Thủy văn công trình Chương 3

Các giả thiết và mô hình tính toán DC Thời gian tập trung dòng chảy: Là khoảng thời gian để một chất điểm nước tại vị trí xa nhất trên lưu vực chuyển động tới tuyến cửa ra công trình..

Chương 3

Tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế

3.1 Các giả thiết và mô hình tính toán DC

Mưa đồng thời trên toàn bộ lưu vực

Cường độ mưa không đổi trong suốt trận mưa và bằng cường

độ trung bình các thời đoạn mưa

Đất bão hoà nước từ trận mưa trước

Cường độ thấm coi như đồng đều trên toàn bộ lưu vực và bằngcường độ trung bình của các đo đạc riêng biệt trên toàn lưu vực

Lớp nước mặt coi như không bị cản trở cho phép lưu lượng xảy

ra nhanh nhất, lớn nhất và bất lợi nhất

Lưu vực hình thành do 2 mặt phẳng nghiêng và lòng sông làgiao tuyến 2 mặt phẳng nghiêng đó

Độ dốc thuỷ lực coi như đồng đều suốt chiều dài sông và bằng

độ dốc trung bình đáy các sông suối đó

3.1.1 Các giả thiết

3.1 Các giả thiết và mô hình tính toán DC

 Thời gian tập trung dòng chảy: Là khoảng thời gian

để một chất điểm nước tại vị trí xa nhất trên lưu vực chuyển động tới tuyến cửa ra (công trình) Ký hiệu: τ

 Quá trình tập trung nước gồm hai giai đoạn:

 TG Tập trung dòng chảy trên sườn dốc (τd): Là khoảng thời gian cần thiết cho lượng nước ở điểm xa nhất ở sườn dốc chảy tới lòng sông

 TG Tập trung dòng chảy trong sông (τs): Là thời gian cần thiết cho lượng nước ở điểm xa nhất của dòng sông chảy về tới vị trí công trình

 Hai quá trình này thực chất không thể phân tách ra được τ =τd + τs

3.1.1 Mô hình tính toán DC

a Thời gian tập trung nước hay tập trung dòng chảy

Giả thiết: Mưa và thấm đều trên lưu vực với lượng qúa

thấm ( lượng cấp nước): h(mm).

Đường đẳng thời là đường cong nối tất cả các điểm trên lưu vực có

cùng thời gian tập trung dòng chảy về tuyến cửa ra

b Cơ sở lý thuyết tập trung dòng chảy

Trường hợp 1: ττττ < Tc

Ví dụ 1:

Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả

là 5 đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng trong từng đơn vị thời gian là h1, h2, h3, h4, h5.

f3

Xác định quá trình lưu lượng

 Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là:

Quá trình lưu lượng

Trường hợp 2: τ = T c

Ví dụ 2:

 Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 3 đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3.

f3

Xác định quá trình lưu lượng

 Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến

cửa ra của lưu vực là:

ớc Quá trình lưu lượng

0 500

Trường hợp 3: τ > T c

Ví dụ 3:

 Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 2 đơn vị thời gian với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3.

Tc=2τ0

 Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các

đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1,

f2, f3.

τ = 3τ0Như vậy τ > T

f3

Xác định quá trình lưu lượng

tuyến cửa ra của lưu vực là:

Quá trình lưu lượng

Công thức tính lưu lượng ở thời điểm bất kì (Công thức căn nguyên dòng chảy)

 Trong đó:

 t: thời điểm tính toán

 k ≤ m, với m là số thời đoạn mưa hiệu quả

 t-k <n, với n là số mảnh diện tích được phân chia bởi các đường đẳng thời

Lưu lượng Qmax phải do toàn bộ lưu vực và toàn bộ

lượng cấp nước cùng tạo ra dòng chảy

c Hình thành mô đun dòng chảy lớn nhất

(a) Sơ đồ quá trình cấp nước (b) Sơ đồ mô đun dòng chảy lũ

Amax: Cường độ cấp nước (mưa) lớn nhất.

qmax: Mô đun dòng chảy lớn nhất

qmax=kthϕAmaxc, ϕ=1/(1+τ/Tc): hệ số triết giảm cường độ DC max

3.2 Các công thức tính Qmax,p%

theo PP gián tiếp từ mưa và dòng chảy

(TH không có tài liệu đo đạc thủy văn)

 Công thức lý luận: là loại công thức được xây dựng trên cơ sở

công thức căn nguyên dòng chảy, từ đó xây dựng mối liên hệ giữađỉnh lũ với các đặc trưng mưa gây lũ và các yếu tố ảnh hưởng của

mặt đệm Điển hình: công thức cường độ giới hạn

 Công thức kinh nghiệm: là loại công thức đã hoàn toàn dựa trên

cơ sở tổng hợp tài liệu thực đo về lũ nhằm xác định mối quan hệgiữa lưu lượng đỉnh lũ với các nhân tố ảnh hưởng, từ đó dùng một

công thức toán học để thể hiện mối quan hệ đó Điển hình: công

thức triết giảm mô đun đỉnh lũ theo diện tích lưu vực sông.

