TCVN 9158:2012 Tiêu chuẩn quốc gia về Công trình thủy lợi - Công trình tháo nước - Phương pháp tính toán khí thực

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 9158: 2012

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC - PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHÍ THỰC

Hydraulic structures - Discharge structures - Calculation method for cavitation

Lời nói đầu

TCVN 9158: 2012 Công trình thủy lợi - Công trình tháo nước - Phương pháp tính toán khí thực, được chuyển đổi từ 14TCN 198 - 2006 Công trình thủy lợi - Các công trình tháo nước - Hướng dẫn tính toán khí thực, theo quy định tại khoản 1 điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a, khoản 1 điều 7 của Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 01 tháng 8 năm 2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật.

TCVN 9158: 2012 do Trung tâm Khoa học và Triển khai kỹ thuật thủy lợi thuộc trường Đại học Thủy lợi 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 - CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC - PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHÍ THỰC

Hydraulic structures - Discharge structures - Calculation method for cavitation

1 Phạm vi áp dụng

1.1 Tiêu chuẩn này quy định phương pháp tính toán kiểm soát khí thực trên các bộ phận của công trình tháo nước và các giải pháp phòng chống khí thực khi thiết kế mới hoặc thiết kế sửa chữa, nâng cấp các công trình tháo nước.

1.2 Không áp dụng tiêu chuẩn này để tính toán khí thực các máy bơm và turbin thủy lực.

2 Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

2.1

Chảy bao (Boundary layer flow)

Phần dòng chảy nằm ở khu vực tiếp xúc với bề mặt lòng dẫn. Khi dòng chảy bám sát bề mặt lòng dẫn là chảy bao thuận. Khi dòng chảy không bám sát bề mặt lòng dẫn là chảy bao không thuận (còn gọi là hiện tượng tách dòng).

2.2

Vùng tách dòng (Flow separation zone)

Phần không gian giới hạn giữa bề mặt lòng dẫn và bề mặt của chủ lưu (dòng chính).

2.3

Vật chảy bao (Object of boundary flow)

Vật rắn có mặt ngoài (hay một phần của mặt ngoài) tiếp xúc với dòng nước chảy.

2.4

Hiện tượng giảm áp (Pressure reduction phenomenon)

Hiện tượng giảm áp suất ở vùng tách dòng do không được bổ sung không khí.

2.5

Áp suất chân không (Vacuum pressure)

Khi áp suất tại một điểm giảm đến trị số nhỏ hơn áp suất khí trời thì tại điểm đó có áp suất chân không.

Áp suất chân không ký hiệu là p_ck, xác định theo công thức (1):

p_ck = p_a - p (1)

trong đó:

p_a là áp suất khí trời, Pa;

p là áp suất tuyệt đối tại điểm đang xét, Pa.

2.6

Áp suất phân giới (Boundary pressure)

Áp suất tương ứng với nhiệt độ xác định làm cho nước bị hoá hơi, ký hiệu là p_pg.

2.7

Khí hoá (Bubble generation)

Hiện tượng xuất hiện hàng loạt các bong bóng chứa khí và hơi nước ở trong nước đang chuyển động khi ở đó có nhiệt độ bình thường nhưng áp suất bị giảm xuống thấp hơn một trị số giới hạn làm cho nước bị hoá hơi.

2.8

Hệ số khí hoá (Bubble generation coefficient)

Đại lượng dùng để biểu thị mức độ mạnh yếu của khí hoá trong nước, ký kiệu là K.

2.9

Hệ số khí hoá phân giới (Coefficient of boundary bubble generation)

Giá trị của hệ số khí hoá K tương ứng với trạng thái chớm khí hoá (trạng thái mới bắt đầu hình thành các bong bóng khí), ký hiệu là K_pg.

2.10

Các giai đoạn khí hoá (Stages of bubble generation)

Mức độ phát triển của khí hoá trong dòng chảy được chia thành ba giai đoạn chính sau đây:

a) Giai đoạn bắt đầu khí hoá: hình thành các bong bóng khí có kích thước nhỏ, mật độ còn thưa;

b) Giai đoạn khí hoá mạnh: hình thành các bong bóng khí có kích thước lớn, mật độ dày đặc và tập trung trong một khu vực tạo thành đuốc khí;

c) Giai đoạn siêu khí hoá: các bong bóng khí hình thành nhiều và nhanh nhưng bị cuốn đi mạnh theo dòng chảy, không tập trung trong một khu vực xác định, đuốc khí lớn và kéo dài dọc theo dòng chảy.

