Bài giảng Công trình thủy nâng cao: Chương 7 - PGS.TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

TRNGCễNG
I HC
BCH
HCM
TRèNH
THYKHOA
NNGTP.
CAO

TRNGCễNG
I HC
BCH
HCM
TRèNH
THYKHOA
NNGTP.
CAO

Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

Khoa Kyừ Thuaọt Xaõy Dửùng BM. KTTNN

PGS. TS. NGUYN THNG
Email: or

Web: />10/25/2010

Tộl. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

1

Khoa Kyừ Thuaọt Xaõy Dửùng BM. KTTNN

NI DUNG MễN HC
Chng 1: Thm qua cụng trỡnh.
Chng 2: p lc khe rng.
Chng 3: p vt liu ủa phng.
Chng 3a: Mụ phng Monte Carlo ỏp
dng trong ủỏnh giỏ n ủnh
mỏi dc.
Chng 4: p bờ tụng trng lc
Chng 4a: p bờ tụng ủm lng (RCC)
10/25/2010

2

PGS. Dr. Nguy?n Th?ng

TRNGCễNG
I HC
BCH
HCM
TRèNH
THYKHOA
NNGTP.
CAO
Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

Khoa Kyừ Thuaọt Xaõy Dửùng BM. KTTNN

NI DUNG MễN HC
Chng 4b: Bi toỏn to nhit 3D.
Chng 5: Phõn tớch ng sut trong ủp
bờ tụng khi xy ra ủng ủt.
Chng 6: ng hm thy cụng Ging ủiu ỏp.
Chng 7: ng ng ỏp lc Nc va
trong ủng ng.
10/25/2010

Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

3

PGS. Dr. Nguy?n Th?ng

CễNG TRèNH THY NNG CAO
Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

NG P LC &
HIN TNG NC VA
1. Tng quỏt.
2. Hin tng nc va trong
ủng ng ỏp lc.
3. Cụng trỡnh gim ỏp lc nc va.
10/25/2010

4

PGS. TS. Nguyn Thng

CễNG TRèNH THY NNG CAO
Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

CễNG TRèNH THY NNG CAO
Ch. 7: ng ng ỏp lc & hin tng nc va

TNG QUT
ng ng ỏp lc l cụng trỡnh ni gia
cui ủng dn nc ủn nh mỏy.
ng ng chu ỏp lc nc bờn trong
ủng ng.
- CTLN
Kờnh dn
B ỏp lc
ng ng
Nha mỏy.
- CTLN
ng hm cú ỏp
Ging ủiu
ỏp (thỏp ủiu ỏp)
ng ng
Nha
mỏy.
10/25/2010
5

PHN LOI
Theo v trớ xõy dng:
ng ng ỏp lc kiu h

ng ng ỏp lc kiu
ngm
ng ng ỏp lc kiu hn
hp (h +ngm)

PGS. TS. Nguyn Thng

10/25/2010

6

PGS. TS. Nguyn Thng

1


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
GIẾNG
ðIỀU ÁP

i=0,0061
D=3,5m, L=9065m

NHÀ VAN

NHÀ MTð

ðường ống áp lực
NM
LOAL = 1866m
Dống chính = 2,6m
Dống nhánh = 1,6m

KÊNH XẢ

32

10/25/2010

7

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

8
ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

ðƯỜNG

ỐNG
ÁP LỰC
HỞ

ðập tràn
ðường ống áp
lực
10/25/2010

9

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

10

PGS. TS. Nguyễn Thống

THUỶ NĂNG & THUỶ ðIỆN
CÔNG
TRÌNH
THỦY NÂNG CAO
Ch. 8: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC

11

10/25/2010

12

PGS. TS. Nguyễn Thống

2


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC

10/25/2010

e=12mm
35mm

13

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

ðƯỜNG
ỐNG BÊ
TÔNG NGẦM
BỌC
THÉP

10/25/2010

14

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CHẾ ðỘ THUỶ LỰC
KHÔNG ỔN ðỊNH
DÒNG CHẢY
QUÁ ðỘ

Xảy ra khi
ðóng (mở) van
trên ñường ống vơi tôc ñộ
nhanh
thay ñổi nhanh
chóng vận tốc (lưu lượng)
trong ống.

ðường
ống
10/25/2010

15

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG
Trong trường hợp ñó
mỗi ñoạn
dòng chảy (vi phân) trong ống chịu
sự thay ñổi áp suất và vận tốc khác
nhau theo từng thời ñiểm
hiện
tượng truyền sóng áp lực
ñược
gọi là « NƯƠC VA ».
Xem ñồ thị minh hoạ ở sau:
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

16

PGS. TS. Nguyễn Thống

17

Mở
van
ðóng
van

10/25/2010

SỰ TRUYỀN SÓNG ÁP LỰC

18

PGS. TS. Nguyễn Thống

3


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG TUYỆT ðỐI CỨNG
∆HA
BỂ CHỨA

B

ðường ống
HA

o Mặt chuẩn

G

α

A

THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH
NƯỚC VA
(Ống tuyệt ñối cứng, NƯỚC
không NÉN ñược)

o
Kênh sau NM

HA: cột áp tỉnh (mH2O)
∆HA: gia số áp suất tại A sinh ra do nước va dương
10/25/2010

19

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Phương trình chuyển ñộng theo phương X (lưu ý
chiều dương chọn):

d(mVx )
= ∑ Fx
dt

m = ρ FL

(1)

− ρ LF

dV
= ρ gF ( H A + ∆H A − H B − L sin α )
dt

10/25/2010

21

PGS. TS. Nguyễn Thống

∆H A = −

L dV
L dQ
=−
g dt
gF dt

CHÚ Ý:
- Nếu dQ/dt < 0
ñóng van
nước va dương
∆HA > 0
- Nếu dQ/dt > 0
mở van
∆HA < 0
nước va âm

Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến
tính với chiều dài L từ B ñến A.
L=0
∆H=0 (tại B).
10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

ρ gLF sin α : hình chiếu lên phương X.
Giả thiết không có ma sát giữa chất lỏng và
thành ống.
A
B
Thay vào p/t trên và thu gọn:
− ρ LF

dV
= ρ gF∆H A
dt

23

∆H A = −

L dV
L dQ
=−
g dt
gF dt

Với V=Q/F và dQ biến ñổi lưu lượng trong
thời ñoạn dt.
Thay ñổi áp suất tại A
10/25/2010

22

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

PGS. TS. Nguyễn Thống

20

H = H + L sin α

: khối lượng nước trong ñoạn AB.
F: tiết diện ống
∑ Fx : tổng ngoại lực theo phương X (trục ống).

(1)

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

do nước va gây ra

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

- Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến
tính với (dQ/dt).
dQ
= const
Trong trường hợp

dt
L Q d − Qc
∆H A =
gF
Ts

Qd: lưu lượng trước khi ñóng van;
Qc: l/l sau khi ñóng van
Ts: thời gian ñóng van từ Qd
Qc
10/25/2010

24

PGS. TS. Nguyễn Thống

4


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Nếu ñóng (mở) van tức thì (dQ/dt >>>
1)
A

∆H → ∞ !!!

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA ðƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ðỐI
D THAY ðỔI
∆HA
Réservoir

Trường hợp kể ñến sự ñóng không «
tuyến tính »:
L Qd − Qc
A
∆H = k

V i k = 1,25

gF

∆H(1)

L2,F2

o Mặt chuẩn

1,5 xem như hệ an toàn.

10/25/2010

25

HA:

cột nước tỉnh
∆HA: gia số áp lực nước va tại A
10/25/2010

∆H(2)

α

L3,F3
A

HA

o
Kênh sau NM

26

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Giả thiết D mỗi ñoạn không ñổi:
Q − Q c L1
Gia số áp lực cho ñoạn 1:
.
∆H (1) = d

gTs

F1

Gia số áp lực cho ñoạn 2:

∆H(2) = ∆H(1) +

L2 Qd − Qc Qd − Qc L1 L2
=
( + )
gF2 Ts
gTs F1 F2

Gia số áp lực cho ñoạn 3:

∆H ( 3) =

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài tập: Một ñường ống áp lực có D=2,25m,
chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng
Q=30m3/s. Thời gian ñóng van là 10s
(tuyến tính k=1).
1. Tính gia số áp lực lớn nhất do nước va.
2. Tương tự nếu D=2.5m. So sánh với kết
quả câu 1, nhận xét.

Q d − Q c L1 L 2 L 3
( +
+ )
gTs
F1 F2 F3

10/25/2010

27

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

28

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài giải:

1. D=2.25m
L Qd − Qc
1000 * 4
30 − 0
=1
= 76.91m
gF Ts
9.81*3.14159 * 2.252 10

2. D=2.5m
∆H Amzx = k

L1,F1

Ts

PGS. TS. Nguyễn Thống

∆H Amzx = k

B

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài tập: Lấy số liệu bài trước. ðường ống
bây giờ gồm 2 ñoạn: L1=400m, D1=2.25m;
L2=600m, D2=2.0m.
Tính gia số áp lực do nước va trong 2 ñoạn
ống.

L Qd − Qc
1000* 4
30 − 0
=1
= 62.3m
gF Ts
9.81*3.14159* 2.52 10

Nhận xét: V
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

giảm

Giá trị nước va giảm
29

10/25/2010

30

PGS. TS. Nguyễn Thống

5


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài giải: ðoạn 1:
∆H

(1)

NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG ðÀN HỒI &
NƯỚC NÉN ðƯỢC - ðÓNG (MỞ) VAN
TỨC THÌ

L Q − Qc
4 * 400
30 − 0
= 1 d
=
= 30.76m
gF1 Ts
9.81* π * 2.252 10

ðoạn 2:
∆H(2) = ∆H(1) +

L2 Qd − Qc
4*600 30− 0
= 30.76+
= 89.16m
gF2 Ts
9.81*π*22 10

Bài tập: Lấy số liệu bài trước, ñường ống
gồm 2 ñoạn: L1=500m, D1=3.5m; L2=250m,
D2=3.0m. Lưu lượng 40m3/s. Tính gia số
áp lực do nước va trong mỗi ñoạn.
10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

31

PGS. TS. Nguyễn Thống

Xét trương hợp nươc là NÉN
ñược (ρ
ρ thay ñổi theo áp suất).
Tiêt diện ω ñường ống thay ñổi
theo áp suất bên trong.
10/25/2010

32

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Trong thực tế
ñường ống

bằng thép hoặc bê tông cốt
thép
biến dạng khi áp
suất thay ñổi (mặc dù rất
bé)
ðường ống ñàn hồi.

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Khảo sát ñoạn cuối ñường ống:
- Có 1 van ở A (chọn làm gốc toạ ñộ).
- ðầu vào ñường ống giả thiết là hồ chứa.
- V0 vận tốc trung bình trong ống.
- Thực hiện ñóng van tức thì (T=0).
n
V0

m
p0

n
10/25/2010

33

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Giải thích hiện tượng:
Sau ∆t (s), chỉ có ñoạn chất lỏng giới hạn
bởi (a-a);(m-m)
là dừng
Gia tăng áp
suất ∆p.
Trong khi ñó nước bên trái (m-m) vẫn chảy
“bình thường”.
Phương trình chuyển ñộng khối chất lỏng
giới hạn bởi (a-a) và (m-m) theo trục ống:
( ρω∆l )( 0 − V0 )
p0ω − ( p0 + ∆p)ω =
10/25/2010
∆t 350
PGS. TS. Nguyễn Thống

m

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

t=dt
∆l a t=0
V0=0
a

A

p0+∆p

34

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

∆l
∆p = ρ V0
Từ ñó:
(1)
∆t
Bước thời gian kế, ñoạn chất lỏng giới hạn
bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng
hiện tượng
tiếp diễn
sự truyền sóng áp lực với tốc
ñộ a:

a = lim

Do ñó (1)
10/25/2010

∆l
∆t → 0

∆p = ρ aV0

(2)
36

PGS. TS. Nguyễn Thống

6


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Trong trường hợp van ñóng 1 phần:
do ñó
a

∆p = ρ a (V0 − Vc )

∆H =

Note: ∆p=ρ
ρg ∆H (N/m2)
Tính a:
Khi nước bị nén:

g

Khối lượng nước trong ñoạn a-a;m-m gia tăng:

∆m = (ρ + ∆ρ )(ω + ∆ω )∆l − ρω∆l

(V0 − Vc )

∆m = (ρ∆ω + ω∆ρ )∆l = (ρ∆ω + ω∆ρ )a∆t
Trong thời gian ñó, khối lượng nước ñi qua tiết
diện m-m:

ρ → ρ + ∆ρ

∆m0 = ρωV0 ∆t

ω → ω + ∆ω

Tiết diện ống gia tăng:

10/25/2010

Luật bảo toàn khối lượng:
37

PGS. TS. Nguyễn Thống

a=

ρV0

(ρ∆ω + ω∆ρ )a∆t = ρωV0 ∆t

∆ρ + ρ

∆ω

ω

=

∆p
a
∆ρ + ρ

∆ω

a=

ω

Note: ðã sử dụng kết quả trước:
10/25/2010

38

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

ρW = c te

∆p
∆ρ

ρ ∆ω
1+
∆ρ ω

Vi phân toan phân:

ρ dW + Wd ρ = 0

∆p = ρ aV0
39

⇒

dW
dρ
=−
ρ
W

10/25/2010

40

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Quy luật thể tích chât lỏng thay ñổi
theo áp suất:
dp
dW
dp
dW = − W

⇒
=−
K
W
K
1
: hệ số ñàn hồi nước.
K=
β

⇒
10/25/2010

10/25/2010

Chú ý là khối lượng nước không
ñổi (dù có bị nén) :

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

∆m0 = ∆m

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ta có:
Từ ñó:

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

∆p K
=
∆ρ ρ

41

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Dùng ñịnh luật Hooke:

dl =
Tính:

∆ω

10/25/2010

ω

σ .L
E
42

PGS. TS. Nguyễn Thống

7


10/25/2010

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Lực kéo T sinh ra do áp suất p trên chu vi hình
tròn b/kính r:
dF
(dF vi phân lực tác dụng lên
T
vi phân chu vi dl)
α
dFx = pdl. cos α
p

= pr cos α.dα
2T = ∫ dFx = pr

10/25/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

π /2

− /2

43

K
d
đường kính trong
e chiều dày thành ống
thép

Note: nếu ống KHƠNG đàn hồi ( E = ∞ )
Ta có:
K
K module đàn hồi nước
a0 =

∆r
r

biến dạng tương đối của bán kính r
dưới tác dụng của gia áp suất ∆ p .
Luật Hooke: ∆r r ∆p d ∆p
∆ω d ∆p
=

eE

=

2eE

10/25/2010

44

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Thay vào trên ta co:
a0
=
a
a (m/s)
Tơc độ
K d
1+ .
truyền song áp lực.
E e
Chú ý: Tính gia trị
nươc va trong đường ống đàn hồi:

∆H =

ρ

ðây là vận tốc truyền của sóng âm trong nước.
10/25/2010

ω

∆r
Với r

=2

PGS. TS. Nguyễn Thống

Thay kết quả này vào phương trình xác định a:

ρ

∆ω

=
ω
eE
Với e chiều dày thành, E hệ số đàn hồi ống
d đường kính ống.

T

∫π cosα .dα = 2pr

K d
1+
*
E
e

Xét ống tròn: ω = π r 2
Ta có: ∆ω = 2π r ∆r

r

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

a =

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

45

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

a
(V0 − Vc )
g

46

PGS. TS. Nguyễn Thống

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Với K của nước ở nhiệt độ bình thường:

Với đường ống bê tơng cốt thép:

K = 2.03*10 N / m
9

2

Ta có: a0 =1425 m/s.
Một số vật liệu ống phổ biến:
Vật liệu

Sắt

Gang

E/K

100

37

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

Gang đúc li
tâm
41

a=
Chì

α=

K
ρ
1+

K
d
.
E e(1 + 9.5α)

f
⇒ hệ số cốt thép vòng. f diện tích cốt
e

thép trên 1m chu vi ống.
Thơng thường α =0.015
0.05

9

47

10/25/2010

48

PGS. TS. Nguyễn Thống

8


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

HỆ SỐ ðÀN HỒI

Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy trong ñường
ống có ñường kính 2,5m, dài 1km.
1. Giả thiết ống tuyệt ñối cứng, tính giá trị
nước va max tại cuối ống khi ñóng van
trong 10’’ (nươc không nén ñược).
2. Giả thiết ống ñàn hồi bằng thép dày 32mm.
Nươc là nén ñược. Hệ số ñàn hồi nước
K=2.109 N/m2. Tính nước va cuối ống khi
ñóng van tức thời.

