CỬA VAN NHỊP LỚN NHỮNG ĐÈ XUẤT BỔ SUNG CHO TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CỬA VAN ĐANG ÁP DỤNG

Ngày nay cùng với sự phát triển của KHKT, ngành thủy lợi thủy điện đã và đang xây dựng các công trình có quy mô lớn. Hiện nay, biến đổi khí hậu đang là vấn nạn của toàn cầu.Việt Nam là một trong nhiều quốc gia đang phải trực tiếp chịu ảnh hưởng của hiện tượng trên. Những năm sắp tới, một loạt các công trình ngăn sông lớn được xây dựng nhằm ngăn mặn, giữ ngọt nhưng vẫn phải đảm bảo giao thông thủy. Vì vây các cửa van nhịp lớn sẽ được ứng dụng. Việc thiết kế, thi công các loại cửa van này hoàn toàn mới mẻ với Việt Nam . Dưa trên các kinh nghiệm của các nước, bài báo này đưa ra một số vấn đề kỹ thuật thiết kê khi áp dụng các loại cửa van nhịp lớn trên thế giới vào Việt Nam sao cho phù hợp cao với điều kiện làm việc thực tế của công trình.

CỬA VAN NHỊP LỚN - NHỮNG ĐÈ XUẤT BỔ SUNG CHO TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CỬA VAN ĐANG ÁP DỤNG (TCVN 8299 – 2009) PGS.TS.GVCC Đỗ Văn Hứa Tóm tắt: Bài báo nêu đề nghị cần bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cửa van (TCVN 8299-2009: Cơng trình thủy lợi- Thiết kế cửa van, khe van thép – Yêu cầu kỹ thuật Hà Nội - 2009 ) để sử dụng cho thiết kế cửa van nhịp lớn u cầu tính tốn, vật liệu, tổ hợp tải trọng Span gate - The proposal of some additions to the design standards applied currently in practice (TCVN 8299 – 2009) Assoc Prof Dr Do Van Hua Summary: The article mentioned the proposal to add to the standard gate design (TCVN 82992009:Hydraulic structures- steel gate and Groove design - Technical requirements Hanoi 2009) to use the span gate design as the computing requirements, materials, load combination ooo Ngày với phát triển KHKT, ngành thủy lợi thủy điện xây dựng công trình có quy mơ lớn Hiện nay, biến đổi khí hậu vấn nạn toàn cầu.Việt Nam nhiều quốc gia phải trực tiếp chịu ảnh hưởng tượng Những năm tới, loạt cơng trình ngăn sơng lớn xây dựng nhằm ngăn mặn, giữ phải đảm bảo giao thơng thủy Vì vây cửa van nhịp lớn ứng dụng Việc thiết kế, thi công loại cửa van hoàn toàn mẻ với Việt Nam Dưa kinh nghiệm nước, báo đưa số vấn đề kỹ thuật thiết kê áp dụng loại cửa van nhịp lớn giới vào Việt Nam cho phù hợp cao với điều kiện làm việc thực tế cơng trình 1.Một số dạng cửa van lớn 1.1 Một số dạng cửa van lớn ngăn triều giới Hình Van đập Maesland cửa sơng Nieuwe Waterwe Hà Lan Cửa van vùng triều cơng trình ngăn mặn giữ Những nước có bờ biển, cơng trình ngăn mặn nghiên cứu kỹ, kỹ thuật xây dựng đạt tới đỉnh cao quy mô công nghệ thi công vận hành Một số nước cơng trình ngăn mặn phát triển Hà Lan, Nhật Bản Đức…Cơng trình Barie Maesland cửa sơng Nieuwe Waterwe Hà lan có kết cấu hình thức độc đáo hình Cửa van dạng hình cung quay quanh khớp cầu đường kính tới 10m Chiều cao cửa van 22,4m, chiều dài cánh 210m, bán kính quay 300m Khi mở cửa van nâng lên khỏi đáy 1m di chuyển hai phía giải phóng tồn lòng sơng rộng 360m cho tầu thuyền qua lại Ở Đức cửa van ngăn mặn đa dạng Thường cơng trình có cửa: Một cửa phía biển cửa phía đồng – xem mơ hình hình Cơng trình Eider-Barrage North sea Đức xây dựng 1967-1973 với cửa cửa rộng 40m cao 16,9m, nặng 250T (hình 3) Hình Mơ hình cửa van Eider Barrage Hình Cửa van Eider Barrage Ngày nay, cửa van dạng viên phân phát triển đa dạng cửa van thành phố Amsterdam (hình 4) loại hình cửa van phẳng gồm 02 cửa van rộng 49.3m 98m Khi mở, cửa van trượt lên khoảng 14m cao so với mực nước biển Cửa van lật pít tơng phía hình thức cửa van phẳng quay quanh trục nằm ngang đáy Cửa chia nhỏ thành nhiều đơn ngun, đóng mở cưỡng pít tơng Áp lực nước truyền xuống đáy hệ thống chống cứng, khơng truyền qua piston (hình 5) Hình Cửa van Amsterdam Hay loại hình cửa van Secment hình thích hợp với cửa van có độ lớn Hình Mơ hình cửa van van lật Hình Mơ hình cửa van Secment Venice Ý Một dạng cửa khác Nhật Bản, Hà Lan cửa van cổng (Visor gate): Nhật Bản xây dựng cửa kiểu chắn dòng sơng rộng 65m, với chiều cao cửa đạt 24,7m (hình 7) Cơng trình Barrager at Driel có nhịp 63m cơng trình Lower – Rhine Hà Lan xây dựng 1967-1973 cửa rộng 40m cao 14,7m (hình 8) Hình Cửa van cổng Nhật Bản Hình Cửa van Barrager at Driel Hà Lan Nghiên cứu tài liệu nước cho thấy cửa van ngăn triều lớn gần ngày đa dạng phát triển độ lớn 1.2 Một số dạng cửa van lớn Việt Nam Cửa van lớn người Pháp xây dựng cửa van đập Đáy dạng mái nhà, gồm cửa, với nhịp 33,75m cao 5m (Hình 9) Hầu hết cửa van ngăn triều có dạng mặt phẳng nhịp từ – 10m (hình 10) Những năm gần cửa van ngăn triều tập trung nghiên cứu nhiều số dạng đời với nhịp lớn Điển hình cống Thảo Long với cửa van Clape rộng 31,5x4,0m (Hình 11) Ngồi ra, đồng sông Cửu long xây dựng nhiều cửa van kiểu “cánh cửa vận hành tự động nhờ áp lực thủy lưc Nhìn chung cửa van loại có kích thước nhỏ  Kết cấu bên Hình Đập Đáy ← Tồn cảnh Hình 10 Hình 11 Cơng trình cống Thảo Long Những nội dung cần bổ sung 2.1 Vật liệu Thực tế khảo sát, đánh giá cửa van thép xây dựng Việt Nam cho thấy: Các cống xây dựng chưa 10 năm, chí có cống sử dụng – năm bị hư hỏng ăn mòn phải sửa chữa Vì để chống ăn mòn ngồi giải pháp lớp phủ, cần có giải pháp vật liệu dùng loại thép lò Mactanh lò quay thổi ơxy rót sơi nửa lặng lặng có chứa hàm lượng lưu huỳnh, phốt thích hợp hàm lượng các-bon hợp lý Để tăng cường độ mà khơng làm thép dòn, khơng làm giảm tính hàn nên chon loại thép có hàm lượng Mn, Mo cao.Với kết cấu chịu mỏi khơng nên dung thép cường độ cao hàn nhiệt độ cao làm cho thép giảm tính giai vùng ảnh hưởng nhiệt Giải pháp kết cấu tránh dùng hình thức tiết diện có bề mặt tiếp xúc với nước lớn, có khe hẹp Các loại thép sử dụng cần có độ dầy an tồn chống ăn mòn Loại hình cửa van phẳng mơ tả hình 12, quan tư vấn lựa chọn loại phù hợp với điều kiện sử dụng công nghệ chế tạo Việt Nam Hình 12 Sơ đồ cửa van phẳng nhịp lớn 2.2 Xác định nội lực, ứng suất Với cửa van nhịp lớn, trạng thái ứng suất biến dang phức tạp Để phản ảnh làm việc cửa van sát với thực tế, cần thiết lập mơ hình tính tốn tổng thể dạng khơng gian (Hình 13)và sử dụng phần mềm phù hợp SAP, ANSYS thay cho phương pháp tính tốn cấu kiện dạng kết cấu phẳng thường dùng trước Hình 13 2.3 Kiểm tra mỏi Thực tế cửa van chịu tải trọng mà bị phá hoại mỏi, thường sẩy vùng nối đầu dầm chỗ giao (hình 14) Độ bền mỏi phụ thuộc vào nhiều yếu tố Những yếu tố là: đại lượng ứng suất lớn cấu kiện xét có  max (hoặc biên độ ứng suất  a ); tập trung ứng suất, phụ thuộc vào cấu tạo cấu kiện kiểu liên kết (nhóm cấu kiện); đặc tính tải trọng chu kỳ (dừng không dừng); số chu kỳ tải trọng nhiệt độ sử dụng kết cấu điều kiện khác Hình 14 Các cửa van hoạt động vùng triều chịu tải trọng động bị rung động, số lần đóng mở lớn Đối với cửa van, số chu kỳ tải trọng > 104 lần cần xét đến tượng mỏi Phá hủy mỏi sẩy kết cấu sẩy mối hàn 2-3.1 Tính tốn kiểm tra độ bền mỏi thép Điều kiện an tồn tính toán độ bền mỏi thép:  max   f f  f Trong đó: ff - Cường độ tính tốn mỏi, lấy theo bảng 40 TCXDVN 338:2005, phụ thuộc vào cường độ kéo đứt tức thời thép nhóm cấu kiện  - hệ số, kể đến chu kỳ tải trọng nQ tính theo cơng thức: Đối với nhóm cấu kiện 2: nQ )  , ( )  1,75 10 10   0,064( nQ Đối với nhóm cấu kiện đến 8: nQ )  0,64( )  2,2 10 10   0,07( nQ - Khi nQ  3,9 x 106 , lấy   07 Lúc độ bền mỏi tính tốn có giá trị ổn định khơng phụ thuộc vào số chu kỳ nhóm cấu kiện f - hệ số phụ thuộc vào trạng thái ứng suất hệ số không đối xứng ứng suất    max   max - Ứng suất lớn vùng cấu kiện bị phá hoại mỏi Trong cửa van nhịp lớn, việc xác định  max tính tốn theo tốn khơng gian với tổ hợp tải trọng Ví dụ với cửa van phẳng trường hợp tính tốn nên chọn: - Trường hợp cửa van đóng hoàn toàn, chịu tác dụng trọng lượng thân (D) áp lực thủy tĩnh (Hs), bùn cát (M) chịu lực nén lại từ máy đóng mở (Q) 1,2 D + 1,4 Hs + 1,6M +(1,2Q) (a) - Trường hợp cửa van mở hoàn tồn (nâng lên đến vị trí neo giữ cao nhất, chịu tác động gió (W) lực giữ van (Q3) lực động đất E: 1,2 D + 1,3 W (hoặc 1,0 Q3 1,0E) (b) -Trường hợp cần xác định lực kéo cửa lớn để chọn xi lanh cần xét tới trường hợp cửa bị kẹt Lúc lực D,M áp lực thủy động Hd ngược chiều với lực Q 1,0 D + 1,0 (M+Hd) + 1,2 Q (c) - Xét đến tác động hiệu ứng nhiệt độ (T), tải trọng va đập (I) làm tăng ứng suất cấu kiện làm tăng thêm phần mỏi: 1,2 D + 1,4 Hs + 1,2 T +1,0 I (d) - Kiểm tra cho điều kiện liên quan đến nước chảy kéo cửa van với tác động áp lực thủy tĩnh, lực thủy động (do sóng, dòng chảy…) 1,2 D + 1,2 Hs + 1,6 Hd (e) - Xét đến tác động động đất Mực nước để tính áp lực thủy tĩnh mực nước cao trung bình Đối với chế độ thủy triều khu vực TPHCM, đề nghị áp dụng mực nước cao (đỉnh triều) ứng với tần suất 50% 1,2 D + 1,2 Hs + 1,0 E (f) 2.3.2 Tính tốn kiểm tra độ bền mỏi mối hàn Trong kết cấu hàn giới hạn độ bền mỏi phụ thuộc vào vật liệu, cơng nghệ, q trình hàn, dạng kết cấu loại lực đặc tính chu trình tải trọng Mục đích tính tốn kiểm tra so sánh ứng suất lớn tiết diện khảo sát với độ bền mỏi giới hạn, có xét đến loại thép, nhóm kết cấu, số chu kỳ hệ số ứng suất không đối xứng  Kiểm tra độ bền mỏi đường hàn tính theo ứng suất cho phép theo công thức:  max   r  r n Trong đó:  r - Giới hạn bền phân tố kết cấu phụ thuộc vào hệ số tập trung ứng suất K  đặc trưng chu trình tải trọng  n – Hệ số an tồn, lấy 1,6 Giá trị hệ số tập trung ứng suất K  phụ thuộc vào loại liên kết hàn Hệ số tập trung ứng suất đường hàn K  Hệ số K  thép Đặc điểm tiết diện tính tốn Thép than Thép hợp kim thấp Mối hàn đối đầu hàn đầy - hàn tự động hàn tay 1,2 1,4 1,4-1,6 Mối hàn đối đầu với hàn không đầy lót 2,5 – 3,2 3,2 – 4,0 1,6 2,5 2,5 3,2 3,0 4,0 Đường hàn góc a/ Đường hàn ngang theo tiết diện tính tốn đường hàn: - hàn tự động - hàn tay b/ Đường hàn dọc theo tiết diện tính tốn , chạy dọc theo chiều dài đường hàn hàn tay Sơ đồ liên kết vị trí tiết diện tính tốn 2.3.3 Ổn định vị trí Hàng năm đồng sơng Cửu long có khoảng 10 bão lớn Cửa van loại kết cấu mảnh nên cần xét tới ảnh hưởng gió giật gây dao động xốy ổn định cân vị trí Với kết cấu đặc biệt mảnh có kết cấu mặt cắt chữ nhật, theo GS Davenport, phải xét đến ảnh hưởng gió giật khi: H BC 4 B,H,C chiều rộng, chiều cao chiều dầy kết cấu Kết luận kiến nghị Do kích thước lớn, điều kiện làm việc phức tạp nên thiết kế cửa van có nhịp lớn, ngồi việc chọn loại cửa van thích hợp, đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn TCVN 8299- 2009 cần ý đến vấn đề chọ loại vật liệu có khả chống ăn mòn cao lại phải chịu tải trọng lặp lặp lại Ngồi tính tốn độ bền, chuyển vị cần xem xét yếu tố phá hoại mỏi trình khai thác sử dụng, vấn đề ổn định vị trí TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 8299 : 2009 Cơng trình thủy lợi- Thiết kế cửa van, khe van thép – Yêu cầu kỹ thuật Hà Nội – 2009 Engineering and Design vertical lift gates CECW-ED Engineer Manual 1110 - - 2701 30 November 1997 Engineering and Design of hydraulic steel structures CECW-ED Engineer Manual 1110 - - 2105 31 March 1993 TCXDVN 338: 2005 Két cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế NXB Xây dựng Γ.А Hиколаеb, C.А Кypкин , B.А Bинокуров Cвapные kонцтрyкции Моckbа Прочность сварных соединений и деформации конструкций "Bыcшая школа"1982 Μеханическое оборудование и металические конструкции Ґидротехнческих сооружений ... nước cho thấy cửa van ngăn triều lớn gần ngày đa dạng phát triển độ lớn 1.2 Một số dạng cửa van lớn Việt Nam Cửa van lớn người Pháp xây dựng cửa van đập Đáy dạng mái nhà, gồm cửa, với nhịp 33,75m... hình cửa van phẳng gồm 02 cửa van rộng 49.3m 98m Khi mở, cửa van trượt lên khoảng 14m cao so với mực nước biển Cửa van lật pít tơng phía hình thức cửa van phẳng quay quanh trục nằm ngang đáy Cửa. .. Hình 12 Sơ đồ cửa van phẳng nhịp lớn 2.2 Xác định nội lực, ứng suất Với cửa van nhịp lớn, trạng thái ứng suất biến dang phức tạp Để phản ảnh làm việc cửa van sát với thực tế, cần thiết lập mơ