Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày nghiên cứu thí nghiệm mô hình của loại hình cửa van này nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của nó trong điều kiện kinh tế và xã hội của Việt Nam. Đây là giải pháp đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã chứng minh được tính hiệu quả của nó. Các ưu điểm của loại hình công trình này đó là có cấu tạo đơn giản, thời gian thi công nhanh, dễ quản lý và vận hành, đặc biệt rất hiệu quả trong việc tăng khả năng trữ nước của hồ chứa cũng như khả năng xả nước khi có yêu cầu.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ CỬA VAN CAO SU BẢN MẶT - THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH VẬT LÝ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG VẬN HÀNH VÀ ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM Nguyễn Văn Thanh, Vũ Lê Minh, Trần Thị Nga, Vũ Văn Xiêm Viện Thủy Công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Tóm tắt: Đập hồ chứa loại hình cơng trình thuỷ lợi quan trọng nước ta Hiện nay, có khoảng 5.500 hồ chứa xây dựng đưa vào sử dụng, với tổng dung tích trữ nước 35,8 tỷ m3 Do ảnh hưởng bất lợi tượng biến đổi khí hậu tác động khó kiểm sốt từ phía thượng lưu, yêu cầu cấp thiết phải nâng cấp đập có để tăng khả trữ nước điều tiết lũ hồ chứa Do đó, có nhiều giải pháp nghiên cứu ứng dụng để nâng cao cột nước trữ Bài báo giới thiệu giải pháp khả thi, giải pháp áp dụng loại hình cửa van cao su mặt Bài báo trình bày nghiên cứu thí nghiệm mơ hình loại hình cửa van nhằm đánh giá khả ứng dụng điều kiện kinh tế xã hội Việt Nam Đây giải pháp ứng dụng rộng rãi giới, chứng minh tính hiệu Các ưu điểm loại hình cơng trình có cấu tạo đơn giản, thời gian thi công nhanh, dễ quản lý vận hành, đặc biệt hiệu việc tăng khả trữ nước hồ chứa khả xả nước có yêu cầu Từ khóa: hồ chứa; nâng cấp đập; cửa van cao su mặt; thí nghiệm mơ hình Summary: Reservoirs play an important role in the development of the economy, society, and security of Viet Nam There are approximately 5.500 reservoirs that have been constructed and functioned, with a total water storage capacity of 35,8 billion m3 Due to the effect of climate change and the impacts of upstream conditions, It is necessary to increase the water storage capacity and flood regulation ability of those reservoirs This paper introduces pneumatic shield gates and studies a physical model of this type of gate to evaluate its operability and application The technology of pneumatic shield gates has been applied widely worldwide The main advantages of this technology are simple structures, fast construction, and convenience to manage and operate Furthermore, applying this type of gate is especially effective in increasing the total water storage capacity of the reservoir or discharging when required Keywords: reservoirs; dam upgradation; pneumatic shield gates; physical model ĐẶT VẤN ĐỀ * Hồ chứa nước công trình thuỷ lợi làm nhiệm vụ điều tiết dịng chảy, trữ nước vào mùa mưa để dùng vào mùa khô Do có nhiều ưu điểm khai thác tổng hợp (cấp nước tưới, phát điện, nuôi cá, du lịch…), hồ chứa xây dựng nhiều giới Theo thống kê Bộ NN&PTNT, tính tới năm 2020 nước ta xây dựng 7.169 đập, hồ chứa thủy lợi, Ngày nhận bài: 24/6/2021 Ngày thông qua phản biện: 16/7/2021 có 419 đập dâng có chiều cao 5,0m 6.750 hồ chứa với tổng dung tích trữ khoảng 14,5 tỷ m3, tạo nguồn nước tưới cho gần 1,1 triệu đất nông nghiệp, cấp khoảng 1,5 tỷ m3 nước cho sinh hoạt, công nghiệp, phân bố 45/63 địa phương nước [1] Trong trình vận hành, biến đổi bất thường điều kiện khí hậu thay đổi bất lợi nguồn nước từ thượng – hạ lưu dẫn tới Ngày duyệt đăng: 02/8/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nhu cầu thiết cần phải nâng cấp đập có để tăng khả trữ nước điều tiết lũ hồ chứa Có nhiều giải pháp áp dụng để thực nhiệm vụ đạt mục tiêu Các giải pháp chia thành hai nhóm: (1) giải pháp cơng trình kiên cố (2) giải pháp cơng trình di động Giải pháp cải tạo nâng cao ngưỡng tràn, đập cơng trình kiên cố (tơn cao ngưỡng, cải tạo cửa van ) thường xem xét áp dụng với hồ chứa quy mô lớn, cần tràn xả lũ làm việc ổn định, lâu dài Những giải pháp thường thi công tương đối phức tạp so với số hình thức cơng trình tạm, thời gian thi công tương đối dài, thường phải yêu cầu kèm theo nâng cao cao trình đỉnh đập, sửa chữa kết cấu tuyến tràn (dốc nước, tiêu năng…) với nâng cấp ngưỡng tràn Ngồi ra, chi phí xây dựng cho giải pháp thường cao đặc biệt với hồ chứa không cho phép nâng MNLTK MNLKT (có thể liên quan đến ngập lụt thượng lưu, đền bù đất, yêu cầu kỹ thuật cao trình đỉnh đập ) Từ năm 70 kỷ trước, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam nghiên cứu giải pháp nâng cao ngưỡng tràn sử dụng cơng trình phụ, tạm di động Một số cơng trình tiêu biểu đập tự lật (tràn cầu chì), cửa van tự động lật, đập xếp tự động đập lật tự động [2] [3] Tới nay, nhiều nguyên nhân chủ quan khách quan, việc áp dụng nhân rộng giải pháp hạn chế Riêng với nghiên cứu đập lật tự động (thực năm 2017), cơng nghệ chưa có ứng dụng thực tế, thí nghiệm cho 01 đơn ngun lật Hình 1: Hình ảnh minh họa ba chiều kết cấu đập lật tự động Chi tiết cấu tạo đập bao gồm: (1) Bản mặt; (2) Sườn chống; (3) Trục quay; (4) Trục khuỷu; (5) Thanh truyền; (6) Lò xo; (7) Hộp kỹ thuật Hình 2: Cửa van cao su mặt (a) hồ tích nước (b) hồ xả nước khơng hoạt động TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC Từ thực tế trên, nhóm tác giả chọn nghiên cứu loại hình cửa van Cao Su Bản Mặt (CSBM) Loại hình cửa van có cấu tạo từ mặt thép hỗ trợ đóng mở lên xuống nhờ túi khí nén hạ lưu Nhờ vào việc khống chế áp suất túi khí, mực nước hồ thay đổi dựa vào chiều cao đóng mở cửa (Hình 2) Loại hình cửa van công ty Obermeyer đăng ký bảo hộ quyền sáng chế Mỹ [4] Và qua nhiều năm kinh nghiệm xây dựng công trình cửa van, chiều ngang lớn (B) đơn nguyên khuyến cáo khoảng 10 m Trải qua trình ứng dụng nhiều nước giới, nghiên cứu công ty Obermeyer cửa van cao su mặt có nhiều thay đổi cải tiến, áp dụng tên khác nhau, chất hoạt động hệ thống cửa van CSBM bao gồm phần cửa van thép, túi khí hệ thống bơm khí (Hình 3) CƠNG NGHỆ trợ lực túi khí nén Do cơng trình áp dụng loại hình cửa van thường có tính hiệu mặt kinh tế nhờ giảm yêu cầu cao xử lý móng Việc thiết kế thành mơ đun cho phép linh động thay phận cửa mà không cần thay thế, làm ảnh hưởng đến hệ thống Điều làm giảm chu kỳ đầu tư vốn giảm thời gian ngừng sử dụng cơng trình sửa chữa Hơn nữa, việc thi công cửa van loại mặt đập bê tông xây dựng từ trước đơn giản, không yêu cầu xây dựng trụ bên; thời gian thi công nhanh Nhờ vào ưu điểm trên, cửa van CSBM ứng dụng cho nhiều lĩnh vực: trữ nước, phát điện, kiểm sốt dịng chảy, ngăn lũ, tưới tiêu, giao thơng… NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO 2.1 Nguyên lý làm việc cửa van CSBM Hình 4: Sơ đồ mơ tả ngun lý làm việc cửa van CSBM Hình 3: Cửa van CSBM sáng chế công ty Obermeyer sử dụng đập tràn nhà máy thủy điện Achwa II (Uganda) Qua kinh nghiệm xây dựng, quản lý vận hành, loại hình cửa van CSBM chứng minh tính hiệu việc kiểm sốt mực nước Khác với loại hình cửa van thép truyền thống, thay hệ thống nâng hạ khí cửa van truyền thống, cửa van CSBM Nguyên lý hoạt động cửa van CSBM thể Hình Giả sử thép (bản mặt) cứng tuyệt đối, quay quanh khớp gắn với mặt tràn (khớp hai liên kết) Hoạt động thép hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng túi khí áp suất khí bơm túi Khi túi khí bơm căng, mặt nâng lên góc mở (α) so với mặt ngang, mực nước hồ dâng tới cao trình thiết kế chảy tràn phía hạ lưu Khi giảm áp suất, túi khí xẹp dần dẫn tới hạ độ mở mặt (góc α giảm), nước hồ xả phía hạ lưu Khi góc mở α = túi khí tháo hồn tồn, mặt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ hạ thấp chạm mặt tràn, ngưỡng tràn quay trở lại hình dạng ban đầu 2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo cửa van CSBM Bản mặt: vật liệu chọn thép không gỉ theo TCVN 8299:2009 [5] vật liệu composite theo TCVN 10407:2015 [6] (nếu xem xét chế tạo mặt vật liệu composite) Trên giới, kích thước ngang đơn nguyên cửa van lên tới 10m, yêu cầu vật liệu làm cửa van túi khí yêu cầu lớn hơn, đặc biệt dùng cho đơn nguyên cửa van có bề rộng mặt cắt lớn Do đó, nhóm tác giả khuyến nghị kích thước chiều rộng x chiều cao (B.H) đơn nguyên không 2,0 x 2,0m Túi khí: yêu cầu túi khí phải có tuổi thọ cao, chịu áp suất khí lớn để nâng cửa van áp lực cột nước trọng lượng cửa van, đáp ứng đặc điểm vận hành bơm – xả liên tục bền với mơi trường nước Nhóm tác giả đề xuất loại túi khí chế tạo cao su tổng hợp chịu áp suất khí lớn Trong thực tế, dạng túi khí cao su chịu áp lực lớn thường dùng việc giảm chấn – penumatic rubber fender (dùng ngành công nghiệp tàu thủy, chống va đập thân tàu bến cầu tàu; dùng để hạ thủy tàu) dùng để nâng hạ kết cấu có trọng lượng lớn (pneumatic lifting bag) Các loại vật liệu chế tạo cao su dạng thích hợp với điều kiện làm việc cơng nghệ cửa van CSBM, nhiên có khác hình dạng tùy vào điều kiện sử dụng Trung Quốc nước sản xuất lớn với lựa chọn đa dạng hình dạng túi khí vật liệu cao su đặc thù [7] Tại Việt Nam có số cơng ty cung cấp sản phẩm loại phần lớn đơn vị phân phối khơng trực tiếp sản xuất Kích thước túi khí chọn theo kích thước mặt, với chiều dài túi khí tối đa chiều ngang mặt (B ≤ 2m) NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH VẬT LÝ Để nghiên cứu, đánh giá khả hoạt động công nghệ cửa van CSBM tính khả thi áp dụng Việt Nam, nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý tỷ lệ 1:2 Trung Tâm Nghiên Cứu Thủy Lực thuộc Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc gia động lực học sông biển, Viện khoa học thủy lợi Việt Nam Vật liệu chế tạo phận cửa van (tấm thép, túi khí, hệ thống bơm khí hệ thống kín nước) phân tích lựa chọn dựa theo hai tiêu chí (1) đảm bảo tính kỹ thuật (độ ổn định) (2) tính kinh tế (vật liệu giá thành hợp lý, phổ biến thị trường Việt Nam) Các phận mơ hình cửa van CSBM hình gồm có: Hình 5: Hình ảnh chi tiết cấu tạo cửa van lắp đặt khu vực thí nghiệm Bản mặt: chế tạo thép dày 3mm, có hệ thống gân tăng cứng Chia làm 02 đơn ngun, có gioăng cao su kín nước Kích thước tổng thể mặt BxH = 1,0mx1,0m; kích thước đơn ngun 0,5mx1,0m TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC Túi khí: gia cơng cao su hai lớp với áp suất bơm tối đa cho phép atm = 710 kN/m2, kích thước túi DxL = 350mmx150mm; Hệ thống máy bơm khí đo áp suất; Hệ thống tăng đơ: khống chế độ mở tối đa mặt Kết cấu cố định vào mặt bê tơng bu lơng kín nước cao su 3.1 Kịch thí nghiệm Thí nghiệm mơ hoạt động cửa van CSBM hai trường hợp (1) hồ tích nước (2) hồ xả nước Trong trường hợp hồ tích nước, nước bơm vào bể chứa, đồng thời khí bơm vào làm căng túi cao su, mặt cửa van nâng lên từ từ Mở cửa điều tiết từ bể chứa để nước vào hệ thống máng thí nghiệm Khi mực nước trước đập đạt đến cao trình mực nước thiết kế, điều chỉnh áp suất túi khí cao su CÔNG NGHỆ P giá trị cố định trì (ứng với mực nước thiết kế), từ xác định độ mở cửa van (α) tương ứng với lưu lượng (Q) cột nước tràn qua đập (H) Dùng đập tràn thành mỏng bố trí phía cuối bể để xác định lưu lượng chảy qua mơ hình Trường hợp xả nước: Giảm dần áp suất túi khí, với áp suất P ta đo độ mở cửa van (α) tương ứng với lưu lượng (Q) cột nước tràn (H) khác Dùng đập tràn thành mỏng phía cuối bể để xác định trường hợp lưu lượng chảy qua mơ hình Hình 6: Sơ đồ thí nghiệm mơ hình Hình 7: Hình ảnh thí nghiệm hai trường hợp tích nước xả nước Hình 8: Dịng chảy máng nhìn từ thượng lưu, từ cao từ hạ lưu Các thông số cần đo đạc: lưu lượng nước tới Q, cột nước trước sau cửa van, độ mở cửa van (α), TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ khoảng từ tâm quay O tới điểm tiếp xúc túi mặt; áp suất bơm khí 3.2 Phân tích kết thí nghiệm Sự ổn định vận hành cửa van thể qua khả chịu lực túi khí Để đơn giản hóa sơ đồ tính tốn, coi túi khí ln giữ tiết diện hình trịn tiếp xúc với cửa van điểm Theo định luật Newton, áp lực cửa van tác dụng lên túi khí áp phản lực túi Ft Phản lực Ft giữ cho hệ thống cân tác động trọng lượng thân áp lực tác động lên mặt Từ phản lực Ft, tính tốn sức căng túi khí O (m) Tương quan góc mở α lực Ft thể Hình 10, Hình 11 tương ứng với trường hợp tích nước xả nước Hình 10: Tương quan góc mở α lực Ft tích nước Hình 9: Sơ đồ tính tốn lực tác dụng lên cửa van Các lực tác dụng lên mặt bao gồm: trọng lượng thân mặt, áp lực nước lực đẩy túi khí (Hình 9) Lực Ft tính tốn từ phương trình cân mơ men mặt điểm khớp quay O: 𝐹𝑡 𝐿𝑡 = 𝑃 ( 𝐿) cos 𝑎 + 𝐹𝑛 𝐿𝑛 Từ tính Ft theo cơng thức: 𝑃𝐿 cos 𝑎 + 2𝐹𝑛 𝐿𝑛 𝐹𝑡 = 2𝐿𝑡 Trong đó: Ft: phản lực túi khí tác động lên mặt (kN); P: trọng lượng thân mặt (kN); Fn: tổng áp lực nước lên mặt (kN); L: chiều dài mặt (L = 1,0m); Ln: khoảng cách từ điểm đặt lực F0 tới khớp quay O (m); Lt: khoảng từ điểm đặt lực Ft tới khớp quay Hình 11: Tương quan góc mở α lực Ft xả nước Ft có xu hướng tăng góc mở α tăng, điều hợp lý thực tế Giá trị lớn Ft = 2,7kN α = 600 áp suất bơm 4,0atm = 405,3 kNm-2 trường hợp tích nước Giả thiết lực tác dụng lên túi khí gây lực căng phân bố bề mặt túi, ta tính áp suất túi khí : 𝐹𝑡 2,7 𝑃𝑡ổ𝑛𝑔 = + 𝐹𝑏ơ𝑚 𝑘ℎí = + 405,3 𝑆𝑏ề 𝑚ặ𝑡 0,35 = 413 𝑘𝑁⁄𝑚2 Trong Ptổng áp suất túi khí gây tổng hợp lực áp suất bơm lực tác dụng từ mặt; F bơm khí áp suất bơm Ptổng