Chương 1: Tổng quan về bài toán dòng xiết trên dốc nước. Đưa ra tổng quan về dốc nước, dòng chảy trên dốc nước, các phương pháp tính tán dòng chảy xiết trên dốc nước. Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dòng chảy xiết trên dốc nước có đoạn thu hẹp. Nêu cụ thể các phương pháp tính toán dòng chảy xiết theo phương pháp giải tích thông thường, viết hệ phương trình nước nông, các tính chất toán học.
Sau đó đưa ra bài toán Riemann một chiều cho phương trình nước nông là bài toán chung về vỡ đập. Ngoài ra còn đưa vào hai bài toán stoker và ritter, so sánh sự phụ thuộc của quá trình mực nước, quá trình lưu lượng vào thời gian, đó là hai bài toán sóng gián đoạn giải bằng phương pháp giải tích duy nhất có nghiệm giải tích, còn đa phần bài toán giải tích sẽ không tìm ra nghiệm chính xác của hệ phương trình nước nông. Ngoài ra còn đưa các phương pháp số để tính toán thủy lực dòng chảy. Trong các phương pháp đã đưa ra ta lấy một phương pháp giải tích là phương pháp cộng trực tiếp và một phương pháp số là phương pháp thể tích hữu hạn để đưa vào thực tế.
Sau đó phân tích, so sánh các kết quả để thấy được sự cần thiết áp dụng xii phương pháp số vào những bài toán phức tạp thay vì áp dụng phương pháp giải tích thông thường có thể không tìm được lời giải, hay không chỉ rõ được bằng phương pháp số. Chương 3: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán cho công trình thực tế. Đưa ra hai công trình thực tế là tràn xả lũ hồ chứa Hốc Xoài và tràn xả lũ hồ chứa Khe Gia, tính toán thủy lực dòng xiết trên dốc theo hai phương pháp giải tích thông thường và phương pháp số, phân tích kết quả và đánh giá. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN DÒNG XIẾT TRÊN DỐC NƯỚC 1.
Tổng quan về dốc nước và dòng chảy trên dốc nước. Tổng quan về dốc nước. Công trình tháo lũ kiểu hở là dạng công trình nối tiếp phổ biến để đưa dòng chảy về sông hạ lưu, có khả năng tháo lưu lượng lớn. Trong sơ đồ bố trí đường tràn hở gồm: đoạn kênh chuyển tiếp trước dốc nước được nối với ngưỡng tràn (sơ đồ tràn dọc), hoặc máng bên (sơ đồ tràn ngang), sau đó là dốc nước, tiêu năng, kênh hạ lưu.
Yêu cầu bố trí bề rộng ngưỡng tràn lớn, sau đó có đoạn thu hẹp ở dốc nước để giảm nhỏ khối lượng làm dốc mà vẫn đảm bảo yêu cầu tháo lưu lượng thiết kế. Ở nước ta, nhiều công trình thủy lợi như Hòa Bình ở Hòa Bình, Cửa Đạt ở Thanh Hóa, Tả Trạch ở Thừa Thiên Huế, Sơn La ở Sơn La, Yali ở Gia Lai… Hầu hết đều sử dụng công trình tháo lũ dạng dốc nước với quy mô lớn về kích thước và lưu lượng tháo. Như hồ chứa Gò Miếu ở Thái Nguyên: Nối tiếp sau ngưỡng là dốc nước dài 125m; độ dốc 10%, mặt cắt ngang dốc hình thang với mái nghiêng m = 0,5, đoạn đầu dốc dài 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 Bôi, Hòa Bình: Nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước dài 29m, trong đó đoạn thu hẹp dài 6,5m, chiều rộng đoạn thu hẹp thay đổi dần từ 6m đến 4m độ dốc i = 6.
Sau đoạn thu hẹp là dốc nước có bề rộng không đổi dài 22m, độ dốc i = 7. Hồ chứa nước Lộc đại ở tỉnh Quảng Nam: Tràn xả lũ có hình thức tràn Ophixerop chảy tự do có kết hợp xả sâu, sau tràn là dốc nước và bể tiêu năng đáy cuối dốc nước. Đoạn dốc nước sau tràn có độ dốc i = 10% từ cao trình +71.40 xuống cao trình +49.40m, nối tiếp đoạn chân đỉnh tràn đến dốc nước là đoạn thu hẹp dần từ 32m về 20m, độ dốc dọc i = 3% và chiều dài tổng cộng là 30m. Hình thức bố trí đoạn thu hẹp trên dốc rất phong phú, theo quy mô công trình có thể xét đến các dạng sau: + Đoạn thu hẹp có đáy phẳng và tường bên thẳng.
2 + Đoạn thu hẹp có đáy cong và tường bên thẳng. + Đoạn thu hẹp có tường bên cong và đáy cong. + Đoạn thu hẹp có đáy phẳng và tường bên loại “không nhiễu”. Trong phạm vi luận văn này ta chỉ giải quyết các vấn đề thủy lực phức tạp xuất hiện trên đoạn thu hẹp có đáy phẳng và tường bên thẳng.
Như vậy 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 đào đất đá và vật liệu bê tông thân dốc. Về mặt thủy lực thì đây là một dạng ĐKDX, đưa dòng chảy từ rộng đến hẹp, từ lưu tốc nhỏ đến lưu tốc lớn hơn. Tổng quan về dòng chảy trên dốc nước. Sóng gián đoạn trên đường tràn đập Bennet (Canada) Dòng chảy trong dốc nước có thể ở trạng thái chảy êm hay chảy xiết.
Trên các đường tràn, dốc nước ở các công trình thủy lợi đầu mối thường là dòng chảy xiết. Các dạng công trình này thường có đoạn thu hẹp nhằm chuyển tiếp dòng chảy sau đập tràn đỉnh rộng hoặc mặt cắt thực dụng với đoạn dốc không thu hẹp ở phía 3 sau. Không như dòng chảy êm biến đổi dần, trong dòng chảy xiết có thể xuất hiện các hiện tượng như: sóng lăn, trộn khí, hay khí thực. Thêm vào đó nếu số Froude của dòng chảy lớn, sự xuất hiện của sóng đứng hay sự dao động của mặt nước trên dốc là vấn đề cần lưu ý khi tính toán thủy lực hay thiết kế đường tràn.
Có thể sử dụng các tiêu chí khác nhau để phân biệt 2 trạng thái chảy này. Tùy theo quan hệ tương đối giữa thế năng và động năng trong thành phần của tỷ năng mặt cắt mà phân biệt các trạng thái của dòng chảy như sau: - Dòng chảy êm: khi chiều sâu h > h k ; trong thành phần của tỷ năng mặt cắt, thế năng (h) có giá trị lớn, còn động năng ( ) có giá trị nhỏ. - Dòng chảy xiết: khi chiều sâu h < h k , khi đó thế năng có gí trị nhỏ, động năng có giá trị lớn. - Dòng chảy phân giới: khi h = h k.
Tại mỗi mặt cắt của đoạn chuyển tiếp, chế độ chảy xiết được duy trì khi thỏa mãn điều kiện: h < h k , trong đó h – độ sâu nước tại mặt cắt; h k – độ sâu phân giới. Với đoạn thu hẹp thì trị số h k tăng dần theo chiều dòng chảy. Nói chung, trạng thái nối tiếp chảy xiết trên đoạn thu hẹp có tính ổn định về thủy lực cao. Sự tạo thành sóng xiên trên đoạn này là không tránh khỏi, nhưng đây là sóng dừng, tức có vị trí ổn định và có thể kiểm soát được chiều cao của nó.
