Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
329
Chơng 10
Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
10.1. Mục đích, ý nghĩa và các tài liệu cần thiết cho tính toán
10.1.1. Mục đích và ý nghĩa
Công trình đầu mối là công trình quan trọng của hệ thống thuỷ lợi, công trình đầu mối
quyết định khả năng phục vụ của hệ thống. Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình
đầu mối là tính toán phối hợp giữa nguồn nớc và quy mô kích thớc công trình đầu mối để
xác định ra khả năng lấy nớc vào hệ thống. Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình
đầu mối nhằm mục đích:
- Xác định kích thớc công trình đầu mối của những hệ thống đợc bắt đầu quy hoạch
và thiết kế.
- Kiểm tra kích thớc và khả năng lấy nớc của công trình đầu mối đối với những hệ
thống tới đã có sẵn nhằm tìm ra các giải pháp thích hợp để nâng cao hiệu quả của công
trình đầu mối. Nếu khả năng lấy nớc của công trình đầu mối lớn so với yêu cầu, ta có thể
mở rộng diện tích phụ trách tới của hệ thống hoặc đáp ứng các yêu cầu dùng nớc khác
trong khu vực. Ngợc lại, nếu khả năng lấy nớc của công trình đầu mối nhỏ hơn yêu cầu
nớc của hệ thống có thể đề xuất các phơng án nh mở rộng kích thớc công trình đầu
mối, bổ sung bằng các nguồn nớc khác hoặc giảm bớt yêu cầu nớc của hệ thống.
- Trong quá trình quản lý, phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối cho mỗi năm
cụ thể, nhằm đa ra kế hoạch phân phối nớc cho hệ thống phù hợp với điều kiện nguồn
nớc thực tế của những năm đó.
Chính vì vậy, tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối có ý nghĩa rất lớn
trong công tác quy hoạch, thiết kế, cải tiến nâng cấp và vận hành quản lý các hệ thống thuỷ lợi.
Tuỳ theo biện pháp lấy nớc và hình thức công trình đầu mối mà có nhiều trờng hợp
tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối khác nhau:
- Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy
không cần đập dâng.
- Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy kết
hợp với đập dâng.

- Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là hồ chứa.
- Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là trạm bơm.

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
330
10.1.2. Các tài liệu cần thiết dùng cho tính toán
1. Tài liệu về nguồn nớc
Khi công trình đầu mối là các công trình lấy nớc ven sông, tài liệu về nguồn nớc
bao gồm:
- Quá trình lu lợng của sông (Q
S
~ t);
- Quá trình mực nớc của sông (H
S
~ t).
Khi công trình đầu mối là hồ chứa, tài liệu về nguồn nớc bao gồm:
- Quá trình lu lợng hoặc độ sâu dòng chảy tại mặt cắt xây dựng đập chắn nớc;
- Các đờng đặc trng lòng hồ W ~ Z và ~ Z.
2. Tài liệu về yêu cầu nớc của hệ thống
- Quá trình lu lợng yêu cầu tại công trình đầu mối Q
yc
~ t.
- Quá trình mực nớc yêu cầu tại công trình đầu mối H
yc
~ t.
Quá trình yêu cầu nớc tại công trình đầu mối phải là yêu cầu nớc tổng hợp của các
ngành dùng nớc trong hệ thống nh nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, thuỷ điện, giao
thông thuỷ
- Quy mô, kích thớc của kênh dẫn nớc sau công trình đầu mối.
3. Tài liệu về địa hình địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối

- Bình đồ khu vực xây dựng công trình đầu mối.
- Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang đoạn sông xây dựng công trình đầu mối.
- Cấu tạo địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối.
10.2. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình lấy nớc tự
chảy trên sông
10.2.1. Các trờng hợp tính toán
1. Công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy
+ Trờng hợp lu lợng lấy vào hệ thống

(15 ữ 20)% lu lợng của sông.
+ Trờng hợp lu lợng lấy vào hệ thống > (15 ữ 20)% lu lợng của sông.
2. Công trình đầu mối là cống lấy nớc kết hợp đập dâng
10.2.2. Phơng pháp tính toán
Có 2 phơng pháp:
1. Phơng pháp giải tích.
2. Phơng pháp đồ thị.

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
331
10.2.3. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là cống lấy nớc tự
chảy, lu lợng lấy vào (15 ữ 20)% lu lợng của sông Q
S
1. Sơ đồ tính (hình 10.1)
2. Phơng pháp giải tích

Trên cơ sở giả thiết kích thớc của cống đầu
mối, quá trình lu lợng và mực nớc của sông,
khả năng dẫn nớc của kênh; dựa vào quy luật
dòng chảy qua cống và quan hệ giữa cao trình
mực nớc ngoài sông với cao trình mực nớc trên

kênh dẫn sau cống, có thể tính toán đợc quá
trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống. Từ
đó, so sánh với quá trình lu lợng yêu cầu của
hệ thống để có nhận xét, đánh giá về kích thớc
công trình đầu mối.
Hình 10.1: Sơ đồ tính toán
Quá trình tính toán phối hợp nguồn nớc tại cống tự chảy đầu mối có thể tiến hành
theo các bớc sau:
1. Chọn trờng hợp tính toán: Để tính toán hoặc kiểm tra kích thớc công trình đầu
mối thờng phải chọn trờng hợp bất lợi, đấy là thời điểm có lu lợng yêu cầu của hệ
thống tơng đối lớn và mực nớc ngoài sông tơng đối thấp, từ đây có thể xác định đợc trị
số lu lợng yêu cầu dùng cho tính toán Q
yc
.
2. Từ giá trị lu lợng yêu cầu qua cống vào kênh dẫn đầu mối, trên cơ sở mặt cắt
kênh đã đợc xác định, có thể tính toán độ sâu mực nớc trong kênh h
k
.
3. Giả thiết chiều rộng cống b (trong trờng hợp phải xác định quy mô kích thớc công
trình cho dự án chuẩn bị đầu t).
4. Dựa vào công thức tính toán lu lợng chảy qua cống tính toán độ chênh lệch mực
nớc yêu cầu (Z) giữa thợng lu và hạ lu cống đầu mối:
Zh.b.MQ
kyc
=
với
g2mM =
và b là bề rộng cống
2
k

yc
h.b.M
Q
Z








=

5. Tính toán cao trình mực nớc sông yêu cầu nhằm bảo đảm lu lợng qua cống Q
yc
:
yc
Sdck
ZZh=++Z
6. So sánh cao trình mực nớc sông yêu cầu theo tính toán ( ) với cao trình mực
nớc sông tơng ứng tại thời điểm tính toán (Z
yc
S
Z
S
). Nếu Z
S
-
yc

S
Z

thì việc giả thiết chiều
rộng cống b là hợp lý, nếu chênh lệch giữa mực nớc sông yêu cầu theo tính toán và mực
nớc sông tại thời điểm tính toán quá lớn ta phải giả thiết b khác và tính toán lại từ đầu.

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
332
7. Với chiều rộng cống b đã đợc xác định, tính toán kiểm tra cao trình mực nớc sông
ở các thời đoạn khác trong năm với điều kiện cần phải thoả mãn là: Z
S

yc
S
Z.
Trong trờng hợp công trình đầu mối đã có, muốn xác định khả năng lấy nớc qua
cống chúng ta có thể sử dụng công thức tính toán lu lợng dòng chảy qua cống, quan hệ
giữa mực nớc sông với mực nớc trên kênh và đờng quá trình mực nớc và lu lợng
trên sông:
Zh.b.MQ
kk
=
với g2mM = (*)
Z
S
= Z
đc
+ h
k

+ Z với g2mM = (**)
Từ các phơng trình trên, để tính toán đợc lu lợng có thể lấy vào hệ thống trong
những điều kiện cụ thể ở một thời điểm nào đấy, có thể dùng phơng pháp thử dần. Trớc
hết giả thiết một giá trị Q
k
vì mặt cắt kênh đã xác định nên sẽ có một giá trị h
k
tơng ứng,
dựa vào phơng trình (*) tính toán đợc Z và thông qua phơng trình (**) xác định đợc
Z
S
. Từ Z
S
đã tính toán đợc so sánh với cao trình mực nớc sông thực tế ở thời điểm tơng
ứng, nếu không sai khác thì lu lợng Q
k
giả thiết chính là lu lợng chảy qua cống thoả
mãn các điều kiện đã đợc xác định trong thời điểm tính toán. Nếu cao trình mực nớc
sông tính toán ra Z
S
sai khác với mực nớc sông thực tế tại thời điểm chọn tính toán, chứng
tỏ Q
k
không phải nghiệm của bài toán, phải giả thiết lại Q
k
và tính toán lại từ đầu.
Cách tính toán trên đợc áp dụng tính cho nhiều thời điểm khác nhau trong quá trình
mực nớc sông, chúng ta sẽ đợc quá trình lu lợng có thể lấy vào hệ thống. So sánh quá
trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống với quá trình lu lợng yêu cầu của hệ thống
để rút ra những nhận xét, kết luận và những giải pháp thích hợp áp dụng ở hệ thống.

3. Phơng pháp đồ thị
Trình tự tính toán:
1. Vẽ đờng quan hệ Q
k
~ h
k
theo phơng
pháp đối chiếu với mặt cắt thuỷ lực lợi nhất. Dựa
vào đờng (Q
yc
~ t), giả thiết Q
k
để tìm h
k
theo
phơng pháp trên và ta xây dựng đợc đờng
quan hệ Q
k
~ h
k
(hình 10.2).
2. Vẽ đờng quan hệ Q
k
~ Z
S
Với sơ đồ dòng chảy từ sông qua cống vào
hệ thống (hình 10.1) chúng ta có công thức tính
toán lu lợng chảy qua cống lấy nớc đầu mối
và biểu thức quan hệ giữa cao trình mực nớc sông với chiều sâu mực nớc qua cống và
chênh lệch mực nớc thợng hạ lu cống nh sau:


Hình 10.2: Quan hệ Q
k
~ h
k

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
333
Zh.b.MQ
kk
=
với g2mM = (10.1)
Z
S
= Z
đc
+ h
k
+ Z (10.2)
trong đó:
Q
k
- lu lợng chảy qua cống;
b - chiều rộng của cống;
h
k
- chiều sâu mực nớc trong kênh;
Z - độ chênh lệch giữa mực nớc sông và mực nớc kênh ;
Z
S

- cao trình mực nớc sông;
Z
đc
- cao trình đáy cống ở đây chúng ta coi cao trình đáy cống bằng cao trình đáy kênh.
Với mỗi Q
k
ta có ngay độ sâu mực nớc trong kênh h
k
tơng ứng đợc xác định từ
quan hệ giữa lu lợng mực nớc trong kênh khi mặt cắt kênh đã đợc xác định.
Từ phơng trình (10.1) khi có Q
k
và h
k
có thể
tính đợc mực nớc Z tơng ứng.
Z
S
Q
k
H
ình 10.3: Quan hệ Q
k
~ Z
S
Từ phơng trình (10.2) khi có Z và h
k
có thể
tính đợc Z
S

tơng ứng.
Nh vậy, nếu giả thiết nhiều giá trị Q
ki
khác
nhau, thông qua phơng trình (10.1) và (10.2) có thể
tính toán đợc nhiều Z
Si
và chúng ta xây dựng đợc
quan hệ giữa lu lợng chảy qua cống vào hệ thống
và cao trình mực nớc sông Q
k
~ Z
S
.
Tính toán phối hợp:
Trên hệ toạ độ Đề các chúng ta tiến hành vẽ các đờng quan hệ nh sau:

t

Z
S

Q
S
0

(Q
k
~ t)
có khả năng lấy


(Q
yc
~ t)
yêu cầu

(Q
S
~ t)
đến

II

I

III

IV

Q
k








Hình 10.4: Biểu đồ tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là cống lấy nớc, lu

lợng lấy vào Q
k


(15
ữ
20)%Q
S


Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
334
- Vẽ đờng quá trình lu lợng yêu cầu Q
yc
~ t vào góc phần t thứ I.
- Vẽ đờng quá trình lu lợng của sông Q
S
~ t với tần suất thiết kế vào góc phần t
thứ IV.
- Vẽ đờng quan hệ giữa lu lợng và mực nớc sông Q
S
~ Z
S
vào góc phần t thứ III.
- Vẽ đờng quan hệ giữa lu lợng kênh và mực nớc sông Q
k
~ Z
S
vào góc phần t
thứ II.

Từ biểu đồ trên hình 10.4, với mỗi giá trị lu lợng của sông trên đờng quá trình lu
lợng tại góc phần t số IV dóng sang góc phần t thứ III trên đờng quan hệ Q
S
~ Z
S
ta
xác định đợc giá trị Z
S
tơng ứng, có Z
S
dóng lên góc phần t số II trên đờng quan hệ
Q
k
~ Z
S
, có thể xác định đợc lu lợng có khả năng lấy nớc qua cống tơng ứng Q
k
. Với
biểu đồ và cách tính toán phối hợp trên, từ quá trình mực nớc sông đã biết Q
S
~ t có thể
xác định đợc quá trình lu lợng có khả năng lấy qua cống vào hệ thống Q
k
~ t ở góc phần
t thứ nhất để so sánh với quá trình lu lợng yêu cầu Q
yc
~ t.
- Trong trờng hợp phải xác định quy mô kích thớc công trình đầu mối cho những hệ
thống đợc lập dự án đầu t. Trớc hết chúng ta phải giả thiết chiều rộng của cống b để có
phơng trình (10.1) tính toán lu lợng chảy qua cống. Sau khi tính toán phối hợp, xác định

đợc quá trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống Q
k
~ t nếu phù hợp thì việc giả thiết
b là hợp lý, chúng ta có thể lấy trị số b là chiều rộng của cống đầu mối. Nếu đờng quá
trình Q
k
~ t nhỏ hơn hoặc quá lớn hơn đờng quá trình lu lợng yêu cầu Q
yc
~ t, chúng ta
phải giả thiết lại chiều rộng cống b và tiến hành tính toán lại từ đầu.
- Trong trờng hợp công trình đầu mối đã có sẵn, dựa vào kết quả so sánh giữa đờng
quá trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống Q
k
~ t và đờng quá trình lu lợng yêu
cầu của hệ thống Q
yc
~ t nhằm đánh giá lợng thừa thiếu nớc qua mỗi thời kỳ trong năm
để có giải pháp thích hợp khi cần quy hoạch cải tiến, nâng cấp hệ thống hoặc có kế hoạch
phân phối nớc hợp lý trong việc quản lý điều hành hệ thống.
10.2.4. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là cống lấy nớc tự
chảy, lu lợng lấy vào Q
k
> (15 ữ 20)% Q
S
1. Sơ đồ tính (hình 10.5)
2. Phơng pháp giải tích
Trờng hợp này do lu lợng lấy vào cống lớn nên làm giảm mực nớc sông trớc
cống. Mực nớc sông trớc cống đợc xác định theo hệ thức:
Z
TC

= Z
DC
- Z
n
(10.3)
Z
DC
- cao trình mực nớc sông phía hạ lu cống lấy nớc;
Z
n
- độ cao mực nớc sông hồi phục sau khi lấy nớc vào cống, đợc xác định theo
công thức:

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
335
g2
V
)K1(
K
2
3
Z
2
dc
n

=
(10.4)
V
dc

- lu tốc dòng chảy trên sông phía hạ lu cống;
K - tỷ số lu lợng,
1
Q
Q
K
S
k
<=
;
Q
k
- lu lợng lấy qua cống vào kênh theo yêu cầu;
Q
S
- lu lợng nớc đến của sông theo tần suất thiết kế.
Khi kể đến sự hạ thấp, cao trình mực nớc sông trớc cống Z
TC
sẽ phụ thuộc vào lu
lợng lấy vào kênh, lu lợng của sông và có ảnh hởng tới lu lợng có thể lấy vào cống.
Trờng hợp này trong quá trình toán phối hợp phải kể tới sự thay đổi này.











Z
S
Q
S
Z
đc
Z
DC
Z
n

Z
TC
Q
dc
Z

h
K
Z
đs
Q
S
Q
dc

Q
k


Hình 10.5: Sơ đồ tính toán
Trình tự tính toán:
1. Dựa vào đờng quan hệ Q
yc
~ t, và Q
S
~ t, chọn trờng hợp bất lợi để tính toán.
2. Giả thiết chiều rộng cống b (truờng hợp phải xác định kích thớc cống đầu mối cho
những dự án chuẩn bị đầu t).
3. Dựa vào công thức tính lu lợng chảy qua cống, các quan hệ giữa mực nớc sông
trớc cống với chiều sâu mực nớc hạ lu cống và tổn thất khi chảy qua cống có thể tính
toán cao trình mực nớc sông trớc khi lấy nớc vào hệ thống.
Zh.b.MQ
kk
=
(10.5)
với g2mM = và b là chiều rộng cống.
Z
TC
= Z
đc
+ h
k
+ Z (10.6)
Với công thức (10.5) và (10.6) khi đã xác định đợc trờng hợp tính toán, có nghĩa là
với trị số Q
k
có thể tìm đợc giá trị Z
TC
tơng ứng.


Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
336
4. Xác định trị số cao trình mực nớc sông trớc cống theo sự thay đổi do ảnh
hởng của việc lấy nớc vào cống.
*
TC
Z
Độ cao hồi phục của mực nớc sông phía dới vị trí cống lấy nớc đợc tính bằng
công thức:
g2
V
)K1(
K
2
3
Z
2
dc
n

=

Mặt khác, khi chọn đợc trờng hợp tính toán chúng ta cũng có các trị số Q
k
và Q
S
xác
định, và tính đợc các giá trị:
S

k
Q
Q
K =
, Q
dc
= Q
S
- Q
k
và tính đợc các trị số Z
DC
, V
dc
theo
tài liệu thuỷ văn và mặt cắt sông. Nh vậy có thể tính toán đợc giá trị Z
n
tơng ứng. Cao
trình mực nớc sông trớc cống = Z
*
TC
Z
DC
Z
n
.
5. So sánh giá trị Z
TC
và , nếu sai khác không đáng kể thì chứng tỏ việc giả thiết trị
số b là hợp lý và lấy kết quả đó là kích thớc công trình đầu mối, nếu sai khác phải giả thiết

lại b và tính toán lại từ đầu.
*
TC
Z
6. Tính toán kiểm tra với các thời điểm khác của quá trình mực nớc sông với điều
kiện phải thoả mãn Z
*
TC
Z
TC
.
Trong trờng hợp công trình đầu mối đã có, việc tính toán cũng nh trên nhằm xác
định quá trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống để so sánh với quá trình lu lợng
yêu cầu của hệ thống nhằm đa ra các giải pháp xử lý thích hợp.
3. Phơng pháp đồ thị
Trờng hợp Q
k
(15 ữ 20)%Q
S
là trờng hợp lu lợng lấy vào hệ thống làm ảnh
hởng tới mực nớc sông tại nơi xây dựng công trình đầu mối. Vì vậy chúng ta phải xác lập
đợc quan hệ giữa lu lợng sông, lu lợng qua cống và cao trình mực nớc sông bị thay
đổi do ảnh hởng của việc lấy nớc vào hệ thống.
- Xác định quan hệ Q
k
~ Z
TC
Với công thức chảy qua cống và hệ thức liên hệ giữa chiều sâu nớc chảy qua cống,
tổn thất qua cống và cao trình mực nớc trớc cống Z
TC


chỉ có thể xác định đợc đờng
quan hệ giữa lu lợng chảy qua cống và cao trình mực nớc trớc cống Q
k
~ Z
TC
thông
qua các phơng trình cụ thể sau:
Zh.b.MQ
kk
=
(10.7)
với: g2mM = và b là chiều rộng cống
Z
TC
= Z
đc
+ h
k
+ Z (10.8)
Khi kích thớc kênh dẫn sau cống đã đợc xác định, với mỗi giá trị lu lợng chảy qua
cống vào kênh Q
k
ta có ngay giá trị h
k
tơng ứng, khi có Q
k
và h
k
dựa vào phơng trình

(10.7) có thể xác định đợc một giá trị Z, có Z và h
k
dựa vào phơng trình (10.8) tính
toán đợc Z
TC
.

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
337
Với cách tính nh trên giả thiết nhiều giá trị Q
k
khác nhau sẽ tìm đợc nhiều giá trị
Z
TC
tơng ứng. Nói một cách khác dựa vào phơng trình (10.7) và (10.8) ta có thể xây dựng
đợc đờng quan hệ Q
k
~ Z
TC
.
- Xác định quan hệ Q
k
~ Q
S
~ Z
TC

Khi lu lợng chảy qua cống vào hệ thống tơng đối lớn so với lu lợng của sông,
mực nớc sông tại vị trí cửa cống bị hạ thấp sau đó lại hồi phục một trị số Z
n

tại mặt cắt của
sông phía dới cống (hình 10.5).
Độ cao hồi phục của mực nớc sông Z
n
đợc tính theo công thức:
g2
V
)K1(
K
2
3
Z
2
dc
n

=
(10.9)
V
dc
- lu tốc dòng chảy trên sông phía dới cống (m/s):
1
Q
Q
K
S
k
<=
- tỷ số giữa lu lợng lấy vào hệ thống và lu lợng sông
Q

k
- lu lợng lấy qua cống vào kênh (m
3
/s);
Q
S
- lu lợng nớc đến của sông (m
3
/s).
Từ sơ đồ (hình 10.5) quan hệ giữa cao trình mực nớc sông phía dới cống, độ cao
phục hồi và cao trình mực nớc trớc cống đợc biểu diễn bằng hệ thức:
Z
TC

= Z
DC
Z
n
(10.10)
Z
TC
- cao trình mực nớc sông trớc cửa cống;
Z
dc
- cao trình mực nớc sông tại mặt cắt phía dới cống.
Từ phơng trình (10.9) nếu lấy một giá trị
Q
k
làm thông số, giả thiết nhiều giá trị Q
S

khác
nhau, sẽ tìm đợc nhiều giá trị lu lợng sông
tại mặt cắt phía dới cống Q
dc
. Dựa vào tài liệu
mặt cắt ngang của sông có Q
dc
xác định đợc
cao trình mực nớc sông (Z
dc
) và tốc độ dòng
chảy trên sông (V
dc
) tại mặt cắt phía dới cống.
Mặt khác với nhiều giá trị Q
S
khác nhau ta cũng
tìm đợc các giá trị K và nh vậy sẽ tìm đợc
nhiều giá trị Z
n
. Khi đã có Z
n
và Z
dc
dựa vào
phơng trình (10.10) có thể tìm đợc các giá trị
Z
TC
tơng ứng.


Hình 10.6: Quan hệ Q
k
~ Q
S
~ Z
TC
Nh vậy dựa vào hai phơng trình (10.9) và (10.10) chúng ta có thể xây dựng đợc
một họ đờng quan hệ Q
k
~ Q
S
~ Z
TC
với Q
k
làm thông số (hình 10.6).

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
338
- Xây dựng đờng quan hệ Q
k
~ Z
S
Chúng ta đã có:
+ Đờng quan hệ Q
k
~ Z
TC
(đờng quan hệ a) đợc xây dựng dựa vào phơng trình
(10.7) và (10.8).

+ Đờng quan hệ Q
k
~ Q
S
~ Z
TC
(đờng quan hệ b) đợc xây dựng dựa vào phơng
trình (10.9) và (10.10).
+ Đờng quan hệ Q
S
~ Z
S
(đờng quan hệ c) do tài liệu đo đạc thuỷ văn cung cấp.
Với mỗi trị số Q
k
giả thiết dựa vào đờng quan hệ (a) chúng ta tìm đợc giá trị Z
TC

tơng ứng, khi có cặp trị số Q
k
và Z
TC
từ đờng quan hệ (b) tìm đợc giá trị Q
S
và dựa vào
đờng quan hệ (c) sẽ tìm dợc trị số Z
S
tơng ứng.

Hình 10.7: Đồ thị xác định đờng Q

k
~ Z
S
Nếu giả thiết nhiều trị số Q
k
khác nhau, dựa vào các đờng quan hệ (a), (b) và (c) sẽ
tìm đợc các trị số Z
S
tơng ứng, có nghĩa là chúng ta xây dựng đợc quan hệ Q
k
~ Z
S
. Đa
đờng quan hệ này vào góc phần t thứ II của biểu đồ tính toán phối hợp tổng hợp để tìm ra
quá trình lu lợng có khả năng lấy qua cống vào hệ thống trên cơ sở đờng quá trình mực
nớc sông tại vị trí xây dựng cống đầu mối và chiều rộng cống b đã đợc ấn định.
Việc so sánh đờng quá trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống với đờng quá
trình lu lợng yêu cầu và việc sử dụng các kết quả tính toán đối với từng mục đích cụ thể
cũng tơng tự nh trờng hợp ở trên.

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
339
10.2.5. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là cống lấy nớc tự
chảy kết hợp đập dâng
1. Sơ đồ tính toán (hình 10.8)







Z

h
K
H
Tr


P

Z
S
Z
đk
Z
CĐ
Sông
Cống đầu mối

KC
Đ
ập dâng
A
A

A
-
A
H

TC
Hình 10.8: Sơ đồ tính toán
2. Xác định chiều cao đập dâng
Có 2 trờng hợp tính toán
- Trờng hợp Q
S
> Q
yc
Đây là trờng hợp lu lợng của sông trong thời kỳ nhỏ nhất cũng lớn hơn lu lợng
yêu cầu lấy vào hệ thống, khi có đập dâng trong thời gian làm việc sẽ luôn có lớp nớc tràn
trên đỉnh đập. Vì vậy chiều cao của đập đợc tính toán phải bảo đảm dâng mực nớc sông
tới một cao trình yêu cầu trong trờng hợp bất lợi nhất. Mực nớc sông yêu cầu đợc tính
toán theo công thức:
Z
yc
= Z
dc
+ h
k
+ Z
Z
yc
- cao trình mực nớc sông yêu cầu;
h
k
- chiều sâu mực nớc hạ lu cống (chiều sâu mực nớc đầu kênh trờng hợp cao
trình đáy kênh bằng cao trình đáy cống);
Z - chênh lệch mực nớc giữa thợng và hạ lu cống:
2
k

yc
h.b.M
Q
Z








=

Q
yc
- lu lợng yêu cầu ứng với trờng hợp thiết kế;
b - chiều rộng cống lấy nớc đầu mối.
Chiều cao của đập dâng P đợc xác định theo công thức:
P = Z
yc
- H - Z
CĐ
Z
CĐ
- cao trình chân đập tràn (cao trình đáy sông nơi xây dựng đập);

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
340
H - chiều sâu cột nớc tràn trên đỉnh đập:

3
2
d
ycS
Bg2m
QQ
H









=

B
d
- chiều dài của đập tràn ngang sông;
m - hệ số lu lợng chảy qua đập tràn;
Q
S
- lu lợng của sông ứng với trờng hợp thiết kế;
Q
yc
- lu lợng yêu cầu của hệ thống ứng với trờng hợp thiết kế.
- Trờng hợp Q
S

= Q
yc
Đây là trong trờng hợp tính toán thiết kế có lu lợng sông bằng lu lợng yêu cầu
lúc đó cao trình đỉnh đập dâng phải bằng cao trình mực nớc yêu cầu, chiều cao đập đợc
tính toán bằng công thức:
P = Z
yc
Z
CD

3. Phơng pháp tính toán phối hợp nguồn nớc
a) Phơng pháp giải tích
Các bớc tính toán:
1. Dựa vào đờng Q
yc
~ t và Q
S
~ t chọn trờng hợp tính toán xác định đợc Q
yc
và Q
S
.

2. Giả thiết chiều rộng của cống b và chiều dài của đập tràn B
đ
.
3. Xác định cao trình mực nớc sông trớc cống Z
TC
theo hệ thức dòng chảy qua cống:


Zh.b.MQ
kyc
=

Z
TC
= Z
dc
+ h
k
+ Z
4. Tính cao trình mực nớc sông trớc cống theo lớp nớc tràn trên đỉnh đập
*
TC
Z
Tại trờng hợp tính toán đã có Q
yc
và Q
S
nên có thể xác định đợc lu lợng tràn qua
đập tràn:
Q
Tr
= Q
S
Q
yc
Dựa vào công thức tính toán lu lợng chảy qua đập tràn để xác định chiều sâu lớp
nớc tràn trên đỉnh đập:
2

3
Tr
d
Q
H
mB 2g

=



=
2
3
Syc
d
QQ
mB 2g






Cao trình mực nớc sông trớc cống:
*
TC
Z= Z
cd
+ P + H

5. So sánh trị số và trị số Z
*
TC
Z
TC
, nếu sai số không đáng kể chứng tỏ việc giả thiết
kích thớc của cống và đập tràn là thoả mãn.

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
341
b) Phơng pháp đồ thị
Sau khi có đập thì đờng quá trình mực nớc sông cũng nh đờng quan hệ giữa lu
lợng và mực nớc trên sông sẽ bị thay đổi, vì vậy việc tính toán phối hợp phải trên cơ sở
những sự thay đổi này. Tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là cống tự
chảy có kết hợp đập dâng đợc tiến hành theo các bớc sau đây:
1. Xây dựng đờng quan hệ giữa lu lợng sông và cao trình mực nớc sông sau khi
xây dựng đập Q
S
~ Z
sd
:
3
2
Sd
Qm2
KL
g
BH= (10.11)
Z
sd

= Z
CD
+ P + H
KL
(10.12)
trong đó:
Z
Sđ
- cao trình mực nớc sông sau khi xây dựng đập;
Z
cđ
- cao trình chân đập;
Z
Sđ
Q
S
H
ình 10.9: Đờng quan hệ Z
Sđ
~ Q
S
H
KL
- chiều cao cột nớc tràn trên đỉnh đập trong
trờng hợp không lấy nớc vào hệ thống.
Với mỗi giá trị Q
S
từ phơng trình (10.11) ta sẽ
tìm đợc trị số H
KL

tơng ứng, có H
KL
dựa vào
phơng trình (10.12) tính đợc trị số Z
sd
tơng ứng.
Nh vậy nếu giả thiết nhiều trị số Q
S
dựa vào
phơng trình (10.11) và (10.12) sẽ tìm đợc nhiều giá
trị Z
sd
tơng ứng và xây dựng đợc đờng quan hệ Q
S
~ Z
sd
.
2. Xây dựng đờng quan hệ giữa lu lợng qua cống và cao trình mực nớc sông sau
khi có đập Q
k
~ Z
sd
.
Khi lấy nớc vào hệ thống chúng ta có công thức tính toán dòng chảy qua cống và hệ
thức giữa cao trình mực nớc trớc cống, độ sâu nớc trên cống và chênh lệch mực nớc
giữa thợng hạ lu cống nh sau:
kk
QM.b.h Z=QM.b.h Z= (10.13) (10.13)
Z
TC

= Z
dc
+ h
k
+ Z (10.14) Z
TC
= Z
dc
+ h
k
+ Z (10.14)
Từ phơng trình (10.13) và (10.14) chúng ta có thể xây dựng đợc đờng quan hệ giữa
lu lợng chảy qua cống và cao trình mực nớc sông trớc cống Q
k
~ Z
TC
.
Từ phơng trình (10.13) và (10.14) chúng ta có thể xây dựng đợc đờng quan hệ giữa
lu lợng chảy qua cống và cao trình mực nớc sông trớc cống Q
k
~ Z
TC
.
Mặt khác khi lấy nớc qua cống, lu lợng còn lại của sông chảy qua đập tràn có thể
tính theo công thức:
Mặt khác khi lấy nớc qua cống, lu lợng còn lại của sông chảy qua đập tràn có thể
tính theo công thức:
3/2
Tr d DL
Qm2

g
BH= (10.15)
Z
TC
= Z
CD
+ P + H
DL
(10.16)

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
342
Với mỗi giá trị Q
Tr
từ phơng trình (10.14) có thể tính đợc H
DL
, có H
DL
dựa vào
phơng trình (10.15) xác định đợc giá trị Z
TC
tơng ứng. Nh vậy, dựa vào phơng trình
(10.15) và (10.16) có thể xây dựng đợc đờng quan hệ Q
Tr
~ Z
TC
.
Chúng ta đã xây dựng đợc các quan hệ: Q
k
~ Z

TC
(d)
Q
Tr
~ Z
TC

(e)
Từ đờng quan hệ (d) với mỗi giá trị Q
k
xác định đợc trị số Z
TC
tơng ứng, có Z
TC
dựa
vào đờng quan hệ (e) xác định đợc một trị số Q
Tr
. Mặt khác lại có Q
k
+ Q
Tr
= Q
S
. Nh vậy,
từ các đờng quan hệ (d) và (e) có thể tính toán và xây dựng đợc đờng quan hệ Q
k
~ Q
S
.








Q
S1
Q
S2
Z
TC
Q
Tr

Q
k

Q
k

Q
S
Hình 10.10: Biểu đồ xác định đờng quan hệ Q
k
~ Q
S







Q
k

Q
S

Z
sđ

Z
Sđ

45

Q
k


Hình 10.11: Biểu đồ xác định đờng quan hệ Q
k
~ Z
Sđ

Nh trên ta đã xây dựng đợc đờng quan hệ: Q
k
~ Q
S

(f)
Q
S
~ Z
sd
(g)
Từ đờng quan hệ (f) với mỗi giá trị Q
k
xác định đợc trị số Q
S
tơng ứng, có Q
S
dựa
vào đờng quan hệ (g) tính đợc Z
sd
. Nếu giả thiết nhiều giá trị Q
k
, dựa vào các quan hệ (f)

Chơng 10 - Tính toán phối hợp nguồn nớc công trình đầu mối
343
và (g) sẽ xác định đợc các giá trị Z
Sd
tơng ứng và xây dựng đợc đờng quan hệ giữa lu
lợng chảy qua cống và cao trình mực nớc sông sau khi xây đập Q
k
~ Z
Sd
.
3. Đa đờng quan hệ Q

k
~ Z
Sd
vào góc phần t thứ II của biểu đồ tính toán phối hợp
tổng hợp để tìm ra quá trình lu lợng có khả năng lấy vào hệ thống Q
k
~ t, so sánh với
đờng Q
yc
~ t để rút ra những kết luận trong từng trờng hợp tính toán cụ thể.
Về mặt lý thuyết, để xác định quy mô kích thớc của đập tràn và của cống lấy nớc
chúng ta tiến hành các bớc nêu trên, rõ ràng kích thớc của tràn và của cống có liên quan
chặt chẽ với nhau vì kích thớc đập tràn sẽ có ảnh hởng tới cao trình mực nớc sông, mực
nớc sông có ảnh hởng tới quy mô kích thớc của cống nhằm lấy đợc lu lợng vào hệ
thống để thoả mãn yêu cầu nớc. Vì vậy, sẽ có nhiều phơng án về kích thớc của đập tràn
và cống cùng thoả mãn yêu cầu nớc của hệ thống. Phơng án đợc chọn sẽ là phơng án
có tổng vốn đầu t vào xây dựng cống và đập là nhỏ nhất, đồng thời cũng có ảnh hởng ít
nhất đến điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực. Trong thực tế, do vốn đầu t xây
dựng đập tràn thờng lớn hơn nhiều so với vốn đầu t xây dựng cống, đập tràn cũng có ảnh
hởng nhiều đến các điều kiện tự nhiên và môi trờng khu vực xung quanh, vì vậy, thờng
dựa vào điều kiện xây dựng ở khu vực nh địa hình, địa chất và tình hình ngập lụt ở khu
vực thợng lu đập mà quyết định quy mô kích thớc của đập tràn. Kích thớc của cống
lấy nớc đợc tính toán trên cơ sở đã có kích thớc của đập tràn.
10.3. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là hồ chứa
Nội dung cơ bản của việc tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối là hồ
chứa là việc tính toán điều tiết hồ. Tuỳ vào sự tơng quan giữa nớc đến của lu vực hồ và
lợng nớc yêu cầu của hệ thống mà có thể tính toán hồ điều tiết năm hoặc hồ điều tiết
nhiều năm. Phơng pháp tính toán điều tiết hồ đã đợc giới thiệu cụ thể trong giáo trình
Thuỷ văn công trình.
10.4. Tính toán phối hợp nguồn nớc khi công trình đầu mối là

trạm bơm
Khi công trình đầu mối là trạm bơm, việc tính toán phối hợp nguồn nớc là phối hợp
giữa quá trình lu lợng và mực nớc yêu cầu của hệ thống với quá trình lu lợng mực nớc
ngoài sông để tìm ra quá trình lu lợng và cột nớc cần bơm từ đó xác định ra quy mô kích
thớc trạm bơm. Nội dung tính toán sẽ đợc trình bày kỹ ở giáo trình Máy bơm và Trạm bơm.
Câu hỏi ôn tập:
1. Mục đích, ý nghĩa và các tài liệu cần thiết của việc tính toán phối hợp nguồn nớc
tại công trình đầu mối.
2.
Trình bày cách tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối trong trờng
hợp công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy, lu lợng lấy vào nhỏ hơn (15 ữ
20)% lu lợng sông.
3.
Trình bày cách tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối trong trờng
hợp công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy, lu lợng lấy vào lớn hơn
(15 ữ 20)% lu lợng sông.
4.
Trình bày cách tính toán phối hợp nguồn nớc tại công trình đầu mối trong trờng
hợp công trình đầu mối là cống lấy nớc tự chảy kết hợp đập dâng.