Bài giảng Thủy văn công trình - Chương I: Thu thập số liệu và xác ñịnh các yếu tố thủy văn

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 ñịa hình - Mưa ñối lưu
Các ñặc trưng của mưa: Lượng mưa X: (mm). Cường ñộ mưa tức thời aT: (mm/phút hay mm/giờ). ðường quá trình mưa: ñồ thị thể hiện sự biến ñổi lượng mưa (hay cường ñộ mưa) theo thời gian gọi là ñường 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 ñất mà trên ñó nước sẽ tập trung chảy vào sông nhánh, sông chính hay là diện tích bề mặt ñất có tác dụng hứng nước cho dòng sông ở trong ñó. ðường phân thuỷ của lưu vực: là ñường nối liền các cao trình cao nhất của lưu vực, ngăn cách nó với lưu vực khác ở bên, nước từ ñây 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 ñặc 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: slv L F L FB == 4) Hệ số hình dạng lưu vực: (K) slv L2 F L2 FB == sL BK = 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, ñọng 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 ñược ñặc trưng bởi các thông số:
Lưu lượng Q (m3/s)
Tổng lượng dòng chảy W (m3):
ðộ sâu dòng chảy Y (mm):
Mô ñun dòng chảy M (m3/s.km2):
Hệ số dòng chảy φ: t.QW i ∆∑= F WY .1000 = F QM = 1≤= X Yφ 1.3. Xác ñịnh 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
ðịnh nghĩa: Mực nước là cao ñộ mặt nước tại vị trí ñó so với mặt thủy chuẩn. h Thñy chÝ H MÆt thñy chuÈn 1. Mực nước
ðo ñạc: ðo bằng thủy chí hay thước ðây là phương pháp thương dùng. Khi ñó mực nước tính theo công thức: H = ∇ + h
ðiều tra mực nước: - ðiều tra tại các ñơn vị quản lý giao thông, các trạm thủy lợi. - ðiều tra các vết lũ còn lại. - ðiều tra bằng cách hỏi dân. 2. Lưu tốc. ðo ñạc và tính toán. TT 3TT 2Thñy trùc 1 h1 h h2 3 2. Lưu tốc.
Quy ñịnh ñiểm ño: - Khi h>3m → ño 5 ñiểm tại: mặt nước; 0.2h; 0.6h; 0.8h và ñáy sông. - Khi h= 2 - 3m → ño 3 ñiểm tại : 0.2h; 0.6h; 0.8h. - Khi h=1 - 2m → ño 2 ñiểm tại : 0.2h; 0.8h. - Khi h<1m → ño 1 ñiểm tại : 0.6h. 2. Lưu tốc.
Tính lưu tốc trung bình thủy trực: - Khi ño 5 ñiểm: vtb = 0,1(umặt + 3u0.2h + 3u0.6h + 2u0.8h + uñáy) - Khi ño 3 ñiểm: vtb = 0,25(u0.2h + 2u0.6h + u0.8h) - Khi ño 2 ñiểm: vtb = 0,5(u0.2h + u0.8h) - Khi ño 1 ñiểm: vtb = u0.6h 3. Lưu lượng
Phương pháp lưu lượng bộ phận: n)n(tb21n )n(tb)1n(tb 1 2tb1tb o1tb1 i f.v.kf 2 vv ...f 2 vvf.v.k QQ + + ++ + += = − − ∑ 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. TT 2Thñy trùc 1 TT 3 h1 h2 h3 f f1 0 f2 f3 3. Lưu lượng
Tính lưu lượng theo phương pháp ñồ giải – Tính lưu lượng ñơn 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. q=f(B) 1 q q2 3q 4. Lưu lượng bùn cát.
ðịnh nghĩa: – Lưu lượng bùn cát là trọng lượng (khối lượng) bùn cát ñược chuyển qua một mặt cắt trong một ñơn vị thời gian.
Có 2 loại bùn cát: bùn cát lơ lửng và bùn cát ñáy. Ch
ng II: Phương pháp thống kê xác suất trong thủy văn. 2.1. Khái niệm. 2.2. ðường 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 ño ñạc. Gọi: n - là tổng số các biến cố ñang xét (số năm ño ñạc) 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: %100 n mp =
ðường mật ñộ tần suất: X p (%) Mo p max 2.1. Khái niệm.
Tần suất tích lũy:
ðường tần suất: – Kinh nghiệm. – Lý luận. %100 n mP ∑= P (%) X Duong tan suat kinh nghiem Duong tan suat ly luan 2.2. ðường 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 ñồ phân bố mật ñộ xác suất)
Số giữa: Số hạng có vị trí ở giữa sau khi sắp xếp các trị số tăng hay giảm dần. )12( n X X i −=∑ 2.2. ðường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 1. Các tham số thống kê: b) Các ñặc trưng phân tán.
Ly sai tiêu chuẩn:
Hệ số phân tán (hệ số biến sai):
Hệ số lệch (không ñối xứng): trong ñó: )22( 1n )XX( 2i − − − =σ ∑ )32( 1n )1K( C 2 i V − − − = ∑ )42( C).1n( )1K( C 3 V 3 i S − − − = ∑ X XK ii = )a42( C).3n( )1K( C 3 V 3 i S − − − = ∑ 2.2. ðường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. Ảnh hưởng của các tham số thống kê ñến ñường tần suất. - Ảnh hưởng của hệ số phân tán Cv - Ảnh hưởng của hệ số lệch Cs 2 0 1 X 50% H×nh 2: ¶nh h−ëng CV P X = const C = constS C < C C = 0 V1 V0 V2 H×nh 3: ¶nh h−ëng C ®Õn ®−êng mËt ®é SC > 0 p S X = const C = const C < 0 SC = 0 S V 2.2. ðường tần suất kinh nghiệm và các tham số thống kê. 2. ðường tần suất kinh nghiệm
Sắp xếp các trị số của mẫu theo TT từ lớn ñến 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 Tregoñaev): - Công thức theo Blokhin:
Biểu diễn quan hệ Biến cố và tần suất tích luỹ trên giấy tần suất sẽ ñược ñường tần suất kinh nghiệm. %100.5.0 n mP −= %100. 1+ = n mP %100. 4.0 3.0 + − = n mP %100. 2.0 3.0 + − = n mP VD tính các tham số thống kê và vẽ ñường tần suất kinh nghiệm trạm sông Lô. 9722008 3502007 7672006 5362005 5032004 7762003 5702002 6172001 4912000 Q (m3/s)Năm Kết quả tính 0.1100.7355582Tổng -0.08270.1898-0.43570.56439035097220089 -0.00900.0434-0.20830.79178049135020078 -0.00680.0357-0.18900.81107050376720067 -0.00250.0184-0.13580.86426053653620056 -0.00050.0066-0.08100.91905057050320045 0.00000.0000-0.00520.99484061777620034 0.01330.05600.23671.23673076757020023 0.01580.06310.25121.25122077661720012 0.18250.32170.56721.56721097249120001 (Ki-1)3(Ki-1)2(Ki-1)KiP %Q giảmQ (m3/s)NămTT 0.6588Cs = 0.3031Cv = m3/s620.22Qtb = ðường tần suất kinh nghiệm FFC 2008 © Nghiem Tien Lam 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0.01 0.1 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 99 99.9 99.99 ðƯỜNG TẦN SUẤT DÒNG CHẢY LŨ Qmax - TRẠM SÔNG LÔ L ư u l ư ợ n g , Q ( m ³ / s ) Tần suất, P(%) Lưu lượng sông Lô TB=620.22, Cv=0.30, Cs=0.66 © FFC 2008 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 ñã ñưa ra ñiều kiện thành lập họ ñường cong mật ñộ xác suất như sau:
Tại vị trí hội tụ (số ñông), hệ số góc của ñường cong bằng 0.
Hai ñầu hoặc một ñầu ñường cong nhận trục hoành làm ñường tiệm cận. Từ ñó ông ñưa ra phương trình vi phân của họ ñường phân bố mật ñộ tần suất dạng tổng quát: )13( xbxbb y).dx( dx dy 2 21o − ++ + = trong ñó:
d - k/c từ ñiểm hội tụ ñến 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 ñược hàm PearsonIII (PIII): )23(e. a x1yy d xd a o −      += − trong ñó:
a - khoảng cách từ ñiểm ñầu ñến số hội tụ.
y0 - xác suất hay tần suất xuất hiện giá trị hội tụ (tung ñộ lớn nhất của ñường cong). 1. Hàm Pearson III. y o y a xdx x d Tính chất cơ bản của ñường cong này là: ðầu trái có giới hạn trị x = x0 còn ñầu phải ñường cong dần ra vô cùng (không có xmax). 1. Hàm Pearson III. ðường cong này có 3 tham số yo, a, d. Nếu 3 tham số này ñược xác ñịnh cụ thể thì ứng với mỗi giá trị của biến x sẽ có một giá trị tương ứng của hàm y, khi ñó ñường cong ñược xác ñịnh. Qua phân tích bằng thống kê toán ñã xác ñịnh ñược các thông số ñó: XCCd SV . 2 . = dX C C a S V −= . 2 )4(.. 142 2 4 4 2 2 2 S C V C S S o C eC C C y S S Γ       − = − 1. Hàm Pearson III. trong ñó: Г(4/CS2) - gọi là hàm gamma ñã ñược tính sẵn bởi Foster và Rubkin. Xây dựng ñường tần suất lý luận theo hàm PIII: Bước 1: Xây dựng ñường tần suất kinh nghiệm. Bước 2: Tính các tham số thống kê: Xtb, CV, CS. Bước 3: - Kiểm tra bất ñẳng thức kép: - Nếu bất ñẳng thức kép thỏa mãn thì từ (CS và P%) tra bảng 2-1 (Phụ lục 3-1) ñược Φ và tính ñược XP% theo bảng sau: min1 22 K CCC VsV − ≤≤ 1. Hàm Pearson III. Bước 4: Từ (P% và XP) vẽ ñược ñường tần suất lý luận (là một ñường cong trơn) trên cùng ñồ thị với ñường tần suất kinh nghiệm. Ví dụ tính theo PIII 8709601022114313781590QP = KP.Qtb 04.155.156.148.122.265.2KP= (Φ.CV+1) 1.331.812.142.784.035.16Φ 105310.10.01P% 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 ñưa vào tính toán theo PIII. Khi ñó các tham số thống kê tương ứng là:
Trị số trung bình cộng:
ðộ lệch tiêu chuẩn:
Hệ số ñộ lệch: n Xlog Xlog i∑= 1n )XlogX(log 2i Xlog − − =σ ∑ 3 Xlog 3 i S ))(2n)(1n( )XlogX(log.n C σ−− − = ∑ 2. Hàm Loga-Pearson 3. Từ ñó xác ñịnh trị số XP ñối với chu kỳ khác nhau: XlogP .KXlogXlog σ+= Yếu tố thể hiện chu kỳ K ñược xác ñịnh 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 ñường tần suất theo LogPIII -0.00090.138924.97Tổng 0.00960.04530.21272.98897220089 -0.01230.0533-0.23092.54435020078 0.00130.01210.10992.88576720067 -0.00010.0021-0.04582.72953620056 -0.00040.0054-0.07342.70250320045 0.00150.01320.11492.8977620034 0.00000.0004-0.01912.75657020023 0.00000.00020.01542.7961720012 -0.00060.0070-0.08382.69149120001 (logQ-logQtb)3(logQ-logQtb)2(logQ-logQtb)logQQ (m3/s)NămTT VD tính ñường tần suất theo LogPIII -0.0643Cs = 0.1318σlogQ = 2.7749logQtb = 1264.801179.531092.701002.48875.58Qp 3.103.073.043.002.94logQp 2.4822.25221.7161.27K 0.512410P% 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 ñã ñưa ra nhận xét:
ðường cong PIII tương ñối phù hợp với các tài liệu thực ño, song nó bị giới hạn bởi ñiều kiện CS < CV thì các ñặc trưng thuỷ văn rơi vào khu vực âm và không còn phù hợp. Do vậy tác giả ñã ñưa ra ñiều kiện ñể xây dựng một ñường phân bố mật ñộ mới:
Có thể dùng 3 tham số Xtb, CV, CS ñể tính toán.
Chỉ có một số ñông.
Trị số của biến ngẫu nhiên có thể thay ñổi trong phạm vi 0≤X ≤∞. 3. Hàm Kritsky - Menkel (K-M) hay Gamma 3 thông số. Vì khi CS = 2CV thì ñường PIII hoàn toàn thoả mãn các ñiều kiện trên nên hai ông ñã lấy dạng hàm số của ñường PIII với CS = 2CV làm cơ sở tiến hành biến ñổi hàm số và tìm ra một dạng ñường gọi là ñường Kritsky - Menkel: trong ñó:
a, b - là các hằng số.
Г(1/CS2) - hàm gamma.
α = 1/CS2       − α       α− α α αΓ α = 1 ba x b/ X.e.b.a 1 .)(dx dP b/1 3. Hàm Kritsky - Menkel (K-M) hay Gamma 3 thông số. Xây dựng ñường tần suất lý luận theo hàm K-M: Bước 1, 2: Như hàm PIII Bước 3: - Tính m = CS/CV và chọn bảng tính phù hợp (CS = m.CV). - Tra các thông số KP (Bảng 2-3 hay PL3-3), tính XP. Các kết quả tính có thể lập thành bảng: Bước 4: Như hàm PIII VD tính ñường tần suất lý luận theo K-M 868.3955.11017.21135.01358.31556.8Qp = Kp.Qtb 1.41.541.641.832.192.51KP 105310,10,01P% (K-M) 8709601022114313781590QP = KP.Qtb 04.155.156.148.122.265.2KP= (Φ.CV+1) 1.331.812.142.784.035.16Φ 105310.10.01P% (PIII) 1264.801179.531092.701002.48875.58Qp 3.103.073.043.002.94logQp 2.4822.25221.7161.27K 0.512410P% (logPIII) Ch
ng III: Tính lưu lượng thiết kế từ mưa rào 3.1. Các giả thiết và mô hình dòng chảy 3.2. Một số công thức xác ñịnh lưu lượng lũ thiết kế 3.1. Các giả thiết và mô hình dòng chảy 1. Các giả thiết. ðể thiết lập các công thức tính lưu lượng ñỉnh lũ thiết kế cho ñơn giản, thuận tiện người ta ñưa ra các giả thiết:
Mưa ñồng thời trên toàn bộ lưu vực.
Cường ñộ mưa không ñổi trong suốt trận mưa.
ðất bão hoà nước từ trận mưa trước.
Cường ñộ thấm coi như ñồng ñều trên toàn bộ 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 là giao tuyến 2 mặt phẳng nghiêng ñó.
ðộ dốc thuỷ lực coi như ñồng ñều suốt chiều dài sông và bằng ñộ dốc trung bình ñáy các sông suối ñó. 3.1. Các giả thiết và mô hình dòng chảy 2. Mô hình toán dòng chảy a- Lý thuyt tp trung dòng chy: Giả thiết:
Mưa và thấm ñều trên lưu vực với lượng quá thấm (lượng cấp nước) là h(mm).
Thời gian mưa tạo ra dòng chảy là thời gian mưa quá thấm TC= 5τ; (τ là thời gian tập trung dòng chảy).
Lượng mưa cấp nước trong từng ñơn vị thời gian là h1, h2, h3, h4.
Lưu vực có cùng ñộ dốc, ñộ nhám và ñược chia thành nhiều mảnh nhỏ từ vị trí công trình ñến nguồn sông bằng các ñường ñẳng thời.
Thời gian tập trung nước giữa các ñường ñẳng thời kế tiếp nhau có cùng một ñơn vị thời gian cố ñịnh τ0 = τ/n (n=10-20) và τ = Ls/v 2. Mô hình toán dòng chảy Sự thay ñổi lưu lượng tại vị trí CT theo thứ tự thời gian như sau:
Sau thời ñoạn ñầu tiên (τ0) toàn bộ diện tích lưu vực F= Σf phủ lớp cấp nước h1, song chỉ có lượng h1 ở f1 chảy qua vị trí công trình Q1=h1.f1, các h1 ở diện tích phía trên tiến dần về phía công trình một chiều dài là l0= v.τ0.
Cuối thời ñoạn 2 (2τ0) toàn lưu vực phủ thêm lượng cấp nước h2, song cũng chỉ có h1 ở f2 và h2 ở f1 qua của ra lưu vực: Q2= h1.f2+ h2.f1.
