Bài giảng Thủy lực môi trường - Chương 6: Dòng chảy đều trong kênh hở - Nguyễn Thị Bảy

Nội dung text: Bài giảng Thủy lực môi trường - Chương 6: Dòng chảy đều trong kênh hở - Nguyễn Thị Bảy

1. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4.hcmut.edu.vn/~ntbay 1. KHÁI NIỆM CHUNG chiều sâu, diện tích ướt và biểu đồ phân bố vận tốc tại các mặt cắt dọc theo dòng chảy không đổi . Dòng chảy Các đặc trưng thuỷ lực không đổi đều dọc theo dòng chảy đường năng, mặt thoáng và đáy B kênh song song với nhau. h Các đặc trưng thủy lực của m/c ướt kênh: ϕ • Bề rộng đáy kênh : b b • Bề rộng mặt thoáng: B • Diện tích mặt cắt ướt: A • Chu vi ướt: P • Bán kính thủy lực: R = A/P • Hệ số mái dốc: m=cotgϕ CH. 6 - DÒNG ĐỀU - trang 1
2. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4.hcmut.edu.vn/~ntbay 2. Các phương pháp ước định hệ số nhám: 2.1. Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản: •Phương pháp SCS (soil Conversation Service Method): TTheo Cowan, hệ số n được tính như sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 nn0: Hs nhám cơ bản cho con kênh trong trường hợp tiêu chuẩn, (kênh thẳng, mặt cắt lăng trụ, đáy trơn và chỉ có một loại vật liệu). nn1: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp bề mặt kênh không đều. nn2: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kích thước và hình dạng mặt cắt ngang kênh thay đổi. nn3: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kênh có vật cản. nn4: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kênh có lớp phủ thực vật. mm5: Hệ số hiệu chỉnh trong trường hợp kênh uốn khúc. Ví dụ: đối với kênh đất tiêu chuẩn có n=0,02; nếu kênh này có tiết diện thay đổi loại nhỏ không đều thì hiệu chỉnh bằng cách cộng thêm n2 = 0,01, kênh bị bao phủ bởi một lớp cỏ thấp thì cộng thêm n4=0,005; kênh có độ uốn khúc rõ thì nhân tất cả cho hệ số hiệu chỉnh m5=1,15. Như vậy hệ số nhám Manning n cuối cùng được ước định là: n = (0,02 + 0,01 + 0,005).1,15 = 0,04 Các hệ số được cho trong phụ lục 1.2 Phương phap dung bang: Phương pháp này thường được sử dụng rộng rãi trong tính toán vì đơn giản. Từ những kênh thường gặp trong thực tế người ta ước định sẵn hệ số n theo kinh nghiệm hoặc thực nghiệm và lập thành bảng. Khi tính toán ta chỉ cần tra các tính chất của kênh thì có được hệ số n (xem phụ lục 1.3 ). PPhương pháp dùng hình ảnh: Từ những con kênh thực tế người ta đo đạc và xác định hệ số n, sau đó chụp ảnh và sắp xếp thành từng loại. Khi tính toán dựa vào các hình ảnh các kênh có sẵn n và ước định hệ số nhám n Phương pháp dùng biểu đồ lưu tốc: (bán thực nghiệm): 1 6 (x − 1)h U0,2 n = x = 6,78(x + 0,95) U0,8 Phương pháp dùng công thức thực nghiệm: Simons và Senturk (1976) Raudkivi (1976) Meyer–Peter và Muller (1948) (dùng cho kênh có vật liệu đáy hỗn hợp có kích thước nhỏ) 1 / 6 1 / 6 1 6 n = 0,047 d n = 0 ,013 d 65 n = 0 ,038 d 90 d65, d90 (mm) : lần lượt là đường kính của hạt mà trọng lượng của các hạt có đường kính nhỏ hơn hay bằng nó đạt 65%, 90%. CH. 6 - DÒNG ĐỀU - trang 3
3. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4.hcmut.edu.vn/~ntbay ° Phương pháp dùng biểu đồ: : Vẽ sẵn những đường quan hệ không thứ nguyên giữa các modul lưu lượng (module vận tốc) và độ sâu chảy đều , nếu biết được các modul lưu lượng ta có thể suy ra độ sâu chảy đều . W W = f ()h D K K ng = f1 ()h D ng 2 1 Q 1 2 / 3 V K = AR2 / 3 = W = R = n i n i 1 2 / 3 1 2 / 3 K = A R Wng = Rng ng n ng ng n ° Phương pháp số: Lập trình để thử dần ra độ sâu dòng đều. Ví dụ: nQ h =0; h =100 h = (h +h )/2 Tính AR2/ 3 So sánhAR2/ 3 với min max 0 min max i nQ nQ nQ Nếu: A R 2 / 3 > Nếu: A R 2 / 3 < Nếu: A R 2 / 3 = i i i thì hmax = h0 thì hmin = h0 thì h0 là đáp số h/D 1.0 0.9 A/Ang 0.8 K/Kng P/Png V/V 0.7 ng 0.6 R/Rng 0.5 0.4 0.3 B/D 0.2 0.1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 Đồ thị dùng để tính toán cống tròn CH. 6 - DÒNG ĐỀU - trang 5
4. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4.hcmut.edu.vn/~ntbay Ví dụ 2: Một kênh hình thang đáy rộng 3m, mái dốc m=1,5, độ dốc i=0,0016, hệ số nhám n=0,013. Xác định độ sâu chảy đều nếu lưu lượng trong kênh 7,1 m3/s Giải: nQ Từ phương trình : AR 2 / 3 = i nQ 0 , 013 . 7 ,1 Với: = = 2 , 3075 i 0 , 0016 A = ()b + m h h = (3 + 1,5 . h ) h P = b + 2 h 1 + m 2 = 3 + 2 . h . 1 + 1,5 2 = 3 + 3,606 h ()3 +1,5.h h R = 3 + 3,606h Bằng cách thử dần: h(m) A(m2) R(m) AR2 / 3 1,000 4,500 0,6812 3,484 0,800 3,360 0,5701 2,312 0,799 3,354 0,5704 2,3077 Suy ra: h0 = 0,779m Ví dụ 3: Xác định độ sâu chảy đều trong ống cống có đường kính 3m. lưu lượng 5 m3/s, hệ số nhám n=0,02 và độ dốc i=0,0009 Giải: Q 5 3 Với: K = = = 167 m s i 0,0009 2 2 7,068 πD π3 2 ; A = = = 7,068m ; Png = πD = π.3 = 9,425m Rng = = 0,75m ng 4 4 9,425 1 7,068.(0,75)2 / 3 K = A R2 / 3 = = 291,78m3 / s ng n ng ng 0,020 ⎛ h ⎞ K 167 h f1 ⎜ ⎟ = = = 0,572 ⇒ = 0,54 ⇒ h = 0,54.3 =1,63m ⎝ D ⎠ K ng 291,78 D Ví dụ 4: Xác định kích thước (b, h) của kênh hình thang cho biết Q = 75 m 3 s V = 1,25 m s m = 2 n = 0,0225 i = 0,00038 Giải: 3/ 2 3/ 2 ⎛ nV ⎞ ⎛ 0,0225.1,25 ⎞ A 60 Q 75 2 ⎜ A = = = 60m R = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ = 1,74m P = = = 34,5 V 1,25 ⎝ i ⎠ ⎝ 0,00038 ⎠ R 1,74 ⇒ A = ()b + 2h h = 60 ; P = b + 2h 1 + 22 = 34,45 h = 2,03m; b = 25,54m ⇒ 2,472 h 2 − 34,5 h + 60 = 0 ⇒ 1 1 h 2 = 11 ,95 m ; b 2 < 0 ⇒ b = 25,54m ; h = 2,03m CH. 6 - DÒNG ĐỀU - trang 7
5. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4.hcmut.edu.vn/~ntbay Phụ lục P.1.3: Giá trị của hệ số nhám n đối với một số kênh và ống Đặc tính của kênh và ống nmin ntr nmax •Ống và đường hầm I.Kim loại: •Đồng thau, nhẵn 0,009 0,010 0,013 •Thép ¾Nối bằng mặt bít hoặc hàn 0,010 0,012 0,014 ¾Nối bằng ren hoặc đinh tán 0,013 0,016 0,017 Gang ¾Có sơn. 0,010 0,013 0,014 ¾Không sơn 0,011 0,014 0,016 I.Không kim loại: •Kính 0,009 0,010 0,013 •Gỗ 0,010 0,012 0,014 •Xi măng ¾Sạch. 0,010 0,011 0,013 ¾Có trát vữa 0,011 0,013 0,015 •Ốngbằngđấtsétnung(đểtháonước) 0,011 0,013 0,017 •Bê tông ¾Cống thẳng, không có vôi gạch nát. 0,010 0,011 0,013 ¾Cống rẽ nhánh, một chỗ có gạch nát 0,011 0,013 0,014 •Kênh được xây phủ bởi: I.Kim loại: •Thép bề mặt nhẵn ¾Không sơn 0,011 0,012 0,014 ¾Có sơn 0,012 0,013 0,017 •Bề mặt có nếp gấp, nhăn 0,021 0,025 0,030 I.Không kim loại: •Xi măng ¾Sạch. 0,010 0,011 0,013 ¾Có trát vữa. 0,011 0,013 0,015 •Gỗ ¾Có bào, không xử lý. 0,010 0,012 0,014 ¾Cóbào, cóxửlýbằngcreozot 0,011 0,012 0,015 ¾Không bào. 0,011 0,013 0,015 •Bê tông ¾Trênnềnđáphẳng. 0,017 0,020 ¾Trênnềnđákhôngphẳng 0,022 0,027 Phụ lục P.1.1: Kích thước hình học của một số mặt cắt Loại mặt cắt B A P B h m b+2mh h(b+mh) b2h1m++2 b B h B bh b+2h h b m b 2 h m 2mh mh 2h 1+ m2 h ≈ B khi ≤ 0.15 B 2 ⎡ 8 ⎛ h ⎞ ⎤ h ≈ B⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ khi ≤ 0.33 22ph 2 h Bh ⎣⎢ 3 ⎝ B⎠ ⎦⎥ B 3 h ≈ 1.78h + 0.61B khi ≤ 2 B x2=2py h ≈ 2h khi > 2 B D2 θ D (sin)θ− θ D 2 h θ 2h(Dh)− 8 CH. 6 - DÒNG ĐỀU - trang 9