Bài giảng Thủy lực công trình

Dòng không đều trên kênh:Là dòng chảy hở có hình dạng hoặc kích thước mặt cắt ướt, độ sâu dòng chảy.... Sự thay đổi của E theo chiều dòng chảy .E = H - zXét đạo hàm VớiĐộ dốc đáy kênh So

THỦY LỰC CÔNG TRÌNH

MỞ ĐẦU

NỘI DUNG MÔN HỌC

• Chương 1: Dòng chảy ổn định không đều trong kênh

• Chương 2: Đập tràn

• Chương 3: Nối tiếp và tiêu năng

• Chương 4: Dòng chảy qua cống

• Chương 5: Mô hình các hiện tượng Thủy lực

• Thí nghiệm trên mô hình ở Phòng Thí nghiệm Thủy lực theo nhóm

GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Thủy lực – Tập 2

• Bài tập Thủy lực – Tập 1; 2

• Cơ sở hệ thống thủy lực công trình

• Bài giảng Thủy lực công trình

• Báo cáo Thí nghiệm thủy lực công trình

GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đánh giá điểm môn học

- Bài kiểm tra 1: 25%

- Bài kiểm tra 2: 25%

• Điều kiện dự thi hết môn: Theo quy chế của Trường Đại học Thủy lợi

CHƯƠNG I

DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH

KHÔNG ĐỀU TRONG KÊNH

DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH KHÔNG ĐỀU TRONG KÊNH

Giáo trình tham khảo:

Chương 4 (G.tr Cơ sở hệ thống thủy lực công trình); Chương 9 (G.tr Thủy lực – Tập 1)

§1.1 Một số khái niệm mở đầu

Là dòng chảy hở có hình dạng hoặc kích thước mặt cắt ướt, độ

sâu dòng chảy thay đổi theo vị trí

-Trong chương này chỉ xét dòng không đều biến đổi chậm.

2 Lòng dẫn lăng trụ và không lăng trụ:

- Lòng dẫn lăng trụ có hình dạng và kích thước

không thay đổi theo vị trí A= Ah(ℓ)

- Lòng dẫn không lăng trụ có hình dạng và kích thước thay đổi theo vị trí A= Ah(ℓ),ℓ  →

§1.2 Năng lượng đơn vị của mặt cắt E.

1 Khái niệm và định nghĩa

Tại mỗi mặt cắt của dòng chảy trên kênh,

năng lượng đơn vị dòng chảy

(tổng cột nước):

z là cao độ đáy kênh; p/ = h →

- Năng lượng đơn vị mặt cắt E = H - z →

+ Định nghĩa: tại mỗi mặt cắt, năng lượng đơn vị mặt cắt E là

năng lượng đơn vị của dòng chảy tính với mặt chuẩn đi qua điểm thấp nhất của mặt cắt

Khi lưu lượng Q, hình dạng và kích thước lòng dẫn đã biết, E phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy h(ℓ)

Q

2gA

= +

3 Sự thay đổi của E theo độ sâu h Đồ thị E(h).

- Khi h → , E → h →  Đồ thị E(h) tiệm cận với phân giác thứ

4.Độ sâu phân giới hk

a Định nghĩa:

Ứng với một giá trị lưu lượng

biết, độ sâu phân giới là độ

E

2 k k

haygh

αq

1/3 2 k

2 k

§1.3 Dòng chảy phân giới và độ dốc phân giới

1.Dòng chảy phân giới

phân giới có năng lượng đơn vị mặt cắt Emin

- Vận tốc trung bình của dòng phân giới Vc=Q/Ak là vận tốc lantruyền sóng nhiễu động trong nước tĩnh

Trong kênh chữ nhật:

là vận tốc truyền sóng nhiễu động trong nước tĩnh

Từ đồ thị E(h): khi h  hk → ∆E nhỏ gây ra ∆h lớn → trên bềmặt dòng phân giới có sóng, gây mất ổn định cho kênh dẫn

- Không nên thiết kế kênh dẫn có độ sâu gần với độ sâu phân giới !

