Tài liệu môn học thủy lực môi trường

BÀI GIẢNG THỦY LỰC Chƣơng DỊNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ B1 Chƣơng DỊNG ỔN ĐỊNH Ko ĐỀU BIẾN ĐỔI DẦN TRONG KÊNH HỞ B2 2.4 Tính vẽ đƣờng mặt nƣớc kênh pp sai phân hữu hạn Chƣơng NƢỚC NHẢY CHƢƠNG DỊNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ B3 Các khái niệm B4 Cơng thức Chezy Manning 3.3 Hàm nƣớc nhảy 3.4 Tính tốn nƣớc nhảy Xác định hệ số nhám Chƣơng DỊNG CHẢY QUA CƠNG TRÌNH B5 4.5 Cống hở Mặt cắt có lợi mặt thủy lực B6 Chƣơng NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG Phần I NỐI TIẾP DỊNG CHẢY Ở HẠ LƢU CƠNG TRÌNH B7 Phần II TIÊU NĂNG Ở HẠ LƢU CƠNG TRÌNH B8 Chƣơng DỊNG THẤM QUA CƠNG TRÌNH B9 Chƣơng DỊNG Ko ỔN ĐỊNH TRONG KÊNH HỞ B10 CÁC KHÁI NIỆM CÁC KHÁI NIỆM Dòng chảy thực tế xảy ra, nhiên đoạn kênh ngắn xem chảy Dòng chảy kênh hở: dòng chảy có mặt tự (mặt thống), ví dụ nhƣ dòng chảy kênh rạch, sơng ngòi Do có mặt thống (tiếp xúc với khơng khí) nên dòng chảy khơng áp Dòng chảy sở tính tốn thiết kế cho hầu hết loại kênh cống Dòng chảy đều: dòng chảy có vận tốc khơng phụ thuộc thời gian khơng đổi từ mặt cắt sang mặt cắt khác Các đặc trưng thủy lực mặt cắt ướt: Điều kiện cần để có dòng chảy khơng áp: • • • • • • • • • • Hình dạng mặt cắt, chu vi diện tích mặt cắt ƣớt khơng đổi dọc theo dòng chảy Độ dốc đáy khơng đổi, i=const Hệ số nhám khơng đổi, n=const Nhƣ dòng chảy xảy kênh lăng trụ Để đảm bảo vận tốc khơng đổi tổn thất lượng dọc theo dòng kênh cân với việc giảm độ dốc đáy kênh tạo Chiều sâu: h Bề rộng mặt thống: B Bề rộng đáy kênh: b Diện tích mặt cắt ƣớt: A Chu vi ƣớt: P Bán kính thủy lực: R=A/P Hệ số mái dốc: m=cotg( ) B Phụ lục Kích thƣớc hình học số loại mặt cắt Độ dốc đáy kênh L i = tg( ) Cơng thức Chezy Manning Các cơng thức bán tno tn để tính dòng chảy ổn định kênh hở có dạng: V A CR x i y Cơng thức Chezy A1 A2 A3 A4 An C B V: vận tốc trung bình mặt cắt R: Bán kính thủy lực i: Độ dốc đáy kênh C: Hệ số ma sát x, y: Hằng số V=const tổn thất lượng dọc theo dòng kênh cân với việc giảm độ dốc đáy kênh Độ giảm độ dốc kênh là: Fm W sin AL sin D W: Trọng lượng thể tích nước từ mc 1-1 đến mc 2-2 : Trọng lượng riêng chất lỏng A = A1 + A2 + + An P = AB + BC + CD + R = A/P E F Fm ALtg ALi Do độ dốc đáy kênh thƣờng bé nên sin tg Dòng chảy sát đáy dòng rối nên tổn thất lƣợng ma sát đơn vị 1/ 1/ Ai diện tích : f kV V Ri Fr kLPV r k V P k C Ri Cơng thức Chezy Manning i = tg( ) Cơng thức Chezy