Tiêu chuẩn TCVN 8420:2010 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

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:

(Mời xem tiếp trong file tải về)