Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo dành cho Giáo viên, sinh viên chuyên ngành cấp thoát nước. Kênh dẫn nước được đào trực tiếp trên mặt đất có hình dạng và kích thước khác nhau như hình thang, hình bán nguyệt, hình
86 Chơng vii dòng chảy đều trong kênh hở 7.1. khái niệm - phân loại Kênh là dòng chảy nhân tạo có nhiều hình dạng khác nhau. Thông thờng thì nớc trong kênh có mặt thoáng tiếp xúc với khí quyển (áp suất d trên mặt thoáng bằng 0). Dòng chảy đều không áp trong kênh trớc hết phải đảm bảo điều kiện của dòng chảy đều nói chung: Lu lợng, hình dạng và diện tích mặt cắt ớt, biểu đồ phân bố trên mặt cắt ớt, độ dốc đáy, độ nhám lòng kênh không đổi dọc theo dòng chảy và theo thời gian. Nhng vì dòng chảy đều không áp có mặt thoáng nên phải thêm một điều kiện nữa là độ sâu h của dòng chảy không đổi và do đó việc tính toán thuỷ lực cho dòng chảy đều không áp phức tạp thêm. Kênh đợc ứng dụng nhiều trong các ngành kinh tế quốc dân khác nhau. Trong nông nghiệp kênh dùng trong các hệ thống thuỷ nông để tới, tiêu nớc cho cây trồng ; kênh dẫn thoát nớc trong nhà máy thuỷ điện ; trong giao thông vận tải kênh dùng để cho tàu thuyền đi lại ; kênh cấp thoát nớc trong công nghiệp, sinh hoạt . Tuỳ theo nhiệm vụ, kích thớc của kênh và đặc tính của đất, vật liệu xây dựng kênh mà mặt cắt của kênh có nhiều hình dạng khác nhau : hình Parabol, Tam giác, Chữ nhật, Hình thang . (hình 7-1). Vận tốc cho phép của kênh phải đảm bảo các yêu cầu sau : 1- Vận tốc chảy trong kênh không đợc gây ra lở xói sờn kênh và lòng kênh, nghĩa là không đợc vợt quá vận tốc giới hạn lở xói. Trị số của nó phụ thuộc vào tính chất của đất hoặc vật liệu làm kênh. 872- Vận tốc trong kênh không đợc gây ra bồi lắng lòng kênh bằng phù sa, nghĩa là không đợc nhỏ hơn vận tốc giới hạn bồi lắng, phụ thuộc vào số lợng và độ lớn của phù sa và cả dạng của mặt cắt kênh. Vận tốc trong kênh cũng không cho phép vận tốc làm lắng đọng cỏ dại hoặc dong rêu trong kênh. Trị số vận tốc giới hạn cho phép thờng đợc tính toán sẵn trong các sổ tay tính toán về thuỷ lực. BhBBBhhh Hình 7-1 7.2. những công thức cơ bản trong tính toán thuỷ lực về kênh hình thang - mặt cắt lợi nhất về mặt thuỷ lực 7.2.1. Những công thức cơ bản trong tính toán thuỷ lực về kênh hình thang Dòng chảy trong kênh là dòng chảy đều không áp nên các độ dốc hình học, độ dốc đo áp, độ dốc thuỷ lực bằng nhau : i = I = J và phần lớn là trờng hợp chảy rối nên ta ứng dụng đợc công thức Sêdi để tính vận tốc trung bình v : RJCv = và tính lu lợng Q : JKRJCQ == (7-1) hay : 88 222222KQRCQRCvJi ====2 ở kênh hình thang (hình 7-2) diện tích của mặt cắt kênh đợc tính nh sau: ( )mhbhmhbhhBb+=+=+=22 (7-2) Trong đó : b- chiều rộng đáy kênh ; B- chiều rộng mặt kênh ; h- độ sâu ngập nớc của kênh ; m = a/h = cotg - hệ số mái sờn kênh. Chu vi ớt của kênh : 212 mhb ++= (7-3) Bán kính thuỷ lực của kênh : ( )212 mhbmhbhR+++== (7-4) Nếu đặt b/h = thì (7-2),(7-3),(7-4) có dạng sau: = ( + m)h2 (7-5) Baabh Hình 7-2 ( )hm212 ++= (7-6) ( )212 mhmR+++= (7-7) 7.2.2. Mặt cắt lợi nhất về mặt thuỷ lực của kênh hình thang Mặt cắt lợi nhất về mặt thuỷ lực của kênh hình thang là mặt cắt với một diện tích cho trớc, cùng độ dốc đáy và độ nhám lòng kênh cho lu lợng lớn nhất. Hay nói cách khác là mặt cắt có bán kính thuỷ lực lớn nhất và chu vi ớt nhỏ nhất. Khi thiết kế cố gắng làm sao để mặt cắt kênh gần đúng với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực. Từ (7-2) ta xác định đợc chiều rộng đáy kênh b : 89 mhhR = Thay vào (7-3) ta có : 212 mhmhh++= Khi = const ta có = f(h), để = min khi 0=dhd Và ta xác định đợc cho mặt cắt có lợi nhất về mặt thuỷ lực, ký hiệu là ln ( )mmin+=212 (7-8) Trong bảng (7-1) ghi giá trị ln phụ thuộc vào hệ số mái m : Bảng 7-1 m 0 1,0 1,5 2,0 2,75 3,0 ln 2,00 0,828 0,606 0,472 0,385 0,325 Bán kính thuỷ lực của mặt cắt lợi nhất : ( )( )2122lnln2lnlnhmhmhR =+++== (7-9) Ta thấy bán kính thuỷ lực của mặt cắt lợi nhất bằng một nửa độ sâu ngập nớc. Nhng kênh hẹp quá thờng không tiện cho việc xây dựng cũng nh trong sử dụng. Vì thế khi thiết kế kênh phải đi ngợc lại từ mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực và tính đến chiều rộng lớn hơn của kênh. 7.3. Một số bài toán cơ bản thởng gặp trong tính toán thuỷ lực về kênh hình thang Từ công thức (7-1) trong những điều kiện cụ thể, tính toán thuỷ lực về kênh có thể chia ra hai loại bài toán cơ bản sau : 907.3.1. Đối với kênh đ biết Nhiệm vụ là phải xác định 1 trong 6 đại lợng đ nêu trên khi đ biết 5 đại lợng : a) Cho i, b, h, m, n - xác định Q Tính , R theo (7-2), (7-4) và C thay vào (7-1) tìm Q. b) Cho Q, b, h, m, n - xác định i Tính , R, C nh trên rồi thay vào (7-1) để tìm i : 2222RCQi= Bảng 7 - 2 Hệ số nhám của các loại kênh làm bằng các vật liệu khác nhau Loại kênh Hệ số nhám n Máng gỗ Máng kim loại ẩng và kênh bằng bê tông Kênh bằng gạch Kênh trong đất tự nhiên Kênh lát đá 0,013 0,013 0,014 0,017 0,015 0,017 0,025 0,035 7.3.2. Thiết kế kênh mới Trong trờng hợp này thông thờng đ biết tài liệu về địa hình, về vật liệu làm kênh và lu lợng cần dẫn đi trong kênh. Từ bản đồ địa hình ta tiến hành chọn tuyến kênh và độ dốc đáy i sao cho phù hợp nhất với những yêu cầu về thuỷ lực và kinh tế. Căn cứ vào vật liệu làm kênh ta xác định hệ số mái m và hệ số nhám n của lòng kênh. Nhiệm vụ là phải xác định kích thớc mặt cắt kênh để dẫn đợc một lu lợng cho trớc. Bài toán này theo (7-1) ta có một phơng trình hai ẩn số, vì vậy muốn giải đợc ta phải chọn trớc một nghiệm, tức là chọn trớc một kích thớc kênh 91hoặc tìm thêm một mối quan hệ giữa b và h bằng một phơng trình nữa. Ta có thể gặp 3 bài toán cơ bản sau đây : a) Cho trớc b, xác định h Lúc này phơng trình (7-1) chỉ còn 1 ẩn h, nhng trực tiếp rút h từ (7-1) là một việc rất phức tạp nên ta áp dụng phơng pháp thử dần để giải bài toán này. Một mặt, ta tự chọn trị số h rồi tính ra , C, R, K tơng ứng. Mặt khác ta có JQKo=. Vậy trị số h phải tìm là trị số có K tơng ứng với nó bằng trị số Ko. Để tính toán nhanh chóng hơn ta có thể giải bài toán bằng phơng pháp đồ thị. Tự cho vài trị số h rồi tính K để vẽ ra đờng cong K = f(h) (hình 7-3). Từ trị số Ko đ biết ta xác định trên đờng cong điểm có trị số ho phải tìm. Bài toán này luôn luôn có nghiệm với bất cứ trị số Ko nào. bboOK'AKoK Hình 7-3 Hình 7-4 Trờng hợp chọn trớc h, xác định b từ (7-1) K là một hàm số của b: K = f(b). Ta tiến hành giải bài toán hoàn toàn tơng tự nh trờng hợp tìm h ở trên. Nhng chú ý rằng đờng cong K = f(b) trên tọa độ (K,b) không đi qua gốc toạ độ mà cắt trục OK tại A (hình 7-4). Đoạn OA tơng ứng trị số K của kênh có 92mặt cắt hình tam giác (b = 0). Vậy bài toán chỉ có lời giải với các trị số Ko >K. b) Tự chọn trớc hb= - xác định b, h Nếu thay b = h và m = a/h thì (7-1) sẽ có một phơng trình 1 ẩn là b hoặc h. Bài toán trở về trờng hợp trên. Có thể chọn theo ln và khi đó phơng trình thứ hai là (7-8). c) Cho trớc R hoặc v - xác định b, h - Giả sử cho biết R Từ (7-1) ta có : RJCQ= Mặt khác : 212mhb ++= Vậy ta có hệ phơng trình với hai ẩn số b và h sau : ( )=++=+Rmhbhmhb212 (7-10) Giải hệ phơng trình trên ta sẽ tìm đợc b và h. - Giả sử cho biết v : Từ công thức Sêdi RJCv= ta viết đợc : JvRnRCy==+5,01 Biết Jv và n đồng thời xác định đợc y ta tìm đợc R. Trị số y có thể lấy theo công thức của Manning hoặc Pavơlôpxki để tính R (xem phụ lục). Sau khi có R, bài toán trở về trờng hợp trên và giải hệ phơng trình (7-10). 93Ta biết rằng trong mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực trị số Rln và vln lớn nhất và ln nhỏ nhất. Nh vậy bài toán chỉ có lời giải nếu nh trị số cho trớc R và v nhỏ hơn Rln và vln của mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực. . ( 7- 3 ) Bán kính thuỷ lực của kênh : ( )212 mhbmhbhR+++== ( 7- 4 ) Nếu đặt b/h = thì ( 7- 2 ),( 7- 3 ),( 7- 4 ) có dạng sau: = ( + m)h2 ( 7- 5 ). h, m, n - xác định Q Tính , R theo ( 7- 2 ), ( 7- 4 ) và C thay vào ( 7- 1 ) tìm Q. b) Cho Q, b, h, m, n - xác định i Tính , R, C nh trên rồi thay vào ( 7- 1 ) để