Chương 10 docx

Chương 10
TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

I. Khái niệm chung

Điều 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 lũ
Biện pháp công trình:

Đắp đê

Xây dựng hồ chứa phòng lũ

Công trình phân lũ

Hình thành các khu chậm lũ

Hệ thống công trình thoát lũ

Cải tạo lòng sông


Biện pháp phi công trình:

Bảo vệ và trồng rừng đầu nguồn


Là biện pháp tích cực nhất

Giảm được sự khốc liệt của lũ

Chống xói mòn, bảo vệ nguồn nước

Đảm bảo sự cân bằng sinh thái

Phòng tránh lũ

Quy hoạch khu dân cư và khu vực sản xuất

Tăng cường công tác dự báo và cảnh báo lũ

Sống chung với lũ
1. Các biện pháp phòng chống lũ (tiếp)

2. Chống lũ và Phòng lũ

Nhiệm 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 trình

Nhiệm 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 lũ

3. Bài toán điều tiết lũ bằng hồ
chứa

Bài toán thiết kế:

Biết

Quá trình lũ đến hồ ứng với tần suất thiết kế (Q~t)p

Kích thước của các công trình xả lũ

Tìm

Quá trình xả lũ

Dung tích siêu cao (mực nước siêu cao)

Bài toán nghịch:

Biết (Q~t)
p
; V
sc
(H
sc
).

Tìm (q
xả

~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 văn

Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p

Tài liệu địa hình địa chất

Các quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V~F

Tài liệu địa chất vùng lòng hồ

Tài liệu dân sinh kinh tế

Tài liệu về các công trình xả lũ

Kích thước B, ω, m

Quan hệ q
xả
~Z
tl
và q
xả

~Z
hl

Tài liệu về lưu lượng an toàn (q
at
) hoặc mực nước
khống chế (H
kc
)

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:
q
t
A
x
Q
=
∂
∂
+
∂
∂

2
0
K
QQ
x
v
v
gt
v
gx
Z
−
=
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
α
α
Trong đó:
Q- lưu lượng dòng chảy trong sông (m
3
/s)
Z- mực nước tại mặt cắt tính toán (m)
v – lưu tốc bình quân mặt cắt
K- mô đun lưu lượng

q- lượng gia nhập trên 1m chiều dài đoạn sông
x – tọa độ đoạn sông
t – thời gian (giờ)
A – Diện tích mặt cắt ướt (m
2
)
g – gia tốc trọng trường
α – hệ số sửa chữa động năng
α
0
– hệ số sửa chữa động lượng

II. 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 ngột

Độ dốc đường mặt nước nhỏ

Độ sâu dòng chảy rất lớn

Tốc độ dòng chảy rất nhỏ

Khi 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 nước

PT động lực q = f[A, Z, Z
h
]

Các quan hệ phụ trợ:

Đường quan hệ mực nước dung tích Z~V

Đường quan hệ mực nước và lưu lượng hạ lưu: H~Q
qQ
dt
dV
−=
Trong đó:
Q- lưu lượng lũ đến (m
3
/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 do

Đối với đập tràn chảy ngập

Đối với lỗ chảy tự do

Đối với lỗ chảy ngập
12
VVt)qQ(
−=∆−
2
3
2 hgmBq
=
2
3
2 hgmBq
σ
=
ghq 2
µω

=
)(2
ht
ZZgq
−=
µω

III. Phân tích dạng quá trình xả lũ

Ta có dV = F.dh

dh là sự thay đổi độ sâu nước trong hồ

F là diện tích mặt thoáng hồ

Khi đó PT cân bằng nước được viết lại thành:

Q- q = Fdh/dt hay
dt
dq
dq
dh
FqQ
=−

1. Công trình xả lũ là đập tràn
chảy tự do

Ta có: q = M B h
3/2

với M=

Từ đó có:

Với K
1
=

Biến đổi ta có:
gm 2
3/1
1
3/2
3/1
)(
3
2
−
−
==
qK
BM
q
dq
dh
3/2
)(MB
3/1
1
)(

q
FK
qQ
dt
dq
−
=

Tại t
0
có Q=q=0
Từ t
0
đến t
1
vì Q>q nên
dq
/
dt
> 0 tức là q ↑
Đến thời điểm t
1
vì Q = q nên
dq
/
dt
= 0 tức là q đạt cực đại
Sau t
1
, Q<q nên

dq
/
dt
< 0, tức là q ↓
t
1
t
0

2. Công trình xả lũ là cống
ngầm chảy tự do

Ta có:

Từ đó có:

Với K
2
=

Biến đổi ta có:
ghq 2
µω
=
qK
q
dq
dh
2
2

)(
2
==
µω
2
)(
2
µω
qFK
qQ
dt
dq
2
)(
−
=

Tại t
0
có Q=0, q>0 nên
dq
/
dt
< 0, tức là q ↓
Đến t
1
thì Q=q nên
dq
/
dt

= 0 tức là q đạt giá trị cực tiểu
Sau t
1
vì Q > q nên
dq
/
dt
> 0 tức là q ↑
Đến t
2
, Q=q nên
dq
/
dt
= 0, tức là q đạt giá trị cực đại
Sau t
2
, Q<q nên
dq
/
dt
<0 tức là q↓
t
0
t
1
t
2

IV. Các phương pháp tính toán

điều tiết lũ
1. Phương pháp lặp trực tiếp

Viết lại hệ phương trình cơ bản dưới dạng:

( )
( )
2),,(
1
22
2121
12
AZZfq
t
qq
t
QQ
VV
ht
=
∆
+
−∆
+
+=

S khi tớnh toỏn

Bắt đầu
I=1

Giả định giá trị q(I)
Tính V(I)=V(I-1)+0.5[Q(I)-Q(I-1)]

t-0.5[q(I)-q(I-1)]

t
Xác định mực n&ớc hồ Z
t
và mực n&ớc hạ l&u Z
h

Tính lại q
t
(I) theo công thức th y l c


q
t
(I)-q(I)


I=I+1
I>1 STOP
đúng
đúng
sai
sai
q(I)=0.5[q(I)+q
t
(I)]

Quá trình tính toán
Tại thời đoạn tính toán bất kỳ

Bước 1: Giả định giá trị q
2
gt
ở cuối thời đoạn tính
toán, tính giá trị V
2
theo phương trình (1)

Bước 2: Tra quan hệ Z~V xác định Z
2

Bước 3: Tính giá trị q
2
tt
theo phương trình (2) và
kiểm tra điều kiện:
Với ε 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 theo

Nếu sai số không thỏa mãn thì quay lại bước 1
ε
≤−
gttt
qq

22

2. Phương pháp đồ giải Pô-ta-pốp

Xuất phát từ hệ pt cơ bản:

Tác giả viết lại pt (1) dưới dạng:
( )
( )
2),,(
1
22
12
2121
AZZfq
VVt
qq
t
QQ
ht
=
−=∆
+
−∆
+
( )
Qffhay
Q
q
t

Vq
t
V
+=
+






−
∆
=






+
∆
12
1122
'1
22
Trong đó f
1
, f
2

là các hàm
phụ trợ

Cột (1): số thứ tự
Cột (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 cống
Cột (4): lưu lượng xả được xác định theo công thức thủy lực
Cột (5): dung tích hồ chứa tương ứng với mực nước Z (tra Z~V)
Cột (6): V = V
k
– V
tl
Trong đó V
tl
là dung tích hồ tương ứng với mực nước trước lũ
Cột (7) và cột (8) được xác định theo công thức
Xây dựng biểu đồ phụ trợ
TT Z
(m)
H
(m)
q
(m
3
/s)
V

k
(m
3
)
V
(m
3
/s)
V/∆t-q/2
(m
3
/s)
V/∆t+q/2
(m
3
/s)
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)


Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p đã biết, tức là biết Q
1
, Q
2
, …Q
n
.
Tại thời điểm t
1
đã biết q
1

Từ A(t
1
,q
1
) dóng ngang cắt f
1
(q) tại B
Từ B dóng vuông góc cắt trục hoành tại C
Từ C nối sang ngang một đoạn bằng được điểm D
Từ D dóng lên cắt f
2
(q) tại E
Từ E dóng ngang cắt trục tung tại q
2
cần tìm.
Điểm F(t
2
, q
2
) chính là điểm tiếp theo trong quá trình xả lũ
Q
(m
3
/s)
q
t
1
t
2
Q

2
Q
1
f
1,
f
2
q
1
q
2
(Q~t)
(q~t)
t
Q
12
f
1
(q)
f
2
(q)
Q
maxp
q
maxp
12
Q
A
B

C
D
E
F
Diễn toán quá trình xả lũ
t
1
t
2
Q
2
Q
1
f
1,
f
2
q
1
q
2
(Q~t)
(q~t)
t
Q
12
f
1
(q)
f

2
(q)
Q
maxp
q
maxp
A
B
C
D
E
F

Cột (1): số thứ tự hay thời đoạn tính toán
Cột (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 toán
Cột (5): lưu lượng xả tại đầu thời đoạn
Cột (6): Giá trị hàm f
1
tra từ quan hệ f
1
~q
Cột (7): f
2
= f
1
+ Q
tb
Cột (8): Lưu lượng xả tại cuối thời đoạn

Bảng ghi kết quả tính toán điều tiết lũ
TT T
(h)
Q
(m
3
/s)
Q
tb
(m
3
/s)
q
1
(m
3
/s)
f
1
(m
3
/s)
f
2
(m
3
/s)
q
2
(m

3
/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-rin

Cơ 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 do

Nguyên lý tính toán:

Dung tích điều tiết lũ của hồ chứa:
( )
dtqQV
t
t
m
∫
−=
2
1