(Luận văn thạc sĩ file word) 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 tơi đã hồn 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 Cơng trình đã nhiệt tình giảng dạy, tạo các
điều kiện tốt nhất có thể cho tơi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường.
Tơi xin bày tỏ lịng 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 tơi hồn 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 giađình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã hỗ
trợ, chia sẻ, động viên tơi trong suốt q 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, tơi 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 hồn tồn trung thực và chưa được
ai cơng bố trong tất cả các cơng 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 cơng 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 cơng 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 ngồi nước............15
1.4.1. Những kết quả nghiên cứu về xói ngồi 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 phịng 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 sốt, bổ sung, thay đổi quy trình vận hành........................................ 50
3.3. Các giải pháp phịng chống xói.................................................................. 51
3.3.1 Các giải pháp cơng trình......................................................................... 51
3.3.2. Các giải pháp phi cơng trình................................................................... 64
CHƯƠNG 4. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHỊNG CHỐNG XĨI.......................66
CHO CỐNG DIỄN THÀNH................................................................................66
4.1 Giới thiệu chung về cơng trình.................................................................... 66

4.1.1 Vị trí cơng trình....................................................................................... 66
4.1.2 Nhiệm vụ cơng trình.............................................................................. 66
4.1.3 Các chỉ tiêu thiết kế trước đây của cống Diễn Thành.............................67
4.1.4 Quy mơ cơng trình................................................................................. 67
4.2 Q trình xây dựng và hiện trạng cống Diễn Thành...............................68

4.2.1 Tiêu năng, phịng 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 phịng chống xói............71

4.3.1 Sự cần thiết phải khắc phục xói.............................................................. 71
4.3.2Các phương án phịng chống xói cho cống Diễn Thành........................... 72
4.4. Chọn phương án phịng 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 tốn độ sâu đào bể tiêu năng....................................................4
Hình 1.2: Sơ đồ tính tốn chiều cao tường tiêu năng.................................................4
Hình 1.3: Sơ đồ tính tốn 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 tốn 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 tốn 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 tốn xói sau tràn qua đập có cột nước tràn tự do..................17
Hình 1.12: Đường quan hệ giữa tính tốn theo cơng thức 19 và đo đạc thực nghiệm
Hình 1.13: Hố xói sau cơng 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 cơng 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 dịng thấm đến xói lở hạ lưu cơng trình................................37
Hình 2.6:.Dịng chảy ngoằn ngo sau cống...........................................................38
Hình 2.7: Dịng 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

17


Hình 3.3: Mặt cắt dọc cống.....................................................................................47
Hình 3.4: Cửa van mở chưa hết - gây lệch dịng chảy.............................................49
Hình 3.5: Kích thước bể tiêu năng khơng 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 phịng xói liên hồn................................................................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 tốn tiêu năng cho cống Diễn Thành.......................................74
Hình 4.6: Phương án tiêu năng phịng 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 cơng trình.................................32
Bảng 2.4: Phân loại theo hình thức, tiêu năng, cửa van...........................................33
Bảng 2.5: Bảng tính tốn xói cho cống Diễn Thủy..................................................34
Bảng 2.6: Bảng tính tốn xói cho cống Rào Đừng..................................................35
Bảng 2.7: Bảng tính tốn 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 tốn tiêu năng theo thiết kế và theo hiện trạng................................70
Bảng 4.2: Bảng tính chiều sâu nước h1.................................................................... 74
Bảng 4.3: Bảng tính chiều sâu nước h2.................................................................... 75
Bảng 4.4: Tính h1với dgt=1,69 m.............................................................................76
Bảng 4.5 Tính h2 với dgt=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 cơng 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
cơng trình tháo thường là dịng chảy xiết có lưu tốc lớn, có năng lượng thừa lớn khi
chảy xuống hạ lưu làm xói lở cơng trình. Đây là vấn đề đã được nhiều chuyên gia
trong ngành thủy lợi dày cơng nghiên cứu nhưng trên thực tế vẫn cịn 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 sơng

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 cơng 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 cơng 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 cơng 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.


Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm và phương pháp tính tốn xác định các thơng 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 q 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 ngun 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 phịng chống xói.
- Sử dụng những kết quả nghiên cứu trên và các tài liệu thiết kế và hiện trạng
để thiết kế cho cơng 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. Ngồi 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.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG
1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lưu cơng 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 cơng trình trên sơng, 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 cơng
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 tốn theo tiêu chuẩn này thì
cũng khơng 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 cơng trình sao cho toàn bộ năng lượng
thừa bị tiêu hao trong nước nhảy ngập với hệ số ngập  = 1,05-:-1,1. Nhóm giải
pháp này gồm: đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp. Ngồi 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 cơng trình tháo có cột nước thấp và địa chất nền
yếu, mực nước hạ lưu thay đổi.
b. Xác định độ sâu đào bể:


lroi lnl'

E'0

Eo

Z

p
hh

hb
d
lb

Hình 1.1: Sơ đồ tính tốn độ sâu đào bể tiêu năng
- Cơng thức tính tốn: d

bể

= hb - hh - Z

(1-1)

- Trong đó:
dbể: Chiều sâu đào bể;
hb: Độ sâu cuối bể; hb= .h”;
hh: 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:
- Cơng thức tính tốn:
C=h

b

- Ht

(1-2)

Hình 1.2: Sơ đồ tính tốn chiều cao tường tiêu năng
- Trong đó:
C: Chiều cao tường tiêu năng;
hb: Độ sâu cuối bể; hb= .h”;
Ht: Cột nước tràn của tường. tính tốn coi tường là đập
thực dụng.

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



2

E'0 Eo

hb

H1
cd

hh

Hình 1.3: Sơ đồ tính tốn bể tường kết hợp
- Ngun tắc tính tốn:
+ Tìm độ sâu bể tối thiểu d0 để có nước nhảy tại chỗ ngay trong sân tiêu năng
(tính tốn như bể tiêu năng).
+ Tìm chiều cao bể tối đa C 0 để có nước nhảy tại chỗ ngay sau tường tiêu
năng (tính tốn như tường tiêu năng).
+ Chọn các giá trị d = d0 + ∆d để có nước nhảy ngập trong sân tiêu năng với
hệ số ngập  = 1,05-:-1,1 và C = C0 - ∆C để có nước nhảy ngập sau tường.
e. Xác định chiều dài bể tiêu năng:
- Cơng thức chung:

L=L

r

+ L1

(1-3)

- Trong đó:
Lr: chiều dài nước rơi, được xác định theo công thức:
+ Với đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang: L
0

r

= 1,33 H

p

0,H3 0 

+ Với đập tràn thực dụng có cửa va2n: Lr =H0,30 2 p  a
0 0,240 
+ Với đập tràn đỉnh rHộngp: Lr = 1,H64

+ Với đập dạng bậc: Lr = p+hk
+ Với đập tràn mặt cắt hình cong: Lr = 0
L1: chiều dài nước nhảy, được xác định theo công thức:
+ Theo N.Novak: L1 = K(h”-h’)


+ Theo Pavlopski: L1

Với:

= (7,21-:-8,24)h



Fr1



0,81

1

p: Chiều cao ngưỡng tràn so với bể.
a: Độ mở cửa van.
H0: Cột nước tràn.
K: Lấy theo tỷ số h”/h’ (bảng 2-1 [nối tiếp và tiêu năng T.Quý]
: Hệ số lấy bằng 0,7-:-0,8.
f. Hình thức tiêu năng của Cục khai hoang Hoa Kỳ:
- Hiện nay việc tính tốn cụ thể cho cơng trình tiêu năng là cần thiết, nhưng theo
xu hướng chung các cơng 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


1.1.2.2. Tiêu năng dòng mặt.

a. Điều kiện áp dụng.
- Nền cơng 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 > amin = 0,27hk – 4,32h
- Điều kiện để nối tiếp chảy mặt ổn định a/P > 0,2
Trong đó:
hk: Là độ sâu phân giới trên dốc, h là độ sâu mũi bậc).
P: chiều cao công trình tràn.
- Lưu lượng qua cơng trình vừa và lớn, nhưng chênh lệch mực nước thượng
hạ lưu không lớn lắm.
- Bờ hạ lưu cơng trình cần phải ổn định.
- Đối với những nơi có lưu lượng lớn thì nên chọn tiêu năng dịng phễu và hh
lớn sẽ có hiệu quả cao hơn.

E

hh

Hình 1.6: Sơ đồ tính tốn tiêu năng mặt
b. Bố trí và tính tốn tiêu năng dịng mặt.
- Ngun 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 khơng có cửa van.
+ Khơng tạo dịng phun với lưu lượng nhỏ nhất.
+ Khơng có dịng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất
+ Chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao nhỏ nhất a

min

:


amin = 0,27hk – 4,32h.
amin =
Frc 
Trong đó:

4,05

3

h

(1-4)
(1-5)

hk: độ sâu phân giới;
h: chiều dày lớp nước trên mũi phun bậc;
V2
Frc  1 với V1 là lưu tốc trên mũi bậc;
gh

 = 0,4 + 8,4 với  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 hh:
+ hh 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 : đối với tiêu năng dịng mặt thì đỉnh bậc nằm
ngang, chỉ trong trường hợp hh nhỏ thì thiết kế bậc có góc nghiêng nhỏ.
1.1.3. Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lưu cơng trình.
1.1.3.1. Khái niệm.
Tất cả các dịng 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 lịng dẫn ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay ở chân cơng trình, nơi
có lưu tốc rất lớn và phân bố khơng đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn.
1.1.3.2. Q 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.


+ Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn
đến giảm cao trình đáy của lịng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ
dốc của lịng dẫn.
Xói cục bộ của lịng dẫn ngay sau chân cơng trình thủy lợi có rất nhiều
ngun nhân khác nhau:
- Do khơng tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước từ thượng lưu đổ về
hạ lưu.
- Việc co hẹp lòng dẫn (do xây dựng cơng trình) đã dẫn đến việc tăng lên một
cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dịng chảy sau cơng trình trong sự so
sánh với lưu lượng, lưu tốc dòng chảy trong điều kiện tự nhiên. Ở hạ lưu cơng
trình xuất hiện dịng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp lực.
- Do hình thức, kích thước và vật liệu khơng hợp lý ở nhiều bộ phận kết cấu
cơng trình tạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói.
- Dịng chảy qua cơng 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 cơng
trình.
Xói sau cơng 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 cơng trình thủy lợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:
+ Các yếu tố cơng trình :
- Chiều cao ngưỡng tràn.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van.
- Chiều dài tồn bộ đọan gia cố.
- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lịng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng và kích thước mố trụ.
- Hình dạng mặt cắt tràn.


- Hình dạng và kích thước cơng 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: 
- 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 cịn 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 sơng, biển thay đổi thường xuyên.


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 khơng lớn, khơng có u cầu
giao thơng 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 khơng gây cản
dịng, khơng sinh ra dòng xiên ở hạ lưu.
Mực nước thượng hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm cho chế độ chảy qua
cống khơng ổn định có thể chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác (ví dụ như
chuyển từ chảy ngp sang ngp lng v nc nhy súng)
MNHL

Cống

Bể tiêu năng

196

d

H2

H1

H

MNTL

Sân sau

Hè xãi

Hình 1.7: Sơ đồ cống và hố xói.
Đối với khu vực kín, thuỷ triều chỉ ảnh hưởng ở một phía cống. Cịn 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 cơng 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 cơng trình và gây xói lở phần lịng dẫn ngay sau

đó.
Dịng chảy ở hạ lưu cống khuếch tán khơng đều do các cửa van đóng mở
khơng đồng bộ và khơng đều. Đối với cống có van tự động trục đứng thì khi cửa
van mở khơng hết (cánh cửa khơng ép sát vào trụ) cũng là nguyên nhân gây lệch


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 xốy nước có trục đứng ở hai bên bờ. Các xốy này thường có
vị trí lệch nhau ở 2 bờ, gây nên dịng 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 xun,
dịng chảy khch tán khơng 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 dịng chảy
ởhạlưu cống, góp phần gây xói trên một phạm vi dài của kênh hạlưu 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 cơng trình. Một số cống có hố
xói sâu điển hình như cống Cầu Xe (Hải Dương) xói sâu 11,3m; cống Ngơ 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 khơng 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.


d

Hố xói khoét sâu

Cống

Bể tiêu năng

Phạm vi hố xói hình thành

Sân sau

Hỡnh 1.8: Hỡnh thnh h xúi sau b tiờu 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 lịng 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

(m)

(m)

Chiều
sâu
xóiTmax
(m)

T
H

Cầu Xe
Hải Dương
40
5,9
11,3
1,9
Rõng I
Nam Hà
22
3,9
3,3
0,85

Âm Sa
Nam Hà
10
3
3,5
1,17
Ngơ Đồng
Nam Hà
10
3
4,2
1,4
Cổ Nhất
Nam Hà
8
3
3,6
1,2
Ngơ Xá
Nam Hà
11
3
5,0
1,6
Biên Hịa
Thái Bình
7
3
4,7
1,56

Trà Linh I
Thái Bình
19,5
5
3,2
0,64
Lân
Thái Bình
30
4,5
8,0
1,8
Lạch Bang Thanh Hóa
48
4,8
6
1,28
Vàm Đồn Bến Tre
15
4,85
7,4
1,72
Bảng 1.1: Tình hình xói lở một số cống vùng triều

Chiều
dài hố
xói L
(m)

H

100
100
45
80
60
50
65
45
140
66
106

17
26
15
27
20
19
22
9
31
11
22

L


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 tồn cơng 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 11.000m3 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 khơng ổn định, móc sâu dưới tường sâu và tường cánh
đe dọa đến an tồn cơng trình.
Như vậy, khi cống đã bị xói thì sự phá hủy nền của nó xảy ra mạnh mẽ,
khơng những thế dịng nước có thể làm sập trơi 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 địi 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 phịng tránh
được xói lở và nhất là giúp cho việc tính tốn, thiết kế xây dựng cống mới được an
tồn về mặt gia cố hạ lưu.


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 ngồi nước.

Nghiên cứu về xói tức là tìm các biện pháp khơng cho xói xuất hiện hoặc
khắc phục hố xói khơng 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 ln 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 cơng thức chung nhất để xác định
độ sâu của xói có thể viết như sau:
Zmax = f(q, H, hh, Sd, s, w, V, d50, d90, , k)

(1-6)

Trong đó:
q: Lưu lượng đơn vị.
H: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu.
hh: Chiều sâu mực nước hạ lưu.
Sd: Chiều cao của ngưỡng so với đáy hạ lưu.


s



w

: Khối lượng riêng của vật liệu nền.
: Khối lượng riêng của nước.

V: Lưu tốc trung bình mặt cắt.
d50: Đường kính trung bình của vật liệu nền.
d90: Đường kính mà trọng lượng của các hạt khơng 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 cơng thức thực
nghiệm để tính tốn chiều sâu hố xói:
a. Đối với cơng trình khơng có bể tiêu năng
Theo Schoklitsch:
Theo Veronese:

dx 

4,75
d 900,42

dx 

(1-7)
Z

0,2

3,68 0,225
Z
d 900,42

0,57

hh

(1-8)
0,54

hh


0,25

dx  q
6Z

Theo Jaeger:


6,2

(1-9)

1

 hh  3
0,5
 d  hh
90



d

0,25



x

Theo Patrasev:

Theo Eggenberger:

d  4  q0,5 Z 0,25  k 
2g
 d90 
Z 0,5 q0,6
dx 
0,4
22,88 d 90
hh



hh

(1-10)
(1-11)

Các công thức trên thu được dựa trên kết quả thí nghiệm với dịng chảy dưới
cửa van phẳng và ngưỡng khơng phải là trịn [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 2d1. Ơng 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:Đường
Sơ đồquan
tính tốn
đậpchiều
xả mặt
Hình
1.10:
hệ giữa
sâukết
hốhợp
xói xả
và đáy
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 cơng thức tính tốn chiều
sâu hố xói cho đập có cột nước tràn tự do []:
L
d

s

Yt

 2,5F

r



0,122


0,127
0,581
 50   H 
 Yt   Yt 

1-12


D
d
Yt


 0,75F

r



3,66

0,255

 50   H 
 Yt 
 Yt 

0,524

1-13

Hình 1.11: Sơ đ ồ tính tốn
Hình 1.12:
xói sau
Đường
tràn qua
quanđập
hệ có
giữa
cộttính
nước
tốn
tràn
theo
tự do
cơng thức 1-19 và đo đạc thực nghiệm
Theo Noel E. Bormann đối với xói hạ lưu cơng trình mái dốc hình 1-12:

Ds  

 sin

  

 si

Trong đó: n

B

 
s



 g 

0,8


C 2Y 0,6U 1,6

d 0
0
sin   
Dp
ds

(1-14)



Dp: Chiều cao ngưỡng.


: Khối lượng riêng của vật liệu nền.

s

: Khối lượng riêng của nước.
Cd = 2,0 -:- 2,4.
Yo: Chiều sâu dòng nước trên ngưỡng.
Uo: Lưu tốc dòng chảy trên ngưỡng.
ds: Đường kính trung bình của vật liệu nền.
: Góc giữa đỉnh ngưỡng với điểm sâu nhất của hố xói và chiều cao
nước rơi.
: Góc nghiêng của mái hố xói hạ lưu.
: Góc ma sát trong cảu vật liệu nền.






Hình 1.13: Hố xói sau cơng trình có mái dốc
Theo Vưzgơ thí chiều sâu hố xói ổn định gần đúng coi bằng chiều sâu bể tiêu
năng:
d  h'' h
x

c

h



(1-15)

Trong đó:
 = 2,0 -:- 2,7 : Là hệ số kể đến ảnh hưởng của nền;
 = 1,05 -:- 1,1
b. Đối với cơng trình có bể tiêu năng.
Theo Vưzgơ:



1 0,25

dx

Theo Novak:

(1-16)

1

hh

1

0,25

dx  K1 6Z

q

 hh  3
0,5

d h
h



90

6,2
dx  K
4

2



dx

(1-17)



0,25

d



0,5
0,25
 k 
2g q Z  d90 

Z 0,5 q0,6
K3 22,88
d 900,4



h

(1-18)

h

(1-19)
hh

Trong đó:
: Hệ số đặc trưng cho sự phân bố lưu tốc;
K1 = 0,45 -:- 0,65; K2 = 0,32 -:- 0,37; K1 = 0,45 -:- 0,65.
Ngoài kết quả trên giáo sư Novak còn đưa ra một số kết luận [ ]: