Giáo trình thủy lực (tái bản) phần 2

ð Nối tiếp chảy mặt: với đặc điểm lưu tốc lớn nhất ở gần mặt 5.1.1 Cac dạng nối tiếp chảy day Dòng chảy khi qua công trình thường là đòng chảy xiết bị thu hẹp đến mặt cắt co hẹp e-e v

NỐI TIẾP VÀ TIÊU NĂNG

PHAN 1 NỐI TIẾP DONG CHAY Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

Dòng chảy từ thượng lưu qua đập tràn hay chảy dưới cánh cửa cống được nối tiếp với kênh dẫn ở hạ lưu bằng hai hình thức chủ yếu

sau (Hình 5.1):

a) Nối tiếp chãy đáy: với đặc điểm lưu tốc lớn nhất gần đáy kênh

ð) Nối tiếp chảy mặt: với đặc điểm lưu tốc lớn nhất ở gần mặt

5.1.1 Cac dạng nối tiếp chảy day

Dòng chảy khi qua công trình thường là đòng chảy xiết bị thu

hẹp đến mặt cắt co hẹp e-e với độ sâu h < Mer

® Thông thường dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm với độ đốc

kênh ¿ < ¿„, do đó sự nối tiếp dòng chảy từ xiết sang m phải qua nước nhảy Tùy theo vị trí con nước nhảy so với mặt cắt co hẹp c-c, ta có các dạng nối tiếp sau:

Đường nước dang

Hinh 5.2 a) Nude nhdy phong xa hi >h, hay hy > he

b) Nuée nhdy tai chd hy =h, hay hi, = he + Nuée nhay phéng xa khi h.” > hi, hay hy’ > he (Hinh 5.2a): vi

trí con nước nhảy nằm phía sau mặt cắt co hẹp qua một đoạn

chảy xiết

-_ Nước nhây tại chỗ khi hệ” = hy hay hi?

con nước nhảy nằm ngay tại mặt cắt co hẹp (Hình 5.2b): vị trí

- Nước nhảy ngập khi hệ" < hạ hay hạ < hẹ (Hình 5.2©): vị trí

con nước nhảy nằm trên mặt cắt co hẹp

Hình 6.3 c) Nước nhảy ngập hi >h, hay lạ > hy

$ Nếu ở hạ lưu là đòng chảy xiết hạ < h„ thì trường hợp này không có nước nhảy, nối tiếp dòng chảy có thể là chảy xiết đường nước dâng hoặc hạ hoặc chẩy đều tùy quan hệ giữa ñc và lạ

5.1.2 Tính toán nối tiếp chảy đáy

Để xác định hình thức nối tiếp ta cần phải:

«Xác định độ sâu co hep h, và độ sâu liên hiệp ñ.”

© So sanh h,” và hy.

©=o4.-|2g(E, he)

Nếu mặt cắt ngang hình chữ nhật, lưu lượng được tính theo công

thức:

“Từ (5.1) nếu biết lưu lượng qua đập ta sẽ giải được he

Độ sâu liên hiệp ñc" (nếu mặt cắt ngang chữ nhật) được tính theo công thức:

hn 3 'e£(/£) ¬| he) (5.2)

5.2 NỐI TIẾP CHAY MAT

Nối tiếp chảy mặt có thể xảy ra khi chân công trình có mũi

nằm ngang hoặc cong lên và có bậc thẳng đứng ở hạ lưu (Hình 5.4)

©) Chay mat day không ngập 4) Chây mặt ngập

Khi chiểu cao bậc thẳng đứng đạt giá trị tối thiểu a„ia, tùy theo

mực nước hạ lưu, các dạng nối tiếp có thể điễn biến như sau

« Khi mực nước hạ lưu thấp, dòng chảy qua mũi lại rơi xuống,

hạ lưu, trạng thái đòng chảy vẫn là chảy đáy (Hình 5.4a) + Khi mực nước hạ lưu tăng lên, dòng chảy không đi xuống đáy nữa mà sẽ phóng ra xa, hướng lên trên mặt thoáng, lưu tốc ở đầy giảm, lưu tốc ở mặt tăng lên Trạng thái nối tiếp là chảy mặt không ngập (Hình 5.4b)

«Nếu mực nước hạ lưu tiếp tục tăng lên, hình thức nối tiếp sẽ

chuyển sang chảy mặt đáy không ngập (Hình 5.4c), mặt đáy

ngập và cuối cùng chuyển sang chảy ngập hoàn toàn (Hình

5.44).

Hình thức nối tiếp chảy mặt có khả năng tiêu hao năng lượng lớn nhờ khu nước cuộn ở đáy cũng như nước cuộn ở mặt Lưu tốc ở đáy nhỏ nên không gây xói lở ở hạ lưu Tuy nhiên, như đã được để

cập ở trên, trong điều kiện mực nước hạ lưu thay đổi nhiều, trang

thái nối tiếp không ổn định nên việc xử lý tiêu năng gặp nhiều khó khăn Do hạn chế của giáo trình, việc tính toán trạng thái nối tiếp chảy mặt sẽ không được để cập ở đây

PHAN 2 TIÊU NĂNG Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

Khi dòng chảy từ thượng lưu công trình đến hạ lưu công trình được nối tiếp bằng trạng thái chảy đáy, nước nhảy phóng xa, thì có đoạn chảy xiết trước nước nhảy, lưu tốc của dòng chảy khá lớn Dòng chảy, do vậy, có thể gây ra hiện tượng xói lở ở hạ lưu công trình Vị trí nước nhảy càng xa công trình thì khu vực xói lở xảy ra càng dài Nếu nước nhảy xảy rả ngay tại công trình thì phạm vi xói lở sẽ được giới hạn và phần lớn năng lượng sẽ bị tiêu hao qua nước nhảy Đoạn sau nước nhầy là dòng chảy êm và ít gây ra xói lỡ

