11 Drop Structures (Cấu trúc bậc)

Drop structure thường được sử dụng để kiểm soát dòng chảy và tiêu tán năng lượng. Việc thay đổi độ dốc kênh từ dốc sang thoải bằng cách đặt các drop structure theo khoảng dọc theo đoạn kênh sẽ biến một đoạn dốc liên tục thành chuỗi các đoạn dốc thoải và giật cấp. Thay vì làm chậm dòng chảy và truyền vận tốc cao gây xói mòn sang các vùng có vận tốc thấp không gây xói, drop structure kiểm soát độ dốc của kênh theo cách mà vận tốc cao gây xói mòn không bao giờ hình thành. Động năng hoặc vận tốc thu được của nước khi rơi qua mép đỉnh của mỗi cấu trúc sẽ được tiêu tán bởi một apron hoặc bể tiêu năng (stilling basin) được thiết kế đặc biệt.

Các drop structure được thảo luận tại đây (xem Hình 11.1) yêu cầu có lớp màng khí (aerated nappe) và nói chung là dành cho dòng chảy dưới tới hạn ở thượng lưu cũng như hạ lưu của kênh. Ảnh hưởng của dòng chảy siêu tới hạn ở thượng lưu đến thiết kế drop structure sẽ được bàn luận ở phần sau. Stilling basin bảo vệ kênh chống lại hiện tượng xói lở bên dưới điểm rơi và tiêu tán năng lượng. Điều này được thực hiện thông qua tác động của nước rơi lên sàn, sự chuyển hướng của dòng chảy và lực rối (turbulence). Stilling basin được sử dụng để tiêu tán năng lượng dư có thể chỉ đơn giản là một apron bê tông hoặc một apron có các chướng ngại dòng như khối baffle, sill hoặc chỗ gồ lên đột ngột. Chiều dài của apron bê tông có thể được rút ngắn nhờ bổ sung các thiết bị này.

Chỉ số drop cung cấp một thước đo định lượng cho drop:

$$N_d = \frac{q^2}{g h_o^3} \tag{11.1}$$

trong đó:

• \(N_d\) = chỉ số drop
• q = lưu lượng riêng, m³/s/m (ft³/s/ft)
• g = gia tốc trọng trường, 9.81 m/s² (32.2 ft/s²)
• \(h_o\) = chiều cao drop, m (ft)

Một thước đo định lượng khác thường dùng cho drop được cho bởi:

$$D_r = \frac{h_o}{y_c} \tag{11.2}$$

trong đó:

• \(D_r\) = drop tương đối
• \(y_c\) = độ sâu tới hạn tại vị trí drop, m (ft)
• \(h_o\) = chiều cao drop, m (ft)

Drop structure có thể được phân loại dựa trên Phương trình 11.1 hoặc 11.2. Drop mà trong đó \(N_d\) lớn hơn 1 hoặc \(D_r\) nhỏ hơn 1 được coi là “low drop” (drop thấp). Hai cấu trúc tiêu năng được thảo luận trong chương này là: straight drop structure và box inlet drop structure. Không cấu trúc nào trong số này được coi là drop thấp.

11.1 Straight Drop Structure (Cấu trúc bậc)

Cấu trúc straight drop được đặc trưng bởi dòng chảy qua một đập tràn hình chữ nhật rồi rơi xuống một bể tiêu năng (stilling basin). Stilling basin có thể là một apron phẳng hoặc một apron có các tấm cản và sill khác nhau tùy theo điều kiện thực địa. Trước tiên sẽ xem xét một bể tiêu năng đơn giản, sau đó là phần thảo luận về các yếu tố bổ sung có thể thay đổi hiệu quả của cấu trúc drop.

11.1.1 Simple Straight Drop (Bậc đơn giản)

Hình dạng dòng chảy cơ bản của một straight drop structure được minh họa trong Hình 11.1. Lưu lượng đi qua độ sâu tới hạn khi chảy qua đỉnh của drop structure. Tấm nước rơi tự do (nappe) đảo chiều cong và chuyển mượt thành dòng chảy siêu tới hạn trên apron tại khoảng cách L₁ từ tường drop. Vận tốc trung bình tại khoảng cách L là song song với apron; độ sâu y₂ là độ sâu nhỏ nhất trong kênh hạ lưu và áp suất gần như thủy tĩnh. Độ sâu của dòng siêu tới hạn theo hướng dòng chảy hạ lưu sẽ tăng dần do lực cản của kênh, và tại một điểm nào đó sẽ đạt độ sâu đủ để hình thành một cú nhảy thủy lực (hydraulic jump).

Với một chiều cao drop hₒ và lưu lượng riêng q đã cho, độ sâu tiếp sau (sequent depth) y₃ trong kênh hạ lưu và chiều dài drop L₁ có thể được tính. Chiều dài bước nhảy L_j được thảo luận trong Chương 6. Chỉ số drop có thể được dùng để ước lượng kích thước của một simple straight drop structure.

$$L_1 = 4.30h_o N_d^{0.27} \tag{11.3a}$$

$$y_1 = 1.0h_o N_d^{0.22} \tag{11.3b}$$

$$y_2 = 0.54h_o N_d^{0.425} \tag{11.3c}$$

$$y_3 = 1.66h_o N_d^{0.27} \tag{11.3d}$$

trong đó:

• \(L_1\) = chiều dài drop (khoảng cách từ tường drop đến vị trí có độ sâu \(y_2\), m (ft)
• \(y_1\) = độ sâu của hồ nước dưới tấm nước rơi (nappe), m (ft)
• \(y_2\) = độ sâu dòng chảy tại chân tấm nước rơi hoặc tại điểm bắt đầu của bước thủy lực, m (ft)
• \(y_3\) = độ sâu tailwater tương ứng với \(y_2\), m (ft)

Bằng cách so sánh độ sâu tailwater trong kênh, TW, với độ sâu \(y_3\) tính toán được, một trong các trường hợp sau sẽ xảy ra. Trường hợp đó sẽ xác định các điều chỉnh thiết kế cần thiết cho cấu trúc.

1. TW > y₃. Cú nhảy thủy lực sẽ bị chìm và chiều dài của basin có thể cần được tăng thêm.
2. TW = y₃. Cú nhảy thủy lực bắt đầu tại độ sâu \(y_2\), không tồn tại dòng siêu tới hạn trên apron và khoảng cách \(L_1\) là nhỏ nhất. Trong trường hợp này, basin sẽ hoạt động mà không cần điều chỉnh thiết kế bổ sung.
3. TW < y₃. Cú nhảy thủy lực sẽ lùi về hạ lưu và basin sẽ không hoạt động.

Đối với trường hợp 3, khi độ sâu tailwater nhỏ hơn \(y_3\), cần phải điều chỉnh basin để buộc bước thủy lực xảy ra bên trong basin. Có hai giải pháp thay thế để thực hiện điều này bằng cách bố trí apron:

1. Ở cùng cao độ với đáy kênh và có end sill hoặc baffle để tạo bước nhảy trong basin, hoặc
2. Hạ thấp apron xuống dưới cao độ đáy hạ lưu để tăng hiệu quả chiều sâu tailwater với end sill.

Việc lựa chọn loại hình thiết kế và kích thước thiết kế sẽ phụ thuộc, với một lưu lượng riêng q đã cho, vào chiều cao drop \(h_o\), và vào độ sâu hạ lưu TW. Apron có thể được thiết kế kéo dài đến cuối cú nhảy thủy lực. Tuy nhiên, việc thêm end sill cho phép sử dụng một bể tiêu năng ngắn hơn và tiết kiệm hơn.

Hình dạng của dòng chảy không bị nhiễu loạn cần được xem xét khi thiết kế một straight drop structure. Nếu chiều dài đỉnh tràn nhỏ hơn chiều rộng của kênh tiếp cận, thì rất quan trọng phải thiết kế chuyển tiếp đúng cách bằng cách tạo hình kênh tiếp cận để giảm ảnh hưởng của co hẹp ở hai đầu. Nếu không, co hẹp ở hai đầu của miệng tràn có thể quá rõ rệt đến mức dòng tia chảy sẽ rơi vượt quá bể tiêu năng, và sự tập trung của vận tốc cao tại trung tâm cửa ra có thể gây xói thêm ở kênh hạ lưu (xem Chương 4).

11.1.2 Grate Design

Một grate hoặc hệ thanh ray tạo thành một “grizzly” có thể được sử dụng kết hợp với các drop structure như minh họa trong Hình 11.2. Dòng chảy đến sẽ được chia thành nhiều tia khi đi qua grate. Các tia này rơi gần như thẳng đứng xuống kênh hạ lưu, giúp tiêu tán năng lượng rất tốt. Thiết kế này cũng được sử dụng như một bộ đẩy mảnh vụn, nơi các mảnh vụn trôi qua grate và rơi vào vùng chứa để xử lý sau, trong khi nước chảy xuyên qua grate.

Cục Khai hoang Hoa Kỳ (USBR, 1987) đã công bố các khuyến nghị thiết kế grate để sử dụng khi dòng chảy đến là dưới tới hạn (subcritical). Chiều dài của grate được tính theo công thức:

$$L_G = \frac{Q}{CWN \left( 2g y_0 \right)^{1/2}} \tag{11.4}$$

trong đó:

• C = hệ số thực nghiệm, bằng 0.245
• W = chiều rộng khe (slot), m (ft)
• N = số khe (khoảng cách) giữa các thanh
• \(y_0\) = độ sâu dòng chảy đến, m (ft)

Quy trình thiết kế là một quá trình lặp lại dựa trên số lượng khe và chiều rộng khe. USBR (1987) khuyến nghị các hướng dẫn sau:

1. Chọn chiều rộng khe ban đầu. Cung cấp một khe đầy đủ tại mỗi bên tường.
2. Chiều rộng dầm nên xấp xỉ bằng 1.5 lần chiều rộng khe (1.5W).
3. Ước lượng số khe, N, để sử dụng trong Phương trình 11.4.
4. Tính chiều dài grate bằng Phương trình 11.4. Điều chỉnh chiều rộng khe đến khi thu được chiều dài dầm \(L_G\) chấp nhận được.
5. Nghiêng grate khoảng 3° về phía hạ lưu để có khả năng tự làm sạch.

Việc phân tích phương trình chiều dài dầm cho thấy ảnh hưởng tương đối của vận tốc dòng chảy đến cao hơn đối với thiết kế drop structure. Giả sử chiều rộng khe W gần bằng chiều rộng của kênh, tức là N = 1, và giả định lưu lượng Q không đổi, thì mối quan hệ trong Phương trình 11.4 cho thấy rằng chiều dài grate tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của độ sâu dòng chảy đến.

