Các Công Thức Xác Định Lưu Lượng Thiết Kế Cho Công Trình Thoát Nước Nhỏ Trên Đường Ở Việt Nam.

Như vậy H / tc = atc chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước tc của lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau.

Q 

6.(  )

.C.a .A

t

c

(1.4)

- Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ): sử dụng công thức cường độ giới hạn.

+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thiết kế đường Liên Xô (cũ) do B.F.PEREVÔZNHEKÔP đề xuất [32].

QpK..a, p .F..Ki.K d

Có thể bạn quan tâm!

• Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam - 1
• Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam - 2
• Sự Hình Thành Dòng Chảy Lũ Do Mưa Trên Lưu Vực [15].
• Xác Định Cường Độ Mưa Tính Toán At,p: Việc Xác Định Thông Số Cường Độ Mưa
• Ảnh Hưởng Của Giá Trị Tần Suất Thiết Kế Tới Trị Số Lưu Lượng Lũ Tính Toán.
• Giới Thiệu Về Mạng Lưới Các Trạm Khí Tượng Và Nguồn Số Liệu Đo Mưa Ở Nước Ta.

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

(1.5)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy trên sườn dốc; a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực; Ki là hệ số xét ảnh hưởng của độ dốc lòng suối và bề mặt lưu vực; Kd là hệ số hình dạng lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.

 là hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực, xác định tra bảng theo diện tích lưu vực F hay tính theo công thức phụ thuộc vào

tỷ số (sd / Tcn):

 1

1  sd / Tcn

với sd là thời gian tập trung nước trên sườn dốc,

Tcn là thời gian cung cấp dòng chảy. Hoặc có thể tính  bằng công thức kinh

nghiệm theo F:  

1

(F C )n

với C, n là các hệ số kinh nghiệm.

+) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN 63-67 của Bộ Giao Thông Vận Tải Liên Xô (cũ) [32].

QpK..a, p .F.1.

(1.6)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy hoàn toàn; a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực; 1 là hệ số triết giảm do ao hồ;  là hệ số xét đến sự phân bố mưa không đều trên lưu vực, phụ thuộc vào kích thước lớn nhất D1 của lưu vực và vùng khí hậu; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.

+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô (cũ), (quy trình CH435-72) [32].

QpA1% ..H n,1% .F.1. p

(1.7)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; A1% là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ứng với tần suất 1%, xác định phụ thuộc vào thời gian tập trung nước

trên sườn dốc sd, vùng mưa và đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông ls;  là hệ số dòng chảy lũ; Hn,1% là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất 1%; F là diện tích lưu vực; 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực; p là hệ số xét ảnh hưởng của tần suất tới lưu lượng, chuyển đổi lưu lượng ở tần suất 1% sang lưu lượng ở tần suất thiết kế p%, nó phụ thuộc vào vùng khí hậu, tần suất thiết kế và diện tích lưu vực.

- Ở Nhật Bản: dùng công thức cường độ giới hạn dạng (1.3) của Mỹ.

- Ở Trung Quốc: công thức cường độ giới hạn [52].

Q K.. H, p .F K..a .F

(1.8)

p   , p

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy đỉnh lũ; F là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị; H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p, như vậy H,p / = a,p chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p.

1m

Căn cứ vào tài liệu đo mưa rào thực tế trong phạm vi toàn quốc, Viện nghiên cứu thủy văn đã phân tích tìm ra công thức tính lượng mưa tính toán HT,p ở thời đoạn T và

tần suất p như sau:

H T , p H 1h, p .T

với: HT,p là lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

H1h,p

là lượng mưa giờ lớn nhất ở tần suất p, H

1h, p

H 24, p

241m

H24,p là lượng mưa 24 giờ lớn nhất ở tần suất p m là chỉ số triết giảm của mưa rào.

1.1.2.3. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.

- Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ [5].

+) Đây là công thức hiện hành đang áp dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam với diện tích lưu vực F  100 km2, cho đường ngoài đô thị, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5] do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành.

+) Xuất phát điểm là công thức cơ bản (1.1) nhưng thực hiện một số biển đổi được công thức tính lưu lượng thiết kế như công thức (1.9) sau đây.

QpAp..H n, p .F.1

(1.9)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

Ap là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ở tần suất thiết kế p

 là hệ số dòng chảy lũ

Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất thiết kế p (mm)

1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực

F là diện tích lưu vực (km2).

+) Các biến đổi là, [sử dụng thêm công thức (1.14) để biến đổi].

K.a, p

 16.67a, p

 16.67 .H



n, p

Ap .H

n, p

Ở đây:

A 16.67

p 

và: K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây bằng 16.67

 là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph)

là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian tập trung nước .

+) Trong tiêu chuẩn, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T ~ T được xác lập cho 18 vùng mưa trên toàn quốc với số liệu đo mưa đến năm 1987. Vì Qp phụ thuộc vào a,p, mà a,p phụ thuộc vào ,  lại phụ thuộc vào a,p và Qp, do vậy phương trình (1.9) được giải bằng cách tính lặp. Trong [5] đã đưa ra cách giải rất thuận tiện bằng cách sử dụng hai thông số trung gian là hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của sườn dốc lưu vực sd và hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông suối chính ls, lập thành các bảng tra sẵn để sử dụng khi tính toán.

+) Công thức (1.9) còn được gọi là công thức cường độ giới hạn tính lưu lượng thiết kế từ lượng mưa ngày tính toán.

- Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội (Công thức do GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng) [3], [32].

+) Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta thường có diện tích lưu vực nhỏ (thường dưới 1 km2 đến một vài km2) nên thời gian tập trung nước ngắn. Chính vì vậy việc tính lưu lượng thiết kế dựa vào thông số cường độ mưa có thời gian mưa tính toán ngắn nhưng cường độ mưa lớn sẽ chính xác hơn so với việc sử dụng thông

số lượng mưa ngày như trong công thức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế [5]. Trên quan điểm đó, từ những năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công

thức (1.10) sau đây để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưu vực F  30 km2 cho Việt Nam. Công thức (1.10) được đưa vào trong Sổ tay tính toán thủy văn [3] của Bộ GTVT.

+) Công thức là:

Qp 16.67.a, p .F..1

(1.10)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm/ph)

 là hệ số dòng chảy lũ

F là diện tích lưu vực (km2)

 hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực

1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực

K = 16.67 là hệ số chuyển đổi đơn vị.

Các hệ số , , 1 và cách xác định thời gian tập trung nước  có thể tham khảo các bảng tra ở Phụ lục 8, từ Bảng PL.8-1 đến PL.8-8 trong Quyển phụ lục luận án.

- Công thức cường độ giới hạn sử dụng trong tính toán thoát nước đường đô thị theo TCVN7957:2008 [8].

+) Đây là công thức trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị hiện nay ở Việt Nam theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 7957:2008 [8] của Bộ Khoa học và Công nghệ.

+) Công thức là:

Q pC.q, p .F

(1.11)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (lít/s)

C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt lưu vực và p q,p là mô đuyn dòng chảy mưa hay cường độ mưa theo thể tích tính toán ứng với thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p

q , p

10 6



.a , p

60 *100

 166.67a, p

(lít/s/ha)

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p, đơn vị tính là mm/ph

F là diện tích lưu vực (ha).

Khi diện tích lưu vực F  300ha thì phải nhân thêm hệ số  vào trong công thức

 là hệ số mưa không đều, phụ thuộc vào diện tích lưu vực.

1.1.2.4. Công thức Sôkôlôpsky [3], [15], [32].

+) Đây thuộc loại công thức thể tích, được sử dụng để tính lưu lượng công trình thoát nước trên đường với diện tích lưu vực F >100 km2 với sông vừa và nhỏ. Năm 1972 được đưa vào quy trình Khảo sát và thiết kế cầu vượt sông của Liên Xô (cũ).

+) Công thức là:

Q 0.278(H, p H 0) .. f .F. Q

p

0

tl

(1.12)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p. Đó chính là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm)

H0 là lớp nước mưa tổn thất ban đầu (mm)

 là hệ số dòng chảy lũ , F là diện tích lưu vực (km2) f là hệ số hình dạng lũ , tl là thời gian lũ lên (h)

 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm

lầy và rừng cây trên lưu vực, có thể được tính theo công thức sau:

 = 1.2, với 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng triết giảm của ao hồ và đầm lầy, 2 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của rừng cây. Cũng có thể xác định hệ số  theo công thức kinh

nghiệm:

  1  0.6 lg(1 Fa  0.2Fl Fr ) , với Fa, Fl, Fr là tỷ lệ diện

tích ao hồ, đầm lầy, rừng cây trên lưu vực, tính theo %

K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây

 10002 

K

1000* 3600

0.278

Q0 là lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ (m3/s).

1.1.2.5. Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước [11], [32].

+) Phương pháp này còn gọi là phương pháp chính xác, từ năm 1961 được đưa vào quy phạm dòng chảy BCH 63-61 của Liên Xô (cũ). Phương pháp này cho phép xác định giá trị lưu lượng cực đại và đường quá trình lưu lượng thay đổi theo thời gian, xác định thể tích dòng chảy ứng với bất kỳ tần suất lũ nào. Nó cũng cho phép xác định khẩu độ công trình thoát nước có xét đến hiện tượng tích nước ở thượng lưu hay nước ngập ở hạ lưu, xét được kết hợp quá trình thủy lực - thủy văn của dòng chảy lũ.

+) Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật bảo toàn vật chất. Tại bất cứ một thời điểm nào kể từ khi bắt đầu có dòng chảy cho tới khi nước chảy hết, lưu lượng qua công trình thoát nước được xác định dựa vào phương trình cân bằng lượng nước.

W Wsd

Wls WQ

(1.13)

Trong đó: W là tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực Wsd là thể tích dòng chảy ở sườn dốc lưu vực Wls là thể tích dòng chảy ở lòng sông suối

WQ là thể tích dòng chảy qua công trình thoát nước.

+) Tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực W.

W  (h Z ).F. (1000m3) (1.13.1)

Trong đó: h là chiều dầy dòng chảy tính toán ở thời gian t và tần suất p (mm)

h .at , p .t

hoặc

h  (at , p i).t

at,p - cường độ mưa tính toán của thời gian t, tần suất p (mm/ph)

 - hệ số dòng chảy , i - cường độ thấm (mm) t - thời gian mưa tính toán (ph)

Z là lượng tổn thất ban đầu do thấm ướt và cỏ cây giữ lại (mm)

 là hệ số mưa không đều trên lưu vực F là diện tích lưu vực (km2).

+) Thể tích dòng chảy ở sườn dốc lưu vực Wsd (1000m3): khi giả thiết đường mặt nước có dạng parabol, tính như sau.

Wsd  0.71W



bt 

Khi tz ≥ 

(1.13.2)

Wsd

1  0.29

b



.W

sd 

Khi tz < 

Trong đó: bt là chiều dài sườn dốc lưu vực từ điểm xa nhất tới vị trí bắt đầu có chiều dầy dòng chảy hình thành lớn nhất ở thời gian tính toán t (m) bsd là chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m)

 là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph), xác định như sau

 = A(Jsd, at,p). D(bsd, msd)

tz thời gian cung cấp dòng chảy trong thời gian mưa tính toán t (ph)

t t. h Z

z h

+) Thể tích dòng chảy ở lòng sông suối Wls: giả thiết dòng chảy trong lòng sông suối có dạng hình chóp nón với đáy là , chiều cao là chiều dài lòng sông suối.

1 L l n

ls l

Wls 

..Lls .

(1000m3) (1.13.3)

3 Lls 

Trong đó:  là diện tích mặt cắt ướt tính toán (m2) Lls là chiều dài lòng sông suối chính (km)

li là tổng chiều dài các suối nhánh (km), xác định theo phụ lục 9

n là hệ số phụ thuộc vào địa hình, lấy bằng: 1/6 với địa hình vùng đồng bằng, 1/4 với vùng đồi và 1/3 với vùng núi.

+) Thể tích nước chảy qua công trình WQ (1000m3):

WQ 

t

Qt .dt

0

(1.13.4)

Trong đó: Qt xác định theo phương pháp hình thái mặt cắt, Qt = t.vt

và vận tốc vt tính theo công thức Sêdi - Maninh.

+) Phương trình (1.13) được giải bằng cách tính thử dần. Muốn tìm lưu lượng đỉnh lũ ta phải tính lưu lượng nước chảy qua công trình ứng với nhiều giá trị thời gian mưa t. Vẽ đường quan hệ biến đổi lưu lượng Q ~ t, tìm được lưu lượng đỉnh lũ thiết kế. Nếu xét đến ảnh hưởng của ao hồ, đầm lầy thì lưu lượng Q tính ra được nhân với hệ số 1.

1.1.2.6. Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế.

Từ các công thức tính lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường như trên nhận thấy: các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay đều liên quan đến lượng mưa hoặc cường độ mưa tính toán, như công thức cường độ giới hạn của Anh, Mỹ, Pháp, Nga và các nước thuộc Liên Xô cũ, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam, . . . .

Công thức Sôkôlôpsky, công thức tính lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước cũng dựa vào lượng mưa tính toán.

1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.

Theo công thức cường độ giới hạn, cũng như công thức Sôkôlôpsky, tính theo phương trình cân bằng lượng nước, lưu lượng thiết kế Qp của một lưu vực F nào đó chỉ được xác định khi biết được các tham số trong công thức là tham số về mưa, tham số về tổn thất và tham số thời gian tập trung nước. Như vậy trong các công thức tính Qp, ngoài các tham số về mưa mang nhiều yếu tố bất định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, các thông số xác định lượng tổn thất (như hệ số dòng chảy , cường độ thấm i, hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy 1, . . .) và thông số thời gian tập trung nước  được xác định bằng các bảng tra thực nghiệm lập sẵn, các công thức kinh nghiệm hoặc nửa lý thuyết như đang sử dụng trong các quy trình thiết kế ở nước ta.

Luận án tập trung chính vào vấn đề tham số mưa. Các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là.

./ Lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất thiết kế p

./ Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề phân vùng mưa

./ Cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p

1.1.3.1. Lượng mưa ngày tính toán Hn,p.

- Lượng mưa ngày tính toán Hn,p được xác định theo phương pháp phân tích thống kê trên cơ sở chuỗi số liệu quan trắc đo lượng mưa ngày thực tế trong nhiều năm liên tục tại các trạm đo mưa ở khu vực thiết kế công trình.

- Tính đến nay, cơ sở dữ liệu về lượng mưa ngày tính toán Hn,p đầy đủ nhất ở nước ta sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường được thành lập năm 1987, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành [5], cho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc với các mức tần suất p = 1%, 2%, 4%, 10%, 25%, 50%.

- Từ đó đến nay đã trải qua trên 25 năm, chế độ mưa ở nước ta đã bị thay đổi, chịu ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu nên cơ sở dữ liệu này đến nay đã kém chính xác. Chính vì vậy, trong tiêu chuẩn thiết kế [5] cũng khuyến cáo nên thu thập số liệu đo lượng mưa ngày thực tế ở trạm đo mưa trong khu vực thiết kế đến thời điểm thiết kế công trình để xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p sử dụng vào việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường.

1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa.

- Trong quy phạm thủy lợi, QP.TL.C-6-77 Quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế [7], ban hành năm 1977, các tác giả đã đưa ra bảng phân khu mưa rào cho phần lãnh thổ miền Bắc Việt Nam với 10 khu và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho từng khu.

- Qua nghiên cứu các tài liệu đo mưa trong mấy chục năm, một số tác giả đã đưa ra các

sơ đồ phân khu mưa rào khác. Năm 1980, tác giả Hoàng Minh Tuyển, Viện Khí tượng thủy văn, với số liệu đo mưa thu thập ở 60 trạm khí tượng trên toàn quốc dài từ 10 - 20 năm (50% số trạm có chuỗi số liệu dài 20 năm bắt đầu từ 1961, chủ yếu ở miền Bắc, còn lại dài 10 năm ở miền Nam), tác giả đã phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho 15 vùng mưa này [60].