Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10718:2015 ISO 4359:2013 Cấu trúc đo dòng-Máng có dạng hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 10718:2015

ISO 4359:2013

CẤU TRÚC ĐO DÒNG - MÁNG CÓ DẠNG HÌNH CHỮ NHẬT, HÌNH THANG VÀ HÌNH CHỮ U

Flow measurement structures - Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes

Lời nói đầu

TCVN 10718:2015 hoàn toàn tương đương với ISO 4359:2013;

TCVN 10718:2015 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 30 Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

CẤU TRÚC ĐO DÒNG - MÁNG CÓ DẠNG HÌNH CHỮ NHẬT, HÌNH THANG VÀ HÌNH CHỮ U

Flow measurement structures - Rectangular, trapezoidal and U - shaped flumes

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp đo dòng trong sông ngòi và kênh nhân tạo dưới các điều kiện dòng ổn định hoặc thay đổi chậm bằng cách sử dụng các loại máng sóng dừng hoặc máng có độ sâu tới hạn xác định.

Nhiều loại máng đã được phát triển tuy nhiên chi các máng có tiết diện hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U được chấp nhận vô điều kiện sau các nghiên cứu phù hợp và thử nghiệm ngoài hiện trường vì thế việc hiệu chuẩn ngoài hiện trường được coi là không cần thiết.

Các điều kiện dòng đã được xem xét chỉ phụ thuộc vào cột áp phía dòng vào, nghĩa là dòng dưới tới hạn phải xuất hiện phía dòng vào máng, sau khi dòng được tăng tốc qua phần thu hẹp và chảy qua chiều sâu tới hạn của nó (xem Hình 1). Mức nước phía dòng ra công trình phải đủ thấp để không gây ảnh hưởng đến hoạt động của máng.

Tiêu chuẩn này có thể áp dụng đối với ba kiểu máng thông dụng là máng có cổ hình chữ nhật, máng có cổ hình thang và máng có cổ hình chữ U. Việc lắp đặt ngoài hiện trường phổ biến được minh họa trên Hình 2. Các điều kiện ngoài hiện trường là quan trọng và Hình 3 minh họa các biên dạng vận tốc có thể chấp nhận được trong kênh dẫn.

Các minh họa cụ thể về ba kiểu máng được trình bày trong tiêu chuẩn này như sau:

a) máng có cổ hình chữ nhật (xem Hình 4);

b) máng có cổ hình thang (xem Hình 5);

c) máng có cổ hình chữ U, (xem Hình 6).

Tiêu chuẩn này không áp dụng đối với dạng máng được nhắc đến trong lý thuyết - đôi khi được gọi là máng Venturi - dòng luôn giữ ở mức trước tới hạn khi chảy trong máng.

CHÚ THÍCH: Dạng máng này được dựa trên cùng nguyên lý với đồng hồ Venturri được sử dụng trong hệ thống ống kín và dựa vào phép đo áp suất cột nước tại hai vị trí và áp dụng phương trình năng lượng của Bernoulli.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

ISO 772, Hydrometry - Vocabulary and symbols (Đo đạc thủy văn - Từ vựng và ký hiệu)

3  Thuật ngữ, định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ, định nghĩa nêu trong ISO 772.

4  Ký hiệu

5  Các kiểu máng và nguyên lý hoạt động

5.1  Các máng được trình bày trong tiêu chuẩn này thường được gọi là các máng có “cổ dài" hoặc các “các máng có độ sâu tới hạn” và hoạt động cơ bản dựa trên sự xuất hiện của dòng tới hạn trong cổ máng. Khi dòng tới hạn xuất hiện, đối với một hình dạng máng đã cho chỉ có một mối quan hệ duy nhất giữa cột áp phía dòng vào và lưu lượng, mối quan hệ này độc lập với các điều kiện phía dòng ra của cổ máng. Hình 1 minh họa sơ lược chỗ độ sâu tới hạn thường xuất hiện trong một máng có độ sâu tới hạn và biên dạng mặt nước được tạo ra qua một máng hình thang có cổ dài kèm theo các thông số thủy lực và hình học cơ bản.

b) Phần nằm trong kênh dẫn phía dòng vào tính từ cổ máng

c) Phần tại đoạn phía dòng ra của cổ máng

CHÚ DẪN

1  đường năng lượng tổng

2  biên dạng vận tốc thông thường

3  độ dầy lớp biên

δ^*  đã được phóng đại

Hình 1 - Máng có cổ hình thang với các thông số hình học, biên dạng mặt nước và sự phát triển của chiều dày dịch chuyển (sau Hình 8.1, của tài liệu tham khảo [9])

5.2  Do thiết kế của máng dựa trên dòng tới hạn nên tiêu chuẩn này phần lớn được xây dựng dựa trên lý thuyết thủy lực cơ bản nên không cần thực hiện phép thử dung tích cỡ lớn để dẫn xuất các hệ số cho các hình dạng khác của cấu trúc đo dòng. Để đạt được dòng tới hạn trong cổ máng thì các điều kiện sau phải được thỏa mãn:

a) Cổ máng phải đủ dài để dòng chảy gần như song song với đáy máng vì thế các điều kiện áp suất thủy tĩnh sẽ xuất hiện tại đoạn kiểm soát.

b) Lối vào tới cổ máng phải có hình dạng sắc nét sao cho gần như không có tổn hao năng tượng giữa điểm tại đó cột áp được đo và điểm tại đó dòng tới hạn xảy ra.

c) Cổ máng phải làm kênh bị thu đủ hẹp để tạo ra mức năng lượng trong cổ máng cao hơn mức năng lượng phía dòng ra để đảm bảo máng “được mô đun hóa”.

5.3  Hình 2 minh họa các ví dụ về các máng có cổ hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U. Việc lựa chọn từ ba kiểu máng này phụ thuộc vào một số yếu tố như phạm vi lưu lượng cần đo, độ chính xác được yêu cầu, cột áp hiện tại và dòng chảy có mang theo trầm tích có khả năng tạo thành khối hay không. Các đồ thị trong Phụ lục A cung cấp phương tiện so sánh nhanh phạm vi làm việc của các thiết kế máng đã được lý tưởng hóa, để hỗ trợ việc lựa chọn ban đầu về kích thước và dạng máng phải cung cấp lưu lượng và mối quan hệ kết cấu và lưu lượng.

Hình 2 - Các ví dụ về các máng có cổ hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U

5.4  Máng có cổ hình chữ nhật được xây dựng đơn giản nhất. Thông thường phải xây chỗ võng của cổ máng ở phía trên đáy của kênh phía dòng vào, để tạo ra phần thu hẹp đủ nhỏ để lưu lượng nhỏ (có thể đo được). Tuy nhiên, việc này dẫn đến chế độ tạo khối trầm tích theo thời gian và ăn mòn phía dòng vào làm ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhất quán của phép đo cột áp.

5.5  Máng có cổ hình thang thích hợp hơn với những nơi cần đo nhiều dải lưu lượng khác nhau với độ chính xác cao. Hình dạng của cổ máng này cũng phù hợp hơn với những nơi cần tạo ra đường đặc tính lưu lượng cụ thể. Trong một vài trường hợp, không cần nâng đáy của cổ máng cao hơn đáy của kênh dẫn khi sử dụng máng có cổ hình thang do vậy giảm được nguy cơ tạo khối trầm tích phía dòng vào.

5.6  Máng có cổ hình chữ U phù hợp với việc lắp đặt trong kênh có hình chữ U hoặc ở nơi dòng chảy xuất phát từ đường ống có mặt cắt ngang hình tròn. Máng có cổ hình chữ U được ứng dụng trong các công trình cống thoát nước và nước thải.

5.7  Lý thuyết đầy đủ đối với máng có độ sâu tới hạn được trình bày từ Điều 9 đến Điều 12 tuy nhiên ở đây được giới thiệu ở dạng đơn giản hóa, dựa trên giả thuyết vận tốc đi qua mặt cắt ngang của dòng chảy là đồng đều và bỏ qua các ảnh hưởng của lớp biên. Phương trình lưu lượng cơ bản đối với máng có độ sâu tới hạn có thể được dẫn xuất từ phương trình năng lượng tổng quát:

trong đó

H là chiều cao cột áp tổng phía trên đáy máng;

d là độ sâu của dòng chảy;

 là vận tốc trung bình đi qua mặt cắt ngang (= Q/A);

Q là lưu lượng;

A là diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy;

g là gia tốc trọng trường.

Bằng cách lấy đạo hàm riêng phương trình năng lượng (1) theo độ sâu, dòng tới hạn có thể được biểu diễn như sau:

trong đó chỉ số dưới c biểu thị các điều kiện tại mặt cắt ngang của dòng chảy tới hạn.

Thay thế phương trình (2) vào phương trình (1) và bỏ qua mọi tổn thất năng lượng giữa mặt phẳng đo và mặt cắt ngang của dòng tới hạn thu được phương trình dưới đây:

5.8  Thông thường, phương trình (2) và (3) được giải cùng với nhau đối với các giá trị liên tiếp của độ sâu d_c (với các giá trị tương ứng của diện tích và chiều rộng của bề mặt) để thu được mối quan hệ giữa H và Q, tuy nhiên đối với các trường hợp đặc biệt máng có cổ hình chữ nhật (xem Hình 4), chúng có thể được kết hợp với nhau để tạo ra mối quan hệ rõ ràng:

5.9  Có thể dễ dàng nhận thấy là phương trình giống nhau áp dụng (đối với chất lỏng lý tưởng) đối với dòng chảy qua đập có đỉnh ngang góc tròn. Để mở rộng phạm vi sử dụng của phương trình này, ba hệ số bổ sung có thể được đưa vào để tạo ra phương trình tổng quát đối với các máng có độ sâu tới hạn cổ dài như sau:

trong đó các hệ số là

C_D là hệ số lưu lượng có tính đến các đặc tính của lưu chất không lý tưởng, cụ thể là ảnh hưởng của lớp biên trong cổ máng;

C_s là hệ số hình dáng, có tính đến ảnh hưởng của mặt cắt ngang của dòng chảy không phải là hình chữ nhật trong cổ máng;

C_v là hệ số vận tốc, để tính cột áp đo được phía thượng lưu, h, phải được sử dụng ở những nơi có cột áp tổng hoặc năng lượng riêng, H.

5.10  Các phương trình tính các hệ số này được trình bày tại Điều 9 đến Điều 12 và thường yêu cầu giải bằng phương pháp lặp tiệm cận.

6  Lắp đặt

6.1  Lựa chọn hiện trường

6.1.1  Máng phải được đặt trong phần kênh thẳng, tránh các tắc nghẽn cục bộ, nhám hoặc không bằng phẳng của đáy.

6.1.2  Nghiên cứu ban đầu về các đặc trưng vật lý và thủy lực của hiện trường dự kiến phải được thực hiện để kiểm tra xem nó có phù hợp (hoặc có thể được xây dựng hoặc sửa chữa cho phù hợp) với các yêu cầu cần thiết đối với phép đo lưu lượng bằng máng hay không. Phải lưu ý đặc biệt đối với các tính năng sau đây trong khi lựa chọn hiện trường.

a) Kênh dẫn phải có đoạn thẳng dài ít nhất bằng 10 lần chiều cao cột nước lớn nhất dự tính.

b) Phân bố vận tốc hiện có.

c) Tránh để kênh dốc, các đặc tính của kênh dốc sẽ tạo ra dòng siêu tới hạn.

d) Các ảnh hưởng của bất kỳ yếu tố nào làm dâng các mức nước phía dòng vào do cấu trúc đo.

e) Các điều kiện phía dòng ra bao gồm các ảnh hưởng như thủy triều, các chỗ giao với các dòng chảy khác, các cửa cống, các đập giữ nước và các tính năng điều khiển khác có thể tạo ra dòng ngập.

f) Khả năng không thấm nước của nền mà công trình được xây dựng trên đó và sự cần thiết phải đóng cọc, trát hoặc các biện pháp chống thấm khác.

g) Sự cần thiết của đê ngăn lũ để hạn chế lưu lượng lớn nhất chảy vào kênh.

h) Độ bền vững của đê và sự cần thiết phải gia cố hoặc/và kè trong các kênh tự nhiên.

i) Loại bỏ đá hoặc đá cuội khỏi đáy của kênh dẫn.

j) Gió có thể gây ra ảnh hưởng đáng kể lên dòng chảy trên sông, đập hoặc máng, đặc biệt là khi chúng rộng và cột áp nhỏ và khi gió thổi theo phương ngang (phương sẽ tạo ra độ chệch khi phương phụ thuộc vào thiết bị đo đặt ngược chiều hoặc xuôi chiều với kênh dẫn).

6.1.3  Nếu hiện trường không có các đặc tính cần thiết đối với phép đo mong muốn, thì không nên chọn hiện trường này trừ khi các hành động khắc phục thích hợp được thực hiện.

6.1.4  Nếu việc kiểm tra dòng cho thấy phân bố vận tốc hiện tại tương đối đồng đều, có thể giả thiết rằng phân bố vận tốc cũng sẽ thỏa mãn sau khi xây dựng máng.

6.1.5  Nếu phân bố vận tốc hiện tại không đồng đều và không có hiện trường nào khả thi cho việc xây máng thì sau khi lắp đặt máng sẽ phải xem xét thực hiện việc kiểm tra sự phân bố và cải tạo nếu cần.

6.1.6  Một vài phương pháp có sẵn dùng để đạt được sự biểu thị phân bố vận tốc bất quy tắc chính xác hơn: các thanh vận tốc, phao hoặc mật độ của chất đánh dấu có thể được sử dụng trong các kênh nhỏ, phương pháp mật độ chất đánh dấu hữu hiệu trong việc kiểm tra các điều kiện ở đáy kênh. Việc đánh giá đầy đủ và định lượng phân bố vận tốc có thể được thực hiện bằng đồng hồ đo dòng hoặc các phép đo vận tốc điểm khác.

CHÚ THÍCH: Thông tin về việc sử dụng đồng hồ đo dòng được nêu trong ISO 748. Các thông tin chi tiết hơn về đo vận tốc trên sông và bộ định dạng Doppler âm thanh có thể tham khảo từ ISO/TS 24154.

Người sử dụng phải đảm bảo rằng chất đánh dấu được sử dụng là được phép với các mục đích đo dòng trong kênh tự nhiên ở vùng hoạt động.

6.1.7  Hình 3 đưa ra các ví dụ thông thường về các phân bố vận tốc trong các kênh có hình dạng khác nhau được phép sử dụng cho các mục đích đo dòng.

6.1.8  Các máng có thể làm cản trở sự di chuyển của cá và các loại thủy sinh. Vì thế việc bảo trì phải được thực hiện để đảm bảo việc lắp đặt các cấu trúc đo như máng không làm ảnh hưởng bất lợi đến hệ sinh thái biển ở nơi mà nó có thể chính là nguyên nhân. Ngoài ra, cấu trúc đo phải tuân thủ các quy định quốc gia hoặc quốc tế.1) Khi sự di chuyển của các loại thủy sinh có thể bị cản trở do việc lắp đặt cấu trúc đo dòng, việc này phải được phản ánh trong thiết kế. Ngoài ra, đường dẫn cá phải được lắp đặt theo ISO 26906.

6.1.9  Phải tham chiếu đến các quy định trước khi lựa chọn hiện trường.

6.2  Điều kiện lắp đặt

6.2.1  Các yêu cầu chung

6.2.1.1  Việc lắp đặt cấu trúc đo hoàn chỉnh bao gồm một kênh dẫn, một cấu trúc đo và một kênh phía dòng ra. Điều kiện của từng thành phần này đều ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể của các phép đo.

6.2.1.2  Các yêu cầu về lắp đặt bao gồm các đặc tính như độ nhẵn bề mặt của máng, hình dạng mặt cắt ngang của kênh, độ nhám của kênh và sự ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển phía dòng vào hoặc phía dòng ra của cấu trúc đo.

6.2.1.3  Sự phân bố và hướng của vận tốc ảnh hưởng chính đến hoạt động của máng, các yếu tố này được xác định bằng các đặc tính đề cập ở trên.

6.2.1.4  Khi máng đo vừa được lắp đặt, người sử dụng phải ngăn chặn bất kỳ thay đổi nào có thể làm ảnh hưởng đến các đặc tính của lưu lượng.

6.2.2  Cấu trúc của máng

6.2.2.1  Cấu trúc phải bền vững và không thấm nước và có khả năng chịu được các điều kiện dòng lũ tác động từ hai phía hoặc từ sự xói mòn phía hạ lưu mà không bị biến dạng hoặc vỡ nứt. Trục phải thẳng hàng với hướng dòng chảy của kênh thượng lưu và cấu trúc hình học phải tuân theo các kích thước đã nêu trong Điều 10, 11 và 12.

6.2.2.2  Các bề mặt của cổ máng và kênh dẫn trung gian phải nhẵn. Chúng phải được xây dựng kiên cố và tráng một lớp xi măng bằng phẳng hoặc được phủ bằng vật liệu không bị ăn mòn. Trong các lắp đặt tại phòng thí nghiệm, bề mặt được làm bằng nhựa cứng, tấm kim loại cán hoặc bằng gỗ được bào nhẵn, đánh bóng bằng cát và sơn. Độ nhẵn bề mặt đặc biệt được chú trọng trong phần hình lăng trụ của cổ nhưng có thể được nới lỏng hơn ở khoảng cách dọc theo biên dạng 0,5H_max ở phía dòng vào và phía dòng ra cổ.

Người sử dụng phải xác nhận các vật liệu xây dựng được sử dụng trong công trình kênh tự nhiên là được phép ở vùng hoạt động.

