Hình 5.1: Biểu tượng Channel Calculator
Hình 5.2: Giao diện Channel Calculator
Channel Calculator có thể tính toán toàn bộ các thông số thủy lực cho tiết diện dòng chảy trong điều kiện dòng chảy đều, ổn định tại một thời điểm, đối với các dạng kênh hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác, hình tròn hoặc hình dạng người dùng tự định nghĩa (bất quy tắc), dựa trên chiều sâu hoặc lưu lượng cho trước.
Với hình học kênh được chọn, Toolbox sẽ yêu cầu người dùng nhập các thông số cần thiết bao gồm: định nghĩa tiết diện, độ dốc thành kênh, độ dốc đáy kênh, chiều rộng đáy, đường kính (nếu có), độ dốc kênh, hệ số nhám Manning’s n, và lưu lượng hoặc chiều sâu.
Thông tin chi tiết về các phương trình sử dụng trong công cụ tính toán kênh có thể được tìm thấy trong tài liệu sau:
Schall, J.D., Richardson, E.V., Morris, J.L., June 2008, Introduction to Highway Hydraulics, Hydraulic Design Series No. 4, Fourth Edition, FHWA-NHI-08-090, HDS 4.
🔗 https://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/library_arc.cfm?pub_number=47&id=138
5.1 Channel Equation
Phương trình Manning tính toán lưu lượng (discharge) hoặc chiều sâu (depth), tùy theo lựa chọn.
Phương trình Manning được cho như sau:
$$Q = \frac{k_u}{n} A R^{2/3} S^{1/2} \quad \text{(HDS-4, Eqn. 4.5)}$$
Trong đó:
- Q = Lưu lượng (Discharge), m³/s (ft³/s)
- n = Hệ số nhám Manning (Manning’s Roughness Coefficient)
- A = Diện tích dòng chảy, m² (ft²)
- P = Chu vi ướt, m (ft)
- R = Bán kính thủy lực, m (ft), (=A/P)
Nếu người dùng chọn hình học tiết diện, phương pháp Lotter sẽ xác định hệ số nhám Manning tổng hợp. Phương pháp này giả định rằng tổng lưu lượng kênh bằng tổng lưu lượng của các vùng phụ. Phương pháp này thường được dùng cho kênh hở có hình dạng bất quy tắc, bao gồm các bãi ngập tự nhiên.
Phương trình Lotter được cho như sau:
$$n_c = \sqrt{\frac{\sum (P_n n_n^2)}{P}} = \sqrt{\frac{P_1 n_1^2 + P_2 n_2^2 + \cdots + P_n n_n^2}{P}}$$
Trong đó:
- nc = Hệ số nhám Manning tổng hợp
- n = Hệ số nhám Manning
- P = Chu vi ướt
- Pn, nn = Giá trị chu vi và hệ số nhám của từng vùng phụ trong tiết diện
5.2 Channel Types
Channel Calculator cung cấp năm loại hình kênh để lựa chọn:
- Trapezoidal (hình thang)
- Rectangular (hình chữ nhật)
- Triangular (hình tam giác)
- Circular (hình tròn)
- User Defined Cross Section (tiết diện do người dùng tự định nghĩa)
Mỗi loại kênh yêu cầu các biến đầu vào hơi khác nhau. Khi bạn chọn một loại kênh, một cửa sổ nhập liệu sẽ xuất hiện.
5.3 Channel Plot Options
Chọn nút “Plot” để hiển thị đồ thị hình học kênh và cao độ mặt nước. Nút “Compute Curves” sẽ vẽ đồ thị chiều sâu mặt nước hoặc lưu lượng theo biến do người dùng chọn trong số chín tùy chọn có sẵn. Nhấp đúp vào biểu đồ sẽ mở một cửa sổ mới cho phép người dùng thay đổi giao diện biểu đồ. Có các thẻ để chỉnh sửa Tổng quan, Đồ thị, Trục, Phông chữ, Màu sắc và Kiểu dáng. Tất cả các loại hình kênh đều có các tùy chọn “Plot” và “Compute Curves” giống nhau.
Hình 5.3: Đồ thị kênh thể hiện mối quan hệ giữa chiều sâu và lưu lượng
Hình 5.4: Các tùy chọn hiển thị đồ thị