TTheo Cowan, heä soá n ñöôïc tính nhö sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 nn0: Hs nhaùm cô baûn cho con keânh trong tröôøng hôïp tieâu chuaån, (keânh thaúng, maët caét laêng truï, ñaùy trôn vaø chæ coù moät loaïi vaät lieäu). nn1: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp beà maët keânh khoâng ñeàu. nn2: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp kích thöôùc vaø hình daïng maët caét ngang keânh thay ñoåi. nn3: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù vaät caûn. nn4: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù lôùp phuû thöïc vaät. mm5: Heä soá hieäu chænh trong tröôøng hôïp keânh uoán khuùc. TTheo Cowan, heä soá n ñöôïc tính nhö sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 nn0: Hs nhaùm cô baûn cho con keânh trong tröôøng hôïp tieâu chuaån, (keânh thaúng, maët caét laêng truï, ñaùy trôn vaø chæ coù moät loaïi vaät lieäu). nn1: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp beà maët keânh khoâng ñeàu. nn2: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp kích thöôùc vaø hình daïng maët caét ngang keânh thay ñoåi. nn3: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù vaät caûn. nn4: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù lôùp phuû thöïc vaät. mm5: Heä soá hieäu chænh trong tröôøng hôïp keânh uoán khuùc. TTheo Cowan, heä soá n ñöôïc tính nhö sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 nn0: Hs nhaùm cô baûn cho con keânh trong tröôøng hôïp tieâu chuaån, (keânh thaúng, maët caét laêng truï, ñaùy trôn vaø chæ coù moät loaïi vaät lieäu). nn1: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp beà maët keânh khoâng ñeàu. nn2: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp kích thöôùc vaø hình daïng maët caét ngang keânh thay ñoåi. nn3: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù vaät caûn. nn4: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù lôùp phuû thöïc vaät. mm5: Heä soá hieäu chænh trong tröôøng hôïp keânh uoán khuùc.
Chương DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ KHÁI NIỆM CHUNG Dòng chảy đường năng, mặt thoáng đáy kênh song song với B h ϕ b chiều sâu, diện tích ướt biểu đồ phân bố vận tốc mặt cắt dọc theo dòng chảy không đổi Các đặc trưng thuỷ lực không đổi dọc theo dòng chảy 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: II CÔNG THỨC CHÉZY VÀ MANNING f R = kV ⇒ F R = LPkV γALi − LPkV =0 ⇒ γALi = LPkV γ V = k 2 p lực Ri Đường Wsinθ h V = CR x i y Mặt thoáng θ L W A h P Đáy kênh Fx = W sinθ = γAL sinθ = γALi Hay Công thức Chezy: (1769) Công thức Manning: (1889) V = C Ri 2/3 V= R i n Với γ C= k : hệ số Ch ⇒ Hệ số Chézy tính theo Manning: C= 16 R n Ghi chú: 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: y = 1,5 n R < 1m y Công thức Pavlovski C= R y = 1,3 n R > 1m (1925): n III XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM n Các yếu tố ảnh hưởng · đến hệ số nhám: · · · · · · Độ nhám bề mặt Lớp phủ thực vật Hình dạng mặt cắt kênh Vật cản Tuyến kênh Sự bồi xói Mực nước lưu lượng Các phương pháp ước đònh hệ số nhám: 2.1 Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản:SCS (soil Conversation Service Method): •Phương pháp TTheo hệ số n tính sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3Cowan, + n4).m nn0: Hs nhám cho kênh trường hợp tiêu chuẩn, (kênh thẳng, mặt cắt lăng trụ, đáy trơn có loại vật liệu) nn1: Hệ số bổ sung thêm trường hợp bề mặt kênh không nn2: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kích thước hình dạng mặt cắt ngang kênh thay đổi nn3: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kênh có vật cản nn4: Hệ số bổ sung thêm trường hợp kênh có lớp phủ thực vật mm5: 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 •Phương pháp dùng bảng: pPhương 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 ) PPhương pháp dùng hình ảnh: tTừ 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): (x − 1)h1 x = U 0,2 n= U 0,8 6,78(x + 0,95) Phương pháp dùng công thức thực nghiệm: Simons Senturk (1976) Muller (1948) n = 0,047d1 / Raudkivi (1976) n = 0,013d 165/ Meyer–Peter (dùng cho kênh có vật liệu đáy hỗn hợp có kích thước nhỏ) n = 0,038d 1906 d65, d90 (mm) : đường kính hạt mà trọng lượng 2.2 Trường hợp mặt cắt kênh phức tạp: n1 • Công thức Horton, Einstein, Bank : xem vận tốc trung bình diện tích ướt đơn giản vận tốc trung bình toàn mặt cắt ướt • Nếu xem lực ma sát toàn mặt cắt tổng lực ma sát mặt cắt đơn giản, hệ số nhám tương đương tính sau: Nếu xem lưu lượng toàn mặt cắt tổng lưu lượng mặt cắt đơn giản, thì: n3 n2 32 P n ∑ i i n e = i =1 P N N 2 P n ∑ i i n e = i =1 P 12 PR ne = N P i R 5i ∑ ni i =1 N • Cox(1973) từ thí nghiệm đề nghò dùng công thức: 23 ne = ∑n A i =1 i A i IV TÍNH TOÁN DÒNG ĐỀU Những công thức sử dụng: 23 V = R i n Q = AR i n 4.1 Xác đònh độ sâu dòng đều: nQ • Phương pháp AR / = i thử dần: ° Phương pháp vẽ đồ thò: K = AR n Q=K i Cho nhiều giá trò h thay đổi, tính AR / giá trò Sau vẽ đường quan AR / 3hệ: theo h nQ Xác đònh giá trò kênh: i 2/ Từ đường quan ARhệ nQ sâu chảy ứng i theo h vẽ, suy độ với giá trò kênh ° 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 K K ng = f ( h D ) W Wng = f ( h D ) Q K = AR / = n i K ng = A ng R 2ng/ n 2/ V W= R = n i 2/ Wng = R ng n Phương pháp Lập số: trình để thử dần độ sâu dòng Ví dụ: 2/ So saùnh AR / hmin=0; hmax=100 h0= (hmin+hmax)/2 TínhAR với ° Nếu:AR / nQ > i hmax = h0 Nếu:AR / nQ < i hmin = h0 Nếu:AR / nQ i nQ = i h0 đáp 6 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 cắt tròn ) h A = ( b +mặt mh) h = (hình β+m mặt β = bvề h⇒ Kênh hình Đặt cắt có lợi thủy lực 2 thang: : P = b + h + m = h ( β + + m ) •Điều * Tuy nhiên cần ý mặt cắt có lợi kiện: dPcódh dA lực dh mặt cắt thủy kinh = lợi βnhất +2 +m +tế h=0 = h +chưa 2h ( βhẳn + m) = dβ dβ dβ dβ ⇒ β ln ( ) b = = + m2 − m h R ln = ( ( (2( + m ) ) ) − m + mh ) + m2 − m + + m2 = h 2 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 nghiệm: Wmax tốc độ lắng Wthực max V kl = kích chìm hạt có 0,065i 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 ( ) ( ) A = b + m h h = + , , , = 18 m Giải: Diện tiùch ướt kênh: P = b + 2h 1+ m2 = 3+ 2.2,6 1+ 1,52 = 12,37m Chu vi ướt: R = A P = 18 12= 1,45m Bán kính thủy lực: 2/ 2/ Q = AR i= 18.(1,5) 0,0016= 70,71m3 s n 0,013 Suy lưu lượng: 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 Giaûi: AR / = nQ i Từ phương trình : nQ 0,013 7,1 = = 2,3075 i 0,0016 Với: A = ( b + m h ) h = ( + 1,5 h ) h P = b + 2h + m2 = + h + 1,52 = + 3,606h ( 3+ 1,5.h) h R= 3+ 3,606h Baèng cách thử dần: Suy ra: 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 2,307 h = 0,779m 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 Q Giải: K = = = 167 m s Với: i 0,0009 7,068 πD2 π32 ; P = π D = π = , 425 m R = = 0,75m Ang = = = 7,068m ; ng ng 9,425 4 2/ K ng = 7,068 ( 0,75) A ngR 2ng/ = n 0,020 K 167 h f1 = = = 0,572 D K ng 291,78 ⇒ h = 0,54 D = 291,78m3 / s ⇒ h = 0,54.3 = 1,63m Ví dụ 4: Xác đònh kích thước (b, h) kênh hình thang cho bi Q = 75m3 s V = 1,25m s m = n = 0,0225 i = 0,00038 Giaûi: 3/ 3/ nV , 0225 , 25 Q 75 = 1,74m P = A = 60 = 34,62 = A = = = 60m2 R = R 1,74 V 1,25 i 0,00038 ⇒ A = ( b + 2h ) h = 60 ; P = b + 2h 1+ 22 = 34,62 ⇒ 2,472h − 34,5 h + 60 = ⇒ b = 25,54m ; ⇒ h = 2,03m h1 = 2,03m; b1 = 25,54m h2 = 11,95m; b2 < 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 Q = AR i Giaûi: n Theo công thức tính lưu lượng: ThếA = ( b + m h ) h R=h/2 (từ đk kênh có m/c tlực lợi nhất) Ta có : 2 h Q = (b + mh)h n 2 1b h i = + m h nh 2 2 h = ( β + m) h i n ( i ) b β = lực: = + m2 − m Trong p.tr trên, ta thay đ.k lợi thuỷ h 3 Suy ra : Q = (2 + m2 − m)h h i n Qn2 2 h= (2 1+ m2 − m) i Vậy để kênh hình thang có m/c lợi TL thì: : Thế số vào ta có: h= 5,44m; b=6,72m; b = βh = 2( 1+ m2 − m)h Phụ lục P.1.2: Các hệ số bổ sung tính toán hệ số nhám tính the Điều kiện kênh Hệ số bổ sung Đất Vật liệu cấu trúc 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 Đá Sỏi mòn 0,020 n0 0,025 0,024 Sỏi thô 0,028 Nhẵn 0,000 Mức độ nhỏ 0,005 Mức độ vừa phải n1 0,010 Mức độ nghiêm trọng 0,020 Biến đổi dần 0,000 Thỉnh thoảng biến đổi n2 0,005 Thường xuyên biến đổi 0,010 - 0,015 Không có 0,000 Trung bình Cao n3 0,010 – 0,015 0,020 – 0,030 Raát cao 0,040 – 0,060 Thaáp 0,005 – 0,010 Trung bình Cao n4 0,010 – 0,025 0,025 – 0,050 Rất cao 0,050 – 0,100 Nhỏ, Không rõ 1,000 Phụ lục P.1.3: Giá trò hệ số nhám n số kênh Đặc tính kênh ống nmin ntr nmax Ống đường hầm Kim loại: •Đồng thau, nhẵn •Thép Nối mặt bít hàn Nối ren đinh tán Gang Có sơn Không sơn 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 Khoâng kim loại: •Kính •Gỗ 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 • I I •Xi măng Sạch Có trát vữa •Ống đất sét nung (để tháo nước) •Bê tông Cống thẳng, vôi gạch nát Cống rẽ nhánh, chỗ có gạch nát Kênh xây phủ bởi: Kim loại: •Thép bề mặt nhẵn Không sơn Có sơn •Bề mặt có nếp gấp, nhăn • I Không kim loại: •Xi măng Sạch Có trát vữa •Gỗ Có bào, không xử lý Có bào, có xử lý creozot Không bào •Bê tông Trên đá phẳng Trên đá không phẳng I Phụ lục P.1.1: Kích thước hình học số mặt cắt