Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình. Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình. Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình. Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình. Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình. Giáo trình thủy lực thủy văn công trình cầu đường rất chi tiết, dễ hiểu, giúp sinh viên dễ dàng học môn thủy lực thủy văn công trình.
Phần I - thuỷ lực Mở đầu I Giới thiệu môn học: Thuỷ lực môn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng - nớc biện pháp áp dụng quy luật Thuỷ văn môn khoa học nghiên cứu quy luật tồn vận động nớc 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 nớc cho ngành cầu đờng 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 lợng: - Khối lợng số đo mức quán tính chất lỏng, đợc biểu thị khối lợng riêng Khối lợng riêng khối lợng đơn vị thể tích chất lỏng đồng chất - Công thức: Trong đó: = M W (kg/m3) (1-1) M: khối lợng thể tích chất lỏng (kg) W: thể tích chất lỏng (m3) b/ Trọng lợng: - Trọng lợng đợc biểu thị trọng lợng riêng Trọng lợng riêng trọng lợng đơn vị thể tích chất lỏng đồng chất - Công thức: = P M g = W W Trong đó: (N/m3) (1-2) P: trọng lợng thể tích chất lỏng (N) W: thể tích chất lỏng (m3) g: gia tốc trọng trờng (g=9.81 m/s2) = g Từ (1-1) (1-2) suy ra: Ví dụ: nớc 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 1-500at, nhiệt độ 0-200C thay đổi thể tích thay đổi áp lực nhỏ Vậy thuỷ lực coi chất lỏng không nén đợc - Tính thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ: thí nghiệm cho thấy điều kiện áp suất không khí bình thờng, thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ nhỏ Vậy thuỷ lực coi chất lỏng không co dãn dới tác dụng thay đổi nhiệt độ d/ Sức căng mặt ngoài: - Sức căng mặt thể khả chịu đợc 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 hớng 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 trợt tơng đối mặt tiếp xúc có phát sinh lực ma sát Lực ma sát có tác dụng cản trở trợt tơng đối lớp lớp đợc 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 phơng chuyển động, phụ thuộc vào loại chất lỏng Công thức: F = S du dh (1-3) 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 du : gradien vận tốc theo phơng 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 nhng quan trọng tính có khối lợng, trọng lợng tính nhớt III Khái niệm chất lỏng lý tởng - Ta nghiên cứu chất lỏng thực Trong thuỷ lực, nghiên cứu tính toán để đơn giản ngời ta đa khái niệm chất lỏng lí tởng - Chất lỏng lý tởng có tính chất sau: + Hoàn toàn không co ép, dãn nở đợc + Là môi trờng liên tục (không có khoảng trống) + Không có tính nhớt + Không có sức căng mặt chơng 1: Thuỷ tĩnh 1.1 - Khái niệm áp suất thuỷ tĩnh Thuỷ tĩnh học nghiên cứu chất lỏng trạng thái cân (trạng thái tĩnh hay chuyển động nh vật rắn) tức chuyển động tơng đối phần tử chất lỏng, tính nhớt, không phân biệt chất lỏng thực hay chất lỏng lý tởng 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 đợc gọi áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên diện tích mặt cắt w tỷ số p tb = P (N/m2) đợc 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/m hay KG/cm2 Ngoài có đơn vị at (atmotphe kĩ thuật): 1at = 98100 N/m2 1at = 1KG/cm2 1at tơng ứng với 760 mmHg Tính chất bản: - Tính chất 1: áp suất tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hớng vào diện tích - Tính chất 2: Trị số áp suất thuỷ tĩnh điểm không phụ thuộc vào hớng đặt diện tích chịu lực điểm 1.2 - phơng trình thuỷ tĩnh Phơng trình thuỷ tĩnh dạng 1: - Giả sử có bình đựng chất lỏng tĩnh có áp suất mặt tự p Lấy phân tố diện tích hình chữ nhật d chứa điểm C, diện tích nằm song song với mặt tự do, cách mặt tự khoảng h z Chiếu d lên mặt tự đợc khối chất lỏng hình hộp có diện tích đáy d cao h - Các lực tác dụng lên khối chất lỏng: + Trọng lợng thân: G = W = d.h + áp lực từ phía mặt tự do: c P0 = p0.d + áp lực từ phía mặt đáy: P = p.d + áp lực từ mặt bên: Px, Py đôi cân - Để khối chất lỏng cân bằng: z = P0 p.d - p0.d - d.h o P x y =0 p = p0 + h Trong đó: p: áp suất điểm cần tính (N/m2) p0: áp suất mặt tự (N/m2) : trọng lợng riêng chất lỏng (N/m2) h: chiều sâu tính từ mặt tự điểm cần tính áp suất (m) (1) (1) phơng trình thuỷ tĩnh dạng công thức tính áp suất thuỷ tĩnh điểm Nó thể áp suất điểm độ sâu trờng hợp chất lỏng đồng chất Phơng 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 lợt p0, p - Theo (3-1) áp suất tĩnh A là: z p = p0 + h hay p = p0 + (z0 - z) P0 p p A0 z + = z + = const hay (2) A Đây đợc gọi phơng trình thuỷ tĩnh với số hạng p có thứ nguyên độ dài x 1.3 - Các loại áp suất - cách đo áp suất Các loại áp suất: a/ áp suất tuyệt đối ptđ: áp suất tuyệt đối hay áp suất toàn phần đợc xác định theo công thức: ptđ = p0 + h b/ áp suất d pd: áp suất d hay áp suất tơng đối áp suất tuyệt đối bớt áp suất khí pa: pd = ptđ - pa Nếu p0 = pa (mặt tự tiếp xúc với không khí) -> pd = h Vậy: pd > ptđ > pa pd < ptđ < pa c/ áp suất chân không pck: Khi pd < hiệu số pa - ptđ đợc gọi áp suất chân không (là vùng có áp suất nhỏ áp suất khí quyển) pck = - pd Cách đo áp suất: áp suất điểm đo chiều cao cột chất lỏng (nớc, thuỷ ngân, ) kể từ điểm xét đến mặt thoáng Dụng cụ đo áp suất đợc gọi áp kế, loại đơn giản a/ Độ cao đo áp suất: Giả sử có bình đựng chất lỏng có áp suất mặt tự p0 > pa Để đo áp suất điểm A ngời ta gắn vào ống áp kế kín hở A' A" mặt phẳng nằm ngang với A ống kín có chân không tuyệt đối (ptđ = 0) - Xét ống hở: pA = p0 + pA' = pa + hd Điểm A A' nằm mặt phẳng nên p A = pA' -> p0 + = pa + hd -> p0 + - pa = pd = hd -> hp = pd (4-1) Vậy độ cao đo áp suất d tỉ số áp suất d trọng lợng riêng chất lỏng Nh vậy, muốn đo áp suất điểm ta nối vào vị trí nằm mặt phẳng ngang với điểm ống áp kế hở, mực chất lỏng dâng lên ống hd, từ tính đợc áp suất d pd = hd - Xét ống kín: ptpA = ptpA'' = htp -> htp = p (4-2) Vậy độ cao đo áp suất toàn phần (hay áp suất tuyệt đối) tỷ số áp suất toàn phần trọng lợng riêng chất lỏng b/ Độ cao đo chân không: - Chân không khu vực có áp suất d âm (khu vực có áp suất nhỏ áp suất khí quyển) áp suất nhỏ chân không lớn Khi áp suất không chân không lớn nhất, gọi chân không tuyệt đối - Từ công thức: pck = -pd hck = p a p -> hck = p a p (4-3) - Muốn đo chân không ta nối khu vực chân không với bình đựng chất lỏng Do áp suất nhỏ áp suất không khí nên chất lỏng dâng lên ống, độ cao đo chân không - Khi ptp = hckmax = 10m H2O = 0.76m Hg Trong máy bơm li tâm ta thấy đạt đợc chân không tuyệt đối cột nớc tối đa bơm hút đợc 10m Nhng thực tế cha đạt đợc chân không tuyệt đối tổn thất ma sát nên độ cao hút đợc thờng từ - 7m H2O 1.4 - Định luật pascal ứng dụng Định luật Pascal: - Theo phơng trình thuỷ tĩnh (2) ta viết lại là: p - p0 = (z0 - z) hay p2 - p1 = (z2 - z1) Phơng trình cho biết chênh lệch áp suất biết chênh lệch độ cao điểm - Nếu lý đó, áp suất điểm tăng lên lợng p1 áp suất điểm tăng lên lợng 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 trớc đợc 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 đợc 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 đợc ứng dụng số phận dùng cấu truyền lực truyền động thuỷ lực nh máy xúc, cần cẩu, búa đóng cọc 1.5 - ý nghĩa phơng trình thuỷ tĩnh Phơng trình thuỷ tĩnh dạng 2: z+ p = const ý nghĩa hình học: Thể tổng độ cao hình học z điểm xét mặt chuẩn nằm ngang với độ cao áp suất p điểm số điểm chất lỏng hay cột nớc thuỷ tĩnh điểm số ý nghĩa vật lý: Xét khối chất lỏng bao quanh điểm C có độ cao z có trọng lợng G Khối chất lỏng so với mặt chuẩn nằm ngang Gz Gắn ống đo áp vào A, chất lỏng dâng lên độ cao h = p nên khối lợng chất lỏng chịu áp Gh Khi khối chất lỏng chịu tổng vị áp Gz + Gh Vậy đơn vị trọng lợng là: z + h z + p ý nghĩa vật lý: Tổng vị đơn vị z áp đơn vị p điểm chất lỏng cân số 1.6 - xác định tổng áp lực thuỷ tĩnh Phơng pháp giải tích: Ngời ta chứng minh đợc áp lực tác dụng lên diện tích nằm nghiêng với mặt nớc góc đợc tính theo công thức sau: Ox +áp lực d: Pd = hC Tổng áp lực d áp suất d tác dụng trọng hD P hc A zD tâm hình phẳng nhân với diện tích hình phẳng zc C +áp lực toàn phần: Ptp = (P0 + hC) D x Tổng áp lực toàn phần áp suất toàn phần B tác dụng trọng tâm hình phẳng nhân với diện C tích hình phẳng D Trong đó: w: diện tích hình phẳng bị ngập nớc z (m2) hC: chiều sâu trọng tâm hình phẳng (m) : trọng lợng riêng chất lỏng (N/m3) P0: áp suất mặt thoáng (N/m2) + Vị trí tâm áp lực - điểm đặt áp lực: z D = zC + IC .z C với IC mômen quán tính trục qua trọng tâm C hình phẳng song song với trục z Phơng 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 phơng 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 đợc biểu diễn đờng thẳng + Hệ toạ độ: trục h hớng thẳng đứng xuống dới, trục p đặt nằm ngang + Nguyên tắc vẽ: - áp suất vuông góc với mặt phẳng tác dụng - áp suất tăng theo chiều sâu - hình dạng biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng vật rắn Do phơng trình biểu diễn áp suất bậc nên cần xác định điểm vẽ đợc biểu Ư 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 áp suất d: pA = 0; pB = h nên biểu đồ áp suất d có dạng có dạng tam p B Ox giác vuông h Pa Hình b - hBiểu suất toàn phần: pA = p0; pB = p0 + h nên biểu đồ ápBsuất toành phần hcđồ áp D A z D C P có dạng hình thang vuông Hình c: Đây trờng hợp thành phẳng đặt nghiêng góc so với phơng 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 phơng pháp đồ giải: - Công thức: P = b.S Trong đó: P: áp lực tác dụng lên thành phẳng (N) b: bề rộng thành phẳng (m), với thành phẳng dài thờng 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: phơng áp lực vuông góc với thành phẳng qua trọng tâm thể tích biểu đồ * Ví dụ: Tính áp lực d tác dụng lên tờng hình chữ nhật có b = 3.5m nằm nghiêng với mặt D nớc góc =600 Nớc bên tờng có chiều sâu h=2m biết n = 9,81.103N/m3 Giải: Theo phơng pháp đồ giải: - Vẽ biểu đồ áp lực: pA = pB = h - Tính áp lực theo công thức P = b.S S= A 1 h h AB = h 2 sin 60 h 60 h B P = b h2 22 = 79 293,28 N = , , 81 10 sin 60 sin 60 - Tìm điểm đặt áp lực: 2 h z AB = 3 sin 60 hP = zP.sin600 = h = 1,33 m zP = Theo phơng pháp giải tích: Tính áp lực theo công thức: Pd = h0w h0 = h = = 1m 2 w = b.zAB = b 14 h = 3,5 = sin 60 sin 60 Pd = 9,81.103.1 14 = 79 293,28 N 1.7 - định luật acsimet Định luật: Một vật ngập phần toàn phần chất lỏng chịu tác dụng lực thẳng đứng hớng lên gọi lực đẩy FA acsimet, có trị số trọng lợng khối chất lỏng mà vật chiếm D chỗ Lực đẩy acsimet có phơng qua trọng tâm D khối C chất lỏng mà vật chiếm chỗ, D đợc gọi tâm đẩy FA = W G Trong đó: FA: lực đẩy acsimet, N : trọng lợng riêng chất lỏng, N/m3 W: thể tích khối chất lỏng mà vật chiếm chỗ, m3 Sự vật: a/ Điều kiện vật: Vật rắn nói chung không đồng chất, ngập chất lỏng chịu lực thẳng đứng: trọng lợng G đặt trọng tâm C vật, hớng xuống dới lực đẩy acsimet FA đặt tâm đẩy D, hớng lên Trọng lợng riêng vật v , trọng lợng 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 = F A' = W' (W' thể tích phần vật ngập chất lỏng) b/ Các trạng thái cân vật lơ lửng: FA FA FA D C C D D C G G G Khi C thấp D Khi C cao D Khi C D - Cân ổn định C thấp D: có lực tức thời làm cân vật sau G FA tạo thành ngẫu lực đa vật trở lại cân - Cân không ổn định C cao D: có lực tức thời dù nhỏ gây ngẫu lực lật ngợc vật cân ổn định - Cân phiếm định C D: vật cân với vị trí ban đầu c/ 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 Mặt C D Mớm nƯ ớc C D M D' + Mớn nớc: giao tuyến vật với mặt nớc + Mặt nổi: mặt phẳng có chu vi đờng mớn nớc + Trục nổi: đờng thẳng vuông góc với mặt qua tâm vật - Khi vật nghiêng D dời đến D' trục với phơng 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 P A tạo nên có xu hớng làm vật trở lại lúc ban đầu - vật ổn định + hM < (M thấp C): ngẫu lực có xu hớng 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 thờng lấy hM = 0,3 - 1,5m tuỳ thuộc vào kích thớc công dụng tàu Chơng II: sở động lực học 2.1 - khái niệm - Khi nghiên cứu chất lỏng trạng thái tĩnh ta có phơng trình bản: z+ p = H = const nghĩa chất lỏng tĩnh xét điểm cần ý đến yếu tố z p Nhng 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 Nhng 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 Chuyển động - Phân loại chuyển động: - Chuyển động ổn định: chuyển động mà tốc độ áp suất điểm cho trớc dòng chảy không phụ thuộc vào thời gian (ví dụ nớc chảy ống dẫn từ bình có mực nớc không đổi) Ngợc lại chuyển động không ổn định (ví dụ nớc chảy sông ngòi thiên nhiên) Chuyển động ổn định chia làm loại: Chuyển động dòng chảy có yếu tố thuỷ lực (lu tốc trung bình, độ sâu ) không thay đổi dọc theo dòng chảy (Ví dụ nớc chảy ống dẫn có đờng kính không đổi) Ngợc lại chuyển động không - Chuyển động không áp: có mặt thoáng tự - Chuyển động không áp: mặt thoáng tự Quỹ đạo, đờng dòng, dòng nguyên tố, dòng chảy: - Quỹ đạo: đờng phần tử chất lỏng riêng biệt không gian - Đờng dòng: Qua loạt điểm dòng chảy ta vẽ đờng cong cho điểm đờng cong véctơ vận tốc phần tử chất lỏng tiếp tuyến với đờng cong Đờng cong đặc trng cho phơng chuyển động hàng loạt phần tử chất lỏng nối tiếp thời điểm cho đợc gọi đờng chảy - ống dòng tập hợp đờng chảy mặt cắt ngang kín khối chất lỏng chuyển động Dòng nguyên tố chất lỏng khối lợng chất lỏng bên ống dòng - Dòng chảy: tập hợp vô số dòng nguyên tố Mặt cắt ngang dòng chảy yếu tố thuỷ lực: - Mặt cắt ớt: mặt cắt qua điểm dòng chảy vuông góc với đờng 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: nớc chảy đầy ống dẫn hình tròn thì: d d R= = d 4 Lu lợng dòng chảy tốc độ bình quân mặt cắt: - Lu lợng: lợng chất lỏng chuyển qua mặt cắt đơn vị thời gian Đơn vị lu lợng m3/s Lu lợng dòng nguyên tố: dQ = ud Lu lợng dòng chảy (tập hợp vô số dòng nguyên tố): w= Q = dQ = ud = v v - diện tích mặt cắt ớt vận tốc trung bình mặt cắt; u - vận tốc điểm 10 f0: phần diện tích bờ mép nớc sông bên trái đờng thuỷ trực thứ fn: phần diện tích bờ mép nớc sông bên phải đờng thuỷ trực thứ n f1, f2, , fn-1: phần diện tích đờng thuỷ trực kề k1, k2: hệ số chiết giảm lu tốc ảnh hởng ven bờ Trong quy trình Việt Nam thờng lấy k1 = k2 = 0,7; khu vực nớc tù lấy k1 = k2 = 0,5 Xác định lu lợng đo lu tốc phao: a/ Khi đo đợc lu tốc nhiều phao: - Coi lu tốc phao lu tốc bình quân thuỷ trực tính Qphao (Qph) theo phơng pháp trình bày - Vì phao mặt sông nên theo quy luật chung lu tốc, Qph tính thiên lớn, muốn tính lu lợng 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 lu lợng máy đo lu tốc Q ph đo phao với cấp mực nớc khác dựa vào bảng tra k3: Chiều sâu trung bình h (m) Đặc điểm lòng sông 1ữ >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 b/ Khi đo lu tốc phao mặt cắt ngang: - Coi lu tốc phao lu tốc lớn (vmax) mặt