CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI - THUỶ ĐIỆN
3.3. Thành lập mặt cắt dọc và mặt cắt ngang sông
3.3.1. Thành lập mặt cắt dọc sông
Mặt cắt dọc dòng sông là lát cắt đứng lòng sông theo đúng giữa dòng, giao tuyến của nó với mặt đáy sông biểu diễn sự thay đổi địa hình đáy giữa dòng sông. Mặt cắt dọc dòng sông là tài liệu cơ bản để thiết kế các “bậc thang” thuỷ điện trên sông, điều chỉnh dòng sông để cho việc giao lưu trên sông được an toàn, thuận lợi.
Để thành lập mặt cắt dọc dòng sông cần phải xác định độ cao các điểm đặc trưng của mặt nước. Vì độ cao mặt nước sông không ngừng thay đổi, việc đo thuỷ chuẩn mặt nước sông lại không thể thực hiện được một lúc đồng thời với việc đo sâu,
nên phải quy độ cao mực nước ở những khúc sông khác nhau và ở những thời điểm khác nhau về cùng một thời điểm.
Để xác định độ cao mực nước sông tại các vị trí của sông, người ta đặt một đường thuỷ chuẩn chính dọc bờ sông (trên những sông rộng đường thuỷ chuẩn được đặt ở cả hai bên bờ sông). Từ các điểm độ cao của đường thuỷ chuẩn này, người ta dẫn độ cao đến các mốc thuỷ chuẩn thi công bố trí gần lòng sông. Các điểm độ cao thi công được dùng để đo thuỷ chuẩn xác định trực tiếp độ cao mực nước sông.
3.3.1.1. Yêu cầu độ chính xác xác định độ dốc dòng chảy
Độ chính xác xác định độ dốc dòng chảy có thể xác định trên cơ sở phân tích công thức Sêdi:
v = c. R.i (3-2) v - lưu tốc dòng chảy;
c - hệ số lưu tốc;
R - bán kính thuỷ lực (bằng tỷ số diện tích tiết diện ướt F và chu vi ướt P). Đối với những sông lớn, bán kính thuỷ lực bằng độ sâu trung bình của lòng sông;
i - dộ dốc dọc mặt nước sông.
Từ công thức (3-2) ta có:
i = .R c
v
2 2
(3-3) Theo H. H. Pavlôpxky, đối với R >1 ta có:
c = R1.3 n n
1 (3-4)
n - hệ số nhám.
Lưu ý rằng v = ω
Q với Q là lưu lượng dòng chảy, ta có:
i = 2.6 n 2
2 2
.R.ω R
n
Q (3-5) Logarit hoá hai vế công thức trên và nếu lấy giá trị giới hạn của hệ số nhám n=5%, ta có:
Ln i = 2ln Q + 2ln n - 1,58ln R -2lnω (3-6)
Nếu các đại lượng Q, n, ω và R được xác định độc lập nhau, ta có:
2 ω 2
R 2
n 2
Q 2
i
ω 4 m R
2,5 m n
4 m Q
4 m i
m
+
+
+
=
(3-7)
Nếu xác định thận trọng, có thể có 1,5%
Q mQ
= , 3%
n
mn = , 1%
R
mR = ,
ω 1%.
mω =
Khi đó, theo (3-7) ta có:
9.10 36.10 2,5.10 4.10 0,072 i
mi = −4 + −4 + −4 + −4 =
Sai số trung phương xác định độ dốc mặt nước theo công thức Sêdi gần với sai số cho phép khi chuyển ra thực địa độ dốc thiết kế của các ống, kênh dẫn tự chảy (mi = 0,1.i). Khi xác định độ dốc dọc mặt nước sông bằng máy thuỷ chuẩn hình học thì i =
L
h trong đó h là chênh cao giữa các điểm cọc (chênh cao mặt nước), L là khoảng cách giữa chúng.
Nếu bỏ qua ảnh hưởng nhỏ của sai số xác định khoảng cách L, ta có:
h m i
mi = h (3- 8)
h mh
- sai số tương đối đo cao mực nước sông.
Nếu như lấy sai số tương đối đo cao trong đường thuỷ chuẩn chính xác dọc sông nhỏ hơn 2 lần độ chính xác yêu cầu xác định độ dốc, thì =
h mh
0,036, hay:
mh = 0,036h (3-9) Đối với thuỷ chuẩn hình học:
mh = η L (3-10) η - sai số trung phương ngẫu nhiên trên 1km đường thuỷ chuẩn;
L - chiều dài đường thuỷ chuẩn, đơn vị km.
Từ (3-9) và (3-10) ta có:
η = L 0,036h
(3-11) Nếu thay vào (3-11) giá trị chênh cao h của khúc sông dài 1km, ta xác định được sai số cho phép η trên 1km tương ứng cới chênh cao này và như vậy, xác định được cấp thuỷ chuẩn cần thiết đối với đường thuỷ chuẩn chính. Cần lưu ý rằng η tính theo công thức trên là sai số giới hạn. Sai số trung phương cần lấy nhỏ hơn 2,5 lần sai số này và so với η của cấp tương ứng.
3.3.1.2. Thuỷ chuẩn mực nước sông
Mực nước sông được đo tại các điểm đặc trưng của dòng sông được bố trí cách nhau 1 - 3 km. Các điểm đặc trưng có thể là: chỗ giao nhau của các dòng sông, nơi khúc sông có độ cao thay đổi đột ngột, chỗ có đảo, chỗ sông ngoặt hay uốn cong cạnh chân cầu, thượng và hạ lưu ngay chân đập…Những điểm đặc trưng của mặt nước sông mà tại đó có bố trí các cọc để đo mực nước được gọi là các điểm đo nước.
Người ta chia khúc sông ra thành những đoạn có chiều dài tới 30m và giao cho từng nhóm thực hiện. Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc chủ yếu vào mức độ thay đổi độ dốc mặt nước. Tại đầu và cuối mỗi đoạn cũng như tại những chỗ uốn cong đặc trưng của dòng sông, ta bố trí các trạm đo nước tạm thời, tại đó sẽ tiến hành quan sát thường xuyên độ cao mặt nước. Việc đo cao mặt nước được tiến hành tốt nhất vào mùa khô.
Khi mặt nước ổn định (độ cao của nó trong ngày thay đổi không quá 1cm) có thể đóng các cọc xuống ngang với mặt nước trong cùng một ngày trên toàn bộ khúc sông. Tuy nhiên khi đó cần lưu ý rằng việc thuỷ chuẩn các đầu cọc đã đóng cần kết thúc trong vòng 2 - 3 ngày để có thể tin tưởng rằng, trong khoảng thời gian đó độ cao các đầu cọc không bị thay đổi.
Các cọc được đóng không xa quá mép nước 1 m vào lúc trời lặng gió. Để kiểm tra, tại mỗi một điểm đo nước người ta bố trí thêm 1 - 2 cọc cách nhau 1 - 2 m.
Các cọc đo cao mực nước được nối với đường thuỷ chuẩn chính bằng các đường thuỷ chuẩn nhánh (Hình 3-1). Các mốc độ cao bê tông cố định của đường thuỷ chuẩn chính được đặt ngoài vùng ngập cách nhau 5 - 7 km và gần các điểm đặc trưng của dòng sông càng tốt. Các mốc thuỷ chuẩn tạm thời đặt cách nhau 2 - 3 km. Khi bãi sông rộng, các điểm thuỷ chuẩn chính phải đặt cách xa lòng sông thì có thể đặt gàn lòng sông một đường thuỷ chuẩn phụ đi qua các mốc của đường thuỷ chuẩn chính. Từ các điểm của đường thuỷ chuẩn phụ này dẫn độ cao đến các cọc đo nước.
Các đường thuỷ chuẩn nhánh l1 và l2 là các đường thuỷ chuẩn treo từ các mốc cố định A và B của đường thuỷ chuẩn chính tới các điểm cọc đo mực nước 1 và 2. Độ chính xác của chúng thường thấp hơn 2 lần độ chính xác của đường thuỷ chuẩn chính (thông thường là thuỷ chuẩn hạng IV).
Sai số trung phương xác định chênh cao mặt nước giữa hai cọc đo nước 1 và 2 sẽ là:
mh = m2L +m2l1+m2l2 +2m02 (3-12) mL - sai số trung phương của đường thuỷ chuẩn chính giữa hai điểm Avà B;
ml1,ml2- sai số trung phương của các đường thuỷ chuẩn nhánh l1 và l2;
m0 - sai số trung phương đo cao mực nước tại mỗi đầu cọc (thông thường lấy bằng 10mm, còn khi độ dốc của sông nhỏ thì lấy bằng 5 mm).
Giá trị mL, ml1và ml2xác định được theo công thức: mL =η L Nếu các đường thuỷ chuẩn nhánh cùng cấp, ta có:
mh = η12L+η22(l1+l2)+2m2o (3-13) Nếu l1 ≈l2 =l, ta có:
mh = η12L+2η22l+2m20 (3-14) Phù hợp với công thức ( 3-7 ) thì sai số cho phép của chênh cao mực nước là:
mhcf =0,072h (3-15) h - chênh cao của mặt nước giữa hai cọc 1 và 2.
Giá trị sai số chênh cao tính theo (3-14) không được vượt quá giá trị cho phép,
° °
B
l2 l1
1 2
A L
Hình 3-1: Sơ đồ lưới thuỷ chuẩn đo cao mực nước sông
nghĩa là mh ≤mhcf.
Nếu như mh> mhcf thì cần phải nâng cấp thuỷ chuẩn của đường thuỷ chuẩn nhánh lên (thành cấp III) và giảm sai số đo cao tại mỗi đầu cọc xuống 5 mm (nghĩa là m0 = 5 mm).
Đồng thời với đo cao các cọc đo mực nước, ta đo sâu vầ đo vẽ lòng sông.
3.3.1.3. Quy mực nước đo về mực nước giả định
Mực nước sông giả định là mực nước quy về một thời điểm nào đó. Để quy mực nước đo ở những thời điểm khác nhau về cùng một thời điểm rồi từ đó vẽ mặt cắt dọc mặt nước, cần biết được thời gian đóng các cọc đo nước xuống mặt nước và thời gian thuỷ chuẩn các đầu cọc. Đồng thời tại các trạm đo nước ở đầu và cuối mỗi đoạn sông, ta tiến hành quan sát mực nước sông. Sử dụng các kết quả đo đạc này, bằng phép nội suy đơn giản ta có thể quy độ cao mực nước ở các cọc đo ở những thời điểm khác nhau trong mỗi đoạn và giữa các đoạn khác nhau về cùng một thời điểm.
Nội dung như sau:
Mặt nước sông luôn nghiêng so với mặt nằm ngang, do vậy mà mực nước xác định được bằng thuỷ chuẩn luôn bị dao động. Để thuận tiện cho việc sử dụng các tài liệu khảo sát, độ cao của mặt nước đo được quy về cùng một thời điểm và mặt đó được gọi là trị số quy chuẩn. Hiệu số giữa mực nước đo và mực nước quy chuẩn được gọi là trị số quy chuẩn. Ví dụ: Tại một thời điểm nào đó, đã tiến hành thuỷ chuẩn mặt nước tại cọc đo mực A nằm giữa hai trạm đo nước I và II có trị số là HA (hình 3-2).
Cũng tại thời điểm đó, độ cao mực nước tại các trạm đo mực nước I và II tương ứng là H1 và H2. Nhưng tại thời điểm của mực nước quy chuẩn, mực nước tại các trạm đo nước I và II thấp xuống tương ứng là ∆H1 và ∆H2, và độ cao tương ứng là H’1 và
L y
l2 l1
a
A II
I b x
H’1 H1
∆H1
∆H2 H2
H’2 H’A
HA
∆hA
Mực nước giả định
Hình 3-2: Sơ đồ quy mực nước đo về mực nước giả định
Mực nước đo
H’2. Mực nước tại A cũng hạ thấp xuống một giá trị ∆HA (chính là trị quy chuẩn). Cần xác định ∆HA để tìm mực nước quy chuẩn tại A. Từ hình vẽ ta có:
x = 1 2 .l2 L
ΔH ΔH −
; ΔhA =x+ΔH2
H'A =HA −ΔH2 −x (3-16) Cũng có thể tính từ trạm II:
1 2.l1 L
ΔH
y= ΔH − ; ΔhA =ΔH1−y
H'A =HA −ΔH1+y (3-17) Khi hiệu các số độc tại các trạm đo nước I và II lớn hơn 10cm (trên hình vẽ là đoạn ab) có thể áp dụng một nguyên tắc khác để tính quy chuẩn nếu giả thiết rằng
ΔhA thay đổi tỷ lệ thuận với chênh cao mặt nước. Từ hình vẽ, ta có:
-Tính từ trạm I:
(H H )
H H
ΔH
y ΔH 1 A
2 1
2
1 −
−
= − ; ΔhA =ΔH1−y
H'A =HA−ΔH1+y (3-18) - Tính từ trạm II:
(H H )
H H
ΔH
x ΔH A 2
2 1
2
1 −
−
= − ; ΔhA =ΔH2 +x
H'A =HA−ΔH2 −x (3-19) Chênh cao và độ dốc mặt nước được tính theo độ cao mược nước đã quy chuẩn và khoảng cách giữa các điểm cọc đo mực nước.
3.2.1.4. Lập mặt cắt dọc sông
Mặt cắt dọc dòng sông được thành lập dựa vào các số liệu đo đạc ngoài trời và các kết quả hiệu chỉnh chúng. Nhờ mặt cắt dọc dòng sông ta có thể thấy được độ dốc dọc của lòng sông, độ dốc dọc mặt nước. Vì vậy người ta sử dụng bản vẽ mặt cắt dọc dòng sông trong khi quy hoạch để lựa chọn vị trí xây đập, xác định độ cao cột nước của đập. Tỷ lệ của mặt cắt dọc dòng sông được chọn phụ thuộc vào ý nghĩa biểu diễn của mặt cắt, chiều dài và độ dốc của lòng sông. Thông thường người ta lấy tỷ lệ ngang từ 1: 25.000 - 1: 100.000 và tỷ lệ đứng là 1: 100.
Mặt cắt dọc sông có thể vẽ theo hai cách:
- Vẽ mặt cắt dọc sông đi qua các điểm sâu nhất của lòng sông.
- Vẽ mặt cắt dọc sông đi qua các điểm giữa của sông.
Trên mặt cắt dọc, người ta ghi độ cao các điểm đặc trưng của mặt nước, của đáy sông và bờ sông, tốc độ hay lưu tốc bề mặt, chênh cao mực nước trên 1km chiều dài, độ cao điểm “0” của các trạm đo nước, tình trạng bờ sông, các điểm dân cư…
Để có thể dự kiến được vùng có khả năng bị ngập lụt khi hình thành hồ chứa nước, người ta còn đưa lên mặt cắt dọc độ cao những chỗ thấp nhất của các điểm dân cư và các công trình xây dựng.
Sau khi xác định được vị trí các điểm cần biểu thị trên mặt cắt, nối chúng lại với nhau ta có bản vẽ mặt cắt dọc dòng sông.