Giáo trình Thủy công (Tập 2): Phần 1

Thủy công là môn học chuyên môn quan trọng cho các ngành đào tạo về thủy lợi. Để có giáo trình Thủy công dành cho hệ Cao đẳng, tổ chức biên soạn và phát hành giáo trình Thủy công dùng cho hệ Cao đẳng. Tập 2 giáo trình từ chương 913. Phần 1 giáo trình 2 chương 9, 10: Cống lộ thiên và cống ngầm. Mời các bạn cùng tìm hiểu.

Tr-ờng cao đẳng thuỷ lợi bắc bộ

PHạM PHÊ

giáo trình THủY CÔNG

dùng cho hệ cao đẳng

tập iI

năm 2010

lời nói đầu

Thủy công là môn học chuyên môn quan trọng cho các ngành đào tạo về Thủy lợi Để

có Giáo trình Thủy công dành cho hệ Cao đẳng, Tr-ờng tổ chức biên soạn và phát hành

”Giáo trình Thủy công dùng cho hệ Cao đẳng Giáo trình này đ-ợc tham khảo giáo trình của các hệ Trung cấp, Đại học, các quy phạm, các tài liệu có liên quan

Để không ngừng nâng cao chật l-ợng đào tạo, đáp ứng với sự phát triển của kỹ thuật Thủy lợi, giáo trình này đã bám sát, bổ sung, cập nhật các t- liệu mới trên cơ sở kiến thức cơ bản của các giáo trình và tài liệu khác Giáo trình gồm 12 ch-ơng và phụ lục, đ-ợc chia làm 2 tập, cụ thể nh- sau:

Phụ lục Thiết kế định hình

Tham gia biên soạn và hiệu đính gồm có:

- Th.s Phạm Phê, biên soạn

- Th.s Thành Đăng Hải, phản biện và hiệu đính

Giáo trình này đ-ợc làm tài liệu giảng dạy cho giảng viên và học tập cho sinh viên các ngành trong tr-ờng 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

Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Tr-ờng Cao đẳng Thủy lợi Bắc Bộ đã tạo mọi điều kiện để giáo trình đ-ợc biên soạn và phát hành

Trong quá trình biên soạn, giáo trình khó tránh khỏi khiếm khuyết Chúng tôi mong nhận đ-ợc những ý kiến đóng góp của quý bạn đọc Các ý kiến xin gửi về Tr-ờng Cao đẳng Thủy lợi Bắc Bộ

Xin chân thành cảm ơn

Ch-ơng 9 cống lộ thiên

9-1 Khái niệm và phân loại

9.1.1 Khái niệm

Cống lộ thiên là loại công trình thủy lợi đ-ợc xây dựng hở, phía trên cống không đắp

đất, có tác dụng điều tiết l-u l-ợng và khống chế mực n-ớc nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp n-ớc, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn

Cống th-ờng đ-ợc xây dựng trong các hệ thống t-ới, tiêu, dẫn n-ớc và đ-ợc đặt ở

đầu, giữa kênh hoặc đ-ờng giao thông Ngoài ra có thể kết hợp cống cho vận tải thủy và làm cầu giao thông trên cống Cống đ-ợc sử dụng rộng rãi, nhất là vùng đồng đồng bằng, vì vậy còn gọi là cống đồng bằng hay cống hở

91.2.Phân loại

Việc phân loại cống lộ thiên có nhiều cách nh- theo mục đích sử dụng, kết cấu, vật liệu xây dựng v.v Th-ờng ng-ời ta phân loại theo mục đích sử dụng, có thể phân cống thành các loại:

1.Cống lấy n-ớc: Để lấy n-ớc từ nguồn (sông, hồ chứa, ao đầm, kênh ) phục vụ cho

các yêu cầu về t-ới, phát điện, nhà máy, xí nghiệp, nông tr-ờng hoặc các ngành dùng n-ớc khác của nền kinh tế quốc dân Cống lấy n-ớc đ-ợc bố trí ở đầu kênh chính của hệ thống

và đảm bảo cho hệ thống làm việc đ-ợc bình th-ờng, nên còn gọi là cống đầu mối

Ví dụ: Cống lấy n-ớc Trung Trang (An Lão, Hải Phòng), lấy n-ớc từ sông Văn úc, t-ới cho 18.250 ha, tạo nguồn t-ới cho 420 ha, cấp n-ớc cho sinh hoạt, công nghiệp và các ngành kinh tế khác Cống có 4 cửa, mỗi của rộng b = 8m, l-u l-ợng thiết kế Qtk = 111m3/s, cống có cửa van phẳng bằng thép, máy đóng mở bằng tời điện TĐ 6.2, đ-ợc xây dựng năm 1980

2.Cống chia n-ớc (hoặc phân n-ớc): Đặt ở đầu các kênh nhánh để lấy n-ớc từ kênh

cấp trên vào kênh cấp d-ới hoặc các khoanh ruộng canh tác

3.Cống điều tiết: Tác dụng để nâng cao mực n-ớc ở th-ợng l-u cống, đảm bảo lấy

đ-ợc l-u l-ợng yêu cầu vào kênh hoặc tạo nên cột n-ớc yêu cầu ở phía tr-ớc cống Ngoài ra cống điều tiết còn dùng để điều tiết và phân phối n-ớc trong hệ thống kênh khi l-u l-ợng

và mực n-ớc ở các kênh thay đổi nhiều Cống điều tiết đ-ợc đặt chặn ngang các kênh sau cống chia n-ớc hoặc ngang sông

Ví dụ: Trên hệ thống Sông Nhuệ, sau cống đầu mối Liên Mạc (Từ Liêm, Hà Nội) có nhiều cống điều tiết đ-ợc xây dựng trên sông để toàn bộ hệ thống đảm bảo đ-ợc nhiệm vụ cấp n-ớc, tiêu úng và an toàn cho các công trình Cống hạ l-u Liên Mạc là cống điều tiết,

có nhiệm vụ:

- Dâng n-ớc ở hạ l-u cống Liên Mạc khi mực n-ớc sông Hồng v-ợt cao trình +12.95

để đảm bảo ổn định cho cống Liên Mạc

- Đảm bảo giao thông, tải trọng H30 đi đ-ợc trên hai bờ sông Nhuệ

- Đảm bảo lấy n-ớc t-ới cho hệ thống 6000ha

- Tiêu n-ớc đầu vụ phần diện tích ở hạ l-u cống thuộc địa phận Hà Nội, Hà Tây cũ

- Cống hạ l-u Liên Mạc có 3 cửa, mỗi cửa rộng 6m, trong đó có cửa qua âu thuyền

4.Cống tiêu: Dùng để tháo n-ớc thừa, n-ớc đọng cho khu vực nào đó để chống úng

Trong hệ thống kênh, cống tiêu đ-ợc xây dựng trên các kênh tiêu để dẫn n-ớc tháo từ các khoang t-ới vào nơi tập trung n-ớc, do yêu cầu t-ới tiêu khoa học hoặc rửa mặn, thau chua cải tạo đất

Ví dụ: Cống Láng Thé (Huyện Càng Long, Trà Vinh), có nhiệm vụ tiêu úng cho 58.940 ha, ngăn mặn cho 31.140 ha, tạo nguồn n-ớc ngọt cho 51.128 ha Ngoài ra, cống còn có nhiệm vụ kết hợp cải thiện giao thông thủy, giao thông bộ, bố trí địa bàn dân c-, phục vụ n-ớc sinh hoạt cho thị xã Trà Vinh và các vùng lân cận Cống có 7 cửa, mỗi cửa rộng 8,5m, dùng của van phẳng để đóng mở cống

Cống tiêu Cổ Thiêu III (Kiến Thụy, Hải Phòng) có 4 cửa, mỗi cửa rộng 7,5m, tiêu úng cho 9.174ha Cống Cầu Xe (Hải D-ơng) có 7 cửa, mỗi cửa rộng 8m, l-u l-ợng tiêu thiết kế 230m3/s, tiêu cho khu vực Bắc H-ng Hải

5.Cống phân lũ: Dùng để tháo một phần l-u l-ợng về mùa lũ của một con sông sang

h-ớng khác, hoặc tập trung n-ớc phân lũ vào một vùng nhất định (nh- khu vực thấp, dòng sông khác gần đó ) nhằm hạ thấp mực n-ớc lũ ở sông để n-ớc không tràn qua đê hoặc có thể giảm chiều cao của đê

Ví dụ: Cống phân lũ Vân Cốc (Hà Tây cũ) đặt tại km 37 của đê phải sông Hồng, ở đầu sông Đáy, cống gồm 26 cửa, mỗi cửa rộng 8m Cùng với các đoạn đê thấp hai bên cống (tràn cứu hộ đê) dài 8,6km có thể phân lũ với l-u l-ợng lớn nhất 5000m3

/s để phân n-ớc lũ sông Hồng vào khu chứa thuộc huyện Phúc Thọ, sau mùa lũ n-ớc đ-ợc tháo qua đập Đáy

để dẫn ra biển là thuộc loại cống này Cống Vân cốc thuộc loại cống lộ thiên, cao trình ng-ỡng cống + 12,0 l-u l-ợng qua cống 2330m3/s, cống dùng van phẳng, đóng mở bằng tời

điện, và mùa lũ cống luôn luôn ở tình trạng vận hành

6.Cống ngăn triều

Xây dựng ở cửa sông ven biển, chịu ảnh h-ởng trực tiếp của thuỷ triều ở một thời kỳ nhất định, khi thuỷ triều dâng, cống mở để các công trình lấy n-ớc ngọt vào đồng (do triều

đẩy dồn lên) Khi triều rút vào mùa lũ, lợi dụng chân triều thấp cống mở tháo tiêu n-ớc từ

đồng ra Vào mùa khô cống đóng để ngăn triều giữ ngọt Ngoài ra cống còn có tác dụng thay đổi n-ớc trong đồng nhằm thau chua rửa mặn

Ví dụ: Cống Nghi Quang (Nghệ An) đ-ợc xây dựng để tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn, gồm 12 cửa mỗi cửa có bề rộng qua n-ớc 3,2m và một cửa qua thuyền rộng 6m, cống sử dụng cửa van tự động trục đứng

Thống kê một số cống vùng triều đ-ợc thể hiện qua bảng (9-1)

7 Cống tháo cát: Tạo nên l-u tốc dòng chảy qua cống t-ơng đối lớn để có tác dụng

xói bùn rửa bùn cát lắng đọng ở đáy, phía tr-ớc các công trình (th-ờng là các đập dâng,

cống điều tiết, cống lấy n-ớc ) và tháo qua cống về hạ l-u

Các loại cống trên có thể là cống lộ thiên hay cống ngầm Trong ch-ơng này đề cập

đến cống lộ thiên còn cống ngầm trình bày ở ch-ơng khác Cống lộ thiên khác với cống ngầm là phía trên để hở không đắp đất hoặc ở cống hở bố trí cầu giao thông để xe và ng-ời qua lại

Cống lộ thiên th-ờng đ-ợc sử dụng với tr-ờng hợp: n-ớc chảy qua cống là không áp lực, chiều rộng cửa cống lớn và kết hợp để thuyền bè qua lại, khi cột đất hai bên cống không lớn

Để đạt mục đích điều tiết l-u l-ợng và khống chế mực n-ớc từ kênh cấp trên vào kênh

cấp d-ới, đảm bảo cho công trình làm việc bình th-ờng, đầu các kênh nhánh hoặc trên kênh

Bảng 14-1 Thông số chính một số cống vùng triều

Chiều rộng cống

B (m)

Bề rộng kênh

B k (m)

Cao trình ng-ỡng

Chiều sâu bể tiêu năng

Chiều dài gia

9.1.3 Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế cống để đảm bảo sử dụng công trình đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao, an toàn, lâu dài, sử dụng vật liệu tại chỗ, áp dụng thiết kế định hình và kết cấu lắp ghép để rút ngắn thời gian thiết kế, xây dựng sớm đ-a công trình vào làm việc

1.Các b-ớc thiết kế

Khi thiết kế cống tiến hành theo các b-ớc cụ thể sau đây:

-Dựa vào nhiệm vụ, điều kiện sử dụng, tình hình địa chất, địa hình nơi xây cống chọn hình thức cống hợp lý

- Tính toán thủy lực xác định kích th-ớc của cống và chọn biện pháp tiêu năng thích hợp

- Tính toán n-ớc thấm d-ới đáy cống để kiểm tra điều kiện an toàn về thấm

- Chọn kết cấu công trình và bố trí các bộ phận của cống

- Kiểm tra điều kiện ổn định và c-ờng độ của các bộ phận cống

- Trên cơ sở tính toán, vẽ các bản vẽ công trình

- Tính toán khối l-ợng và tổng dự toán công trình

Tùy theo quy mô công trình mà ấn định yêu cầu và nội dung, ph-ơng pháp tính toán t-ơng ứng với các giai đoạn thiết kế

2 Thiết kế định hình

Thiết kế các công trình trên kênh nói chung và cống nói riêng còn có ph-ơng pháp khác là theo thiết kế định hình Các bản thiết kế định hình công trình này là do các cơ quan thiết kế của Bộ, Sở chuyên ngành ban hành

Dựa vào các yêu cầu về thủy lực, cột n-ớc, địa hình địa chất, kết hợp với tình hình cụ thể nơi xây dựng để chọn mẫu thiết kế của cống cho thích hợp

Khi thiết kế theo bản định hình cần tiến hành nh- sau:

- Dựa vào l-u l-ợng thiết kế và chênh lệch mực n-ớc th-ợng hạ l-u, các thông số cơ bản khác, chọn chiều rộng cống, chọn mẫu định hình

- Đánh dấu vị trí công trình trên bản đồ của hệ thống kênh và vẽ sơ họa bình đồ nơi xây cống

- Ghi các cao trình mặt đất và của các bộ phận công trình, tính kích th-ớc các chi tiết cống

- Tính toán khối l-ợng công trình và dự toán, tính giá thành công trình

Thiết kế định hình giúp cho việc thiết kế công trình đ-ợc nhanh, gọn nh-ng cũng phải loại trừ khả năng một số tr-ờng hợp cần phải tính toán kiểm tra lại hoặc xác định các kích th-ớc và kết cấu đã chọn

9-2 Tính toán thủy lực

9.2.1.Mục đích, yêu cầu

1.Mục đích

Tính toán thủy lực của cống để giải quyết hai vấn đề cơ bản:

- Xác định đ-ợc chiều rộng của cống đảm bảo đ-ợc l-u l-ợng qua cống theo mọi yêu cầu của mọi thời kỳ

- Tính toán tiêu năng và các biện pháp tiêu năng nhằm ổn định dòng chảy và không gây xói lở phía sau cống

2.Yêu cầu

Để đáp ứng các yêu cầu này, khi vị trí cống đã đ-ợc xác định, việc thiết kế cần phải đề cập đến các vấn đề sau trong tính toán thủy lực

- Dựa vào nhiệm vụ cống, việc thiết kế cần căn cứ vào quy phạm hiện hành để xác

định tần suất đảm bảo, tần suất thiết kế, để từ đó xác định mực n-ớc th-ợng hạ l-u, l-u l-ợng tháo qua cống cho phù hợp

- Dựa vào điều kiện địa hình, địa chất và yêu cầu cụ thể khác, chọn hình thức ng-ỡng cống

- Tính toán xác định chiều rộng cống, nhằm thỏa mãn mọi yêu cầu tháo n-ớc, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, kinh tế

- Tính toán tiêu năng đảm bảo an toàn trong mọi tr-ờng hợp

9.2.2.Xác định mực n-ớc thiết kế th-ợng hạ l-u cống

1.Xác định mực n-ớc thiết kế hạ l-u cống (H h )

Căn cứ vào nhiệm vụ công trình xác định đ-ợc cấp công trình, từ đó có mức đảm bảo ứng với mức n-ớc đảm bảo thiết kế, qua tính toán thuỷ lực, thuỷ văn sẽ xác định đ-ợc mực n-ớc th-ợng hạ l-u thiết kế

a.Với cống lấy n-ớc:

Căn cứ vào mực n-ớc cần ở nơi dùng, vẽ đ-ờng mực n-ớc trong kênh từ tính toán thủy lực kênh, chúng ta có mực n-ớc thiết kết đầu kênh, tức là mực n-ớc hạ l-u cống

Nếu cống lấy n-ớc trực tiếp từ sông, cần tiến hành nh- sau:

L-u l-ợng của sông tại thời điểm tính toán Q1, l-u l-ợng lấy n-ớc vào kênh Q, nh- vậy l-u l-ợng trong sông còn lại là Q2 = Q1 - Q Từ Q1 và Q2 = Q1 – Q, tra quan hệ Zt= f(Q) ta

có mực n-ớc trong sông phía trên và phía d-ới cửa lấy n-ớc là H1, H2 Từ đó ta có tổn thất cột n-ớc: Z1 = H1 – H2 (hình 9-2)

e Hình 9-3 Sơ đồ tính chiều sâu n-ớc tr-ớc cống

Do việc n-ớc chảy vào cống nên ở cửa lấy n-ớc mực n-ớc còn có thêm độ hạ thấp Z2tính theo công thức:

2 2

3.Lựa chọn kiểu ng-ỡng cống và l-u l-ợng đơn vị

a L-u l-ợng đơn vị chảy qua cống

Vấn đề chọn l-u l-ợng đơn vị chảy qua cống rất quan trọng, cần phải xét ngay từ đầu vì nó ảnh h-ởng đến giá thành xây dựng và điều kiện làm việc an toàn của cống và kênh Khi chọn l-u l-ợng đơn vị lớn, kích th-ớc cống đ-ợc giảm nhỏ, song tiêu năng sau cống sẽ phức tạp Nếu chọn l-u l-ợng đơn vị nhỏ thì ng-ợc lại Vì vậy trong khi thiết kế cần phải so sánh lựa chọn để giải quyết thoả đáng và bảo đảm các yêu cầu kinh tế kỹ thuật

Khi chọn l-u l-ợng đơn vị cần tham khảo các số liệu kinh nghiệm thực tế, và nên chú ý đến một số mặt sau:

- Khi chênh lệch mực n-ớc th-ợng hạ l-u lớn, năng l-ợng dòng chảy qua cống lớn nên chọn l-u l-ợng đơn vị nhỏ

- Khi chiều sâu n-ớc sau cống nông nên chọn l-u l-ợng đơn vị nhỏ để giảm nhẹ vấn đề tiêu năng

- Khi nền yếu, khả năng chống xói kém nên chọn l-u l-ợng đơn vị bé

- Khi cống có quy mô lớn, n-ớc chảy ra sau cống không đều, khó khuếch tán dễ dẫn

đến hiện t-ợng chảy tập trung, cũng nên chọn l-u l-ợng đơn vị nhỏ

Để đảm bảo dòng chảy từ cống ra kênh khuếch tán t-ơng đối đều, theo đề nghị của V.M.Đômbơrôpski, l-u l-ợng đơn vị sau bể tiêu năng không lớn 1,5 2 lần l-u l-ợng đơn

vị trong kênh và nói chung nhỏ hơn 10m3

/s.m

Theo kinh nghiệm thực tế thì cống dùng phân lũ trên nền cát q=1015m3

/s.m Cống tiêu q = 411m3

/s.m nếu đất nền có tính dính có thể lấy lớn hơn một chút Cống lấy n-ớc

q = 49 m3/s.m và l-u tốc qua cống v = 1 2 m/s để tổn thất cột n-ớc qua cống không quá lớn

b.Lựa chọn kiểu ng-ỡng cống

Hình thức ng-ỡng cống có ảnh h-ởng đến khả năng dẫn n-ớc qua cống, ảnh h-ởng

đến việc xác định kích th-ớc lỗ cống và một số kết cấu khác của cống Phần lớn các cống

đã xây dựng ở n-ớc ta chọn loại ng-ỡng bằng, có tác dụng nh- ng-ỡng đỉnh rộng Ngoài loại ng-ỡng bằng có thể chọn hình thức ng-ỡng mặt cắt thực dụng không chân không Trong các tr-ờng hợp sau đây th-ờng dùng ng-ỡng đỉnh rộng:

- Khi cần hạ thấp cao trình đỉnh ng-ỡng để đảm bảo khả năng dẫn n-ớc qua cống Ví

dụ cống tiêu, cao trình mặt n-ớc đ-ờng tiêu th-ờng thấp, chiều sâu n-ớc lại yêu cầu lớn để

có thể nhanh chóng tiêu n-ớc đọng

- Khi l-u l-ợng đơn vị đã xác định nh-ng không đòi hỏi hệ số l-u l-ợng lớn

- Khi thời gian thi công gấp rút, một số yêu cầu khác đã thoả mãn thì chọn loại ng-ỡng này đơn giản, thi công dễ

Tuỳ theo tình hình cụ thể nh- yêu cầu chiều sâu n-ớc chảy, yêu cầu về hệ số l-u l-ợng… mà cao trình định ng-ỡng chỗ dòng n-ớc vào cống có thể làm bằng hoặc cao hơn

đáy kênh một chút

Tr-ờng hợp yêu cầu có hệ số l-u l-ợng lớn hoặc khi mực n-ớc th-ợng l-u và đáy kênh chênh nhau quá nhiều, cần hạn chế l-u l-ợng đơn vị thì nên dùng ng-ỡng thực dụng để nâng cao trình ng-ỡng lên, giảm cột n-ớc chảy trên ng-ỡng tràn, đồng thời giảm đ-ợc chiều cao cửa van

9.2.3.Tính toán khả năng tháo n-ớc

Khi dòng chảy qua cống, tùy hình thức tấm đáy cống để có công thức tính toán phù hợp Trong ch-ơng đập tràn đã nêu rõ, ở đây chỉ nêu một số tr-ờng hợp th-ờng gặp Từ các công thức tính toán, có thể xác định kích th-ớc cửa cống hoặc biết kích th-ớc cửa cống, tính toán khả năng tháo n-ớc của cống, kiểm tra mực n-ớc tr-ớc, sau cống

1 Ng-ỡng cống là đập tràn đỉnh rộng

Phần này đã trình bày kỹ ở ch-ơng đập tràn, ở đây chỉ nhắc lại những nội dung cơ bản

- Tiêu chuẩn chảy ngập: Đập tràn chảy ngập khi

hn - cột n-ớc ngập, tức là chiều sâu mực n-ớc hạ l-u trên đỉnh ng-ỡng

hk - chiều sâu phân giới chảy trên ng-ỡng tràn

Hình 9-4 Sơ đồ tính toán thủy lực đập tràn đỉnh rộng

a) Chảy tự do; b) Chảy ngập

a Công thức tính toán khi chảy không ngập

L-u l-ợng tháo qua tràn tính theo công thức:

d - chiều dày 1 mố trụ;

BT - chiều rộng mặt n-ớc th-ợng l-u, có kể đến độ mở cửa vào cống;

m - hệ số l-u l-ợng, phụ thuộc loại đập tràn, ng-ỡng tràn, hình thức và độ

mở cửa vào, khi tính toán lấy theo quy phạm Sơ bộ, có thể tham khảo bảng (7-2) ch-ơng VII đập tràn bê tông trọng lực;

H0 - mực n-ớc th-ợng l-u, kể đến l-u tốc tới gần

H0 = H +

g

v2 20

T

Hình 9-5 a) Khi B = BT; b) Khi B  BT

b Công thức tính toán khi chảy ngập (hình 9-4b)

Q = g n bh1 2g H 0 h1 (9-10)

Trong đó: b - tổng chiều dài tràn n-ớc của các khoang tràn;

h1 - chiều sâu n-ớc trên ng-ỡng, h1 = hn - Zhp;

Zhp - chiều sâu hồi phục, tham khảo cách xác định ở các sách thủy lực;

Tr-ờng hợp cống nhỏ, bỏ qua Zhp, trong tính toán lấy h1 = hn; với hn là cột n-ớc ngập (hình 9-4b)

H0 = H +

g

v2 20



n- hệ số ngập, phụ thuộc vào hệ số l-u l-ợng m của đập tràn Tham khảo bảng (7-3) ch-ơng VII- Đập tràn bê tông;trọng lực

g- hệ số l-u tốc, do có ảnh h-ởng co hẹp bên của các mố trụ Xác định g trên cơ sở xác định 0 Cách xác định 0 nh- công thức (9-6) hoặc (9-7) Khi 0  0,96: Không xét ảnh h-ởng của mố trụ, coi cống không có mố trụ g = 1

Khi 0,96  0  0,8: g = 0,5 0 + 0,5

Khi 0  0,8 Hệ số g lấy bằng 0

c Chảy tự do d-ới cửa cống

Dạng chảy này ít gặp, vì nó th-ờng gắn liền với hiện t-ợng n-ớc nhảy phóng xa, là

điều cần khắc phục trong việc nối tiếp dòng chảy và tiêu năng sau cống Tuy nhiên ở một

số tr-ờng hợp nh- ở bể lắng cát, dạng này tồn tại để xói rửa bùn cát trong buồng lắng hoặc gặp ở cống ngầm không áp lấy n-ớc hồ chứa Sơ đồ chảy nh- hình (9-6)

