BÀI GIẢNG THỦY LỰC THỦY VĂN, BỘ MÔN CÔNG TRÌNH

Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn CHƯƠNG - thuỷ lực đại c-ơng Mở ĐầU I Giới thiệu môn học: Thuỷ lực môn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng - n-ớc biện pháp áp dụng quy luật Thuỷ văn môn khoa học nghiên cứu quy luật tồn vận động n-ớc tự nhiên Thuỷ lực - Thuỷ văn môn học sở chuyên ngành cung cấp cho học sinh kiến thức nhằm khảo sát, thu thập tài liệu đáp ứng cho công việc thiết kế, thi công quản lý khai thác công trình cấp thoát n-ớc cho ngành cầu đ-ờng nói riêng ngành xây dựng nói chung II chất lỏng: Khái niệm chất lỏng: - Vật chất nói chung phân loại theo dạng tồn nó: thể rắn, thể lỏng, thể khí thể Chất lỏng khái niệm dùng để vật chất tồn thể lỏng - Vật chất thể rắn có hình dạng thể tích xác định, biến dạng ngoại lực tác dụng lớn Vật chất thể lỏng tích xác định hình dạng hình dạng bình chứa Vật chất thể khí phân tử vật chất chuyển động tự phía nên chất khí hình dạng thể tích xác định, chiếm toàn bình chứa Tính chất chất lỏng: a/ Khối l-ợng: - Khối l-ợng số đo mức quán tính chất lỏng, đ-ợc biểu thị khối l-ợng riêng Khối l-ợng riêng khối l-ợng đơn vị thể tích chất lỏng đồng chất - Công thức: Trong đó: M W (kg/m3) (1-1) M: khối l-ợng thể tích chất lỏng (kg) W: thể tích chất lỏng (m3) b/ Trọng l-ợng: - Trọng l-ợng đ-ợc biểu thị trọng l-ợng riêng Trọng l-ợng riêng trọng l-ợng đơn vị thể tích chất lỏng đồng chất - Công thức: Trong đó: P M g W W (N/m3) P: trọng l-ợng thể tích chất lỏng (N) W: thể tích chất lỏng (m3) (1-2) Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn g: gia tốc trọng tr-ờng (g=9.81 m/s2) Từ (1-1) (1-2) suy ra: g Ví dụ: n-ớc có =9810 N/m3 c/ Tính thay đổi thể tích: - Tính thay đổi thể tích thay đổi áp lực: thí nghiệm cho thấy với áp suất từ 1500at, nhiệt độ 0-200C thay đổi thể tích thay đổi áp lực nhỏ Vậy thuỷ lực coi chất lỏng không nén đ-ợc - Tính thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ: thí nghiệm cho thấy điều kiện áp suất không khí bình th-ờng, thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ nhỏ Vậy thuỷ lực coi chất lỏng không co dãn d-ới tác dụng thay đổi nhiệt độ d/ Sức căng mặt ngoài: - Sức căng mặt thể khả chịu đ-ợc ứng suất kéo không lớn tác dụng mặt tự phân chia chất lỏng với chất khí mặt tiếp xúc chất lỏng với chất rắn - Sức căng mặt xuất để cân với sức hút chất lỏng vùng lân cận mặt vùng sức hút phân tử chất lỏng không đôi cân nh- vùng xa mặt tự lòng chất lỏng Nó có khuynh h-ớng làm nhỏ diện tích mặt tự do, làm cho mặt tự có độ cong định e/ Tính nhớt: - Tính nhớt tính làm nảy sinh ứng suất tiếp lớp chất lỏng chuyển động, thể tính chống lại lực cắt chất lỏng - Khi chuyển động, chất lỏng có nhiều lớp với tốc độ khác nên lớp có tr-ợt t-ơng đối mặt tiếp xúc có phát sinh lực ma sát Lực ma sát có tác dụng cản trở tr-ợt t-ơng đối lớp lớp đ-ợc gọi lực nội ma sát ma sát - Giả thiết quy luật ma sát Niutơn: Ma sát lớp chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc lớp ấy, không phụ thuộc áp lực, phụ thuộc gradien vận tốc theo chiều thẳng góc với ph-ơng chuyển động, phụ thuộc vào loại chất lỏng Công thức: F .S du dh Trong đó: F: lực nội ma sát S: diện tích tiếp xúc u: vận tốc du: tốc độ chênh lệch lớp dh: chiều cao chênh lệch lớp (1-3) Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn du : gradien vận tốc theo ph-ơng h dh : số tỷ lệ phụ thuộc vào loại chất lỏng, gọi hệ số nhớt Hệ số nhớt có đơn vị poazơ (P): 1P = 0.1 Ns/m2 * Kết luận: Chất lỏng thực có tính chất nh-ng quan trọng tính có khối l-ợng, trọng l-ợng tính nhớt III Khái niệm chất lỏng lý t-ởng - Ta nghiên cứu chất lỏng thực Trong thuỷ lực, nghiên cứu tính toán để đơn giản ng-ời ta đ-a khái niệm chất lỏng lí t-ởng - Chất lỏng lý t-ởng có tính chất sau: + Hoàn toàn không co ép, dãn nở đ-ợc + Là môi tr-ờng liên tục (không có khoảng trống) + Không có tính nhớt + Không có sức căng mặt 1.1 THUỷ TĩNH học Thuỷ tĩnh học nghiên cứu chất lỏng trạng thái cân (trạng thái tĩnh hay chuyển động nh- vật rắn) tức chuyển động t-ơng đối phần tử chất lỏng, tính nhớt, không phân biệt chất lỏng thực hay chất lỏng lý t-ởng 1.1.1 Khái niệm tính chấtvà ph-ơng trình áp suất thuỷ tĩnh: 1.1.1.1 Khái niệm - Xét khối chất lỏng trạng thái tĩnh Giả sử tách đôi khối chất lỏng lấy phần Để phần lại cân ta phải thêm lực P Giả sử diện tích lát cắt P đ-ợc gọi áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên diện tích mặt cắt w tỷ số p tb P (N/m ) đ-ợc gọi áp suất tĩnh trung bình - Xét phân tố diện tích d chứa điểm C chịu tác dụng lực dP Khi d -> dP tiến tới giới hạn gọi áp suất thuỷ tĩnh C kí hiệu p: d p= dP lim d d Vậy áp suất thuỷ tĩnh p lực tác dụng diện tích lấy nội chất lỏng Nó lực trong, ứng suất nén Đơn vị để đo áp suất N/m2 hay KG/cm2 Ngoài có đơn vị at (atmotphe kĩ thuật): Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn 1at = 98100 N/m 1at = 1KG/cm2 1at t-ơng ứng với 760 mmHg 1.1.1.2 Tính chất bản: - Tính chất 1: áp suất tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực h-ớng vào diện tích - Tính chất 2: Trị số áp suất thuỷ tĩnh điểm không phụ thuộc vào h-ớng