Giáo trình thủy nông - Chương 6 ppsx

CHƯƠNG 6 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ ĐƯỜNG KÊNH Mục đích của việc thiết kế đường kênh là nhằm xác định những kích thước cơ bản của kênh, cũng như vị trí và số lượng các công trình trên kênh, nhằ

CHƯƠNG 6

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ ĐƯỜNG KÊNH

Mục đích của việc thiết kế đường kênh là nhằm xác định những kích thước cơ bản của kênh, cũng như vị trí và số lượng các công trình trên kênh, nhằn đảm bảo khả năng lấy nước và tháo nước đã đề ra

Các thông số cơ bản của đường kênh bao gồm:

Độ dốc đáy kênh, I

Bề rộng đáy kênh, b

Cột nước thiết kế, h

Mái kênh, m

Bề rộng bờ kênh, Bbờ

Cao trình đáy kênh, ∇đáy

Cao trình mực nước thiết kế, ∇MNTK

Cao trình bờ kênh, ∇bờ

Trên cơ sở thiết kế đường kênh, ta xác định được khối lượng đào đắp và từ đó xác định được vốn đầu tư của đường kênh

6-1: TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ KÊNH TƯỚI

6-1-1: Lưu lượng của kênh

Lưu lượng của 1 đoạn kênh hay của hệ thống kênh bao gồm 2 loại: lưu lượng thực cần và lưu lượng cần lấy

a Lưu lượng thực cần: (Q net )

Là lưu lượng chưa kể đến tổn thất khi chuyển nước trên kênh, hay còn gọi lưu lượng cuối kênh

Qnet= q.ω

q: hệ số tưới

ω: diện tích tưới

b Lưu lượng cần lấy: (Qbr)

Là lưu lượng đã kể đến tổn thất khi chuyễn nước trên kênh, hay còn gọi là lưu lượng đầu kênh

Qbr= Qnet+ QTT

QTT: lưu lượng tổn thất nước trên đoạn kênh

6-1-2: Tính tổn thất nước trên kênh

Lưu lượng tổn thất nước trên kênh chủ yếu do 3 nguyên nhân sau:

-Do bốc hơi mặt thoáng

-Do thấm qua bờ kênh

-Do ngấm trên đường kênh

Thực tế thì lượng bốc hơi rất nhỏ so với lượng ngấm trên kênh, nên trong tính toán có thể bỏ qua Mặt khác lượng thấm qua bờ kênh có thể khắc phục bằng cách quản lý và thi công kênh chặt chẻ Vậy lượng nước tổn thất nước trên kênh chủ yếu là do ngấm

Qúa trình ngấm trên kênh bao gồm 2 giai đoạn: ngấm tự do và ngấm ứ (cần phân biệt giữa ngấm trên ruộng lúa và ngấm trên kênh)

*Ngấm tự do: Nước ngấm xuống đất chủ yếu là do trọng lực, bao gồm 2 trạng thái : ngấm bảo hoà và ngấm chưa bảo hoà

-Ngấm chưa bảo hoà: dòng thấm chưa bị ảnh hưởng của MNN, do đó tổn thất lúc này là lớn nhất

-Ngấm bảo hoà: khi dòng thấm tiếp xúc với MNN, như vì độ dốc MNN bé do đó không thoát được lượng nước ngấm xuống và làm cho MNN dưới đáy kênh tăng lên

*Ngấm ứ: Trong giai đoạn này MNN đã tiếp xúc với đáy kênh, lúc này lượng nước ngấm xuống và lượng nước ngầm tạo thành dòng liên tục, quá trình này là quá trình ngấm ổn định

a Ngấm tự do: Đây là giai đoạn có lượng nước ngấm lớn nhất, để xác đinh ta có thể sử

dụng 2 công thức sau:

* Công thức Koschiacốp:

Theo Koschiacốp lưu lượng nước ngấm trên 1 km chiều dài là:

0 0 0116 k b 2 h 1 m

Trong đó:

S0: lưu lượng nước ngấm trên 1 km dài (m3/s-km)

b: chiều rộng đáy kênh (m)

h: chiều sâu nước trong kênh (m)

γ: hệ số xét đến hiện tượng ngấm chéo mái kênh (1.1 ÷1.4)

k: hệ số ngấm của đất lòng kênh (mm/ngày)

Đất có tính thấm nhỏ (sét nặng) 0.01

* Công thức Paplôpxki:

Theo Paplôpxki lưu lượng nước ngấm trên 1 km chiều dài là:

(B h)

k

S0 = 0 0116 + 2 (m3/s- km)

B: Chiều rộng mặt thoáng trong kênh

h: Chiều sâu nước trong kênh

Chú ý: Hai công thức nêu trên chỉ được dùng khi đã biết trước mặt cắt ngang kênh, vì vậy chỉ dùng để kiểm tra lưu lượng thấm

(m3/s-km)

MNN Dòng thấm

Ngấm chưa bảo hoà Ngấm bảo hoà

CHƯƠNG 6

b Ngấm ứ: Trong giai đoạn ngấm ứ, lưu lượng thấm nhỏ hơn giai đoạn ngấm tự do và được

xác định theo công thức: S’

0= ϕ.S0 Với ϕ là hệ số hiệu chỉnh, thay đổi theo lưu lượng qua kênh và chiều sâu MNN; ϕ < 1

*Yêu cầu khi thiết kế kênh:

Theo Kosschiacốp đề nghị khi chưa xác định được mặt cắt kênh (b, h, m), nếu đã biết hệ số thấm đất làm kênh và lưu lượng Qnet, thì lưu lượng tổn thất xác định theo cách sau:

Gọi σ là tỷ số phần trăm lưu lượng tổn thất so với lưu lượng thực cần trên 1 km dài kênh

%

m

net

Q

A

=

σ

A; m: Chỉ số phụ thuộc đất làm kênh, được xác định từ tài liệu thực đo, nếu không có tài liệu thì có thể dùng bảng sau:

Lưu lượng nước ngấm trên 1 km dài kênh là: S0= σ Qnet (m3/s-km)

m net m

net

Q

Q A

100

1 100

Với Qnet= q ω (m3/s)

q: hệ số tưới thiết kế

ω: diện tích tưới

Vậy lưu lượng tổn thất trên toàn chiều dài kênh L (km):

QTT= S0 L= (1/100).A.Qnet1-m.L (m3/s)

Để đánh giá lượng tổn thất nước trên kênh, người ta sử dụng hệ số η, gọi là hệ số sử dụng nước η< 1; η càng tiến đến 1 chứng tỏ lưu lượng tổn thất nước trên kênh rất ít và ngược lại

6-1-3: Các loại hệ số lợi dụng nước

Hệ số sử dụng nước (lợi dụng nước) là tỷ số giữa lượng nước lợi dụng được (lưu lượng cuối kênh hoặc tại mặt ruộng) và lưu lượng nước lấy vào đầu kênh hoặc đầu hệ thống

1

<

=

br

net

Q

Q

η

Trong một hệ thống kênh có các loại hệ số sử dụng nước sau đây:

a.Hệ số sử dụng nước của đoạn kênh: là chỉ tiêu thể hiện tình hình tổn thất dẫn nước của

đường kênh

-Nếu đoạn kênh chỉ có nhiệm vụ chuyển nước thì: ηk= Qnet /Qbr

-Nếu đoạn kênh vừa chuyển nước vừa phân phối nước thì:

n

i i net

k

Q

Q

=

+

η

b.Hệ số sử dụng nước của hệ thống kênh: Là tỷ số giữa lượng nước ở mặt ruộng và lượng

nước lấy vào đầu hệ thống trong thời gian nhất định Thể hiện tình hình tổn thất của các cấp kênh trong hệ thống

T Q

t q

br h

.

