Thủy văn công trình Chương 3

Chương Tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmax,p% từ mưa lưu vực 3.1 Các giả thiết mô hình tính toán DC 3.1.1 Các giả thiết Mưa đồng thời toàn lưu vực Cường độ mưa không đổi suốt trận mưa cường độ trung bình thời đoạn mưa Đất bão hoà nước từ trận mưa trước Cường độ thấm coi đồng toàn lưu vực cường độ trung bình đo đạc riêng biệt toàn lưu vực Lớp nước mặt coi không bị cản trở cho phép lưu lượng xảy nhanh nhất, lớn bất lợi Lưu vực hình thành mặt phẳng nghiêng lòng sông giao tuyến mặt phẳng nghiêng Độ dốc thuỷ lực coi đồng suốt chiều dài sông độ dốc trung bình đáy sông suối 3.1 Các giả thiết mô hình tính toán DC 3.1.1 Mô hình tính toán DC a Thời gian tập trung nước hay tập trung dòng chảy Thời gian tập trung dòng chảy: Là khoảng thời gian để chất điểm nước vị trí xa lưu vực chuyển động tới tuyến cửa (công trình) Ký hiệu: τ Quá trình tập trung nước gồm hai giai đoạn: TG Tập trung dòng chảy sườn dốc (τd): Là khoảng thời gian cần thiết cho lượng nước điểm xa sườn dốc chảy tới lòng sông TG Tập trung dòng chảy sông (τs): Là thời gian cần thiết cho lượng nước điểm xa dòng sông chảy tới vị trí công trình Hai trình thực chất phân tách τ =τd + τs b Cơ sở lý thuyết tập trung dòng chảy Giả thiết: Mưa thấm lưu vực với lượng qúa thấm ( lượng cấp nước): h(mm) Trường hợp 1: τ < Tc Ví dụ 1: Giả sử có trận mưa với thời gian mưa hiệu đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng đơn vị thời gian h1, h2, h3, h4, h5 Tc=5τ0 Lưu vực A có độ nhám, độ dốc chia đường đẳng thời thành diện tích phận f1, f2, f3 từ vị trí công trình đến nguồn sông τ = 3τ0 Đường đẳng thời đường cong nối tất điểm lưu vực có thời gian tập trung dòng chảy tuyến cửa f2 f1 fi f3 f3 τ f2 h3 f1 hi h2 h4 h1 h5 Xác định trình lưu lượng Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tuyến cửa lưu vực là: Q0 = Sau 1τ0: Q1= h1f1 Sau 2τ0 : Q2= h1f2 + h2f1 Sau 3τ0 : Q3= h1f3+h2f2+h3f1 Sau 4τ0 : Q4= h2f3 +h3f2 +h4f1 Sau 5τ0 : Q5= h3f3+ h4f2+h5f1 Sau 6τ0 : Q6= h4f3+h5f2 Sau 7τ0 : Q7= h5f3 Sau 8τ0 : Q8=0 Quá trình lưu lượng 4500 4000 3500 Q (m3/s) 3000 2500 2000 1500 1000 500 τ (giờ) Trường hợp 2: τ = Tc Ví dụ 2: Giả sử có trận mưa với thời gian mưa hiệu đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng h1, h2, h3 Tc=3τ0 Giả sử lưu vực A chia đường đẳng thời thành diện tích phận f1, f2, f3 từ vị trí công trình đến nguồn sông τ = 3τ0 Như τ = Tcn f2 fi f1 f3 f3 τ f2 h1 h2 h3 f1 Xác định trình lưu lượng Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tuyến cửa lưu vực là: Q0 = Sau 1τ0: Q1= h1f1 Sau 2τ0 : Q2= h1f2 + h2f1 Sau 3τ0 : Q3= h1f3+h2f2+h3f1 Sau 4τ0 : Q4= h2f3 +h3f2 Sau 5τ0 : Q5= h3f3 Sau 6τ0 : Q6=0 10 c Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (100km ≤F ≤300km ) 2 Môđun đỉnh lũ: q max Q max = m / s.km ( ) F Môđun đỉnh lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, diện tích lưu vực Môđun đỉnh lũ thiết kế: qmax,p (m3/s.km2) 31 Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (tiếp) Theo nhiều nghiên cứu, môđun đỉnh lũ giảm diện tích lưu vực tăng mô tả hàm số mũ: q max,p = Ap F n Trong đó: n hệ số triết giảm; Ap tham số địa lý khí hậu thay đổi theo vùng lãnh thổ; F diện tích lưu vực sông Hệ số n tham số Ap xác định theo tài liệu thực đo, cách lấy logarit vế: lgqmaxp = lgAp – nlgF n hệ số góc đường quan hệ lgqmaxp ~ lgF n hệ số triết giảm tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ phân vùng theo lãnh thổ 32 Lg(qmaxp)= 1.5509 – 0.4459 lg(F) Lg(qmaxp) 1% y = -0.4459x + 1.5509 1.5 Series1 0.5 Linear (Series1) -0.5 Lg(F) 33 Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn môđun đỉnh lũ Môđun đỉnh lũ quy chuẩn q100 ứng với diện tích 100km2 tần suất 10% xây dựng thành đồ đẳng trị Theo công thức triết giảm: q100 A10% = 100n n hệ số triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ phân vùng theo lãnh thổ n Từ suy ra:  100  A p q max p = q100   F   A10% 34 Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn môđun đỉnh lũ (tiếp) A λp = p Đặt A10% gọi hệ số chuyển đổi tần suất 10% sang P% (tra bảng theo phân vùng lãnh thổ) Viết lại công thức dạng: n  100  q max p = q100   λpδ  F  δ hệ số xét đến ảnh hưởng đầm, hồ ao Từ có lưu lượng đỉnh lũ thiết kế n Q max p  100  = q100   λ p δ.F  F  35 Ví dụ: Cho môđun đỉnh lũ ứng với tần suất 10% q =26 m3/skm2, n =0,5 Hệ số chuyển đổi sang tần suất 1% λp =1,2 Lưu vực có diện tích F =240km2 Diện tích ao hồ, đầm lầy Fao hồ đầm lầy =8km2 Yêu cầu tính lưu lượng thiết kế với tần suất 1% n  100  q max p = q100   λpδ  F  với: Fao ho dam lay     δ = − 0,8lg 1 + 0,1 = − + 0,8lg 0,1    = 0,999 F 240     n Q max,1% 0,5  100   100  F 26 = q100  λ δ =  p   1, × 240 × 0,999 = 4827,89 ( m / s )  F   240  36 d) Công thức Xô-kô-lốp-sky (F>100km2) Công thức xây dựng sơ sở: Chỉ xét nhân tố chủ đạo ảnh hưởng đến dòng chảy lũ phạm vi độ xác thực dụng nhân tố xác định dễ dàng Coi tần suất mưa tần suất lũ Không xét đến đỉnh lũ, mà xét đến lượng lũ, đường trình lũ Tổn thất lũ tính hệ số dòng chảy tổng lượng 37 Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky Tác giả đơn giản hóa trình lũ thành hai đường cong parabol gặp đỉnh Phương trình nhánh lũ lên m t Qt = Qm    tl  Phương trình nhánh lũ xuống n  tx − t   Qt = Qm  t x đường Parabol Trong m n bậc  38 1200.00 Qmaxp 1000.00 800.00 600.00 m n 400.00 200.00 0.00 tl 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 tx 39 Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky Khi đó, tổng lượng lũ xác định theo phép tích phân: Đặt tx = γ.tl Từ rút m n x t  tx − t   dt W = ∫ Qm   dt + ∫ Qm   tl   tx  0 tx   tl = Qm  +   m +1 n +1 t1 t γ   W = Qm t l  +   m +1 n +1 W (m + 1)(n + 1)  Qm =   ( ) ( ) t n + + m + γ  l  40 Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky Cho f = Ta có: (m + 1)(n + 1) (n + 1) + γ (m + 1) gọi hệ số hình dạng lũ W Qm = f tl Mặt khác, tổng lượng lũ Wmp tính theo lớp dòng chảy lũ yτp theo công thức: Wmp = yTP.F Trong yTP = ϕ(HTP-H0) ϕ: hệ số dòng chảy lũ; HTP = lượng mưa thiết kế thời đoạn T; H0 = lớp tổn thất ban đầu 41 Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky Từ có dạng công thức cuối cùng: Q max = K ϕ ( H TP − H ) y.F f = 0, 278 F.f tl Tl Trong K hệ số chuyển đổi đơn vị Khi thời gian lũ lên Tl tính theo giờ, cường độ mưa tính theo mm/h K =0.278 42 Công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp) Q max p α ( H TP − H ) F.f.δ + Q ng = 0, 278 Tl ϕ : Hệ số dòng chảy HTP: Lượng mưa thiết kế tính theo thời gian tập trung dòng chảy T H0: Lớp nước mưa tổn thất ban đầu, mm Tl: thời gian lũ lên F: diện tích lưu vực, km2; f: hệ số hình dạng lũ, sông bãi f=1,20; sông có bãi thoát 25% Q f=1,0; sông có bãi thoát 50% Q f=0,75; δ: hệ số triết giảm đỉnh lũ hồ ao đầm lầy, rừng Qng: lưu lượng nước ngầm trước có lũ lấy lưu lượng nước bình quân nhiều năm lưu vực lớn, bỏ qua lưu vực nhỏ 43 Cách xác định tham số CT: Thời gian lũ lên tính thời gian tập trung nước sông: L- chiều dài sông (km) K n L tl = (h) (3,6 hệ số đổi đơn vị); 3, 6.v tb Vtb = (0,6÷0,7) Vmax vtb(m/s): vận tốc trung bình dòng chảy thời gian lũ lên Vmax(m/s):vận tốc bình quân lớn mặt cắt sông tính toán xác định theo tài liệu quan trắc lưu vực tương tự – tốc độ trung bình lớn mặt cắt cửa ra; Kn: hệ số, mưa rào ngắn Kn = 1,0; mưa có thời gian lớn ngày đêm Kn = 1,3 ÷ 1,6; 44 Cách xác định tham số CT: HTP: lượng mưa thiết kế tính theo thời gian tập trung dòng chảy T: H TP = H τp = ψ τp H ngp + ψτp: toạ độ đường cong triết giảm mưa ứng với thời gian mưa thiết kế lấy T, xem phụ lục 4-11 + Hngp : lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế P ***Đối với lưu vực vừa lớn cần xét triết giảm lượng mưa theo diện tích H TP H ',TP = (mm) m + KTF KT m xác định theo T : T ≤ 1440ph ⇒ KT= 0,001 m= 0.80; T > 1440ph ⇒ KT= 0,002 m= 0.60 F ≤ 100km2 ⇒ HTP’= HTP δ : hệ số triết giảm đỉnh lũ hồ ao đầm lầy, rừng : δ= 1-0,6lg(1+fa+0,2fl+0,05fr) fa ,fl, fr : tỷ lệ ao, đầm, rừng so với diện tích lưu vực tình theo % 45 [...]...Quá trình lưu lượng ớc 4000 35 00 30 00 Q (m3/s) 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 t (giờ) 11 Trường hợp 3: τ > Tc Ví dụ 3: Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 2 đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3 Tc=2τ0 Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1, f 2 , f3 τ = 3 0 Như vậy τ > Tcn 12 f2 fi f1 f3 f3 h1 τ h2 f2 f1 13 Xác... h1 τ h2 f2 f1 13 Xác định quá trình lưu lượng Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là: Q0 = 0 Sau 1τ0 : Q1= h1f1 Sau 2τ0 : Q2= h1f2 + h2f1 Sau 3 0 : Q3= h1f3+h2f2 Sau 4τ0 : Q4= h2f3 Sau 5τ0 : Q 5= 0 14 Quá trình lưu lượng 1800 1600 1400 Q (m3/s) 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 t (giờ) 15 Công thức tính lưu lượng ở thời điểm bất kì (Công thức căn nguyên dòng chảy)... hình thành lưu lượng đỉnh lũ Từ công thức căn nguyên dòng chảy tổng quát, ta có: Qmax  k=t  = max  ∑ h k f t − k +1   k =1  TH 1: τ < Tc, theo VD1 thì Qmax = Q4 = h2f3 +h3f2 +h4f1 TH 2: τ = Tc, theo VD2 thì Qmax = Q3 = h1f3+h2f2+h3f1 NX: toàn bộ thành phần diện tích lưu vực tham gia vào sự hình thành lưu lượng đỉnh lũ ⇒ Dòng chảy hoàn toàn TH 3: τ > Tc, theo VD3 thì Qmax = Q2 = h1f2 + h2f1 NX:... chảy lớn nhất (a) Sơ đồ quá trình cấp nước (b) Sơ đồ mô đun dòng chảy lũ Amax: Cường độ cấp nước (mưa) lớn nhất qmax: Mô đun dòng chảy lớn nhất qmax=kthϕAmaxc, ϕ=1/(1+τ/Tc): hệ số triết giảm cường độ DC max 18 3. 2 Các công thức tính Qmax,p% theo PP gián tiếp từ mưa và dòng chảy (TH không có tài liệu đo đạc thủy văn) Công thức lý luận: là loại công thức được xây dựng trên cơ sở công thức căn nguyên dòng... = 73. 940/00 29 Q maxP = A P × φ × H ngp × F × δ Xác định trị số AP (Φl, τsd, Vùng mưa) = 0,0194 φℓ = 1 03 L 1 mℓ × Ι ℓ (ϕH ngp F) 3 1 = 129,15 4 τsd (Φsd và vùng mưa) (10 L ) 3 φsd = 0,6 sd msd × Ιsd 0 ,3 (ϕH ngp )0,4 = 4,8 với L sd = Bsd = 1,8(Lchinh F = 0, 22 ( km ) + ∑ ℓ nhanh ) Tra bảng với vùng mưa VII được τsd =47 (phút) Q max p = 0, 0194 × 0, 7 × 116 × 29,54 × 0,95 = 44, 21( m3 / s ) 30 c Công. .. đệm Điển hình: công thức cường độ giới hạn Công thức kinh nghiệm: là loại công thức đã hoàn toàn dựa trên cơ sở tổng hợp tài liệu thực đo về lũ nhằm xác định mối quan hệ giữa lưu lượng đỉnh lũ với các nhân tố ảnh hưởng, từ đó dùng một công thức toán học để thể hiện mối quan hệ đó Điển hình: công thức triết giảm mô đun đỉnh lũ theo diện tích lưu vực sông Công thức bán kinh nghiệm: là loại công thức trung... lưu vực hτ có thể tính theo cường độ mưa aτ theo công thức: hτ = ϕ aτ trong đó: ϕ – hệ số dòng chảy lũ xác định theo phụ lục 4-1 Công thức viết lại thành: Qmax= K ϕ aτ.F trong đó K – hệ số chuyển đổi đơn vị.Với Qmax (m3/s); F (km2): Khi aτ tính theo mm/phút thì K = 16.67 Khi aτ tính theo mm/h thì K=0.278 20 a Công thức cường độ giới hạn (ĐH Xây Dựng) (F ≤ 30 km2) Qmaxp= 16,67 ϕ aτp F δ α trong đó:... × 0,95 = 44, 21( m3 / s ) 30 c Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (100km ≤F 30 0km ) 2 2 Môđun đỉnh lũ: q max Q max 3 2 = m / s.km ( ) F Môđun đỉnh lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, diện tích lưu vực Môđun đỉnh lũ thiết kế: qmax,p (m3/s.km2) 31 Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (tiếp) Theo nhiều nghiên cứu, môđun đỉnh lũ... liệu thực đo lũ và được phân vùng theo lãnh thổ 32 Lg(qmaxp)= 1.5509 – 0.4459 lg(F) Lg(qmaxp) 1% y = -0.4459x + 1.5509 1.5 1 Series1 0.5 Linear (Series1) 0 -0.5 0 1 2 3 4 Lg(F) 33 Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ Môđun đỉnh lũ quy chuẩn q100 ứng với diện tích 100km2 và tần suất 10% được xây dựng thành bản đồ đẳng trị Theo công thức triết giảm: q100 A10% = 100n n là hệ... gian của 2 loại trên, nghĩa là vừa dựa vào phân tích căn nguyên của sự hình thành dòng chảy lũ vừa tổng hợp theo tài liệu thực đo để tham số hóa các công thức tính toán Điển hình: công thức Xôkôlôpxki 19 a Công thức cường độ giới hạn (ĐH Xây Dựng) Dựa theo công thức căn nguyên dòng chảy, lưu lượng đỉnh lũ cho trường hợp dòng chảy hoàn toàn có thể viết dưới dạng: Qmax=hτ.F trong đó: hτ – cường độ mưa hiệu ... h2f1 Sau 3 0 : Q3= h1f3+h2f2+h3f1 Sau 4τ0 : Q4= h2f3 +h3f2 Sau 5τ0 : Q5= h3f3 Sau 6τ0 : Q6=0 10 Quá trình lưu lượng ớc 4000 35 00 30 00 Q (m3/s) 2500 2000 1500 1000 500 t (giờ) 11 Trường hợp 3: τ >... h1f3+h2f2+h3f1 Sau 4τ0 : Q4= h2f3 +h3f2 +h4f1 Sau 5τ0 : Q5= h3f3+ h4f2+h5f1 Sau 6τ0 : Q6= h4f3+h5f2 Sau 7τ0 : Q7= h5f3 Sau 8τ0 : Q8=0 Quá trình lưu lượng 4500 4000 35 00 Q (m3/s) 30 00 2500 2000 1500 1000... tương ứng h1, h2, h3 Tc =3 0 Giả sử lưu vực A chia đường đẳng thời thành diện tích phận f1, f2, f3 từ vị trí công trình đến nguồn sông τ = 3 0 Như τ = Tcn f2 fi f1 f3 f3 τ f2 h1 h2 h3 f1 Xác định trình