Đang tải... (xem toàn văn)
ục tiêu: Trang bị cho sinh viên những kiến thưc cở sở về thủy lực: thủy tĩnh lực, động học, động lực học. Hiểu rõ các quy luật cân bằng, chuyển động và mối liệ hệ giữa lực và chuyển động
Chương 11 : Đập tràn Chương 11 ĐẬP TRÀN 11.1 Khái niệm chung 11.1.1. Khái niệm : Đập tràn là một vật kiến trúc ngăn một dòng chảy không áp làm cho dòng chảy tràn qua đỉnh. - Đập tràn được xây dựng nhằm tháo bớt một phần nước hoặc tạo nước dâng trong sông. Các đại lượng đặc trưng của đập tràn : Hình 11 - 1: Đập tràn và các đại lượng đặc trưng - Chiều rộng đập tràn : là chiều dài đoạn tràn nước δ : chiều dày đập tràn. H : cột nước tràn, là chiều cao mặt nước thượng lưu so với đỉnh đập (phải đo tại mặt cắt cách đập từ (3-5)H về phía thượng lưu, nơi mặt nước chưa bị hạ thấp. -P1 : chiều cao đập so với đáy thượng lưu -P2 : chiều cao đập so với đáy hạ lưu. hn = P2 - hh : độ ngập hak lưu tính từ mặt nước hạ lưu đến đỉnh đập hh : độ sâu hạ lưu. 11.1.2. Phân loại đập tràn : 11.1.2.1. Dựa vào chiều dày và hình dạng mặt cắt : + Đập tràn thành mỏng : δ < 0,67H Trường hợp này làm nước tràn ngay sau khi qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì nó bị tách khỏi đỉnh đập không chạm vào toàn bộ mặt đỉnh đập. Do đó chiều dày và hình dạng của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng tràn. + Đập tràn mặt cắt thực dụng : 0,67H < δ < (2-3)H Chiều dày và hình dạng của đập có ảnh hưởng đến nước tràn nhưng không lớm lắm, mặt cắt đập có dạng đa giác. 11-1 Chng 11 : p trn Mặt cắt congMặt cắt đa giác Hỡnh 11 - 2: p trn mt ct cong v mt ct a giỏc + p trn nh rng : (2-3)H < < 8-10)H . Hỡnh 11 - 3: p trn nh rng Trờn nh p hỡnh thnh mt dũng chy thay i dn. Nu > (8-10)H thỡ s tr thnh mt on kờnh. 11.1.2.2. Da vo hỡnh dng mt ct ca trn : Hỡnh 11 - 4: Mt s hỡnh dng ca trn: 1) ch nht 2)tam giỏc 3) hỡnh thang 4) parabol c/ Da theo quan h gia chiu rng p trn v chiu rng lũng dn : + p trn thu hp bbc.Mố bên Hỡnh 11 - 5: p trn cú mt ct b thu hp + p trn khụng thu hp. 11-2 Chng 11 : p trn BĐập Hỡnh 11 - 6: p trn mt ct khụng thu hp d. Da theo nh hng ca mc nc h lu n kh nng thỏo nc ca p. + p trn chy ngp : MN h lu > nh p + p trn chy khụng ngp : MN h lu < nh p. 11.2 Cụng thc tớnh toỏn p trn 11.2.1. Trng hp chy khụng ngp : Trong ch chy khụng ngp, lu lng Q chy qua p trn cú quan h vi kớch thc ca trn c, gia tc trng trng g, ct nc ton phn H0. Tc l : Q = f(0, d, H0) Trong ú : gVHH2200+= Trng hp õp trn cú ca trn hỡnh ch nht, kớch thc ca trn ph thuc vo b rng ca b v ct nc H, nờn Q = f(b,g,H0) Quan h ny cú th biu din di dng : Q = c.bx.gy.H0zc - h s t l, khụng th nguyờn, ph thuc vo hỡnh dng, kớch thc ca trn, chiu dy p . Khi ca trn cú hỡnh ch nht, Q t l bc nht vi b x =1 y,z c xỏc nh da trờn phng trỡnh th nguyờn : (Q) = (b).(g)y.(H0)z(m3/s) = (m).(m2/s)y.(m)zm i din cho chiu di L, s i din cho thi gian T, nờn ta cú : zyyLTLLTL 23= Cõn bng s m : =++=yzy2113==2321zy Vy 23021 . HgbCQ = t 2Cm = : h s lu lng ca p trn, ph thuc c tớnh kt cu ca p v P/H ( cao tng i ca p) 11-3 Chương 11 : Đập tràn → 2302. HgbmQ = (11-1) 2. Trường hợp chảy ngập : Trường hợp này, MN hạ lưu có ảnh hưởng đến khả năng tháo nước của đập, làm giảm lưu lượng chảy qua đập (khi H0 = const) Công thức tính toán : 230.2 . HgbmQnσ= (11-2) σn : hệ số ngập < 1; phụ thuộc vào hn. 3. Ảnh hưởng co hẹp bên : Thông thường, chiều rộng của đập b nhỏ hơn chiều rộng B của kênh hoặc sông, vì trong thực tế cần rút ngắn chiều dài tràn nước và do yêu cầu gia cố bờ nên hai bên đập thường có mố bên. Do đó dòng chảy đi vào sẽ bị co hẹp lại. Chiều rộng dòng chảy tràn trên đỉnh đập thường nhỏ hơn chiều rộng đập. Hiện tượng đó gọi là co hẹp bên. BbbcMè bªnV Hình 11 - 7: Tính toán đập tràn có ảnh hưởng co hẹp bên Công thức tính lưu lượng : 230.2 HgbmQε= ε : hệ số co hẹp phụ thuộc vào mức độ co hẹp Bh và hình dạng cửa vào trên mặt bằng. Nếu đập tràn vừa co hẹp vừa chảy ngập thì : 230.2 HgbmQnσε= (11-3) 11.3 Đập tràn thành mỏng 11.3.1. Đập tràn thành mỏng cửa chữ nhật : 11.3.1.1. Các dạng chảy không ngập : - Tùy theo tình hình không khí ở gần không gian dưới làn nước tràn, đập tràn thành mỏng được phân 3 dạng chảy không ngập : + Chảy tự do : phần không gian dưới làn nước tràn có không khí ra vào tự do, áp suất không khí ở đó bằng áp suất khí trời, làn nước rơi tự do. 11-4 Chương 11 : Đập tràn Hình 11 - 8: Đập tràn thành mỏng chảy tự do + Chảy bị ép : không khí ở dưới làn nước tràn bị nước cuốn đị nhưng không được bổ sung → gây ra chân không, làm cho làn nước không đổ tự do mà bị ép vào thành đập. Loại này có m lớn, nhưng không ổn định. Hình 11 - 9: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép + Chảy bị ép sát : khi cột nước H nhỏ mà dưới làn nước tràn không khí không vào được tự do gây chân không, làn nước bị ép sát vào thành đập, không rơi xuống. Hình 11 - 10: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép sát 11.1.1.2. Hình dạng làn nước tràn của đập tiêu chuẩn : - Đập tiêu chuẩn : là đập tràn thành mỏng chảy tự do không có co hẹp bên. Hình 11 - 11: Hình dạng đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn - Tại mặt cắt cách mép thượng lưu đập 3H, mặt nước hạ xuống một đoạn 0.003H - Đến đỉnh đập, mặt nước hạ thấp đoạn 0,15H 11-5 Chương 11 : Đập tràn - Mặt dưới của làn nước tràn tách khỏi mép đập và vồng lên một trị số là 0,112H, tại vị trí cách mép đập 0,27H - Tại cao trình đỉnh đập, mặt dưới của làn nước tràn cách mép đập 0,67H - Chiều dày làn nước tại đỉnh đập là 0,435H, nghiêng góc 41°31’ so với phương ngang. 11.1.1.3. Công thức tính lưu lượng của đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn : Từ công thức tổng quát : 2302. HgmbQ = Thay : gVHH2200α+= vào : 232320232021222 HgHVgmbgVHgmbQ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=αα đặt 2320021⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=gHVmmα → 2302 HgbmQ = (11-3) m0 được xác định từ thực nghiệm. * Theo Badanh : (H ≥ 0,05m) ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=212055,01003,0405,0PHHHm * Theo Trugaep : (H ≥ 0,1m) 1005,04,0PHm += * Theo quy phạm của bộ thủy lợi CHLB Nga : m0 = 0,40 (đập tràn thành mỏng) m0 = 0,45 (đập tràn mặt cắt thực dụng không có chân không) m0 = 0,50 (đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không) m0 = 0,35 (đập tràn đỉnh rộng). 11.1.1.4. Ảnh hưởng co hẹp bên : Khi đập tràn có co hẹp : 232 HgbmQc= (11-4) Trong đó : mc = m0.ε (ε - hệ số co hẹp) ε được xác định từ thực nghiệm : bHn2,01−=ε n : số cửa tràn b : chiều rộng 1 khoang tràn. 11-6 Chương 11 : Đập tràn + Công thức Badanh : ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−+=21255,0103,0003,0405,0PHHBbBbBHmc 11.1.1.5. Chảy ngập Hình 11 - 12: Tính toán đập tràn thành mỏng chảy ngập Điều kiện chảy ngập của đập tràn thành mỏng : + Mực nước hạ lưu hh > P2 (cao trình đỉnh đập) + Làn nước tràn nối tiếp với hạ lưu bằng nước nhảy ngập hoặc không có nước nhảy. Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm. Khi đó : 2302 . HgbmQnσ= (11-5) Trong đó : σn - hệ số ngập được xác định bằng thực nghiệm. Theo công thức Badanh : 322,0105,0HzPhnn⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=σ z - độ chênh mực nước thượng - hạ lưu. Nếu vừa chảy ngập, vừa co hẹp : 2302 HgbmQnεσ= 11.1.2. Cửa ra hình tam giác : 25022HgtgmQθ= (11-6) θ - góc ở đỉnh tam giác. Khi góc ở đỉnh tam giác = 90°, chảy tự do, 0,05m ≤ H ≤ 0,25m → Công thức thực nghiệm của Tômsơn : 254,1 HQ = 11.1.3. Cửa đập hình thang : 232. HgbmQth= (11-7) mth - xác định bằng thực nghiệm. 11.4 Đập tràn mặt cắt thực dụng 11-7 Chương 11 : Đập tràn 11.4.1. Hình dạng mặt cắt - Đập tràn mặt cắt thực dụng thường dùng trong các công trình tràn nước trên sông, kênh. Để thỏa mãn các yêu cầu về ổn định, khả năng tháo nước và điều kiện thi công mà đập có những hình dạng khác nhau. Hình 11 - 13: Một số dạng đập tràn mặt cắt thực dụng Trong thực tế, mặt cắt phổ biến nhất là mặt cắt đa giác và mặt cắt cong. Mặt cắt đa giác thường là hình thang có đỉnh nằm ngang, chiều dày 0,67H < δ < (2-3)H Mái dốc thượng, hạ lưu có thể khác nhau. Đập tràn loại này có cấu tạo đơn giản, dễ xây dựng bằng mọi loại vật liệu, nhưng lưu lượng tràn nhỏ so với mặt cắt cong. - Mặt cắt cong : lưu lượng tràn lớn, dễ tháo các vật trôi trong nước. Nhưng nhược điểm là thi công khó. - Loại mặt cắt có chân không : Ch©n kh«ng Hình 11 - 14: Đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không Giữa mặt đập và làn nước tràn tồn tại một khoảng không gian có sinh ra chân không. Vì có chân không nên lưu lượng lớn (do m lớn, m = 0,57 là lớn nhất). Tuy vậy chân không làm nước tràn không ổn định và làm đập bị rung dễ sinh ra xâm thực trên mặt đập. - Loại mặt cắt cong không có chân không : Hình 11 - 15: Đập tràn mặt cắt thực dụng không có chân không Loại này có lưu lượng ổn định hơn. 11.4.2. Công thức tính lưu lượng : Dùng công thức tổng quát : 230.2 HgmbQ = Trường hợp đập được chia làm nhiều khoang tràn : 11-8 Chương 11 : Đập tràn ∑=230.2 HgbmQε (11-8) - Nếu đập chảy ngập : ∑=230.2 HgbmQnεσ (11-9) Điều kiện chảy ngập cũng như trong đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn. 11.4.3. Ảnh hưởng co hẹp bên : Trong thực tế, đập thường có chiều rộng tràn nhỏ hơn chiều rộng sông thượng lưu B. Đồng thời, đập chia nhiều khoang, ngăn cách bằng các mố trụ → dòng chảy bị co hẹp. Hình 11 - 16: Một số trường hợp xét đến ảnh hưởng của mố bên Chiều rộng thực tế của làn nước tràn trên mỗi khoang là : bc = ε.b bHnnmtmb.)1(2,01ξξε++−= (11-10) n : số khoang tràn ξmb : hệ số hình dạng mố bên ξmt : hệ số hình dạng mố trụ. 11.4.4. Các bài toán tính đập tràn : 1) Tính lưu lượng Q qua đập khi biết chiều rộng b, cao trình đỉnh đập, mực nước thượng hạ lưu. 2) Biết chiều rộng đập b, lưu lượng Q qua đập, mực nước thượng hạ lưu, xác định cao trình đỉnh đập. 3) Tính chiều rộng cửa tràn b biết Q, mực nước thượng, hạ lưu và cao trình đỉnh đập. 11.5 Đập tràn đỉnh rộng 11.5.1. Khái niệm : Đập tràn đỉnh rộng là đập có chiều dày đỉnh đập δ như sau : (2 - 3)H > δ < (8 - 10)H Đập tràn đỉnh rộng có nhiều điểm khác so với các loại đập tràn đã xét về hình dạng làn nước tràn, tiêu chuẩn ngập và phương pháp tính. 11-9 Chương 11 : Đập tràn .P1PHhh Hình 11 - 17: Đập tràn đỉnh rộng - Trên thực tế, trên dòng chảy kênh hay sông có 2 mố bên là thu hẹp lòng chảy, MN thượng lưu dềnh lên tạo ra độ chênh MN thượng - lưu thì dù không có ngưỡng ở đáy kênh thì về quan điểm thủy lực, cũng coi đó như là đập tràn đỉnh rộng (đập có P = P1 = 0); độ sâu nước ở thượng lưu khe hẹp là cột nước H trên đỉnh đập. Hiện tượng này thường gặp ở mố cầu nhỏ, kênh cống, cửa cống khi cửa kéo lên . 11.5.2. Hình dạng dòng chảy trên đỉnh đập và sự biến đổi hình dạng dòng chảy khi chiều dày đỉnh đập thay đổi : Trường hợp tiêu chuẩn: đập có ngưỡng cao hơn đáy kênh (P1 > 0), không có co hẹp bên. (a) .hkH Hình 11 - 18: Trường hợp a) ngưỡng cao hơn đáy kênh - Dòng chảy trên đỉnh đập thấp dần, đến khoảng giữa đập thì qua độ sâu phân giới hk (h1-a) → đây là trường hợp quá độ từ đập có mặt cắt thực dụng sang đập đỉnh rộng. (Hình a) (b)HhkhchD. Hình 11 - 19: Trường hợp b - Đập có: 3<δ/H<8 (Hình b), mặt nước đi vào đập xuống thấp dần đến mặt cắt C-C thì đạt đến độ sâu thấp nhất hc<hk sau đó theo đường nước dâng CD ở trạng thái chảy xiết (h<hk) chảy trên đỉnh đập, cuối cùng xuống hạ lưu. 11-10 [...]... Hình 11 - 10: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép sát 11. 1.1.2. Hình dạng làn nước tràn của đập tiêu chuẩn : - Đập tiêu chuẩn : là đập tràn thành mỏng chảy tự do khơng có co hẹp bên. Hình 11 - 11: Hình dạng đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn - Tại mặt cắt cách mép thượng lưu đập 3H, mặt nước hạ xuống một đoạn 0.003H - Đến đỉnh đập, mặt nước hạ thấp đoạn 0,15H 1 1-5 Chương 11 : Đập tràn 11. 6.2.5.Phương... 1 1-4 Chương 11 : Đập tràn (c) H h k h c h . Hình 11 - 20: Trường hợp c - Nếu đỉnh đập khá rộng (δ/H=8÷10) (Hình c) thì dịng chảy khơng đủ năng lượng để duy trì trạng thái chảy trên tồn bộ chiều dài đỉnh đập, phần trước sẽ là chảy xiết theo đường nước dâng, phần sau là chảy êm theo đường nước hạ, nối với nhau bằng nước nhảy sóng trên đỉnh đập. (d) H h k . Hình 11 - 21: Trường hợp d -. .. trong phụ lục 1 4-1 . Tính gần đúng trong bảng 1 4-1 2. Với các trị số của m thì có các ϕ và k tương ứng ở bảng 1 4-1 3. Trong đó k 1 , k 2 là 2 trị số thoả mãn mkk =−1. ϕ ⇔ phương trình bậc 3: k 3 -k 2 (m/ϕ) 2 =0. Phương trình này có 2 nghiệm k 1 và k 2 : h 1 =k 1 .H 0 <h k và h 2 =k 2 .H 0 >h k . Tuy h 1 và h 2 khác nhau nhưng có chung m và Q. 1 1-1 5 Chương 11 : Đập tràn ... là h, lưu tốc ở đó là v: ∑ ++=+ g v g v h g v H 22 . 2 . 22 2 0 ξ α α 1 1-1 2 Chương 11 : Đập tràn → 2 3 0 2. HgbmQ = (1 1-1 ) 2. Trường hợp chảy ngập : Trường hợp này, MN hạ lưu có ảnh hưởng đến khả năng tháo nước của đập, làm giảm lưu lượng chảy qua đập (khi H 0 = const) Cơng thức tính tốn : 2 3 0 .2 HgbmQ n σ = (1 1-2 ) σ n : hệ số ngập < 1; phụ thuộc vào h n . 3. Ảnh hưởng co hẹp... B b b c Mè bªn V Hình 11 - 7: Tính tốn đập tràn có ảnh hưởng co hẹp bên Cơng thức tính lưu lượng : 2 3 0 .2 HgbmQ ε = ε : hệ số co hẹp phụ thuộc vào mức độ co hẹp B h và hình dạng cửa vào trên mặt bằng. Nếu đập tràn vừa co hẹp vừa chảy ngập thì : 2 3 0 .2 HgbmQ n σε = (1 1-3 ) 11. 3 Đập tràn thành mỏng 11. 3.1. Đập tràn thành mỏng cửa chữ nhật : 11. 3.1.1. Các dạng chảy khơng ngập : - Tùy theo tình... tính kết cấu của đập và P/H (độ cao tương đối của đập) 1 1-3 Chương 11 : Đập tràn Hình 11 - 8: Đập tràn thành mỏng chảy tự do + Chảy bị ép : khơng khí ở dưới làn nước tràn bị nước cuốn đị nhưng không được bổ sung → gây ra chân không, làm cho làn nước không đổ tự do mà bị ép vào thành đập. Loại này có m lớn, nhưng khơng ổn định. Hình 11 - 9: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép + Chảy bị ép sát... chất đổi dần. Mặt cắt 2-2 này lấy tại một chỗ naog đó trên đoạn CD của hình (hình 1-b) hoặc (hình 2-b) (tổn thất cột nước trên đỉnh đập coi như không đáng kể, đoạn CD coi như gầ n nằm ngang) hoặc lấy tại điểm B nơi chuyển tiếp từ chỗ mặt nước lồi sang chỗ mặt nước lõm trong hình (hình 1-c) hoặc (hình 2-c) để tính áp suất theo quy luật thuỷ tĩnh. Gọi độ sâu tại mặt cắt 2-2 là h, lưu tốc ở đó là.. .Chương 11 : Đập tràn B §Ëp Hình 11 - 6: Đập tràn mặt cắt không thu hẹp d. Dựa theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến khả năng tháo nước của đập. + Đập tràn chảy ngập : MN hạ lưu > đỉnh đập + Đập tràn chảy không ngập : MN hạ lưu < đỉnh đập. 11. 2 Cơng thức tính tốn đập tràn 11. 2.1. Trường hợp chảy không ngập : Trong chế độ chảy không... (h n ) pg =(0,7÷0,85)H 0 . -Nếu tiếp tục tăng mực nước hạ lưu thì độ sâu trên đỉnh đập cũng tăng dần, biên độ sóng giảm dần, dòng chảy trên đỉnh đập nằm ngang thấp hơn mực nước hạ lưu một độ cao z 2 gọi là độ cao hồi phục. 11. 6: Tính đập tràn đỉnh rộng chảy khơng ngập. 11. 6.1.Cơng thức cơ bản: Viết phương trình Becnuiy cho 2 mặt cắt: mặt cắt 0-0 ở thượng lưu đập chỗ mực nước chưa hạ thấp và mặt cắt 2-2 trên đỉnh... H D h h k h n C h k H C h D h n h c h k H h n H h k h n 0 0 2 2 d d z 1 z 2 h Hình 11 - 23: Các dạng dòng chảy trên đỉnh đập - Tiếp tục tăng mực nước hạ lưu tới khi nước nhảy sóng lan đến đỉnh đập, phần sau của khu nước nhảy là khu chảy cịn có sóng, nhưng phần trước vẫn là chảy xiết, mặt cắt co hẹp chưa bị ngập thì mực nước hạ lưu chưa ảnh hưởng đến cột nước thượng lưu, vẫn ở chế độ chảy không ngập tuy độ ngập h n đã khá lớn. - Tiếp tuc tăng mực nước . HQ = 11. 1.3. Cửa đập hình thang : 232. HgbmQth= (1 1-7 ) mth - xác định bằng thực nghiệm. 11. 4 Đập tràn mặt cắt thực dụng 1 1-7 Chương 11 : Đập tràn 11. 4.1.. chia làm nhiều khoang tràn : 1 1-8 Chương 11 : Đập tràn ∑=230.2.. HgbmQε (1 1-8 ) - Nếu đập chảy ngập : ∑=230.2.... HgbmQnεσ (1 1-9 ) Điều kiện chảy ngập cũng