Bài giảng Công trình thủy nâng cao - Chương 7: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va - Nguyễn Thống

10/25/2010
1
10/25/2010 1
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa Kyõ Thuaät Xaây Döïng – BM. KTTNN
PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr
Web: 
Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 10/25/2010 2
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Thấm qua công trình.
Chương 2: Áp lực khe rỗng.
Chương 3: ðập vật liệu ñịa phương.
Chương 3a: Mô phỏng Monte Carlo áp
dụng trong ñánh giá ổn ñịnh
mái dốc.
Chương 4: ðập bê tông trọng lực
Chương 4a: ðập bê tông ñầm lăng (RCC)
PGS. Dr. Nguy?n Th?ng
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa Kyõ Thuaät Xaây Döïng – BM. KTTNN
10/25/2010 3
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 4b: Bài toán toả nhiệt 3D.
Chương 5: Phân tích ứng suất trong ñập
bê tông khi xảy ra ñộng ñất.
Chương 6: ðường hầm thủy công -
Giếng ñiều áp.
Chương 7: ðường ống áp lực – Nước va
trong ñường ống.
PGS. Dr. Nguy?n Th?ng
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa Kyõ Thuaät Xaây Döïng – BM. KTTNN
10/25/2010 4
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
ðƯỜNG ÁP LỰC & 
HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA
1. Tổng quát.
2. Hiện tượng nước va trong
ñường ống áp lực.
3. Công trình giảm áp lực nước va.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 5
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
TỔNG QUÁT
ðường ống áp lực là công trình nối giữa
cuối ñường dẫn nước ñến nhà máy. 
ðường ống chịu áp lực nước bên trong
ñường ống.
- CTLN 
 Kênh dẫn  Bể áp lực 
ðường ống  Nha , máy.
- CTLN 
 ðường hầm có áp  Giếng ñiều
áp (tháp ñiều áp)  ðường ống  Nha , 
máy.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 6
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PHÂN LOẠI
Theo vị trí xây dựng:

 ðường ống áp lực kiểu hở

 ðường ống áp lực kiểu
ngầm

 ðường ống áp lực kiểu hổn
hợp (hở +ngầm)
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
2
10/25/2010 7
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
D=3,5m, L=9065m
i=0,0061
ðường ống áp lực
PGS. TS. Nguyễn Thống
NM
10/25/2010 8
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
LOAL = 1866m
Dống chính = 2,6m
Dống nhánh = 1,6m
NHÀ VAN
NHÀ MTð
GIẾNG 
ðIỀU ÁP
KÊNH XẢ
PGS. TS. Nguyễn Thống
32
ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM
10/25/2010 9
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
ðường ống áp
lực
ðập tràn
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 10
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
ðƯỜNG 
ỐNG
ÁP LỰC
HỞ
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 11
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC
10/25/2010 12
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
THUỶ NĂNG & THUỶ ðIỆN
Ch. 8: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC
10/25/2010
3
10/25/2010 13
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
THI CÔNG
ðƯỜNG ỐNG
ÁP LỰC e=12mm
35mm
10/25/2010 14
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
ðƯỜNG
ỐNG BÊ
TÔNG NGẦM
BỌC
THÉP
10/25/2010 15
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
ðường
ống
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 16
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
CHẾ ðỘ THUỶ LỰC 
KHÔNG ỔN ðỊNH 
 DÒNG CHẢY 
QUÁ ðỘ
Xảy ra khi  ðóng (mở) van 
trên ñường ống vơ;i tô ;c ñộ 
nhanh  thay ñổi nhanh
chóng vận tốc (lưu lượng) 
trong ống. 
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 17
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG
Trong trường hợp ñó  mỗi ñoạn 
dòng chảy (vi phân) trong ống chịu
sự thay ñổi áp suất và vận tốc khác
nhau theo từng thời ñiểm  hiện
tượng truyền sóng áp lực  ñược
gọi là « NƯƠC VA ». 
 Xem ñồ thị minh hoạ ở sau:
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 18
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
SỰ TRUYỀN SÓNG ÁP LỰC
ðóng
van
Mở
van
10/25/2010
4
10/25/2010 19
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG TUYỆT ðỐI CỨNG
HA
∆HA
Mặt chuẩn
A
BBỂ CHỨA
Kênh sau NMHA: cột áp tỉnh (mH2O)
∆HA: gia số áp suất tại A sinh ra do nước va dương
o o
α
ðường ống
PGS. TS. Nguyễn Thống
G
10/25/2010 20
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH 
NƯỚC VA
(Ống tuyệt ñối cứng, NƯỚC 
không NÉN ñược)
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 21
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Phương trình chuyển ñộng theo phương X (lưu ý 
chiều dương chọn):
: khối lượng nước trong ñoạn AB.
F: tiết diện ống
: tổng ngoại lực theo phương X (trục ống).

