Hướng dẫn thiết kế kênh tưới

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ KÊNH TƯỚI Mục đích, ý nghĩa của thiết kế kênh: Mục đích của việc thiết kế mặt cắt dọc, cắt ngang kênh là xác định các kích thước cơ bản của kênh bao gồm: chiều rộng

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ KÊNH TƯỚI

 Mục đích, ý nghĩa của thiết kế kênh:

Mục đích của việc thiết kế mặt cắt dọc, cắt ngang kênh là xác định các kích thước cơ bản của kênh bao gồm: chiều rộng đáy kênh b, mái dốc bờ kênh m, độ dốc đáy kênh i, cao trình đáy kênh, cao trình bờ kênh, chiều rộng mặt bờ kênh…

Nhằm đảm bảo kênh đủ khả năng dẫn nước tưới về mặt ruộng, kênh làm việc tốt và lâu dài Từ đó cũng tính được khối lượng xây dựng của công trình

Đồng thời qua việc thiết kế kênh xác định được các vị trí và hình thức công trình, các tài liệu cơ bản để thiết kế công trình trên hệ thống

Thiết kế mặt cắt kênh là bước quan trọng Nó có tính chất quyết định khả năng phục vụ của hệ thống, đến điều kiện thi công và quản lý hệ thống, có tính chất quyết định đến hiệu ích của hệ thống tưới

Để hệ thống kênh đạt được những yêu cầu đề ra, khi thiết kế mặt cắt kênh cần thỏa mãn những điều kiện cơ bản nhất định

6.1 Các điều kiện cần thỏa mãn khi thiết kế kênh tưới

6.1.1 Điều kiện khống chế tưới tự chảy vào các cánh đồng trong khu tưới

Mực nước trên kênh tưới phải đạt được cao trình nhất định gọi là mực nước yêu cầu khống chế tưới tự chảy trên kênh Cao trình yêu cầu khống chế tưới tự chảy phụ thuộc vào cao trình mặt ruộng được tưới và tổn thất đầu nước trên kênh

yc = A0 + h + ∑

=

n 1 i i

i L

=ψ

m 1

Trong đó:

A0: Cao trình mặt ruộng yêu cầu khống chế tưới tự chảy (m)

h: Chiều sâu lớp nước mặt ruộng (m)

i : Tổn thất cột nước dọc đường của các cấp kênh dẫn nước đến mặt ruộng

yêu cầu tưới tự chảy do độ dốc kênh gây ra (m)

Li: Chiều dài đoạn kênh thứ i (m)

ψ : Tổn thất cục bộ, gồm có: Tổn thất đầu nước qua cống lấy nước và tổn

thất đầu nước qua các công trình trên kênh

6.1.2 Điều kiện không bồi lắng xói lở

Để kênh làm việc bình thường không bị bồi lắng và xói lở thì tốc độ trong kênh phải thoả mãn:

- Không lớn quá một trị số giới hạn nào đó gọi là tốc độ không xói.

- Không được nhỏ quá một trị số giới hạn nào đó gọi là tốc độ không lắng

- Ngoài ra tốc độ trong kênh phải bảo đảm không cho mọc cỏ trong kênh

Vì vậy, phải thiết kế kích thước mặt cắt kênh sao cho tốc độ nước chảy trong kênh chỉ được thay đổi trong một phạm vị nhất định được giới hạn bởi [v]kl và [v]kx [v]kx ≤ v ≤ [v]kl (6.2)Trong đó:

[v]kl: Tốc độ không lắng tới hạn (m/s)

[v]kx: Tốc độ không xói tới hạn (m/s)

6.1.3 Điều kiện khả năng dẫn nước lớn nhầt

Kênh có khả năng chuyển nước lớn nhất khi có mặt cắt thuỷ lực lớn nhất hay

nói cách khác là Rmax, hay 2( 1 m m)

6.1.5 Kênh phải ổn định không bị đổi dòng

Để kênh ổn định không bị đổi dòng, ta có thể tính tỷ số β theo công thức kinh nghiệm:

m3.Q

h

b

β= = 0,25− (6.3)

6.1.6 Đáp ứng yêu cầu tổng hợp lợi dụng

Kênh tưới thường kết hợp làm một số nhiệm vụ khác hợp đó

6.2 Xác định một số chỉ tiêu của kênh

6.2.1 Độ dốc đáy kênh

Độ dốc đáy kênh i là một chỉ tiêu rất quan trọng Độ dốc hợp lý là độ dốc bảo đảm tưới tự chảy hợp lý nhất, bảo đảm điều kiện ổn định của lòng kênh, không gây bồi lắng xói lở và với tốc độ ấy khối lượng đào đắp của kênh mương sẽ là nhỏ nhất

Trong thiết kế, bước đầu thường dựa vào điều kiện địa hình của tuyến kênh, dựa vào kinh nghiệm để sơ bộ chọn độ dốc, sau đó dùng độ dốc đáy kênh i sơ bộ để

Sinh viên: Nguyễn Thị Thạch Thảo Lớp: S10 –

thiết kế mặt cắt dọc, mặt cắt ngang kênh và tiến hành kiểm tra điều kiện bồi lắng, xói lở trong kênh, nếu thỏa mãn thì cho phép dùng độ dốc sơ bộ đã chọn.

Địa hình khu tưới của khu vực hồ Quảng Thắng là địa hình miền núi và trung

du nên sơ bộ chọn độ dốc kênh chính 1 kênh chính 2 và 3 là i = 0.001

6.2.2 Xác định mái dốc bờ kênh

Với kênh đất việc xác định m rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ổn định của bờ kênh và kích thước mặt cắt Hệ số mái m phụ thuộc vào chất đất và chiều sâu nước trong kênh, tra bảng 9.7 trang 315 giáo trình Quy Hoạch Và Thiết Kế Hệ Thống Công Trình Thủy Lợi

Vùng quy hoạch, đất nơi tuyến kênh đi qua là đất thịt pha sét nhẹ và lưu lượng chuyển trên kênh chính nhỏ hơn 1 m3/s nên ta chọn hệ số mái trong mtr = 1,0

và hệ số mái ngoài mng = 1,0

6.2.3 Hệ số nhám lòng kênh

Hệ số nhám n phụ thuộc vào chất đất lòng kênh và các điều kiện khác trên lòng kênh như cỏ mọc…Với đặc điểm kênh mương khu hưởng lợi và lưu lượng thiết kế Qtk < 1 (m3/s) nên căn cứ vào bảng 9.8 trang 315 giáo trình Quy Hoạch Và Thiết Kế Hệ Thống Công Trình Thủy Lợi, sơ bộ chọn hệ số nhám: n = 0,025

6.3 Thiết kế mặt cắt dọc, mặt cắt ngang kênh tưới

Trong vùng quy hoạch có ba kênh chính là kênh chính 1 kênh chính 2 và kênh chính 3, ta đi thiết kế điển hình một kênh, trong phạm vi đồ án này, em chọn kênh chính 3 để tính toán thiết kế

Do quá trình chuyển nước và phân phối nước cho các kênh nhánh nên lưu lượng chuyển của kênh chính thay đổi theo chiều dài chuyển nước, do đó ta chia kênh chính thành 13 đoạn kênh để thiết kế mặt cắt kênh

 Trình tự thiết kế kênh:

1 Dựa vào tài liệu điạ hình, vẽ mặt cắt dọc mặt đất tự nhiên mà tuyến kênh đi qua, trên đó ghi vị trí của tất cả các công trình trên tuyến kênh đó như cống lấy nước kênh cấp dưới, công trình vượt chướng ngại vật…

2 Xác định các cao trình yêu cầu tưới tự chảy ở đầu kênh cấp dưới ghi vào đúng vị trí của chúng trên kênh

yc = A0 + h + ∑

=

n 1 i i

i L

=ψ

m 1

j j

Để xác định cao trình yêu cầu tưới tự chảy vào kênh cấp dưới, trong phạm vi phụ trách của mỗi kênh nhánh ta chọn 2 điểm cao trình mặt ruộng (A0) đại diện yêu cầu tưới tự chảy cho kênh đó Tổn thất cục bộ qua các công trình trên tuyến dẫn đến

A0 lấy sơ bộ qua mỗi công trình là 0,2m Lớp nước mặt ruộng h = 0,08m

Kết quả tính toán cao trình yêu cầu tưới tự chảy thể hiện trong bảng 6.1

Bảng 6.1: Bảng tính toán cao trình yêu cầu tưới tự chảy tại đầu kênh chính

4 Vẽ đường mặt nước thiết kế kênh:

Dựa vào đường mặt đất tự nhiên, dựa vào các yêu cầu tưới tự chảy của các kênh cấp dưới sơ bộ vẽ đường mực nước yêu cầu của kênh thỏa mãn:

- Cố gắng trùm lên tất cả các cao trình yêu cầu tưới tự chảy

- Tương đối phù hợp với mặt đất tự nhiên để khối lượng đào đắp ít

- Có độ dốc mực nước nằm trong phạm vi imax và imin ( imin ≤ i ≤ imax )

Từ các cao trình khống chế tưới tự chảy tại đầu các kênh nhánh cấp I, ta đưa lên mặt cắt dọc Chọn độ dốc thiết kế kênh chính là 1.10-3, vẽ đường mực nước thiết

kế của tuyến kênh thỏa mãn các điều kiện trên

Q n

tỷ số

k

k

h b

- Ta xác định được bK theo công thức ln

- Tra bảng 8.3 bảng tra thủy lực dựa vào giá trị (m và

ln

k

R

b) ta tính được

ln

k

R h

Q

Kết quả tính toán mặt cắt ngang kênh được thể hiện trong bảng 6.2

Bảng 6.2: Kết quả tính toán mặt cắt ngang

6 Kiểm tra điều kiện bồi lắng, xói lở trong kênh

Sau khi tính toán được bk và hk, ta tiến hành kiểm tra lại tốc độ chảy trong kênh hay các yêu cầu khác mà kênh phải thỏa mãn:

[v]kl ≤ v ≤ [v]kx

Trong đó:

[v]kl: Lưu tốc cho phép không lắng (m/s)

[v]kx: Lưu tốc cho phép không xói (m/s)

v: Lưu tốc dòng chảy trong kênh ứng với lưu lượng thiết kế (m/s)

v = vmin ÷ vmax

vmin: Lưu tốc dòng chảy trong kênh ứng với Qmin (m/s)

Sinh viên: Nguyễn Thị Thạch Thảo Lớp: S10 –

vmin = Qω h (bQ m.h )

min k

min

min min

max

max max

K: Hệ số phụ thuộc vào tính chất làm kênh, với loại đất làm kênh là đất thịt pha sét nhẹ nên tra bảng tra 9.5 trang 310 giáo trình Quy Hoạch Và Thiết Kế Hệ Thống Thủy Lợi được K = 0,57

A: Hệ số phụ thuộc vào độ thô thủy lực trung bình của bùn cát (W) Vùng quy hoạch có độ thô thủy lực W = 1,5(mm/s) nên ta được A = 0,44

Để xác định vmax và vmin ta phải tính độ sâu mực nước hmax và hmin trong tương ứng với Qmax và Qmin Việc xác định hmax và hmin cũng được xác định theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực như đối với hk, chỉ khác là ở đây đã biết được bk

Kết quả tính toán độ sâu mực nước và tốc độ dòng chảy lớn nhất và nhỏ nhất được thể hiện trong các bảng 6.3 và 6.4

Bảng 6.3: Kết quả tính toán độ sâu mực nước lớn nhất

và tốc độ lớn nhất trong kênh chính

1 12-13 0.0334 0.1214 0.3 2.4721 1.7254 0.21 0.107 0.313 0.4057

2 11=12 0.0445 0.1351 0.3 2.2204 1.8286 0.25 0.135 0.329 0.4175

7 Tính cao trình đáy kênh

Từ đường mực nước thiết kế trên và độ sâu mực nước thiết kế tại các đoạn kênh, ta xác định đường đáy kênh thiết kế theo công thức sau:

đk = MNTK - hk (6.7)

Sinh viên: Nguyễn Thị Thạch Thảo Lớp: S10 –

Đường đáy kênh được thể hiện trên bản vẽ mặt cắt dọc kênh.

8 Kiểm tra điều kiện khống chế tưới tự chảy ứng với Qmin

min= đk + hmin (6.8)

So sánh min với yc của kênh cấp dưới

9 Tính cao trình bờ kênh:

bk = đk + hmax + δ (6.9)Với δ: Độ vượt cao an toàn ứng với trường hợp kênh dẫn với lưu lượng Qmax

Các đoạn kênh chính có Qmax < 1 (m3/s), tra bảng 9.9 trang 316 giáo trình Quy Hoạch Và Thiết Kế Hệ Thống Thủy Lợi, được δ = 0,2m

Ta phải tính H = hmax + δ và chọn lại H

Các giá trị mực nước thiết kế, đk, min, max, bk được thể hiện trong bảng 6.5

Bảng 6.5 Cao trình các mực nước và bờ kênh tại các mặt cắt

Mặt cắt

Khoảng cách (m)

Khoảng cách cộng dồn(m)

MNTK (m) đáy kênh

10 Vẽ mặt cắt dọc, mặt cắt ngang kênh mương.

11 Tính toán khối lượng kênh mương

Khối lượng xây dựng kênh mương bao gồm: khối lượng đào và khối lượng đắp

( ) dào i( ) i dào i( ) dào i+1( ) i

Vđắp(i), Vđào(i): Thể tích đắp, đào của đoạn kênh thứ i (m3)

Sđắp(i), Sđào(i): Diện tích mặt cắt phần đắp, đào tại mặt cắt thứ i (m2)

S đắp, S đào: diện tích đắp, đào trung bình của 2 mặt cắt đầu và cuối của đoạn thứ i (m2)

Li: Chiều dài đoạn kênh thứ i (m)

Quá trình tính toán khối lượng đào, đắp được thể hiện trong bảng 6.6

(m2)

(m 2 )

Vđào (m 3 )

Vđắp (m 3 )

12 Thống kê vị trí của các kích thước cơ bản của các công trình trên kênh.

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT HỒ

7.1 Tính toán điều tiết hồ

7.1.1 Nguyên lý tính toán điều tiết hồ

Để tính toán điều tiết hồ chứa ta dùng nguyên lý cân bằng nước: “Hiệu số giữa lượng nước vào kho nước và lượng nước ra khỏi kho nước bằng sự thay đổi của kho nước trong suốt khoảng thời gian đó”

Phương trình có dạng:

[Q(t) – q(t)].dt = dv(t) (7.1)

q(t)

Với: qyci: lưu lượng yêu cầu nước của hệ thống theo kế hoạch dùng nước

qti: lưu lượng thấm phụ thuộc vào điều kiện địa chất lòng hồ, hình dạng lòng

hồ và loại công trình ngăn nước

qxi: lưu lượng nước xả, phụ thuộc vào quá trình nước đến, quá trình nước cần

Vbq i 1 i i

Vi: dung tích ở thời điểm tính toán thứ i, đây là dung tích cần tính

7.1.2 Các tài liệu cơ bản cần thiết cho tính toán

7.1.2.1 Tài liệu nguồn nước đến và nhu cầu dùng nước

Kết quả được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 7.1: Bảng quan hệ giữa lượng nước đến và nhu cầu dùng nước

W yêu cầu (10 6 m 3 )

Sinh viên: Nguyễn Thị Thạch Thảo Lớp: S10 –

3 0.108 0.116 9 0.299 0.011

7.1.2.2 Tài liệu đặc trưng địa hình lòng hồ

Bảng số liệu về đặc trưng lòng hồ và các đường quan hệ Z ~ V và Z ~ F được lấy từ bảng 4.1 và hình 4.1, hình 4.2 chương 4

7.1.2.3 Tài liệu bốc hơi

Bảng số liệu về dốc hơi được lấy từ bảng 1.8 chương 1

7.1.3 Tính toán xác định cao trình mực nước chết, dung tích chết

Dung tích chết là phần dung tích không tham gia vào quá trình điều tiết dòng chảy Phần dung tích nằm ở phần dưới cùng của kho nước nên còn gọi là dung tích lót đáy Dung tích chết chính là giới hạn dưới của kho nước

Mực nước chết là mực nước ứng với dung tích chết Mực nước chết và dung tích chết có quan hệ với nhau theo đường quan hệ địa hình lòng hồ

Dung tích chết và mực nước chết có những nhiệm vụ chính sau đây :

- Dung tích chết có nhiệm vụ tích hết phần bùn cát lắng đọng trong hồ chứa trong thời gian hoạt động của công trình, tức là : Vc≥ Vb T

Trong đó :

Vb : Là thể tích bồi lắng hằng năm của bùn cát

T : Là thời gian hoạt động của công trình (năm) Hồ Quảng Thắng là công trình cấp IV nên T = 50 năm

- Đối với hồ chứa có nhiệm vụ tưới tự chảy, thì cao trình mực nước chết không được nhỏ hơn cao trình mực nước tối thiểu để có thể đảm bảo tưới tự chảy, tức

là :

HMNC≥ ZCống

Với : ZCống là cao trình ngưỡng cống tại đầu mối

- Đối với nhà máy thủy điện, thì mực nước chết và dung tích chết phải được chọn sao cho công suất đảm bảo của nhà máy thủy điện là lớn nhất và có cột nước tối thiểu để phát điện.

- Đối với giao thông thủy ở thượng lưu hồ thì mực nước chết là mực nước tối thiểu để cho phép tàu thuyền đi lại bình thường

- Đối với thủy sản thì dung tích chết và mực nước chết phải đảm bảo có quy

mô cần thiết cho nuôi cá và thủy sản khác

- Đối với yêu cầu về du lịch và bảo vệ môi trường thì mực nước chết và dung tích chết phải đảm bảo yêu cầu tối thiểu cho du lịch và yêu cầu vệ sinh thượng lưu hồ

Trong các nhiệm vụ trên thì nhiệm vụ : Dung tích chết chứa đựng hết phần bùn cát lắng đọng trong hồ chứa trong thời gian hoạt động của công trình – Là yêu cầu tiên quyết khi lựa chọn dung tích chết.

Nếu hồ chứa được xây dựng với nhiệm vụ chủ yếu là cấp nước tưới cho nông nghiệp và sinh hoạt nên: Dung tích chết cũng như mực nước chết được xác định theo hai điều kiện sau:

 Thể tích bùn cát lắng đọng trong hồ chứa ứng với tuổi thọ của công trình

 Cao trình yêu cầu tưới tự chảy tại đầu mối công trình

Hồ Quảng Thắng có điểm khác biệt so với các hồ khác là việc đắp đập không nhằm mục đích dâng nước để tưới tự chảy cho vùng hạ lưu mà chỉ để chứa nước và bơm lên các bể ở thượng lưu, cung cấp nước cho vùng thượng lưu đập

Vì vậy, không có cao trình tưới tự chảy tại đầu mối công trình Để xác định dung tích chết và mực nước chết của hồ ta chỉ có thể dựa vào thể tích bùn cát lắng đọng trong hồ

+ Dựa vào đường quan hệ Z ~V, ta tra ra cao trình mực nước ứng với dung tích bùn cát đó, giá trị mực nước đó chính là cao trình mực nước chết của hồ.

∗ Tính toán xác định dung tích bùn cát:

+ Hàm lượng bùn cát:

Lưu vực hồ Quảng Thắng không có tài liệu quan trắc dòng chảy rắn nên ta

có thể dùng công thức kinh nghiệm của Pô –Lia –Kôp (công thức 8.13 trang 331 giáo trình thủy văn công trình) để xác định độ đục phù sa lơ lửng cho lưu vực hồ

K

J

104

Trong đó:

J: độ đốc bình quân lòng sông, J = 20%o

ε: Hệ số xâm thực, chọn theo mức độ xói mòn lưu vực, chọn ε =1

31 ×

×

×T

R o

Lấy trọng lượng riêng bùn cát lơ lửng: γ = 0,8 Tấn/m³

Lấy Kbl =0,7: Hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng đến hồ

Vbc = VLL + Vdd = 82,953×103 + 14,8859 ×103 = 97,8389 × 103 (m3)

Để đảm bảo nhu cầu tưới, đảm bảo lấy nước an toàn, ta chọn mực nước chết (MNC) bằng mực nước bùn cát (MNBC) cộng thêm 0,5m Tra đặc trưng quan hệ lòng hồ ta được:

- Mực nước chết của hồ là: 1494,58 m

- Dung tích chết của hồ là: 115,745×103 m3

7.1.4 Tính toán điều tiết hồ

Dựa vào kết quả tính toán khí tượng thủy văn trong chương II ta thấy tổng lượng dòng chảy đến trong năm thiết kế (Wđến = 1,764.106 m3) lớn hơn tổng lượng yêu cầu trong năm thiêt kế (Wyc = 1,596.106 m3) Do đó chọn phương thức điều tiết năm Trong đồ án này em sử dụng phương pháp lập bảng để tính toán điều tiết hồ chứa

Nguyên lý tính toán điều tiết là dựa vào phương trình cân bằng nước của hồ chứa và đường đặc trưng địa hình hồ chứa Z ~ V ~ F

Vì lượng bốc hơi mặt nước và lượng nước tổn thất do ngấm chưa xác định được nên trước tiên giả thiết lượng nước ra khỏi hồ bằng với lượng nước dùng qr(t)

= q(t)

7.1.4.1 Tính toán điều tiết hồ chứa khi chưa kể đến tổn thất

Kết quả tính toán được thể hiện ở bảng 7.2

Ghi chú:

Cột (1): Thứ tự các tháng sắp xếp theo năm thủy lợi.

Cột (2): Tổng lượng nước đến của từng tháng, lấy ở bảng 7.1

Cột (3): Tổng lượng nước dùng của từng tháng, lấy ở bảng 7.1

Cột (4): Tổng lượng nước thừa của từng tháng, (4) = (2) – (3).

Cột (5): Tổng lượng nước thiếu của từng tháng, (5) = (3) – (2).

Vì lượng nước đến và lượng nước dùng chỉ có 1 đợt thừa và thiếu nước liên tục và

V+ > V- Tổng cột (5) là dung tích nước cần trữ để đảm bảo yêu cầu cấp nước thời

kỳ thiếu nước, và đó là dung tích hiệu dụng của hồ khi chưa kể tổn thất

Vh = V- = 671.103 (m3) = 0,671.106 (m3)

Sinh viên: Nguyễn Thị Thạch Thảo Lớp: S10 –