Nghiên cứu hiệu quả giảm năng lượng trong cống hộp trên đường giao thông bằng nhám gia cường

Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-76- 
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM NĂNG LƯỢNG TRONG CỐNG HỘP 
TRÊN ĐƯỜNG GIAO THÔNG BẰNG NHÁM GIA CƯỜNG 
Nguyễn Đăng Phóng1, Hoàng Thị Minh Hải1 
1 Trường Đại học Giao thông vận tải, số 3 Cầu Giấy, Hà Nội. 
Email: ndphong@utc.edu.vn; Tel: 0904222171 
RESEARCH ON ENERGY DISSIPATION EFFECTIVENESS OF 
ROUGHNESS ELEMENTS IN HIGHWAY BOX CULVERTS 
Nguyen Dang Phong1, Hoang Thi Minh Hai1 
1University of Transport and Communications, No 3 Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam. 
Tóm tắt: Nhám gia cường là một trong những giải pháp thiết kế hiệu quả được áp 
dụng trong nhiều công trình có lưu tốc dòng chảy lớn nhằm tăng độ sâu, giảm lưu tốc 
của dòng chảy. Với cống hộp trên đường giao thông có lưu tốc cửa ra lớn, trong khi 
không đủ diện tích ở hạ lưu để thiết kế công trình tiêu năng thì giải pháp bố trí các mố 
nhám gia cường ở hạ lưu cống được đặt ra. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thí 
nghiệm mô hình thủy lực với giải pháp bố trí nhám gia cường trong phần cuối của 
cống hộp. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình cho thấy với 05 hàng mố nhám có 
khe hở bố trí ở cuối cống hộp sẽ làm cho động năng dòng chảy chỉ còn dưới 30% của 
động năng dòng chảy khi không có mố nhám. Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra khi 
số lượng mố nhám tăng thì hiệu quả giảm năng lượng cũng tăng nhưng tỷ lệ tăng so 
với việc bố trí 05 mố nhám có khe hở so le chỉ tới 10,7% (khi bố trí 20 mố nhám 
không có khe hở). 
Từ khóa: mố nhám gia cường, cống hộp, giảm lưu tốc dòng chảy, lưu tốc cửa ra của 
cống. 
Abstract: The high roughtness was one of effective disign solutions that often used on 
the high velocity flowing contructure to increase flow depth and reduce flow velocity. 
With box culverts, when high outlet velocity and not enough area to construct a 
stilling basin then roughness elements are sometimes a convenient way of controlling 
outlet velocities for culvert installations. The acticle presents the results of empirical 
research on physical model with the high roughtness located upstream of the outlet so 
the flow reattaches to the channel bed right at the outlet. 
Keywords: roughness elements, box culverts, reduce flow velocity, outlet velocities. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Trong công tác thiết kế và xây dựng cống trên đường giao thông khi vận tốc cửa 
ra của cống lớn hơn 6m/s để đảm bảo hạ lưu cống không bị phá hủy thì phải làm công 
trình tiêu năng ở hạ lưu cống. Các trường hợp ở cửa ra cống có tốc độ dòng chảy lớn 
hơn 6m/s thường là các cống dốc ở đường miền núi hoặc miền trung du. Trong rất 
nhiều trường hợp ở hạ lưu cống không thể xây dựng công trình tiêu năng được do 
thiếu mặt bằng (ở hạ lưu đã/sẽ có công trình xây dựng khác, do điều kiện địa hình 
không đủ để xây dựng, ) do vậy vấn đề giảm lưu tốc (hay động năng dòng chảy) ở 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-77- 
cửa ra được đặt ra. Một giải pháp giảm năng lượng dòng chảy hữu hiệu là xây dựng 
các mố nhám ngay trong thân cống, biện pháp này sẽ giảm được năng lượng dòng 
chảy trong cống cũng như năng lượng dòng chảy ở cửa ra, đồng thời không làm tăng 
thêm diện tích đất ở hạ lưu để làm công trình tiêu năng. 
Nhám gia cường trên thân dốc, máng phun, ... có độ dốc lớn được giới thiệu 
nhiều trong tài các tài liệu tham khảo [1, 2], trong đó nhám gia cường được đặt trên 
toàn chiều dài công trình. Do tác dụng của các mố nhám này mà độ sâu dòng chảy 
tăng lên, còn lưu tốc trung bình thì giảm đi. 
Biện pháp giảm năng lượng dòng chảy trong thân cống đã được giới thiệu trong 
HEC-14 [3]. Theo tài liệu này có 05 mố nhám có dạng khe hở so le nhau được đặt ở 
cuối cống hộp có tác dụng giảm vận tốc dòng chảy đến trên 50%. 
Trong bài báo này nhóm tác giả thuộc bộ môn Thủy lực – Thủy văn, trường ĐH 
Giao thông Vận tải trình bày kết quả nghiên cứu mô hình vật lý về hiệu quả giảm năng 
lượng (cụ thể là động năng) của nhám gia cường trong cống dốc. 
2. MÔ HÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM 
2.1. Mô hình thí nghiệm 
Hình 1. Sơ đồ máng thí nghiệm 
Cấu tạo hệ thống máng kính tuần hoàn có thể thay đổi độ dốc có: Chiều dài 
máng kính 5m; Chiều rộng máng kính 7.3cm; Chiều dài từ cửa cuối đến trục kích 
3.3m; Kích tạo độ dốc có thể thay đổi chiều cao từ 0cm đến 15cm; Thiết bị đo lưu 
lượng dạng phao. 
Mố nhám hình chữ nhật 
Mố nhám có khe hở 
Hình 2. Dạng mố nhám dùng trong thí nghiệm. 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-78- 
Hình 3. Chi tiết mố nhám dạng có khe hở [4]. 
Thí nghiệm được tiến hành với 2 loại mố nhám là mố nhám hình chữ nhật và mố 
nhám có khe hở, cao 1cm, đặt cách nhau 10cm và thẳng góc với dòng chảy. Mố nhám 
dạng có khe hở có cấu tạo chi tiết như hình 3 với khoảng cách giữa các khe hở của mố 
nhám W2=0,5mm; bề rộng các mố nhám là W1 = 19mm với hàng mố có 03 khe hở và 
W1=21mm với hàng mố có 02 khe hở. Các mố nhám được gắn lên tấm nhôm nhựa 
Aluminium có bề rộng và chiều dài bằng bề rộng và chiều dài của máng thí nghiệm, 
sau đó các tấm nhôm nhựa Aluminium đã được gắn mố nhám được dán lên đáy máng 
thí nghiệm. Số mố nhám được lắp đặt lần lượt là 5, 10, 15 và 20 mố nhám từ cuối cống 
đi lên. 
Đồng thời để xem xét hiệu quả của các mố nhám trong việc giảm động năng của 
dòng chảy, tác giả tiến hành thí nghiệm với trường hợp đáy phẳng tương ứng. 
2.2. Lưu lượng và độ dốc máng kính thí nghiệm 
Các trường hợp thí nghiệm được tiến hành với cùng 01 phương án lưu lượng lớn 
nhất của máng là Q=6,83m3/h (0,0019(m3/s) và 03 độ dốc máng kính thí nghiệm là 
2%, 3% và 4% (độ dốc được tạo ra bằng cách nâng kính lên 66mm, 99mm và 132mm). 
Hình 4. Tiến hành thí nghiệm. 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-79- 
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm và tính toán: Trường hợp đáy phẳng. 
S (%) h (m) A (m2) V (m/s) E (m) Fr 
2 0,027 0,0019 0,975 0,048 1,906 
3 0,023 0,0017 1,118 0,064 2,342 
4 0,021 0,0016 1,219 0,076 2,664 
TB 1,104 0,063 2,304 
2.3. Nội dung thí nghiệm 
Sau khi lắp đặt mô hình thí nghiệm vào máng kính, tạo độ dốc cho máng kính thì 
tiến hành thí nghiệm với các nội dung: 1) Đo (hoặc kiểm tra) lưu lượng của máy bơm; 
2) Đo chiều sâu dòng chảy dọc theo máng kính (đặc biệt đo kỹ ở phần có mố nhám). 
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
Từ kết quả thí nghiệm là lưu lượng và độ sâu dòng chảy, tiến hành tính toán độ 
lưu tốc trung bình, động năng dòng chảy, số Froude, tỷ lệ lưu tốc, tỷ lệ động năng 
dòng chảy khi có và không có mố nhám. Kết quả thí nghiệm và tính toán cho trong 
bảng 1, 2 và 3. 
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm và tính toán: 
TH nhám gia cường với mố nhám có khe hở. 
2.1. TH 20 mố nhám 
S 
(%) 
h 
(m) 
A 
(m2) 
Vnh 
(m/s) 
Vnh/Vph 
(%) 
Enh 
(m) 
Enh/Eph 
(%) 
Fr 
2 0,054 0,0039 0,484 49,63 0,012 24,63 0,025 
3 0,048 0,0035 0,540 48,25 0,015 23,29 0,021 
4 0,046 0,0034 0,563 46,19 0,016 21,34 0,020 
TB 0,529 48,027 0,014 23,086 0,022 
2.2. TH 15 mố nhám 
2 0,052 0,0038 0,499 51,17 0,013 26,19 0,024 
3 0,046 0,0034 0,563 50,30 0,016 25,30 0,020 
4 0,044 0,0032 0,592 48,61 0,018 23,63 0,018 
TB 0,551 50,027 0,016 25,038 0,020 
2.3. TH 10 mố nhám 
2 0,051 0,0038 0,506 51,85 0,013 26,89 0,023 
3 0,046 0,0034 0,564 50,39 0,016 25,39 0,020 
4 0,045 0,0033 0,580 47,56 0,017 22,62 0,019 
TB 0,550 49,932 0,015 24,964 0,021 
2.4. TH 5 mố nhám 
2 0,048 0,0035 0,545 55,85 0,015 31,19 0,021 
3 0,044 0,0032 0,594 53,14 0,018 28,24 0,018 
4 0,040 0,0029 0,654 53,67 0,022 28,80 0,016 
TB 0,598 54,219 0,018 29,411 0,018 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-80- 
Nhận xét kết quả thí nghiệm: 
- Với lưu lượng thí nghiệm là 0,0019(m3/s và 03 độ dốc máng kính thí nghiệm là 
2%, 3% và 4% thì khi thí nghiệm với đáy phẳng dòng chảy ở trạng thái chảy 
xiết (Fr>1) (xem Bảng 1); 
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm và tính toán TH nhám gia cường mố nhám không có khe hở. 
3.1. TH 20 mố nhám 
S 
(%) 
h 
(m) 
A 
(m2) 
Vnh 
(m/s) 
Vnh/Vph 
(%) 
Enh 
(m) 
Enh/Eph 
(%) 
Fr 
2 0,058 0,0042 0,452 46,34 0,010 21,47 0,027 
3 0,054 0,0039 0,481 42,98 0,012 18,48 0,025 
4 0,052 0,0038 0,498 40,88 0,013 16,71 0,024 
TB 0,477 43,402 0,012 18,888 0,025 
3.2. TH 15 mố nhám 
2 0,057 0,0041 0,458 46,97 0,011 22,06 0,027 
3 0,050 0,0036 0,525 46,92 0,014 22,01 0,022 
4 0,046 0,0034 0,563 46,15 0,016 21,30 0,020 
TB 0,515 46,679 0,014 21,791 0,023 
3.3. TH 10 mố nhám 
2 0,056 0,0041 0,467 47,86 0,011 22,91 0,026 
3 0,055 0,0040 0,476 42,60 0,012 18,15 0,025 
4 0,049 0,0036 0,529 43,41 0,014 18,85 0,022 
TB 0,491 44,626 0,012 19,969 0,024 
3.4. TH 5 mố nhám 
2 0,050 0,0036 0,523 53,60 0,014 28,73 0,022 
3 0,047 0,0034 0,559 50,00 0,016 25,00 0,020 
4 0,044 0,0032 0,598 49,04 0,018 24,05 0,018 
TB 0,560 50,881 0,016 25,927 0,020 
- Khi có mố nhám có khe hở, lưu tốc dòng chảy bằng từ 48,027% (20 mố nhám) 
đến 54,219% (05 mố nhám) so với lưu tốc khi không có mố nhám (xem Bảng 2 
và Hình 5). Khi mố nhám không có khe hở, lưu tốc dòng chảy giảm nhiều hơn 
bằng từ 43,402% (20 mố nhám) đến 50,881% (05 mố nhám) so với lưu tốc khi 
không có mố nhám (xem Bảng 3 và Hình 5); 
- Đồng thời với việc giảm lưu tốc khi có mố nhám thì động năng dòng chảy cũng 
giảm tương ứng: Khi có mố nhám có khe hở động năng dòng chảy bằng từ 
23,086% (20 mố nhám) đến 29,411% (05 mố nhám) so với động năng khi 
không có mố nhám (xem Bảng 2 và Hình 6) và khi mố nhám không có khe hở 
sự giảm này bằng từ 18,888% đến 25,927 (xem Bảng 3 và Hình 6); 
- Với cùng số mố nhám thì mố nhám không có khe hở có độ giảm lưu lốc và 
động năng nhiều hơn (xem Bảng 2, 3 và Hình 5, 6); 
- Khi số mố nhám tăng lên thì độ giảm lưu lốc và động năng cũng tăng nhưng 
không nhiều (xem hình 7 và 8). So với phương án làm 05 mố nhám có khe hở 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-81- 
thì hiệu quả giảm lưu tốc tương đối (tỷ số lưu tốc khi có mố nhám và không có 
mố nhám) thay đổi từ 3,425% (TH có 5 mố nhám không có khe hở) đến 
10,934% (TH có 20 mố nhám không có khe hở) và hiệu quả giảm động năng 
tương đối từ 3,648% đến 10,689% (xem bảng 4). 
Bảng 4. So sánh hiệu quả của việc giảm lưu tốc và động năng giữa các phương án 
nhám gia cường với phương án có 05 mố nhám gia cường có khe hở. 
Số mố nhám 
Độ chênh lệch tương đối giữa các PA nhám gia cường với PA có 
05 mố nhám có khe hở (%) 
Nhám có khe hở Nhám không có khe hở 
Vnh Enh Vnh Enh 
5 0,000 0,000 3,425 3,648 
10 4,355 4,569 9,683 9,570 
15 4,198 4,373 7,481 7,490 
20 6,230 6,379 10,934 10,689 
5. KẾT LUẬN 
- Khi lắp đặt các mố nhám ở cuối cống hộp có tác dụng làm giảm lưu tốc dòng 
chảy rất nhiều (chỉ bằng khoảng 43% so với trường hợp không có mố nhám, 
tùy theo số mố nhám và dạng mố nhám). Đồng thời với việc giảm lưu tốc thì 
động năng dòng chảy cũng giảm. 
- Khi tăng số mố nhám lên thì độ giảm lưu tốc và động năng cũng tăng nhưng 
không tăng nhiều (dưới 11%) so với phương án lắp đặt 05 mố nhám có khe hở. 
- Như vậy việc lắp mố nhám gia cường ở cuối cống dốc thực sự mang lại hiệu 
quả tốt về việc giảm động năng của dòng chảy. Tuy nhiên, việc tăng mố nhám 
lên trên 05 mố để giảm năng lượng chưa phải là giải pháp thực sự hiệu quả. 
- Các kết quả của nghiên cứu này được thực hiện trong máng thí nghiệm có kích 
thước hạn chế, do đó để có các kết quả chính xác hơn thì nghiên cứu cần tiếp 
tục thực hiện ở các máng thí nghiệm có kích thước lớn. 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-82- 
Ghi chú: A – mố nhám có khe hở; B – mố nhám không có khe hở 
5, 10, 15, 20 – số mố nhám; nh – có mố nhám; ph – đáy phẳng 
Hình 5. Lưu tốc tương đối của dòng chảy theo độ dốc 
Ghi chú: A – mố nhám có khe hở; B – mố nhám không có khe hở 
5, 10, 15, 20 – số mố nhám; nh – có mố nhám; ph – đáy phẳng 
Hình 6. Động năng tương đối của dòng chảy theo độ dốc 
Hình 7. Sự thay đổi lưu lốc trung bình tương đối theo số mố nhám 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-83- 
Hình 8. Sự thay đổi động năng trung bình tương đối theo số mố nhám. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Cảnh Cẩm và nnk (2006), Thủy lực – tập 2, NXB Nông nghiệp, 2006. 
[2] PGS.TS. Lê Văn Nghị và ThS. Đoàn Thị Minh Yến, Hiệu quả tiêu hao năng lượng 
dọc đường của giải pháp nhám gia cường trên dốc nước, Tạp chí Khoa học Thủy 
lợi số 16, tháng 8 năm 2013. 
[3] Philip L. Thompson and Roger T. Kilgore (2006), Hydraulic Design of Energy 
Dissipators for Culverts and Channels – HEC 14, National Highway Institute.