Giáo trình Thủy công (Tập 2): Phần 2

Tiếp nối phần 1, phần 2 giáo trình gồm 3 chương: Chương 11 Kênh và công trình trên kênh; chương 12 Cửa van và máy đóng mở của công trình thủy lợi; chương 13 Thủy điện. Giáo trình này được làm tài liệu giảng dạy cho giảng viên và học tập cho sinh viên các ngành trong trường cả hệ Cao đẳng, hệ Trung cấp. Giáo trình có thể làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật quan tâm về công trình thủy lợi.

có kinh phí xây dựng ban đầu không cao những l-ợng mất n-ớc do thấm lớn, chiếm nhiều diện tích mặt đất, th-ờng xảy ra hiện t-ợng xói, hàng năm phải đầu t- kinh phí để sửa chữa Việc sửa chữa kênh không chỉ gây tốn kém về kinh phí mà còn làm gián đoạn việc chuyển n-ớc, ảnh h-ởng đến sự làm việc bình th-ờng của hệ thống

Để khắc phục những nh-ợc điểm nh- đã nêu trên, hiện nay mạng l-ới kênh đất đang dần đ-ợc cứng hoá bằng cách lát mái bằng bê tông, bê tông cốt thép hoặc xây lại theo mặt cắt chữ nhật bằng gạch, đá, bê tông, bê tống cốt thép Các mạng l-ới kênh mới thiết kế chủ yếu lựa chọn theo ph-ơng án kênh xây

Nh- vậy theo hình thức kết cấu có hai loại: kênh đất và kênh xây

Theo đối t-ợng phục vụ, kênh có thể chia thành các loại:

- Kênh dẫn n-ớc phát điện là một bộ phận của trạm thuỷ điện kiểu đ-ờng dẫn Độ dốc

đáy của kênh này yêu cầu nhỏ để tốn thất cột n-ớc ít

- Kênh t-ới, dẫn n-ớc t-ới ruộng Loại kênh này phải thoả mãn đ-ợc l-u l-ợng và cột n-ớc t-ới tự chảy Vì vậy kênh th-ờng bố trí qua những nơi t-ơng đối cao, độ dốc kênh nhỏ

để hạn chế tổn thất dầu n-ớc

- Kênh vận tải, kích th-ớc mặt cắt tuỳ theo kích th-ớc thuyền, chiều sâu n-ớc và l-u

độ đảm bảo cho thuyền qua lại đ-ợc an toàn (v = 0,6  1m/s)

- Kênh cấp n-ớc, dẫn n-ớc phục vụ cho sinh hoạt của nhân dân và các xí nghiệp Loại kênh này yêu cầu phải cung cấp n-ớc đ-ợc liên tục

- Kênh tháo n-ớc, dùng để tháo n-ớc tiêu úng trong nông nghiệp, tháo n-ớc thừa của công nghiệp, tiêu n-ớc bẩn của thành phố Tuyến kênh th-ờng chọn qua những nơi thấp để việc tập trung n-ớc để dễ dàng

Kênh có thể đồng thời phục vụ nhiều mục đích khác nhau nh- t-ới ruộng, vận tải thuỷ

và phát điện v.v…

Trên đ-ờng kênh th-ờng phải xây dnựg các công trình để khống chế, điều tiết mực n-ớc và l-u l-ợng, phân chia n-ớc từ kênh chính vào kênh nhánh, vì vậy th-ờng gặp các loại cống điều tiết, cống phân n-ớc Các cống này có thể là loại lộ thiện hoặc ngầm ở những nơi đ-ờng kênh gặp đ-ờng giao thông, gặp kênh khác, sông suối hay qua các thung lũng v.v… thì tuỳ theo tình hình cụ thể mà dùng cống ngầm, xi phông ng-ợc để tiếp tục chuyển n-ớc Tr-ờng hợp kênh dẫn phải qua nơi địa hình thay đổi, hạ thấp đột ngột, dùng

dốc n-ớc hay bậc n-ớc để tiếp tục chuyển n-ớc trong kênh Các công trình đ-ợc xây dựng

trên kênh trong các tr-ờng hợp kể trên gọi là công trình trên kênh

11.2.kênh

11.2.1.Hình dạng mặt cắt kênh

Hình dạng mặt cắt kênh phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, tình hình địa chất nơi

kênh đi qua, điều kiện sử dụng, hình thức kết cấu, điều kiện thi công, điều kiện quản lý …

Mặt cắt loại kênh đất th-ờng hay gặp có tiết diện hình thang (hình 11-1a) Loại này thi

công đơn giản Khi kênh có độ sâu khá lớn hoặc đào qua nhiều lớp đất có tính chất khác

nhau thì dùng loại độ dốc mái thay đổi, càng xuống d-ới mái càng thoải hơn (hình 11-1b)

Khi kênh đi qua vùng đá tốt, để giảm khối l-ợng đào, dùng mặt cắt chữ nhật (hình 11-1c)

Tr-ờng hợp không thể mở rộng mặt cắt của kênh nh- khi đi qua vùng dân c-, gần các công

trình khác, qua s-ờn dốc thì th-ờng xây t-ờng chắn đất để thu hẹp mặt cắt của kênh (hình

11-1e) Khi cần tiết kiệm n-ớc, tiết kiệm diện tích đất, th-ờng dùng ph-ơng án kênh xây

Mặt cắt kênh xây phổ biến dạng chữ nhật (hình 11-1d) khi cần sử dụng mặt bằng hoặc

tránh đất, chất thải tràn vào kênh sử dụng hình thức kênh có nắp đậy hoặc mặt cắt kênh

hình hộp (hình 11-1g, h) Kênh vận tải thuỷ có thể dùng mặt cắt dạng tam giác để tăng độ

sâu vận tải và giảm sức cản của thuyền (hình11-1f)

Hình 11-1 Một số hình dạng mặt cắt kênh

Khi thiết kế mặt cắt kênh cần chú ý một số vấn đề sau:

-Mặt cắt kênh thiết kế sao cho t-ơng tự với mặt cắt có lợi về mặt thuỷ lực, tức là với

tiết diện -ớt là nhỏ nhất mà l-u l-ợng n-ớc chuyển qua lại lớn nhất Nh- vậy sẽ giảm đ-ợc

khối l-ợng đào, đắp Trong thuỷ lực học, ta đã biết mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực đối với

Trong đó b và h - chiều rộng đáy và chiều sâu n-ớc chảy trong kênh; m là độ xoải mái kênh

Đối với kênh đào trong điều kiện đảm bảo diện tích mặt cắt -ớt không đổi, nếu tăng độ sâu, mặt cắt sẽ thu hẹp, nh- vậy có lợi về kinh tế Đối với kênh đắp bằng đất, dùng mặt cắt nông và rọng th-ờng có lợi hơn

Mái dốc của kênh bằng đất chọn phải đảm bảo điều kiện ổn định Nó phụ thuộc vào

điều kiện địa chất nơi kênh đi qua Mái dốc kênh đào khi thiết kế có thể tham khảo bảng (11-1) Mái dốc kênh đắp dựa vào tiêu chuẩn chọn mái dốc của đất đầm nén để lựa chọn

Đối với kênh có chiều sâu lớn hơn 5m, cần phải tính toán ổn định mái theo các nguyên tắc nh- ở đập đất Về mặt thi công, chiều rộng đáy kênh nên chọn nh- sau: khi đào kênh bằng công cụ thủ công, b  0,5m Nếu đào bằng máy cần xét kính th-ớc máy đào Nói chung không nên nhỏ hơn 1,3  3m

Bảng 11-1

Các loại đất

Độ dốc mái kênh Phần ở d-ới

n-ớc

Phần ở trên cạn

11.2.2.Thấm và biện pháp chống thấm cho kênh đào và đắp bằng đất

N-ớc trong kênh bị tổn thất do một phần bị bốc hơi, một phần bị thấm vào đất L-ợng n-ớc tổn thất do bốc hơi nhỏ hơn so với tổn thất do thấm L-ợng n-ớc thấm vào đất của kênh có thể đạt tới 50  60% l-u l-ợng hữu ích qua kênh Dòng thấm từ kênh vào đất phụ thuộc vào tình hình tầng đất thấm n-ớc mà kênh đi qua nh- chiều dày tầng thấm, độ sâu mực n-ớc ngầm, hệ số thấm của lớp đất v.v… Nó cũng còn phụ thuộc cả vào loại kênh có

đ-ợc gia cố hay không gia cố v.v…

L-ợng n-ớc tổn thất do thấm qua kênh giảm dần theo thời gian vì có sự lắng đọng của các hạt lơ lửng trong kênh lấp kín các lỗ hổng và tạo nên một màng chống thấm trên mặt lòng kênh Khi đất lòng kênh có cấp phối không đều và lỗ rỗng không lớn, ng-ời ta đem

đất sét hoà vào trong n-ớc hoặc cho n-ớc đục chứa bùn cát hạt nhỏ chảy qua để có sự lắng

đọng lấp đầy khe kẽ

Cũng có thể tạo màng chống thám bằng cách phủ một lớp rơm, rạ, cỏ v.v… rồi phía trên đắp một lớp đất bảo vệ dày khoảng 10  15cm Khi lớp hữu cơ đó mục nát, nó làm tăng thêm tính mềm dẻo của đất đồng thời cũng có tác dụng chống thấm tốt Có khi ng-ời

ta còn dùng muối (3  5kg/m2) hoặc dầu hoả (4  15 kg/m2) cho vào đất lòng kênh để tạo màng chống thấm nh-ng cách này khá đắt Ngoài ra, có thể nén chặt đất lòng kênh để tăng c-ờng khả năng chống thấm

Hiện nay bên cạnh các biện pháp đơn giản nh- trên, để chống thấm ng-ời ta dùng các loại vải chống thấm, màng chống thấm có bột bentonit hoặc thay thế bằng kênh bê tông

11.2.3.Bảo vệ mái kênh

Để chống xói, giảm độ nhám, tăng năng lực chuyển n-ớc và giảm tổn thất cột n-ớc, tăng khả năng chống thấm, tăng ổn định của mái dốc kênh, chống cỏ mọc, chống các động vật phá hoại lòng kênh, phải có các hình thức bảo vệ kênh

Trồng cỏ: mục đích chủ yếu là chống xói Loại này dùng khi đất lòng kênh là cát, kênh không lớn, l-u tốc trong kênh nhỏ hơn 1,2m/s

Lớp bảo vệ bằng đất sét chủ yếu là để chống thấm Lớp bảo vệ này đ-ợc cấu tạo ở mặt nghiêng hoặc ở bờ kênh (giống nh- t-ờng nghiêng, t-ờng tâm ở đập đất) Đối với kênh có

độ sâu cột n-ớc 1,52m, mái dốc t-ơng đối xoải m=23 có thể dùng lớp đất sét dày 0,2  0,3m bảo vệ dọc theo mái nghiêng và đáy của kênh Phía ngoài lớp đất sét là lớp bảo vệ dày 0,20,7m Đối với kênh nửa đắp nửa đào có thể dùng t-ờng tâm

Lớp bảo vệ bằng đá: có thể dùng đá để bảo vệ mái kênh Khi dùng đá đổ thì tác dụng chủ yếu là chống xói Đ-ờng kính hòn đá chừng 0,30,4m Chiều dày lớp đá 0,30,6m Bên d-ới có lớp đệm bằng sỏi hoặc cát to dày 1520cm Hình thức này làm tăng độ nhám, tổn thất ma sát dòng chảy khá nhiều Có thể làm lớp bảo vệ bằng một hoặc hai lớp đá xây khan dày 1540cm và lớp lót bảo vệ dày 1520cm Để tăng c-ờng ổn định cho mái, chống xói, chống thấm,làm lớp nhám bên ngoài trát lớp vữa xi măng dày 23cm

Bảo vệ mái bằng bê tông và bê tông cốt thép, các tấm bê tông này có thể đổ tại chỗ hoặc đúc sẵn Khi dùng tấm bê tông đúc tại chỗ, chiều dày của nó khoảng 0,10,2m và xuống d-ới thì chiều dày lớn hơn Lớp đệm bằng đá dăm, sỏi, dày 0,10,4m, lớp này còn

có tác dụng thoát n-ớc Khi n-ớc ngầm ở cao thì lớp này càng phải dày Để đề phòng chống nứt do nhiệt độ thay đổi và lún không đều theo chiều dài của kênh, cứ khoảng 25m

bố trí khe hở rộng 12cm và tại đây có thiết bị chống thấm nh- đổ nhựa đ-ờng hay chèn gỗ… Tấm bảo vệ đáy và mái kênh cũng làm tách rời và bố trí thiết bị chống thấm Khi dùng các tấm bê tông đúc sẵn, hình dạng tấm có thể vuông hoặc hình sáu cạnh, chiều dài mỗi cạnh 4060cm và bên d-ới cũng có lớp đệm thoát n-ớc

Trong tr-ờng hợp nhiệt độ thay đổi nhiều hoặc địa chất yếu có thể dùng các tấm bê tông cốt thép Chiều dày các tấm giảm khoảng 25% so với tấm bê tông Hàm l-ợng cốt thép dùng khoảng 24%, đ-ờng kính thép 812mm Bố trí thép theo l-ới ô vuông cách nhau 2030cm Bên d-ới các tấm này có lớp đệm

Ngoài ra, có thể bảo vệ mái bằng bê tông nhựa đ-ờng (hỗn hợp nhựa đ-ờng, cát và đá dăm), đặt trên lớp đệm dày 58cm Loại này có -u điểm là dễ biến dạng và chống thấm tốt

11.2.4.Chọn tuyến kênh

Chọn tuyến kênh là một vấn đề quan trọng trong thiết kế kênh Căn cứ vào công dụng của kênh, l-u l-ợng dẫn, tốc độ chảy kết hợp với các điều kiện địa hình, địa chất, thi công

và khối l-ợng đất đào và đất đắp… mà quyết định

Điều kiện địa hình có ảnh h-ởng nhiều đến khối l-ợng đào đắp Trong khi xác định tuyến kênh nên cố gắng đảm bảo sao cho khối l-ợng từng mặt cắt hoặc từng đoạn đất đào,

đất đắp gần bằng nhau, hoặc nếu không thì khối l-ợng đào nên nhiều hơn, vì cùng yêu cầu chất l-ợng nh- nhau, đối với phần đắp giá thành th-ờng đắt hơn, thi công phức tạp hơn

ở vùng đồng bằng, nên cố gắng chọn tuyến kênh thẳng, đất đào lên đ-ợc sử đụng đắp ngay tại chỗ Địa hình của tuyến đi qua phải đáp ứng đ-ợc các yêu cầu sử dụng Thí dụ kênh t-ới bố trí ở chỗ cao để đảm bảo t-ới tự chảy, kênh tiêu chỗ thấp để dễ tập trung n-ớc

ở vùng núi, để khối l-ợng đào đắp xấp xỉ nhau nên đặt tuyên kênh theo đ-ờng đồng mức, đất đào đ-ợc sử dụng đắp ở một bên (hình 11-2) Vì tuyến kênh đi men theo đ-ờng

đồng mức nên có nhiều đoạn cong, kênh sẽ dài, khối l-ợng tăng, do đó cần phải so sánh chọn ph-ơng án thích hợp

Hình 11-2 Mặt cắt kênh khi đi ven s-ờn dốc

Về mặt địa chất, tuyến kênh không nên chọn qua vùng đá, vì khó đào Cũng không nên qua vùng đất tr-ợt, đất thấm n-ớc nhiều Cần tránh đ-ờng giao thông, các sông ngòi để giảm các công trình phụ tại chỗ giao nhau Trong những tr-ờng hợp phải chuyển n-ớc qua những vùng địa chất xấu, nếu làm kênh đất thì không có lợi Khi đó nên chọn tuyến ngắn nhất và sử dụng biện pháp kênh máng hoặc đ-ờng ống

Về mặt thi công, phải chú ý sao cho việc cơ giới, tổ chức thi công, lấy đất hoặc đổ đất

đào dễ dàng, vận chuyển vật liệu tới xây dựng các công trình kênh tiện lợi

Kênh kết hợp giao thông thuỷ, tuyến không nên quá cong, th-ờng bán kính cong R ≥ 5L (L là chiều dài của thuyền) để đảm bảo thuyền qua lại đ-ợc dễ dàng

Tóm lại, việc chọn tuyến kênh cần phải cân nhắc phân tích tổng hợp để có thể thoả mãn đầy đủ các mặt kinh tế và kỹ thuật

11.2.5.Một số biện pháp công trình bảo vệ kênh

1 Tràn bên bờ kênh

Trong quá trình vận hành, kênh có thể bị tràn bờ Các nguyên nhân làm cho kênh tràn

bờ là do các cống lấy n-ớc đầu kênh hoặc các cống điều tiết mực n-ớc trên kênh hoặc các cống điều tiết mực n-ớc trên kênh làm việc không đúng quy trình Những kênh đi qua s-ờn dốc, l-ợng n-ớc m-a tràn vào kênh quá nhiều cũng gây ra hiện t-ợng n-ớc trong kênh tràn qua bờ Các hiện t-ợng tràn này ảnh h-ởng đến an toàn bờ kênh, nhiều khi gây ra sự cố ảnh h-ởng đến sự làm việc bình th-ờng của hệ thống Để bảo vệ an toàn cho kênh ở những đoạn

đầu kênh sau cống lấy n-ớc, tr-ớc cống điều tiết trên kênh, ở đoạn kênh đi qua s-ờn dốc có n-ớc m-a tập trung vào kênh, ở đó cần bố trí các tràn bên Tràn bên là một đoạn bờ kênh

đ-ợc hạ thấp nh- hình (11-3) Các đoạn bờ kênh đất cho n-ớc tràn cần đ-ợc bảo vệ để dòng chảy không gây xói lở bờ

Hình 11-3 Sơ đồ tràn bên

2 Cống tháo cuối kênh

Cuối kênh th-ờng bố trí các cống ngầm hoặc cống hở (hình 11-4) Các cống này dùng

để tháo cạn kênh khi cần thiết hoặc dùng để tháo l-ợng bùn cát lắng đọng ở đoạn cuối kênh Nó cũng có thể đ-ợc dùng để tháo bớt l-ợng n-ớc thừa khi kênh bị quá tải

Hình 11-4 Sơ đồ bố trí cống tháo cuối kênh

3 Kênh tiêu s-ờn dốc

Các tuyến kênh đi qua s-ờn dốc và mùa m-a th-ờng bị sạt lở hoặckênh bị lấp đầy bùn cát Để bảo vệ kênh dọc theo tuyến kênh cần xây dựng các kênh tiêu n-ớc s-ờn dốc (hình 11-5) N-ớc từ các s-ờn dốc tập trung vào các kênh này chảy về những nơi trũng Tại đó dùng cống luồn hoặc tràn băng để tiêu qua kênh

Hình 11-5 Kênh tiêu trên s-ờn dốc

11.3 Cống hở và cống ngầm

Trên các hệ thống thủy nông, cống dùng để dâng n-ớc, điều tiết l-u l-ợng, phân n-ớc

từ kênh chính vào kênh nhánh hoặc tháo n-ớc Cống cũng còn có tác dụng chuyển n-ớc khi kênh gặp đ-ờng giao thông hoặc kênh khác Về hình thức cống trên kênh cũng có cống lộ thiên, cống ngầm Nguyên lý tính toán thiết kế cống lộ thiên và cống ngầm đã trình bày ở ch-ơng IX và ch-ơng X

11.4.Cống luồn

11.4.1 Khái niệm

Trên đ-ờng kênh chuyển n-ớc, do điều kiện địa hình, kênh gặp phải các ch-ớng ngại nh- gặp núi chắn ngang, cắt ngang bởi kênh khác, sông suối hoặc thung lũng sâu Để n-ớc trong kênh tiếp tục v-ợt qua các ch-ớng ngại cần phải làm công trình chuyển tiếp Thuộc loại này có thể là đ-ờng hầm, cống luồn hay cầu máng Rõ ràng kênh cần xuyên qua núi thì dùng hình thức đ-ờng hầm Khi điều kiện địa chất cho phép và nếu làm kênh đi vòng phức tạp, tốn kém hơn thì dùng đ-ờng hầm cũng là hợp lý Về cầu máng sẽ đ-ợc trình bày ở ch-ơng sau Riêng về cống luồn, nếu gặp kênh, sông suối khác mà mực n-ớc ở trong hai kênh giao nhau chênh lệch không nhiều, ta dùng cống luồn qua d-ới đáy của loại kia tiếp tục chuyển n-ớc để dòng chảy không ảnh h-ởng lẫn nhau Tr-ờng hợp gặp thung lũng, dùng cống luồn đặt lộ thiên trên mặt đất để tiếp tục chuyển n-ớc v-ợt qua thung lũng đó Tất nhiên cần xem xét về mùa m-a lũ nếu có dòng chảy trong thung lũng vẫn đảm bảo không làm h- hỏng, đẩy trôi cống luồn đặt nổi này

Nh- vậy dòng chảy trong cống luồn là dòng chảy có áp Để tạo đ-ợc dòng chảy từ đầu này sang đầu kia, phải tổn thất một đầu n-ớc nhất định, nói khác đi mực n-ớc của kênh ở

đầu vào cống phải cao hơn mực n-ớc kênh ở đầu ra của cống một trị số nhất định Thông th-ờng ở kênh t-ới cần hạn chế tổn thất đầu n-ớc, do vậy độ chênh này th-ờng chỉ khoảng

0,2  0,4 m, tất nhiên khi điều kiện cho phép có thể lấy lớn hơn Còn ở kênh tiêu mức độ hạn chế ít hơn, nên chênh lệch đầu n-ớc này khoảng 0,4  0,6 m

Cống luồn có thể phân loại theo các hình thức sau:

Theo kết cấu bao gồm loại giếng đứng và ống nghiêng, hình (11-6)

Loại giếng đứng, th-ờng dùng khi cống chịu áp lực nhỏ, kích th-ớc không lớn, cấu tạo t-ơng đối đơn giản hơn Nhờ tác dụng phần sâu của chân giếng để bùn cát lắng đọng, dễ nạo vét, tránh gây tắc ống ngang Tuy nhiên loại này tổn thất đầu n-ớc nhiều hơn

Loại ống nghiêng, đ-ợc sử dụng rộng rãi hơn trong tr-ờng hợp cống đặt nổi hay chìm, kích th-ớc, áp lực n-ớc lớn hay nhỏ Dòng chảy qua cống thuận hơn, tổn thất đầu n-ớc ít hơn, phần cấu tạo có phức tạp hơn, nhất là phải chú ý biện pháp chống mất ổn định của

Loại ống nghiêng, tùy điều kiện địa hình mà chọn Th-ờng dốc nghiêng khoảng

m = 2  3

Cửa vào và ra cũng nh- các loại công trình khác phải đảm bảo cho dòng chảy vào, ra

đ-ợc thuận, cần có t-ờng h-ớng dòng và chắn đất bờ kênh

Đỉnh cửa vào phải đặt thấp hơn mức n-ớc trong kênh 0,5 m khi chuyển l-u l-ợng lớn nhất, nhằm tránh khi làm việc không hút không khí vào cống, gây bất lợi cho chế độ làm việc của cống

Cửa vào cần bố trí l-ới chắn rác Ngoài ra tùy tình hình cụ thể cần bố trí hàng phai hay cửa chắn n-ớc để đảm bảo điều kiện làm việc, kiểm tra, tu sửa

Khi xác định kích th-ớc cống, ngoài yêu cầu tính toán thủy lực đảm bảo yêu cầu chuyển n-ớc, cần xét thuận lợi cho kiểm tra, tu sửa

11.4.2.Tính toán thủy lực cống luồn

1.Mục đích tính toán thủy lực cống luồn

Giải một trong ba bài toán sau đây:

1- Đã biết l-u l-ợng Q, kích th-ớc mặt cắt ngang ống , tính cột n-ớc tổn thất khi dòng n-ớc chảy qua ống Z, tức là xác định cao trình đáy kênh ở phía th-ợng l-u và hạ l-u cống luồn vì chiều sâu n-ớc trong kênh đã đ-ợc xác định

2- Đã biết l-u l-ợng và cột n-ớc tổn thất, xác định kích th-ớc mặt cắt của ống

3- Biết kích th-ớc mặt cắt và cột n-ớc tổn thất, tính l-u l-ợng n-ớc chảy qua ống Tính toán thủy lực của cống luồn phải căn cứ vào l-u tốc dòng n-ớc qua ống làm cơ sở

Để cho bùn cát không lắng đọng d-ới đáy ống và cột n-ớc tổn thất Z t-ơng đối nhỏ, th-ờng lấy l-u tốc n-ớc trong ống v = 1,5  3 m/s và không nhỏ hơn l-u tốc n-ớc trong kênh

Nếu kênh ở th-ợng và hạ l-u cống có kích th-ớc mặt cắt ngang giống nhau thì độ chênh mực n-ớc tr-ớc và sau cống luồn t-ơng ứng với các l-u l-ợng bất kỳ phải bằng Z Trong thực tế, t-ơng ứng với Qmin độ chênh (Z + Z1 ) lớn hơn Z một l-ợng là Z1 nên n-ớc từ kênh chảy vào ống hình thành đ-ờng n-ớc đổ nh- là một dốc n-ớc và sinh ra n-ớc nhảy trong ống, gây ra các chấn động làm h- hỏng các khớp nối Để khắc phục hiện t-ợng này, tức là phải tìm cách tiêu hao cột n-ớc thừa Z1 ta có thể thay đổi mặt cắt ống hoặc dùng biện pháp thay đổi cấu tạo cửa vào nh- hình (11-8) Trong hình (11-8c) làm bể tiêu năng tr-ớc cửa vào của ống, n-ớc từ kênh chảy vào bể và tạo nên mặt nằm ngang rồi mới chảy vào ống Trong hình (11-8b) có thể hạ thấp đáy cửa vào theo mặt nghiêng, th-ờng dùng khi mực n-ớc ở đầu ống gần bằng cao trình đáy kênh th-ợng l-u Cũng có thể đặt hàng song gỗ

ở cửa ra để nâng cao mực n-ớc, giảm độ chênh Z1 (hình 10-3a)

11.4.3.Cấu tạo cống luồn

Sau đây trình bày từng bộ phận

2.Cửa vào và cửa ra cống luồn

Tác dụng của đoạn cửa vào và cửa ra để h-ớng dòng n-ớc từ kênh chảy vào ống và từ ống chảy ra kênh hạ l-u đ-ợc êm thuận, gồm có: t-ờng cánh, sân tr-ớc và sân sau

Cửa vào cống luồn có những đặc điểm cấu tạo và bộ phận chi tiết sau:

1- Vật liệu xây dựng th-ờng là đá xây vữa, bê tông hoặc bê tông cốt thép

2- Hình thức t-ờng cánh là t-ờng ngoặt, t-ờng mở rộng (nh- cửa cống)

3- Mép đỉnh ống ở cửa vào cống luồn cần phải ngập d-ới mực n-ớc một đoạn là h vào khoảng 0,6D và lớn hơn 50cm, ở đây D - đ-ờng kính ống

4- ở cửa vào cần có l-ới chắn rác để giữ vật nổi không cho chui vào ống

5- Nếu cần điều tiết l-u l-ợng hoặc để sửa chữa cống luồn, ở cửa vào làm cửa van phẳng hoặc cửa phai

6- Sàn cầu công tác trên cửa vào để dùng đóng mở cửa van và dọn sạch vật nổi ở l-ới chắn rác

7- Để lắng bùn cát không cho rơi vào ống (nhất là đối với ống nằm ngang) cần làm bể lắng cát ở cửa vào

Cửa ra cũng cần bố trí cửa van phai và cầu công tác để khống chế mực n-ớc khi lấy

Qmin hoặc đóng cửa cống khi cần sửa chữa Trên sân sau làm bể tiêu năng để tiêu hao năng l-ợng của dòng chảy khi qua cống

3.Thân cống luồn

Vật liệu làm thân cống luồn là bê tông, bê tông cốt thép, thép, gỗ hoặc hỗn hợp

- Cống luồn bê tông th-ờng đ-ợc dùng khi áp lực trong ống đến 0,3 at (H = 3 m cột n-ớc)

- Cống luồn bê tông cốt thép áp lực cho phép khoảng 3  5 at (H = 30 50 m cột n-ớc)

- Cống luồn thép chịu áp lực đến 10 at, vì giá thành đắt nên hạn chế dùng

- Cống gỗ chịu áp lực cũng khá lớn có thể đến H = 20  30 m

Hình 11-9 ống luồn gỗ

a) Cắt ngang; b) Nhìn bên; c) Bệ đỡ

- Cống luồn có thể làm theo mặt cắt hình vuông, chữ nhật hoặc hình tròn

- Thân cống luồn gồm 3 đoạn: hai ống nghiêng và đoạn nằm ngang Độ dốc của ống nghiêng không đ-ợc lấy lớn để không bị tr-ợt và tổn thất cột n-ớc ống không nhiều, th-ờng lấy góc nghiêng  30

- Thân cống có thể đặt trên nền cứng (đá hoặc đất rắn chắc) còn nói chung là đặt trên lớp đệm đá dăm hoặc trên bệ đỡ bằng bê tông, hay đá xây vữa

- Chiều dày của ống căn cứ vào áp lực n-ớc bên trong, bên ngoài và áp lực đất để xác

định Chiều dày ống bê tông cốt thép có thể sơ bộ xác định theo công thức sau:

ở chỗ khuỷu cong của ống luồn (chỗ nối đoạn nghiêng và ống nằm ngang) làm bệ bao

đỡ ống, các đầu của ống cắm vào bệ bao ống từ (0,20  0,25) m

Khi chịu áp lực nhỏ, bệ bao xây bằng đá; khi cột n-ớc cao thì làm bệ bằng bê cốt thép Kích th-ớc của bệ bao ống định theo điều kiện ổn định và cấu tạo

- Để tháo cạn n-ớc trong ống khi cần sửa chữa và làm sạch bùn cát bồi lắng, có thể làm lỗ tháo n-ớc ở vị trí thấp nhất của ống nằm ngang và có cửa van đóng mở lỗ này

- Lòng sông trong phạm vi cống luồn đi qua phải đ-ợc đắp lại bằng đất tốt, ít thấm

n-ớc, có chiều dày tối thiểu (50  70) cm và dùng đá xây lát để bảo vệ chống xói

Hình 11-10 ống bê tông cốt thép

a) Cắt dọc; b) Bệ đỡ ở đoạn thẳng; c) Bệ đỡ ở khuỷu cong

11.5.Cầu máng

11.5.1.Khái niệm

Cầu máng là công trình dẫn n-ớc v-ợt qua sông suối, kênh tiêu, vùng đất trũng, vùng

đất cát thấm n-ớc mạnh Cầu máng đ-ợc dùng trong các tr-ờng hợp sau:

- Khi kênh t-ới gặp đ-ờng giao thông, mặt đ-ờng thấp so với đáy kênh, các loại xe chạy trên đ-ờng không chạm vào đáy cầu máng

- Khi kênh t-ới gặp sông, suối, kênh tiêu mà mực n-ớc kênh t-ới cao hơn mực n-ớc của sông, suối, kênh tiêu Nếu kênh t-ới là đ-ờng giao thông thủy thì tàu thuyền vẫn đi qua phía d-ới cầu máng

- Khi kênh t-ới đi qua vùng đất thấp: Nếu đắp kênh nổi đi qua thì khối l-ợng lớn, tốn kém hơn so với làm cầu máng

- Khi kênh t-ới phải v-ợt qua núi: Nếu làm tuy nen thì tốn kém hoặc không có khả năng làm, ta làm kênh dẫn vòng qua hoặc làm cầu máng giá đỡ để chuyển qua

11.5.2.Tính toán thủy lực cầu máng

Mục đích: Định hình thức dòng chảy và xác định kích th-ớc cửa vào, thân, cửa ra cầu máng

Khi tính toán thủy lực cầu máng, xem dòng chảy từ kênh vào máng nh- qua đập tràn

đỉnh rộng và th-ờng là trạng thái chảy ngập, (hình 11-11)

Hình 11-11 Sơ đồ tính toán thủy lực cầu máng

Ta có công thức:

Trong đó:

Q - l-u l-ợng thiết kế chảy qua máng;

 - hệ số co hẹp cửa vào, th-ờng lấy 0,95  0,98;

 - hệ số l-u tốc, th-ờng lấy 0,90  0,95;

Z0 - chênh lệch cột n-ớc trong kênh và máng có kể tới t-u tốc tới gần Th-ờng Z0

= 0,1  0,15 m;

 - tiết diện -ớt trong máng, nếu là chữ nhật  = bh với b chiều rộng máng và h chiều sâu dòng chảy đều trong máng L-u tốc trong máng th-ờng chọn v =1  1,5 m/s Nói chung không nên chọn lớn Tuy kích th-ớc cầu máng có đ-ợc thu hẹp một chút song kinh nghiệm cho thấy khối l-ợng xây dựng chủ yếu là bộ phận đỡ tựa, không thay đổi đáng kể, vì thế khối l-ợng chung giảm không nhiều, tổn thất đầu n-ớc lớn Đối với kênh t-ới cần tiết kiệm đầu n-ớc này Ngoài ra nếu kênh máng còn sử dụng vận chuyển nội địa, thì l-u tốc lớn sẽ không an toàn cho thuyền qua lại

Độ dốc của máng đ-ợc xác định đảm bảo dòng đều, dùng công thức: Q = C Rimà quyết định Th-ờng i = 1/500  1/2000

Nếu hình thức cửa ra của cầu máng cũng giống nh- cửa vào thì mực n-ớc trong kênh

sẽ thấp hơn mực n-ớc trong máng một độ cao Z Khi có gió thổi ng-ợc chiều dòng chảy sẽ làm cho mặt n-ớc trong máng dềnh cao thêm một l-ợng Z1

Vì vậy khi quyết định chiều cao của thành máng phải chú ý đến hiện t-ợng này Cũng

có thể hạ thấp cửa ra một trị số Z1, nh- vậy cũng có thể tránh đ-ợc tình trạng n-ớc dềnh cao trong máng khi có gió thổi

11.5.3.Cấu tạo cầu máng

Cầu máng gồm ba bộ phận chính: Cửa vào; cửa ra; thân máng và bộ phận giá đỡ máng

1.Cửa vào, cửa ra

Cửa vào và cửa ra của cầu máng là đoạn nối tiếp giữa thân máng với kênh dẫn n-ớc th-ợng hạ l-u, có tác dụng làm cho dòng chảy vào máng thuận, giảm bớt tổn thất do thu hẹp gây ra và dòng n-ớc ở máng chảy ra không làm xói lở bờ và đáy kênh

T-ờng cánh của cửa vào và cửa ra th-ờng làm theo hai kiểu: Kiểu l-ợn cong và kiểu

mở rộng hoặc thu hẹp dần Kiểu l-ợn cong n-ớc chảy vào, chảy ra thuận, nh-ng khi thi công khó khăn hơn Góc mở rộng của t-ờng cánh có ảnh h-ởng đến dòng chảy vào và ra khỏi máng Th-ờng lấy tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài là 1/41/3 Chiều dài đoạn cửa vào và cửa ra sơ bộ lấy bằng bốn lần chiều sâu cột n-ớc trong kênh

Để kéo dài đ-ờng viền thấm, ở cửa vào và cửa ra làm sân phòng thấm Sân phòng thấm th-ờng làm bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói Cũng có khi cửa vào và cửa ra đóng ván cừ hoặc làm chân khay kéo dài đ-ờng n-ớc thấm (hình 11-12 và hình 11-13)

gỗ, gạch, đá xây, bê tông cốt thép và xi măng l-ới thép hoặc hỗn hợp các vật liệu đó

Thân máng gỗ th-ờng làm theo hai kiểu: Kiểu giằng ngang và kiểu chống xiên

Do ảnh h-ởng của mực n-ớc dao động trong máng và nhiệt, thành máng dễ bị mục và nứt,

độ dày nhỏ nhất của ván thành bên th-ờng lấy lớn hơn 4 cm

Ván đáy và thành bên có nhiều kiểu ghép, đơn giản nhất là ghép đầu bằng, chỗ khe nối nhét nhựa đ-ờng và đóng thêm nẹp gỗ hoặc theo hình thức ghép mộng

Để giảm bớt tổn thất cột n-ớc vì ma sát, mặt giáp n-ớc của ván đáy là thành bên phải bào nhẵn, hai góc đáy máng đóng nẹp gỗ hình tam giác

Cầu máng bằng bê tông cốt thép mặt cắt ngang theo hình thức chữ nhật hở hoặc kín hoặc cũng có thể theo dạng vỏ trụ tròn, khi xây dựng bằng ph-ơng pháp lắp ghép có thể chế tạo bằng ph-ơng pháp ly tâm, khi mặt cắt ngang không lớn và có đủ ph-ơng tiện máy móc vận tải và xây dựng các cấu kiện lắp ghép của lòng máng có thể làm nhẵn từng nhịp một Mặt trong của lòng máng đ-ợc trát một lớp vữa không thấm n-ớc (có tỷ lệ X:C = 1:2) dày 2 cm Đôi khi trên lớp vữa còn trát lớp nhựa đ-ờng Mặt ngoài của tất cả các kết cấu trát lớp vữa xi măng Lòng máng hở có mặt cắt là hình chữ nhật hay hình vuông

Kích th-ớc mặt cắt ngang lòng máng đ-ợc xác định theo tính toán thủy lực đủ để tháo l-u l-ợng thiết kế Không gây xói, bồi và cản trở dòng chảy trong máng khi dẫn n-ớc

Độ v-ợt cao an toàn của đỉnh thành máng trên mực n-ớc lớn nhất trong máng tính theo công thức:

Trong đó: e - độ v-ợt cao an toàn;

h - chiều sâu n-ớc lớn nhất trong máng

Nói chung mặt d-ới của dầm ngang phải cao hơn mực n-ớc lớn nhất trong máng từ (15

 20) cm

Máng mỏng bằng xi măng l-ới thép, thân máng dạng vỏ hình trụ Mặt cắt có dạng bán nguyệt, pa-ra-bôn, elip hoặc chữ U Trong đó dạng chữ U có thanh giằng có -u điểm hơn cả Vật liệu cấu tạo máng là lớp l-ới thép, ngoài trát vữa xi măng M 400  500, cả cốt thép

và lớp áo dày 2  3 cm, loại vật liệu này có độ bền và chống thấm tốt nh- bê tông cốt thép nh-ng kết cấu thân máng nhẹ hơn, do đó dùng vào việc xây dựng cầu máng có rất nhiều -u

điểm

3.Giá đỡ máng

Tùy theo điều kiện ở nơi xây dựng và hình thức kết cấu máng, giá đỡ có thể bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch đá xây Hình thức giá đỡ có thể là cột, khung, vòm hoặc vòm treo Vòm hoặc vòm treo thích hợp với những nơi có khe sâu

4.Khớp nối

ở cầu máng có khớp nối giữa hai đoạn của cầu máng và khớp nối nhiệt độ Khớp nối giữa các đoạn của cầu máng, giữa cầu máng với đoạn vào và đoạn ra cần phải di động kiểu khớp và không thấm n-ớc

Bề rộng các khớp nối đ-ợc xác định theo công thức:

l = t.L (11-9)

Trong đó:  - hệ số nở dài của bê tông và bê tông cốt thép;

t - biên độ dao động của nhiệt độ ngoài không khí ở nơi xây dựng công trình đối với nhiệt độ xây dựng công trình;

L - khoảng cách giữa các khe nối (m)

Bề rộng của khe nối đ-ợc lấy nhỏ hơn 2 cm Khi cầu máng có kết hợp cho ôtô và ng-ời qua lại, các khớp nối phải đặt trên giá đỡ Có thể kê cầu máng hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do Nếu cầu máng dài có thể đặt trên giá đỡ theo hình thức dầm liên tục

hoặc dầm công xôn kép, lúc đó chọn chiều dài của nhịp l và chiều dài của mút thừa a theo quan hệ l = 2,7a thì giá trị momen âm và d-ơng lớn nhất xảy ra trong dầm sẽ bằng nhau,

tiện cho việc bố trí cốt thép

1 3

2

4

3 1

4

Hình 11-15 Nối tiếp chống thấm giữa thân máng và bộ phận cửa vào

1) Nhựa đ-ờng; 2) Bao tải tẩm nhựa đ-ờng; 3) Xi măng trát; 4) Bê tông lót

Hình 11-16 Sơ đồ nhịp máng kiểu mút thừa

11.6.dốc n-ớc

11.6.1.KháI niệm

Khi kênh dẫn đi qua những nơi có độ dốc lớn , vận tốc dòng n-ớc sẽ xói lở s-ờn dốc

và phần kênh nối tiếp sau dốc Để bảo vệ s-ờn dốc và phần kênh nối tiếp, phải xây dựng công trình nối tiếp qua đoạn dốc (hình 12-17) Các công trình đó có thể là dốc n-ớc, bậc n-ớc, máng phun Khi độ dốc ≤ 100 ng-ời ta làm dốc n-ớc

11.6.2.Tính toán thủy lực dốc n-ớc (dốc n-ớc cửa vào không có ng-ỡng)

1 Tính toán thủy lực cửa vào

Dòng chảy qua cửa vào nh- qua đập tràn đỉnh rộng không ngập

Hình 12-17 Các công trình nối tiếp a) Dốc n-ớc; b) Bậc n-ớc; c) Máng phun

Với cửa vào có mặt cắt ngang hình chữ nhật, dùng công thức tính toán:

Cửa vào dốc không có ng-ỡng thì chiều sâu n-ớc đầu dốc h1  hpg Mặt n-ớc trên thân dốc là đ-ờng n-ớc hạ bII, tính toán theo ph-ơng trình chuyển động không đều, biến đổi đều của B.A Bakhơmêchiép:

tb g

BiCJ

Btb - chiều rộng trung bình mặt cắt ứng với h ;

tb - chu vi -ớt trung bình ứng với h ;

h - chiều sâu n-ớc trung bình trong dốc n-ớc, h h1 h2

Do vận tốc n-ớc qua thân máng rất lớn nên có hiện t-ợng trộn khí, làm cho chiều sâu n-ớc tăng lên Có thể tính chiều sâu n-ớc khi có trộn khí theo công thức gần đúng sau đây: (với điều kiện v < 20 m/s)

3 Tính toán thủy lực cửa ra

Tính toán thủy lực cửa ra nhằm xác định bể hoặc t-ờng tiêu năng để tạo ra n-ớc nhảy ngập

Để tính toán nối tiếp ta lấy chiều sâu h2 cuối dốc l¯m độ sâu trước nước nh°y h’ v¯ x²c

định chiều sâu liên hiệp sau nước nh°y h”

Khi tính sơ bộ có thể lấy h2  h0

11.6.3.Cấu tạo dốc n-ớc

Dốc n-ớc dẫn n-ớc từ trên cao xuống kênh d-ới thấp với l-u tốc rất lớn nh-ng không làm các tia dòng tách khỏi máng dẫn Kích th-ớc và độ dốc đ-ợc xác định bởi l-u tốc cho phép lớn nhất của vật liệu làm máng và tính chất bùn cát chứa trong máng n-ớc

Dốc n-ớc gồm các bộ phận sau: Cửa vào, thân dốc, cửa ra (hình 11-18)

Hình 11-18 Cấu tạo dốc n-ớc

1) Cửa vào; 2) Thân dốc; 3) Cửa ra

1 Cửa vào của dốc n-ớc (hình 11-19)

Cửa vào có nhiệm vụ h-ớng n-ớc từ kênh th-ợng l-u vào thân máng đ-ợc thuận, tránh

sự co hẹp nhiều dòng n-ớc khi vào thân máng gây khó khăn cho sự làm việc của bể tiêu năng Cửa vào dốc n-ớc cấu tạo t-ơng tự cửa vào của cống Riêng tr-ờng hợp dốc ngắn có l-u l-ợng lớn thì làm chỗ vào theo hình phễu loe đầu để hạn chế sự co hẹp của dòng n-ớc khi đổ vào thân máng

đá xây Chiều dày đáy dựa vào tính chất nền và l-u tốc để quyết định

Có thể chọn chiều dày đáy theo công thức của V.M Đômbơrốpxki

t0, 0300, 035 a.v h (11-19)

Trong đó: v- l-u tốc trung bình của dòng chảy;

h- chiều sâu n-ớc trong dốc;

a- hệ số phụ thuộc tính chất đất nền:

Do vận tốc lớn trong dốc lớn gây nên hiện t-ợng n-ớc ngậm khí, làm chiều sâu n-ớc tăng lên Độ cao an toàn của t-ờng bên trên mực n-ớc trong dốc lấy lớn hơn ở cống điều tiết khoảng 30%

Kích th-ớc t-ờng bên, hoặc lớp gia cố tùy thuộc vào vật liệu làm t-ờng, tính chất đất sau t-ờng và sự liên kết giữa t-ờng bên với tấm đáy để lựa chọn và tính toán (hình 11-20)

Lớp trát bê tông

Nền đá

c) a)

đào đắp quá lớn thì có thể chọn tuyến cong Dòng chảy theo tuyến cong sẽ sinh ra lực ly tâm làm mực n-ớc dềnh cao ở phía bờ lõm Do đó t-ờng phía bờ lõm phải làm cao hơn ở phía bờ lồi Với dốc n-ớc có lòng rộng, vận tốc n-ớc lớn, để tránh t-ờng bờ lõm phải làm quá cao, thì đáy dốc làm nghiêng theo h-ớng ngang nh-ng độ nghiêng đáy nhỏ hơn độ nghiêng mặt n-ớc Nếu bề rộng dốc lớn thì nên làm t-ờng phân dòng (hình 11-21)

mở của loa phễu tg = 1/8  1/12 để dòng n-ớc không tách khỏi hai bên thành loa

Ngoài ra còn có thể bố trí mố, ng-ỡng phân tán dòng n-ớc tại cửa ra (hình 11-23)

11.7.Bậc n-ớc

10.7.1.Khái niệm

Khi dòng chảy đi qua địa hình có độ dốc lớn ( > 100

), hoặc cao độ hạ thụt thì sử dụng công trình nối tiếp là bậc n-ớc sẽ thích hợp hơn

Tại bậc n-ớc, n-ớc chuyển động một phần đ-ờng trên công trình sau đó rơi vào không khí để xuống bậc d-ới Do đó l-u tốc dòng chảy thay đổi cả về đại l-ợng và ph-ơng h-ớng L-u tốc tăng từ đại l-ợng không lớn lắm ở đỉnh bậc tới trị số lớn nhất ở nơi dòng chảy rơi xuống Khi n-ớc rơi xuống bậc d-ới còn gây nên lực xung kích rất lớn Vì vậy khi thiết kế phải xét đến các lực này

Căn cứ vào độ chênh cao của dốc mà làm một bậc hay nhiều bậc, để đảm bảo tốt điều kiện làm việc và giá thành xây dựng rẻ

11.7.2.Tính toán thủy lực bậc n-ớc

1 Tính toán thủy lực cửa vào

Khi ng-ỡng cửa vào đặt cùng cao trình đáy kênh, n-ớc qua cửa vào nh- chảy qua đập tràn đỉnh rộng (với điều kiện chiều dài cửa   (2  3)H)

Khi ng-ỡng cửa vào cao hơn cao trình đáy kênh, n-ớc chảy qua cửa vào nh- chảy qua

bm

QH

22

2 0 3 / 2

2 Tính toán thủy lực ở bậc (bậc n-ớc có ng-ỡng tiêu năng)

Bậc n-ớc có ng-ỡng tiêu năng, thì mỗi cấp thành một bể tiêu năng Trong tính toán thủy lực bậc ta tính toán với bể tiêu năng có n-ớc nhảy ngập

Chiều dài sàn bậc:

L = Lp + Ln (11-21)

Trong đó: Lp - chiều dài đoạn n-ớc rơi;

Ln - chiều dài n-ớc nhảy ngập

Chiều cao ng-ỡng tiêu năng đ-ợc tính toán từ điều kiện bài toán bể tiêu năng có n-ớc nhảy ngập ( hình 11-24)

3 Tính toán thủy lực ở cửa ra

Đối với bậc n-ớc 1 cấp cũng nh- đối với bậc cuối cùng của bậc nhiều cấp việc tính toán bể tiêu năng n-ớc nhảy ngập và đảm bảo n-ớc chảy ngập vào kênh hạ l-u

Hình 11-24- Bể tiêu năng

11.7.3.Cấu tạo của bậc n-ớc

Bậc n-ớc gồm các bộ phận cửa vào, thân bậc, cửa ra (hình 11-25)

Vật liệu làm bậc n-ớc th-ờng làm bằng bêtông cốt thép, đá xây Loại bậc n-ớc nhỏ

đơn giản có thể làm bằng gỗ, rọ đá

1 Cửa vào bậc n-ớc

Cửa vào cấu tạo theo dạng đập tràn đỉnh rộng hay thực dụng Cấu tạo cửa vào bậc n-ớc t-ơng tự cửa vào dốc n-ớc Khi l-u l-ợng qua bậc thay đổi không lớn thì làm đập tràn hình chữ nhật, cao trình đỉnh bằng hoặc cao hơn cao trình đáy kênh Với bậc n-ớc có l-u l-ợng dẫn qua thay đổi nhiều, để tự điều tiết mực n-ớc trong kênh th-ợng l-u thì dùng đập tràn hình thang T-ờng cánh th-ờng làm hình thức t-ờng ngoặt hay t-ờng mở rộng Góc mở t-ờng  lấy với tg = 1/4  1/5 Chiều dài t-ờng lấy khoảng (2 3)H Đoạn chuyển tiếp lấy khoảng (1 1,5)H, (hình 11-26)

(2  3)H (1  1,5)H

P'

p d

2

3 1

Mặt bằng Cắt dọc

Sân tr-ớc Đoạn chuyển tiếp

Chiều cao mỗi bậc:

N - số bậc;

d - chiều sâu mỗi bể tiêu năng

Với bậc n-ớc không lớn lắm nên chọn chiều cao một bậc từ 3 m 5 m Chiều dài mỗi bậc không quá 20 m

Cấu tạo mỗi bậc gồm: T-ờng tràn, t-ờng dọc, tấm đáy

a) T-ờng bên th-ờng có mặt cắt của t-ờng trọng lực Do trọng l-ợng t-ờng lớn nên

làm tách rời với bản đáy bằng khe nối Kích th-ớc đỉnh, t-ờng phụ thuộc vào vật liệu làm t-ờng và áp lực đất sau t-ờng Để giảm áp lực đất sau t-ờng ng-ời ta đào bỏ bớt chiều cao

đất và làm rãnh thoát n-ớc Đỉnh t-ờng cần làm cao hơn mực n-ớc lớn nhất từ 0,7 1,5 m (hình 11-27)

Hình 11-27 T-ờng bên bậc n-ớc

b) T-ờng tràn: Có mặt ngoài thẳng đứng, hoặc nghiêng, đỉnh t-ờng làm cao hơn đáy

bậc trên để tạo thành bể tiêu năng Dọc theo đỉnh t-ờng có lỗ thoát n-ớc để tháo cạn bể tiêu năng Kích th-ớc lỗ th-ờng 10  10 cm hoặc 20  20 cm ở nền đất có độ lún rất nhỏ t-ờng tràn đ-ợc xây liền khối với t-ờng dọc tăng độ vững chắc cho bậc, tiết kiệm vật liệu, tiện lợi cho thi công

Trên nền đất dính và mực n-ớc ngầm trong thời gian thi công rất thấp thì xây t-ờng tràn có mái dốc trên chiều dài n-ớc rơi xa sẽ có lợi về thủy lực và khối l-ợng xây dựng (hình 11-28)

Lỗ thoát n-ớc T-ờng tràn

c) Tấm đáy : Tấm đáy của mỗi bậc là đáy của bể tiêu năng, do đó nó cần có đủ khả

năng chịu các lực xung kích của n-ớc Chiều dày tấm đáy phụ thuộc vật liệu xây dựng, l-u l-ợng đơn vị qua bậc, độ cao n-ớc rơi xuống bậc

Bậc n-ớc có l-u l-ợng đơn vị q < 2 m3/s.m thì chiều dày tấm đáy t = 0,35  0,40 m Khi q < 5 m3

/s.m và chiều cao n-ớc rơi tới 2,5 m thì chiều dày tấm đáy từ 0,5 0,7 m Chiều dày tấm đáy có thể tính theo công thức gần đúng sau đây:

t 0,25 q P (11-23)

Trong đó:

q - l-u l-ợng đơn vị (m3/s.m);

P - chiều cao t-ờng tràn (m);

t - chiều dày tấm đáy (m)

3 Cửa ra của bậc n-ớc

Cửa ra phải có khả năng tạo ra n-ớc nhảy ngập hoàn toàn và cần thiết có thể tạo cho n-ớc chảy ngập lặng vào kênh Đảm bảo an toàn cho bậc và kênh hạ l-u Để nối tiếp giữa cửa ra và kênh có thể làm bậc mở rộng với góc mở của t-ờng bên  có tg = 1/4 1/5 Hoặc thu hẹp kênh ở phần tiếp giáp với cửa bậc

Phần nối tiếp cần đ-ợc gia cố cẩn thận Cần gia cố trên chiều dài gần bằng chiều dài

bể tiêu năng Vật gia cố phải thoát đ-ợc n-ớc và nặng Có thể dùng vật gia cố là: tấm bêtông có lỗ, rọ đá, hoặc đá lát Sau phần gia cố chính, cần thiết lát khan nhẹ thêm một

đoạn nữa (hình 11-29)

cắt dọc

Hình 11-29 Cửa ra bậc n-ớc

11.8.thiết kế hệ thống kênh và công trình trên kênh

Thiết kế hệ thống kênh và công trình trên kênh phải dựa trên cơ sở các tài liệu cơ bản

về nhiệm vụ công trình, điều kiện địa hình, vật liệu xây dựng, thủy văn, khí hậu, các điều kiện về kinh tế, xã hội và các điều kiện khác có liên quan

Quá trình thiết kế có thể theo các b-ớc sau:

B-ớc 1: Thu thập các tài liệu cần thiết (nh- đã nêu trên)

B-ớc 2: Bố trí tổng thể tuyến kênh, định vị và lựa chọn hình thức các công trình trên kênh

B-ớc 3: Tính toán thủy lực xác định mặt cắt kênh trong từng đoạn thỏa mãn điều kiện không xói, không lắng

B-ớc 4: Vẽ đ-ờng mặt n-ớc trên toàn hệ thống kênh, trong đó đã quy định trị số tổn thất cột n-ớc trong từng công trình trên kênh Kiểm tra khả năng phục vụ của kênh (ví dụ khả năng t-ới tự chảy )

B-ớc 5: Lựa chọn kết cấu, tính toán ổn định và độ bền của các bộ phận kênh Thiết kế các công trình trên kênh

B-ớc 6: Xây dựng bản vẽ hệ thống kênh Tính toán ph-ơng án thi công kênh Tính toán kinh tế

Trong tr-ờng hợp có nhiều ph-ơng án tuyến hoặc hình thức kênh khác nhau thì thông qua tính toán kinh tế để lựa chọn ph-ơng án hợp lý

Cửa van có thể đóng hay mở một phần hay toàn bộ cửa tháo n-ớc

Tác dụng của cửa van là điều tiết l-u l-ợng tháo qua lỗ hoặc để xói rửa bùn cát ở th-ợng l-u và tháo về hạ l-u Cửa van còn là bộ phận khống chế mực n-ớc tr-ớc và sau công trình theo yêu cầu sử dụng nh- để thuyền bè qua công trình, dâng n-ớc phục vụ t-ới ruộng

Cửa van có nhiều hình thức kết cấu khác nhau Do đó cũng có nhiều căn cứ để phân loại

Hình 12-1 Cửa van trên mặt

a) Cửa van phẳng; b) Cửa van phai; c) Cửa van hình cung;

d) Cửa van hình quạt; đ) Cửa van phai dựng dọc; e) Cửa van chữ V

Theo vị trí đặt cửa van phân ra cửa van trên mặt và cửa van d-ới sâu

- Cửa van trên mặt: Khi đóng cửa van nhô lên mặt n-ớc Loại này th-ờng làm ở đập tràn, cống hở, âu thuyền, ở bể xả và bể hút trạm bơm (hình 12-1)

- Cửa van d-ới sâu: Khi đóng, đỉnh cửa van ngập d-ới mặt n-ớc Loại này th-ờng đ-ợc

bố trí ở các lỗ tháo bùn cát d-ới đập chắn các cửa cống ngầm và cống t-ờng ngực hay ở các cửa lấy n-ớc vào nhà máy thủy điện (hình 12-2)

Hình 12-2 Các loại cửa van d-ới sâu

a)Cửa van phẳng; b) Cửa van hình cung; c) Cửa van hình đĩa

Theo đặc điểm cấu tạo có thể phân ra: Cửa van phẳng, cửa van hình cung, cửa van hình quạt, cửa van hình chữ V (còn gọi là chữ nhân)

Theo vật liệu xây dựng cửa van có thể làm bằng thép, bêtông cốt thép, gỗ

Cửa van là một bộ phận động của công trình thủy lợi, nh-ng không th-ờng xuyên đóng

mở mà nó làm việc có tính chất thời vụ, có lúc đóng, có lúc mở Khi mở cửa van, ban đầu th-ờng gặp những khó khăn, vì vậy cần theo dõi cẩn thận để có biện pháp xử lý kịp thời Cửa van luôn nằm trong n-ớc, do đó nó phải chịu áp lực n-ớc, lực động, lực va chạm của các vật nổi t-ơng đối lớn và th-ờng biến đổi Ngoài ra cửa van còn chịu tác dụng vật

lý, hóa học của n-ớc và các sinh vật trong n-ớc làm mục gỗ, bào mòn thép, gây nên khó khăn khi đóng mở cửa van Quá trình sử dụng cửa van phải đảm bảo điều tiết l-u l-ợng và khống chế mực n-ớc chính xác, rò rỉ n-ớc ít

Khi thiết kế cửa van phải căn cứ vào điều kiện làm việc và yêu cầu sử dụng để lựa chọn loại cho thích hợp Cửa van thiết kế phải đảm bảo an toàn cho mỗi tr-ờng hợp sử dụng, đủ yêu cầu chịu lực, có cấu tạo đơn giản, giảm nhẹ lực đóng mở, chế tạo, lắp ráp, sửa chữa dễ dàng, giá thành hạ

12.2.cửa van kiểu phai

12.2.1.Phai đặt ngang

Phai đặt ngang gồm những dầm gỗ hoặc các dầm làm bằng vật liệu khác nh- thép hình, bê tông cốt thép đ-ợc xếp chồng lên nhau tựa vào rãnh phai ở mố và t-ờng bên để chắn cửa n-ớc chảy qua của công trình thủy lợi

Phai gỗ th-ờng có mặt cắt hình chữ nhật, dùng chắn các cửa rộng từ 3 m trở xuống và không sâu quá 3 m (kể từ mặt n-ớc), (hình 12-3)

Hình 12-3 Cửa van phai đặt ngang bằng gỗ

a) Phai có đỉnh thòi hai bên để đóng mở; b) Phai có móc hai bên để đóng mở;

c) Phai có móc ở đỉnh

Đối với các cửa cống có chiều rộng và sâu, th-ờng dùng phai bằng thép hình chữ I ở mặt tr-ớc và sau dầm hoặc phía trên và d-ới dầm có gắn các thanh gỗ để chống rò rỉ (hình 12-4)

Hình 12-4 Phai thép hình chữ I

ở các cửa cống rộng còn dùng phai bê tông cốt thép Hình dạng mặt cắt ngang phai bê tông cốt thép có thể là mặt cắt hình chữ nhật, chữ I (hình 12-5)

Hình 12-5 Mặt cắt ngang phai bê tông cốt thép

Cửa van phai th-ờng bị rò n-ớc nhiều nên chỉ dùng làm cửa van chính ở các cống nhỏ,

đối với các cửa cống lớn nó đ-ợc dùng làm cửa van phụ hoặc cửa van sửa chữa

Khi thiết kế mặt cắt, mỗi dầm phai đ-ợc coi nh- một dầm đơn chịu uốn gối lên mố và t-ờng bên, chịu áp lực n-ớc phân bố đều Chiều dày của phai gỗ đ-ợc xác định theo công thức của dầm chịu uốn:

t =

][

t - chiều dày của phai (m);

a - chiều cao của phai (tức chiều rộng dầm chịu uốn) th-ờng lấy khoảng 0,20m; [u] - ứng suất chịu uốn cho phép của gỗ (daN/m2

);

Mmax - mômen uốn lớn nhất của dầm tính theo công thức:

Mmax =

2 tt

q8

h - chiều sâu n-ớc (cột n-ớc áp lực) tại vị trí dầm tính toán (m);

ltt- chiều dài tính toán của dầm (m)

phải kiểm tra ứng suất ép dập tại mặt tiếp xúc của hai đầu phai với mố

d) c)

b) a)

Hình 12-6 Cấu tạo rãnh phai

a, b) Rãnh phai ở mố bê tông, đá xây; c) Rãnh phai ở trên đỉnh mở rộng;

d) Rãnh phai ở mố bằng gỗ

Trong thiết kế th-ờng chọn dầm d-ới cùng là dầm chịu áp lực lớn nhất ứng với tr-ờng hợp: ở th-ợng l-u là mực n-ớc lớn nhất, hạ l-u không có n-ớc để tính toán Chiều dày các dầm bên trên th-ờng lấy bằng dầm d-ới cùng để tiện chế tạo và đóng mở Mố tựa của cửa van phai th-ờng bằng bêtông, hoặc đá, gạch xây vữa; có thể bằng gỗ ghép Với cửa rộng cần bố trí thêm thép góc ở rãnh cửa Trên đỉnh rãnh phai th-ờng đ-ợc mở rộng để thả phai

đ-ợc dễ dàng (hình 12-6)

12.2.2.Phai dựng dọc

Phai dựng dọc th-ờng để đóng các khoang rộng nh-ng không sâu lắm Nó gồm những dầm gỗ có mặt cắt ngang là hình chữ nhật, hoặc thép hình chữ I dựng sát bên nhau và tựa tự

do lên hai gối: cầu công tác và tấm đáy công trình (hình 12-7a, b)

Để dễ đặt và tránh phai bị nổi lên khi có n-ớc dâng phía tr-ớc th-ờng dựng các tấm phai nghiêng Độ nghiêng của phai lấy từ

để gia cố gối tựa (hình 12-7c)

Tính toán phai dựng dọc coi mỗi tấm nh- một dầm đơn kê tự do lên hai gối, chịu áp lực n-ớc phân bố theo hình tam giác để tính

Chiều dày phai gỗ th-ờng lấy lớn hơn 5 cm, chiều rộng tới 30 cm, chiều dài có thể đến 5,5 m Dầm phai có thể nặng tới 400 kg, khi dùng tay đóng mở mỗi dầm không nặng quá

30 kg

Phai a)

Loại cửa van phẳng bằng gỗ th-ờng đ-ợc dùng cho loại cửa van chuyển động khi đóng

mở theo hình thức tr-ợt (ma sát tr-ợt giữa cửa van và rãnh cửa) và có chiều rộng khoang từ 4-5 m trở xuống Loại này cấu tạo đơn giản, giá thành hạ, đặc biệt là nơi có nhiều gỗ

12.3.2.Cấu tạo, kích th-ớc và các bộ phận của cửa van

t

5

1

2 3

Hình 12-8 Cửa van phẳng bằng gỗ

1) Cán cửa; 2) Đinh bu lông; 3) Tấm thép nối; 4) Gỗ đệm; 5) Thép nẹp; 6) Đinh tán

Kích th-ớc cửa van phẳng bằng gỗ đ-ợc xác định nh- sau: Cao trình đỉnh cửa van lấy lớn hơn mực n-ớc cao nhất ở th-ợng l-u hoặc đáy t-ờng ngực từ (0,3  0,6) m để tránh n-ớc chảy qua Chiều rộng cửa van căn cứ vào chiều rộng khoang cửa và rãnh cửa mà xác

định Th-ờng lấy chiều rộng rãnh cửa nh- sau:

Trong đó: (hình 12-8)

b- chiều rộng khoang cửa công trình (m);

b0- chiều dài phần đầu dầm gỗ tựa vào công trình, th-ờng lấy b0 = (5  30) cm

Tính toán chiều dày cửa van bằng cách tách riêng từng dầm gỗ và áp dụng công thức (12-1) Phân bố áp lực thủy tĩnh là hình tam giác nên chiều dày của cửa van tăng dần từ d-ới đáy lên trên Đối với cửa van nhỏ th-ờng lấy chiều dày không đổi bằng chiều dày của dầm ở d-ới đáy Với cửa van cao có thể lấy chiều dày tăng dần từ d-ới lên trên theo từng

đoạn, ở mỗi đoạn có chiều dày không đổi Nếu chiều dày dầm gỗ tính ra quá lớn có thể ghép hai hay ba lớp

Để liên kết giữa các dầm thành một tấm phẳng chắn n-ớc, th-ờng dùng các hình thức ghép sau đây (hình 12-9):

Mặt cửa van còn đ-ợc ốp bằng một số đôi thép nẹp và dùng đinh tán hoặc đinh bu lông

để liên kết Chiều rộng, chiều dày của thép nẹp phụ thuộc vào kích th-ớc cửa van và áp lực n-ớc tác dụng, th-ờng lấy rộng từ (8  50) mm, dày (5  6) mm Để xiết chặt các dầm gỗ

có thể dùng hai nêm gỗ đứng ở phía mặt chắn n-ớc (hình 12-10)

Khi đóng mở cửa van, lực từ máy đóng mở qua cán cửa, dây cáp, dây xích tới cửa van Cán cửa th-ờng làm bằng thép tròn, đặc Cũng có thể làm cán cửa là thanh thép cán có mặt cắt ngang chữ nhật Đoạn trên của cán cửa có vòng xoắn ốc hoặc răng c-a ăn khớp với máy

đóng mở Cán cửa nối với cửa van th-ờng bằng tấm thép hình thang hay hình chữ nhật có lỗ

để vặn bu lông xuyên qua cán cửa, số l-ợng bu lông th-ờng lấy từ (1-3) cái Dựa vào lực

mở (kéo) để tính toán thép nẹp, thép nối, bu lông và đinh tán theo ph-ơng pháp sức bền vật liệu

1/4 B 1/4 B

B

3 cm

Hình 12-10 Cửa van có nêm gỗ

Tính toán đ-ờng kính cán cửa (hình 12-11): Quan niệm đầu cán cửa nối với cửa van là

cố định, đầu nối với máy đóng mở nhờ chốt di động Dựa vào tr-ờng hợp đóng cửa van để xác định đ-ờng kính cán cửa và dùng tr-ờng hợp mở cửa van để kiểm tra lại

Khi đóng: Cán cửa bị nén và có thể bị oằn dọc Lực nén cực hạn của thanh tính theo công thức của ơle:

2

2

2L

EJ



(12-6) Trong công thức trên:

L - chiều dài của cán cửa (cm);

d - đ-ờng kính của cán cửa (cm)

Khi tính toán đ-ờng kính cán cửa th-ờng lấy lực nén an toàn bằng một nửa lực cực hạn:

d

r

c) b)

3

6.1d

Pmở - lực mở cửa van (daN);

T - mômen xoắn của cán cửa khi mở cửa van (daN.cm);

 - góc ma sát của mặt xoắn, th-ờng lấy = 5  60 hay tg = 0,087  0,105;

 - góc nghiêng của các vòng xoắn ở cán cửa, th-ờng lấy từ 1,5  2,50

hoặc có thể tính theo công thức:

r - bán kính trung bình của cán cửa (cm);

p - khoảng cách giữa các vòng xoắn, có thể lấy p = 6  12,5 mm hoặc bằng chiều sâu vòng xoắn (0,1  0,3d);

[K] - ứng suất kéo cho phép của sắt làm cán cửa khi chịu kéo và xoắn đồng thời, có thể tra bảng 1(2-1)

Bảng 12-1

Các loại ứng suất

ứng suất cho phép

ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất uốn cong 12.000

ứng suất ép dập của đinh tán vào thành lỗ 24.000

ứng suất ép dập của bu lông vào thành lỗ 17.000

Nói chung đ-ờng kính cán cửa th-ờng chọn lớn hơn 2,5 cm