Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 1: Dòng chảy đều trong kênh hở - Nguyễn Thị Bảy

Nội dung text: Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 1: 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 • Diệntíchmặtcắtướt: A • Chu vi ướt: P • Bán kính thủy lực: R = A/P • Hệ số mái dốc: m=cotgϕ DÒNG ĐỀU 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): Theo Cowan, hệ số n được tính như sau: n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4).m5 n0: 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). n1: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp bề mặt kênh không đều. n2: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kích thước và hình dạng mặt cắt ngang kênh thay đổi. n3: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kênh có vật cản. n4: Hệ số bổ sung thêm trong trường hợp kênh có lớp phủ thực vật. m5: 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 pháp dùng bảng: 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 ). ƒ Phương 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 = U ƒ Phương pháp dùng công thức thực nghiệm: 6,78(x + 0,95) 0,8 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%. DÒNG ĐỀU 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 thểsuyrađộsâuchảyđều. 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 4.2. Thiết kế kênh: Điều kiện: 1. Mặt cắt có lợi nhất về thủy lực m/c có dt ướt min nhưng cho lưu lượng max. * Nếu dòng chảy trong hai kênh có cùng diện tích mặt cắt ướt, thì kênh nào dẫn lưu lượng lớn hơn, kênh đó có mặt cắt lợi hơn về mặt thủy lực. •* Ngược lại, nếu hai kênh cùng dẫn một lưu lượng như nhau, thì kênh nào có diện tích mặt cắt ướt nhỏ hơn, kênh đó có mặt cắt lợi hơn về mặt thuỷ lực. •* Trong các mặt cắt thường gặp như hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình tròn thì mặt cắt hình tròn là mặt cắt có lợi nhất về thủy lực. •* Tuy nhiên cần chú ý rằng mặt cắt có lợi nhất về thủy lực chưa hẳn là mặt cắt có lợi nhất về kinh tế. A = (b + mh )h = (β + m )h 2 ¾Kênhhìnhthang:Đặt: β = b h ⇒ 2 2 Điều kiện: P = b + 2h 1 + m = h(β + 2 1 + m ) dA dh dP dh 2 = h 2 + 2h ()β + m = 0 = β + 2 1 + m + h = 0 dβ dβ dβ dβ 2 b 2 2 1 + m − m + m h h ⇒ β = = 2 1 + m − m R ln = = ln h 2 1 + m 2 − m + 2 1 + m 2 2 DÒNG ĐỀU 5
4. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4. hcmut.edu.vn/~ntbay 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 Ví dụ 5: Kênh hình thang có hệ số mái dốc m, hệ số nhám n, độ dốc đáy i, dẫn lưu lượng Q. Tính kích thước của kênh (bề rộng đáy b và độ sâu h) sao cho kênh có mặt cắt lợi nhất về mặt thủy lực.Tính bằng số với m=0,5; n=0,02; i=0,0001; Q=50 m3/s Giải: 1 2 Theo công thức tính lưu lượng: Q = AR 3 i n ThếA = ()b + m h h và R=h/2 (từ đk kênh có m/c tlực lợi nhất). Ta có : 2 2 1 ⎛ h ⎞ 3 1 ⎛ b ⎞ ⎛ h ⎞ 3 Q = (b + mh)h⎜ ⎟ i = ⎜ + m⎟h 2 ⎜ ⎟ i n ⎝ 2 ⎠ n ⎝ h ⎠ ⎝ 2 ⎠ 2 1 ⎛ h ⎞ 3 = ()β + m h 2 ⎜ ⎟ i n ⎝ 2 ⎠ b Trong p.tr trên, ta thay đ.k lợi nhất về thuỷ lực: β = = 2 1 + m2 − m h 2 3 1 2 2 ⎛ h ⎞ 3 Suy ra : Q = (2 1 + m − m)h ⎜ ⎟ i 2 8 n ⎝ 2 ⎠ ⎛ Qn2 3 ⎞ h = ⎜ ⎟ Vậy để kênh hình thang có m/c lợi nhất TL thì: : ⎜ 2 ⎟ ⎝ (2 1+ m − m) i ⎠ Thế số vào ta có: h= 5,44m; b=6,72m; b = βh = 2( 1+ m2 − m)h DÒNG ĐỀU 7
5. TS. Nguyễn Thị Bảy, ĐHBK tp. HCM, www4. hcmut.edu.vn/~ntbay 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 DÒNG ĐỀU 9