 Công thức bán kinh nghiệm: là loại công thức trung gian của 2

loại trên, nghĩa là vừa dựa vào phân tích căn nguyên của sự hìnhthành dòng chảy lũ vừa tổng hợp theo tài liệu thực đo để tham số

hóa các công thức tính toán Điển hình: công thức Xôkôlôpxki

a Công thức cường độ giới hạn (ĐH Xây Dựng)

 Dựa theo công thức căn nguyên dòng chảy, lưu lượng đỉnh lũ cho trường hợp dòng chảy hoàn toàn có thể viết dưới dạng:

Qmax=hτ.Ftrong đó:

 hτ – cường độ mưa hiệu quả (cường độ mưa quá thấm), (cường

Công thức viết lại thành:

Qmax= K ϕ aτ.Ftrong đó K – hệ số chuyển đổi đơn vị.Với Qmax (m3/s); F (km2):

Khi aτ tính theo mm/phút thì K = 16.67Khi aτ tính theo mm/h thì K=0.278

a Công thức cường độ giới hạn (ĐH Xây Dựng)

(F ≤ ≤ 30 km2)

Qmaxp= 16,67 ϕ aτp F δ α trong đó: δ: hệ số triết giảm do hồ ao và đầm lầy xác định theo phụ lục 4.8;

α: hệ số triết giảm lưu lượng, xác định theo bảng 4.1

aτp là cường độ mưa thiết kế (mm/phút)

0,4 sd

0,4

18, 6.Lt

f I ).(100.m

=

0,4 sd

18, 6

f (I )

p p ngp p

Đường cong triết giảm mưa phân khu mưa 1

b CT cường độ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95)

(F ≤ ≤100 km2)

Q = A × × φ H × × F δ

trong đó:

Q maxP: Lưu lương đinh lu ung vơi tân suât thiêt kê P%, (m3/s)

A P: Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất (δ=1) ứng vớitần suất thiết kế lấy theo tỉ số của môđun dòng chảy qP% với tích(ϕHP%); AP% tuỳ thuộc vào đặc trưng địa mạo thuỷ văn của lòng sông

Φls, thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τsd và vùng mưa

F: Diên tích lưu vưc, (km2)

δ: Hệ số xét tới ảnh hưởng làm giảm nhỏ lưu lượng đỉnh lũ do

ao hồ trên lưu vực Tra PL 4-8

Thời gian tập trung nước chảy ở sườn dốc ττττsd

 Trong đó:

 Lsd: chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực (km)

 msd=1/nsd: đặc trưng nhám hay thông số đặc trưng tập trung dòng chảy ở sườn dốc, phụ thuộc vào tình hình bề mặt sườn dốc

Thời gian tập trung nước chảy ở sườn dốc ττττsd

 Thay hτsd vào biểu thức có:

Không thể giải trực tiếp ra τsd nên biến đổi như sau:

trong đó:

 Φsd: thông số địa hình địa mạo của sườn dốc

 Quan hệ τsd ~ Φsd được xây dựng dưới dạng bảng tọa độ cho từng vùng mưa khác nhau

( )

0,6 sd

Thời gian truyền lũ trong sông ττττ l

 Trong đó:

 L: chiều dài sông (km)

 ml=1/nl: thông số đặc trưng nhám hay thông số tập trung nước trong sông phụ thuộc vào tình hình sông suối của lưu vực

Thời gian truyền lũ trong sông ττττ l

 Thay Qmaxp vào công thức và diễn đạt lại như

sau:

 Trong đó:

 AP = 16,67ψ(τ)

 Φl = thông số địa hình địa mạo lòng sông

 Quan hệ AP ~ Φl ~ τsd ~ vùng mưa được cho dưới

m J H F

ϕ

Trình tự tính toán thời gian tập trung

Ví dụ: Xác định lưu lượng thiết kế Qmax,1% từ mưa rào biết các thông số thuỷ văn điều tra và khảo sát được ghi trong bảng sau:

TT Các thông số thuỷ văn cần thiết

c Công thức triết giảm môđun đỉnh

lũ theo diện tích (100km2≤F ≤300km2)

 Môđun đỉnh lũ:

 Môđun đỉnh lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, diện tích lưu vực

 Môđun đỉnh lũ thiết kế: qmax,p (m3/s.km2)

max max

Q

F

=

Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (tiếp)

 Theo nhiều nghiên cứu, môđun đỉnh lũ giảm khi diện tích lưu vực tăng và được mô tả bằng hàm số mũ:

 Trong đó: n là hệ số triết giảm; Ap là tham số địa lý khí hậu thay đổi theo vùng lãnh thổ; F là diện tích lưu vực sông.

