Thủy lực tập 2, thủy lực công trình

Nudc nhay trước hết được coi như hình thức tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy ở chân công trình thuỷ lực như : Đập tràn, cửa cánh cống.... Nghiên cứu về chuyển động không đều trong l

TRAN DINH NGHIEN - BUI THI VINH - PHẠM VĂN VĨNH TR-N

TRUONG BAI HOC GIAO THONG VAN TAI-CO $62 -

TẬP II: THUY LUC CONG TRINH

TRUONG DAI HOC GIAO THONG VAN TAI

HA NOI - 1996

LOI NOI DAU

Cuốn sách này duge bién soan lam gido trinh gidng dạy môn học "thuỷ lục công trình"

hay "Thuy luc phan II" ở trường Đại học Giao thông uộn tải

Nội dung giáo trình tương úng uới dé cương môn học dề giảng trên lóp 30 tiét va 5

tiết bài tập lớn phục 0uụ cho sinh uiên ngành xây dụng cầu dường 0à là tài liệu tham: khảo

cho sinh vién nganh kinh tế xây dụng 0à sinh 0iên cóc ngành khác có học thuỷ lực công

trình

Tập sách gồm có 7 chương, trong mỗi chương có các phục lục, câu hói va bai tap dé

ung dung Do hạn chế uề số tiết dề cương nên các chương XII, XIII uà XIV chủ yếu dành

cho sinh uiên than: hhảo uà nghiên cứu

Tham: gia biện soạn tập II này gồm cóc tóc giả :

BÙI THỊ VINH Chương X, XI ; PHAM VAN VINH Chuong IX, XI

Chúng tôi xin chân thành cản: ơn các tác giả của các sách, bài báo dã dược sử dụng

lam tu tiéu tham khảo cho giáo trùnh này

Do trình dộ uờ thời gian có hạn nên trong tài liệu chắc chắn còn có thiếu sót Chúng

tôi xin chân thành tiếp thu ý hiển xây dụng của bạn dọc

Hà Nội 6 - 1996 Các tác giả đồng chủ biên

MUC LUC

Lời nói đầu

~ Chitong VII Nuée nhảy

8.1 - Khai niém chung va phan loại 1 nước nhảy

83- Lý luận về nước nhảy: hoàn chỉnh -

8.3.- "Nước nhảy ngập

8.4 - Mot số công thức về nước nhảy

Bài tập và câu hỏi lựa chọn

_ Chương IX Đập tràn Si

9.1 - Khái niệm, phân loại và ứng dụng tính toán

92 - Thành lập, công thức tổng quát của đập tràn _

93 - Dap tràn thành mỏng

9.4 - Đập tràn có mặt cát thực dụng

9.6 - Sơ đồ phan loại và tính: thuỷ 1 lực các loại trần ˆ

Câu hỏi và bai tap `" “ '

` Chương X Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình

10.1 - Khái niệm ‘chung va các dang néi tiếp SỐ "1

10.2 - Nối tiếp chảy đáy

10.8 - Nối tiếp chảy mặt

10.4 - Khái niệm chung về tiêu năng ở hạ lưu công trỉnh ` x"

10.5 - Tính chiều sâu bể tiêu năng

10.6 - Tính chiều cao tường tiêu năng

10.7 - Tính toán bể tiêu năng kết hợp

10.8 - Tính toán chiều dài bể tiêu năng

Câu hỏi và bài tập

Chuong XII: Chuyén dong không ổn định trong lòng dẫn hở

12.1 - Khái niệm chung

12.2 - Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động không ổn định và cách giải

12.8 - Giải hệ phương trình cơ bản bằng phương pháp đường đặc trưng

12.4 - Tính dòng không ổn định bằng phương pháp trạng thái tức thời

- 12.5 - Phương pháp số

12.6 - Tốc độ truyền sóng

Chương XIII: Thấm 18.1 - Định luật thấm Đácxi

18.2 - Thấm qua đập đất trên nền không thấm nước nằm ngang -

18.3 - Giải bài toán về thấm dưới công trình bằng phương pháp lưới thấm

thuỷ động lực học Tin

Chương XIV: Cơ sở lý thuyết về mô hÌnh các hiện tượng thuỷ lực

14,1 - Khái niệm chung

14.2 - Tương tự cơ học và định luật tương tự Niutơn

14.3 - Các tiêu chuẩn tương tự

14.4 - Mô hình biến dạng

14.5 - Phương pháp phân tích thứ nguyên - Định luật Pj (Lý thuyết Buckingham)

Phương pháp ma trận Câu hỏi

Tai liệu tham khảo |

Chương VINH

NƯỚC NHAY

8.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI NƯỚC NHẢY

8.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG :

Nước nhảy là một hiện tượng thuỷ lực thú vị đã cuốn hút sự say mê nghiên cứu của

nhiều người ở nhiều lĩnh vực khác nhau như : (a) Hoá học, (Œb) Khử mặn của nước biển,

(c) Làm sạch nước thải (d) Công trỉnh thuỷ lực Hiện tượng này trước hết đã được

Lêônađơvanhxi mô tả và Bidone (1918) nghiên cứu bằng thí nghiệm, song nó cũng chỉ được

phát triển đầy đủ trong lĩnh vực thuỷ lực công trình với các tác giả như : Bakhơmechep

B.A (1912), (1934), Bradley J.N (1957) Argyropoulous P.A (1957), (1961) Gritxuk A.B

‘leutheusser H.J (1972) Milovich A.IA.Nhen Kô IA.T ; Makaveev V.M (1940) Pikalov LI

Silvester R , (1964) ; Rajratnam N (1967), (1968) Hondoson F.M (1966) Nudc nhay

trước hết được coi như hình thức tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy ở chân công

trình thuỷ lực như : Đập tràn, cửa cánh cống Nghiên cứu về chuyển động không đều

trong lòng dẫn hở chỉ ra : Sự chuyển từ dòng chảy xiết sang chảy êm (qua độ sâu phân

giới), quá độ bằng nước nhảy, một hiện tượng thường gặp là dòng chảy bị mất liên tục trong

khoảng ngắn với khu nước xoáy trên mặt hàm số h = h(l) khi h-vh,- thi dh/ dl +ee.-Dong

chảy xiết nhảy để gặp và trở thành dòng chảy êm Quá trình này làm mất năng lượng dòng

chảy xiết ở dạng xoáy lớn trên mặt, ngược chiều dòng chảy trong một khoảng ngắn Hình

8.1là một trong những sơ đồ nước nhảy trong kênh có ¡ = 0

Từ mặt cất (1) dòng chảy xiết có độ sâu h, thay đổi đột ngột về độ sâu vượt qua h,,

hình thành khu dòng chính (nói chung là ổn định) ở sát đáy, khu nước xoáy ngược chiều

dòng chảy (luôn cuốn theo không

dòng chảy êm Nước nhảy vượt TT

được độ cao từ h, đến h, gọi là “~*~ _ ¥- -}

Còn đoạn dai tu mat cat (1) “——2 n4ÌÁA at

TV

đến mặt cất (2) gọi là chiều dài — TSKTRIEVVSSYNSSSSRLIL

nước nhảy - Ìn @ Bay ham ngan®

Do có trao đổi rối mãnh liệt

và ứng guất tiếp rối khá lớn giữa Ộ

` £ ` “ < Hình 6-1:

khu dòng chính và khu nước xoáy

trên mặt xung quanh mặt trung bình thời gian phân chia giữa khu dòng chính và khu xoáy (ABC) nên đã tạo ra tổn thất năng lượng đánh kể giữa mặt cắt (1) và mặt cắt (2) bản chất của tổn thất năng lượng khá lớn này không dễ dàng xác định, không thể áp dụng phương trình năng lượng cho (1) và (2) mà phải tìm đến phương trình động lượng với những giả thiết của nớ để tìm quan hệ giữa các độ sâu trong nước nhảy

8.1.2 PHÂN LOẠI NƯỚC NHẦY

tết quả nghiên cứu sâu rộng của Bradley và Peterka (1957) về nước nhảy trong kênh chữ nhật nằm ngang chỉ ra năm loại nước nhảy phụ thuộc vào trị số £, của dòng chảy xiết :

— _ mm

VFr, = v,⁄v gh, a) Nước nhảy sóng khi : 1,0 < về T r,,< l,7 trên mặt nức xuất hiện sóng ngắn với biên độ khá bé, tỷ số h,⁄h, khá bé và E, /E, = 0 (thực tế bằng không) {h 8.2.a)

Vv# — ˆ có ‡ OOP TAT FAAS

Hình 8.9 (a, b,e, d, e):

b) Nước nhảy yếu (h8 - 2, b) khi 17 < vFr, < 25 Tại vfr, ~ 1,7 mat

nước cuộn lại tạo ra xoáy nhỏ, tăng dần cường độ tới tới vÏr, => 2,5 tốc độ trung bình

có thay đổi không đáng kể, tiêu hao năng lượng khá bé

E/E, ~ 5% tai VFr, = 1,7 va = 18 % tai VF, = 2,B Mặt nước phẳng lặng sau nước nhảy

c) Nước nhảy dao động khi: 2,5 < V¥Fr, 4õ (h.8.2.c) Dạng này đặc trưng bởi

sự mất ổn định của dòng xiết trong nước nhảy, (có tia) dao động rời rạc từ đáy lên mặt và

8 | | ‘ Tluc

ngược lại, dao động này tạo ra sống mặt có biên độ đáng kể truyền xuôi dòng chảy Dạng

nhảy này không có vị trí ổn định mà dịch chuyển xuôi, hoặc ngược dòng chảy

Tiêu hao năng lugng dang ké voi E/E, = 45% tai VFr, = 4,5 d) Nước nhảy ổn định : 45 < VFr, < 9,0 (th 8:2-d); ở đây xoáy và nước nhảy

đã phát triển đầy đủ tạo ra tổn thất năng lượng đáng kể với H/E, thay đổi từ 45% đến

70%, vị trí của nước nhảy hầu như không phụ thuộc vào dao động không lớn của mực nước

sau nước nhảy

e) Nước nhảy mạnh khi vŸrn, > 9,0 > 0.0 (h.8.2.e) Mặt nước nhấp nhô, không đêu đặc, dòng chảy quộc lại với tốc độ lớn, cuốn theo không khí vào xoáy, chảy xuôi dòng, mặt nước sau nước nhảy tiếp tục nhấp nhô, không đều đặn

trên đoạn dài đáng kể của dòng chảy êm, tỷ số h,/ h, lớn và bị / EB, > 70%

Ngoài ra, tuỳ thuộc vào quan hệ h./ h, và điêu kiện của dòng chảy xiết và dòng chảy

êm, nước nhảy còn được chia thành :

- Nước nhảy sóng : hj/h , < 2 (h.8.2.a)

- Nước chảy hoàn chỉnh h„/hị = 2 (h.8-1)

- Nước nhảy phẳng, nước nhảy không gian

- Nước nhảy dâng, nước nhảy mặt (h.8-3a, b)

- Nước nhảy tại chỗ, nước nhảy ngập, nước nhảy xa (dòng chảy dưới cánh cống) (h.8.3-c, d, e) “

€)

Hinh 8-8 a, b, œ d,e

dạng đường mặt nước của dòng chảy đổi dần (D.Đ.D) F

8.2 - LÝ LUẬN VỀ NƯỚC NHẢY HOÀN CHỈNH

8.2.1 PHUONG TRINH CO BAN

đ) Phương trình tổng quát cho kênh lăng trụ

Hình (8-4a) chỉ ra sơ đồ tổng quát cho kênh lăng trụ nghiêng góc 6 mặt cát bắt đầu (1) và kết thúc nước nhây (2), thể tích kiểm tra giới hạn bởi đường gạch nối, dòng chảy coi như ổn định Nước nhảy mở rộng cả độ sâu và bề rộng

Hình 8-4a Viết phương trình động lượng theo phương dòng chảy đối với thể tích kiểm tra có :

thì

:P~yy0)

Fny - Lực kháng bề mặt thành kênh (bề mat kiểm tra)

Wsin 9 - Thành phần trọng lượng nước trong thể tích kiểm tra dọc phương

chảy

M„, M; - Lần lượt là động lượng của dòng chảy ra và vào thể tích kiểm tra qua

My = a pPQvz,, M; = a, pQv, Nước nhảy là hiện tượng dòng chảy thay đổi gấp và chiều dài nước nhảy nhỏ so với

m„ thường được bỏ qua vì nớ là thứ yếu, khi Ø nhỏ thì (Wsin Ø0 - F ye) có thể coi là rất nhỏ và bỏ qua

Đối với kênh nằm ngang, Ø = 0 nén sind = 0

b) Phương trình cơ bản (nước nhảy khi có độ đốc đáy 9 = ())

Bỏ qua lực ma sát F„ và thay điều kiện @ = 0 (Sin 9 = 0) vào phương trình (8-1); sắp xếp lại ta có :

2 - 2

& Q a Q

y, @, + 1? = Y¿ 02 + 2 gw, (8-2) |

B)

(8-2) là phương trình cơ bản của nước nhảy hoàn chỉnh trong kênh lăng trụ

Chú ý : đại = Gq = 1,087 = a = 1,1 nên từ nay cho đồng nhất a o =e

Từng vế của (8-2) được gọi là hàm số nước nhảy và được viết lại :'

số hạng thứ nhất và số hạng thứ hai đều là bàm của độ sâu (h) Khi h |

từ 0 đến œ thi Bn có một giá trị nhỏ nhất — 6 Trisd h tng vdi 6, duge rit ra tir :

ˆ d (y w) " at 7 “aw ` > “A x > : = “ 4, " “we

Xác định ah Trước hết tìm số gia A của mô men tỉnh cia mat cat udt w đối

với tru O° - Ô' trùng với mặt tự do (h.8-4b)

cho @.,;, cling chinh la h, Hay co thé noi tri sé h, dong thời làm cho 2mịn VÀ Ổn

Phương trình này giống hệt phương trình tìm h, từ điều kiện 3, do do tri sé h lam |

8.2.3 XAC DINH DO SAU LIEN HOP TRONG KENH LANG TRU

a) Mặt cắt bất ky

Trong phương trình (8-2), vế trái thể hiện quan hệ đối với h, - độ sâu.trước nước nhảy

ở mặt cắt (1); vế phải thể hiện quan hệ đối với h, - độ sâu nước ‘nhay ở mặt cắt (2); h, và h„ được gọi là độ sâu liên hợp trong nước nhảy, “đó là những trị số độ sâu làm cho hàm ath) có giá trị không đổi ,

Từ (8-2) dễ dàng tìm được h khi biết h, và ngược lại đối với một lưu lượng xác định chảy trong kênh lăng trụ đã cho bằng cách tính đúng dần hay sử dụng đồ thị của hàm UŸh) Để ý đến (8-3) phương trình (8-2) được viết : 6 (h) = 6( h,) Rõ ràng nếu biết h là ø6(h,) đã xác định Cho các trị số h, tính 6(h,) ở vế phải, trị số nào của h, làm cho vế phải bang vé trai do la h, (biét h, tim h, cũng tương tự), hoặc xây dựng đồ thị của ham 6(h) rồi từ h, suy ra h, và ngược lại Ngoài ra có thể tim h, va h, bằng cách thử dần theo quan

gw) "

W Y ¡ w,/B 1 @\ 3.6)

— — wy y) = Fr 1 y, 1- — Ø2 ì (8-6)

Thay các biểu thức đối với œ, B và y vào (8-6) sẽ cho phương trình thể hiện tỷ số độ

sâu liên hợp với Fr, và các thông số hình học khác của kênh Đối với kênh hình thang tìm

độ sâu liên hợp bằng biểu đồ hình 8.10

Biểu thức toán đối với kênh dạng số mũ

Biét w = k jh* trong do k, va ala hang s6 (gid tria = 1,0; 1,5 ; 2,0 ; thể hiện kênh chữ nhật, parabol, tam giác)

Chiều rộng đường mặt nước :

dứ a-l B= dh 7: k, ah

Với b là chiều rộng mặt nước có độ sâu là z

Sau khi giản ước được : y = h/(a+ ])

Dua B, w/ B va y vao (8-6) taco:

Rõ ràng quan hệ h;/h, được đánh giá thông qua Fr, va a

Theo Kiselev, P.G (1978) khi cớ tính tới Fis thi:

Hinh (8-5) chi ra quan hệ h./ h, và Pr,

1- Tính theo công thức của P.G Kiseelev

2- Tính theo công thức của A.N.Sirnov hạ

F 4s = 9 va con duge goi 1a phuong trinh dong lugng Belanger

8.2.4 TỒN THẤT NĂNG LƯỢNG TRONG NƯỚC NHẢY E,,

Viết phương trình năng lượng cho mặt cắt (1) và (2) đối với đáy bằng (i = 0)

Trong nước nhảy có trao đổi tối mãnh liệt, có trao đổi giữa các lớp chất lỏng với cường

độ vượt xa trao đổi rối trước và sau nước nhảy làm thâm nhập các xoáy nước ở dạng các khối chất lỏng rời rạc vào khu dòng chính và hoà nhập vào chuyển động rối Dòng chính phải tiêu hao nãng lượng để duy trì khu nước xoáy ngược và hoà tan xoáy vào dòng chảy Nước nhảy cố mạch động lớn về tốc độ và áp suất, không kết thúc ở mặt cất (2) mà tắt dan trên đoạn dài sau nước nhảy để trở về trạng thái chảy rối bình thường của dòng êm Do vậy tổn thất năng lượng do nước nhảy gồm 2 phần : a - Tổn thất trong nước nhày và b - Tổn thất sau nước nhảy :

U5

Đụ = E, — (œ - 1) ?g (8-15)

Trong đó

(z” — 1) 2g - Là tổn thất sau nước nhảy, V; là tốc độ ở mặt cát hạ lưu đoạn

sau nước nhảy, theo Voinich - sanogientski vA lomtatidz

TLuc 15

Theo Gaziev E.G a = ai? — 0,835 (7 - 1) (8-17)

7 ơ - Hệ số ngập có thể lấy bằng h,/h ; khi không ngập thì ø = 1:

z, - Hệ số sửa chữa động năng ở mặt cắt, (1)

- Tỷ số h./ hy

Hình (8-6b) chỉ ra a) những đặc trưng không thứ nguyên :

- Nang lượng tương đối trong nước nhay E/ E,

- Hệ số tổn thất năng lượng A= Ez

1

- Chiều cao tương đối của n óc n ay: BE, 5, — E,

Những đặc trưng này là hàm của v Fr,

- Chuyển tiếp từ nước nhảy sóng sang nước nhảy hoàn chỉnh tại (gần) nơi

VFr, = 1,73

- Tất cả các đặc trưng thay đổi khi v Fr, tăng

8.2.5 CHIEU DAI NUOC NHAY L, VA DOAN SAU NUOC NHAY

Đây là thông số quan trọng ảnh hưởng tới kích thước bể tiêu năng cố sử dụng nước

nhảy Chiều dài nước nháy là khoảng cách theo phương nằm ngang từ mặt cắt trước nước

nhảy đến mặt cắt cố độ sâu bỉnh thường sau khi đạt giá trị.lớn nhất ở sau nước nhảy (h

8-1) Do dạng đường mặt nước khá phẳng khi tiến gần đến cuối nước nhảy nên không khỏi

cố nhầm lẫn khi xác định L, Thi nghiém chi ra L/h, = f (Vv Fr,) được thể hiện ở

(h.8.7.a) theo số liệu cua Bradley va Peterka Theo (h 8.7) hiển nhiên L/h, € V Fr, đối

với những trị số nhỏ, còn với trị số lớn (vVFr, > 5,0) thi quan hệ L/h, la hằng số tại

trị số 6, 1 Từ số liệu trên Elevatorski rút ra

L, = 6,9 (hy - h,) = 6,9a Ngoài ra một số công thức thực nghiệm khác thường hay sử dụng (h.8-7b) đối với dạng

Voinich - Sianojentski T.G

thường Vậy đoan sau nước nhảy là đoạn có mạch động của nước nhảy tát dần Chiều dài

đoạn này có ý nghĩa quan trọng trong việc định kích thước công trình tiêu năng và gia cố

hạ lưu công trình (h 8-8) Trong tính toán đã nêu luôn coi hy =

18 ¬"

ly

Hình 8-8: Sơ đồ nước nhảy va doan sau nude nhay

Trị số của hệ số sửa chữa động năng ø trong nước nhảy và đoạn sau nước nhây không

phải là hằng số, mà là đại lượng thay đổi, dạt giá trị lớn nhất tại mặt cắt (2”), sau đó giảm

nhanh tới trạng thái bình thường trên đoạn L ; do vậy sự phân phối tốc độ không đều thông qua œ và ø” là giá trị max Theo T.G.Voinich - Sianojentski va V.G Lomtatidz thi - a” tinh theo (8-16), theo Gaziev là (8-17), theo/Kumin va Chertousov thi a= a la hé sé

đã kể tới mach dong: a, = 3,5 3V „ø⁄/(1 + ø — 8 vein = h,/h, Tri số a, giam

\

8.3 - NƯỚC NHẢY NGẬP "

8.3.1 PHUONG TRÌNH CÓ BẢN :

Nước nhảy ngập có thể được xem như nước nhảy hoàn chỉnh có mặt cắt trước nước nhảy (m ec (1)) bị ngập dưới khu nước xoáy ; chẳng hạn nước nhảy ngập được sinh ra do dòng chảy thoát ra dưới của cống phẳng (h 8-9) Gọi h_ là độ sâu co hẹp của dòng chảy ra khỏi cửa cống và là độ sâu trước nước nhảy hoàn chỉnh - h ph y là độ sâu ở mặt cắt (1) đã

bi ngap ; h, = h,, là độ sâu sau nước nhảy ngập

Hình 8-9: Nước nhảy ngộp sau cứnh cống

Rid iggy = 0; F,, = 0 va chiéu rong dong chay b = 1 với hy 6 mat cat (1) va h, ở mặt cắt (2) thì phương trình (8-2) được viết và sắp xếp lại :

Công thức (8 - 33) được đông đảo các nhà nghiên cứu thuỷ lực thừa nhận, nếu dat K = 1,

tức là hy = h, thi (8 - 33) tré thanh (8 - 10), hoặc có thể nới (8-10) là trường hợp riêng của (8-33)

Đây chính là biểu thức (8-9a) đã biết

8.3.2 CHIEU DAI NUOC CHAY NGAP L n.ng

Ngoài (8-26) một số công thức khác được nêu ra :

Govinda Rao (1963) : L„„„ = 6.1 + 4.96 ; với

Với: h, = ¬ ; Fr, = Taw ay ppp Auge (8-34b)

Rajaratnam (1967) xác nhận thoa man khiS < 2 va 1 < Fr, < 8

A.N.Rakhmanov (1956) :

Khi: S < 12,5 thi Line [6.5 (S - 1,3)| hà (8-34e)

Khi: - S > 12,5 thi L = [3.5 (S + 8,3)| hà (8-34d)

8.3.3 TON THAT NANG LUONG TRONG NUOC NHAY NGAP

Tương tự như nước nhảy không ngập trong kênh mặt cắt chữ nhật, ở đây phương trình

năng lượng được viết đối với hai mặt cắt (L) và (2)

hoặc ở dạng không thức nguyên với ký hiệu đã nêu là :

Day chinh 1a biéu thtic (8-13) da biét voi h, lah, va h, 1a h, ; có thể nói tổn thất năng

lượng trong nước nhảy tự do phẳng là trường hợp riêng của nước nhảy ngập phẳng

8.4 - MOT SO CONG THUC VỀ NƯỚC NHẢY

: Dé sinh viên có thé áp dụng trực tiếp công thức không qua dẫn giải khi học chương

"công trình nối tiếp" của các công trình thoát nước nhỏ trên đường, một số trường hợp về nước nhảy được nêu ra :

1/ Đối với nước nhảy dốc trong kênh chữ nhật

- Độ sâu sau nước nhảy (theo phương vuông góc với đáy) h £(); Trong đó 6 là góc nghiêng so với phương ngang của đáy Khi tang @ = 0 thi y/h„ = 1; Yo! h, tang khi tang@ tang va lay gid tri 1,4 va 2,8 khi tan @ = 0,1 va 0,3

- Chiều đài nước nhảy theo phương ngang khi 4ð < v Fr, < 13,0 tính theo công thức

khi tang 6 = 0 thi m, = 6,9 và giảm tới 2,8 khi tang 0 = 0.28

2! Nước nhảy khi day đột ngột hạ thấp dộ cao Ah

- Nước nhảy trên mũi bậc (đáy thượng lưu) :

{(ho/hy) — (A h/h,)}? - 1

Fr, = _- 5 2(1 = hy/hy) — (8-37)