Hiện nay có nhiều biện pháp để tạo ra nước nhảy ngay sau công trình như làm tường tiêu năng, hoặc hạ thấp đáy kênh làm bể tiêu

năng hoặc bể tường kết hợp Các phương pháp tiêu năng tiêu biểu sẽ

được trình bày sau đây

5.3 BE TIEU NANG

Biện pháp công trình này là đào hạ thấp đáy kênh mot doan d trên một chiều đài Ly Cuối bể là một ngưỡng nên mực nước gia tăng một đoạn Az để đầm bảo tạo ra nước nhảy ngập trong bể

Hinh 5.5 Bế tiêu năng

Để tính toán chiểu sâu bể tiêu năng đ người ta xem dòng chảy

nối tiếp từ bể vào kênh hạ lưu như là dòng chảy qua một đập tràn

đỉnh rộng Phương pháp tính toán cụ thể như sau:

Để có nước nhảy tại chỗ thì độ sâu cuối bể hạ phải là độ sâu liên hiệp của hẹ Hay nói cách khác, hc là chiểu sâu trước nước nhảy và hz

là chiều sâu sau nước nhảy Chiểu sâu co hẹp ñc được xác định bang công thức (5.1) Biết hẹ ta xác định độ sâu liên hiệp ñz bằng cong

thức nước nhảy (5.9) Dé bảo đảm nước nhảy ngập trong bể người ta

thường tăng độ sâu ñ; vừa tính được bằng cách nhân thêm một hệ số

ø, gọi là hệ số an toàn (ơ = 1,0B - 1,1)

"7

8 trong đó œ' là hệ số lưu tốc qua đập tràn; @'

để xác định chiều sâu bể ở Cách tính chiểu sâu bể ở được tiến hành

như sau:

~_ Với số liệu đồng chảy qua công trình, ta tính ñc và độ sâu liên hiệp ”e Nếu nước nhảy sau công trình là nước nhảy phóng xa (tức là ;ÿ > #„) ta tiến hành tính chiểu sâu bể tiêu năng d

sử đ=hệ—hụ và suy ra EynH Pads £

- Gi

- Tính lại Ác và he

- Tinh Az (6.7) rdi suy ra chiéu sau bé d theo (5.8)

- Lap lai tinh Eo va suy lai gid tri d cho đến khi giá trị tính lần sau gần bằng giá trị tinh lần trước

5.4 TƯỜNG TIÊU NĂNG

Với phương pháp này, để tăng mực nước hạ lưu người ta cũng có

thể xây một bức tường nhỏ sau công trình và được gọi là tường tiêu

năng Để tính chiểu cao tường tiêu năng C, người ta xem dòng chảy

qua tường như đòng chảy qua rột đập tràn mặt cất thực dụng Phương pháp tính toán cụ thể như sau

Hình 6.6 Tường tiêu năng

Chiêu sâu co hẹp /› và chiều sâu sau nước nhảy hạ được xác định

như trong trường hợp tính bể tiêu năng Sau tường dòng chảy thường

là chảy ngập, do đó lưu lượng chảy qua tường tiêu năng được tính theo công thức (4.6):

“Trong đó m, là hệ số lưu lượng khi chảy qua tường tiêu năng

Tường tiêu năng thường có dạng đa giác nên zự = 0,4 + 0,42 Hệ số ngập ơa cũng được tra theo PL.4.2

Khi thiết kế tường tiêu năng ta cẩn chú ý trường hợp nếu tường

quá cao thì có thể xảy ra dòng chảy sau tường là chảy xiết có nước nhảy phóng xa Khi đó cẩn phải làm thêm một tường tiêu năng thứ hai hoặc làm bể tường kết hợp để tạo ra nước nhảy tại chỗ sau tường 5.5 BE TUONG KET HOP

“Thực tế cho thấy việc tiêu năng ở hạ lưu công trình bằng cách

chỉ đào bể hoặc xây tường là không thích hợp Trường hợp bể quá

sâu sẽ làm tăng chiều cao của đập chính, ảnh hưởng tới múc độ ổn

inh cia thân đập, mặt khác còn làm cho điểu kiện nối tiếp và tiêu

năng ở hạ lưu đập thêm phức tạp hơn Trường hợp tường quá cao sẽ

có khả năng sau tường xảy ra nước nhảy phóng xa, và ta lại phải làm tiếp tường thứ hai, ba„ Trong điều kiện như vậy, tốt nhất là thực hiện tiêu năng bằng cả hai biện pháp: vừa đào bể, vừa xây tường gọi

là bể tường kết hợp Dùng biện pháp này rất có lợi về mặt kinh tế và

kỹ thuật,

Hình ð.7 Bể tường hết hợp

'Từ hình 5.7 ta có:

(6.14)

Với hẹ” là độ sâu liên hiệp với hẹ sau nước nhảy

© = 1,05 + 1,1 là hệ số an toàn để đảm bảo nước nhảy ngập trong bể

Hạ vẫn được xác định bằng công thức (5.12)

Trong phương trình (5.14) có hai đại lượng chưa biết là Ơ và d

Để xác định hai đại lượng này, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau:

1) Để đơn giản, xác định chiều sâu bể ở trước rồi tính chiều cao

tường C, hoặc ngược lại sao cho tỷ lệ giữa C và d hợp lý vẻ

mặt kỹ thuật và kinh tế

2) Xác định chiểu cao tường lớn nhất để sau tường không có

nước nhảy phóng xa (sau tường có nước nhảy tại chỗ hay

nhảy ngập) Sau đó xác định chiều sâu bể từ phương trình (6.14) để đảm bảo trong bể có nước nhảy ngập.

Sau đây trình bày các bước xác định kích thước bể tường kết

hợp theo phương pháp hai:

a) Xác định chiều cao tường

Hinh 5.8 Tính toán bể tường kết hợp

Goi Co 1a chiều cao tường sao cho sau tường có nước nhảy tại chỗ

Từ hình (5.8):

Trong đó Ep là năng lượng phía thượng lưu của tường so với đáy

hạ lưu, tính theo công thức tính @ qua đập tràn với hệ số lưu tốc ọ¿

'Với mụ là hệ số lưu lượng qua tường

Kết hợp (5.15, 5.16, 5.17 va 5.18) ta suy ra:

va

Qnty eh "“ = SH 2g g(0h)*— (mbj2g

Sau khi xác định Cọ, ta lấy chiểu cao tường thực tế C bằng

cách giảm Cọ đi một ít để đảm bảo có nước nhây ngập sau tường

(6.19)

b) Xác định chiêu sâu bể d

Chiểu sâu bể đ được xác định từ điều kiện sao cho có nước nhảy

ngập trong bể với hệ số an toàn ơ theo công thức (5.14):

dsoh-H,-C

Va Q an ơ

= ee emer

mee ESE (eater) (cer Ì cám

Trong (5.20), vì J/ được tinh tit he (theo (5.3)), ma he được tính thử dẫn từ phương trình (5.1) theo #¿ là cột nước năng lượng của

đồng chảy ở phía thượng lưu của đập tràn chính so với đáy bể:

Giải

Chọn:

Hệ số lưu tốc qua dap: 94 = 0,9

Hệ số luu téc qua bé va tudng: g = p= 0,95

Hệ số lưu lượng qua tường: mụ= 0,42

'Thử dần theo công thức:

9 = Puhc [28 (Eo — he)

Voi Eo duge ldy bang gid tri ban đầu:

Ep = Ho + P = 2+7,4 = 9.4m

Thi dan ta ra duge: he = 0,68m

Tinh he: h„ =1/g°/øg= 1,87m

3 Tính he’: nt = "| fi+e( 4) -1)=4,06m 2 Ie

Vi he"> hạ nên có nước nhảy phóng xa Ta tính toán tiêu năng,

bể tường kết hợp như sau:

a) Tinh C:

Để đảm bảo là sau tường luôn luôn không có nước nhảy phóng,

xa, ta chọn chiểu:cao tường C nhỏ hon Co một ít (để sau tường có nước

nhảy ngập):

“Trong ví dụ này ta chọn Ở = 0,66m

ð) Tính d:

Để trong bể có nước nhảy ngập, ta chọn ơ = 1,05, và việc tinh d

sẽ lần lượt tiến hành như sau:

Nếu tính lặp thêm lần nữa thì giá trị ở vẫn không đổi, nên ta

5.6 XAC BINH CHIEU DAI BE

Chiều dài bể tiêu năng 7„¿ phải đảm bảo cho nước nhảy nằm gọn

trong bể, được xác định theo các công thức thực nghiệm phụ thuộc vào chiểu dài nằm ngang của đường nước rơi L„; và chiểu đài nước nhảy Z„ (Hình 5.9) Theo công thức kinh nghiệm của Tréc-tô-u-xốp:

trong đó B là hệ số kinh nghiém 6 =0,7+0,8 va L’ la chiéu dài khu

nước vật phía dưới, thường lấy bằng zé:

Tự, =1, +81,

Hình 5.9 Chiêu dài bể tiêu năng

1ạ được tính theo các công thức thực nghiệm sau:

= 10m, hệ số lưu lượng m = 0,49 Xác định hình thức nối tiếp sau

đập trong trường hợp lưu lượng @ = 60mŸ⁄s Độ sâu hạ lưu #¿ = 2,4m

Nếu cần tính toán thiết kế bể tiêu năng

ot 60,18 Vay he = 0,41m, ta tinh duge hic” theo (5.2)

q fe) ~I|= 4,08m

7 Oe

Với hy =3fL # =3]& {98 = 154m

Ta có ñ”, > hạ, vậy hình thức nối tiếp là chảy đáy, nước nhảy

phóng xa

Tinh chiéu sdu bể tiêu năng:

Sơ bộ ta lấy chiều sâu bể:

Vì đ khác do nên ta phải tính lại Eạ, ụ., hf và tính lại d = 1,7m

‘Tinh chiéu dai bé:

‘Theo (5.21) ta c6: Lee = 0,8Lq+ Ly

Do dap đạng cong nên Lạ = 0

Chiểu dài nước nhảy tính theo công thức Safranez:

Tụ = 4,Bh,” = 18,7m

Vay chiều đài bể tiéu nang Lye = 0,8 x 18,7 = 15m

dụ 5.8 Một đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang cao P = 6m,

mái hạ lưu bạt ra 1 khoảng s = õm Mực nước thượng lưu Z, = 26,50m,

hạ lưu Z¿ = 20,00m; sân sau ở cao trình 17,00m Lưu lượng lũ thiết kế

là q = 10m2/s Nếu bỏ qua cột vận tốc ở thượng lưu và lấy hệ số lưu tốc qua đập là ọ/ = 0,95 và qua tường ọ, = 1 Tính toán chiểu cao

tường tiêu năng

+ Kiểm tra chế độ chẩy sau tường:

10 1x0,42/2g

PHAN 3 CONG TRINH NOI TIEP

Trong những trường hợp dòng nước trong kênh dẫn chảy qua

những vùng có độ đốc lớn, người ta thường xây những công trình nối

Sp dé dua dong chảy không áp từ trên cao xuống thấp Dạng công

trình nối tiếp thông thường nhất là:

5.7.1 Tính thủy lực cửa vào

Cửa vào bậc nước được xem như một đập tràn thực dụng hoặc đập tràn đỉnh rộng tùy theo có ngưỡng hay không có ngưỡng và chiều rộng ngưỡng.

