đề cương Thủy Lực Thủy văn UTC có lời giải

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ MÔN THỦY LỰC THỦY VĂN BÀI GIẢNG THỦY LỰC THỦY VĂN 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC .2 CHƢƠNG 1.1 Áp suất áp lực thủy tĩnh, tính chất áp suất thủy tĩnh .6 1.1.1 1.2 THỦY TĨNH HỌC .6 Áp suất áp lực thủy tĩnh Phƣơng trình vi phân cân Ơle - Điều kiện cân 1.2.1 Thiết lập phƣơng trình .6 1.2.2 Điều kiện cân 1.2.3 Mặt đẳng áp mặt đẳng 1.3 Phƣơng trình thủy tĩnh 1.3.1 Phƣơng trình thuỷ tĩnh dạng .7 1.3.2 Phƣơng trình dạng (hệ dạng 1) 1.4 Biểu đồ áp suất-Đồ áp lực 1.5 Áp lực chất lỏng lên thành phẳng 10 1.5.1 Xác định độ lớn áp lực 10 1.5.2 Xác định điểm đặt áp lực 11 1.5.3 Bài tập áp dụng 12 1.6 Áp lực chất lỏng lên thành cong .15 1.6.1 Xác định trị số 15 1.6.2 Đƣờng tác dụng áp lực tổng P 16 1.6.3 Bài tập áp dụng 16 CHƢƠNG 2.1 KHÁI NIỆM VỀ THUỶ LỰC KÊNH HỞ 18 Lƣu lƣợng yếu tố mặt cắt ngang dòng chảy 18 2.1.1 Những dạng chuyển động chất lỏng 18 2.1.2 Phƣơng trình liên tục 18 2.1.3 Các yếu tố mặt cắt ngang dòng chảy 18 2.2 Phƣơng trình Becnuly cho tồn dòng chất lỏng thực .18 2.2.1 Phƣơng trình Becnuly cho dịng ngun tố 18 2.2.2 Phƣơng trình Bécnuly cho tồn dòng chất lỏng thực, chuyển động dừng 19 2.3 Phƣơng trình biến thiên động lƣợng .20 2.4 Tổn thất dòng chảy 21 2.4.1 Phân biệt trạng thái dòng chảy 21 2.4.2 Các dạng tổn thất lƣợng dòng chảy 21 2.5 Công thức Chezy hệ số Chezy 22 2.6 Dòng chảy kênh hở 23 2.6.1 Khái niệm 23 2.6.2 Công thức 23 2.1 Dòng chảy qua lỗ .23 2.1.1 Khái niệm phân loại 23 2.1.2 Dòng chảy tự qua lỗ nhỏ thành mỏng, cột áp không đổi 24 2.2 Dịng chảy qua vịi hình trụ gắn ngồi cột áp khơng đổi 25 2.2.1 Tính lƣu lƣợng qua vòi 25 2.2.2 Tính độ cao chân khơng vòi 26 2.2.3 Hiện tƣợng xâm thực vòi 27 2.3 Tính tốn thủy lực đƣờng ống 27 2.3.1 Khái niệm phân loại 27 2.3.2 Tính đƣờng ống dài 28 2.4 Dòng chảy thay đổi dần 39 2.4.1 Định nghĩa .39 2.4.2 Năng lƣợng đơn vị mặt cắt .39 2.4.3 Độ sâu phân giới 40 2.4.4 Độ dốc phân giới .41 2.4.5 Số Frutde 41 2.4.6 Phân biệt trạng thái chảy 41 2.5 Tính chiều dài đƣờng mặt nƣớc 41 CHƢƠNG 3.1 NƢỚC NHẢY 43 Khái niệm chung .43 3.1.1 Định nghĩa 43 3.1.2 Cấu tạo nƣớc nhảy 43 3.1.3 Phân loại nƣớc nhảy 43 3.2 Nƣớc nhảy hoàn chỉnh 44 3.2.1 Phƣơng trình bản: .44 3.2.2 Hàm số nƣớc nhảy 45 3.2.3 Cách tính độ sâu liên hợp kênh lăng trụ 45 3.2.4 Tổn thất lƣợng nƣớc nhảy .46 3.2.5 Chiều dài nƣớc nhảy chiều dài sau nƣớc nhảy 46 CHƢƠNG 4.1 ĐẬP TRÀN 47 Khái niệm chung .47 4.1.1 Định nghĩa, tên gọi, ký hiệu 47 4.1.2 Phân loại 48 4.2 Cơng thức tổng qt tính lƣu lƣợng qua đập tràn 48 4.2.1 CHƢƠNG 5.1 Cơng thức tính lƣu lƣợng qua đập tràn 48 THIẾT KẾ THỦY LỰC CƠNG TRÌNH THỐT NƢỚC NHỎ 50 Tính tốn thủy lực cầu nhỏ .50 5.1.1 Tài liệu thông số đầu vào 50 5.1.2 Bản đồ lƣu vực cơng trình 50 5.1.3 Tính lƣu lƣợng thiết kế 50 5.1.4 Tính độ cầu nhỏ 50 5.2 Tính tốn thủy lực cống 54 5.2.1 5.3 Khẩu độ cống ngun tắc tính tốn thủy lực cống .54 Tính xói gia cố sau cầu nhỏ cống 55 CHƢƠNG KHÁI NIỆM VỀ THUỶ VĂN CẦU ĐƢỜNG 57 6.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 57 6.1.2 Nội dung nghiên cứu 57 6.2 Mƣa đặc trƣng liên quan 57 6.2.1 Mƣa 57 6.2.2 Các đặc trƣng mƣa: 57 6.3 Lƣu vực dịng sơng, yếu tố dịng chảy .58 6.3.1 Lƣu vực 58 6.3.2 Q trình hình thành dịng chảy lƣu vực 58 6.3.3 Các đặc trƣng dòng chảy 59 6.4 Các yếu tố thủy văn 59 6.4.1 Mực nƣớc 59 6.4.2 Lƣu tốc .60 6.4.3 Lƣu lƣợng 61 6.5 Đƣờng tần suất 62 6.5.1 Đƣờng tần suất kinh nghiệm 62 6.5.2 Đƣờng tần suất lý luận .62 6.5.3 Theo TCVN 4054 - 2005: Đƣờng ô tô  yêu cầu thiết kế .64 6.5.4 Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 Tiêu chuẩn thiết kế đƣờng ôtô 22 TCN 273-05 .65 6.5.5 Đƣờng ôtô cao tốc – Yêu cầu thiết kế TCVN 5729-1997 .65 6.5.6 Tần suất lũ thiết kế đƣờng sắt .65 6.6 Khái niệm cơng trình vƣợt qua dịng nƣớc 65 6.6.1 Phân loại cơng trình vƣợt sông 65 6.6.2 Yêu cầu nhiệm vụ thiết kế .66 6.6.3 Chọn vị trí cầu qua sơng .67 PHẦN THỦY LỰC CHƢƠNG 1.1 THỦY TĨNH HỌC Áp suất áp lực thủy tĩnh, tính chất áp suất thủy tĩnh 1.1.1 Áp suất áp lực thủy tĩnh 1.1.1.1 Công thức Gọi p  lim P áp suất thủy tĩnh điểm  Áp suất thủy tĩnh điểm ứng suất lực mặt  0 1.1.1.2 Đơn vị Đơn vị áp suất thủy tĩnh N/m2, Pascal (1Pa = 1N/m2), atmôtphe (1at = 98100 N/m2, 1at tương đương với 736mm cột thủy ngân hay 10m cột nước Lực P tác động lên diện tích  đƣợc gọi áp lực (N, KN, T) 1.1.1.3 Tính chất áp suất thủy tĩnh Có hai tính chất: - Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hƣớng vào diện tích - Áp suất thủy tĩnh điểm chất lỏng theo phƣơng 1.2 Phƣơng trình vi phân cân Ơle - Điều kiện cân 1.2.1 Thiết lập phương trình p   x  p  Y   y  p  Z   z  X (1-1) Hệ (2-1) phƣơng trình vi phân cân Ơle phƣơng trình Ơle tĩnh dạng hình chiếu Có thể viết dƣới dạng vectơ nhƣ sau: F  gradp (1-2) Trong gradien (grad) tốn tử biến đại lƣợng vơ hƣớng thành véctơ Chú ý: Phƣơng trình vi phân cân Ơle biểu thị quy luật chung phụ thuộc áp suất thủy tĩnh tọa độ: p = f (x, y, z) 1.2.2 Điều kiện cân Nhân phƣơng trình hệ (2-1) riêng biệt với dx, dy, dz cộng vế với vế đƣợc: Hay Xdx  Ydy  Zdz  p p p ( dx  dy  dz )  x y z Xdx  Ydy  Zdz   dp (Vì p = f (x, y, z)) (1-3) Nhận xét: Vế phải phƣơng trình (1-3) vi phân tồn phần hàm p, phƣơng trình có nghĩa vế trái phải vi phân tồn phần hàm số đó, ví dụ nhƣ hàm U chẳng hạn Tức tồn hàm U để cho thỏa mãn điều kiện: Xdx  Ydy  Zdz  dU U  x  U  Y   y  U  Z   z  (1-4) X  Hay (1-5) Lực khối thỏa mãn điều kiện (2-4) (2-5) gọi lực khối U đƣợc gọi hàm Nhƣ ta rút điều kiện thực cân bằng: Khối chất lỏng không nén trạng thái cân lực