Vì vậy trong thiết kế đoạn thu hẹp trên dốc nước cần khống chế mức độ thu hẹp ε và chiều dài đoạn chuyển tiếp L t để duy trì chế độ chảy xiết trên đó. Ngoài độ sâu h, còn có thể sử dụng các tiêu chí khác để phân biệt các trạng thái chảy như trên bảng 1. Tiêu chí phân biệt các trạng thái chảy. Thông số Chảy êm Chảy phân giới Chảy xiết Độ sâu h h > hk h = hk h < hk Số Froude Fr Fr < 1 Fr = 1 Fr > 1 Lưu tốc trung bình V<C V=C V>C Khi đường biên của dòng chảy có thay đổi (rẽ ngoặt vào hay ngoặt ra khỏi dòng chảy) thì dòng chảy sẽ có biến dạng tương ứng.
Tuy nhiên, phản ứng của dòng 4 chảy xiết và dòng chảy êm có sự khác nhau rõ rệt. Chẳng hạn, khi tường bên rẽ ngoặt vào trong dòng chảy thì dòng êm có phản ứng từ từ, nghĩa là các đường dòng có sự uốn cong rẽ vào phía trong từ trước khi tường rẽ ngoặt, và độ sâu nước không có thay đổi rõ rệt khi đi qua điểm gãy của tường. Ngược lại, phản ứng của dòng xiết là đột ngột và khá mạnh mẽ : trước vị trí rẽ ngoặt của tường bên, dòng chảy chưa có phản ứng gì (không thay đổi độ sâu và hướng các đường dòng), chỉ khi đi qua vị trí rẽ ngoặt của tường thì độ sâu dòng chảy và hướng đường dòng mới thay đổi một cách đột ngột. Đường ranh giới giữa 2 miền của dòng chảy có độ sâu khác nhau gọi là tuyến sóng, trong trường hợp tường rẽ ngoặt vào trong, tuyến sóng đi qua điểm tường rẽ ngoặt và xiên góc với hướng chảy ban đầu.
Khi tuyến sóng này gặp bờ đối diện của lòng dẫn, nó sẽ có phản xạ, và cứ thế truyền đi trên một đoạn dài của dòng chảy, gây ra nhiều tác động làm thay đổi các thông số của dòng chảy trong miền ảnh hưởng. Dòng chảy xiết thường xuất hiện trên các đường tràn, dốc nước. Khi các dạng công trình này có đoạn thu hẹp chuyển tiếp, chuỗi sóng gián đoạn sẽ hình thành do sự va đập của dòng xiết với thành bên. Các phương pháp tính thủy lực dòng chảy ổn định một chiều trên kênh hở thường dùng không thể mô phỏng được hiện trạng này nên có thể dùng mô hình số trị giải hệ phương trình nước nông hai chiều nhằm mô phỏng được các nước nhảy này, sau đó áp dụng cho một công trình cụ thể ở Việt Nam.
Thực tế xây dựng các hồ chứa nước thủy lợi cho thấy kinh phí cho xây dựng công trình tháo lũ chiếm một tỷ trọng đáng kể trong tổng vốn đầu tư xây dựng công trình. Vì vậy trong thiết kế luôn phải giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật để đảm bảo lựa chọn được phương án công trình làm việc an toàn, hợp lý và kinh phí xây dựng là nhỏ nhất. Các đặc điểm của dòng xiết Trong dòng chảy chất lỏng không nén được do những nguyên nhân khác nhau có thể phát sinh các nhiều động của các thông số chuyển động (lưu tốc, cao độ 5 mặt tự do, áp lực. Các nhiễu động lan truyền trong chất lỏng với một tốc độ nào đó nói chung là khác với tốc độ chuyển động của chất lỏng.
Chẳng hạn tịa một điểm nào đó trên mặt tự do của chất lỏng đứng yên, tại thời điểm t o 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 chất lỏng chuyển động, ta sẽ thấy rằng nó phụ thuộc vào tỉ số V/C.
