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

i

L I CAM OAN
Theo Quy t đ nh s 2039/Q - HTL ngày 27 tháng 10 n m 2015 c a
Hi u tr

ng Tr

ng

i h c Th y l i, v vi c giao đ tài lu n v n và cán b h

d n cho h c viên cao h c đ t 4 n m 2015, tôi đã đ
ph

c nh n đ tài “

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n

d ng tính toán tràn x l h ch a” d

is h

ng

ng d ng

c có đo n thu h p – Áp

ng d n c a th y giáo TS. Lê Thanh

Hùng.
Tôi xin cam đoan lu n v n là k t qu nghiên c u c a tôi, không sao chép c a
ai. N i dung lu n v n có tham kh o và s d ng các tài li u, thông tin đ

c đ ng t i

trên các tài li u và các trang website theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n v n.

Hà N i, ngày

tháng

Tác gi lu n v n

ào Th Mai

n m


ii

L IC M

N

Lu n v n th c s chuyên ngành Xây d ng công trình Th y L i v i đ tài:
“ ng d ng ph

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n

thu h p – Áp d ng tính toán tràn x l h ch a” đ

c có đo n

c hoàn thành v i s giúp đ t n

tình c a các Th y giáo, cô giáo trong B môn Th y Công, Khoa Công trình, Tr

ng

đ i h c Th y l i cùng các b n bè.
Em xin chân thành c m n s h

ng d n t n tình c a các th y cô giáo, s

giúp đ c a b n bè cùng t p th l p 22C11, và đ c bi t là th y giáo TS. Lê Thanh
Hùng đã ch b o, h

ng d n t n tình, truy n đ t các ki n th c c a mình cho em

hoàn thành lu n v n t t nghi p c a mình.
M c dù b n thân đã c g ng nh ng kinh nghi m th c t không có, l i v

ng

b n nhi u chuy n gia đình nên đ án không tránh kh i nh ng thi u sót . Kính mong
các th y cô giáo góp ý cho em đ em bi t đ

c nh ng sai sót và bi t thêm đ em có

thêm ki n th c đ áp d ng th c ti n.
Em xin chân thành c m n!

Hà n i, ngày

tháng

n m

Sinh viên th c hi n

ào Th Mai


iii

M CL C
DANH M C HÌNH NH ..........................................................................................v
DANH M C B NG BI U ..................................................................................... vii
DANH M C CÁC T
M

VI T T T ........................................................................ viii

U ................................................................................................................... ix
1. Tính c p thi t c a đ tài. ................................................................................. ix
2. M c đích c a
it

3.

tài. .........................................................................................x

ng và ph m vi nghiên c u.....................................................................x

4. Cách ti p c n và ph

ng pháp nghiên c u. ......................................................x

5. C u trúc c a lu n v n. ..................................................................................... xi
CH

NG I. T NG QUAN V BÀI TOÁN DÒNG XI T ......................................1

TRÊN D C N

C ....................................................................................................1

1.1. T ng quan v d c n

c và dòng ch y trên d c n

1.1.1. T ng quan v d c n

c. ...................................1

c...........................................................................1

1.1.2. T ng quan v dòng ch y trên d c n

c. .................................................2

1.1.3. Các đ c đi m c a dòng xi t ....................................................................4
1.1.4. Các bi n pháp công trình đ đi u khi n dòng xi t..................................6
1.2. T ng quan v các ph

ng pháp tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c. .....9

1.2.1.Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph ng
pháp c ng tr c ti p. ...........................................................................................10
1.2.2. Ph

ng pháp tích phân g n đúng. ...........................................................11

1.2.3. Ph

ng pháp s .......................................................................................11

1.3. Các d ng bài toán tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c..........................14

1.4. Gi i h n ph m vi nghiên c u c a lu n v n. ................................................14
CH NG II. C S LÝ THUY T TÍNH TOÁN DÒNG CH Y XI T TRÊN
D CN
C CÓ O N THU H P .........................................................................16
2.2. Ph

ng pháp gi i tích thông th

ng ..............................................................16

2.2.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph ng
pháp c ng tr c ti p. ...........................................................................................16
2.2.2. Ph
2.2. H ph

ng pháp tích phân g n đúng. ..........................................................17
ng trình n

2.2.1. H ph

c nông ...........................................................................18

ng trình n

c nông .....................................................................18

2.2.2. Tính ch t toán h c ...................................................................................20


iv

2.2.3. Bài toán Riemann ....................................................................................24
2.2.4. Bài toán Stoker và ritter ...........................................................................26
2.3. Ph

ng pháp s gi i h ph

ng trình n

c nông ..........................................35

2.3.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y hai chi u theo ph ng pháp
đ ng đ c tr ng. ................................................................................................35
2.3.2. Ph

ng pháp sai phân h u h n. ...............................................................37

2.3.3. Ph

ng pháp ph n t h u h n. ................................................................43

2.3.4. Ph

ng pháp th tích h u h n. ................................................................44

2.4. K t lu n ch

ng 2: .........................................................................................47

CH NG III. ÁP D NG K T QU NGHIÊN C U
TÍNH TOÁN CHO
CÔNG TRÌNH TH C T ........................................................................................49
3.1. Gi i thi u công trình tràn x l : .....................................................................49
3.1.1. Lý l ch công trình, c p công trình. ...........................................................49
3.1.2. Hi n tr ng và các thông s k thu t. .......................................................49
3.2 Tính toán th y l c dòng xi t trên d c n

c có đo n thu h p: .........................51

3.2.1. Tính toán theo ph

ng pháp gi i tích thông th

3.2.2. Tính toán theo ph

ng pháp s . ..............................................................54

3.2.3. Phân tích k t qu tính toán, đánh giá ph

ng. ..............................51

ng pháp s . ...........................61

K T LU N & KI N NGH : ...................................................................................63
1. K t qu đ t đ

c c a Lu n v n: .....................................................................63