2 Độ dốc phân giới ( Sc)

a Định nghĩa: Với một kênh lăng trụ có hình dạng, kích thước

và hệ số nhám đã biết, dẫn qua một lưu lượng xác định,

2 k

§1.4 Dòng chảy êm, dòng chảy xiết.

1 Dòng chảy êm:

Là dòng chảy có độ sâu lớn hơn

độ sâu phân giới

→ Động năng nhỏ thế năng lớn

- Trong dòng chảy êm V < V c ,

sóng nhiễu động có thể lan truyền

ngược dòng.

2 Dòng chảy xiết:

Là dòng chảy có độ sâu nhỏ hơn độ sâu phân giới

- Trong dòng xiết động năng lớn, thế năng nhỏ, sóng nhiễu động chỉ lan truyền xuôi dòng.

3 Số Froude (F) và cách nhận biết dòng êm, dòng xiết.

Số Froude là một thông số đặc trưng cho

tính chất chuyển động (êm, xiết) của dòng chảy

§1.5 Hiện tượng nước nhảy trên kênh

I Khái niệm chung

1 Điều kiện xuất hiện nước nhảy.

Khi dòng chảy trên kênh chuyển trạng thái từ xiết (ở phía trước)sang êm (ở phía sau) sẽ xuất hiện nước nhảy, tại đó mặt nước bị

mất liên tục bởi rất nhiều xoáy và bọt nước (hoặc mặt sóng

nhấp nhô), độ sâu dòng chảy tăng từ h1<hk đến h2>hk

Nước nhảy là hiện tượng dòng chảy trên kênh chuyển trạng thái

từ xiết sang êm, dòng chảy đột ngột mở rộng từ h1<hk sang h2>hk.

2 Các đặc trưng của nước nhảy.

- Độ sâu trước và sau nước nhảy: h1 và h2

(các độ sâu liên hiệp nước nhảy)

- Chiều dài nước nhảy: Lnn

Thực nghiệm cho thấy: Lnn  (4  6) h2

- Tổn thất năng lượng trong nước nhảy: hLj

3 Các loại nước nhảy.

Tùy thuộc vào giá trị của số Froude trước nước nhảy:

+ 1 < F1 < 1,7 : Nước nhảy sóng: chỉ có mặt sóng nhấp nhô.

+ 1,7 < F1 < 2,5 : Nước nhảy yếu Mặt nước hạ lưu phẳng lặng.

+ 2,5 < F1 < 4,5 : Nước nhảy dao động Khu xoáy lúc tiến lúc lùi.

+ 4,5 < F1 < 9 : Nước nhảy ổn định Khu xoáy không dịch chuyển.

+ 9 < F1 : Nước nhảy mạnh Khu xoáy bị đứt quãng, có rất

nhiều bọt khí, chất lỏng xung đột dữ dội.

 Khi số Froude F 1 >1,7 nước nhảy có khu xoáy: Nước nhảy hoàn chỉnh.

II Phương trình cơ bản - Hàm số nước nhảy.

1 Phương trình cơ bản.

Xét nước nhảy trên kênh lăng trụ, nằm ngang Áp dụng PT động lượng cho đoạn dòng chảy giữa hai mặt cắt (1) và (2):

hc1; hc2 lần lượt là độ sâu trọng tâm các mặt cắt trước, sau nước nhảy

A1; A2 lần lượt là diện tích các mặt cắt trước, sau nước nhảy

Phương trình cơ bản biểu thị quan hệ giữa hai độ sâu

trước và sau nước nhảy khi

sâu trước nước nhảy

càng nhỏ, độ sâu sau nước nhảy càng lớn.

III Xác định độ sâu liên hiệp.

1 Lòng dẫn hình dạng bất kỳ.

Áp dụng phương trình (1.12), với một độ sâu đã biết độ sâu

liên hiệp còn lại

- Trong lòng dẫn hình chữ nhật :

(1.13) có dạng:

IV Tổn thất năng lượng trong nước nhảy.

Trong nước nhảy các phần tử chất lỏng xung đột, xáo trộn mãnh liệt, tạo nên tổn thất năng lượng lớn, làm rung động, xói lở, hư hỏng các công trình Có thể sử dụng nước nhảy để tiêu hủy năng lượng thừa,

§1.6 Phương trình năng lượng của dòng

chảy thay đổi chậm.

1 Phương trình năng lượng

-Năng lượng đơn vị

 

2dz

2 Phương trình biểu thị độ sâu.

Khai triển:

Mà

Với kênh lăng trụ:

Phương trình (1.11b) thường được dùng để phân tích định tính

sự thay đổi của độ sâu trong kênh lăng trụ

 

§1.7 Các dạng đường mặt nước trong kênh lăng trụ

1 Một số khái niệm cần thiết về đường mặt nước

- Đường mặt nước là hình vẽ biểu diễn sự thay đổi của độ sâu theo

chiều dòng chảy trên kênh.

- Đường nước dâng: là đường mặt nước có độ sâu tăng

- Đường nước hạ (đổ): là đường mặt nước có độ sâu giảm.

- Đường phân giới K-K: song song với đáy kênh, cách đáy theo phương thẳng đứng một khoảng hk.

- Đường dòng đều N-N: song song với đáy kênh, cách đáy theo phương thẳng đứng một khoảng ho.

2 Phân tích định tính các dạng đường mặt nước.

Phương trình (1.11b):

Trong đó:

Với Q, hình dạng và kích thước lòng dẫn đã biết, nếu độ dốc đáy

So thay đổi, độ sâu ho sẽ thay đổi độ sâu hk không đổi

Tiến hành phân tích dạng đường mặt nước các trường hợp:

a Trường hợp: 0 < So< Sc  ho > hk

N

N

K K

b Trường hợp: So > Sc  0 < ho < hk

K

K

N N

Các đường C 1 và C 3 có độ cong nhỏ, gần như nằm ngang

N

N K

K

d Trường hợp: So = 0  ho =  Có các đ.m.nước: H2 , H3

Về lý thuyết có 12 dạng đường mặt nước Các đường C 1 và C 3 không

có trong thực tế Các đường H 2 , A 2 giống M 2 H 3 , A 3 giống M 3 .

K

K

3 Một số lưu ý khi vẽ định tính các dạng đường mặt nước

- Trong các khu (1) và (3) chỉ có đường nước dâng, còn trong

các khu (2) chỉ có đường nước hạ

- Khi độ sâu tăng hay giảm đến gần ho, các đường mặt nước

có xu thế tiệm cận với đường N-N

- Khi độ sâu tăng hay giảm đến gần hk, các đường mặt nước

có xu thế tiến tới vuông góc với đường K-K

- Khi độ sâu tăng đến giá trị khá lớn ( cuối các đường M1, S1),

các đường mặt nước có xu thế tiến tới nằm ngang

- Khi kênh rất dài về phía thượng lưu, độ sâu đầu kênh là ho

- Khi kênh rất dài về phía hạ lưu, độ sâu cuối kênh là ho

- Khi dòng chảy trên kênh chuyển trạng thái từ xiết sang êm,

mặt nước sẽ bị mất liên tục bởi hiện tượng nước nhảy,

- Nếu không có sự thay đổi độ dốc hoặc không có nước nhảy,

các đường mặt nước không cắt các đường N-N và K-K

12 dạng đường mặt nước trong kênh lăng trụ

Một số trường hợp xuất hiện độ sâu phân giới

+ Khi dòng chảy từ trạng thái chảy êm trên kênh có So<Sc sang chảy xiết trên kênh có So>Sc, độ sâu phải giảm qua độ sâu phân giới

+ Dòng chảy từ hồ vào kênh có độ dốc lớn

+ Độ sâu phân giới khi gặp bậc nước

(a) Độ dốc nhỏ, xuất hiện y c

(b) Độ dốc lớn, không xuất hiện y c

Một số ví dụ về đường mặt nước trên kênh có độ dốc thay đổi

Một số ví dụ về đường mặt nước trên kênh có bề rộng thay đổi

§1.8 Tính toán đường mặt nước.

