Nghiên cứu hiện trạng xói cục bộ sau các cống vùng triều của tỉnh nghệ an và các giải pháp khắc phục

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập nghiên cứu tại trường Đại học Thủy lợi với sự giúp
đỡ quý báu của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình cùng sự nỗ lực của bản
thân đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Quản lý xây
dựng đề tài "Nghiên cứu hiện trạng xói cục bộ sau các cống vùng triều của tỉnh
Nghệ An và giải pháp khắc phục".
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Thủy
lợi đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công trình đã nhiệt tình giảng dạy, tạo các
điều kiện tốt nhất có thể cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS Phạm Ngọc Quý và
thầy giáo PGS.TS Đỗ Tất Túc đã hướng dẫn tận tình giúp tôi hoàn thành luận văn
tốt nghiệp.
Đồng thời, tôi xin cảm ơn ban lãnh đạo và các anh, chị trong ban quản hệ
thống Bắc Nghệ An đã tạo điều kiện cho tôi thu thập dữ liệu, để thực hiện được luận
văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã hỗ
trợ, chia sẻ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận
văn.
Do trình độ, kinh nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên
luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp của quý báu của các thầy cô và bạn bè.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng8 năm 2013
Tác giả luận văn

Bạch Thị Thúy Hoa
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của riêng cá
nhân tôi. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được
ai công bố trong tất cả các công trình nghiên cứu nào trước đây. Tất cả các trích dẫn
đã được ghi rõ nguồn gốc.
Hà Nội, tháng 8 năm 2013

Tác giả luận văn


Bạch Thị Thúy Hoa
MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG 1
1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lưu công trình. 3
1.1.1 Khái quát chung về tiêu năng. 3
1.1.2 Các hình thức tiêu năng. 3
1.1.3. Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lưu công trình. 8
1.2. Đặc điểm cống vùng triều. 10
1.2.1. Đặc điểm cống vùng triều. 10
1.2.2. Các dạng đặc trưng của xói hạ lưu cống vùng triều. 12
1.3. Tổng quan chung tình hình thiết kế và kết cấu tiêu năng cống vùng triều.
13
1.4. Những kết quả nghiên cứu về xói ở trong nước và ở ngoài nước. 15
1.4.1. Những kết quả nghiên cứu về xói ngoài nước. 15
1.4.2. Những kết quả nghiên cứu về xói trong nước. 21
CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG XÓI SAU CÁC CỐNG TỈNH NGHỆ AN 25
2.1. Điều kiện tự nhiên dân sinh kinh tế tỉnh Nghệ An. 25
2.1.1. Điều kiện tự nhiên 25
2.1.2. Tình hình kinh tế xã hội. 26
2.1.3. Tình hình thiên tai. 27
2.2. Hiện trạng xói và phân loại xói sau các cống vùng triều tỉnh Nghệ An. 30
2.2.1. Hiện trạng của các cống vùng triều tỉnh Nghệ An. 30
2.2.2. Phân loại hình thức xói sau các cống vùng triều. 31
2.3. Đánh giá xói sau cống vùng triều. 33
2.3.1. Đánh giá thực tế một số cống bị xói lở bất lợi. 33
2.3.2. Đánh giá về nguyên nhân và giải pháp khắc phục. 36

2.3.3. Biện pháp khắc phục: 43
2.3.4. Các vấn đề tồn tại và hướng giải quyết. 44
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG XÓI HẠ LƯU 45
CỐNG VÙNG TRIỀU 45
3.1. Phân tích những đặc thù cống vùng triều tỉnh Nghệ An. 45
3.1.1. Đặc điểm thủy triều. 45
3.1.2. Đặc điểm địa chất. 46
3.1.3. Đặc điểm kết cấu cống. 47
3.2. Nguyên tắc chung của giải pháp phòng chống xói. 48
3.2.1. Giải pháp chống xói phải xuất phát từ nguyên nhân gây xói. 48
3.2.2. Tăng cường gia cố, bảo vệ hạ lưu cống. 50
3.2.3. Rà soát, bổ sung, thay đổi quy trình vận hành. 50
3.3. Các giải pháp phòng chống xói. 51
3.3.1 Các giải pháp công trình. 51
3.3.2. Các giải pháp phi công trình. 64
CHƯƠNG 4. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÓI 66
CHO CỐNG DIỄN THÀNH 66
4.1Giới thiệu chung về công trình. 66
4.1.1 Vị trí công trình 66
4.1.2 Nhiệm vụ công trình 66
4.1.3 Các chỉ tiêu thiết kế trước đây của cống Diễn Thành. 67
4.1.4 Quy mô công trình: 67
4.2 Quá trình xây dựng và hiện trạng cống Diễn Thành 68
4.2.1 Tiêu năng, phòng xói 68
4.2.2 Kênh dẫn thượng hạ lưu cống: 68
4.2.3 Đánh giá hiện trạng cống: 70
4.3 Phân tích hiện trạng và đề xuất các phương án phòng chống xói 71
4.3.1 Sự cần thiết phải khắc phục xói 71
4.3.2Các phương án phòng chống xói cho cống Diễn Thành. 72
4.4. Chọn phương án phòng chống xói cho cống Diễn Thành. 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng 4
Hình 1.2: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng 4
Hình 1.3: Sơ đồ tính toán bể tường kết hợp 5
Hình 1.4: Bể tiêu năng kiểu III 6
Hình 1.5: Bể tiêu năng kiểu II 6
Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng mặt 7
Hình 1.7: Sơ đồ cống và hố xói 11
Hình 1.8: Hình thành hố xói sau bể tiêu năng 13
Hình 1.9: Sơ đồ tính toán đập xả mặt kết hợp xả đáy 16
Hình 1.10: Đường quan hệ giữa chiều sâu hố xói và mực nước hạ lưu đập xả mặt
kết hợp xả đáy 16
Hình 1.11: Sơ đồ tính toán xói sau tràn qua đập có cột nước tràn tự do 17
Hình 1.12: Đường quan hệ giữa tính toán theo công thức 19 và đo đạc thực nghiệm 17
Hình 1.13: Hố xói sau công trình có mái dốc 18
Hình 1.14: Đường quan hệ Arun Goel dung tích hố xói và chiều sâu mực nước hạ
lưu 20
Hình 2.1: Bình đồ vị trí cống vùng triều tỉnh Nghệ An 29
Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn các loại cống trong công trình thuỷ lợi Nghệ An 30
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn phân loại cống vùng triều theo hiện trạng sử dụng 30
Hình 2.4: Cắt dọc cống Rào Đừng 34
Hình 2.5: Ảnh hưởng dòng thấm đến xói lở hạ lưu công trình 37
Hình 2.6:.Dòng chảy ngoằn ngoèo sau cống 38
Hình 2.7: Dòng chảy sau cống 40
Hình 2.8: Ảnh hưởng của độ mở cửa van 42
Hình 2.9: Khắc phục xói sau cống 43
Hình 3.1: Các dạng đường thuỷ triều tỉnh Nghệ An 45

Hình 3.2: Mặt cắt địa chất cống vùng triêu 46
Hình 3.3: Mặt cắt dọc cống 47
Hình 3.4: Cửa van mở chưa hết - gây lệch dòng chảy 49
Hình 3.5: Kích thước bể tiêu năng không đảm bảo 51
Hình 3.6: Kích thước bể tiêu năng đảm bảo 51
Hình 3.7: Bể tiêu năng cũ 59
Hình 3.8: Bể tiêu năng sau khi tăng chiều dài 59
Hình 3.9: Cửa van cung cống Rào Đừng 60
Hình 3.10: Sửa đổi kết cấu đáy cống- cửa van mở hết 63
Hình 3.11: Hệ thống phòng xói liên hoàn 63
Hình 4.1 Vị trí cống Diễn Thành hiện trạng nhìn từ Google Earth 69
Hình 4.2 Thượng lưu cống Diễn Thành 70
Hình 4.3 Mặt bằng, thượng lưu cống 69
Hình 4.4:Cắt dọc hiện trạng cống Diễn Thành 71
Hình 4.5: Sơ đồ tính toán tiêu năng cho cống Diễn Thành
74
Hình 4.6: Phương án tiêu năng phòng xói thứ hai 78
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tình hình xói lở một số cống vùng triều 13
Bảng 2.1: Hình thức và hiện trạng cống vùng triều tỉnh nghệ An 31
Bảng 2.2: Phân loại theo hình thức xói 32
Bảng 2.3: Phân loại theo chức năng, nhệm vụ,cấp công trình 32
Bảng 2.4: Phân loại theo hình thức, tiêu năng, cửa van 33
Bảng 2.5: Bảng tính toán xói cho cống Diễn Thủy 34
Bảng 2.6: Bảng tính toán xói cho cống Rào Đừng 35
Bảng 2.7: Bảng tính toán xói cho cống Hói Cống 36
Bảng 3.1: Bảng tính tiêu năng trước khi xói hạ lưu 52
Bảng 3.2: Bảng tính tiêu năng sau khi xói hạ lưu 52
Bảng 4.1: Tính toán tiêu năng theo thiết kế và theo hiện trạng 70

Bảng 4.2: Bảng tính chiều sâu nước h
1
74

Bảng 4.3: Bảng tính chiều sâu nước h
2
75

Bảng 4.4: Tính h
1
với d
gt
=1,69 m 76
Bảng 4.5 Tính h
2
với d
gt
=1,69 m 76
Bảng 4.6 So sánh kết quả tính kích thước bể 77


1
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua công tác đầu tư xây dựng trong lĩnh vực nông nghiệp
và phát triển nông thôn đã được Đảng, Nhà nước đặc biệt quan tâm, ưu tiên. Nhờ đó
hàng loạt các công trình Thủy Lợi được đầu tư xây dựng và đã có những bước tiến
vượt bậc kỹ thuật. Tuy nhiên do đặc thù của dòng chảy, nhất là nước chảy qua các
công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn, có năng lượng thừa lớn khi
chảy xuống hạ lưu làm xói lở công trình. Đây là vấn đề đã được nhiều chuyên gia

trong ngành thủy lợi dày công nghiên cứu nhưng trên thực tế vẫn còn những tồn tại
chưa giải quyết triệt để được.
Trên vùng đất Nghệ An có bờ biển dài hơn 200km, đặc biệt là các cửa sông
đều có ảnh hưởng của triều. Các cống vùng triều hầu hết làm nhiệm vụ tiêu úng và
tiêu lũ, ngăn mặn, giữ ngọt. Các cống này đã được xây dựng từ lâu hoặc đang xây
dựng đều phát huy hiệu quả tốt. Tuy nhiên qua khảo sát hiện trạng các cống vùng
triều đều cho thấy vấn đề tiêu năng có nhiều tồn tại cần được khắc phục. Ví dụ:
cống Diễn Thành, Diễn Thụy, Nghi Quang, Hói Cống…Các cống này đều bị xói lở
mạnh phần tiêu năng đặc biệt như cống Diễn Thành, Hói Cống.
Để bảo đảm yêu cầu chống xói cho hạ lưu cống vùng triều nhằm tăng ổn
định cho công trình vấn đề nhất thiết đặt ra là phải có tài liệu mang tính chất nghiên
cứu, hướng dẫn thiết kế nhằm khắc phục được tình trạng trên.
II. Mục đích của đề tài
Đánh giá được hiện trạng các công trình đập dâng tràn và hiện tượng xói hạ lưu
cống vùng triều Nghệ An.
Đưa ra được các biện pháp khắc phục các hiện tượng xói, các biện pháp công trình
mới để giảm thiểu hiện tượng xói.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Tiếp cận tổng hợp: Tổng quan về tình hình xây dựng cống vùng triều Nghệ An, các
yếu tố ảnh hưởng đến xói lở tiêu năng sau cống.

2
Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm và phương pháp tính toán xác định các thông số
trong xói lở hạ lưu cống trong các nghiên cứu trước đây cũng được tham khảo trong
luận văn.
Phương pháp nghiên cứu lý luận: Các lý thuyết về quá trình xói và hình thức xói
được nghiên cứu một cách đầy đủ. Phân tích các kết quả nghiên cứu có liên quan về
vấn đề xói ở hạ lưu cống.
Phương pháp so sánh thực tế: Thống kê các cống vùng triều đã và đang xuất hiện
hiện tượng xói ở hạ lưu. Phân tích nguyên nhân và bản chất gây ra xói.

Phương pháp điều tra: Khảo sát, điều tra đánh giá các cống vùng triều trong tỉnh
Nghệ An nhằm phát hiện ra các quy luật của hiện tượng xói
IV. Kết quả dự kiến đạt được
- Phân tích rõ những cơ sỏ nghiên cứu lý thuyết khi nêu ra định hướng các
giải pháp phòng chống xói.
- Sử dụng những kết quả nghiên cứu trên và các tài liệu thiết kế và hiện trạng
để thiết kế cho công trình Cống Diễn Thành, Diễn Châu,Nghệ An
- Kết luận và kiến nghị
V. Nội dung của luận văn:
Ngoài phần mở đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần đạt
được khi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để đạt được
các mục tiêu đó. Ngoài phần mở đầu, phần kết thúc phần phụ lục, danh mục tài liệu
tham khảo, nội dung chính của luận văn gồm 4 chương chính.

3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG

1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lưu công trình.
1.1.1 Khái quát chung về tiêu năng.
Là tìm các biện pháp làm tiêu hao toàn bộ hay một phần năng lượng thừa của
dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu khi đi qua các công trình trên sông, trên kênh,
điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về
trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công
trình.
Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là: Tiêu năng đáy với các hình
thức như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp; tiêu năng mặt; tiêu năng phóng
xa và một số hình thức tiêu năng đặc biệt.
Về lưu lượng tính tiêu năng thì một số nước trên thế giới lấy lưu lượng ứng
với tần suất thiết kế đập tràn, một số nước lấy với một tần suất cụ thể. Ở Việt Nam
thì chưa có quy định nào về lưu lượng tính tiêu năng. Về lý thuyết thì lưu lượng tính

tiêu năng chính là lưu lượng tạo ra năng lượng thừa lớn nhất. Tuy nhiên cơ chế tiêu
hao năng lượng dư ở hạ lưu là rất phức tạp nên tính toán theo tiêu chuẩn này thì
cũng không thể tiêu hao hết năng lượng dư trong mọi trường hợp.
1.1.2 Các hình thức tiêu năng.
1.1.2.1 Tiêu năng dòng đáy:
a. Nguyên lý chung: Tiêu năng dòng đáy là hình thức lợi dụng nội ma sát để tiêu
hao năng lượng thừa. Tức là tìm biện pháp công trình sao cho toàn bộ năng lượng
thừa bị tiêu hao trong nước nhảy ngập với hệ số ngập σ = 1,05-:-1,1. Nhóm giải
pháp này gồm: đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp. Ngoài ra ta có thể kết hợp
với một số các thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tường hướng
dòng, thay đổi độ dốc của bể cho phù hợp với mực nước hạ lưu.
Tiêu năng đáy phù hợp với các công trình tháo có cột nước thấp và địa chất nền
yếu, mực nước hạ lưu thay đổi.
b. Xác định độ sâu đào bể:

4

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng
- Công thức tính toán: d
bể
= h
b
- h
h
- ∆Z (1-1)
- Trong đó:
d
bể
: Chiều sâu đào bể;
h

b
: Độ sâu cuối bể; h
b
= σ.h”;
h
h
: Độ sâu mực nước hạ lưu;
∆Z: Độ chênh mực nước cuối bể và hạ lưu, xác định
theo quy luật đập tràn đỉnh rộng.
c. Xác định chiều cao tường:


Hình 1.2: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng
- Công thức tính toán: C = h
b
- H
t
(1-2)
- Trong đó:
C: Chiều cao tường tiêu năng;
h
b
: Độ sâu cuối bể; h
b
= σ.h”;
H
t
: Cột nước tràn của tường. tính toán coi tường là đập
thực dụng.
ln

l
b
p
Eo
E'
0
l
roi
h
h
h
b
l'
d
Z

5
- Khi tính toán tường tiêu năng thì phải kiểm tra lại nước nhảy sau tường để có
giải pháp công trình phù hợp.
d. Xác định bể tường kết hợp:


Hình 1.3: Sơ đồ tính toán bể tường kết hợp
- Nguyên tắc tính toán:
+ Tìm độ sâu bể tối thiểu d
0
để có nước nhảy tại chỗ ngay trong sân tiêu năng
(tính toán như bể tiêu năng).
+ Tìm chiều cao bể tối đa C
0

để có nước nhảy tại chỗ ngay sau tường tiêu
năng (tính toán như tường tiêu năng).
+ Chọn các giá trị d = d
0
+ ∆d để có nước nhảy ngập trong sân tiêu năng với
hệ số ngập σ = 1,05-:-1,1 và C = C
0
- ∆C để có nước nhảy ngập sau tường.
e. Xác định chiều dài bể tiêu năng:
- Công thức chung: L = L
r
+ L
1
(1-3)
- Trong đó:
L
r
: chiều dài nước rơi, được xác định theo công thức:
+ Với đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang: L
r
= 1,33
(
)
00
3
,0
H
pH
+

+ Với đập tràn thực dụng có cửa van: L
r
=
( )
ap
H 32,02
0
+

+ Với đập tràn đỉnh rộng: L
r
=
( )
00
24,064,1 HpH +

+ Với đập dạng bậc: L
r
= p+h
k

+ Với đập tràn mặt cắt hình cong: L
r
= 0
L
1
: chiều dài nước nhảy, được xác định theo công thức:
+ Theo N.Novak: L
1
= K(h”-h’)

2
α
Eo
E'
0
h
h
H
1
h
b
d
c

6
+ Theo Pavlopski: L
1
= β(7,21-:-8,24)h
( )
81,0
1
1−
r
F

Với:
p: Chiều cao ngưỡng tràn so với bể.
a: Độ mở cửa van.
H
0

: Cột nước tràn.
K: Lấy theo tỷ số h”/h’ (bảng 2-1 [nối tiếp và tiêu năng T.Quý]
β: Hệ số lấy bằng 0,7-:-0,8.
f. Hình thức tiêu năng của Cục khai hoang Hoa Kỳ:
- Hiện nay việc tính toán cụ thể cho công trình tiêu năng là cần thiết, nhưng theo
xu hướng chung các công trình có thể áp dụng các tiêu chuẩn của Mỹ hay các
nước châu Âu khác như áp dụng các bể tiêu năng đã được tiêu chuẩn hóa.





Hình 1.4: Bể tiêu năng kiểu III
Hình 1.5: Bể tiêu năng kiểu II

7
1.1.2.2. Tiêu năng dòng mặt.
a. Điều kiện áp dụng.
- Nền công trình cấu tạo địa chất yếu, mềm.
- Bậc thụt ở hạ lưu có đỉnh thấp hơn mực nước hạ lưu, thỏa mãn điều kiện:
a > a
min
= 0,27h
k
– 4,32h
- Điều kiện để nối tiếp chảy mặt ổn định a/P > 0,2
Trong đó:
h
k
: Là độ sâu phân giới trên dốc, h là độ sâu mũi bậc).

P: chiều cao công trình tràn.
- Lưu lượng qua công trình vừa và lớn, nhưng chênh lệch mực nước thượng
hạ lưu không lớn lắm.
- Bờ hạ lưu công trình cần phải ổn định.
- Đối với những nơi có lưu lượng lớn thì nên chọn tiêu năng dòng phễu và h
h

lớn sẽ có hiệu quả cao hơn.


Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng mặt
b. Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt.
- Nguyên tắc bố trí: Hình dạng kích thước của bậc mũi phun sao cho đảm
bảo hiệu quả tiêu năng, xung vỗ hạ lưu là nhỏ nhất và có giải pháp hữu hiệu
bảo vệ hạ lưu.
- Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn không có cửa van.
+ Không tạo dòng phun với lưu lượng nhỏ nhất.
+ Không có dòng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất
+ Chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao nhỏ nhất a
min
:
h
h
E

8
a
min
= 0,27h
k

– 4,32h.
(1-4)
a
min
=
( )
hF
rc
η
−
3
05,4

(1-5)
Trong đó:
h
k
: độ sâu phân giới;
h: chiều dày lớp nước trên mũi phun bậc;

gh
V
F
rc
2
1
=
với V
1
là lưu tốc trên mũi bậc;

η = 0,4φ + 8,4 với φ là góc giữa tiếp tuyến của đường cong tại chỗ dòng chảy
đi qua mũi phun và phương ngang.
- Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn cửa van: Nguyên tắc thiết kế là phải
căn cứ vào chiều sâu mực nước hạ lưu h
h
:
+ h
h
phải đảm bảo trong suốt quá trình vận hành sao cho ứng với mọi cấp lưu
lượng đều có chế độ chảy mặt.
+ Khi mực nước hạ lưu nhỏ phải chọn góc nghiêng cho hợp lý.
- Góc nghiêng ở đỉnh bậc θ: đối với tiêu năng dòng mặt thì đỉnh bậc nằm
ngang, chỉ trong trường hợp h
h
nhỏ thì thiết kế bậc có góc nghiêng nhỏ.
1.1.3. Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lưu công trình.
1.1.3.1. Khái niệm.
Tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay
đổi kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ
dòng chảy tăng lên, tạo nên động năng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình
học và hình dạng của lòng dẫn ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay ở chân công trình, nơi
có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn.
1.1.3.2. Quá trình xói có thể chia làm ba giai đoạn [Nối tiếp và tiêu năng]
+ Giai đoạn đầu: Xói trong thời gian tương đối ngắn, hố xói được tạo nên rất
nhanh.
+ Giai đoạn hai: Xói trong giai đoạn này diễn ra từ từ, sự hủy hoại lòng dẫn
diễn ra tương đối chậm, thời gian diễn ra giai đoạn này là rất lớn.

9
+ Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn

đến giảm cao trình đáy của lòng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ
dốc của lòng dẫn.
Xói cục bộ của lòng dẫn ngay sau chân công trình thủy lợi có rất nhiều
nguyên nhân khác nhau:
- Do không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước từ thượng lưu đổ về
hạ lưu.
- Việc co hẹp lòng dẫn (do xây dựng công trình) đã dẫn đến việc tăng lên một
cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy sau công trình trong sự so
sánh với lưu lượng, lưu tốc dòng chảy trong điều kiện tự nhiên. Ở hạ lưu công
trình xuất hiện dòng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp lực.
- Do hình thức, kích thước và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phận kết cấu
công trình tạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói.
- Dòng chảy qua công trình vượt qua sức chịu theo thiết kế của nó.
Xói có thể xảy ra với chế độ chảy đáy và cả chế độ chảy mặt ở hạ lưu công
trình.
Xói sau công trình dẫn nước, tháo nước, lấy nước đã được nhiều nhà khoa
học quan tâm, nghiên cứu về lĩnh vực này, đã thu được kết quả nhất định về nguyên
nhân, bản chất của xói về kích thước hình học của hố xói, hình dạng hố xói và xói
theo thời gian.
Xói cục bộ sau công trình thủy lợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:
+ Các yếu tố công trình :
- Chiều cao ngưỡng tràn.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van.
- Chiều dài toàn bộ đọan gia cố.
- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng và kích thước mố trụ.
- Hình dạng mặt cắt tràn.

10

- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp.
- Độ dốc lòng dẫn.
+ Các yếu tố thuỷ lực, thuỷ văn:
- Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động học.
- Lưu tốc trung bình mặt cắt.
- Sự phân bố của lưu tốc biểu thị qua hệ số Coriolis: α
- Mức độ chảy rối của dòng chảy.
- Mực nước hạ lưu.
- Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu.
- Lưu lượng đơn vị.
- Hàm lượng bùn cát trong dòng nước.
+ Các yếu tố của đất nền:
- Khối lượng riêng của đất nền.
- Hình dạng, kích thước hạt.
- Đường cong cấp phối hạt.
- Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền.
1.2. Đặc điểm cống vùng triều.
1.2.1. Đặc điểm cống vùng triều.
Cống được xây dựng dưới đê biển hay cửa sông ven biển, chịu sự tác động
trực tiếp của chế độ thuỷ triều gọi là cống vùng triều. Các cống này thường có
nhiệm vụ tiêu nước, lấy nước, ngăn triều…Nhiều cống còn có nhiệm vụ giao thông
thuỷ (cho thuyền bè đi lại).
Cống thường bố trí theo sơ đồ cống lộ thiên, nhưng cũng có trường hợp chọn
sơ đồ cống ngầm. Với các cống lộ thiên, cửa van đóng mở thường chọn loại van
phẳng, van cung, hay van tự động. Loại van tự động được áp dụng khá nhiều trong
thời gian gần đây, đặc biệt là đồng bằng Nam Bộ. Ưu điểm nổi bật của loại này là tự
động đóng mở tuỳ theo mức độ chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, thích hợp với
cống vùng triều, có mực nước phía sông, biển thay đổi thường xuyên.

11

Về kết cấu, van tự động có loại trục ngang, trục đứng 1 cánh, trục đứng 2
cánh. Loại trục ngang được áp dụng cho cửa có nhịp không lớn, không có yêu cầu
giao thông thuỷ. Loại trục đứng có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn. Một yêu cầu
quan trọng khi bố trí loại van này là khả năng áp sát trụ khi mở để không gây cản
dòng, không sinh ra dòng xiên ở hạ lưu.
Mực nước thượng hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm cho chế độ chảy qua
cống không ổn định có thể chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác (ví dụ như
chuyển từ chảy ngập sang ngập lặng và nước nhảy sóng…)
BÓ tiªu n¨ng
Cèng
H1
d
H2
H
196
S©n sau
Hè xãi
MNHL
MNTL

Hình 1.7: Sơ đồ cống và hố xói.
Đối với khu vực kín, thuỷ triều chỉ ảnh hưởng ở một phía cống. Còn các lưu
vực mở thuỷ triều ảnh hưởng mực nước ở cả hai phía cống làm cho chế độ chảy
càng phức tạp mà việc xác định chúng cần phải xét trong một hệ thống liên hoàn
các cống, kênh dẫn, vùng chứa.
Đối với cống vùng triều thì nguyên nhân gây xói lở hạ lưu cần phải xét từ cả
hai thái cực của mực nước.
Ứng với mức triều thấp, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn(cống
tiêu)năng lượng thừa dòng chảy sẽ gây xói nếu chưa được tiêu hao hết trong phạm
vi công trình.

Ứng với mức triều cao, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, không đủ
năng lượng để tạo thành nước nhảy tại chỗ hay nước nhảy ngập, mà taọ thành nước
nhảy sóng vượt ra khỏi phạm vi công trình và gây xói lở phần lòng dẫn ngay sau đó.
Dòng chảy ở hạ lưu cống khuếch tán không đều do các cửa van đóng mở
không đồng bộ và không đều. Đối với cống có van tự động trục đứng thì khi cửa
van mở không hết (cánh cửa không ép sát vào trụ) cũng là nguyên nhân gây lệch

12
dòng, lưu lượng tập trung vào những luồng nhất định gây xói đáy hoặc hai bờ khi ra
khỏi sân sau cống.
Tổng bề rộng cống (∑b) thường nhỏ hơn nhiều so với bề rộng kênh hạ lưu
nên khi dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng thường có hiện tượng chủ lưu tách khỏi bờ
kênh hình thành các xoáy nước có trục đứng ở hai bên bờ. Các xoáy này thường có
vị trí lệch nhau ở 2 bờ, gây nên dòng chảy ngoằn nghèo ở hạ lưu cống; trạng thái
này thường được duy trì trên một đoạn dài, vượt quá chiều dài sân sau, gây xói đáy
và hai bờ ở đoạn kênh nối tiếp ngay sau sân sau.
Hệ quả của các điều kiện đã nêu (mực nước hạ lưu thay đổi thường xuyên,
dòng chảy khuêch tán không đều, cống mở rộng đột ngột trên mặt bằng) là làm gia
tăng biên độ và phạm vi tác động của mạch động lưu tốc và áp lực trong dòng chảy
ở hạ lưu cống, góp phần gây xói trên một phạm vi dài của kênh hạ lưu nối tiếp với
sân sau.
Phần lớn các cống ở đồng bằng ven sông, ven biển thường đặt trên nền mềm
yếu và phức tạp. Kênh hạ lưu đào qua các vùng địa chất yếu rất dễ bị xói, đặc biệt là
trong điều kiện mà mạch động lưu tốc và áp lực có biên độ lớn, phạm vi tác động
rộng. Những điều kiện nêu trên đã làm cho tình hình xói lở ở hạ lưu các cống vùng
triều trở nên phổ biến, đe doạ sự làm việc của nhiều công trình. Một số cống có hố
xói sâu điển hình như cống Cầu Xe (Hải Dương) xói sâu 11,3m; cống Ngô Đồng
(Nam Định)xói sâu 9,9m; cống Vàm Đồn (Bến Tre) xói sâu 7,4m….
1.2.2. Các dạng đặc trưng của xói hạ lưu cống vùng triều.
1.2.2.1. Hình thành hố xói sau bể tiêu năng.

Vị trí xói đầu tiên phát sinh ở tuyến tiếp giáp giữa phần gia cố(sân sau)với
phần không gia cố (kênh đất). Khi hố xói phát triển sẽ làm sụp dần lớp gia cố ở sân
sau và tiến về phía bể tiêu năng. Ở nhiều cống, hố xói khoét sâu xuống dưới đáy bể
tiêu năng (như cống Phát Diệm - Ninh Bình), tạo nguy cơ gây sụp, gãy phần bể tiêu
năng và đe doạ an toàn của cống.

13
BÓ tiªu n¨ng
Cèng
d
S©n sau
Ph¹m vi hè xãi h×nh thµnh
Hè xãi khoÐt s©u

Hình 1.8: Hình thành hố xói sau bể tiêu năng
1.2.2.2. Xói lở ở vai sau tường cánh.
Dạng hư hỏng này cũng rất phổ biến ở các cống vùng triều, đặc biệt là ở các
cống có sự mở rộng đột ngột trên mặt bằng ở hạ lưu. Sự xói lở vai bắt đầu hình
thành tại khu vực chuyển tiếp lòng dẫn, phát triển cùng với sự xuất hiện các xoáy
bên. Hố xói ở phần chân mái cũng là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến trượt mái, mặt
trượt lấn sâu vào bộ phận gia cố, gây hư hỏng bộ phận tiêu năng sau cống
1.3. Tổng quan chung tình hình thiết kế và kết cấu tiêu năng cống vùng triều.
Ở các tỉnh ven biển nước ta đã xây dựng nhiều cống lấy nước, tiêu úng, ngăn
mặn, xô phèn… để phục vụ sản xuất và đời sống. Hiện tượng xói lở sau cống xảy ra
phổ biến đôi khi rất trầm trọng.
Tên cống Tỉnh
Khẩu
diện
Cột
nước H

Chiều
sâu
xóiT
max

T
H

Chiều
dài hố
xói L
L
H

(m)
(m)
(m)
(m)
Cầu Xe Hải Dương 40 5,9 11,3 1,9 100 17
Rõng I
Nam Hà
22
3,9
3,3
0,85
100
26
Âm Sa
Nam Hà
10

3
3,5
1,17
45
15
Ngô Đồng Nam Hà 10 3 4,2 1,4 80 27
Cổ Nhất
Nam Hà
8
3
3,6
1,2
60
20
Ngô Xá
Nam Hà
11
3
5,0
1,6
50
19
Biên Hòa Thái Bình 7 3 4,7 1,56 65 22
Trà Linh I
Thái Bình
19,5
5
3,2
0,64
45

9
Lân
Thái Bình
30
4,5
8,0
1,8
140
31
Lạch Bang
Thanh Hóa
48
4,8
6
1,28
66
11
Vàm Đồn
Bến Tre
15
4,85
7,4
1,72
106
22
Bảng 1.1: Tình hình xói lở một số cống vùng triều

14
Ta thấy đặc điểm sự xói lở sau cống là hố xói sâu và kéo dài. Cống Cầu Xe,
hố sâu đến 11,3m (kể từ đáy kênh hạ lưu) và hố xói cống Lân dài đến 140m. Nếu so

với cột nước làm việc thì T/H=0,64
÷
1,9 và T/H=9
÷
31.
Nhiều cống đã bị xói sập mất hết sân phủ và móc hàm ếch vào dưới bể tiêu
năng hoặc dưới tường cánh làm đe dọa đến an toàn công trình. Cống Lân xây dựng
1963, sau vài năm làm việc hạ su bị xói lở. Năm 1971 đã xử lý hố xói bằng rồng đá.
Năm 1975 hố xói phát triển sâu 6,8m dài 75m, mất hết sân phủ. Đến năm 1990 hố
xói phát triển mạnh sâu 8m, rộng 115m, dài 140m và đã bắt đầu khoét vào dưới bể
tiêu năng, đòi hỏi phải xử lý triệt để mới sử dụng được lâu dài. Cống Vân Đồn tỉnh
Bến Tre bắt đầu sử dụng năm 1985, giữa năm 1986 phát hiện ra hai phía cống đều
bị xói, sâu nhất đến 7,4m dài 106m. Phần lớn các tấm sân phủ bằng bê tông cốt thép
bị sập trôi. Cuối năm 1986 đã xử lý bằng cách đổ xuống hai mái trước của hai hố
xói 11.000m
3
đá hộc cỡ d=10
÷
25m. Sau đó hầu hết đá hộc đổ xuống đều bị sập
trôi. Tháng 9 năm 1988 qua khảo sát thấy hố xói phía biển đã móc hàm ếch dưới bể
tiêu năng và đặc biệt dưới tường cánh hai bên có hai hố móc sâu vào 4m và sâu
1,2m trơ lộ các cọc bê tông dưới tường cánh hạ du. Cống bị xói sâu nhất hiện nay là
cống Cầu Xe (Hải Dương). Mặc dù đã xử lý bằng rọ đá và tấm bê tông vài lần
những hố xói phía đồng vẫn không ổn định, móc sâu dưới tường sâu và tường cánh
đe dọa đến an toàn công trình.
Như vậy, khi cống đã bị xói thì sự phá hủy nền của nó xảy ra mạnh mẽ,
không những thế dòng nước có thể làm sập trôi cả đá hộc, cả các tấm bê tông cốt
thép gia cố. Xu thế chung là hố xói tiến dần vào dưới bể tiêu năng và chân tường
cánh, thời gian có thể nhanh hoặc chậm, tùy điều kiện làm việc cụ thể của từng
công trình. Khi cống đã bị xói lở nghiêm trọng, việc xử lý xói lở rất tốn kém. Điều

đó đòi hỏi phải tìm ra những nguyên nhân cơ bản gây ra tình trạng trên để một mặt
có biện pháp xử lý đúng đắn, mặt khác giúp cho việc quản lý cống phòng tránh
được xói lở và nhất là giúp cho việc tính toán, thiết kế xây dựng cống mới được an
toàn về mặt gia cố hạ lưu.


15
1.4. Những kết quả nghiên cứu về xói ở trong nước và ở ngoài nước.
1.4.1. Những kết quả nghiên cứu về xói ngoài nước.
Nghiên cứu về xói tức là tìm các biện pháp không cho xói xuất hiện hoặc
khắc phục hố xói không dự báo trước hay lựu chọn các kích thước, hình thức thích
hợp khi chủ động cho xói xuất hiện. Sự xuất hiện xói và hình thức xói là rất phức
tạp nên việc nghiên cứu xói luôn phải kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm.
1.4.1.1. Chiều sâu lớn nhất của hố xói.
Để nghiên cứu xói tại một thời nào đó thì công thức chung nhất để xác định
độ sâu của xói có thể viết như sau:
Z
max
= f(q, H, h
h
, S
d
, ρ
s
, ρ
w
, V, d
50
, d
90

, α, k) (1-6)
Trong đó:
q: Lưu lượng đơn vị.
H: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu.
h
h
: Chiều sâu mực nước hạ lưu.
S
d
: Chiều cao của ngưỡng so với đáy hạ lưu.
ρ
s
: Khối lượng riêng của vật liệu nền.
ρ
w
: Khối lượng riêng của nước.
V: Lưu tốc trung bình mặt cắt.
d
50
: Đường kính trung bình của vật liệu nền.
d
90
: Đường kính mà trọng lượng của các hạt không lớn hơn nó chiếm
90%.
Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên xây dựng các quan hệ
giữa các đại lượng để thiết lập các thí nghiệm. Từ đó xây dựng các công thức thực
nghiệm để tính toán chiều sâu hố xói:
a. Đối với công trình không có bể tiêu năng
Theo Schoklitsch:
hx

h
qZ
d
d −=
57,02
,0
42
,0
90
75,4
(1-7)
Theo Veronese:
hx
hqZ
d
d −=
54
,0225,0
42,0
90
68,3
(1-8)

16
Theo Jaeger:
h
h
x
h
d

h
qZ
d
−








=
3
1
90
5,
025
,
0
6
(1-9)
Theo Patrasev:
h
k
x
h
d
d
Zq

g
d −








=
25
,
0
90
25,05
,
0
4
2
2,6
(1-10)
Theo Eggenberger:
h
x
h
d
q
Z
d

−=
4
,0
90
6
,0
5,
0
88
,22
(1-11)
Các công thức trên thu được dựa trên kết quả thí nghiệm với dòng chảy dưới
cửa van phẳng và ngưỡng không phải là tròn [Chiều sâu lớn nhất của xói nước thấp]
Đối với cống xả tràn kết hợp xả đáy Arun Goel đã thí nghiệm với quan điểm
hố xói là hình tam giác với dung tích hố xói Vs = 0,5x
2
d
1
. Ông đã lập quan hệ giữa
chiều sâu hố xói, mực nước hạ lưu, tổng lưu lượng qua cống (hình 1-17) [Scour
Investigations Behind a Vertical Sluice Gate without Apron].


Hình 1.9: Sơ đồ tính toán đập xả mặt kết
hợp xả đáy
Hình 1.10: Đường quan hệ giữa chiều
sâu hố xói và mực nước hạ lưu đập xả
mặt kết hợp xả đáy

Cũng xuất phát từ công thức chung (1-21) các tác giả Masoud Ghodsian,

Ardeshir Azar Faradonbeh và Ali Akbar Abbasi thiết lập công thức tính toán chiều
sâu hố xói cho đập có cột nước tràn tự do []:

( )
581,0127,0
50
122,0
5,2
















=
tt
r
t
s
Y

H
Y
d
F
Y
L
1-12

17

( )
255
,0
66,
3
50
524,0
75,0

















=
−
t
t
r
t
Y
H
Y
d
F
Y
D
1-13


Hình 1.11: Sơ đồ tính toán xói sau tràn
qua đập có cột nước tràn tự do
Hình 1.12: Đường quan hệ giữa tính
toán theo công thức 1-19 và đo đạc thực
nghiệm
Theo Noel E. Bormann đối với xói hạ lưu công trình mái dốc hình 1-12:
( ) ( )
p
s
d

s
s
D
d
UYC
gB
D −
















−+
=
β
γγαφ
φγ
sin
sin

sin
6,1
0
6,0
0
2
8,0
(1-14)
Trong đó:
D
p
: Chiều cao ngưỡng.
γ
s
: Khối lượng riêng của vật liệu nền.
γ: Khối lượng riêng của nước.
C
d
= 2,0 -:- 2,4.
Y
o
: Chiều sâu dòng nước trên ngưỡng.
U
o
: Lưu tốc dòng chảy trên ngưỡng.
d
s
: Đường kính trung bình của vật liệu nền.
β: Góc giữa đỉnh ngưỡng với điểm sâu nhất của hố xói và chiều cao
nước rơi.

α: Góc nghiêng của mái hố xói hạ lưu.
φ: Góc ma sát trong cảu vật liệu nền.

18
β
α

Hình 1.13: Hố xói sau công trình có mái dốc
Theo Vưzgô thí chiều sâu hố xói ổn định gần đúng coi bằng chiều sâu bể tiêu
năng:

( )
hcx
hhd −=
''
σε
(1-15)
Trong đó:
ε = 2,0 -:- 2,7 : Là hệ số kể đến ảnh hưởng của nền;
σ = 1,05 -:- 1,1
b. Đối với công trình có bể tiêu năng.
Theo Vưzgô:
( )
1
25,0
1
−=
α
hx
hd

(1-16)
Theo Novak:

h
h
x
h
d
h
qZKd −








=
3
1
90
5,025,0
1
6
(1-17)

h
k
x

h
d
d
Zq
g
Kd −








=
25,0
90
25,05,0
4
2
2
2,6
(1-18)

hx
h
d
qZ
Kd −=
4,0

90
6,05,0
3
88,22
(1-19)
Trong đó:
α: Hệ số đặc trưng cho sự phân bố lưu tốc;
K
1
= 0,45 -:- 0,65; K
2
= 0,32 -:- 0,37; K
1
= 0,45 -:- 0,65.
Ngoài kết quả trên giáo sư Novak còn đưa ra một số kết luận [ ]: