Bài giảng cống lộ thiên

CHƯƠNG 3: CỐNG LỘ THIÊN

GS. TS. Phạm Ngọc Quý


3-1. Khái niệm và phân loại
3.1.1. Khái niệm:
- Là công trình hở phía trên, được xây
dựng để điều tiết lưu lượng và
khống chế mực nước.
- Được dùng rộng rãi, nhất là vùng
đồng bằng.
3.1.2. Phân loại: theo mục đích có:
Hinh3-1: Cèng h¹ l­u Liªn M¹c

1. Cống lấy nước:
- Để lấy nước từ sông hoặc hồ.
- Cống Trung Trang (HP) có 4 cửa
8m, lấy nước tưới 18.250 ha.

2. Cống điều tiết:
-Xây dựng trên sông để điều tiết
Z, Q.
- Cống hạ lưu Liên Mạc (3 cửa
6m).


3-1. Khái niệm và phân loại
3. Cống tiêu:
- Tháo, tiêu nước và gắn với nhiệm vụ khác.
- Cống Láng Thé, cống Lân, cống Trà Linh.

 
PhÝa s«ng
+13.00

+2.50

PhÝa ®ång
+2.00
1:3

+2.00

-6.00

-5.0

-4.20

-5.0

Hình 3-2 C¾t däc cèng L¸ng ThÐ
4. Cống phân lũ:
- Để phân lũ.
- Cống Vân Cốc (năm 1966 có 26 cửa 8m)
5. Cống ngăn triều:
- Ngăn triều (kết hợp giữ ngọt, ngăn mặn, tiêu).
- Cống Nghi Quang (năm 2000, 12 cửa rộng 3,2m).
6. Cống tháo cát:

-6.00

3-1. Khái niệm và phân loại
3.1.3. Các bộ phận của cống: có 3 bộ phận chính.
1. Nối tiếp thượng lưu:
Gồm tường, sân. Yêu cầu: tạo cho dòng chảy vào thuận.
2. Thân cống:
- Gồm bản đáy, mố trụ, van, cầu phai, thiết bị.
- Thực hiện nhiệm vụ của cống.
- Có cấu tạo phù hợp với nhiệm vụ, quy mô, địa chất.
3. Nối tiếp hạ lưu:
- Gồm thiết bị tiêu năng, tường cánh, sân sau, hố xói dự
phòng...
- Yêu cầu thuận dòng, giảm hiện tượng thuỷ lực bất lợi.


3-1. Khỏi nim v phõn loi
+ 9.60

Phía đồng
1

2

6

+1.80

Phía biển

15
+ 3.20

7
+5.20

16
8

-3.50

9

-3.50 10

+4.50

17

+1.80

11

9

18

- 4.50

22

+ 1.30

23

- 3.50
-6.50

3

4

5

14

13

12
- 14.50

14

-6.00

19

20

21

Hình 14-3. Cắt dọc cống Lân II (Thái Bình Xây dựng 1996)
1. Kênh dẫn thượng lưu
2. Bảo vệ mái thượng lưu
3. Sân trước bằng đá xây
4. Cầu thang mái kênh thượng lưu
5. Sân trước bằng bê tông CT 6. Tường cánh thượng lưu
7. Cầu giao thông
8. Mố trụ
9. Khe phai
10. Cửa van
11. Tường ngực
12. Bản đáy cống
13. Cọc bê tông cốt thép
14. Cừ chống thấm
15. Cầu công tác
16. Cầu thả phai
17. Tường cánh hạ lưu
18. Mố tiêu năng
19. Bản đáy bể tiêu năng 20. Sân sau bằng bê tông CT
21. Sân sau bằng đá xây
22. Cầu thang mái kênh HL 23. Bảo vệ mái hạ lưu
24. Hố xói dự phòng
25. Kênh hạ lưu
Ghi chú: Kích thước cm

24

rọ đá

3.2. Xác định kích thước lỗ cống
3.2.1. Xác định mực nước thiết kế thượng hạ lưu cống
+ Từ cấp công trình có mức đảm bảo.
+ Qua tính toán thuỷ lực, thuỷ văn mà có zt , zh .
1. Zh:
a. Với cống lấy nước: Tính toán từ yêu cầu mực nước ở nơi dùng tới.
b. Cống tiêu, cống phân lũ: Từ tính toán thuỷ văn.
- Có quan hệ Q ∼ Zh- ở sông.
- Ứng với Q + Q2 tra ra Zh; Q tương ứng ở sông, Q1 qua cống ra sông
∆

Q1

Q1 + Q

Q

Z1

∆

Z2

Z3

Q

Q1

Q1 - Q


3.2. Xác định kích thước lỗ cống
2. Zt:
a. Cống lấy nước:
- Sông có Q1 ứng với Z1 lấy Q còn lại (Q1 – Q) → tra ra Z2.
Có ∆Z1 =Z1 - Z2
- Khi nước vào cống, mực2 nước giảm

3 KV
Q
, (14 -2) V? i K =
;
∆Z 2 = .
2 (1 − K )2g
Q1

V=

Q−Q
Ω2

- Nếu cống đặt các bờ sông 1 đoạn thì có tồn thất cột nước trong kênh là:
∆Z3.
- Mực nước thượng lưu cống lấy nước là Zt = Z1 - , nếu Zt > Zpg
Nếu Zt < Zpg thì mực nước thượng lưu trước cống là Zpg
b. Đối với cống tiêu, cống phân lũ:
Căn cứ vào yêu cầu và tính toán thuỷ lực, thuỷ văn để xác định Z

3.2. Xác định kích thước lỗ cống
3. Lựa chọn cập (Zt, Zh) thiết kế:
- Q, Zt, Zh đều biến đổi theo thời gian.
 

5

Zt , Zh

D

4
Zt ~ t

3
2
1 A
5

B

Z h~ t

C

6

7

8

9

10 11 12 t

Hinh 3-6: Đ­êng qu¸ trinh mùc n­íc th­îng h¹ l­u cèng

- Chọn cặp (Zt, Zh) phải thoả mãn: đảm bảo nhiệm vụ, an toàn, khả thi.
- Với xác định bề rộng cống chọn cặp (Z t, Zh) có chênh lệch nhỏ và lưu
lượng tương ứng tương đối lớn (A,B,C).
- Với tiêu năng, phòng xói: chọn cặp (Zt, Zh) có chênh lệch lớn và lưu lượng
tương đối lớn (D).


3.2. Xác định kích thước lỗ cống
3.2.2. Lựa chọn kiểu ngưỡng cống và lưu lượng đơn vị (q)
1.
Chọn q (m3/sm):
- Rất quan trọng trong thiết kế (quyết định an toàn và kinh tế)
- Một số chỉ dẫn: ∆Z lớn chọn q nhỏ; hh nhỏ chọn q nhỏ; Nền yếu chọn q nhỏ;
Quy mô cống lớn chọn q nhỏ
2. Chọn kiểu ngưỡng cống:
- Kiểu ngưỡng cống ảnh hưởng đến kích thước cống, kết cấu, Q.
- Có 2 kiểu : ngưỡng đỉnh rộng, ngưỡng thực dụng.
- Ngưỡng đỉnh rộng (ngưỡng bằng) dùng khi:
+ Hạ thấp cao trình ngưỡng để tăng Q.
+ Khi đã có q, không đòi hỏi m lớn.
+ Giảm thời gian thi công.
- Ngưỡng thực dụng (dạng cong, tròn, đa giác...) dùng khi:

+ Khi cần m lớn.
+ Giảm chiều cao cửa van, không giảm Q.
+ Khống chế q.


3.2. Xác định kích thước lỗ cống
3.2.3. Xác định kích thước lỗ cống
Yêu cầu: đảm bảo Q, cửa van, thiết bị đóng mở, tiêu năng, qua thuyền, cấu tạo
chung.
1. Khi cửa van mở hoàn toàn:
 
 
 
 
 H.14-7: Sơ đồ tính ngữơng thực dụng. Hình 14-8: Sơ đồ tính đập tràn đỉnh rộng.
n

n

k

a. Chảy tự do: Q = εm ∑ b 2g Ho
Trong đó : + m hệ số lưu lượng: nếu ngưỡng đỉnh rộng xác định theo Cumim
nếu ngưỡng thực dụng: m = mtc .σ hd .σ H
∑b
+ ε Là hệ số co hẹp bên: với ngưỡng đỉnh rộng: ε =
∑b + ∑d
ξ
+
(

n
−
1
)
ξ
H
mb
mt
0
với ngưỡng thực dụng: ε = 1 − 0,2
.
3/2

n

b


3.2. Xác định kích thước lỗ cống


3.2. Xác định kích thước lỗ cống


3.3. Tiêu năng phòng xói
3.3.1. Đặc điểm
1. Đặc điểm chung:
- V lớn phân bố không đều.
- Mạch động lớn.
- Zt, Zh, Q thay đổi theo t, chế độ chảy thay đổi.

- Dòng chảy ở hạ lưu khuyếch tán không đều.
- Bk /Σb lớn
- Nền yếu.
2) Các đặc điểm khác của cống vùng triều:
- hh lớn, σn lớn.
- Chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều, lưu vực kín: Ảnh hưởng một
phía; lưu vực hở: Ảnh hưởng hai phía.
- Dòng chảy ra khỏi cống xuất hiện nhảy sóng, hiệu quả tiêu năng kém,
quá trình tiêu năng phần lớn diễn ra ngoài bể.
- Cống đặt trên nền yếu và phức tạp.


3.3. Tiêu năng phòng xói
3.3.2. Thiết kế bể tường tiêu năng
- Là hình thức tiêu năng nội bộ.
- Tiêu hao được 40 ÷ 70% nặng lượng thừa.
- Thích hợp với nền đất, cột nước thấp.
- Xác định d,C, L với bài toán phẳng được trình bày trong sách TL.
- Với mở rộng dần: Từ phương trình (3 – 20) của Zamarin ta có h2:
α1q1b1.v1 b1.h12 α 2 q 2 b 2 v 2 b 2 h 22
+
=
+
,
(3-20)
g
2
g
2
- Cuối bể tiêu năng thường làm ngưỡng nhằm: Giảm d,L

- Hướng dòng chảy lên mặt, tránh xói lở.
- Tăng khuyếch tán, giảm khu xoáy vật,
giảm L2.
- Chiều cao ngưỡng hợp lý:
thấp quá không tác dụng, cao thì tạo nước nhảy sau ngưỡng.

2


3.3. Tiêu năng phòng xói
3.3.3. Thiết bị tiêu năng phụ
- Có tác dụng: Tăng tiêu năng, rút ngắn kích thước bể.
-Có các loại: Răng tiêu năng (hình 3 - 12)
a)

b)
1:

c)

2

d)

1:

H×nh 3-12. R¨ng tiªu n¨ng

2

:
~1

2.5


§3.3. Tiêu năng phòng xói
Mố tiêu năng (hình 3 - 13)

H×nh 3 - 13 Mè tiªu n¨ng


§3.3. Tiêu năng phòng xói
Dầm tiêu năng (hình 3 14)

c

Hình 3-14. DÇm tiªu năng


§3.3. Tiêu năng phòng xói
3.3.4. Nước nhảy sóng, tác hại và biện pháp khắc phục
- Khi Zh thay đổi, có gợn sóng yếu dần về phía hạ lưu (H.3- 15)

H×nh 3 - 15
h"c
- Điều kiện: .h ≤ 2
c

- Tác hại:

+ Tiêu năng kém, khuyếch tán không đều.
+ Dòng chảy tách khỏi tường cánh, tạo khu xoáy vật; q,v tăng
gây xói lòng kênh.


§3.3. Tiêu năng phòng xói
- Khắc phục:
* Làm ngưỡng trước khi vào bể (hình 3 - 16) chiều
cao ngưỡng theo đồ thị (hình 3 - 17).

H×nh3 - 16 Sù thay ®æi d¹ng n­íc nh¶y khi cã ng­ìng ®Çu bÓ

* Dùng dầm, mố tiêu năng, ngưỡng phân nước.


§3.3. Tiêu năng phòng xói
3.3.5.Dòng chảy ngoằn ngoèo và biện pháp khắc phục
- Là dòng chảy không đối xứng(h×nh 3-18).

H×nh 3 - 18. Dßng ch¶y ngo»n ngoÌo sau cèng.

- Do kết cấu không đối xứng, tường cánh mở qua rộng,
cửa van mở không đều.
- Tác hại: giảm hiệu quả tiêu năng, tăng xói.


§3.3. Tiêu năng phòng xói
- Khắc phục:
* Chọn hình thức tường cánh và góc mở θ hợp lý:
2 h

.Không có thiết bị tiêu năng: tg θ = 3 ∆H
.Có thiết bị tiêu năng: tg θ =

1−

1 DH h
2 P
h

1 1
.Thực tế thường chọn tg θ = ÷
6 4

* Thiết lập và thực hiện đúng quy trình vận hành cửa
van.


§3-4. Tính toán thấm và ổn định cống
* Tính toán thấm, Ổn định thấm
* Ổn định trượt
* Biến dạng
Cần nghiên cứu và thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 4253 – 86.
Nền các công trình thủy công.


Đ3-5. Tớnh toỏn kt cu cỏc b phn cng
3.5.1. Tớnh toỏn bn ỏy cng
1. Phõn tớch lc v tớnh toỏn bn ỏy theo phng phỏp dm o ngc:
- Phn lc nờn theo phng dũng chy l bc nht v hng vuụng gúc vi
dũng chy l u (hỡnh 3 - 19)

- Xột ton cng hoc mt mng cng:
Tớnh lc tỏc dng
.Tớnh ra phn lc nn theo (3 - 31):
max,min =

Vi

W=

P Mo

F
W

q

1
(2l ).b 2
6
q

3-19: Sơ đồ tính bản đáy cống
theo phương pháp dầm đảo ngược


§3-5. Tính toán kết cấu các bộ phận cống


§3-5. Tính toán kết cấu các bộ phận cống
2.Phân tích lực và tính toán bản đáy theo pp dầm trên nền đàn hồi:

B1: Xét toàn cống hoặc một khung cống để phản lực nền (với giả thiết như ở
phương pháp trên).
B2: Cắt một băng 1m vuông góc với dòng chảy và xác định sơ đồ lực.
a) Xác định các lực tác dụng
- Lực tập trung lại mố là P'i
- Các lực phân bố:
+ Phản lực nền q3.
+ Áp suất đẩy ngược q2.
+ Trọng lượng bản đáy: q1.
+ Trọng lượng nước trong cống: qo.
b) Xác định lực cắt không cân bằng Q:
Q+ ∑ P'i +2l ∑ q i = 0,
(3-32)
∑ qi = q0+ q1+ q2+ q3.