∑

η

q: hệ số tưới thiết kế của hệ thống

Σω: tổng diện tích tưới do hệ thống kênh phụ trách

t: thời gian lấy nước vào ruộng

T: thời gian lấy nước ở đầu hệ thống

Qbr: lưu lượng lấy vào tại đầu hệ thống

Để nâng cao hệ số sử dụng nước, trong công tác quản lý người ta thường tưới liên tục, sao cho t=T, khi đó hệ số sử dụng nước của hệ thống sẽ là

br h

Q

q∑

c.Hệ số sử dụng nước tại mặt ruộng: Là tỷ số giữa lượng nước cần của cây trồng với lượng

nước có thể lấy vào ruộng.Đánh giá trình độ kỹ thuật tưới và phương pháp tưới trên đồng ruộng, cho biết hiệu quả của việc tưới nước

r

r

W

E

.

ω

η =

Wr: lượng nước lấy vào ruộng

E: lượng nước cần cây trồng

ω: diện tích tưới

Gỉa sử cho sơ đồ kênh như hình vẽ, khi lưu lượng ở một trong hai nhánh kênh N1, N2 thay đổi (tăng hoặc giảm), thì lưu lượng tại B và lưu lượng tại A củng thay đổi, hay nói cách khác hệ số sử dụng nước đã thay đổi Vấn đề là phải xác định lại hệ số sử dụng nước và lưu lượng lấy vào đầu kênh (tại A) là bao nhiêu cho hợp lý

Trong bài toán này sẽ có 2 trường hợp xãy ra:

Q br Ư Q net

Q 1

Q 3

Q 2

Q A

Q B

Q 1

Q 2

N 1

N 2

CHƯƠNG 6

lúc đó Q’

1< Q1 và Q’

2< Q2 do đó Q’

B< QB Vậy phải lấy lưu lượng tại đầu kênh QA= ? cho hợp lý

vậy lúc đó: Q’

net N1= q (ω1+∆ω) Cho nên Q’

1 > Q1 hay Q’

B > QB Vậy phải lấy lưu lượng tại đầu kênh QA= ? cho hợp lý Mặt khác ta có

η

η

B A

Â

B

Q Q

Q

Q

=

⇒

=

Tóm lại cần xác định hệ số sử dụng nước khi Qnet thay đổi

*Gọi η là hệ số sử dụng nước của đường kênh khi lưu lượng cần lấy vào cuối kênh Qnet chưa thay đổi,

L AQ Q

Q Q

L AQ Q

Q Q

Q Q

Q

m net br

net br

m net TT

net br

TT br

net

−

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⇒

=

=

−

⇒

−

=

1 1

100

1 1

100 1

*Gọi ηα là hệ số sử dụng nước của đường kênh khi lưu lượng cần lấy vào cuối kênh Qnet đã thay đổi Tương tự ta có:

L AQ Q

Q

br

net br

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

100

1

α

α

Lập tỉ sau:

( )

( )

m

net net br

br

Q

Q Q

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

1

1

α α

α η

η

Đặt α= Qnet α/ Qnet

Mặt khác ta có:

η

η α

η η

α α

α α α

1

=

⇒

=

br

br

net net br

br

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Thay vào biểu thức trên ta có:

( )

( )

α

α

α α

η

α η

α η

α

α α

η

η

α

η

η

' '

1

1 1

1 1

.

1

net br

m m

m m

Q

⇒

− +

=

⇒

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

−

Do lợi dụng được nước mưa, nên lưu lượng tại đầu các kênh nhánh giảm đi 10% so với thiết kế Hãy xác định QA= ?

6-1-5: Tính hệ số sử dụng nước khi lưu lượng đầu mối (Q br ) thay đổi

Do lượng nước cung cấp đầu kênh (Qbr) thiếu, do đó lưu lượng tại đầu kênh trên thực tế chỉ đạt (Q’

br) Vậy cần phải xác định lưu lượng cuối kênh (Q’

net) là bao nhiêu

*Gọi η là hệ số sử dụng nước khi lưu lượng nước đầu kênh (Qbr) chưa thay đổi

*Gọi ηn hệ số sử dụng nước khi lưu lượng nước ở đầu kênh đã thay đổi (Q’

br)

Theo công thức Ôphigenđen:

' '

'

1

br n

net

br

br

m m n

Q Q

Q

Q

n

n n

η

η

η

=

=

− +

=

Chứng minh công thức trên:

br

TT br br

net

Q

Q Q Q

=

η

Theo Ôphigenđen khi tính toán lưu lượng tổn thất của Kosschicốp có thể xem Qnet= Qbr mà kết quả tính không có sai số lớn

m br

m br br

m br br

m br TT

Q

L A

L Q

A Q

L AQ Q

L AQ Q

100

1

100 1 100

1 100

1

1 1

=

−

⇒

−

=

−

=

⇒

=

−

−

η

η

Tương tự hệ số sử dụng nước ηn là:

m br n

Q

L A

'

100

.

1 −η =

Lập tỉ sau:

m

br

br

Q

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

1

1

η

η

Đặt n= Q’

br / Qbr

( )

( )

m m n

m n

n n

n

1 1

1

− +

=

⇒

=

−

−

η

η

η

η

Do nguồn nước thiếu nên lưu lượng ở điểm tại đầu mối (tại A) chỉ đạt 80% so với lưu lượng thiết kế, xác định lưu lượng cuối kênh (Tại B)

CHƯƠNG 6

6-1-6: Tính toán các lưu lượng khi thiết kế kênh

a Các loại lưu lượng dùng trong thiết kế kênh:

Để xác định mặt cắt kênh tưới cần dùng 3 cấp lưu lượng sau:

*Lưu lượng thiết kế: Là lưu lượng dùng để xác định kích thước mặt cắt kênh và thiết kế các

công trình trên kênh (QTK)

* Lưu lượng lớn nhất: Là lưu lượng dùng để kiểm tra khả năng xói lở và xác định độ cao an

toàn của bờ kênh Qmax= K.QTK

K: hệ số phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế trên kênh

-Khi QTK < 1 (m3/s) thì K= 1.2 ÷ 1.3

-Khi QTK = 1÷10 (m3/s) thì K= 1.15 ÷ 1.2

-Khi QTK > 10 (m3/s) thì K= 1.1 ÷ 1.15

*Lưu lượng nhỏ nhất: Là lưu lượng dùng để kiểm tra khả năng bồi lắng trong kênh, khả

năng đảm bảo tưới tự chảy, trên cơ sở đó thiết kế công trình điều tiết trên kênh Lưu lượng nhỏ nhất của một đoạn kênh, cấp kênh hay hệ thống kênh không được nhỏ hơn 40% lưu lượng thiết kế, Qmin≥ 0.4QTK

b Tính toán lưu lượng thiết kế:

Nguyên tắc tính toán: Tính từ kênh cấp dưới lên và có xét đến tổn thất khi chuyển nước trên kênh

Cho một hệ thống kênh gồm 4 cấp kênh từ cấp 4 đến cấp 1 Cho hệ số tưới thiết kế là qtk (l/s-ha); các kênh nhánh cấp 4 đều tưới với cùng diện tích như nhau ω (ha)

Các bước tính toán lưu lượng thiết kế được tiến hành trình tự như sau:

Xét các kênh N2-2-1; N2-2-2; N2-2-3 làm điển hình

(m s)

q Q

L Q

A Q

Q

N

net

N m N

net N

net N

br

/ 1000

100

3 1

2

2

1 2 2 1 1 2 2 1

2 2 1

2

2

ω

=

+

=

−

−

−

−

−

−

−

−

−

−

−

tương tự tính toán cho các kênh QbrN 2-2-2

; QbrN 2-2-3

K.C

N 1 (100ha)

N 3 (200ha)

N 1-1-1

N 1-1-2

N 1-1-3

N 1-2-1

N 1-2-2

N 1-2-3

SÔNG

Xét cho kênh N2-2 làm điển hình, sơ đồ tính như sau:

