CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC KHÔNG ĐẬP

Công trình lấy nước không đập là công trình lấy nước đặt trực tiếp trên một bờ sông mà không cần đắp đập ngăn sông. Công trình lấy nước không đập thường được dùng rộng rãi trong các hệ thống thuỷ lợi phục vụ các nhu cầu dùng nước khác nhau (như tưới, phát điện, cấp nước sinh hoạt, cấp nước công nghiệp,v.v...). Dọc theo sông Hồng, chúng ta có rất nhiều công trình lấy nước không đập (chiếm tới 40% các công trình trên đê), trong đó có cống lấy nước Liên Mạc ­ Hà Nội (hình 2­1). Cống xây dựng năm 1941 với bề mặt rộng 18 mét được chia thành 5 cửa (trong đó có một cửa qua thuyền rộng). Nhiệm vụ của cống là lấy nước vào sông Nhuệ để tưới cho 6.100 ha với lưu lượng lớn nhất Qmax = 41m3/s.

Hình 2-1. Sơ đồ mặt bằng cống lấy nước Liên Mạc

1.Sông Hồng; 2. Sông Nhuệ; 3. Đê sông Hồng; 4. Bãi sông Hồng; 5. Cống Liên Mạc Công trình lấy nước không đập được dùng trong trường hợp lưu lượng và mực nước sông đảm bảo lấy đủ lượng nước yêu cầu vào kênh.

Công trình lấy nước không đập (có thể có hoặc không có cống) có kết cấu đơn giản, giá thấp, song chịu ảnh hưởng trực tiếp của dòng chảy tự nhiên, chất lượng nước lấy tương đối thấp, quản lý khai thác khó khăn, tốn kém.

25

2.2.2. Điều kiện làm việc của công trình lấy nước không đập 1. Cửa lấy nước ở đoạn sông cong

Dòng nước trong sông thường mang theo bùn cát, sự phân bố bùn cát trong sông phụ thuộc vào sự phân bố lưu tốc dòng chảy. Trên đoạn sông thẳng có độ dốc trung bình, tính chất đất đồng chất và tải với một lưu lượng nhất định thì mặt cắt ngang của lòng sông thường phát triển thành dạng cong đối xứng (mặt cắt I – I, hình 2­2): phương lưu tốc nói chung song song với trục sông và trị số lớn nhất của nó ở chỗ giữa sông, do đó tại giữa sông dòng chảy có sức chuyển bùn cát lớn nhất. Trong thiên nhiên, những đoạn sông thẳng rất ít chỉ chiếm khoảng 10 ­ 20% chiều dài sông, phần còn lại là những đoạn sông cong.

Hình 2-2. Hình thái một đoạn sông

1. Đoạn bồi cạn; 2. Vực; 2-1-2-1-2. Tuyến lạch; 3. Bãi bồi

Tại đoạn sông cong, hướng chảy luôn thay đổi và khối nước ở đoạn sông cong chịu tác động của lực ly tâm (hình 2­3). Lấy một khối nước đơn vị thì lực ly tâm là:

gR v H R

plt mv

2 2 . ..

 

 (2­1)

trong đó: m: khối lượng nước chuyển động ở vị trí uốn cong với lưu tốc v.

H: chiều cao cột nước có diện tích ngang đơn vị.

: dung trọng riêng của nước.

R: bán kính cong của khối nước tách ra.

g: gia tốc trọng trường.

: hệ số phân bố lưu tốc.

Có lực ly tâm, bên lõm nước dâng lên, bên lồi mực nước hạ xuống. Sự chênh lệch mực nước này tạo nên chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh là H.H, lực này cân bằng với lực ly tâm. Nghĩa là:

R g

V H

. . . .  2

 = .H.H 

gR H V

 2





26 Do đó độ dốc hướng ngang:

gR V 1

J H

2 y



 (2­2)



 

Hình 2-3. Sơ đồ dòng chảy ở đoạn sông cong

Phân bố của Ph như ở hình 2­3c, hợp với sự chênh lệch áp lực nước hình 2­3d ta có biểu đồ áp lực tổng hợp ở hình 2­3e. Từ 2­3e ta nhận thấy nước là chất lỏng khi chịu lực sẽ chuyển động và biểu đồ lưu tốc có dạng tương tự như biểu đồ phân bố lực: phía trên dòng chảy hướng sang bờ lõm, phía dưới dòng chảy xô sang bờ lồi. Nghĩa là xuất hiện dòng chảy vòng hướng ngang. Mặt khác có chảy dọc nên một chất điểm nước sẽ chuyển động theo hình xoáy trôn ốc.

Do có dòng chảy vòng, bờ lõm sẽ bị xói và bùn cát theo dòng chảy đáy mang sang bờ lồi.

Đặc điểm trên của dòng chảy trong đoạn sông cong chính là điều kiện làm việc của công trình lấy nước nếu được bố trí tại đoạn sông cong.

2. Cửa lấy nước ở đoạn sông thẳng

Đối với đoạn sông thẳng khi có cửa lấy nước đặt ở bờ, do trạng thái thuỷ lực của dòng sông thay đổi, trước cửa lấy nước phát sinh hiện tượng chảy vòng hướng ngang. Dòng chảy không gian trước cửa lấy nước hình thành các xoáy với trục nằm ở mép thượng lưu cửa lấy nước. Tại trục xoáy thường có áp lực thấp, lôi cuốn dòng đáy tới gây nên sự bồi lắng ở mép thượng lưu cửa lấy nước.

Điều đáng chú ý là phạm vi ảnh hưởng của dòng đáy vào cửa lấy nước lớn hơn phạm vi ảnh hưởng của dòng mặt (hình 2­4). Căn cứ vào kết quả thí nghiệm, giáo sư V.A.Saumian đã tìm được bề rộng của dòng chảy đáy Bđ và dòng chảy mặt Bm bị lôi cuốn vào cửa lấy nước khi góc lấy nước từ 30 ­ 900 là:













, 0,05)B 0,73(K

B

; 0,40)B 1,17(K

B

k m

k

d (2­3)

27 trong đó:

k s

q Kq

Bk ­ chiều rộng cửa lấy nước

qs ­ lưu lượng đơn vị dòng chảy trong sông qk ­ lưu lượng đơn vị dòng chảy trong kênh

Hình 2-4. Dòng chảy ở đoạn sông thẳng có cửa lấy nước.

Từ kết quả nghiên cứu nêu trên, ta thấy Bđ gần gấp đôi Bm, lượng bùn cát đáy vào kênh rất lớn, ví dụ nếu lấy từ 12%15% lưu lượng của sông vào kênh thì bùn cát đáy vào cửa lấy nước có thể tới 25%30% lượng bùn cát đáy của sông.

3. Cửa lấy nước ở đoạn sông có bờ không ổn định

Khi có công trình lấy nước ở bờ, dòng chảy vòng hướng ngang trong sông xuất hiện (với đoạn sông thẳng) hoặc phát triển mạnh hơn (với đoạn sông cong). Điều đó khuấy động bùn cát ở mép hạ lưu cửa lấy nước, chuyển một lượng bùn cát đáy sang bùn cát lơ lửng và theo dòng chảy vào kênh hoặc chuyển sang mép thượng lưu lắng đọng lại. Do đó nếu cửa lấy nước ở những đoạn sông nằm trong vùng đất yếu, cửa lấy nước sẽ bị biến dạng mạnh. Mép trên cửa lấy nước thường xuyên bị bồi lấp, còn mép dưới bị xói lở dần (hình 2­5). Kết quả cửa lấy nước không ngừng dịch chuyển về phía hạ lưu, đoạn kênh đầu bị uốn khúc gây bất lợi cho khả năng lấy nước của công trình và làm mất ổn định công trình lấy nước.

1. Vùng bồi lắng; 2. Vùng xói lở.

Hình 2­5. Cửa lấy nước ở bờ không ổn định.

28 4. Chọn vị trí đặt cửa lấy nước

Chọn vị trí đặt cửa lấy nước là công việc đầu tiên và quan trọng trong thiết kế công trình lấy nước. Từ đặc điểm làm việc và yêu cầu của công trình lấy nước không đập, thì tốt nhất đặt nó ở đoạn sông cong phía bờ lõm, nhưng ở vị trí nào là có lợi nhất? Chỗ sông bắt đầu cong có cường độ chảy vòng nhỏ, sau tăng dần, đến chỗ nước sâu nhất (vực) của đoạn sông cong thì cường độ chảy vòng lớn nhất. Tại đây bùn cát bị khuấy động mạnh. Từ đó trở về sau, cường độ dòng chảy vòng yếu dần. Do đó, không nên đặt cửa lấy nước ở chỗ có cường độ dòng chảy vòng lớn nhất mà nên bố trí lui về phía hạ lưu một đoạn để hạn chế bùn cát có hại vào kênh, nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu nước lấy.

Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề vị trí đặt cửa lấy nước như: Farg, M.V Pôtapốp, S.T.Altunhin v.v... nhưng hoàn chỉnh nhất là công trình nghiên cứu của giáo sư N.F. Danhêliia.

Theo kết quả nghiên cứu của N.F.Danheliia, vị trí đặt cửa lấy nước được xác định như sau:

+ Mép thượng lưu (điểm 3) của cửa lấy nước (hình 2­6a) là giao của tiếp tuyến bờ lồi với bờ lõm ứng với vết lũ có tần suất p = 1%5%.

+ Độ dài đoạn cong L2 3 xác định theo công thức:

180 R cos r ar . R .



3

-

L2

(2.4)

 

Hình 2­6. Chọn vị trí đặt cửa lấy nước theo N.F.Danhêliia

+ Khi lấy nước chính diện (hình 2­6b) cửa vào bố trí thẳng góc với hướng bán kính 3 ­ 0.

Góc lấy nước  là góc hợp bởi phương dòng chảy trong sông và phương dòng chảy vào cửa lấy nước. Góc lấy nước có ảnh hưởng đến lưu lượng lấy nước trong kênh, ảnh hưởng đến bùn cát vào kênh, nói chung tốt nhất chọn  = 150300. Sơ bộ có thể xác định  theo công thức:

k s

V

cos   V , (2­5)

trong đó: Vs ­ lưu tốc dòng chảy trong sông.

Vk ­ lưu tốc dòng chảy vào cửa lấy nước.

29

Ngoài những điều kiện trên, cửa lấy nước cần bố trí trên đoạn sông có điều kiện địa chất ở bờ tốt và có dòng sông ổn định. Nếu không thoả mãn các yêu cầu đó cần tiến hành chỉnh trị lòng sông đảm bảo cửa lấy nước không bị xói lở, không bị bồi lấp và cũng không hình thành các bãi cát trong đoạn sông có cửa lấy nước.

2.2.3. Các hình thức bố trí công trình lấy nước không đập 1. Lấy nước bên cạnh

Lấy nước bên cạnh (hình 2­7) được sử dụng khi mực nước sông đủ đảm bảo yêu cầu dẫn nước vào kênh và lưu lượng lấy vào kênh không vượt quá 20% lưu lượng nước trong sông. Có hai loại hình thức lấy nước bên cạnh là không có cống và có cống.

a. Hình thức lấy nước bên cạnh không có cống (hình 2-7a, b):

Đây là hình thức đơn giản nhất, nó chỉ có một kênh dẫn nước từ sông đến khu dùng nước.

Nhược điểm cơ bản nhất của loại này là không khống chế được lưu lượng lấy, đầu kênh bị bùn cát bồi lắng nhanh, lòng sông bị biến dạng và đầu kênh thường bị dịch chuyển xuống hạ lưu (hình 2­

5). Để khắc phục một phần nhược điểm đó người ta có thể làm nhiều cửa kênh lấy nước. Loại này có thể khống chế phần nào lưu lượng lấy bằng cách khi có lũ chỉ cho một cửa làm việc, các cửa khác đắp lại, khi lũ xuống tuỳ yêu cầu lấy nước ta có thể khơi thêm một hoặc tất cả các cửa đã bị đắp khi có lũ, ngoài ra còn có thể luân phiên nạo vét bùn cát và sửa chữa cửa lấy nước.





Hình 2-7. Sơ đồ các hình thức lấy nước bên cạnh không đập 1. Kênh lấy nước; 2. Kênh xả; 3. Cống; 4. Bể lắng cát kết hợp kênh dẫn;

5. Cống luồn; 6. Cầu máng hoặc ống dẫn nước.

b. Hình thức lấy nước bên cạnh có cống:

Lấy nước có cống là hình thức tương đối hoàn thiện khống chế lưu lượng vào kênh theo đúng yêu cầu. Hình 2­7c biểu thị cống đặt ở bờ sông. Hình 2­7d biểu thị cống cách bờ sông một đoạn.

30

Để hạn chế bùn cát vào kênh, thường đặt cống xa bờ sông 12km. Đoạn kênh dẫn vào kết hợp làm bể lắng cát, thường làm từ 3 đến 4 bể (hình 2­7e). Trong thời gian lũ chỉ cho một bể làm việc, khi mực nước sông thấp các bể còn lại làm việc, còn bể đầu tiên nghỉ để nạo vét. Sơ đồ hình (2­7e) là do V.V.Saumian đề nghị, nó gồm một số kênh kết hợp bể lắng cát dẫn nước đến một cống. Hình (2­8) biểu thị các kết cấu cống lấy nước của sơ đồ này.

Ưu điểm của sơ đồ này là phần lớn bùn cát được xói xuống sông bằng phương pháp thuỷ lực, hạn chế được nhiều bùn cát có hại vào kênh lấy nước, tuy nhiên khi nước sông lên cao thì việc tháo xả bùn cát gặp khó khăn.

Sơ đồ hình (2­7g) có 3 đoạn kênh dẫn kết hợp 3 bể lắng cát đưa nước vào các nút A, B, C tại mỗi nút là một cặp cống hở, trong đó một cống để lấy nước, một cống để xả cát. Mặt bằng và mặt trước của nút A và C được biểu thị trên hình 2­9. Tại nút A và C thì cống xả nằm bên phải, cống lấy nước nằm bên trái, tại nút B thì ngược lại.

Sơ đồ này có ưu điểm của sơ đồ 2­7e ngoài ra do cống xả cát hở nên tổn thất cột nước bé hơn, tăng được hiệu quả xói bùn cát.

Hình 2-8.Sơ đồ bố trí cửa lấy nước kiểu Saumiau

1, 2, 3. Kênh dẫn kết hợp bể lắng cát; 4. Kênh lấy nước; 5. Cống xả cát; 6. Kênh xả cát.

Hình 2-9. Mặt bằng (a) và chính diện (b) tại nút A và C.

1.Kênh lấy nước; 2. Kênh xả cát

31

Sơ đồ hình 2­7h cũng gồm 3 đoạn kênh dẫn kết hợp 3 bể lắng cát đưa nước vào các nút D, E, F. Tại các nút D, F gồm một cống lấy nước hở phía trái, một cống xả cát kín ở phía phải và một máng chuyển nước trên cống xả cát đưa nước từ F và E vào kênh chính. Hình 2­10 biểu thị các công trình tại nút D.

Cống lấy nước có thể có một hoặc nhiều khoang tuỳ yêu cầu dùng nước, điều kiện thuỷ lực cống và kích thước cửa van. Nếu cống chỉ có một khoang thì khi xảy ra sự cố cửa van hoặc máy đóng mở cũng làm cho hệ thống ngừng làm việc. Nếu cống có hai khoang, trong mùa lũ có thể chỉ có một khoang làm việc và như vậy sẽ hình thành dòng xiên trong kênh, không có lợi cho ổn định bờ và lòng kênh. Vì vậy cống lấy nước nên làm ba khoang hoặc nhiều hơn.

Hình 2-10. Mặt bằng, mặt chính và mặt cắt của các công trình tại nút D.

Hình 2-11. Mặt cắt dọc cống lấy nước.

Để chống bùn cát có hại vào kênh, ngoài việc chỉnh trị lòng sông, cống cũng phải có những kết cấu thích hợp. Ví dụ trước cửa van lấy nước làm thêm một hàng phai (hình 2­11).

32

Trong thời kỳ lũ do mực nước sông cao để lấy được lưu lượng yêu cầu ta chỉ cần mở cửa van với một độ mở nào đó và nước được lấy là các lớp nước đáy mang nhiều bùn cát thô. Để khắc phục hiện tượng đó, người ta thả một số phai chắn dòng đáy và lấy lớp nước phía trên có chất lượng tốt hơn vào kênh (hình 2­11).

Để gạt dòng đáy ra khỏi cửa lấy nước, tăng chất lượng nước lấy, giảm bồi lắng trước cửa lấy nước và trong kênh, ta có thể làm ngưỡng kiểu công son tại chỗ tiếp giáp giữa sân trước của cống và bờ sông (hình 2­12). Biện pháp này rất phù hợp khi cống lấy nước đặt ở chỗ sông cong, nó tăng cường độ của dòng chảy vòng, gạt mạnh dòng đáy sang bờ đối diện và đưa dòng mặt vào cửa lấy nước.

Hiện nay trong thiết kế chưa xét được đầy đủ ảnh hưởng của bản thân công trình đến sự thay đổi trạng thái của sông. Bởi vậy, khi thiết kế các công trình lấy nước lớn, chúng ta phải kiểm tra sự làm việc của nó trên mô hình để có thể sửa chữa các kết cấu của cống cho gần phù hợp với điều kiện thực tế của công trình.

Hình 2-12. Cống lấy nước đặt ở bờ sông có ngưỡng ngăn cát

Hình thức lấy nước không đập bên cạnh có ưu điểm: đơn giản, khi lưu lượng yêu cầu nhỏ thì kinh tế. Tuy nhiên nó có những nhược điểm:

­ Lưu lượng lấy được nhỏ (không vượt quá 20% lưu lượng tự nhiên trong sông).

­ Lượng bùn cát bồi lắng nhiều trước cửa lấy nước.

­ Hạn chế khả năng điều chỉnh lưu lượng lấy vào kênh do mực nước sông thay đổi nhiều.

­ Cửa lấy nước có thể bị dịch chuyển làm công trình lấy nước kém ổn định. Phí tổn nạo vét kênh lớn.

Để khắc phục nhược điểm trên, có thể làm hệ thống lái dòng Potapốp, đặt cống lấy nước ở bờ lõm, làm ngưỡng vào cống, bố trí góc lấy nước hợp lý.

2. Lấy nước chính diện

Hình thức lấy nước chính diện không đập là hình thức lấy được lưu lượng lớn hơn so với hình thức lấy nước bên cạnh. Nó được dùng khi Qk lớn hơn 20% Qs nhưng không lớn hơn nhiều quá, mực nước sông không vượt quá cao so với mực nước yêu cầu.

Các hình thức kết cấu lấy nước chính diện cũng giống như hình thức lấy nước bên cạnh (hình 2­13) nhưng có thêm: xây tường hoặc đê quai để nâng mực nước thượng lưu và giảm bùn cát, bố trí tháo nước thừa dọc đê quai, xây thêm công trình tháo xả bùn cát. Chiều dài tường hoặc đê quai Lđ, chiều rộng b1 từ tường tới bờ được xác định, qua bề rộng kênh lấy nước b và theo công thức (2­6):

Lđ = (1,53)b (2­6)

33 b1 = 1,5b

So với lấy nước bên cạnh, lấy nước chính diện có những ưu điểm hơn và được dùng khi:

1. Mực nước sông thấp không đủ khả năng tự chảy vào cửa lấy nước đáp ứng yêu cầu dùng nước.

2. Lưu lượng cần lấy vào kênh Qk lớn hơn 15%20% lưu lượng trong sông Qs. 3. Cần giảm bớt bùn cát lắng đọng vào kênh.

Hình 2-13. Các hình thức lấy nước chính diện không đập.

1. Kênh dẫn; 2. Tường hoặc đê hướng dòng; 3. Đoạn sông dẫn;

4. Phần tháo nước; 5. Công trình xả cát; 6. Cửa cống; 7. Đê; 8. Ngưỡng ở đáy.

2.3. CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC CÓ ĐẬP 2.3.1. Khái niệm và điều kiện sử dụng

Lấy nước có đập là hình thức lấy nước đặt ở bờ sông phía thượng lưu đập chắn ngang lòng sông. Nó được dùng khi mực nước sông không cho phép lấy đủ lưu lượng yêu cầu bằng hình thức lấy nước không đập hoặc đủ để lấy nước không đập nhưng ta vẫn dùng lấy nước có đập khi:

1) Lấy nước theo hình thức có đập kinh tế hơn.

2) Cần lấy nước ở cả hai bờ và Qk khá lớn.

3) Cần đảm bảo giao thông thuỷ.

4) Ở nơi lấy nước, trên sông có thác ghềnh.

5) Cần nâng cao chất lượng lấy nước vào kênh

Hình (2­14) là sơ đồ lấy nước có đập ở công trình Thạch Nham xây dựng 2/1985, hoàn thành 5/1990. Đập Thạch Nham xây dựng trên sông Trà Khúc dâng nước tưới 50.000 ha của tỉnh Quảng Ngãi. Đập dâng tràn dạng Ô­phi­xê­rốp bằng bê tông, dài 200m, cao trình đỉnh tràn +19,50. Cụm cống bờ Nam có cống lấy nước (kiểu bên cạnh) 3 cửa với bxh = 2,85 x 3,0(m), cao