S S S S

+ +

- Dựa vào độ sâu ở cuối (hoặc đầu) đã biết và kết quả định tính đường mặt nước, giả thiết trước độ sâu tại các mặt cắt.

- Sử dụng ph.tr (1.12) tính ∆Li giữa hai độ sâu hi và hi+1 Bắt

đầu tính từ đoạn biên có độ sâu đã biết

- Dừng tính khi ∆Li  L

- Nội dung và kết quả tính toán được thể hiện bằng bảng tính

g

V y

=

Tính định lượng đường mặt nước

(m)

A (m 2 )

V (m/s)

E (m)

ΔE (m)

P (m)

R h

ΔL (m)

2/3 h

Ví dụ 2: Tính toán đường mặt nước trên đoạn kênh chữ nhật, b= 5m, hệ số nhám n= 0,02, độ dốc So = 0,0004, dài L=1,5km, cuối kênh là bậc nước, dẫn lưu lượng Q = 15m3/s biết trên

kênh là dòng chảy êm

Lời giải:

- Vẽ định tính ĐMN trên kênh: đường M2

- Chia đoạn kênh ra làm 5 đoạn bởi 6 mặt cắt từ 1 đến 6

- Độ sâu tại mặt cắt 6: h6 = hk

Với:

- Giả thiết h5 >h6,, tính x56 theo (18a) và đảm bảo x56 <L

- Tiếp tục giả thiết các độ sâu h4, h3, h2, h1 và phải đảm bảo: xi = L

1/3 2

Ví dụ 3: Một kênh lăng trụ mặt cắt chữ nhật rộng b= 6,5m

gồm ba đoạn AB, BC và CD đều rất dài, nối với nhau như hình

vẽ Hệ số nhám n= 0,018 Độ dốc của ba đoạn kênh trên lần lượt là: So1=3.10-4; So2=4.10-3; So3=2.10-3 Kênh dẫn lưu

lượng Q = 28,6m 3 /s Độ sâu đầu kênh là hA= 0,5m.

1 Xác định độ dốc phân giới Sc và độ sâu dòng đều trên đoạn

CD Hãy cho biết trên kênh có thể xảy ra hiện tượng nước

nhảy hay không? Tại sao ?

2 Vẽ định tính dạng đường mặt nước trên các đoạn kênh

3 Tìm vị trí mặt cắt x-x có độ sâu hx = 0,6m Tính chiều dài

Lời giải:

( )m g

q

h k 1,254

3 / 1 2

0

2

3 /

c

R A

Qn S

( )

( ) ( )

=

=

=

m P

A R

m h

b P

m h

b A

c

c hc

k c

k c

905 , 0

01 , 9 2

15 , 8

hA=0,5m <hk=1,254m, nên tại A có dòng chảy xiêt Vì vậy

trên kênh có nước nhảy

- Độ sâu dòng đều trên CD, h o3:

3 / 2

1

o ho

oR S

A n

Q =

Giải ra được ho3 = 1,662m

M1 M2

M3

C

B A

K

N3 N2 N2

N1 N1

S03

S02

S01H

2 Vẽ định tính đường mặt nước trên kênh.

Do cả ba đoạn kênh đều rất dài nên trên cả ba đoạn đều có một phần dòng đều hoặc dòng đều trên kênh

0<So1<So3<So2< Sc Hay ho1>ho3>ho2>hk

3 Tìm chiều dài đoạn L Ax

Do hA <hx<hk nên mặt cắt x-x nằm trên đoạn kênh AB

Áp dụng phương pháp sai phân để tìm chiều dài đoạn Ax

M/c h

(m)

