BÀI tập THÍ NGHIỆM mô HÌNH THỦY lực 6

Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

PHẦN I
LỜI NÓI ĐẦU
Nước và dòng chảy của nó có những lợi ích to lớn đến đời sống con người,
nhưng ngược lại cũng có những điều bất lợi do nó gây ra. Nhiệm vụ của những nhà
khoa học thủy lợi là khai thác những lợi ích và hạn chế tối đa những bất lợi; Nhiệm
vụ đó được thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó có việc xây dựng các công
trình thủy lợi khác nhau.
Việc 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 nước thượng lưu trước công trình sẽ tăng lên, nghĩa là thế năng của
dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyền
thành động năng: Một phần động năng đó phục hồi thành thế năng (đúng bằng mực
nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa), nếu không có giải pháp tiêu hao
hữu hiệu năng lượng thừa nói trên, thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an
toàn công trình và hạ tầng, nhà cửa... do nó gây ra.
Nhiệm vụ của tính toán tiêu năng là phải tìm ra được biện pháp tiêu hao hoàn
toàn năng lượng thừa, điều chỉnh lại phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để
cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên sau công trình. Các hình thức tiêu năng
thường được áp dụng: tiêu năng mặt, tiêu năng phóng xa, tiêu năng đáy và các hình
thức tiêu năng đặc biệt khác.
Ngoài các công trình tiêu năng như: bể tiêu năng, tường tiêu năng, bể và
tường tiêu năng kết hợp, các công trình chỉ tiêu hao một phần năng lượng thừa,
dòng chảy sau đó vẫn mang theo phần năng lượng thừa ở dạng động năng, mạch
động... và cần phải được tiêu hao trên 1 đoạn ngắn nào đó sau bể, đó là đoạn sân sau
hạ lưu.
Hiện tượng xói cục bộ của lòng dẫn ngay chân công trình là ở nơi có lưu tốc
rất lớn lại phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp suất rất lớn. Có nhiều
nguyên nhân khác nhau gây ra xói như sau:
- Do việc bố trí kích thước 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 lưu lượng đơn vị dòng chảy và lưu tốc
dòng chảy sau công trình so với điều kiện tự nhiên, dẫn đến làn nước đổ xuống bể
chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp lực.
- Do việc bố trí tiêu năng vẫn chưa tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng
chảy qua cống, dòng chảy ra chưa đạt được trạng thái chảy êm.
- Do hình thức kích thước và vật liệu của nhiều bộ phận kết cấu cửa ra không
hợp lý, tạo nên những hiện tượng thủy lực bất lợi.
- Sử dụng công trình không đúng qui trình vận hành, không có sự duy tu sửa
chữa và bảo dưỡng kịp thời.
- Dòng chảy qua công trình lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy thiết kế...
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

1


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
Các vấn đề nêu trên đã có rất nhiều nguyên nhân nhưng vấn đề đặc biệt quan
trọng và phức tạp trong công trình thủy lợi là các đặc trưng thủy động lực học dòng
chảy ở công trình. Nghiên cứu vấn đề này không thể ngày một ngày hai để có thể
giải quyết được bởi vấn đề thủy động lực học phải được giải quyết từ lý thuyết và
thực tế mô hình. Trong nghiên cứu lý thuyết, hầu hết các công thức tính toán thiết
lập được đều kiểm nghiệm bằng các mô hình toán và vật lý công trình thủy lợi, và
đã có rất nhiều công thức tính toán được thiết lập trên cơ sở thực nghiệm bằng mô
hình hoặc trong thực tế. Trong thiết kế và thi công các công trình, đối với các công
trình lớn, quan trọng, phức tạp thì thường thông qua thí nghiệm mô hình để tìm
phương 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, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học