cắt ngang đo đạc ( ) - Tính lu lợng theo phơng trình liên tục: Q = k4.vmax (m3/s) Xác định lu lợng theo quan hệ biểu đồ Q-H: a/ Lập quan hệ Q-H có đủ tài liệu: Khi có đủ tài liệu ta thấy quan hệ H Q chặt chẽ tơng đối xác vẽ đồng thời quan hệ H-Q, H-v H- Tỉ lệ trục đợc chọn cho đờng lu lợng nghiêng góc 450, đờng diện tích đờng lu tốc nghiêng góc 600 Khi vẽ quan hệ ta đợc dải điểm kinh nghiệm Dùng mắt thờng kẻ đờng quan hệ qua trung tâm dải điểm H H 45 Q H 60 v 60 Sau vẽ xong ta phải có: Q = v Với v xác định từ quan hệ H-v, xác định từ quan hệ H- b/ 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 nớc - Xem xét tình hình mái sông lòng sông để xác định độ nhám n - Giả định hàng loạt giá trị mực nớc Hi (H1, H2, , Hn) Đem giá trị áp lên mặt cắt ngang vẽ xác định đợc i , i , Ri tơng ứng vi = Lu tốc ứng với mực nớc Hi: 46 / 1/ R i n Lu lợng ứng với mực nớc Hi: Qi = v i i - Đến ta lập quan hệ Q-H nh trờng hợp có đủ tài liệu III Điều tra Hmax, vmax Qmax theo phơng pháp hình thái thuỷ văn: Công tác điều tra Qmax theo phơng pháp hình thái thờng gắn liền với việc điều tra H max, vmax đo vẽ mặt cắt ngang sông mặt cắt tính lu lợng 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 lu vực tới vị trí công trình - Điều tra mực nớc Hmax chiều sâu nớc hmax bình quân ứng với chu kì lũ lịch sử - Điều tra vmax mặt cắt cần tính lu lợng: Xác định độ dốc dọc i lòng sông mặt nớc phạm vi khoảng 400m từ mặt cắt lu lợng lên phía thợng lu 400m phía hạ lu Xem xét tình hình mái sông lòng sông để xác định độ nhám n Đa Hmax vào mặt cắt đo đạc tính đợc , R v max = C Ri với hệ số Sedy C = - Lu lợng: Qmax = vmax 47 1/ R n chơng Vii: xác định đặc trng thuỷ văn ứng với tần suất thiết kế công trình Các phơng pháp Trong thiết kế công trình giao thông nh cầu, cống, lu lợng chủ yếu để xác định độ hình thức công trình Có nhiều phơng pháp xác định lu lợng thiết kế công trình Do nhân tố ảnh hởng đến lu lợng 48 số khái niệm xác suất thống kê I Xác suất, chu kỳ, tần suất Hiện tợng ngẫu nhiên, biến cố: a/ Hiện tợng ngẫu nhiên: - Hiện tợng ngẫu nhiên tợng xuất không xuất điều kiện định Ví dụ: Khi tung đồng tiền, có lần xuất mặt sấp, có lần xuất mặt ngửa, ta đoán trớc đợc mặt xuất - Trong số lần quan trắc ta xác định đợc quy luật xuất hiện tợng ngẫu nhiên Nhng thực nhiều lần quan trắc ta thấy tợng ngẫu nhiên tuân theo quy luật định gọi quy luật đám đông tợng ngẫu nhiên Ví dụ: Khi tung đồng tiền, thực nhiều lần quan trắc ta thấy khả để xuất mặt sấp hay ngửa 0,5 b/ Biến cố: - Muốn nghiên cứu quy luật tợng ngẫu nhiên đó, ta phải tiến hành nhiều lần quan trắc (hay gọi thí nghiệm, phép thử ngẫu nhiên) Trong lần thí nghiệm, tợng ngẫu nhiên xuất nh nh khác Mỗi kết cục thí nghiệm nh gọi biến cố xuất đại lợng ngẫu nhiên Ví dụ: Năm 1993 mực nớc cao đo đợc sông Hồng Hà Nội 12,8m Đại lợng ngẫu nhiên nghiên cứu mực nớc lớn sông Hồng Hà Nội, biến cố xuất trị số mực nớc 12,8m năm 1993 Xác suất, chu kỳ, tần suất: - Xác suất: tỷ số số lần xuất hiện tợng với tổng số lần quan trắc - Chu kỳ: thời gian để tợng 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 thờng suốt thời gian khai thác cần thiết kế chúng theo tần suất lũ đợc quy định tuỳ theo tầm quan trọng công trình cấp đờng Tần suất lũ thiết kế dùng cho đờng ô tô ( TCVN 4054-98) Cấp đờng Cao tốc cấp Cấp 100 Tên công trình > 100 km/h 80km/h Nền đờng, kè Theo tần suất cầu,cống Cầu lớn trung 1:100 1:100 Cầu nhỏ cống 1:100 1:100 Rãnh 1:25 1:25 Cấp 60km/h 1:100 1:100 1:25 Tần suất lũ đợc 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 II Đờng cong tần suất: Đờng cong tần suất kinh nghiệm: Xét ví dụ sau: Tại trạm thuỷ văn sông đo đạc đợc số liệu Thứ tự Năm có tài liệu Q(m3/s) Thứ tự Năm có tài liệu Q(m3/s) 1930 1931 1932 1933 1934 1935 1,56 15,1 19,9 7,0 9,97 5,91 20 21 22 23 24 25 1955 1956 1957 1958 1958 1960 2,61 8,89 2,83 4,78 3,96 9,57 49 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 đờng cong tần suất, ta lấy số liệu cột lu lợng 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(%) 1964 36,3 1940 29,2 1937 16,1 37 1954 1,47 Tần suất P tính theo công thức thực nghiệm: - Theo K M : P= - Theo Tregođaev: P = - P= m n +1 dùng n < 30 m 0,3 n + 0,4 dùng n 30 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 đờng cong trơn nhẵn đợc đờng tần suất kinh nghiệm Q Dải điểm kinh nghiệm ĐƯ ờng cong tần suất kinh nghiệm P Vậy: Đờng cong tần suất kinh nghiệm đờng tần suất đợc xây dựng từ mẫu số liệu thực nghiệm (quan trắc) đại lợng ngẫu nhiên, biểu thị quan hệ hàm số biến ngẫu nhiên nghiên cứu xác suất luỹ tích tơng ứng thể cụ thể quy luật thống kê tập hợp mẫu Đờng cong tần suất lý luận: 50 - Sau vẽ đợc đờng cong tần suất kinh nghiệm, sử dụng để tính toán đặc trng thuỷ văn đờng cong tần suất kinh nghiệm có nhợc điểm sau: + Bản thân đờng tần suất kinh nghiệm đợc xây dựng sở số liệu thực nghiệm tập hợp mẫu, mà tập hợp mẫu cha thể đại diện cho quy luật ngẫu nhiên tổng thể + Đờng tần suất kinh nghiệm đợc 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 + Đờng tần suất kinh nghiệm bị hạn chế hai đầu đờng cong ta số liệu thực đo hai đầu thờng lại rơi vào điểm có tần suất nhỏ lớn mà thực tế ta lại cần xác định đặc trng thuỷ văn ứng với tần suất nhỏ tần suất lớn + Đờng tần suất đợc vẽ giấy kẻ ô thờng hai đầu đờng cong dốc Nếu kéo dài cách trực quan mắc phải sai số chủ quan lớn - 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 đờng cong thu đợc theo cách vẽ gọi đờng cong tần suất lý luận Đờng cong tần suất lý luận vừa xuất phát từ số liệu quan trắc thực tế, vừa phù hợp với quy luật biến đổi chung tợng thuỷ văn cần nghiên cứu, đáp ứng đợc yêu cầu giai đoạn xây dựng sử dụng công trình thuỷ xác định Qp% hp% đủ tài liệu quan trắc Nếu tài liệu quan trắc lu lợng lũ lớn năm số năm quan trắc liên tục từ 15 năm trở lên gọi có đủ tài liệu quan trắc Trờng hợp dựa vào số liệu quan trắc đợc áp dụng phơng pháp thống kê số học sở lý thuyết xác xuất để xác định lu lợng hay mực nớc lũ có tần suất khác 1.Cách xác định Qp%: a/ Theo phơng pháp mô men: Bớc 1: Mỗi năm chọn lũ có lu lợng lớn thống kê thành chuỗi dài liên tục Bớc 2: Sắp xếp lu lợng theo thứ tự giảm dần tính tần xuất lũ xuất P(%) Tính lu lợng trung bình Qtb, hệ số biến hoá CV, hệ số lệch CS: Thứ tự n Năm có tài liệu Qi(m3/s) Qmax K i= Qi Qtb Ki-1 (Ki-1)2 Qmin n - Lu lợng trung bình: Qtb = Q i =1 i n Với Qi lu lợng lớn năm, n số năm quan trắc Ki = Với Ki hệ số biến suất: Tần suất P tính theo công thức thực nghiệm: 51 Qi Qtb (Ki-1)3 P(%) m n +1 m 0,3 P= n + 0,4 + Khi số liệu ngắn P = + Khi n 30 + 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 + Khi n < 30 năm: CV = (K i n n + Khi n 30 năm : CV = 1) (K i 1) n - Hệ số lệch CS: đợc xác định dựa vào số liệu thống kê thực tế nhiều năm theo trình tự sau: + Chấm điểm thực đo Q = f(P) tính đợc bảng lên giấy tần suất Hazen + Giả định CS = (1 ữ 6)CV tra hệ số KP% (Thiết kế đờng 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 Cs Trị số CS có đờng cong QP = f(P) tính theo công thức (1) gần với điểm thực đo đợc chọn làm trị số tính toán Trong ví dụ hình dới, CS = 2CV gần với giải điểm thực nghiệm đợc chọn làm trị số tính toán Bớc 3: Tính QP% theo công thức (1) dựa đồ thị QP = f(P) kéo dài b/ Theo phơng pháp dựa vào lu lợng chuẩn: -Làm tơng tự nh phơng pháp đến bớc chấm điểm thực nghiệm Q = f(P) giấy kẻ ô tần suất - Dựa vào điểm thực nghiệm vẽ đờng cong phù hợp nhiều với điểm thực nghiệm phạm vi P = ữ 95% Dựa vào đờng cong xác định lu lợng chuẩn Q5% , Q50% Q95% Nếu lu lợng chuẩn không cho kết tính toán trùng hợp phân bố lý thuyết thực nghiệm Q = f(P) tất đoạn đờng cong thử lấy lu lợng chuẩn Q5%, Q10% Q50% -Xác định đặc trng hệ số lệch toán đồ đờng cong KS1 hay KS2 tuỳ theo đặc tính dạng đờng cong thực nghiệm: 52 KS1 = Q5% Q50% Q50% Q95% hay Q5% Q10% Q10% Q50% KS2 = - Xác định hệ số lệch CS theo thớc quan hệ CS KS (Thiết kế đờng tập III, hình 2-2, trang 23) Dựa vào phụ lục 1b 1c (Thiết kế đờng 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 trờng hợp: CV = Q5% Q50% 5% Q50% 50% Q5% - Xác định lu lợng trung bình Qtb theo công thức sau cho trờng hợp: Qtb = Q5% + CV 5% -Xác định lu lợng phụ thuộc vào tần suất QP%: QP% = Qtb(1 + CV.P%) Xác định mực nớc 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 dới: Bài tập: Giả thiết xác định đợc lu lợng chuẩn sông X là: Q 5%=960m3/s, Q50% = 390m3/s , Q95% = 190m3/s xác định Q1% Giải: Trình tự tính toán: - Xác định hệ số phi đối xứng: K S1 = 960 390 = 2,85 390 190 - Xác định CS theo thớc tính quan hệ CS KS1 ta có: KS1 = 2,85 -> CS = 1,71 - Xác định : dựa vào bảng tra (Thiết kế đờng tập III, trang 223) ứng với CS = 1,71tra đợc 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 đợc 1% = 3,44 => Q1% = Qtb(1 + Cv ) = 1350 m3/s xác định QP% theo phơng pháp hình thái thuỷ văn 1.Khái niệm: - Tính lu lợng thiết kế theo phơng pháp hình thái thuỷ văn dựa vào việc điều tra hình thái mực nớc lũ sông suối vị trí cầu cống gần công trình cầu cống, tìm diện tích thoát nớc (ứng với mực nớc lũ mặt cắt ngang đó), lu tốc bình quân tần suất lũ tính toán để tính lu lợng thiết kế vị trí công trình - Phạm vi áp dụng: Khi tài liệu thống kê lu lợng lũ lớn hàng năm từ 15 năm liên tục trở lên điều kiện thiết kế, thi công gấp không đủ thời gian để tổ chức quan trắc - Mặt cắt ngang khảo sát phải thẳng góc với hớng dòng chảy 53 2.Trình tự tính toán: a/ Tính lu lợng theo mặt cắt khảo sát: Q = v với - diện tích mặt cắt ngang thoát nớc ứng với mực nớc (m2 ) v lu tốc bình quân ứng với mực nớc ( m/s) Xác định lu tốc: -Tính theo lu tốc chảy đều: Nếu đoạn sông tơng đối thẳng, độ dốc đáy sông không thay đổi nhiều, sông nhánh đổ vào tính lu tốc theo công thức chảy đều: V = C Ri 1/ R n + Theo Maninh: C= + Theo Badanh: 87 C= 1+ R Với n, hệ số nhám theo Maninh hay Badanh - Khi độ nhám sông suối thay đổi, tính lu tốc theo công thức: V = m ch H bq2 / i ch1 / Với: mch - độ nhám suối chính; i ch - độ dốc bình quân suối chính; H bq - độ sâu bình quân mực nớc ( m) Sông suối có: Mặt cắt tam giác : Hbq = 0,5H Mặt cắt hình thang: Hbq = 0,6H Mặt cắt hình chữ nhật: Hbq = H Với H chiều sâu lớn mực nớc tính toán b/Tính suy lu lợng thiết kế: Thông qua điều tra tìm đợc mực nớc lũ bình quân nhiều năm dựa vào tính lu lợng lũ bình quân nhiều năm Qbq tính lu lợng thiết kế theo công thức sau: Qp = Qbq ( +p Cv ) Qp lu lợng thiết kế với tần suất xuất 1/p Cv hệ số biến sai lu lợng p hệ số có quan hệ với tần suất 1/p hệ số lệch Cs Gọi kp = + P.Cv : Qp = Kp Qbq Kp đợc tra theo bảng, phụ thuộc vào Cv, Cs p Với lu vực nhỏ ( F < 30 km2 ) dựa theo độ thấm đất để xác định C v từ tra Kp Bài tập: Lòng suối có mặt cắt ngang hình tam giác, độ dốc bình quân dòng 4%, lòng suối có nhiều cỏ Đất khu vực tụ nớc thuộc nhóm III (theo độ thấm nớc), chiều cao mực nớc lũ bình quân nhiều năm điều tra đợc 12,10m tơng ứng với bề rộng mặt nớc B = 18 m Tính lu lợng lũ với tần suất 1/25 54 Giải: Với sông suối nhỏ tính theo công thức; V = m ch H bq2 / i ch1 / Tra bảng hệ số nhám ứng với lòng suối nhiều cỏ đợc mch = 15 (bảng 2-14 trang 28) Lòng suối có mặt cắt tam giác; Hbq = 0,5H Khi cao độ mực nớc lũ 12,10m H = 12,10 11,40 = 0,7m V = 15 (0,5.0,7)2/3 0,041/2 = 1,48 m = B.Hbq = 18 0,5 0,7 = 6,3m2 Diện tích mặt cắt ớt: Lu lợng: Qbq = 6,3 1,48 = 9,3 m3/s Tra bảng ứng với đất nhóm III có C v = 0,63 => k25 = 2,35 (bảng 2.18 trang 31 bảng 2.17 trang 30) Lu lợng thiết kế: Qp = kp Qbq = 2,35 9,3 = 21,9 m3/s 4- xác định QP% theo phơng pháp cân lợng nớc Phạm vi áp dụng: dùng cho lu vực F < 30 km2 ( sách thiết kế cầu cống nhỏ đờng ô tô trang 13 ) Công thức: dùng công thức Bônđakov có sửa đổi Q=000000 ( 1) Với Q - lu lợng lúc ma rào dùng để thiết kế - hệ số địa mạo, phụ thuộc vào địa hình, độ dốc trung bình dòng suối chính, diện tích khu tụ nớc( tra bảng 21 trang 14) F diện tích khu tụ nớc ( km2 ) H chiều sâu dòng chảy ( mm ) dựa theo phân khu ma rào vị trí xây dựng cầu cống, theo tần suất lũ qui định, theo loại đất, theo khả hút nớc theo thời gian tập trung nớc qui định t ( tra bảng 22 trang 15 ) F < 10 km2 t = 30 phút 10 < F < 20 km t = 45 phút 20 < F < 30 km t = 80 phút Z chiều day giữ nớc cỏ ( mm) ( bảng 23 trang 15 ) - hệ số triết giảm lu lợng ( bảng 24 trang 16 ) - hệ số triết giảm ma không phạm vi lu vực ( bảng 25 trang 16 ) - hệ số triết giảm ảnh hởng ao hồ Lu ý: Với lu vực F < km2 lu lợng tính theo công thức thờng lớn thực tế Vì F < o,5 km ( đồng ) hay F , 1km ( miền núi ) phải kiểm tra theo công thức nớc chảy hoàn toàn: Q = 0,56hF ( 2) Lu lợng nớc tính theo ( ) phải nhỏ lu lợng tính theo xác định QP% theo công thức xôkôlốpki 1.Phạm vi áp dụng: dùng cho lu vực F = 100 3000km2 Trong ngành giao thông vận tải phần lớn giải cho lu vực nhỏ vừa, gặp lu vực lớn nh mà tài liệu đo đạc lu lợng Khi sử dụng công thức phải tham khảo qui trình Bộ thuỷ lợi Việt Nam Công thức: 55 0000 ( Thiết kế đờng tập III , trang 192 ) Với HT- chiều dày ma tính toán ( mm) ma tính toán T tần suất tính toán P/ HT = Hp tra phụ lục 12b , Hp tra phụ lục 15 a- hệ số dòng chảy F diện tích lu vực ( km2 ) - hệ số tổng hợp xét ảnh hởng ao hồ, đầm lầy rừng 000 = 0,6 lg( + fa + 0,2 fl+ fr với fa, fl, fr tỷ lệ diện tích ao hồ, lầy rừng tính theo % tn thời gian lũ lên tính 0000 Kn hệ số : lấy ma rào ngắn, 1,3 1,6 ma có thời gian lớn ngày đêm L Chiều dài suối tính từ đầu nguồn đến mặt cắt tính toán, km Vn tốc độ trung bình suối thời gian lũ lên, lấy 0,7 tốc độ nớc chảy mặt cắt sông tính toán H0 chiều dày ma bị để làm ớt đất không tính dòng chảy, mm theo qui định Bộ thuỷ lợi) f- hệ số hình dạng lũ: sông không bãi f = 1,2; sông có bãi thoát lợng nớc dới 255 Q f = 1; 50% Q f = 0,75 Q0 lu lợng nớc nớc ngầm, lấu lu lợng trung bình mùa cạn Qtb nhiều năm F lớn bỏ qua lu vực nhỏ Bài tập: Có lu vực F = 14 (km2 ) ( sông Kỳ ) nằm địa phận Bắc cạn Cao Bằng Chiều dài dòng chủ L = km, tốc độ nớc chảy mặt cắt sông tính toán v = 2,14 m/s, sông bãi, cối lu vực thuộc loại rậm rạp ( rừng già ) 100% rừng Xác định lu lợng ứng với tần suất thiết kế P = 1% Giải: - Thời gian lũ lên với Kn = 1000000 tra bảng ( Thiết kế đờng tập iii, trang 192) đợc thời gian tính toán ma T = 2h - Chiều dày ma tính toán: Địa phận Bắc cạn Cao thuộc vùng ma IV, tra phụ lục 15 trang 256 đợc lợng ma ngày ứng với tần suất 1% H15 =294 mm Tra phụ lục 12b, trang 248 với vùng ma X,T = 2h = 120 phút -> = 0,6 => HT = Hp% = 0,6 294 = 46,4 mm - Tra bảng trang 193 ứng với lu vực sông Chu : H0 = 19 mm , a = 0,86 - Hệ số tổng hợp xét ảnh hởng ao hồ, đầm lầy rừng = 0,6 lg(1 + fa + 0,2fl + fr ) = 0,6 lg( 1+ ) = 0,82 - Đối với lu vực nhỏ, coi Q0 = - Hệ số hình dạng lũ: với sông bãi f = 1,2 - Lu lợng ứng với tần suất thiết