BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TRỊNH MAI HƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA
CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ

LUẬN VĂN THẠC SĨ (9 QUYỂN – BÌA ĐỎ TƯƠI – 120 TRANG)
LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:
“
1TNghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước dưới đập và giải pháp
xử lý
1T” được hoàn thành vào tháng 11 năm 2012 với sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy cô trong khoa Công trình, gia đình và bạn bè. Việc hoàn thành Luận
văn thạc sĩ là một sự kiện quan trọng, đánh dấu sự trở thành một tân thạc sĩ
trường Đại học Thủy lợi.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Chiến cùng các
thầy cô giáo trong khoa Công trình đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ
em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.
Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, dù đã có nhiều cố gắng
nhưng luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết và sai sót cần điều
chỉnh bổ xung. Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý
báu của các thầy cô cùng toàn thể các anh chị học viên để em hoàn thiện luận
văn tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2012
Học viên
Trịnh Mai Hương
MỤC LỤC

2TMỞ ĐẦU2T 1
2TTính cấp thiết của đề tài2T 1
2TMục đích của đề tài2T 2
2TĐối tượng và phạm vi nghiên cứu2T 2
2TCác tiếp cận và phương pháp nghiên cứu2T 2
2TCấu trúc của luận văn2T 3
2TCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ CỐNG LẤY NƯỚC2T 4
2T1.1. Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước2T 4
2T1.2. Cống lấy nước dưới đập2T 6
2T1.3. Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất2T 8
2T1.3.1. Thấm qua thân cống2T 8
2T1.3.2. Thân cống bị mục2T 9
2T1.3.3. Tấm đáy bị xói tróc2T 9
2T1.3.4. Hỏng khớp nối2T 9
2T1.3.5. Hỏng sân tiêu năng2T 9
2T1.3.6. Cống bị lún2T 9
2T1.3.7. Cửa cống không kín nước2T 10
2T1.3.8. Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng2T 10
2T1.4. Xác định nội dung nghiên cứu2T 11
2TCHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THỦY LỰC CỦA CỐNG LẤY
NƯỚC DƯỚI ĐẬP DẠNG CỐNG HỘP
2T 12
2T2.1. Chế độ chảy trong cống ứng với các trường hợp làm việc khác nhau2T 12
2T2.1.1. Tính thủy lực cống dài chảy không áp2T 12

2TTÀI LIỆU THAM KHẢO2T 65
2TPHỤ LỤC2T 66
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2THình 2.1: Sơ đồ cống ngầm chảy không áp2T 13
2THình 2.2: Dòng chảy qua cống với các độ dài cống khác nhau2T 15
2THình 2.3: Dòng chảy qua cống với mực nước hạ lưu thay đổi2T 17
2THình 2.4: Sơ đồ cống chảy có áp khi hR
n
R> d2T 18
2THình 2.5: Sơ đồ cống chảy nửa áp khi hR
n
R > d2T 19
2THình 2.6: Sơ đồ cống chảy nửa áp trường hợp hR
n
R< d, i > iR
k
R2T 19
2THình 2.7: Trường hợp 0 < i < iR
k
R, dòng chảy trong cống là dòng xiết2T 20
2THình 2.8: Trường hợp 0 < i < iR
k
R, trong cống có nước nhảy2T 20
2THình 2.9: Sơ đồ cống chảy có áp trường hợp 0 < i < iR
k
R2T 21

I
R trong cống ứng với mực nước thượng lưu
là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế
2T 43
2TBảng 3.2: Bảng tính hP
’
PR
c
R và hP
”
PR
c
R trong cống ứng với mực nước thượng lưu
là MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế
2T 44
2TBảng 3.3: Đường nước hạ bR
I
R trong cống ứng với mực nước thượng lưu là
MNC, cống dẫn lưu lượng thiết kế
2T 44
2TBảng 3.4: Đường mực nước trong cống ứng với mực nước thượng lưu là
MNC, cửa cống mở hoàn toàn
2T 47
2TBảng 3.5: Kết quả tống hợp các trường hợp tính toán2T 48 1

2 đời sống nhân dân và an ninh quốc phòng. Như vậy, việc đảm bảo ổn định
của đê và các cống dưới đê là rất quan trọng. Hiện nay vấn đề thiết kế cống
dưới đê còn có nhiều khó khăn, bất cập, đặc biệt là trong tính toán thủy lực để
lựa chọn hình thức kết cấu, xác định chiều rộng cống phù hợp. Đây là một
vấn đề rất khó khăn phức tạp vì nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như địa
hình, thủy lực, mục đích sử dụng, môi trường,…
Vì vậy việc nghiên cứu các vấn đề thủy lực của cống lấy nước là hết
sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, nó hướng tới sự hợp lý về hình thức, kết
cấu, cách bố trí các bộ phận cống,… của các loại cống qua đê, đập vật liệu địa
phương, nhằm hạn chế đến mức tối đa những rủi ro có thể xảy ra trong quá
trình khai thác, quản lý vận hành công trình.

Mục đích của đề tài
- Phân tích các vấn đề thủy lực xảy ra đối với cống lấy nước dưới đập
đã được xây dựng.
- Tính toán đưa ra giải pháp xử lý các vấn đề thủy lực tác động xấu đến
công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các vấn đề thủy lực của cống: chế độ chảy,
các vấn đề về chân không, khí thực, tiêu năng sau cống,…
- Phạm vi nghiên cứu: Các cống lấy nước dưới đập dạng cống hộp có
van ở phía thượng lưu. Tính toán cụ thể cho cống Pa Khoang (Điện Biên).

Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu, điều tra, đánh giá thực địa nhằm đánh giá tình hình,
nguyên nhân hư hỏng của các cống lấy nước dưới thân đập.
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ CỐNG LẤY NƯỚC
1.1. Tổng quan về xây dựng đập và hồ chứa nước
Theo thống kê của các tổ chức Quốc tế về an toàn các đập lớn trên thế
giới, kể từ năm 1950 trở lại đây tốc độ xây dựng các đập và hồ chứa ngày
càng lớn, do yêu cầu ngày càng nhiều về nguồn nước phục vụ cho sinh hoạt
của người dân và các nhu cầu dùng nước của các ngành sản xuất nông nghiệp,
ngư nghiệp, công nghiệp, phát điện,…
Số lượng xây dựng các đập ngày càng nhiều, chiều cao các đập ngày
càng lớn do sự trợ giúp mạnh của khoa học kỹ thuật nên tính an toàn của đập
ngày càng được nâng cao. Trong số các đập được xây dựng thì loại đập đất là
phổ biến nhất và ngày càng có xu hướng phát triển. Ở Mỹ, nếu tính từ năm
1963 trở lại đây thì đập vật liệu địa phương, trong đó chủ yếu là đập đất
chiếm 75% trong toàn bộ các đập được xây dựng. Ở Canada, cũng trong thời
gian đó chỉ xây dựng một đập bê tông duy nhất, còn lại là đập vật liệu địa
phương. Ở Anh, trước năm 1964 đập bằng vật liệu địa phương chỉ chiếm 4%,
mà từ năm 1964 trở lại đây đập vật liệu địa phương đã chiếm 67%. Ở các
nước Liên Xô cũ và Trung Quốc, đập vật liệu địa phương hiện đang phát triển
mạnh. Ta có bảng thống kê những đập đất cao hơn 100m đã được xây dựng
trên thế giới hiện nay (Bảng 1.1)
Ở Việt Nam, theo thống kê trên cả nước, có 41 tỉnh thành có hồ chứa
nước. Các tỉnh có số lượng hồ nhiều nhất là Nghệ An (249 hồ), Hà Tĩnh (166
hồ), Thanh Hóa (123 hồ), Phú Thọ (96 hồ), Bình Định (108 hồ), Đắc Lắc
9116 hồ), Vĩnh Phúc (96 hồ), Trước kia hồ chứa ở Việt Nam chủ yếu là các
hồ chứa phục vụ tưới, ngày nay phát triển mạnh nhiều hồ chứa thủy điện.
Bảng thống kê hồ chứa xây dựng ở Việt Nam (Bảng 1.2)

6
m
3
)
71B1 72BThủy điện 73B239
74B2
75BHồ phục vụ tưới
76B- W ≥ 10.10
6
m
3
77B- W = (5 - 10).10
6
m
3
78B- W = (1 - 5).10
6
m
3
79B- W ≤ 1.10
6
m
3
80B1957
81B81
82B67
83B439
84B1370

85B5820

102B245
103B248
104B1
105B49.2
106B49.8
107BTổng 108B498 109B100

Cống lấy nước là hạng mục quan trọng của công trình đầu mối hồ chứa
nước, làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng lấy nước từ hồ chứa đáp ứng nhu cầu
dùng nước ở các thời điểm khác nhau. Theo chế độ thủy lực, cống có thể chia
thành cống có áp, bán áp, không áp; Theo hình dạng kết cấu phân thành: cống
tròn, cống vòm, cống hộp; Theo biện pháp thi công xây dựng: cống lắp ghép,
cống đổ tại chỗ; Theo vật liệu: Cống xây bằng gạch, đá, cống bằng bê tông
cốt thép, ống thép, cống bê tông ống thép bao gồm ống thép ở trong, phía
ngoài bọc bằng bê tông cốt thép.
Có hai cách bố trí cống ngầm: trực tiếp đặt cống trên nền hoặc đặt trong

7 hành lang bằng bê tông cốt thép. Cách bố trí thứ nhất cần vốn đầu tư ít nhưng
kiểm tra, sửa chữa khó khăn. Nếu khớp nối giữa hai đoạn ống cống không tốt,
để nước rò rỉ sẽ ảnh hưởng nguy hiểm đến an toàn đập. Khi tháo nước với lưu
lượng lớn, tại các chỗ nối tiếp hoặc kẽ nứt sẽ hình thành chân không, có thể
hút các hạt đất ở thân đập vào cống, làm cho đập bị trụt và lún. Vì vậy chỉ có
nền đá mới dùng loại này và thường đặt một phần hoặc toàn bộ đường ống ở
trong nền. Cách bố trí thứ hai tương đối an toàn và đảm bảo kiểm tra, sửa
chữa dễ dàng. Nếu dùng hành lang để dẫn dòng thi công thì hình thức bố trí
này càng hợp lý. Trền nền không phải là đá, nền xấu thường dùng hình thức
này. Các cống được xây dựng ở Việt Nam đại bộ phận không có hành lang.

lệch cột nước ở hai phía của thành cống lớn, dẫn đến gradien thấm lớn. Khi
110BTên cống
111BLưu lượng
thiết kế
(m
3
/s)
112BKích thước
lòng cống sau
tháp
Φ
hoặc
(bxh)m
113BKích thước
hành lang
(BxH)m
114BChiều dài
hành lang
(m)
115BĐại Lải 116B5.3
117BΦ 1.8m, BTCT
M200 dày 25cm
(3.9x3.1)m
119BBTCT M200
dày 40cm
120B40
121BNúi Cốc 122B15
123B2 Φ 1.7m,
BTCT M200
dày 25cm

dày 30cm
141B128.80

9 gradien thấm lớn hơn gradien thấm cho phép của lớp bêtông thân cống, dòng
thấm sẽ xuyên qua lớp bê tông, thường gây tiết vôi, gây giảm chất lượng của
bê tông.
1.3.2. Thân cống bị mục
Nguyên nhân gây ra hiện tượng thân cống bị mục là do tác động của
thời gian làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu thân cống. Mặt khác, nước
trong cống có tính chất xâm thực và ăn mòn, có tác dụng hoá học với lớp vữa
bê tông gây thoái hóa bê tông.
1.3.3. Tấm đáy bị xói tróc
Do trong quá trình thi công hoặc vận hành, trên đáy cống xuất hiện
những chỗ lồi lõm cục bộ hoặc do các khoang cống lún không đều, khi dòng
nước có vận tốc lớn chảy trong cống sẽ gây nên hiện tượng khí thực, làm
bong tróc bê tông đáy cống.
1.3.4. Hỏng khớp nối
Đa số các cống bị hỏng khớp nối, đồng thời việc sửa chữa các khớp nối
vừa rất khó khăn, vừa kém hiệu quả.
1.3.5. Hỏng sân tiêu năng
Nguyên nhân do việc thiết kế tiêu năng không hợp lý hoặc nhiều công
trình chỉ làm tiêu năng theo cấu tạo mà không tính toán. Nên trong quá trình
vận hành, khi có dòng xiết chảy ra khỏi cống sẽ dẫn tới việc phá hỏng sân tiêu
năng.
1.3.6. Cống bị lún
Nhiều đồ án thiết kế không tính đến ứng suất nền cống, có thể là do
người thiết kế cho là cống nhỏ, đập không cao lắm, tải trọng trên cống nhỏ.

162B4 163BVạn Hội 164B2.29 165B2.10 166B1.09

1.3.7. Cửa cống không kín nước
Do khi thiết kế cấu tạo cửa van không chuẩn hoặc trong quá trình vận
hành, bùn cát chen vào phần tiếp giáp giữa cửa van và thành cống dẫn đến
cao su chắn nước ở cửa van không ép sát được vào thành cống gây rò rỉ nước.
1.3.8. Cửa bị kẹt, đóng mở rất nặng
Nguyên nhân là do trong quá trình vận hành cửa van không thường
xuyên được duy tu, bảo dưỡng.
Tình hình phân bố hư hỏng cống được trình bày theo bảng 1.6 [1]
Bảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập
167BSố TT 168BCác loại hư hỏng cống 169BSố lượng (cái) 170BTỷ lệ (%)
171B1 172BThấm qua thân cống 173B14 174B18.18
175B2 176BThân cống bị mục 177B5 178B6.50
179B3 180BHỏng ống phá chân không 181B6 182B7.80
183B4 184BHỏng khớp nối 185B22 186B28.57
187B5 188BHỏng sân tiêu năng 189B4 190B5.20
191B6 192BCống bị lún 193B11 194B14.28
195B7 196BCửa cống không kín hoặc bị kẹt 197B9 198B11.67
199B8 200BHỏng thiết bị đóng mở 201B6 202B7.79

203BCộng 204B77 205B100

11 1.4. Xác định nội dung nghiên cứu
Như trên đã cho thấy cống lấy nước dưới đập bị hư hỏng do nhiều
nguyên nhân, trong đó có các nguyên nhân liên quan đến chế độ thủy lực
trong cống. Vì vậy trong luận văn này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu về các vấn

LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP DẠNG CỐNG HỘP

2.1. Chế độ chảy trong cống ứng với các trường hợp làm việc khác nhau
Dòng chảy trong cống ngầm có thể có ba hình thức sau đây:
- Khi tấm chắn cửa cống kéo lên khỏi mặt nước thượng lưu, mặt nước
trước cống và trong cống đều thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy trong cống
là không áp.
- Khi dòng chảy đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là có áp.
- Khi mực nước thượng lưu ngập đỉnh cống nhưng dòng chảy sau cửa
cống vẫn còn thấp hơn đỉnh cống, có mặt thoáng, thì trong cống có hai chế
độ chảy, phần trước là có áp, còn phần sau không áp. Trường hợp này gọi là
cống chảy bán áp.
Khi tính toán thủy lực cống ngầm cần xác định trước những điều kiện
sau:
- Xác định lưu lượng, mực nước thượng, hạ lưu tương ứng trong trường
hợp bất lợi nhất.
- Phân biệt được cống dài hay cống ngắn, thường cống ngầm đặt dưới
đập đất, đá để lấy nước từ hồ chứa đều thuộc cống dài. Cống dài là cống có
chiều dài, sức cản dọc đường có tác dụng ảnh hưởng đến năng lực dẫn nước
của cống.
- Xác định chế độ dòng chảy trong cống: có áp hay không áp, chảy
ngập hay chảy tự do.
2.1.1. Tính thủy lực cống dài chảy không áp
Cống ngầm chảy không áp có mực nước thượng hạ lưu thấp hơn đỉnh
cống và cửa cống kéo lên khỏi mặt nước (hình 2.1). 13
k
.
Ta xét một cống có đáy nằm ngang hoặc rất ít dốc (0 ≤ i < i
k
) có độ
ngập sâu hạ lưu h
n
< h
k
. Nếu cống ngắn (hình 2.2a) dòng chảy qua cửa vào
đến mặt cắt (C-C) có độ sâu h
C
= k’ – H
0
, tiếp theo đó là đoạn chảy xiết có
đường mặt nước CD đến gần cửa ra, tại mặt cắt (D-D) có độ sâu h
D
rồi đổ

14 xuống hạ lưu.
Đường mặt nước CD là đường nước dâng kiểu c
0
hoặc c
1
có:
h
C

D
h
n
C
D

b,
hc
l = l
C
Ho
h
C
lvao
lra
D
D
h
C
D
k
n15 c,
lra
l > l

k
n

Hình 2.2: Dòng chảy qua cống với các độ dài cống khác nhau
Vậy, chiều dài quá độ L
k
giữa cống ngắn và cống dài là chiều dài sao
cho đường nước dâng chảy xiết trong cống có độ sâu ở cuối cống (mặt cắt D-
D) vừa đúng bằng độ sâu phân giới (h
D
= h
k
). Trị số L
k
đó có thể tính bằng:
L
k
= l
k
+ l
vào
+ l
ra
(2-1)
Trong đó:
l
k
: Chiều dài đường nước dâng có độ sâu ở đầu trên là h
C
và độ sâu ở

D
, tính ngược lên thượng lưu
để tìm độ sâu h
x
tại mặt cắt (C-C) ở đầu cống, rồi coi độ sâu ấy là độ sâu hạ
lưu của đập tràn.
Độ sâu h
D
ở cửa ra lấy như sau: h
D
= h
k
nếu h
n
< h
k

h
D
= h
n
− z
2
nếu h
n
> h
k

Trong đó: z
2

ho
cII
l
C
h
i > i k
C
aII
h
D
Z
D
k
c
n
217 l
C
D
h
c
d)
h
hx
C

pg
, cống làm việc như đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập.
Lưu lượng qua cống được tính theo công thức:
Q = ϕ.ω
)(2
0 x
hHg −
(2-4)
Nếu h
x
> (h
n
)
pg
, thì tính cống như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập có độ
sâu trên đỉnh là h
n
= h
x
. Lưu lượng qua cống được tính như sau:
Q = ϕ
n
.ω
)(2
0 n
hHg −
(2-5)
Xem các hình (2.2) và (2.3), ta thấy cống dài với i < i
k
có thể là chảy