Tiếp nối phần 1, phần 2 giáo trình gồm 3 chương: Chương 11 - Kênh và công trình trên kênh; chương 12 - Cửa van và máy đóng mở của công trình thủy lợi; chương 13 - Thủy điện. Giáo trình này được làm tài liệu giảng dạy cho giảng viên và học tập cho sinh viên các ngành trong trường cả hệ Cao đẳng, hệ Trung cấp. Giáo trình có thể làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật quan tâm về công trình thủy lợi.
Phân loại
Tính toán ổn định tr-ợt
phân loại cống ngầm
khái quát
Kênh là đường dẫn nước được xây dựng để chuyển và cấp nước cho các ngành sử dụng khác nhau Tại Việt Nam, các kênh trong hệ thống tưới được xây dựng chủ yếu trước những năm 90 của thế kỷ XX, thường là kênh đào hoặc đắp bằng đất Mặc dù có chi phí xây dựng ban đầu thấp, nhưng loại kênh này gặp nhiều vấn đề như mất nước do thấm, chiếm diện tích lớn và dễ bị xói mòn, dẫn đến việc phải đầu tư sửa chữa hàng năm Việc sửa chữa không chỉ tốn kém mà còn làm gián đoạn việc chuyển nước, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Để khắc phục những nhược điểm này, hiện nay nhiều kênh đất đang được cứng hóa bằng bê tông, bê tông cốt thép, hoặc xây dựng lại bằng gạch, đá Các mạng lưới kênh mới chủ yếu được thiết kế theo phương án kênh xây để nâng cao hiệu quả sử dụng.
Nh- vậy theo hình thức kết cấu có hai loại: kênh đất và kênh xây
Theo đối t-ợng phục vụ, kênh có thể chia thành các loại:
Kênh dẫn nước phát điện là một thành phần quan trọng trong trạm thủy điện kiểu đường dẫn, với độ dốc đáy kênh được thiết kế nhỏ nhằm giảm thiểu tổn thất cột nước.
Kênh tưới là hệ thống dẫn nước tới ruộng, yêu cầu đảm bảo lưu lượng và cột nước tự chảy Để đạt được hiệu quả tưới tiêu, kênh thường được bố trí ở những khu vực cao hơn với độ dốc nhỏ, nhằm hạn chế tổn thất nước trong quá trình dẫn nước.
- Kênh vận tải, kích th-ớc mặt cắt tuỳ theo kích th-ớc thuyền, chiều sâu n-ớc và l-u độ đảm bảo cho thuyền qua lại đ-ợc an toàn (v = 0,6 1m/s)
- Kênh cấp n-ớc, dẫn n-ớc phục vụ cho sinh hoạt của nhân dân và các xí nghiệp Loại kênh này yêu cầu phải cung cấp n-ớc đ-ợc liên tục
Kênh tháo nước là công trình thiết yếu trong nông nghiệp, giúp tiêu úng và thoát nước thừa từ các khu công nghiệp, cũng như xử lý nước bẩn trong đô thị Các tuyến kênh thường được thiết kế đi qua những khu vực thấp, nhằm thuận lợi cho việc tập trung và dẫn dắt nước một cách hiệu quả.
Kênh có thể đồng thời phục vụ nhiều mục đích khác nhau nh- t-ới ruộng, vận tải thuỷ và phát điện v.v…
Trên các kênh, cần xây dựng các công trình để kiểm soát và điều tiết mực nước cũng như lưu lượng, bao gồm cống điều tiết và cống phân nước Các cống này có thể được lắp đặt trên mặt đất hoặc ngầm Tại những vị trí giao nhau với đường giao thông, kênh khác, hoặc sông suối, cần sử dụng cống ngầm hoặc xi phông ngược để duy trì dòng chảy Trong trường hợp địa hình thay đổi đột ngột, các giải pháp như dốc nước hoặc bậc nước sẽ được áp dụng để tiếp tục dẫn nước Những công trình xây dựng trên kênh trong các tình huống này được gọi là công trình trên kênh.
kênh
Hình dạng mặt cắt kênh
Hình dạng mặt cắt của kênh chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như điều kiện thiên nhiên, địa chất khu vực, mục đích sử dụng, kiểu kết cấu, điều kiện thi công và quản lý.
Mặt cắt của kênh đất thường có hình dạng thang, dễ thi công Đối với các kênh sâu hoặc khi đào qua nhiều lớp đất khác nhau, nên sử dụng loại kênh có độ dốc mái thay đổi, với độ dốc thoải hơn ở phần dưới.
Khi kênh đi qua vùng đá tốt, để giảm khối l-ợng đào, dùng mặt cắt chữ nhật (hình 11-1c)
Trong những trường hợp không thể mở rộng mặt cắt của kênh, chẳng hạn như khi đi qua khu vực dân cư, gần các công trình khác hoặc qua sườn dốc, thường sẽ xây dựng tường chắn đất để thu hẹp mặt cắt của kênh.
11-1e) Khi cần tiết kiệm n-ớc, tiết kiệm diện tích đất, th-ờng dùng ph-ơng án kênh xây
Mặt cắt kênh xây phổ biến nhất là dạng chữ nhật, giúp sử dụng hiệu quả mặt bằng và ngăn ngừa đất hay chất thải tràn vào kênh Để bảo vệ kênh, có thể sử dụng loại kênh có nắp đậy hoặc mặt cắt hình hộp Ngoài ra, kênh vận tải thủy cũng có thể áp dụng mặt cắt dạng tam giác, giúp tăng độ sâu và giảm sức cản cho thuyền.
Hình 11-1 Một số hình dạng mặt cắt kênh
Khi thiết kế mặt cắt kênh cần chú ý một số vấn đề sau:
Mặt cắt kênh thiết kế cần tương tự với mặt cắt có lợi về mặt thuỷ lực, nhằm đạt được tiết diện nhỏ nhất nhưng vẫn cho phép lưu lượng nước lớn nhất Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu quả dòng chảy mà còn giảm thiểu khối lượng đào, đắp Theo nghiên cứu trong thuỷ lực học, mặt cắt hình thang được xác định là có lợi nhất cho kênh.
Trong thiết kế kênh, b và h đại diện cho chiều rộng đáy và chiều sâu nước chảy, trong khi n là độ xoải mái của kênh Đối với kênh đào, việc tăng độ sâu trong khi giữ diện tích mặt cắt không đổi sẽ dẫn đến sự thu hẹp mặt cắt, mang lại lợi ích kinh tế Ngược lại, với kênh đắp bằng đất, việc sử dụng mặt cắt nông và rộng thường mang lại hiệu quả tốt hơn.
Mái dốc của kênh bằng đất cần đảm bảo ổn định, phụ thuộc vào điều kiện địa chất nơi kênh đi qua Khi thiết kế mái dốc kênh đào, có thể tham khảo bảng (11-1) và lựa chọn tiêu chuẩn cho mái dốc của đất đầm nén Đối với kênh sâu hơn 5m, cần tính toán ổn định mái theo nguyên tắc của đập đất Về thi công, chiều rộng đáy kênh nên được chọn như sau: khi đào bằng công cụ thủ công, b ≥ 0,5m; nếu đào bằng máy, cần xem xét kích thước máy đào, nhưng không nên nhỏ hơn 1,3 đến 3m.
Các loại đất Độ dốc mái kênh
Phần ở trên cạn Đất cát hạt nhỏ 3,0 3,5 2,5 Đất cát rời, cát pha sét không chặt 2,0 2,5 2,0
Cát pha chặt và đất thịt có tỷ lệ sét nhẹ từ 1,5 đến 2,0 Đất thịt pha sét trung bình có tỷ lệ từ 1,0 đến 1,5, trong khi đất thịt pha sét nặng có tỷ lệ từ 0,5 đến 1,0 Đất sét nặng, chặt có tỷ lệ từ 0,75 đến 1,0 Đối với đất có đá cuội, tỷ lệ là 1,0, còn đá cuội và sỏi sạn có tỷ lệ từ 0,50 đến 1,25 Đá phong hóa và đá cuội có tỷ lệ từ 0,25 đến 0,50, trong khi đá hoàn chỉnh có tỷ lệ thấp nhất, từ 0,10 đến 0,25.
Kênh được thiết kế cần phải đảm bảo không xảy ra hiện tượng xói mòn, lắng đọng và sự phát triển của cỏ trong lòng kênh Tất cả các chỉ tiêu tính toán phải tuân thủ theo các quy định hiện hành.
11.2.2.Thấm và biện pháp chống thấm cho kênh đào và đắp bằng đất
N-ớc trong kênh bị tổn thất do một phần bị bốc hơi, một phần bị thấm vào đất L-ợng n-ớc tổn thất do bốc hơi nhỏ hơn so với tổn thất do thấm L-ợng n-ớc thấm vào đất của kênh có thể đạt tới 50 60% l-u l-ợng hữu ích qua kênh Dòng thấm từ kênh vào đất phụ thuộc vào tình hình tầng đất thấm n-ớc mà kênh đi qua nh- chiều dày tầng thấm, độ sâu mực n-ớc ngầm, hệ số thấm của lớp đất v.v… Nó cũng còn phụ thuộc cả vào loại kênh có đ-ợc gia cố hay không gia cố v.v…
L-ợng n-ớc tổn thất do thấm qua kênh giảm dần theo thời gian vì có sự lắng đọng của các hạt lơ lửng trong kênh lấp kín các lỗ hổng và tạo nên một màng chống thấm trên mặt lòng kênh Khi đất lòng kênh có cấp phối không đều và lỗ rỗng không lớn, ng-ời ta đem đất sét hoà vào trong n-ớc hoặc cho n-ớc đục chứa bùn cát hạt nhỏ chảy qua để có sự lắng đọng lấp đầy khe kẽ
Có thể tạo màng chống thấm hiệu quả bằng cách phủ một lớp rơm, rạ hoặc cỏ, sau đó đắp một lớp đất bảo vệ dày khoảng 10-15cm Khi lớp hữu cơ này mục nát, nó không chỉ tăng cường tính mềm dẻo của đất mà còn cải thiện khả năng chống thấm Ngoài ra, việc sử dụng muối (3-5kg/m2) hoặc dầu hoả (4-15kg/m2) trong lòng kênh cũng có thể tạo ra màng chống thấm, tuy nhiên, phương pháp này tốn kém Một lựa chọn khác là nén chặt đất lòng kênh để nâng cao khả năng chống thấm.
Hiện nay, ngoài các biện pháp đơn giản, người ta còn sử dụng các loại vải chống thấm và màng chống thấm có chứa bột bentonit, hoặc thay thế bằng kênh bê tông để chống thấm hiệu quả.
Bảo vệ mái kênh
Để bảo vệ kênh, cần thực hiện các biện pháp chống xói mòn, giảm độ nhám và tăng khả năng chuyển nước, nhằm giảm tổn thất cột nước Việc này cũng giúp tăng khả năng chống thấm, ổn định mái dốc kênh, ngăn chặn sự phát triển của cỏ và các động vật phá hoại lòng kênh.
Trồng cỏ: mục đích chủ yếu là chống xói Loại này dùng khi đất lòng kênh là cát, kênh không lớn, l-u tốc trong kênh nhỏ hơn 1,2m/s
Lớp bảo vệ bằng đất sét chủ yếu được sử dụng để chống thấm, thường được cấu tạo ở mặt nghiêng hoặc bờ kênh giống như tường nghiêng và tường tâm ở đập đất Đối với kênh có độ sâu cột nước từ 1,5 đến 2m, mái dốc tương đối xoải với tỷ lệ 2 đến 3 có thể áp dụng lớp đất sét dày từ 0,2 đến 0,3m để bảo vệ dọc theo mái nghiêng và đáy kênh Lớp bảo vệ bên ngoài đất sét có độ dày từ 0,2 đến 0,7m Đối với kênh nửa đắp nửa đào, có thể sử dụng tường tâm để bảo vệ.
Lớp bảo vệ mái kênh bằng đá có hiệu quả chống xói, với đá có đường kính khoảng 0,3-0,4m và độ dày từ 0,3-0,6m Dưới lớp đá là lớp đệm sỏi hoặc cát dày 15-20cm, giúp tăng độ nhám và giảm tổn thất ma sát của dòng chảy Có thể sử dụng một hoặc hai lớp đá xây khan dày từ 15-40cm và lớp lót bảo vệ dày 15-20cm để tăng cường sự ổn định cho mái Để chống xói và thấm, lớp nhám bên ngoài có thể được trát bằng vữa xi măng dày 2-3cm.
Bảo vệ mái bằng bê tông và bê tông cốt thép có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tấm bê tông đổ tại chỗ hoặc đúc sẵn Tấm bê tông đúc tại chỗ có chiều dày khoảng 0,10,2m, trong khi tấm ở dưới có chiều dày lớn hơn Lớp đệm bằng đá dăm hoặc sỏi dày từ 0,10,4m không chỉ hỗ trợ cấu trúc mà còn có tác dụng thoát nước, đặc biệt khi mực nước ngầm cao Để ngăn ngừa nứt do biến đổi nhiệt độ và lún không đều, cần bố trí khe hở rộng 12cm cách nhau từ 25m, kèm theo thiết bị chống thấm như đổ nhựa đường hoặc chèn gỗ Tấm bảo vệ đáy và mái kênh cũng cần được thiết kế tách rời và có thiết bị chống thấm Đối với tấm bê tông đúc sẵn, hình dạng có thể là vuông hoặc hình sáu cạnh với chiều dài mỗi cạnh từ 4060cm, và cũng được trang bị lớp đệm thoát nước phía dưới.
Trong trường hợp nhiệt độ thay đổi nhiều hoặc địa chất yếu, có thể sử dụng các tấm bê tông cốt thép với chiều dày giảm khoảng 25% so với tấm bê tông thông thường Hàm lượng cốt thép được sử dụng khoảng 2-4% với đường kính thép từ 8 đến 12mm, được bố trí theo lưới ô vuông cách nhau 20-30cm Dưới các tấm này cần có lớp đệm để đảm bảo tính ổn định.
Mái bằng bê tông nhựa đường, được cấu thành từ hỗn hợp nhựa đường, cát và đá dăm, có thể được bảo vệ bằng cách đặt trên lớp đệm dày từ 5 đến 8 cm Loại mái này có ưu điểm nổi bật là khả năng biến dạng linh hoạt và chống thấm hiệu quả.
Chọn tuyến kênh
Chọn tuyến kênh là một yếu tố quan trọng trong thiết kế, phụ thuộc vào công dụng, lưu lượng dẫn, tốc độ chảy, cùng với các điều kiện địa hình và địa chất Điều kiện địa hình ảnh hưởng lớn đến khối lượng đất đào đắp; do đó, cần đảm bảo khối lượng đất đào và đất đắp gần bằng nhau hoặc khối lượng đào nhiều hơn để tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa thi công Ở vùng đồng bằng, tuyến kênh nên thẳng để tận dụng đất đào ngay tại chỗ, trong khi ở vùng núi, tuyến kênh nên theo đường đồng mức để khối lượng đào đắp xấp xỉ nhau Việc bố trí kênh ở vị trí cao cho kênh tưới và ở vị trí thấp cho kênh tiêu cũng rất quan trọng để dễ dàng tập trung nước Cần so sánh và chọn phương án thiết kế thích hợp để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.
Hình 11-2 Mặt cắt kênh khi đi ven s-ờn dốc
Khi thiết kế tuyến kênh, cần tránh chọn qua vùng đá khó đào và vùng đất trượt hoặc đất thấm nước nhiều Đồng thời, nên hạn chế việc đi qua các tuyến giao thông và sông ngòi để giảm thiểu công trình phụ tại các điểm giao nhau Trong trường hợp bắt buộc phải chuyển nước qua những vùng địa chất không thuận lợi, việc sử dụng kênh đất không mang lại hiệu quả Thay vào đó, nên lựa chọn tuyến ngắn nhất và áp dụng biện pháp kênh máng hoặc đường ống để đảm bảo hiệu quả công trình.
Trong quá trình thi công, cần chú ý đến việc cơ giới hóa, tổ chức thi công, cũng như việc lấy và đổ đất sao cho thuận lợi Việc vận chuyển vật liệu đến các công trình kênh cũng cần được thực hiện một cách tiện lợi để đảm bảo tiến độ và hiệu quả công việc.
Kênh giao thông thủy cần được thiết kế với độ cong hợp lý, với bán kính cong R tối thiểu là 5 lần chiều dài của thuyền (L) để đảm bảo việc di chuyển của thuyền diễn ra thuận lợi và an toàn.
Tóm lại, việc chọn tuyến kênh cần phải cân nhắc phân tích tổng hợp để có thể thoả mãn đầy đủ các mặt kinh tế và kỹ thuật.
Một số biện pháp công trình bảo vệ kênh
Trong quá trình vận hành, kênh có thể bị tràn bờ do nhiều nguyên nhân, bao gồm các cống lấy nước đầu kênh hoặc cống điều tiết mực nước không hoạt động đúng quy trình Khi kênh đi qua sườn dốc, lượng nước mưa tràn vào kênh quá nhiều cũng có thể gây ra hiện tượng tràn bờ Những hiện tượng này ảnh hưởng đến an toàn bờ kênh và có thể gây ra sự cố, làm gián đoạn hoạt động của hệ thống Để bảo vệ an toàn cho kênh, cần bố trí các tràn bên ở những đoạn đầu kênh sau cống lấy nước và trước cống điều tiết, đặc biệt là ở những đoạn kênh đi qua sườn dốc Các đoạn bờ kênh đất cần được bảo vệ để ngăn ngừa xói lở do dòng chảy.
Hình 11-3 Sơ đồ tràn bên
Cuối kênh thường được trang bị các cống ngầm hoặc cống hở để tháo cạn kênh khi cần thiết Các cống này không chỉ giúp loại bỏ bùn cát lắng đọng ở đoạn cuối kênh mà còn có thể tháo bớt lượng nước thừa khi kênh bị quá tải.
Hình 11-4 Sơ đồ bố trí cống tháo cuối kênh
Các tuyến kênh ở sườn dốc thường bị sạt lở và lấp đầy bùn cát trong mùa mưa Để bảo vệ các kênh này, cần xây dựng các kênh tiêu nước ở sườn dốc, giúp nước từ các sườn dốc chảy vào những nơi trũng Tại những khu vực này, có thể sử dụng cống luồn hoặc tràn băng để tiêu thoát nước qua kênh.
Hình 11-5 Kênh tiêu trên s-ờn dốc
Cống hở và cống ngầm
Cống trong hệ thống thủy nông có vai trò quan trọng trong việc dâng nước, điều tiết lưu lượng và phân nước từ kênh chính sang kênh nhánh hoặc tháo nước Ngoài ra, cống còn giúp chuyển nước khi kênh gặp đường giao thông hoặc kênh khác Các loại cống bao gồm cống lộ thiên và cống ngầm, với nguyên lý tính toán thiết kế được trình bày chi tiết trong chương IX và chương X.
Cống luồn
Khái niệm
Trên đường kênh chuyển nước, các chướng ngại như núi, kênh khác, sông suối hoặc thung lũng sâu thường xuất hiện do điều kiện địa hình Để nước trong kênh tiếp tục lưu thông, cần thiết phải xây dựng các công trình chuyển tiếp như đường hầm, cống luồn hoặc cầu máng Đường hầm là giải pháp hợp lý khi kênh cần xuyên qua núi hoặc khi điều kiện địa chất cho phép, tránh việc xây dựng kênh vòng phức tạp và tốn kém Cống luồn được sử dụng khi mực nước trong hai kênh giao nhau không chênh lệch nhiều, giúp duy trì dòng chảy mà không làm ảnh hưởng đến nhau Trong trường hợp thung lũng, cống luồn có thể được đặt nổi trên mặt đất để tiếp tục chuyển nước, nhưng cần lưu ý đến mùa mưa lũ để đảm bảo an toàn cho công trình.
Dòng chảy trong cống luồn là dòng chảy có áp suất, yêu cầu một tổn thất đầu nước nhất định để tạo ra lưu lượng từ đầu này sang đầu kia Mực nước ở đầu vào cống phải cao hơn mực nước ở đầu ra một mức độ nhất định Thông thường, ở kênh tới, cần hạn chế tổn thất đầu nước, vì vậy độ chênh lệch này thường chỉ khoảng một giá trị nhất định.
0,2 0,4 m, tất nhiên khi điều kiện cho phép có thể lấy lớn hơn Còn ở kênh tiêu mức độ hạn chế ít hơn, nên chênh lệch đầu n-ớc này khoảng 0,4 0,6 m
Cống luồn có thể phân loại theo các hình thức sau:
Theo kết cấu bao gồm loại giếng đứng và ống nghiêng, hình (11-6)
Giếng đứng là loại giếng thường được sử dụng khi cống chịu áp lực nhỏ và có kích thước không lớn, với cấu tạo tương đối đơn giản Loại giếng này tận dụng phần sâu của chân giếng để bùn cát lắng đọng, giúp việc nạo vét dễ dàng và giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn ống ngang Tuy nhiên, giếng đứng có nhược điểm là tổn thất đầu nước cao hơn.
Ống nghiêng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống cống nổi và chìm, phù hợp với nhiều kích thước và áp lực nước khác nhau Dòng chảy qua cống diễn ra thuận lợi, giúp giảm thiểu tổn thất đầu nước Tuy nhiên, cấu trúc của ống nghiêng có phần phức tạp hơn, cần chú ý đến các biện pháp chống mất ổn định cho đoạn ống đặt nghiêng.
Về mặt cắt ngang tròn, chữ nhật hoặc vòm Loại vòm chỉ dùng khi cống nhỏ, thuộc phần nằm ngang của kiểu giếng đứng bằng gạch đá xây
Về vật liệu xây dựng, có thể dùng gỗ ghép tạo thành ống, gạch đá xây, bê tông và bê tông cốt thép
Khi cống đặt luồn d-ới sông, suối, thì đỉnh cống ở đoạn nằm ngang phải thấp hơn đáy sông, suối khoảng 0,5 1 m để tránh bị xói lòng sông ảnh h-ởng a) b)
Hình 11-6 Cống luồn a) Giếng đứng; b) ống nghiêng
Loại ống nghiêng, tùy điều kiện địa hình mà chọn Th-ờng dốc nghiêng khoảng m = 2 3
Cửa vào và ra của công trình cần đảm bảo dòng chảy thuận lợi, với tường hướng dòng và chắn đất bờ kênh Đỉnh cửa vào nên đặt thấp hơn mức nước trong kênh 0,5 m khi chuyển lưu lượng lớn nhất để tránh hút không khí vào cống, gây bất lợi cho hoạt động của cống.
Cửa vào cần được thiết kế với lưới chắn rác để bảo vệ Tùy thuộc vào tình hình cụ thể, cần xem xét việc lắp đặt hàng phai hoặc cửa chắn nước nhằm đảm bảo điều kiện làm việc, kiểm tra và bảo trì hiệu quả.
Khi xác định kích th-ớc cống, ngoài yêu cầu tính toán thủy lực đảm bảo yêu cầu chuyển n-ớc, cần xét thuận lợi cho kiểm tra, tu sửa.
Tính toán thủy lực cống luồn
1.Mục đích tính toán thủy lực cống luồn
Giải một trong ba bài toán sau đây:
1- Đã biết l-u l-ợng Q, kích th-ớc mặt cắt ngang ống , tính cột n-ớc tổn thất khi dòng n-ớc chảy qua ống Z, tức là xác định cao trình đáy kênh ở phía th-ợng l-u và hạ l-u cống luồn vì chiều sâu n-ớc trong kênh đã đ-ợc xác định
2- Đã biết l-u l-ợng và cột n-ớc tổn thất, xác định kích th-ớc mặt cắt của ống
3- Biết kích th-ớc mặt cắt và cột n-ớc tổn thất, tính l-u l-ợng n-ớc chảy qua ống
Tính toán thủy lực cho cống luồn cần dựa vào tốc độ dòng nước qua ống Để tránh tình trạng bùn cát lắng đọng dưới đáy ống và giảm thiểu tổn thất cột nước Z, tốc độ nước trong ống thường được khuyến nghị từ 1,5 đến 3 m/s, và không được thấp hơn tốc độ nước trong kênh.
Hình 11-7 Sơ đồ tính toán thủy lực
Dòng n-ớc qua cống luồn là chảy có áp lực, do đó l-u l-ợng tính theo công thức:
Tổng số các hệ số tổn thất cột nước của ống bao gồm các yếu tố sau: tổn thất tại cửa vào ( CV), tổn thất do lưới chắn rác ( L), tổn thất ở khuỷu cong ( KC), tổn thất theo chiều dài ống ( d) và tổn thất tại cửa ra ( CR).
- diện tích mặt cắt của ống;
Z 0 - chênh lệch mực n-ớc ở th-ợng và hạ l-u cống luồn có kể tới l-u tốc tiến gần v 0 (h×nh 11-7):
Khi thiết kế, việc xác định mặt cắt ống hoặc cột nước tổn thất Z cần dựa vào lưu lượng lớn nhất Q max để tính toán, đồng thời phải sử dụng lưu lượng nhỏ nhất Q min để kiểm tra lại điều kiện tổn thất trong ống.
Nếu kênh ở thượng và hạ lưu cống có kích thước mặt cắt ngang giống nhau, độ chênh mực nước trước và sau cống tương ứng với các lưu lượng bất kỳ phải bằng Z Trong thực tế, với Q min, độ chênh (Z + Z1) lớn hơn Z một lượng là Z1, khiến nước từ kênh chảy vào ống tạo thành đường nước đổ, gây ra hiện tượng nước nhảy trong ống và các chấn động làm hư hỏng các khớp nối Để khắc phục hiện tượng này và tiêu hao cột nước thừa Z1, có thể thay đổi mặt cắt ống hoặc cấu tạo cửa vào Ví dụ, làm bể tiêu năng trước cửa vào của ống để nước từ kênh chảy vào bể, tạo mặt nằm ngang trước khi vào ống Hoặc hạ thấp đáy cửa vào theo mặt nghiêng khi mực nước ở đầu ống gần bằng cao trình đáy kênh thượng lưu, hoặc đặt hàng song gỗ ở cửa ra để nâng cao mực nước, giảm độ chênh Z1.
Hình 11-8 Các hình thức tiêu hao cột n-ớc thừa của cống luồn
Cấu tạo cống luồn
Quy mô của cống luồn lớn hay nhỏ phụ thuộc vào l-u l-ợng n-ớc dẫn qua và vốn đầu t- xây dựng công trình
Cống luồn loại nhỏ thường có cấu trúc gồm hai giếng đứng ở cửa vào và cửa ra, được nối với nhau bằng một đoạn nằm ngang, được gọi là cống luồn kiểu giếng đứng Vật liệu xây dựng chủ yếu là gỗ, đá xây, hoặc bê tông Loại cống này thích hợp cho lưu lượng nước không lớn và chênh lệch mực nước thượng hạ trong cống luồn nhỏ.
Trong trường hợp lòng sông rộng và nông, có thể xây dựng cống luồn kiểu mái thoải Cống luồn này sẽ đi qua các tuyến đường giao thông Đáy của đoạn cửa vào và cửa ra bao gồm một đoạn nằm ngang và một đoạn dốc Độ dốc của đáy đoạn cửa vào thường được thiết kế từ 1:1,5 đến 1:2, trong khi độ dốc của cửa ra thường thoải hơn, khoảng từ 1:3 đến 1:4.
Khi lưu lượng nước dẫn qua cống luồn lớn hơn, kết cấu công trình trở nên phức tạp hơn và thường được xây dựng bằng bê tông, cốt thép Cống luồn kiểu ống nghiêng bao gồm hai đoạn ống nghiêng ở cửa vào và cửa ra, được nối với nhau bằng một ống nằm ngang Các bộ phận chính của cống luồn gồm đoạn cửa vào, thân ống và đoạn cửa ra.
Sau đây trình bày từng bộ phận
2.Cửa vào và cửa ra cống luồn
Đoạn cửa vào và cửa ra có vai trò quan trọng trong việc điều hướng dòng nước từ kênh vào ống và từ ống ra kênh hạ lưu một cách êm thuận Các thành phần chính của hệ thống này bao gồm tường cánh, sân trước và sân sau.
Cửa vào cống luồn có những đặc điểm cấu tạo và bộ phận chi tiết sau:
1- Vật liệu xây dựng th-ờng là đá xây vữa, bê tông hoặc bê tông cốt thép
2- Hình thức t-ờng cánh là t-ờng ngoặt, t-ờng mở rộng (nh- cửa cống)
3- Mép đỉnh ống ở cửa vào cống luồn cần phải ngập d-ới mực n-ớc một đoạn là h vào khoảng 0,6D và lớn hơn 50cm, ở đây D - đ-ờng kính ống
4- ở cửa vào cần có l-ới chắn rác để giữ vật nổi không cho chui vào ống
5- Nếu cần điều tiết l-u l-ợng hoặc để sửa chữa cống luồn, ở cửa vào làm cửa van phẳng hoặc cửa phai
6- Sàn cầu công tác trên cửa vào để dùng đóng mở cửa van và dọn sạch vật nổi ở l-ới chắn rác
7- Để lắng bùn cát không cho rơi vào ống (nhất là đối với ống nằm ngang) cần làm bể lắng cát ở cửa vào
Cửa ra cũng cần bố trí cửa van phai và cầu công tác để khống chế mực n-ớc khi lấy
Q min hoặc đóng cửa cống khi cần sửa chữa Trên sân sau làm bể tiêu năng để tiêu hao năng l-ợng của dòng chảy khi qua cống
Vật liệu làm thân cống luồn là bê tông, bê tông cốt thép, thép, gỗ hoặc hỗn hợp
- Cống luồn bê tông th-ờng đ-ợc dùng khi áp lực trong ống đến 0,3 at (H = 3 m cét n-íc)
- Cống luồn bê tông cốt thép áp lực cho phép khoảng 3 5 at (H = 30 50 m cột n-ớc)
- Cống luồn thép chịu áp lực đến 10 at, vì giá thành đắt nên hạn chế dùng
- Cống gỗ chịu áp lực cũng khá lớn có thể đến H = 20 30 m a) b) c)
Hình 11-9 ống luồn gỗ a) Cắt ngang; b) Nhìn bên; c) Bệ đỡ
- Cống luồn có thể làm theo mặt cắt hình vuông, chữ nhật hoặc hình tròn
Thân cống luồn được cấu tạo từ ba đoạn: hai ống nghiêng và một đoạn nằm ngang Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, độ dốc của ống nghiêng không nên quá lớn, thường lấy góc nghiêng nhỏ hơn 30 độ, nhằm tránh tình trạng trượt và giảm thiểu tổn thất cột nước trong ống.
Thân cống có thể được đặt trên nền cứng như đá hoặc đất rắn chắc, tuy nhiên, thường thì nó nên được đặt trên lớp đệm đá dăm hoặc trên bệ đỡ bằng bê tông hoặc đá xây vữa để đảm bảo tính ổn định và độ bền.
Chiều dày ống bê tông cốt thép được xác định dựa trên áp lực nước bên trong, bên ngoài và áp lực đất Để có thể xác định sơ bộ chiều dày của ống, có thể sử dụng công thức tính toán phù hợp.
Trong đó: - Chiều dày của ống
D - đ-ờng kính của ống (cm)
Thi công ống có thể được thực hiện bằng cách đổ bê tông liền khối tại công trình hoặc sử dụng các ống đúc sẵn để lắp ghép Phương pháp nối các đoạn ống thường áp dụng là nối bằng cầu và kiểu ngàm Tại các khe nối, cần xây vành đai bằng gạch, bê tông hoặc bê tông cốt thép để bảo vệ Ở khu vực khuỷu cong của ống luồn, nơi nối giữa đoạn nghiêng và ống nằm ngang, cần làm bệ bao đỡ ống, với chiều dài cắm của các đầu ống vào bệ là từ 0,20 đến 0,25 mét.
Khi áp lực nhỏ, bệ bao ống được xây dựng bằng đá, trong khi với cột nước cao, bệ sẽ sử dụng bê tông cốt thép Kích thước của bệ bao ống được xác định dựa trên điều kiện ổn định và cấu trúc thiết kế.
Để tháo cạn nước trong ống phục vụ cho việc sửa chữa và làm sạch bùn cát, cần tạo lỗ tháo nước ở vị trí thấp nhất của ống nằm ngang, kèm theo cửa van để đóng mở lỗ này.
Lòng sông tại khu vực cống luồn cần được đắp lại bằng đất tốt, có khả năng chống thấm nước, với độ dày tối thiểu từ 50 đến 70 cm Để bảo vệ khỏi hiện tượng xói mòn, cần sử dụng đá xây lát cho phần lòng sông này.
Hình 11-10 ố ng bê tông cốt thép a) Cắt dọc; b) Bệ đỡ ở đoạn thẳng; c) Bệ đỡ ở khuỷu cong
Cầu máng
Khái niệm
Cầu máng là công trình thiết yếu dùng để dẫn nước qua các địa hình như sông, suối, kênh tiêu và những vùng đất trũng hoặc cát thấm nước Cầu máng thường được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau để đảm bảo việc dẫn nước hiệu quả.
- Khi kênh t-ới gặp đ-ờng giao thông, mặt đ-ờng thấp so với đáy kênh, các loại xe chạy trên đ-ờng không chạm vào đáy cầu máng
Khi kênh tưới gặp sông, suối hoặc kênh tiêu, nếu mực nước của kênh tưới cao hơn mực nước của các nguồn nước này, tàu thuyền vẫn có thể di chuyển qua phía dưới cầu máng nếu kênh tưới là đường giao thông thủy.
- Khi kênh t-ới đi qua vùng đất thấp: Nếu đắp kênh nổi đi qua thì khối l-ợng lớn, tốn kém hơn so với làm cầu máng
Khi kênh t-ới phải vượt qua núi, nếu việc xây dựng hầm tuy nen tốn kém hoặc không khả thi, chúng ta có thể lựa chọn làm kênh dẫn vòng qua hoặc xây cầu máng giá đỡ để chuyển nước qua địa hình.
Tính toán thủy lực cầu máng
Mục đích: Định hình thức dòng chảy và xác định kích th-ớc cửa vào, thân, cửa ra cầu máng
Khi tính toán thủy lực cầu máng, xem dòng chảy từ kênh vào máng nh- qua đập tràn đỉnh rộng và th-ờng là trạng thái chảy ngập, (hình 11-11)
Hình 11-11 Sơ đồ tính toán thủy lực cầu máng
Q - l-u l-ợng thiết kế chảy qua máng;
- hệ số co hẹp cửa vào, th-ờng lấy 0,95 0,98;
- hệ số l-u tốc, th-ờng lấy 0,90 0,95;
Z 0 - chênh lệch cột n-ớc trong kênh và máng có kể tới t-u tốc tới gần Th-ờng Z 0
Tiết diện của máng, nếu là hình chữ nhật, được tính bằng công thức S = bh, với b là chiều rộng và h là chiều sâu của dòng chảy Lưu tốc trong máng thường được chọn trong khoảng 1 đến 1,5 m/s, không nên chọn quá lớn Mặc dù kích thước cầu máng có thể được thu hẹp, nhưng khối lượng xây dựng chủ yếu là bộ phận đỡ tựa vẫn không thay đổi đáng kể, dẫn đến khối lượng chung giảm không nhiều và tổn thất đầu nước lớn Đối với kênh cần tiết kiệm nước, điều này là rất quan trọng Nếu kênh máng còn sử dụng để vận chuyển nội địa, lưu tốc lớn sẽ không an toàn cho việc di chuyển của thuyền Độ dốc của máng được xác định để đảm bảo dòng chảy đều, thường được tính theo công thức Q = ωC R, với độ dốc i dao động từ 1/500 đến 1/2000.
Nếu cửa ra của cầu máng giống như cửa vào, mực nước trong kênh sẽ thấp hơn mực nước trong máng một độ cao Z Khi có gió thổi ngược chiều dòng chảy, mặt nước trong máng sẽ dềnh cao thêm một lượng Z1.
Khi xác định chiều cao của thành máng, cần lưu ý đến hiện tượng nước dềnh cao Một giải pháp hiệu quả là hạ thấp cửa ra một giá trị Z1, từ đó giúp ngăn chặn tình trạng nước dềnh cao trong máng khi có gió thổi.
Cấu tạo cầu máng
Cầu máng gồm ba bộ phận chính: Cửa vào; cửa ra; thân máng và bộ phận giá đỡ máng
Cửa vào và cửa ra của cầu máng là phần kết nối giữa thân máng và kênh dẫn nước thượng hạ lưu, giúp dòng chảy vào máng diễn ra thuận lợi, giảm thiểu tổn thất do thu hẹp gây ra Đồng thời, thiết kế này cũng đảm bảo rằng dòng nước chảy ra từ máng không gây xói lở bờ và đáy kênh.
T-ờng cánh của cửa vào và cửa ra th-ờng làm theo hai kiểu: Kiểu l-ợn cong và kiểu mở rộng hoặc thu hẹp dần Kiểu l-ợn cong n-ớc chảy vào, chảy ra thuận, nh-ng khi thi công khó khăn hơn Góc mở rộng của t-ờng cánh có ảnh h-ởng đến dòng chảy vào và ra khỏi máng Th-ờng lấy tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài là 1/41/3 Chiều dài đoạn cửa vào và cửa ra sơ bộ lấy bằng bốn lần chiều sâu cột n-ớc trong kênh Để kéo dài đ-ờng viền thấm, ở cửa vào và cửa ra làm sân phòng thấm Sân phòng thấm th-ờng làm bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói Cũng có khi cửa vào và cửa ra đóng ván cừ hoặc làm chân khay kéo dài đ-ờng n-ớc thấm (hình 11-12 và hình 11-13)
Hình 11-12 Sơ đồ cấu tạo cửa vào cầu máng
Hình 11-13 Sơ đồ cấu tạo cửa ra cầu máng 2.Thân máng
Thân máng có nhiệm vụ chuyển nước với các mặt cắt đa dạng như chữ nhật, bán nguyệt, pa-ra-bôn hoặc chữ U Cấu trúc của máng có thể kín hoặc hở, và vật liệu xây dựng thường sử dụng bao gồm gỗ, gạch, đá xây, bê tông cốt thép, xi măng lới thép hoặc sự kết hợp của các loại vật liệu này.
Thân máng gỗ th-ờng làm theo hai kiểu: Kiểu giằng ngang và kiểu chống xiên
Do ảnh hưởng của mực nước dao động trong máng và nhiệt độ, thành máng dễ bị mục và nứt Do đó, độ dày tối thiểu của ván thành bên thường được quy định lớn hơn 4 cm.
Hình 11-14 Một số loại cầu máng a) Khung đỡ trên nền; b) Khung đỡ trên trục vòm; c) Vòm treo; d) Máng bê tông cốt thép; e) Máng gỗ; f) Vỏ mỏng; g) Gạch đá xây
Ván đáy và thành bên có nhiều kiểu ghép, trong đó phương pháp ghép đầu bằng là đơn giản nhất, bao gồm việc nhét nhựa vào chỗ khe nối và đóng thêm nẹp gỗ hoặc sử dụng hình thức ghép mộng Để giảm thiểu tổn thất cột nước do ma sát, mặt giáp nước của ván đáy cần được bào nhẵn, và hai góc đáy máng được đóng nẹp gỗ hình tam giác.
Cầu máng bằng bê tông cốt thép có thể có mặt cắt ngang hình chữ nhật hở hoặc kín, hoặc dạng vỏ trụ tròn Khi xây dựng bằng phương pháp lắp ghép, các cấu kiện có thể được chế tạo bằng phương pháp ly tâm Nếu mặt cắt ngang không lớn và có đủ phương tiện máy móc, các cấu kiện lắp ghép của lòng máng có thể được làm nhẵn từng nhịp một.
Mặt trong của lòng máng được trát một lớp vữa không thấm nước với tỷ lệ X:C = 1:2, dày 2 cm, đôi khi còn được phủ thêm lớp nhựa đường Mặt ngoài của tất cả các kết cấu cũng được trát bằng lớp vữa xi măng Lòng máng hở có mặt cắt hình chữ nhật hoặc hình vuông.
Kích thước mặt cắt ngang lòng máng phải được tính toán thủy lực để đảm bảo tháo lũ lượng thiết kế mà không gây xói, bồi hay cản trở dòng chảy Độ vợt cao an toàn của đỉnh thành máng so với mực nước lớn nhất trong máng được xác định theo công thức: e = h/12 + 5 cm.
Trong đó: e - độ v-ợt cao an toàn; h - chiều sâu n-ớc lớn nhất trong máng
Nói chung mặt d-ới của dầm ngang phải cao hơn mực n-ớc lớn nhất trong máng từ (15
Máng mỏng được làm từ xi măng và lưới thép, với thân máng có hình dạng vỏ trụ Mặt cắt của máng có thể là bán nguyệt, parabol, elip hoặc hình chữ U, trong đó hình chữ U với thanh giằng mang lại ưu điểm vượt trội nhất.
Máng được cấu tạo từ lưới thép và trát vữa xi măng M400-500, cùng với cốt thép và lớp áo dày 2-3 cm Loại vật liệu này không chỉ có độ bền cao và khả năng chống thấm tốt như bê tông cốt thép, mà còn giúp giảm trọng lượng của kết cấu thân máng, mang lại nhiều ưu điểm cho việc xây dựng cầu máng.
Giá đỡ trong xây dựng có thể được làm từ bê tông cốt thép hoặc gạch đá, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình và hình thức kết cấu máng Các loại giá đỡ phổ biến bao gồm cột, khung, vòm và vòm treo, trong đó vòm hoặc vòm treo thường được sử dụng cho những khu vực có khe sâu.
Khíp nèi ở cầu máng bao gồm khớp nối giữa các đoạn cầu máng và khớp nối nhiệt độ Các khớp nối này cần phải di động theo kiểu khớp và đảm bảo không thấm nước, giúp duy trì tính linh hoạt và hiệu quả trong việc kết nối giữa các đoạn cầu máng, cũng như giữa cầu máng với đoạn vào và đoạn ra.
Bề rộng các khớp nối đ-ợc xác định theo công thức:
Trong đó: - hệ số nở dài của bê tông và bê tông cốt thép;
t - biên độ dao động của nhiệt độ ngoài không khí ở nơi xây dựng công trình đối với nhiệt độ xây dựng công trình;
L - khoảng cách giữa các khe nối (m)
Khe nối của cầu máng cần có bề rộng nhỏ hơn 2 cm Khi cầu máng phục vụ cho cả ôtô và người đi bộ, các khớp nối phải được đặt trên giá đỡ Cầu máng có thể được kê hai đầu vào bờ theo phương pháp gối tự do Đối với cầu máng dài, có thể sử dụng giá đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc dầm công xôn kép, với chiều dài nhịp l và chiều dài mút thừa a theo tỉ lệ l = 2,7a Điều này giúp đảm bảo rằng giá trị momen âm và dương lớn nhất trong dầm sẽ bằng nhau, thuận lợi cho việc bố trí cốt thép.
Hình 11-15 Nối tiếp chống thấm giữa thân máng và bộ phận cửa vào
1) Nhựa đ-ờng; 2) Bao tải tẩm nhựa đ-ờng; 3) Xi măng trát; 4) Bê tông lót a a
Hình 11-16 Sơ đồ nhịp máng kiểu mút thừa
dèc n-íc
KháI niệm
Khi kênh dẫn đi qua vùng có độ dốc lớn, vận tốc dòng nước có thể gây xói lở sườn dốc và phần kênh tiếp theo Để bảo vệ sườn dốc và phần kênh nối tiếp, cần xây dựng các công trình hỗ trợ như dốc nước, bậc nước hoặc máng phun Đối với độ dốc nhỏ hơn hoặc bằng 10 độ, thường sử dụng dốc nước để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống kênh dẫn.
Tính toán thủy lực dốc n-ớc (dốc n-ớc cửa vào không có ng-ỡng)
1 Tính toán thủy lực cửa vào
Dòng chảy qua cửa vào nh- qua đập tràn đỉnh rộng không ngập
Hình 12-17 Các công trình nối tiếp a) Dốc n-ớc; b) Bậc n-ớc; c) Máng phun
Với cửa vào có mặt cắt ngang hình chữ nhật, dùng công thức tính toán:
Trong đó: Mm 2g (11-11) b - chiều rộng cửa vào
Tính toán thủy lực thân dốc nước là bước quan trọng để xác định đường mặt nước, từ đó thiết kế chiều cao tường bên và vị trí mố nhám nhân tạo Đồng thời, việc xác định chiều sâu nước cuối dốc cũng giúp tính toán tiêu năng ở cửa ra.
Cửa vào dốc không có ngưỡng dẫn đến chiều sâu nước đầu dốc h1 gần bằng hpg Mặt nước trên thân dốc được xác định bằng đường nước hạ bII, được tính toán dựa trên phương trình chuyển động không đều và biến đổi đều của B.A Bakhơmêchiép.
Trong đó: i 0 , h 0 - độ dốc và chiều sâu của chế độ dòng đều với l-u l-ợng qua dốc;
() - hàm số phụ thuộc trị số x; tb tb tb gtb
B tb - chiều rộng trung bình mặt cắt ứng với h;
tb - chu vi -ớt trung bình ứng với h; h - chiÒu s©u n-íc trung b×nh trong dèc n-íc, h 1 h 2 h 2
Căn cứ vào chiều sâu n-ớc cuối dốc để kiểm tra an toàn cho dốc Từ đó bố trí mố nhám nhân tạo
[V max ] - trị số l-u tốc cho phép, phụ thuộc vật liệu và chiều sâu n-ớc
Do vận tốc nước qua thân máng lớn, hiện tượng trộn khí xảy ra, dẫn đến sự gia tăng chiều sâu nước Chiều sâu nước khi có trộn khí có thể được tính bằng công thức gần đúng, áp dụng cho điều kiện vận tốc nhỏ hơn 20 m/s.
h 1 100v h tk (11-18) h - độ sâu n-ớc tính toán; v - l-u tốc ở mặt cắt tính toán
3 Tính toán thủy lực cửa ra
Tính toán thủy lực cửa ra là quá trình xác định bể hoặc tường tiêu năng cần thiết để tạo ra nước nhảy ngập Để thực hiện tính toán nối tiếp, cần lấy chiều sâu h2 ở cuối dốc làm độ sâu trước nước nhảy h’ và từ đó xác định chiều sâu liên hiệp sau nước nhảy h”.
Khi tính sơ bộ có thể lấy h 2 h 0
Cấu tạo dốc n-ớc
Dốc nước dẫn nước từ vị trí cao xuống kênh thấp với lưu tốc lớn mà không làm các tia dòng tách khỏi máng dẫn Kích thước và độ dốc của máng nước được xác định bởi lưu tốc tối đa cho phép của vật liệu làm máng và đặc tính của bùn cát trong máng.
Dốc n-ớc gồm các bộ phận sau: Cửa vào, thân dốc, cửa ra (hình 11-18)
Hình 11-18 Cấu tạo dốc n-ớc
1) Cửa vào; 2) Thân dốc; 3) Cửa ra
1 Cửa vào của dốc n-ớc (hình 11-19)
Cửa vào có vai trò quan trọng trong việc hướng nước từ kênh thượng lưu vào thân máng một cách thuận lợi, giúp tránh tình trạng co hẹp dòng nước khi vào thân máng, điều này rất cần thiết cho hiệu suất hoạt động của bể tiêu năng Cửa vào dốc nước được thiết kế tương tự như cửa vào của cống Đối với những trường hợp dốc ngắn có lưu lượng lớn, nên thiết kế chỗ vào theo hình phễu loe đầu nhằm hạn chế sự co hẹp của dòng nước khi chảy vào thân máng.
Hình 11-19 Cửa vào của dốc n-ớc
Thân dốc là bộ phận quan trọng dẫn nước qua sườn dốc, với vận tốc nước thường rất lớn Để đảm bảo sự bền vững và ổn định, thân dốc thường được làm bằng bê tông, bê tông cốt thép hoặc đá xây Chiều dày đáy của thân dốc được xác định dựa trên tính chất của nền đất và lưu tốc nước.
Có thể chọn chiều dày đáy theo công thức của V.M Đômbơrốpxki t 0, 0300, 035 a.v h (11-19)
Trong đó: v- l-u tốc trung bình của dòng chảy; h- chiÒu s©u n-íc trong dèc; a- hệ số phụ thuộc tính chất đất nền:
+ Đất sét và á sét chắc a = 0,8
Đất thịt trung bình có độ dày tối thiểu 0,3 m cho bê tông và 0,5 m cho đá xây Mặt cắt ngang của thân dốc trên nền đá thường có hình chữ nhật, trong khi nền đất có thể có dạng hình thang hoặc hình chữ nhật.
Vận tốc lớn trong các dốc lớn gây ra hiện tượng nước ngậm khí, dẫn đến sự gia tăng chiều sâu nước Để đảm bảo an toàn, độ cao của tường bên trên mực nước trong dốc cần lớn hơn khoảng 30% so với cống điều tiết.
Kích thước của tường bên và lớp gia cố phụ thuộc vào vật liệu xây dựng, tính chất đất phía sau tường, cũng như sự liên kết giữa tường bên và tấm đáy Việc lựa chọn và tính toán kích thước này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.
Lớp xây bảo vệ Cát
Hình 11-20 T-ờng bên, lớp bảo vệ
Dọc theo chiều dài của dốc nước, các khe nối được phân chia cách nhau từ 5 đến 20 mét, tùy thuộc vào độ dày của tường bên và cấu trúc của đất nền dốc Tại các khe nối này, cần phải bố trí vật chắn nước để đảm bảo hiệu quả thoát nước.
Tuyến dốc nước thường được thiết kế thẳng, nhưng nếu khối lượng đào đắp quá lớn, có thể chọn tuyến cong Dòng chảy trên tuyến cong tạo ra lực ly tâm, làm mực nước dềnh cao ở bờ lõm, do đó cần phải xây tường bờ lõm cao hơn bờ lồi Đối với dốc nước có lòng rộng và vận tốc lớn, để tránh tường bờ lõm quá cao, đáy dốc nên được nghiêng theo hướng ngang với độ nghiêng nhỏ hơn độ nghiêng mặt nước Nếu bề rộng dốc lớn, cần xem xét việc xây tường phân dòng.
Khi dốc nước có độ dốc lớn, việc tạo vật nhám ở đáy và thành bên của máng là cần thiết để giảm tốc độ dòng chảy và tăng chiều sâu nước Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng mố nhám nhân tạo, giúp cải thiện hiệu quả của hệ thống dẫn nước.
Mố nhám có thể được sắp xếp dọc theo thân máng hoặc tại phần cuối dốc, với l-u tốc lớn hơn l-u tốc cho phép Cấu trúc và hình thức bố trí của mố nhám được thể hiện trong hình (11-22).
Hình 11-23 Ng-ỡng phân tán dòng n-ớc tại của ra
Kích thước thân dốc thường nhỏ hơn lòng kênh hạ lưu, vì vậy để đảm bảo an toàn cho nền và bờ kênh tại điểm nối với dốc nước, cần tạo ra dòng nước chảy ngập trong kênh Dòng nước cần được phân bố đều để tránh hiện tượng xô va và chảy cuộn Do đó, cửa ra thường được thiết kế theo hình loa phễu kéo dài hoặc phễu ngắn với giếng tiêu năng, với góc mở của loa phễu từ 1/8 đến 1/12 để dòng nước không tách khỏi hai bên thành loa.
Ngoài ra còn có thể bố trí mố, ng-ỡng phân tán dòng n-ớc tại cửa ra (hình 11-23).
BËc n-íc
Khái niệm
Khi dòng chảy di chuyển qua địa hình dốc lớn (trên 10 độ) hoặc ở khu vực có độ cao hạ thấp, việc sử dụng công trình nối tiếp như bậc nước sẽ là giải pháp phù hợp hơn.
Khi nước chảy từ bậc này sang bậc khác, nó di chuyển một phần đường trên công trình trước khi rơi xuống không khí và tiếp tục xuống bậc dưới Quá trình này làm thay đổi lưu tốc dòng chảy, cả về đại lượng lẫn phương hướng Lưu tốc tăng từ mức không lớn ở đỉnh bậc đến mức tối đa khi nước rơi xuống Sự rơi này còn tạo ra lực xung kích mạnh, do đó, trong thiết kế cần phải tính toán các lực này một cách cẩn thận.
Căn cứ vào độ chênh cao của dốc mà làm một bậc hay nhiều bậc, để đảm bảo tốt điều kiện làm việc và giá thành xây dựng rẻ.
Tính toán thủy lực bậc n-ớc
1 Tính toán thủy lực cửa vào
Khi ng-ỡng cửa vào đặt cùng cao trình đáy kênh, n-ớc qua cửa vào nh- chảy qua đập tràn đỉnh rộng (với điều kiện chiều dài cửa (2 3)H)
Khi ng-ỡng cửa vào cao hơn cao trình đáy kênh, n-ớc chảy qua cửa vào nh- chảy qua đập tràn thực dụng (với < (2 3)H)
Cột n-ớc H trên đỉnh ng-ỡng tràn có thể xác định theo công thức sau: g v g bm
2 Tính toán thủy lực ở bậc (bậc n-ớc có ng-ỡng tiêu năng)
Bậc n-ớc có ng-ỡng tiêu năng được cấu thành từ các bể tiêu năng, trong đó mỗi cấp tạo thành một bể riêng biệt Khi thực hiện tính toán thủy lực cho các bậc n-ớc, chúng ta thường xem xét bể tiêu năng với nước nhảy ngập.
Trong đó: L p - chiều dài đoạn n-ớc rơi;
L n - chiều dài n-ớc nhảy ngập
Chiều cao ng-ỡng tiêu năng đ-ợc tính toán từ điều kiện bài toán bể tiêu năng có n-ớc nhảy ngập ( hình 11-24)
3 Tính toán thủy lực ở cửa ra Đối với bậc n-ớc 1 cấp cũng nh- đối với bậc cuối cùng của bậc nhiều cấp việc tính toán bể tiêu năng n-ớc nhảy ngập và đảm bảo n-ớc chảy ngập vào kênh hạ l-u
Cấu tạo của bậc n-ớc
Bậc n-ớc gồm các bộ phận cửa vào, thân bậc, cửa ra (hình 11-25)
Vật liệu làm bậc n-ớc th-ờng làm bằng bêtông cốt thép, đá xây Loại bậc n-ớc nhỏ đơn giản có thể làm bằng gỗ, rọ đá
Cửa vào có cấu tạo dạng đập tràn đỉnh rộng hoặc thực dụng, tương tự như cửa vào bậc nước Khi lưu lượng qua bậc không thay đổi nhiều, đập tràn hình chữ nhật được sử dụng với cao trình đỉnh bằng hoặc cao hơn đáy kênh Đối với bậc nước có lưu lượng dẫn qua thay đổi lớn, đập tràn hình thang được áp dụng để tự điều tiết mực nước trong kênh thượng lưu Tường cánh thường được thiết kế dưới dạng tường ngoặt hoặc tường mở rộng, với góc mở tường α có tgα = 1/4 đến 1/5 Chiều dài tường khoảng (2 đến 3)H và đoạn chuyển tiếp khoảng (1 đến 1,5)H.
1) Cửa vào; 2) Thân bậc; 3) Cửa ra
Sân tr-ớc Đoạn chuyển tiếp
Hình 11-26 Đoạn chuyển tiếp cửa vào bậc n-ớc
Căn cứ vào độ chênh cao và địa hình dốc, bậc nước có thể được cấu tạo thành một hoặc nhiều bậc Khi thiết kế nhiều bậc, thường ưu tiên làm cho các bậc có kích thước giống nhau để thuận tiện cho thi công Đáy bậc cần được đặt trên nền đất tự nhiên nhằm đảm bảo sự ổn định và giảm khối lượng đào đắp.
Z - độ chênh lệch địa hình;
N - sè bËc; d - chiều sâu mỗi bể tiêu năng
Với bậc n-ớc không lớn lắm nên chọn chiều cao một bậc từ 3 m 5 m Chiều dài mỗi bậc không quá 20 m
Cấu tạo của mỗi bậc bao gồm tường tràn, tường dọc và tấm đáy Tường bên thường có mặt cắt của tường trọng lực, với trọng lượng lớn giúp tách rời khỏi bản đáy bằng khe nối Kích thước đỉnh và tường phụ thuộc vào vật liệu và áp lực đất phía sau Để giảm áp lực đất, cần đào bớt chiều cao đất và làm rãnh thoát nước Đỉnh tường cần cao hơn mực nước lớn nhất từ 0,7 đến 1,5 m.
Tường tràn là một cấu trúc có mặt ngoài thẳng đứng hoặc nghiêng, với đỉnh tường cao hơn đáy bậc trên nhằm tạo thành bể tiêu năng Dọc theo đỉnh tường có các lỗ thoát nước để tháo cạn bể, kích thước lỗ thường là 10 x 10 cm hoặc 20 x 20 cm Trong trường hợp nền đất có độ lún rất nhỏ, tường tràn được xây liền khối với tường dọc, giúp tăng cường độ vững chắc cho bậc, tiết kiệm vật liệu và thuận tiện cho thi công.
Khi thi công trên nền đất dính và mực nước ngầm thấp, việc xây dựng tường tràn có mái dốc sẽ mang lại lợi ích về thủy lực và giảm khối lượng xây dựng.
Lỗ thoát n-ớc T-ờng tràn
Tấm đáy của mỗi bậc trong bể tiêu năng cần có khả năng chịu đựng lực xung kích của nước, vì đây là phần quan trọng nhất Độ dày của tấm đáy phụ thuộc vào vật liệu xây dựng, lưu lượng nước qua bậc và độ cao nước rơi xuống bậc.
Bậc nước có lưu lượng đơn vị q < 2 m³/s.m yêu cầu chiều dày tấm đáy từ 0,35 đến 0,40 m Khi lưu lượng q < 5 m³/s.m và chiều cao nước rơi đạt 2,5 m, chiều dày tấm đáy cần từ 0,5 đến 0,7 m Chiều dày tấm đáy có thể được tính theo công thức gần đúng t = 0,25 q P.
Trong đó: q - l-u l-ợng đơn vị (m 3 /s.m);
P - chiều cao t-ờng tràn (m); t - chiều dày tấm đáy (m)
3 Cửa ra của bậc n-ớc
Cửa ra cần có khả năng tạo ra nước nhảy ngập hoàn toàn và cho phép nước chảy ngập lặng vào kênh, nhằm đảm bảo an toàn cho bậc và kênh hạ lưu Để kết nối giữa cửa ra và kênh, có thể thiết kế bậc mở rộng với góc mở của tường bên là tgβ = 1/4 đến 1/5, hoặc thu hẹp kênh tại phần tiếp giáp với cửa bậc.
Phần nối tiếp cần được gia cố cẩn thận với chiều dài gần bằng chiều dài bể tiêu năng Vật gia cố phải thoát nước và nặng, có thể sử dụng tấm bêtông có lỗ, rọ đá hoặc đá lát Sau khi hoàn thành phần gia cố chính, cần thiết lát khan nhẹ thêm một đoạn nữa để đảm bảo tính ổn định.
Hình 11-29 Cửa ra bậc n-ớc
thiết kế hệ thống kênh và công trình trên kênh
Thiết kế hệ thống kênh và công trình trên kênh cần dựa vào các tài liệu cơ bản liên quan đến nhiệm vụ công trình, điều kiện địa hình, vật liệu xây dựng, thủy văn, khí hậu, cùng với các yếu tố kinh tế, xã hội và các điều kiện khác có liên quan.
Quá trình thiết kế có thể theo các b-ớc sau:
B-ớc 1: Thu thập các tài liệu cần thiết (nh- đã nêu trên)
B-ớc 2: Bố trí tổng thể tuyến kênh, định vị và lựa chọn hình thức các công trình trên kênh
B-ớc 3: Tính toán thủy lực xác định mặt cắt kênh trong từng đoạn thỏa mãn điều kiện không xói, không lắng
Bước 4: Vẽ đường mặt nước trên toàn bộ hệ thống kênh, xác định trị số tổn thất cột nước tại từng công trình trong kênh Đồng thời, kiểm tra khả năng phục vụ của kênh, chẳng hạn như khả năng tưới tự chảy.
B-ớc 5: Lựa chọn kết cấu, tính toán ổn định và độ bền của các bộ phận kênh Thiết kế các công trình trên kênh
B-ớc 6: Xây dựng bản vẽ hệ thống kênh Tính toán ph-ơng án thi công kênh Tính toán kinh tế
Khi có nhiều phương án tuyến hoặc hình thức kênh khác nhau, việc lựa chọn phương án hợp lý sẽ được thực hiện thông qua các tính toán kinh tế.
Ch-ơng XII Cửa van và máy đóng mở của công trình thủy lợi
KháI niệm
Cửa van là một bộ phận của công trình thủy lợi đ-ợc bố trí tại các (lỗ) tháo n-ớc của đập tràn, cống, trạm bơm, trạm thủy điện
Cửa van có thể đóng hay mở một phần hay toàn bộ cửa tháo n-ớc
Cửa van có tác dụng điều tiết lưu lượng nước qua lỗ, giúp xói rửa bùn cát ở thượng lưu và tháo nước về hạ lưu Ngoài ra, cửa van còn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát mực nước trước và sau công trình, đáp ứng nhu cầu sử dụng như cho thuyền bè qua lại hoặc dâng nước phục vụ tưới tiêu cho ruộng.
Cửa van có nhiều hình thức kết cấu khác nhau Do đó cũng có nhiều căn cứ để phân loại
Hình 12-1 Cửa van trên mặt a) Cửa van phẳng; b) Cửa van phai; c) Cửa van hình cung; d) Cửa van hình quạt; đ) Cửa van phai dựng dọc; e) Cửa van chữ V
Theo vị trí đặt cửa van phân ra cửa van trên mặt và cửa van d-ới sâu
Cửa van trên mặt là loại van nhô lên mặt nước khi đóng, thường được sử dụng tại các vị trí như đập tràn, cống hở, âu thuyền, bể xả và bể hút của trạm bơm.
Cửa van d-ới sâu là loại cửa van khi đóng sẽ ngập dưới mặt nước, thường được lắp đặt tại các lỗ tháo bùn cát dưới đập, cống ngầm và cống tường ngực, cũng như tại các cửa lấy nước vào nhà máy thủy điện.
Hình 12-2 Các loại cửa van d-ới sâu a)Cửa van phẳng; b) Cửa van hình cung; c) Cửa van hình đĩa
Theo đặc điểm cấu tạo có thể phân ra: Cửa van phẳng, cửa van hình cung, cửa van hình quạt, cửa van hình chữ V (còn gọi là chữ nhân)
Theo vật liệu xây dựng cửa van có thể làm bằng thép, bêtông cốt thép, gỗ
Cửa van là bộ phận quan trọng trong công trình thủy lợi, hoạt động theo mùa vụ với thời gian đóng và mở khác nhau Khi mở cửa van, thường xuất hiện những khó khăn ban đầu, vì vậy cần theo dõi cẩn thận để có biện pháp xử lý kịp thời.
Cửa van luôn nằm dưới nước, vì vậy nó phải chịu áp lực nước và các lực tác động từ vật nổi, gây ra sự thay đổi lớn và thường xuyên Bên cạnh đó, cửa van còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý, hóa học của nước và sinh vật trong nước, dẫn đến tình trạng mục gỗ và bào mòn thép, gây khó khăn trong quá trình đóng mở Để đảm bảo hiệu quả sử dụng, cửa van cần được điều tiết lưu lượng và kiểm soát mực nước một cách chính xác, đồng thời giảm thiểu rò rỉ nước.
Khi thiết kế cửa van, cần xem xét điều kiện làm việc và yêu cầu sử dụng để lựa chọn loại phù hợp Cửa van phải đảm bảo an toàn cho từng trường hợp, đáp ứng yêu cầu chịu lực, có cấu trúc đơn giản, giảm thiểu lực đóng mở, và thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, sửa chữa với chi phí thấp.
cửa van kiểu phai
Phai đặt ngang
Phai đặt ngang bao gồm các dầm gỗ hoặc dầm làm từ vật liệu khác như thép hình, bê tông cốt thép, được xếp chồng lên nhau và tựa vào rãnh phai ở mố và tường bên Chức năng chính của chúng là chắn cửa nước chảy qua trong các công trình thủy lợi.
Phai gỗ th-ờng có mặt cắt hình chữ nhật, dùng chắn các cửa rộng từ 3 m trở xuống và không sâu quá 3 m (kể từ mặt n-ớc), (hình 12-3)
Cửa van phai được thiết kế với các đặc điểm như đỉnh thòi hai bên, móc hai bên và móc ở đỉnh, giúp việc đóng mở trở nên dễ dàng Đối với các cửa cống có kích thước lớn, thường sử dụng phai bằng thép hình chữ I Để ngăn chặn rò rỉ, các thanh gỗ được gắn ở mặt trước và sau dầm hoặc phía trên và dưới dầm.
Phai bê tông cốt thép được sử dụng ở các cửa cống rộng với hình dạng mặt cắt ngang đa dạng, bao gồm mặt cắt hình chữ nhật và chữ I.
Hình 12-5 Mặt cắt ngang phai bê tông cốt thép
Cửa van thường gặp phải tình trạng rò rỉ nước, vì vậy chúng chỉ nên được sử dụng làm cửa van chính cho các cống nhỏ Đối với các cống lớn, cửa van này thường được sử dụng như cửa van phụ hoặc cửa van sửa chữa.
Khi thiết kế mặt cắt, mỗi dầm phai được xem như một dầm đơn chịu uốn, gối lên mố và tường bên, đồng thời chịu áp lực nước phân bố đều Độ dày của phai gỗ được xác định theo công thức tính toán cho dầm chịu uốn.
Trong công thức này, t đại diện cho chiều dày của phai (m), a là chiều cao của phai, thường được lấy khoảng 0,20m Ngoài ra, [ u ] biểu thị ứng suất chịu uốn cho phép của gỗ (daN/m²).
M max - mômen uốn lớn nhất của dầm tính theo công thức:
Để tính toán lực tác động lên dầm trong môi trường nước, ta sử dụng công thức q = γ.h.a, trong đó γ là trọng lượng riêng của nước, được lấy bằng 1 × 10^4 N/m³; h là chiều sâu nước tại vị trí dầm tính toán; và ltt là chiều dài tính toán của dầm, với ltt = 1,05b, trong đó b là chiều rộng khoang cánh Để đảm bảo an toàn và tránh rò rỉ nước, độ võng của phai khi chịu uốn không được vượt quá độ võng cho phép, thường được quy định là 1.
l, l - chiều dài của phai (m) Còn phải kiểm tra ứng suất ép dập tại mặt tiếp xúc của hai đầu phai với mố c) d) b) a)
Hình 12-6 Cấu tạo rãnh phai a, b) Rãnh phai ở mố bê tông, đá xây; c) Rãnh phai ở trên đỉnh mở rộng; d) Rãnh phai ở mố bằng gỗ
Trong thiết kế, dầm dưới cùng thường được chọn là dầm chịu áp lực lớn nhất, đặc biệt khi mực nước ở thượng lưu đạt mức cao nhất và hạ lưu không có nước để tính toán Chiều dày của các dầm phía trên thường bằng chiều dày của dầm dưới cùng để thuận tiện cho việc chế tạo và lắp đặt Mố tựa của cửa van thường được làm bằng bê tông, đá, gạch xây vữa, hoặc gỗ ghép Đối với cửa rộng, cần bố trí thêm thép góc ở rãnh cửa, và trên đỉnh rãnh thường được mở rộng để dễ dàng thả phai.
Phai dựng dọc
Phai dựng dọc thường được sử dụng để tạo ra các khoang rộng nhưng không sâu, bao gồm các dầm gỗ có mặt cắt ngang hình chữ nhật hoặc thép hình chữ I, được đặt sát bên nhau và tựa vào hai gối: cầu công tác và tấm đáy công trình Để dễ dàng lắp đặt và ngăn chặn tình trạng phai nổi lên khi có nước dâng, các tấm phai thường được dựng nghiêng Độ nghiêng của phai được tính toán một cách hợp lý.
1 (với phai có mặt cắt chữ nhật, dài nhỏ hơn 2 m) đến 8
Phai dài khoảng 5 m thường gặp tình trạng rò rỉ nước, đặc biệt là kiểu phai dựng dọc Tuy nhiên, dòng nước chảy qua cửa khi mở sẽ êm thuận hơn so với phai đặt ngang Để giảm thiểu rò rỉ, cần đảm bảo mặt tiếp xúc giữa các phai khít chặt, chân phai phải được đặt vuông góc với đế tựa, và sử dụng thép hình hoặc thép để gia cố gối tựa.
Để tính toán phai dựng dọc cho mỗi tấm nh, cần xem xét nó như một dầm đơn kê tự do trên hai gối Dầm này chịu áp lực nước phân bố theo hình tam giác, từ đó tiến hành các phép tính cần thiết.
Chiều dày của dầm phai gỗ thường lớn hơn 5 cm, với chiều rộng lên tới 30 cm và chiều dài có thể đạt đến 5,5 m Mỗi dầm phai có trọng lượng tối đa khoảng 400 kg, nhưng khi sử dụng, người dùng có thể dễ dàng đóng mở từng dầm mà không cảm thấy nặng nề.
30 kg a) Phai b) c) Cầu công tác
Hình 12-7 Phai dựng dọc a, b) Mặt cắt dọc và nhìn từ th-ợng l-u vào cửa van phai; c) Gối tựa ở chân phai.
