Chương 1 KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THUỶ LỰC 1. Thủy tĩnh học 1. Khái niệm về chất lỏng 1. Định nghĩa về “Thuỷ lực” Thủy lực là một môn khoa học ứng dụng nghiên cứu những quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và những biện pháp áp dụng những qui luật này.
Phương pháp nghiên cứu của môn thủy lực hiện đại là kết hợp chặt chẽ sự phân tích lý luận với sự phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo, nhằm đạt tới những kết quả cụ thể để giải quyết những vấn đề thực tế trong kỹ thuật. Những kết quả nghiên cứu của môn thủy lực có thể có tính chất lý luận hoặc nửa lý luận nửa thực nghiệm, hoặc hoàn toàn thực nghiệm. Cơ sở của môn thủy lực là cơ học chất lỏng lý thuyết, môn này cũng nghiên cứu những qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng, nhưng phương pháp chủ yếu của việc nghiên cứu sử dụng công cụ toán học phức tạp. Vì vậy, môn thủy lực còn được gọi là môn cơ học chất lỏng ứng dụng hoặc cơ học chất lỏng kỹ thuật.
Kiến thức về khoa học thủy lực rất cần cho người cán bộ kỹ thuật ở nhiều ngành sản xuất vì thường phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật có liên quan đến sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, đặc biệt là sự cần thiết của nước. Những ngành thủy lợi, giao thông đường thủy, cầu đường, cấp thoát nước, dầu khí, khai thác mỏ, hàng hải, hàng không, chế tạo máy đến ngành khoa học vũ trụ… cần nhiều áp dụng nhất về khoa học thủy lực, thí dụ để giải quyết các công trình đập, đê, kênh, cống, nhà máy thủy điện, tuốc bin, các công trình đường thủy, nắn dòng sông, các hệ thống dẫn tháo nước, cấp thoát nước trong khai thác v. Khoa học thủy lực ở Việt Nam Ở Việt Nam ông cha chúng ta đã biết lợi dụng nước để phục vụ nông nghiệp kể từ các thời đại đồ đá cũ (30 vạn năm về trước), đồ đá giữa (1 vạn năm), đồ đá mới (5000 năm), rồi đến thời đại đồ đồng (4000 năm - Hùng Vương dựng nước). Từ đầu công nguyên trở đi (thời kỳ đồ sắt phát đạt) công trình thủy lợi vẫn tiếp tục phát triển, hệ thống đê điều đã dần dần hình thành dọc những sông lớn ở đồng bằng Bắc bộ, nhiều kênh ngòi được đào thêm hoặc được nạo vét lại.
Theo “Cương mục chính biên” năm 983 thời Lê Hoàn, đã đào sông từ núi Đồng Cổ (Yên Định - Thanh Hóa) đến sông Bà Hòa (Tĩnh Gia- Thanh Hóa), thuyền bè đi lại tiện lợi. Vào đời Lý (thế kỷ XI), nhiều đoạn đê quan trọng dọc theo những sông ngòi lớn ở vùng đồng bằng đã được đắp, trong đó quan trọng nhất là đê Cơ xá (đê Sông Hồng, vùng Thăng Long) được đắp vào mùa xuân 1168. Một số kênh ngòi, nhất là vùng Thanh Hóa, được tiếp tục đào và khơi sâu thêm. Nền nông nghiệp nước ta ở vùng đồng bằng thường bị ngập lụt và hạn hán đe dọa, những công trình thủy lợi trên đã tạo ra những điều kiện quan trọng để phát triển nông nghiệp.
Sang đời Trần (thế kỷ XIII) công việc đắp đê phòng lụt được tiến hành hàng năm và với quy mô lớn. Năm 1248, thời Trần thái Tôn, đã đắp đê từ đầu nguồn đến bờ biển gọi là đê Quai Vạc. Hệ thống đê điều dọc các sông lớn ở đồng bằng Bắc Bộ đến thời Trần 4 về cơ bản đã được xây dựng và hàng năm tu bổ, vấn đề xây dựng và bảo vệ đê điều trở thành một chức năng quan trọng của chính quyền và là nhiệm vụ của toàn dân. Đến đời Lê (thế kỷ XV), rất coi trọng việc tu bổ, kiểm tra đê điều.
Thời Lê Sơ, đã khôi phục được nhiều công trình, năm 1438 khơi lại kênh ở Trường An, Thanh Hóa, Nghệ An năm 1445, Nhân Tông khơi Bình Lỗ (huyện Kim Anh- Vĩnh Phúc) thông suốt đến Bình Than. Năm 1467 các đê ngăn nước mặn vùng Nam Sách, Giáp Sơn, Thái Bình được bồi đắp lại, ngoài ra đã đào nhiều kênh mương để phục vụ nông nghiệp và để vận tải tiện lợi. Di tích những đoạn đê nước mặn vẫn còn đến nay, nhân dân thường gọi là “đê Hồng Đức” (niên hiệu của Lê Thánh Tông). ở Thanh Hóa nhiều sông đào được khai thác từ thế kỷ XV, đến nay còn mang tên là “sông nhà Lê”.
Từ thế kỷ XVI, chế độ quân chủ chuyên chế và những hậu quả do nó gây ra - cát cứ và nội chiến - đã cản trở sự phát triển của sức sản xuất. Tuy nhiên nhân dân không ngừng đấu tranh để bảo vệ làng xóm quê hương, bảo vệ cuộc sống của mình. Sang thế kỷ XVIII giai cấp phong kiến bước vào giai đoạn khủng hoảng sâu sắc về toàn diện, nông nghiệp đình đốn ở Đàng ngoài và cả ở Đàng trong. Dưới triều Nguyễn (thế kỷ XIX) kinh tế nông nghiệp cũng càng ngày càng sa sút, triều Nguyễn bất lực trong việc chăm lo, bảo vệ đê điều và các công trình thủy lợi, nên những nạn đê vỡ, lụt lội xảy ra liên tiếp.
Riêng đê Sông Hồng ở Khoái Châu (Hưng Yên) đời Tự Đức bị vỡ “10 năm liền” dân nghèo phải bỏ làng, phiêu bạt xứ sở. Tình hình nông nghiệp đã buộc nhà Nguyễn phải đề ra chính sách khẩn hoang, bắt đầu từ đầu đời Nguyễn và được đẩy mạnh dưới triều Minh Mệnh. Trong khoảng 1828- 1829, với cương vị danh điền sứ, Nguyễn Công Trứ đã đề ra chính sách doanh điền, thực hiện khẩn hoang, theo lối di dân, lập ấp, đã tạo thành 2 huyện Kim Sơn (Ninh Bình) và Tiền Hải (Thái Bình); Ông đã lợi dụng địa hình để đắp đê và mở mang hệ thống thủy nông một cách hợp lý, khoa học. Do những kết quả đó, chính sách doanh điền được áp dụng ở nhiều nơi nhất là Nam Kỳ.
Sang thời kỳ Pháp thuộc, trong những năm đô hộ, thực dân Pháp đã làm một số ít công trình thủy lợi để phục vụ chính sách bóc lột thuộc địa của chúng, căn bản không có biện pháp hiệu quả để chống hạn, úng, lụt, xói mòn để đảm bảo sản lượng ruộng đất được ổn định và đời sống nhân dân được an toàn. Sau khi cách mạng tháng 8 năm 1945 thành công, nhất là sau khi kháng chiến chống thực dân Pháp thắng lợi, miền Bắc được giải phóng hoàn toàn, sự nghiệp thủy lợi được phát triển mạnh mẽ. Công tác thủy lợi là biện pháp hàng đầu đảm bảo cho việc phát triển nhanh và vững chắc của nông nghiệp. Trong hơn 20 năm qua (1954-1975) đã xây dựng được ở miền Bắc một mạng lưới công trình thủy nông, gồm hơn 60 hệ thống thủy nông loại lớn và loại vừa có khả năng tưới nước cho 1 triệu ha và tiêu cho 1,1 triệu ha ruộng đất canh tác.
Công tác củng cố bảo vệ đê, phân lũ, làm chậm lũ…đã bảo vệ được sản xuất và an toàn cho nhân dân; nhờ vậy đê Sông Hồng đã chống được lũ lớn năm 1969 vượt mức lũ năm 1945. Nhân dân đã chiến đấu dũng cảm bảo vệ đê chống lại những trận đánh phá đê điều của không quân Mỹ trong những năm chiến tranh chống Mỹ cứu nước. Công trình thủy điện Thác Bà với công suất 108.000 kW và một loạt công trình đầu mối lớn trên sông Đà đang được chuẩn bị xây dựng. Đã xây dựng được một đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật thủy lợi có khả năng thiết kế, thi công và quản lý các công trình tương đối lớn và 5 một hệ thống các trường Đại học và Viện nghiên cứu, Viện thiết kế phục vụ yêu cầu của sự nghiệp thủy lợi.
Sau khi miền Nam được hoàn toàn giải phóng, công tác thủy lợi ở miền Nam được triển khai mạnh mẽ phục vụ yêu cầu phát triển nông nghiệp và các yêu cầu cải tạo và xây dựng kinh tế và đã đạt được nhiều thành tích to lớn. Về mặt khoa học thủy lực, môn thủy lực đã được giảng dạy thành môn cơ sở kỹ thuật trong các trường kỹ thuật ở nước ta, đã hình thành một số phòng thí nghiệm thủy lực, đã nghiên cứu giải quyết một số vấn đề thủy lực, như những vấn đề về tính toán dòng không ổn định trong việc tính lũ, triều, những vấn đề về thủy lực công trình, về chuyển động của bùn cát, về dòng thấm, về các máy thủy lực v.v… Trong giai đoạn mới, nhiệm vụ khai thác mỏ và chỉnh trị các dòng sông, lợi dụng các nguồn nước để phục vụ các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và các nhu cầu khác rất to lớn, nó đòi hỏi khoa học thủy lực ở nước ta phải phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng tiếp thu thành tựu hiện đại của thế giới, vận dụng sáng tạo vào điều kiện nước ta, đi sâu nghiên cứu những vấn đề riêng của ta để có đủ khả năng giải quyết nhiều vấn đề thủy lực mới và phức tạp, tiến lên đuổi kịp trình độ các nước tiên tiến, xây dựng nền khoa học thủy lực tiên tiến ở nước ta. Tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng a. Các tính chất chung của chất lỏng Chất lỏng được nghiên cứu là loại vật chất có những tính chất chung sau đây: + Tính chảy hay tính dễ di động: Chất lỏng có thể di động dưới tác động của một lực bất kỳ, dù lực đó rất nhỏ.
+ Tính liên tục: Chất lỏng được xem như một tập hợp vô số phần tử chiếm đầy miền được nghiên cứu. + Tính đẳng hướng: Sự biến đổi của các tính chất vật lý trong môi trường chất lỏng theo mọi phương là như nhau. Ở trạng thái chất lỏng đứng yên, chỉ tồn tại lực pháp tuyến mà không tồn tại lực tiếp tuyến. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng b1.
Tính chất thứ nhất của chất lỏng, cũng như mọi vật thể là có khối lượng. Tính chất đó được biểu thị bằng khối lượng đơn vị (hoặc khối lượng riêng) . Đối với chất lỏng đồng chất, khối lượng đơn vị bằng tỉ số giữa khối lượng M với thể tích W của khối lượng đó của chất lỏng, tức là: M = (1-1) W Ns 2 kGs 2 Đơn vị của là kg/m3 hoặc. Theo hệ MKS, đơn vị của là m4 m4 Đối với nước đơn vị khối lượng của nước lấy bằng khối lượng của đơn vị thể tích nước cất ở nhiệt độ +40C; = 1000kg/m3.
Tính chất thứ hai của chất lỏng, có trọng lượng. Đặc tính này được biểu thị bằng trọng lượng đơn vị hoặc trọng lượng riêng. Đối với chất lỏng đồng chất, trọng lượng đơn vị bằng tích số của khối lượng đơn vị với gia tốc rơi tự do g (g = 9,81m/s2).