giáo trình QH &TK hệ thống thủy lợi - Chương 1- ĐH BKĐN Bố trí và thiết kế hệ thống tưới tiêu
CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Chương 4 BỐ TRÍ VÀ THIÊT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI 4.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Để dẫn nước từ nguồn nước về đến mặt ruộng cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp và các yêu cầu dùng nước khác đến các vị trí theo yêu cầu, cần phải có hệ thống công trình thủy lợi có thể là sông suối, hồ chứa hoặc nguồn nước ngầm. Hệ thống thủy lợi nói chung và hệ thống tưới tiêu nói riêng là một tập hợp hệ thống công trình từ đầu mối đến mặt ruộng, bảo đảm cung cấp nước cho cây trồng khi thiếu nước và tiêu thoát nước kịp thời cho cây trồng khi thừa nước nhằm thỏa mãn yêu cầu nước cho cây trồng phát triển tốt và có năng suất cao. Hệ thống thuỷ nông là một hệ thống bao gồm tập hợp các công trình để đưa nước đến mặt ruộng tưới cho cây trồng, đồng thời tiêu lượng nước dư thừa ra khỏi ruộng. Một hệ thống thuỷ nông bao gồm: -Hệ thống kênh mương tưới và kênh tiêu -Hệ thống công trình đầu mối và công trình trên kênh -Hệ thống đường giao thông và rừng cây chắn gió Việc bố trí hệ thống thuỷ nông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Địa hình, địa chất, tình hình dân sinh kinh tế và các ngành nghề kinh tế khác. Trong đó quan trọng nhất là tình hình dân sinh kinh tế, trong qui hoạch nên bố trí hệ thống thuỷ nông độc lập cho từng vùng. 4.1.1 Hệ thống kênh trong hệ thống thủy lợi a.Qui ước ký hiệu kênh: Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4118-85, những ký hiệu kênh thuộc mạng lưới kênh tưới, tiêu phải tuân theo những qui định chung sau đây: Cấp kênh Kênh tưới Kênh tiêu Kênh Chính KC KT Cấp 1 N 1 , N 2 , N 3 , T 1 , T 2 , T 3 , Cấp 2 N 1-1 , N 1-2 , N 2-1 , T 1-1 , T 1-2 , T 2-1 , Cấp 3 N 1-1-1 , N 1-1-2 , T 1-1-1 , T 1-1-2 , Cấp 4 N 1-1-1-1 , N 1-1-2-1 , T 1-1-1-1 , T 1-1-2-1 , Vượt cấp VC CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Chú ý: -Trong trường hợp hệ thống tưới có nhiều kênh chính thì ký hiệu như sau: KC 1 , KC 2 Chỉ số 1,2,3 được đánh theo chiều kim đồng hồ hoặc gọi theo vị trí hướng (Kênh chính Bắc, kênh chính Nam) -Những ký hiệu 1 chỉ số (N 1 , N 2 , ) của kênh nhánh là kênh cấp 1, hai chỉ số (N 1-1 ,N 2-1 , ) là kênh nhánh cấp 2 -Cách đánh chỉ số của kênh như sau: Nếu đi theo chiều dòng nước chảy trên kênh chính thì dùng chỉ số chẵn cho kênh nhánh bên phải, chỉ số lẽ cho kênh nhánh bên trái. Đối với kênh cấp 2, cấp 3, cấp 4 và cấp 5 thì chỉ số được đánh theo thứ tự 1, 2, 3 kể từ đầu kênh cấp trên của chúng, không phân biệt bên phải hay bên trái. b.Cấp của hệ thống kênh tưới:: (TCVN 4118-85) Theo tiêu chuẩn hệ thống kênh tưới TCVN 4118-85 thì kênh tưới được phân 5 cấp(cấp công trình) để xác định tiêu chuẩn thiết kế và các hạng mục co liên quan. Bảng 4.1 –Phân cấp công trình của hệ thống kênh tưới. Diện tích tưới (10 3 ha) Cấp công trình kênh > 50 II 10÷ 50 III 2÷ 10 IV <2 V Lưu ý: - Khi kênh tưới đồng thời làm nhiệm vụ khác (giao thông thủy, cấp nước dân dụng công nghiệp…) thì cấp kênh được lấy theo cấp của kênh làm nhiệm vụ khác nếu kênh có cấp thấp hơn. - Cấp của công trình trên kênh cũng được xác định theo bảng 4.1. Khi có kết hợp với các công trình kỹ thuật khác ( giao thông, cấp nước dân dụng, công nghiệp…) thì cấp công trình trên kênh lấy theo cấp của công