DG 4.1 Bối cảnh
Quy trình điều tiết tích nước được sử dụng nếu thể tích lưu trữ ở thượng lưu của cống đủ lớn để giảm đáng kể lưu lượng đỉnh. Lưu lượng đỉnh giảm có thể được sử dụng để thiết kế một cống nhỏ hơn bằng Hướng dẫn Thiết kế 1. Mục DG 4.2 cung cấp các bước quy trình thiết kế cần tuân theo bao gồm một bước để xác định xem việc điều tiết có tạo ra sự giảm đáng kể trong lưu lượng thiết kế cho cống hay không. Mục DG 4.3 áp dụng các bước thiết kế cho một đoạn đường có tích nước. Mục DG 4.4 cung cấp sự so sánh với kết quả từ Hydraulic Toolbox.
DG 4.2 Quy trình thiết kế
Các bước chung sau đây được sử dụng để thiết kế một cống thẳng (xem Hình 3.18) có bao gồm điều tiết tích nước:
Bước 1. Tóm tắt dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống. Thông tin này sẽ được thu thập hoặc tính toán trước khi thực hiện thiết kế cống thực tế. Ngoài ra, các đánh giá hiện trường (Mục 2.3) cũng đã được hoàn thành.
Bước 2. Chọn khoảng thời gian điều tiết (Δt). Nhớ rằng tính tuyến tính trong khoảng thời gian được giả định. Thông thường, khoảng thời gian điều tiết bằng một phần mười thời gian đạt đỉnh là phù hợp.
Bước 3. Ước tính lưu lượng xả ra đã giảm (Qₐ).
Bước 4. Chọn hình dạng sơ bộ cho cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước và cấu hình cửa vào từ các bản kế hoạch tiêu chuẩn. Sử dụng CDF và Hướng dẫn Thiết kế 1 để đánh giá các phương án cống.
Bước 5. Chuẩn bị đường cong hiệu suất cho cống sơ bộ được chọn trong Bước 4.
Bước 6. Phát triển mối quan hệ cao độ – thể tích lưu trữ cho ao chứa ở thượng lưu.
Bước 7. Tính toán Mối quan hệ Tích nước – Lưu lượng xả bằng Biểu mẫu Điều tiết Tích nước (Mục DG 4.3.2), đường cong hiệu suất cống từ Bước 5 và mối quan hệ cao độ – thể tích tích nước từ Bước 6.
Bước 8. Thực hiện quy trình điều tiết tích nước chỉ dẫn như trình bày trên Biểu mẫu Điều tiết Tích nước (Mục DG 4.3.2). Các mũi tên chỉ hướng được thêm vào ví dụ để minh họa quy trình tính toán.
Bước 9. Đánh giá kết quả Điều tiết Tích nước để xác định xem mực nước điều tiết có gần với mực nước cho phép hay thấp hơn không. Nếu không đủ gần hoặc cao hơn, quay lại Bước 4 và thử phương án khác.
DG 4.3 Ví dụ điều tiết
Thiết kế một cống để dẫn dòng Q₂₅ mà không tràn qua một con đường chính mới. Cống được chọn phải có ít nhất 4 ft (1.219 m) lớp đắp phủ, ít nhất 1 ft (0.3 m) khoảng bờ cao an toàn và không có chỗ trũng tại cửa vào cống. Kênh hạ lưu được xấp xỉ bởi một kênh hình thang với mái dốc 2H:1V, đáy rộng 10 ft (3.048 m) và hệ số nhám Manning là 0.03. Tích nước ở thượng lưu tại cao trình mực nước cho phép (ELₕₐ) là 885 ft (269.748 m) là 6 acre-feet hoặc 261,360 ft³ (7,400 m³).
Lời giải đầy đủ theo đơn vị thường dùng (CU) được trình bày chi tiết bên dưới. Việc giải toàn bộ bài toán bằng các bảng tra và biểu đồ thích hợp theo đơn vị SI có trong HDS 5, phiên bản thứ hai, Chương V. Lưu ý rằng chuyển đổi trực tiếp từ đơn vị CU sang SI có thể cho kết quả hơi khác nhau.
DG 4.3.1 Quy trình thiết kế
Bước 1. Tóm tắt dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống. Thông tin này sẽ được thu thập hoặc tính toán trước khi thực hiện thiết kế cống thực tế. Ngoài ra, các đánh giá hiện trường (Mục 2.3) cũng đã được hoàn thành.
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₂₅ | 220 ft³/s | 6.23 m³/s |
| Diện tích lưu vực | A | 250 acres | 101.175 ha |
| Mực nước hạ lưu ứng với lũ thiết kế | TW₂₅ | 1.50 ft | 0.46 m |
| Độ dốc tự nhiên của suối | Sₒ | 0.05 ft/ft | 0.05 m/m |
| Chiều dài cống gần đúng | Lₐ | 200 ft | 60.960 m |
| Cao độ tại vai đường (điểm thấp) | ELₛ | 887 ft | 270.358 m |
| Cao độ mực nước cho phép | ELₕₐ | 885 ft | 269.748 m |
| Cao độ đáy tại cửa vào cống | ELᵢ | 878 ft | 267.614 m |
| Cao độ đáy tại cửa ra cống | ELₒ | 868 ft | 264.566 m |
ELₒ = ELᵢ – Lₛₒ = 878 – (200)(0.05) = 868 ft
Phương pháp bảng SCS (HDS 2) được sử dụng để tạo biểu đồ thủy văn vào ở dạng bảng dưới đây và trong Hình DG 4.1. Lưu lượng đỉnh chưa điều tiết (Qₚ) là 220 ft³/s. Thời gian đạt đỉnh là 75 phút (1.25 giờ).
| Thời gian (giờ) | Q (ft³/s) | Thời gian (giờ) | Q (ft³/s) | Thời gian (giờ) | Q (ft³/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 9 | 0.75 | 40 | 1.5 | 201 |
| 0.125 | 10 | 0.875 | 80 | 1.625 | 170 |
| 0.25 | 11 | 1.0 | 136 | 1.75 | 140 |
| 0.375 | 13 | 1.125 | 190 | 1.875 | 120 |
| 0.5 | 17 | 1.25 | 220 | 2.0 | 98 |
| 0.625 | 28 | 1.375 | 220 | 2.125 | 82 |
| 2.25 | 70 | ||||
| 2.375 | 53 | ||||
| 2.5 | 47 | ||||
| 2.625 | 41 | ||||
| 2.875 | 37 |
Bước 2. Chọn khoảng thời gian điều tiết (Δt). Nhớ rằng tính tuyến tính trong khoảng thời gian được giả định. Thông thường, khoảng thời gian điều tiết bằng một phần mười thời gian đạt đỉnh là phù hợp.
Đối với khoảng thời gian điều tiết, sử dụng tₚ/10.
Δt = tₚ/10 = 75/10 = 7.5 phút
Bước 3. Ước tính lưu lượng xả ra đã giảm (Qᵣ). Mục 2 trên Biểu mẫu điều tiết lũ (Mục DG 4.3.1) có công thức sau:
Qᵣ = Qₚ – s/(80tₚ) = 220 – (261,360 ft³)/[(80)(75)] = 176 ft³/s
Vì lưu lượng đỉnh 220 ft³/s được giảm còn 176 ft³/s hoặc giảm 20%, nên việc điều tiết sẽ giúp giảm kích thước cống.
Bước 4. Chọn hình dạng sơ bộ của cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước và cấu hình cửa vào từ các bản kế hoạch tiêu chuẩn. Sử dụng CDF và Hướng dẫn Thiết kế 1 để đánh giá các phương án cống (Mục 4.3.2).
- Cần ba ống CMP 36 in để dẫn lưu lượng Qₚ là 220 ft³/s (xem CDF).
- Hai ống CMP 42 in sẽ dẫn được lưu lượng Qᵣ là 176 ft³/s (xem CDF).
- Hai ống CMP 36 in gần như sẽ dẫn được lưu lượng Qᵣ là 176 ft³/s (xem CDF).
- Thử hai ống CMP 36 in và tăng kích thước nếu kết quả tính toán định tuyến yêu cầu.
Bước 5. Chuẩn bị đường cong hiệu suất cho cống sơ bộ được chọn trong Bước 4. Dữ liệu cho đường cong hiệu suất sau đây lấy từ CDF trong Mục 4.3.4.
Bước 6. Phát triển mối quan hệ cao độ – thể tích lưu trữ cho ao chứa ở thượng lưu. Địa hình phía thượng lưu của cống được sử dụng để xây dựng bảng sau, bảng này sẽ được điền vào Mục 3 của Biểu mẫu Định tuyến Lưu trữ (DG 4.3.2).
| Cao độ (ft) | Diện tích (ft²) | Thể tích (ft³) |
|---|---|---|
| 878 | 0 | 0 |
| 880 | 9583 | 9583 |
| 882 | 33977 | 53143 |
| 884 | 72310 | 159430 |
| 886 | 136778 | 368518 |
Bước 7. Tính toán Mối quan hệ Tích nước – Lưu lượng xả bằng Biểu mẫu Điều tiết Tích nước (storage routing) (Mục DG 4.3.2), đường cong hiệu suất cống từ Bước 5 và mối quan hệ cao độ – thể tích lưu trữ từ Bước 6. Đường cong kết quả được thể hiện bên dưới.
Bước 8. Thực hiện quy trình như trình bày trong Biểu mẫu Điều tiết tích nước (Mục DG 4.3.2). Các mũi tên chỉ hướng được thêm vào ví dụ để minh họa quy trình tính toán.
Bước 9. Đánh giá kết quả để xác định xem mực nước điều tiết (HW) có gần với mực nước cho phép hay thấp hơn không. Nếu không đủ gần hoặc cao hơn, quay lại Bước 4 và thử phương án khác.
Hai ống kim loại gợn sóng đường kính 36 inch với đầu vuông được đặt trong tường chắn đủ để đáp ứng tiêu chí thiết kế. Lưu lượng xả tối đa 150 ft³/s tạo ra mực nước dâng là 884.8 ft theo dữ liệu cao độ – lưu lượng xả. Sơ đồ của cống được thể hiện bên dưới.
DG 4.3.2 BIỂU MẪU ĐỊNH TUYẾN LƯU TRỮ
1. TẠO BIỂU ĐỒ THỦY VĂN DÒNG CHẢY VÀO
a. Phương pháp biểu đồ thủy văn sử dụng: SCS TABULAR METHOD
b. Khoảng thời gian chọn để điều tiết: Δt = tₚ / 10 = 75 / 10 = 7.5 MIN.
(Biểu đồ thủy văn dòng vào được đính kèm)
2. GIẢM LƯU LƯỢNG DO ĐỊNH TUYẾN
a. Lưu lượng đỉnh: Qₚ = 220 ft³/s
b. Lưu trữ thượng lưu: S = 261,360 ft³
c. Thời gian đạt đỉnh: tₚ = 75 phút
Công thức: Qᵣ = Qₚ – s / (80·tₚ) = 220 – 261,360 / (80·75) = 176 ft³/s
3. MỐI QUAN HỆ CAO ĐỘ – LƯU LƯỢNG CHO CỐNG THỬ NGHIỆM
| Cao độ (ft) | 878 | 880 | 882 | 884 | 886 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lưu lượng (ft³/s) | 0 | 38 | 102 | 144 | 174 |
4. MỐI QUAN HỆ CAO ĐỘ – THỂ TÍCH LƯU TRỮ CHO AO CHỨA THƯỢNG LƯU
| Cao độ (ft) | Diện tích (ft²) | Thể tích gia tăng (ft³) | Thể tích tích lũy (ft³) |
|---|---|---|---|
| 878 | 0 | 0 | 0 |
| 880 | 9,583 | 9,583 | 9,583 |
| 882 | 33,977 | 43,560 | 53,143 |
| 884 | 72,310 | 106,287 | 159,430 |
| 886 | 136,778 | 209,088 | 368,518 |
5. MỐI QUAN HỆ TÍCH NƯỚC – LƯU LƯỢNG XẢ
| Cao độ (ft) | Lưu lượng (ft³/s) | Tích nước (ft³) | 2S/Δt (ft³/s) | 2S/Δt + O (ft³/s) |
|---|---|---|---|---|
| 878 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 880 | 38 | 9,583 | 43 | 81 |
| 882 | 102 | 53,143 | 236 | 338 |
| 884 | 144 | 159,430 | 704 | 848 |
| 886 | 174 | 368,518 | 1,638 | 1,812 |
6. BẢNG ĐIỀU TIẾT TÍCH NƯỚC
| Thời gian (phút) | Lưu lượng vào I (ft³/s) | 2S/Δt – O | 2S/Δt + O | Lưu lượng ra O (ft³/s) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 9 | 7 | 25 | 9 |
| 7.5 | 10 | 8 | 26 | 9 |
| 15.0 | 11 | 7 | 29 | 11 |
| 22.5 | 13 | 7 | 31 | 12 |
| 30.0 | 17 | 9 | 31 | 14 |
| 37.5 | 28 | 10 | 54 | 22 |
| 45.0 | 40 | 10 | 78 | 34 |
| 52.5 | 80 | 10 | 130 | 60 |
| 60.0 | 136 | 50 | 226 | 88 |
| 67.5 | 190 | 152 | 316 | 112 |
| 75.0 | 220 | 306 | 526 | 118 |
| 82.5 | 220 | 408 | 746 | 199 |
| 90.0 | 201 | 599 | 889 | 145 |
| 97.5 | 170 | 970 | – | 150 (PEAK) |
