Bài giảng môn học Thủy văn công trình

BÀI GIẢNG MÔN HỌCTHỦY VĂN CÔNG TRÌNH Số tín chỉ: 2 TC Đối tượng SV: Các SV ngành công trình giao thông GIỚI THIỆU GIẢNG VIÊN Giảng Viên: Nguyễn Đăng Phóng Bộ môn: Thủy lực - Thủy văn Khoa: Công trình Mobile: 0904222171 Website: hydr-utc.net Email: nguyendangphong1975@gmail.com GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH Gồm 2 phần: Thủy văn đại cương (còn gọi là Thủy văn) Chương I: Thu thập số liệu và xác định các yếu tố thủy văn Chương II: Phương pháp thống kê xác suất trong thủy văn. Chương III: Tính lưu lượng thiết kế từ mưa rào Thủy văn công trình (Thủy lực cầu đường) Chương IV: Khẩu độ cầu và xói dưới cầu Chương V: Tính thủy lực cầu nhỏ và cống GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Đình Nghiên, Nguyễn Đình Vĩnh, Phạm Văn Vĩnh "Thủy văn công trình - Tập 1" NXB Giao thông Vận tải 2003 2. PGS.TS. Trần Đình Nghiên "Thiết kế thủy lực cho công trình giao thông" NXB Giao thông Vận tải 2010 3. Trần Đình Nghiên "Xói lở ở công trình cầu" NXB Xây dựng 2008 Chương I: Thu thập số liệu và xác định các yếu tố thủy văn 1.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung môn học, đặc điểm , phương pháp nghiên cứu. 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông 1.3. Xác định các yếu tố thủy văn. 1.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung môn học, đặc điểm , phương pháp nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu. Thuỷ văn là môn khoa học về nước, nghiên cứu nước trong tự nhiên, nguồn nước và dòng chảy; điều tra, đo đạc, thu thập và phân tích tài liệu nguồn nước, dòng chảy để phục vụ cho công tác thiết kế, xây dựng và quản lý khai thác công trình. 1.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung môn học, đặc điểm , phương pháp nghiên cứu 2. Nội dung môn học. Phần thủy văn: Xác định lưu lượng TK và mực nước TK trong các TH. Phân bố lưu lượng trong các bộ phận sông. Phân bố lưu tốc tại vị trí mặt cắt tim công trình. Phần thủy lực: Đưa ra khẩu độ CT, chiều cao nước dâng ở thượng lưu công trình. Xác định cao độ đáy sông sau xói chung, xói cục bộ. Kiến nghị mực nước thông thuyền (sông có thuyền bè qua lại). Xác định mực nước thiết kế nền đường. Tính toán dự báo mực nước thi công. 1.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung môn học, đặc điểm , phương pháp nghiên cứu 3. Đặc điểm hiện tượng thủy văn. Tính ngẫu nhiên. Tính chu kỳ tương đối. Tính khu vực. 1.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung môn học, đặc điểm , phương pháp nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thống kê xác suất. Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành. 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông 1. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn Nhiệt độ không khí Độ ẩm không khí. Độ ẩm Bốc hơi (Z). Gió, bão. Mưa 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông Mưa Nguyên nhân gây ra mưa chính là do hơi nước bị lạnh. Phân loại mưa: - Mưa địa hình - Mưa đối lưu Các đặc trưng của mưa: Lượng mưa X: (mm). Cường độ mưa tức thời aT: (mm/phút hay mm/giờ). Đường quá trình mưa: đồ thị thể hiện sự biến đổi lượng mưa (hay cường độ mưa) theo thời gian gọi là đường quá trình mưa. 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông 2. Lưu vực và dòng sông. a) Lưu vực. Lưu vực sông là diện tích mặt đất mà trên đó nước sẽ tập trung chảy vào sông nhánh, sông chính hay là diện tích bề mặt đất có tác dụng hứng nước cho dòng sông ở trong đó. Đường phân thuỷ của lưu vực: là đường nối liền các cao trình cao nhất của lưu vực, ngăn cách nó với lưu vực khác ở bên, nước từ đây chảy theo hai sườn dốc của hai phía vào hai lưu vực kề nhau. 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông Các đặc trưng hình học của lưu vực 1) Diện tích lưu vực: F(km2) 2) Chiều dài lưu vực: Llv(km) coi là chiều dài của sông chính Ls. 3) Chiều rộng bình quân lưu vực: B (km) Lưu vực một sườn: Lưu vực hai sườn: 4) Hệ số hình dạng lưu vực: (K) 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông 2. Lưu vực và dòng sông. b) Dòng sông. Qua trình hình thành dòng chảy trên lưu vực: Quá trình mưa rơi xuống. Quá trình tổn thất do thấm, bốc hơi, đọng lại trên ao hồ, ... Quá trình chảy trên sườn dốc. Quá trình tập trung dòng chảy trong sông. 1.2. Các yếu tố khí tượng thuỷ văn - Lưu vực và dòng sông Dòng chảy được đặc trưng bởi các thông số: Lưu lượng Q (m3/s) Tổng lượng dòng chảy W (m3): Độ sâu dòng chảy Y (mm): Mô đun dòng chảy M (m3/s.km2): Hệ số dòng chảy : 1.3. Xác định các yếu tố thủy văn. Các yếu tố thủy văn: - Mực nước. - Lưu tốc. - Lưu lượng. - Lưu lượng bùn cát. - Lưu hướng. 1. Mực nước Định nghĩa: Mực nước là cao độ mặt nước tại vị trí đó so với mặt thủy chuẩn. 1. Mực nước Đo đạc: Đo bằng thủy chí hay thước Đây là phương pháp thương dùng. Khi đó mực nước tính theo công thức: H =  + h Điều tra mực nước: - Điều tra tại các đơn vị quản lý giao thông, các trạm thủy lợi. - Điều tra các vết lũ còn lại. - Điều tra bằng cách hỏi dân. 2. Lưu tốc. Đo đạc và tính toán. 2. Lưu tốc. Quy định điểm đo: - Khi h>3m → đo 5 điểm tại: mặt nước; 0.2h; 0.6h; 0.8h và đáy sông. - Khi h= 2 - 3m → đo 3 điểm tại : 0.2h; 0.6h; 0.8h. - Khi h=1 - 2m → đo 2 điểm tại : 0.2h; 0.8h. - Khi h<1m → đo 1 điểm tại : 0.6h. 2. Lưu tốc. Tính lưu tốc trung bình thủy trực: - Khi đo 5 điểm: vtb = 0,1(umặt + 3u0.2h + 3u0.6h + 2u0.8h + uđáy) - Khi đo 3 điểm: vtb = 0,25(u0.2h + 2u0.6h + u0.8h) - Khi đo 2 điểm: vtb = 0,5(u0.2h + u0.8h) - Khi đo 1 điểm: vtb = u0.6h 3. Lưu lượng Phương pháp lưu lượng bộ phận: fo, fn - diện tích tạo bởi mép sông bên trái với thuỷ trực 1 và mép sông bên phải với thuỷ trực n. f1, f2 , ... - diện tích giữa hai thuỷ trực. k1, k2 - hệ số triết giảm lưu tốc do ảnh hưởng của bờ sông. Thường lấy k1 = k2 = 0.7 - 0.8. Với khu vực nước tù: k1 = k2 = 0.5. 3. Lưu lượng Tính lưu lượng theo phương pháp đồ giải Tính lưu lượng đơn vị thủy trực: qi = vtbi.hi Vẽ quan hệ q ~ B trên mặt cắt ngang sông. Tính lưu lượng Q chính là diện tích quan hệ q ~ B và mặt nước. 4. Lưu lượng bùn cát. Định nghĩa: Lưu lượng bùn cát là trọng lượng (khối lượng) bùn cát được chuyển qua một mặt cắt trong một đơn vị thời gian. Có 2 loại bùn cát: bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy. Chương II: Phương pháp thống kê xác suất trong thủy văn. 2.1. Khái niệm. 2.2. Đường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 2.3. Mô hình phân phối xác suất thường dùng trong thuỷ văn và ứng dụng. 2.1. Khái niệm. Biến cố: là trị số lớn nhất của thông số thủy văn trong một năm. Mẫu: tập hợp nhiều biến cố trong các năm đo đạc. Gọi: n - là tổng số các biến cố đang xét (số năm đo đạc) hay chiều dài mẫu; m - là số biến có trị số là Xi. m - là số biến có trị số lớn hơn hay bằng Xi. 2.1. Khái niệm. Tần suất: Đường mật độ tần suất: 2.1. Khái niệm. Tần suất tích lũy: Đường tần suất: Kinh nghiệm. Lý luận. 2.2. Đường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 1. Các tham số thống kê: a) Các trị số biểu thị tính tập trung. Số trung bình: Số hội tụ (Mo): số hạng xuất hiện nhiều nhất (có tần suất lớn nhất trên biểu đồ phân bố mật độ xác suất) Số giữa: Số hạng có vị trí ở giữa sau khi sắp xếp các trị số tăng hay giảm dần. 2.2. Đường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 1. Các tham số thống kê: b) Các đặc trưng phân tán. Ly sai tiêu chuẩn: Hệ số phân tán (hệ số biến sai): Hệ số lệch (không đối xứng): trong đó: 2.2. Đường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. Ảnh hưởng của các tham số thống kê đến đường tần suất. - Ảnh hưởng của hệ số phân tán Cv - Ảnh hưởng của hệ số lệch Cs 2.2. Đường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 2. Đường tần suất kinh nghiệm Sắp xếp các trị số của mẫu theo TT từ lớn đến nhỏ. Tính tần suất tích luỹ theo các công thức kinh nghiệm. - Công thức trung bình (theo Hazen): - Công thức vọng số (theo K - M): - Công thức số giữa (theo Tregođaev): - Công thức theo Blokhin: Lấy trị số của mẫu (sau khi đã sắp xếp) và tần suất tích luỹ vẽ trên đồ thị sẽ được điểm tần suất kinh nghiệm. VD tính các tham số thống kê và vẽ đường tần suất kinh nghiệm trạm sông Lô. Kết quả tính Đường tần suất kinh nghiệm 2.3. Mô hình phân phối xác suất thường dùng trong thuỷ văn và ứng dụng. 1. Hàm Pearson III (PIII). 2. Hàm Loga - Pearson III (Log-PIII). 3. Hàm Kritxky - Menkel (Gamma ba thông số). 2.3. Mô hình phân phối xác suất thường dùng trong thuỷ văn và ứng dụng. 1. Hàm Pearson III. Qua thống kê nhiều tài liệu Pearson đã đưa ra điều kiện thành lập họ đường cong mật độ xác suất như sau: Tại vị trí hội tụ (số đông), hệ số góc của đường cong bằng 0. Hai đầu hoặc một đầu đường cong nhận trục hoành làm đường tiệm cận. Từ đó ông đưa ra phương trình vi phân của họ đường phân bố mật độ tần suất dạng tổng quát: trong đó: d - k/c từ điểm hội tụ đến trị số trung bình gọi là bàn kính lệch b0, b1. b2 - các hệ số. 1. Hàm Pearson III. Giải phương trình 3-1 trong trường hợp b2 = 0 được hàm PearsonIII (PIII): trong đó: a - khoảng cách từ điểm đầu đến số hội tụ. y0 - xác suất hay tần suất xuất hiện giá trị hội tụ (tung độ lớn nhất của đường cong). 1. Hàm Pearson III. Tính chất cơ bản của đường cong này là: Đầu trái có giới hạn trị x = x0 còn đầu phải đường cong dần ra vô cùng (không có xmax). 1. Hàm Pearson III. Đường cong này có 3 tham số yo, a, d. Nếu 3 tham số này được xác định cụ thể thì ứng với mỗi giá trị của biến x sẽ có một giá trị tương ứng của hàm y, khi đó đường cong được xác định. Qua phân tích bằng thống kê toán đã xác định được các thông số đó: 1. Hàm Pearson III. trong đó: Г(4/CS2) - gọi là hàm gamma đã được tính sẵn bởi Foster và Rubkin. Xây dựng đường tần suất lý luận theo hàm PIII: Bước 1: Xây dựng đường tần suất kinh nghiệm. Bước 2: Tính các tham số thống kê: Xtb, CV, CS. Bước 3: - Kiểm tra bất đẳng thức kép: - Nếu bất đẳng thức kép thỏa mãn thì từ (CS và P%) tra bảng 2-1 (Phụ lục 3-1) được Φ và tính được XP% theo bảng sau: 1. Hàm Pearson III. Bước 4: Từ (P% và XP) vẽ được đường tần suất lý luận (là một đường cong trơn) trên cùng đồ thị với đường tần suất kinh nghiệm. Ví dụ tính theo PIII 2.3. Mô hình phân phối xác suất thường dùng trong thủy văn và ứng dụng 2. Hàm Loga-Pearson 3. Hàm này tương tự như hàm PIII, nhưng không sử dụng trực tiếp các trị số thủy văn mà dùng trị số logarit của nó và đưa vào tính toán theo PIII. Khi đó các tham số thống kê tương ứng là: Trị số trung bình cộng: Độ lệch tiêu chuẩn: Hệ số độ lệch: 2. Hàm Loga-Pearson 3. Từ đó xác định trị số XP đối với chu kỳ khác nhau: Yếu tố thể hiện chu kỳ K được xác định theo bảng 2-2 (bảng 3-2) tương ứng với hệ số lệch CS và chu kỳ T năm hay P% tương ứng. VD tính đường tần suất theo LogPIII VD tính đường tần suất theo LogPIII 2.3. Mô hình phân phối xác suất thường dùng trong thủy văn và ứng dụng 3. Hàm Kritsky - Menkel (K-M) hay Gamma 3 thông số. Hai tác giả Kritsky và Menkel sau khi phân tích nhiều số liệu thuỷ văn đã đưa ra nhận xét: Đường cong PIII tương đối phù hợp với các tài liệu thực đo, song nó bị giới hạn bởi điều kiện CS < CV thì các đặc trưng thuỷ văn rơi vào khu vực âm và không còn phù hợp. Do vậy tác giả đã đưa ra điều kiện để xây dựng một đường phân bố mật độ mới: Có thể dùng 3 tham số Xtb, CV, CS để tính toán. Chỉ có một số đông. Trị số của biến ngẫu nhiên có thể thay đổi trong phạm vi 0X .