nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng sau cống lấy nước có van điều tiết ở hạ lưu

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP CÓ VAN
ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU ...........................................................................................3

1.1. Tình hình xây dựng hồ chứa nước và hạng mục cống lấy nước dưới
đập. ................................................................................................................ 3
1.2. Tổng quan về sự làm việc của cống dưới đập ở các hồ chứa thủy lợi... 5
1.2.1. Cống lấy nước dưới đập.................................................................. 5
1.2.2. Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất............ 7
1.2.3. Đánh giá năng lực làm việc của cống ngầm đã được xây dựng... 10
1.3. Hình thức lấy nước của cống ngầm. .................................................... 10
1.3.1. Lấy nước kiểu đặt van khống chế ở hạ lưu ................................... 10
1.3.2. Lấy nước kiểu kéo nghiêng............................................................ 12
1.3.3. Lấy nước kiểu tháp........................................................................ 12
1.4. Tính toán tiêu năng sau cống có van đặt ở phía sau ............................ 13
1.5. Một số tồn tại trong thiết kế và hướng nghiên cứu của luận văn......... 14
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ
TIÊU NĂNG SAU CỐNG CÓ VAN ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU ...........................15

2.1.Các sơ đồ bố trí bể tiêu năng sau cửa van điều tiết ở hạ lưu cống........ 15
2.1.1 Bể tiêu năng kiểu giếng.................................................................. 15
2.1.2 Tiêu năng kiểu tường va đập.......................................................... 15
2.1.3. Tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.......................................... 16
2.2. Tính toán bể tiêu năng kiểu giếng........................................................ 18
2.2.1. Độ sâu đào bể ( giếng).................................................................. 18
2.2.2. Chiều dài bể ( giếng)..................................................................... 18
2.3.Tính toán tiêu năng kiểu tường va đập.................................................. 19
2.4. Tính toán tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn. ................................ 19


2.5. Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng cho các cống có quy mô

khác nhau..................................................................................................... 22
2.5.1. Giới hạn phạm vi nghiên cứu (xuất phát từ các cống đã xây dựng
ở Việt Nam để tham khảo)....................................................................... 22
2.5.2. Tính khẩu diện cống ứng với các trường hợp............................... 23
2.5.3. Tính kích thước buồng tiêu năng ( sử dụng hình thức tiêu năng
kiểu buồng kín sau van côn).................................................................... 27
2.5.4. Phân tích kết quả........................................................................... 33
2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................ 36
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO CỐNG KHUỔI KHOÁN........37

3.1. Giới thiệu công trình hồ chứa nước Khuổi Khoán. ............................. 37
3.1.1. Vị trí công trình............................................................................. 37
3.1.2. Mục tiêu, nhiệm vụ công trình ...................................................... 37
3.1.3. Nội dung và quy mô đầu tư xây dựng. .......................................... 37
3.2. Bố trí chung cống lấy nước Khuổi Khoán. .......................................... 41
3.3. Tính toán tiêu năng sau cống theo sơ đồ tường va đập........................ 45
3.3.1.Tài liệu cho trước........................................................................... 45
3.3.2.Tính toán tiêu năng sau cống theo sơ đồ tường va đập................. 45
3.4. Tính toán tiêu năng theo sơ đồ buồng kín sau van côn........................ 46
3.4.1.Xác định độ mở cửa van m ( ứng với ZTL, Q)................................. 46
3.4.2.Xác định kích thước buồng tiêu năng ............................................ 53
3.5.Phân tích chọn phương án..................................................................... 58
3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................62
PHỤ LỤC .................................................................................................................63


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Các hình thức mặt cắt cống ngầm...............................................................6
Hình 1-2: Cống ngầm đặt trong hành lang..................................................................6

Hình 1-3: Các loại ống ngầm lấy nước .....................................................................11
Hình 1-4: Lấy nước kiểu cửa kéo nghiêng................................................................12
Hình 1-5: Các loại tháp lấy nước ..............................................................................13
Hình 2.1:Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng[2].....................................................15
Hình 2.2: Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu tường va đập [2].......................................16
Hình 2.3: Buồng tiêu năng sau van côn[2]................................................................17
Hình 2.4 : Quan hệ η=f(Fr) đối với buồng van mặt cắt vuông và tròn[2] ................20
Hình 2.5:Quan hệ φ = f(m) của van côn m= A/S[2] ................................................20
Hình 2-6 :Biểu đồ D Q và phụ thuộc vào Zo ...........................................................26
Hình 2-7 : Biểu đồ quan hệ Z’o~ξdd ........................................................................26
Hình 3-1: Mặt cắt dọc cống Khuổi Khoán ................................................................42
Hình 3-2: Mặt cắt ngang cống Khuổi Khoán ............................................................43
Hình 3-3: Mặt cắt dọc và mặt bằng đoạn cửa vào cống Khuổi Khoán .....................44
Hình 3-4: Sơ đồ tiêu năng tường va đập ...................................................................46
Hình 3-5. Xác định hệ số tổn thất cột nước tại cửa vào ξCV[4].................................48
Hình 3-6.Sơ đồ bố trí lưới chắn rác[4]......................................................................49
Hình 3-7: Buồng tiêu năng sau van côn hồ Khuổi Khoán ........................................57


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới[1] ......................................................4
Bảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam[1] ...........................4
Bảng 1.3: Các cống đã được xây dựng qua các thời kỳ [1] ........................................5
Bảng 1.4: Kích thước hành lang của một số cống [1].................................................7
Bảng 1.5: Ứng suất nền tại đáy tháp cống trường hợp mới thi công xong[1].............9
Bảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập[1]..........................................................9
Bảng 2-1 : Kết quả tính đường kính cống.................................................................25
Bảng 2-2: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,9.....................................30
Bảng 2-3: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,85...................................31
Bảng 2-4: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,8.....................................32

Bảng 3-1: Các thông số kỹ thuật hồ Khuổi Khoán[6]...............................................38
Bảng 3-2 : Các thông số của cống Khuổi Khoán[6] .................................................41
Bảng 3-3: Bảng kết quả hệ số lưu lượng cho từng MNTL .......................................47
Bảng3.4. Hệ số điều chỉnh trị số ξK[4]......................................................................49
Bảng 3-5: Tính toán hệ số sức cản thủy lực của cửa van khi mở một phần .............52
Bảng 3-6: Hệ số sức cản thủy lực của van côn có α = 900 và S1 = 0,468D[4] .........52
Bảng 3-7: Kết quả tính độ mở van côn .....................................................................52
Bảng 3-8: Kết quả tính Ho .........................................................................................54
Bảng 3-9: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng a ~ MNTL, η...........................56
Bảng 3-10: Chiều cao các thanh ( gờ).......................................................................56


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cống là một loại công trình thủy lợi chủ yếu là để điều tiết mực nước và
khống chế lưu lượng. Cống được xây dựng tại các đầu mối công trình thủy lợi như
hồ chứa nước, đê đập hoặc trên các 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, hang 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… Hàng năm
cống phải sửa chữa với nhiều nguyên nhân khác nhau như thấm qua thân cống, thân
cống mục, hỏng khớp nối, cống bị lún….Trong đó nguyên nhân do chọn hình hức
tiêu năng, hay hỏng tiêu năng chiếm một tỉ lệ không nhỏ.
Khi dòng chảy qua công trình phần nối tiếp sau hạ lưu có thể sảy ra hiện
tượng nước nhảy phóng do đó ta phải làm tiêu năng để giải quyết năng lượng thừa
để tránh xói lở ở hạ lưu vá đảmbảo an toàn cho công trình.
Vì vậy “Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng sau cống lấy nước có

van điều tiết ở hạ lưu” là hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, để giải quyết
được vấn đề xây dựng cống lấy nước dưới đập nói riêng cũng như các công trình
tháo nói chung.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tổng quát xác định kích thước bể tiêu năng sau cống có van điều
tiết ở hạ lưu.
- Nghiên cứu áp dụng cho Cống Khuổi Khoán.
3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Thông qua các tài liệu: Giáo trình thủy công, bài giảng công trình trên hệ
thống thủy lợi…..


2
- Từ thực tế: Các trường hợp bố trí bể tiêu năng sau cống có cửa van điều
tiết ở hạ lưu.
- Từ các điều kiện kỹ thuật : Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn
định.
Phương pháp nghiên cứu:
- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đa có.
- Thu thập tài liệu từ công trình thực tế.
- Các cách xác định kích thức bể tiêu năng sau công có cửa van điều tiết.
- Ứng dụng cho công trình thực tế.
4. Kết quả đạt được
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP CÓ VAN

ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU
1.1. Tình hình xây dựng hồ chứa nước và hạng mục cống lấy nước dưới đập.
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)


4
Bảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới[1]
TT

Tên đập

B0

Tên nước

B1

Chiều cao
(m)

Chiều dài
(m)

3B

2B

5B

4B

1

Orvin

Mỹ

224

1520

Xitviptơ

Mỹ

156

640

Mỹ

139

412

Navajô

Mỹ

124

1160

Xerơ Pôngxông

Pháp

122

600

Hiks

Mỹ

122

Matmac

Thụy Sĩ

115

780

Benmô

New Zeland

110

1070

Đơratlam

Pakixtan

110

4000

Hincơric

Mỹ

105.5

595

Lucky - Pic

Mỹ

104

519

Caxita

Mỹ

101

640

B7

B8

2

B21

3

B71

9B

B31

Andersva Range

4

B2

6

B23

7

B63

8

B14

B24

9

B64

B74

10

B15

B25

11

B65

B75

12

B16

B26

26B

30B

34B

B73

21B

25B

29B

B3

16B

20B

24B

B82

1B

15B

19B

B32

5

10B

14B

B81

B72

6B

31B

35B

38B

39B

43B

40B

4B

48B

45B

49B

53B

50B

54B

58B

5B

59B

63B

60B

64B

65B

Bảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam[1]
TT

Loại hồ chứa

B6

B76

Số lượng

68B

Dung tích hồ
(106m3)
69B

70B

1

B17

Thủy điện
Hồ phục vụ tưới

239
1957

5820

- W > 10.106 m3

81

3913

- W = (5 - 10).106 m3

67

446

439

890

1370

571

B27

7

80B

B67

2

81B

B7

82B

85B

86B

87B

B47

-W

B87

(1 - 5).106 m3

- W ≤ 1.106 m3

B97

83B

84B

8B

89B


5
1.2. Tổng quan về sự làm việc của cống dưới đập ở các hồ chứa thủy lợi.
1.2.1. 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 [1]

TT

Thời gian xây dựng

B09

B19

Số lượng cống
92B

Cái

Tỷ lệ (%)

5
245
248

1
49.2
49.8

498

100

93B

1
2
3

B59

B69

B79

Trước năm 1960
Từ năm 1960 - 1975
Từ năm 1975 đến 2001
B89

B9

B01

Tổng

B701

10B

102B

103B

108B

94B

104B

105B

106B

109B

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.


6
b)

c)

570

3.5

450

1.2
1.5

5

8
0.

70

450
590

70

50

1.5

6.

3.5

1.

5

6.0

70

a)

Hình 1-1: Các hình thức mặt cắt cống ngầm
a) Cống ngầm hình tròn
b) Cống ngầm hình hộp
c) Cống vòm

Hình 1-2: Cống ngầm đặt trong hành lang
Có hai cách bố trí cống ngầm: trực tiếp đặt cống trên nền hoặc đặt trong hành
lang bằng bê tông cốt thép (hình 1-2). 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


7

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]
Bảng 1.4: Kích thước hành lang của một số cống [1]

Kích thước
lòng cống sau
tháp hoặc

Lưu lượng
thiết kế
(m3/s)

Tên cống

B01

Đại Lải

14B

(3.9x3.1)m
1.8m, BTCT
M200 dày 25cm BTCT M200
dày 40cm

40

B021

19B

2
123B

Núi Cốc

Chiều dài
hành lang
L(m)

17B

B61

15

B12

13B

(bxh)m

5.3

B51

Kích thước
hành lang
(BxH)m

12B

B1

1.7m,

BTCT M200
dày 25cm

B21

(7x4.55)m
dạng vòm,
BTCT M200
dày 20cm
124B

7.3

(3.9x3.1)m
1.8m, BTCT dạng vòm,
M200 dày 25cm BTCT M200
dày 40cm

13.6

(5.1x4.0)m
2.5m, BTCT dạng vòm,
M200 dày 30cm BTCT M200
dày 80cm

8.1

2x(1.75x1.75)m, (6.0x4.0)m
BTCT M200
BTCT M200
dày 30cm
dày 30cm

80

B521

129B

Đồng Mô

B621

29.2

128B

B721

130B

135B

Sông Mực
(Bến Mẩy)
B13

B231

139B

Núi Một

B731

B831

80

134B

B31

B631

140B

128.80
14B

1.2.2. 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


8
1.2.2.1. 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 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.
1.2.2.2. 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.
1.2.2.3. 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.
1.2.2.4. 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.
1.2.2.5. 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.

1.2.2.6. 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]


9
Bảng 1.5: Ứng suất nền tại đáy tháp cống trường hợp mới thi công xong[1]

TT

Tên cống

B241

B341

1

14B

(kg/cm2)

min

146B

max / min

1.40

1.10

1.27

Núi Cốc

4.64

1.95

2.38

Thanh Lanh

3.87

1.63

2.37

Vạn Hội

2.29

2.10

1.09

2

B251

149B

B351

3

145B

Cấm Sơn

B741

B751

(kg/cm2)

max

154B

B851

4

B261

150B

15B

159B

B361

15B

156B

160B

164B

16B

165B

16B

1.2.2.7. 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.
1.2.2.8. 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.
1.2.2.9. Xâm thực lỗ thông khí
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[1]

Số TT

Các loại hư hỏng cống

Số lượng (cái)

Tỷ lệ (%)

Thấm qua thân cống

14

18.18

Thân cống bị mục

5

6.50

Hỏng ống phá chân không

6

7.80

Hỏng khớp nối

22

28.57

Hỏng sân tiêu năng

4

5.20

Cống bị lún

11

14.28

Cửa cống không kín hoặc bị kẹt

9

11.67

Hỏng thiết bị đóng mở

6

7.79

77

100

B761

B861

1

B17

B271

2

B571

3
4

B481

5

B781

6
8

B91

B291

185B

193B

197B

B02

203B

178B

182B

186B

189B

B691

Cộng

174B

18B

B81

B19

170B

17B

B081

B381

7

173B

B671

B971

B591

169B

201B

204B

190B

194B

198B

20B

205B


10
1.2.3. Đánh giá năng lực làm việc của cống ngầm đã được xây dựng
1.2.3.1. Về khả năng tháo nước
Đến nay tất cả các cống được xây dựng đều không có số liệu thực đo về lưu
lượng tháo qua cống, nhưng bằng quan sát chế độ chuyển nước trong các kênh dẫn
sau cống và diện tích được tưới có thể kết luận rằng, các cống lấy nước đều có khả
năng tháo đủ nước. Theo các tài liệu tính toán thủy lực còn lưu giữ ở các cơ quan
thiết kế thì, tiết diện cống lấy nước thường được chọn lớn hơn kết quả tính toán từ
5 đêna 10%, nên thực tế các cống đều thỏa mãn yêu cầu lấy nước.
1.2.3.2. Về khả năng chống thấm của thân cống
Hầu hết các cống dưới đập đều bị thấm qua thân, trần bị dột, có cống bị
thấm rất nghiêm trọng. Việc sửa chữa vừa khó khăn vừa kém hiệu quả.
Không có điều kiện kiểm tra thường xuyên chất lượng thân cống và các
khớp nối vì không có hành lang, có cống hoàn toàn không kiểm tra được vì kích
thước quá bé. Việc sửa chữa than cống khó khăn phức tạp và tốn kém, nhiều khi
không thể phục hồi, phải hoành triệt.
1.2.3.3. Về khả năng chịu lực
Thân cống thường được xây dựng bằng vật liệu BTCT M200. Trong quá
trình thiết kế, người thiết kế thường chỉ quan tâm đến khả năng chịu lực của cống,
nên thường phân tích và tính toán kết cấu thiên về an toàn. Mặc dù các cống đã xây
dựng nói chung đều có khả năng chịu lực theo thiết kế, song không ít cống vẫn xảy
ra sự cố.
1.2.3.4. Đánh giá chung

Cống lấy nước được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau, sau một thời
gian vận hành, khai thác, đều phát sinh những sự cố phải cải tạo, sửa chữa.Cần
được phân tích đầy đủ tìm nguyên nhân để có những biện pháp khắc phục.
1.3. Hình thức lấy nước của cống ngầm.
1.3.1. Lấy nước kiểu đặt van khống chế ở hạ lưu
Là hình thức lấy nước đơn giản, cửa van chính đặt ở hạ lưu, không phái
làm cầu công tác và bộ phận đầu vào có thể làm đơn giản, giảm được khối lượng


11
công trình. Một ưu điểm nổi bật của hình thức này là tạo chế độ có áp ổn định, vận
tốc trong cống không lớn, bê tông lòng cống không bị phá hoại. Trước đây do
công nghệ chế tạo, lắp đặt bị hạn chế, cửa van đặt sau cống thường không đảm
bảo kín nước theo yêu cầu, đồng thời hình thức này có nhược điểm đường ống
thường xuyên ở trong trạng thái có áp nên thân cống phải làm bằng các loại vật
liệu như bê tông cốt thép, ống kim loại và tại các chỗ nối tiếp cần đảm bảo thật tốt
không bị rò rỉ, nếu không sẽ nguy hiểm đối với đập. Vì vậy loại van khống chế hạ
lưu hầu như chưa được áp dụng rộng rãi.
Từ cuối thế kỷ XX, công nghệ chế tạo, lắp đặt phát triển, đã khắc phục được
nhược điểm nêu trên, mặt khác việc sử dụng khớp nối và vật liệu không còn khó
khăn, loại cửa van này bắt đầu được áp dụng cho một số cống mới xây dựng và một
số cống cải tạo sửa chữa có quy mô nhỏ và vừa.

a)

R

b)
3
2

2

2

2

2

2

2

2

5
4

3
2
2
2
2
2
2
2
5
4

Hình 1-3: Các loại ống ngầm lấy nước

a) Có cửa van đặt ở hạ lưu
b) Ống đặt nghiêng trên mái đập hoặc sườn đồi
1- ống nghiêng; 2- Lỗ lấy nước; 3- Lỗ thông hơi; 4-Bể tiêu năng; 5- Ống ngầm


12
1.3.2. Lấy nước kiểu kéo nghiêng
Loại này thường áp dụng khi có cột nước và lưu lượng nhỏ. Dùng cửa van
nắp xoay, đóng mở bằng tời và dây kéo chạy theo mái đập thượng lưu. Ưu điểm của
loại cống này là giảm nhẹ được khối lượng phần đầu vào, thiết bị đóng mở đơn
giản, giá thành hạ. Nhược điểm cơ bản là cửa van và dây kéo luôn nằm dưới nước
dễ bị han rỉ, hư hỏng, kiểm tra sửa chữa khó khăn, khó khống chế chính xác lưu
lượng, khi cửa mở một phần, nước chảy vào thường gây rung động.
4

3
2

1

Hình 1-4: Lấy nước kiểu cửa kéo nghiêng
1- Ống ngầm qua đập; 2- Cửa van; 3- Tời đóng mở
1.3.3. Lấy nước kiểu tháp
Hình thức này thường được dùng nhiều nhất là trong các hồ chứa loại vừa và
lớn, có cột nước cao, lưu lượng lớn, và dung cửa van để điều chỉnh lưu lượng.
Khi tháp đặt sát chân mái thượng lưu đập, cầu công tác dài, tháp dễ bị lún
nhiều hơn so với các bộ phận khác, do đó đòi hỏi nền phải tốt, ngoài ra tháp còn
chịu ảnh hưởng lớn của sóng gió, động đất. Nhưng vị trí này có ưu điểm là kiểm tra
sửa chữa đường ống dễ.
Khi tháp đặt gần đỉnh đập sẽ ít chịu ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, cầu

công tác ngắn. Nhưng việc kiểm tra sửa chữa đường ống phía trước tháp khó
khăn.Chỗ nối tiếp giữa tháp và đường ống không tốt, nước rò rỉ sẽ làm cho đường
bão hòa ở than đập lên cao, ảnh hưởng đến ổn định của đập, ngoài ra ở vị trí này
tháp sẽ chịu áp lực đất lớn.


13
Nếu đặt tháp ở giữa mái đập sẽ khắc phục được nhược điểm của hai vị trí trên.

Hình 1-5: Các loại tháp lấy nước
Tóm lại qua khảo nghiệm ta thấy:
- Cống ngầm sử dụng loại van đặt trước còn nhiều tồn tại như chế độ chảy
trong cống không ổn định, có thể là dòng chảy xiết hoặc có hiện tượng nước nhảy
làm dòng nước chạm trần cống…..làm ảnh hưởng đến cống, gây rung động và có
thể dẫn tới hư hỏng cho cống.
- Cống ngầm sử dụng van điều tiết ở hạ lưu có chế độ thủy lực ổn định, không
xảy ra hiện tượng chân không và rung động do dó cống có độ an toàn cao hơn.
Vậy kiến nghị cống xây mới nên sử dụng hình thức đặt van không chế ở hạ lưu.
1.4. Tính toán tiêu năng sau cống có van đặt ở phía sau
Các hình thước tiêu năng sau cống có van đặt ở hạ lưu được trình bày cụ thể
trong chương 2 của luận văn này.
Nói chung việc tính toán thủy lực tiêu năng sau van côn ở nước ta hiện nay
còn nặng về kinh nghiệm và tham khảo tương tự, chưa dựa trên cơ khoa học đầy đủ.
Trong luận văn này giới thiệu các sơ đồ bố trí tiêu năng và cơ sở để tính toán thủy
lực buồng tiêu năng dựa vào phân tích lý luận và các kết quả thí nghiệm mô hình


14
thủy lực ở nước ngoài. Áp dụng tính toán cho công trình thực tế đã cho ta thấy hiệu
quả của phương pháp tính toán.

Tuy nhiên ở nước ta hiện nay việc áp dụng tính toán tiêu năng theo các
phương pháp này vẫn còn nhiều bất cập, cụ thể là các đơn vị thiết kế thường áp
dụng loại tường va đập của Mỹ, nhưng chưa rõ phạm vi áp dụng của loại này ra sao
dẫn đến nhiều lúc chọn kích thước buồng theo tương tự, không có cơ sở khoa học rõ
ràng.
Loại buồng tiêu năng sau van côn đã được nghiên cứu bằng thí nghiệm nhiều
ở Liên Xô trước đây, đã có quy định tính toán trong tiêu chuẩn ngành, tuy nhiên
chưa được phổ biến rộng rãi.
1.5. Một số tồn tại trong thiết kế và hướng nghiên cứu của luận văn.
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 hình thức, kết cấu tiêu năng
sau cống. Vì vậy trong luận văn này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu về cách xác định
kích thước bể tiêu năng sau cống có van ở cửa ra. Các nghiên cứu được giới hạn
trong những phạm vi sau ( phù hợp với các cống ddaxxaay dựng ở Việt Nam).
- Lưu lượng thiết kế : Q = (1 – 15) m3/s
- Cột nước : Z = ( 10 – 40) m
- Đường kính cống : D = ( 0,6 – 2,4) m.


15
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ
TIÊU NĂNG SAU CỐNG CÓ VAN ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU
2.1.Các sơ đồ bố trí bể tiêu năng sau cửa van điều tiết ở hạ lưu cống.
2.1.1 Bể tiêu năng kiểu giếng.
Tiêu năng kiểu giếng thường áp dụng với các cống tròn có đường kính d <=
60cm. Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng thể hiện như hình 2-1.

β
Hình 2.1:Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng[2]
2.1.2 Tiêu năng kiểu tường va đập.

Loại này thường áp dụng với các cống có đường kính d = 60 – 80 cm.
Theo kết quả thí nghiệm mô hình của các nhà khoa học Mỹ, kích thước tiêu chuẩn
của buồng tiêu năng kiểu va đập như hình 2-2.


16

Hình 2.2: Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu tường va đập [2]
2.1.3. Tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.
Loại này sử dụng cho cống tròn có đường kính lớn hơn 80 cm, thường áp dụng
cửa van côn đặt ở cuối cống. Phía sau của van là buồng tiêu năng kiểu kín. Dòng
chảy sau một loạt phản xạ với tường và va đập vào nhau sẽ được tiêu hao hết phần
năng lượng thừa và chảy về hạ lưu ở trạng thái êm.
Buồng tiêu năng chịu một tải trọng thủy động lớn do va đập của các tia và mạch
động rối. Hình dạng thành bên của buồng thường được chọn bằng thực nghiệm trên
mô hình thủy lực. Ngày nay, các buồng tiêu năng có mặt cắt ngang hình vuông hay
hình tròn đã được áp dụng thành công ở nhiều công trình đầu mối. Buồng có mặt
cắt ngang hình tròn có tính ưu việt hơn về mặt thủy lực do dòng chảy được mở rộng
hình côn, khi chảy dọc theo mặt xi lanh, nó có lưu lượng đơn vị như nhau trên toàn
chu vi. Tuy nhiên loại này thi công khá phức tạp.
Loại buồng tiêu năng có mặt cắt hình vuông do dễ thi công nên thường được ưa
dung hơn trong thực tế. Sơ đồ buồng tiêu năng loại này đặt sau van côn có góc ở
đỉnh bằng 90 độ( thể hiện trên hình 2-3) . Các buồng tiêu năng mặt cắt tròn cũng có
kết cấu tương tự.


17
Ở các mặt cắt B-B và D-D thể hiện từng cặp 4 thanh chắn 1 và 2 có chiều cao
ht, chúng phân bố quanh mép côn cửa van. Ở cuối buồng bố trí một tường chắn
nghiêng 3. Để nước từ buồng tiêu năng không xâm nhập vào buồng van, cần đặt

tường phản xạ 4 với tấm chắn dạng nón cụt có góc mở rộng 90o, đường kính hai đáy
bằng khoảng 2,2 D và 1,75D. Mái nghiêng mặt cắt ra của tấm chắn được lùi lên trên
theo phương dòng chảy, cách mép van côn 0,1D. Việc tiếp khí cho dòng chảy ( để
phòng khí thực) được hực hiện qua ống thong khí 5 có miệng ra ở khoảng giữa trần
buồng van.

Hình 2.3: Buồng tiêu năng sau van côn[2]
( giá trị ghi trong ngoặc đơn là cho buồng có mặt cắt tròn)
1- Thanh chắn đứng
2345678-

Thanh chắn ngang
Tường chắn
Tường phản xạ
Ống thông khí
Xi lanh van côn
Nút van côn
Mặt làn nước bắn ra sau van côn


18
2.2. Tính toán bể tiêu năng kiểu giếng.
Tiêu năng kiểu giếng thường áp dụng với các cống tròn có đường kính d
60cm. Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng thể hiện như hình 2-1
2.2.1. Độ sâu đào bể ( giếng)

d bê = σ n .hc' ' − ( h h + Z r )

(2-1)

Trong đó:
: hệ số nước chảy ngập ,

σn

σ n = 1,05 – 1,1

h’’c : Độ sâu liên hiệp sau nước nhẩy trong bể
hh : Độ sâu mực nức hạ lưu ( ứng với lưu lượng tính toán)
Zr

: Độ hạ thấp mực nước từ bể ra kênh hạ lưu

Trị số Zr được xác định theo công thức
2

2

Ở đây :

ϕn



 
q
q





(2-2)
Zr = 
−
'
'



 ϕ h 2g   σ ⋅ h 2g 
 n h
  n C

: Hệ số lưu tốc tràn đỉnh rộng chảy ngập ( từ bể tiêu năng ra kênh hạ

lưu)
q : lưu lượng đơn vị tại mặt cắt cuối bể
Trị số h’’c được xác định theo các phương pháp đã biết của thủy lực với
cột nước toàn phần Eo như sau:

E O = Z cuoicong − Z dayHL

V2
+
+ db
2g

(2-3)

Trong đó :

Zcuối cống : Cao trình tâm mặt cắt cuối cống ( phía sau cút cong)
Zđáy HL : Cao trình đáy kênh hạ lưu
V : Lưu tốc trong ống, tại mắt cắt cuối
db : Chiều sâu đào bể
2.2.2. Chiều dài bể ( giếng)

L b = L1 + β .L n

(2-4)


19
Trong đó :
+ L1 : Khoảng cách nằm ngang từ đầu bể đến tâm mặt cắt ra của ống, thường
chọn heo yêu cầu bố trí
+ Ln : Chiều dài nước nhảy
+ β : hệ số, thường lấy = 0,7-0,8
2.3.Tính toán tiêu năng kiểu tường va đập.
Loại này thường áp dụng với các cống có đường kính d = 60 – 80 cm. Sơ dồ
tính toán trên hình 2-2.
Chiều rộng buồng W được xác định theo công thức :
W = 1,9 . Q0,4 (m)

(2-5 )

Trong đó : Q - là lưu lượng tháo lớn nhất qua cống (m3/s)
2.4. Tính toán tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.
Với cống tròn có đường kính lớn hơn 80 cm, thường áp dụng cửa van côn đặt ở
cuối cống. Phía sau của van là buồng tiêu năng kiểu kín. Dòng chảy sau một loạt
phản xạ với tường và va đập vào nhau sẽ được tiêu hao hết phần năng lượng thừa và

chảy về hạ lưu ở trạng thái êm. Sơ đồ tính toán trên hình 2-3.
*) Phương pháp tính kích thước ngang của buồng tiêu năng sau van côn [2]
Kích thước của buồng phụ thuộc vào mức độ tiêu hao năng lượng yêu cầu.

E A − EC
EA

η =

(2-6)

Trong đó:
EA: năng lượng đơn vị toàn phần của dòng chảy ở mặt cắt A-A trên tường bể
đối với đáy lòng dẫn ra (hình 2-3)
E

A

= ϕ

2

.H

O

+ Z

O

(2-7)

Trong đó :
+ :ϕ
hệ số lưu tốc khi chảy từ van, xác định theo biểu đồ thực nghiệm(hình 2-5)
+ Ho : cột nước toàn phần tại mặt cắt trước van(tính đến tâm cống)
+ Zo: Chênh lệch cao độ từ trục van đến đáy lòng dẫn ra.


20
+ Ec: Năng lượng đơn vị toàn phần của mặt cắt co hẹp dòng chảy ở lòng dẫn
ra

α V C2

(2-8)
2g
Mức độ tiêu năng được chọn phụ thuộc vào đặc trưng động học của dòng
E c = hc +

chảy( Fr) như hình vẽ trong đó :

Fr =

V

2

2g

V = ϕ . 2 .g .H
h =
Trong đó :

(2-9)

Q
χ .V

o

(2-10)

(2-11)

χ: Chu vi mặt cắt ngang buồng tiêu năng

Hình 2.4 : Quan hệ η=f(Fr) đối với buồng van mặt cắt vuông và tròn[2]

Hình 2.5:Quan hệ φ = f(m) của van côn m= A/S[2]


21
*) Trình tự tính toán theo các bước sau [2] :
a) Định ra mức độ tiêu năng cần thiết

η

b) Theo biểu đồ ta xác định được trị số Fr tại mắt cắt A-A.
c) Xác định lưu tốc dòng chảy tại mặt cắt (A-A) theo công thức 2-10, với φ xác định

theo hình 2-5.
d) Xác định độ sâu nước cần thiết tại mặt cắt A-A :
(2-12)
e) Tính chu vi mặt cắt buồng :
(2-13)
f) Tính kích thước mặt cắt buồng :
- Buồng hình vuông :
- Buồng hình tròn :
g) Xác định chiều cao các thanh (gờ) :
ht = (8-9)h20

(2-14)

Trong đó, h20 là độ sâu dòng chảy ở mặt cắt A-A khi cột nước H0 = 18÷20m, đảm
bảo cho dòng chảy lan tỏa khắp chu vi của buồng tiêu năng.
h) Kích thước và vị trí của tấm che, cũng như vị trí các thanh và tường chắn có thể
lấy theo chỉ dẫn ở mục bố trí và hình vẽ.
i) Đáy của lòng dẫn cần đặt thấp hơn đáy buồng tiêu năng một đoạn P2 = (1,2 ÷
1,25) ho, trong đó h0 là chiều sâu dòng chảy ở lòng dẫn ra ứng với lưu lượng lớn
nhất.
Khi cần thiết, có thể tiếp tục tính toán và bố trí thiết bị tiêu năng ở đầu đoạn lòng
dẫn ngay sau buồng tiêu năng. Việc tính toán này được tiến hành theo phương pháp
thông thường. Năng lượng đơn vị toàn phần (tính đến đáy lòng dẫn ra) được xác

định theo công thức:
E 0 = (1 - η ).(ϕ 2 H 0 + Z 0 )

(2-15)