Chơng Thuỷ lực vùng ngập lụt ảnh Một nhà đê bao quanh vùng ngập lụt trung lu sông Trinity 1991 7.1 Dòng chảy Chơng giới hạn dòng chảy lòng dẫn hở, bao trùm toán dòng chảy ổn định gồm dòng chảy dòng chảy không Trong phần này, không đề cập đến chế độ thuỷ lực dòng chảy không ổn định lòng dẫn, nhiên độc giả tham khảo chất lỏng Tính toán lòng dẫn bề mặt nớc vùng ngập lụt để xác định mức độ ngập lụt nghiên cứu toán nh dòng chảy ổn định Dòng chảy lòng dẫn hở dòng chảy xét theo điều kiện thuỷ lực có độ sâu diện tích mặt cắt ngang không đổi Các tiêu chuẩn đòi hỏi đờng lợng, đờng mặt nớc đáy lòng dẫn phải song song với Hay nói cách khác, thay đổi tổng lợng toàn lòng dẫn nghiên cứu phải lợng tổn thất ma sát lớp biên chuyển động rối Cuối cùng, dòng chảy đợc hình thành lòng dẫn với lu lợng diện 421 tích mặt cắt không đổi Dòng chảy hoàn toàn sông tự nhiên điều kiện lòng dẫn có thay đổi Nhng điều kiện tính toán coi dòng chảy lòng dẫn tự nhiên đều, với giả thiết kết tính đợc gần sát với điều kiện thuỷ lực thực tế Không nên giả định dòng chảy nh không tồn lòng dẫn đồng đại lợng dòng chảy thay đổi gấp Lòng dẫn nhân tạo thờng đồng việc tính toán dòng chảy xác Có hai phơng trình dòng chảy thờng đợc áp dụng cho toán lòng dẫn hở công thức Chezy phơng trình Manning, có giá trị nh: A = diện tích mặt cắt ngang cđa lßng dÉn, V = vËn tèc lßng dÉn, P = chu vi −ít cđa dßng dÉn, R = bán kính thuỷ lực diện tích mặt cắt ngang A chia cho chu vi −ít P S = độ dốc mặt nớc (trong dòng chảy độ dốc đáy), C n = hệ số nhám, liên quan đến tổn thất ma sát dòng chảy với đáy hay biên rắn Công thức Chezy đời vào năm 1775, biểu diễn mối liên hệ tốc độ, độ nhám, bán kính thuỷ lực ®é dèc cđa lßng dÉn: V = C RS (7.1) C có liên quan đến thành phần ma sát Darcy f, sử dụng cho dòng chảy ống, qua mèi quan hƯ: C= g f (7.2) ®ã g số, giá trị gia tốc trọng trờng Phơng trình Chezy đợc dựa hai giả thiết là: lực ma sát tỷ lệ với bình phơng vận tốc giả định dòng chảy tức lực trọng trờng cân với kháng lực ma sát dòng chảy Phơng trình Chezy đợc sử dụng cho dòng chảy ống có áp nh− lßng dÉn hë HƯ sè Chezy C điều kiện lòng dẫn hở đợc tính việc sử dụng quan hệ Chow (1959) Tuy nhiên, ngày hầu hết ứng dụng, phơng trình Manning đợc sử dụng thay cho công thức Chezy tính toán cho lòng dẫn hở Phơng trình Manning đợc thiết lập năm 1980 với hệ số nhám Manning n: V = 23 R S n (7.3) Đầu tiên hệ số nhám đợc xác định theo hệ thống đo lờng mét (m s), dùng hệ thống đo l−êng cđa Mü (inche) th×: V= 1,49 R S n (7.4) Hệ số chuyển đổi 1,49 từ bậc ba 3,28 phép biến đổi từ m3 sang ft Phân tích thứ nguyên n có đơn vị TL1/3 minh hoạ cho lý thuyết phơng trình Manning Sự hữu dụng mối liên hệ tự nhiên vô hạn, đợc sử 422 dụng rộng rÃi cho nhiều dạng toán dòng chảy lòng dẫn hở Sự lựa chọn hệ số nhám n luôn phải dựa yếu tố chủ quan hay mục đích thiết kế cđa ng−êi sư dơng HƯ sè nh¸m Manning cã thĨ đợc xác định bảng tra cho loại lòng dẫn (xem bảng 7.1 Chow, 1959) 7.2 Tính toán dòng chảy Các toán dòng chảy thờng ứng dụng phơng trình Manning để tính độ sâu dòng yn, độ sâu mà dòng chảy Sự lựa chọn hệ số Manning n phơ thc vµo u tè chđ quan cịng nh− kinh nghiệm ngời kỹ s nhà thuỷ văn thông số khác phơng trình Độ sâu dòng hàm độ dốc đáy S0, lu lợng đặc trng hình học lòng dẫn Nh vây, biết đợc độ sâu dòng xác định đợc việc thiết kế độ rộng lòng dẫn Các dạng biến đổi mái kênh, đáy, mặt đợc sử dụng để giải số toán dòng chảy lòng dẫn hở hay lòng dẫn có hình dạng kích thớc thay đổi (King Brater, 1976) Một mặt cắt ngang đợc đặc trng hình dạng, độ sâu dòng đều, diện tích mặt cắt ngang bán kính thuỷ lực - đợc định nghĩa tỷ lệ diện tích chu vi ớt Hình 7.1 biểu diễn yếu tố hình học mặt cắt ngang Phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt, phơng trình Manning đợc sử dụng để tính toán độ sâu dòng độ rộng Ví dụ 7.1 7.2 miêu tả việc tính toán toán dòng chảy cho lòng dẫn có mặt cắt hình chữ nhật hình thang Ví dụ 7.1 Dòng chảy kênh chữ nhật Một kênh hở có mặt cắt hình chữ nhật đợc thiết kế với lu lợng 10m3/s Kênh làm bêtông (hệ số nhám Manning n = 0,010), độ dốc S0 = 0,005 Dòng chảy kênh coi nh đều, xác định yn b (hình E7.1) b = 2yn 423 Gi¶i Gi¶ thiÕt: Q = 10m3/s, n = 0,010, S0 = 0,005 b = 2yn DiÖn tÝch Chu vi −ít P B¸n kÝnh thủ lùc R y (b + y cot α ) 2y b+ sin α y(b + y cot α ) 2y b+ sin α H×nh tam giác y2cot 2y sin y cos Hình chữ nhật by b+2y by b + 2y Sông rộng by b y Hình tròn ( sin ) D αD D⎛ sin α ⎞ ⎜1 − ⎟ 4⎝ Hình dạng Mặt cắt chảy A Hình thang 2 Hình 7.1 Đặc trng hình học dạng mặt cắt Từ phơng trình (7.3) ta có: V = 23 R S n theo đơn vị mét Q = V.A, 424 Q= AR S0 n Bảng 7.1 Giá trị hệ số nhám công thức Manning Trạng thái bề mặt n max Xi măng nguyên chất 0,010 0,013 ống gỗ cong 0,010 0,013 Máng lát phẳng 0,010 0,014 ống tráng men 0,010 0,017 Máng kim loại nhẵn 0,011 0,015 Bê tông 0,011 0,013 Xi măng 0,011 0,015 Máng lát không phẳng 0,011 0,015 Đất sét 0,011 0,017 Ximăng, đá nguyên khối 0,012 0,016 Gạch ximăng 0,012 0,017 Sắt đúc 0,013 0,017 Sỏi ximăng 0,017 0,030 Thép 0,017 0,020 Kênh đào, đất nhẵn 0,017 0,025 Máng kim loại nhẵn 0,022 0,030 Nạo vet nhẵn 0,025 0,033 Đá đứt gẫy nhẵn 0,025 0,035 Đáy nhám, cỏ mọc hai bên bờ 0,025 0,040 Đá đứt gẫy lởm chởm 0,035 0,045 Thẳng nhẵn 0,025 0,033 Nhám có cỏ đá 0,045 0,060 Cá mäc um tïm, vịng n−íc s©u 0,075 0,150 B·i cá 0,025 0,05 Bơi c©y nhá 0,035 0,16 C©y liƠu rậm rạp 0,11 0,20 Bụi phát quang 0,03 0,05 Gỗ to 0,08 0,12 ống kín Kênh đào Sông thiên nhiên Vùng ngập lụt 425 mặt khác: R= A P từ hình vẽ có: A = yn b = yn , P = yn + b = yn , v× vËy: R= 2 yn = 0.5 yn yn Do ®ã: Q= 10 = AR S n (2 y n2 )(0,5 y n )2 0,005 , 0,01 10 = 8,909 yn yn = (1,1225)8 yn = 1,04 (m) Suy b = 2,08 (m) Ví dụ 7.2 Dòng chảy kênh hình thang Một kênh hình thang có hệ số mái 2, đợc thiết kế để vận chuyển lợng nớc 200 ft3/s Kênh có cỏ mọc với hệ số nhám Manning n = 0,025, độ dốc đáy S0 = 0,0006 Xác định độ sâu dòng đều, độ rộng đáy mặt (hình E7.2) Biết dòng chảy bình thờng có độ rộng đáy 1,5 lần độ sâu dòng Giải Hình E7.2 Giả thiết: 426 Q = 200 ft3/s, n = 0,025, S0 = 0,0006, BW = 1,5yn Từ phơng trình (7.4): V = 1,49 R S n mặt khác từ: Q = V.A, suy Q= 1,49 AR S n Theo h×nh vÏ ta cã: (y P = BW + 2 n + y n ) = y n + y n ( ⇒ P = yn 1.5 + ) vµ A = BWyn + (2 yn )yn = 1.5 yn2 + yn2 = 3,5 yn2 mµ R= (3,5 yn2 ) A = P y n 1,5 + ( ) ⇒ R = 0,586yn ®ã: Q= 200 = 1,49 AR S n 1,49 (3,5 yn2 )(0,586 yn )2 0,0006 0,025 200 = 3,578 yn y n = (55,89 ) 83 yn = 4,5 ft Suy BW = 6,8 ft Và TW = 24,8 ft Dựa vào độ dốc, lu lợng, độ nhám, mặt cắt ngang lợi xác định đợc diện tích chảy nhỏ Mặt cắt ngang lợi mặt cắt có bán kính thủ lùc R lµ lín nhÊt, chu vi −ít nhá R =A/P Hình 7.2 biểu diễn đặc trng mặt cắt lợi dựa chu vi ớt nhỏ loại hình dạng khác Ví dụ 7.3 trình bày cách xác định mặt cắt lợi cho kênh hình thang 427 Hình dạng Đặc trng hình Độ sâu dòng Diện tích mặt học tối u cắt ngang A = 600 Mặt cắt Qn 0,968 S b Hình thang Hình chữ nhËt b= 3 ⎛ Qn ⎞ 1,622⎜ ⎟ ⎜S ⎟ ⎝ b ⎠ yn ⎛ Qn ⎞ 0,968⎜ ⎟ ⎜S ⎟ ⎝ b ⎠ ⎛ Qn ⎞ 1,682⎜ ⎟ ⎜S ⎟ ⎝ b ⎠ H×nh tam gi¸c b = 2yn ⎛ Qn ⎞ 1,297⎜ ⎟ ⎜S ⎟ ⎝ b ⎠ ⎛ Qn ⎞ 1,682⎜ ⎟ ⎜S ⎟ ⎝ b ⎠ kh«ng cã ⎛ ⎛ Q ⎞ ⎞8 ⎜ ⎜ ⎟n ⎟ b 1,00⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎜ S ⎟ ⎜ b ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ D = 2yn ⎛ Qn ⎞ 1,00⎜ ⎟ S b Sông rộng Hình trßn ⎛ Qn ⎞ 1,682⎜ ⎟ S b Hình 7.2 Đặc tính mặt cắt lợi lòng dẫn hở Ví dụ 7.3 Xác định mặt cắt ngang TốI ƯU Cho kênh có mặt