Giáo trình Thủy lực cơ sở (Nghề: Cấp thoát nước) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

Giáo trình Thủy lực cơ sở cung cấp cho người học các kiến thức: Thuỷ tĩnh học; Thuỷ lực động học; Tổn thất cột nước; Dòng chảy ổn định đều không áp; Dòng chảy đều trong kênh và trong ống; Dòng chảy không ổn định trong lòng dẫn hở. Mời các bạn cùng tham khảo!

1 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH MƠ HỌC 08: THỦY LỰC CƠ SỞ NGHỀ CẤP THỐT NƯỚC TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ninh Bình, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NĨI ĐẦU Thuỷ lực mơn học kỹ thuật sở chương trình đào tạo trường dạy nghề, cao đẳng, đại học thuộc chuyên nghành Nghành cấp nước mơn học Thuỷ lực quan trọng ứng dụng nhiều sống sản xuất công nông nghiệp thiết bị thuỷ lực sử dụng rộng rãi đạt hiệu suất cao Biên soạn nội dung giảng khóa Cơ khí chúng tơi dựa theo chương trình khung đào tạo nghề Tổng cục dạy nghề ban hành đồng thời kết hợp tham khảo tài liệu có uy tín tác giả có uy tín Trong q trình biên soạn cịn có sai sót hạn chế khả năng, mong đóng góp ý kiến bạn đọc đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Ninh Bình, Ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên NGUYỄN THẾ SƠN NGUYỄN THỊ MÂY Mục lục Contents GIÁO TRÌNH MƠ HỌC 08: THỦY LỰC CƠ SỞ NGHỀ CẤP THỐT NƯỚC TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Tên môn học: Thủy lực sở Chương 1: Thuỷ tĩnh học 1.1 Khái niệm áp lực áp suất thuỷ tĩnh 1.2 Tính chất phương trình áp suất thuỷ tĩnh 10 1.3 Các loại áp suất thuỷ tĩnh 17 1.4 Áp suất thuỷ tĩnh chân không: P CK Chương 2: Thuỷ động lực học 17 23 2.1 Khái niệm chuyển động chất lỏng 23 2.2 Các yếu tố thuỷ lực dòng chảy 26 2.3 Phân loại chuyển động dòng chảy 27 Chương 3: Tổn thất cột nước 33 3.1 Khái niệm phân loại chất lỏng 33 3.2 Tính tốn tổn thất cột nước 33 3.3 Tính tốn tổn thất cột nước tốn phần 34 Chương 4: Dịng chảy ổn định khơng áp 35 4.1 Khái niệm: 35 4.2 Điều kiện để dịng chảy khơng áp: 35 4.3 Các yếu tố thủy lực mặt cắt ướt 36 4.4 mặt cắt có lợi thủy lực 38 4.5 Dịng chảy ống 39 Chương 5: Dòng chảy kênh ống 41 5.1 Dòng chảy kênh hở : 41 5.2 Dịng chảy có áp ống trịn 45 Chương 6: Sơng yếu tố thuỷ văn sông 51 6.1 Sông hệ sơng 51 6.2 Các đặc trưng sơng 54 6.3 Sự tuần hồn nước - Phương trình cân nước 56 Đặc tính mưa dịng chảy mưa rào 58 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Thủy lực sở Mã môn học: MH 08 Thời gian thực môn học: 45 giờ; (Lý thuyết: 36 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơn học - Vị trí: Thuỷ lực sở môn học giảng dạy song song với nhóm mơn học nghề Điện-nước, trước thực mơ đun nghề - Tính chất: Mơn học Thuỷ lực sở môn học kỹ thuật sở chương trình dạy trình độ Trung cấp nghề Điện-nước II Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Nêu khái niệm thuỷ lực tĩnh, động chất lỏng; + Trình bày tổn thất lượng trạng thái lỏng, cột nước chất lỏng; + Nêu khái niệm dòng chảy ổn định, dịng chảy khơng ổn định hệ thống đường ống, kênh hở lòng dẫn hở chất lỏng; + Trình bày khái niệm chung địa chất thuỷ văn cho nước ngầm, nước mặt; - Về kỹ năng: + Làm tập tính tốn