DÒNG CHẢY đều TRONG KÊNH hở (THỦY lực SLIDE) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Chương DỊNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ KHÁI NIỆM CHUNG Dòng chảy đường năng, mặt thoáng đáy kênh song song với B h  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 ALi  LPkV 0  ALi  LPkV   V   k 2 p lực Đường Wsin h V CR x i y Mặt thoáng P  L W Ri A h Đáy kênh Fx  W sin  AL sin  ALi Hay Công thức Chezy: (1769) Công thức Manning: (1889) V  C Ri 2/3 V R i n Với   C    : hệ số Chéz k  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 định hệ số nhám: 2.1 Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản: Phương pháp SCS (soil Conversation Service Method): 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 bị 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 định 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 định hệ số n, sau chụp ảnh xếp thành loại Khi tính toán dựa vào hình ảnh kênh có sẵn n ước định 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 vaø 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 0,038d1906 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 N  32 P n  i i   n e   i 1 P      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 nghị dùng công thức: 23 n A i n e  i 1 A i IV TÍNH TOÁN DÒNG ĐỀU Những công thức sử dụng: 1 23 V  R i Q  AR i n định độ sâu n 4.1 Xác K  AR n Q K i dòng đều:    Phương pháp AR /  thử pháp dần: vẽ đồ thị: Phương nQ i /3 Cho nhiều giá trị h thay đổi, tính giá AR 2trị Sau vẽ đường quan hệ: AR / theo h nQ Xác định giá trị kênh: i Từ đường quan hệ 2/ AR sâu chảy ứng nQ i theo h vẽ, suy độ với giá trị kênh ương 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 số: Lập 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 m mặt   bvề h thủy lực Kênh hình Đặt cắt có lợi nhaát 2 thang: : P  b  h  m  h (    m •Điều * Tuy nhiên cần ý mặt cắt có lợi ) kiện: dPcódh dA lực dh mặt cắt thủy chưa kinh  lợi nhất 2 m tế h 0  h  2h    m 0 d d d d   ln   b    m2  m h  2  m R ln       m  mh   m2  m   m2  h ài 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 trị Vkx cho phụ lục tùy theo loại đất dính hay không dính, giá trị 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 định 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 định độ sâu chảy lưu lượng kênh 7,1 m3/s Giải: 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 Bằng 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 định 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 Giaûi: K    167 m s Với: i 0,0009 7,068 D2 32 ; P   D    , 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 ï 4: Xác định kích thước (b, h) kênh hình thang cho bieát 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 Giải: 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 1b  h i    m h   nh   2 2 h      m h   i n    i  b     m2  m p.tr treân, ta thay đ.k lợi thuỷ lực: 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: : ế số vào ta có: h= 5,44m; b=6,72m; b  h 2( 1 m2  m)h ï lục P.1.2: Các hệ số bổ sung tính toán hệ số nhám tính theo Cowa 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 mịn 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 trị hệ số nhám n số kênh ống Đặc tính kênh ống •Ống đường hầm I.Kim loại: Đồng thau, nhẵn Thép Nối mặt bít hàn Nối ren đinh tán Gang Có sơn Không sơn I.Không kim loại: Kính Gỗ 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: I.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 phaúng nmin ntr nmax 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 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 Phuï luïc P.1.1: Kích thước hình học số mặt cắt ... 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 •*... 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... 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