Lời nói đầu tcvn 9151: 2012 được chuyển đổi từ qp-tl-c-1-75

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG DƯỚI SÂU

Lời nói đầu

Tiêu chuẩn này được dùng để tính toán thủy lực cống dưới sâu cho các cấp công trình, trong các giai đoạn thiết kế.

Ngoài việc áp dụng tiêu chuẩn này, khi thiết kế cần vận dụng những kinh nghiệm khai thác và kết quả nghiên cứu của công trình tương tự.

Đối với những công trình cấp I và cấp II hoặc cấp thấp hơn nhưng phức tạp (không thể dùng các công thức thông thường để tính toán thủy lực) cần tiến hành thí nghiệm thủy lực mô hình.

CHÚ THÍCH: Khi nghiên cứu trạng thái dòng chảy trong cống, sự liên hiệp của dòng chảy sau cống với hạ lưu và tiêu năng cống, cần thực hiện với nhiều độ mở (lưu lượng) khác nhau.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 9147:2012 Công trình thủy lợi - Yêu cầu tính toán thủy lực đập tràn.

3. Thuật ngữ và định nghĩa

3.1. Cống dưới sâu (sluice)

Cống có cao độ trần cống tại cửa vào thấp hơn cao độ mực nước thượng lưu (H  1,5h), trong đó:

H là chiều sâu nước thượng lưu, tính đến ngưỡng cống;

h là chiều cao cống tại cuối đầu vào (các ký hiệu được biểu thị trên Hình 1).

CHÚ THÍCH:

1) Khi nói “cống” có thể hiểu là cống lấy nước hoặc tháo nước.

2) Cống dưới sâu được chia thành các phần hoặc đoạn theo Hình 1 và những tên gọi được quy định tại 3.1 đến 3.8.

3) Ngoài chiều sâu nước thượng lưu H và chiều cao cống tại cuối đầu vào h, độ ngập ở cửa vào còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác như: hình dạng và kích thước phần vào (3.2), cửa vào, cửa ra, chế độ liên hiệp thượng hạ lưu... do đó nếu chỉ quy định như trên thì chưa đầy đủ và thiếu chính xác. Để được đầy đủ và chính xác cần tiến hành thí nghiệm xác định độ ngập ở cửa vào.

Phần bố trí các kết cấu (tường biên, tường dẫn dòng v.v...) trước cửa vào (phần 1, Hình 1).

Đoạn từ cửa vào đến mặt cắt bình thường, thường là đoạn ống thu hẹp dần (phần 2, Hình 1).

Đoạn từ đầu vào đến buồng cửa van (phần 3, Hình 1).

Phần bố trí cửa van, tường ngăn và phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt phần bố trí cửa van (phần 4, Hình 1).

Đoạn từ buồng cửa van đến đầu ra (phần 5, Hình 1).

Phần chuyển tiếp từ mặt cắt bình thường đến mặt cắt ra (phần 6, Hình 1). Đầu ra có thể là đoạn ống mở rộng hoặc thu hẹp theo chiều dòng chảy.

Phần nối tiếp giữa cống với hạ lưu (phần 7, Hình 1). Phần này có thể là đoạn kênh chuyển tiếp, kết cấu tiêu năng, mũi phun v.v...

CHÚ THÍCH: Trong những công trình cụ thể, các phần và đoạn riêng của cống có thể không có hoặc kết hợp. Ví dụ, khi cửa van bố trí ở cuối đầu vào thì không có đoạn vào; khi cửa van đặt tại cửa ra, công trình không có đoạn ra; trường hợp cửa ra không mở rộng hoặc thu hẹp, cổng không có đầu ra v.v...

3.9. Khí hóa (Gasify)

Hiện tượng xuất hiện hàng loạt các bong bóng chứa khí và hơi trong lòng chất lòng khi ở đó có nhiệt độ bình thường, nhưng áp suất bị giảm xuống dưới một trị số giới hạn gọi là áp suất phân giới.

Áp suất hóa hơi.

3.11. Khí thực (Cavitation)

Hiện tượng tróc rỗ, phá hoại xâm thực bề mặt vật liệu lòng dẫn do khí hóa đủ mạnh và tác động trong một thời gian đủ dài.

3.12. Hệ số khí hóa K (Coefficient of gasify)

Đại lượng dùng để biểu thị mức độ mạnh yếu của khí hóa trong nước.

3.13. Vật chảy bao

Vật rắn có mặt ngoài (hay một phần của mặt ngoài) tiếp xúc với dòng nước chảy.

3.14. Hàm khí

Hiện tượng trong chất lỏng có chứa một thể tích không khí nhất định, không khí chứa trong chất lỏng có thể là khí hòa tan tự nhiên hoặc khí bị hút vào dòng chảy từ mặt thoáng khi dòng chảy có lưu tốc lớn hoặc không khí được đưa vào dòng chảy thông qua các bộ phận tiếp khí.

3.15. Cột nước phục hồi

Hiệu số giữa cao độ mực nước hạ lưu và cao độ mực nước trực tiếp sau cửa ra.

4. Ký hiệu

b là chiều rộng cống, tính bằng mét (m);

c là hệ số Sedi;

e là độ mở cửa van tuyệt đối, tính bằng mét (m);

Fr là số Froude;

h là chiều cao cống, tính bằng mét (m);

h₂ là chiều sâu liên hiệp với chiều sâu thu hẹp h_c, tính bằng mét (m);

h_c là chiều sâu tại mặt cắt co hẹp, tính bằng mét (m);

h_k là độ sâu phân giới, tính bằng mét (m);

hr là chiều sâu mực nước tại cửa ra, tính bằng mét (m);

H là chiều sâu mực nước thượng lưu tính đến ngưỡng cống, tính bằng mét (m);

H_DT là cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy bao quanh công trình hay bộ phận đang xét, tính bằng mét (m);

g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s²;

K là hệ số khí hóa;

K_pg là hệ số khí hóa phân giới;

L là chiều dài cống, tính bằng mét (m);

Q là lưu lượng qua cống, tính bằng mét khối trên giây (m³/s);

Q_a là lưu lượng không khí, tính bằng mét khối trên giây (m³/s);

Q_ac là lưu lượng do tự hàm khí trên mặt thoáng dòng chảy, tính bằng mét khối trên giây (m³/s);

Q_ax là lưu lượng không khí bị hút vào cống do nước nhảy, tính bằng mét khối trên giây (m³/s);

R là bán kính thủy lực, tính bằng mét (m);

t là chiều sâu mực nước hạ lưu, tính bằng mét (m);

V là lưu tốc bình quân tại mặt cắt cuối đầu vào, tính bằng mét trên giây (m/s);

V_c là lưu tốc bình quân tại mặt cắt co hẹp, tính bằng mét trên giây (m/s);

V_DT là lưu tốc (trị số trung bình thời gian) đặc trưng của dỏng chảy bao quanh công trình hay bộ phận đang xét, tính bằng mét trên giây (m/s);

Z là cột nước tác dụng của cống, tính bằng mét (m);

Z_v là chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu với cao trình trần cống tại mặt cắt cuối đầu vào, tính bằng mét (m);

Z_ph là cột nước phục hồi, tính bằng mét (m);

 là hệ số động lượng;

_r là diện tích mặt cắt tại cửa ra, tính bằng mét vuông (m²);

 là hệ số lưu lượng của cống;

_k là hệ số lưu lượng của ống dẫn khí;

_c là hệ số vận tốc tại mặt cắt co hẹp;

 là trọng lượng riêng của nước, tính bằng kilôgam trên mét khối (kg/m³).

5. Những yêu cầu kỹ thuật trong việc tính toán thủy lực cống dưới sâu

5.1. Khả năng tháo của cống dưới sâu phải phù hợp với mục tiêu và nhiệm vụ của cống.

5.2. Cống dưới sâu cùng với các công trình khác (công trình xả mặt, âu thuyền, nhà máy thủy điện v.v...) phải đảm bảo được lưu lượng tính toán với mức nước thượng lưu đã định.

5.3. Cống dưới sâu cần bảo đảm tháo cạn nước hồ trong thời gian quy định của thiết kế. Khi tháo cạn nước hồ cần lợi dụng chức năng tháo của các công trình khác (công trình xả mặt, âu thuyền, nhà máy thủy điện v.v...). Nếu xây dựng công trình xả chuyên để tháo cạn nước hồ cần phải có luận chứng về kinh tế và kỹ thuật.

5.4. Khi dòng chảy có bùn cát cần nghiên cứu biện pháp xả cát qua cống.

5.5. Vị trí, kích thước và số lượng công trình xả phụ thuộc cơ bản vào các yếu tố sau:

- Thành phần, kết cấu và nhiệm vụ công trình;

- Các thiết bị cơ khí;

- Điều kiện địa hình, địa chất;

- Lưu lượng và cột nước tính toán;

- Điều kiện thi công, khả năng kết hợp giữa các chức năng của công trình xả lũ thi công và

khai thác;

- Điều kiện thủy lực của công trình (chế độ dòng chảy trong cống, liên hiệp thượng hạ lưu, tiêu năng v.v...);

- Điều kiện vận hành của công trình.

CHÚ THÍCH: Kích thước của cửa cống khi có cửa van cần xác định với trường hợp mực nước thấp nhất cống mở hoàn toàn có thể lấy đủ lưu lượng thiết kế.

- Các ống có hoặc không có lớp bọc nằm trong thân đập;

- Các ống bê tông cốt thép nằm trong thân đập bê tông cốt thép;

- Các ống bê tông cốt thép đặt ở nền đập vật liệu địa phương;

- Các ống kim loại nằm tự do trong hành lang bê tông hoặc bê tông cốt thép.

5.9. Các kiểu bọc của ống xả có thể như sau:

- Trát hoặc phun vữa xi măng vào mặt trong của ống có cốt thép hoặc trong trường hợp đặc biệt không có cốt thép, sau đó tiếp tục làm nhẵn bề mặt;

- Những tấm bê tông cốt thép và các khe nối, nối liền các tấm với nhau;

- Những lớp áo có độ cứng đặc biệt bằng bê tông mác cao, bê tông vỏ kim loại, bê tông và bê tông cốt thép theo phương pháp chân không v.v...

- Trong trường hợp đặc biệt - lớp áo kim loại có dạng ống.

CHÚ THÍCH: Trong trường hợp đặc biệt, trên cơ sở luận chứng đầy đủ về kinh tế và kỹ thuật có thể dùng các lớp bọc khác nhau như đá tốt, các tấm gang v.v...

Khi cột áp trong ống nhỏ hơn 30 m và thỏa mãn các điều kiện kể trên có thể không cần làm lớp bọc.

Khi cột áp trong ống từ 30 m đến 50 m nên làm lớp bọc. Vấn đề chống thấm của lớp bọc giải quyết theo từng điều kiện làm việc của công trình.

Khi cột áp trong ống từ 50 m đến 100 m hoặc cống kết hợp với nhà máy của trạm thủy điện thì bất kỳ cột nước nào cũng phải làm lớp bọc bằng bê tông thủy công chống thám mác “B8” hoặc đổ bê tông bằng phương pháp chân không.

Khi cột áp trong ống lớn hơn 100 m hoặc với tổ hợp bất lợi nhất của áp suất (chân không) và vận tốc thì kết cấu và kiểu bọc cần được lựa chọn trên cơ sở nghiên cứu có xét đến điều kiện thực tế.

CHÚ THÍCH: Trường hợp ở phía mặt chịu áp lực của đập có lớp bê tông chống thấm hoặc bê tông có chất lượng cao, có thể làm thêm lớp bọc của công trình xả bằng ngay loại bê-tông đó.

Mặt cắt của buồng cửa van có thể không đổi hoặc biến đổi theo diện tích.

Buồng cửa van gồm phần bố trí cửa van và phần chuyển tiếp. Chiều dài của phần bố trí cửa van xác định theo số lượng và cách bố trí cửa dự trữ, cửa sửa chữa và phụ thuộc vào chiều rộng khe cửa van, khoảng cách cho phép nhỏ nhất giữa các khe cửa theo điều kiện bố trí các thiết bị cơ khí, quan sát và sửa chữa cửa van chính (công tác).

Chiều dài đoạn chuyển tiếp phụ thuộc vào sự biến đổi hình dạng và kích thước trong phạm vi phần này hoặc phụ thuộc vào góc mở rộng cho phép (xem Bảng 1).

trong đó _i, _i, Z_i là hệ số lưu lượng, diện tích mặt cắt ngang và độ ngập của trên buồng cửa van dưới mực nước thượng lưu tại mặt cắt thứ i xác định theo 7.3 và 7.4.

CHÚ THÍCH:

1. Khi độ chân không trong buồng cửa van lớn, không nên làm buồng cửa van theo kiểu mở rộng.

2. Trong buồng cửa van có phần mở rộng thì góc mở rộng không được lớn hơn những trị số ghi trong Bảng 1.

Bảng 1 - Góc mở rộng giới hạn trong buồng cửa van

Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt nhỏ nhất (m/s)		25	40	60
Góc tâm giới hạn của đoạn mở rộng trục thẳng	Mở rộng phẳng	4°30’	2°	1°
	Mở rộng không gian	2°15'	1°	0°30’

5.14. Khi thiết kế buồng cửa van cần đánh giá tính chất nguy hiểm do hiện tượng xâm thực trên các cấu kiện của buồng và trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm đề ra các biện pháp khắc phục sự hư hỏng do hiện tượng này gây ra.

5.15. Để có thể quan sát và sửa chữa, chiều cao và chiều rộng của mặt cắt cống không nhỏ hơn 1,6 m và 1,2 m. Khi không thực hiện theo đúng quy định này cần phân tích kỹ trong từng điều kiện cụ thể.

5.16. Độ dốc của đáy cống dài khi cần tháo cạn nước trong cống không được nhỏ hơn 0,001.

5.17. Trường hợp trước cửa vào của cống có bố trí lưới chắn rác, tùy theo điều kiện vớt rác thủ công hay bằng máy nên khống chế vận tốc trước lưới từ 0,5 m/s đến 1,0 m/s.

6. Các thiết bị chính của cống

6.1. Cống dưới sâu có thể có những thiết bị chủ yếu sau đây:

6.1.1. Cửa van chính dùng để ngăn nước khi cống không làm việc và điều tiết lưu lượng khi cần thiết. Theo điều kiện làm việc, cửa van chính được chia thành hai loại: cửa van điều tiết lưu lượng và cửa van không điều tiết lưu lượng. Cửa van điều tiết lưu lượng làm việc ở độ mở bất kỳ còn cửa van không điều tiết lưu lượng chỉ làm việc khi đóng hoặc mở hoàn toàn.

6.1.2. Cửa van dự trữ dùng để đóng cống trong trường hợp có sự cố khi thi công hoặc khai thác: Có thể dùng cánh cửa dự trữ để đóng cống trong thời gian sửa chữa cửa van chính hoặc cống (trong trường hợp này gọi là cánh cửa dự trữ - sửa chữa).

6.1.3. Cánh cửa sửa chữa dùng để đóng cống trong thời gian sửa chữa. Trong thực tế thường dùng cánh cửa dự trữ - sửa chữa.

6.1.4. Lưới chắn rác dùng để ngăn rác và các vật nổi tương đối lớn bị dòng chảy cuốn vào cống.

6.1.5. Các thiết bị cơ khí đóng, mở cửa và lưới chắn rác.

6.2. Kiểu cánh cửa được quyết định bởi kích thước và kết cấu cống, đại lượng cột nước trước cánh cửa và yêu cầu khai thác.

Khi so sánh kinh tế và kỹ thuật các phương án cần xét:

- Điều kiện thủy lực của cửa van, khả năng phát sinh hiện tượng khí thực và rung động;

- Đặc điểm tăng mức nước thượng lưu khi có lũ và tốc độ mở cửa cần thiết lúc đó;

- Điều kiện tiêu năng của dòng nước chảy qua cống;

- Khả năng kết hợp những công trình xả lũ thi công và khai thác;

- Điều kiện bố trí các thiết bị đóng mở, quan sát và sửa chữa;

- Điều kiện sửa chữa và làm kín nước cửa van.

CHÚ THÍCH: Khi lựa chọn kiểu cửa van cần dựa vào những đặc tính công tác và các đặc trưng thủy lực của các loại cánh cửa dưới sâu ghi trong Phụ lục A và B.

6.3. Cột nước tác dụng lên cửa van ảnh hưởng tới các đặc trưng thủy lực và tải trọng tác dụng lên cửa do đó khi xác định kích thước cửa và lực nâng cần chú ý tới đại lượng này.

6.4. Khi chọn kiểu cửa van và vị trí cửa trong cống cần theo các quy định sau:

6.4.1. Khi diện tích cửa lớn hơn 20 m², theo thứ tự hợp lý dùng cửa cung hoặc phẳng.

6.4.2. Khi diện tích cửa từ 8 m² đến 20 m² theo thứ tự hợp lý dùng cửa cung, cửa phẳng, van kim hoặc van hình nón (đặt ở phần cuối ống).

6.4.3. Khi diện tích cửa nhỏ hơn 8 m² có thể dùng tất cả các loại cửa dưới sâu. Nếu bố trí cửa ở phần cuối cống, có thể dùng van kim hoặc van hình nón.

6.4.4. Khi bố trí cửa ở cuối cống có thể loại trừ được hiện tượng chân không trong cống, dễ dàng quan sát và sửa chữa cửa v.v... Song, trong trường hợp này, đoạn ống trước cửa van luôn chịu tác dụng của áp lực nước và điều kiện liên hiệp thượng hạ lưu cống sẽ xấu hơn so với trường hợp bố trí cửa ở cuối đầu vào hoặc đoạn vào.

6.4.5. Khi thiết kế cống có cửa đặt ở cuối đầu vào hoặc đoạn vào, cột nước lớn, cần thay đổi dần dần mặt cắt của cống trong phạm vi gần cửa để bảo đảm chế độ chảy không áp ổn định và đưa không khí vào trong cống. Trong trường hợp này cần nghiên cứu lớp bọc mặt trong của ống tại khu vực sau cửa, hình dạng các khe van, mép dưới cửa van và ngưỡng để tạo ra các chế độ thủy lực tốt ở sau cửa.

6.4.6. Nếu chuyển động của nước ở sau cửa van là chuyển động có áp thì tốt nhất nên dùng các loại cửa van không cần khe van và giảm diện tích mặt cắt ra. Khi giảm diện tích mặt cắt ra, khả năng tháo của cống sẽ giảm do đó cần phải luận chứng kinh tế.