document

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

- BQ GIAO THONG VAN TAI

TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I

GIAO TRINH MON HOC

THUY LUC - THUY VAN

TRINH DQ CAO DANG NGHE: XAY DUNG CAU DUONG

Ban hành theo Quyết định số 1955/QD-CDGTVTTWI-DT ngay 21/12/2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng GTVT Trung wong |

Hà nội, 2017

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I

GIAO TRINH

Môn học: Thủy lực - Thủy văn

NGHẺ: XÂY DỰNG CÂU DUONG

TRÌNH DO: CAO DANG

Hà Nội — 2017

LỜI MỞ ĐẦU

Thủy lực — Thủy văn là môn học bắt buộc trong chương trình dạy đào tạo đài

hạn, nhằm trang bị cho người học nghề một số kiến thức, kỹ năng cơ bản về thủy lực thủy văn công trình

Hiện nay các cơ sở dạy đào tạo đều đang sử dụng tài liệu giảng dạy theo nội

dung tự biên soạn, chưa được có giáo trình giảng dạy chuẩn ban hành thống nhất,

vì vậy các giáo viên và sinh viên đang thiếu tài liệu để giảng dạy và tham khảo

Nhằm đáp ứng yêu cầu giảng dạy và học tập trong giai đoạn mới của

nhà trường, tập thê giáo viên khoa Công trình đã biên soạn giáo trình môn học Thủy lực — Thủy văn hệ Cao đẳng, giáo trình này gồm những nội dung chính như sau:

Chương 1: Thủy tĩnh

Chương 2: Dòng chảy đều trong kênh hở

Chương 3: Chảy không đều-đập tràn

Chương 4: Đo đạc thủy văn sông ngòi

Chương 5: Xác định các đặc trưng thủy văn ứng với tần suất thiết kế công

trình

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã tham khảo các nguồn tài liệu sẵn

có trong nước và với kinh nghiệm giảng dạy thực tế Mặc dù đã có nhiều nỗ lực,

tuy nhiên không tránh khỏi thiếu sót

Chúng tôi rất trân trọng và cám ơn những ý kiến đóng của đồng nghiệp và các nhà chuyên môn để giáo trình Thủy lực — Thuy van đạt được sự hoàn thiện

trong những lần biên soạn sau này

Chương 4: Đo đạc thủy văn sông ngòi o 5-s 5555 5s ssssssssesseeesesesse 23

Chương 5: Xác định các đặc trưng thủy văn ứng với tần suất thiết kế công

1.Giới thiệu môn học :

Thuỷ lực là một môn khoa học nghiên cứu những quy luật cân bằng và chuyển

động của chất lỏng, các biện pháp áp dụng những quy luật đó vào thực tiễn Môn học thuỷ lực cần thiết cho cán bộ kỹ thuật ngành giao thông, thuỷ lợi, cấp thoát

n- ớc để giải quyết các công trình cầu, cống, đê, đập, thuỷ điện

Thuỷ văn là khoa học nghiên cứu về n-ớc, nghiên cứu n-ớc trong tự nhiên,

nguồn n-ớc và dòng chảy Điều tra, đo đạc thu thập và phân tích tài liệu nguồn n-ớc - dòng chảy để phục vụ công tác thiết kế xây dựng và quản lý khai thác công trình Giao thông, Xây dựng và Thuỷ điện, Thuỷ lợi, các công trình gia cố bảo vệ bờ

và các công trình cải tạo cảnh quan môi tr- ờng

Ph-ơng pháp nghiên cứu của môn học là kết hợp chặt chẽ giữa phân tích lý

luận với phân tích tài liệu thí nghiệm thực đo, để đạt đ- ợc kết quả cụ thể và giải

quyết những vấn đề thực tế trong kỹ thuật

II Khái niệm và các tính chất cơ bản của chất lỏng :

- Tinh nén đ- ợc đặc tr- ng bằng hệ số nén thể tích B„„, đó là sự thay đổi t- ơng đối giữa thể tích chất lỏng trong một đơn vị của sự biến đổi áp suất

1 AW

Bu =" rap (174)

trong d6: W - thé tich ban dau cia chat long

AW- độ thay đổi thể tích khi áp suất tăng lên một I- ợng là AP

Đại l- ợng nghịch đảo của hệ số nén thể tích, gọi là mô đun đàn hồi của chất long E,

E,=1/B, (P4)

- Tính giãn nở của chất lỏng hạt đ- ợc đặc tr- ng bằng hệ số giãn nở do nhiệt độ ,

đó là l-ợng tăng t- ơng đối thể tích chất lỏng khi nhiệt độ tăng lên 1 độ

1 AW

B.= WA (1/d9)

AW- độ thay đổi thể tích khi nhiệt độ tăng lên một I- ợng là At

* Tính nhớt : là tính chất của chất lỏng chống lại sự dịch chuyển, tất cả các loại chất lỏng thực đều có tính nhớt nhất định, đ- ợc thể hiện d- ới dạng ma sát trong khi có

sự di chuyển t-ơng đối giữa các phần tử chất lỏng Ngoài các chất lỏng dễ chảy (n-ớc) còn có những loại chất lỏng rất nhớt, có sự chống lại sự di chuyển rất lớn (mỡ nặng, glixerin) Do vậy, tính nhớt đặc tr-ng cho độ chảy của chất lỏng hoặc

tính di chuyển của các phần tử

Trong chuyển động này xuất hiện ứng suất tiếp, đ- ợc ký hiệu bằng chữ +

t= = (N/m)

ụ - hệ số nhớt động lực hay hệ số nhớt tuyệt đối (Pa.s hoặc N.s/m”)

“ - Gradien vận tốc theo ph- ơng n

II Khái niệm chất lỏng lý t ởng :

Chat lỏng lý t-ởng là chất lỏng giả định, có tính dịch chuyển tuyệt đối, tức là hoàn toàn không nhớt, cũng nh- không nén tuyệt đối, không giãn nở khi nhiệt độ thay đổi và tuyệt đối không có khả năng chống lại lực cất Do đó chất lỏng không nhớt là một mô hình của chất lỏng thực Các kết luận, nhận đ- ợc từ các tính chất của chất lỏng không nhớt, để dùng đ- ợc trong thực tế cần có thêm các hệ số điều chỉnh

Chương 1: Thủy tĩnh

BÀI 1

KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA ÁP SUẤT THUỶ TĨNH

I Khai niém áp suất thuỷ fĩnh :

Trong chất lỏng tĩnh, ứng suất tiếp tại điểm bất kỳ bằng không và trạng thái ứng

suất đ-ợc xác định chỉ bằng tác động tổng hợp của ứng suất pháp, bằng nhau theo

các trục toạ độ(G, = øy = ø, = 6) Do dé, cdc ứng suất ơ,, ø,, ø,và ø là ứng suất

nến, vì chất lỏng không chống lại đ- ợc lực kéo Đại l- ợng bằng mô đun ứng suất ơ,

trong cơ học chất lỏng đ- ợc gọi là áp suất thuỷ tĩnh tại một điểm và đ- ợc ký hiệu là

p (don vi N)

p=l[o]

Il Hai tinh chat co ban cua 4p suat :

1 Tính chất thứ nhất : áp suất thuỷ tinh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực

và h- ớng vào diện tích ấy

2 Tính chất thứ hai : trị số áp thuỷ tĩnh ở một điểm bất kỳ không phụ thuộc vào

h-ớng đặt của diện tích chịu lực ở điểm ấy

II Công thức tính áp suất thuỷ tinh :

Tj = 94-0, = - Po;

trong đó : Tị; - ứng suất nén tại điểm

6; - ten xơ ứng suất

Pp, - 4p suất thuỷ tĩnh

n, - h-ớng pháp tuyến tại một điểm

Ten xơ ứng suất có dạng : ơ¡ =- p,

tức là chỉ có thành phần pháp tuyến :

O11 = Oy = 033 =O, = ƠØy = ƠØ„ = Ơn = - Dọ

Đơn vị áp suất là N.m”, trong kỹ thuật áp suất th- ờng đo bằng átmốtphe(at)

lat = 9,81.10* Nm?

Bai 2

Ph- ong trinh co ban thuy tinh

I Ph ong trinh co ban thuy tinh hoc : Zz

Đây là hai ph- ơng trình cơ bản của thuỷ tĩnh học, nó biểu thị quy luật phân bố

áp suất thuỷ tĩnh trong chất lỏng đứng cân bằng

trong đó :

z, z„ - khoảng cách từ mặt chuẩn (ox) đến điểm M và đến mặt thoáng

P- P, - áp suất thuỷ tĩnh tuyệt đối và áp suất trên mặt thoáng

Y=P-8

g - gia t6c rơi tự do

p - khối l- ong riéng chat long

h=z,-z chiéu sau cia diém M

IL Ý nghĩa của ph _ơng trình co ban thuy tinh học :

* Ÿ nghĩa hình học :

z+ ® =const

Y

Tổng số độ cao hình học z của điểm đang xét đối với mặt chuẩn nằm ngang với

độ cao áp suất P tại điểm đó là một hằng số đối với bất kỳ điểm nào của chất lỏng

Thật vậy xét khối chất lỏng bao quanh điểm A ở độ cao z„, có trọng l-ợng G, sẽ

có thế năng so với mặt chuẩn nằm ngang G.z Khi ống đo gắn vào A, chất lỏng

dâng lên độ cao h “` „ nên khối I- ợng chất lỏng chịu một áp năng G.h, rõ rãng khối chất lỏng chịu thế năng bằng tổng vị năng và áp năng G.n + G.h

Vay thế năng đối một đơn vị trọng l- ợng là :

Đa = Đa - Pa

néu p, = p, thi py = y.h

Pa> Okhi pa > Pa

_ Pas 0 khi py <P,

3 Áp suất chân không : khi áp suất d- là âm thì hiệu số của (p, - p„), là áp

suất chân không

Đcnkn — ~ Da

1.Cách đo áp suất :

Áp suất tại một điểm đo bằng chiều cao cột chất lỏng (n- ớc, thuỷ ngân, r- ợu )

kể từ điểm đang xét đến mặt thoáng Vậy có thể biểu thị các áp suất nh- sau :

Pa — bằng hạ = PralY

P¿ — bằng hạ = pự⁄y

Vi Peh.khmax < Pa (t- ong d- ong 10m H,O), cho nén hy, < 10m Trong k¥ thuat quy

- 6c lay p„= 9,81.101N.m7 ,gọi tắt là átmốtphe kỹ thuật

Pa = (Po + Ap) +h,

Pa : 4p suat tai diém A

P, : 4p suất trên mặt thoáng

Ap : áp suất tăng thêm

h,: chiều sâu của điểm A

H.Úng dụng :

+ Khi mật độ chất lỏng không đổi, chỉ phụ thuộc vào chiều sâu h của điểm đang

xét Đại I- ợng đó trong thuỷ lực gọi là áp suất do cột chất lỏng có chiều cao là h và đáy là một đơn vị diện tích tạo nên Khi chất lỏng có mặt thoáng tiếp xúc với khí trời, tức là P„ bằng áp suất khí trời P, thì số hạng thứ 2 (y.h) d- oc gọi là áp suất d-

P=P,+P,

+ Sự phân bố áp suất thuỷ tĩnh theo chiều đứng phụ thuộc tuyến tính vào chiều

sâu của điểm đang xét và có thể biểu diễn bằng đồ thị d- ới dạng hình thang đối với

áp suất toàn phần và hình tam giác đối với áp suất d- Cần l-u ý cotang của góc

nghiêng đ- ờng biểu thị sự biến đổi áp suất (AB) tỷ lệ thuận với mật độ chất lỏng

P, : áp suất tại mặt tự do của chất lỏng

h, : độ sâu của trọng tâm C tính từ mặt chất lỏng

Nếu P, = P, , tức là mặt n- ớc thông với không khí thì :

I¿ : mô men quán tính của diện tích thành phẳng đối với trục nằm

ngang đi qua trọng tâm C

* Ph ong phap do gidi : khi thành phẳng là hình chữ nhật hoặc hình vuông có cạnh

nằm ngang thì :

Yp= 2 ;hp= ?

3 SINa 3

H: khoảng cách từ đáy lên mặt n- ớc

œ : góc hợp bởi giữa ph- ơng nằm ngang với mặt phẳng tính.

hp : khoảng cách từ trọng tâm biểu đồ lên mặt n- ớc

BÀI 6

ĐỊNH LUẬT ACSIMET, VÀ ỔN ĐỊNH TÀU THUYỀN

1.Định luật Acsimet :

Một vật rắn ngập hoàn toàn trong chất lỏng chịu tác dụng của một áplực h- ớng

lên trên, có trị số bằng trọng l- ợng khối chất lỏng bị vật rắn choán chỗ Ph- ơng của

ấp lực acsimet đi qua trọng tâm D của khối chất lỏng bị vật rấn choán chỗ, điểm D

đ-ợc gọi là tâm đẩy Định luật này đúng cho mọi vật nổi

2 Trạng thái cân bằng để ổn định tàu thuyền :

+ Cân bằng ổn định khi C thấp hơn D

+ Cân bằng không ổn định khi C cao hơn D

+ Cân bằng phiếm định khi C trùng với D, nghĩa là vật cân bằng với bất kỳ vị trí ban đầu nào

Chương 2: Chảy đều trong kênh hở

Bài 1 ĐỊNH NGHĨA - TÍNH CHẤT - ĐIỀU KIỆN KÊNH HỞ

J=ln=i + Trong chuyển động đều chỉ cần dùng một ký hiệu, th- ờng dùng ký hiệu độ đốc

đáy là ¡, đủ để chỉ cả độ dốc mặt thoáng và độ dốc thuỷ lực

3.Điều kiện kênh hở :

+L-ul-ơng Q không đổi dọc theo dòng chảy và thời gian, Q = const

+ Mặt cắt ngang không đổi về hình dạng và diện tích, W = const

+ Độ sâu không đổi dọc theo chiều dài, h = const

+ Độ dốc đáy không đổi doc theo chiéu dai, i = const

+ Độ nhám không đổi dọc theo chiều đài, n = const

Th-ờng gặp chuyển động đều trong các lòng dẫn nhân tạo, trong các đoạn sông

thiên nhiên có đủ điều kiện nói trên

BÀI2 PH- ƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA KÊNH HỞ CHẢY ĐỀU

+ Trong tính toán thuỷ lực chuyển động đều không áp của chất lỏng, th- ờng sử

dụng công thức Sêri để tính toán :

Q=K vi

BAI3

KHAI NIEM KENH MAT CAT CO LOI NHAT

+ Mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực là mặt cắt qua đó với trị số mặt cắt - ớt, độ

nhám và độ dốc đáy đã định, có thể thoát d- gc mot I- u I- ợng lớn nhất

Q=w.C VR ¡= w.1/n.R* VR i

Trong đó : C tính theo công thức Pavơlôpski

Với w,n¡ đã định có I-u I-ơng lớn nhất khi bán kính thuỷ lực R là lớn nhất hoặc

khi chu vi - ớt x là nhỏ nhất (vi R = w/y)

+ Do vậy mặt cắt có lợi nhất là mặt cắt mà chu vi - ớt „ nhỏ nhất,đó chính là mặt

h- chiều sâu mực n- ớc trong kênh

Việc tính toán dòng chảy đều không áp trong lòng dẫn hở là dựa vào ph- ơng

K,=Q/vi

Trị số h làm cho trị số K t- ơng ứng bằng trị số K, là trị số cần phải tim

13

Chương 3: Chảy không đều-đập tràn

BAI1

Các tham số cơ bản

Chuyển động ổn định không đều là chuyển động mà vận tốc tại các điểm t- ơng

ứng của hai mặt cắt cạnh nhau không bằng nhau Trong thực tế th- ờng gặp chuyển

động không đều khi có ch-ớng ngại trên lòng dẫn, ví dụ xây dựng đập tràn, bậc

thẳng đứng do kênh thay đổi độ dốc

Với dòng chảy không đều, quan trọng nhất là cần biết quy luật thay đổi của chiêu sâu dọc theo dòng chảy

1.Khái niệm :

Đập tràn là một công trình kiến trúc đ- ợc xây dựng để ngăn một dòng không

áp làm cho dòng đó chảy tràn qua đỉnh của nó

b: chiều rộng đập tràn

B: chiều rộng của sông suuối

õ : Chiều dày đỉnh đập

P¡: chiều cao đập so với đáy th- ợng l-u

P: chiều cao đập so với đáy hạ I-u

thay đổi, về tiêu chuẩn ngập và cả về ph- ơng pháp tính toán

Đập tràn đỉnh rộng là một ng- ống chấn ngang dòng chảy, để dòng chảy tràn

đây cũng là một hình thức n- ớc nhảy hoàn chỉnh, xảy ra khi có một ch- ớng ngại

đặt ngang đáy, làm dâng cao mực n-ớc sau n-ớc nhảy tạo nên khu n-ớc xoáy có

mặt lớn hơn so với n- ớc nhảy hoàn chỉnh, đồng thời tạo nên khu n- ớc xoáy nhỏ ở

đáy

3.N ớc nhảy mặt :

15

xảy ra khi dòng chảy xiết từ một bậc thêm ở chân đập thoát ra để nối tiếp với dòng êm, sự mở rộng đột ngột của dòng chảy có đặc điểm là khu n- ớc xoáy hình thành ở khu luồng chính làm cho vận tốc ở mặt tự do lớn

4.N 6c nhảy sóng :

xảy ra khi độ chênh mực n-ớc của dòng chảy êm và chảy xiết t-ơng đối nhỏ :

h,/h,< 2 Dòng n- ớc chảy trong phạm vi n- ớc nhảy sóng không có khu n- ớc xoáy,

Viết ph- ơng trình Becnuly cho mặt cắt th- ợng I-u (0-0) và mặt cắt trên đỉnh đập

(2-2) ,t- ơng tự nh- tr- ờng hợp chảy không ngập ta có :

Q=9,.w /2.g.(Hạ _h) Với đập cửa chữ nhật thì w = b.h

Q=o,.b.h /2.g.(Hạ _h)

Trong d6 h=h,- z,

16