CHƯƠNG 7 DÒNG CHẢY đều KHÔNG áp TRONG KÊNH

THỦY LỰC ĐẠI CƢƠNG CHƢƠNG – DÒNG CHẢY ĐỀU KHÔNG ÁP TRONG KÊNH 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG 7.2 MẶT CẮT KÊNH 7.3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.4 TÍNH TỐN KÊNH PHỨC TẠP 7.5 LƯU TỐC TÍNH TỐN CHO PHÉP 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG 7.1.1 Dịng chảy khơng áp J kênh Dịng chảy khơng áp kênh h0 dịng chảy có mặt hống tiếp xúc với khí trời, Dịng chảy ổn định dịng chảy có lưu i bố lưu tốc mặt cắt ướt khơng thay đổi dọc theo chiều dịng chảy h0 b m lượng, diện tích mặt cắt ướt, đồ phân 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG Các điều kiện để có dịng chảy ổn định không áp Lưu lượng không đổi theo thời gian dọc theo dòng 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 h(l)=const Độ dốc đáy không đổi, i=const Hệ số nhám không đổi, n=const Phân bố lưu tốc mặt cắt khơng đổi dọc theo dịng chảy 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG J 7.1.2 Cơng thức tính tốn Dòng chảy kênh hở thường h0 dòng chảy rối, khu sức cản bình phương, + Cơng thức tính vận tốc: v = C RJ (m / s) i + Độ sâu dịng khơng đổi dọc theo dịng chảy, nên có: i = J + Cơng thức tính vận tốc viết lại: v  C Ri + Cơng thức tính lưu lượng: Q  v  C Ri 7.2 MẶT CẮT KÊNH 7.2.1 Mặt cắt kênh thƣờng dùng + Kênh nổi: + Cống ngầm 7.2 MẶT CẮT KÊNH 7.2.2 Các yếu tố thuỷ lực mặt cắt ƣớt B Xét kênh hở hình thang cân B = b +2mho h0 (m) + Diện tích mặt cắt ướt ( flow Area): ω = (b + mho)ho (m2) + Chu vi mặt cắt ướt ( wetted Perimeter)   b  2h o  m (m) m + Chiều rộng mặt thoáng ( free surface width ):  b + Bán kính thủy lực  R  + Hệ số b  h0 Ghi chú: kênh mặt cắt chữ nhật, tam giác cân sử dụng cơng thức trên, có thay đổi yếu tố đặc thù 7.2 MẶT CẮT KÊNH 7.2.3 Mặt cắt có lợi thuỷ lực Khái niệm: Các kênh dẫn điều kiện n, i ω không đổi, mặt cắt dẫn lưu lượng lớn mặt cắt có lợi thủy lực Nghiên cứu kênh dẫn hình thang cân, nhận thấy điều kiện có lợi thủy lực kênh, kênh thỏa mãn:  b  ln      h o  ln   m2  m Chú ý: Đối với kênh có thuỷ lực có: R ln  h ln  7.3 CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.1 Tính kênh biết Bài tốn 1: có b, h0, m, n, i ta cần tìm Q Ta tính trị số , , R, C thay vào cơng thức tính Q Ví dụ Cho kênh hình Giải: thang cân: b = 21,15m; Vì dịng chảy kênh hình thang cân ho = 2,35m; nên: m = 2; n = 0,025, i = 0,0004 Q  v  C Ri ω = 60,74 m2  = 31,66 m R = 1,92 m Tính Q? Q= 75,069 m3/s C = 44,59 7.3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.1 Tính kênh biết Bài tốn 2: có Q, b, h0, n,m ta cần tìm i Ta tính trị số , C, R thay vào công thức Q  C Ri   Q  i   C R   Bài tốn 3: Khi có Q, i, m, b, h0 ta cần tìm n Áp dụng cơng thức: 61 12 Q  C Ri   R R i  R i n n  R i n Q 7.3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.2 Thiết kế kênh Bài toán : Biết Q, m, n, i chọn β Xác định b, h0 Cơng thức tính lưu lượng dòng chảy theo Manning: Q  R n i   i  i  b  mh  h  i     2/3  (*) n  n  n  b  2h  m  2/3   5/3 5/3 Ta có: b  h0  b  h0 Thay b vào (*) rút giá trị h0 Từ h0 tính b theo cơng thức 7.3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG Ví dụ Dịng chảy kênh mặt cắt hình thang cân có Q = 1,1 m3/s; m =1,25; n = 0,025; i = 0,0006 Hãy xác định b ho theo điều kiện có lợi thủy lực Giải: Từ điều kiện có lợi thủy lực: ln    m2  m  = 0,7  b = 0,7.ho Vì dịng chảy kênh hình thang cân nên: Q  R n i  h   b  mh  h    n   i Thay giá trị b vào công thức, rút h0 Thay số vào ta có: ho = 1,02(m); b = 0,71 (m) 7.3 CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.2 Thiết kế kênh Bài tốn : Cho Q, m, n, i chọn R hay v Xác định b, h0 Cho R ta xác định v ngược lại thông qua công thức: 23 v  C Ri  R i n Ta lập hệ phương trình ẩn:    Q    (b  mh o )h o v     b  2h o  m R  Giải hệ phương trình ta xác định b ho 7.3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG Ví dụ Xác định b Giải: ho kênh mặt cắt Vì dịng chảy kênh hình thang cân hình thang cân nên: biết Q = 19,6 m3/s; n =  v.n  23 R     = 1,36 (m) v  C Ri  R i  i  n Ta có:   Q  15,08 (m ) v    11,09 (m) R 0,025; m = 1; i = 0,0007; v = 1,3 m/s Ta lập hệ Phương trình 15,08  (b   h o )h o   11,09  b  2h o  Giải tìm b = 5,43 (m) ho = 2,06 (m) 7.4 TÍNH TỐN KÊNH PHỨC TẠP 7.4.1 Kênh phức tạp có độ nhám 7.4.2 Kênh đơn giản có độ nhám phức tạp phức tạp Chia mặt cắt ướt kênh làm Sử dụng hệ số nhám trung bình nhiều mặt cắt phận đường thẳng đứng tính dịng Q1 Q2 n tb  chảy cho phận (Qi) i  i b2 n n1 Lưu lượng đượch xác định: Q3 Q4  n i i  1 Q n2  Q i i b1 Trường hợp hình vẽ có n11  n 2  n 33 n tb  1  2  3 Q5 7.5 LƢU TỐC TÍNH TỐN CHO PHÉP Vận tốc khơng xói ( [Vkx] ) Để kênh dẫn ổn định khơng gây xói lở thỏa mãn điều kiện: v  [vkx ] Vận tốc không lắng ( [Vkl] ) Để khơng gây bồi lắng lịng dẫn, vận tốc thực tế phải thỏa mãn điều kiện: v > [vkl ] Ví dụ Dịng chảy kênh hình thang có i = 0,0009; m = 2; n = 0,02; ho = 2,5m Xác định lưu lượng dịng chảy kênh mặt cắt có lợi thuỷ lực Xác định mặt cắt kênh vận tốc dòng chảy kênh v = 0,95.vmax Giải: Từ điều kiện có lợi thủy lực:  ln   m  m  = 0,47  b = 0,47.ho = 1,18 (m) Vì dịng chảy kênh hình thang cân nên: Q  v  C Ri ω = 15,451 m2  = 12,361 m R = 1,25 m C = 51,894 Q= 26,894 m3/s Tính kích thước kênh Vmax= 1,74 m/s  R    V= 1,65 m/s  b  mh  h   b  2h  m     R = 1,15 m Thay số giải được: b = 3,37 m Ví dụ Dịng chảy kênh lăng trụ hình thang cân, có Q = 18 m3/s; m = 2; n = 0,025; i = 0,0004 vận tốc cho phép khơng xói kênh [vkx] = 1,4 m/s Hãy xác định tính ổn định kênh Giải: Từ điều kiện có lợi thủy lực  ln   m  m  = 0,47  b = 0,47.ho Vì dịng chảy kênh hình thang cân nên: Q  R i n  h0    b  mh  h    n   i Thay giá trị b vào công thức, rút h0, có: Thay số vào ta có: ho = 2,72 (m) b = 1,28 (m) v max   h0   C Ri    n  i = 0,98 (m/s) KL: Kênh dẫn ổn định khơng bị xói lở < [Vkx] = 1,4 (m/s) Ví dụ Một dịng chảy kênh hình thang cân có lưu lượng Q= 45 (m3/s), n = 0,013; b = (m); m = 1 Xác định độ dốc đáy kênh i điều kiện mặt cắt có lợi thủy lực Biết vận tốc cho phép khơng xói kênh [vkx] = 1,0 m/s Đánh giá điều kiện ổn định kênh trường hợp bất lợi nhất? Nếu kênh khơng ổn định, độ dốc đáy kênh lớn (imax) để kênh ổn định bao nhiêu? Giải: Vì dịng chảy kênh hình thang cân nên: Q  R n i  Q.n i   R      Từ điều kiện có lợi thủy lực: ln    m2  m h0  R  = 38,94 (m2)  = 0,828  ho = 3,62 (m) = 1,81 (m) Thay số vào có: i = 0,0001 Tính độ dốc i kênh ổn định Vận tốc lớn kênh xác định: Vmax  Q   1,16 (m)  > [vkx] = 1,0 m/s Kênh không ổn định Trường hợp kênh ổn định lớn nhất, khi: v = [vkx] = 1,0 (m/s) Theo có b =3 m và: Q 45    45 (m ) v  h0 = 5,38 (m)  = 18,22 (m)  R = 2,475 (m) Độ dốc kênh ổn định m = b = 3m 2  Q  Q.n   i    R 2/3   C R    Thay số vào i = 0,00005 Mặt cắt ngang kênh h = 5,38 m  ... DỊNG CHẢY ĐỀU KHƠNG ÁP TRONG KÊNH 7. 1 KHÁI NIỆM CHUNG 7. 2 MẶT CẮT KÊNH 7. 3 CÁC BÀI TỐN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7. 4 TÍNH TỐN KÊNH PHỨC TẠP 7. 5 LƯU TỐC TÍNH TỐN CHO PHÉP 7. 1 KHÁI NIỆM CHUNG 7. 1.1 Dịng chảy. .. chảy khơng áp J kênh Dịng chảy khơng áp kênh h0 dịng chảy có mặt hống tiếp xúc với khí trời, Dịng chảy ổn định dịng chảy có lưu i bố lưu tốc mặt cắt ướt không thay đổi dọc theo chiều dòng chảy h0... theo dòng chảy Nên độ sâu mực nước kênh h(l)=const Độ dốc đáy không đổi, i=const Hệ số nhám không đổi, n=const Phân bố lưu tốc mặt cắt không đổi dọc theo dòng chảy 7. 1 KHÁI NIỆM CHUNG J 7. 1.2