2.4.3.1. Nguyên lý cơ bản: [7]
Nhiệm vụ cụ thể của phương pháp tính toán điều tiết lũ là căn cứ vào đường quá trình lũ thiết kế và lũ kiểm tra để xác định đường quá trình lưu lượng xảlũ (q~t), kích thước các công trình xảlũ, tìm dung tích kho và một số vấn đề khác.
Dòng chảy lũ là dòng chảy không ổn định có phương trình cơ bản dạng
(2-13) Trong đó: Q- Lưu lượng
S-Khoảng cách w-Diện tích t- Thời gian z0- Cao trình đáy h- Chiều sâu v-Lưu tốc
K- Mô đun lưu lượng
F F
F h + dh ho
m
o o
Lúc đó dòng chảy vào hồ chứa, do mặt hồ tương đối rộng, chiều sâu lớn, v rất nhỏ, ta ccos thể dưa về phương trình đơn giản sau đây để tính toán điều tiết lũ cho hồ chứa:
(2-14) Trong đó:
Q- Lưu lượng vào q- Lưu lượng ra
F: Diện tích mặt hồ chứa
h: Cột nước trên công trình tháo lũ. Hình 2.25: Sơ đồ tính toán điều tiết lũ cho hồ chứa
Phương trình có thể viết thành:
Q - t = (2-15)
Nếu thay Fdh= ; Q,q bằng trị số bình quân Qbq, qbq trong thời đoạn , ta được:
(2-16)
Trong giải pháp tháo lũ qua nhiều công trình tháo lũ khác nhau ta có 𝑞𝑞 =∑ 𝑞𝑞𝑖 =𝑞𝑞𝑎 +𝑞𝑞𝑏+𝑞𝑞𝑐+⋯
Trong đó:
+ qa,qb,qc,.. là lưu lượng xả qua các công trình.
+ Nếu công trình tháo lũ làm việc theo chế độđập tràn thì ta có: ( M=m ) (2-17) + Công trình tháo lũ là loại có áp: (M1= )
(2-18)
Ta thấy , cho nên
Nếu dùng chỉ số1 và 2 để chỉ đầu và cuối thời đoạn thì ta có hệ phương trình điều tiết lũ cơ bản sau:
(2-19)
Phương pháp tính toán thường dùng gồm có phương pháp lượng tháo cố định, phương pháp lượng tháo thay đổi và phương pháp tính toán có xét đến dự báo.
- Phương pháp lượng tháo cố định: Là phương pháp đơn giản nhất, trong phương pháp này người ta giải thiết lưu lượng tháo xuống hạ lưu sau lúc điều tiết là không đổi. Phương án này được dùng khi không đồi hỏi độ chính xác cao hay biên độ xả lũ không lớn. Nếu biên độ thay đổi cột nước xả lũ tương đối lớn mà vẫn áp dụng phương pháp này để thiết kế thì kích thước công trình thiết kế thiên lớn vì lúc ở hạn dưới mực nước phòng lũ vẫn còn xả xuống hạ lưu cùng một lưu lượng.
- Với phương pháp lượng tháo thay đổi, người ta diễn toán theo tình hình tháo nước của công trình tháo lũ, lúc tính toán phải xét đến vị trí, hình dạng, kích thước và vật liệu xây dựng công trình. Việc tính toán theo phương pháp này tương đối phức tạp, vì thế chỉdùng phương pháp này lúc yêu cầu về độchính xác tương đối cao và biên độ thay đổi cột nước tháo lũ tương đối lớn.
Có lúc để thỏa mãn yêu cầu cấp điện, người ta còn sử dụng phối hợp cả phương pháp tháo lũ cốđịnh và phương pháp tháo lũ thay đổi.
- Với phương pháp có xét đến dự báo: Lúc mùa lũ gần đến, người ta cho tháo lượng nước đã trữ trong hồ chứa, để giành một dung tích nhất định cho phòng lũ. Lúc nước lũ lên, dung tích đó hợp với dung tích trước chưa được làm đầy sẽ cùng tham gia điều tiết lũ.
Trong các phương pháp trên, với các hồ chứa vừa và nhỏ ở Việt Nam khi thiết kế ta có thể dùng phương pháp lượng tháo cố định hoặc dùng phương pháp lượng tháo thay đổi.
Thực chất của phương pháp lượng tháo thay đổi là giải hệ phương trình:
(2-20) Trong đó Q1,Q2 là các giá trịđã biết, lúc lũ chưa đến lưu lượng tháo lũ cũng đã biết, lúc lũ đến lưu lượng tháo lũ đã biết và bằng q1. Lúc bắt đầu V1 cũng đã biết, thì ta chọn, các đại lượng chưa biết là q2 và V2. Giải hệ phương trình ta được q=f(t). Các phương pháp tính dạng này như sau:
2.4.3.2. Phương pháp bán đồ giải POTAPOP
Phương pháp này áp dụng trong tính toán điều tiết lũ cho hồ chứa vừa và nhỏ có đầy đủ số liệu thủy văn dòng chảy để lập được quá trình lưu lượng lũ đến theo thời gian, thông qua xây dựng hai đường phụ trợ f(q1) và f (q2) và lập bảng tìm ra lưu lượng xả tương ứng cột nước xả lớn nhất trong hồ. Trong trường hợp thiếu số liệu thủy văn có thể vận dụng công thức này bằng cách giản hóa đường quá trình lũ thành lũ tam giác hoặc hình thang và sử dụng công thức cường độ giới hạn để tính toán Qmax và tổng lũ Wlũ. Cụ thể phương pháp tính toán này như sau:
- Bước 1: Xây dựng biểu đồ phụ trợ.
Từ phương trình cân bằng nước
1 2 2
1 2
1 )
( 2 2
)
( q q t V V
Q t
Q + ∆ = −
− + ∆
(2-21)
→ )
2 ( 1 ) 2(
) 1 2
( 2 1 2 1 2 1 q1
t Q V
Q t q
V −
+ ∆ +
=
∆ + (2-22)
Trong đó :
Q1, Q2 là lưu lượng đến ởđầu và cuối thời đoạn ∆t q1, q2 là lưu lượng xảtương ứng
V1, V2 là lượng nước có trong hồởđầu và cuối thời đoạn
∆t là thời đoạn tính toán (s),
Tương ứng với các cột nước tràn ta xác định đươc lưu lượng xả theo công thức:
2 /
. 3
2 . .
.mB g HT
q=ε (2-23)
Trong đó:
εlà hệ số co hẹp bên, m là hệ số lưu lượng B là bề rộng ngưỡng tràn.
- Dựa vào quan hệ Z ∼ V ứng với các mực nước giả thiết; Z = Zngưỡng + HT, ta tìm được dung tích kho nước tương ứng VK và từ đó tìm được dung tích trên ngưỡng: VTN = VK - Vngưỡng
- Tính f1, f2: f1,f2 là hai quan hệ phụ trợđược xác định theo công thức:
t q f VTN
2 1
1 −
= ∆
(2-24) t q
f VTN 2 1
2 +
= ∆ (2-25)
- Xác định lưu lượng xả đầu thời đoạn:
Do tại thời điểm ban đầu, mực nước hồ xuất phát từ MNDBT, nên VTN = VK - Vngưỡng suy ra f1, f2.
- Tiếp tục tính toán theo trên ta vẽđược quan hệ phụ trợ: qx∼f1∼f2
Bước 2: Tính toán điều tiết lũ.
Từ biểu đồ quan hệ vừa xác lập, ta lập bảng để tính toán điều tiết lũ, từ đó xác định được đường quá trình xả qx∼ t
+ Xuất phát từ: q1x=εm.B 2gHT3/2 (2-26) Với q1x tìm được, tra quan hệ phụ trợ qx∼f1 suy ra f1
+ Từ f1 ta có: f2 = QTB + f1 (2-27) QTB là lưu lượng trung bình thời đoạn, QTB =
2 Qc Qd+
(2-28)
+ Có f2 tra quan hệ qx∼f2 tìm được qx lưu lượng xả cuối thời đoạn, kết thúc thời đoạn tính toán.
+ Công việc lặp đi lặp lại đến hết quá trình lũ, khi đó xác định được lưu lượng xả theo tời gian qx∼ t từ đó tìm ra qxmax, HTrmax và quyết định qui mô, kích thước công trình.
Hình 2.26: Đồ thị điều tiết lũ theo phương pháp Potapop
Trong quá trình tính toán với ∆t= const , việc chọn ∆t ảnh hưởng đến kết quả tính toán, do đó chọn ∆ttheo nguyên tắc đường quá trình lũ đến trong thời đoạn tính toán là đường thẳng, song không nên chọn ∆t quá nhỏ, tăng khối lượng tính toán làm sai số tăng lên.
2.4.3.3. Phương pháp xây dựng một đường phụ trợ theo sổ tay thủy lợi Trung Quốc [10]:
Cũng giống phương pháp bán đồ giải Potapop song ưu điểm của phương pháp này là chỉ xây dựng và sử dụng một đường phụ trợ q= f( 𝑉�+
1
2𝑞𝑞�∆𝑡) nên việc nội suy, tính toán điều tiết sẽ giảm nhỏ một phần. Nguyên lý tính toán:
t Q
f( )v t q
2 f( )q f( )q
C
D E
A B
0
(Q t) maxp
f(q) t
f(q) t
Q(m3/s)
t (q t)
- Dùng phương tình cân bằng nước :
Từ (𝑄� − 𝑞𝑞�)∆𝑡= ∆𝑉 → 𝑉1 +12𝑄�∆𝑡 = 𝑉�+12𝑞𝑞.� ∆𝑡 (2-29) - Lập đường phụ trợ:
𝑞𝑞 =𝑓(𝑉�) = Ψ(𝑉� +1
2𝑞𝑞�∆𝑡) (2-30)
Trong đó:
𝑄�,𝑞𝑞�,𝑉�: Giá trị bình quân của lưu lượng đến, lưu lượng xả, dung tích kho nước trong thời khoảng ∆𝑡
V1: Dung tích kho nước đầu thời khoảng
- Từ điều kiện ban đầu và ( 2-28) ta có: 𝑉� +12𝑞𝑞.� ∆𝑡
- Tra quan hệ phụ trợ theo (2-29) tìm ra được 𝑞𝑞� thay vào (2-28) tính ra được dung tích kho cuối thời đoạn là V2= V1+ 1
2𝑄�∆𝑡.
- Tiếp tục lấy dung tích cuối thời khoảng đầu làm dung tích đầu thời khoảng sau sẽ tìm được toàn bộ quá trình xả và quá trình mực nước trong hồ.
2.3.2.4. Phương pháp lặp trực tiếp[1]:
Cơ sở của nguyên lý này là giải hệ phương trình sau q t
t q Q V Q
V + ∆
− + ∆
= )
( 2 2
)
( 1 2 1 2
1
2 (2-31)
q= f( Zt, Zh, A) (2-32)
Đường quan hệ mực nước theo dung tích hồ: Z~V Đường quan hệ mực nước và lưu lượng hạ lưu: H~Q
Trong hệ phương trình trên có 2 giá trị là V2, q2 chưa xác định được.
Do vậy tại thời đoạn bất kỳ ta xác định bằng cách tính đúng dần. Trước tiên cần giả thiết một trong hai giá trị trên ( thường giả thiết giá trị q2 ), sau đó dựa vào hệ phương trình trên tính lại q2, nếu giá trị tính lại sai lệch ít với giá trị giả định thì đó là giá trị cần tính toán, trong trường hợp ngược lại thì cần phải giải định lại giá trịđó.Phương pháp này gọi là phương pháp lặp trực tiếp.
Đề xuất sử dụng phương pháp này để tính toán cho các hồ chứa vừa và nhỏ với điều kiện các hồ chứa này là hồ chứa độc lập không phải hệ thống liên hồ chứa.
Hình 2.27: Sơ đồ khối tính toán điều tiết lũ bằng phương pháp lặp trực tiếp 2.3.2.5.Sử dụng các phương pháp điều tiết nêu trên để tính toán điều tiết lũ trường hợp cho nước tràn đỉnh đập
Bắt đầu
I=1
Giảđịnh giá trị q(I)
Tính V(I)=V(I- 1)+0.5[Q(I) -Q(I-1)] D t-0.5[q(I)-q(I-1)] D t
Xác định mực nước hồ Zt và mực nước hạlưu Z h
Tính lại q t(I) theo công thức (2-32)
𝑞𝑞𝑡𝑡(𝐼𝐼)-q(I)<ε I=I+1
I> 1 STOP
đúng đúng
sai
sai
q(I)=0.5[q(I)+q t (I)]
Vì hồ không có dung tích phòng lũ nên giả thiết khi bắt đầu lũ, mực nước trong hồ là mực nước dâng bình thường tức trùng với đỉnh ngưỡng tràn tựdo. Đường quá trình lũ đến Qlũ~t có thể chia ra làm các thời đoạn như sau:
- Thời đoạn 1 (t0-t1):
+ t0 là thời điểm lũ bắt đầu về đến hồ tràn bắt đầu hoạt động xả lũ.
+ t1 là thời điểm cuối thời đoạn khi mực nước hồlên đến bằng đỉnh đập (Zđập dâng) (Đỉnh đoạn cho nước xả tràn có thể là một phần đỉnh đập dâng, hoặc toàn bộđập phụ thuộc vào tính toán thiết kế).
Trong thời đoạn này chỉ có tràn xả lũ của hồ hoạt động. Lưu lượng tháo lũ chính là lưu lượng xảqua tràn được tính theo công thức:
qtháo= qtràn= (2-33)
Trong đó:
+ qtháo: Tổng lưu lượng tháo lũ.
+ qtràn: Lưu lượng tháo lũ qua tràn.
+ m1: Hệ số lưu lượng tràn.
+ : Hệ số co hẹp do trụ bên và trụ giữa trong trường hợp có nhiều khoang tràn.
+ : Tổng chiều rộng của các khoang tràn với b là bề rộng khoang tràn.
+ H: Chiều cao cột nước tràn biến đổi từ cao trình ngưỡng tràn đến đỉnh đập dâng.
- Thời đoạn 2 (t1-t2):
Với t2 là thời điểm ứng với mực nước dâng cao nhất trong hồ (Zmax).
Trong khoảng thời gian này đỉnh đập tham gia tháo lũ cùng tràn. Phần nước tháo từ cao trình đỉnh ngưỡng tràn (Zngưỡng tràn) đến cao trình đỉnh đập dâng phần cho tràn nước (Zđ) được tính toán với qtràn, phần nước tháo từ Zđ đến Zmax được tính bằng lưu lượng nước tràn đỉnh đập dâng (qđỉnh đập).
Lưu lượng tháo qua đỉnh đập được xác định như một dạng nước tháo qua tràn với đỉnh đập dâng là ngưỡng tràn, tính bởi công thức:
qđỉnh đập= (2-34)
Trong đó: m2: Hệ sốlưu lượng của phần nước tràn đỉnh đập.
Bđ: Bề rộng mặt đập phần cho nước tràn qua.
Hđ: Chiều cao cột nước khống chế tràn đỉnh đập.
Tổng lưu lượng tháo lũ trong thời đoạn 2 này được tính như sau:
qtháo=qtràn+qđỉnh đập= + (2-35)
- Thời đoạn 3 (t2-t3): Với t3 là thời điểm nước rút xuống tới bằng mặt đập phần cho nước tràn qua. Thời đoạn này lưu lượng tháo lũ tính toán giống như thời đoạn 2.
- Thời đoạn 4 (t3-t4): Với t5 là thời điểm nước rút xuống bằng ngưỡng tràn tức hết lũ. Thời đoạn này lưu lượng xả tràn được tính như thời đoạn 1.
Từ phân tích đường quá trình tháo lũ theo thời gian như trên lựa chọn cột nước tràn hợp lý ta sẽ xác định được bề rộng đường tràn tối thiểu cần thiết kế, bề rộng phần đập cho nước tràn qua khi khống chế mực nước trên đỉnh đập tràn và đập dâng phần cho nước tràn qua.
2 / 3 1. 2
.m gH
Btran qtràn
=ε
(2-36)
2 / 3 2. 2gH m
Bd = qđ
(2-37)
Hoặc ta có thể giả thiết các giá trị của Bđ, tính toán điều tiết lũ với sự kết hợp đập tràn và phần đập dâng cho nước tràn đỉnh đập:
- Xác định mực nước lũ trong hồ tương ứng với các giá trị Bđ giả thiết.
- Lập quan hệ giữa Bđ và mực nước lũ , phân tích lựa chọn Bđ hợp lý.
Hình 2.28: Sơ đồ khối quá trình xả lũ lớn khẩn cấpqxả~t có sự tham gia tháo lũ qua đỉnh đập dâng