 Hệ số n và tham số Ap có thể xác định theo tài liệu thực đo, bằng cách lấy logarit 2 vế:

lgqmaxp = lgAp – nlgF

 n chính là hệ số góc của đường quan hệ lgqmaxp ~ lgF

 n là hệ số triết giảm được tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ và được phân vùng theo lãnh thổ

p

A q

F

=

Lg(F) Lg(qmaxp) Lg(qmaxp)= 1.5509 – 0.4459 lg(F)

Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị

số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ

 Môđun đỉnh lũ quy chuẩn q100 ứng với diện tích 100km2

và tần suất 10% được xây dựng thành bản đồ đẳng trị

 Theo công thức triết giảm:

 n là hệ số triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích được tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ và được phân vùng theo lãnh thổ

 Từ đó suy ra:

10%

A q

100

=

n

p max p 100

10%

A 100

Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị

số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ

(tiếp)

 Đặt gọi là hệ số chuyển đổi tần suất 10% sang P% (tra bảng theo phân vùng lãnh thổ)

 Viết lại công thức dưới dạng:

trong đó δ là hệ số xét đến ảnh hưởng của đầm, hồ ao

 Từ đó có lưu lượng đỉnh lũ thiết kế

p p

10%

A A

Ví dụ: Cho môđun đỉnh lũ ứng với tần suất 10% là q =26

m3/skm2, n =0,5 Hệ số chuyển đổi sang tần suất 1% là

λp =1,2 Lưu vực có diện tích F =240km2 Diện tích ao

hồ, đầm lầy là Fao hồ đầm lầy =8km2 Yêu cầu tính lưu lượng thiết kế với tần suất 1%.

d) Công thức Xô-kô-lốp-sky

(F>100km2)

 Công thức được xây dựng trên các sơ sở:

 Chỉ xét các nhân tố chủ đạo ảnh hưởng đến dòng chảy lũ trong phạm vi độ chính xác thực dụng và các nhân tố đó có thể xác định dễ dàng

 Coi tần suất mưa là tần suất lũ

 Không những xét đến đỉnh lũ, mà còn xét đến lượng lũ, đường quá trình lũ

 Tổn thất lũ tính bằng hệ số dòng chảy tổng lượng

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky

Tác giả đã đơn giản hóa quá trình lũ thành hai đường cong parabol gặp nhau tại đỉnh

 Phương trình của nhánh lũ lên

 Phương trình của nhánh lũ xuống

Trong đó m và n là các bậc của đường Parabol

m

l

m t

t

t Q

t

t

t

t Q

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky

Khi đó, tổng lượng lũ được xác định theo phép tích phân:

0 0

1

n

t m

t Q

dt t

t

t Q

dt t

t Q

W

x l

m

x

x m

l m

=

1 1

1

n m

t Q

1 1

m n

n m

t

W Q

l m

γ

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky

 Cho gọi là hệ số hình dạng lũ

 Ta có:

 Mặt khác, tổng lượng lũ Wmp có thể tính theo lớp dòng chảy lũ yτp theo công thức:

n

m f

γ

f t

W Q

l

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky

 Từ đó có dạng công thức cuối cùng:

Trong đó K là hệ số chuyển đổi đơn vị Khi thời gian lũ

lên Tl tính theo giờ, cường độ mưa tính theo mm/h thì

Công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp)

 ϕ : Hệ số dòng chảy

 HTP: Lượng mưa thiết kế tính theo thời gian tập trung dòng chảy T

 H0: Lớp nước mưa tổn thất ban đầu, mm

 Tl: thời gian lũ lên

 F: diện tích lưu vực, km2;

 f: hệ số hình dạng lũ, ở sông không có bãi f=1,20; sông có bãi thoát được dưới 25% Q thì f=1,0; sông có bãi thoát được trên 50% Q thì f=0,75;

 δ: hệ số triết giảm đỉnh lũ do hồ ao đầm lầy, rừng

 Qng: lưu lượng nước ngầm trước khi có lũ có thể lấy bằng lưu

lượng nước bình quân nhiều năm đối với lưu vực lớn, hoặc có thể

bỏ qua đối với lưu vực nhỏ

tương tự – tốc độ trung bình lớn nhất ở mặt cắt cửa ra;

Kn: hệ số, đối với mưa rào ngắn Kn = 1,0; đối với mưa

có thời gian lớn hơn ngày đêm Kn = 1,3 ÷ 1,6;

n l

Cách xác định các tham số trong CT:

HTP: lượng mưa thiết kế tính theo thời gian tập trung dòng chảy T:

+ ψτp: toạ độ đường cong triết giảm mưa ứng với thời gian mưa

thiết kế lấy bằng T, xem phụ lục 4-11

+ Hngp : lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế P

***Đối với lưu vực vừa và lớn cần xét triết giảm của lượng mưa theodiện tích