CHƯƠNG 11: DÒNG CHẢY BÙN CÁT TRONG SÔNG
11.4 Thiết kế kênh dẫn ổn định
Thiết kế kênh dẫn ổn định là vấn đề rất quan trọng. Đã có rất nhiều lý thuyết đã được đề xuất, tuy nhiên chưa có một phương pháp phân tích nào có được chấp nhận hoàn toàn. Việc thiết kế và phân tích kênh dẫn nước phù sa đôi khi là một nghệ thuật và với lý do này các kỹ sư thiết kế như là một người nghệ sỹ đóng vai trò quan trọng nhất trong việc tìm kiếm giải pháp cuối cùng.
Có 2 phương pháp thường dùng trong thiết kế ổn định kênh dẫn nước phù sa: (1) Phương pháp lưu tốc cho phép lớn nhất, lực kéo lớn nhất và (2) Phương pháp dựa trên quan hệ kinh nghiệm.
11.4.1 Phương pháp lưu tốc cho phép lớn nhất, lực kéo lớn nhất 11.4.1.1 Lưu tốc và lực kéo cho phép
Hai nhân tố thay đổi trong thiết kế kênh dẫn là lưu tốc và ứng suất tiếp. Trong thực tế xác định ứng suất tiếp là vấn đề hết sức khó khăn và phức tạp. Vì thế nên lưu tốc thường được chấp nhận như là một thông số quan trọng nhất trong thiết kế kênh dẫn nước. Với giá trị lưu tốc lớn nhất lựa chọn mà không làm phát sinh xói lo khi lưu tốc bằng hoặc nhỏ hơn giá trị lớn nhất này thì xem như vấn đề đã được giải quyết.
Rất nhiều nghiên cứu và kinh phí đã dành để xây dựng một lời giải hợp lý cho bài toán. Rất nhiều phưong pháp đã được đề xuất.
Tuy nhiên, quá trình thực nghiệm đã phát hiện ra các vấn đề khác biệt. Lấy ví dụ bùn cát vận chuyển trong kênh dẫn vẫn có thể ổn định với lưu tốc cao hơn lưu tốc giới hạn. Fortier và Scobey (1925) đã phát hiện một sự tăng lên rõ ràng của lưu tốc cho phép lớn nhất khi nước chuyển động qua môi trường phù sa keo dính. Vậy thì làm sao có thể xác định được lưu tốc cho phép?
Khi dòng nước trong chảy qua một kênh đào có bờ la phù sa bồi tích, sức cản của bờ đối với dòng chảy có thể được ước lượng theo công thức sau:
D logR
*
b U a
U = + (11.18)
Quan hệ này được áp dụng trong điều kiện trước khi có sự khởi động của bùn cát.
Giá trị U* có thể xác định từ tiêu chuẩn Meyer-Peter hoặc Shield khi nhiệt độ của nước và các đặc tính khác của vật chất có thể di chuyển là không đổi. Nếu R tăng thì giá trị
U*
U tăng. Nhưng U* có thể giữ ở giá trị không đổi voi việc giảm độ dốc sao cho phù hợp. Tuy nhiên trong trường hợp này có thể tăng khi tỷ lệ
D
R tăng lên. Vì thế, ảnh hưởng của lưu tốc trung bình đến khởi động của bùn cát rất khó để xác định chính xác và phương pháp lưu tốc cho phép nên được đưa ra nghiên cứu thận trọng trước khi áp dụng nó trong các vấn đề thiết kế ổn định kênh dẫn.
Bảng 11.3 Độ sâu nổi tàu trong thiết kế kênh dẫn 1. Kênh thẳng (Lined Channels)
Kênh chính Kênh cấp 2 Kênh nhánh Máng nâng
Độ sâu nổi tâu (cm) 15
12 5 5 2. Earth Canals
Kênh thoát lũ chính (nông thôn) 75
Kênh thoát lũ chính (khu dân cư) Kênh tiêu
Kênh xả xiết
100 15 100 11.4.1.2 Phương pháp lưu tốc cho phép lớn nhất
Nếu lưu tốc trung bình của kênh dẫn được chấp nhận nhỏ hơn lưu tốc cho phép lớn nhất kênh được coi là ổn định. Sự giới hạn này đã được Fortier và Scobey đề xuất (1926). Họ đã kết thúc các bài báo của mình bằng việc nhấn mạnh khả năng tự quyết định một cách có hiệu quả của người kỹ sư thiết kế đối với từng trường hợp cụ thể.
Sau này, Hội đồng đặc biệt nghiên cứu về tưới tiêu ASCE (Special Committe on Irrigation Research) cũng đã giới thiệu sc giới hạn này. Sau đó, rất nhiều thiết kế đã dựa trên đề xuất của họ về lưu tốc cho phép.
11.4.1.3 Phương pháp ứng suất tiếp tiêu chuẩn
Ứng suất tiếp tiêu chuẩn được xác định theo công thức:
E
c γRS
τ = (11.19) hoặc τc =ρU*2 (11.20)
Tiêu chuẩn khởi động ban đầu của bùn cát thiết lập U* và τ . Phương pháp này không bị giới hạn bởi sự không rõ ràng kết hợp với các phương pháp đã thảo luận trong mục trước.
Ứng suất tiếp τ được coi là một hằng số tại một điểm trên kênh dẫn khi các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy và đặc trưng hình học của kênh dẫn tồn tại không đổi nhưng nó thay đổi theo mặt cắt ngang (Hình 11.9). Sự thay đổi này đã được Lane (1953) và những người khác công bố. Sự phân bố động lực dựa trên sự phân tích lý thuyết sử dụng màng tương tự và số liệu thực địa. Nhưng nếu kênh dẫn là đường cong hoặc hình dạng hình học khác, hệ số 0,75 và 0,97 chỉ ra trong hình 11.9 không còn giá trị. Ví dụ các hệ số ở các khúc cong là 2,5 được đo bởi Ippen và Drinker .
Dựa trên các phân tích trước đó và nghiên cứu thực địa, Lane và Carlson (1953) đã đưa ra Hình 11.10
Hình 11.9 Lực kéo lớn nhất chống lại b/d