x
x
d(mV ) F
dt
=∑
m FLρ=
xF∑
( )A A BdVLF gF H H H Lsindtρ ρ α− = + ∆ − −
(1)
(1)
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 22
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
: hình chiếu lên phương X.
Giả thiết không có ma sát giữa chất lỏng và
thành ống.
Thay vào p/t trên và thu gọn:

Với V=Q/F và dQ biến ñổi lưu lượng trong
thời ñoạn dt.
gLFsinρ α
A BH H Lsinα= +
AdVLF gF H
dt
ρ ρ− = ∆ A L dV L dQH
g dt gF dt
∆ = − = −
PGS. TS. Nguyễn Thống
Thay ñổi áp suất tại A 
do nước va gây ra
10/25/2010 23
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
CHÚ Ý:
- Nếu dQ/dt < 0  ñóng van
 ∆HA > 0  nước va dương
- Nếu dQ/dt > 0  mở van 
 ∆HA < 0  nước va âm
 Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến
tính với chiều dài L từ B ñến A. 
 L=0  ∆H=0 (tại B).
PGS. TS. Nguyễn Thống
A L dV L dQH
g dt gF dt
∆ = − = −
10/25/2010 24
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
- Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến
tính với (dQ/dt). 
Trong trường hợp

dQ
const
dt
=
s
cdA
T
QQ
gF
LH
−
=∆
Qd: lưu lượng trước khi ñóng van; 
Qc: l/l sau khi ñóng van 
Ts: thời gian ñóng van từ Qd  Qc
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
5
10/25/2010 25
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va

 Nếu ñóng (mở) van tức thì (dQ/dt >>> 
1) 

