Luận văn thạc sĩ: Tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước bằng phương pháp số

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích xây dựng công trình thủy ứng dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Đào Thị Mai
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Hùng
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình Thủy lợi
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN DÒNG XIẾT TRÊN DỐC NƯỚC
• 1.1. Tổng quan về dốc nước và dòng chảy trên dốc nước
• 1.1.1. Tổng quan về dốc nước
• 1.1.2. Tổng quan về dòng chảy trên dốc nước
• 1.1.3. Các đặc điểm của dòng xiết
• 1.1.4. Các biện pháp công trình để điều khiển dòng xiết
• 1.1.5. Tổng quan về các phương pháp tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước
• 1.2. Tính toán ĐKDX theo sơ đồ dòng chảy ổn định, một chiều theo phương pháp cộng trực tiếp
• 1.3. Phương pháp tích phân gần đúng
• 1.4. Các dạng bài toán tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước
• 1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY XIẾT TRÊN DỐC NƯỚC CÓ ĐOẠN THU HẸP
• 2.1. Phương pháp giải tích thông thường
• 2.2. Tính toán ĐKDX theo sơ đồ dòng chảy ổn định, một chiều theo phương pháp cộng trực tiếp
• 2.3. Phương pháp tích phân gần đúng
• 2.4. Hệ phương trình nước nông
• 2.4.1. Hệ phương trình nước nông
• 2.4.2. Tính chất toán học
• 2.5. Bài toán Riemann
• 2.6. Bài toán Stoker và Ritter
• 2.7. Phương pháp số giải hệ phương trình nước nông
• 2.7.1. Tính toán ĐKDX theo sơ đồ dòng chảy hai chiều theo phương pháp đường đặc trưng
• 2.7.2. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 2.7.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.7.4. Phương pháp thể tích hữu hạn
• 2.8. Kết luận chương II
• 3. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
• 3.1. Giới thiệu công trình tràn xả lũ
• 3.2. Lý lịch công trình, cấp công trình, hiện trạng và các thông số kỹ thuật
• 3.3. Tính toán thủy lực dòng xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp
• 3.3.1. Tính toán theo phương pháp giải tích thông thường
• 3.3.2. Tính toán theo phương pháp số
• 3.3.3. Phân tích kết quả tính toán, đánh giá phương pháp số
• 3.4. Kết quả đạt được của luận văn
• 3.5. Một số vấn đề tồn tại
• 3.6. Hướng tiếp tục nghiên cứu
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về dòng chảy xiết

Dòng chảy xiết trên dốc nước là một hiện tượng thủy lực phức tạp, thường xuất hiện trong các công trình thủy lợi như đập tràn, hồ chứa. Các đặc điểm của dòng chảy xiết bao gồm tốc độ dòng chảy cao và khả năng gây ra các hiện tượng như sóng đứng, trộn khí, và xói lở. Theo quy luật, dòng chảy xiết xảy ra khi chiều sâu nước h nhỏ hơn chiều sâu phân giới hy, dẫn đến tính toán dòng chảy cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn cho công trình. Việc tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước không chỉ giúp quản lý nước hiệu quả mà còn giúp dự đoán các rủi ro có thể xảy ra trong quá trình vận hành. Các phương pháp tính toán hiện nay chủ yếu dựa vào phương pháp giải tích và phương pháp số, trong đó phương pháp số đang ngày càng được ưa chuộng vì khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng thủy lực phức tạp.

1.1 Đặc điểm của dòng chảy trên dốc nước

Dòng chảy trên dốc nước có thể ở trạng thái chảy êm hoặc chảy xiết. Trong trường hợp dòng chảy xiết, sự xuất hiện của sóng đứng và hiện tượng trộn khí là những vấn đề quan trọng cần xem xét. Để phân biệt giữa các trạng thái chảy, người ta thường sử dụng tiêu chí Froude. Dòng chảy êm xảy ra khi h > hy, trong khi dòng chảy xiết xảy ra khi h < hy. Điều này có nghĩa là dòng chảy xiết thường gặp ở các đoạn dốc nước có độ dốc lớn và bề mặt không ổn định. Sự thay đổi đột ngột của dòng chảy xiết cũng làm tăng nguy cơ xảy ra các hiện tượng thủy lực bất lợi như xói lở và hàm khí. Do đó, việc nghiên cứu các đặc điểm này là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình thủy lợi.

II. Phương pháp tính toán dòng chảy xiết

Trong lĩnh vực thủy lực, phương pháp số đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc mô phỏng và tính toán dòng chảy xiết. Các phương pháp số bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, và phương pháp thể tích hữu hạn. Những phương pháp này cho phép giải quyết các bài toán phức tạp mà phương pháp giải tích không thể thực hiện được. Đặc biệt, phương pháp thể tích hữu hạn được ưa chuộng vì khả năng bảo toàn khối lượng và năng lượng trong quá trình tính toán. Việc áp dụng phương pháp số không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của các kết quả tính toán mà còn cho phép người sử dụng mô phỏng nhiều kịch bản khác nhau trong điều kiện thực tế. Điều này rất hữu ích trong việc thiết kế và quản lý các công trình thủy lợi, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất của các hiện tượng thời tiết cực đoan.

2.1 Lợi ích của phương pháp số trong tính toán

Sử dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó cho phép mô phỏng các hiện tượng thủy lực phức tạp mà phương pháp giải tích không thể mô tả đầy đủ. Thứ hai, phương pháp số có khả năng xử lý các điều kiện biên phức tạp và các dạng địa hình khác nhau. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế các công trình như đập tràn, nơi mà điều kiện dòng chảy có thể thay đổi nhanh chóng. Cuối cùng, việc áp dụng phương pháp số giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn cho các công trình, nhờ vào khả năng dự đoán chính xác các tình huống có thể xảy ra trong quá trình vận hành.

III. Ứng dụng phương pháp số trong thực tiễn

Việc áp dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết đã được thực hiện tại nhiều công trình thủy lợi lớn ở Việt Nam. Một ví dụ điển hình là hồ chứa He Xoài và tràn xả lũ hồ chứa Khe Gia. Trong các nghiên cứu này, phương pháp số đã được sử dụng để mô phỏng quá trình dòng chảy, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp số không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của các công trình. Việc này cũng cho phép các kỹ sư dự đoán và quản lý các rủi ro liên quan đến dòng chảy xiết, từ đó đảm bảo an toàn cho người dân và tài sản trong khu vực.

3.1 Kết quả thực tiễn từ các nghiên cứu

Các nghiên cứu thực tiễn đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết mang lại nhiều kết quả khả quan. Các mô hình số đã giúp xác định chính xác các thông số thủy lực như lưu lượng, áp lực và độ sâu nước trong các công trình. Những kết quả này không chỉ hỗ trợ trong việc thiết kế mà còn trong việc quản lý và vận hành các công trình thủy lợi. Hơn nữa, việc phân tích các kết quả tính toán cho thấy rằng phương pháp số có thể giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn cho các công trình, từ đó góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành thủy lợi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển các công trình thủy lợi và hồ chứa tại Việt Nam, việc tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và vận hành các công trình tràn xả lũ. Theo báo cáo của ngành thủy lợi, các công trình như hồ chứa Hóc Xoài (Quảng Ngãi) và hồ chứa Khe Gia (Quảng Ninh) đều sử dụng dốc nước có đoạn thu hẹp nhằm điều khiển dòng chảy và đảm bảo an toàn khi xả lũ. Dòng chảy xiết trên dốc nước là hiện tượng thủy lực phức tạp, có thể gây ra các hiện tượng bất lợi như hàm khí, sóng xung kích, xói lở hạ lưu, ảnh hưởng đến kết cấu công trình và môi trường xung quanh.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phương pháp số trong tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp, từ đó áp dụng vào tính toán tràn xả lũ hồ chứa thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dòng chảy xiết trong kênh dẫn nước qua sườn dốc có độ dốc lớn, với các đoạn thu hẹp lòng dẫn nhằm giảm khối lượng công trình nhưng vẫn đảm bảo khả năng tháo lưu lượng thiết kế. Thời gian nghiên cứu dựa trên các số liệu và hồ sơ thiết kế công trình hiện có, chủ yếu tại các hồ chứa ở miền Trung và miền Bắc Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy xiết, giúp thiết kế công trình tháo nước hiệu quả hơn, giảm thiểu rủi ro thủy lực và tối ưu chi phí xây dựng. Các chỉ số như lưu lượng thiết kế, độ dốc dốc nước, chiều dài đoạn thu hẹp và vận tốc dòng chảy được xem xét kỹ lưỡng để đánh giá hiệu quả phương pháp số so với phương pháp giải tích truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực cơ bản liên quan đến dòng chảy xiết trên dốc nước, bao gồm:

• Hệ phương trình nước nông (Shallow Water Equations - SWE): Mô tả dòng chảy hai chiều trên mặt phẳng đáy ít biến đổi, được sử dụng để mô phỏng dòng chảy xiết với các điều kiện biên phức tạp.
• Bài toán Riemann một chiều: Là bài toán cơ bản để nghiên cứu các đặc tính sóng gián đoạn như sóng shock và sóng rarefaction trong dòng chảy xiết, đặc biệt trong trường hợp vỡ đập hoặc thay đổi đột ngột của dòng chảy.
• Phương pháp số thể tích hữu hạn (Finite Volume Method): Phương pháp số được lựa chọn để giải hệ phương trình nước nông, có khả năng xử lý chính xác các nghiệm gián đoạn và bảo toàn các đặc trưng vật lý của dòng chảy.
• Khái niệm dòng chảy xiết và dòng chảy êm: Dựa trên tỷ số Froude (Fr), phân biệt các trạng thái chảy để xác định điều kiện vận hành và thiết kế công trình.

Các khái niệm chính bao gồm: độ dốc thủy lực, độ sâu phân giới, lưu tốc trung bình, độ thu hẹp lòng dẫn, và các dạng sóng gián đoạn (shock, rarefaction).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hồ sơ thiết kế và số liệu thực tế của các công trình tràn xả lũ hồ chứa như Hồ Hóc Xoài và Hồ Khe Gia. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các đoạn dốc nước có độ dốc từ 6% đến 10%, chiều dài đoạn thu hẹp từ 6,5m đến 25m, và bề rộng lòng dẫn thay đổi từ 4m đến 15m.

Phương pháp phân tích gồm:

• Phân tích lý thuyết: Tổng hợp các phương pháp tính toán dòng chảy xiết truyền thống và hiện đại, đánh giá ưu nhược điểm.
• Mô hình số: Xây dựng chương trình tính toán dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp.
• So sánh kết quả: Đối chiếu kết quả tính toán bằng phương pháp số với phương pháp giải tích thông thường nhằm đánh giá độ chính xác và tính ứng dụng.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 1 năm, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên các công trình thực tế có đặc điểm tương đồng về địa hình và cấu trúc dốc nước, nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng rộng rãi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả mô phỏng dòng chảy xiết bằng phương pháp số: Kết quả tính toán cho thấy phương pháp thể tích hữu hạn mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng gián đoạn và biến đổi mực nước trên dốc nước có đoạn thu hẹp. Ví dụ, tại hồ Hóc Xoài, sai số giữa mô hình số và phương pháp giải tích không vượt quá 5% về độ sâu mực nước và lưu lượng.

2. Ảnh hưởng của đoạn thu hẹp đến dòng chảy: Đoạn thu hẹp lòng dẫn làm tăng vận tốc dòng chảy trung bình lên khoảng 20-30%, đồng thời tạo ra các sóng xiên có vị trí và chiều cao ổn định, có thể kiểm soát được trong thiết kế.

3. So sánh phương pháp số và giải tích: Phương pháp giải tích truyền thống chỉ phù hợp với các đoạn thu hẹp nhỏ và dòng chảy xiết mức độ thấp, trong khi phương pháp số có thể xử lý các trường hợp phức tạp hơn với độ dốc lớn và biến đổi biên dạng lòng dẫn. Tại hồ Khe Gia, phương pháp số cho kết quả mô phỏng sóng xung kích và phân bố vận tốc chính xác hơn 15% so với phương pháp giải tích.

4. Tác động của độ dốc và chiều dài đoạn thu hẹp: Độ dốc dốc nước và chiều dài đoạn thu hẹp ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ xiết và sự hình thành sóng. Độ dốc tăng từ 6% lên 10% làm vận tốc dòng chảy tăng trung bình 25%, trong khi chiều dài đoạn thu hẹp càng ngắn thì sóng xiên càng cao và tập trung.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ khả năng mô phỏng chi tiết các hiện tượng thủy lực phức tạp bằng phương pháp số, đặc biệt là phương pháp thể tích hữu hạn, cho phép giải quyết các bài toán có điều kiện biên và hình học phức tạp mà phương pháp giải tích không thể xử lý. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực thủy lực công trình, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các công trình tràn xả lũ an toàn và hiệu quả hơn.

Việc mô phỏng chính xác các sóng gián đoạn và phân bố vận tốc giúp dự báo được các hiện tượng xói lở, khí thực và sóng xung kích, từ đó đề xuất các biện pháp kỹ thuật phù hợp như tăng độ nhám bề mặt dốc nước hoặc điều chỉnh hình dạng đoạn thu hẹp. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố mực nước, vận tốc tại các mặt cắt ngang và bảng so sánh sai số giữa các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp số thể tích hữu hạn trong thiết kế công trình: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và quản lý công trình thủy lợi sử dụng phương pháp số để mô phỏng dòng chảy xiết, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế. Thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và công ty tư vấn thủy lợi.

2. Tối ưu hóa hình dạng đoạn thu hẹp: Đề xuất điều chỉnh chiều dài và bề rộng đoạn thu hẹp để kiểm soát mức độ xiết và sóng xiên, giảm thiểu rủi ro xói lở và khí thực. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế công trình, với mục tiêu giảm thiểu chi phí xây dựng và tăng tuổi thọ công trình.

3. Gia tăng độ nhám bề mặt dốc nước: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật như làm mố nhám gia cường để giảm vận tốc dòng chảy, hạn chế hiện tượng khí thực và phá hoại kết cấu. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thi công hoặc bảo trì công trình.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp số và mô phỏng thủy lực cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành thủy lợi, nhằm phổ biến kiến thức và nâng cao chất lượng nghiên cứu, thiết kế. Chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi: Luận văn cung cấp phương pháp tính toán dòng chảy xiết chính xác, giúp thiết kế các công trình tràn xả lũ an toàn và hiệu quả hơn.

2. Nhà quản lý và vận hành hồ chứa: Thông tin về đặc điểm dòng chảy và các biện pháp điều khiển dòng xiết hỗ trợ trong việc vận hành hồ chứa, giảm thiểu rủi ro sự cố.

3. Giảng viên và sinh viên ngành thủy lợi, xây dựng công trình: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết và phương pháp số trong thủy lực, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Các viện nghiên cứu và công ty tư vấn thủy lực: Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng hiện đại để phát triển các giải pháp kỹ thuật mới trong lĩnh vực thủy lực công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp số thể tích hữu hạn có ưu điểm gì so với phương pháp giải tích?
   Phương pháp số thể tích hữu hạn có khả năng xử lý các bài toán phức tạp với điều kiện biên và hình học đa dạng, mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng gián đoạn và bảo toàn đặc trưng vật lý, trong khi phương pháp giải tích chỉ áp dụng được cho các trường hợp đơn giản.

2. Đoạn thu hẹp lòng dẫn ảnh hưởng thế nào đến dòng chảy xiết?
   Đoạn thu hẹp làm tăng vận tốc dòng chảy, tạo ra sóng xiên ổn định, giúp điều khiển dòng chảy nhưng cũng có thể gây ra hiện tượng xói lở nếu không thiết kế hợp lý.

3. Tỷ số Froude được sử dụng để phân biệt các trạng thái dòng chảy như thế nào?
   Khi Fr < 1 là dòng chảy êm, Fr = 1 là dòng chảy phân giới, và Fr > 1 là dòng chảy xiết. Đây là tiêu chí quan trọng để xác định chế độ vận hành và thiết kế công trình.

4. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng khí thực trên dốc nước?
   Có thể tăng độ nhám bề mặt dốc nước hoặc điều chỉnh vận tốc dòng chảy thông qua thiết kế đoạn thu hẹp và các biện pháp kỹ thuật khác nhằm giảm vận tốc và áp lực âm gây khí thực.

5. Phương pháp nghiên cứu có thể áp dụng cho các công trình khác không?
   Phương pháp số và mô hình mô phỏng có thể áp dụng rộng rãi cho các công trình thủy lợi có đặc điểm tương tự về dốc nước và dòng chảy xiết, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã ứng dụng thành công phương pháp số thể tích hữu hạn để tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp, mô phỏng chính xác các hiện tượng thủy lực phức tạp.
• Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp số vượt trội hơn phương pháp giải tích truyền thống về độ chính xác và khả năng xử lý các bài toán phức tạp.
• Đoạn thu hẹp lòng dẫn có ảnh hưởng lớn đến vận tốc và sóng xiên, cần được thiết kế hợp lý để đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.
• Các đề xuất về kỹ thuật và đào tạo được đưa ra nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và vận hành công trình thủy lợi.
• Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng áp dụng mô hình số cho các dạng công trình khác và phát triển phần mềm tính toán chuyên dụng.

Các đơn vị thiết kế và quản lý công trình nên triển khai áp dụng phương pháp số trong thực tế, đồng thời phối hợp đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TONG QUAN VE BÀI TOÁN DONG XIET TREN DOC NƯỚC 1. Tổng quan về đốc nước và dong chây trên đốc nước. Tổng quan về đắc nước.

‘Cong trình tháo lũ kiểu hở là dạng công tinh nối tiếp phổ biển để đưa dòng, chảy v ing hạ lưu, có khá năng tháo lưu lượng lớn. Trong sơ đỗ bố í đường trần hở gồm: đoạn kênh chuyển ếp trước dốc nước được nối với ngưỡng trần (sơ đồ tràn đọc), hoặc máng bên (sơ đỗ tràn ngang), sau đó lả dốc nước, tiêu năng, kênh hạ. Yêu cầu bổ tí bé rộng ngưỡng trần lớn, sau đồ cổ đoạn thu hẹp ở đốc nước để giảm nhỏ khối lượng làm đốc mà vẫn đám bảo yêu cầu tháo lưu lượng thi kế, 6 nước ta, nhiều công tinh thủy lợi như Hòa Bình ở Hòa Binh, Của Đạt ở hanh Hóa, Ta Trạch ở Thừa Thiên Huế, Sơn La ở Sơn La, Yali ở Gia Lai. Hu hết đều sử dụng công trình tháo lũ dang đốc nước với quy mô lớn về kích thước và lưu lượng tháo.

Như hồ chứa Gò Miễu ở Thái Nguyên: Nối tiếp sau ngưỡng là dốc nước dài 125m; độ dốc 10%, mặt cắt ngang đốc hình thang với mái nghiêng m = 0.5, đoạn đầu đốc dii 25m là đoạn thu hẹp, tiếp đến là đoạn dốc nước có bề rộng không đổi b = 15m). Hay công trình hồ Yên Lịch II ở huyện Kim Bồi, Hòa Bình: Nổi tiếp sau ngưỡng trăn là đốc nước di 29m, trong đô đoạn thu hợp dai 6.5m, chiều rộng đoạn thu hep thay đổi dẫn từ 6m đến 4m độ dốc i = 6. Sau đoạn thu họp là đốc nước có bé rộng không đối dài 22m, độ dốc i = 7.71%, HỒ chia nước Lộc đại ở tinh Quảng Nam: Trin xả lũ có hình thức tràn Ophixerop chảy tự do có. kết hợp xã sâu, sau tràn là đốc nước và bể tiêu năng đấy cuỗi dốc nước, Đoạn dốc nước sau trần có độ dốc 10% từ cao tình +71.40 xuống cao tình +49.40m, nỗi tiếp đoạn chân định tràn đến đốc nước là đoạn thu hẹp din từ 32m về 20m, độ dốc dọc 3% và chiều đài tổng cộng là 30m, Hình thức bổ trí đoạn thu hẹp trên dốc rắt phong phú, theo quy mô côn Š xét đến các dạng sau + Đoạn thu hẹp có day phẳng va tường bên thẳng, + Đoạn thu hẹp cổ đấy cong và tường bên thẳng + Đoạn thụ hẹp có tường bên cong và đầy cong + Đoạn thu hẹp cổ đấy phẳng và tring bên loại "không nhiễu”, “rong phạm vi luận văn này ta chỉ giải quyết các vin đề thủy lực phức tạp xuất hiện tên đoạn thu hẹp có đầy phẳng và tường bên thẳng, Như vay việc làm đoạn lòng dẫn thu hẹp từ kênh chuyển tiếp vào dốc nước là một giải pháp kỹ thuật nhằm giảm khối lượng công trình dốc nước (khối lượng.

dio đất đã và vật liệu bê tông thân đốc, VỀ mặt thủy lực thi dây là một dạng ĐKDX, dua dòng chảy từ rộng đến hẹp, từ lưu tốc nhỏ đến lưu tốc lớn hơn. Tổng quan về ding chiy trên đắc nước. Sing giản đoạn trên đường trân đập Bennet (Canada) Dong chảy trong đốc nước có thể ở trang thái chảy êm hay chảy xiết. dốc nước ở các công tình thiy lợi đầu mỗi thường là dang chủy xiết Cúc dạng công tình này thường có đoạn thu hẹp nhằm chuyển tiếp đồng chảy sau đập trin đình rộng hoặc mặt cắt thực dụng với đoạn đốc không thu hẹp ở phía sau.

Không như ding chảy êm biến đổi dẫn, tong dòng chảy xiết có thể xuất hiện các hiện tượng như: sóng lăn, trộn khí, hay khí thực. Thêm vảo đó nếu số Froude của đồng chảy lớn, sự xuất hiện của sống đứng hay sự dao động của mặt nước trên đốc là vin đề cần lưu ý khi tính toán thủy lục hay thiết kế đường trần. C6 thể sử dụng các tiêu chí khác nhau để phân bit 2 trạng thi chảy này “Tùy theo quan hệ tương đối giữa thé năng và động năng trong thành phần của tỷ năng mặt cắt mà phân biệt các trang thái của dòng chảy như sau: Dòng chây êm; khi chiễu sâu h> hụ rong thành phần của tỷ năng mặt cất thể năng (h) có giá trị lớn, còn động năng >) có gi vị nhỏ. - Dong chảy xiét: khi chiều sâu h < hạ, khi đó thé năng có gi trị nhỏ, động 1g có giá trị lớn - Dong chảy phân giới: khih = hy Tại mỗi mặt cắt của đoạn chuyền tiếp, chế độ chảy xiết được duy trì khi thỏa.

mãn điều kiện: h < hy, trong đó h ~ độ sâu nước tại mặt cất, hy ~ độ sâu phân giới. Với đoạn thu hep thi ti sé tăng dẫn theo chiễu đồng chây Nối chung, trang thái ni iếp chảy xiết trên đoạn thủ hẹp có tính én định về thủy lực cao. Sự tạo thành sóng xiên trên đoạn này là không tránh khỏi, nhưng đây là sóng dùng. tức có vị trí én định và có thể kiểm soát được chiều cao của n6.

Vì vay trong thiết kế đoạn thu hẹp trên dốc nước cần không chế mức độ thu hep e và chiều đài đoạn chuyên tiếp L; để duy trì chế độ chảy xiết trên đó, "Ngoài độ sâu h, còn có thé sử dụng các tiêu chí khác để phân biệt các trạng thái chảy như trên bảng 1. Tiêu chi phân biệt các trạng thái chảy “Thông số Chay êm Chay phân giới Chay viết Độ vĩnh heh kh Sé Froude Fr Fret Fret Ta tốc trung bình vec vse Khi đường biên của đồng chảy có thay đối (rẽ ngoặt vào hay ngoặt ra Khỏi dong chảy) thì dong chảy sẽ có biển dạng tương ứng. Tuy nhiên, phản ứng của dòng chiy xiết và đồng chủy êm có sự khác nhau rõ rét. Chẳng hạn, khi tường bên rẽ ngoặt vào trong dong chảy thì đòng êm có phản ứng từ từ, nghĩa là các đường dong «6 sir tốn cong rẽ vào phía trons từ trước khi trồng rẽ ngoặt, và độ sâu nước không có thay đổi rõ rệt khi đi qua điểm gay của tường.

Ngược li. phần ứng của đồng xiết là đột ngột và khí mạnh me: trước vị rẽ ngoặt của tường bén, dang chảy chưa cỏ phản ứng gì (không thay đổi độ sâu và hướng các đường dòng), chỉ khi đi qua vi trí r€ ngoặt của tưởng thì độ sâu dòng chảy và hướng đường dòng mới thay đổi một cách đột ngột. Dưỡng ranh giới giữn 2 mién cia dong chảy có độ âu khác nhau gọi là tuyển sóng, trong trường hợp tường rễ ngoặt vào trong, tuyến sóng di qua điểm. tường rẻ ngoặtvà xiên góc với hướng chảy ban sóng này gặp bở đối dign của lòng dẫn, n6 sẽ có phản xạ, và cứ thể tuyễn đi trên một đoạn dài của dòng chảy, gây ra nhiễu tác động làm thay đổi các thông sổ của dòng chảy trong miễn ảnh hưởng Dòng chảy xiết thường xuất hiện trên các đường tràn, đốc nước.

Khi các dạng công trinh này có đoạn thu hep chuyển tiếp, chuỗi sóng giản đoạn sẽ hình thành do sự va đập của dòng xiết với thành bên. Các phương pháp tính thủy lực. dang chiy én định một chiều trên kênh hở thường đàng không thé mô phòng được hiện trạng này nên có thể dùng mô hình số tị giải hệ phương tình nước nông hai chiều nhằm mô phỏng được các nước nháy này, sau đó áp dụng cho một công trình. cụ thể ở Việt Nam.

“Thực tế xây dựng các hé chứa nước thủy lợi cho thấy kinh phí cho xây dựng. công tình tháo hi chiếm một tỷ trọng đáng kể trong tổng vẫn đầu tr xây dụng công trình. Vì vậy rong thiết kế luôn phải giải quyết bài toán kinh t ky thuật để đảm bảo lựa chọn được phương án công trình Lim việc an toàn, hợp lý và kinh phí xây dựng. là nhỏ nhất.

Các đặc diém cia dong side Trong dong chảy chit long không nén được do những nguyễn nhân khác nhau có thé phát sinh các nhiều động của các thông số chuyển động (lưu tốc, cao độ mặt tự do, áp lực. Các nhiễu động lan truyỄn trong chất lỏng với một tốc độ nào 46 nói chung là khác với tốc độ chuyển động của chit long. Chẳng han tia một điểm nào đó trên mặt tự do của cl ft long đứng yên, tại thời điểm t„ phát sinh một nhiễu động nhỏ. Nhiễu động này sẽ lan truyền về mọi phía với tốc độ C nào đó, Nếu phân tích đặc điểm lan truyền nhiễu trên mặt tự do trong chit lòng chuyển động, t sẽ thấy rằng nó phụ thuộc vào tỉ số VIC.

Trong trường hợp VIC <1, nhiễu lan tỏa về mọi phía nhưng vé phía ngược chiễu đồng chảy với vận tốc nhỏ nhất (C-V). À V/C-1 thì nhiễu không thể tryễn vượt qua đường di qua điểm nguồn và vuông góc với chiều dong chây. Còn nếu V/C>I tì nhiễu động nổi chung không thé vượt quá đường đi qua nguồn nhiễu và tạo với chiễu dòng chủy một góc %=aresin C/V, Đường thẳng này được gọi là đường nhiễu. Sự lan truyền nhiễu trong nước tịnh và nước chảy Hình L3.

Dang chảy bao của đồng êm (a) và ding xis (6) Từ đặc điểm lan truyền của sóng nhiễu út ra là khỉ VIC <1, các đường dong sé biến dang ở một cự ly khá xa trước khi gặp chướng ngại vật. Ngược lại khi V/C >I thi các đường dòng chỉ đôi dạng sau khi qua đường nhiễu (đình 1.2) lốc độ lan truyền nhiễu nhỏ C được gọi là tốc độ sóng. Đối với chất lông đứng yên có chiều sâu hta có c= Veh ap “Trong chit long chuyển động, trong lòng dẫn có độ dốc lớn Cejgv d2) “Trong đó y Ia góc nghiêng của mặt tự do so với phương ngang, t công thức CC taeés Fred” “Từ côngetthức C=.V§ñ eh ta ú có: Er= mm Dong chiy có V/C>1 hay Ft gọi là đồng xiết V/C<I hay Fre! gọi là đồng êm, V/C=l đồng chiy gọi là phân giới Các đặc điểm nêu trên phải được xem xét khi có ý định làm lệch hướng dòng chay kéo theo sự tạo thành sóng xiên và nước nháy. Điều này sẽ làm biến đổi nhiều thông số của dòng chảy và sự biến đổi đó được duy trì trên một đoạn khá dai của lòng din, Sự thay đội các thông số dong t cing nhiều khi góc lệch hưởng của tường càng lớn đặc biệt khi Fr càng lớn LL.

Các biện pháp công trình dé điều khiển dong xt Thu hep lòng dẫn khi vào đắc nước. Dốc nước là dạng công tình nổi tiếp phổ biển để đưa dòng chảy về sông hạ lưu. Lòng din của dốc nước có độ dốc lớn, với dốc trên nền đất có thể chọn độ dốc i đến 8%, còn dốc trên đá, độ đốc i có thể lên đến 30%, hoặc lớn hơn.