THIẾT KẾ CỐNG LẤY NƯỚC

Công trình lấy nước (hay công trình điều tiết) là kết cấu thủy lực được bố trí tại đầu kênh tưới hoặc kênh phát điện, hoặc đường hầm dẫn nước mà dòng chảy được dẫn về từ nguồn như hồ chứa hay sông. Mục đích chính của công trình lấy nước là: a) tiếp nhận và điều tiết nước từ nguồn và khống chế lưu lượng, b) giảm tối đa lượng bùn cát lắng đọng trên kênh, như khống chế lượng bùn cát vào kênh tại cửa lấy nước và c) ngăn chặn vật nổi vào kênh.

Công trình lấy nước cột nước cao có thể là một phần tổng thể của đập hoặc là một công trình riêng biệt, ví dụ như, trong thiết kế mẫu tháp với các cảng dẫn vào tại nhiều cao độ khác nhau mà có thể tăng thêm sự điều tiết dòng chảy mỗi khi có sự dao động trong phạm vi rộng của mực nước hồ chứa. Việc có cửa vào ở nhiều cao trình khác nhau cũng sẽ cho phép chúng ta có thể rút được nước theo chất lượng mong muốn.

Cửa ra của một công trình lấy nước điển hình trên sông có chứa bùn cát đáy nặng được thể hiện tại hình 2­35. Các công trình phụ trợ chính như sau:

58

Hình 2-35. Kênh dẫn cửa vào trên sông có hàm lượng bùn cát đáy nặng (theo Mosonyi, 1987) 1. Ngưỡng cửa vào được nâng cao để ngăn bùn cát đáy từ sông;

2. Tường phân rác tại cửa vào để thu rác trôi nổi;

3. Lưới chắn rác thô để chặn lại rác bề mặt, được lắp đặt bởi các thiết bị vận hành thủ công hoặc thiết bị dọn rác tự động;

4. Bể lắng cát (thu giữ bùn cát) sinh ra bởi ngưỡng thứ hai (ngưỡng cửa vào) lái các dòng chảy đáy (bùn cát chìm xuống) về phía kênh xả cát;

5. Cống tháo xả cát để xả bùn cát lắng đọng;

6. Cửa van của cống điều tiết để khống chế lưu lượng dòng chảy vào kênh;

7. Cống (hành lang) ở đập dâng để xả bùn cát đáy thượng lưu về ngưỡng cửa vào.

Kênh xả cát với cống xả cũng có thể bỏ qua nếu tải trọng bùn cát này có thể lắng đọng trong lưu vực lắng, tuy nhiên bùn cát có kích thước hạt nhỏ hơn dường như là luôn luôn chảy vào kênh và sự duy trì vận tốc nhỏ nhất trong kênh là cần thiết để tránh sự bồi lắng.

2.5.2 Vị trí và hướng của cống lấy nước

Nhánh kênh thượng lưu của cửa lấy nước được đặt ở vị trí tốt khi hai bờ kênh ổn định.

Khi các lớp đáy của dòng chảy xung quanh đoạn cong được quét về phía bờ bên trong (bờ lồi), dễ dàng thấy rằng vị trí tốt nhất để đặt cửa lấy nước là về phía bờ bên ngoài (bờ lõm), khi cửa lấy nước đặt về phía cuối hạ lưu của đoạn cong. Sự lựa chọn vị trí này từ quan điểm ngăn chặn phù sa không phải luôn luôn có thể và các phương án xem xét khác như mức độ các mức hồ và sự biến thiên của chúng, tai biến hàng hải, và vị trí của kết cấu phân dòng, nhà máy thủy điện/trạm bơm, và các cửa ra cần phải xem xét.

