Thủy văn công trình Chương 3

Chương 3
Tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế
Qmax,p% từ mưa và lưu vực

1


3.1. Các giả thiết và mô hình tính toán DC
3.1.1. Các giả thiết
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 bằng
cường 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 là
giao 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.

2


3.1. Các giả thiết và mô hình tính toán DC
3.1.1. Mô hình tính toán DC
a. Thời gian tập trung nước hay tập trung dòng chảy
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


b. Cơ sở lý thuyết tập trung dòng chảy
Giả thiết: Mưa và thấm đều trên lưu vực với lượng qúa
thấm ( lượng cấp nước): h(mm).
Trường hợp 1: τ < 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.
Tc=5τ0
Lưu vực A có cùng độ nhám, độ dốc và được chia bởi
các đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1,
f2, f3 từ vị trí công trình đến nguồn sông.
τ = 3τ0

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.
4

f2
f1
fi

f3

f3

τ

f2
h3

f1

hi

h2
h4
h1
h5

5


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

Q0 = 0
Sau 1τ0:
Q1= h1f1
Sau 2τ0 :
Q2= h1f2 + h2f1
Sau 3τ0 :
Q3= h1f3+h2f2+h3f1
Sau 4τ0 :
Q4= h2f3 +h3f2 +h4f1
Sau 5τ0 :
Q5= h3f3+ h4f2+h5f1
Sau 6τ0 :
Q6= h4f3+h5f2
Sau 7τ0 :
Q7= h5f3
Sau 8τ0 :
Q8=0
6


Quá trình lưu lượng
4500
4000
3500

Q (m3/s)

3000
2500
2000

1500
1000
500
0
1

2

3

4

5

6

7

8

τ 0 (giờ)
7


Trường hợp 2: τ = Tc
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.
Tc=3τ0

Giả sử lưu vực A được chia bởi các đường
đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1, f2, f3
từ vị trí công trình đến nguồn sông.
τ = 3τ0
Như vậy τ = Tcn
8


f2
fi

f1

f3

f3

τ

f2
h1

h2

h3

f1

9

Xác định quá trình lưu lượng
Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến
cửa ra của lưu vực là:
Q0 = 0
Sau 1τ0:
Q1= h1f1
Sau 2τ0 :
Q2= h1f2 + h2f1
Sau 3τ0 :
Q3= h1f3+h2f2+h3f1
Sau 4τ0 :
Q4= h2f3 +h3f2
Sau 5τ0 :
Q5= h3f3
Sau 6τ0 :
Q6=0
10


Quá trình lưu lượng

ớc
4000
3500
3000

Q (m3/s)

2500

2000
1500
1000
500
0
1

2

3

4

5

6

t (giờ)
11


Trường hợp 3: τ > Tc
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,
f 2 , f3 .

τ = 3τ0
Như vậy τ > Tcn
12


f2
fi

f1

f3

f3

h1

τ

h2

f2

f1

13


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

Q0 = 0
Sau 1τ0 :
Q1= h1f1
Sau 2τ0 :
Q2= h1f2 + h2f1
Sau 3τ0 :
Q3= h1f3+h2f2
Sau 4τ0 :
Q4= h2f3
Sau 5τ0 :
Q 5= 0
14


Quá trình lưu lượng
1800
1600
1400

Q (m3/s)

1200
1000
800
600
400
200
0
1

2

3

4

5

6

t (giờ)
15


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

Qi = ∑ h k f t − k +1
k =1

Trong đó:
t: thời điểm tính toán
k ≤ m, với m là số thời đoạn mưa hiệu quả
t-k đẳng thời

Lưu lượng Qmax phải do toàn bộ lưu vực và toàn bộ
lượng cấp nước cùng tạo ra dòng chảy

Q max =

k = t = Tc

∑

h k f t − k +1

k =1

16


Sự hình thành lưu lượng đỉnh lũ
Từ công thức căn nguyên dòng chảy tổng quát, ta có:

Qmax

 k=t

= max  ∑ h k f t − k +1 
 k =1


TH 1: τ < Tc, theo VD1 thì Qmax = Q4 = h2f3 +h3f2 +h4f1
TH 2: τ = Tc, theo VD2 thì Qmax = Q3 = h1f3+h2f2+h3f1
NX: toàn bộ thành phần diện tích lưu vực tham gia vào sự
hình thành lưu lượng đỉnh lũ ⇒ Dòng chảy hoàn toàn.
TH 3: τ > Tc, theo VD3 thì Qmax = Q2 = h1f2 + h2f1
NX: Chỉ một phần diện tích lưu vực tham gia vào sự hình

thành lưu lượng đỉnh lũ ⇒ Dòng chảy không hoàn toàn.
17


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
18


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 giữa
đỉnh 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 hệ
giữa 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 hình
thành 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

19


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.F
trong đó:
hτ – cường độ mưa hiệu quả (cường độ mưa quá thấm), (cường
độ dòng chảy)
τ - thời gian tập trung dòng chảy
F - diện tích lưu vực
hτ có thể tính theo cường độ mưa aτ theo công thức:
hτ = ϕ. aτ
trong đó: ϕ – hệ số dòng chảy lũ xác định theo phụ lục 4-1
Công thức viết lại thành:
Qmax= K. ϕ. aτ.F
trong đó K – hệ số chuyển đổi đơn vị.Với Qmax (m3/s); F (km2):
Khi aτ tính theo mm/phút thì K = 16.67
Khi aτ tính theo mm/h thì K=0.278
20


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)
a τp =

H τp
tc

=

ψ τp .H ngp
tc

tc: thời gian hình thành dòng chảy tính theo CT:
tc =

(

18, 6.L0,4
sd
0,4
sd

f I ).(100.msd

)

0,4

Isd(%)

2

5

10

30

60

80

100

400

800

18, 6
0,4
f (Isd
)

15,4

15,2

14,7

13,3

12,0

11,4

10,8

8,2

7,6

21


Đường cong triết giảm mưa phân khu mưa 1
0.01
0.009
0.008
0.007

ψ (τ )

0.006

0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Thời gian (phút)

22


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

(F ≤100
km2)
≤

Q maxP = A P × φ × H ngp × F × δ
trong đó:
QmaxP: Lưu lương đinh lu ung vơi tân suât thiêt kê P%, (m3/s).
AP: Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất (δ=1) ứng với
tần 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.
ϕ: Hệ số dòng chảy lũ; tuỳ thuộc vào loại đất cấu tạo nên lưu
vực, lượng mưa ngày thiết kế (HP) và diện tích lưu vực (F). Tra PL 4-1
Hngp: Lương mưa ngày lơn nhât ưng vơi tân suât thiêt kê cua
tram đai biêu cho lưu vưc tính toán, (mm).
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

23


Thời gian tập trung nước chảy ở sườn dốc τsd
τsd

1000Lsd )
(
=

0,6

0,3 0,4
msd J sd
h τsd

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
Jsd: độ dốc sườn dốc (0/00)
hτsd: cường độ cấp nước (CĐ mưa quá thấm) bình quân lớn
nhất trong thời đoạn τsd.

h

τsd

= ϕa

τsd

= ϕψ

(τ sd )H

ngp

Với lưu vực cụ thể thì ϕ và Hngp đã biết.

24


Thời gian tập trung nước chảy ở sườn dốc τsd
Thay hτsd vào biểu thức có:
τsd =

(1000Lsd )

0,3
sd sd

m J

( ϕψ(

τsd )

0,6

H ngp

)

0,4

Không thể giải trực tiếp ra τsd nên biến đổi như sau:
τsd ψ ( τsd ) 



0,4

=

(1000Lsd )

0,6

0,3
msd J sd
( ϕH ngp )

0,4

= Φ sd

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.
25