2.11

Hệ số giai đoạn khí hoá (Coefficient of stage of bubble generation)

Hệ số biểu thị mức độ phát triển của khí hoá trong dòng chảy, ký hiệu là b. Trị số của bđược xác định theo công thức (2):

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

- Giai đoạn bắt đầu khí hoá: 0,8 < b ≤ 1,0;

- Giai đoạn khí hoá mạnh: 0,1 < b ≤ 0,8);

- Giai đoạn siêu khí hoá: b ≤ 0,1

2.12

Khí thực (Cavitation)

Hiện tượng tróc rỗ, phá hoại, xâm thực bề mặt lòng dẫn do khí hoá đủ mạnh và tác động trong một thời gian đủ dài.

2.13

Chiều sâu hố xâm thực (Depth of erosion hole)

Khoảng cách theo chiều vuông góc với bề mặt thành lòng dẫn từ vị trí ban đầu (chưa xâm thực) đến vị trí hiện tại (đã xâm thực), ký hiệu là h_x.

2.14

Diện tích bề mặt bị xâm thực (Area of the eroded surface)

Diện tích phần bề mặt lòng dẫn mà trên đó có tồn tại các hố xâm thực, ký hiệu là F_x.

2.15

Thể tích hố xâm thực (Volume of the erosion hole)

Thể tích của toàn bộ phần vật liệu trên bề mặt lòng dẫn bị phá hoại bởi xâm thực và bị dòng chảy cuốn đi, ký hiệu là W_x.

2.16

Cường độ xâm thực theo thời gian (Erosion intensity with respect to time)

Tỷ số giữa các đại lượng h_x, F_x, W_x với thời gian xâm thực t. Cường độ xâm thực theo thời gian được đánh giá bằng các đại lượng sau:

a) Cường độ xâm thực theo chiều sâu, ký hiệu là i_h:

b) Cường độ xâm thực theo chiều rộng, ký hiệu là i_F:

c) Cường độ xâm thực theo thể tích, ký hiệu là i_W:

2.17

Độ bền khí thực của vật liệu (Cavitation stability of material)

Đại lượng tỷ lệ nghịch với cường độ xâm thực, ký hiệu là R_x. 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_b.

2.18

Độ bền khí thực tương đối (Relative cavitation stability)

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, đã được nghiên cứu nhiều về các đặc trưng chống xâm thực).

2.19

Hàm khí trong nước (In-water gaseous function)

Hiện tượng nước chảy qua công trình tháo nước có chứa một thể tích không khí nhất định. Không khí được chứa trong nước có thể từ các nguồn sau đây:

- Khí hoà tan tự nhiên;

- Khí bị hút vào dòng chảy từ mặt thoáng khi dòng chảy có lưu tốc lớn (gọi là tự hàm khí);

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

Đối với lớp dòng chảy sát bề mặt lòng dẫn, độ hàm khí trong nước càng cao thì khả năng khí thực càng giảm. Độ hàm khí trong nước được xác định thông qua hệ số hàm khí trong nước, ký hiệu là S:

trong đó:

dW_c là thể tích một phân tố bao gồm cả nước và không khí;

dW_a là thể tích của phần không khí chứa trong dW_c.

2.20

Các trị số lưu tốc dùng trong tính toán khí thực (Velocity values using in the cavitation calculation)

Các trị số lưu tốc dùng trong tính toán khí thực quy định sau đây là trị số lưu tốc trung bình thời gian (chưa xét đến mạch động):

a) Lưu tốc cục bộ: trị số lưu tốc tại một điểm xác định trong dòng chảy, ký hiệu là u;

b) Lưu tốc bình quân mặt cắt: trị số lưu tốc tính bình quân cho toàn mặt cắt, ký hiệu là V:

trong đó:

