Cống lộ thiên là một loại công trình thuỷ lợi hở được xây dựng để điều tiết lưu lượng và khống chế mực nước nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt , ngăn mặn. Cống lộ thiên được dùng rộng rãi nhất là ở vùng đồng bằng, vì vậy còn gọi là "cống đồng bằng" hay cống hở.
3.1.2. Phân loại
Theo mục đích sử dụng cống lộ thiên được chia thành những loại sau đây:
1.Cống lấy nước
Cống được xây dựng để lấy nước từ sông, kênh hoặc từ hồ chứa.
Chúng ta gặp cống lấy nước kiểu cống lộ thiên ở nhiều nơi, ví dụ cống lấy nước Trung Trang đặt ở xã Bát Trang, huyện An Lão, Hải Phòng. Cống lấy nước từ sông Văn Úc tưới cho 18.250 ha tạo nguồn tưới 420 ha, cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp và các ngành kinh tế khác.
Cống có 4 cửa, mỗi cửa rộng 8m, Qtk =111m3/s cống dùng van phẳng thép đóng mở tời điện TĐ 6.2, cống xây dựng năm 1980.
2.Cống điều tiết
Loại này được xây dựng trên sông, kênh để dâng cao mực nước tạo điều kiện lấy nước cho các công trình phía thượng lưu
Hình3-1. Cống hạ lưu Liên Mạc
Trên hệ thống sông Nhuệ sau cống đầu mối Liên Mạc có nhiều cống điều tiết được xây dựng trên sông để đảm bảo nhiệm vụ cấp nước, tiêu úng và an toàn cho mỗi công trình. Trong đó có cống hạ lưu Liên Mạc là cống điều tiết xây dựng năm 2001 có các nhiệm vụ:
Dâng nước ở hạ lưu cống Liên Mạc, khi mực nước sông Hồng vượt +12,95 để đảm bảo ổn định cho cống Liên Mạc.
Đảm bảo giao thông (đoàn tải trọng H30) qua hai bờ sông Nhuệ.
82
Đảm bảo lấy nước tưới cho hệ thống (60.000 ha) như thiết kế ban đầu.
Tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu nước đầu vụ phần diện tích ở hạ lưu cống thuộc địa phận Hà Nội, Hà Tây.
Cống hạ lưu Liên Mạc gồm 3 cửa, mỗi cửa rộng 6m trong đó có cửa qua thuyền (Hình 31).
3. Cống tiêu
Dùng tháo nước, chống úng cho một vùng nhất định trên một hệ thống, bên cạnh nhiệm vụ tiêu, cống còn đảm nhận các nhiệm vụ khác.
Cống Láng Thé (Hình 32) đặt tại rạch Láng Thé, xã Đại Phước, huyện Càng Long, tỉnh Trà Vinh. Cống có 7 cửa dùng van phẳng, mỗi cửa rộng 8,5m. Nhiệm vụ của cống là:
Tiêu úng cho 58.940 ha
Ngăn mặn cho 31.140 ha
Tạo nguồn nước ngọt cho 51.128 ha
Kết hợp cải thiện giao thông thuỷ bộ, bố trí địa bàn dân cư
Lấy nước phục vụ cấp nước sinh hoạt cho thị xã Trà Vinh và vùng lân cận.
Cống Cổ Thiêu III (huyện Kiến Thuỵ Hải Phòng) gồm 4 cửa, mỗi cửa rộng 7,5m, van cung được xây dựng năm 2000 để tiêu úng cho 9.174 ha.
+13.00
Phía sông
-6.00 +2.00
-5.0
Phía đồng
-4.20 -5.0
+2.50 +2.00
1 : 3
-6.00
Hình 3-2. Cắt dọc cống Láng Thé
Cống Cầu Xe (Hải Dương) tiêu cho khu vực BắcHưngHải, gồm 7 cửa, mỗi cửa rộng 8m, lưu lượng tiêu thiết kế 230m3/s.
4. Cống phân lũ
Dùng để tháo một phần lưu lượng về mùa lũ của một con sông sang hướng khác, hoặc tập trung nước phân lũ vào một vùng nhất định nhằm hạ thấp đỉnh lũ ở sông chính.
Cống phân lũ Vân Cốc 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 8,6 km có thể phân lũ với lưu lượng lớn nhất 5000m3/s.
Cống Vân Cốc xây dựng năm 1966 với nhiệm vụ là phối hợp với hồ Thác Bà, hồ Hoà Bình, vùng phân lũ Tam Nông, Thanh Thuỷ có thể chống được lũ điển hình năm 1945, bảo vệ đồng bằng sông Hồng và Hà Nội, bảo vệ vùng bãi Phúc Thọ, Đan Phượng khi chưa phân lũ. Cống Vân Cốc thuộc loại cống lộ thiên, cao trình ngưỡng cống +12.0, lưu lượng qua cống 2330m3/s, cống dùng van phẳng, đóng mở bằng tời điện, vào mùa lũ cống luôn luôn ở tình trạng sẵn sàng vận hành.
83 5. Cống ngăn triều
Xây dựng ở cửa sông ven biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều. Ở một thời kỳ nhất định, khi thủy triều dâng, cống mở để các công trình lấy nước ngọt vào đồng (do triều đẩy dồn lên). Khi triều rút vào mùa lũ, lợi dụng chân triều thấp cống mở tháo tiêu nước từ đồng ra.
Vào mùa khô cống đóng để ngăn triều giữ ngọt. Ngoài ra cống còn có tác dụng thay đổi nước trong đồng nhằm thau chua rửa mặn .
Ví dụ: cống Nghi Quang (Nghệ An) được xây dựng để tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn, gồm 12 cửa, mỗi cửa có bề rộng qua nước 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 được thể hiện qua Bảng 31 Bảng 3-1. Thông số chính một số cống vùng triều
STT Tên Cống Tỉnh Chiều rộng cống
) (m b
Bề rộng kênh Bk(m)
Cao trình ngưỡng
Chiều sâu bể tiêu năng
Chiều dài gia cố sau
bể
Bk/
b
1 Vàm Đồn Bến Tre 15 40 35 1,5 56 2,5
2 Vàm Hồ Bến Tre 10 18 3,0 1,5 80 1,8
3 Tầm Phương Cửu Long 15 30 3,0 1,0 15 2,0
4 Đa Lộc Cửu Long 10 22 3,2 1,3 71 2,2
5 Cái Xe Hậu Giang 7 15 3,0 0,5 35 2,1
6 Cái Oanh Hậu Giang 14 26 3,0 0,5 35 1,8
7 Gò Công Tiền Giang 16 32 3,7 1,8 80 2,0
8 Xuân Hoà Tiền Giang 28 44 3,5 0,6 70 1,6
9 Trị Yên Long An 15,6 30 3,0 0,5 60 1,9
10 Đôi Ma Long An 13,2 20 2,4 1,77 35 1,5
11 Mỹ Trung Quảng Bình 80 110 4,0 0,5 29 1,4
12 Diễn Thành Nghệ An 40 84 3,0 1,3 46 2,1
13 Lân I Thái Bình 30 48 3,5 0,5 34 1,6
14 Cầu Xe Hải Dương 56 90 4,0 0,5 52 1,6
15 Lân II Thái Bình 32 50 3,5 1,0 40 1,56
6. Cống tháo cát
Để xói rửa bùn cát lắng đọng phía trước các công trình dâng và điều tiết nước.
3.1.3. Các bộ phận của cống
84
Cống lộ thiên gồm ba phần: Bộ phận nối tiếp thượng lưu, thân cống và bộ phận nối tiếp hạ lưu. Hình 23 là cắt dọc cống Lân II (Thái Bình), cống có 4 cửa, mỗi cửa rộng 8m, dùng van cung.
Cống có nhiệm vụ tiêu 12.361 ha với Qtk =95m3/s ; Qmax=163,5m3/s; cống xây dựng năm 1996.
1. Bộ phận nối tiếp thượng lưu
Bộ phận nối tiếp thượng lưu phải bảo đảm nước chảy vào cống ổn định, thuận dòng, tổn thất cột nước ít. Bộ phận này có tường cánh thượng lưu để hướng dòng chảy vào thuận, tác dụng chống xói, chống thấm quanh bờ. Sân phủ làm bằng vật liệu ít thấm nước như đất thịt, đất sét, tấm bê tông cốt thép, v.v... Nếu dùng các tấm bê tông cốt thép thì thường tấm được néo chặt với bản đáy cống. Đối với sân phủ bằng đất ít thấm nước thì trên mặt cần có lớp bảo vệ chống xói và nứt nẻ. Lớp bảo vệ này thường là lớp đá xếp khan đặt lên một lớp đệm bằng cát sỏi. Ngoài ra có khi thay thế hoặc kết hợp với sân phủ còn đóng cừ để chống thấm dưới nền.
2. Bộ phận thân cống
Bộ phận này có tác dụng điều tiết lưu lượng, khống chế mực nước và liên kết thân cống với bờ hoặc công trình thuỷ lợi khác ở bên cạnh. Bộ phận này có cửa van để khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng. Cầu công tác để đặt thiết bị đóng mở cửa van và là nơi điều khiển các thiết bị đó. Cầu giao thông bắc qua các mố cống. Mố giữa phân cống thành nhiều khoang làm giảm bớt chiều rộng của van, tiện cho việc quản lý. Ngoài ra mố còn đỡ cầu công tắc, cầu giao thông. Mố bên có một số tác dụng như mố giữa, song nó còn để nối thân cống với bờ hoặc các công trình khác bên cạnh, để chắn đất và chống thấm vòng quanh bờ. Ở đầu mố giữa và mố bên có bố trí khe van, khe phai. Khi cần thiết sửa chữa van hay một số bộ phận thân cống sẽ thả hàng phai chắn nước.
Bản đáy có tác dụng truyền lực của các bộ phận ở thân cống, phân bố tương đối đều đặn lên nền, đồng thời tạo ra lực ma sát với nền, giữ ổn định cho thân cống. Bản đáy còn có tác dụng chống xói, chống thấm ở nền. Có trường hợp người ta kết hợp bản đáy với sân sau thứ nhất làm một, lúc đó bản đáy còn có tác dụng như sân sau thứ nhất.
Ở một số cống còn dùng tường ngực để chắn nước giảm chiều cao cửa van, hạ thấp cao trình đặt cầu công tác. Tường ngực còn có tác dụng làm tăng ổn định hướng ngang của các mố.
3. Bộ phận nối tiếp hạ lưu
Bộ phận nối tiếp hạ lưu là đoạn quá độ để dòng nước từ thân cống chảy ra kênh được dễ dàng và khuếch tán đều đặn. Ở bộ phận này cần có kết cấu tiêu hao năng lượng của dòng chảy từ cống ra, không gây xói ở hạ lưu.
Tường cánh hạ lưu có tác dụng phân bố đều và hướng dòng chảy từ thân cống ra kênh.
Ngoài ra, tường và bộ phận đá lát ở hai bên bờ còn có tác dụng bảo vệ bờ kênh khỏi bị xói lở. Sân sau thứ nhất có tác dụng bảo vệ đáy kênh. Tại đây bố trí các thiết bị tiêu năng (tường, bể tiêu năng) và các thiết bị tiêu năng phụ, thiết bị hướng dòng (ngưỡng, mố...) để tiêu hao năng lượng dòng nước và phân bố dòng chảy vào kênh đều đặn, ở sân sau thứ nhất nhiều khi còn bố trí các lỗ thoát nước thấm để giảm áp lực thấm tác dụng lên đáy cống, dưới đáy sân cần bố trí tầng lọc ngược. Sân sau thứ hai có tác dụng tiêu hao tiếp tục phần năng lượng dòng chảy mà ở sân sau thứ nhất chưa tiêu hao hết, đồng thời cũng là bộ phận bảo vệ, chống xói cho đáy kênh. Đôi khi ở cuối sân sau thứ hai còn đào hố chống xói nhằm tăng cường việc phân bố lại dòng chảy, chống xói cho kênh.
85
Hình 3-3. Cắt dọc cống Lân II (Thái Bình – Xây dựng 1996)
1
3 4
Phía đồng
2 +1.80
+ 9.60
16 15
10 9
-3.50 -3.50
13 5 14
14 - 14.50
12 +5.20 + 3.20 6
9
8 11
7
- 4.50
-6.00 19 18 17 +4.50
+1.80 + 1.30
PhÝa biÓn
- 3.50
20 21
22
24 23
-6.50
rọ đá
25
1. Kênh dẫn thượng lưu 2. Bảo vệ mái thượng lưu 3. Sân trước bằng đá xây 4. Cầu thang mái kênh thượng lưu 5. Sân trước bằng bê tông CT 6. Tường cánh thượng lưu 7. Cầu giao thông 8. Mố trụ
9. Khe phai 10. Cửa van 11. Tường ngực 12. Bản đáy cống 13. Cọc bê tông cốt thép 14. Cừ chống thấm 15. Cầu công tác 16. Cầu thả phai
17. Tường cánh hạ lưu 18. Mố tiêu năng 19. Bản đáy bể tiêu năng 20. Sân sau bằng bê tông CT 21. Sân sau bằng đá xây 22. Cầu thang mái kênh HL 23. Bảo vệ mái hạ lưu 24. Hố xói dự phòng
25. Kênh hạ lưu Ghi chú: Kích thước cm
86
3.2. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC LỖ CỐNG 3.2.1. Xác định mực nước thiết kế thượng hạ lưu cống
Căn cứ vào nhiệm vụ công trình xác định được cấp công trình, từ đó có mức đảm bảo.
Ứng với mức đảm bảo thiết kế, qua tính toán thủy lực, thủy văn sẽ xác định được mực nước thượng hạ lưu thiết kế.
1. Mực nước hạ lưu (Zh) a) Với cống lấy nước:
Căn cứ vào mực nước cần ở nơi dùng, vẽ đường mực nước trong kênh, chúng ta có mực nước thiết kế đầu kênh, tức là Zh.
b) Với cống phân lũ, cống tiêu:
Dựa vào tính toán thuỷ văn để xác định, ví dụ: một con sông có lưu lượng là Q, một nhánh đổ vào một lưu lượng Q1 thì lưu lượng trong sông là Q1+ Q (hình 144), tra quan hệ Zh
~ Q ứng với (Q+ Q1), ta sẽ có mực nước hạ lưu cần tìm.
Với cống tiêu vùng triều: mực nước hạ lưu thiết kế chọn theo chân triều, đỉnh triều và dạng triều thiết kế.
2. Mực nước thượng lưu ( Zt) a) Với cống lấy nước:
Từ một con sông có lưu lượng Q1 chúng ta lấy nước với lưu lượng Q thì lưu lượng trong sông còn lại là Q1 Q(hình 3 5). Từ Q1 và Q1 Q tra quan hệ Zt =f(Q) ta có mực nước trong sông phía trên và phía dưới cửa lấy nước là Z1, Z2. Từ đó ta có tổn thất cột nước:
2 1
1 Z Z
Z
(31)
Hình 3-4. Hình 3-5.
Mặt khác do nước chảy vào cống mà mực nước hạ xuống một giá trị là Z2 tính theo công thức (3 2):
Q1
Q
Q + Q1
Q - Q Q1
Z3
1
Q
Z2 Z1
87
g 2 ) K 1 ( . KV 2 Z 3
2
2
; (3 2) với:
Q1
K Q ;
2 1
Q Q
V ;
2: là diện tích mặt cắt ướt của sông phía dưới cống lấy nước.
Như vậy mực nước thượng lưu cống là:
Zt = Z1 Zi; (3 3) với: Zi = Z1 + Z2.
Nếu cống đặt cách bờ sông một đoạn kênh thì dòng chảy trong kênh từ sông vào đến cống có tổn thất cột nước là Z3 và khi đó:
Zi = Z1 + Z2 + Z3.
Gọi Zpg là cao trình mực nước phân giới của sông. Nếu Zt > Zpg thì Zt được chọn theo (33), nếu Zt < Zpg thì Zt lấy bằng Zpg.
b) Đối với cống tiêu, cống phân lũ
Căn cứ vào mực nước phải khống chế trong vùng, tiến hành tính toán thuỷ văn, thuỷ lực để xác định Zt.
3. Lựa chọn cặp (Zt ,Zh) thiết kế
Phần trên nêu cách xác định mực nước thượng, hạ lưu cống ứng với một thời điểm nhất định. Trong thực tế Q, Zt , Zh biến đổi theo thời gian. Vì vậy cần xác định cặp Zt , Zh và lưu lượng tương ứng bất lợi nhất cho mỗi mục tiêu thiết kế để tính toán đảm bảo lấy đủ lưu lượng và an toàn cho công trình, đồng thời đảm bảo yêu cầu kinh tế.
Ví dụ đối với cống lấy nước, dựa vào tần suất đảm bảo theo yêu cầu dùng nước, ta xác định được đường quá trình mực nước Zt , Zh và Q tương ứng tại mỗi thời điểm (hình 36).
Z ~ t Z ~ t B
6 1 A
5 7 8 9
4 3
2 C h
Z , Zt
5 h
D
12 11
10 t
t
Hình 3-6. Đường quá trình mực nước thượng hạ lưu cống
Trên hình vẽ ta thấy, tại điểm A, B, C, giá trị (Zt Zh) nhỏ, dựa vào đường quá trình lưu lượng ta có lưu lượng tương ứng của thời điểm trên, đây là các trường hợp để xác định
88
kích thước lỗ cống trong điều kiện bất lợi nhất. Tại điểm D chênh lệch (Zt Zh) là lớn nhất. Ta dùng trường hợp này để tính toán tiêu năng phòng xói cho hạ lưu cống.
3.2.2. Lựa chọn kiểu ngưỡng cống và lưu lượng đơn vị 1. Lưu lượng đơn vị chảy qua cống
Vấn đề chọn lưu lượng đơn vị chảy qua cống rất quan trọng, cần phải xét ngay từ đầu vì nó ảnh hưởng đến giá thành xây dựng và điều kiện làm việc an toàn của cống và kênh.
Khi chọn lưu lượng đơn vị lớn, kích thước cống được giảm nhỏ, song tiêu năng sau cống sẽ phức tạp. Nếu chọn lưu lượng đơn vị nhỏ thì ngược lại. Vì vậy trong khi thiết kế cần phải so sánh lựa chọn để giải quyết cho thoả đáng và bảo đảm các yêu cầu kinh tế kỹ thuật.
Khi chọn lưu lượng 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 nước thượng hạ lưu lớn, năng lượng dòng chảy qua cống lớn nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ.
Khi chiều sâu nước sau cống nông nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ để giảm nhẹ vấn đề tiêu năng.
Khi nền yếu, khả năng chống xói kém nên chọn lưu lượng đơn vị bé.
Khi cống có qui mô lớn, nước chảy ra sau cống không đều, khó khuếch tán dễ dẫn đến hiện tượng chảy tập trung, cũng nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ. Để đảm bảo dòng chảy từ cống ra kênh khuếch tán tương đối đều, theo đề nghị của V.M.Đômbơrôpski, lưu lượng đơn vị sau bể tiêu năng không lớn hơn 1.5 2 lần lưu lượng 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=1015m3/s.m. Cống tiêu q = 4 11m3/s.m nếu đất nền có tính dính có thể lấy lớn hơn một chút. Cống lấy nước q = 4 9m3/s.m và lưu tốc qua cống v=12 m/s để tổn thất cột nước qua cống không quá lớn.
2. Lựa chọn kiểu ngưỡng cống
Hình thức ngưỡng cống có ảnh hưởng đến khả năng dẫn nước qua cống, ảnh hưởng đến việc xác định kích thước lỗ cống và một số kết cấu khác của cống. Phần lớn các cống đã xây dựng ở nước ta chọn loại ngưỡng bằng, có tác dụng như ngưỡng đỉnh rộng. Ngoài loại ngưỡng bằng có thể chọn hình thức ngưỡng mặt cắt thực dụng không chân không.
Trong các trường hợp sau đây thường dùng ngưỡng đỉnh rộng:
Khi cần hạ thấp cao trình đỉnh ngưỡng để đảm bảo khả năng dẫn nước qua cống. Ví dụ cống tiêu, cao trình mặt nước đường tiêu thường thấp, chiều sâu nước lại yêu cầu lớn để có thể nhanh chóng tiêu nước đọng .
Khi lưu lượng đơn vị đã xác định nhưng không đòi hỏi hệ số lưu lượng lớn.
Khi thời gian thi công gấp rút, một số yêu cầu khác đã thoả mãn thì chọn loại ngưỡng này đơn giản, thi công dễ.
89
Tuỳ theo tình hình cụ thể như yêu cầu chiều sâu nước chảy, yêu cầu về hệ số lưu lượng, v.v... mà cao trình đỉnh ngưỡng chỗ dòng nước vào cống có thể làm bằng hoặc cao hơn đáy kênh một chút.
Trường hợp yêu cầu có hệ số lưu lượng lớn hoặc khi mực nước thượng lưu và đáy kênh chênh nhau quá nhiều, cần hạn chế lưu lượng đơn vị thì nên dùng ngưỡng thực dụng để nâng cao trình ngưỡng lên, giảm cột nước chảy trên ngưỡng tràn, đồng thời giảm được chiều cao cửa van.
3.2.3. Xác định kích thước lỗ cống
Kích thước lỗ cống phải đảm bảo thực hiện được nhiệm vụ tháo nước, lấy nước của cống (mặt khác bề rộng mỗi cửa được lựa chọn còn phải chú ý đến yêu cầu lắp đặt, đóng mở cửa van và yêu cầu cấu tạo chung).
1. Trường hợp mở cửa van hoàn toàn a) Chảy tự do
Khi cửa van mở hoàn toàn, dòng chảy hở thoáng mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh ngưỡng hoặc cao hơn đỉnh ngưỡng nhưng chưa xảy ra chảy ngập thì lưu lượng tính theo công thức đập tràn chảy không ngập:
Q = 2
3
H0
. g 2 . b . m .
; (3 4) trong đó:
m hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào hình thức ngưỡng cống
hệ số co hẹp bên do các mố trụ gây nên.
b tổng bề rộng qua nước của các khoang cống.
H0 cột nước tràn có kể đến lưu tốc tới gần.
Hệ số lưu lượng m với ngưỡng đỉnh rộng được xác định theo hình dạng cửa vào và hình dạng đầu ngưỡng tràn. Với ngưỡng thực dụng:
m = mtc. hd. H; (35)
với:
mtc là hệ số lưu lượng tiêu chuẩn;
hd là hệ số kể đến hình dạng ngưỡng thực dụng;
H là hệ số kể đến ảnh hưởng của cột nước tràn tính toán . Hệ số co hẹp bên , với ngưỡng đỉnh rộng:
d b
b
; (36)
trong đó: d tổng chiều dày các mố trụ . Với ngưỡng thực dụng tính theo: