MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP CÓ VAN
ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU ...........................................................................................3

1.1. Tình hình xây dựng hồ chứa nước và hạng mục cống lấy nước dưới
đập. ................................................................................................................ 3
1.2. Tổng quan về sự làm việc của cống dưới đập ở các hồ chứa thủy lợi... 5
1.2.1. Cống lấy nước dưới đập.................................................................. 5
1.2.2. Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất............ 7
1.2.3. Đánh giá năng lực làm việc của cống ngầm đã được xây dựng... 10
1.3. Hình thức lấy nước của cống ngầm. .................................................... 10
1.3.1. Lấy nước kiểu đặt van khống chế ở hạ lưu ................................... 10
1.3.2. Lấy nước kiểu kéo nghiêng............................................................ 12
1.3.3. Lấy nước kiểu tháp........................................................................ 12
1.4. Tính toán tiêu năng sau cống có van đặt ở phía sau ............................ 13
1.5. Một số tồn tại trong thiết kế và hướng nghiên cứu của luận văn......... 14
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ
TIÊU NĂNG SAU CỐNG CÓ VAN ĐIỀU TIẾT Ở HẠ LƯU ...........................15

2.1.Các sơ đồ bố trí bể tiêu năng sau cửa van điều tiết ở hạ lưu cống........ 15
2.1.1 Bể tiêu năng kiểu giếng.................................................................. 15
2.1.2 Tiêu năng kiểu tường va đập.......................................................... 15
2.1.3. Tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.......................................... 16
2.2. Tính toán bể tiêu năng kiểu giếng........................................................ 18
2.2.1. Độ sâu đào bể ( giếng).................................................................. 18
2.2.2. Chiều dài bể ( giếng)..................................................................... 18
2.3.Tính toán tiêu năng kiểu tường va đập.................................................. 19
2.4. Tính toán tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn. ................................ 19


2.5. Nghiên cứu xác định kích thước bể tiêu năng cho các cống có quy mô

Hình 1-3: Các loại ống ngầm lấy nước .....................................................................11
Hình 1-4: Lấy nước kiểu cửa kéo nghiêng................................................................12
Hình 1-5: Các loại tháp lấy nước ..............................................................................13
Hình 2.1:Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng[2].....................................................15
Hình 2.2: Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu tường va đập [2].......................................16
Hình 2.3: Buồng tiêu năng sau van côn[2]................................................................17
Hình 2.4 : Quan hệ η=f(Fr) đối với buồng van mặt cắt vuông và tròn[2] ................20
Hình 2.5:Quan hệ φ = f(m) của van côn m= A/S[2] ................................................20
Hình 2-6 :Biểu đồ D Q và phụ thuộc vào Zo ...........................................................26
Hình 2-7 : Biểu đồ quan hệ Z’o~ξdd ........................................................................26
Hình 3-1: Mặt cắt dọc cống Khuổi Khoán ................................................................42
Hình 3-2: Mặt cắt ngang cống Khuổi Khoán ............................................................43
Hình 3-3: Mặt cắt dọc và mặt bằng đoạn cửa vào cống Khuổi Khoán .....................44
Hình 3-4: Sơ đồ tiêu năng tường va đập ...................................................................46
Hình 3-5. Xác định hệ số tổn thất cột nước tại cửa vào ξCV[4].................................48
Hình 3-6.Sơ đồ bố trí lưới chắn rác[4]......................................................................49
Hình 3-7: Buồng tiêu năng sau van côn hồ Khuổi Khoán ........................................57


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các đập cao hơn 100m trên thế giới[1] ......................................................4
Bảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam[1] ...........................4
Bảng 1.3: Các cống đã được xây dựng qua các thời kỳ [1] ........................................5
Bảng 1.4: Kích thước hành lang của một số cống [1].................................................7
Bảng 1.5: Ứng suất nền tại đáy tháp cống trường hợp mới thi công xong[1].............9
Bảng 1.6: Tình hình hư hỏng cống dưới đập[1]..........................................................9
Bảng 2-1 : Kết quả tính đường kính cống.................................................................25
Bảng 2-2: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,9.....................................30
Bảng 2-3: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,85...................................31
Bảng 2-4: Kết quả tính kích thước buồng tiêu năng, η= 0,8.....................................32

van điều tiết ở hạ lưu” là hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, để giải quyết
được vấn đề xây dựng cống lấy nước dưới đập nói riêng cũng như các công trình
tháo nói chung.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tổng quát xác định kích thước bể tiêu năng sau cống có van điều
tiết ở hạ lưu.
- Nghiên cứu áp dụng cho Cống Khuổi Khoán.
3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Thông qua các tài liệu: Giáo trình thủy công, bài giảng công trình trên hệ
thống thủy lợi…..


2
- Từ thực tế: Các trường hợp bố trí bể tiêu năng sau cống có cửa van điều
tiết ở hạ lưu.
- Từ các điều kiện kỹ thuật : Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn
định.
Phương pháp nghiên cứu:
- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đa có.
- Thu thập tài liệu từ công trình thực tế.
- Các cách xác định kích thức bể tiêu năng sau công có cửa van điều tiết.
- Ứng dụng cho công trình thực tế.
4. Kết quả đạt được
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỐNG LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP CÓ VAN

Tên đập

B0

Tên nước

B1

Chiều cao
(m)

Chiều dài
(m)

3B

2B

5B

4B

1

Orvin

Mỹ

224


600

Hiks

Mỹ

122

Matmac

Thụy Sĩ

115

780

Benmô

New Zeland

110

1070

Đơratlam

Pakixtan

110


2

B21

3

B71

9B

B31

Andersva Range

4

B2

6

B23

7

B63

8

B14


34B

B73

21B

25B

29B

B3

16B

20B

24B

B82

1B

15B

19B

B32

5


53B

50B

54B

58B

5B

59B

63B

60B

64B

65B

Bảng 1.2: Số lượng các hồ chứa đã được xây dựng ở Việt Nam[1]
TT

Loại hồ chứa

B6

B76

Số lượng

446

439

890

1370

571

B27

7

80B

B67

2

81B

B7

82B

85B

86B


Tính đến nay các hồ chứa được xây dựng đã lên đến hàng vạn, số lượng cống
dưới đập cũng tương tự. Theo Báo cáo tổng kết thiết kế cống dưới đập[1]
nghiên cứu 498 cống thuộc diện quản lý của các Công ty quản lý khai thác công
trình thủy lợi (Công ty thủy nông), số lượng các cống được thống kê theo thời
gian trong bảng 1.3.

Bảng 1.3: Các cống đã được xây dựng qua các thời kỳ [1]

TT

Thời gian xây dựng

B09

B19

Số lượng cống
92B

Cái

Tỷ lệ (%)

5
245
248

1
49.2
49.8

10B

102B

103B

108B

94B

104B

105B

106B

109B

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.


6
b)



1.

5

6.0

70

a)

Hình 1-1: Các hình thức mặt cắt cống ngầm
a) Cống ngầm hình tròn
b) Cống ngầm hình hộp
c) Cống vòm

Hình 1-2: Cống ngầm đặt trong hành lang
Có hai cách bố trí cống ngầm: trực tiếp đặt cống trên nền hoặc đặt trong hành
lang bằng bê tông cốt thép (hình 1-2). 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


7


B021

19B

2
123B

Núi Cốc

Chiều dài
hành lang
L(m)

17B

B61

15

B12

13B

(bxh)m

5.3

B51


(5.1x4.0)m
2.5m, BTCT dạng vòm,
M200 dày 30cm BTCT M200
dày 80cm

8.1

2x(1.75x1.75)m, (6.0x4.0)m
BTCT M200
BTCT M200
dày 30cm
dày 30cm

80

B521

129B

Đồng Mô

B621

29.2

128B

B721

130B

1.2.2. Những hư hỏng thường gặp ở cống lấy nước dưới đập đất
Theo kết quả điều tra và khảo sát của Cục QLN&CTTL (báo cáo năm
1993) [1] những hư hỏng phổ biến ở cống dưới đập như sau


8
1.2.2.1. Thấm qua thân cống
Hầu hết các cống dưới đập đều bị thấm qua thân cống, trần bị dột; Có cống bị
thấm rất nghiêm trọng. Việc sửa chữa vừa khó khăn, vừa kém hiệu quả. Nguyên
nhân của hiện tượng này là do các cống ngầm dưới đập có chênh lệch cột nước ở
hai phía của thành cống lớn, dẫn đến gradien thấm lớn. Khi 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.
1.2.2.2. 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.
1.2.2.3. 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.
1.2.2.4. 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.
1.2.2.5. 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.


1.10

1.27

Núi Cốc

4.64

1.95

2.38

Thanh Lanh

3.87

1.63

2.37

Vạn Hội

2.29

2.10

1.09

2


15B

159B

B361

15B

156B

160B

164B

16B

165B

16B

1.2.2.7. 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.
1.2.2.8. 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.
1.2.2.9. Xâm thực lỗ thông khí
Tình hình phân bố hư hỏng cống được trình bày theo bảng 1.6 [1]

22

28.57

Hỏng sân tiêu năng

4

5.20

Cống bị lún

11

14.28

Cửa cống không kín hoặc bị kẹt

9

11.67

Hỏng thiết bị đóng mở

6

7.79

77


B291

185B

193B

197B

B02

203B

178B

182B

186B

189B

B691

Cộng

174B

18B

B81


198B

20B

205B


10
1.2.3. Đánh giá năng lực làm việc của cống ngầm đã được xây dựng
1.2.3.1. Về khả năng tháo nước
Đến nay tất cả các cống được xây dựng đều không có số liệu thực đo về lưu
lượng tháo qua cống, nhưng bằng quan sát chế độ chuyển nước trong các kênh dẫn
sau cống và diện tích được tưới có thể kết luận rằng, các cống lấy nước đều có khả
năng tháo đủ nước. Theo các tài liệu tính toán thủy lực còn lưu giữ ở các cơ quan
thiết kế thì, tiết diện cống lấy nước thường được chọn lớn hơn kết quả tính toán từ
5 đêna 10%, nên thực tế các cống đều thỏa mãn yêu cầu lấy nước.
1.2.3.2. Về khả năng chống thấm của thân cống
Hầu hết các cống dưới đập đều bị thấm qua thân, trần bị dột, có cống bị
thấm rất nghiêm trọng. Việc sửa chữa vừa khó khăn vừa kém hiệu quả.
Không có điều kiện kiểm tra thường xuyên chất lượng thân cống và các
khớp nối vì không có hành lang, có cống hoàn toàn không kiểm tra được vì kích
thước quá bé. Việc sửa chữa than cống khó khăn phức tạp và tốn kém, nhiều khi
không thể phục hồi, phải hoành triệt.
1.2.3.3. Về khả năng chịu lực
Thân cống thường được xây dựng bằng vật liệu BTCT M200. Trong quá
trình thiết kế, người thiết kế thường chỉ quan tâm đến khả năng chịu lực của cống,
nên thường phân tích và tính toán kết cấu thiên về an toàn. Mặc dù các cống đã xây
dựng nói chung đều có khả năng chịu lực theo thiết kế, song không ít cống vẫn xảy
ra sự cố.
1.2.3.4. Đánh giá chung


2

2

2

2

2

2

2

5
4

3
2
2
2
2
2
2
2
5
4

Hình 1-3: Các loại ống ngầm lấy nước

công tác ngắn. Nhưng việc kiểm tra sửa chữa đường ống phía trước tháp khó
khăn.Chỗ nối tiếp giữa tháp và đường ống không tốt, nước rò rỉ sẽ làm cho đường
bão hòa ở than đập lên cao, ảnh hưởng đến ổn định của đập, ngoài ra ở vị trí này
tháp sẽ chịu áp lực đất lớn.


13
Nếu đặt tháp ở giữa mái đập sẽ khắc phục được nhược điểm của hai vị trí trên.

Hình 1-5: Các loại tháp lấy nước
Tóm lại qua khảo nghiệm ta thấy:
- Cống ngầm sử dụng loại van đặt trước còn nhiều tồn tại như chế độ chảy
trong cống không ổn định, có thể là dòng chảy xiết hoặc có hiện tượng nước nhảy
làm dòng nước chạm trần cống…..làm ảnh hưởng đến cống, gây rung động và có
thể dẫn tới hư hỏng cho cống.
- Cống ngầm sử dụng van điều tiết ở hạ lưu có chế độ thủy lực ổn định, không
xảy ra hiện tượng chân không và rung động do dó cống có độ an toàn cao hơn.
Vậy kiến nghị cống xây mới nên sử dụng hình thức đặt van không chế ở hạ lưu.
1.4. Tính toán tiêu năng sau cống có van đặt ở phía sau
Các hình thước tiêu năng sau cống có van đặt ở hạ lưu được trình bày cụ thể
trong chương 2 của luận văn này.
Nói chung việc tính toán thủy lực tiêu năng sau van côn ở nước ta hiện nay
còn nặng về kinh nghiệm và tham khảo tương tự, chưa dựa trên cơ khoa học đầy đủ.
Trong luận văn này giới thiệu các sơ đồ bố trí tiêu năng và cơ sở để tính toán thủy
lực buồng tiêu năng dựa vào phân tích lý luận và các kết quả thí nghiệm mô hình


14
thủy lực ở nước ngoài. Áp dụng tính toán cho công trình thực tế đã cho ta thấy hiệu
quả của phương pháp tính toán.

Loại này thường áp dụng với các cống có đường kính d = 60 – 80 cm.
Theo kết quả thí nghiệm mô hình của các nhà khoa học Mỹ, kích thước tiêu chuẩn
của buồng tiêu năng kiểu va đập như hình 2-2.


16

Hình 2.2: Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu tường va đập [2]
2.1.3. Tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.
Loại này sử dụng cho cống tròn có đường kính lớn hơn 80 cm, thường áp dụng
cửa van côn đặt ở cuối cống. Phía sau của van là buồng tiêu năng kiểu kín. Dòng
chảy sau một loạt phản xạ với tường và va đập vào nhau sẽ được tiêu hao hết phần
năng lượng thừa và chảy về hạ lưu ở trạng thái êm.
Buồng tiêu năng chịu một tải trọng thủy động lớn do va đập của các tia và mạch
động rối. Hình dạng thành bên của buồng thường được chọn bằng thực nghiệm trên
mô hình thủy lực. Ngày nay, các buồng tiêu năng có mặt cắt ngang hình vuông hay
hình tròn đã được áp dụng thành công ở nhiều công trình đầu mối. Buồng có mặt
cắt ngang hình tròn có tính ưu việt hơn về mặt thủy lực do dòng chảy được mở rộng
hình côn, khi chảy dọc theo mặt xi lanh, nó có lưu lượng đơn vị như nhau trên toàn
chu vi. Tuy nhiên loại này thi công khá phức tạp.
Loại buồng tiêu năng có mặt cắt hình vuông do dễ thi công nên thường được ưa
dung hơn trong thực tế. Sơ đồ buồng tiêu năng loại này đặt sau van côn có góc ở
đỉnh bằng 90 độ( thể hiện trên hình 2-3) . Các buồng tiêu năng mặt cắt tròn cũng có
kết cấu tương tự.


17
Ở các mặt cắt B-B và D-D thể hiện từng cặp 4 thanh chắn 1 và 2 có chiều cao
ht, chúng phân bố quanh mép côn cửa van. Ở cuối buồng bố trí một tường chắn
nghiêng 3. Để nước từ buồng tiêu năng không xâm nhập vào buồng van, cần đặt

Trong đó:
: hệ số nước chảy ngập ,

σn

σ n = 1,05 – 1,1

h’’c : Độ sâu liên hiệp sau nước nhẩy trong bể
hh : Độ sâu mực nức hạ lưu ( ứng với lưu lượng tính toán)
Zr

: Độ hạ thấp mực nước từ bể ra kênh hạ lưu

Trị số Zr được xác định theo công thức
2

2

Ở đây :

ϕn



 
q
q




Zcuối cống : Cao trình tâm mặt cắt cuối cống ( phía sau cút cong)
Zđáy HL : Cao trình đáy kênh hạ lưu
V : Lưu tốc trong ống, tại mắt cắt cuối
db : Chiều sâu đào bể
2.2.2. Chiều dài bể ( giếng)

L b = L1 + β .L n

(2-4)


19
Trong đó :
+ L1 : Khoảng cách nằm ngang từ đầu bể đến tâm mặt cắt ra của ống, thường
chọn heo yêu cầu bố trí
+ Ln : Chiều dài nước nhảy
+ β : hệ số, thường lấy = 0,7-0,8
2.3.Tính toán tiêu năng kiểu tường va đập.
Loại này thường áp dụng với các cống có đường kính d = 60 – 80 cm. Sơ dồ
tính toán trên hình 2-2.
Chiều rộng buồng W được xác định theo công thức :
W = 1,9 . Q0,4 (m)

(2-5 )

Trong đó : Q - là lưu lượng tháo lớn nhất qua cống (m3/s)
2.4. Tính toán tiêu năng kiểu buồng kín sau van côn.
Với cống tròn có đường kính lớn hơn 80 cm, thường áp dụng cửa van côn đặt ở
cuối cống. Phía sau của van là buồng tiêu năng kiểu kín. Dòng chảy sau một loạt
phản xạ với tường và va đập vào nhau sẽ được tiêu hao hết phần năng lượng thừa và

(2-7)

Trong đó :
+ :ϕ
hệ số lưu tốc khi chảy từ van, xác định theo biểu đồ thực nghiệm(hình 2-5)
+ Ho : cột nước toàn phần tại mặt cắt trước van(tính đến tâm cống)
+ Zo: Chênh lệch cao độ từ trục van đến đáy lòng dẫn ra.


20
+ Ec: Năng lượng đơn vị toàn phần của mặt cắt co hẹp dòng chảy ở lòng dẫn
ra

α V C2

(2-8)
2g
Mức độ tiêu năng được chọn phụ thuộc vào đặc trưng động học của dòng
E c = hc +

chảy( Fr) như hình vẽ trong đó :

Fr =

V

2

2g


theo hình 2-5.
d) Xác định độ sâu nước cần thiết tại mặt cắt A-A :
(2-12)
e) Tính chu vi mặt cắt buồng :
(2-13)
f) Tính kích thước mặt cắt buồng :
- Buồng hình vuông :
- Buồng hình tròn :
g) Xác định chiều cao các thanh (gờ) :
ht = (8-9)h20

(2-14)

Trong đó, h20 là độ sâu dòng chảy ở mặt cắt A-A khi cột nước H0 = 18÷20m, đảm
bảo cho dòng chảy lan tỏa khắp chu vi của buồng tiêu năng.
h) Kích thước và vị trí của tấm che, cũng như vị trí các thanh và tường chắn có thể
lấy theo chỉ dẫn ở mục bố trí và hình vẽ.
i) Đáy của lòng dẫn cần đặt thấp hơn đáy buồng tiêu năng một đoạn P2 = (1,2 ÷
1,25) ho, trong đó h0 là chiều sâu dòng chảy ở lòng dẫn ra ứng với lưu lượng lớn
nhất.
Khi cần thiết, có thể tiếp tục tính toán và bố trí thiết bị tiêu năng ở đầu đoạn lòng
dẫn ngay sau buồng tiêu năng. Việc tính toán này được tiến hành theo phương pháp
thông thường. Năng lượng đơn vị toàn phần (tính đến đáy lòng dẫn ra) được xác

định theo công thức:
E 0 = (1 - η ).(ϕ 2 H 0 + Z 0 )

(2-15)