Bố trí và tính toán thủy lực buồng tiêu năng sau van côn của cống lấy nước dưới đập

BỐ TRÍ VÀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC BUỒNG TIÊU NĂNG<br /> SAU VAN CÔN CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP<br /> PGS. TS. NGUYỄN CHIẾN<br /> Trường Đại học Thủy lợi<br /> KS. ĐÀO NGUYÊN NGỌC<br /> Cty TV& CGCN trường ĐHTL<br /> Tóm tắt: Việc tính toán thủy lực buồng tiêu năng sau van côn ở nước ta hiện nay còn nặng về<br /> kinh nghiệm và tham khảo tương tự, chưa dựa trên cơ sở khoa học chắc chắn. Trong bài giới<br /> thiệu các sơ đồ bố trí buồng tiêu năng sau van côn và cơ sở để tính toán thủy lực buồng tiêu<br /> năng dựa vào phân tích lý luận và các kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực ở nước ngoài. Ap<br /> dụng tính toán cho các công trình thực tế đã cho thấy hiệu quả của phương pháp tính toán được<br /> giới thiệu.<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ. II. BỐ TRÍ BUỒNG TIÊU NĂNG SAU<br /> Trong xây dựng thủy lợi hiện nay loại cống VAN CÔN.<br /> tròn bằng thép bọc bêtông cốt thép có cửa van ­ Theo kinh nghiệm của các đơn vị tư vấn<br /> điều tiết ở hạ lưu được áp dụng ngày càng thiết kế hiện nay [1], buồng tiêu năng sau van<br /> nhiều do những ưu điểm cơ bản của nó là tạo côn thường có chiều dài (theo hướng trục<br /> được chế độ thuỷ lực ổn định và an toàn, khả ống) từ 45 lần đường kính van côn, chiều<br /> năng kín nước tốt, độ bền cao… rộng từ 44,5 lần đường kính van côn. Buồng<br /> Đối với các cống có đường kính D  0.8m thường làm kiểu kín, có mặt cắt hình vuông,<br /> thường sử dụng van côn để điều tiết lưu lượng. trong buồng có thể đặt thêm dầm phá năng<br /> Sau cửa van côn là một buồng kín để tiêu hao lượng bằng bêtông cốt thép.<br /> năng lượng. Ở nước ta cho đến nay cơ chế tiêu Chế độ thủy lực và tiêu năng trong buồng<br /> hao năng lượng trong buồng sau van côn còn van côn như sau: với các trường hợp cột nước<br /> chưa được nghiên cứu nhiều. Vì vậy khi bố trí trước van cao, van chỉ cần một độ mở hạn chế<br /> và lựa chọn kích thước buồng tiêu năng, các để lấy đủ lưu lượng thiết kế. Khi đó dòng<br /> nhà thiết kế chủ yếu dựa vào việc tham khảo chảy được phân phối đều trên bề mặt của côn,<br /> tương tự các công trình đã có. Tuy nhiên, điều có vận tốc lớn và đập mạnh vào thành bên của<br /> kiện xây dựng của các công trình thường là buồng tiêu năng. Các tia phản xạ sẽ tạo thành<br /> khác nhau, do đó việc áp dụng kết cấu tương tự dòng chảy xáo trộn trong buồng, có tác dụng<br /> không phải lúc nào cũng dễ dàng và có thể dẫn tiêu hao năng lượng, sau đó đổ ra kênh hạ lưu<br /> đến các trường hợp sau: cùng với một mức năng lượng còn dư và mức<br /> ­ Lựa chọn kích thước buồng tiêu năng quá độ rối mạnh đòi hỏi phải có đoạn sân sau đủ<br /> lớn, quá thiên về an toàn gây lãng phí. dài.<br /> ­ Chọn kích thước buồng tiêu năng thiên Như vậy việc bố trí buồng tiêu năng sau<br /> nhỏ, chưa đủ năng lực tiêu hao năng lượng sau van côn cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:<br /> cống, dẫn đến gây xói lở ở kênh hạ lưu. ­ Phân phối đều dòng chảy từ van côn lên<br /> Vì vậy việc nghiên cứu các cơ sở bố trí và mặt bên của buồng.<br /> tính toán kích thước buồng tiêu năng sau van ­ Có thiết bị hướng dòng chảy ra kênh hạ<br /> côn là rất cần thiết. lưu được thuận.<br /> <br /> ­ Có cấu tạo không quá phức tạp, tiện cho thi ­ Chiều dài buồng Lb = 3.D, trong đó D là<br /> công. đường kính cống ở trước van côn.<br /> Theo các yêu cầu trên, ở Liên Xô trước đây ­ Mặt cắt buồng hình vuông, có cạnh bằng a.<br /> đã nghiên cứu kỹ hai loại buồng tiêu năng có ­ Trong buồng đặt 2 cặp thanh chắn để tiêu<br /> mặt cắt hình tròn đường kính Db và mặt cắt năng:cặp thanh đứng đặt cách mặt cắt đầu<br /> hình vuông chiều rộng a [5]. Bố trí chung các buồng một khoảng L1 = 2D, cặp thanh ngang<br /> buồng này như trên hình 1. Loại mặt cắt hình đặt ở cuối buồng.<br /> tròn có chế độ tiêu năng tốt nhưng khó thi ­ Sau buồng có bố trí một tường chắn đặt<br /> công. Loại mặt cắt hình vuông đơn giản và nghiêng góc 40o so với phương đứng để<br /> được áp dụng nhiều hơn, mặc dù kích thước hướng nước vào lòng kênh hạ lưu (tránh nước<br /> yêu cầu của nó lớn hơn một ít so với loại mặt bắn lên phía trên).<br /> cắt tròn. ­ Trước buồng có bố trí tường phản xạ để<br /> Loại buồng hình vuông có các đặc trưng như tránh nước xâm nhập vào buồng van côn.<br /> sau:<br /> 5<br /> 2<br /> Qa A B D o<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> )<br /> 4<br /> (3<br /> o<br /> 7<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 40<br /> 3<br /> a ( D b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Q 8<br /> D<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6 4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Zo<br /> 1.2(2.5)D<br /> A B<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> h<br /> 2D<br /> D<br /> 3.0(2.5)D 7.3(6.75)D<br /> <br /> <br /> A-A B-B D-D<br /> h 2<br /> <br /> t = 0.3D<br /> h h<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> t = 0.3D<br /> a<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> <br /> h 1 1<br /> a<br /> <br /> <br /> Hình 1: Sơ đồ buồng tiêu năng sau van côn<br /> (giá trị ghi trong ngoặc đơn là cho buồng có mặt cắt tròn).<br /> 1-Thanh chắn đứng 2-Thanh chắn ngang 3-Tường chắn 4-Tường phản xạ<br /> 5- Ống thông khí 6-Xi lanh van côn 7-Nút van côn 8-Mặt làn nước bắn ra sau van côn.<br /> III. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC E  EC<br /> BUỒNG TIÊU NĂNG.  A (1)<br /> EA<br /> Ứng với một cống có lưu lượng và cột<br /> Trong đó:<br /> nước xác định, kích thước của buồng phụ<br /> EA : Năng lượng đơn vị toàn phần của dòng<br /> thuộc vào mức độ tiêu hao năng lượng yêu<br /> chảy ở mặt cắt A­A trên tường bể đối với đáy<br /> cầu:<br /> lòng dẫn ra (hình 1).<br /> E A   2 .H 0  Z 0 (2) IV. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN.<br />  ­ Hệ số lưu tốc khi chảy từ van, xác định 1. Định ra mức độ tiêu năng yêu cầu .<br /> theo biểu đồ thực nghiệm như hình 2 (theo kết 2. Theo biểu đồ hình 3 xác định được trị số Fr<br /> quả nghiên cứu thực nghiệm tại Liên Xô)[5]. tại mặt cắt A­A.<br /> Ho ­ Cột nước toàn phần tại mặt cắt trước 3. Xác định lưu tốc dòng chảy tại mặt cắt A­A<br /> van (tính đến tâm cống). theo công thức (5), với  xác định theo hình 2.<br /> Zo ­ Chênh lệch cao độ từ trục van đến đáy 4. Xác định chiều dày lớp nước tại mặt cắt A­<br /> lòng dẫn ra. A:<br />   V2<br /> h (7)<br /> 1.0 g .Fr<br /> 5. Tính chu vi mặt cắt buồng:<br /> 0.9<br /> Q<br /> 0.8<br />  (8)<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 m<br /> V .h<br /> Hình 2: Quan hệ  =f(m) của van côn 6. Tính kích thước mặt cắt buồng:<br /> (m=A/S-độ mở cửa van) [5]. + Với buồng hình vuông : a = /4<br /> EC : Năng lượng đơn vị toàn phần của mặt + Với buồng hình tròn : Db= /<br /> cắt co hẹp của dòng chảy ở lòng dẫn ra. 7. Xác định chiều cao các thanh (gờ):<br />  .VC2 ht  (8  9).h20 , (9)<br /> E C  hC  (3) trong đó: h20 là độ sâu dòng chảy ở mặt cắt A­<br /> 2g<br /> A khi cột nước H0 = 20m, đảm bảo cho dòng<br /> Mức độ tiêu năng được chọn phụ thuộc<br /> chảy lan tỏa khắp chu vi của buồng tiêu năng.<br /> vào đặc trưng động học của dòng chảy (số Fr)<br /> 8. Kiểm tra nối tiếp dòng chảy sau buồng:<br /> như hình 3, trong đó:<br /> Năng lượng đơn vị toàn phần của dòng<br /> chảy khi ra khỏi buồng, tính đến đáy lòng dẫn<br /> V2 ra được xác định theo công thức:<br /> Fr  (4)<br /> g .h E c  (1   ).( 2 .H 0  Z 0 ) , (10)<br /> V   . 2 . g .H o (5) trong đó: Zo ­ khoảng cách thẳng đứng từ trục<br /> Q van côn đến đáy lòng dẫn ra (hình 1).<br /> h (6) Có Ec, bằng các phương pháp thủy lực đã<br />  .V biết, xác định được các độ sâu nối tiếp hc, hc”<br /> Với:  ­ Chu vi mặt cắt ngang buồng tiêu và kiểm tra được tình hình nối tiếp ở lòng dẫn<br /> năng. ra. Trong trường hợp có hc”> hh thì vẫn còn<br />  nước nhảy phóng xa, khi đó cần phải tăng mức<br /> 0.95 tiêu năng trong buồng  và tính lại từ bước 2.<br /> 0.90<br /> Cũng có trường hợp do đặc điểm bố trí<br /> tổng thể công trình, không thể tăng kích thước<br /> 0.85<br /> buồng được thì buộc phải chấp nhận mức tiêu<br /> 0.80 năng đã định và tính thêm một bể tiêu năng ở<br /> 0.75 sau buồng.<br /> 0 2 4 6 8 Fr (10 3 )<br /> <br /> Hình 3: Quan hệ  =f(Fr) đối với buồng van<br /> mặt cắt vuông và tròn [5].<br /> <br /> <br /> V. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG. Trong thực tế, cống đã được xây dựng với<br /> Sau đây tiến hành tính toán cho cống lấy kích thước buồng tiêu năng a = 6.0m, trị số này<br /> nước dưới đập Sông Trâu (tỉnh Ninh Thuận) là quá thiên về an toàn.<br /> với các số liệu ban đầu như sau: Kết quả tính toán cống cũng cho thấy khi<br /> L­u l­ỵng thiết kế: Qtk = 4.10 m3/s. mức tiêu năng  > 0.92 thì kích thước buồng<br /> Đường kính ống thép: D = 1.5 m. tiêu năng tăng rất nhanh theo trị số của .<br /> Chiều dài cống: L = 117.0 m. VI. KẾT LUẬN.<br /> Cột nước trước cống (ứng với MNDBT): 1. Việc thiết kế buồng tiêu năng sau van<br /> Ho = 15.84 m. côn của cống lấy nước dưới đập ở nước ta hiện<br /> Th«ng s kªnh h¹ l­u: B = 2.0 m, i = 0.0001, nay còn thiên về kinh nghiệm, chưa có các tài<br /> m = 1.75, n = 0.017. Độ sâu dòng đều: hh = liệu hướng dẫn tính toán cụ thể.<br /> 1.76m, Zo = 0.75 m. 2. Phương pháp bố trí và tính toán kích thước<br />  Ap dụng phương pháp tính toán nêu trên, buồng tiêu năng sau van côn được giới thiệu<br /> ta có kết quả xác định kích thước buồng và độ trong bài này là dựa trên tài liệu nghiên cứu lý<br /> sâu liên hiệp hc” sau buồng như trên bảng 1. thuyết và thí nghiệm mô hình ở nước ngoài và<br /> Bảng 1: Kết quả tính toán kích thước buồng tiêu hoàn toàn có thể áp dụng ở Việt Nam.<br /> năng sau van côn của cống lấy nước Sông Trâu. 3. Việc tính toán áp dụng cho công trình cụ<br /> thể cho thấy hiệu quả của phương pháp tính<br /> h 0.82 0.85 0.87 0.90 0.92 0.94 0.95 toán đã nêu so với việc thiết kế theo kinh<br /> a (m) 0.645 1.210 1.472 2.420 2.823 4.497 6.453 nghiệm.<br /> 4. Trong thời gian tới, cần sớm ban hành tài<br /> hc” 4.59 3.56 2.41 2.36 2.16 1.73 1.43<br /> liệu hướng dẫn bố trí và tính toán buồng tiêu<br /> Như vậy với mức tiêu năng  = 0.94 thì kích năng sau van côn, cũng như tiến hành nghiên<br /> thước buồng tiêu năng cần thiết là a  4.5m, cứu thí nghiệm mô hình các dạng khác nhau<br /> ứng với độ sâu liên hiệp sau buồng hc” = của buồng tiêu năng.<br /> 1.73m.<br /> CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. PGS.TS. Nguyễn Chiến (2004) ­ Tổng kết kỹ thuật và biên soạn tiêu chuẩn hướng dẫn<br /> tạm thời về thiết kế cống dưới đập đất bằng thép bọc bêtông, BTCT ­ Bộ NN&PTNT.<br /> [2]. Quy phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu QPTL C1-75 (1976) ­ Bộ Thủy lợi.<br /> [3]. C.D. Smith (1992) ­ Hydraulics Structures ­ University of Saskatchewan, Canada.<br /> [4]. Thuyết minh chung công trình thủy lợi hồ chứa nước sông Trâu (2002) ­ Xí nghiệp<br /> Thiết kế tư vấn xây dựng thủy lợi 3 Nha Trang.<br /> [5]. Tính toán thủy lực các công trình tháo nước: Sổ tay chuyên nghành (Bản tiếng Nga) ­<br /> (1988) ­ NXB Năng lượng nguyên tử, Matxcơva.<br /> <br /> ARRANGEMENT AND CALCULATION OF HYDRAULICS OF STILLING BASIN AFTER<br /> CONE VALVE OF CULVERT BELOW DAM<br /> Summary: In Vietnam, the calculation of hydraulics after cone valve which are depended on the<br /> experiment and previous literatures not yet have complete theory. In this paper, authors are used<br /> logical arguments and experiment of hydraulic model in other countries to introduce about the<br /> location of stilling basin after cone valve and the base of calculation of hydraulics of stilling basin.<br /> This method has been applied to hydraulic works and the efficient performance has presented and<br /> discussed.<br />