Thủy lực 2 ( Nxb Nông nghiệp ) - Chương 15 pdf

Trạng thái chảy mặt chỉ có thể xảy ra trong điều kiện là ở chân công trình về phía hạ lưu có bậc thẳng đứng hình 15-2 Để đơn giản vấn đề, ta xét trường hợp kênh dẫn lăng trụ, dòng chảy t

Chương XV

Nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình

A- Nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu công trình

Dòng chảy từ thượng lưu đập tràn hay qua cửa van nối tiếp với dòng chảy của kênh dẫn sau công trình bằng hai hình thức chủ yếu:

1 Hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy đáy (hình 15-1) Trạng thái chảy đáy là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy xuất hiện ở gần đáy kênh dẫn

2 Hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy mặt (hình 15-2) Trạng thái chảy mặt là trạng thái mà lưu tốc lớn nhất của dòng chảy không xuất hiện ở gần đáy kênh dẫn mà ở gần mặt tự do

Trạng thái chảy mặt chỉ có thể xảy ra trong điều kiện là ở chân công trình về phía hạ lưu có bậc thẳng đứng (hình 15-2)

Để đơn giản vấn đề, ta xét trường hợp kênh dẫn lăng trụ, dòng chảy trong kênh chảy

đều với độ sâu bình thường hh

Đ15-1 Nối tiếp chảy đáy

Để ngắn gọn, ta gọi hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy đáy là nối tiếp chảy đáy Tùy theo độ dốc của đáy kênh dẫn, dòng chảy thường ở hạ lưu có thể là chảy êm (khi

i < ik)

Vì thế, nối tiếp chảy đáy ở hạ lưu công trình có thể gặp hai trường hợp:

1 Tr-ờng hợp 1

Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy êm, mặt cắt của dòng chảy khi đi qua công trình bị

“thu nhỏ” dần và lúc dòng chảy đổ xuống hạ lưu thì hình thành mặt cắt co hẹp, ký hiệu là mặt cắt (C-C)

Mặt cắt co hẹp ở gần chân công trình, tại đó lưu tốc đạt trị số lớn nhất, độ sâu tương ứng gọi là độ sâu co hẹp, ký hiệu hc

Độ sâu co hẹp luôn luôn bé hơn độ sâu phân giới (hc < hk) Như vậy dòng chảy qua công trình xuống kênh dẫn là dòng chảy xiết (hình 15-3) Sự nối tóp dòng chảy xiết với dòng chảy êm bắt buộc phải qua nước nhảy

Bây giờ ta nghiên cứu dạng và vị trí của nước nhảy

Dạng và vị trí của nước nhảy phụ thuộc vào năng lượng đơn vị của mặt cắt co hẹp và mặt cắt có độ sâu bình thường của dòng chảy trong lòng dẫn hạ lưu

Với cùng một lưu lượng đơn vị, độ sâu co hẹp càng bé (lưu tốc càng lớn) thì năng lượng đơn vị của mặt cắt càng lớn, càng có khả năng đẩy nước nhảy ra xa công trình Ngược lại, độ sâu bình thường càng lớn, năng lượng dự trữ càng nhiều càng có khả năng

đưa nước nhảy tiến lại gần công trình hơn

Giả sử độ sâu co hẹp hc là độ sâu trước nước nhảy, ta tính độ sâu liên hiệp với nó hc"

So sánh độ sâu hc" với độ sâu bình thường hh ta sẽ có các dạng nối tiếp dưới đây:

1 hc" = hh: nước nhảy bắt đầu ngay tại mặt cắt co hẹp, độ sâu trước nước nhảy chính

là độ sâu co hẹp: hc' = hc Trường hợp này, năng lượng thừa của dòng chảy thượng lưu sẽ được tiêu hao gần hết bằng nước nhảy Sau nước nhảy năng lượng còn lại của dòng chảy thượng lưu gần vừa bằng năng lượng của dòng chảy trong lòng dẫn nên nước nhảy sẽ kết thúc ở mặt cắt có độ sâu liên hiệp hc" = hh (hình 15-4)

k

i < i C

h

h" = h C

Sau nước nhảy, năng lượng của dòng chảy gần vừa bằng năng lượng của dòng chảy bình thường ở hạ lưu Như vậy, nước nhảy sẽ kết thúc tại mặt cắt có độ sâu bình thường hh, hay nói một cách khác, độ sâu liên hiệp sau nước nhảy bằng độ sâu bình thường ở hạ lưu:

= ỹùý

= ùỵ

h ' h

h" h

trong đó: h' và h" là độ sâu liên hiệp nước nhảy, hình thành sau đoạn nước dâng (hình 15-5)

đường nước dâng C 1

1 C

k

h

h" > h C

Dạng nước nhảy này gọi là nước nhảy xa

3 hc’ < hh: trường hợp này năng lượng thừa của dòng chảy thượng lưu không đủ để tiêu hao bằng nước nhảy tại chỗ, hay nói cách khác, năng lượng dự trữ của dòng chảy trong kênh dẫn đủ khả năng đưa nước nhảy tiến lại gần công trình

Nước nhảy sẽ làm ngập mặt cắt co hẹp bằng khu nước vật ở mặt(hình 15-6) Mức độ ngập của nước nhảy đặc trưng bằng hệ số:

s’ = h c

Dạng nước nhảy này gọi là nước nhảy gần hay nước nhảy ngập

Như trên đ∙ giả thiết dòng chảy trong kênh là dòng chảy đều Tuy nhiên, những suy luận trên vẫn đúng cho trường hợp dòng chảy trong kênh dẫn là dòng không đều, nhưng trong trường hợp này độ sâu sau nước nhảy hh không phải là hằng số mà tùy thuộc vào vị trí nước nhảy Cách xác định vị trí nước nhảy trong trường hợp này xem Đ16-4

Đứng về quan điểm thủy công thì dạng nối tiếp bằng nước nhảy xa là bất lợi nhất vì rằng việc tiêu hao năng lượng bằng tổn thất dọc đường dọc theo dòng chảy rất chậm nên

đoạn đường nước dâng thường khá dài Trường hợp này, trong phạm vi đường nước dâng, dòng chảy xiết có lưu tốc rất lớn, cần phải tăng cường gia cố hạ lưu Do đó, để tránh đoạn dòng chảy xiết thì dạng nối tiếp bằng nước nhảy ngập là tốt nhất

Đ 15-2 Hệ thức tính toán cơ bản của nối tiếp chảy đáy

Nhiệm vụ tính toán nối tiếp hạ lưu công trình bao gồm:

- Xác định độ sâu co hẹp hc và độ sâu liên hiệp hc";

- So sánh hc" với hh để biết hình thức nối tiếp

Nếu là hình thức nối tiếp bằng nước nhảy xa thì phải xác định vị trí nước nhảy

1 Xác định h c và h c "

Viết phương trình Bécnuiy cho hai mặt cắt: mặt cắt (0-0) trước công trình và mặt cắt

co hẹp, lấy mặt chuẩn là đáy hạ lưu công trình (hình 15-10)

E H

h'

2g0v

ln

Hình 15-10

Dòng chảy tại hai mặt cắt đ∙ chọn là dòng chảy thay đổi dần nên áp suất tại đây phân

bố theo quy luật thủy tĩnh, ta có phương trình:

2

0 0v2g

E0 - năng lượng đơn vị của dòng chảy thượng lưu so với mặt chuẩn đ∙ chọn;

P - chiều cao công trình so với đáy hạ lưu;

c

2v2g(ac + ồx)

j w

2

2 2 c

Qg

a

w + y1w1 =

2 0 2

Qg

a

Biết hc" so sánh với hh ta có thể xác định được hình thức nối tiếp

Hệ số lưu tốc j đánh giá tổn thất năng lượng của dòng chảy qua công trình, có thể lấy các trị số theo bảng của Pavơlốpski (bảng 15-1)

Bảng 15-1 Bảng trị số hệ số j

1 Chảy trực tiếp từ lỗ vào không khí (không tràn qua đập tràn) 1,00 á 0,97

5 Các đập tràn có dạng thận dòng, không có cửa van, mặt tràn trơn

a) khi chiều dài mặt tràn bé

b) khi chiều dài mặt tràn trung bình

c) khi chiều dài mặt tràn lớn

1,00 0,95 0,90

ở đây giới thiệu phương pháp của GS I.I Agơrốtskin áp dụng trong bài toán phẳng

Đặt:

0h

và t =" "c

c 0

h

Từ (15-9), thay hc = tc E0 vào phương trình (15-5’), ta có:

q = jtc E0 2g(E0 - tc.E )0hay:

0

qE

qE

j sẽ tương ứng với một trị số

tc và một trị số tc"

I.I Agơrốtskin đ∙ lập bảng tính sẵn quan hệ tc, tc" và F(tc) theo các biểu thức (15-12)

và (15-14) ứng với các trị số j thường gặp từ 0,85 đến 1,00 (phụ lục 15-1)

Với bảng đó, khi biết q, E0, j ta tính F(tc) theo (15-13), rồi tra phụ lục (15-1) sẽ được các trị số tc và tc", từ đó có:

và: hc" = tc" E0

2 Xác định vị trí n-ớc nhảy xa

Khi hc" > hh, ta có hình thức nối tiếp bằng nước nhảy xa Việc xác định vị trí nước nhảy, tính chiều dài đoạn dòng chảy xiết trước nước nhảy có ý nghĩa thực tiễn quan trọng

Ta đ∙ biết, trong hình thức nối tiếp bằng nước nhảy xa, độ sâu sau nước nhảy chính là

độ sâu dòng chảy bình thường ở hạ lưu hh(1) Từ phương trình nước nhảy (15-6) hoặc (15-8),

Thí dụ 15-1:

Xác định hình thức nối tiếp ở hạ lưu đập tràn có mặt cắt thực dụng, cao P = 7 m (hình 15-11), chiều rộng của kênh dẫn bằng chiều dài đập (bài toán phẳng) Kênh dẫn ở sau đập

có độ dốc đáy i = 0,0002, lát bằng đá xây (n = 0,017) Lưu lượng riêng tràn qua công trình

q = 8 m3/s.m Độ sâu bình thường ở hạ lưu hh = 3,60 m

Với đập tràn có mặt cắt thực dụng có thể lấy m = 0,49, ta có:

H0 =

2 / 38

j = 2

80,90 9,38´ = 0,308

(với điều kiện bài toán đ∙ cho, theo bảng (15-1) có thể lấy j = 0,90)

Tra phụ lục (15-1) ta được các trị số tương ứng: tc = 0,072 và tc" = 0,432

Biết độ sâu sau nước nhảy bằng h" = hh = 3,60 m ta tính độ sâu trước nước nhảy bằng công thức (15-8):

2

2 3

2 3

Đoạn chảy xiết trước nước nhảy có độ sâu ở hai đầu là h1 = 0,68 m và h2 = 0,83 m

Ta tính chiều dài bằng phương pháp cộng trực tiếp:

i J

D '-

Kết quả tính được ghi ở bảng dưới đây:

H

(m) (m/s) V

2

v2g(m)

'

(m) C R (m/s) J

2 2

0,83

11,8

9,64

7,08 4,77

7,76 5,60

46,1 52,3

0,0655 0,0337 0,0496 -0,0494 -2,16 43,7

Vậy chiều dài đoạn chảy xiết trước nước nhảy là lp = 44 m

Đ15-3 Nối tiếp chảy mặt

Để ngắn gọn, ta gọi hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy mặt là nối tiếp chảy mặt Nối tiếp chảy mặt thường gặp trong điều kiện công trình có bậc thẳng đứng ở hạ lưu (hình 15-12)

1 Với độ sâu ở hạ lưu không lớn lắm, dòng chảy ra khỏi bậc với độ cong uốn lên rồi

đổ xuống đáy công trình Lúc đó trạng thái dòng chảy vẫn là trạng thái chảy đáy, ở hạ lưu công trình có thể là dạng nối tiếp bằng nước nhảy xa, nước nhảy tại chỗ hay nước nhảy ngập Trong trường hợp nước nhảy ngập, ở ngay chân bậc xuất hiện khu nước cuộn có kích thước đáng kể (hình 15-13)

2 Lúc ở hạ lưu công trình đ∙ có dạng nước nhảy ngập mà độ sâu vẫn tăng lên thì dòng chảy ra khỏi bậc với độ cong lớn hơn, khu nước cuộn ở đây to lên Dòng chảy không

đi xuống đáy nữa mà sẽ phóng ra xa, hướng lên trên mặt thoáng và hình thành dòng chảy mặt dạng sóng, khu nước cuộn trên mặt biến mất (hình 15-14) Lưu tốc đáy giảm, lưu tốc mặt tăng và trị số lớn nhất ở gần mặt thoáng Trong đoạn nối tiếp từ chân bậc đến chỗ dòng chảy có các điều kiện gần với dòng chảy bình thường của kênh hạ lưu đều có lưu tốc lớn ở trên mặt

3 Khi độ sâu ở hạ lưu tăng lên đến một trị số nào đó thì ngay sau nước nhảy sóng dòng chảy không đi lên mặt, mà lại đi xuống đáy hạ lưu, ở trên mặt thoáng cách công trình một đoạn xuất hiện khu nước cuộn (hình 15-15) Trong trường hợp này, ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt, ở khu vực sau đó là chảy đáy Dạng nối tiếp này gọi là nối tiếp mặt -

đáy không ngập

Dạng nối tiếp này là dạng nối tiếp trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm

vi thay đổi rất nhỏ của độ sâu hạ lưu, rồi có thể diễn biến theo hai cách:

4.1 Khu nước chảy cuộn trên mặt bị đẩy về phía trên bậc và dòng chảy trở lại trạng thái chảy mặt hoàn toàn nhưng bị ngập (hình 15-16) Dạng nối tiếp này gọi là chảy mặt ngập

hh

Hình 15-16

Sự chuyển tiếp từ nối tiếp chảy mặt không ngập sang nối tiếp chảy mặt ngập gọi là trạng thái phân giới thứ hai Độ sâu hạ lưu tương ứng gọi là độ sâu phân giới thứ hai, ký hiệu hh2

Dạng nối tiếp chảy mặt ngập này có lưu tốc lớn ở trên mặt trên cả đoạn nối tiếp Dạng nối tiếp này là dạng nối tiếp ổn định và tồn tại trong phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu khá lớn

4.2 Có thể khu nước chảy cuộn trên mặt thoáng vẫn tồn tại và đồng thời xuất hiện khu nước chảy cuộn mặt thứ hai ngay trên bậc công trình (hình 15-17)

hh

Hình 15-17

Dạng nối tiếp này gọi là dạng nối tiếp mặt - đáy ngập Dạng nối tiếp này có thể xem

là dạng nối tiếp cuối cùng ở trạng thái chảy mặt

5 Khi độ sâu hạ lưu lại tiếp tục tăng lên nữa thì dòng chảy có thể chuyển thành trạng thái chảy đáy Dạng nối tiếp này gọi là dạng nối tiếp chảy đáy hồi phục Đặc điểm của dạng này là khu nước cuộn mặt rất lớn và khu nước cuộn đáy lại rất bé (hình 15-18)

P

Hình 15-19

Cũng cần chú ý thêm rằng, với những điều kiện cho trước (lưu lượng, chiều cao công trình v.v ) ở hạ lưu công trình chỉ có thể nối tiếp chảy mặt lúc chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao tối thiểu nào đó

