TRAN DINH NGHIEN - BUI THI VINH - PHẠM VĂN VĨNH TR-N
TRUONG BAI HOC GIAO THONG VAN TAI-CO $62 -
THU VIEN 001430 - THUY LUC |
TẬP II: THUY LUC CONG TRINH
Trang 3LOI NOI DAU
Cuốn sách này duge bién soan lam gido trinh gidng dạy mơn học "thuỷ lục cơng trình" hay "Thuy luc phan II" ở trường Đại học Giao thơng uộn tải
Nội dung giáo trình tương úng uới dé cương mơn học dề giảng trên lĩp 30 tiét va 5 tiết bài tập lớn phục 0uụ cho sinh uiên ngành xây dụng cầu dường 0à là tài liệu tham: khảo cho sinh vién nganh kinh tế xây dụng 0à sinh 0iên cĩc ngành khác cĩ học thuỷ lực cơng
trình
Tập sách gồm cĩ 7 chương, trong mỗi chương cĩ các phục lục, câu hĩi va bai tap dé ung dung Do hạn chế uề số tiết dề cương nên các chương XII, XIII uà XIV chủ yếu dành cho sinh uiên than: hhảo uà nghiên cứu
Tham: gia biện soạn tập II này gồm cĩc tĩc giả :
TRAN DINH NGHIÊN Chương VIII, XI, XIV,
BÙI THỊ VINH Chương X, XI ; PHAM VAN VINH Chuong IX, XI
Chúng tơi xin chân thành cản: ơn các tác giả của các sách, bài báo dã dược sử dụng lam tu tiéu tham khảo cho giáo trùnh này
Do trình dộ uờ thời gian cĩ hạn nên trong tài liệu chắc chắn cịn cĩ thiếu sĩt Chúng tơi xin chân thành tiếp thu ý hiển xây dụng của bạn dọc
Hà Nội 6 - 1996
Các tác giả đồng chủ biên
TLuc G2
Trang 5
MUC LUC
Lời nĩi đầu
~ Chitong VII Nuée nhảy
8.1 - Khai niém chung va phan loại 1 nước nhảy
83- Lý luận về nước nhảy: hồn chỉnh -
8.3.- "Nước nhảy ngập
8.4 - Mot số cơng thức về nước nhảy Bài tập và câu hỏi lựa chọn
_ Chương IX Đập tràn Si
9.1 - Khái niệm, phân loại và ứng dụng tính tốn 92 - Thành lập, cơng thức tổng quát của đập tràn _ 93 - Dap tràn thành mỏng
9.4 - Đập tràn cĩ mặt cát thực dụng
9.5 - Đập trăn đỉnh tong -
9.6 - Sơ đồ phan loại và tính: thuỷ 1 lực các loại trần ˆ
Câu hỏi và bai tap `" “ '
` Chương X Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu cơng trình
10.1 - Khái niệm ‘chung va các dang néi tiếp SỐ "1 10.2 - Nối tiếp chảy đáy
10.8 - Nối tiếp chảy mặt
10.4 - Khái niệm chung về tiêu năng ở hạ lưu cơng trỉnh ` x" 10.5 - Tính chiều sâu bể tiêu năng
10.6 - Tính chiều cao tường tiêu năng 10.7 - Tính tốn bể tiêu năng kết hợp 10.8 - Tính tốn chiều dài bể tiêu năng
Câu hỏi và bài tập
Bảng 10 - 1; 10 - 2
Chương XI Cơng trình nối tiếp 11.1 - Tính thuỷ lực bậc nước một cấp 11.2 - Tính bậc nước nhiều cấp 11.3 - Tính thuỷ lực dốc nước 11.4 - Tính thuỷ lực cống
Câu hỏi và bài tập
Trang 6
Chuong XII: Chuyén dong khơng ổn định trong lịng dẫn hở
12.1 - Khái niệm chung
12.2 - Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động khơng ổn định và cách giải 12.8 - Giải hệ phương trình cơ bản bằng phương pháp đường đặc trưng
12.4 - Tính dịng khơng ổn định bằng phương pháp trạng thái tức thời - 12.5 - Phương pháp số
12.6 - Tốc độ truyền sĩng Chương XIII: Thấm 18.1 - Định luật thấm Đácxi
18.2 - Thấm qua đập đất trên nền khơng thấm nước nằm ngang - 18.3 - Giải bài tốn về thấm dưới cơng trình bằng phương pháp lưới thấm
thuỷ động lực học Tin
Bảng 18-1 ; 13-2 -
Chương XIV: Cơ sở lý thuyết về mơ hÌnh các hiện tượng thuỷ lực
14,1 - Khái niệm chung
14.2 - Tương tự cơ học và định luật tương tự Niutơn 14.3 - Các tiêu chuẩn tương tự
14.4 - Mơ hình biến dạng
14.5 - Phương pháp phân tích thứ nguyên - Định luật Pj (Lý thuyết Buckingham) Phương pháp ma trận
Câu hỏi
Tai liệu tham khảo |
Trang 7Chương VINH
NƯỚC NHAY
8.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI NƯỚC NHẢY 8.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG :
Nước nhảy là một hiện tượng thuỷ lực thú vị đã cuốn hút sự say mê nghiên cứu của nhiều người ở nhiều lĩnh vực khác nhau như : (a) Hố học, (Œb) Khử mặn của nước biển, (c) Làm sạch nước thải (d) Cơng trỉnh thuỷ lực Hiện tượng này trước hết đã được
Lêơnađơvanhxi mơ tả và Bidone (1918) nghiên cứu bằng thí nghiệm, song nĩ cũng chỉ được
phát triển đầy đủ trong lĩnh vực thuỷ lực cơng trình với các tác giả như : Bakhơmechep B.A (1912), (1934), Bradley J.N (1957) Argyropoulous P.A (1957), (1961) Gritxuk A.B ‘leutheusser H.J (1972) Milovich A.IA.Nhen Kơ IA.T ; Makaveev V.M (1940) Pikalov LI Silvester R , (1964) ; Rajratnam N (1967), (1968) Hondoson F.M (1966) Nudc nhay trước hết được coi như hình thức tiêu hao năng lượng thừa của dịng chảy ở chân cơng trình thuỷ lực như : Đập tràn, cửa cánh cống Nghiên cứu về chuyển động khơng đều trong lịng dẫn hở chỉ ra : Sự chuyển từ dịng chảy xiết sang chảy êm (qua độ sâu phân giới), quá độ bằng nước nhảy, một hiện tượng thường gặp là dịng chảy bị mất liên tục trong khoảng ngắn với khu nước xốy trên mặt hàm số h = h(l) khi h-vh,- thi dh/ dl +ee.-Dong chảy xiết nhảy để gặp và trở thành dịng chảy êm Quá trình này làm mất năng lượng dịng chảy xiết ở dạng xốy lớn trên mặt, ngược chiều dịng chảy trong một khoảng ngắn Hình 8.1là một trong những sơ đồ nước nhảy trong kênh cĩ ¡ = 0
Từ mặt cất (1) dịng chảy xiết cĩ độ sâu h, thay đổi đột ngột về độ sâu vượt qua h,, hình thành khu dịng chính (nĩi chung là ổn định) ở sát đáy, khu nước xốy ngược chiều dịng chảy (luơn cuốn theo khơng