Trường hợp kể ñến sự ñóng không «
tuyến tính »:
V
i k = 1,25 1,5 xem như hệ an toàn.
s
cdA
T
QQ
gF
LkH −=∆
PGS. TS. Nguyễn Thống
!!!HA ∞→∆
10/25/2010 26
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA ðƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ðỐI
D THAY ðỔI
HA
∆HA
Mặt chuẩn
A
BRéservoir
Kênh sau NMHA: cột nước tỉnh
∆HA: gia số áp lực nước va tại A
o o
α
L1,F1 L2,F2
L3,F3
∆H(1) ∆H(2)
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 27
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Giả thiết D mỗi ñoạn không ñổi: 
Gia số áp lực cho ñoạn 1:
Gia số áp lực cho ñoạn 2:
Gia số áp lực cho ñoạn 3:
)
F
L
F
L(
gT
QQ
T
QQ
gF
LHH
2
2
1
1
s
cd
s
cd
2
2)1()2( +
−
=
−
+∆=∆
)
F
L
F
L
F
L(
gT
QQH
3
3
2
2
1
1
s
cd)3( ++
−
=∆
1
1
s
cd)1(
F
L
.
gT
QQH −=∆
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 28
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: Một ñường ống áp lực có D=2,25m, 
chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng
Q=30m3/s. Thời gian ñóng van là 10s 
(tuyến tính k=1).
1. Tính gia số áp lực lớn nhất do nước va.
2. Tương tự nếu D=2.5m. So sánh với kết 
quả câu 1, nhận xét.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 29
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài giải:
1. D=2.25m
2. D=2.5m
Nhận xét: V 
 giảm 
 Giá trị nước va giảm
A d c
mzx 2
s
Q QL 1000*4 30 0H k 1 76.91m
gF T 9.81*3.14159*2.25 10
− −∆ = = =
A d c
mzx 2
s
Q QL 1000*4 30 0H k 1 62.3m
gF T 9.81*3.14159*2.5 10
− −∆ = = =
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 30
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: Lấy số liệu bài trước. ðường ống
bây giờ gồm 2 ñoạn: L1=400m, D1=2.25m; 
L2=600m, D2=2.0m. 
Tính gia số áp lực do nước va trong 2 ñoạn 
ống.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
6
10/25/2010 31
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài giải: ðoạn 1:
ðoạn 2:
Bài tập: Lấy số liệu bài trước, ñường ống
gồm 2 ñoạn: L1=500m, D1=3.5m; L2=250m, 
D2=3.0m. Lưu lượng 40m3/s. Tính gia số
áp lực do nước va trong mỗi ñoạn.
m76.30
10
030
25.2**81.9
400*4
T
QQ
gF
LH 2
s
cd
1
1)1(
=
−
pi
=
−
=∆
m16.89
10
030
2**81.9
600*476.30
T
QQ
gF
LHH 2
s
cd
2
2)1()2(
=
−
pi
+=
−
+∆=∆
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 32
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG ðÀN HỒI & 
NƯỚC NÉN ðƯỢC - ðÓNG (MỞ) VAN 
TỨC THÌ
Xét trươ,ng hợp nươ;c là NÉN 
ñược (ρ thay ñổi theo áp suất).
 Tiê;t diện ω ñường ống thay ñổi 
theo áp suất bên trong.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 33
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Trong thực tế  ñường ống
bằng thép hoặc bê tông cốt
thép  biến dạng khi áp
suất thay ñổi (mặc dù rất 
bé)
 ðường ống ñàn hồi.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 34
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Khảo sát ñoạn cuối ñường ống:
- Có 1 van ở A (chọn làm gốc toạ ñộ).
- ðầu vào ñường ống giả thiết là hồ chứa.
- V0 vận tốc trung bình trong ống.
- Thực hiện ñóng van tức thì (T=0).
A
a
am
mn
n
∆l
p0+∆p
p0
t=0
t=dt
V0
V0=0
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 35
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Giải thích hiện tượng:
Sau ∆t (s), chỉ có ñoạn chất lỏng giới hạn
bởi (a-a);(m-m)  là dừng  Gia tăng áp
suất ∆p. 
Trong khi ñó nước bên trái (m-m) vẫn chảy
“bình thường”.
Phương trình chuyển ñộng khối chất lỏng
giới hạn bởi (a-a) và (m-m) theo trục ống:
( ) ( )0
0 0
0( ) l Vp p p
t
ρω
ω ω
∆ −
− + ∆ =
∆
PGS. TS. Nguyễn Thống 
 0 10/25/2010 36
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Từ ñó: (1)
Bước thời gian kế, ñoạn chất lỏng giới hạn 
bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng  hiện tượng
tiếp diễn  sự truyền sóng áp lực với tốc 
ñộ a:
Do ñó (1)  (2)
0
lp V
t
ρ ∆∆ =
∆
lim
0
l
a
t
∆
=
∆ →
0p aVρ∆ =
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
7
10/25/2010 37
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Trong trường hợp van ñóng 1 phần:
do ñó
Note: ∆p=ρg ∆H (N/m2)
Tính a:
Khi nước bị nén:
Tiết diện ống gia tăng:
0( )cp a V Vρ∆ = − 0 caH (V V )g∆ = −
ρ ρ ρ→ + ∆
ω ω ω→ + ∆
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 38
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Khối lượng nước trong ñoạn a-a;m-m gia tăng:
Trong thời gian ñó, khối lượng nước ñi qua tiết 
diện m-m:
Luật bảo toàn khối lượng:
( )( ) llm ∆−∆∆+∆+=∆ ρωωωρρ
( ) ( ) talm ∆∆+∆=∆∆+∆=∆ ρωωρρωωρ
tVm ∆=∆ 00 ρω
mm ∆=∆ 0
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 39
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ta có:
Từ ñó:
Note: ðã sử dụng kết quả trước:
( ) tVta ∆=∆∆+∆ 0ρωρωωρ
0
p
V aa ρ
ω ωρ ρ ρ ρ
ω ω
∆
= =∆ ∆∆ + ∆ + 1
p
a
ρ
ρ ω
ρ ω
∆
∆
= ∆
+
∆
0p aVρ∆ =
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 40
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Chú ý là khối lượng nước không
ñổi (dù có bị nén) :
Vi phân toa,n phâ,n:
cW teρ =
0dW Wdρ ρ+ =
PGS. TS. Nguyễn Thống
ρ
ρd
W
dW
−=⇒
10/25/2010 41
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Quy luật thể tích châ;t lỏng thay ñổi 
theo áp suất:

: hệ số ñàn hồi nước.
PGS. TS. Nguyễn Thống ρρ
Kp
=
∆
∆
⇒
K
dp
W
dW
K
dpWdW −=⇒−=
β
1K =
10/25/2010 42
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Dùng ñịnh luật Hooke:
Tính:
PGS. TS. Nguyễn Thống
ω
ω∆
E
L.dl σ=
10/25/2010
8
10/25/2010 43
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Löïc keùo T sinh ra do aùp suaát p treân chu vi hình
troøn b/kính r:
(dF vi phaân löïc taùc duïng leân
vi phaân chu vi dl) 
PGS. Dr. Nguyễn Thống
T
T
p
dF
α
pr2d.cosprdFT2
2/
2/
x === ∫∫
−
pi
pi
αα
αα=
α=
d.cospr
cos.pdldFx
10/25/2010 44
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Xét ống tròn:
Ta có: 
Với biến dạng tương ñối của bán kính r 
dưới tác dụng của gia áp suất .
Luật Hooke: 
Với e chiều dày thành, E hệ số ñàn hồi ống
d ñường kính ống.
2
rω pi=
2 r rω pi∆ = ∆ 2 r
r
ω
ω
∆ ∆
=
r
r
∆
p∆
2
r r p d p
r eE eE
∆ ∆ ∆
= =
d p
eE
ω
ω
∆ ∆
=
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 45
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Thay kết quả này vào phương trình xác ñịnh a:
Note: nếu ống KHÔNG ñàn hồi ( )
Ta có:
ðây là vận tốc truyền của sóng âm trong nước. 
1 *
K
a K d
E e
ρ
=
+
E = ∞
0
K
a
ρ
=
PGS. TS. Nguyễn Thống
K module ñàn hồi nước
d  ñường kính trong
e chiều dày thành ống
thép
10/25/2010 46
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Thay vào trên ta co ;:
a (m/s)  Tô ;c ñộ 
truyền so ;ng áp lực.
Chú ý: Tính gia ; trị 
nươ;c va trong ñường ống ñàn hồi:
PGS. TS. Nguyễn Thống
e
d
.
E
K1
a
a 0
+
=
)VV(
g
aH c0 −=∆
10/25/2010 47
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Với K của nước ở nhiệt ñộ bình thường:
Ta có: a0 =1425 m/s.
Một số vật liệu ống phổ biến:
9 22.03*10 /K N m=
94137100E/K
ChìGang ñúc li
tâm
GangSắtVật liệu
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 48
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Với ñường ống bê tông cốt thép:
hệ số cốt thép vòng. f diện tích cốt
thép trên 1m chu vi ống. 
Thông thường α =0.015  0.05
PGS. TS. Nguyễn Thống
)5.91(e
d
.
E
K1
K
a
α+
+
ρ
=
⇒=α
e
f
10/25/2010
9
10/25/2010 49
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
HỆ SỐ ðÀN HỒI
20-60
2.1E+04
1.35E+04
Cao su
Nước
Dầu
2.1E+06
1.0E+06
2.1E+05
1.0E+05
Thép
Gang
Bêtông
Gỗ
E(kG/cm2)Vật liệuE(kG/cm2)Vật liệu
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 50
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy trong ñường
ống có ñường kính 2,5m, dài 1km.
1. Giả thiết ống tuyệt ñối cứng, tính giá trị
nước va max tại cuối ống khi ñóng van 
trong 10’’ (nươ;c không nén ñược).
2. Giả thiết ống ñàn hồi bằng thép dày 32mm. 
Nươ;c là nén ñược. Hệ số ñàn hồi nước
K=2.109 N/m2. Tính nước va cuối ống khi 
ñóng van tức thời.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 51
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
