Giáo án - Bài giảng: Giáo trình môn học Thủy Lục và Thủy văn

TỔNG CÔNG TY XD.TRƯỜNG SƠN TRƯỜNG THCĐ& DẠY NGHỀ  CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc -  CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC ĐÃ DUYỆT Ngày tháng năm 1999 MÔN HỌC : Thuỷ lực SỐ TIẾT : 33 BỘ MÔN : Cơ sở chuyên ngành CHUYÊN NGÀNH Cầu đường I- VÍ TRÍ, TÍNH CHẤT, MỤC ĐÍCH, U CẦU CỦA MƠN HỌC : 1/- Vị trí tính chất mơn học : Thuỷ lực mơn sở chun ngành có vai trị quan trọng Đó mơn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng, đặc biệt nước Và phương pháp ứng dụng quy luật vào thực tế sản xuất đời sống xã hội 2/- Mục đích: Nhằm trang bị cho học viên hiểu quy luật cân chất lỏng tĩnh chất lỏng chuyên động ổn định ( Trong có chuyển động ổn định chuyển động ổn định khơng ) Trên sở tính tốn thiết kế, thi cơng cơng trình giao thơng cầu, cống nhỏ, kênh mương, cống thoát nước 3/- Yêu cầu: Học viên cần nắm quy luật thuỷ tĩnh học thuỷ động lực học để nhằm mục đích: + Tính tốn áp lực nước tác dụng lên cơng trình + Tính tốn lưu lượng nước qua kênh lăng trụ thiết kế kênh, rãnh thoát nước, lượng nước thoát thiết kế cống thoát nước qua đường + Tính lượng nước qua đập tràn đỉnh rộng gia cố hạ lưu đập II/- NỘI DUNG TỔNG QUÁTVÀ PHÂN PHỐI THỜI GIAN: Chương Nội dung môn học Bài mở đầu Chương Chương Chương Giới thiệu khát quát môn học Áp suất thuỷ tĩnh Cơ sở thuỷ động lực học Dòng chảy kênh hở ống có áp Dịng chảy không đều- đập tràn Tổng số Chương Phân bố thời gian ( tiết) LT BT KT T.số 0,5 0,5 0,5 6,5 1 3,5 4,5 10 26,5 1,5 4,5 12,5 33 III/- NỘI DUNG CHI TIẾT VÀ PHÂN PHỐI THỜI GIAN : Mục Nội dung môn học Bài mở đầu: Giới thiệu khái quát môn học CHƯƠNG 1: ÁP SUẤT THUỶ TĨNH 1.1 Áp lực thuỷ tĩnh áp suất thuỷ tĩnh 1.2 Hai tính chất áp suất thuỷ tĩnh 1.3 Công thức thuỷ tĩnh học 1.4 Các loại áp suất; chiều cao đo áp 1.5 Tính áp lực thuỷ tĩnh 1.5.1 Trị số áp lực thuỷ tĩnh 1.5.2 Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng vào mặt tiếp xúc dạng phẳng hình chữ nhật 1.5.3 Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng vào mặt tiếp xúc phẳng hình chữ nhật giản đồ áp suất 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 Cộng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC Các yếu tố mô tả dòng chất lỏng chuyển động Các yếu tố thuỷ lực dòng C/Lchuyển động Phân loại dòng chảy Phương trình liên tục dịng chảy ổn định Phương trình Béc-nu-li Tổn thất thuỷ lực Khái niệm phân loại Hai trạng thái chảy- thí nghiệm Rây-nơn Tính tổn thất cột nước Kiểm tra chương ( 1+2 ) CHƯƠNG 3: DỊNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH VÀ TRONG ỐNG 3.1 Dịng chảy kênh hở 3.1.1 Khái niệm cơng thức 3.1.2 Tính tốn thuỷ lực dịng kênh hở 3.2 Dịng chảy có áp ống tròn Phân bố thời gian (giờ) L.T B.T K.tra T.số 0,5 1 0,5 1,5 0,5 1,0 1,0 0,5 1 0,5 2,0 0,5 0,5 1 1,5 1 0,5 1,0 1,5 1 2,5 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 CHƯƠNG 4: DỊNG CHẢY KHƠNG ĐỀU TRONG KÊNH- ĐẬP TRÀN Dịng chảy khơng kênh hở Các khái niệm chung Năng lượng đơn vị mặt cắt chiều sâu phân giới Nước nhảy thuỷ lực Đập tràn Khái niệm chung; yếu tố đập tràn; phân loại đập tràn Dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng 1,0 3,0 0,5 1,0 3,5 2,0 2,0 1,0 3,0 1,0 1,0 4,0 IV/ HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN: Thực hành giảng dạy: Giảng dạy môn Thuỷ Lực cần gắn liền lý thuyết chương trình mơn học có liên quan ứng dụng Học viên cần vận dụng tốt kiến thức củng cố phát triển để vận dụng tốt cho mơn học khác chương trình đào tạo Để học viên nắm vững học cần có ví dụ, hệ thống tập đa dạng có liên quan tính ứng dụng mơn học khác Bài tập: Sau chương, mục có tập áp dụng lý thuyết học để học viên luyện tập, củng cố Hệ thống tập cần biên soạn gắn liền với môn học khác chuyên ngành cầu- đường có ứng dụng sau IV/- TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cung, Lưu Công Đào Thủy lựcTrường Đại học Bách khoa- Hà Nội - 1975 Đặng Hưng Lâm, Trần Văn Nhân, Bùi Hữu Ánh Giáo trình Thuỷ lựcTrường Trung học Thủy lợi Trung ương 1977 Ngày tháng năm 1999 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU BÀI MỞ ĐẦU Chương1 ÁP SUẤT THUỶ TĨNH 1.1 Áp lực thuỷ tĩnh-áp suất thuỷ tĩnh 1.2 Hai tính chất áp suất thuỷ tĩnh 1.3 Công thức thuỷ tĩnh học 1.4 Các loại áp suất-chiều cao đo áp 1.5 Áp lực thuỷ tĩnh -Câu hỏi,bài tập 10 12 14 16 27 Chương CƠ SỞ THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC 28 2.1 Các yếu tố mơ tả dịng chất lỏng chuyển động 2.2 Các yếu tố thuỷ lực dòng chất lỏng chuyển động 2.3 Phân loại dòng chảy 2.4 Phương trình liên tục dịng chảy ổn định 2.5 Phương trình Béc-nu-li 2.6 Tổn thất thuỷ lực -Câu hỏi,bài tập 28 30 31 33 34 39 45 Chương DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH VÀ TRONG ỐNG 46 3.1 Dòng chảy kênh hở 3.2 Dòng chảy có áp ống trịn -Câu hỏi,bài tập 46 50 55 Chương DỊNG CHẢY KHƠNG ĐỀU TRONG KÊNH 56 4.1 Dịng chảy khơng kênh hở 4.2 Nước nhảy -Câu hỏi,bài tập 56 60 66 Chương SÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ THUỶ VĂN CỦA SÔNG 67 5.1 Sơng hệ sơng 5.2 Các đặc trưng sơng 5.3 Sự tuần hồn nước-phương trình cân nước 5.4 Đặc tính mưa dịng chảy mưa rào -Câu hỏi,bài tập 67 69 71 73 77 Chương ĐO ĐẠC THUỶ VĂN SƠNG NGỊI 78 6.1 Đo mực nước sơng 6.2 Đo lưu tốc dịng chảy 6.3 Tính lưu lượng dịng chảy - Câu hỏi,bài tập 78 80 83 85 Chương XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG DỊNG CHẢY ỨNG VỚI TẦN SUẤT THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH 86 86 7.1 Xác định lưu lượng dòng chảy ứng với tần suất TKCT có tài liệu thửy văn 7.2 Xác định lưu lượng dòng chảy ứng với tần suất TKCT thiếu tài liệu thuỷ văn 86 93 -Câu hỏi,bài tập TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 96 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Thuỷ lực-thuỷ văn cơng trình biên soạn nhằm trang bị cho học viên số kiến thức chất lỏng trạng thái tĩnh trang thái chuyển động,trên sở học viên tiếp thu kiến thức môn học khác vận dụng vào thực tế xây dựng cơng trình,thoả mãn u cầu đổi nội dung phát triển khoa học công nghệ Nội dung giáo trình gồm chương: -Bài mở đầu Chương 1: Áp suất thuỷ tĩnh Chương 2: Cơ sở thuỷ động lực học Chương 3:Dòng chảy kênh ống Chương 4: Dịng chảy khơng kênh Chương 5: Sông yếu tố thuỷ văn sơng Chương 6: Đo đạc thuỷ văn sơng ngịi Chương 7: Xác định lưu lượng dòng chảy ứng với tần suất thiết kế cơng trình -Phụ lục Cơng tác biên soạn giáo trình tiến hành thận trọng với tham gia giáo viên nhà trường, cán thuộc Công ty tư vấn khảo sát thiết kế Tổng công ty xây dựng Trường sơn Chúng tơi xin cám ơn tới đồng chí hội đồng biên soạn giáo trình Nhà trường, Cơng ty tư vấn khảo sát thiết kế đóng góp nhiều ý kiến quý giá để xây dựng giáo trình Do khả hạn chế nên giáo trình cịn nhiều thiếu sót, mong đồng chí giáo viên có ý kiến bổ sung để giáo trình hồn thiện TÁC GIẢ BÀI MỞ ĐẦU 1.Nội dung môn học: Thuỷ lực- thuỷ văn cơng trình mơn khoa học nghiên cứu quy luật cân bầng chuyển động chất lỏng,đặc biệt nước,và ứng dụng quy luật vào thực tế lao động sản xuất Môn học gồm hai phần phần Thuỷ lực thuỷ văn cơng trình Phần thuỷ lực nghiên cứu quy luật chất lỏng trạng thái tĩnh trạng thải chuyển động không Phần thuỷ văn nghiên cứu quy luật dịng chảy hệ thống sơng,suối xác định lưu lượng trận lũ , lưu tốc lưu lượng dịng chảy sơng… 2.Các tính chất vật lý chủ yếu chất lỏng a) Khối lượng riêng Một khối chất lỏng đồng chất có khối lượng M, thể tích V, khối lượng riêng chất lỏng là: = M/V (kg/m3) b) Trọng lượng riêng Cũng khối chất lỏng nói có trọng lượng G, trọng lượng riêng  chất lỏng là: = G/V (KG/m3);(KN/m3);(N/m3) Trong trường hợp chất lỏng nước ( nhiệt độ 0C )thì: n=9810N/m3 c) Sự co giãn chất lỏng Chất lỏng có tính co giãn áp suất hay nhiệt độ tác dụng vào khối chất lỏng thay đổi,tuy thay đổi nhỏ nên thực tế bỏ qua được,vậy ta xem nước khơng bị co giãn yếu tố thay đổi d)Tính nhớt chất lỏng Tính nhớt chất lỏng có liên quan đến lực ma sát chất lỏng,nó phụ thuộ váo nhiệt độ (Độ nhớt giảm nhiệt độ tăng).Trong tính tốn thuỷ lực cần ý đến tính nhớt chất lỏng có ảnh hưởng lớn đến yếu tố thuỷ lực thuỷ văn q trình tính tốn dịng chảy Chương ÁP SUẤT THUỶ TĨNH Trong chương chủ yếu nghiên cứu số vấn đề thuỷ tĩnh học : Các khái niệm vẽ áp lực- áp suất thuỷ tĩnh; tính chất cơng thức thuỷ tĩnh học; loại áp suất cách tính loại áp suất thơng qua đơn vị tính quan trọng hay áp dụng rộng rãi chiều cao đo áp, tính áp lực biểu đồ 1.1 Áp lực thuỷ tĩnh- Áp suất thuỷ tĩnh 1.1.1 Áp lực thuỷ tĩnh Để có khái niệmvề áp lực thuỷ tĩnh ta xem (Hình 1.1) Đó khối chất lỏng trạng thái tĩnh Ta cắt khối chất lỏng tĩnh mặt phẳng AB tuỳ ý, chia khối chất lỏng phần I II bỏ A  I I II P B Hình 1.1 phần II giữ lại phần I để xét cân bằng, lẽ tự nhiên ta thấy để phần I cân ta phải thay tác dụng  phần II lực P Lực P áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt chịu tác dụng  Vậy " Áp lực thuỷ tĩnh áp lực tương hỗ phần chất lỏng tĩnh chất lỏng với vật rắn " 1.1.2 Áp suất thuỷ tĩnh  Ta xét mặt có diện tích , chịu áp lực thuỷ tĩnh P tác dụng lên Khi tỷ số ( P/  ) gọi áp suất thuỷ tĩnh trung bình: ptb = P/ Xét diện tích   giới hạn tỷ số áp suất thuỷ tĩnh điểm : p = Lim ( P/ )  o Theo hệ S I : - Đơn vị áp lực thuỷ tĩnh ( N, KN ) - Đơn vị áp suất thuỷ tĩnh N/cm2; KN/m2 - Một đơn vị đo khác kỹ thuật thông dụng át- mốtfe ( at ): at = 9,81 N/cm2 Chú ý áp suất thuỷ tĩnh áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên điểm, nhiên thuỷ lực học từ : "một điểm" đơn vị diện tích "1cm2"; "1m2" Đó áp suất trung bình chất lỏng Ví dụ: Cho áp lực nước lên đáy bể P = 20.000 N, diện tích đáy bể = 2m2 Tính áp suất nước lên đáy bể Giải: Áp suất trung bình nước lên đáy bể là: Ptb = P/  = 20.000/2 = 10.000 N/ m2 = 1N/cm2 P Hình 1.2 1.2 Hai tính chất áp suất thuỷ tĩnh 1.2.1 Tính chất thứ Nội dung: " Áp suất thuỷ tĩnh tác dụng vng góc với mặt chịu tác dụng hướng vào mặt đó" Ta chứng minh tính chất sau: A Xét khối chất lỏng trạng thái tĩnh; chia khối chất lỏng thành phần I ; II mặt Pn phẳng AB tuỳ ý.(Hình1.3) Giả sử điểm K II I I K P K mặt phân chia có áp suất thuỷ tĩnh    P phân thành phần P n : B Hướng vng góc với mặt chịu tác dụng, Hình 1.3  P  : nằm mặt chịu tác dụng  Ta thấy thành phần P  khơng tồn chất lỏng khơng chịu lực cắt;  P  có tồn khối chất lỏng I II trượt lên nhau, điều lại trái giả thiết khối chất lỏng trạng thái tĩnh Vì mà điểm K  cịn có thành phần lực P n vng góc với mặt chịu tác dụng  Mặt khác ta thấy thành phần P n khơng thể hướng ngồi mặt chiụ tác dụng  chất lỏng khơng chịu lực kéo, P n hướng vào mặt chịu tác dụng Vậy "Áp suất thuỷ tĩnh điểm mặt chịu tác dụng luôn vng góc với mặt chịu tác dụng hướng vào mặt đó" Ví dụ: Cho bể nước hình vẽ Áp suất thuỷ tĩnh nước lên điểm I, J, K PI; PJ; PK có tính chất vng góc mặt chịu tác dụng hướng vào mặt ( Hình 1.4) I P P P J K Hình 1.4 1.2.2 Tính chất thứ hai Nội dung : " Áp suất thuỷ tĩnh điểm chất lỏng tĩnh theo phương nhau" Nghĩa trị số áp suất thuỷ tĩnh không phụ thuộc vào phương mặt chịu tác dụng mà phụ thuộc vào vị trí điểm xét Ta tiến hành chứng minh tính chất sau: Tách khối chất lỏng tĩnh khối lăng trụ tam giác vô nhỏ thay tác dụng chất lỏng xung quanh áp lực thuỷ tĩnh Px; Py; Pz P'I Vậy khối chất lỏng lăng trụ vơ bé đứng cân tác dụng lực sau: ( Hình 1.5) z z  + P x: Tác dụng lên ( ABCD) có diện tích x Px C Pn   D  + P z: Tác dụng lên ( ADEF ) có B Px  diện tích z Pz  P n Tác dụng lên ( BCEF ) có diện tích n y Py D Py x Pn E A x Pz F Hình 1.5  P y Tác dụng lên ( ABF ) có diện tích y  P 'y Tác dụng lên ( DCE ) có diện tích y  G Là trọng lượng thân khối chất lỏng vơ bé nhiên khối lượng lăng trụ VCB nên ta bỏ qua giá trị " G" viết phương trình cân Phương trình cân khối trụ VCB theo trục X Z X = Px - Pn cos = Z = Pz - Pn sin = Trong  góc mặt phẳng ( ABCD) ( BCEF ) hệ tương ( 1) đương với : Px = Pn cos (2) Pz = Pn sin Chia (1) cho x; (2) cho z ta có hệ tương đương sau: Px P cos  Pn P  n   n ( 1' ) x x x n cos  Pz P sin  Pn P  n   n ( 2' ) z z z n sin  Hay viết gọn :  Px x Px x   Px Pz n ; z Pz z   Pn n Pn n Khi cạnh khối lăng trụ  diện tích mặt x; z; n  Vậy giới hạn tỷ số diện tích mặt tiến dần tới không : Px lim   n 0 x  lim  z 0 Pz z  lim  n 0 Pn n  Px = Pz= Pn Điều cho phép chứng minh tính chất: " Áp suất thuỷ tĩnh điểm chất lỏng tĩnh có trị số theo phương" 1.3 Công thức thuỷ tĩnh học 1.3.1 Công thức Ta xét khối chất lỏng trạng thái tĩnh.Tách khối khối chất lỏng hình trụ có diện tích đáy VCB:d; đáy hình trụ trùng với mặt thống, đáy nằm độ sâu h Vì diện tích đáy trụ VCB nên ta xem áp suất điểm đáy Đáy có áp suất P; đáy có áp suất Po (Hình 1.6) Khối chất lỏng hình trụ cân lực sau: z P0 G h P Hình 1.6 P0 = p0 d Tác dụng vào đáy trên, hướng từ xuống P = p d Tác dụng vào đáy , hướng từ lên G= .h d Trọng lượng thân khối chất lỏng VCB hướng từ xuống Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng vào mặt xung quanh khối trụ có hướng vng gốc với trục Z Ta tiến hành viết phương trình cân khối trụ với trục Z : Z = -P0 d- h.d+ pd =  P - po - h = ( 1.1 )  P = po + h Đây cơng thức thuỷ tĩnh học, cho phép ta tính trị số áp suất thuỷ tĩnh điểm chất lỏng Công thức quan trọng, áp dụng để giải nhiều toán thực tế Một hệ công thức ( 1.1 ) là: "Trong khối chất lỏng tĩnh, điểm có độ sâu có trị số áp suất nhau; tập hợp điểm tạo thành mặt phẳng gọi mặt đẳng áp" Nếu chất lỏng chịu tác dụng trọng lực mặt đẳng áp mặt phẳng nằm ngang song song Ví dụ: Tìm áp suất điểm A tường chắn nước ( Hình 1.7), biết điểm A sâu cách mặt nước m Trọng luợng riêng nước : n = 9810 N/ m2 Áp suất mặt nước ( áp suất khí ) Pa = 98100 N/m2 Giải: Ta tìm áp suất A theo công thức ( 1.1 ) 4m A 10 ( Chú ý giá trị Q50% có bước ) Bước : Ta tìm hệ số phân tán Cv theo công thức sau : Cv   ( 7.7) Q Bước 9: Từ giá trị Cv vừa tính với giá trị Cs (bước ) ta có quan hệ ( Cs - Cv) với giá trị tần suất p = 0,1%; p= 0,2% v v tra bảng ta có giá trị hệ số mơ đun Kp tính sẵn Cơng thức : Kp =  Cv + ( 7.8 ) Ta lập bảng tính có dạng tổng qt sau: Q = Kp Q ( 7.9) TOẠ ĐỘ ĐƯỜNG TẦN SUẤT LÝ LUẬN PIẾCSƠN III p% Kp Q=Kp Q 0,1 0,2 0,3 0,5 10 Cs  Cv 25 Chú ý : bước độ xác p% phụ thuộc vào bảng tra có số bảng tra chia giá trị p% tới 0,1 ( xem phụ lục ) nên hệ số Kp có xác Q xác Bước 10: Căn vào bảng toạ độ ( Q - p ) vừa tìm ta tiến hành vẽ đường tần suất lên hệ toạ độ đề ( Q - p ), đường tần suất thu đường tần suất lý luận Piếc- Sơn III Chú ý : Qua trình thực 10 bước nêu ta thấy cơng tác tra bảng quan trọng, nên để đảm bảo độ xác ta cần cố gắng hạn chế sai số, trình nội suy Ở phương pháp cho phép nội suy giá trị khơng có bảng ngun lý đường thẳng ( nội suy tuyến tính ) 7.1.5 Xác định lưu lượng dòng chảy ứng với tần suất thiết kế cơng trình đường tần suất lý luận Piếc- Sơn III theo phương pháp điểm Alếchxâyép a)Phương pháp chung Để giải toán cụ thể đặt thực tế cần phải biết lưu lượng dòng chảy ứng với tần suất T.K.C.T cho trước, mà thường giá trị p(%) nhỏ ( ví dụ p = 1%; 1,5%; 2% hay bé ) nên số liệu quan trắc có trạm thuỷ văn thường khơng thoả mãn ( ví dụ để có giá trị lưu lượng đo ứng với p = 1% trạm thuỷ văn phải có số liệu đo đạc thời gian 99 năm (Điều xem không thực tế) Do với giá trị đo đạc có ( thường vòng 20 năm) ta tiến hành vẽ đường tần suất lý luận Piếc - Sơn III phương pháp ba điểm Alêchxâyép qua 10 bước nêu Sau vẽ đồ thị hàm số ( Q - p ) lúc cần vào p(%) theo yêu cầu thiết kế ta ép lên đồ thị 102 suy lưu lượng thiết kế Đó phương pháp chung để giải toán Để tường minh phương pháp ta xét ví dụ cụ thể sau Ví dụ: Một trạm thuỷ văn sơng vịng 20 năm đo giá trị lưu lượng cụ thể ( có bảng ghi chép trạm ) Căn vào xác định lưu lượng lũ thiết kế ứng với tần suất T.K.C.T p = 1,5% chu kỳ xuất lại trận lũ Biết sau số đo trạm ta nội suy : p = 5%  Q5% = 611 m3/s; p = 50%  Q50% = 385m3/s ; p = 95%  Q95%= 222 m3/s Giải : Ta tiến hành vẽ đường tần suất lý luận Piếc - Sơn III qua 10 bước Qua giả thiết toán ta thấy bước đầu coi xong ta có kết : Q5%= 611m3/s ; Q50%= 385m3/s; Q95% = 222m3/s, sau ta tiến hành tiếp tục bước cịn lại : Bước 4: Tính độ lệch S theo ( 7.4) S Q5%  Q95%  2Q50% 611  222  2.385   0,162 Q5%  Q95% 611  222 Từ S= 0,162 tra bảng phụ lục ta có : Cs = 0,60 Bước 5: Từ Cs = 0,60 tra bảng phụ lục ta giá trị sau : 50% = - 0,10 5% - 95% = 3,259 Bước 6: Tính hệ số quân phương theo ( 7.5)  Q5%  Q95% 611  222   119,4  5%   95% 3,259 Bước 7: Tính biến lượng bình qn theo công thức (7 ) Q = Q50% -  50% = 385 + 119,4 0,1 = 396,9 m /s Bước 8: Tìm hệ số phân tán Cv theo công thức ( 7.7 ) Cv   Q  119,4  0,3 396,9 Bước 9: Ta thấy Cs = 0,6; Cv = 0,3 Vậy mối quan hệ Cs Cv : Cs = 2.Cv với giá trị tần suất p = 0,1 %; 1%;2%; tra bảng phụ lục ta có giá trị Kp Với Qp = kp Q ta có bảng tính đường tần suất lý luận sau: TOẠ ĐỘ ĐƯỜNG TẦN SUẤT LÝ LUẬN Cs = Cv Cv = 0,3 p% Kp 0,1 2,19 1,83 1,64 1,54 10 1,40 25 1,18 50 75 0,97 0,79 90 95 99 0,64 0,56 0,44 103 Q=Kpx Q 896 726 651 611 556 468 385 341 254 222 175 Bước 10: Căn vào bảng toạ độ ta vẽ đường tần suất lý luận lên giấy kẻ li, vào tần suất TKCT p% = 1,5% ta tính lưu lượng trận lũ Q1,5%  686,8 m3/s, ( hệ số nội suy Kp = 1,73 ) Chu kỳ xuất lại : T = 100 100   66,66 (năm) p 1,5 Chú ý : Khi vẽ đường tần suất lý luận bước ta khơng thiết phải chọn đường tần suất kinh nghiệm giá trị biến lượng ứng với tần suất p ( 5% - 50% - 95%) mà cịn chọn giá trị biến lượng khác ứng với p ( 1%- 50% - 99%); p ( 3%- 50% - 97%); p ( 10%- 50%- 90% ); cơng thức (7.4) (7.5) thay đổi theo cho phù hợp Ví dụ: Với p ( 10% - 50% - 90% ) cơng thức ( 7.4) và( 7.5) có dạng sau: S Và Q10%  Q90%  2Q50% Q10%  Q90% Q  Q90%   10%  10%   90% Khi chọn giá trị p% cần xét kỹ đường tần suất kinh nghiệm vẽ để chọn cho phù hợp theo giá trị giới thiệu Phương pháp có ưu điểm tính tốn nhanh, đơn giản song phụ thuộc vào chủ quan người vẽ nên độ xác khơng cao 7.2 Tính lưu lượng trận lũ ứng với tần suất T.K.C.T thiếu tài liệu điều tra thuỷ văn Nội dung phần ta cần phải tính lưu lượng dịng chảy ứng với tần suất T.K.C.T cho trước, tức cho p(%) ta phải tìm Qp, mà tài liệu thuỷ văn lại thiếu ( khơng có số liệu đo trạm quan trắc gần đó; số liệu lưu trữ qua năm thiếu ) Do để giải vấn đề ta cần tiến hành cụ thể qua bước giải sau đây: Bước 1: Vào năm ( I ) xảy trận lũ, ta đo giá trị : QI Vào năm ( II ) xảy trận lũ, ta đo giá trị : QII Các giá trị QI ; QII giả thiết mà khơng tính tổng qt : QI >QII Từ năm ( I ) đến năm ( II ) khoảng thời gian ( n ) năm Vậy số thứ tự hai trận lũ : Tại năm ( I ) có mI = ( Vì có trận lũ ta có QI > QII ) Tại năm ( II ) có mII = Bước 2: Ta tính tần suất ( p%) trận lũ : Tại năm ( I ) có : pI = mI 100(%) 100  n 1 n 1 104 Tại năm ( II ) có :pII= mII 100  100 ( % ) n 1 n 1 Bước :Từ công thức Kp = ( 1+  Cv) Qp = Kp Q Áp dụng vào hai trận lũ năm ( I ) năm ( II ) ta có : Năm ( I ) QI = K1 Q Năm ( II ) QII KII Q Lập tỷ số giá trị lưu lượng trận lũ ta : QI K  I Q II K I I ( 7.17) Đẳng thức gợi ý cho ta vấn đề : Lập tỷ số giá trị Q trận lũ thiết kế ( Qp) với giá trị Q lũ biết ( QI ) ( QII ) + QP K P K   QP = P QI KI QI KI ( 7.18 ) + QP K K  P  QP = P QII KI I QII KII ( 7.19 ) ( Chú ý để tìm Qp ta cần dùng hai cơng thức đủ ) Bước 4: Đây bước quan trọng phương pháp, ta phải giả định hệ số phân tán ( Cv ) Nội dung bước sau: Vì có giá trị QI QII ( bước ) giá trị tần suất pI(%) pII(%) ( bước ) nên ta giả thiết giá trị Cv độ quan hệ ( Cs- Cv ) qua bảng tra ( phần phụ lục ) + Có Cv giả định pI(%) tra bảng ta có : KI + Có Cv giả định pII(%) tra bảng có : KII Sau có giá trị KI, KII ta kiểm tra theo công thức ( 7.17 ): ( QI/ QII  KI / KII ); giá trị KI, KII thoả mãn gần (7.17 ) giá trị Cv chọn chấp nhận ( Không thoả mãn phải chọn lại ) Bước : Từ Cv chọn p% thiết kế ta tra bảng để có giá trị KP ; sau áp dụng ( 7.18 ) hay ( 7.19 ) ta Qp cần tìm Vậy để tính toán lưu lượng lũ ứng với tần suất TKCT ta cần phải có số liệu thuỷ văn cuả trận lũ, sau áp dụng bước nêu ta tìm Qp Để tường minh cho phương pháp ta xét ví dụ sau Ví dụ: Tính lưu lượng trận lũ ứng với tần xuất TKCT p = 1% Biết lưu lượng hai trận lũ lớn trước : Trận thứ : QI = 364m3/s Trận thứ hai : QII = 350m3/s Thời gian hai trận lũ n = 99 năm Giải: Ta thực qua bước sau : Bước 1: Ta thấy QI = 364 > QII = 350 nên thứ tự xếp hai trận lũ : mI = 1; mII = Bước 2: Tính tần suất hai trận lũ : Trận thứ : pI = mI 100  100  1% n 1 99  105 mI I 100  2% n 1 99  Q 364 Bước : Lập tỷ số hai trận lũ : I   1,04 Q II 350 Trận thứ hai : pII = 100  Bước : Chọn Cv : Ta chọn Cv = 1,4 với quan hệ Cs = Cv Vậy từ pI= 1% pII = 2% ta tra bảng để có KI KII pI = 1% Tra bảng có KI = 5,56 pII = 2% Tra bảng có KII = 5,35 K I 5,56   1,039 K II 5,35 KI Q Ta so sánh thấy : I  1,04 ;  1,039 KI I QI I Q K Vậy I  I Do giá trị Cv = 1,4 với quan hệ Cs = Cv QI I KI I Sau ta lập tỷ số : Bước 5: Từ Cv = 1,4; Cs = Cv pTK = 1,5% tra bảng nội suy ta có KP = 5,455 Vậy lưu lượng ứng với p = 1,5% : QP = KP 5,455 Q II  350  357m3 / s K II 5,35 CÂU HỎI-BÀI TẬP CHƯƠNG Thế tần suất; nêu cơng thức tính tần suất Thế đường tần suất lý luận Trình bày cách vẽ đường tần suất lý luận Fiếc-Sơn III theo phương pháp điểm Alếchxâyép Tại mặt cắt ngang sơng có cầu thiết kế với tần suất lũ p % = 1,5%; Hãy xác định lưu lượng thiết kế chu kỳ xuất lại Biết số liệu ba lũ lịch sử sau: p =5% Q% = 370m3/s p =50% Q50%= 270m3/s 106 p =95% Q95%= 171m3/s 107 CHƯƠNG CƠNG TRÌNH THỐT NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG Ta biết cống cơng tình nước chủ yếu tuyến đường Số lượng cống chiếm 80% - 95 % toàn cơng trình nước, cịn giá thành chiếm khoảng 10% - 20 % giá thành toàn tuyến đường Vì mà cơng trình cống cơng tình quan trọng tuyến đường Trong chương giới thiệu cách xác định lưu lượng thoát cống độ cống mà chủ yếu theo bảng tính sẵn, cách xác định vị trí cống, tính tốn xói lở hạ lưu gia cố Cịn phần xây dựng sửa chữa cống khơng đề cập tới 4.1 Giới thiệu chung cống 4.1.1 Khái niệm Bất kỳ cơng trình nước nhỏ đặt đường mà chiều cao đất đắp phía ( kể chiều dày mặt đường ) lớn hay 0,5m gọi cống Tác dụng chủ yếu cống để dịng chảy thường xuyên hay định kỳ qua đắp Cống khác với cầu chỗ nước chảy cống có chế độ chảy khơng áp lực, mà cịn có chế độ chảy bán áp lực có áp lực, chiều cao đất đắp đỉnh cống ( kể chiều dày mặt đường ) tối thiểu 0,05m đường ô tô 1,0m đường sắt Khẩu độ cống chiều rộng lớn tiết diện thoát nước Trường hợp cống nhiều lỗ độ tính tổng số độ lỗ Cống đơn 108 ( lỗ ) có khả nước tối đa 76  80m3/s; cống đôi ( hai lỗ ) tới 152160 m3/ s cống có ưu điểm nối bật sau đây: + Cống không làm thay đổi điều kiện chuyển động xe ô tô đường, không hạn chế mặt đường lề đường, không yêu cầu thay đổi loại kết cấu mặt đường cống + Cống bố trí dễ dàng với tổ hợp biểu đồ trắc dọc, mà không gây nên phức tạp kết cấu + Do nằm sâu đường nên tăng tải tọng đồn xe ảnh huởng tới cống Vì nâng cấp đường phải tăng cường cống + Xây dựng cống dễ nhanh kết cấu đơn giản, móng cống khơng u cầu móng sâu + Bảo dưỡng cống đơn giản chi phí bảo dưỡng nhỏ 4.1.2 Phân loại cống Có thể phân loại cống theo vật liệu xây dựng, theo hình dạng mặt cắt ngang cống, theo chế độ dòng chảy nước cống, theo số lỗ cống + Theo vật liệu xây dựng phân loại cống cống gạch, cống đá, cống bê tông cốt thép, cống gỗ, cống kim loại cống bê tơng cốt thép dùng rộng rãi ưu điểm bền, dễ giới hoá xây dựng, thi cơng nhanh + Theo hình dạng mặt cắt ngang có loại : Cống hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác, hình trịn + Theo chế độ nước chảy cống có loại: Cống chảy không áp lực, chảy bán áp lực chảy có áp lực Trong điều kiện bình thường nên áp dụng chế độ chảy không áp hay bán áp lực + Theo số lỗ cống có loại: Cống đơn, cống đôi, cống ba 4.1.3 Các phận cống: Các phận cống gồm: Đầu cống; thân cống, móng cống + Đầu cống có tác dụng điều tiết dịng nước chảy vào khỏi cống; giữ ổn định cho mái dốc đắp hai đầu cống; giữ ổn định cho cống không bị dịch chuyển theo chiều dọc cống Dạng dầu cống, đặc biệt đầu cống thượng lưu, có nhiều loại khác nhau; phổ biến có biểu: Kiểu hành lang, kiểu tường cánh chéo, kiểu có 1/4 nón; kiểu tường đầu; kiểu cố áo; kiểu bình loa ( xem hình 4-1 ) 109 Hình 4.1 + Thân cống phận chủ yếu cống cho nước thoát qua đường chịu toàn tải trọng đất xung quanh đoàn xe tác dụng lên Để tránh cho cống khỏi bị phá hoại nứt, vỡ hay đứt uốn dóc, hay lực cắt người ta cắt rời thân cống đoạn dài 3-5 m khe phòng lún Các khe phòng lún cắt đứt phần móng cống Để chống thấm người ta dùng dây đay tẩm bi tum, matik bitum để nhét đầy kín vào khe phịng lún + Móng cống có tác dụng truyền phân chia áp lực tải trọng tác dụng xuống đất giữ ổn định cho cống theo phương thẳng đứng Móng thân cống thường làm khối đá xây, bê tông hay bê tơng cốt thép kiểu lắp ghép 4.2 Tính tốn cống Để có sở vững cho tính toán, trước hết ta phải tiến hành điều tra, đo đạc thu thập tài liệu cần thiết sau đây: + Bản tính lưu động : Đây tài liệu để tính tốn xác định độ cống Tần số lặp lưu lượng tính tốn tốn thiết kế cống 1% đường ô tô cấp I đường sắt cấp I, II; 2% đường ô tô cấp II, III đường sắt cấp III; 3% đường ô tô cấp IV, V + Bình đồ khu vực đặt cống + Cấp hạng kỹ thuật đường + Tình trạng hoạt động mức độ ổn định sông, suối, khả hướng di chuyển dòng chảy + Địa chất nơi xây dựng cống + Vật liệu xây dựng : Vị trí mỏ vật liệu, trữ lượng, cự ly, giá thành + Phương pháp thi cơng: Thủ cơng, giới kết hợp 4.2.2 Tính toán xác định độ cống: 4.2.2.1 Các chế độ chảy nước cống: chế độ + Cống làm việc chế độ chảy tự ( không áp lực ) chiều cao nước dâng trước cống H thấp chiều cao cống ht không cao 20% ( tức H  1,2 ht ) tồn chiều dài cống dịng chảy có bề mặt tự ( hình 4-2a ) + Chế độ bán áp( hay nửa áp ) xuất chiều cao nước dâng trước 110 cống H lớn chiều cao cống ht 20% đầu cống kiểu thông thường hay 40% đầu cống hình loa, nghĩa ta có H > ( 1,2  1,4 ) ht Phần vào cống làm việc với mặt cắt đầy, cịn tồn chiều Hình 4-2 dài cịn lại dịng chảy có bề mặt tự ( hình 4- 2b ) + Chế độ có áp xác lập nước dâng trước cống cao chiều cao cống 20% đầu cống thông thường hay 40% đầu cống hình loa Trên phần lớn chiều dài cống làm việc với mặt cắt đầy phần dịng chảy có bề mặt tự ( hình 4- 2c ) 4.2.2.2 Tínhtốn độ cống * Cống chảy tự ( tương tự đập tràn đỉnh rộng ) Khả thoát nước cống tính theo cơng thức sau: Q=  c vc    g (H  hc ) ( 4- ) Trong : c diện tích mặt cát ướt thu hẹp dịng chảy cống tính với chiều sâu thu hẹp hc  hệ số lưu tốc  = 0,85 tất loại đầu cống thơng thường, trừ loạihình loa H chiều sâu nước dâng trước cống tính tồn cơng thức : H = hc + vc với vc lưu tốc mặt cắt có chiều sâu hc g  Cơng thức ( 4-1 ) viết dạng đơn giản sau: Vì H = hc nên Q = 0,85 c.gh ( 4-2 ) * Cống chảy bán áp ( chảy nửa áp ): Tương tự chảy chắn Q=    g (H   ht ) ( 3- ) Trong : +  : Hệ số lưu tốc  = 0,95 với đầu cống hình loa + : Hệ số thu hẹp  = 0,6 cống chữ nhật  = 0,65 cống tròn + H: Chiều sâu nước dâng trước cống + : Diện tích mặt cắt cống + ht: Chiều cao lịng cống * Cống chảy có áp ( tương tự chảy qua vòi ) ( 4- ) A =  g (H   ht ) Các ký hiệu giống phần * Chú ý :+ Đối với chế độ chảy khác dòng chảy qua cống thường người ta lập bảng tính sẵn khả nước cho cống định hình Các bảng cho phần phụ lục 111 + Chiều cao đắp cống tối thiểu 0,5m đường ô tô 1m đường sắt + Nền đắp phải cao mực nước dâng trước cống tối thiểu 0,5m chế độ chảy tự do, m với chế độ chảy bán áp có áp + Lưu tốc chảy cống không nên 6m/s Vì lưu tốc dịng chảy sau khỏi cống lớn gấp 1,4  1,5 lần lưu tốc cống * Ví dụ : Hãy chọn phương án độ cống tròn, đầu cống kiểu tường cánh chéo để thoát qua lưu lượng nước Q = 9m3/s , chế độ chảy tự Giải : Để giải tốn ta dùng bảng tính sẵn phụ lục Các phương án có cho bảng tính sau: Phương án Khẩu độ Số lỗ cống Lưu lượng qua Chế độ chảy cống (m) lỗ ( m3/s ) 1,5 1,5 1,25 1,25 1,25 1,0 1,0 3 4 4,5 3,0 4,5 3,0 4,25 3,0 2,25 Bán áp Không áp Bán áp Bán áp Không áp Bán áp Bán áp Nước dâng trước cống (m) Lưu tốc tỏng cống v ( m/s ) 2,01 1,47 3,24 1,89 1,33 3,16 2,07 3,9 3,1 5,8 3,8 3,0 6,0 4,5 Qua bảng ta thấy phương án tốt phương án có số lỗ cống Vậy chọn phương án 1,3,6 sau so sánh thêm vấn đề kinh tế để chọn phương án rẻ 4.2.3 Xác định chiều dài cống : ( xem hình 4- ) Hình 4-3 * Chiều dài cống tính theo cơng thức : 112 L1 = b  m( H  h1 )  c ( 4-5 )  m.i b  m( H  h21 )  c L2=  m.i ( 4- 6) Trong đó: +L1, L2 chiều dài thân cống thượng hạ lưu tính từ tim đường trở + b1, b2 nửa bề rộng đường phía thượng hạ lưu tính từ tim đường + m hệ số mái dốc mái dốc đắp + H chiều cao đắp tim đường tính từ lịng cống tới vai đường + i độ dốc lòng cống + h1, h2 chiều cao cống thường hạ lưu + c chiều dày tường đầu đầu cống Khi chiều cao đắp lớn ( H > 6m ) phải làm mái dốc có hai độ dốc m1, m2 ta tính cơng thức ( 4- 5) ( 4-6 ) thay b1 = b'1 ; b2 = b'2 m = m2 Trong : b'1 = b1 + m1 H1 ; b'2 = b2 + m1 H1 với H1 chiều cao đắp tối đa mà lớn phải thay độ dốc mái dốc ; m1 m1 hệ số mái dốc bên bên 4.2.4 Tính tốn xói lở hạ lưu gia cố lịng dẫn sau cơng trình 4.2.4.1 Ngun nhân xói lở lịng dẫn sau cơng trình Sự xói lở lịng dẫn sau cơng trình hai ngun nhân chủ yếu : + Lưu tốc dòng chảy chỗ ta khởi cơng trình lớn lưu tốc cống ( tới 1,4 - 1,5 lần ) trị số đạt tới 6m/s hay Trong lưu tốc cho phép khơng xói lở đất với đất lịng dẫn sau cơng trình nhỏ, tưf 0,7 - 1,0m/s + Dòng chảy sau khỏi cơng trình thường trạng thái chảy xiết có lưu tốc động lớn 4.2.4.2 Tính tốn xói lở gia cố hạ lưu cơng trình ( hình 4-4 ) Hình 4-4 Để ngăn ngừa xói lở lịng dẫn hạ lưu cần phải bảo vệ lịng dẫn đoạn dài Muốn phải chọn hìh thức kích thước gia cố mà định từ điều kiện khơng có xói lở cục bộ, cho phép xói lở an toàn đoạn gia cố thân cơng trình Tính tốn chiều sâu xói lở sau đoạn gia cố ( để định chiều sâu mái nghiêng bảo vệ ) trường hợp chảy tự đo dịng chảy sau cơng trình cho công thức sau : 113   2H b b  ,5 lg c ( 4-7 ) Trong : +  chiều sâu xói lở đoạn gia cố phẳng + H chiều sâu nước dâng trước cơng trình + lg.c chiều dài đoạn gia cố phẳng + b độ cơng trình * Chiều rộng đoạn gia cố thường - lần độ cơng trình * Hình thức gia cố thường lát đá khan, lát đá có trát vữa, lát bê tông đúc sẵn đổ bê tông liền khối + Mái nghiêng bảo vệ cuối đoạn gia cố đuợc đặt sâu hố xói 0,5m Tức : hm   + 0,5 ( 4- ) Với hm chiều sâu mái nghiêng bảo vệ Mái dốc đắp hạ lưu cống gia cố tới chiều cao tường đầu Phần thượng lưu cống gia cố với chiều dài 0,4 chiều dài gia cố hạ lưu CÂU HỎI - BÀI TẬP CHƯƠNG So sánh, phân tích đặc điểm chế độ chảy cống Khi tính độ cống cần thoả mãn điều kiện gì? Hãy nêu đặc điểm tính tốn cống Hãy xác định độ cống trịn bê tơng cốt thép Biết : - Nền đường rộng 7m; cao 9m; độ dốc ta luy 1/1,5; độ dốc mặt đát tự nhiên i0 = 0,021; lưu lượng thoát Q = 1,4 m3/s Sau chọn độ cống tính chiều dài cống Xác định độ cống tròn bê tông cốt thép chiều dài cống Biết : - Nền đường rộng 7m, cao 1,6m; độ dốc ta luy 1/1,5; độ dốc mặt đất tự nhiên i0 = 0,028 ; lưu lượng thoát Q = 4m3/ CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Thuỷ văn cơng trình ( Trường Đại học Thuỷ lợi - 1993 ) Giáo trình Thuỷ văn cầu đường ( Trường Đại học giao thơng - 1993 ) Quy trình 20- TCN- 220 -95 Quy trình 20- TCN- 27-84 114 115 116 ... để giáo trình hồn thiện TÁC GIẢ BÀI MỞ ĐẦU 1.Nội dung môn học: Thuỷ lực- thuỷ văn cơng trình mơn khoa học nghiên cứu quy luật cân bầng chuyển động chất lỏng,đặc biệt nước ,và ứng dụng quy luật vào... phương trình Béc-nu-li Khi sử dụng phương trình Béc-nu-li để giải toán thuỷ lực ta cần ý tới điều kiện sau: -Dòng chảy đoạn viết phương trình phải chảy ổn định - Tại mặt cắt chọn để viết phương trình. .. Hữu Ánh Giáo trình Thuỷ lựcTrường Trung học Thủy lợi Trung ương 1977 Ngày tháng năm 1999 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU BÀI MỞ ĐẦU Chương1 ÁP SUẤT THUỶ TĨNH 1.1 Áp lực thuỷ tĩnh-áp