Giáo trình thủy lực công trình - Chương 10 pot

Chương 10: Các công trình thủy lực10.2 Cửa cống và các cửa điều khiển Dòng chảy qua cửa cống và dòng chảy qua lỗ có nhiều nét tương tự nhau, nhưng cũng có những khác biệt quan trọng: Vớ

Trang 1

Chương 10: Các công trình thủy lực

10.1 Đập

1 – Đập trọng lực:

Là đập có cấu trúc đơn giản, thường là đập có dạng đường thẳng hoặc hơi cong (chiếu trên mặt nằm ngang) và chắn dòng nước dựa vào chính bằng trọng lượng của nó.

Đập có thể được xây dựng bằng bê tông, xây gạch, hoặc lát mái bằng đá hoặc đập đất

Có thể dễ dàng tìm thấy đập bằng bê tông ở mọi nơi, nhưng với những đập có độ cao

>20m thì cần phải có phần móng đập xây bằng đá để có thể chịu được tải trọng của thân đập Những loại đập đó thường là giá thành cao, yêu cầu khối lượng bê tông lớn,

và có nhiều vấn đề về môi trường như việc giữ và phát nhiệt của thân đập và vết nứt do hiện tượng co giãn của bê tông.

Trang 2

10.1 Đập

Đập trọng lực bằng bê tông và đập trọng lực lõi đất có lát mái

Trang 3

10.1 Đập

Trang 4

10.1 Đập

Trang 5

10.1 Đập

Trang 6

10.1 Đập

Đập cánh cung thường được làm từ bê tông gia cường (cốt thép), và thường chỉ sử dụng khoảng 20% lượng bê tông so với dạng đập trọng lực Với cấu trúc hình cánh cung, đập có tác dụng truyền tải áp lực thủy tĩnh xuống phần nền móng

2 – Đập cánh cung

Đập cánh cung thường được xây dựng ở các thung lũng sông hẹp và dốc Thông thường thì chiều dài đỉnh đập chỉ giới hạn dưới 10 lần chiều cao đập.

Trang 7

10.1 Đập

Trang 8

10.1 Đập

Trang 9

10.1 Đập

Trang 10

10.1 Đập

Trang 11

10.1 Đập

Là những loại đập lai giữa đập trọng lực và đập cánh cung, có mặt đập hướng về thượng lưu là một mặt liên tục (hoặc là nghiêng hoặc là thẳng đứng để tăng độ ổn định), còn mặt phía hạ lưu sẽ có nhiều trụ ốp đỡ nhằm tăng khả năng chống chịu của đập

3 – Đập buttress (đập có trụ hỗ trợ)

Loại đập này chỉ cần khoảng 60% lượng bê tông so với đập trọng lực nhưng chưa chắc giá thành đã rẻ hơn vì cần có thêm nhiều cốt thép trong các cột trụ ốp đỡ.

Trang 12

10.1 Đập

Trang 13

10.1 Đập

Trang 14

10.1 Đập

Trang 15

10.1 Đập

Trang 16

10.1 Đập

Trang 17

10.2 Cửa cống và các cửa điều khiển

Cửa cống dùng để khống chế

dòng chảy trong sông và các

kênh nhân tạo Đôi khi (trong

tiếng Anh) còn được gọi là

underflow-gate vì thực tế thì

dòng chảy luôn chảy phía dưới

cánh cửa cống

Trang 18

Cửa cống phía trên đỉnh đập

John Kerr, Virginia, Mỹ

Trang 19

Dòng chảy qua cửa cống và dòng chảy qua lỗ có nhiều nét tương tự nhau, nhưng cũng

có những khác biệt quan trọng:

Với lỗ nhỏ thì sự co hẹp của dòng chảy diễn ra ở mọi hướng trong khi đó ở dòng chảy dưới cửa cống thì không có sự co hẹp theo chiều ngang, và dòng chảy gần sát đáy qua điểm mở cống không có sự thay đổi đáng kể.

Tuy nhiên, dòng chảy ở phía đỉnh của phần cống mở sẽ có sự co hẹp rất lớn, và ảnh hưởng của nó lớn hơn bình thường rất nhiều, và vì thế nếu tinh tổng chung thì dòng chảy qua cống và qua vòi có thể xem là tương tự

Trang 20

Cống tiêu nước đổ ra sông Nhuệ, Vân Đình, T.Tín, Hà Tây

Trang 21

Trang 22

Các công thức tính dòng chảy dưới cửa cống:

v h

2

2 0 2

Trang 23

Các công thức tính dòng chảy dưới cửa cống:

Trang 24

10.3 Cống

Cống là đoạn máng có mặt cắt khép kín (có nắp phẳng hoặc vòm) Cống thường được xây dựng ở những nơi sông (kênh nhân tạo) chảy qua phía dưới đường (cao tốc), hoặc các công trình khác như kè đường sắt… Chúng cũng có thể được sử dụng thể thoát nước cho một khu vực xác định và nhiều khu vực, đô thị đã bị ngập do khả năng của cống không đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát.

Cống có thể dài từ vài mét đến hàng trăm mét.

Với lỗ nhỏ thì sự co hẹp của dòng chảy diễn ra ở mọi hướng trong khi đó ở dòng chảy dưới cửa cống thì không có sự co hẹp theo chiều ngang, và dòng chảy gần sát đáy qua điểm mở cống không có sự thay đổi đáng kể.

Tuy nhiên, dòng chảy ở phía đỉnh của phần cống mở sẽ có sự co hẹp rất lớn, và ảnh hưởng của nó lớn hơn bình thường rất nhiều, và vì thế nếu tính tổng chung thì dòng chảy qua cống và qua vòi có thể xem là tương tự

Trang 25

10.3 Cống

Trang 26

Trang 27

10.3 Cống

Cống qua

đường cao tốc

Pháp Vân –

Cầu Giẽ trên

đoạn nối sông

Trang 28

10.3 Cống

Dòng chảy trong cống ngầm có thể có 3 hình thức:

Chảy không áp: khi mực nước trước cống và trong cống đều thấp hơn đỉnh cống

Chảy có áp: khi dòng chảy lấp đầy toàn bộ mặt cắt cống

Chảy nửa áp: khi mực nước thượng lưu ngập đỉnh cống nhưng mực nước sau cửa cống vẫn thấp hơn đỉnh cống và có mặt thoáng (trong cống có 2 chế độ chảy, phần trước là chảy có áp, đoạn sau là chảy không áp)

Trang 29

10.3 Cống

Chảy không áp: Tính toán giống như trong trường hợp kênh hở bình thường

Chảy có áp: tính như dòng chảy qua vòi hay ống ngắn

Chảy nửa áp: tính giống như dòng chảy qua cửa cống

Trang 30

Bài tập về cống và cửa cống

Bài tập 54: Tính lưu lượng Q chảy dưới cửa cống phẳng biết độ sâu thượng lưu

H=2m, vận tốc thượng lưu v=0.75m/s, độ cao mở cống a=0.7m, chiều rộng cống

b=3.0m, độ sâu hạ lưu h z =1.2m Cho hệ số =0.95.

Hướng dẫn: tính độ sâu tại mặt cắt co hẹp h c theo công thức với

được ra trong bảng sau:

Trang 31

Bài tập về cống và cửa cống

Bài tập 55: Cống hình chữ nhật rộng 1.5m, cao 2.0m, dài L=60m, n=0.014 dùng để tháo nước qua thân đập Nền cống nằm từ cao trình 20.10m (thượng lưu) đến 20.04m, cao trình mực nước hạ lưu là 21.54m, lưu lượng là 18m3/s Giả sử cống mở hoàn toàn, xác định cao trình mực nước thượng lưu Cho hệ số =0.95.

Hướng dẫn: - Xác định đường mặt nước trong cống để biết trạng thái chảy

- Giả thiết tạm giá trị để xác định H, sau đó thay lại H để tính lặp lại

Trang 32

10.3 Cống

Trang 35

10.4 Dòng chảy qua trụ cầu

1- Dòng chảy qua trụ tròn:

Trang 36

10.4 Dòng chảy qua trụ cầu

2- Dòng chảy qua chân đế trụ cầu:

Trang 37

Trang 38

10.5 Đập tràn

Phân loại:

Đập tràn thành mỏng: Khi chiều dày của đỉnh đập <0.67H, làn nước tràn sau khi đi qua điểm thượng lưu của đỉnh đập thì tách rời khỏi đỉnh đập, do đó hình dạng và chiều dày của đập không ảnh hưởng đến dòng tràn và lưu lượng tràn

Đập tràn mặt cắt thực dung: Khi chiều dày đỉnh đập đã có ảnh hưởng đến dòng tràn nhưng không lớn, 0.67H <<(23H), mặt cắt đập có thể là hình đa giác hoặc hình cong

Đập tràn đỉnh rộng: Khi đập nằm ngang (hoặc độ dốc nhỏ) và có một độ dày tương đối lớn (23H)<<(810H), trên đỉnh đập hình thành một đoạn dòng chảy có tính chất đổi dần