cắt ngang hình thang (hình E7.3), xác định góc mái dốc tỷ số độ dài mái với độ rộng đáy L/b lợi nhất, L/b đợc xác định nh hình vẽ Biết kênh có dòng chảy 428 Hình E7.3 Giải Nh đà biết, mặt cắt tối u mặt cắt có R lớn Để R lớn chu vi ớt P phải nhá nhÊt Tõ h×nh vÏ chóng ta cã: A = by n + ( L cos θ )( L sin ) L= yn sin đó: ⎛ y ⎞ A = by n + ⎜ n ⎟ (cos θ )(sin θ ) ⎝ sin θ ⎠ ⎛ cos θ ⎞ ⎟ ⎝ sin θ ⎠ ⇒ A = by n + y n ⎜ suy ⎛ cos θ ⎞ A − yn ⎜ sin b= yn mặt khác ta l¹i cã chu vi −ít P = b + 2L thay b vào ta đợc: P= để P nhỏ nhÊt th× y A cos θ − yn +2 n yn sin θ sin θ dP =0 dy n ⇒ dP A cos θ =− − + =0 dy n yn sin sin giải phơng tr×nh víi yn ta cã: yn = A sin cos Để tìm đợc giá trị lợi nhất, phải lấy đạo hàm yn với đối số đặt dy n = 0: dθ yn dy n A cos θ A sin θ = − dθ − cos θ (2 − cos θ )2 ⇒ 0= A cos θ (2 − cos θ ) − sin θ (2 cos )2 giải phơng trình ta đợc: cosθ = 1/2 429 ⇒ θ = 600 tõ phơng trình viết cho yn , đợc: A= (2 − cos θ )y n sin θ thay = 60 vào, đợc: A = yn mµ ⎛ cos θ ⎞ A = by n + y n ⎜ ⎟ ⎝ sin θ ⎠ vËy suy ta cã: 2 ⎛ cos θ ⎞ y n = by n + y n ⎜ ⎟ ⎝ sin θ ⎠ b+ yn = yn 2 ⇒ b= yn hay b= yn sin θ L= yn sin mặt khác ta có: L = b kênh lợi tỷ số lợi là: L =1 b 7.3 Năng lợng riêng dòng chảy giới hạn Năng lợng riêng trờng hợp đặc biệt tổng lợng, đợc xác định vị trí dọc lòng dẫn Tổng lợng đợc biết đến nh tổng cột nớc áp suất, cột nớc vị trí, cột nớc lu tốc cho mặt cắt ngang Phơng trình lợng có dạng: H = z+ đó: 430 p + V2 2g (7.5) Bảng 7.4 Số liệu đầu vµo cđa HEC-2 (tiÕp) QT 4700 X1 17590 11 24470 24566 900 1100 1109 X4 61 23600 66.5 26400 GR 70 20000 65 21950 59 24300 60.3 24470 49.3 24504 GR 48.3 24525 48.8 24545 58.1 24566 58.9 24623 65 24950 GR 68 27850 NH 0.08 23100 0.12 24060 0.04 24156 0.12 25025 10 X1 19649 12 24060 24156 1950 1750 2059 X4 66 22000 GR 70 20000 67 20800 65 23100 60.6 24000 58.4 24060 GR 50.3 24088 49.5 24106 50.4 24125 61.5 24156 60.3 24210 GR 70 25025 70 27750 NH 0.07 22200 0.1 NH 27750 25000 0.12 25155 0.04 1550 25258 0.12 1584 NH 26400 0.09 27800 X1 21233 21 25155 25258 75 X4 63.5 23500 62.5 24200 GR 70 20000 65 22200 62 25000 62 25155 51.9 25187 GR 49.8 25208 52 25229 61.1 25258 62.7 25400 64.4 25600 GR 66.2 25800 67 26000 67.7 26200 68.3 26400 68.5 26600 GR 68.7 26800 68.6 27000 69 27200 69.1 27400 69.1 27600 GR 69.1 27800 NH 0.07 24200 0.12 25940 0.04 26040 0.12 27800 0.09 X1 22300 32 25940 26040 700 1800 1067 GR 70 20000 70 21500 65.6 24200 65.1 24600 65.5 24800 GR 65.2 25000 66.1 25215 64.2 25600 64.2 25700 63.9 25800 GR 63.7 25940 53.1 25970 53.1 25990 53.1 26010 63.4 26040 GR 63.8 26100 64.4 26200 64.6 26400 65.5 26600 66.1 26800 GR 66.7 27000 66.9 27200 66.9 27300 67.6 27400 67.2 27500 GR 67.9 27800 68.4 28200 67.3 28400 67.9 28600 67.5 28800 GR 68.1 29165 69.2 29200 NC 0 0.3 NH 0.07 24200 0.12 25954 0.04 26055 0.12 25954 26055 200 200 NH 29200 0.5 27800 0.09 NH 29200 X1 22500 31 X3 10 466 200 67.0 67.0 B¶ng 7.4 Số liệu đầu vào HEC-2 (tiếp) GR 70 20000 70 21500 65.6 24200 65.1 24600 65.5 24800 GR 65.2 25000 66.1 25215 64.2 25600 64.2 25700 63.9 25800 GR 63.7 25954 53.1 25979 53.1 26029 63.4 26055 63.8 26100 GR 64.4 26200 64.6 26400 65.5 26600 66.1 26800 66.7 27000 GR 66.9 27200 66.9 27300 67.6 27400 67.2 27500 67.9 27800 GR 68.4 28200 67.3 28400 67.9 28600 67.5 28800 68.1 29165 GR 69.2 29200 NH 0.07 24200 0.12 25954 0.04 26055 0.12 27800 0.09 2.56 2.63 50 0.01 1081 2.35 53.1 0 25 25 25 66.2 69 69 69 NH 29200 SB 1.05 Xl 22525 X2 0 X3 10 BT 21 20000 24200 65.5 53 70 70 21500 70 70 65.5 BT 24600 65.1 65.1 24800 65.5 65.5 25000 65.2 65.2 BT 66.1 66.1 25600 66.4 66.4 25700 68.2 68.2 25954 69 BT 66.2 26055 69 66.2 26200 67.5 64 26400 67.7 BT 26600 67.7 66.7 26800 67.7 67.7 27000 68 66.7 BT 66.8 66.8 27300 66.9 66.9 28200 68.4 68.4 28600 69.7 BT 69.7 29200 69.2 NH 0.07 24600 0.12 25935 0.04 26045 0.12 27500 0.09 25935 26045 26 26 26 25215 64.6 27200 69.2 NH 29200 Xl 22551 32 X3 10 GR 70 20000 70 21500 65.6 24200 65.1 24600 65.5 24800 GR 65.2 25000 66.1 25215 64.2 25600 64.2 25700 63.9 25800 GR 63.7 25935 53.1 25965 53.1 25990 53.1 26015 63.4 26045 GR 63.8 26100 64.4 26200 64.6 26400 65.5 26600 66.1 26800 GR 66.7 27000 66.9 27200 66.9 27300 67.6 27400 67.2 27500 GR 67.9 27800 68.4 28200 67.3 28400 67.9 28600 67.5 28800 GR 68.1 29165 69.2 29200 EJ ER 467 B¶ng 7.5.Sè liƯu ®Çu chi tiÕt tõ HEC-2 8/6/87 14.5659 SECNO DEPTH CWSEL CRIWS WSELK EG HV HL OLOSS BANK ELEV Q QLOB QCH OROB ALOB ACH AROB VOL TWA LEFT/RIGHT TIME VLOB VCH VROB XNL XNCH XNR WTN ELMIN SSTA SLOPE XLOBL XLCH XLOBR ITRIAL IDC ICONT CORAR TOPWID ENDST *PROF IHLEQ = THEREFORE FRICTION LOSS (HL) IS CALCULATED AS A FUNCTION OF PROFILE TYPE WHICH CAN VARY FROM REACH TO REACH SEE DOCUMENTATION FOR DETAILS CCHV = 0.100 CEHV = 0.300 *SECNO 3265 158.000 DIVIDED FLOW 158.00 23.62 52.12 0.00 48.00 52.50 0.38 0.00 0.00 50.80 8400 2034 6317 48 3462 1115 85 0 49.5 0.59 5.67 0.57 0.12 0.05 0.12 28.5 18025.68 0.001479 0 0 2806.27 21068.59 1490 NH CARD USED *SECNO 2481.000 2481 22.19 54.09 0 54.23 0.14 1.7 0.02 50 8400 2431 5121 848 5369 1339 1861 319 152 49.5 0.25 0.45 3.82 0.12 0.05 0.12 31.9 23282.98 0.000514 2100 2323 1800 0 3616.62 26899.6 0.46 1490 NH CARD USED *SECNO 4382.000 4382 20.59 55.09 0 8400 3225 3670 1504 6995 992 0.52 0.46 3.7 0.12 0.0005 2000 1901 1500 0.49 55.18 0.09 0.95 50.3 3092 738 331 50.5 0.05 0.12 34.5 22299.89 0 4793.5 27093.43 0.35 0.00 51.80 1490 NH CARD USED *SECNO 5222.000 5222 21.77 55.47 0.00 0.00 8400 2138 3302 2959 4353 1008 5516 932 411 51.30 0.66 0.49 3.28 0.12 0.108 33.7 23196.14 468 0.54 55.54 0.07 0.05 B¶ng 7.5.Sè liƯu ®Çu chi tiÕt tõ HEC-2 (tiÕp) 0.000405 845 840 645 0 4270.4 27466.58 0.96 0.01 54.9 1490 NH CARD USED *SECNO 6825.000 6825 19.41 56.41 0 8400 2358 3786 2256 4086 985 3642 1316 588 55 0.88 0.58 3.84 0.11 0.05 0.11 37 24626.92 0.000759 2713 1603 813 0 4447.4 29074.36 0.62 56.52 0.11 CCHV = 0.30 CEHV = 0.50 1490 NH CARD USED *SECNO 6925.000 6925 19.52 56.52 0 56.59 0.07 0.07 0.01 54.9 8400 2947 3332 2122 4365 994 3851 1337 598 55 0.9 0.68 3.35 0.55 0.084 0.05 0.11 37 24557.1 0.000569 100 100 100 0 4552.6 29109.7 1490 NH CARD USED SPECIAL BRIDGE SB XK 1.25 XKOR COFQ RDLEN BWC BWP BAREA SS ELCHU ELCHD 1.5 713 37 37 TRAPEZOID AREA ELLC ELTRD 767 53.6 54.5 *SECNO 14 6963.000 PRESSURE AND WEIR FLOW EGPRS EGLWC H3 QWEIR QPR BAREA 59.75 56.59 7056 1349 713 6963 19.53 56.53 0 56.6 0.07 0.01 54.9 8400 2956 3316 2127 4395 995 3873 1345 602 55 0.91 0.67 3.33 0.55 0.084 0.05 0.11 37 24549.7 0.000562 38 38 38 4563.7 29113.5 0.07 0.02 1490 *SECNO 7063 20.68 NH CARD USED 7063.000 56.68 0 56.69 0.01 54 469 Bảng 7.5.Số liệu đầu chi tiÕt tõ HEC-2 (tiÕp) 8400 3853 1886 2661 4832 2503 3902 1369 613 54 0.94 0.8 0.75 0.68 0.094 0.35 0.111 36 24453.3 900 100 100 100 0 4709.0 29162.3 Bảng 7.6 Tóm tắt sè liÖu in tõ HEC-2 8/6/87 14.566 THIS RUN EXECUTED 8/06/87 145661 HEC2 RELEASE DATED NOV 76 UPDATED MAY 1984 ERROR CORR - 01, 02, 03, 04, 05, 06 MODIFICATION - 50, 51, 52, 53 54, 55 NOTE - ASTERISK (*) AT LEFT OF CROSS-SECTION NUMBER INDICATES MESSAGE IN SUMMARY OF ERRORS LIST EXAMPLE OF HEC2 GARNER SUMMARY PRINTOUT TABLE 100 VC SECNO EGLWC ELLC EGPRS ELTRD QPR QWEIR CLASS H3 DEPTH CWSEL 6963 56.59 53.60 59.75 54.50 1348.94 7055.75 30.00 0.00 19.53 56.50 3.33 56.6 22525 65.30 66.20 0.00 69.00 4700.00 0.00 0.00 11.80 64.90 5.08 65.3 8/6/87 EXAMPLE OF HEC2 1.00 H EG 14.5659 GARNER SUMMARY PRINTOUT TABLE 150 SECNO