Giáo trình thủy công Tập 1 - 3 ppt

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


82
a
b
a)
Q
P
a
b
b)
R

c
a
c)
b
c

Hình 4-2: Các dạng mặt trợt khi công trình xây trên nền đất
a) Trợt phẳng; b) Trợt hỗn hợp; c) Trợt sâu
Theo Quy phạm "Nền các công trình thuỷ công" [15], các tiêu chuẩn phán đoán khả
năng trợt nh sau:
a) Với nền cát, đất hòn lớn, đất có sét cứng và nửa cứng: chỉ cần tính theo sơ đồ
trợt phẳng nếu thoả mãn điều kiện về chỉ số mô hình hoá:

lim
max
I

NN
B.


=<

, (4-21)
Trong đó:
N

- chỉ số mô hình hoá;

max
- ứng suất pháp lớn nhất tại điểm góc của đáy móng công trình;
B - kích thớc cạnh (chiều rộng) đáy móng công trình hình chữ nhật song song
với lực gây trợt (không tính chiều di sân trớc néo vo móng công trình);

I
- trọng lợng riêng của đất nền, khi nền nằm dới mực nớc ngầm thì cần xét
đến sự đẩy nổi của nớc.
lim
N

- chuẩn số không thứ nguyên, lấy bằng 1,0 đối với cát chặt v 3,0 đối với
các loại đất khác.
b) Với nền đất sét dẻo, dẻo cứng và dẻo mềm: chỉ cần xét sơ đồ trợt phẳng nếu thoả
mãn đồng thời các điều kiện (4-21), (4-22), (4-23):
- Điều kiện về cờng độ chống cắt của nền:

I

II
TB
C
tg tg 0,45= +

; (4-22)
- Điều kiện về tốc độ cố kết:
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


83

0
th 0
V
2
n0
K(1 e)t
C4
ah
+
=

, (4-23)
Trong đó:
tg

I
- giá trị tính toán của hệ số kháng trợt;

I
- góc ma sát trong của đất nền;
C
I
- lực dính đơn vị của đất nền;

TB
- ứng suất pháp trung bình ở đáy móng công trình;
0
V
C - hệ số mức độ cố kết;
K
th
- hệ số thấm của đất nền;
e - hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên;
t
0
- thời gian thi công công trình;
a - hệ số nén của đất nền;

n
- trọng lợng riêng của nớc;
h
0
- chiều dy tính toán của lớp cố kết.
c. Khi không thoả mãn các điều kiện quy định ở trên:
- Công trình trên nền đồng nhất, trong mọi trờng hợp phải tính toán ổn định theo sơ
đồ trợt hỗn hợp.
- Công trình chỉ chịu tải trọng thẳng đứng: tính theo sơ đồ trợt sâu.

- Công trình trên nền không đồng nhất, chịu tải trọng thẳng đứng v nằm ngang:
tính theo sơ đồ trợt sâu.
II. Tính ổn định theo sơ đồ trợt phẳng
Điều kiện ổn định trợt đợc kiểm tra theo công thức (4-6), trong đó R v N
tt
xác
định nh sau:
1. Khi mặt trợt nằm ngang
- Lực chống trợt:
R = Ptg

I
+ m
1
E
b2
+ AC
I
; (4-24)
- Lực gây trợt: N
tt
= Q (4-25)
Q = T
1
+ E
C
1
T
2
, (4-26)

Trong đó:
P - tổng các thnh phần thẳng đứng của các tải trọng tính toán (kể cả áp lực ngợc);
E
b2
- giá trị tính toán của áp lực bị động của đất phía hạ lu;
m
1
- hệ số điều kiện lm việc xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với
chuyển vị ngang của công trình. Có thể lấy m
1
= 0,7;
A - diện tích mặt trợt (nằm ngang).
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


84
T
1
, T
2

- tổng giá trị tính toán các thnh phần nằm ngang của các lực chủ động từ
phía thợng, hạ lu công trình, trừ áp lực chủ động của đất;
E
C
1
- giá trị tính toán của áp lực chủ động của đất từ phía thợng lu;
Các đại lợng khác nh đã giải thích ở trên.
a

b
P
T
E
T
E
1
2
b2
c1

Hình 4-3: Sơ đồ tính toán trợt phẳng
2. Khi mặt trợt nằm nghiêng
Trờng hợp mặt trợt nghiêng về thợng lu:
- Lực chống trợt:
R = (
'P
cos + Qsin - W
đn
)tg
I
+ m
1
E
b2
cos +
'A
C
I
; (4-27)

- Lực gây trợt:
N
tt
= Qcos -
'P
sin, (4-28)
Trong đó:
'P - tổng các thnh phần thẳng đứng của các tải trọng tính toán, không kể áp lực
nớc đẩy ngợc;
W
đn
- tổng áp lực đẩy ngợc lên mặt trợt (bao gồm áp lực thấm v thuỷ tĩnh).
- góc giữa phơng mặt trợt v phơng nằm ngang;
A' - diện tích mặt trợt (nằm nghiêng);
Các ký hiệu khác nh đã nêu trên.
Trờng hợp mặt trợt nghiêng về hạ lu cũng đợc tính theo cách tơng tự.
III. Tính ổn định theo sơ đồ trợt hỗn hợp
Sơ đồ mặt trợt nh trên hình (4-4). Trờng hợp ny chiều rộng móng đợc chia
thnh 2 phần: phần có chiều rộng B
1
thuộc phạm vi trợt sâu; phần có chiều rộng B
2

thuộc phạm vi trợt phẳng. Công thức kiểm tra ổn định vẫn theo (4-6), trong đó:
1. Lực gây trợt: N
tt
= Q;
2. Lực chống trợt:
R = (
TB

tg
I
+ C
I
)B
2
L +
gh
B
1
L, (4-29)
Trong đó:

gh
- ứng suất tiếp giới hạn tại phần trợt ép trồi;
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


85
L - chiều di đáy móng chữ nhật (thẳng góc với lực gây trợt), khi xét
cho bi toán phẳng thì lấy L = 1;

TB
- ứng suất đáy móng trung bình trong phạm vi B
2
.
B (B ) B (B )
B(B )
*

*
*
2211
a
b
cd
e
f

Hình 4-4: Sơ đồ tính toán trợt hỗn hợp
Phơng pháp xác định
gh
đợc trình by trong [15].
Giá trị B
1
phải đợc xác định theo giá trị
TB
P
BL
=
trên các đồ thị trong hình 4-5.
Khi lực pháp tuyến P lệch tâm về phía hạ lu thì các giá trị B, B
1
, B
2
trong công thức
(4-29) phải lấy bằng B*, B
1
*, B
2

*, trong đó B* = B - 2e
p
; B
1
* =
1
B*
B
B
; e
p
- độ lệch tâm
về hạ lu của lực P. Độ lệch tâm về phía thợng lu không xét đến trong tính toán.


k
p
1
0
a)
B /B
1


0
1
B /B
1
p
b)

Hình 4-5: Các đồ thị để xác định chiều rộng B
1
a) Đất có tg

I
> 0,45; b) Đất có tg

I


0,45
Trên hình (4-5):
k
=
lim
Ip
N.B.;

- ứng suất pháp trung bình tại đáy móng công
trình m tại đó xảy ra sự phá hoại nền chỉ do tải trọng thẳng đứng, xác định theo [15].
IV. Tính ổn định theo sơ đồ trợt sâu
Tuỳ theo cấu tạo địa chất nền, mặt trợt sâu có thể có hình dạng bất kỳ. Trong tính
toán, để đơn giản thờng giả thiết mặt trợt xấp xỉ theo một đờng cong có hình dạng
xác định.
Khi đất nền đồng chất có thể tính theo phơng pháp nêu trong [15].
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

86
Với mọi loại nền, có thể áp dụng phơng pháp gần đúng của M.M.Grisin để tính
toán. Theo phơng pháp ny, xem mặt trợt (trong bi toán phẳng) l một cung tròn đi
qua điểm đầu của đáy móng công trình; xem công trình l một khối không biến dạng gắn
chặt vo nền v kiểm tra hệ số an ton chống trợt cho ton khối công trình + nền. Hệ số an
ton ổn định cho phép đợc xác định theo (4-7).
1. Trờng hợp nền đồng chất (hình 4-6)
P
Q
Q
P
x
x
PN
T
B
G
W
D
N
Q
T
1
2
2
1
1
1
1

1
1
0



R
r
y
0
O
th
i

Hình 4-6: Sơ đồ tính ổn định trợt sâu khi nền đồng chất
Các lực tác dụng bao gồm:
- Hợp lực P của các lực thẳng đứng (trọng lợng công trình, sân sau, nớc trên công
trình ), có tay đòn đến điểm đầu cung trợt (điểm I) l x
0
.
- Hợp lực Q của các lực nằm ngang, có tay đòn đến điểm I l y
0
.
- Trọng lợng đất nằm trong cung trợt, tính theo dung trọng đẩy nổi.

0
2
dn
0
.

Gsin.cos.R
180


=



; (4-30)
-
áp lực thấm trong phần cung trợt - áp lực ny l hợp của các lực thấm phân tố tác
dụng tại từng ô của lới thấm; có thể tính gần đúng:
W
th
=
n
J
i

i
; (4-31)
Trong đó:

n
- trọng lợng riêng của nớc;
J
i
- gradien thấm tại ô lới thứ i;

i

- diện tích ô lới thứ i.
Hợp lực W
th
có cánh tay đòn đến O l r.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


87
Ta dời song song hệ lực (P, Q) đến vị trí mới (P
1
, Q
1
) có Q
1
đi qua điểm I, khi đó hệ
lực mới có các cờng độ P
1
= P; Q
1
= Q; điểm đặt của P
1
xác định bởi tay đòn đến điểm
l:
10 0
Q
xx y
P
=+
.

Tiếp theo, trợt lực P
1
dọc theo giá của nó cho đến khi cắt cung trợt tại B; phân tích
lực P
1
ra 2 thnh phần:
- Thnh phần theo hớng pháp tuyến với cung trợt: N
1
= Pcos;
- Thnh phần theo hớng tiếp tuyến với cung trợt: T
1
= Psin.
Tơng tự, trợt lực Q
1
dọc theo giá của nó cho đến khi cắt cung trợt (phía cuối) tại
D; phân tích lực Q
1
ra hai thnh phần:
- Thnh phần theo hớng pháp tuyến với cung trợt: N
2
= Qsin;
- Thnh phần theo hớng tiếp tuyến với cung trợt: T
2
= Qcos
Xét trờng hợp cân bằng giới hạn, lực tác dụng lên cung trợt gồm có:
- Các lực ma sát do lực theo hớng pháp tuyến sinh ra:
S
1
= N
1

tg = Pcostg;
S
2
= N
2
tg = Qsintg;
S
3
= tg; - góc ma sát trong của đất nền.
- Lực dính dọc theo cung trợt: C = 2Rc,
Trong đó: 2R - chiều di cung trợt;
c - lực dính đơn vị.
Hệ số an ton ổn định đợc xác định theo công thức:

ct
at
gt
M
K
M
=
, (4-32)

Trong đó:
M
ct
- mômen chống trợt:
M
ct
= S

1
R + S
2
R + S
3
R + 2RcR;
M
gt
- mômen gây trợt:
M
gt
= T
1
R + T
2
R + W
th
r
Thay vo (4-32) đợc:

at
th
(Pcos Qsin G)tg 2 Rc
K
Qcos Psin W .r/R
+ + +
=
+ +
(4-33)
2. Trờng hợp nền không đồng chất (hình 4-7)

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


88



P
Q
i
D
R
1
Q
b
i
i
S
,
,c
111
,
,c
222
,
,c
333
O
i

Hình 4-7: Sơ đồ tính toán ổn định chống trợt khi nền không đồng chất.
Nếu cung trợt đi qua nhiều lớp đất có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau (
j
,
j
, C
j
) thì phải
chia khối trợt thnh nhiều dải thẳng đứng có chiều rộng b bằng nhau v xét cân bằng
giữa tổng số các mômen chống trợt v đẩy trợt của các dải đất đó do lực thẳng đứng
truyền xuống đáy dải l:
P
i
= P
i
n
+ P
i
đ

Trong đó:
P
i
n
- tải trọng thẳng đứng do phần áp lực ngoi tác dụng trên mặt đỉnh dải, có thể
l do áp lực đáy móng hay trọng lợng sân sau gây ra;
P
i
đ

- trọng lợng dải đất:
P
i
đ
= b(
1
Z
1
+
2
Z
2
+ )
i
,
Với
1
,
2
tơng ứng l trọng lợng riêng của phần đất có chiều dy Z
1
, Z
2
,
trong phạm vi dải đang xét.
P
i
cũng đợc phân tích ra các thnh phần theo hớng pháp tuyến v tiếp tuyến
với cung trợt:
- Hớng pháp tuyến: N

i
= P
i
cos
i
;
- Hớng tiếp tuyến: T
i
= P
i
sin
i
;
Trong đó:
i
- góc định vị của dải, xem hình 4-7.
Tổng lực ngang Q cũng đợc dời xuống mặt nền, trợt về điểm cuối cung trợt v
phân tích ra hai thnh phần theo hớng pháp tuyến v tiếp tuyến với cung trợt nh đã
lm với trờng hợp trên.
Hệ số an ton chống trợt tính theo (4-32) sẽ l:

iiiii 1
at
ii
P cos tg c S Qsin tg
K
Psin Qcos
++
=
+

(4-34)
Trong đó:
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


89

i
, C
i
- góc ma sát trong v lực dính đơn vị của lớp đất dới đáy dải thứ i;
S
i
- chiều di đáy dải thứ i.
Hệ số an ton cho phép đợc xác định theo (4-7).
Đ4.4. ổn định của đập đất
Đập đất l công trình chắn nớc có mặt cắt hình thang, mái dốc tơng đối thoải,
trọng lợng đập lớn, khó có thể bị nớc đẩy trợt theo phơng ngang. Sự mất ổn định về
trợt của đập chỉ có thể l trợt mái hoặc mái cùng với một phần của nền.
Trong tính toán cần xét đến các trờng hợp sau:
1. Đập trong thời kỳ thi công, v khi vừa đắp xong.
2. Khi hồ đã chứa nớc với các mực nớc thợng hạ lu khác nhau.
3. Khi mực nớc trong hồ rút nhanh.
Các sơ đồ v công thức tính toán đợc trình by ở
Đ6.5.

