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
Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh
289
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 - tèc ®é ch¶y trong kªnh:
V = C RI
C - hÖ sè;
R - b¸n kÝnh thñy lùc;
I - ®é dèc mÆt n−íc trong kªnh.
(9.1)
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:
Q2
αC 2 ∂ω
)
(1
−
gχ ∂l
K2
αQ 2 B
1−
g ω3
(9.2)
Q2
dh
i−J
K2
=
=
2
dl
αQ B 1 − Fr
1−
g ω3
(9.3)
dh
=
dl
i−
• Kªnh l¨ng trô:
i−
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:
V
∂ω
∂V ∂ω
+ω
+
=0
∂S
∂S ∂t
VV
1 ∂ω V ∂V 1 ∂V
+
+
=i− 2
B ∂S g ∂S g ∂t
C R
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:
Qbrut ®o¹n kªnh lµ l−u l−îng ë mÆt c¾t ®Çu ®o¹n
kªnh ®ã.
A
B
Qbrut
Qnet
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):
η=
Q net
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
V× vËy:
trong ®ã:
Q - l−u l−îng thÊm;
Q = Kω
(J = 1)
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% =
%
Q net
Q net
σ=
(
1,16Kh β + 2 γ 1 + m 2
Q net
)%
(9.5)
(9.6)
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
%
Q mnet
σ=
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:
S =
σ Q net
= 1 0 A Q 1n−e tm ,
100
(l/s-km)
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]
m
L−u l−îng tæn thÊt S = 1 0 A Q 1(l/s-km)
ck
L−u l−îng cña
kªnh Qck (m3/s)
0,051 ÷ 0,060
0,061 ÷ 0,070
0,071 ÷ 0,080
0,081 ÷ 0,090
0,091 ÷ 0,100
0,101 ÷ 0,120
0,121 ÷ 0,140
0,141 ÷ 0,170
0,171 ÷ 0,200
0,201 ÷ 0,230
0,231 ÷ 0,260
0,261 ÷ 0,300
0,301 ÷ 0,350
0,351 ÷ 0,400
0,401 ÷ 0,450
0,451 ÷ 0,500
0,501 ÷ 0,600
0,601 ÷ 0,700
0,701 ÷ 0,850
0,851 ÷ 1,000
1,001 ÷ 1,250
1,251 ÷ 1,500
1,501 ÷ 1,750
1,751 ÷ 2,000
2,001 ÷ 2,500
2,501 ÷ 3,000
3,001 ÷ 3,500
3,501 ÷ 4,000
4,001 ÷ 5,000
5,001 ÷ 6,000
6,001 ÷ 7,000
7,001 ÷ 8,000
8,001 ÷ 9,000
9,001 ÷ 10,000
10,001 ÷ 12,000
12,001 ÷ 14,000
14,001 ÷ 17,000
17,001 ÷ 20,000
20,001 ÷ 23,000
23,001 ÷ 26,000
NgÊm rÊt Ýt
A = 0,70
m = 0,30
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,4
2,6
2,9
3,2
3,5
3,8
4,2
4,6
5,2
5,8
6,5
7,1
8,7
9,9
11,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
23,0
26,0
29,0
31,0
34,0
37,0
42,0
48,0
54,0
60,0
66,0
NgÊm Ýt
A = 1,30
m = 0,35
2,0
2,2
2,5
2,6
2,8
3,1
3,4
3,8
4,3
4,7
5,1
5,6
6,0
6,6
7,3
7,9
8,7
9,7
10,9
12,3
13,9
15,7
18,3
19,3
22,0
24,3
27,1
30,0
34,0
39,1
43,0
47,0
51,0
55,0
61,0
68,0
76,0
86,0
94,0
102,0
NgÊm võa
A = 1,90
m = 0,40
3,3
3,7
4,0
4,3
4,6
5,0
5,6
6,2
6,9
7,6
8,2
8,8
9,6
10,0
11,0
12,0
13,0
15,0
16,0
18,0
20,0
23,0
26,0
28,0
31,0
35,0
39,0
42,0
47,0
53,0
58,0
64,0
69,0
74,0
81,0
89,0
98,0
109,0
120,0
130,0
NgÊm nhiÒu NgÊm rÊt m¹nh
A = 2,65
A = 3,40
m = 0,45
m = 0,50
5,4
8,0
5,9
8,7
6,4
9,3
6,8
9,8
7,3
10,0
7,9
11,0
8,6
12,0
9,7
13,0
10,6
15,0
11,6
16,0
12,2
17,0
13,1
18,0
14,2
19,0
15,4
21,0
16,4
22,0
17,5
23,0
18,0
25,0
20,8
27,0
22,8
30,0
25,0
33,0
28,2
36,0
31,2
40,0
34,8
43,0
37,0
46,0
41,0
51,0
46,0
57,0
50,1
62,0
54,0
66,0
60,0
72,0
68,0
80,0
74,0
87,0
80,0
93,0
86,0
99,0
91,0
105,0
98,0
112,0
101,0
122,0
120,0
134,0
132,0
147,0
144,0
158,0
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
L−u l−îng Q
(m3/s)
0,3
1,0
3,0
10,0
20,0
30,0
50,0
ChiÒu s©u tíi mùc n−íc ngÇm (m)
1
0,82
0,63
0,50
0,41
0,36
0,35
0,32
3
5
7,5
10
15
20
0,79
0,63
0,50
0,45
0,42
0,37
0,82
0,65
0,57
0,54
0,49
0,79
0,71
0,66
0,60
0,91
0,82
0,77
0,64
0,94
0,84
0,97
25
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
- Khi ®o¹n kªnh lµm nhiÖm vô chuyÓn n−íc:
ηAB =
A
B
Q® (Qbr)
Q net Q c Q B
=
=
Q br Q ® Q A
QC (Qnet)
- Khi ®o¹n kªnh lµm c¶ nhiÖm vô chuyÓn n−íc vµ chia n−íc:
ηAB =
Q net + ∑ Q i
Q br
A
Qbr
ΣQi
- tæng l−u l−îng ph©n vµo c¸c kªnh
cÊp d−íi
Q1
Q2
B
Qnet
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:
η ht =
Q net Q mr
qω
=
=
Q br Q dm Q dm
c) HÖ sè sö dông n−íc cña hÖ thèng t−íi
η=
Wr Q net t
q ωt
=
=
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
ηr = ω
E'
víi Wr = qωt
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
η0 = ω
E'
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
ηK1 =
∑ Q i , η = ∑ Q ij , η = qω = ...
K2
ht
QA
QA
∑ Qi
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 .
L−îng tæn thÊt:
mµ:
⎛ Q ⎞
Q tt = Q br − Q net = Q br ⎜ 1 − net ⎟
Q br ⎠
⎝
η=
Q net
⇒Qtt = Qbr(1−η)
Q br
(a)
303
Ch−¬ng 9 - thiÕt kÕ kªnh
MÆt kh¸c:
−m
Q tt = 10AQ1net
L
(b)
Tõ (a) vµ (b) ta cã:
−m
Q br (1 − η) = 10AQ1net
L
(c)
Gäi α =
Q' net
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′net Q′net Q net Q br
η
Q br
=
=α
ηα
Q net Q br ηα
ηα
Khi ®ã:
Q′br =
T−¬ng tù ta cã:
Q′tt = Q′br (1 − ηα ) = 10A Q′net
Thay Q′br = α
(
)
1− m
L
(d)
η
Q br vµo (d) ta ®−îc
ηα
⎛ Q′
η
Q br (1 − ηα ) = 10A ⎜⎜ net
α
ηα
⎝ Q net
1− m
⎞
⎟⎟
⎠
−m
− m 1− m
Q1net
L = 10AQ1net
α L
(e)
LËp tû sè gi÷a (e) vµ (c) ta cã:
α
⇔
η
Q br (1 − η α )
ηα
10 AQ 1net− m α 1− m L
=
Q br (1 − η α )
10 AQ 1net− m L
αη(1 − η α )
= α 1− m
η α (1 − η)
⇔
η(1 − η α )
1
= m
η α (1 − η) α
⇔ α m η − α m ηη α = η α − ηη α
⇔
VËy:
ηα
1 − η + α mη = α m
η
(
ηα =
)
⇔ η α (1 − η + α m η) = α m η
⎛1
⎞
⇔ ηα ⎜⎜ + α m − 1 ⎟⎟ = α m
⎝η
⎠
αm
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:
6 5
4 3
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:
TÝnh cho m−¬ng ch©n rÕt:
H×nh 9.6: S¬ ®å tÝnh l−u l−îng t−íi ®ång thêi
TK
Q CR
= q TK ω CR
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.
TK
TK
Q CR
1 = Q1 = Q netCR + Q tt = q TK ωCR + 0,75σQ net L CR
Q2 = Q1
Q 3TK = Q 2 + Q 2tt− 3 = Q 2 + SL 2 − 3 = Q 2 + 10AQ12− m L 2 − 3
TK
TK
Q TK
4 = Q 3 + Q CR 2
Q 5TK = Q 4 + Q tt4 − 5 = Q 4 + SL 4 − 5 = Q 4 + 10 AQ14− m L 4 − 5
TK
Q 6TK = Q 5TK + Q CR
3
TK
TK
TK
Q CR
2 , Q CR 2 tÝnh t−¬ng tù nh− Q CR 1
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:
η=
Q net
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 netCR
q (ω + ω 2 + ... + ω 6 )
= TK 1
2
ω1
CR2
q TK ω mc
2
ω2
C«ng thøc tæng qu¸t:
ω3
Q netCR =
Q netCR =
CR1
CR3
q TK ω mc
n
CR4
ω4
trong ®ã:
ω5
QnetCR - l−u l−îng thùc cÇn cña mçi ch©n
rÕt;
ωmc - diÖn tÝch m−¬ng con phô tr¸ch;
ω6
CR5
CR6
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 =
α=
q min ω
αm
víi η min =
1
η min
+ αm − 1
η
q min
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.
Khi
QTK < 1 m3/s th×
K = 1,20 ÷ 1,30
QTK = 1 ÷ 10 m3/s
K = 1,15 ÷ 1,20
QTK > 10 m3/s
K = 1,10 ÷ 1,15.
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
- Xem thêm -
.PDF 
43 
30474 
83 
