CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI - THUỶ ĐIỆN
3.4. Công tác trắc địa địa hình tại khu vực hồ chứa nước
Khi xây dựng đập ngăn nước trên sông thì mực nước chảy tự nhiên của sông sẽ dâng lên đến độ cao của mực nước chuẩn thiết kế, tạo ra ở phía thượng lưu của đập một hồ chứa nước. Chiều dài của hồ chứa kể từ đập nước có thể tính theo công thức gần đúng:
J KH
L= (3-20) Trong đó: H - chiều cao cột áp tại chân đập;
J - là độ dốc dọc trung bình của dòng chảy tự nhiên;
K - hệ số bất kỳ. Đối với những đập có cửa thoát, hệ số này lấy bằng 1,5 - 2,2.
Đối với các sông ở vùng đồng bằng, nếu lấy H = 2,8 m, K = 1,5 và J = 0,00015 ta tìm được L ≈ 280 km.
Nước ở đoạn sông bị đập ngăn cách có sự chuyển động hỗn độn, trong đó độ sâu và diện tích ướt càng gần đập càng lớn và tốc độ của dòng chảy càng nhỏ. Do vậy, mặt nước trên mặt cắt dọc sông có dạng một đường cong lớn, được gọi là đường cong của nước bị dâng. Mực nước trên các mặt cắt ngang của hồ chứa sẽ khác nhau một lượng ∆h. Trong thời kỳ khảo sát nó được xác định trên cơ sở của công thức Sêdi:
Khi khoảng cách giữa các mặt cắt ngang là l thì ∆h = l.i, với i là độ dốc dòng chảy trong phạm vi hồ chứa.
Nếu thay giá trị độ dốc i lấy trong công thức Sêdi và nếu biểu diễn lưu tốc
2 2
F
v=Q (Q là lưu lượng dòng chảy, F là diện tích tiết diện ướt), ta có:
.R .F C
Δh= 2l.Q22 (3-21)
Vì bán kính thủy lực P
R =F (P là chu vi tiết diện ướt ), cho nên:
2 3
2
.F C
.P
Δh =l.Q (3-22)
Ở những hồ chứa trên các sông lớn vùng đồng bằng, hiệu số độ cao mặt nước hồ ở đập và thượng nguồn có thể lên tới 6 - 7 m.
Khi thiết kế hồ chứa phải giải quyết được những nhiệm vụ cơ bản sau:
- Xác định biên giới ngập nước của hồ chứa ứng với độ cao của mực nước thiết kế, và khi cần thiết có thể điều chỉnh được ranh giới này ở ngoài thực địa;
- Xác định diện tích ngập nước và thể tích của hồ chứa;
- Chỉ rõ các điểm dân cư, các đường dây liên lạc, các tuyến dây dẫn điện và các công trình khác nằm trong vùng ngập; tính toán tổn thất ngập lụt; đề xuất bản thiết kế các điểm dân cư, các tuyến dây dẫn điện mới…
- Đề xuất bản thiết kế các công trình phòng ngập cho các thành phố và các điểm dân cư khác, các xí nghiệp công nghiệp, những vùng đất canh tác có giá trị cũng như bản thiết kế các công tác gia cố bờ hồ;
- Thiết kế các tuyến giao thông trong phạm vi bờ hồ, chọn địa điểm xây dựng các cảng, bến tàu, chỗ trú ẩn cho tàu bè…
Để thiết kế hồ chứa, người ta sử dụng bản đồ địa hình các loại tỷ lệ. Việc tính toán sơ bộ có thể tiến hành trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 100000 - 1: 50000. Để lập báo cáo kỹ thuật những hồ chứa lớn, người ta sử dụng bản đồ tỷ lệ 1: 25000. Việc tính toán chi tiết được tiến hành trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 10000 - 1: 5000 với khoảng cao đều 1 - 2 m.
Những khu vực riêng của hồ chứa cần phải xây dựng các công trình phòng vệ, phải di chuyển các điểm dân cư và các xí nghiệp công nghiệp, nơi sẽ xây dựng các bến tàu, hải cảng…cần được nghiên cứu kỹ trên bản đồ tỷ lệ lớn (1: 1000 - 1: 2000).
Công tác đo vẽ khu vực hồ chứa được tiến hành bằng phương pháp đo vẽ ảnh lập thể hoặc phương pháp phối hợp. Cơ sở mặt bằng để tiến hành đo vẽ thường là các mạng lưới tam giác và đa giác. Cơ sở độ cao được lập dưới dạng các đường chuyền độ cao hạng III và IV. Khi thiết kế các mạng lưới mặt bằng và độ cao cần lưu ý rằng chúng không chỉ là cơ sở để đo vẽ mà còn là cơ sở để chuyển ra thực địa biên giới ngập của hồ chứa theo thiết kế. Bởi vậy, cần chú ý sao cho các điểm cơ sở được bố trí ngoài vùng ngập và càng gần biên giới hồ càng tốt.
Diện tích hồ chứa trong phạm vi ngập lụt được xác định trên bản đồ địa hình bằng máy đo diện tích. Độ chính xác xác định diện tích trung bình phải đạt khoảng
. 100 : P 1 mP =
Dung tích chung của hồ chứa xác định bằng cách lấy tổng của dung tích thành phần của hồ chứa giữa hai đường đồng mức kế tiếp, kể từ độ cao nhỏ nhất của hồ đến độ cao của bề mặt ngập lụt, theo công thức:
=∑tk
min
H
H i
0 v
V (3-23) Các dung tích thành phần được tính theo công thức đơn giản sau:
h 2
f
vi =fi + i+1 (3-24) fi và fi+1 là diện tích mặt cắt dưới và mặt cắt trên của hồ giới hạn bởi hai đường đồng mức kế tiếp trên bản đồ và được xác định bằng máy đo diện tích.
Một cách gần đúng, nếu xem bề mặt xung quanh của khối dung tích nằm giữa hai đường đồng mức kế tiếp như là bề mặt của hình nón cụt, có các diện tích đáy là fi
và fi+1 thì có thể tính khối dung tích đó theo một công thức chính xác hơn:
h
3 f.f f
v' fi+ i+1+ i+1
= (3-25) Hiệu số giữa các dung tích thành phần theo ( 3-24) và ( 3-25 ) là:
( ) h
6 f v f
v Δ
2 1 i i '
v
− +
=
−
= (3-26) Hiệu số này luôn dương, dung tích tính theo (3-24) cho giá trị lớn hơn dung tích tính theo (3-25).
Trị số tương đối v Δv
phụ thuộc vào tỷ số diện tích
1 i
i
f f
+
.
Ví dụ: Khi
1 i
i
f f
+
= 0,8 thì v Δv
= 0,2%; khi
1 i
i
f f
+
= 0,5 thì v Δv
tăng đến 2%. Bởi vậy, khi các diện tích fi và fi+1 xấp xỉ nhau thì (3-24) và (3-25) cùng cho một kết quả như nhau. Trên những vùng có độ dốc địa hình nhỏ, diện tích fi và fi+1 sẽ khác nhau nhiều nên mới phải xác định dung tích theo công thức chính xác (3-25).
Để xác định chính xác hơn thể tích của hồ chứa, giáo sư Glôtôv đề nghị thiết lập quan hệ hàm số giữa diện tích ngập và sự thay đổi của độ cao: F = f( H ). Quan hệ này có thể là tuyến tính hoặc là dưới dạng hàm Parabol hoặc hàm mũ và được xác định nhờ thực nghiệm. Các hệ số của hàm này được xác định theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất nhờ sử dụng độ cao của các điểm trắc địa hoặc là các điểm trên đường đồng mức. Theo ông, các dung tích thành phần được xác định theo công thức:
= ∫2 = ∫
1
2
1
h
h
h
h
f(H)dH FdH
v (3-27) Và dung tích toàn phần của hồ chứa là:
= ∫tk
min
H
H
o f(H)dH
V (3-28)
Với hàm Parabol bậc hai F=f(H)=a+bH+cH2, nên:
V (a bH cH )dH
tk
min
H
H
2
o = ∫ + + (3-29) Hay
3 cH 2
aH bH V
3 n 2
n n
0 = + + (3-30) Ở đây: Hn =Htk −Hmin
Ở những vùng trũng của đáy hồ, một số đường đồng mức tạo với đáy hồ những khối dung tích lõm. Có thể xem chúng như những khối chỏm cầu và xác định dung tích theo công thức sau:
2
vc.c = F.h (3-31) Trong đó: F - diện tích đáy của chỏm cầu;
h - là chiều cao của chỏm cầu.
Trên bản đồ địa hình, dung tích hồ chứa được tính với độ chính xác khoảng 3 - 5%. Bằng phương pháp chính xác của Glôtôv có thể đạt 1,5 - 2%.
3.4.2. Xác định biên giới hồ chứa nước ngoài thực địa
Trong thời kỳ khảo sát để thành lập bản vẽ thi công, cần phải chuyển và đánh dấu ngoài thực địa biên giới ngập của hồ chứa theo thiết kế. Nó là cơ sở để làm luận
chứng tổn thất ngập lụt, xác định các vùng ngập cần di chuyển, lập kế hoạch di chuyển, cũng như để xác định những vị trí cần xây dựng công trình phòng vệ…
Thực chất của việc chuyển ra thực địa biên giới của hồ chứa theo thiết kế là tìm ở ngoài thực địa một loạt các điểm có độ cao bằng độ cao thiết kế của mực nước hồ.
Trên những hồ chứa lớn, biên giới ngập của hồ được đánh dấu ngoài thực địa căn cứ vào độ cao của mực nước dâng, nghĩa là theo một tuyến có độ cao thiết kế không như nhau. Khi đó, trên từng đoạn của biên giới ngập, người ta xem mực nước là nằm ngang hay có cùng độ cao. Độ cao này được đánh dấu ngoài thực địa nhờ thủy chuẩn kỹ thuật.
Giả sử từ một điểm A của lưới độ cao có độ cao là HA, cần tìm một điểm B có độ cao bằng độ cao của mực nước hồ theo thiết kế (hình 3-3)
Đặt máy thủy chuẩn cách điểm A một khoảng nào đó, đọc số trên mia dựng thẳng đứng tại A là a. Sau đó, di chuyển mia thứ hai trên bề mặt thực địa sao cho đến khi đọc được số đọc b trên mia đó, khi đó đáy mia nằm ở độ cao mực nước hồ theo thiết kế. Số đọc b được tính theo công thức sau:
b = (HA + a ) - Htk (3-32) Tiếp tục di chuyển mia trên mặt đất để tìm được một loạt điểm mà tại đó ta có số đọc trên mia là b. Khoảng cách giữa các điểm này trong phạm vi 30 - 50 m tùy thuộc vào mức độ phức tạp của địa hình và ý nghĩa kinh tế của đất đai trong khu vực.
Các điểm này được đánh dấu bằng các cọc gỗ. Đồng thời tại trạm này, người ta đo
∇ a
b
A
HA
B
HB
Mặt thuỷ chuẩn gốc
Hình 3-3: Sơ đồ trạm đo thuỷ chuẩn xác định biên giới hồ chứa nước
thủy chuẩn để xác định độ cao của điểm trung gian (điểm chuyển) có độ cao xấp xỉ độ cao mực nước hồ thiết kế. Chuyển máy sang trạm thứ hai và tiến hành tương tự. Qua 3 - 5 km chiều dài đường chuyền độ cao xác định biên giới ngập, cần phải nối tuyến với các mốc độ cao cơ sở.
Sau khi đánh dấu xong các điểm, người ta đặt một đường chuyền toàn đạc hoặc bàn đạc để xác định tọa độ các điểm cơ bản của đường biên giới hồ chứa để chuyển chúng lên bản đồ thiết kế.
Trên những khu vực có các điểm dân cư và các xí nghiệp công nghiệp, biên giới ngập nước được xác định với sai số không lớn hơn 0,1 m.
Trong phạm vi của hồ chứa, tiến hành đo vẽ tỷ lệ lớn các điểm dân cư và các xí nghiệp công nghiệp để di chuyển chúng; đo vẽ các công trình xây dựng để thiết kế các công trình phòng vệ.