Chuyên đề Tiêu năng sau công trình tháo nước

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 ch h - Ứng dụng : dùng với cột nước thấp,địa chất nền tương đối kém.Khi cột nước cao thì " ch 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 hh z E0 E'0 hb hc 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= hb h c hd h h Z h Z (2.1) Trong đó : 1,05 1,10   là hệ số ngập 2 2 2 2 22 2b h b q q Z g h gh    (2.2) 0,95 1,00b   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 "ch Tính   3/2 ® 0 c q F E    ,tra bảng được c ; " c 0c ch E  và " " 0c ch E - Sơ bộ lấy "1 c hd h h  - Tính '0 0 1E E d  - Từ '0E tính lại ch ; " ch - Tính Z theo (2.2) - Tính chiều sâu d2 theo (2.1) Nếu 2 1d d thì d2 là độ sâu đào bể cần tìm.Nếu d1 và d2 sai khác nhau nhiều thì lấy d2 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: 3/201 102q m gH Nhưng hệ số lưu lựng m01 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 m01. Các trị số m01 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 0z được tính từ công thức: 2 0 ' 32h 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: 001 h zm f h        (2.3)  Tính chiều cao cột nước dâng trên ngưỡng bể: H0 = 2/3 2 01 22 bvq gm 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 = " 1ch 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 hh z E0 Ht hc 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 tC h H h H    (2.6) Ht 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 0,42tm   là hệ số lưu lượng của tường tiêu năng n là hệ số ngập của tường tiêu năng. nn t h f H         Để xác định C ta phải dùng phương pháp thử dần - Tính ch ; " ch - Giả sử 1n  .Tính Ht theo (2.4) rồi tính C theo (2.3) Nếu C > hh thì chế độ chảy qua tường là tự do,kết quả tính trên là đúng.Nhưng thường thì C < hh,tức là chế độ chảy qua tường là chảy ngập ( 1n  ).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 0,42tm   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 pm=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 hh z0 E'0 H1 hc V 2g 2 0 d hc1 E0 E10 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 C0 sao cho sau tường có nước nhảy tại chỗ - Độ sâu co hẹp sau tường hc1 là độ sâu liên hiệp với hh : 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 C0 : C0 = E10 – 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 H10 là cột nước toàn phần trên đỉnh tường : 2/3 10 2t q H m g         (2.11) 2.1.3.2. Xác định d0 sao cho trong bể có nước nhảy tại chỗ - Từ biểu thức :  "0 0 1 0b cd C H h h          2 " " " 0 0 1 1 100 0 0 2 b c c c V d h C H h E h E g               hay     2 " 0 10 20 " 0 2 c c q d h E g h            (2.12) Do  " 0c h lại phụ thuộc d0 (qua E0) nên phải tính đúng dần. 2.1.3.3. Sau khi có d0 và C0 ta lấy C bé hơn C0 một chút Có thể lấy C = 0,95C0.Khi đó  " 10cd h H C   (2.13) Trong đó H1 tính theo (4). 2.1.4. Chiều dài bể b r nL L L  (2.14) Trong đó : Lr - chiều dài nước rơi Ln - chiều dài nước nhảy 0,7 0,8   2.1.4.1. Xác định chiều dài nước rơi Lr - Nếu chảy qua đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang :  0 01,33 0,3rL H P H  - Nếu chảy qua đập tràn thực dụng có cửa van :  02 0,32rL H P a  - Nếu chảy qua đập tràn đỉnh rộng :  0 01,64 0,24rL H P H  - Nếu chảy từ bậc nước xuống : r kL P h  Trong đó : P - chiều cao ngưỡng tràn so với đáy bể a - độ mở cửa van H0- cột nước tràn có kể tới lưu tốc tới gần Khi dòng nước tràn theo mặt tràn thì Lr = 0 2.1.4.2. Chiều dài nước nhảy Ln - Theo Saphoranet : "4,5nL h - Theo Trectouxốp :  0,81' 110,3 1nL 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 6nL a h h   - Theo Pavlopxki :  " '2,5 1,9nL 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 : 2L 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 (m3/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 "ch ,rút ngắn chiều dài sân sau.Theo thí nghiệm,nếu bố trí hợp lý thiết bị tiêu năng phụ thì có thể giảm "ch 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 "ch .Nếu góc nghiêng mái thượng lưu của ngưỡng nhỏ hơn 90 0 nhưng hơn 600 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 Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 9 - Lớp 48C4 Chiều cao ngưỡng có thể lấy bằng  "1,9 c hh h Ngưỡng nên đặt chính giữa chiều dài sân sau.Đặt gần phía trước thì lực phản kích lớn hơn nhưng dòng chảy biến động lớn.Đặt gần phía sau thì mức độ ngập của nước nhảy kém,có khi không ngập. 2.1.6.2. Mố tiêu năng Mố tiêu năng thường đặt gần nơi bắt đầu của sân sau,tại khu vực dòng chảy có lưu tốc cao,cách chân đập một khoảng dài hơn chiều sâu phân giới của dòng chảy Hình2. 6 : Mố tiêu năng Theo thí nghiệm có thể lấy kích thước mố như sau : - Chiều cao mố  0,75 1,0m cd h  - Chiều rộng mố  0,5 1,0m nb d  - Khoảng cách giữa 2 mép mố gần nhau m mB b Nên bố trí 2 hàng mố thì hiệu quả tiêu năng tốt hơn,khoảng cách giữa 2 hàng mố  2 3n nL d  ,các mố bố trí theo hình hoa mai Mố có mặt thượng lưu thẳng đứng thì gây nên lực phản kích lớn hơn so với mặt thượng lưu ngiêng nhưng dòng chảy biến động lớn.Mặt hai bên mố là thẳng đứng thì dễ sinh áp lực âm rất lớn,gây nên khí thực.Để giảm hoặc tiêu trừ áp lực âm thì các góc cạnh của mố thường làm thành góc tròn,mặc dù hiệu quả tiêu năng có giảm ít nhiều. 2.1.6.3. Mố phân dòng hc H1 Hình2. 7 : Mố phân dòng Dùng mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy lưu tốc cao ở chân đập thành trạng thái dòng chảy có lợi.Giữa các mố phân dòng có dòng chảy đáy và trên mặt có xoáy,trên các mố phân dòng có dòng chảy mặt và ở sát đỉnh mố có xoáy.Hai loại dòng chảy ấy tác dụng tương hỗ nhau có thể tiêu hao năng lượng nhiều hơn 2.1.7. Lưu lượng tính toán tiêu năng Công trình thuỷ lợi làm việc với lưu lượng biến đổi từ Qmin tới Qmax.Thiết bị tiêu năng phải giải quyết tốt vấn đề tiêu năng cho mọi cấp lưu lượng có thể có trong phạm vi ấy.Vì Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 10 - Lớp 48C4 vậy trong thiết kế tiêu năng phải tính toán theo lưu lượng nào gây ra sự nối tiếp bất lợi nhất,lưu lượng ấy gọi là lưu lượng tính toán tiêu năng.Thiết kế tiêu năng theo lưu lượng này sẽ cho bể tiêu năng có kích thước lớn nhất. Trường hợp bất lợi nhất là trường hợp nối tiếp bằng nước nhảy xa có  " maxc h h h ,lúc đó chiều dài đoạn chảy xiết là lớn nhất,do đó cần một chiều sâu và chiều dài bể lớn nhất. Lưu lượng tính toán tiêu năng không nhất thiết là lưu lượng lớn nhất vì khi Q tăng thì nói chúng "ch tăng nhưng độ sâu hạ lưu cũng tăng theo.Vì vậy để xác định QTN ta làm như sau : lấy một số trị số Q trong phạm vi biến đổi của lưu lượng tháo qua công trình. Ứng với Q tính được 1 giá trị  "c hh h tương ứng nếu ở hạ lưu có hình thức nối tiếp bằng nước nhảy.Vẽ đồ thị  "c hQ h h sẽ tìm được QTN ứng với  " maxc hh h (hc-hh) Q " QTN Hình 2.8 : Cách xác định QTN Trong tính toán cần chú ý lưu lượng tháo qua công trình Q và lưu lượng dòng chảy ở hạ lưu Qh có thể khác nhau,vì có thể có công trình khác bên cạnh cũng chảy vào lòng dẫn hạ lưu (ví dụ với đập tràn có nhà máy thuỷ điện bên cạnh thì lưu lượng ở lòng dẫn hạ lưu bao gồm lưu lượng qua đập tràn và lưu lượng qua nhà máy thuỷ điện).Do đó có thể viết : h iQ Q Q  với iQ là tổng lưu lượng tháo qua các công trình khác cùng chảy vào lòng dẫn hạ lưu và làm ảnh hưởng đến mực nước hạ lưu. Thi dụ : Cho đập tràn hình cong, cao P=7,40m,cột nước tràn Ho=2,00m. Kênh hạ lưu mặt cắt chữ nhật,q=8m3/s, độ sâu trung bình tương ứng hh =2,50m.Thiết kế bể tiêu năng kết hợp có chiều cao tường tối đa. Giải: F(τc) = qφEo3/2 = =0.308Error! Bookmark not defined. τc = 0,072→hc =0,072.9,40=0,68m Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 11 - Lớp 48C4 τc″= 0,431 →hc″=0,431.9,4=4,05m hc″ >hh : nối tiếp bằng nước nhảy xa phải giải quyết bằng tiêu năng. Tính do và co để có nước nhảy phân giới ở sau tường và trong bể. a ) Tính co hc1= hh 2 2 0 3 81 1 h q gh    = 2 3 2,5 8.81 1 2 9,81.2,5         =3,27m E10=hc1+ 2 2 2 12 c q gh = 1,35+ 2 2 2 8 0,95 .19,62.1,35 =2,65 Co=E10 –H10 =3,27-2,65 =0,62m b ) Tính do: do =(hc”)0 –   2 10 2" 0 2 c qE g h        Lấy gần đúng lần thứ nhất (hc”)0 =4,1m do =4,1- 2 2 83, 27 19,62.4,1       =1,03m E0’=9,40+1,03=10,43m Tính ra được : (hc”)0 =4,17m d0 = 4,17- 2 2 83, 27 19,62.4,1       =1,09m Ta thấy : c= 0,55m <c0 ; d= 1,20m >do Với d,c lấy như trên ta thấy điều kiện hb =d+c+H1   (hc”) đã được thỏa mãn và tính toán kết thúc ở đây. 2.2. TIÊU NĂNG DÒNG MẶT Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 12 - Lớp 48C4 - Dòng chảy ở hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt.Theo kinh nghiệm thì hiệu quả tiêu năng so với tiêu năng đáy không kém hơn nhiều nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn, đồng thời lưu tốc đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé,thậm chí trên nền đá cứng không cần làm sân sau.Ngoài ra còn có thể tháo vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau. = 012 0 hha R E Hình 2.9 : Trạng thái chảy ở hạ lưu đập có bậc - Điều kiện ứng dụng : Chiều sâu mực nước hạ lưu ổn định và "h ch h ;dùng với lưu lượng lớn nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn,bờ ở hạ lưu có khả năng ổn định,chống xói tốt. - Nhược điểm của tiêu năng dòng mặt và dòng phễu : + Tiêu năng dòng mặt gây trở ngại cho thuyền bè đi lại ở hạ lưu và đe doạ sự ổn định của bờ,dễ sinh nước nhảy phóng xa,sân sau làm việc với chế độ thay đổi liên tục. + Tiêu năng dòng phễu là kết quả nghiên cứu thực nghiệm.Loại này yêu cầu về mực nước hạ lưu không khắt khe như dòng mặt,yêu cầu phòng xói lở bờ cũng không cao 2.2.1. Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt 2.2.1.1. Nguyên tắc bố trí Dựa trên các điều kiện thuỷ văn,thuỷ lực, địa hình, địa chất quyết định hình dạng,kích thước của bậc mũi phun sao cho đảm bảo hiệu quả tiêu năng,xung vỗ hạ lưu là nhỏ nhất và có giải pháp hữu hiệu bảo vệ hạ lưu trước những bất lợi không tránh được 2.2.1.2. Chiều cao nhỏ nhất của bậc tràn khi không có cửa van Khi chọn chiều cao bậc để tạo dòng mặt cần thoả mãn các yêu cầu : - Không có dòng phun với lưu lượng nhỏ nhất - Không có dòng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất - Chiều cao bậc lớn hơn chiều cao nhỏ nhất amin + Khi 0  ,theo Skladnev : min 2,7 4,32ka h h  + Khi 00 12  ,theo Stepan :  3min 4,05 ca Fr h  + Theo Viện nghiên cứu khoa học Nam Kinh (Trung Quốc) : 1,75 min 0,75 1,86 k ha h  Trong đó : Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 13 - Lớp 48C4 + hk là chiều sâu phân giới + h là chiều dày lớp nước trên mũi bậc + 2 1 c VFr gh  với V1 là lưu tốc trên mũi bậc + 0,4 8,4   Để chế độ chảy sau bậc ổn định thì / 0,2a P  với P là chiều cao đập so với đáy hạ lưu. Thường dùng chiều cao  0,25 0,35a   chiều cao đập 2.2.1.3. Chiều cao bậc khi tràn có cửa van Nguyên tắc thiết kế là căn cứ vào chiều sâu nước hạ lưu hh + hh phải đảm bảo trong suốt quá trình vận hành sao cho với mọi cấp lưu lượng đều có chế độ dòng mặt + Khi hh nhỏ thì phải chọn góc nghiêng ở đỉnh bậc sao cho hợp lý 2.2.1.4. Góc nghiêng ở đỉnh bậc  Công trình tiêu năng dòng mặt, đỉnh bậc thường nằm ngang. Đôi khi bậc có góc nghiêng nhỏ.Theo Viện nghiên cứu Thuỷ lợi-Thuỷ điện Quảng Tây,Trung Quốc thì 0 010 15   2.2.1.5. Bán kính cong ngược và chiều dài bậc Với đập có cột nước trung bình và lớn thì chọn bán kính cong ngược của bậc là 10 25R m  ,với đập vừa và nhỏ thì 5 12R m  .Với 1 góc nghiêng nhất định,bán kính cong ngược càng lớn thì khả năng khống chế của bậc càng tốt nhưng mực nước ngay sau đập cao,do đó khối lượng đập lớn.Ngược lại bán kính cong ngược nhỏ thì khối lượng đầu tư vào công trình ít. Với đập cột nước thấp,theo Viện nghiên cứu Thuỷ lợi-Thuỷ điện Quảng Tây : k hR K b P h           (2.16) Trong đó : P - chiều cao đập ; K,b là các hệ số Khi a/P = 0,3 lấy K = 4,0 ; b = 0,36 Khi a/P = 0,5 lấy K = 3,6 ; b = 0,43 Chiều dài bậc : sinL R  2.2.2. Tiêu năng dòng phễu Khi bán kính cong ngược lớn,dòng mặt sẽ chuyển thành dòng phễu và tương ứng ta có tiêu năng dòng phễu .So với tiêu năng dòng mặt ,tiêu năng dòng phễu có hiệu quả tiêu năng tốt hơn và được ứng dụng ở những nơi có lưu lượng lớn và hh lớn 2.2.2.1.Cấu tạo của phễu tiêu năng Phễu tiêu năng có các hình thức: Phễu tiêu năng có bậc dạng không liên tục;phễu tiên năng có mũi bậc dạng răng cưa;phễu tiêu năng có ngưỡng bậc lệch (ở các cao độ khác nhau) Hình dạng kết cấu phễu có các loai: -Phễu có đoạn nằm ngang từ đó năng lượng dòng chảy được tiêu hao một phần trước khi xuống hạ lưu. -Phễu có các đoạn cong, loại này giảm nhỏ góc phóng của dòng chảy,giảm được mức độ xô động ở hạ lưu. - Phễu có đoạn cong dốc ngược. Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 14 - Lớp 48C4 -Phễu có ngưỡng bậc không liên tục và ở ngưỡng cuối phễu bố trí các mũi phóng có các cao trình khác nhau. Đây là hình thức có hiệu quả tiêu năng cao, nhanh chóng ổn định mực nước hạ lưu nhưng cấn chú ý hiện tượng khí thực. L 1 2 1 2 R R R 1 R 2 1 2 R 1:4 Hình 2.10 : Các dạng cửa phễu tiêu năng 2.2.2.2.Tính toán dòng phễu Tính toán dòng phễu rất phức tạp, các vấn đề nghiên cứu chủ yếu bằng con đường thực nghiệm. Các nghiên cứu đã đưa ra hàng loạt công thức kinh nghiệm. Viện nghiên cứu Thủy lợi,Thủy điện Tây Bắc(Trung Quốc) đã đưa ra: 2 1 1 (1 cos )1,5 0,3 r k h R h F h    (2.17) 1 1 (1 cos )1,3 0,3h r k h R h F h    (2.18) Trong đó: hk-độ sâu phân giới h1,h2-độ sâu liên hiệp trước và sau nước nhảy trong phễu;  -góc nghiên của mũi bậc; R-bán kính cong ngược; Fr1- trị số Froud tính tại mặt cắt h1; 2.2.2.3. Phòng chống xói ở hạ lưu Tiêu năng dòng mặt,dòng phễu là hình thức tiêu năng ứng với cột nước thấp.Sự hình thành các xoáy cuộn đã cuốn đá gây ra va đập vào mũi bậc và ở mũi bậc có thể xuất hiện khí thực.Hình thức tiêu năng này tạo ra hố xói ngay chân công trình,do đó cần phải xác định hố xói và có biện pháp phòng chống xói. 2.2.2.3.1.Chiều sâu hố xói Xói theo dòng mặt, dòng phễu là khá phức tạp không có công thức tính chính xác.  Công thức tham khảo có dạng: T= 0,83q0,67(Z/d50)0,18 (2.19) Trong đó: T-chiều sâu hố xói tinh từ mực nước hạ lưu; Z-Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu; Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 15 - Lớp 48C4 q- Lưu lượng đơn vị; d50-Đường kính trung bình của hạt ở lòng sông.  Với tiêu năng dòng mặt: T=Kq0,5Z0,25 1 01 ghh v (2.20) Trong đó: hgh1- độ sâu giới hạn thứ nhắt; v01 – tốc độ bắt đầu chuyển động của hạt; K- hệ số thể hiện mối liên quan đến lưu lượng đơn vị. Quan hệ q K với các v01 khác nhau đã được lập. v01 = 2,1 0,16 a hhg d d                (2.21) Với: a -dung lượng hạt;  -dung lượng nước; d- đường kính hạt; hh- mực nước hạ lưu. Khoảng cách từ cuối bậc đến điểm sâu nhất là: L = 3q(dx/d50)0,095 (2.22) Với: dx- chiều sâu hố xói tính từ nền hạ lưu.  Theo hình (2.11) ta có phương trình hình học: T= dx+hh  Viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang( Trung Quốc) đưa ra công thức tính toán chiều sâu hố sói trên nền mềm và sa thạch: T= 0,5 0,22Kq Z (2.23) Trong đó: K- hệ số địa chất: với đất mềm K=3,3; với sa thạch K= 1,35  -hệ số phụ thuộc vào trang thái dòng chảy theo bảng 2.2 Bảng 2.2- Hệ số trạng thái dòng chảy mặt Loại nền Nền đất đá Nền mềm Trạng thái dòng chảy Dòng chảy đáy 0,18 0,7 Dòng mặt không ngập 0,59 0,79 Dòng chảy mặt sóng 0,82 0,91 2.2.2.3.2.Hình dạng hố xói Hình dạng hố xói như hình( 2.11) . Độ dốc mái thượng lưu m1, mái hạ lưu m2, chiều rộng đáy hố xói L2, khoảng cách từ chân đập đến vị trí bắt đầu có hố xói lớn nhất là L1. Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 16 - Lớp 48C4 L1 L2 hh dx Tm 1 m2 Hình 2.11 : Hố xói sau mũi bậc Kích thước hố xói dòng mặt như bảng (2.3) Bảng 2.3- Kích thước hố xói dòng mặt Đặc trưng m1 m2 L1/T L2/T Trạng thái Dòng mặt không ngập 36 48 24 0,91,2 Dòng mặt ngập 24,5 48 22,5 0,91,1 2.2.2.3.3.Biện pháp công trình phòng xói sau chân bậc : - Tạo tường hướng dòng ở hạ lưu với chiều dài L sao cho L1,4L’ Gọi L’ là khoảng cách tuef mũi bậc đến điểm cao nhất của mực nước hạ lưu. Có thể tính L’ theo công thức: L’= 3,86 1.46( )k h h h h h   (2.24) Với: h-chiều sâu dòng chảy trên mũi bậc. Mặt khác khi thiết kế tường cần chọn góc mở và chiều cao thích hợp. - Gia cố sau bậc một đoạn dài 20 40m và có thể xây tường phân dòng trên mũi bậc - Gia cố bờ hạ lưu 2.3.TIÊU NĂNG PHÓNG XA 2.3.1. Đặc điểm Hình thức tiêu năng phóng xa là lợi dụng mũi phun ở chân đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa ra khỏi chân đập.Dòng chảy được khuếch tán trong không khí,sau đó đổ xuống lòng sông.Do dòng chảy được tiêu hao năng lượng rất lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập.Với hình thức này năng lượng được tiêu hao trong không khí và một phần ở lòng sông.Dòng chảy phóng xuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định thì năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao hoàn toàn bằng ma sát nội bộ,do đó chiều sâu nước hạ lưu càng lớn thì càng giảm được xói lở lòng sông Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 17 - Lớp 48C4 Điều kiện để thực hiện được hình thức tiêu năng phóng xa là đỉnh mũi phun phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu,chiều cao cột nước trước đập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa và mực nước hạ lưu cũng đủ lớn để hố xói không quá sâu.Với đập tràn có cột nước cao và địa chất nền tốt thì dùng hình thức tiêu năng phóng xa là hợp lý và kinh tế Để đạt hiệu quả tiêu năng cao thì chiều dài phóng xa phải lớn,tuy nhiên ta lại muốn mức độ xói lở ít.Thực tế chiều dài phóng xa càng lớn thì khả năng xói lở càng lớn,do đó trong thiết kế ta chọn trường hợp có dx/L là nhỏ nhất (với dx là chiều sâu hố xói,L là khoảng cách từ đáy hố xói đến chân đập) Ưu điểm : Cấu tạo đơn giản,không cần thiết bị tiêu năng ở sân sau,giảm khối lượng đào đá,rút ngắn thời gian thi công. Nhược điểm: - Hố xói do dòng phun tạo ra có thể làm hạ thấp mực nước hạ lưu,làm ảnh hưởng đến các yêu cầu dùng nước phía hạ lưu - Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn ngược hoặc sóng vỗ mái đập - Ở mũi phun có thể xảy ra khí thực - Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và môi trường sống nói chung 2.3.2. Các hình thức kết cấu mũi phun 2.3.2.1. Mũi phun liên tục - Ưu điểm : cấu tạo đơn giản,khoảng cách phóng xa lớn - Nhược điểm : dòng chảy khuếch tán kém,xói lở lòng sông nhiều.Có thể làm tường phân dòng nối liền trụ pin kéo dài đến phần mũi phun để dòng chảy tập trung trên mặt tràn và giảm tổn thất thuỷ lực.Như vậy thì chiều dài dòng phun và mức độ khuếch tán dòng chảy trên mặt bằng cũng tăng. - Hình thức mũi phun : + Góc nghiêng mũi phun : 0 030 35   là hợp lý + Bán kính cong của ngưỡng phun :  6 10R h  với h là độ sâu nước trên ngưỡng + Cao trình ngưỡng phun càng thấp thì góc nghiêng của dòng nước đổ xuống mực nước hạ lưu càng nhỏ,hố xói càng nông.Cao trình ngưỡng phun phải cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu khoảng 1 2m R = 6h Hình 2.12: Mũi phun liên tục 2.3.2.2. Mũi phun không liên tục - Ưu điểm : dòng chảy trên mũi phun được phân thành các phần trên đỉnh răng và ở giữa các khe răng.Theo phương đứng dòng chảy được khuếch tán nhiều hơn so với mũi phun liên tục, đồng thời có sự va chạm các tia dòng nên năng lượng dòng chảy được tiêu Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 18 - Lớp 48C4 hao nhiều hơn,giảm khả năng xói.So với mũi phun liên tục chiều sâu hố xói có thể giảm 35% - Nhược điểm : Chiều dài phóng xa kém hơn mũi phun liên tục - Kích thước hợp lý của mũi phun không liên tục có răng hình chữ nhật như sau : 0 01 2 5 10    1 2 2 3 a b   0,5 1,0 khi v 20 /d m s h    a2 a1 d b 35° 30° A A A - A a a) b) Hình 2.13 : Mũi phun không liên tục a) Răng hình chữ nhật b) Răng hình thang Nhược điểm của loại răng hình chữ nhật là dòng chảy ở giữa khe rất tập trung,khó khuếch tán, đồng thời có áp lực âm lớn ở hai bên răng. Để khắc phục nhược điểm này ta dùng loại răng hình thang.Loại này có đặc điểm chiều rộng đỉnh răng giảm dần và chiều rộng khe tăng dần về phía hạ lưu làm cho dòng chảy ở giữa khe được khuếch tán,các tia dòng va chạm nhau mãnh liệt hơn,do đó giảm xói lở, đồng thời hai bên răng được vát nghiêng nên giảm áp lực âm. 2.3.3. Tính toán các thông số của tiêu năng phóng xa Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 19 - Lớp 48C4 S S1 S2 hh dx 0 h p z2 Lp Lx  Hình 2.14 : Các thông số cơ bản của tiêu năng phóng xa 2.3.3.1. Chiều dài phóng xa : là khoảng cách theo phương ngang từ mũi phun đến trung tâm dòng nước tại đáy kênh hạ lưu.Chiều dài phóng xa chỉ có thể xác định bằng công thức kinh nghiệm.  2 2 0 0 0 0 2 os 2 1 2 os sin sin 2p hc S L Sc S                    Trong đó :  -hệ sô kể đến tổn thất cột nước 1S S  S1- chênh lệch cao độ giữa MNTL và mũi phun S - chênh lệch cao độ giữa MNTL và đáy kênh hạ lưu h - chiều sâu dòng nước trên mũi phun 0 - góc nghiêng của mũi phun 2.3.3.2. Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mực nước hạ lưu 2 2 0 2 2 1 0 2 os gZtg tg V c      Trong đó : V1 – lưu tốc dòng chảy ở mũi phun 02 os 2 hcZ p  với p là chiều cao mũi phun so với MNHL 2.3.3.3. Chiều sâu hố xói * Theo A.N Patrasep : với đất không dính 0,25 0,5 0 90 3,9x h Zd q h d        Trong đó : q – lưu lượng đơn vị Z0 = E0 – hh năng lượng toàn phần của dòng chảy lấy đối với MNHL d90- đường kính hạt mà trọng lượng của những hạt nhỏ hơn chiếm 90% * Theo Damarin : Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 20 - Lớp 48C4 ' sin x h cp Nqd h V V    Trong đó : V’ - vận tốc dòng phun tại nơi gặp MNHL Vcp- vận tốc cho phép không xói của đất nền  - góc nghiêng của dòng phun khi gặp MNHL N- hệ số phụ thuộc chiều cao mũi phun so với MNHL Bảng 2.4- Hệ số N p (m) 2 3 4 5 6 7 8 N 4,3 4,6 4,8 5,0 5,3 5,5 5,8 * Theo M.X.Vưzgô : 2 1 2x a h Vd K K q p h g     Trong đó : q-lưu lượng đơn vị (m3/s.m) Ka-hệ số kể đến hàm khí K- hệ số xói lở : "0,71cp c qV h  thì K = 1,34 "0,71cp c qV h  thì K xác định theo Bảng 3 " ch -độ sâu liên hiệp với hc tính tại mặt cắt co hẹp ở cao trình MNTL Bảng 2.5 - Hệ số Ka Lưu tốc dòng phun tại vị trí gặp mực nước hạ lưu (m/s) Chiều sâu h1 (m) 5 10 15 20 25 0,2 0,7 0,64 0,62 0,61 0,60 0,5 0,88 0,71 0,66 0,63 0,62 0,7 1,0 0,90 0,70 0,66 0,64 Bảng 2.6 - Hệ số K Góc  (độ) Loại đất 0 12 25 40 60 90 Rất yếu 1,4 1,8 2,4 2,8 3,3 4,5 Chắc 1,4 1,7 2,0 2,4 2,7 3,3 2.3.3.4. Chiều dài hố xói Với quan điểm cho rằng hố xói có dạng hình thang, đáy rộng 2hk,mái thượng lưu m1=3 , mái hạ lưu m2 = 1,5 thì : Lx = 2hk + 4,5dx Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 21 - Lớp 48C4 Trong tính toán tiêu năng phóng xa ta phải chọn góc phun 0 sao cho giá trị dx/L là nhỏ nhất. Đồng thời phải tính với nhiều cấp lưu lượng để vẽ được đường bao hố xói. Chương 3 : KẾT LUẬN Nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo nước là một vấn đề vừa mang tính kinh điển vừa mang tính thời sự.Việc tính toán và thiết kế tiêu năng là một khâu rất quan trọng trong thiết kế công trình thuỷ lợi.Chọn hình thức tiêu năng cần thông qua phân tích các điều kiện tự nhiên (địa hình,địa chất,dòng chảy lũ),yêu cầu kỹ thuật và quy mô công trình,điều kiện kinh tế-kỹ thuật. Hình thức tiêu năng được chọn phải đảm bảo tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng chảy và có chi phí xây dựng,bảo dưỡng thấp nhất. Hiện nay vấn đề tiêu năng vẫn còn nhiều tồn tại,vì vậy việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết tiêu năng là rất cần thiết và quan trọng, đòi hỏi sự đầu tư và quan tâm nhiều hơn nữa của các nhà khoa học. Báo cáo này là sự tổng hợp những kiến thức về tiêu năng mà em đã được học và đọc,do trình độ và thời gian có hạn nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót,kính mong nhận được sự góp ý,chỉ bảo của các thầy cô. Em xin chân thành cám ơn thầy giáo,GS.TS.Ngô Trí Viềng đã tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình thực tập và viết báo cáo. Hà Nội,tháng 09 năm 2010 Sinh viên thưc hiện: Lê Văn Cường Báo cáo thực tập tốt nghiệp GVHD : GS.TS.Ngô Trí Viềng Sinh viên : Lê Văn Cường - 22 - Lớp 48C4