Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý

LỜI CẢM ONLuận van thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với dé tài “Nghién cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp x# lý" được hoàn thành vào tháng 11 nă

NO/ñH IVI ANIL TRINH MAI HUONG

NGHIEN CUU CAC VAN DE THUY LUC CUA CONG LAY NƯỚC DƯỚI DAP VA GIẢI PHÁP XU LY

t

(9 QUYỀN - BÌA ĐỎ TƯƠI - 120 TRANG)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRUONG ĐẠI HỌC THUY LỢI

TRỊNH MAI HƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC VAN DE THỦY LỰC CUA

CONG LAY NƯỚC DƯỚI DAP VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số : 60 - 88 - 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYEN CHIEN

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ON

Luận van thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với dé tài

“Nghién cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp

x# lý" được hoàn thành vào tháng 11 năm 2012 với sự giúp đỡ nhiệt tình của

các thầy cô trong khoa Công trình, gia đình và ban bè Việc hoàn thành Luận

văn thạc sĩ là một sự kiện quan trọng, đánh dau sự trở thành một tân thạc sĩ

trường Đại học Thủy lợi.

Em xin bày tỏ lòng bit ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Chin cing các

thay cô giáo trong khoa Công trình đã hướng dẫn, chỉ bao tận tinh và giúp đỡ

em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.

Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, dù đã có nhiều cổ gắng

nhưng luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết và sai sót cần điều

chỉnh bổ xung Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý

bá ¡nh chị học viên để em hoàcủa các thiy cô cùng toàn thể thiện tua

LỜI CAM DOAN

Tên tôi là - : Trịnh Mai Hương

Học viên - :Lớp CHI7CI

Ngành “Xây dựng công trình thủy

Tring: DH Thuy loi

Tôi xin cam đoan quyền luận văn nảy được chính tôi thực hiện dưới sựhướng dẫn của thầy giáo GS TS Nguyễn Chiến với dé tài nghiên cứu trong,luận văn là “Nghiên cứu các vẫn đề thiy lực của cống lấy nước dưới đập va

giải pháp xử lý” đây là đề tài nghiên cứu mới, không giống với các đẻ tàiluận văn nao trước đây do đó không có sự sao chép của bắt ki luận văn nàoNội dung luận văn được thé hiện theo đúng quy định, các nguồn tai liệu, tưliệu nghiên cứu và sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn

Nếu xảy ra vấn để gì đối với nội dung luận văn này, tôi xin chịu hoàn

toàn trách nhiệm theo quy định.

Người viết cam đoan

Trịnh Mai Huong

MỤC LỤC

MỞ DAU 1

“Tính cấp thiết của đ tài - _ 1Mục dich của dé tai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứ

Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cau trúc của luận văn

CHUONG 1 TONG QUAN VE HO CHUA VÀ CÔNG LAY NƯỚC

1.1 Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước

1.2 Cống lấy nước dưới đập

1.3 Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập dat

1.3.1 Tham qua than cống

1.4 Xác định nội dung nghiên cứu _.- oe

CHUONG 2 NGHIEN CUU CAC VAN DE THUY LUC CUA CONG LAY

NƯỚC DƯỚI DAP DANG CONG HỘP 12

2.1.CI

2.1.1 Tính thủy lực cống đài chảy không áp os soo 12

1 26

lộ cháy trong cổng ứng với các trường hợp làm việc khác nhau 12

2.1.2 Tính thủy lực cống đài chảy nữa áp và chảy có áp

Hình 2.12: Sơ đồ tính toán

2.2 Các vấn dé chân không, khí thực và biện pháp phòng, chống 27

2.2.1 Các vin dé về chân không, khí thực +

2.2.2 Biện pháp phòng chống khí thực : -28

2.3 Nồi tiếp và tiêu năng hạ lưu cổng 30 2.4, Kết luận chương 2 $6

CHUONG 3.TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CONG PA KHOANG 37

3.1 Giới thiệu công trình se se 373.2 Mô tả sự cổ ở cống Pa Khoang 3o3.2.1 Biện pháp sửa chữa được thực hiện năm 1992 39 3.2.1 Biện pháp sửa chữa được thực hiện nam 1996 39

3.3 Phân tích chế độ thủy lực trong cổng (tinh với nhiễu MNTL, nhiễu độ mở

Wo 40 3.3.1 Các thông số cơ bản của cống Pa Khoang soe 40

3.3.2 Phân tích chế độ thủy lực của cổng (tính với nhiều mye nước thượng

lưu, nhiều độ mở a) 403.4 Giải pháp xử lý các vẫn đề thủy lực của cổng Pa Khoang 53.4.1 Các số liệu tính toán: „53

3.4.2 Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết “

3.4.3 Tính toán ống thông khí chính 59

3.44 Tính toán dng thông khí xuống bậc thụt ở đáy 603.5 Kết luận chương 3 61

KET LUẬN- KIÊN NGHỊ, 63

1 Các kết qua đạt được của luận văn en 63

2 Một số kiến nghị _ sos 64TÀI LIEU THAM KHẢO, 65

PHU LUC -66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đỗ cổng ngằm chảy không áp

Hình 2.2: Dòng chảy qua cổng với các độ đài cổng khác nhau

Hình 2.3: Dòng chảy qua cống với mực nước hạ lưu thay đồi

Hình 2.4: Sơ đỏ cổng chảy có áp khi hy >d

Hình 2.5: Sơ đồ cống chảy nửa áp khi hy > d

Hình 2.6: Sơ đồ công chảy nửa áp trường hợp hy < đ, i > ix

Hình 2.7: Trường hợp 0 <i < ix, dòng chảy trong cổng là dòng xiết

Hình 2.8: Trường hợp 0 <i < ix, trong cống có nước nhảy

Hình 2.9: Sơ đồ cống chảy có áp trường hợp 0 <i < ix

Hình 2.10: Xác định vị trí nước nhảy trong cống

Hình 2.11 Lưu đồ tính toán

xác định trạng thái chảy

trong cổng ứng với mực

nước thượng lưu (H)

