Bài giảng Thủy lực sông ngòi

13:12

THỦY LỰC SƠNG NGỊI

CHƯƠNG I
1. Khái niệm

Giáo trình:
- Thủy lực sơng ngịi (Trường Đại học Thủy lợi)
Tài liệu tham khảo:
- Động lực học sông (NXB ĐHQG Hà Nội)
- River mechanics (Pierre Y. Julien)
- Thủy lực-tập 2 (NXB Nông Nghiệp)

Thủy lực sơng ngịi là ngành khoa học
nghiên cứu quy luật cơ học cơ bản trong
quá trình vận chuyển và phát triển của các
dịng sơng ở trạng thái tự nhiên hoặc dưới
tác dụng của các cơng trình và các hoạt
động khác của con người.

1


13:12

3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các htượng vật lý của dịng chảy
trong sơng tự nhiên
Ứng dụng mơ tả q trình vận chuyển chất:
bùn cát + chất ơ nhiễm

Mơ tả quá trình ngập lụt
Dự báo vùng ngập lụt do mưa bão và vỡ đê/đập
Đánh giá thiệt hại do lũ lụt

- Thuỷ lực kênh hở nghiên cứu các hiện tượng vật lý của dịng chảy với mặt
thống tự do và hình thành do lực trọng trường.
Kênh hở tự nhiên bao gồm: các sông suối và cửa sông, các kênh nhân tạo
gồm các đường cống thốt nước mưa (khơng áp), nước thải, rãnh thoát
nước, kênh tưới và các kênh phân lũ.
- Ứng dụng thuỷ lực kênh hở trong việc thiết kế các kênh nhân tạo như tưới,
tiêu, cấp nước và vận chuyển chất thải; phân tích lũ trong các sơng suối tự
nhiên; mô tả các vùng ngập lụt và đánh giá các thiệt hại do lũ lụt với một
tần suất nào đó gây ra. Thuỷ lực kênh hở cũng được ứng dụng khi thiết lập
các mơ hình vận chuyển bùn cát và chất ơ nhiễm, ngồi ra cịn có thể ứng
dụng trong việc dự báo quá trình ngập lụt do vỡ đê/đập hay lũ lụt.

2


13:12

3. Phương pháp nghiên cứu
- Các vấn đề phức tạp được giải quyết trong dòng chảy kênh hở được kết
hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trên cơ sở đảm bảo các nguyên lý cơ bản
được thể hiện trong các phương trình liên tục, bảo tồn năng lượng và cân
bằng mơ men.
- Tính tốn dịng chảy khơng ổn định trong sơng thiên nhiên địi hỏi thời
gian tính tốn dài trên máy tính. Tuy nhiên, với sự phát triển của máy tính
cá nhân và các trạm máy chuyên dụng đã cung cấp có hiệu quả và linh hoạt
giải quyết các vấn đề đơn giản đến phức tạp của thuỷ lực kênh hở đặc biệt

là mạng sơng có cấu trúc phức tạp.

3. Phương pháp nghiên cứu

Quy luật vận chuyển của dòng chảy trong kênh hở được nghiên
cứu khá kỹ đặc biệt là sự thực hiện các mơ hình thí nghiệm có
tính cơ bản trong các phịng thí nghiệm. Trong sơng thiên nhiên
các quy luật vận chuyển nước trong lòng dẫn rất phức tạp và có
sự khác biệt so với điều kiện lý tưởng, bởi vậy những nghiên
cứu về dòng chảy hở vẫn tiếp tục được triển khai nhằm làm
chính xác hơn những tính tốn thuỷ lực trong sơng thiên nhiên.

3


13:12

3. Phương pháp nghiên cứu
Trong nghiên cứu thủy lực phải kt hp cht ch lý thuyt v thc nghim

ã Phơng pháp nghiên cứu trực tiếp trên sông thiên nhiên
Thu thập, chỉnh biên các tài liệu thực đo
Phân tích các qui luật và quan hệ từ các chui tài liệu thực đo.
Xác định các giá trị thích hợp cho các hệ số kinh nghiệm trong các công thức lý
thuyết.

ã Phơng pháp nghiên cứu trên mô hỡnh vật lý
Xây dựng mô hỡnh thu nhỏ của nguyên hỡnh (đoạn sông thực) dựa trên nhng
tiêu chuẩn tơng tự chặt chẽ.
Tiến hành các thí nghiệm và các đo đạc cần thiết phục vụ cho nghiên cứu trên mô

hỡnh các yếu tố tơng ứng trên nguyên hỡnh.

ã

Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hỡnh toán

4


13:12

3. Phương pháp nghiên cứu
Trong nghiên cứu thủy lực phải kt hp cht ch lý thuyt v thc nghim

ã Phơng pháp nghiên cứu trực tiếp trên sông thiên nhiên
Thu thập, chỉnh biên các tài liệu thực đo
Phân tích các qui luật và quan hệ từ các chui tài liệu thực đo.
Xác định các giá trị thích hợp cho các hệ số kinh nghiệm trong các công thức lý
thuyết.

ã Phơng pháp nghiên cứu trên mô hỡnh vật lý
Xây dựng mô hỡnh thu nhỏ của nguyên hỡnh (đoạn sông thực) dựa trên nhng
tiêu chuẩn tơng tự chặt chẽ.
Tiến hành các thí nghiệm và các đo đạc cần thiết phục vụ cho nghiên cứu trên mô
hỡnh các yếu tố tơng ứng trên nguyên hỡnh.

ã

Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hỡnh toán

5


13:12

BEDFORMS IN THE LABORATORY AND FIELD: DUNES
Dunes in a flume in Tsukuba
University, Japan: flow turned
off. Image courtesy H. Ikeda.

Dunes on an exposed point bar in the
meandering Fly River, Papua New Guinea

3. Phương pháp nghiên cứu
Các nguyên lý cơ bản để giải bài tốn thủy lực:
- Bảo tồn khối lượng (bảo toàn liên tục).
- Bảo toàn động lượng và moment động lượng (nguyên lý cơ bản cơ học).
- Bảo toàn năng lượng (nguyên lý cơ bản vật lý).

Phương pháp tiến hành như sau:
- Tách riêng bằng tưởng tượng thể tích chứa chất lỏng đang xét. Gọi là thể tích kiểm
tra. Mặt bao quanh thể tích kiểm tra gọi là mặt kiểm tra
- Nghiên cứu tác dụng các lực lên các phần tử đó.
- Áp dụng các nguyên lý cơ bản của cơ học và vật lý học đối với toàn bộ khối chất
lỏng trong thể tích kiểm tra, coi như tồn bộ khối chất lỏng đó là một hệ thống
vật chất do các phần tử chất lỏng tạo nên.
Nhờ phương pháp này giúp ta lập được phương trình vi phân của phần tử chất lỏng.

6

13:12

NỘI DUNG CƠ BẢN

Chương 2

2.1

TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY TRONG SƠNG

2.2

2.3

• Các khái niệm cơ bản
• Phân loại dịng chảy trong sơng

• Đặc điểm dịng chảy trong sơng

7


13:12

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1 Các khái niệm cơ bản

Một con sông nằm trong một hệ thống sông, bao gồm cả khu vực

tập trung nước, cửa sông gồm các hồ chứa nhận nước từ một con
sông hoặc đại dương.

Một con sông nằm trong một hệ thống sông, bao gồm cả khu vực
tập trung nước, cửa sông gồm các hồ chứa nhận nước từ một con
sông hoặc đại dương.