A (m 2 )

P (m)

R h (m)

V (m/s)

E (m)

CHƯƠNG II

ĐẬP TRÀN

CHƯƠNG II

ĐẬP TRÀN

CHƯƠNG II ĐẬP TRÀN

Đập tràn là một trong những bộ phận chủ yếu của

nhiều hệ thống các công trình thủy lợi

Những hiểu biết về cấu tạo và dòng chảy qua đập tràn

có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, vận hành và sử dụng các công trình thủy lợi

Đập Tân Giang

Đập bê tông trọng lực, dài 320m, 3 cửa rộng 3x10m, cửa van cung

5Đập Wivenhoe, Đông Nam Queensland, Australia

6

§2.1 Một số khái niệm chung

I Khái niệm và định nghĩa

Trong thực tế thường có dòng chảy hở gặp đập tràn, bị ngăn

lại, dâng lên và chảy tràn qua như đường tràn xả lũ từ hồ chứa, công trình dâng nước trên kênh phục vụ tưới tự chảy, các

công trình lấy và tháo nước trong hệ thống thủy nông

Vật kiến trúc ngăn dòng không áp, làm cho dòng không áp dâng lên và chảy tràn qua được gọi là ĐẬP TRÀN.

- Dòng chảy qua đập tràn có tính chất rơi do tác dụng của trọng lực.

II Các đại lượng đặc trưng của đập tràn.

- Chiều cao đập: P và P1 so với đáy kênh hạ lưu và thượnglưu:

III Phân loại đập tràn.

Dòng chảy qua đập tràn phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo, lòngdẫn thượng và hạ lưu đập

Có nhiều cách phân loại, quan trọng nhất là phân loại theo

chiều dày mặt đập và hình dạng của đập

Cơ sở phân loại:

Hình dạng làn nước rơi qua bản mỏng:

Mặt dưới vồng lên văng xa một khoảng

o0,67H

- Nếu < o : Đập tràn thành mỏng.

Mặt đập không cản trở chuyển động rơi của chất lỏng

2 Phân loại theo hình dạng cửa vào:

Cửa vào chữ nhật, tam giác, hình thang

- Đập thẳng, đập cong, đập kiểu giếng

- Đập thẳng góc, đập xiên, đập tràn bên

Thông dụng nhất là đập thẳng, cửa chữ nhật, tuyến đập thẳng góc với dòng chảy.

- Đập chảy tự do: không bị cản trở

- Đập chảy ngập: có bị cản trở

- Đập chảy không co hẹp và đập chảy có co hẹp

§2.1 Công thức tính toán dòng

chảy qua đập tràn

Dòng chảy qua đập tràn có tính chất rơi do tác dụng của trọng lực.

1 Đập tràn cửa chữ nhật, chảy tự do, không co hẹp bên

Lưu lượng tràn Q phụ thuộc vào các đại lượng có thứ nguyên:

C

2

2 Đập tràn cửa chữ nhật, chảy tự do, có co hẹp bên

Với đập có nhiều khoang được ngăn cách bởi các mố trụ và mố bên

Bề rộng kênh thượng lưu lớn hơn tổng bề rộng tràn nước:

bc < b → bc =  b

 được gọi là hệ số co hẹp bên Công thức (2.1) trở thành:

3 Đập tràn cửa chữ nhật, chảy ngập, có co hẹp bên

Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập, đến một mức độ nào đó

sẽ cản trở dòng chảy qua đập tràn, lúc đó nếu hh tăng, lưu lượng

sẽ giảm hoặc cột nước tràn sẽ tăng

n được gọi là hệ số ngập, n<1,0

Công thức (2.3) là công thức tổng quát tính toán dòng

chảy qua đập tràn.

3/2 o

3/2

Q =    m b 2gH (2.3)

o o

Q = m b 2gH (2.4)

b Đập tràn thành mỏng cửa chữ nhật, chảy tự do, có co hẹp

Khi chảy có co hẹp bên, thay mo bằng mc:

2 2

Đập tràn thành mỏng chảy ngập khi thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:

n o

Q =  m b 2gH (2.6a)

3 2

n c

Q =  m b 2gH 2.6b

3 n

Ví dụ 1:

Đập tràn thành mỏng cửa chữ nhật, rộng b=0,5m; chiều cao

P=P1=0,35m; kênh thượng lưu rộng B=1,2m; độ sâu hạ lưu

2 c

Giải 2: Xác định Hmax khi Qmax= 300ℓ/s

Vì chưa biết H → phải tính đúng dần:

a.Cöa tam gi¸c:

Víi  = 90o :

Công thức (2.7b) dùng để đo lưu lượng rất chính xác

b.Cửa hình thang:

Với tg = ¼: mth = 0,42 →

Chú ý: Trong công thức (2.7b) và (2.8b): H có đơn vị là mét (m)

2 Đập tràn thành mỏng cửa tam giác và hình thang

(chảy tự do)

5 2

3 2

Q = 1,86bH (2.8b)

( )

5/2 t.g

( )

3/2 th

Q = m b 2gH 2.8

I CÔNG THỨC CHUNG

- Chảy tự do: n=1 Chảy ngập: n<1

- Chảy không co hẹp bên:  = 1 chảy có co hẹp bên:  < 1

- Hệ số lưu lượng m phụ thuộc vào cột nước H và cấu tạomặt cắt ngang của đập tràn

III XÁC ĐỊNH HỆ SỐ n

Đập tràn thực dụng chảy ngập khi thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:

IV CẤU TẠO MẶT CẮT và HỆ SỐ LƯU LƯỢNG

Khi bề dày đỉnh đập o = 0,67H<  <(23)H→ đập tràn có mặt cắt thực dụng Đập thực dụng có nhiều loại, phổ biến nhất là: Đập đa giác, Đập hình cong không chân không, Đập tràn Wes

Hệ số lưu lượng được xác định bằng thực nghiệm

1 Đập đa giác.

- Cấu tạo mặt cắt :

- Loại đập này có cấu tạo đơn giản nhưng lưu lượng nhỏ,

thường được áp dụng vào các công trình thuỷ lợi loại nhỏ bằngvật liệu tại chỗ như đá, gạch, gỗ,

- Hệ số lưu lượng m phụ thuộc vào: độ dốc mái (S và S’), chiều cao P, chiều dày  và cột nước H (tra bảng).

Trong tính toán sơ bộ lấy m  0,4  0,42

2 Đập hình cong không chân không.

- Các đường cong ứng với các Htk khác nhau là đồng dạng

- Góc vát  và bề dày a ở cửa vào có tác dụng vớt vật nổi

- Mái hạ lưu và góc ổn định

- Bán kính đoạn cong nối tiếp với kênh hạ lưu R

cong mặt tràn,các góc ,  và tỷ số e/P 1

a- Cấu tạo mặt cắt:

Để giảm ma sát và khí thực của

dòng chảy qua đập,

Cơrigiơ-Ôphixêrôp dựa vào quỹ đạo mặt dưới

của làn nước rơi qua bản mỏng, ứng với

mỗi một giá trị cột nước tràn thiết kế Htk,

vẽ được một đường cong có tọa ộ X, Y.

b- Hệ số lưu lượng:

mtc : Hệ số lưu lượng của đập khi hình dạng mặt cắt đập là

tiêu chuẩn và cột nước tràn H=Htk

- Htk : cột nước thiết kế đập tràn.

- Với đường cong loại 1 (đập loại 1): mtc = 0,504

- Với đường cong loại 2 (đập loại 2): mtc = 0,48

hd : Hệ số sửa chữa hình dạng khi hình dạng đập có các đại

lượng ,  và e/P 1 bất kỳ (khác hình dạng tiêu chuẩn)

H : Hệ số sửa chữa cột nước khi H  Htk

m = m  