Hợp lý nhất là bố trí mô hình đồng thời với việc chọn loại và tỷ lệ mô hình. Khi thiết kế và bố trí mô hình cần đồng thời quyết định các vấn đề có liên quan đến:
1. Diện tích và không gian giành cho mô hình
2. Bố trí mô hình sao cho việc xây dựng, vận hành và bảo dỡng, sửa chữa là kinh tếnhất, việc sử dụng mặt bằng phòng thí nghiệm là hợp lý nhất và sao cho bên cạnh nhất, việc sử dụng mặt bằng phòng thí nghiệm là hợp lý nhất và sao cho bên cạnh mô hình còn bố trí đợc các thiết bị phụ trợ và thiết bị đo.
3. Bố trí mô hình phụ thuộc vào việc nối nó với hệ thống cấp thoát nớc, vào khả năngcấp nớc đủ lớn, không gây bất lợi cho sự hoạt động của các mô hình khác cấp nớc đủ lớn, không gây bất lợi cho sự hoạt động của các mô hình khác
4. Với mô hình mềm cần đảm bảo vòng tuần hoàn của bùn cát .
5. Khi thiết kế bố trí mô hình cần nhớ đến việc đại tu cải tạo, nâng cấp, trong tơng lai,nhớ đến sự cung ứng vật liệu đến việc đo, việc quay phim chụp ảnh nhớ đến sự cung ứng vật liệu đến việc đo, việc quay phim chụp ảnh
Khi thiết kế cần mô hình trong mặt bằng thực tại của phòng thí nghiệm. Mụ hỡnh cụng trỡnh ba hướng và mụ hỡnh lũng dẫn lớn ba hướng hoặc là được bố trớ trực tiếp trong khoảng khụng gian cú hay khụng cú mỏi che. Mụ hỡnh hai hướng thường được đặt trong mỏng kớnh cố định.
II. Định vị và xây dựng mô hình thủy lực:
Mô hình phải hoàn toàn thỏa mãn những yêu cầu của nghiên cứu, của hoạt động trong phòng thí nghiệm và phải đợc thiết kế một cách hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Tr- ớc khi xây dựng mô hình cần định vị một cách chính xác, muốn vậy cần xác định tỷ lệ mô hình, mức độ đồ hóa, vật liệu chính, khi xây dựng cần chú ý sao cho mô hình không bị biến dạng theo thời gian. Mô hình đợc phân ra từng đoạn riêng biệt và từng hạng mục kết cấu độc lập. Sau khi chế tạo hoặc xây dựng từng phần rồi lắp ráp lại.
Theo tính chất phức tạp của từng phần mô hình và mức độ khó khăn trong việc chính xác hình dạng mà chọn tỷ lệ khác nhau. Đồng thời xác định những loại vật liệu phù hợp nhất cho từng phần riêng biệt của mô hình.
Vật liệu xây dựng các phần khác nhau của mô hình có thể là khác nhau, Đó là gỗ, kim loại, chất dẻo, bê tông, gạch, cát, kính, thạch cao, cao su đúc, nhựa đờng, để mô hình hóa đáy mềm ngời ta thờng dùng nhất là cát hoặc than nghiền đôi khi dùng gạch nghiền, hạt nhựa, mạt ca gỗ. Dùng loại nào để mô hình hóa bàn cát là do ngời thiết kế và xây dựng mô hình bình chọn.
Sau khi quyết định bố trí mô hình ở đâu trong phòng thí nghiệm cần bố trí mô hình vào mặt bằng thực tại của phòng thí nghiệm: Cắm mốc nh xây dựng nh công trình
trong thực tế. Điều cần nhấn mạnh là khi xây dựng mô hình mà để sai số lớn thì sai số kết quả thu đợc sẽ gấp nhiều lầm
3.4. Thiết bị của phòng thí nghiệm thủy lực
Trong phòng thí nghiệm thờng xây dựng một hay nhiều phòng tuần hoàn của nớc cùng các công trình cấp nớc, bố trí các máy thủy lực, mô hình lồng dẫn, mô hình ba h- ớng và các thiết bị phục vụ nghiên cứu, máng kính cố định và mang thay đổi độ dốc, các thiết bị đo và quan trắc.
1. Máng thủy lực cố định: Là múng khụng thể thay đổi độ dốc được. Thành bờn thẳng đứng bằng kớnh thủy tinh hoặc kớnh hữu co cú độ dày khụng quỏ 2 cm. Khung đừ cỏc tấm kớnh bằng bờ tụng cốt thộp hoặc thộp, đụi khi bằng gỗ. Đỏy múng thường bằng thộp, nằm ngang. Cửa vào của múng cao để tạo đầu nước lớn. Đỉnh thành, bờn bố trớ xe để đặt cỏc thiết bị đo.
Kớch thước mỏng cố định thường là: Chiều dài l = 10ữ20(m); Chiều cao h = 0,5ữ1 (m) đụi khi h = 2(m); chiều rộng b = 0,3ữ1,2 (m)
Mỏy đặt trực tiếp trờn sàn, hoặc treo. Lưu lượng lớn nhất qua mỏy từ 100 đến 500(l/s) Khi dựng múng cố định để nghiờn cứu những quy luật của dũng chảy trong kờnh hở cần phải dài hơn mỏng dựng để nghiờn cứu mụ hỡnh cỏc cụng trỡnh
2. Máng thay đổi độ dốc
Mỏng cú thể thay đổi độ dốc tựy ý được dựng để nghiờn cứu: - Sức cản của lũng dẫn với độ nhỏm khỏc nhau
- Sự ổn định của nền
- Biểu độ khụng xúi của dũng nước - Cỏc vấn đề chuyển động của bựn cỏt. - Những nghiờn cứu về súng
Đỏy và thành bờn cú cấu tạo như ở mỏng cố định và đặt trờn một dầm đỡ cứng cú thể quay xung quanh một trục nằm ngang. Độ dốc của mỏng thay đổi trong khoảng 2oữ5o
nhờ kớch thủy lực, kớch cơ học hoặc vớt bỏnh răng. Chiều rộng mỏng khoảng 0,5ữ0,6, chiều cao từ 0,5ữ2,0(cm); chiều dài l= 10ữ40m.
Thay đổi độ dốc mỏng để tạo ra chế độ chảy khỏc nhau. Khi nghiờn cứu chế dộ bựn cỏt, mỏng cũn được nối với hệ thống cấp cỏp và hứng đỡ cỏt trụi theo dũng chảy. Khi nghiờn cứu những quy luật chuyển động của bựn cỏt thỡ cần cú vũng tuần hoàn khộp kớn của bựn cỏt bờn cạnh vũng tuần hoàn của nước. Khi nghiờn cứu dũng chảy cú ngậm khớ chỳng ta cú thể sử dụng mỏng nghiờng với độ dốc tới 45o.
Nghiờn cứu hiện tượng khớ thực ta dựng cỏc ống đặc biệt. Những thiết bị này được đúng khớ tuyệt đối cú vũng tuần hoàn nước riờng và cú mỏy bơm tạo ra lưu lượng lớn.
- Thay đổi độ dốc máng để tạo ra chế độ chảy khác nhau nh nghiêng cứu chế độ bùn cát, máng còn đợc nối với hệ thống cấp cát và hứng đỡ cát trôi theo dòng chảy. Khi nghiên cứu những quy luật chuyển động của bùn cát thì cần có vòng tuần hoàn khép kín của bùn cát bên cạnh vòng tuần hoàn của nớc
3. Hệ thống cấp nớc:
- Hệ thống cấp nớc là một vòng tuần hoàn khép kín của nớc giữa bể áp lực và phía thợng lu mô hình, bao gồm:
- Bể tạo áp lực
- ống dẫn có cửa van
- Thiết bị điều chỉnh lu lợng
- Bể tạo yên tĩnh với những thiết bị làm êm nớc - Thiết bị điều chỉnh bùn cát
a) Để tạo ỏp lực: Bể đặt trờn một vị trớ đủ cao cú mỏng tràn bờn để giữ mực nước trong bể khụng đổi. Cú đường ống từ mỏy bơm dẫn nước vào bể đường ống từ bể tới mụ hỡnh và đường ống từ mỏy bờn đưa nước thừa về lại bể cấp nước. Một bể tạo ỏp cú thể phục vụ cho nhiều mụ hỡnh
