diễn toán dòng chảy
Một hệ thống cống ngầm là t−ơng tự nh− bất kỳ một mạng l−ới của các lòng dẫn ngoại trừ hình dạng của chúng đ−ợc biết tr−ớcvà có trật tự (ví dụ một hệ thống các cống hình tròn). Tuy nhiên, thỉnh thoảng cần thiết để làm đảo ng−ợc một phạm vi nghiên cứu của cống ngầm và các độ cao bề mặt đất từ hệ thống thuỷ lực, có thể thay đổi hoặc các kế hoạch có thể bị phá huỷ từ việc xây dựng. Phần lớn, dòng chảy trong lòng dẫn hở thông qua một hệ thống nh− vậy sẽ dễ dàng đ−ợc mô tả bằng các ph−ơng pháp diễn toán dòng chảy, ph−ơng pháp này đ−ợc đánh giá khá chính xác cho hình dạng của phần ngang cống ngầm. Nhiều hình dạng cống ngầm đ−ợc tìm thấy ở trong các thành phố khác nhau (ví dụ hình tròn, hình móng ngựa, hình quả trứng); Những dạng hình học của các cống này đã đ−ợc Chow, 1959; Davis, 1952; và Metcalf Eddy, 1914 mô tả. Quá trình dòng chảy th−ờng nhiều phức tạp, tuy nhiên, th−ờng tạo nên bởi năng l−ợng tổn thất ở các cấu trúc khác nhau và tại các điểm dòng chảy vào, có thể bổ sung vào các chế độ dòng chảy có áp, giới hạn trên dòng chảy và sự chuyển động trong
các vùng dốc đứng, những sự đổi dòng phức tạp nh− qua các trạm bơm và qua các bộ phận điều chỉnh dòng chảy tràn trong các cống ngầm kết hợp (hình 6.2). Năng l−ợng độ dốc dọc theo một cống giả thiết với các điều kiện bổ sung đ−ợc thể hiện trong hình (6.8).
Cho một mạng l−ới các cống ngầm với các cấu trúc đơn giản, diễn toán dòng chảy có thể đ−ợc hoàn chỉnh bằng phần lớn bất kỳ các ph−ơng pháp nào đó đ−ợc thảo luận trong ch−ơng 4. Ví dụ nh−: Ph−ơng pháp sóng động học, ph−ơng pháp Muskingum, ph−ơng pháp bể chứa phi tuyến, và ph−ơng pháp khuếch tán (ph−ơng pháp lan truyền) toàn bộ các ph−ơng pháp này đ−ợc ứng dụng trong các hệ thống l−u vực đô thị, nh−ng phần lớn trong tr−ờng hợp của các mô hình dòng chảy đô thị phần lớn yêu cầu giải bằng ph−ơng pháp số. Các ph−ơng pháp đó thích hợp cho các tính toán nền và phần lớn th−ờng đ−ợc giới hạn bởi sự kết hợp dòng chảy và diễn toán nh− các đ−ờng quá trình thuỷ văn đơn vị.
Hệ ph−ơng trình Saint – Venant
Các ph−ơng pháp đơn giản hơn tr−ớc đây đ−ợc thảo luận (nó th−ờng đ−ợc sử dụng ít hơn toàn bộ các kỳ hạn trong ph−ơng trình động l−ơng hay ph−ơng trình chuyển động) thuận lợi cho việc sử dụng dễ dàng máy tính điện toán nh−ng đ−ợc giới hạn bởi:
1, Các tr−ờng hợp n−ớc tù trong mạng l−ới cống ngầm là không quan trọng. 2, Các mạng l−ới hình x−ơng cá, trên bất kỳ nhánh nào của mạng l−ới trong vùng hạ l−u không phụ thuộc vào các điều kiện dòng chảy hạ l−u.
