Giáo trình: Thủy lực - Chương 11

Chương 11 : Đập tràn
Chương 11
ĐẬP TRÀN
11.1 Khái niệm chung
11.1.1. Khái niệm :
Đập tràn là một vật kiến trúc ngăn một dòng chảy không áp làm cho dòng chảy tràn
qua đỉnh.
- Đập tràn được xây dựng nhằm tháo bớt một phần nước hoặc tạo nước dâng trong
sông.
Các đại lượng đặc trưng của đập tràn :

Hình 11 - 1: Đập tràn và các đại lượng đặc trưng
- Chiều rộng đập tràn : là chiều dài đoạn tràn nước
δ : chiều dày đập tràn.
H : cột nước tràn, là chiều cao mặt nước thượng lưu so với đỉnh đập (phải đo tại mặt
cắt cách đập từ (3-5)H về phía thượng lưu, nơi mặt nước chưa bị hạ thấp.
-P
1
: chiều cao đập so với đáy thượng lưu
-P
2
: chiều cao đập so với đáy hạ lưu.
h
n
= P
2
- h
h
: độ ngập hak lưu tính từ mặt nước hạ lưu đến đỉnh đập
h
h

: độ sâu hạ lưu.
11.1.2. Phân loại đập tràn :
11.1.2.1. Dựa vào chiều dày và hình dạng mặt cắt :
+ Đập tràn thành mỏng : δ < 0,67H
Trường hợp này làm nước tràn ngay sau khi qua mép thượng lưu của đỉnh đập thì
nó bị tách khỏi đỉnh đập không chạm vào toàn bộ mặt đỉnh đập. Do đó chiều dày và hình
dạng của đập không ảnh hưởng đến làn nước tràn và lưu lượng tràn.
+ Đập tràn mặt cắt thực dụng : 0,67H < δ < (2-3)H
Chiều dày và hình dạng của đập có ảnh hưởng đến nước tràn nhưng không lớm lắ
m,
mặt cắt đập có dạng đa giác.
11-1

Chương 11 : Đập tràn
MÆt c¾t cong
MÆt c¾t ®a gi¸c

Hình 11 - 2: Đập tràn mặt cắt cong và mặt cắt đa giác
+ Đập tràn đỉnh rộng : (2-3)H < δ < 8-10)H
.

Hình 11 - 3: Đập tràn đỉnh rộng
Trên đỉnh đập hình thành một dòng chảy thay đổi dần. Nếu δ > (8-10)H thì sẽ trở
thành một đoạn kênh.
11.1.2.2. Dựa vào hình dạng mặt cắt cửa tràn :

Hình 11 - 4: Một số hình dạng cửa tràn: 1) chữ nhật 2)tam giác 3) hình thang 4)
parabol
c/ Dựa theo quan hệ giữa chiểu rộng đập tràn và chiều rộng lòng dẫn :
+ Đập tràn thu hẹp

b
b
c
.
Mè bªn

Hình 11 - 5: Đập tràn có mặt cắt bị thu hẹp
+ Đập tràn không thu hẹp.
11-2

Chương 11 : Đập tràn
B
§Ëp

Hình 11 - 6: Đập tràn mặt cắt không thu hẹp
d. Dựa theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đến khả năng tháo nước của đập.
+ Đập tràn chảy ngập : MN hạ lưu > đỉnh đập
+ Đập tràn chảy không ngập : MN hạ lưu < đỉnh đập.
11.2 Công thức tính toán đập tràn
11.2.1. Trường hợp chảy không ngập :
Trong chế độ chảy không ngập, lưu lượng Q chảy qua đập tràn có quan hệ với kích
thước cửa tràn ω
c
, gia tốc trọng trường g, cột nước toàn phần H
0
. Tức là :
Q = f(ω
0
, d, H
0

)
Trong đó :
g
V
HH
2
2
0
0
α
+=

Trường hợp đâp tràn có cửa tràn hình chữ nhật, kích thước cửa tràn phụ thuộc vào
bề rộng cửa b và cột nước H, nên Q = f(b,g,H
0
)
Quan hệ này có thể biểu diễn dưới dạng : Q = c.b
x
.g
y
.H
0
z
c - hệ số tỷ lệ, không thứ nguyên, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước cửa tràn,
chiều dày đập...
Khi cửa tràn có hình chữ nhật, Q tỷ lệ bậc nhất với b → x =1
y,z được xác định dựa trên phương trình thứ nguyên :
(Q) = (b).(g)
y
.(H

0
)
z
(m
3
/s) = (m).(m
2
/s)
y
.(m)
z
m đại diện cho chiều dài L, s đại diện cho thời gian T, nên ta có :
z
y
y
L
T
L
L
T
L
..
2
3
=
→ Cân bằng số mũ : →
⎩
⎨
⎧
=

++=
y
zy
21
13
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
2
3
2
1
z
y

Vậy
2
3
0
2
1
... HgbCQ =

đặt

2
C
m =
: hệ số lưu lượng của đập tràn, phụ thuộc đặc tính kết cấu của đập và
P/H (độ cao tương đối của đập)
11-3

Chương 11 : Đập tràn
→
2
3
0
2. HgbmQ =
(11-1)
2. Trường hợp chảy ngập :
Trường hợp này, MN hạ lưu có ảnh hưởng đến khả năng tháo nước của đập, làm
giảm lưu lượng chảy qua đập (khi H
0
= const)
Công thức tính toán :
2
3
0
.2... HgbmQ
n
σ
=
(11-2)
σ
n

: hệ số ngập < 1; phụ thuộc vào h
n
.
3. Ảnh hưởng co hẹp bên :
Thông thường, chiều rộng của đập b nhỏ hơn chiều rộng B của kênh hoặc sông, vì
trong thực tế cần rút ngắn chiều dài tràn nước và do yêu cầu gia cố bờ nên hai bên đập
thường có mố bên. Do đó dòng chảy đi vào sẽ bị co hẹp lại. Chiều rộng dòng chảy tràn
trên đỉnh đập thường nhỏ hơn chiều rộng đập. Hiện tượng đó gọi là co hẹp bên.
B
b
b
c
Mè bªn
V

Hình 11 - 7: Tính toán đập tràn có ảnh hưởng co hẹp bên
Công thức tính lưu lượng :
2
3
0
.2.. HgbmQ
ε
=

ε : hệ số co hẹp phụ thuộc vào mức độ co hẹp
B
h
và hình dạng cửa vào trên mặt
bằng.
Nếu đập tràn vừa co hẹp vừa chảy ngập thì :

2
3
0
.2.... HgbmQ
n
σε
=
(11-3)
11.3 Đập tràn thành mỏng
11.3.1. Đập tràn thành mỏng cửa chữ nhật :
11.3.1.1. Các dạng chảy không ngập :
- Tùy theo tình hình không khí ở gần không gian dưới làn nước tràn, đập tràn thành
mỏng được phân 3 dạng chảy không ngập :
+ Chảy tự do : phần không gian dưới làn nước tràn có không khí ra vào tự do, áp
suất không khí ở đó bằng áp suất khí trời, làn nước rơi tự do.
11-4

Chương 11 : Đập tràn

Hình 11 - 8: Đập tràn thành mỏng chảy tự do
+ Chảy bị ép : không khí ở dưới làn nước tràn bị nước cuốn đị nhưng không được
bổ sung → gây ra chân không, làm cho làn nước không đổ tự do mà bị ép vào thành đập.
Loại này có m lớn, nhưng không ổn định.

Hình 11 - 9: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép
+ Chảy bị ép sát : khi cột nước H nhỏ mà dưới làn nước tràn không khí không vào
được tự do gây chân không, làn nước bị ép sát vào thành đập, không rơi xuống.

Hình 11 - 10: Đập tràn thành mỏng chảy bị ép sát
11.1.1.2. Hình dạng làn nước tràn của đập tiêu chuẩn :

- Đập tiêu chuẩn : là đập tràn thành mỏng chảy tự do không có co hẹp bên.

Hình 11 - 11: Hình dạng đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn
- Tại mặt cắt cách mép thượng lưu đập 3H, mặt nước hạ xuống một đoạn 0.003H
- Đến đỉnh đập, mặt nước hạ thấp đoạn 0,15H
11-5

Chương 11 : Đập tràn
- Mặt dưới của làn nước tràn tách khỏi mép đập và vồng lên một trị số là 0,112H, tại
vị trí cách mép đập 0,27H
- Tại cao trình đỉnh đập, mặt dưới của làn nước tràn cách mép đập 0,67H
- Chiều dày làn nước tại đỉnh đập là 0,435H, nghiêng góc 41°31’ so với phương
ngang.
11.1.1.3. Công thức tính lưu lượng của đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn :
Từ công thức tổng quát :
2
3
0
2. HgmbQ =


Thay :
g
V
HH
2
2
0
0
α

+=
vào :
2
3
2
3
2
0
2
3
2
0
2
12
2
2 H
gH
V
gmb
g
V
HgmbQ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

+=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
αα

đặt
2
3
2
0
0
2
1
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
gH

V
mm
α

→
2
3
0
2 HgbmQ =
(11-3)
m
0
được xác định từ thực nghiệm.
* Theo Badanh : (H ≥ 0,05m)
()
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝

⎛
+=
2
1
2
0
55,01
003,0
405,0
PH
H
H
m

* Theo Trugaep : (H ≥ 0,1m)
1
0
05,04,0
P
H
m +=

* Theo quy phạm của bộ thủy lợi CHLB Nga :
m
0
= 0,40 (đập tràn thành mỏng)
m
0
= 0,45 (đập tràn mặt cắt thực dụng không có chân không)
m

0
= 0,50 (đập tràn mặt cắt thực dụng có chân không)
m
0
= 0,35 (đập tràn đỉnh rộng).
11.1.1.4. Ảnh hưởng co hẹp bên :
Khi đập tràn có co hẹp :
2
3
2.. HgbmQ
c
=
(11-4)
Trong đó : m
c
= m
0
.ε (ε - hệ số co hẹp)
ε được xác định từ thực nghiệm :
b
H
n2,01−=
ε

n : số cửa tràn
b : chiều rộng 1 khoang tràn.
11-6