BÀI TẬP THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC 7

Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Phần I: Lời mở đầu
Khi xây dựng các công trình thủy lợi trên sông thiên nhiên, các
chế độ điều khiển dòng chảy cho công trình đã làm phá hủy
trạng thái cân bằng của lòng dẫn tự nhiên. Mực nớc thợng lu trớc công
trình sẽ tăng lên, nghĩa là thế năng của dòng nớc tăng lên. Khi dòng
chảy đổ từ thợng lu về hạ lu, thế năng đó chuyển thành động
năng: Một phần động năng đó phục hồi thành thế năng (Đúng bằng
mực nớc hạ lu), phần còn lại (Gọi là năng lợng thừa), nếu không có
giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hởng đến an toàn công trình.
Nhiệm vụ của tính toán tiêu năng là phải tìm ra đợc biện
pháp tiêu hao hoàn toàn năng lợng thừa, điều chỉnh lại phân bố lu
tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy trở về trạng thái tự
nhiên sau công trình. Các hình thức tiêu năng thờng đợc áp dụng:
Tiêu năng mặt, tiêu năng phóng xa, tiêu năng đáy và các hình thức
tiêu năng đặc biệt.
Ngoài các công trình tiêu năng: Bể tiêu năng, tờng tiêu năng,
bể và tờng tiêu năng kết hợp, các công trình chỉ tiêu hao một phần
năng lợng thừa, dòng chảy sau đó vẫn mang theo phần năng lợng
thừa ở dạng động năng, mạch động... và cần phải đợc tiêu hao trên
1 đoạn ngắn nào đó sau bể, đó là đoạn sân sau thứ 2.
Hiện tợng xói cục bộ của lòng dẫn ngay chân công trình Thủy
lợi, ở nơi có lu tốc rất lớn lại phân bố không đều, nơi có mạch động
lu tốc và áp suất rất lớn. Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra
xói:
- Do việc bố trí kích thớc cửa vào dẫn đến các yếu tố thủy lực
không đảm bảo, nhiều kết cấu bị rung...
- Do việc co hẹp lòng dẫn đã làm tăng lu lợng đơn vị dòng
chảy và lu tốc dòng chảy sau công trình so với điều kiện tự nhiên,
dẫn đến làn nớc đổ xuống bể chảy với mạch động rất lớn của lu tốc

và áp lực.
- Do việc bố trí tiêu năng vẫn cha tiêu hao hết năng lợng thừa
của dòng chảy đổ ra từ cống, dòng chảy ra cha đạt trạng thái chảy
êm.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

1


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

- Do hình thức kích thớc và vật liệu của nhiều bộ phận kết
cấu của ra không hợp lý tạo những hiện tợng thủy lực bất lợi.
- Sử dụng công trình không đúng qui trình vận hành, không
có sự duy tu sửa chữa, bảo dỡng kịp thời.
- Dòng chảy qua công trình vợt quá sức chịu theo thiết kế.
Các vấn đề nêu trên đã có rất nhiều nguyên nhân nhng vấn
đề đặc biệt quan trọng và phức tạp trong công trình thủy lợi là
các đặc trng thủy động lực học dòng chảy ở công trình. Nghiên
cứu vấn đề này không thể ngày một ngày hai có thể giải quyết đợc bởi vấn đề thủy động lực học phải đợc giải quyết từ lý thuyết và
thực tế mô hình. Trong nghiên cứu lý thuyết, hầu hết các công thức
tính toán thiết lập đợc đều kiểm nghiệm bằng các mô hình toán
và vật lý công trình thủy lợi, và đã có rất nhiều công thức tính toán
đợc thiết lập trên cơ sở thực nghiệm bằng mô hình hoặc trong
thực tế. Trong thiết kế, thi công các công trình, đối với các công
trình lớn, quan trọng, phức tạp thì thờng thông qua thí nghiệm mô
hình để tìm phơng án bố trí hợp lý công trình đầu mối, thí
nghiệm kiểm tra các bộ phận quan trọng, kiểm tra các thông số
thiết kế, độ chính xác của các công thức lý thuyết... Công tác

nghiên cứu mô hình toán và vật lý các công trình có ý nghĩa hết
sức quan trọng, đợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu các đặc trng thủy động lực học của dòng chảy.
Ngày nay, cùng với sự phát triển tiến bộ về Khoa học kỹ thuật
của các ngành khoa học, công nghệ tin học phát triển mạnh mẽ, các
thiết bị đo đạt độ chính xác cao, chúng ta có thể giải quyết đợc
hầu hết các bài toán thủy lực phức tạp qua việc nghiên cứu mô hình
toán và vật lý các công trình thủy lợi và kết quả đáng tin cậy, đã
giải quyết đợc nhiều bài toán mà theo con đờng lý thuyết còn có
nhiều khó khăn.
Mô hình toán và vật lý các đặc trng thủy lực của dòng chảy là dựa
trên các định luật tổng quát về tơng tự cơ học. Hai dòng chất
lỏng sẽ tơng tự với nhau, nếu chúng tơng tự hình học, cũng nh đối
với tất cả các điểm tơng ứng của hai dòng chảy, có các điều kiện tơng tự về đặc trng động học và động lực học. Tuy nhiên trong
thực tế không thể có sự tơng tự cơ học một cách chính xác về vật
liệu mô hình và vật liệu thực tế. Cần phải căn cứ vào nội dung yêu
cầu thí nghiệm, các điều kiện về dòng chảy, các đặc trng thủy
lực cần nghiên cứu v.v, để lựa chọn tiêu chuẩn tơng tự cho phù
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

2


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

hợp. Nh vậy mô hình vật lý cũng chỉ tạo ra đợc sự tơng tự cơ học
gần đúng. Độ chính xác của kết quả thu đợc phụ thuộc rất nhiều
vào trình độ nghiên cứu viên, các điều kiện thí nghiệm, tỷ lệ mô
hình, máy móc và các thiết bị....
Các hiện tợng thủy lực dòng chảy rất phức tạp. Mặc dù đã và đang
có rất nhiều nhà khoa học nổi tiếng trong nớc và trên thế giới quan

tâm nghiên cứu, song kết quả mới chỉ áp dụng cho các môi trờng
giả thiết các điều kiện về các đặc trng thủy lực. Đối với các bài
toán chung áp dụng cho trờng hợp tính toán tự nhiên, vẫn còn nhiều
vấn đề cần nghiên cứu. Trong phạm vi bài tập nghiên cứu mô
hình toán và vật lý công trình thủy lợi, áp dụng cho cống lấy
nớc 3 cửa nh đề bài đã cho, học viên tập trung nghiên cứu sự
ảnh hởng của góc mở tờng cánh hạ lu tới chiều dài hố xói hạ lu sau công trình, bằng phơng pháp phân tích thứ nguyên
Buckingham.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

3


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Phần II: nghiên cứu ảnh hởng của góc mở tờng cánh hạ lu tới chiều
dài hố xói
Cống lấy nớc có 3 cửa, mỗi cửa rộng b = 8m, dùng van cung bán
kính R, mố trụ dày d, dài L, đầu trụ có bán kính r. Sau ngỡng tràn
có bể tiêu năng (chiều sâu bể d, chiều dài L b), tiếp đó đến sân
sau thứ hai có chiều dài L 2. Kênh hạ lu có mái m = 2, bề rộng đáy b
= 25m. Mực nớc thợng lu max ở +12,0.
Sơ đồ công trình nh hình vẽ:

yêu cầu:
1. Thiết lập phơng trình chung nhất, trong đó có sử dụng phơng
pháp Buckingham, để lập sêri thí nghiệm.
2. Chọn tỷ lệ mô hình đặt trong phòng thí nghiệm rộng bxl =
15x20m. Lu lợng lớn nhất của trạm bơm cấp nớc là 80 l/s.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

4


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Phần Iii: nghiên cứu ảnh hởng của góc mở tờng cánh hạ lu
tới chiều dài hố xói bằng phơng pháp BucKingham.
I.1. Lý thuyết BucKingham (định lý )
Theo lý thuyết phân tích thứ nguyên, bản chất của phơng trình
Buckingham là: có thể biểu diễn các đại lợng biến đổi a1, a2, a3, ...
an, miêu tả hiện tợng thủy động lực học cần nghiên cứu trong một
phơng trình:
f(a1, a2, a3 ... an) = 0
[1.1]
Quan hệ [1.1] biểu diễn mối liên hệ giữa n đại lợng có thứ nguyên,
mà thứ nguyên của chúng đợc xác định qua m đại lợng cơ bản (khối
lợng, chiều dài và thời gian).
Quan hệ [1.1] có thể biểu diễn dới một dạng khác của các biến
không thứ nguyên 1, 2, 3,...., i với 1, 2, 3, ..., i đợc thiết lập
từ các đại luợng a1, a2, a3, ... an. Tổng số các biến không thứ nguyên
sẽ ít hơn các đại lợng vật lý biến đổi, khi đó ta có một phiếm hàm
khác:
f(1, 2, 3 ,...., i ) = 0
[1.2]
Phơng trình [1.2] biểu diễn mối liên hệ giữa (n-m) tổ hợp không
thứ nguyên độc lập i, đợc tạo nên từ (m+1) đại lợng trong số các
đại lợng có trong [1.1]. Việc xác định các hệ số không thứ nguyên

nói trên đợc tiến hành theo các phơng trình sau:
a1x .a 2y .a3z .a 4
1
=
1

2

=

3
=
. .

1

1

a1x2 .a 2y2 .a3z2 .a 5
a1x3 .a 2y3 .a 3z3 .a 6
xi

yi

[1.3]

zi

a1 .a 2 .a3 .a n
i

=
Tiến hành làm phép tính cân bằng thứ nguyên ta tìm đợc các đại
lợng i.
Từ đó giải quyết đợc yêu cầu bài toán.

I.2. Thiết lập phơng trình chung
Kính thớc hố xói chịu ảnh hởng của các đặc trng hình học, đặc
trng thủy lực, động lực học của dòng chảy qua cống. Việc chọn góc
mở tờng cánh hạ lu hợp lý cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên. Nh
vậy, nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng tới kích thớc hố xói cũng chính
là nghiên cứu chọn lựa góc mở tờng cánh hạ lu hợp lý. Từ đó có thể
nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng sau:
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

5


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

1.2.1. Các yếu tố của công trình:
- Chiều cao ngỡng tràn.
- Hình dạng kích thớc và vị trí cửa van.
- Hình dạng và kích thớc mố trụ.
- Hình dạng và kích thớc thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng tràn nớc và chiều rộng lòng dẫn hạ lu.
- Hình dạng mặt tràn.
- Hình dạng và kích thớc công trình nối tiếp.
- Hình thức cửa vào
1.2.2. Các yếu tố thủy lực, thủy văn:
- Khối lợng riêng của nớc, hệ số nhớt động lực học.

- Lu tốc trung bình mặt cắt.
- Sự phân bố của lu tốc biểu thị quan hệ số CORILIS .
- Mức độ chảy rối của dòng chảy.
- Mức nớc hạ lu.
- Chênh lệch mức nớc thợng hạ lu.
- Lu lợng đơn vị.
- Hàm lợng bùn cát trong nớc.
1.2.3. Các yếu tố của đất nền:
- Khối lợng riêng của đất nền.
- Hình dạng, kích thớc hạt đất nền.
- Đờng cong cấp phối hạt đất nền.
- Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền.
Với các điều kiện đề bài đã cho, xét các yếu tố thủy lực có quan
hệ với nhau bằng các công thức tính toán thủy lực, ở đây chỉ xét
tổng quát các yếu tố ảnh hởng đến kích thớc hố xói bể tiêu năng
bao gồm:
1. Vận tốc dòng chảy cửa ra:
v
(L/T)
2. Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy đoạn đầu bể tiêu
năng:

(L2)
3. Mật độ khối lợng:

(M/L3)
4. Độ nhớt động lực:
à
(M/LT)
5. Chiều cao cột nớc thợng lu:

ht
(L)
6. Chiều cao cột nớc hạ lu:
hh
(L)
7. Chiều dài bể tiêu năng:
Lb
(L)
8. Chiều sâu bể tiêu năng:
d
(L)
9. Gia tốc trọng trờng:
g
(L/T2)
10. Chiều dài hố xói:
L
(L)
11. Chiều sâu hố xói
Tmax (L)
12. Chiều rộng cửa ra bể tiêu năng:
bh
(L)
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

6


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

13.

14.
15.
16.

Lực dính kết cấu của đất:
C
(M.L-2)
Trọng lợng riêng của đất:

(M.L-3)
Chiều dài sân sau thứ hai:
L2
(L)
Chênh lệch chiều rộng đoạn đầu và đoạn cuối tờng cánh:
b (L)
Cũng cần thiết phải hạn chế thêm là xem dòng chảy là dòng ổn
định, tức là không xét đến yếu tố thời gian.
Dùng phơng pháp BucKingham các yếu tố ảnh hởng nh trên có thể
viết dới dạng quan hệ hàm số:
L = F(v,,,à,ht,hh,Lb,d,g,Tmax,bh,C, ,L2, b)
Hay viết dới dạng khác:
F(v,,,à,ht,hh,Lb,d,g,L,Tmax,bh,C, , L2, b) = 0
[1.4]
Chọn 3 đại lợng cơ bản là L, v, . Có thứ nguyên cơ bản là L, T, M.
Bài toán có số ẩn n = 16, r = 3, vậy số hàm cần tìm j = 16 - 3 = 13.
Lập hàm: F (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)
Ta viết đợc các phơng trình không thứ nguyên nh sau:
1 = Lx1.vy1.z1.
1 = [L]x1.[L.T-1]y1.[M.L-3]z1.[L2]
2 = Lx2.vy2.z2.à

2 = [L]x2.[L.T-1]y2.[M.L-3]z2.[M.L-1T-1]
3 = Lx3.vy3.z3.ht
3 = [L]x3.[L.T-1]y3.[M.L-3]z3.[L]
4 = Lx4.vy4.z4.hh
4 = [L]x4.[L.T-1]y4.[M.L-3]z4.[L]
5 = Lx6.vy6.z6.Lb
5 = [L]x5.[L.T-1]y5.[M.L-3]z5.[L]
6 = Lx6.vy6.z6.d
6 = [L]x6.[L.T-1]y6.[M.L-3]z6.[L]
[1.5]
7 = Lx7.vy7.z7.g
7 = [L]x7.[L.T-1]y7.[M.L-3]z7.[L.T-2]
8 = Lx8.vy8.z8.Tmax
8 = [L]x8.[L.T-1]y8.[M.L-3]z8.[L]
9 = Lx9.vy9.z9.bh
9 = [L]x9.[L.T-1]y9.[M.L-3]z9.[L]
10 = Lx10.vy10.z10.C
10 = [L]x10.[L.T-1]y10.[M.L-3]z10.[M.L-2]
11 = Lx11.vy11.z11.
11 = [L]x11.[L.T-1]y11.[M.L-3]z11.[M.L-3]
12 = Lx12.vy12.z12.L2
11 = [L]x12.[L.T-1]y12.[M.L-3]z12.[L]
13 = Lx13.vy13.z13.b
1 = [L]x13.[L.T-1]y13.[M.L-3]z13.[L]
Cân bằng thứ nguyên trong các biểu thức tính i từ phơng trình [1.5] ta
có các hệ phơng trình sau:

1:
2:

x1 + y1 - 3z1 +2
=0
- y1
=0
=>
z1
=0
x1 =
x2 + y2 - 3z2 -1
=0

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

z1 = 0
y1 = 0
-2
z2 = -1
7


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

3:
4:
5:

6:
7:
8:
9:

10:
11:
12:
13:

- y2-1
=0
z2 + 1
=0
x3 + y3 - 3z3 +1
=0
- y3
=0
z3
=0
x4 + y4 - 3z4 +1
=0
- y4
=0
=>
z4
=0
x4 =
x5 + y5 - 3z5 +1
=0
- y5
=0
=>
z5 + 1
=0

x6 + y6 - 3z6 +1
- y6
=
z6
=
x7 + y7 - 3z7 +1
- y7 - 2
z7
=
x8 + y8 - 3z8 +1
- y8
=
z8
=
x9 + y9 - 3z9 +1
- y9
z9
=
x10 + y10 - 3z10 - 2
- y10
=
z10 + 1
=
x11 + y11 - 3z11 - 3
- y11
=
Z11 + 1
=
x12 + y12 - 3z12 +1
- y12

=
z12
=
x13 + y13 - 3z13 +1
- y13
=
z13
=

=0
0
0
0

=0
=0
=0

0
0
0

=0
=0
=0

0
0
=0
0

0
=0
0
0
=0
0
0

=> y2 = -1
x2 = -1
z3 = 0
=> y3 = 0
x3 = -1
z4 = 0
y4 = 0
-1
z5 = 0
y5 = 0
x5 = -1

z6 = 0
=> y6 = 0
x6 = -1
z7 = 0
=> y7 = -2
x7 = 1
z8 = 0
=> y8 = 0
x8 = -1
z9 = 0

=> y9 = 0
x9 = -1
z10 = -1
=> y10 = 0
x10 = -1
z11 = -1
=> y11 = 0
x11 = 0
z12 = 0
=> y12 = 0
x12 = -1
z13 = 0
=> y13 = 0
x13 = -1

Thay các số mũ đã tính đợc vào các công thức i ta có:
1
= L-2.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

8


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

2

= L-1.v-1. -1. à =

3
4
5
6

=
=
=
=

7

= L1.v-2.g =

8
9
10
11
12
13

=
=
=
=
=


1
=

L.v Re

L-1.ht
L-1.hh
L-1. Lb
L-1.d
1
Fr

= L-1.Tmax
L-1.bh
L-1.-1.C
-1.
L-1.L2
L-1.b

Vậy:
F (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) =
F(L-2. ;

1
1
; L-1.ht ; L-1.hh ; L-1.Lb ; L-1.d ;
; L-1.Tmax ; L-1.bh ; L-1. -1.C ; Re
Fr

. ; L-1.L2 ; L-1.+b)
Hay:
1

L-1.+b = F1(L-2. ;

1
1
; L-1.ht ; L-1.hh ; L-1.Lb ; L-1.d ;
; L-1.Tmax ; L-1.bh ; LRe
Fr

.-1.C ; -1. ; L-1.L2 )
viết cách khác:
1

L=

b
1
1
F1 ( L2 . ; ; L1 .ht ; L1 .hh ; L1 .Lb ; L1 .d ; ; L1 .Tmax ; L1 .bh ; L1 . 1 .C ; 1 . ; L1 .L2 )
Re
Fr

Đây chính là công thức chung biểu thị sự ảnh hởng của góc
mở tờng cánh hạ lu tới chiều dài hố xói.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

9


Bài tập Thực nghiệm mô hình thủy lực

Häc viªn : TrÇn Huy QuyÕt – Líp 13C1

10


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Phần Iv: Chọn tỷ lệ mô hình thí nghiệm
IV.1. Tiêu chuẩn tơng tự

Theo điều kiện bài toán, dòng chảy qua cống là dòng chảy hở
chịu tác dụng của lực trọng trờng là chính, vì vậy ta chọn tiêu
chuẩn tơng tự đạt theo tiêu chuẩn Froud và cần bảo đảm mức độ
rối nh nhau, hệ số lực cản Xêri phải đồng nhất. Tiêu chuẩn trên có
thể biểu thị ở quan hệ nh sau:
Fr = Idem
[2.1]
Re.m >= Regh
[2.2]
C = Idem
[2.3]
Theo tiêu chuẩn Froud, ta có các tỷ lệ cơ bản đợc tính theo các
công thức sau:
Tỷ lệ về độ dài hình học:
l
Tỷ lệ về lu lợng:
q = l5/2
Tỷ lệ về vận tốc dòng chảy:
v = l1/2