3. Lâ;y gia ; trị nươ;c va câu 2. Khả
năng chịu lực thép là σ=75kN/cm2. 
Lấy hệ số an toàn 2. Lấy chiều dày
dự phòng 2mm. 
Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do 
gia sô; áp lực nước va  khả năng
chịu lực ống?
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 52
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA 
TỔNG QUÁT
ðường ống ñàn hồi.
 Nươ;c nén ñược.
 Van ño;ng dâ,n dâ,n.
 Mất năng ñường dài (ma sát 
giưla dòng chảy và ñường dẫn).
 Mất năng cục bộ.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 53
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
SƠ ðỒ TÍNH
HA
∆HA
Mặt chuẩn
A
BHồ
Kênh sau NMHA: cột áp tỉnh
∆HA: gia số áp lực tại A do nước va
o o
α
1
1
2
2
X
H1
dx
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 54
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Áp dụng phương trình lực khối nước trong
(1-1) và (2-2) theo phương X:
(1)
m=ρFdx, Fx: ngoại lực
Lực tác dụng lên khối nước:
Lực bản thân phương X:
x
x
d(mV) F
dt
=∑
hgF dx
x
ρ ∂−
∂
gFdx sinρ α−
VdV dt
t
∂
=
∂
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
10
10/25/2010 55
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Thay vào p/trình (1):
z0 : cao ñộ van so mặt chuẩn.
z : cao ñộ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn.
h+z0+xsinα =H
)sin.( αρρ dxdx
x
hgFdt
t
VFdx +
∂
∂
−=
∂
∂
−
dx
x
xzh
gFdt
t
VFdx
∂
++∂
−=
∂
∂
−
)sin( 0 αρρ
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 56
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Từ ñó: (2) 
Kết quả trước:
Xét sự thay ñổi áp suất trong dt:
Sự thay ñổi vận tốc:
V Hg
t x
∂ ∂
=
∂ ∂
0 c
aH (V V )
g
∆ = − dxa
dt
=
HH dt
t
∂∆ =
∂
VV dx
x
∂∆ = −
∂
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 57
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Thay tất cả vào:
(3)
Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng
truyền sóng nước va trong ống ñàn hồi với 2 ẩn 
số là H và V.
H a Vdt .dx
t g x
∂ ∂
=
∂ ∂
H a V dx
.
t g x dt
∂ ∂
=
∂ ∂
2H a V
.
t g x
∂ ∂
=
∂ ∂
2
V g H
.
x a t
∂ ∂
=
∂ ∂
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 58
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
LỜI GiẢI (2) VÀ (3)
1. PHƯƠNG PHÁP ðƯỜNG ðẶC TRƯNG:
Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta có:
và
Hệ p/t (2) và (3) trở thành:
(2)  (4) 
dV V dx V
dt x dt t
∂ ∂
= +
∂ ∂
dH H dx H
dt x dt t
∂ ∂
= +
∂ ∂
dV V dx Hg
dt x dt t
∂ ∂
− =
∂ ∂
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 59
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Từ (3)  (5) 
Hệ (4) & (5) cho:
(6)
Phương pháp ñường ñặc trưng biến (6) 
thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp:
(7)
2
V g dH H dx
x a dt x dt
∂ ∂ 
= − ∂ ∂ 
2
2 2
dV 1 dx H g dx dHg 1 . .
dt a dt x a dt dt
  ∂ 
= − +   ∂   
2
2
1 dx dx1 0 a
a dt dt
 