Hình 2.13: Sơ đồ tinh toán bể tiêu năng sau cống

Hình 2.14: Lưu đồ tính toán bể tiêu năng,

Hình 3: Sơ đồ xác định vị tí nước nhảy trong cổng ứng với mực nước thượnglưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 45

DANH MỤC CÁC BANG BIEU

Bang 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thể giới

Bang 1.2: Số lượng các hỗ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam

Bang 1.3: Các cống đã được xây dựng qua các thời kỳ ai ĐÓ

Bang 1.4: Kích thước hành lang của một số công

Bang 1.5: Ứng suất nền tại day tháp cổng trường hợp mới thi công xong 10

Bảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập 10

Bảng 3.1: Đường nước ding trong cổng ứng với mực nước thượng lưu

3

ng ứng với mực nước thượng lưu.

là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết ké

Bảng 32: Bang tính h, và h, trong

là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết ké 4dBang 3.3: Đường nước ha bị trong cổng ứng với mực nước thượng lưu — làMNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 44

Bảng 3.4: Đường mực nước trong cống ứng với mye nước thượng lưu — là

MNC, cửa công mở hoàn toàn 47Bang 3.5: Kết quả tổng hợp các trường hợp tính ton 22-48

MỞ DAU

Tinh cấp thiết của đề tài

Cổng là một loại công trình thủy lợi chủ yếu để điều tiết mực nước và

khống chế lưu lượng Cống thường được xây dựng tại các đầu mối công trình.thủy lợi như hỗ chứa nước, đê, đập hoặc trên những hệ thống tưới tiêu, phân

10, ngăn mặn,

Hồ chứa nước là loại hình công trình thủy lợi phổ biến nhất nước ta

hiện nay Tính đến nay nước ta đã xây dựng hơn 4000 hỗ chứa nước loại vừa

và lớn, hang van hồ loại nhỏ, kèm theo chúng là hing vạn cổng lay nước dưới

đập Cống lấy nước ở trong công trình đầu mối thủy lợi hồ chứa nước làm.nhiệm vụ dẫn nước phục vụ tưới cho nông nghiệp, công nghiệp, cắp nước cho.thủy điện, sinh hoạt Tuyệt đại đa số các công dưới đập đã được thiết kế theo.chế độ thủy lực chảy không áp, trừ một số trường hợp là chảy có áp dé phục

vụ phát điện hoặc mục đích riêng Hàng năm có nhiều cống phải sửa chữa với

nhiều nguyên nhân hư hong khác nhau như thắm qua thân cống, thân cổng bịmục, hỏng ống phá chân không, hỏng khớp nối, hỏng sân tiêu năng, cổng bị

lún, hỏng thiết bị đóng mở, Trong đó nguyên nhân dẫn đến hư hỏng cống do.chế độ thủy lực trong cổng gây ra chiếm một ty lệ không nhỏ, điển hình là các

cổng Suéi Hai (Ha Nội), Pa Khoang (Điện Biên), Yên Lập (Quảng Ninh), Núi Một (Bình Định),

Nước ta có hàng ngắn km đê ông, dé biển, qua dé có hàng chục ngàncổng lấy nước từ sông vào đồng hoặc cổng tiêu tử đồng ra sông hoặc biển.Cổng là công trình quan trọng trong hệ thống dé biển, đê cửa sông, cổng có

vai trò tông hợp lấy phủ sa, cap nước, ngăn triều, kiểm soát mặn, giữ ngọt,tiêu thoát nước, x6 phêa Đê sông, đê biển là những tuyến đê xung để bảo

vệ sản xuất va đời sống của nhân dân trong một vùng rộng lớn ven sông, ven

biển, góp phần quan trọng trong việc bảo vệ phát triển và én định sản xuất,

đời sống nhân dân và an ninh quốc phòng Như vậy, việc đảm bảo én định

của dé và các cổng dưới dé là rất quan trọng Hiện nay vấn đề thiết kế cống

dưới đê còn có nhiều khó khăn, bắt cập, đặc biệt là trong tinh toán thay lực đểlựa chọn hình thức kết cấu, xác định chiều rộng cống phủ hợp Đây là mộtvấn để rất khó khăn phức tạp vì nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tổ như địa

hình, thủy lực, mục đích sử dụng, môi trường,

Vi vậy việc nghiên cứu các vấn dé thủy lực của cống lấy nước là hết

sire cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, nó hướng tới sự hợp lý về hình thức, kếtcấu, cách bó trí các bộ phận công, của các loại công qua dé, đập vật liệu địa

phương, nhằm hạn chế đến mức tối đa những rủi ro có thẻ xảy ra trong quá

trình khai thác, quản lý vận hành công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

= Đối tượng nghiên cứu: Các van đề thủy lực của cống: chế độ chảy,vấn đề về chân không, khí thực, tiêu năng s tu cổng,

- Phạm vi nghiên cứu: Các cổng lấy nước dưới đập dạng cổng hộp có.van ở phía thượng lưu Tinh tn cụ thể cho cổng Pa Khoang (Điện Biên)

Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

~ Thu thập tài liệu, điều tra, đánh giá thực địa nhằm đánh giá tình hình,

nguyên nhân hư hỏng của các cổng lấy nước dưới thân đập.

= Kết hợp các vấn đề lý thuyết, vận dụng tính toán, phân tích tng hợp.

để đề xuất giải pháp xử lý sự cổ công trình do các vẫn đề thay lực của cốnggây ra

Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan vẻ hồ chứa và cống lấy nước

Chương 2: Nghiên cứu các vấn dé thủy lực của cống lấy nước dưới đập

dạng cổng hộp

Chương 3: Tính toán áp dụng cho cống Pa Khoang

Kết luận - Kiến nghị

'CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE HO CHỨA VÀ CONG LAY NƯỚC:1.1 Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước

Theo thống kê của các tô chức Quốc tế vẻ an toàn các đập lớn trên thégiới, kế từ năm 1950 trở lại đây tốc độ xây dựng các đập và hỗ chứa ngàycảng lớn, do yêu cầu ngày cảng nhiều về nguồn nước phục vụ cho sinh hoạtcủa người dân và các nhu cầu dùng nước của các ngành sản xuất nông nghiệp

ngư nghiệp, công nghiệp, phát điện,

Số lượng xây dựng các đập ngày càng nhiều, chiều cao các đập ngày cảng lớn do sự trợ giúp mạnh của khoa học kỹ thuật nên tính an toàn của đập

ngày cảng được nâng cao Trong số các đập được xây dựng thì loại đập đất làphô biến nhất và ngày càng có xu hướng phát triển Ở Mỹ, nếu tinh từ năm

1963 trở lại đây thì đập vật liệu địa phương trong đó chủ yếu là đập đấtchiếm 75% trong toàn bộ các đập được xây dựng Ở Canada, cũng trong thờigian đó chỉ xây dựng một đập bê tông duy nhất, còn lại là đập vật liệu địa

phương Ở Anh, trước năm 1964 đập bằng vật liệu địa phương chỉ chiếm 4%,

mà từ năm 1964 trở lại đây đập vật liệu địa phương đã chiếm 67% Ở các nước Liên Xô cũ và Trung Quốc, đập vật liệu địa phương hiện đang phát triển

mạnh Ta có bảng thống kê những đập đất cao hơn 100m đã được xây dựng.trên thé giới hiện nay (Bang 1.1)

Ở Việt Nam, theo thống kê trên cả nước, có 41 tỉnh thành có hồ chứanước Các tinh có số lượng hồ nhiều nhất là Nghệ An (249 hd), Hà Tĩnh (166

hồ), Thanh Hóa (123 hồ), Phú Tho (96 hồ), Bình Định (108 hồ), Đắc Lắc

9116 hồ), Vĩnh Phúc (96 hò) Trước kia hồ chứa ở Việt Nam chủ yếu là các

hồ chứa phục vụ tưới, ngày nay phát triển mạnh nhiều hé chứa thủy điện.Bảng thống kê hỗ chứa xây dung ở Việt Nam (Bang 1.2)

Bảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới+ Ten đập “Tên nước Chiều cao | Chiều đài

1.2 Cổng lấy nước đưới đập

Tit cả các đập được xây dựng bằng vật liệu địa phương kể trên đều có

xây dựng các công dưới đập, Công lấy nước dưới đê, đập có nhiệm vụ lấynước từ sông, hd để phục vụ các mục dich dùng nước khác nhau như tướiruộng, cắp nước dân dụng, công nghiệp hay phát điện

Tinh đến nay các hồ chứa được xây dựng đã lên đến hang van, số lượng.cống dưới đập cũng tương tự Theo Báo cáo tổng kết thiết kế cống dưới

đập[1] nghiên cứu 498 cống thuộc diện quản lý của các Công ty quản lý khai

thác công trình thủy lợi (Công ty thủy nông), số lượng các cống được thống

kế theo thời gian trong bảng 1.3.

Bảng 1.3: Các cống đã được iy dựng qua các thời kỳ

Số lượng cống

TT | Thờigianxây dựng

Cái Tỷ lệ (%) Trước năm 1960 5 1

tròn, công vòm, hộp; Theo biện pháp thi công xây dựng: cổng lip ghép,cổng đỗ tại chỗ; Theo vật liệu: Cống xây bằng gạch, đá, công bằng bê tông

cốt thép, dng thép, cổng bê tông ống thép bao gồm ống thép ở trong, phíangoài bọc bằng bê tông cốt thép

Có hai cách bé trí cống ngầm: trực tiếp đặt cống trên nền hoặc đặt trong

hành lang bằng bê tông cốt thép Cách bé trí thứ nhất cần vốn đầu tư ít nhưng.

kiểm tra, sửa chữa khó khăn Nếu khớp nồi giữa hai đoạn ống cổng không tối,

448 nước rò rỉ sẽ ảnh hưởng nguy hiểm đến an toàn đập Khi tháo nước với lưu

lượng lớn, tại các chỗ nối tiếp hoặc kẽ nứt sẽ hình thành chân không, có thể

hút các hạt đất ở thân đập vào cống, làm cho đập bị trụt và lún Vì vậy chỉ có.nền đá mới dùng loại này và thường đặt một phan hoặc toàn bộ đường ống &trong nền Cách bố trí thứ hai tương đối an toàn và đảm bảo kiểm tra, sửa

chữa đễ dàng Nếu dùng hành lang để dẫn dòng thi công thì hình thức bố trínày cảng hợp lý Trên nền không phải là đá, nền xấu thường dùng hình thức

này Các cống được xây dựng ở Việt Nam đại bộ phận không có hành lang.Trong số 498 cổng được xây dựng mà các Công ty quản lý khai thác công.trình thủy lợi quan lý, có 491 cổng không có hành lang (chiếm 98.6%), 06cống đặt trong hành lang (chiếm 1,2%) và 01 cống có hành lang trên trần.cổng (chiếm 0.2%) Đối với các cống có hành lang thì kích thước của các

hành lang đã thiết kế và xây dựng được trình bày trong bảng 1.4 [1]

Bang 1.4: Kích thước hành lang của một số cống.

Lưu lượng | ch HƯỚC kích thước | Chiều đài

an cổ Mahe” | lông ốngsau SS A

Têncống | thiếtkế | MESES anh fang | hành lang

Núi Cốc 15 BICT M200 | rer Mao0 80

day day 20em

Núi Một 8.1 BTCT M200 | BTCTM200 | 12880

day 30em_— diy 30cm

Những hư hỏng thường gặp ở cổng lấy nước dưới đập đắt

tra và khảo sát của Cục QLN&CTTL (báo cáo năm Theo kết quả

1993) [1] những hư hỏng phé biến ở công đưới đập như sau

1.3.1 Thắm qua thân công

Hiu hết các cống dưới đập đều bị thắm qua thân cổng, trin bị đột, Có

cống bị thấm rất nghiêm trọng Việc sửa chữa vừa khó khan, vừa kém hiệu.quả Nguyên nhân của hiện tượng nảy là do các cống ngầm dưới đập có chênh.lệch cột nước ở hai phía của thành công lớn, dẫn đến gradien thấm lớn Khi

gradien thấm lớn hơn gradien thắm cho phép của lớp bêtông thân cống, dòng.

thấm sẽ xuyên qua lớp bê tông, thường gây tiết vôi, gây giảm chất lượng của

bê tong.

1.3.2 Thân cống bị mục:

Nguyên nhân gây ra hiện tượng thân cống bị mục là do tác động củathời gian làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu thân cống Mặt khác, nướctrong cổng có tính chất xâm thực và ăn mòn, có tác dụng hoá học với lớp vữa

bê tông gây thoái hóa bê tông.

1.3.3 Tắm đáy bị xói tróc

Do trong quá trình thi công hoặc vận hành, trên đáy cổng xuất hiệnnhững chỗ lồi lõm cục bộ hoặc do các khoang cống lún không đều, khi dòng.nước có vận tốc lớn chảy trong cống sẽ gây nên hiện tượng khí thực, làm.bong tróc bê tông đáy cống

1.3.4 Hong khóp noi

Đa số các cổng bị hỏng khớp nồi, đồng thời vi

vừa rất khó khăn, vừa kém hiệu quả

1.3.5 Hong sân tiêu năng

Nguyên nhân do việc thiết kế tiêu năng không hợp lý hoặc nhiều công.trình chỉ làm tiêu năng theo cấu tạo ma không tính toán Nên trong quá trìnhvận hành, khi có dòng xiết chảy ra khỏi công sẽ dẫn tới việc phá hỏng sân tiêu

năng

1.3.6 Cắng bị lún

Nhiều đồ án thiết kế không tính đến ứng it nền cổng, có thể là do

người thiết kể cho là cổng nhỏ, đặp không cao lắm, ti trọng trên cổng nhỏ

‘Ung suất mặt nền ở một số cống điển hình được trình bay ở bang 1.5[1]

Bảng 1.5: Ứng suất nền tại đầy tháp cống trường hợp mới thi công xong

TT Tên công ma (kgÍemẺ) | đmmVGmn

1 1.10 127

2 1.95 238

3 3.87 1,63 237

4 229 2.10 1.09

1.3.7 Cita cống không kin nước

‘Do khi thiết kế cấu tao cửa van không chuẩn hoặc trong quá trình van

hành, bin cát chen vào phần tiếp giáp giữa cửa van và thành cống dẫn đếncao su chắn nước ở cửa van không ép sát được vào thành cổng gây rò rỉ nước,

1.3.8 Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng

Nguyên nhân là do trong quá trình vận hanh cửa van không thường xuyên được duy tu, bảo dưỡng.

Tình hình phân bố hư hong cổng được trình bay theo bảng 1.6 [1]

Bang 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập

Số TT Các loại hư hỏng công, lượng (cái) | Tỷlệ(%)

1 ‘Tham qua thân cổng 14 18.18

1.4 Xác định nội dung nghiên cứu

Như trên đã cho thấy cổng lấy nước dưới đập bị hư hỏng do nhiều

nguyên nhân, trong đó có các nguyên nhân liên quan đến chế độ thủy lựctrong cổng Vi vậy trong luận van này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu về các vin

dé thủy lực của cống dưới đập và giải pháp xử lý Các nghiên cứu được giới

~ Về nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu cống

- Tính toán áp dung cho công trình thực tế,

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VAN ĐÈ THỦY LỰC CUA CONG

LAY NƯỚC DƯỚI DAP DẠNG CONG HỘP

2.1 Chế độ chảy trong cống ứng với các trường hợp làm việc khác nhau

Dòng chảy trong cống ngầm có thể có ba hình thức sau đây:

~ Khi tim chắn cửa cống kéo lên khỏi mặt nước thượng lưu, mặt nước.trước cống và trong cống đều thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy trong cống

là không áp

- Khi dòng chảy day mặt cắt cổng thì chế độ cháy là có áp

= Khi mực nước thượng lưu ngập đỉnh công nhưng dòng chảy sau cửa

cống vẫn còn thấp hơn đinh cống, có mặt thoáng, thì trong cống có hai chế

.độ chày, phần trước là có áp, còn phần sau không áp Trường hợp này gọi là cổng chảy bán áp

Khi tính toán thủy lực cống ngầm cần xác định trước những điều kiện

- Xác định lưu lượng, mực nước thượng, hạ lưu tương ứng trong trưởng,

hợp bắt lợi nhất

- Phân biệt được công dài hay cống ngắn, thường công ngầm đặt dướiđập đất, đá để lấy nước từ hồ chứa đều thuộc cống dài Cống dài là cống có.chiều dai, sức cản dọc đường có tác dụng ảnh hưởng đến năng lực dẫn nước.của cổng

- Xác định chế độ đông chảy trong cống: có áp hay không áp, chảy ngập hay chảy tự do.

2.1.1 Tinh thủy lực cổng dài cháy không áp

Cống ngầm chảy không áp có mực nước thượng hạ lưu thấp hơn đỉnhcống và cửa cổng kéo lên khỏi mặt nước (hình 2.1)

Hình 2 sơ đồ cống ngầm chảy không áp.

Gọi chiều dai cổng là L:

Với cống ngắn, L < (§ + 10), có th coi công như một đập tin định

rộng, không cần xét ảnh hưởng của chiều dai, độ nhám và độ dốc thân cống

Với cống dài, L > (8 + 10)H, do ảnh hưởng của sức cản trên thân cống,dong chảy trong cống thực chất là một dòng không đều trên một đoạn kênh;

lite đó không phải đơn thuần độ sâu thượng hạ lưu quyết định hình thức chảy,

ma còn do chiều dai, độ nhám và độ đốc của cống quyết định Trong trường

hợp đó, về phương diện thủy lực, phải coi cống như một đập trin đỉnh rộngnối tiếp với một đoạn kênh để xét Nhiễu cổng dưới đẻ, đập, dưới đườngthuộc loại này.

Để phân biệt cống đài và công ngắn có thé lay con số phân giới kháiquát bằng [2]: Ly =(8 + 10)H

Một cách chính xác hơn, người ta coi là cống dài nếu trong cống (đoạn

sau cửa vào) xuất hiện nước nhảy sóng ngay cả khi độ sâu hạ lưu ở cửa ra nhỏ hơn độ sâu phân giới: hy < hụ.

Ta xét một cống có đáy nằm ngang hoặc rit ít đốc (0 < i < i) có độngập sâu hạ lưu h, < hy Nếu cổng ngắn (hình 2.2a) dòng chảy qua cửa vào.đến mat cắt (C-C) có độ sâu he = k’ ~ Hạ, tiếp theo đó là đoạn chảy xiết có.đường mặt nước CD đến gin cửa ra, tại mặt cắt (D-D) có độ sâu họ rồi đỏ

xuống ha lưu,

Đường mặt nước CD là đường nước dâng kiễu cy hoặc c; có:

he <hp <hy

‘Than cống càng dai, độ sâu cảng lớn, cho đến trang thái phân giới là khi họ

= hy, lúc đỏng chảy xiết vừa ra khỏi cổng thì cũng là lúc năng lượng đạt đến trị

số nhỏ nhất (hình 2.2b).

Nếu cổng dài hơn nữa, dòng chảy không đủ năng lượng để duy trì chế

độ chảy xiết trên toàn bộ chiều dài cổng, do đó phải qua nước nhảy để chuyển

thành chảy êm (hình 2.26).

Khi đã có nước nhảy trong công thì hiện tượng thủy lực trở thành phứctạp hơn và chi cần độ sâu hạ lưu lớn hơn một it nữa là nước nhảy sẽ làm ngập.mặt cắt co hẹp (nước nhay ngập) va công trở thành chảy ngập (hình 2.24)

Hình 2.2: Dòng chiy qua cổng với các độ đài cống khác nhau

Vay, chiều dai quá độ Ly giữa cổng ngắn và cổng dai là chiễu dai saocho đường nước dâng chảy xiết trong cống có độ sâu ở cuối cống (mặt cắt D-D) vừa đúng bằng độ sâu phân giới (hp = hy) Trị số Ly đó có thé tính bằng:

i let lạ, + hes can)

từ cửa ra (mặt cắt D-D) tại đó đã biết độ sâu là họ, tính ngược lên thượng lưu

để tìm độ sâu h, tại mặt cắt (C-C) ở đầu cổng, rồi coi độ sâu ấy là độ sâu hạlưu của đập tràn,

Độ sâu họ ở cửa ra lấy như sau: hp = hy nếu hy < hy

họ=h¿~z; néuhy > hy

Trong đó: z; là độ cao hồi phục

là hy Sau khi tinh được độ sâu h,, đem h, so sánh với chỉ tiêu ngập (h,),;

"Nếu hy < (h)pg, công làm việc như đập tran đỉnh rộng chảy không ngập Lưu lượng qua cổng được tinh theo công thức:

Q=0.oJ2s0r 0-4)

Nếu h, > (h,),„ thi tính cống như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập có độ

xâu trên đỉnh là h, = hy, Lưu lượng qua cống được tính như sau:

Q=6,.6.2g01, =H) (5)

Xem các hình (2.2) và (2.3), ta thấy cống dài với i < i, có thể là chấy ngập dù mực nước ở hạ lưu (cửa ra) còn rất thấp Ngược lại, cổng dai có i > ix lại có thể là chảy không ngập dù mực nước hạ lưu ở cửa ra đã cao quá chỉ tiêu ngập của đập tràn đỉnh rộng.

2.1.2 Tính thấy lực cống dài chảy nica áp và chay có áp

3.1.2.1 Điều kiện chảy nửa áp và có dp

‘Cho một cổng có mực nước thượng lưu ngập đỉnh cống, ta cần xác địnhkhi nảo cống chảy nửa áp, khi nào công chảy có áp Điều nay hết sức quantrong, không những vì hai chế độ chảy đó có công thức tính toán khác nhau

mà còn vì mỗi chế độ cháy lại đề ra những điều kiện làm việc khác nhau chocông trình về nhiễu mặt: ôn định, chống chắn động, chống thắm,

Nguyên tắc xác định chế độ chảy có áp hay nửa áp là vẽ đường mat

nước trong một lòng cống không có trần tương ứng Nếu đường mặt nước đó.

vượt quá trần cổng thi cổng chảy có áp, nếu không là chảy nữa áp

L: chiều dài công, tính từ cửa cổng đến cửa ra;

las: khoảng cách từ cửa cổng đến mặt cắt (C-C), có thể lấy theo công.thức kinh nghiệm: lạ, = 14a

hh: Độ sâu tai mặt cắt co hep (C-C), tính như cổng hở: he

Hệ số co hẹp e đối với cổng chữ nhật, lấy theo bảng Giucốpski

(i)

Đối với cống có mặt cất không phải chữ nhật, thì hiện nay chưacónhiều tải kiệu nghiên cứu chính xác, nên cũng có thé lấy gần đúng như.cống có mặt cắt chữ nhật

Phân tích hiện tượng chảy để xác định chế độ chảy có áp hay nửa áp trong các trường hợp dưới đây:

* Dé sâu ha lưu ở cửa ra cao hơn đình công: h, > d

Nói chung là chảy có áp, khi đó cửa ra bị ngập (hình 2.4).

Chỉ là chảy nửa áp trong trường hợp cống ngắn và cột nước H lớn,

dong nước chảy xiết phóng xa ra ngoài cửa cổng (hình 2.5), độ sâu ở cửa ra là

lụ < h, và độ sâu liên hiệp với hy là hỉ, lớn hơn độ sâu hạ lưu h, : hy > hn

šơ đồ cống chảy nửa áp khi hạ > d

* Đồ sâu hạ lưu thập hon định cóng: lụ < d

- Trường hop i > i

"Nói chung là chảy nửa áp, dòng chảy sau mặt cắt co hẹp sẽ theo đường nước dâng cụ (hình 2.6).

Chỉ là có áp khi đường nước ding cy về đến cuối ống tại mặt cắt (r-1)

có độ sâu h, lớn hơn chiều cao công: d < h,

Hình 2.6: Sơ đồ cống chảy nửa áp trường hợp h„< , ï > iy

- Trường hợp 0 <i <ix

Cống chảy nửa áp trong hai trưởng hợp:

+ Không có nước nhảy trong cống, dòng chảy trong cống là hoàn toàn

chảy xiết theo đường ¢; hoặc cụ (hình 2.7)

+ Có nước nhảy trong công nhưng độ sâu sau nước nhảy vẫn thấp honđình cống h < d (hình 2.8)

Hình 2.8: Trường hợp 0 <i < iy, trong cống có nước nhảy

Cổng chảy có áp nếu có nước nhảy trong cống có độ sâu sau nước nhảy

cao hon đỉnh ống (hình 2.9) (Nước nhảy nói đây là nước nhảy có thé xảy ratrong một cong không có tran tương ứng, chứ thực tế khi đã có nước chảy có

áp thì không có nước nhảy nữa).

Hình 2.9: Sơ đồ cống chảy có áp trường hợp 0 < ¡ <i,

Muốn xác định chế độ chảy trong cống có i < i, cần xác định vị tri nước

cửa ra, có độ sâu h, Độ sâu h, lay như sau:

h,=h, khi hy > hy

khi: hy <hy

Tir đó, ta có cách xác định vị trí nước may như sau:

Lai đường (e-e) về phía hạ lưu một đoạn bằng chiều dài nước nhảytương ứng với từng độ sâu h` được đường (f-f) Vẽ đường bạ (hoặc by) bắt đầu

từ cửa cuối có độ sâu h, và vẽ ngược trở lên

Đường b, cắt đường (E0) tại điểm có độ sâu h'” Đó chính là độ sâu sau

nước nhảy có thể xảy ra trong cổng,

Nếu h` < d thì cống chảy nữa áp, mặt cắt (2-2) chính là vị trí thực tế

của mặt cất sau nước nhảy

Nếu h” > d thi cống chảy có áp (thực tế không có nước nhảy nữa)

Trường hợp này thường gặp hơn.

Trong thiết kế, để xác định trạng thái chảy trong cổng đề nghị quy

trình tính toán cho mỗi mực nước thượng lưu cống như sau:

- Giả thiết độ mở cổng a

- Tính toán lưu lượng tháo tương ứng với Q, độ sâu co hep sau van he,

độ sâu hạ lưu hy, độ sâu ngập ở cửa ra cống hụ, độ sâu phân giới hy

- Vẽ đường nước dang c (từ mặt cắt co hẹp C-C), tìm chiều dai phân

giới Ly, độ sâu h, (L<L2)

~ Nước nhảy sẽ không xảy ra trong cổng nếu thỏa mãn đồng thời hai

điều kiện:

Lek,

h, <P, Co)

Trong đó:

hủ; Độ sâu liên hiệp với hụ;

Chénh lệch cao độ đáy cửa ra cổng với đáy kênh hạ lưu

Nếu một trong hai điều kiện ở (2-5) không thỏa mãn thì sẽ có nước.

nhảy trong cống Khi đó cn tìm vị tri nước nhảy bằng cách vẽ các đường e-e,

Ff, by Từ giao điểm các đường bị với Ff sẽ xác định được mặt cắt sau nướcnhảy và trị số hỶ tương ứng

- Nếu h < d thì kết luận là nước chảy không áp sau van; trường hop

ngược lại là chảy có áp.

~ Tiếp tục chuyển sang độ mở khác

Lưu đồ tính toán được để nghị trên hình 2.11

2.1.2.2 Công thức tính công ngầm chảy nửa áp và có áp

* Chay nửa áp

Công chảy nửa áp tính như công hở:

Chay không ngập: Q = 9 ø, j2g(H, =b,) G7)Chay ngập: Q = 0 (28H, =h,) (28)

Khi tính h, độ sâu dòng chảy ở hạ lưu cống hy, phải lấy bằng độ sâu hytại mặt cắt (C-C) của dòng không đều trong cống Độ sâu h, được xác định.bằng cách vẽ và tính đường mặt nước từ cửa ngược lên đến mặt cắt (C-C),

biết độ sâu ở cửa ra lả:

hy=hy khi: hy <hy

hoặc: hy =hy khi: hy > hy,

Trường hợp cổng chảy nữa áp ma chảy ngập ít gặp vì khi đã có nước

nhảy ngập trong thì thường là chảy có áp.

Véi z là chênh lệch mye nước thượng hạ lưu ngập quá + chiễu cao cửa

ra (hình 2.13a) và là cột nước thượng lưu so với tâm cửa ra nếu mực nước hạ

ưu thấp hơn + chiều cao của ra (hình 2.12b).

Hình 2.12: Sơ đồ tinh toán cống ngằm chảy có áp

Vay công thức trên có thé viết thành:

áp, Trên thực tế các cống này phải làm việc ở chế độ dao động mục nước.trong hỗ rất lớn, nên phải có cửa van để điều chỉnh theo yêu cầu

Theo kết quả kiểm tra thủy lực của các cổng Pa Khoang, Suối Hai, NúiMột, nhận thấy khả năng ly nước của các cống như sau:

~ Nếu lấy đủ lưu lượng thiết kế, khi mực nước hồ ở MNDBT, độ mở

cửa cổng chỉ bằng 15 ~ 20% chiều cao cửa Ở chế độ nảy gây ra đồng chảyxiết với lưu tốc rất lớn (10 = 15 m/s) hoặc cao hơn, hiện tượng khí thực và

chân không xuất hiện trong lòng cống ở đoạn sau cửa van Đây là nguyên.nhân trực tiếp gây hư hỏng thân cổng và khớp nồi trong đoạn nay

~ Nếu không khống chế được độ mở cửa van, thì lưu lượng qua cốngtăng từ 2,5 đến gần 5 lần lưu lượng thiết kế, có thẻ dẫn đến nguy cơ phá hoại

thân cổng do làm việc trong chế độ bán áp không én định

'Trong những năm gần đây, xu thé lựa chọn chế độ chảy có áp bắt đầu

phổ biển Thực tế vận hành có kha quan hơn, đặc biệt là giảm hư hỏng đáng

kể Phân loại công theo chế độ thủy lực được trình bay trong bang 2.1

Bảng 2.1 Phân loại cống ngầm theo chế độ thủy lực

không khí sẽ xâm nhập vào ding nước qua vùng xoáy cuộn của nước nhảy,

Ất tại mặt cắt sau cửa van, Khi áp suất trong dòng chảy giảmlàm giảm áp sĩ

xuống dưới ép suất giới hạn sé xuất hiện hàng loạt bong bóng hơi nước ở điềukiện nhiệt độ bình thường, gọi là hiện tượng khí hóa Nếu mức độ khí hóa đã

mạnh va duy trì trong một thời gian đủ dài thi vật liệu thành cống sẽ bi bong

tróc, hư hỏng, đó là hiện tượng khí thực.

Đối với thành lòng dẫn bằng vật liệu bê tông thì sự phá hoại do khí thực

chủ yéu là tác động cơ học Các bong bóng khí được hình thành tập trungtrong vùng hạ áp sẽ được dòng chảy cuốn theo đến vùng có áp suất cao hon,chúng bị ép mạnh từ mọi phía và bị tiêu hủy Nếu sự tiêu shủy này xảy ra đồndập ở gần bề mặt lòng din thì sẽ tạo một xung lực lớn và lặp lại nhiều lần làm

cho vật liệu bị mỏi, din đến bong rời Đối với vật liệu bằng kim loại thinguyên nhân gây khí thực ngoài tác động cơ học còn có các yếu tố khác như

ăn mòn hóa học, hiệu ứng nhiệt,

'Khí thực thường phá hoại bề mặt lòng dẫn trong một phạm vi nhất định

thực Một số giải pháp thường được áp dụng:

2.2.2.1 Giới hạn khí hoá dòng chảy ở giai đoạn dau

Trong thiết ké, giải pháp an toàn nhất là khống chế không cho phát sinhkhí hóa, đảm bảo điều kiện K > Ky, bằng cách tăng độ thoải của tường biên

công trình để giảm trị số Kp, hoặc tăng kích thước lòng dẫn dé giảm lưu tốc.tức thời làm tăng trị số của hệ số khí hóa thực tế K Các biện pháp nêu trên.đều dẫn đến làm tăng kích thước công trình Một số trường hợp biện pháp này

lả không thé vì nó ảnh hưởng đến công trình liễn kể

Để tránh gia tăng quá nhiều kích thước cho công trình mà vẫn đảm bảo

an toàn về khí thực có thé chấp nhận khí hóa ở giai đoạn đầu vì ở giai đoạn

này, khả năng xâm thực là rất nhỏ.

2.2.2.2 Lựa chọn vật liệu theo độ bên khí thực

'Với một dòng chảy có đường biên xác định, khả năng xâm thực phụ.

thuộc vào độ bền của vật liệu lòng dẫn Sự phá hoại bé mặt lòng dẫn chỉ xảy

ra khi hội tụ đầy đủ các điều kiện:

= Có khí hóa đủ mạnh và duy trì trong thời gian đủ đài

- Có lưu tốc đặc trưng Vor > Vụ

Vi vậy trong trường hợp đường biên công trình không di thoải, không

thể tránh khỏi khí hóa thì có thé chọn vật liệu có độ bền cao dé gia cổ các vị

trí có thé phát sinh khí thực nếu đùng vật liệu thông thường.

‘Vi dụ như sử dụng bê tông mác cao hon để gia cổ tại những khu vực dựbáo có khí hóa Chú ý mặt nồi tiếp giữa các vật liệu khác nhau phải xử lý thật

phẳng, nhẫn để tránh tạo ra nguồn phát sinh khí hóa mới

Ở một số công trình trên thé giới, người ta xử lý chống khi thực bằng

cách bọc thép tắm vào vị trí dự báo có khí hóa Tuy nhiên, khả năng thành.công bj hạn chế do các nguyên nhân;

~ Mặt tiếp giáp giữa tắm thép và khối bé tông không tránh khỏi vết nút

và đây là nguồn phát sinh khí hóa dẫn đến phá hoại phần bê tông phía hạ lưu.tắm thép

= Do mạch động mãnh liệt tại khu vực khí hóa làm giật đứt các chân

cắm, dẫn đến bong roi tắm thép

2.2.2.3 Dẫn không khí vào miễn hạ áp

Các thí nghiệm trong phòng cũng như quan trắc hiện trường đã xácnhận rằng khi lớp dòng chảy sát thành có ham khí thì khả năng xâm thực lòngdẫn giảm hắn hoặc bị triệt tiêu hoàn toàn

Đối với cống dưới sâu, buồng van là nơi có nhiều bộ phận có đường

biên không thuận (khe van, bậc thut, đầu trụ ) nên dé phát sinh khí hóa Vivậy ta phải bố trí bộ phận tiếp khi vào buồng van

~ Tiếp khí vào khoảng không phía trên dòng chảy thông qua ống dẫnkhí chính (giếng thông khí) Đây là loại đường tiếp khí đơn giản và phổ biến.nhất Cửa ra của ống dẫn khí chính đặt ở trằn đoạn đường dẫn nước ngay sau.cửa van, còn cửa vào của nó đặt cao hơn mực nước kiếm tra của hỗ và tai cửa

vào có bổ trí lưới chấn để bảo vệ

- Tiếp khí vào các vị trí có tách đồng trong buồng van như khe van, bảnkhe, ngưỡng đáy, bậc thụt ( là những vị trí dé bị khí thực mht)

2.2.2.4 Dẫn nước vào vùng hạ áp

'Việc din nước vào vùng đạt chân không lớn nhất ở các mé tiêu năng cótác dụng giảm trị số Kạ„ của mồ và ngăn ngừa khả năng khí thực

2.2.2.5 Nâng cao chất lượng thi công

Khi thi công bề mặt lòng dẫn của công trình tháo nước, nhất là ở những

bộ phận có dng chảy lưu tốc in đặc biệt chú ý chất lượng bé mặt công, trình:

liệu lớn nhô ra, các chỗ lõm cục bộ,

N ip và tiêu năng hạ lưu cống

'Việc giải quyết vấn dé tiêu năng, tức tiêu hao năng lượng thừa ma dongchảy mang theo nó từ thượng lưu qua cổng xuống hạ lưu là một trong những

giai đoạn quan trọng nhất trong tính toán thủy lực công trình.

Ta bi ring với việc xây dựng đập trên sông mực nước ở thượng lưucông trình sẽ dâng lên so với lúc trước, vì vậy, thé năng của dòng nước

thượng lưu cũng tăng lên Khi dòng nước từ thượng lưu đổ xuống hạ lưu,phan lớn thé năng nay biến thành động năng, dòng chảy ngay sau cửa ra cống

có lưu tốc tăng lên đột ngột, thường lớn hơn nhiều so với lưu tốc dòng chảy ở

trạng thái tự nhiên Bởi vậy, ngay sau cổng lòng dẫn có thể bị xói lở nghiêmtrọng, ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình.

Vige tạo nên chế độ cháy mặt - day ở hạ lưu cống kim cho việc gia cốlòng dẫn hạ lưu được giám nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn

hạ lưu vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại dat Đặc biệt, nêu hình

thức nối tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưukhông phải là đá thì vấn để tiêu năng cảng trở nên quan trọng hơn Trường

hợp này, ngay cả với một số loại đá như đá vôi, đô-lô-mít và những đá yếu

cũng vẫn có thể bị xói

Nếu trong phạm vi công trình, động năng thừa không được tiêu hao

hoàn toàn và nếu lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thi ngay sau công trình

sẽ hình thành phéu xói Qua tải liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng.chiều sâu của phéu xói có thé đạt đến 2,5H (H là cột nước trên công trình),còn chiều dai có thể biến đổi trong khoảng tử (4 + 6)H Ở nước ta có khá.nhiều công có hiện tượng như thé

Ching han, một cổng lấy nước chỉ với cột nước tương đối bé H = 1,5 +

2m, nhưng sau ba năm khai thác, ở hạ lưu đã hình thành một phéu xói có

chiều sâu h, = 3m = 2H; chiều dai |, = 30m = 20H v.v làm ảnh hưởng đến

sự an toan của công trình.

Động năng thừa còn thể hiện dưới dạng mạch động lưu tốc va mạchđộng áp lực Thường trên một đoạn dai sau công trình, tuy lưu tốc trung bình

đã không lớn lắm, nhưng mạch động còn rất mạnh so với mạch động của

dong chảy bình thường ở hạ lưu và cũng gây ra xói lở trên một đoạn dài Trong trường hợp bài toán không gian, ví dụ khi công trình có nhiều cửanhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại xuất hiện dòng chảy xiên diễn ra trênmột đoạn khá đài.

Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn

bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động

446 cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất,rút ngắn đoạn gia cổ ở hạ lưu công trình

Ta biết rằng nối tiếp ở hạ lưu công trình dưới dạng hình thức chảy diy

có nước nhảy xa là nguy hiểm nhất, vì đoạn ding chảy trước nước nhảy, ở đó

có lưu tốc lớn, rất dai Do đó phải tìm biện pháp làm mắt trang thái chảy đó,

chuyển thành dạng nối tiếp bằng nước nhảy ngập

Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là tiêu năng đáy, tiêu năng phóng xa, tiêu năng, tiêu năng mặt và các hình thức tiêu năng đặc biệtTiêu năng đáy có các hình thức đảo bổ, xây tường hoặc bể tường kết hợp

Đối với cống ngầm lấy nước, hình thức tiêu năng chủ yếu là đảo bể.Khi đó cần tinh toán kích thước của bé tiêu năng ( chiều sâu đào bể dụ, chiều.dai bể Lạ ) để đảm bảo nước nhảy chỉ xảy ra trong phạm vi của bể

“Trường hợp tính toán trang thái chảy trong cổng đã xác định là nướcnhảy xảy ra trong cống thì dòng chảy ở cửa ra cống là dòng êm Khi đó kích

thước bể u năng chỉ cổ chọn theo cấu tao, Còn khi không có nước nhảy trong cổng, nghĩa là đồng chảy duy trì trạng thai xiết đến cửa ra và sẽ nối tiếp

với dòng chảy êm ở hạ lưu thông qua nước nhảy Sơ dé tính toán bể tiêu năng

như trên hình 2.13