của dòng chảy.
Ngày nay, cùng với sự phát triển tiến bộ về KHKT và Ngành Công nghệ tin
học phát triển mạnh mẽ, các thiết bị đo đạt độ có chính xác cao... chúng ta có thể
giải quyết được hầu hết các bài toán thủy lực phức tạp qua việc nghiên cứu mô hình
toán và vật lý các công trình thủy lợi, đã cho kết quả đáng tin cậy nên đã giải quyết
được nhiều bài toán mà theo tính toán lý thuyết còn có nhiều khó khăn.
Mô hình toán và vật lý các đặc trưng thủy lực của dòng chảy là dựa trên các
định luật tổng quát về tương tự cơ học. “Hai dòng chất lỏng sẽ tương tự với nhau,
nếu chúng tương tự hình học, cũng như đối với tất cả các điểm tương ứng của hai
dòng chảy, có các điều kiện tương tự về đặc trưng động học và động lực học”. Tuy
nhiên trong thực tế không thể có sự tương 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 trưng thủy lực cần nghiên cứu v.v…, để lựa chọn
tiêu chuẩn tương tự cho phù hợp. Như vậy mô hình vật lý cũng chỉ tạo ra được sự
tương tự cơ học gần đúng. Độ chính xác của kết quả thu được 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 đo đạc....
Các hiện tượng thủy lực dòng chảy rất phức tạp. Mặc dù đã và đang có rất
nhiều nhà khoa học nổi tiếng trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu, song
kết quả mới chỉ áp dụng cho các môi trường giả thiết các điều kiện về các đặc trưng
thủy lực. Đối với các bài toán chung áp dụng cho trường 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 nước 3 cửa như đề bài
đã cho, học viên tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của mái nghiêng ở cửa ra
bể tiêu năng tới kích thước hố xói hạ lưu sau công trình, bằng phương pháp
phân tích thứ nguyên Buckingham.

PHẦN II: TÊN ĐỀ BÀI
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

2


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÁI NGHIÊNG CỬA RA BỂ TIÊU
NĂNG TỚI CHIỀU DÀI HỐ XÓI
Cống lấy nước có 3 cửa, mỗi cửa rộng b = 7m, dùng van cung bán kính R, mố
trụ dày d, dài L, đầu trụ có bán kính r. Sau ngưỡng tràn có bể tiêu năng (chiều sâu
bể d, chiều dài Lb), tiếp đó đến sân sau thứ hai có chiều dài L 2. Kênh hạ lưu có mái
m = 2, bề rộng đáy b = 25m. Mực nước thượng lưu max ở +12.00m.
Sơ đồ công trình như hình vẽ:
SƠ ĐỒ CỐNG LẤY NƯỚC

MỐ TRỤ

YÊU CẦU:
1. Thiết lập phương trình chung nhất, trong đó có sử dụng phương pháp
BucKingham, để lập sêri thí nghiệm.
2. Chọn tỷ lệ mô hình đặt trong phòng thí nghiệm rộng bxl = (15x20)m. Lưu lượng
lớn nhất của trạm bơm cấp nước là: 50 l/s.

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

3


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

PHẦN III
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÁI NGHIÊNG

CỬA RA BỂ TIÊU NĂNG TỚI KÍCH THƯỚC HỐ XÓI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP BUCKINGHAM
I. LÝ THUYẾT BÚCKINGHAM (ĐỊNH LÝ ):
Theo lý thuyết phân tích thứ nguyên, bản chất của phương trình Buckingham
là: có thể biểu diễn các đại lượng biến đổi a 1, a2, a3, ... an, miêu tả hiện tượng thủy
động lực học cần nghiên cứu trong một phương trình:
f(a1, a2, a3 ... an) = 0

[1.1]

Quan hệ [1.1] biểu diễn mối liên hệ giữa n đại lượng có thứ nguyên, mà thứ
nguyên của chúng được xác định qua m đại lượng cơ bản (khối lượng, chiều dài và
thời gian).
Quan hệ [1.1] có thể biểu diễn dưới một dạng khác của các biến không thứ
nguyên 1, 2, 3,...., i với 1, 2, 3, ..., i được thiết lập từ các đại luợng a 1,
a2, a3, ... an. Tổng số các biến không thứ nguyên sẽ ít hơn các đại lượng vật lý biến
đổi, khi đó ta có một phiếm hàm khác:
f(1, 2, 3 ,...., i ) = 0

[1.2]

Phương trình [1.2] biểu diễn mối liên hệ giữa (n-m) tổ hợp không thứ nguyên
độc lập i, được tạo nên từ (m+1) đại lượng trong số các đại lượng có trong [1.1].
Việc xác định các hệ số không thứ nguyên nói trên được tiến hành theo các phương
trình sau:
1

=

a1x1 .a 2y1 .a3z1 .a 4

2

=

a1x2 .a 2y2 .a3z 2 .a5

3

=

a1x3 .a 2y3 .a3z3 .a 6

[1.3]

. . ………
i

=

a1xi .a 2yi .a3zi .a n

Tiến hành làm phép tính cân bằng thứ nguyên ta tìm được các đại lượng i.
Từ đó giải quyết được yêu cầu bài toán.
II. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUNG NHẤT:
Kính thước hố xói chịu ảnh hưởng của các đặc trưng hình học, đặc trưng thủy
lực, động lực học của dòng chảy qua cống. Việc chọn mái nghiêng cửa ra của bể
hợp lý cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên. Như vậy, nghiên cứu các yếu tố ảnh

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

4


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
hưởng tới kích thước hố xói cũng chính là nghiên cứu mái nghiêng cửa ra của bể
hợp lý. Từ đó có thể nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng sau:
1. Các yếu tố của công trình:
- Độ mở cửa cống.
- Chiều cao ngưỡng cống.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van.
- Hình dạng và kích thước mố trụ.
- Hình dạng và kích thước thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng cống và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng ngưỡng cống.
- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp.
- Độ dốc lòng dẫn.
2. Các yếu tố thủy lực, thủy văn:
- Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động lực học.
- Lưu tốc trung bình mặt cắt.
- Sự phân bố của lưu tốc biểu thị quan hệ số CORILIS.
- Mức độ chảy rối của dòng chảy.
- Mức nước hạ lưu.
- Chênh lệch mức nước thượng hạ lưu.
- Lưu lượng đơn vị.
- Hàm lượng bùn cát trong dòng nước.
3. Các yếu tố của đất nền:
- Khối lượng riêng của đất nền.
- Hình dạng, kích thước hạt đất nền.
- Đường 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 hưởng
đến kích thước hố xói bể tiêu năng bao gồm:
1. Vận tốc dòng chảy cửa ra: v (L/T)
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

5


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
2. Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy đoạn đầu bể tiêu năng:  (L2).
3. Khối lượng riêng :  (M/L3).
4. Độ nhớt động lực:  (M/LT).
5. Chiều cao cột nước thượng lưu: ht (L).
6. Chiều cao cột nước hạ lưu: hh (L).
7. Chiều dài bể tiêu năng: Lb (L).
8. Chiều sâu bể tiêu năng: d (L).
9. Gia tốc trọng trường: 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)
13. Lực dính kết cấu của đất C (M.L-2).
14. Trọng lượng riêng của đất  (M.L-3).
15. Chiều dài sân sau thứ hai: L2 (L)
16. Chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu cống: Z (L).
17. Độ nhám lòng dẫn: n
18. Lưu lượng : Q (L3/T)
19. Hệ số mái nghiêng cửa ra bể tiêu năng: m
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 phương pháp BucKingham các yếu tố ảnh hưởng như trên có thể viết
dưới dạng quan hệ hàm số:
L = F(v,,,,ht,hh,Lb,d,g,Tmax,bh,C,,L2,Z,n,Q,m)
Hay viết dưới dạng khác:
F(v,,,,ht,hh,Lb,d,g,L,Tmax,bh,C,,L2,Z,n,Q,m) = 0

[1.4]

Chọn 3 đại lượng cơ bản là L, v,  . Có thứ nguyên cơ bản là L, T, M.
Bài toán có số ẩn n = 19, r = 3, vậy số hàm cần tìm: j = 19 - 3 = 16.
Lập hàm: F (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,
16)
Ta viết được các phương trình không thứ nguyên như sau:
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

6


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
1 = Lx1.vy1.z1.

1 = [L]x1.[L.T-1]y1.[M.L-3]z1.[L2]

2 = Lx2.vy2.z2.

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]

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

12 = [L]x12.[L.T-1]y12.[M.L-3]z12.[L]

13 = Lx13.vy13.z13.Z

13 = [L]x13.[L.T-1]y13.[M.L-3]z13.[L]

14 = Lx14.vy14.z14. n

14 = [L]x14.[L.T-1]y14.[M.L-3]z14

15 = Lx15.vy15.z15.Q

15 = [L]x15.[L.T-1]y15.[M.L-3]z15.[L3.T-1]

16 = Lx16.vy16.z16.m

16 = [L]x16.[L.T-1]y16.[M.L-3]z16

[1.5]

Cân bằng thứ nguyên trong các biểu thức tính i từ phương trình [1.5] ta có
các hệ phương trình sau:
1:

2:

3:

4:

5:

x1 + y1 - 3z1 +2

=0

- y1

=0

z1

=0

x1 = -2

=0

z2 = -1

x2 + y2 - 3z2 -1

z1 = 0
=>

- y2-1

=0

z2 + 1

=0

x2 = -1

=0

z3 = 0

x3 + y3 - 3z3 +1

=>

y1 = 0

- y3

=0

z3

=0

x3 = -1

=0

z4 = 0

x4 + y4 - 3z4 +1

=>

y2 = -1

- y4

=0

z4

=0

x4 = -1

=0

z5 = 0

x5 + y5 - 3z5 +1

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

=>

y3 = 0

y4 = 0

7


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

6:

7:

- y5

=0

z5

=0

x5 = -1

=0

z6 = 0

x6 + y6 - 3z6 +1

=0

z6

=0

x6 = -1

x7 + y7 - 3z7 +1

=0

z7 = 0

- y7 - 2

=0

9:

10:

11:

12:

13:

14:

15:

x8 + y8 - 3z8 +1

=>

y5 = 0

- y6

z7
8:

=>

=>

y6 = 0

y7 = -2

=0

x7 = 1

=0

z8 = 0

- y8

=0

z8

=0

x8 = -1

=0

z9 = 0

x9 + y9 - 3z9 +1

=>

- y9

=0

z9

=0

x9 = -1

=0

z10 = -1

x10 + y10 - 3z10 - 2

=>

y8 = 0

- y10

=0

z10 + 1

=0

x10 = -1

=0

z11 = -1

x11 + y11 - 3z11 - 3

=>

y9 = 0

- y11

=0

Z11 + 1

=0

x11 = 0

=0

z12 = 0

x12 + y12 - 3z12 +1

=>

y10 = 0

- y12

=0

z12

=0

x12 = -1

=0

z13 = 0

x13 + y13 - 3z13 +1

=>

y11 = 0

- y13

=0

z13

=0

x13 = -1

=0

z14 = 0

x14 + y14 - 3z14

=>

y12 = 0

- y14

=0

Z14

=0

x14 = 0

=0

z15 = 0

x15 + y15 - 3z15 +3

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

=>

y13 = 0

y14 = 0

8


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

16:

- y15 -1

=0

z15

=0

x15 = -2

=0

z16 = 0

x16 + y16 - 3z16
- y16

=0

z16

=0

=>

=>

y15 = -1

y16= 0
x16 = 0

Thay các số mũ đã tính được vào các công thức i ta có:
1

= L-2.

2

= L-1.v-1. -1.  =

3

= L-1.ht

4

= L-1.hh

5

= L-1. Lb

6

= L-1.d

7

= L1.v-2.g =

8

= L-1.Tmax

9

= L-1.bh

10

= L-1.-1.C

11

= -1. 

12

= L-1.L2

13

= L-1.Z

14

=n

15

= L-2.v-1.Q

16

=m

v
1

L. Re

1
Fr

Vậy:
F (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16) =
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

-

1

. ; L-1.L2 ; L-1.Z ; n ; L-2.v-1.Q ; m).

Hay:
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

9


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
m = F(L-2. ;

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

L-

.-1.C ; -1. ; L-1.L2 ; L-1.Z ; n ; L-2.v-1.Q).

1

Đây chính là công thức chung biểu thị sự ảnh hưởng của mái nghiêng cửa ra
tới kích thước hố xói.
Như vậy:
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của mái nghiêng cửa ra bể tiêu năng đến kích
thước hố xói cần thiết cố định một số yếu tố ảnh hưởng khác, chỉ tập trung
nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của mái nghiêng cửa ra bể tiêu năng đến sự
phát triển của hố xói (L,Tmax).
------------------------

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

10


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

PHẦN IV
CHỌN TỶ LỆ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
I. TIÊU CHUẨN TƯƠNG TỰ:

Theo điều kiện bài toán, dòng chảy qua cống là dòng chảy hở chịu tác dụng
của lực trọng trường là chính, vì vậy ta chọn tiêu chuẩn tương tự đạt theo tiêu chuẩn
Froud và cần bảo đảm mức độ rối như nhau, hệ số lực cản Sêri phải đồng nhất. Tiêu
chuẩn trên có thể biểu thị ở quan hệ như sau: (xem trang 41).
Fr = Idem

[2.1]

Re.m >= Regh

[2.2]

C = Idem

[2.3]

Theo tiêu chuẩn Froud, ta có các tỷ lệ cơ bản được tính theo các công thức
sau: (xem trang 19).

Tỷ lệ về độ dài hình học:

l

Tỷ lệ về lưu lượng:

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

II. XÁC ĐỊNH PHẠM VI CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH

1. Chiều cao cần thiết nghiên cứu:
Được xác định trên cơ sở cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu, cao trình
thấp nhất nền hạ lưu, và khoảng an toàn lưu không thượng và hạ lưu.
H = max - min + h

Trong đó:

[2.4]

max: Cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu cần nghiên cứu.
min: Cao trình thấp nhất nền hạ lưu.
h: Khoảng chiều cao an toàn để nước không dềnh quá bờ thượng hạ

lưu mô hình.
2. Chiều dài cần nghiên cứu: L
Bằng tổng chiều dài các bộ phận công trình gồm: kích thước các bộ phận
cống theo đề cho; chiều dài thượng lưu đủ để bố trí thiết bị giảm sóng, tạo dòng
chảy lặng vào cửa công trình; khoảng gia tăng ở hạ lưu để bố trí thiết bị điều chỉnh
mực nước và thoát nước hạ lưu.
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

11


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
L=

 L + Lthượng lưu + Lhạ lưu

[2.5]

i

3. Chiều rộng cần nghiên cứu: B
Là chiều rộng cần thiết của công trình tương ứng với cao trình mực nước lớn

nhất thượng lưu (theo mặt cắt ướt) và tăng thêm một khoảng an toàn dùng để bố trí
lối đi lại phục vụ cho công tác đo đạc.
B = Bmax + B

[2.6]

III. CÁC YÊU CẦU KHI CHỌN TỶ LỆ MÔ HÌNH:

- Đảm bảo tiêu chuẩn tương tự [2.1]  [2.3].
- Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ các bộ phận công trình như mục II.2 đã
tính toán và theo tỷ lệ đã chọn.
- Cần phải thoả mãn các điều kiện giới hạn:
Cột nước tràn trên đỉnh ngưỡng: H  50mm, lưu tốc dòng chảy: v  0,23m/s,
chiều cao dòng chảy trên mô hình: h  15mm. Khi dòng chảy dưới cửa van thì độ
mở nhỏ nhất của cửa van: a  60mm, cột nước áp lực: h  3,3a.
- Các thiết bị đo đạc có đủ để đo đạc được các thông số như (v max, vmin... vv),
khả năng phòng thí nghiệm có thể đáp ứng được về mặt cấp nước, trang thiết bị và
có đủ khả năng cung cấp vật liệu cho mô hình v v.
- Chọn tỷ lệ hợp lý nhất có thể được.
IV. CỤ THỂ CHO BÀI TOÁN:

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 thước khác: Chiều sâu bể tiêu năng, chiều dài bể, chiều dài sân sau
thứ hai, chiều sâu lớn nhất hố xói, lưu lượng lớn nhất, mực nước hạ lưu...
- Giả sử khi cống tháo với lưu lượng lớn nhất theo yêu cầu Q max, mực nước hạ
lưu ở cao trình +2,5, tương ứng độ sâu dòng chảy trên kênh.
hh = 2,5 - (- 0,5) = 3 m.
+ Bề rộng đáy kênh
+ Hệ số mái thiết kế

+ Độ dốc đáy kênh thiết kế
+ Kênh đất có hệ số nhám

:
:
:
:

b = 25 m
m=2
i = 0,0004
n = 0,025

Theo công thức tính dòng chảy đều trong kênh: Q = C Ri
Thay số với các số liệu như trên tính được: Q = 85,56 m3/s.
- Chiều sâu dòng chảy trên sân sau thứ hai có thể tính gần đúng theo công thức
đập tràn đỉnh rộng:
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

12


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
2

hS 2


Q


 4,43mbk

2

3 
85,56
3
 
 1,69 (m)
4
,
43
.
0
,
35
.
25




- Tính chiều sâu bể: theo phương pháp Smetana
h1 = q/( 2gz0 ) với q = Q/25 = 85,56/25 = 3,42 m2/s ; 0,95;
z0 = 12 - 2,5 = 9,5 m ; thay số tính được: h1 = 0,28 m
- Tính độ sâu h2 theo công thức độ sâu liên hợp của nước nhảy ta có:
h2 

8 q 2
h1

( 1  0 3  1) 2,78 m
2
g .h1

Theo Smetana thì chiều sâu bể tính theo công thức:
d = h2 - hh ; hệ số  = 1,2 ; tính d = 1,2x2,78-3,0 = 0,34 m ; lấy d = 0,4 m
- Chiều dài bể Lb = kx(h2-h1) = 4,5x(2,78 - 0,28) = 11,25 m; lấy Lb = 12 m
- Chiều dài sân sâu thứ hai theo [2]: L 2 = 12 q. h = 12 3,42. 9,5 = 38,96
m ; lấy L2 = 40 m.
- Chiều sâu lớn nhất hố xói lấy Tmax = d = 0,4 m
- Chiều dài lớn nhất hố xói lấy Lmax = 10xd = 40 m
2. Tính các kích thước khống chế:
- Chiều cao: theo [2.4]

H = max - min + h = 12 - (-0.5) + 1,5 = 14 m

- Chiều dài: theo [2.5]

L=

 L + Lthượnglưu + Lhạlưu = 70 + 60 + 30 = 160 m
i

Trong đó:
Lấy Lthượnglưu = (3 5)xht = (3 5)x12 = 36  60, chọn Lthượnglưu = 60 m
Lấy Lhạlưu = (8 10)xhh = (8 10)x3 = 24  30, chọn Lhạlưu = 30 m
- Chiều rộng: để bố trí được kênh hạ lưu, phần cửa vào của cống, giả sử tường
cánh của cống có chiều rộng mỗi bên bt = 10 m.
Chiều rộng phần kênh hạ lưu: Bk = b + 2mh = 25+2x2x3 = 37 m
Chiều rộng phần cửa cống: Bt = 3bc + 2btrụ + 2bt = 3x7+2x1,5+2x10 = 44 m

Chọn: B = Bmax + B = 50 m
3. Chọn tỷ lệ mô hình:
Chọn tỷ lệ mô hình theo khả năng tối đa của máy bơm cấp nước:
Sử dụng công thức:

q = l5/2

Hay: Qt/Qm = l5/2, ta có l = (Qt/Qm)2/5, thay số l = (85,56/0,05)2/5 = 19,65
Chọn l = 20.
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

13


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
4. Kiểm tra kích thước mô hình và các điều kiện giới hạn:
- Chiều cao mô hình: Hm = 14/20 = 0,7 m
- Chiều dài mô hình: Lm = 160/20 = 8,0 m
- Chiều rộng mô hình: Bm = 50/20 = 2,5 m
Như vậy với sân mô hình có kích thước bxl = (15x20)m 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 nước trên đỉnh tràn h  5 cm,
tương ứng thực tế cột nước h = 1,69 m. Theo công thức tính lưu lượng qua đập tràn
thực dụng tính được lưu lượng Q = 85,56 m 3/s. Vận tốc trên đỉnh đập tràn V = Q/
= 85,56/(25*1,69)= 2,03 m/s tương ứng trong mô hình:
Qm 

