Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
62
HƯ HỎNG CỐNG NGẦM DO DÒNG CHẢY, KHÍ THỰC
VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC
Phạm Văn Quốc1 Phạm Lan Anh2
1Đại học Thủy lợi, email: quocphamvan@tlu.edu.vn
2Đại học Thủy lợi, email: phamlananh@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Cả nước có 6.648 hồ chứa thủy lợi, trong
đó hầu hết cống ngầm lây nước đều có tháp
van, nhiều cống vì bị hư hỏng [1], [3], [4] do
dòng chảy và khí thực đã phải sửa chữa hoặc
xây lại; ví dụ như:
1. Cống ngầm hồ Khe Tân, Quảng Nam,
thuộc cấp II, đưa vào sử dụng 1989, dung tích
hồ Vh = 54 triệu m3, mặt cắt ngang cống
BH = 1,82,4 m, chiều dài cống L =109 m,
QTK = 7,56 m3/s, cột nước ứng với MNDBT
trước cống H = 10,16 m, không có ống thông
khí; cống bị rò rỉ mất nước 0,64 m3/s, hai
thành cống bị xói, bong vỡ bê tông. Đã phê
duyệt sửa chữa: Thay cửa van và khe van, đục
bê tông bị hỏng, đổ ốp lại bê tông bị bong vỡ
khu vực tháp van và sau cửa van.
2. Cống ngầm hồ Hòa Trung, thành phố Đà
Nẵng, thuộc cấp II, đưa vào sử dụng 1983,
Vh = 11,25 triệu m3, BH = 1,51,5 m, L =80
m, QTK =1,7 m3/s, H=16,8 m, không có ống
thông khí; cống bị rò rỉ mất nước, hai thành
cống bị xói bong vỡ bê tông; Đã phê duyệt sửa
chữa: Thay cửa van và khe van, đục bê tông bị
hỏng, đổ ốp lại bê tông bị bong vỡ khu vực
tháp van và sau cửa van.
3. Cống ngầm hồ La Ngà, tỉnh Quảng Trị,
thuộc cấp II, đưa vào sử dụng 1964, Vh = 36,4
triệu m3, B8H = 1,081,2 m, L=71,6 m,
QTK= 1,2 m3/s, H = 14,8 m, không có ống
thông khí, cống đã được sửa chữa 1974 -1975;
nay cống bị rò rỉ mất nước, bê tông bị khí thực
gặm rỗ bề mặt, nhiều chỗ bê tông mục nát. Đã
phê duyệt sửa chữa: Hoành triệt cống cũ, xây
dựng lại cống mới ở vị trí tuyến khác.
4. Cống ngầm hồ chứa nước Suối Hai,
huyện Ba Vì, Hà Nội, công trình cấp II, đưa
vào sử dụng năm 1964, Vh = 69,22 triệu m3,
BH = 1,62,0 m, L=98 m, QTK=5,07 m3/s,
QKT=6,08 m3/s, H = 12,8 m, tháp van đặt ở
chân đập thượng lưu, bố trí 2 ống thông khí,
mối ống đường kính 30 cm. Đến 1991, do bị
khí thực khoét sâu bê tông thành và đáy, cống
ngầm đã sửa chữa bằng cách ốp bê tông
M300 dày 10 cm ở hai bên thành, ở đáy và trần
dày 15 cm, cốt thép 6 mm, a =10 cm, mặt cắt
cống sửa chữa hình vòm BH=1,41,68 m;
ống thông khí được sửa chữa bằng việc đưa 2
ống thép đường kính mỗi ống 300 mm từ
trong tháp van ra ngoài tường tháp, làm thêm
một hộp vuông rỗng bằng bằng bê tông cốt
thép để làm kết cấu trung gian nối ống thông
khí; cao trình ngưỡng cống = 12,00, cao trình
đáy hạ lưu cống = 11,96, ic = 0,000443, chiều
dài từ cửa van số 2 đến đầu bể tiêu năng = 90,3
m, kênh chính dài 200 m, sau kênh là cầu
máng BH = 2,53 m.
Hình 1. Hiện trạng bê tông bị khí thực gặm rỗ
và xói chân tường 15 m từ sau cửa van
Hình 2. Bê tông đã bị xói khoét sâu 25 cm lộ
cả cốt thép, sâu qua lớp bê tông đã sửa chữa
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
63
Hình 3. Bê tông cửa lỗ thông khí bị khí thực
làm tróc rỗ bề mặt
Hình 4. Hai ống thông khí,
mỗi ống có đường kính 30 cm.
Tác giả bài viết và cán bộ Viện Kỹ thuật
Tài nguyên nước đã khảo sát hiện trường cho
thấy: cống bị rò rỉ mất nước, bê tông bề mặt
trần và thành cống sau cửa van bị gặm rỗ bề
mặt, xói rỗng hàm ếch sâu 15 đến 25 cm ở
chân hai bên thành cống; Hiện nay đang lập
phương án sửa chữa khắc phục.
5. Cống ngầm Thuần Mỹ, Ba Vì, Hà Nội,
lấy nước từ sông Đà để tiếp nước cải tạo khôi
phục Sông Tích, thuộc cấp II, đang thi công,
có 3 cửa, mỗi cửa BH = 63,5, chiều dài
87 m, QTK = 60,0 m3/s, H =13,0 m ứng với
MNBĐ3. Theo thiết kế ban đầu, dòng chảy
sau cửa van tầng 2 va đập mạnh vào tường
đứng, gây ra khí thực và rung động rất mạnh.
Kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực của Văn
phòng Tư vấn Đại học Thủy lợi đã góp phần
điều chỉnh lại thiết kế [2] bằng cách làm
nghiêng sau cửa van tầng 2 với góc nghiêng
26,6o so với phương ngang; vì thế không còn
hiện tượng dòng chảy va đập, rung động và
khí thực, nâng mác bê tông lên M300 và bọc
thép bản phân tầng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Khảo sát hiện trường, phân tích thủy lực, kết
cấu, hư hỏng do dòng chảy và khí xâm thực;
Tính toán kiểm tra thủy lực và ống thông khí
đối với cống Suối Hai; Xác định nguyên nhân,
kiến nghị các giải pháp khắc phục hư hỏng
cống ngầm do dòng chảy và khí thực.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
a) Kết quả tính toán kiểm tra lại độ mở cửa
van a, chiều sâu hc và lưu tốc tại mặt cắt co hẹp
vc và trạng thái chảy trong cống ngầm Suối Hai
tại MNDBT = 24,85 cho 2 trường hợp:
Bảng 1: Tính toán cho cống chưa sửa chữa,
BxH = 1,62,0 m
Qc
(m3/s)
a (m)
hc (m)
vc
(m/s)
Chế độ
chảy
3,0
0.202
0.12
15,62
Không áp
4,0
0.273
0.165
15,15
Có áp
5,07
0.336
0.21
15,09
Có áp
Bảng 2: Tính toán cho cống sau khi
sửa chữa, BH = 1,41,68 m
Qc
(m3/s)
a (m)
hc (m)
vc
(m/s)
Chế độ
chảy
3,0
0.233
0.145
14.78
Không áp
4,0
0.305
0.19
15,04
Có áp
5,07
0.389
0.24
15.09
Có áp
6,08
0,421
0,26
16,7
Có áp
Hình 5. Sơ đồ tính toán thủy lực cống ngầm
Hình 6. Biểu đồ xác định vị trí nước nhảy
ứng với QTK = 5,07 m3/s.
b) Đã tính toán kiểm tra lại diện tích
ống thông khí của cống hiện trạng BH =
1,41,68 m; Lưu lượng thông khí cần thiết Qak:
Qak = QaB + Qac + Qax (1)
QaB = 0,1(2a h) .V (2)
ac R
Q 0,04. Fr 40.Q
(3)
Qax = 0,012 (
1,4 Q.
1
( Fr 1)
(4)
QaB: lưu lượng khí cần cấp cho vùng tách
dòng sau khe van; Qac: lưu lượng tự do hàm
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
64
khí; Qax: lưu lượng khí bị cuốn vào tại vị trí
nước nhảy. Kết quả với QTK = 5,07 m3/s
(và QKT= 1,2 QTK =6,08 m3/s) lần lượt là:
QaB = 0,181 (và 0,215) m3/s; Qac = 1,93 (và
2,5) m3/s; Qax = 2,01 (và 3,01) m3/s; Do đó:
Qak = 4,121 (và 5,725) m3/s. Chọn vận tốc
dòng khí trong ống Vak = 40 m/s, diện tích
mặt cắt ống thông khí cần là:
(và 0,143 m2). Hiện
trạng đã đặt 2 ống tròn mỗi ống có đường
kính 30 cm, tổng diện tích mặt cắt ngang 2
ống là 0,1414 m2.
c) Tính toán kiểm tra lại cột nước chân
không sau cửa van với:
γ
γ
2
ak a
CK ak
V
h2g.
.
(5)
Vak = 29,2 (và 40,5) m/s;
780
1
a
;
ak =
i
1
1

. Kết quả tính toán: hck =
0,17 m (và 0,323 m) < 0,5 m, tức là chế
độ chảy trong cống ổn định.
d) Theo lý thuyết, 2 ống thông khí đã đặt
xấp xỉ đủ diện tích yêu cầu và cột nước chân
không sau cửa van nhỏ hơn trị số cho phép.
e) Vì sao trong thực tiễn cống ngầm Suối
Hai bị hư hỏng? Câu trả lời tìm thấy như sau:
- Theo thiết kế ban đầu, bố trí 2 ống thông
khí mỗi ống có đường kính 30 cm đặt bên
trong tháp lấy nước; đoạn ống thu khí từ lòng
cống hộp sau cửa van nằm xiên ngược chiều
dòng chảy do đó không thuận hướng để cung
cấp không khí vào cống.
- Lần sửa chữa cống năm 1991 đã bố trí 2
ống thép thông khí ra ngoài tháp van (hình 4)
mỗi ống có đường kính 30 cm. Làm thêm
một hộp vuông rỗng với thành hộp bằng bê
tông cốt thép để làm kết cấu trung gian nối
với ống thép thông. Theo lý thuyết ống cấp
khí vào vùng không khí bên trên mặt cắt co
hẹp, nhưng thực tế khi cống tháo nước, hỗn
hợp nước và bọt không khí chuyển động
xoáy hỗn tạp trong hộp vuông đã ngăn cản
không khí vào cống. Hư hỏng như ảnh chụp
đã chứng tỏ diện tích ống thông khí chưa đủ
mức chống khí thực.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- Đối với các cống ngầm lấy nước có tháp
van thì cần phải bố trí ống thông khí; Hệ số
an toàn cho diện tích lỗ thông khí và hệ số an
toàn về vật liệu để phòng tránh hiện tượng hư
hỏng do dòng chảy và do khí thực đề nghị
cần phải quy định riêng; Từ thực tế đã nghiên
cứu, chúng tôi đề nghị [K] không được nhỏ
hơn 2.
- Ống thông khí cần được bố trí theo
phương thẳng đứng, ngay sau tường thành
tháp van, tốt nhất là diện tích lỗ thông khí
phân bố trên cả bề rộng đỉnh cống để cấp khí
vào cống đều hơn. Nên kết hợp bố trí ống
thông khí với đường thông đứng để xuống
kiểm tra sửa chữa ống hộp sau tháp cho các
cống ngầm lớn.
- Từ trước đến nay quy trình vận hành của
van cống ngầm thường quy định cửa van phía
trước (số 1) là cửa van sửa chữa, cửa van
phía sau (số 2) là cửa van công tác để thường
xuyên khống chế lưu lượng lấy nước. Nhưng
đối với cống ngầm không có, hoặc có nhưng
chưa đủ diện tích ống thông khí thì nên cho
cửa van phía trước (số 1) làm cửa van vận
hành thường xuyên khống chế lưu lượng lấy
nước nhằm lợi dụng không gian trong tháp
van để giảm lưu tốc và cấp không khí phá
chân không, tránh hư hỏng cống do dòng
chảy và khí thực.
- Đối với cống ngầm cấp II trở lên phải thí
nghiệm mô hình thủy lực theo quy định, chú
ý phòng tránh khí thực như cống Thuần Mỹ.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] CPO, 2014, Hồ sơ thiết kế nâng cấp công trình
đầu mối hồ chứa nước Khe Tân, Hòa Trung,
La Ngà thuộc các dự án WB5.
[2] Phạm Văn Quốc, 9/2011, Hiệu quả thí nghiệm
mô hình thủy lực cống đầu mối thuộc dự án
đầu tư tiếp nước, cải tạo khôi phục sông Tích
từ Lương Phú, Tạp chí KHKT Thủy lợi và
Môi trường, Số 34.
[3] TCVN 9158:2012, CTTL–Công trình tháo
nước- Phương pháp tính toán khí thực.