Bài giảng công trình trên hệ thống thủy lợi chương 3 cống lộ thiên

§
§
H
H
T
T
L
L
1
CHƯƠNG 3-CỐNG LỘ THIÊN
CHƯƠNG 3-CỐNG LỘ THIÊN
3-1. KIẾN THỨC CHUNG
3-1. KIẾN THỨC CHUNG
I- Khái niệm:
I- Khái niệm:
1. Cống:

Vật kiến trúc dùng để điều tiết Q, khống
chế mực nước trên kênh, sông

Vị trí đặt: trên kênh; đầu, cuối kênh
2. Cống lộ thiên:

Phía trên hở (không đắp đất).

Phân biệt với cống ngầm: 4 phía giáp đất
§
§
H
H
T

T
L
L
2
II- Phân loại cống (theo chức năng,
II- Phân loại cống (theo chức năng,
nhiệm vụ):
nhiệm vụ):
1. Cống lấy nước (từ sông, hồ, kênh).

VD: Cống Liên Mạc, Xuân Quan …
2. Cống điều tiết: đặt trên kênh để khống chế mực
nước.

Một số đập dâng trên sông có chức năng như cống.
VD: đập Thảo Long.
3. Cống tiêu: Tháo nước từ 1 vùng ra sông, biển,
hồ, kênh.

Đối tượng tháo: nước mưa, nước thải, nước thừa.
§
§
H
H
T
T
L
L
3
§

§
H
H
T
T
L
L
4
4. Cống phân lũ:

Tháo một phần lưu lượng lũ từ sông sang vùng
khác => bảo vệ cho hạ lưu.

VD: Đập Đáy, Vân Cốc (phân lũ sông Hồng).
5. Cống ngăn triều:

Ngăn mặn, giữ ngọt cho đồng.

Thường kết hợp tiêu => làm việc 2 chiều.
6. Cống tháo cát:

Áp dụng ở các CT lấy nước, điều tiết trên sông.

VD: đập Cầu Sơn, Bái Thượng, Thạch Nham …
7. Cống đa chức năng:

Tưới + tiêu.

Tiêu + ngăn triều …
§

§
H
H
T
T
L
L
5
§
§
H
H
T
T
L
L
6
III- Các bộ phận của cống
III- Các bộ phận của cống
1
3
4
PhÝa ®ång
2
+1.80
+ 9.60
16
15
10
9

-3.50
-3.50
1314
5
14
- 14.50
12
+5.20
+ 3.20
6
9
8
11
7
- 4.50
-6.00
19
18
17
+4.50
+1.80
+ 1.30
PhÝa biÓn
- 3.50
20 21
22
24
23
-6.50
rä ®¸

25
Hình 14-3. Cắt dọc cống Lân II (Thái Bình – Xây dựng 1996)
Hình 14-3. Cắt dọc cống Lân II (Thái Bình – Xây dựng 1996)
1. Kênh dẫn th
1. Kênh dẫn th
ư
ư
ợng l
ợng l
ư
ư
u 2. Bảo vệ mái th
u 2. Bảo vệ mái th
ư
ư
ợng l
ợng l
ư
ư
u 3. Sân tr
u 3. Sân tr
ư
ư
ớc bằng
ớc bằng
đ
đ
á xây 4. Cầu thang mái kênh th
á xây 4. Cầu thang mái kênh th
ư

ư
ợng l
ợng l
ư
ư
u
u
5. Sân tr
5. Sân tr
ư
ư
ớc bằng bê tông CT 6. T
ớc bằng bê tông CT 6. T
ư
ư
ờng cánh th
ờng cánh th
ư
ư
ợng l
ợng l
ư
ư
u 7. Cầu giao thông 8. Mố trụ
u 7. Cầu giao thông 8. Mố trụ
9. Khe phai 10. Cửa van 11. T
9. Khe phai 10. Cửa van 11. T
ư
ư
ờng ngực 12. Bản

ờng ngực 12. Bản
đ
đ
áy cống
áy cống
13. Cọc bê tông cốt thép 14. Cừ chống thấm 15. Cầu công tác 16.
13. Cọc bê tông cốt thép 14. Cừ chống thấm 15. Cầu công tác 16.
Cầu thả phai
Cầu thả phai
17. T
17. T
ư
ư
ờng cánh hạ l
ờng cánh hạ l
ư
ư
u 18. Mố tiêu n
u 18. Mố tiêu n
ă
ă
ng 19. Bản
ng 19. Bản
đ
đ
áy bể tiêu n
áy bể tiêu n
ă
ă
ng 20. Sân sau bằng bê tông CT

ng 20. Sân sau bằng bê tông CT
21. Sân sau bằng
21. Sân sau bằng
đ
đ
á xây 22.
á xây 22.
Cầu thang mái kênh HL 23.
Cầu thang mái kênh HL 23.
Bảo vệ mái hạ l
Bảo vệ mái hạ l
ư
ư
u 24. Hố xói dự phòng
u 24. Hố xói dự phòng
25. Kênh hạ l
25. Kênh hạ l
ư
ư
u
u
Ghi chú: Kích th
Ghi chú: Kích th
ư
ư
ớc cm
ớc cm
§
§
H

H
T
T
L
L
7
III- Các bộ phận của cống:
III- Các bộ phận của cống:
1. Thân cống: là phần quan trọng nhất.

Chức năng: điều tiết Q, H; nối tiếp với nền và bờ; giữ
ổn định.

Các bộ phận chính:
-
Bản đáy.
-
Trụ pin và trụ biên.
-
Tường ngực
-
Khe van, cửa van, khe phai.
-
Cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai.
-
Có thể có cừ chống thấm (nối với bản đáy).
§
§
H
H

T
T
L
L
8
2. Phần nối tiếp thượng lưu.

Chức năng: tạo sự thuận dòng, giảm tổn thất cột nước.

Các bộ phận:
- Tường cánh thượng lưu.
- Sân trước (có thể kết hợp chống thấm hoặc không).
3. Phần nối tiếp hạ lưu.

Chức năng: Tiêu năng phòng xói; nối tiếp dòng chảy từ xiết
sang êm.

Các bộ phận:
- Tường cánh hạ lưu
- Bể / sân tiêu năng (phía dưới có bố trí thoát nước, lọc ngược).
- Sân sau.
- Hố phòng xói (có thể có hoặc không).
§
§
H
H
T
T
L
L

9
§
§
H
H
T
T
L
L
10
§
§
H
H
T
T
L
L
11
14-2. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC LỖ CỐNG
14-2. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC LỖ CỐNG
I- Xác định mực nước thiết kế thượng, hạ lưu cống
I- Xác định mực nước thiết kế thượng, hạ lưu cống
1. Mực nước hạ lưu (Z
h
).
a) Cống lấy nước: Vẽ đường mặt nước trong kênh hạ lưu,
xuất phát từ cao trình mực nước khống chế nơi sử dụng.
b) Cống phân lũ, cống tiêu:
- Sông ra biển: theo quan hệ Z~Q (dựa vào kết quả tính

thuỷ văn).
- Sông vùng triều: theo dạng triều thiết kế (Z
h
không phụ
thuộc vào Q).
§
§
H
H
T
T
L
L
12
2. Mực nước thượng lưu (Z
t
)
a- Cống lấy nước.

Mực nước trước cửa vào:
Z
cv
= max(Z
TV
, Z
pg
).

Z
TV

= Z
1
-(∆Z
1
+∆Z
2
);

Z
1
= f(Q
1
);

Z
2
= f(Q
1
-Q);

∆Z
1
= Z
1
-Z
2
;

∆Z
2

=
g2
v
)k1(2
k3
2
⋅
−
2
1
1
QQ
v;
Q
Q
k
Ω
−
==
Q - Q
Q
1
3
Z
1
Q
2
Z
1
Z

∆
∆
§
§
H
H
T
T
L
L
13
a) Cống lấy nước (tiếp):
Z
pg
= Z
d
+H
pg
; (mực nước phân giới trong sông).
Z
d
– Cao độ đáy sông trước cửa vào;
H
pg
= f(Q
1
– Q): độ sâu phân giới trong sông.

Mực nước trước cống:
Z

t
= Z
cv
- ∆Z
3
;
∆Z
3
- tổn thất cột nước dọc kênh từ cửa vào đến vị trí
cống.
b) Cống tiêu, cống phân lũ:
Căn cứ vào mực nước phải khống chế trong vùng.
§
§
H
H
T
T
L
L
14

3. Lựa chọn cặp (Z
t
, Z
h
) thiết kế.

Vẽ đường quá trình mực nước: Z
t

~ t; Z
h
~ t.

Chọn thời điểm tính toán bất lợi:
- Tính khẩu diện: Khi ∆Z=Z
t
-Z
h
nhỏ,
Q tương đối lớn.
- Tính tiêu năng: Khi ∆Z=Z
t
-Z
h
lớn,
Q tương ứng.

Z ~ t
Z ~ t
B
6
A
1
5 97 8
4
3
2
C
h

t
Z , Z
5
h
D
121110
t
t
§
§
H
H
T
T
L
L
15
II- Lựa chọn kiểu ngưỡng cống & lưu
II- Lựa chọn kiểu ngưỡng cống & lưu
lượng đơn vị:
lượng đơn vị:
1. Chọn lưu lượng đơn vị (q).

Ý nghĩa. q ảnh hưởng đến:
- Quy mô cống (q lớn thì B nhỏ).
- Vấn đề nối tiếp và tiêu năng.

Kinh nghiệm: chọn q nhỏ trong các trường hợp:
- (Z
t

-Z
h
) lớn.
- h
h
nhỏ.
- Nền yếu, dễ xói.
- Cống có quy mô lớn.
§
§
H
H
T
T
L
L
16
2. Lựa chọn kiểu ngưỡng cống.

Thường chọn ngưỡng đỉnh rộng khi:
- cần hạ thấp cao trình ngưỡng (cống tiêu).
- khi q đã định, không đòi hỏi hệ số lưu
lượng lớn.
- khi thời gian thi công gấp rút

Dùng ngưỡng thực dụng khi:
đáy kênh đã định (theo địa hình) mà cần
nâng ngưỡng để giảm q, giảm chiều cao
van.
∇

∇
§
§
H
H
T
T
L
L
17
III- Xác định kích thước lỗ cống:
III- Xác định kích thước lỗ cống:
1. Trường hợp mở cửa van hoàn toàn:
a) Chảy tự do
ε - hệ số co hẹp bên
m - hệ số lưu lượng
Ghi chú: - cách xác định ε và m là khác nhau đối với đập tràn
đỉnh rộng & thực dụng.
- thường xác định ∑b theo phương pháp đúng dần.
∑
ε
=
2/3
o
Hg2m
Q
b
Xác định theo quy phạm
tính toán thuỷ lực đập tràn
§

§
H
H
T
T
L
L
18
b) Chảy ngập

Tiêu chuẩn ngập: phân biệt đập tràn đỉnh rộng và thực
dụng – Theo QP Thuỷ lực đập tràn.

Sơ đồ tính toán:
Đập tràn thực dụng Đập tràn đỉnh rộng
n
k
n
§
§
H
H
T
T
L
L
19

Xác định ∑b:
- Đập tràn thực dụng:

-Đập tràn đỉnh rộng:
Ghi chú: ∑b xác định theo p
2
đúng dần.
( )
onn
2/3
on
H/hf
Hg2m
Q
b
=σ
ε⋅σ
=
∑
( )
5,05,0
mf
Hg2m
Q
b
g
n
2/3
ogn
+ε=ϕ
=ϕ
ε⋅ϕ⋅ϕ
=

∑
§
§
H
H
T
T
L
L
20
2. Trường hợp mở van 1 phần:
Tính như chảy qua lỗ
a) Chảy tự do:

Sơ đồ:

Công thức:
α - hệ số co hẹp đứng, α = f(a/H);
)aH(g2abQ
o
α−α⋅ϕ=
C
c
C
2g
V
2
h
§
§

H
H
T
T
L
L
21
b) Chảy ngập

Sơ đồ:

Công thức:
;
;
hh
hh
a4M
;
2
M
)
4
M
H(Mhh
;)hH(g2abQ
ch
ch
22
o
2

hz
zo
αϕ=µ
⋅
−
µ=
+−−=
−α⋅ϕ=
C
2g
2
V
C
z
h
§
§
H
H
T
T
L
L
22
3-3. THIẾT KẾ TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI
3-3. THIẾT KẾ TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI
I- Đặc điểm dòng chảy qua cống
I- Đặc điểm dòng chảy qua cống

V lớn, phân bố không đều; mạch động lớn.


Z
t
, Z
h
luôn thay đổi => trạng thái chảy qua cống cũng
thay đổi, thường xuất hịên nước nhảy sóng, khó tiêu
năng.

Dòng chảy hạ lưu khuyếch tán không đều.

B
cống
thường << B
kênh
=> dễ sinh chảy ngoằn ngoèo.

Địa chất ở kênh hạ lưu thường yếu, dễ xói => xói hạ
lưu cống chủ yếu do nước nhảy sóng, dòng chảy
ngoằn ngoèo, mạch động lưu tốc và áp lực.
§
§
H
H
T
T
L
L
23
II- Bố trí chung thiết bị tiêu năng hạ lưu.

II- Bố trí chung thiết bị tiêu năng hạ lưu.
1. Hạ lưu không ảnh hưởng triều => sơ đồ tiêu năng
truyền thống:

Bể tiêu năng (hoặc sân tiêu năng khi không đào bể)
- Đáy: kết cấu BTCT (hoặc đá xây) liền khối, có đục lỗ
thoát nước, phía dưới có tầng lọc ngược.
- Trên mặt đáy có thể bố trí thiết bị tiêu năng phụ (mố,
răng, ngưỡng …).
- Tường cánh hạ lưu: chọn độ mở thích hợp => tránh tách
dòng.
thường tgθ =
- Kích thước bể tiêu năng (d
b
, L
b
): xác định theo thuỷ lực.
4
1
6
1
÷
§
§
H
H
T
T
L
L

24

Sân sau:
- Là đoạn gia cố chống xói trên kênh hạ lưu,
đoạn nối ngay sau BTN (có mạch động lớn).
- Chiều dài: L
s
=(2,5÷3)L
n
;
L
n
- chiều dài nước nhảy.
- Kết cấu gia cố:
Yêu cầu: ổn định, dễ thoát nước.
o
K/C truyền thống: đá lát khan, rọ đá, tấm BT
lắp ghép.
o
Kết cấu loại mới: thảm đá, mảng bêtông tự
lựa …
§
§
H
H
T
T
L
L
25

2. Hạ lưu chịu ảnh hưởng triều:

Đặc điểm: mực nước hạ lưu thay đổi thường xuyên, dễ
hình thành nước nhảy sóng và dòng chảy ngoằn ngoèo,
khó tiêu năng.

Bố trí: về cơ bản vẫn là sơ đồ chung Bể tiêu năng – sân
sau, nhưng có nét riêng:
- Trên đáy bể TN thường bố trí 1-2 gờ => tăng cường
khuếch tán dòng chảy theo phương đứng và ngang.
Vị trí và chiều cao gờ hợp lý: xác định bằng thí nghiệm
mô hình TL.
- Cuối sân sau thường bố trí hố chống xói => dòng chảy
đạt được trạng thái chảy êm bình thường khi chảy vào
kênh HL.