- Nước nhảy tại sân bậc (đáy hạ lưu)

(ho/hy)? = (1 + +) 2(1 — h,/h,)

3í Nước nhảy khi dáy đột ngột nâng cao Aùh

Trường hợp này cĩ thể xác định Ah theo biểu đồ của Foster và Skrinde phụ thuộc quan

hệ giữa: v Fr, ~ h,⁄h, ~ Ah⁄h,) khi

hạạ - Là độ sâu liên hợp với h¡ khi cĩ chiều rộng b;/ =b/B

Đối với trường hợp nhảy ngập thỉ h, > h, và tìm h_ theo (8-40):

ngập khơng gian, thoả mãn khi 3 < Ø < 6

Ngồi (8-40) độ sâu ở mặt cắt (1) đã bị ngập h, cĩ thể theo (8-42):

4° he (h, — h,)

Trong đĩ : Á = —— —N HT E, = nang lugng dịng chảy thượng lưu so với

mặt chuẩn qua đáy mặt cát co hẹp (c - e) - mặt cắt (1)

h(=£¿a; e, là hệ số co hẹp dịng chảy theo phương đứng € (a/E,,) thay doi tir (0,615 + 0,705) khia/E,, thay đổi (0,1 + 0,75)

BAI TAP

8-1 Một số tính chất có thể liên quan đến nước nhay trong kênh chữ nhật cho trong bảng

Hãy điền những yếu tố thích hợp để hoàn thiện bảng (riêng câu C ; giả dịch Fr,, tim

(5Ì _ v, 2Fr, h, = ry |1 h — hy + h, Pea h, + te — ve Fr Tị (8-46) 8-46

-Hình bài 8-4

8-5 Nudc nhảy ở bậc nước trong kênh chữ nhật € P/h,, hay xem xét ảnh hưởng của bậc

trong hai trường hợp

b) Phân tích E, và chỉ ra E, 6 nước nhay déc > E, tuong tng khi ¡ = 0

8-9 Dòng tỉa nước thẳng đứng tác dụng lên mặt nằm ngang tạo ra nước nhảy tròn (Hình bài 8-9) Áp dụng phương trình động lượng và phương trình liên tục để phương trình

: 2

r 2 Vy 1 2

R= —; Frạ = ——; —

BY, ở (gợi ý : xét đoạn dòng nguyên tố rộng d 9, đường mặt nước trong nước nhảy giả thiết

CÂU HỎI LỰA CHỌN

8-I Tỷ số độ sâu liên hợp của

nước nhảy trong kênh chữ

thé phân loại như : (a)- Nuéc

nhay yéu (b) N- nhay manh ;

TLuc

Hinh bai 8-9

(c) N- nhay ổn dinh ; (d) N- nhay sống ; (e) N- nhay dao déng

8-4 Độ sâu hị trong nước nhảy ở kênh hình chữ nhật là 0,2m va tỷ số h2/h, = 10 Chiều đài nước nhảy sẽ là bao nhiêu

(a) :4; (b) : 6; (ce): 12; (ad 17; (e) 33; (f) 20

8-5 70% E¡ bị tiêu hao bởi nước nhảy trong kênh chữ nhật có ¡ = 0 v Fr) sẽ là bao nhiêu

(a): 6,0 ; (b): 9,0 ; (c): 12,0; (d): 15,0; (e): 70,0

| a, Q

8-6 Quan hé yw + go = const sé phi hgp véi truéng hgp nao

a) Dũng tính độ sâu ứng với cùng tỷ năng mặt cắt

b) Giống quan hệ của tỷ năng mặt cất

c) Có khả năng là nước nhảy ở kênh dốc

8-8 L, va L,, 1a chiều dài nước

nhảy ứng với kênh chữ nhật

co i= 0 vai > i, vdi cing hị

8-9 Nếu E,„ và E, là tổn thất năng

lượng của nước nhảy dốc và

nước nhảy có i = 0 trong kênh

chữ nhật' có cùng hị và

V Fr, Hay chi ra :

Chương IX

DAP TRAN

§9.1 - KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN

9.1.1 TÊN GỌI VÀ KÝ HIỆU :

Đập tràn là một vật thể kiến trúc được xây dựng để ngăn một dòng không áp làm cho dòng đó chảy tràn qua đỉnh của nó

Các công trỉnh trong ngành giao thông như cầu cống, đường tràn, tràn qua đường giao thông, cầu trần, cống của đường tràn liên hợp rất cần các kiến thức của đập tràn dé tinh toán, thiết kế ra hình thức công trỉnh, khả năng thoát nước và xác định qui mô kích thước công trỉnh rnới hoặc tính toán kiểm tra kiểm định khả năng làm việc của các công trình

đã có Đập tràn cũng là một trong các bộ phận chủ yếu của nhiều công trỉnh thuỷ lợi như phần trần nước tháo lũ, đập ngăn sông dâng nước, các loại cống

Trong chương này, các tên gọi và ký hiệu các đại lượng đặc

trưng của tran va cong trinh tran

(hinh 9-1)

b : Chiều rộng đập tràn là chiều dài đoạn tràn nước

B : Chiều rộng của sông, suối

_ khoảng (3-5)H về phía thượng lưu

hị, : Chiều sâu hạ lưu

h„ : Độ ngập hạ lưu, khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập

9.1.2 PHÂN LOẠI :

a) Theo chiéu dity đỉnh đập có thể chia ra 3 loại sau : ; |

1 Đập tràn thành mỏng khi có 6 < 0,67H Lan nuéc trần ngay sau khi qua mép

-_ thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập, không chạm vào toàn bộ mặt đỉnh đập,

vỉ vậy hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng

tran Vi du trường hợp hình 9-1 Ộ

2 Đập tràn có một cắt thực dụng (Hình 9-9) khi 0,67H < ô < (2-3)H Chiều dày đỉnh

đập đã ảnh hưởng đến làn nước tràn, nhưng không quá lớn Mặt cắt đập có thể có dạng

đa giác hoặc hình cong

nganh hoặc độ dốc rất nhỏ, trên đỉnh hình thành một đoạn dòng chảy cd tính chất thay

đổi dần Khi có ở > (8 + 10)H thì phải tính như một đoạn lòng dẫn chứ không coi là công

trình tràn đỉnh rộng được nữa

b) Theo hình dạng cửa tràn (Hình 9-4)

Ftrnầa NER Sh Sr

c) Theo hình dụng tuyến đập trên mặt bằng

Có thể chia ra các loại : Đập thẳng, đập cong hình cung và đập kiểu giếng có đường

\ “~ sÁ LI2LL IL OCC CLI IZLE

Dép dat thẳng góc Dép dat xién, Tran bén

a) Dé tinh todn thiết kế cầu cống nhỏ (Hình 9-6)

có P = P\ = 0 và cột nước H chính là độ sâu của dòng chảy thượng lưu -

b) Trường hop cho tran đường đầu cầu lớn và trung (Hình 9-7)

Lưu lượng lũ thiết kế QprK qua mặt cắt tim cầu tính như sau :

- Chảy không ngệp : Khi mực nước hạ lưu còn thấp hơn đỉnh đập, hoặc cao hơn đỉnh đập nhưng chưa ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và khả năng tháo nước của đập

- Chảy ngập : Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập đến mức độ ảnh hưởng đến hỉnh

Trường hợp này coi dòng chảy qua công trình được tính theo sơ đồ của tràn đỉnh rộng

Raita, - |8arphat

Tluc

" Zr (9-1)

Trong đó :

Q¿v - Lưu lượng lũ theo lưu vực được tinh theo thuỷ văn

»Q+ - Tổng lưu lượng cho phép tràn qua đường tràn hai đầu cầu tính theo bài toán đập tràn

Khả năng thoát nước qua tràn sẽ được tính theo đập tràn đỉnh rộng Những kiến thức

về đập tràn còn được sử dụng để tính toán thiết kế khả năng thoát nước tua cống của

đường tràn liên hợp, cầu tràn và hàng loạt các loại hình công trinh trên hệ thống đường

bộ, đường sắt

§9.2 - THÀNH LẬP CONG THUC TONG QUAT CUA DAP TRAN

9.2.1 TRUONG HOP CHAY KHONG NGAP

- Lưu lượng tràn qua cong trinh tran Q cd quan hé vdi kich thuéc cia tran w,, gia tốc

trong luc g và cột nước tràn toàn phần gồm cá cột nước lưu tốc tiến gần, tức là :

Thực tế thường gặp trường hợp cửa tràn hinh chit nhat thi kich thuéc ctta tran w@, C6

thể biểu thị qua chiều rộng đập b và cột nước tràn H, Vậy ta có quan hệ :

Dùng phương pháp phân tích thứ nguyên để xác định các số mũ x, y, z Trong trường

hợp tràn cửa chữ nhật thì lưu lượng Q phải tỷ lệ với chiều rộng b, nghĩa là x = Í, ta có

phương trình thứ nguyên — ; °

92.3 ANH HUGNG CUA CO\HEP BÊN (HÌNH 9-9) -

Thường thì chiều rộng đập (công trinh) b nhé

hơn chiều rộng của sông suối B, bởi vì như vậy sẽ

giam nhỏ được kích thước công trình và để củng cố

bảo vệ hai bờ sông nên hai đầu thường có mố Thực

tế đó làm dòng chảy qua công trỉnh bị thu hẹp ở hai

bên, đó là hiện tượng co hẹp bên làm giảm lưu lượng

chảy qua đập Vậy công thức tổng quát trong từng

trường hợp này là :

Hệ số co hẹp bên e được xét riêng cho từng loại đập

§9.3 - DAP TRAN THANH MONG

93.1 DAP TRAN THANH MONG CUA CHU NHAT

a) Riéng trường hợp chảy không ngập

Có 3 trường hợp tuỳ thuộc tình hình không khí

ở phần không gian dưới làn nước tràn

_- Chảy tự do : Khi phần không gian dưới làn

ˆ Hình 9-9

nước tràn có áp suất bằng áp suất khí trời, làn nước rơi tự do

- Chảy bị ép : Khi không gian dưới làn nước tràn, không khí bị làn nước cuốn di ma không được bổ sung đẩy đủ, sinh ra chân không, làm cho làn nước không đổ được tự do mà bị ép vào gần thành đập, dưới làn nước có khu nước cuộn dâng cao hơn mực nước hạ lưu

34

`

Tluc

- Chay bị ép sát : Khi cột nước H nhỏ

mà dưới làn nước tràn không khí không vào

được tự do, làn nước tràn bám sát vào thành

đập mà rơi xuống

Đập tràn thành mỏng chậy tự do không

có co hẹp bên được gọi là đập tiêu chuẩn

hình dạng làn nước tràn của đập tràn thành

mỏng tiêu chuẩn biểu thị như hình 9-10

- Công thức tính lưu lượng của đập tràn

Lưu lượng Q tính theo (9-5) có thể chính xác đến 1%, do đó đập tràn thành mỏng

tiêu chuẩn được làm dụng cụ đo lưu lượng Khi có co hẹp bên thÌì tính

Q= em obV2g H2 = m, b v2g H7 với m cố thể lấy theo thực nghiệm của bađanh

6993 oagB- Ho? BỊ ly ozs[Ð| Bt ”” H+ P a

b) Đập tràn thành mỏng sẽ chảy ngập nếu thoả mãn :

- Mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập ; h, >Phayh =h,-P>0

Thường thiết kế đập với 0 = 90°

theo thực nghiệm của Tôm Sơn trị số

Q= mụ b v2g HỶ?

Jl Thường làm dap co tg 6 = 4? lúc đó theo thực nghiệm của Xi-pô-lét-ti có hệ số lưu lượng

m,, = 0,42

Điều kiện áp dụng với b > 3H; P¡ > 0,

- chảy tự do và v„ là lưu tốc đi tới không lớn lấm

Đập thành mỏng cửa tam giác và cửa hình thang hay được dùng làm thiết bị đo lưu

` lượng trong phòng thí nghiệm và trên các lòng dẫn trong điều kiện chảy tự do

Thí dụ 9-11 Trên lòng dẫn có đặt một đập bằng tấm mỏng sắc cạnh của hình thang

có b = 0,80m, tg Ø, = 1/4 Tính lưu lượng khi do được cột nước H = 0,20m

Giải : Theo (9-11) ta có :

Q = 1,86H?” = 1,86 0,80 0,23 = 1,188m2/6

ie

36 ~ | có _ — - Tlue

s9.4 - DAP TRAN CO MAT CAT THUC DUNG : |

9.4.1 HINH DANG MAT CAT

Dap tran có mặt cắt thực dụng là các loại công trình tràn thường dùng trong công

trình tràn nước trên sông suối hoặc mùa lũ cd nước tràn qua đường giao thông Tuỳ điều

cấu tạo đơn giản, xây dựng bằng các loại vật liệu bê tông, gạch, đá, gỗ nhưng có hệ số

lưu lượng nhỏ hơn so với loại mặt cắt cong (hỉnh 9-14) Dòng chảy tràn thuận, hệ số lưu

lượng lớn nhưng xây dựng phức tạp hơn, thường có hai loại

a) Nếu giữa mặt đập với mặt dưới của làn nước tràn có khoảng trống thì không khí

ở đó bị làn nước cuốn đi, sinh ra chân không, gọi là đập hình cong có chân không

b) Nếu mặt đưới của làn nước tràn ôm sát mặt đập, không còn khoảng trống nữa thì

sẽ không cớ chân không, gọi là đập hình cong không có chân không

9.4.2 CONG THUC TÍNH LƯU LƯỢNG

Ap dung công thức tổng quát (9-2) :

Q = mb v2g H2 Thực tế khi đập hình cong được chía thành nhiều khoang bởi các mố trụ thì đòng chay

bị thu hẹp bên, vì vậy : nà

Trên cơ sở tính toán nối tiếp, có thể chứng mình điều kiện thứ hai này được thoả mãn

Hệ số ngập ơ, lấy theo thực nghiệm theo bang (9-2)

` Bang 9-2:

Hệ số ngập ơ, của đập có mặt cắt thực dụng

9.4.4, ANH HUONG CO HEP BEN

Do ở hai đầu đập có mố bên và trên đỉnh đập có các m6 tru, chia dap thanh nhiéu

khoang, lam cho dong chay đi vào đỉnh đập bị co hẹp nên chiều rộng thực tế của làn nước

tran trên mỗi nhịp là :b, = £b với hệ số co hẹp e được xác định bằng thực nghiệm Theo

qui phạm về thiết kế đập hệ số co hẹp bên e lấy theo công thức :'

Emt - là hệ số hình dạng của các mố trụ, lấy theo hình 9-16

Khi các mố trụ được xây dựng lui về

phía thượng lưu một đoạn Ì_„ (hỉnh 9-17)

thì dòng chảy đã bị co hẹp từ phía trên,

làm giảm ảnh hưởng co hẹp của mố trụ,

giảm nhỏ trị số mt Ngược lại, nếu đập