Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 9845:2013

TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY LŨ

Calculation of flood flow characteristics

Lời nói đầu

TCVN 9845:2013 được xây dựng trên cơ sở tham khảo 22TCN220-95: Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ.

TCVN 9845:2013 do Tổng cục Đường bộ Việt Nam biên soạn, Bộ Giao thông Vận tải đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY LŨ

Calculation of flood flow characteristics

1. Phạm vi áp dụng

1.1. Tiêu chuẩn này qui định cách xác định các đặc trưng dòng chảy lũ do mưa rào phục vụ thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên sông, ven sông trong ngành giao thông vận tải thuộc vùng sông không chịu ảnh hưởng của thủy triều và không có lũ bùn đá.

1.2. Tiêu chuẩn này là tài liệu tham khảo cho các ngành khác khi cần tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ phục vụ thiết kế các công trình liên quan đến dòng chảy trên sông, ven sông.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau là cần thiết để áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 4054:2005            Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế.

TCVN 5729:2012            Đường ô tô cao tốc - Yêu cầu thiết kế.

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ sau:

3.1. Lũ (Flood)

Hiện tượng nước sông dâng cao trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó giảm dần.

3.2. Đặc trưng dòng chảy lũ (Characteristics of Flood Flow)

Các thông số thể hiện dòng chảy lũ như lưu lượng đỉnh lũ, tổng lượng dòng chảy của trận lũ, mô đun đỉnh lũ, mực nước đỉnh lũ, đường quá trình lũ, thời gian lũ (thời gian lũ lên và thời gian lũ xuống), hệ số dòng chảy.

3.3. Mực nước đỉnh lũ (flood water level)

Cao độ của mặt nước lớn nhất của trận lũ trong sông so với cao độ thủy chuẩn quốc gia.

3.4. Thời gian lũ (time of the flood)

Khoảng thời gian từ khi lũ bắt đầu lên đến khi kết thúc.

3.5. Thời gian lũ lên (rising limb)

Khoảng thời gian từ khi lũ bắt đầu lên đến khi đạt giá trị lớn nhất.

3.6. Thời gian lũ xuống (falling limb)

Khoảng thời gian từ khi lũ giá trị lớn nhất đến khi lũ kết thúc.

3.7. Lưu lượng (Flow discharge)

Thể tích nước đi qua mặt cắt ướt trong một đơn vị thời gian.

3.8. Tổng lượng dòng chảy (flood total volume)

Tổng thể tích nước đi qua mặt cắt công trình trong một thời gian lũ.

3.9. Lưu vực (watershed)

Diện tích lưu vực mà trên đó nước mưa sẽ tập trung chảy vào sông nhánh và sông chính.

3.10. Lượng mưa (Rainfall)

Chiều dày lớp nước mưa rơi xuống (tại một vị trí không gian nào đó) trong một khoảng thời gian, thường có đơn vị là mm.

3.11. Lớp dòng chảy (Depth of runoff)

Chiều dày lớp nước mưa hiệu quả phủ trên toàn bộ diện tích lưu vực để tạo thành tổng lượng dòng chảy.

3.12. Hệ số dòng chảy (Runoff coeficient)

Tỷ số giữa lớp dòng chảy và lượng mưa.

3.13. Tần suất lũ (Flood Frequency)

Số lần lũ có độ lớn đã cho có thể xuất hiện trở lại trong thời gian dài một trăm năm.

3.14. Tần suất lũ thiết kế (Design flood frequency)

Tần suất lũ được chọn để xác định kích thước cần thiết của công trình thoát nước.

3.15. Khẩu độ cầu nhỏ (Small bridge waterway opening)

Chiều dài mặt nước sông, suối cần thiết dưới cầu để thoát được lưu lượng thiết kế.

4. Quy định chung

4.1. Nhiệm vụ và nội dung tính toán:

a) Tính lưu lượng, mực nước thiết kế trong các trường hợp và mối quan hệ lưu lượng với mực nước.

b) Xác định phân bố lưu lượng và lưu tốc trong các bộ phận sông, suối.

c) Xác định kích thước công trình cầu nhỏ, cống trong các trường hợp.

4.2. Các tài liệu trong tính toán, cần sử dụng các nguồn tài liệu:

a) Tài liệu điều tra khảo sát thủy văn của vùng công trình.

b) Tài liệu tổng hợp các đặc điểm thủy văn của địa phương để lựa chọn các phương pháp tính toán thích hợp.

c) Tài liệu về lượng mưa ở các trạm mưa, trạm khí tượng thủy văn trên khu vực. Tài liệu này được lấy liên tục từ khi trạm đo bắt đầu hoạt động cho đến thời điểm tính toán.

d) Tài liệu về thủy văn, thủy lực của các công trình khác trong khu vực có liên quan.

4.3. Trong trường hợp không có trạm quan trắc thủy văn gần tuyến thiết kế công trình, có thể sử dụng tài liệu tương tự của trạm thủy văn gần nhất trên sông tương tự.

Khi sử dụng tài liệu của lưu vực tương tự, cần hiệu chỉnh sự chênh lệch về lượng mưa, về diện tích giữa lưu vực tương tự và lưu vực nghiên cứu.

Có thể sử dụng các mô hình tính toán thủy văn để tính các đặc trưng dòng chảy của lưu vực khi có đầy đủ các cơ sở khoa học tin cậy.

4.4. Khi lựa chọn lưu vực tương tự, cần bảo đảm các điều kiện sau đây:

- Sự tương tự về điều kiện khí hậu.

- Tính đồng bộ trong sự dao động dòng chảy theo thời gian (có quan hệ tương quan trong cùng thời kỳ đo đạc)

- Tính tương tự về địa chất, thổ nhưỡng, địa chất thủy văn, tỷ lệ diện tích rừng, đầm lầy, diện tích canh tác trên lưu vực.

- Không có những yếu tố làm thay đổi điều kiện tự nhiên của dòng chảy.

- Tỷ số giữa các diện tích không vượt quá 5 lần, chênh lệch giữa cao trình bình quân của lưu vực không vượt quá 300 m.

4.5. Khi tính toán theo các Phương pháp của Tiêu chuẩn này, cần thu nhập các đặc trưng địa lý thủy văn của lưu vực nghiên cứu tính đến tuyến xây dựng công trình và của lưu vực tương tự.

Các đặc trưng tính toán này bao gồm:

1. Diện tích lưu vực F (km²) xác định trên bản đồ có tỷ lệ 1/10.000, 1/25.000, 1/50.000 hoặc 1/100.000 phù hợp với diện tích lưu vực, nhưng phải thỏa mãn: 1 km² ngoài thực địa diện tích đo trên bản đồ lớn hơn 1 cm² ở bước lập dự án hay thiết kế cơ sở, còn trong thiết kế kỹ thuật lớn hơn 5 cm². Trường hợp thiết kế hai bước, diện tích đó phải lớn hơn 5 cm².

Khi tính diện tích lưu vực, cần bỏ bớt những phần diện tích không tham gia hình thành dòng chảy lũ. Ví dụ vùng hang động đá vôi v.v…

2. Chiều dài lòng chính L (km) do từ chỗ bắt đầu hình thành lòng chính đến vị trí công trình. Khi trên lưu vực không có lòng chính, thì dòng chảy phải tính theo kiểu chảy trên sườn dốc. Khi đó chiều dài lòng chính lấy theo khoảng cách từ đường phân chia lưu vực (đường phân thủy) đến vị trí công trình.

3. Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực L_sd (m) tính theo công thức

                                     (1)

Trong đó:

L - chiều dài lòng chính, km;

 - tổng chiều dài các lòng nhánh, km. Trong số này, chỉ tính những lòng nhánh có độ dài lớn hơn 0,75 lần chiều rộng bình quân B của lưu vực.

Chiều rộng bình quân B tính theo công thức:

- Đối với lưu vực có hai sườn dốc:                                               (2)

- Đối với lưu vực 1 sườn dốc:                                                       (3)

Đối với lưu vực 1 sườn, áp dụng công thức (1) hệ số 1,8 phải thay bằng 0,90.

4. Độ dốc trung bình của lòng chính J_ls (‰) là độ dốc của đường thẳng kẻ dọc sông sao cho các phần diện tích thừa, thiếu do đường thẳng này và đường đáy sông tạo ra bằng nhau, được xác định bằng công thức:

                          (4)

Trong đó:

h₁, h₂, …. h_n - hiệu độ cao của các điểm g•y trên trắc dọc đáy so với cao độ điểm cuối của đoạn tính độ dốc;

I₁, I₂, … I_n - cự ly giữa các điểm gãy, L =

5. Độ dốc trung bình của sườn dốc J_sd (‰) tính theo trị số trung bình của 4 đến 6 điểm xác định độ dốc sườn dốc, theo hướng dốc lớn nhất.

6. Tỷ lệ rừng:                             f_r = 100%                                                   (5)

7. Tỷ lệ hồ ao:                           f_ao =100 (%)

8. Tỷ Lệ Đầm Lầy:                     f_đl = 100 %

Trong đó: F_rừng, F_ao, _{Fđầm lầy} - diện tích rừng, ao hồ, đầm lầy trên lưu vực.

9. Mức độ điều tiết của các hồ chứa nước nhân tạo: số lượng, vị trí, dung tích, …

Các đặc trưng địa lý thủy văn của sông ngòi và lưu vực nêu ở trên, được xác định theo bản đồ hay đo đạc tại chỗ.

5. Xác Định Lưu lượng đỉnh lũ, tổng lượng lũ và quá trình lũ thiết kế

5.1. Việc tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế, tùy theo diện tích lưu vực, có thể sử dụng một trong các công thức dưới đây:

- Đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 100 km², tính theo công thức cường độ giới hạn, quy định ở 5.2.

- Đối với lưu vực có diện tích lớn hơn 100 km², có thể tính theo công thức triết giảm, quy định ở 5.3.

Ngoài việc tính toán theo công thức trên, đối với lưu vực vừa và lớn, cần đối chiếu kết quả tính toán với phương pháp hình thái đoạn sông (lũ lịch sử) và các phương pháp khác để quyết định số liệu thiết kế.

5.2. Công thức cường độ giới hạn.

5.2.1. Công thức tính lưu lượng:

                                     (8)

Trong đó:

P% - tần suất thiết kế, lấy theo điều 10 TCVN 4054:2005 và điều 9 TCVN 5729:2012.

H_P% - lượng mưa ngày lớn nhất tương ứng với tần suất thiết kế P% của trạm đại diện cho lưu vực tính toán, mm. Trong tính toán cần cập nhật chuỗi số liệu mưa của trạm đại diện đến thời điểm tính. Danh sách các trạm đại diện xem trong Phụ lục B;

Q_P% - lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, m³/s;

F - diện tích lưu vực, km²;

φ - Hệ số dòng chảy lũ lấy trong bảng A.1 phụ lục A, tùy thuộc vào loại đất cấu tạo lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế (H_P%) và diện tích lưu vực (F);

Hệ số dòng chảy φ trong công thức (8) xác định theo lượng mưa ngày, diện tích lưu vực và cấp đất, vị trí điển hình lấy mẫu đất ở chiều sâu: 0,20 m đến 0,30 m. Mỗi mẫu nặng khoảng 400g, xác định thành phần hạt của mẫu đất và tính hàm lượng cát trong mẫu đất (kích thước cát 0,05 mm đến 2mm). Dựa vào hàm lượng cát chứa trong đất, xác định cấp đất theo bảng 1.

A_P% - Mô đun tương đối đỉnh lũ tương ứng với tần suất thiết kế; A_P% lấy trong Bảng A.3 phụ lục A tùy thuộc vào vùng mưa, đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông f_ls (xác định theo công thức 10), thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc t_sd (t_sd theo 5.2.2.1).

d - Hệ số xét tới mức độ làm giảm nhỏ lưu lượng đỉnh lũ do ao, hồ, đầm lầy lưu vực, xác định theo bảng 6.

5.2.2. Trình tự xác định Q_P theo công thức (8) như sau:

5.2.2.1. Xác định thời gian tập trung nước mưa trên sườn dốc t_sd.

Thời gian tập trung nước mưa trên sườn dốc t_sd, xác định theo Bảng A.2 phụ lục A tùy thuộc vào hệ số địa mạo thủy văn của sườn dốc (f_sd) và vùng mưa (Bảng 3).

Hệ số f_sd xác định theo công thức:

                                      (9)

Trong đó:

L_sd - chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực, m;

m_sd - thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc, phụ thuộc vào tình trạng bề mặt của sườn lưu vực, lấy theo bảng 4.

5.2.2.2. Tính thông số địa mạo thủy văn của lòng sông f_ls theo công thức

                               (10)

Trong đó: m_ls - thông số đặc trưng nhám lòng sông, phụ thuộc vào tình trạng bề mặt lòng sông, suối của lưu vực, lấy theo bảng 5.

5.2.2.3. Xác định trị số A_P% theo Bảng A.3 phụ lục A.

5.2.2.4. Tính lưu lượng đỉnh lũ theo công thức (8)

5.2.3. Đối với các lưu vực nhỏ, khi lòng sông không rõ ràng, mô đun tương đối đỉnh lũ A_P% lấy theo Bảng A.3 phụ lục A ứng với f_ls = 0.

5.2.4. Khi chọn được lưu vực tương tự, có nhiều tài liệu quan trắc, có thể vận dụng công thức (8) để tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế cho lưu vực nghiên cứu như sau:

Công thức (8) được viết lại dưới dạng:

                                      (11)

Trong đó:           - Xác định dựa vào tài liệu của lưu vực tương tự, tính toán (12):

                                                            (12)

Trị số  - tung độ đường cong triết giảm mưa, tương ứng với thời gian tập trung dòng chảy trên lưu vực tương tự, lấy trong bảng A.4 phụ lục A.

Thời gian tập trung dòng chảy trên lưu vực tương tự. Tính theo công thức:

                                                      (13)

Trong đó:  - thời gian tập trung nước trong lòng sông của lưu vực tương tự, tính theo (14):

Trong đó:

L_a, m_a, J_a, F_a - chiều dài sông chính, hệ số nhám lòng sông, độ dốc trung bình lòng sông và diện tích lưu vực của sông tương tự;

V_a - lưu tốc dòng chảy trên sông của lưu vực tương tự (m/s);

- thời gian tập trung nước trên sườn dốc của lưu vực tương tự, xác định theo 5.2.2.1.

Trị số A_P% trong công thức (11) xác định theo Bảng A.3 phụ lục A như đã quy định ở trên, tùy thuộc vào vùng mưa,  và f_ls của lưu vực nghiên cứu với giả thiết  = .

Đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông f_ls của lưu vực nghiên cứu, xác định theo (10).

Bảng 1. Bảng phân cấp đất theo hàm lượng cát.

Bảng 2: Bảng phân cấp đất, đá theo cường độ thấm và hàm lượng cát

Chú thích:

1) Khi đất phủ nhiều cỏ, nghĩa là chiều dày lớp thực vật (lớp thổ nhưỡng có rong rêu) lớn hơn 20 cm cấp đất I và III tăng 1 bậc còn V và VI giảm 1 bậc.

2) Nếu trên lưu vực có nhiều loại đất, cần phải tính riêng cho từng loại đất.

3) Lưu lượng sẽ lấy theo trị số bình quân tỷ lệ của phần trăm diện tích các loại đất có trong lưu vực.

Bảng 3: Bảng phân vùng mưa rào Việt Nam.

Bảng 4: Thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc m_sd

Bảng 5: Thông số đặc trưng nhám lòng sông m_ls

Bảng 6: Bảng hệ số triết giảm dòng chảy d

5.3 Công thức triết giảm

Theo qui định ở 5.1 đối với các lưu vực lớn hơn 100 km², để tính lưu lượng đỉnh lũ ta có thể dùng công thức triệt giảm. Công thức có dạng:

                      (15)

Trong đó:

q₁₀₀ - Mô đun đỉnh lũ tương ứng với tần suất 10% qui về diện tích lưu vực thống nhất 100km² lấy ở Bảng A.5 phụ lục A theo các trạm quan trắc gần khu vực công trình, m³/s/km².

 - Hệ số triết giảm mô đun đỉnh lũ theo diện tích, n lấy ở Bảng A.5 phụ lục A.

F - Diện tích lưu vực tính toán, km²;

l_p - Hệ số chuyển tần suất lấy ở Bảng A.5 phụ lục A;

d - Hệ số xét tới ảnh hưởng điều tiết của các hồ, ao, đầm lầy.

Chú thích: Công thức (16) không phù hợp với trường hợp 0,75 < n < 1,25, có nghĩa là phù hợp với n ³ 1,25 và n £ 0,75.

Trong trường hợp chọn được lưu vực tương tự có nhiều tài liệu quan trắc, để tính lưu lượng đỉnh lũ cho lưu vực cần nghiên cứu, có thể sử dụng công thức (17) dưới đây:

                                          (16)

Trong đó:

q_Ptt - mô đun đỉnh lũ của lưu vực tương tự tính theo tài liệu thực đo, m³/s/km²;

F_a, d_a - diện tích và hệ số điều tiết của lưu vực tương tự.

Lưu vực tương tự ngoài những yêu cầu nói trên, cần có lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế không khác xa với lượng mưa này tương ứng của lưu vực nghiên cứu.

TÍNH TỔNG LƯỢNG LŨ TIHẾT KẾ

5.4. Lượng lũ có thể xác định cho một trận lũ đơn, một đợt lũ liên tục, hoặc thời đoạn cố định nào đó tùy thuộc theo yêu cầu thiết kế.

Khi tính lượng lũ không cần tách riêng nước mặt và nước ngầm.

Đối với những trận lũ dài ngày, tổng lượng lũ xác định theo lưu lượng bình quân ngày như sau:

           (m³)                  (17)

Trong đó: Q_i - Lưu lượng bình quân ngày trong đợt lũ kéo dài từ t₁ đến t₂, m³/s.

Đối với những trận lũ ngắn, tổng lượng lũ xác định theo đường quá trình lũ trích trong sổ đặc trưng lũ.

5.5. Trường hợp có nhiều tài liệu quan trắc, việc tính lượng lũ thiết kế cũng tiến hành theo Phương pháp thống kê như đối với đỉnh lũ.

5.6. Trường hợp không có tài liệu quan trắc, có thể xác định tổng lượng lũ từ mưa rào.

Đối với các lưu vực nhỏ có diện tích từ 1km² đến 50km². Có thể dùng lượng mưa ngày để tính tổng lượng lũ.

 (m³)                             (18)

Đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 1km², tổng lượng lũ tính theo mưa rơi trong thời gian 150min.

 (m³)                                (19)

- lấy theo Bảng A.4 phụ lục A với thời gian là 150 min.

Hệ số dòng chảy φ trong cả 2 trường hợp lấy theo φ ổn định tương ứng với F > 100 km² trong bảng A.1 phụ lục A.

5.7. Trường hợp có lưu vực tương tự, có thể xây dựng quan hệ tương quan giữa đỉnh và lượng lũ, sau đó xác định lượng lũ thiết kế trên đường quan hệ này ứng với lưu lượng Q_P% đã xác định.

XÂY DỰNG ĐƯỜNG QUÁ TRÌNH LŨ THIẾT KẾ

5.8. Đường quá trình lũ thiết kế xây dựng theo lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ cùng tần suất.

Đối với các sông lớn, lũ kéo dài, ngoài 2 đặc trưng trên, cần khống chế cả lượng nước trong đợt lũ chính cùng tần suất thiết kế. Đợt lũ chính là đợt lũ có đỉnh lũ lớn nhất và lượng lũ trong thời gian đó cũng chiếm một tỷ lệ lớn so với toàn bộ trận lũ. Lượng lũ trong đợt lũ chính có thể tính theo lưỡng lũ 2 đến 3 ngày lớn nhất trong trận lũ.

5.9. Khi ở tuyến sông tính toán hoặc sông tương tự có tài liệu quan trắc trên 10 năm hoặc có tài liệu đo đạc về những trận lũ lớn đột xuất, có thể chọn một trong số những trận lũ đã xảy ra làm mô hình. Mô hình chọn theo tiêu chuẩn bất lợi cho công trình đang thiết kế. Cần phân tích kỹ quan hệ giữa đỉnh lũ và lượng lũ khi chọn mô hình.

Nếu quan hệ này chặt chẽ, mô hình sẽ được chọn với điều kiện đỉnh lũ cao nhất, lượng lũ lớn nhất. Nếu quan hệ không chặt chẽ, có thể chọn 2 mô hình: một ứng với đỉnh lũ lớn nhất và một mô hình thứ hai ứng với lượng lũ lớn nhất. Sau đó, thông qua tính toán điều tiết, chọn lấy mô hình bất lợi hơn cho công trình.

5.10. Các đặc trưng hình dạng đường quá trình như sau:

1. Hệ số đầy (g):                                                                  (20)

2. Hệ số hình dạng (l*):                                                         (21)

3. Hệ số không cân đối (Ks):                   K_s =                                                  (22)

Trong đó:

,  - Lưu lượng, Mô đun dòng chảy bình quân ngày lớn nhất;

 - Lưu lượng bình quân của trận lũ;

t₁, T - Thời gian lũ lên và thời gian cả trận lũ, ngày;

h_l, h - Lớp nước trong thời gian lũ lên và thời gian cả trận lũ, mm.

Sau khi thu phóng đường quá trình mô hình lũ điển hình thành mô hình lũ thiết kế, các đặc trưng hình dạng trên đây không được biến đổi quá lớn.

5.11. Để chuyển đường quá trình điển hình thành đường quá trình lũ thiết kế, có thể dùng một trong các Phương pháp sau:

1. Khi đường quá trình đều đặn có một đỉnh, sử dụng hệ số thu phóng lưu lượng (k_Q) và hệ số thu phóng thời gian (k_T)

                                                     (23)

                                                      (24)

Tọa độ đường quá trình thiết kế (Q_ip, T_ip) tính như sau:

                                                      (25)

T_ip = T_im.k_T                                                         (26)

Đường quá trình thiết kế xây dựng theo Phương pháp này vẫn giữ nguyên được hệ số đầy (g), hệ số không cân đối K_s như của đường điển hình.

2. Khi đường quá trình lũ có dạng phức tạp, nhiều đỉnh trên mô hình, tách phần có lưu lượng lớn (sóng lũ chính) và xác định lớp dòng chảy trong đợt lũ chính . Để thu phóng đường quá trình lũ, ở đây cần sử dụng 3 hệ số:

- Hệ số thu phóng đỉnh k₁:

                                                      (27)

- Hệ số thu phóng tung độ sóng lũ chính k₂:

                                             (28)

- Hệ số thu phóng phần còn lại của đường quá trình k₃:

                                              (29)

Hoành độ quá trình trong trường hợp này giữ nguyên như cũ.

3. Khi đường quá trình lũ phức tạp và không có số liệu về đợt lũ chính () thì có thể dùng hai hệ số thu phóng sau đây:

Tung độ đợt lũ chính, thu phóng với k₁.

Tung độ phần còn lại của quá trình thu phóng với k₄:

                                         (30)

Trong đó:

, - lưu lượng bình quân ngày lớn nhất, m³/s;

(các ký hiệu p, m biểu thị trị số thiết kế và trị số lấy ở đường quá trình điển hình)

,  - Mô đun dòng chảy bình quân ngày lớn nhất, m³/s/km²;

,  - Lớp dòng chảy đợt lũ chính, mm;

H_p, h_m - Lớp dòng chảy toàn trận lũ, mm;

F, F_m - Diện tích lưu vực, km².

4. Đối với các lưu vực lớn: do lũ đơn kéo dài trong nhiều ngày có thể dùng dạng đường cong sau đây:

                                                  (31)

Trong đó:

y - tung độ của đường quá trình lũ tính toán, biểu thị bằng tỷ số so với lưu lượng bình quân ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế :

                                                        (32)

x - hoành độ của đường quá trình lũ tính toán, biểu thị bằng tỷ số so với thời gian nước lên T₁:

x =                                                               (33)

a - thông số phụ thuộc vào hệ số hình dạng l*. Hệ số l* lấy theo k₃ mượn của lưu vực tương tự.

Thời gian T_l tính theo công thức sau:

        (ngày)                           (34)

Tung độ của đường quá trình lũ thiết kế sẽ bằng:           Q_i = .y                (35)

và hoành độ bằng:                                                        T_i = T_l.x             (36)

5. Đối với lưu vực nhỏ hơn 100 km², để xây dựng đường quá trình lũ thiết kế, cũng có thể dùng Phương trình đã nêu trên, song để xác định tung độ đường quá trình và thời gian lũ lên, cần sử dụng lưu lượng tức thời lớn nhất và Mô đun tức thời tương ứng.

Thời gian lũ lên T_l tính theo công thức:

         (h)                                (37)

Hoặc:                                                 (min)                             (38)

Hệ số k₃ trong trường hợp này mượn của lưu vực tương tự.

6. Đường quá trình tam giác dùng cho lưu vực nhỏ

Để xây dựng đường quá trình tam giác, ngoài 2 đặc trưng lưu lượng đỉnh lũ thiết kế (Q_p) và tổng lượng lũ thiết kế (W_p) cần biết thêm tỷ số giữa thời gian nước xuống (T_r) và thời gian nước lên (T_l).

Tỷ số β này có thể xác định theo kinh nghiệm.

- Đối với lưu vực ít điều tiết β = 2,0

- Đối với lưu vực điều tiết nhiều β = 3,0.

Thời gian lũ tính theo công thức:

             (h)                    (39)

Trong đó:

h - lớp nước lũ thiết kế, mm;

F - Diện tích lưu vực, km².

Tung độ y = Q_i/Q_p của đường quá trình lũ ứng với các hệ số hình dạng lũ l* khác nhau,  tra trong bảng A.6 phụ lục A.

6. Xác định khẩu độ cầu nhỏ và cống trong điều kiện bình thường

TÍNH TOÁN THỦY LỰC CẦU NHỎ

6.1. Tiêu chuẩn thiết kế cầu nhỏ và cống quy định tính khẩu độ cầu nhỏ và cống theo lưu lượng lớn nhất. Đối với trường hợp này, khẩu độ công trình được thiết kế sao cho lưu lượng lớn nhất khi đến khu vực công trình sẽ chảy ngang qua công trình, không bị ứ đọng lại trước công trình.

6.2. Sơ đồ tính thủy lực cầu nhỏ.

Phương pháp tính thủy lực khẩu độ cầu lấy cơ sở lý thuyết của dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng, là sơ đồ cho phép xác định chiều rộng thoát nước dưới cầu cần thiết phù hợp với các dạng gia cố lòng suối. Sơ đồ thủy lực cầu là sơ đồ đập tràn đỉnh rộng có mặt cắt co hẹp dưới cầu là chiều sâu tính toán (h_t) tại mặt cầu 1-1 là h₁, h_t = h_c = h₁ (Hình 1).

Từ công thức đập tràn, rút ra công thức xác định khẩu độ cầu nhỏ L_0c:

                                        (40)

Trong đó:

Q - lưu lượng thiết kế, m³/s;

H₀ - cột nước dâng toàn phần trước cầu, ;

V₀ - tốc độ dòng chảy đến cầu;

H - cột nước tĩnh trước cầu;

m - hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào loại mố cầu, lấy theo bảng 7;

s_ng - hệ số chảy ngập, phụ thuộc vào chế độ chảy dưới cầu.

Chế độ chảy dưới cầu:

N - tiêu chuẩn ngập, thể hiện mức độ ngập, phản ánh mức nước hạ lưu bắt đầu ảnh hưởng tới khả năng thoát nước dưới cầu, lấy trong bảng 8;

h_h - chiều sâu dòng chảy ở hạ lưu, thường lấy bằng chiều sâu dòng chảy đều h₀ tương ứng với độ dốc và hình dạng dòng chảy lúc tự nhiên khi chưa có cầu;

s_ng - hệ số chảy ngập, tra bảng 9 theo (n và m) với n = hh/H.

Hình 1: Sơ đồ thủy lực cầu nhỏ

Mặt cắt tính toán:

Là mặt cắt có hẹp dưới cầu (mặt cắt 1-1 trong hình 1), có chiều sâu tính toán thay đổi theo chế độ chảy:

- Chảy không ngập (chảy tự do):                        h_t = k₁.H                                                (41)

- Chảy ngập (chảy không tự do):                        h_t = k_ng.H                                               (42)

Trong đó:

k₁ - hệ số, tra bảng 8 theo hệ số lưu lượng m;

k_ng - hệ số, tra bảng 9 theo (m và n).

Lưu tốc tính toán V_t được xác định theo phương trình liên tục.

Lựa chọn vật liệu gia cố: Vật liệu gia cố được lựa chọn sao cho đáy sông, suối không bị xói lở, nghĩa là:             V_cp ³ V_t.

V_cp - lưu tốc cho phép không xói của vật liệu gia cố, phụ thuộc loại vật liệu và chiều sâu tính toán, tham khảo bảng 10.

Trình tự tính thủy lực cầu nhỏ: Xem phụ lục C.

Bảng 7: Hệ số lưu lượng m của cầu nhỏ

Bảng 8: Thông số tính toán thiết kế thủy lực cầu nhỏ

Bảng 9: Thông số tính toán thiết kế thủy lực cầu nhỏ theo sơ đồ chảy ngập

Bảng 10: Vận tốc cho phép không xói của các loại gia cố V_cp

Chú thích: Các trị số trên không được nội suy, mà phải lấy theo trị số gần nhất.

TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG TRONG TRƯỜNG HỢP THÔNG THƯỜNG

6.1. Sơ đồ tính thủy lực cống.

Hình 2: Chế độ kiểm soát thượng lưu

Hình 3: Chế độ kiểm soát hạ lưu.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy trong cống theo thời gian, nhưng tại một thời điểm 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 đặc tính của cống (hình dạng kích thước thân cống, cấu tạo cửa vào, cửa ra của cống, vật liệu làm cống, chiều dài cống, độ dốc đặt cống...), dòng chảy hạ lưu (kiểm soát hạ lưu). Ở mỗi chế độ kiểm soát đặc tính dòng chảy cũng khác nhau, trước khi thiết kế không thể biết trước được chế độ kiểm soát của cống. Vì vậy, cần phải xem xét thiết kế với cả hai chế độ kiểm soát, sau đó lựa chọn chế độ kiểm soát có giá trị lớn làm chế độ tính toán tiếp.

a) Kiểm soát thượng lưu.

Hình 2 mô tả một số dạng khác nhau về dòng chảy ở chế độ kiểm soát thượng lưu cống.

Yếu tố ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát thượng lưu: là dòng chảy thượng lưu và cấu tạo cửa vào của cống. Độ dốc thân cống cũng ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát thượng lưu nhưng không nhiều nên trong tính toán thường bỏ qua.

Chế độ thủy lực của kiểm soát thượng lưu: tùy vào mức độ ngập ở cửa vào của cống, chế độ thủy lực cống được chia thành 3 khu vực: không ngập, ngập và khu vực quá độ.

Trong trường hợp chiều sâu thượng lưu nhỏ cống được coi như làm việc theo sơ đồ của đập tràn. Mối quan hệ giữa lưu lượng và chiều sâu thượng lưu được tính toán theo mô hình của đập tràn.

Trong trường hợp cửa vào bị ngập dòng chảy qua cống làm việc theo sơ đồ dòng chảy qua lỗ. Mối quan hệ giữa lưu lượng và chiều sâu thượng lưu được xác định dựa vào kết quả thí nghiệm trên các mô hình tương ứng.

b) Kiểm soát hạ lưu

Hình 3 mô tả một số dạng khác nhau về dòng chảy ở chế độ kiểm soát hạ lưu cống. Trong tất cả các trường hợp mặt cắt kiểm soát tại cửa ra của cống hoặc ở hạ lưu cống. Với trường hợp dòng chảy không đầy cống, dòng chảy trong ống cống là dòng chảy êm.

Yếu tố ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát hạ lưu: có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kiểm soát hạ lưu như: - Chiều sâu dòng chảy thượng lưu, - Hình dạng kích thước cửa vào và cửa ra, - Đặc tính của ống cống (mức độ gồ ghề, diện tích cống, hình dạng, chiều dài, độ dốc đặt cống), - Mực nước hạ lưu cống, - Cửa ra của cống.

Chế độ thủy lực của kiểm soát hạ lưu: Dòng chảy đầy trong cống là dạng tốt nhất của dòng chảy để mô tả chế độ thủy lực của kiểm soát hạ lưu. Dòng chảy ở chế độ kiểm soát hạ lưu được tính toán trên cơ sở của Phương trình cân bằng năng lượng dòng chảy.

b) Trình tự tính thủy lực cống: Xem trong phụ lục D.

7. Xác định khẩu độ cống có xét đến tích nước trước công trình.

7.1. Tiêu chuẩn thiết kế cống quy định tính khẩu độ cống theo lưu lượng lớn nhất.

Trong trường hợp cần thiết, cần kiểm tra những chỗ tràn ở điểm thấp nhất và cả điểm phân giới của trắc dọc tuyến.

Ngoài ra, còn phải tính độ ngập cho phép của ruộng đất vùng gần công trình.

7.2. Xác định khẩu độ cống, trong mọi trường hợp, nên xem xét đến phương án khẩu độ cống có tích nước trước cống; lưu lượng tháo qua công trình do xét tích nước, không được phép giảm nhỏ quá 67%, nghĩa là lưu lượng tính toán không nhỏ hơn 33% lưu lượng theo tần suất thiết kế ban đầu. Trong tính toán, cần lưu ý những trường hợp, mà khả năng tích nước trước công trình có thể bị hạn chế.

- Vùng đồi núi có độ dốc lòng sông chính lớn.

- Những vùng mưa dài ngày, các trận mưa trước đã tích đầy lòng khe suối phía trước công trình.

- Những chỗ có đường phân lưu không rõ ràng, nước có khả năng chảy tràn từ khe suối này sang khe suối bên cạnh.

7.3. Xác định khẩu độ có xét tích nước cần sử dụng những tài liệu sau:

a) Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ thiết kế (đường quá trình lũ đối với trường hợp lưu vực nhỏ xem như có dạng hình tam giác).

b) Bản đồ địa hình phía trước công trình (Dùng vào việc xây dựng quan hệ giữa dung tích có khả năng tích nước và cao trình trữ nước trước công trình). Trong trường hợp tính toán giản đơn, đã tính dung tích trữ phía trước công trình, chỉ cần xác định độ dốc lòng chính, sườn dốc và hình dạng lòng dẫn phía trước công trình.

c) Đồ thị khả năng thoát nước của công trình

7.4. Đồ thị khả năng thoát nước của công trình (phụ lục E) xây dựng theo công thức thủy lực sau đây:

                                (43)

Trong đó:

Q_c - Lưu lượng lớn nhất tháo qua công trình, m³/s;

 - Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào hình dạng cửa vào cống và phần tư nón tại đầu cống;

 - Diện tích mặt cắt nước chảy có chiều sâu phân giới khi chảy không áp, hoặc diện tích tiết diện đầy cống khi chảy có áp, m²;

y - Chiều sâu cột nước trước công trình trên cao độ lòng cống, m;

h - Chiều sâu phân giới khi chảy không áp, hoặc chiều sâu thu hẹp khi chảy có áp, m.

Đồ thị tính toán bao gồm 2 trường hợp:

1. Cống có chiều dài bất kỳ, trong đó độ dốc lòng cống bằng hoặc lớn hơn độ dốc phân giới.

2. Công trình có chiều dài nhỏ hơn 5 lần chiều sâu nước y và độ dốc lòng nhỏ hơn độ dốc phân giới.

Nếu độ dốc lòng công trình nhỏ hơn độ dốc phân giới còn chiều dài lớn hơn 5 lần chiều sâu nước y, thì khả năng thoát nước qua công trình phụ thuộc vào khẩu độ, chiều dài, độ dốc, độ nhám đáy công trình và lòng chính.

Trong trường hợp này, cũng như khi có những điều kiện đặc biệt khác, đồ thị khả năng thoát nước phải vẽ trên cơ sở tính toán thủy lực.

7.5. Lưu lượng điều tiết qua công trình Q_t, phụ thuộc vào lưu lượng lũ thiết kế Q_p, lượng lũ W_p, dung tích lòng vũng phía trước công trình Wa và biểu thị bằng công thức đơn giản sau đây:

                                               (44)

7.6. Dung tích W_a phụ thuộc vào hình dạng lòng dẫn, độ dốc lòng sông chính i_p, độ dốc sườn i_s, chiều rộng ngập tràn trước công trình B ứng với chiều sâu cột nước y.

Khi mặt thoáng tích nước giới hạn trong phạm vi parabôn, dung tích V có thể xác định gần đúng theo công thức:

              (m³)                              (45)

Trường hợp khe nhỏ và không có tài liệu chi tiết, có thể xác định W theo công thức kinh nghiệm sau:

                                                           (46)

Các ký hiệu ý nghĩa như trên.

Hệ số địa mạo k phụ thuộc vào hình dạng lòng vũng, trắc dọc lòng sông chính và trắc dọc bờ, xác định theo bảng 11.

Khi chu vi ướt mặt cắt nước chảy thể hiện rõ lòng chủ, bãi, hoặc mặt cắt ngang có sự khác biệt về hình dáng (khe lòng dốc đứng ...), dung tích lòng vũng xác định theo công thức:

                 (47)

Trong đó:

a_o - Góc giao cắt giữa tuyến đường với hướng dòng nước;

i_l - Độ dốc lòng chủ ở vị trí công trình, ‰;

B - Chiều rộng toàn bộ miền ngập tràn ở trắc ngang tính toán ứng với mực nước dềnh tính toán, m;

H_b - Chiều sâu lớn nhất của bãi sông ứng với mực nước dềnh tính toán, m;

 - Chiều sâu trung bình của bãi sông ứng với mực nước dềnh tính toán, m;

B_li - Chiều rộng lòng sông hay của những phần tiêu biểu khác ứng với mực nước dềnh tính toán, m;

H_li - Chiều sâu lớn nhất của lòng sông ứng với mực nước dềnh tính toán, m.

Bảng 11: Bảng hệ số địa mạo k

Công thức trên ứng dụng cho trường hợp độ dốc trên những phần riêng biệt của dòng chảy và toàn bộ thung lũng đều như nhau.

Trong trường hợp độ dốc dọc khác nhau, dùng công thức:

              (48)

Trong đó:

I_b và i_l tương ứng với độ dốc của phần b•i cao nhất và độ dốc lòng sông hoặc những đoạn tiêu biểu khác của thung lũng sông.

Các ký hiệu còn lại đã nêu ở trên.

Hình 4 là sơ đồ xác định dung tích lòng dẫn trước công trình ở lưu vực nhỏ thể hiện mặt cắt nước chảy tính toán.

7.7. Công thức (46) chỉ dùng hợp lý trong trường hợp lòng sông ít lồi lõm và hình dạng mặt cắt có dạng parabôn lõm, quá trình nước vào lòng dẫn trước công trình và quá trình xả lũ qua cùng một lúc (hình 5a).

Trong trường hợp lòng sông lồi lõm nhiều (hình 5b), quá trình tích nước bắt đầu chậm hơn quá trình tháo, lưu lượng tháo qua công trình tính theo công thức:

                          (49)

Hình 4. Sơ đồ xác định dung tích lòng dẫn trước công trình ở lưu vực nhỏ.

N - Hệ số điều kiện tích nước phụ thuộc vào mức độ lồi lõm của sông suối.

Khi dòng sông không sâu, đáy và bờ có dạng parabôn lõm thoải N = 0.

Khi lòng sông lồi lõm nhiều N = 1.

Trường hợp trung bình N = 0,5

Hình 5. Quá trình tháo lũ và tích lũ

7.8. Trong trường hợp có tài liệu chi tiết về lòng vũng, để tìm lưu lượng xả qua công trình cần giải đồng thời 2 công thức (43) và (49)

Bài toán thường giải bằng Phương pháp đồ giải như sau:

- Có đồ thị khả năng thoát nước Q_c = F(y) ứng với các khẩu độ khác nhau (phụ lục E).

- Xây dựng quan hệ Q_t = F(y) theo công thức (44) hoặc (49) theo trình tự sau:

+ Giả thiết mức nước trước công trình Z, dựa vào quan hệ địa hình và mực nước, tính dung tích tương ứng V và xác định cột nước trên đáy công trình Y. Tính lưu lượng xả lũ theo công thức (44) hoặc (49)

+ Vẽ quan hệ Q_t ~ y theo cấp trị số tương ứng. Điểm giao nhau của các đường cong Q_c ~ y và Q_t ~ y cho các lưu lượng xả lũ cần tính. Dựa trên so sánh chi tiêu kinh tế, kỹ thuật và kích thước khẩu độ hợp lý, chọn trị số thiết kế.

7.9. Thời gian ngập vùng hoa màu quý, cần được xem xét thỏa thuận với nhân dân địa phương trong thời kỳ khảo sát.

Thời gian này tính theo công thức:

 (h)                                                 (52)

Trong đó:

W_p - thể tích tính toàn dòng chảy do mưa, tính theo 1000 m³;

Q_t - lưu lượng thoát qua công trình có xét tính nước ở mức nước dềnh tính toán, m³/s;

Q_min - lưu lượng qua công trình ứng với cao độ cho phép ngập mùa màng thấp nhất, m³/s.

7.10. Sau khi xác định lưu lượng qua công trình có xét tích nước, cần tiếp tục tiến hành những công việc sau:

a - Xác định khẩu độ công trình thoát nước và chế độ chảy.

b - Xác định mực nước dềnh tính toán khi có chế độ nước chảy qua công trình.

c - Chấm mực nước dềnh tính toán lên trắc dọc ở nơi giao cắt tuyến.

d - Xác định cao độ vai đường nhỏ nhất cho phép ở nơi xây dựng công trình thoát nước.

e - Đánh giá thời hạn ngập vùng hoa màu quí.

g - Kiểm tra khả năng tràn đường ở những chỗ trũng và điểm phân giới của trắc dọc tuyến.

h - Biện pháp gia cố lòng sông ở cửa vào và ra.

8. Phụ lục

PHỤ LỤC A. TÍNH LƯU LƯỢNG ĐỈNH LŨ TỪ MƯA RÀO

Bảng A.1: Bảng hệ số dòng chảy lũ thiết kế φ.

Bảng A.2 - Bảng thời gian nước chảy trên sườn dốc t_sd tra theo hệ số địa mạo thủy văn sườn dốc và vùng mưa

Bảng A.3: Bảng mô đun tương đối A_p% theo f_ls, vùng mưa và thời gian nước chảy trên sườn dốc.