khí ở trên mặt và kết thúc ở mặt
cắt (2) cĩ độ sâu (h, > h,) cia Bnanglieng 2
=— + -V,
TY Ln~- ——>M- 28
dịng chảy êm Nước nhảy vượt TT
được độ cao từ h, đến h, gọi là “~*~ _ ¥- -}
chiêu cao nước nhảy Tt
a=h, - h, 2 h2 v„ >
Cịn đoạn dai tu mat cat (1) “——2 n4ÌÁA at
TV
đến mặt cất (2) gọi là chiều dài — TSKTRIEVVSSYNSSSSRLIL
nước nhảy - Ìn @ Bay ham ngan®
Do cĩ trao đổi rối mãnh liệt
và ứng guất tiếp rối khá lớn giữa Ộ
` £ ` “ < Hình 6-1:
khu dịng chính và khu nước xốy
TLuc 7
Trang 8
trên mặt xung quanh mặt trung bình thời gian phân chia giữa khu dịng chính và khu xốy (ABC) nên đã tạo ra tổn thất năng lượng đánh kể giữa mặt cắt (1) và mặt cắt (2) bản chất của tổn thất năng lượng khá lớn này khơng dễ dàng xác định, khơng thể áp dụng phương trình năng lượng cho (1) và (2) mà phải tìm đến phương trình động lượng với những giả thiết của nớ để tìm quan hệ giữa các độ sâu trong nước nhảy
8.1.2 PHÂN LOẠI NƯỚC NHẦY
tết quả nghiên cứu sâu rộng của Bradley và Peterka (1957) về nước nhảy trong kênh chữ nhật nằm ngang chỉ ra năm loại nước nhảy phụ thuộc vào trị số £, của dịng chảy xiết :
— _ mm
VFr, = v,⁄v gh,
a) Nước nhảy sĩng khi : 1,0 < về T r,,< l,7 trên mặt nức xuất hiện sĩng ngắn với biên độ khá bé, tỷ số h,⁄h, khá bé và E, /E, = 0 (thực tế bằng khơng) {h 8.2.a)
Vv# — ˆ cĩ ‡ OOP TAT FAAS
4)
Tua olao tong
xoay _ =
> —
Hình 8.9 (a, b,e, d, e):
b) Nước nhảy yếu (h8 - 2, b) khi 17 < vFr, < 25 Tại vfr, ~ 1,7 mat
nước cuộn lại tạo ra xốy nhỏ, tăng dần cường độ tới tới vÏr, => 2,5 tốc độ trung bình
cĩ thay đổi khơng đáng kể, tiêu hao năng lượng khá bé
E/E, ~ 5% tai VFr, = 1,7 va = 18 % tai VF, = 2,B Mặt nước phẳng lặng sau nước nhảy
c) Nước nhảy dao động khi: 2,5 < V¥Fr, 4õ (h.8.2.c) Dạng này đặc trưng bởi sự mất ổn định của dịng xiết trong nước nhảy, (cĩ tia) dao động rời rạc từ đáy lên mặt và
Trang 9ngược lại, dao động này tạo ra sống mặt cĩ biên độ đáng kể truyền xuơi dịng chảy Dạng nhảy này khơng cĩ vị trí ổn định mà dịch chuyển xuơi, hoặc ngược dịng chảy
Tiêu hao năng lugng dang ké voi E/E, = 45% tai VFr, = 4,5
d) Nước nhảy ổn định : 45 < VFr, < 9,0 (th 8:2-d); ở đây xốy và nước nhảy đã phát triển đầy đủ tạo ra tổn thất năng lượng đáng kể với H/E, thay đổi từ 45% đến 70%, vị trí của nước nhảy hầu như khơng phụ thuộc vào dao động khơng lớn của mực nước sau nước nhảy
e) Nước nhảy mạnh khi vŸrn, > 9,0 > 0.0 (h.8.2.e)
Mặt nước nhấp nhơ, khơng đêu đặc, dịng chảy quộc lại với tốc độ lớn, cuốn theo khơng khí vào xốy, chảy xuơi dịng, mặt nước sau nước nhảy tiếp tục nhấp nhơ, khơng đều đặn trên đoạn dài đáng kể của dịng chảy êm, tỷ số h,/ h, lớn và bị / EB, > 70%
Ngồi ra, tuỳ thuộc vào quan hệ h./ h, và điêu kiện của dịng chảy xiết và dịng chảy êm, nước nhảy cịn được chia thành :
- Nước nhảy sĩng : hj/h , < 2 (h.8.2.a)
- Nước chảy hồn chỉnh h„/hị = 2 (h.8-1)
- Nước nhảy phẳng, nước nhảy khơng gian - Nước nhảy dâng, nước nhảy mặt (h.8-3a, b)
Trang 10dạng đường mặt nước của dịng chảy đổi dần (D.Đ.D) F
8.2 - LÝ LUẬN VỀ NƯỚC NHẢY HỒN CHỈNH 8.2.1 PHUONG TRINH CO BAN
đ) Phương trình tổng quát cho kênh lăng trụ
Hình (8-4a) chỉ ra sơ đồ tổng quát cho kênh lăng trụ nghiêng gĩc 6 mặt cát bắt đầu (1) và kết thúc nước nhây (2), thể tích kiểm tra giới hạn bởi đường gạch nối, dịng chảy coi như ổn định Nước nhảy mở rộng cả độ sâu và bề rộng
Hình 8-4a
Viết phương trình động lượng theo phương dịng chảy đối với thể tích kiểm tra cĩ :
ms
P,- P, - Fy + Wsin @ = M,- M, (8-1)
Trong đĩ:
P¡ và P; - Lần lượt là áp lực thuỷ động tác động lên mat kiểm tra ở (1) và (2) - Pị =yy,ø;cos6; P; =7 Y2 02 COS 8
y¡ và y¿ - Lần lượt là độ ngập sâu của trọng tâm mặt cắt (1) và (2) (Nếu Ø nhỏ
thì
:P~yy0)
Fny - Lực kháng bề mặt thành kênh (bề mat kiểm tra)
Wsin 9 - Thành phần trọng lượng nước trong thể tích kiểm tra dọc phương chảy
M„, M; - Lần lượt là động lượng của dịng chảy ra và vào thể tích kiểm tra qua
(1) và (2) ; :
My = a pPQvz,, M; = a, pQv,
Nước nhảy là hiện tượng dịng chảy thay đổi gấp và chiều dài nước nhảy nhỏ so với m„ thường được bỏ qua vì nớ là thứ yếu, khi Ø nhỏ thì (Wsin Ø0 - F ye) cĩ thể coi là rất nhỏ và bỏ qua
Đối với kênh nằm ngang, Ø = 0 nén sind = 0 b) Phương trình cơ bản (nước nhảy khi cĩ độ đốc đáy 9 = ())
Bỏ qua lực ma sát F„ và thay điều kiện @ = 0 (Sin 9 = 0) vào phương trình (8-1); sắp xếp lại ta cĩ :
Trang 112 - 2 & Q a Q
y, @, + 1? = Y¿ 02 + 2 gw, (8-2) |
B)
(8-2) là phương trình cơ bản của nước nhảy hồn chỉnh trong kênh lăng trụ Chú ý : đại = Gq = 1,087 = a = 1,1 nên từ nay cho đồng nhất a o =e
Từng vế của (8-2) được gọi là hàm số nước nhảy và được viết lại :'
2
(8-3)
|
|
8.2.2 HAM SO NUOC NHAY (H.8-4b) |
|
6(h) = yw + gw
Trong đĩ :
số hạng thứ nhất và số hạng thứ hai đều là bàm của độ sâu (h) Khi h |
h > 0 thi 6(h) > © va khi h + o& thi cũng cĩ 6(h) > ©, vậy khi h thay đổi |
từ 0 đến œ thi Bn cĩ một giá trị nhỏ nhất — 6 Trisd h tng vdi 6, duge rit ra tir :
+ d6(h)/dh và
Diéu kién : mu en + d?6(h)/dh? > 0
doth) od + œQ , _ do) aQ?B
dh dh (vo zw) ` đh go?
