Tải bản đầy đủ

Ứng dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp áp dụng tính toán tràn xả lũ hồ chứa

i

L I CAM OAN
Theo Quy t đ nh s 2039/Q - HTL ngày 27 tháng 10 n m 2015 c a
Hi u tr

ng Tr

ng

i h c Th y l i, v vi c giao đ tài lu n v n và cán b h

d n cho h c viên cao h c đ t 4 n m 2015, tôi đã đ
ph

c nh n đ tài “

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n

d ng tính toán tràn x l h ch a” d


is h

ng

ng d ng

c có đo n thu h p – Áp

ng d n c a th y giáo TS. Lê Thanh

Hùng.
Tôi xin cam đoan lu n v n là k t qu nghiên c u c a tôi, không sao chép c a
ai. N i dung lu n v n có tham kh o và s d ng các tài li u, thông tin đ

c đ ng t i

trên các tài li u và các trang website theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n v n.

Hà N i, ngày

tháng

Tác gi lu n v n

ào Th Mai

n m


ii

L IC M

N

Lu n v n th c s chuyên ngành Xây d ng công trình Th y L i v i đ tài:
“ ng d ng ph

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n


thu h p – Áp d ng tính toán tràn x l h ch a” đ

c có đo n

c hoàn thành v i s giúp đ t n

tình c a các Th y giáo, cô giáo trong B môn Th y Công, Khoa Công trình, Tr

ng

đ i h c Th y l i cùng các b n bè.
Em xin chân thành c m n s h

ng d n t n tình c a các th y cô giáo, s

giúp đ c a b n bè cùng t p th l p 22C11, và đ c bi t là th y giáo TS. Lê Thanh
Hùng đã ch b o, h

ng d n t n tình, truy n đ t các ki n th c c a mình cho em

hoàn thành lu n v n t t nghi p c a mình.
M c dù b n thân đã c g ng nh ng kinh nghi m th c t không có, l i v

ng

b n nhi u chuy n gia đình nên đ án không tránh kh i nh ng thi u sót . Kính mong
các th y cô giáo góp ý cho em đ em bi t đ

c nh ng sai sót và bi t thêm đ em có

thêm ki n th c đ áp d ng th c ti n.
Em xin chân thành c m n!

Hà n i, ngày

tháng

n m

Sinh viên th c hi n

ào Th Mai


iii

M CL C
DANH M C HÌNH NH ..........................................................................................v
DANH M C B NG BI U ..................................................................................... vii
DANH M C CÁC T
M

VI T T T ........................................................................ viii

U ................................................................................................................... ix
1. Tính c p thi t c a đ tài. ................................................................................. ix
2. M c đích c a
it

3.

tài. .........................................................................................x

ng và ph m vi nghiên c u.....................................................................x

4. Cách ti p c n và ph

ng pháp nghiên c u. ......................................................x

5. C u trúc c a lu n v n. ..................................................................................... xi
CH

NG I. T NG QUAN V BÀI TOÁN DÒNG XI T ......................................1

TRÊN D C N

C ....................................................................................................1

1.1. T ng quan v d c n

c và dòng ch y trên d c n

1.1.1. T ng quan v d c n

c. ...................................1

c...........................................................................1

1.1.2. T ng quan v dòng ch y trên d c n

c. .................................................2

1.1.3. Các đ c đi m c a dòng xi t ....................................................................4
1.1.4. Các bi n pháp công trình đ đi u khi n dòng xi t..................................6
1.2. T ng quan v các ph

ng pháp tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c. .....9

1.2.1.Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph ng
pháp c ng tr c ti p. ...........................................................................................10
1.2.2. Ph

ng pháp tích phân g n đúng. ...........................................................11

1.2.3. Ph

ng pháp s .......................................................................................11

1.3. Các d ng bài toán tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c..........................14

1.4. Gi i h n ph m vi nghiên c u c a lu n v n. ................................................14
CH NG II. C S LÝ THUY T TÍNH TOÁN DÒNG CH Y XI T TRÊN
D CN
C CÓ O N THU H P .........................................................................16
2.2. Ph

ng pháp gi i tích thông th

ng ..............................................................16

2.2.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph ng
pháp c ng tr c ti p. ...........................................................................................16
2.2.2. Ph
2.2. H ph

ng pháp tích phân g n đúng. ..........................................................17
ng trình n

2.2.1. H ph

c nông ...........................................................................18

ng trình n

c nông .....................................................................18

2.2.2. Tính ch t toán h c ...................................................................................20


iv

2.2.3. Bài toán Riemann ....................................................................................24
2.2.4. Bài toán Stoker và ritter ...........................................................................26
2.3. Ph

ng pháp s gi i h ph

ng trình n

c nông ..........................................35

2.3.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y hai chi u theo ph ng pháp
đ ng đ c tr ng. ................................................................................................35
2.3.2. Ph

ng pháp sai phân h u h n. ...............................................................37

2.3.3. Ph

ng pháp ph n t h u h n. ................................................................43

2.3.4. Ph

ng pháp th tích h u h n. ................................................................44

2.4. K t lu n ch

ng 2: .........................................................................................47

CH NG III. ÁP D NG K T QU NGHIÊN C U
TÍNH TOÁN CHO
CÔNG TRÌNH TH C T ........................................................................................49
3.1. Gi i thi u công trình tràn x l : .....................................................................49
3.1.1. Lý l ch công trình, c p công trình. ...........................................................49
3.1.2. Hi n tr ng và các thông s k thu t. .......................................................49
3.2 Tính toán th y l c dòng xi t trên d c n

c có đo n thu h p: .........................51

3.2.1. Tính toán theo ph

ng pháp gi i tích thông th

3.2.2. Tính toán theo ph

ng pháp s . ..............................................................54

3.2.3. Phân tích k t qu tính toán, đánh giá ph

ng. ..............................51

ng pháp s . ...........................61

K T LU N & KI N NGH : ...................................................................................63
1. K t qu đ t đ

c c a Lu n v n: .....................................................................63

2. M t s v n đ t n t i:......................................................................................64
3. H

ng ti p t c nghiên c u:.............................................................................64

TÀI LI U THAM KH O .........................................................................................65
PH L C ....................................................................................................................9


v

DANH M C HÌNH NH
Hình 1.1. Sóng gián đo n trên đ

ng tràn đ p Bennet (Canada) ...............................2

Hình 1.2. S lan truy n nhi u trong n

c t nh và n

c ch y .....................................5

Hình 1.3. D ng ch y bao c a dòng êm (a) và dòng xi t (b) .......................................5
Hình 1.4. Các hình th c đo n chuy n ti p thu h p có đáy ph ng. ..............................7
a) T

ng biên gãy khúc; b) T

c) T

ng biên d ng đ

ng biên là cung cong liên h p;.................................7

ng cong không nhi u; d) o n thu h p h

Hình 1.5. R i r c mi n tính b ng các ph n t tam giác (l
Hình 2.1.

ng m t n

ng tâm. .............7

i không c u trúc) .........13

c trên d c .........................................................................16

Hình 2.2. B n vùng không gian t

ng ng...............................................................21

Hình 2.3. S đ sóng shock.......................................................................................22
Hình 2.4. Các đ

ng đ c tr ng là h i t . ..................................................................22

Hình 2.5. S đ sóng Rarefaction .............................................................................23
Hình 2.6. S đ bài toán Riemann. ..........................................................................24
Hình 2.7. Quá trình v đ p ......................................................................................25
a) M c n

c ban đ u b) M c n

c) Phân b v n t c t i th i đi m t

c

m t th i đi m sau khi đ p v .................25
ng ng d) s đ sóng trên m t ph ng x-t ...25

Hình 2.8. B n d ng nghi m có th trong bài toán Riemann theo ph ng x khi gi i
theo SWE...................................................................................................................26
a)Rarefaction–Shock; b) Shock–Shock; c) Shock–Rarefaction;d) Rarefaction–
Rarefaction ................................................................................................................26
Hình 2.9. S đ bài toán Stoker ................................................................................26
Hình 2.10. S đ chung bài toán ...............................................................................29
Hình 2.11. Quá trình m c n
Hình 2.12. Quá trình l u l
Hình 2.13. Quá trình m c n
Hình 2.14. Quá trình l u l
Hình 2.15. Quá trình m c n
Hình 2.16. Quá trình l u l

c tr

ng h p 1 ..........................................................29

ng tr

ng h p 1 ...........................................................29

c tr

ng h p 2 ..........................................................30

ng tr

ng h p 2 ...........................................................30

c tr

ng h p 3 ..........................................................31

ng tr

ng h p 3 ...........................................................31

Hình 2.17. S đ bài toán Ritter................................................................................32
Hình 2.18. Quá trình m c n

c bài toán ritter ..........................................................34


vi

Hình 2.19.

ng đ c tr ng thu n và đ

ng đ c tr ng ngh ch. ..............................37

Hình 2.21. L

i tính toán cho bài toán 1 chi u ........................................................38

Hình 2.22. S đ toán................................................................................................39
Hình 2.23.

d c đo n AC ......................................................................................40

Hình 2.24. S đ gi i theo ph

ng pháp th tích h u h n Godunov........................44

Hình 3.1. S đ m t b ng tràn x l , h ch a H c Xoài, Qu ng Ngãi. ..................50
Hình 3.2. S đ m t b ng tràn x l , h ch a Khe Gia, Qu ng Ninh.....................51
Hình 3.3. Ví d chia mi n tính toán thành các ô l

i có ∆x=∆y=5m. ......................54

Hình 3.4. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,5m.........................................................................................................56
Hình 3.5. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,2m.........................................................................................................57
Hình 3.6. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,1m.........................................................................................................57
Hình 3.7. Phân b m c n

c và v n t c t i các m t c t ngang trên d c ..................59

Hình 3.8. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H Khe Gia ng v i ô l i nh có
∆x=∆y=0,1m .............................................................................................................60
Hình 3.9. Phân b m c n

c và v n t c t i các m t c t ngang trên d c ..................61


vii

DANH M C B NG BI U
B ng 1.1. Tiêu chí phân bi t các tr ng thái ch y. .......................................................3
B ng 3.1. Các thông s chính tràn x l . ..................................................................50
B ng 3.2. Các thông s tính toán. .............................................................................52
B ng 3.3.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n thu h p. ..................................53

B ng 3.4.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n không thu h p. .......................53

B ng 3.5. Các thông s tính toán. .............................................................................53
B ng 3.6.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n thu h p. ..................................53

B ng 3.7.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n không thu h p ........................54

B ng 3.8. Ví d File cao trình đáy khi mi n tính toán thành các ô l i có
∆x=∆y=5m. ...............................................................................................................55
B ng 3.9. Ví d File s li u đ u vào khi mi n tính toán thành các ô l i có
∆x=∆y=5m. ...............................................................................................................55
Ph l c ch

ng 2:........................................................................................................9

B ng 2.1. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 1 .............9

B ng 2.2. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 2 .............9

B ng 2.3. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 3 ...........10

B ng 2.4. K t qu tính toán quá trình m c n

c bài toán ritter ...............................10


viii

DANH M C CÁC T

VI T T T

B

B r ng kênh

C

T c đ sóng

KDX
g

i u khi n dòng xi t
Gia t c tr ng tr

ng

hk

sâu phân gi i

i

d c

J

d c th y l c

Q

L ul

K

Mô đun l u l

V

L u t c trung bình



T n ng m t c t

ng
ng

thu h p
ω

Di n tích m t c t

t


ix

M

U

1. Tính c p thi t c a đ tài.
Công trình tháo n
m i h ch a.

c là m t trong nh ng h ng m c quan tr ng nh t c a đ u

c thù c a công trình tháo n

xi t và có th gây ra các hi n t

c là dòng ch y qua công trình là dòng

ng th y l c b t l i nh : hàm khí, khí th c, sóng

xung kích, xói l h l u...Vì v y, tính toán th y l c công trình tháo n
gi i quy t các bài toán v kh n ng tháo n

c, t

c v n ph i

ng tác gi a dòng ch y và công

trình, n i ti p và tiêu n ng h l u…
Khi đ p t o h là đ p v t li u đ a ph
qua đ nh đ p đ
lo i đ

ng (đ t, đá) thì không th b trí tràn

c, do đó c n ph i b trí công trình tháo l ngoài thân đ p, trong đó

ng tràn h bên b là ph bi n nh t. Thành ph n công trình lo i này g m

kênh d n vào, ng
ng tháo n

ng tràn, đ

c sau ng

ng tháo n

c, b ph n tiêu n ng và kênh d n h l u.

ng trong th c t th

ng dùng d ng d c n

c có b trí

đo n thu h p.
iv id cn

c, các h h ng còn nhi u và đa d ng, ch y u là các nguyên

nhân th y l c gây ra. Trong thi t k , khi tính toán th y l c d c n
ph

ng pháp tính th y l c truy n th ng v dòng ch y trên d c (ph

tích thông th

c th

ng dùng

ng pháp gi i

ng) v i bài toán m t chi u nên ch a ph n ánh đúng tính ch t dòng

ch y trên d c n

c. Ph

ti p thu h p trên d c n

ng pháp tính toán này ch thích h p v i các đo n chuy n
c lo i v a và nh , có m c đ ch y xi t

đ u d c không

cao.
Ph

ng pháp s là ph

hay tích phân. Có 3 d ng ph

ng pháp phân rã ph

ng trình toán h c d ng vi phân

ng pháp s đã và đang đ

c dùng ph bi n hi n nay:

sai phân h u h n, ph n t h u h n và th tích h u h n. Trong th y l c, viêc ng
d ng ph

ng pháp s trong mô ph ng dòng ch y l hay dòng ch y trên các đ a hình

ph c t p đ

c s d ng r ng rãi b i tính hi u qu trong vi c mô ph ng chính xác

các hi n t

ng th y l c ph c t p nh sóng xiên, sóng gián đo n, chu i n

mà các ph

ng pháp th y l c thông th

ng không ch ra đ

c.

c nh y…


x

L a ch n ph
giúp ng

ng pháp s cho bài toán thu l c dòng xi t trên d c n

c

i s d ng có th tính toán nhi u k ch b n khác nhau m t cách nhanh

chóng và hi u qu , các gi i pháp công trình đ u có th mô ph ng đ
ph n m m đ

c nh các

c l p trình trên máy tính đi n t .

Chính t các nguyên nhân trên em đã l a ch n đ tài lu n v n th c s : “ ng
d ng ph

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c có đo n thu h p

– Áp d ng tính toán tràn x l h ch a”.
2.

M c đích c a

tài.

Nghiên c u đ c đi m c a dòng ch y xi t trên d c n

c: Dòng ch y trong

lòng d n h (có m t thoáng) có đ d c l n và tr ng thái ch y là ch y xi t.
Xây d ng ph
3.

ng pháp s và ch

ng trình tính t

it

ng và ph m vi nghiên c u.

it

ng nghiên c u:

ng ng mô ph ng dòng ch y.

- Nghiên c u đ c đi m dòng ch y xi t trên d c n
- L a ch n ph

c.

ng pháp s đ mô ph ng dòng ch y xi t trên d c n

c.

- Áp d ng cho m t công trình c th .
Ph m vi nghiên c u:
- Dòng ch y xi t trên d c n

c có đo n thu h p d n.

- Dòng ch y xi t trong kênh d n n
4.

Cách ti p c n và ph

c qua s

n d c có đ d c l n.

ng pháp nghiên c u.

Cách ti p c n:
- Thông qua các tài li u: Giáo trình th y công, giáo trình th y l c, các giáo
trình chuyên ngành v đ p tràn - n i ti p và tiêu n ng, các tài li u chuyên ngành,
sách, báo, qua m ng internet, …
- Nghiên c u các ph

ng pháp tính th y l c d c n

Vi t Nam.
- L a ch n ph

ng pháp s phù h p.

- Thông qua h s thi t k m t công trình c th .

c đã và đang áp d ng


xi

Ph

ng pháp nghiên c u:

- T ng k t th c ti n, đi u tra thu th p các s li u, ph
dòng xi t trên d c n

c có đo n thu h p th

ng pháp tính toán

ng áp d ng trong th c t .

- T ng h p các nghiên c u khoa h c, các h i th o v tính toán dòng xi t trên
d cn

c có đo n thu h p.
- Ph

ng pháp nghiên c u lý thuy t, s d ng mô hình s và xây d ng ph n

m m tính toán dòng xi t.
- Ph

ng pháp phân tích, t ng h p.

- Xin đóng góp ý ki n c a các chuyên gia.
5.

C u trúc c a lu n v n.
Ngoài ph n m đ u kh ng đ nh tính c p thi t c a đ tài, các m c tiêu c n đ t

đ

c khi th c hi n đ tài, đ i t

ng và ph m vi nghiên c u, cách ti p c n và

ph

ng pháp th c hi n đ đ t đ

c các m c tiêu đó; ph n k t thúc; ph n ph l c;

danh m c tài li u tham kh o, n i dung chính c a lu n v n g m 3 ch
Ch
v d cn
trên d c n
Ch

ng 1: T ng quan v bài toán dòng xi t trên d c n
c, dòng ch y trên d c n

c, các ph

c.

ng nh sau:
a ra t ng quan

ng pháp tính tán dòng ch y xi t

c.
ng 2: C s lý thuy t tính toán dòng ch y xi t trên d c n

thu h p. Nêu c th các ph
gi i tích thông th

ng pháp tính toán dòng ch y xi t theo ph

ng, vi t h ph

ng trình n

c có đo n
ng pháp

c nông, các tính ch t toán h c. Sau

đó đ a ra bài toán Riemann m t chi u cho ph

ng trình n

c nông là bài toán

chung v v đ p. Ngoài ra còn đ a vào hai bài toán stoker và ritter, so sánh s ph
thu c c a quá trình m c n

c, quá trình l u l

sóng gián đo n gi i b ng ph

ng vào th i gian, đó là hai bài toán

ng pháp gi i tích duy nh t có nghi m gi i tích, còn

đa ph n bài toán gi i tích s không tìm ra nghi m chính xác c a h ph
n

c nông. Ngoài ra còn đ a các ph

Trong các ph

ng pháp s đ tính toán th y l c dòng ch y.

ng pháp đã đ a ra ta l y m t ph

c ng tr c ti p và m t ph

ng trình

ng pháp s là ph

ng pháp gi i tích là ph

ng pháp

ng pháp th tích h u h n đ đ a vào

th c t . Sau đó phân tích, so sánh các k t qu đ th y đ

c s c n thi t áp d ng


xii

ph

ng pháp s vào nh ng bài toán ph c t p thay vì áp d ng ph

thông th

ng có th không tìm đ

c l i gi i, hay không ch rõ đ

ng pháp gi i tích
c b ng ph

ng

pháp s .
Ch

ng 3: Áp d ng k t qu nghiên c u đ tính toán cho công trình th c t .

a ra hai công trình th c t là tràn x l h ch a H c Xoài và tràn x l h ch a
Khe Gia, tính toán th y l c dòng xi t trên d c theo hai ph
th

ng và ph

ng pháp s , phân tích k t qu và đánh giá.

ng pháp gi i tích thông


1

NG I. T NG QUAN V BÀI TOÁN DÒNG XI T
TRÊN D C N
C

CH

1.1. T ng quan v d c n
1.1.1. T ng quan v d c n

c và dòng ch y trên d c n

c.

c.

Công trình tháo l ki u h là d ng công trình n i ti p ph bi n đ đ a dòng
ch y v sông h l u, có kh n ng tháo l u l
h g m: đo n kênh chuy n ti p tr

ng l n. Trong s đ b trí đ

cd cn



c n i v i ng

tràn d c), ho c máng bên (s đ tràn ngang), sau đó là d c n
l u. Yêu c u b trí b r ng ng
gi m nh kh i l
n

Th a Thiên Hu , S n La

h t đ u s d ng công trình tháo l d ng d c n
l ul
n

c, tiêu n ng, kênh h

ng làm d c mà v n đ m b o yêu c u tháo l u l

Thanh Hóa, T Tr ch

ng tràn (s đ

ng tràn l n, sau đó có đo n thu h p

c ta, nhi u công trình th y l i nh Hòa Bình

ng tháo. Nh h ch a Gò Mi u

ng tràn

d cn



ng thi t k .

Hòa Bình, C a

S n La, Yali

t

Gia Lai… H u

c v i quy mô l n v kích th

Thái Nguyên: N i ti p sau ng

c và

ng là d c

c dài 125m; đ d c 10%, m t c t ngang d c hình thang v i mái nghiêng m =

0,5, đo n đ u d c dài 25m là đo n thu h p, ti p đ n là đo n d c n
không đ i b = 15m). Hay công trình h Yên L ch II
N i ti p sau ng

ng tràn là d c n

c có b r ng

huy n Kim Bôi, Hòa Bình:

c dài 29m, trong đó đo n thu h p dài 6,5m,

chi u r ng đo n thu h p thay đ i d n t 6m đ n 4m đ d c i = 6.5%. Sau đo n thu
h p là d c n
L cđ i

c có b r ng không đ i dài 22m, đ d c i = 7.71%. H ch a n

t nh Qu ng Nam: Tràn x l có hình th c tràn Ophixerop ch y t do có

k t h p x sâu, sau tràn là d c n
n

c

c và b tiêu n ng đáy cu i d c n

c.

o nd c

c sau tràn có đ d c i = 10% t cao trình +71.40 xu ng cao trình +49.40m, n i

ti p đo n chân đ nh tràn đ n d c n

c là đo n thu h p d n t 32m v 20m, đ d c

d c i = 3% và chi u dài t ng c ng là 30m.
Hình th c b trí đo n thu h p trên d c r t phong phú, theo quy mô công trình
có th xét đ n các d ng sau:
+ o n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên th ng.


2

+ o n thu h p có đáy cong và t
+ o n thu h p có t

ng bên th ng.

ng bên cong và đáy cong.

+ o n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên lo i “không nhi u”.

Trong ph m vi lu n v n này ta ch gi i quy t các v n đ th y l c ph c t p
xu t hi n trên đo n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên th ng.

Nh v y vi c làm đo n lòng d n thu h p t kênh chuy n ti p vào d c n
là m t gi i pháp k thu t nh m gi m kh i l

ng công trình d c n

c (kh i l

c
ng

đào đ t đá và v t li u bê tông thân d c. V m t th y l c thì đây là m t d ng KDX,
đ a dòng ch y t r ng đ n h p, t l u t c nh đ n l u t c l n h n.
1.1.2. T ng quan v dòng ch y trên d c n

Hình 1.1. Sóng gián đo n trên đ
Dòng ch y trong d c n
các đ

ng tràn, d c n

c

c có th

c.

ng tràn đ p Bennet (Canada)
tr ng thái ch y êm hay ch y xi t. Trên

các công trình th y l i đ u m i th

xi t. Các d ng công trình này th

ng là dòng ch y

ng có đo n thu h p nh m chuy n ti p dòng ch y

sau đ p tràn đ nh r ng ho c m t c t th c d ng v i đo n d c không thu h p

phía


3

sau. Không nh dòng ch y êm bi n đ i d n, trong dòng ch y xi t có th xu t hi n
các hi n t

ng nh : sóng l n, tr n khí, hay khí th c. Thêm vào đó n u s Froude

c a dòng ch y l n, s xu t hi n c a sóng đ ng hay s dao đ ng c a m t n
d c là v n đ c n l u ý khi tính toán th y l c hay thi t k đ

c trên

ng tràn.

Có th s d ng các tiêu chí khác nhau đ phân bi t 2 tr ng thái ch y này.
Tùy theo quan h t

ng đ i gi a th n ng và đ ng n ng trong thành ph n

c a t n ng m t c t mà phân bi t các tr ng thái c a dòng ch y nh sau:
- Dòng ch y êm: khi chi u sâu h > h k ; trong thành ph n c a t n ng m t c t,
th n ng (h) có giá tr l n, còn đ ng n ng (

) có giá tr nh .

- Dòng ch y xi t: khi chi u sâu h < h k , khi đó th n ng có gí tr nh , đ ng
n ng có giá tr l n.
- Dòng ch y phân gi i: khi h = h k .
T i m i m t c t c a đo n chuy n ti p, ch đ ch y xi t đ
mãn đi u ki n: h < h k , trong đó h – đ sâu n

c duy trì khi th a

c t i m t c t; h k – đ sâu phân gi i.

V i đo n thu h p thì tr s h k t ng d n theo chi u dòng ch y.
Nói chung, tr ng thái n i ti p ch y xi t trên đo n thu h p có tính n đ nh v
th y l c cao. S t o thành sóng xiên trên đo n này là không tránh kh i, nh ng đây
là sóng d ng, t c có v trí n đ nh và có th ki m soát đ
v y trong thi t k đo n thu h p trên d c n

c chi u cao c a nó. Vì

c c n kh ng ch m c đ thu h p



chi u dài đo n chuy n ti p L t đ duy trì ch đ ch y xi t trên đó.
Ngoài đ sâu h, còn có th s d ng các tiêu chí khác đ phân bi t các tr ng
thái ch y nh trên b ng 1.1.
B ng 1.1. Tiêu chí phân bi t các tr ng thái ch y.
Ch y êm
Ch y phân gi i
Ch y xi t

Thông s
sâu h

h > hk

h = hk

h < hk

S Froude Fr

Fr < 1

Fr = 1

Fr > 1

L u t c trung bình

V
V=C

V>C

Khi đ

ng biên c a dòng ch y có thay đ i (r ngo t vào hay ngo t ra kh i

dòng ch y) thì dòng ch y s có bi n d ng t

ng ng. Tuy nhiên, ph n ng c a dòng


4

ch y xi t và dòng ch y êm có s khác nhau rõ r t. Ch ng h n, khi t

ng bên r

ngo t vào trong dòng ch y thì dòng êm có ph n ng t t , ngh a là các đ

ng dòng

có s u n cong r vào phía trong t tr

c không

c khi t

có thay đ i rõ r t khi đi qua đi m gãy c a t
là đ t ng t và khá m nh m : tr

ng các đ

ng thì đ sâu dòng ch y và h

cách đ t ng t.

c l i, ph n ng c a dòng xi t
ng bên, dòng ch y ch a có

ng dòng), ch khi đi qua v trí

ng đ

ng dòng m i thay đ i m t

ng ranh gi i gi a 2 mi n c a dòng ch y có đ sâu khác nhau g i

là tuy n sóng, trong tr
t

ng. Ng

c v trí r ngo t c a t

ph n ng gì (không thay đ i đ sâu và h
r ngo t c a t

ng r ngo t, và đ sâu n

ng h p t

ng r ngo t và xiên góc v i h

ng r ngo t vào trong, tuy n sóng đi qua đi m
ng ch y ban đ u. Khi tuy n sóng này g p b đ i

di n c a lòng d n, nó s có ph n x , và c th truy n đi trên m t đo n dài c a dòng
ch y, gây ra nhi u tác đ ng làm thay đ i các thông s c a dòng ch y trong mi n
nh h

ng.
Dòng ch y xi t th

ng xu t hi n trên các đ

ng tràn, d c n

c. Khi các

d ng công trình này có đo n thu h p chuy n ti p, chu i sóng gián đo n s hình
thành do s va đ p c a dòng xi t v i thành bên. Các ph
dòng ch y n đ nh m t chi u trên kênh h th

ng dùng không th mô ph ng đ

hi n tr ng này nên có th dùng mô hình s tr gi i h ph
chi u nh m mô ph ng đ
c th

c các n

ng pháp tính th y l c
ng trình n

c

c nông hai

c nh y này, sau đó áp d ng cho m t công trình

Vi t Nam.
Th c t xây d ng các h ch a n

c th y l i cho th y kinh phí cho xây d ng

công trình tháo l chi m m t t tr ng đáng k trong t ng v n đ u t xây d ng công
trình. Vì v y trong thi t k luôn ph i gi i quy t bài toán kinh t k thu t đ đ m b o
l a ch n đ

c ph

ng án công trình làm vi c an toàn, h p lý và kinh phí xây d ng

là nh nh t.
1.1.3. Các đ c đi m c a dòng xi t
Trong dòng ch y ch t l ng không nén đ

c do nh ng nguyên nhân khác

nhau có th phát sinh các nhi u đ ng c a các thông s chuy n đ ng (l u t c, cao đ


5

m t t do, áp l c...). Các nhi u đ ng lan truy n trong ch t l ng v i m t t c đ nào
đó nói chung là khác v i t c đ chuy n đ ng c a ch t l ng.
Ch ng h n t a m t đi m nào đó trên m t t do c a ch t l ng đ ng yên, t i th i
đi m t o phát sinh m t nhi u đ ng nh . Nhi u đ ng này s lan truy n v m i phía
v i t c đ C nào đó. N u phân tích đ c đi m lan truy n nhi u trên m t t do trong
ch t l ng chuy n đ ng, ta s th y r ng nó ph thu c vào t s V/C. Trong tr
h p V/C <1, nhi u lan t a v m i phía, nh ng v phía ng

ng

c chi u dòng ch y v i

v n t c nh nh t (C-V). N u V/C=1 thì nhi u không th truy n v

t quá đ

ng đi

qua đi m ngu n và vuông góc v i chi u dòng ch y. Còn n u V/C>1 thì nhi u đ ng
nói chung không th v

t quá đ

m t góc =arcsin C/V.

ng đi qua ngu n nhi u và t o v i chi u dòng ch y

ng th ng này đ

c g i là đ

ng nhi u.

c.
t

c
v
v=0

c-v

a)

c+v
c

b)

v=c
c>v

d)

c)

Hình 1.2. S lan truy n nhi u trong n

v1

c t nh và n

c ch y

v1

a)

b)

Hình 1.3. D ng ch y bao c a dòng êm (a) và dòng xi t (b)


6

T đ c đi m lan truy n c a sóng nhi u rút ra là khi V/C <1, các đ
s bi n d ng
>1 thì các đ

m t c ly khá xa tr

c khi g p ch

ng dòng ch đ i d ng sau khi qua đ

T c đ lan truy n nhi u nh C đ

ng ng i v t. Ng

ng dòng

c l i khi V/C

ng nhi u (hình 1.2)

c g i là t c đ sóng.

i v i ch t l ng

đ ng yên có chi u sâu h ta có :
C= gh

(1-1)

Trong ch t l ng chuy n đ ng, trong lòng d n có đ d c l n:
C= ghcψ

(1-2)

Trong đó ψ là góc nghiêng c a m t t do so v i ph

T công th c C= gh ta có: Fr =

ng ngang.

V2 V2
=
gh C 2

Dòng ch y có V/C>1 hay Fr>1 g i là dòng xi t V/C<1 hay Fr<1 g i là dòng
êm, V/C=1 dòng ch y g i là phân gi i.
Các đ c đi m nêu trên ph i đ

c xem xét khi có ý đ nh làm l ch h

ch y kéo theo s t o thành sóng xiên và n

ng dòng

c nh y. i u này s làm bi n đ i nhi u

thông s c a dòng ch y và s bi n đ i đó đ

c duy trì trên m t đo n khá dài c a

lòng d n.
S thay đ i các thông s dòng xi t càng nhi u khi góc l ch h

ng c a t

ng

càng l n đ c bi t khi Fr càng l n.
1.1.4. Các bi n pháp công trình đ đi u khi n dòng xi t
Thu h p lòng d n khi vào d c n
D cn

c.

c là d ng công trình n i ti p ph bi n đ đ a dòng ch y v sông h

l u. Lòng d n c a d c n

c có đ d c l n, v i d c trên n n đ t có th ch n đ d c i

đ n 8%, còn d c trên n n đá, đ d c i có th lên đ n 30%, ho c l n h n. Khi đó,


7

d c ch c n b r ng không l n mà v n tháo đ
đo n kênh chuy n ti p phía tr
ph i l n thì m i tháo đ

cd cn

cl ul

b , đo n kênh chuy n ti p tr

c th

cl ul

ng thi t k . Ng

ng có đ d c nh , nên b r ng đáy

ng thi t k . Trong s đ b trí đ
cd cn

c l i,



c n i v i ng

ng tràn h bên

ng tràn (s đ tràn

d c), ho c máng bên (s đ tràn ngang), đo n này có đ d c đáy không l n.
Nh v y vi c làm đo n lòng d n thu h p t kênh chuy n ti p vào d c n
là m t gi i pháp k thu t nh m gi m kh i l

ng công trình d c n

c (kh i l

c
ng

đào đ t đá và v t li u bê tông thân d c). V m t th y l c thì đây là m t d ng
KDX, đ a dòng ch y t r ng đ n h p, t l u t c nh đ n l u t c l n h n.
o n thu h p có th là đáy ph ng ho c cong, tuy nhiên th c t th
đáy ph ng, đáy không tham gia đi u khi n dòng xi t mà do t

ng biên đ m nh n.
a)

a)
A

B

B

C

D

D

R1

C

R2

A

ng làm

R1

R2

d)

c)
A

B

B
C

C

D

D

Hình 1.4. Các hình th c đo n chuy n ti p thu h p có đáy ph ng.
a) T
c) T

ng biên gãy khúc; b) T

ng biên d ng đ
ih

ng biên là cung cong liên h p;

ng cong không nhi u; d) o n thu h p h

ng tâm.

ng dòng ch y trên thân d c.

Trong xây d ng đ

ng tràn h bên b , ch đ th y l c trong d c n

c tuy n


8

th ng là thu n l i nh t. Tuy nhiên, th c t đa d ng c a đi u ki n đ a hình, đ a ch t
nhi u khi không cho phép ch n d c n

c tuy n th ng. M t s lý do th

ng g p nh

sau:
Khi tuy n d c th ng g p khu v c có đi u ki n đ a ch t b t l i (đ t gãy, s t
tr

t…), khi đó bu c ph i đ i h

ng d c n

c (r ngo t sang trái ho c sang ph i)

đ đ m b o đi u ki n xây d ng thu n l i h n.
Do đi u ki n đ a hình, n u theo tuy n th ng, chi u dài đ
kh i l

ng công trình l n. Khi đó có th xem xét đ i h

tuy n sông c , rút ng n chi u dài đ
Trong nh ng tr

ng h p t

ng đ

ng tháo, gi m kh i l

ng tháo đ s m g p

ng công trình.

ng t nh trên, bu c ph i áp d ng d c n

tuy n cong, và đo n d c tuy n cong này là m t k t c u
ng

ng tháo s l n,

KDX đi theo h

c

ng mà

i thi t k mong mu n.

T ng đ nhám trên d c.
Trong thi t k d c n

c có đ d c l n, nhi u khi l u t c ch y

d c đ t giá tr l n (đ n 30m/s ho c h n), v

ph n cu i

t quá l u t c cho phép c a v t li u làm

d c, làm cho đáy và thành bên d c b phá ho i do khí th c. Khi đó c n ph i áp d ng
các bi n pháp phòng khí th c mà m t trong nh ng bi n pháp đó là làm m nhám
gia c

ng đ t ng đ sâu, gi m l u t c trên d c.
C ng có nh ng tr

ng h p l u t c trên d c ch a đ t đ n tr s l u t c cho

phép, nh ng v n có nhu c u t ng đ nhám, gi m l u t c trên d c.
tiêu n ng

h l ud cn

c g p các đi u ki n b t l i: đ a ch t n n không t t, b

tiêu n ng ph i đào quá sâu, v a t n kh i l

ng đào và v t li u bê tông gia c , v a

g p khó kh n trong t ch c thi công do công tác b m thoát n
giàn dáo khi thi công t

ng bên d c n

ng th a trên d c đ gi m nh k t c u

tiêu n ng h l u là c n thi t, và vi c b trí m nhám gia c
c đ tiêu hao n ng l

c ng m và gia c

c có chi u cao l n. Trong nh ng đi u ki n

nh v y, vi c tìm cách tiêu hao b t n ng l
d cn

ó là khi ch đ

ng dòng ch y đã đ

c xem xét.

ng trên toàn chi u dài


9

M r ng lòng d n t d c n
Nh trên đã nêu, d c n
đ gi m kh i l

c đ n công trình tiêu n ng.

c cso th đ

c xây d ng v i b r ng lòng d n nh

ng công trình. Nh ng b ph n tiêu n ng thì l i c n có chi u r ng

l n đ gi m l u l

ng đ n v , gi m chi u sâu đào b (v i hình th c tiêu n ng đáy)

hay gi m chi u sâu h xói ( lo i công trình tiêu n ng phóng xa). Vì v y t cu i
d cn

c đ n b ph n tiêu n ng c n có đo n chuy n ti p m r ng d n đ đi u khi n

dòng ch y t h p sang r ng. C n l u ý r ng l u t c dòng ch y

cu i d c là l n nên

đo n chuy n ti p m r ng c n có k t c u thích h p đ đ m b o dòng ch y bám sát
thành thì m i đ t đ

c m c đích đi u khi n.

Phóng dòng ch y ra xa chân công trình.
Khi đ a ch t n n

h l u là đá thì th

ng áp d ng k t c u đi u khi n d ng

m i phun đ phóng dòng ch y ra xa chân công trình, l i d ng ma sát gi a tia dòng
và không khí đ tiêu hao n ng l
t c ma sát v i l p n

ng. Tia dòng r i xu ng lòng d n h l u l i ti p

c h l u và v i đáy lòng d n đ tiêu hao ti p ph n n ng l

ng

th a còn l i. Quá trình ma sát gi a tia dòng và đáy lòng d n h l u s t o ra h xói
cho đ n khi đ t đ
n

c chi u sâu n đ nh. Nh v y, m i phun

c là m t d ng k t c u đ

cu i m t tràn, d c

KDX nh m phóng dòng ch y ra xa chân công trình

đ đ m b o đi u ki n tiêu n ng h p lý nh t.
1.2. T ng quan v các ph

ng pháp tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c.

Nhi m v c a KDX là tìm các bi n pháp công trình đ làm bi n d ng dòng
xi t m t cách h p lý cho phù h p v i các đi u ki n t i ch , lo i b ho c h n ch các
đi u ki n th y l i b t l c. Ta xác đ nh đ nh tính đ
và d ng c a các lo i đ

ng m t n

c, ngh a là tính ch t

ng, sau đó tính toán c th b ng cách gi i các ph

ng trình

vi phân c b n:
d∋
= i−J
dL

Trong đó : d ∋ - Chênh l ch t n ng gi a hai m t c t tính toán.
dl - Kho ng cách gi a hai m t c t.

i–

d c đáy.

(1-3)


10

JTB -

d c th y l c trung bình trong đo n tính toán

Ho c v i kênh l ng tr thì:
Q2
d∋
K2
=
=
α Q2 B
dl
1−
g ω3
i−

ó là ph
ph

i−J
i − Fr

(1-4)

ng trình vi phân c p m t, m t n, tuy nhiên tìm nghi m đúng c a

ng trình vi phân này r t khó, do đó ng

i ta th

ng gi i b ng ph

ng pháp g n

đúng ho c c ng tr c ti p ho c bi n đ i cho đ n gi n r i m i tích phân các ph

ng

trình trên.
V ph

ng pháp gi i tích, bài toán gi i dc và tìm đ

nh ng nó ch áp d ng đ

c trong m t s tr

c nghi m chính xác,

ng h p nh t đ nh v đi u ki n biên

nh ph i đ n gi n v hình d ng, không thay đ i theo th i gian tính toán, môi tr

ng

là đ ng nh t có ngh a là các thông s đ u vào c a l u v c tính toán là không thay
đ i theo th i gian và không gian… Nh ng trong th c t thì các y u t trên đ u có
th thay đ i và khi có m t trong các y u t này thay đ i thì bài toán không th gi i
đ

c, n đó không tìm đ
kh c ph c đ

bài toán nào c ng tìm đ

c nghi m.
c nh ng h n ch c a ph

ng pháp gi i tích vì không ph i

c nghi m chính xác, thay vào đó ta có th đi tìm nghi m

g n đúng c a bài toán b ng ph

ng pháp s , nghi m c a bài toán có th là nghi m

x p x v i nghi m chính xác, ho c nó có th bi u di n b ng nh ng bi u th c toán
h c ng v i các biên ban đ u đ gi i ra nghi m khá sát so v i nghi m gi i tích mà
l i nhanh chóng và d dàng, gi i đ

c nh ng bài toán ph c t p.

1.2.1.Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph
pháp c ng tr c ti p.
Chuy n ph

ng trình vi phân thành ph

ng

ng trình sai phân:

∆∋
= i − Jtb
∆L

(1-5)


11

Chia kênh ra t ng đo n nh , r i t ph

ng trình tính cho t ng đo n m t,

xong c ng l i s có k t qu cho toàn th đo n kênh.
1.2.2. Ph
Th

ng pháp tích phân g n đúng.
ng dùng ph

ng trình (1.6) đ gi i:
Q2
dh
K2
=
α Q2 B
dl
1−
g ω3
i−

Ph
chuy n ph
1.2.3. Ph

ng pháp này th

(1-6)

ng bi n đ i và đ a vào m t s gi thi t g n đúng,

ng trình v m t d ng đ n gi n h n đ phân tích.
ng pháp s

1.2.3.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y hai chi u theo ph
đ c tr ng.
Trong tr

ng pháp đ

ng

ng h p s thay đ i b r ng dòng ch y trên m t b ng là đáng k thì

s hình thành các sóng xiên xu t phát t các v trí có đ

ng biên thay đ i. S truy n

sóng xiên trong dòng ch y cùng v i s ph n x c a sóng v i t
c a các sóng khác nhau làm cho đ
ngang, do đó tính toán theo ph

ng m t n

ng, s giao thoa

c trên các m t c t không còn n m

ng pháp th y l c m t chi u s g p sai s l n. Khi

đó c n áp d ng mô hình dòng ch y 2 chi u, 3 chi u.
Mô hình dòng xi t 2 chi u đ

c s d ng khi:

- S Froude c a dòng không nhi u Fr > 2,5;
- Dòng ch y có chi u r ng l n h n nhi u so v i chi u sâu (b/h >>1), khi đó thành
ph n l u t c và gia t c theo ph
có th b qua.

ng vuông góc v i m t chu n (ph

ng z ) là nh ,


12

Ph

ng pháp này cho phép gi i g n đúng ph

ng trình mô t dòng ch y hai

chi u trên đáy ít bi n đ i so v i m t ph ng chu n.
Ph

ng pháp đ

ng đ c tr ng đ

c gi i thi u đ u tiên vào n m 1789 b i

Monge.. N m 1942, A.Ippen đã m r ng ph m vi áp d ng cho c dòng n
đ

c coi là ph

ng pháp c b n, c đi n đ u tiên đ gi i h ph

c. Nó

ng trình dòng ch y

không n đ nh.
Ti p theo, các tác gi

N.T.Mêlêsencô, G.I.Xukhômen, S.N.Numêr p,

V.I.Frankl, B.T.Emxép… đã t ng b

c hoàn thi n ph

ng pháp này đ tính toán

KDX 2 chi u.
1.2.3.2. Ph

ng pháp sai phân h u h n.

Là ph

ng pháp đ

c dùng khá ph bi n đ gi i h ph

ng trình đ ng l

ng

giúp gi i quy t bài toán di n bi n dòng ch y khá ph bi n.
C s c a ph
hàm riêng c a m c n
ch y và theo th i gian.

ng pháp sai phân h u h n là gi i ph
c, l u t c theo các ph

ng ngang, d c, theo chi u sâu dòng

o hàm c a các hàm s này có th đ

công th c g n đúng. N u ta chia mi n mô hình m t l

gi i h ph
1.2.3.3. Ph
Ph

c th hi n b ng các

i các nút, vi t giá tr g n

đúng c a các giá tr đ o hàm c a các bi n s cho m i đi m l
đúng này vào các ph

ng trình vi phân đ o

i, thay đ o hàm g n

ng trình vi phân đ o hàm riêng ta s có h ph

ng trình này ta s có đ

ng trình và

c nghi m c a các bi n s c n tìm.

ng pháp ph n t h u h n.
ng pháp ph n t h u h n ñ

m t là n i suy và hai là bi n phân đ
pháp này, ng

c xây d ng d a trên hai ý chính sau:
c g i là "tr ng d ". Trong ph

i ta phân chia không gian thành các ph n t tam giác và ng

ta tìm gia tr c a các bi n tr ng thái (h,u,v) trên các đ nh c a các tam.

ng
i


13

Hình 1.5. R i r c mi n tính b ng các ph n t tam giác (l
1.2.3.4. Ph

i không c u trúc)

ng pháp th tích h u h n.

Các s đ thu c ki u th tích h u h n còn đ

c g i là ph

ng pháp “b t

s c” do kh n ng tính chính xác không nh ng nghi m tr n mà còn c nh ng
nghi m gián đo n và t

ng tác sóng ph c t p. Chúng đáp ng đ

c tinh ch t b o

toàn b i vì dòng đi ra t ph n t này chính là dòng đi vào c a ph n t khác.
đi m l n nh t c a ph

u

ng pháp này là tính đ n gi n c a s đ và kh n ng ng

d ng, nó có th áp d ng g n nh vào t t c các v n đ . Ph

ng pháp này đ

c

nghiên c u và áp d ng nhi u vào 3 th p niên g n đây.
Là ph

ng pháp s dùng đ gi i h ph

ng trình n

tích phân (LeVeque, 2002; Toro, 1999). G n đây, nó là ph
d ng nhi u nh t trong gi i ph
hi u qu c a nó. Ph

ng trình n

gian tính, thông l
b

c th i gian tr

ng qua m i ô đ
c. Quá trình này đ

ng pháp s đ

d ng
cs

c nông hai chi u b i tính chính xác và

ng pháp th tích h u h n có th gi i đ

trúc và không có c u trúc. Mi n tính toán đ

c nông (SWE)

c trên c l

c chia làm các ô nh .

c tính v i các giá tr m c n

i có c u

m ib

c th i

c, l u l

ng

c tính toán r t linh ho t, đ n gi n, đ ng th i


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×