Tỷ lệ về áp suất:
p = l
Tỷ lệ về thời gian:
t = l1/2
Tỷ lệ về độ nhám:
n = l1/6
IV.2. Xác định phạm vi cần thiết phải nghiên cứu trên mô hình

4.2.1. Chiều cao cần thiết nghiên cứu:
Đợc xác định trên cơ sở cao trình mực nớc lớn nhất thợng lu,
cao trình thấp nhất nền hạ lu, và khoảng an toàn lu không thợng và
hạ lu.
H = max - min + h
[2.4]
Trong đó: max: Cao trình mực nớc lớn nhất thợng lu cần nghiên cứu.
min: Cao trình thấp nhất nền hạ lu.
h: Khoảng chiều cao an toàn để bố trí thoát nớc tự do sau
hạ lu, nớc không dềnh bờ thợng lu mô hình.

4.2.2. Chiều dài cần nghiên cứu: L
Bằng tổng chiều dài các bộ phận công trình gồm : kích thớc các bộ
phận cống theo đề cho; chiều dài thợng lu đủ để bố trí thiết bị giảm
sóng, tạo dòng chảy lặng vào cửa công trình; khoảng gia tăng ở hạ lu để
bố trí thiết bị điều chỉnh mực nớc và thoát nớc hạ lu.

L=

L

i

+ Lthợng lu + Lhạ lu

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

[2.5]
11


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

4.2.3. Chiều rộng cần nghiên cứu: B
Là chiều rộng cần thiết của công trình tơng ứng với cao trình mực
nớc lớn nhất thợng lu (theo mặt cắt ớt) và tăng thêm một khoảng an toàn
dùng để bố trí lối đi lại phục vụ cho đo đạc.
B = Bmax + B

[2.6]

II.3. Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình

- Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự [2.1] ữ [2.3].
- Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ các bộ phận công trình
nh mục II.2 đã tính toán và theo tỷ lệ đã chọn.
- Cần phải thoả mãn các điều kiện giới hạn: Cột nớc tràn trên đỉnh
ngỡng H 50mm, lu tốc dòng chảy v 0,23m/s, chiều cao dòng chảy trên
mô hình h 15mm. Khi dòng chảy dới cửa van thì độ mở nhỏ nhất của
cửa van a 60mm, cột nớc áp lực h 3,3a.

- Các thiết bị đo đạc có đủ khả năng đo đạc đợc các thông số nh

(vmax, vmin ... vv) khả năng phòng thí nghiệm có thể đáp ứng đợc về
mặt cấp nớc, trang thiết bị, có đủ khả năng cung cấp vật liệu cho
mô hình v v.
- Chọn tỷ lệ hợp lý nhất có thể đợc.
IV.4. Cụ thể cho bài toán

4.4.1. Tính toán các thông số thủy lực khác:
- Để có thể tính toán tỷ lệ mô hình ngoài các thông số đã cho
cần phải xác định các kích thớc khác: Chiều sâu bể tiêu năng,
chiều dài bể, chiều dài sân sau thứ hai, chiều sâu lớn nhất hố xói,
lu lợng lớn nhất, mực nớc hạ lu...
- Giả sử khi cống tháo với lu lợng lớn nhất theo yêu cầu Qmax, mực
nớc hạ lu ở cao trình +2,5, tơng ứng độ sâu dòng chảy trên kênh.
hh = 2,5 (-0,5) = 3m.
Bề rộng đáy kênh b = 25m, mái m = 2, độ dốc i = 0,0004, kênh
đất có n = 0,025
Theo công thức tính dòng chảy đều trong kênh: Q = c Ri . Thay
số với các số liệu nh trên tính đợc Q = 134,2 m3/s.
- Chiều sâu dòng chảy trên sân sau thứ hai có thể tính gần đúng
theo công thức đập tràn đỉnh rộng: h s2 = (Q/4,43.m.bk)2/3, thay số
tính đợc hs2 = 2,3m.
- Tính chiều sâu bể: theo phơng pháp Smetana
h1 = q/( 2gz0 ), thay số tính đợc h1 = 0,452m.
Tính độ sâu h2 theo công thức độ sâu liên hợp của nớc nhảy ta có
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

12


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

h2 =

8 q 2
h1
( 1 + 0 3 1) = 2,707(m)
2
g .h1

Theo Smetana thì chiều sâu bể tính theo công thức:
d = h2 hs2, hệ số =1,2, tính đợc d = 1,2x2,707 2,3
= 0,95m
- Chiều dài bể Lb = k.(h2-h1) = 4,5(2,707-0,452) = 10,13 m, lấy L b =
12m
- Chiều dài sân sâu thứ hai theo [2]: L 2 = 12 q. h =34m
- Chiều sâu lớn nhất hố xói lấy Tmax = d = 0,95 m
- Chiều dài lớn nhất hố xói lấy Lmax = 10.d = 9,5 m
4.4.2. Tính các kích thớc khống chế:
Chiều cao: theo [2.4]
+ 0,5 = 16m
Chiều dài: theo [2.5]
30 =165 m
Trong đó:

H = max - min + h
L=

L

i

= 14,5 (-1)

+ Lthợng lu + Lhạ lu

= 75 + 60 +

Lấy Lthợnglu = (3-5)ht = (3-5)12 = 36 60, chọn Lthợnglu
= 60m
Lấy Lhạlu = (8-10)hh = (8-10)3 = 24 30, chọn Lhạlu
= 30m
Chiều rộng: để bố trí đợc kênh hạ lu, phần cửa vào của cống,
giả sử tờng cánh của cống có chiều rộng mỗi bên bt = 10m.
Chiều rộng phần kênh hạ lu
=37m

Bk = b + 2mh

Chiều rộng phần cửa cống
=3.8+2.1,5+2.10 = 47m

Bt

=

3.bc

Chọn

B = Bmax + B

=

+ btrụ

25+2.2.3
+

2bt

= 47m

4.4.3. Chọn tỷ lệ mô hình:
Chọn tỷ lệ mô hình theo khả năng tối đa của máy bơm cấp nớc:
Sử dụng công thức:
q = l5/2
Hay: Qt/Qm = l5/2, ta có l = (Qt/Qm)2/5, thay số l = (134,2/0,08)2/5 =
19,48
Chọn l = 20.
4.4.4. Kiểm tra kích thớc mô hình và các điều kiện giới hạn:
- Chiều cao mô hình: Hm = 16/20 = 0,8 m
- Chiều dài mô hình: Lm = 165/20 = 8,25 m
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

13


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

- Chiều rộng mô hình:

Bm = 47/20 = 2,35 m

Nh vậy với sân mô hình có kích thớc bxl = 15x25m đủ để bố trí
mô hình theo tỷ lệ trên.
- Kiểm tra Re = Vh/, = 0,01cm2/s. Khi tiến hành thí nghiệm theo
điều kiện giới hạn có thể bỏ qua sức căng mặt ngoài thì cột nớc
trên đỉnh tràn h 5cm, tơng ứng thực tế cột nớc h=1,00m. Theo
công thức tính lu lợng qua đập tràn thực dụng tính đợc lu lợng
Q=55,5m3/s. Vận tốc trên đỉnh đập tràn v = 2,12/s tơng ứng trong
mô hình Qm =

Qt
V
= 31,1(l / s ) , Vm = 1 /t 2 = 47,4( m / s)
5/ 2
l
l

Tính Re = 47,4.5/0,01 = 23700 > Re gh, với các cấp lu lợng lớn hơn
trên mô hình sẽ có Re lớn hơn. Vậy điều kiện giới hạn về Re đợc bảo
đảm.
- Kiểm tra điều kiện về độ nhám, chọn vật liệu làm mô hình:
theo công thức
n = l1/6, hay nt/nm = l1/6
- Với bộ phận cống, bể tiêu năng bằng bê tông có n = 0,014, theo
công thức trên tính đợc độ nhám trong mô hình: n m = nt/ly =
0,014/201/6 = 0,0085, chọn vật liệu là chất dẻo (ví dụ kính hữu
cơ).
- Với kênh dẫn bằng đất có n = 0,025, theo cách tính nh trên, tính

đợc nm = 0,0142, vật liệu trong mô hình có thể chọn bằng vữa xi
măng cát vàng.
Nh vậy với tỷ lệ mô hình l = 20 thoã mãn các điều kiện tơng tự
cũng nh việc bố trí trên sân mô hình và cung cấp nớc cho thí
nghiệm.

Phần V: kết luận
Trên đây là nội dung nghiên cứu ảnh hởng của góc mở tờng
cánh hạ lu tới chiều dài hố xói công trình thủy lợi. Tôi chỉ nghiên cứu
bằng kiến thức học tập ở nội dung các môn học trong chơng trình
học ở trờng đại học Thủy lợi và kiến thức học nâng cao trong chơng
trình đào tạo sau đại học Trờng Đại học Thủy lợi. Kết quả nghiên
cứu đang ở bớc nghiên cứu bằng lý thuyết tính toán và lý luận. Vì
vậy, để có kết quả chính xác và có ý nghĩa thực tiễn, tôi mong có
sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thấy giáo, Trung tâm thí nghiệm Trờng Đại học Thuỷ lợi và Trung tâm thí nghiệm/Phòng Thủy lực thuộc Viện khoa học Thủy lợi.
Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

14


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Do điều kiện thời gian, trình độ hạn chế, tôi cha hiểu đầy
đủ các yêu cầu thiết kế cũng nh những điều kiện làm việc cụ thể
của cống lấy nớc. Do vậy chỉ giả định một trờng hợp làm ví dụ để
tính toán lựa chọn mô hình và cũng chỉ dừng lại ở tính toán lý
thuyết và lý luận. Còn những phần quan trọng khác trong thiết kế
mô hình nh việc bố trí các mặt cắt đo đạc, vị trí đo đạc, lựa
chọn và lắp đặt thiết bị đo, nội dung, các phơng án thí nghiệm,
vv... là cha có điều kiện đề cập đến. Công việc thí nghiệm là

khâu quan trọng trong quá trình thiết kế công trình thủy lợi và
những vấn đề thuộc loại phức tạp mà lý thuyết và kinh nghiệm cha
đủ trả lời chính xác đợc thì khi đó đòi hỏi phải thí nghiệm hoặc
kiểm nghiệm ý đồ thiết kế. Với ý nghĩa nh vậy công việc thí
nghiệm là công việc cần thiết, phải có sự thận trọng, tỉ mỉ, chính
xác tránh sai sót đáng tiếc, vì rằng thí nghiệm thờng là khâu cuối
cùng trong công nghệ thiết kế và kết quả của nó thờng đợc áp dụng
ngay cho công trình thực tế.
Tôi đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, kết quả đã
đánh giá đợc ảnh hởng của sân sau thứ 2 đến hiện tợng xói lở sau
công trình thủy lợi, và với các điều kiện thí nghiệm đã cho, tôi
cũng đã xác định đợc tỷ lệ mô hình cho bài toán. Tôi hy vọng,
trong thời gian tới, đợc sự giúp đỡ của các thầy giáo, tôi có điều
kiện nghiên cứu trực tiếp bài toán trên mô hình thí nghiệm thực tế
để tìm ra kết quả của bài toán có ý nghĩa thực tế hơn.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS. Phạm Ngọc Quý,
ngời đã chỉ bảo tận tình giúp đỡ học viên có thêm những kiến thức
về lĩnh vực thực nghiệm mô hình.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

15


Bi tp Thc nghim mụ hỡnh thy lc

Các tài liệu tham khảo

1. Phạm Ngọc Quý: Thực nghiệm mô hình thủy lực công trình thủy
lợi (bài giảng dành cho Cao học Hà Nội 1997).

2. Phạm Ngọc Quý: Một số vấn đề tính toán thủy lực nối tiếp hạ lu
và xói sau công trình thủy lợi (bài giảng dành cho Cao học Hà Nội
1995).
3. P.G Kixêlep và ...: Sổ tay tính toán thủy lực NXB Mir 1984.

Học viên : Trần Huy Quyết Lớp 13C1

16