- Đường quanh Q= f(H)
g/ Tính lũ dẫn dòng và tiến độ thi công
3.3 TÍNH LƯỢNG DÒNG CHẢY NHỎ NHẤT QMIN
Dòng chảy nhỏ nhất xẩy ra vào mùa cạn và do nước ngầm trử trên lưu vực cung cấp. Việc xác định lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất rất cần thiết trong trường hợp sử dụng dòng chảy tự nhiên (không điều tiết bằng kho nước). Lưu lượng dòng chảy kiệt quyết định chỉ tiêu đảm bảo tối thiểu. Thí dụ công suất nhỏ nhất của nhà máy thủy điện, lưu lượng cấp nước nông nghiệp tối thiểu, chiều sâu mực nước tối thiểu cho giao thông, lấy nước tưới tối thiểu. Với dòng chảy kiệt tần suất thiết kế có thể chọn P=85%, P=90% và P=95%.
Việc xác định lưu lượng kiệt có nhiều khó khăn do lưu lượng kiệt nhỏ khó đo đạc, do ảnh hưởng của nhiều nhân tố đột xuất như lấy nước tưới ruộng, tốc độ chảy quá bé, khó đo đạc do cây cỏ mọc trong sông... Trong thực tế để giảm bớt sai số ngưới ta không trực tiếp tính Q k.ngày mà tính Qk.tháng thiết kế , sau đó dùng quan hệ Q k.ngày ~ Q k.tháng để xác định lưu lượng dòng chảy kiệt ngày thiết kế.
Lưu lượng kiệt phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện lưu vực do đó khó xây dựng một phương pháp hoặc một công thức chung để tính toán.
Điều kiện khí hậu quyết định độẩm lưu vực từđó quyết định dòng chảy nhỏ nhất. Mô hình phân phối mưa trong năm cũng quyết định lượng dòng chảy nhỏ nhất.
Lưu vực ở thượng nguồn có nhiều hồ ao đầm lầy thì dòng chảy nhỏ nhất lớn. Lưu vực có thảm phủ thực vật tốt sẽ giảm dòng chảy mặt tăng dòng chảy ngầm dẫn tới tăng dòng chảy nhỏ nhất.
Điều kiện địa chất thổ nhưỡng quyết định khả năng thấm hút nước mặt, điêù kiện địa chất quyết định khả năng giữ nước và sự chuyển động của nước trong đất do đó sẽ ảnh hưởng tới sự hình thành nước ngầm nguồn cung cấp cho dòng chảy nhỏ nhất.
Hoạt dộng kinh tế của con người đóng vai trò quan trọng trong việc làm tăng giảm lượng dòng chảy nhỏ nhất như xây dựng hồ chưa, lấy nước tưới ruộng...
3.3-1 Tính lưu lượng nhỏ nhất thiết kế khi có đủ tài liệu.
Khi có chuỗi số liệu dòng chảy nhỏ nhất ta tiến hành dùng các chỉ tiêu thống kê để kiểm định số liệu. Trước khi tính toán cần đánh giá tài liệu thông qua quan hệ giữa lưu lượng nhỏ nhất ngày và nhỏ nhất tháng. Cần tìm hiểu điểm đột xuất để phân tích tính hợp lý hoặc loại bỏ nó. Thường người ta dùng lưu lượng trung bình ngày nhỏ nhất hoặc lưu lượng trung bình 30 ngày nhỏ nhất để xác định lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất thiết kế.
Căn cứ vào tài liệu thống kê tiến hành tính toán dòng chảy nhỏ nhất thiết kế giống như tính dòng chảy năm thiết kế khi có đủ tài liệu.
3.3-2 Tính lưu lượng nhỏ nhất thiết kế khi có ít tài liệu.
Trong trường hợp số năm quan trắc dòng chảy nhỏ nhất it ta có thể dùng phương pháp tương tự để kéo dài tài liệu. Khi chọn lưu vực tương tự cần chú ý tới đặc điểm các nhân tố ảnh hưởng tới dòng chảy nhỏ nhất của hai lưu vực. Để đánh giá mức độ tương quan trong trường hợp này người ta kiểm tra tỷ số Q th.tt / Qth. n/c . Nếu tỷ sốổn định thì ta khẳng định tính chất tương tự của hai lưu vực. Sau khi kéo dài việc tính toán tiến hành như khi có đủ tài liệu.
Nếu chuỗi đo đạc chỉ có vài năm số liệu (2-3 năm) không thể kéo dài thì phải tính đối chiếu trình tự như sau:
- Chọn lưu vực tương tự có chuỗi đo đạc dài.
- Xét sự tương tự của dòng chảy kiệt giữa hai lưu vực có ổn định không. Tính α = Q th.k tt / Qth.k n/c. Nếu hệ sốα trong mấy năm đo đạc không biến đổi thì có thể kết luận hai lưu vực tương tự nhau.
- Tính dòng chảy kiệt ứng với tần suất thiết kế của lưu vực tương tự theo tài liệu dài Qth.k.tt P%
- Dòng chảy kiệt ứng với tần suất thiết kế của lưu vực nghiên cứu sẽ là: Q th.k n/c P% = α. Qth.k.tt P% (3-55)
Với α - Là số trung bình.
3.3-3 Tính lưu lượng nhỏ nhất thiết kế khi không có tài liệu.
Trong trường hợp này có thể dùng các phương pháp sau: 1. Mượn môđuyn dòng chảy kiệt của lưu vực tương tự.
2. Dùng bản đồđẳng trị chuẩn dòng chảy kiệt (nếu có bản đồđẳng trị). 3. Dùng công thức kinh nghiệm.
- Công thức A. M. Vlađimirốp
Q Min = a ( F + C ) n (3-56) Với Q Min - Lưu lượng kiệt bình quân tháng.
a, C, n - Các tham số cho trước theo bảng.
- Công thức A. A. Xôcôlốp
MMin = C M0 F n ( f 0 + 1 ) m (3-57) Trong đó MMin - Mô đuyn dòng chảy kiệt bình quân ngày.
M0 - Mô đuyn chuẩn dòng chảy năm. f0 - Tỷ lệ diện tích ao hồ.
C - Tham số phụ thuộc vào điều kiện địa chất. n, m - Phụ thuộc vào tính chất mùa kiệt. - Công thức kinh nghiệm theo quy phạm QPTL-C-6-77.
M Min. th. = A . MO. F - O.1 (3-58)
Trong đó: MMin thk - mô đuyn dòng chảy nhỏ nhất tháng trung bình nhiều năm. A - Thông số lấy theo tài liệu của lưu vực tương tự hoặc
theo bảng 6-1 quy phạm. F - Diện tích lưu vực;
MO- Mô đuyn chuẩn dòng chảy năm.
Hệ số biến đổi CV dòng chảy kiệt xác định theo C V k = k CV năm . Trong đó k là tỷ số giữa CVkvà CVnăm của sông tương tự hoặc theo quy phạm (CVnămlà hệ số của lưu vực tương tự).
- Công thức kinh nghiệm của Cục Thuỷ văn [4]. Lưu lượng nhỏ nhất thiêt kế xác định như sau:
M Min P = A. XPm
m - Số mũ biểu thị mức độảnh hưởng của mưa đến dòng chảy kiệt. A - Thông sốđịa lý.
Các thông số A và m được phân vùng cho phần miền Bắc như sau: + Vùng 1: A = 0.0000014 m = 1.98 + Vùng 1: A = 0.0000022 m = 2.02 + Vùng 1: A = 0.0000017 m = 1.80 3.4 DÒNG CHẢY BÙN CÁT. 3.4-1 Các khái niệm và đặc trưng biểu thị. Dòng chảy bùn cát là một đặc trưng quan trọng phản ánh mức độ xói mòn lưu vực, do vậy nghiên cứu dòng chảy bùn cát có nhiều ý nghĩa quan trọng trong khoa học và thực tiễn như nắm được quy luật hình thành dòng chảy bùn cát, cung cấp được tài liệu để tính toán bồi lắng hồ chứa, thời điểm tốt nhất để lấy phù sa nước tưới.
Để biểu thị dòng chảy bùn cát có thể dùng các đặc trưng biểu thị sau: - Lượng ngậm cát ρ (hay còn gọi độđục) đơn vị là g/ m3 hoặc kg/m3. - Lưu lượng bùn cát qua mặt cắt R - đơn vị kg/s.
- Mô đuyn bùn cát MC - đơn vị tấn/ km2 năm. - Khối lượng bùn cát qua mặt cắt trong một năm
P = R.T = ρ Q T (tấn/ năm). (3-59) - Thể tích bùn cát qua mặt cắt trong một năm.
G 0 = P / β ( m3/ năm) (3-60) Với β - khối lượng riêng bùn cát.
3.4-2 Tính toán bùn cát.
a. Tính lượng bùn cát khi có tài liệu quan trắc.
Trong thực tế thường yêu cầu tính lượng dòng chảy bùn cát bình quân nhiều năm nên rất ít khi dùng đường tần suất.
Khi có đủ tài lệu quan trắc lưu lượng bùn cát trung bình nhiều năm được tính theo công thức:
∑ Ri
R = ⎯⎯⎯ (kg/s.) (3-61) n
Lượng ngậm cát bình quân nhiều năm: R0 . 103
ρ = ⎯⎯⎯ (g/m3.) (3-62) Q 0
R0 . 31,5 . 103 G0 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (m3/năm.) (3-63) β Hoặc : ρ0 . Q0 . 31,5 G0 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (m3/năm.) (3-64) β Với β - khối lượng riêng bùn cát.
b. Tính lượng bùn cát khi có ít tài liệu quan trắc.
Dùng quan hệ giữa Qi và Ri để kéo dài tài liệu Ri sau đó tính như trường hợp có tài liệu.
Có thể dùng công thức đơn giản: Q0
R0 = ⎯⎯ RR (3-65) Q
ρ0 và G0 tính như trường hợp có đủ tài liệu khi biết Q0 và R0.
c. Tính lượng bùn cát khi không có tài liệu .
Trong trường hợp này có thể dùng các phương pháp sau: 1- Dùng bản đồđẳng rịρ0 .
2- Dùng lưu vực tương tự. 3- Dùng công thức kinh nghiệm. + Công thức Poliacốp: ρ = 104 ε jk 3-66) Với J - độ dốc bình quân lòng sông, ε - Hệ số xâm thực lấy từ bản đồ. Với lưu vực xói mòn mạnh lấy ε = 8 ÷ 6 Với lưu vực xói mòn vừa lấy ε = 6 ÷ 4 Với lưu vực xói mòn it lấy ε = 2 ÷ 1 k - Hệ số hiệu chỉnh điều kiện lưu vực : k = k1 .k2 .k3 (3-67) k1 - Hiệu chỉnh theo hình dạng lưu vực. k2 - Hiệu chỉnh theo lớp phủ thực vật. k3 - Hiệu chỉnh theo nham thạch lưu vực.
Sau khi tính được ρ0 tiến hành tính R0 và G0.
Trên đây là các phương pháp xác định dòng chảy bùn cát lơ lửng. Ngoài bùn cát lơ lửng ra trong thực tế còn có bùn cát đáy hay còn gọi là bùn cát di đẩy. Lượng bùn cát
này thường không đo đạc được . Để tính lượng bùn cát này người ta thường lấy bằng 20% lượng dòng chảy bùn cát lơ lửng.
Câu hỏi chương 3:
1. Trình bày cách xác định lượng dòng chảy năm thiết kế trong trường hợp tài liệu khỏc nhau.
2. Trình bày cách xác định hệ số biến đổi CVY theo hệ số biến đổi CVX của mưa năm. 3. Trình bày các phương pháp tính phân phối dòng chảy năm thiết kế.