Cuối thời ñoạn 3 (3τ0): Q3= h1.f3+ h2.f2 +h3.f1
Cuối thời ñoạn 4 (4τ0): Q4= h1.f4+ h2.f3 +h3.f2+ h4.f1
Thời ñoạn mưa thứ 5 (5τ0) lượng cấp nước h5 phủ trên toàn lưu vực, lượng cấp nước h1 ở thời ñoạn τ0 ñã qua cửa ra, do ñó: Q5= h2.f4+ h3.f3 +h4.f2+ h5.f1. f4 f3 f2 f1 2. Mô hình toán dòng chảy
Mưa cấp nước ngừng, song lượng mưa của các thời ñoạn trước còn tiếp tục chảy qua cửa ra cho tới lúc h5 phủ trên f4 qua ñược cửa ra thì ngừng chảy. Như vậy: Q6= h3.f4+ h4.f3 +h5.f2; Q7= h4.f4+ h5.f3; Q8= h5.f4; Q9= 0;
Vẽ ñường thay ñổi lưu lượng từ Q1 ñến Q8 theo τ sẽ ñược ñường quá trình lũ do mưa cấp nước. Thực tế quá trình hình thành dòng chảy lũ là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: + Mưa phân bố không ñều theo thời gian. + Phụ thuộc hình dạng ñịa hình, ñịa mạo, ñịa chất, thảm thực vật không giống như giả thiết. f4 f3 f2 f1 2. Mô hình toán dòng chảy b- Hình thành mô ñun dòng chy ln nht. 3.2. Một số công thức xác ñịnh lưu lượng lũ thiết kế 1. Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95). trong ñó:
QP: lưu lượng ñỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P%, m3/s.
F: diện tích lưu vực, km2 (F < 100km2)
HP: lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất T/kế P% của trạm ñại biểu cho lưu vực tính toán, mm.
ϕ: hệ số dòng chảy lũ lấy theo bảng 3.3 (phụ lục 4-1), tuỳ thuộc vào loại ñất cấu tạo nên lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế (HP) và diện tích lưu vực (F);
δ: hệ số xét tới ảnh hưởng làm giảm nhỏ lưu lượng ñỉnh lũ do ao hồ xác ñịnh theo bảng 3.2 (phụ lục 4-8). )1.3(δϕ ××××= FHAQ pPP 1. Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95).
AP: mô ñuyn dòng chảy ñỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, xác ñịnh (theo phụ lục 4-4), tuỳ thuộc vào ñặc trưng ñịa mạo thuỷ văn của lòng sông φls , thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τsd và vùng mưa; Xác ñịnh hệ số ñặc trưng ñịa mạo thủy văn của lòng sông ϕls theo công thức sau: trong ñó:
mls: hệ số nhám lòng sông, phụ thuộc vào ñặc ñiểm sông suối lưu vực xác ñịnh theo bảng 3.6 (Phụ lục 4-7);
Jls: ñộ dốc lòng sông chính (0/00); ( ) 4/1P3/1lslsls H..FJm L1000 ϕ =φ 1. Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95). Xác ñịnh thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd :Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd xác ñịnh (theo phụ lục 4-3), phụ thuộc vào hệ số ñịa mạo thuỷ văn của sườn dốc ϕsd và vùng mưa. + Hệ số ñặc trưng ñịa mạo sườn dốc ϕsd xác ñịnh theo CT: trong ñó: Lsd: chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực, km;
ðối với lưu vực 2 sườn dốc thì:
ðối với lưu vực 1 sườn dốc thì: ( ) 4,0P3,0sdsd 6,0 sd sd H.J.m )L.1000( ϕ =φ ( )lL8,1 FLsd Σ+ = ( )lL9,0 FLsd Σ+ = 1. Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95). trong ñó:
L: chiều dài lòng chính, km;
Σ l : tổng chiều dài các sông nhánh trên lưu vực, km;
msd: hệ số nhám sườn dốc, phụ thuộc vào ñặc ñiểm bề mặt sườn lưu vực xác ñịnh theo bảng 3.5 (PL4-6);
Jsd: ñộ dốc sườn dốc tính theo 0/00; 3.2. Một số công thức xác ñịnh lưu lượng lũ thiết kế 2. Công thức cường ñộ giới hạn (ðại học Xây dựng Hà Nội). ðối với các lưu vực nhỏ F ≤ 30 km2, thời gian tập trung nước nhanh, lưu lượng tính toán xác ñịnh theo lượng mưa ngày sẽ kém chính xác. Có thể xác ñịnh lưu lượng thiết kế dựa vào công thức tính toán có dạng sau ñây: α: hệ số xác ñịnh theo bảng: )23(Fa67,16Q PP −α×ϕ×δ×××= 0,16 0,14 0,12 0,08 0,05 300 500 1000 10000 100000 0,40 0,33 0,31 0,27 0,24 0,22 6,0 10 15 30 50 60 0,63 0,62 0,53 0,50 0,47 0,41 0,5 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0 0,98 0,91 0,86 0,81 0,75 0,69 0,0001 0,001 0,005 0,01 0,05 0,10 αF (km2)αF (km2)αF (km2)αF (km2) 2. Công thức cường ñộ giới hạn (ðại học Xây dựng Hà Nội). aP: cường ñộ mưa tính toán tính bằng mm/ph: tc - thời gian hình thành dòng chảy theo công thức sau: ðại lượng 18,6/f(Isd0,4) xác ñịnh theo bảng: ψ: toạ ñộ ñường cong mưa xác ñịnh theo phụ lục 4-11. 7,68,210,811,412,013,314,715,215,418,6/f(Isd0,4) 8004001008060301052Isd% c P P t H. a ψ = 4,0 sd 4,0 sd 4,0 sd c )m.100).(I(f L.6,18 t = 3.2. Một số công thức xác ñịnh lưu lượng lũ thiết kế 3. Công thức triết giảm: trong ñó:
q100: mô ñuyn ñỉnh lũ ứng với tần suất 10% ñược qui về diện tích lưu vực bằng 100km2, xác ñịnh theo q100 (l/s/km2) theo theo phụ lục 4-9.
n: hệ số triết giảm mô ñun ñỉnh lũ phụ thuộc vào diện tích lưu vực, xác ñịnh theo phụ lục 4-9
λp: hệ số chuyển ñổi tần suất 10% sang p%, xác ñịnh theo phụ lục 4-9 . )33(.F. F 100qQ P n 100P −δλ      = 3.2. Một số công thức xác ñịnh lưu lượng lũ thiết kế 4. Công thức Xôkôlốpxki. trong ñó:
Qng: lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ, có thể lấy bằng lưu lượng nước bình quân nhiều năm ñối với lưu vực lớn, hoặc có thể bỏ qua ñối với lưu vực nhỏ;
f: hệ số hình dạng lũ, ở sông không có bãi f=1,20; sông có bãi thoát ñược dưới 25% Q thì f=1,0; sông có bãi thoát ñược trên 50% Q thì f=0,75;
α: hệ số dòng chảy phụ thuộc lưu vực sông;
H0: lớp nuớc mưa tổn thất ban ñầu phụ thuộc lưu vực sông ( ) )43(Q.f.. t HH278,0Q ng l 0T P −+δα − = 250,64L−u vùc c¸c s«ng ðång Nai, s«ng BÐ11 210,76L−u vùc c¸c s«ng Sª San vµ s«ng Srªpèk10 160,86L−u vùc c¸c s«ng tõ Thu Bån - s«ng C¸i9 210,92L−u vùc c¸c s«ng tõ s«ng Chu - s«ng H−¬ng8 150,89L−u vùc c¸c s«ng Quảng Ninh7 190,86L−u vùc s«ng Kú Cïng, s«ng Lôc Nam6 220,77L−u vùc s«ng CÇu, s«ng Th−¬ng, s«ng Trung, s«ng B»ng Giang, B¾c Giang. 5 260,66S«ng G©m, h¹ l−u s«ng L«, s«ng Phã ð¸y4 200,82C¸c l−u vùc th−îng nguån s«ng L«, s«ng Chảy3 220,81L−u vùc s«ng ðµ, s«ng Thao2 200,65L−u vùc s«ng NËm Rèn vµ th−îng nguån s«ng M^1 H0(mm)αðÞa danhKhu 4. Công thức Xôkôlốpxki.
tl: thời gian lũ lên, theo ñề nghị của Xôkôlốpxki lấy bằng thời gian tập trung dòng chảy trong sông. Khi không có tài liệu mưa và dòng chảy thì có thể tính theo công thức:
HT: lượng mưa thời ñoạn tính toán ứng với thời gian tập trung dòng chảy, mm; HT = ψ.HP ψT: toạ ñộ ñường cong triết giảm mưa ứng với thời gian mưa thiết kế lấy bằng T, xem phụ lục 4-11 )h( v.6,3 L t tb l = 4. Công thức Xôkôlốpxki. ðối với lưu vực vừa và lớn (F > 100km2) cần xét triết giảm của lượng mưa theo diện tích. KT và m xác ñịnh theo T (tl)
T ≤ 1440ph ⇒ KT= 0,001 và m= 0.80
T > 1440ph ⇒ KT= 0,002 và m= 0.60 )mm( FK1 HH m T T,' T + = Ch
ng IV: Khẩu ñộ cầu và dự ñoán xói dưới cầu.
4.1. Khái niệm.
4.2. Tài liệu thủy văn.
4.3. Hình thái ñoạn sông.
4.4. Khẩu ñộ cầu và dự ñoán xói chung dưới cầu.
4.5. Dự ñoán xói cục bộ trụ cầu. 4.1. Khái niệm. 1. Giới thiệu chung về các hạng mục công trình cầu. Hình 4.1. Sơ ñồ khẩu ñộ cầu. 1.Phần khẩu ñộ cầu thoát nước. 2.Kè hướng dòng. 3.ðường. 4.Kè bảo vệ ñường. 5.Kè bờ lòng sông. 6.Mép lòng sông. 7.Mép lũ thiết kế. 7 7 7 76 6 5 3 4 2 2 1 2. Nhiệm vụ thiết kế. a) Phân tích thủy văn:
Phân tích tần suất lũ tại nơi vượt dòng chảy.
Lũ thiết kế ñược lựa chọn dựa vào cơ sở kinh tế, xây dựng công trình, xã hội, chính trị và môi trường.
Xác ñịnh lưu lượng và mực nước lũ thiết kế, ñường quá trình lũ thiết kế thay ñổi theo thời gian, các mực nước thông thuyền, thi công, mực nước thấp nhất và thời gian kéo dài cấp mực nước ñã nêu. b) Phân tích thủy lực:
Xây dựng quan hệ lưu lượng và mực nước.
Xác ñịnh phân phối dòng chảy và phân phối tốc ñộ. 2. Nhiệm vụ thiết kế. Các yêu cầu bắt buộc ñối với thiết kế TL công trình v
ợt sông:
Nước dâng không làm tăng ñáng kể tác hại của lũ ñến tài sản, nhà cửa, ruộng vườn, các CT xây dựng ven sông phía thượng lưu cầu.
Tốc ñộ dòng chảy dưới cầu không gây hại cho cầu, ñường và tài sản, nhà cửa công trình phía hạ lưu.
Duy trì phân phối lưu lượng trong phạm vi thực tế.
Sự tập trung dòng chảy do diện tích trụ, mố chiếm chỗ ít ảnh hưởng ñến dòng chảy bình thường và giảm thiểu tiềm ẩn xói lở.
Thiết kế móng trụ, mố hạn chế xói lở gây sập cầu.
ðủ tĩnh không thông thuyền và cây trôi mũa lũ.
Tác ñộng xấu ít nhất ñến hệ sinh thái lòng và bãi sông.
Chi phí xây dựng, duy tu bảo dưỡng khai thác sửa chữa ñược ñảm bảo về mặt pháp lý. 3. Vị trí vượt dòng.
Phù hợp với tuyến ñường.
Cầu nên bố trí ở nơi có nền ñịa chất tốt. Cụ thể là:
Hướng dòng sông song song với bãi sông, hay lệch một góc nhỏ; ñoạn sông ổn ñịnh, lạch sâu rõ ràng, thẳng hay là ñường cong trơn, bán kính lớn, êm thuận.
Bãi sông nhỏ, ở cao trình cao, không bị lầy, không có ñầm, hồ, không có sông nhánh, cũ.
Nên bố trí vuông góc với dòng chảy.
Không nên ñi qua dưới cửa sông nhánh tránh trầm tích ñọng bùn cát.
Cầu nên làm vuông góc với hướng thông thuyền, lạch tàu thuyền tương ứng với các mực nước.
Không ñặt cầu tại nơi lạch tàu ñi chéo từ bờ này sang bờ kia. 4. Tần suất thiết kế.
Theo TCVN 4054 - 2005: ðường ô tô - yêu cầu thiết kế: 444Rãnh ñỉnh, rãnh biên 421Cầu nhỏ, cống 111Cầu lớn, cầu trung Theo tần suất tính toán cầu hoặc cốngNền ñường, kè Cấp III ñến VICấp I,IICao tốc Cấp thiết kế của ñườngTên công trình
Nếu trong khảo sát ñiều tra ñược MNLS cao hơn MN lũ tính toán theo TS quy ñịnh thì ñối với cầu lớn phải dùng MNLS làm trị số tính toán.
Tại các ñoạn ñường chạy qua khu ñô thị và các khu dân cư tần suất lũ tính toán tiêu chuẩn thiết kế ñường ñô thị. 4. Tần suất thiết kế.
Theo Tiêu chuẩn thiết kế ñường ôtô 22 TCN 273-05 444Rãnh 421Cầu nhỏ, cống 211Cầu lớn, cầu trung Như ñối với cầu nhỏ và cốngNền ñường Cấp IVCấp II,IIICao tốc, cấp I Cấp ñườngLoại công trình
ðối với các CT có Lc ≥ 10m và các kết cấu vĩnh cửu thì tần suất lũ tính toán lấy bằng 1:100, và không phụ thuộc vào cấp ñường.
ðối với các cầu lớn, ñể ñảm bảo mố, trụ không bị xói, cần phải tính toán kiểm tra xói trên cơ sở lũ 500 năm (trừ khi chủ ñầu tư ñưa ra tiêu chí khác). 4.2. TÀI LIỆU ðỊA HÌNH, ðỊA CHẤT, THỦY VĂN. 1. ðặc ñiểm ñịa hình, ñịa chất. Số liệu khảo sát ñịa hình là những thông tin cần thiết ñể người kỹ sư lựa chọn vị trí ñặt công trình, nghiên cứu thủy lực và kết cấu nền móng. Tài liệu về ñịa hình, ñịa chất bao gồm:
Bình ñồ khu vực, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang dưới cầu trước khi làm cầu.
Mặt cắt ngang dưới cầu hiện tại.
ðịa chất hai bờ và ñáy sông, lớp ñá gốc.
Sự bồi tích, xói mòn, xói lở. 2. Tài liệu thủy văn. Tài liệu thủy văn cần thiết phải dựa vào phương pháp sẽ áp dụng ñể ñánh giá lũ; song thông thường phải có:
Các thông tin về các trận lũ (lưu lượng, mực nước các trận lũ trong các năm).
ðiều kiện khí tượng, khí hậu khu vực (ñặc biệt là Lượng mưa).
Các ñặc trưng của lưu vực.
Kích thước, hình dạng sông.
Phiếu ñiều tra mực nước. 3. Môi trường. Tài liệu về môi trường bao gồm:
Những thông tin cần thiết xác ñịnh tính nhạy cảm của môi trường tại nơi vượt dòng và thông tin về vùng ñất trũng.
Thông tin về dòng chảy và lưu lượng bùn cát.
Thông tin cần thiết xác ñịnh mức ñộ và sự cần thiết phải ñưa ra và thiết kế các biện pháp giảm thiểu: các loại cá, thủy sinh, phân tích bùn cát, sử dụng nước và chất lượng nước. 4. Các ñặc trưng dòng chảy.
Mặt cắt ngang dòng sông ñể xây dựng quan hệ mực nước- lưu lượng.
Mặt cắt dọc sông ñể xây dựng ñường mặt nước, ñộ dốc dọc.
Số liệu về sử dụng ñất, diện tích có cây che phủ, vật liệu ñáy sông ñể xác ñịnh ñộ nhám và tính mô ñun lưu lượng. 4.3. HÌNH THÁI ðOẠN SÔNG. ðể là quy hoạch và chọn vị trí vượt dòng, người kỹ sư cần hiểu rõ hình thái dòng song và sự thay ñổi do công trình vượt dòng gây ra. Diễn biến dòng sông liên quan ñến vị trí chọn công trình có thể thông qua các thông tin sau:
Các yếu tố ñịa chất, thạch học.
Các yếu tố thủy văn.
ðặc trưng thủy lực: chiều sâu dòng chảy, tốc ñộ, ñộ dốc, chiều rộng, lưu lượng bùn cát, xói, bồi tích, vị trí lòng lạch thay ñổi theo không gian và thời gian. Sông thẳng • Sông thẳng khi chiều dài lạch sâu nhất trên chiều dài thung lũng nhỏ hơn 1,5 và lạch sâu uốn lượn trong phạm vi chiều rộng kênh mùa lũ.. ðoạn này ñịa chất bờ thường khó xói, thuận lợi cho xây dựng công trình vượt dòng. Sông uốn khúc • Sông uốn khúc: gồm các khúc sông cong hình chữ S. Những bờ lõm ở sông cong là hiểm họa ñối với cầu ñường. Do vậy, việc thiết kế công trình vượt dòng ở những ñoạn sông cong khá phức tạp vì khó dự ñoán sự phân phối dòng lũ. V Ü n h B ¶ o ( H ¶ i P h ß n g ) T ø K ú ( H ¶ i H − n g ) S . L u é c H ÷ u C h u n g b ) S . § u è n g X u © n Q u a n g N g h i X u y ª n S . L u é c Q u a n g L ^ n g V ¹ n P h ó c H µ N é i H ¦ N G Y £ N a ) ðoạn sông phân lạch • ðoạn sông phân lạch: chế ñộ thủy văn, thủy lực và hình thành của ñoạn sông rất phức tạp; về thủy văn phải xác ñịnh ñồng thời lũ ở cả hai sông; về thủy lực thì phải phân phối dòng chảy, ñộ dốc thủy lực, tốc ñộ dòng chảy, tất cả ñều phụ thuộc vào sự thay ñổi tương ñối giữa lưu lượng và mực nước ở hai sông. 4.4. KHẨU ðỘ CẦU VÀ DỰ ðOAN XÓI DƯỚI CẦU. 1. Vị trí khẩu ñộ thoát lũ. Vị trí khẩu ñộ thoát lũ với sông có bãi bị ngập lũ rộng là rất phức tạp. Nhìn chung khẩu ñộ bố trí tại lòng sông với chiều dài thoát lũ lớn hơn hay bằng chiều rộng lòng sông kết hợp với thoát lũ ở bãi sông. ðối với ñoạn sông có lòng, bãi rõ ràng, bãi nhỏ, nông thì chỉ cần bố trí một khẩu ñộ thoát lũ ở lòng sông. Trường hợp bãi sông lớn, có nhiều lạch nhỏ, có vùng tụ nước và lưu lượng bãi chiếm một phần ñáng kể so với tổng lưu lượng thì phải bổ sung công trình vượt lũ qua bãi ñể không phá vỡ sự phân bố lưu lượng và hướng dòng chảy tự nhiên, tránh dòng chảy dọc theo ñường bãi sông trên phạm vi dài, tránh ngập lụt lớn ở thượng lưu, ... 2. Nguyên lý tính khẩu ñộ cầu và xói chung. Cầu vượt dòng chảy ñược thiết kế thu hẹp một phần hay không thu hẹp dòng chảy.
Cầu không thu hẹp dòng chảy thường áp dụng với sông thông thuyền, sông vùng núi, sông ñã kênh hóa trong khu vực ñô thị.
Cầu qua dòng chảy tự nhiên nhất là ñối với sông vùng ñồng bằng thường có chiều dài nhỏ thua chiều rộng ngập lũ tính toán. Dòng chảy lũ bị thắt hẹp khi qua cầu nên phát sinh xói lở, thắt hẹp càng nhiều xói lở càng lớn, xói lở ñe dọa sự ổn ñịnh của cầu và ñường dẫn vào cầu. Do ñó xói lở dưới cầu phải ở phạm vi cho phép. Khẩu ñộ thoát lũ, nước dâng trước cầu và xói lở dưới cầu luôn ñi cùng nhau. 3. Xói dưới cầu. Nghiên cứu chỉ ra dưới cầu có ba loại xói làm hạ thấp cao ñộ ñáy sông:
Xói tự nhiên: do sự biến dạng (xói và bồi) tự nhiên của lòng sông, không phụ thuộc vào sự có mặt của công trình trên sông mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như chế ñộ thuỷ văn, ñiều kiện ñịa chất, sự khai thác nguồn nước v.v...;
Xói chung: do dòng chảy trên sông bị cầu thu hẹp;
Xói cục bộ: do trụ và mố cầu cản dòng nước, xảy ra ở sát chân công trình, hố xói có dạng hẹp và sâu. 3. Xói dưới cầu. 1 23 3. Xói dưới cầu. Nguyên nhân gây xói:
Xói tự nhiên: Do quá trình diễn biến tự nhiên của dòng sông bởi một nguyên nhân nào ñó không liên quan ñến xây dựng cầu.
Xói chung: - Xói chung ở lòng dẫn tự nhiên hoặc ở khu vực cầu có liên quan tới sự chuyển ñộng của vật liệu ñáy và bờ sông trên toàn bộ hoặc phần lớn bề rộng sông, là kết quả gia tăng của tốc ñộ dòng chảy và ứng suất tiếp ở ñáy sông. - Sự thu hẹp dòng chảy do nền ñường dẫn ñầu cầu choán vào bãi hoặc lòng chính là nguyên nhân chủ yếu nhất của xói chung. 3. Xói dưới cầu. Nguyên nhân gây xói:
Xói cục bộ Cơ chế cơ bản gây ra xói cục bộ ở trụ hoặc mố cầu là sự hình thành các xoáy (xoáy nước có hình móng ngựa, còn gọi là “xoáy móng ngựa”) ở móng của chúng. Xoáy móng ngựa ñược tạo nên do dòng nước phía thượng lưu xô vào mặt cản làm tăng dòng chảy quanh mũi trụ hoặc mố. Hoạt ñộng của xoáy làm di chuyển vật liệu ñáy quanh móng mố, trụ. Mức mang bùn cát ra khỏi vùng móng lớn hơn mức mang bùn cát ñến, kết quả là một hố xói ñược hình thành. Khi chiều sâu xói tăng lên, cường ñộ của xoáy móng ngựa giảm ñi làm giảm mức vận chuyển bùn cát. 3. Xói dưới cầu. Có hai cơ chế xói là xói nước trong và xói nước ñục.
Xói nước trong xảy ra khi không có chuyển ñộng bùn cát ñáy trong dòng chảy thượng lưu cầu hoặc vật liệu ñáy ñược vận chuyển từ thượng lưu về ở dạng lơ lửng ít hơn khả năng mang bùn cát của dòng chảy. Các tình trạng xói nước trong ñiển hình bao gồm: sông, suối có vật liệu ñáy ở dạng thô; có sự lắng ñọng cục bộ của vật liệu ñáy lớn hơn những phần tử lớn nhất mà dòng nước có thể vận chuyển ñi; ñáy sông, suối ñược cấu tạo bằng lớp vật liệu thô; các lòng dẫn hoặc khu vực bờ sông, suối có thực vật che phủ.
Xói nước ñục xảy ra khi có vận chuyển vật liệu ñáy từ ñoạn sông ở thượng lưu về khu vực cầu. 4. Hệ số xói chung. Hệ số xói chung là cơ sở ñể tính chiều dài cầu theo chế ñộ thuỷ lực của dòng chảy:
Asx, Atx - là diện tích mặt cắt ngang dòng chảy dưới cầu sau xói và trước xói tương ứng với mực nước thiết kế.
Hsx, Htx - chiều sâu trung bình mặt cắt dòng chảy dưới cầu sau xói và trước xói.
Bsx, Btx - chiều dài mặt nước của mặt cắt ngang dòng chảy dưới cầu sau xói và trước xói.
Ph, Pb - hệ số xói theo chiều sâu và chiều rộng dòng chảy. bh tx sx tx sx tx sx PP B B H H A AP .=== 5. Công thức chung xác ñịnh khẩu ñộ cầu của phương pháp gần ñúng. trong ñó:
Atx - diện tích thoát nước dưới cầu cần thiết.
QP% - lưu lượng thiết kế.
ε - hệ số co hẹp.
[P] - hệ số xói chung cho phép.
