BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỢI
MIKE 11 VÀ KOD TÍNH TOÁN THỦY LỰC CHO HỆ
THỐNG THỦY LỢI CẦU SẬP- TỈNH BẾN TRE
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TP HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG I
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC
I Vò trí, giới hạn, diện tích:
1. Vò trí, giới hạn:
Vùng hưởng lợi của “Hệ thống thủy lợi Cầu Sập - tỉnh Bến Tre” bao
gồm phạm vi hành chánh của 2 huyện (gồm 12 xã và 1 thò trấn) như sau :
- Huyện Ba Tri (6 xã và 1 thò trấn) : Xã An Đức, An Bình Tây, An
Hiệp, An Ngãi Trung, An Ngãi Tây, Tân Hưng và thò trấn Ba Tri.
- Huyện Giồng Trôm (6 xã) : Xã Thạnh Phú Đông, Tân Đại Thạnh,
Tân Hào, Tân Thanh, Hưng Lễ, Hưng Nhượng.
Khu dự án được giới hạn bởi :
+ Phía đông bắc giới hạn bởi đường 885
+ Phía tây nam giới hạn bởi sông Hàm luông
+ Phía đông nam giới hạn bởi rạch Ba Tri
+ Phía tây bắc giới hạn bởi đường Liên Xã
2. Diện tích:
Tổng diện tích tự nhiên khu dự án là 10.938 Ha (kể diện tích sông
Hàm Luông). Đây là vùng đất đã được khai thác sớm của tỉnh Bến Tre; trong
đó đất sử dụng chủ yếu cho sản xuất nông nghiệp : 7.788 Ha (chiếm 71,2%
DTTN), kế đến là đất xây dựng cơ bản và đất thổ cư : 1.237 Ha (chiếm
11,3% DTTN), đất lâm nghiệp : 186 Ha.
II Đòa hình:
+ Vùng dự án do kiến tạo của hệ thống sông MeKong mà trực tiếp là sông
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 năm
Ba Tri 25.2 25.9 27.1 28.6 28.5 27.6 27.2 27 26.9 26.8 26.4 25.5 26.8
Bảng 2: Bảng số giờ nắng trung bình cả ngày của tháng (giờ/ngày)
Trạm Tháng TB cả
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 năm
Ba Tri 8.52 9.29 9.29 8.4 6.81 6.2 6.19 6.19 5.3 6.0 7.0 7.71 7.18
Đối với ánh sáng thì số giờ nắng luôn luôn > 5 giờ trong ngày như vậy cây
trồng có đủ ánh sáng để thực hiện quá trình quang hợp vào bất cứ vụ mùa nào.
b/ Độ ẩm:
Độ ẩm không khí có liên quan mật thiết đến chế độ mưa.
- Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 là mùa ẩn ướt độ ẩm trung bình từ 83% -
86%.
- Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4, độ ẩm trung bình 76% - 80%, thấp nhất
là tháng 2 đến tháng 4 độ ẩm trung bình là 77%.
Bảng 3: Bảng độ ẩm không khí trung bình tháng
Trạm Tháng TB cả
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 năm
Ba Tri 81 81 80 80 83 85 86 86 88 88 86 82 84
c/ Bốc hơi:
Tổng lượng bốc hơi trong toàn năm từ 959 mm đến 1126 mm, mùa mưa bốc
hơi ít, lượng bốc hơi trung bình mỗi tháng từ 55 - 90 mm.
Mùa khô bốc hơi nhiều, hầu hết các tháng mùa khô lượng bốc hơi trung bình
mỗi tháng lớn hơn 100 mm.
- Lượng bốc hơi trung bình ngày 2,9 mm.
- Lượng bốc hơi trung bình ngày của tháng lớn nhất 4,2 mm.
- Lượng bốc hơi trung bình ngày của tháng ít nhất: 2,2 mm.
- Tháng bốc hơi lớn nhất: tháng 2.
- Tháng bốc hơi ít nhất: tháng 10.
Bảng 4: Bảng bốc hơi trung bình tháng (mm/7 ngày)
là sông Ba Lai. Đây là hai nhánh của sông Tiền, song chất lượng nước lại rất
kém do nhiễm mặn nên khả năng khai thác nước mặt phục vụ cho nông
nghiệp và sinh hoạt lại rất hạn chế.
Sông Hàm Luông có lưu lượng mùa kiệt : 829 m
3
/s, nhưng mặn 4 g/l đã ảnh
hưởng vào tháng II và tăng dần nồng độ cũng như phạm vi ảnh hưởng lên
vượt khỏi ranh giới phía Tây-Bắc vùng dự án. Do đó, chất lượng nước của
sông Hàm Luông chỉ có thể sử dụng cho nông nghiệp bắt đầu từ cuối tháng
VI đấn đầu tháng I, nên hầu hết diện tích canh tác dọc theo sông hàm Luông
của vùng dự án chỉ mới canh tác được một vụ lúa mùa mưa.
Vùng dự án còn được hưởng nguồn nước mặt dẫn từ sông Ba Lai qua rạch
Cây Da (dự án thủy lợi Cây Da) nên đã có một số diện tích canh tác 2 - 3 vụ
lúa/năm; song cũng không ổn đònh do lượng nước hạn chế.
Xét về tổng quan, vùng dự án có mật độ sông rạch tự nhiên và kênh mương
khá dày đặc, diện tích đất sông rạch lên đến 1.728 Ha (chiếm 15,79%
DTTN), đặc biệt phần huyện Ba Tri trong vùng dự án tỷ lệ đất sông rạch lên
đến 20,16% DTTN; song nguồn nước có chất lượng để phục vụ cho sản xuất
và sinh hoạt rất thiếu. Muốn tận dụng khai thác hợp lý và có hiệu quả nguồn
nước ngọt phải tiến hành xây dựng đồng bộ hệ thống công trình thủy lợi mà
quan trọng hàng đầu là cống lấy nước kết hợp ngăn mặn và hệ thống kênh
mương nội đồng hoàn chỉnh, căn cứ vào chất lượng nước của từng chu kỳ
hoạt động của thủy triều mà mở cống dẫn nước vào nội đồng.
b. Nguồn nước ngầm :
Theo tài liệu nước ngầm của Liên đoàn Đòa chất-Thủy văn (bản đồ tỷ lệ
1/250.000) và kết quả khoan khai thác của Chương trình nước sạch nông
thôn, trong vùng dự án nước ngầm được chia ra 2 loại : Nước ngần
Pleitocene trên đất cát giồng có số lượng và chất lượng tốt, đảm bảo cho sinh
hoạt. Nước ngầm tầng sâu khoan ở các vùng đất mặn có chất lượng rất kém,
độ khoáng hóa cao, không sử dụng được cho sinh hoạt và trồng trọt.
cho nên vùng dự án có khả năng lợi dụng thủy triều để tiêu tự chảy. Đồng
thời, một khi hoàn chỉnh hệ thống thủy lợi cũng có thể tận dụng biên độ triều
để tưới tự chảy.
Thủy triều được xem là tác động chủ yếu đưa mặn xâm nhập sâu vào nội đòa
trong mùa kiệt và gia tăng ngập úng vào mùa mưa.
Do gần với sông lớn thông ra biển biên độ triều lớn 2,5 - 3,0m nên cường độ
truyền triều mạnh, đặc biệt là vào các tháng mùa khô.
IV. Đòa chất công trình :
Căn cứ vào kết quả các hố khoan khảo sát đòa tầng khu vực xây dựng công
trình ta có được các kết quả sau :
• Lớp 1a :
Đất mắt, đất đắp : Sét màu xám nâu vàng
PHAÀN II
SO SAÙNH CHOÏN
PHÖÔNG AÙN
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG ÁN CÔNG TRÌNH
I. CÁC PHƯƠNG ÁN TUYẾN
Việc lựa chọn vò trí cống thích hợp phải xem xét các điều kiện sau :
− Phù hợp với quy hoạch chung về sản xuất nông nghiệp, thủy sản cũng
như giao thông thủy bộ.
− Chế độ thủy lực tốt, hạn chế tối đa việc gây xói lở công trình
− Đòa chất nền móng tốt để bảo đảm ổn đònh công trình
− Điều kiện thi công, Mặt bằng thi công thuận lợi, chi phí đền bù & i2đònh
cư nhỏ.
− Vốn đầu tư công trình hợp lý.
II. HÌNH THỨC CỐNG
Có 2 loại cống là cống lộ thiên (cống hở) và cống ngầm, mỗi loại đều có ưu khuyết
điểm riêng. Trong thiết kế, việc so sánh phương án giữa cống ngầm và cống lộ
− Mố trụ phải dày do có càng van
− Cửa van có cấu tạo phức tạp, chế tạo lắp ráp khó khăn.
− Tình hình chòu lực của mố trụ phức tạp do áp lực nước tác dụng
tập trung lên mố (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong mố.
Do đó việc bố trí cốt thép cũng phức tạp hơn mố phẳng.
− Thường bò rò rỉ hay bò kẹt khi vận hành
2)
Van phẳng
Cửa van phẳng được sử dụng rộng rãi gồm 2 loại nhỏ :
• Van đóng mở bằng máy (thủ công)
• Van đóng mở tự động : có các hình thức sau :
− Cửa van Cláp-pê : cần 2 van ở 2 phía thượng hạ lưu cống
− Cửa van hình chữ nhân : dễ gặp trường hợp cắt thuyền
− Cửa van hình chữ nhất :
• Ưu điểm
− Tác dụng chắn nước và điều tiết khá tốt
− Có thể chòu áp lực lớn, có thể sử dụng với nhòp lớn
− Có cấu tạo đơn giản, lắp ráp dễ dàng
− Trụ pin ngắn
− Dùng được cả trên mặt và dưới sâu.
− Van đóng mở tự động thì thời gian đóng mở nhanh, thời gian
quản lý ít.
− Van đóng mở tự động tháo được các vật dưới đáy và vật nổi dễ
dàng.
• Nhược điểm
− Khe van tương đối sâu nên mố trụ phải dày
− Đối với van đóng mở bằng tay hoặc máy thì lực kéo khi mở cửa
van tương đối lớn, tốc độ đóng mở chậm.
− Việc tháo vật nổi ở van đóng mở bằng tay hoặc máy gặp khó
khăn.
thủy lực với nhau.
Do tiếp giáp với 2 vùng biển khác nhau, ĐBSCL chòu ảnh hưởng của 2 chế độ triều
: triều biển Đông và triều biển Tây.
Thủy triều biển Đông là chế độ bán nhật triều , mỗi ngày có 2 kỳ triều lên và triều
xuống. Trong một tháng cũng có 2 thời kỳ triều : thời kỳ triều cường và thời kỳ
triều kém.
Thủy triều biển Tây nói chung thuộc loại triều hỗn hợp thiên về nhật triều. Hình
dạng triều ở đây gần như ngược lại với dạng triều ở vùng biển phía Đông. Biên độ
triều nhỏ, tối đa chỉ đạt 1,1 ± 0,1m. Vì vậy hướng triều của vònh Thái Lan vào
ĐBSCL yếu hơn nhiều so với triều biển Đông.
Nguyên lý tính toán bài toán thủy lực mạng cho các công trình thủy lợi ở
Đồng bằng sông Cửu Long
Về nguyên lý, để giải bài toán thủy lực mạng ở ĐBSCL phải sơ đồ hoá mô hình
thủy lực và được giải trên cơ sở hệ phương trình Saint Venant :
=+
∂
∂
q
t
w
l
Q
c
α
α
Các đại lượng trong phương trình trên :
Q : lưu lượng
l : chiều dài sông
w : diện tích mặt cắt sông
t : thời gian tính toán
z : cao trình mực nước
α : hệ số động năng
q : lưu lượng gia nhập hay mất đi
J : độ dốc
g : gia tốc trọng trường
Về nguyên tắc, để giải bài toán thủy lực dòng không ổn đònh thay đổi dần trên một
hệ thống kênh – sông có thể dùng phương pháp đặc trưng cũng như sai phân hoặc
các phương pháp khác.
Khi các lòng dẫn đơn nối với nhau sẽ tạo thành một hệ thống hay còn gọi là một
mạng lưới kênh – sông. Chỗ giao nhau của các lòng dẫn trong mạng lưới sông được
gọi là các điểm nút. Nếu các lòng dẫn của hệ thống không tạo thành một vòng kín
nào thì được gọi là hệ thống hở; ngược lại được gọi là hệ thống kín. Việc tính toán
cho mạng lưới kín hay hở nói chung không có gì khác nhau.
Phương pháp tính toán
Sử dụng kết quả tính toán thủy lực toàn mạng tiểu dự án Ô Môn – Xà No do Công
ty Tư vấn Xây dựng thủy lợi II tính toán trên máy tính bằng chương trình VRSAP
( Vietnam River System and Plain). Trong tính toán, áp dụng phương pháp sai phân
max
ω
Q
V =
( )
kkk
hhmb
max
+=
ω
h
k
= ∇
đk
+ Z
S
[V
kx
] là lưu tốc đảm bảo kênh không bò xói, [V
kx
] = K*Q
0.1
trong đó K phụ
thuộc đất lòng kênh = 0.57.
Ta chọn được các trò số V
max
. Kết quả tính toán trong bảng sau :
Bảng kiểm tra điều kiện xói lở trong kênh
Giờ Zs (m) h
k
− Chiều dài ngưỡng cống L = 17m
− Chiều rộng đáy kênh dẫn b
k
= 24 m
− Cao trình đáy kênh : ∇
k
-3,0m
5)
Trường hợp tính toán
Qua số liệu mực nước trước và sau cống ta chọn trường hợp tổ hợp mực nước bất lợi nhất
để tính.
6)
Công thức tính toán
a) Xác đònh chế độ chảy trong cống
Hình 3. - Sơ đồ xác đònh chế độ chảy
Theo QPTL C8-76, dòng chảy qua ngưỡng cống chảy ngập khi :
on
n.Hh ≥
Trong đó :
h
n
: độ sâu chảy ngập
h
h
: chiều cao cột nước ở hạ lưu cống.
n : hệ số ngập.
H
o
: cột nước trên đỉnh tràn có kể đến lưu tốc tới gần
1. Xác đònh cột nước H
* h
stn
2. Xác đònh hệ số ngập n
Hệ số ngập n chính là trò số
pg
0
n
H
h
phụ thuộc hệ số lưu lượng m và hệ số mở rộng dòng
chảy khi chảy ra hạ lưu; trò số υ
n
tính theo công thức
H
n
H
hB
Ω
=
*
ν
h
n
(m)
h
h
(m)
Ω
h
(m
2
)
ν
H
n =
f(m,ν
H
)
n*H
0
(m)
Nhận xét
120 0.46 0.71 0.25 97.90 3.91 3.66 4.96 128.03 0.69 0.858 3.35 Chảy ngập
121 0.06 0.54 0.48 117.70 3.74 3.26 4.56 110.12 0.71 0.857 3.21 Chảy ngập
122 -0.29 0.33 0.62 118.80 3.53 2.91 4.21 95.24 0.73 0.858 3.03 Chảy ngập
123 -0.55 0.12 0.67 111.90 3.32 2.65 3.95 84.67 0.75 0.864 2.87 Chảy ngập
124 -0.77 -0.07 0.7 103.70 3.13 2.43 3.73 76.03 0.77 0.867 2.71 Chảy ngập
125 -0.90 -0.25 0.65 94.60 2.95 2.3 3.6 71.07 0.78 0.868 2.56 Chảy ngập
126 -0.90 -0.39 0.51 83.70 2.81 2.3 3.6 71.07 0.78 0.867 2.44 Chảy ngập
b) Kiểm tra khả năng tháo
Lưu lượng tháo được tính theo công thức đập tràn đỉnh rộng có các mố trụ :
B
dB
ε
với :
B = 17.2 m : chiều rộng toàn bộ lỗ cống
d = 1.2 m : tổng trchiều dày trụ pin giữa
⇒
ϕ
g
= 0.965
ϕ
n
hệ số lưu tốc chảy ngập, phụ thuộc hệ số lưu lượng m, tra trong bảng tra
thuỷ lực, với m= 0.35 ⇒ ϕ
n
= 0.93
h
1
- chiều cao cột nước trên ngưỡng cống
h
1
= h
n
– Z
hp
Z
hp
– chiều cao hồi phục, trò số của nó là
Z
=
ξ
trong đó
3
2
k
g
q
h
α
=
.
Bảng kiểm tra khả năng tháo
Giờ
Q
(m
3
/s)
q
(m
3
/s.m)
H0
(m)
h
n
(m)
h
K
(m)
Dưới đây là các số liệu để tính toán tiêu năng được chọn từ các số liệu về thủy lực của
công trình :
Bảng số liệu tính toán tiêu năng
Giờ
Z
S
(m)
Z
đ
(m)
m
Q
(m
3
/s)
120 0.46 0.71 0.25 97.90
121 0.06 0.54 0.48 117.70
122 -0.29 0.33 0.62 118.80
123 -0.55 0.12 0.67 111.90
124 -0.77 -0.07 0.7 103.70
125 -0.90 -0.25 0.65 94.60
126 -0.90 -0.39 0.51 83.70
7)
Xác đònh chế độ chảy sau cống
Ta xác đònh trò số h
c
” so sánh với h
H
, từ đó xác đònh được chế độ chảy sau cống.
g
V
HPHE ++=+=
α
(do P
1
=1.3 m)
với :
P
1
=1.3 m
k
Q
V
ω
=
0
m/s
8)
Kết quả tính toán :
Bảng tính tiêu năng sau cống
Giờ
Q
(m
3
/s)
q = Q/b
(m
3
/s.m)
5.04 4.56 0.456 0.1091 0.550 0.5402 2.723 -1.837 Nhảy ngập
122 118.8 4.950
3.5
3
4.8
3
4.21 0.491 01180 0.570 0.5566 2.688 -1.522 Nhảy ngập
123 111.9 4.663
3.3
2
4.62
3.9
5
0.494 01188 0.549 0.5582 2.579 -1.371 Nhảy ngập
124 103.7 4.321
3.1
3
4.4
3
3.7
3
0.488 01172 0.519 0.5552 2.460 -1.270 Nhảy ngập
125 94.6 3.942 2.95 4.25 3.6 0.474 01136 0.483 0.5485 2.331 -1.269 Nhảy ngập
126 83.7 3.488 2.81 4.11 3.6 0.441 01052 0.432 0.5224 2.147 -1.453 Nhảy ngập
Kết luận :
Ta thấy trong tất cả các trường hợp tính h
h
>
"
c
+ a
trong đó
∆h : độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất
η
s
: độ dềnh cao nhất của sóng
a : độ cao an toàn
Theo điều kiện tự nhiên ta có
−
Mực nước lớn nhất trong trường hợp Z
max
= +1.17 m;
−
Vận tốc gió lớn nhất V
max
= 23 m/s
−
Thời gian gió thổi liên tục t = 6h;
−
Đà gió D = 250 m
♦ Tính ∆h
Độ dềnh do gió xác đònh theo công thức :
β
cos10*2
2
6
gH
DV
h
−
* h
s0.5%
• Giả thiết trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0.5λ
Từ các số liệu đã biết tính được các đại lượng :
==
23
3600*6*81.9
V
gt
9212.9
==
22
23
250*81.9
V
gD
4.63
Tra bảng phụ lục P2-1 “Đồ án môn học Thủy công” xác đònh các đại lượng sau :
=
=
⇒=
64.0
0042.0
63.4
2
2
V
g
V
hg
V
gD
τ
Chọn cặp trò số nhỏ hơn trong 2 cặp trò số trên tiếp tục tính được :
==
81.9
0042.0*
2
V
h
0.226 m
==
g
V 64.0*
τ
1,5 m
Tiếp tục tính được bước sóng λ và kiểm tra điều kiện sóng nước sâu :
0.5%
tra theo đồ thò P2-2 ứng với
==
22
23
250*81.9
V
gD
4.63
⇒ K
0.5%
= 2.25 ⇒ h
0.5%
= K
0.5%
*
h
= 2.25*0.226 = 0.51 m
• Hệ số K
s
tra đồ thò P2-4a “Đồ án môn học thủy công”
=
Vậy chọn cao trình đỉnh mố cống ∇
đm
= +2.5m.
Mố giữa
Mố giữa phân lỗ cống thành 2 khoang, việc phân chia này thuận tiện cho việc điều
tiết, quản lý vận hành cống khi đưa vào sử dụng. Mố giữa còn để đỡ cầu giao thông
, cầu công tác.
−
Hình dạng đầu mố ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy vào ra cửa cống.
Để dòng chảy thuận lợi, chọn đầu mố giữa lượn tròn.
−
Chiều dày mố tùy thuộc chiều cao mố, bề rộng khoang và loại cửa van.
Chọn chiều dày mố bằng 1.2m.
−
Chiều dài mố phải bằng chiều dài bản dáy L = 17 m.
−
Đấu mố có dạng vừa vát vừa tròn có bán kính R = 0.3 m để thuận chiều
dòng chảy.
Hình 3.5 - Trụ pin giữa
Mố bên
Mố bên là loại tường trọng lực cùng một khối với ngưỡng đáy. Ngoài tác dụng như
mố giữa, mố bên còn có tác dụng liên kết thân cống với 2 bờ và chòu tác dụng của
đất ở hai bờ.
Mố bên gồm 2 mố, hình dạng đầu mố vuông.
Chiều dày mố cần đủ để chòu áp lực đất nằm ngang nên chọn d = 0.9 m.
Hình 3.6 - Trụ pin biên
2) Cửa van
Chọn hệ thống cửa van tự động bằng thép gồm 2 cửa van, mỗi cửa van rộng 8m.
Bố trí 2 cửa van nằm 2 bên, bản lề đặt trên 2 trụ pin biên.
Chiều cao cửa van được tính từ cao trình ngưỡng cống đến cao trình đỉnh cống bằng
= , phía đồng tgα
2
=
Hình thức tường cánh là tường thẳng,các tường làm hạ thấp dần.
Hình 3.9 – Tường cánh
2) Sân tiêu năng
Do điều kiện cống làm việc hai chiều nên ta thiết kế sân tiêu năng ở cả hai phía
đồng và phía sông. Tuy nhiên do phía sông làm việc nhiều hơn nên một phần bản
đáy cống được thiết kế như sân tiêu năng.
Sân tiêu năng làm bằng bêtông cốt thép có bố trí các lỗ thoát nước, khoảng cách
giữa các lỗ thoát nước là 2m. Cuối sân bố trí tầng lọc ngược.
Chiều dài bể tiêu năng theo kết quả thí nghiệm mô hình : L
b
= 15 m
Chiều dày sân có thể tính theo công thức Đônburốpxki :
11
**15.0 hVt =
V
1
: lưu tốc chỗ đầu đoạn nước nhảy
h
1
: chiều sâu chỗ đầu đoạn nước nhảy, theo kết quả phần tính toán tiêu
năng ta có : nước nhảy sau cống nhảy ngập
=> h
1
= h
c
= τ
ss
∆=
q : lưu lượng đơn vò cuối sân tiêu năng
===
24
6.94
k
b
Q
q
3.942 m
3
/m.s
∆H : chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, ∆H = 0.65 m
K : hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh, chọn K = 6.5.
58.1165.0*942.3*5.6 ==
ss
L
m
Copyright: Tài liệu đại học ©