Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước Sông Hồng trong mùa khô

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Trương Đình Dụ người đã có ý tưởng làm cửa van phao Chữ nhân , người đã hướng dẫn, vạch ra những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Th.S Lê Đình Hưng luôn quan tâm và tạo điều kiện để hoàn thiện công nghệ cửa van phao chữ nhân điều tiết nước sông hồng sớm đưa vào ứng dụng trong thực tế. Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Trung tâm Công trình đồng bằng ven biển & đê điều – Viện Thủy Công - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam là những người đã sát cánh cùng tác giả trong nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ ngăn sông trong những năm qua. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, anh chị trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành quá trình học tập và viết luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2014. Tác giả Bùi Quang Lân BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước Sông Hồng trong mùa khô”. Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường. Tác giả Bùi Quang Lân MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1. NGUYÊN NHÂN GÂY CẠN KIỆT MÙA KHÔ Ở SÔNG HỒNG 4 1.1. Đặt vấn đề 4 1.2. Diễn biến mực nước và lưu lượng ở Hà Nội vào mua khô qua các thời kỳ. 6 1.2.1. Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình thượng nguồn. 6 1.2.2. Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội sau khi có công trình thượng nguồn 10 1.2.3. Mực nước và lưu lượng ở Hà Nội khi xả nước tăng cường từ các hồ thượng nguồn vào mùa khô. 11 1.3. Các nguyên nhân gây cạn kiệt dòng chảy sông hồng. 15 1.3.1. Ảnh hưởng của sự điều tiết các công trình hồ chứa thượng nguồn ngoài lãnh thổ Việt Nam 16 1.3.2. Ảnh hưởng của sự vận hành các hồ thủy điện thượng nguồn của Việt Nam chưa đúng như nhiệm vụ thiết kế đề ra 16 1.3.3. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, gây can kiệt nguồn nước 18 1.3.4. Ảnh hưởng của sự hạ thấp đáy sông do hiện tượng xói nước trong lan truyền và khai thác cát tự do 19 1.3.5. Ảnh hưởng của thảm phủ thực vật suy giảm mạnh 23 1.3.6. Sự phối hợp giữa các ngành dùng nước chưa chặt chẽ 23 1.4. Kết luận nguyên nhân cạn kiệt mùa khô ở sông Hồng 23 1.5. Kết luận chương 1 25 Chương 2. CÁC LOẠI CỬA VAN ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH ĐIỀU TIẾT NƯỚC SÔNG HỒNG 26 2.1. Tổng quan các loại công trình điều tiết 26 2.2. Tổng quan các loại cửa van trong công trình điều tiết trong nước 28 2.2.1. Cửa van clape trục dưới 28 2.2.2. Cửa van phẳng 28 2.2.3. Cửa van cung 29 2.3. Tổng quan các loại cửa van cho công trình điều tiết trên thế giới. 30 2.3.1. Cửa van kéo đứng (cửa van phẳng) 30 2.3.2. Cửa van FLAP (cửa van CLAPE) 33 2.3.3. Cửa van bằng cao su 38 2.3.4. Cửa van cung 38 2.4. Kết luận chương 2 40 Chương 3. TÍNH TOÁN CỬA VAN PHAO CHỮ NHÂN 41 3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc 41 3.1.1. Cấu tạo 41 3.1.2. Nguyên lý vận hành cửa van phao chữ nhân 42 3.2. Ưu nhược điểm cửa van phao chữ nhân 43 3.3. Điều kiện nổi và chìm của cửa van trong nước 43 3.3.1. Điều kiện ổn định của cửa van trong nước 43 3.3.2. Điều kiện chìm của cửa van trong nước 46 3.4. Tính ổn định của cửa van phao chữ nhân khi nổi 46 3.5. Sơ đồ lực tác dụng 47 3.6. Tính toán lực đóng mở cửa van 48 3.7. Cối quay trong các cửa van thông dụng 50 3.7.1. Cối quay của cửa van tự động trục đứng 50 3.7.2. Cối quay của cửa van cung 51 3.7.3. Cối quay cửa van Clape 51 3.8. Lựa chọn kết cấu cối quay cho cửa van phao chữ nhân. 52 3.8.1. Kết cấu cối quay dạng cầu 53 3.8.2. Kết cấu cối quay dạng bạc trục quay kết hợp với dây mềm 55 3.9. Kết luận chương 3 58 Chương 4. ỨNG DỤNG CỬA VAN PHAO CHỮ NHÂN CHO ĐẬP ĐIỀU TIẾT KHUYẾN LƯƠNG 59 4.1. Giới thiệu chung về công trình Khuyến Lương. 59 4.1.1. Vị trí địa lý của công trình Khuyến Lương. 59 4.1.2. Nhiệm vụ chính công trình Khuyến Lương. 62 4.2. Bố trí tính toán cửa van phao chữ nhân. 63 4.2.1. Thông số tính toán thiết kế. 63 4.2.2. Mặt bằng bố trí tổng thể cửa van phao chữ nhân. 63 4.3. Xác định thông số cơ bản cửa van phao chữ nhân 64 4.3.1. Xác định cửa van phao theo điều kiện ổn định 64 4.3.2. Điều kiện ổn định nổi của cửa van 65 4.3.3. Điều kiện ổn định chìm của cửa van 67 4.3.4. Tính toán lực đóng mở cửa van. 67 4.4. Các trường hợp tính toán ổn định 69 4.4.1. Chính diện và mặt cắt cửa van phao chữ nhân 69 4.4.2. Trường hợp tính toán 70 4.4.3. Sơ đồ tính toán 70 4.4.4. Phương pháp kiểm tra kết cấu 71 4.5. Tính toán kết cấu cửa van 71 4.6. Kiểm tra kết quả tính toán theo trạng thái giới hạn I 74 4.6.1. Kiểm tra dầm D1 74 4.6.2. Kiểm tra dầm dầm D3 75 4.6.3. Tính toán thanh chống dọc D2 76 4.6.4. Tính toán thanh giằng chéo liên kết 76 4.7. Kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2 77 4.7.1. Kiểm tra cho thanh dầm D1 77 4.7.2. Kiểm tra cho thanh dầm D2 77 4.7.3. Kiểm tra cho thanh dầm D3 77 4.8. Tính toán lựa chọn chiều dày bản mặt cửa van: 78 4.9. Nhận xét và kết luận 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 1. KẾT LUẬN. 79 2. KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 - 1: Bãi cát nổi giữa cầu Long biên và Chương Dương 5 Hình 1 - 2: Biểu đồ quá trình xói lòng dẫn sông hồng 19 Hình 1 - 3: Sơ đồ minh họa đường mặt nước bị xói 20 Hình 1 - 4: Biểu đồ quan hệ Q=f(z) mùa khô ở trạm Hà Nội 20 Hình 2 - 1: Hình ảnh các bộ phận chính của đập trụ đỡ với cửa van phẳng. 26 Hình 2 - 2: Sơ đồ đập xà lan điều tiết cố định 27 Hình 2 - 3: Sơ đồ đập xà lan điều tiết thời vụ 27 Hình 2 - 4: Cống đập Thảo Long-Huế 28 Hình 2 - 5: Cống bình triệu – thành phố Hồ Chí Minh 28 Hình 2 - 6: Cống Tân Đệ-Thái Bình 29 Hình 2 - 7: Cống Đồng Quan-Hà Nội 29 Hình 2 - 8: Cống Liên Mạc có 3 khoang B= 10 m 29 Hình 2 - 9: Cống Đa Độ-Hải Phòng 30 Hình 2 - 10: Cống Đò Điểm ngăn mặn 30 Hình 2 - 11: (Spijkenisse, Netherlands, 1996) 31 Hình 2 - 12: Cửa van 80m tại Công trình ngăn triều Ravenswaay 32 Hình 2 - 13: Công trình ngăn triều Krimpen và Bố trí cửa van 80m 32 Hình 2 - 14: Cửa sập phương án A, đề xuất tại công trình ngăn triều Nieuwe Waterweg . 34 Hình 2 - 15: Cửa sập phương án B, đề xuất tại công trình ngăn triều Nieuwe waterweg 35 Hình 2 - 16: Cửa sập đề xuất tại công trình ngăn triều Venice 36 Hình 2 - 17: Cửa sập xây dựng tại Stamford, USA 36 Hình 2 - 18: Bremen, Germany, 1993 37 Hình 2 - 19: Terling – Rock Falls, Illinois, 2002 37 Hình 2 - 20: (Kampen, Hà lan, 2002) 38 Hình 2 - 21: (Hellevoetsluis, The Netherlands, 1970) 39 Hình 2 - 22: Ems river, Germany 39 Hình 3 - 1: Kết cấu cửa van chữ nhân 41 Hình 3 - 2: Nguyên lý làm việc của van phao chữ nhân 42 Hình 3 - 3: Diễn biến tâm nổi và tâm ổn định khi nghiêng 44 Hình 3 - 4: Sơ đồ cửa van 47 Hình 3 - 5: Sơ đồ lực tác dụng khi cửa van nổi trong nước 47 Hình 3 - 6: Sơ đồ lực tác dụng cửa van khi đang điều tiết 48 Hình 3 - 7: Sơ đồ lực đóng mở cửa van 49 Hình 3 - 8: Cụm cối quay trên cửa van tự động trục đứng 50 Hình 3 - 9: Cụm cối quay dưới cửa van tự động trục đứng 50 Hình 3 - 10: Kết cấu cối quay cửa van cung 51 Hình 3 - 11: Kết cấu cối quay cửa van Clape. 52 Hình 3 - 12: Công trình Maeslant - Hà Lan 53 Hình 3 - 13: Mô hình cối quay công trình Maeslant - Hà Lan 54 Hình 3 - 14: Kết cấu chi tiết cụm cối quay 54 Hình 3 - 15: Trọng lượng các bộ phận kết cấu 55 Hình 3 - 16: Kết cấu cối quay cửa 56 Hình 3 - 17: Kết cấu gối đỡ trục quay ở dưới 57 Hình 3 - 18: Kết cấu gối trục trung gian 57 Hình 3 - 19: Kết cấu bạc trục quay và dây xích 58 Hình 3 - 20: Chi tiết bạc trục - trục quay 58 Hình 4 - 1: Vị trí tuyến công trình 59 Hình 4 - 2: Mặt bằng tổng thể cửa van chữ nhân 63 Hình 4 - 3: Mặt cắt A - A 64 Hình 4 - 4: Diễn biến tâm nổi và tâm ổn định khi nghiêng 65 Hình 4 - 5: Sơ đồ lực đóng mở cửa van 68 Hình 4 - 6: Kết cấu cửa van 69 Hình 4 - 7: Sơ đô tính kết cấu cửa van 70 Hình 4 - 8: Sơ đồ lực tác dụng 70 Hình 4 - 9: Sơ đồ mô hình trong Sap2000 70 Hình 4 - 10: Mô hình kết cấu cửa van 71 Hình 4 - 11: Mô hình khung dầm cửa van 72 Hình 4 - 12: Biểu đồ Mômen M11 của bản mặt cửa van 3D 72 Hình 4 - 13: Biểu đồ Mômen M22 của bản mặt cửa van 3D 72 Hình 4 - 14: Biểu đồ Mômen M22 của bản đáy cửa van 72 Hình 4 - 15: Biểu đồ Mômen M22 Mặt phía thượng lưu 73 Hình 4 - 16: Biểu đồ Mômen M22 Mặt phía hạ lưu 73 Hình 4 - 17: Biểu đồ Mômen M33 dầm D1 73 Hình 4 - 18: Biểu đồ Lực dọc dầm D1 và D2 73 Hình 4 - 19: Biểu đồ Mômen M33 dầm D3 74 Hình 4 - 20: Biểu đồ Mômen M33 dầm D2 74 Hình 4 - 21: Biểu đồ Lực dọc Nmax dầm D3 74 Hình 4 - 22: Biểu đồ Mômen M33 dầm D3 74 Hình 4 - 23: Biểu đồ lực dọc của thanh chống T1 74 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 - 1: Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình thượng nguồn 6 Bảng 1 - 2: Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình thượng nguồn. 10 Bảng 1 - 3: Mức nước và lưu lượng ở Hà Nội khi xả nước tăng cường từ các hồ thượng nguồn vào mùa khô. 11 Bảng 2 - 1: Cửa van kéo đứng một số công trình trên thế giới 30 Bảng 2 - 2: Dạng kết cấu cửa van này được áp dụng ở một số công trình trên thế giới: 33 Bảng 4 - 1: Tổ hợp mực nước tính toán và kiểm tra 63 Bảng 4 - 2: Đặc trưng hình học của thép hình I1500 và U400 69 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tình trạng cạn kiệt trên hệ thống sông Hồng về mùa khô trong những năm vừa qua ngày càng trầm trọng và diễn biến phức tạp. Về mùa khô sông Hồng bị hạ thấp mực nước làm cho các cống không lấy được nước,trạm bơm không lấy được nước. Để khắc phục phải làm công trình dâng nước phải cấp cho đủ nước và dâng mực nước lên. Có nhiều nguyên nhân khác nhau mà mức nước trên sông Hồng sau khi xây dựng các công trình Thủy Điện ở thượng nguồn bị hạ thấp,hồ thượng nguồn không cấp đủ nước.Bên cạnh sự giảm sút về nguồn nước thì yêu cầu về mực nước trong mùa khô cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Sau khi có các hồ chứa lòng sông sẽ bị xói sâu,mực nước lại càng xuống thấp.Mặt khác tình trạng khai thác cát một cách bừa bãi và quá mức độ cho phép càng làm trầm trọng thêm vấn đề hạ thấp mực nước trên sông mùa kiệt.Theo như khảo sát,hiện nay trên sông Hồng hiện tượng hạ thấp mực nước so với trước khi có hồ Hòa Bình đã xảy ra rất nghiêm trọng,có nơi mực nước đã hạ xuống tới 2m so với trước đây. Về lâu dài,đối với hệ thống sông Hồng trong mùa khô có hai vấn đề cần phải tìm cách khắc phục đó là tình trạng giảm nguồn nước và tình trạng hạ thấp mực nước.Chính vì vậy muốn dâng nước phải cấp nước đủ và dâng mực nước lên.Tháo lũ sông Hồng là phạm trù an ninh quốc gia vì vậy công trình điều tiết trên sông Hồng về mùa khô tuyệt đối không được mảy may ảnh hưởng đên khả năng thoát lũ của sông Hồng. Qua phân tích nguyên nhân,ưu nhược điểm tác giả đã chọn giải pháp cửa van phao chữ nhân.Cửa van phao chữ nhân có nhiều ưu điểm nổi trội như khẩu độ lớn,lắp đặt,vận hành sửa chữa không phức tạp. Đề tài luận văn: “Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước Sông Hồng trong mùa khô ” nhằm từng bước hoàn thiện một cách mạnh mẽ, sâu rộng hơn, góp phần phục vụ nhu cầu cấp bách của thực tế sản xuất có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. [...]... dựa trên nguyên lý phao nổi trong nước nhờ lực đẩy acsimet Cửa van chữ nhân thì đã có nhiều, nhưng cửa van phao chữ nhân thì chưa được nghiên cứu và ứng dụng đặc biệt cửa van phao chữ nhân lớn thì chưa nơi nào nghiên cứu 3 Mục đích của đề tài Nghiên cứu kết cấu cửa van chữ nhân để ứng dụng cho việc điều tiết nước sông hồng trong mua khô hạn 3 4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận:... nổi khi tháo hết nước ra khỏi đập.Đối với đập điều tiết cố định thì sử dụng đập xà lan chìm ngang đáy sông, phần cửa van làm nhiệm vụ điều tiết mực nước Hình 2 - 2: Sơ đồ đập xà lan điều tiết cố định Đập điều tiết thời vụ: Công trình điều tiết thời vụ, chỉ làm nhiệm vụ điều tiết nước mùa khô, còn mùa mưa thì trả lại diện tích tự nhiên của lòng sông để không lo gì đến khả năng thoát lũ, điều mà mọi người... khô theo yêu cầu,không ảnh hưởng đến thoát lũ chính vụ,lắp đặt nhanh gọn và tháo dỡ dễ dàng nên các tác giả đề xuất chọn giải pháp cưa van phao chữ nhân Ưu nhược điểm của cửa van chữ nhân cũng giống như cửa van cánh cửa, nhưng cửa van chữ nhân có ưu điểm hơn là có thể làm khoang rộng hơn Cùng một kích thước khoang đập thì một cánh cửa van chữ nhân chỉ rộng khoảng 0,57 cửa van cánh cửa, nên gia công... đặt sữa chữa dễ dàng có thể làm cửa van phao chữ nhân Trong trường hợp kết hợp với cầu giao thông qua sông Hồng với khẩu độ lớn thì ứng dụng cửa van chữ nhân rất phù hợp Công trình được cấu tạo bởi hệ thống cửa van phao vận hành tại chỗ.Phần nền đáy công trình được làm kiến cố và có hệ thống gờ vừa có tác dụng tựa lực cho cửa phao khi đóng,vừa có tác dụng làm kín nước khi cửa làm việc Cửa van họat... trình điều tiết sông Hồng thì phải căn cứ vào nhiệm vụ, đặc điểm kết cấu và vận hành của công trình để chọn kiểu cửa van thích hợp đáp ứng được các yêu cầu đề ra khi thiết kế dự án Có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giải quyết cho việc điều tiết nước sông hồng trong mùa khô han.Ví dụ cửa van phẳng được nâng hạ bằng hệ thống điều khiển đặt trên đỉnh của các tháp trụ pin công trình Về mùa khô, các cửa van. .. mực nước chỉ đạt được khoảng 1,5m Khi quan tâm tới sự cạn kiệt của sông Hồng, không chỉ quan tâm tới lưu lượng và tổng lượng nước đến mà còn phải quan tâm đến mực nước trên sông Hồng vì cao trình lấy nước của các hệ thống thủy nông thuộc sông Hồng đều đã xây dựng theo điều kiện mực nước tự nhiên của sông Hồng trước đây khi chưa có các hồ chứa thượng nguồn Vì vậy hiểu sự cạn kiệt sông Hồng ở đây không... luận nguyên nhân cạn kiệt mùa khô ở sông Hồng Trên đây đã nêu ra sáu nguyên nhân gây ra cạn kiệt sông Hồng trong mùa khô từ tháng 1 đến tháng 4 Trong sáu nguyên nhân có thể chia hai nhóm: Nhóm nguyên nhân trực tiếp gồm các nguyên nhân thứ hai, thứ tư và thứ 6; Nhóm nguyên nhân gián tiếp gồm các nguyên nhân thứ nhất, thứ ba và thứ năm Nhóm nguyên nhân trực tiếp là những nguyên nhân chúng ta có thể khắc... liệu,tác giả nêu ra ảnh hưởng nghiêm trọng của cạn kiệt Sông Hồng đến sản xuất,đời sống….Cũng trong chương này tác giả trình bày nguyên nhân chính gây cạn kiệt mùa khô ở sông Hồng là do đáy sông bị hạ thấp bởi hiện tượng xói nước trong và có thể do cả khai thác cát tự do Từ đó tác giả thấy là phải làm công trình điều tiết nước Sông Hồng để khôi phục mực nước cho các hệ thống thủy lợi như trước khi chưa có... hai nguyên nhân chính là đáy sông Hồng bị hạ thấp và các hồ thủy điện không xả đủ lưu lượng thiết kế Mấy năm gần đây về mùa khô mực nước sông Hồng tụt xuống thấp hơn đáy các cống và bể hút các trạm bơm lấy nước từ sông Hồng nên không lấy được nước vào các hệ thống tưới Trước tình hình đó, đã có giải pháp khắc phục tình trạng thiếu nước đổ ải cho vụ đông xuân ở đồng bằng sông Hồng bằng cách xả nước tăng... vào mùa khô các năm gần đây mực nước sông Hồng thấp hơn đáy các cống và bể hút của các trạm bơm lấy nước sông Hồng, điều chưa bao giờ xẩy ra kể từ khi có các hệ thống thủy nông đó Đây là thời kỳ cạn kiệt nặng nhất, nước sông xuống thấp nhất Trước tình hình khô hạn như vậy, chính phủ, đã có chủ trương câp bách xả nước nước từ các hồ thủy điện từng đợt để cấp đủ nước cho vụ đông xuân Mặt khác vào mùa khô, . nổi và chìm của cửa van trong nước 43 3.3.1. Điều kiện ổn định của cửa van trong nước 43 3.3.2. Điều kiện chìm của cửa van trong nước 46 3.4. Tính ổn định của cửa van phao chữ nhân khi nổi 46. văn: Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước Sông Hồng trong mùa khô . Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không. cửa van phao chữ nhân thì chưa được nghiên cứu và ứng dụng đặc biệt cửa van phao chữ nhân lớn thì chưa nơi nào nghiên cứu. 3. Mục đích của đề tài Nghiên cứu kết cấu cửa van chữ nhân để ứng