o Wsin( ) V x C Ri C gọi hệ số Chezy W Cơng thức Manning Manning từ thực nhiệm tìm cơng thức tính dòng nhƣ sau: V 2/ R i n Hệ SI V 1.49 / R i n Hệ Anh Hệ số n gọi hệ số manning 1/ R n C Xác định hệ số nhám Xác định hệ số nhám - Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản 1) Phương pháp SCS (Soil Conversation Service, Cowan): Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nhám (n) • • • Độ nhám lòng dẫn: phụ thuộc đặc điểm vật liệu đáy, với vật liệu mịn (đất, cát) n nhỏ ngƣợc lại Ngồi đặc tính vật liệu đáy, lớp phủ thực vật mái kênh vật cản lòng dẫn làm tăng n Trên sở hệ số nhám cho kênh tiêu chuẩn: kênh thẳng, mặt cắt lăng trụ, đáy trơn có loại vật liệu Hình dạng mặt cắt kênh: Các dạng mặt cắt kênh (hình thang, hình tròn, vng, ) ảnh hƣởng đến n Ngồi thay đổi hình dạng mặt cắt (do bị bồi, uốn khúc) tuyến kênh làm tăng n Kênh chuẩn Tiết diện thay đổi nhỏ n = 0,02 + 0,005 + 0,001 Bờ kênh có cỏ 2) Phương pháp dùng bảng Vd: Lòng dẫn thiên nhiên thẳng, đất mịn, khơng vật cản có n=0,025 3) Phương pháp dùng ảnh Mực nước lưu lượng: Trên lòng dẫn chính, mực nƣớc lƣu lƣợng tăng n thƣờng giảm 4) Phương pháp biểu đồ lưu tốc n Từ số liệu tno chiều sâu, vận tốc dòng chảy, người ta xây dựng hàm tno: ( x )h1 / 6 ,78( x ,95 ) x=U0.2/U0.8 5) Các cơng thức thực nhiệm dựa kích thước hạt Vd: cơng thức Raudkivi (1976) n 0.013d65 1/ 10 1.3 Xác định hệ số nhám Bờ trái - Trường hợp mặt cắt phức tạp Lòng dẫn I A n1, Q1 Cơng thức Horton, Einstei Bank n i - Khi vận tốc đơn mảnh chia n n - Nếu xem tổng lƣu lƣợng tồn mặt cắt tổng lƣu lƣợng thành phần Cơng thức Cox dựa thí nghiệm 11 i D 1/ pi ni2 i G F p Q1 n E Q = Q1 + Q2 + Q PR / n P R5 / i i ni i Q2 n n n2, Q2 C Bờ phải n3, Q3 p n - Nếu xem lực ma sát tồn mặt cắt tổng lực ma sát thành phần B 2/3 pi ni3 / H Q3 ni Ai 2/3 A1R1 i n 2/3 A2 R2 i n 2/3 A3 R3 i n R1 = A1/P1 P1 = AB + BC P2 = CD + DE + EF A 12 1.4 Tính tốn dòng 1.4 Tính tốn dòng AR / i n 1.4.1 Tính tốn lưu lượng dòng (K 1.4.3 Thiết kế kênh Với lƣu lƣợng dòng chảy mặt Q AR / i cắt có diện tích ƣớt nhỏ có lợi n Trong số mặt cắt nhƣ hình tròn, hình thang, hình chữ nhật mặt cắt hình tròn mặt cắt có lợi mặt thủy lực Q AR / gọi mơ đun lƣu lƣợng ) n B 1.4.2 Xác định độ sâu dòng - Phương pháp thử dần AR / Tuy nhiên mc có lợi mặt thủy lực chƣa mc có lợi kinh tế nQ i Ngồi vận tốc kênh vận tốc gây bồi lắng (Vkl) Khi biết giá trị vế phải, cho h giá trị thay đổi cho vế B - Phương pháp