Khi chiều dày đỉnh đập quá lớn thì xét dòng tràn như là dòng chảy trong đoạn kênh

Trang 39

10.5 Đập tràn

Phân loại:

Trang 40

Trang 41

10.5 Đập tràn

Phân loại:

Đập tràn cửa hình chữ nhật:

Trang 42

10.5 Đập tràn

Phân loại:

Đập tràn cửa hình tam giác:

Trang 43

10.5 Đập tràn

Phân loại:

Đập tràn cửa hình thang:

Trang 44

Trang 45

10.5 Đập tràn

Trang 46

Trang 47

10.5 Đập tràn

Tùy theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến khả năng tháo nước của đập:

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

Chảy ngập: Khi mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập đến mức có thể ảnh hưởng đến dòng tràn

n

h

Trang 48

10.6 Công thức chung cho đập tràn

Công thức tính lưu lượng qua đập tràn:

Xét bài toán tổng quát khi cửa tràn hình chữ nhật

 b B H h P g 

f

Q  , , 0, h, ,

2 3 0

mb

Q  n

r q p h z y

xB H h P g cb

Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên ( xem SGK tập II trang 114-115 ) rút ra:

Khi đập làm việc ở chế độ chảy không ngập và không bị co hẹp bên, công thức tính lưu lượng qua đập tràn được rút gọn lại:

g mbH

Q  03 2 2

m là hệ số lưu lượng phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của từng loại đập

(10.4)

(10.5)

Trang 49

Trang 50

2 2

1

k k

705 ,

H b

Trang 51

Trang 52

Đập tràn đỉnh rộng   3 H

Một vấn đề thường các sinh viên hay gặp phải là khi tính toán cột nước trên đỉnh đập tràn ứng với một lưu lượng cho trước nhưng lại không để ý đến độ cao của đập tràn để duy trì dòng chảy phân giới trên đỉnh đập.

Trang 53

v H

2 1

2

Trang 54

Trang 55

Chương 11: Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên

11.1 Đặc điểm chung và cách chia đoạn

So với dòng chảy trong kênh máng, dòng chảy trong sông phức tạp hơn nhiều do các yếu tố thủy lực thay đổi phức tạp dọc theo dòng chảy

Nếu xét chặt chẽ thì không có con sông nào lại có dòng chảy ổn định trong một thời gian dài

Khi không có lũ, sự thay đổi của các yếu tố thủy lực trong sông nói chung là chậm, khi

đó có thể xem là dòng chảy ổn định

Lòng sông không có sự thống nhất về độ dốc đáy, đáy sông là gồ ghề, lồi lõm

Có thể xem sông thiên nhiên là một kênh hở, không lăng trụ, rất phức tạp, trong đó các yếu tố như diện tích mặt cắt ngang, chu vi ướt, độ rộng,… không thể biểu diễn bằng hàm số đơn giản của độ sâu và chiều dài được

Trang 56

11.1 Đặc điểm chung và cách chia đoạn

Khi giải sai phân phải chia thành các đoạn sông, và công việc đó rất quan trọng, sao cho trong các đoạn chia việc áp dụng PT sai phân là đúng đắn và có kết quả tốt nhất

Nguyên tắc chia đoạn:

Lưu lượng không đổi, không có sông nhánh, sông con chảy vào hay chảy ra Mặt cắt lòng sông thay đổi ít

Trong mỗi đoạn nên có một độ dốc mặt nước và độ nhám thống nhất

Thường có thể dùng bản đồ địa hình để chia đoạn sông Ngoài ra còn cần đến các tài liệu của trạm đo mực nước để vẽ đường mặt nước dọc sông, vẽ các chi tiết cần thiết của mặt cắt…

Các đoạn có thể có độ dài ngắn khác nhau, càng chi tiết thì càng chính xác, tuy nhiên

Trang 57

11.2 Phương trình cơ bản của dòng chảy trong sông

Trong kênh máng nhân tạo thì thường là độ dốc đáy (i) không đổi vì thế ta nghiên cứu

mô tả quan hệ h~l là đủ, còn trong sông thì phải xét quan hệ cao trình mực nước z~l

g

v dl

d dl

d K

Q dl

dh dl

dh

2

2 2

d K

Q g

v dl

d dl

dz

c

2 2





PT vi phân cơ bản của d/c ổn định trong sông

sự thay đổi của cao trình mặt nước dọc sông (+,-)

sự thay đổi động năng TB do biến thiên lưu tốc (+,-) Tổn thất dọc đường (+)

Tổn thất cục bộ (+)

(11.1)

Trang 58

11.2 Phương trình cơ bản của dòng chảy trong sông

g

v

2

2 1

Xét đoạn sông giới hạn bởi 2

v l

K Q

z z

z

c

2 2

2 1

2 2 2

2

1 2

v l

K

Q z

z

2 2

2 1

2 2 2

2 1

Trang 59

11.3 Cách xác định các yếu tố thủy lực của mặt cắt và độ

nhám lòng sông

B h

Đối với sông rộng:

h B

R h

; 2

2 1

Trang 60

11.3 Cách xác định các yếu tố thủy lực của mặt cắt và độ

nhám lòng sông

B h

Vấn đề chọn nhám rất quan trọng, tốt nhất

không nên dùng trực tiếp giá trị độ nhám mà

nên dùng các tài liệu thực đo để tính toán.

g

v g

v z

l Q C

c

2

2 1

2 2 2

v

J R n

Trang 61

11.4 Cách lập đường mặt nước bằng tài liệu địa hình

Tài liệu địa hình bao gồm tài liệu hình học của mặt cắt (B,R,,…), hệ số nhám và hệ số cản cục bộ.

v l

K

Q z

z

2 2

2 1

2 2 2

2 1

Cho biết: - Lưu lượng Q

- Cao trình mực nước ở mặt cắt dưới ( z 2 )

- Các yếu tố thủy lực của m/c dưới Tính: - Cao trình mực nước ở m/c trên ( z 1 )

Tài liệu địa hình bao gồm tài liệu hình học của mặt cắt (B,R,,…), hệ số nhám và hệ số cản cục bộ.

Do không thể giải ngay được z 1 nên cách giải chung là giải thử dần hoặc sử dụng PP đồ

Trang 62

11.5 Cách lập đường mặt nước bằng tài liệu thủy văn

Tài liệu thủy văn là các đường quan hệ lưu lượng mực nước ở trên đoạn sông đó Yêu cầu tính cao trình mực nước của m/c trên khi biết lưu lượng và c.trình mực nước m/c dưới

l K

l Q

F F

Bước 1: Lập quan hệ dựa vào quan hệ mực nước lưu lượngF  F   z

Bước 2: Tính z 2 khi biết z 1

Trang 63

11.6 Tính toán sông có bãi và đoạn sông rẽ dòng

Tính tương tự như đoạn sông đơn, nhưng giá trị K sẽ tính là K TB

Sông có bãi

l

z K

Q Q

Sông rẽ dòng

p

p t

l

z K

Q Q

Trang 64

11.7 Độ dốc hướng ngang của sông – Hiện tượng chảy vòng

Trước đây ta mới chỉ xét độ dốc đường mặt nước J theo chiều dòng chảy, xem như mặt

nước trên mặt cắt ngang là nằm ngang

Tại những đoạn sông cong, do lực quán tính ly tâm những hạt nước sẽ dịch chuyển từ bờ lồi sang phía bờ lõm làm mực nước phía bên bờ lõm dâng lên  độ dốc hướng ngang

Áp lực dư

Trang 65

11.7 Độ dốc hướng ngang của sông – Hiện tượng chảy vòng

Áp lực dư

R

mv F

Trang 66

Due to streamline curvature,

spiral currents appear.

longitudinal velocity component: u

outer side inner side

velocity near the water surface > velocity near the bed

Trang 67

Chương 12: Dòng chảy không ổn định trong sông thiên nhiên

12.1 Khái niệm chung

Chuyển động không ổn định là chuyển động mà trong đó các yếu tố thủy lực ở một vị trí xác định đều thay đổi theo thời gian.

- Chuyển động thay đổi chậm

- Chuyển động thay đổi gấp

Do dòng không ổn định trong lòng dẫn hở có quan hệ với hiện tượng sóng nên người ta cũng gọi chuyện động không ổn định là chuyển động sóng

- Chuyển động thay đổi chậm  sóng liên tục

- Chuyển động thay đổi nhanh  sóng gián đoạn

Sóng trong lòng dẫn hở khác với sóng biển hoặc hồ do gió sinh ra, sóng này có khả năng vận chuyển một lượng nước lớn

Chuyển động không ổn định trong đó thuần túy chỉ có nâng cao hoặc hạ thấp mực nước

Trang 68

Chương 12: Dòng chảy không ổn định trong sông

thiên nhiên

12.1 Khái niệm chung

Sóng truyền theo chiều dòng chảy gọi là sóng thuận , trường hợp ngược lại gọi là sóng nghịch

Sóng có đặc tính nâng cao mặt nước gọi là sóng dương , nếu làm hạ thấp mực nước thì gọi là sóng âm

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	19,53 MB