Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.1. Tổng quát
4.1.1. Khái niệm
Cống ngầm là loại công trình lấy nước, dẫn nước, tháo nước đặt dưới đê, đập,đường…


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.1.2. Phân loại
4.1.2.1. Theo vật liệu xây dựng
Cống sành, bêtông, bêtông cốt thép và ống kim loại,
ống kim loại bọc bê tông hoặc bê tông cốt thép.

4.1.2.2. Theo hình dạng kết cấu
Cống tròn, cống hộp, cống vòm.
b)

c)

70

450
590

Hình 4-1. Các hình thức mặt cắt cống ngầm

70

570

450

1.2
3.5

50

8
0.

1.5

1.5

5
6.

3.5

1.
5

6.0

70

a)


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.1.2.3. Theo cách bố trí
Đặt trực tiếp trên mặt nền; đặt trong hành lang bằng bêtông cốt thép

Mỗi cách bố trí có ưu điểm và hạn chế riêng

Hình 4-2. Ống ngầm đặt trong hành lang


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.1.2.4. Theo hình thức lấy nước
a) Lấy nước kiểu đặt van khống chế ở hạ lưu:
a)

4

R

b)

2
3

3

2

2

2

2

2


2

2

2

2

2

2

2

2

2

5

3
1

4

2

4


5

b) Lấy nước kiểu cửa kéo nghiêng: Thường dùng khi cột nước và lưu lượng nhỏ. Khối
lượng ít, thiết bị đóng mở đơn giản. Cửa van dễ bị han rỉ hư hỏng, kiểm tra sửa
chữa khó khăn, khó khống chế Q.


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
c) Lấy nước kiểu tháp:
+Được dùng nhiều ở các hồ có cột nước cao, lưu lượng qua cống lớn.
+Dùng cửa van để điều chỉnh lưu lượng.
+Tháp cũng có hai loại: kiểu kín và kiểu hở (kiểu cầu cảng với Hd<7,0m).

Hình 4-5. Các loại tháp lấy nước kiểu kín.
a) Lấy nước ở đáy; b) Lấy nước 2 tầng.

+Tháp có thể ở vị trí I (chân mái TL), II (ở giữa mái TL đập), III (sát đỉnh đập)
Nhược điểm:
- Lấy nước ở quá sâu nên nhiệt độ thấp không có lợi cho cây trồng.
- Cửa van làm việc dưới cột nước cao, dòng chảy xiết, dễ gây rung động và xâm
thực

4.1.2.5. Theo trạng thái chảy trong cống:


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.2. Tính toán thuỷ lực cống ngầm
4.2.1. Cống có cửa van điều tiết ở hạ lưu
1. Xác định khẩu diện cống
Trường hợp tính: MNTL nhỏ và Q tương ứng lớn, cửa van1mở hoàn toàn. 1

µ=
µ=
Công thức tính có áp như sau: Q = µω 2 g∆Z o với
K + ∑ ξ Khoặc
K + ∑ξ
Cách xác định MNHL:
+Khi tâm m/c cửa ra cao hơn MNHL thì lấy từ MNTL tới tâm m/c hạ lưu
+Khi tâm
m/c cửa
ω
ω ra thấp hơn MNHL thì lấy từ MNTL tới MNHL
Kh = ω h ; K i = ω .
2
h

i

2
i

2
h

i

i

1-1

1


2

1

2

2-2

Z

hh

Hình 4-8. Sơ đồ tính khẩu diện cống ngầm có áp với tháp và van sửa chữa TL, van công tác kiểu khoá ở HL

Bài toán tìm khẩu diện cống được giải bằng phương pháp đúng dần đến Q = Qtk.
Trị số đường kính ống được chọn ( Dc) còn phụ thuộc vào điều kiện thi cống, cấu
tạo, Dc > D.


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

2. Kiểm tra điều kiện chảy có áp
Chế độ chảy trong cống sẽ là có áp ổn định khi thoả mãn cả 2
điều kiện sau:
-Trần cửa vào cống ngập dưới mực nước thượng lưu.
-Khả năng lấy nước của cửa vào lớn hơn khả năng
tháo của toàn cống:
µ v ω v Z v > µω ∆Z
Với


µ=

1
1 + ∑ ξ j K 2j

;

ωv
Kj =
ωj

Zv- Chênh lệch giữa cao độ MNTL và
cao độ trần cống tại mặt cắt cuối cửa vào.


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
3. Tính toán nối tiếp và tiêu năng sau cống

a. Tiêu năng kiểu giếng: Áp dụng với các cống tròn có d ≤ 60cm.
Sơ đồ tính toán:

Hình 4-9. Sơ đồ tính toán tiêu năng kiểu giếng

Độ sâu đào bể (giếng):

db = σn . h”C - (hh + Zr)

β
2




 
q
q




−
Với Z r = 
'' ;



 ϕ n h h 2g   σ n ⋅ h C 2g 

VC2
- ZđáyHL +
+ db
2g

2

Trị số h”C tính với E0 = Z cuối cống
Chiều dài bể: Lb = L1 +β.Ln
Với L1 - khoảng cách nằm ngang từ đầu bể đến tâm mặt cắt ra của ống,



Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
b. Tiêu năng kiểu tường va đập:
Áp dụng đối với các cống có đường kính d = 60÷80cm.
Kích thước tiêu chuẩn của buồng tiêu năng kiểu va đập theo kết quả
Nghiên cứu của Mỹ như hình:

Hình 4-10. Sơ đồ buồng tiêu năng kiểu va đập và các kích thước tiêu chuẩn

Chiều rộng buồng W:

W = 1,9 . Q exp0,4

(m)


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
c. Buồng tiêu năng sau van côn
Với cống có d > 80cm, van côn đặt ở cuối cống, sau van là buồng tiêu năng kín.
D/c sau một loạt phản xạ với tường và va đập vào nhau sẽ tiêu hao năng lượng thừa.
Buồng tiêu năng chịu một tải trọng thuỷ động lớn, có nhiều dạng mặt cắt ngang.
Loại có mặt cắt hình vuông
được ưa dùng hơn
trong thực tế.

Hình 4-11. Sơ đồ buồng tiêu năng sau van côn


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

Phương pháp tính kích thước ngang của buồng tiêu năng sau van côn:

Kích thước của buồng phụ thuộc vào mức độ tiêu hao năng lượng yêu cầu:
E − EC
,
η= A
EA
Trong đó:
+ EA là năng lượng đơn vị toàn phần của dòng chảy ở mặt cắt A-A

E A = ϕ 2 ⋅ H 0 + Z0
ϕ - hệ số lưu tốc khi chảy từ van, xác định theo biểu đồ thực nghiệm;
H0- cột nước toàn phần tại mặt cắt trước van (tính đến tâm cống);
Z0- chênh lệch cao độ từ trục van đến đáy lòng dẫn ra.
α ⋅ VC2
+ EC - năng lượng đơn vị toàn phần của mặt cắt co hẹp E C = h C + 2g
Mức độ tiêu năng được chọn phụ thuộc vào số Fr và tra trên hình


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.2.2. Cống ngầm lấy nước kiểu tháp (cống ngầm không áp)
1. Tính toán khẩu diện cống
a. Trường hợp tính toán
Chênh lệch mực nước TL, HL nhỏ và Q tương ứng tương đối lớn.
Thường tính với trường hợp MNC ở thượng lưu và Q tương ứng
Σ

Σ

d

P


h

Hình 4-14. Sơ đồ tính toán thuỷ lực cống ngầm không áp, trường hợp van mở hoàn toàn .


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

b. Tính bề rộng cống bc:

bc phải đủ lớn đảm bảo điều kiện: ΣZi ≤ [∆Z]
với:

ΣZi = Z1 + ZP + ZL + ZV + Z2 + iL

Với mỗi trị số bc, các tổn thất cột nước được xác định như sau:
αVb2
Q2
−
Tổn thất cửa ra:
Z2 =
2g
2 g (ϕ n bhh ) 2
2
 Q 

Tổn thất dọc đường tính với i = 
ω
C
R




(4-27)
(4-28)

αVi 2
Các tổn thất cục bộ ZV, ZL, ZP: xác định theo công thức chung: Z i = ξi .
2g
2
2
Tổn thất ở cửa vào:

Z1 =

αV0
Q
−
2g
2 g (εϕω ) 2

Lập qhệ bci-ΣZi .Từ [∆Z] có bc.
Ngoài ra bc cần: đ/k thi công, cấu tạo, sửa chữa, chuẩn hoá, chia khoang


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

c. Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống:
Chiều cao mặt cắt cống:
Hc = h1 + ∆ ;

chuẩn hoá cửa van
Cao trình đặt cống:
- Cao trình đáy cống ở cửa vào:
Zđv = MNC – h1 - ΣZj
với h1 - độ sâu d/đều
- Cao trình đáy cống ở cửa ra: Zđr = Zđv - iL;


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
2. Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng
a. Trường hợp tính toán:
MNTL lớn và Q tương ứng lớn. Thường chọn MNDBT và Q tương ứng

P

Hình 4-15. Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nước cao ở thượng lưu

'
b. Xác định độ mở cống: Q = ϕ ⋅ α ⋅ abc 2 g ( H 0 − αa) ; Với H 0' = H0 – hw

a
'
⋅
H


0
= H 
và


hc
hc = τc . H0'; α =
a

Tính F(τ
.Tra ra và τc. Từ đó a
c. Kiểm tra trạng thái chảy trong cống:
αq
Định tính: cần xác định: hc = α a; hk = g ;
h 0.
So sánh 3 trị số này có dạng đường mặt nước.
Thường xảy ra: hc < hk < h0 nên dạng đường mặt nước sau van là đường nước dâng
CI.
Định lượng: Từ mặt cắt C-C (cách van 1,4a) vẽ về cuối cống (pp cộng trực tiếp) có hr.
Q
c) =
ϕbc H 0' 3 / 2

a
H

2

3


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

d. Kiểm tra nước nhảy trong cống:
Nước nhảy không xảy ra trong cống khi thoả mãn đồng thời


hr < hk
hr < hh' − P2

(4-36)
Nếu một trong 2 điều kiện trên không thoả mãn thì có nước nhảy
trong cống. Biện pháp:
- Thay đổi độ dốc đáy cống;
- Thay đổi vị trí đặt tháp van;
- Chấp nhận có nước nhảy trong cống và xác định vị trí, h” và hc> h’’.

e. Tính toán tiêu năng:
Chọn d sao cho: hb = hh + d + Z2 ≥ σhc"
Chiều dài bể:
Lb = L 1 + β L n .
Sau bể có sân sau thứ 2


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.3. Tính toán kết cấu thân cống ngầm
4.3.1. Đặc điểm chịu lực của thân cống
+Cống ngầm làm việc trong điều kiện đất, nước bao bọc xung
quanh.
+Lực tác dụng: trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước
trong và ngoài ống, các tải trọng từ trên mặt đất truyền xuống, các
tác dụng nhiệt và động đất v.v …
+ Có nội lực hướng vòng thành ống và phương dọc trục ống.
4.3.2. Yêu cầu tính toán kết cấu
+Đảm bảo điều kiện bền và biến dạng của thân cống.
+Đảm bảo an toàn cần tính toán kết cấu cống với nhiều trường

hợp khác nhau,
+Tính tất cả các đoạn theo phương ngang và phương dọc(đơn
giản thường tính độc lập từng)


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.3.3. Sơ đồ tính toán kết cấu theo phương ngang
Các lực chủ yếu tác dụng lên cống ngầm gồm:

1. Áp lực đất tác dụng lên đỉnh cống ngầm

B

Bo
D1

B +D

H/2

B

H

H/2

Chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố như tính chất của đất, độ cứng của ống, phương
pháp chôn và chiều sâu đặt ống trong nền.

Bo


D1

1
*Khi ống đặt trong hào sâu: GB = KTγdH 0
;
H
2
KT – hệ số tập trung của áp lực đất thẳng đứng, tra đồ thị phụ thuộc vào tỷ số B
D1 - đường kính ngoài của ống tròn hoặc chiều rộng lớn nhất của ống hộp.
*Khi ống đặt ngay trên mặt nền hoặc một phần trong nền (hình 4-18) nếu nền tương đối
tốt, độ cứng của ống lớn :
GB = KHγđHD1 ;
KH ( hệ số tập trung áp lực đất) = f( tính chất đất nền, phương pháp đặt ống, chiều
sâu chôn, H ,)


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

2. Áp lực đất tác dụng lên hai bên cống ngầm
Thường phân ra thành phần lực phân bố đều và phân bố không đều:
b)

P2

P1

Z1
Z2


Z2

Z1

a)

P2

Hình 4-19. Sơ đồ áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống

Với:

p1 = γđZ1tg2(450 -

ϕ
);
2

P1

p2 = γđZ2tg2(450 -

ϕ
);
2


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

3. Áp lực nước:

a) Áp lực nước bên trong:
-Cống có áp, gồm:
+ Thành phần (TP) tuyến tính: tính như thuỷ tĩnh với ống vừa đầy nước
+ TP phân bố đều bằng gía trị tinh từ mép trên cùng phía trong đến đường
đo áp
- Cống không áp chỉ có áp lực thuỷ tĩnh của phần nước chứa không đầy ống.

b) Áp lực nước bên ngoài:
Đầy đủ các lực tác dụng: nước trọng lực gây đẩy nổi ống, đẩy nổi đất, giảm
lực dính, áp lực kẽ rỗng và áp lực hữu hiệu của đất, áp lực hút mao dẫn.
Nếu chỉ xét riêng thành phần áp lực thuỷ tĩnh có:
- Áp lực nước phân bố không đều;
- Áp lực nước phân bố đều;
- Trọng lượng nước đè lên ống
– Áp lực đẩy nổi


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

4. Trọng lượng bản thân cống

a) Ống có tiết diện tròn: Lực phân bố
q = γb.δ;
b) Ống có tiết diện hình chữ nhật:
Tính theo công thức trên.
Hai thành bên có thể đưa về lực tập trung đặt 2 đầu bản đáy.

5. Phản lực nền
Sự phân bố phản lực nền=f(tính chất của nền, phương pháp đặt ống,)
Dạng phân bố không đều.

Trong quá trình tính toán thường xem gần đúng như là phân bố đều

Hình 4-20. Sự phân bố của phản lực nền


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

4.3.4. Nội lực và ứng suất dọc trục
Nguyên nhân phát sinh nội lực và ứng lực theo phương dọc trục:
a) Hậu quả của ứng suất hướng vòng trong ống thuộc trạng
thái biến dạng phẳng;
b) Tác dụng của nhiệt độ;
c) Áp lực nước chứa đầy ống thay đổi khi trục ống đổi hướng
hoặc khi mặt cắt ngang thay đổi
d) Áp lực đất đắp dọc theo chiều dài ống không như nahu;
e) Nền đặt công không phải không đêu theo chiều dài ống;
g) Động đất.
Tuỳ từng trường hợp cụ thể để xét hoặc không xét theo phương
dọc của ống.


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP
4.4. Cấu tạo các bộ phận cống ngầm

R

4.4.1. Bộ phận cửa vào, cửa ra
Tác dụng nối tiếp thân cống với mái đập và hướng dòng chảy vào ra được
thuận.
b)

a)
Có các hình thức thẳng,
lượn cong dạng tròn hoặc elíp.
Thường bố trí tường hướng dòng
theo hình thức mở rộng dần.
Góc giữa hai tường ở cửa vào lấy 180 ÷230, Ở cửa ra 80 ÷120.
Cấu tạo cửa ra cần chú ý kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng sau
cống.
4.4.2. Bộ phận thân cống
Chia thành từng đoạn dài 10 ÷20m.
Nối tiếp tốt đất dắp xung quanh cống (đất sét nện, đầm chặt dày 0,5 ÷1,0m;
làm các gờ.
Chiều dày thành ống khoảng 20 ÷50cm.
Đặt cốt thép, có đổ một lớp bêtông lót


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

Chỗ nối tiếpgiữa các đoạn:
+ Khớp nối vừa chống thấm vừa đảm bảo cho 2 đoạn kề nhau lún độc lập
a)
+Nối đầu bằng với
b)
ống nhỏ không áp.
+ Nối ngàm các đầu
c)
lồng vào nhau dùng
cho ống đúc sẵn không áp
hoặc có áp lực nhỏ.
Với ống có áp lực lớn, giữa các khe nối còn cần đặt tấm kim loại vòng quanh ống để

chống thấm.
1

4

2

4

3

3

a)

b)

1

1

c)

3

2

4

Hình 4-23. Thiết bị chống thấm của các đoạn ống tròn

1. Giấy dầu; 2. Bao tải tẩm nhựa đường; 3. Vữa xi măng; 4. Vòng đai bằng BTCT


Chương 4-CỐNG NGẦM DƯỚI ĐÊ, ĐẬP

Các ống tròn nhỏ thường đặt ngay trên nền
hay trên lớp bêtông lót.
Trong trường hợp ống ngầm tương đối lớn,
ống đặt trên bệ đỡ bằng bêtông hoặc đá xây dày khoảng
40 ÷50cm.
90°

120°

Hình 4-24. Các kiểu bệ đỡ ống ngầm

180