Một kênh nhánh với góc 90o đối với dòng chảy chính là loại kênh ít mong muốn nhất. Kết cấu nên định vị thẳng hàng để tạo ra một độ cong phù hợp của dòng chảy vào cửa lấy nước, và góc phân dòng chảy khoảng từ 30°­45° thường được khuyên dùng để tạo ra ảnh hưởng này; bên cạnh đó, một độ cong nhân tạo (Hình 2­36), một bãi nổi (Hình 2­37) hoặc các kè dẫn hướng (Hình

59

2­38) có thể được thiết kế để gây nên độ cong yêu cầu của dòng chảy (xem Avery, 1989). Các thí nghiệm mô hình là cần thiết trong việc quyết định vị trí và sự hướng của bất cứ kết cấu chính nào của cửa lấy nước (Novak và Cabelka, 1981).

Các tổn thất cửa vào cửa lấy nước phụ thuộc vào sự thay đổi hướng của dòng chảy (vào cửa lấy nước), mức độ co hẹp và loại lưới chắn rác được thiết kế tại cửa vào. Chúng được biểu diễn theo cột nước lưu tốc KV2/2g.

Tổn thất cửa vào do sự thay đổi hướng dòng chảy (cửa vào tại một góc  với dòng chính) được cho bởi:

g V K g V

ha  2/2   02/2

 (2­23)

trong đó:

V0 là vận tốc của dòng chính tại cửa vào, K0.4 khi  = 90° và K 0.8 khi  = 30°.

Trong trường hợp cửa vào có ngưỡng được xây dựng với mố trụ pin lượn, tổn thất đầu nước, A/zc, được cho dưới dạng:

g V hc 0.3 2/2

 (2­24)

Hình 2-36. Cửa vào của cửa lấy nước với độ cong được tạo ra đối với dòng chảy (theo Mosonyi, 1987)

60

Hình 2-37. Sử dụng kè nhân tạo (chẳng hạn như cồn cát) để tạo ra độ cong mong muốn đối với dòng chảy tại cửa lấy nước

Hình 2-38. Các kè hướng dòng tại cửa lấy nước đối với việc ngăn bùn cát Phương trình (2­23) và (2­24) cho ta tổn thất cột nước lớn nhất tại cửa vào:

g V K g V

hc 1.3 2/2   02/2

 (2­25)

61

Tổn thất qua lưới chắn rác, hr có thể biểu diễn bởi công thức Kirscher (xem Hình 2­39):

(2­26) (với dòng chảy song song với các thanh chắn rác), trong khi ft là hệ số phụ thuộc vào loại thanh lưới chắn rác (xem Bảng 2­2).

Hình 2-39. Tổn thất lưới chắn rác

Bảng 2-1. Các giá trị của  đối với dòng chảy song song

Loại thanh răng 

Đầu và cuối đều vuông, L/s=5 Đầu vuông và cuối bán nguyệt, L/s=5 Đầu và cuối đều bán nguyệt, L/s=5 Hình tròn

Cánh máy bay

2,42 1,83 1,67 1,79 0,76 2.5.3 Điều khiển bùn cát tại đầu mối công trình

1.Công trình ngăn bùn cát

Công trình ngăn bùn cát là kết cấu được xây dựng ở đáy sông phía thượng lưu của công trình điều tiết để ngăn bùn cát từ nguồn nước vào kênh. Kết cấu này được thiết kế sao cho các lớp dòng chảy đáy và dòng chảy mặt được tách rời nhau với độ rối thấp nhất có thể, nước mang theo bùn cát lơ lửng trên mặt được dẫn về kênh trong khi nước mang theo bùn cát đáy được tháo xả về hạ lưu của công trình lái dòng thông qua các cống ngầm. Kết cấu công trình ngăn bùn cát này cơ bản bao gồm các đường hầm (xem hình 2­40) ở bản đáy của bể sâu thuộc sông, được tách rời bởi tường phân dòng. Cao trình ngưỡng của công trình điều tiết được giữ ngang bằng với cao trình đỉnh của tấm mái của đường hầm.

Lưu lượng trong các đường hầm thường được giữ khoảng 20% lưu lượng kênh, và chúng được thiết kế để duy trì lưu tốc dòng chảy nhỏ nhất từ 2­3m/s (để tránh lắng đọng bùn cát trong đường hầm).