Qt
V

47,83(l / s) , Vm  1 /t 2 0,45(m / s)
5/ 2
l
l

Regh = 14.Rm/(m.sqrt(m)) = 14.0,7/(0,01.sqrt(0,03)) = 565803
Tính Re = 0,45x10000x14/0,01 = 6300000 > Regh, với các cấp lưu lượng lớn
hơn trên mô hình sẽ có Re lớn hơn. Vậy điều kiện giới hạn về Re được 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 được độ nhám trong mô hình: nm = 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 như trên, tính được n m =
0,015 ; vật liệu trong mô hình có thể chọn bằng vữa xi măng cát vàng.
Như vậy với tỷ lệ mô hình l = 20 thỏa mãn các điều kiện tương tự cũng như
việc bố trí trên sân mô hình và cung cấp nước cho thí nghiệm.
Theo kết quả tính toán và kiểm tra các điều kiện tương tự, chọn tỷ lệ mô hình
là: l = 20.
Các thông số cơ bản của mô hình như sau:
Lưu lượng
max (l/s)
47,83

Chiều cao

Chiều dài

Chiều rộng

mô hình

mô hình

mô hình

Vật liệu làm mô
hình

(m)
0,7

(m)
8,0

(m)
2,5

Kính hữu cơ

PHẦN V: KẾT LUẬN
Trên đây là nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của mái nghiêng ở cửa ra của bể
tới kích thước hố xói công trình thủy lợi. Học viên chỉ nghiên cứu bằng kiến thức
Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

14


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực
học tập ở nội dung các môn học đã học và kiến thức học nâng cao trong chương

trình đào tạo sau đại học. Kết quả đang ở bước nghiên cứu bằng lý thuyết tính toán
và lý luận. Vì vậy, để có kết quả chính xác và có ý nghĩa thực tiễn, học viên mong
có sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thấy giáo và các Trung tâm thí nghiệm thủy lực
công trình.
Do điều kiện thời gian, trình độ hạn chế, học viên chưa hiểu đầy đủ các yêu
cầu thiết kế cũng như những điều kiện làm việc cụ thể của cống lấy nước. Do vậy
chỉ giả định một trường 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 như việc bố trí các mặt cắt đo đạc, vị trí đo đạc, lựa chọn và lắp đặt
thiết bị đo, nội dung và các phương án thí nghiệm, vv... là chưa 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 chưa đủ
trả lời chính xác được, thì khi đó đòi hỏi phải thí nghiệm hoặc kiểm nghiệm ý đồ
thiết kế. Với ý nghĩa như vậy công việc thí nghiệm là công việc cần thiết, phải có sự
thận trọng, tỉ mỉ, chính xác tránh sai sót đáng tiếc. Thí nghiệm thường là khâu cuối
cùng trong công nghệ thiết kế và kết quả của nó thường được áp dụng ngay cho
công trình thực tế.
Học viên đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, kết quả đã đánh giá
được ảnh hưởng của mái nghiêng ở cửa ra bể tiêu năng đến kích thước hố xói ở sau
công trình thủy lợi và với các điều kiện thí nghiệm đã cho, học viên cũng đã xác
định được tỷ lệ mô hình cho bài toán. Học viên hy vọng, trong thời gian tới, được
sự giúp đỡ của các thầy giáo, học viên 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.
Học viên xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo GS.TS. Phạm Ngọc Quý, người đã
chỉ bảo tận tình giúp đỡ học viên có thêm những kiến thức về lĩnh vực thực nghiệm
mô hình./.
Học viên thực hiện
Nguyễn Hữu Tuân

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

15


Bài tập thực nghiệm mô hình thủy lực

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: Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tháo nước (Hà Nội 2003).
3. Phạm Ngọc Quý: Một số vấn đề tính toán thủy lực nối tiếp hạ lưu và xói sau
công trình thủy lợi (Bài giảng dành cho Cao học Hà Nội -1995).
4. P.G Kixêlep và ...: Sổ tay tính toán thủy lực NXB Mir 1984.
5. Trần Quốc Thưởng: Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình NXB Xây dựng
-2005
6. Giáo trình thủy lực tập 1,2 (Nhiều tác giả - Nhà xuất bản Đại học và Trung
học chuyên nghiệp , Hà Nội -1978)

Học viên: Nguyễn Hữu Tuân – Lớp CH16

16