Với Q không đổi, khi vận tốc dòng chảy đến tăng lên, độ sâu dòng chảy sẽ giảm xuống và chiều dài grate \(L_G\) sẽ tăng lên. Do đó, với dòng chảy có vận tốc cao, vượt qua vận tốc tới hạn, chiều dài của drop structure cần thiết để giữ được tia chảy có thể rất nhanh chóng vượt quá giới hạn thực tế.

11.1.3 Đặc điểm thiết kế của Straight Drop Structure

Một thiết kế tổng quát cho stilling basin tại chân của một drop structure đã được phát triển bởi Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp – Phòng Thí nghiệm Thủy lực St. Anthony Falls, Đại học Minnesota (Donnelly và Blaisdell, 1954). Bể gồm một apron nằm ngang với các khối và sill để tiêu tán năng lượng như minh họa trong Hình 11.3. Mực nước hạ lưu (tailwater) cũng ảnh hưởng đến lượng năng lượng bị tiêu tán. Chiều dài bể tiêu năng được tính toán theo mức tailwater tối thiểu cần thiết cho hiệu suất tốt có thể không đủ khi mực tailwater cao. Việc xói lở ở kênh hạ lưu có thể xảy ra nếu nước rơi (nappe) được nâng đỡ đủ bởi mực tailwater cao để rơi vượt ra ngoài cuối bể tiêu năng. Một phương pháp tính chiều dài bể tiêu năng cho mọi mức tailwater sẽ được trình bày.

Thiết kế khuyến nghị bị giới hạn trong các điều kiện sau:

1. Tổng chiều cao drop, \(h_o\), nhỏ hơn 4.6 m (15 ft) với tailwater đầy đủ.
2. Drop tương đối, \(h_o/y_c\), trong khoảng từ 1.0 đến 15.
3. Chiều dài đỉnh tràn, \(W_o\), lớn hơn 1.5\(y_c\).

Các yếu tố cần xem xét trong thiết kế bể tiêu năng này bao gồm chiều dài của basin, vị trí và kích thước các floor block (khối sàn), vị trí và chiều cao của end sill, vị trí của tường bên (wingwalls), và hình dạng kênh tiếp cận. Hình 11.3 minh họa một straight drop structure cung cấp bảo vệ đầy đủ chống xói tại kênh hạ lưu.

Nhiều thông số thiết kế cho straight drop structure dựa trên độ sâu tới hạn. Độ sâu tới hạn trong kênh hoặc cống hình chữ nhật được tính từ lưu lượng riêng (lưu lượng chia cho bề rộng cống hoặc máng, B):

$$y_c = \left( \frac{q^2}{g} \right)^{1/3} \tag{11.5}$$

trong đó:

• \(y_c\) = độ sâu tới hạn, m (ft)
• q = lưu lượng riêng (Q/B), m (ft)

Dòng tới hạn trong một kênh hở có bất kỳ hình dạng nào sẽ xảy ra khi:

$$\frac{Q^2 T_c}{g A_c^3} = 1 \tag{11.6}$$

trong đó:

• \(T_c\) = chiều rộng mặt nước tại điều kiện dòng tới hạn, m (ft)
• \(A_c\) = diện tích dòng chảy tại điều kiện dòng tới hạn, m² (ft²)

Như đã thảo luận trước đó, tailwater không được quá cao hoặc quá thấp. Do đó, các mối quan hệ sau cần được đảm bảo trong thiết kế. Trước tiên, độ sâu tailwater tính từ đáy bể tiêu năng được tính từ Phương trình 11.7:

$$y_3 = 2.15 y_c \tag{11.7}$$

trong đó:

• \(y_3\) = độ sâu tailwater tính từ đáy bể tiêu năng, m (ft)

Tailwater cũng cần cách một khoảng dưới đỉnh tràn để duy trì quỹ đạo có màng khí của nappe như trình bày dưới đây. Sử dụng đỉnh tràn làm mốc tham chiếu, khoảng cách này là một giá trị âm:

$$h_2 = -(h – y_o) \tag{11.8}$$

trong đó:

• \(h_2\) = khoảng cách thẳng đứng từ mực nước tailwater đến đỉnh tràn, m (ft)
• h = độ chênh cao thẳng đứng giữa kênh tiếp cận và kênh tailwater, m (ft)
• \(y_0\) = độ sâu normal trong kênh tailwater (bằng độ sâu normal trong kênh tiếp cận nếu đặc tính kênh giống nhau), m (ft)

Để đạt được mực tailwater đủ cao và duy trì độ chênh cao hợp lý từ đỉnh tràn đến mực tailwater, đôi khi cần phải hạ thấp sàn của bể tiêu năng xuống dưới cao độ của kênh tailwater. Tổng chiều cao từ đỉnh tràn đến sàn bể tiêu năng được cho bởi:

$$h_o = h_2 – y_3 \tag{11.9}$$

trong đó:

• \(h_o\) = chiều cao từ đỉnh tràn đến sàn bể tiêu năng, m (ft)

Kích thước nằm ngang của bể tiêu năng cũng cần được xác định. Từ Hình 11.3, có thể thấy tổng chiều dài bể tiêu năng là tổng của ba thành phần:

$$L_B = L_1 + L_2 + L_3 \tag{11.10}$$

trong đó:

• \(L_B\) = chiều dài bể tiêu năng, m (ft)
• \(L_1\) = khoảng cách từ đầu tràn đến điểm mà bề mặt của nappe trên chạm vào sàn bể tiêu năng, m (ft)
• \(L_2\) = khoảng cách từ điểm nappe chạm vào sàn đến mặt thượng lưu của các khối sàn, m (ft)
• \(L_3\) = khoảng cách từ mặt thượng lưu của các khối sàn đến cuối bể tiêu năng, m (ft)

Chiều dài \(L_1\) được tính theo:

$$L_1 = \frac{L_f + L_s}{2} \tag{11.11}$$

trong đó:

• \(L_f\) = chiều dài theo Phương trình 11.12, m (ft)
• \(L_s\) = chiều dài theo Phương trình 11.13, m (ft)

$$L_f = \left( -0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \frac{h_o}{y_c}} \right) y_c \tag{11.12}

$$L_s = \frac{\left( 0.691 + 0.228 \left( \frac{L_t}{y_c} \right)^2 – \left( \frac{h_o}{y_c} \right) \right) y_c}{0.185 + 0.456 \left( \frac{L_t}{y_c} \right)} \tag{11.13}$$

trong đó:

$$L_t = \left( -0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \frac{h_2}{y_c}} \right) y_c \tag{11.14}$$

\(L_2\) và \(L_3\) được xác định bởi:

$$L_2 = 0.8y_c \tag{11.15}$$

$$L_3 \geq 1.75y_c \tag{11.16}$$

So với cấu trúc simple straight drop được trình bày trong Mục 11.1.1, việc bổ sung các khối sàn và một sill cho phép sử dụng một bể tiêu năng ngắn hơn như được cho bởi Phương trình 11.10. Các khối sàn nên được thiết kế với chiều cao bằng 0.8y_c và có chiều rộng cũng như khoảng cách bằng 0.4y_c. Bể sẽ hoạt động tốt nếu chiều rộng và khoảng cách các khối nằm trong khoảng ±0.15y_c. Các khối nên có hình vuông trong mặt bằng và chiếm từ 50% đến 60% chiều rộng của bể tiêu năng.

Chiều cao sill cuối nên bằng 0.4y_c. Các sill dọc (longitudinal sills), như thể hiện trong Hình 11.3, là tùy chọn về mặt thủy lực. Nếu cần, chúng dùng để gia cố cấu trúc cho bể, nhưng phải được đặt xuyên qua khối, không phải giữa các khối.

Yếu tố cuối cùng cần xem xét là cấu hình lối ra của bể cũng như đoạn chuyển tiếp từ kênh tiếp cận đến bể. Đối với lối ra, cao độ thành bên tại vị trí xả của bể nên cao hơn mực nước tailwater 0.85y_c. Wingwalls nên đặt tại góc 45° so với trục giữa của cửa xả và có độ dốc 1:1.

Về phía kênh tiếp cận, đỉnh của spillway nên cùng cao độ với đáy kênh tiếp cận. Đáy của kênh tiếp cận nên bằng với chiều dài đỉnh tràn \(W_o\), tại đầu tràn. Do gia tốc dòng khi tiến gần đến đỉnh, cần lót đá hoặc riprap ở đoạn thượng lưu cách đầu tràn một khoảng bằng 3y_c. (Xem Mục 10.3 để xác định kích thước riprap).

Quy trình thiết kế cho straight drop structure có thể được tóm tắt theo các bước sau:

Bước 1. Ước tính sự chênh lệch cao độ cần thiết giữa kênh tiếp cận và kênh hạ lưu, h. Việc này có thể nhằm xử lý một bậc ở cửa ra của cống do xói mòn hoặc headcutting hoặc có thể để làm phẳng một kênh thành một chuỗi các độ dốc dưới tới hạn và bậc

Bước 2. Tính toán điều kiện dòng chảy normal khi tiếp cận bậc để kiểm tra điều kiện dưới tới hạn. Nếu không dưới tới hạn, lặp lại bước 1.

Bước 3. Tính toán mực nước tới hạn trên weir (thường là hình chữ nhật) vào trong cấu trúc bậc. Tính toán kích thước thẳng đứng của stilling basin bằng các Phương trình từ 11.7 đến 11.9.

Bước 4. Ước tính chiều dài của basin bằng các Phương trình từ 11.10 đến 11.16.

Bước 5. Thiết kế các khối sàn của basin và end sill.

Bước 6. Thiết kế các đoạn chuyển tiếp vào và ra của basin.

Ví dụ thiết kế: Straight Drop Structure (SI)

Tìm kích thước cho một straight drop structure với một weir hình chữ nhật dùng để giảm độ dốc kênh.

Cho:

• Q   = 7.1 m³/s
• h   = 1.83 m
• \(W_o\)  = 3.10 m

Kênh thượng lưu và hạ lưu (hình thang):

• B   = 3.10 m
• Z   = 1V:3H
• \(S_o\)  = 0.002 m/m (sau khi đã điều chỉnh cho drop)
• n   = 0.030

Giải:

Bước 1. Ước tính sự chênh lệch cao độ cần thiết giữa kênh tiếp cận và kênh hạ lưu, h. Giá trị này được ước tính và cho ở trên là 1.83 m. Drop này làm cho độ dốc của kênh thượng lưu và hạ lưu là 0.002 m/m, như đã cho.

Bước 2. Tính toán điều kiện dòng chảy normal khi tiếp cận drop để kiểm tra điều kiện dưới tới hạn. Bằng phương pháp thử và sai,
  y₀ = 1.025 m, V₀ = 1.123 m/s, Fr₀ = 0.35; do đó, dòng chảy là dưới tới hạn. Tiếp tục bước 3.

Bước 3. Tính toán mực nước tới hạn trên weir vào trong drop structure. Tính các kích thước thẳng đứng của stilling basin. Bắt đầu bằng cách tìm mực nước tới hạn trên wier sử dụng Phương trình 11.5 dựa trên lưu lượng đơn vị, q = Q/B = 7.10/3.10 = 2.29 m²/s.

$$y_c = \left(\frac{q^2}{g}\right)^{1/3} = \left(\frac{2.29^2}{9.81}\right)^{1/3} = 0.812\ m$$

Chiều sâu hạ lưu yêu cầu tính từ đáy của stilling basin được tính từ Phương trình 11.7.
  y₃ = 2.15y_c = 2.15(0.812) = 1.745 m\

Khoảng cách từ đỉnh xuống mực nước hạ lưu cần được tính bằng Phương trình 11.8. (Giá trị âm biểu thị cao độ hạ lưu thấp hơn đỉnh.)
  h₂ = –(h – y₀) = –(1.83 – 1.025) = –0.805 m

Tổng drop từ đỉnh xuống đáy của stilling basin được cho bởi Phương trình 11.9:
  h₀ = h₂ – y₃ = –0.805 – 1.745 = –2.55 m

Vì drop danh định, h, là 1.83 m, nên đáy phải được hạ thấp 0.72 m.

Bước 4. Ước tính chiều dài của basin. Bắt đầu bằng cách sử dụng các Phương trình 11.12, 11.13 và 11.14.

$$L_f = \left(-0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \dfrac{h_0}{y_c}}\right) y_c = \left(-0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \dfrac{-2.55}{0.812}}\right) 0.812 = 3.01\ m$$

$$L_t = \left(-0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \dfrac{h_2}{y_c}}\right) y_c = \left(-0.406 + \sqrt{3.195 – 4.368 \dfrac{-0.805}{0.812}}\right) 0.812 = 1.90\ m$$

$$L_s = \dfrac{\left(0.691 + 0.228 \left(\dfrac{L_t}{y_c}\right)^2 – \left(\dfrac{h_0}{y_c}\right)\right) y_c}{0.185 + 0.456 \left(\dfrac{L_t}{y_c}\right)} = \dfrac{\left(0.691 + 0.228 \left(\dfrac{1.90}{0.812}\right)^2 – \left(\dfrac{-2.55}{0.812}\right)\right) 0.812}{0.185 + 0.456 \left(\dfrac{1.90}{0.812}\right)} = 3.30 m$$

L₁ được cho bởi Phương trình 11.11:

$$L_1 = \dfrac{L_f + L_s}{2} = \dfrac{3.01 + 3.30}{2} = 3.15\ m$$

L₂ và L₃ được xác định bởi các Phương trình 11.15 và 11.16:

$$L_2 = 0.8y_c = 0.8(0.812) = 0.65\ m $$

$$L_3 \geq 1.75y_c = 1.75(0.812) = 1.43\ m$$

Tổng chiều dài basin yêu cầu được cho bởi Phương trình 11.10

$$L_B = L_1 + L_2 + L_3 = 3.15 + 0.65 + 1.43 = 5.23\ m$$

Bước 5. Thiết kế các khối sàn của basin và end sill.
Chiều cao khối = 0.8y_c = 0.8(0.812) = 0.65 m
Chiều rộng khối = khoảng cách khối = 0.4y_c = 0.4(0.812) = 0.325 m
Chiều cao end sill = 0.4y_c = 0.4(0.812) = 0.325 m

Bước 6. Thiết kế đoạn chuyển tiếp vào và ra của basin.
Chiều cao thành bên phía trên cao độ hạ lưu = 0.85y_c = 0.85(0.812) = 0.69 m
Gia cố kênh tiếp cận phía trên đầu tường đến chiều dài = 3y_c = 3(0.812) = 2.44 m

11.2 Box Inlet Drop Structure (Cấu trúc hộp thu bậc)

Cấu trúc box inlet drop là một hộp hình chữ nhật hở nắp trên và hở thành phía hạ lưu (Hình 11.4). Nước được dẫn đến mép của box inlet bởi các đê đất và tường chắn. Dòng chảy đi vào từ đầu thượng lưu và hai bên. Mép dài của box inlet cho phép dòng lớn đi qua với mực nước thấp.

Cấu trúc outlet có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều điều kiện hiện trường khác nhau. Có thể kéo dài đoạn thẳng và phủ lên để tạo thành một cống thoát nước dưới đường. Tường bên của basin stilling có thể được loe rộng nếu muốn, do đó cho phép sử dụng với các kênh hẹp hoặc đồng bằng ngập lũ. Việc loe rộng các tường bên cũng giúp điều chỉnh độ sâu outlet để phù hợp với kênh tự nhiên.

Thông tin thiết kế dựa trên một chương trình thử nghiệm mở rộng được thực hiện bởi Cơ quan Bảo tồn Đất, Phòng Thí nghiệm Thủy lực Thác St. Anthony, Minneapolis (Blaisdell và Donnelly, 1956). Thiết kế được khuyến nghị giới hạn trong các điều kiện sau:

1. Tổng drop, h₀, nhỏ hơn 3.7 m (12 ft) và lớn hơn 0.6 m (2 ft). Tổng drop là lượng cần thiết để giảm độ dốc kênh đến độ dốc ổn định mong muốn.
2. Chiều rộng hạ lưu cấu trúc nên nhỏ hơn hoặc bằng chiều rộng của kênh tailwater.
3. Kênh tiếp cận bằng với mép của box inlet.

Một trong hai section sẽ điều khiển dòng chảy: Mép của box inlet hoặc tại khoảng mở của headwall. Sự điều khiển dòng chày chuyển từ vị trí này sang vị trí khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố chính là độ sâu và chiều dài của box inlet. Thiết kế cấu trúc box inlet drop bao gồm việc xác định tiết diện nào (mép hoặc khoảng mở của headwall) điều khiển dòng chảy ở lưu lượng thiết kế.

Đầu tiên, giả sử điều khiển tại mép và tính toán độ sâu, y₀, tại mép của box inlet drop cần thiết để thoát lưu lượng thiết kế. Phương trình tổng quát liên hệ giữa lưu lượng và độ sâu tại mép của weir hình chữ nhật là:

$$Q = C_w \sqrt{2g} \, L h^{3/2} \tag{11.17}$$

trong đó:

• C_w = hệ số weir không thứ nguyên = 0.43
• L = chiều dài weir, m (ft)
• h = chiều cao cột nước trên mép weir, m (ft)

Gọi chiều dài weir là \(L_c\) và độ sâu là y₀, và giải để tìm độ sâu, ta thu được công thức sau:

$$y₀ = \left( \frac{Q}{C_w \sqrt{2g L_c}} \right)^{2/3} \tag{11.18}$$

trong đó:

• y₀ = độ sâu cần thiết tại mép weir để thoát lưu lượng thiết kế, m (ft)
• \(L_c\) = chiều dài của mép (crest) box inlet, m (ft)
• Q = lưu lượng thiết kế, m³/s (ft³/s)

Các chiều dài khác nhau của crest, \(L_c\), được đánh giá trong Phương trình 11.18 để thu được độ sâu phù hợp với điều kiện thủy lực trong kênh tiếp cận.

Một số hiệu chỉnh đối với hệ số weir sử dụng trong Phương trình 11.18 là phù hợp nếu crest thực sự điều khiển thủy lực của cấu trúc. Tuy nhiên, để xác định crest hay headwall điều khiển thì không cần thực hiện các hiệu chỉnh này. Có bốn hệ số hiệu chỉnh được xem xét:

1. Hiệu chỉnh đối với low relative head (mực nước tương đối thấp) được nêu trong Hình 11.5.
2. Hiệu chỉnh theo hình dạng box inlet được nêu trong Hình 11.6. Hiệu chỉnh này chỉ áp dụng khi \(W_1/L_c \geq 3\).
3. Hiệu chỉnh theo bề rộng kênh tiếp cận được nêu trong Hình 11.7. Hiệu chỉnh này chỉ áp dụng khi \(W_1/L_c < 3\).
4. Hiệu chỉnh theo khoảng cách từ đê đến crest của box inlet được nêu trong Bảng 11.1. Các giá trị này có độ chính xác thấp.

Độ chính xác của các đường cong hiệu chỉnh nằm trong phạm vi 7% khi không có đê và trong phạm vi 15% khi có đê.

Tiếp theo, giả sử điều khiển tại headwall và tính độ sâu \(y_0\), để xác định xem độ sâu này có lớn hơn giá trị thu được từ trường hợp điều khiển tại crest hay không. Phương trình tổng quát liên hệ giữa lưu lượng và độ sâu cho rectangular weir đã được mô tả trong Phương trình 11.17. Với trường hợp này, chiều dài weir là \(W_2\), độ sâu là \(y_0 + C_H\), và hệ số weir là \(C_2\). Giải phương trình để tìm độ sâu ta được mối quan hệ sau.

$$y_o = \left( \frac{Q}{C_2 \sqrt{2gW_2}} \right)^{2/3} – C_H \tag{11.20}$$

trong đó:

• \(y_o\) = độ sâu cần thiết tại crest của headwall để thoát lưu lượng thiết kế, m (ft)
• \(W_2\) = chiều rộng của box inlet, m (ft)
• Q = lưu lượng thiết kế, m³/s (ft³/s)
• \(C_2\) = hệ số weir không thứ nguyên (hệ số lưu lượng)
• \(C_H\) = hiệu chỉnh độ sâu, m (ft)

Hệ số lưu lượng \(C_2\) lấy từ Hình 11.8. Hiệu chỉnh độ sâu \(C_H\) lấy từ Hình 11.9. Nếu tỉ lệ \(h_0/W_2\) nằm trong khoảng từ 1/4 đến 1, thì \(C_H\) có thể được xác định dễ hơn từ Hình 11.10. Độ chính xác của các đường cong thiết kế cho trường hợp điều khiển bởi headwall được ước tính trong phạm vi 10%.

Khi cấu trúc box inlet drop hoạt động trong điều kiện ngập nước (submerged), nên tham khảo tài liệu của Blaisdell và Donnelly (1956) để xác định thiết kế trong điều kiện ngập. Tuy nhiên, đây không phải là điều kiện thiết kế mong muốn.