62

Hình 2-40. Công trình xả cát (loại đường dẫn ngầm)

2.Công trình xả cát hoặc thiết bị xả cát:

Công trình xả cát là loại kết cấu được xây dựng trên hạ lưu kênh của công trình điều tiết nhưng ở phía thượng lưu của bể lắng cát (nếu có), thông qua đó bùn cát sau khi chảy vào kênh, được tháo xả về hạ lưu.

a.Cống xả cát kiểu cánh hướng dòng

Cửa ra của công trình xả cát kiểu cánh hướng dòng được thể hiện trên Hình 2­42. Một tấm chắn đáy tại đáy kênh phân chia các lớp dòng chảy phía trên với các lớp phía dưới. Khi chảy vào khu vực lặng nước của đáy kênh, các lớp bùn cát đáy được phân dòng thông qua các cánh cong về phía buồng thoát xả. Thiết kế nên làm dạng này để mức độ rối cửa vào là nhỏ nhất; các hành lang có cánh phân dòng chảy tăng tốc dòng chảy qua chúng và do đó có thể tránh được lắng đọng bùn cát.

63

Hình 2-41. Công trình xả cát (loại cánh hướng dòng) b.Cống xả cát kiểu ống xoáy

Cống xả cát kiểu ống xoáy (xem hình 2­42) gồm có một đường ống được cắt rãnh khe dọc theo đỉnh ống, đặt ngang đáy kênh, hợp với phương dòng chảy một góc từ 30o­90o. Chuyển động xoáy trong ống này hướng bùn cát vào trong ống, và vận tốc sát thành dọc theo ống, sẽ đưa bùn cát đến cuối đường xả của nó. Một cống xả kiểu ống xoáy được thiết kế hợp lý có thể có hiệu quả hơn bất kỳ loại cống xả truyền thống nào khác mà giảm được tổn thất nước.

64

Hình 2-42. Công trình xả cát (kiểu ống xoáy) 2.5.4 Bể lắng cát

Bể lắng cát là loại kết cấu được bố trí trên hạ lưu kênh của công trình điều tiết đầu nước nhằm loại bỏ các bùn cát đáy mà các công trình xả cát hoặc cống xả cát truyền thống không thu giữ được. Chúng bao gồm một đoạn mở rộng của kênh, nơi mà vận tốc dòng chảy đủ chậm sao cho bùn cát mịn có thể lắng đọng trên đáy (xem hình 2­43). Bùn cát lắng đọng được loại bỏ thông qua các cống, tháo xả hoặc nạo vét.

Tiêu chuẩn thiết kế sau đây có thể được sử dụng để thiết kế bể lắng cát:

(2­27)

trong đó:

W là trọng lượng của bùn cát ra khỏi bể;

Wo là trọng lượng của bùn cát vào bể;

ws là độ thô thủy lực của hạt bùn cát;

q là lưu lượng đơn vị và x là chiều dài của bể lắng cát.

Thay thế:

(2­28) trong đó:

Ds là độ sâu của bể lắng cát;

V là lưu tốc trung bình của bể và c là hệ số an toàn (từ 1.5 đến 2).

Dựa vào phương trình cơ bản của dòng phân tán 2 chiều, chảy ổn định, đoạn lắng cát F tại khoảng cách x trong buồng lắng cát độ sâu y, có thể thu được (giả thiết phân tán đẳng hướng):

(2­29) trong đó: U* là lưu tốc trượt ở bể, xem [[4]: công thức (8.7).

Phương trình 2­29 cho ta kết quả hợp lý khi tính toán với mỗi đoạn lắng cát một cách độc lập nếu hàm lượng bùn cát là nhỏ.

65

Hình 2-43. Bố trí của bể lắng cát 2.5.5. Cống lấy nước vào các kênh nhỏ

1.Tổng quát

Kết cấu cửa lấy nước cho các kênh nhỏ thường được thiết kế để phân phối hài hoà lượng nước cung cấp tưới từ kênh cấp trên. Những kết cấu dạng này không đòi hỏi bất kỳ công trình điều tiết nào từ kênh cấp trên và hoạt động tự động mà không cần sự điều khiển bằng tay. Ngoại trừ đối với tuyến kiểm tra, chúng đòi hỏi rất ít duy tu bảo dưỡng (Mazumdar, 1983).

Tính linh hoạt của một cửa cống (F) là tỷ lệ của sự thay đổi phân số lưu lượng của cửa cống (dq/q) với sự thay đổi phân số lưu lượng của kênh cấp trên (dQ/Q).

Do đó:

, (2­30)

trong đó:q và Q là lưu lượng tương ứng của cửa cống và kênh cấp trên, xác định bởi:

(2­31a) (2­31b) H là cột nước tác dụng lên cửa cống và D là độ sâu nước trong kênh cấp trên (Hình 2.47).

Kết hợp phương trình (2­30) và (2­31), ta có:

66

(2­32a) Do dH=dD (sự thay đổi D dẫn tới sự thay tương ứng H), phương trình (2­32a) trở thành:

(2­32b) Do vậy, việc thiết kế một cửa cống tương thích (F=1) được chi phối bởi điều kiện:

(2­33) Hệ số H/D được gọi là hệ số hiệu chỉnh của cửa cống.

Đối với một cửa cống tương thích kiểu ống hoặc kiểu lỗ (m=1/2) từ kênh hình thang (n  5/3), hệ số hiệu chỉnh H/D là 0.3, trong khi đó hệ số hiệu chỉnh của cửa cống tương thích kiểu kênh hở (kiểu Crump, m=3/2) là 0.9.

2.Phân loại cửa cống

a.Cống lấy nước lưu lượng không cố định (phụ thuộc mực nước thượng hạ lưu)

Đây là loại cống lấy nước mà lưu lượng phụ thuộc vào mực nước thay đổi (H) giữa mực nước trong kênh phân phối (cấp) và kênh nhánh (kênh đồng). Cống lấy nước kiểu ống ngập (hình 2­44), hoặc kiểu lỗ là một ví dụ phổ biến nhất của dạng này. Về cống lấy nước kiểu ống trong hình 2­44, nghiệm dòng chảy trong ống truyền thống sẽ cho ta lưu lượng của cống, chẳng hạn như chu trình lặp kết hợp giữa phương trình Darcy­Weisbach và Colebrook­White.

Hình 2-44. Cửa ra đường ống bị ngập (kiểu lưu lượng không cố định) b.Cống lấy nước linh hoạt hoặc có lưu lượng bán cố định

Lưu lượng qua kiểu cống này chỉ bị ảnh hưởng duy nhất bởi sự thay đổi mực nước trong kênh phân phối. Một cống lấy nước dạng xả tự do, dạng kênh hở và kiểu lỗ có thể điều chỉnh là các loại phổ biến của cống lấy nước có lưu lượng bán cố định (linh hoạt). Khi lưu lượng qua cống lấy nước dạng này là độc lập với mực nước trong kênh phía đồng thì sự can thiệp của người dân là nhỏ nhất. Cống lấy nước kiểu ống thường được xây dựng với hệ số F<1, sao cho sự thay đổi lưu lượng cống bởi một tỷ lệ phần trăm nhỏ hơn so với sự thay đổi lưu lượng trong kênh phân phối.

Cống lấy nước kiểu kênh hở được thể hiện ở hình 2­45. Cửa vào được thiết kế sao cho máng lấy một phần bùn cát. Lưu lượng qua kiểu cống lấy nước dạng này được xác định bởi:

, (2­34)

trong đó:

b ­ chiều rộng đoạn thắt (m);

67 H ­ cột nước trên đỉnh (m);

C ­ hệ số lưu lượng, C=1.71 (về mặt lý thuyết C=0.544g1/2, biến thiên thực tế từ 1.60 đến 1.66). Loại cống lấy nước giữ lưu lượng bán cố định kiểu lỗ có thể điều chỉnh (AOSM) bao gồm một lỗ nối với máng hạ lưu mở rộng dần, được thể hiện trong hình 2­46. Loại cống này được sử dụng phổ biến nhất ở tiểu lục địa Ấn Độ, và được xem xét là một trong kiểu mẫu cống lấy nước hay nhất.

