Nghiên cứu cải tiến mố tiêu năng sau cống vùng triều có khẩu diện lớn - áp dụng cho trường hợp cống Thủ Bộ

Với những cống vùng triều có khẩu diện lớn, các mố nhám tiêu năng được thiết kế đặt trong bể tiêu năng nhằm tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng trong bể. Việc thiết kế mố nhám tiêu năng làm tăng chi phí xây dựng công trình lên khá nhiều. Mặt khác, với những cống có cột nước lớn, cửa van phẳng hoặc cửa van cung với thời gian đóng mở tương đối lâu, dòng chảy qua cửa van khi đóng/mở cũng là yếu tố gây xói lở hạ lưu cống. Chính vì vậy các mố tiêu năng trong bể đóng vai trò hết sức quan trọng cho việc tiêu tán năng lượng trong bể.

Nghiên cứu này ứng dụng công cụ mô hình toán Flow-3D khảo sát dòng chảy qua cống vùng triều. Qua việc phân tích kết quả khảo sát, chúng tôi tiến hành cải tiến hình dạng mố nhám thông thường và đề xuất loại mố nhám chữ V với các ưu điểm nổi bật về thủy lực, mức độ tiêu tán năng lượng và giảm khối lượng xây dựng so với các mố nhám tiêu chuẩn. Nghiên cứu được áp dụng thực tế cho công trình cống Thủ Bộ - một công trình thuộc hệ thống công trình ngăn triều phục vụ chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Cống lộ thiên là một hạng mục công trình thủy lợi quan trọng phục vụ phát triển dân sinh kinh tế. Thông thường, cống lộ thiên là dạng cống qua đê và nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều. Ngoài nhiệm vụ lấy nước phục vụ tưới, tiêu thoát nước phục vụ phát triển sản xuất nông nghiệp, cống còn có thể làm nhiệm vụ ngăn triều từ biển chống ngập úng cho vùng sản xuất và dân cư bên trong đồng. Ở Việt nam, cống vùng triều tập trung tại các vùng thuộc đồng bằng châu thổ các sông lớn như sông Hồng, sông Cửu Long (sông Mê Công), sông Sài Gòn. Cống vùng triều khu vực ĐBSCL và Tp.HCM có đặc thù khác với cống vùng khác là (1) ảnh hưởng thủy triều nên diễn biến chế độ thủy lực dòng chảy qua cống rất phức tạp; (2) cống đặt trên nền đất yếu có tính chất cơ lý rất xấu, chủ yếu là đất sét mềm yếu kém chặt (đôi khi có xen kẹp lăng trụ cát hạt mịn) nên khả năng chống xói của đất với dòng chảy rất thấp.

Đối với những cống vùng triều loại này đã có nhiều các nghiên cứu về tiêu năng phòng xói cả về lý thuyết và thực nghiệm. Tiêu biểu cho là những nghiên cứu về kết cấu tiêu năng phòng xói của Viện khoa học Thủy lợi Miền Nam [6], [7], Công ty tư vấn xây dựng Thủy lợi 2 [11], Phòng thí nghiệm quốc gia về động lực học sông biển - Viện khoa học Thủy lợi Việt nam [1], [2], [5], Trường Đại học Thủy lợi [3], [4]. Kết quả nghiên cứu đã xác định được kết cấu tiêu năng dạng chuẩn cho các cống vùng triều cột nước thấp bao gồm: bể tiêu năng, hệ thống các ngưỡng tản dòng, hệ thống sân sau và hố phòng xói. Những kết quả nghiên cứu này đã ứng dụng khá tốt đối với rất nhiều các cống vùng triều vùng ĐBSCL.

Với những cống làm nhiệm vụ ngăn triều chống ngập úng trong dự án chống ngập khu vực Thành phố Hồ Chí Minh là những cống có khẩu diện lớn (thông thường là khoảng 40m như cống Thủ Bộ) trong bể tiêu năng thiết kế đặt các mố nhám tiêu năng làm nhiệm vụ tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng trong bể. Việc thiết kế mố nhám tiêu năng làm tăng chi phí xây dựng công trình lên khá nhiều. Mặt khác, với những cống này do cột nước lớn, cửa van thông thường là dạng cửa van phẳng hoặc cửa van cung với thời gian đóng mở tương đối lâu, dòng chảy qua trong thời gian đóng/mở cửa van cũng là yếu tố quan trọng gây xói lở hạ lưu cống. Chính vì vậy các mố tiêu năng trong bể đóng vai trò hết sức quan trọng cho việc tiêu tán năng lượng trong bể.

Nghiên cứu này ứng dụng công cụ mô hình toán 3 chiều mô phỏng dòng chảy qua cống vùng triều. Qua việc phân tích kết quả mô phỏng, chúng tôi tiến hành cải tiến hình dạng mố nhám thông thường và đề xuất loại mố nhám chữ V. Hình dạng mố nhám này có các ưu điểm nổi bật về chế độ thủy lực, hiệu quả tiêu tán năng lượng và giảm khối lượng xây dựng so với các mố nhám tiêu chuẩn. Nghiên cứu được áp dụng thực tế cho công trình cống Thủ Bộ - một công trình thuộc hệ thống công trình ngăn triều phục vụ chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh.

II. GIỚI THIỆU VỀ CÁC DẠNG BỂ TIÊU NĂNG VÀ MỐ TIÊU NĂNG

III. NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH DẠNG MỐ TIÊU NĂNG TRONG BỂ TIÊU NĂNG CÔNG TRÌNH CỐNG THỦ BỘ

3.1. Thiết kế tiêu năng công trình cống Thủ Bộ

3.2. Đề xuất sơ bộ hình dạng mố nhám trong bể tiêu năng

3.3. Phân tích hiệu quả của mố nhám cải tiến bằng mô hình toán Flow-3D

IV. KẾT LUẬN

Đối với các cống vùng triều vận hành đóng mở bằng cửa van, khi đóng cửa dòng chảy bị co hẹp thì lưu tốc dòng chảy qua cửa cống lớn có thể gây xói lở đáy công trình phía hạ lưu. Việc xây dựng hệ thống bể tiêu năng để tiêu tán năng lượng, triết giảm cường độ rối của dòng chảy để giảm thiểu xói lở ở hạ lưu là hết sức quan trọng. Để kiểm soát nước nhảy, người ta sử dụng các thành phần bao gồm mố phóng (chute block), mố nhám (baffle block) và tường tiêu năng (endsill), những thành phần này được sử dụng để tạo ra nước nhảy ổn định và làm cho bể tiêu năng và chiều dài gia cố càng ngắn càng tốt. Với các cống có khẩu diện lớn việc xây dựng các mố nhám trong bể tiêu năng đôi khi làm tăng chi phí xây dựng lên khá lớn. Nghiên cứu này ứng dụng công cụ mô hình toán 3 chiều để khảo sát dòng chảy qua cống vùng triều. Qua việc phân tích kết quả tính toán, mố nhám thông thường đã được cải tiến và loại mố nhám chữ V được đề xuất với các ưu điểm nổi bật về thủy lực, mức độ tiêu tán năng lượng và giảm khối lượng xây dựng so với các mố nhám tiêu chuẩn. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi dòng chảy qua bể tiêu năng có các mố nhám chữ V thì dòng quẩn sẽ tác động mạnh vào khe chữ V và giải phóng năng lượng nhiều hơn so với mố nhám hình thang thông thường, cường độ rối cũng như hệ số tiêu tán năng lượng tăng hơn đáng kể. Nghiên cứu được áp dụng thực tế cho công trình cống Thủ Bộ - một công trình thuộc hệ thống công trình ngăn triều phục vụ chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trương Đình Dụ (1994): “Vài ý kiến về thiết kế sân sau của các cống tháo nước”, Tuyển tập kết quả khoa học và công nghệ (1988 – 1994) Viện KHTL Quốc Gia, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội.

[2]. Lưu Như Phú (1992): “Các chế độ thủy lực tiêu năng phòng xói cống vùng triều”, Tuyển tập báo cáo khoa học, Viện Khoa học Thủy lợi, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội.

[3]. Phạm Ngọc Quý (1992): “Mô hình toán thiết lập công thức thực nghiệm tính chiều sâu lớn nhất của hố xói ổn định sau đập tràn cột nước thấp”, Nội san khoa học, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội.

[4]. Phạm Ngọc Quý (2003): “Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tháo nước”, NXB Xây dựng, Hà Nội.

Xem bài báo tại đây: Nghiên cứu cải tiến mố tiêu năng sau cống vùng triều có khẩu diện lớn - áp dụng cho trường hợp cống Thủ Bộ

Tác giả: TS. Phạm Văn Song
Trường Đại học Thủy lợi

TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI