Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8420:2010 về Công trình thủy lợi - Tính toán thủy lực

• Số hiệu: TCVN8420:2010
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2010

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/s^2 gọi là hằng số căng bề mặt;

r = 1000kg/m^3 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 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:

...

...

...

 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)

...

...

...

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;

...

...

...

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

...

...

...

- 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.

...

...

...

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 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

...

...

...

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 m^3/s, gồm các bộ phận (Hình A.1):

- Đoạn vào;

- Ngưỡng tràn kiểu Ôphixêrốp, cột nước tràn ứng với Q_max = 1 000 m^3/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 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:

...

...

...

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:

...

...

...

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 m^3/s-m;

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

...

...

...

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 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/s^2

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.

...

...

...

TT

h(m)

v(m/s)

 = h.cosq + v^2/2g

D

h_tb

R_tb

v_tb

c=R^y

...

...

...

i_o= i_r

l =

(m)

(m)

(m/s)

1

1,92

13,02

...

...

...

1,07

1,86

1,36

13,44

...

...

...

0,027

0,023

46,50

46,50

2

...

...

...

1,80

1,74

13,89

14,37

11,63

12,25

0,62

1,77

1,31

...

...

...

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

...

...

...

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:

...

...

...

- 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/s^2, 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'

...

...

...

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. .d^3 =  . 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;

...

...

...

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