Hình 2-45. Cửa ra cống lấy nước dạng kênh hở (Ấn Độ và Pakistan) c.Cống lấy nước lưu lượng cố định

Kiểu cống lấy nước này (mô hình bất biến hay cứng) phân chia thành lưu lượng không đổi trong phạm vi giới hạn nhất định, bất kể sự dao động mực nước nào trong kênh phân phối hoặc/và kênh đồng. Mô hình Gibb (hình 2­47) là một trong các loại cống lấy nước lưu lượng cố định. Trên mặt bằng chúng có khoang xoáy bán nguyệt, liên thông với cửa vào đường ống dâng cao. Dòng chảy xoáy cuộn tự do được phát triển trong cửa vào đường ống, do vậy tạo ra sự dâng cao mực nước tại chu vi phía ngoài của buồng xoáy (do Vr=hằng số đối với dòng chảy xoáy tự do). Năng lượng thừa của dòng chảy vào (do sự gia tăng đầu nước gây nên dòng chảy) được tiêu hao bởi các tường giảm cản đặt trên nền, do vậy lưu lượng không đổi khi cột nước có thay đổi trong phạm vi rộng. Cống lấy nước kiểu cứng Italia được thể hiện trên hình 2­48. Mô hình này bao gồm một ống măng sông (ống lồng) hình trụ với khe hở hình tròn (làm việc như đập tràn), nổi trong hình trụ cố định phía ngoài. Điều này nhằm đảm bảo cho cột nước ổn định, tạo nên dòng chảy qua khe hở, bất kể mực nước nào trong kênh phân phối (Water and Water Engineering, 1956). Kiểu lỗ Neyrpic của cống lấy nước mô hình cứng này (thiết kế kiểu Pháp) được thể hiện trên hình 2­49, tạo điều kiện thuận lợi cho mô phỏng lưu lượng gần như ổn định khi dao động mực nước trong phạm vi rộng trong kênh phân phối. Khi cột nước tăng thì sự thu hẹp của dòng tia cũng tăng, vì thế sự thu hẹp này sẽ bù trừ cho bất cứ sự tăng lên của lưu lượng xả tương ứng. Để giải quyết vấn đề nhiều loại dao động mực nước, người ta có thể sử dụng đến mô hình có tấm cản kép. Nếu mực nước dao động này dựa trên giới hạn có thể chịu được đối với dòng chảy cố định trong kênh tháo, thiết bị phụ như các cửa van thượng hạ lưu (Kraatz và Mahajan, 1975) phải được lắp đặt trên hệ thống phân phối.

68

Hình 2-46. Kết cấu giữ lưu lượng bán cố định kiểu lỗ có thể điều chỉnh (AOSM). Mặt bằng cửa ra để thích ứng với dạng kênh hở (hình 2-46), H/D=0.3 khi cửa xả tỷ lệ thuận

Hình 2-47. Kết cấu giữ lưu lượng không đổi cứng kiểu Gibb

69

Hình 2-48. Công trình điều tiết tự động (Kết cấu giữ lưu lượng không đổi cứng kiểu Italia)

Hình 2-49. Kết cấu giữ lưu lượng không đổi cứng kiểu lỗ (cửa ra dạng mố giảm sức đơn) Ví dụ thực hành 2.2

Thiết kế một kết cấu cửa lấy nước đối với kênh loại nhỏ sử dụng số liệu sau đây:

Kênh tưới Kênh nhánh

Thượng lưu Hạ lưu

Lưu lượng (m3/s) Cao độ đáy (AOD m) Cao độ đỉnh (m) Bề rộng đáy (m) Góc của kênh nhánh

4,0 120,00 120,96 8,0

3,5 119,94 120,84

7,0

0,5 119,86 120,36

2,0 600 Bài giải

Độ sâu mực nước thượng lưu D = 120.96­ 120.00 = 0.96 m. Độ sâu mực nước trong kênh tháo = 120.36­119.86 = 0.50m. Cột nước làm việc = 120.96­120.36 = 0.60m. Giải thiết tỷ số cửa lấy nước kênh hở (cửa ra), H/D = 0.9. Do đó cột nước trên đỉnh = 0.9D = 0.9x0.96 = 0.864 m.

Cao trình đỉnh = 120.96­0.864 = 120.096m (so với mặt chuẩn). Do giả thiết rằng cao trình đỉnh cao hơn cao trình đáy của kênh tháo. Từ công thức kênh, độ rộng co hẹp b = Q/CH3/2= 0.5/1.6 x 0.8643/2 = 0.39 m.

Chú ý rằng các giá trị C được sử dụng như sau:

Q

Góc kênh tháo,giá trị C

60° 45°

<0.55 1.60 1.61

70

0.55­1.5 1.61 1.63

Độ rộng của kênh tháo = 2.0 m. Do đó tỷ lệ kênh fr= 0.39/2 = 0.195.

Chiều dài đỉnh = 2H= 1.728 m; lấy 1.75 m.

Đối với bể lắng cát (bể chứa), công suất xả (giả thiết bằng 67% mở rộng):

q = 0.67 x 0.50/0.39 = 0.86 m3/s.

Cột nước làm việc:

h = 120.96­120.36 = 0.60m.

Độ sâu giới hạn:

hc= (q2/g)1/3 =0.42 m, và do đó

h/hc=0.60/0.42 = 1.43.

Đường năng không thứ nguyên giữa h/hc và E/hc cho ta mối quan hệ:

E/hc = h/hc + 1/2(hc/h)2 từ đó ta có E = 0.706 m,

Dẫn tới độ sâu của bể chứa dưới cao trình đáy của kênh tháo = E­ độ sâu mực nước ở kênh tháo = 0.206 m (độ sâu nhỏ nhất > 0.075 m).

Vì vậy cao trình bản đáy của bể chứa = 119.86 ­ 0.206 = 119.654m (so với mặt chuẩn).

Và dẫn tới độ sâu của đáy bể chứa dưới đỉnh d = 120.096­119.654 = 0.442m.

Chiều dài của sân hạ lưu = 2.5d= 1.10m.

Chiều dài của bể = độ sâu kênh tháo + cột nước làm việc = 1.10m.

CHIỀU DÀI MỞ RỘNG VỀ PHÍA HẠ LƯU 1.5 x (chiều rộng đáy kênh tháo – b) = 2.4m, hoặc Chiều dài đoạn sân sau + chiều dài bể = 2.20m, hoặc

Với một độ mở rộng tối thiểu bằng 1/10, chiều dài yêu cầu=fr/độ mở rộng = 1.95m.

Trong thiết kế thường lấy giá trị lớn nhất trong 3 giá trị trên, chẳng hạn là 2.4m.

Chiều sâu tường cừ hạ lưu phía dưới cao trình đáy bể là một nửa của chiều sâu dòng chảy trong kênh tháo = 0.25 m. Lấy giá trị độ sâu nhỏ nhất là 0.5 m.

Chiều sâu tường cừ thượng lưu bằng 1/3 của độ sâu dòng chảy FSL = 0.32 m. Lấy giá trị độ sâu nhỏ nhất là 0.5 m.

BẢO VỆ ĐÁY HẠ LƯU

Chiều dài bảo vệ = chiều sâu dòng chảy trong kênh tháo + cột nước làm việc = 1.10m.

Giả thiết bảo vệ mái hạ lưu bể bằng đá cuội sỏi khoảng độ dài 1 m và độ dày là 150 mm.