Hình 9-6 Chảy tự do d-ới cửa cống Công thức tính toán:

Q =  bhc 2g(H0hc) (9-11)

Trong đó:  - hệ số co hẹp do mố trụ gây ra,  = 1 - a0

bH

H



0 (9-12)

a0 - hệ số phụ thuộc hình dạng mố (hình 9-7)

- Đầu mố trụ nửa vòng tròn a0 = 0,11;

- Đầu mố trụ vuông góc a0 = 0,2;

- Đầu mố trụ hình l-u tuyến a0 = 0,06;

 - hệ số l-u tốc:

- Cống ng-ỡng bằng, t-ờng cánh xiên hay l-ợn tròn  = 0,95  1;

- Cống ng-ỡng cao, cửa vào không thuận  = 0,85  0,95;

hc - độ sâu co hẹp sau cống, hc = .a;

 - hệ số co hẹp đứng, cách xác định theo bảng (9-2);

a - độ mở cửa cống

Hình 9-7 Dạng đầu mố trụ a) Nửa vòng tròn; b) Vuông góc; c) Hình l-u tuyến

Bảng 9-2 Hệ số co hẹp đứng 

 0.615 0.618 0.620 0.622 0.625 0.628 0.632 0.638 0.645 0.650 0.660 0.672 0.690 0.705

d Chảy ngập d-ới cửa cống

Tr-ờng hợp này, hình (9-8) tại mặt cắt co hẹp c-c có khu chảy cuộn (hn > h"c)

2 Ng-ỡng cống là đập tràn thực dụng

Phần này đã trình bày ở phần đập tràn, ở đây chỉ nhắc lại những nội dung cơ bản

a Khi dòng chảy qua đập tràn là dòng chảy tự do (hình 7-6 ch-ơng VII)

 trong đó H, v0 là mực n-ớc và l-u tốc dòng chảy ở th-ợng l-u đập tràn tại vị trí cách cửa vào thân tràn một khoảng (35)H Khi diện tích mặt cắt dòng chảy th-ợng l-u đập t  4b.H thì l-u tốc đi

tới đủ nhỏ để có thể bỏ qua cột n-ớc l-u tốc

2 0V2g

, khi đó lấy H0 = H;

b - chiều rộng 1 khoang tràn

b Khi dòng chảy qua đập tràn là dòng chảy ngập (hình 7-7 ch-ơng VII)

Điều kiện chảy ngập:

hn  0 và Z

pg

ZP

1.Đặc điểm dòng chảy sau cống

Dòng chảy qua cống có những đặc điểm cơ bản sau:

- Có l-u tốc trung bình lớn, phân bố không đều; mạch động l-u tốc và mạch động áp lực xảy ra với mức độ lớn

- Mực n-ớc th-ợng l-u (Ht), mực n-ớc hạ l-u (Hh) và l-u l-ợng qua cống luôn thay đổi theo thời gian, vì vậy trạng thái qua cống cũng thay đổi

- Dòng chảy ở hạ l-u khuyếch tán không đều do các cửa van đóng mở không đồng bộ

và không đều

- Bề rộng cống (b) nhỏ hơn nhiều so với bề rộng kênh (Bk), tỷ lệ Bk/b lớn (bảng 1); cống lại th-ờng xây dựng trên nền đất yếu

9-Ngoài đặc điểm cơ bản trên, các cống vùng triều còn có những đặc điểm sau:

- Cống vùng triều th-ờng làm việc với mực n-ớc hạ l-u lớn, nối tiếp sau cống ở chế độ chảy ngập với mức độ ngập lớn, nếu theo tính toán thông th-ờng

- Các cống vùng biển chịu ảnh h-ởng trực tiếp của thuỷ triều (ở miền Bắc là nhật triều,

ở miền Nam là bán nhật triều, ở miền Trung là bán nhật triều không đều) ở l-u vực kín, thuỷ triều ảnh h-ởng một phía cống ở l-u vực mở (phần lớn thuộc đồng bằng Nam bộ, mạng l-ới kênh rạch chằng chịt) thuỷ triều ảnh h-ởng và quyết định chế độ mực n-ớc ở cả hai phía cống

- Dòng chảy sau khi qua khỏi ng-ỡng cống th-ờng xuất hiện n-ớc nhảy sóng và sóng

đứng chảy vọt qua bể, tạo ra n-ớc nhảy không ổn định, vì vậy hiệu quả của bể tiêu năng kém và quá trình tiêu năng phần lớn diễn ra sau bể

- Cống đặt trên nền mềm yếu và phức tạp

2.Tính toán chiều sâu n-ớc nhảy

- Tiêu năng sau cống th-ờng gặp là tiêu năng đáy nh- dùng bể, t-ờng hoặc bể và t-ờng kết hợp Dùng các công thức sau để tính chiều sâu co hẹp hc và liên hiệp h''

c

E0 = H+P +

2 0v2g

c

gh

qh



 

Trong đó:  - hệ số l-u tốc phụ thuộc vào m (tra bảng 7-3 ch-ơng VII)

3 Tính toán thủy lực bể tiêu năng

Dùng bể tiêu năng, chiều sâu d của bể phải thỏa mãn tạo ra n-ớc nhảy ngập:

d = h''

Trong đó:  - hệ số, th-ờng chọn bằng 1,05  1,10;

hh - chiều sâu n-ớc hạ l-u tới đáy kênh;

Z - đầu n-ớc chênh lệch ở cuối bể chảy vào kênh Th-ờng yêu cầu chảy ngập (sơ đồ đỉnh rộng):

Z = 2

2 h

q2g h -

2

" 2 c

q2g(h )

P - chiều cao ng-ỡng cống so với đáy bể;

ln - chiều dài n-ớc nhảy, có thể lấy:

ln = (4,5  5) ( "

c

h - hc) (9-36)  - hệ số lấy bằng 0,7  0,8

4.Tính toán thủy lực t-ờng tiêu năng

Tr-ờng hợp muốn giữ nguyên cao trình đáy kênh hạ l-u, để đảm bảo chảy ngập phải xây dựng bức t-ờng chắn ngang (t-ờng tiêu năng)

Yêu cầu về tính toán thủy lực cho t-ờng tiêu năng là phải xác định đ-ợc:

- Chiều cao của t-ờng Pt

- Vị trí của t-ờng (khoảng cách của t-ờng đến mặt cắt co hẹp) lt

Hình (9-11) là sơ đồ tính toán t-ờng tiêu năng Để tạo nên n-ớc nhảy ngập, chiều cao của t-ờng xác định theo công thức:

Ht

2

2 01 01

qv



3 / 2 01

5.Tính toán thủy lực bể và t-ờng tiêu năng kết hợp

Trong thực tế th-ờng gặp, nếu làm bể tiêu năng thì chiều sâu bể lớn, khối l-ợng đào nhiều, nh-ng nếu làm t-ờng tiêu năng thì t-ờng cao, dòng chảy sau t-ờng có khả năng xảy

ra n-ớc nhảy xa phải làm thêm t-ờng thứ hai sẽ không hợp lý Trong tr-ờng hợp này phải làm công trình tiêu năng theo hình thức bể và t-ờng kết hợp nh- sơ đồ hình (9-12)

Nội dung tính toán: đ-ợc chọn tr-ớc một trong hai giá trị hoặc là chiều sâu của bể, hoặc là chiều cao của t-ờng

Nếu biết d thì Pt tính theo công thức:

Pt h"c dH1 (9-43)

Nếu biết Pt thì d tính theo công thức:

dh"c Pt H1 (9-44)

Khi tính toán cụ thể sẽ áp dụng cách tính ở các mục trên

Hình 9-12 Sơ đồ tính toán bể và t-ờng tiêu năng kết hợp

Hình thức công trình bể và t-ờng tiêu năng th-ờng đ-ợc dùng trong tr-ờng hợp công trình lớn, có Q và H lớn, đối với các công trình nhỏ trên kênh thì hình thức này ít dùng

6 Ng-ỡng tiêu năng

Cuối bể tiêu năng, th-ờng làm ng-ỡng (hình 9-13) Ng-ỡng cuối bể có tác dụng: + Giảm chiều dài n-ớc nhảy nên giảm chiều dài bể

+ Tăng chiều sâu n-ớc trong bể vì vậy giảm chiều sâu đào bể

+ H-ớng dòng chảy xiết lên mặt n-ớc, giảm bớt l-u tốc đáy và có thể hình thành chảy xoáy

Tăng thêm tác dụng khuếch tán, giảm bớt n-ớc vật hai bờ, làm cho dòng chảy mau chóng phù hợp với l-u tốc bình th-ờng phía sau, giảm đ-ợc chiều dài sân sau thứ hai Chiều cao ng-ỡng cuối bể nên chọn hợp lý, nếu thấp quá ng-ỡng sẽ mất tác dụng nếu cao quá lại sinh dòng xiết và n-ớc nhảy phía sau, chiều cao ng-ỡng th-ờng xác định theo thực nghiệm

Hình 9-13 Ng-ỡng cuối bể tiêu năng

7 Thiết bị tiêu năng phụ

Loại thiết bị này có tác dụng tiêu hao năng l-ợng thừa của dòng chảy, rút ngắn đ-ợc chiều dài n-ớc nhảy do đó giảm đ-ợc khối l-ợng sân tiêu năng Các thiết bị này còn có lợi cho việc phân bố l-u tốc ở hạ l-u

Thiết bị tiêu năng phụ th-ờng gặp nh- răng, mố và dầm tiêu năng

Hình 9-14 Răng tiêu năng

Hình (9-14) là một số hình thức răng tiêu năng Răng có tác dụng chia cắt dòng chảy thành nhiều dòng nhỏ theo cả mặt nằm ngang và mặt thẳng đứng Các dòng nhỏ này sau khi qua răng sẽ xô vào nhau gây ra hiện t-ợng n-ớc cuộn và tiêu hao năng l-ợng, đồng thời làm cho l-u tốc lớn nhất chuyển lên mặt, giảm nhẹ l-u tốc đáy, làm cho sự phân bố l-u tốc phù hợp với dạng phân bố bình th-ờng ở hạ l-u

Kích th-ớc răng tiêu năng có thể tham khảo các số liệu sau:

Để xác định chính xác kích th-ớc răng phải dựa vào kết quả thí nghiệm mô hình Căn

cứ vào một số thí nghiệm, chiều cao của răng khoảng (0,17 0,25) chiều sâu n-ớc hạ l-u thì tác dụng tiêu năng tốt, khi mực n-ớc hạ l-u sâu tác dụng tiêu năng giảm Vì thế răng tiêu năng chỉ dùng trong tr-ờng hợp bể tiêu năng không quá sâu hoặc sân tiêu năng ít dốc Tốt hơn là làm hai hàm răng xen kẽ nhau để tăng tác dụng cản dòng và khuếch tán dòng chảy xiết, ổn định vị trí n-ớc nhảy

Hình 9-15 Mố tiêu năng Hình (9-15) là một số hình thức mố tiêu năng Chiều cao của mố a=(0,170,25) chiều sâu của n-ớc hạ l-u và th-ờng không v-ợt quá 1,00m Các mố cũng bố trí thành những hàng so le nhau để tăng tác dụng ngăn cản và có lợi cho việc khuếch tán dòng chảy Mặt

cắt của mố có thể là hình thang, tam giác hay chữ nhật Các góc nhọn nên làm thành tròn nhẵn để tránh hiện t-ợng khí thực khi l-u tốc lớn Khoảng cách giữa các mố th-ờng nhỏ hơn chiều rộng mố, vào khoảng 1/2 chiều cao mố Tuy nhiên kích th-ớc và bố trí các mố nh- thế nào cho thích hợp, cần phải qua thí nghiệm mô hình xác định

Hình (9-16) là sơ đồ bố trí các dầm tiêu năng do A.M.Xenkôp đề nghị Dầm có mặt cắt hình thang, đặt thấp dần về phía sau Kích th-ớc dầm nh- sau:

Hình 9-16 Dầm tiêu năng

8.Chọn l-u l-ợng tính toán tiêu năng

Trong thực tế thì l-u l-ợng Q qua cống thay đổi từ giá trị lớn nhất Qmax đến giá trị nhỏ nhất Qmin, vì vậy yêu cầu là phải xác định đ-ợc l-u l-ợng bất lợi nhất cho việc tính toán tiêu năng, đó là l-u l-ợng tính toán tiêu năng (Qtt)

Tiêu chuẩn để chọn l-u l-ợng tính toán tiêu năng là khi (h - h"c h) đạt đến giá trị lớn nhất (h - h"c h)max, giá trị này chỉ xảy ra trong điều kiện nối tiếp n-ớc nhảy xa và có chiều dài đoạn n-ớc dâng tr-ớc n-ớc nhảy lớn nhất, chính là điều kiện bất lợi nhất

D-ới đây là các b-ớc cụ thể để xác định Qtt đó:

1)Giả thiết lấy nhiều l-u l-ợng bất kỳ trong khoảng giữa Qmax và Qmin

2)Với mỗi trị số Q đó, xác định h và h"c h (dựa vào biểu đồ quan hệ Q=f(h)

3)Tính hiệu số h - h"c h và vẽ đồ thị quan hệ giữa Q và h - h"c h t-ơng ứng (hình 9-17) 4)Từ đồ thị dễ dàng xác định đ-ợc Qtt với (h - h"c h)max

Hình 9-17 Đồ thị Q=f(hc”-hh)

9.N-ớc nhảy hình sóng, tác hại và biện pháp khắc phục

Khi mực n-ớc th-ợng hạ l-u biến đổi, có lúc chênh lệch ít không thể sinh ra n-ớc nhảy ngập mà lại hình thành các gợn sóng yếu dần gọi là n-ớc nhảy hình sóng (hình 9-18)

Hình 9-18 Dòng chảy khi nhảy sóng

N-ớc nhảy sóng xảy ra khi

"

2

c c

h

h  Nó gây ảnh h-ởng không tốt cho sự khuếch tán,

tiêu năng sau cống Khi dòng chảy qua ng-ỡng cống vào bể tiêu năng, do có bậc dốc đầu

bể làm thay đổi giới hạn của dòng chảy đáy Thực nghiệm chỉ ra chiều cao sóng lớn nhất xuất hiện ở đầu bể, vì trong một khoảng ngắn, bậc dốc làm thay đổi chiều sâu n-ớc chảy một cách nhanh chóng Cơ sở lý luận và thực nghiệm chứng minh khi

c

z h

 càng lớn và hệ

số đn 1 chỗ mặt cắt thu hẹp trên ng-ỡng cống càng lớn thì phạm vi n-ớc nhảy sóng càng lớn (z là chiều cao bậc cuối ng-ỡng so với đáy bể)

N-ớc nhảy sóng có tác hại: làm khả năng tiêu hao năng l-ợng của n-ớc nhảy rất kém, gây khó khăn cho việc khuếch tán dòng chảy, dòng chảy tách khỏi t-ờng cánh gây nên khu n-ớc vật hai bên, thu hẹp chiều rộng dòng chảy làm tăng l-u l-ợng đơn vị và l-u tốc tạo thành dòng xiết ở giữa làm xói lở lòng kênh, có khi làm lệch h-ớng dòng chảy, gây xói lở

bờ kênh

Ng-ời ta khắc phục và ngăn ngừa tác hại của n-ớc nhảy sóng bằng cách làm ng-ỡng tr-ớc khi vào bể tiêu năng Ng-ỡng có tác dụng đ-a dòng chảy xiết (vừa ra khỏi cống) lên mặt rồi sau chảy xuống đáy, biến n-ớc nhảy sóng thành n-ớc nhảy ngập (hình 9-19)

Hình 9-19 Sự thay đổi dạng n-ớc nhảy

10.Dòng chảy ngoằn ngoèo và biện pháp khắc phục

Dòng chảy từ cống qua n-ớc nhảy ngập để tiêu năng, ít nhiều vẫn còn mang tính chất dòng xiết Nếu t-ờng cánh hạ l-u mở rộng quá lớn, nhất là khi l-u l-ợng đơn vị tr-ớc và sau đoạn khuếch tán chênh lệch nhau nhiều, làm cho dòng chảy khó khuếch tán và nó tách khỏi t-ờng cánh, tạo nên n-ớc xoáy hai bên Vì áp lực dòng chính nhỏ hơn áp lực chảy xoáy hai bên, nên vùng chảy xoáy hai bên ép dòng chính thu hẹp lại Mặt khác có thể do kết cấu hạ l-u không đối xứng hoặc các cửa van mở không đều làm cho dòng chính chảy lệch và ngoằn ngoèo, lúc xô bờ này lúc va bờ kia gây xói lở lòng và bờ kênh (hình 9-20)

Hình 9-20 Dòng chảy ngoằn ngoèo sau cống

Để khắc phục hiện t-ợng trên cần chọn góc mở rộng () và hình thức t-ờng cánh thích hợp Khi hạ l-u không có thiết bị tiêu năng có thể chọn  sao cho:

3

h tg

1 1 /

H h tg

H - chiều sâu dòng chảy sau ng-ỡng cống

P - chiều cao thiết bị tiêu năng

Trong thực tế th-ờng lấy: 1 1

Ngoài ra có thể dùng ng-ỡng nhỏ đặt trên sân hoặc ở cuối sân kết hợp tiêu năng nhằm phân tán dòng chảy cho đều

9.2.5 Kiểm tra sự bồi lắng bùn cát

N-ớc chảy trong kênh có mang một l-ợng bùn cát nhất định Khi thiết kế kênh, phải

đảm bảo l-u tốc dòng n-ớc chảy trong kênh lớn hơn l-u tốc cho phép về bồi lắng bùn cát

Tính toán khả năng vận chuyển bùn cát của dòng chảy có thể dùng công thức kinh nghiệm của Damarin:

0

v R.i.v kg700

Có thể tính khả năng vận chuyển bùn cát theo công thức sơ bộ sau:

1,73 2,49 3,39 4,43 5,61

0,100 0,125 0,150 0,175 0,200

6,92 10,81 15,60 18,90 21,60

0,225 0,250 0,275 0,300 0,350

24,30 27,00 29,70 32,40 37,80 Nếu l-ợng ngậm bùn cát thực tế của n-ớc trong kênh lớn hơn khả năng vận chuyển bùn cát tính theo các công thức trên thì trong kênh có hiện t-ợng bùn cát lắng đọng Tr-ờng hợp này cần phải có biện pháp xử lý nh-: làm bể lắng cát tr-ớc cống, làm ng-ỡng cống cao hơn mức bùn cát lắng đọng, đồng thời tiến hành nạo vét hoặc xói rửa bằng sức n-ớc qua cống xói cát để đảm bảo cho công trình làm việc đ-ợc bình th-ờng

Thông th-ờng cống đ-ợc xây dựng trên nền mềm do đó ở đây chỉ trình bày một số vấn

đề khi xét ổn định cống thuộc loại này

9.3.1.Dự đoán hình thức tr-ợt

D-ới tác dụng ngoại lực, cống và nền có thể mất ổn định do:

- Cống bị tr-ợt phẳng, nền còn ở trạng thái cân bằng bền, đất nền không bị trồi

- Cống tr-ợt kéo theo cả khối đất ăn sâu vào nền d-ới bản đáy (tr-ợt sâu)

- Hệ số cố kết của đất nền:

7

1

10)1

Nth- chỉ số mô hình tới hạn, nếu không có tài liệu thí nghiệm, th-ờng lấy Nth= 3

Tr-ờng hợp không thỏa mãn thì cần kiểm tra tr-ợt sâu, tr-ợt hỗn hợp Nếu không đồng chất không cần kiểm tra tr-ợt hỗn hợp Tr-ờng hợp mới thi công xong chỉ xét tr-ợt sâu

P – Tổng thành phần thẳng đứng của các tải trọng kể cả áp lực ng-ợc (P-U)

1 – Góc ma sát trong của đất nền

m1 – Hệ số điều kiện làm việc xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với chuyển vị ngang của công trình Có thể lấy m1 = 0,7

Eh – Giá trị tính toán áp lực bị động của đất phía hạ l-u

E T

FC E m tg U P Ktt

h t t

β – Góc giữa mặt tr-ợt nghiêng và ph-ơng nằm ngang

U – Tổng áp lực đẩy ng-ợc lên mặt tr-ợt, bao gồm áp lực thấm và thủy tĩnh F’ – Diện tích mặt tr-ợt nằm nghiêng

Các ký hiệu khác nh- đã nêu ở trên

Tr-ợt sâu, tr-ợt hỗn hợp tham khảo các giáo trình chuyên môn

8.3.3 Kiểm tra ổn định chống lật và đẩy nổi

1 ổn định chống lật

K = c

1

M[K]

 - tổng mô men gây lật do ngoại lực gây ra xét với điểm lật ở mép biên;

[K] - hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc cấp công trình, tra bảng theo quy phạm tùy theo cấp công trình lấy từ 1,0  1,4 (bảng 9-5)

9-4 cấu tạo các bộ phận của cống

Cống lộ thiên gồm có ba phần chủ yếu: Cửa vào, thân cống và cửa ra.(hình 9-22) Phần cửa vào và cửa ra của cống là đoạn quá độ để nối tiếp thân cống với lòng kênh th-ợng, hạ l-u

Cửa vào cống gồm có sân tr-ớc, t-ờng cánh th-ợng l-u

Thân cống là bộ phận chủ yếu của cống để dẫn n-ớc qua, làm nhiệm vụ điều tiết l-u l-ợng và khống chế mực n-ớc của cống, ngoài ra thân cống là bộ phận nối tiếp cống với hai

bờ và nền, trên cống có thể còn bố trí cầu giao thông để ng-ời và xe qua lại

Thân cống bao gồm các bộ phận: Tấm đáy, t-ờng bên (t-ờng cống), mố giữa (mố cống); cửa van; cầu công tác và cầu giao thông; d-ới đáy cống có thể đóng ván cừ, làm chân khay tăng c-ờng ổn định và phòng thấm

Cửa ra cống gồm có t-ờng cánh hạ l-u, sân sau thứ nhất và sân sau thứ hai của cống Tùy theo yêu cầu điều tiết l-u l-ợng và khống chế mực n-ớc có thể bố trí thêm t-ờng ngực (hình 9-23) Ngoài ra để theo dõi tình hình làm việc của công trình, trên cống còn đặt các thiết bị đo n-ớc (đo l-u l-ợng, đo mực n-ớc ), đo độ lún, đo áp lực n-ớc thấm d-ới nền

D-ới đây, trình bày chi tiết các bộ phận của thân cống

Hình 9-22 Cống chia n-ớc kiểu hở không có t-ờng ngực 1) Kênh chính; 2) Kênh nhánh; 3) T-ờng cánh th-ợng l-u; 4) T-ờng bên; 5) T-ờng cánh hạ

l-u; 6) T-ờng ngoặt; 7) Mố cống; 8) T-ờng ngang; 9) Tầng lọc ng-ợc ở sân sau; 10) Tấm đáy; 11)

Sân tr-ớc; 12) Cầu giao thông; 13) Cầu công tác; 14) Cửa van

4 1

9 8

2

10

3 6

10

7

9 5

Mặt cắt dọc

Mặt bằng 11

Hình 9-23 Cống hở t-ờng ngực

1) Tấm đáy; 2) Chân khay; 3) Ván cừ; 4) Bể tiêu năng; 5) T-ờng bên; 6) T-ờng ngực; 7) Mố cống; 8) Cầu công tác; 9) Cầu giao thông; 10) Đá lát mái bảo vệ chống xói; 11) Cửa van

Hình 9-24 Sơ đồ bố trí cống chia n-ớc

Hình 9-25 Cống điều tiết trên kênh 1) Ván cừ đầu sân tr-ớc; 2) Sân tr-ớc; 3) Ván cừ chính; 4) Tấm đáy; 5) Ván cừ ở hạ l-u; 6) Sân sau; 7) Tấm bảo vệ mái kênh hạ l-u; 8) T-ờng bên; 9) Cầu công tác; 10) Cửa van; 11) Tấm bảo

vệ mái kênh th-ợng l-u; 12) T-ờng ngoặt

9.4.1 Phần cửa vào

Phần cửa vào của cống có tác dụng để h-ớng dòng n-ớc ở th-ợng l-u chảy vào cống

đ-ợc êm thuận, đảm bảo l-u tốc dòng chảy biến đổi dần dần, giảm sự co hẹp ngang ở cửa vào cống Đồng thời cửa vào còn có tác dụng chống xói lở lòng kênh th-ợng l-u, chống thấm d-ới đáy cống và hai bên bờ Các bộ phận của phần cửa vào gồm: Sân tr-ớc và t-ờng cánh th-ợng l-u (hình 9-26)

1 Sân tr-ớc

Sân tr-ớc có tác dụng chống xói đáy kênh tr-ớc cống, kéo dài đ-ờng viền thấm về phía th-ợng l-u để giảm áp lực, l-u tốc thấm hoặc còn làm tăng thêm khả năng chống tr-ợt cho cống (khi sân tr-ớc bằng bê tông cốt thép) Sân tr-ớc có thể làm bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá xây vữa, đất ít thấm n-ớc Kích th-ớc và cấu tạo đã trình bày ở ch-ơng II

2 T-ờng cánh th-ợng l-u

T-ờng cánh th-ợng l-u có tác dụng h-ớng dòng chảy vào cống đ-ợc thuận, chắn đất hai bờ, kéo dài đ-ờng viền thấm và chống xói, chống thấm vòng quanh bờ T-ờng cánh th-ợng l-u có nhiều hình thức kết cấu khác nhau: t-ờng trọng lực, t-ờng s-ờn, t-ờng hộp, t-ờng neo… Vật liệu làm t-ờng có thể là gạch xây, đá xây, bê tông cốt thép Tuỳ theo điều kiện địa chất, địa hình, quy mô cống, đặc điểm làm việc, điều kiện thi công, khả năng kinh tế… để lựa chọn hình thức cho phù hợp

Kích th-ớc mặt cắt ngang t-ờng đ-ợc xác định theo điều kiện ổn định, khả năng chịu lực và chống nứt của từng bộ phận t-ờng

Hình (9-27) giới thiệu một số kiểu t-ờng cánh th-ợng l-u Hình (a) và (b) là loại t-ờng vặn vỏ đỗ mở rộng dần Loại này dòng chảy thuận dòng nh-ng cấu tạo phức tạp thi công khó khăn Loại (a) dùng khi trực tiếp lấy n-ớc mà không có đoạn kênh dẫn

Loại (c) và (d) là kiểu t-ờng mở rộng và hạ thấp dần theo các mái đê, có góc mở rộng

 th-ờng lấy bằng 120  180

, loại này cấu tạo đơn giản, khối l-ợng nhỏ, , dòng chảy vào cống không đ-ợc thuận, khối l-ợng xây nhỏ nh-ng tác dụng chống thấm vòng quanh bị giảm Hình (e) và (f) là kiểu t-ờng vuông góc có đoạn cuối cắm sâu vào bờ Bán kính cong R

= 35 (m) Đoạn cắm sâu vào bờ quá đoạn mái dốc kênh một khoảng 0,5 1,0(m) Loại này có tác dụng chống thấm vòng quanh bờ tốt, song khối l-ợng lớn, dễ sinh khu n-ớc vật sát t-ờng

Trong phần cửa vào cống, phía tr-ớc t-ờng cánh th-ợng l-u và sân tr-ớc có thể lát đá một đoạn dài để chống xói lòng kênh

Hình 9-27 Một số loại t-ờng cánh th-ợng l-u

b Cấu tạo

Vật liệu làm tấm đáy th-ờng bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá xây vữa, đối với cống nhỏ có thể dùng gạch xây vữa

Hình thức tấm đáy cống, với cống loại vừa và nhỏ trên hệ thống t-ới, tiêu th-ờng làm kiểu đập tràn đỉnh rộng, có cao trình ng-ỡng cống bằng hoặc cao hơn đáy kênh một ít vì loại này cấu tạo đơn giản, thi công dễ, khả năng tháo n-ớc phù hợp với loại cống có cột n-ớc thấp Tr-ờng hợp yêu cầu tháo qua l-u l-ợng lớn, mực n-ớc th-ợng l-u cao, cần hạn chế cột n-ớc chảy trên ng-ỡng cống để giảm chiều cao cửa van, giảm l-u l-ợng đơn vị qua cống thì có thể làm tấm đáy cống kiểu đập tràn thực dụng Phần lớn tấm đáy th-ờng xây

đặc, tr-ờng hợp cống đặt trên nền đất mềm yếu, có thể làm tấm đáy kiểu rỗng để giảm nhẹ trọng l-ợng tác dụng xuống nền

Tấm đáy cống th-ờng làm liền khối với móng mố cống và t-ờng bên gọi là tấm đáy liền, cũng có tr-ờng hợp làm rời gọi là tấm đáy rời

Khi cống có nhiều cửa, chiều rộng tấm đáy t-ơng đối lớn và cấu tạo địa chất của nền gồm nhiều loại đất, sức chịu tải kém, dễ lún Để đề phòng hiện t-ợng do lún không đều, hoặc do sự co nở của khối xây khi chịu ảnh h-ởng sự thay đổi nhiệt độ không khí làm nứt, gãy tấm đáy ảnh h-ởng đến sự ổn định và điều kiện làm việc của cống, th-ờng dùng khe nối để phân tấm đáy ra nhiều đoạn (hình 9-28)

Khe nối

Khe nối Hình 9-28 Các hình thức phân đoạn tấm đáy a) Tấm đáy liền; b) Khe nối bố trí ở giữa mố cống; c) Khe nối bố trí tại mặt tiếp giáp của tấm

đáy với mố cống và t-ờng bên (tấm đày rời); d) Khe nối bố trí ở giữa cửa cống

Phân đoạn lòng cống có 3 cách sau đây:

1) Khe nối bố trí ở giữa mố cống để phân thân cống theo h-ớng ngang ra nhiều khung Kiểu phân đoạn này đ-ợc áp dụng nhiều vì có -u điểm các phần lún khác nhau không ảnh h-ởng đến sự làm việc của cửa van cống, kín n-ớc, nh-ng mố cống cần phải làm dày gấp r-ỡi hoặc gấp 2 lần so với chiều dày mố không có khe nối

2) Khe nối bố trí tại mặt tiếp giáp giữa tấm đáy với mố cống và t-ờng bên tạo nên tấm

đáy rời Sự làm việc của tấm đáy, t-ờng bên và mố cống độc lập với nhau, tấm đáy không chịu lực tác dụng của t-ờng bên hoặc mố cống truyền tới nên kích th-ớc nhỏ; nh-ng số khe nối nhiều, tấm đáy phải đủ trọng l-ợng để chống lại áp lực đẩy nổi do n-ớc thấm d-ới đáy công trình, nên thích hợp với tr-ờng hợp đất nền ít thấm n-ớc nh- nền đá, nền đất sét chặt hoặc có biện pháp giảm áp lực thấm

3) Khe nối làm ở giữa cửa cống, cách bố trí này nếu nền lún không đều, việc đóng mở cửa van cống gặp nhiều khó khăn, chống thấm phức tạp, nh-ng mố cống không cần làm dày Th-ờng ít dùng loại này (hình 9-28d)

Mặt d-ới của tấm đáy tiếp xúc với nền có thể đóng ván cừ để kéo dài đ-ờng viền thấm

và tăng khả năng chống tr-ợt của cống

Kích th-ớc tấm đáy căn cứ vào các yêu cầu sau đây mà định: Yêu cầu về sử dụng, về chống thấm, về c-ờng độ và sự ổn định của thân cống Cần xét cả điều kiện thi công Kích th-ớc chủ yếu của tấm đáy là chiều dài, chiều rộng và chiều dày

Chiều dài tấm đáy cống (tính theo chiều dòng chảy) phải thỏa mãn để bố trí các bộ phận bên trên nh- cầu giao thông, cầu công tác, rãnh, phai, rãnh cửa van; đủ chiều dài

đ-ờng viền thấm d-ới đáy để thỏa mãn điều kiện chống thấm, đảm bảo thân cống đ-ợc ổn

định Đối với cống loại nhỏ, sơ bộ có thể lấy chiều dài tấm đáy bằng (1,5  2) lần chiều cao t-ờng cống Với cống vừa và lớn, chiều dài tấm đáy th-ờng lấy từ (10  20) m

Chiều rộng tấm đáy cống bằng tổng cộng chiều rộng cửa cống và chiều rộng móng t-ờng bên, các mố cống

Chiều dày tấm đáy cống phụ thuộc vào chất l-ợng vật liệu xây dựng, đồng thời phải thỏa mãn yêu cầu về c-ờng độ, về ổn định của thân cống, đảm bảo ứng suất sinh ra trong

đất nền không v-ợt quá trị số cho phép và thi công đ-ợc dễ dàng Đối với cống loại vừa và lớn, chiều dày tấm đáy th-ờng lấy từ (1  2) m; cống nhỏ lấy từ (0,5  0,7) m Tấm đáy bê tông cốt thép thì làm mỏng, xây bằng đá hay bê tông thì phải dày hơn

Theo chiều dài cống, áp lực n-ớc thấm tác dụng lên tấm đáy cống giảm dần từ th-ợng l-u về hạ l-u, cho nên chiều dày tấm đáy có thể làm nhỏ dần về phía hạ l-u theo hình bậc thang hoặc đáy dốc Trong thực tế, để tiện lợi khi thi công, th-ờng lấy chiều dày tấm đáy không thay đổi theo chiều dọc cống và bằng trị số lớn nhất ở th-ợng l-u

Tấm đáy cống th-ờng làm liền khối với t-ờng bên và mố cống, là móng của thân cống nên tính toán kết cấu cho tấm đáy là tính toán kết cấu cho toàn bộ thân cống

Hình dạng đầu mố đảm bảo để n-ớc chảy qua cống đ-ợc êm thuận: ít bị co hẹp ngang, không sinh ra dòng chảy xoáy, chảy cuộn đồng thời dễ thi công Hình dạng đầu mố th-ờng dùng là hình cung tròn, một nửa vòng tròn, hình l-u tuyến, hình tam giác có góc nhọn bằng

60 hoặc 90 và hình chữ nhật (hình 9029) Loại a, b n-ớc chảy qua cống sẽ thuận hơn loại

c, d nh-ng thi công phức tạp hơn nên th-ờng dùng cho các cống vừa và lớn

Hình 9-29 Hình dạng đầu mố cống Kích th-ớc mố bao gồm: chiều dài, chiều cao và chiều dày

Chiều dài mố cống phải đủ rộng để bố trí các rãnh cho cửa van và t-ờng ngực tựa, bố trí cầu giao thông, cầu công tác để h-ớng dòng n-ớc chảy qua cống đ-ợc ổn định và thỏa mãn yêu cầu về chịu lực Khoảng cách giữa rãnh cửa van chính và phụ lấy từ 0,8 1,0 m và lớn hơn hai lần chiều cao cửa van (cửa van phẳng) Chiều cao mố có thể làm thay đổi, đoạn

có cầu công tác làm cao, đoạn phía th-ợng l-u làm cao hơn hạ l-u phụ thuộc vào mực n-ớc tr-ớc và sau cống

Chiều dày mố cống phụ thuộc điều kiện: Sử dụng, loại cửa van, vật liệu xây mố, cột n-ớc tác dụng vào cửa van, điều kiện ổn định, c-ờng độ, khả năng thi công, cống vừa và lớn mố làm bằng đá xây, bê tông chiều dày của mố lấy 1  2 m; bằng bê tông cốt thép mố làm dày từ 0,1  1,0 m; cống nhỏ chiều dày th-ờng chọn từ 0,6  1,0 m; chiều dày mố tại rãnh cửa phai t-ơng đối lớn, chiều sâu rãnh lấy từ 10  30 cm

Hình 9-30 Kích th-ớc và sơ đồ tính toán mố cống

3.T-ờng cống

a Tác dụng

T-ờng cống (còn gọi là t-ờng bên) có tác dụng để nối tiếp thân cống với hai bờ, để chắn đất, chống thấm n-ớc Cũng nh- mố cống, t-ờng bên có tác dụng làm chỗ tựa cho cửa van và t-ờng ngực, đỡ cầu trên cống

Kích th-ớc t-ờng bên gồm: Chiều dài th-ờng lấy bằng chiều dài tấm đáy đủ để chắn

đất hai bên thân cống và bố trí các bộ phận bên trên Chiều cao t-ờng bên phụ thuộc vào

đất hai bên cống, yêu cầu đóng mở cửa van, bố trí cầu Th-ờng lấy đỉnh t-ờng cao hơn mực n-ớc lớn nhất từ 0,5 1,0 m trở lên và cao bằng mặt đ-ờng Chiều rộng đỉnh và đáy t-ờng dựa vào điều kiện chịu lực, thi công mà định Th-ờng lấy chiều rộng đỉnh lớn hơn

30 cm, và đáy rộng 0,5  0,6 h, h là chiều cao t-ờng

Trên t-ờng bên bố trí rãnh cửa, cầu bố trí đối xứng với mố cống Mặt tiếp xúc với n-ớc cần làm nhẵn, đầu cửa vào và ra làm l-ợn cong để dòng n-ớc chảy qua cống đ-ợc thuận

Để kéo dài đ-ờng viền thấm vòng quanh bờ, sau l-ng t-ờng bên có thể làm t-ờng ngang

Bê tông cốt thép

c) b)

Hình 9-31 Các hình thức mặt cắt ngang t-ờng bên a) Kiểu trọng lực; b) Kiểu công sôn; c) Kiểu hộp

b)

4.T-ờng ngực

a.Tác dụng

Tác dụng t-ờng ngực để chắn n-ớc và giảm bớt chiều cao cửa van cống, do đó giảm

đ-ợc chiều cao mố, t-ờng bên, giảm chiều cao cầu công tác, trọng l-ợng cửa van giảm nên lực đóng và mở cửa van nhỏ; ngoài ra t-ờng ngực còn ngăn không cho các vật nổi trên mặt

n-ớc trôi về hạ l-u, và có thể tăng độ cứng cho thân cống, vì t-ờng ngực là dầm ngang giữa

mố và t-ờng bên

b Cấu tạo

T-ờng ngực có thể làm bằng gạch đá xây vữa, bê tông, th-ờng dùng là bê tông cốt thép

Vị trí t-ờng ngực phải bố trí kề với cửa van, có thể đặt phía tr-ớc và phía sau cửa van,

ở th-ợng l-u hoặc ở hạ l-u cống, phụ thuộc vào loại cửa van, cột n-ớc tác dụng vào cống T-ờng ngực đặt tr-ớc cửa van sẽ chịu áp lực n-ớc nhỏ nh-ng dễ rò n-ớc qua mặt tiếp giáp giữa t-ờng ngực và cửa van

T-ờng ngực bằng gạnh đá xây th-ờng làm theo kiểu vòm, nếu t-ờng ngực bằng bê tông cốt thép có chiều cao và chiều rộng nhỏ th-ờng làm kiểu bản (tấm), (hình 9-32a); đối với cống lớn làm kiểu tấm dầm (hình 9-32b) Để n-ớc chảy vào cống đ-ợc thuận, đáy t-ờng ngực phía hạ l-u làm l-ợn cong Đỉnh t-ờng ngực có thể kết hợp bố trí mặt cầu công tác Nối tiếp t-ờng ngực với mố cống và t-ờng bên hoặc hai t-ờng bên (nếu cống chỉ một cửa) theo hai hình thức: xây liền khối (nối ngàm) và gối tựa tách rời (nối gối di động) Nối kiểu ngàm có -u điểm là tăng độ cứng cho thân cống, giảm đ-ợc chiều dày t-ờng ngực vì mô men uốn ở giữa nhịp nhỏ: nh-ng tại mặt nối tiếp dễ bị nứt gãy khi nền lún nhiều, độ chênh lún lớn và phát sinh ứng suất tập trung Kiểu tách rời thích hợp với nền lún nhiều Chỗ nối tiếp với t-ờng bên và tiếp xúc với cửa van của t-ờng ngực phải bố trí vật chắn n-ớc chống rò rỉ

Cao trình đỉnh t-ờng ngực phải cao hơn mực n-ớc lũ cao nhất ở th-ợng l-u từ 0,5 m trở lên, th-ờng lấy bằng cao trình đỉnh mố cống và đỉnh t-ờng bên

Cao trình đáy t-ờng ngực do yêu cầu tháo n-ớc qua cống, th-ờng phải lấy cao hơn mực n-ớc mùa kiệt khi mở cửa van hoàn toàn từ 30 cm đến 50 cm

Chiều rộng t-ờng ngực lấy bằng chiều rộng cửa van

Chiều dày t-ờng ngực phụ thuộc vào điều kiện chịu lực và thi công, th-ờng lấy lớn hơn

30 cm

b) a)

Hình 9-32 T-ờng ngực của cống a) Kiểu bản; b) Kiểu tấm dầm

5.Cầu trên cống

Cầu trên cống bao gồm cầu công tác và cầu giao thông

a Cầu công tác

- Tác dụng

Cầu công tác có nhiệm vụ để bố trí thiết bị và thao tác đóng mở cửa van (đặt thiết bị

đóng mở, để ng-ời đứng điều khiển )

- Cấu tạo

ở các cống nhỏ trên hệ thống kênh, cầu công tác th-ờng dùng hình thức khung thép, khung bê tông cốt thép (gồm các cột và dầm ngang), trên dầm ngang đặt thiết bị đóng mở cửa van, ng-ời công nhân điều khiển đóng mở đứng ở tấm bê tông cốt thép hoặc gỗ đặt trên

đỉnh mố và t-ờng bên (hình 9-33)

Hình 9-33 Cầu công tác trên cống kiểu dàn van bằng khung thép