Bài giảng Chương 1: Dòng chảy đều trong kênh hở
Chöông 1
DOØNG CHAÛY ÑEÀU TRONG
KEÂNH HÔÛ
chieàu saâu, dieän tích öôùt vaø bieåu ñoà
phaân boá vaän toác taïi caùc maët caét doïc
theo doøng chaûy khoâng ñoåi .
1. KHAÙI NIEÄM CHUNG
Doøng chaûy
ñeàu
Caùc ñaëc tröng thuyû löïc khoâng ñoåi
doïc theo doøng chaûy
ñöôøng naêng, maët thoaùng vaø ñaùy
keânh song song vôùi nhau.
B
h
Caùc ñaëc tröng thuûy löïc cuûa m/c öôùt keânh:
• Beà roäng ñaùy keânh :
• Beà roäng maët thoaùng:
• Dieän tích maët caét öôùt:
• Chu vi öôùt:
b
b
B
A
P
• Baùn kính thuûy löïc:
• Heä soá maùi doác:
R = A/P
m=cotg
x y
II. COÂNG THÖÙC CHEÙZY VAØ MANNING
V = CR i
fR = kV2
1
F = LPkV2
2
R
Ñöôøng naêng
Maët thoaùng
ALi − LPkV2 = 0
Wsin
Aùp
löïc
A
h
h
2
ALi = LPkV
P
L
1
2
Ñaùy keânh
W
V =
Ri
k
Fx = Wsin = AL sin = ALi
Hay
1
2
Coâng thöùc Chezy:
(1769)
Vôùi
: heä soá Cheùzy
C =
V = C Ri
k
1
Coâng thöùc Manning:
(1889)
V = R2/3 i
n
1
1
C = R
n
6
Heä soá Cheùzy tính theo Manning:
Ghi chuù:
soá muõ “1/6” cuûa baùn kính thuyû löïc R khoâng phaûi laø haèng soá. Noù phuï thuoäc chuû
yeáu vaøo hình daïng vaø ñoä nhaùm loøng daãn. Chính vì theá, moät soá nhaø nghieân cöùu
khaùc ñaõ söû duïng soá muõ treân di ñoäng nhö sau:
y =1,5 n khi R 1m
1
n
C = Ry
Coâng thöùc Pavlovski (1925):
y =1,3 n khi R 1m
III. XAÙC ÑÒNH HEÄ SOÁ NHAÙM n
1. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán heä soá nhaùm:
·
·
·
·
·
·
·
1. Ñoä nhaùm beà maët
2. Lôùp phuû thöïc vaät
3. Hình daïng maët caét keânh
4. Vaät caûn
5. Tuyeán keânh
6. Söï boài xoùi
7. Möïc nöôùc vaø löu löôïng
2. Caùc phöông phaùp öôùc ñònh heä soá nhaùm:
2.1. Tröôøng hôïp maët caét keânh ñôn giaûn:
•Phöông phaùp SCS (soil Conversation Service Method):
TTheo Cowan, heä soá n ñöôïc tính nhö sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5
nn0: Hs nhaùm cô baûn cho con keânh trong tröôøng hôïp tieâu chuaån, (keânh thaúng,
maët
caét laêng truï, ñaùy trôn vaø chæ coù moät loaïi vaät lieäu).
nn : Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp beà maët keânh khoâng ñeàu.
nn1: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp kích thöôùc vaø hình daïng maët caét ngang
2keânh thay ñoåi.
nn : Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù vaät caûn.
nn34: Heä soá boå sung theâm trong tröôøng hôïp keânh coù lôùp phuû thöïc vaät.
mm5: Heä soá hieäu chænh trong tröôøng hôïp keânh uoán khuùc.
Ví duï: ñoái vôùi keânh ñaát tieâu chuaån coù n=0,02; neáu keânh naøy coù tieát dieän thay
ñoåi loaïi nhoû khoâng ñeàu thì hieäu chænh baèng caùch coäng theâm n2 = 0,01, keânh bò
bao phuû bôûi moät lôùp coû thaáp thì coäng theâm n4=0,005; keânh coù ñoä uoán khuùc roõ thì
nhaân taát caû cho heä soá hieäu chænh m5=1,15. Nhö vaäy heä soá nhaùm Manning n cuoái
cuøng ñöôïc öôùc ñònh laø: n = (0,02 + 0,01 + 0,005).1,15 = 0,04
Caùc heä soá ñöôïc cho trong phuï luïc 1.2
•Phöông phaùp duøng baûng:
pPhöông phaùp naøy thöôøng ñöôïc söû duïng roäng raõi trong tính toaùn vì ñôn giaûn. Töø
nhöõng keânh thöôøng gaëp trong thöïc teá ngöôøi ta öôùc ñònh saün heä soá n theo kinh
nghieäm hoaëc thöïc nghieäm vaø laäp thaønh baûng. Khi tính toaùn ta chæ caàn tra caùc tính
chaát cuûa keânh thì coù ñöôïc heä soá n (xem phuï luïc 1.3 ).
PPhöông phaùp duøng hình aûnh:
saép xeáp thaønh töøng loaïi. Khi tính toaùn döïa vaøo caùc hình aûnh caùc keânh coù saün n vaø
öôùc ñònh heä soá nhaùm n
•Phöông phaùp duøng bieåu ñoà löu toác: (baùn thöïc nghieäm):
(x − 1)h1 6
6,78(x + 0,95)
U0,2
x =
n =
U0,8
Phöông phaùp duøng coâng thöùc thöïc nghieäm:
Simons vaø Senturk (1976) Raudkivi (1976)
Meyer–Peter vaø Muller (1948)
(duøng cho keânh coù vaät lieäu ñaùy
hoãn hôïp coù kích thöôùc nhoû)
1/6
65
1 6
90
n = 0,047d1/6
n = 0,013d
n = 0,038d
d65, d90 (mm) : laàn löôït laø ñöôøng kính cuûa haït maø troïng löôïng cuûa caùc haït coù
ñöôøng kính nhoû hôn hay baèng noù ñaït 65%, 90%.
2.2 Tröôøng hôïp maët caét keânh phöùc taïp:
n1
n3
n2
• Coâng thöùc Horton, Einstein, vaø Bank : xem vaän toác
trung bình cuûa töøng dieän tích öôùt ñôn giaûn baèng nhau vaø
baèng vaän toác trung bình cuûa toaøn maët caét öôùt
N
2 3
P n3 2
i=1
i
i
ne =
P
N
• Neáu xem löïc ma saùt treân toaøn boä maët caét baèng toång
caùc löïc ma saùt treân töøng maët caét ñôn giaûn, thì heä soá
nhaùm töông ñöông ñöôïc tính nhö sau:
1 2
Pn2
i=1
i
i
ne =
P
PR5 3
▪ Neáu xem löu löôïng treân toaøn boä maët caét baèng toång caùc
löu löôïng treân töøng maët caét ñôn giaûn, thì:
ne =
PiR5i 3
ni
N
i=1
N
n A
i
i
• Cox(1973) töø thí nghieäm ñeà nghò duøng coâng
thöùc:
i=1
ne =
A
IV TÍNH TOAÙN DOØNG ÑEÀU
Nhöõng coâng thöùc söû duïng:
2
1
n
1
n
1
n
V = R2 3 i Q = AR i
K = AR2 3
3
Q = K i
4.1. Xaùc ñònh ñoä saâu doøng ñeàu:
• Phöông phaùp thöû daàn:
° Phöông phaùp veõ ñoà thò:
nQ
i
AR2 / 3 =
AR2 / 3
➢Cho nhieàu giaù trò h thay ñoåi, tính caùc giaù trò
AR2 / 3
➢Sau ñoù veõ ñöôøng quan heä:
➢Xaùc ñònh giaù trò cuûa keânh:
theo h
i
AR2 / 3
➢Töø ñöôøng quan heä
theo h ñaõ veõ, suy ra ñöôïc ñoä saâu chaûy ñeàu öùng
vôùi giaù trò
cuûa keânh
i
° Phöông phaùp duøng bieåu ñoà: :
Veõ saün nhöõng ñöôøng quan heä khoâng thöù nguyeân giöõa caùc modul löu löôïng
(module vaän toác) vaø ñoä saâu chaûy ñeàu , neáu bieát ñöôïc caùc modul löu löôïng ta
coù theå suy ra ñoä saâu chaûy ñeàu .
( )
W Wng = f2 h D
K Kng = f1
(
h D
)
1
n
V
1
n
Q
W = R2 / 3 =
K = AR2/ 3 =
i
i
1
n
1
n
2 / 3
ng
2 / 3
ng
Wng = R
Kng = AngR
° Phöông phaùp soá:
Laäp trình ñeå thöû daàn ra ñoä saâu doøng ñeàu. Ví duï:
2 / 3
2 / 3
Tính
So saùnh
vôùi
hmin=0; hmax=100
h0= (hmin+hmax)/2
i
AR2 / 3
AR2 / 3
AR2 / 3
Neáu:
>
Neáu:
<
Neáu:
=
i
i
i
thì hmax = h0
thì hmin = h0
thì h0 laø ñaùp soá
4.2. Thieát keá keânh:
Ñieàu kieän:
1. Maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc m/c coù dt öôùt min nhöng cho löu löôïng max.
* Neáu doøng chaûy trong hai keânh coù cuøng dieän tích maët caét öôùt, thì keânh naøo daãn
löu löôïng lôùn hôn, keânh ñoù coù maët caét lôïi hôn veà maët thuûy löïc.
* Ngöôïc laïi, neáu hai keânh cuøng daãn moät löu löôïng nhö nhau, thì keânh naøo coù
dieän tích maët caét öôùt nhoû hôn, keânh ñoù coù maët caét lôïi hôn veà maët thuyû löïc.
* Trong caùc maët caét thöôøng gaëp nhö hình chöõ nhaät, hình thang, hình tam giaùc,
hình troøn…thì maët caét hình troøn laø maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc.
* Tuy nhieân caàn chuù yù raèng maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc chöa haún laø maët caét
coù lôïi nhaát veà kinh teá.
A =
(
b + mh
)
h =
(
+ m
h2
)
Ñaët:
➢Keânh hình thang:
= b h
P = b + 2h 1 + m2 = h( + 2 1 + m2 )
Ñieàu kieän:
dP dh
d d
dA
d
dh
d
+ 2 1 + m2
+ h = 0
= h2 + 2h
(
+ m
)
= 0
(
=
b
h
(
2
1 + m2 − m
)
+ m
+ 2 1 + m2
)
h
h
2
Rln =
=
ln = = 2
1 + m2 − m
1 + m2 − m
2
2. Ngoaøi ra thieát keá keânh caàn phaûi chuù yù ñeán
vaän toác trong keânh khoâng ñöôïc vöôït quaù vaän toác khoâng xoùi vaø khoâng
ñöôïc nhoû hôn vaän toác khoâng laéng .
Vkl V Vkx
Caùc giaù trò Vkx ñöôïc cho trong phuï luïc tuøy theo loaïi ñaát dính hay khoâng
dính, giaù trò cuûa Vkl ñöôïc tính theo coâng thöùc thöïc nghieäm:
Wmax laø toác ñoä laéng chìm cuûa
haït coù kích thöôùc lôùn nhaát.
Wmax
Vkl =
0,065i1 4
Ví duï1: Keânh hình thang ñaùy roäng 3m, maùi doác m=1,5, ñoä doác keânh i = 0,0016,
heä soá nhaùm n = 0,013. Xaùc ñònh löu löôïng chaûy neáu ñoä saâu chaûy ñeàu laø 2,6m.
Giaûi:
A =
(
b + mh
)
h =
(
3+ 1,5.2,6
2,6 = 18m2
)
Dieän tiùch öôùt cuûa keânh:
P = b+2h 1+ m2 = 3+2.2,6. 1+1,52 =12,37m
Chu vi öôùt:
= = =
Baùn kính thuûy löïc:
Suy ra löu löôïng:
1
1
Q = AR2/3 i =
18.
(
1,5 2/3 0,0016 = 70,71m3 s
)
n
0,013
Ví duï 2: Moät keânh hình thang ñaùy roäng 3m, maùi doác m=1,5, ñoä doác i=0,0016,
heä soá nhaùm n=0,013. Xaùc ñònh ñoä saâu chaûy ñeàu neáu löu löôïng trong keânh 7,1 m3/s
Giaûi:
nQ
Töø phöông trình : AR2 / 3 =
i
nQ 0,013.7,1
Vôùi:
=
i 0,0016
= 2,3075
A =
(
b + mh
)
h =
(
3+ 1,5.h h
)
P = b + 2h 1 + m2 = 3 + 2.h. 1 + 1,52 = 3 + 3,606h
(
3+1,5.h h
3+3,606h
)
R =
AR2 / 3
h(m) A(m2) R(m)
Baèng caùch thöû daàn:
1,000 4,500 0,6812 3,484
0,800 3,360 0,5701 2,312
0,799 3,354 0,5704 2,3077
h0 = 0,779m
Suy ra:
Ví duï 3: Xaùc ñònh ñoä saâu chaûy ñeàu trong oáng coáng coù ñöôøng kính 3m. löu löôïng
5 m3/s, heä soá nhaùm n=0,02 vaø ñoä doác i=0,0009
Q
i
5
Giaûi:
K =
=
= 167m3 s
Vôùi:
0,0009
D2 32
7,068
9,425
;
P = D = .3 = 9,425m
Rng =
= 0,75m
Ang =
=
= 7,068m2
;
ng
4
4
1
n
7,068.
(
0,75 2 / 3
)
2 / 3
Kng = AngR =
= 291,78m3 /s
ng
0,020
h
K
167
291,78
h
D
f
=
=
= 0,572
1
h = 0,54.3 =1,63m
= 0,54
D K
ng
Ví duï 4: Xaùc ñònh kích thöôùc (b, h) cuûa keânh hình thang cho bieát
3
i = 0,00038
m = 2
n = 0,0225
V = 1,25m s
Q = 75m s
Giaûi:
Q 75
A = =
V 1,25
3/2
3/2
nV
0,0225.1,25
0,00038
A 60
P = =
R 1,74
= 60m2
R =
=
=1,74m
= 34,62
i
P = b+2h 1+22 = 34,62
;
A =
2,472h2 − 34,5h + 60 = 0
b = 25,54m ; h = 2,03m
b+ 2h
h = 60
h = 2,03m;b = 25,54m
1
1
h2 =11,95m;b2 0
Ví duï 5: Keânh hình thang coù heä soá maùi doác m, heä soá nhaùm n, ñoä doác ñaùy i,
daãn löu löôïng Q. Tính kích thöôùc cuûa keânh (beà roäng ñaùy b vaø ñoä saâu h) sao
cho keânh coù maët caét lôïi nhaát veà maët thuûy löïc.Tính baèng soá vôùi m=0,5;
n=0,02; i=0,0001; Q=50 m3/s
Giaûi:
2
1
n
3
Q = AR i
Theo coâng thöùc tính löu löôïng:
Theá
vaø R=h/2 (töø ñk keânh coù m/c tlöïc lôïi nhaát). Ta coù :
A =
b+ mh
h
2
2
3
3
1
h
1 b
n h
h
Q = (b + mh)h
i =
+ m h2
i
n
2
2
2
3
1
n
h
=
(
+ m
)
h2
i
2
b
h
= = 2
1 + m2 − m
Trong p.tr treân, ta thay ñ.k lôïi nhaát veà thuyû löïc:
2
3
1
n
h
8
3
Q = (2 1+ m2 − m)h2
i
Suy ra :
Qn22
3
2
h =
2
Vaäy ñeå keânh hình thang coù m/c lôïi nhaát TL thì: :
(2 1+ m − m) i
b = h = 2( 1+ m2 − m)h
Theá soá vaøo ta coù: h= 5,44m; b=6,72m;
Phuï luïc P.1.2: Caùc heä soá boå sung khi tính toaùn heä soá nhaùm tính theo Cowan
Ñieàu kieän cuûa keânh
Heä soá boå sung
Ñaát
0,020
Ñaù
0,025
Vaät lieäu caáu truùc
n0
Soûi mòn
Soûi thoâ
Nhaün
0,024
0,028
0,000
Möùc ñoä nhoû
Möùc ñoä vöøa phaûi
Möùc ñoä nghieâm troïng
Bieán ñoåi daàn
Thænh thoaûng bieán ñoåi
Thöôøng xuyeân bieán ñoåi
Khoâng coù
0,005
Möùc ñoä khoâng ñeàu cuûa beà
maët
n1
n2
n3
0,010
0,020
0,000
Söï thay ñoåi veà hình daùng
vaø kích thöôùc cuûa maët caét
ngang keânh
0,005
0,010 - 0,015
0,000
Trung bình
Cao
0,010 – 0,015
0,020 – 0,030
0,040 – 0,060
0,005 – 0,010
0,010 – 0,025
0,025 – 0,050
0,050 – 0,100
1,000
Aûnh höôûng cuûa vaät caûn
Raát cao
Thaáp
Aûnh höôûng cuûa lôùp thaûm
thöïc vaät, lôùp thaûm coù
chieàu cao
Trung bình
Cao
n4
Raát cao
Nhoû, Khoâng roõ
Roõ
Möùc ñoä uoán khuùc
m5
1,150
Nghieâm troïng
1,300
Phuï luïc P.1.3: Giaù trò cuûa heä soá nhaùm n ñoái vôùi moät soá keânh vaø oáng
Ñaëc tính cuûa keânh vaø oáng
nmin
ntr
nmax
OÁng vaø ñöôøng haàm
I.Kim loaïi:
•Ñoàng thau, nhaün
•Theùp
0,009
0,010
0,013
➢Noái baèng maët bít hoaëc haøn
➢Noái baèng ren hoaëc ñinh taùn
Gang
0,010
0,013
0,012
0,016
0,014
0,017
➢Coù sôn.
0,010
0,011
0,013
0,014
0,014
0,016
➢Khoâng sôn
I.Khoâng kim loaïi:
•Kính
•Goã
0,009
0,010
0,010
0,012
0,013
0,014
•Xi maêng
➢Saïch.
0,010
0,011
0,011
0,011
0,013
0,013
0,013
0,015
0,017
➢Coù traùt vöõa
•OÁng baèng ñaát seùt nung (ñeå thaùo nöôùc)
•Beâ toâng
➢Coáng thaúng, khoâng coù voâi gaïch naùt.
➢Coáng reõ nhaùnh, moät choã coù gaïch naùt
0,010
0,011
0,011
0,013
0,013
0,014
Keânh ñöôïc xaây phuû bôûi:
I.Kim loaïi:
•Theùp beà maët nhaün
➢Khoâng sôn
➢Coù sôn
0,011
0,012
0,021
0,012
0,013
0,025
0,014
0,017
0,030
•Beà maët coù neáp gaáp, nhaên
I.Khoâng kim loaïi:
•Xi maêng
➢Saïch.
0,010
0,011
0,011
0,013
0,013
0,015
➢Coù traùt vöõa.
•Goã
➢Coù baøo, khoâng xöû lyù.
➢Coù baøo, coù xöû lyù baèng creozot
➢Khoâng baøo.
0,010
0,011
0,011
0,012
0,012
0,013
0,014
0,015
0,015
•Beâ toâng
➢Treân neàn ñaù phaúng.
➢Treân neàn ñaù khoâng phaúng
0,017
0,022
0,020
0,027
Phuï luïc P.1.1: Kích thöôùc hình hoïc cuûa moät soá maët caét
Loaïi maët caét
B
A
P
B
b + 2h 1+ m2
b+2h
m
h
b+2mh
h(b+mh)
b
h
B
bh
b
mh2
h
2h 1+ m2
m
2mh
h
B
khi
0.15
B
2
8 h
h
B
h
B 1 +
khi
khi
0.33
2
2
3
2 2ph
3 B
Bh
h
1.78h + 0.61B
B
x2=2py
h
B
2h
khi
2
D2
8
2
D
D
( − sin)
2 h(D− h)
h
18 trang
15340
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Chương 1: Dòng chảy đều trong kênh hở", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_chuong_1_dong_chay_deu_trong_kenh_ho.ppt