− = ⇒ = ± 
 PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 60
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
(7) Cho phép xác ñịnh các ñường ñặc 
trưng.
X0
t+θ
A B
X=at+k1
X=-at+k2
t
L
HỆ ðƯỜNG ðẶC TRƯNG
t+2θ
T
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
11
10/25/2010 61
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Trên ñường ñặc trưng, p/trình (6) trở thành:
(7)
Tích phân p/t trên theo ñường x =at+k1 với
giới hạn t tại A t+θ tại B:
(8)
a adH dV dQ
g gF
= =
( )A B A Bt t t taH H Q QgFθ θ+ +− = −
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 62
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Tích phân p/t (7) dọc theo ñường x =-at+k1 trong
g/hạn t tại B t+θ tại A:
(9)
Tương tự cho tất cả các thời ñoạn kháct+θ t+2θ; 
t+2θ t+3θ; ta có:
( )B A B At t t taH H Q QgFθ θ+ +− = − −
( )
( )
A B A B
n (n 1) n (n 1)
B A B A
n (n 1) n (n 1)
aH H Q Q
gF
aH H Q Q
gF
θ θ θ θ
θ θ θ θ
+ +
+ +

− = −



− = − −
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 63
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Dùng các ñ/kiện biên và ban ñầu, ta có thể
giải hệ p/trình ñể xác ñịnh giá trị nước va 
tại A.
Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước
không ñổi khi có nước va) HtB=H0= hằng
số tại B. Giả thiết lưu lượng qua A biết 
theo thời gian. Giá trị nước va tại A 
thường có dạng tổng quát sau:
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 64
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ví dụ: Dạng tổng quát giá trị nước va tại A.
200
300
400
500
600
700
800
900
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
T (s)
H
(m
)
Hmax (m)
Tf
Coät nöôùc cuoái oáng aùp 
löïc coù keå nöôùc va 
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 65
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
THIẾT LẬP 
PHƯƠNG TRÌNH 
NƯỚC VA 
TỔNG QUÁT
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 66
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
12
10/25/2010 67
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
2. PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT):
Ta có thể sử dụng phương pháp sai phân hữu
hạn ñể giải hệ phương trình ñạo hàm riêng bậc
cao phi tuyến biểu thị hiện tượng bước va:
Phương trình chuyển ñộng:
(10)
0
2
sin1 =++
∂
∂
+
∂
∂
D
VfV
g
x
p
t
V
α
ρ
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 68
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 69
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Phương trình liên tục:
(11)
t, x biến ñộc lập.
V vận tốc trung bình.
p áp suất tại tâm mặt cắt.
D ñường kính ống.
02 =
∂
∂
+
∂
∂
x
V
a
t
p ρ
e
D
E
K
K
a
+
=
1
/2 ρ
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 70
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Hệ phương trình (10) và (11) cho phép xác
ñịnh 2 ẩn số V và p theo thời gian.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 71
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ví dụ: ðường ống dài 1850m, ñường kính
thay ñổi từ 2,5m3,0m. Chiều dày
40mm20mm. Lưu lượng max 39m3/s, có
2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành có
f=0,025. Thời gian ñóng van 8’’. 
Lời giải bằng phương pháp sai phân tham
khảo như sau:
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 72
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
200
300
400
500
600
700
800
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
T (s)
p
 (
m
H
2O
)
Cuối ống
Giữa ống
NƯỚC VA DƯƠNG
PGS. TS. Nguyễn Thống
T
t
10/25/2010
13
10/25/2010 73
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
T (s)
p
 (
m
H
2O
)
NƯỚC VA ÂM
Cuối ống
Giữa ống
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 74
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
DỰ ÁN 
THƯỢNG 
KONTUM
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 75
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
0 10 20 30 40 50 60
T (s)
p(mH2O)
NƯỚC VA DƯƠNG
10/25/2010 76
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
700
750
800
850
900
950
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
T (s)
p(mH2O)
NƯỚC VA ÂM
10/25/2010 77
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
TÍNH TOÁN 
NƯỚC VA 
THEO QUY PHẠM 
VIỆT NAM
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 78
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
ðịnh nghĩa:
• T <=tf : nước va trực tiếp.
• T >tf : nước va gián tiếp.
T thời gian ñóng (mở) van (4’’-12’’).
tf=2L/a: thời gian truyền sóng nước va trên 
ñoạn ñường 2L.
L: chiều dài ống áp lực. 
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
14
10/25/2010 79
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
a: vận tốc truyền sóng
NƯỚC VA TRỰC TIẾP
Giá trị nước va max:
ðịnh nghĩa hệ số:
v 0 0 cH H H a(V V ) / g∆ = − = −
0 c
0 0
a(V V )H
H gH
ζ −∆= =
PGS. TS. Nguyễn Thống
e
d
*
E
K1
1425
a
+
=
10/25/2010 80
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
V0: vận tốc TB dòng chảy trước khi 
ñóng van.
Vc: vận tốc TB dòng chảy sau khi ñóng
van
HV: áp lực max (mH2O) do nước va + 
cột áp tỉnh.
H0: cột áp tỉnh.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 81
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP
Gọi t thời ñiểm nước va dương
max xảy ra:
 Nếu t <=tf: nước va pha ñầu.
 Nếu t >tf: nước va pha cuối.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 82
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Gọi hệ số Allievi:
Gọi hệ số liên quan ñóng van:
ðặt:
02
aV
gH
ρ =
02
at
L
θ =
ρ
σ
θ
=
0
H
H
ς ∆=
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 83
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Có 2 trường hợp:
- T/h 1: ρ < 1nước va gián tiếp 
pha ñầu.
Theo Calame-Gaden:
 ∆HHV
2
1 ( 1)
σς
σ θ
=
+ −
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 84
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
- T/h 2: ρ > 1 nước va gián tiếp pha cuối.
* Nếu ζ>=50% theo Allievi:
* Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden:
* Nếu ζ<50% theo Sparre:
( )2 42σς σ σ= + +
2
2
σς
σ
=
−
1.1ς σ=
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
15
10/25/2010 85
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Chú ý
Sau khi có ζ ta tính giá trị
gia tăng áp suất do nước
va:
PGS. TS. Nguyễn Thống
0H.H ς=∆
10/25/2010 86
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
NƯỚC VA ÂM
• Nước va âm cực tiểu pha ñầu (t<tf):
• Nước va âm cực tiểu pha cuối (t>tf):
• Tính gần ñúng khi ζ<50%:
CHÚ Ý: Giá trị nước va còn phụ thuộc vào loại
tuabin, thiết bị và quy trình ñóng mở van
2
1
σς
σ
=
+
2( 4)
2
σ σ σς − + +=
2
2
σς
σ
=
+
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 87
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: ðường ống dài L=850m 
chịu cột nước tỉnh H0=294m. Vận
tốc TB dòng chảy trong ống
V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời
gian ñóng van 7’’. Tính giá trị
nước va dương theo QPVN.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 88
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài giải:
(ρ > 1  nước va gián tiếp pha ñầu)
Giá trị nước va lớn nhất cuối ống:
28.0
2
2
=
−
=
σ
σζ
0
1.14
2
aV
gH
ρ = = 0
1100*7 4.53
2 2*850
at
L
θ = = =
1.14 0.25
4.53
ρ
σ
θ
= = =
PGS. TS. Nguyễn Thống
m3.82294*28.0HH 0 ===∆ ς
10/25/2010 89
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: ðường ống áp lực dài 1000m, cột
nước tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình
trong ống 5,5m/s. Giả thiết a=1200m/s, 
thời gian ñóng van 8’’. 
a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp?
b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN.
c. ðường ống có d=2m, [σ] =20kN/cm2. 
Tính chiều dày thành ống (b).
(Xem ôn ở sau, tính lực dọc CV ống tròn có
áp suất ñều p tác dụng)
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010 90
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Bài tập: Giống câu hỏi bài tập
trước với H0=600m, L=1500m, 
V=6m/s, a=1000m/s & t=8’’.
PGS. TS. Nguyễn Thống
10/25/2010
16
10/25/2010 91
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Ôn: Xác ñịnh lực dọc T theo chu vi ống tròn
bán kính R khi chịu áp suất p phân bố ñều
bên trong:
PGS. TS. Nguyễn Thống
p
R
T=f(p,R)
A
A
10/25/2010 92
CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO
Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
PGS. TS. Nguyễn Thống
HẾT