TIÊu chuẩn ngành 14tcn 57: 1988

THIẾT KẾ DẪN DÒNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

- Dẫn dòng thi công là dẫn dòng chảy trong sông theo một phần của lòng sông thiên nhiên hoặc theo một đường dẫn nhân tạo khác, nhằm mục đích tạo hố móng được cách ly với dòng chảy để thi công các công trình thủy công trong đó.

- Ngăn dòng là chặn dòng chảy trong một lòng dẫn, tại một tuyến nào đó, buộc dòng chảy phải chuyển sang một lòng dẫn khác đã được chuẩn bị trước. Ngăn dòng gồm 2 giai đoạn: một là thu hẹp lòng dẫn cho đến khi chỉ còn để lại một đoạn đã được tính toán dự kiến trước gọi là cửa hạp long và hai là chậm dòng ở cửa hạp long.

Dẫn dòng thi công có thể được thực hiện bằng cách dùng các đê quây để thu hẹp lòng sông hoặc bằng cách ngăn hẳn lòng dẫn, bắt dòng chảy đi qua một đường dẫn khác (kênh, tuynen, đập tràn, cống …) đã được chuẩn bị trước. Phải hiểu công tác dẫn dòng bao gồm cả công tác ngăn dòng.

Ngăn dòng là giai đoạn thi công phức tạp nhất của quá trình dẫn dòng thi công. Trong quá trình ngăn dòng, do dòng chảy bị thu hẹp dần, mức nước ở thượng lưu sẽ tăng dần và nước ở dòng dẫn cũ sẽ chuyển đến sang lòng dẫn mới và sẽ chuyển hoàn toàn sang lòng dẫn này khi hoàn thành chặn dòng ở cửa hạp long.

1.2. Các quy định chung

1.2.1. Thiết kế dẫn dòng thi công (gọi tắt là thiết kế dẫn dòng) là một trong những nội dung chủ yếu của thiết kế tổ chức xây dựng các công trình thủy công. Khi thiết kế bố trí các công trình đầu mối phải xét ngay tới các sơ đồ dẫn dòng bảo đảm làm sao việc dẫn dòng nói riêng và công tác xây dựng nói chung được tiến hành nhanh nhất, kinh phí nhỏ nhất; thi công dễ dàng nhất, an toàn nhất. Nếu phải dẫn dòng nhiều đợt trước khi quyết định cho đợt 1 phải xét vấn đề dẫn dòng cho các đợt tiếp theo, nhất là cho việc ngăn dòng và chặn dòng ở cửa hạp long ở đợt cuối cùng.

1.2.2. Quy trình này được sử dụng để thiết kế dẫn dòng thi công cho các công trình thủy lợi thủy điện các cấp. Riêng đối với các công trình cấp I và II nếu có những vấn đề phức tạp về thủy lực, địa chất, … cần kết hợp giữa tính toán và thí nghiệm mô hình.

1.2.3. Cấp công trình dẫn dòng và các tần suất lưu lượng khi dẫn dòng (cũng như khi ngăn dòng) lấy theo tiêu chuẩn “Các quy định chung về thiết kế các công trình thủy công”. Nếu muốn thay đổi phải có luận chứng riêng và kiến nghị thay đổi phải được Bộ thủy lợi đồng ý.

1.2.4. Khi tính toán ổn định và độ bền của các công trình dẫn dòng phải tuân theo các tiêu chuẩn, quy phạm, quy trình về thiết kế các công trình thủy công (đập đất, đập bê tông …) và thiết kế nền của chúng.

1.2.5. Khi thiết kế dẫn dòng thi công phải nghiên cứu các phương án khác nhau (nếu có) và trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn phương án hợp lý nhất.

2.1.1. Các tài liệu cơ bản để thiết kế dẫn dòng là:

- Các bản vẽ thiết kế các công trình thủy công có liên quan đến công tác dẫn dòng;

- Tài liệu thủy văn, địa hình, địa chất và địa chất thủy văn của khu vực có liên quan (vùng nước dâng ở thượng lưu mới bố trí công trình dẫn dòng, lòng dẫn nhân tạo …);

- Lực lượng thi công của công trường (nhân lực, các phương tiện vận chuyển, thiết bị máy móc thi công …);

- Tình hình sử dụng nước để phục vụ dân sinh và các ngành kinh tế quốc dân nhất là vấn đề vận tải thủy.

2.1.2. Tiến hành thiết kế dẫn dòng phải theo các bước sau:

- Tập hợp và nghiên cứu các tài liệu cơ bản;

- Đề xuất các phương án sơ đồ dẫn dòng bao gồm cả ngăn dòng, đồng thời loại bỏ các phương án rõ ràng bất hợp lý;

- Xác định tiến độ thi công dẫn dòng;

- Xác định cấp công trình dẫn dòng, tần suất lưu lượng thiết kế và lưu lượng thiết kế;

- Lựa chọn kết cấu các công trình dẫn dòng, tính toán ổn định của chúng và của lòng dẫn mới;

- Tính toán thủy lực dẫn dòng (từng đợt cho tới khi ngăn dòng ở đợt cuối cùng);

- Tính toán kinh tế và chọn phương án hợp lý nhất.

2.1.3. Thiết kế dẫn dòng phải đảm bảo các nguyên tắc sau:

- Thi công công trình chính được nhanh, kinh tế và an toàn, sớm phát huy hiệu quả;

- Tận dụng được vật liệu dễ kiếm và trang thiết bị sẵn có để thi công các công trình dẫn dòng;

- Ít ảnh hưởng tới tình trạng sử dụng dòng sông cũ về phương diện phục vụ các ngành kinh tế quốc dân và dân sinh.

2.1.4. Khi công trình chính đang xây dựng dở dang trong hố móng là công trình bằng bê tông, đá xây cho phép nước tràn ngập hố móng mà ít gây thiệt hại, ít ảnh hưởng đến tiến độ thi công thì có thể tăng tần suất lưu lượng lớn nhất tính toán mà đê quây phải chịu nhưng phải được cấp có thẩm quyền xét duyệt.

2.2. Các sơ đồ dẫn dòng và điều kiện áp dụng

2.2.1. Thường có các sơ đồ dẫn dòng sau:

- Đắp đê quây ngăn dòng một đợt (phương pháp toàn tuyến) (h.1a);

- Đắp đê quây ngăn dòng nhiều đợt (phương pháp phân đoạn) (h.1b);

2.2.2. Sơ đồ dẫn dòng một đợt thường áp dụng khi xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi thủy điện trong điều kiện lòng sông hẹp ở miền trung du, thượng du hoặc trên các đoạn sông cong cần cải tạo ở miền đồng bằng.

Công trình dẫn dòng thường dùng là kênh dẫn bên bờ (kênh xé) máng dẫn, cống dưới sâu, tràn tạm, tuy nen.

Hình 1: Sơ đồ dẫn dòng
Hình 1a: Sơ đồ ngăn dòng một đợt 1- Đê quây thượng lưu 2- Đê quây hạ lưu 3- Kênh dẫn dòng 4- Tuyến công trình chính	Hình 1b: Sơ đồ ngăn dòng nhiều đợt 1- Đê bao đợt I 2- Đê bao đợt II 3- Nhà máy thủy điện 4- Đập tràn nước

2.2.4. Kênh dẫn bên bờ được dùng khi xây dựng công trình đầu mối thủy lợi – thủy điện trên đoạn sông có bờ thoải và rộng, điều kiện địa hình, địa chất thuận lợi cho việc đào một con kênh dẫn lưu lượng thi công.

2.2.5. Cống dưới sâu, cống xả đáy được dùng làm công trình dẫn dòng khi xây dựng đập đất, đập đất đá, đập bê tông trên các sông suối nhỏ, lòng dẫn hẹp.

2.2.6. Tràn tạm được dùng làm công trình dẫn dòng khi xây dựng đập hồ chứa, đập dâng ở vùng núi, lợi dụng địa hình dáng yên ngựa có cao độ và bề rộng thích hợp để xả nước về hạ lưu. Trong trường hợp này cần chú ý bảo vệ an toàn vùng hạ lưu.

2.2.7. Tuynen được dùng làm công trình dẫn dòng trong điều kiện sông miền núi, lòng sông hẹp, vách đá dốc, lưu lượng sông lớn (vài chục đến vài trăm m³/s). Thông thường nên kết hợp sử dụng tuynen xả nước thi công để xả nước lũ trong thời gian vận hành.

Tuynen và lỗ xả sâu nhiều cấp được dùng để dẫn dòng thi công khi xây dựng các đập có cột nước cao.

Nếu đập có chiều cao đến 100m thường sử dụng tuynen 2 tầng (Hình 2).

2.2.8. Sơ đồ dẫn dòng nhiều đợt thường áp dụng khi xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi – thủy điện ở nơi địa hình lòng sông tương đối rộng, sông có lưu lượng và mực nước biến đổi lớn trong năm.

Dẫn dòng đợt I thường tháo nước qua lòng sông bị thu hẹp.

Dẫn dòng đợt II tháo nước qua công trình chính đã xây dựng trong hố móng đợt I: cống đáy, lỗ tháo sâu ống hút nhà máy thủy điện, đập tràn kiểu răng lược, đập tràn tạm và tuy nen.

a) Hai tầng tuy nen

b) Ba tầng hố tháo sâu

1- Tuy nen; 2- đập bê tông; 3- Đá quây; 4- Các lỗ tháo sâu.

2.2.9. Đập tràn bằng đá xây, bê tông, bê tông cốt thép được phép sử dụng để tháo nước theo kiểu cài răng lược để dẫn dòng thi công.

2.3. Các hình thức kết cấu đê quây

2.3.1. Đê quây có tác dụng thu hẹp lòng sông và bảo vệ hố móng thi công các công trình chính.

2.3.2. Đê quây bảo vệ hố móng bao gồm đê quây thượng lưu, đê quây dọc và đê quây hạ lưu.

2.3.3. Hình thức kết cấu của đê quây rất đa dạng, nhưng có thể phân loại như sau:

a) Theo điều kiện sử dụng vật liệu: đê quây bằng đất, đất đá, bản cừ gỗ, thép, liên cung, liên trụ, chuồng cũi gỗ, đá, bê tông, đá xây.

b) Theo phương pháp thi công: thi công trong nước, và thi công trên khô.

2.3.4. Chọn tuyến đê quây – khi bố trí đê quây phải đảm bảo yêu cầu sau:

- Chiều dài đê quây là nhỏ nhất;

- Diện tích hố móng được đê quây bảo vệ phải đủ rộng để thi công đào móng, bố trí hệ thống tiêu nước, đường lên xuống hố móng và đường thi công và phải bảo đảm thi công công trình chính an toàn. Theo kinh nghiệm lưu không kể từ mép ngoài rãnh tiêu nước đến chân đê quây phải lớn hơn hoặc bằng 8 ÷ 10m;

- Thuận dòng chảy.

2.3.6. Khi vận tốc dòng chảy lớn hơn 0,5 – 0,8 m/s thì phải bảo vệ mái dốc đê quây đất bằng đá lát hay đá đổ có đường kính đủ lớn để không bị xói trôi.

2.3.7. Có thể thi công đê quây đất bằng phương pháp đầm nén hay phương pháp đổ đất trong nước (đối với đất á sét, cát cuội sỏi) hoặc phương pháp nổ mìn định hướng.

2.3.8. Đê quây bằng đá đổ hoặc bằng đất đá: đất đá có thể khai thác tại mỏ vật liệu, cũng có thể tận dụng đất đá đào từ hố móng công trình. Đê quây loại này chịu được cột nước cao, vận tốc dòng chảy lớn và thích hợp với mọi loại nền.

2.3.9. Kết cấu của các loại đê quây đất – đá có thể như sau:

a) Đê quây bằng đá đổ có tường nguyên không phải là đất (hình 3a);

b) Đê quây với lăng trụ hạ lưu bằng đá đổ, lăng trụ thượng lưu bằng đất (hình 3c).

c) Đê quây bằng đá đổ có tường nghiêng là đất (hình 3b).

2.3.10. Độ dốc mái của đê quây bằng đá đổ, đất đá hỗn hợp thường lấy bằng độ dốc tự nhiên của khối đắp khi đổ đá tự do. Cần có thí nghiệm hiện trường trước khi xây dựng đê quây. Sơ bộ có thể chọn:

a) Nền ổn định:

mái dốc thượng lưu m₁ = 1 ÷ 1,3

mái dốc hạ lưu m₂ = 1,3 ÷ 1,4

b) Nền không đủ ổn định:

mái dốc thượng lưu m₁ = 1,5

mái dốc hạ lưu m₂ = 2,0

1- Tường nghiêng Pôliêtilen 2- Lớp lọc ngược 3- Khối đá đổ 4- Lớp cát sỏi bảo vệ tường nghiêng 5- Tường nghiêng á sét 6- Lớp chuyển tiếp 7- Khối đất chống thấm ở thượng lưu
Hình 3: Đê quây đất đá

2.3.11. Phải đặc biệt quan tâm đến vấn đề nối tiếp với hai bờ, bộ phận chống thấm của đê quây phải được kéo dài và cắm sâu vào hai bờ phải tính toán thấm vòng quanh bờ để xác định chiều sâu cần thiết phải cắm vào bờ

2.3.12. Đê quây đất đá hoặc đê quây bằng đá đổ có tường nghiêng bằng đất loại sét thì dưới lớp bảo vệ phủ ngoài mái thượng lưu và lớp chuyển tiếp giữa phần đá và đất phải được thiết kế theo nguyên tắc tầng lọc ngược.

Giữa đá đổ và tường nghiêng á sét phải bố trí 3 lớp lọc ngược (dăm lớn, sỏi và cát). Giữa hỗn hợp đá lớn nhỏ và tường nghiêng á sét có thể bố trí 2 lớp lọc ngược nếu có hỗn hợp cát sỏi thích hợp (xác định bằng thí nghiệm), có thể bố trí một lớp lọc ngược dày.

Mức độ không đều của các lớp cát cuội sỏi làm lọc nên như sau:

Ở đây: D₆₀ và D₁₀ là đường kính mắt sàng cho lọt qua 10% và 60% khối lượng vật liệu làm tầng lọc.

Chiều dày mỗi lớp lấy theo điều kiện thi công nhưng không được nhỏ hơn 0,2m khi đắp khô và không được nhỏ hơn 0,5m khi đắp trong nước.

2.3.13. Đối với đê quây đất – đá không cao và sau này sẽ không nằm lại trong thân đập, cho phép dùng đá có cường độ nhỏ hơn 400KG/cm² và không cần phân loại hạt và kích thước viên đá.

2.3.14. Đê quây đất đá hoặc đê quây bằng đá đổ có tường nghiêng được đắp lên dần từ bờ ra lòng sông vào thời kỳ nước kiệt. Phần dưới mực nước khi đắp đất đá bị nén chặt do các phương tiện đi lại trên bề mặt khối đắp. Phần trên mực nước phải đắp theo từng lớp, chiều dày từng lớp và số lần đầm phụ thuộc vào phương tiện thiết bị thi công.

2.3.15. Đê quây bằng ván cừ gỗ hay thép: đê quây loại này có thể gồm một hoặc hai hàng cừ với lăng trụ đất đá ở một phía (thượng lưu), hoặc gia tải đất đá ở khoảng giữa hai hàng cừ (H.4).

2.3.16. Chiều cao đê quây bằng cừ gỗ đóng một hàng thường từ 2 ÷ 5m, bề dày vàn cừ gỗ 75 ÷ 180mm. Chiều cao đê quây bằng cừ gỗ đóng hai hàng có thể đến 7 ÷ 8m, khoảng cách giữa hai hàng ván cừ gỗ thường lấy bằng (1,2 ÷ 1,4)H (H là chiều cao đê quây). Cừ thường được đóng sâu vào đất khoảng 1/3 chiều cao của đê quây. Hàng cừ gỗ có tác dụng như tường chống thấm cho đê quây.



Hình 4: Đê quây bằng cừ gỗ

a- Một hàng cừ; b- Hai hàng cừ; c- Hai hàng cừ có đất chống thấm phía ngoài

1- Cọc tiêu; 2- Thanh định hướng cừ; 3- Bản cừ gỗ; 4- Chống xiên

2.3.17. Đê quây bằng cừ thép được tạo thành bởi các cừ thép hình phẳng hình chữ U, Z. Chiều cao đê quây một hàng cừ thép có thể đến 4m, chiều cao đê quây hai hàng cừ thép có thể đến 12m. Khoảng cách giữa hai hàng cừ có thể lấy bằng (0,8 ÷ 1,0)H (xem hình 5)

Đê quây 2 hàng cừ thép có thể dùng làm đê quây trên nền đất mềm, đê quây dọc trong điều kiện lòng sông tương đối hẹp.



Hình 5: Đê quây hai hàng bản cọc thép

1- Bản cừ thép chữ U, Z; 2- Thanh nẹp dọc; 3- Thanh giằng; 4- Tăng dơ

2.3.19. Đê quây kiểu chuồng gỗ có 2 loại:

- Chuồng gỗ rộng: tự bản thân nó có thể đủ ổn định chống lại các lực ngang.

- Chuồng gỗ hẹp: tự bản thân nó không đủ ổn định mà phải đắp thêm các khối đất đá ở một phía hoặc 2 phía của chuồng gỗ.

Bề rộng của đê quây kiểu chuồng gỗ rộng lấy không nhỏ hơn 1,1 lần chiều cao của đê quây. Đối với chuồng gỗ hẹp bề rộng lấy bằng 0,7 lần chiều cao của đê quây. (Xem H.6).

2.3.20. Đê quây hình liên trụ, liên cung được tạo thành bằng cách đóng các cọc cừ thép liên kết với nhau thành hình trụ, hình cung liên tiếp. Đê quây liên trụ có thể chịu được cột nước đến 14m và lớn hơn. Loại đê quây này dùng làm đê quây dọc, đê bao ở những nơi lòng sông hẹp, vận tốc dòng chảy lớn, trên nền đất sét nặng, đất cát hoặc cát cuội sỏi.

2.3.21. Đối với đê quây hình liên trụ thì đường kính của trụ lấy bằng (0,8 ÷ 0,9) chiều cao cột nước tính toán bán kính của cung nối được lấy bằng hoặc nhỏ hơn bán kính của trụ. Khoảng cách giữa các trụ lấy bằng 0,5 ÷ 2,8m. Chiều sâu đóng cọc cừ trên nền mềm có thể lấy bằng (0,5 ÷ 1,0) chiều cao cột nước tính toán.

2.3.22. Đối với đê quây hình liên cung chiều rộng đê quây thường lấy bằng (0,8 ÷ 1,2) chiều cao cột nước tính toán và bán kính của cung cong liên trục lấy bằng chiều dài của một đoạn (L) (xem hình 7).

2.3.23. Phải kiểm tra các đê quây cừ thép kiểu liên khung, liên trụ về:

- Độ ổn định chống trượt theo mặt phẳng ngang nằm dưới chân cừ;

- Độ ổn định chống trượt của các ván cừ kề nhau theo mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục dọc của đê quây;

- Độ bền của các khớp của ván cừ;

- Độ ổn định của nền chống trồi đất dưới ván cừ do tải trọng của đất đá đổ trong các khoang đê quây khi chiều cao đất đá này trên 15 mét;

- Độ ổn định thấm của nền đê quây.

- Thấm qua đê quây.



Hình 7: Đê quây liên trụ, liên cung

a) Đê quây liên trụ; b) Đê quây liên cung

1- Hình trụ; 2- Cung tròn nối; 3- Tường bản phẳng; 4- Cung tròn liên tục

2.3.24. Vật liệu đổ trong các khoang của đê quây liền trục, liên cung là đất cát hoặc hỗn hợp cát cuội sỏi. Khi đổ vật liệu vào các khoang phải chú ý đổ đồng đều, chênh lệch giữa các khoang kề nhau không quá 2m.

2.3.25. Đê quây bằng bê tông, đá xây thường được sử dụng nơi lòng sông hẹp, nền đá. Đê quây loại này chịu được cột nước cao, chống thấm, chống xói lở tốt, diện tích chiếm chỗ nhỏ nên dùng làm đê quai dọc và nên kết hợp làm một bộ phận của công trình lâu dài để giảm giá thành xây dựng.

2.3.26. Phải chọn thời đoạn nước kiệt để thi công đê quây bêtông. Phần dưới nước thi công bằng phương pháp để bê tông trong nước. Nếu chiều sâu nước nhỏ hơn 1,5 m có thể đổ bê tông theo phương pháp lấn dần từ bờ ra.

Khi thi công phải tuân theo các yêu cầu kỹ thuật của QPTL D6.78.

Đối với đê quây bằng đá xây nếu không có điều kiện làm khô nền móng thì phần dưới nước phải đổ bê tông theo phương pháp đổ trong nước, phần trên mực nước thì xây đá.

Việc kiểm tra ổn định và độ bền của đê quây thực hiện như đối với tường chắn.

2.4. Tính toán thủy lực dẫn dòng

2.4.1. Mục đích tính toán thủy lực là xác định cao trình, kích thước, khối lượng các công trình dẫn dòng, từ đó so sánh lựa chọn phương án dẫn dòng hợp lý nhất.

2.4.2. Cao trình đỉnh đê quây được xác định:

 _đqt = z + d + ∆_s (1)

 _đqh = z + d (2)

Trong đó:

 _đqt – cao độ đỉnh đê quây thượng

 _đqh – cao độ đỉnh đê quây hạ

z – cao trình mực nước nông sau đê quây hạ lưu ứng với lưu lượng lớn nhất thiết kế, (m);

d – độ cao an toàn tĩnh của đê quây được lấy theo 0,6 hoặc 0,7m;

A – tổn thất thủy lực trên đường dẫn nước từ thượng lưu và hạ lưu (m).

Chú thích:

- Nếu ở thượng lưu có thể trữ nước đáng kể, phải xác định lưu lượng lớn nhất thiết kế thông qua tính toán điều tiết.

- Nếu trước đê quây mặt nước có chiều dài hứng gió đáng kể khi xác định cao trình đỉnh đê quây, phải tính thêm chiều cao sóng leo.

2.4.3. Tính toán thủy lực dẫn dòng phải tuân theo các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm có liên quan. Khi tính toán sơ bộ có thể tham khảo ở phụ lục 4 quy trình này.

2.5.1. Giá thành công trình dẫn dòng trước hết là giá thành trực tiếp của công trình dẫn nước và ngăn nước.

2.5.2. Khi đê quây là bộ phận của công trình lâu dài thì đê quây càng cao, kích thước công trình dẫn nước càng giảm. Trong trường hợp này chủ yếu là xét giá thành của công trình dẫn nước.

2.5.3. Khi đê quây là công trình tạm thời độc lập với công trình chính thì giá thành là tổng chi phí của đê quây và công trình dẫn nước. Phương án dẫn dòng phải có giá thành nhỏ nhất đồng thời phải thỏa mãn các yêu cầu mà thiết kế đã đề ra đối với công tác dẫn dòng.

2.5.4. Trình tự tính toán kinh tế:

a) Đề xuất ít nhất là 3 phương án dẫn dòng;

b) Tính khối lượng và giá thành các phương án;

c) Lập biểu đồ quan hệ giữa giá thành xây dựng và quy mô đê quây và công trình dẫn nước để xác định phương án có giá thành nhỏ nhất (xem ví dụ ở hình 8).

1- Giá thành đê ngăn dòng 2- Giá thành tuynen 3- Giá thành tổng cộng