46 ch-ơng 10 công trình trên kênh 1 kháI niệm chung và mục đích xây dựng - Trên kênh phải xây dựng các công trình để điều tiết, công trình chuyển tiếp qua vùng địa hình địa chất phức tạp, v-ợt qua ch-ớng ngại Các công trình đó gọi là công trình trên kênh. - Các công trình trên kênh có thể là : cống, xi phông, cầu máng, bậc n-ớc, dốc n-ớc + Khi kênh v-ợt qua đê đập, đ-ờng xá ta có thể xây dựng đ-ờng ống dẫn n-ớc. + Khi kênh v-ợt qua sông, suối, đầm lầy có thể dùng cầu máng, si phông ng-ợc. + Khi kênh đi qua vùng thấm n-ớc mạnh, đầm lầy s-ờn núi có thể dùng hình thức máng bêtông. + Khi kênh đi qua vùng có độ dốc lớn có thể dùng bậc n-ớc hoặc dốc n-ớc. + Khi kênh đi qua vùng eo núi có thể dùng cống tiêu, tràn vào, tràn ra. 2 Đ-ờng ống dẫn n-ớc - Là loại công trình th-ờng thấy khi kênh đi qua một kênh dẫn khác, suối nhỏ hoặc đ-ờng giao thông - Cấu tạo: + ống có thể có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật; + ống có thể đổ bêtông tại chỗ hoặc lắp ghép; + Tuỳ theo điều kiện địa chất và độ dài của toàn bộ ống dẫn mà quyết định bố trí khe lún, tại khe lún phải bố trí vật chống thấm, xung quanh ống có lớp sét chống thấm; + Cửa vào và cửa ra phải cấu tạo thuận dòng. - Tính toán thuỷ lực : Chế độ chảy trong ống dẫn có thể chảy có áp, không áp hoặc bán áp. a. Chảy có áp Muốn dòng chảy trong ống có áp thì cột n-ớc h trên ng-ỡng vào của ống phải thoả mãn điều kiện: h1,75a + 0,3 v 2 2g (11.1) a : đ-ờng kính ống tròn hoặc chiều cao ống vuông. v : vận tốc dòng chảy trong ống. Lúc đó l-u l-ợng chảy qua cống đ-ợc xác định theo công thức (tính theo điều kiện ống ngập): Hình 10.1 47 a) b) c) Hình 10.3 Các kiểu cầu máng Q = à 2g.Z 0 : diện tích mặt cắt ngang của ống. à = 1 i hệ số l-u l-ợng. i = vào + dđ + ra vào = 0,1 ữ 0,5 tuỳ thuộc vào hình dạng cửa vào ra = (1 - v' v ) 2 dđ = . l d đối với ống tròn, dđ = . l 4R không phải ống tròn (R-bán kính thuỷ lực) b. Chảy không áp Trong tr-ờng hợp chảy không áp, chế độ thuỷ lực của ống t-ơng tự nh- đập tràn đỉnh rộng chảy ngập và khả năng tháo đ-ợc xác định theo công thức : Q = b.t. 2g.Z 0 : hệ số co hẹp ngang = 0,75ữ0,90 Z 0 : chênh mực n-ớc ở kênh và trong ống t : chiều cao n-ớc trong ống b : chiều rộng theo của ống : hệ số l-u tốc 2 cầu máng - Khi kênh đi qua vùng địa hình giảm thấp nh- thung lũng, sông suối hoặc một kênh khác thì có thể xây dựng cầu máng để đảm bảo dẫn n-ớc trong kênh. - Cầu máng có thể bằng bêtông cốt thép, ximăng l-ới thép, gỗ - Tr-ờng hợp cầu máng v-ợt qua lòng sông sâu không rộng, n-ớc chảy lại khá xiết, nếu địa chất hai bờ tốt có thể dùng hình thức rầm liên tục và các trụ đỡ tựa lên một vòng vòm (hình 10.3a); tr-ờng hợp địa chất hai bờ yếu dùng hình thức vòm treo (hình 10.3b) để giảm lực truyền cho hai bờ. Trong tr-ờng hợp địa hình địa chất không cho phép nh- trên thì xây dựng loại cầu máng trụ đỡ (hình 10.3c). - Yêu cầu cấu tạo: 48 Hình 10.4 Khe nối giữa phần vào phần ra với thân cầu máng Hình 10.5 Nối các đoạn cầu máng + Thân máng phải gác vào bờ 2ữ5m. + Nối tiếp kênh với cầu máng phải có biện pháp chống thấm tốt, thông th-ờng nối tiếp cầu máng với kênh cần làm bằng sân tr-ớc chống thấm (th-ờng làm bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói). Trong một số tr-ờng hợp cần hạ thấp mực n-ớc ngầm tránh cho dòng thấm ra mái ta đặt vật thoát n-ớc kiểu ống dọc. + Khe nối giữa phần đầu vào, đầu ra với thân cầu máng phải đảm bảo chống thấm tốt (hình 10.4). + Trong tr-ờng hợp cầu máng dài có trụ đỡ, tại khớp nối giữa các đoạn cần có vật chống thấm suốt dọc đáy máng và hai thành (hình 10.5). - Tính kết cấu cầu máng : Cầu máng có thể đặt trực tiếp lên giá đỡ hoặc đặt trên hệ dầm dọc. Tuỳ theo cấu tạo có các sơ đồ tính sau : + Dầm đơn. + Dầm liên tục. + Dầm công son kép. Cần tính toán kết cho các bộ phận trong cầu máng cụ thể nh-: Máng, dầm dọc, trụ đở - Tính toán thuỷ lực : + Đối với máng : Tính giống nh- dòng chảy đều trong kênh hở : Q = C R.i (v = 1ữ2m/s , i = i m = 1 500 ữ 1 1200 + Cửa vào cửa ra : Tính theo công thức của đập tràn đỉnh rộng và chảy ngập. Q = . 2g.Z 0 : diện tích -ớt trong máng Z 0 : chênh cột n-ớc trong máng và ngoài kênh có kể đến l-u tốc tới gần, th-ờng chọn Z=0,10ữ0,15m. Nếu cao trình đáy máng đầu ra ngang với cao trình đáy kênh thì mực n-ớc trong kênh sẽ cao hơn mực n-ớc trong máng một độ cao Z. Do đó khi có gió thổi ng-ợc chiều n-ớc chảy sẽ làm cho mặt n-ớc trong máng dềnh cao. Vì vậy khi thiết kế cần chú ý điều này. 49 - Vì cầu máng là công trình chuyển tiếp trên đoạn kênh, nên bài toán thiết kế đặt ra là: thiết kế cầu máng sao cho đảm bảo dòng chảy ở cửa vào và cửa ra. Do đó việc tính toán thuỷ lực cầu máng có thể th-ờng đ-ợc tiến hành theo các b-ớc sau: + Điều kiện khống chế: biết Q, độ sâu n-ớc th-ợng hạ l-u H, độ dốc máng i (do khống chế đáy kênh th-ợng hạ l-u và chiều dài máng), cao trình đáy máng sau cửa vào bằng đáy kênh th-ợng l-u. + Giả thiết bề rộng b: Theo công thức dòng chảy đều trong máng: Q = C R.i tính đ-ợc độ sâu n-ớc trong máng h. Tính độ chênh cột n-ớc tại cửa vào máng z = H - h Kiểm tra khả năng n-ớc vào máng: Q 1 = . 2g.Z 0 Nếu Q 1 Q (sai số trong phạm vi cho phép) thì b giả thiết là phù hợp. Nếu ng-ợc lại phải giả thiết lại b cho đến khi đạt đ-ợc điều kiện nêu trên. + Tính toán độ hạ thấp ở cửa ra: ở phần nối tiếp với cửa ra cần hạ thấp so với đáy máng một đoạn P 3 =H-(h+z), với z là độ hồi phục có thể lấy ở bảng sau: z 0.05 0.10 0.19 0.20 0.25 z 0.00 0.03 0.05 0.07 0.09 Ngoài ra cũng có thể gặp bài toán ch-a biết độ dốc đáy máng do không khống chế đáy kênh ở hạ l-u cầu máng. 3 si phông ng-ợc (cống luồn) Si phông ng-ợc là loại công trình nối tiếp đặt d-ới lòng sông, suối, kênh, đ-ờng giao thông hoặc thung lũng khi không xây dựng đ-ợc cầu máng hoặc giá thành cầu máng quá cao. 1. Một số chú ý khi thiết kế xi phông - Xi phông ng-ợc là loại ống có áp. - Xi phông ng-ợc có hai loại : loại đặt sâu trong lòng đất và loại đặt hở. - Về hình thức có loại xi phông giếng đứng và loại xi phông ống nghiêng. Loại xi phông giếng đứng đ-ợc dùng khi cột n-ớc áp lực nhỏ, chôn sâu và tiết diện nhỏ. Xi phông kiểu ống nghiêng đ-ợc dùng rộng rãi hơn. - Mặt cắt ngang xi phông có thể tròn chữ nhật hoặc vòm. Vật liệu có thể làm bằng gỗ, gạch xây, bêtông, bêtông cốt thép hoặc ống thép. - Khi xi phông đặt ngầm thì đỉnh ống chỗ tại đoạn nằm ngang thấp hơn đáy sông suối th-ờng không nhỏ hơn 1m hoặc thấp hơn chỗ lòng sông sẽ bị xói sâu nhất khoảng 0,5ữ1m. Độ nghiêng của xi phông chọn theo điều kiện địa hình th-ờng m tl = 2ữ3 và m hl = 2,5ữ4. - Cửa vào cửa ra đảm bảo dòng chảy ra đ-ợc thuận có thể có phai hoặc không. Cửu vào nên có l-ới chắn rác. - Miệng cửa vào thấp hơn mực n-ớc trong kênh d-ới 0,5m để không hút khí vào gây bất lợi cho ống. 2. Tính toán thuỷ lực L-u l-ợng tháo qua ống xi phông đ-ợc xác định theo : 50 Hình 10.6 Các loại xi phông ng-ợc a. Loại ống nghiêng b. Loại giếng đứng a) b) min max min min max max Hình 10.7 Các hình thức tiêu hao cột n-ớc thừa ở xi phông Q = à 2gz o (*) Với : à = 1 i , I : tổng hệ số tổn thất nh- tổn thất qua l-ới chắn rác, cửa vào, cửa ra, các đoạn uốn cong và dọc đ-ờng. L-u ý : - L-u tốc trong ống không nên quá nhỏ dễ gây bồi lắng, l-u tốc quá lớn gây tổn thất cột n-ớc lớn, th-ờng chọn v=1,5ữ3m/s. - Khi l-u l-ợng lớn có thể chọn nhiều ống xi phông, số l-ợng ống xi phông chọn sao cho khi xi phông làm việc với các l-u l-ợng khác nhau thì l-u tốc trong ống không thay đổi quá nhiều. - Khi thiết kế ta chọn l-u l-ợng lớn nhất qua xi phông để tính toán và phải dùng l-u l-ợng nhỏ nhất Q min để kiểm tra lịa điều kiện tổn thất, nhất là khi xi phông khá dàI, sự biến đổi về l-u tốc trong ống ứng với hai tr-ờng hợp trên lại t-ơng đối lớn. Mục đích của việc tính toán này là so sánh tổn thất cột n-ớc z 1 ứng với Q min và tổn thất z ứng với Q max , nếu z 1 nhỏ hơn z nhiều thì dòng chảy khi tháo với Q min tự điều chỉnh bằng cách hình thành đoạn n-ớc hạ tr-ớc cửa vào hoặc có thể hình thành n-ớc nhảy ở cửa vào. Vì hiện t-ợng mạch động, vì gió thổi và một số nguyên nhân khác nữa làm cho n-ớc nhảy không ở vị trí cố định làm cho thân cống bị rung động ảnh h-ởng đến độ bền vững của cônga nhất là dễ làm h- hỏng các khớp nối. Để khắc phục hiện t-ợng này ta có các biện pháp công trình khắc phục nh- hình 10.7. 51 b m ' 4 dốc n-ớc - bậc n-ớc, tràn vào - tràn ra I. Dốc n3ớc bậc n3ớc Khi kênh dẫn gặp nơi địa hình thay đổi đột ngột ta có thể dùng hình thức nối tiếp là dốc n-ớc hoặc bậc n-ớc. Theo kinh nghiệm, xuất phát từ điều kiện kinh tế, khi chênh lệch cột n-ớc từ 2m trở xuống và độ dốc mặt đất tự nhiên m = 2ữ3 thì nên xây dựng dốc n-ớc, tr-ờng hợp khác xây dựng bậc n-ớc. Về vấn đề tính toán thuỷ lực và kết cấu dốc n-ớc, bậc n-ớc cũng t-ơng tự nh- dốc n-ớc và bậc n-ớc sau công trình tháolũ. Hình thức cửa vào có các dạng nh- hình 10.8, trong đó kiểu miệng khuyết hình thang gồm khuyết liên tục và không liên tục có nhiều thuận lợi về mặt thuỷ lực nhất vì loại này giảm đ-ợc hiện t-ợng n-ớc dâng hoặc n-ớc hạ quá nhiều đồng thời giảm đ-ợc một phần l-u l-ợng đơn vị. Khi tính toán loại cửa vào này dùng l-u l-ợng đặc tr-ng Q 1 và Q 2 để tính toán. Để xác định chiều rộng đáy b và độ dốc mái m ta dùng các công thức sau : b + 0,8mH 1 = Q 1 m 2g H 01 3/2 b + 0,8mH 2 = Q 2 m 2g H 02 3/2 m : hệ số l-u l-ợng L-u l-ợng Q 1 , Q 2 căn cứ vào mực n-ớc trong kênh H 1 , H 2 : H 1 = H max - 0,25(H max - H min ) H 2 = H min + 0,25(H max - H min ) Hình 11.8 Các hình thức của cửa vào dốc n-ớc và bậc n-ớc Hình 11.9 Bậc n-ớc và dốc n-ớc 52 II. Tràn vào tràn ra 1. Tràn vào Là công trình cho n-ớc tràn vào kênh khi l-u l-ợng lũ nhỏ, nếu xây dựng cống luồng thì khối l-ợng lớn, nhất là với cống luồng qua kênh lớn. Kích th-ớc tràn phụ thuộc vào l-u l-ợng lũ lớn nhất. Chiều cao cột n-ớc trên ng-ỡng tràn th-ờng 0,2ữ0,3m. Trong gới hạn ng-ỡng tràn, ng-ỡng tràn phải cao hơn mực n-ớc lớn nhất trong kênh và mực n-ớc tràn phải thấp hơn bờ kênh. 2.Tràn ra ở những đoạn kênh sau bậc n-ớc, dốc n-ớc, phía hạ l-u cống đầu kênh, tr-ớc những công trình quan trọng trên kênh, tr-ớc đoạn kênh xung yếu ng-ời ta th-ờng xây dựng tràn ra. L-u l-ợng để tính kích th-ớc tràn ra là l-u l-ợng lớn nhất trong kênh (coi phía sau tràn ra không làm việc). Tràn vào Tràn ra Hình 10. 10 . n-ớc, dốc n-ớc, phía hạ l-u cống đầu kênh, tr-ớc những công trình quan trọng trên kênh, tr-ớc đoạn kênh xung yếu ng-ời ta th-ờng xây dựng tràn ra. L-u l-ợng để tính kích th-ớc tràn ra là l-u. v-ợt qua ch-ớng ngại Các công trình đó gọi là công trình trên kênh. - Các công trình trên kênh có thể là : cống, xi phông, cầu máng, bậc n-ớc, dốc n-ớc + Khi kênh v-ợt qua đê đập, - ng xá ta. L-u ý : - L-u tốc trong ống không nên quá nhỏ dễ gây bồi lắng, l-u tốc quá lớn gây tổn thất cột n-ớc lớn, th-ờng chọn v=1,5ữ3m/s. - Khi l-u l-ợng lớn có thể chọn nhiều ống xi phông, số l-ợng