CHƯƠNG III. TIỀM NĂNG SÔNG NGÒI
X. TÍNH TOÁN KHO NƯỚC PHÒNG LŨ
Khi tính toán phòng lũ, tiến hành tính toán dung tích phòng lũ và công trình xả lũ cho kho nước, đầu tiên cần chú ý hai điểm cơ bản sau:
- Đối với nhiệm vụ phòng lũ, ngoài việc xả lũ để an toàn cho công trình cần chú ý đến yêu cầu phòng lũ của các vùng thượng lưu và hạ lưu kho nước.
- Từ đặc tính của công trình xả lũ, ngoài việc dùng đập tràn không có cửa đóng mở trên đập, người ta cũng thường dùng đập tràn cửa đóng mở để khống chế nước lũ.
Do nhiệm vụ phòng lũ và đặc tính công trình khác nhau nên, khi tính toán phòng lũ, không những khác nhau về các phương pháp và các bước tính toán mà còn khác nhau về cả nội dung tính toán cụ thể. Về nội dung tính toán kho nước phòng lũ, chủ yếu bao gồm mấy vấn đề sau:
1. Chọn hình dạng và kích thước công trình xả lũ bao gồm chọn cao trình đỉnh đập tràn, chiều rộng đỉnh đập, khi đập tràn có cửa đóng mở thì cần phải chọn cả đỉnh của cửa đóng mở.
2. Xác định các đặc trưng dung tích và các đặc trưng mực nước của kho, bao gồm dung tích phòng lũ thiết kế (Vm), dung tích phòng lũ kiểm tra (Vkt) và các mực nước tương ứng, dung tích kết hợp giữa phòng lũ và gây lợi cùng mực nước trước khi lũ đến .
3. Xác định phương thức điều tiết lũ khi đập tràn có cửa đóng mở.
1. Tính toán kho nước phòng lũ khi không có cửa đóng mở
Khi kho nước không có cửa đóng mở, nhiệm vụ tính toán phòng lũ là xác định quan hệ giữa kích thước công trình xả lũ, dung tích phòng lũ thiết kế và lưu lượng
xả lũ thiết kế, nói chung thường sơ bộ định ra vài trị số kích thước của công trình xả lũ (thường giả thiết nhiều trị số chiều rộng đỉnh tràn B) tiến hành tính toán điều tiết lũ, tính ra các trị số dung tích phòng lũ tương ứng, qua phân tích tính toán kinh tế chọn ra phương án tối ưu.
Tính toán kho nước phòng lũ khi không có cửa đóng mở có thể chia ra mấy trường hợp sau:
- Mực nước lũ thiết kế Hm đã định, tìm kích thước của công trình xả lũ.
Khi kho nước có một số điều kiện hạn chế, ví dụ có một vùng nào đó ở thượng lưu không được để ngập hoặc do điều kiện địa hình, địa chất, v.v …, không cho phép xây dựng đập cao thì mực nước lũ thiết kế Hm thường được định trước.
Lúc đó, khi tính toán kích thước công trình xả lũ cần phân biệt xem ở hạ lưu công trình có yêu cầu phòng lũ hay không.
A. Khi không có yêu cầu phòng lũ ở hạ lưu thì chủ yếu xả lũ để bảo đảm an toàn cho công trình của kho nước, cách tính toán như sau:
- Nếu mực nước bình thường (Hbt) cũng đã định, cần tìm chiều rộng đỉnh đập tràn xả lũ B.
- Nếu Hbt chưa định, thông qua tính toán kinh tế chọn B và Hbt theo phương án toỏi ửu.
Đối với trường hợp thứ nhất, Hbt đã định, giả thiết rằng mực nước trước khi lũ đến ngang với Hbt, Vm là dung tích nằm giữa Hm và Hbt là đã biết. Giả thiết nhiều trị số B, căn cứ vào đường quá trình nước lũ thiết kế (Q~t) tiến hành tính toán điều tiết, tìm ra các trị số Vm và qm tương ứng với các trị số B (xem hình 3.19a),vẽ hai đường qua hệ B~Vm và B~qm lên trên một trục toạ độ (hình 3.19b), với Vm đã biết ở trên, tra trên các đường quan hệ đó sẽ tìm được trị số B và qm cần thiết (hình 3.19).
Đối với trường hợp thứ hai, khi Hbt chưa định, cần giả định một trị số Hbt và với Hm đã định sẽ tìm được Vm và các trị số Vh (Vh là dung tích hiệu quả của kho nước, còn gọi là dung tích gây lợi, giả thiết mực nước chết Ho đã định) tương ứng với các trị số bình thường Hbt. Tiến hành tính toán điều tiết và vẽ các đường quan hệ như ở trường hợp thứ nhất, với các trị số Vm đó sẽ tìm được các trị số B và các trị số qm tương ứng. Sau đó tiến hành tính toán đầu tư, chi phí hàng năm của công trình, hiệu ích gây lợi cho dung tích hiệu quả đưa lại của từng phương án Hbt (mỗi trị số Hbt định ra một phương án), rồi phân tích so sánh kinh tế, chọn được trị số B và trị số qm cần tìm tương ứng, với phương án Hbt tối ưu.
q
0
a) b)
B-Vm B-Vm
V qm q
Vm
B
0 B
qm2
qm1
Vm q~t
Q~t Q
Hình: 3.19
B. Khi có yêu cầu phòng lũ cho hạ lưu thì tính toán như sau:
- Nếu lưu lượng xả lũ thiết kế qm cũng đã định, cần tìm chiều rộng đỉnh đập tràn xả lũ B.
- Nếu qm chưa định, thông qua tính toán kinh tế chọn B, qm và Hbt theo phương án tối ưu.
Đối với trường hợp a), do cao trình mặt đê phòng lũ hoặc cao trình của thành phố, v.v… vùng hạ lưu được phòng lũ đã hạn chế nên qm cần xác định trước. Cách
tính toán như sau:
Giả thiết mực nước trước khi lũ đến được xác định ngang với Hbt, giả định một số trị số B, sẽ tìm được cột nước hm tương ứng theo công thức thuỷ lực:
3 2
1 2
3
1
=
→
= m .B
h q h
. B . m
qm m m m
Trong đó:
hm - cột nước tương ứng với qm, Hm đã định, với các trị số bm đó sẽ tìm được các trị số Hbt và các trị số Vm tương ứng. Căn cứ vào các trị số của B đã có, dựa vào đường quá trình mực nước lũ thiết kế, tiến hành tính toán điều tiết lũ sẽ tìm ra các trị số qm’ tương ứng. Chọn trong số qm’ đó một trị số xấp xỉ với trị số qm đã định, các trị số B và Hbt tương ứng với qm là những trị số ta cần tìm.
Khi tiêu chuẩn thiết kế phòng lũ của công trình cao hơn tiêu chuẩn của vùng phòng lũ của công trình để tính toán phòng lũ, nhưng vì Hm và qm đã định nên có thể thay đổi Hbt hoặc trị số B cho phù hợp.
Đối với trường hợp b), phương pháp tính toán cũng tương tự như trường hợp thứ hai ở phần trước khi không có yêu cầu phòng lũ ở hạ lưu, nhưng khi tính toán kinh tế phải xét đến đầu tư chi phí hàng năm và hiệu ích phòng lũ ở hạ lưu.
Đã định mực nước bình thường (Hbt), tìm Vm (hoặc Hm) và kích thước công trình xả lũ (tìm B) trong cả hai trường hợp có và không có yêu cầu phòng lũ ở hạ lưu.
* Khi có yêu cầu phòng lũ ở hạ lưu, nếu qm đã định thì quá trình tính toán tương tự như phần trên đã trình bày, cuối cùng lấy qm đã biết, tra trên đường quan hệ B~qm tìm được B, Vm và Hm tương ứng, nhưng cần kiểm tra xem Hm có phù hợp điều kiện cho phép về ngập ở thượng lưu, địa hình, v.v…, không.
* Khi không có yêu cầu phòng lũ ở hạ lưu, ta giả định một số trị số B, tiến hành tính toán điều tiết lũ tìm được các trị số Vm tương ứng, sau đó tính toán, phân tích, so sánh kinh tế tìm được B và Vm tương ứng với phương án tối ưu.
Đối với việc tính toán phòng lũ kho nước khi không có cửa đóng mở, còn có nhiều phương pháp tính toán khác. Gặp trường hợp công trình xả lũ bao gồm cả đập tràn và cống ngầm kết hợp, thì việc tính toán phức tạp hơn.
Kho nước phòng lũ dùng loại đập tràn không có cửa đóng mở có ưu điểm là giá thành xây dựng công trình tương đối rẻ, thao tác an toàn không sinh ra các tổn thất bất ngờ do sự cố khi thao tác, nhưng có nhược điểm là hiệu quả xả lũ thấp, việc kết hợp giữa phòng lũ và gây lợi rất khó khăn.
2. Tính toán kho nước phòng lũ khi có cửa đóng mở
Kho nước phòng lũ có cửa đóng mở thường được chú ý xây dựng khi có điều kiện dự báo, điều tiết lũ bổ sung v.v… Muốn nâng cao tác dụng của cửa đóng mở, cần chú trọng đến việc kết hợp giữa phòng lũ và gây lợi (tức kết hợp giữa Vm và Vh). Nội dung tính toán gồm việc chọn dung tích phòng lũ (Vm) và kích thước của công trình xả lũ (B), xác định cách vận hành kho nước.
1. Xác định dung tích phòng lũ, kích thước của công trình xả lũ cũng gần giống như trường hơp kho nước không có cửa đóng mở, nhưng về phương pháp tính toán cần chú ý hai điểm khác nhau. Điểm thứ nhất, do có cửa đóng mở nên trình tự xả lũ trong mùa lũ phải dựa vào biểu đồ điều phối đã dự định và phải xét đến khả năng dự báo để vận hành kho nước. Điểm thứ hai, do nước trong kho không phải là chảy tự do nên khi tính toán điều tiết không thử trực tiếp dùng những phương pháp đã nêu ở trên mà phải dựa vào phương trình cơ bản về cân bằng nước và phương thức vận hành kho nước đã dự định tiến hành theo phương pháp lập bảng hoặc kết hợp giữa phương pháp đồ giải và phương pháp lập bảng.
Sau đây nêu ví dụ các bước tính toán khi gặp trường hợp như (hình 3.13a).
Hình vẽ đó đã được vẽ lại dưới đây (hình 3.20).
Trong ví dụ trình bày hai phương án:
giữa phòng lũ và gây lợi hoàn toàn không kết hợp và kết hợp một phần. Khi tính toán cần theo mấy điều kiện sau đây: lưu lượng xả lũ qm đã biết, khi mực nước trong kho đạt đến mực nước lũ thiết kế vừa đúng lúc lưu lượng xả lũ đạt đến qm với điều kiện cửa ở đập tràn mở hoàn toàn, lưu lượng đơn vị qB (thường tính theo một mét chiều rộng đỉnh đập tràn) đã biết, cột nước h kể từ đỉnh đập tràn trở lên cũng đã bieát .
Hình 3.20
Dưới đây trình bày các bước tính toán theo hai phương án đã nêu ở trên:
1. Khi giữa phòng lũ và gây lợi (Vm và Vh ) hoàn toàn không có kết hợp thì dung tích phòng lũ Vm hoàn toàn ở trên mực nước bình thường, tức mực nước trước khi lũ đến và mực nước bình thường trùng nhau. Các bước tính toán như sau:
a. Căn cứ qm và qB đã biết, tìm chiều rộng của đỉnh đập tràn B.
b. Giả định một mực nước thiết kế Hm1 có dung tích phòng lũ thiết kế Vm1
tương ứng tức phần dung tích kho nằm giữa mực nước lũ thiết kế và mực nước bình thường.
c. Dựa vào Hm1 và h đã có, định được cao trình đỉnh đập tràn (Hm1-h).
d. Trên đường quá trình nước lũ thiết kế, sau khi đã xuất hiện đỉnh lũ Qm, tại chỗ có Q = qm, ta tiến hành tính toán điều tiết lũ xác định đường (q~t) theo phương pháp ngược chiều thời gian, tìm được dung tích phòng lũ Vm1’.
e. Nếu Vm1’ # Vm1 thì phải giả định Hm khác và lại tiến hành tính toán như trên, đến khi nào hai trị số dung tích phòng lũ đó xấp xỉ nhau mới thôi.
Cũng có thể giả định một số trị số Hm qua tính toán sẽ vẽ được quan hệ Hm~Vm và Hm ~Vm’, điểm gặp nhau của hai đường đó sẽ cho ta trị số Vm tương ứng với Hm cần tìm.
q~t qm
0 t1 t2
Q~t
t q
Q
2. Khi giữa phòng lũ và gây lợi kết hợp một phần thì mực nước lũ thiết kế nằm ở trên mực nước bình thường, còn mực nước trước khi lũ đến Ht nằm ở dưới mực nước bình thường. Các bước tính toán trong trường hợp này. Đầu tiên cũng căn cứ qm và qB đã biết để tìm B. Sau đó giả thiết một trị số Hm, định được cao trình đỉnh đập tràn là (Hm - b), cao trình đó phải ở dưới mực nước bình thường. Tiếp đó, trên đường qua trình nước lũ thiết kế, sau khi đã xuất hiện đỉnh lũ Qm, tại chỗ có Q
= qm ta tiến hành tính toán điều tiết lũ, xác định đường (q~t) theo phương pháp ngược chiều thời gian. Tiếp sau đó, cách tính toán cũng tương tự như ở trường hợp trên, nhưng cần chú ý một điểm là dung tích phòng lũ thiết kế giữ mực nước trước khi lũ đến Ht và mực nước lũ thiết kế, bao gồm cả phần dung tích phòng lũ dự trữ và phần dung tích kết hợp. Đường quá trình lũ thiết kế và đường quá trình lưu lượng xả lũ gặp nhau ở một điểm khác (tại thời điểm t1), tại đó có lưu lượng xả lũ là q1 và bắt đầu chứa nước lũ vào kho. Căn cứ vào lưu lượng xả lũ là q1 đó có thể định được mực nước trước khi lũ đến Ht (xem hình 3.21).
3.Tính toán kho nước phòng lũ khi có xét đến dự báo dòng chảy ngắn hạn.
Đối với bất kỳ con sông nào, dù là sông có nhiều đỉnh lũ hoặc lũ xuất hiện không định kỳ trong năm, nếu khả năng dự báo có thể tin cậy, dung tích kho nước đều có thể kết hợp giữa phòng lũ và gây lợi. Như vậy đối với kho nước lợi dụng tổng hợp, ta có thể giải quyết được mâu thuẫn giữa phòng lũ và các ngành dùng nước, làm cho hiệu quả kinh tế của kho nước được tăng lên. Lấy hình 3.22 làm ví dụ, nếu không có dự báo thì giữa phòng lũ và gây lợi không thể kết hợp được mực nước lũ thiết kế phải ở vị trí H’m nhưng nhờ có dự báo nên ta có thể xả trước khi lũ đến một phần dung tích hiệu quả tức dung tích dự báo Vd và mực nước lũ thiết kế chỉ cần ở vị trí Hm là đã có thể chứa hết dung tích phòng lũ Vm. Phần dung tích nằm giữa Hm và Hbt không phải là Vm nữa mà là dung tích dự trữ Vt = Vm - Vd.
Nhờ vậy mà dung tích kho nước giảm nhỏ, hiệu quả kinh tế của kho nước tăng leân.
Vd
Vm Vt
Ht Hbt
Hm H'm
qm
0 t1 t2
q~t Q~t Vm
Q,q
Hm t
t2 t1
0 Z
2 H 1
Hình 3.21 Hình 3.22