Đập tràn đỉnh rộng (Broad-crested weir)
Là đập tràn có đỉnh nằm ngang, chiều cao bất kỳ, mép vào thượng lưu có thể xiên hoặc vuông cạnh. Ngưỡng tràn có hình dạng tùy ý và chiều dày đập thỏa điều kiện. (2 - 3 )H < δ < ( 8 - 10 )H Hay khi P = P 1 , nếu dòng chảy ...
Là đập tràn có đỉnh nằm ngang, chiều cao bất kỳ, mép vào thượng lưu có thể xiên hoặc vuông cạnh.
Ngưỡng tràn có hình dạng tùy ý và chiều dày đập thỏa điều kiện.
(2 - 3 )H < δ < ( 8 - 10 )H
Hay khi P = P1, nếu dòng chảy bị thu hẹp, trụ cầu, cống ở đầu kênh khi cửa cống kéo lên khỏi mặt nước ...
Khi chiều dày đỉnh đập thay đổi
Quan sát các dạng dòng chảy qua đập tràn có ngưỡng (P>0), không co hẹp, chảy không ngập và có chiều dài thay đổi như sau
- 2H< δ<4H: mực nước cắt hk trên đỉnh đập, là trường hợp quá độ từ đập tràn thực dụng sang đập tràn đỉnh rộng.
- 3H< δ<8H: có mực nước co hẹp thấp hơn độ sâu phân giới (hc<hk), đường mực nước dâng lên nhưng h<hk. Đây là hình thức chảy điển hình đập tràn đỉnh rộng. (Hình 4-12)
- δ=(8÷10)H: dòng chảy không đủ năng lượng để duy trì trạng thái chảy xiết trên toàn bộ chiều dài đập. Nên phần trước là chảy xiết theo đường dâng, có nước nhảy sóng trên đập và phần sau là chảy êm.
- δ>10H: Có nước nhảy sóng trên đập dần lên phía thượng lưu đè lên mặt cắt co hẹp. Đây có thể xem trường hợp dạng dòng chảy quá độ chuyển qua đoạn kênh ngắn.
Ảnh hưởng của mực nước hạ lưu
Xét các chế độ chảy ứng với chiều dài đập điển hình, khi mực nước hạ lưu dần tăng lên như sau:
- Khi mực nước hạ lưu cao hơn ngưỡng, nhưng chưa cao lắm thì dòng chảy có nước nhảy ngập hay nhảy sóng ngoài đập. Lúc này mực nước hạ lưu không ảnh hưởng gì đến chế độ chảy qua đập.
- Tăng mực nước hạ lưu tăng đến khi có nhảy sóng lan truyền đến đỉnh đập, phần trước vẫn còn chảy xiết và phần sau chảy êm có sóng. Lúc này dòng chảy tự do mặc dù hn khá lớn. (Hình 4-13)
- Tiếp tục tăng mực nước cho đến khi nước nhảy sóng ngập mặt cắt co hẹp, mực nước hạ lưu ảnh hưởng đến lưu lượng chảy qua đập.
- Sau đó tiếp tục tăng mực nước hạ lưu thì độ sâu trên đỉnh đập tăng dần, biên độ sóng giảm, tiến tới mực nước trên đỉnh đập nằm ngang thấp hơn hạ lưu một độ cao z2 gọi là độ cao hồi phục. (Hình 4-14)
Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt cắt ( 0-0 ) và ( 2-2 ) và lấy đỉnh đập làm chuẩn. Theo sơ đồ hình (4-14). Bỏ qua tổn thất cột nước trên đỉnh đập. Ta có :
H + αv 0 2 2g = h + αv 2 2g + ∑ ζ v 2 2g size 12{H+ { {αv rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } =h+ { {αv rSup { size 8{2} } } over {2g} } + Sum {ζ} { {v rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}
thay (4-4) vào được: H0=h+α+∑ζv22g size 12{H rSub { size 8{0} } =h+ left (α+ Sum {ζ} right ) { {v rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}
Đặt ϕ=1α+∑ς size 12{ϕ= { {1} over { sqrt {α+ Sum {ς} } } } } {}
Ta được: v=ϕ2gH0−h size 12{v=ϕ sqrt {2g left (H rSub { size 8{0} } - h right )} } {}
Vậy công thức tính về đập tràn đỉnh rộng là:
Q = Av = ϕA 2g H 0 − h size 12{Q= ital "Av"=ϕA sqrt {2g left (H rSub { size 8{0} } - h right )} } {}
Nếu mặt cắt đập là hình chử nhật:
Q = ϕ bh 2g ( H 0 − h ) size 12{Q=ϕ ital "bh" sqrt {2g ( H rSub { size 8{0} } - h ) } } {}
Ta có thể biến đổi công thức này để về dạng công thức chung của đập tràn.
Q = ϕ . b h H 0 2g 1 − h H 0 H 0 3 2 size 12{Q=ϕ "." b { {h} over {H rSub { size 8{0} } } } sqrt {2g left (1 - { {h} over {H rSub { size 8{0} } } } right )} H rSub { size 8{0} } rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}
Đặt k=hH0 size 12{k= { {h} over {H rSub { size 8{0} } } } } {}
Nên Q=ϕ.k1−k.b.2gH032 size 12{Q=ϕ "." k sqrt {1 - k} "." b "." sqrt {2g} H rSub { size 8{0} } rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}
Và đặt m=ϕ.k1−k size 12{m=ϕ "." k sqrt {1 - k} } {}
Công thức trở về dạng chung của đập tràn:
Q=mb2gH032 size 12{Q= ital "mb" sqrt {2g} H rSub { size 8{0} } rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-26)
Khi thỏa mãn điều kiện:
Ω t > 4 ∑ b H size 12{ %OMEGA rSub { size 8{t} } >4 Sum {b} H} {}
Có thể bỏ qua cột nước lưu tốc α.v022.g size 12{ { {α "." v rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } } over {2 "." g} } } {} lấy H0=H.
m=f(co hẹp, ngưỡng đập, hình dạng mố. . . )
Theo qui định tạm thời bộ dùng bảng phụ lục (4-1) tra m, có m dùng bảng tra ra φn như sau:
| m | 0,3 | 0,31 | 0,32 | 0,33 | 0,34 | 0,35 | 0,36 | 0,37 | 0,38 | 0,385 |
| φn | 0,77 | 0,81 | 0,84 | 0,87 | 0,9 | 0,93 | 0,96 | 0,98 | 0,99 | 1 |
Trị số m lấy trong khoảng 0,32 đến 0,38; thường lấy m=0,35.
Điều kiện chảy ngập
hnH0>hnH0p.g size 12{ { {h rSub { size 8{n} } } over {H rSub { size 8{0} } } } > left ( { {h rSub { size 8{n} } } over {H rSub { size 8{0} } } } right ) rSub { size 8{p "." g} } } {}= 0.75 - 0.85
hnhk>hnhkpg size 12{ { {h rSub { size 8{n} } } over {h rSub { size 8{k} } } } > left ( { {h rSub { size 8{n} } } over {h rSub { size 8{k} } } } right ) rSub { size 8{ ital "pg"} } } {}= 1.2 - 1.4
Công thức chảy ngập
Viết phương trình Bernoulli mặt cắt (0-0) và (2-2)
Và làm tương tự như không ngập. Ta có:
Q = ϕ n A 2g H 0 − h size 12{Q=ϕ rSub { size 8{n} } A sqrt {2g left (H rSub { size 8{0} } - h right )} } {}
Nếu là hình chử nhật A=bh
và h=hn - z2 (4-27)
Nên :
Q=ϕnbhn−z22gH0−hn+z2 size 12{Q=ϕ rSub { size 8{n} } b left (h rSub { size 8{n} } - z rSub { size 8{2} } right ) sqrt {2g left (H rSub { size 8{0} } - h rSub { size 8{n} } +z rSub { size 8{2} } right )} } {} (4-28)
Độ cao hồi phục Z2 có thể xác định theo cách, viết phương Becnuiy qua hai mặt cắt (2 -2) và (3- 3). Ta có:
αv22g=z2+αhvh22g+hW size 12{ { {αv rSup { size 8{2} } } over {2g} } =z rSub { size 8{2} } + { {α rSub { size 8{h} } v rSub { size 8{h} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } +h rSub { size 8{W} } } {} lấy: α= αh = 1
Theo Borda, ta có:
h W = v − v h 2 2g size 12{h rSub { size 8{W} } = { { left (v - v rSub { size 8{h} } right ) rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}
Vậy: z2=v22g−vh22g−v−vh22g size 12{z rSub { size 8{2} } = { {v rSup { size 8{2} } } over {2g} } - { {v rSub { size 8{h} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } - { { left (v - v rSub { size 8{h} } right ) rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}
Rút gọn ta được:
z2=vhv−vhg size 12{z rSub { size 8{2} } = { {v rSub { size 8{h} } left (v - v rSub { size 8{h} } right )} over {g} } } {} (4-29)
Trong trường hợp đơn giản có thể bỏ qua z2. Trị số này có thể tra đồ thị của Cumin. Ta có thể tính gần đúng.
z2=ξ.hk
Trong đó có thể lấy gần đúng ξ= 0,1 đến 0,2.
Ngoài ra theo qui phạm tạm thời, tính cho các cống đồng bằng có thể tính z2 theo công thức:
z2=0.3−hhhk−1,33,22hhhk−3,65hk size 12{z rSub { size 8{2} } = left [0 "." 3 - { { { {h rSub { size 8{h} } } over {h rSub { size 8{k} } } } - 1,3} over {3,"22" { {h rSub { size 8{h} } } over {h rSub { size 8{k} } } } - 3,"65"} } right ]h rSub { size 8{k} } } {} (4-30)
trong đó :
hh độ mực nước hạ lưu công trình ;
hk độ sâu phân giới trên ứng với chiều rông đập tràn.
Đối với cống đồng bằng chênh lệch mực nước Δz=0,1 đến 0,3.
Trong thực tế thường phải giải quyết các dạng toán sau đây:
- Biết chiều rộng đập b, cao trình đỉnh đập và mực nước thượng hạ lưu (P, P1, H, hh), tính lưu lượng Q.
- Biết lưu lượng Q, cao trình đỉnh đập, mực nước thượng hạ lưu (P, P1, H, hh), tính chiều rộng đập b.
- Biết lưu lượng Q, chiều rộng đập b, mực nước hạ lưu hh, tính cột nước thượng lưu H (xác định cao trình đỉnh đập khi biết mực nước thượng lưu hoặc xác định mực nước thượng lưu khi biết cao trình đỉnh đập).
