Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực [15]. - Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây, thảm phủ thực vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏ lượng nước bốc hơi trở lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưa sinh dòng chảy trên bề mặt lưu vực, cường độ mưa at lúc này nhỏ hơn cường độ tổn thất gt.
Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tổn thất hoàn toàn. - Nếu mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa at vượt quá cường độ tổn thất gt sẽ bắt đầu sinh dòng chảy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên. Dưới tác dụng của trọng lực nước sẽ chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối và tập trung về mặt cắt đặt công trình thoát nước, giai đoạn này được gọi là giai đoạn sinh dòng chảy. - Trong giai đoạn sinh dòng chảy, tổn thất vẫn tiếp tục.
Từ thời điểm kết thúc giai đoạn sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độ mưa at nhỏ hơn cường độ tổn thất gt. Như vậy trong giai đoạn này mặc dù mưa vẫn còn nhưng đã không còn tác dụng cung cấp nước cho dòng chảy mặt trên lưu vực nữa. - Quá trình trên có thể mô tả khái quát như ở Hình 1.1 các đường at t và at gt Tæn thÊt hoµn toµn đường gt t là đường quá trình mưa Sinh dßng ch¶y và đường cong tổn thất, trong đó at và gt lần lượt là cường độ mưa và at a hqt gt cường độ tổn thất tại thời điểm t bất kỳ. 0 Tcn +) Thời gian mưa là Tmưa , trong giai t Tma đoạn sinh dòng chảy có at gt, khoảng thời gian này gọi là thời gian Hình 1.1: Mô tả khái quát sự hình thành mưa hiệu quả hay thời gian cấp nước dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực hay thời gian cung cấp dòng chảy Tcn , ta luôn có Tcn < Tmưa.
+) Hiệu số ahqt = (at - gt) 0 trong giai đoạn sinh dòng chảy gọi là cường độ mưa hiệu quả hay cường độ cấp nước hay cường độ dòng chảy tại thời điểm t. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòng chảy lũ có rất nhiều. Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xác định lưu lượng thiết kế hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc,.
đều sử dụng công thức cường độ giới hạn. Ở Việt Nam, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ [5] và TCVN7957:2008, Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài [8] cũng sử dụng công thức cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô và đường đô thị. Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế được rút ra từ công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó là lý thuyết tập trung nước từ lưu vực. Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác học Liên Xô (cũ) phân tích, nghiên cứu (N.
Prôtôđiakônov) và hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thủy văn. Dưới đây là trình bày tóm tắt lý thuyết tập trung nước từ lưu vực, theo tài liệu [32]. Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực [32]. Các giả thiết của M.
+) Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối. +) Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường độ không thay đổi trong thời gian tính toán. +) Coi tần suất mưa sinh ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trên lưu vực. Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là : là thời gian để một giọt nước xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước.
Đường đẳng thời: là đường nối các điểm trên lưu vực có cùng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực. - Phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trình thoát nước, các tác giả của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực nhận thấy rằng: lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại khi giọt nước từ điểm xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Thực tế đó được chứng minh qua sơ đồ ở các hình 1.3 và các phân tích sau đây.
-7- + Lưu vực F có thời gian tập trung nước là , vẽ trên lưu vực những đường đẳng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước sau 1, 2, 3, 4,. đơn vị thời gian (đvtg), trong tính toán cường độ mưa đơn vị thời gian thường tính là phút. + Gọi a là cường độ mưa và giả sử chưa xét đến tổn thất thì a sẽ bằng chiều dầy cung cấp dòng chảy trong 1 đơn vị thời gian, thường tính là phút. Quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt đặt công trình thoát nước như sau.
B¾t ®Çu: F §êng ph©n thñy Đường MÆt c¾t c«ng tr×nh a.f1 f4 F = f1 + f2 + f3 + f4 f3 f4 f3 f2 f1 Sau ®vtg thø nhÊt: Q1 = a.f1 Sau ®vtg thø hai: 3 đvtg Q2 = a.f1 Sau ®vtg thø ba: Q3 = a.(f1+f2+f3) Vị trí đặt công trình a.f1 F = f1 + f2 + f3 + f4 Sau ®vtg thø t: Q4 = a.(f1+f2+f3+f4) Thời gian tập trung nước của lưu a.f2 vực là = 4 đvtg, thường tính là a.3: Sơ đồ giá trị lưu lượng chảy qua Hình 1.2: Bình đồ lưu vực công trình sau từng đơn vị thời gian + Sau phút thứ nhất chỉ có lượng nước mưa trên phần diện tích f1 của lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước, lượng nước mưa trên các phần diện tích lưu vực f2, f3, f4 mới đang tiến dần về phía mặt cắt đặt công trình thoát nước. Do đó lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ nhất sẽ là: Q1 = a.f1 + Sau phút thứ hai, ngoài lượng nước mưa trên phần diện tích f1 còn có thêm lượng nước mưa trên phần diện tích f2 của lưu vực chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Theo nguyên tắc xếp chồng lượng nước, lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ hai là: Q2 = a.(f1 + f2) + Cũng lập luận tương tự, có được lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ ba, thứ tư là: Q3 = a.(f1 + f2 + f3) -8- Từ sau phút thứ tư trở đi là: Q4 = a.(f1 + f2 + f3 + f4) + Nhận thấy, lưu lượng lớn nhất chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sẽ do toàn bộ diện tích lưu vực F tạo ra và thời đoạn mưa tạo ra lưu lượng lớn nhất Qmax đúng bằng thời gian tập trung nước của lưu vực.F Như vây, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Qmax chỉ cần xét trong thời đoạn mưa tính toán T đúng bằng thời gian tập trung nước của lưu vực. Cường độ mưa a của cơn mưa tính toán giả thiết có giá trị không đổi được lấy bằng cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời gian tập trung nước , hay còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong khoảng thời gian tập trung nước , được xác định ở đoạn dốc nhất của đường cong tích lũy mưa ứng với thời đoạn mưa tính toán T = như ở Hình 4.
- Công thức Qmax = a.F chưa xét đến các tổn thất, để phục vụ cho tính toán thực tế phải xét tới tổn thất qua các hệ số thực nghiệm. Ngoài ra công trình thoát nước trên đường được thiết kế với lũ tần suất p% nên Qmax thường được ký hiệu là Qp và xét tới đơn vị tính của các tham số trong công thức, có được công thức (1.1) tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tại mặt cắt đặt công trình thoát nước của lưu vực như sau.1) Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p F là diện tích lưu vực là hệ số dòng chảy, xét đến lượng nước mưa bị tổn thất a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất p. Chính là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời gian tập trung nước và tần suất p, còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất ở thời gian tập trung nước và tần suất p. K là hệ số chuyển đổi đơn vị khi các đại lượng trong công thức không tính ở cùng đơn vị.
Khi Qp tính bằng m3/s, a,p tính bằng 1000 2 mm/ph, F tính bằng km 2, thì: K 16.1) là công thức cơ bản. Từ công thức cơ bản (1.1), rất nhiều các tác giả đã nghiên cứu áp dụng và hoàn chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế về quy luật phân bố cường độ mưa, điều kiện nước chảy trên các lưu vực tự nhiên. -9- - Với công thức (1.1) hoàn toàn có thể từ tài liệu về mưa để tính ra được lưu lượng đỉnh lũ. Đối với lưu vực của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, điều kiện tài liệu thường chỉ có số liệu đo mưa, không có số liệu đo lũ thực tế nên sử dụng dạng công thức (1.1) để tính lưu lượng thiết kế là phù hợp.
Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới. Công thức cường độ giới hạn dạng (1.1) được sử dụng rộng rãi và phổ biến để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ngay cả các công thức thực nghiệm, nửa thực nghiệm cũng thường được đưa về dạng này, trong đó việc thực nghiệm nhằm xác định các hệ số trong công thức. - Ở Anh: công thức cường độ giới hạn [24], [50] Q K .2) Q là lưu lượng dòng chảy; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt lưu vực; I là cường độ mưa trung bình ứng với thời gian tập trung nước; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.