khối lực 1.2.3 Mặt đẳng áp mặt đẳng Mặt đẳng áp mặt mà điểm có áp suất giữ giá trị không đổi (p=const) Mặt đẳng mặt mà điểm hàm giữ giá trị khơng đổi (U=const) Nhƣ từ phƣơng trình (1-4) (2-5 nhận thấy chất lỏng trạng thái cân mặt đẳng áp đồng thời mặt đẳng 1.3 Phƣơng trình thủy tĩnh 1.3.1 Phương trình thuỷ tĩnh dạng Xuất phát từ điều kiện cân Ơle Xdx  Ydy  Zdz  dp  Xét lực khối trọng lực tác động lên khối chất lỏng đó: X = 0, Y = 0, Z = -g Thay lực khối đơn vị vào phƣơng trình ta có: -gdz =  dp  dz + dp =0 ; với    g  Tích phân hai vế phƣơng trình ta có: z+ p = C , với C số tích phân  (1-6) Phƣơng trình (3-1) gọi phƣơng trình thuỷ tĩnh dạng - Ý nghĩa phƣơng trình: - Về mặt hình học z: Độ cao vị trí p : Độ cao áp suất  Kết luận: Tổng độ cao vị trí độ cao áp suất không thay đổi z1 + p1  = z2 + p2  - Về mặt lƣợng z: Vị đơn vị p : Áp đơn vị  z+ p : Thế đơn vị  Kết luận: Tổng vị đơn vị áp đơn vị không thay đổi z1 + p1  = z2 + p2  1.3.2 Phương trình dạng (hệ dạng 1) Xét khối chất lỏng điểm M, N nằm khối chất lỏng, zM, zN khoảng cách từ hai điểm đến mặt chuẩn nằm ngang 0-0 Từ phƣơng trình (3-1) ta có zM +  - pM  = zN + (zN - zM) = pN  pM  p N  (pM - pN) =  (zN - zM) Khi N trùng với mặt thoáng,(zN - zM) =h, pN = p0 ta có: pM = p0 +  h Khi M tùy ý ta có: p = p0 +  h (1-7) Phƣơng trình (3-2) phƣơng trình thuỷ tĩnh dạng Hay (3-2) cơng thức tính áp suất điểm nằm lòng chất lỏng 2.3.3 Phân loại áp suất a Áp suất tuyệt đối: pt = p0 +  h p0: áp suất mặt phân chia chất lỏng h: Độ sâu từ mặt thống đến điểm cần tính áp suất  : Trọng lƣợng riêng chất lỏng b áp suất dƣ: Khi pt > pa pd = pt - pa = (p0 +  h) - pa Khi p0 = pa pd =  h c áp suất chân khơng: Khi pt < pa pck = pa - pt = pa - (p0 +  h) = - pd Dùng áp kế để đo áp suất dƣ Chân không kế để đo áp suất chân không Áp suất điểm đo chiều cao cột chất lỏng (nƣớc, thủy ngân, cồn ) kể từ điểm xét đến mặt thống cột chất lỏng thƣờng biểu thị độ dài cột chất lỏng pck  hck : Độ cao chân khơng pt  ht : Độ cao cột áp tuyệt đối pd  hd : Độ cao cột áp dƣ    1.4 Biểu đồ áp suất-Đồ áp lực Từ công thức (3-2): Khi p0 = pa : pt = p0 +  h = f(h) pd =  h = f(h)  Với chất lỏng trọng lực định, điều kiện áp suất mặt tự cho trƣớc, áp suất p hàm số bậc độ sâu h Giả sử ta có hệ tọa độ có trục h thẳng đứng hƣớng xuống dƣới Biểu đồ áp suất trục p đặt nằm ngang nhƣ hình vẽ Sự biểu diễn đồ thị hàm số (3-2) hệ tọa độ nói gọi đồ phân bố áp suất thủy tĩnh Trƣớc tiên ta vẽ đƣờng biểu diễn áp suất dƣ dƣới dạng tam giác vng góc OA’A, có đáy pdƣ = H, có chiều cao H Với chất lỏng khác tức với trọng lƣợng riêng  khác nhau, độ dốc đƣờng OA’ (tg) khác nhau.Muốn có đồ phân bố áp suất tuyệt đối ta cần tịnhtiến đƣờng OA’ Đồ áp lực theo phƣơng thẳng góc với Oh đoạn p0 có đƣợc đƣờng O”A” Đồ phân bố áp suất tuyệt đối hình thang vng góc O O” A”A Thay trục nằm ngang p trục p , hai trục tọa độ dùng đơn vị độ dài, áp suất biểu thị độ dài cột  nƣớc Đồ phân bố với tọa độ nhƣ gọi đồ áp lực Đồ áp lực dƣ đƣợc biểu diễn hàm số pd p pd  h đồ áp lực tuyệt đối đƣợc biểu diễn hàm số   h đƣờng thẳng    biểu diễn có độ dốc 450 (tg = 1) Ví dụ: Vẽ đồ áp lực dƣ tác dụng lên thành phẳng sau: có p0 = pa 1.5 Áp lực chất lỏng lên thành phẳng Nhận xét: Áp lực lên thành phẳng tổng hợp lực song song chiều Gọi áp lực tổng hợp P Ta cần xác định độ lớn điểm đặt P 1.5.1 Xác định độ lớn áp lực Giả sử hình có diện tích  nằm mặt phẳng nghiêng góc  so với mặt phẳng ngang Hệ tọa độ chọn nhƣ sau: Gốc tọa độ O nằm mặt thoáng, Ox hƣớng theo giao tuyến mặt phẳng nghiêng mặt thoáng, Oy nằm mặt phẳng nghiêng vng góc với Ox qua trọng tâm hình  Trục Oh hƣớng xuống dƣới Trên hình  ta lấy diện tích ngun tố d vơ nhỏ, áp lực nguyên tố dP tác động lên d là: dP = pd với p = p0 +  h (1-8) Áp lực tổng hợp P chất lỏng lên diện tích d là: 10 k trc  bk   btrc bk bk  bd  mmdc hk đó: btrc: chiều rộng trụ cọc; bk*= mmdhk + b0đ b0 d  bd   btrc : chiều rộng đáy không kể cọc; mmdc: hệ số mái dốc mặt cắt dƣới cầu Chế độ chảy ngập cầu nhiều nhịp tính gần nhƣ cầu nhịp Lúc công thức (*) (**) phải thêm hệ số  ng 5.2 Tính tốn thủy lực cống 5.2.1 Khẩu độ cống nguyên tắc tính tốn thủy lực cống Khi đặt cống ngang đƣờng, mặt cắt ngang cống thƣờng nhỏ mặt cắt ngang dòng chảy tự nhiên nên tạo nƣớc dâng vùng bị ảnh hƣởng nƣớc dâng trƣớc cống Khẩu độ cống gắn liền với yếu tố Nếu độ cống lớn chiều sâu nƣớc dâng thời gian nƣớc dâng nhỏ ngƣợc lại Nhƣ trƣớc xác định độ cống cần quan tâm tới cột nƣớc dâng trƣớc cống phạm vi dâng trƣớc cống (tích nƣớc trƣớc cống) đánh giá điều kiện rủi ro: Thiệt hại tài sản vùng gần nơi đặt cống; Làm hỏng cống đƣờng Đối với kiểm sốt hạ lƣu, lƣu lƣợng, hình thức chế độ chảy cống không yếu tố chi phối kiểm soát thƣợng lƣu (tổn thất cửa vào cột nƣớc tốc độ cống) mà cao độ mực nƣớc cửa cống, độ dốc, chiều dài độ nhám cống định Chế độ chảy cống chảy không đầy hay chảy đầy cống phụ thuộc vào tập hợp yếu tố nêu Khi cột nƣớc trƣớc cống độ cống xác định chiều dài cống, độ nhám cống chiều sâu nƣớc hạ lƣu yếu tố định hình thức chế độ chảy cống cịn kích thƣớc hình thức cửa vào yếu tố thứ yếu Chế độ chảy cống phân chia thành trƣờng hợp sau: Chảy không ngập cửa vào cửa (chảy tự do, chảy không áp); Ngập cửa vào, cửa không ngập, cống chảy không đầy cống; Ngập cửa vào, cửa không ngập, chảy đầy cống; Ngập cửa vào cửa (chảy ngập hoàn toàn, chảy có áp) Để tiện cho cơng tác tính tốn lựa chọn độ cống, khả thoát nƣớc loại cống tƣơng ứng với điều kiện chảy nêu đƣợc lập thành bảng tra xác định theo toán đồ a Các xem xét thiết kế cống: Chiều cao nƣớc dâng trƣớc cống thông thƣờng đƣợc giới hạn H