2. M t s v n đ t n t i:......................................................................................64
3. H

ng ti p t c nghiên c u:.............................................................................64

TÀI LI U THAM KH O .........................................................................................65
PH L C ....................................................................................................................9

v

DANH M C HÌNH NH
Hình 1.1. Sóng gián đo n trên đ

ng tràn đ p Bennet (Canada) ...............................2

Hình 1.2. S lan truy n nhi u trong n

c t nh và n

c ch y .....................................5

Hình 1.3. D ng ch y bao c a dòng êm (a) và dòng xi t (b) .......................................5
Hình 1.4. Các hình th c đo n chuy n ti p thu h p có đáy ph ng. ..............................7
a) T

ng biên gãy khúc; b) T

c) T

ng biên d ng đ

ng biên là cung cong liên h p;.................................7

ng cong không nhi u; d) o n thu h p h

Hình 1.5. R i r c mi n tính b ng các ph n t tam giác (l
Hình 2.1.

ng m t n

ng tâm. .............7

i không c u trúc) .........13

c trên d c .........................................................................16

Hình 2.2. B n vùng không gian t

ng ng...............................................................21

Hình 2.3. S đ sóng shock.......................................................................................22
Hình 2.4. Các đ

ng đ c tr ng là h i t . ..................................................................22

Hình 2.5. S đ sóng Rarefaction .............................................................................23
Hình 2.6. S đ bài toán Riemann. ..........................................................................24
Hình 2.7. Quá trình v đ p ......................................................................................25
a) M c n

c ban đ u b) M c n

c) Phân b v n t c t i th i đi m t

c

m t th i đi m sau khi đ p v .................25

ng ng d) s đ sóng trên m t ph ng x-t ...25

Hình 2.8. B n d ng nghi m có th trong bài toán Riemann theo ph ng x khi gi i
theo SWE...................................................................................................................26
a)Rarefaction–Shock; b) Shock–Shock; c) Shock–Rarefaction;d) Rarefaction–
Rarefaction ................................................................................................................26
Hình 2.9. S đ bài toán Stoker ................................................................................26
Hình 2.10. S đ chung bài toán ...............................................................................29
Hình 2.11. Quá trình m c n
Hình 2.12. Quá trình l u l
Hình 2.13. Quá trình m c n
Hình 2.14. Quá trình l u l
Hình 2.15. Quá trình m c n
Hình 2.16. Quá trình l u l

c tr

ng h p 1 ..........................................................29

ng tr

ng h p 1 ...........................................................29

c tr

ng h p 2 ..........................................................30

ng tr

ng h p 2 ...........................................................30

c tr

ng h p 3 ..........................................................31

ng tr

ng h p 3 ...........................................................31

Hình 2.17. S đ bài toán Ritter................................................................................32
Hình 2.18. Quá trình m c n

c bài toán ritter ..........................................................34


vi

Hình 2.19.

ng đ c tr ng thu n và đ

ng đ c tr ng ngh ch. ..............................37

Hình 2.21. L

i tính toán cho bài toán 1 chi u ........................................................38

Hình 2.22. S đ toán................................................................................................39
Hình 2.23.

d c đo n AC ......................................................................................40

Hình 2.24. S đ gi i theo ph

ng pháp th tích h u h n Godunov........................44

Hình 3.1. S đ m t b ng tràn x l , h ch a H c Xoài, Qu ng Ngãi. ..................50
Hình 3.2. S đ m t b ng tràn x l , h ch a Khe Gia, Qu ng Ninh.....................51
Hình 3.3. Ví d chia mi n tính toán thành các ô l

i có ∆x=∆y=5m. ......................54

Hình 3.4. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,5m.........................................................................................................56
Hình 3.5. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,2m.........................................................................................................57
Hình 3.6. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H H c Xoài ng v i ô l i nh
có ∆x=∆y=0,1m.........................................................................................................57
Hình 3.7. Phân b m c n

c và v n t c t i các m t c t ngang trên d c ..................59

Hình 3.8. Hình d ng m t n c trên d c n c c a H Khe Gia ng v i ô l i nh có
∆x=∆y=0,1m .............................................................................................................60
Hình 3.9. Phân b m c n

c và v n t c t i các m t c t ngang trên d c ..................61


vii

DANH M C B NG BI U
B ng 1.1. Tiêu chí phân bi t các tr ng thái ch y. .......................................................3
B ng 3.1. Các thông s chính tràn x l . ..................................................................50
B ng 3.2. Các thông s tính toán. .............................................................................52
B ng 3.3.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n thu h p. ..................................53

B ng 3.4.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n không thu h p. .......................53

B ng 3.5. Các thông s tính toán. .............................................................................53
B ng 3.6.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n thu h p. ..................................53

B ng 3.7.

ng m t n

c trên d c n

c trên đo n không thu h p ........................54

B ng 3.8. Ví d File cao trình đáy khi mi n tính toán thành các ô l i có
∆x=∆y=5m. ...............................................................................................................55
B ng 3.9. Ví d File s li u đ u vào khi mi n tính toán thành các ô l i có
∆x=∆y=5m. ...............................................................................................................55
Ph l c ch

ng 2:........................................................................................................9

