NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ MƯA TÍNH TOÁN ỨNG VỚI CÁC CƠN MƯA TIÊU CHUẨN KHÁC NHAU

Bảng 3-6 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 120 phútBảng 3-7 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 180 phút Bảng 3- 8 Cường độ mưa ứng với thời gian mưa ở tần suất p =1% Bảng 3- 9 Cườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

PHẠM VĂN TÂN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ MƯA TÍNH TOÁN ỨNG VỚI

CÁC CƠN MƯA TIÊU CHUẨN KHÁC NHAU Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Dương Tất Sinh

Cán bộ chấm phản biện 1: GS.TS Phạm Cao Thăng Cán bộ chấm phản biện 2: GS.TS Vũ Đình Phụng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày 08 tháng 02 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Cảm ơn công ty cổ phần tư vấn thiết kế xây dựng vàchuyển giao công nghệ Tầm Nhìn Mới đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện để tácgiả hoàn thành luận văn này

HÀ NỘI 2015

Tôi xin cam đoan

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàntrung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ vàpháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Tân

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa 1

Lời cảm ơn 3

Lời cam đoan 3

Mục lục 4

Tóm tắt luận văn 8

Danh mục ký hiệu 9

Danh mục các bảng 11

Danh mục các hình vẽ 12

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 13

2 Mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận văn 13

2.1.Mục tiêu 13

2.2.Phuơng pháp : 14

2.3.Nội dung nghiên cứu : 14

3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐƯỜNG Ô TÔ VAI TRÒ CỦA THỦY VĂN CÔNG TRÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về thoát nước đường ô tô 15

1.1.1 Khái quát về điều kiện khí hậu và mưa lũ ở Việt Nam 15

1.1.2 Hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm đường ô tô 18

1.1.3 Các công trình thoát nước ngang trên đường ô tô 19

1.1.4 Một số đặc điểm của hệ thống thoát nước đường ô tô tại Việt Nam .20

1.2 Vai trò của thủy văn công trình và vấn đề xác định lưu lượng mưa tính toán 21

1.2.1 Vai trò của thủy văn công trình 21

1.2.2 Các phương pháp xác định lưu lượng mưa tính toán 22

a) Lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 22

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng mưa tính toán 23

1.3 Nhận xét về các phương pháp xác định lưu lượng mưa tính toán .49

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 49

1.5 Kết luận chương 1 50

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ MƯA TÍNH TOÁN 2.1 Khái niệm về mưa 51

2.1.1 Khái niệm chung 51

2.1.2 Các tính chất đặc trưng của mưa 51

2.1.3 Cách biểu thị 52

2.1.4 Cách đo mưa (quan trắc) 52

2.2 Cơ sở xác định cường độ mưa tính toán 53

2.2.1 Khái quát về cường độ mưa 53

2.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ mưa 57

2.2.3.Các phương pháp xác định cường độ mưa 57

a) Xác định cường độ mưa theo phương pháp phân tích số liệu thông kê

60

b) Xác định cường độ mưa theo phương pháp cường độ mưa giới hạn61 2.2.4 Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán 65

2.3 Xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán dựa trên các cơn mưa tiêu chuẩn khác nhau 81

2.3.1 Khái niệm về cơn mưa tiêu chuẩn 81

2.3.2 Xây dựng các công thức xác định cường độ mưa tính toán dựa trên cơn mưa tiêu chuẩn 82

2.3.3 Nghiên cứu cơ sở lựa chọn công thức tính toán ứng với các cơn mưa tiêu chuẩn khác nhau 83

2.4 Kết luận chương 2 86

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ MƯA TÍNH TOÁN ỨNG VỚI CÁC CƠN MƯA TIÊU CHUẨN KHÁC NHAU 3.1 Lựa chọn địa phương và lưu vực tính toán 87

3.1.1 Giới thiệu chung về khu vực xây dựng công trình 87

3.2 Thu thập số liệu, xác định cường độ mưa tiêu chuẩn 92

3.2.1 Số liệu thu thập: 92

3.2.2 Tính cường độ mưa tiêu chuẩn cho vùng lựa chọn 101

3.3 Xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêu chuẩn .102

3.4 Nhận xét kết quả 105

3.5 Kết luận chương 3 106

Tóm tắt luận văn

Họ và tên học viên: Phạm Văn Tân

Chuyên ngành:Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Khóa K25A Cán bộ hướng dẫn: Đại tá,TS Dương Tất Sinh

Tên đề tài: Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn

mưa tiêu chuẩn khác nhau.

Tóm tắt:Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơnmưa tiêu chuẩn khác nhau là có ý nghĩa thực tiễn và nhằm mục đích sử dụngcơn mưa tiêu chuẩn phù hợp cho các vùng địa phương có điều kiện địa hình

cụ thể và mưa lũ khác nhau Đề xuất giới hạn áp dụng cho mỗi cơn mưa tiêuchuẩn và chỉ ra được cơ sở khoa học xây dựng cường độ mưa tính toán từ cơnmưa tiêu chuẩn Xây dựng cơ sở xác định cường độ mưa tính toán từ các cơnmưa tiêu chuẩn khác nhau.và so sánh đánh giá và định hướng sử dụng côngthức xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêu chuẩn khácnhau

Danh m c ký hi u ục ký hiệu ệu

Cường độ mưa tính toán ở thời đoạn tập chung nước

của lưu vực và tần suất p

6 F Diện tích lưu vực

8 Hn,p Lượng mưa ngày ở tần suất p

9 HT,p Lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

25  Thời gian tập chung nước của lưu vực

26 Lls Chiều dài sông suối chính

27 li Tổng chiều dài sông suối nhánh

28 m Hệ số hình dạng cơn mưa

29 q Mô đuyn dòng chẩy mưa, hay lưu lượng dòng chảy mưa

(chưa xét đến tổn thất) từ 1 đơn vị diện tích lưu vực

Danh m c các b ng ục ký hiệu ảng

Bảng 1-1 Bảng tra hệ số giảm lưu lượng  phụ thuộc vào diện tích

Bảng 1-2 Bảng tra hệ số tổn thất do ao hồ,đầm lầy δ1

Bảng 1-3 Bảng tra hệ số dòng chảy 

Bảng 3-1 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 15 phút

Bảng 3-2 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 30 phút

Bảng 3-3 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 45 phút

Bảng 3-4 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 60 phút

Bảng 3-5 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 90 phút

Bảng 3-6 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 120 phút

Bảng 3-7 Tần suất lượng mưa lớn nhất thời đoạn 180 phút

Bảng 3- 8 Cường độ mưa ứng với thời gian mưa ở tần suất p =1%

Bảng 3- 9 Cường độ mưa ứng với thời gian mưa ở tần suất p =3%

Bảng 3-10 Cường độ mưa ứng với thời gian mưa ở tần suất p =5%

Danh m c các hình v ục ký hiệu ẽ

Hình 1.1 Bình đồ lưu vực

Hình 1.2 Sơ đồ giá trị lưu lượng chẩy qua công trình sau từng đơn vị thời

gianHình 2.1 Biểu đồ biểu thị cường độ mưa

Hình 2.2 Diễn biến lượng mưa tích lũy Ht và cường độ mưa tức thời trong

một trận mưa thực tế

Hình 2.3

Phương pháp xác định cường độ mưa trung bình lớn nhất trongkhoảng thời gian tính toán T trên giấy đo mưa tự ghi, với Ht làlượng mưa tích lũy

Hình 2.4 Quan hệ cường độ mưa tính toán aT, lượng mưa lớn nhất trong

khoảng thời gian tính toán HT và thời đoạn mưa tính toán T

Hình 3.1 Bình đồ lưu khu vực tính toán

Hình 3.2 Cường độ mưa chuẩn ứng với tần suất p=1,3,5%

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Cường độ mưa tính toán là cơ sở xác định lưu lượng tính toán và là cơ

sở để tính toán thủy lực, xác định khẩu độ công trình thoát nước trên đường ô

tô nói riêng và các công trình khác nói chung

Trong thực tế thiết kế công trình thoát nước hiện nay, có nhiều quanđiểm sử dụng các cơn mưa tiêu chuẩn khác nhau Trong thực tế, ở các địaphương khác nhau, cường độ mưa và thời gian kéo dài của mưa là rất khácnhau do chịu ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên Vì vậy, vấn đề đặt ra là nếu

sử dụng một cơn mưa tiêu chuẩn để xác định cường độ mưa tính toán cho cácđịa phương khác nhau với các hệ số như đã có hiện nay thì kết quả có khácnhau không?

Vì thế, dựa trên công thức xác định cường độ mưa tính toán theophương pháp cường độ mưa giới hạn và cơn mưa tiêu chuẩn vẫn thường sử

dụng, cần xây dựng cơ sở xác định cường độ mưa tính toán từ các cơn mưatiêu chuẩn khác nhau Từ đó, nghiên cứu khả năng sử dụng các cơn mưa tiêuchuẩn khác nhau cho phù hợp với từng vùng miền cụ thể Xây dựng mô hìnhlưu vực để đánh giá và so sánh.

2 Mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận văn

+ So sánh ,đánh giá và định hướng sử dụng công thức xác định cường

độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêu chuẩn khác nhau

2.2.Phuơng pháp :

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xử lý số liệu thực tế thu thập được

2.3.Nội dung nghiên cứu :

Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêuchuẩn khác nhau cho công trình thoát nước đường ô tô đô thị

Nội dung nghiên cứu gồm các vấn đề chính như sau :

- Mở đầu

- Tổng quan về hệ thống thoát nước đường ô tô Vai trò của thủy văn côngtrình Đặt vấn đề nghiên cứu

- Cơ sở khoa học xác định cường độ mưa tính toán

- Xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêu chuẩn

- Kết luận và kiến nghị

3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán ứng với các cơn mưa tiêuchuẩn khác nhau là có ý nghĩa thực tiễn và nhằm mục đích:

+ Sử dụng cơn mưa tiêu chuẩn phù hợp cho các vùng địa phương cóđiều kiện địa hình cụ thể và mưa lũ khác nhau

+ Đề xuất giới hạn áp dụng cho mỗi cơn mưa tiêu chuẩn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐƯỜNG Ô TÔ VAI TRÒ CỦA THỦY VĂN CÔNG TRÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về thoát nước đường ô tô

1.1.1 Khái quát về điều kiện khí hậu và mưa lũ ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, thuộc vùng khí hậu nhiệtđới ẩm, gió mùa Khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm không thuần nhất trên toànlãnh thổ, thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ Bắc vào Nam, từĐông sang Tây Lãnh thổ Việt Nam được chia làm hai miền khí hậu lớn vàkhác biệt Miền Bắc , từ 16 vĩ độ bắc( ngang đèo Hải Vân) trở ra phí Bắc, làkhí hậu nhiệt đới gió mùa, một năm có 4 mùa rõ rệt, Xuân – Hạ - Thu – Đông,chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và gió mùa đông nam, nhiệt dộ khôngkhí trung bình hang năm <240 Miền Nam, từ 16 vĩ độ Bắc trở vào phía Nam,

do ít chịu ảnh hưởng của gió mùa nên khí hậu nhiệt đới khá điều hòa, không

có mùa dông, vùng đồng bằng nóng quanh năm và chia thành hai mùa rõ rệt

là mùa mưa và mùa khô, nhiệt độ không khí trung bình hàng năm từ 240 - 280.Bên canh đó, do cấu tạo địa hình Việt Nam còn có những vùng tiểu khí hậu,

có nơi khí hậu ôn đới như Sa Pa, Đà Lạt, có nơi thuộc khí hậu lục địa như LaiChâu, Sơn La

Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời rất lớn, lượng bức xạ dồi dào, nắngtrên toàn lãnh thổ, thời gian nắng dài Miền Bắc có số giờ nắng trung bìnhtrong năm <2000 giờ, tổng xạ trung bình hàng năm <586KJ/cm2 Miền Nam

có số giờ nắng trung bình trong năm >2000h, tổng xạ trung bình hàng năm

>586KJ/cm2 Độ ẩm tương đối của không khí trên toàn lãnh thổ nước ta quanhnăm cao, trung bình trên 80%

Trên lãnh thổ nước ta, lượng mưa và thời gian mưa hàng năm tương đốilớn, trung bình từ 1100-8000 mm/ năm và từ 67-223 ngày mưa trong năm.Mưa phân bố không đều và tập chung vào các tháng mùa mưa Nhiều trậnmưa có cường độ lớn, nhiều đợt mưa liên tục kéo dài, gây lũ lụt So với lượngmưa trung bình hàng nă ở các nước cùng vĩ độ thì Việt Nam được đánh giá là

có lượng mưa khá dồi dào, gấp khoảng 2.4 lần

Do ảnh hưởng của gió mùa và sự phức tạp của địa hình nên Việt Namthường gặp những hiện tượng thời tiết đặc biệt, gây bất lợi như : bão, lũ lụt, lũquét…

Mưa ở nước ta phân bố không đều theo không gian và thời gian Chế

độ mưa ở nước ta rất phong phú, thể hiện theo mùa rõ rệt Một năm phân rahai mùa là mùa mưa và mùa khô, các trận mưa gây lũ lớn tập chung chủ yếuvào mùa mưa Mùa mưa ở nước ta chậm dần từ bắc vào Nam Chế độ mưachịu ảnh hưởng của ba yêu tố chính là :

- Các hình thế thời tiết gây mưa hay nguyên nhân gây mưa

- Gió

- Địa hình.

Các hình thế thời tiết gây mưa ở nước ta rất phức tạp Do lãnh thổ ViệtNam trải dài trên 10 vĩ độ Bắc, lại nằm ở vùng thường gặp gỡ của các nhiễuđộng thời tiết như bão, áp cao Thái Bình Dương, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụnhiệt đới, không khí lạnh, xoáy thuận , … Nên nguyên nhân hình thành mưa

lũ lớn ở mỗi khu vực cũng phải khác nhau Mưa lớn gây lũ lớn ở nước ta chủyếu là các vùng đồi núi phía bắc, miền Trung và Tây Nguyên

+ Ở miền Bắc : nguyên nhân gây mưa lớn hầu như là sự kết hợp hoặchoạt động liên tiếp của nhiều hình thế thời tiết, phần lớn các trận mưa lớn là

do kết hợp hoặc liên tiếp xẩy ra của 2 hoặc 3 hình thế thời tiết, thậm chí cónhững trận mưa lớn có tới 5-7 hình thế thời tiết kết hợp hoặc liên tiếp hoạtđộng, những trận mưa lũ do một hình thế thời tiết đơn độc xẩy ra rất hiếm, trừkhi do bão Do vậy mưa lớn khu vực miền bắc có đặc điểm là trận mưa dàingày, thường từ vài ngày đến hai ba tuần, trung bình khoảng 7-8 ngày, mỗitrận thường gồm nhiều đợt mưa, 2 đến 3 đợt, thậm chí tới 4 hay 5 đợt, mỗiđợt tập chung 1 đến 3 ngày, thời gian giữa các đợt mưa từ 5-7 h đến trên dưới

1 ngày, trong thời gian này có mưa nhỏ hoặc không mưa Mưa lũ lớn xẩy ratrên một diện tích rộng, mỗi trận mưa lũ lớn thường có nhiều tâm mưa, vị trícủa các tâm mưa phụ thuộc vào các hình thế thời tiết gây mưa, điều kiện địahình và vị trí của lưu vực, các tâm mưa có lượng mưa đạt trên 500mm/trậnthường chiếm một phần rất nhỏ so với diện tích lưu vực Sự phân bố mưa theokhông gian và thời gian không đều Tính thất thường của mưa gây lũ thể hiện

ở sự biến động của lượng mưa từng năm, từng tháng, từng ngày Do lượngmưa lớn, cường độ mưa lớn, độ dốc của vùng núi lớn hơn, rừng bị tàn phánhiều nên cường suất nước lũ dâng rất lớn

+ Đối với khu vực miền Trung và Tây nguyên : nguyên nhân gây mưalớn và đặc biệt lớn ở khu vực miền Trung chủ yếu là do loại hình thời tiết là

bão hoặc áp thấp nhiệt đới, bão hoặc áp thấp nhiệt đới kết hợp với không khílạnh, đôi khi là các trận bão liên tiếp Do vậy mưa lớn khu vực miền trung cóđặc điểm là thời gian của trận mưa tùy theo hình thế thời tiết gây mưa có thểkéo dài từ 2-3 ngày cho tới 10-12 ngày Tâm mưa và lượng mưa phụ thuộc rấtnhiều vào nguyên nhân gây mưa mà chủ yếu là bão Tâm mưa luôn ở sát vị trí

đổ bộ của bão hoặc xê dịch đi chút ít, lượng mưa tại tâm mưa thường từ 500mm/ trận, đặc biệt có những trận mưa có lượng mưa trận tại tâm mưa đạttới trên 1000mm Lượng mưa một ngày tại khu vực miền Trung đạt trên 600

300 700mm không phải là hiếm như khu vực miền Bắc, lượng mưa một ngày đạttrên 400mm là thường xuyên Do đặc điểm địa hình của khu vực miền Trung

và Tây Nguyên với dãy Trường Sơn chạy dọc theo chiều dài khu vực và rấtgần biển nên mưa phân hóa dọc theo chiều dài của khu vực là rất rõ nét Nóichung mưa lũ ở miền Trung và Tây Nguyên chủ yếu là do bão và áp thấpnhiệt đới gây ra nên thường mưa không kéo dài nhưng tập trung và diện mưacũng khá rộng với cường độ mưa lớn nên thường gây ra lũ rất ác liệt với hậuquả nghiêm trọng do kết hợp với điều kiện địa hình hẹp, dốc lớn Vùng cửasông lại chịu ảnh hưởng của thủy triều và nước biển dâng do bão mạnh nêncàng tăng mức độ ngập lụt của lũ trong vùng Đây là một vấn đề cần lưu tâmtrong tính toán thiết kế các công trình thoát nước ở khu vực này

+) Đối với miền Nam: các hình thế thời tiết gây mưa đơn giản hơn, chế

độ mưa ít thất thường hơn nhưng hay xảy ra tác động kép của mưa lớn vàhiện tượng thủy triều dâng làm gia tăng mức độ ngập lụt trong vùng

+) Đặc điểm mưa gây lũ lưu vực nhỏ: đối với lưu vực nhỏ thì mưa đượcxem như phân bố đều trên lưu vực và ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng lũ,thời gian lũ, cường suất lũ và tổng lượng lũ Khác với lưu vực lớn thì mưa lớn

và mưa đặc biệt lớn trên diện rộng là do kết hợp của nhiều hình thế thời tiết,nhưng đối với lưu vực nhỏ thì chỉ cần một hình thế thời tiết cũng gây mưa với

cường độ và lượng mưa lớn như mưa bão, áp thấp nhiệt đới và đặc biệt làmưa dông thường diễn ra với cường độ lớn trên diện tích không lớn trong mộtthời gian ngắn Mưa dông mang những sắc thái có tính chất địa phương Mộtđặc điểm rất rõ nét của lưu vực nhỏ là có thể gây ra lũ lớn và lũ đặc biệt lớnkhi xuất hiện cơn mưa có cường độ lớn mặc dù thời gian mưa ngắn hơn,lượng mưa ngày có thể nhỏ hơn những ngày khác do vậy ngoài các nguyênnhân gây mưa lũ như đối với lưu vực lớn thì mưa dông cũng là một nguyênnhân gây ra lũ ở lưu vực nhỏ.

1.1.2 Hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm đường ô tô

Mạng lưới giao thông ngày cảng được mở rộng, đặc biệt là vùngnông thôn, vùng sâu, vùng xa; khu dân cư, khu đô thị phát triển với tốc độnhanh Chúng đòi hỏi có một giải pháp thiết kế tính toán hợp lý, đơn giản

Hệ thống thoát nước đường ô tô là các công trình và một số biện pháp

kỹ thuật để đảm bảo cho nền đường không bị ẩm ướt, trong đó, gồm hệ thốngthoát nước ngầm và hệ thống thoát nước mặt

* Hệ thống thoát nước mặt: Về cơ bản là độ dốc ngang và độ dốc

dọc của đường Hệ thống rãnh dọc, rãnh đỉnh, rãnh tập trung nước, thùngđấu, dốc nước và bậc nước và công trình thoát nước qua đường như : cầu,cống, đường thấm, đường tràn, các công trình hướng dòng nước và uốn nắndòng chảy

* Hệ thống thoát nước ngầm: Rãnh ngầm, giếng ngầm, có tác dụng

ngăn chặn, tháo và hạ mực nước ngầm, đảm bảo nền đường không bị ẩm ướt,

do đó cải thiện được chế độ thủy nhiệt của nền - mặt đường

1.1.3 Các công trình thoát nước ngang trên đường ô tô.

* Cống :

Cống là công trình thoát nước chính trên đường Cống có nhiều loại :Cống tròn, cống vuông, cống vòm, khẩu độ cống có thể từ 0.5m -6m Số ốngcống có thể rất nhiều, nói chung không hạn chế Ví dụ ở Mỹ đã làm côngtrình cống có 167 ống loại đường kính 0.7m Số lượng ống cống thường bịchiều cao cho phép của nền đường và địa hình lòng suối khống chế, và nóichung phải qua luận chứng kỹ thuật.

Theo kinh nghiệm nếu lưu lượng trên 15m3/s thì làm cống vuông kinh

tế hơn cống tròn Trong đại đa số các trường hợp vì cần phải thoát một lưulượng nhỏ hơn rất nhiều do đó cống tròn bê tong cốt thép được phổ biến nhất.Mặt khác cống tròn dễ thi công và rất tiện cho việc cơ giới hóa trong thi công.Cống vòm dùng ở những nơi gần đá và địa chất lòng sông tốt Để tiện cho sửachữa trong thời gian khai thác, đối với cống có khẩu độ dưới 1m chiều dàicống không nên vượt quá 20m

Cống gồm các cống ngang và cống dọc trên trên đường, cống ngangđặt ở những nơi tụ thủy, cống dọc chạy theo dọc đường nơi đoạn đường đào

và đoạn đường đắp thấp

* Cầu :

Cầu thường dùng khi lưu lượng lớn hơn 25 - 30m3/s Nói chung thiếttùy thuộc vào mặt kinh tế kỹ thuật để quyết định một cách hợp lý phương áncầu hay cống, về các phương án thi công và sự liện hệ mối giao thông đườngthủy, tải trọng tác dụng lên bề mặt

* Rãnh :

Rãnh gồm rãnh biên, chạy dọc được, hay rãnh đỉnh, để thu nước từlưu vực nhỏ đổ về công trình, thoát nước ngang mặt người ta hay dùng rãnhbiên, thu nước ngang đường, đổ về các hố ga thu nước ( đường thành phố )

Làm giảm tác dụng phá hoại của nước ngấm xuống mặt đường, tăng tuổi thọcủa đường.

1.1.4 Một số đặc điểm của hệ thống thoát nước đường ô tô tại Việt Nam

Với xu thế đang phát triển, nên công nghiệp ngày càng hiện đại, giaothông là một trong những vấn đề huyết mạch góp phần cho các khu côngnghiệp phát triển, bên cạnh đó, nông thôn ngày càng đổi mới, đường xá ngàycàng đường nâng cấp, chuyên nghiệp hơn, quy mô hơn, và ngày càng có sựtính toán chính sác hơn, các con đường liên tỉnh liên huyện ngày được nângcấp và đô thị hóa, các tuyến cao tốc nhanh chóng được thi công và rút ngắnkhoảng cách đi lại, làm kinh tế tăng lên, ( Hà Nội – Lào Cai, Cầu Giẽ - NinhBình, hay đường cao tốc Láng –Hòa Lạc …)

Ở những Thành phố, các công trình giao thông ngày càng tăng, quy

mô lớn, các khu dân cư ngày một dầy hơn, vấn đề thoát nước đòi hỏi phải tínhtoán chuẩn hơn, chi tiết, chính xác, phù hợp với điều kiện thời tiết khí hậuthay đổi, mưa gió thất thường như hiện nay

Vấn đề xác định lưu lượng mưa của nước ta từ trước đến nay có sựảnh hưởng của lượng mưa ngày tính toán, lưu lượng liên quan đến khẩu độcác công trình thoát nước trên đường Nhiều công trình mưa xong bị ứ đọng,gây ảnh hưởng tới giao thông, và trên hết, nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọcông trình, khả năng khai thác, gây tổn thất nghiêm trọng cho nhà nước

Một số công trình mới xây dựng coi nhẹ việc tính toán thủy văn, haythu thập số liệu chưa chuẩn, hay không cập nhập với khí hậu, thời tiết thay đổidẫn đến việc xác định khẩu độ các công trình thoát nước không được chínhsác, không đảm bảo thoát nước

Cũng do sự biến đổi khác thường của khí hậu nước ta hiện nay, nhưngcông trình đã xây dựng đã lâu, không thể đáp ứng được vai trò vốn có của nó

là thoát nước, và nó chuyển sang phá hoại công trình giao thông Bên cạnh

đó, tần suất thiết kế lựa chọn ứng với các công trình cũng ảnh hưởng tươngđối tới việc tính lưu lượng nước

Vấn đề về hệ thống thoát nước cho công trình ở Việt Nam còn nhiềubất cập, ở một số tỉnh Miền trung, hệ thống thoát nước còn sơ sài, không đápứng được khi lũ tràn về, hệ thống thoát nước chưa phù hợp với công trình xâydựng và sự phát triển của đô thị

1.2 Vai trò của thủy văn công trình và vấn đề xác định lưu lượng mưa tính toán

1.2.1 Vai trò của thủy văn công trình

Các công trình nhỏ thoát nước trên đường thường chiếm một tỷ trọngkhiêm tốn trong tổng giá thành xây dựng một con đường Mặc dù khôngchiếm tỷ trọng không lớn so với các hạng mục khác như nền, mặt đường, …nhưng khả năng hoạt động tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnhhưởng rất lớn đến độ bền vững, chi phí khai thác và hiệu quả sử dụng của conđường, ví dụ : xói lở ở hạn lưu gây hư hỏng công trình cống thoát nước ngangđường khi gặp mưa lũ lớn có thể gây hư hỏng một đoạn nền đường, mặtđường, gây đình trệ giao thông, ảnh hưởng và gây hỏng các đoạn lân cận, cóthể làm chi phí duy tu bảo trì tăng lên Đồng thời ở một mức độ nào đó, khảnăng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ trên đường còn ảnh hưởng tớimôi trường sản xuất, sinh hoạt của cư dân trong vùng có công trình, như:Hiện tượng tích lũy nước ở thượng lưu làm ngập úng đồng ruộng, ảnh hưởngđến thu hoạch của ngành nông nghiệp, hay hiện tượng ngập đường phố saucác cơn mưa lớn ở thành phố ( như tại Hà Nội năm 2008) gây khó khăn vàxáo trộn sinh hoạt, sản xuất Tất cả nhưng vấn đề trên đều liên quan đến thiết

kế tính toán công trình thoát nước nhỏ trên đường, hay nói cách khác, chính làtính toán thủy văn cho công trình Tính toán một cách chính xác nhất, để thiết

kế các công trình thoát nước nhỏ được tiết kiệm, nhưng vẫn đảm bảo thoátnước cho công trình, không gây hiện tượng xói, hay ứ đọng gây gập.

1.2.2 Các phương pháp xác định lưu lượng mưa tính toán

a) Lượng mưa ngày tính toán H n,p theo tần suất thiết kế p.

Trong điều kiện kết cấu hạ tầng của ngành khí tượng thủy văn ở nước

ta đến nay thì dữ liệu đo lượng mưa ngày phổ biến, phủ đều trên phạm vi toànlãnh thổ, đầy đủ và liên tục trong nhiều năm lền bởi thiết bị đo lượng mưangày đơn giản, không đỏi hỏi thiết bị đo mưa tự ghi phức tạp, đầu tư tốn kémnhư khi xác định cường độ mưa Do vậy đây vẫn là một cơ sở dữ liệu quý báu

về mưa Mặt khác, lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p vẫn là thông sốmưa được sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế cho công trình thoátnước nhỏ trên đường hiện nay theo tiêu chuẩn TCVN9845:2013 Tính toánđặc trưng dòng chẩy lũ và thậm chí nó còn được dùng để tính lưu lượng Qp%

của lưu vực vừa và lớn

- Theo các tài liệu, ở nước ta hiện nay cơ sở dữ liệu về lượng mưa ngàytính toán Hn,p theo tần suất đầy đủ nhất được thành lập năm 1987 trong tài liệucho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc ở các mức tần suất p=1%, 2%, 4%, 10%,25%, 50% Nhưng từ năm 1987 đến nay đã trải qua trên 25 năm, giá trị lượngmưa ngày tính toán đã bị thay đổi nhiều do chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi,đặc biệt thay đổi nhiều những năm càng về gần đây do tác động của hiệntượng biến đổi khí hậu

Do vậy, cần một cơ sở dữ liệu mới về lượng mưa ngày tính toán theotần suất phù hợp với diễn biến thời tiết ở nước ta hiện nay để sử dụng trongquá trình tính toán lưu lượng lũ cho các công trình thoát nước

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng mưa tính toán

* Khái quát chung về yếu tố ảnh hưởng.

+) Có thể phân các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vựcnhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường thành ba loại chính là

- Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa

- Các yếu tố mặt đệm

- Tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội của con người

- Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trựctiếp đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ, các nhân tố khác như bốc hơi, được coi là ảnh hưởng không đáng kể vì đối với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục,lượng bốc hơi rất bé so với lượng mưa nên bỏ qua

+) Các yếu tố mặt đệm bao gồm: vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địamạo, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, đặc điểm bề mặt, hình dạng lưu vực, Các yếu tố này ảnhhưởng tới hai khâu chính là: quyết định đến quá trình tậptrung dòng chảy và lượng tổn thất Ngoài ra vị trí địa lý, đặc điểm địa hìnhảnh hưởng đến điều kiện khí hậu thể hiện bằng các vùng, miền khí hậu kháckhau trên cả nước Địa hình tác động đến mưa, đến dòng chảy lũ của lưu vựcvừa trực tiếp, vừa gián tiếp

- Trực tiếp: tạo ra lượng mưa lớn do đón gió, tạo ra lượng mưa bé dokhuất gió

- Gián tiếp: tập trung nước nhanh hay chậm do độ dốc lớn hay bé,mạng lưới sông suối hình nan quạt hay hình lông chim,

+) Hoạt động kinh tế - xã hội của con người ngày nay càng lớn, chúng

có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực Tác động của các hoạt động này ảnhhưởng đến nhân tố khí hậu như hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng,

ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm lưu vực Như vậy, tác động củahoạt động kinh tế - xã hội của con người đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏcủa công trình thoát nước nhỏ trên đường là tác động gián tiếp, xét nó thôngqua hai nhân tố là mưa và các nhân tố mặt đệm.

+) Theo mức độ ảnh hưởng giảm dần đến dòng chảy lũ của lưu vựccông trình thoát nước nhỏ trên đường, có thể sắp xếp các nhân tố trên theo thứtự: mưa → các yếu tố mặt đệm (địa hình) → hoạt động kinh tế xã hội của conngười Ba nhân tố này thực ra không độc lập mà chúng có mối quan hệ ràngbuộc, chế ước, tác động lẫn nhau, một yếu tố thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổicủa các yếu tố khác ở mức độ khác nhau

* Ảnh hưởng của yếu tố khí hậu

Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biểndâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu Đây là hiện tượng được các nhà khoahọc xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong nhữngnước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này Dưới tác động của hiệntượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậucực đoan tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta, do vậy ảnh hưởng đếncác thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng, hay cường độ mưa đểthiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy

Thực tiễn hiện nay, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công trìnhthoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng Có những tuyến đường xuấthiện các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng Nguyên nhân mộtphần nhỏ có sự góp phần của sự thay đổi của khí hậu Các thông số thay đổidẫn đến tính toán sai so với thực tế, thiết kế tính toán khẩu độ của cầu cốngkhông đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận quét dữ dội, thế năng biến thành

động năng, rõ ràng khí hậu thay đổi thì nên xem xét các thông số, cập nhập đểsát với thời điểm hiện tại để tính toán các công trình được đảm bảo tuổi thọ.

Trong điều kiện khí hậu thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trược tiếp đếndòng chảy của lưu vực nhỏ, các yếu tố khác như bốc hơi …coi như ảnh hưởngkhông đáng kể vì với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục, lượng bốc hơi là be so vớilượng mưa nên bỏ qua

Do bản chất của cường độ mưa là do cơn mưa quyết định phần lớnnên nó sẽ là một yếu tố vô cùng quan trọng để xác định cường độ mưa, haynói cách khác mưa là một yếu tố quan trọng trong việc xác định cường độmưa qua thời gian mưa, tổng lượng nước mưa và một số đặc tính khác

Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây,thảm phủ thực vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏlượng nước bốc hơi trở lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưasinh ra dòng chẩy trên bề mặt lưu vực, cường độ mưa a lúc này nhỏ hơncường độ tổn thất Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tổn thất hoàn toàn

Khi mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa vượt quá cường độ tổn thất

sẽ bắt sinh ra dòng chẩy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên Dưới tác dụng củatrọng lực nước sẽ chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối

và tập chung về mặt cắt đặt công trình thoát nước, giai đoạn này là giai đoạnsinh dòng chảy

Trong giai đoạn sinh dòng chẩy, tổn thất vẫn tiếp tục Từ thời điểmkết thúc giai đoạn sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độmưa a nhỏ hơn cường độ tổn thất Như vậy trong giai đoạn này mạc dù mưavẫn còn nhưng đã không còn tác dụng cấp nước cho dòng chảy trên mặt lưuvực nữa

Đối với lưu vực nhỏ của công trình thoát nước trên đường, tính chấtcủa mưa quyết định tính chất của lũ, lượng mưa trong một trận mưa càng lớn,lượng dòng chẩy lũ càng lớn, và lớp nước lũ trên bề mặt càng lớn thì tức làcường độ mưa lớn, làm tốc độ tập trung nước càng nhanh, kết quả là cườngsuất lũ càng lớn Phân phối mưa theo thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến cườngsuất lũ và lưu lượng đỉnh lũ Mưa tập chung với cường độ lớn sẽ hình hành lũlớn và ngược lại.

* Ảnh hưởng của yếu tố mặt đệm

Như ta đã biết, việc phân bố mưa trên trái đất là không đều theo vĩ độ.Mưa tập chung nhiều ở vùng xích đạo, và tập chung mưa nhiều ở vùng ônđới, mưa càng ít khi càng về hai cực Nam và Bắc Điều này ảnh hưởng trựctiếp đến cường độ mưa và lưu lượng mưa tính toán, việc tính các đặc trưngcủa mưa theo từng vùng còn nhiều vấn đề chưa thỏa đáng

- Tuy không có được ảnh hưởng quyết định như nhân tố mưa nhưngcác yếu tố mặt đệm có ảnh hưởng quan trọng tới lưu lượng lũ tính toán củalưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường Các yếu tố mặt đệm của lưuvực bao gồm: địa hình, địa mạo bề mặt lưu vực, địa chất thổ nhưỡng, hìnhdạng, diện tích lưu vực, lòng sông suối, cỏ cây, ao hồ, ảnh hưởng tới thờigian tập trung dòng chảy và lượng tổn thất

- Địa hình ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến chế độ mưa (cao độcủa địa hình, hướng đón gió ẩm của sườn núi ảnh hưởng đến chế độ mưa,lượng mưa - điều này được chỉ ra trong những nghiên cứu ở chương 2), độdốc của địa hình (độ dốc của sườn dốc lưu vực Jsd, độ dốc của lòng sông suốichính Jls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước  Địa hình càngdốc thì tốc độ tập trung nước v càng nhanh nên thời gian tập trung nước càng nhỏ, lưu lượng lũ về càng lớn, cường suất lũ biến đổi càng mạnh

- Yếu tố địa mạo bề mặt lưu vực ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đếnlượng mưa bị tổn thất và ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước  Các yếu tốđịa mạo gồm.

+ Lớp phủ bề mặt bằng vật liệu nhân tạo đối với lưu vực trong đô thịhay lớp phủ thực vật rừng, cỏ cây đối với lưu vực của đường ngoài đô thị

+ Ao, hồ, đầm lầy trên bề mặt lưu vực

+ Đặc trưng nhám bề mặt: nhám sườn dốc lưu vực và nhám lòng sôngsuối chính

+) Lớp phủ bề mặt lưu vực, rừng, cỏ cây, ao hồ, đầm lầy ảnh hưởngđến lượng tổn thất và có tác dụng điều tiết nhất định

+) Đặc trưng nhám bề mặt lưu vực (độ nhám bề mặt sườn dốc lưu vực

nsd, độ nhám lòng sông suối chính nls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tậptrung nước  Bề mặt lưu vực càng nhám thì tốc độ tập trung nước v càng nhỏnên thời gian tập trung nước  càng lớn, tốc độ lũ về chậm lại, cường suất lũđiều hòa hơn nên lưu lượng đỉnh lũ giảm đi

- Điều kiện địa chất thổ nhưỡng của lưu vực quyết định đến lượng tổnthất nước mưa do thấm, đây là dạng tổn thất chính của lưu vực nhỏ của côngtrình thoát nước nhỏ trên đường, do vậy ảnh hưởng đến chiều dầy dòng chảy

lũ trên bề mặt lưu vực nên ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước  của lưuvực

* Ảnh hưởng của tần suất thiết kế.

- Công trình thoát nước trên đường được thiết kế theo tần suất, do vậyngoài nhân tố mưa, các yếu tố mặt đệm thì tần suất thiết kế p cũng ảnh hưởngtới trị số lưu lượng thiết kế

- Giá trị tần suất thiết kế p lớn hay nhỏ ảnh hưởng đến giá trị lưu lượng

lũ tính toán của công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp Khi thiết kế với giátrị tần suất p càng lớn (p = 10%, 20%, 50%, ) thì Qp tính ra càng nhỏ vàngược lại khi thiết kế với giá trị tần suất p càng nhỏ (p = 3%, 2%, 1%, ) thì

Qp tính ra càng lớn

- Khi thiết kế ở giá trị tần suất p nhỏ, lưu lượng thiết kế Qp lớn do vậylàm tăng khẩu độ công trình thoát nước và có thể làm tăng chiều cao nền đắp.Trong trường hợp này cần lưu tâm đến giải pháp vừa tăng khẩu độ, chiều caocông trình thoát nước đến mức hợp lý, vừa tăng số lượng công trình thoátnước nhỏ trên đường nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi, tốn kém do phảităng chiều cao đắp nền đường Giải pháp này đặc biệt hợp lý với công trìnhcống

- Ở Việt Nam hiện nay, trong tiêu chuẩn thiết kế đường ô tôTCVN4054-2005 đang quy định mức tần suất thiết kế p = 1% - 4% đối vớicầu nhỏ, cống, rãnh đỉnh, rãnh biên trên đường ôtô cấp I - VI và đường caotốc Trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị TCVN7957-2008, quy địnhchu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán thiết kế N = 10 năm - 0.33 năm đối với kênh,mương, cống chính, cống nhánh khu vực trên đường đô thị của thành phố lớn,loại I, đô thị loại II, loại III và các đô thị khác

* Ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính toán.

- Trong công thức cường độ giới hạn sử dụng để xác định lưu lượngthiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường, thông số cường độ mưatính toán ap ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p làmột đại lượng ảnh hưởng tổng hợp đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế,bởi vì nó thể hiện tác động của tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưulượng lũ thiết kế của công trình thoát nước nhỏ trên đường là nhân tố về mưa,các yếu tố mặt đệm và tần suất thiết kế

- Thật vậy, theo công thức định nghĩa xác định cường độ mưa tính toán a,p

với:

H,p là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  của lưu vực

ở tần suất p hay lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực

- Tần suất thiết kế p ảnh hưởng tới H,p nên ảnh hưởng tới a,p.

- Các yếu tố mặt đệm ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước của lưu vực do vậy ảnh hưởng đến a,p

- Ngoài ra, khác với thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p thì thông

số cường độ mưa tính toán ap còn phản ảnh được ảnh hưởng của hình dạngcơn mưa

Hình 1.1:Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa tính toán a,p

Hình 1.1 cho thấy mặc dùcó cùng lượng mưa ngày tính toán Hn,p nhưng

ở hai vùng mưa I vàvùng mưa II có hình dạng cơn mưa khác nhau thì lượngmưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán H,p ở hai vùng mưa khác nhau và kếtquả là cường độ mưa tính toán

Cũng khác nhau

- Như vậy :

Qua việc phân tích trên cho thấy các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy

lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường như nhân tốmưa, các yếu tố mặt đệm, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của conngười thông qua hai nhân tố là mưa và các yếu tố mặt đệm, cũng như thông sốthời gian tập trung nước , thông số tần suất thiết kế p đều có ảnh hưởng đếntính toán lưu lượng lũ công trình thoát nước nhỏ trên đường thông qua tham

số mang tính chất tổng hợp là cường độ mưa tính toán a,p

c) Xác định lưu lượng mưa tính toán.

Việc xác định lưu lượng mưa cho là công việc quan trọng là cơ sở đểtính các khẩu độ công trình thoát nước nhỏ trên đường

Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòngchảy lũ có rất nhiều Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xácđịnh lưu lượng thiết kế hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như

Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, đều sử dụng công thứccường độ giới hạn Ở Việt Nam, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành,TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ và TCVN7957:2008,Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài cũng sử dụng công thức

cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nướcnhỏ trên đường ô tô và đường đô thị.

Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đượcrút ra từ công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó là lýthuyết tập trung nước từ lưu vực Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác họcLiên Xô (cũ) phân tích, nghiên cứu (N.E Đôngôv, M.E Velikanov và M.M.Prôtôđiakônov) và hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnhvực tính toán thủy văn

* Cơ sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực.

Các giả thiết của M.M P rôtôđiakônov.

-Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối

- Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường độkhông thay đổi trong thời gian tính toán

- Coi tần suất mưa sinh ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trênlưu vực

Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là : là thời gian để mộtgiọt nước xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước

+ Đường đẳng thời: là đường nối các điểm trên lưu vực có cùng thờigian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước

+ Công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ do mưa trênlưu vực

- Phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trìnhthoát nước, các tác giả của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực nhận thấy rằng:lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt giá trịcực đại khi giọt nước từ điểm xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt

công trình thoát nước Thực tế đó được chứng minh qua sơ đồ ở các hình 1.1,hình 1.2 và các phân tích sau đây.

a.f 4 a.f 3 a.f 2 a.f 1

a.f 2 a.f 3

a.f 4 a.f a.f 3 4

Q = a.(f 1+ f 2+ f 3 )

a.f 2 a.f 3

a.f 4

Q = a.(f 1+ f 2+ f 3+ f 4 ) a.f 4

1dvtg2dvtg

3dvtg 4dvtg

Q = a.(f 1+ f 2 )

a.f 2

+ Lưu vực có F có thời gian tập chung là , vẽ trên lưu vực nhữngđường đẳng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước sau1,2,3,4…… đơn vị thời gian (dvtg), trong tính toán cường độ mưa đơn vị thờigian thường tính là phút

+ Gọi a là cường độ mưa và giả sử chưa xét đến tổn thất thì a sẽ bằngchiều dầy cung cấp dòng chẩy trong một đơn vị thời gian, thường tính là phút.Quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt đặt công trình thoát nước tính nhưsau

F = f1 +f2 +f3 + f4

Thời gian tập trung nước của lưu vực là  = 4 đvtg, thường tính bằngphút

+ Sau phút thứ nhất chỉ có lượng nước mưa trên phần diện tích f1 củalưu vực kịp chảy về mặt cắt công trình thoát nước, lượng nước mưa trên cácphần diện tích lưu vực f2 ,f3 , f4 mới đang tiến dần về phía mặt cắt đặt côngtrình thoát nước Do đó lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình sẽ là :

Q1 =a.f1

+ Sau phút thứ 2, ngoài lượng nước mưa trên phần diện tích f1 còn cóthêm lượng nước mưa còn có thêm lượng nước mưa trên phần diện tích f2 củalưu vực chẩy về mặt cắt đặt công trình thoát nước Theo nguyên tắc xếpchồng lượng nước, lưu lượng nước chẩy qua mặt cắt đặt công trình thoát nướcsau phút thứ 2 là :

Q2 =a.(f1+f2)+ Cũng luận lập tương tự, có được lưu lượng nước chảy qua mặt cắtđặt công trình thoát nước sau phút thứ ba, thứ tư là :

Q3 =a.(f1+f2+f3)Sau phút thứ 4 trở đi là :Q4 =a.(f1+f2+f3+f4)

Nhận thấy, lưu lượng lớn nhất chẩy qua mặt cắt đặt công trình thoátnước sẽ do toàn bộ diện tích lưu vực F tạo ra và thời đoạn mưa tạo ra lưulượng lớn nhất Qmax đúng bằng thời gian tập chung nước của lưu vực

Qmax = a.FNhư vậy, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Qmax chỉ cần xét trong thờiđoạn mưa tính toán T bằng thời gian tập chung nướccủa lưu vực Cường

độ mưa a của cơn mưa tính toán giả thiết có giá trị không đổi được lấy bằngcường độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tập chung nước ,hay còn gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong khoảng thời gian tập

chung nước , được xác định ở đoạn dốc nhất của đường cong tích lũy mưaứng với thời đoạn mưa tính toán T =

Công thức Qmax = a.F chưa xét đến các tổn thất, để phục vụ cho tínhtoán thực tế phải xét tới tổn thất qua các hệ số thực nghiêm Ngoài ra côngtrình thoát nước trên đường được thiết kế với tần suất p% nên Qmax thườngđược ký hiệu là Qp và xét tới đơn vị tính của tham số trong công thức, cóđược công thức tính lưu lượng định lũ thiết kế tại mặt cắt đặt công trình thoátnước của lưu vực như sau :

Qp =K..a,p.F (1.1) ;trong đó :

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;

F là diện tích lưu vực;

là hệ số dòng chảy, xét đến khả lượng nước mưa bị tổnthất;

vực và tần suất p Chính là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời giantập chung nước  và tần suất p, còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớnnhất ở thời gian tập chung nước  và tần suất p

K là hệ số chuyển đổi đơn vị khi các đại lượng trong công thức khôngtính ở cùng đơn vị Khi Qp tính bằng m3/s, a,p tính bằng mm/ph, F tính bằng

km2 thì K =16.67 = 10002/(1000x60)

Công thức (1.1) là công thức cơ bản Từ công thức này , rất nhiều tácgiả đã nghiên cứu áp dụng và hoàn chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế vềquy luật phấn bố cường độ mưa, điều kiện nước chảy trên các lưu vực tựnhiên

Với công thức (1.1) hoàn toàn có thể từ tài liệu về mưa để tính rađược lưu lượng đỉnh lũ Đối với lưu vực của công trình thoát nước nhỏ trênđường ở nước ta, điều kiện tài liệu thường chỉ có số liệu đo mưa, không có sốliệu đo lũ thực tế nên sử dụng dạng công thức (1.1) là phù hợp.

* Các công thức xác định lưu lượng mưa tính toán cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô của các quốc gia.

Công thức cường độ giới hạn dạng (1.1) được sử dụng rộng rãi và phổbiến để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường.Ngay cả các công thức thực nghiệm, nửa thực nghiệm cũng thường được đưa

về dạng này, trong đó việc thực nghiệm nhằm xác định các hệ số trong công

- Ở Mỹ : Sử dụng công thức cường độ giới hạn

Qp = K.η.C.I.A (1.3);

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; η là hệ số phân bố mưa rào đượcxây dựng thành đồ thị tra; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bềmặt và chu kỳ mưa; I là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập chung nướccủa lưu vực và tần suất thiết kế p; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyểnđổi đơn vị

Ngoài ra còn viết ở dạng : Qp = η.C.q.A ( 1.3’)

Với K.I = q là mô đun dòng chảy mưa tính toán

- Ở Pháp : Albert Caquot xây dựng công thức thực nghiệm biểu thịdưới dạng phương trình cân bằng thể tích dựa trên nguyên lỹ hiệu quả nănglực của mạng lưới Đây được đánh giá là một trong những mô hình nổi tiếngcủa thế giới và được áp dụng từ lau ở Pháp :

(α.H.A.C)/6 = q(β+δ).tc ;

Q là lưu lượng tối đa tại mặt cắt tính toán; α là hệ số phân bố mưa rào,được xác định bằng công thức α = A-ε , H là chiều ca lớp nước mưa hay độsâu mưa trong thời gian tc ;A là diện tích lưu vực; C là hệ số dòng chảy, tc làthời gian tập trung nước của lưu vực; β,δ,ε là các hệ số thực nghiệm

Như vậy H/tc = atc chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tậpchung nước tc của lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau :

- Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ ): Sử dụng công thức cường

Và :

Với sd là thời gian tập chung nước trên sườn dốc, Tcn là thời giancung cấp dòng chảy Hoặc có thể tính  bằng công thức kinh nghiệm theo F

Với C,n là các hệ số kinh nghiệm

+) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN

6367 của Bộ Giao Thông Vận Tải Liên Xô (cũ)

Qp = K..a,p.F..δ1γ (1.6)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p,  là hệ số dòng chẩy hoàn toàn;

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập chung nước của lưu vực vàtần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực ; δ1 là hệ số triết giảm do ao hồ; γ là

hệ số xét đến sự phân bố mưa không đềi trên lưu vực, phụ thuộc vào kíchthước lớn nhất D1 của lưu vực và vùng khí hậu; K là hệ số chuyển đổi đơn vị

+) Công cường độ giới hạn của Viện thủy văn Nhà Nước Liên Xô(cũ) ( quy trình CH435-72)

Qp = A1%..Hn,1%.F.δ1.λp (1.7)Với Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p, A1% là mô đun dòng chảyđỉnh lũ tương đối ứng với tần suất 1% xác định phụ thuộc vào thời gian tập

chung nước trên sườn dốc sd , vùng mưa và đặc trung địa mạo thủy văn củalòng sông ls ;  là hệ số dòng chảy lũ; Hn,1% là lượng mưa ngày tính toán ở tầnsuất 1%; F là diện tích lưu vực; δ1 là hệ số xét tới ảnh hưởng của giảm nhỏ lưulượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ trong lưu vực;

λp là hệ số xét ảnh hưởng của tần suất tới lưu lượng, chuyển đổi lưu lượng ởtần suất 1% sang lưu lượng ở tần suất thiết kế p%, nó phụ thuộc vào vùng khíhậu, tần suất thiết kế và diện tích lưu vực

+) Ở Trung Quốc : Công thức cường độ giới hạn

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy đỉnh lũ; F làdiện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị; H,p là lượng mưa tính toán ởthời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế p, như vậy H,p/

vực và tần suất thiết kế p

Căn cứ vào tài liệu đo mưa rào thực tế trong phạm vi toàn quốc, Việnnghiên cứu thủy văn đã phân tích tìm ra công thức tính lượng mưa tính toánHT,p ở thời đoạn T và tần suất p như sau:

HT,p = H1hp.T1-m

Với : HT,p là lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;

H1hp là lượng mưa giờ lớn nhất ở tần suất p, H1hp = H24,p/241-m

;

H24,p là lượng mưa 24h lớn nhất ở tần suất p;

m là chỉ số triết giảm của mưa rào

* Các công thức xác định lưu lượng tính toán cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.

- Công thức theo TCVN 9845-2013 tính toán đặc trưng dòng chày lũ

Đây là công thức hiện hành đang áp dùng trong tính toán lưu lượngthiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam với diện tích lưuvực F  100km2 , cho đường ngoài đô thị, trong tiêu chuẩn thiết kếTCVN9845-2013 do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành

Xuất phát điểm là công thức cơ bản (1.1) nhưng thực hiện một số biếnđổi được công thức tính lưu lượng thiết kế như công thức (1.9) sau đây :

Qp = Ap..Hn,p.F.δ1 (1.9);

trong đó :

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s) ;

Ap là mô đun dòng chẩy đỉnh lũ tương đối ở tần suất thiết kế p;

 là hệ số dòng chẩy lũ;

Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất thiết kế p (mm);

δ1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy

và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực;

Ở đây : Ap =16.67.Ψ/

Và:

K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây bằng 16.67;

là thời gian tập chung nước của lưu vực (ph);

Ψ là hệ số đặc trưng hình dạng của cơn mưa ở thời gian tập trungnước 

+ Trong tiêu chuẩn, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa Ψ-T được lập cho 18 vùng mưa trên toàn quốc với số liệu đo mưa đến năm 1987 Vì Qp

phụ thuộc vào a,p mà a,p phụ thuộc vào lại phụ thuộc vào a,p và Qp do vậy phương trình (1.9) được giải bằng phương pháp lặp

+ Công thức (1.9) còn được gọi là công thức cường độ giới hạn tính lưu lượng thiết kế từ lượng mưa ngày tính toán

- Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội.

+) Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta thường có diệntích lưu vực nhỏ (thường dưới 1 km2 đến một vài km2) nên thời gian tậptrung nước ngắn Chính vì vậy việc tính lưu lượng thiết kế dựa vào thông sốcường độ mưa có thời gian mưa tính toán ngắn nhưng cường độ mưa lớn sẽchính xác hơn so với việc sử dụng thông số lượng mưa ngày như trong côngthức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế Trên quan điểm đó, từ những năm 1980,GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công thức (1.10) sau đây đểtính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưuvực F 30 km2 cho Việt Nam Công thức (1.10) được đưa vào trong Sổ taytính toán thủy văn của Bộ GTVT

Công thức là :

Qp = 16.67..a,p.F..δ1 (1.10) ;