Vật liệu
Thép
Gang
Bêtông
Gỗ

E(kG/cm2)
2.1E+06
1.0E+06
2.1E+05
1.0E+05

Vật liệu
Cao su
Nước
Dầu

E(kG/cm2)
20-60
2.1E+04
1.35E+04

10/25/2010

49

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

3. Lây gia trị nươc va câu 2. Khả
năng chịu lực thép là σ=75kN/cm2.
Lấy hệ số an toàn 2. Lấy chiều dày
dự phòng 2mm.

Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do
gia sô áp lực nước va
khả năng
chịu lực ống?
10/25/2010

51

PGS. TS. Nguyễn Thống

SƠ ðỒ TÍNH
X
2

B

H1
dx 1

∆HA
HA

2

1
A
α
o Mặt chuẩn
HA: cột áp tỉnh
∆HA: gia số áp lực tại A do nước va

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

50

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA
TỔNG QUÁT
ðường ống ñàn hồi.
Nươc nén ñược.
Van ñong dân dân.
Mất năng ñường dài (ma sát
giưa dòng chảy và ñường dẫn).
Mất năng cục bộ.

10/25/2010

52

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Hồ

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

o
Kênh sau NM

53

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Áp dụng phương trình lực khối nước trong
(1-1) và (2-2) theo phương X:
d(mV) x
= ∑ Fx (1)
dt
m=ρ
ρFdx, Fx: ngoại lực
∂V
dV =
dt
∂t
Lực tác dụng lên khối nước:
∂h
− ρ gF dx
∂x
Lực bản thân phương X:
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

− ρ gFdx sin α

54

9


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

− ρFdx

∂V
∂H
=g
∂t
∂x

Từ ñó:

Thay vào p/trình (1):
− ρFdx

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

∂V

∂h
dt = − ρgF ( dx + dx. sin α )
∂t
∂x

∂(h + z 0 + x sin α )
∂V
dx
dt = − ρgF
∂t
∂x

z0 : cao ñộ van so mặt chuẩn.
z : cao ñộ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn.
h+z
α =H
0+xsinα
10/25/2010
55
PGS. TS. Nguyễn Thống

∂H a ∂V dx
=
.
∂t g ∂x dt

∂V g ∂H
= .
∂x a 2 ∂t

∂H a 2 ∂V
= .
∂t
g ∂x

10/25/2010

57

PGS. TS. Nguyễn Thống

∂x

10/25/2010

56

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

LỜI GiẢI (2) VÀ (3)
1. PHƯƠNG PHÁP ðƯỜNG ðẶC TRƯNG:
Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta có:

và

dH ∂H dx ∂H
=
+
dt

∂x dt ∂t

Hệ p/t (2) và (3) trở thành:

dV ∂V dx
∂H
−
=g
dt ∂x dt
∂t

(2)
10/25/2010

(4)
58

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

∂V g  dH ∂H dx 
= 
−

∂x a 2  dt ∂x dt 
Hệ (4) & (5) cho:

Từ (3)


dV
1  dx 
= g 1 − 2  
dt
 a  dt 

2

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

(7)
Cho phép xác ñịnh các ñường ñặc
trưng.

(5)

T

 ∂H g dx dH
+ 2. .

 ∂x a dt dt (6)

X=at+k1

t+θ
θ

t
0

2

1  dx 
dx
1− 2   = 0 ⇒
= ±a
a  dt 
dt

X=-at+k2

t+2θ
θ

Phương pháp ñường ñặc trưng biến (6)
thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp:
10/25/2010

dx
dt

Sự thay ñổi vận tốc: ∆V = − ∂V dx

dV ∂V dx ∂V
=
+
dt

∂x dt ∂t

(3)

Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng
truyền sóng nước va trong ống ñàn hồi với 2 ẩn
số là H và V.

PGS. TS. Nguyễn Thống

a=

Xét sự thay ñổi áp suất trong dt: ∆H = ∂H dt
∂t

Thay tất cả vào:

(7)

a
(V0 − Vc )
g

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

∂H
a ∂V

dt =
.dx
∂t
g ∂x

∆H =

Kết quả trước:

(2)

59

10/25/2010

A

X
B
L
HỆ ðƯỜNG ðẶC TRƯNG
60

PGS. TS. Nguyễn Thống

10


10/25/2010

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Trên đường đặc trưng, p/trình (6) trở thành:
(7)

dH =

a
a
dV =
dQ
g
gF

Tích phân p/t trên theo đường x =at+k1 với
θ tại B:
giới hạn t tại A t+θ
(8)
a

H At − H Bt +θ =

10/25/2010

gF

(Q

A

t

− Q Bt +θ )

