Tiêu chuẩn ngành 14TCN 198:2006 Hướng dẫn tính khí thực công trình thủy lợi

TIÊU CHUẨN NGÀNH

14TCN 198:2006

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - CÁC CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC - HƯỚNG DẪN TÍNH KHÍ THỰC

Hydraulic Structures - Discharge Structures - Cavitation Control Manual

I. QUY ĐỊNH CHUNG

1.1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này áp dụng cho tính, kiểm soát khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước và tính các giải pháp phòng chống khí thực khi thiết kế mới hoặc sửa chữa nâng cấp các công trình tháo nước; không áp dụng cho việc tính toán khí thực các máy bơm và turbin thủy lực.

1.2. Tài liệu viện dẫn

- Cavitation in Chutes and Spillway, United States Department of the Interior Bureau of Reclamation, 1990.

- SDJ 341-89 - Quy phạm thiết kế tràn xả lũ. Bản dịch từ tiếng Trung Quốc - Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn phát hành - 1999.

- Tính toán thủy lực các công trình tháo nước - Sổ tay chuyên môn - NXB Năng lượng nguyên tử, Matxcơva, 1988 (Bản tiếng Nga).

14TCN 81-90. Quy trình tính toán thủy lực công trình xả kiểu hở và xói lòng dẫn bằng đá do dòng phun.

- QPTL C1-75. Quy phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu.

- QPTL C8-76. Quy phạm tính toán thủy lực đập tràn.

1.3. Thuật toán và định nghĩa

1.3.1. Chảy bao

1.3.1.1. Chảy bao là hiện tượng xảy ra ở phần tiếp xúc giữa dòng chảy và bề mặt lòng dẫn.

1.3.1.2. Chảy bao thuận: khi dòng chảy bám sát bề mặt lòng dẫn.

1.3.1.3. Chảy bao không thuận: khi dòng chảy không bám bề mặt lòng dẫn, còn gọi là hiện tượng tách dòng. Phần không gian giới hạn giữa bề mặt lòng dẫn và bề mặt của chủ lưu (dòng chính) gọi là vùng tách dòng.

1.3.1.4. Vật chảy bao: để chỉ vật rắn có mặt ngoài (hay một phần của mặt ngoài) tiếp xúc với dòng nước chảy.

1.3.2. Hiện tượng giảm áp.

1.3.2.1. Khi vùng tách dòng không được bổ sung không khí thì áp suất tại đó sẽ giảm.

1.3.2.2. Khi áp suất tại mọi điểm giảm đến trị số nhỏ hơn áp suất khí trời thì tại điểm đó có áp suất chân không, kí hiệu là p_ek:

p_ck = p_a - p;                                                                               (1-1)

Trong đó, p_a - áp suất khí trời; p - áp suất tuyệt đối tại điểm đang xét

1.3.3. Khí hóa (Cavitation)

1.3.3.1. Khí hóa là hiện tượng xuất hiện hàng loạt các bong bóng chứa khí và hơi ở trong lòng chất lỏng khi ở đó có nhiệt độ bình thường, nhưng áp suất bị giảm xuống dưới một trị số giới hạn gọi là áp suất phân giới, ký hiệu là p_pg.

Trong tiêu chuẩn này, chất lỏng được xét là nước, hơi xuất hiện dưới dạng các bong bóng là hơi nước, áp suất phân giới chính là áp suất hóa hơi của nước.

1.3.3.2. Điều kiện xuất hiện khí hóa: trong dòng chảy, khí hóa sẽ xuất hiện khi có p ≤ p_pg, hoặc có H ≤ H_pg, trong đó:

p - áp suất tuyệt đối tại khu vực đang xét và H là cột nước áp lực tương ứng với p;

p_pg - áp suất phân giới của nước và H_pg là cột nước áp lực tương ứng với p_pg.

1.3.4. Hệ số khí hóa (Cavitation index)

Hệ số khí hóa là một đại lượng dùng để biểu thị mức độ mạnh yếu của khí hóa trong nước, kí hiệu là K. Giá trị của K được xác định như sau:

K =                                                      (1-2)

Trong đó:

H_ĐT - cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy bao quanh công trình hay bộ phận đang xét, (m);

V_ĐT - lưu tốc (trị số trung bình thời gian) đặc trưng của dòng chảy tại hay bộ phận công trình đang xét, (m/s);

g - gia tốc trọng trường, (m/s²).

1.3.5. Hệ số khí hóa phân giới (K_pg)

Hệ số khí hóa phân giới là giá trị của hệ số khí hóa K tương ứng với trạng thái chớm khí hóa, nghĩa là khi các bong bóng khí mới bắt đầu hình thành. Trạng thái này được xác định bằng thực nghiệm với sự quan sát các bong bóng khí bằng mắt thường, hay các máy đo chuyên dụng.

Điều kiện khí hóa của dòng chảy tại một khu vực nào đó sẽ là:

K ≤ K_pg;                                                 (1-3)

1.3.6. Các giai đoạn khí hóa

- Giai đoạn bắt đầu khí hóa: các bong bóng khí được hình thành có kích thước nhỏ, mật độ còn thưa.

- Giai đoạn khí hóa mạnh: các bong bóng khí được hình thành có kích thước lớn và xác định, mật độ dày đặc, tập trung trong một khu vực gọi là đuốc khí.

- Giai đoạn siêu khí hóa: các bong bóng khí được hình thành nhiều và nhanh, nhưng bị cuốn đi mạnh mẽ theo dòng chảy, không được tập trung trong một khu vực xác định, đuốc khí có kích thước kéo dài dọc theo dòng chảy.

1.3.7. Hệ số giai đoạn khí hóa (b)

Hệ số giai đoạn khí hóa là hệ số biểu thị mức độ phát triển của khí hóa trong dòng chảy.

Trị số của b xác định như sau:

b =                                                              (1-4)

Trong đó, K và K_pg như đã định nghĩa ở trên.

Trị số của b tương ứng với các giai đoạn khí hóa như sau:

0,8 < b ≤ 1                    : giai đoạn bắt đầu khí hóa;

0,1 < b ≤ 0,8                  : giai đoạn khí hóa mạnh;

b ≤ 0,1                          : giai đoạn siêu khí hóa.

1.3.8. Khí thực (Cavitation erosion)

1.3.8.1. Khí thực là hiện tượng tróc rổ, phá hoại, xâm thực bề mặt lòng dẫn do khí hóa đủ mạnh và tác động trong một thời gian đủ dài.

1.3.8.2. Các thông số đặc trưng của vùng khí thực:

- Chiều sâu hố xâm thực (h_x) là khoảng cách theo chiều vuông góc với bề mặt lòng dẫn từ vị trí ban đầu (chưa xâm thực) đến vị trí hiện tại (đã xâm thực).

- Diện tích bề mặt bị xâm thực (F_x) là diện tích phần bề mặt lòng dẫn mà trên đó có tồn tại các hố xâm thực.

- Thể tích hố xâm thực (W_x) là thể tích của toàn bộ phần vật liệu lòng dẫn bị phá hoại và bị dòng chảy cuốn đi.

1.3.8.3. Cường độ xâm thực theo thời gian: là tỷ số giữa các đại lượng h_x, F_x, W _x với thời gian xâm thực t, tương ứng như sau:

- Cường độ xâm thực theo chiều sâu:    i_h = ;

- Cường độ xâm thực theo chiều rộng:   i_F = ;

- Cường độ xâm thực theo thể tích:       i_w = ;

1.3.8.4. Độ bền khí thực của vật liệu (R_x): là đại lượng tỷ lệ nghịch với cường độ xâm thực.

Trị số R_x thay đổi theo từng loại vật liệu. Đối với vật liệu bê tông, trị số R_x tỷ lệ thuận với độ bền nén R_h.

1.3.8.5. Độ bền khí thực tương đối : là tỷ số giữa độ bền khí thực R_x của vật liệu đang xét với độ bền khí thực R_xo của vật liệu chuẩn (loại vật liệu được sử dụng nhiều trong xây dựng công trình tháo nước, và đã được nghiên cứu nhiều về các đặc trưng chống xâm thực).

1.3.9. Hàm khí trong nước

1.3.9.1. Hàm khí trong nước là hiện tượng trong nước có chứa một thể tích không khí nhất định. Không khí chứa trong nước có thể từ các nguồn sau đây:

- Khí hòa tan tự nhiên;

- Khí bị hút vào dòng chảy từ mặt thoáng khi dòng chảy có lưu tốc lớn. Trường hợp này gọi là tự hàm khí;

- Không khí được đưa vào dòng chảy thông qua các bộ phận tiếp khí (BPTK).

1.3.9.2. Ảnh hưởng của hàm khí đến khí thực: đối với lớp dòng chảy sát bề mặt lòng dẫn, độ hàm khí trong nước càng cao thì khả năng khí thực càng giảm.

1.3.9.3. Đại lượng đo mức độ hàm khí:

S = ;                                                         (1-5)

Trong đó: S - hệ số hàm khí trong nước;

dWc - thể tích một phân tố bao gồm cả nước và không khí;

dWa - thể tích của phần không khí chứa trong dWc.

1.3.10. Các trị số lưu tốc dùng trong tính toán khí thực

1.3.10.1. Các trị số lưu tốc nêu ở đây là trị số lưu tốc trung bình thời gian (chưa xét đến mạch động).

1.3.10.2. Lưu tốc cục bộ (u) là trị số lưu tốc tại một điểm xác định trong dòng chảy;

1.3.10.3. Lưu tốc bình quân mặt cắt (V) là trị số lưu tốc tính bình quân cho toàn mặt cắt:

V = .  m/s; trong đó: Q - lưu lượng, m³/s; w - diện tích mặt cắt, m².

1.3.10.4. Lưu tốc sát thành (V_y) là trị số lưu tốc cục bộ tại một điểm cách mặt cơ bản của lòng dẫn một đoạn bằng y.

1.3.10.5. Lưu tốc đặc trưng (V_ĐT) là trị số lưu tốc quy ước để xác định hệ số khí hóa theo công thức (3-2). Trị số V_ĐT được quy ước cho từng loại vật chảy bao (xem điều 2.3.4.2).

1.3.10.6. Lưu tốc ngưỡng xâm thực V_ng là một trị số mà khi V_y < V_ng thì vật liệu bề mặt lòng dẫn không bị xâm thực, mặc dù có khí hóa mạnh và tác động trong thời gian dài, ở đây, V_y là trị số lưu tốc cục bộ ở gần thành rắn, được quy ước riêng cho từng loại vật chảy bao (xem bảng 2.4).

2. KIỂM TRA SỰ XUẤT HIỆN KHÍ HÓA TRÊN CÁC BỘ PHẬN CỦA CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC (CTTN)

2.1. Nguyên tắc chung

2.1.1. Mục đích của việc kiểm tra là để đảm bảo cho các bộ phận của CTTN làm việc trong điều kiện không có khí hóa, hoặc có khí hóa nhưng mức độ phát triển chưa đủ để gây nên khí thực nguy hiểm.

2.1.2. Việc kiểm tra cần tiến hành với các chế độ làm việc khác nhau của CTTN, trong đó phải xem xét đến:

- Công trình tháo với các cấp lưu thay đổi từ 0 đến Q_max, với Q_max là lưu lượng tháo nước lớn nhất.

- Trường hợp cửa van mở hoàn toàn và mở từng phần.

- Trường hợp mở đều các cửa và trường hợp có một cửa bị hạn chế khả năng làm việc do sự cố

2.1.3. Việc kiểm tra cần tiến hành cho các bộ phận, các mặt cắt khác nhau trên CTTN, trong đó trước hết cần xét đến:

- Đầu vào của các cửa tháo nước dưới sâu có áp, hay đỉnh đáp tràn của các công trình xả mặt.

- Các gồ ghề cục bộ trên mặt đập tràn, dốc nước mà chúng phát sinh trong quá trình thi công, hay trong quá trình khai thác.

- Bộ phận  buồng van, nơi có các khe, ngưỡng, mố phân dòng …

- Các mố phân dòng ở cưới dốc nước hay trong bể tiêu năng, tại đây có chế độ chảy bao không thuận.

2.1.4. Ứng với một chế độ làm việc của CTTN, điều kiện để không phát sinh khí hóa tại một bộ phận của nó là:

K > K_pg;                                                                        (2-1)

Trong đó, K và K_pg như đã giải thích tương ứng với điều 1.3.4 và điều 1.3.5.

2.1.5. Trường hợp khống chế theo điều kiện (2-1) dẫn đến kích thước công trình quá lớn, không thỏa mãn điều kiện kinh tế thì có thể chấp nhận có khí hóa ở giai đoạn đầu (khả năng xâm thực là rất nhỏ). Khi có điều kiện khống chế là:

K > 0,85 K_pg;                                                                (2-2)

Trong các công thức (2-1) và (2-2) trị số của K được xác định theo công thức (1-2) với các đại lượng trong đó được xác định như sau:

2.1.6.1. Cột nước đặc trưng:

H_ĐT = H_a + h_d;                                                                (2-3)

Trong đó; h_d - cột nước áp lực dư, được quy ước tương ứng với từng loại vật liệu chảy bao (xem ở các điều từ 2.2 đến 2.5 sau đây);

H_a - cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ mực nước tại điểm đang xét, cho trên Bảng 2.1.

