TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 8420:2010 VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH XẢ KIỂU HỞ VÀ XÓI LÒNG DẪN BẰNG ĐÁ ĐO DÒNG PHUN

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 8420:2010

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH XẢ KIỂU HỞ VÀ XÓI LÒNG DẪN BẰNG ĐÁ DO DÒNG PHUN

Hydraulic structure – Calculation opening outlet and rock bed erosion by jetting dissipator

Lời nói đầu

TCVN 8420:2010 được chuyển đổi từ 14 TCN 81-90 theo quy định tại khoản 1 Điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a khoản 1 Điều 7 Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật.

TCVN 8420:2010 do Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam biên soạn, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

 

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH XẢ KIỂU HỞ VÀ XÓI LÒNG DẪN BẰNG ĐÁ DO DÒNG PHUN

Hydraulic structure – Calculation opening outlet and rock bed erosion by jetting dissipator

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này sử dụng để tính toán thủy lực dốc nước và đập tràn, tính toán xói lở dòng dẫn bằng đá trong trường hợp nối tiếp thượng hạ lưu theo kiểu dòng phun từ mũi phóng hình trụ không ngập (tức cao trình mũi phóng luôn đặt cao hơn trình mức nước hạ lưu).

Khi mũi phóng có cấu tạo cong hai chiều, khi dòng chảy trên thân dốc hình thành sóng hoặc xuất hiện khí thực, khi lưu tốc lớn hơn 15m/s, thì ngoài việc tính toán theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn này thì nhất thiết phải thông qua thí nghiệm mô hình thủy lực để kiểm chứng và hiệu đính chính xác hóa thêm kết quả quá trình tính toán thiết kế.

Đối với những công trình lớn cần phải thí nghiệm mô hình để chỉnh lý kết quả tính toán.

Kết quả tính toán để sử dụng trong thiết kế công trình dốc nước, đập tràn, và tiêu năng ở hạ lưu các công trình nối tiếp thượng hạ lưu kiểu dòng phun từ mũi phóng hình trụ không ngập các giai đoạn đầu tư xây dựng công trình.

2. Ký hiệu

Hình 1 mô phỏng công trình xả kiểu hở, các ký hiệu trên hình vẽ mô phỏng được giải thích như sau:

1) H: cột nước tại đập tràn, m, bằng hiệu giữa cao trình mực nước thượng lưu và cao trình đỉnh ngưỡng tràn;

2) H_o: Cột nước toàn phần tại đập tràn, m, tức là chiều cao cột nước trên đỉnh đập tràn có xét tời cả năng lượng do vận tốc đến gần V_o, m/s xác định theo công thức:

H₀ = H + 

V₀ = 

trong đó:

Q: lưu lượng qua tràn m³/s;

g: gia tốc trọng trường, m/s²;

Q: diện tích mặt cắt ngang dòng chảy thượng lưu tràn, m²;

W = B_T . (C_T + H),

B_T: Chiều rộng lòng dẫn thượng lưu, m;

C_T: Chiều cao thân tràn ở thượng lưu, m;

3) b: chiều rộng lỗ tràn, m;

4) B: chiều rộng tuyến tràn, m;

5) T: hiệu giữa cao trình mực nước thượng lưu và cao trình đáy hạ lưu, m;

6) T_o: hiệu giữa cao trình cột nước toàn phần (có xét vận tốc đến gần) và cao trình đáy hạ lưu, m;

7) Z: độ chênh lệch mực nước tại công trình xả, bằng hiệu giữa mực nước thượng lưu và hạ lưu, m;

8) Z_o: độ chênh lệch mực nước toàn phần (có xét vận tốc đến gần) thượng lưu và hạ lưu, m;

9) Z_H: cột nước trên mũi phóng của đập, m;

10) q: góc nghiêng của mặt tràn so với mặt phẳng nằm ngang, độ;

11) j: hệ số vận tốc, có xét đến tổn thất thủy lực trên tuyến xả;

12) q: lưu lượng đơn vị (tỷ lưu) tính bằng công thức, m³/s-m: q = 

13) h_H, v_H: độ sâu và vận tốc dòng chảy tại mặt cắt ra khỏi mũi phóng, m;

14) a: góc hợp bởi mặt phẳng nằm ngang với chiều véc tơ vận tốc trung bình ở mặt cắt ra khỏi mũi phóng, độ;

15) a_H: góc nghiêng của đáy mũi phóng với mặt phẳng nằm ngang tại mặt cắt ra, độ;

16) a: chiều cao mũi phóng so với đáy lòng dẫn hạ lưu, m;

17) L: chiều dài phóng xa của luồng chảy, m, tức khoảng cách từ công trình đến điểm rơi của trục luồng chảy gặp mặt nước hạ lưu – tính theo phương nằm ngang;

18) L₁: chiều dài phóng xa từ công trình đến điểm sâu nhất của hố xói, m;

19) a₁: góc đổ của trục luồng chảy vào mặt nước hạ lưu, độ;

20) h_k: chiều sâu phân giới của dòng chảy, m, tính bằng công thức: h_k =  , g là gia tốc trọng trường;

21) h₂: chiều sâu trung bình nhỏ nhất ở hạ lưu để sau dòng rơi không tạo nước nhảy xa, m;

22) h: chiều sâu nước trung bình ở hạ lưu, m;

23) h_x: chiều sâu xói lớn nhất, m;

24) t: chiều sâu xói lớn nhất ở phễu xói, m;

25) b_x: chiều dọc của phễu xói (tương ứng với cao độ lòng dẫn ban đầu chưa bị xói), m;

26) A: thành phần tải trọng mạch động lớn nhất, m/s được xác định bằng mức độ xói của dòng chảy tác động vào phân khối đá nền nằm ở hõm đáy hố xói;

27) g: trọng lượng riêng của nước, kg/m³;

28) g_đ: trọng lượng riêng của phân khối đá nền kg/m³. Ở đây danh từ “phân khối đá nền” được hiểu là khối đá có kích thước đặc trưng cho các khối đá bị tách rời riêng rẽ do nứt nẻ phong hóa hoặc do các yếu tố khác nằm trong phạm vi chịu ảnh hưởng của dòng xói. Kích thước của phân khối đá nền cần xác định thông qua nghiên cứu tại thực địa về: tình hình phong hóa của đá nền trong khu vực xói, các vết nứt trong các nõn khoan, thế và khả năng tiếp xúc trực tiếp với nước mặt và không khí v.v … Sơ bộ có thể chọn như sau:

– Khí nền hố xói là đá tươi hoặc đá phong hóa nhẹ thuộc nhóm đá phún xuất hoặc đá biến chất thì kích thước của phân khối đá lấy bằng kích thước trung bình của hòn đá có thể bị tách rời do các vết nứt nguyên sinh tạo ra;

– Khí nền là đá phong hóa vừa và mạnh, là đá trầm tích dễ mềm bở khi tiếp xúc trực tiếp với nước mặt và không khí thì tham khảo kích thước trung bình của các hạt cứng có trong đất tàn tích hoặc trong bãi bồi (khi xả trực tiếp vào lòng sông) để chọn đường kính tính toán tương đương với nhân khối đá;

29) d: kích thước trung bình của phân khối đá, tính bằng đường kính của hình cầu tương đương, m;

30) l₀: kích thước ngang trung bình (theo mặt phẳng) của phân khối đá nền, lấy theo hướng tuyến rơi của dòng phun, m;

31) c: chiều cao trung bình của phân khối đá nứt nẻ, m, (Hình 2);

32) y: góc đặc trưng cho chiều lộ ra của phân khối đá, độ;

33) h: góc hướng dốc của các vỉa đá nền, độ;

34) v: vận tốc dòng phun m/s;

35) R: bán kính thủy lực, m;

36) Fr: số Frut, không đơn vị.

Hình 2 – Sơ đồ thế nằm của phần khối đá nền

3. Tính toán thủy lực công trình xả hở

3.1. Công trình xả hở ở trên bờ (Hình 1a, 1b) có thể chia ra bốn bộ phận chính, xuất phát từ đặc điểm riêng về tính toán thủy lực của chúng;

– Phần vào: là kênh dẫn vào, để dẫn nước tới bộ phận thu nước (ngưỡng tràn). Dòng chảy trong bộ phận này ở trạng thái êm và có vận tốc nhỏ;

– Bộ phận cửa thu nước – tức ngưỡng tràn, có thể có hoặc không có cửa van điều chỉnh lưu lượng xả. Dòng chảy trong phạm vi bộ phận này có đặc trưng là độ cong khá lớn.

– Bộ phận thân dốc: Để dẫn nước từ bộ phận cửa thu nước về hạ lưu. Các đặc trưng của thân dốc (độ dốc đáy, độ cong trên mặt bằng v.v …) được xác định theo các điều kiện địa hình, địa chất, phương án bố trí v.v… Trong trường hợp tổng quát ở thân dốc có thể có cả đoạn dòng chảy biến đổi đều và cả đoạn dòng chảy biến đổi đột ngột.

– Bộ phận cuối là mũi phóng các kiểu để hắt dòng phun về lòng dẫn hạ lưu. Tại mũi phóng, dòng chảy bị uốn cong đáng kể. Trong qui trình này chỉ đề cập đến mũi phóng hình trụ, là dạng mũi phóng phổ biến, đơn giản cho thi công.

Theo quan điểm tính toán thủy lực thì các đập tràn có cao trình đỉnh bậc thụt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu cũng có 4 đoạn đặc trưng tương ứng với 4 bộ phận nêu trên, đó là:

– Phần vào

– Đoạn ngưỡng tràn cong (tương đương với bộ phận thu nước);

– Đoạn mặt tràn phẳng, tức đoạn có dòng chảy biến đổi đều, tương ứng với bộ phận thân dốc,

– Đoạn mũi phóng cong, chính là mũi bậc thụt.

3.2. Khi phần vào là kênh dẫn cần thiết kế sao cho trong phạm vi kênh dẫn này bảo đảm trạng thái chảy êm và tổn thất cột nước nhỏ không đáng kể. Đáy kênh thường bố trí nằm ngang hoặc có độ dốc ngược không lớn, còn mặt cắt ngang thì hẹp dẫn đến cửa thu nước. Khi đó hình dạng trên mặt bằng của mái dốc bên (hoặc tường bên) của kênh nối tiếp với ngưỡng tràn cần thiết kế theo hình dạng chảy thuận.

3.3. Việc tính toán khả năng tháo nước của ngưỡng đập tràn cần tiến hành theo tiêu chuẩn, tài liệu hiện hành về tính toán thủy lực đập tràn và Hướng dẫn tính toán thủy lực đập tràn phần II – Đập tràn xiên, tràn bên, tràn cong, đập tràn hình vành khuyên.

3.4. Chiều sâu và vận tốc dòng chảy ở mặt cắt sau ngưỡng tràn có thể xác định theo hướng dẫn nêu ở tài liệu Sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập I, Nhà xuất bản nông nghiệp -1979 hoặc tài liệu, tiêu chuẩn hiện hành.

3.5. Chiều sâu và vận tốc dòng chảy trong phạm vi công trình xả kiểu hở xác định theo kết quả lập đường cong mặt thoáng. Khi đó cần phải xét:

– Tổn thất do ma sát theo chiều dài;

– Ảnh hưởng hàm khí của dòng chảy.

3.6. Chiều sâu và vận tốc của dòng chảy không hàm khí trong công trình xả có thể tính theo công công thức:

Khi đã có trị số hệ số vận tốc j, sẽ tính được tổng tổn thất năng lượng trên đoạn nằm giữa mặt cắt đầu ở thượng lưu và mặt cắt đang xét.

Trong trường hợp độ nghiêng của mặt đập cotgq = 0,7 đến 0,8 và dòng chảy không bị hàm khí, thì giá trị của hệ số j ở ngưỡng tràn có thể xác định theo đồ thị Hình 3, trong đó, I là khoảng cách từ mặt cắt 0-0 trên ngưỡng tràn đến mặt cắt đang xét, m (Hình 3).

3.7. Trên các đoạn của công trình xả có dòng chảy biến đổi đều, đường cong mặt thoáng nên lập theo hệ phương trình:

Ở đây các chỉ số j và j+1 biểu thị các trị số tương ứng ở hai mặt cắt cách nhau một khoảng l.

Hình 3 – Đồ thị xác định hệ số lưu tốc j trong phạm vi ngưỡng và mép tràn

i_f là giá trị trung bình của độ dốc ma sát trong phạm vi đoạn đang xét; i_f =  = 

V_tb = 0,5(v_j + v_j+1);

R_tb và C_tb là giá trị trung bình của bán kính thủy lực và hệ số Sêdi tính theo:

h_tb = 

Trị số C_tb tính theo công thức của N. N. Pavlovski. Số mũ y trong công thức này có thể lấy theo Bảng 1 hoặc công thức:

y = 2,5 – 0,13 – 0,75  .(n – 0,10) ; với n là hệ số nhám (3)

Trong phạm vi dốc nước, đường cong mặt thoáng có thể lập theo một trong các phương pháp nêu trong các giáo trình thủy lực giảng dạy trong bộ môn thủy lực của Trường Đại học thủy lợi Hà Nội. Việc tính toán theo hệ phương trình (2) thực hiện cho tuyến phát sinh hàm khí.

Bảng 1 – Giá trị của số mũ Y trong công thức của N.N. Pavloski

Bán kính thủy lực (m)	Hệ số nhám n
	0,011	0,012	0,013	0,014	0,015	0,017	0,018	0,020	0,022	0,025
0,01 – 1,0	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,19	0,20	0,20	0,22	0,24
1,0 – 3,0	0,13	0,13	0,14	0,15	0,15	0,17	0,17	0,18	0,19	0,20

3.8 Với lưu lượng đã cho dòng chảy trên mặt cắt đang xét cần được coi là phát sinh hàm khí khi lưu tốc đạt tới trị số:

trong đó: s = 0,074kgm/s² gọi là hằng số căng bề mặt;

r = 1000kg/m³ là tỷ trọng của nước

Khi các trị số a, r là hằng số như trên và lấy C = , thì vế phải của hệ thức (4) là hàm của bán kính thủy lực R hệ số nhám n và góc nghiêng q.

Lúc đó, hệ thức (4) có dạng:

Để đơn giản việc tính toán, có thể sử dụng đồ thị quan hệ Hình 4 với:

Hình 4 – Đồ thị quan hệ A = f(R,n)

3.9. Để xác định lưu tốc phát sinh hàm khí V_hk, nên dùng phương pháp đồ giải như sau:

– Lập biểu đồ quan hệ V_hk = f₁(h) và v = f₂(h);

– Giao điểm của hai đường cong này cho giá trị cần tìm của V_hk và h_hk.

Trên đường cong mặt thoáng đã lập, xác định vị trí tuyến phát sinh hàm khí ứng với trị số h_hk.

Nếu các đường cong V_hk = f₁(h) và V = f₂(h) không cắt nhau, thì có nghĩa là với lưu lượng đã cho dòng chảy tại mặt cắt đang xét không bị hàm khí.

3.10. Nếu tính toán cho thấy có xuất hiện hàm khí, thì đoạn tuyến tháo nước sau vị trí phát sinh hàm khí được tính toán theo tài liệu sổ tay tính toán thủy lực hoặc tài liệu, tiêu chuẩn hiện hành tính toán khí thực.

3.11. Việc tính toán các đoạn co hẹp và mở rộng, các đoạn cong và có độ dốc thay đổi đột ngột cần tiến hành theo các hệ thức thủy lực tương ứng trong tài liệu Sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập I, nhà xuất bản nông nghiệp -1979, hoặc các tiêu chuẩn hiện hành.

3.12. Để lập đường cong mặt thoáng của dòng chảy không hàm khí trong phạm vi mũi phóng hình trụ, cần xác định đầy đủ độ sâu và vận tốc ở ba mặt cắt (Hình 5):

– Mặt cắt 1-1, nghĩa là ở chỗ chuyển tiếp giữa đoạn phẳng và đoạn cong;

– Mặt cắt 2-2, qua điểm thấp nhất của mặt cắt mũi phóng;

– Mặt cắt cuối cùng (mặt cắt 3-3).

Các thông số dòng chảy ở mặt cắt 1-1 được xác định theo kết quả lập đường cong mặt thoáng của dòng chảy trên mặt tràn phẳng.

Ở hai mặt cắt còn lại vận tốc và chiều sâu được xác định theo phương trình lưu lượng không đổi (phương trình liên tục) và phương trình Becnuly, lập theo trình tự sau:

– Đối với mặt cắt 1-1 và 2-2

– Đối với mặt cắt 2-2 và 3-3:

trong đó:

y₁ và y₃ là độ chênh cao của đáy tại các mặt cắt 1-1 và 3-3 so với mặt phẳng so sánh đi qua điểm thấp nhất của mũi phóng;

 và  là chiều dài của các đoạn trên mũi phóng;

V_tb, R_tb, C_tb lần lượt là các trị số trung bình của vận tốc, bán kính thủy lực và hệ số sêdi trên đoạn mũi phóng;

là thành phần xét đến áp lực ly tâm do dòng chảy cong gây ra.

Trong trường hợp khi bán kính cong R_H của mũi phóng đủ lớn so với chiều sâu dòng chảy, nghĩa là khi R_H/h₁ ≥ 8 thì trị số  có thể tính theo hệ thức:

trong đó

h₁ và v₁ là độ sâu và vận tốc ở mặt cắt 1-1 (đầu đoạn cong) khi R_H/h₁ < S, giá trị  có thể tìm theo hệ thức:

là vận tốc tương đối xác định theo đồ thị trên Hình 6, phụ thuộc và RH/h1 và góc ở tâm b

 

3.13. Mũi phóng càng cong thì chênh lệch giữa góc a của luồng chảy ra từ mũi phóng và góc nghiêng của đáy mũi phóng a_H càng lớn. (Xem Hình 7).

Hình 7. Đồ thị để xác định góc của dòng chảy tại luồng chảy ra từ mũi phóng

Trị số a tính theo công thức:

a = a_H – (b – a₀)                           (10)

trong đó:

b là góc ở tâm (Hình 5)

a₀ là góc hợp giữa mặt tràn và phương của trục luồng (xem Hình 5) xác định theo đồ thị Hình 7, phụ thuộc vào tỷ số R_H/h₁ và góc ở tâm b.

3.14. Để đánh giá khả năng xuất hiện sóng trên thân dốc nước, cần tính toán theo tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành.

3.15. Để kiểm tra khả năng xuất hiện khí thực trên dòng chảy, cần thực hiện tính toán theo tài liệu, tiêu chuẩn hiện hành về tính toán khí thực.

4. Độ phóng xa của luồng chảy

4.1. Độ phóng xa của luồng chảy khỏi mũi phóng hình trụ

Độ phóng xa của luồng chảy khỏi múi phóng hình trụ được mô tả trên Hình A1 có thể xác định theo hệ thức:

trong đó:

Z₁ là chênh lệch giữa mực nước thượng lưu với đáy cuối dốc, m (xem Hình A1);

k là hệ số, xét đến ảnh hưởng hàm khí và tách dòng khí phóng xa;

j là hệ số vận tốc, xét đến tổn thất cột nước trên toàn tuyến xả (đến tận mặt cắt ra của mũi phóng); j = 

v_H là xác định theo Điều 3.12;

Trị số k lấy như sau:

Khi Fr_H =  < 30 đến 35, lấy k = 1;

Khi Fr_H > 35, lấy k = từ 0,8 đến 0,9;

trong đó: Fr_H là số Frut tại mặt cắt dòng chảy ra khỏi mũi phóng.

4.2. Góc đổ của luồng chảy vào mặt nước hạ lưu

– Góc đổ của luồng chảy vào mặt nước hạ lưu tính theo công thức

– Khoảng cách từ điểm cuối cùng của mũi phóng đến hõm xói sâu nhất ở lòng dẫn hạ lưu tính theo

L₁ = L + (13)

– Để đảm bảo cho không khí có thể đi vào phía dưới luồng chảy và để tránh cho luồng chảy bị ngập ở phía hạ lưu, thì cao độ của mũi phóng cần bố trí không thấp hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu.

– Luồng chảy ra khỏi mũi phóng sẽ bay xa nhất khi góc a nằm trong khoảng 30° đến 35°.

5. Tính toán xói lòng dẫn bằng đá

5.1. Các tính toán nêu dưới đây tương ứng với điều kiện bài toán phẳng, luồng chảy phóng ra từ mũi phóng hình trụ không bị ngập.

5.2. Để tính toán sơ bộ chiều sâu xói lòng dẫn bằng đá có nứt nẻ phân khối có thể dùng hệ thức sau:

Trong đó:

Fr = là số Frut;

Hệ thức (14) đúng trong phạm vi: T/h_K bằng từ 5 đến 30; d/h_K bằng từ 0,05 đến 0,075; Fr < 200.

5.3. Khi có các số liệu về kích thước của phân khối đá, góc nằm của vỉa đá ở lòng dẫn hạ lưu và thỏa mãn các điều kiện:

Thì nên dùng phương pháp dưới đây để tính chiều sâu lớn nhất của phễu xói hình thành dưới tác động của luồng chảy rơi.

5.4. Các trị số giới hạn nhỏ nhất E*_gh và P* _gh, mà với trị số đó, phân khối đá có thể còn bị tách khỏi khối nền được xác định theo công thức:

Các công thức trên đúng trong điều kiện không có bãi bồi sau phễu xói.

5.5. Với các trị số E*_gh/z_o; P*_gh/z_o; /h_K, theo đồ thị Hình 8 và 9 tìm tỷ số t/h_K.

Từ t/h_k, xác định t = (t/h_K).h_K và tính chiều sâu lớn nhất của hố xói trong lòng dẫn bằng đá theo công thức:

H_x = t – h + c                                  (17)

Hình 8 – Đồ thị để xác định chiều sâu nước ở hố xói phụ thuộc vào và 

Hình 9 – Đồ thị để xác định chiều sâu nước ở hố xói phụ thuộc vào  và 

5.6. Trong trường hợp các phân khối đá nằm ngang hay thẳng đứng (y = 0) với:

– Độ dốc mái thượng lưu lấy trung bình là 1 : 2,2

– Độ dốc mái hạ lưu 1 : 1,5

– Chiều dài đoạn nằm ngang của đáy lấy gần bằng 2,5h_k thì chiều dọc của phễu xói b_x đo ở mức cao trình của đáy không xói được tính bằng công thức:

b_x = 2,5h_K + 3,7h_x                                       (18)

 

Phụ lục A

(Tham khảo)

Ví dụ tính toán

A.1 Các điều kiện tính toán

Một công trình xả có lưu lượng lớn nhất tính toán Q_max = 1 000 m³/s, gồm các bộ phận (Hình A.1):

– Đoạn vào;

– Ngưỡng tràn kiểu Ôphixêrốp, cột nước tràn ứng với Q_max = 1 000 m³/s là H = 5,80 m, chiều rộng tràn b = 10 m x 4 = 40 m (4 Khoang). Đỉnh tràn ở cao trình 195,70 Mực nước thượng lưu lớn nhất MNTL_max = + 201,50;

– Dốc nước bê tông cốt thép, mặt cắt hình chữ nhật b = 10m x 4 = 40 m, (4 khoang được phân tách bằng tường phân dòng), độ dốc i = 0,05, độ nhám n = 0,015, chiều dài dốc  = 70 m, đầu dốc ở cao trình 190,00 m, cuối dốc ở cao trình 186,50 m;

– Mũi phóng hình trụ có bán kính cong R_H = 10m; góc ở tâm b = 36°; góc nghiêng tại cuối mũi phóng a_H = 35°; độ chênh cao của đáy mõi phóng với điểm thấp nhất của nó là y₁ » 0; y₂ = 1,70 m; độ chênh cao của đuôi mũi phóng so với đáy lòng dẫn hạ lưu là a = 8,20 m;

– Lòng dẫn hạ lưu là đá, phân khối đá nền nằm ngang có kích thước:

● Chiều ngang  = 0,60 m;

● Chiều đọc  = 0,52 m;

● Chiều cao c = 0,60 m;

● Mực nước hạ lưu ứng với Q_max là +186,00.

CHỈ DẪN:

Tất cả kích thước trên hình có đơn vị là m.

Hình A.1 – Sơ đồ tính toán

A.2 Tính chiều sâu dòng chảy và lưu tốc đầu dốc nước:

Dòng chảy tại đầu dốc nước là dòng chảy co hẹp sau khi qua ngưỡng tràn.

Chiều sâu tại mặt cắt co hẹp h_c có thể tính theo một trong hai cách:

a) Tính đúng dần theo công thức:

trong đó:

q =  =  = 25 (m³/s.m).

j = 0,95 : là hệ số lưu tốc, trong trường hợp dòng chảy qua đập tràn tương đối thuận;

b = 40m : là chiều rộng tràn;

E_o » E = P + H = (195,70 – 190,00) + 5,89 = 11,50 (m).

b) Theo phương pháp của I.I. Agrôskin, trong tài liệu Sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập I, Nhà xuất bản nông nghiệp -1979:

Dựa vào trị số f(r_c), tra bảng được:

r_c =  = 0,167

Tính: h_c =  . E_o = 0,167 .11,50 = 1,92 (m);

h_c = 1,92 m.

Lưu tốc tại mặt cắt co hẹp:

v_c =  = 13,02 (m/s)

A.3 Tính chiều sâu dòng đều trên thân dốc h_o từ công thức:

Q = w.C. ;

Hay q = h₀.C. ;

Với q = 25 m³/s-m;

w = b . h_o = 10h_o: là diện tích mặt cắt ướt tính cho một khoang;

x = 10 + 2h_o : là Chu vi ướt

R_o = w / c

C = = R^y

n = 0,015, y lấy theo Bảng 1 hoặc công thức (3): i = 0,05

Kết quả tính được h_o = 1,52m.

v_o =  =  = 16,45 (m/s)

A.4 Tính chiều sâu cột nước phân giới trên thân dốc:

h_k = –  = 4,00 m;

A.5 Độ dốc phân giới

với c_k; R_k tính như trên theo giá trị h_k = 4,00 được kết quả: i_k = 0,003

Với i = 0,05 > i_k = 0,003

Và h_o = 1,40m < h_k = 4,00m.

Ta có đường mặt nước trên thân dốc là đường nước đổ b_H.

A.6 Kiểm tra khả năng xuất hiện hàm khí

Trước khi lập đường cong mặt nước trên thân dốc, cần kiểm tra khả năng xuất hiện hàm khí, ứng với điều kiện dòng đều h₀ = 1,40 m.

Theo hệ thức (4):

V_hk = A

với cosq = cos(arctg0,05) = 0,999

Trị số A tính theo công thức (4a) hoặc theo Hình 4:

trong đó:

g = 9,81 m/s²

R_o = = 1,17 (m)

n = 0,015

V_hk = 6,63 ... (1 + )^-1 . = 19,92 (m/s)

v₀ = 16,45 m/s < v_hk = 19,92 m/s;

do đó, trên suốt thân dốc nước sẽ không xuất hiện sự hàm khí.

A.7 Tính toán đường mặt nước trên thân dốc:

Theo phương trình (2), ta tính toán đường mặt nước trên thân dốc. Kết quả ghi ở Bảng A.1.

Bảng A.1 – Bảng tính đường mặt nước trên thân dốc nước

TT	h(m)	v(m/s)	= h.cosq + v2/2g	D	htb	Rtb	vtb	c=Ry	if =	io= ir	l =
				(m)	(m)	(m/s)
1	1,92	13,02	10,56	1,07	1,86	1,36	13,44	69,81	0,027	0,023	46,50	46,50
2 3	1,80 1,74	13,89 14,37	11,63 12,25	0,62	1,77	1,31	14,13	69,42	0,032	0,018	35,50	81,00

Với chiều dài dốc nước là 70 m, theo kết quả tính toán ở Bảng A.1, nội suy được chiều sâu và vận tốc dòng chảy tại cuối dốc nước là h = 1,76m; v = 14,20m/s.

A.8 Tính các thông số dòng chảy trong phạm vi mũi phóng

Vận tốc và chiều sâu dòng chảy trong phạm vi mũi phóng (mặt cắt 1-1; 2-2; 3-3 trong Hình 5, Hình A.1) được xác định theo hướng dẫn của Điều 3.12.

– Giữa mặt cắt 1-1 và 2-2 có phương trình sau:

trong đó:

y₁ » 0 ; h₁ = 1,76 m (chiều sâu nước ở cuối dốc):

cosq =0,999; v₁=14,20 m/s;  = 0,50 m;

Để xác định trị số  (thành phần xét đến áp lực ly tâm) với b =36°; R_H/h₁ = = 5,68. Theo đồ thị Hình 6 tìm được v/u =1,20

 tính theo hệ thức (8)

Tính h₂ bằng phương pháp đúng dần, với v_tb, R_tb, c_tb, theo các công thức đã nêu và tính trị số trung bình h_tb = 

Kết quả: h₂ = 2,18m; v₂ = 11,47m/s.

– Giữa mặt cắt 2-2 và 3-3 theo hệ thức (7):

Với h₂ = 2,18m;  =3,12; = 6,70; y₃ = 1,70m; cosa_H = cos 33° = 0,837;  = 5,60m;

Tương tự như trên ta tính được:

h_H = h₃ = 1,88m;

v_H = v₃ = = 13,30; m/s

– Góc ra của luồng chảy tính theo công thức (10):

a = a_H – (b – a_o)

với h₁ = 1,76m; R_H/h₁ = = 5,68; và b = 36°, theo đồ thị Hình 7 tìm được = 0,91;

Vậy a₀ = 0,91 . 36° = 32°45′.

A.9 Tính toán độ phóng xa của luồng chảy

– Hệ số xét ảnh hưởng của hàm khí và tách dòng K:

Với F_rH = = = 9,59 < 30 ;

Theo Điều 4.1 lấy k = 1;

– Chênh lệch cột nước tính đến mũi phóng:

Z_H = E + i.  + y₁ – y₃

= 11,50 + 0,05 . 70 + 0 – 1,70 = 13,30 m.

Hệ số vận tốc:

Z₁ = E + i.  = 11,50 + 0,05 . 70 = 15,00 m.

– Độ chênh mực nước thượng hạ lưu:

Z_o = 210,50 -185,00 = 16,50 m.

– Độ phóng xa của luồng chảy từ mũi phóng đến mực nước hạ lưu tính theo công thức (11):

L = 19,82m » 20,00 m.

A.10 Góc đổ của luồng chảy vào mức nước hạ lưu tính theo công thức (12):

Với a = 29°45’, g = 9,8m/s², h_H = 1,88m;

a = 188,20m – 180,00m = 8,20m;

v_H = 13,30m/s, h = 185,00m – 180,00m = 5,00m;

tga₁ = 0,958; a₁ = 43°46′

A.11 Tính kích thước hố xói

Để tính chiều sâu hố xói, cần kiểm tra điều kiện áp dụng công thức (14):

– Chiều sâu phân giới của dòng chảy hạ lưu:

h_k =  = = 4,00 (m) ;

– Độ chênh cao của mực nước lớn nhất so với đáy lòng dẫn hạ lưu:

T = 201,50 – 180,00 = 21,50 (m);

– Đường kính tương đương của phân khối đá nền:

1/6. .d³ =  . c = 0,6 . 0,52 . 0,6 = 0,1872.

d = = 0,71 (m)

vì  = = 5,375, nằm trong khoảng từ 5 đến 30, Điều 5.2;

d/h_k = 0,71/4 = 0,1775, nằm trong khoảng từ 0,05 đến 0,075, Điều 5.2;

Fr =  = 9,59, nhỏ hơn 200, Điều 5.2;

Tất cả thỏa mãn các điều kiện nêu trong Điều 5.2, nên chiều sâu hố xói tính theo công thức:

t = (0,1 + 0,45. ).  .. 1,88 = 8,5 (m);

– Chiều sâu của hố xói so với đáy lòng dẫn hạ lưu, theo công thức (17):

h_x = t – h + c = 8,50 – 5,00 + 0,6 = 4,10 (m);

– Chiều dọc của hố xói (phễu xói) b_x đo ở mức đáy lòng dẫn hạ lưu với y = 0, (công thức 18):

b_x = 2,5 . h_K + 3,7 . h_x = 2,50 . 4,00 + 3,7 . 4,10 = 25,17 (m);

– Khoảng cách từ mũi phóng đến chỗ xói sâu nhất (công thức 13):

L₁ = L +  = 20 +  = 28,87 (m) » 29 m.

 

MỤC LỤC

Lời nói đầu

1. Phạm vi áp dụng

2. Ký hiệu

3. Tính toán thủy lực công trình xả hở

4. Độ phóng xa của luồng chảy

4.1. Độ phóng xa của luồng chảy khỏi mũi phóng hình trụ

4.2. Góc đổ của luồng chảy vào mặt nước hạ lưu

5. Tính toán xói lòng dẫn bằng đá