Các đập tràn và các bộ phận điều khiển của các cống ngầm kết hợp thoả mãn các điều kiện tiếp sau đó nh− chúng không bị ngập lụt do n−ớc tù vùng hạ l−u ảnh h−ởng, và cho nhiều mạng l−ới l−u vực đô thị thì n−ớc tù đô thị có thể không đ−ợc quan tâm đến trong phần lớn một hệ thống. Trong những khu vực nơi mà n−ớc tù phải đ−ợc chú ý tới, thỉnh thoảng do ảnh h−ởng của một hồ chứa, nơi mà theo chiều ngang n−ớc bề mặt trải dài đến th−ợng l−u, ví dụ nh− do ao hoạt động của một đập tràn. Tr−ờng hợp này có thể đ−ợc nghiên cứu nh− trong một bể chứa tuyến tính. Nh−ng thông th−ờng phần lớn tr−ờng hợp của một hệ thống l−u vực với độ dốc nhỏ và có thể điều kiện biên hạ l−u của một mực n−ớc cố định (nh− tại cửa vào tới một sông lớn, hồ hoặc cửa sông) yêu cầu sử dụng hệ ph−ơng trình Saint - Venant hoàn chỉnh (ph−ơng trình (4.23) và (4.26)) để mô phỏng lại những ảnh h−ởng của n−ớc tù. Việc giải các ph−ơng trình hoàn chỉnh cũng cần thiết trong tr−ờng hợp những mạng l−ới quanh co uốn khúc, trong mạng l−ới quanh co này dòng chảy dọc theo từng diễn toán của một khúc quanh là một hàm của các điều kiện hạ l−u. Chú ý rằng việc phân tích tạm thời này khác nhau từ việc phân tích cổ điển n−ớc tù ở trạng thái ổn định (đ−ợc làm sáng tỏ trong ch−ơng 7).
Các ph−ơng pháp số đ−ợc thảo luận trong ch−ơng 4 cho việc ứng dụng hệ ph−ơng trình Saint - Venant có thể đ−ợc ứng dụng tốt trong các hệ thống l−u vực đô thị; Một sự nghiên cứu dẫn đến nhiều kết quả khác nhau đ−ợc cho bởi Yen, 1986. Sự thành công của các mô hình đó đã đ−ợc xây dựng trên các tính chất của ph−ơng pháp (Sevuk và cộng sự., 1973) nh−, các ph−ơng pháp hiện (Roesner và cộng sự., 1988) và các ph−ơng pháp ẩn bốn điểm (Cung và cộng sự., 1980). Tuy nhiên, các tính chất của các ph−ơng pháp đó d−ờng nh− phần lớn có những giới hạn chú ý tới các cấu trúc đặc biệt và các điều kiện dòng chảy gặp phải trong các hệ thống cống ngầm. Cá biệt trong cả hai
ph−ơng pháp ẩn và hiện th−ờng dễ thích ứng dễ dàng hơn với các điều kiện quá tải.
Hình 6.8: Đ−ờng dốc thủy lực (HGL) dọc theo từng đoạn cống ngầm phụ thêm. Độ cao HGL ở cuối
hạ l−u có thể đ−ợc gây lên bởi sự nâng cao mực n−ớc sau đó hoặc những dòng chảy vào quá mức tới hệ thống cống ngầm.
Sự quá tải
Sự quá tải xuất hiện khi độ dốc thuỷ lực (HGL) của dòng chảy v−ợt quá đỉnh cống ngầm, nh− trong từng phần hạ l−u đ−ợc thể hiện trong hình (6.8). Nếu độ dốc HGL tăng v−ợt quá mực tiêu thoát cơ bản liên hệ tới các hệ thống cống ngầm, n−ớc sẽ đ−ợc quay trở lại vào thành phần dòng chảy cơ bản và sẽ gây lên lũ lụt cơ bản. Hậu quả của các vấn đề về sức khoẻ cũng sẽ xuất hiện nếu n−ớc thải của các cống ngầm tổng hợp chảy vào các dòng cơ bản, nh− thỉnh thoảng xuất hiện trong các thành phố lạc hậu.
Phần lớn những ảnh h−ởng tiêu biểu của sự quá tải đ−ợc minh hoạ qua những bao phủ trên hố chính, cống bao phủ và những mạch n−ớc phun ra khỏi hệ thống cống ngầm khi độ dốc thuỷ lực HGL tăng v−ợt quá bề mặt đất.
Nếu độ dốc thuỷ lực HGL tồn tại d−ới bề mặt đất và d−ới các mực tiêu thoát của dòng chảy cơ bản, th−ờng không có vấn đề đặc biệt và đ−ợc liên hệ với sự quá tải, khi đó dòng chảy thậm chí có thể đ−ợc tăng lên bởi áp lực cống ngầm.
Từ sự quá tải của các cống ngầm thực sự là chính đáng với một mạng l−ới dòng chảy d−ới các điều kiện áp suất, một con đ−ờng mô phỏng các điều kiện quá tải là để nghiên cứu mạng l−ới giống nh− một mạng l−ới phân bố n−ớc, trong mạng l−ới đó việc giải lặp đ−ợc sử dụng cho các đoạn đầu (HGL) ở các giao điểm trong khi tiếp tục duy trì và những l−ợng tổn không có thật. Ph−ơng pháp này đ−ợc ứng dụng trên một trạng thái ổn định cơ bản bởi Wood và Heitzman (1983) và th−ờng nh− nhiều mô hình EXTRAN tạm thời cho bởi Roesner và cộng sự., 1988. Những lựa chọn khác là để sử dụng ph−ơng pháp khe hở Reissman, trong ph−ơng pháp này một khe hở nhỏ không có thật v−ợt quá cống ngầm cho phép bề mặt thoáng dòng chảy đ−ợc duy trì trong toàn bộ thời gian và chỉ cho phép sử dụng hệ ph−ơng trình Saint - Venant. Các mô hình đó sử dụng ph−ơng pháp này bao gồm mô hình Carredas (SOGREAH, 1977) và mô hình S11S (Hoff – Clausen và cộng sự., 1981).
Sự chuyển tiếp từ bề mặt thoáng dòng chảy tới một điều kiện quá tải là không nhất thiết bằng phẳng và có thể đ−ợc kèm theo bằng việc giải phóng sự chặn không khí, các b−ớc nhảy thuỷ lực và các sóng áp lực (Mc Corquodale và Haman, 1983; Song và
cộng sự., 1983). Mô hình diễn toán cống ngầm không thông th−ờng th−ờng phân phối với vấn đề phức tạp này. Đặc biệt những nghiên cứu về mô hình thuỷ lực hoặc các kỹ thuật số là cần thiết và phải đ−ợc sử dụng nếu nó là quan trọng.
Diễn toán các cấu trúc thuỷ lực bên trong
Các cấu trúc đó có thể tìm thấy trong một trận m−a tổng hợp hoặc cống ngầm kết hợp bao gồm các đập tràn, các lỗ, các trạm bơm, các trạm đo triều , những ao hồ trữ n−ớc và các cấu trúc làm đổi dòng hoặc những bộ phận điều chỉnh của các loại khác nhau các loại này có thể có hoặc không có nh− một đập tràn hoặc một lỗ vòi thông th−ờng. Phạm vi làm việc của ph−ơng trình (6.16) có thể đ−ợc sử dụng để mô tả một lỗ vòi và ph−ơng trình (6.15) đ−ợc sử dụng để mô tả một đập tràn. Đặc biệt phải kể đến những kiểu hình học của các đập tràn ngập lụt và các đập tràn khác (Sem Chow, 1959; Henderson, 1966).
Các đập tràn th−ờng gặp phải trong các hệ thống cống ngầm. Việc phân tích một cách chính xác đòi hỏi phải phân tích sự biến đổi dần dần của dòng chảy qua đập tràn (Chow, 1959; Hager, 1987; Handerson, 1966).
L−u l−ợng trên một đơn vị chiều dài dọc theo đập tràn theo đập tràn là:
(6.21) 2 / 3 h C q= s trong đó
q: L−u l−ợng trên một đơn vị chiều dài trên chiều dài s−ờn đập tràn (đơn vị là ft3/s/ft hoặc m2/s).
h: áp lực cột n−ớc trên đỉnh đập tràn (đơn vị là ft hoặc m) Cs: Hệ số đập tràn
áp lực thuỷ tĩnh sẽ biến đổi dọc theo chiều dài của đập tràn, và ph−ơng pháp giải tích số đ−ợc yêu cầu cho áp lực thuỷ tĩnh và l−u l−ợng. Hệ số Cs là một hàm hình học trong việc thiết kế đập tràn và là một hàm của số Froude (Fr) th−ợng l−u. Nh− việc xấp xỉ một giá trị hằng số bằng 4.1 đối với việc sử dụng các đơn vị thông th−ờng của Mỹ và bằng 2.26 trong việc sử dụng các đơn vị thông th−ờng là mét (Ackers, 1957). Toàn bộ mối quan hệ hàm chức năng cho Cs đ−ợc mô tả bởi Hager (1987).
T−ơng tự nh− vậy, việc phân tích một dòng chảy biến đổi dần dần có thể đ−ợc sử dụng trong việc phân tích chính xác dòng chảy trên một l−ới vào mở trên bề mặt đ−ờng phố. Nguồn tài nguyên quan trọng cho dòng chảy thuỷ lực trên l−ới các cửa vào trên bề mặt đất đ−ợc mô tả bởi Ring (1983).
Các trạm đo triều th−ờng đ−ợc lắp đặt tại cửa ra của một hệ thống cống ngầm để ngăn cản n−ớc vật vào trong các cống ngầm; Chúng chỉ mở khi áp lực thuỷ tĩnh bên trong các cống ngầm cao hơn áp lực thuỷ tĩnh trên n−ớc vật. Nh− vậy, chúng th−ờng đ−ợc nghiên cứu nh− một lỗ vòi, với các hệ số tiêu thoát đ−ợc cho tr−ớc từ nhà chế tạo.
Các máy bơm th−ờng đ−ợc vận dụng theo ít nhất hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là mở lên khi n−ớc trong nguồn ẩm −ớt tăng lên tới một mực xác định, giai đoạn thứ hai và bất kỳ các giai đoạn bổ sung nào khác đ−ợc bắt đầu nếu khi n−ớc tăng lên những mực xác định cao hơn. Các máy bơm đơn giản có thể làm n−ớc tăng lên tới mực cao hơn cho dòng chảy mặt thoáng tiếp tục hoặc chúng có thể tiêu thoát n−ớc thông qua một lực chính (một cống áp lực). Dòng chảy ra cho cả hai tr−ờng hợp đó sẽ bao gồm
những nhiễu động nh− sự thay đổi khi tắt và mở máy bơm. Máy tự ghi ghi lại các chu kỳ bơm của máy bơm thỉnh thoảng phục vụ nh− một trong các ph−ơng pháp cho việc xấp xỉ các dòng chảy đo đạc, nh−ng l−ợng tiêu thoát thực tế tuỳ thuộc vào áp lực thuỷ tĩnh và đ−ờng cong thay đổi dòng chảy cho các máy bơm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các đập tràn và các cấu trúc khác th−ờng tạo nên trữ l−ợng n−ớc trong hệ thống. Diễn toán đi thông qua trữ l−ợng n−ớc nh− vậy có thể đ−ợc hoàn thành bằng các ph−ơng pháp thông th−ờng (ch−ơng 4), nh− đ−ợc mô tả ở bên d−ới.
6.6.