trình kỹ thuật nếu công trình kênh tưới có cấp hơn. KC N 1 N 2 N 2-1 N 2-2 N 2-1-1- N 2-1-1- N 2-1-1 N 2-1-2 N 2-1-2- N 2-1-2- CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 4.1.2 Hệ thống công trình a.Hệ thống công trình đầu mối: Công trình đầu mối của hệ thống thuỷ nông thông thường gồm các loại sau đây: -Hồ chứa nước: Mục đích điều tiết lưu lượng nước trong lưu lực nhằm phục vụ tưới và lợi dụng tổng hợp, thành phần công trình của hồ chứa bao gồm: Đập, cống lấy nước, tràn xã lũ, âu thuyền. -Đập dâng: Mục đích dâng cao mực nước trên sông ở phía thượng lưu, nhằm lấy nước tự chảy vào cống, thành phần công trình gồm có: Đập dâng nước, cống lấy nước , cống xã cát. CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi -Công lấy nước tự chảy: Lấy nước trực tiếp từ sông vào để cung cấp cho khu tưới, đóng mở bằng hệ thống cửa van, áp dụng ở những nơi có mực nước sông cao hơn cao trình cần tưới tự chảy. -Trạm bơm: Áp dụng những nơi không thể tưới tự chảy cho khu tưới, khi mực nước sông quá thấp so với cao trình cần tưới tự chảy. Do đó cần có thiết bị động lực để đưa nước từ thấp lên cao. b.Hệ thống công trình trên kênh: -Cống đầu kênh: là công trình khống chế lưu lượng đầu kênh -Cống điều tiết: là công trình có nhiệm vụ dâng cao mực nước trên kênh để đảm bảo yêu cầu tưới tự chảy. -Cầu máng: có nhiệm vụ chuyển tiếp nước khi kênh tưới phải vượt sông, kênh, bãi trũng, đường sá khi áp dụng các công trình khác không thích hợp.Được áp dụng khi mực nước sông thấp hơn đáy cầu máng một khoảng cách an toàn khi có lũ. -Xi phông: có nhiệm vụ chuyễn tiếp nước khi kênh cần vượt chướng ngại vật như: sông, suối, đường giao thông khi phương án cầu máng không thích hợp. -Cống luồn: có nhiệm vụ chuyển nước khi kênh cắt qua đường giao thông -Cầu qua kênh: thường gặp ở kênh cấp dưới, khi đường giao thông cắt ngang qua kênh. -Bậc nước, dốc nước: thường dùng khi kênh đi qua địa hình phức tạp và có độ dốc lớn - Tràn vào, tràn ra: thường bố trí gần các cống điều tiết và cống lấy nước, có tác dụng tự điều tiết mực nước trong kênh khi có sự cố. CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Cống tiêu: Bố trí những nơi đường kênh đi qua khe suối hoặc lưu vực nhỏ, nhằm tiêu lượng nước đó và bảo vệ đường kênh. 4.2 NGUYÊN TẮC BỐ TRÍ HỆ THỐNG KÊNH TƯỚI TIÊU 4.2.1 Bố trí hệ thống kênh tưới Bố trí hệ thống kênh tưới phụ thuộc vào địa hình của từng nơi, không theo một định hình cụ thể. Tuy nhiên khi bố trí hệ thống kênh tưới cần tuân thủ các nguyên tắc bố trí sau đây: - Kênh chính phải được bố trí ở những địa thế cao để có thể khống chế tưới tự chảy toàn khu tưới với khả năng lớn nhất.Nên lợi dụng bố trí kênh trên các đường sóng trâu để có thể khống chế được các diện tích hai bên kênh, giảm được chiều dài kênh. - Bố trí kênh phải xét tới điều kiện lợi dụng tổng hợp đường kênh: Phát điện, vận tải thủy, cung cấp nước sinh hoạt, công nghiệp. - Tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí kênh tiêu nhằm đạt hiệu quả tốt nhất việc tưới tiêu trong hệ thống và tạo thành hệ thống tưới tiêu hoàn chỉnh. - Tránh phải vượt chướng ngại vật, ít công trình trên kênh, khối lượng đào đắp nhỏ, rẽ tiền, dễ thi công và quản lý. - Bố trí kênh cấp trên phải tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí kênh cấp dưới và bố trí công trình trên kênh. - Bố trí kênh đi qua vùng có địa chất tốt, nhằm ổn định kênh và ít bị ngấm nước. - Việc bố trí hệ thống kênh cần chú ý đến quy hoạch khu hành chính, mỗi thôn, mỗi xóm nên có cửa lấy nước độc lập. - Với khu địa hình cao cục bộ trong phạm vi khu tưới tự chảy, qua luận chứng có thể tưới bằng bơm. 4.2.2 Bố trí hệ thống kênh tiêu Trong một hệ thống thuỷ nông việc bố trí hệ thống kênh tưới và hệ thống kênh tiêu là không thể tách rời nhau, chúng phải được bố trí có tính liên hoàn và tạo thành Cống đầu kênh Cống điều tiết Cầu máng Xi phong Cống luồn Cầu qua kênh Bậc nước, dốc nước Tràn vào, Tràn ra Cống tiêu CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi một hệ thống tưới tiêu hoàn chỉnh để cùng điều tiết nước ruộng. Do đó khi bố trí kênh tiêu cũng cần phải tuân theo các nguyên tắc cơ bản sau đây: - Bố trí nơi thấp nhất để có thể tiêu tự chảy, đặc biệt là kênh tiêu chính. -Tuyến kênh tiêu ngắn để tiêu nhanh và giảm khối lượng đào. - Hệ thống kênh tiêu phải phối hợp chặt chẽ với hệ thống kênh tưới, hệ thống đường giao thông. Cần triệt để lợi dung sông ngòi có sẵn làm hệ thống kênh tiêu để giảm vốn đầu tư. -Chú ý xét đến khả năng lợi dụng tổng hợp của kênh tiêu như: giao thông thuỷ, làm khu trữ nước khi cần thiết. -Đối với kênh tiêu các góc cong trên tuyến kênh phải đảm bảo: 45 0 < α < 60 0 . Mục đích để dòng chảy trong kênh được thuận lợi, nhanh và đáp ứng được yêu cầu tiêu. Ở những tuyến kênh cong vì vận tốc dòng chảy trong kênh tiêu tương đối lớn, để lòng kênh không bị xói lở thì bán kính cong phải đảm bảo điều kiện R ≥ R min R min = 100R 1.5 hoặc R min = 100B R: bán kính thuỷ lực mặt cắt ướt B: chiều rộng mặt thoáng kênh Bán kính cong của kênh được tính theo giá trị lớn nhất của hai công thức trên. Chú ý: Để phân biệt kênh tưới và kênh tiêu trên một hệ thống tưới tiêu, ta qui định cách tô màu ký hiệu như sau: -Kênh tưới tô màu đỏ, nét liền. Kênh tiêu tô màu xanh, nét đứt -Khu tưới tô màu vàng -Sông, suối tô màu xanh, nét liền 4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI 4.3.1 Tài liệu cơ bản dùng để thiết kế 4.3.1.1 Tài liệu về yêu cầu chuyển nước 1. Tài liệu về lưu lượng Để kênh có thể chuyển được mọi cấp lưu lượng yêu cầu, thì tài liệu cơ bản đầu tiên để thiết kế kênh là quá trình lưu lượng cần chuyển trên kênh tại các mặt cắt cần tính toán. 2. Tài liệu về mực nước Khi thiết kế kênh tưới, ta phải biết các cao trình mực nước yêu cầu trên kênh để với cao trình đó nước có thể tự chảy từ kênh cấp trên xuống kênh cấp dưới và về mặt CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi ruộng yêu cầu tưới. Tương tự, khi thiết kế kênh tiêu phải biết được mực nước yêu cầu trên kênh, với mực nước đó mặt cắt kênh được thiết kế sẽ có khả năng tập trung nước từ các khu tiêu và các cấp kênh khác. Khi thiết kế kênh xuất phát từ mực nước yêu cầu trên kênh để tính toán ra cao trình đáy kênh, mặt khác cao trình mực nước yêu cầu trên kênh còn là một trong những cơ sở quan trọng để xác định độ dốc thiết kế của đáy kênh và đề xuất các biện pháp công trình nối tiếp dòng chảy, công trình điều tiết trên kênh. 4.3.1.2 Tài liệu về địa hình, địa chất tuyến kênh 1. Địa hình tuyến kênh Địa hình nơi tuyến kênh đi qua ảnh hưởng rất nhiều tới khối lượng xây dựng kênh, số lượng và hình thức các công trình trên kênh đồng thời ảnh hưởng tới việc chọn hình thức mặt cắt kênh. Dựa vào tài liệu địa hình nơi tuyến kênh đi qua để chọn độ dốc đáy kênh sao cho vẫn bảo đảm dẫn nước an toàn, thuận lợi, hệ thống kênh có khả năng khống chế tưới tự chảy nhưng vẫn phù hợp với điều kiện địa hình thực tế để giảm đến mức thấp nhất khối lượng đào đắp và xây dựng hệ thống kênh. Mặt khác, căn cứ vào tài liệu địa hình có thể xác định vị trí, số lượng, hình thức công trình vượt chướng ngại vật, công trình nối tiếp dòng chảy, nhằm bảo đảm cho hệ thống chuyển nước thuận lợi và an toàn. Ngoài ra, tài liệu địa hình còn là cơ sở để chúng ta tính toán khối lượng đào đắp, xây dựng toàn bộ hệ thống. 2. Tài liệu về địa chất tuyến kênh Các tính chất cơ lý của địa chất tuyến kênh có ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của kênh như sạt bờ, bồi lắng, xói lở. Vì vậy, người ta thường căn cứ vào tình hình địa chất tuyến mà chọn hình thức mặt cắt kênh, vật liệu làm kênh và các biện pháp phòng thấm trên kênh nhằm bảo đảm cho kênh ổn định. Đối với kênh đất, dựa vào tính chất của địa chất nơi tuyến kênh đi qua mà chọn một số chỉ tiêu để thiết kế kênh như: - Độ dốc đáy kênh i; - Mái dốc bờ kênh m; - Hệ số nhám lòng kênh n. Đồng thời, tính thấm của nền địa chất nơi tuyến kênh đi qua và tính chất thấm của đất làm kênh sẽ là cơ sở để tính tổn thất nước trên kênh. 4.3.2 Tính toán lưu lượng thiết kế kênh tưới CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 4.3.2.1 Lưu lượng của kênh 1. Các cấp lưu lượng đặc trưng trên kênh Lưu lượng là tài liệu cơ bản để thiết kế hệ thống kênh mương và các công trình trên kênh. Khi thiết kế người ta thường dùng ba cấp lưu lượng đặc trưng sau: - Lưu lượng thường xuyên QTK; - Lưu lượng nhỏ nhất Q min; - Lưu lượng lớn nhất Qbt a) Lưu lượng thường xuyên (QTK): là lưu lượng mà kênh mương phải chuyển một cách thường xuyên. Cấp lưu lượng này dùng để tính toán thiết kế những kích thước cơ bản của mặt cắt kênh và các công trình trên kênh vì vậy còn gọi là lưu lượng thiết kế QTK. b) Lưu lượng nhỏ nhất (Qmin): là lưu lượng nhỏ nhất chảy trong kênh, cấp lưu lượng này thường dùng để kiểm tra sự bồi lắng trên kênh và kiểm tra khả năng tự chảy trên kênh. c) Lưu lượng bất thường (Qbt): là lưu lượng lớn nhất mà kênh mương phải chuyển đột xuất trong thời gian ngắn. Những nguyên nhân chủ yếu gây nên lưu lượng bất thường trên kênh là: - Khi kênh đang phải chuyển với lưu lượng thường xuyên, gặp những trận mưa lớn, nước mưa tập trung vào kênh làm tăng lưu lượng trên kênh. Đặc biệt ở những đoạn kênh đào đi giữa những sườn dốc, nước mưa tập trung từ hai bên bờ đổ vào kênh. - Do quản lý không tốt, đóng mở cống không đúng quy trình hoặc do hư hỏng các công trình trên kênh, không thể khống chế đúng lưu lượng yêu cầu theo kế hoạch làm cho lưu lượng trong kênh tăng lên. - Do yêu cầu đặc biệt trong công tác tổ chức tưới (tưới luân phiên hoặc phải tưới đuổi). Lưu lượng bất thường dùng để kiểm tra khả năng chuyển nước của kênh, tốc độ dòng chảy trong kênh, tình hình xói lở kênh và xác định cao trình bờ kênh. 2. Khái niệm về Q brut , Q net và hệ số sử dụng của kênh a) Khái niệm Qbrut, Qnet Nước chảy trên kênh mương thường bị tổn thất do bốc hơi, ngấm, rò rỉ . lưu lượng chảy trên kênh sẽ giảm dần từ đầu kênh đến cuối kênh do bị tổn thất. Đề cập vấn đề này, khi xét lưu lượng trên một đoạn kênh hay một hệ thống kênh người ta thường có hai khái niệm mới về lưu lượng là Qbrut và Qnet, trong đó: Qnet là lưu lượng thực CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi cần trên kênh chưa kể đến tổn thất nước trên kênh, Qbrut là lưu lượng bao gồm cả lưu lượng thực cần và lưu lượng tổn thất trong quá trình chảy trên kênh. • Đối với một đoạn kênh: Qbrut đoạn kênh là lưu lượng ở mặt cắt đầu đoạn kênh đó. Qnet đoạn kênh là lưu lượng ở mặt cắt cuối đoạn kênh đó. • Đối với một hệ thống kênh: Q net của hệ thống là lưu lượng thực cần tại mặt ruộng: Q net = q.ω (l/s) q: hệ số tưới tại mặt ruộng (l/s-ha) ω: diện tích tưới của hệ thống là (ha) Q brut - lưu lượng cần lấy vào ở đầu hệ thống. Bao gồm lưu lượng thực cần tại mặt ruộng và lưu lượng tổn thất trên hệ thống kênh mương: Q br = Q net + Q tt Q tt : lưu lượng tổn thất nước trên đoạn kênh b) Hệ số sử dụng kênh mương Để biểu thị mức độ tổn thất nước trên kênh mương người ta thường dùng chỉ tiêu hệ số sử dụng nước trên kênh (η): 1<= br net Q Q η Đối với một hệ thống, thông qua tính toán yêu cầu nước, ta chỉ mới biết yêu cầu nước tại mặt ruộng như hệ số tưới, lưu lượng tưới tại mặt ruộng. Muốn tính lưu lượng tại một mặt cắt nào đó trên kênh hoặc lưu lượng cần phải lấy vào đầu hệ thống, phải tính toán được lượng tổn thất trên kênh. 4.3.2.2 Tính lượng tổn thất trên kênh Lượng nước tổn thất dọc theo đường kênh bao gồm: -Lượng tổn thất do bốc hơi -Lượng tổn thất do rò rỉ -Lượng tổn thất do ngấm xuống tầng sâu Khi xét ba thành phần tổn thất này ta thấy: A B Qbrut Qnet CHƯƠNG 4 – BỐ TRÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Lượng nước bốc hơi chúng ta hoàn toàn có thể xác định được dựa vào diện tích mặt nước trên kênh và cường độ bốc hơi mặt nước tự do, song lượng tổn thất này rất nhỏ ta có thể bỏ qua. - Lượng nước rò rỉ do thi công kênh bị nứt nẻ hoặc tiếp giáp giữa công trình và kênh không tốt, cũng có thể nước rò rỉ qua các thiết bị khống chế mực nước và lưu lượng, có thể khống chế lượng tổn thất do rò rỉ nhờ quản lý và thi công đường kênh tốt hơn. Vì vậy, lượng tổn thất này chúng ta cũng có thể không xét tới. - Lượng nước tổn thất do ngấm: Đây là lượng nước tổn thất tất yếu, nước trong kênh bị tổn thất thông qua dòng ngấm qua đáy kênh và bờ kênh. Lượng tổn thất này xảy ra thường xuyên và đóng vai trò lớn trong lượng tổn thất nước. Vì vậy, chúng ta đi sâu nghiên cứu kỹ loại tổn thất này. Qúa trình ngấm trên kênh bao gồm 2 giai đoạn: ngấm tự do và ngấm ứ. (cần phân biệt giữa ngấm trên ruộng lúa và ngấm trên kênh) *Ngấm tự do: Nước ngấm xuống đất chủ yếu là do trọng lực, bao gồm 2 trạng thái : ngấm bảo hoà và ngấm chưa bảo hoà. -Ngấm chưa bảo hoà: dòng thấm chưa bị ảnh hưởng của MNN, do đó tổn thất lúc này là lớn nhất. -Ngấm bảo hoà: khi dòng thấm tiếp xúc với MNN, như vì độ dốc MNN bé do đó không thoát được lượng nước ngấm xuống và làm cho MNN dưới đáy kênh tăng lên. *Ngấm ứ: Trong giai đoạn này MNN đã tiếp xúc với đáy kênh, lúc này lượng nước ngấm xuống và lượng nước ngầm tạo thành dòng liên tục, quá trình này là quá trình ngấm ổn định. a. Ngấm tự do: Đây là giai đoạn có lượng nước ngấm lớn nhất, để xác đinh ta có thể sử dụng 2 công thức sau: * Công thức Koschiacốp: Dòng thấm MNN Ngấm chưa bảo hoà Ngấm bảo hoà . = η N4 = 0.8; ω 1 = 100 (ha); ω 2 = 200 (ha); ω 3 = 300 (ha); ω 4 = 40 0 (ha); l 1 = 800(m); l 2 = 500(m); l 3 = 1000(m); chỉ số ngấm của đất A= 3 .4; m=. màu vàng -Sông, suối tô màu xanh, nét liền 4. 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI 4. 3.1 Tài liệu cơ bản dùng để thiết kế 4. 3.1.1 Tài liệu về yêu cầu chuyển nước 1.