8


13:12

2.1 Các khái niệm cơ bản
2.1.1 Hệ thống sông

2.1 Các khái niệm cơ bản
2.1.1 Hệ thống sông
theo Schumm (1977)
Vùng 1
(Vùng sinh thuỷ)

Vùng 2
(Vùng chuyển tiếp)

Vùng 3
Vùng cửa sông (tam giác
châu)

Vùng 1 ở thượng nguồn: là phần lưu vực sinh thuỷ, hầu hết lượng
nước trong sông và bùn cát sinh ra ở vùng này. Các dịng suối nhỏ

trong vùng có đặc điểm khơng ổn định. Bởi vì các kênh khơng ổn
định, việc nghiên cứu hình thái dịng chảy chỉ có thể thực hiện một
cách tổng quát và thường không được nghiên cứu chi tiết.

9


13:12

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Hệ thống sông

2.1.1 Hệ thống sông
Vùng 1
(Vùng sinh thuỷ)

2.1 Các khái niệm cơ bản

Vùng 2
(Vùng chuyển tiếp)

Vùng 3
Vùng cửa sông (tam giác châu)

Vùng 2: là đoạn sơng có chế độ dịng chảy sơng ngịi ổn định nhất.
Đối với các sơng lớn thì chiều dài của vùng này tương đối lớn, nhưng
nhập lưu khu giữa của vùng này nhỏ. Đây là đoạn sông được quan tâm
nghiên cứu, các mơ hình hố và mơ hình kiểm sốt được thực hiện.
Mặc dù là đoạn sơng tương đối ổn định, nhưng kênh sông là một hệ

thống động lực, vẫn thay đổi nhanh và rõ rệt theo thời gian.

Vùng 1
(Vùng sinh thuỷ)

Vùng 2
(Vùng chuyển tiếp)

Vùng 3
Vùng cửa sông (tam giác châu)

Vùng 3: Đây là đoạn sông bị ảnh hưởng bởi thuỷ triều, cao trình đáy
thường thay đổi, lịng dẫn biến động nhiều. Các sơng trong vùng này
thường quanh có và có nhiều đoạn có hình xoắn.

10


13:12

2.1 Các khái niệm cơ bản
2.1.2 Khái niệm về hình thái sơng
Hình thái lịng sơng bao gồm:
-Theo quan điểm địa mạo: gồm chế độ lưu lượng hình
thành trên kênh, mặt cắt dọc sơng, phân loại kênh sơng,
ngưỡng của hình thái sơng, mặt cắt thuỷ lực, hình thức uốn
khúc, và phân tích địa mạo của các phản ứng do sơng tạo ra.
-Theo phân tích số: gồm hình thái mặt bằng (bình diện),
MCN, MCD sông, được xác định nhờ các yếu tố thủy văn,
thủy lực.

- Du theo quan điểm nào đi nữa thì 2 khái niệm sau cần được làm rõ

 Khái niệm về cân bằng
 Mặt cắt dọc sông

2.1 Các khái niệm cơ bản
2.1.2 Khái niệm về hình thái sơng
1) Khái niệm về cân bằng: bắt nguồn từ việc nghiên cứu về các sơng
bồi tích ổn định, ở đó có đáy mềm và các bờ đất, khơng có xói và
khơng có lắng đọng bùn cát.
-Sự cân bằng thực sự của sông thiên nhiên không bao giờ đạt được,
mặc dù mỗi con sơng ln ln tự điều chỉnh theo hướng đó.
-Sơng biến đổi dần là một trong số đó, trong thời kỳ nhiều năm, mái
dốc được điều chỉnh để cung cấp một lưu lượng có thể và địa hình
kênh thích hợp, lưu tốc cần thiết đối với việc chuyển tải nước và bùn
cát từ lưu vực sông. Một sông biến đổi dần là một hệ thống trong
trạng thái cân bằng động lực, hay chính xác hơn, gọi là một hệ thống
trong trạng thái bán cân bằng. Có thể nói rằng sự mất cân bằng này
lại là cơ sở cho việc thiết lập một sự cân bằng khác của sơng ngịi.

11


13:12

1.1 Các khái niệm cơ bản
2.1.2 Khái niệm về hình thái sông
2)

Mặt cắt dọc của sông Mississippi

Mặt cắt dọc sông
- Độ dốc của dịng sơng được xác định bởi các điều kiện hình
thành lịng sơng, nhưng cao trình và vị trí mỗi điểm của mặt cắt
dọc là tập hợp của cao trình đáy sơng. Các biến chủ yếu quyết
định độ dốc lịng sơng là lưu lượng, sức tải bùn cát và kích cỡ
hạt tạo lịng sơng. Mặt cắt dọc có độ dốc phù hợp với phương
trình do Shulits (1941) :

S  S 0 e  x

S là độ dốc tại khoảng cách x về phía hạ lưu,
 là hệ số suy giảm độ dốc.

- Phương trình mặt cắt dọc sơng :

Z

S0



(e x  1)

Mặt cắt dọc của sông Matamek

12


13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
 Theo điều kiện biên
 Dịng chảy trong ống dẫn kín

 Dịng chảy trong kênh hở

 Theo thời gian
 Dòng chảy ổn định

 Dòng chảy khơng ổn định

 Theo khơng gian
 Dịng chảy đều
 Dịng chảy khơng đều

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
 Theo độ nhớt động học
 Dòng chảy tầng
 Dòng chảy rối

 Theo lực trọng trường
 Dòng chảy chưa tới hạn
 Dòng chảy tới hạn

 Theo chất lưu
 Dòng chảy đơn pha (single phase)
 Dòng chảy đa (nhiều) pha (lớp – multiphase)
• Khí (gas) – nước
• Các lớp lưu chất

13


13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.1. Kh¸i niƯm vỊ chảy tầng và chảy rối
Chảy tầng:
là trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động
theo nhng tầng lớp riêng biệt, không xáo trộn vào nhau.

2.2 Phõn loi dũng chy trong sụng
2.2.1. Khái niệm về chảy tầng và chảy rối
Quan điểm của Prant: Dòng chảy rối đợc sinh ra do sự mất ổn định của
thể nớc và thể rắn

+

Chảy rối:
là trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động
một cách hỗn loạn, vô trật tự.
Chảy phân giới:
là trạng thái chảy quá độ từ tầng sang rèi hay tõ rèi sang tÇng.

SAI

-

+

(b)

-

+

-

+

+
-

SAI

(c)

(a)
+
-

+

+

(d)

14

13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.1. Kh¸i niƯm vỊ chảy tầng và chảy rối
Số Reynold để phân biệt trạng thái chảy tầng và chảy rối (số
không thứ nguyên)
Trong ống

Đối với kênh

Red
ReR

V .d



V .R



d - Đ-ờng kính ống
V - L-u tèc trung b×nh

2.2 Phân loại dịng chảy trong sụng
Chy ri
+ Vận tốc tại các điểm trên cùng 1 thuỷ trực của mặt cắt
ngang ko giống nhau
+ Vận tốc trên đờng nằm ngang không giống nhau
+ Vận tốc tức thời tại một điểm ở thời gian khác nhau thi

khác nhau

- Hệ số nhớt động học
R - Bán kính thuỷ lực

Theo Reynold đối với ống, khi số Red<2320 và đối với dòng
chảy trong kênh khi ReR<300 thỡ là trạng thái chảy tầng. Tất
nhiên là trên giới hạn trên dòng chảy sẽ sang trạng thái chảy rối.

15


13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
Chảy vịng

2.2 Phân loại dũng chy trong sụng
Chy xoỏy
+ Xoáy trục đứng:
Mặt cắt ngang mở rộng đột
ngột
+ Xoáy trục ngang:
Lòng sông thay đổi đột
ngột về độ cao đáy sông

16


13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.2. Kh¸i niƯm vỊ dòng chảy không ổn định và ổn
định, không đều và đều
Thời gian
ã Dòng chảy ổn định là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển
động không đổi theo thời gian.
ã Dòng chảy không ổn định là dòng chảy trong đó các yếu tố
chuyển động thay đổi theo thời gian.
Không gian
ã Dòng chảy đều là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển động
không thay đổi theo chiều dài dòng chảy.
ã Dòng chảy không đều là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển
động thay đổi dọc theo chiều dài dòng ch¶y.

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.3. Khái niệm về chy ờm v chy xit

Fr

u
gh

ã Dòng chảy có Fr<1 thuộc trạng thái chảy êm

ã Dòng chảy có Fr>1 thuộc trạng thái chảy xiết.
ã Trạng thái chảy có Fr=1 thuộc trạng thái chảy phân
giới.

17

13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.4. Khái niệm về chảy chính và thứ cấp

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng
2.2.5 Dịng chảy trong sơng thiên nhiên
Dịng chảy trong
sơng thiên nhiờn

ã Dòng chảy chính là dòng chảy chảy theo phơng chung, nghĩa
là phơng dọc theo lòng dẫn.

Dũng chy khụng
n nh
H/t0

Dũng chy n nh
H/t=0

ã Dòng thứ cấp là các dòng chảy theo các phơng khác ngoài phơng chung. (secondary currents).

Dũng chy ổn định đều
ΔH/Δt=0; ΔH/ΔS=0

Dịng chảy ổn định
khơng đều
ΔH/Δt=0; ΔH/ΔS≠0

Dịng chảy ổn định
khơng đều
biến đổi chậm

Dịng chảy khơng
ổn định đều
ΔH/Δt≠0; ΔH/ΔS=0

Dịng chảy ổn định
khơng đều
biến đổi gấp

Dịng chảy khơng
ổn định khơng đều
ΔH/Δt≠0; ΔH/ΔS≠0

Dịng chảy khơng
ổn định khơng đều
biến đổi chậm

Dịng chảy không
ổn định không đều
biến đổi gấp

18


13:12

2.2 Phân loại dịng chảy trong sơng

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sông
2.3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ dịng chảy
• Trong kênh lăng trụ: A = A(h); h = h(x)
dA dA dh

dx dh dx

• Trong kênh khơng lăng trụ: A = A(x,h)
dA A A h


dx x h x

1) Hình dạng m/c sơng rất phức tạp và thay đổi
dọc theo lịng sơng, độ dốc đáy thay đổi ko đều
 sự thay đổi không đều về chế độ chảy, tồn tại
những đoạn cục bộ  có sự chuyển tiếp về
chế độ chảy.

19


13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ dịng chảy

2) Sự hình thành các bãi bồi cục

bộ tạo nên sự thay đổi đột biến
về chế độ chảy dọc theo chiều
dài sông

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ dịng chảy
3) Lịng sơng quanh co  những đoạn chảy vòng. Phân bố tốc
độ dòng chảy trên mặt cắt khác biệt so với mặt cắt kênh nhân
tạo.

20


13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy
4) Về mùa lũ trên hệ thống sông tồn tại các khu chứa nối với hệ
thống sơng chính theo các hình thức khác nhau  các
phương trình mơ phỏng thuỷ lực dịng ổn định hoặc khơng ổn
định khơng cịn thích hợp.
5) Hình dạng và độ nhám biến đổi rất lớn theo sự tác động của
điều kiện tự nhiên. Do vậy, rất khó xác định các quy luật về
sức cản thuỷ lực.

2.3 Đặc điểm dòng chảy trong sông
2.3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ dịng chảy
6) Tồn tại các xốy nước lớn do hiện tượng chảy bao ở những
điểm cục bộ có vật cản lớn làm thay đổi đáng kể sức cản
thuỷ lực cục bộ tại các khu vực đó.