6.2.2.3  Để giảm thiểu độ không đảm bảo đo trong phép đo lưu lượng, các dung sai dưới đây là chấp nhận được:

a) trên chiều rộng đáy của cổ bằng 0,2% chiều rộng này với giá trị lớn nhất tuyệt đối là 0,01 m;

b) trên độ lệch từ các mặt phẳng trong cổ bằng 0,1% của L;

c) trên chiều rộng giữa các mặt phẳng đứng trong cổ 0,2% chiều rộng này với giá trị tuyệt đối lớn nhất là 0,01 m;

d) trên các mái dốc dọc và ngang của đáy cổ 0,1%;

e) trên mái dốc của các bề mặt nghiêng trong cổ 0,1%;

f) trên chiều dài cổ 1% của L;

g) trên độ lệch từ mặt trụ hoặc mặt nón trong phần chuyển tiếp của lối vào đến cổ 0,1% của L;

h) trên độ lệch từ mặt phẳng của các mặt phẳng trong phần chuyển tiếp của lối vào đến cổ 0,1% của L;

i) trên độ lệch từ mặt phẳng của bề mặt phẳng trong phần chuyển tiếp của lối ra từ cổ 0,3% của L;

j) trên các mặt phẳng đứng hoặc nghiêng, độ lệch từ một mặt phẳng hoặc mặt cong 1%;

k) trên độ lệch từ mặt phẳng đáy của kênh dẫn vào 0,1% của L.

6.2.2.4  Công trình phải được đo khi hoàn thiện và các giá trị trung bình của các kích thước và các độ lệch chuẩn của chúng phải được tính tại mức độ tin cậy 68%. Ban đầu chúng được sử dụng để tính lưu lượng và sau đó được sử dụng để xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp của phép tính lưu lượng.

6.2.3  Kênh dẫn

6.2.3.1  Trong tất cả các lắp đặt, dòng trong kênh dẫn không bị rối và phải có phân bố vận tốc thực tế ở mức đồng đều có thể chấp nhận được qua mặt cắt ngang. Hình 3 minh họa các phân bố vận tốc không thứ nguyên thông thường trong các kênh hình chữ nhật và hình thang phù hợp với việc lựa chọn hiện trường. Đối với hình dạng của kênh đã nêu, phân bố vận tốc phải khá giống với một trong các phân bố thể hiện trong Hình 3. Việc này thường có thể được kiểm định bằng cách kiểm tra hoặc đo. Trong các dòng suối hoặc sông tự nhiên, việc này chỉ có thể đạt được bằng cách đặt một kênh dẫn thẳng, dài để tránh các phần nhô vào trong dòng chảy.

6.2.3.2  Sau đây là các khuyến nghị và các yêu cầu liên quan đến kênh dẫn

a) Bất kỳ thay đổi nào trong các điều kiện dòng liên quan đến việc xây dựng máng đều phải được xem xét. Ví dụ, có thể là sự hình thành các bãi cát ngầm hoặc các mảnh vỡ phía dòng vào đều có thể làm ảnh hưởng đến các điều kiện dòng. Vì thế bất kỳ các thay đổi về mức nước có thể xảy ra cần phải được tính đến trong thiết kế các trạm đo.

b) Trong kênh nhân tạo, mặt cắt ngang phải đồng đều và kênh phải thẳng sao cho chiều dài đoạn thẳng tối thiểu phải bằng 10 lần chiều rộng mặt nước của kênh.

c) Trong sông hoặc suối tự nhiên, mặt cắt ngang phải khá đồng đều và kênh phải có đoạn thẳng đủ dài để đảm bảo phân bổ vận tốc khá đồng đều.

d) Nếu đường vào kênh dẫn đi qua một khúc cong hoặc nếu dòng được chảy vào trong kênh thông qua một đường ống hoặc một kênh có tiết diện nhỏ hơn hoặc tại một góc thì chiều dài của đoạn thẳng của kênh dẫn được yêu cầu phải dài hơn để đạt được phân bố vận tốc khá đồng đều.

e) Các cánh để nắn dòng không được lắp đặt ở gần với các điểm đo một khoảng cách nhỏ hơn 10 lần chiều cao cột áp lớn nhất được đo.

f) Dưới các điều kiện xác định, sóng dừng có thể xảy ra phía trước máng đo, ví dụ nếu kênh dẫn có độ dốc lớn. Với điều kiện sóng này ở cách một khoảng ít nhất bằng 30 lần chiều cao cột áp phía dòng vào lớn nhất thì phép đo dòng vẫn có thể thực hiện được, tùy thuộc vào việc xác nhận phân bố vận tốc khá đồng đều tồn tại tại trạm đo và số Froude trong vùng này không lớn hơn 0,6. Về lý thuyết, các số Froude cao phải được tránh trong kênh dẫn để phép đo dòng chính xác. Nếu sóng dừng xảy ra trong phạm vi khoảng cách này thì các điều kiện vào và /hoặc máng phải được thay đổi.

Hình 3 - Các ví dụ về các phân bố vận tốc không thứ nguyên thông thường trong các kênh dẫn

6.2.4  Các điều kiện phía dòng ra

6.2.4.1  Kênh phía dòng ra của công trình thường không đóng vai trò quan trọng nếu máng được thiết kế sao cho dòng chảy được mô đun hóa dưới tất cả các điều kiện hoạt động. Phải trang bị thiết bị đo phía dòng ra để đo các nước dềnh để biết khi có dòng ngập xảy ra.

6.2.4.2  Nếu sự xói lở phía dòng ra (có thể dẫn đến sự không ổn định của công trình) có thể xảy ra cần thực hiện các biện pháp cụ thể để ngăn ngừa hiện tượng này.

7  Bảo dưỡng

7.1  Bảo dưỡng cấu trúc đo và kênh dẫn đóng vai trò quan trọng đảm bảo các phép đo liên tục được chính xác.

7.2  Kênh dẫn phải được giữ không có bùn, rêu và các tắc nghẽn có thể gây ra các ảnh hưởng bất lợi lên các điều kiện dòng đã được quy định đối với việc lắp đặt tiêu chuẩn. Bể nổi và lối vào từ kênh dẫn cũng phải được giữ sạch và tránh để bị bồi tích. Kênh phía dòng ra phải tránh các tắc nghẽn có thể làm cho đập tràn.

7.3  Công trình máng phải được giữ sạch và không có các mảnh vỡ bám vào, đặc biệt là trong phần cổ và phải thận trọng trong quá trình vệ sinh để tránh làm hư hại công trình.

7.4  Các thiết bị đo cột áp, các đường ống nối hoặc các bể tiêu năng phải được vệ sinh và kiểm tra về độ kín. Thiết bị đo cột áp kiểu điểm hoặc móc, phao hoặc các thiết bị đo khác được sử dụng để đo cột áp phải được kiểm tra định kỳ để đảm bảo độ chính xác.

8  Phép đo cột áp

8.1  Quy định chung

8.1.1  Khi các phép đo điểm được yêu cầu, các cột áp có thể được đo bằng thiết bị đo áp thẳng đứng, thiết bị treo hoặc thiết bị đo điểm, cuộn dây hoặc thước cuộn. Khi các bản ghi liên tục được yêu cầu thì thiết bị ghi tự động phải được sử dụng, các thiết bị này thường được dựa trên phao và các bộ mã hóa trục, siêu âm hoặc các bộ biến đổi áp suất.

8.1.2  Khi kích thước của máng và cột áp giảm, những sai khác nhỏ trong xây dựng và trong việc đặt điểm “không” và việc đọc số chỉ của thiết bị đo cột áp sẽ đóng vai trò tương đối lớn hơn.

8.2  Vị trí đo cột áp

8.2.1  Các trạm đo cột áp trên máng phải được đặt phía trước máng và cách máng một khoảng cách hợp lý để tránh vùng mực nước giảm. Mặt khác, chúng phải đủ gần với máng để đảm bảo rằng sự tổn hao năng lượng giữa vùng đo và vùng điều khiển trong cổ máng có thể bỏ qua được. Vị trí để đo cột áp được đề cập trong Điều 10, 11 và 12.

8.2.2  Dòng mô đun khi nó độc lập với các thay đổi trong mức nước hạ lưu. Điều kiện này được thỏa mãn khi cột áp tổng phía dòng ra ở trên mức võng của máng nhỏ hơn hoặc bằng với tỷ số ngập tại giới hạn, như đã định nghĩa trong Điều 10, 11 vá 12 đối với các máng có cổ hình chữ nhật, hình thang hoặc hình chữ U.

8.2.3  Sai số đáng kể trong lưu lượng tính được sẽ tăng lên khi mức nước phía hạ lưu gây ra tỷ số ngập vượt quá giới hạn. Thiết bị đo phía hạ lưu phải được lắp đặt để kiểm tra giới hạn có bị vượt quá hay không. Yêu cầu tối thiểu đối với mục đích này thường là một cọc tiêu đơn thuần.

8.3  Các bể đo

8.3.1  Cột áp phía dòng vào thường đo trong một bể đo để giảm các ảnh hưởng của các dao động của mặt nước. Ngoài ra, các kết quả đã được ghi chép có thể được xử lý trước để loại bỏ hoặc làm giảm các dao động này.

8.3.2  Phải thực hiện việc kiểm tra định kỳ các phép đo cột áp trong kênh dẫn.

8.3.3  Các bể đo phải thẳng đứng và đủ cao và rộng để đáp ứng được toàn bộ phạm vi các mức nước. Trong các lắp đặt ngoài hiện trường, bể đo phải có chiều cao tối thiểu trên các mức nước cao nhất được dự tính là 0,3 m. Các bể đo phải được kết nối với các vị trí đo cột áp tương ứng bằng các đường ống phù hợp.

8.3.4  Cả bể đo và đường ống dẫn đều phải kín. Khi bể được dùng để lắp đặt phao của một bộ ghi mức thì nó phải có kích thước và độ sâu phù hợp.

8.3.5  Đường ống phải có độ võng thấp hơn mức thấp nhất phải đo không nhỏ hơn 0,06 m.

8.3.6  Các đoạn nối của đường ống đến vị trí đo phải nằm ngang bằng hoặc vuông góc với đường biên của kênh dẫn. Đường biên của kênh dẫn phải bằng phẳng và nhẵn (như bê tông được láng kỹ) trong khoảng cách bằng 10 lần đường kính của các đường ống tính từ đường tâm của đoạn nối. Các đường ống có thể bị xiên so với thành chỉ khi chúng được lắp vào một cái nắp hoặc một cái đĩa có thể tháo rời được đặt ngang bằng với thành qua một số lỗ khoan. Cạnh của các lỗ này không được lượn tròn hoặc sắc. Các tấm phủ được đục lỗ không được khuyến nghị sử dụng ở những nơi có thể xuất hiện rong hoặc bùn đất.

8.4  Cài đặt điểm “không”

8.4.1  Việc cài đặt điểm “không" ban đầu cần phải chính xác đối với thiết bị đo cột áp liên quan đến cao độ đáy máng và cần phải thực hiện việc kiểm tra định kỳ tiếp theo của việc cài đặt điểm “không".

8.4.2  Trang bị các phương tiện kiểm tra điểm “không" chính xác tại các khoảng thường xuyên. Các điểm chuẩn trong các tấm kim loại nằm ngang phải được đặt trên đỉnh của các mặt bên thẳng đứng và trong các bể đo. Các điểm kiểm tra này phải được định vị một cách chính xác để đảm bảo rằng độ cao của chúng tương ứng với cao độ đáy máng được xác định.

8.4.3  Các điểm không của thiết bị phải được kiểm tra cùng với các điểm kiểm tra mà không cần khảo sát lại đỉnh mỗi lần. Tuy nhiên bất kỳ việc lắp đặt công trình đều có thể ảnh hưởng đến các mối quan hệ giữa cao độ đáy máng và các mức kiểm tra vì thế nên thỉnh thoảng kiểm tra các mối quan hệ này.

8.4.4  Đối với các cấu trúc nhỏ, việc kiểm tra điểm không được dựa trên mức nước (hoặc khi dòng dừng hoặc mới bắt đầu) dễ mắc phải các sai số do các ảnh hưởng của sức căng bề mặt do đó sẽ không đáng tin cậy.

9  Phương trình tổng quát đối với lưu lượng

9.1  Lưu lượng dựa trên dòng tới hạn trong cổ máng

9.1.1  Lý thuyết chiều sâu tới hạn, được củng cố bằng các số liệu thực nghiệm có thể được sử dụng để rút gọn các phương trình cơ bản đối với dòng tự do đi qua các phần thu hẹp có dạng khí động. Khi lý thuyết đơn giản liên quan đến dòng chảy không ma sát của một lưu chất lý tưởng, một hệ số bổ sung được gọi là hệ số lưu lượng, C_D phải được đưa ra để làm việc với dòng lưu chất lý tưởng ví dụ như nước và phải tính đến sự phát triển của các lớp biên xuất hiện trong cổ. Giá trị của hệ số C_D thường được dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm hoặc suy ra bằng cách xem xét một sự biến đổi đối với lý thuyết đơn giản. Hệ số khác được gọi là hệ số hình dạng, C_S được yêu cầu để tổng quát hóa lý thuyết đơn giản để làm nó có thể áp dụng đối với dòng chảy qua bất kỳ hình dạng của mặt cắt ngang nào chứ không chỉ riêng đối với dòng chảy qua máng hình chữ nhật. Cuối cùng, hệ số thứ ba được gọi là vận tốc của hệ số vận tốc tới, C_v được sử dụng để thiết lập mối quan hệ giữa cột áp trong cổ với cột áp đo được, thường được đo ở một khoảng cách ngắn phía trước cổ trong kênh dẫn.

9.1.2  Năng lượng riêng E của dòng trong kênh hở được tính bởi:

trong đó

d độ sâu của dòng;

 là vận tốc trung bình đi qua mặt cắt ngang;

α là hệ số hiệu chính năng lượng động học để xác định độ không đồng đều trong phân bố vận tốc;

β là hệ số phụ thuộc vào độ cong trung bình của các đường dòng.

9.1.3  Phương trình liên tục là

trong đó

Q là lưu lượng;

A là diện tích mặt cắt ngang của dòng.

Vì thế

9.1.4  Dòng tới hạn xảy ra khi E có giá trị nhỏ nhất đối với lưu lượng Q đã cho, xét độ sâu d và diện tích A, có liên quan với d với bất kỳ hình dạng mặt cắt ngang đã cho. Có thể thấy rằng năng lượng riêng nhỏ nhất khi

trong đó

w là chiều rộng của mặt nước.

9.1.5  Các biên dạng vận tốc được quan sát bằng thực nghiệm cho thấy phân bố vận tốc gần như đồng đều trong cổ máng vì thế có thể giả sử rằng α =1 dưới các điều kiện xác định. Nếu các đường dòng không bị cong một cách đáng kể thì điều kiện đạt được khi cổ thỏa mãn chiều dài nhỏ nhất xác định thì β = 1. Vì thế phương trình cơ bản định nghĩa dòng tới hạn qua phần thu hẹp có dạng khí động học là:

trong đó chỉ số dưới biểu thị dòng tới hạn được giả thiết xảy ra trong cổ của máng, A_c là diện tích của mặt cắt ngang và w_c là chiều rộng bề mặt của mặt cắt ngang. Đây là phương trình giống với Phương trình (2) trong Điều 5.

9.1.6  Phương trình (10) không thể áp dụng ngay với độ lệch lý thuyết của đường đặc tính lưu lượng, bởi vì:

a) không tính đến sự phát triển của các lớp biên tạo ra do lưu chất di chuyển chậm hơn dọc theo đáy và các mặt bên của cổ, và

b) được tính dựa trên diện tích và chiều rộng của mặt nước tại vùng tới hạn, vị trí không được xác định vì thế phép đo mức nước trực tiếp tại vùng đó là không khả thi.

Vì thế phương trình cơ bản phải được biến đổi sang dạng thực nghiệm hơn và được điều chỉnh để tính cả đến các ảnh hưởng của biên.

9.2  Lưu lượng tính dựa trên cột áp phía dòng vào quan sát được

9.2.1  Đối với dòng lưu chất thực chảy qua phần thu hẹp có dạng khí động học, phương trình (10) có thể được phát triển thêm để đưa lưu lượng thành các khái niệm cột áp đo được ở một khoảng cách ngắn phía trước và đối với từng kiểu hình dạng mặt cắt ngang của kênh dẫn và hình dạng cổ. Xem Hình 4 và 6 để biết ba hình dạng máng tiêu chuẩn thường được sử dụng trong thực tế: hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U. Tham khảo Hình 1 để biết các đặc tính chung của dòng chảy qua máng có cổ hình thang, biểu thị biên dạng mặt nước thông thường, đường năng lượng và các độ dầy lớp biên làm giảm diện tích mặt cắt ngang của cổ như thế nào. Hiện nay lý thuyết được phát triển hơn, đầu tiên là cho dòng chảy qua một máng hình chữ nhật và sau đó tổng quát hóa với dòng trong các loại máng khác.

9.2.2  Đối với dòng trong máng hình chữ nhật (xem Hình 4) cột áp tổng dưới điều kiện dòng tới hạn, H_c có thể được liên kết với chiều sâu tới hạn d_c bằng cách sử dụng phương trình (10) như sau:

Áp dụng phương trình (10) đối với phần hình chữ nhật:

Lưu lượng chảy qua phần thu hẹp hình chữ nhật có thể được biểu diễn theo cột áp tổng tại cổ, H_c bằng cách liên kết phương trình (11) và (12) được:

Phương trình này giống với phương trình (4) trong Điều 5 nhưng biểu diễn ở dạng khác

a) Kích thước của máng có cổ hình chữ nhật có độ võng phẳng (p = 0)

b) Hình chiếu bằng của máng có cổ hình chữ nhật

c) Hình chiếu cạnh của máng có cổ hình chữ nhật có độ võng nổi (ụ đất)

CHÚ DẪN

Hình 4 - Máng có cổ hình chữ nhật trong kênh hình chữ nhật

a) Hình khối của máng có chỗ võng bằng phẳng (p = 0)

b) Hình chiếu bằng (ví dụ được nêu, không có ụ đất m_a = m, phần chuyển tiếp ở lối vào dạng trụ nghiêng)

c) Hình chiếu cạnh của máng có chỗ võng nổi (ụ đất)

d) Các ví dụ về các hình dạng của các phần chuyển tiếp ở lối vào

CHÚ DẪN

Hình 5 - Máng có cổ hình thang trong kênh hình thang

a) Hình khối

b) Hình chiếu bằng

c) Hình chiếu cạnh của máng có chỗ võng lồi (ụ đất)

CHÚ DẪN

Hình 6 - Máng có cổ hình chữ U trong kênh hình chữ U

a) Dòng lưu chất lý tưởng không ma sát

b) Dòng lưu chất thực

c) Dòng lưu chất có vị trí đỉnh nổi cân bằng

CHÚ DẪN

Hình 7 - Ký hiệu đối với dòng tại cổ và vùng đo phía dòng vào

9.2.3  Để giải thích sự xuất hiện của các lớp biên hình thành trong phần cổ, lớn dần lên từ mép ngoài, độ dầy lớp biên được sử dụng để thay đổi các thông số hình học của mặt cắt ngang của cổ như sau :

trong đó

b_e  là chiều rộng hiệu dụng của cổ máng (ví dụ đối với mặt cắt ngang hình chữ nhật, b_e = b - 2δ_*);

H_ce là cột áp tổng hiệu dụng tại cổ (nghĩa là H_ce = Hc - δ_*), bằng với cột áp tổng ở phía dòng vào, H_e;

δ_* là chiều dày dịch chuyển.

9.2.4  Chiều dày dịch chuyển là lượng mà mặt biên cần được di chuyển vuông góc với mặt đó để bù vận tốc bị giảm đi do lớp biên gây ra. Điều này có nghĩa là lưu chất chảy qua phần còn lại của miền dòng là lưu chất lý tưởng. Thông thường, lớp biên phát triển từ tất cả các mép ngoài của bề mặt, tăng lên dần dần và giá trị δ_* tương ứng bằng một phần nhỏ của độ dày thực tế, δ. Hình 7 cho thấy các khái niệm này được áp dụng đối với các máng có cổ dài như thế nào. Hình 7 c) chỉ ra các cột áp hiệu dụng và thực tế liên quan đến nhau như thế nào, cả hai cột áp này đều ở cổ và vùng đo phía thượng lưu. Hình 8 minh họa mặt cắt ngang hiệu dụng của các máng khác nhau, biểu diễn ảnh hưởng của chiều dày dịch chuyển trên hình dạng hình học của cổ.

CHÚ DẪN

1  cạnh của chiều dày dịch chuyển

Hình 8 - Các mặt cắt ngang hiệu dụng của các máng khác nhau minh họa ảnh hưởng của các độ dày lớp biên

9.2.5  Do những khó khăn thực tế trong việc đơn giản phép đo chiều sâu của dòng trong cổ, d_c, và sử dụng nó để xác định lưu lượng thông qua phương trình (12), người ta thường đo cột áp, h phía trước cổ trong kênh dẫn như đã được biểu diễn trong Hình 1, 4 và 7. Phương trình (14) sau đó có thể được biểu diễn theo h_e, cột áp phía trước cổ nước hiệu dụng được đo phía trước của công trình đối với các máng có cổ hình chữ nhật như sau:

trong đó chiều rộng hiệu dụng tại cổ, b_e cột áp đo được hiệu dụng phía trước, h_e và hệ số vận tốc, C_v được đưa ra như sau:

C_v được xác định theo cách này là một hệ số không thứ nguyên để tính ảnh hưởng của vận tốc đến trên mức nước đo được phía dòng vào đập.

9.2.6  Phương trình lưu lượng cơ bản đối với các máng có cổ hình chữ nhật, phương trình (15) cũng có thể được biểu diễn theo nhiều tham số hữu dụng hơn như là cột áp đo được thực tế phía dòng vào và chiều rộng của máng thực tế là:

trong đó C_D được định nghĩa là hệ số lưu lượng có tính đến các ảnh hưởng của lớp biên được xác định như sau:

Thay phương trình (16) và (17) vào phương trình (20) được:

trong đó

L chiều dài của phần lăng trụ của phần thu hẹp trong máng.

9.2.7  Đối với hầu hết các lắp đặt có lớp bề mặt tốt, giá trị của chiều dày dịch chuyển tương đối, δ_*/L trên thực tế sẽ nằm trong khoảng 0,002 đến 0,004. Đối với các lớp bề mặt nhám, giá trị δ_*/L thay đổi theo số Reynold, Re, và độ nhám tương đối, L/k_s được nêu trên Hình 9. Tuy nhiên đối với các lớp bề mặt nhẵn với điều kiện 10⁵ > L/k_s > 4000 và Re > 3 x 10⁵, δ_*/L có thể được giả sử bằng 0,003 và phương trình (21) trở thành:

Các giá trị khác nhau của C_D được dẫn xuất từ phương trình này được nêu trong Bảng 1 và đây là các giá trị áp dụng đối với các lắp đặt được xây dựng tốt như đã mô tả chi tiết ở trên.

9.2.8  Người sử dụng tiêu chuẩn này có thể lựa chọn một trong hai lựa chọn để xác định ảnh hưởng của độ nhám lên hệ số lưu lượng, C_D khi tính các lưu lượng qua các máng có cổ dài. Phương pháp lớp biên đơn giản giả thuyết một giá trị số học cố định đối với chiều dày dịch chuyển δ_*, ngược lại một phương pháp chi tiết hơn sử dụng chiều dày dịch chuyển phụ thuộc vào độ nhám được đánh giá của cổ máng và điều kiện dòng. Phương pháp đơn giản có thể được sử dụng đối với các ứng dụng sau:

a) Xác định các lưu lượng gần đúng tại giai đoạn đầu trong quá trình thiết kế.

b) Xác định các lưu lượng khá chính xác đối với các công trình lớn phù hợp với tất cả các tiêu chuẩn. Chị tiết về việc lựa chọn lớp biên có thể sử dụng đối với chương trình tiêu chuẩn dưới mọi điều kiện thủy lực cho phép.

Lớp biên được lựa chọn có thể sử dụng đối với công trình tiêu chuẩn dưới mọi điều kiện thủy lực cho phép.

9.2.9  Mối quan hệ tương tự đối với phương trình (15) có thể được dẫn xuất đối với các máng có cổ hình thang (xem Hình 5) như sau:

trong đó

C_s là hệ số số học có tính đến ảnh hưởng của mặt cắt ngang của dòng chảy không phải là hình chữ nhật và đối với phần hình thang được đưa ra bằng phương trình:

(xem Hình 10 và 11.4.6);

H_ce là cột áp tổng hiệu dụng tại phần tới hạn.

Bảng 1 - Các hệ số lưu lượng C_D đối với các máng có cổ hình chữ nhật

CHÚ DẪN

1  tầng

2  miền chuyển tiếp đến biên rối tại Re = 3 x 10⁵

3  giới hạn dưới đối với các lắp đặt thí nghiệm phẳng

4  phẳng

X  Số Reynold,

Y  chiều dày dịch chuyển tương đối δ^*/L

Hình 9 - Sự thay đổi của chiều dày dịch chuyển tương đối, với δ^*/L số Reynolds, Re và độ nhám tương đối, L/k_s

9.2.10  Mặc dù thiết kế lý thuyết và các quy trình tính toán của máng hiện tại đều sử dụng các phương trình trên tuy nhiên chúng vẫn rất phức tạp. Phần lớn là do C_s phụ thuộc vào H_ce thành phần có thể gây ra sự sai khác đáng kể do cột áp đo được, h. Một phương pháp thay thế để tính lưu lượng đối với các máng hình thang được nêu trong 11.5.

9.2.11  Mối quan hệ tương ứng đối với các máng có cổ hình chữ U (xem Hình 6) là:

trong đó

C_s là hệ số số học có tính đến ảnh hưởng của tiết diện dòng chảy không phải là hình chữ nhật, tiết diện hình chữ U, được tính bằng;

(xem Hình 11 và 12.4.6)

D_e là đường kính hiệu dụng của đáy của cổ hình chữ U (được xác định giống như b_e trong cổ hình chữ nhật).

9.2.12  Các quy trình lý thuyết sử dụng các phương trình trên rất phức tạp, phần lớn là do C_s phụ thuộc vào H_ce thành phần có thể gây ra sự sai khác đáng kể do cột áp đo được, h. Một phương pháp thay thế cho việc tính lưu lượng đối với các máng có cổ hình chữ U được nêu trong 12.5.

CHÚ DẪN

X  mH_e/b_e

Y  hệ số hình dạng, C_s

CHÚ THÍCH: Đường đặc tính này được dựa trên các trường hợp đặc biệt nhưng dùng cho hầu hết các ứng dụng thông thường; các đường đặc tính đối với các trường hợp khác có thể thu được từ trang tính “lưu đồ hình dạng" của Flume1.xls (xem Phụ lục D).

Hình 10 - Mối quan hệ hệ số hình dạng đối với các máng có cổ hình thang

CHÚ DẪN

X  H_e/D_e

Y  hệ số hình dạng, C_s

CHÚ THÍCH: Đường đặc tính này được dựa trên các trường hợp đặc biệt nhưng dùng cho hầu hết các ứng dụng thông thường; các đường đặc tính đối với các trường hợp khác có thể thu được từ trang tính "lưu đồ hình dạng" của Flume2.xls (xem Phụ lục D).

Hình 11 - Mối quan hệ hệ số hình dạng đối với các máng có cổ hình chữ U

CHÚ DẪN

X  H_e/D_e

Y  thông số chiều rộng cổ, w_ce/D_e

CHÚ THÍCH: Đường đặc tính này được dựa trên các trường hợp đặc biệt nhưng dùng cho hầu hết các ứng dụng thông thường; các đường đặc tính đối với các trường hợp khác có thể thu được “lưu đồ hình dạng" của Flume2.xls (xem Phụ lục D).

Hình 12 - Mối quan hệ của tham số chiều rộng cổ đối với các máng có cổ hình chữ U để sử dụng trong việc xác định số Reynold

9.3  Tính toán các đường đặc tính lưu lượng

9.3.1  Trong trường hợp máng có cổ hình chữ nhật, phương trình (15) có thể được sử dụng để tính đường đặc tính lưu lượng của công trình. Khi phương trình (23) và (25) không thuận tiện dùng để tính các đường đặc tính này đối với các máng có cổ hình chữ U thì phương pháp khác được khuyến nghị sử dụng. Khi máng có cổ hình chữ nhật là trường hợp đặc biệt của máng có cổ là hình thang (chiều rộng m =1), phương pháp thay thế đối với máng có cổ hình thang là cách tiếp cận thuận tiện hơn đối với máng có cổ hình chữ nhật.

9.3.2  Việc hiệu chuẩn lý thuyết toàn bộ dải lưu lượng của một cấu trúc đo có thể được dẫn xuất bằng cách xem xét các điều kiện dòng trong cổ máng và tạo ra các cột áp và lưu lượng tương ứng. Nguyên lý của phương pháp là phải lựa chọn một chuỗi các giá trị d_c, chiều sâu tới hạn trong cổ và tính các giá trị H_e và Q tương ứng bằng cách sử dụng phương trình (27) và (28):

9.3.3  Cột áp tổng hiệu dụng, H_e có thể được chuyển đổi thành cột áp tổng, H, sau đó có thể được biến đổi thành cột áp đo được, h, tất cả đều đã được nêu trong Điều 10 đến 12. Khi phương pháp này sử dụng dễ dàng và cho cùng một kết quả giống như các kết quả dựa trên phương pháp hệ số được trình bày trong 9.2, được công nhận là phương pháp ưu tiên dùng để xác định hiệu suất của đường đặc tính lưu lượng trong các bảng tính (xem Phụ lục D). Phương pháp này có thể được sử dụng để xác định các giá trị dòng chảy đơn lẻ bằng cách ngoại suy đường đặc tính lưu lượng.

9.4  Vận tốc đến và hệ số vận tốc

9.4.1  Cột áp tổng được liên hệ với cột áp đo được bằng

trong đó

 là vận tốc trung bình trong kênh dẫn tại vùng đo;

α là hệ số năng lượng động học có tính đến trường hợp cột áp của năng lượng động trong kênh dẫn vượt quá giá trị vận tốc trung bình nếu phân bố vận tốc qua mặt cắt ngang không đồng đều.

9.4.2  Khi áp dụng các phương trình trong tiêu chuẩn này, giá trị mặc định cho α được lấy bằng 1,05. Độ không đảm bảo đo tổng hợp của phép đo do các hệ số như là các dung sai trong việc xây dựng máng được tham khảo trong 6.2.2 và các khó khăn trong việc thực hiện các phép đo cột áp phía dòng vào được trình bày chi tiết trong Điều 13 và 14.

9.4.3  Từ phương trình (18) đến (29), kết hợp phương trình (15) và (23), mối quan hệ ẩn của C_v đối với các máng hình thang và hình chữ nhật có thể được dẫn xuất như sau:

trong đó A_a là diện tích mặt cắt ngang của dòng trong kênh dẫn. Đối với các máng có cổ hình chữ U, D_e được thay thế cho b_e trong phương trình (30)

9.4.4  Đối với kênh dẫn hình chữ nhật

trong đó

B là chiều rộng của kênh dẫn;

p là chiều cao chỗ võng của máng phía trên chỗ võng của kênh dẫn.

Các giá trị của C_v đối với các máng có cổ hình chữ nhật được dẫn xuất từ phương trình (18), (30) và (31) với giới hạn α = 1 được đưa ra trong Bảng 2.

9.4.5  Đối với Kênh dẫn hình thang:

trong đó

B là chiều rộng đáy của kênh dẫn;

m_a là độ dốc cạnh của thành của kênh dẫn (1:m_a, thẳng đứng; nằm ngang).

9.4.6  Đối với kênh có cổ hình chữ U:

trong đó D_a là chiều rộng đường kính của kênh dẫn.

Việc xử lý các mặt cắt ngang của các phần hình tròn có dạng hình học cụ thể được trình bày trong Điều 12.

9.5  Lựa chọn kích thước và hình dạng của máng

Để có thể xác định kích thước và kiểu máng phù hợp với trường hợp đã cho, Phụ lục A cung cấp hình dạng hình học của các đường đặc tính lưu lượng đối với các máng có cổ hình chữ U, hình thang và hình chữ nhật trên toàn bộ phạm vi các kích thước máng. Các đường đặc tính lưu lượng này phục vụ cho việc đánh giá ban đầu để dự tính khả năng lưu lượng của các máng, chúng được dựa trên sự phân tích đã được đơn giản hóa và các hệ số cố định trước khi thực hiện thiết kế chi tiết đối với một loại máng cụ thể được dựa trên một trong ba điều sau (từ Điều 10 đến 12).

Bảng 2 - Các giá trị của các hệ số vận tốc, C_v đối với các máng có cổ hình chữ nhật

10  Máng có cổ hình chữ nhật

10.1  Mô tả

10.1.1  Máng có cổ hình chữ nhật bao gồm phần thu hẹp có mặt cắt ngang hình chữ nhật được bố trí đối xứng với kênh dẫn. Đây là kiểu máng thông thường và dễ xây dựng nhất nhưng không phù hợp với các kênh không phải hình chữ nhật tại đó tổn hao áp đóng vai trò quan trọng.

10.1.2  Có ba loại máng có cổ hình chữ nhật

a) chỉ có phần thu hẹp bên cạnh;

b) chỉ có phần thu hẹp ở đáy hoặc ụ đất;

c) có cả phần thu hẹp ở bên cạnh và ở đáy.

Kiểu máng được sử dụng phụ thuộc vào các điều kiện phía dòng ra tại các lưu lượng dòng chảy khác nhau, lưu lượng dòng chảy lớn nhất, tổn hao áp suất và các giới hạn của tỷ số h/b cho phép và dòng chảy có mang trầm tích hay không.

10.1.3  Chỗ võng của cổ phải phẳng trên suốt chiều dài và chiều rộng của nó. Các mặt bên của cổ máng phải thẳng đứng, song song và vuông góc với chỗ võng vì thế chiều rộng của cổ bằng nhau từ đỉnh đến đáy và từ điểm đầu đến điểm cuối. Các bề mặt của cổ và lối vào phải nhẵn; chúng được xây bằng bê tông có bề mặt nhẵn hoặc được láng bằng vật liệu không bị ăn mòn nhẵn. (Trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm, nhựa cứng, mặt kim loại và các miếng gỗ được sơn thường được sử dụng). Đường tâm của cổ phải thẳng hàng với đường tâm của kênh dẫn. Trong trường hợp các máng không có ụ đất (phần thu hẹp ở đáy) thì đáy của kênh dẫn phải bằng phẳng và không có điểm nào ở cách phía trước vùng đo cột áp ít nhất là 2h_max cao hơn chỗ võng của cổ.

10.1.4  Hình dạng hình học của máng phải có dạng như được biểu diễn trong Hình 4. Bán kính phần chuyển tiếp cong đến đáy và thành của cổ ít nhất phải lần lượt bằng 4p và 2(B - b). 1/6 phần mở rộng bên dưới cổ có thể được rút ngắn khi không cần đến sự hồi phục của cột áp.

10.1.5  Khi sự hồi phục của cột áp được yêu cầu thì hơn 80% hình dạng hình học của máng có cạnh và phần thu hẹp ở đáy khác có thể được sử dụng. Mái dốc phía sau cổ phải bằng 1/20 chiều dài 2H (khi H là cột áp tổng phía trên đỉnh của ụ đất) thì phần sau nó có thể sẽ dốc hơn. Chiều dài của các thành bên phía sau cổ bằng 4H và độ mở của chúng bằng 1/10. Đối với sự phục hồi cột áp lớn hơn, các thành bên phải song song với đỉnh dốc và sau đó phần mở rộng hình hypebol phải kéo dài đến vị trí kênh phía dòng ra bắt đầu.

10.2  Vị trí vùng đo cột áp

Cột áp trên máng phải được đo tại một điểm cách phía dòng vào phần thu hẹp đủ xa để loại bỏ ảnh hưởng của sự sụt giảm mức nước nhưng phải đủ gần để đảm bảo rằng tổn thất năng lượng giữa vùng đo và cổ được bỏ qua. Vùng đo cột áp được khuyến nghị đặt ở phía dòng vào cạnh trước của phần chuyển tiếp ở lối vào một đoạn nằm trong khoảng 3 đến 4 lần cột áp đo được lớn nhất dự kiến.

10.3  Quy định đối với dòng mô đun

10.3.1  Dòng gọi là dòng mô đun khi không phụ thuộc vào các thay đổi ở mức nước hạ lưu và vì thế vận tốc trong cổ phải là vận tốc tới hạn. Vì vậy, mức võng phải nằm ở độ cao để tạo ra dòng mô đun đối với toàn dải lưu lượng thiết kế. Các kích thước của máng phải đảm bảo cột áp tổng phía dòng vào (liên quan đến chỗ võng của cổ) ít nhất bằng 1,25 lần cột áp tổng phía dòng ra (giả sử dòng tới hạn tồn tại ở phía dòng ra) tại tất cả các lưu lượng của dòng chảy. Tuy nhiên, với điều kiện đảm bảo sự xuất hiện của dòng tự do có thể làm giảm sự chênh lệch này. Mặt khác nếu phần mở rộng bị rút ngắn thì tỷ số ít nhất phải bằng 1,33.

10.3.2  Trong các kênh nhân tạo, chiều sâu phía hạ lưu thường có thể được xác định tại các lưu lượng của dòng chảy khác nhau với độ chính xác chấp nhận được, ví dụ bằng phương trình cản tiêu chuẩn nếu kênh đủ dài và có mái dốc không đổi hoặc bằng việc tham chiếu đến các đặc tính của các tính năng điều khiển phía dòng ra.

10.3.3  Nếu máng được lắp đặt trong một kênh hoặc dòng chảy có sẵn thì các thông tin sau phải đạt được tại hiện trường:

a) chiều sâu lớn nhất được ghi lại bằng việc đánh giá lưu lượng của dòng chảy tại chiều sâu đó;

b) các chiều sâu tương ứng tại hai hoặc nhiều hơn các lưu lượng của dòng chảy trung gian;

c) mức nước chết trong dòng chảy nghĩa là mức trên điều kiện dòng “không".

10.4  Đánh giá lưu lượng đối với cột áp phía dòng vào quan sát được

10.4.1  Phương trình lưu lượng cơ bản đối với các máng có cổ hình chữ nhật được trình bày bằng phương trình (19) trong Điều 9 như sau

trong đó

10.4.2  Thay thế phương trình (36) và (37) vào phương trình (35), hệ số lưu lượng mô đun, C_D được đưa ra như sau:

trong đó

L là chiều dài phần có hình lăng trụ của phần thu hẹp tại máng và δ_* là độ dầy lớp biên tại điểm cuối của cổ.

10.4.3  Đối với các lắp đặt có lớp bề mặt nhẵn, giá trị của δ_*/L trên thực tế sẽ rằm trong khoảng 0,002 đến 0,004. Đối với các lớp bề mặt nhám, giá trị của chiều dày dịch chuyển tương đối δ_*/L thay đổi theo số Reynolds, Re, và độ nhám tương đối, L/k_s như biểu diễn trên Hình 9. Đối với các bề mặt nhẵn với điều kiện 10⁵ > L/k_s > 4000 và Re > 3 x 10⁵, thì δ_*/L có thể được giả sử bằng 0,003 và phương trình (38) trở thành:

10.4.4  Giá trị của hệ số lưu lượng mô đun thu được bằng cách thay thế các giá trị đã biết của L, b và h vào phương trình (38) hoặc (39). Các giá trị khác của C_D được dẫn xuất từ phương trình này được nêu trong Bảng 1 và đây là các giá trị áp dụng đối với các lắp đặt được xây dựng tốt như đã được nêu chi tiết ở trên.

10.4.5  Số Reynold cần thiết cho việc đánh giá lớp biên chi tiết được tính từ:

10.4.6  Giá trị của C_v được tính từ phương trình (30) và (31).

10.4.7 Phương pháp lặp được yêu cầu khi áp dụng phương pháp hệ số để tính lưu lượng, Q tương ứng với cột áp đo được cụ thể, h. Việc này được thực hiện thuận tiện nhất bằng cách sử dụng bảng tính dùng cho các máng hình chữ nhật và hình thang trong tệp Flume1.xls (xem Phụ lục D). Trình tự bước giải đã được công nhận đối với phương pháp hệ số trong bảng tính được nêu dưới đây và phương pháp này được khuyến nghị đối với các phép tính tay.

10.4.8  Dạng hình học cơ bản và các tham số sau đây được đưa vào các ô dữ liệu đầu vào của bảng tính:

m  bờ dốc của phần cổ (đặt bằng 0 đối với máng có cổ hình chữ nhật);

m_a  bờ dốc của kênh dẫn tại vùng đo (đặt bằng 0 nếu kênh dẫn cũng là hình chữ nhật);

b  chiều rộng của cổ;

B  chiều rộng đáy của kênh dẫn tại vùng đo;

p  chiều cao của chỗ võng của cổ ở phía trên đáy của kênh dẫn;

L  chiều dài cổ;

cùng với cột áp đo được, h lưu lượng sẽ được tính.

10.4.9  Bảng tính cũng yêu cầu người sử dụng phải lựa chọn giữa

- việc xử lý lớp biên đơn giản bằng một giá trị cố định của độ dầy lớp biên không thứ nguyên, δ_*/L và

- việc xử lý lớp biên chi tiết

Nếu việc xử lý lớp biên chi tiết được lựa chọn, cần phải bổ sung thêm một thành phần đầu vào là biên độ nhám, k_s (các giá trị khuyến nghị được nêu trong Bảng 3).

Bảng 3 - Các giá trị của độ nhám được khuyến nghị, k_s

10.4.10  Các giá trị mặc định của các tham số sau được đưa ra trong bảng tính nhưng có thể thay đổi bởi người sử dụng

Bảng 4 - Độ nhớt động học của nước và sự biến đổi của nó theo nhiệt độ

10.4.11  Bảng tính sau đó sẽ thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng kết quả được trình bày lần lượt trong bảng dưới đây. Các kết quả của bước lặp liên tiếp được trình bày thành bảng với mỗi cột chứa một bước lặp riêng vì thế người sử dụng có thể thấy các bước lặp quy tụ hoàn toàn. Bảng tính gồm 5 bước lặp.

10.4.12  Mặc dù quy trình đầy đủ được trình bày ở trên được khuyến nghị chỉ đùng để xác định lưu lượng đối với cột áp cụ thể, đối với các mục đích thiết kế ban đầu, trong trường hợp máng được minh họa trong Hình 4, phương trình lưu lượng có thể được biểu diễn gần đúng bằng.

trong đó C là hệ số lưu lượng toàn phần và đối với các mục đích thiết kế ban đầu có thể được giả thuyết có giá trị nằm trong khoảng 0,97 đến 1,00.

10.4.13  Trong trường hợp, mặt cắt ngang của kênh dẫn không hoàn toàn là hình chữ nhật hoặc hình thang ở vị trí mà tại đó h được đo thì b có thể được xác định từ.

trong đó

A_a là diện tích mặt cắt ngang của kênh dẫn tại vị trí và mức nước đó.

10.5  Tính toán đường đặc tính lưu lượng

10.5.1  Đường đặc tính lưu lượng đối với máng có cổ hình chữ nhật có thể tính được mặc dù khá khó khăn bằng cách lặp lại việc áp dụng phương pháp hệ số tại các cột áp đo được liên tiếp. Tuy nhiên một phương pháp thuận tiện hơn là xem xét một tập hợp các giá trị chiều sâu tới hạn trong cổ. Đối với từng chiều sâu, tất cả các kích thước hình học được điều chỉnh đối với các ảnh hưởng của lớp biên bằng cách làm giảm chúng theo các độ dầy dịch chuyển như đã biểu diễn trên Hình 8. Lý thuyết dòng chảy thủy lực tiêu chuẩn được áp dụng để đạt lưu lượng tới hạn và cột áp hiệu dụng, chúng được cộng với độ dầy dịch chuyển để thu được cột áp tổng. Cuối cùng, được biến đổi thành cột áp đo được bằng cách trừ đi áp suất động trong kênh dẫn, bước cuối cùng này là một phép tính lặp.

10.5.2  Vì máng có cổ hình chữ nhật là một dạng đặc biệt của máng có cổ là hình thang (với bờ dốc, m = 0), người sử dụng tiêu chuẩn này tham chiếu đến 11.5, tại đó quy trình sau này dùng cho việc tính toán đường đặc tính lưu lượng được trình bày một cách đầy đủ. Các phép tính này được thực hiện một cách thuận tiện nhất bằng việc sử dụng bảng tính đối với các máng hình chữ nhật và hình thang trong tệp Flume1.xls (xem Phụ lục D).

10.6  Giới hạn áp dụng

10.6.1  Các giới hạn dưới thực nghiệm của h liên quan đến biên độ ảnh hưởng của các đặc tính dòng chảy và độ nhám. Giới hạn dưới được khuyến nghị là 0,05 m hoặc 0,05 L tùy vào giá trị nào lớn hơn.

10.6.2  Giới hạn về tỷ số diện tích của kênh dẫn và cổ phát sinh từ các khó khăn gặp phải khi số Froude trong kênh dẫn vượt quá 0,5. Giới hạn trên được khuyến nghị của tỷ số diện tích bh / [B(h + p)] là 0,7. Trang tính “Rating" nằm trong bảng tính đối với các máng hình chữ nhật và hình thang nằm trong tệp Flume1.xls (xem Phụ lục D) sắp xếp các giá trị của số Froude thành bảng và các giá trị được lựa chọn cũng bao gồm trong trang tính “Summary".

10.6.3  Các giới hạn khác như sau:

a) Chiều rộng của đáy, b phải không được nhỏ hơn 0,10 m;

b) Tỷ số h/b phải không lớn hơn 3;

c) Tỷ số h/L không được vượt quá 0,50.

10.6.4  Các giới hạn trên của h/L xuất hiện từ việc cần đảm bảo các điều kiện dòng song song tại vùng tới hạn trong cổ. Tuy nhiên tỷ số h_max/L có thể được phép tăng lên đến 0,67 với độ không đảm bảo đo bổ sung của hệ số lớn hơn 2% độ không đảm bảo đo được dẫn xuất từ phương trình (43).

10.6.5  ISO 4359:1983 quy định cột áp đo được, h không được lớn hơn 2 m. Tuy nhiên không có sự chứng minh về mặt kỹ thuật nào đối với sự hạn chế này vì thế nó không được áp dụng trong tiêu chuẩn này.

10.6.6  Độ không đảm bảo đo tổng hợp của phép đo do các hệ số được xác định bằng thực nghiệm, các dung sai trong việc xây dựng máng được tham chiếu đến 6.2.2 và các khó khăn trong việc thực hiện phép đo cột áp phía dòng vào một cách chính xác được trình bày chi tiết trong Điều 13 và 14.

10.6.7  Với kỹ năng và sự thận trọng cần thiết trong việc xây dựng máng, các hệ số dự kiến có độ không đảm bảo đo đạt đến 1% trong các trường hợp phù hợp, ví dụ khi C_D và C_v khá đồng nhất. Việc đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn của hệ số lưu lượng theo phần trăm u^*(C) có thể thu được từ

11  Máng có cổ hình thang

11.1  Mô tả

11.1.1  Các máng có cổ là hình thang có thể được thiết kế để thích ứng với nhiều điều kiện dòng khác nhau và hình dạng tối ưu của cổ (theo chiều rộng của đáy và bờ dốc) sẽ phụ thuộc vào phạm vi dòng chảy phải đo và các đặc tính của dòng nước hoặc kênh mà nó được lắp đặt.

11.1.2  Các máng có cổ là hình thang thường có hình dạng như đã minh họa trên Hình 5. Tuy nhiên trong một số các trường hợp, mức võng của cổ bằng mức võng của kênh dẫn, nghĩa là p = 0, ví dụ khi trầm tích cuốn trôi qua máng. Tiêu chuẩn này chỉ bao gồm kiểu máng có cổ hình thang khi các thành dốc của cả cổ và kênh dẫn (tại vị trí đo) mở rộng ở trên các mức nước cao nhất.

11.1.3  Máng phải được lắp đặt sao cho đường tâm của cổ trùng với đường tâm của kênh dẫn. Dòng dưới tới hạn phải tồn tại trong máng và máng phải được lắp đặt tại một độ cao thích hợp để vận hành với lưu lượng tự do trong toàn bộ dải. Các bề mặt của máng phải bằng bê tông nhẵn, thép không gỉ hoặc vật liệu không bị ăn mòn nhẵn khác. Phần cổ là phần đặc biệt quan trọng và phải có chỗ võng phẳng và là hình lăng trụ, các thành dốc là các bề mặt phẳng, được bố trí đối xứng và tạo ra một đường giao rõ ràng với chỗ võng của cổ.

11.1.4  Các phần chuyển tiếp ở lối vào và ra có thể là các bề mặt phẳng hoặc cong để thuận lợi cho việc xây dựng.

11.1.5  Sự mở rộng của phần chuyển tiếp ở lối vào trên bất kỳ mặt phẳng tiết diện nào nếu được tạo ra từ các bề mặt không được tạo góc lớn hơn 1/3 (đường ngang đến mặt phẳng ngang) tại mỗi bên. Nếu các bề mặt cong được sử dụng, chúng phải có hình dạng khí động, ví dụ bằng cách sử dụng mặt của các hình trụ nghiêng hoặc hình trụ xiên hoặc hình nón có trục thẳng đứng. Các bề mặt phải nằm toàn bộ ở các mặt bên chứa đường tâm của kênh giới hạn 1/3 sự mở rộng trên mỗi mặt bên và mặt cong phải tiếp tuyến với các mặt phẳng tạo thành cổ.

11.1.6  Các mặt tạo thành phần chuyển tiếp ở đầu ra phải nằm toàn bộ bên trong các mặt phẳng giới hạn 1/3 phần mở rộng trên mỗi bên. Phần mở rộng bằng 1/6 đối với sự phục hồi của cột áp tốt và giới hạn dòng mô đun cao.

11.2  Vị trí của vùng đo áp suất cột nước

Cột áp của máng phải được đo tại một điểm cách phía dòng vào phần thu hẹp đủ xa để loại bỏ các ảnh hưởng của sự hạ mức nước nhưng phải đủ gần để đảm bảo rằng sự tổn hao năng lượng giữa vùng đo và cổ có thể bỏ qua. Vùng đo cột áp được khuyến nghị đặt phía dòng vào cạnh trước của phần chuyển tiếp ở lối vào một khoảng nằm trong khoảng 3 đến 4 lần cột áp đo được lớn nhất dự kiến.

11.3  Quy định đối với dòng mô đun

11.3.1  Dòng là dòng mô đun khi không phụ thuộc và sự thay đổi của mức nước phía hạ lưu và vì thế vận tốc phải vượt qua vận tốc tới hạn trong cổ. Chỗ võng vì thế phải nằm ở một độ cao thích hợp để tạo ra dòng mô đun trên toàn bộ dải lưu lượng thiết kế. Các kích thước của máng phải đảm bảo cột áp tổng phía dòng vào chắc chắn phải lớn hơn cột áp phía dòng ra khi được liên kết với chỗ võng của cổ (giả thuyết dòng dưới tới hạn tồn tại ở phía dòng ra).

11.3.2  Khi giới hạn phụ thuộc vào sự hồi phục của cột áp dưới cổ, tỷ số cột áp phía dòng vào đến dòng ra cần thiết phụ thuộc vào góc mở như sau:

1/20 mỗi bên H/H_d ≥ 1,10

1/10 mỗi bên H/H_d ≥ 1,20

1/6 mỗi bên H/H_d ≥ 1,25

1/3 mỗi bèn H/H_d ≥ 1,35

trong đó

H_d là cột áp tổng bên ngoài phần chuyển tiếp ở lối ra, được gắn với chỗ võng của máng.

11.3.3  Trong các kênh nhân tạo, chiều sâu ở phía dòng ra thường được xác định tại các lưu lượng dòng chảy khác nhau với độ chính xác hợp lý, ví dụ bằng phương trình cản tiêu chuẩn nếu kênh đủ dài và có mái dốc không đổi hoặc bằng việc tham chiếu đến các đặc tính của các tính năng điều khiển phía dòng ra.

11.3.4  Nếu máng được lắp đặt trong kênh hoặc dòng nước có sẵn, các thông tin sau phải thu được tại hiện trường:

a) chiều sâu lớn nhất được ghi lại với sự đánh giá lưu lượng dòng chảy tại chiều sâu đó;

b) các chiều sâu tương ứng tại hai hoặc nhiều hơn các lưu lượng trung gian;

c) mức nước chết trong dòng chảy, nghĩa là mức dưới điều kiện dòng bằng “0".

11.4  Đánh giá lưu lượng - Phương pháp hệ số

11.4.1  Phương trình dòng cơ bản đối với các máng có cổ hình thang được nêu trong phương trình (23) Điều 9 có chiều rộng, b, thay thế cho chiều rộng hiệu dụng, b_e, cột áp được đo phía dòng vào h_e thay thế cho cột nước hiệu dụng h_e và hệ số lưu lượng C_D để đưa ra:

trong đó

và

δ_* là chiều dày dịch chuyển;

m là độ dốc của các mặt bên của máng (m mặt phẳng ngang đến một mặt phẳng đứng).

11.4.2  Hệ số lưu lượng mô đun C_D, được diễn đạt tương tự với cách diễn đạt đối với máng hình chữ nhật nêu trong phương trình (38):

11.4.3  Đối với các lắp đặt có lớp bề mặt nhẵn, giá trị của δ_*/L trên thực tế sẽ nằm trong khoảng 0,002 đến 0,004. Đối với các lớp bề mặt nhám, giá trị của chiều dày dịch chuyển tương đối δ_*/L thay đổi theo số Reynold, Re, và độ nhám tương đối, L/k_s như biểu diễn trên Hình 9. Đối với các bề mặt nhẵn với điều kiện 10⁵ > L/k_s > 4000 và Re > 3 x 10⁵, thì δ_*/L có thể được giả sử bằng 0,003 và phương trình (49) sẽ trở thành: