Bài giảng Công trình trên hệ thống thủy lợi - Chương 10: Tính toán điều tiết lũ

Chương 10TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨI. Khái niệm chungĐiều tiết lũ là toàn bộ công việc nhằm giảm lượng dòng chảy trong mùa lũ để đảm bảo an toàn cho công trình ven sông và khu vực hạ lưu.1. Các biện pháp phòng chống lũBiện pháp công trình:Đắp đêXây dựng hồ chứa phòng lũCông trình phân lũHình thành các khu chậm lũHệ thống công trình thoát lũCải tạo lòng sôngBiện pháp phi công trình:Bảo vệ và trồng rừng đầu nguồnLà biện pháp tích cực nhấtGiảm được sự khốc liệt của lũChống xói mòn, bảo vệ nguồn nướcĐảm bảo sự cân bằng sinh tháiPhòng tránh lũQuy hoạch khu dân cư và khu vực sản xuấtTăng cường công tác dự báo và cảnh báo lũSống chung với lũ1. Các biện pháp phòng chống lũ (tiếp)2. Chống lũ và Phòng lũNhiệm vụ chống lũ:Là nhiệm vụ được đặt ra theo đó cần đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình (hồ chứa, đê, ) khi xảy ra trận lũ thiết kế tại tuyến công trìnhNhiệm vụ phòng lũ:Là nhiệm vụ được đặt ra theo đó cân bảo đảm an toàn cho vùng phòng lũ khi xảy ra trận lũ thiết kế ở vùng phòng lũ3. Bài toán điều tiết lũ bằng hồ chứaBài toán thiết kế:Biết Quá trình lũ đến hồ ứng với tần suất thiết kế (Q~t)pKích thước của các công trình xả lũTìmQuá trình xả lũDung tích siêu cao (mực nước siêu cao)Bài toán nghịch:Biết (Q~t)p; Vsc (Hsc).Tìm (qxả~t)p và kích thước của các công trình xả lũ?Bài toán tìm tần suất đảm bảo chống lũ P.4. Các tài liệu cần thiết Tài liệu khí tượng thủy vănQuá trình lũ thiết kế (Q~t)pTài liệu địa hình địa chấtCác quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V~FTài liệu địa chất vùng lòng hồTài liệu dân sinh kinh tếTài liệu về các công trình xả lũKích thước B, w, mQuan hệ qxả ~Ztl và qxả ~ZhlTài liệu về lưu lượng an toàn (qat) hoặc mực nước khống chế (Hkc)II. Nguyên lý tính toán điều tiết lũ Dòng chảy trong sông trong thời kỳ có lũ là dòng không ổn định được mô tả bởi hệ phương trình Saint-Venant:Pt liên tục:Pt động lực: Trong đó: Q- lưu lượng dòng chảy trong sông (m3/s)Z- mực nước tại mặt cắt tính toán (m)v – lưu tốc bình quân mặt cắtK- mô đun lưu lượngq- lượng gia nhập trên 1m chiều dài đoạn sông x – tọa độ đoạn sôngt – thời gian (giờ)A – Diện tích mặt cắt ướt (m2)g – gia tốc trọng trườnga – hệ số sửa chữa động nănga0 – hệ số sửa chữa động lượngII. Nguyên lý tính toán điều tiết lũ (tiếp)Khi lũ di chuyển qua hồ chứa có các đặc điểm sau:Mặt cắt mở rộng đột ngộtĐộ dốc đường mặt nước nhỏĐộ sâu dòng chảy rất lớnTốc độ dòng chảy rất nhỏKhi đó:PT liên tục  PT cân bằng nước; PT động lực được thay bằng các công thức thủy lực tính lưu lượng xả qua công trình II. Nguyên lý tính toán điều tiết lũ (tiếp)Nguyên lý tính toán điều tiết lũ bằng hồ chứa chính là sự hợp giải hệ hai phương trình cơ bản sau:PT cân bằng nướcPT động lực q = f[A, Z, Zh]Các quan hệ phụ trợ:Đường quan hệ mực nước dung tích Z~VĐường quan hệ mực nước và lưu lượng hạ lưu: H~QTrong đó: Q- lưu lượng lũ đến (m3/s)q- lưu lượng xả xuống hạ lưu II. Nguyên lý tính toán điều tiết lũ (tiếp)Viết lại PT cân bằng nước theo dạng sai phân:PT động lực có dạng cụ thể tùy theo hình thức công trình xả lũ. Ví dụ:Đối với đập tràn chảy tự doĐối với đập tràn chảy ngậpĐối với lỗ chảy tự doĐối với lỗ chảy ngậpIII. Phân tích dạng quá trình xả lũTa có dV = F.dhdh là sự thay đổi độ sâu nước trong hồF là diện tích mặt thoáng hồKhi đó PT cân bằng nước được viết lại thành:Q- q = Fdh/dt hay 1. Công trình xả lũ là đập tràn chảy tự doTa có: q = M B h3/2 với M= Từ đó có:Với K1 =Biến đổi ta có:Tại t0 có Q=q=0Từ t0 đến t1vì Q>q nên dq/dt > 0 tức là q Đến thời điểm t1vì Q = q nên dq/dt = 0 tức là q đạt cực đạiSau t1, Q0 nên dq/dt q nên dq/dt > 0 tức là q Đến t2, Q=q nên dq/dt = 0, tức là q đạt giá trị cực đạiSau t2, Q1 STOP đúng đúng sai sai q(I)=0.5[q(I)+qt(I)] Quá trình tính toánTại thời đoạn tính toán bất kỳBước 1: Giả định giá trị q2gt ở cuối thời đoạn tính toán, tính giá trị V2 theo phương trình (1)Bước 2: Tra quan hệ Z~V xác định Z2Bước 3: Tính giá trị q2tt theo phương trình (2) và kiểm tra điều kiện:Với e là số dương tùy ý được ấn định trước, chính là sai số cho phép giữa hai lần tính.Nếu sai số thỏa mãn thì chuyển sang thời đoạn tiếp theoNếu sai số không thỏa mãn thì quay lại bước 12. Phương pháp đồ giải Pô-ta-pốpXuất phát từ hệ pt cơ bản:Tác giả viết lại pt (1) dưới dạng:Trong đó f1, f2 là các hàm phụ trợCột (1): số thứ tựCột (2): các mực nước giả định (từ mực nước trước lũ trở lên)Cột (3): cột nước Đối với tràn tự do: H = Z – Z ngưỡng tràn Đối với cống ngầm chảy tự do: H = Z – Z tâm cốngCột (4): lưu lượng xả được xác định theo công thức thủy lựcCột (5): dung tích hồ chứa tương ứng với mực nước Z (tra Z~V)Cột (6): V = Vk – Vtl Trong đó Vtl là dung tích hồ tương ứng với mực nước trước lũCột (7) và cột (8) được xác định theo công thứcXây dựng biểu đồ phụ trợTTZ(m)H(m)q(m3/s)Vk(m3)V(m3/s)V/Dt-q/2(m3/s)V/Dt+q/2(m3/s)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p đã biết, tức là biết Q1, Q2, Qn.Tại thời điểm t1 đã biết q1Từ A(t1,q1) dóng ngang cắt f1(q) tại BTừ B dóng vuông góc cắt trục hoành tại C Từ C nối sang ngang một đoạn bằng được điểm DTừ D dóng lên cắt f2(q) tại ETừ E dóng ngang cắt trục tung tại q2 cần tìm.Điểm F(t2, q2) chính là điểm tiếp theo trong quá trình xả lũQ(m3/s)qt1t2Q2Q1f1, f2q1q2(Q~t)(q~t)tQ12f1(q)f2(q)QmaxpqmaxpABCDEFDiễn toán quá trình xả lũt1t2Q2Q1f1, f2q1q2(Q~t)(q~t)tQ12f1(q)f2(q)QmaxpqmaxpABCDEFCột (1): số thứ tự hay thời đoạn tính toánCột (2): thời gian (h)Cột (3): quá trình lưu lượng lũ đến thiết kế Cột (4): lưu lượng lũ đến tính bình quân trong thời đoạn tính toánCột (5): lưu lượng xả tại đầu thời đoạnCột (6): Giá trị hàm f1 tra từ quan hệ f1~qCột (7): f2 = f1 + QtbCột (8): Lưu lượng xả tại cuối thời đoạnBảng ghi kết quả tính toán điều tiết lũTTT(h)Q(m3/s)Qtb(m3/s)q1(m3/s)f1(m3/s)f2(m3/s)q2(m3/s)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)Ghi chú: Lưu lượng xả tại đầu thời đoạn kế tiếp chính là lưu lượng xả tại cuối thời đoạn trước đó.3. Phương pháp giản hóa Kô-tre-rinCơ sở của pp: giản hóa đường quá trình lũ đến có dạng hình học đơn giản (tam giác, hình thang); Công trình xả lũ là đập tràn tự doNguyên lý tính toán:Dung tích điều tiết lũ của hồ chứa:a) TH lũ dạng tam giácVmQmaxqmaxTt1t2b) TH lũ dạng hình thangVmQmaxqmaxTt1t2t’Phương pháp tính toán thử dầnGiả định qmaxThay vào phương trình (1) xác định VmTra quan hệ Z~V xác định Zm và tính hm=Zm- ZTLTừ hm tính qmax theo công thức thủy lựcKiểm traNếu chưa đạt giả thiết lại qmax và tính lại Sử dụng quan hệ qmax ~ VmaxGiả thiết một số giá trị qm1, qm2, .Theo pt (1) tính được Vm1, Vm2, Tra Z~V xác định Z1, Z2,.Tính cột nước trên ngưỡng tràn hm1, hm2,Theo ct thủy lực tính qmT1, qmT2, Xây dựng quan hệ qmi ~ Vmi và qmTi ~ VmiGiao điểm của 2 đường cong là giá trị cần tìmVmqm, qmTqm~VmqmT~Vm