[r]
(1)TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CƠNG NGHỆ
-******* -
GIÁO TRÌNH
THUỶ LỰC CƠNG TRÌNH
Ths TRẦN VĂN HỪNG
(2)LỜI NÓI ĐẦU
Thủy lực cơng trình mơn học giảng dạy cho nhiều ngành học: Thuỷ công, Xây dựng, Công thôn, Kỹ thuật môi trường…được biên soạn cơ
sở tổng hợp nhiều tài liệu tác giả
Các toán thuỷ lực thường phải tra bảng thời gian công sức, với phát triển nhanh tin học, giáo trình giới thiệu cho sinh viên cách vận dụng kiến thức để tính tốn khơng phụ thuộc vào bảng tra nhằm mục đích dễứng dụng lập trình
Giáo trình gồm có chương dịng chảy đều; khơng ổn định, khơng
ổn định lòng dẫn hở thấm Cuối chương có câu hỏi gợi ý kiến thức cần nắm, theo cách học sinh viên dựa sở đó để
thảo luận Ngoài ra, tập biên soạn lựa chọn chủ yếu từ sách “Bài tập Thuỷ lực-tập 2” tác giả Nguyễn Cảnh Cầm, nhằm giúp sinh viên nắm bắt kiến thức có thể ứng dụng phù hợp tình hình vùng Đồng Bằng Sơng Cửu Long
Trong trình biên soạn, có nhiều cố gắng, song khơng thể
tránh khỏi sai sót Tác giả mong nhận góp ý phê bình cán bộ, đặc biệt sinh viên học tập môn học
Cần Thơ, tháng 12-2005 Tác giả
(3)Chương I Dịng chảy khơng áp kênh THỦY LỰC CƠNG TRÌNH
CHƯƠNG I
DỊNG CHẢY ỔN ĐỊNH ĐỀU KHƠNG ÁP
(steady uniform flow in an open channels)
♦ Đây chương quan trọng làm sở tính tốn dịng chảy ổn định khơng khơng ổn định
♦ Trong thực tế, thường gặp tốn thiết kế mặt cắt lịng dẫn
kênh, đường ống, cống ngầm … ngành kỹ thuật Thuỷ lợi, mơi trường, cầu đường, nước đô thị
♦ Cở sở tính tốn cơng thức Chezy (1769) Tính tốn chủ yếu hình thang theo cách giải tích tra bảng Agơrơtskin Ngồi tính mặt cắt hình trịn
1.1 KHÁI NIỆM
Dịng chảy ổn định vận tốc không phụ thuộc thời gian không đổi từ
mặt cắt sang mặt cắt khác
Điều kiện để dịng chảy khơng áp:
1 Lưu lượng khơng đổi theo thời gian dọc theo dịng chảy, Q(t,l)=Const Hình dạng mặt cắt, chu vi diện tích mặt cắt ướt khơng đổi dọc theo dịng
chảy Nên độ sâu mực nước kênh không đổi; h(l)=const hay =0
dl dh
3 Độ dốc đáy không đổi, i=const Hệ số nhám không đổi, n=const
5 Sự phân bố lưu tốc mặt cắt không đổi dọc theo dịng chảy Nếu điều kiện khơng thỏa dịng chảy khơng Dịng chảy kênh hở thường dòng chảy rối, đồng thời thường khu sức cản bình phương, theo Chezy cơng thức tính vận tốc (mean flow velocity) :
v=C RJ , m/s (1-1)
Trong đó:
J Độ dốc thủy lực (slope of energy grade line);
C Hệ số Chezy (Chezy coefficent), xác định theo công
thức sau:
y
R n
C = , m0,5/s (1-2)
với y xác định sau:
¾ Theo cơng thức Poocơrâyme :
5
=
y (1-3)
¾ Theo cơng thức Manning:
6 =
y (1-4)
¾ Theo cơng thức Pavơlơpski :
(4)( 0.1) 75 13
2 − − −
= n R n
y (1-5)
¾ Theo Công thức Agơrôtskin (1890):
C = 17,72(k+lgR), m0,5/s (1-6)
n n
k 0,05643
72 , 17
1 =
= (1-7)
Ởđó:
n hệ nhám ;
R bán kính thủy lực (The hydraulic Radius), xác định theo công thức:
P A
R= , (m) (1-8)
Với: A, P diện tích mặt cắt ướt (m2) chu vi ướt (m)
Gọi: i độ dốc đáy kênh (slope of channel bed), góc lập đáy kênh
đường nằm ngang, xác định i = sinα
Theo điều kiện dịng đều, ta có:
Vì dịng chảy không áp, nên áp suất tất mặt cắt
Độ sâu dịng khơng đổi dọc theo dòng chảy, nên mặt nước song song với
đáy kênh (độ dốc đo áp đốc đáy kênh nhau)
Vận tốc dòng chảy không đổi, nên cột nước lưu tốc không
đổi Điều chứng minh rằng: J = i, cơng thức Sedi dùng cho dịng kênh hở viết dạng:
Ri C
V = , (m/s) (1-9)
Cơng thức tính lưu lượng ( discharge of flow ; flowrate) :
Ri AC
Q= ,(m3/s ) (1-10)
Gọi môđun lưu lượng :
K =AC R, (m3/s ) (1-11)
Nên lưu lượng:
Q= K i, (m3/s) (1-12)
Do i thường nhỏ nên độ sâu kênh xem khoảng cách thẳng
đứng từ điểm mặt nước tự đến đáy kênh Như mặt cắt ướt xem đứng không vuông góc đáy kênh
1.2 CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC CỦA MẶT CẮT ƯỚT
b h
α
B
1.2.1 Mặt cắt hình thang đối xứng (hình 1-1)
Hình thang hình tổng quát cho hình chử nhật hình tam giác Hơn nữa, thực tế thiết kế kênh
đất tính theo mặt hình thang dễổn định loại mặt cắt hình dạng khác Vì chương này, nghiên cứu kỷ toán mặt cắt ướt hình thang Ta gọi
m = cotgα hệ số mái dốc Xác định theo tính
tốn ổn định bờ kênh Hình 1-1
Hệ số:
h b =
(5)Chương I Dịng chảy khơng áp kênh THỦY LỰC CƠNG TRÌNH
Diện tích mặt cắt ướt ( flow Area):
h mh b
A=( + ) , (m2) (1-14)
hay ( ) 2, (m
h m
A= β+ 2) (1-15)
Chu vi mặt cắt ướt (wetted Perimeter):
2 1
m h b
P= + + , (m) (1-16)
hay P=(β+2 1+m2)h, (m) (1-17)
Chiều rộng mặt thoáng ( free surface width ):
B = b +2mh, (m) (1-18)
Trong :
b chiều rộng đáy kênh (bed width of channel); (m)
h chiều sâu mực nước kênh ( flow depth) (m)
1.2.2 Mặt cắt hình chữ nhựt
Hình chữ nhật trường hợp riêng hình thang : Hệ số mái dốc m=0
Diện tích mặt cắt ướt (m2): A=bh (1-19)
Chu vi mặt cắt ướt (m): P=b+2h (1-20)
Chiều rộng mặt thoáng (m): B = b (1-21)
1.2.3 Mặt cắt hình tam giác
Hình tam giác trường hợp riêng hình thang khi: Chiều rộng b=0
Diện tích mặt cắt ướt (m2): (1-22)
mh A=
Chu vi mặt cắt ướt (m): 2 1
m h
P= + (1-23)
Chiều rộng mặt thoáng (m): B = 2mh (1-24)
1.3 MẶT CẮT CO LỢI NHẤT VỀ THỦY LỰC
Trong điều kiện:n, i, m ω không đổi, mặt cắt dẫn lưu lượng lớn mặt cắt có lợi thủy lực
Ta nhận thấy ứng với diện tích mặt ướt, lưu lượng lớn bán kính thủy lực R lớn Như để mặt cắt lợi thủy lực, bán kính thủy lực lớn nhất, có nghĩa chu vi ướt nhỏ
Trong kênh có diện tích hình trịn có chu vi bé Nhưng thực tế xây dựng kênh thi cơng khó khăn khơng đảm bảo, lúc sử dụng dễ bị sạt lở; mà sử dụng với kênh bê tông, gạch đá
Đối kênh mặt cắt hình thang ta hay sử dụng, nên xét điều lợi thủy lực, tức xem quan hệ đại lượng:n, Q, i, ω, R
Từ công thức (1-14), suy ra:
(6)4.4.6 Đập tràn đa giác 64 4.4.7 Cácbài toán vềđập tràn mặt cắt thực dụng 64
4.5 ĐẬP TRÀN ĐỈNH RỘNG 64
4.5.1 Định nghĩa 64
4.5.3 Cơng thức tính lưu lượng đập tràn định rộng chảy không ngập 66 4.5.4 Đập tràn đỉnh rộng chảy ngập 66 4.5.5 Cácbài toán vềđập tràn đỉnh rộng 67
CÂU HỎI LÝ THUYẾT 68
BÀI TẬP 69
CHƯƠNG V : NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG 72
5.1 NỐITIẾP CHẢY Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH 72
5.1.2 Hình thức chảy đáy 72
5.1.2 Hình thức chảy mặt 72
5.2 HỆ THỨC TÍNH TỐN CƠ BẢN CỦA NỐI TIẾP CHẢY ĐÁY 73
5.2.1 Xác định hc hc’’ 73
5.2.2 Xác định hình thức vị trí nước nhảy 75
5.3 TÍNH CHIỀUSÂU BỂ TIÊU NĂNG 75
5.4 TÍNH CHIỀU CAO TƯỜNG TIÊU NĂNG 77
5.5 TÍNH TỐN THUỶ LỰC BỂ TIÊU NĂNG KẾT HỢP 78
5.5.1 Tự chọn 79
5.5.2 Xác định chiều cao tường lớn 79 5.6 TÍNH TỐN CHIỀU DÀI BỂ TIÊU NĂNG 80
5.7 LƯU LƯỢNG TÍNH TỐN TIÊU NĂNG 82
CÂU HỎI LÝ THUYẾT 83
BÀI TẬP 84
CHƯƠNG VI : TÍNH THẤM 85
6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 85
6.2 ĐỊNH LUẬT VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN 85
6.2.1 Định luật thấm 85
6.2.2 Phương trình thấm 86
6.2.3 phương trình thấm phẳng 87
6.3 MỘT SỐ SƠĐỒ HẠ MỰC NƯỚC NGẦM TRONG HỐMĨNG 88 6.3.1 Hố móng hồn chỉnh, đất đồng chất 88 6.3.2 Hố móng khơng hồn chỉnh, đất đồng chất 90
6.3.3 Hố móng có lớp đất xen kẹp 93
6.3.4 Hố móng nằm tầng thấm có áp 93 CHƯƠNG VII : CHUYỂN ĐỘNG KHƠNG ỔN ĐỊNH
TRONG LỊNG DẪN HỞ 95
7.1 KHÁI NIỆM CHUNG 95
7.1.1 Định nghĩa 95
7.1.2 Phân loại 95
7.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA CHYỂN ĐỘNG
KHÔNG ỔN ĐỊNH THAY ĐỔI DẦN 96
7.2.1 Phương trình liên tục 96
7.2.2 Phương trình động lượng 96
(7)Muc lục THỦY LỰC CƠNG TRÌNH
THAY ĐỔI CHẬM 97
Phụ lục 1-1 99