Việc xác định các dạng nối tiếp chảy mặt rất phức tạp, vì lúc tăng độ sâu hạ lưu thì thấy xảy ra một dạng nối tiếp ở một trị số độ sâu nào đó, mà lúc giảm độ sâu qua trị số trên thì lại không thấy xảy ra dạng nối tiếp tương tự

Trạng thái chảy mặt không những chỉ xảy ra ở hạ lưu những công trình có bậc, mà theo Rakhơmanốp cũng có thể xảy ra với dòng chảy ngập sau cửa van (hình 15-20)

có nhiều vật trôi trong nước (cây, củi, băng ) người ta thường cố gắng tạo nên nối tiếp chảy mặt

Trong các dạng nối tiếp chảy mặt nói trên, tốt nhất là nối tiếp chảy mặt không ngập; còn chế độ chảy mặt ngập cũng tốt cho việc chống xói lở ở hạ lưu nhưng có nhược điểm là

có khu nước cuộn trên mũi bậc, làm cho các vật rắn lẫn trong nước không thoát ngay được xuống hạ lưu mà bị cuộn trong khu nước cuộn và đập vào công trình

Vì các hình thức nối tiếp diễn biến phức tạp khi mực nước hạ lưu thay đổi (có thể sự nối tiếp từ hình thức có lợi chuyển sang hình thức bất lợi) nên nối tiếp chảy mặt chỉ thích hợp với các công trình có mực nước hạ lưu thay đổi ít

Đ 15-4 Hệ thức tính toán cơ bản của nối tiếp chảy mặt

Như trên ta đ∙ biết, ở hạ lưu công trình có bậc thẳng đứng có thể hình thành các dạng nối tiếp chảy mặt hay chảy mặt - đáy Khi lưu lượng và độ cao của bậc đ∙ biết trước, ta cần xác định các khu trong đó tồn tại các dạng nối tiếp ở hạ lưu, tức là cần tính các độ sâu phân giới của các khu vực

Dòng chảy đi ra khỏi bậc công trình có thể hướng lên (hình 15-21a), nằm ngang (hình 15-21b), hay cong thấp xuống (hình 15-21c), do đó áp suất dưới dòng chảy ở mũi bậc

sẽ khác với áp suất thủy tĩnh

a a

Để đơn giản, ta xét vấn đề này trong điều kiện bài toán phẳng

Giả thiết rằng, bậc của công trình có mũi cong lên, tiếp tuyến của đường cong tại chỗ dòng chảy đi ra khỏi mũi lập thành với mặt phẳng ngang một góc q (hình 15-22)

0

P

2 v 2

0 2g

0

v

1 1

E

1 0

v2 1

a + h

trong đó:

h - độ sâu của dòng trên mũi bậc;

a - chiều cao của bậc;

ha - cột nước áp suất dưới dòng chảy, do áp suất dòng chảy cong gây ra;

hw - tổn thất cột nước từ (0-0) đến (1-1), có thể viết:

2gPhương trình (15-15) có thể viết thành:

E0- a = h cosq + 1

2ha +

2 1v2g(a + ồx)

Hay là: E0- a = h cosq + 1

2ha + j

2 1 2

Phương trình động lượng viết với các điều kiện:

1 áp suất ở mặt cắt (1-1) và (2-2) và dọc theo chiều cao của bậc công trình phân bố theo quy luật đường thẳng

2 Bỏ qua lực ma sát trên đoạn kênh dẫn giữa các mặt cắt đ∙ chọn

3 Đoạn kênh dẫn được giới hạn giữa hai mặt cắt đ∙ chọn, có độ dốc đáy rất bé, có thể coi bằng không

Phương trình động lượng viết theo phương nằm ngang (phương dòng chảy tại mặt cắt (2-2) sẽ là:

a

(h – hhcosq) = ha(hcosq + 2a) + (hcosq + a2) - h (15-19) h2

Hai phương trình (15-17), (15-19) chỉ áp dụng cho các trường hợp nối tiếp mà dòng chảy ở trên bậc công trình là tự do, tức là khi nó không bị bao phủ bởi khu nước vật ở mặt Hai phương trình này cho phép ta tìm được trị số độ sâu bình thường ứng với trạng thái phân giới này hay trạng thái phân giới khác Vì rằng trong hai phương trình trên có 3

đại lượng chưa biết là: h, ha và hh, do đó cần cho trước một trong ba đại lượng trên hoặc cho thêm một phương trình bổ sung thứ ba Phương trình thứ ba này thường cho sự phân bố áp suất tại mũi bậc trong mỗi trạng thái, tức cũng là cho trước ha

Đối với trạng thái phân giới thứ nhất, A.A Xabanhêép cho rằng áp suất của dòng chảy tại mũi bậc công trình phân bố theo quy luật thủy tĩnh, như vậy:

Giả thiết của A.A Xabanhêép không phù hợp với thí nghiệm của T.N Axtaphitreva Các kết quả thí nghiệm chứng tỏ rằng áp suất dưới dòng chảy ở mũi bậc khác với áp suất thủy tĩnh

Theo tài liệu thí nghiệm này, khi chiều cao đập bé: a

P < 0,2 (trong đó P là chiều cao của đập) áp suất dưới dòng chảy ở mũi bậc luôn luôn lớn hơn áp suất thủy tĩnh, ngược lại khi độ cao đập lớn: a

P ³ (0,2 á 0,4) áp suất đó phụ thuộc vào lưu lượng Với lưu lượng bé,

áp suất ở mũi bậc bé hơn áp suất thủy tĩnh, với lưu lượng lớn thì lớn hơn

T.N Axtaphitreva đưa ra biểu thức thực nghiệm tìm đại lượng ha như sau:

- Đối với trạng thái phân giới thứ nhất thì:

- Đối với trạng thái phân giới thứ hai, áp suất dưới dòng chảy ở mũi bậc luôn luôn lớn hơn áp suất thủy tĩnh và tính theo biểu thức:

Cuối cùng, cần nhắc lại rằng ở hạ lưu công trình chỉ có thể có nối tiếp chảy mặt lúc

độ cao của bậc lớn hơn độ cao tối thiểu Trị số độ cao đó có thể tính theo hệ thức thực nghiệm của Scơlátnhép:

k

0E1,5

Hệ thức này chỉ đúng với điều kiện

k

0E

h ³ 2,5 và chiều dài của bậc d = (2 á 5,5) h

Đ15-5 Nối tiếp dòng chảy trong điều kiện không gian

Nhiều nhà thủy lực (Linhxépski, Ph.I Picalốp, C.K Abơramốp, Ph.T Guncô, Etscăngđơ, Camisen v.v ) đ∙ đưa ra nhận xét rằng, trong trường hợp lòng dẫn mở rộng với góc q > 130 hoặc mở rộng đột ngột, dòng chảy xiết nối tiếp với dòng chảy êm dưới dạng dòng xiên

Ta có thể gọi dòng xiên là dòng chảy ở sau phần mở rộng đột ngột của lòng dẫn trên mặt bằng, giới hạn bởi các khu nước xoáy hướng về một trong các bờ hoặc di động từ bờ nọ sang bờ kia Đoạn dòng có hiện tượng chảy xiên gọi là đoạn chảy xiên, ở sau đoạn này không còn có khu xoáy nữa

Tổng kết các dạng dòng xiên đ∙ được nghiên cứu, trân cơ sở những thí nghiệm trong phạm vi Frc = c

c

2v

gh = 15 á 60 và bề rộng tương đối b = B

h = 2 á 10 (với: B là bề rộng hạ lưu,

b, hc, vc là bề rộng, độ sâu, lưu tốc tại mặt cắt ban đầu của luồng chảy)

Vũ Văn Tảo (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) đề ra tiêu chuẩn thực nghiệm phân loại dòng xiên trong trường hợp dòng chảy dưới cửa van Theo đề nghị này, dòng xiên gọi

là không ổn định nếu dòng chảy lúc ở bờ này, lúc ở bờ kia, luôn luôn di động; dòng xiên gọi là ổn định nếu dòng chảy luôn luôn ở một bên bờ và ổn định; dòng xiên gọi là ngập nếu mặt cắt ban đầu của luồng chính bị ngập và xuất hiện khu nước xoáy mặt ở trên luồng chính

Tác giả theo dõi sự diễn biến của hình thức nối tiếp khi cho tăng dần độ sâu hạ lưu, thấy trình tự diễn biến như sau:

Khi mực nước ở hạ lưu rất thấp, dòng chảy xiết từ cửa cống ra sẽ mở rộng, hai bên luồng chính trên mặt bằng đều không có khu nước xoáy Dạng chảy này gọi là dòng mở rộng xiết Cho mực nước hạ lưu dâng lên từ từ, tới một độ sâu nhất định, luồng chảy sẽ lệch

về một bên và bắt đầu hình thành dòng xiên Độ sâu ứng với lúc quá độ này, có thể tính theo công thức B.A Matsman:

2v

g hDòng xiên bắt đầu hình thành khi hình thành khu nước xoáy bên (trên mặt bằng), tức

là khi có xuất hiện độ chênh áp lực ở hai bên luồng chính

Theo sự tăng dần độ sâu hh, ở hạ lưu xuất hiện bốn dạng dòng xiên sau đây (hình 15-23):

khu xoáy bên Xuất hiện một

Xuất hiện hai

4.Dòng xiên không ổn định ngập

Hình 15-23

1 Dòng xiên ổn định - không ngập: Ban đầu thường chỉ có một khu nước xoáy bên;

dần dần mực nước ở khu xoáy đó lên cao rồi không những đổ vào luồng chính mà còn đổ qua luồng chính sang phía bên kia của luồng chính, do đó hình thành khu nước xoáy bên thứ hai Khu nước xoáy bên thứ hai càng phát triển khi mực nước hạ lưu càng tăng; mực nước ở hai khu nước xoáy dần dần cân bằng nhau, làm cho luồng chính chuyển ra giữa (hình 15-23-1)

2 Hai khu nước xoáy có mực nước luôn luôn chênh lệch nhau một cách tuần hoàn làm cho luồng chính di động từ bờ nọ sang bờ kia; khi đó dòng xiên gọi là không ổn định - không ngập (hình 15-23-2)

3 Mực nước hạ lưu tăng thêm, làm xuất hiện khu nước xoáy mặt trên luồng chính

đồng thời làm cho mối liên hệ trực tiếp giữa hai khu nước xoáy bên tạm thời bị gián đoạn, dòng chảy lệch hẳn về một phía; khi đó ta có dòng xiên ổn định - ngập Dạng chảy này - như đ∙ nói ở chương XIII - có thể gọi là nước nhảy ngập không gian (hình 15-23-3)

4 Nếu tiếp tục tăng độ sâu ở hạ lưu thì tới một lúc nhất định, mực nước ở hai khu nước xoáy bên lại trực tiếp liên hệ với nhau và bắt đầu quá trình cân bằng, mất cân bằng rồi lại cân bằng mực nước ở hai khu nước xoáy đó; do đó luồng chảy luôn luôn di động giữa hai bờ Dạng chảy này gọi là dòng xiên không ổn định - ngập (hình 15-23-4)

Có thể xác định sự quá độ giữa những dạng dòng xiên đó bằng những công thức kinh nghiệm sau đây, trong trường hợp cửa giữa và b = 2 á 5

1 Từ dạng ổn định - không ngập sang dạng không ổn định - không ngập:

1,5120

và không có dạng không ổn định, nhưng đoạn dòng xiên rất lớn

Dòng xiên gây ra sự tập trung lưu lượng vào một phần của bề ngang hạ lưu, do đó dễ xảy ra xói nghiêm trọng, nên nói chung cần phải tìm những biện pháp chống dòng xiên Dòng xiên ổn định - ngập có tác dụng như nước nhảy nên trong những điều kiện nhất định

có thể cho phép nó tồn tại; tuy vậy dạng chảy này cũng dễ chuyển sang trạng thái chảy không ổn định - ngập Để loại trừ dòng xiên, thường phải đặt những thiết bị, tìm ra trên cơ

Ta biết rằng với việc xây dựng công trình (đập, cầu, cống v.v ) trên sông, kênh, mực nước ở thượng lưu công trình sẽ dâng lên so với lúc trước, vì vậy, thế năng của dòng nước thượng lưu cũng tăng lên Khi dòng nước từ thượng lưu đổ xuống hạ lưu, phần lớn thế năng này biến thành động năng, dòng chảy ngay sau công trình có lưu tốc tăng lên đột ngột, thường lớn hơn nhiều so với lưu tốc dòng chảy ở trạng thái tự nhiên Bởi vậy, ngay sau công trình lòng dẫn có thể bị xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình Việc tạo nên chế độ chảy mặt - đáy ở hạ lưu công trình làm cho việc gia cố lòng dẫn hạ lưu được giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn hạ lưu vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại đất nhẹ Đặc biệt, nếu hình thức nối tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thì vấn đề tiêu năng càng trở nên quan trọng hơn Trường hợp này, ngay cả với một số loại đá như đá vôi, đô-lô-mít và những đá yếu cũng vẫn có thể bị xói

Nếu trong phạm vi công trình, động năng thừa không được tiêu hao hoàn toàn và nếu lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thì ngay sau công trình sẽ hình thành phễu xói (hình 15-24) Qua tài liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng chiều sâu của phễu xói có thể đạt đến 2,5H (H là cột nước trên công trình), còn chiều dài có thể biến đổi trong khoảng

từ (4 á 6)H ở nước ta có khá nhiều công trình có hiện tượng như thế

H

l

h x x

Hình 15-24

Chẳng hạn, một cống lấy nước chỉ với cột nước tương đối bé H = 1,5 á 2 m, nhưng sau ba năm khai thác, ở hạ lưu đ∙ hình thành một phễu xói có chiều sâu hx = 3 m ằ 2H; chiều dài lx = 30 m ằ 20H v.v làm ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình

Động năng thừa còn thể hiện dưới dạng mạch động lưu tốc và mạch động áp lực Thường trên một đoạn dài sau công trình, tuy lưu tốc trung bình đ∙ không lớn lắm, nhưng mạch động còn rất mạnh so với mạch động của dòng chảy bình thường ở hạ lưu và cũng gây ra xói lở trên một đoạn dài Trong trường hợp bài toán không gian, ví dụ khi công trình

có nhiều cửa nhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại xuất hiện dòng chảy xiên diễn ra trên một đoạn khá dài

Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công trình

Ta biết rằng nối tiếp ở hạ lưu công trình dưới dạng hình thức chảy đáy có nước nhảy

xa là nguy hiểm nhất, vì đoạn dòng chảy trước nước nhảy, ở đó có lưu tốc lớn, rất dài Do

đó phải tìm biện pháp làm mất trạng thái chảy đó, chuyển thành dạng nối tiếp bằng nước nhảy ngập

Tuy nhiên, dòng chảy sau nước nhảy ngập vẫn có lưu tốc lớn ở đáy và mạch động lớn trên một đoạn dài Do đó trong những điều kiện cần thiết và cho phép, người ta thường tạo thành chế độ chảy mặt

Ngoài ra còn cần kết hợp các hình thức tiêu năng khác như bố trí các mố, các ngưỡng, răng trên sân công trình (hình 15-25) Trong một số trường hợp nhất định, còn có thể tiêu năng bằng cách cho dòng chảy phun lên không khí (hình 15-26) hoặc cho các tia dòng chảy đập vào nhau để tiêu hao năng lượng

Việc xác định các biện pháp công trình cụ thể, các thiết bị tiêu năng cụ thể nói chung phức tạp, thường phải qua thí nghiệm mô hình

Dưới đây ta đi sâu thêm vào nguyên lý tiêu năng bằng nước nhảy ngập