B ng 2.1. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 1 .............9

B ng 2.2. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 2 .............9

B ng 2.3. K t qu tính toán quá trình m c n

c và l u l

ng tr

ng h p 3 ...........10

B ng 2.4. K t qu tính toán quá trình m c n

c bài toán ritter ...............................10


viii

DANH M C CÁC T

VI T T T

B

B r ng kênh

C

T c đ sóng

KDX

g

i u khi n dòng xi t
Gia t c tr ng tr

ng

hk

sâu phân gi i

i

d c

J

d c th y l c

Q

L ul

K

Mô đun l u l

V

L u t c trung bình

∋

T n ng m t c t

ng
ng

thu h p
ω

Di n tích m t c t

t


ix

M

U

1. Tính c p thi t c a đ tài.
Công trình tháo n
m i h ch a.

c là m t trong nh ng h ng m c quan tr ng nh t c a đ u

c thù c a công trình tháo n

xi t và có th gây ra các hi n t

c là dòng ch y qua công trình là dòng

ng th y l c b t l i nh : hàm khí, khí th c, sóng

xung kích, xói l h l u...Vì v y, tính toán th y l c công trình tháo n
gi i quy t các bài toán v kh n ng tháo n

c, t

c v n ph i

ng tác gi a dòng ch y và công

trình, n i ti p và tiêu n ng h l u…
Khi đ p t o h là đ p v t li u đ a ph
qua đ nh đ p đ
lo i đ

ng (đ t, đá) thì không th b trí tràn

c, do đó c n ph i b trí công trình tháo l ngoài thân đ p, trong đó

ng tràn h bên b là ph bi n nh t. Thành ph n công trình lo i này g m

kênh d n vào, ng
ng tháo n

ng tràn, đ

c sau ng

ng tháo n

c, b ph n tiêu n ng và kênh d n h l u.

ng trong th c t th

ng dùng d ng d c n

c có b trí

đo n thu h p.
iv id cn

c, các h h ng còn nhi u và đa d ng, ch y u là các nguyên

nhân th y l c gây ra. Trong thi t k , khi tính toán th y l c d c n
ph

ng pháp tính th y l c truy n th ng v dòng ch y trên d c (ph

tích thông th

c th

ng dùng

ng pháp gi i

ng) v i bài toán m t chi u nên ch a ph n ánh đúng tính ch t dòng

ch y trên d c n

c. Ph

ti p thu h p trên d c n

ng pháp tính toán này ch thích h p v i các đo n chuy n
c lo i v a và nh , có m c đ ch y xi t

đ u d c không

cao.
Ph

ng pháp s là ph

hay tích phân. Có 3 d ng ph

ng pháp phân rã ph

ng trình toán h c d ng vi phân

ng pháp s đã và đang đ

c dùng ph bi n hi n nay:

sai phân h u h n, ph n t h u h n và th tích h u h n. Trong th y l c, viêc ng

d ng ph

ng pháp s trong mô ph ng dòng ch y l hay dòng ch y trên các đ a hình

ph c t p đ

c s d ng r ng rãi b i tính hi u qu trong vi c mô ph ng chính xác

các hi n t

ng th y l c ph c t p nh sóng xiên, sóng gián đo n, chu i n

mà các ph

ng pháp th y l c thông th

ng không ch ra đ

c.

c nh y…


x

L a ch n ph
giúp ng

ng pháp s cho bài toán thu l c dòng xi t trên d c n

c

i s d ng có th tính toán nhi u k ch b n khác nhau m t cách nhanh

chóng và hi u qu , các gi i pháp công trình đ u có th mô ph ng đ
ph n m m đ

c nh các

c l p trình trên máy tính đi n t .

Chính t các nguyên nhân trên em đã l a ch n đ tài lu n v n th c s : “ ng
d ng ph

ng pháp s trong tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c có đo n thu h p

– Áp d ng tính toán tràn x l h ch a”.
2.

M c đích c a

tài.

Nghiên c u đ c đi m c a dòng ch y xi t trên d c n

c: Dòng ch y trong

lòng d n h (có m t thoáng) có đ d c l n và tr ng thái ch y là ch y xi t.

Xây d ng ph
3.

ng pháp s và ch

ng trình tính t

it

ng và ph m vi nghiên c u.

it

ng nghiên c u:

ng ng mô ph ng dòng ch y.

- Nghiên c u đ c đi m dòng ch y xi t trên d c n
- L a ch n ph

c.

ng pháp s đ mô ph ng dòng ch y xi t trên d c n

c.

- Áp d ng cho m t công trình c th .
Ph m vi nghiên c u:
- Dòng ch y xi t trên d c n

c có đo n thu h p d n.

- Dòng ch y xi t trong kênh d n n
4.

Cách ti p c n và ph

c qua s

n d c có đ d c l n.

ng pháp nghiên c u.

Cách ti p c n:
- Thông qua các tài li u: Giáo trình th y công, giáo trình th y l c, các giáo
trình chuyên ngành v đ p tràn - n i ti p và tiêu n ng, các tài li u chuyên ngành,
sách, báo, qua m ng internet, …
- Nghiên c u các ph

ng pháp tính th y l c d c n

Vi t Nam.
- L a ch n ph

ng pháp s phù h p.

- Thông qua h s thi t k m t công trình c th .

c đã và đang áp d ng

xi

Ph

ng pháp nghiên c u:

- T ng k t th c ti n, đi u tra thu th p các s li u, ph
dòng xi t trên d c n

c có đo n thu h p th

ng pháp tính toán

ng áp d ng trong th c t .

- T ng h p các nghiên c u khoa h c, các h i th o v tính toán dòng xi t trên
d cn

c có đo n thu h p.
- Ph

ng pháp nghiên c u lý thuy t, s d ng mô hình s và xây d ng ph n

m m tính toán dòng xi t.
- Ph

ng pháp phân tích, t ng h p.

- Xin đóng góp ý ki n c a các chuyên gia.

5.

C u trúc c a lu n v n.
Ngoài ph n m đ u kh ng đ nh tính c p thi t c a đ tài, các m c tiêu c n đ t

đ

c khi th c hi n đ tài, đ i t

ng và ph m vi nghiên c u, cách ti p c n và

ph

ng pháp th c hi n đ đ t đ

c các m c tiêu đó; ph n k t thúc; ph n ph l c;

danh m c tài li u tham kh o, n i dung chính c a lu n v n g m 3 ch
Ch
v d cn
trên d c n
Ch

ng 1: T ng quan v bài toán dòng xi t trên d c n
c, dòng ch y trên d c n

c, các ph

c.

ng nh sau:
a ra t ng quan

ng pháp tính tán dòng ch y xi t

c.
ng 2: C s lý thuy t tính toán dòng ch y xi t trên d c n

thu h p. Nêu c th các ph
gi i tích thông th

ng pháp tính toán dòng ch y xi t theo ph

ng, vi t h ph

ng trình n

c có đo n
ng pháp

c nông, các tính ch t toán h c. Sau

đó đ a ra bài toán Riemann m t chi u cho ph

ng trình n

c nông là bài toán

chung v v đ p. Ngoài ra còn đ a vào hai bài toán stoker và ritter, so sánh s ph
thu c c a quá trình m c n

c, quá trình l u l

sóng gián đo n gi i b ng ph

ng vào th i gian, đó là hai bài toán

ng pháp gi i tích duy nh t có nghi m gi i tích, còn

đa ph n bài toán gi i tích s không tìm ra nghi m chính xác c a h ph
n

c nông. Ngoài ra còn đ a các ph

Trong các ph

ng pháp s đ tính toán th y l c dòng ch y.

ng pháp đã đ a ra ta l y m t ph

c ng tr c ti p và m t ph

ng trình

ng pháp s là ph

ng pháp gi i tích là ph

ng pháp

ng pháp th tích h u h n đ đ a vào

th c t . Sau đó phân tích, so sánh các k t qu đ th y đ

c s c n thi t áp d ng


xii

ph

ng pháp s vào nh ng bài toán ph c t p thay vì áp d ng ph

thông th

ng có th không tìm đ

c l i gi i, hay không ch rõ đ

ng pháp gi i tích
c b ng ph

ng

pháp s .
Ch

ng 3: Áp d ng k t qu nghiên c u đ tính toán cho công trình th c t .

a ra hai công trình th c t là tràn x l h ch a H c Xoài và tràn x l h ch a

Khe Gia, tính toán th y l c dòng xi t trên d c theo hai ph
th

ng và ph

ng pháp s , phân tích k t qu và đánh giá.

ng pháp gi i tích thông


1

NG I. T NG QUAN V BÀI TOÁN DÒNG XI T
TRÊN D C N
C

CH

1.1. T ng quan v d c n
1.1.1. T ng quan v d c n

c và dòng ch y trên d c n

c.

c.

Công trình tháo l ki u h là d ng công trình n i ti p ph bi n đ đ a dòng
ch y v sông h l u, có kh n ng tháo l u l
h g m: đo n kênh chuy n ti p tr

ng l n. Trong s đ b trí đ

cd cn

cđ

c n i v i ng

tràn d c), ho c máng bên (s đ tràn ngang), sau đó là d c n
l u. Yêu c u b trí b r ng ng
gi m nh kh i l
n

Th a Thiên Hu , S n La

h t đ u s d ng công trình tháo l d ng d c n
l ul
n

c, tiêu n ng, kênh h

ng làm d c mà v n đ m b o yêu c u tháo l u l

Thanh Hóa, T Tr ch

ng tràn (s đ

ng tràn l n, sau đó có đo n thu h p

c ta, nhi u công trình th y l i nh Hòa Bình

ng tháo. Nh h ch a Gò Mi u

ng tràn

d cn

cđ

ng thi t k .

Hòa Bình, C a

S n La, Yali

t

Gia Lai… H u

c v i quy mô l n v kích th

Thái Nguyên: N i ti p sau ng

c và

ng là d c

c dài 125m; đ d c 10%, m t c t ngang d c hình thang v i mái nghiêng m =

0,5, đo n đ u d c dài 25m là đo n thu h p, ti p đ n là đo n d c n
không đ i b = 15m). Hay công trình h Yên L ch II
N i ti p sau ng

ng tràn là d c n

c có b r ng

huy n Kim Bôi, Hòa Bình:

c dài 29m, trong đó đo n thu h p dài 6,5m,

chi u r ng đo n thu h p thay đ i d n t 6m đ n 4m đ d c i = 6.5%. Sau đo n thu
h p là d c n
L cđ i

c có b r ng không đ i dài 22m, đ d c i = 7.71%. H ch a n

t nh Qu ng Nam: Tràn x l có hình th c tràn Ophixerop ch y t do có

k t h p x sâu, sau tràn là d c n
n

c

c và b tiêu n ng đáy cu i d c n

c.

o nd c

c sau tràn có đ d c i = 10% t cao trình +71.40 xu ng cao trình +49.40m, n i

ti p đo n chân đ nh tràn đ n d c n

c là đo n thu h p d n t 32m v 20m, đ d c

d c i = 3% và chi u dài t ng c ng là 30m.
Hình th c b trí đo n thu h p trên d c r t phong phú, theo quy mô công trình
có th xét đ n các d ng sau:
+ o n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên th ng.


2

+ o n thu h p có đáy cong và t
+ o n thu h p có t

ng bên th ng.

ng bên cong và đáy cong.

+ o n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên lo i “không nhi u”.

Trong ph m vi lu n v n này ta ch gi i quy t các v n đ th y l c ph c t p
xu t hi n trên đo n thu h p có đáy ph ng và t

ng bên th ng.

Nh v y vi c làm đo n lòng d n thu h p t kênh chuy n ti p vào d c n
là m t gi i pháp k thu t nh m gi m kh i l

ng công trình d c n

c (kh i l

c
ng

đào đ t đá và v t li u bê tông thân d c. V m t th y l c thì đây là m t d ng KDX,
đ a dòng ch y t r ng đ n h p, t l u t c nh đ n l u t c l n h n.
1.1.2. T ng quan v dòng ch y trên d c n

Hình 1.1. Sóng gián đo n trên đ
Dòng ch y trong d c n
các đ

ng tràn, d c n

c

c có th

c.

ng tràn đ p Bennet (Canada)

tr ng thái ch y êm hay ch y xi t. Trên

các công trình th y l i đ u m i th

xi t. Các d ng công trình này th

ng là dòng ch y

ng có đo n thu h p nh m chuy n ti p dòng ch y

sau đ p tràn đ nh r ng ho c m t c t th c d ng v i đo n d c không thu h p

phía


3

sau. Không nh dòng ch y êm bi n đ i d n, trong dòng ch y xi t có th xu t hi n
các hi n t

ng nh : sóng l n, tr n khí, hay khí th c. Thêm vào đó n u s Froude

c a dòng ch y l n, s xu t hi n c a sóng đ ng hay s dao đ ng c a m t n
d c là v n đ c n l u ý khi tính toán th y l c hay thi t k đ

c trên

ng tràn.

Có th s d ng các tiêu chí khác nhau đ phân bi t 2 tr ng thái ch y này.

Tùy theo quan h t

ng đ i gi a th n ng và đ ng n ng trong thành ph n

c a t n ng m t c t mà phân bi t các tr ng thái c a dòng ch y nh sau:
- Dòng ch y êm: khi chi u sâu h > h k ; trong thành ph n c a t n ng m t c t,
th n ng (h) có giá tr l n, còn đ ng n ng (

) có giá tr nh .

- Dòng ch y xi t: khi chi u sâu h < h k , khi đó th n ng có gí tr nh , đ ng
n ng có giá tr l n.
- Dòng ch y phân gi i: khi h = h k .
T i m i m t c t c a đo n chuy n ti p, ch đ ch y xi t đ
mãn đi u ki n: h < h k , trong đó h – đ sâu n

c duy trì khi th a

c t i m t c t; h k – đ sâu phân gi i.

V i đo n thu h p thì tr s h k t ng d n theo chi u dòng ch y.
Nói chung, tr ng thái n i ti p ch y xi t trên đo n thu h p có tính n đ nh v
th y l c cao. S t o thành sóng xiên trên đo n này là không tránh kh i, nh ng đây
là sóng d ng, t c có v trí n đ nh và có th ki m soát đ
v y trong thi t k đo n thu h p trên d c n

c chi u cao c a nó. Vì

c c n kh ng ch m c đ thu h p

và

chi u dài đo n chuy n ti p L t đ duy trì ch đ ch y xi t trên đó.
Ngoài đ sâu h, còn có th s d ng các tiêu chí khác đ phân bi t các tr ng
thái ch y nh trên b ng 1.1.
B ng 1.1. Tiêu chí phân bi t các tr ng thái ch y.
Ch y êm
Ch y phân gi i
Ch y xi t

Thông s
sâu h

h > hk

h = hk

h < hk

S Froude Fr

Fr < 1

Fr = 1

Fr > 1

L u t c trung bình

V

V=C

V>C

Khi đ

ng biên c a dòng ch y có thay đ i (r ngo t vào hay ngo t ra kh i

dòng ch y) thì dòng ch y s có bi n d ng t

ng ng. Tuy nhiên, ph n ng c a dòng


4

ch y xi t và dòng ch y êm có s khác nhau rõ r t. Ch ng h n, khi t

ng bên r

ngo t vào trong dòng ch y thì dòng êm có ph n ng t t , ngh a là các đ

ng dòng

có s u n cong r vào phía trong t tr

c không

c khi t

có thay đ i rõ r t khi đi qua đi m gãy c a t
là đ t ng t và khá m nh m : tr

ng các đ

ng thì đ sâu dòng ch y và h

cách đ t ng t.

c l i, ph n ng c a dòng xi t
ng bên, dòng ch y ch a có

ng dòng), ch khi đi qua v trí

ng đ

ng dòng m i thay đ i m t

ng ranh gi i gi a 2 mi n c a dòng ch y có đ sâu khác nhau g i

là tuy n sóng, trong tr
t

ng. Ng

c v trí r ngo t c a t

ph n ng gì (không thay đ i đ sâu và h
r ngo t c a t

ng r ngo t, và đ sâu n

ng h p t

ng r ngo t và xiên góc v i h

ng r ngo t vào trong, tuy n sóng đi qua đi m
ng ch y ban đ u. Khi tuy n sóng này g p b đ i

di n c a lòng d n, nó s có ph n x , và c th truy n đi trên m t đo n dài c a dòng
ch y, gây ra nhi u tác đ ng làm thay đ i các thông s c a dòng ch y trong mi n
nh h

ng.
Dòng ch y xi t th

ng xu t hi n trên các đ

ng tràn, d c n

c. Khi các

d ng công trình này có đo n thu h p chuy n ti p, chu i sóng gián đo n s hình
thành do s va đ p c a dòng xi t v i thành bên. Các ph
dòng ch y n đ nh m t chi u trên kênh h th

ng dùng không th mô ph ng đ

hi n tr ng này nên có th dùng mô hình s tr gi i h ph
chi u nh m mô ph ng đ

c th

c các n

ng pháp tính th y l c
ng trình n

c

c nông hai

c nh y này, sau đó áp d ng cho m t công trình

Vi t Nam.
Th c t xây d ng các h ch a n

c th y l i cho th y kinh phí cho xây d ng

công trình tháo l chi m m t t tr ng đáng k trong t ng v n đ u t xây d ng công
trình. Vì v y trong thi t k luôn ph i gi i quy t bài toán kinh t k thu t đ đ m b o
l a ch n đ

c ph

ng án công trình làm vi c an toàn, h p lý và kinh phí xây d ng

là nh nh t.
1.1.3. Các đ c đi m c a dòng xi t
Trong dòng ch y ch t l ng không nén đ

c do nh ng nguyên nhân khác

nhau có th phát sinh các nhi u đ ng c a các thông s chuy n đ ng (l u t c, cao đ


5

m t t do, áp l c...). Các nhi u đ ng lan truy n trong ch t l ng v i m t t c đ nào
đó nói chung là khác v i t c đ chuy n đ ng c a ch t l ng.
Ch ng h n t a m t đi m nào đó trên m t t do c a ch t l ng đ ng yên, t i th i
đi m t o phát sinh m t nhi u đ ng nh . Nhi u đ ng này s lan truy n v m i phía
v i t c đ C nào đó. N u phân tích đ c đi m lan truy n nhi u trên m t t do trong
ch t l ng chuy n đ ng, ta s th y r ng nó ph thu c vào t s V/C. Trong tr
h p V/C <1, nhi u lan t a v m i phía, nh ng v phía ng

ng

c chi u dòng ch y v i

v n t c nh nh t (C-V). N u V/C=1 thì nhi u không th truy n v

t quá đ

ng đi

qua đi m ngu n và vuông góc v i chi u dòng ch y. Còn n u V/C>1 thì nhi u đ ng
nói chung không th v

t quá đ

m t góc =arcsin C/V.

ng đi qua ngu n nhi u và t o v i chi u dòng ch y

ng th ng này đ

c g i là đ

ng nhi u.

c.
t

c
v
v=0

c-v

a)

c+v
c

b)

v=c
c>v

d)

c)

Hình 1.2. S lan truy n nhi u trong n

v1

c t nh và n

c ch y

v1

a)

b)

Hình 1.3. D ng ch y bao c a dòng êm (a) và dòng xi t (b)


6

T đ c đi m lan truy n c a sóng nhi u rút ra là khi V/C <1, các đ
s bi n d ng
>1 thì các đ

m t c ly khá xa tr

c khi g p ch

ng dòng ch đ i d ng sau khi qua đ

T c đ lan truy n nhi u nh C đ

ng ng i v t. Ng

ng dòng

c l i khi V/C

ng nhi u (hình 1.2)

c g i là t c đ sóng.

i v i ch t l ng

đ ng yên có chi u sâu h ta có :
C= gh

(1-1)

Trong ch t l ng chuy n đ ng, trong lòng d n có đ d c l n:
C= ghcψ

(1-2)

Trong đó ψ là góc nghiêng c a m t t do so v i ph

T công th c C= gh ta có: Fr =

ng ngang.

V2 V2
=
gh C 2

Dòng ch y có V/C>1 hay Fr>1 g i là dòng xi t V/C<1 hay Fr<1 g i là dòng
êm, V/C=1 dòng ch y g i là phân gi i.
Các đ c đi m nêu trên ph i đ

c xem xét khi có ý đ nh làm l ch h

ch y kéo theo s t o thành sóng xiên và n

ng dòng

c nh y. i u này s làm bi n đ i nhi u

thông s c a dòng ch y và s bi n đ i đó đ

c duy trì trên m t đo n khá dài c a

lòng d n.
S thay đ i các thông s dòng xi t càng nhi u khi góc l ch h

ng c a t

ng

càng l n đ c bi t khi Fr càng l n.
1.1.4. Các bi n pháp công trình đ đi u khi n dòng xi t
Thu h p lòng d n khi vào d c n
D cn

c.

c là d ng công trình n i ti p ph bi n đ đ a dòng ch y v sông h

l u. Lòng d n c a d c n

c có đ d c l n, v i d c trên n n đ t có th ch n đ d c i

đ n 8%, còn d c trên n n đá, đ d c i có th lên đ n 30%, ho c l n h n. Khi đó,


7

d c ch c n b r ng không l n mà v n tháo đ
đo n kênh chuy n ti p phía tr
ph i l n thì m i tháo đ

cd cn

cl ul

b , đo n kênh chuy n ti p tr

c th

cl ul

ng thi t k . Ng

ng có đ d c nh , nên b r ng đáy

ng thi t k . Trong s đ b trí đ
cd cn

c l i,

cđ

c n i v i ng

ng tràn h bên

ng tràn (s đ tràn

d c), ho c máng bên (s đ tràn ngang), đo n này có đ d c đáy không l n.
Nh v y vi c làm đo n lòng d n thu h p t kênh chuy n ti p vào d c n
là m t gi i pháp k thu t nh m gi m kh i l

ng công trình d c n

c (kh i l

c
ng

đào đ t đá và v t li u bê tông thân d c). V m t th y l c thì đây là m t d ng
KDX, đ a dòng ch y t r ng đ n h p, t l u t c nh đ n l u t c l n h n.
o n thu h p có th là đáy ph ng ho c cong, tuy nhiên th c t th
đáy ph ng, đáy không tham gia đi u khi n dòng xi t mà do t

ng biên đ m nh n.
a)

a)
A

B

B

C

D

D

R1

C

R2

A

ng làm

R1

R2

d)

c)
A

B

B
C

C

D

D

Hình 1.4. Các hình th c đo n chuy n ti p thu h p có đáy ph ng.
a) T
c) T

ng biên gãy khúc; b) T

ng biên d ng đ
ih

ng biên là cung cong liên h p;

ng cong không nhi u; d) o n thu h p h

ng tâm.

ng dòng ch y trên thân d c.

Trong xây d ng đ

ng tràn h bên b , ch đ th y l c trong d c n

c tuy n


8

th ng là thu n l i nh t. Tuy nhiên, th c t đa d ng c a đi u ki n đ a hình, đ a ch t
nhi u khi không cho phép ch n d c n

c tuy n th ng. M t s lý do th

ng g p nh

sau:
Khi tuy n d c th ng g p khu v c có đi u ki n đ a ch t b t l i (đ t gãy, s t
tr

t…), khi đó bu c ph i đ i h

ng d c n

c (r ngo t sang trái ho c sang ph i)

đ đ m b o đi u ki n xây d ng thu n l i h n.
Do đi u ki n đ a hình, n u theo tuy n th ng, chi u dài đ
kh i l

ng công trình l n. Khi đó có th xem xét đ i h

tuy n sông c , rút ng n chi u dài đ
Trong nh ng tr

ng h p t

ng đ

ng tháo, gi m kh i l

ng tháo đ s m g p

ng công trình.

ng t nh trên, bu c ph i áp d ng d c n

tuy n cong, và đo n d c tuy n cong này là m t k t c u
ng

ng tháo s l n,

KDX đi theo h

c

ng mà

i thi t k mong mu n.

T ng đ nhám trên d c.
Trong thi t k d c n

c có đ d c l n, nhi u khi l u t c ch y

d c đ t giá tr l n (đ n 30m/s ho c h n), v

ph n cu i

t quá l u t c cho phép c a v t li u làm

d c, làm cho đáy và thành bên d c b phá ho i do khí th c. Khi đó c n ph i áp d ng
các bi n pháp phòng khí th c mà m t trong nh ng bi n pháp đó là làm m nhám
gia c

ng đ t ng đ sâu, gi m l u t c trên d c.
C ng có nh ng tr

ng h p l u t c trên d c ch a đ t đ n tr s l u t c cho

phép, nh ng v n có nhu c u t ng đ nhám, gi m l u t c trên d c.
tiêu n ng

h l ud cn

c g p các đi u ki n b t l i: đ a ch t n n không t t, b

tiêu n ng ph i đào quá sâu, v a t n kh i l

ng đào và v t li u bê tông gia c , v a

g p khó kh n trong t ch c thi công do công tác b m thoát n
giàn dáo khi thi công t

ng bên d c n

ng th a trên d c đ gi m nh k t c u

tiêu n ng h l u là c n thi t, và vi c b trí m nhám gia c
c đ tiêu hao n ng l

c ng m và gia c

c có chi u cao l n. Trong nh ng đi u ki n

nh v y, vi c tìm cách tiêu hao b t n ng l
d cn

ó là khi ch đ

ng dòng ch y đã đ

c xem xét.

ng trên toàn chi u dài


9

M r ng lòng d n t d c n
Nh trên đã nêu, d c n
đ gi m kh i l

c đ n công trình tiêu n ng.

c cso th đ

c xây d ng v i b r ng lòng d n nh

ng công trình. Nh ng b ph n tiêu n ng thì l i c n có chi u r ng

l n đ gi m l u l

ng đ n v , gi m chi u sâu đào b (v i hình th c tiêu n ng đáy)

hay gi m chi u sâu h xói ( lo i công trình tiêu n ng phóng xa). Vì v y t cu i
d cn

c đ n b ph n tiêu n ng c n có đo n chuy n ti p m r ng d n đ đi u khi n

dòng ch y t h p sang r ng. C n l u ý r ng l u t c dòng ch y

cu i d c là l n nên

đo n chuy n ti p m r ng c n có k t c u thích h p đ đ m b o dòng ch y bám sát
thành thì m i đ t đ

c m c đích đi u khi n.

Phóng dòng ch y ra xa chân công trình.
Khi đ a ch t n n

h l u là đá thì th

ng áp d ng k t c u đi u khi n d ng

m i phun đ phóng dòng ch y ra xa chân công trình, l i d ng ma sát gi a tia dòng
và không khí đ tiêu hao n ng l
t c ma sát v i l p n

ng. Tia dòng r i xu ng lòng d n h l u l i ti p

c h l u và v i đáy lòng d n đ tiêu hao ti p ph n n ng l

ng

th a còn l i. Quá trình ma sát gi a tia dòng và đáy lòng d n h l u s t o ra h xói
cho đ n khi đ t đ
n

c chi u sâu n đ nh. Nh v y, m i phun

c là m t d ng k t c u đ

cu i m t tràn, d c

KDX nh m phóng dòng ch y ra xa chân công trình

đ đ m b o đi u ki n tiêu n ng h p lý nh t.
1.2. T ng quan v các ph

ng pháp tính toán dòng ch y xi t trên d c n

c.

Nhi m v c a KDX là tìm các bi n pháp công trình đ làm bi n d ng dòng
xi t m t cách h p lý cho phù h p v i các đi u ki n t i ch , lo i b ho c h n ch các
đi u ki n th y l i b t l c. Ta xác đ nh đ nh tính đ
và d ng c a các lo i đ

ng m t n

c, ngh a là tính ch t

ng, sau đó tính toán c th b ng cách gi i các ph

ng trình

vi phân c b n:
d∋
= i−J
dL

Trong đó : d ∋ - Chênh l ch t n ng gi a hai m t c t tính toán.
dl - Kho ng cách gi a hai m t c t.

i–

d c đáy.

(1-3)


10

JTB -

d c th y l c trung bình trong đo n tính toán

Ho c v i kênh l ng tr thì:
Q2
d∋
K2
=
=
α Q2 B
dl
1−
g ω3
i−

ó là ph

ph

i−J
i − Fr

(1-4)

ng trình vi phân c p m t, m t n, tuy nhiên tìm nghi m đúng c a

ng trình vi phân này r t khó, do đó ng

i ta th

ng gi i b ng ph

ng pháp g n

đúng ho c c ng tr c ti p ho c bi n đ i cho đ n gi n r i m i tích phân các ph

ng

trình trên.
V ph

ng pháp gi i tích, bài toán gi i dc và tìm đ

nh ng nó ch áp d ng đ

c trong m t s tr

c nghi m chính xác,

ng h p nh t đ nh v đi u ki n biên

nh ph i đ n gi n v hình d ng, không thay đ i theo th i gian tính toán, môi tr

ng

là đ ng nh t có ngh a là các thông s đ u vào c a l u v c tính toán là không thay
đ i theo th i gian và không gian… Nh ng trong th c t thì các y u t trên đ u có
th thay đ i và khi có m t trong các y u t này thay đ i thì bài toán không th gi i
đ

c, n đó không tìm đ
kh c ph c đ

bài toán nào c ng tìm đ

c nghi m.
c nh ng h n ch c a ph

ng pháp gi i tích vì không ph i

c nghi m chính xác, thay vào đó ta có th đi tìm nghi m

g n đúng c a bài toán b ng ph

ng pháp s , nghi m c a bài toán có th là nghi m

x p x v i nghi m chính xác, ho c nó có th bi u di n b ng nh ng bi u th c toán

h c ng v i các biên ban đ u đ gi i ra nghi m khá sát so v i nghi m gi i tích mà
l i nhanh chóng và d dàng, gi i đ

c nh ng bài toán ph c t p.

1.2.1.Tính toán KDX theo s đ dòng ch y n đ nh, m t chi u theo ph
pháp c ng tr c ti p.
Chuy n ph

ng trình vi phân thành ph

ng

ng trình sai phân:

∆∋
= i − Jtb
∆L

(1-5)


11

Chia kênh ra t ng đo n nh , r i t ph

ng trình tính cho t ng đo n m t,

xong c ng l i s có k t qu cho toàn th đo n kênh.
1.2.2. Ph

Th

ng pháp tích phân g n đúng.
ng dùng ph

ng trình (1.6) đ gi i:
Q2
dh
K2
=
α Q2 B
dl
1−
g ω3
i−

Ph
chuy n ph
1.2.3. Ph

ng pháp này th

(1-6)

ng bi n đ i và đ a vào m t s gi thi t g n đúng,

ng trình v m t d ng đ n gi n h n đ phân tích.
ng pháp s

1.2.3.1. Tính toán KDX theo s đ dòng ch y hai chi u theo ph

đ c tr ng.
Trong tr

ng pháp đ

ng

ng h p s thay đ i b r ng dòng ch y trên m t b ng là đáng k thì

s hình thành các sóng xiên xu t phát t các v trí có đ

ng biên thay đ i. S truy n

sóng xiên trong dòng ch y cùng v i s ph n x c a sóng v i t
c a các sóng khác nhau làm cho đ
ngang, do đó tính toán theo ph

ng m t n

ng, s giao thoa

c trên các m t c t không còn n m

ng pháp th y l c m t chi u s g p sai s l n. Khi

đó c n áp d ng mô hình dòng ch y 2 chi u, 3 chi u.
Mô hình dòng xi t 2 chi u đ

c s d ng khi:

- S Froude c a dòng không nhi u Fr > 2,5;
- Dòng ch y có chi u r ng l n h n nhi u so v i chi u sâu (b/h >>1), khi đó thành
ph n l u t c và gia t c theo ph
có th b qua.

ng vuông góc v i m t chu n (ph

ng z ) là nh ,


12

Ph

ng pháp này cho phép gi i g n đúng ph

ng trình mô t dòng ch y hai

chi u trên đáy ít bi n đ i so v i m t ph ng chu n.
Ph

ng pháp đ

ng đ c tr ng đ

c gi i thi u đ u tiên vào n m 1789 b i

Monge.. N m 1942, A.Ippen đã m r ng ph m vi áp d ng cho c dòng n
đ

c coi là ph

ng pháp c b n, c đi n đ u tiên đ gi i h ph

c. Nó

ng trình dòng ch y

không n đ nh.
Ti p theo, các tác gi

N.T.Mêlêsencô, G.I.Xukhômen, S.N.Numêr p,

V.I.Frankl, B.T.Emxép… đã t ng b

c hoàn thi n ph

ng pháp này đ tính toán

KDX 2 chi u.
1.2.3.2. Ph

ng pháp sai phân h u h n.

Là ph

ng pháp đ

c dùng khá ph bi n đ gi i h ph

ng trình đ ng l

ng

giúp gi i quy t bài toán di n bi n dòng ch y khá ph bi n.
C s c a ph
hàm riêng c a m c n
ch y và theo th i gian.

ng pháp sai phân h u h n là gi i ph
c, l u t c theo các ph

ng ngang, d c, theo chi u sâu dòng

o hàm c a các hàm s này có th đ

công th c g n đúng. N u ta chia mi n mô hình m t l

gi i h ph
1.2.3.3. Ph
Ph

c th hi n b ng các

i các nút, vi t giá tr g n

đúng c a các giá tr đ o hàm c a các bi n s cho m i đi m l
đúng này vào các ph

ng trình vi phân đ o

i, thay đ o hàm g n

ng trình vi phân đ o hàm riêng ta s có h ph

ng trình này ta s có đ

ng trình và

c nghi m c a các bi n s c n tìm.

ng pháp ph n t h u h n.
ng pháp ph n t h u h n ñ

m t là n i suy và hai là bi n phân đ
pháp này, ng

c xây d ng d a trên hai ý chính sau:
c g i là "tr ng d ". Trong ph

i ta phân chia không gian thành các ph n t tam giác và ng

ta tìm gia tr c a các bi n tr ng thái (h,u,v) trên các đ nh c a các tam.

ng
i


13

Hình 1.5. R i r c mi n tính b ng các ph n t tam giác (l
1.2.3.4. Ph

i không c u trúc)

ng pháp th tích h u h n.

Các s đ thu c ki u th tích h u h n còn đ

c g i là ph

ng pháp “b t

s c” do kh n ng tính chính xác không nh ng nghi m tr n mà còn c nh ng
nghi m gián đo n và t

ng tác sóng ph c t p. Chúng đáp ng đ

c tinh ch t b o

toàn b i vì dòng đi ra t ph n t này chính là dòng đi vào c a ph n t khác.
đi m l n nh t c a ph

u

ng pháp này là tính đ n gi n c a s đ và kh n ng ng

d ng, nó có th áp d ng g n nh vào t t c các v n đ . Ph

ng pháp này đ

c

nghiên c u và áp d ng nhi u vào 3 th p niên g n đây.
Là ph

ng pháp s dùng đ gi i h ph

ng trình n

tích phân (LeVeque, 2002; Toro, 1999). G n đây, nó là ph
d ng nhi u nh t trong gi i ph
hi u qu c a nó. Ph

ng trình n

gian tính, thông l
b

c th i gian tr

ng qua m i ô đ
c. Quá trình này đ

ng pháp s đ

d ng
cs

c nông hai chi u b i tính chính xác và

ng pháp th tích h u h n có th gi i đ

trúc và không có c u trúc. Mi n tính toán đ

c nông (SWE)

c trên c l

c chia làm các ô nh .

c tính v i các giá tr m c n

i có c u

m ib

c th i

c, l u l

ng

c tính toán r t linh ho t, đ n gi n, đ ng th i