Đồ án Thủy lực công trình

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỦY LỰC CÔNG TRÌNH Thiết kế đập tràn T ứng với QTK và ZTK trên sông S. 1. Chọn các đại lượng của đập T. Đập T là đập thực dụng mặt cắt hình cong không chân không loại 2. Chọn số nhịp đập n=9 Chiều rộng tràn nước của mỗi nhịp đập b=10m. Chọn mố bên và mố trụ của đập lượn tròn. Chiều dày mố trụ d=2m.Chiều dày mố bên d’=1m.Chiều dày a=1m. Đập có góc α=450, góc β=600 và tỷ số Tổng chiều dài đập (kể cả mố) là BĐập = 2d’+(n-1)d+nb (m)= 2x1+(9-1)x2+9x10= 108 Lưu lượng đơn vị của dòng chảy ở hạ lưu đập qTK=33.15(m2/s)<[q]=37.8(m2/s) 2. Xác định cao trình đỉnh đập Zođ ứng với QTK và ZTK của sông S. a) Tính cột nước tràn thiết kế HTK của đập T. Vẽ quan hệ Q~Zh ở ngay sau đập tràn theo số liệu ở bảng 1 (hình 1) Biết QTK của đập tra đồ thị Q~Zh này ta được Zhtk=26,83m Độ sâu nước trong sông sau đập tràn: hhtk=Zhtk-Z0 = 26,83-24=2.83m Vì cao trình đỉnh đập tràn Z0đ chưa biết, ta giả thiết đập T chảy tự do và co hẹp bên, nên (1) Trong (1): QTK=3580m2/s ; nb=9.10=90 (m) ; =4,43 Hệ số lưu lượng của đập: m=mvc .σhd . σH = 0,48. 0,978 .1 =0,469 Giả thiết εgt =0,93. Thay tất cả vào (1) ta tính được Kiểm tra lại bằng cách tính : εtt = 1-0,2 (2) Trong (2): =0,7 ( mố bên lượn tròn ) ; =0,45 ( mố trụ lượn tròn ) Thay tất cả vào (2) ta được: εtt =1-0,2 .7,511=0,93 So sánh εgt và εtt, ta thấy εgt » εtt, vậy H0TK=7,511 m là đúng. Cột nước tràn thiết kế của đập tràn T là HTK = H0TK - (3) Giả thiết vận tốc tới gần V0 » 0, ta có: HTK = H0TK=7,511 m b) Cao trình đỉnh đập tràn T: Z0đ Z0đ = ZTK – HTK = 47,8-7,511 = 40,289 m Chiều cao của đập so với đáy sông thượng lưu đập: P1 = Z0đ – Z01 = 40,289-24 = 16,289 (m) Chiều cao của đập so với đáy sông hạ lưu đập: P1 = Z0đ – Z0 = 40,289-21 = 19,289 (m) + Kiểm tra lại vận tốc V0: Vì ΏTL = 1,3Bđ.(P1 + HTK) = 1,3.108.(16,289 + 7,511)=3341,52> 4.nb.HTK = 2704m2 nên bỏ qua vận tốc V0 ở trên là đúng. + Ta kiểm tra đập T chảy tự do hay chảy ngập: Vì ZhTK = 26,83m < Z0đ = 40.289 m nên giả thiết đập tràn T chảy tự do là đúng Kết quả : HTK của đập = 7,511 m Cao trình đỉnh đập tràn Z0đ = 40.289 m 3. Vẽ mặt cắt ngang của đập tràn T. Có HTK=7,511m, tra phụ lục (14-2) sách thủy lực tập II, ứng với đập loại 2 ta được các giá trị ứng với HTK=1m, ta tính được tọa độ X, Y của mặt cắt ngang đập T là: X = .HTK, Y=.HTK. Kết quả tính toán được ghi ở bảng 2. Bảng 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.7 2.0 2.5 X 0 1.502 3.005 4.507 6.009 7.511 9.014 10.516 12.769 15.023 18.778 0.043 0.000 0.023 0.09 0.189 0.321 0.480 0.665 0.992 1.377 2.140 Y 0.323 0.000 0.173 0.676 1.420 2.411 3.605 4.995 7.451 10.343 16.074 Biết P = 19,914m, HTK = 7,511 m, tra bảng (14-6) sách thủy lực tập II, ta được R = 12,6 m. Từ kết quả ở bảng 2 và R = 12,6m, ta sẽ vẽ được mặt cắt ngang của đập tràn T ở hình vẽ số 2 và 3. Tính toán tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T. 1) Xác định hình thức nối tiếp sau đập T với mọi cấp lưu lượng. Ta chọn ra 5 giá trị Q tràn qua đập T biến đổi từ QSm/n đến Q Smax. Đối với mỗi lưu lượng Q ta cần tính các đại lượng sau: a) Tính hc, hc’’ . Từ công thức : F (τc) = (4) Với hệ số lưu tốc φ = 0.95 Lưu lượng đơn vị ở hạ lưu q = E0 = P + H0 trong đó cột nước tràn toàn phần H0 được tính theo công thức Để tính H0 tương ứng với các giá trị Q khác nhau ta lấy các hệ số như sau : m= mvc= 0.48 và ε = 0.95. Từ F(τc) ta tra được τc và τc’’ ở bảng ( 15-1 ), từ đó ta có hc = E0 .t c hc‘’ = E0 . tc’’ Kết quả tính toán hc, hc‘’ được ghi ở bảng số 3 b) Tính hh Có Q tra đồ thị Q~ Zh ta tìm được Zh tương ứng. C ó Zh ta tính được độ sâu hh ở hạ lưu đập tràn T là hh = Zh – Z0 Kết quả tính toán hh ghi ở bảng số 3. b) Tính hk Có Q ta tính được q ==, Tính hk = , chọn α=1 Kết quả tính toán hk ghi ở bảng số 3. Bảng 3 Q (m3/s) H0 (m) E0 (m) hk (m) hh (m) hc (m) hc” (m) hc”- hk (m) Ghi chú 2400 5.59 25.50 3.692 3.45 1.066 9.104 5.654 Ko có nước nhảy 3200 6.77 26.68 4.473 5.19 1.422 10.686 5.496 Có nước nhảy phóng xa 3420 7.07 26.99 4.676 5.56 1.501 11.038 5.478 4200 8.11 28.03 5.362 6.95 1.827 12.275 5.325 5000 9.11 29.03 6.023 7.71 2.035 13.120 5.410 2) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng: Qtn Căn cứ vào kết quả ở bảng 3, ta chọn được sơ bộ Qtn = 5000 m3/s Để có được Qtn chính xác, ta phải tính lại hc và hc’’ như sau: Tính chính xác cột nước tràn toàn phần H0 của đập T theo công thức: (5) Giả thiết εgt =0.91; mgt =0.48 thay vào công thức (5) tính được : =9.376(m) Từ đó ta được Htn, = H0tn - . Coi V0 » 0 nên H0 » H0tn =9,376 Có Htn, H0tn tính được εtt =1 – 0,2 . H0tn (6) Trong (6): ξmb = 0,7 . ξmt =0,45 ( mố bên và mố trụ lượn tròn ) nb =90 m h0tn = 9.376 m Thay tất cả vào (6) ta được εtt =1 – 0,2 .9.376 = 0,9104 mtt = mvc.shd. sH (7) Trong (7) mvc = 0,48 a = 450, b = 600, = 0.9 tra bảng ( 14-7 ) ta được shd = 0,978 a = 450, = = 1.25 tra bảng ( 14-8 ) ta được sH = 1,021 Thay tất cả vào (7) ta được mtt = 0,48.0.978.1,021 = 0.479 Vậy εtt » εgt và mtt » mgt, cột nước Htn đã tính đúng. Từ Htn chính xác, tính E0 = P + H0tn = 19.914 + 9.376 = 29,29 m Ta có F(tc) = = = 0,312 tra phục lục ( 15-1 ) được tc = 0,071; tc’’ = 0.454 Từ đó ta có hc = tc.E0 = 0,071.29,03 = 2,06 (m) hc’’ = t’c.E0 = 0,454.29,03 = 13,18 (m) So sánh 4 độ sâu hh, hc, hc’’, hk ta thấy hc’’ = 13,18 m > hh = 7,71 (m) > hk = 6,023 (m) > hc = 2.06 ( m) Vậy sau đập có nước nhảy phóng xa, phải thiết kế công trình tiêu năng ứng với lưu lượng tính toán tiêu năng Qtn ở trên để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập. 3) Thiết kế công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T. Công trình tiêu năng ở hạ lưu đập tràn T là đào bể tiêu năng. Ta cần phải tính chiều sâu bể (d) và chiều dài bể (Lb) để đưa nước nhảy phóng xa về nước nhảy ngập. + Sơ bộ lấy d1 = 5,4 m + Tính lại hc; hc’’ E01 = E0 + d1 = 29,03 + 5,30 = 34,33 m F(tc) = (8) Trong (8) : q = = = 46,296m2/s; φ = 0,95 Thay tất cả vào (7) ta được có F(tc) = = 0.242 tra phục lục (15-1) Þ tc’’ = 0.410 hc’’ = t’’c.E01 = 0,410*34,33 = 14,08 (m) + Tính DZ DZ = - (9) Trong (9) q = 46,296 m2/s, φb = 0.9; hh = 7,71 m; g = 9,81 m/s2 s = 1,05; hc‘’ = 14,08 m Thay tất cả vào (8) ta được: DZ = - = 1.77m Chiều sâu bể d = shc’’- hh - DZ = 1,05.14,08 – 7,71 – 1,77= 5,304 m Vậy d = 5.304 » d1 = 5,30 m ( giả thiết đúng ) Tính chiều dài d = Lb = L1 + bLn (10) Trong đó : L1 = 0; b = 0.8; Ln = 4,5. hc‘’ = 4,5.14,08 = 63,36 m Thay tất cả vào (10) ta được : Lb = 0.8 . 63,36 = 50,688m Kết quả : d = 5,30 m Lb = 50,688 m III. Thiết kế mặt cắt ngang kênh chính sau cống A. Kênh chính sau cống A có mặt cắt ngang hình thang cân với m=1.5, n=0.025, I =0.0004, b = 4,5 và lưu lượng thiết kế QKTK = 51,8 m3/s 1) Tính bk và h0TK của kênh chính. Tính f(Rln) = = = 0.00325, tra phụ lục (8-1) được Rln = 2,15 m Tính s = = = 0,35 tra phụ lục (8-3) được = 5,53 và = 1,224. Chiều rộng thiết kế của đáy kênh chính : btk = ().Rln = 5,53.2,15 = 11,89 (m) Chiều sâu nước thiết kế của kênh chính : h0TK = ().Rln = 1,224.2,15 = 2.63 (m) 2) Kiểm tra điều kiện của kênh chính. Kênh chính sau cống A muốn làm việc tốt phải thoả mãn yêu cầu: 0,5m/s £ V £ 1,5 m/s với mọi cấp lưu lượng trong kênh. Muốn kiểm tra điều kiện này làm như sau: a.Khi lưu lượng trong kênh là QKmin = k1. QKTK = 0,75.51,8 = 38,85 ( m3/s) Tính f(Rln) = = = 0.00434, tra phụ lục (8-1) được Rln = 1,91m Lập tỉ số = = 6,225 tra phụ lục (8-3) được = 1,152 Chiều sâu nước trong kênh ứng với QKmin là : h0min = ().R’ln = 1,152.1,91 = 2,2 (m) Tính vận tốc Vmin = = = 1,16 (m/s) Kiểm tra điều kiện này 0,5m/s < Vmin = 1,16 m/s < 1,5 m/s .Vậy kênh chính đạt yêu cầu b. Khi lưu lượng trong kênh là QKmax = k2. QKTK = 1,3.51,8 = 67,34 ( m3/s) Tính f(R’’ln) = = = 0.00250, tra phụ lục (8-1) được R’’ln = 2,35 m Lập tỉ số = = 5,06 tra phụ lục (8-3) được = 1,276 Chiều sâu nước trong kênh ứng với QKmax là :h0max = ().R’’ln = 1,276.2,35 = 2.998 (m) Tính vận tốc V max = = = 1,37 (m/s) Kiểm tra điều kiện này 0,5m/s < VTK = 1,37 m/s < 1,5 m/s ( thoả mãn ) 3) Xây dựng quan hệ Q ~ h0 của kênh chính từ Qmin đến Qmax Từ kết quả ở phần trên, ta lập được bảng sau: Bảng 4 Q (m3/s) 0 QKmin = 38,85 m3/s QKTK = 51,8 m3/s QKmax = 67,34 m3/s h0 của kênh 0 h0min = 2,2m h0TK = 2,63m h0max= 2,998m Với kết quả ở bảng 4 ta vẽ được đường quan hệ Q~h0 của kênh chính, kết hợp với mặt cắt ngang của kênh chính ở hình vẽ số 5. IV. Tính toán thủy lực cống đầu kênh A. Cống đầu kênh A là một cống lộ thiên có cao trình đáy cống bằng cao trình đáy kênh chính. Tính toán thủy lực cống đầu kênh A ta làm như sau: 1)Xác định cao trình đáy cống. Khi mực nước trong sông S là nhỏ nhất ( Qs min = 2400 m3/s )và cống làm việc như một đập tràn đỉnh rộng, cao trình đáy cống ứng với lưu lượng thiết kế của kênh chính QKTK được xác định theo công thức: Z đc =Zsmin –( hotk + DZ ) (11) Trong (11) hotk =2,63m và DZ =0,3m Ta tính Zsmin = Z ođ + Hsmin. a.Tính cột nước tràn Hsomin đập tràn T ứng với Qsmin = 2400m3/s. Dựa vào kết quả ở bảng 3, ta tính lại chính xác cột nước tràn Hsomin của đập tràn T khi Qmin =2400m3/s tràn qua đập. + Công thức tính cột nước tràn toàn phần của đập tràn thực dụng: (12) Trong (12) εgt = 0,94; mtt = 0,46; nb = 90m; Qsmin = 2400m3/s Thay tất cả vào (12) = 5,79m Coi V0 » 0, + Kiểm tra lại V0 W = 1,3. Bđập .( P1 + Hsomin ) = 1,3. 108. ( 16,289+ 5,79 ) = 3099,89 m2 > 4.nb.Htk =4.90.7,511 = 2703,96 m2 nên bỏ qua vận tốc V0 ở trên là đúng. + Kiểm tra εgt và mgt mtt = mtc . shd . sh (*) Với a0 =450 ; ==0,78 tra bảng (14-8) àdH = 0,975 mtc = 0,48 ; shđ = 0.978 Thay tất cả vào (*) ta được mtt = 0,48 . 0,978 . 0,975 = 0,458 So sánh ta thấy εtt » εgt ; mtt » mgt ( giả thiết đúng ) Vậy . b. Cao trình đáy cống A. Cao trình mặt nước song S nhỏ nhất Zsmin = Zođ + Hsmin = 40,289 + 5,79 = 46,08m Cao trình đáy cống A: Zdc = Zsmin – (hotk + DZ) = 46,08 – ( 2,63+ 0,3 ) = 43,15 m 2)Xác định bề rộng cống để lấy được QkTK ứng với Zsmin. Khi cánh cửa cống kéo lên khỏi mặt nước, cống lộ thiên A làm việc như một đập tràn đỉnh rộng có Hmin = Zsmin – Zdc = hotk + DZ = 2,63+0,3=2,93m a.Xác định số cửa cống của cống A Với QkTK = 51,8 m3/s qua cống, để tránh dòng chảy tập trung, ta chọn số cửa cống của cống là n =2. Lưu lượng thiết kế qua mỗi cửa cống là QcTK =m3/s b.Xác định chiều rộng B của mỗi cửa cống. Ta chọn cống A có tường cống thu hẹp dần với góc a = 450. Ta tính chiều rộng bc của mỗi cửa cống như sau: Xác định chế độ chảy của đập đỉnh rộng: Biết cột nước ở thượng lưu cống : Hmin = 2,93 m Biết độ sâu ở hạ lưu cống hh = hotk = 2,63 m Độ sâu hn = hh Vận tốc V0 = Độ sâu H0 = Hmin + Lập tỷ số , đập đỉnh rộng chảy ngập Chiều rộng bc của mỗi cửa cống được xác định theo công thức: Bc = (13) Trong (13) độ sâu hồi phục Z2 nhỏ nên được bỏ qua. Giả thiết hệ số lưu lượng của đập đỉnh rộng: mgt = 0,36 Tra bảng (14-1) được φn = 0,983 Thay các giá trị đã biết vào (13) ta tính được bc của mỗi cửa cống. bc = 3,708(m) Kiểm tra lại mgt: lập tỷ số b = Tra phụ lục (14-8) được mtt = 0,362. Vậy mgt » mtt = 0,36 Chiều rộng tràn nước của cả cống A là: Sb = n.bc = 2.3,708 = 7,416 (m) 3)Vẽ mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của cống A. Cống A có n= 2 cửa, chièu rộng mỗi cửa bc = 3,708m Tường cánh có góc thu hẹp dần với gốc a = 450, Mố cống có chiều dày d = 0,8m, đầu mố vát nhọn với góc ở đỉnh q=900. Chiều rộng đáy kênh thượng, hạ lưu cống bTK = 11,89m . Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc cống A được thể hiện ở hình vẽ số 6. 4)Xây dựng quan hệ Q ~ a của cống A ứng với mực nước song thiết kế ZsTK. Khi cánh cống đóng xuống nước với độ mở cống là a, cột nước ở thượng lưu cống là HTK = ZsTK = (Zođ + HsTK) - Zđc = (40.289+7.511) - 43.15 = 4,65 m , lưu lượng tháo qua cống là Q, ta xây dựng quan hệ Q ~ a như sau: Chọn 5 giá trị QK biến đổi từ QKmin = 38,85m3/s đến QKmax = 67,34m3/s. Coi dòng chảy ở hạ lưu cống A là dòng chảy đều nên từ QK đã biết tra đồ thị Q~h0 ở hình vẽ số 3, ta tìm được hh = h0 tương ứng. Có QK rồi ta tính được độ sâu phân giới hK theo công thức : hK = hKCN (14) Trong (14) cần tính : hKCN = và sKCN = với q = Độ sâu hK này là độ sâu phân giới trong kênh chính sau cống A, vì vậy muốn biết cống chảy tự do hay chảy ngập, ta cần xác định các độ sâu hc và h’’c của cống như sau: Tính F(tc) = (15) với qc = , φ = 0,95, H0 = HTK + V0 = Có F(tc) ở (15) tra bảng (16-1) được tc và t’’c. Từ đây ta tính được hc và h’’c: Hc = tc . H0 ; h’’c = t’’c.H0 So sánh 4 độ sâu đã biết hc, h’’c, hh, h’’K nếu cống chảy tự do thì từ F(tc) ở (15) tra bảng (16-1) được Còn nếu cống chảy ngập thì phải tính hz trước theo công thức: h2z + A. -B = 0 Với A = 2 ; B = h2h + Khi tính A và B lấy a0 =1 , φ = 0,95, g = 9,81m2/s, qc = . Sau đó tính tc = (16) Có tc tra bảng (16-1) được và tính được độ cao mở cống a = ().H. Kết quả tính toán quan hệ Q~a của cống A được ghi ở bảng 5. Bảng 5 Q (m3/s) hK (m) hh (m) hc (m) h’’c (m) F(tc) (15) tc (16) A (m) Trạng thái chảy Qkmin 1,018 2,20 0,624 2,715 0,559 0,134 0,23 1,07 tự do Qk1 1,080 2,32 0,685 2,804 0,600 0,147 0,24 1,12 tự do QkTK 1,231 2,63 0,811 2,974 0,731 0,174 0,27 1,26 tự do Qk2 1,288 2,72 0,942 3,115 0,782 0,202 0,35 1,63 tự do Qkmax 1,462 3,00 1,153 3,301 0,947 0,247 0,37 1,72 tự do Căn cứ vào kết quả ở bảng 5 ta vẽ quan hệ Q~a của cống lộ thiên A ở hình vẽ số 6.