7.1 Tính Toán Đập Tràn
Một đập tràn thường là một rãnh có hình dạng đều đặn (hình chữ nhật, vuông hoặc tam giác) với bề mặt tự do. Mép hoặc mặt mà nước chảy qua được gọi là đỉnh đập (crest).
Hình 7.2: Các loại đỉnh đập tràn, từ FHWA HDS 4, hình 3.6.
Phương trình đập tràn (Weir Equation):
$$Q = C_D L H^{3/2}$$
Trong đó:
- Q = Lưu lượng, m³/s (hoặc ft³/s)
- CD = Hệ số lưu lượng của đập tràn (cạnh sắc hoặc đỉnh rộng)
- L = Chiều dài dòng chảy ngang qua đập (tức là bề rộng kênh), m (hoặc ft)
- H = Chiều cao mực nước trên đỉnh đập, m (hoặc ft) (Được đo tại vị trí cách đập khoảng 2.5 lần chiều cao H ở phía thượng lưu.)
Hình 7.3: Sơ đồ các thông số đầu vào của đập tràn
Ghi chú:
Chiều dài dòng chảy ngang qua đập trong phương trình chính là bề rộng kênh.
Các hệ số lưu lượng CD được liệt kê trong phần phụ lục của nhiều sổ tay kỹ thuật, tương ứng với các loại đập tràn và điều kiện dòng chảy khác nhau. Nếu nhập thông tin đập tràn theo hệ đơn vị Mét, lưu ý rằng CD có đơn vị là \(\sqrt{g}\). Do đó, khi các giá trị CD trong hệ Anh cần chuyển sang hệ Mét, phải nhân với: \(\sqrt{9.81 / 32.2} \approx 0.552\)
Khi chuyển đổi giữa hệ Anh và hệ Mét, Hydraulic Toolbox sẽ tự động xử lý việc quy đổi hệ số lưu lượng CD.
Thông tin chi tiết về các phương trình được sử dụng trong máy tính đập tràn được trình bày trong tài liệu tham khảo 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
7.2 Giao Diện Tính Đập Tràn (Weir Calculator Interface)
Hình 7.4: Weir calculator
Công cụ Weir Calculator cung cấp 8 hình dạng mặt cắt ngang đập tràn để phân tích:
- Rectangular (hình chữ nhật)
- Cipolletti (hình thang với mái dốc 4:1 theo phương đứng/ngang – V:H)
- V-notch (góc 90 độ)
- V-notch (góc 60 độ)
- V-notch (góc 45 độ)
- V-notch (góc 22.5 độ)
- User-defined v-notch (V-notch do người dùng xác định)
- Irregular weir (đập tràn không đều)
Đối với các đập tràn V-notch (bao gồm cả V-notch do người dùng xác định), cửa sổ phân tích đập tràn yêu cầu người dùng chọn mặt cắt ngang của đập tràn (V-notch và góc nghiêng) và nhập mực nước hoặc lưu lượng. Nếu người dùng chọn V-notch do người dùng xác định, người dùng có thể chọn hệ số đập tràn.
Đập Cipolletti yêu cầu người dùng nhập chiều dài đập (chiều dài của đỉnh ngang thấp trong hình dạng đập thang), và nhập mực nước hoặc lưu lượng.
Đập hình chữ nhật yêu cầu người dùng nhập chiều dài đập, mực nước hoặc lưu lượng, và nhập hệ số đập tràn với giá trị mặc định là 1.711.
Hãy tham khảo hướng dẫn của đơn vị bạn để chọn hệ số đập tràn khác với giá trị mặc định. Điều này áp dụng cho đập hình chữ nhật và đập V-notch do người dùng xác định.
7.2.1 Irregular Weir (đập tràn tự định nghĩa)
Hình 7.5: Công cụ đập tràn đặt ở chế độ Irregular Weir
Đập tràn Irregular cho phép người dùng xác định hình dạng của đập tràn thông qua một loạt điểm được chỉ định theo station (khoảng cách cộng dồn) và cao độ. Sau khi nhập các điểm này, Hydraulic Toolbox sẽ xác định điểm thấp nhất của đỉnh đập và hiển thị nó là cao độ đỉnh tối thiểu. Mực nước hoặc lưu lượng sẽ được tính bằng cách cộng dòng chảy qua từng đoạn riêng lẻ của đập tràn không đều, sử dụng phương trình đập tràn cùng với hệ số lưu lượng được tính toán hoặc người dùng chỉ định và điều chỉnh.
Máy tính đập tràn yêu cầu các yếu tố: hình học đập, chiều rộng đập (khoảng cách nước chảy qua đỉnh), bề mặt đập (nhựa, sỏi, hoặc người dùng định nghĩa), và một trong hai yếu tố:
- Mực nước (chiều cao nước trên cao độ đỉnh tối thiểu),
- Hoặc lưu lượng dòng chảy.
(Lưu ý: sử dụng cao độ đỉnh tối thiểu, không sử dụng cao độ mực nước ở đầu dòng hoặc mực nước ở hạ lưu.)
Lưu ý: Chiều rộng đập (Weir Width) chỉ áp dụng cho Irregular Weir. Chiều rộng đập là khoảng cách ngang qua đỉnh đập, được dùng để xác định xem đó là đập mép sắc hay đập đỉnh rộng.
Hệ số lưu lượng sẽ được xác định cho mặt đập bằng nhựa hoặc sỏi, hoặc do người dùng chỉ định. Mỗi đoạn riêng lẻ của đập sẽ có hệ số riêng tùy thuộc vào chiều rộng đỉnh (để xác định đập sắc mép hay không). Tất cả các hệ số lưu lượng cũng được điều chỉnh theo mức ngập (submergence). Sau khi hoàn tất tính toán đập tràn, người dùng có thể xem các hệ số đã được áp dụng cho từng đoạn của đập.
Hình minh họa bên dưới thể hiện nguồn gốc của các hệ số lưu lượng được sử dụng với bề mặt nhựa hoặc sỏi và các yếu tố ngập trong Hydraulic Toolbox. Hình này lấy từ HDS-5 và cũng được sử dụng trong HY-8.