ˆ d (y w) " at 7 “aw ` > “A x > : = “ 4, " “we
Xác định ah Trước hết tìm số gia A của mơ men tỉnh cia mat cat udt w đối với tru O° - Ơ' trùng với mặt tự do (h.8-4b)
Ah B 2 A(yw) = jot + Ah) + BAh = - yw = Ah.w + 5 (Ah)
d A B
Do do: oe = lim we = lim | + 2 Ah| = w
Ah>0 Ah>0
" dw dø(h) aQ2B
Biết: zr = B Vay: -—7~ = ow - dh dh gw? (8-4) NI
: dØ(h) Si s _
Cho an = 0 và giải (8-4) ta được: |
2B
1 - = = 0 ro (8-5)
cho @.,;, cling chinh la h, Hay co thé noi tri sé h, dong thời làm cho 2mịn VÀ Ổn
Phương trình này giống hệt phương trình tìm h, từ điều kiện 3, do do tri sé h lam |
Trang 12
8.2.3 XAC DINH DO SAU LIEN HOP TRONG KENH LANG TRU
a) Mặt cắt bất ky
Trong phương trình (8-2), vế trái thể hiện quan hệ đối với h, - độ sâu.trước nước nhảy ở mặt cắt (1); vế phải thể hiện quan hệ đối với h, - độ sâu nước ‘nhay ở mặt cắt (2); h, và h„ được gọi là độ sâu liên hợp trong nước nhảy, “đĩ là những trị số độ sâu làm cho hàm ath) cĩ giá trị khơng đổi ,
Từ (8-2) dễ dàng tìm được h khi biết h, và ngược lại đối với một lưu lượng xác định chảy trong kênh lăng trụ đã cho bằng cách tính đúng dần hay sử dụng đồ thị của hàm UŸh) Để ý đến (8-3) phương trình (8-2) được viết : 6 (h) = 6( h,) Rõ ràng nếu biết h là ø6(h,) đã xác định Cho các trị số h, tính 6(h,) ở vế phải, trị số nào của h, làm cho vế phải bang vé trai do la h, (biét h, tim h, cũng tương tự), hoặc xây dựng đồ thị của ham 6(h) rồi từ h, suy ra h, và ngược lại Ngồi ra cĩ thể tim h, va h, bằng cách thử dần theo quan hệ rú ra từ (8-6) : : co Tu (8-2) cd-: aQ@ (1 “1 ¥2%2 — i0) = g @, ¥2%2 _ 928 (42 — 4%
yy” yi%1 ~ I= oo, & [%, — 2
œ Q
Biết: Fr, = 3 VẬY: gw) "
W Y ¡ w,/B 1 @\ 3.6) — — wy y) = Fr 1 y, 1- — Ø2 ì (8-6)
Thay các biểu thức đối với œ, B và y vào (8-6) sẽ cho phương trình thể hiện tỷ số độ
sâu liên hợp với Fr, và các thơng số hình học khác của kênh Đối với kênh hình thang tìm
độ sâu liên hợp bằng biểu đồ hình 8.10
Biểu thức tốn đối với kênh dạng số mũ
Biét w = k jh* trong do k, va ala hang s6 (gid tria = 1,0; 1,5 ; 2,0 ; thể hiện kênh chữ nhật, parabol, tam giác)
Chiều rộng đường mặt nước :
Trang 13Với b là chiều rộng mặt nước cĩ độ sâu là z Sau khi giản ước được : y = h/(a+ ])
Dua B, w/ B va y vao (8-6) taco:
h Bt ee (| MS Dị nm oh | !|h/œA+ D hâ at+l a - hy a + 1 hy Hoặc: — - || = Fr, 1 - hồ 1 gì
Rõ ràng quan hệ h;/h, được đánh giá thơng qua Fr, va a Theo Kiselev, P.G (1978) khi cớ tính tới Fis thi:
h, 1 ¬ = 5 (YA? + 8Frn - A) (8-106) hị 2 \ Fr, - Trong đĩ: A= 1 + “g 4- k 4 - Hệ số sức cản dọc đường I n k= ——————- = (4— 5) theo thí nghiệm : (hạ — h,) )
Hinh (8-5) chi ra quan hệ h./ h, và Pr, 1- Tính theo cơng thức của P.G Kiseelev
2- Tính theo cơng thức của A.N.Sirnov hạ
th) ath) Y Hinh 8-46 b) Mặt cắt hình chữ nhật :
Xét kênh chữ nhật nằm ngang với Phi 0, cĩ chiều rộng b = 1 đơn vị, phương trình (8-2) được viết và sắp xếp lại
_s yhịT s7h;= œ;2qV;— đạ¡Ø Vị (8-8)
Lấy œ«ạ› = đại = l và q = vịhị¡ ='v.ha¿ ta cĩ :
13
Trang 14# > vại 9g2 (1 1) bỏ ˆ hi a: i ˆ b; 2q“ 3 / Hoặc hịh; (hị + h;) = = 2h, (8-9) - hoặc ở dạng khơng thứ nguyên :
h 2 h 2 2q 2 oe
— (1 + —) = —> = 2Fr 3 1 : (8-9a)
hy hy gh)
Giải (8-9) cĩ được quan hé theo Fr, hy 1 ———
h, = 5 (Vĩ + 8n ]) (8-10) Phuong trinh (8-10) dat quan hé (h,/ h,) véi Fr, trong kénh chit nhat cd i = 0 F 4s = 9 va con duge goi 1a phuong trinh dong lugng Belanger
1
| Đối với những giá trị Fr, lớn, chẳng hạn V Tr, > 8,0; phuong trinh (8-10) cho quan
om > “
*x LẠ1 vTr; (8-10a)
1 : -
để đánh giá nhanh quan hệ độ sâu liên hợp Ngồi ra (8-10) cũng thể hiện qua Fr, (thơng số động hoc dong cháy êm sau nước nhảy) :
on 2 ^
2 - WTF SFR = 1) - (10)
+41 = `
8.2.4 TỒN THẤT NĂNG LƯỢNG TRONG NƯỚC NHẢY E,,
Viết phương trình năng lượng cho mặt cắt (1) và (2) đối với đáy bằng (i = 0)
B= By ~ Bp= (hy + Sos) = (hy + 4
- -3ghị ` — 2gh:
¬¬ .— ROE a ela a
q2 )
Thay g từ (8-9) vào và giản ước sẽ cho :,
= tr = at lệ bậc 3 với độ % chảy (8-12
E th, h, th, h, tỷ lệ bậc 3 với độ cao nước chảy 12)
(h,/h, ~ 1)° -
Hoặc E,/h, = 4 (hy/b,) (8-13) Tổn thất nàng lượng tương đối :
Trang 15B/E, = ih / (B,/7h,) ] Fr, Biét : hạ + l + > (hy/h, — 1) Nén: B/E, = TY 4(h/h,) {1 + TT
Thay h/h¡ từ (8-10) vào và giản ước sẽ được :
(VT+T SFr - 3} /E, = —t - EVE, = s2 + Fr)@W 1+ 8m — Ụ (8-14)
(H.8.6a) chỉ ra tổn thất năng lượng trong nước nhảy, tại VFr, = 5 xdp xi 50% con
taiV Fr, = 20 xấp xỉ 86% 160 ¢ TT : TT 7 t ; 7 7 fot + = `” L iy 8 4o - ro | Kênh chủ nhất - CO L>©Ĩ VFr- o A 1 1 \ L 1 + , 1 ` 2 4 6 & 10 là lộ 20 Hình 8-6 a
Trong nước nhảy cĩ trao đổi tối mãnh liệt, cĩ trao đổi giữa các lớp chất lỏng với cường độ vượt xa trao đổi rối trước và sau nước nhảy làm thâm nhập các xốy nước ở dạng các khối chất lỏng rời rạc vào khu dịng chính và hồ nhập vào chuyển động rối Dịng chính phải tiêu hao nãng lượng để duy trì khu nước xốy ngược và hồ tan xốy vào dịng chảy Nước nhảy cố mạch động lớn về tốc độ và áp suất, khơng kết thúc ở mặt cất (2) mà tắt dan trên đoạn dài sau nước nhảy để trở về trạng thái chảy rối bình thường của dịng êm Do vậy tổn thất năng lượng do nước nhảy gồm 2 phần : a - Tổn thất trong nước nhày và b - Tổn thất sau nước nhảy :
e 2
U5
Đụ = E, — (œ - 1) ?g (8-15)
Trong đĩ
(z” — 1) 2g - Là tổn thất sau nước nhảy, V; là tốc độ ở mặt cát hạ lưu đoạn sau nước nhảy, theo Voinich - sanogientski vA lomtatidz
Trang 164 0 7 0,4 ty Oh EE ' os ˆ O2 A ` — os 07 0.3 ` WY 96 0.4 = OS 05 \ t ~ 0.4 0,6 uy iN a 03 Q 7 ^ 02 0.8 0 SG, “1 ; ly 0 ty) 2 3 4 £ - 6 7 8 121 6 20 Hình 8-6b: hy thi a“ = (1,70 — 0,7) |0.85 at 0,25 (8-16) ; !
Theo Gaziev E.G a = ai? — 0,835 (7 - 1) (8-17)
Với : i
7 ơ - Hệ số ngập cĩ thể lấy bằng h,/h ; khi khơng ngập thì ø = 1: z, - Hệ số sửa chữa động năng ở mặt cắt, (1)
- Tỷ số h./ hy
Hình (8-6b) chỉ ra a) những đặc trưng khơng thứ nguyên : - Nang lượng tương đối trong nước nhay E/ E,
- Hệ số tổn thất năng lượng A= Ez
1
- Chiều cao tương đối của n ĩc n ay: BE, 5, — E, Những đặc trưng này là hàm của v Fr,
b) Những kết luận :
- Tỷ số a/E¡ đạt max bang 0,507 tai v Fr, = 2,77
- Tỷ số độ sâu liên hợp (hz/ h,) = 0,8 ko sử
Khi h,/E, = 0,4 tai Vv Fr, = 1,73
16
Trang 17
- Chuyển tiếp từ nước nhảy sĩng sang nước nhảy hồn chỉnh tại (gần) nơi
VFr, = 1,73
- Tất cả các đặc trưng thay đổi khi v Fr, tăng
8.2.5 CHIEU DAI NUOC NHAY L, VA DOAN SAU NUOC NHAY
Đây là thơng số quan trọng ảnh hưởng tới kích thước bể tiêu năng cố sử dụng nước nhảy Chiều dài nước nháy là khoảng cách theo phương nằm ngang từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt cố độ sâu bỉnh thường sau khi đạt giá trị.lớn nhất ở sau nước nhảy (h 8-1) Do dạng đường mặt nước khá phẳng khi tiến gần đến cuối nước nhảy nên khơng khỏi cố nhầm lẫn khi xác định L, Thi nghiém chi ra L/h, = f (Vv Fr,) được thể hiện ở (h.8.7.a) theo số liệu cua Bradley va Peterka Theo (h 8.7) hiển nhiên L/h, € V Fr, đối với những trị số nhỏ, cịn với trị số lớn (vVFr, > 5,0) thi quan hệ L/h, la hằng số tại trị số 6, 1 Từ số liệu trên Elevatorski rút ra
L, = 6,9 (hy - h,) = 6,9a
Ngồi ra một số cơng thức thực nghiệm khác thường hay sử dụng (h.8-7b) đối với dạng mặt cắt hình chữ nhật Pavlovski, N.4 L, = 2,5 (1,9h; - hị) (8-20) Safranets, "Lạ=45h, (8-21) h, h,\? Shaumian, V.A L = 36h, }1 - — 1+ — (8-22) " ‘ hy hy Chertousov, M.D L,=m.a (8-23) Với m=4-6 (8-28a) hoac L, = 5h, hoac L, = 10,3h, (Vv Fr, - 1°"! n (8-23b) Voinich - Sianojentski T.G
- Đối với nhảy tại chỗ và nhảy xa :
L n tt 2,3 (1,67 + 22) lga* (8-24)
hoặc L = (227 + 225) lgp n (8-25)
- Đối với nhảy ngập
TRƯỜNG ĐẠI HỌG
L,.ng = (20, - 1) L, GIÁO THƠNG VẬN TẢÍ# sở ¿ ¿
Chiều dài đoạn sau nước nhảy cĩ thể tính tho cơng thức THU V TÊN
TLuc 17
Trang 18Voinich - Sianojentski T.G } ' _ _ h Lo, = líx ơ 4x Br 8 x iy! - 1 k} (8-27) 0,4 Vyzgo, M.S: Loy = hy (8-28) Với :
hà - Độ sâu địng chảy đều n - Hệ số nhám Chertousov, M.Đ L,, = (2,5 - 3).L, (8-29) x rr ì ib | + 4 || gaa N U + ~ l giỏ "A ° %$- : — sag | Ä ° ok In | ow + g ý +30
x vớ Tol Ly Sl eas [ee
2 + ^ le |_ bo 1 inte |” tỆ eee, ` Th SITš |9 la $ —" —I:|ZÄ | mác |e sc’ € > La a fot ` ¬- {0s ° rẻ ø J, ? Lá “ ư a — — — —|+ F——— og WY "5 oa) J s o +] ® 2 — N | a ° ĩ | poo dt +o Hinh 8-7: a, b lơ họ, dị BS Fy oy N98 h, ` o sly wy T A ~“ -
& - I Pavlov kién nghi L_/h, € sn 2 |— và hình thức gia cố| theo bang : hy
hạ⁄hK 150 2.0 3,0 4,0 5,0
Lns⁄ha 23,0 18,5 13,5 11,0 8,2 | (tấm phẳng)
| 13,5 11,8 9,5 8,0 6,8 | (tai cd gd)
Mạch đơng lớn về tốc độ và áp suất khơng tắt ngay ở mặt cắt viết phương trình động lượng, mà tắt dần trên một đoạn đài để trở lại trị số mạch động của dịng chảy rối bình
thường Vậy đoan sau nước nhảy là đoạn cĩ mạch động của nước nhảy tát dần Chiều dài
đoạn này cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc định kích thước cơng trình tiêu năng và gia cố hạ lưu cơng trình (h 8-8) Trong tính tốn đã nêu luơn coi hy =
18 ¬"
Trang 19x hy ` KS n
đAøna tác đ¿ = khơnh Phưển kh tá đc
Hình 8-8: Sơ đồ nước nhảy va doan sau nude nhay
Trị số của hệ số sửa chữa động năng ø trong nước nhảy và đoạn sau nước nhây khơng
phải là hằng số, mà là đại lượng thay đổi, dạt giá trị lớn nhất tại mặt cắt (2”), sau đĩ giảm
nhanh tới trạng thái bình thường trên đoạn L ; do vậy sự phân phối tốc độ khơng đều thơng qua œ và ø” là giá trị max Theo T.G.Voinich - Sianojentski va V.G Lomtatidz thi - a” tinh theo (8-16), theo Gaziev là (8-17), theo/Kumin va Chertousov thi a= a la hé sé đã kể tới mach dong: a, = 3,5 3V „ø⁄/(1 + ø — 8 vein = h,/h, Tri số a, giam
4
độ mạch động thể hiện bằng cột nước theo N.A.preobrajenski là :
1
nhanh trong đoạn ~ L „sau đĩ giảm từ từ Sự tắt dần mạch động áp suất thơng qua biên
2 34 avy hy ' Pp 2 2g x 20 Trong do : X - Là khoảng cách từ mặt cắt (1) đến mặt cắt đang xét
Đối với mặt cắt hình thang, chiều dài nước nhảy cĩ thể theo A.S Meierov:
0.81 m(h, — hị) 1 1+ 1/76 ————— X (8-31) 1 X¿¡ - Là chu vỉ ướt củ a mặt cắt 1 Đối với mặt cắt hình trịn Œ@G> — Ww 2 1 Lạ = 6 ——R— (theo V.S Kale)
Ngồi ra dạng đường mặt nước trong nước nhảy ; phân phối tốc độ, áp suất, nước nhảy đốc với các tính chất tươn gứng, nước nhảy khơng gian, vị trÍ nước nhay co thé doc Trần Đình Nghiên - Thuỷ lực cơng trình (tập ID từ trang 18 đến trang 34, trường Đại học Giao
thơng xuất bản 1992 ,
\
Trang 208.3 - NƯỚC NHẢY NGẬP "
8.3.1 PHUONG TRÌNH CĨ BẢN :
Nước nhảy ngập cĩ thể được xem như nước nhảy hồn chỉnh cĩ mặt cắt trước nước nhảy (m ec (1)) bị ngập dưới khu nước xốy ; chẳng hạn nước nhảy ngập được sinh ra do dịng chảy thốt ra dưới của cống phẳng (h 8-9) Gọi h_ là độ sâu co hẹp của dịng chảy ra khỏi cửa cống và là độ sâu trước nước nhảy hồn chỉnh - h ph y là độ sâu ở mặt cắt (1) đã bi ngap ; h, = h,, là độ sâu sau nước nhảy ngập
awe ng hang + E———Ï — lAn @ v2 4 — — ——~ —_ Tey ){4^ NT / Ạ / Eo Lali de TẾ Ye ⁄ “h h, kì _— q ao y , a| NA z2 >>> TH EF FOF IFO TẾ
Hình 8-9: Nước nhảy ngộp sau cứnh cống
Rid iggy = 0; F,, = 0 va chiéu rong dong chay b = 1 với hy 6 mat cat (1) va h, ở mặt cắt (2) thì phương trình (8-2) được viết và sắp xếp lại :
2 2
1 2 1 2 M đụ; q y 41d
+ ay ~ sya 2 27T = oh _ 2 ge h, (8-32a)
Lay a, = & = 1 thi (8.32a) dude viét lai la :
1 (y2 hệ hệ } I 8-32b
2 (8M) = OB Rm a (8-38
2 hy, v `
Chia cả hai vé (8.32.b) cho h? va dat S = Lh? K = h đồng thời nhớ rang
C, € ,
h,)°
Z| ° = Fe thì (8-82b) được sắp xếp lại là :
K? = S*- = S- 2tr (1— g) 9Fr (1 i (8-33) ”
Trang 21Cơng thức (8 - 33) được đơng đảo các nhà nghiên cứu thuỷ lực thừa nhận, nếu dat K = 1, tức là hy = h, thi (8 - 33) tré thanh (8 - 10), hoặc cĩ thể nới (8-10) là trường hợp riêng của (8-33)
h I
Hệ số ngập xác định bởi ơ, = hy, ;h,, 1a dO sau liên hợp với h, trong nước nhảy tự do
€
Thật vậy khi k = 1 thì từ (8-33) rút ra
¬ S-1
So = 2Fr, S — l= 0
hoặc : ($ — 1) [ss + t- 2Fr,] = 0 lam cho [ss + 1- 2n | = 0
tức là : S(S +1) =2Fr, (8-33b)
Đây chính là biểu thức (8-9a) đã biết
8.3.2 CHIEU DAI NUOC CHAY NGAP L n.ng
Ngồi (8-26) một số cơng thức khác được nêu ra :
Govinda Rao (1963) : L„„„ = 6.1 + 4.96 ; với
hy — hy, S = a là yếu tố ngập (8-34a) 2c 3.31 Stepanov (1959): L„= |———— —gạ—|x hy (8-34b) (hy, ~ hy) 1 hy Fr, +11⁄3 as Q“ Q
Với: h, = ¬ ; Fr, = Taw ay ppp Auge (8-34b)
Rajaratnam (1967) xác nhận thoa man khiS < 2 va 1 < Fr, < 8 A.N.Rakhmanov (1956) :
lI
Khi: S < 12,5 thi Line [6.5 (S - 1,3)| hà (8-34e) Khi: - S > 12,5 thi L = [3.5 (S + 8,3)| hà (8-34d)
8.3.3 TON THAT NANG LUONG TRONG NUOC NHAY NGAP
Tương tự như nước nhảy khơng ngập trong kênh mặt cắt chữ nhật, ở đây phương trình năng lượng được viết đối với hai mặt cắt (L) và (2)
ve V5 1 q? (1 1
E, = +z] - n+ Z]-a- mse he he
Trang 22hoặc ở dạng khơng thức nguyên với ký hiệu đã nêu là :
bị Fr, : 1 S 8.35 :
ho 62 [tg 7 eT € G88)
Khi K = 1 tức là hy = h, thì (8.35a) được viết ở dạng
RE Fr, 1
ae Ít 3) > (8 — 1)
1
Thay Fr = 3 S(S + 1) vào biểu thức trên và rút gon sé cho:
= 5 (8-35b)
|
Day chinh 1a biéu thtic (8-13) da biét voi h, lah, va h, 1a h, ; cĩ thể nĩi tổn thất năng
lượng trong nước nhảy tự do phẳng là trường hợp riêng của nước nhảy ngập phẳng
8.4 - MOT SO CONG THUC VỀ NƯỚC NHẢY
: Dé sinh viên cĩ thé áp dụng trực tiếp cơng thức khơng qua dẫn giải khi học chương "cơng trình nối tiếp" của các cơng trình thốt nước nhỏ trên đường, một số trường hợp về nước nhảy được nêu ra :
1/ Đối với nước nhảy dốc trong kênh chữ nhật
Y
- Độ sâu sau nước nhảy (theo phương vuơng gĩc với đáy) h £(); Trong đĩ 6 là gĩc nghiêng so với phương ngang của đáy Khi tang @ = 0 thi y/h„ = 1; Yo! h, tang khi tang@ tang va lay gid tri 1,4 va 2,8 khi tan @ = 0,1 va 0,3
- Chiều đài nước nhảy theo phương ngang khi 4ð < v Fr, < 13,0 tính theo cơng thức
Lig’ ¥p = 61 + 40 tang (8-36a)
my (v2 - y) voi my = £6) (8-36b)
li
hoặc Lad
khi tang 6 = 0 thi m, = 6,9 và giảm tới 2,8 khi tang 0 = 0.28 2! Nước nhảy khi day đột ngột hạ thấp dộ cao Ah
- Nước nhảy trên mũi bậc (đáy thượng lưu) :
{(ho/hy) — (A h/h,)}? - 1
Fr, = _- 5 2(1 = hy/hy) — (8-37)
- Nước nhảy tại sân bậc (đáy hạ lưu)
Trang 23(ho/hy)? = (1 + +) 2(1 — h,/h,)
Fr, = (8-87b)
3í Nước nhảy khi dáy đột ngột nâng cao Aùh
Trường hợp này cĩ thể xác định Ah theo biểu đồ của Foster và Skrinde phụ thuộc quan hệ giữa: v Fr, ~ h,⁄h, ~ Ah⁄h,) khi
(V Fr, = 1+ 11); (h⁄h,= 1+ 9); (Ah/h, = 1/2; 1; 2; 3; 4.) sẽ được nêu trong chương "cơng trình nối tiếp" rút ra từ phương trình
h.ì\ 2 h 1 Ah {Ah —— — — h = 1+ 2Fr, (1 — — h) + —— |—— _ lh, vT+ + ðFr, + 1| (8-38) - “ é 4/ Kénh cha nhat mo réng dét ngét tu b ra B Co thé sử dụng cơng thức: hạ /hạ = 38 (8-39 Trong đĩ :
hạạ - Là độ sâu liên hợp với h¡ khi cĩ chiều rộng b;/ =b/B
Đối với trường hợp nhảy ngập thỉ h, > h, và tìm h_ theo (8-40):
—
(1 Pụ
h,/hy, = 1 — 2Fr, l; h, — 7 (8-40)
5 3 2t ( 1
hoặc cơng thức V.V Tảo : K“ = S5“ — ——- i - 3| (8-41)
hy hy B
Với K = h7 Ss = h? B= b (8-41) là phương trình cơ bản của nước nhảy
€ €
ngập khơng gian, thoả mãn khi 3 < Ø < 6
Ngồi (8-40) độ sâu ở mặt cắt (1) đã bị ngập h, cĩ thể theo (8-42):
h, = 0,54 + V025A2-— AB, + hệ (8-42)
4° he (h, — h,)
Trong đĩ : Á = —— —N HT E, = nang lugng dịng chảy thượng lưu so với
ho “ec
mặt chuẩn qua đáy mặt cát co hẹp (c - e) - mặt cắt (1)
h(=£¿a; e, là hệ số co hẹp dịng chảy theo phương đứng € (a/E,,) thay doi tir (0,615 + 0,705) khia/E,, thay đổi (0,1 + 0,75)
TLuc 2 Lo
Trang 24Z A REGS NN oz c 4 NO NON NNN SS mm xvN» S2; : $ — - ` ` ~ »x —N XV of LS X s ¬ HỆ i WAS SSS SSS Fe: —— ai i hố SS NON ON NS SS S Nà ` XS NS ` - tí ị ` » =œ N N TẾ N ™ Ni OS, ` N - VU ¿ } SS = =— = = ve v an } foe Ta Bes ve 2122 eee 2⁄2 cử _ i ` 7ˆ 7 Pe m Po ` ——~ ~~ -— — +y fo, =— ` 8 a” ate ee tee “TƯ Tan Z2 —= - ““=—— -——— — aed - SUIT PY a ag RTT ei 2G wus See TL TRE LEP đ
- Hình 8-10: Biểu dồ xĩc định dộ sâu liên hợp trong kênh hình thang theo `
, A.N.Rakhmanou
24
Trang 25
BAI TAP
8-1 Một số tính chất cĩ thể liên quan đến nước nhay trong kênh chữ nhật cho trong bảng Hãy điền những yếu tố thích hợp để hồn thiện bảng (riêng câu C ; giả dịch Fr,, tim h,, h, và kiểm tra Bị:
Lặp lại cho tới khi thoả mãn
TT vị h, q vn, h, V5 VFr, El E/E1% (m/s) (m) (m?/s.m) —_ (m3 (m/s) (m) a 0,170 © 1,84 b 9.00 2,90 c 2.00 1,75 d 1,60 0,80 | e 13,50 0,350 g 0,15 8,00
8-2 Chi ra quan hé Fr, va Fr, cua nước nhảy trong kênh chữ nhật theo quan hệ : 8Fr, a) Fr, = FF (8-43) (Vv I + 8F tị — l) 8Fr, b) Fr, = (8-44) ‘WT 8Fr - t
8-3 Chỉ ra nước nhảy trong kênh chữ nhật cĩ quan hệ
1⁄3 —
166 Đ 1Ị (v1 + 8Fr, - 3)
1⁄3 py 3 * W1+ BFm - 1) (8-45)
q
8-4 Nước nhảy lên bậc cao P trong kênh chữ nhật (Hình bài 8.4) hãy chỉ ra quan hệ :
Trang 26
8-5 Nudc nhảy ở bậc nước trong kênh chữ nhật € P/h,, hay xem xét ảnh hưởng của bậc
trong hai trường hợp
Hinh bai 85 a, b 2 (hy/h, ~ P/hy)? - 1 a) Fr, = — 2q_- hy) (8-47) (h⁄h)Ÿ - (1+ Ph)? b) Fy = —3q> hm (8-48)
8-6 Kênh hình thang cĩ đáy b = 2m, m = 2, chuyển lưu lượng : 6,225m/ s ở độ sâu 0,2m Tính độ sâu liên hợp và tổn thất năng lượng
8-7 Hãy lập quan hệ E, ~ Vv Fr, cho kénh chit nhat, parabol, tam gidc cd i, = 0 Hay nhận xét (f/E,) max trong kénh tam gidc (st dụng phương trình (8-7) và
2a (Œ + hy/by) + Fr- (hzhj)”) (8-49
BYE, = 2a + Fr,
8-8 a) Hay chỉ ra tổn thất năng lượng tương đối trong nước nhảy dốc ở kênh chữ nhật
^ “ J Fr, y1 Ÿ2 cos @ (1- =) + > 1- |— —x —| tan@ ; E, — = "YY 2 ` J2] \—+ - 1 Ÿ; ỞỲi } = t re f(vFr, , ø (8-50) ) (8- A, Fr, L 2 ` Ị + ——+ | —x —| tanổ8 2 Yo YY;
H, la tổng cột nước (năng lượng) với mặt so sánh qua đáy mát cắt (2), mặt cắt kết thúc
nước nhảy /
b) Phân tích E, và chỉ ra E, 6 nước nhay déc > E, tuong tng khi ¡ = 0
8-9 Dịng tỉa nước thẳng đứng tác dụng lên mặt nằm ngang tạo ra nước nhảy trịn (Hình bài 8-9) Áp dụng phương trình động lượng và phương trình liên tục để phương trình
Trang 27: 2
r 2 Vy 1 2
R= —; Frạ = ——; — BY, ở
(gợi ý : xét đoạn dịng nguyên tố rộng d 9, đường mặt nước trong nước nhảy giả thiết
là đường thẳng)
"8.10 Chứng mỉnh cơng thức : (8-10b)
h 2 1 —
7 2 (Va? + 8Fr, - A)
- Ta Tị + Tạ
Gợi ý: Fas = f tydl= TH L = 5 X Lạ
O Trong đớ: 2 1 t= yRi với i= — :ỎỚ= —R.S Cˆx R n Q2 n Vậ T= R3 = —————- y ? 8 HH: as 8g L, = k(h, - h) với kz~ 4+ 5; As 2 2 k va A= 1+ = hy “V hy
CÂU HỎI LỰA CHỌN
8-I Tỷ số độ sâu liên hợp của nước nhảy trong kênh chữ nhật cố ¡ = 0 là 16,48 V Fr, 1a (a) 8.0 ; (b) 40; © 120 ; (d) 12.0 ; (e) 0.10 ; khơng cĩ trong số đã nêu 8-2 v Fr, ở mặt cắt (2) ở kênh chữ nhật cĩ ¡ = 0 là 0,22 ; Tỷ số hạ/h¡ là : (a) 11,25 ; (b) 15,25 ; (c) 150,0 ; (d) 8,35 ; (e) 4.25 ; (Ð 5 6,50 (g) 50,0 180 = <u
8-3 Néu V Fr, = 5,50, nuéc nhayes ` —— Ÿ¿ ——>
thé phân loại như : (a)- Nuéc nhay yéu (b) N- nhay manh ; TLuc
Trang 28(c) N- nhay ổn dinh ; (d) N- nhay sống ; (e) N- nhay dao déng
8-4 Độ sâu hị trong nước nhảy ở kênh hình chữ nhật là 0,2m va tỷ số h2/h, = 10 Chiều đài nước nhảy sẽ là bao nhiêu
(a) :4; (b) : 6; (ce): 12; (ad 17; (e) 33; (f) 20
8-5 70% E¡ bị tiêu hao bởi nước nhảy trong kênh chữ nhật cĩ ¡ = 0 v Fr) sẽ là bao nhiêu
(a): 6,0 ; (b): 9,0 ; (c): 12,0; (d): 15,0; (e): 70,0
| a, Q
8-6 Quan hé yw + go = const sé phi hgp véi truéng hgp nao a) Dũng tính độ sâu ứng với cùng tỷ năng mặt cắt
b) Giống quan hệ của tỷ năng mặt cất c) Cĩ khả năng là nước nhảy ở kênh dốc
d) Ỏ kênh chữ nhật cĩ ¡ = 0; F„.= 0
e) © kénh co i = 0, Fs = 0
8-7 h, va h,, la d6 sau 6 mat cat (2) ting véi kénh chit nhat cd FL, = 0 và F,,, lon với
_ cùng ¡ = 0 hãy chỉ ra quan hệ phù hợp :
a) h, > h, ;b)h.=h, ; c) h, < h,,;d) h, = hy, ; h,/ h,, = const ; f) Khong cd trong số đã nêu
8-8 L, va L,, 1a chiều dài nước nhảy ứng với kênh chữ nhật co i= 0 vai > i, vdi cing hị
va V Fr, Hay chi ra quan a
hệ : | @) + a) L, > Ly: | | b) Lig > L, c) Ly = Lag d) Li/Lig © Hy e) LiLay = 9,8,
f) Khơng cĩ trong số đã nêu
8-9 Nếu E,„ và E, là tổn thất năng
lượng của nước nhảy dốc và nước nhảy cĩ i = 0 trong kênh chữ nhật' cĩ cùng hị và
V Fr, Hay chi ra :
Trang 29a) b) c) d) e) Eig = &, ; E, > Eig ; E, < đu E/E, = 0,8 ;
Trang 30
Chương IX
DAP TRAN
§9.1 - KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TỐN
9.1.1 TÊN GỌI VÀ KÝ HIỆU :
Đập tràn là một vật thể kiến trúc được xây dựng để ngăn một dịng khơng áp làm cho dịng đĩ chảy tràn qua đỉnh của nĩ
Các cơng trỉnh trong ngành giao thơng như cầu cống, đường tràn, tràn qua đường giao thơng, cầu trần, cống của đường tràn liên hợp rất cần các kiến thức của đập tràn dé tinh tốn, thiết kế ra hình thức cơng trỉnh, khả năng thốt nước và xác định qui mơ kích thước cơng trỉnh rnới hoặc tính tốn kiểm tra kiểm định khả năng làm việc của các cơng trình đã cĩ Đập tràn cũng là một trong các bộ phận chủ yếu của nhiều cơng trỉnh thuỷ lợi như phần trần nước tháo lũ, đập ngăn sơng dâng nước, các loại cống
Trong chương này, các tên gọi và ký hiệu các đại lượng đặc trưng của tran va cong trinh tran (hinh 9-1)
b : Chiều rộng đập tràn là chiều dài đoạn tràn nước
B : Chiều rộng của sơng, suối
ơ : Chiều dày đỉnh đập
P¡ : Chiều cao đập so với đáy sơng thượng lưu
P : Chiéu cao dap so véi day
hạ lưu
H : Cột nước tran là chiều cao mặt nước thượng lưu so với đính đập, được đo tại mặt cắt (O-O) cách xa đỉnh đập một _ khoảng (3-5)H về phía thượng lưu
hị, : Chiều sâu hạ lưu
h„ : Độ ngập hạ lưu, khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập
Trang 319.1.2 PHÂN LOẠI :
a) Theo chiéu dity đỉnh đập cĩ thể chia ra 3 loại sau : ; |
1 Đập tràn thành mỏng khi cĩ 6 < 0,67H Lan nuéc trần ngay sau khi qua mép
-_ thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập, khơng chạm vào tồn bộ mặt đỉnh đập,
vỉ vậy hình dạng và chiều dày của đập khơng ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng tran Vi du trường hợp hình 9-1 Ộ
2 Đập tràn cĩ một cắt thực dụng (Hình 9-9) khi 0,67H < ơ < (2-3)H Chiều dày đỉnh đập đã ảnh hưởng đến làn nước tràn, nhưng khơng quá lớn Mặt cắt đập cĩ thể cĩ dạng đa giác hoặc hình cong
Hình 9-9 ` Hình 9-3
3 Đập tràn đỉnh rộng (Hình 9-3) khi cĩ (2 + 3)H < Ễ < (8 + 10)H Đỉnh đập nằm nganh hoặc độ dốc rất nhỏ, trên đỉnh hình thành một đoạn dịng chảy cd tính chất thay đổi dần Khi cĩ ở > (8 + 10)H thì phải tính như một đoạn lịng dẫn chứ khơng coi là cơng trình tràn đỉnh rộng được nữa
b) Theo hình dạng cửa tràn (Hình 9-4)
Ftrnầa NER Sh Sr
cua than chnhit cua tranhinhthang cua tran tam giac culatran cong
c) Theo hình dụng tuyến đập trên mặt bằng
Cĩ thể chia ra các loại : Đập thẳng, đập cong hình cung và đập kiểu giếng cĩ đường
Trang 32
d) Theo hướng của đập tràn so với hướng dịng chính (hình 9-5)
KP
“<< DeLee DIZ Z ALL e ,,;7Z7Z7Z77 222222
Ỹ ' \
\ “~ sÁ LI2LL IL OCC CLI IZLE
Dép dat thẳng gĩc Dép dat xién, Tran bén Uới dịng chảy -
Hình 9-5 | e) Theo ché độ chảy
(Hinh 9-2-b)
đạng làn nước tràn và năng lực tháo nước của đập (Hình 9-2a) -
' 9.1.3 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN
a) Dé tinh todn thiết kế cầu cống nhỏ (Hình 9-6)
cĩ P = P\ = 0 và cột nước H chính là độ sâu của dịng chảy thượng lưu -
co Pz 2 | NY an th N l1 Hình 9-7: Hinh 9-6:
b) Trường hop cho tran đường đầu cầu lớn và trung (Hình 9-7)
Lưu lượng lũ thiết kế QprK qua mặt cắt tim cầu tính như sau :
- Chảy khơng ngệp : Khi mực nước hạ lưu cịn thấp hơn đỉnh đập, hoặc cao hơn đỉnh đập nhưng chưa ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và khả năng tháo nước của đập - Chảy ngập : Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập đến mức độ ảnh hưởng đến hỉnh
Trường hợp này coi dịng chảy qua cơng trình được tính theo sơ đồ của tràn đỉnh rộng
Raita, - |8arphat
Trang 33
" Zr (9-1)
Trong đĩ :
Q¿v - Lưu lượng lũ theo lưu vực được tinh theo thuỷ văn
»Q+ - Tổng lưu lượng cho phép tràn qua đường tràn hai đầu cầu tính theo bài tốn đập tràn c) Tính tốn đường tràn (Hình 2-8) Hình 9-8 Sơ đồ tính trùn
Khả năng thốt nước qua tràn sẽ được tính theo đập tràn đỉnh rộng Những kiến thức
về đập tràn cịn được sử dụng để tính tốn thiết kế khả năng thốt nước tua cống của
đường tràn liên hợp, cầu tràn và hàng loạt các loại hình cơng trinh trên hệ thống đường bộ, đường sắt
§9.2 - THÀNH LẬP CONG THUC TONG QUAT CUA DAP TRAN 9.2.1 TRUONG HOP CHAY KHONG NGAP
- Lưu lượng tràn qua cong trinh tran Q cd quan hé vdi kich thuéc cia tran w,, gia tốc trong luc g và cột nước tràn tồn phần gồm cá cột nước lưu tốc tiến gần, tức là :
2
a UO ,
2g
Q = f@,; g; H,) V6i H, = H+
Thực tế thường gặp trường hợp cửa tràn hinh chit nhat thi kich thuéc ctta tran w@, C6 thể biểu thị qua chiều rộng đập b và cột nước tràn H, Vậy ta cĩ quan hệ :
Q = f (b, g, H,)
Cĩ thể viết quan hệ này dưới dạng :
Q=C.b.g Hệ
1
Trong do:
C - Là hằng số khơng thứ nguyên, phụ thuộc hình dạng mặt cất, chiều dày đỉnh
đập, v.v : :
Dùng phương pháp phân tích thứ nguyên để xác định các số mũ x, y, z Trong trường hợp tràn cửa chữ nhật thì lưu lượng Q phải tỷ lệ với chiều rộng b, nghĩa là x = Í, ta cĩ
phương trình thứ nguyên — ; °
Trang 34[Q) = BỊ I8ử [5| ý - j -lRỈ- [L]’ Cân bằng thứ nguyên hai vế nhận được y = 1/ 2; z = 3/ 2
Do đĩ : Q= cb vgH}2=
hay : Q= mb v2g He?
tý
e
y2b vig Hi?
(9-2)
C - ,
Vớim = Vx là hệ số lưu lượng, phụ thuộc đặc tính, cấu tạo từng loại đập 9.2.2 CHAY NGAP
Trường hợp này, mức nước hạ lưu ánh hưởng đến khả năng tháo nước qua đập, làm giảm lưu lượng qua đập khi cột nước H, khơng đổi Cơng thức tổng quát viết dưới dạng :
1
Q= ơ,.m.b V?3g HY” n (9-3) - "Với ơ n ia hệ số ngập (2, < 1), phụ thuộc vào mức độ ngập là chủ yếu, tức là phụ thuộc quan hệ giữa h_ và H Điều kiện chảy-ngập và trị.số ø, được xét cho từng loại đập cụ thể
92.3 ANH HUGNG CUA CO\HEP BÊN (HÌNH 9-9) -
Thường thì chiều rộng đập (cơng trinh) b nhé
hơn chiều rộng của sơng suối B, bởi vì như vậy sẽ giam nhỏ được kích thước cơng trình và để củng cố
bảo vệ hai bờ sơng nên hai đầu thường cĩ mố Thực
tế đĩ làm dịng chảy qua cơng trỉnh bị thu hẹp ở hai bên, đĩ là hiện tượng co hẹp bên làm giảm lưu lượng chảy qua đập Vậy cơng thức tổng quát trong từng trường hợp này là :
Q=:e.ưm bv32g HỆ2 (9-4)
Hệ số co hẹp bên e được xét riêng cho từng loại đập
§9.3 - DAP TRAN THANH MONG
93.1 DAP TRAN THANH MONG CUA CHU NHAT
a) Riéng trường hợp chảy khơng ngập
Cĩ 3 trường hợp tuỳ thuộc tình hình khơng khí ở phần khơng gian dưới làn nước tràn
_- Chảy tự do : Khi phần khơng gian dưới làn
LOCO CEE EL ee Z1⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄ el, _ ˆ Hình 9-9
nước tràn cĩ áp suất bằng áp suất khí trời, làn nước rơi tự do
- Chảy bị ép : Khi khơng gian dưới làn nước tràn, khơng khí bị làn nước cuốn di ma khơng được bổ sung đẩy đủ, sinh ra chân khơng, làm cho làn nước khơng đổ được tự do mà bị ép vào gần thành đập, dưới làn nước cĩ khu nước cuộn dâng cao hơn mực nước hạ
lưu
34
`
Trang 35- Chay bị ép sát : Khi cột nước H nhỏ
mà dưới làn nước tràn khơng khí khơng vào
được tự do, làn nước tràn bám sát vào thành đập mà rơi xuống
Đập tràn thành mỏng chậy tự do khơng
cĩ co hẹp bên được gọi là đập tiêu chuẩn hình dạng làn nước tràn của đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn biểu thị như hình 9-10
- Cơng thức tính lưu lượng của đập tràn
thành mỏng tiêu chuẩn : - Từ cơng thức tổng quát (9-2)
9Q = mbv2g h3 ta biến đổi để từ cột nước hỉnh học H, tính ngay ra lưu lượng
2 3⁄2 2\32
Q = = mblv4 mbv2g |H + “9 2g mb mbvag |1 + 2 ves 2eH| _ HB”?
3/2
| a 5= 73/2
Datm, = m|t + 2gH ; ta cố Q = mbv2g H“ (9-ð)
Trị số m, được xác định bằng thực nghiệm Theo ba-danh : 0,008 H m, = loa + | 1 + 0,55 (9-6) =
Pham vi chính xác của cơng thức trên :
` 02m < b < 2m; 0,24m < P, < 1,13m; 0,05m < H < 1,24m
Theo Tru-ga-ép thì m, = 0,402 + 0,054 p> (9-7)
, 1
Phạm vi chính xác: — P¡ > 0,ðH và H z 0,lm
Lưu lượng Q tính theo (9-5) cĩ thể chính xác đến 1%, do đĩ đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn được làm dụng cụ đo lưu lượng Khi cĩ co hẹp bên thÌì tính Q= em obV2g H2 = m, b v2g H7 với m cố thể lấy theo thực nghiệm của bađanh
6993 oagB- Ho? BỊ ly ozs[Ð| Bt ”” H+ P a
-m, = |0,405 + B (9-8)
1
b) Đập tràn thành mỏng sẽ chảy ngập nếu thoả mãn :
- Mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập ; h, >Phayh =h,-P>0
TLuc ‘ 35
Trang 36
- Làn nước tràn nối tiếp với hạ lưu bằng nước chảy ngập hoặc khơng cĩ nước nhảy, dịng chảy ở ngay hạ lưu đập là chảy êm ‘
- 93.2 DAP TRAN THANH MONG CUA TAM GIAC (HINH 9-11)
Cũng bằng phương pháp phân tích thứ nguyên ta nhận được cơng thức :
9
Q= mte5 vig HY”?
Với 6 la géc 6 đỉnh và đặt
6
m,= mM, ‘Bo thi Q= m,
Thường thiết kế đập với 0 = 90°
theo thực nghiệm của Tơm Sơn trị số
5⁄2
; V2ø H”
LLLP ALO DAD OPAL OT
m,, =,0,316 Ộ
Š Hình 9-11
Vậy cĩ :
Q = 14h? (m3'* (H tính bằng m) (9-9)
Với - 0,05™ < H < 0,25"
9.3.3 DAP TRAN THANH MONG CUA HINH THANG (HINH 9-12)
Cửa đập mở rộng một gĩc 6, va bằng phương pháp phân tích thứ nguyên ta cĩ :
Q= mụ b v2g HỶ?