điện nước - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận sáng tạo lào động học tập III Nội dung môn học Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Số T T Thời gian (giờ) Tên chương, mục Chương1: Thuỷ tĩnh học 1.1 Khái niệm áp lực áp suất Tổng Lý số thuyết Thực hành, Thí nghiệm, thảo luận tập Kiểm tra thuỷ tĩnh 1.2 Tính chất phương trình áp suất thuỷ tĩnh 1.3 Các loại áp suất thuỷ tĩnh 1.4 Áp suất thuỷ tĩnh chân không: p ck Chương 2: Thuỷ lực động học 2.1 Khái niệm chuyển động chất lỏng 2.2 Các yếu tố thuỷ lực dòng chảy 2.3 Phân loại chuyển động dòng chảy 2 Kiểm tra Chương 3: Tổn thất cột nước 3.2 Tính tốn tổn thất cột nước 3.3 Tính tốn tổn thất cột nước toán phần 10 4.1 Khái niệm: 4.2 Điều kiện để dịng chảy khơng áp: 4.3 Các yếu tố thủy lực mặt cắt ướt 4.4 Mặt cắt có lợi thủy lực Kiểm tra Chương 5: Dòng chảy kênh ống 1 2 4.5 Dòng chảy ống 3.1 Khái niệm phân loại chất lỏng Chương 4: Dịng chảy ổn định khơng áp 4 6 5.1 Dòng chảy kênh hở : 5.2 Dòng chảy có áp ống trịn Chương 6: Dịng chảy khơng ổn định lịng dẫn hở 6.1 Sông hệ sông 6.2 Các đặc trưng sơng 6.3 Sự tuần hồn nước Phương trình cân nước Đặc tính mưa dòng chảy mưa rào Cộng 45 36 Chương 1: Thuỷ tĩnh học Mục tiêu: - Nêu đặc tính bản, lực tác dụng vào chất lỏng; - Trình bày khái niệm áp suất, cách xác định áp lực lên bề mặt vật tiếp xúc; - Rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận, chủ động sáng tạo Nội dung: 1.1 Khái niệm áp lực áp suất thuỷ tĩnh 1.1.1 Áp lực thuỷ tĩnh - Thuỷ tĩnh học phận thuỷ lực học, nghiên cứu quy luật chất lỏng trạng thái tĩnh (trạng thái cân bằng) tác dụng với vật rắn - Xét VD: xem xét khối chất lỏng trạng thái tĩnh Hình 1.1 + Tưởng tượng cắt khối chất lỏng (I) mặt phẳng tuỳ ý ABCD bỏ phần phía khối chất lỏng + Để giữ cho phần chất lỏng phía (II) cân ta phải thay tác dụng phần lực P lực P áp thuỷ lực tĩnh diện tích chịu lực ω Vậy: áp lực thuỷ tĩnh áp lực phần chất lỏng chất lỏng với chất rắn Đơn vị áp lực thuỷ tĩnh N, KN, KG (kilôgam lực) 1.1.2 Áp suất thuỷ tĩnh Một mặt có diện tích áp suất thuỷ tĩnh trung bình P Ptb = ω (2.1) ω , chịu áp lực thuỷ tĩnh P, tỷ số P ω gọi 10 Đơn vị ω cm3, m2 nên Ptb có đơn vị N/cm2, N/m2, KN/m2, KG/m2 ngồi người ta cịn dùng đơn vị atmơtfe (at) Có 1at = 9,81N/cm2 = 98,1KN/m2 = 1KG/cm2 VD: Một bể chứa nước áp lực nước tĩnh lên đáy bể P = 20000N diện tích đáy bể 2m2 Tìm áp suất nước tác dụng lên bể P Giải: Theo CT (2.1) Ptb = ω 20000 N m2 = = 10000N/m2 = 1N/cm2 1.2 Tính chất phương trình áp suất thuỷ tĩnh 1.2.1 Hai tính chất áp suất thuỷ tĩnh a/ Tính cất 1:áp suất thuỷ thuỷ tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hướng vào diện tích Hình 2.2 Chứng minh: Bằng phản chứng Ta có : ⃗P=⃗ Pn + ⃗ Pt ⃗ có Pt =0 (do chất lỏng cân bằng) ⃗ ⃗ Nên: P= Pn , hướng vào chịu sức nén b/Tính chất 2: - Khơng phụ thuộc vào hướng đặt diện tích chịu lực - Áp suíât thuỷ tĩnh phụ thuộc vào vị trí điểm I nghĩa p=f (x, y, z) Chứng minh: Hình 2.3 50 Hình 5.5 Để thành lập cơng thức tính tốn cho trường hợp ta tiến hành viết phương trình Béc-nu-li cho mặt cắt ( 1-1 ) ( 2-2 ) với ý mặt cắt (2-2) áp suất thuỷ động phân bố theo quy luật áp suất thuỷ tĩnh lưu tốc coi lưu tốc "v" ống Ta có: Và lưu lượng qua ống : Q=ω.v Đặt (∝+ ξ +ξ ) =¿ µ (µ hệ số lưu lượng) ta có cơng thức tính lưu d c lượng sau: Q=µ ω √2 g H Lưu tốc dòng chảy : V =µ √ g H ( 5.21) ( 5.22) ( H ) lấy từ tâm ống đến mực nước thượng lưu thực hành tính tốn ) b) Chảy ngập qua ống ngắn Một dòng chảy qua ống ngắn xem ngập mực nước hạ lưu ống cao mép ống Khi mực nước hạ lưu ảnh hưởng tới lưu lượng nước chảy qua ống ( xem hình vẽ ) 51 Hình 5.6 Để thành lập cơng thức tính tốn cho trường hợp ta tiến hành viết phương trình Béc-nu- li cho mặt phẳng ( 1- ) ( 2-2 ) Sau biến đổi ta công thức sau đây: V =µ √2 g Z ( 5.23 ) ( 5.24 ) Q=µ ω √2 g Z đây: µ= ∝ V 20 Z o =Z + 2g (∝+ξ d +ξ c ) ; Z= Z 1−Z với: µ hệ số lưu lượng Chú ý : Trong trường hợp chảy tự chảy ngập để tính tốn sơ λ V l giá trị ξ d d ta lấy giá trị λ ( hệ số sức kháng ống ngắn ) qua bảng sau: TT Loại ống ngắn λ Ống ngang; ống thép hàn 1/50 Ống thép ghép đinh Ri - vê 1/42 Ống bê tông BTCT 1/45 Hệ số tổn thất cục ξ c tìm theo bảng tra phần phụ lục tính theo công thức cho phần trước CÂU HỎI -BÀI TẬP CHƯƠNG Những dòng chảy coi dịng khơng áp; Nêu cơng thức để tính thuỷ lực dịng kênh hở; Khi dùng cơng thức phải ý tới hệ số nêu cách tìm hệ số Nêu loại tốn tính kênh nói phương pháp giải tốn Khi tính tốn thuỷ lực ống dài đơn dùng cơng thức nào? Có loại toán ống dài đơn, cách giải loại tốn Khi tính thuỷ lực ống dài phức hợp gặp trường hợp nào? Nêu cơng thức cách giải trường hợp Nêu khái niệm chảy tự chảy ngập qua ống ngắn; Trình bày cách tính tốn trường hợp 52 Tính lưu lượng Q lưu tốc v kênh hình thang; Biết : n = 0,025; i =0,0002; m = 1,25; b= 10m; h= 3,5m Tính độ dốc i kênh hình thang; Biết b = 1,2m ; h =0,8m; m=1,0; n= 0,025; Q = 0,7m3/s Thiết kế mặt cắt ngang kênh hình thang, mặt kênh lát bê tơng; Biết b Q =30 m3/ s; n= 0,014; i = 0,00016; m= 1,5; β= h =3 Tính lưu lượng ống gang thường; Biết đường kính ống d = 5m Chiều dài ống L = 1000m tổn thất nước ống hd = 5m 10 Một ống dẫn nước dài 2500 m; dẫn lưu lượng Q = 0,25m3/ s; Tổn thất cột nước 30 ; ống thép mới; Hãy xác định "d" ống Chương 6: Sông yếu tố thuỷ văn sông Mục tiêu: - Nêu khái niệm sông, mực nước tĩnh động; - Nêu tính chất, đặc điểm sơng hồ theo mùa; - Rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận, chủ động sáng tạo Nội dung Trong chương nghiên cứu vấn đề sau đây: Các khái niệm sông hệ thống sơng ngịi khu vực; yếu tố thuỷ văn sông lưu vực sông, tuần hoàn nước lưu vực Và phần ta đề cập tới vấn đề phức tạp song quan trọng, tính tốn cách sơ lưu lượng nước sau trận mưa để từ sở người cán kỹ thuật chọn giải pháp thiết kế thi cơng cơng trình cho phù hợp với yêu cầu đặt 6.1 Sông hệ sơng 6.1.1 Hệ thống sơng ngịi Ta thấy thiên nhiên, nước mưa rơi xuống đất phần nước tổn thất bốc hơi, phần đọng vào chỗ trũng ngấm xuống đất, phần tác dụng trọng lực chảy dọc theo sườn dốc tập trung vào lạch mước, sau tạo thành khe suối chảy xuống phía tạo thành sơng ngịi Các sơng trực tiếp đổ biển đổ vào hồ nội địa gọi sơng Các sơng đổ vào sơng gọi sông nhánh cấp I Các sông đổ vào sông nhánh cấp I gọi sông nhánh cấp II Sơng với sơng nhánh hợp thành hệ thống sơng ngịi Tên hệ thống sơng thường lấy theo tên sơng Ví dụ: Hệ 53 thống Sông Hồng bao gồm Sông Hồng sông nhánh Sông Thao, Sông Lô, Sông Đà Sự phân bố sông nhánh dọc theo sông định hình thành dịng chảy hệ thống sơng Có thể phân loại sau đây: - Sơng nhánh phân bố theo hình nan quạt cửa sơng nhánh lớn gần (Hệ thống sơng Thái Bình ) - Sơng nhánh phân bố theo hình lơng chim sơng nhánh phân bố tương đối đặn dọc theo sơng - Sơng nhánh phân bố theo hình cành ( Hệ Sông Đà ) - Sông nhánh phân bố song song ( hệ thống Sơng Hồng ) Nói chung hệ thống sơng lớn thường có phân bố hỗn hợp loại Ví dụ hệ thống Sơng Hồng có phân bố dạng song song, sơng nhánh lại có kiểu phân bố dạng cành lông chim 6.1.2 Lưu vực sông- đặc trưng sơng ngịi lưu vực a) Lưu vực sông mặt cắt khống chế Lưu vực sông phần mặt đất mà nước chảy sơng ( kể nước mặt nước ngầm ) Vậy lưu vực nơi tập trung nước sông Nước lưu vực chảy theo hệ thống sơng suối tập trung theo dịng mặt cắt sơng nước lưu vực chảy qua để chảy hạ lưu gọi mặtcắt khống chế, hay gọi mặt cắt cửa lưu vực Tại mặt cắt cửa ta đặt thiết bị quan trắc thu lượng dịng chảy lưu vực sơng b) Đường phân nước lưu lực Đường phân nước đường nối điểm, từ nước chảy hai lưu vực khác ( Hình 6.1) Hình 6.1 Có loại đường phân nước đường phân nước mặt đường phân nước ngầm Đường phân nước mặt đường nối liền điểm cao xung quanh lưu vực ngăn cách với lưu vực khác, nước mưa rơi xuống chảy hai phía đường phân lưu tập trung theo sườn dốc hai lưu vực Đường phân nước ngầm phân chia tập trung nước ngầm lưu vực 54 Nói chung đường phân nước mặt đường phân nước ngầm lưu vực khơng trùng Trong thực tế việc xác định đường phân nước ngầm khó khăn, người ta thường lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước lưu vực gọi đường phân lưu Muốn xác định đường phân lưu ta phải vào đồ địa hình có vẽ đường đồng mức cao độ c) Các đặc trưng hình học lưu vực - Diện tích lưu vực ( F ) Diện tích khống chế đường phân lưu gọi diện tích lưu vực Ký hiệu ( F ) đơn vị tính thường ( km2 ) Để xác định xác diện tích lưu vực cần sử dụng đồ có tỷ lệ thích hợp thường thực tế hay dùng đồ tỷ lệ 1/10000; 1/25000; 1/50.000 - Chiều dài sơng ( L ) chiều dài lưu vực ( Lo) + Chiều dài sơng chiều dài đường nước chảy theo lịng từ nguồn đến cửa sông Ký hiệu ( L ); đơn vị tính : ( km ) + Chiều dài lưu vực chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa sông qua điểm đoạn thẳng cắt lưu vực điểm xa lưu vực Các đường cắt ngang qua lưu vực thường lấy vng góc với trục lịng vị trí vẽ đường cắt ngang Chiều dài lưu vực ký hiệu ( Lo ) đơn vị tính ( km ) Thơng thường người ta coi chiều dài sơng ( L ) với chiều dài lưu vực ( Lo ) √ L = Lo - Chiều rộng bình quân lưu vực ( Bo ) Chiều rộng bình quân lưu vực tỷ số diện tích lưu vực với F chiều dài lưu vực B o L (km) ( 6.1) - Hệ số hình dạng lưu vực ( K d ) Hệ số biểu thị hình dạng lưu vực sơng, tính cơng thức sau: Kd F L0 B B = = L0 L0 L0 ( 6.2) Dễ thấy [Kd] ≤1 (thơng thường vậy) Nếu hình dạng lưu vực gần tới hình vng [Kd] ∏1 ; lưu vực hẹp, dài hệ số [Kd] nhỏ - Độ cao bình quân lưu vực ( H bq ) độ cao tính cơng thức sau: 55 n n ∑ ƒ1 h1 ∑ ƒ h1 H bq= n = F ∑ ƒ1 (m) ( 6.3) Trong + Hi cao trình bình qn hai đường đồng mức + Ji diện tích hai đường đồng mức + n số mảnh diện tích - Độ dốc bình quân lưu vực ( J ) Công tác xác định : n n ∑ l1 J = Δh n ∑ l1 =Δ h ∑ ƒ1 F ( 6.4) Trong đó: li khoảng cách bình qn đường đồng mức gần ∆ h chênh lệch cao độ hai đường đồng mức ( đồ địa hình thường có giá trị đường đồng mức ) - Mật độ lưới sông (D): Mật độ lưới sông tổng chiều dài tất sông suối lưu vực chia cho diện tích lưu vực Cơng thức : D ∑ l1 ( km/km2 ) F ( 6.5 ) Ta thấy sơng suối dày giá trị ( D ) lớn Qua phần nắm khái niệm sông, lưu vực thành phần Tuy nhiên mục đích chủ yếu cần phải khảo sát kỹ đoạn sơng đó, nơi có cơng trình mà ta phải thi cơng Vì mà mục cần phải nắm số yếu tố thuỷ văn sông ( đặc trưng sơng ) 6.2 Các đặc trưng sơng Trong phần nghiên cứu đặc trưng sơng, bao gồm có đặc trưng sau đây: - Chiều dài sông - Mặt cắt ngang sông mặt cắt dọc sơng - Độ sâu nước sơng - Hình dạng đường mặt nước sông - Độ nhám sông 6.2.1 Chiều dài sông Là chiều dài đo theo đường tim sông kể từ đầu nguồn đến cửa sơng Nếu sơng cửa sơng hồ lớn nội địa hay biển, sông 56 nhánh cửa sơng tính đến đoạn đổ vào sơng Đơn vị tính chiều dài sơng thường ( km ) 6.2.2 Mặt cắt ngang sông Trên sơng từ đầu nguồn cửa sơng ta thấy mặt cắt ngang ln thay đổi Ở vùng đồi núi mặt cắt ngang sơng thường có dạng hẹp sâu, vùng đồng mặt cắt ngang sơng có dạng rộng thường có bãi sơng Người ta phân dạng mặt cắt ngang sông loại : Mặt cắt đơn mặt cắt kép ( Hình 6.2) Hình 6.2 Trong mặt cắt kép, phần có nước chảy thường xuyên gọi dịng ( hay dịng ), cịn phần mặt cắt mà mùa lũ có nước gọi bãi sơng Phần mặt cắt mà có nước chảy qua gọi mặt cắt ướt ta có yếu tố thuỷ lực cho mặt cắt ướt là: - Diện tích mặt cắt ướt: ω - Chu vi ướt: χ - Chiều rộng mặt nước: B - Chiều sâu bình quân mặt cắt ướt: H bq= - Bán kính thuỷ lực: R - Độ nhám lịng sơng: (hay C) ω χ ω χ n 6.2.3 Mặt cắt dọc sơng Đó mặt cắt dọc theo tim sông Mặt cắt cọc sông bao gồm mặt cắt dọc đáy sông mặt cắt dọc mặt nước - Mặt cắt dọc đáy sơng thường thay đổi tình hình bồi xói sông - Mặt cắt dọc mặt nước thường thay đổi theo tình hình bồi xói mà mực nước lên xuống sông 6.2.4 Độ sâu nước sông Là độ sâu đo tính từ đáy sơng tới mặt mặt nước Độ sâu sông thay đổi theo mực nước lên xuống theo bồi xói lịng sơng Ngồi độ sâu sơng cịn phụ thuộc vào hình dạng 57 mặt sơng: vị trí mà sơng uốn khúc phía bờ lõm có chiều sâu lớn phía bờ lồi Đường sâu dọc sơng gọi đường sâu sơng thường đường sâu sơng khơng trùng với tim sơng có dạng uốn khúc đường tim sơng 6.2.5 Hình dạng đường mặt nước sông Trong trước xét tới độ dốc dọc đuờng mặt nước ( J ); mặt cắt ngang ta xem đường mặt nước nằm ngang Song thực tế vậy: Ở đoạn sông cong ta thấy mặt nước bị nghiêng bên, độ dốc gọi độ dốc hướng ngang ( Jn); ( độ dốc dọc ký hiệu J ) Hình 6.3 Nguyên nhân tượng : - Do lực ly tâm dòng chảy đoạn sông cong nên đường mặt nước có độ nghiêng, cao trình mặt nước phía bờ lõm ln cao phía bờ lồi - Do lưu tốc, phân bố không mặt cắt ngang - Do trái đất tự quay quanh trục nó, dịng chảy sơng chuyển động tương đối so với trái đất nên có lực Cơ-ri-lơ-rít tác dụng vào dịng chảy Trong thực tế mực nước hướng ngang nhỏ, nên lập đường mặt nước sông ta bỏ qua vấn đề xem đường mặt nước mặt cắt nằm ngang, đoạn sông cong, tác dụng lực qn tính ly tâm, dịng chảy ngồi lưu tốc hướng dọc u x cịn phát sinh lưu tốc hướng ngang ui chảy thẳng góc với trục dịng chính, tượng gọi chảy vịng Giá trị lưu tốc hướng ngang nói chung nhỏ lại nguyên nhân sinh bồi xói đoạn sơng cong 6.2.6 Độ nhám sơng Việc chọn dộ nhám để tính tốn dịng chảy sông vấn đề quan trọng, phải ý đặc biệt Độ nhám sông thay đổi liên tục dọc theo dòng chảy thay đổi mặt cắt ( thực tế độ nhám hai bên bờ lịng sơng khác ) Độ nhám ( n ) tra bảng tính sẵn 58 6.3 Sự tuần hồn nước - Phương trình cân nước 6.3.1 Sự tuần hoàn nước Nước mặt đất bốc lên không trung tác dụng xạ mặt trời, gió Hơi nước chuyển động lên cao gặp lạnh ngưng tụ lại, rơi xuống tạo thành mưa Sau nước mưa q trình chảy sông suối, hồ lại bốc bốc lên cao, ngưng tụ rơi xuống thành mưa v.v Cứ trình xảy liên tục gọi tuần hoàn nước ( tuần hồn thuỷ văn ) 6.3.2 Phương trình cân nước Phương trình thể định luật chung vật lý " Định luật bảo toàn vật chất thuỷ văn nguyên lý cân nước lưu vực phát biểu sau " Hiệu số lượng nước đến lượng nước khỏi lưu vực thay đổi chữ lượng nước chứa lưu vực thời đoạn tính tốn " Vậy phương trình cân nước biểu diễn toán học nguyên lý a) Phương trình cân nước thơng dụng Ta xét khu vực mặt đất ( lưu vực ) chọn thời đoạn Δ t dựa nguyên lý cân nước ta thiết lập phương trình cân lượng nước đến, lượng nước lượng nước trữ lại: - Phần nước đến bao gồm: X lượng mưa bình quân lưu vực Z1 lượng nước ngưng tụ mặt lưu vực Y1 lượng dòng chảy mặt chảy đến W1 lượng dòng chảy ngầm chảy đến U lượng nước trữ lưu vực lúc đầu thời đoạn Δt Hình 6.4 - Phần nước bao gồm: Z2 lượng nước bốc lưu vực 59 Y2 lượng dòng chảy mặt chảy W2 lượng dòng chảy ngầm chảy U2 lượng nước trữ lưu vực cuối thời đoạn Δ t Vậy phương trình cân nước thông dụng thời đoạn có dạng sau : Δt (X + Z1 + Y1+ W1) - ( Z2 + Y2+ W2) = U2 - U1 Hay : X + ( Z1 - Z2 ) + (Y1- Y2) + ( W1 - W2) = ± ∆ U (6 ) ± ∆ U = U2- U1 Phương trình ( 6 ) dùng đánh giá trữ lượng nước lưu vực b) Phương trình cân nước lưu vực kín hở thời đoạn Trong lưu vực kín lưu vực có đường phân chia nước mặt trùng với đường phân chia nước ngầm Khi khơng có nước mặt nước ngầm lưu vực khác chảy đến ( Y1 = 0; W1= ) Nước chảy qua mặt cắt cửa lưu vực Y2 W2 Vậy phương trình ( 6.6 ) có dạng sau đây: X = (Z2 - Z1 ) + Y2 + W2 ± ∆ U Đặt Z2 - Z1 = Z ; Y = Y2 + W2; ta có : X = Z + Y ± ∆ U (6 7) Trong lưu vực hở có lượng nước ngầm lưu vực khác chảy vào lưu vực chảy Khi phương trình cân nước có dạng sau: X = Y + Z ±∆W (6 ±∆U 8) đây: ± ∆ W =W 2−W c) Phương trình cân nước lưu vực thời kỳ nhiều năm Phương trình cân nước dạng ( 6.6 ) ( 6.8) viết cho thời đoạn bất kỳ, tức t =1 năm ; tháng; ngày Vậy để viết phương trình cân nước cho nhiều năm người ta lấy bình quân nhiều năm phương trình với thời đoạn năm (t = năm) Vậy với (n) năm phương trình ( 6.7 ) có dạng sau: Z +Y + Δ U ¿ ¿ n ∑¿ n Hay ∑ Z1 + ∑ Y ± ∑ Δ U1 n n n (6.9) ∑ χ1 n =¿ Mặt khác, giá trị : ∑ ∆U 1=0 có xen kẽ năm nhiều nước năm nước, ta đặt giá trị