b) Ống dẫn: Phải dẫn được lưu lượng lớn nhất cần thiết. khi tớnh toỏn thủy lực khụng được quờn tổn thất cục bộ ở cửa van ở chỗ cong. Để điều chỉnh lưu lượng ta bố trớ cửa van. Để đúng mở nhẹ thường dựng đường vũng với cửa van nhỏ
c) Thiết bị đo lưu lượng: Bố trớ ở phần đầu mỏng, trước bể tạo yờn tĩnh. Trong phũng thớ nghiệm cú thể dựng cỏc loại cơ bản sau đõy:
+ Tràn với nhiều kớch cỡ và hỡnh dạng khỏc nhau (hỡnh 3-9). Thường dựng
nhất là đập tràn Thomson với q=1,4h (3-1)
+ Ống Ventury tiện lợi cho việc do lưu lượng từ 10ữ800(l/s) ống được lắp vào phần thẳng của ống dẫn và đảm bảo đoạn trước ống l1 ≥ 20d, đoạn sau ống l2 ≥ 5d phải thẳng. Cũng cú thể dựng ống đo ống khuỷu hoặc màng đo
Đo lưu lượng bằng ống Ventury, màng và ống khuỷu đều dựa trờn nguyờn tắc chờnh lệch ỏp lực (hay cột nước) ở hai vị trớ của dũng chảy. Bởi vậy những thiết bị này cần nối với ỏp kế phõn vạch
Tất cả cỏc thiết bị này trước khi nghiờn cứu cần lắng đạt thiết bị hiệu số và qua mỏy vi tớnh
Trong một vài trường hợp cần phải điều chỉnh lưu lượng theo một quy luật nhất định. Để đạt được mục đớch đú chỳng ta sử dụng thiết bị điều chỉnh theo một chương trỡnh đặc biệt.
Đú là a) thiết bị điều chỉnh bỏn tự động (hỡnh 3-11). Ở đõy dựng ống Ventury hoặc màng mỏng để đo lưu lượng.
Hỡnh 3-11
b)Thiết bị điều chỉnh tự động (hỡnh 3-12 Hỡnh 3-12
Thiết bị này cú van điều chỉnh tự động theo một chương trỡnh nhất định e) Bể yờn tĩnh
Nước từ đường ống hay từ đập tràn đo lưu lượng chảy vào đoạn đầu mụ hỡnh rất xỏo trộn và tập trung. Chỳng ta cần dũng chảy phõn bố đều và yờn tĩnh trước khi vào mụ hỡnh. Vỡ vậy cần cú bể yờn tĩnh đủ lớn với những thiết bị làm ờm dũng chảy. Đú là thiết bị làm dụi (Hỡnh 3-13), thiết bị phõn tỏn (Hỡnh 3-14).
Cũng cú thể làm dịu ờm nước bằng sử dụng bể cú ngưỡng thỏo tràn (Hỡnh 3-15) hoặc dũng lưới chắn khỏc nhau (hỡnh 3-16)
g) Thiết bị điều chỉnh cát sỏi:
Có hai cách điều chỉnh cát sỏi trong thí nghiệm với mô hình lòng dẫn mền. Đó là:
1. Điều chỉnh bằng ống phun khộp kớn: Khi đú ở cuối mụ hỡnh ta thu cỏt và theo đường vận chuyển riờng trở về đầu mụ hỡnh nhờ thiết bị thổi.
2. Điều chỉnh bựn cỏt ở đõu vào mụ hỡnh bằng thiết bị điều chỉnh tự động nhở bằng tải hoặc cơ cấu ren.
4) Dẫn nớc từ mô hình:
Khái niệm dẫn nớc từ mô hình đợc hiểu là một phần của vòng tuần hoàn nớc và đợc bố trí ở giữa đờng dẫn hạ lu mô hình và bể cấp nớc (Hình 3-7)
Nó gồm các bộ phận;
a) Thiết bị điều chỉnh mực nớc ở hạ lu.
Thiết bị này bố trớ ở cuối mỗi mụ hỡnh, nhằm thiết lập mực nước thạ lưu theo đường cong quan hệ cho trước. Có 2 loại:
* Loại một: cửa van điều khiển bằng tay: dựng với những thớ nghiệm với lưu lượng khụng đổi. Đú là cửa van kộo lờn bằng tay, cửa van kộo lờn bằng cơ khớ, cửa van hạ xuống, cửa van lưỡi gà quay.
* Loại hai: cửa van tự động: Dựng với những thớ nghiệm cú lưu lượng khụng ổn định. Đú là cửa van lưỡi gà tự động, loại này điều khiển bằng điện nối
liền với thiết bị tớn hiệu ở đàu đo nhọn. Thiết bị cho phộp giữ mực nước hạ lưu với bất kỳ lưu lượng nào. Đú là cửa van được tạo bằng cỏc tấm nhỏ cú thể quay được hoặc trượt.
b) Thiết bị thu cát sỏi
Với mụ hỡnh lũng dẫn mềm cần cú thiết bị thu cỏt sỏi giải phỏp kết cấu loại này là tựy vào cú h ay khụng cú vũng tuần hoàn cỏt riờng (hỡnh 3-18)
Nếu không có vòng tuần hoàn riêng thì bùn cát đọng vào bể hoặc tạo ra ô, rãnh giữ bùn cát và lấy ra bằng thủ công.
Nếu có vòng tuần hoàn bùn cát riêng thì cuối mô hình có thiết bị tỏch bựn cỏt ra khỏi nước rồi dựng mỏy thổi bựn cát để đa chúng về đầu mô hình. Cú thiết bị tỏch kiểu khe hở hoặc kiểu lưới.
c) Thiết bị tập trung nớc
d) Mảng dẫn nớc trở về bể cung cấp
3-5 Kỹ thuật và phơng pháp đo
Trong công tác chuẩn bị nghiên cứu trên mô hình cần lựa chọn và lắp đặt các thiết bị đo cần thiết, dựa trên căn cứ:
- Đặc điểm của vấn đề nghiên cứu - Nhiệm vụ cần giải quyết
I.Đo mực nớc:
1) Đo mực nớc ổn định:
+ Thớc đo đầu nhọn gắn vào ống thủy tinh tạo nớc tĩnh (hỡnh3-19). Dựa trờn nguyờn tắc bỡnh thụng nhau tại mặt cắt đo cú thể đo ở đỏy hoặc mỏi. Chỳng ta đặt một đầu ống dẫn tại điểm cần đo, rồi nối đường dẫn bằng cao su tới ống tĩnh. Trên ống tĩnh bố trí thớc đo đầu nhọn bằng kim loại trên thớc có vạch. Đầu nhọn tiếp xúc ở dới hoặc ở trên. Có thể có hai đầu với tín hiệu điện và màn hình hiệu số
+ Thớc đo đầu nhọn xách tay có tín hiệu + Thớc đo đặt trực tiếp trên mô hình
+ Thớc đo tiếp xúc: dùng để đo trực tiếp mực nớc ở mặt cắt ngang và đợc sử dụng khi cần xác định đờng mặt nớc theo phơng ngang. Thớc đo gắn trên chiếc xe cầu chạy dọc theo máng trên đờng ray. Thớc đo tiếp xúc có thể có một đầu nhọn hoặc nhiều đầu nhọn.
2) Đo mực nớc không ổn định:
- Máy đo tự ghi dùng để đo dao đọng chậm và từ từ của mực nớc (hỡnh 3-20) Hỡnh 3-20
- Các thiết bị ghi điện cân, điện trở, điện dung…là những thiết bị đo đặc biệt, dùng để đo mực nớc biến đổi nhanh.
- Máy quay nhìn ghi mực nớc: sự thay đổi mực nước qua đầu tiếp xỳc được ghi lại trờn phim
II.Đo áp lực:
1) Đo áp lực ổn định:
- ống Piezomet: Dựa trờn nguyờn tắc bỡnh thụng nhau để đo. Tại vị trớ cần đo, ta đặt ống Pizomet với đường kớnh 1ữ2mm bằng ống dẫn nối với bảng chia vạch sẵn (Hỡnh 3-21)
- áp kế sai phân: Trong một vài trường hợp đặc biệt chỳng ta sử dụng loại này. Thuộc về loại này cú nhiều kiểu khỏc nhau.
2) Đo áp lực không ổn định: dùng các loại Smda khác nhau