Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 11

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

các Hệ thống quản lý nước mưa đô thị Các hệ thống quản lý nước mưa đô thị bao gồm tất cả các thành phần chỉ đạo, kiểm soát và làm thay đổi lượng và chất lượng dòng chảy đô thị. Một hệ thống thoát nước đô thị điển hình bao gồm các tiểu hệ thống khác nhau (hình 11.1.1), chuyển nước mưa từ nơi nó tác động đến chỗ tiếp nhận nước. Năm tiểu hệ thống đặc trưng của các hệ thống này là: (1) tiểu hệ thống dòng chảy trên đất hoặc dòng chảy mặt; (2)...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 11

Ch¬ng 11 c¸c HÖ thèng qu¶n lý níc ma ®« thÞ 11.1. Õú thTng qußn lÖ nÆ ma ®s thÞ c C¸c hÖ thèng qu¶n lý níc ma ®« thÞ bao gåm tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn chØ ®¹o, kiÓm so¸t vµ lµm thay ®æi lîng vµ chÊt lîng dßng ch¶y ®« thÞ. Mét hÖ thèng tho¸t níc ®« thÞ ®iÓn h×nh bao gåm c¸c tiÓu hÖ thèng kh¸c nhau (h×nh 11.1.1), chuyÓn níc ma tõ n¬i nã t¸c ®éng ®Õn chç tiÕp nhËn níc. N¨m tiÓu hÖ thèng ®Æc trng cña c¸c hÖ thèng nµy lµ: (1) tiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn ®Êt hoÆc dßng ch¶y mÆt; (2) tiÓu hÖ thèng cèng r·nh tho¸t níc ma hoÆc èng dÉn vËn chuyÓn; (3) tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ hoÆc tr÷ níc ma; (4) tiÓu hÖ thèng kªnh vËn chuyÓn chÝnh hoÆc kªnh vËn chuyÓn hë vµ (5) tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn níc bao gåm c¸c s«ng, c¸c hå hoÆc c¸c ®¹i d¬ng. TiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn ®Êt biÕn ®æi lîng ma thµnh dßng ch¶y mÆt. C¸c ®êng qu¸ tr×nh ®Çu ra hoÆc dßng ch¶y tõ tiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn lµ ®Çu vµo ®i vµo tiÓu hÖ thèng cèng r·nh tho¸t níc ma. TiÓu hÖ thèng nµy vËn chuyÓn dßng ch¶y tíi tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ níc ma, tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn níc. §Çu ra hoÆc c¸c lu lîng tho¸t ra tõ tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ hoÆc tr÷ níc ma cã thÓ trë thµnh ®Çu vµo ®i vµo tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn níc. §Çu ra tõ tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh cã thÓ lµ dßng ch¶y vµo hoÆc ®Çu vµo ®èi víi tiÓu hÖ thèng tr÷ níc ma hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn níc. C¸c kh¸i niÖm hÖ thèng ®ang ®îc sö dông ngµy mét nhiÒu h¬n nh»m môc ®Ých t×m hiÓu vµ ph¸t triÓn c¸c gi¶i ph¸p trong c¸c vÊn ®Ò níc ®« thÞ phøc t¹p. C¸c vÊn ®Ò b¾t gÆp trong c¸c hÖ thèng níc ®« thÞ, vèn r¶i r¸c trong c¸c hÖ thèng, ph¶i ®îc ph©n tÝch ®Ó tÝnh to¸n cho c¶ hai biÕn kh«ng gian vµ thêi gian. C¸c lu vùc ®« thÞ thay ®æi theo kh«ng gian khi ®é dèc bÒ mÆt ®Êt, líp phñ vµ lo¹i ®Êt thay ®æi t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau trong lu vùc. 426
Chóng bÞ thay ®æi theo thêi gian bëi v× c¸c ®Æc trng thñy v¨n thay ®æi theo thêi gian song song víi qu¸ tr×nh ®« thÞ ho¸. ViÖc ®a vµo trong mét c«ng thøc to¸n häc c¸c hÖ thèng níc ®« thÞ ph©n phèi theo c¶ thêi gian vµ kh«ng gian lµ mét nhiÖm vô phøc t¹p. Bëi vËy, biÕn kh«ng gian ®«i khi ®îc bá qua vµ hÖ thèng ®îc xö lý nh mét hÖ thèng tËp trung. Mét sè biÕn kh«ng gian cã thÓ ®îc gi÷ l¹i b»ng c¸ch ph©n chia toµn bé hÖ thèng lu vùc thµnh mét vµi tiÓu hÖ thèng ®îc xem xÐt tËp trung, sau ®ã liªn kÕt c¸c m« h×nh hÖ thèng tËp trung nµy víi nhau ®Ó ®a ra mét m« h×nh cña toµn bé hÖ thèng. H×nh 11.1,1 KiÓu hÖ thèng tho¸t níc ®iÓn h×nh (theo Côc C«ng binh Hoa Kú, 1979) C¸c m« h×nh cã thÓ ®îc sö dông nh c¸c c«ng cô ®Ó quy ho¹ch vµ qu¶n lý. NhiÒu kh¶o s¸t vµ nghiªn cøu ¶nh hëng cña ®« thÞ ho¸ ®Õn tæng lîng dßng ch¶y ®· ®îc thùc hiÖn. §Æc biÖt lµ mét vµi m« h×nh m« pháng lu vùc ®· ®îc ph¸t triÓn. Trong qu¶n lý níc ma ®« thÞ, viÖc x¸c ®Þnh trêng dßng ch¶y vµ thiÕt kÕ tèi u c¸c m¹ng líi cèng tho¸t rÊt quan träng. C¸c m« h×nh dù b¸o dßng ch¶y s¾p xÕp theo thø tù tõ c«ng thøc tû lÖ næi tiÕng ®Õn c¸c m« h×nh m« pháng ®· ®Ò xuÊt nh m« h×nh qu¶n lý níc ma (SWMM) (Huber vµ céng sù, 1975) ch¼ng h¹n. Trong qu¶n lý tµi nguyªn níc ®« thÞ, viÖc lµm gi¶m dßng ch¶y níc ma lµ mét trong nh÷ng nhiÖm vô chñ yÕu. C¸c hÖ thèng cèng tho¸t níc ma ®ãng mét vai trß quan träng trong c«ng viÖc nµy. §Ó thiÕt kÕ mét hÖ thèng cèng tho¸t níc ma thÝch hîp, cÇn ph¶i ®¸nh gi¸ kh¸ chÝnh x¸c trêng dßng ch¶y níc ma. 427
11.2. 6hiê t Hê cTng rýnh thÔ¸t nÆ ma c 11.2.1. TriÕt lý thiÕt kÕ PhÇn lín c¸c hÖ thèng cèng r·nh tho¸t níc ma lµ c¸c hÖ thèng héi tô - ph©n nh¸nh hoÆc d¹ng h×nh c©y ®¬n gi¶n. Mét hÖ thèng cèng r·nh tho¸t níc ma cã thÓ bao gåm mét sè lín c¸c cèng, chç nèi, lç cèng vµ lèi vµo céng thªm c¸c thiÕt bÞ ®iÒu chØnh hoÆc ho¹t ®éng ch¼ng h¹n nh c¸c cæng, van, ®Ëp níc, èng tho¸t níc, m¸y ®iÒu chØnh vµ tr¹m b¬m. C¸c thiÕt bÞ nµy cã hiÖu lùc nhê hÖ thèng ph©n chia thñy lùc nã thµnh mét sè tiÓu hÖ thèng. C¸c nh©n tè bao gåm trong thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng cèng tho¸t níc ma lµ x¸c ®Þnh c¸c ®êng kÝnh, ®é dèc vµ c¸c cao tr×nh ®Ønh hoÆc vßm cèng ®èi víi mçi èng trong hÖ thèng. Theo quan ®iÓm kü thuËt, bµi to¸n tho¸t níc cã thÓ ®îc ph©n chia thµnh hai híng: dù b¸o dßng ch¶y vµ thiÕt kÕ hÖ thèng. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, sù cè g¾ng ®¸ng kÓ ®· dµnh hÕt cho viÖc dù b¸o dßng ch¶y trong c¸c khu vùc ®« thÞ. Híng thø hai lµ bµi to¸n tho¸t níc (ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ) Ýt ®îc chó ý h¬n. C¸c lo¹i m« h×nh thiÕt kÕ c¬ b¶n lµ c¸c m« h×nh thiÕt kÕ thñy lùc vµ c¸c m« h×nh thiÕt kÕ tèi u (môc 11.4). C¸c m« h×nh thiÕt kÕ thñy lùc x¸c ®Þnh c¸c kÝch thíc cèng nhê sö dông chØ c¸c nghiªn cøu thñy lùc. C¸ch bè trÝ hÖ thèng cèng ®îc x¸c ®Þnh l¹i vµ ®é dèc cèng thêng ®îc gi¶ thiÕt theo ®é dèc ®Êt. Kh¸i niÖm c¬ b¶n lµ x¸c ®Þnh kÝch thíc cèng cùc tiÓu cã kh¶ n¨ng t¶i lu lîng thiÕt kÕ díi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y träng lùc èng ®Çy. V× thÕ, nhiÒu trong sè gäi lµ c¸c “ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ cèng” thùc tÕ lµ c¸c ph¬ng ph¸p m« pháng hoÆc dù b¸o dßng ch¶y ®Ó cung cÊp c¸c biÓu ®å thñy v¨n thiÕt kÕ. C¸c rµng buéc vµ c¸c gi¶ thiÕt sau ®©y thêng ®îc sö dông trong thùc tÕ thiÕt kÕ cèng tho¸t níc ma: a. §èi víi c¸c lu lîng thiÕt kÕ, dßng ch¶y mÆt lµ tù do, nghÜa lµ hÖ thèng cèng ®îc thiÕt kÕ cho dßng ch¶y “träng lùc” ®Ó c¸c tr¹m b¬m vµ c¸c cèng cã ¸p kh«ng ®îc xem xÐt. b. C¸c cèng lµ c¸c èng trßn cã ®êng kÝnh kh«ng nhá h¬n 8 in s½n cã ®Ó sö dông vÒ ph¬ng diÖn th¬ng m¹i. c. §êng kÝnh thiÕt kÕ lµ ®êng kÝnh èng nhá nhÊt s½n cã ®Ó sö dông vÒ ph¬ng diÖn th¬ng m¹i, cã n¨ng lùc dßng ch¶y ®¹t hoÆc vît lu lîng thiÕt kÕ vµ tháa m·n tÊt c¶ c¸c rµng buéc thÝch hîp. d. Cèng tho¸t níc ma ph¶i ®îc ®Æt t¹i ®é s©u sÏ kh«ng dÔ bÞ ¶nh hëng ®Õn sù ®ãng b¨ng (cña níc trong mïa ®«ng) ®Õn nÒn mãng cña èng vµ cho phÐp ®ñ ªm ®Ó ng¨n ngõa èng bÞ vì do träng t¶i trªn mÆt ®Êt. 428
e. C¸c cèng ®îc nèi t¹i c¸c chç nèi sao cho cao tr×nh ®Ønh cña cèng phÝa thîng lu kh«ng thÊp h¬n cao tr×nh ®Ønh cña cèng phÝa h¹ lu. f. §Ó ng¨n ngõa hoÆc lµm gi¶m sù båi l¾ng qu¸ møc cña c¸c vËt liÖu r¾n trong c¸c cèng, mét tèc ®é dßng ch¶y nhá nhÊt cã thÓ chÊp nhËn ®îc víi lu lîng thiÕt kÕ hoÆc víi dßng ch¶y träng lùc èng ®Çy ph¶i ®îc x¸c ®Þnh (nghÜa lµ 2,5 ft/s). g. §Ó ng¨n ngõa sù xuÊt hiÖn cña xãi vµ c¸c ¶nh hëng kh«ng mong muèn kh¸c cña dßng ch¶y tèc ®é cao, mét tèc ®é dßng ch¶y cùc ®¹i cã thÓ chÊp nhËn ®îc còng ph¶i ®îc x¸c ®Þnh. C¸c tèc ®é cùc ®¹i trong c¸c cèng rÊt quan träng do tiÒm Èn kh¶ n¨ng xãi qu¸ møc trªn c¸c vßm vâm xuèng cña cèng. h. T¹i bÊt kú mét chç nèi hoÆc lç cèng nµo, cèng phÝa h¹ lu ®Òu kh«ng thÓ nhá h¬n bÊt kú mét trong nh÷ng cèng phÝa thîng lu t¹i chç nèi ®ã. i. HÖ thèng cèng lµ mét m¹ng líi h×nh c©y héi tô vÒ phÝa h¹ lu kh«ng cã c¸c ®êng vßng khÐp kÝn. 11.2.2. Ph¬ng ph¸p tû lÖ Ph¬ng ph¸p tû lÖ, cã thÓ ®îc truy nguyªn ®Õn gi÷a thÕ kû thø 19, vÉn cã thÓ lµ ph¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt sö dông ®Ó thiÕt kÕ c¸c cèng tho¸t níc ma. MÆc dï nh÷ng chØ trÝch vÒ sù tháa ®¸ng cña ph¬ng ph¸p vÉn ®îc ®a ra vµ mét vµi c¸c ph¬ng ph¸p tiªn tiÕn h¬n kh¸c ®· ®îc ®Ò xuÊt, nhng do tÝnh ®¬n gi¶n mµ ph¬ng ph¸p tû lÖ vÉn ®ang tiÕp tôc ®îc sö dông ®Ó thiÕt kÕ cèng khi kh«ng yªu cÇu ®é chÝnh x¸c cao vÒ tèc ®é dßng ch¶y. Sö dông ph¬ng ph¸p tû lÖ, ®Ønh dßng ch¶y do ma ®îc íc tÝnh b»ng c¸ch sö dông c«ng thøc tû lÖ: (11.2.1) Q  Ci A 3 trong ®ã: dßng ch¶y ®Ønh íc lîng Q tÝnh b»ng ft /s, C lµ hÖ sè dßng ch¶y (b¶ng 11.2.1), i lµ cêng ®é ma trung b×nh tÝnh b»ng in/h vµ A lµ diÖn tÝch tho¸t níc tÝnh b»ng mÉu Anh. Trong c¸c khu vùc ®« thÞ, khu vùc tho¸t níc thêng bao gåm c¸c tiÓu khu vùc hoÆc c¸c tiÓu lu vùc cã c¸c ®Æc trng bÒ mÆt kh¸c nhau vÒ c¨n b¶n. Nh mét kÕt qu¶, ph©n tÝch ®a hîp yªu cÇu ph¶i tÝnh c¸c ®Æc trng bÒ mÆt kh¸c nhau. C¸c khu vùc cña c¸c tiÓu lu vùc ®îc biÓu thÞ b»ng Ai vµ c¸c hÖ sè dßng ch¶y cña mçi tiÓu lu vùc ®îc biÓu thÞ b»ng Ci . Khi ®ã, dßng ch¶y ®Ønh ®îc tÝnh nhê sö dông d¹ng sau ®©y cña c«ng thøc tû lÖ: m Q  i  C j A¹ (11.2.2) j 1 trong ®ã: m lµ sè tiÓu lu vùc tiªu níc b»ng mét cèng. 429
Cêng ®é ma ( i ) lµ tèc ®é ma trung b×nh tÝnh b»ng in/h ®îc xem xÐt ®èi víi c¸c lu vùc tho¸t níc bé phËn hoÆc c¸c tiÓu lu vùc. Cêng ®é ma ®îc lùa chän trªn c¬ së thêi ®o¹n ma thiÕt kÕ vµ tÊn suÊt xuÊt hiÖn thiÕt kÕ. Thêi ®o¹n thiÕt kÕ b»ng thêi gian tËp trung ®èi víi khu vùc tho¸t níc ®ang ®îc nghiªn cøu. TÇn suÊt xuÊt hiÖn lµ mét biÕn thèng kª, ®îc thiÕt lËp b»ng c¸c tiªu chuÈn thiÕt kÕ hoÆc ®îc kü s lùa chän nh mét tham sè thiÕt kÕ. Thêi gian tËp trung ( t c ) sö dông trong ph¬ng ph¸p tû lÖ lµ thêi gian liªn kÕt dßng ch¶y ®Ønh tõ lu vùc s«ng ®Õn ®iÓm quan t©m. Dßng ch¶y tõ mét lu vùc thêng ®¹t tíi ®Ønh t¹i thêi gian mµ toµn bé lu vùc ®Òu ®ãng gãp. Trong trêng hîp ®ã, thêi gian tËp trung lµ thêi gian ®Ó mét giät níc t¹o thµnh dßng ch¶y ch¶y tõ ®iÓm xa nhÊt trong lu vùc tíi ®iÓm quan t©m. Dßng ch¶y cã thÓ ®¹t tíi ®Ønh tríc thêi gian toµn bé lu vùc ®Òu ®ãng gãp. Quy tr×nh thö sai cã thÓ ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian tËp trung tíi h¹n. Thêi gian tËp trung ®Õn mét ®iÓm bÊt kú trong mét hÖ thèng tho¸t níc ma b»ng tæng cña thêi gian lèi vµo ( t o ) vµ thêi gian ch¶y trong c¸c cèng phÝa thîng lu nèi víi lu vùc ( t f ), nghÜa lµ: (11.2.3) tc  t o  t f víi thêi gian ch¶y b»ng: Lj (11.2,4) tf   Vj trong ®ã: L j lµ chiÒu dµi däc theo ®êng dÉn dßng ch¶y cña èng thø j vµ V j lµ tèc ®é dßng ch¶y trung b×nh trong èng. Thêi gian lèi vµo t o lµ thêi gian dµi nhÊt ®Ó dßng ch¶y cña níc trªn ®Êt trong mét lu vùc ®¹t tíi lèi vµo cèng tho¸t níc ma cña lu vùc. VÝ dô 11.2.1. H·y x¸c ®Þnh c¸c ®êng kÝnh cña c¸c èng 5,1; 5,2; 5,3; 6,1 vµ 7,1 trong lu vùc tho¸t níc Goodwin Avenue ë Urbana, Illinois (h×nh 11.2.1). C¸c ®Æc trng cña lu vùc ®îc liÖt kª trong b¶ng 11.2.2. Søc t¶i cña cèng trong hÖ thèng ph¶i xö lý ®îc dßng ch¶y mÆt do ma 2 n¨m g©y ra. Quan hÖ ma - cêng ®é - thêi ®o¹n ®èi víi thêi kú xuÊt hiÖn l¹i 2 n¨m còng ®îc cho trong b¶ng 11.2.2, DiÖn tÝch tho¸t níc 14,65 mÉu Anh cã  CA  10,52 vµ thêi gian tËp trung tc  15,2 phót, dßng ch¶y vµo ®Çu phÝa thîng lu cña èng 5,1 ®i qua 1 èng kh«ng ®îc thÓ hiÖn. Lêi gi¶i. C¸c thêi gian lèi vµo ®èi víi c¸c tiÓu lu vùc trong lu vùc s«ng ®îc cho trong b¶ng 11.2.2. ThÓ hiÖn trong b¶ng 11.2.3 lµ c¸c tÝnh to¸n ®Ó thiÕt kÕ c¸c èng cèng. HÖ sè nh¸m Manning n b»ng 0.014 ®èi víi tÊt c¶ c¸c cèng. VÝ dô nµy chøng minh r»ng: trong ph¬ng ph¸p tû lÖ, mçi cèng ®îc thiÕt kÕ riªng biÖt vµ kh«ng phô thuéc (trõ ®èi víi tÝnh to¸n thêi gian ch¶y trong cèng) vµ t¬ng 430
øng víi cêng ®é ma i ®îc tÝnh lÆp l¹i ®èi víi diÖn tÝch tho¸t níc b»ng cèng. §èi víi cèng ®· cho, tÊt c¶ c¸c diÖn tÝch kh¸c nhau tho¸t níc b»ng cèng nµy ®Òu cã i gièng nhau. V× vËy, khi qu¸ tr×nh thiÕt kÕ tiÕn tíi c¸c cèng ë h¹ lu, diÖn tÝch tho¸t níc t¨ng lªn vµ do ®ã, thêi gian tËp trung còng thêng t¨ng lªn. Sù t¨ng lªn lÇn lît cña t c sinh ra sù gi¶m cña i ph¶i ®îc ¸p dông ®èi víi toµn bé diÖn tÝch tho¸t níc b»ng cèng. 11.¶. 4 h·ng ph¸p thiê t Hê - ¬ng biÓu ®å thñy v¨n C¸c ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ biÓu ®å thñy v¨n coi c¸c biÓu ®å thñy v¨n thiÕt kÕ lµ ®Çu vµo ®èi víi ®Çu phÝa thîng lu cña cèng vµ sö dông mét sè d¹ng diÔn to¸n ®Ó truyÒn biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo ®Õn ®Çu phÝa h¹ lu cña cèng. BiÓu ®å thñy v¨n ®· diÔn to¸n ®îc gép vµo biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt tíi lç cèng t¹i chç nèi phÝa h¹ lu, c¸c biÓu ®å thñy v¨n ®· diÔn to¸n ®èi víi mçi cèng còng ®îc gép vµo. C¸c biÓu ®å thñy v¨n kÕt hîp ®èi víi tÊt c¶ c¸c èng nèi phÝa h¹ lu céng víi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt m« t¶ biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo thiÕt kÕ ®èi víi èng cèng tiÕp theo (kÒ liÒn) phÝa h¹ lu. KÝch thíc èng vµ ®é dèc cèng ®îc lùa chän dùa trªn c¬ së gi¶i quyÕt ®Ó kÝch thíc èng th¬ng m¹i cã thÓ xö lý lu lîng ®Ønh cña biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo vµ duy tr× dßng ch¶y träng lùc. Ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ mét biÓu ®å thñy v¨n ®¬n gi¶n vµ kh¸ hiÖu qu¶ lµ ph¬ng ph¸p biÓu ®å thñy v¨n thêi gian trÔ (Yen, 1978). Ph¬ng ph¸p biÓu ®å thñy v¨n thêi gian trÔ lµ ph¬ng ph¸p diÔn to¸n thñy v¨n (th«ng sè tËp trung). BiÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo cña mét cèng ®îc dich chuyÓn nhng kh«ng thay ®æi h×nh d¹ng trong thêi gian dßng ch¶y trong cèng t f ®Ó ®em l¹i biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y ra khái cèng. T¹i c¸c thêi gian t¬ng øng, c¸c biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y ra cña c¸c cèng phÝa thîng lu t¹i lç cèng ®îc gép l¹i víi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo lç cèng trùc tiÕp ®Ó ®em l¹i biÓu ®å dßng ch¶y vµo ®èi víi cèng phÝa h¹ lu theo ®óng víi quan hÖ liªn tôc: dS Q (11.3.1)  Q j  Qo  ij dt trong ®ã: Qij lµ dßng ch¶y vµo tõ cèng thîng lu thø i vµo chç nèi j , Qo lµ dßng ch¶y ra tõ chç nèi vµo cèng h¹ lu, Q j lµ dßng ch¶y trùc tiÕp vµo lç cèng hoÆc chç nèi vµ S lµ níc tr÷ trong cÊu tróc chç nèi hoÆc lç cèng. §èi dS víi c¸c chç nèi lo¹i ®iÓm kh«ng cã lîng tr÷ th×  0. dt B¶ng 11.2.1 C¸c hÖ sè dßng ch¶y ®Ó sö dông ph¬ng ph¸p tû lÖ (Chow, Maidment vµ Mays, 1988) 431
Thêi kú xuÊt hiÖn l¹i § Æc trng cña bÒ mÆt 2 5 10 25 50 100 500 § · ph¸t triÓn Nhùa ®êng 0,73 0,77 0,81 0,86 0,90 0,95 1,00 Bª t«ng/m¸i nhµ 0,75 0,80 0,83 0,88 0,92 0,97 1,00 C¸c diÖn tÝch cá §iÒu kiÖn xÊu (cá phñ Ýt h¬n 50 diÖn tÝch) Ph¼ng, 0 - 2 0,32 0,34 0,37 0,40 0,44 0,47 0,58 Trung b×nh, 2 - 7 0,37 0,40 0,43 0,46 0,49 0,53 0,61 D èc, trªn 7 0,40 0,43 0,45 0,49 0,52 0,55 0,62 §iÒu kiÖn kh¸ tèt (cá phñ tõ trªn 50 ®Õn 75 diÖn tÝch) 0,25 0,28 0,30 0,34 0,37 0,41 0,53 Ph¼ng, 0 - 2 0,33 0,36 0,38 0,42 0,45 0,49 0,58 Trung b×nh, 2 - 7 0,37 0,40 0,42 0,46 0,49 0,53 0,60 D èc, trªn 7 §iÒu kiÖn tèt (cá phñ trªn 75 diÖn tÝch) 0,21 0,23 0,25 0,29 0,32 0,36 0,49 Ph¼ng, 0 - 2 0,29 0,32 0,35 0,39 0,42 0,46 0,56 Trung b×nh, 2 - 7 0,34 0,37 0,40 0,44 0,47 0,51 0,58 D èc, trªn 7 C ha ph¸t triÓn §Êt trång trät 0,31 0,34 0,36 0,40 0,43 0,47 0,57 Ph¼ng, 0 - 2 0,35 0,38 0,41 0,44 0,48 0,51 0,60 Trung b×nh, 2 - 7 0,39 0,42 0,44 0,48 0,51 0,54 0,61 D èc, trªn 7 § Êt ®ång cá/b·i réng 0,25 0,28 0,30 0,34 0,37 0,41 0,53 Ph¼ng, 0 - 2 0,33 0,36 0,38 0,42 0,45 0,49 0,58 Trung b×nh, 2 - 7 0,37 0,40 0,42 0,46 0,49 0,53 0,60 D èc, trªn 7 R õng/vïng rõng 0,22 0,25 0,28 0,31 0,35 0,39 0,48 Ph¼ng, 0 - 2 0,31 0,34 0,36 0,40 0,43 0,47 0,56 Trung b×nh, 2 - 7 0,35 0,39 0,41 0,45 0,48 0,52 0,58 D èc, trªn 7 Thêi gian dßng ch¶y trong cèng t f ®îc sö dông ®Ó thay ®æi biÓu ®å thñy v¨n ®îc íc lîng b»ng: L (11.3.2) tf  V trong ®ã: L lµ chiÒu dµi cèng vµ V lµ tèc ®é dßng ch¶y trong èng. Gi¶ thiÕt dßng ch¶y èng ®Çy, tèc ®é cã thÓ ®îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông: 432
H×nh 11.2,1 Lu vùc tho¸t níc vµ hÖ thèng cèng tho¸t níc ma §¹i lé Goodwin ë Urbana, Illinois. (Yen, 1978) B¶ng 11.2.2 C¸c ®Æc trng dÉn níc cña lu vùc Goodwin Avenue vµ quan hÖ cêng ®é - thêi ®o¹n - tÇn suÊt ma (Yen, 1978) Lu vùc Cao tr×nh DiÖn tÝch A HÖ sè Thêi gian ChiÒu dµi èng tho¸t níc mÆt ®Êt t¹i (mÉu Anh) dßng ch¶y lèi vµo dßng ch¶y ra tíi lç cèng lç cèng (ft) C (phót) tÝnh tõ lç cèng 51 720,12 1,25 0,70 10.3 230 52 721,23 0,70 0,65 11.8 70 53 720,26 1,50 0,55 17,6 130 61 719,48 0,60 0,75 9,0 160 71 715,39 2,30 0,70 12.0 240 81 715,10 433
Quan hÖ cêng ®é - thêi ®o¹n - tÇn suÊt ma Thêi ®o¹n 5 10 15 20 (phót) Cêng ®é 5,4 4,18 3,51 3,1 ma (in/h) 434
B¶ng 11.2.3 TÝnh to¸n theo ph¬ng ph¸p tû lÖ cho vÝ dô 11.2.1 (Goodwin Ave.) Sè gia Thêi Tæng T hêi gian KÝch Thêi diÖn Lu §êng Tèc gian thíc gian dßng lîng kÝnh ®é ChiÒ tÝch tc DiÖn §é dèc lèi i èng ®· ch¶y L ch¶y  CA u dµi ( phót thiÕt tÝnh dßng Cèng tho¸t tD (phót) tÝch So (in/h) vµo æng sö trong u C CA L (ft) níc ) kÕ QP to¸n dr ch¶y (mÉu (phót dông d cèng thîng vùc (ft3/s) (ft) (ft/s) (mÉu Anh) ) (ft) (phót) lu Anh) (phót) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) 5,1 230 0,0028 5,1 1,25 0,70 0,88 10.3 _ 10.3 15,2 14,65 10.52 15,2 3,5 36,8 3,13 3,50 3,8 1,00 5,2 70 0,00250 0,70 5,2 0,70 0,65 0,46 0,46 11.8 _ 11.8 11.8 3,90 1,79 0,67 0,67 5,1 0,23 5,3 130 0,0060 1,70 5,3 1,70 0,55 0,94 0,94 17,6 _ 17,6 17,6 3,30 3,10 1,07 1,25 2,5 0,86 6,1 160 0,017 6,1 0,6 0,75 0,45 9,0 _ 9,0 5,3 17,6 0,86 18,5 17,65 12.37 18,5 3,2 39,58 3,77 4,0 12.6 0,21 7,1 240 0,0012 7,1 2,3 0,70 1,61 19,95 13.98 18,7 3,2 44,7 3,94 4,0 Cét (3): §é dèc ®· chän ®¹t hoÆc vît ®é dèc ®Êt. Cét (14): Cêng ®é ma (i) ®èi víi thêi ®o¹n ë cét (13). Cét (4): Tæng diÖn tÝch tho¸t níc b»ng cèng b»ng tæng c¸c diÖn tÝch c¸c tiÓu Cét (15): Lu lîng thiÕt kÕ tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông ph¬ng tr×nh (11.2,2), tÝch sè cña lu vùc tho¸t níc b»ng cèng. cét (9) vµ (14) Cét (9:) Tæng CA ®èi víi tÊt c¶ c¸c diÖn tÝch tho¸t níc b»ng cèng b»ng tæng cña c¸c 3/8   Q  diÖn tÝch ®ãng gãp trong (9) céng víi c¸c diÖn tÝch trong (8) ®èi víi cèng ®ã. d r  0,32  Cét (10): Thêi gian lèi vµo b»ng tæng thêi gian lèi vµo cña dßng ch¶y trªn ®Êt. Cét (16): §êng kÝnh èng yªu cÇu tÝnh b»ng c¸ch sö dông ®èi víi  S   Cét (11): Thêi gian ch¶y trong cèng cña cèng thîng lu gÇn nhÊt.  o   Cét (12): Thêi gian tËp trung tc ®èi víi mçi mét trong c¸c ®êng dÉn dßng ch¶y tíi h¹n cã thÓ céng víi thêi gian ch¶y trong cèng ®èi víi mçi ®êng dÉn. n = 0,014, Cét (13): Thêi ®o¹n ma tD ®îc gi¶ thiÕt b»ng tæng c¸c thêi gian tËp trung dµi nhÊt Cét (17): KÝch thíc èng th¬ng m¹i lín h¬n gÇn nhÊt víi kÝch thíc tÝnh trong cét (16). kh¸c nhau cña c¸c ®êng dÉn dßng ch¶y kh¸c nhau ®Õn cæng vµo cña cèng xem xÐt.
V  4Q /(d 2 ) . Cét (18): Tèc ®é dßng ch¶y b»ng Cét (19): Thêi gian ch¶y trong èng lµ L/V, cét (2) chia cho cét (18)
qQP (11.3.) V  d2 trong ®ã: QP lµ lu lîng ®Ønh vµ d lµ ®êng kÝnh èng. C¸c ph¬ng tr×nh cña dßng ch¶y æn ®Þnh ®Òu ch¼ng h¹n nh ph¬ng tr×nh Manning hoÆc Darcy- Weisbach còng cã thÓ ®îc sö dông ®Ó tÝnh tèc ®é. Trong ph¬ng ph¸p nµy, quan hÖ liªn tôc cña dßng ch¶y trong cèng kh«ng ®îc xem xÐt trùc tiÕp. ViÖc diÔn to¸n dßng ch¶y trong cèng ®îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo bëi t f vµ kh«ng ®Ó ý ®Õn tÝnh kh«ng æn ®Þnh vµ kh«ng ®Òu cña dßng ch¶y trong cèng. ViÖc thay ®æi c¸c biÓu ®å thñy v¨n gi¶i thÝch gÇn ®óng cho thêi gian tÞnh tiÕn dßng ch¶y nhng kh«ng x¶y ra sù suy gi¶m sãng. Tuy nhiªn, quy tr×nh tÝnh to¸n bëi phÐp néi suy l¹i mang ®Õn sù suy gi¶m sè trÞ. 11.«. 6hiê t Hê chi phÝ tTi thiÓu cña hú thTng cTng thÔ¸t nÆ ma c Trong thiÕt kÕ chi phÝ tèi thiÓu cña hÖ thèng cèng tho¸t níc ma, sù tháa hiÖp gi÷a chi phÝ èng vµ chi phÝ ®µo ®îc xem xÐt. §Ó vËn chuyÓn mét lîng dßng ch¶y x¸c ®Þnh, sö dông mét ®é dèc èng dèc h¬n th× kÝch thíc èng yªu cÇu sÏ nhá h¬n, v× vËy chi phÝ èng sÏ thÊp h¬n. Tuy nhiªn, chi phÝ vµ tæng lîng ®µo sÏ lín h¬n. Ph¬ng ph¸p luËn ®îc lµm râ trong môc nµy cã thÓ ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh kÕt hîp chi phÝ tèt nhÊt cña kÝch thíc vµ ®é dèc c¸c èng vµ ®é s©u cña c¸c lç cèng ®èi víi mét m¹ng líi cèng ®Ó thu thËp vµ tiªu tho¸t dßng ch¶y do ma tõ lu vùc tho¸t níc ®« thÞ. Bëi v× ®é dèc cèng phô thuéc vµo c¸c cao tr×nh cuèi cña cèng nªn c¸c biÕn thiÕt kÕ lµ c¸c ®êng kÝnh vµ c¸c cao tr×nh ®Ønh ë thîng vµ h¹ lu cña c¸c cèng vµ ®é s©u cña c¸c lç cèng. Ph¬ng ph¸p luËn xem xÐt mét m¹ng líi bè trÝ nèi tiÕp c¸c lç cèng t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong lu vùc tho¸t níc. C¸c dßng ch¶y vµo thiÕt kÕ vµo trong c¸c hè nµy ®îc x¸c ®Þnh tríc. C¸c nhiÖm vô chñ yÕu trong ph¸t triÓn vµ lËp c«ng thøc cña mét m« h×nh tèi u ®èi víi thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng cèng tho¸t níc ma bao gåm hai phÇn: a. M« t¶ bé c¸c lç cèng ë d¹ng thÝch hîp cho thao t¸c sè. b. Lùa chän c¸c kü thuËt tèi u hãa cho toµn bé m« h×nh. Nã ph¶i ®ñ linh ho¹t ®Ó xö lý ®îc c¸c rµng buéc vµ c¸c gi¶ thiÕt trong thiÕt kÕ, c¸c d¹ng kh¸c nhau cña c¸c hµm chi phÝ, c¸c m« h×nh rñi ro, c¸c m« h×nh thñy lùc hoÆc thñy v¨n vµ ®Ó hîp nhÊt tÊt c¶ c¸c th«ng tin thiÕt kÕ. Ch¬ng tr×nh ®éng lùc (DP) cã thÓ ®îc øng dông ®Ó thiÕt kÕ hÖ thèng cèng tho¸t níc ma víi chi phÝ tèi thiÓu (Mays vµ Yen, 1975; Tang vµ céng sù, 1975; Mays vµ Wenzel, 1976; Mays vµ céng sù, 1976). C¸c sè h¹ng cña DP: chÆng ®êng, tr¹ng th¸i, quyÕt ®Þnh, chi phÝ vµ phÐp chuyÓn ®æi ®îc ®Þnh nghÜa ë díi díi d¹ng c¸c b¶n sao cña chóng trong c¸c hÖ thèng cèng tho¸t níc ma. 430
ChÆng ®êng. C¸c ®êng ¶o gäi lµ c¸c ®êng ®ång nót ®îc sö dông ®Ó ph©n chia m¹ng líi cèng thµnh c¸c chÆng ®êng. C¸c ®êng ¶o nµy ®îc x¸c ®Þnh lµ chóng ®i qua hÕt c¸c lç cèng ®îc t¸ch ra tõ cöa ra cña hÖ thèng bëi cïng mét sè mÆt c¾t ngang èng (c¸c chç nèi). Mét chÆng ®êng bÊt kú i gåm c¸c èng nèi tiÕp c¸c lç cèng thîng lu trªn ®êng i víi c¸c lç cèng h¹ lu trªn ®êng i  1 . §èi víi hÖ thèng cã i = 1, 2,.……, I c¸c ®êng ®ång nót vµ cã I  1 chÆng ®êng, c¸c lç cèng trªn ®êng bÊt kú i ®îc nèi víi cöa ra cña hÖ thèng bëi I  i mÆt c¾t ngang èng. Thùc chÊt, c¸c ®êng ®ång nót ®îc x©y dùng b¾t ®Çu t¹i cöa ra, tiÕn hµnh ngîc dßng vµ ®îc ®¸nh sè ®¶o ngîc b»ng c¸ch b¾t ®Çu víi thîng lu vµ tiÕn hµnh xu«i dßng nh ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 11.4,1 ®èi víi vÝ dô hÖ thèng cèng. C¸c tr¹ng th¸i. C¸c tr¹ng th¸i t¹i mçi chÆng ®êng i lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh cña c¸c èng. C¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo S mi ,mi 1 ®èi víi èng nèi víi c¸c lç cèng mi vµ mi 1 trªn c¸c ®êng ®ång nót i vµ i  1 t¬ng øng lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh t¹i ®Çu phÝa thîng lu (lç cèng mi ). T¬ng tù, c¸c ~ tr¹ng th¸i ®Çu ra S mi ,mi 1 ®èi víi cïng èng nµy lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh t¹i ®Çu phÝa h¹ lu (lç cèng mi 1 ). C¸c lç cèng phÝa thîng lu t¹i chÆng ®êng bÊt kú i ®îc ®¸nh sè mi = 1, 2, …, M i ®èi víi c¸c lç cèng trªn ®êng i vµ c¸c lç cèng phÝa h¹ lu ®îc ®¸nh sè mi 1 = 1, 2, …, M i 1 ®èi víi M i 1 lç cèng trªn ®êng i  1 . H×nh 11.4,1 H Ö thèng cèng tho¸t níc ma Goodwin Avenue nhê thÓ hiÖn c¸c ®êng ®ång nót. C¸c quyÕt ®Þnh. C¸c quyÕt ®Þnh lµ sù gi¶m vÒ c¸c cao tr×nh ®Ønh cao nhÊt cña c¸c èng ®i ngang qua chÆng ®êng; nghÜa lµ quyÕt ®Þnh Dmi ,mi 1 m« t¶ vÐc t¬ cña c¸c sù gi¶m tõ lç thîng 431
lu mi tíi lç h¹ lu mi 1 . Cã mét bé c¸c quyÕt ®Þnh ®èi víi mçi èng ®i ngang qua chÆng ®êng. Mçi sù gi¶m trong cao tr×nh m« t¶ mét ®é dèc ®Ó b»ng c¸ch sö dông ph¬ng tr×nh Manning, gi¶ thiÕt dßng ch¶y èng ®Çy, ®êng kÝnh èng cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh ®èi víi tèc ®é dßng ch¶y thiÕt kÕ. Chi phÝ. Chi phÝ t¹i mçi chÆng ®êng lµ chi phÝ l¾p ®Æt mçi èng vµ chi phÝ ®µo c¸c lç cèng thîng lu t¬ng øng cña c¸c èng nµy, nghÜa lµ: Thèng kª tæng céng cña mçi chÆng ®êng i lµ   M ri  m i rmi ,mi 1 S mi ,mi 1  Dmi ,mi 1 . Mçi lç cèng trªn mét ®êng ®ång nót phÝa thîng lu ph¶i i ®îc tho¸t níc tíi mét lç cèng trªn ®êng ®ång nót phÝa h¹ lu, kÕt qu¶ lµ tæng sè cã M i 1 èng nèi tiÕp ®i ngang qua chÆng ®êng i . PhÐp biÕn ®æi. Hµm biÕn ®æi ®Þnh nghÜa c¸ch trong ®ã c¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo (hoÆc c¸c cao tr×nh ®Ønh phÝa thîng lu) S mi ,mi 1 ®îc chuyÓn ®æi thµnh c¸c tr¹ng th¸i ®Çu ra (hoÆc c¸c cao ~ tr×nh ®Ønh phÝa h¹ lu) S mi ,mi 1 nhê c¸c biÕn quyÕt ®Þnh (hoÆc c¸c sù gi¶m vÒ cao tr×nh) Dmi ,mi 1 . ~ S mi ,mi 1  S mi ,mi 1  Dmi ,mi 1 (11.4.1) Ch¬ng tr×nh ®éng lùc sai ph©n rêi r¹c ®· m« t¶ trong môc 4.2 cã thÓ ®îc sö dông nh kü thuËt tèi u ho¸. Kü thuËt lÆp lµ kü thuËt trong ®ã, ph¬ng tr×nh ®Ö quy cña ch¬ng tr×nh ®éng lùc ®îc sö dông ®Ó nghiªn cøu ®èi víi hÖ thèng cèng tho¸t níc ma c¶i tiÕn hoÆc cã chi phÝ thÊp h¬n trong kh«ng gian tr¹ng th¸i x¸c ®Þnh bëi mét hµnh lang hoÆc mét bé c¸c cao tr×nh ®Ønh kh¶ n¨ng t¹i ®Çu thîng vµ h¹ lu cña mçi èng. Bíc ®Çu tiªn trong viÖc x¸c ®Þnh hµnh lang lµ gi¶ thiÕt mét chuçi c¸c tr¹ng th¸i hoÆc ~ cao tr×nh ®Ønh gäi lµ ®êng ®i thö S m ,m , i  1,2,......, I . C¸c tr¹ng th¸i ban ®Çu i i 1 vµ cuèi cïng cña ®êng ®i thö (nghÜa lµ: cao tr×nh ®Ønh phÝa thîng lu t¹i chÆng ®êng 1 vµ cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ lu t¹i chÆng ®êng 1 ®èi víi mét hÖ thèng theo thø tù hoÆc kh«ng ph©n nh¸nh) ®îc x¸c ®Þnh vµ ®é dèc cña tÊt c¶ c¸c cèng ®îc gi¶ thiÕt lµ gièng hÖt nhau. Do ®ã, ®êng ®i thö, c¸c cao tr×nh ®Ønh vµ c¸c quyÕt ®Þnh t¬ng øng ®èi víi mçi chÆng ®êng cña hÖ thèng cã thÓ ®îc tÝnh to¸n. Khi c¸c nh¸nh ®îc xem xÐt, sö dông cïng mét ®é dèc ®Ó tÝnh c¸c ®êng ®i thö cña cèng chÝnh vµ c¸c nh¸nh. TiÕp theo, mét vµi tr¹ng th¸i kh¸c trong vïng l©n cËn ®êng ®i thö ®îc ®a ra. C¸c tr¹ng th¸i vïng l©n cËn ®èi víi mçi chÆng ®êng nµy t¹o thµnh mét vµnh ®ai bao quanh ®êng ®i thö gäi lµ hµnh lang (h×nh 11.4.2). T¹i mçi chÆng ®êng i , mét sè gia S i ®îc sö dông trong kh«ng gian tr¹ng th¸i S ®Ó t¹o thµnh c¸c tr¹ng th¸i vïng l©n cËn. V× vËy, b»ng c¸ch sö dông 5 tr¹ng th¸i hoÆc 5 ®iÓm líi t¹i c¸c ®Çu thîng vµ h¹ lu cña mét cèng, hµnh lang ®èi víi mét hÖ thèng cèng tho¸t níc ma ®îc x¸c ®Þnh bëi: 432
~   S mi ,mi 1  2S i   ~  S mi ,mi 1  S i   ~ S mi , mi  1   S mi ,mi 1  (11.4.2)  ~  S mi ,mi 1  S i   ~  S m , m  2 S  i  i i 1    ~ trong ®ã: S mi ,mi 1 x¸c ®Þnh ®êng ®i thö. Hµnh lang ph¶i r¬i vµo bªn trong ph¹m vi cã thÓ chÊp nhËn cña kh«ng gian tr¹ng th¸i. Biªn thîng lu cña ph¹m vi cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh b»ng ®é phñ ®Êt tèi thiÓu cña c¸c cèng hoÆc c¸c giíi h¹n rµng buéc thªm kh¸c. Biªn h¹ lu ®îc x¸c ®Þnh bëi cao tr×nh cèng thÊp nhÊt trong hÖ thèng hoÆc tèt nhÊt lµ bëi c¸c giíi h¹n rµng buéc thªm kh¸c ch¼ng h¹n nh rµng buéc b¾t buéc bëi c¸c ®é dèc cèng nhá nhÊt. Ph¬ng tr×nh ®Ö quy ®èi víi mçi èng t¹i mçi chÆng ®êng ®îc cho b»ng: ~ ~      f i  S mi ,mi 1   min rmi ,mi 1 S mi ,mi 1 , Dmi ,mi 1  f i 1  S mi ,mi 1  i = 1,…, I-1 (11.4.3)      ~  trong ®ã: f i  S mi , mi 1  m« t¶ chi phÝ tèi thiÓu cña hÖ thèng ®îc nèi tíi hè mi 1 qua hè thîng   lu mi . Ph¬ng tr×nh ®Ö quy nµy chØ ®èi víi mét trong c¸c èng M i ngang qua chÆng ®êng i . Ph¬ng tr×nh ®Ö quy ®èi víi tÊt c¶ c¸c èng trong chÆng ®êng i lµ: ~ ~       f i  S mi ,mi 1    min rmi ,mi 1 S mi ,mi 1 , Dmi ,mi 1  f i 1  S mi ,mi 1  i = 1,…, I  1   T mi ,mi 1    Tm i , m i 1 (11.4.4) trong ®ã: Tmi ,mi 1 m« t¶ vÐc t¬ ®· biÕt cña c¸c chç nèi cña M i èng ®èi víi s¾p xÕp ®· cho tõ c¸c ®êng ®ång nót i tíi i  1 . VÐc t¬ nµy m« t¶ sù nèi tiÕp cña c¸c lç cèng gi÷a c¸c ®êng ®ång nót i vµ i  1 ; nghÜa lµ: Tmi ,mi 1  0 chøng tá lç cèng thîng lu mi kh«ng nèi tiÕp víi lç cèng h¹ lu mi+1 vµ Tmi ,mi 1  1 chøng tá hai lç cèng nµy nèi tiÕp víi nhau. VÐc t¬ cña c¸c chç nèi nµy m« t¶ sù s¾p xÕp cña hÖ thèng. Ph¬ng ph¸p rêi r¹c quy íc DP ®îc ¸p dông ®èi víi c¸c tr¹ng th¸i trong ph¹m vi hµnh lang b»ng c¸ch sö dông quan hÖ ®Ö quy ë trªn ®Ó nghiªn cøu ®èi víi ®êng ®i thö cã chi phÝ Ýt nhÊt trong sè c¸c tr¹ng th¸i ®· 433
®a ra. Sau ®ã, ®êng ®i thö cã chi phÝ ®îc biÕn ®æi nh lµ ®êng ®i ®· ®îc c¶i thiÖn ®Ó t¹o ra mét hµnh lang míi. Qu¸ tr×nh t¹o hµnh lang, tèi u ho¸ c¸c tr¹ng th¸i trong ph¹m vi hµnh lang vµ lÇn trë l¹i ®êng ®i ®Ó nhËn ®îc ®êng ®i ®· ®îc c¶i thiÖn nµy ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh lÆp. S¬ ®å m« t¶ ®êng ®i thö, hµnh lang vµ ®êng ®i ®· ®îc c¶i thiÖn cña lÇn lÆp DDDP ®Çu tiªn ®èi víi hÖ thèng cèng tho¸t níc ma theo thø tù víi 5 chÆng ®êng ®îc thÓ hiÖn trong h×nh 11.4.2. C¸c tÝnh to¸n DDDP ®èi víi m« h×nh nµy tiÕn hµnh tõ thîng lu vÒ h¹ lu trong m¹ng líi cèng. Mçi èng trong chÆng ®êng riªng biÖt ®ang ®îc tèi u ho¸ ®îc xem nh t¸ch biÖt nhau. Sù gi¶m chi phÝ xuèng møc tèi thiÓu kÕt hîp víi mçi cao tr×nh ®Ønh h¹ lu (tr¹ng th¸i ®Çu ra) cña èng ®îc x¸c ®Þnh. Sù gi¶m chi phÝ xuèng møc tèi thiÓu nµy ®îc lùa chän b»ng c¸ch xem mçi mét trong c¸c cao tr×nh ®Ønh phÝa thîng lu (c¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo) ®èi víi mçi tr¹ng th¸i ®Çu ra m« t¶ c¸c sù gi¶m ®èi víi èng riªng biÖt. Tr¹ng th¸i ®Çu vµo ®· lùa chän miªu t¶ chi phÝ tæng céng tèi thiÓu nhËn ®îc ®Ó thiÕt kÕ ®èi víi tr¹ng th¸i ®Çu ra. Chi phÝ tæng céng tèi thiÓu nµy bao gåm chi phÝ tèi thiÓu cña c¸c èng vµ c¸c lç cèng yªu cÇu phÝa thîng lu cña tr¹ng th¸i ®Çu vµo ®èi víi èng céng thªm chi phÝ cña èng ®ang ®îc thiÕt kÕ. Quy tr×nh nµy ®îc lÆp l¹i ®èi víi mçi èng nèi tiÕp t¹i mçi chÆng ®êng tríc khi tiÕn hµnh ®èi víi chÆng ®êng tiÕp theo ë phÝa h¹ lu . Khi c¸c tÝnh to¸n ®èi víi chÆng ®êng cuèi cïng cña m¹ng líi cèng ®· ®îc thùc hiÖn, viÖc lÇn trë l¹i ®êng ®i ®îc thùc hiÖn trªn kh¾p hÖ thèng tõ h¹ lu lªn thîng lu trªn tõng chÆng ®êng mét ®Ó söa l¹i chi phÝ tèi thiÓu. C¸c cao tr×nh ®Ønh ë thîng vµ h¹ lu mçi èng cña thiÕt kÕ chi phÝ nhá nhÊt m« t¶ ®êng ®i cã chi phÝ Ýt nhÊt ®Ó thiÕt lËp hµnh lang ®· ®îc c¶i thiÖn cho lÇn lÆp tiÕp theo. Quy tr×nh nµy ®îc lÆp l¹i ngo¹i trõ mét sè lÇn lÆp g©y chi phÝ vµ mét tËp hîp c¸c tr¹ng th¸i mµ lÆp thªm n÷a chØ ®em l¹i mét sù gi¶m vÒ chi phÝ nhá h¬n dung sai ®· ®Þnh. T¹i lÇn nµy, sè gia tr¹ng th¸i hoÆc kho¶ng c¸ch S gi÷a c¸c cao tr×nh ®Ønh t¹i c¸c lç cèng t¬ng øng ®îc gi¶m ®i, ®em l¹i mét hµnh lang nhá h¬n xung quanh ®êng ®i ®· ®îc c¶i thiÖn cuèi cïng. C¸c vßng lÆp tiÕp tôc, S nhê ®ã gi¶m cho ®Õn khi kh«ng cã c¶i thiÖn thªm n÷a cã thÓ ®îc thùc hiÖn trong dung sai b»ng mét sè sai sè cho phÐp vÒ chi phÝ hoÆc vÒ S tèi thiÓu ®· ®Þnh. 434
H×nh 11.4 VÝ dô m« t¶ hµnh lang - chÆng ®êng cho ph¬ng ph¸p tèi u hãa kh«ng theo thø tù KÝch thíc hµnh lang. Tiªu chuÈn sö dông ®Ó x¸c ®Þnh khi nµo ®é lín cña S ph¶i ®îc gi¶m xuèng ®îc dùa trªn sù thay ®æi t¬ng ®èi cña chi phÝ tèi thiÓu ®èi víi hai lÆp thµnh c«ng f n , ®ã lµ: f n  f n 1 / f n1  E r (11.4.5) Khi tû sè nhá h¬n hoÆc b»ng mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh E r chän b»ng 1, sè gia tr¹ng th¸i S hoÆc bÊt kú ph©n sè yªu cÇu kh¸c nµo cña gi¸ trÞ tríc ®©y ®îc gi¶m ®i mét nöa vµ sau ®ã c¸c vßng lÆp l¹i ®îc tiÕp tôc. CÇn ph¶i nãi r»ng: ®èi víi mét t¬ng t¸c bÊt kú, c¸c gi¸ trÞ cña S cã thÓ thay ®æi ®èi víi c¸c chÆng ®êng kh¸c nhau. ViÖc lùa chän c¸c gi¸ trÞ S ban ®Çu thÝch hîp ®èi víi c¸c chÆng ®êng kh¸c nhau cã thÓ c¶i thiÖn n¨ng lùc cña DDDP. Tèc ®é gi¶m cña S còng cã thÓ thay ®æi trong thêi gian lÆp ®Ó c¶i thiÖn n¨ng lùc tÝnh to¸n vµ ®é chÝnh x¸c. Cuèi cïng, ®Ó tiÕt kiÖm thêi gian tÝnh to¸n vµ ®Ó ®¹t ®îc ®é chÝnh x¸c cao, biÕn E r cã gi¸ trÞ nhá h¬n cã thÓ ®îc sö dông cho c¸c vßng lÆp sau. Mét vµi gi¶ thiÕt vµ rµng buéc ®îc thùc hiÖn trong lóc ph¸t triÓn c¸c m« h×nh tèi u hãa ph¶i theo ®óng víi thùc tÕ kü thuËt. C¸c gi¶ thiÕt vµ rµng buéc nµy bao gåm c¸c gi¶ thiÕt vÒ dßng ch¶y träng lùc, tèc ®é dßng 435
ch¶y chÊp nhËn ®îc tèi thiÓu vµ tèi ®a, ®é s©u phñ tèi thiÓu, kÝch thíc èng ®èi víi c¸c èng vµ c¸c lç cèng kh«ng gi¶m theo ph¬ng xu«i chiÒu dßng ch¶y vµ hÖ c¸c ph¬ng tr×nh chi phÝ ®èi víi c¸c èng vµ c¸c lç cèng. VÝ dô 11.4.1. H·y x¸c ®Þnh chi phÝ cèng tèi thiÓu cho c¸c cèng 5,1, 6,1 vµ 7,1 ®èi víi bµi to¸n Goodwin Avenue (vÝ dô 11.2,1). Sö dông ch¬ng tr×nh ®éng lùc víi sè gia kh«ng gian tr¹ng th¸i b»ng 1 ft. B¶ng 11.4,1 liÖt kª c¸c cao tr×nh mÆt ®Êt, chiÒu dµi cèng vµ ®Ønh lu lîng dßng ch¶y vµo thiÕt kÕ. §é s©u phñ tèi thiÓu yªu cÇu lµ 3,5 ft. T¹i mét lç cèng, cao tr×nh ®Ønh cao nhÊt cña èng h¹ lu tho¸t níc cho lç cèng ph¶i nhá h¬n hoÆc b»ng cao tr×nh ®Ønh cao nhÊt cña èng phÝa h¹ lu tho¸t níc vµo lç cèng. Chi phÝ ®¬n vÞ ($/ft) cña c¸c kÝch thíc èng th¬ng m¹i s½n cã ®Ó sö dông lµ: § êng kÝnh 12 15 18 21 24 27 30 36 42 48 54 (in) Chi phÝ ®¬n vÞ 3,40 4,45 5,00 7,40 9,20 11,05 14,20 19,05 25,00 30,85 39,45 ($/ft) Chi phÝ ®¬n vÞ cho hè ®µo lµ 6,00 $/yd3 vµ chi phÝ lç cèng lµ 100,00 $/ft. Hè ®µo réng 5 ft ®îc gi¶ thiÕt cho tÊt c¶ c¸c èng. B ¶ng 11.4 Th«ng tin vÒ Goodwin Avenue (vÝ dô 11.4.1). Sè lç cèng Cao tr×nh mÆt Lu lîng ®Ønh Cèng ChiÒu dµi cèng ®Êt t¹i lç cèng cña dßng vµo Thîng lu H¹ lu (ft3/s) thîng lu (ft) 51 61 721,2 230 36,8 5,1 61 71 718,1 161 42,0 6,1 71 81 715,4 251 47,0 7,1 81 (cöa ra) 715,1 Lêi gi¶i. Kh«ng gian tr¹ng th¸i ®îc thiÕt lËp b»ng c¸ch sö dông ba tr¹ng th¸i (c¸c cao tr×nh ®Ønh) vµ sè gia kh«ng gian tr¹ng th¸i S = 1,0 ft, cao ~ tr×nh ®êng ®i cña vÕt lµ S 1  721,2  3,5  1,0  716,7 ft b»ng cao tr×nh bÒ mÆt ®Êt trõ ®é s©u phñ tèi thiÓu trõ sè gia kh«ng gian tr¹ng th¸i. Theo c¸ch ~ ~ ~ t¬ng tù: S 2  713,6 ft, S 3  710,9 ft vµ S 4  710,6 ft ®èi víi c¸c lç cèng 61, 71 vµ 81 t¬ng øng. Kh«ng gian tr¹ng th¸i ®èi víi hè 5,1 lµ: ~   S 1  S  716,7  1 717,7   ~   S1   S 1   716,7   716,7   716,7  1 715,7  ~    S 1  S     436
Kh«ng gian tr¹ng th¸i ®· rêi r¹c ho¸ (c¸c cao tr×nh ®Ønh) ®èi víi mçi chÆng ®êng, x¸c ®Þnh bëi c¸c lç cèng 51, 61, 71 vµ 81 ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 11.4.3,. §Ó b¾t ®Çu c¸c tÝnh to¸n b»ng ch¬ng tr×nh ®éng lùc, kh«ng gian tr¹ng th¸i ®èi víi chÆng ®êng 1 (gi÷a lç cèng 51 vµ 61) ®îc xem xÐt. §èi víi mét cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ lu cè ®Þnh, ph¬ng tr×nh ®Ö quy 11.4,3 ®îc ¸p dông cho mçi cao tr×nh phÝa thîng lu trong chÆng ®êng 1, Nh mét vÝ dô: xÐt cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ lu 714,6 ft, èng cèng nèi cao tr×nh ®Ønh phÝa thîng lu 717,7 ft vµ cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ lu 714,6 ft cã ®é dèc b»ng 717,7  714,6 / 230  0,01348 ft/ft. §êng kÝnh yªu cÇu ®èi víi lu lîng thiÕt kÕ 36,8 ft3/s vµ ®é dèc 0,01348 ft/ft ®îc tÝnh nhê sö dông c«ng thøc Manning b»ng: 3/8 3/ 8     n 0,014 d   2,16 QP    2,16   36,8      So 0,01348      9,58 3/ 8  2,333 ft  28 in . KÝch thíc èng 30 in ®îc sö dông. §é s©u trung b×nh cña hè ®µo lµ 3,5  2,5  6,0 ft vµ gi¶ thiÕt ®é s©u trung b×nh cña hè ®µo b»ng 5 ft nªn thÓ tÝch hè ®µo lµ: 6,0  5  230  6900 ft 3  255,5 yd 3 . C¸c chi phÝ ®èi víi èng, hè ®µo vµ lç cèng phÝa thîng lu lµ: Chi phÝ èng = 14,20 ($/ft)  230 ft = 3266,00 $ Chi phÝ hè ®µo = 6,0 ($/yd3)  255,6 yd3 = 1533,60 $ Chi phÝ lç cèng = 100,00 ($/ft)  255,6 ft = 1533,60 $ Thèng kª = r51,61,1,1( ) = 5399,00 $ C¸c tÝnh to¸n ë trªn ®îc thÓ hiÖn trªn dßng ®Çu tiªn cña b¶ng 11.4,2, Quy tr×nh ®îc lÆp l¹i ®Ó nèi kÕt cao tr×nh ®Ønh h¹ lu hiÖn thêi lµ 714,5 ft víi cao tr×nh ®Ønh thîng lu cßn l¹i lµ 716,7 ft vµ 715,7 ft. C¸c kÕt qu¶ ®îc thÓ hiÖn trªn c¸c dßng thø hai vµ thø ba cña b¶ng 11.4.2. Ph¬ng tr×nh ®Ö quy DP 11.4.3 ®îc ¸p dông ®èi víi cao tr×nh ®Ønh h¹ lu 714,6 ft t¹i lç cèng 61: 437
H×nh 11.4.3 Kh«ng gian tr¹ng th¸i ®èi víi vÝ dô 11.4.1. ~  f1  S 51, 61,1   min r51,61,1,1    0. r51, 61, 2,1  0. r51, 61,3,1    0    min 5399,60$. 6920,38$. 7148,16$  5399,60$ èng tèi u (gi¸ tèi thiÓu) nèi víi cao tr×nh ®Ønh 714,16 ft (tr¹ng th¸i j = 1 t¹i lç cèng 61) lµ èng 30 in. Mét khi chi phÝ nèi tiÕp Ýt nhÊt ®èi víi cao tr×nh ®Ønh h¹ lu 714,16 ft (j = 2) ®îc nhËn d¹ng, quy tr×nh gièng hÖt sÏ ®îc lÆp l¹i ®èi víi cao tr×nh ®Ønh h¹ lu 713.6 ft (j = 2) vµ ®èi víi cao tr×nh ®Ønh 712.6 ft (j = 3) t¹i lç cèng 61, B¶ng 11.4,2 thÓ hiÖn c¸c tÝnh to¸n DP ®Ó thiÕt 438