c
h .Nếu góc nghiêng mái thượng lưu của ngưỡng nhỏ hơn 90
0
nhưng hơn
60
0
thì không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tiêu năng nhưng cải thiện được trạng thái dòng
chảy rất lớn.Muốn tăng lực phản kích thì phải tăng chiều cao ngưỡng nhưng phải đảm bảo
không sinh nước nhảy sau ngưỡng.

Hình2. 5 : Ngưỡng tiêu năng