Bài giảng Thủy lực sông ngòi

Julien - Thủy lực-tập 2 NXB Nụng Nghiệp CHƯƠNG I Thủy lực sụng ngũi là ngành khoa học nghiờn cứu quy luật cơ học cơ bản trong quỏ trỡnh vận chuyển và phỏt triển của cỏc dũng sụng ở trạ

13:12 THỦY LỰC SƠNG NGỊI CHƯƠNG I Khái niệm Giáo trình: - Thủy lực sơng ngịi (Trường Đại học Thủy lợi) Tài liệu tham khảo: - Động lực học sông (NXB ĐHQG Hà Nội) - River mechanics (Pierre Y Julien) - Thủy lực-tập (NXB Nông Nghiệp) Thủy lực sơng ngịi ngành khoa học nghiên cứu quy luật học trình vận chuyển phát triển dịng sơng trạng thái tự nhiên tác dụng cơng trình hoạt động khác người 13:12 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu htượng vật lý dịng chảy sơng tự nhiên Ứng dụng mơ tả trình vận chuyển chất: bùn cát + chất ô nhiễm Mô tả trình ngập lụt Dự báo vùng ngập lụt mưa bão vỡ đê/đập Đánh giá thiệt hại lũ lụt - Thuỷ lực kênh hở nghiên cứu tượng vật lý dòng chảy với mặt thống tự hình thành lực trọng trường Kênh hở tự nhiên bao gồm: sông suối cửa sông, kênh nhân tạo gồm đường cống nước mưa (khơng áp), nước thải, rãnh thoát nước, kênh tưới kênh phân lũ - Ứng dụng thuỷ lực kênh hở việc thiết kế kênh nhân tạo tưới, tiêu, cấp nước vận chuyển chất thải; phân tích lũ sông suối tự nhiên; mô tả vùng ngập lụt đánh giá thiệt hại lũ lụt với tần suất gây Thuỷ lực kênh hở ứng dụng thiết lập mô hình vận chuyển bùn cát chất nhiễm, ngồi cịn ứng dụng việc dự báo trình ngập lụt vỡ đê/đập hay lũ lụt 13:12 Phương pháp nghiên cứu - Các vấn đề phức tạp giải dòng chảy kênh hở kết hợp lý thuyết thực nghiệm sở đảm bảo nguyên lý thể phương trình liên tục, bảo tồn lượng cân mơ men - Tính tốn dịng chảy khơng ổn định sơng thiên nhiên địi hỏi thời gian tính tốn dài máy tính Tuy nhiên, với phát triển máy tính cá nhân trạm máy chuyên dụng cung cấp có hiệu linh hoạt giải vấn đề đơn giản đến phức tạp thuỷ lực kênh hở đặc biệt mạng sơng có cấu trúc phức tạp Phương pháp nghiên cứu Quy luật vận chuyển dòng chảy kênh hở nghiên cứu kỹ đặc biệt thực mơ hình thí nghiệm có tính phịng thí nghiệm Trong sông thiên nhiên quy luật vận chuyển nước lịng dẫn phức tạp có khác biệt so với điều kiện lý tưởng, nghiên cứu dòng chảy hở tiếp tục triển khai nhằm làm xác tính tốn thuỷ lực sơng thiên nhiên 13:12 Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm • Phơng pháp nghiên cứu trực tiếp sông thiên nhiên Thu thập, chỉnh biên tài liệu thực đo Phân tích qui luật quan hệ từ chui tài liệu thực đo Xác định giá trị thích hợp cho hệ số kinh nghiệm công thức lý thuyết ã Phơng pháp nghiên cứu mô hỡnh vật lý Xây dựng mô hỡnh thu nhỏ nguyên hỡnh (đoạn sông thực) dựa nhng tiêu chuẩn tơng tự chặt chẽ Tiến hành thí nghiệm đo đạc cần thiết phục vụ cho nghiên cứu mô hỡnh yếu tố tơng ứng nguyên hỡnh ã Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết mô hỡnh toán 13:12 Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm ã Phơng pháp nghiên cứu trực tiếp sông thiên nhiên Thu thập, chỉnh biên tài liệu thực đo Phân tích qui luật quan hệ từ chui tài liệu thực đo Xác định giá trị thích hợp cho hệ số kinh nghiệm công thức lý thuyết ã Phơng pháp nghiên cứu mô hỡnh vật lý Xây dựng mô hỡnh thu nhỏ nguyên hỡnh (đoạn sông thực) dựa nhng tiêu chuẩn tơng tự chặt chẽ Tiến hành thí nghiệm đo đạc cần thiết phục vụ cho nghiên cứu mô hỡnh yếu tố tơng ứng nguyên hỡnh ã Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết mô hỡnh toán 13:12 BEDFORMS IN THE LABORATORY AND FIELD: DUNES Dunes in a flume in Tsukuba University, Japan: flow turned off Image courtesy H Ikeda Dunes on an exposed point bar in the meandering Fly River, Papua New Guinea Phương pháp nghiên cứu Các nguyên lý để giải tốn thủy lực: - Bảo tồn khối lượng (bảo tồn liên tục) - Bảo toàn động lượng moment động lượng (nguyên lý cơ học) - Bảo toàn lượng (nguyên lý vật lý) Phương pháp tiến hành sau: - Tách riêng tưởng tượng thể tích chứa chất lỏng xét Gọi thể tích kiểm tra Mặt bao quanh thể tích kiểm tra gọi mặt kiểm tra - Nghiên cứu tác dụng lực lên phần tử - Áp dụng nguyên lý học vật lý học toàn khối chất lỏng thể tích kiểm tra, coi tồn khối chất lỏng hệ thống vật chất phần tử chất lỏng tạo nên Nhờ phương pháp giúp ta lập phương trình vi phân phần tử chất lỏng 13:12 NỘI DUNG CƠ BẢN Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ DỊNG CHẢY TRONG SƠNG 2.2 2.3 • Các khái niệm • Phân loại dịng chảy sơng • Đặc điểm dịng chảy sông 13:12 2.1 Các khái niệm 2.1 Các khái niệm Một sông nằm hệ thống sông, bao gồm khu vực tập trung nước, cửa sông gồm hồ chứa nhận nước từ sông đại dương Một sông nằm hệ thống sông, bao gồm khu vực tập trung nước, cửa sông gồm hồ chứa nhận nước từ sông đại dương 13:12 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Hệ thống sông 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Hệ thống sông theo Schumm (1977) Vùng (Vùng sinh thuỷ) Vùng (Vùng chuyển tiếp) Vùng Vùng cửa sông (tam giác châu) Vùng thượng nguồn: phần lưu vực sinh thuỷ, hầu hết lượng nước sông bùn cát sinh vùng Các dòng suối nhỏ vùng có đặc điểm khơng ổn định Bởi kênh khơng ổn định, việc nghiên cứu hình thái dịng chảy thực cách tổng quát thường không nghiên cứu chi tiết 13:12 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Hệ thống sông 2.1.1 Hệ thống sông Vùng (Vùng sinh thuỷ) 2.1 Các khái niệm Vùng (Vùng chuyển tiếp) Vùng Vùng cửa sông (tam giác châu) Vùng 2: đoạn sơng có chế độ dịng chảy sơng ngịi ổn định Đối với sơng lớn chiều dài vùng tương đối lớn, nhập lưu khu vùng nhỏ Đây đoạn sơng quan tâm nghiên cứu, mơ hình hố mơ hình kiểm sốt thực Mặc dù đoạn sông tương đối ổn định, kênh sông hệ thống động lực, thay đổi nhanh rõ rệt theo thời gian Vùng (Vùng sinh thuỷ) Vùng (Vùng chuyển tiếp) Vùng Vùng cửa sông (tam giác châu) Vùng 3: Đây đoạn sơng bị ảnh hưởng thuỷ triều, cao trình đáy thường thay đổi, lịng dẫn biến động nhiều Các sơng vùng thường quanh có có nhiều đoạn có hình xoắn 10 13:12 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D) 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D)  Xét thể tích dịng chảy nghiên cứu hình vẽ  Các lực tác dụng lên thể tích dịng chảy nghiên cứu bao gồm: o Áp lực (thủy tĩnh) o Trọng lực o Lực ma sát (lực cản) dọc theo chu vi ướt  Áp dụng định luật Newton: Các lực tác dụng lên thể tích dịng chảy nghiên cứu = tỷ lệ thay đổi momentum theo thời gian thể tích dịng chảy nghiên cứu chênh lệch momentum dòng vào dòng thể tích nghiên cứu Fpx  Fgx  Fsx          v x dA  x     v x dA  x   q LxvLcos t  A x  A   100 13:12 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D)  Áp lực thủy tĩnh theo phương x - Fpx Fpx  Fp1  Fp2   A y x x  Thành phần trọng lực theo phương x - Fgx Fgx   Ax.So  Lực ma sát đáy dọc theo chu vi ướt theo phương x - Fsx Fsx   o Px V V y V g  g So  Sf   q L A  vLcos  V  t x x Trong đó: y: Độ sâu dòng chảy x: Chiều dòng chảy V: Vận tốc trung bình mặt cắt A: Diện tích mặt cắt ướt qL: Lưu lượng đơn vị gia nhập bên vL: Vận tốc lưu lượng đơn vị gia nhập bên : Góc hợp phương vận tốc lưu lượng nhập bên chiều dòng chảy x V V y V g  g So  Sf   q L A  vLcos  V  t x x So: Độ dốc đáy sông Sf: Độ dốc ma sát (thể tổn thất lượng ma sát) 101 13:12 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D) 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D)  Nếu lưu lượng đơn vị nhập bên qL = 0, phương trình chuyển động có dạng sau:  Phân loại sóng Sf  So  y V V V Sf  So    x g x g t o Nếu dòng chảy ổn định Sf  So o Dòng chảy ổn định, thay đổi từ từ Sf  So  y V V  x g x o Dòng chảy khơng ổn định, thay đổi từ từ o Sóng động học Sf  So y V V V   x g x g t o Sóng khuếch tán Sf  So  Sóng động lực y x 102 13:12 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D)  Phương trình chuyển động Saint-Venant, với phương trình liên tục dạng Q A  0 x t tạo thành hệ phương trình Saint-Venant sử dụng rộng rãi giải toán thủy lực sơng ngịi nghiên cứu dịng chảy sơng  Hệ Saint-Venant hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng, phi tuyến dạng hypecbolic, chưa tìm lời giải giải tích Để tích phân hệ này, cách lược bỏ số số hạng với việc đưa vào số giả thiết nhằm đơn giản hố hệ phương trình, số tác giả đưa số lời giải cho tốn cụ thể khơng tổng qt  Trong tốn phức tạp, hệ phương trình Saint-Venant giải phương pháp rời rạc thông qua sai phân hữu hạn phần tử hữu hạn nhằm tìm nghiệm gần  Phương trình Saint-Venant giới thiệu nhiều dạng phương trình khác tùy theo mục đích cụ thể: Phương trình tổng quát, phương trình dùng trường hợp riêng… 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3.1 Khái qt chung  Dịng chảy sơng ngịi hầu hết dịng khơng ổn định (V, Q, h, A, P=f(t))  Dịng khơng ổn định có quan hệ với tượng truyền sóng nên người ta gọi chuyển động khơng ổn định chuyển động sóng (Đây loại sóng dài có độ cong nhỏ, độ dài sóng lớn gấp hàng trăm tới hàng vạn lần độ cao sóng; tốc độ truyền sóng khơng phụ thuộc vào chu kỳ mà xác định theo độ sâu)  Sóng chuyển động khơng ổn định sơng (kênh hở) có khả vận chuyển lưu lượng nước lớn (điểm khác với sóng biển hay sóng hồ ao gió sinh ra) 103 13:12 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3.1 Khái qt chung  Sự suy giảm sóng lũ dọc sơng trễ thời gian  Dịng khơng ổn định thay đổi chậm: sóng lũ (truyền từ thượng lưu xuống hạ lưu), sóng triều (truyền từ cửa sơng vào nội địa)… o Khi sóng lũ truyền từ thượng lưu hạ lưu có tượng độ sâu dịng chảy đỉnh lũ giảm dần dọc theo sông, độ cong đỉnh sóng lũ giảm dần ← Hiện tượng bẹt sóng lũ  Dịng khơng ổn định thay đổi gấp (nhanh): dòng xả nhà máy thuỷ điện hay dòng chảy vỡ đập dâng nước…  Trong chuyển động sóng, sóng truyền theo chiều dịng chảy gọi sóng thuận, trường hợp ngược lại gọi sóng nghịch Sóng có đặc tính nâng cao mực nước gọi sóng dương, ngược lại sóng có đặc tính hạ thấp mực nước gọi sóng âm Sóng dương sóng âm sóng thuận hay sóng nghịch 104 13:12 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG  Sự suy giảm sóng lũ dọc sông trễ thời gian o Quỹ tích điểm B thỏa mãn điều kiện Q  x mực nước lũ cao o Từ phương liên tục trình vết  Sự suy giảm sóng lũ dọc sơng trễ thời gian o Vết lũ (vết độ sâu cực đại = vết mực nước cực đại) quỹ tích điểm có độ sâu dịng chảy lớn xảy vị trí dọc theo chiều dòng chảy A Q  0 t x B  h Q  0 t x h 0 t h 0 t 105 13:12 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG  Sự suy giảm sóng lũ dọc sơng trễ thời gian o Trong thực tế, lũ qua thường để lại trụ cầu, thân cây, tường nhà, cột điện…một đường mực nước đỉnh lũ → Đường mực nước đỉnh lũ để lại gọi vết lũ Vết lũ có ý nghĩa quan trọng thu thập, điều tra lũ 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG - MOMENTUM 4.2.4 Phương trình Saint-Venant (1D)  Phân loại sóng Sf  So  o Sóng động học Sf  So y V V V   x g x g t o Sóng khuếch tán Sf  So  Sóng động lực y x 106 13:12 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3.2 Các loại sóng lũ sơng 1) Sóng động học: quan niệm thành phần quán tính (cục đối lưu) áp lực nhỏ bỏ qua so với thành phần trọng lực ma sát Tức Sf = So o = RSo 4.3.2 Các loại sóng lũ sơng 2) Sóng khuếch tán: quan niệm thành phần quán tính (cục đối lưu) nhỏ bỏ qua so với thành phần áp lực, trọng lực ma sát Sf  So  o Sóng động học di chuyển mà khơng bị tắt dần, có chút biến đổi hình dạng mặt cắt dọc sóng theo tốc độ truyền sóng động học o Diễn tốn sóng động học trường hợp riêng diễn tốn Muskingum y x Q A  0 x t o Diễn tốn sóng khuếch tán: Phương pháp diễn tốn dịng không ổn định cách xấp xỉ khuếch tán Hayami (Nhật bản) đề xuất vào năm 1951 Cơ sở phương pháp sóng khuếch tán coi trung tam sóng lũ dịch chuyển với vận tốc trung bình sóng động học, đồng thời phần mặt sóng khuếch tán từ trung tâm ngồi với vận tốc lớn sóng lũ dốc (Chi tiết diễn tốn sóng khuếch tán tham khảo giáo trình “Động lực học dịng sơng”, Nguyễn Thị Nga,Trần Thục, Đại học Quốc gia Hà nội, 2001) 107 13:12 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3.2 Các loại sóng lũ sơng 3) Sóng động lực: mơ hình sóng có đầy đủ thành phần mơ hình động lực, tức thành phần qn tính (cục đối lưu), áp lực, trọng lực ma sát đáng kể bỏ qua Sf  So  y V V V   x g x g t Q A  0 x t o Do thành phần quán tính đáng kể nên mặt sóng động lực tồn Mặt sóng truyền từ thân sóng lũ phía thượng lưu hạ lưu 4.3 SĨNG LŨ TRONG SƠNG 4.3.2 Các loại sóng lũ sơng 3) Sóng động lực o Phương pháp diễn tốn sóng động lực giải phương trình liên tục chuyển động với đầy đủ thành phần o Tất thành phần biểu thức độ dốc ma sát (Sf) tính tốn → Đây phương pháp diễn tốn dịng khơng ổn định xác nhất, cho phép giải đắn tốn có ảnh hưởng nước vật, diễn tốn lũ có cường suất lớn, thay đổi chiều dịng chảy diễn tốn truyền triều o Phương pháp sai phân hữu hạn phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để giải hệ phương trình Saint-Venant băng phương pháp số 108 13:12 4.3 SÓNG LŨ TRONG SƠNG 3) Sóng động lực o Phương pháp sai phân chia sông (kênh) thành đoạn ngắn Δx chia thời gian thành thời đoạn nhỏ Δt Mặt phẳng (x,t) chia thành ơ, xác định yếu tố thuỷ lực nút lưới, tức mặt cắt định trước vào thời điểm định trước (xem hình vẽ) Trên ô lưới thế, đạo hàm riêng hệ phương trình thay tỷ số số gia 4.3 SÓNG LŨ TRONG SƠNG 3) Sóng động lực Q A  0 x t y V V V Sf  So    x g x g t Hệ pt Saint-Venant Sai phân miền nghiên cứu Hệ pt đại số tuyến tính → (Ma trận hệ số) Điều kiện biên & ban đầu + Tài liệu địa hình Nghiệm hàm ẩn miền nghiên cứu 109 13:12 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG  Diễn tốn dịng chảy sông (kênh) thường sử dụng quan hệ tốn học để tính tốn dịng chảy dựa tài liệu biết dịng chảy vào sơng (kênh), lượng nhập lưu bên, đặc trưng sơng (kênh dẫn)  Diễn tốn dịng chảy sơng thường ngụ ý tính tốn với điều kiện dịng chảy sông tự nhiên (kênh dẫn hở) loại trừ dòng chảy qua cống tháo nước mưa  Diễn tốn dịng chảy sơng liên quan đến tính tốn dịng khơng ổn định trơng sơng kênh dẫn  Diễn tốn dịng chảy lũ diễn tốn dịng chảy sơng có điều kiện, thường hốn đổi cho Điều có nghĩa hầu hết áp dụng diễn tốn dịng chảy kênh dẫn liên quan đến phân tích dịng chảy lũ, thiết kế cơng trình kiểm sốt lũ, dự báo lũ… 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG  Có phương pháp tổng qt để diễn tốn lũ sơng (kênh dẫn): o Phương pháp diễn toán thủy văn: Dựa quan niệm lượng trữ, ví dụ trường hợp diễn tốn dịng chảy hồ chứa o Phương pháp diễn tốn thủy lực: Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng định luật bảo tồn momentum  Sóng động học, sóng khuếch tán, sóng động lực dạng phổ biến pháp pháp diễn tốn thủy lực Trong sóng động lực mơ hình tiếp cận khát qt dịng chảy khơng ổn định sơng Trong mơ hình sóng khuếch tán sóng động học mơ hình xấp xỉ thực hành thích hợp  Một phương pháp tiếp cận thay đổi (luân chuyển) diễn toán thủy văn thủy lực xuất năm gần Phương pháp tương tự phương pháp diễn tốn thủy văn (không bao gồm thông tin vật lý đầy đủ phương pháp diễn toán thủy lực phức tạp) Phương pháp Muskingum-Cunge diễn toán lũ ví dụ đặc trưng phương pháp tiếp cận ln chuyển 110 13:12 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG 1) Phương pháp Muskingum 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG 1) Phương pháp Muskingum W = Thể tích nước đoạn ∆x=Khối lượng nêm + Khối lăng trụ  Giả thiết phương pháp: Phương pháp Muskingum giả thiết lượng trữ đoạn sơng có quan hệ tuyến tính với trung bình gia quyền dịng chảy vào I dòng O Gọi W lượng trữ đoạn sông giới hạn hai mặt cắt 1-1 2-2, dài Δx W = K.x.(I - O) + K.O → W = K[x.I + (1-x).O] Trong K, x hệ số I, O dịng chảy vào chảy khỏi đoạn sơng 111 13:12 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG Phương pháp Muskingum 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG 1) Phương pháp Muskingum Theo phương trình lượng trữ ta có I t  It1 Ot  Ot1 Wt  Wt1 Wt  Wt1    2 t  t1 t Ta có Wt1  K  x.I t1  1  x  O t1  Wt  K  x.I t  1  x  O t  I t  I t1 Ot  Ot1 K.x. I t  I t1   K 1  x  Ot  Ot1    2 t K Ot  C1It1  C2I t  C3Ot1 Trong t  2Kx 2K(1  x)  t t  2Kx C2  2K(1  x)  t 2K(1  x)  t C3  2K(1  x)  t C1  C1  C2  C3  t  I t  I t1   Ot  Ot1  2x. I t  I t1   1  x  O t  O t1  Ot  C1It1  C2I t  C3Ot1 Để xác định giá trị tham số x K, ta phải dùng phương pháp thử sai dựa số liệu thực đo dòng chảy 112 13:12 4.4 DIỄN TỐN LŨ TRONG SƠNG Xác định tham số x K Giả thiết giá trị x Tính hệ số K theo K cơng thức ứng với 2x. I t  I t1   1  x  O t  O t1  giá trị x W t  I t  I t1   Ot  Ot1  Q'  2x. I t  I t1   1  x  O t  O t1  W  t  I t  I t1   Ot  Ot1  Vẽ quan hệ Q’~∆W Giá trị x giá trị làm cho đường quan hệ vòng dây hẹp độ dốc đường thẳng giá trị K W  K.Q' 113 13:12 Tài liệu tham khảo Chow V T (1959) Open channel hydraulics Mc-Graw Hill Book Company, New York, NY Terry W Sturm (2001) Open channel Hydraulics Mc-Graw Hill Book Company, NewYork NY Pierre Y Julien River Mechanics Nguyễn Thị Nga,Trần Thục (2001) Động lực học dòng sông Đại học Quốc gia Hà nội, Frank M White Fluid Mechanics Victor Miguel Ponce (1989) Engineering Hydrology – Principles and Practices Prentice-Hall, Inc 114