trung bình : 60 Thì phương trình ( 6.9 ) viết sau: + Lưu vực kín : X0 = Z0 + Yo (6.10) + Lưu vực hở : X0 = Z0 + Y0 ± ∆ W (6.11) + Chú ý : Với ( n ) đủ lớn Xo; Y0; Z0 gọi chuẩn mưa năm, chuẩn dòng chảy năm chuẩn bốc năm Đặc tính mưa dịng chảy mưa rào Mưa nhân tố quan trọng hình thành dịng chảy sơng ngịi Ở nước ta dịng chảy sơng ngịi mưa chủ yếu Bởi việc quan trắc, thu thập tài liệu mưa quan trọng Trong phần trình bày khái niệm mưa cách tính tốn lưu lượng dịng chảy sau trận mưa thời điểm định 6.4.1 Các khái niệm a) Lượng mưa Lượng mưa thời đoạn tính tốn lớp nước mưa đo trạm quan trắc đơn vị diện tích khoảng thời gian Đơn vị đo lượng mưa ( mm ) Lượng mưa đo thời đoạn ngày đêm gọi lượng mưa ngày; thời đoạn đo tháng, năm gọi lượng mưa tháng, lượng mưa năm b) Cường độ mưa tức thời Cường độ mưa tức thời (được ký hiệu at) lượng mưa đo đơn vị thời gian thời điểm vị trí quan trắc Đơn vị đo là: mm/ph; mm/h Vậy lượng mưa khoảng thời gian t1 đến t2 tính theo cơng thức sau: n H t =∑ ´at Δ t 1−t ( 6.12 ) ❑ Trong : - a´ t cường độ mưa bình quân thời đoạn Δ t - n số thời đoạn tính tốn Δ t 6.4.2 Phân loại mưa Căn vào nguyên nhân làm khơng khí thẳng lên gây mưa người ta chia loại mưa sau: a) Mưa đối lưu Là loại mưa tiêu biểu cho vùng nhiệu đới mưa có kèm theo sấm chớp Nguyên nhân lớp khơng khí ẩm sát mặt đất nhận xạ nhiệt, di chuyển lên cao nồng độ hạ thấp, áp suất giảm, thể tích tăng, tạo luồng khí đối lưu với 61 lớp khí lạnh cao xuống Q trình diễn nhanh chóng, liên tục, đồng thời bị lạnh đột ngột cao tạo đám mây vỡ thành mưa rào Loại mưa thường có vào mùa hè, hay gây lũ lưu vực nhỏ b) Mưa địa hình Các lớp khơng khí nóng ẩm di chuyển gặp núi cao bốc lên theo sườn núi, áp suất giảm , thể tích tăng lượng đi, ngưng tụ thành mưa xuống sườn nùi hứng gió loại mưa thường có miền Trung, gây lũ quét Nguyên nhân loại mưa lạnh động lực c) Mưa gió xốy Đây loại mưa gió xốy gây Loại mưa có lượng mưa lớn, phạm vi rộng, thời gian mưa dài dễ sinh lụt Trong mưa gió xốy đáng kể mưa bão gây mưa lớn mùa mưa 6.4.3 Tính lượng mưa trung bình diện tích lưu vực ( Hm ) Trong phần ta nghiên cứu số phương pháp mưa vùng có diện tích lưu vực khơng q 50 km2 thường lấy lượng mưa trạm đo mưa làm lượng mưa trung bình cho lưu vực Lượng mưa trạm đo mưa gọi lượng mưa điểm a) Phương pháp trung bình số học Phương pháp nên áp dụng cho vùng đồng nơi có lượng mưa điểm xấp xỉ số trạm đo phân bố n Công thức đo : Trong : ∑ H mi H´ m= i=1 (6.13 ) n + H mi lượng mưa đo trạm thứ ( i ) + n số trạm đo mưa lưu vực b) Phương pháp đa giác mưa ( Phương pháp Thai- Sơn ) Khi lượng mưa diễn tồn lưu vực khơng điều kiện địa hình, khí hậu lúc lượng mưa đo điểm đo mưa coi trung bình cho vùng diện tích nhỏ xung quanh điểm đo Để tính diện tích đa giác ta tiến hành làm sau (Hình 6.5) Đa giác mưa : 62 Thể trạm đo mưa A,B,C đồ Nối trạm đo mưa lại ta có tam giác trạm đo mưa Kẻ đường trung trực cạnh tam giác ta có đa giác bao quanh trạm đo mưa Công thức xác định : Hình 6.5 n ∑ H mi ƒi ´ m= i=1 H (6 - 14 ) ∑ ƒi Trong : - H mi lượng mưa trạm thứ ( i ) - ƒi diện tích đa giác bao quanh trạm thứ ( i ) 6.4.4 Tính lưu lượng lũ thiết kế Đối với lưu vực có diện tích nhỏ ( F < 100 km2 ) ta dùng theo cơng thức cường độ giới hạn Công thức : Q p= A p φ H p F δ (m3/s ) (6.15 ) Trong đó: Hp- lượng mưa ngày ( mm ) ứng với tần xuất thiết kế p % φ - hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào loại đất khu vực, lượng mưa ngày thiết kế (Hp) diện tích lưu vực (F) tra phụ lục A p - Mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế với điều kiện δ = qp Trị số Ap biểu thị tỷ số so với φ Hp là: A p= φ H p A p - tra bảng phụ thuộc vào đặc trưng địa mạo thuỷ văn ϕ thời gian tập trung dòng chảy dốc τ s vùng mưa (xem lịng sơng đồ phân mưa phụ lục) δ1 - hệ số xét tới làm nhỏ lưu lượng đỉnh lũ ao, hồ, rừng lưu vực ( tra bảng) Sau trình bày bước cụ thể để xác định Qp: Bước 1: Xác định thời gian tập trung nước sườn dốc τ s τs - xác định theo bảng phụ lục, phụ thuộc vào hệ số địa mạo thuỷ văn sườn dốc ( ϕ s ) vùng mưa ( xem đồ phân mưa ) b 0,6 s ϕ s= 0,3 ms J s (φ H p)0,4 (6-16 ) Trong : bs- Chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực ( m ) 63 L+ ∑ l 1,8¿ 100 F b s= ¿ Trong cơng thức tính bs có : L : Chiều dài lịng ( Km ) ∑l : Tổng chiều dài lòng nhánh ( Km ) Trong số tính lịng nhánh có độ dài lớn 0,75 chiều rộng bình quân B lưu vực F Với lưu vực có hai sườn: B= L (Km) F Với lưu vực có sườn: B= L (Km) Ở lưu vực sườn, cơng thức tính bs hệ số 1,8 thay 0,9 ms - Thơng số tập trung dòng chảy sườn dốc, phụ thuộc vào tình hình bề mặt sườn lưu vực Tra bảng phụ lục Js - độ dốc sườn dốc, tính theo ( %o ) Bước : Tính hệ số ϕ theo cơng thức sau : ϕ 1= 100 L 1 ❑ m1 J F ( φ H p )1/ (6.17 ) Trong : m1 - thơng số tập trung nước sơng, phụ thuộc vào tình hình sơng suối lưu vực Tra bảng phụ lục J1 - Độ đốc lịng sơng chính, tính theo ( %o ) L- Chiều dài lịng sơng ( km ) Bước : Tra bảng tìm hệ số Ap Trong trị số τ s , ϕ xác định Bước Bước 2, vùng mưa xem đồ Bước 4: Tính lưu lượng đỉnh lũ (Qp ) theo công thức ( 6.15 ) Trong q trình tính tốn để tìm lưu lượng lũ ta phải ý tới số nội dung sau đây: Với lưu lượng nhỏ, lịng sơng khơng rõ ràng xác định Ap lấy theo bảng 1-3 phụ lục ứng với ϕ = ; thời gian τ s tính Bước Với lưu vực vùng đồi núi, có diện tích > 10 km2 có địa hình bị chia cắt nhiều, đất lưu vực thấm, thảm, phủ thực vật thưa thớt; ta lấy τ s khoảng ( 20 - 40 ) phút Nếu lưu vực có rừng che phủ đáng kể, đất có khả thấm nước nhiều, τ s khoảng ( 30 - 60 ) phút Ngoài xem xét thêm số phương pháp tính nhanh lưu 64 lượng lũ để trường hợp thiết kế sơ vận dụng cách linh hoạt mà thực tế cho phép ... Contents GIÁO TRÌNH MƠ HỌC 08: THỦY LỰC CƠ SỞ NGHỀ CẤP THOÁT NƯỚC TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Tên mơn học: Thủy lực sở Chương 1: Thuỷ tĩnh học 1.1 Khái niệm áp lực áp suất thuỷ tĩnh 1.2 Tính chất phương trình. .. mơn học - Vị trí: Thuỷ lực sở mơn học giảng dạy song song với nhóm mơn học nghề Điện-nước, trước thực mơ đun nghề - Tính chất: Môn học Thuỷ lực sở môn học kỹ thuật sở chương trình dạy trình độ... g Ta tính đến cơng lực ngồi tác dụng lên khối lượng đóạn dịng nguyên tố xét Các lực gồm tọng lực áp lực thuỷ động - Công sinh trọng lực C TR-L đóạn dịng ngun tố xét công trọng lực khối chất lỏng