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

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “1TNghiên c ứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp x ử lý1T” được hoàn thành vào t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:

“1TNghiên c ứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp

x ử lý1T” 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

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

Trịnh Mai Hương

Hình 3: Sơ đồ xác định vị trí nước nhảy trong cống ứng với mực nước thượng

lưu là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế2T 45

Bảng 3.1: Đường nước dâng CR I R trong cống ứng với mực nước thượng lưu

là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế2T 43

PR c R trong cống ứng với mực nước thượng lưu

là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế2T 44

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

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

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

3

- Kết 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 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, công nghiệp, phát điện,…

Số lượng xây dựng các đập ngày càng nhiều, chiều cao các đập ngày càng lớn do sự trợ giúp mạnh của khoa học kỹ thuật nên tính an toàn của đập ngày càng được nâng cao Trong số các đập được xây dựng thì loại đập đất là phổ biến nhất và ngày càng có xu hướng phát triển Ở Mỹ, nếu tính từ năm

1963 trở lại đây thì đập vật liệu địa phương, trong đó chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ các đập được xây dựng Ở Canada, cũng trong thời gian 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 thế giới hiện nay (Bảng 1.1)

Ở Việt Nam, theo thống kê trên cả nước, có 41 tỉnh thành có hồ chứa nước Các tỉnh có số lượng hồ nhiều nhất là Nghệ An (249 hồ), Hà Tĩnh (166 hồ), Thanh Hóa (123 hồ), Phú Thọ (96 hồ), Bình Định (108 hồ), Đắc Lắc

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

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

6

1 2 Cống lấy nước dưới đập

Tất cả 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 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

kê theo thời gian trong bảng 1.3

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

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

8

Bảng 1.4: Kích thước hành lang của một số cống

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

Theo kết quả điều tra và khảo sát của Cục QLN&CTTL (báo cáo năm 1993) [1] những hư hỏng phổ biến 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

110B

Tên cống

111B

Lưu lượng thiết kế (m 3 /s)

112B

Kích thước lòng cống sau tháp Φ hoặc (bxh)m

113B

Kích thước hành lang (BxH)m

114B

Chiều dài hành lang (m)

124B

(7x4.55)m dạng vòm, BTCT M200 dày 20cm

140B

(6.0x4.0)m BTCT M200 dày 30cm

141B

128.80

bê tông gây thoái hóa bê tông

1.3.3 Tấm đáy bị xói tróc

Do trong quá trình thi công hoặc vận hành, trên đáy cống xuất hiện những 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 Hỏng khớp nối

Đa số các cống bị hỏng khớp nối, đồng thời việc sửa chữa các khớp nối vừa rất khó khăn, vừa kém hiệu quả

1.3.5 Hỏng 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 mà không tính toán Nên trong quá trình vận hành, khi có dòng xiết chảy ra khỏi cống sẽ dẫn tới việc phá hỏng sân tiêu năng

1.3.7 Cửa cống không kín nước

Do khi thiết kế cấu tạo cửa van không chuẩn hoặc trong quá trình vận hành, bùn cát chen vào phần tiếp giáp giữa cửa van và thành cống dẫn đến cao su chắn nước ở cửa van không ép sát được vào thành cống gây rò rỉ nước

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, có cửa van đặt trong 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 làm việc khác nhau

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

- Khi tấm 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 đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là có áp

- Khi mực nước thượng lưu ngập đỉnh cống nhưng dòng chảy sau cửa cống vẫn còn thấp hơn đỉnh cống, có mặt thoáng, thì trong cống có hai chế

độ chảy, phần trước là có áp, còn phần sau không áp Trường hợp này gọi 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

- Xác định chế độ dòng chảy 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

L

l lvµo

lra

k

H ình 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 chiều dài, độ nhám và độ dốc thân cống

Với cống dài, L > (8 ÷ 10)H, do ảnh hưởng của sức cản trên thân cống, dòng chảy trong cống thực chất là một dòng không đều trên một đoạn kênh; lúc đó không phải đơn thuần độ sâu thượng hạ lưu quyết định hình thức chảy,

mà còn do chiều dài, độ nhám và độ dốc của cống quyết định Trong trường hợp đó, về phương diện thủy lực, phải coi cống như một đập tràn đỉnh rộng nối tiếp với một đoạn kênh để xét Nhiều cống dưới đê, đập, dưới đường thuộc loại này

Để phân biệt cống dài và cống ngắn có thể lấy con số phân giới khái quát bằng [2]: Lk = (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: hn < hk

Ta xét một cống có đáy nằm ngang hoặc rất ít dốc (0 ≤ i < ik) có độ ngập sâu hạ lưu hn < hk Nếu cống ngắn (hình 2.2a) dòng chảy qua cửa vào đến mặt cắt (C-C) có độ sâu hC = k’ – H0, tiếp theo đó là đoạn chảy xiết có đường mặt nước CD đến gần cửa ra, tại mặt cắt (D-D) có độ sâu hD rồi đổ

14

xuống hạ lưu

Đường mặt nước CD là đường nước dâng kiểu c0hoặc c1 có:

Thân cống càng dài, độ sâu càng lớn, cho đến trạng thái phân giới là khi hD

= hk, lúc dòng chảy xiết vừa ra khỏi cống thì cũng là lúc năng lượng đạt đến trị

số nhỏ nhất (hình 2.2b)

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

độ chảy xiết trên toàn bộ chiều dài cống, do đó phải qua nước nhảy để chuyển thành chảy êm (hình 2.2c)

Khi đã có nước nhảy trong cống thì hiện tượng thủy lực trở thành phức tạp hơn và chỉ cần độ sâu hạ lưu lớn hơn một ít nữa là nước nhảy sẽ làm ngập mặt cắt co hẹp (nước nhảy ngập) và cống trở thành chảy ngập (hình 2.2d)

15

c,

lra

l > l lvµo

D

D

h k

k

n

Hình 2.2: Dòng chảy qua cống với các độ dài cống khác nhau

Vậy, chiều dài quá độ Lk giữa cống ngắn và cống dài là chiều dài sao cho đường nước dâng chảy xiết trong cống có độ sâu ở cuối cống (mặt cắt D-D) vừa đúng bằng độ sâu phân giới (hD = hk) Trị số Lkđó có thể tính bằng:

Lk = lk + lvào + lra (2-1) Trong đó:

lk : Chiều dài đường nước dâng có độ sâu ở đầu trên là hC và độ sâu ở đầu dưới là hk, có thể tính theo phương pháp dòng không đều

lvào: Chiều dài cửa vào, từ đầu cống đến mặt cắt (C-C), lấy theo công thức kinh nghiệm: lvào = (1,5 ÷ 2,5) (H0 – hC) (2-2)

lra: Chiều dài cửa ra, từ mặt cắt (D-D) đến cuối cống:

Cách tính cống dài không áp chỉ khác với cống ngắn (đập tràn đỉnh rộng đơn thuần) ở chỗ phải tính và vẽ đường mặt nước trong cống, xuất phát

16

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

để tìm độ sâu hx tại mặt cắt (C-C) ở đầu cống, rồi coi độ sâu ấy là độ sâu hạ lưu của đập tràn

Độ sâu hDở cửa ra lấy như sau: hD = hk nếu hn < hk

c)

lra

ho cII

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

Biết độ sâu ở cuối là hDvà chiều dài l = CD có thể tính ra độ sâu ở đầu

là hx Sau khi tính được độ sâu hx, đem hxso sánh với chỉ tiêu ngập (hn)pg

Nếu hx < (hn)pg, cống làm việc như đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập Lưu lượng qua cống được tính theo công thức:

2.1.2 Tính thủy lực cống dài chảy nửa áp và chảy có áp

2.1.2.1 Điều kiện chảy nửa áp và có áp

Cho một cống có mực nước thượng lưu ngập đỉnh cống, ta cần xác định khi nào cống chảy nửa áp, khi nào cống chảy có áp Điều này hết sức quan trọng, không những vì hai chế độ chảy đó có công thức tính toán khác nhau

mà còn vì mỗi chế độ chảy lại đề ra những điều kiện làm việc khác nhau cho công trình về nhiều mặt: ổn định, chống chấn động, chống thấm,…

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

L: chiều dài cống, tính từ cửa cống đến cửa ra;

lvào: khoảng cách từ cửa cống đến mặt cắt (C-C), có thể lấy theo công thức kinh nghiệm: lvào ≈ 1,4a

hc: Độ sâu tại mặt cắt co hẹp (C-C), tính như cống hở: hc = ε a

Hệ số co hẹp ε đối với cống chữ nhật, lấy theo bảng Giucốpski

ε

Đối với cống có mặt cắt không phải chữ nhật, thì hiện nay chưa cónhiều tài kiệu nghiên cứu chính xác, nên cũng có thể 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:

* Độ sâu hạ lưu ở cửa ra cao hơn đỉnh cống: h n > d

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

h n

d

Hình 2.4: Sơ đồ cống chảy có áp khi hRn R> d

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

* Độ sâu hạ lưu thấp hơn đỉnh cống: h n < d

- Trường hợp i > ik:

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

Chỉ là có áp khi đường nước dâng cH vẽ đến cuối ống tại mặt cắt (r-r)

có độ sâu hr lớn hơn chiều cao cống: d < hr

Hình 2.6 : Sơ đồ cống chảy nửa áp trường hợp hRn R< d, i > iRk

20

- Trường hợp 0 < i < ik:

Cống chảy nửa áp trong hai trường hợp:

+ Không có nước nhảy trong cống, dòng chảy trong cống là hoàn toàn chảy xiết theo đường cIhoặc c0 (hình 2.7)

+ Có nước nhảy trong cống nhưng độ sâu sau nước nhảy vẫn thấp hơn đỉnh cống h’’

Hình 2.7: T rường hợp 0 < i < iRkR, dòng chảy trong cống là dòng xiết

Hình 2.8: T rường hợp 0 < i < i k , trong cống có nước nhảy

21

Cống chảy có áp nếu có nước nhảy trong cống có độ sâu sau nước nhảy cao hơn đỉnh ống (hình 2.9) (Nước nhảy nói đây là nước nhảy có thể xảy ra trong một cống không có trần tương ứng, chứ thực tế khi đã có nước chảy có

áp thì không có nước nhảy nữa)

i<i H

Hình 2 9: Sơ đồ cống chảy có áp trường hợp 0 < i < iRk

Muốn xác định chế độ chảy trong cống có i < ikcần xác định vị trí nước nhảy và chiều sâu của nước nhảy

Xét một cống có nước nhảy trong cống (hình 2.10)

k

k r k

L>Lk ln l

h'

h c

a d

lvµo

c 1

I b h"

e c

1

I C

hn

h =h h

2

r'

s e

2

r'

Hình 2.1 0: Xác định vị trí nước nhảy trong cống

Trước nước nhảy là đoạn chảy xiết theo đường cI bắt đầu từ mặt cắt co hẹp có độ sâu hc đến mặt cắt (1-1) có độ sâu h’ Sau nước nhảy là đoạn chảy

êm, theo đường bI hoặc b0bắt đầu từ mặt cắt (2-2) có độ sâu h’’và tận cùng ở cửa ra, có độ sâu hr Độ sâu hr lấy như sau:

22

hr = hn khi: hn > hk

Từ đó, ta có cách xác định vị trí nước nhảy như sau:

Lùi đường (e-e) về phía hạ lưu một đoạn bằng chiều dài nước nhảy tương ứng với từng độ sâu h’’được đường (f-f) Vẽ đường bI (hoặc b0) bắt đầu

từ cửa cuối có độ sâu hr và vẽ ngược trở lên

Đường bI cắt đường (f-f) tại điểm có độ sâu h’’ Đó chính là độ sâu sau nước nhảy có thể xảy ra trong cống

Nếu h’’ < d thì cống chảy nửa áp, mặt cắt (2-2) chính là vị trí thực tế của mặt cắt sau nước nhảy

Nếu h’’ > d thì 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 cống, đề nghị quy trình tính toán cho mỗi mực nước thượng lưu cống như sau:

- Giả thiết độ mở cống a

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

độ sâu hạ lưu hh, độ sâu ngập ở cửa ra cống hn, độ sâu phân giới hk

- Vẽ đường nước dâng cI (từ mặt cắt co hẹp C-C), tìm chiều dài phân giới Lk, độ sâu hr (L<Lk)

- Nước nhảy sẽ không xảy ra trong cống nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:

P h h

L L

h r

k

(2-6)

Trong đó:

h’h: Độ sâu liên hiệp với hh;

P2: Chênh lệch cao độ đáy cửa ra cống với đáy kênh hạ lưu

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

- Tiếp tục chuyển sang độ mở khác

Lưu đồ tính toán được đề nghị trên hình 2.11

24

Hình 2.11 Lưu đồ tính toán

xác định trạng thái chảy trong cống ứng với mực nước thượng lưu (H)

tại mặt cắt (C-C) của dòng không đều trong cống Độ sâu hx 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 là:

1 chiều cao cửa

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

2

1 chiều cao cửa ra (hình 2.12b)

2

α

Zo=Ho+iL-d/2

Hình 2.12: Sơ đồ tính toán cống ngầm chảy có áp

Vậy công thức trên có thể viết thành:

R 4 L

R C

L 2 1 2

g c

(2-12) Phần lớn các cống dưới đập đã được thiết kế theo chế độ chảy không

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

Theo kết quả kiểm tra thủy lực của các cống Pa Khoang, Suối Hai, Núi Một,… nhận thấy khả năng lấy nước của các cống như sau:

27

- Nếu lấy đủ lưu lượng thiết kế, khi mực nước hồ ở MNDBT, độ mở cửa cống chỉ bằng 15 – 20% chiều cao cửa Ở chế độ này gây ra dòng chảy xiết 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 cống và khớp nối trong đoạn này

- Nếu không khống chế được độ mở cửa van, thì lưu lượng qua cống tăng từ 2,5 đến gần 5 lần lưu lượng thiết kế, có thẻ dẫn đến nguy cơ phá hoại thân cống do làm việc trong chế độ bán áp không ổn định

Trong những năm gần đây, xu thế lựa chọn chế độ chảy có áp bắt đầu phổ biến Thực tế vận hành có khả quan hơn, đặc biệt là giảm hư hỏng đáng

kể Phân loại cống theo chế độ thủy lực được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Phân loại cống ngầm theo chế độ thủy lực

ăn mòn hóa học, hiệu ứng nhiệt,…

Khí thực thường phá hoại bề mặt lòng dẫn trong một phạm vi nhất định gọi là hố xâm thực

Trong thực tế, quá trình xâm thực diễn biến rất phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng chảy bao, lưu tốc dòng chảy, loại vật liệu, độ hàm khí trong nước

2.2.2 B iện pháp phòng chống khí thực

Khí thực làm tróc rỗ, hư hỏng bề mặt lòng dẫn, có thể dẫn đến sự cố cho công trình Vì vậy trong thiết kế cần áp dụng các biện pháp để phòng khí thực Một số giải pháp thường được áp dụng:

2.2.2.1 Giới hạn khí hoá dòng chảy ở giai đoạn đầu

Trong thiết kế, giải pháp an toàn nhất là khống chế không cho phát sinh khí hóa, đảm bảo điều kiện K > Kpg bằng cách tăng độ thoải của tường biên công trình để giảm trị số Kpg hoặc tăng kích thước lòng dẫn để 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

là không thể vì nó ảnh hưởng đến công trình liền kề

29

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

an toàn về khí thực có thể 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 bền 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 bề 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 dài

- Có lưu tốc đặc trưng VĐT > Vng

Vì vậy trong trường hợp đường biên công trình không đủ thoải, không thể tránh khỏi khí hóa thì có thể chọn vật liệu có độ bền cao để gia cố các vị trí có thể phát sinh khí thực nếu dùng vật liệu thông thường

Ví dụ như sử dụng bê tông mác cao hơn để gia cố tại những khu vực dự báo có khí hóa Chú ý mặt nối tiếp giữa các vật liệu khác nhau phải xử lý thật phẳng, nhẵn để tránh tạo ra nguồn phát sinh khí hóa mới

Ở một số công trình trên thế giới, người ta xử lý chống khí thực bằng cách bọc thép tấm vào vị trí dự báo có khí hóa Tuy nhiên, khả năng thành công bị hạn chế do các nguyên nhân:

- Mặt tiếp giáp giữa tấm thép và khối bê tông không tránh khỏi vết nứt

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

- Do mạch động mãnh liệt tại khu vực khí hóa làm giật đứt các chân cắm, dẫn đến bong rời tấm thép

2.2.2.3 Dẫn không khí vào miền hạ áp

Các thí nghiệm trong phòng cũng như quan trắc hiện trường đã xác nhận rằng khi lớp dòng chảy sát thành có hàm khí thì khả năng xâm thực lòng dẫn giảm hẳn hoặc bị triệt tiêu hoàn toàn

30

Đối với cống dưới sâu, buồng van là nơi có nhiều bộ phận có đường biên không thuận (khe van, bậc thụt, đầu trụ,…) nên dễ phát sinh khí hóa Vì vậy ta phải bố trí bộ phận tiếp khí vào buồng van

- Tiếp khí vào khoảng không phía trên dòng chảy thông qua ống dẫn khí 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 trần đoạn đường dẫn nước ngay sau cửa van, còn cửa vào của nó đặt cao hơn mực nước kiểm tra của hồ và tại cửa vào có bố trí lưới chắn để bảo vệ

- Tiếp khí vào các vị trí có tách dòng trong buồng van như khe van, bản khe, ngưỡng đáy, bậc thụt ( là những vị trí dễ bị khí thực nhất)

2.2.2.4 Dẫn nước vào vùng hạ áp

Việc dẫn nước vào vùng đạt chân không lớn nhất ở các mố tiêu năng có tác dụng giảm trị số Kpgcủa mố 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 dòng chảy lưu tốc cao, cần đặc biệt chú ý chất lượng bề mặt công trình:

- Không cho phép rỗ mặt;

- Khống chế các gồ ghề cục bộ trong phạm vi cho phép, đặc biệt là ở các vị trí nối cốp pha, các khớp nối của công trình, các vị trí tiếp giáp giữa hai loại vật liệu khác nhau

- Loại trừ các gồ ghề cục bộ trên bề mặt: các đinh, chốt, các hòn cốt liệu lớn nhô ra, các chỗ lõm cục bộ…

2.3 Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu cống

Việc giải quyết vấn đề tiêu năng, tức tiêu hao năng lượng thừa mà dòng chảy mang theo nó từ thượng lưu qua cống xuống hạ lưu là một trong những

31

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

Ta biết rằng với việc xây dựng đập trên sông mực nước ở thượng lưu công trình sẽ dâng lên so với lúc trước, vì vậy, thế năng của dòng nước thượng lưu cũng tăng lên Khi dòng nước từ thượng lưu đổ xuống hạ lưu, phần lớn thế năng này 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 cống lòng dẫn có thể bị xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình

Việc tạo nên chế độ chảy mặt - đáy ở hạ lưu cống làm cho việc gia cố lòng dẫn hạ lưu được giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn

hạ lưu vẫn có thể bị xói nghiêm trọng nếu nó là loại đất Đặc biệt, nếu hình thức nối tiếp ở hạ lưu là chảy đáy như ta vẫn thường gặp và lòng dẫn ở hạ lưu không phải là đá thì vấn đề tiêu năng càng 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 thì ngay sau công trình

sẽ hình thành phễu xói Qua tài liệu quan trắc thực tế, người ta thấy rằng chiều sâu của phễu xói có thể đạt đến 2,5H (H là cột nước trên công trình), còn chiều dài có thể biến đổi trong khoảng từ (4 ÷ 6)H Ở nước ta có khá nhiều cống có hiện tượng như thế

Chẳng hạn, một cống 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 phễu xói có chiều sâu hx = 3m ≈ 2H; chiều dài lx = 30m ≈ 20H v.v… làm ảnh hưởng đến

sự an toàn của công trình

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

32

đã không lớn lắm, nhưng mạch động còn rất mạnh so với mạch động của dòng 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 cửa nhưng chỉ có một số cửa làm việc, lại xuất hiện dòng chảy xiên diễn ra trên một đoạn khá dài

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

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

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

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

có lưu tốc lớn, rất dài Do đó phải tìm biện pháp làm mất trạng 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 biệt Tiêu năng đáy có các hình thức đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp

Đối với cống ngầm lấy nước, hình thức tiêu năng chủ yếu là đào bể Khi đó cần tính toán kích thước của bể tiêu năng ( chiều sâu đào bể db, chiều dài bể Lb) để đảm bảo nước nhảy chỉ xảy ra trong phạm vi của bể

Trường hợp tính toán trạng thái chảy trong cống đã xác định là nước nhảy xảy ra trong cống thì dòng chảy ở cửa ra cống là dòng êm Khi đó kích thước bể tiêu năng chỉ cần chọn theo cấu tạo Còn khi không có nước nhảy trong cống, nghĩa là dòng chảy duy trì trạng thái xiết đến cửa ra và sẽ nối tiếp với dòng chảy êm ở hạ lưu thông qua nước nhảy Sơ đồ tính toán bể tiêu năng như trên hình 2.13