TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay KHÁI NIỆM CHUNG chiều sâu, diện tích ướt biểu đồ phân bố vận tốc mặt cắt dọc theo dòng chảy không đổi Dòng chảy Các đặc trưng thuỷ lực không đổi dọc theo dòng chảy đường năng, mặt thoáng đáy kênh song song với B h ϕ b Các đặc trưng thủy lực m/c ướt kênh: • Bề rộng đáy kênh : b • Bề rộng mặt thoáng: B • Diện tích mặt cắt ướt: A • Chu vi ướt: P • Bán kính thủy lực: R = A/P • Hệ số mái dốc: m=cotgϕ DÒNG ĐỀU TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay II CÔNG THỨC CHÉZY VÀ MANNING f R = kV 2 ⇒ FR = LPkV γALi − LPkV = ⇒ γALi = LPkV ⎛γ⎞ V =⎜ ⎟ ⎝k⎠ V = CR x i y p lực Đường Wsinθ h Ri Mặt thoáng θ L W Đáy kênh P Fx = Wsin θ = γALsin θ = γALi Hay Công thức Chezy: (1769) V = C Ri Công thức Manning: (1889) V= ⇒ A h ⎛γ⎞ C=⎜ ⎟ ⎝k⎠ Với : hệ số Chézy 2/3 R i n Hệ số Chézy tính theo Manning: Ghi chú: C= 16 R n số mũ “1/6” bán kính thuỷ lực R số Nó phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng độ nhám lòng dẫn Chính thế, số nhà nghiên cứu khác sử dụng số mũ di động sau: Công thức Pavlovski (1925): C = Ry n ⎧⎪y = 1,5 n ⎨ ⎪⎩y = 1,3 n III XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM n Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nhám: · Độ nhám bề mặt · · · · · · Sự bồi xói Mực nước lưu lượng Lớp phủ thực vật Hình dạng mặt cắt kênh Vật cản Tuyến kênh DÒNG ĐỀU R < 1m R > 1m TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Các phương pháp ước đònh hệ số nhám: 2.1 Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản: •Phương pháp SCS (soil Conversation Service Method): Theo Cowan, hệ số n tính sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 n0: Hs nhám cho kênh trường hợp tiêu chuẩn, (kênh thẳng, mặt cắt lăng trụ, đáy trơn có loại vật liệu) n1: Hệ số bổ sung thêm trường hợp bề mặt kênh không n2: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kích thước hình dạng mặt cắt ngang kênh thay đổi n3: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kênh có vật cản n4: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kênh có lớp phủ thực vật m5: Hệ số hiệu chỉnh trường hợp kênh uốn khúc Ví dụ: kênh đất tiêu chuẩn có n=0,02; kênh có tiết diện thay đổi loại nhỏ không hiệu chỉnh cách cộng thêm n2 = 0,01, kênh bò bao phủ lớp cỏ thấp cộng thêm n4=0,005; kênh có độ uốn khúc rõ nhân tất cho hệ số hiệu chỉnh m5=1,15 Như hệ số nhám Manning n cuối ước đònh là: n = (0,02 + 0,01 + 0,005).1,15 = 0,04 Các hệ số cho phụ lục 1.2 •Phương pháp dùng bảng: Phương pháp thường sử dụng rộng rãi tính toán đơn giản Từ kênh thường gặp thực tế người ta ước đònh sẵn hệ số n theo kinh nghiệm thực nghiệm lập thành bảng Khi tính toán ta cần tra tính chất kênh có hệ số n (xem phụ lục 1.3 ) Phương pháp dùng hình ảnh: Từ kênh thực tế người ta đo đạc xác đònh hệ số n, sau chụp ảnh xếp thành loại Khi tính toán dựa vào hình ảnh kênh có sẵn n ước đònh hệ số nhám n • Phương pháp dùng biểu đồ lưu tốc: (bán thực nghiệm): Phương pháp dùng công thức thực nghiệm: Simons Senturk (1976) (1948) n = , 047 d / Raudkivi (1976) n= U (x − 1)h1 x = 0,2 U 0,8 6,78(x + 0,95) Meyer–Peter Muller (dùng cho kênh có vật liệu đáy hỗn hợp có kích thước nhỏ) n = , 013 d 165/ n = , 038 d 190 d65, d90 (mm): đường kính hạt mà trọng lượng hạt có đường kính nhỏ hay đạt 65%, 90% DÒNG ĐỀU TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay 2.2 Trường hợp mặt cắt kênh phức tạp: n1 • Công thức Horton, Einstein: xem vận tốc trung bình diện tích ướt đơn giản vận tốc trung bình toàn mặt cắt ướt, n tính: • Công thức Pavlovskij, và…: Nếu xem lực ma sát toàn mặt cắt tổng lực ma sát mặt cắt đơn giản, hệ số nhám tương đương tính sau: Công thức Lotter: Nếu xem lưu lượng toàn mặt cắt tổng lưu lượng mặt cắt đơn giản, thì: n3 n2 ⎡N 32⎤ ⎢ ∑ Pi n i ⎥ ⎥ n e = ⎢ i=1 P ⎥ ⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ ne ⎡ N ⎤ ⎢ ∑ Pi n i ⎥ ⎥ = ⎢ i=1 P ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ PR ne = N Pi R 5i ∑ ni i =1 N • Cox(1973) từ thí nghiệm đề nghò dùng công thức: ne = ∑n A i =1 i A IV TÍNH TOÁN DÒNG ĐỀU Những công thức sử dụng: V = R2 i n Q = AR i n K = AR n 4.1 Xác đònh độ sâu dòng đều: • Phương pháp thử dần: ° AR / = Phương pháp vẽ đồ thò: nQ i ¾Cho nhiều giá trò h thay đổi, tính giá trò AR2 / ¾Sau vẽ đường quan hệ: AR2 / ¾Xác đònh giá trò kênh: theo h nQ i ¾Từ đường quan hệ AR2 / theo h vẽ, suy độ sâu chảy ứng với giá trò nQ i kênh DÒNG ĐỀU 23 i TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay ° Phương pháp dùng biểu đồ: : Vẽ sẵn đường quan hệ không thứ nguyên modul lưu lượng (module vận tốc) độ sâu chảy , biết modul lưu lượng ta suy độ sâu chảy W Wng = f (h D ) K K ng = f (h D ) K= K ng ° Q AR / = n i = A ng R 2ng/ n Phương pháp số: hmin=0; hmax=100 Nếu: AR2 / W= Wng 2/3 V R = n i = R 2ng/ n Lập trình để thử dần độ sâu dòng Ví dụ: h0= (hmin+hmax)/2 > hmax = h0 nQ i Tính AR2 / Nếu: AR2 / < hmin = h0 nQ i nQ i So sánh AR2 / với Nếu: AR2 / = nQ i h0 đáp số 4.2 Thiết kế kênh: Điều kiện: Mặt cắt có lợi thủy lực m/c có dt ướt cho lưu lượng max * Nếu dòng chảy hai kênh có diện tích mặt cắt ướt, kênh dẫn lưu lượng lớn hơn, kênh có mặt cắt lợi mặt thủy lực •* Ngược lại, hai kênh dẫn lưu lượng nhau, kênh có diện tích mặt cắt ướt nhỏ hơn, kênh có mặt cắt lợi mặt thuỷ lực •* Trong mặt cắt thường gặp hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình tròn…thì mặt cắt hình tròn mặt cắt có lợi thủy lực •* Tuy nhiên cần ý mặt cắt có lợi thủy lực chưa mặt cắt có lợi kinh tế ¾Kênh hình thang: Đặt: β = b h ⇒ Điều kiện: dh dA = h + 2h (β + m ) =0 dβ dβ ⇒ β ln b = = + m2 − m h A = (b + mh )h = (β + m ) h P = b + 2h + m = h(β + + m ) dP dh = β + + m2 + h = dβ dβ R ln = DÒNG ĐỀU + m2 − m + m h + m2 − m + + m2 = h TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Ngoài thiết kế kênh cần phải ý đến vận tốc kênh không vượt vận tốc không xói không nhỏ vận tốc không lắng V kl < V < V kx Các giá trò Vkx cho phụ lục tùy theo loại đất dính hay không dính, giá trò Vkl tính theo công thức thực nghiệm: V kl = W max , 065 i Wmax tốc độ lắng chìm hạt có kích thước lớn Ví dụ1: Kênh hình thang đáy rộng 3m, mái dốc m=1,5, độ dốc kênh i = 0,0016, hệ số nhám n = 0,013 Xác đònh lưu lượng chảy độ sâu chảy 2,6m Giải: Diện tiùch ướt kênh: A = (b + m h ) h = (3 + 1,5 2,6 ) 2,6 = 18 m Chu vi ướt: P = b + h + m = + 2,6 + 1,52 = 12 ,37 m Bán kính thủy lực: R = A P = 18 12 = , 45 m Suy lưu lượng: Q= 1 2/3 AR / i = 18 (1,5) 0,0016 = 70,71 m s n 0,013 Ví dụ 2: Một kênh hình thang đáy rộng 3m, mái dốc m=1,5, độ dốc i=0,0016, hệ số nhám n=0,013 Xác đònh độ sâu chảy lưu lượng kênh 7,1 m3/s Giải: Từ phương trình : AR / = nQ i Với: = nQ i , 013 , = , 3075 , 0016 A = (b + m h ) h = (3 + ,5 h ) h P = b + 2h R= (3 + 1,5 h ) h + 3,606 h Bằng cách thử dần: Suy ra: + m = + h + , = + , 606 h h(m) A(m2) R(m) AR / 1,000 4,500 0,6812 3,484 0,800 3,360 0,5701 2,312 0,799 3,354 0,5704 2,3077 h = 0,779m DÒNG ĐỀU TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Ví dụ 3: Xác đònh độ sâu chảy ống cống có đường kính 3m lưu lượng m3/s, hệ số nhám n=0,02 độ dốc i=0,0009 Giải: Ang = Với: K= Q i = 0,0009 = 167 m s 7,068 πD π3 = 0,75m = = 7,068m ; Png = πD = π = 9,425 m ;Rng = , 425 4 2/3 2 K ng = 7,068 (0,75) A ng R 2ng/ = n 0,020 167 K ⎛h⎞ f1 ⎜ ⎟ = = = 0,572 ⎝ D ⎠ K ng 291,78 h = 0,54 D ⇒ = 291,78m / s ⇒ h = 0,54.3 = 1,63m Ví dụ 4: Xác đònh kích thước (b, h) kênh hình thang cho biết Q = 75 m s V = 1,25 m s m = n = 0,0225 i = 0,00038 Giải: 3/ 3/ ⎛ ⎞ , 0225 , 25 nV ⎛ ⎞ 60 A Q 75 ⎟⎟ = 1,74 m P = = = 34,5 ⎟ = ⎜⎜ A = = = 60 m R = ⎜ R 1,74 V 1,25 ⎝ i⎠ ⎝ 0,00038 ⎠ ⇒ A = (b + 2h ) h = 60 ; P = b + 2h + 2 = 34,45 ⇒ 2,472 h − 34 ,5 h + 60 = ⇒ b = 25,54 m ; ⇒ h = 2,03m h1 = 2,03m; b1 = 25,54 m h = 11 , 95 m ; b < Ví dụ 5: Kênh hình thang có hệ số mái dốc m, hệ số nhám n, độ dốc đáy i, dẫn lưu lượng Q Tính kích thước kênh (bề rộng đáy b độ sâu h) cho kênh có mặt cắt lợi mặt thủy lực.Tính số với m=0,5; n=0,02; i=0,0001; Q=50 m3/s Giải: Theo công thức tính lưu lượng: AR i n Thế A = (b + m h ) h R=h/2 (từ đk kênh có m/c tlực lợi nhất) Ta có : Q= ⎛h⎞ Q = (b + mh)h⎜ ⎟ n ⎝2⎠ 1⎛b ⎞ ⎛h⎞ i = ⎜ + m ⎟h ⎜ ⎟ n⎝h ⎠ ⎝2⎠ 2⎛ h ⎞ i = (β + m )h ⎜ ⎟ n ⎝2⎠ Trong p.tr trên, ta thay đ.k lợi thuỷ lực: Suy : ⎛h⎞ Q = (2 + m − m)h ⎜ ⎟ n ⎝2⎠ i Vậy để kênh hình thang có m/c lợi TL thì: : Thế số vào ta có: h= 5,44m; b=6,72m; DÒNG ĐỀU β= i b = + m2 − m h ⎛ ⎞ Qn ⎜ ⎟ h= ⎜ (2 + m − m ) i ⎟ ⎝ ⎠ b = β h = 2( + m − m )h TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Phụ lục P.1.2: Các hệ số bổ sung tính toán hệ số nhám tính theo Cowan Điều kiện kênh Hệ số bổ sung Đất 0,020 Đá Vật liệu cấu trúc Sỏi mòn Mức độ không bề mặt Sự thay đổi hình dáng kích thước mặt cắt ngang kênh nh hưởng vật cản nh hưởng lớp thảm thực vật, lớp thảm có chiều cao 0,025 n0 0,024 Sỏi thô 0,028 Nhẵn 0,000 Mức độ nhỏ 0,005 n1 Mức độ vừa phải 0,010 Mức độ nghiêm trọng 0,020 Biến đổi dần 0,000 n2 Thỉnh thoảng biến đổi 0,005 Thường xuyên biến đổi 0,010 - 0,015 Không có 0,000 Trung bình 0,010 – 0,015 n3 Cao 0,020 – 0,030 Rất cao 0,040 – 0,060 Thấp 0,005 – 0,010 Trung bình 0,010 – 0,025 n4 Cao 0,025 – 0,050 Rất cao 0,050 – 0,100 Nhỏ, Không rõ Mức độ uốn khúc 1,000 m5 Rõ 1,150 Nghiêm trọng 1,300 Phụ lục P.1.3: Giá trò hệ số nhám n số kênh ống Đặc tính kênh ống •Ống đường hầm I.Kim loại: •Đồng thau, nhẵn •Thép ¾Nối mặt bít hàn ¾Nối ren đinh tán Gang ¾Có sơn ¾Không sơn I.Không kim loại: •Kính •Gỗ •Xi măng ¾Sạch ¾Có trát vữa •Ống đất sét nung (để tháo nước) •Bê tông ¾Cống thẳng, vôi gạch nát ¾Cống rẽ nhánh, chỗ có gạch nát •Kênh xây phủ bởi: I.Kim loại: •Thép bề mặt nhẵn ¾Không sơn ¾Có sơn •Bề mặt có nếp gấp, nhăn I.Không kim loại: •Xi măng ¾Sạch ¾Có trát vữa •Gỗ ¾Có bào, không xử lý ¾Có bào, có xử lý creozot ¾Không bào •Bê tông ¾Trên đá phẳng ¾Trên đá không phẳng DÒNG ĐỀU nmin ntr nmax 0,009 0,010 0,013 0,010 0,013 0,012 0,016 0,014 0,017 0,010 0,011 0,013 0,014 0,014 0,016 0,009 0,010 0,010 0,012 0,013 0,014 0,010 0,011 0,011 0,011 0,013 0,013 0,013 0,015 0,017 0,010 0,011 0,011 0,013 0,013 0,014 0,011 0,012 0,021 0,012 0,013 0,025 0,014 0,017 0,030 0,010 0,011 0,011 0,013 0,013 0,015 0,010 0,011 0,011 0,012 0,012 0,013 0,014 0,015 0,015 0,017 0,022 0,020 0,027 TS Nguyễn Thò Bảy, ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Phụ lục P.1.1: Kích thước hình học số mặt cắt Loại mặt cắt B m h B A P b+2mh h(b+mh) b + 2h + m B bh b+2h 2mh mh2 2h + m b h h B m b b h m h ≤ 0.15 B ⎡ 8⎛h⎞ ⎤ ≈ B⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ B ⎠ ⎦⎥ ⎢⎣ ≈ 1.78h + 0.61B ≈B 2ph h Bh x2=2py D h θ ≈ 2h h(D − h) (θ − sin θ) D2 DÒNG ĐỀU khi h >2 B θ D h ≤ 0.33 B h ≤2 B ... đònh hệ số nhám: 2.1 Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản: •Phương pháp SCS (soil Conversation Service Method): Theo Cowan, hệ số n tính sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 n0: Hs nhám cho kênh... = ⎢ i=1 P ⎥ ⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ ne ⎡ N ⎤ ⎢ ∑ Pi n i ⎥ ⎥ = ⎢ i=1 P ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ PR ne = N Pi R 5i ∑ ni i =1 N • Cox(1973) từ thí nghiệm đề nghò dùng công thức: ne = ∑n A i =1 i A IV TÍNH TOÁN DÒNG ĐỀU Những công... ĐHBK HCM, www4 hcmut.edu.vn/~ntbay Phụ lục P.1.2: Các hệ số bổ sung tính toán hệ số nhám tính theo Cowan Điều kiện kênh Hệ số bổ sung Đất 0,020 Đá Vật liệu cấu trúc Sỏi mòn Mức độ không bề mặt Sự