L−ợng n−ớc tổn thất dọc theo đ−ờng kênh bao gồm:
- L−ợng tổn thất do bốc hơi;
- L−ợng tổn thất do rò rỉ;
- L−ợng tổn thất do ngấm xuống tầng sâu.
Khi xét ba thành phần tổn thất này ta thấy:
- 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 thÓ bá qua.
- L−ợng n−ớc 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 l−ợng tổn thất do rò rỉ nhờ quản lý và thi công đ−ờng kênh tốt hơn. Vì vậy, l−ợng tổn thất này chúng ta cũng có thể không xét tới.
- L−ợng n−ớc tổn thất do ngấm: Đây là l−ợng n−ớc tổn thất tất yếu, n−ớc 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.
1. Những yếu tố ảnh h−ởng tới l−ợng tổn thất do ngấm trên kênh
- Tính chất của đất làm kênh: Nếu đất có tính thấm lớn thì l−ợng tổn thất sẽ lớn và ng−ợc lại.
- Điều kiện địa chất thủy văn: Mực nước ngấm nằm sâu hay nông, nước dễ thoát hay khó thoát đều có tác dụng đến tốc độ thấm nước hay nói cách khác ảnh hưởng tới lượng tổn thất.
- Điều kiện thủy lực trong kênh: Kích th−ớc mặt cắt ngang của kênh, chiều sâu n−ớc trong kênh đều có tác dụng đến l−ợng tổn thất trong kênh. Nếu kênh có chu vi lớn, chiều sâu n−ớc trong kênh lớn thì tổn thất sẽ tăng lên.
- Chế độ làm việc của kênh mương: Nếu kênh làm việc không liên tục lượng tổn thất sẽ lớn hơn kênh dẫn n−ớc liên tục.
- Tình hình bồi lắng trong kênh: Sau một thời gian kênh chuyển n−ớc, bùn cát trong nước sẽ lắng đọng và lấp đầy các khe rỗng của đất làm kênh, lượng nước ngấm sẽ giảm đi.
2. Tính toán tổn thất ngấm trên kênh
Có rất nhiều tác giả đề xuất những phương pháp, những công thức lý luận, bán lý luận;
công thức kinh nghiệm để tính tổn thất ngấm trên kênh.
Sau đây chúng ta sẽ đi nghiên cứu một số công thức tính toán của một số tác giả quen thuộc.
a) Trường hợp ngấm tự do không xét đến hiện tượng bị ứ nước
• Công thức lý luận của Côtchiacôp Theo định luật Darcy ta có:
Q = Vω víi V = KJ (J = 1)
V× vËy: Q = Kω
trong đó:
Q - lưu lượng thấm;
Ch−ơng 9 - thiết kế kênh 297 V - tốc độ thấm;
K - hệ số thấm;
J - độ dốc thuỷ lực;
ω - diện tích thấm trong lòng kênh.
Đối với kênh hình thang làm bằng đất chúng ta có thể dùng công thức sau để tính toán tổn thất cho 1 km đ−ờng kênh:
( 2)
S=0, 0116K b+ γ2 h 1 m+ , (m3/s-km) (9.4) trong đó:
S - lưu lượng tổn thất trên 1 km đường kênh (m3/s-km);
K - hệ số ngấm ổn định (m/ngày);
b - chiều rộng đáy kênh (m);
h - chiều sâu n−ớc trong kênh (m);
m - hệ số mái kênh;
0,0116 - hệ số đổi thứ nguyên;
γ - hệ số kể đến hiện t−ợng ngấm chéo do mao quản, γ = 1,1 ữ 1,4.
H×nh 9.5
Trong tính toán người ta còn dùng lượng tổn thất tương đối σ là số phần trăm của lưu lượng tổn thất trên 1 km đường kênh so với lưu lượng thực cần ở cuối đoạn kênh đó:
( γh )
σ
2
net net
1,16K b 2 1 m
S 100% %
Q Q
+ +
= = (9.5)
(β γ 2)
net
1,16Kh 2 1 m Q %
+ +
σ = (9.6)
Công thức (9.4), (9.5) và (9.6) tính tổn thất tuyệt đối và tổn thất tương đối dùng cho trường hợp khi đã biết mặt cắt kênh. Trong trường hợp bắt đầu thiết kế mặt cắt kênh ta vẫn phải ước tính lượng tổn thất để tính lưu lượng cần chuyển trên kênh. Trường hợp này ta lại phải dùng các công thức khác.
• Công thức kinh nghiệm tính tổn thất của Côtchiacôp
Qua nghiên cứu, Côtchiacôp nhận thấy l−ợng tổn thất do thấm trên kênh phụ thuộc rất nhiều vào chất đất làm kênh và lưu lượng chuyển qua kênh. Ông đã thông qua thực nghiệm
để đề xuất ra công thức tính toán:
Q % A
m net
= σ trong đó:
σ - tổn thất tương đối trên 1 km đường kênh (tính theo số %) chính là tỷ số phần trăm tổn thất so với lưu lượng thực cần tính cho 1km đường kênh;
Qnet - lưu lượng thực cần ở cuối đoạn kênh (m3/s);
A, m - những hệ số phụ thuộc vào tính ngấm của đất qua thực nghiệm hoặc thực đo.
Tr−ờng hợp thiếu tài liệu có thể tham khảo bảng 9.1.
Bảng 9.1 - Hệ số A và m của một số loại đất [1]
Loại đất Tính chất ngấm A m
Đất sét và đất sét nặng
Đất thịt pha sét nặng
Đất thịt pha sét vừa
Đất thịt pha sét nhẹ
Đất thịt pha cát
NgÊm rÊt Ýt NgÊm Ýt NgÊm võa NgÊm nhiÒu Ngấm rất mạnh
0,70 1,30 1,90 2,65 3,40
0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Lưu lượng tổn thất tuyệt đối do ngấm tính cho 1 km đường kênh:
σ n e t 1 m
n e t
S Q 1 0 A
1 0 0 Q −
= = , (l/s-km)
Qnet - lưu lượng thực cần ở cuối đoạn kênh (m3/s).
Để tiện cho việc tính toán ng−ời ta thành lập bảng tính sẵn l−ợng tổn thất S ứng với một loại đất nhất định và với từng cấp lưu lượng (bảng 9.2).
Ch−ơng 9 - thiết kế kênh 299 Bảng 9.2 - Lưu lượng tổn thất trên 1 km chiều dài kênh [1]
Lưu lượng tổn thất S = 1 0 A Q1- mc k (l/s-km) Lưu lượng của
kênh Qck (m3/s) Ngấm rất ít A = 0,70 m = 0,30
NgÊm Ýt A = 1,30 m = 0,35
NgÊm võa A = 1,90 m = 0,40
NgÊm nhiÒu A = 2,65 m = 0,45
Ngấm rất mạnh A = 3,40 m = 0,50 0,051 ÷ 0,060
0,061 ÷ 0,070 0,071 ÷ 0,080 0,081 ÷ 0,090 0,091 ÷ 0,100 0,101 ÷ 0,120 0,121 ÷ 0,140 0,141 ÷ 0,170 0,171 ÷ 0,200 0,201 ÷ 0,230 0,231 ÷ 0,260 0,261 ÷ 0,300 0,301 ÷ 0,350 0,351 ÷ 0,400 0,401 ÷ 0,450 0,451 ÷ 0,500 0,501 ÷ 0,600 0,601 ÷ 0,700 0,701 ÷ 0,850 0,851 ÷ 1,000 1,001 ÷ 1,250 1,251 ÷ 1,500 1,501 ÷ 1,750 1,751 ÷ 2,000 2,001 ÷ 2,500 2,501 ÷ 3,000 3,001 ÷ 3,500 3,501 ÷ 4,000 4,001 ÷ 5,000 5,001 ÷ 6,000 6,001 ÷ 7,000 7,001 ÷ 8,000 8,001 ÷ 9,000 9,001 ÷ 10,000 10,001 ÷ 12,000 12,001 ÷ 14,000 14,001 ÷ 17,000 17,001 ÷ 20,000 20,001 ÷ 23,000 23,001 ÷ 26,000
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,4 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,2 4,6 5,2 5,8 6,5 7,1 8,7 9,9 11,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 23,0 26,0 29,0 31,0 34,0 37,0 42,0 48,0 54,0 60,0 66,0
2,0 2,2 2,5 2,6 2,8 3,1 3,4 3,8 4,3 4,7 5,1 5,6 6,0 6,6 7,3 7,9 8,7 9,7 10,9 12,3 13,9 15,7 18,3 19,3 22,0 24,3 27,1 30,0 34,0 39,1 43,0 47,0 51,0 55,0 61,0 68,0 76,0 86,0 94,0 102,0
3,3 3,7 4,0 4,3 4,6 5,0 5,6 6,2 6,9 7,6 8,2 8,8 9,6 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 16,0 18,0 20,0 23,0 26,0 28,0 31,0 35,0 39,0 42,0 47,0 53,0 58,0 64,0 69,0 74,0 81,0 89,0 98,0 109,0 120,0 130,0
5,4 5,9 6,4 6,8 7,3 7,9 8,6 9,7 10,6 11,6 12,2 13,1 14,2 15,4 16,4 17,5 18,0 20,8 22,8 25,0 28,2 31,2 34,8 37,0 41,0 46,0 50,1 54,0 60,0 68,0 74,0 80,0 86,0 91,0 98,0 101,0 120,0 132,0 144,0 152,0
8,0 8,7 9,3 9,8 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 21,0 22,0 23,0 25,0 27,0 30,0 33,0 36,0 40,0 43,0 46,0 51,0 57,0 62,0 66,0 72,0 80,0 87,0 93,0 99,0 105,0 112,0 122,0 134,0 147,0 158,0 168,0
26,001 ÷ 30,000 72,0 110,0 139,0 162,0 180,0 Một số tác giả khác cũng đ−a ra một số công thức tính toán gần đúng:
- Công thức của Paplôpxki
S = 0,0116K(B + 2h) trong đó:
S - lưu lượng tổn thất do ngấm trên 1 km đường kênh (m3/s-km );
B - chiều rộng mặt n−ớc trong kênh (m);
h - chiều sâu n−ớc trong kênh (m);
K - hệ số ngấm của đất làm kênh (m/ ngày).
- Công thức thực nghiệm của GhiecKan Qnet
K 063 , 0 S= trong đó:
S - lưu lượng tổn thất do ngấm trên 1 km đường kênh (m3/s-km);
K - hệ số ngấm của đất làm kênh (m/ngày);
Qnet - lưu lượng thực cần ở cuối đoạn kênh (m3/s).
b) Tr−ờng hợp có hiện t−ợng bị ứ n−ớc
Tr−ờng hợp n−ớc ngầm nằm nông khó thoát, l−ợng n−ớc ngấm sẽ làm dâng n−ớc ngầm tới tận đáy kênh. Nếu xung quanh khả năng thoát nước kém, đường mặt nước sẽ lan rộng ra hai phía làm cho gradien thủy lực giảm, l−ợng thấm sẽ giảm. Hiện t−ợng này xuất hiện ở
đ−ờng kênh lớn và chuyển n−ớc liên tục.
L−ợng tổn thất sẽ tính bằng công thức:
S’ = γS
với γ là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào lưu lượng qua kênh và chiều sâu mực nước ngầm, cho ở bảng 9.3.
Bảng 9.3 - Hệ số hiệu chỉnh γ
ChiÒu s©u tíi mùc n−íc ngÇm (m) Lưu lượng Q
(m3/s) 1 3 5 7,5 10 15 20 25
0,3 1,0 3,0 10,0 20,0 30,0 50,0
0,82 0,63 0,50 0,41 0,36 0,35 0,32
0,79 0,63 0,50 0,45 0,42 0,37
0,82 0,65 0,57 0,54 0,49
0,79 0,71 0,66 0,60
0,91 0,82 0,77 0,64
0,94
0,84 0,97