Giáo trình Thủy công (Tập 2): Phần 1

- C¸c cèng vïng biÓn chÞu ¶nh h-ëng trùc tiÕp cña thuû triÒu (ë miÒn B¾c lµ nhËt triÒu,. ë miÒn Nam lµ b¸n nhËt triÒu, ë miÒn Trung lµ b¸n nhËt triÒu kh«ng ®Òu).[r]

Tr-ờng cao đẳng thuỷ lợi bắc bộ

PHạM PHÊ

giáo trình

THủY CÔNG

dùng cho hệ cao đẳng

tập iI

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:

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

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:

- 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

cố sau

bể

B k /b

Chính th-ờng xây các cống chia n-ớc, cống điều tiết, cống xói cát hoặc âu thuyền tại một nơi tạo thành đầu mối công trình (hay đầu mối cống) Hình (9-1) trình bày sơ đồ các loại cống trên hệ thống kênh

3

2

2

4

Hình 9-1: Sơ đồ bố trí các loại cống trên hệ thống kênh 1- Cống lấy n-ớc; 2- Cống chia n-ớc; 3- Cống điều tiết; 4- Cống tiêu n-ớc ra khu chứa

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

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

b.Với cống phân lũ, cống tiêu

Dựa vào tính toán thuỷ văn để xác định, ví dụ: một con sông có l-u l-ợng là Q, một nhánh đổ vào một l-u l-ợng Q1 thì l-u l-ợng trong sông Q1 + Q (hình 14.4) tra quan hệ

Zh ~ Q ứng với (Q + Q1) ta sẽ có mực n-ớc hạ l-u cần tìm

Với cống tiêu vùng triều: mực n-ớc hạ l-u thiết kế chọn theo chân triều, đỉnh triều dạng triều thiết kế

Hình 9-2.Nhánh có l-u l-ợng Q1 đổ vào sông có l-u l-ợng Q

a Với cống lấy n-ớc

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 Z2 tính theo công thức:

2 2

Z

4 (1 K)g



Trong đó: K - tỷ số l-u l-ợng, bằng

1

Q

Q

;

v - l-u tốc bình quân trong sông phía d-ới cửa lấy n-ớc

v =

2

2



Q

; với 2 - mặt cắt -ớt ở sông ứng với chiều sâu n-ớc H2;

g - gia tốc trọng tr-ờng

Nh- vậy chiều sâu n-ớc sông tại đầu cửa lấy n-ớc:

H = H1 – Z (9-2) với Z = Z1 + Z2

Cần chú ý:

- Trị số H tính đ-ợc nếu nhỏ hơn chiều sâu chảy phân giới của sông (H < Hpg) thì dùng giá trị Hpg

- Tr-ờng hợp cống đặt khá sâu vào trong cửa lấy n-ớc, cần tính thêm tổn thất cột n-ớc trên kênh dẫn từ sông vào đến cống Z3 Lúc đó, Z = Z1 + Z2 + Z3

b Cống tiêu, cống phân lũ

Tr-ờng hợp cống tiêu, cống phân lũ mực n-ớc th-ợng l-u đ-ợc tính toán xuất phát từ yêu cầu khống chế chống úng nội đồng để xác định Còn mực n-ớc hạ l-u, để đơn giản và

an toàn th-ờng căn cứ vào l-u l-ợng tiêu và quan hệ Q ~ Z của sông để xác định L-u l-ợng t-ơng ứng ở ngoài sông Q2 = Q1 + Q, với Q1 l-u l-ợng ngoài sông và Q l-u l-ợng tiêu Riêng đối với cống tiêu vùng triều, việc tính toán phức tạp hơn vì chế độ tháo n-ớc phụ thuộc vào sự thay đổi mực n-ớc, nhất là mực n-ớc hạ l-u do chịu ảnh h-ởng của thủy triều Đây là bài toán dòng không ổn định, tức là phụ thuộc theo thời gian Vấn đề này đ-ợc trình bày chi tiết trong các giáo trình về thủy lực

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