Chiểu rộng b của cửa tràn va chiéu cao Ở của ngưỡng được xác

định sao cho dòng chảy trên kênh thượng lưu khi đi đến gắn bậc nước gan như đòng chảy đều nghĩa là:

Nou vậy, lưu lượng Q trong kênh thượng lưa là một hàm theo lọ

trong khi qua bậc Q la ham theo H+C

Trong trường hợp lưu lượng kênh thay đổi, nếu thiết kế cửa vào hình chữ nhật rất khó đảm bảo dòng chảy trước bậc ở trạng thái

chảy đều Cửa vào dạng hình thang có khả năng điều tiết giữ cho

dong chảy trên kênh chảy đều với mọi cấp lưu lượng Giả sử lưu lượng

€ thay đổi trong khoảng từ Q„„ đến Q„„„, ứng,với độ sâu đồng đều hama và hom„„ Cửa sẽ giữ đúng trạng thái chảy đều ở 2 độ sâu trung

gian họi và họ; với 2 độ sâu tương ứng là Q\ và Qs:

đại = Pox =0/25(le,-À = Monin ) Tay = Manas + 0,25(Houae —Pomin )

Từ đó ta có: H, = hạ —C, và H; = hụ —C;

1H: và H; là cột nước tràn trên bậc ứng với lưu lượng Q và Q¿

Ta rit ra chiéu rong trung binh by: va ö„z của cửa hình thang ứng với 2 cột nước H và Hạ:

-_—_9

ba Tem YÀ Âm TC màng n

Chiểu rộng đáy ð' và hệ số mái dốc ;m' của kênh hình thang có

(6.25) (6.26)

5.7.2 Tính toán nối tiếp và tiêu năng ở sân bậc

Việc tính toán nối tiếp và tiêu năng ở sân bậc trên kênh hạ lưu đối với bậc một cấp, cũng như đối với bậc cuối cùng của bậc nhiễu cấp, được giải quyết bằng bể tiêu năng như đã trình bày ở phần 5.8 5.7.3 Bậc nước nhiều cấp

Chiều cao mỗi cấp có thể lấy bằng nhau:

h=P= =P,= ze # Hoặc định sao cho độ chênh mực nước giữa các cấp bằng nhau:

AZ,=AZ, = =AZ, =2Z "

Số cấp n được định bằng cách so sánh bài toán kinh tế kỹ thuật

5.7.4 Tính chiều dài sân bậc và tiêu năng trên mỗi bậc

+ Bậc không có ngưỡng tiêu năng trên mỗi cấp

Đường — Đường nude dang nude ha

Lely Hình 6.11 Chiều dài sôn bậc

Chiểu dài sân của mỗi bậc phải đủ dài để tiêu hủy tối đa năng lượng dư trong phạm vi mỗi cấp Khi U = L„, năng lượng đơn vị dòng

chảy trên sân đạt giá trị nhỏ nhất Eạ„„ Dòng chảy từ cửa tràn đổ

xuống tới mặt cắt co hep hic, sau d6 theo đường nước dâng đến cuối bậc có độ sâu bằng độ sâu phân giới h„„ Chiểu dài L„ được tính bằng:

trong đó: ¡; - chiểu đài đoạn nước rơi

1¿ - chiều đài đoạn nước dâng từ ñc đến hạ 1; - đoạn nước đổ ở cuối sân, thường lấy Í, = 2h,„

Nếu chiểu đài L > „ thì trên sân bậc sẽ có nước nhảy, đường

mặt nước sẽ có đoạn nước dâng, qua nước nhảy sẽ đổ xuống và cuối

sân bậc vẫn là độ sâu hạ, năng lượng dòng chảy không nhỏ hơn giá trị Eomi, do đó không có lợi vẻ mặt kinh tế Nếu chiéu dai L < L„ thì cuối sân bậc độ sâu nhỏ hơn hạ, năng lượng dòng chảy còn lớn và sẽ tích lãy qua nhiều cấp gây phức tạp cho việc tiêu năng ở

cuối bậc

«+ Bộc nước có ngưỡng tiêu năng

Mỗi cấp tạo thành một bể tiêu năng, ngưỡng của mỗi cấp tạo thành nước nhảy ngập ở mỗi cấp (hình 5.10a) Chiểu cao ngưỡng và chiểu dài mỗi cấp được tính như bể tiêu năng đã trình bày ở phần 5.4

5.8.1 Tính toán cửa vào

Cửa vào của đốc nước tương tự như cửa của bậc nước, cửa vào có thể được xem như một đập tràn đỉnh rộng hay đập tràn thực dụng

“Thông thường cửa vào của đốc nước thường có một đoạn chuyển tiếp thu hẹp nối với đầu đốc Đoạn chuyển tiếp thường có độ đốc đáy rất bé hoặc đáy nằm ngang (hình 5.12)

5.8.2 Tính toán thân đốc

++ Mặt cắt thân dốc có dạng hình chữ nhật hoặc hình thang Độ

đốc đáy tùy thuộc vào vật liệu của thân đốc, thường lấy khoảng từ 0,01 + 0,02 Thông thường để giảm lưu tốc dòng chảy trên thân dốc, người ta làm độ nhám gia cường, đây là biện pháp tiêu năng rất tốt

Chiểu rộng đốc có thể không đổi hoặc nhỏ dẫn từ trên xuống

a) Đốc nước có chiều rộng đáy không đổi

Dòng chảy trong đốc ở trạng thái chảy xiết, đường mặt nước là đường nước hạ bu, hoặc đường nước dâng en tùy theo kiểu cửa vào

s Khi cửa vào đốc nước không có ngưỡng, độ sâu dòng chảy ở

đầu đốc bằng độ sâu phân giới ñ; = 5 do đó đường mặt nước trong

thân đốc là đường nước hạ öụ (hình 5.12)

Đường nước hạ bạ

Hình 5.19 Dốc nước

® Khi cửa vào đốc nước có ngưỡng: độ sâu dòng chảy ở đầu dốc

là độ sâu co hẹp he Nếu bc > o (bo là độ sâu chảy đều trên thân dốc) thì đường mặt nước là đường nước hạ ðụ (hình 5.13a) và khi ñc < ho, đường mặt nước là đường nuée dang cy (hinh 5.13b)

« Khi đầu vào đốc có cửa van điều tiết:

Sau cửa van có đoạn chuyển tiếp đáy nằm ngang, nên độ sâu h¿

ở đầu đốc có thể lớn hơn hay nhỏ hơn độ sâu chảy đều họ trên dốc

Khi hg > ho trén than đốc có đường nước hạ bụ và khi hg < ho trên đốc có đường nước dâng eụ (hình 5.14)

a)

Hinh 5.14 Dang duéng mặt nước trên đốc nước

khi có cửa diễu tiết

Nếu đoạn chuyển tiếp lớn thì trong đoạn đó có thể có nước

nhảy Lúc đó sau nước nhảy là đường nước hạ bọ có độ sâu khi đi vào

đốc là bằng độ sâu phân giới h„, do đó trên thân đốc có đường nước

“rong tính toán đốc nước ta cẩn kiểm tra lưu tốc lớn nhất của đồng chảy trong đốc Lưu tốc lớn nhất V„„ không được vượt quá lưu tốc cho phép [V„u.], nghĩa là cần có:

ae < [Vinas]

Lưu tốc lớn nhất trên đốc xảy ra ở đầu đốc hoặc cuối đốc tuỳ

thuộc vào hình thức cửa vào (xem các hình 5.13, 5.14).

