Đang tải... (xem toàn văn)
ục tiêu: Trang bị cho sinh viên những kiến thưc cở sở về thủy lực: thủy tĩnh lực, động học, động lực học. Hiểu rõ các quy luật cân bằng, chuyển động và mối liệ hệ giữa lực và chuyển động
Chương 9 : Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên Chương 9 DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG SÔNG THIÊN NHIÊN 9.1 Khái niệm chung và cách chia đoạn So với dòng chảy trong kênh hở, dòng chảy trong sông phức tạp hơn rất nhiều vì các yếu tố thủy lực thay đổi rất phức tạp dọc theo dòng sông. Ngoài ra, độ nhám lòng sông cũng khác nhau theo từng vị trí. Không chỉ có lưu lượng thay đổi mà trong sôn, các yếu tố như mặt cắt ướt, bề rộng sông, chu vi ướt .cũng thay đổi theo từng thời gian, do đó lưu tốc thay đổi theo không gian và thời gian. Tuy nhiên, sự thay đổi này không diễn ra nhanh chóng mà thường là chậm, do vậy khi tính toán dòng sông trong điều kiện không có lũ ta có thể coi là dòng ổn định. Trong tính toán dòng sông, ta không đề cập tới độ dốc đáy do đáy sông rất gồ ghề lồi lõm. Do tính chất phức tạp của dòng sông mà ta không thể xét các yếu tố của dòng sông dưới dạng một hàm số đơn giản của độ sâu và chiều dài được. Do vậy không thể giải trực tiếp các phương trình vi phân viết cho dòng chảy sông mà sử dụng biện pháp chia đoạn để giải bằng phương trình sai phân. Hình 9 - 1: Sự hình thành đường nước dâng trong sông thiện nhiên Đoạn chia phải có lưu lượng không thay đổi, nghĩa là trên đoạn không có sông nhánh, sông con đổ vào hay chảy ra, mặt cắt sông phải thay đổi ít và trên mõi đoạn có một độ dốc mặt nước và độ nhám thống nhất. Việc chia đọan có thể sử dụng bản đồ địa hình, ngoài ra có thể có các đồ thị quan hệ của các yếu tố mặt cắt sông. Đồng thời cần sử dụng tài liệu quan trắc của các trạm đo nước đễ vẽ đường mặt nước trên sông. Từ đó có thể chia đoạn sông hợp lý và chính xác nhất. 9.2 Phương trình cơ bản của dòng chảy trong sông Đối với sông thiên nhiên, do sự thay đổi phức tạp của độ sâu dòng chảy nên ta không thể xét quan hệ giữa độ sâu và chiều dài giống như trong kênh nhân tạo. Ta xét mối quan hệ giữa cao trình mực nước trong sông và độ dài dòng chảy. Từ biểu thức năng lượng : 9-1 Chương 9 : Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên gVPzE221αγ++= → JgVdlddldzdldE−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=22α → JgVdlddldz+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−22α (9-1) Mặt khác : ()cdwhhdlddldhJ +== Trong đó : lKQhd.22= → 22KQdldhd= và gVhcc2.2ξ= → ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=gVdldhldhcc22ξ Thay vào (9-1) có : ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=−gVdldgVdldKQdldzc2.22222ξα → phương trình cơ bản của dòng chảy trong sông. dldz : biểu thị sự biến thiên của mực nước trong sông (+ hoặc -) 22KQ : biểu thị tổn thất dọc đường. ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛gVdld22α : biểu thị sự biến thiên động năng trung bình do biến thiên lưu tốc ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛gVdldc22ξ : biểu thị tổn thất cục bộ (luôn +) Trong tính toán, người ta chuyển từ phương trình vi phân sang phương trình sai phân : ()()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−++∆=−−=∆gVgVlKQzzztdctd222222ξα (9-2) trong đó : α = αd = αtcξ được lấy như sau : + Sông thu hẹp dần : Vd > Vtcξ = 0 → ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+∆=∆gVgVlKQztd222222α + Sông mở rộng dần Vd < Vt → cξ= -1 phương trình trở thành : lKQz ∆=∆22 (9-3) 9-2 Chương 9 : Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên 9.3 Xác định các yếu tố thủy lực của mặt cắt và độ nhám lòng sông Đối với sông thiên nhiên, chiều rộng sông thường lớn hơn rất nhiều so với chiều sâu nên để đơn giản ta thường lấy các đặc trưng như sau : + Đối với sông rộng : χ = B hBR ===ωχω + Đối với sông hẹp : hBRhB22+==+=ωχωχ Các đại lượng trung bình : ()()()RCKRRRdtdtdt222212121ωχωχχχωωω=+==+=+= Từ phương trình (9-2) thay K vào, xác định C như sau : ()()()RgVgVzlQCRClQgVgVzgVgVlKQztdctdctdc22222222222222222222ωξαωξαξα⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−∆∆=→∆=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−∆→⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−++∆=∆ Đối với phương trình (9-3) : lKQz ∆=∆22 ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−∆∆=RgVgVzlQCtdc222222ωξα Theo Maninh : 611RnC = và công thức (9-3) ta tính được n 9-3 Chương 9 : Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên JRVCJRVCRCQKQJlz 2222222=→=→===∆∆ω thay vào công thức Maninh : 6161 1RVJRnRCn=→= hay VJRn2132.= 9-4 . < Vt → cξ= -1 phương trình trở thành : lKQz ∆=∆22 ( 9- 3 ) 9- 2 Chương 9 : Dòng chảy ổn định trong sông thiên nhiên 9. 3 Xác định các yếu tố thủy lực của mặt. phương trình ( 9- 3 ) : lKQz ∆=∆22 ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−∆∆=RgVgVzlQCtdc222222ωξα Theo Maninh : 611RnC = và công thức ( 9- 3 ) ta tính được n 9- 3 Chương 9 : Dòng