Bảng 2.1 - Quan hệ  giữa cột nước áp lực khí trời và cao độ

2.1.6.2. Cột nước áp lực phân giới:

Đối với nước, trị số cột nước áp lực phân giới (H_pg) phụ thuộc vào nhiệt độ như ở Bảng 2.2.

Bảng 2.2 - Trị số của cột nước áp lực phân giới

2.1.6.3. Lưu tốc đặc trưng (V_ĐT)

Trị số của V_ĐT được quy ước tương ứng với từng loại vật chảy bao, xem các điều từ 2.2 đến 2.5.

2.1.7. Trị số của K_pg phụ thuộc vào đặc trưng hình học của vật chảy bao và được xác định từ kết quả của hàng loạt thí nghiệm mô hình, được trình bày trong các điều từ 2.2. đến 2.5.

Trường hợp hình dạng của vật chảy bao đang xét không phù hợp với các vật chuẩn đã được nghiên cứu thì cần tiến hành các thí nghiệm mô hình để xác định K_pg tương ứng.

2.2. Kiểm tra sự xuất hiện khí hóa tại đầu vào của các ống tháo nước có áp

2.2.1. Hình dạng của đầu vào

Đầu vào của ống tháo nước có áp cần có dạng thuận dòng để giảm hệ số sức cản thủy lực và giảm khả năng xuất hiện chân không, dẫn đến phát sinh khí hóa và khí thực. Theo nguyên tắc này, đoạn đầu vào của ống được làm với mặt cắt mở rộng dẫn từ thân ống về phía thượng lưu.

Tùy theo số lượng ống tháo và bố trí tổng thể công trình tháo nước, có thể chọn sơ đồ mở rộng dần của đầu vào về phía thượng lưu theo 2 cách:

- Mở rộng không gian: đầu vào được mở rộng về phía thượng lưu theo cả phương đứng (lên trên và xuống dưới) và phương ngang (sang trái và sang phải).

- Mở rộng phẳng: đầu vào mở rộng về phía thượng lưu chỉ theo phương đứng, còn phương ngang giữ bề rộng không đổi.

Khi ống tháo đặt sát đáy đập thì sự mở rộng của đầu vào theo phương đứng chỉ là sự mở rộng lên trên.

Đường biên mở rộng của đầu vào về phía thượng lưu có thể chọn theo các dạng đường cong khác nhau, trong đó dạng cung ¼ elip là thông dụng nhất. Cung ¼ elip được đặc trưng bởi các thông số sau:

- Bán trục theo hướng song song với trục ống, ký hiệu là a.

- Bán trục theo hướng vuông góc với trục ống, ký hiệu là b.

Trường hợp a = b thì đường biên của đầu vào là cung ¼ đường tròn.

2.2.2. Các thông số hình học của đầu vào

a) Độ thoải của đường cong cửa vào:

K_s = ;                                                 (2-4)

b) Độ mở rộng của mặt cắt ống về phía thượng lưu:

K_r = ;                                               (2-5)

Trong đó:

w_cv - diện tích mặt cắt ngang ống tại vị trí đầu cửa vào, m²;

w_t - diện tích mặt cắt ngang ống tại vị trí cuối đoạn vào (tiếp giáp với thân ống), m².

2.2.3. Các thông số thủy lực của đầu vào có liên quan đến việc tính toán khí thực.

2.2.3.1. Hệ số giảm áp lực lớn nhất (trị số trung bình thời gian)

                                                  (2-6)

Trong đó:

g - trọng lượng  riêng của nước, KN/m³;

Z_v - chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu với cao trình trần cống tại mặt cắt cuối đầu vào, m;

p_v - áp suất dư (trị số trung bình thời gian) tại trần cống ở mặt cắt cuối đầu vào, KN/m².

Trị số  của các dạng cửa vào khác nhau cho trên các hình (2.1) và (2.2)

2.2.3.2. Hệ số tiêu chuẩn mạch động áp lực tại cửa vào:

;                                                    (2-7)

Trong đó:

 - Trị số tiêu chuẩn mạch động cột nước áp lực tại mặt cắt cuối đoạn vào (xác định bằng cách xử lý thống kê các số liệu đo áp lực);

V_t - lưu tốc bình quân tại mặt cắt cuối đoạn vào, m/s;

g - gia tốc trọng trường, m²/s.

Trị số của các dạng cửa vào khác nhau cho trên các hình (2.3), (2.4).