Bài tập Khí thực Thủy lợi

Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước

MỤC LỤC

Tài liệu tính toán:................................................................................................................ 2
Yêu cầu tính toán:............................................................................................................. 2
I. Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo Qtk.......3
I.1 Vẽ đường mặt nước trên dốc nước:..........................................................................3
I.2 Xác định hệ số hóa phân giới:.................................................................................6
I.3 Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán:........................................6
II. Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc nước................................................................6
III. Thiết kế bộ phận tiếp khí trên dốc nước để đề phòng khí thực..............................8
III.1 Bố trí các bộ phận tiếp khí trên dốc nước:............................................................8
III.2 Tính toán BPTK1...................................................................................................8

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 1


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước

TÍNH TOÁN KHÍ THỰC TRÊN CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC
ĐỀ SỐ 43
Tài liệu tính toán:
-

Dốc nước sau đập tràn có sơ đồ như hình 1.
Chiều dài từ ngưỡng tràn đến đầu dốc
Chiều dài dốc
Độ dốc

Vật liệu thân dốc
Độ nhám bề mặt
Gồ ghề cục bộ tại các khớp nối (dự kiến)
Cao độ đầu dốc
Nhiệt độ nước
Mặt cắt ngang dốc
Lưu lượng thiết kế
Độ sâu đầu dốc
Hình thức tiêu năng cuối dốc

: Lo = 30m.
: L = 200m (trên mặt bằng) 10 đoạn x 20m.
: i = 0,29
: BTCT M200.
: n = 0,017 ( = 0,5mm).
: Zm = 5mm.
: đ = 300,0m.
: T = 250.
: chữ nhật, B = 20m.
: QTK = 400 m3/s
: hđ = 3,31
: mũi phun

Yêu cầu tính toán:
-

Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo Qtk.
Kiểm tra khí thực trên dốc nước:
Thiết kế bộ phận tiếp khí (BPTK) đề phòng khí thực nếu có.

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 2


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước

BÀI LÀM
I. Kiểm tra khí hóa dòng chảy trên dốc nước tại các vị trí khớp nối khi tháo
với lưu lượng Qtk
I.1 Vẽ đường mặt nước trên dốc nước:
I.1.1 Xác định định tính đường mặt nước trên dốc nước:
Để xác định tính đường mặt nước trên dốc nước ta xác định các độ sâu h0, h1, hk như sau:
+ Xác định hk:
Mặt cắt ngang dốc là mặt cắt chữ nhật B = 20m nên ta sử dụng công thức sau để tính hk:
q 3

q 2
(1)
g

Trong đó:
Q: lưu lượng đơn vị q =

Q 400

20(m 2 / s )
B 20

: hệ số lưu tốc:  = 1

G: gia tốc trọng trường: g = 9.81
Thay số liệu vào biểu thức (1) ta được:hk = 3,44m.
+ Xác định ho:
Để xác định chiều sâu dòng chảy đều trên dốc nước ta sử dụng phương pháp tính toán lợi nhất
về mặt thủy lực trên kênh:
Tính f(Rln) =

4mo i 8 0,29

0,01077
Q
400

Tra phụ lục (8-1) giáo trình thủy công tập 1 với n = 0,017 ta được: Rln = 1,2
Tra phụ lục (8-3) giáo trình thủy công tập 1 với n = 0,17 và B/Rln = 20/1,2 = 16,67 ta được:
h
0,670  h 0,670 Rln 0,670 1,2 0,804m
Rln
Vậy chiều sâu dòng chảy đều trong dốc nước ho = 0,804m
Các độ sâu mực nước trong dốc nước tương ứng: hk = 3,44m; ho = 0,804m, hđ = 3,31m.
Với i = 0,29 và h0
I.1.2 Xác định định lượng đường mặt nước trên dốc nước:
Sử dụng phương pháp sai phân , xuất phát từ mặt cắt đầu dốc, tính độ sâu nước tại các mặt cắt
tiếp theo bằng phương pháp thử dần theo phương trình:
E
L 
i  J ra

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 3


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
Trong đó:
- L : khoảng cách theo (theo) phương ngang giữa 2 mặt cắt tính toán:
-

E: E2 – E1;

-

E2 h2 

-

V22
V12
E

h

; 1 1
2g
2g

h1,h2: Độ sâu tương ứng tại mặt cắt 1 (đầu đoạn) và mặt cắt 2 (cuối đoạn)
V1, V2: Lưu tốc bình quân giữa 2 mặt cắt 1 và 2
I: độ dốc đáy dốc nước

JTB = (J1 + J2)/2;
J1, J2: độ dốc thủy lực tại mặt cắt 1 và 2
Kết quả tính toán và vẽ đường mặt nước như trên bảng C.1
Trong đó:
Cột (1): các mực nước giả thiết trên dốc nước
Cột (2): Chu vi ướt
Cột (3): Diện tích mặt cắt ướt
Cột (4): bán kính thủy lực
Cột (5): Hệ số Seerry (ở đây tính theo công thức maninh)
Cột (6): vận tốc trung bình mặt cắt
Cột (7): Độ dốc thủy lực tại mặt cắt tính toán
Cột (8): độ dốc thủy lực trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán
Cột (9): Chênh lệch độ dốc đáy kênh và độ dốc thủy lực
Cột (10): Năng lượng đơn vị của mặt cắt tính toán
Cột (11): Năng lượng đơn vị trung bình giữa 2 mặt cắt tính toán.
Cột (12): Khoảng cách giữa 2 mặt cắt tính toán
Cột (13): Chiều dài từ mặt cắt đầu đến mặt cắt tính toán.

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 4


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
Bảng 1: TÍNH ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỜNG MẶT NƯỚC TRÊN DỐC NƯỚC
Mặt
cắt

h
(m)

(1)


(m)
(2)


(m2)
(3)

R
m
(4)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

3.310
1.498
1.203
1.058

0.972
0.917
0.880
0.853
0.834
0.821
0.811

26.62
23.00
22.41
22.12
21.94
21.83
21.76
21.71
21.67
21.64
21.62

66.20
29.97
24.06
21.16
19.45
18.34
17.59
17.07
16.69
16.42

16.22

2.49
1.30
1.07
0.96
0.89
0.84
0.81
0.79
0.77
0.76
0.75

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

J

Jtb

i-Jtb

E

E

(5)

V
(m/s)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

107.97
70.18
61.68
57.12
54.27
52.37
51.05
50.11
49.43
48.93
48.56

6.04
13.35
16.63
18.90
20.57
21.81

22.74
23.44
23.97
24.36
24.66

0.00
0.04
0.07
0.11
0.14
0.17
0.20
0.22
0.24
0.25
0.26

0.26
0.23
0.19
0.15
0.12
0.10
0.08
0.06
0.05
0.03

5.17

10.58
15.29
19.27
22.53
25.16
27.23
28.86
30.11
31.08
31.81

C(R)1/2

0.03
0.06
0.10
0.14
0.17
0.19
0.21
0.23
0.24
0.26

Trang: 5

2.62
2.27
1.90
1.55

1.24
0.98
0.76
0.59
0.45
0.34

L
(m)
(12)

L
(m)
(13)

10.00
10.00
10.00
10.00
10.00
10.01
10.00
10.00
10.00
10.00

0.00
20.00
39.99
59.99

80.00
100.00
120.00
140.01
160.01
180.01
200.01


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
I.2 Xác định hệ số hóa phân giới:
Với giả thiết các khớp nối do lún không đều giữa các đoạn sẽ phát sinh bậc lồi (hay bậc thụt)
với chiều cao khống chế Zm = 5mm, loại mố gồ ghề là bậc lồi theo chiều dòng chảy (Loại I theo
bảng 2.4) có góc  = 900. Khi đó đệ số khí hóa phân giới tính cho trường hợp bất lợi nhất là bậc lồi
sẽ là:
Kpg = 0,125. 0,65 = 2,33.

I.3 Xác định hệ số khí hóa thực tế tại các mặt cắt tính toán:
Theo công thức xác định hệ số khí hóa ta có:
H  H pg
K  ĐT2
VĐT
2g
Trong đó:
- HĐT = Ha + hcos;
- H – độ sâu nước tại mặt cắt tính toán
- Ha – cột nước khí trời, tương ứng với cao độ mặt nước tại mặt cắt.
- Zmn = Zđáy + h
- Hpg = 0,32 (ứng với T = 250).
V

1. 2
- VĐT = Vy =
v
Sử dụng biểu đồ 2.6 xác định được các giá trị 1, 2,  từ đó tính được v theo công thức:

1 
 2   B  2h 


v 
 
(ln  2  2 ln 
 (h   ).( B  2 )  
B.h 




ln  3  





5  




L*

 f ( ) trong đó L* = L + L0;  = 0.0005m.



2  f ( ) ;

y
1  f ( ) ; trong đó dạng mấu gồ ghề thuộc loại I tra bảng 2.4 ta có y = Zm + 

Kết quả tính toán được ghi trên bảng 2.

II. Kiểm tra khả năng khí thực trên dốc nước.
Khi khí hóa được 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 VĐT lấy trong bảng 2 còn trị số V ng tra theo đồ thị hình (1.1). Với với bê tông mặt lòng
dẫn BTCTM200 ta có Rb = 20 MPa; độ hàm khí trong nước S = 0 ta có: Vng = 9,5 m/s.

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 6


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước

Mặt
cắt
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10
11

h
(m)
(1)

3.310
1.498
1.203
1.058
0.972
0.917
0.880
0.853
0.834
0.821
0.811

Bảng 2: KIỂM TRA KHÍ THỰC TẠI CÁC MẶT CẮT TÍNH TOÁN:
Zmn
Ha
HĐT
L*
L*/




v
VĐT
(m)
(m)
(m)
(m)
(104) (103) (10-3)
m/s

đ
(m)
(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

300.0
294.2
288.4
282.6
276.8
271.0
265.2
259.4
253.6
247.8
242.0

303.310
295.698
289.603
283.658
277.772
271.917
266.080
260.253
254.434
248.621
242.811

9.967
9.977

9.984
9.992
9.999
10.007
10.014
10.022
10.029
10.037
10.044

13.15
11.42
11.14
11.01
10.93
10.89
10.86
10.84
10.83
10.83
10.82

30.00
50.00
69.99
89.99
110.00
130.00
150.00
170.01

190.01
210.01
230.01

6.000
10.000
13.999
17.998
22.000
26.001
30.001
34.001
38.002
42.002
46.002

0.800
1.400
1.510
2.000
2.644
3.092
3.540
3.988
4.436
4.884
5.332

1.400
1.091

1.084
1.051
1.007
0.976
0.946
0.915
0.885
0.854
0.824

198
198
198
198
198
198
198
198
198
198
198

0.984
0.949
0.934
0.906
0.871
0.845
0.820
0.796

0.773
0.752
0.731

(12)



Kết luận

(13)

(14)

3.23 24.058
6.54 5.094
8.25 3.122
9.52 2.315
10.54 1.874
11.35 1.610
12.00 1.436
12.54 1.314
12.97 1.225
13.33 1.159
13.63 1.109

Không
Không
Không
Có

Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có

Kết luận:
Tại mặt cắt 3 VĐT < Vng không bị xâm thực.
Tại mặt cắt thứ 4 VĐT > Vng bị xâm thực.
Bằng cách nội suy từ biểu đồ lưu tốc V ĐT dọc theo dòng chảy xác định được mặt cắt có V ĐT = Vng = 9,5m/s là mặt cắt B nằm
giữa mặt cắt 3 và 4 cách đầu dốc một đoạn Lb = 59,57 m.
Đoạn từ mặt cắt B tới cuối dốc cần có biên pháp bảo vệ hợp lý chống khí thực

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 7


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước

III. Thiết kế bộ phận tiếp khí trên dốc nước để đề phòng khí thực.
III.1 Bố trí các bộ phận tiếp khí trên dốc nước:
Hình thức của hệ thống thông khí ơ đây chọn là mũ hắt kết hợp với máng thông khí
Theo tính toán ở mục trên thì đoạn dốc nước từ sau mặt cắt B (cách đầu dốc khoảng 59,56m)
cần phải bảo vệ chống khí thực. để đảm bảo an toàn cho thân dốc, bố trí các BPTK như sau:
- BPTK1 đặt tại mặt cắt M1, cách đầu dốc 30m;
- BPTK2 đặt tại mặt cắt M2, cách đầu dốc 90m;
- BPTK3 đặt tại mặt cắt M3, cách đầu dốc 150m;

Theo cách bố trí này, chiều dài bảo vệ Lp của các BPTK là bằng nhau và bằng 60m (xem hình 1)
Trong thực tế thiết kế cần tính toán với một số phương án bố trí khác nhau để so sánh và chọn
phương án hợp lý nhất.

Hình 1: Sơ đồ bố trí các bộ phận tiếp khí:

Với phương án bố trí đã nêu, nội suy từ đường mặt nước (bảng 1) ta có các thông số thủy lực
tại mặt cắt có bố trí BPTK như sau:

Vị trí
BPTK1
BPTK2
BPTK3

Bảng 3: THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CÁC BPTK
L
Lp
h
v
Fr
(m)
(m)
(m)
(m/s)
30.00
60
1.320
15.16
17.748
90.00

60
0.917
21.81
52.878
150.00
60
0.827
24.18
72.067

Fr
4.213
7.272
8.489

Trong đó:``
- L: khoảng cách từ đầu dốc tới mặt cắt tính toán.
- Lp: chiều dài cần bả vệ sau từng BPTK.

III.2 Tính toán BPTK1
III.2.1 Xác định chiều cao mũi hắt: (Zm)
Áp dụng công thức: Z m 

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

L p cos 2





25 Fr  1

Trang: 8


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
Với Lp = 60m;  = 16.18; Fr = 17.74.
Thay vào ta được: Zm = 0.74m.

III.2.2 Chọn độ nghiêng mũi hắt:
Sơ đồ bố trí mũi hắt như trên hình 2:
Với dốc nước ta chọn mũi hắt ngược
với góc hắt  = 00  60. trong bài toán này
lòng dẫn có độ dốc i = 0,29 không lớn lắm
nên chọn  = 40 khi đó tan = 0,07.
Theo sơ đồ bố trí mũi hắt ta tính được:
Z1 = tan. Lm = 0,07 Lm.

Hình 2: Sơ đồ bố trí mũi hắt

Z2 = tan. Lm = 0,29. Lm.
Zm = Z1 + Z2 = (0.07 + 0,29). Lm = 0,36. Lm = 0,74.
Vậy Lm = 2,1m.

III.2.3 Tính chiều dài buồng khí sau mũi hắt:
Áp dụng công thức (4.2) 14TCN 1998:2006 ta có chiều dài buồng khí sau mũi hắt được tính
theo công thức sau:
 Zm
2Z

cos     
 Fr
Fr sin   Fr sin 2   m cos


cos 
h
 h
Thay số được Lb = 14,292m.
Lb 

h
cos






III.2.4 Xác định lưu lượng khí đơn vị cần cấp:
qa = 0,033 x Lb x V.
Trong đó:
V: lưu tốc bình quân dòng chảy phía trên buồng khí có thể lấy bằng lưu tốc dòng chảy phía
trên mũi hắt.
Thay số qa = 0,033 x 14,292 x 15,16 = 7,5 m3/s.m.

III.2.5 Lưu lượng khí tổng cộng:
Qa = qa . B = 7,5.20 = 150m3/s.

III.2.6 Tính diện tích tổng cộng của mặt cắt ngang các ống dẫn khí:

a 

Qa
chọn Va = 30m/s ta có a = 5m2.
Va

Do trị số a nhỏ nên ta chỉ cần bố trí 2 ống thông khí tại 2 bên thành bên của dốc nước.
Như vậy ta có tổng là 2 ống thông khí 2 bên thành.

5
 a1  a  2,5m 2
2 2

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 9


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
III.2.7 Chọn kích thước ống:
Ba x ta = 2,5 x 1,0 m.
Trong đó:
Ba: cạnh của mặt cắt ngang ống theo chiều dòng chảy.
ta: cạnh của mặt cắt ống theo chiều vuông góc với mặt bên của tường hay trụ.
Với kích thước ống đã chọn, vận tốc khí trong ống sẽ là:
Q
150
Va  a 
30m / s
Ba .t a 2.2,5.1,0

III.2.8 Xác định độ chân không ở trong buồng khí:
Theo công thức (4.7) 14TCN 1998 – 2006 ta có:
hck 

Va2 a
.
2 g . a2 

Trong đó:

a
1

 780

-

Va = 30m/s;

-

a: hệ số xác định theo công thức (4.8) 14TCN 1998 – 2006.

a 

1
1   i

i: tổng tổn thất áp lực qua ống dẫn khí bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường.

+Tính tổn thất cục bộ bao gồm tổn thất tại cửa vào (cv) và tổn thất tại đoạn uốn cong gấp (u).
Tại cửa vào không thuận cv = 0,5
Tại vị trí uốn cong gấp 900 (trục ống thẳng đứng chuyển sang nằm ngang ở đáy dốc): u = 1,1
+ Tính tổn thất dọc đường
t
B
Với chiều dài ống: La H t  a  1  2t t
2 2
Trong đó:
Ht: Chiều cao thành lòng dẫn, Ht = 2m
ta: Chiều rộng mặt cắt ống thông khí ta = 1m.
B1: Bề rộng lòng dẫn: B1 = B = 20m.
tt: Chiều dày thành ống dẫn trong thành bên, chọn tt = 0,7m.
Thay vào ta được La = 13,9m.
Mặt cắt ống có : Ba = 2,5m, ta = 1, a = 7m, a = 2,5 m, Ra = 0,357m, C R = 29,61
2 gLa
Khi đó hệ số tổn thất áp lực dọc đường :  d 
2 = 0,311
C R





Như vậy trong ống có : i = 0,5 + 1,1 + 0,311 = 1,911
Thay vào công thức (4.8) ta có a = 0,586.
Thay vào công thưc (4.7) ta được hck = 0,171 < 0,5.

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Trang: 10


Bài tập tính toán khí thực trên công trình tháo nước
Như vậy ống thông khí đảm bảo điều kiện làm việc của đường tháo.

III.2.9 Tính toán kích thước máng dẫn khí ở đáy sau dốc nước
Sơ đồ máng như hình 3:
Bề rộng máng: Bmk = Ba = 2,5m.
- Chiều sâu máng: tmk = ta – Zm = 1
– 0,74 = 0,26m.

III.2.10 Tính chiều cao lớn nhất của
buồng khí:

Hình 3: Sơ đồ máng dẫn khí

Theo công thức (4.10) 14TCN
1988 – 2006 ta có:
hb Z m 

V2
2
cos 2  . tg  tg 
2g

Trong đó:
Zm: chiều cao mũi hắt m = 0,74m.
: góc hắt  = 40.
V: lưu tốc trung bình mặt cắt tại vị trí đặt BPTK: V = 15,16m/s.

: góc nghiêng của dốc nước  = 16,170.
Thay số vào công thức ta tính được: hb = 2,25m.
Với các bộ phận tiếp khí khác cũng tính tương tự.
Kết quả tính toán thiết kế BPTK cho dốc nước được thể hiện ở bảng 4:

Bảng 4: BẢNG TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN TIẾP KHÍ
STT

Thông số

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Vị trí đặt
Chiều cao mũi hắt
Chiều dài mũi hắt
Góc nghiêng mũi
Chiều dài buồng khí
Lưu lượng khí

Lưu lượng khí tổng cộng
Số ống dẫn khí
Kích thước 1 ống
Độ chân không
Bề rộng máng
Chiều sâu máng
Chiều cao buồng khí

Học viên: Vũ Thị Thu Trà

Ký
hiệu
L
Zm
Lm

Lb
qa
Qa
n
B a x ta
hck
Bmk
tmk
hb

Đơn vị

BPTK1

BPTK2

BPTK3

m
m
m
độ
m
3
m /s.m
m3/s

30
0.736
2.046
4
14.29
7.15
143.00
2
2,5 x 1
0.16
2.5
0.264
2.246

100
0.377
1.161

2
14.23
10.24
204.80
2
3 x 1,2
0.15
3.0
0.823
2.933

170
0.316
1.089
0
57.06
45.53
910.59
4
3,5 x 1,5
0.34
3.5
1.184
2.822

m
m
m
m
m

Trang: 11