CHƯƠNG 3: NGHIấN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIấU NĂNG PHềNG XểI CỐNG SƠN ĐỐC
3.2. Cơ sở lý luận giải pháp tiêu năng phòng xói cho công trình cống Sơn Đốc 1. Đặc điểm làm việc (thủy lực) cống Sơn Đốc
Cống Sơn Đốc là một trong những cống thuộc dự án hệ thống thủy lợi Bắc Bến Tre. Cống đặt tại lòng sông Sơn Đốc, nằm giữa bờ sông Hàm Luông và đập Sơn Đốc cũ, cách bờ sông Hàm Luông khoảng 350m thuộc xã Hưng Lễ, huyện
Giồng Trôm, tỉnh Bến Tre. Cùng với các công trình khác trong hệ thống, cống Sơn Đốc có nhiệm vụ: ngăn mặn, giữ ngọt vào mùa khô, tiêu úng vào mùa mưa. Khi tiêu, cống tự động mở cửa để tháo nước ra phía biển và ngăn triều chảy vào đồng.
Cửa cống vận hành như vậy trong một số chu kỳ triều để thỏa mãn nhu cầu tiêu úng.
Trong trường hợp khu vực ngoài cửa cống có nước ngọt thì cống được vận
hành phục vụ tưới bằng cách “nạp” nước vào đồng. Cửa tự động mở về phía đồng lấy nước vào khi triều lên và giữ nước lại khi triều xuống. Với cách thức vận hành như vậy nên dòng chảy qua cống tương đối phức tạp và không ổn định:
- Lưu lượng thay đổi theo thời gian.
-Mực nước thượng – hạ lưu thay đổi, trong đó mực nước hạ lưu thay đổi nhiều hơn do biên độ triều.
Đường mực nước trước và sau cống thay đổi thường xuyên trong một con triều và khác nhau giữa các con triều, giữa các chu kỳ triều, giữa tháng này và tháng khác. Đặc biệt lưu tốc dòng chảy, lưu tốc mạch động thay đổi liên tục theo chiều dài cũng như tại một điểm, ảnh hưởng xấu đối với vật liệu lòng dẫn.
Cống được xây dựng trên nền đất rất mềm yếu, có vận tốc xói cho phép rất nhỏ. Cho nên chỉ với dòng chảy có động năng không lớn lắm, hạ lưu cống cũng đã có khả năng bị xói. Song, vì địa chất công trình là yếu tố tự nhiên khách quan không thay đổi cho nên nguyên nhân gây xói do địa chất là không khắc phục được.
Do đó ta phải xuất phát từ tình hình địa chất, lấy nó làm cơ sở để tìm giải pháp khắc phục nguyên nhân về dòng chảy, trong đó vận tốc xói cho phép của vật liệu lòng dẫn là chỉ tiêu cơ bản quan trọng.
Vận tốc xói cho phép của đất nền lòng dẫn (phía sông và phía đồng) của công trình cống Sơn Đốc tính theo Trịnh Công Vấn [8], TS.E. Mirtskhulava và theo kết quả nghiên cứu của Viện KHTLMN [11]:
- Vận tốc xói cho phép của đất nền lòng dẫn phía sông V ps =0,77m/s.
- Vận tốc xói cho phép đất nền lòng dẫn phía đồng [Vpđ =0,77m/s÷1,28m/s.
cp x
cp
3.2.2. Cơ sở lý luận đề xuất giải pháp tiêu năng phòng xói cống Sơn Đốc Để giải quyết vấn đề xói lở thì nhiệm vụ của các giải pháp chống xói lở phải là làm triệt tiêu các nguyên nhân trực tiếp hoặc gián tiếp đẫn đến xói ở hạ lưu công trình.
3.2.2.1. Giải quyết dòng xiên gây xói lở
Dòng xiên là dòng chảy sau phần mở rộng tường cánh của lòng dẫn trên mặt bằng, giới hạn bởi các khu nước xoáy hướng về một trong các bờ hoặc di động từ bờ nọ sang bờ kia.
Các cống ở ĐBSCL, dòng chảy trong sông, trong mạng lưới kênh rạch, dưới ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều, là dòng không ổn định trong đó các yếu tố thuỷ lực như lưu tốc, lưu lượng, độ sâu, mặt cắt ướt,... đều thay đổi theo thời gian và khoảng cách, sự tồn tại và phát triển các dạng dòng xiên là đương nhiên.
3.2.2.2. Giải quyết vấn đề mạch động gây xói lở
Có một vấn đề dễ thấy là những công trình thủy lợi ở ĐBSCL được xây dựng những năm 1976÷1990 thuộc loại có cột nước thấp, lại được nối tiếp bằng nước nhảy ngập ở hạ lưu và gia cố ở hạ lưu kéo dài 30-50m, mà công trình vẫn bị xói lở nghiêm trọng.
Các kết quả đo mạch động lưu tốc trên mô hình của các cống: Trà Cú, Cái
Lức, Thạnh Trị, Cầu Sập,... cho thấy, lưu tốc trung bình lớn nhất cho phép của dòng chảy bình thường [V0]cp lớn hơn lưu tốc cho phép của dòng chảy trong giai đoạn sau nước nhảy [V]cp ([Vo]cp>[V]cp). Nói cách khác, với cùng một loại hạt và cùng một lưu tốc trung bình, nếu ở dòng chảy bình thường thì không bị xói, nhưng ở trong giai đoạn sau nước nhảy lại có thể bị xói, sở dĩ như vậy vì trong đoạn sau nước nhảy có mạch động lớn, lưu tốc trên đoạn này phân bố theo quy luật không có lợi (phía dưới gần đáy lưu tốc lại lớn). Như đã biết, nước nhảy làm thay đổi đột ngột kết cấu của dòng chảy, làm mạch động của lưu tốc áp suất của dòng chảy tăng lên dần. Do đó, trong đoạn dòng chảy sau nước nhảy, tính chất chuyển động của nó khác rất nhiều so với tính chất chuyển động của các dòng chảy rối đều có cùng một lưu tốc
trung bình Vtb nên có thể không thích ứng với lòng dẫn tự nhiên và gây ra xói lở.
Chính nhờ thông qua thí nghiệm mô hình, đo mạch động lưu tốc, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc theo hướng có lợi, để làm giảm mạch động, để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất, mà đã rút ngắn được gia cố hạ lưu công trình, chỉ còn 1/3÷1/4 độ dài so với trước đây ở các cống Trà Cú, Cái Lức, Thạnh Trị, Cầu Sập,...
Như vậy vấn đề mạch động gây xói lở chỉ được giải quyết trên cơ sở thí nghiệm mô hình thủy lực.
3.2.2.3. Giải quyết độ mở cửa của van tự động
Cửa van tự động đóng mở2 chiều (chiều tưới và chiều tiêu), có cấu tạo đơn
giản, áp dụng thích hợp những công trình cột nước thấp, vùng bán nhật triều vùng ĐBSCL, nhưng cửa chỉ mở được một góc (α=70÷800). Cánh cửa mở không hết, đã tạo nên dòng xiên luôn bám vào bờ, gây ra sự tập trung lưu lượng vào một phần bề ngang hạ lưu của một bên bờ, gây xói lở nghiêm trọng, nguyên nhân không mở hết chính là chênh lệch áp lực cột nước hai bên mặt cửa, áp lực cột nước dòng chảy lên mặt trong luôn lớn hơn bên mặt ngoài của cửa, nên phải tìm những biện pháp để cánh cửa tự động mở hết (α=90 0 sẽ loại trừ dòng xiên do cánh cửa gây ra), phải bố trí những thiết bị, điều này chỉ được tìm ra trên cơ sở thí nghiệm mô hình.
Các cống đã được thí nghiệm trên mô hình như đã kể ở trên, cánh cửa đã được mở hết (α=80÷900) với mọi tổ hợp mực nước.
3.2.2.4. Giải quyết tiêu năng ở hạ lưu công trình
Việc giải quyết vấn đề tiêu năng, tức tiêu hao năng lượng thừa mà dòng chảy mang theo nó từ thượng lưu qua công trình xuống hạ lưu là giai đoạn quan trọng nhất của thí nghiệm mô hình. Vì thế năng của dòng nước thượng lưu tăng lên khi xây dựng công trình, mà khi đổ xuống hạ lưu, phần lớn thế năng này biến thành động năng, dòng chảy ngay sau công trình có lưu tốc tăng lên đột ngột, thường lớn hơn nhiều so với lưu tốc dòng chảy ở trạng thái tự nhiên. Việc tạo nên chế độ chảy mặt hay chảy mặt-đáy ở hạ lưu công trình, làm cho việc gia cố lòng dẫn hạ lưu được
giảm nhẹ, nhưng ngay trong trường hợp này, lòng dẫn hạ lưu vẫn bị xói nghiêm trọng, do mạch động lưu tốc và mạch động áp lực còn mạnh tác dụng vào đất bùn sét mềm yếu rất nhạy cảm với biến dạng, xói lở như ở ĐBSCL.
Nhiệm vụ giải quyết 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. Thực tế, những công trình có thí nghiệm mô hình đã nêu ở trên, ở ĐBSCL, ngoài việc nối tiếp hạ lưu công trình dưới hình thức chảy ngập, nhưng vì dòng chảy sau đó vẫn có lưu tốc lớn hơn đáy, và mạch động lớn trên một đoạn dài, nên thường phải tạo thành chế độ chảy mặt, kết hợp với bố trí các ngưỡng và hố xói để tiêu hao năng lượng.
3.2.3. Đề xuất giải pháp tiêu năng phòng xói cống Sơn Đốc
Về mặt lý thuyết một hệ thống tiêu năng phòng xói sau cống đạt yêu cầu đề ra khi nó tạo được dòng chảy qua cống thẳng, êm, phân bố đều trên toàn khu vực hạ lưu, không có phiễu xói di động, không tồn tại các khu nước vật, quẩn,...
Kết quả kiểm định trạng thái dòng chảy có thể dẫn đến xói lở cho thấy:
- Để phá bỏ dòng xiên do cửa van mở không hết ta dùng giải pháp lưỡi và gờ là đơn giản và hiệu quả nhất so với các giải pháp khác. Trong đó, vai trò chủ yếu của gờ là giảm nhỏ sự đổ dốc dòng chảy tăng cột nước thế năng, nâng cao đường mực nước mặt ngoài cánh cửa, làm căn bằng áp lực giữa khu ngoài và khu trong (khiến cho cánh cửa ép sát thành cống để đạt (α=90 0). Vai trò chủ yếu của lưỡi là hạn chế dòng chảy luồn dưới đáy cánh cửa ở vị trí mở, phá vở mạch động áp lực, khiến cho cánh cửa luôn ở trạng thái đứng yên khi mở hết (α=900).
- Để hất dòng chảy lên mặt và phân tán đều dòng chảy, đề nghị giải pháp ngưỡng tiêu năng, và để an toàn cũng đề nghị làm 2 hoặc 3 ngưỡng liên tiếp nhau giúp hất dòng chảy lên 2, 3 lần và điều hòa dòng chảy lên toàn bộ mặt cắt ngang sau cống.
- Hố phòng xói cần được tính toán, thiết kế càng chính xác càng tốt vì xói
thường bắt đầu tư đây.
Với kết quả nghiên cứu thử nghiệm trên mô hình thủy lực tương tự của nhiều công trình tại Trung tâm nghiên cứu Thủy công Thủy lực – Viện KHTLMN, tác giả đưa ra giải pháp kết cấu tiêu năng phòng xói cho công trình cống Sơn Đốc tỉnh Bến Tre là một hệ thống liên hoàn: lưỡi - gờ - ngưỡng (tường) - sân sau - hố phòng xói (hình 3.4). Tác dụng của các bộ phận như sau:
- Lưỡi, gờ (tường 1) làm cho cửa tự động mở hết, tăng khả năng tháo và hướng dòng chảy đi thẳng (hướng song song với trục dọc cống) ngay từ đầu ra cửa thoát.
- Ngưỡng thứ 2: hất dòng chảy lên mặt làm cho biểu đồ phân bố lưu tốc trung bình thời gian tiến nhanh đến dạng của dòng chảy bình thường trên đoạn ngắn L của sân sau.
- Ngưỡng thứ 3, 4: tiếp tục hất dòng chảy lên mặt tạo cho dòng chảy trong hố xói sau đó có trạng thái bình thường của dòng hở trong kênh.
- Hố phòng xói: tạo dòng chảy có lưu tốc bình quân nhỏ, tắt nhanh mạch động lưu tốc và áp lực, tiêu hao phần năng lượng còn dư, đưa dòng chảy về trạng thái êm bình thường và không còn có thể gây xói ở phần hạ lưu tiếp sau hố xói
Hình 3. 4: Hình thức kết cấu tiêu năng công trình cống Sơn Đốc
Chi tiết chiều dài bể, chiều dài sân sau, chiều cao tường, khoảng cách tường, chiều sâu hố xói,...được xác định thông qua thí nghiệm mô hình thủy lực.