đặt diện tích chịu lực điểm 1.1.1.3 Ph-ơng trình chất lỏng cân Ph-ơng trình thuỷ tĩnh dạng 1: Chất lỏng chịu tác dụng trọng lực gọi chất lỏng trọng lực, P x = Py = p = p0 + h (1-4) Trong đó: p: áp suất điểm cần tính (N/m2) p0: áp suất mặt tự (N/m2) : trọng l-ợng riêng chất lỏng (N/m3) h: chiều sâu tính từ mặt tự điểm cần tính áp suất (m) (1-4) ph-ơng trình thuỷ tĩnh dạng công thức tính áp suất thuỷ tĩnh điểm Nó thể áp suất điểm độ sâu tr-ờng hợp chất lỏng đồng chất Ph-ơng trình thuỷ tĩnh dạng 2: - Xét bình chất lỏng có điểm A0 A nh- hình vẽ Điểm A0, A cách mặt chuẩn z0, z có áp suất lần l-ợt p0, p z - Theo (3-1) áp suất tĩnh A là: p = p0 + h P0 hay p = p0 + (z0 - z) A0 hay z p z0 p0 = const (1-5) Đây đ-ợc gọi ph-ơng trình thuỷ tĩnh với số hạng p có thứ nguyên độ dài 1.1.2 Định luật Pascal định luật Acsimet A x Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn 1.1.2.1 Định luật Pascal - Theo ph-ơng trình thuỷ tĩnh (2) ta viết lại là: p - p0 = (z0 - z) hay p2 - p1 = (z2 - z1) Ph-ơng trình cho biết chênh lệch áp suất biết chênh lệch độ cao điểm - Nếu lý đó, áp suất điểm tăng lên l-ợng p1 áp suất điểm tăng lên l-ợng giả sử p2 Khi đó: (p2 + p2) - (p1 + p1) = (z2 - z1) = const -> p2 - p1 = hay p2 = p1 = p - Định luật Pascal: Độ biến thiên áp suất thuỷ tĩnh mặt giới hạn thể tích chất lỏng cho tr-ớc đ-ợc truyền nguyên vẹn đến tất điểm thể tích chất lỏng Công thức: p = (p0 + p) + h với p áp suất tăng thêm * ứng dụng: - Định luật Pascal đ-ợc ứng dụng rộng rãi kĩ thuật nh-: máy ép thuỷ lực, máy kích, cấu truyền lực truyền động thuỷ lực - Trong ngành giao thông, định luật pascal đ-ợc ứng dụng số phận dùng cấu truyền lực truyền động thuỷ lực nh- máy xúc, cần cẩu, búa đóng cọc 1.1.2.2 Định luật Acssimet Định luật: Một vật ngập phần toàn phần chất lỏng chịu tác dụng lực thẳng đứng h-ớng lên gọi lực đẩy acsimet, có trị số trọng l-ợng khối chất lỏng mà vật chiếm chỗ Lực đẩy acsimet có ph-ơng qua trọng tâm D khối chất lỏng mà vật chiếm chỗ, D đ-ợc gọi tâm đẩy FA = W Trong đó: FA: lực đẩy acsimet, N : trọng l-ợng riêng chất lỏng, N/m3 W: thể tích khối chất lỏng mà vật chiếm chỗ, m3 Sự vật: a/ Điều kiện vật: F A D C G Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Vật rắn nói chung không đồng chất, ngập chất lỏng chịu lực thẳng đứng: trọng l-ợng G đặt trọng tâm C vật, h-ớng xuống d-ới lực đẩy acsimet FA đặt tâm đẩy D, h-ớng lên Trọng l-ợng riêng vật v , trọng l-ợng riêng chất lỏng + G > FA v > : vật chìm xuống đáy + G = FA v = : vật lơ lửng chất lỏng, đặt đâu chất lỏng cân + G < FA v < : vật lên mặt chất lỏng đên G = FA' = W' (W' thể tích phần vật ngập chất lỏng) b/ Cân vật rắn mặt tự - ổn định tàu thuyền: - Khảo sát điều kiện cân vật C cao D Có số khái niệm ứng với vật trạng thái cân bằng: Trục Mớm nƯớc Mặt C D C D M D' + Mớn n-ớc: giao tuyến vật với mặt n-ớc + Mặt nổi: mặt phẳng có chu vi đ-ờng mớn n-ớc + Trục nổi: đ-ờng thẳng vuông góc với mặt qua tâm vật - Khi vật nghiêng D dời đến D' trục với ph-ơng đẩy cắt tâm định khuynh M Khi < 150 coi nh- tâm D di chuyển cung tròn tâm M, bán kính định khuynh MC = hM gọi độ cao định khuynh Gọi CD = e hM = -e + hM > (M cao C): ngẫu lực G PA tạo nên có xu h-ớng làm vật trở lại lúc ban đầu - vật ổn định + hM < (M thấp C): ngẫu lực có xu h-ớng làm vật nghiêng đi, vật không ổn định + hM = (M C): ngẫu lực, hợp lực triệt tiêu - vật trạng thái cân phiếm định - Nh- vậy, muốn cho vật ổn định hM > Trong kĩ thuật đóng tàu thuyền th-ờng lấy hM = 0,3 - 1,5m tuỳ thuộc vào kích th-ớc công dụng tàu 1.1.3 p lực thuỷ tĩnh tác dụng lên thành phẳng Bộ môn CƠ Sở 1.1.3.1 Ph-ơng pháp giải tích: Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Ng-ời ta chứng minh đ-ợc áp lực tác dụng lên diện tích nằm nghiêng với mặt n-ớc góc đ-ợc tính theo công thức sau: +áp lực d-: Pd = hC Ox hD P hc (1- 6) A D Tổng áp lực d- áp suất d- tác dụng trọng tâm hình phẳng nhân với diện tích hình phẳng C zD zc x B C D z +áp lực toàn phần: Ptp = (p0 + hC) (1-7) Tổng áp lực toàn phần áp suất toàn phần tác dụng trọng tâm hình phẳng nhân với diện tích hình phẳng Trong đó: w: diện tích hình phẳng bị ngập n-ớc (m2) hC: chiều sâu trọng tâm hình phẳng (m) : trọng l-ợng riêng chất lỏng (N/m3) p0: áp suất mặt thoáng (N/m2) + Vị trí tâm áp lực - điểm đặt áp lực: z D zC JC = JC .zC b.h 12 với JC mômen quán tính trục qua trọng tâm C hình phẳng song song với trục ox 1.1.3.2 Ph-ơng pháp đồ giải: a/ Biểu đồ phân bố áp suất thuỷ tĩnh: - Biểu đồ phân bố áp suất thuỷ tĩnh hình vẽ biểu thị quy luật phân bố áp suất tĩnh theo chiều sâu vật rắn (ở xét thành phẳng) - Cách vẽ biểu đồ: dựa vào ph-ơng trình thuỷ tĩnh áp suất toàn phần áp suất d- áp suất toàn phần: ptp = p0 + h áp suất d-: pd = h (giả sử p0 = pa) Vì áp suất hàm bậc chiều sâu h nên đ-ợc biểu diễn đ-ờng thẳng + Nguyên tắc vẽ: - áp suất vuông góc với mặt phẳng tác dụng - áp suất tăng theo chiều sâu Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn - hình dạng biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng vật rắn Do ph-ơng trình biểu diễn áp suất bậc nên cần xác định điểm vẽ Ư đ-ợc biểu đồ A A h h A h B h B po + h Biểu đồ áp suất dƯ h B Biểu đồ áp suất dƯ Thành phẳng nghiêng Biểu đồ áp suất toàn phần Hình a - Biểu đồ Ox áp suất d-: pA = 0; pB = pB h nên biểu đồ áp suất d- có dạng có h Pa dạng tam giác vuông hD P hc A z B C D h2 Hình b - Biểu đồ áp suất toàn phần: pA = p0; pB = p0 + h nên biểu đồ áp suất toàn D phần có dạng hình thang vuông Hình c: Đây tr-ờng hợp thành phẳng đặt nghiêng góc so với ph-ơng nằm ngang, biểu đồ áp suất có dạng tam giác vuông hình thang vuông b/ Xác định áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên thành phẳng ph-ơng pháp đồ giải: - Công thức: P = b.S (1-8) Trong đó: P: áp lực tác dụng lên thành phẳng (N) b: bề rộng thành phẳng (m), với thành phẳng dài th-ờng lấy b = 1m S: diện tích biểu đồ áp suất Khi tính áp lực d- S diện tích biểu đồ áp suất d-, tính áp lực toàn phần S diện tích biểu đồ áp suất toàn phần - Vị trí tâm áp lực - điểm đặt áp lực: ph-ơng áp lực vuông góc với thành phẳng qua trọng tâm thể tích biểu đồ * Ví dụ: Tính áp lực d- tác dụng lên t-ờng hình chữ nhật có b = 3.5m nằm nghiêng với mặt n-ớc góc =600 N-ớc bên t-ờng có chiều sâu h=2m biết n = 9,81.103N/m3 Giải: Theo ph-ơng pháp đồ giải: - Vẽ biểu đồ áp lực: pA = pB = h A h - Tính áp lực theo công thức P = b.S h B Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn 1 h S h AB h 2 sin 60 h2 22 3,5 .9,81.10 P = b = 79 293,28 N sin 60 sin 60 - Tìm điểm đặt áp lực: zP 2 h z AB 3 sin 60 hP = zP.sin600 = h 1,33 m Theo ph-ơng pháp giải tích: Tính áp lực theo công thức: Pd = h0w h0 = h 1m 2 w = b.zAB = b 14 h = 3,5 = 0 sin 60 sin 60 Pd = 9,81.103.1 14 = 79 293,28 N 1.2 sở động lực học chất lỏng 1.2.1 Một số khái niệm - Khi nghiên cứu chất lỏng trạng thái tĩnh ta có ph-ơng trình bản: z p H const nghĩa chất lỏng tĩnh xét điểm cần ý đến yếu tố z p Nh-ng thuỷ động ta phải xét thêm vận tốc gia tốc - Trong thuỷ tĩnh, áp suất điểm p =po + h, với chất lỏng định, điều kiện định, p phụ thuộc vào độ sâu h Nh-ng thuỷ động, áp suất phụ thuộc vào vị trí điểm mặt cắt ngang (ví dụ gần bờ hay xa bờ), vào bề dọc dòng chảy thời gian 1.2.1.1 Chuyển động - Phân loại chuyển động: - Chuyển động ổn định: chuyển động mà tốc độ áp suất điểm cho tr-ớc dòng chảy không phụ thuộc vào thời gian (ví dụ n-ớc chảy ống dẫn từ bình có mực n-ớc không đổi) Ng-ợc lại chuyển động không ổn định (ví dụ n-ớc chảy sông ngòi thiên nhiên) Chuyển động ổn định chia làm loại: Chuyển động dòng chảy có yếu tố thuỷ lực (l-u tốc trung bình, độ sâu ) không thay đổi dọc theo dòng chảy (Ví dụ n-ớc chảy ống dẫn có đ-ờng kính không đổi) Ng-ợc lại chuyển động không Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn - Chuyển động không áp: có mặt thoáng tự - Chuyển động có áp: mặt thoáng tự 1.2.1.2 Quỹ đạo, đ-ờng dòng, dòng nguyên tố, dòng chảy: - Quỹ đạo: đ-ờng phần tử chất lỏng riêng biệt không gian - Đ-ờng dòng: Qua loạt điểm dòng chảy ta vẽ đ-ờng cong cho điểm đ-ờng cong véctơ vận tốc phần tử chất lỏng tiếp tuyến với đ-ờng cong Đ-ờng cong đặc tr-ng cho ph-ơng chuyển động hàng loạt phần tử chất lỏng nối tiếp thời điểm cho đ-ợc gọi đ-ờng chảy - ống dòng tập hợp đ-ờng chảy qua tất ca điểm đ-ờng cong khép kín vô nhỏ Dòng nguyên tố chất lỏng khối l-ợng chất lỏng bên ống dòng - Dòng chảy: tập hợp vô số dòng nguyên tố 1.2.1.3 Mặt cắt ngang dòng chảy yếu tố thuỷ lực: - Mặt cắt -ớt: mặt cắt qua điểm dòng chảy vuông góc với đ-ờng dòng Diện tích mặt cắt -ớt kí hiệu Mặt cắt -ớt mặt cong hay mặt phẳng - Chu vi -ớt: chiều dài phần tiếp xúc chất lỏng thành rắn mặt cắt -ớt, kí hiệu - Bán kính thuỷ lực: tỉ số diện tích mặt cắt -ớt chu vi -ớt, kí hiệu R R w Ví dụ: n-ớc chảy đầy ống dẫn hình tròn thì: w d d R= d 1.2.1.4 L-u l-ợng dòng chảy tốc độ bình quân mặt cắt: - L-u l-ợng: l-ợng chất lỏng chuyển qua mặt cắt đơn vị thời gian Đơn vị l-u l-ợng m3/s L-u l-ợng dòng nguyên tố: dQ ud L-u l-ợng dòng chảy (tập hợp vô số dòng nguyên tố): Q dQ ud v v - diện tích mặt cắt -ớt vận tốc trung bình mặt cắt; u - vận tốc điểm - Tốc độ bình quân mặt cắt: v Q 1.2.2 Ph-ơng trình liên tục dòng chảy 1.2.2.1 Ph-ơng trình liên tục dòng nguyên tố: 10 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn + Sào đo: gỗ tre, đ-ờng kính 5cm, dài 6m, phía d-ới có đế nặng 0,5 1kg Từ thuyền đo độ sâu 4m + Dây đo: dây gai dây cáp có buộc nặng 5kg Nếu dùng dây gai tr-ớc lúc đánh dấu phải thấm n-ớc căng thẳng dây Ngồi thuyền dây đo đ-ợc 6m Dây đo th-ờng bị dòng n-ớc kéo theo nên phải hiệu chỉnh qua hệ số K: K hS hd Với hS số đo sào, hd số đo dây (ở thời điểm tuỳ chọn) Khi đó: htt = K.hđo - Vị trí điểm đo: xác định máy kinh vĩ x = a.tg A x C B Điểm đặt máy a Khoảng cách điểm đo theo quy định bảng sau: Chiều rộng sông (m) Khoảng cách trắc ngang (m) < 25 < 50 < 100 < 250 < 500 < 1000 > 1000 10 10 20 20 25 50 75 100 200 250 300 Khoảng cách điểm đo (m) 10 20 25 40 50 2.2.3.3 Vẽ mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, bình đồ sông: a/ Vẽ bình đồ: - Bình đồ sông khu vực định làm cầu cống lấy phạm vi sau: theo h-ớng cắt ngang dòng sông phải lấy rộng hết mặt n-ớc lũ cao cao độ mực n-ớc lũ đến 2m; theo dọc sông phải lấy th-ợng l-u khoảng tối thiểu 1,5 bề rộng mặt n-ớc lũ kể từ tim cầu hạ l-u lấy 0,7 lần bề rộng - Trên bình đồ ghi rõ: mép sông, bãi biểu thị kí hiệu, phạm vi n-ớc lũ lớn nhất, làng xóm, vị trí mặt cắt ngang đo đạc thuỷ văn, trạm quan trắc cuối ghi ph-ơng h-ớng hoa gió - Tỷ lệ bình đồ: sông nhỏ 1/1.000, sông vừa 1/5.000 1/10.000, sông lớn 1/10.000 1/25.000; đ-ờng đồng mức chênh 0,5 1m 44 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn - Cao độ phải đ-ợc mấu vào mấu cao đạc toàn quốc phải đặt mốc tổng quát hệ thống mạng tam giác đạc bê tông hay gỗ tứ thiết phải đ-ợc bảo vệ cẩn thận b/ Vẽ mặt cắt dọc: - Mục đích: + Kiểm tra mực n-ớc lũ điều tra có xác hay không đồng thời để tìm hiểu đặc tính + Xác định độ dốc đáy sông độ dốc mặt n-ớc + Xác định quan hệ mực n-ớc mặt cắt ngang thuỷ văn với mực n-ớc vị trí cầu - Bản vẽ mặt cắt dọc sông đại biểu cho mặt cắt sông dòng; vẽ phải ghi rõ: + Mực n-ớc lũ theo đo đạc thực tế + Đ-ờng mặt n-ớc đo đạc, có ghi rõ ngày tháng năm đo đạc + Đ-ờng đáy sông + Mực n-ớc lũ tính toán - Nếu lập đ-ợc vẽ bình đồ sông dựa vào tài liệu để dựng mặt cắt dọc Muốn có độ xác cao tổ chức đo đạc riêng mặt cắt dọc sông theo cách sau: đặt đ-ờng trắc đạc (cơ tuyến) ven bờ sông, đ-ờng nên lấy mạng tam giác đạc lập bình đồ Đóng cọc dọc tuyến với khoảng cách 50 100m/cọc Từ cọc đóng h-ớng mặt cắt ngang sông vuông góc với h-ớng n-ớc Tổ chức đo mặt cắt ngang Trên mặt cắt ngang ghi rõ mép n-ớc lấy điểm có chiều sâu xác định cao độ mặt n-ớc Sau dựng mặt cắt dọc theo điểm sâu bấm mặt cắt ngang nói - Đ-ờng mặt n-ớc đo đạc: đoạn sông hẹp, thẳng, mặt n-ớc theo chiều ngang sông không thay đổi đặt mia mép n-ớc bên bờ tính lấy cao độ bình quân Các cọc 1, 2, vào tình hình dòng sông thay đổi (rộng, hẹp, cong, thẳng) mà định - Đ-ờng đáy sông: đ-ợc vào kết đo chiều sâu lập mặt cắt ngang - Vị trí mực n-ớc lũ: sau điều tra đ-ợc tài liệu lũ, đánh dấu lên mặt cắt dọc phân tích, so sánh để vạch đ-ờng n-ớc lũ điều tra c/ Vẽ mặt cắt ngang: Sau có số liệu đo độ sâu dòng chảy tuỳ theo sông lớn hay nhỏ mà chọn tỉ lệ vẽ cho thích hợp 45 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn A Dây B H cọc h5 h1 h2 h4 h3 HA=HB H hi KC lẻ a1 h1 a2 h2 a3 h3 a4 h4 a5 h5 a6 2.2.3.4 Đo độ sâu máy hồi âm: Khi độ sâu lớn, n-ớc chảy mạnh ng-ời ta dùng máy hồi âm để đo độ sâu dòng chảy - Cách đo: MN h0 b A b a=h0-d B H h l d l h1 C - Chỉnh số liệu: h0, b, v d số máy Quãng đ-ờng âm truyền đi: v t = 2l => Theo hình vẽ: l = AC = CB h12 l b => h h1 a v.t h1 l b v t b h0 d Tr-ờng hợp máy hồi âm dùng công trình phận phát thu gần (cách 1vài cm) nên b nhỏ bỏ qua, nên tính gần thì: h vt h0 d 2.2.4 Đo tốc độ dòng chảy 2.2.4.1 Mục đích, yêu cầu: 46 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn - Đối với sông nhỏ ng-ời ta tính tốc độ dòng chảy (l-u tốc) bình quân mặt cắt ngang theo công thức: v bqmc + Dùng công thức lý luận: Với Q (m/s) Q: l-u l-ợng chuyển qua mặt cắt ngang : diện tích mặt cắt -ớt + Dùng công thức thuỷ lực (công thức Sedy-Manning): n vbqmc C Ri với C R / đó: R-bán kính thuỷ lực; i- độ dốc đáy kênh; n-hệ số nhám - Đối với sông lớn, tốc độ dòng chảy phải đo trực tiếp Có hai cách đo tốc độ: máy phao 2.2.4.2Đo tốc độ dòng chảy máy: a/ Đo đạc: - Dụng cụ: Dùng máy l-u tốc kế, đồng hồ bấm giây ph-ơng tiện hỗ trợ nhthuyền, xuồng máy, tời - Bố trí mặt cắt ngang đo đạc Chia mặt cắt ngang sông nhiều diện tích đ-ờng thuỷ trực Đo l-u tốc đ-ợc tiến hành lúc với đo sâu thực đo lần l-ợt điểm thuỷ trực để tìm phân bố l-u tốc theo đ-ờng thuỷ trực Đ-ờng thuỷ trực đ-ờng thẳng đứng thuộc mặt cắt ngang sông, vuông góc với đ-ờng mặt n-ớc mà tiến hành đo độ sâu dòng chảy đo l-u tốc Khoảng cách đ-ờng thuỷ trực không tuỳ theo địa hình đáy sông mặt cắt ngang sông Số l-ợng đ-ờng thuỷ trực tham khảo bảng sau: Chiều rộng sông (m) < 100 Số l-ợng thuỷ trực 20 100 200 200 500 500 1000 20 30 30 40 40 50 - Số điểm đo l-u tốc thuỷ trực đ-ợc quy định nh- sau: + Khi độ sâu thuỷ trực h > 3m, đo điểm vị trí: Mặt n-ớc; 0,2h; 0,6h; 0,8h đáy sông + Khi h = 3m, đo điểm vị trí: 0,2h; 0,6h 0,8h + Khi h =1 2m, đo điểm vị trí: 0,2h 0,8h + Khi h < 1m, đo điểm vị trí 0,6h Vị trí điểm đo tính theo độ sâu kể từ mặt n-ớc xuống b/ Tính l-u tốc điểm đo: L-u tốc điểm đo thuỷ trực: u = a.n + b Với: u: l-u tốc điểm đo (tức thời) a, b: hệ số, phụ thuộc loại máy đo 47 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn n: số vòng quay cánh quạt máy giây, n N t N: tổng số vòng quay cánh quạt thời gian t t: thời gian đo điểm tính giây c/ Tính l-u tốc bình quân thuỷ trực: v (m/s) - Đo điểm thì: v = 0,1(umặt + 3u0,2h + 3u0,6h + 2u0,8h + uđáy) - Đo điểm thì: v = 0,25(u0,2h + 2u0,6h + u0,8h) - Đo điểm thì: v = 0,5(u0,2h + u0,8h) - Đo điểm thì: v = u0,6h Với umặt ; u0,2h ; u0,6h ; u0,8h ; uđáy l-u tốc mặt n-ớc, điểm có độ sâu 0,2h 0,8h đáy sông thuỷ trực Nói chung l-u tốc tăng dần từ bờ sông sông giảm dần từ mặt n-ớc xuống đáy sông d/ Chế độ đo l-u tốc: - Không thể đo l-u tốc ngày, nh- đo mực n-ớc công tác đo l-u tốc đo sâu tốn cần nhiều thời gian, thiết bị - Số lần đo l-u tốc tuỳ thuộc quan hệ l-u l-ợng mực n-ớc trạm đo Q = f(H): + Trong tr-ờng hợp quan hệ Q = f(H) t-ơng đối ổn định ta phân phối lần đo l-u tốc theo cấp mực n-ớc năm từ thấp đến cao nhất, th-ờng khoảng 20cm có lần đo l-u tốc Nh- năm, trạm đo khoảng 30 50 lần + Nếu quan hệ Q = f(H) không ổn định xói bồi mặt cắt, ảnh h-ởng n-ớc vật, ảnh h-ởng lũ số lần đo l-u tốc năm phải nhiều so cho nhánh lũ lên lũ xuống có lần đo l-u tốc 2.2.4.3 Đo tốc độ dòng chảy phao: a/ Điều kiện sử dụng: Ph-ơng pháp đ-ợc áp dụng mực n-ớc lũ đo máy thiếu máy đo cần đo để xác định hệ số phao Ph-ơng pháp dùng phao đo l-u tốc đơn giản dễ áp dụng nh-ng cần thiết công tác thiết kế xây dựng cầu, cống nhỏ, đ-ờng tràn, cầu tràn b/ Cách làm phao: Dùng thân nhẹ xốp, kích th-ớc từ 10-30 cm dùng chai đựng khoảng 1/2 n-ớc chai có nút kín cắm cờ nhỏ để làm phao c/ Bố trí tuyến đo phao: - Muốn xác định đ-ợc mặt cắt ng-ời ta th-ờng căng dây cáp qua sông neo lại chắn Khoảng cách từ mặt cắt xuất phát đến mặt cắt th-ợng l-u khoảng 10m Khoảng cách l từ mặt cắt th-ợng l-u đến mặt cắt hạ l-u tuỳ thuộc vào bề rộng mặt cắt 48 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn sông địa hình vùng sông: với sông suối nhỏ l =100 200m, với sông trung bình sông lớn l = 1000 2000m - Tại mặt cắt thuỷ văn đặt đài quan sát có bố trí máy kinh vĩ để đo góc đứng góc Khi phao trôi 1/2 phút ghi lần tính thời gian phao trôi, đồng thời đo V ph - Tính vận tốc phao: l t (m / s ) - Số l-ợng phao cần thả: với sông nhỏ dùng phao, sông lớn dùng 15-20 phao Khi đo đ-ợc vận tốc phao coi Vph Vmax mặt cắt ngang Nếu đo đ-ợc nhiều phao coi vận tốc phao l-u tốc đại diện cho đ-ờng thuỷ trực - Trong trình phao trôi, phao vào vùng n-ớc quẩn bị chệch h-ớng bỏ 2.2.5 xác định l-u l-ợng dòng chảy 2.2.5.1 Mục đích, yêu cầu: - Xác định l-u l-ợng dòng chảy để cung cấp tài liệu thuỷ văn làm khoa học để thiết kế, xây dựng quản lý khai thác công trình cầu, đ-ờng, cống, Trong thiết kế cầu cống, l-u l-ợng chủ yếu để xác định độ loại cầu cống - Ng-ời ta không đo đạc l-u l-ợng riêng rẽ mà tiến hành lúc với đo l-u tốc, mặt cắt ngang mực n-ớc để tính l-u l-ợng 2.2.5.2 Tính toán l-u l-ợng: a Xác định l-u l-ợng qua toàn mặt cắt ph-ơng pháp đồ giải: * Nguyên lý: Sau xác định đ-ợc chiều sâu đ-ờng thuỷ trực h(m) tính đ-ợc l-u tốc bình quân t-ơng ứng đ-ờng thuỷ trực v (m/s), ng-ời ta tính đ-ợc l-u l-ợng đơn vị qua thuỷ trực: q v h (m3/s.m) B Vậy l-u l-ợng thoát qua toàn mặt cắt: Q = q.db Với B chiều rộng mặt n-ớc sông (m) Theo ý nghĩa tích phân Q diện tích nằm đ-ờng cong (q) chiều rộng đ-ờng mặt n-ớc sông (B) Vậy muốn tính tích phân cần vẽ đ-ờng cong (q) theo bề rộng mặt n-ớc sông 49 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn q v (m/s) (m2/s) q=f(B) v=f(B) B Chiều sâu (m) h1 v1 q1 LƯ u tốc (m/s) q =vi.qi (m2/s) h2 v2 q2 h3 v3 q3 h4 v4 q4 h5 v5 q5 * Trình tự tính toán: - Đo vẽ mặt cắt ngang tính toán lên giấy kẻ ly theo tỉ lệ định - Tính l-u tốc bình quân thuỷ trực vi vẽ đ-ờng cong quan hệ v = f(B) - Tính qi vi hi đ-ờng thuỷ trực lập đ-ợc quan hệ đ-ờng cong q = f(B) - Tính diện tích tạo đ-ờng cong (q) mặt n-ớc (B) máy đo diện tích dùng ph-ơng pháp đếm ô vuông thu đ-ợc l-u l-ợng qua toàn mặt cắt Q (m3/s) b Xác định l-u l-ợng qua toàn mặt cắt ph-ơng pháp l-u l-ợng phần: v1 v2 v3 f0 f3 f1 f2 * Nguyên lý: Chia mặt cắt ngang sông thành diện tích phận đ-ờng thuỷ trực L-u l-ợng n-ớc phận tích l-u tốc bình quân phận nhân với diện tích phận L-u l-ợng n-ớc thoát qua toàn mặt cắt tổng l-u l-ợng phận * Tính toán: L-u l-ợng n-ớc thoát qua toàn mặt cắt bằng: Q Qi k1.v1 f v1 v v n1 v n f1 f n1 k2 f n 2 Trong đó: v , v , , v n : l-u tốc bình quân đ-ờng thuỷ trực thứ 1, 2, , n f0: phần diện tích bờ mép n-ớc sông bên trái đ-ờng thuỷ trực thứ fn: phần diện tích bờ mép n-ớc sông bên phải đ-ờng thuỷ trực thứ n 50 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn f1, f2, , fn-1: phần diện tích đ-ờng thuỷ trực kề k1, k2: hệ số chiết giảm l-u tốc ảnh h-ởng ven bờ Trong quy trình Việt Nam th-ờng lấy k1 = k2 = 0,7; khu vực n-ớc tù lấy k1 = k2 = 0,5 c Xác định l-u l-ợng đo l-u tốc phao: * Khi đo đ-ợc l-u tốc nhiều phao: - Coi l-u tốc phao l-u tốc bình quân thuỷ trực tính Qphao (Qph) theo ph-ơng pháp trình bày - Vì phao mặt sông nên theo quy luật chung l-u tốc, Q ph tính thiên lớn, muốn tính l-u l-ợng thực Qth ta phải xét đến hệ số tính chuyển Qph Qth: Qth = k3.Qph Hệ số k3 = Qth tính thông qua việc đo đồng thời l-u l-ợng máy đo Q ph l-u tốc đo phao với cấp mực n-ớc khác dựa vào bảng tra k3: Chiều sâu trung bình h (m) Đặc điểm lòng sông >5 - Lòng sông thẳng có sỏi cát 0,84 0,86 - Lòng sông cong có cỏ, đá thô 0,80 0,83 - Lòng sông cong có loại cây, địa 0,74 0,82 chất phức tạp * Khi đo l-u tốc phao mặt cắt ngang: - Coi l-u tốc phao l-u tốc lớn (vmax) mặt cắt ngang đo đạc ( ) - Tính l-u l-ợng theo ph-ơng trình liên tục: Q = k4.vmax (m3/s) d Xác định l-u l-ợng theo quan hệ biểu đồ Q-H: * Lập quan hệ Q-H có đủ tài liệu: Khi có đủ tài liệu ta thấy quan hệ H Q chặt chẽ t-ơng đối xác vẽ đồng thời quan hệ H-Q, H-v H- Tỉ lệ trục đ-ợc chọn cho đ-ờng l-u l-ợng nghiêng góc 45 0, đ-ờng diện tích đ-ờng l-u tốc nghiêng góc 600 Khi vẽ quan hệ ta đ-ợc dải điểm kinh nghiệm Dùng mắt th-ờng kẻ đ-ờng quan hệ qua trung tâm dải điểm H H Q H v Q = v Sau vẽ xong ta phải có: 51 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Với v xác định từ quan hệ H-v, xác định từ quan hệ H- * Lập quan hệ Q-H đủ tài liệu: - Đo vẽ mặt cắt ngang vị trí dự kiến xây dựng công trình vẽ mặt cắt ngang lên giấy ô ly - Xác định độ dốc dọc i lòng sông mặt n-ớc - Xem xét tình hình mái sông lòng sông để xác định độ nhám n - Giả định hàng loạt giá trị mực n-ớc Hi (H1, H2, , Hn) Đem giá trị áp lên mặt cắt ngang vẽ xác định đ-ợc i , i , Ri t-ơng ứng / 1/ R i n L-u tốc ứng với mực n-ớc Hi: vi L-u l-ợng ứng với mực n-ớc Hi: Qi vi i - Đến ta lập quan hệ Q-H nh- tr-ờng hợp có đủ tài liệu 2.2.5.3 Điều tra Hmax, vmax Qmax theo ph-ơng pháp hình thái thuỷ văn: Công tác điều tra Qmax theo ph-ơng pháp hình thái th-ờng gắn liền với việc điều tra Hmax, vmax đo vẽ mặt cắt ngang sông mặt cắt tính l-u l-ợng Trình tự điều tra: - Thu thập loại đồ, bình đồ: xem xét tổng quát dùng tỷ lệ 1/100.000; 1/50.000, xem xét chi tiết đoạn sông thiết kế dùng tỷ lệ 1/5000; 1/2000, 1/1000 - Giới hạn diện tích l-u vực tới vị trí công trình - Điều tra mực n-ớc Hmax chiều sâu n-ớc hmax bình quân ứng với chu kì lũ lịch sử - Điều tra vmax mặt cắt cần tính l-u l-ợng: Xác định độ dốc dọc i lòng sông mặt n-ớc phạm vi khoảng 400m từ mặt cắt l-u l-ợng lên phía th-ợng l-u 400m phía hạ l-u Xem xét tình hình mái sông lòng sông để xác định độ nhám n Đ-a Hmax vào mặt cắt đo đạc tính đ-ợc , R v max C Ri với hệ số Sedy C - L-u l-ợng: 1/ R n Qmax = vmax 2.3 thống kê xác Suất 2.3.1 Một số khái niệm thống kê xác suất 2.3.1.1 Xác suất, chu kỳ, tần suất a Hiện t-ợng ngẫu nhiên, biến cố: * Hiện t-ợng ngẫu nhiên: - Hiện t-ợng ngẫu nhiên t-ợng xuất không xuất điều kiện định Ví dụ: Khi tung đồng tiền, có lần xuất mặt sấp, có lần xuất mặt ngửa, ta đoán tr-ớc đ-ợc mặt xuất - Trong số lần quan trắc ta xác định đ-ợc quy luật xuất hiện t-ợng ngẫu nhiên Nh-ng thực nhiều lần quan trắc ta thấy t-ợng 52 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn ngẫu nhiên tuân theo quy luật định gọi quy luật đám đông t-ợng ngẫu nhiên Ví dụ: Khi tung đồng tiền, thực nhiều lần quan trắc ta thấy khả để xuất mặt sấp hay ngửa 0,5 * Biến cố: - Muốn nghiên cứu quy luật t-ợng ngẫu nhiên đó, ta phải tiến hành nhiều lần quan trắc (hay gọi thí nghiệm, phép thử ngẫu nhiên) Trong lần thí nghiệm, t-ợng ngẫu nhiên xuất nh- nh- khác Mỗi kết cục thí nghiệm nh- gọi biến cố xuất đại l-ợng ngẫu nhiên Ví dụ: Năm 1993 mực n-ớc cao đo đ-ợc sông Hồng Hà Nội 12,8m Đại l-ợng ngẫu nhiên nghiên cứu mực n-ớc lớn sông Hồng Hà Nội, biến cố xuất trị số mực n-ớc 12,8m năm 1993 b Xác suất, chu kỳ, tần suất: - Xác suất: tỷ số số lần xuất hiện t-ợng với tổng số lần quan trắc - Chu kỳ: thời gian để t-ợng tái diễn lần thứ - Tần suất: tỷ số số lần tái diễn (kể số lần có trị số lớn số đó) tổng số lần quan trắc - Cầu cống công trình vĩnh cửu có thời gian phục vụ 100 năm Để đảm bảo cầu cống làm việc bình th-ờng suốt thời gian khai thác cần thiết kế chúng theo tần suất lũ đ-ợc quy định tuỳ theo tầm quan trọng công trình cấp đ-ờng Tần suất lũ thiết kế dùng cho đ-ờng ô tô ( TCVN 4054-98) Cấp đ-ờng Tên công trình Nền đ-ờng, kè Cầu lớn trung Cầu nhỏ cống Rãnh Cao tốc cấp Cấp 100 Cấp > 100 km/h 80km/h 60km/h 1:100 1:100 1:25 Theo tần suất cầu,cống 1:100 1:100 1:25 1:100 1:100 1:25 Tần suất lũ đ-ợc thể qua % Ví dụ lũ có tần suất xuất p% = 1% nghĩa trung bình 100 năm có lần xuất lũ lớn hay Bản thân khái niệm tần suất lũ thiết kế không nói rõ ngày tháng năm xuất lũ thiết kế, mà thực tế nói lên mức độ quan trọng công trình thiết kế 2.3.1.2 Đ-ờng cong tần suất: a Đ-ờng cong tần suất kinh nghiệm: Xét ví dụ sau: Tại trạm thuỷ văn sông đo đạc đ-ợc số liệu 53 Bộ môn CƠ Sở Thứ tự Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Năm có tài liệu Thứ Q(m3/s) Năm có tài liệu tự Q(m3/s) 1930 1,56 20 1955 2,61 1931 15,1 21 1956 8,89 1932 19,9 22 1957 2,83 1933 7,0 23 1958 4,78 1934 9,97 24 1958 3,96 1935 5,91 25 1960 9,57 1936 2,49 26 1961 5,42 1937 16,1 27 1962 2,84 1938 5,01 28 1963 13,2 10 1939 8,88 29 1964 36,3 11 1940 29,2 30 1965 6,65 12 1946 14,8 31 1966 12,0 13 1947 11,9 32 1967 8,52 14 1948 2,69 33 1968 6,44 15 1949 3,61 34 1969 3,29 16 1950 1,94 35 1970 14,2 17 1951 3,18 36 1971 3,45 18 1953 10,8 37 1972 1,58 19 1954 1,47 Để vẽ đ-ờng cong tần suất, ta lấy số liệu cột l-u l-ợng Q xếp lại theo thứ tự giảm dần lập thành bảng tính sau: Thứ tự Năm có tài liệu Q(m3/s) Tần suất P(%) 37 1964 1940 1937 36,3 29,2 16,1 1954 1,47 Tần suất P tính theo công thức thực nghiệm: - Theo K M : P= - Theo Tregođaev: P = m n dùng n < 30 m 0,3 n 0,4 dùng n 30 54 Bộ môn CƠ Sở - Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn P= m n dùng n> 100 Với m - số lần xuất ( số thứ tự); n số năm quan trắc chuỗi thống kê (là tổng số hạng tham gia tính toán) Vẽ quan hệ Q P(%) lên giấy tần suất Hazen (trục hoành hai đầu có toạ độ th-a tập trung hơn, trục tung toạ độ phân bố đều) Qua trung tâm giải điểm kinh nghiệm, ta vẽ đ-ờng cong trơn nhẵn đ-ợc đ-ờng tần suất kinh nghiệm Q Dải điểm kinh nghiệm ĐƯ ờng cong tần suất kinh nghiệm P Vậy: Đ-ờng cong tần suất kinh nghiệm đ-ờng tần suất đ-ợc xây dựng từ mẫu số liệu thực nghiệm (quan trắc) đại l-ợng ngẫu nhiên, biểu thị quan hệ hàm số biến ngẫu nhiên nghiên cứu xác suất luỹ tích t-ơng ứng thể cụ thể quy luật thống kê tập hợp mẫu b Đ-ờng cong tần suất lý luận: - Sau vẽ đ-ợc đ-ờng cong tần suất kinh nghiệm, sử dụng để tính toán đặc tr-ng thuỷ văn đ-ờng cong tần suất kinh nghiệm có nh-ợc điểm sau: + Bản thân đ-ờng tần suất kinh nghiệm đ-ợc xây dựng sở số liệu thực nghiệm tập hợp mẫu, mà tập hợp mẫu ch-a thể đại diện cho quy luật ngẫu nhiên tổng thể + Đ-ờng tần suất kinh nghiệm đ-ợc vẽ sở điểm thực nghiệm, mang nhiều sai số tiến hành quan trắc, đo đạc sai số chủ quan trình vẽ đ-ờng đồ thị + Đ-ờng tần suất kinh nghiệm bị hạn chế hai đầu đ-ờng cong ta số liệu thực đo hai đầu th-ờng lại rơi vào điểm có tần suất nhỏ lớn mà thực tế ta lại cần xác định đặc tr-ng thuỷ văn ứng với tần suất nhỏ tần suất lớn + Đ-ờng tần suất đ-ợc vẽ giấy kẻ ô th-ờng hai đầu đ-ờng cong dốc Nếu kéo dài cách trực quan mắc phải sai số chủ quan lớn 55 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn - Chính lí mà yêu cầu đặt phải kéo dài hiệu chỉnh đ-ờng cong tần suất kinh nghiệm cách đem dải điểm kinh nghiệm ghép vào hàm số toán học xác xuất lý thuyết Khi đ-ờng cong thu đ-ợc theo cách vẽ gọi đ-ờng cong tần suất lý luận Đ-ờng cong tần suất lý luận vừa xuất phát từ số liệu quan trắc thực tế, vừa phù hợp với quy luật biến đổi chung t-ợng thuỷ văn cần nghiên cứu, đáp ứng đ-ợc yêu cầu giai đoạn xây dựng sử dụng công trình thuỷ 2.3.2 Thống kê xác suất ứng dụng tính toán thuỷ văn 2.4 Tính toán đặc tr-ng thuỷ văn thiết kế 2.4.1 Một số l-u ý chung 2.4.2 Tính l-u l-ợng đỉnh lũ thiết kế có tài liệu đo đạc thuỷ văn 2.4.2.1 Xác định Qp% hp% đủ tài liệu quan trắc Nếu tài liệu quan trắc l-u l-ợng lũ lớn năm số năm quan trắc liên tục từ 15 năm trở lên gọi có đủ tài liệu quan trắc Tr-ờng hợp dựa vào số liệu quan trắc đ-ợc áp dụng ph-ơng pháp thống kê số học sở lý thuyết xác xuất để xác định l-u l-ợng hay mực n-ớc lũ có tần suất khác a Cách xác định Qp%: * Theo ph-ơng pháp mô men: B-ớc 1: Mỗi năm chọn lũ có l-u l-ợng lớn thống kê thành chuỗi dài liên tục B-ớc 2: Sắp xếp l-u l-ợng theo thứ tự giảm dần tính tần xuất lũ xuất P(%) Tính l-u l-ợng trung bình Qtb, hệ số biến hoá CV( hệ số phân tán), hệ số lệch CS: Thứ tự n Năm có tài liệu Qi(m3/s) Ki= Qi Qtb (Ki-1)2 Ki-1 Qmax Qmin n Qtb - L-u l-ợng trung bình: Q i i n Với Qi l-u l-ợng lớn năm, n số năm quan trắc 56 (Ki-1)3 P(%) Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Ki Với Ki hệ số biến suất: Qi Qtb Tần suất P tính theo công thức thực nghiệm: + Khi số liệu ngắn P = m n + Khi n 30 P= m 0,3 n 0,4 + Khi n > 100 P= m n - Hệ số biến hoá Cv ( hệ số biến sai ): rõ độ biến hoá lũ so với lũ trung bình chuỗi thống kê liên tục n CV + Khi n < 30 năm: (K i n n + Khi n 30 năm : CV 1) (K i 1) n - Hệ số lệch CS: đ-ợc xác định dựa vào số liệu thống kê thực tế nhiều năm theo trình tự sau: + Chấm điểm thực đo Q = f(P) tính đ-ợc bảng lên giấy tần suất Hazen + Giả định CS = (1 6)CV tra hệ số KP% (Thiết kế đ-ờng ô tô T3, trang 220) tính QP% theo công thức: QP% = Qtb.KP% (1) * Có thể tính Cs ( sai lệch lớn tài liệu ) để tiện cho tính toán dùng chuyển tiếp Krĩtki Menken Trị số CS có đ-ờng cong QP = f(P) tính theo công thức (1) gần với điểm thực đo đ-ợc chọn làm trị số tính toán Trong ví dụ hình d-ới, CS = 2CV gần với giải điểm thực nghiệm đ-ợc chọn làm trị số tính toán B-ớc 3: Tính QP% theo công thức (1) dựa đồ thị QP = f(P) kéo dài * Theo ph-ơng pháp dựa vào l-u l-ợng chuẩn: -Làm t-ơng tự nh- ph-ơng pháp đến b-ớc chấm điểm thực nghiệm Q = f(P) giấy kẻ ô tần suất - Dựa vào điểm thực nghiệm vẽ đ-ờng cong phù hợp nhiều với điểm thực nghiệm phạm vi P = 95% Dựa vào đ-ờng cong xác định l-u l-ợng chuẩn Q5% , Q50% Q95% 57 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Nếu l-u l-ợng chuẩn không cho kết tính toán trùng hợp phân bố lý thuyết thực nghiệm Q = f(P) tất đoạn đ-ờng cong thử lấy l-u l-ợng chuẩn Q5%, Q10% Q50% -Xác định đặc tr-ng hệ số lệch toán đồ đ-ờng cong KS1 hay KS2 tuỳ theo đặc tính dạng đ-ờng cong thực nghiệm: KS1 = Q5% Q50% Q50% Q95% hay Q5% Q10% Q10% Q50% KS2 = - Xác định hệ số lệch CS theo th-ớc quan hệ CS KS (Thiết kế đ-ờng tập III, hình 2-2, trang 23) Dựa vào phụ lục 1b 1c (Thiết kế đ-ờng tập III, trang 223 228) xác định hệ số phốt che 5% , 50% 95% hay 5% , 10% 50% - Xác định hệ số CV theo công thức sau cho tr-ờng hợp: CV Q5% Q50% 5% Q50% 50% Q5% - Xác định l-u l-ợng trung bình Qtb theo công thức sau cho tr-ờng hợp: Qtb Q5% CV 5% -Xác định l-u l-ợng phụ thuộc vào tần suất QP%: QP% = Qtb(1 + CV.P%) b Xác định mực n-ớc ứng với tần suất thiết kế HP%: Dựa vào số lần quan trắc vẽ quan hệ H = f(Q) cách ngoại suy, kéo dài đ-ờng quan hệ để tìm Hp% nh- hình vẽ d-ới: Bài tập: Giả thiết xác định đ-ợc l-u l-ợng chuẩn sông X là: Q5%=960m3/s, Q50% = 390m3/s , Q95% = 190m3/s xác định Q1% Giải: Trình tự tính toán: K S1 - Xác định hệ số phi đối xứng: 960 390 2,85 390 190 - Xác định CS theo th-ớc tính quan hệ CS KS1 ta có: KS1 = 2,85 -> CS = 1,71 - Xác định : dựa vào bảng tra (Thiết kế đ-ờng tập III, trang 223) ứng với CS = 1,71tra đ-ợc 5% = 1,97 ; 50% = -0,27 95% = -1,06 - Xác định CV: CV 960 390 0,553 1,97.390 0,27.960 - Xác định Qtb: Qtb 960 460 (m3/s) 0,553.1,97 - Tra bảng đ-ợc 1% = 3,44 => Q1% = Qtb(1 + Cv ) = 1350 m3/s 58 [...]... 2.2.3 Tính toán thủy lực về ống ngắn Tính toán thủy lực về ống ngắn yêu cầu phải kể đến tất cả các loại tổn thất: tổn thất dọc đ-ờng,tổn thất cục bộ Tính toán thủy lực về đ-ờng ống của máy bơm ly tâm là một thí dụ về tính toán thủy lực đ-ờng ống ngắn; qua thí dụ này, ta sẽ rõ thêm về nguyên tắc tính toán Trong vấn đề tính toán thủy lực về đ-ờng ống của máy bơm ly tâm th-ờng có hai bộ phận:tính toán... vật thể đối với thời gian bằng hợp lực những ngoại lực tác dụng vào vật thể: d K d (mu ) F dt dt 13 (1-14) Bộ môn CƠ Sở hoặc Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn d K d (mu) Fdt (1-15) : là véc tơ động l-ợng, = m: khối l-ợng vật thể : vận tốc vật thể t: thời gian Trong ph-ơng trình động l-ợng chỉ có ngoại lực mà không có nội lực và chỉ có động l-ợng do ngoại lực sinh ra; nên khi vận dụng định luật... 0.795 m2 2 2 2 = Stròn - Sq + S OAB = A C B ' 2m O 1.7m 22 1 0.795 2 x x0.7 x0.714 = 2.84 m2 4 2 Tra bảng 1 theo hình thức công trình có m = 0.30 Tra bảng 2 có n 0.77 Q 0.77 x2.84 2 x9.81x(2 1.7) = 5.3 m3/s 25 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Ch-ơng 2 thuỷ LựC CÔNG TRìNH 2.1 DềNG CHY QUA L, VềI, TIA 2.1.1 Khái niệm Trên thành bình chứa chất lỏng có khoét một lỗ, dòng chất lỏng chảy qua... có lợi nhất về thuỷ lực song kênh đào không gia cố thật khó có khả năng đạt đ-ợc Vì vậy ng-ời ta th-ờng dùng kênh hình thang là kênh có mặt cắt gần đến mặt cắt hình bán nguyệt nhất 1.4.1.4 Các dạng bài toán cơ bản 1 Dạng 1: Cho biết h, b, m, n, i - tìm Q và v Trình tự tính toán: - Tính các yếu tố thuỷ lực: Diện tích mặt cắt -ớt: w = (b + mh)h B h 18 b Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn Với... chiếu lên ph-ơng x của tổng hợp những ngoại lực tác dụng lên đoạn dòng nguyên tố đang xét, (ux)1 và (ux)2 là hình chiếu lên ph-ơng x của các l-u tốc tại hai mặt cắt 1-1 và 2-2 của dòng nguyên tố Ph-ơng trình (1-17) biểu thị rằng: trong một đơn vị thời gian, hình chiếu lên ph-ơng x của xung l-ợngcủa hợp lực các ngoại 14 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn lực tác dụng vào đoạn dòng nguyên tố bằng... thất cột n-ớc dọc đ-ờng và tổn thất cột n-ớc cục bộ trong toàn bộ tổn thất cột n-ớc 29 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn ống dài là đ-ờng ống trong đó tổn thất cột n-ớc dọc đ-ờng là chủ yếu, tổn thất cột n-ớc cục bộ và cột n-ớc l-u tốc so với tổn thất dọc đ-ờng khá nhỏ có thể bỏ qua không tính ống ngắn là đ-ờng ống trong đó tổn thất cột n-ớc cục bộ của dòng chảy và cột n-ớc l-u tốc đều có tác... dốc thuỷ lực Với dòng chảy đều thì: i = Jp = J 17 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn 3 Điều kiện: Dòng chảy đều trong kênh hở tr-ớc hết là dòng trung bình thời gian ổn định và chỉ có ở kênh lăng trụ Kênh lăng trụ là kênh có các kích th-ớc hình học của mặt cắt ngang không đổi dọc theo dòng chảy 1.4.1.2 Ph-ơng trình cơ bản Công thức Sêdi tính vận tốc trung bình: v = C Ri (m/s) Sử dụng công thức... nh- phân bố vận tốc không đều trên mặt cắt -ớt, có thành phần vận tốc h-ớng ngang và ảnh h-ởng của lực quán tính ly tâm nên ta chỉ mở rộng ph-ơng trình Becnuli cho dòng chảy không đều đổi dần 1.2.3.1 Ph-ơng trình Becnuiy - Với dòng nguyên tố của chất lỏng lý t-ởng: 11 Bộ môn CƠ Sở z1 p1 Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn 2 1 2 2 u p u z2 2 2g 2g hay E1 = E2 (1-11) E1, E2 lần l-ợt là tỷ năng (năng l-ợng... vào hình dạng lỗ (với lỗ tròn cách thành khoảng nửa đ-ờng kính lỗ), đ-ờng dòng song song và 26 Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn l-u tốc coi nh- phân bố đều Qua khỏi mặt cắt co hẹp, dòng chảy hơi mở rộng và rơi xuống theo trọng lực Sử dụng ph-ơng trình bécnuiy để phân tích dòng chảy Viết ph-ơng trình đối với (1-1) trùng với mặt tự v2/2g 1 1 do và (c-c) qua mặt cắt co hẹp với mặt chuẩn (0-0)... thức Antơsun: d 0,11( 16 68 1 / 4 ) Re Bộ môn CƠ Sở Bài giảng Thuỷ lực - Thuỷ văn với là độ nhám tuyệt đối thành rắn, trung bình lấy = 0.065mm (2 lg - Thành hoàn toàn nhám: trong đó nếu d 1,14) 2 7.10 3 thì có thể dùng công thức Sifrixơn: d d 0,11( ) 1 / 4 b Tổn thất cục bộ: hmr mr * ống đột nhiên mở rộng: v 22 2g với mr là hệ số tiêu hao cục bộ lúc ống đột nhiên mở rộng, xác định chủ ... thể độ dốc đ-ờng mặt n-ớc dl d v2 d Q dh Q d dh Q B dh ( ) ( ) dl g dh g dl g dh dl g dl Viết lại (2) ta có: J i Q B dh dh dl g dl dh i J dl Fr hay (3) - Ngoài ta có ph-ơng trình... dọc theo dòng chảy l, độ sâu dòng chảy l-ợng hàm l Lấy vi phân (1) theo l ta có: dE da dh d v2 ( ) dl dl dl dl 2g dE = -J; dl da = - i; dl (2) dh - thể độ dốc đ-ờng mặt n-ớc dl d v2 d Q dh Q... gian - Đ-ờng dòng: Qua loạt điểm dòng chảy ta vẽ đ-ờng cong cho điểm đ-ờng cong véctơ vận tốc phần tử chất lỏng tiếp tuyến với đ-ờng cong Đ-ờng cong đặc tr-ng cho ph-ơng chuyển động hàng loạt phần