Dòng chảy trên đốc nước có lưu tốc lớn, đến giới hạn lưu tốc nào

đó thì đồng chảy bị trộn khí làm cho chiểu sâu đòng chảy tăng lên so với tính toán

Chiểu sâu nước có trộn khí có thể tính theo công thức thực nghiệm:

trong đó: n - độ nhám thực của thân dốc

B - hệ số xét đến ảnh hưởng của đồng chảy trộn khí, có thé lấy từ 1,3 đến 2,0 tùy theo độ đốc i va do sau

b) Đốc nước có chiều rộng đáy thay đổi

Khi cần giữ độ sâu dòng chảy trong thân dốc không đổi, người

ta thường thu hẹp chiểu rộng đáy đốc Trong trường hợp này, đường

mặt nước là đường thẳng song song với đáy

“Tính toán thủy lực cho loại đốc nước này là chọn chiểu rộng đáy

ð, cách tính tương tự như trường hợp tính dòng chảy ổn định không đều trong kênh phi lãng trụ có chiểu sâu không đổi theo phương pháp

sai phân hữu hạn trong chương 2

Cần chú ý rằng độ sâu của dong chay h trong kênh có thé chon

tuỳ ý nhưng phải bé hơn độ sâu phân giới h„ ở mặt cắt đầu thân dốc Nếu h > h„, độ sâu ở thân đốc sẽ ảnh hưởng đến đường mặt nước trong kênh thượng lưu

5.8.8 Tính toán phần tiêu năng

Phần tiêu năng phải tiêu hủy hết năng lượng thừa mà đòng chảy mang theo và bảo đầm cho hạ lưu không bị xói lở

Kênh hạ lưu có độ đốc đáy bé nên chiểu rộng của nó phải lớn

hơn chiểu rộng của đáy thân dốc Vì thế, thân đốc và kênh hạ lưu luôn luôn phải nối tiếp với nhau bằng một đoạn chuyển tiếp mở rộng dẫn (hình 5.15) Đoạn mở rộng này thường có độ dốc rất bé hay đáy

Dòng chảy từ dốc đổ xuống là dòng chảy xiết, nối với dòng chảy

trong kênh hạ lưu là dòng chảy êm nên sự nối tiếp ở hạ lưu có thể là

nước nhảy phóng xa, tại chỗ, hay nước nhây ngập Nếu dòng chảy nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa thì phải làm bể tiêu năng hoặc tường, tiêu năng để bảo đảm nước nhầy ngập

Để tính nối tiếp ta lấy độ sâu ở cuối đốc hạ; (ở đầu đoạn mở rộng)

làm độ sâu trước nước nhảy ñ* và xác định độ sâu liên hiệp với h”

` đoạn chuyển tiếp ở đây có góc mở rong B không lớn nên khi tính toán tiêu năng có thể xem như bài toán phẳng và phương pháp

tính toán tương tự như đã trình bày ở phần 2

5.8 MÁNG PHUN

Máng phun là một dốc nước kiểu côngxon và cuối đốc là mũi

phun (hình 5.16) Mũi phun có tác dụng hướng đòng chảy sau khi từ đốc đổ xuống phóng ra xa chân công trình Mũi phun có thể nằm ngang hay hướng lên một góc 9 Chiểu đài mũi phun phụ thuộc vào hiểu đài của đốc nước, có thể từ 1 + 2m.

‘Tinh toán thủy lực máng phun là tính toán cửa vào, máng dốc

và tính toán hạ lưu tức là xác định tầm phóng xa của dòng chảy cũng

như tính toán kích thước phễu xói

Cửa vào của máng phun cũng tương tự như cửa vào của bậc và đốc nước

5.9.1 Tính toán đốc nước và mũi phun

‘Tinh toán dốc nước là xác định kích thước của thân đốc, độ dốc đáy cũng như tính toán đường mặt nước trên dốc

Theo sơ đổ hình 5.17, ta ký hiệu S; là khoảng cách từ cao trình mực nước thượng lưu đến đáy mũi phun; S; là khoảng cách từ

cao trình đáy mũi phun đến đáy hạ lưu công trình lúc chưa bị xói Như vậy, độ rơi của dòng nước qua máng phun (là khoảng cách từ cao trình mực nước thượng lưu đến đáy hạ lưu công trình lúc chưa bị

trong đó: H - cOt nuée trén cifa vao

1 _- chiều dài của đốc

1 - chiểu đài của mũi phun

¿ _ - độ dốc đáy của đốc nước

Khi 6 = 0, phương trình có dạng đơn giản hơn:

Trong tính toán thường biết trước các đại lugng H, L’, S, 9 còn ơ thì tự chọn (sẽ nói sau) Vậy từ công thức (5.8) hoặc (5.33) có thể xác định chiều đài của dốc E hay độ đốc ¿ phù hợp điều kiện:

phun có chiểu dài không lớn nên có thé xem độ sâu ở cuối đốc Ö¡

bằng độ sâu ở cuối mũi j (b = hị) Thực tế lúc 9 > 0 thì h > hị, nên với giả thiết lấy 1 = hạ sẽ dẫn tới lưu tốc tính toán ở cuối mũi V có tăng lên một ít so với thực tế, tức là thiên vẻ an toàn

Để xác định chiều đài phóng xa của đòng chảy, giả thiết rằng

không có tổn thất năng lượng khi chuyển động tự do trong không khí

Phương trình quỹ đạo của vật rơi tự do là:

xe 2e"s,co{ sing + |sin? oe) eS, (6.35)

Cao độ y của đáy hạ lưu công trình là:

.§ và 8; = (1-ơ).8 ta xác định được chiểu đài phóng xa

1, =29°o Scos6| sin9 + |2in? 6+ #€956+ 2SI=8) | (s am, : 20oS

Nếu mũi phun nằm ngang, 6 = 0 thì:

'Từ công thức (5.38) ta thấy rằng chiểu đài phóng xa của dòng

chảy phụ thuộc vào góc 9 và trị số ơ

Trong thực tế người ta lấy góc 0 < 15° va trị số ơ khoảng

chừng 0,50

Chú ý rằng chiểu dài phóng xa của dòng phun thực tế nhỏ hơn

nhiều so với chiéu dài lý thuyết tính theo (5.37), (5.38) vi rằng khi

phun ra không khí, đòng phun bị phân tán và ma sát nên tổn that nhiều năng lượng

5.9.2 Xác định kích thước hố xói

Để tính toán chiều sâu hố xói người ta thường dùng công thức gần đúng Một phương pháp đơn giản là chiểu sâu hố xói lớn nhất bằng chiều sâu bể tiêu năng và xác định bằng công thức:

trong đó:

ơ_ - hệ số dự trữ, 6 =1,05+1,10

hệ - độ sâu liên hiệp với độ sâu he tại mặt cất co hẹp ở đáy

phễu xói Độ sâu ñe tính theo phương trình:

4=ø-hcJ28(E, — hạ)

Trong đó ọ thường lấy bằng 1 và #u là năng lượng đơn vị của

dong chảy tại mặt cắt cuối mũi phun tính với mặt chuẩn đi qua điểm

thấp nhất của phễu xói:

Độ sâu lớn nhất của phễu xói ở chỗ dòng chảy là đổ xui

lưu, Người ta cho rằng phễu xói có dạng tam giác với mái đốc m = 1 Phạm vi phễu xói tính bằng cách đơn giản này cho ta xác định vị trí đặt các kết cấu đỡ máng phun

ig ha

Phương pháp tính toán phễu xói trình bày ở đây chỉ gần đúng

và rất sơ lược vì không đáng kể đến ảnh hưởng do cấu tạo của đất hạ lưu Vì thế khi tính chiểu sâu của phễu xói cẩn đưa vào hệ số dự trữ, tức là:

‘Theo M.X.Vưdơgô thì e = 2 + 2,70

Còn khi xác định phạm vi của phễu xói, hệ số mái đốc cũng cần

lấy lớn hơn Có thể lấy m = (1,50 + 1,75)

“Trong tính toán độ sâu của phễu, nhiễu tác giả đưa ra một số công thức thực nghiệm nhưng kết quả tính theo các công thức này chênh lệch nhau khá nhiều Điều đó chứng tỏ rằng vấn để này chưa được giải quyết đẩy đủ nên hiện nay ta chỉ có thể tính toán chiều sâu phễu xói một cách sơ bộ

BÀI TẬP

5.1 Một đập Creager cao P = 10m, cột nước tràn Ho = 3m, hé số lưu

lượng của đập m = 0,48; dong chảy không có co hẹp ngang và độ

sâu hạ lưu fy = 3m Chon hệ số lưu tốc khi dòng chảy qua đập

là ọ = 0,95 Xác định hình thức nối tiếp ở bạ lưu công trình

DS: he = 0,75m; he"= 5,397m; Nước nhảy phóng xa

5.2 Dòng chảy từ một đốc nước chảy vào kênh có mặt cắt ngang

hình thang có chiểu rộng đáy b = 4m, mái đốc m = 1, độ dốc

kênh ¿ = 0,0006 và độ nhám n = 0,02 Lưu lượng chảy trong kênh @ = 20m⁄s và độ-sâu ở đầu kênh là he = 0,4m Dòng chảy

ở hạ lưu là dòng đều Xác định hình thức nối tiếp ở đầu kênh và

5.8 Một đập tràn thực dụng dạng cong rộng b = 10m, lưu lượng qua

dap Q = 100m%/s Cao trình mực nước thượng lưu là.12m Sau

đập là một kênh dẫn bằng bêtông mặt cắt chữ nhật, rộng bằng chiểu rộng đập, đáy kênh ở cao trình 2m, độ nhám n = 0,017 và độ: đốc ¿ = 0,0002 Kênh khá dài nên độ sâu dòng chảy ở hạ lưu

a) Xác định độ sâu trong kênh thượng lưu

Với để bài như trên thiết kế tường tiêu năng và kiểm tra nước

nhầy sau tường Chọn hệ số lưu tốc qua tường ọ, = 0,97 và hệ số

luu lugng m, = 0,42

ĐS: Ở = 1,93m sau tửờng nước nhây ngập

“Tính tường tiêu năng ở hạ lưu đập tràn mặt cắt thực dụng, cao

P = 6m Cho m = 0,48; ọ = 0,95; Ho = 2m và mực nước hạ lưu

hy = 8m Hệ số lưu lượng của tường tiêu năng là mụ = 0,42

DS: C = 1,63m

“Tính bể tiêu năng kết hợp sau một cống điều tiết Biết lưu lượng

don vi g = 6m*/s và cột nước toàn phần so với đáy kênh hạ lưu

là Ep = 6m Chọn hệ số lưu tốc ọ = 0,95 Độ sâu hạ lưu hy = 2m Nếu ta đào sâu bể d = 0,õm thì chiểu cao tường là bao nhiêu?

DS: C = 0,89m.

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

a) Nối tiếp chảy đáy dễ tính toán

b) Nối tiếp chảy đáy ổn định hơn

e) Nối tiếp chảy đáy kinh tế hơn

đ) Tất cả các câu trên đều đúng

Nối tiếp chảy đáy bằng nước nhảy phóng xa có đặc điểm sau

a) Năng lượng thừa từ thượng lưu không thể tiêu hao hết qua

d) Tất cả các câu trên đều đúng

Xét về mặt công trình thì dạng nối tiếp nước nhảy phóng xa: a) Là lợi nhất vì nó tiêu hao nhiều năng lượng nhất

b) Là bất lợi nhất vì phải gia cố hạ lưu lớn

©) Là điều không tránh khỏi

4) Tất cả đều sai

Khi thiết kế bể hoặc tường tiêu năng người ta muốn tạo trong

bể:

a) Nước nhảy phóng xa

b) Nước nhảy tại chỗ

e) Nước nhảy ngập

d) Tay thuộc chất đất trong bể

Lưu lượng dùng để tính toán tiêu năng là:

a) Lưu lượng thiết kí

b) Lưu lượng max của dòng chảy

©) Lưu lượng min của dòng chảy

d) Tất cả các câu trên đều sai

DONG THAM QUA CONG TRINH DAT

6.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA

Chuyển động của nước trong môi trường rỗng được gọi là thấm

Khi dòng thấm tạo dòng chảy trong đất được gọi là dòng nước ngắm Dòng thấm hoặc nước ngắm xuất hiện rất phổ biến trong các công trình xây dựng, như thấm qua đập đất, thấm qua chân đập bê tông, thấm từ nước ngắm vào kênh dẫn hay nước từ kênh dẫn nước bị thấm

ra ngoài, dòng nước ngắm chảy vào các giếng lấy nước hay vào các hố móng Các tác động của dòng thấm hoặc nước ngẩm gây ra một số

điểm bất lợi như mất nước trong các công trình cẩn giữ nước, gây

hiện tượng xói ngầm đưa đến sự mất ổn định cho các công trình

Dòng thấm đi qua các hạt đất có hình dạng và kích thước khác nhau, nên chuyển động của dòng thấm trong đất thực chất là chuyển động theo các khe rỗng Vì các khe rỗng có kích thước khá

nhỏ nên đòng thấm, ngoài những đặc tính của một đòng chảy bình

thường, còn có những tính chất đặc biệt do ảnh hưởng cửa tiết diện

các khe rỗng sinh ra Khi các khe rỗng lớn, chuyển động của dòng

thấm rất phức tạp vì trạng thái chảy rối, trong chương nảy chỉ xét đến đòng thấm qua môi trường đất với kích thước khe rỗng rất nhỏ

và dòng thấm được xem là chảy tầng

Dòng thấm hoặc nước ngầm di chuyển trong môi trường đất nên

chuyển động của nó liên quan rất chặt chẽ đến một số tính chất cơ lý của đất Sau đây là các định nghĩa và khái niệm liên quan đến lớp đất thấm và dòng thấm.

6.1.2 Hệ số giữ nước - Hệ số thoát nước - Hệ số chứa nước

riêng và hệ số chứa nước

Hệ số giữ nước (S,): Hệ số giữ nước là tỷ số giữa thể tích nước

còn giữ lại sau khi thoát nước do tác động của trọng lượng và thể tích của mẫu đất đá

trong đó: W, - thể tích nước còn giữ lại

W - thé tích mẫu đất đá

Hệ số thoát nước (S,): Hệ số thoát nước là tỷ số giữa lượng nước

(sau khi bão hòa) có thể thoát ra so với thể tích của nó

Hệ số thoát nước phụ thuộc vào kích thước hạt, độ phân bố các

lỗ rỗng và độ nén chặt của đất đá Ví dụ như hệ số thoát nước (Sy) của cuội, sỏi là 24 %, của cát thô là 27%, của đất thịt là 8% và sét

là 3%

Hệ số chứa nước riêng (S,) uà hệ số chứa nước: Hệ số chứa nước

riêng là thể tích nước của một đơn vị thể tích khối đất bão hoà có thể trữ vào hay lấy ra khi cột nước áp suất biến đổi một đơn vị Đơn vị của hệ số chứa nước riêng 6, là L7

Đối với tầng bị chặn cé chiéu day 6, khi thay đổi một đơn vị cột

nước áp suất thì thể tích nước có khả năng trừ vào hay lấy ra trên

một đơn vị diện tích bể mặt sẽ là:

Đối với tầng không bị chặn, khi mực nước bão hoà thay đổi một đơn vị thì thể tích nước có khả năng thoát ra hay nhập vào mét tang chứa nước có bể dày h trên một đơn vị diện tích bẻ mặt sẽ là:

S=S.h

S được gọi là hệ số chứa nước, S của tầng bị chặn khoảng 0,005 hay nhỏ hơn, còn đối với tẳng chứa nước không bị chặn 6 từ 0,02 đến 0,

Ví dụ 6.1 Một tầng chứa nước không bị chặn có hệ số chứa nước

$ = 0,13, diện tích 80km Nếu vào mùa nắng, mực nước ngầm sụt xuống 1,õm Xác định lượng nước bị mất từ tẳng chứa nước

Vận tốc thấm thực tế là vận tốc thấm qua các khe rỗng của đất

đá, do đó chuyển động thấm thường khá phức tạp nên khi tính toán

thường xem dòng thấm chảy đẩy cả mặt cắt lớp đất thấm và xem

dòng thấm là một môi trường liên tục Vận tốc dòng thấm trung bình

Xét một dòng thấm ổn định qua diện tích A, nếu trong thời gian

Ar có một thể tích nước thấm qua là A9 thì vận tốc thấm trung bình qua mặt cắt A sẽ là:

A9

Vận tốc thấm trung bình qua mặt cắt còn gọi là vận tốc thấm

Darey Nếu n là độ rỗng thì vận tốc thấm trung bình qua các lỗ rỗng là:

49 _V

Vận tốc thấm trung bình mặt cắt (V) hay vận tốc Darcy thường

được dùng trong tính toán, do đó từ đây trở đi vận tốc thấm Darcy được gọi tắt là vận tốc thấm

6.1.4 Cột nước thủy lực

Xét một cột nước đẩy cát như Hình 6.2, nếu một ống đo áp được cắm vào điểm A thì mực nước sẽ dâng lên trong ống đến độ cao h Chiều cao h được gọi là cột nước đo áp, bằng tổng cột nước áp suất tại

A va chiéu cao z

n=Đ+z (6.8)

% Trong dòng thấm thường vận tốc thấm nhỏ nên cột nước động

năng (V?/2g) thường rất bé, do đó cột nước đo áp cũng chính là cột

nước năng lượng của đòng thấm

6.1.5 Hệ số thấm

Để đánh giá khả năng thấm của một chất lỏng qua môi trường

rỗng đất người ta thường dùng khái niệm hệ số thấm hay còn gọi là

độ dẫn thủy lực & Hệ số thấm được xem là lưu lượng thấm trên một đơn vị tiết diện ngang của dòng thấm khi chịu tác động bởi một đơn

vị cột nước thủy lực trên một đơn vị chiểu dài thấm (nghĩa là có một

độ dốc thủy lực bằng một đơn vị)

Hệ số thấm (È) là một hệ số phụ thuộc vào tính chất của môi trường rỗng và chất lỏng thấm, #) có thứ nguyên là L/7 và còn được gọi là hệ số thấm Tuy nhiên, để đại diện cho tính chất thấm riêng

của một môi trường rỗng, người ta thường dùng hệ số thấm thực (*)

được biểu điễn như sau:

trong đó: _p - khối lượng riêng của chất lỏng thấm (Kg/m*)

¡ - hệ số nhớt động lực của chất lỏng thấm (KKg/(ms))

Don vị của š; thường là m2, em? hay Darcy, 1 Darcy = 9,87x10° cm?

Hệ số thấm thực (%;) và hệ số thấm (È) của nước trong một vài loại đất như sau:

Hệ số thấm * thường được xác định từ phòng thí nghiệm hoặc

từ hiện trường hay dùng các công thức thực nghiệm

"Thực tế, do cấu tạo của tẳng thấm nước không đồng chất hoặc

đồng chất nhưng hình dạng các lỗ rỗng phân bố không đều đặn thì

khả năng thấm theo: từng phương cũng khác nhau, được gọi là dị hướng Do đó, hệ số thấm sẽ thay đổi trong tắng thấm nước không đồng chất, hoặc sẽ chỉ thay đôi theo từng phương nếu tầng thấm là

đồng chất và dị hướng Hệ số thấm chỉ là hằng số khi tảng thấm là đồng chất và đẳng hướng

6.2 ĐỊNH LUẬT DARCY

Từ việc quan sát dòng thấm và thông qua thí nghiệm, Henry Darey (1856) đưa ra định luật cơ bản vé dong thấm như sau: “Khi dang thdm ổn định, lutu lượng thếm tỷ lệ uới độ dốc cột nước thủy lực (hydraulic gradient) va điện tích thẩm A"

Xét một khối hình trụ tiết diện A trên Hình 6.3, lớp đất thấm

có chiểu đài ds và hệ số thấm k, cột nước thủy lực tại mặt cắt (1-1) và

A_ - tiết diện ngang;

AL - khoảng cách giữa hai mặt.

Hình 6.3 Nếu gọi V là vận tốc thấm (vận tốc Darcy) ta có:

Ah

AL

Công thức (6.12) có thể biểu diễn một cách tổng quát cho vận

tốc thấm tại từng điểm trong miễn thấm

trong đó w là vận tốc thấm tại một điểm trong môi trướng thấm,

dh/ds 1 gradient thủy lực theo dòng thấm

Định luật về dòng thấm do Darcy phát biểu trên đúng cho hầu hết các loại đất có hạt nhỏ và trung bình, có độ rỗng nhỏ nên chuyển động thấm có thể xem như là chảy tẳng Còn đối với đất có hạt lớn,

độ rỗng lớn thì chuyển động của dòng thấm qua các khe rỗng là

chuyển động động rối, do đó định luật Darey không còn thích hợp nữa Từ thí nghiệm người ta đã xác định được điều kiện ứng dụng định luật Darey là:

“Trong đó Re là số Reynolds được xác định theo công thức:

Trong đó V là vận tốc thấm, d là đường kính hạt đất, v là hệ số nhớt động học và ø là độ rỗng của đất

Nếu lấy số Reynolds phân giới Re = 5 thì từ (6.15) ta suy ra được điều kiện lưu tốc thấm giới hạn để sử dụng công thức Darcy là:

Ví dụ 6.2 Xét ống hình trụ thẳng đứng (Hình 6.4), nước được cung cấp vào ống để giữ mực nước mặt thoáng cố định và cách lớp đất

thấm một đoạn là y = 6cm Lớp đất thấm có chiều đài L = 2m, hé 56

thấm k = 1,1x10”em/s Cuối ống hình trụ có đặt một ống tháo nước có

miệng vòi ngang với mặt đáy của lớp đất thấm Tính vận tốc thấm

Hình 6.4 Giải

Chọn mặt đáy lớp thấm làm mặt chuẩn và áp suất tại đây bằng

không vì miệng của ống tháo nước ngang với mặt đáy Cột nước đo áp tại mặt trên của lớp đất thấm là:

Hy = 2 + 0,06 = 9,06m

Áp dụng phương trình (6.12), vận tốc thấm qua lớp đất là:

bão hoà chứa đẩy nước, xét một khối

hình hộp vi phân có kích thước đx, đy

và đz Gọi ke, kự, k,„ lẩn lược là hệ

số thấm trên phương ox, oy và oz Nếu

h là cột nước thủy lực trên mặt AOEH

thì vận tốc thấm theo phương ox qua

mặt ACEH sẽ là - š„.ôl/ôx và tương tự,

vận tốc thấm theo phương ox qua mat

BDFG có thể suy ra là:

ch 2(-te 4#» ax” ax ax

“Trong thời gian dt, téng lượng nước thấm còn lại trong thé tích

hình hộp vi phân do đòng thấm theo phương ox là:

“Tương tự trên phương oy và trên phương oz, tổng lượng nước còn

lại trong thể tích hình hộp vi phân sẽ là: