3.2 Dòng chảy không áp trong kênh .1 Dòng chảy đều không áp trong kênh
3.2.2 Dòng chảy không đều trong kênh hở
Dòng chảy không đều trong kênh có đờng mặt nớc thay đổi dần đợc gọi là dòng đổi dần.
Chẳng hạn xây dựng đập chắn làm mặt nớc dềnh lên, do xây dựng bậc thẳng đứng trên đáy sông làm mặt nớc hạ thấp xuống tạo ra dòng đổi dần.
Trong dòng đổi dần lu tốc thay đổi dọc theo đáy kênh, do vậy độ dốc I, độ dốc mặt nớc Jp
và độ dốc năng lợng sẽ khác nhau.
i J≠ p ≠ J Hai giả thiết cơ bản trong dòng đổi dần:
- áp suất phân bố trên bất kì mặt cắt nào cũng tuân theo quy luật thuỷ tĩnh, đờng mặt nớc thay đổi dần.
Lực kháng của dòng chảy ở bất kì độ sâu nào đều phù hợp với dòng chảy đều. Chẳng hạn công thức Maninh, song không phải thay i bằng J. Nếu độ sâu dòng chảy là h thì:
2 2 4/3
J n v
= R
R là bán kính thuỷ lc có độ sâu là h 3.2.2.2 Nh÷ng yÕu tè thuû lùc:
1 Tỷ năng mặt cắt ∋:
- Tỷ năng của mặt cắt ứng với mặt chuẩn (O- O) bất kì thể hiện nh hình vẽ:
Z1 α
O O
1
1
1
2
Z2 α2gv22 h1
Z
α §¦
ờng mặt nƯớc
§¦
ờng năng lƯợng
A
2gv2
2
h2 h
A y
a
2
h = h +hw ® c 2gv12
β
β
h cosβ
h cosβ ycosβ
g h v
g a y v
g Z v Z p
E A
cos 2 cos 2
2
2 2
2 β α β α
γ +α = + + = + +
+
=
(h - độ sâu vuông góc với đáy kênh) Nếu β nhỏ tức cos β ≅ 1 (dòng đổi dần):
g h v
a
E 2
α 2
+ +
=
Dời mặt chuẩn lên đáy mặt cắt (O’-O’) sẽ thu đợc tỷ năng mặt cắt, kí hiệu là ∋:
2 2 2
2 2 ω
α α
g h Q g h+ v = +
∋=
Vậy: Tỷ năng của mặt cắt ứng với mặt chuẩn đi qua điểm thấp nhất của đáy mặt cắt ớt gọi là tỷ năng mặt cắt.
- Với dòng đổi dần ta có: E = ∋ + a Hay ∋ = E – a
Nên i J
dl da dl dE dl
d ∋ = − = −
Tức là: ∋ tăng theo chiều dòng chảy khi i > J ∋ giảm theo chiều dòng chảy khi i < J ∋ không đổi theo chiều dòng chảy khi i = J
Nh vậy, với dòng chảy đều ∋ = const còn trong dòng đổi dần ∋ sẽ tăng hoặc giảm.
- Với dạng mặt cắt ớt cho trớc và một lu lợng cố định thì tỷ năng mặt cắt là hàm chỉ của
độ sâu h, tức là ∋ = f(h)
Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của tỷ năng mặt cắt vào độ sâu dòng chảy: Đờng cong ∋
=f(h) có 2 tiệm cận là trục hoành và đờng phân giác ∋ = h
2 ChiÒu s©u ph©n giíi hk:
h
Chảy êm
Chảy xiết hk C
0
α
∋ = h
∋min ∋
- Chiều sâu trong đó tỷ năng mặt cắt đạt giá trị cực tiểu gọi là chiều sâu phân giới hk. hk
có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu dòng không đều.
- Dựa trên quan hệ ∋= f(h), dòng chảy có thể chia thành 2 nhóm:
+ Dòng chảy êm: là dòng chảy mà tỉ năng mặt cắt tăng khi chiều sâu dòng chảy tăng. Với dòng chảy êm thì h > hk.
+ Dòng chảy xiết: là dòng chảy mà tỉ năng mặt cắt giảm khi chiều sâu dòng chảy tăng. Với dòng chảy xiết thì h < hk.
Chảy êm và chảy xiết có thể xuất hiện trong cả dòng chảy đều và không đều.
Nếu chiều sâu dòng chảy không thay đổi và bằng chiều sâu phân giới hk thì trạng thái chảy gọi là chảy ph©n giíi.
- Nếu h0 = hk thì i = ik gọi là độ dốc phân giới 26
i < i hk
i > i
i i
h0
i < ik th× h0 > hk
và i > ik thì h0 < hk
3 Trạng thái chảy
Số Frut là 1 đại lợng không thứ nguyên đợc dùng làm chỉ tiêu để phân biệt trạng thái chảy:
gh v g
B Fr Q
2 3
2 .
2
α
α ω =
=
Fr < 1 ứng với trạng thái chảy êm (h > hk) Fr > 1 ứng với trạng thái chảy xiết (h < hk) Fr = 1 ứng với trạng thái chảy phân giới (h = hk) 3.2.2.3 Phơng trình cơ bản
- Xét tỷ năng ở một mặt cắt bất kì của dòng đổi dần:
g a h v
a
E= + + =∋+ 2
α 2 (1)
Vì đờng mặt nớc thay đổi dọc theo dòng chảy l, độ sâu dòng chảy và năng lợng là hàm của l. Lấy vi phân của (1) theo l ta có:
2 ) ( 2 g v dl d dl dh dl da dl
dE = + + α (2)
dl
dE = -J; dl
da= - i; dl
dh - thể hiện độ dốc đờng mặt nớc dl dh g B Q dl dh dh d g Q dl dh g Q dh d g v dl
d . . 2
2 .
2 ) (
2 ) ( 3 2 3 2 2 2 2 α ω ω α ω α ω α = =− =− Viết lại (2) ta có: dl dh g B Q dl
i dh
J .
2 3 2 α ω − + − = −
hay Fr J i dl dh − = −
1 (3)
- Ngoài ra ta còn có phơng trình vi phân của dòng đổi dần dới dạng khác: 2 2 0 ) / ( 1 ) / ( 1
Qk Q Q
i Q dl dh − = − (4)
Với Q0 – lu lợng dòng đều ở độ sâu h và Qk – lu lợng phân giới cũng ở độ sâu h 3.3 Đập tràn thuỷ lực
1.3.1 Khái niệm chung 1.3.1.1 Khái niệm
- Định nghĩa: Đập tràn là một vật thể kiến trúc đợc xây để ngăn một dòng không áp làm cho dòng đó chảy tràn qua đỉnh của nó.
- Các tham số cơ bản:
δ P P1 H
0
0
Z
hh
b B
B- chiều rộng sông, suối
b- chiều rộng đập tràn là chiều dài đoạn tràn nớc δ - chiều dày đỉnh đập
P1- chiều cao đập so với đáy sông thợng lu P- chiều cao đập so với đáy hạ lu
H- cột nớc tràn, là chiều cao mặt nớc thợng lu so với đỉnh đập, đợc đo tại mặt cắt (O-O) cách xa đỉnh đập một khoảng (3-:-5)H về phía thợng lu.
hh- chiều sâu nớc ở hạ lu
hn- độ ngập hạ lu, khi mực nớc hạ lu cao hơn đỉnh đập thì hn = hh - P
Lu ý: Lu tốc bình quân của dòng nớc trớc khi vào đập lấy ở vị trí xác định H.
1.3.1.2 Phân loại:
a/ Phân loại theo chiều dày đỉnh đập δ - Đập tràn thành mỏng: δ <0.67H
Ngay sau khi qua khỏi mép thợng lu của đỉnh đập, dòng chảy sẽ tách khỏi đỉnh đập. Vì
vậy chiều dày đỉnh đập không ảnh hởng đến hình dạng của làn nớc tràn và lu lợng qua nó.
Loại này thờng chỉ dùng trong phòng thí nghiệm để tính lu lợng.
- Đập tràn mặt cắt thực dụng: 0.67H <δ <(2−3)H
Chiều dày đỉnh đập ảnh hởng ít nhiều đến hình dạng làn nớc tràn.
- Đập tràn đỉnh rộng: (2-3)H < δ <(8−10)H
Chiều dày đỉnh đập ảnh hởng rất nhiều đến hình dạng của làn nớc tràn và lu lợng qua đập.
Khi δ >(8−10)H thì phải tính nh một đoạn lòng dẫn chứ không coi là công trình tràn đỉnh rộng đợc nữa.
b/ Phân loại theo hình dạng cửa tràn:
Cửa tràn chữ nhật Cửa tràn hình thang Cửa tràn tam giác c/ Theo hớng của đập tràn so với hớng của dòng chính:
b b
b
Đập đặt thẳng góc với dòng chảy Đập đặt xiên Tràn bên d/ Theo chế độ chảy:
- Chảy không ngập (đập tràn tự do): khi hh < P hoặc khi hh > P nhng không ảnh hởng gì
đến hình dạng làn nớc tràn và lu lợng qua đập.
- Chảy ngập (đập tràn không tự do): khi mực nớc ở hạ lu cao hơn đỉnh đập đến mức độ
ảnh hởng đến hình dạng làn nớc tràn và năng lực tháo nớc của đập.