+ Xốy trục ngang: Lịng sơng thay đổi đột ngột về độ cao
đay sơng
+ Xoáy trục đứng: Mặt cắt ngang mở rộng đột ngột
7) Tồn tại những hợp lưu sông làm cho chế độ thuỷ lực của dịng
chảy trong sơng trở nên phức tạp hơn.
8) Các hệ thống cơng trình trên sơng như cầu, cống, âu thuyền,
các điểm lấy nước vào đồng … gây ra sự đột biến về chế độ
dòng chảy phá vỡ quy luật phổ biến của chế độ chảy trên hệ
thống sông.

21


13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.2 Sự chuyển động thơng thường

2.3.3 Dịng chảy động học trong sơng

Nếu mặt cắt ngang sơng có dạng chữ nhật/parabơn thì dịng
chảy xi thuận, ổn định, lưu tốc phân bố đều, đối xứng. Khi đó,
để tính lưu tốc dịng chảy với giả thiết là dịng ổn định đều:
Cơng thức Chézy (1775)

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng

U  C RJ

Trong ®ã :

U : Lu tốc bỡnh quân mặt cắt
R : Bán kính thuỷ lực
J : Đé dèc mỈt níc
1 1
C R 6
C : HƯ sè Sezy

Dịng chảy động học mơ tả chuyển động chất lỏng thông qua giá trị
vận tốc và gia tốc.
vx = dx/dt; vy = dy/dt; vz = dz/dt
v  v 2x  v 2y  v 2z
Các vận tốc khác nhau được hợp thành từ những khoảng cách rất nhỏ
ds (dx, dy, dz) và thời gian tương ứng dt theo tọa độ (x,y,z) là

n

Công thức Chézy-Maning

U

1 2 3 12
R J
n
Cục bộ

Đối lưu

22

13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.4 Các phương trình cơ bản
1) Phương trình liên tục (Bảo tồn khối lượng)
Xét một vi phân của khối dịng chảy có các cạnh dx, dy, dz
được lấp đầy bởi chất lỏng và mật độ đồng nhất bùn cát.

 m 


 (  m v X )  (  m vY )  (  m vZ )  0
t x
y
z
Đối với dòng chảy trong sơng có
nồng độ bùn cát bé thì PT có thể
đơn giản cịn

v X vY vZ


0
x
y
z

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.4 Các phương trình cơ bản
2) Phương trình chuyển động

Xét 1 thể tích khống chế
Lực tác động lên thể tích khống chế
F = ma  a = F/m=F/V
Các lực được chia ra thành
Nội lực & Ngoại lực
- Nội lực tác dụng vào trọng tâm khối,
đặc trưng bởi gx, gy, gz
- Ngoại lực tác dụng lên một đơn vị
diện tích tại mỗi mặt của khối:
+ Ứng suất pháp tuyến:
x, y, z- mơ tả sức căng mặt ngồi.
+ Ứng suất tiếp tuyến:
xy,xz,yx,yz,zx,zy-với 2 thành phần
trực giao tác dụng lên mỗi mặt

23


13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng

2.3.4 Các phương trình cơ bản

2.3.5 Đường năng và đường đo áp

2) Phương trình chuyển động
Khối thể tích khống chế được coi là cân bằng khi tổng các lực

tác dụng lên một đơn vị khối lượng theo các hướng x, y, z cân
bằng với các thành phần ma sát tương ứng.

Xét một phần tử chất lỏng trong 1 đoạn kênh rộng hình chữ nhật.
Dịng chảy 1 chiều theo phương x
Do đó v = vx; vy = vz = 0; xx= 0; yx=0; zx≠0; sin  tan và gx=gsin =gS0

Áp lực thủy tĩnh

Ứng suất tiếp

24


13:12

2.3 Đặc điểm dịng chảy trong sơng
2.3.5 Đường năng và đường đo áp

Chương 3
DỊNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG SƠNG

25