biểu đồ: Với mặt cắt thƣờng gặp, ngƣời ta vẽ sẵn đƣờng quan hệ khơng thứ ngun modul lƣu lƣợng độ sâu dòng chảy - Mặt cắt hình thang Với lƣu lƣợng Q, ta tìm mối liên hệ b, h m cho: mặt cắt có lợi mặt thủy lực - Phương pháp lặp Dây cung, Chia đơi, Newton 13 A ( b mh )h ( P b 2h m B B 1.4 Tính tốn dòng 1.4 Tính tốn dòng 1.4.3 Thiết kế kênh - Mặt cắt hình thang dA dh h2 2h( m) d d hay dP dh ( m2 ) h d d AR / i n nhỏ m2 ) b/ h 14 Q m )h h( h ( b mh )h n 2/3 i 1.4.3 Thiết kế kênh ln Rln ( m2 n b h h 2( m m )h h Vkl V Vkx Đảm bảo khơng xói m) 2/3 i Ứng với lƣu lƣợng cho trƣớc Q, kích thƣớc mặt cắt có lợi mặt thủy lực đƣợc tính nhƣ sau: h 15 22 / n Q 3/ b h 2( m2 (2 m m) i - Mặt cắt hình chữ nhật (hình thang với m=0) b h Rln h m )h Đảm bảo khơng lắng 16 Vkl Wmax ,065i / Trong Wmax tốc độ lắng chìm hạt có kích thước lớn B Bài tập dòng kênh hở Bài tập dòng kênh hở Ví dụ 1.1 Một kênh hình thang có đáy rộng 3m, mái dốc m=1,5, độ dốc kênh i=0,0016, hệ số nhám n=0,013 Xác định lƣu lƣợng chảy độ sâu dòng chảy 2,6m Ví dụ 1.2: Một kênh hình thang có b=3m, m=1,5, i=0,0016, n=0,013 Xác định độ sâu dòng chảy lƣu lƣợng kênh 7,1m3/s AR / nQ ,013.7 ,1 i ,0016 B ,3075 A=(b+mh)h=(3+1,5h)h P b 2h m 2h 1,5 3,606h A ( 1,5h )h R P 3,606h Bằng cách thử dần => 17 18 Bài tập dòng kênh hở Bài tập dòng kênh hở Ví dụ 1.4: Xác định kích thƣớc b h kênh hình thang biết lƣu lƣợng Q=75m3/s, V=1,25m/s, mái dốc m=2, hệ số nhám n=0,0225 độ dốc kênh i =0,00038 Ví dụ 1.5: Kênh hình thang có mái dốc m=2, hệ số nhám n=0,02 độ dốc kênh i =0,0001, lƣu lƣợng Q=50m3/s Tính kích thƣớc kênh (b,h) cho có lợi mặt thủy lực h1=2,03m ; b1=25,54; h2=11,95m; b2 với lƣu lƣợng Q= const E=f(h) có điểm cực tiểu, đƣờng tiệm cận h hcr Ch¶y xiÕt Với kênh HCN hcr Q2 gb2 q2 g kênh tam giác cân hcr Q2 gm Kênh có mặt cắt phức tạp: pp thử dần, đồ thị, lặp cthức gần , Eo Vd với kênh hình thang 24 hcr (1 N N ,105 N )hcrCN mhcrCN b ho = f(i) CÁC KHÁI NIỆM CÁC KHÁI NIỆM Số Froude Độ dốc phân giới icr (Critical slope) icr độ dốc kênh lăng trụ, ứng với Q=const, độ sâu dòng chảy kênh ho= hcr Xác định icr: Q2 g Định nghĩa: hcr Fr Q2 B gA3 Fr V gA / B dòng Q Co Ao Roi Acr Bcr Số Froude ~ hàm tính độ sâu phân giới (2.7) Ccr Acr Rcr icr Acr Bcr Ccr Acr Rcr icr g kênh có B>>h, Pcr Bcr icr icr gAcr gPcr Ccr Rcr Bcr g Ccr Bcr V C C vận tốc truyền sóng nhiễu động nhỏ nƣớc tĩnh (Ch.7) Cơng thức tính số Froud dựa độ sâu phân giới: Q2B Fr2 gA3 Acr3 B Q2 B Q2 B Fr2 3 3 g B gA A cr A Acr Q Bcr g i icr V 2B gA hay Q C cr 2 Đối với kênh có mặt cắt hình chữ nhật: Fr 25 ( hcr / h )3 26 CÁC KHÁI NIỆM Các trạng thái chảy Ch ¶y ªm • Chảy êm h>hcr • Chảy xiết h dòng , đ.mnƣớc hạ 2.3.1 Trường hợp kênh có độ dốc thuận i>0 Tuỳ theo i mà N-N K CA R Q K J nằm K-K Với dòng đều: Ko Co Ao Ro Qo K o i (2.27) dh ds Ko / K i Fr - Trường hợp kênh lài: 0 nƣớc dâng Fr2>1 dh ds Ko / K i Fr (2.32) • Khi h ho, K Ko, phân tích giống nhƣ trƣờng hợp đƣờng a1, dh/ds 0, nghĩa mặt thống tiệm cận với N-N • Khi h ,K Fr2 0, tử mẫu số (2.32) tiến tới dh/ds i, nghĩa mặt thống tiến tới nằm ngang theo đƣờng tiệm cận với B-B 31 Fr2h>hcr nên Fr21 Do phƣơng trình (2.32) tử số mẫu số âm, nhƣ dh/ds>0, điều đòi hỏi h tăng dọc theo kênh dòng chảy, nghĩa đƣờng nƣớc dâng Khi h hcr, giống nhƣ ta phân tích cho đƣờng bI, mẫu số (2.32) tiến tới dh/ds , nghĩa mặt thống có tiếp tuyến thẳng đứng W-W 33 Fr2>1 Ko / K i Fr (2.32) • Vì ho>hcr>h nên Fr2>1 Do phƣơng trình (2.32) tử số mẫu số âm, nhƣ dh/ds>0, điều đòi hỏi h tăng dọc theo kênh dòng chảy, nghĩa đƣờng nƣớc dâng Khi h hcr, giống nhƣ ta phân tích cho đƣờng bI, mẫu số (2.32) tiến tới dh/ds , nghĩa mặt thống có tiếp tuyến thẳng đứng W-W 34 2.3 Các dạng đường mặt nước 2.3 Các dạng đường mặt nước - Trường hợp kênh lài: 0 i > icr Đƣờng bII đƣờng nƣớc dâng cII gặp kênh thay đổi độ dốc 36 2.3 Các dạng đường mặt nước a III K K N - Trường hợp i=icr Q2 i dh i J A2C R (2.27) ds Q B Fr gA3 h hcr (2.27) có tử số mẫu số có dạng vơ định Để tìm giới hạn ta biến đổi pt thành cIII dh ds N Khi h ho=hcr J tiến tới => dh/ds i => đƣờng aIII (cIII) tiến tới vị trí nằm ngang j K Ko bIII i > i cr c III K N N i = i cr i = i cr 37 38 2.3 Các dạng đường mặt nước 2.4 Kết luận - Các dạng đường mặt nước - Trường hợp i= (cont.) bo K 1) Với độ dốc kênh: • Dòng ln chậm dần khu vực a c (dh/ds>0), đƣờng mnƣớc đƣờng nƣớc dâng aI, aII, aIII, cI, cII, cIII, co c’ • Dòng chảy ln nhanh dần khu vực b (dh/dsbo tiến tới nằm ngang h hcr dh/ds => bo có tiếp tuyến thẳng đứng W-W Đƣờng co: h hcr dh/ds => co có tiếp tuyến thẳng đứng W-W N K N i J Fr Từ (2.27), h hcr dh/ds= ho= , vùng a biến (đƣờng N-N nằm cao vơ cực) K2 K K N dh ds Ko2 i 2.3 Các dạng đường mặt nước - Trường hợp i= hm q' có vận tốc V, hợp với phƣơng s góc : Va V cos Xét thay đổi đlƣợng lực tác động lên đoạn ds: trọng lực Gs, áp lực đầu kênh P1 - P2, lực msát lòng kênh T Gs i Ads q' i lm m 1Vm V 2.5 Dòng khơng có nhập lưu Xét kênh có llƣợng chảy vào từ bên hơng dQ ds hm P1 P yc1 A1 yc A2 2g P1 P d dA d dA tổn thất cột áp hm J lm A Ag q ' q' K q mVa2 m Va Q 2Ads QV2a q' Va ds T Pds A Độ dốc Msát (or TLực) J ( J m J m ) / JA 2 AC R K Ngun lý biến thiên động lượng (ĐL2 Newton) 2 Gs F1 F2 T K K1 K q mQ m 1Q ( i J ) lm hm hm Các lực tác động biến thiên động lượng 2 gAm gAm K1 K ds u dA E E 0m 0m ( i J ) lm E0 m E0 m A lm K q V cos ds q Va ds (i J ) q 42 ds i J dh ds hi hi si q' Q ( Va ) gA A Q2 B g A3 i J q' Q ( Va ) gA A Q B g A3 Ví dụ chương Ví dụ chương Ví dụ 2.2 Một kênh ltrụ có mặt cắt ngang hình thang với chiều rộng đáy b=13m, m=0,2, Q=1996m2/s Xác định độ sâu phân giới phƣơng pháp đồ thị, cơng thức gần lặp =phƣơng pháp chia đơi Ví dụ 2.2 (cont.) Tcr Acr Bcr Q g 1.1996 ,81 ,06.105 h (m) A(m2/s) 10 150,0 12 184,8 15 240,0 B(m) A3/B(m5) 17,0 1,99.105 17,8 3,55.105 19,0 7,28.105 T/10^6 hcr (1 ,105 N Bước 2: Tính h=(h1+h2)/2, tính T(h) T=f(h) 4.06 Nếu T(h)Tcr thay h2=h Bước tiếp theo: Lặp lại bƣớc T(h)~Tcr h 0.00 20.00 10.00 15.00 12.50 13.75 13.13 12.81 12.66 12.58 12.54 12.52 B 13 21.0 17.0 19.0 18.0 18.5 18.3 18.1 18.1 18.0 18.0 18.0 A 340.0 150.0 240.0 193.8 216.6 205.1 199.4 196.6 195.2 194.5 194.1 A3/B 1871619 198529 727579 404066 549007 472602 437383 420491 412221 408129 406094 406118 43 44 3.1 Khái niệm CHƢƠNG NƯỚC NHẢY 2.2 Phƣơng trình vi dòng ổn định khơng biến đổi dần kênh hở dh ds Khái niệm Phương trình hàm nước nhảy Tính toán nước nhảy Các dạng nước nhảy khác i Q2 A2 C R C2R A gA s Q2 B gA3 Trong thực tế vùng lân cận W-W, dòng chảy biến đổi gấp, nên pt khơng thể sử dụng để mơ tả cho vùng Nhận xét tiếp tuyến đƣờng cong mang tính tƣơng đối, mang tính định hƣớng hcr 45 46 3.1 Khái niệm • Nƣớc nhảy xảy dòng chảy chuyển từ chảy xiết sang chảy êm 3.1 Khái niệm Độ sâu phân giới • Nƣớc nhảy biến đổi gấp dòng chảy từ độ sâu h’ nhỏ hcr tới độ sâu h’’ lớn hcr Nƣớc nhảy đƣợc đặc trƣng bởi: • Chiều cao nƣớc nhảy an Độ sâu phân giới • độ sâu liên hiệp trƣớc sau nƣớc nhảy h’ h’’ • Chiều dài nƣớc nhảy Ln • Chiều dài sau nƣớc nhảy Lsn 47 Các trạng thái chảy 48 hH – độ sâu kênh hạ lưu (h’’ hH 3.2 Phương trình nước nhảy 3.3 Hàm nước nhảy yc2 Giả thiết 0: Dchảy bđổi chậm AB & CD yc1 i[...]... năng lượng Hệ số thấm (độ dẫn thuỷ lực) k [L/T] = Qthấm /1 đv dt khi chịu tác động của 1 đv cột nước thuỷ lực trên một đơn vị chiều dài thấm [m2] hay Darcy (1 Darcy=9,87.10-9cm2) Hệ số thấm thực (ki) ki 105 Cd 2 106 6.1 Các khái niệm 6.2 Định luật Darcy Vd 6.4: V k g ki hệ số nhớt động lực của chất lỏng thấm (kg/ms) { ms= met-poise} V 107 V k h l v là hệ số nhớt động học d là đường kính hạt đất u k h... QQ Trên tồn bộ thành kênh h By 0 s Pb Pb 0 Q t (h (h y) s Q t h t 125 T Q t 0 s B P ds s P d u s dV dt V Q ds dt s Bds Q biến đổi chậm Sức cản thủy lực giống nhƣ trong dòng ổn định 0 RJ Độ dốc đáy kênh rất nhỏ i h 0 ,005 C1=-0,037 và C2=-3,26m q 113 h ) x 0 kA h / l o TÇng kh«ng thÊm x 2 h y2 F D dx Trường hợp thấm có áp giữa 2 lớp đất bị chặn có bề dầy b(x,y) đồng chất và vừa đẳng hướng + cđộng thấm là ổn định 2 C 6.4 Cơng thức Dupuit - Forcherheimer (3D=>2D) Giả thiết • Vận tốc khơng phụ thuộc vào... ( S s dxdydz ) dt Ss là hệ số chứa nƣớc riêng t k2 =1,4.10-5cm/s 10 3,5.10 5 1,3 h 5 1,3 m/ s 10 k xx V ox(BDFG)= h 6 5 1,4.10 h=0,65m an 1,3 m l 4 ,55.10 h h k1 3,5.10 l V1 V1' Nếu h là cột nƣớc thuỷ lực trên mặt ACEH => V ox(ACEH)= k xx h / x h2 L i 1 Vd 6.6: a2 kn ai ki 6.3 Pt cơ bản của dòng thấm trong mt bão hồ a1 i 1 ai ktd L k1 h2 h1 n ai ki / i 1 a2 k 2 L h2 n ktd CM: -kuxb kb dh dx h 3.10 4... us dV dt V Q tại 2-2 thay đổi sau tgian dt Thể tích chảy vào và ra trên qds đoạn kênh trong dt: Biến thiên thể tích trong cùng thời gian đó là: P Q h ds qds dt Bds dt 0 s t h dt t h t 1 Q B s Pb: áp lực thành kênh lên khối clỏng theo phƣơng s G sin Q2 s A Pb u a q ds By h dA y A h P Ay dy Ay là dt mc ướt ứng với độ sâu y 0 h P s q B 123 s h A s Ay dy 0 h Ay 0 s dy G T Ads 0 Pds RJPds A QQ A2 C 2 R... 2 g H o3 / 2 hệ số lƣu lƣợng, PL 4.6 12 VÍ DỤ DÒNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH 4.4 Đập tràn đỉnh rộng 0 4.4.2 Cơng thức tính lưu lượng ° Trạng thái chảy ngập 1 Z 2 Z1 oo H0 hn h K hh K Chứng minh tương tự như trường hợp chảy tự do, lưu lượng qua đập được xác định như sau: 0 Q nA Ví dụ 4.1: Đập tràn thực dụng có n=10 nhịp, bnhịp =10m, Zthiết kế=20m (Ztk là cao trình cột nƣớc tràn thiết kế) Qtk =1580m3/s, với ... dạng đường mặt nước - Trường hợp i= hm q' có vận tốc V, hợp với phƣơng s góc : Va V cos Xét thay đổi đlƣợng lực tác động lên đoạn ds: trọng lực Gs, áp lực đầu kênh P1 - P2, lực msát lòng kênh T... cắt hình tròn mặt cắt có lợi mặt thủy lực Q AR / gọi mơ đun lƣu lƣợng ) n B 1.4.2 Xác định độ sâu dòng - Phương pháp thử dần AR / Tuy nhiên mc có lợi mặt thủy lực chƣa mc có lợi kinh tế nQ i Ngồi... mặt nước - Trường hợp kênh lài: 0