Q là lưu lượng, m³/s;

w là diện tích mặt cắt ướt, m²;

c) Lưu tốc sát thành: trị số lưu tốc cục bộ tại một điểm cách mặt cơ bản của lòng dẫn một khoảng cách bằng y, ký hiệu là V_y;

d) Lưu tốc đặc trưng: trị số lưu tốc quy ước để xác định hệ số khí hoá theo công thức (7), ký hiệu là V_ĐT. Trị số V_ĐT được quy ước tương ứng cho từng loại vật liệu chảy bao;

e) Lưu tốc ngưỡng xâm thực: lưu tốc của dòng chảy khi đạt đến trị số này thì bề mặt vật liệu lòng dẫn bắt đầu bị xâm thực, ký hiệu là V_ng. Trị số V_ng của vật liệu bê tông phụ thuộc vào độ bền nén của vật liệu (ký hiệu là R_b) và độ hàm khí trong nước S (xem hình 1):

Hình 1 - Quan hệ Vng = f(Rb,S) của vật liệu bê tông

f) Lưu tốc cho phép không xâm thực: trị số lưu tốc cho phép lớn nhất của dòng chảy không gây xâm thực bề mặt vật liệu lòng dẫn mặc dù có khí hoá mạnh và tác động trong thời gian dài, ký hiệu là V_cp. Dòng chảy không gây xâm thực bề mặt lòng dẫn khi có vận tốc trung bình mặt cắt tại vị trí kiểm tra, ký hiệu là V luôn nhỏ hơn lưu tốc cho phép (V < V_cp).

3 Kiểm tra sự xuất hiện khí hoá trên các bộ phận của công trình tháo nước

3.1 Quy định chung

3.1.1 Kiểm tra với các chế độ làm việc khác nhau, trong đó phải có các trường hợp sau:

a) Tháo nước với các cấp lưu lượng thay đổi từ 0 đến Q_max, trong đó Q_max là lưu lượng tháo khi xảy ra lũ thiết kế;

b) Cửa van mở hoàn toàn và mở từng phần;

c) Mở đều tất cả các cửa van và trường hợp có một cửa van bị hạn chế khả năng làm việc do sự cố.

3.1.2 Kiểm tra các bộ phận, các mặt cắt khác nhau trên công trình tháo nước, trong đó phải có các vị trí sau đây:

a) Đầu vào của các cửa tháo nước dưới sâu có áp;

b) Đỉnh đập tràn của các công trình xả mặt;

c) Các vị trí gồ ghề cục bộ trên mặt đập tràn, trên mặt dốc nước phát sinh trong quá trình thi công hoặc trong quá trình khai thác;

d) Các khe, ngưỡng, mố phân dòng… trong bộ phận buồng van;

e) Các mố phân dòng ở cuối dốc nước hay trong bể tiêu năng (nơi có chế độ chảy bao không thuận).

3.1.3 Điều kiện không phát sinh khí hoá là hệ số khí hoá K tại các bộ phận tiếp xúc với nước của công trình tháo nước trong tất cả các chế độ làm việc quy định tại 3.1.1 phải lớn hơn hệ số khí hoá phân giới:

K > K_pg (5)

3.1.4 Nếu tính toán, thiết kế theo quy định tại 3.1.3 dẫn đến kích thước công trình tháo nước quá lớn không thoả mãn yêu cầu kinh tế, có thể cho phép có khí hoá ở giai đoạn đầu (có khả năng xâm thực nhỏ). Điều kiện khống chế trong trường hợp này như sau:

K > 0,85.K_pg (6)

3.1.5 Giá trị của hệ số khí hoá K xác định theo công thức (7):

trong đó:

V_DT là lưu tốc (trị số trung bình thời gian) đặc trưng của dòng chảy bao quanh công trình hay bộ phận công trình đang xét, m/s;

g là gia tốc trọng trường, m/s²;

H_DT là cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy bao quanh công trình hay bộ phận công trình đang xét, m. Cột nước H_DT xác định theo công thức:

H_DT = H_a + h_d (8)

h_d là cột nước áp lực dư tương ứng với từng loại vật chảy bao, xác định theo 3.3.3.6;

H_a là cột nước áp lực khí trời, phụ thuộc vào cao độ mực nước tại điểm đang xét (xem bảng 1).

Bảng 1 – Quan hệ giữa cột nước áp lực khí trời và cao độ điểm đang xét so với mực nước biển

Cao độ m	Ha m	Cao độ m	Ha m	Cao độ m	Ha m	Cao độ m	Ha m
0	10,33	400	9,84	800	9,38	1 500	8,64
100	10,23	500	9,74	900	9,28	2 000	8,14
200	10,09	600	9,62	1 000	9,18	2 500	7,70
300	9,98	700	9,52	1 200	8,95	3 000	7,37

3.1.6 Trị số K_pg phụ thuộc vào đặc trưng hình học của vật chảy bao, được xác định bằng thực nghiệm mô hình, theo dõi sự xuất hiện các bong bóng khí bằng mắt thường hoặc đo bằng các máy chuyên dụng. Điều kiện để dòng chảy tại một khu vực nào đó của kết cấu công trình xuất hiện khí hoá:

a) Có áp suất tuyệt đối p nhỏ hơn hoặc bằng áp suất phân giới p_pg (p ≤ p_pg). Tại vị trí xem xét, trị số p xác định theo công thức:

p = p_a + p_d (9)

trong đó:

p_a là áp suất khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm đang xét so với mực nước biển, P_a;

p_d là cột nước áp lực dư, Pa;

b) Có cột nước áp lực H tương ứng với áp suất p nhỏ hơn hoặc bằng cột nước phân giới H_pg (H ≤ H_pg);

c) Có hệ số khí hoá K nhỏ hơn hoặc bằng hệ số khí hoá phân giới K_pg (K ≤ K_pg). Nếu hình dạng của vật chảy bao đang xét không phù hợp với các vật chuẩn đã được nghiên cứu thì phải tiến hành các thí nghiệm mô hình để xác định K_pg tương ứng.

3.1.7 Quan hệ giữa áp suất phân giới với cột nước áp lực phân giới xác định theo công thức (10):

p_pg = g. H_pg (10)

trong đó:

g là trọng lượng riêng của nước, Pa/m;

H_pg là cột nước áp lực phân giới của nước, phụ thuộc vào nhiệt độ nước, m, lấy theo bảng 2:

Bảng 2 - Trị số của cột nước áp lực phân giới

Nhiệt độ t, ^oC	5	10	15	20	25	30	40
H_pg, m	0,09	0,13	0,17	0,24	0,32	0,44	0,75

3.2 Kiểm tra sự xuất hiện khí hoá tại đầu vào của các ống tháo nước có áp

3.2.1 Yêu cầu thiết kế

3.2.1.1 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 hoá và khí thực. Theo nguyên tắc này, đoạn đầu vào của ống được làm với mặt cắt mở rộng dần từ thân ống về phía thượng lưu.

3.2.1.2 Tuỳ 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:

a) 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);

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

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

3.2.1.3 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 1/4 elip là thông dụng nhất. Cung 1/4 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 1/4 đường tròn.

3.2.1.4 Các thông số hình học của đầu vào bao gồm:

a) Độ thoải của đường cong cửa vào:

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

trong đó:

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

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

3.2.2 Các thông số thủy lực của đầu vào liên quan đến tính toán khí thực

3.2.2.1 Hệ số giảm áp lực lớn nhất (trị số trung bình thời gian) pmax xác định theo công thức (13). Trị số pmax của các dạng cửa vào khác nhau cho trên hình 2 và hình 3:

trong đó:

là trọng lượng riêng của nước, Pa/m;

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

p_V là áp suất dư (trị số trung bình thời gian) tại trần cống ở mặt cắt cuối đầu vào, Pa.

Hình 2 - Quan hệ pmax= f (K_s,K_r) của các cửa vào đường xả sâu

CHÚ DẪN:

A Miền chảy không tách dòng;

B Miền chảy tách dòng.

Hình 3 - Quan hệ pmax = f(K_r, a) của các cửa vào elip có K_s = 2 và mái thượng lưu nghiêng góc a

3.2.2.2 Hệ số tiêu chuẩn mạch động áp lực tại cửa vào d_p xác định theo công thức (14). Trị số dp của các dạng cửa vào khác nhau cho trên hình 4 và hình 5: