Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 10 ppt

Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy, lưu lượng lấy vào 15 ữ 20% lưu lượng của sông Q≤ S 1.. Phương pháp giải tích Trên cơ sở giả thiết kích thư

Chương 10 Tính toán phối hợp nguồn nước công trình đầu mối

10.1 Mục đích, ý nghĩa và các tài liệu cần thiết cho tính toán

10.1.1 Mục đích và ý nghĩa

Công trình đầu mối là công trình quan trọng của hệ thống thuỷ lợi, công trình đầu mối quyết định khả năng phục vụ của hệ thống Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình

đầu mối là tính toán phối hợp giữa nguồn nước và quy mô kích thước công trình đầu mối để xác định ra khả năng lấy nước vào hệ thống Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình

đầu mối nhằm mục đích:

- Xác định kích thước công trình đầu mối của những hệ thống được bắt đầu quy hoạch

và thiết kế

- Kiểm tra kích thước và khả năng lấy nước của công trình đầu mối đối với những hệ thống tưới đã có sẵn nhằm tìm ra các giải pháp thích hợp để nâng cao hiệu quả của công trình đầu mối Nếu khả năng lấy nước của công trình đầu mối lớn so với yêu cầu, ta có thể

mở rộng diện tích phụ trách tưới của hệ thống hoặc đáp ứng các yêu cầu dùng nước khác trong khu vực Ngược lại, nếu khả năng lấy nước của công trình đầu mối nhỏ hơn yêu cầu nước của hệ thống có thể đề xuất các phương án như mở rộng kích thước công trình đầu mối, bổ sung bằng các nguồn nước khác hoặc giảm bớt yêu cầu nước của hệ thống

- Trong quá trình quản lý, phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối cho mỗi năm

cụ thể, nhằm đưa ra kế hoạch phân phối nước cho hệ thống phù hợp với điều kiện nguồn nước thực tế của những năm đó

Chính vì vậy, tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối có ý nghĩa rất lớn trong công tác quy hoạch, thiết kế, cải tiến nâng cấp và vận hành quản lý các hệ thống thuỷ lợi Tuỳ theo biện pháp lấy nước và hình thức công trình đầu mối mà có nhiều trường hợp tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối khác nhau:

- Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy không cần đập dâng

- Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy kết hợp với đập dâng

- Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là hồ chứa

- Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là trạm bơm

10.1.2 Các tài liệu cần thiết dùng cho tính toán

1 Tài liệu về nguồn nước

Khi công trình đầu mối là các công trình lấy nước ven sông, tài liệu về nguồn nước bao gồm:

- Quá trình lưu lượng của sông (QS ~ t);

- Quá trình mực nước của sông (HS ~ t)

Khi công trình đầu mối là hồ chứa, tài liệu về nguồn nước bao gồm:

- Quá trình lưu lượng hoặc độ sâu dòng chảy tại mặt cắt xây dựng đập chắn nước;

- Các đường đặc trưng lòng hồ W ~ Z và ω ~ Z

2 Tài liệu về yêu cầu nước của hệ thống

- Quá trình lưu lượng yêu cầu tại công trình đầu mối Qyc ~ t

- Quá trình mực nước yêu cầu tại công trình đầu mối Hyc ~ t

Quá trình yêu cầu nước tại công trình đầu mối phải là yêu cầu nước tổng hợp của các ngành dùng nước trong hệ thống như nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, thuỷ điện, giao thông thuỷ

- Quy mô, kích thước của kênh dẫn nước sau công trình đầu mối

3 Tài liệu về địa hình địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối

- Bình đồ khu vực xây dựng công trình đầu mối

- Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang đoạn sông xây dựng công trình đầu mối

- Cấu tạo địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối

10.2 Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình lấy nước tự chảy trên sông

10.2.1 Các trường hợp tính toán

1 Công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy

+ Trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống ≤ (15 ữ 20)% lưu lượng của sông

+ Trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống > (15 ữ 20)% lưu lượng của sông

2 Công trình đầu mối là cống lấy nước kết hợp đập dâng

10.2.2 Phương pháp tính toán

Có 2 phương pháp:

1 Phương pháp giải tích

2 Phương pháp đồ thị

10.2.3 Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy, lưu lượng lấy vào (15 ữ 20)% lưu lượng của sông Q≤ S

1 Sơ đồ tính (hình 10.1)

2 Phương pháp giải tích

Trên cơ sở giả thiết kích thước của cống đầu

mối, quá trình lưu lượng và mực nước của sông,

khả năng dẫn nước của kênh; dựa vào quy luật

dòng chảy qua cống và quan hệ giữa cao trình

mực nước ngoài sông với cao trình mực nước trên

kênh dẫn sau cống, có thể tính toán được quá

trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống Từ

đó, so sánh với quá trình lưu lượng yêu cầu của

hệ thống để có nhận xét, đánh giá về kích thước

công trình đầu mối Hình 10.1: Sơ đồ tính toán

Quá trình tính toán phối hợp nguồn nước tại cống tự chảy đầu mối có thể tiến hành theo các bước sau:

1 Chọn trường hợp tính toán: Để tính toán hoặc kiểm tra kích thước công trình đầu mối thường phải chọn trường hợp bất lợi, đấy là thời điểm có lưu lượng yêu cầu của hệ thống tương đối lớn và mực nước ngoài sông tương đối thấp, từ đây có thể xác định được trị

số lưu lượng yêu cầu dùng cho tính toán Qyc

2 Từ giá trị lưu lượng yêu cầu qua cống vào kênh dẫn đầu mối, trên cơ sở mặt cắt kênh đã được xác định, có thể tính toán độ sâu mực nước trong kênh hk

3 Giả thiết chiều rộng cống b (trong trường hợp phải xác định quy mô kích thước công trình cho dự án chuẩn bị đầu tư)

4 Dựa vào công thức tính toán lưu lượng chảy qua cống tính toán độ chênh lệch mực nước yêu cầu (ΔZ) giữa thượng lưu và hạ lưu cống đầu mối:

Z h b M

Qyc = k Δ với M =m 2g và b là bề rộng cống

2

k

yc h b M

Q

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

= Δ

5 Tính toán cao trình mực nước sông yêu cầu nhằm bảo đảm lưu lượng qua cống Qyc:

yc

S dc k

6 So sánh cao trình mực nước sông yêu cầu theo tính toán ( ) với cao trình mực nước sông tương ứng tại thời điểm tính toán (Z

yc S Z

S) Nếu ZS - ZycS ≤ ⎪ε⏐ thì việc giả thiết chiều rộng cống b là hợp lý, nếu chênh lệch giữa mực nước sông yêu cầu theo tính toán và mực nước sông tại thời điểm tính toán quá lớn ta phải giả thiết b khác và tính toán lại từ đầu

7 Với chiều rộng cống b đã được xác định, tính toán kiểm tra cao trình mực nước sông

ở các thời đoạn khác trong năm với điều kiện cần phải thoả mãn là: ZS ≥ yc

S

Z Trong trường hợp công trình đầu mối đã có, muốn xác định khả năng lấy nước qua cống chúng ta có thể sử dụng công thức tính toán lưu lượng dòng chảy qua cống, quan hệ giữa mực nước sông với mực nước trên kênh và đường quá trình mực nước và lưu lượng trên sông:

Z h b M

Qk = k Δ với M =m g (*)

ZS = Zđc + hk + ΔZ với M =m g (**)

Từ các phương trình trên, để tính toán được lưu lượng có thể lấy vào hệ thống trong những điều kiện cụ thể ở một thời điểm nào đấy, có thể dùng phương pháp thử dần Trước hết giả thiết một giá trị Qk vì mặt cắt kênh đã xác định nên sẽ có một giá trị hk tương ứng, dựa vào phương trình (*) tính toán được ΔZ và thông qua phương trình (**) xác định được

ZS Từ ZS đã tính toán được so sánh với cao trình mực nước sông thực tế ở thời điểm tương ứng, nếu không sai khác thì lưu lượng Qk giả thiết chính là lưu lượng chảy qua cống thoả mãn các điều kiện đã được xác định trong thời điểm tính toán Nếu cao trình mực nước sông tính toán ra ZS sai khác với mực nước sông thực tế tại thời điểm chọn tính toán, chứng

tỏ Qk không phải nghiệm của bài toán, phải giả thiết lại Qk và tính toán lại từ đầu

Cách tính toán trên được áp dụng tính cho nhiều thời điểm khác nhau trong quá trình mực nước sông, chúng ta sẽ được quá trình lưu lượng có thể lấy vào hệ thống So sánh quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống với quá trình lưu lượng yêu cầu của hệ thống

để rút ra những nhận xét, kết luận và những giải pháp thích hợp áp dụng ở hệ thống

3 Phương pháp đồ thị

Trình tự tính toán:

1 Vẽ đường quan hệ Qk ~ hk theo phương

pháp đối chiếu với mặt cắt thuỷ lực lợi nhất Dựa

vào đường (Qyc ~ t), giả thiết Qk để tìm hk theo

phương pháp trên và ta xây dựng được đường

quan hệ Qk ~ hk (hình 10.2)

2 Vẽ đường quan hệ Qk ~ ZS

Với sơ đồ dòng chảy từ sông qua cống vào

hệ thống (hình 10.1) chúng ta có công thức tính

toán lưu lượng chảy qua cống lấy nước đầu mối

và biểu thức quan hệ giữa cao trình mực nước sông với chiều sâu mực nước qua cống và chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cống như sau:

Hình 10.2: Quan hệ Q k ~ h k

Z h b M

trong đó:

Qk - lưu lượng chảy qua cống;

b - chiều rộng của cống;

hk - chiều sâu mực nước trong kênh;

ΔZ - độ chênh lệch giữa mực nước sông và mực nước kênh ;

ZS - cao trình mực nước sông;

Zđc - cao trình đáy cống ở đây chúng ta coi cao trình đáy cống bằng cao trình đáy kênh

Với mỗi Qk ta có ngay độ sâu mực nước trong kênh hk tương ứng được xác định từ

quan hệ giữa lưu lượng mực nước trong kênh khi mặt cắt kênh đã được xác định

Từ phương trình (10.1) khi có Qk và hk có thể

tính được mực nước ΔZ tương ứng

ZS

Qk

Hình 10.3: Quan hệ Q k ~ Z S

Từ phương trình (10.2) khi có ΔZ và hk có thể

tính được ZS tương ứng

Như vậy, nếu giả thiết nhiều giá trị Qki khác

nhau, thông qua phương trình (10.1) và (10.2) có thể

tính toán được nhiều ZSi và chúng ta xây dựng được

quan hệ giữa lưu lượng chảy qua cống vào hệ thống

và cao trình mực nước sông Qk ~ ZS

Tính toán phối hợp:

Trên hệ toạ độ Đề các chúng ta tiến hành vẽ các đường quan hệ như sau:

t

ZS

QS 0

(Qk ~ t)có khả năng lấy

(Qyc ~ t)yêu cầu

(QS ~ t)đến

Qk

Hình 10.4: Biểu đồ tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước, lưu

lượng lấy vào Q k ≤ (15 ữ 20)%Q S

- Vẽ đường quá trình lưu lượng yêu cầu Qyc ~ t vào góc phần tư thứ I

- Vẽ đường quá trình lưu lượng của sông QS ~ t với tần suất thiết kế vào góc phần tư

thứ IV

- Vẽ đường quan hệ giữa lưu lượng và mực nước sông QS ~ ZS vào góc phần tư thứ III

- Vẽ đường quan hệ giữa lưu lượng kênh và mực nước sông Qk ~ ZS vào góc phần tư

thứ II

Từ biểu đồ trên hình 10.4, với mỗi giá trị lưu lượng của sông trên đường quá trình lưu

lượng tại góc phần tư số IV dóng sang góc phần tư thứ III trên đường quan hệ QS ~ ZS ta

xác định được giá trị ZS tương ứng, có ZS dóng lên góc phần tư số II trên đường quan hệ

Qk ~ ZS, có thể xác định được lưu lượng có khả năng lấy nước qua cống tương ứng Qk Với

biểu đồ và cách tính toán phối hợp trên, từ quá trình mực nước sông đã biết QS ~ t có thể

xác định được quá trình lưu lượng có khả năng lấy qua cống vào hệ thống Qk ~ t ở góc phần

tư thứ nhất để so sánh với quá trình lưu lượng yêu cầu Qyc ~ t

- Trong trường hợp phải xác định quy mô kích thước công trình đầu mối cho những hệ

thống được lập dự án đầu tư Trước hết chúng ta phải giả thiết chiều rộng của cống b để có

phương trình (10.1) tính toán lưu lượng chảy qua cống Sau khi tính toán phối hợp, xác định

được quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống Qk ~ t nếu phù hợp thì việc giả thiết

b là hợp lý, chúng ta có thể lấy trị số b là chiều rộng của cống đầu mối Nếu đường quá

trình Qk ~ t nhỏ hơn hoặc quá lớn hơn đường quá trình lưu lượng yêu cầu Qyc ~ t, chúng ta

phải giả thiết lại chiều rộng cống b và tiến hành tính toán lại từ đầu

- Trong trường hợp công trình đầu mối đã có sẵn, dựa vào kết quả so sánh giữa đường

quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống Qk ~ t và đường quá trình lưu lượng yêu

cầu của hệ thống Qyc ~ t nhằm đánh giá lượng thừa thiếu nước qua mỗi thời kỳ trong năm

để có giải pháp thích hợp khi cần quy hoạch cải tiến, nâng cấp hệ thống hoặc có kế hoạch

phân phối nước hợp lý trong việc quản lý điều hành hệ thống

10.2.4 Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước tự

chảy, lưu lượng lấy vào Q k > (15 ữ 20)% Q S

1 Sơ đồ tính (hình 10.5)

2 Phương pháp giải tích

Trường hợp này do lưu lượng lấy vào cống lớn nên làm giảm mực nước sông trước

cống Mực nước sông trước cống được xác định theo hệ thức:

ZDC - cao trình mực nước sông phía hạ lưu cống lấy nước;

Zn - độ cao mực nước sông hồi phục sau khi lấy nước vào cống, được xác định theo

công thức:

V ) K 1 (

K 2

3 Z

2 dc

Vdc - lưu tốc dòng chảy trên sông phía hạ lưu cống;

K - tỷ số lưu lượng, 1

Q

Q K S

k <

Qk - lưu lượng lấy qua cống vào kênh theo yêu cầu;

QS - lưu lượng nước đến của sông theo tần suất thiết kế

Khi kể đến sự hạ thấp, cao trình mực nước sông trước cống ZTC sẽ phụ thuộc vào lưu

lượng lấy vào kênh, lưu lượng của sông và có ảnh hưởng tới lưu lượng có thể lấy vào cống

Trường hợp này trong quá trình toán phối hợp phải kể tới sự thay đổi này

ZS

đc

ZDC

Zn ZTC

Qdc

ΔZ

hK

Zđs

Qk

Hình 10.5: Sơ đồ tính toán

Trình tự tính toán:

1 Dựa vào đường quan hệ Qyc ~ t, và QS ~ t, chọn trường hợp bất lợi để tính toán

2 Giả thiết chiều rộng cống b (truờng hợp phải xác định kích thước cống đầu mối cho

những dự án chuẩn bị đầu tư)

3 Dựa vào công thức tính lưu lượng chảy qua cống, các quan hệ giữa mực nước sông

trước cống với chiều sâu mực nước hạ lưu cống và tổn thất khi chảy qua cống có thể tính

toán cao trình mực nước sông trước khi lấy nước vào hệ thống

Z h b M

với M =m g và b là chiều rộng cống

ZTC = Zđc + hk + ΔZ (10.6) Với công thức (10.5) và (10.6) khi đã xác định được trường hợp tính toán, có nghĩa là

với trị số Qk có thể tìm được giá trị ZTC tương ứng

4 Xác định trị số cao trình mực nước sông trước cống theo sự thay đổi do ảnh hưởng của việc lấy nước vào cống

* TC Z

Độ cao hồi phục của mực nước sông phía dưới vị trí cống lấy nước được tính bằng công thức:

g

V ) K 1 (

K 2

3 Z

2 dc

n = ư Mặt khác, khi chọn được trường hợp tính toán chúng ta cũng có các trị số Qk và QS xác

định, và tính được các giá trị:

S

k Q

Q

K = , Qdc = QS - Qk và tính được các trị số ZDC, Vdc theo

tài liệu thuỷ văn và mặt cắt sông Như vậy có thể tính toán được giá trị Zn tương ứng Cao trình mực nước sông trước cống Z*TC = ZDC – Zn

5 So sánh giá trị ZTC và , nếu sai khác không đáng kể thì chứng tỏ việc giả thiết trị

số b là hợp lý và lấy kết quả đó là kích thước công trình đầu mối, nếu sai khác phải giả thiết lại b và tính toán lại từ đầu

* TC Z

6 Tính toán kiểm tra với các thời điểm khác của quá trình mực nước sông với điều kiện phải thoả mãn Z*TC ≥ ZTC

Trong trường hợp công trình đầu mối đã có, việc tính toán cũng như trên nhằm xác

định quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống để so sánh với quá trình lưu lượng yêu cầu của hệ thống nhằm đưa ra các giải pháp xử lý thích hợp

3 Phương pháp đồ thị

Trường hợp Qk ≥ (15 ữ 20)%QS là trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống làm ảnh hưởng tới mực nước sông tại nơi xây dựng công trình đầu mối Vì vậy chúng ta phải xác lập

được quan hệ giữa lưu lượng sông, lưu lượng qua cống và cao trình mực nước sông bị thay

đổi do ảnh hưởng của việc lấy nước vào hệ thống

- Xác định quan hệ Q k ~ Z TC

Với công thức chảy qua cống và hệ thức liên hệ giữa chiều sâu nước chảy qua cống, tổn thất qua cống và cao trình mực nước trước cống ZTCchỉ có thể xác định được đường quan hệ giữa lưu lượng chảy qua cống và cao trình mực nước trước cống Qk ~ ZTC thông qua các phương trình cụ thể sau:

Z h b M

với: M =m g và b là chiều rộng cống

ZTC = Zđc + hk + ΔZ (10.8) Khi kích thước kênh dẫn sau cống đã được xác định, với mỗi giá trị lưu lượng chảy qua cống vào kênh Qk ta có ngay giá trị hk tương ứng, khi có Qk và hk dựa vào phương trình (10.7) có thể xác định được một giá trị ΔZ, có ΔZ và hk dựa vào phương trình (10.8) tính toán được ZTC

Với cách tính như trên giả thiết nhiều giá trị Qk khác nhau sẽ tìm được nhiều giá trị

ZTC tương ứng Nói một cách khác dựa vào phương trình (10.7) và (10.8) ta có thể xây dựng

được đường quan hệ Qk ~ ZTC

- Xác định quan hệ Q k ~ Q S ~ Z TC

Khi lưu lượng chảy qua cống vào hệ thống tương đối lớn so với lưu lượng của sông, mực nước sông tại vị trí cửa cống bị hạ thấp sau đó lại hồi phục một trị số Zn tại mặt cắt của sông phía dưới cống (hình 10.5)

Độ cao hồi phục của mực nước sông Zn được tính theo công thức:

g

V ) K 1 (

K 2

3 Z

2 dc

Vdc - lưu tốc dòng chảy trên sông phía dưới cống (m/s):

1 Q

Q

K

S

k <

= - tỷ số giữa lưu lượng lấy vào hệ thống và lưu lượng sông

Qk - lưu lượng lấy qua cống vào kênh (m3/s);

QS - lưu lượng nước đến của sông (m3/s)

Từ sơ đồ (hình 10.5) quan hệ giữa cao trình mực nước sông phía dưới cống, độ cao phục hồi và cao trình mực nước trước cống được biểu diễn bằng hệ thức:

ZTC - cao trình mực nước sông trước cửa cống;

Zdc - cao trình mực nước sông tại mặt cắt phía dưới cống

Từ phương trình (10.9) nếu lấy một giá trị

Qk làm thông số, giả thiết nhiều giá trị QS khác

nhau, sẽ tìm được nhiều giá trị lưu lượng sông

tại mặt cắt phía dưới cống Qdc Dựa vào tài liệu

mặt cắt ngang của sông có Qdc xác định được

cao trình mực nước sông (Zdc) và tốc độ dòng

chảy trên sông (Vdc) tại mặt cắt phía dưới cống

Mặt khác với nhiều giá trị QS khác nhau ta cũng

tìm được các giá trị K và như vậy sẽ tìm được

nhiều giá trị Zn Khi đã có Zn và Zdc dựa vào

phương trình (10.10) có thể tìm được các giá trị

ZTC tương ứng

Hình 10.6 : Quan hệ Q k ~ Q S ~ Z TC

Như vậy dựa vào hai phương trình (10.9) và (10.10) chúng ta có thể xây dựng được một họ đường quan hệ Qk ~ QS ~ ZTC với Qk làm thông số (hình 10.6)

- Xây dựng đường quan hệ Q k ~ Z S

Chúng ta đã có:

+ Đường quan hệ Qk ~ ZTC (đường quan hệ a) được xây dựng dựa vào phương trình (10.7) và (10.8)

+ Đường quan hệ Qk ~ QS ~ ZTC (đường quan hệ b) được xây dựng dựa vào phương trình (10.9) và (10.10)

+ Đường quan hệ QS ~ ZS (đường quan hệ c) do tài liệu đo đạc thuỷ văn cung cấp

Với mỗi trị số Qk giả thiết dựa vào đường quan hệ (a) chúng ta tìm được giá trị ZTC tương ứng, khi có cặp trị số Qk và ZTC từ đường quan hệ (b) tìm được giá trị QS và dựa vào

đường quan hệ (c) sẽ tìm dược trị số ZS tương ứng

Hình 10.7: Đồ thị xác định đường Q k ~ Z S

Nếu giả thiết nhiều trị số Qk khác nhau, dựa vào các đường quan hệ (a), (b) và (c) sẽ tìm được các trị số ZS tương ứng, có nghĩa là chúng ta xây dựng được quan hệ Qk ~ ZS Đưa

đường quan hệ này vào góc phần tư thứ II của biểu đồ tính toán phối hợp tổng hợp để tìm ra quá trình lưu lượng có khả năng lấy qua cống vào hệ thống trên cơ sở đường quá trình mực nước sông tại vị trí xây dựng cống đầu mối và chiều rộng cống b đã được ấn định

Việc so sánh đường quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống với đường quá trình lưu lượng yêu cầu và việc sử dụng các kết quả tính toán đối với từng mục đích cụ thể cũng tương tự như trường hợp ở trên