4. Khái niệm về dòng chảy nhỏ nhất. Các nhân tố ảnh hưởng tới dòng chảy nhỏ nhất va phương pháp xác định lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất thiết kế.
5. Dòng chảy bùn cát: khái niệm và nhân tố ảnh hưởng và cách xác định dòng chảy bùn cát.
CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LŨ
4.1 NƯỚC LŨ THIẾT KẾ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ.
4.1-1 Khái niệm về dòng chảy lũ.
Dòng chảy lũ sinh ra do các trận mưa rào hay các trận mưa dài ngày gây nên. Dòng chảy lũ quyết định những nét tổng quát về chếđộ dòng chảy của một con sông hay một vùng thủy văn nào đó. Lưu lượng lớn nhất của các sông suối trong năm là giá trị lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất tức thời quan trắc được trong thời gian lũ.
Dòng chảy lớn nhất là một đặc trưng quan trọng của dòng chảy sông ngòi, rất cần thiết trong việc thiết kế các công trình trên sông phục vụ cho thủy lợi, giao thông vận tải và các ngành kinh tế khác.
Dòng chảy lũ là kết quả tác động của nhiều nhân tố, những nhân tố này rất đa dạng và có mức độảnh hưởng khác nhau vì vậy việc nghiên cứu, tính toán rất phức tạp.
Trong tính toán thủy văn, dòng chảy lũ thường được đặc trưng bằng: - Lưu lượng đỉnh lũ ( QMAX , đơn vị m3/s.);
- Tổng lượng lũ ( WMAX m3 ); - Đường quá trình lũ ( Q ~ t ). 0 100 200 300 400 500 600 700 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t Tl tx Tl Hình 4-1. đường quá trình lũ
4.1-2 Các khái niệm về tiêu chuẩn thiết kế.
A. Khái niệm vềđỉnh lũ.
Để có những kiến thức về dòng chảy lớn nhất và dòng chảy lớn nhất thiết kếđúng đắn chúng ta cần đề cập tới sự khác nhau về khái niệm lưu lượng lớn nhất thực và lớn nhất thực đo.
Trong thực tế trên các sông suối sự biến đổi H và Q lũ khá lơn. Nhiều trường hợp đỉnh lũ xuất hiện không trùng với thời gian quan trắc đo đạc cho nên lưu lượng lũ lớn
Q m3/s.
nhất thực đo thường nhỏ hơn trị số thực của nó (tương ứng với HMAX) và lưu lượng lũ lớn nhất trung bình ngày đêm lại nhỏ hơn lưu lượng lớn nhất thực đo.
QMAX (thực) > QMAX (thực đo) > QMAX (ngày đêm)
Như vậy ở đây ta cần xem xét mối quan hệ gữa những trị số này để hiệu chỉnh tài liệu. Mối quan hệ giữa QMAX (thực đo) và QMAX (ngày đêm)ở Việt Nam được phân cấp theo diện tích như sau: F km2 1-10 10 - 50 50 - 100 100 - 500 500 - 5000 5000 - 10000 10000 - 50000 50000 - 150000 K 20 ÷ 10 10 ÷ 5 5 ÷ 2 2 ÷ 1.5 1.5 ÷ 1.2 1.2 ÷ 1.1 1.1 ÷ 1.05 1.05 ÷ 1.01 QMAX Với k = ⎯⎯⎯⎯⎯ = f (F) (4-1) QMAX (Ngày)
B. Tiêu chuẩn thiết kế.
Hiện nay trong thiết kế người ta thường dùng phương pháp sác suất thống kê để tính lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ ứng với một tần suất nhất định, căn cứ vào quy mô và tính chất quan trọng của công trình. Với các công trình thủy công tuỳ theo vốn đầu tư mà chia thành nhiều cấp khác nhau, ứng với mỗi cấp công trình đòi hỏi phải phục vụ được một số năm liên tục. Sau đây là một số tiêu chuẩn về tần suất thiết kế lũ do Bộ thủy lợi trước đây quy định trong quy phạm ban hành năm 1979 (QP.TL - c -6 77):
Các tiêu chuẩn thiết kế trong bảng 4-1 mới chỉ xét đến vấn đề an toàn của công trình mà không xét đến vấn đề phòng lũ cho hạ du.
Bảng 4-1. Tần suất thiết kế lưu lượng lũ lớn nhất đối với
các loại công trình vĩnh cửu
TT Trường hợp Tần suất lưu lượng lớn nhất (p %) theo cấp công trình sử dụng Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV 1 Bình thường 0.1 1.0 2.0 5.0 2 Bất thương 0.01 0.1 0.5 1.0 Bảng 4-2. Tần suất thiết kế lưu lượng lũ lớn nhất đối với các loại công trình tạm thời
TT Trường hợp Tần suất lưu lượng lớn nhất (p %) theo cấp công trình sử dụng Cấp III Cấp IV Cấp V 1 Bình thường 2.0 5.0 10.0 2 Bất thương 1.0 - -
Công trình thủy công phải đảm bảo hai nhiệm vụ khác nhau: - Phòng lũ cho hạ lưu công trình;
- Chống lũ cho bản thân công trình.
Hai nhiệm vụ trên khác nhau nên tiêu chuẩn thiết kế khác nhau:
* Phòng lũ. Lưu lượng tháo lũ an toàn qAT là lưu lượng có thể tháo được của đoạn sông trong điều kiện thiên nhiên, phản ánh tổng hợp các nhân tố thủy lực của đoạn sông như hệ thống đê, hệ thống các bãi bồi dọc sông.
Với Q > qAT → công trình thủy công hay đê có thể bị phá vỡ và gây ngập lụt hạ lưu.
Với Q < qAT→ hạ lưu an toàn.
Theo quan điểm thống kê thì sác xuất xuất hiện biến cố{ Q ≥ qAT} tính bình quân trong nhiều năm gọi là mức phá hoại thiên nhiên và ta có P{Q ≥ qAT }được xác định trên đường tần suất lưu lượng đỉnh lũ thiên nhiên.
Như vậy vấn đề phòng lũ tức là làm cho mức phá hoại thiên nhiên nhỏ đi. Muốn vậy có thể thực hiện theo hai cách:
Một là: Tăng lưu lượng tháo lũ an toàn qAT bằng biện pháp cải tạo lòng sông, uốn nắn sông để cho dòng chảy lũ thoát nhanh;
Hai là: Giảm lưu lượng lũ QMAX bằng cách xây dựng các hồ chứa điều tiết nước lũ, bảo vệ và trồng hệ thống rừng đầu nguồn.
Những biện pháp này cần tiến hành phân tích so sánh về các mặt kỹ thuật, kinh tế nhằm tìm ra biện pháp hợp lý nhất. Trong thực tế việc này tính toán phức tạp, khó khăn nên người ta căn cứ theo tiêu chuẩn thiết kếđã quy định để xác định quy mô kích thước của công trình với điều kiện sử dụng bất thường cho phép:
- Mức nước cao hơn bình thường mà giảm bớt chiều cao của đỉnh đập; - Giảm bớt tính ổn định và mức độ hệ số an toàn của công trình.
- Không phải tuân theo điều kiện công tác bình thường của trạm thủy điện và các xí nghiệp gần công trình, nhưng lúc này công trình cơ bản không được để bị phá huỷ.
* Chống lũ. Là tiêu chuẩn thiết kế bảo đảm an toàn chắc chắn cho bản thân công trình.
Một công trình làm việc an toàn ngoài hình thức kết cấu và sự ổn định của nó ra còn phụ thuộc vào điều kiện làm việc, tức là quy trình vận hành công trình. Một hồ chứa