2 2 2

2

1 2

2 2

1

1

3 2 2

100 100

−

−

−

−

−

−

=

⇒

=

⇒

+

=

+

= +

=

+

=

+

= +

=

=

−

−

−

−

N br

N tk N

E N

br

N D

E

CD m C C

CD TT C

D

N B

C

AB m A A

AB TT A

B

N

br

A

Q q

Q Q

Q Q

Q

L Q

A Q Q Q

Q

Q Q

Q

L Q A Q Q Q

Q

Q

Q

ω η

Tương tự tính cho các kênh còn lại

Bước 3: Tính Qbr của kênh cấp 2:

Xét kênh N2 làm điển hình

2 2 2

2

1

2

1

100

N br

N tk N

C N

br

N br B

C

AB m A A

AB TT A

B

N

br

A

Q q

Q

Q

Q Q

Q

L Q

A Q Q Q

Q

Q

Q

ω

η =

⇒

=

+

=

+

= +

=

=

−

−

−

Tương tự tính cho kênh N4

Xét kênh chính K.C, với sơ đồ tính như sau:

E D C B A

Q N 2-2-1 Q N 2-2-2 Q N 2-2-3

C B N 2 A

Q br

N 2-1

Q br

N 2-2

C B K.C A

CHƯƠNG 6

C K br

ht tk ht

C C

K

br

N br B

C

AB m A A

AB TT A

B

N

br

A

Q q

Q

Q

Q Q

Q

L Q

A Q Q Q

Q

Q

Q

.

1

2

4

100

ω

η =

⇒

=

+

=

+

= +

=

=

−

Hệ số sử dụng nước của kênh chính:

C K br

N br N br C

K br

n

i i C

K net C

K

Q

Q Q Q

Q Q

.

1

.

4

2 +

=

+

=

η

Ví dụ: Cho hệ thống kênh như hình vẽ sau:

Cho biết qtk= 1 (l/s-ha); ηN1= ηN2= ηN3= ηN4= 0.8; ω1= 100 (ha); ω2= 200 (ha); ω3= 300 (ha);

ω4= 400 (ha); l1= 800(m); l2= 500(m); l3= 1000(m); chỉ số ngấm của đất A= 3.4; m= 0.5 Xác định QA= ? ; ηht= ? (1.32 m3/s; 0.76)

6-2: THIẾT KẾ KÊNH TƯỚI

6-2-1: Nguyên lý thiết kế

Khi thiết kênh tưới xem dòng chảy trong kênh là dòng đều và ổn định

*Dòng chảy đều và ổn định: Trong cùng một điều kiện như nhau thì dòng đều và ổn định có các đặc tính sau:

-lưu lượng không đổi dọc theo dòng chảy và thời gian t

-mặt cắt uớt không đổi cả về hình dạng và diện tích

-độ dốc đáy không đổi

-độ nhám không đổi

Do đó công thức cơ bản dùng trong tính toán thường dùng công thức của Sêzi

6-2-2: Các điều kiện cần thoả mãn khi thiết kế kênh tưới

-Đảm bảo điều kiện tưới tự chảy

-Không gấy xói lỡ và bồi lắng đường kênh

-Kênh phải có năng lực chuyển nước lớn nhất

-Lượng tổn thất do thấm trên kênh là ít nhất

-Đảm bảo ổn định lòng kênh

-Khối lượng đào đắp ít nhất

Thực tế trong thiết kế khó có thể đảm bảo cùng lúc các điều kiện trên, tuy nhiên các điều kiện sau cần phải được đảm bảo

a Đảm bảo điều kiện khống chế tưới tự chảy:

A

N 1

N 2

N 3

N 4

Đây là điều kiện hàng đầu khi thiết kế kênh, do đó cần xác định cao trình mực nước trong kênh hợp lý nhằm đảm bảo tưới tự chảy üCao trình mực nước trong kênh phụ thuộc vào cao trình mặt ruộng được tưới và tổn thất cột nước dọc kênh

Cao trình mực nước tại đầu kênh nhánh cấp dưới xác định như sau:

∑

+ +

=

∇y c A h r n l i I i m i

1 1

0 '

Cao trình mực nước tại kênh cấp trên (tại đầu kênh cấp dưới)

C c y c

y =∇ +ψ

/ /

Trong đó:

A0: Cao trình mặt ruộng cần tưới tự chảy

hr: Chiều sâu lớp nước mặt ruộng

∑li.II: Tổng tổn thất cột nước dọc theo chiều dài kênh

∑ψi: Tổng tổn thất cột nước qua các công trình trên kênh cấp dưới

Qua cống lấy nước: ψ= 0.05÷ 0.1 (m)

Qua cầu trên kênh : ψ= 0.02÷ 0.05 (m)

Qua cầu máng : ψ= 0.1 ÷ 0.2 (m)

Qua cống luồn, xi phong: ψ= 0.15÷ 0.25 (m)

I: độ dốc kênh

ψC: Tổn thất cột nước qua cống lấy nước đầu kênh cấp dưới

tưới tự chảy và khối lượng đào đắp, do đó việc chọn A0 cần dựa trên cơ sở so sánh độ dốc kênh và độ dốc mặt đất tự nhiên

Nếu Iđh > Ikênh thì chọn A0 là điểm gần nhất

Nếu Iđh < Ikênh thì chọn A0 là điểm xa nhất

b Điều kiện không xói lỡ và bồi lắng lòng kênh:

Để tránh xói lỡ và bồi lắng lòng kênh, trong các chế độ làm việc từ Qmin đến Qmax vận tốc trong kênh phải thoả mãn điều kiện:

Vmin≥[Vkl] và Vmax ≤[Vkx]

Trong đó:

Vmin; Vmax: lần lượt là vận tốc dòng chảy tương ứng với Qmin; Qmax

[Vkl];[Vkx]: lần lượt là vận tốc không lắng và không xói cho phép, chúng được xác định theo công thức sau:

*Vận tốc không xói cho phép:

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

-Tính chất cơ lý của đất hoặc vật liệu gia cố kênh

-Lượng ngậm phù sa và tính chất phù sa của dòng chảy trong kênh

A 0

A 0

V đào

V đắp

CHƯƠNG 6

-Các yếu tố thuỷ lực trong kênh (Q; b, h, n )

-Độ uốn cong tuyến kênh

Tuy nhiên trong thiết kế kênh có thể xác định vận tốc không xói cho phép theo công thức:

[V kx ]= k Q 0.1

(m/s) Trong đó:

Q: lưu lượng trong kênh, lấy bằng lưu lượng thiết kế (Qtk)

k: hệ số phụ thuộc vào đất làm kênh

Đất cát pha k= 0.53

Đất sét pha nhẹ k= 0.57

Đất sét pha vừa k= 0.62

Đất sét pha nặng k= 0.68

Đất sét k= 0.75

*Vận tốc không lắng cho phép:

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

-kích thước mặt cắt ngang kênh

-Lượng ngậm phù sa và tính chất phù sa của dòng chảy trong kênh

-Các yếu tố thuỷ lực trong kênh (Q; b, h, n )

Xác định theo công thức sau:

[V kl ]= A Q 0.2

(m/s) Trong đó:

Q: lưu lượng trong kênh, lấy bằng lưu lượng nhỏ nhất (Qmin)

A: hệ số phụ thuộc vào độ thô thuỷ lực

Nếu W< 1.5 (mm/s) thì A= 0.33

Nếu W= 1.5 ÷3.5 (mm/s) thì A= 0.44

Nếu W> 3.5 (mm/s) thì A= 0.55

Ngoài ra để cỏ dại không mọc trong lòng kênh thì yêu cầu [Vkl] ≥ 0.3 (m/s)

c Điều kiện kênh có năng lực chuyển nước lớn nhất:

Vận tốc dòng chảy trong kênh được xác định theo công thức:

y

R

n

C

m h b

h h m b

nhat chu hinh

kenh

R

RI

C

V

1

1 2

.

2

=

+ +

=

+

=

−

−

−

=

=

χ

ω

χ

ω

Trong thiết kế sơ bộ có thể chọn y theo công thức sau:

Khi R≤ 1 thì y= 1.5(n)0.5

Khi R> 1 thì y= 1.3(n)0.5

n: là hệ số nhám lòng kênh, được xác định theo bảng tra sau đây: