Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 9

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

339
lượt xem 99
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết kế Kênh Muốn chuyển nước từ nguồn nước về khu tưới theo đúng yêu cầu, cũng như muốn chuyển hết và kịp thời lượng nước cần tiêu từ khu tiêu ra khu nhận nước tiêu, người ta phải thiết kế hệ thống kênh mương và công trình dẫn nước. Nhiệm vụ của thiết kế kênh là: Xác định các kính thước cơ bản của mặt cắt kênh (mặt cắt dọc, mặt cắt ngang) trên cơ sở điều kiện địa hình, địa chất, địa chất thủy văn, thủy văn... và các yêu cầu về chuyển nước nhất định....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 9

288 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi Ch−¬ng 9 ThiÕt kÕ Kªnh Muèn chuyÓn n−íc tõ nguån n−íc vÒ khu t−íi theo ®óng yªu cÇu, còng nh− muèn chuyÓn hÕt vµ kÞp thêi l−îng n−íc cÇn tiªu tõ khu tiªu ra khu nhËn n−íc tiªu, ng−êi ta ph¶i thiÕt kÕ hÖ thèng kªnh m−¬ng vµ c«ng tr×nh dÉn n−íc. NhiÖm vô cña thiÕt kÕ kªnh lµ: X¸c ®Þnh c¸c kÝnh th−íc c¬ b¶n cña mÆt c¾t kªnh (mÆt c¾t däc, mÆt c¾t ngang) trªn c¬ së ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh, ®Þa chÊt, ®Þa chÊt thñy v¨n, thñy v¨n... vµ c¸c yªu cÇu vÒ chuyÓn n−íc nhÊt ®Þnh. §ång thêi qua ®ã còng x¸c ®Þnh ®−îc sè l−îng, vÞ trÝ, h×nh thøc, chøc n¨ng, nhiÖm vô cña c¸c c«ng tr×nh trªn hÖ thèng vµ tÝnh to¸n tæng khèi l−îng ®µo ®¾p, x©y dùng cña toµn bé hÖ thèng c«ng tr×nh dÉn n−íc. Tïy theo nhiÖm vô cña tõng lo¹i kªnh mµ yªu cÇu thiÕt kÕ, ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ cã kh¸c nhau. Song nh×n chung, viÖc thiÕt kÕ kªnh mang mét ý nghÜa kinh tÕ kü thuËt rÊt lín, ®ãng vai trß hÕt søc quan träng trong viÖc thiÕt kÕ toµn bé hÖ thèng c«ng tr×nh thñy lîi. 9.1. Nh÷ng tµi liÖu c¬ b¶n dïng ®Ó thiÕt kÕ kªnh 9.1.1. Tµi liÖu vÒ yªu cÇu chuyÓn n−íc 1. Tµi liÖu vÒ l−u l−îng §Ó kªnh cã thÓ chuyÓn ®−îc mäi cÊp l−u l−îng yªu cÇu, th× tµi liÖu c¬ b¶n ®Çu tiªn ®Ó thiÕt kÕ kªnh lµ qu¸ tr×nh l−u l−îng cÇn chuyÓn trªn kªnh t¹i c¸c mÆt c¾t cÇn tÝnh to¸n. 2. Tµi liÖu vÒ mùc n−íc Khi thiÕt kÕ kªnh t−íi, ta ph¶i biÕt ®−îc c¸c cao tr×nh mùc n−íc yªu cÇu trªn kªnh ®Ó víi cao tr×nh ®ã n−íc cã thÓ tù ch¶y tõ kªnh cÊp trªn xuèng kªnh cÊp d−íi vµ vÒ mÆt ruéng yªu cÇu t−íi. T−¬ng tù, khi thiÕt kÕ kªnh tiªu ph¶i biÕt ®−îc mùc n−íc yªu cÇu trªn kªnh, víi mùc n−íc ®ã mÆt c¾t kªnh ®−îc thiÕt kÕ sÏ cã kh¶ n¨ng tËp trung n−íc tõ c¸c khu tiªu vµ c¸c cÊp kªnh kh¸c. Khi thiÕt kÕ kªnh xuÊt ph¸t tõ cao tr×nh mùc n−íc yªu cÇu trªn kªnh ®Ó tÝnh to¸n ra cao tr×nh ®¸y kªnh, mÆt kh¸c cao tr×nh mùc n−íc yªu cÇu trªn kªnh cßn lµ mét trong nh÷ng c¬ së quan träng ®Ó x¸c ®Þnh ®é dèc thiÕt kÕ cña ®¸y kªnh vµ ®Ò xuÊt c¸c biÖn ph¸p c«ng tr×nh nèi tiÕp dßng ch¶y, c«ng tr×nh ®iÒu tiÕt trªn kªnh. 9.1.2. Tµi liÖu vÒ ®Þa h×nh, ®Þa chÊt tuyÕn kªnh 1. §Þa h×nh tuyÕn kªnh §Þa h×nh n¬i tuyÕn kªnh ®i qua ¶nh h−ëng rÊt nhiÒu tíi khèi l−îng x©y dùng kªnh, sè l−îng vµ h×nh thøc c¸c c«ng tr×nh trªn kªnh ®ång thêi ¶nh h−ëng tíi viÖc chän h×nh thøc
289 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh mÆt c¾t kªnh. Dùa vµo tµi liÖu ®Þa h×nh n¬i tuyÕn kªnh ®i qua ®Ó chän ®é dèc ®¸y kªnh sao cho vÉn b¶o ®¶m dÉn n−íc an toµn, thuËn lîi, hÖ thèng kªnh cã kh¶ n¨ng khèng chÕ t−íi tù ch¶y nh−ng vÉn phï hîp víi ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh thùc tÕ ®Ó gi¶m ®Õn møc thÊp nhÊt khèi l−îng ®µo ®¾p vµ x©y dùng hÖ thèng kªnh. MÆt kh¸c, c¨n cø vµo tµi liÖu ®Þa h×nh cã thÓ x¸c ®Þnh vÞ trÝ, sè l−îng, h×nh thøc c«ng tr×nh v−ît ch−íng ng¹i vËt, c«ng tr×nh nèi tiÕp dßng ch¶y, nh»m b¶o ®¶m cho hÖ thèng chuyÓn n−íc thuËn lîi vµ an toµn. Ngoµi ra, tµi liÖu ®Þa h×nh cßn lµ c¬ së ®Ó chóng ta tÝnh to¸n khèi l−îng ®µo ®¾p, x©y dùng toµn bé hÖ thèng. 2. Tµi liÖu vÒ ®Þa chÊt tuyÕn kªnh C¸c tÝnh chÊt c¬ lý cña ®Þa chÊt tuyÕn kªnh cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn sù æn ®Þnh cña kªnh nh− s¹t bê, båi l¾ng, xãi lë. V× vËy, ng−êi ta th−êng c¨n cø vµo t×nh h×nh ®Þa chÊt tuyÕn mµ chän h×nh thøc mÆt c¾t kªnh, vËt liÖu lµm kªnh vµ c¸c biÖn ph¸p phßng thÊm trªn kªnh nh»m b¶o ®¶m cho kªnh æn ®Þnh. §èi víi kªnh ®Êt, dùa vµo tÝnh chÊt cña ®Þa chÊt n¬i tuyÕn kªnh ®i qua mµ chän mét sè chØ tiªu ®Ó thiÕt kÕ kªnh nh−: - §é dèc ®¸y kªnh i; - M¸i dèc bê kªnh m; - HÖ sè nh¸m lßng kªnh n. §ång thêi, tÝnh thÊm cña nÒn ®Þa chÊt n¬i tuyÕn kªnh ®i qua vµ tÝnh chÊt thÊm cña ®Êt lµm kªnh sÏ lµ c¬ së ®Ó tÝnh tæn thÊt n−íc trªn kªnh. 9.2. C¸c h×nh thøc mÆt c¾t kªnh - chÕ ®é thñy lùc trong kªnh 9.2.1. C¸c h×nh thøc mÆt c¾t kªnh 1. Ph©n lo¹i kªnh theo h×nh d¹ng mÆt c¾t ngang §Ó t¹o mÆt c¾t chuyÓn n−íc, tuú vµo vËt liÖu lµm kªnh vµ ®iÒu kiÖn x©y dùng, mÆt c¾t ngang cña kªnh cã thÓ ®−îc thiÕt kÕ theo nhiÒu h×nh d¹ng kh¸c nhau: - MÆt c¾t h×nh b¸n nguyÖt - MÆt c¾t h×nh parabol - MÆt c¾t h×nh thang - MÆt c¾t h×nh ch÷ nhËt H×nh 9.1: C¸c h×nh thøc mÆt c¾t ngang kªnh
290 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi - §èi víi h×nh thøc mÆt c¾t b¸n nguyÖt vµ mÆt c¾t parabol. §©y lµ lo¹i mÆt c¾t cã kh¶ n¨ng chuyÓn n−íc lín, biÓu ®å ph©n bè l−u tèc ë mÆt c¾t ngang biÕn ®æi ®Òu vµ c©n ®èi. V× thÕ, khi kªnh cã d¹ng mÆt c¾t nµy th× t−¬ng ®èi æn ®Þnh, Ýt bÞ s¹t lë. Tuy nhiªn, ®èi víi c¸c d¹ng mÆt c¾t nµy thi c«ng t−¬ng ®èi khã kh¨n nhÊt lµ ®èi víi kªnh ®Êt ®µo, kªnh ®Êt ®¾p. Kªnh cã mÆt c¾t b¸n nguyÖt vµ parabol th−êng chØ ®−îc ¸p dông cho kªnh ®−îc x©y ®óc b»ng c¸c vËt liÖu nh−: bª t«ng, bª t«ng cèt thÐp, xi m¨ng l−íi thÐp, nhùa tæng hîp … chuyÓn t¶i l−u l−îng t−¬ng ®èi nhá. • MÆt c¾t h×nh ch÷ nhËt: Kªnh cã mÆt c¾t ngang h×nh ch÷ nhËt sÏ cã khèi l−îng ®µo ®¾p nhá, song mÆt c¾t kh«ng æn ®Þnh, dÔ bÞ s¹t m¸i nhÊt lµ ®èi víi kªnh ®Êt. V× vËy, h×nh thøc nµy chØ ®−îc ¸p dông cho kªnh ®i qua nÒn ®¸, hoÆc kªnh ®−îc x©y b»ng g¹ch, ®¸, bª t«ng. • MÆt c¾t h×nh thang: §©y lµ mÆt c¾t ®−îc ¸p dông nhiÒu trong thùc tÕ v× thi c«ng dÔ dµng kh¶ n¨ng chuyÓn n−íc còng tèt. MÆt kh¸c, h×nh thøc mÆt c¾t h×nh thang còng t−¬ng ®èi æn ®Þnh, thÝch hîp víi mäi lo¹i vËt liÖu lµm kªnh ®Æc biÖt ®èi víi kªnh ®Êt. C¸c lo¹i kªnh ®µo, kªnh ®¾p ®Òu cã thÓ sö dông h×nh thøc mÆt c¾t nµy. Tuú vµo tÝnh chÊt cña ®Êt lµm kªnh mµ chóng ta chän ®é dèc m¸i kªnh m vµ cã biÖn ph¸p xö lý bê kªnh, lßng kªnh tèt ®Ó ®¶m b¶o sù æn ®Þnh vµ chèng thÊm cho kªnh. 2. Ph©n lo¹i kªnh theo vÞ trÝ t−¬ng ®èi gi÷a mÆt c¾t ngang kªnh víi mÆt ®Êt tù nhiªn a) Kªnh ch×m (kªnh ®µo): MÆt c¾t ngang cña kªnh n»m thÊp h¬n so víi cao tr×nh mÆt ®Êt tù nhiªn, th−êng lµ kªnh tiªu n−íc hoÆc ®o¹n kªnh t−íi ®i qua nh÷ng vïng cã ®Þa h×nh t−¬ng ®èi cao cña khu t−íi. §èi víi kªnh lín, chiÒu s©u kªnh h > 5m, ngoµi viÖc chän ®é dèc m¸i kªnh m hîp lý ng−êi ta cßn lµm thªm c¬ ®ª. Däc theo chiÒu s©u kªnh tõ 2 ÷ 3m ph¶i bè trÝ mét c¬ ®ª, trªn c¬ ®ª cã lµm r·nh tho¸t n−íc nh»m b¶o ®¶m cho m¸i kªnh æn ®Þnh ®ång thêi t¹o ®iÒu kiÖn thuËn tiÖn trong qu¸ tr×nh thi c«ng kªnh vµ qu¶n lý b¶o d−ìng kªnh sau nµy. H×nh 9.2: Kªnh ch×m b) Kªnh næi (kªnh ®¾p): MÆt c¾t ngang cña kªnh næi lªn trªn mÆt ®Êt tù nhiªn, khi x©y dùng ph¶i dïng ®Êt ®Ó ®¾p bê vµ ®¸y kªnh. Lo¹i kªnh nµy th−êng gÆp khi kªnh v−ît nh÷ng vïng tròng cña khu t−íi hoÆc tr−êng hîp kªnh ph¶i chuyÓn n−íc xa mµ ®é dèc ®Þa h×nh tù nhiªn cña khu t−íi rÊt nhá so víi ®é dèc yªu cÇu cña ®¸y kªnh. Víi hÖ thèng t−íi lín, kªnh chÝnh chuyÓn n−íc dµi, ë ®Çu hÖ thèng kªnh th−êng ph¶i ®¾p cao, mÆt c¾t ngang cña kªnh cã cao tr×nh cao h¬n cao tr×nh mÆt ®Êt tù nhiªn, nh− vËy míi cã ®ñ ®Çu n−íc ®Ó khèng chÕ t−íi tù ch¶y cho toµn hÖ thèng.
291 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh Kªnh næi th−êng cã khèi l−îng vµ gi¸ thµnh x©y dùng rÊt lín, kªnh næi th−êng cã ®¸y kªnh vµ bê kªnh ®−îc ®¾p b»ng ®Êt, v× thÕ lßng kªnh vµ bê kªnh dÔ bÞ båi xãi, s¹t lë, kh«ng æn ®Þnh. V× vËy, khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ cÇn ph¶i chän ®é dèc m¸i ngoµi, ®é dèc m¸i trong cña bê kªnh cho hîp lý, thi c«ng ph¶i chän lo¹i ®Êt ®¾p cã tÝnh thÊm Ýt, ®¸y kªnh vµ bê kªnh ph¶i ®−îc ®Çm nÖn kü. Tuy nhiªn ®èi víi kªnh næi lµ kªnh mÆt c¾t h×nh thang, ®Ó b¶o ®¶m æn ®Þnh kÝch th−íc mÆt c¾t ngang th−êng ph¶i tháa m·n ®iÒu kiÖn: C = (5 ÷ 10)H m1 m2 H M§TN C H×nh 9.3: Kªnh næi Khi H lín chóng ta ph¶i th«ng qua tÝnh to¸n æn ®Þnh ®Ó x¸c ®Þnh kÝch th−íc cña bê kªnh. Ngoµi ra, kªnh næi b»ng ®Êt ®¾p cã diÖn tÝch chiÕm ®Êt rÊt lín, v× thÕ khi ¸p dông ph¶i cã sù ph©n tÝch, tÝnh to¸n so s¸nh kü cµng nh»m t×m ra ®−îc gi¶i ph¸p tèt nhÊt. c) Kªnh nöa næi nöa ch×m (kªnh nöa ®µo nöa ®¾p) Th−êng gÆp ë c¸c kªnh ph©n phèi n−íc trªn c¸nh ®ång hoÆc kªnh vïng trung du, kªnh ®i qua vïng s−ên nói. §©y lµ lo¹i kªnh dÔ thi c«ng vµ khèi l−îng ®µo ®¾p Ýt v× khèi l−îng ®µo cã thÓ mang ®¾p thµnh bê kªnh v× vËy gi¸ thµnh rÎ. §Ó gi¶m gi¸ thµnh x©y dùng kªnh ng−êi ta th−êng thiÕt kÕ sao cho khèi l−îng ®µo kªnh xÊp xØ b»ng khèi l−îng ®¾p. H×nh 9.4: Kªnh nöa ®µo nöa ®¾p 3. Ph©n lo¹i theo vËt liÖu lµm kªnh Trong thùc tÕ hiÖn nay, dùa vµo vËt liÖu lµm kªnh ng−êi ta th−êng ph©n lµm c¸c lo¹i kªnh sau ®©y: - Kªnh ®Êt lµ kªnh ®−îc x©y dùng b»ng ®Êt, kªnh ®−îc ®µo trùc tiÕp trªn nÒn ®Êt hoÆc kªnh ®¾p b»ng ®Êt vµ ®−îc ®Çm nÖn ®Ó b¶o ®¶m æn ®Þnh. - Kªnh x©y lµ kªnh ®−îc x©y b»ng g¹ch hoÆc ®¸. - Kªnh bª t«ng ®−îc ®óc b»ng bª t«ng hoÆc bª t«ng cèt thÐp.
292 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi - Kªnh xi m¨ng l−íi thÐp: §©y lµ lo¹i kªnh cã kÕt cÊu nhÑ, tiÕt kiÖm vËt liÖu ®−îc x©y dùng. Kªnh ®−îc cÊu t¹o b»ng xi m¨ng l−íi thÐp, tuú vµo kÝch th−íc cña kªnh mµ chän h×nh d¹ng mÆt c¾t vµ chiÒu dÇy cña b¶n tÊm xi m¨ng l−íi thÐp cho thÝch hîp. Tuy nhiªn do kÕt cÊu máng vµ nhÑ nªn th©n cña kªnh ph¶i dùa vµo nÒn ®Êt hoÆc cã gi¸ ®ì vµ ®−îc liªn kÕt ch¾c ch¾n. Kªnh xi m¨ng l−íi thÐp ®−îc ¸p dông cho nh÷ng n¬i tuyÕn kªnh ®i qua cã nÒn ®Êt thÊm m¹nh hoÆc kh«ng æn ®Þnh, l−u l−îng yªu cÇu chuyÓn t¶i kh«ng qu¸ lín. - Kªnh chÊt dÎo: Kªnh ®−îc ®óc s½n b»ng chÊt dÎo tæng hîp vµ ®−îc l¾p ghÐp trong qu¸ tr×nh thi c«ng. Do kªnh ®−îc ®óc s½n nªn vËn chuyÓn dÔ dµng thi c«ng l¾p ®Æt nhanh. Tuy nhiªn, hiÖn nay gi¸ thµnh kªnh b»ng chÊt dÎo cßn rÊt cao, mÆt kh¸c kªnh dÔ bÞ h− háng do t¸c ®éng bëi nhiÖt ®é, ng−êi vµ sóc vËt qua l¹i, cá mäc... V× thÕ lo¹i kªnh nµy ch−a ®−îc ¸p dông réng r·i. 9.2.2. ChÕ ®é thñy lùc trong kªnh Do cÊu t¹o cña mÆt c¾t kªnh, ph−¬ng thøc dÉn n−íc cña kªnh vµ cã thÓ cã sù thay ®æi l−u l−îng, mùc n−íc cña kªnh theo thêi gian còng nh− däc theo chiÒu dµi cña kªnh nªn chÕ ®é dßng ch¶y trªn kªnh rÊt phøc t¹p. Trong thùc tÕ dßng ch¶y kªnh t−íi vµ kªnh tiªu ®Òu cã thÓ x¶y ra mét trong nh÷ng tr¹ng th¸i sau ®©y: - Dßng ch¶y ®Òu trong kªnh. - Dßng ch¶y æn ®Þnh kh«ng ®Òu trong kªnh. - Dßng ch¶y kh«ng æn ®Þnh trong kªnh. 1. Dßng ch¶y ®Òu §èi víi c¸c ®o¹n kªnh t−íi lÊy n−íc tõ hå chøa, tr¹m b¬m hoÆc tõ cèng ven s«ng, tr¹ng th¸i ch¶y trong kªnh th−êng lµ ch¶y ®Òu. Kªnh chØ lµm nhiÖm vô chuyÓn n−íc, l−u l−îng lÊy vµo ®Çu kªnh ®−îc khèng chÕ bëi cèng lÊy n−íc, l−u l−îng chuyÓn th−êng kh«ng ®æi. Tuy cã l−îng tæn thÊt trong qu¸ tr×nh ch¶y trªn kªnh nh−ng th−êng lµ rÊt nhá so víi l−u l−îng chuyÓn trªn kªnh nªn cã thÓ coi nh− l−u l−îng cña kªnh kh«ng thay ®æi. MÆt kh¸c, trªn ®o¹n kªnh lµm nhiÖm vô chuyÓn n−íc mÆt c¾t hÇu nh− kh«ng ®æi. V× thÕ cã thÓ coi c¸c yÕu tè thuû lùc trong ®o¹n kªnh kh«ng thay ®æi theo c¶ kh«ng gian lÉn thêi gian. Lóc ®ã dßng ch¶y trong kªnh theo chÕ ®é dßng ®Òu, l−u l−îng trªn kªnh cã thÓ ®−îc tÝnh b»ng c«ng thøc: Q = F.V trong ®ã: Q - l−u l−îng ch¶y trong kªnh; F - diÖn tÝch mÆt c¾t −ít; V = C RI V - tèc ®é ch¶y trong kªnh: (9.1) C - hÖ sè; R - b¸n kÝnh thñy lùc; I - ®é dèc mÆt n−íc trong kªnh.
293 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh 2. Dßng ch¶y æn ®Þnh kh«ng ®Òu [57] Tr¹ng th¸i dßng ch¶y nµy th−êng xuÊt hiÖn ë kªnh lµm viÖc hai chiÒu t−íi tiªu kÕt hîp (kªnh vïng ®ång b»ng, vïng ven biÓn). HoÆc ®èi víi ®o¹n kªnh cã mÆt c¾t thay ®æi, (®o¹n kªnh më réng vµ thu hÑp khi nèi tiÕp víi c«ng tr×nh trªn kªnh, ®o¹n kªnh ch¶y tr−íc ®Ëp ®iÒu tiÕt…). Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n ®Ó tÝnh to¸n c¸c yÕu tè thuû lùc trong kªnh nh− sau: • Kªnh kh«ng l¨ng trô: αC 2 ∂ω Q2 i− (1 − ) gχ ∂l K2 dh = (9.2) αQ 2 B dl 1− g ω3 • Kªnh l¨ng trô: Q2 i− i−J dh K2 = = (9.3) αQ B 1 − Fr 2 dl 1− g ω3 3. Dßng ch¶y kh«ng æn ®Þnh [57] Tr¹ng th¸i ch¶y kh«ng æn ®Þnh th−êng xuÊt hiÖn ë c¸c kªnh t−íi, tiªu ë vïng chÞu ¶nh h−ëng cña triÒu. L−u l−îng vµ mùc n−íc trong kªnh lu«n lu«n thay ®æi theo thêi gian. Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n ®Ó tÝnh to¸n c¸c yÕu tè thuû lùc trong kªnh víi tr¹ng th¸i ch¶y kh«ng æn ®Þnh nh− sau: ∂ω ∂V ∂ω +ω + =0 V ∂S ∂S ∂t 1 ∂ω V ∂V 1 ∂V VV + + =i− 2 B ∂S g ∂S g ∂t CR Tãm l¹i, tïy vµo ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña kªnh, tr¹ng th¸i ch¶y trªn kªnh mµ chóng ta ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n trong tõng tr−êng hîp ®· ®−îc giíi thiÖu kü trong gi¸o tr×nh thñy lùc. Môc ®Ých cuèi cïng lµ t×m ra nh÷ng kÝch th−íc c¬ b¶n cña tõng ®o¹n kªnh ®Ó ®¶m b¶o vÒ mùc n−íc vµ l−u l−îng theo yªu cÇu ®· ®−îc ®Æt ra. Trong thùc tÕ hiÖn nay khi thiÕt kÕ kªnh míi, ®Æc biÖt ®èi víi c¸c ®o¹n kªnh lµm nhiÖm vô dÉn n−íc t−íi, tiªu chóng ta th−êng ®−a vÒ tr¹ng th¸i ch¶y ®Òu trong kªnh ®Ó tÝnh to¸n. H¬n n÷a ®èi víi nh÷ng hÖ thèng kªnh nhá chóng ta còng cã thÓ coi lµ dßng ch¶y ®Òu ®Ó tÝnh to¸n víi møc ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh. V× vËy, trong phÇn nµy chóng ta sÏ nghiªn cøu kü c¸ch tÝnh to¸n thiÕt kÕ kªnh m−¬ng víi tr¹ng th¸i dßng ch¶y ®Òu.
294 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi Do chç kªnh t−íi vµ kªnh tiªu cã nhiÖm vô kh¸c nhau, mang nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau nªn viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ còng cã nh÷ng ®iÓm kh¸c nhau, sau ®©y ta nghiªn cøu tõng lo¹i kªnh riªng biÖt. A - K£NH T¦íi 9.3. TÝnh l−u l−îng trªn kªnh t−íi 9.3.1. L−u l−îng trªn kªnh t−íi 1. C¸c cÊp l−u l−îng ®Æc tr−ng trªn kªnh L−u l−îng lµ tµi liÖu c¬ b¶n ®Ó thiÕt kÕ hÖ thèng kªnh m−¬ng vµ c¸c c«ng tr×nh trªn kªnh. Khi thiÕt kÕ ng−êi ta th−êng dïng ba cÊp l−u l−îng ®Æc tr−ng sau: - L−u l−îng th−êng xuyªn QTK; - L−u l−îng nhá nhÊt Q min; - L−u l−îng lín nhÊt Qbt. a) L−u l−îng th−êng xuyªn (QTK): lµ l−u l−îng mµ kªnh m−¬ng ph¶i chuyÓn mét c¸ch th−êng xuyªn. CÊp l−u l−îng nµy dïng ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ nh÷ng kÝch th−íc c¬ b¶n cña mÆt c¾t kªnh vµ c¸c c«ng tr×nh trªn kªnh v× vËy cßn gäi lµ l−u l−îng thiÕt kÕ QTK. b) L−u l−îng nhá nhÊt (Qmin): lµ l−u l−îng nhá nhÊt ch¶y trong kªnh, cÊp l−u l−îng nµy th−êng dïng ®Ó kiÓm tra sù båi l¾ng trªn kªnh vµ kiÓm tra kh¶ n¨ng tù ch¶y trªn kªnh. c) L−u l−îng bÊt th−êng (Qbt): lµ l−u l−îng lín nhÊt mµ kªnh m−¬ng ph¶i chuyÓn ®ét xuÊt trong thêi gian ng¾n. Nh÷ng nguyªn nh©n chñ yÕu g©y nªn l−u l−îng bÊt th−êng trªn kªnh lµ: - Khi kªnh ®ang ph¶i chuyÓn víi l−u l−îng th−êng xuyªn, gÆp nh÷ng trËn m−a lín, n−íc m−a tËp trung vµo kªnh lµm t¨ng l−u l−îng trªn kªnh. §Æc biÖt ë nh÷ng ®o¹n kªnh ®µo ®i gi÷a nh÷ng s−ên dèc, n−íc m−a tËp trung tõ hai bªn bê ®æ vµo kªnh. - Do qu¶n lý kh«ng tèt, ®ãng më cèng kh«ng ®óng quy tr×nh hoÆc do h− háng c¸c c«ng tr×nh trªn kªnh, kh«ng thÓ khèng chÕ ®óng l−u l−îng yªu cÇu theo kÕ ho¹ch lµm cho l−u l−îng trong kªnh t¨ng lªn. - Do yªu cÇu ®Æc biÖt trong c«ng t¸c tæ chøc t−íi (t−íi lu©n phiªn hoÆc ph¶i t−íi ®uæi). L−u l−îng bÊt th−êng dïng ®Ó kiÓm tra kh¶ n¨ng chuyÓn n−íc cña kªnh, tèc ®é dßng ch¶y trong kªnh, t×nh h×nh xãi lë kªnh vµ x¸c ®Þnh cao tr×nh bê kªnh. 2. Kh¸i niÖm vÒ Qbrut, Qnet vµ hÖ sè sö dông cña kªnh a) Kh¸i niÖm Qbrut, Qnet N−íc ch¶y trªn kªnh m−¬ng th−êng bÞ tæn thÊt do bèc h¬i, ngÊm, rß rØ... l−u l−îng ch¶y trªn kªnh sÏ gi¶m dÇn tõ ®Çu kªnh ®Õn cuèi kªnh do bÞ tæn thÊt. §Ò cËp vÊn ®Ò nµy,
295 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh khi xÐt l−u l−îng trªn mét ®o¹n kªnh hay mét hÖ thèng kªnh ng−êi ta th−êng cã hai kh¸i niÖm míi vÒ l−u l−îng lµ Qbrut vµ Qnet, trong ®ã: Qnet lµ l−u l−îng thùc cÇn trªn kªnh ch−a kÓ ®Õn tæn thÊt n−íc trªn kªnh, Qbrut lµ l−u l−îng bao gåm c¶ l−u l−îng thùc cÇn vµ l−u l−îng tæn thÊt trong qu¸ tr×nh ch¶y trªn kªnh. • §èi víi mét ®o¹n kªnh: A B Qbrut ®o¹n kªnh lµ l−u l−îng ë mÆt c¾t ®Çu ®o¹n Qbrut Qnet kªnh ®ã. Qnet ®o¹n kªnh lµ l−u l−îng ë mÆt c¾t cuèi ®o¹n kªnh ®ã. • §èi víi mét hÖ thèng kªnh: Qnet cña hÖ thèng lµ l−u l−îng thùc cÇn t¹i mÆt ruéng: Qnet = qω , (l/s ) Qbrut - l−u l−îng cÇn lÊy vµo ë ®Çu hÖ thèng. Bao gåm l−u l−îng thùc cÇn t¹i mÆt ruéng vµ l−u l−îng tæn thÊt trªn hÖ thèng kªnh m−¬ng: Qbrut = Qnet + Qtt trong ®ã: q - hÖ sè t−íi t¹i mÆt ruéng (l/s-ha); ω - diÖn tÝch phô tr¸ch t−íi cña hÖ thèng (ha); Qtt - l−u l−îng tæn thÊt trªn kªnh (l/s). b) HÖ sè sö dông kªnh m−¬ng §Ó biÓu thÞ møc ®é tæn thÊt n−íc trªn kªnh m−¬ng ng−êi ta th−êng dïng chØ tiªu hÖ sè sö dông n−íc trªn kªnh (η): Q net η= Q brut §èi víi mét hÖ thèng, th«ng qua tÝnh to¸n yªu cÇu n−íc, ta chØ míi biÕt yªu cÇu n−íc t¹i mÆt ruéng nh− hÖ sè t−íi, l−u l−îng t−íi t¹i mÆt ruéng. Muèn tÝnh l−u l−îng t¹i mét mÆt c¾t nµo ®ã trªn kªnh hoÆc l−u l−îng cÇn ph¶i lÊy vµo ®Çu hÖ thèng, ph¶i tÝnh to¸n ®−îc l−îng tæn thÊt trªn kªnh. 9.3.2. TÝnh l−îng tæn thÊt trªn kªnh L−îng n−íc tæn thÊt däc theo ®−êng kªnh bao gåm: - L−îng tæn thÊt do bèc h¬i; - L−îng tæn thÊt do rß rØ; - L−îng tæn thÊt do ngÊm xuèng tÇng s©u. Khi xÐt ba thµnh phÇn tæn thÊt nµy ta thÊy:
296 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi - L−îng n−íc bèc h¬i chóng ta hoµn toµn cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc dùa vµo diÖn tÝch mÆt n−íc trªn kªnh vµ c−êng ®é bèc h¬i mÆt n−íc tù do, song l−îng tæn thÊt nµy rÊt nhá ta cã thÓ bá qua. - L−îng n−íc rß rØ do thi c«ng kªnh bÞ nøt nÎ hoÆc tiÕp gi¸p gi÷a c«ng tr×nh vµ kªnh kh«ng tèt, còng cã thÓ n−íc rß rØ qua c¸c thiÕt bÞ khèng chÕ mùc n−íc vµ l−u l−îng, cã thÓ khèng chÕ l−îng tæn thÊt do rß rØ nhê qu¶n lý vµ thi c«ng ®−êng kªnh tèt h¬n. V× vËy, l−îng tæn thÊt nµy chóng ta còng cã thÓ kh«ng xÐt tíi. - L−îng n−íc tæn thÊt do ngÊm: §©y lµ l−îng n−íc tæn thÊt tÊt yÕu, n−íc trong kªnh bÞ tæn thÊt th«ng qua dßng ngÊm qua ®¸y kªnh vµ bê kªnh. L−îng tæn thÊt nµy x¶y ra th−êng xuyªn vµ ®ãng vai trß lín trong l−îng tæn thÊt n−íc. V× vËy, chóng ta ®i s©u nghiªn cøu kü lo¹i tæn thÊt nµy. 1. Nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng tíi l−îng tæn thÊt do ngÊm trªn kªnh - TÝnh chÊt cña ®Êt lµm kªnh: NÕu ®Êt cã tÝnh thÊm lín th× l−îng tæn thÊt sÏ lín vµ ng−îc l¹i. - §iÒu kiÖn ®Þa chÊt thñy v¨n: Mùc n−íc ngÊm n»m s©u hay n«ng, n−íc dÔ tho¸t hay khã tho¸t ®Òu cã t¸c dông ®Õn tèc ®é thÊm n−íc hay nãi c¸ch kh¸c ¶nh h−ëng tíi l−îng tæn thÊt. - §iÒu kiÖn thñy lùc trong kªnh: KÝch th−íc mÆt c¾t ngang cña kªnh, chiÒu s©u n−íc trong kªnh ®Òu cã t¸c dông ®Õn l−îng tæn thÊt trong kªnh. NÕu kªnh cã chu vi lín, chiÒu s©u n−íc trong kªnh lín th× tæn thÊt sÏ t¨ng lªn. - ChÕ ®é lµm viÖc cña kªnh m−¬ng: NÕu kªnh lµm viÖc kh«ng liªn tôc l−îng tæn thÊt sÏ lín h¬n kªnh dÉn n−íc liªn tôc. - T×nh h×nh båi l¾ng trong kªnh: Sau mét thêi gian kªnh chuyÓn n−íc, bïn c¸t trong n−íc sÏ l¾ng ®äng vµ lÊp ®Çy c¸c khe rçng cña ®Êt lµm kªnh, l−îng n−íc ngÊm sÏ gi¶m ®i. 2. TÝnh to¸n tæn thÊt ngÊm trªn kªnh Cã rÊt nhiÒu t¸c gi¶ ®Ò xuÊt nh÷ng ph−¬ng ph¸p, nh÷ng c«ng thøc lý luËn, b¸n lý luËn; c«ng thøc kinh nghiÖm ®Ó tÝnh tæn thÊt ngÊm trªn kªnh. Sau ®©y chóng ta sÏ ®i nghiªn cøu mét sè c«ng thøc tÝnh to¸n cña mét sè t¸c gi¶ quen thuéc. a) Tr−êng hîp ngÊm tù do kh«ng xÐt ®Õn hiÖn t−îng bÞ ø n−íc • C«ng thøc lý luËn cña C«tchiac«p Theo ®Þnh luËt Darcy ta cã: Q = Vω víi V = KJ (J = 1) Q = Kω V× vËy: trong ®ã: Q - l−u l−îng thÊm;
297 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh V - tèc ®é thÊm; K - hÖ sè thÊm; J - ®é dèc thuû lùc; ω - diÖn tÝch thÊm trong lßng kªnh. §èi víi kªnh h×nh thang lµm b»ng ®Êt chóng ta cã thÓ dïng c«ng thøc sau ®Ó tÝnh to¸n tæn thÊt cho 1 km ®−êng kªnh: ) ( S = 0, 0116K b + 2 γh 1 + m 2 , (m3/s-km) (9.4) trong ®ã: S - l−u l−îng tæn thÊt trªn 1 km ®−êng kªnh (m3/s-km); K - hÖ sè ngÊm æn ®Þnh (m/ngµy); b - chiÒu réng ®¸y kªnh (m); h - chiÒu s©u n−íc trong kªnh (m); m - hÖ sè m¸i kªnh; 0,0116 - hÖ sè ®æi thø nguyªn; γ - hÖ sè kÓ ®Õn hiÖn t−îng ngÊm chÐo do mao qu¶n, γ = 1,1 ÷ 1,4. H×nh 9.5 Trong tÝnh to¸n ng−êi ta cßn dïng l−îng tæn thÊt t−¬ng ®èi σ lµ sè phÇn tr¨m cña l−u l−îng tæn thÊt trªn 1 km ®−êng kªnh so víi l−u l−îng thùc cÇn ë cuèi ®o¹n kªnh ®ã: ) ( 1,16K b + 2 γh 1 + m 2 S σ= 100% = (9.5) % Q net Q net )% ( 1,16Kh β + 2 γ 1 + m 2 σ= (9.6) Q net
298 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi C«ng thøc (9.4), (9.5) vµ (9.6) tÝnh tæn thÊt tuyÖt ®èi vµ tæn thÊt t−¬ng ®èi dïng cho tr−êng hîp khi ®· biÕt mÆt c¾t kªnh. Trong tr−êng hîp b¾t ®Çu thiÕt kÕ mÆt c¾t kªnh ta vÉn ph¶i −íc tÝnh l−îng tæn thÊt ®Ó tÝnh l−u l−îng cÇn chuyÓn trªn kªnh. Tr−êng hîp nµy ta l¹i ph¶i dïng c¸c c«ng thøc kh¸c. • C«ng thøc kinh nghiÖm tÝnh tæn thÊt cña C«tchiac«p Qua nghiªn cøu, C«tchiac«p nhËn thÊy l−îng tæn thÊt do thÊm trªn kªnh phô thuéc rÊt nhiÒu vµo chÊt ®Êt lµm kªnh vµ l−u l−îng chuyÓn qua kªnh. ¤ng ®· th«ng qua thùc nghiÖm ®Ó ®Ò xuÊt ra c«ng thøc tÝnh to¸n: A σ= % Qm net trong ®ã: σ - tæn thÊt t−¬ng ®èi trªn 1 km ®−êng kªnh (tÝnh theo sè %) chÝnh lµ tû sè phÇn tr¨m tæn thÊt so víi l−u l−îng thùc cÇn tÝnh cho 1km ®−êng kªnh; Qnet - l−u l−îng thùc cÇn ë cuèi ®o¹n kªnh (m3/s); A, m - nh÷ng hÖ sè phô thuéc vµo tÝnh ngÊm cña ®Êt qua thùc nghiÖm hoÆc thùc ®o. Tr−êng hîp thiÕu tµi liÖu cã thÓ tham kh¶o b¶ng 9.1. B¶ng 9.1 - HÖ sè A vµ m cña mét sè lo¹i ®Êt [1] Lo¹i ®Êt TÝnh chÊt ngÊm A m §Êt sÐt vµ ®Êt sÐt nÆng NgÊm rÊt Ýt 0,70 0,30 §Êt thÞt pha sÐt nÆng NgÊm Ýt 1,30 0,35 §Êt thÞt pha sÐt võa NgÊm võa 1,90 0,40 §Êt thÞt pha sÐt nhÑ NgÊm nhiÒu 2,65 0,45 §Êt thÞt pha c¸t NgÊm rÊt m¹nh 3,40 0,50 L−u l−îng tæn thÊt tuyÖt ®èi do ngÊm tÝnh cho 1 km ®−êng kªnh: σ Q net = 1 0 A Q 1 − tm , S= (l/s-km) ne 100 Qnet - l−u l−îng thùc cÇn ë cuèi ®o¹n kªnh (m3/s). §Ó tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n ng−êi ta thµnh lËp b¶ng tÝnh s½n l−îng tæn thÊt S øng víi mét lo¹i ®Êt nhÊt ®Þnh vµ víi tõng cÊp l−u l−îng (b¶ng 9.2).
299 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh B¶ng 9.2 - L−u l−îng tæn thÊt trªn 1 km chiÒu dµi kªnh [1] L−u l−îng tæn thÊt S = 1 0 A Q 1 - m (l/s-km) ck L−u l−îng cña NgÊm rÊt Ýt NgÊm Ýt NgÊm võa NgÊm nhiÒu NgÊm rÊt m¹nh kªnh Qck (m3/s) A = 0,70 A = 1,30 A = 1,90 A = 2,65 A = 3,40 m = 0,30 m = 0,35 m = 0,40 m = 0,45 m = 0,50 0,051 ÷ 0,060 0,9 2,0 3,3 5,4 8,0 0,061 ÷ 0,070 1,0 2,2 3,7 5,9 8,7 0,071 ÷ 0,080 1,1 2,5 4,0 6,4 9,3 0,081 ÷ 0,090 1,2 2,6 4,3 6,8 9,8 0,091 ÷ 0,100 1,3 2,8 4,6 7,3 10,0 0,101 ÷ 0,120 1,5 3,1 5,0 7,9 11,0 0,121 ÷ 0,140 1,7 3,4 5,6 8,6 12,0 0,141 ÷ 0,170 1,9 3,8 6,2 9,7 13,0 0,171 ÷ 0,200 2,1 4,3 6,9 10,6 15,0 0,201 ÷ 0,230 2,4 4,7 7,6 11,6 16,0 0,231 ÷ 0,260 2,6 5,1 8,2 12,2 17,0 0,261 ÷ 0,300 2,9 5,6 8,8 13,1 18,0 0,301 ÷ 0,350 3,2 6,0 9,6 14,2 19,0 0,351 ÷ 0,400 3,5 6,6 10,0 15,4 21,0 0,401 ÷ 0,450 3,8 7,3 11,0 16,4 22,0 0,451 ÷ 0,500 4,2 7,9 12,0 17,5 23,0 0,501 ÷ 0,600 4,6 8,7 13,0 18,0 25,0 0,601 ÷ 0,700 5,2 9,7 15,0 20,8 27,0 0,701 ÷ 0,850 5,8 10,9 16,0 22,8 30,0 0,851 ÷ 1,000 6,5 12,3 18,0 25,0 33,0 1,001 ÷ 1,250 7,1 13,9 20,0 28,2 36,0 1,251 ÷ 1,500 8,7 15,7 23,0 31,2 40,0 1,501 ÷ 1,750 9,9 18,3 26,0 34,8 43,0 1,751 ÷ 2,000 11,0 19,3 28,0 37,0 46,0 2,001 ÷ 2,500 12,0 22,0 31,0 41,0 51,0 2,501 ÷ 3,000 14,0 24,3 35,0 46,0 57,0 3,001 ÷ 3,500 16,0 27,1 39,0 50,1 62,0 3,501 ÷ 4,000 18,0 30,0 42,0 54,0 66,0 4,001 ÷ 5,000 20,0 34,0 47,0 60,0 72,0 5,001 ÷ 6,000 23,0 39,1 53,0 68,0 80,0 6,001 ÷ 7,000 26,0 43,0 58,0 74,0 87,0 7,001 ÷ 8,000 29,0 47,0 64,0 80,0 93,0 8,001 ÷ 9,000 31,0 51,0 69,0 86,0 99,0 9,001 ÷ 10,000 34,0 55,0 74,0 91,0 105,0 10,001 ÷ 12,000 37,0 61,0 81,0 98,0 112,0 12,001 ÷ 14,000 42,0 68,0 89,0 101,0 122,0 14,001 ÷ 17,000 48,0 76,0 98,0 120,0 134,0 17,001 ÷ 20,000 54,0 86,0 109,0 132,0 147,0 20,001 ÷ 23,000 60,0 94,0 120,0 144,0 158,0 23,001 ÷ 26,000 66,0 102,0 130,0 152,0 168,0
300 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi 26,001 ÷ 30,000 72,0 110,0 139,0 162,0 180,0 Mét sè t¸c gi¶ kh¸c còng ®−a ra mét sè c«ng thøc tÝnh to¸n gÇn ®óng: - C«ng thøc cña Papl«pxki S = 0,0116K(B + 2h) trong ®ã: S - l−u l−îng tæn thÊt do ngÊm trªn 1 km ®−êng kªnh (m3/s-km ); B - chiÒu réng mÆt n−íc trong kªnh (m); h - chiÒu s©u n−íc trong kªnh (m); K - hÖ sè ngÊm cña ®Êt lµm kªnh (m/ ngµy). - C«ng thøc thùc nghiÖm cña GhiecKan S = 0,063K Q net trong ®ã: S - l−u l−îng tæn thÊt do ngÊm trªn 1 km ®−êng kªnh (m3/s-km); K - hÖ sè ngÊm cña ®Êt lµm kªnh (m/ngµy); Qnet - l−u l−îng thùc cÇn ë cuèi ®o¹n kªnh (m3/s). b) Tr−êng hîp cã hiÖn t−îng bÞ ø n−íc Tr−êng hîp n−íc ngÇm n»m n«ng khã tho¸t, l−îng n−íc ngÊm sÏ lµm d©ng n−íc ngÇm tíi tËn ®¸y kªnh. NÕu xung quanh kh¶ n¨ng tho¸t n−íc kÐm, ®−êng mÆt n−íc sÏ lan réng ra hai phÝa lµm cho gradien thñy lùc gi¶m, l−îng thÊm sÏ gi¶m. HiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn ë ®−êng kªnh lín vµ chuyÓn n−íc liªn tôc. L−îng tæn thÊt sÏ tÝnh b»ng c«ng thøc: S’ = γS víi γ lµ hÖ sè hiÖu chØnh phô thuéc vµo l−u l−îng qua kªnh vµ chiÒu s©u mùc n−íc ngÇm, cho ë b¶ng 9.3. B¶ng 9.3 - HÖ sè hiÖu chØnh γ ChiÒu s©u tíi mùc n−íc ngÇm (m) L−u l−îng Q (m3/s) 1 3 5 7,5 10 15 20 25 0,3 0,82 1,0 0,63 0,79 3,0 0,50 0,63 0,82 10,0 0,41 0,50 0,65 0,79 0,91 20,0 0,36 0,45 0,57 0,71 0,82 30,0 0,35 0,42 0,54 0,66 0,77 0,94 50,0 0,32 0,37 0,49 0,60 0,64 0,84 0,97
301 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh 100,0 0,28 0,33 0,42 0,52 0,58 0,73 0,84 0,94 9.3.3. HÖ sè sö dông n−íc cña kªnh 1. C¸c lo¹i hÖ sè sö dông n−íc cña ®−êng kªnh Nh− phÇn trªn ®· biÕt hÖ sè sö dông n−íc cña ®−êng kªnh lµ tû sè gi÷a l−u l−îng thùc cÇn (ch−a kÓ tæn thÊt) vµ l−u l−îng cÇn lÊy vµo kªnh (®· kÓ c¶ tæn thÊt). Nh− vËy, hÖ sè sö dông n−íc nãi lªn møc ®é tæn thÊt n−íc cña kªnh. Tïy vµo ph¹m vi ®−êng kªnh ta xÐt mµ cã nhiÒu lo¹i hÖ sè sö dông n−íc kh¸c nhau. a) HÖ sè sö dông n−íc cña mét ®o¹n kªnh A - Khi ®o¹n kªnh lµm nhiÖm vô chuyÓn n−íc: B Q® (Qbr) Q net Q c Q B ηAB = = = QC (Qnet) Q br Q ® Q A - Khi ®o¹n kªnh lµm c¶ nhiÖm vô chuyÓn n−íc vµ chia n−íc: Q net + ∑ Q i A ηAB = Q br Q2 B Qbr Q1 ΣQi - tæng l−u l−îng ph©n vµo c¸c kªnh Qnet cÊp d−íi b) HÖ sè sö dông hÖ thèng kªnh HÖ sè sö dông hÖ thèng kªnh lµ chØ tiªu thÓ hiÖn t×nh h×nh tæn thÊt n−íc trªn hÖ thèng kªnh ®ã vµ b»ng tû sè gi÷a l−u l−îng n−íc thùc cÇn ë mÆt ruéng vµ l−u l−îng lÊy vµo c«ng tr×nh ®Çu mèi: qω Q net Q mr η ht = = = Q br Q dm Q dm c) HÖ sè sö dông n−íc cña hÖ thèng t−íi q ωt Wr Q net t η= = = W Q br T Q dm T trong ®ã: Wr - l−îng n−íc lÊy vµo mÆt ruéng; W - l−îng n−íc lÊy vµo c«ng tr×nh ®Çu mèi; Qbr - l−u l−îng lÊy vµo ®Çu hÖ thèng; q - hÖ sè t−íi cña hÖ thèng; ω - diÖn tÝch t−íi cña hÖ thèng;
302 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi T - thêi gian lÊy n−íc ë c«ng tr×nh ®Çu mèi; t - thêi gian t−íi vµo ruéng. d) HÖ sè sö dông n−íc mÆt ruéng E' víi Wr = qωt ηr = ω Wr ηr - tû sè gi÷a l−îng n−íc cÇn cña c©y trång vµ l−îng n−íc cÇn lÊy vµo ruéng; E' - l−îng n−íc cÇn cña c©y trång m3/ha. ηr ®−îc dïng ®Ó ®¸nh gi¸ t×nh tr¹ng kü thuËt cña c¸c c«ng tr×nh mÆt ruéng vµ tr×nh ®é kü thuËt t−íi n−íc. L−îng n−íc tæn thÊt bao gåm l−îng n−íc rß rØ khái ruéng vµ l−îng n−íc thõa ph¶i th¸o. e) HÖ sè sö dông n−íc cña khu t−íi E' η0 = ω víi W = Q®mT W trong ®ã: ω - diÖn tÝch ®−îc t−íi cña khu t−íi; E' - l−îng n−íc cÇn cña c©y trång (m3/ha); W - tæng l−îng n−íc lÊy vµo ®Çu hÖ thèng (m3). 2. Quan hÖ c¸c lo¹i hÖ sè sö dông n−íc ηk = ηK1ηK2ηK3...ηcc ∑ Q i , η = ∑ Q ij , η = qω = ... ηK1 = ∑ Qi K2 ht QA QA 3. HÖ sè sö dông n−íc cña kªnh khi l−u l−îng thay ®æi Tæn thÊt t−¬ng ®èi σ kh«ng nh÷ng phô thuéc vµo chÊt ®Êt lßng kªnh mµ cßn phô thuéc vµo l−u l−îng chuyÓn trªn kªnh. Nh− vËy, khi l−u l−îng thay ®æi th× tæn thÊt còng sÏ thay ®æi hay nãi c¸ch kh¸c hÖ sè sö dông n−íc cña kªnh m−¬ng còng sÏ thay ®æi theo. Gi¶ sö ta xÐt mét ®o¹n kªnh cã chiÒu dµi L khi l−u l−îng thay ®æi tõ Qnet sang Q'net . ⎛Q⎞ Q tt = Q br − Q net = Q br ⎜ 1 − net ⎟ L−îng tæn thÊt: ⎝ Q br ⎠ Q net ⇒Qtt = Qbr(1−η) η= mµ: (a) Q br
303 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh Q tt = 10AQ1−m L MÆt kh¸c: (b) net Q br (1 − η) = 10AQ1− m L Tõ (a) vµ (b) ta cã: (c) net Q' net Gäi α = lµ tû sè gi÷a l−u l−îng sau khi thay ®æi vµ l−u l−îng tr−íc khi thay ®æi, Q net ηα lµ hÖ sè sö dông n−íc cña kªnh khi l−u l−îng thay ®æi. Q′ et Q′net Q net Q br η Q′ = = =α n Q br Khi ®ã: ηα Q net Q br ηα ηα br ( ) 1− m Q′ = Q′ (1 − ηα ) = 10A Q′net L T−¬ng tù ta cã: (d) tt br η Thay Q′ r = α Q br vµo (d) ta ®−îc ηα b 1− m ⎛ Q′ ⎞ η Q1−m L = 10AQ1− m α1− m L α Q br (1 − ηα ) = 10A ⎜ net ⎟ (e) ⎜Q ⎟ ηα net net ⎝ net ⎠ LËp tû sè gi÷a (e) vµ (c) ta cã: η α Q br (1 − η α ) 10 AQ 1− m α 1− m L ηα = net Q br (1 − η α ) 10 AQ 1− m L net αη(1 − η α ) η(1 − η α ) 1 = α 1− m ⇔ =m ⇔ η α (1 − η) α η α (1 − η) ⇔ α m η − α m ηη α = η α − ηη α ⇔ η α (1 − η + α m η) = α m η ⎛1 ⎞ ηα ( ) ⇔ 1 − η + α mη = α m ⇔ ηα ⎜ + α m − 1 ⎟ = α m ⎜η ⎟ η ⎝ ⎠ αm ηα = VËy: 1 + αm − 1 η trong ®ã: η - hÖ sè sö dông n−íc cña kªnh m−¬ng tr−íc khi Qnet thay ®æi; ηα - hÖ sè sö dông n−íc cña kªnh m−¬ng sau khi Qnet thay ®æi; α - tû sè gi÷a l−u l−îng thùc cÇn sau khi thay ®æi vµ l−u l−îng thùc cÇn tr−íc khi thay ®æi;
304 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi m - chØ sè vÒ tÝnh thÊm cña ®Êt. 9.3.4. TÝnh to¸n l−u l−îng ®Æc tr−ng trªn c¸c cÊp kªnh t−íi Trong mét hÖ thèng t−íi chóng ta cã thÓ dÔ dµng tÝnh ®−îc l−u l−îng thùc cÇn t¹i mÆt ruéng cña hÖ thèng Qnet = qω (l/s). Nh−ng thùc tÕ tÝnh to¸n ta l¹i cÇn ph¶i biÕt l−u l−îng t¹i c¸c mÆt c¾t nhÊt ®Þnh trªn c¸c cÊp kªnh m−¬ng nh»m: ThiÕt kÕ mÆt c¾t c¸c cÊp kªnh, thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh thuéc cÊp kªnh ®ã. Trong qu¶n lý còng ph¶i biÕt l−u l−îng yªu cÇu t¹i ®Çu c¸c cÊp kªnh ®Ó cã kÕ ho¹ch ph©n phèi n−íc. V× vËy, chóng ta ph¶i tÝnh to¸n l−u l−îng cÇn trªn c¸c cÊp kªnh. HiÖn nay, tïy vµo kh¶ n¨ng nguån n−íc vµ c¸ch tæ chøc s¶n xuÊt, canh t¸c trªn c¸nh ®ång mµ cã hai h×nh thøc ¸p dông: - T−íi ®ång thêi: §ång thêi cho n−íc vµo tÊt c¶ c¸c cÊp kªnh ®Ó t−íi toµn bé c¸nh ®ång. - T−íi lu©n phiªn: TËp trung n−íc t−íi lÇn l−ît cho tõng khu trªn c¸nh ®ång. C¸c kªnh chuyÓn n−íc kh«ng ®ång thêi. LÇn l−ît kªnh chuyÓn n−íc ®ñ yªu cÇu cho c¸nh ®ång phô tr¸ch míi chuyÓn n−íc sang kªnh kh¸c. Víi hai h×nh thøc t−íi nh− vËy c¸ch tÝnh l−u l−îng còng kh¸c nhau. 1. TÝnh l−u l−îng th−êng xuyªn (QTX) a) Tr−êng hîp t−íi ®ång thêi Nguyªn t¾c tÝnh to¸n lµ tÝnh dån tõ mÆt ruéng lªn ®Çu mèi c«ng tr×nh víi c«ng thøc c¬ b¶n: Qbr = Qnet + Qtt = Qnet + SL trong ®ã: 65 43 2 1 S - tæn thÊt trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi kªnh (l/s-km); L - chiÒu dµi kªnh m−¬ng (km). CR3 CR2 CR1 Gi¶ sö tÝnh l−u l−îng hÖ thèng kªnh m−¬ng A: H×nh 9.6: S¬ ®å tÝnh l−u l−îng t−íi ®ång thêi TÝnh cho m−¬ng ch©n rÕt: Q CR = q TK ω CR TK trong ®ã: TK Q CR - l−u l−îng thiÕt kÕ cho m−¬ng ch©n rÕt; ωCR - diÖn tÝch m−¬ng ch©n rÕt phô tr¸ch; qTK - hÖ sè t−íi thiÕt kÕ.
305 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh qTK lµ chØ tiªu c¬ së ®Ó tÝnh QTK. V× qTK lµ mét chØ tiªu kh¸ quan träng, ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn quy m« kÝch th−íc c«ng tr×nh nªn nã mang mét ý nghÜa kinh tÕ vµ kü thuËt rÊt lín. Th«ng th−êng qTK ph¶i cã trÞ sè lín nhÊt hay t−¬ng ®èi lín trong gi¶n ®å hÖ sè t−íi ®· hiÖu chØnh vµ cã thêi gian xuÊt hiÖn t−¬ng ®èi dµi T ≥ 20 ngµy. Cã nh− vËy kªnh m−¬ng vµ c«ng tr×nh thiÕt kÕ víi chØ tiªu nµy míi cã kh¶ n¨ng dÉn víi mäi cÊp l−u l−îng trong gi¶n ®å hÖ sè t−íi vµ hiÖu Ých lµm viÖc cña kªnh m−¬ng vµ c«ng tr×nh míi cao. V× vËy, khi chän qTK trong gi¶n ®å hÖ sè t−íi cÇn ph¶i tiÕn hµnh so s¸nh nghiªn cøu kü cµng ®Ó qTK cã ®iÒu kiÖn kinh tÕ tèt nhÊt. Q CR1 = Q1 = Q TK + Q tt = q TK ωCR + 0,75σQ net L CR TK netCR Q2 = Q1 Q 3 = Q 2 + Q 2 − 3 = Q 2 + SL 2 − 3 = Q 2 + 10AQ1− m L 2 − 3 TK tt 2 Q TK = Q 3 + Q CR 2 TK TK 4 Q 5 = Q 4 + Q tt− 5 = Q 4 + SL 4 − 5 = Q 4 + 10 AQ1− m L 4 − 5 TK 4 4 Q 6 = Q 5 + Q CR 3 TK TK TK TK TK TK Q CR 2 , Q CR 2 tÝnh t−¬ng tù nh− Q CR1 Víi c¸ch tÝnh t−¬ng tù nh− vËy ta tÝnh dån lªn ®Çu hÖ thèng vµ nh− vËy ta sÏ tÝnh l−u l−îng t¹i mÆt c¾t bÊt kú nµo trªn c¸c cÊp kªnh m−¬ng. MÆt kh¸c chóng ta còng cã thÓ tÝnh ®−îc hÖ sè sö dông n−íc cña mét ®o¹n kªnh, mét cÊp kªnh bÊt kú b»ng c«ng thøc: Q net η= Q br Víi c¸ch tÝnh to¸n nh− vËy nÕu hÖ thèng cµng lín, nhiÒu ®−êng kªnh th× khèi l−îng tÝnh to¸n cµng lín. V× vËy, trong thùc tÕ ®Ó gi¶m bít khèi l−îng tÝnh to¸n, ë mçi cÊp kªnh ng−êi ta th−êng chän ra mét kªnh ®¹i diÖn t×m ra η ®¹i diÖn. Dïng η ®¹i diÖn ®Ó tÝnh l−u l−îng cho c¸c kªnh kh¸c cã ®iÒu kiÖn t−¬ng tù: - VÒ diÖn tÝch t−íi; - Cã chiÒu dµi xÊp xØ nhau; - Phô tr¸ch nh÷ng lo¹i c©y trång t−¬ng tù. b) Tr−êng hîp t−íi lu©n phiªn T−íi lu©n phiªn th−êng ®−îc ¸p dông cho c¸c cÊp kªnh nhá mµ Ýt ¸p dông ®èi víi kªnh lín, nhÊt lµ kªnh cÊp I.
306 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi Khi t−íi lu©n phiªn th× l−u l−îng sÏ t¨ng lªn rÊt nhiÒu tïy theo sè l−îng tæ t−íi lu©n phiªn v× vËy quy m« kÝch th−íc kªnh m−¬ng còng sÏ ph¶i t¨ng lªn. Tuy nhiªn, ë nh÷ng hÖ thèng mµ nguån n−íc thiÕu vµ do c¸ch tæ chøc s¶n xuÊt, canh t¸c ng−êi ta vÉn ph¶i t−íi lu©n phiªn ë cÊp kªnh d−íi ®Ó t¨ng hÖ sè sö dông n−íc vµ phï hîp víi kÕ ho¹ch s¶n xuÊt. Gi¶ sö ta t−íi lu©n phiªn cho c¸c m−¬ng ch©n rÕt nh− s¬ ®å h×nh 9.7. - Chia lµm 3 tæ t−íi lu©n phiªn - Mçi tæ gåm 2 m−¬ng ch©n rÕt q (ω + ω 2 + ... + ω 6 ) CR1 ω1 = TK 1 Q netCR 2 CR2 q TK ω mc ω2 Q netCR = 2 CR3 ω3 C«ng thøc tæng qu¸t: q TK ω mc CR4 Q netCR = ω4 n CR5 trong ®ã: ω5 QnetCR - l−u l−îng thùc cÇn cña mçi ch©n CR6 rÕt; ω6 ωmc - diÖn tÝch m−¬ng con phô tr¸ch; H×nh 9.7: S¬ ®å tÝnh l−u l−îng t−íi lu©n phiªn n - sè m−¬ng ch©n rÕt trong mçi tæ. 2. TÝnh l−u l−îng nhá nhÊt Qmin Còng cã thÓ tÝnh nh− ®èi víi QTK: Tõ qmin trong gi¶n ®å hÖ sè t−íi råi tÝnh dån tõ d−íi lªn. Nh−ng th−êng ®Ó nhanh chãng ta cã thÓ dïng c«ng thøc : q min ω αm víi η min = Q min = η min 1 + αm − 1 η q min α= q TK η - hÖ sè sö dông n−íc øng víi qTK. 3. TÝnh l−u l−îng lín nhÊt Qbt Theo kinh nghiÖm, l−u l−îng bÊt th−êng tÝnh b»ng c«ng thøc:
307 Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh Qbt = KQTK víi K : hÖ sè phô thuéc vµo QTK. K = 1,20 ÷ 1,30 QTK < 1 m3/s th× Khi QTK = 1 ÷ 10 m3/s K = 1,15 ÷ 1,20 K = 1,10 ÷ 1,15. QTK > 10 m3/s 9.4. ThiÕt kÕ kªnh t−íi Môc ®Ých cña viÖc thiÕt kÕ mÆt c¾t däc ngang kªnh t−íi lµ x¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña kªnh bao gåm: ChiÒu réng ®¸y kªnh b, m¸i dèc bê kªnh m, ®é dèc ®¸y kªnh i, cao tr×nh ®¸y kªnh, cao tr×nh bê kªnh, chiÒu réng mÆt bê kªnh nh»m b¶o ®¶m kªnh ®ñ kh¶ n¨ng dÉn n−íc t−íi vÒ mÆt ruéng, kªnh lµm viÖc tèt vµ l©u dµi. Tõ ®ã còng tÝnh ®−îc khèi l−îng x©y dùng hÖ thèng kªnh. §ång thêi qua viÖc thiÕt kÕ kªnh x¸c ®Þnh ®−îc c¸c vÞ trÝ vµ h×nh thøc c«ng tr×nh, c¸c tµi liÖu c¬ b¶n ®Ó thiÕt kÕ c«ng tr×nh trªn hÖ thèng ThiÕt kÕ mÆt c¾t kªnh lµ b−íc quan träng. Nã cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng phôc vô cña hÖ thèng, ®Õn ®iÒu kiÖn thi c«ng vµ qu¶n lý hÖ thèng, cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh ®Õn hiÖu Ých cña hÖ thèng t−íi. §Ó hÖ thèng kªnh ®¹t ®−îc nh÷ng yªu cÇu ®Ò ra, khi thiÕt kÕ mÆt c¾t kªnh cÇn ph¶i tháa m·n nh÷ng ®iÒu kiÖn c¬ b¶n nhÊt ®Þnh. Sau ®©y chóng ta nghiªn cøu nh÷ng ®iÒu kiÖn c¬ b¶n mµ khi thiÕt kÕ kªnh cÇn ph¶i tháa m·n. 9.4.1. C¸c ®iÒu kiÖn cÇn ®−îc tháa m·n khi thiÕt kÕ kªnh 1. §iÒu kiÖn khèng chÕ t−íi tù ch¶y vµo c¸c c¸nh ®ång trong khu t−íi Mùc n−íc trªn kªnh t−íi ph¶i ®¹t ®−îc cao tr×nh nhÊt gäi lµ mùc n−íc yªu cÇu khèng chÕ t−íi tù ch¶y trªn kªnh. Cao tr×nh yªu cÇu khèng chÕ t−íi tù ch¶y phô thuéc vµo cao tr×nh mÆt ruéng ®−îc t−íi vµ tæn thÊt ®Çu n−íc trªn kªnh: ∇ yc = A0 + h + Σli + ΣΨi trong ®ã: A0 - cao tr×nh mÆt ruéng yªu cÇu khèng chÕ t−íi tù ch¶y; Σli - tæn thÊt cét n−íc däc ®−êng (l - chiÒu dµi kªnh, i - ®é dèc kªnh); ΣΨi - tæn thÊt côc bé, gåm cã: Tæn thÊt ®Çu n−íc qua cèng lÊy n−íc vµ tæn thÊt ®Çu n−íc qua c¸c c«ng tr×nh trªn kªnh. Trong mét khu t−íi viÖc chän trÞ sè A0 ®¹i diÖn ®Ó tÝnh cao tr×nh khèng chÕ t−íi tù ch¶y cho mét cÊp kªnh hoÆc cho toµn hÖ thèng lµ mét viÖc hÕt søc khã kh¨n phøc t¹p. NÕu