61

PGS. TS. Nguyễn Thống

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Tích phân p/t (7) dọc theo đường x =-at+k1 trong
g/hạn t tại B t+θ
θ tại A:
a
(9)
B
A
B
A

H t − H t +θ = −

63

− Q t +θ )

t+2θ
θ;

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

H (m)

Ví dụ: Dạng tổng qt giá trị nước va tại A.
900
800
700
600
500
400
300
200

Cột nước cuối ống áp
lực có kể nước va

Hmax (m)

2

4
Tf

10/25/2010

t

a
 A

B
A
B
 H nθ − H (n +1)θ = gF ( Q nθ − Q (n +1)θ )


a
H B − H A
( QnBθ − Q(nA +621)θ )
nθ
(n +1)θ = −

gF
10/25/2010
PGS. TS. Nguyễn Thống

0

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

(Q

Tương tự cho tất cả các thời đoạn kháct+θ
θ
t+2θ
θ t+3θ
θ; …ta có:

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Dùng các đ/kiện biên và ban đầu, ta có thể
giải hệ p/trình để xác định giá trị nước va
tại A.
Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước
khơng đổi khi có nước va) HtB=H0= hằng
số tại B. Giả thiết lưu lượng qua A biết
theo thời gian. Giá trị nước va tại A
thường có dạng tổng qt sau:

gF

6

8

10

12

14

16

18

20

T (s)
64

PGS. TS. Nguyễn Thống

CƠNG TRÌNH THỦ
THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðườ
ðường ống áp lực & hiệ
hiện tượ
tượng nướ
nước va

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

THIẾT LẬP
PHƯƠNG TRÌNH
NƯỚC VA
TỔNG QT
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

65

10/25/2010

66

PGS. TS. Nguyễn Thống

11


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

2. PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT):
Ta có thể sử dụng phương pháp sai phân hữu
hạn ñể giải hệ phương trình ñạo hàm riêng bậc
cao phi tuyến biểu thị hiện tượng bước va:
Phương trình chuyển ñộng:

fV V
∂V 1 ∂p
+
+ g sin α +
=0
∂t ρ ∂x
2D

(10)

10/25/2010

67

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

t, x biến ñộc lập.
V vận tốc trung bình.
p áp suất tại tâm mặt cắt.
D ñường kính ống.

10/25/2010

68

Hệ phương trình (10) và (11) cho phép xác
ñịnh 2 ẩn số V và p theo thời gian.

(11)

a2 =

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

K/ρ
K D
1+

E e

69

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

70

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Ví dụ: ðường ống dài 1850m, ñường kính
thay ñổi từ 2,5m 3,0m. Chiều dày
40mm 20mm. Lưu lượng max 39m3/s, có
2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành có
f=0,025. Thời gian ñóng van 8’’.
Lời giải bằng phương pháp sai phân tham
khảo như sau:

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
800

Cuối ống

700

T

600
p (mH2O)

Phương trình liên tục:
∂p
∂V
+ ρa 2
=0
∂t
∂x

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

t

500
400
300

Giữa ống

200
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

T (s)
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

71

10/25/2010

NƯỚC VA DƯƠNG

72

PGS. TS. Nguyễn Thống

12


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦ
THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðườ
ðường ống áp lực & hiệ
hiện tượ
tượng nướ
nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
600

DỰ ÁN
THƯỢNG
KONTUM

Cuối ống

p (mH 2O)

500
400

Giữa ống

300
200
0

2

4

6

8

10

12

14
T (s)

16

18

20

22

24

NƯỚC VA ÂM
10/25/2010

10/25/2010

73

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
1000 p(mH 2O)

p(mH2 O)

1300
1200
1100
1000
900

800
700
600

74

PGS. TS. Nguyễn Thống

950
900
850
800

NƯỚC VA DƯƠNGT (s)

NƯỚC VA ÂM

750

T (s)

700

0

10

10/25/2010

20

30

40

50

60
75

10 15 20

25 30 35

40 45 50

55 60
76

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦ
THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðườ
ðường ống áp lực & hiệ
hiện tượ
tượng nướ
nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

TÍNH TOÁN
NƯỚC VA
THEO QUY PHẠM
VIỆT NAM
10/25/2010

5

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

0

77

ðịnh nghĩa:
• T <=tf : nước va trực tiếp.
• T >tf : nước va gián tiếp.
T thời gian ñóng (mở) van (4’’-12’’).
tf=2L/a: thời gian truyền sóng nước va trên
ñoạn ñường 2L.
L: chiều dài ống áp lực.

10/25/2010

78

PGS. TS. Nguyễn Thống

13


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

a: vận tốc truyền sóng

NƯỚC VA TRỰC TIẾP
Giá trị nước va max:

1425
a=
K d
1+ *
E e

∆H = H v − H 0 = a(V0 − Vc ) / g
ðịnh nghĩa hệ số: ζ = ∆H = a(V0 − Vc )
H0
gH 0
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010

79

NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP
Gọi t thời ñiểm nước va dương
max xảy ra:
Nếu t <=tf: nước va pha ñầu.
Nếu t >tf: nước va pha cuối.

81

PGS. TS. Nguyễn Thống

Có 2 trường hợp:
- T/h 1: ρ < 1 nước va gián tiếp
pha ñầu.

ς=

2σ
1 + σ (θ − 1)

∆H HV
10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

80

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Gọi hệ số Allievi:

ρ=

aV
2 gH 0

at
Gọi hệ số liên quan ñóng van: θ =
2 L0
ðặt:

ς=

∆H
H0

σ=

ρ
θ

10/25/2010

82

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Theo Calame-Gaden:

V0: vận tốc TB dòng chảy trước khi
ñóng van.
Vc: vận tốc TB dòng chảy sau khi ñóng
van
HV: áp lực max (mH2O) do nước va +
cột áp tỉnh.
H0: cột áp tỉnh.
PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

- T/h 2: ρ > 1 nước va gián tiếp pha cuối.
* Nếu ζ>=50% theo Allievi:

ς=

2

(σ +

σ2 +4

)

* Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden:

ς = 1.1σ
* Nếu ζ<50% theo Sparre:

83

σ

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

ς=

2σ
2 −σ

84

14

10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

NƯỚC VA ÂM

Chú ý
Sau khi có ζ ta tính giá trị
gia tăng áp suất do nước
va:

• Nước va âm cực tiểu pha ñầu (t
ς=

2σ
1+σ

• Nước va âm cực tiểu pha cuối (t>tf):

ς=

∆H = ς.H 0

10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

• Tính gần ñúng khi ζ<50%:

σ ( −σ + σ 2 + 4)

2σ
ς=
2 +σ

2

CHÚ Ý: Giá trị nước va còn phụ thuộc vào loại
tuabin, thiết bị và quy trình ñóng mở van
85

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

86

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài tập: ðường ống dài L=850m
chịu cột nước tỉnh H0=294m. Vận
tốc TB dòng chảy trong ống

V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời
gian ñóng van 7’’. Tính giá trị
nước va dương theo QPVN.

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài giải:
at 1100 * 7
θ=
=
= 4.53
aV
2 L0
2 *850
ρ=
= 1.14
2 gH 0
σ=

ρ 1.14
=
= 0.25
θ 4.53

ζ =

2σ
= 0.28
2 −σ

(ρ
ρ>1
nước va gián tiếp pha ñầu)
Giá trị nước va lớn nhất cuối ống:

∆H = ςH 0 = 0.28 * 294 = 82.3m

10/25/2010

87

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

88

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Bài tập: ðường ống áp lực dài 1000m, cột
nước tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình
trong ống 5,5m/s. Giả thiết a=1200m/s,
thời gian ñóng van 8’’.

a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp?
b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN.
c. ðường ống có d=2m, [σ] =20kN/cm2.
Tính chiều dày thành ống (b).
(Xem ôn ở sau, tính lực dọc CV ống tròn có
áp suất ñều p tác dụng)
10/25/2010
89

Bài tập: Giống câu hỏi bài tập
trước với H0=600m, L=1500m,
V=6m/s, a=1000m/s & t=8’’.

PGS. TS. Nguyễn Thống

10/25/2010

90

PGS. TS. Nguyễn Thống

15


10/25/2010

CÔNG TRÌNH THỦ
THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðườ
ðường ống áp lực & hiệ

hiện tượ
tượng nướ
nước va

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

Ôn: Xác ñịnh lực dọc T theo chu vi ống tròn
bán kính R khi chịu áp suất p phân bố ñều
bên trong:
A
T=f(p,R)
p

HẾT

A

R

10/25/2010

PGS. TS. Nguyễn Thống

91

10/25/2010

92

PGS. TS. Nguyễn Thống

16