Cấu trúc outlet của box inlet drop nên được thiết kế như sau:

Độ sâu tới hạn trong đoạn thẳng là:

$$y_c = \left( \left( \frac{Q}{W_2} \right)^2 \big/ g \right)^{1/3} \tag{11.21}$$

Tương tự, độ sâu tới hạn tại đầu ra của stilling basin là:

$$y_{c3} = \left( \left( \frac{Q}{W_3} \right)^2 \big/ g \right)^{1/3} \tag{11.22}$$

Chiều dài tối thiểu của đoạn thẳng khi tỉ lệ \(L_1/W_2 \geq 0.25\) là:

$$L_2 = y_c \left( \frac{0.2W_2}{L_1} + 1 \right) \tag{11.23}$$

Như thể hiện trong Hình 11.4, các tường bên của stilling basin có thể được mở rộng dần từ z = 0 (phần kéo dài song song của tường tiết diện) đến z = 0.5.

Bảng 11.1. Hiệu chỉnh cho ảnh hưởng của đê, \(C_E\), khi điều khiển tại crest của box inlet

\(L_1/W_2\)	0.0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
0.5	0.90	0.96	1.00	1.02	1.04	1.05	1.05
1.0	0.80	0.88	0.93	0.96	0.98	1.00	1.01
1.5	0.76	0.83	0.88	0.92	0.94	0.96	0.97
2.0	0.76	0.83	0.88	0.92	0.94	0.96	0.97

Chiều dài tối thiểu của đoạn cuối cùng, có khả năng loe ra của stilling basin, được lấy là giá trị lớn hơn trong hai phương trình sau. Tuy nhiên, Phương trình 11.24b chỉ áp dụng cho các giá trị \(L_1/W_2\) lớn hơn hoặc bằng 0.25:

$$L_3 = \frac{L_c W_2}{2L_1} \tag{11.24a}$$

hoặc

$$L_3 = \frac{W_3 – W_2}{2z} \tag{11.24b}$$

Thông thường, việc thiết kế chiều rộng outlet của stilling basin bằng chiều rộng của kênh tailwater là điều mong muốn. Khi chiều rộng của stilling basin tại đầu ra nhỏ hơn \(11.5y_{c3}\), thì độ sâu tailwater tối thiểu trên đáy basin là:

$$y_3 = 1.6y_{c3} \tag{11.25}$$

Khi chiều rộng của stilling basin tại đầu ra lớn hơn \(11.5y_{c3}\), độ sâu tailwater tối thiểu trên đáy basin được tính từ Phương trình 11.26. Tuy nhiên, kiểu basin như vậy có thể sử dụng outlet không hiệu quả:

$$y_3 = y_{c3} + 0.52W_3 \tag{11.26}$$

Chiều cao của end sill là:

$$h_4 = \frac{y_3}{6} \tag{11.27}$$

Các sill dọc sẽ cải thiện sự phân bố dòng chảy trong outlet. Các lưu ý khi sử dụng là:

• Khi các tường bên của stilling basin song song (z = 0), có thể bỏ qua các sill dọc.
• Cặp sill dọc ở giữa nên bắt đầu tại đầu ra của box inlet và kéo dài qua đoạn thẳng và stilling basin đến end sill.
• Khi \(W_3\) nhỏ hơn \(2.5W_2\), chỉ cần hai sill. Các sill này nên được bố trí cách trục giữa một khoảng cách \(W_5\).
• Khi \(W_3\) lớn hơn \(2.5W_2\), cần thêm hai sill. Các sill này nên được bố trí song song với trục outlet và nằm giữa các sill trung tâm và tường bên tại đầu ra của stilling basin.
• Chiều cao của các sill dọc nên bằng chiều cao của end sill.

Chiều cao tối thiểu của các tường bên phía trên mặt nước tại đầu ra của stilling basin được tính theo Phương trình 11.28. Các tường bên nên vượt lên trên mặt nước tailwater trong mọi điều kiện.

$$h_3 = \frac{y_3}{3} \tag{11.28}$$

Các wingwalls nên có dạng tam giác khi nhìn theo mặt cắt đứng và có độ dốc phía trên là 45° so với phương ngang. Độ dốc phía trên nhỏ nhất được phép là 30°. Các wingwalls nên loe ra trong mặt bằng với một góc 60° so với trục giữa outlet. Các góc loe nhỏ đến 45° được cho phép; tuy nhiên, không khuyến khích sử dụng wingwalls song song với trục giữa outlet.

Quy trình thiết kế cho cấu trúc box inlet drop có thể được tóm tắt theo các bước sau:

Bước 1. Chọn các kích thước thử nghiệm ban đầu của box inlet: \(h_0, L_1, và W_2\).
Bước 2. Giả định điều khiển tại crest và ước tính head điều khiển crest bằng Phương trình 11.18.
Bước 3. Giả định điều khiển tại headwall và ước tính head điều khiển headwall bằng Phương trình 11.20.
Bước 4. Chọn giá trị head lớn nhất trong bước 2 và 3. Nếu head lớn nhất là crest control, hiệu chỉnh lại crest control head với các hệ số hiệu chỉnh từ Hình 11.5, 11.6, 11.7 và Bảng 11.1.
Bước 5. Tính các độ sâu tới hạn trong cả đoạn thẳng và đoạn loe của basin theo Phương trình 11.21 và 11.22.
Bước 6. Xác định chiều dài basin theo Phương trình 11.23 và 11.24.
Bước 7. Tính độ sâu tại outlet từ Phương trình 11.25 và 11.26 và so sánh độ sâu này với độ sâu tailwater.
Bước 8. Tính chiều cao sill theo Phương trình 11.27 và xác định sự cần thiết của các sill dọc.
Bước 9. Xác định chiều cao của các tường bên bằng Phương trình 11.28. Bố trí các wingwalls.

Ví dụ thiết kế: Cấu trúc Box Inlet Drop (SI)

Tìm các kích thước cho một cấu trúc box inlet drop được sử dụng để giảm độ dốc kênh.

Cho:

\begin{align*} Q & = 7.1\ \text{m}^3/\text{s} \\ h_0 & = 1.20\ \text{m} \\ W_2 & = 1.20\ \text{m} \\ L_1 & = 1.20\ \text{m} \end{align*}

Kênh thượng lưu và hạ lưu (hình thang) \begin{align*} B & = 6.0\ \text{m} \\ Z & = 1V:3H \\ S_0 & = 0.002\ \text{m/m} \\ n & = 0.030 \end{align*}

Giải:

Bước 1.
Các kích thước thử nghiệm ban đầu của box inlet, \(h_0, L_1, và W_2\), đã được cho.

Bước 2.
Giả định điều khiển tại crest và ước tính head điều khiển crest bằng Phương trình 11.18.

Phương trình 11.19 cho ta chiều dài crest cho Phương trình 11.18:

$$L_c = W_2 + 2L_1 = 1.2 + 2(1.2) = 3.6\ \text{m}$$

$$y_o = \left( \frac{Q}{C_w \sqrt{2gL_c}} \right)^{2/3} = \left( \frac{7.1}{0.43 \sqrt{2(9.81)3.6}} \right)^{2/3} = 1.024\ \text{m}$$

Bước 3.
Giả định điều khiển tại headwall và ước tính head điều khiển headwall bằng Phương trình 11.20.

Trước tiên ta cần xác định \(C_2\) và \(C_H\).

Từ Hình 11.8 với giá trị \(h_0/W_2 = 1.2/1.2 = 1.0\) ta xác định \(C_2 = 0.43\).
Từ Hình 11.10 với giá trị \(L_1/h_0 = 1.2/1.2 = 1.0\) ta xác định \(C_H/h_0 = 0.49\).
Do đó,

\(C_H = 0.588\ \text{m}\)

\(y_o = \left( \frac{Q}{C_2 \sqrt{2gW_2}} \right)^{2/3} – C_H = \left( \frac{7.1}{0.43 \sqrt{2(9.81)1.2}} \right)^{2/3} – 0.588 = 1.541\ \text{m}\)

Bước 4.
Chọn giá trị head lớn hơn từ bước 2 và 3. Trong trường hợp này, headwall điều khiển và \(y_o = 1.541\ \text{m}\)

Bước 5.
Tính độ sâu tới hạn trong đoạn thẳng bằng Phương trình 11.21:

$$y_c = \left( \left( \frac{Q}{W_2} \right)^2 \bigg/ g \right)^{1/3} = \left( \left( \frac{7.1}{1.2} \right)^2 \bigg/ 9.81 \right)^{1/3} = 1.528\ \text{m}$$

Tính độ sâu tới hạn tại đầu ra bằng Phương trình 11.22 và giả sử chiều rộng cấu trúc bằng chiều rộng của kênh:

$$y_{c3} = \left( \left( \frac{Q}{W_3} \right)^2 \bigg/ g \right)^{1/3} = \left( \left( \frac{7.1}{6.0} \right)^2 \bigg/ 9.81 \right)^{1/3} = 0.523\ \text{m}$$

Bước 6.
Xác định chiều dài đoạn thẳng phía sau inlet từ Phương trình 11.23:

$$L_2 = y_c \left( \frac{0.2W_2}{L_1} + 1 \right) = 1.528 \left( \frac{0.2(1.2)}{1.2} + 1 \right) = 1.834\ \text{m} \Rightarrow \text{làm tròn} = 1.8\ \text{m}$$

Chiều dài đoạn loe được xác định theo giá trị lớn nhất giữa hai phương trình 11.24a và 11.24b:

$$L_3 = \frac{L_c W_2}{2L_1} = \frac{3.6(1.2)}{2(1.2)} = 1.8\ \text{m}$$

$$L_3 = \frac{W_3 – W_2}{2z} = \frac{6.0 – 1.2}{2(0.5)} = 4.8\ \text{m}$$

→ Vậy \(L_3 = 4.8\ \text{m}\)

Bước 7.
Tính độ sâu tại outlet từ Phương trình 11.25 hoặc 11.26 tùy thuộc vào việc \(W_3\) có nhỏ hơn \(11.5y_{c3}\) hay không.

\(1.5y_{c3} = 11.5(0.523) = 6.01\ \text{m} \Rightarrow\) sử dụng Phương trình 11.25: \(y_3 = 1.6y_{c3} = 1.6(0.523) = 0.84\ \text{m}\)

Độ sâu normal trong kênh tailwater là 0.80 m. Vì \(y_3\) hơi lớn hơn nên có thể cần biện pháp bảo vệ để chống xói do dòng gia tốc.

Bước 8.
Tính chiều cao sill theo Phương trình 11.27:

$$h_4 = \frac{y_3}{6} = \frac{0.84}{6} = 0.14\ \text{m}$$

Xác định nhu cầu dùng sill dọc bằng cách so sánh \(W_3\) với \(2.5W_2\).
Vì \(2.5W_2 = 2.5(1.2) = 3.0\ \text{m} < W_3 = 6.0\ \text{m} \Rightarrow\) cần 4 sill.

Bước 9.
Tính chiều cao tường bên phía trên mực nước bằng Phương trình 11.28:

$$h_3 = \frac{y_3}{3} = \frac{0.84}{3} = 0.28\ \text{m}$$