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.

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)

5


Bảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới
0BTT 1BTên đập 2BTên nước
3BChiều cao
4B(m)
5BChiều dài
6B(m)
7B1 8BOrvin 9BMỹ 10B224 11B1520
12B2 13BXitviptơ 14BMỹ 15B156 16B640
17B3 18BAndecxôn Rânsow 19BMỹ 20B139 21B412
22B4 23BNavajô 24BMỹ 25B124 26B1160
27B5 28BXerơ Pôngxông 29BPháp 30B122 31B600
32B6 33BHiks 34BMỹ 35B122
36B7 37BMatmac 38BThụy Sĩ 39B115 40B780
41B8 42BBenmô 43BTân Tây Lan 44B110 45B1070
46B9 47BĐơratlam 48BPakixtan 49B110 50B4000
51B10 52BHincơric 53BMỹ 54B105.5 55B595
56B11 57BLucky - Pic 58BMỹ 59B104 60B519
61B12 62BCaxita 63BMỹ 64B101 65B640


Bảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam
66BTT 67BLoại hồ chứa 68BSố lượng
69BDung tích hồ
70B(10

6
m
3
)
71B1 72BThủy điện 73B239
74B2
75BHồ phục vụ tưới
76B- W ≥ 10.10
6
m
3
77B- W = (5 - 10).10
6
m
3
78B- W = (1 - 5).10
6
m
3
79B- W ≤ 1.10
6
m
3
80B1957
81B81
82B67
83B439
84B1370

85B5820

86B3913
87B446
88B890
89B571


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
90BTT 91BThời gian xây dựng
92BSố lượng cống
93BCái 94BTỷ lệ (%)
95B1
96B2
97B3
98BTrước năm 1960
99BTừ năm 1960 - 1975
100BTừ năm 1975 đến nay
101B5

102B245
103B248
104B1
105B49.2
106B49.8
107BTổng 108B498 109B100

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; Theo vật liệu: Cống xây bằng gạch, đá, cống bằng bê tông
cốt thép, ống thép, cống bê tông ống thép bao gồm ống thép ở trong, phía
ngoài bọc bằng bê tông cốt thép.
Có hai cách bố trí cống ngầm: trực tiếp đặt cống trên nền hoặc đặt trong

7


hành lang bằng bê tông cốt thép. Cách bố trí thứ nhất cần vốn đầu tư ít nhưng
kiểm tra, sửa chữa khó khăn. Nếu khớp nối giữa hai đoạn ống cống không tốt,
để 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 phần hoặc toàn bộ đường ống ở
trong nền. Cách bố trí thứ hai tương đối an toàn và đảm bảo kiểm tra, sửa
chữa dễ dàng. Nếu dùng hành lang để dẫn dòng thi công thì hình thức bố trí
này càng hợp lý. Trền 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 cống được xây dựng mà các Công ty quản lý khai thác công
trình thủy lợi quản lý, có 491 cống không có hành lang (chiếm 98.6%), 06
cống đặt trong hành lang (chiếm 1,2%) và 01 cống có hành lang trên trần
cống (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]













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
110BTên cống
111BLưu lượng
thiết kế
(m
3
/s)
112BKích thước
lòng cống sau
tháp
Φ
hoặc
(bxh)m
113BKích thước
hành lang
(BxH)m
114BChiều dài
hành lang
(m)
115BĐại Lải 116B5.3
117BΦ 1.8m, BTCT
M200 dày 25cm
(3.9x3.1)m
119BBTCT M200
dày 40cm
120B40
121BNúi Cốc 122B15
123B2 Φ 1.7m,
BTCT M200
dày 25cm

124B(7x4.55)m
dạng vòm,
BTCT M200
dày 20cm
125B80
126BĐồng Mô 127B7.3
128BΦ 1.8m, BTCT
M200 dày 25cm
129B(3.9x3.1)m
dạng vòm,
BTCT M200
dày 40cm
130B29.2
131BSông Mực
132B(Bến Mẩy)
133B13.6
134BΦ 2.5m, BTCT
M200 dày 30cm
135B(5.1x4.0)m
dạng vòm,
BTCT M200
dày 80cm
136B80
137BNúi Một 138B8.1
139B
2x(1.75x1.75)m,
BTCT M200
dày 30cm
140B(6.0x4.0)m
BTCT M200

dày 30cm
141B128.80

9


gradien thấm lớn hơn gradien thấm 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 tông.
1.3.2. Thân cống bị mục
Nguyên nhân gây ra hiện tượng thân cống bị mục là do tác động của
thời gian làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu thân cống. Mặt khác, nước
trong cống 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. 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.
1.3.6. Cống bị lún
Nhiều đồ án thiết kế không tính đến ứng suất nền cống, có thể là do
người thiết kế cho là cống nhỏ, đập không cao lắm, tải trọng trên cống nhỏ.

Ứng suất mặt nền ở một số cống điển hình được trình bày ở bảng 1.5[1]




10


Bảng 1.5: Ứng suất nền tại đáy tháp cống trường hợp mới thi công xong
142BTT 143BTên cống
144B
σ
max
(kg/cm
2
) 145B
σ
min
(kg/cm
2
) 146B
σ
max
/
σ
min

147B1 148BCấm Sơn 149B1.40 150B1.10 151B1.27
152B2 153BNúi Cốc 154B4.64 155B1.95 156B2.38
157B3 158BThanh Lanh 159B3.87 160B1.63 161B2.37

162B4 163BVạn Hội 164B2.29 165B2.10 166B1.09

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.
1.3.8. Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng
Nguyên nhân là do trong quá trình vận hành cửa van không thường
xuyên được duy tu, bảo dưỡng.
Tình hình phân bố hư hỏng cống được trình bày theo bảng 1.6 [1]
Bảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập
167BSố TT 168BCác loại hư hỏng cống 169BSố lượng (cái) 170BTỷ lệ (%)
171B1 172BThấm qua thân cống 173B14 174B18.18
175B2 176BThân cống bị mục 177B5 178B6.50
179B3 180BHỏng ống phá chân không 181B6 182B7.80
183B4 184BHỏng khớp nối 185B22 186B28.57
187B5 188BHỏng sân tiêu năng 189B4 190B5.20
191B6 192BCống bị lún 193B11 194B14.28
195B7 196BCửa cống không kín hoặc bị kẹt 197B9 198B11.67
199B8 200BHỏng thiết bị đóng mở 201B6 202B7.79

203BCộng 204B77 205B100

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
h
H
h
lra
k


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 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]: L
k
= (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: h
n
< h

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

14


xuống hạ lưu.
Đường mặt nước CD là đường nước dâng kiểu c
0
hoặc c
1
có:
h
C

< h
D
< h
k
Thân cống càng dài, độ sâu càng lớn, cho đến trạng thái phân giới là khi h
D

= h
k
, 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).

a,
Ho
L
l < l
k
C
C
lvµo
lra
h
k
D

D
h
n
C
D

b,
hc
l = l
C
Ho
h
C
lvao
lra
D
D
h
C
D
k
n


15


c,
lra
l > l

lvµo
C
C)
D
Ho
h
hc
C
D
h
k
n
k

d,
hc''
l > l
lvao
C
Ho
h
hx
hc
C
lra
d)
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 L
k
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 (h
D
= h
k
). Trị số L
k
đó có thể tính bằng:
L
k
= l
k
+ l
vào
+ l
ra
(2-1)
Trong đó:
l
k
: Chiều dài đường nước dâng có độ sâu ở đầu trên là h
C
và độ sâu ở

đầu dưới là h
k
, có thể tính theo phương pháp dòng không đều.
l
vào
: Chiều dài cửa vào, từ đầu cống đến mặt cắt (C-C), lấy theo công
thức kinh nghiệm: l
vào
= (1,5 ÷ 2,5) (H
0
– h
C
) (2-2)
l
ra
: Chiều dài cửa ra, từ mặt cắt (D-D) đến cuối cống:
l
ra
= 2,5 (h
k
– h
n
) (2-3)
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 h

D
, tính ngược lên thượng lưu
để tìm độ sâu h
x
tại mặt cắt (C-C) ở đầu cống, rồi coi độ sâu ấy là độ sâu hạ
lưu của đập tràn.
Độ sâu h
D
ở cửa ra lấy như sau: h
D
= h
k
nếu h
n
< h
k

h
D
= h
n
− z
2
nếu h
n
> h
k

Trong đó: z
2

là độ cao hồi phục.
C
hc
a)
h
C
ho
bII
i > i k
hn
k


cII
h
b)
h
C
C
ho
i > i k
hn
k
c


lvµo
h
c)
lra

ho
cII
l
C
h
i > i k
C
aII
h
D
Z
D
k
c
n
2


17


l
C
D
h
c
d)
h
hx
C

Zk
D
i > i k
hc''
ho
hn
k

Hình 2.3: Dòng chảy qua cống với mực nước hạ lưu thay đổi
Biết độ sâu ở cuối là h
D
và chiều dài l =
CD
có thể tính ra độ sâu ở đầu
là h
x
. Sau khi tính được độ sâu h
x
, đem h
x
so sánh với chỉ tiêu ngập (h
n
)
pg

Nếu h
x
< (h
n
)

pg
, cống làm việc như đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập.
Lưu lượng qua cống được tính theo công thức:
Q = ϕ.ω
)(2
0 x
hHg −
(2-4)
Nếu h
x
> (h
n
)
pg
, thì tính cống như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập có độ
sâu trên đỉnh là h
n
= h
x
. Lưu lượng qua cống được tính như sau:
Q = ϕ
n
.ω
)(2
0 n
hHg −
(2-5)
Xem các hình (2.2) và (2.3), ta thấy cống dài với i < i
k
có thể là chảy

ngập dù mực nước ở hạ lưu (cửa ra) còn rất thấp. Ngược lại, cống dài có i > i
k

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 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