Giáo trình: Thủy lực - Chương 11

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 11.1 Khái niệm chung

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

+ 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

MÆt c¾t congMÆt c¾t ®a gi¸c

Hình 11 - 2: Đập tràn mặt cắt cong và mặt cắt đa giác

11.1.2.2 Dựa vào hình dạng mặt cắt cửa tràn :

Hình 11 - 4: Một số hình dạng cửa tràn: 1) chữ nhật 2)tam giác 3) hình thang 4) parabol

c/ Dựa theo quan hệ giữa chiểu rộng đập tràn và chiều rộng lòng dẫn :

11.2.1 Trường hợp chảy không ngập :

Trong chế độ chảy không ngập, lưu lượng Q chảy qua đập tràn có quan hệ với kích thước cửa tràn ωc, gia tốc trọng trường g, cột nước toàn phần H0 Tức là :

Q = f(ω0, d, H0) Trong đó :

Trường hợp đâp tràn có cửa tràn hình chữ nhật, kích thước cửa tràn phụ thuộc vào bề rộng cửa b và cột nước H, nên Q = f(b,g,H0)

Quan hệ này có thể biểu diễn dưới dạng : Q = c.bx.gy.H0z

c - hệ số tỷ lệ, không thứ nguyên, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước cửa tràn, chiều dày đập

Khi cửa tràn có hình chữ nhật, Q tỷ lệ bậc nhất với b → x =1 y,z được xác định dựa trên phương trình thứ nguyên :

(Q) = (b).(g)y.(H0)z(m3/s) = (m).(m2/s)y.(m)z

m đại diện cho chiều dài L, s đại diện cho thời gian T, nên ta có :

2

đặt

P/H (độ cao tương đối của đập)

→ 20

Mè bªn

Hình 11 - 7: Tính toán đập tràn có ảnh hưởng co hẹp bên

ε : hệ số co hẹp phụ thuộc vào mức độ co hẹp

và hình dạng cửa vào trên mặt bằng

Nếu đập tràn vừa co hẹp vừa chảy ngập thì :

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

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

- 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 :

2 gHmb

Thay :

n : số cửa tràn

b : chiều rộng 1 khoang tràn

+ Công thức Badanh :

z - độ chênh mực nước thượng - hạ lưu

Khi góc ở đỉnh tam giác = 90°, chảy tự do, 0,05m ≤ H ≤ 0,25m

11.1.3 Cửa đập hình thang :

mth - xác định bằng thực nghiệm

11.4 Đập tràn mặt cắt thực dụng

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

- 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 :

2 Hgmb

Trường hợp đập được chia làm nhiều khoang tràn :

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

n : số khoang tràn

ξmb : hệ số hình dạng mố bên ξmt : hệ số hình dạng mố trụ

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 :

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

11.5.3 Ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến dòng chảy trên đỉnh đập:

Xét trường hợp điển hình của đập tràn đỉnh rộng 3<δ/H<8 khi mực nước hạ lưu tăng dần

-Ban đầu mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh đập, trên đỉnh đập có khu dòng xiết đổi dần CD

Hình 11 - 22: Ảnh hưởng mực nước hạ lưu đến dòng chảy đỉnh đập

- Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh ngưỡng nhưng chưa lớn thì dòng trên đập sẽ nối tiếp với hạ lưu bằng nước nhảy ngập hoặc nước nhảy dạng sóng, còn hình dạng dòng trên đỉnh đập vẫn chư a ảnh hưởng gì đến chế độ chảy qua đập và chế độ chảy vẫn là chảy không ngập

- Tiếp tuc tăng mực nước hạ lưu thì nước nhảy sóng tiến về phía trước cho đến lúc ngập mặt cắt co hẹp thì dòng trên đỉnh đập là chảy êm Mực nước hạ lưu bắt đầu ảnh hưởng tới cột nước thượng lưu và bắt đầu chảy ngập

Trạng thái quá độ giữa chảy ngập và không ngập là lúc nước nhảy sóng ở ngay trên

(hn)pg=(0,7÷0,85)H0

-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 z2 gọi là độ cao hồi phục

11.6: Tính đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập

11.6.1.Công 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 đập chỗ dòng chảy có tính 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 gần 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 v:

α

αξα +∑

“Dòng chảy sẽ tự điều chỉnh một độ sâu h trên đỉnh đập thế nào để cho lưu lượng tháo qua đập là lớn nhất

Coi ϕ là hằng số:

32=

Thay vào ϕ.k 1−k =m ta được ϕ 0,385ϕ

323

Theo Picalop, trên đỉnh đập có 2 trị số h’=hc và h”=h”c là 2 độ sâu liên hiệp trong nước nhảy sóng, thoả mãn phương trình Q và phương trình nước nhảy sóng Giải hệ ta được:

11.6.2.4.Phương pháp của Nguyễn Văn Cung (ĐH Thuỷ lợi - Hà Nội):

Nguyễn văn Cung nghiên cứu bài toán phẳng (đập không co hẹp bên) và đưa ra hệ số mH và k theo các công thức:

Q=mH.b 2g.H3/2 với

Trong đó :

Hhk = c Trị số k theo ϕ và n1 bằng phương trình:

nnknk

11.6.2.5.Phương pháp thực nghiệm của Kumin:

Kumin dùng thực nghiệm xác định trực tiếp m và quan hệ m, ϕ, k cho các đập có hình thức và mức độ co hẹp khác nhau theo chiều thẳng đứng và trên mặt bằng và xác định được các trị số m trong phụ lục 14-1 Tính gần đúng trong bảng 14-12

Với các trị số của m thì có các ϕ và k tương ứng ở bảng 14-13 Trong đó k1 , k2 là 2 trị số thoả mãn ϕ.k 1−k =m

⇔ phương trình bậc 3: k3-k2(m/ϕ)2=0

Phương trình này có 2 nghiệm k1 và k2 : h1=k1.H0<hk và h2=k2.H0>hk Tuy h1 và h2 khác nhau nhưng có chung m và Q