nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRỊNH MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ LUẬN VĂN THẠC SĨ (9 QUYỂN – BÌA ĐỎ TƯƠI – 120 TRANG) Hà Nội – 2012 TRỊNH MAI HƯƠNG * LUẬN VĂN THẠC SĨ * HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRỊNH MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy Mã số : 60 - 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN CHIẾN Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “ 1TNghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý 1T” 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 bạn bè. Việc hoàn thành Luận văn thạc sĩ là một sự kiện quan trọng, đánh dấu sự trở thành một tân thạc sĩ trường Đại học Thủy lợi. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Chiến cùng các thầy cô giáo trong khoa Công trình đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình 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 cố 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 báu của các thầy cô cùng toàn thể các anh chị học viên để em hoàn thiện luận văn tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2012 Học viên Trịnh Mai Hương LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là : Trịnh Mai Hương Học viên : Lớp CH17C1 Ngành : Xây dựng công trình thủy Trường : ĐH Thủy lợi Tôi xin cam đoan quyển luận văn này được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo GS .TS Nguyễn Chiến với đề tài nghiên cứu trong luận văn là “Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý” đây là đề tài nghiên cứu mới, không giống với các đề tài luận văn nào trước đây do đó không có sự sao chép của bất kì luận văn nào. Nội dung luận văn được thể hiện theo đúng quy định, các nguồn tài liệu, tư liệu nghiên cứu và sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn. Nếu xảy ra vấn đề gì đối với nội dung luận văn này, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm theo quy định. Người viết cam đoan Trịnh Mai Hương MỤC LỤC 2TMỞ ĐẦU2T 1 2TTính cấp thiết của đề tài2T 1 2TMục đích của đề tài2T 2 2TĐối tượng và phạm vi nghiên cứu2T 2 2TCác tiếp cận và phương pháp nghiên cứu2T 2 2TCấu trúc của luận văn2T 3 2TCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ CỐNG LẤY NƯỚC2T 4 2T1.1. Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước2T 4 2T1.2. Cống lấy nước dưới đập2T 6 2T1.3. Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất2T 8 2T1.3.1. Thấm qua thân cống2T 8 2T1.3.2. Thân cống bị mục2T 9 2T1.3.3. Tấm đáy bị xói tróc2T 9 2T1.3.4. Hỏng khớp nối2T 9 2T1.3.5. Hỏng sân tiêu năng2T 9 2T1.3.6. Cống bị lún2T 9 2T1.3.7. Cửa cống không kín nước2T 10 2T1.3.8. Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng2T 10 2T1.4. Xác định nội dung nghiên cứu2T 11 2TCHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP DẠNG CỐNG HỘP 2T 12 2T2.1. Chế độ chảy trong cống ứng với các trường hợp làm việc khác nhau2T 12 2T2.1.1. Tính thủy lực cống dài chảy không áp2T 12 2T2.1.2. Tính thủy lực cống dài chảy nửa áp và chảy có áp2T 17 2THình 2.12: Sơ đồ tính toán cống ngầm chảy có áp2T 26 2T2.2. Các vấn đề chân không, khí thực và biện pháp phòng, chống2T 27 2T2.2.1. Các vấn đề về chân không, khí thực2T 27 2T2.2.2. Biện pháp phòng chống khí thực2T 28 2T2.3. Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu cống2T 30 2T2.4. Kết luận chương 22T 36 2TCHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CỐNG PA KHOANG2T 37 2T3.1. Giới thiệu công trình2T 37 2T3.2. Mô tả sự cố ở cống Pa Khoang2T 39 2T3.2.1. Biện pháp sửa chữa được thực hiện năm 19922T 39 2T3.2.1. Biện pháp sửa chữa được thực hiện năm 19962T 39 2T3.3. Phân tích chế độ thủy lực trong cống (tính với nhiều MNTL, nhiều độ mở a) 2T 40 2T3.3.1. Các thông số cơ bản của cống Pa Khoang2T 40 2T3.3.2. Phân tích chế độ thủy lực của cống (tính với nhiều mực nước thượng lưu, nhiều độ mở a) 2T 40 2T3.4. Giải pháp xử lý các vấn đề thủy lực của cống Pa Khoang2T 53 2T3.4.1. Các số liệu tính toán:2T 53 2T3.4.2. Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết:2T 54 2T3.4.3. Tính toán ống thông khí chính2T 59 2T3.4.4. Tính toán ống thông khí xuống bậc thụt ở đáy2T 60 2T3.5. Kết luận chương 32T 61 2TKẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ2T 63 2T1. Các kết quả đạt được của luận văn2T 63 2T2. Một số kiến nghị2T 64 2TTÀI LIỆU THAM KHẢO2T 65 2TPHỤ LỤC2T 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2THình 2.1: Sơ đồ cống ngầm chảy không áp2T 13 2THình 2.2: Dòng chảy qua cống với các độ dài cống khác nhau2T 15 2THình 2.3: Dòng chảy qua cống với mực nước hạ lưu thay đổi2T 17 2THình 2.4: Sơ đồ cống chảy có áp khi hR n R> d2T 18 2THình 2.5: Sơ đồ cống chảy nửa áp khi hR n R > d2T 19 2THình 2.6: Sơ đồ cống chảy nửa áp trường hợp hR n R< d, i > iR k R2T 19 2THình 2.7: Trường hợp 0 < i < iR k R, dòng chảy trong cống là dòng xiết2T 20 2THình 2.8: Trường hợp 0 < i < iR k R, trong cống có nước nhảy2T 20 2THình 2.9: Sơ đồ cống chảy có áp trường hợp 0 < i < iR k R2T 21 2THình 2.10: Xác định vị trí nước nhảy trong cống2T 21 2THình 2.11. Lưu đồ tính toán2T 24 2Txác định trạng thái chảy2T 24 2Ttrong cống ứng với mực2T 24 2Tnước thượng lưu (H)2T 24 2THình 2.13: Sơ đồ tính toán bể tiêu năng sau cống2T 33 2THình 2.14: Lưu đồ tính toán bể tiêu năng2T 35 2THình 3: Sơ đồ xác định vị trí nước nhảy trong cống ứng với mực nước thượng lưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 2T 45 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2TBảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới2T 5 2TBảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam2T 5 2TBảng 1.3: Các cống đã được xây dựng qua các thời kỳ2T 6 2TBảng 1.4: Kích thước hành lang của một số cống2T 8 2TBảng 1.5: Ứng suất nền tại đáy tháp cống trường hợp mới thi công xong2T 10 2TBảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập2T 10 2TBảng 3.1: Đường nước dâng CR I R trong cống ứng với mực nước thượng lưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 2T 43 2TBảng 3.2: Bảng tính hP ’ PR c R và hP ” PR c R trong cống ứng với mực nước thượng lưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 2T 44 2TBảng 3.3: Đường nước hạ bR I R trong cống ứng với mực nước thượng lưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế 2T 44 2TBảng 3.4: Đường mực nước trong cống ứng với mực nước thượng lưu là MNC, cửa cống mở hoàn toàn 2T 47 2TBảng 3.5: Kết quả tống hợp các trường hợp tính toán2T 48 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Cống 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 hồ chứa nước, đê, đập hoặc trên những hệ thống tưới tiêu, phân lũ, 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 hồ chứa nước loại vừa và lớn, hàng vạn hồ loại nhỏ, kèm theo chúng là hàng vạn cống lấy 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, cấp nước cho thủy điện, sinh hoạt…Tuyệt đại đa số các cống dưới đập đã được thiết kế theo chế độ thủy lực chảy không áp, trừ một số trường hợp là chảy có áp để phục vụ phát điện hoặc mục đích riêng. Hàng năm có nhiều cống phải sửa chữa với nhiều nguyên nhân hư hỏng khác nhau như thấm qua thân cống, thân cống bị mục, hỏng ống phá chân không, hỏng khớp nối, hỏng sân tiêu năng, cống bị lún, hỏng thiết bị đóng mở,…Trong đó nguyên nhân dẫn đến hư hỏng cống do chế độ thủy lực trong cống gây ra chiếm một tỷ lệ không nhỏ, điển hình là các cống Suối Hai (Hà Nội), Pa Khoang (Điện Biên), Yên Lập (Quảng Ninh), Núi Một (Bình Định),… Nước ta có hàng ngàn km đê sông, đê biển, qua đê có hàng chục ngàn cống lấy nước từ sông vào đồng hoặc cống tiêu từ đồng ra sông hoặc biển. Cống là công trình quan trọng trong hệ thống đê biển, đê cửa sông, cống có vai trò tổng hợp lấy phù sa, cấp nước, ngăn triều, kiểm soát mặn, giữ ngọt, tiêu thoát nước, xổ phèn,…Đê sông, đê biển là những tuyến đê xung để bảo vệ sản xuất và 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 ổn định sản xuất, 2 đời sống nhân dân và an ninh quốc phòng. Như vậy, việc đảm bảo ổn định của đê và các cống dưới đê là rất quan trọng. Hiện nay vấn đề thiết kế cống dưới đê còn có nhiều khó khăn, bất cập, đặc biệt là trong tính toán thủy lực để lựa chọn hình thức kết cấu, xác định chiều rộng cống phù hợp. Đây là một vấn đề rất khó khăn phức tạp vì nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như địa hình, thủy lực, mục đích sử dụng, môi trường,… Vì vậy việc nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước là hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, nó hướng tới sự hợp lý về hình thức, kết cấu, cách bố trí các bộ phận cống,… của các loại cống qua đê, đập vật liệu địa phương, nhằm hạn chế đến mức tối đa những rủi ro có thể xảy ra trong quá trình khai thác, quản lý vận hành công trình. Mục đích của đề tài - Phân tích các vấn đề thủy lực xảy ra đối với cống lấy nước dưới đập đã được xây dựng. - Tính toán đưa ra giải pháp xử lý các vấn đề thủy lực tác động xấu đến công trình. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các vấn đề thủy lực của cống: chế độ chảy, các vấn đề về chân không, khí thực, tiêu năng sau cống,… - Phạm vi nghiên cứu: Các cống lấy nước dưới đập dạng cống hộp có van ở phía thượng lưu. Tính toán cụ thể cho cống 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 cống lấy nước dưới thân đập. [...]... hợp các vấn đề lý thuyết, vận dụng tính toán, phân tích tổng hợp để đề xuất giải pháp xử lý sự cố công trình do các vấn đề thủy lực của cống gây ra Cấu trúc của luận văn Chương 1: Tổng quan về hồ chứa và cống lấy nước Chương 2: Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập dạng cống hộp Chương 3: Tính toán áp dụng cho cống Pa Khoang Kết luận – Kiến nghị 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ CỐNG... tháp ở phần đầu cống - Nghiên cứu chế độ thủy lực trong cống và phương pháp tính toán xác định chế độ thủy lực - Các vấn đề về chân không, khí thực trong cống và giải pháp phòng chống - Về nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu cống - Tính toán áp dụng cho công trình thực tế 12 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP DẠNG CỐNG HỘP 2.1 Chế độ chảy trong cống ứng với các trường hợp... 2 11 1.4 Xác định nội dung nghiên cứu Như trên đã cho thấy cống lấy nước dưới đập bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân, trong đó có các nguyên nhân liên quan đến chế độ thủy lực trong cống Vì vậy trong luận văn này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu về các vấn đề thủy lực của cống dưới đập và giải pháp xử lý Các nghiên cứu được giới hạn trong những phạm vi sau: - Nghiên cứu cho loại cống hộp bằng bê tông cốt thép,... các đập được xây dựng bằng vật liệu địa phương kể trên đều có xây dựng các cống dưới đập Cống lấy nước dưới đê, đập có nhiệm vụ lấy nước từ sông, hồ để phục vụ các mục đích dùng nước khác nhau như tưới ruộng, cấp nước dân dụng, công nghiệp hay phát điện Tính đến nay các hồ chứa được xây dựng đã lên đến hàng vạn, số lượng cống dưới đập cũng tương tự Theo Báo cáo tổng kết thiết kế cống dưới đập[ 1] nghiên. .. ở cống dưới đập như sau 1.3.1 Thấm qua thân cống Hầu hết các cống dưới đập đều bị thấm qua thân cống, trần bị dột; Có cống bị thấm rất nghiêm trọng Việc sửa chữa vừa khó khăn, vừa kém hiệu quả Nguyên nhân của hiện tượng này là do các cống ngầm dưới đập có chênh lệch cột nước ở hai phía của thành cống lớn, dẫn đến gradien thấm lớn Khi 9 gradien thấm lớn hơn gradien thấm cho phép của lớp bêtông thân cống, ... là cống chảy bán áp Khi tính toán thủy lực cống ngầm cần xác định trước những điều kiện sau: - Xác định lưu lượng, mực nước thượng, hạ lưu tương ứng trong trường hợp bất lợi nhất - Phân biệt được cống dài hay cống ngắn, thường cống ngầm đặt dưới đập đất, đá để lấy nước từ hồ chứa đều thuộc cống dài Cống dài là cống có chiều dài, sức cản dọc đường có tác dụng ảnh hưởng đến năng lực dẫn nước của cống. .. nghị 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ CỐNG LẤY NƯỚC 1.1 Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước Theo thống kê của các tổ chức Quốc tế về an toàn các đập lớn trên thế giới, kể từ năm 1950 trở lại đây tốc độ xây dựng các đập và hồ chứa ngày càng lớn, do yêu cầu ngày càng nhiều về nguồn nước phục vụ cho sinh hoạt của người dân và các nhu cầu dùng nước của các ngành sản xuất nông nghiệp, ngư nghiệp,... B 6 0 1 B 9 0 1 Cống lấy nước là hạng mục quan trọng của công trình đầu mối hồ chứa nước, làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng lấy nước từ hồ chứa đáp ứng nhu cầu dùng nước ở các thời điểm khác nhau Theo chế độ thủy lực, cống có thể chia thành cống có áp, bán áp, không áp; Theo hình dạng kết cấu phân thành: cống tròn, cống vòm, cống hộp; Theo biện pháp thi công xây dựng: cống lắp ghép, cống đổ tại chỗ;... chế độ thủy lực được trình bày trong bảng 2.1 Bảng 2.1 Phân loại cống ngầm theo chế độ thủy lực TT Chế độ thủy lực 1 2 Số lượng Cái Tỷ lệ % Không áp 413 83 Có áp 85 17 Cộng 498 Ghi chú 100 Thực tế trong khai thác có cả bán áp 2.2 Các vấn đề chân không, khí thực và biện pháp phòng, chống 2.2.1 Các vấn đề về chân không, khí thực Đối với các cống ngầm ở trong đập đất, khi độ mở cửa van nhỏ, cột nước thượng... trong cống: có áp hay không áp, chảy ngập hay chảy tự do 2.1.1 Tính thủy lực cống dài chảy không áp Cống ngầm chảy không áp có mực nước thượng hạ lưu thấp hơn đỉnh cống và cửa cống kéo lên khỏi mặt nước (hình 2.1) 13 h H hk lvµo l lra L Hình 2.1: Sơ đồ cống ngầm chảy không áp Gọi chiều dài cống là L: Với cống ngắn, L < (8 ÷ 10)H, có thể coi cống như một đập tràn đỉnh rộng, không cần xét ảnh hưởng của . công trình thủy với đề tài: “ 1TNghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý 1T” được hoàn thành vào tháng 11 năm 2012 với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy. Nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp xử lý đây là đề tài nghiên cứu mới, không giống với các đề tài luận văn nào trước đây do đó không có sự sao chép của bất. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRỊNH MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ LUẬN