Vsx - lưu tốc trung bình sau xói. Theo Beleliutxky thì Vsx = Vltn.
Vltn - lưu tốc lòng sông khi chưa làm cầu. ]P.[V. Q A sx %p tx ε = 6. Phương trình biến dạng lòng sông. H ®y B my dy Q G G+ Q dlG l dl 6. Phương trình biến dạng lòng sông. Cân bằng lượng bùn cát qua một ñoạn sông có bề rộng B, ñộ sâu H ta ñược: (*)0 t A l G bc =∂ ∂ρ+ ∂ ∂ trong ñó: G - lưu lượng bùn cát. ρbc - mật ñộ bùn cát. A - diện tích lòng sông. 6. Phương trình biến dạng lòng sông. Coi lòng sông có dạng hình chữ nhật, mật ñộ bùn cát không ñổi trước và sau xói, sau khi biến ñổi (*) ta ñược: trong ñó:
Gl, GC - lưu lượng bùn cát chuyển ñến và ñi khỏi l/s dưới cầu.
∆h - ñộ hạ thấp ñáy sông (chiều sâu xói).
∆S - diện tích bị xói trong ñoạn ∆l, ∆S = B. ∆l. Theo phương trình trên thì xói ngừng khi tốc ñộ xói bằng không (∆h/∆t = 0) khi Gl = GC (lưu lượng bùn cát ñến cân bằng lưu lượng ñi khỏi cầu). S GG1 l.B GG1 t h lC bcl lC bc ∆ − ρ = ∆ − ρ = ∆ ∆ 7. Xói chung theo Laursen Theo Laursen:
Mặt cắt thoát nước dưới cầu là mặt cắt cuối ñoạn dòng chảy bị thu hẹp từ từ và khá dài từ phía thượng lưu cầu;
Mặt cắt không phân chia thành lòng và bãi sông, chỉ có lòng sông chuyển tổng lưu lượng bùn cát.
Xói tiếp tục khi lượng bùn cát bị cuốn ñi khỏi mặt cắt dưới cầu lớn hơn lượng bùn cát từ thượng lưu chuyển tới; xói ngừng khi lượng bùn cát ñến và ñi khỏi mặt cắt cân bằng nhau.
Lưu lượng bùn cát là tích của mật ñộ bùn cát và lưu lượng.
Lưu lượng ñược tính theo Sedy - Manninh. 7. Xói chung theo Laursen
Xói nước ñục: trong ñó: Qtk - lưu lượng thiết kế. Ql - lưu lượng lòng sông. hl, hlc - ñộ sâu trung bình lòng sông trước và sau xói. LC - chiều dài thoát nước thực tế dưới cầu. Bl - bề rộng lòng sông. k - số mũ, phụ thuộc vào phương thức vận chuyển bùn cát hay tỷ số u * /ω k C l 7 6 l tk l lc L B .Q Q h hP             == 7. Xói chung theo Laursen u * - lưu tốc ñộng lực; u * = (g.hl.J)0.5. J - ñộ dốc thủy lực (bằng ñộ dốc ñáy hay ñộ dốc mặt nước). ω - là ñộ thô thủy lực bùn cát lòng sông( tra toán ñồ hoặc có thể xác ñịnh theo công thức: ω = 1,068(∆.g.D50)0,5. ∆ - hệ số Acsimet (∆ ≈ 1,65). D50 - ñường kính hạt có lượng lọt sàng là 50%. Phần lớn lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng0,69> 2,00 Một phần lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng0,640,50 ñến 2,00 Phần lớn lưu lượng bùn cát là bùn cát ñáy0,59< 0,50 Phương thức vận chuyển bùn cát ñáykU * /ω 7. Xói chung theo Laursen
Xói nước trong. Dm: ñường kính của hạt vật liệu ñáy nhỏ nhất trong bùn cát ñáy không bị cuốn ñi (Dm = 1,25D50) ở ñoạn thu hẹp, m; 7/3 2 C 3/2 m 2 tk lc LD.40 Qh       = 4.5. DỰ ðOÁN XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU. 1. Các thông số ảnh hưởng ñến xói cục bộ.
ðặc trưng chất lỏng: + K/l riêng của chất lỏng ρ. + H/s nhớt ñộng học: υ. + Gia tốc trọng trường g.
ðặc trưng cho vật liệu ñáy: + K/l riêng của hạt bùn cát, + Phân phối cỡ hạt. + Hình dạng hạt. + Mức ñộ dính kết của ñịa chất. 1. Các thông số ảnh hưởng ñến xói cục bộ.
ðặc trưng dòng chảy sau xói chung: + Chiều sâu dòng chảy trước trụ hx. + Tốc ñộ dòng chảy trước trụ Vx . + Hệ số nhám dòng chảy. + Hướng dòng chảy ñến trụ. + Biểu ñồ lũ, thời gian lũ.
ðặc trưng cho trụ: + Hình dạng trụ. + Kích thước trụ. + ðiều kiện bề mặt trụ. + Hình thức bảo vệ xói ( nếu có). 2. Một số công thức dự ñoán xói cục bộ trụ cầu. a) Công th c ðHXD (Nguyn Xuân Trc và Nguyn H u Khi): b - bề rộng trụ, m Vox - tốc ñộ không xói xác ñịnh theo CT: Vox = 3,6(hx.d)1/4. d - ñường kính trung bình hạt vật liệu ñáy sông, m. Kd - hệ số xét ñến hình dạng trụ (Kd= 0,1Kξ) Kξ - hệ số xét ñến hình dạng trụ theo Iaratslaxep
Xói nước trong (Vx< Vox): thì K1= 0,97; m=0,17; n=1,04
Xói nước ñục (Vx> Vox): thì K1= 0,52; m=0,12; n=1,16 )11.4( v v b hK.K b h n ox x m x d1 cb             = b) Công th c ðHGT (Trn ðình Nghiên): Kα và Kd - hệ số xét tới a/h của hướng d/c và hình dạng trụ; Vng: tốc ñộ ngừng xói xác ñịnh theo CT:
Xói nước trong (Vx< Vng) : K= 1,24; n=0,77
Xói nước ñục (Vx> Vng) : K= 1,11; n=1,0 )12.4( v v b hK.K.K b h n ng x 5,0 x d cb               = α 06,0 3 ..       = d hhgv xxng ω c) Công thức tính xói cục bộ của Richardson Fr - thông số ñộng học của dòng chảy; Fr = Vx/(g.hx)0,5. K1: Hệ số hình dạng trụ. )13.4(Fr b hK.K.K.K.0,2 b h 43,0 35,0 x 432.1 c       = 0,9Mòi nhän 1,0Nhãm trô trßn 1,0Trô trßn 1,0Mòi trßn 1,1Mòi vu«ng HÖ sè K1D¹ng mòi trô c) Công thức tính xói cục bộ của Richardson K2: Hệ số xét ảnh hưởng của hướng dòng chảy ñến trụ c) Công thức tính xói cục bộ của Richardson K3: Hệ số phụ thuộc chiều cao sóng cát 1,39<hsCồn cát cao 1,1-1,23<hs<9Cồn cát vừa 1,10,61<hs<3,0Sóng cát 1,1ðáy phẳng sóng cát ngược 1,1Xói nước trong K3Chiều cao sóng cát (hs), mðiều kiện ñáy K4: hệ số hiệu chỉnh ñể giảm bớt chiều sâu hố xói cục bộ ñối với trường hợp ñáy sông có vật liệu thô ñường kính D50 ≥ 60 mm có khả năng thô hoá ñáy hố xói. khi D50 < 60mm thì K4 = 1. Ch
ng V: TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ
5.1. Khái niệm về các công trình công trình thoát nước nhỏ
5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ.
5.3. Tính thủy lực cống. 5.1. Khái niệm về các công trình công trình thoát nước nhỏ 1. Các loại công trình thoát nước nhỏ.
Cầu nhỏ: Lc < 25m
Cống.
ðường tràn.
ðường tràn liên hợp. 5.1. Khái niệm về các công trình thoát nước nhỏ 2. Yêu cầu số liệu tính toán.
Bản ñồ lưu vực công trình.
Bình ñồ, mặt cắt dọc sông suối, mặt cắt lưu lượng (01 mặt cắt ở thượng lưu, 01 mặt cắt ở hạ lưu và 01 mặt cắt ở tim công trình).
Các yếu tố khí tượng, khí hậu (ñặc biệt là lượng mưa) khu vực.
Các ñặc trưng của dòng chảy (tính chất, ñặc ñiểm, mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, ñịa hình ñáy dòng chảy, ñộ dốc ñáy, ...)
Mực nước ñiều tra tại khu vực.
ðăng ký các công trình hiện có.
ðịa chất khu vực.
Các văn bản liên quan khác. 5.1. Khái niệm về các công trình thoát nước nhỏ 3. Sơ ñồ tính toán.
Tùy theo loại công trình, sơ ñồ tính thủy lực có thể là:
Sơ ñồ ñập tràn ñỉnh rộng (cầu nhỏ, cống ngắn, ñường tràn).
Sơ ñồ dòng chảy thay ñổi dần không áp (cống dài chảy không áp).
Sơ ñồ dòng chảy qua lỗ, qua vòi (cống ngắn chảy có áp).
Hay sơ ñồ dòng chảy qua ñường ống ngắn (cống dài chảy có áp). 5.1. Khái niệm về các công trình thoát nước nhỏ 4. Trình tự tính toán.
Tùy theo ñiều kiện cụ thể về ñịa hình, ñịa chất và thủy văn, lựa chọn loại công trình.
Sơ bộ chọn cấu tạo công trình.
Tính (hoặc kiểm tra) khẩu ñộ công trình b (Lc).
Tính nước dâng trước công trình H.
Tính ñộ sâu và lưu tốc tại mặt cắt tính toán (ht và Vt).
Lựa chọn vật liệu gia cố ñáy sông, suối.
Xác ñịnh cao ñộ nền ñường.
Xác ñịnh cao ñộ ñáy dầm công trình (với tính toán cầu nhỏ). 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 1. Sơ ñồ tính. Theo sơ ñồ ñập tràn Sơ ñồ chảy tự do (không ngập) Sơ ñồ chảy ngập 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 1. Sơ ñồ tính. Từ công thức ñập tràn, rút ra công thức xác ñịnh khẩu ñộ cầu nhỏ: trong ñó:
Q – lưu lượng thiết kế, m3/s.
H0 – cột nước dâng toàn phần trước cầu, thường lấy H0 ≈ H.
m – hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào loại mố cầu. Lấy theo bảng 5-1.
σng – hệ số chảy ngập, phụ thuộc vào chế ñộ chảy dưới cầu. )15( Hg2m Qb 2/3 0ng − σ = 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. Ch ñ chy d
i cu:
hh ≤ N.H: chảy không ngập → σng = 1
hh ≥ N.H: chảy ngập → σng < 1 trong ñó: N: tiêu chuẩn ngập, tra bảng 5-2 theo m. hh: chiều sâu dòng chảy ở hạ lưu. σng – hệ số chảy ngập, tra bảng 5-3 theo (n và m) với n = hh/H 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. Mt ct tính toán: Là mặt cắt co hẹp dưới cầu, có ñộ sâu tính toán thay ñổi theo chế ñộ chảy:
Chảy không ngập (chảy tự do): ht = k1.H
Chảy ngập (chảy không tự do): ht = kng.H trong ñó:
k1 – hệ số, tra bảng 5-2 theo m.
kng – hệ số, tra bảng 5-3 theo m và n. Và sau ñó lưu tốc tính toán (Vt) ñược xác ñịnh theo phương trình liên tục. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. La chn vt liu gia c: Vật liệu gia cố ñược lựa chọn sao cho ñáy sông, suối không bị xói lở, nghĩa là: Vcp ≥ Vt. Vcp – lưu tốc cho phép không xói của vật liệu gia cố, phụ thuộc loại vật liệu và ñộ sâu tính toán, tham khảo bảng 5-4. 5.2. Tính thủy lực cầu nhỏ. 2. Các bài toán về cầu nhỏ.
Bài toán 1: Số liệu ñã biết (ñầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ (cho hệ số m); ñộ dốc dòng chảy i0, chiều sâu dòng chảy tự nhiên h0 (hay hh); ñộ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; cột nước trước cầu H, hay ñiều kiện chảy. Yêu cầu: Tính khẩu ñộ cầu.
Bài toán 2: Số liệu ñã biết (ñầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ; ñộ dốc dòng chảy i0; chiều sâu h0 (hay hh); ñộ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; tốc ñộ cho phép tại mặt cắt tính toán Vcp theo hình thức gia cố lòng cầu. Yêu cầu: Tính khẩu ñộ cầu. Bài toán 1: Biết QP%; h0 (hay hh); H. Tính khẩu ñộ cầu. Trình t tính:
Chọn loại mố cầu: xác ñịnh ñược m; N; k1.
Kiểm tra chế ñộ chảy: + Nếu h0 < N.H: d/c dưới cầu là chảy tự do và khi ñó σng = 1; + Nếu h0 > N.H: d/c là chảy ngập và khi ñó σng < 1; Nếu ở chế ñộ chảy tự do:
Xác ñịnh chiều rộng thoát nước dưới cầu b theo (5-1) và chọn chiều dài cầu tiêu chuẩn (ñịnh hình) b1 gần với b nhất (b1 > b):
Xác ñịnh cột nước trước cầu tương ứng với b1 theo công thức dưới ñây: )45(H b bHH 3 2 1 1 −<      = Bài toán 1: Biết QP%; h0 (hay hh); H. Tính khẩu ñộ cầu.
Kiểm tra lại chế ñộ chảy: Nếu h0 < N.H1 thì chế ñộ chảy vẫn là chảy tự do;
Xác ñịnh chiều sâu và lưu tốc tính toán: + ðộ sâu tính toán xác ñịnh theo: ht = k1.H + Lưu tốc tính toán theo ht và b1:
Xác ñịnh dạng gia cố lòng sông dưới cầu phù hợp với tốc ñộ tính toán Vt và chiều sâu ht. 1t t bh QV = Bài toán 1: Biết QP%; h0 (hay hh); H. Tính khẩu ñộ cầu. Nếu ở chế ñộ chảy ngập: Trình tự tính toán tiếp tục như sau:
Tra bảng xác ñịnh σng1 theo (m và n1), với n1 = h0/H.
Xác ñịnh chiều rộng thoát nước dưới cầu b theo (5-1) và chọn chiều dài cầu tiêu chuẩn (ñịnh hình) b1 gần với b nhất.
Xác ñịnh cột nước mới trước cầu H1: + Xác ñịnh hàm bổ trợ: + Tra bảng (5-3) với (θ, m) ñược kng, n2 và σng2: Nếu n2 và σng2 không thay ñổi so với n1 và σng1 thì cột nước H1 là cột nuớc H ñã biết. Nếu khác nhau nhiều tính H1: 3 2 t ng 0 b b h H       σ =θ 3 2 11n n 1 b b.HH       σ σ = Bài toán 1: Biết QP%; h0 (hay hh); H. Tính khẩu ñộ cầu.
Xác ñịnh chiều sâu tính toán ht và tốc ñộ tính Vt theo. + ðộ sâu tính toán xác ñịnh theo: ht = kng2.H + Lưu tốc tính toán theo ht và b1.
Xác ñịnh dạng gia cố lòng sông dưới cầu. Bài toán 2: Biết QP%; h0 (hay hh). Tính khẩu ñộ cầu. Trình tự tính
Chọn loại mố cầu: m; N; k1 và ψ.
Chọn dạng gia cố lòng sông tìm Vcp.
Giả thiết chế ñộ chảy tự do (σng = 1) tính cột nước trước cầu:
Kiểm tra chế ñộ chảy: + Nếu h0 < N.H:d/c dưới cầu là chảy tự do (giả thiết ñúng) và khi ñó σng = 1; + Nếu h0 > N.H:d/c dưới cầu là chảy ngập và khi ñó σng < 1; 3 2 n 2 cp 2 m2g V H σ ψ = Bài toán 2: Biết QP%; h0 (hay hh). Tính khẩu ñộ cầu. Nếu ở chế ñộ chảy tự do:
Tiếp tục tính tương tự như chế ñộ chảy tự do ở bài toán 1.
Kiểm tra dạng gia cố lòng sông dưới cầu nếu Vt < Vcp thì dừng lại. Nếu ở chế ñộ chảy ngập:
Xác ñịnh tốc ñộ lớn nhất có thể dưới cầu: Khi ñó lưu tốc tính toán là: Vt = min(Vcp, Vmax) ( ) 5,03 25,03 20max m2gHN m2ghV =      = Bài toán 2: Biết QP%; h0 (hay hh). Tính khẩu ñộ cầu.
Xác ñịnh cột nước mới trước cầu H1: + Xác ñịnh hàm bổ trợ: + Tra bảng (5-3) với (θ1 với m), tìm kng, n1, ψ1 và σng1 và tính cột nước trước cầu lần thứ nhất H1:
Xác ñịnh chiều rộng thoát nước dưới cầu b theo (5-1) và chọn chiều dài cầu tiêu chuẩn (ñịnh hình) b1. 0 2 1 h Vt =θ 3 2 1ng 2 t 2 1 1 m2g VH σ ψ = Bài toán 2: Biết QP%; h0 (hay hh). Tính khẩu ñộ cầu.
Xác ñịnh cột nước gần ñúng lần thứ hai: + Xác ñịnh hàm số bổ trợ lần thứ 2: + Tra bảng (5-3) với (θvới m), tìm kng, n2, ψ2 và σng2 và tính cột nước trước cầu lần thứ hai H2: 0 3 2 1 1 h b b H ng       = σ θ 3 2 2ng1 1ng 12 b b HH         σ σ = Bài toán 2: Biết QP%; h0 (hay hh). Tính khẩu ñộ cầu.
Tính n2=h0/H2 và so sánh với n1; nếu n2 ≠ n1 thì chọn n3 khác và tính lại cột nước H3 và so sánh H3 với H2; nếu chưa thỏa mãn thì tiếp tục tính cho ñến khi thỏa mãn yêu cầu sẽ ñược cột nước dâng tương ứng với b1 ñã chọn;
Xác ñịnh lại ñiều kiện chảy ngập: (h0 > N.H)
Xác ñịnh chiều sâu và lưu tốc tính toán.
Kiểm tra dạng gia cố lòng sông dưới cầu nếu Vt < Vcp thì dừng lại. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. 1. Sơ ñồ tính. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến dòng chảy trong cống theo thời gian, nhưng tại một thời ñiểm cụ thể dòng chảy trong cống có thể bị chi phối bởi dòng chảy ở trước cống, cấu tạo của cửa vào cống (kiểm soát thượng lưu) hay bởi ñặc tính của cống (hình dạng kích thước thân cống, cấu tạo cửa vào, cửa ra của cống, vật liệu làm cống, chiều dài cống, ñộ dốc ñặt cống, ...), dòng chảy hạ lưu (kiểm soát hạ lưu). Ở mỗi chế ñộ kiểm soát ñặc tính dòng chảy cũng khác nhau, nhưng trước khi thiết kế ta không thể biết trước ñược chế ñộ kiểm soát. Vì vậy cần phải xem xét thiết kế với các chế ñộ sau ñó lựa chọn chế ñộ có giá trị lớn (nước dâng trước cống lớn) làm chế ñộ tính toán tiếp. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-2: Chế ñộ kiểm soát thượng lưu. Hình 5-2: Chế ñộ kiểm soát thượng lưu. HW A Cöa vµo, cöa ra kh«ng ngËp 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-2: Chế ñộ kiểm soát thượng lưu. HW B Cöa vµo kh«ng ngËp Cöa ra ngËp 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-2: Chế ñộ kiểm soát thượng lưu. HW C Cöa vµo ngËp Cöa ra kh«ng ngËp 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-3: Chế ñộ kiểm soát hạ lưu. HW A H 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-3: Chế ñộ kiểm soát hạ lưu. HW B H 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-3: Chế ñộ kiểm soát hạ lưu. HW C H 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-3: Chế ñộ kiểm soát hạ lưu. HW D H 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-3: Chế ñộ kiểm soát hạ lưu. HW E H 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. a) Kiểm soát thượng lưu.
Yu t nh h
ng ñn ch ñ kim soát th
ng l
u: là dòng chảy thượng lưu và cấu tạo cửa vào của cống. ðộ dốc thân cống cũng ảnh hưởng ñến chế ñộ kiểm soát thượng lưu nhưng không nhiều nên trong tính toán thường bỏ qua.
Trong trường hợp ñộ sâu thượng lưu nhỏ cống ñược coi như làm việc theo sơ ñồ của ñập tràn.
Trong trường hợp cửa vào bị ngập dòng chảy qua cống làm việc theo sơ ñồ dòng chảy qua lỗ. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. b) Kiểm soát hạ lưu.
Yu t nh h
ng ñn ch ñ kim soát h l
u: có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến kiểm soát hạ lưu như: - ðộ sâu thượng lưu, - Hình dạng kích thước cửa vào và cửa ra, - ðặc tính của ống cống (mức ñộ gồ ghề, diện tích cống, hình dạng, chiều dài, ñộ dốc ñặt cống), - Mực nước hạ lưu cống, - Cửa ra của cống.
Ch ñ thu lc ca kim soát h l
u: Dòng chảy ñầy trong cống là dạng tốt nhất của dòng chảy ñể mô tả chế ñộ thuỷ lực của kiểm soát hạ lưu. Dòng chảy ở chế ñộ kiểm soát hạ lưu ñược tính toán trên cơ sở của phương trình cân bằng năng lượng. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Hình 5-4 biểu diễn ñường năng lượng và ñường ño áp của dòng chảy qua cống trong trường hợp cống ñầy. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. 2. Trình tự thiết kế thuỷ lực cống. Từ lưu lượng ñã biết, tuỳ thuộc vào ñiều kiện ñịa hình, ñịa chất cụ thể, sơ bộ lựa chọn loại cống, kính thước cống, cấu tạo cửa vào, cửa ra của cống.
Chế ñộ kiểm soát thượng lưu.
Chế ñộ kiểm soát hạ lưu.
ðánh giá kết quả. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. a) Chế ñộ kiểm soát thượng lưu.
Từ kích thước của cống, lưu lượng qua cống xác ñịnh ñược tỷ số HW/D (xem Hình 5-5).
Nhân chiều cao cống D với tỷ số HW/D ñược nước dâng trước cống HW1. KiÓu ®Çu thu (1) T−êng ®Çu cã mÐp vu«ng (2) T−êng ®Çu cã èng nèi ë cuèi (3) PhÇn nh« ra cã èng nèi cuèi (m3/s) 1 2 3 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG.
b) Chế ñộ kiểm soát hạ lưu.
Tính ñộ sâu hạ lưu TW trên ñáy cống theo lưu lượng thiết kế.
Tính ñộ sâu phân giới (dC) theo lưu lượng và kích thước.
Tính ñộ sâu tại cửa ra của cống d0 = max(TW; (D+dC)/2)
Tính tổn thất qua cống H theo biểu ñồ: Sử dụng một ñường thẳng nối kích thước cống (ñiểm 1) với chiều dài cống theo hệ số ke (ñiểm 2) ñược ñiểm ñổi hướng (ñiểm 3). Lại dùng một ñường thẳng nối từ lưu lượng (ñiểm 4) với ñiểm ñổi hướng (ñiểm 3) ñược tổn thất H (xem Hình 5.6).
Tính cột nước dâng ở thượng lưu: HW2 = H + do – L.S. 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. c) ðánh giá kết quả.
So sánh cao ñộ mực nước thượng lưu ở hai chế ñộ kiểm soát, chế ñộ nào có cao ñộ lớn hơn là chế ñộ kiểm soát của cống.
Tính lưu tốc tại cửa ra: Từ chế ñộ kiểm soát của cống, tính ñộ sâu dòng chảy tại cửa ra (do). Từ ñộ sâu cửa ra (do) và hình dạng kích thước cống tính lưu tốc cửa ra. ði vi ch ñ kim soát th
ng l
u: d0=dn<dC. ði vi ch ñ kim soát h l
u: + Khi TW > D : d0 = D + Khi D > TW > dC : d0 = max(TW; dC) 5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Khi ñó có lưu tốc cửa ra : VO = Q/Ap.
Ap – diện tích dòng chảy tại cửa ra tính theo kích thước hình học cống và ñộ sâu dòng chảy tại cửa ra d.
d0 – ñộ sâu cửa ra.
Ap – diện tích cửa ra (theo d và kích thước cống)
Vo – lưu tốc cửa ra.
dc – ñộ sâu phân giới.
dn – ñộ sâu dòng chảy ñều.
TW – ñộ sâu dòng chảy hạ lưu.
D – chiều cao cống.