Jl
Thường làm dap co tg 6 = 4? lúc đĩ theo thực nghiệm của Xi-pơ-lét-ti cĩ hệ số lưu lượng m,, = 0,42
Vay Q = 0,42 b v2g H*”? (9-10) -
Hay Q=1,86.b H7 (m3⁄) (9-11 Hình 9-19
Điều kiện áp dụng với b > 3H; P¡ > 0, - chảy tự do và v„ là lưu tốc đi tới khơng lớn lấm
Đập thành mỏng cửa tam giác và cửa hình thang hay được dùng làm thiết bị đo lưu ` lượng trong phịng thí nghiệm và trên các lịng dẫn trong điều kiện chảy tự do
Thí dụ 9-11 Trên lịng dẫn cĩ đặt một đập bằng tấm mỏng sắc cạnh của hình thang cĩ b = 0,80m, tg Ø, = 1/4 Tính lưu lượng khi do được cột nước H = 0,20m
Giải : Theo (9-11) ta cĩ :
Q = 1,86H?” = 1,86 0,80 0,23 = 1,188m2/6
ie
Trang 37s9.4 - DAP TRAN CO MAT CAT THUC DUNG : |
9.4.1 HINH DANG MAT CAT
Dap tran cĩ mặt cắt thực dụng là các loại cơng trình tràn thường dùng trong cơng trình tràn nước trên sơng suối hoặc mùa lũ cd nước tràn qua đường giao thơng Tuỳ điều kiện cụ thể mà cĩ các dạng mặt cắt khác nhau : - Mặt cắt đa giác (Hình 9-13) _ khu chẩn kh ong Hinh 9-13 - Hình 9-14 |
Mặt cát đa giác thường là hinh thang cĩ đỉnh nằm ngang hoặc đốc, chiều dày đỉnh ơ thoả mãn phạm vi 0,67H < ỏ < (2 + 3)H Mái dốc thượng hạ lưu cĩ trị số khác nhau, cấu tạo đơn giản, xây dựng bằng các loại vật liệu bê tơng, gạch, đá, gỗ nhưng cĩ hệ số lưu lượng nhỏ hơn so với loại mặt cắt cong (hỉnh 9-14) Dịng chảy tràn thuận, hệ số lưu lượng lớn nhưng xây dựng phức tạp hơn, thường cĩ hai loại
a) Nếu giữa mặt đập với mặt dưới của làn nước tràn cĩ khoảng trống thì khơng khí ở đĩ bị làn nước cuốn đi, sinh ra chân khơng, gọi là đập hình cong cĩ chân khơng
b) Nếu mặt đưới của làn nước tràn ơm sát mặt đập, khơng cịn khoảng trống nữa thì sẽ khơng cớ chân khơng, gọi là đập hình cong khơng cĩ chân khơng
9.4.2 CONG THUC TÍNH LƯU LƯỢNG
Ap dung cơng thức tổng quát (9-2) :
Q = mb v2g H2
Thực tế khi đập hình cong được chía thành nhiều khoang bởi các mố trụ thì địng chay bị thu hẹp bên, vì vậy : nà
Q= e.m >bvøg H?? (9-12) - |
` ‹
Với : - ‘
b - Chiều rộng câu một, khoang đập ! 3b - Chiều rộng tràn nước của đập
Khi tập chảy ngập thì phải tính thêm hệ số ngập Ơn
Trang 38Q= ơ,.e m>5bv2g H22 n (9-18)
Nếu lưu tốc đi tới nhỏ (trường hợp diện tích mặt cất dịng - chảy thượng lưu đập
au
Q, > 4 Eb H) thi cd.thé bỏ qua cột nước lưu tốc Be tức là coi Hy = H để tính tốn
9.4.3 ĐIỀU KIỆN CHẢY NGẬP VÀ HỆ SỐ NGẬP
Điều kiện chảy ngập của đập tràn cĩ mặt cắt thực dụng cũng như của đập thành mỏng Cụ thể cần thoả mãn đồng thời cả hai điều kiện sau :
5
d) Mực nước hạ lưu cao hon dinh dap:
h, > P hay h, = hy - P>0 (9-13) _b) Dịng chảy ngay sau đập là chảy êm, ngập đình, nối tiếp với ha lưu bằng Hước rthảy ngập hoặc
khơng cĩ nước nhảy
Trên cơ sở tính tốn nối tiếp, cĩ thể chứng mình điều kiện thứ hai này được thoả mãn
khi g SỐ : ‘ 2 Zz ; ‘ 5 < 5 : (9-14) ‘Pg cĩ P \ ` H
Trị số phân giới D phụ thuộc vào tỷ số Pp và hệ số lưu lượng m, lấy theo bảng
P-& ,
(9-1)
Bảng 9-1:
- z Z ' '
Trị số phân giới đ dé xác định trạng thái chảy qua đập tràn cĩ mặt cắt thực' dụng
J PB “ 0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,40 | 0,50 | 0,75 | 1,00 | 1,50 | 2,00 Ộ 0,35 092 | 089 | 087 | 0/86 | 0,84 | 0,86 | 0,87 | 0,96 | 1,05 0,885 0,91 | 0,86 | 0,84 | 0,80 | 0,80 | 0,79 | 0,80 | 0,83 | 0,90 0,42 0,89 | 0,84 | 0,80 | 0,78 | 0,76 | 0,75 | 0,73 | 0,75 | 0,72 0,46 0,88 | 082 | 0,78 | 0,76 | 0,74 | 0,71 | 0,70 | 0,73 | 0,79 0,48 0,86 | 0,80 | 0,76 | 0,74 | 0,71 | 0,68 | 0,67 | 0,67 | 0,78
Hệ số ngập ơ, lấy theo thực nghiệm theo bang (9-2)
Trang 39` Bang 9-2: Hệ số ngập ơ, của đập cĩ mặt cắt thực dụng Bn ` Ơn
Họ Đập khơng cĩ chân khơng Đập cĩ chân khơng
- 015 1 1 - 0,10 c1 - 0,999 ¿0 Jil 0,990 0,10 | 0,998 9,971 0,20 0,996 0,940 0,30 0,991 si 0,895 0,40 -0,983 0,845 0,50 0,972 , 0,788 0,60 0,957 0,723 _ 0,70 _ 0,983 0,642 0,75 0,85 (0,91 + 0,68) - 0,80 0/79 (0,89 + 0,63) 0,538 0,85 0,70 (0,86 + 0,54) - 0,90 0,59 (0,63 + 0,44) 0,390 0,95 0,41 (0,53 + 0,28) - 1,00 0,00 0,000 '
9.4.4, ANH HUONG CO HEP BEN
Do ở hai đầu đập cĩ mố bên và trên đỉnh đập cĩ các m6 tru, chia dap thanh nhiéu khoang, lam cho dong chay đi vào đỉnh đập bị co hẹp nên chiều rộng thực tế của làn nước tran trên mỗi nhịp là :b, = £b với hệ số co hẹp e được xác định bằng thực nghiệm Theo qui phạm về thiết kế đập hệ số co hẹp bên e lấy theo cơng thức :'
- ễ pt (n— HE H :
e= 1- 09 ——————-—- n b (9-15) „
Trong đĩ
n - Là số khoang đập b - Là chiều rộng mỗi nhịp
Em„ạ„- là hệ số hình dạng mố bên, lấy theo hinh (9-15)
‘ |
moot 45% Nit
soy "|! i
Fine hes | f Amb z4 |
Hình 9-15
Trang 40Emt - là hệ số hình dạng của các mố trụ, lấy theo hình 9-16 ⁄ r ⁄ ⁄ Z d di -š ⁄ ⁄ \ Hinh 9-16: Ỏ cơng thức 9-15 khi: H, H,
>? 1 thi phai lay [> = 1 dé tinh
Khi các mố trụ được xây dựng lui về phía thượng lưu một đoạn Ì_„ (hỉnh 9-17) thì dịng chảy đã bị co hẹp từ phía trên, làm giảm ảnh hưởng co hẹp của mố trụ, giảm nhỏ trị số mt Ngược lại, nếu đập chảy ngập cố mức độ ngập lớn h — > 0,75 thì ảnh hưởng co hẹp của Hình 9-17: Hy
mố trụ càng nhiều, phải tăng trị số mt
hạ ^
Vì vậy qui định điều chỉnh trị số mt theo 1, va H theo Ofi- xé-r6p như sau :
Qo
h, hạ
"- Khi 1 < 0,75 thi §ÿmt khơng phụ thuộc T1 mà phụ thuộc ! eœ lấy theo bảng (9-3)
Q oO : Bang 9-3: h, Hệ số hình dạng của mố trụ mt khi m 0,75 oO Hình dạng đầu mố ÿmt lo = Ho Ib = 0,5 Ho o= 0 lo =- 0,3Ho
- Hinh chit nhat (h.9-16a) 0,2 0,4 0,8 - - Hình nhọn (h 9-lốb) và hình trịn (h 9-lốc) | 0,15 0,3 0,45 0s - Hình đường dịng (h 9-l6d) 0,10 0,15 0,25 0