XLCH ELTRD ELLC ELMIN Q CWSEL CRIWS EG 1OK*S VCH AREA 01K 158 0 28.5 8400 52.12 52.5 14.79 5.67 4661.82 2184.46 2481 2323 0 31.9 8400 54.09 54.23 5.14 3.82 8568.99 3706.42 4382 1901 0 34.5 8400 55.09 55.18 3.7 11078.95 3757.65 5222 840 0 33.7 8400 55.47 55.54 4.05 3.28 10876.77 4173.06 6825 1603 0 37 8400 56.41 56.52 7.59 3.84 470 8712.7 3048.78 Bảng 7.6 Tóm tắt số liệu in từ HEC-2 (tiÕp) 6925 100 0 37 8400 56.52 56.59 5.69 3.35 9210.23 3520.05 6963 38 54.5 53.6 37 8400 56.53 56.6 5.62 3.33 9263.63 3542.16 7063 100 0 36 8400 56.68 56.69 0.75 11237.19 2800.52 8192 1129 0 37.6 8100 56.91 57.01 1.76 2.81 6471.46 6099.49 9670 1478 0 39.1 5600 57.23 57.27 1.28 2.06 9282.82 4950.95 11835 2165 0 40.4 5600 57.7 57.88 3.71 3.57 2988.03 2906.72 12785 950 0 40.8 5600 58.08 58.21 3.27 3.15 4249.71 3098.26 14950 2165 0 45.1 5000 59.26 59.63 9.34 4.99 1585.95 1635.77 16481 1531 0 47 5000 60.55 60.72 5.73 3.98 3971.89 2089.01 17590 1109 0 48.3 4700 61.22 61.49 8.04 4.55 2319.52 1658.08 19649 2059 0 49.5 4700 62.8 63.09 7.62 4.55 1986.51 1702.54 21233 1584 0 49.8 4700 63.81 63.98 5.43 3.79 3450.95 2016.65 22300 1067 0 53.1 4700 64.6 65.05 13.47 5.49 1183.06 1280.54 22500 200 0 53.1 4700 64.9 65.3 10.26 5.08 925.88 1467.08 22525 25 69 66.2 53.1 4700 64.9 65.3 10.26 5.08 925.87 1467.08 22551 26 4700 65.07 65.36 7.81 4.44 1758.43 1682.24 8/6/87 53.1 14.5659 EXAMPLE OF HEC2 GARNER SUMMARY PRINTOUT TABLE 150 SECNO Q CWSEL DIFWSP DIFWSX DIFKWS TOPWID XLCH 158 8400 52.12 0 412 2806.27 2481 8400 54.09 1.96 3616.62 2323 4382 8400 55.09 4793.54 1901 5222 8400 55.47 0.38 4270.44 840 6825 8400 56.41 0.94 4447.43 1603 6925 8400 56.52 0.11 4552.64 100 6963 8400 56.53 0.01 4563.79 38 7063 8400 56.68 0.15 4709.07 100 8192 8100 56.91 0.22 3154.68 1129 9670 5600 57.23 0.32 4864.04 1478 11835 5600 57.7 0.47 1491.88 2165 12785 5600 58.08 0.38 2208.15 950 14950 5000 59.26 1.18 864.74 2165 16481 5000 60.55 1.29 2161.13 1531 17590 4700 61.22 0.67 1235.73 1109 471 B¶ng 7.6 Tãm t¾t sè liƯu in tõ HEC-2 (tiÕp) 19649 4700 62.8 1.59 871.06 2059 21233 4700 63.81 2297.85 1584 22300 4700 64.6 0.79 871.92 1067 22500 4700 64.9 0.31 101 200 22525 4700 64.9 0 101 25 22551 4700 65.07 0.17 1081.4 26 S¸u tr−êng lại đờng SB xác định công trình hình thang mở rộng sử dụng tính toán dòng chảy thấp (BWC = độ rộng đáy, BWP = độ rộng cđa c¸c bÕn b·i, BAREA = diƯn tÝch thùc më rộng phía dới dây cung thấp, SS = độ dốc mái đứng, ELCHU, ELCHD = cao trình đảo ngợc lòng dẫn thợng hạ lu công trình) Đờng X2 với trờng miêu tả sử dụng phơng pháp công trình đặc biệt, dây cung thấp (ELLC) cao trình đỉnh công trình đợc chứa đựng đờng X2 (trờng 5) Đối với vị trí cố định 6963, ELLC = 53,6 ft ELTRD = 54,5 ft Bảng 7.5 7.6 ngụ ý công trình đợc nằm cao dòng chảy 100 năm dòng chảy qua tràn có áp xẩy Tính toán cao trình mặt nớc CWSEL 56,53 ft vị trí 6963 Một công trình thứ hai nằm vị trí 22525 có trạng thái vợt trội cao trình không rõ ràng (CWSEL = 64,9 ft ELLC = 66,2 ft), có dòng chảy có áp nằm dới công trình đợc tính toán HEC-2 Mặt cắt ngang thông thờng xẩy từ mặt cắt số 7063 bắt gặp công trình đặc biệt mặt cắt số 22525 Mặt cắt cuối đợc sinh đờng EJ, đờng mà thể công việc đà kết thúc Đờng EJ đợc sinh ba đờng khoảng trống đờng ER Đờng ER thể công việc chạy kết thúc; chạy profile kép, liệu điều khiển công việc profile chèn thêm đợc nhẩy vào đờng ER EJ Sau chơng trình HEC-2 đợc thực kết chi tiết profile yêu cầu đợc in ra, phần đợc thể thiện bảng 7.5 Tất giá trị đà liệt kê đầu bảng đợc tính toán cho mặt cắt ngang (phụ lục D4) thông tin thêm đợc cung cấp nh lời cảnh báo điều kiện dòng chảy đâu đạt đến trạng thái phân giới Chú ý, kết in ứng với công trình đặc biệt cho mặt cắt số 6963 Nói thêm, đồ thị profile đợc yêu cầu, nh đà thể hình 7.16(a), đâu chữ khác đồ thị đà đợc xác định nh đà thể Tóm tắt số liệu kết đợc trình bày bảng 7.6 mà có liên quan tới bảng 150 HEC-2 Các bảng cung cấp sở thông tin yêu cầu để xác định cao trình mặt nớc (CWSEL), lu tốc kênh dẫn (VCH), diện tích, lu lợng (Q), độ rộng đỉnh số biến khác đợc yêu cầu đờng J3 Xem sổ tay hớng dẫn sử dụng (trung tâm kỹ s thuỷ văn, 1982) Một danh sách thông số đầu vào đầu đợc cung cÊp chi tiÕt h¬n phơ lơc D4 HEC-2 đợc sử dụng để phân tích tác dụng chế độ thuỷ lực đến biến đổi lòng dẫn đỉnh dòng chảy Đối với ví dụ sông nhánh (Garner's Bayou), tồn 100 năm vùng ngập lũ CWSEL đợc mô tả hình 7.16(a) (b) (lên tới 14950 điểm cố định) Giả thiết khu vực đê bối hình 7.15 đợc xây dựng gần vùng ngập lũ, để làm giảm bớt nâng lên mực nớc, lòng 472 dẫn đợc đề xuất mặt cắt từ cửa tới điểm 7063 Lòng dẫn đợc nhập sử dụng đờng CI sau đờng X1 Chức CI cho phép sửa chữa liệu mặt cắt ngang (đờng GR) cho lòng dẫn hình thang Quá trình sửa chữa cửa thợng lu CI có độ rộng đáy = 0,01 Hình 7.16 (a) Sự phân chia profile mặt nớc vẽ HEC-2 473 Dữ liệu lòng dẫn CI bao gồm vị trí đờng trục (đờng tâm), cao trình đáy, hệ số Manning n, độ dốc mái bên trái , bên phải, độ rộng đáy Con đê bối đợc nhập vào HEC-2 việc thay đổi đờng GR mặt cắt ngang số 2481, 4382, 5122 để phán ảnh diện khu vực bÃi tràn bên phải (nhìn theo hớng hạ lu) Hình 7.17 thể sơ đồ mặt cắt ngang 4382 với có mặt đê bối lòng dẫn đề xuất Hình 7.16(b) thể ảnh hởng đê bối đề xuất với tồn điều kiện biến chuyển lòng dẫn Đê bối nâng CWSEL lên 0,21 ft mặt cắt 5222 Với lòng dẫn hình thang đê bối, tồn CWSEL bị thấp 1,22 ft mặt cắt 5222, 1,47 ft gần công trình (6925) 1,23 ft mặt cắt 7063 thợng lu công trình, nhng độ mặt cắt 7063 lòng dẫn phải có mực nớc thấp vùng lân cận đê bối Bảng 7.7 so sánh kết ba lần chạy HEC-2 bảng tính cao trình khác vị trí cố định lòng dẫn Hình 7.16 (b) CWSEL Ganer's Bayou có lòng dẫn/đê bối Hình 7.17 Mặt cắt ngang Ganer's Bayou vị trí 4382 474 HEC-2 đợc sử dụng để (1) xác định ảnh hởng thay đổi đỉnh dòng chảy từ phát triển đô thị nh hồ chứa, (2) ảnh hởng thay đổi hệ số nhám hay kích thớc lòng dẫn, (3) ảnh hởng việc thiết kế thêm công trình thuỷ bắc ngang thay đổi công trình mở rộng, (4) ảnh hởng thay đổi cao trình mực nớc ban đầu hạ lu (tức chỗ nhập lu dòng chảy lớn) Cuối cùng, HEC-2 đợc sử dụng để tạo loạt CWSEL dòng chảy tơng ứng để tính toán mối quan hệ lu lợng - kho chứa cho HEC1 Vì HEC1 HEC-2 cung cấp công cụ máy tính hữu ích cho việc phân tích thiết kế thuỷ văn Bảng 7.7 So sánh CWSEL ®èi víi Garner's HEC-2 Sè Q CWSEL mặt cắt (ft /s) Khoảng cách Độ rộng Difference Độ rộng cực đại (4 - 3) cực đại (3 - 5) kênh 158 8400 52.12 52.12 0.14 51.98 2481 8400 54.09 54.09 1.04 53.05 4382 8400 55.09 0.06 55.15 1.21 53.88 5122 8400 55.43 0.14 55.57 1.24 54.19 5222 8400 55.48 0.21 55.69 1.22 54.26 6825 8400 56.41 0.1 56.51 1.43 54.98 6925 8400 56.52 0.09 56.61 1.47 55.05 6963 8400 56.53 0.09 56.62 1.35 55.18 7063 8400 56.68 0.08 56.76 1.23 55.45 8192 8100 56.91 0.05 56.96 0.85 56.06 9670 5600 57.23 0.04 57.27 0.7 56.53 11835 5600 57.7 0.03 57.73 0.51 57.19 12785 5600 58.08 0.03 58.11 0.41 57.67 Tóm tắt Chơng trình bày lại số kiến thức dòng chảy không kênh hở Dòng chảy đợc tính toán bắt nguồn từ phơng trình Manning ví dụ đợc trình bày cho khác hình dạng lòng dẫn Các điều dòng chảy giới hạn đợc xác định số Froude đợc sử dụng làm đặc trng cho điều kiện lòng dẫn Các phơng trình dòng chảy biến đổi chậm đợc bắt nguồn sở tổn thất lợng qua lòng dẫn Các phơng trình đợc sử dụng để phân loại dạng profile mặt nớc tính toán nớc vật mà đà đợc trình bày ví dụ Mô hình HEC-2 công cụ mềm dẻo mà đợc sử dụng để tính toán dạng profile mặt nớc dòng chảy tự nhiên hay nhân tạo Nó chứa đựng tất hệ số thuỷ lực cần thiết phơng trình cho hầu hết điều kiện dòng chảy mà bắt gặp sử dụng số chức 475 đặc biệt cho công trình bình thờng hay đặc biệt, profile kép, diện tích ảnh hởng, xâm lấn phân nhánh dòng chảy Các ví dụ chi tiết đợc trình bày chơng đợc thiết lập để thể đặc trng nhập xuất liệu ứng dụng chi tiết trình bày sổ tay hớng dẫn sử dụng HEC-2 Bài tập 7.1 Hệ thống cống dẫn nớc sông Colorado có mặt cắt ngang thể hiển nh hình vẽ P7.1 Khi nớc cống có độ sâu 10,2 ft, lu lợng đo đợc 1600 ft3/s Nếu n = 0,014, hỏi S0 (a) ft/ft (b) ft/mi? Hình P7.1 7.2 Một kênh hở hình chữ nhật với độ rộng 2m độ sâu kênh 0,45m Tính lu lợng kênh theo trờng hợp: a S0 = 0,002 m/m b S0 = 0,006 m/m c S0 = 0,012 m/m biÕt r»ng n = 0,014 7.3 Một kênh dẫn có hình dạng nh hình vẽ P7.3, với độ dốc đáy 0,0016 ft/ft Biết hệ số Manning n có giá trị tơng ứng với khu vực Giả thiết Q = Q1 + Q2 + Q3 vµ y1 = ft, y2 = 10 ft, y3 = ft H·y xác định lu lợng kênh? 7.4 Nớc kênh dẫn hình chữ nhật có độ sâu 2m, độ rộng kênh 2,5m, lu tốc trung bình 5,8m/s C = 100 Hỏi độ dốc kênh bao nhiêu? (sử dụng công thức Chezy) Hình P7.3 7.5 Một kênh dẫn có mặt cắt hình tam giác với độ dốc mái kênh 450, lu tốc dòng nớc chảy qua mặt cắt 10 ft/s Xác định hệ số nhám Chezy C? Biết độ dốc đáy 0,03 ft/ft độ sâu ft 7.6 Trong kênh dẫn mặt cắt hình thang có lu lợng chảy qua 900 ft3/s Biết kênh có S0 = 0,001, n = 0,015, độ rộng đáy kênh b = 20ft độ dốc mái kênh có tỷ lệ 1:15, hÃy xác định độ sâu dòng yn kênh? 476 7.7 HÃy xác định độ sâu dòng kênh có mặt cắt hình tam giác nh hình vẽ P7.7 Biết S0 = 0,0005 m/m, Q = 40 m3/s vµ n = 0,030 Hình P7.7 7.8 Xác định độ sâu giới hạn l−u tèc giíi h¹n cđa hƯ thèng cèng dÉn n−íc sông Colorado (giống nh tập số 7.1) lu lợng Q = 1500 ft3/s 7.9 Xác định độ sâu giới hạn lu tốc giới hạn kênh hình tam giác (giống nh tập số 7.7) tr−êng hỵp sau: a Q = 10 m3/s b Q = 50 m3/s 7.10 HÃy xác định vị trí mà mực nớc thay đổi bị gây trớng ngại vật có độ cao 0,2 ft nằm đáy kênh hình chữ nhật có độ rộng 10 ft, độ dốc kênh 0,0005 ft/ft Lu lợng chảy kênh 20 ft3/s độ sâu dòng chảy chỗ vật cản trở 0,9 ft (nh hình vẽ P7.10) Giả thiết tổn thất cột nớc Hình P7.10 7.11 Một kênh dẫn hình chữ nhật với n = 0,012 có độ rộng ft, đợc xây dựng với độ dốc 0,0006 ft/ft Tại điểm a, lu lợng kênh 60 ft3/s ya = ft HÃy xác định khoảng cách tới điểm b liệu điểm nằm hạ lu hay thợng lu điểm a? BiÕt r»ng yb = 2,5 ft 7.12 Cho mét kªnh dẫn nh 7.11 đợc đặt độ dốc 0,01 ft/ft, hỏi dòng chảy kênh giới hạn hay dới phân giới? Xác định độ sâu dòng chảy điểm 1000 ft từ điểm có độ sâu y = 1,5 ft? (nên sử dụng phơng pháp thử sai để giải toán này) 7.13 Phân loại profile mặt nớc theo bảng 7.2 theo sau: a Bài 7.11 b Bài 7.12 7.14 Phân loại độ dốc đáy (dốc thoải, giới hạn hay dốc đứng) kênh dẫn 7.1; 7.6; 7.7 7.15 Đáy dòng chảy có mặt cắt ngang hình chữ nhật với độ rộng m độ dốc 0,0002 m/m, lu lợng 8,75 m3/s Một đập đợc xây dựng chắn ngang 477 dòng chảy, điều cho mực nớc dâng lên 2,5 m thợng lu đập (nh hình vẽ P7.15) Xác định profile mặt nớc thợng lu đập tới điểm có độ sâu y = yn ± 0,1 m? BiÕt r»ng n = 0,015 (xem ví dụ 7.15) Hình P7.15 7.16 Một kênh dẫn đợc xây dựng bê tông có n = 0,020 thay đổi từ trạng thái độ dốc thoải sang độ dốc đứng Kênh có độ rộng 20 m lu lợng 180 m3/s Nếu độ dốc thoải kênh 0,0006 m/m, hÃy xác định khoảng cách thợng lu từ chỗ đổi dốc đến điểm có độ sâu y = 3,0 m (Gợi ý: sử dụng phơng pháp gièng nh− vÝ dơ 7.5 víi b−íc nh¶y cđa y 0,1 m.) 7.17 Một kênh hình chữ nhật có độ rộng 1,4 m, độ dốc 0,0026 m/m, lu lợng kênh 0,5 m3/s độ sâu 0,6 m Trong kênh có mặt cắt ngang bị co hẹp với độ rộng 0,9 m Hỏi độ sâu kênh điểm bao nhiêu? Các tập từ 7.18 đến 7.20 liên quan tới đờng phân nớc nh hình vẽ P7.18(a) (b) Cypress Creek có mặt cắt ngang hình chữ nhật với độ rộng đáy 200 ft, n = 0,03 S0 = 0,001 ft/ft East Creek có đặc trng tơng tự nhng độ rộng đáy 100 ft Biểu đồ bÃo 100 năm đợc cho hai sông nhánh Giả thiết dòng chảy sông nhánh đợc trì không đổi phía điểm C biểu đồ thuỷ văn 100 năm Cypress Creek bao gồm dòng chảy vào từ East Creek điểm C 7.18 Xác định độ sâu dòng giới hạn cho sông nhánh đỉnh dòng chảy Hình P7.18 7.19 Giả thiết East Creek gặp Cypress Creek góc bên phải Sử dụng cao trình ban đầu điểm C với dòng chảy 100 năm Cypress Creek, phát triển 478 profile mặt nớc 100 năm East Creek Sử dụng ba điểm cao trình ban đầu cao trình y = 1,1yn 7.20 Đề xuất cải tiến lân cận đờng phân lu East Creek mà đỉnh dòng chảy bÃo 100 năm tăng lên 1000 ft3/s Vấn đề cho thay đổi cao trình 100 năm East Creek phía điểm C Xác định profile mặt nớc 100 năm đối víi East Creek Sư dơng b−íc nh¶y ∆y = 0,15 ft lên tới y = 1,1yn 7.21 Một sông nhánh có mặt cắt hình chữ nhật có chiều dài mi (10,560 ft) với cầu gỗ nằm đoạn sông nghiên cứu (x = 5280 ft) (xem hình vẽ P7.21) Sông đợc nạo vét (n = 0,0.25), có độ rộng đáy 200 ft độ dốc đáy 0,001 Đỉnh dòng chảy 100 năm tính toán 10000 ft3/s ứng với toàn 2-mi đoạn sông nghiên cứu a Tính độ sâu dòng b Tính độ sâu phân giới Hình P7.21 7.22 Cho lòng dẫn nh 7.21, cao trình mực nớc hạ lu 10 ft Một nhà đợc xây dựng vị trí có khoảng cách x = 2640 ft phía thợng lu cầu a Ngôi nhà nên đợc xây dựng cao trình để bảo đảm an toàn lụt 100 năm (bỏ qua ảnh hởng cầu)? Chú ý tới lu tốc dòng chảy hạ lu cầu b.Tính tổn thất cột nớc chảy qua cầu theo phơng trình Yarnell (phơng trình 7.37), với K = 0,95, a = 1/10 lu tốc hạ lu cầu đợc tính phần (a) c.Xác định cao trình sàn nhà để an toàn lũ tính đến ảnh hởng cầu So sánh cao trình tính đợc hai phần (a) (b) Cầu có ảnh hởng tới cao trình sàn nhà (nếu có)? 7.23 Xuất phát từ đờng cong nớc vật ví dụ 7.5 với cao trình ban đầu hạ lu 8,5 ft Tất thông số khác giữ nguyên 7.24 Thiết lập cấu trúc liệu đầu vào sử dụng HEC-2 để chạy ví dụ 7.5 với cao trình ban đầu hạ lu 8,5 ft 7.25 Quay lại ví dụ HEC-2 (phần 7.15) từ vị trí cố định 158 tới vị trí 7063 với trờng hợp sau:a.Đỉnh dòng chảy tăng lên 10000 ft3/s.b Đỉnh dòng chảy hạ xuống 6000 ft3/s So sánh kết với hình 7.16 479 Tài liệu tham khảo Chow, V T., 1959, Open Channel Hydraulics, McGraw-Hill Book Company, New York Daugherty, R L., J B Franzini, and E J Finnemore, 1985, Fluid Mechanics with Engineering Applications, 8th ed., McGraw-Hill Book Company, New York Fox, R W., and A T McDonald, 1985, Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley and Sons, New York Hoggan D H., 1989, Computer-Assisted Floodplain Hydrology and Hydraulics, McGraw-Hill, New York Hydrologic Engineering Center, 1982 HEC-2 U‘ater Surfüce Profiles, User’s Manual, U.S Army Corps of Engineers, Davis, California King, H W., and F F Brater, 1976, Handbook of Hydraulics, 6th ed., McGraw-Hill Book Company, New York 480 ... trình (7 .2 2) Các giá trÞ cđa y, A, P, R, V, Vm, Rm, S, y + V2 , x x đợc thể 2g hiƯn ë b¶ng d−íi 439 V2 (ft) 2g ∆X x = ∑∆x (ft) (ft) y A P R V Vm Rm (ft) (ft 2) (ft) (ft) (ft/s) (ft/s) (ft) 3.85... 26200 54.9 272 81 53.1 274 00 53.0 274 84 38 .7 275 38 GR 37. 6 275 62 39.5 276 07 52.5 276 63 52.6 277 07 57. 1 277 49 GR 57. 3 278 00 56.5 278 87 53.9 279 00 53.9 28000 54.6 28200 GR 56.2 28500 57. 5 29000 59.0... 3.61 7. 27 7. 57 3.53 0.0030 5.82 -8 0.00 -1 51.4 5.30 148.14 39.11 3 .79 6 .75 7. 01 3 .70 0.0024 6.01 -1 35 .70 -2 87. 1 5.60 159.04 40.19 3.95 6.29 6.52 3. 87 0.0020 6.21 -2 00.00 -4 87. 1 5.90 170 .22 41.27