kế 1% Q1% =00000000 qui trình tính QP% viện thiết kế gtvt Phạm vi áp dụng: dùng để tính dòng chảy lũ ma rào lu vực nhỏ, phục vụ cho tính độ cầu nhỏ, cống Công thức: Qp% = Ap.a Hp F 00000000 ( Thiết kế đờng tập III, trang 176 ) Với Hp lợng ma ngày (mm) ứng với tần suất thiết kế P%, tra phụ lục 15 trang 256 56 a- hệ số dòng chảy lũ lấy bảng (9 -6b) trang 176 F- diện tích lu vực ( km2) - hệ số triết giảm lu lợng ao hồ , đầm, tra bảng 5, trang 176 Ap môđun dòng chảy đỉnh lũ ứng với P% điều kiên = 1, xác định theo phụ lục 13, phụ thuộc vào 00000000 - Đặc trng địa mạo thủ văn lòng sông:00000000 - Thời gian tập trung dòng chảy sờn dốc : tra phụ lục 14 trang 255 dựa vào vùng ma đặc trng địa mạo thuỷ văn sờn dốc lu vực0000 Il, Isd - độ dốc lòng sông sờn dốc ( ) L- chiều dài lòng (km) Ml, msd hệ số nhám lòng sông sờn dốc bsd chiều dài bình quân sờn dốc(km) : - tổng chiều dài sông nhánh (km) Bài tập: Có lu vực F = 2,94(km2 nằm địa phận Hơng khê, Hoà bình Chiều dài dòng chủ L = 3,8 km; tổng chiều dài sông nhánh = 4,97 km; độ dốc lòng sông I l = 0,0085; độ dốc sờn dốc Isd = 0,202; đất cấu tạo lu vực đất rừng màu tro nguyên thổ cấp III; msd = 0,15; ml = 7; diện tích ao hồ khu vực không đáng kể = Xác định l u lợng ứng với tần suất thiết kế P = 1% Giải: - Dựa vào phụ lục 15 (sgk-256) xác định đợc vùng ma vùng VIII h15 = 371 mm; dựa vào bảng -2 (sgk-175) xác định đất thuộc cấp III; dựa vào bảng 9-7 (sgk)-178) xác định đợc a = 0,78 - Tính chiều dài sờn dốc lu vực: bs =000000 - Đặc trng địa mạo thuỷ văn sờn dốc lu vực:000000 - Xác định thời gian tập trung nớc: theo phụ lục 14 (sgk-255) ứng với = 3, vùng ma rào VIII => = 20 phút - Xác định đặc trng địa mạo thuỷ văn lòng sông: ooooô - ứng với = 49,18 = 20 phút, vùng ma rào VIII, tra phụ lục 13 (sgk 249) đợc A1% = 0,0582 Thay vào công thức tính lu lợng ta có: Q1% = 0,0582 0,78 371 2,94 = 49,52 m3/s 57 Đ8- xác định QP% đoạn sông bị ảnh hởng thuỷ triều Tính chất sông bị ảnh hởng thủy triều: - Những lý sử dụng phơng pháp xác định lu lợng thiết kế độ cầu sông thông thờng hay sông bị ảnh hởng nớc dềnh từ sông khác để tính toán sông bị ảnh hởng thủy triều: + Quan hệ mực nớc với vận tốc, lu lợng, độ dốc mặt nớc (H-V-Q-i) phức tạp, hoàn toàn khác với sông không bị ảnh hởng thủy triều + Khi mực nớc cực đại vận tốc, lu lợng độ dốc mặt nớc trị số lớn nhất, mực nớc cực tiểu yếu tố trí số nhỏ + Cùng mực nớc có nhiều lu lợng, vận tốc độ dốc mặt nớc khác Quan hệ H Q V sông bị ảnh hởng thủy triều - Thông thờng, dòng nớc chảy từ sông biển, có bị ảnh hởng thủy triều mạnh, nớc lại chảy ngợc từ biển vào sông; có đồng thời quan trắc thấy phần trắc ngang có nớc chảy xuôi phần nớc chảy ngợc; theo chiều sâu có nửa lớp sát bề mặt nớc chảy xuôi, nửa sát đáy sông nớc chảy ngợc Tốc độ thay đổi theo chiều - Mực nớc, vận tốc, độ dốc mặt nớc thay đổi theo thời gian sâu nhanh Do đó, khảo sát đo đạc sông bị ảnh hởng thủy triều phải tiến hành lúc nhiều điểm liên tục 24 ngày, đợt đo 7-:-8 ngày liên tục - Sự ảnh hởng thủy triều vào sông diễn theo quy luật truyền sóng triều từ biển vào Đối với mặt cắt sông gần biển, ảnh hởng thủy triều mạnh, mực nớc bị dâng lên rút xuống với tốc độ nhanh nên mặt cắt sông quan sát thấy rõ tợng mực nớc hạ lu bắt đầu rút nhng thợng lu mực nớc tiếp tục dâng cao (khác hẳn so với chế độ nớc chảy sông bị ảnh hởng nớc dềnh từ sông khác) - Mực nớc, vận tốc, lu lợng độ dốc mặt nớc thay đổi có tính chất chu kì theo quy luật đờng sin biến dạng với chu kì hay nửa ngày mặt trăng tùy theo chế độ thủy triều địa phơng chế độ nhật triều hay bán nhật triều (H.vẽ trang bên) - Ngoài ra, có nguyên nhân khác làm cho dòng nớc biển chuyển dịch lên xuống phức tạp nh gió, bão, chênh lệch nhiệt độ, độ mặn Vì vậy, quy luật dòng chảy sông ven biển phức tạp 58 Sự thay đổi H V Q theo thời gian t Xác định lu lợng thiết kế: Có phơng pháp a/ Phơng pháp 1: - Nội dung phơng pháp: + Chọn phạm vi đờng biến hóa mực nớc có lu lợng lu tốc tơng đối lớn vẽ đờng bao quan hệ H Q làm đờng lu lợng tính toán + Dựa vào tài liệu thống kê mực nớc nhiều năm vị trí công trình đờng bao lu lợng, phơng pháp thống kê số học xác định đợc mực nớc lu lợng thiết kế - Phạm vi áp dụng: Nếu số năm quan trắc lu lợng Cách vẽ đờng H Q tính toán mực nớc liên tục đợc mực nớc lu lợng tính toán theo tần suất không xác vị trí đờng bao dùng làm đờng lu lợng thiết kế phụ thuộc nhiều vào số năm quan trắc b/ Phơng pháp 2: - Nội dung phơng pháp: + Trong thời điểm nào, lu lợng chảy qua mặt cắt sông bị ảnh hởng thủy triều phân thành thành phần: phần lu lợng từ thợng nguồn phần lu lợng làm cho mực nớc lên cao hay xuống thấp mà nguyên nhân chủ yếu ảnh hởng thủy triều Khi nớc xuống: Q = QS dw dt Khi nớc lên: Q = QS + dw dt Với QS lu lợng từ thợng nguồn dw - khối lợng nớc dâng trớc mặt cắt tính toán tăng lên hay giảm xuống thời dt gian 1s, có trị số gần lu lợng thủy triều Q + Xác định trị số QS: Trên đờng trình mực nớc thay đổi theo thời gian tìm đợc điểm a b có mực nớc độ dốc mặt nớc (Ha Hb, ia ib ) Quan hệ H-t Mặt cắt dọc sông Sơ đồ xác định QS Tính QS theo công thức sau: (Chứng minh TKĐ3, trang36) Q a + Qb b + Qi a QS = tb ta + Lu lợng thiết kế theo tần suất 1% tính theo công thức sau: Q1% = QS1% + Q100% 59 (1) Trị số QS1% - lu lợng từ thợng nguồn lũ xác định cách vẽ quan hệ Q S H QS Q tơng ứng trạm thợng lu không bị ảnh hởng thủy triều mà có tài liệu quan trắc nhiều năm Xác định QS1% Trị số Q năm thay đổi nên Q100% lấy năm quan trắc theo công thức: Q = Q Q S (2) Với Q lu lợng lớn đo đợc năm quan trắc QS xác định theo công thức (1) 60 [...]... thay đổi nhng lu lợng luôn giữ giá trị không đổi 2.3 - phơng trình becnuli Đây là phơng trình thứ hai của thuỷ động lực học, đợc áp dụng thờng xuyên trong thuỷ lực, thuỷ văn Đầu tiên ngời ta thành lập phơng trình cho dòng nguyên tố của chất lỏng lí tởng, khi kể đến tính nhớt ta có phơng trình cho dòng nguyên tố của chất lỏng thực Khi lập phơng trình cho toàn dòng chảy thực, để bỏ qua những yếu tố khó... hình học của mặt cắt ngang không đổi dọc theo dòng chảy Đ3.2 - phơng trình cơ bản mặt cắt kênh lợi nhất 1 Phơng trình cơ bản: Công thức Sêdi tính vận tốc trung bình: v = C Ri (m/s) Sử dụng công thức Sêdi tính vận tốc trung bình và phơng trình liên tục Q =w.v ta có phơng trình cơ bản của kênh hở chảy đều: Trong đó: R: bán kính thuỷ lực (m) Q = C Ri = Ki1/2 (m3/s) C: hệ số Sêdi ( m / s ), theo Manninh... Quá trình chảy tràn trên sờn dốc: - Hiện tợng chảy tràn trên sờn dốc bắt đầu khi xuất hiện lợng ma quá thấm - Trong quá trình chảy tràn, nớc vẫn không ngừng bị tổn thất vì ngấm và bốc hơi nhng đồng thời ma vẫn rơi, bổ sung cho lớp nớc chảy tràn d/ Quá trình tập trung dòng chảy trong sông Nớc sau quá trình chảy tràn trên sờn dốc sẽ tập trung và chảy trong lòng sông cho đến cửa ra của lu vực Quá trình. .. mặt trên lu vực bao gồm các quá trình sau: a/ Quá trình ma: 34 - Quá trình ma là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành dòng chảy của sông - Cờng độ ma luôn biến đổi theo thời gian và theo không gian: Trong một trận ma lúc đầu cờng độ còn nhỏ, sau đó tăng dần và đạt tới giá trị lớn nhất, tiếp theo c ờng độ lại giảm dần cho tới lúc ma tạnh b/ Quá trình tổn thất: Nớc ma rơi xuống lu vực bị tổn thất... thành nhám thuỷ lực: 1 Lớp mỏng chảy tầng: Lõi rối Không phải toàn bộ mặt cắt của dòng rối là chảy rối mà Lớp quá độ dòng chảy đợc phân chia thành 2 phần chủ yếu là lõi rối và lớp mỏng chảy tầng sát thành rắn có chiều dày: Lớp mỏng 32,8d chảy tầng t = Re Với là hệ số ma sát t 2 Thành trơn và thành nhám thuỷ lực: Gọi là bề dày mấu nhám của thành rắn Các mấu nhám này tạo ra do quá trình thi công,... cho toàn dòng chảy thực, để bỏ qua những yếu tố khó khăn nh phân bố vận tốc không đều trên mặt cắt ớt, có thành phần vận tốc hớng ngang và ảnh hởng của lực quán tính ly tâm nên ta chỉ mở rộng phơng trình Becnuli cho dòng chảy không đều đổi dần 1 Phơng trình Becnuli - Với dòng nguyên tố của chất lỏng lý tởng: p1 u12 p 2 u 22 z1 + + = z2 + + 2g 2g hay E1 = E2 (1) E1, E2 lần lợt là tỷ năng (năng lợng... lòng n dẫn, đợc tra trong các bảng tra thuỷ lực K = w C R1/2 (m3/s) - đặc trng lu lợng hay còn gọi là môđun lu lợng 2 Mặt cắt kênh lợi nhất: Mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực là mặt cắt có lu lợng lớn nhất Qmax khi diện tích mặt cắt ớt w, độ dốc đáy kênh i và độ nhám lòng dẫn n cho trớc Hay nói cách khác, khi có cùng lu lợng Q, i và n, mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực là mặt cắt có w là nhỏ nhất Thật vậy:... thuỷ lực Trong các hình có diện tích bằng nhau thì hình tròn có min Trong các loại kênh thờng gặp thì kênh có mặt cắt hình bán nguyệt là kênh có lợi nhất về thuỷ lực song kênh đào không gia cố thật khó có khả năng đạt đợc Vì vậy ngời ta thờng dùng kênh hình thang là kênh có mặt cắt gần đến mặt cắt hình bán nguyệt nhất 18 Đ3.3 - các dạng bài toán cơ bản 1 Dạng 1: Cho biết h, b, m, n, i - tìm Q và v Trình. .. 19.6 m3/s, n = 0.025, m =1, i = 0.0007, v = 1.3 m/s Giải: Với kênh mặt cắt hình thang ta có 2 phơng trình sau: (b + mh)h = b + 2h 1 + m 2 = R Q 19.6 = = 15.08 (m2) v 1.3 nv 0.025 x1.3 3 / 2 R = ( )3/ 2 = ( ) = 1.36m i 0.0007 Với diện tích mặt cắt ớt là: = Bán kính thuỷ lực: Thay các trị số vào hệ phơng trình trên ta có: bh + h2 = 15.08 b + 2.82h = 11.09 Nghiệm là b = 5.5m và h = 2.02m 4 Những chú ý:... Quá trình hình thành dòng chảy trong sông rất phức tạp Nớc ma rơi xuống trên mặt lu vực, một phần chảy trên mặt đất gọi là dòng chảy mặt, một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nớc ngầm gọi là dòng chảy ngầm Dòng chảy mặt và ngầm đều tập trung nớc cung cấp cho sông tạo thành dòng chảy của lu vực 1 Quá trình hình thành dòng chảy mặt: Sự hình thành dòng chảy mặt trên lu vực bao gồm các quá trình