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

90

Chơng 5
Một số vấn đề thuỷ lực
của công trình tháo nớc
Đ5.1. Tháo nớc qua công trình thuỷ lợi
Nớc đợc tháo qua công trình thuỷ lợi trong nhiều trờng hợp khác nhau.
ở các cụm công trình đầu mối thuỷ lợi, phải xây dựng công trình tháo nớc để xả
nớc thừa trong mùa lũ, đảm bảo an ton cho ton bộ đầu mối; để tháo cạn hồ chứa khi
cần thiết, xả bùn cát hay tháo nớc thờng xuyên xuống hạ lu. Có thể có những công
trình tháo nớc thực hiện những chức năng khác nhau nh tháo lũ v tháo nớc thờng xuyên;
tháo lũ khai thác kết hợp dẫn dòng thi công v.v
Công trình tháo nớc cũng đợc áp dụng trên hệ thống kênh khi xả nớc thừa ra
khỏi kênh, hay tháo lũ sờn dốc cắt qua tuyến kênh.
Một trong những yếu tố quyết định lu tốc dòng chảy trên công trình tháo
nớc l cột nớc công tác của nó tức chênh lệch mực nớc thợng hạ lu (Z
ct
) khi
công trình tháo nớc lm việc. Theo trị số của Z
ct
, có thể phân thnh công trình tháo
nớc có cột nớc thấp (Z
ct
< 10m), cột nớc trung bình (Z
ct
= 10 ữ 20m) v cột nớc
cao (Z
ct
> 20m).

ở công trình tháo nớc có cột nớc thấp, lu tốc dòng nớc trên đó không lớn, ít
xuất hiện các hiện tợng thuỷ lực phức tạp nh sóng xung kích, hm khí, khí thực
Ngợc lại, ở các công trình tháo nớc có cột nớc trung bình v cao, lu tốc dòng chảy
trên đó lớn (có thể đạt tới 35 ữ 40m/s hoặc hơn nữa), dòng chảy rất "nhạy cảm" với
những thay đổi ở đờng biên công trình; các hiện tợng thuỷ lực nh sóng xiên, hm
khí, khí thực, mạch động có thể diễn ra mãnh liệt, ảnh hởng đến sự lm việc an ton
của công trình. Vì vậy trong tính toán thiết kế, chúng cần đợc xem xét, đánh giá đúng
mức v đề ra các biện pháp xử lý khi cần thiết.
Trong chơng ny trình by một số vấn đề thuỷ lực của công trình tháo nớc khi
dòng chảy trên đó có lu tốc cao. Các vấn đề về khả năng tháo nớc, nối tiếp v tiêu
năng sau các công trình tháo sẽ đợc trình by cụ thể trong các chơng tơng ứng.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


91
Đ5.2. Mạch động của dòng chảy trên Công trình tháo nớc
I. Khái niệm
Mạch động l sự dao động của giá trị các thông số chảy (lu tốc, áp lực, độ sâu )
xung quanh giá trị trung bình thời gian.
Có thể biểu diễn giá trị tức thời của các thông số chảy qua trị số trung bình thời gian
v giá trị mạch động của chúng. Ví dụ:
- Lu tốc: u =
u + u', (5-1)
-
áp suất: p = p + p', (5-2)
Trong đó:
u, p - trị số tức thời của lu tốc, áp suất tại điểm đang xét trong dòng chảy;
u
,

p
- trị số trung bình thời gian của u, p;
u', p' - mạch động của lu tốc, áp suất;
Trị số của u', p' có thể l dơng, âm hoặc bằng không.
II. Nguyên nhân
Sự hình thnh mạch động có liên quan đến các biên của dòng chảy: sự thay đổi mực
nớc thợng, hạ lu, tác động của sóng, gió trong hồ chứa, ảnh hởng của độ nhám lòng
dẫn Có rất nhiều yếu tố có thể ảnh hởng đến dòng chảy trên công trình tháo nớc. V
sự tổ hợp của các yếu tố ny l có tính ngẫu nhiên. Kết quả l các thông số của dòng
chảy cũng sẽ biến đổi một cách ngẫu nhiên. Tuy vậy, sự biến đổi đó vẫn tuân theo
những quy luật nhất định m việc nghiên cứu lý thuyết v thực nghiệm đã dần lm sáng
tỏ.
III. ảnh hởng
Mạch động ảnh hởng đến dòng chảy v công trình trên nhiều mặt. Các ảnh hởng
quan trọng nhất l:
1. Thay đổi tải trọng lên bề mặt công trình
Trên hình 5.1 mô tả diễn biến theo thời gian của áp suất lên đáy lòng dẫn. Thnh
lòng dẫn cũng chịu sự thay đổi của áp suất kiểu tơng tự. Kết quả l áp lực lên bề
mặt công trình luôn luôn thay đổi. Điều ny có ảnh hởng đến ổn định v độ bền của
kết cấu.
- Khi đáy lòng dẫn (dốc nớc, bể tiêu năng, sân sau) l các tấm lm việc độc lập thì
sự hạ thấp đột ngột áp lực thuỷ động lên đó có thể lm cho tấm bị mất ổn định do đẩy
nổi. Ngợc lại, khi áp lực đột ngột gia tăng có thể lm cho tấm bị nứt vỡ do ứng suất
kéo tại một số điểm vợt quá giới hạn.
- Khi thnh lòng dẫn l các tờng lm việc độc lập (không nối liền với bản đáy)
thì sự hạ thấp đột ngột áp lực thuỷ động lên tờng có thể lm cho nó bị mất cân bằng
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

92
v bị đẩy trợt về phía trớc; ứng suất trong tờng cũng có những thay đổi theo hớng
bất lợi.
- Đối với các ống có áp, sự thay đổi áp lực nớc lên thnh ống theo cả hai hớng
(tăng hay giảm) đều dẫn đến bất lợi: áp lực tăng sẽ lm tăng ứng suất kéo trong thnh
ống; áp lực giảm có thể lm phát sinh chân không gây bẹp ống
0,15
0,15
-2
0
2
0
5
-5
2
1
0
-1
-2
-3
-4
m cột nớc cm cột nớc
a)
b)
c)

Hình 5-1: Mạch động áp lực có trong dòng chảy rối (đo trong máng thí nghiệm).
a) Vị trí sau nớc nhảy, trên trục đáy máng; b) ở phần giữa nớc nhảy,
trớc hố tiêu năng; c) Trong ống xả của turbin cánh quay.
2. Gây rung động

Sự thay đổi tải trọng sẽ dẫn đến hệ quả l gây rung động công trình. Sự rung động
mạnh có thể dễ dng nhận ra ở các kết cấu mảnh nh các tấm chắn, tấm lát. V nếu kết
cấu có tần số dao động tự do xấp xỉ bằng tần số dao động cỡng bức do mạch động gây
ra thì có thể phát sinh cộng hởng lm đổ vỡ công trình.
Rung động mạnh cũng ảnh hởng đến độ bền của các khớp nối. Điều ny cần lu ý
đối với các công trình chôn sâu dới đất nh đờng hầm, cống ngầm.
3. Làm thay đổi mực nớc
Sự gia tăng mực nớc trong lòng dẫn có thể dẫn đến trn bờ các công trình tháo
nớc kiểu hở, ảnh hởng đến an ton công trình.
4. ảnh hởng đến sự khí hoá dòng chảy
Tại các thời điểm m mạch động áp suất có "đỉnh âm" thì có thể sinh ra chân
không, lm cho dòng chảy bị khí hoá, có thể dẫn đến khí thực lm h hỏng thnh lòng
dẫn (xem
Đ5-4).
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


93
5. ảnh hởng đến sự xói lòng dẫn
ở
đoạn lòng dẫn sau nớc nhảy, lu tốc đáy có trị số lớn. Gặp các "đỉnh dơng" của
mạch động lu tốc, trị số lu tốc tức thời của dòng chảy có thể vợt quá lu tốc khởi
động của vật liệu đáy v mái lòng dẫn. Hiện tợng xói hạ lu xảy ra rất phổ biến ở các
đờng trn, các cống tới, tiêu đầu mối v trên hệ thống (hình 5-2).

Hình 5-2: Xói ở hạ lu cống vùng triều (cống Nhất Đỗi - Nam Định)
IV. Phơng pháp tính toán
Do mạch động mang đặc trng của hm ngẫu nhiên, để xác định nó cần biết các
thông số quan trọng nh trị số tiêu chuẩn (), biên độ cực đại (A) v tần số (f).

1. Trị số tiêu chuẩn mạch động
Đây l trị số quân phơng của các giá trị tức thời của mạch động. Chẳng hạn, với
mạch động áp suất:

p
=
n
2
i
1
(p' ) /n

, (5-3)
Trong đó:
n - số lần đo;
p'
i
- trị số mạch động áp suất ở lần đo thứ i.
Việc xác định các trị số p'
i
đợc thực hiện nhờ máy tự ghi có đờng ống truyền áp
nối với điểm cần đo. Các kết quả đo đợc xử lý trên máy vi tính.
Giá trị tiêu chuẩn mạch động áp suất của một số loại công trình đợc trình by trên
hình 5-3.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


94
2. Biên độ mạch động l độ chênh lớn nhất giữa trị số cực đại (hay cực tiểu) so với

trị số tiêu chuẩn của đại lợng mạch động đang xét. Vì mạch động mang đặc tính của
đại lợng ngẫu nhiên nên trị số của biên độ (A) lại phụ thuộc vo tần số xuất hiện (p)
của nó trong một quan hệ gọi l phổ mạch động.
Trong tính toán thông thờng lấy:
A = 3, (5-4)
2
p
2
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
x/Ln
a)
Pn
p
0
x
y
u
1
h
0.8h
0.6h

1
2
3
4
.u
10
p
2
p
.u
1
2
2(p -p)
p
u
1
2
0,24
0,20
0,16
0,12
0,08
0,04
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,55,0
x/h
b)

Hình 5-3: Trị số tiêu chuẩn mạch động áp suất
a) ở đáy lòng dẫn khi có nớc nhảy hoàn chỉnh: x - khoảng cách từ mặt cắt đo đến vị trí đầu
nớc nhảy; L
n
: Chiều dài nớc nhảy;

: Khối lợng riêng của nớc; u : Lu tốc trung bình
mặt cắt đầu nớc nhảy. b) á
p suất bình quân
p
(o) khi mở van với a = 0,8h (1) và tiêu chuẩn
mạch động áp suất

p
trên trần cống xả, khi độ mở a/h = 0,8 (2); 0,5 (3) và 0,2 (4); p
n
áp suất
trớc cửa van.
Trong đó: A - biên độ mạch động;
- tiêu chuẩn mạch động.
Trong những trờng hợp yêu cầu độ an ton cao hơn, có thể lấy: A = 4.
Các cực trị của đại lợng X đang xét sẽ l:
X
max,

min

= X A
x
, (5-5)
Trong đó:
X
- giá trị trung bình thời gian của X;
A
x
- biên độ mạch động của đại lợng X.
3. Tần số mạch động
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


95
Đối với dao động điều ho thì tần số f có giá trị không đổi, còn đối với mạch động
thì f chỉ l giá trị tơng đối.
Dòng chảy qua công trình có hai loại mạch động: mạch động lớn v mạch động nhỏ
(xem hình 5-1). Mạch động nhỏ thì tần số xuất hiện cao; mạch động lớn thì tần số xuất
hiện thấp.
Tần số mạch động có ý nghĩa lớn khi xét rung động của công trình. Chẳng
hạn, dòng chảy qua đập trn có tần số mạch động bình quân f = (20 ữ 30)Hz, cao
hơn nhiều so với tần số dao động riêng của đập nên không thể gây ra cộng hởng. Đối
với các bộ phận công trình có kết cấu thanh mảnh thì tần số dao động riêng (f
0
) sẽ lớn,
khi đó cần quan tâm đến khả năng cộng hởng. Tuy nhiên, điều ny thờng rất ít xảy ra
với các bộ phận của công trình tháo nớc.
Đ5.3. Hm khí v thoát khí
I. Khái niệm

Hm khí l sự lôi cuốn các bọt khí vo dòng chảy, v kết quả l hình thnh chuyển
động của hỗn hợp nớc - khí.
Hm khí có thể phát triển từ bề mặt dòng chảy do sự lôi cuốn các bọt khí vo qua
mặt thoáng. Hm khí cũng có thể xuất hiện từ trong dòng chảy do sự giải phóng các khí
ho tan trong nớc khi còn ở hồ chứa.
Hm khí thờng bắt đầu xuất hiện khi dòng chảy có lu tốc lớn. Quá trình xâm nhập
của các bọt khí vo dòng nớc thông qua mặt thoáng gọi l tự hm khí. Cũng có trờng
hợp không khí bị hút vo dòng nớc không phải từ mặt thoáng m từ các xoáy hình
thnh khi đờng biên công trình có thay đổi đột ngột. Ngoi ra, có thể lm các thiết bị
để phun khí trực tiếp vo dòng nớc. Trờng hợp ny gọi l tiếp khí.
Khi dòng hm khí đi vo đoạn có lu tốc giảm, các bọt khí sẽ dần thoát ra khỏi dòng
nớc v nổi lên trên mặt, đó l hiện tợng thoát khí.
II. Các thông số đặc trng
Ngời ta sử dụng các thông số đặc trng cho lợng chứa không khí hoặc nớc trong
một thể tích chất lỏng ở một thời điểm đã cho, hay trong giới hạn của một lớp xác định
của chất lỏng.
1. Hệ số chứa khí l tỷ số thể tích không khí dW so với thể tích của hỗn hợp nớc -
khí dW
c
trong một thể tích phân tố:

cn
dW dW
S,
dW dW dW
==
+
(5-6)
Trong đó dW
n

l thể tích nớc trong thể tích phân tố đang xét.
2. Hệ số chứa nớc l tỷ số giữa thể tích nớc dW
n
v thể tích hỗn hợp nớc - khí
dW
c
trong thể tích phân tố đang xét:
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


96

n
n
c
dW
S
dW
=
(5-7)
Từ (5-6) v (5-7) ta có: S + S
n
= 1 (5-8)
Khi S = 0 thì S
n
= 1, trong thể tích phân tố chỉ có nớc.
Khi S = 1 thì S
n
= 0, trong thể tích phân tố chỉ có không khí.

3. Tỷ lệ hàm khí l tỷ số giữa thể tích không khí dW v thể tích nớc dW
n
trong một
thể tích phân tố:

k
n
dW
dW
=
(5-9)
Các đại lợng S, S
n
,
k
đặc trng cho dòng chảy tại một điểm no đó - chúng l
những đặc trng cục bộ. Các đặc trng tích phân của dòng chảy hm khí tại một mặt cắt
đã cho trên ton chiều sâu của nó hay trong giới hạn của một lớp xác định chính l các
hệ số trung bình
nk
S, S ,
. Ví dụ hệ số chứa khí trung bình trên mặt cắt của dòng
chảy phẳng l:

()
h
0
n
W1
SSydy

WW h
==
+

(5-10)
Biểu thức
k
cũng có dạng tơng tự.
Quan hệ giữa các thông số đặc trng của dòng hm khí nh sau:

() ()
.
S1
S
;
1S
S
;1SS
k
k
k
n
n

=
+

==+

III. ảnh hởng của sự hàm khí đến công trình

Có những ảnh hởng bất lợi, v cũng có ảnh hởng có lợi. Cụ thể nh sau:
1. Sự hm khí lm tăng thể tích hỗn hợp nớc - khí, dẫn đến lm tăng chiều sâu
dòng chảy không áp, v ngời thiết kế phải tính trớc độ gia tăng ny để chọn chiều cao
thnh lòng dẫn không áp cho phù hợp. Còn với các lòng dẫn có áp thì phải tăng diện tích
mặt cắt đờng dẫn.
2. Sự hm khí các tia dòng phóng xuống hạ lu sẽ lm giảm tầm phóng của tia v
tạo ra các đám mây bụi nớc lm ảnh hởng đến điều kiện vận hnh các thiết bị cơ điện
(do tăng độ ẩm), v gây bất lợi cho ổn định của các mái bờ dốc nối tiếp với công trình.
3. Việc gia tăng hm lợng khí trong nớc có tác dụng hạn chế khả năng xâm thực
lòng dẫn (khí thực - xem
Đ5.4).
4. Dòng nớc có hm khí từ các tia phóng xa ít có khả năng gây xói hạ lu hơn l
dòng nớc không hm khí.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


97
5. Sự thoát khí ảnh hởng nhiều đến điều kiện lm việc của đờng tháo nớc kín.
Bọt khí thoát ra sẽ tụ lại dần thnh bọc khí trên trần đờng tháo, lm giảm mặt cắt ớt
của dòng chảy, sinh ra hiện tợng nớc va, v hiện tởng nổ các bọc khí khi chúng thoát
ra khỏi đờng dẫn.
IV. Tính toán hàm khí
1. Tiêu chuẩn bắt đầu hàm khí
Ngoi các trờng hợp tiếp khí, dòng chảy tự nhiên trong lòng dẫn hở sẽ bắt đầu hm
khí khi lu tốc của nó vợt quá một trị số nhất định gọi l lu tốc giới hạn hm khí V
gh
.
Theo nghiên cứu của Vôinhitr - Xianôjenxki, giới hạn hm khí xác định nh sau [10]:
V

gh
= 20,8
R
(1 + i
2
)
0,25
(1 -

)
-1
, (5-11)
Trong đó:
i - độ dốc đáy;
R - bán kính thuỷ lực;
- hệ số sức cản thuỷ lực.
2. Tính toán chiều sâu của dòng chảy không áp có hàm khí
Chiều sâu dòng chảy có hm khí phụ thuộc vo tỷ lệ hm khí
k
.
Trị số trung bình của
k
phụ thuộc vo đặc trng động học của dòng chảy (V hoặc Fr).
- Theo ti liệu thí nghiệm của Straup v Anderson:

r
k
0,12 F 25= , (5-12)
Trong đó:

k
l trị số trung bình của
k
.
- Theo công thức kinh nghiệm đợc trình by trong quy phạm thiết kế trn xả lũ của
Trung Quốc SDJ 341 - 89:

k

= V/100 , (5-13)
Trong đó: V - lu tốc trung bình mặt cắt.
Khi lòng dẫn l chữ nhật ta có:
h
hk
= (1 +
k

)h (5-14)
ở đây: h
hk
- độ sâu dòng có hm khí;
h - độ sâu dòng không có hm khí.
Đ5.4. Khí hoá v khí thực
I. Khái niệm
1. Khí hoá
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


98

Khí hoá l hiện tợng phát sinh trong chất lỏng khi áp lực trong đó hạ đến một giới
hạn m ứng với nó chất lỏng bị mất đi tính ton khối. Sự bắt đầu của khí hoá đợc đặc
trng bởi việc xuất hiện các bọt li ti chứa đầy khí v hơi của chất lỏng đang xét. Khi khí hoá
tiếp tục phát triển, các bọt hơi hình thnh tập trung trong một phạm vi nhất định gọi l đuốc
khí (hình 5-4) với chiều di đặc trng L
đ
.
Zm
Ld
a)
d Ld
b)

Hình 5-4: Sự hình thành đuốc khí
a) Khi chảy bao quanh bậc lồi; b) Khi chảy bao quanh hình trụ
Nh vậy điều kiện để có khí hoá trong chất lỏng l:
p
p
pg
, (5-15)
Trong đó:
p - áp suất tuyệt đối tại điểm xét;
p
pg
- trị số áp suất tuyệt đối giới hạn m ứng với nó, chất lỏng bắt đầu hoá khí.
Trị số của p
pg
phụ thuộc vo loại chất lỏng v nhiệt độ môi trờng. Đối với công
trình thuỷ lợi, chất lỏng đợc xét l nớc.
Nếu dùng đại lợng cột nớc đo áp để biểu thị áp suất trong chất lỏng, tức H = p/

,
trong đó
l trọng lợng riêng của nớc, thì công thức (5-15) sẽ l:
H
H
pg
, (5-16)
ở đây: H - cột nớc đo áp ton phần tại điểm xét;
H
pg
- cột nớc đo áp phân giới.
Trị số của H
pg
theo nhiệt độ môi trờng nh ở bảng 5-1.
Bảng 5-1: Trị số H
pg
của nớc
Nhiệt độ (
0
C) 5 10 15 20 25 30 40
H
pg
(m) 0,09 0,13 0,17 0,24 0,32 0,44 0,75
2. Hệ số khí hoá
Trong tính toán thực tế, việc sử dụng công thức (5-15) hay (5-16) để xác định hiện
trạng khí hoá trong dòng chảy có gặp khó khăn do trị số của p hay H mang tính cục bộ
v tức thời, thay đổi theo từng vị trí điểm xét v theo trị số áp suất mạch động trong
dòng chảy.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

99
Để tiện hơn ta sử dụng một đại lợng khác gọi l hệ số khí hoá, nó đợc định nghĩa
nh sau:

ĐT pg
2
ĐT
HH
K
V/2g

=
, (5-17)
Trong đó:
K - hệ số khí hoá, đặc trng cho vật chảy bao;
H
ĐT
- cột nớc đo áp ton phần đặc trng của dòng chảy tại vị trí gần vật chảy bao;
V
ĐT
- lu tốc trung bình thời gian đặc trng của dòng chảy tại vị trí gần vật chảy bao;
g - gia tốc trọng trờng.
Sử dụng khái niệm hệ số khí hoá, điều kiện khí hoá tại một vật chảy bao sẽ l:
K
K
pg
, (5-18)
Trong đó: K

pg
l hệ số khí hoá phân giới đặc trng cho vật chảy bao; K
pg
chính l trị
số của K trong trờng hợp bọt khí bắt đầu hình thnh (đợc ghi nhận bằng mắt thờng,
hay các thiết bị đo).
3. Giai đoạn khí hoá
Để đánh giá mức độ phát triển của khí hoá dòng chảy, ngời ta sử dụng một đại
lợng gọi l hệ số giai đoạn khí hoá:

k
pg
K
K
= (5-19)
Nếu (0,7
ữ 0,8) <
k
1 : giai đoạn bắt đầu khí hoá.
(0,1
ữ 0,2) <
k
(0,7 ữ 0,8) : giai đoạn khí hoá mạnh.


k
(0,1 ữ 0,2) : giai đoạn siêu khí hoá.
Giai đoạn khí hoá có ảnh hởng rất lớn đến khả năng xâm thực vật liệu (hình 5-7)
4. Khí thực
Khi khí hoá đủ mạnh v duy trì một thời gian nhất định thì sẽ dẫn đến lm bong tróc

vật liệu, phá huỷ thnh rắn. Đó l hiện tợng khí thực.
Nhiều thí nghiệm trong phòng v quan sát thực tế cho thấy trong những điều kiện
nhất định, khí thực có khả năng phá hoại cả những vật liệu khá bền nh bê tông mác
cao, sắt, thép, lớp bọc bằng chất dẻo
Có nhiều giả thiết khác nhau về cơ chế phá hoại vật liệu do khí thực, nh các giả
thiết về tác động cơ học, điện, điện - hoá học, nhiệt Đối với vật liệu giòn, tính dẫn điện
v hoạt tính hoá học yếu nhng chịu nhiệt tốt nh bêtông thì tác động cơ học đóng vai
trò chủ đạo.
Trên hình (5-5) cho thấy hình ảnh khí thực trên mặt của đập trn trọng lực Bratxcaia
(Liên Xô). Trên hình (5-6) ghi nhận khí thực ở mặt bên của các mố tiêu năng v mố
phân dòng.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


100

111.0
-2.0
-4.0
-2.5
101.0

Hình 5-5: Khí thực trên mặt tràn của đập bê tông trọng lực Bratxcaia.
a) Các phần bị xâm thực của mặt tràn; b) Hình ảnh hố xâm thực.

Hình 5-6: Khí thực ở các mố tiêu năng (a) và mố phân dòng (b).
4
3
2

1
1
O
Với V
3
> V
2
Với V
2
> V
1
ứng với V
1
i

0

Hình 5-7: Biểu đồ mô tả ảnh hởng
của giai đoạn khí hoá (

k
) và lu tốc
dòng chảy (V) đến cờng độ khí thực.
1 - Chế độ không có khí hoá; 2 - Giai
đoạn bắt đầu khí hoá; 3 - Giai đoạn
khí hoá mạnh; 4 - Giai đoạn siêu
khí hoá
ở Việt Nam cũng đã ghi nhận những h hỏng công trình do khí thực nh ở mặt
đờng trn Nam Thạch Hãn (1983), mố phân dòng của trn Thác B (năm 1990), cửa
vo cống lấy nớc dới đập Núi Cốc (năm 1984).

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


101
II. Biện pháp phòng và chống khí thực trên các bộ phận của công trình tháo
nớc.

Nh trên đã cho thấy khí thực có thể lm h hỏng các bộ phận khác nhau của công
trình tháo nớc, nhiều trờng hợp dẫn đến sự cố nghiêm trọng. Vì vậy trong thiết kế, xây
dựng, cũng nh quản lý khai thác công trình tháo nớc cần phải áp dụng các biện pháp
phòng chống khí thực. Một số biện pháp cơ bản nhất nh sau:
1. Không cho phát sinh khí hoá, hoặc chỉ giới hạn khí hoá dòng chảy ở giai
đoạn đầu
Các bộ phận công trình có đờng biên dạng chảy bao không thuận l những nơi dễ
dng sinh khí hoá v dẫn đến khí thực. Khí hoá thờng xảy ra ở các cửa vo của công
trình tháo nớc có áp, các đầu trụ pin, các khe van v buồng cửa van, các mố tiêu năng,
mố phân dòng v buồng cửa van, các gồ ghề cục bộ trên bề mặt công trình tháo nớc
(mặt trn, dốc nớc, thnh ống ). Vì vậy khi thiết kế các bộ phận ny, cần phải chọn
đờng viền đủ để đảm bảo không sinh khí hoá, hoặc nếu có thì cũng chỉ hạn chế ở giai
đoạn đầu.
a) Điều kiện không sinh khí hoá:
K > K
pg
, (5-20)
b) Điều kiện chỉ giới hạn khí hoá ở giai đoạn đầu:
K > K
pgx
, (5-21)
Trong đó:

K - hệ số khí hoá thực tại của dòng chảy gần vật chảy bao đang xét, xác định
theo công thức (5-17), trong đó trị số của H
ĐT
v V
ĐT
đợc quy định cho từng vật chảy
bao (xem các ti liệu chuyên môn).
K
pg
- đặc trng cho từng vật chảy bao, đợc trình by trong các ti liệu chuyên
môn [10],
K
pgx
- hệ số khí hoá giới hạn bắt đầu xâm thực, thờng lấy:
K
pgx
= 0,85K
pg
, (5-22)
2. Lựa chọn vật liệu theo độ bền khí thực
Trong nhiều trờng hợp, việc thiết kế đờng bao công trình theo (5-20) sẽ dẫn
đến lm tăng kích thớc công trình quá nhiều, không đảm bảo điều kiện kinh tế. Khi đó
có thể chấp nhận khí hoá, nhng phải lựa chọn loại vật liệu có độ bền khí thực cao để bố
trí tại các vị trí có khí hoá dòng chảy v khu vực lân cận. Các vật liệu đợc chọn thờng
l bê tông mác cao, thép, chất dẻo, cao su Tuy nhiên, đối với các lớp bọc thép, chất
dẻo, cao su trên mặt bê tông thì khó khăn nhất l việc xử lý mối nối giữa phần có bọc v
không bọc; thờng thì các mối nối ny lại l nguồn sinh khí hoá để phá hoại phần bề
mặt bê tông không bọc kế liền nó.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

102
Khả năng chấp nhận khí hoá m không sinh khí thực đợc đảm bảo với điều kiện sau:
V
y
< V
ng
; (5-23)
hoặc: V < V
cp

, (5-24)
Trong đó:
V
y
- lu tốc cục bộ của dòng chảy tại vị trí kiểm tra (thờng xác định theo lý
thuyết lớp biên);
V
ng
- lu tốc ngỡng xâm thực, phụ thuộc vo loại vật liệu, thờng xác định bằng
thí nghiệm;
V - lu tốc bình quân tại mặt cắt kiểm tra;
V
cp
- lu tốc cho phép không xâm thực, phụ thuộc vo loại vật liệu v vật chảy bao.
Việc kiểm tra theo (5-23) thờng gặp khó khăn trong việc xác định V
y
. Vì vậy, tiện
lợi hơn l áp dụng công thức (5-24), trong đó cần xác định trị số của V

cp
theo chỉ dẫn ở
các sổ tay tính toán thủy lực.
3. Dẫn không khí vào miền hạ áp
Các thí nghiệm cũng nh quan trắc thực tế
đã xác nhận rằng khi dẫn không khí vo miền
hạ áp trong dòng chảy thì trị số lu tốc ngỡng
xâm thực của vật liệu tăng lên (hình 5-8), xâm
thực giảm hẳn hoặc triệt tiêu hon ton.
Vì vậy giải pháp bố trí các đờng ống dẫn
không khí vo những vị trí dự kiến có khả năng
bị khí thực l cho hiệu quả rõ rệt v đã đợc áp
dụng nhiều. Thờng bố trí tiếp khí cho các bộ
phận của buồng van, bề mặt đập trn, dốc
nớc, các mố tiêu năng. Một sơ đồ tiếp khí trên
mặt dốc nớc đợc thể hiện trên hình 5-9.
40
30
20
10
10 15 20 25 30 35
V
(m/s)
R (MPa)
S = 0
2 %
4%
S = 8%, 6 %
b
ng

Hình 5-8: Quan hệ lu tốc ngỡng với
mác bê tông (R
b
) và hệ số hàm khí trong
nớc (S) đối với vật chảy bao hình trụ
(tài liệu thí nghiệm của VNIIG [10]).
4. Dẫn nớc vào miền hạ áp
Việc dẫn nớc vo vùng đạt chân không lớn nhất ở các mố tiêu năng có tác dụng
giảm trị số K
pg
của mố v ngăn ngừa khả năng khí thực.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


103
l
l
A
A
i

=


z
/l

z
L

L
T
đ

z
Thông khí kiểu
hở
A - A
z

z
kín
Thông khí kiểu
a)
b)
r
d
d

Hình 5-9: Sơ đồ thiết bị tiếp khí trên mặt dốc nớc
a) Dạng mặt nghiêng ở đáy và thành bên; b) Dạng mặt nghiêng và bậc thụt ở đáy.
Ví dụ về giải pháp loại ny nh trên hình (5-10). Nớc từ vùng áp lực dơng ở mặt
trớc đợc dẫn qua hệ thống cửa thông với vùng chân không ở các mặt bên. Tỷ lệ tối u
của đờng kính cửa vo v cửa ra của các ống thông l d
R
/d
V
= 0,6.

5. áp dụng kết cấu "phi khí thực"
Nh trên đã cho thấy, giai đoạn khí
hoá có ảnh hởng rất lớn đến khả năng
xâm thực (hình 5-7). Với giai đoạn siêu
khí hoá, dòng chảy có khả năng xâm thực
rất nhỏ.
ở giai đoạn ny, đuốc khí hình
thnh sau vật chảy bao đợc mở rộng trên
một phạm vi lớn của dòng chảy v không
có giới hạn rõ rng, biên của nó không
khép lại ở gần thnh rắn nên sự nổ vỡ bọt
khí không đủ tập trung để lm mỏi v phá
huỷ vật liệu.
d
d
v
R

Hình 5-10:
Sơ đồ mố tiêu năng có
các ống thông nớc từ mặt trớc ra mặt bên
(trị số K
pg
giảm từ 2,1 xuống 0,7
ữ
0,8).
Dựa vo tính chất ny, ngời ta đã đề xuất sử dụng các kết cấu "phi khí thực", tức
những kết cấu m khi dòng chảy bao quanh nó sẽ phát sinh khí hoá ở giai đoạn cuối, v
đặc biệt l các đuốc khí không khép lại ở gần thnh rắn nên khả năng xâm thực rất ít xảy
ra. Kết cấu loại ny đợc đề nghị áp dụng đối với các mố tiêu năng, phân dòng v buồng

van; ở đây ngời ta tạo ra các bậc thụt v mũi hất để hớng phần đuốc khí vo trong
lòng dòng chảy, tránh xa các thnh của lòng dẫn.
Loại kết cấu ny cha đợc sử dụng nhiều, v nói chung khi thiết kế phải thông qua
thí nghiệm để kiểm tra hiệu quả của chúng.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


104
6. Nâng cao chất lợng thi công
Khi thi công bề mặt qua nớc của công trình tháo nớc, nhất l những bộ phận tiếp
xúc với dòng chảy có lu tốc lớn, cần đặc biệt chú ý chất lợng bề mặt công trình,
không cho phép rỗ mặt, v khống chế các gồ ghề cục bộ (nh chỗ nối cốt pha, các đinh,
chốt hay hòn cốt liệu lớn ) trong phạm vi cho phép.
Đ5.5. Sự hình thnh sóng trên công trình tháo nớc
Sóng hình thnh trên đờng tháo nớc do nhiều nguyên nhân, chủ yếu l từ phía
thnh lòng dẫn, từ phía biên thợng lu. Thờng phân biệt hai loại chính: sóng dừng v
sóng chạy.
I. Sóng dừng
Loại ny thờng quan sát thấy ở những vị trí m đờng biên lòng dẫn có sự thay đổi
rõ rệt (thu hẹp, mở rộng, đổi hứơng ). Khi dòng chảy ở trạng thái xiết , sóng xuất hiện ở
dạng các đờng nhiễu lm biến dạng mặt nớc v lm thay đổi các đặc trng thuỷ lực
của dòng chảy. Các sóng nhiễu lan truyền trong dòng chảy có thể giao thoa với nhau,
hoặc phản xạ với thnh bờ, lm dâng
cao mực nớc v gây ra lực xung
kích va đập vo thnh bờ (hình 5-
11).
1. Sự hình thành các loại sóng
nhiễu (sóng xiên)
Ta xét chuyển động của một

dòng xiết dọc theo tờng có thay đổi
hớng. Trong trờng hợp đơn giản
nhất, khi tờng bẻ ngoặt một góc
nhỏ
tại điểm A, tạo nên một sóng
có chiều cao nhỏ ở dạng đờng
nhiễu (hình 5-12a, b). Sau khoảng
thời gian t, một phần tử chất lỏng
dịch chuyển từ điểm nguồn nhiễu
(điểm A) dọc theo tờng đợc một
khoảng l Ct tính từ tờng, còn
đờng nhiễu lập với tờng một góc

gọi l góc sóng. Trị số
đợc xác định nh sau:

= arcsin (1/ Fr ) (5-25)
Với trờng hợp trên hình 5-12a,
l dơng v sau đờng nhiễu, mực nớc dâng
cao một đoạn
, còn trờng hợp trên hình 5-12b thì mực nớc hạ thấp.

Hình 5-11:
Sự lan truyền sóng
nhiễu bề mặt trong kênh tháo
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


105



a
a
A
a - a


a - a
A

a
a
-

a - a

h=

a

a
1
2
3
4
5
a - a

h=

a
a
1
2
1
3
4
5


đ
c
a - a
a
a

h=

+

a - a

h=

a
a


đ
c

5
1
5
a)
b)
c)
d)
e)
g)

Hình 5-12: Sự hình thành sóng nhiễu
a, b) Sóng có chiều cao nhỏ; c, d) Sóng thoải; e) Sóng dốc (nớc nhảy xiên)
khi thu hẹp đột ngột; g) Sóng thoải khi mở rộng đột ngột.
Việc uốn cong đờng biên có thể xét nh l sự bẻ ngoặt liên tiếp các đoạn tờng
thẳng (hình 5-12c, d).
ở đỉnh góc 1, 2, 3, 4, 5, sự thay đổi hớng chảy kéo theo việc tạo
ra các đờng nhiễu m cng xa tờng, chúng cng gần sít vo nhau khi ngoặt vo trong
(c) hay tách xa khỏi nhau khi ngoặt ra ngoi (d). Kết quả l lm dâng cao hay hạ thấp
mặt tự do của dòng chảy ở dạng sóng thoải.

Giả sử chiều di các đoạn 1 - 2, 2 - 3, 3 - 4, 4 - 5 giảm đi, các điểm 1 - 5 tiến gần tới
nhau v tới giới hạn l chập vo một điểm, nghĩa l sự rẽ từ 1-5 đợc thay bằng một lần
rẽ gấp tại điểm A với
. Khi rẽ ngoặt vo trong, các sóng nhiễu sẽ xếp chồng lên nhau,
tạo thnh một tuyến sóng ở dạng sóng xiên với sự dâng cao đột ngột mực nớc lên một
đoạn
h (hình 5-12c).
Khi tờng bẻ ngoặt ra ngoi, sự kéo dồn các điểm 1-5 vo một không lm cho các
đờng nhiễu chồng lên nhau, v do đó tạo nên sóng xiên thoải mở rộng đợc giới hạn
bởi các góc sóng

đ
v
c
với việc hạ từ từ mực nớc xuống một đoạn h (hình 5-12g).
Nh vậy có thể phân biệt các dạng sóng sau:
- Sóng xiên thoải - khi tờng rẽ ngoặt ra khỏi dòng chảy (hình 5-12d), hay tờng rẽ
từ từ vo trong dòng chảy (hình 5-12c).
- Sóng xiên dốc - khi đờng rẽ gấp vo trong dòng chảy (hình 5-12e). Dòng chảy
qua tuyến sóng khi đó có chiều sâu thay đổi gấp. Trờng hợp góc ngoặt
lớn, độ sâu sẽ
chuyển qua trị số phân giới (h
pg
) v hình thnh nên nớc nhảy xiên.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


106
- Các sóng xiên thoải đợc gọi l sóng đơn nếu đờng nhiễu tạo sóng l những

đờng thẳng. Nếu các đờng nhiễu ny cắt nhau ở một điểm (hình 5-12g) thì sóng đợc
gọi l sóng đơn trung tâm. Có thể tồn tại dạng sóng trung tâm mở rộng hay thu hẹp.
Cần lu ý rằng khi tờng rẽ ngoặt ra khỏi dòng chảy thì có thể tạo thnh vùng chảy
tách dòng sau chỗ rẽ ngoặt.
2. Các biểu thức tính toán
a) Sóng xiên thoải
Tổn thất năng lợng trong phạm vi sóng xiên thoải l nhỏ, nên biểu thức chung để
thiết lập hệ thức giữa các thông số chảy ở trớc v sau sóng thoải l:
H
0
= h +
g2
V
2
= const. (5-26)
Từ đó:
i
i
hFr2
hFr2
+
=
+
, (5-27)
Trong đó: h v F
r
l độ sâu v số Frút ở mặt cắt đầu;
h
i
v F

ri
l độ sâu v số Frút ở mặt cắt bất kỳ sau tuyến sóng.
b) Sóng xiên dốc
Sơ đồ tính toán nh trên hình 5-13. Từ phơng trình động lợng v phơng trình liên
tục viết cho một ống dòng (xem [3]), rút ra biểu thức quan hệ của các chiều sâu liên hiệp
trớc v sau sóng xiên nh sau:

2
1
21
h
h(18Frsin1)
2
=+ . (5-28)
Các ký hiệu xem trên hình 5-13.
Khi
= 90
0

thì công thức (5-28) trở thnh công thức xác định chiều sâu liên hiệp
của nớc nhảy hon chỉnh đã đợc biết trong thuỷ lực học.
b
B
B
A
a
b
2
V
V

V
V
V
V
t2
2
n2
n1
t1
1








h
h
h
1
B - B
1
1
2

Hình 5-13: Để thiết lập công thức tính toán sóng xiên dốc