- Đường quanh Q= f(H)
5.2ĐƯỜNG QUÁ TRÌNH LŨ THIẾT KẾ
g/ Tính lũ dẫn dòng và tiến độ thi công
5.2ĐƯỜNG QUÁ TRÌNH LŨ THIẾT KẾ
5.2-1 Dạng đường quá trình lũ và các nhân tốảnh hưởng.
Đường quá trình lũ là một đặc trưng quan trọng không thể thiếu được trong việc thiết kế các công trình thủy lợi, đặc biệt đối với các công trình có khả năng điều tiết lũ. Tuỳ theo tình hình mưa, hình dạng kích thước và các điều kiện thuỷ lực khác của lưu vực đường quá trình lũ có thể là dạng đơn hoặc phức tạp.
Dạng đường quá trình lũ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: lượng mưa sinh lũ, cường độ mưa, thời gian và sự thay đổi theo thời gian và không gian của mưa lũ; diện tích, chiều dài, độ dốc, hình dạng và mật độ lưới sông của lưu vực. Ảnh hưởng tổ hợp của các yếu tố này tạo nên dạng đường quá trình lũ mang nhiều tính chất ngẫu nhiên. Do đó có quan điểm coi đường quá trình lũ là quá trình ngẫu nhiên.
Một quan điểm khác cho rằng với một lưu vực xác định thì ảnh hưởng chủ yếu tới đường quá trình lũ là quá trình mưa, các ảnh hưởng khác có tính chất điều tiết. Những trận mưa dông kết hợp với điều kiện địa hình lưu vực, cũng như những trận mưa có cường độ lớn nhưng xẩy ra trong thời gian ngắn thường chỉ gây nên lũ trên các lưu vực nhỏ. Đối với các lưu vực nhỏ độ dốc lưu vực và độ dốc lòng sông lớn nên thời gian tập trung nước nhanh tạo nên lũ lên nhanh, xuống nhanh (cường suất lũ lên xuống có khi đạt tới 3,4 mét). Trái lại đối với các lưu vực lớn phải có những trận mưa lớn, thời gian mưa dài, mưa xẩy ra trên diện rộng mới sinh lũ. Đường quá trình lũ ở đây thường kéo dài nhiều ngày, lũ lên chậm, xuống chậm (s. Hồng, S. Mê công). Những lưu vực rất lớn , qua nhiều vùng khí hậu khác nhau, quá trình lũ là tổ hợp nhiều lưu vực xuất hiện lũ nên thường có dạng lên xuống rất chậm, lũ của các lưu vực nhỏ chỉ gây những gợn sóng trên trận lũ lớn đó. Do vậy đối với một lưu vực xác định dạng đường quá trình lũ phụ thuộc vào đặc tính của mưa, với những trận lũ lớn (thực tế thường quan tâm tới những trận lũ lớn), nếu cường độ mưa tập trung và tâm mưa ít thay đổi thì đường quá trình lũ càng ít thay đổi. Chính vì vậy có quan điểm cho rằng có thể chọn một con lũ lớn điển hình cho một lưu vực để mô phỏng thành đường quá trình lũ thiết kế. Hai quan điểm trên đều được áp dụng để xác định đường quá trình lũ thiết kế trong thực tế.
Tuỳ theo số lượng đỉnh lũ trong một trận có thể phân thành lũ một đỉnh hoặc lũ nhiều đỉnh. Tùy theo quan hê giữa tB và τ có thể phân quá trình lũ thành lũđơn, lũ kép và lũ hỗn hợp.
Lũđơn.
Lũ đơn hình thành trong những trường hợp khi thời gian cấp nước nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian chảy tụ từ điểm xa nhất của lưu vực tới mặt cắt cửa ra hay thời gian chảy tụđỉnh lũ τđ = τ.
Từ việc phân tích công thức căn nguyên dòng chảy ta thấy Tl = tB + τđ Như vậy khi tB rất nhỏ so với τ thì có thể viết Tl = τđ + 1 ≈ τđ . Lũ hình thành do những trận mưa ngắn có nền (đáy) như nhau và gần bằng các tung độ tương đối Qt / QM hay Qt/ ∑Qt
(Qt - lưu lượng ở từng đơn vị, ∑Qt tổng lưu lượng toàn trận lũ), đây là tính chất cơ bản của lũđơn vị.
Do lưu lượng trong từng đơn vị thời gian hình thành từ diện tích khống chế giữa các đường đẳng thời đơn vị và từ toàn bộ lớp nước mưa hiệu quả (đã khẩu trừ tổn thất) do đó có thể viết: Q1 = f1 h Q2 = f2 h ... Qt = ft h Từđó ta có: Qt h.ft ft ⎯⎯ = ⎯⎯ = ⎯⎯ ∑ Q h .F F
Từ công thức trên ta thấy rằng tung độ lũ đơn vị biểu thị bằng % tổng lượng lũ tương ứng với đường phân bố diện tích đơn vị.
Lũ đơn vị có thể xẩy ra trên lưu vực nhỏ và rất nhỏ với thời gian chảy tụτ≤ 1 - 2 giờ khi thời gian mưa kéo dài 0.2 -0.3 giờ và có thể gây ra trên lưu vực lớn với τ = 3 - 7 ngày và thời gian mưa kéo dài 5 - 10 giờ.
Lũ kép.
Các trận mưa nhiều đỉnh kéo dài sẽ gây nên các con lũ nhiều đỉnh có quá trình giống như quá trình mưa nhưng chậm hơn một thời gian bằng thời gian chảy tụ. Các trận lũ này có thể gọi là trận lũ kép với tB >>τ và lưu lượng mỗi đơn vị thời gian hình thành không phải từ toàn bộ lớp nước mưa mà là một phần lớp nước mưa đơn vị chảy từ toàn bộ lưu vực. Như vậy ta có: Q 1 = h 1F Q 2 = h 2F ... Q t = h t F Khác với lũđơn vị lũ kép có các đặc điểm sau:
a/ Thời gian kéo dài của lũ kép bằng thời gian mưa hiệu quả Tl = t B (vì tB >>τ). b/ Quá trình lũ có dạng tương ứng với quá trình mưa với thời gian chậm lại bằng thời gian chảy tụđỉnh lũ.
Lũ kép có thể hình thành trên các lưu vực nhỏ và lớn.
Trên các lưu vực nhỏ có thể xuất hiện lũ kép với trận mưa kéo dài 1-2 giờ với thời gian chảy tụτđ = 0.2 - 0.3 giờ (tương ứng với diện tích 0.5-1.0km2).
Trên lưu vực lớn (τđ > 1 ngày) lũ kép hình thành bởi các trận mưa dài ngày như mưa bão, mưa do dải hội tụ nhiệt đới,...
Phụ thuộc vào khoảng thời gian ngắt quãng giữa các đợt mưa mà lũ kép có thể chia làm hai loại:
1/ Lũ kép hình thành từ nhiều đợt sóng lũ riêng biệt và mỗi đợt sóng lũ đó tương ứng với các trận lũ đơn hoặc hỗn hợp đơn kép (lũ kép tách bạch được với nhau, hình 5-2 a).
2/Lũ kép không tách bạch được, nó hình thành từ các lũđơn gối nhau Hỡnh (5-2, a), hình 5-2, b.
a) b)
Qt Qt
t t
Hình 5-2 Dạng đường quá trình lũ.
Những trận lũ mà thời gian chảy tụ dòng chảy mặt τ ≈ tB chiếm vị trí giữa lũđơn và lũ kép gọi là lũ hỗn hợp. Đường quá trình của nó có thể viết bằng công thức căn nguyên dòng chảy
t = τ
Q t = ∫ h t - τ fτ dτ (5-4) 0
5.2-2 Phương pháp xác định đường quá trình lũ thiết kế theo quá trình lũđại biểu
Chúng ta thấy rằng đường quá trình lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp như các yếu tố khí hậu và mặt đệm của lưu vực. Sựảnh hưởng tổ hợp các yếu tố này rất phức tạp nên dạng đường quá trình lũ cũng mang tính ngẫu nhiên nhưđỉnh lũ và tổng lượng lũ, do đó có thể dùng phương pháp sác suất thống kê để xác định.
Mặt khác như trên đã chỉ rõ đối với một lưu vực nhất định điều kiện địa lý tự nhiên rất ít thay đổi nên trong trường hợp mưa lớn cường độ tập trung dạng đường quá trình lũ cũng rất ít thay đổi. Điều này cho phép ta chọn trong sốđường quá trình lũ của những trận lũ lớn xẩy ra làm đường quá trình lũđiển hình để thu phóng thành đường quá trình lũ thiết kế.
A. Chọn đường quá trình lũđậi biểu.
Đường quá trình lũđại biểu quyết định dạng đường quá trình lũ thiết kế sau này nên cần thận trọng khi chọn. Trong thực tế thường dựa vào ba yêu cầu sau:
Đường quá trình lũđậi biểu phải chọn từ những trận lũđã xuất hiện trong thực tế và đã đo đạc được một cách chính xác. Vì trong điều kiện địa lý tự nhiên của lưu vực nó đã xuất hiện thì tương lai có thể có khả năng cũng xuất hiện một trận lũ tương tự.
Trận lũ chọn làm đại biểu có đỉnh lũ hoặc tổng lượng lũ bằng hoặc xấp xỉ trị sốđỉnh lũ hoặc tổng lượng lũứng với tần suất thiết kế.
- Chọn lũđại biểu bất lợi để cho an toàn công trình. Tuỳ theo yêu cầu thiết kế dạng lũ bất lợi có thể chọn khác nhau. Thí dụđối với kho nước có nhiệm vụđiều tiết lũ giảm nhỏ kích thước tháo lũ của công trình, giảm nhỏ lưu lượng xuống hạ du thì dạng lũ bất lợi là đường có thời gian lũ lên kéo dài, lũ tập trung vào phần giữa.
- Nếu là công trình phòng lũ kho nước lớn thì nên chọn lũ lớn, xuất hiện muộn vì trước đó hồđã tích đầy nước. Hay với công trình dẫn dòng thi công thì nên chọn lũ xuất hiện sớm bất lợi cho thi công.
Có quan điểm cho rằng đậi biểu bất lợi thường mang tính chủ quan của người chọn và nếu vì an toàn của công trình mà chọn điển hình bất lợi thì không bằng nâng tiêu chuẩn thiết kế cao hơn để dễ dàng thống nhất giữa những người thiết kế do đó nên chọn mô hình lũđại biểu có khả năng xuất hiện nhất. Với quan điểm này ta phải thống kê những trận lũ lớn phân tích hình thái thời tiêt gây mưa và hình dạng lũ xuất hiện nhiều nhất để chọn làm lũđậi biểu.
B. Phương pháp thu phóng quá trình lũđậi biêu.
1. Phương pháp thu phong cùng tỷ số.
Là phương pháp thu phóng tung độđường quá trình lũđại biểu theo cùng một tỷ số kQ hoặc kW còn thời gian lũ giữ nguyên không thay đổi, từ đó ta được đường qua trình lũ thiết kế.
QMAX P WT P
KQ = ⎯⎯⎯ hoặc k W = ⎯⎯ (5-5) QMAX đb WT đb
QMAX P, WMAXP - Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũứng với tần suất P. QMAX đb, WMAXđb - Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ trận lũđại biểu.
Nếu quan hệ giữa đỉnh và lượng lũ có tương quan đường thẳng chặt chẽ thì kết quả khống chếđỉnh (nhân với kQ) và khống chế lượng (nhân với kW) là giống nhau. Khi khống chế lượng, tỷ số kW phụ thuộc vào thời khoảng thiết kế T. Cùng một điển hình nhưng thời khoảng thiết kế chọn khác nhau, tỷ số kW sẽ khác nhau và sẽ được các quá trình lũ thiết kế khác nhau. Sau khi thông qua tính toán điều tiết ta chọn lấy một mô hình thiết kế bất lợi cho công trình.
Trong thực tế có thể có hai trường hợp xẩy ra: - Tuyến công trình trùng với tuyến quan trắc;
- Tuyến công trình cách xa tuyến quan trắc. Trong trường hợp thứ nhất đơn giản.
Trường hợp thứ hai chúng ta không những xét tới sự khác nhau về lưu lượng đỉnh lũ hoặc tổng lượng lũ mà còn xét tới sự khác nhau về thời gian của cả trận lũ và kích thước diện tích lưu vực.
Trong trường hợp này tung độ đường quá trình lũ thiết kế được xác định theo quan hệ: QMAX P Q Q Q Q P idb i ' ' max = (5-6)
q h h q t t db P P db idb i ' ' max ' ' max = (5-6) Trong đó:Q' db max
Qi db , t id b - Tọa độ hàng ngày của đừơng quá trình lũđại biểu (m3/s, ngày đêm).
Qi , t i - Tọa độ hàng ngày của đường quá trình lũ thiết kế. Q' P
max , q' P max , hP
' - Lưu lượng, mô đuyn trung bình ngày lớn nhất và lớp dòng chảy của quá trình lũ thiết kế.
Q' db
max , q' db max , hdb
' - Lưu lượng, mô đuyn trung bình ngày lớn nhất và lớp dòng chảy của quá trình lũđại biểu.
Việc đổi từ lưu lượng lớn nhất tức thời ứng với tần suất thiết kế P sang lưu lượng lớn nhất trung bình ngày được thực hiện bằng tỷ số:
k Q Q P db τ max ' max = (5-8)
Ở đây: kτ- hệ số chuyển đổi từ lưu lượng nước tức thời QMAX P ra lưu lượng nước lớn nhất trung bình ngày đêm.
Khi mô hình chọn là dạng lũ kép nhiều đỉnh thì ta tiến hành tách phần lũ chính có cường độ lớn ra và xác định lớp dòng chảy tương ứng h*. Lúc đó tung độ phần chính của quá trình lũ thiết kế sẽ bằng tung độ phần chính của lũ đại biểu nhân với tỷ số QMAX P /
QMAX đ b, còn các tung độ khác nhân với hệ sốλ bằng : hP - h*P (qMAX P / q MAX đ b) F λ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ . ⎯⎯ (5-9) hđ b - h*đ b Fđ b Ởđây: F - Diện tích lưu vực tính toán đến mặt cắt khống chế; Fđ b - Diện tích lưu vực đại biểu; h P , hđ b - Lớp dòng chảy toàn trận lũ; h*P , h*đ b - Lớp dòng chảy phần lũ chính.
2. Phương pháp thu phóng Oghiépski.
Để chiếu cố cảđỉnh lũ và tổng lượng lũ phù hợp với tần suất thiết kế, Oghiepski đề nghị thu phóng cả tung độ và hoành độ, tức là co dãn thời gian lũ để đảm bảo đường
quá trình lũ có tung độ lớn nhất bằng đỉnh lũ thiết kế và diện tích khống chế bởi đường quá trình lũ thiết kế bằng tổng lượng lũ thiết kế . Như vậy tung độ thu phóng theo kQ
QMAX P
KQ = ⎯⎯⎯ (5-10) QMAX đb
còn hoành độ thu phóng theo tỷ số: kW TP
kT = ⎯⎯ = ⎯⎯ (5-11) kQ Tđ b
Tỷ số thu phóng hoành độđược rút ra như sau:
Giả sử sau khi thu phóng ta đảm bảo W bằng WP và QMAX bằng QMAX P. Lúc đó ta có: 2 WP TP = ⎯⎯⎯.f (1+γ) (5-12) QMAX P Với lũđiển hình ta cũng có: 2 Wđ b Tđ b = ⎯⎯⎯ .f (1+γ) Từđây ta có: QMAX đ b TP WP QMAX đ b kW kT = ⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯ (5-13) Tđ b Wđ b QMAX P kQ Nếu k W = kQ thì TP = T đ b
Nếu k W > kQ thì TP > T đ b tức là thời gian lũ thiết kế dài ra.
Nếu k W < kQ thì TP < T đ b trong trường hợp này lũ thiết kế ngắn lại. Điều này có thể dẫn đến trường hợp khi thu phóng đỉnh lớn lên nhưng thời gian lũ ngắn lại không phù hợp với quy luật chung.
Các bước tiến hành như sau: - Chọn đường quá trình lũđiển hình.
- Tính toán kQ , kW , kT theo các công thức trên.
- Chia thời gian lũ của lũđiển hình thành nhiều đoạn khác nhau T1đ, T2đ, T3đ, ..., Ti,...một trong các thời đoạn đó bằng T1; lưu lượng lũ lấy trên đường quá trình điển hình ở cuối các thời đoạn trên sẽ là Q1đ , Q2đ , .. , Qmax đ ,...Qiđ ,...
- Nhân các lưu lượng này với kQ ta được đường quá trình lũ thiết kế.
3. Phương pháp thu phóng cùng tần suất.
Phương pháp thu phóng cùng tỷ số không thểđảm bảo có QMAX và WMAX hợp với tiêu chuẩn thiết kế, phương pháp Oghiepxki thì khắc phục được nhược điểm trên nhưng
hoành độ lại thay đổi một cách gượng ép. Phương pháp cùng tần suất đảm bảo đỉnh và lượng bằng đỉnh và lượng thiết kế còn thời gian lũ thiết kế bằng thời gian lũ đại biểu. Theo phương pháp này các tung độđỉnh lũđược thu phóng theo tỷ số sau:
QMAX P
KQ = ⎯⎯⎯ (5-14) QMAX đb
Các tung độ khác được thu phóng theo tỷ số kW xác định theo lượng lũ trong các thời đoạn khác nhau:
W1 MAX P
KW 1 = ⎯⎯⎯ (5-15) W1 MAX đb
Hai ngày còn lại trong ba ngày lũ lớn nhất thu phóng theo tỷ số: W3 MAX P - W1 MAXP
KW3 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (5-16)
W3 MAX đb - W 1 MAX đ b
Hai ngày còn lại trong năm ngày lũ lớn nhất thu phóng theo tỷ số: W5 MAX P - W3 MAXP KW3 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (5-17) W5 MAX đb - W 3 MAX đ b Tổng quát ta có tỷ số thu phóng : Wi MAX P - Wk MAXP KW i = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (5-18) Wi MAX đb - W k MAX đ b
Theo phương pháp này có hai nhược điểm sau: Thời gian lũ thiết kế không thay đổi so với lũđại biểu;
Trị số thu phóng các thời đoạn khác nhau nên đường quá trình lũ thiết kếở các điểm giao tiếp giữa hai thời khoảng có đột biến, đường quá trình lũ thiết kế biến dạng nhiều so với lũ đại biểu. Nguyên nhân dẫn đến đường quá trình bị biến dạng nhiều do tỷ số kW và
nguyên nhân sâu xa chính là chưa điều hoà tốt các đường tần suất lý luận W. Thí dụ W1