Những vấn đề về kỹ thuật và thiết kế cửa van nhịp lớn cho đồng bằng sông Cửu Long

Bài viết Những vấn đề về kỹ thuật và thiết kế cửa van nhịp lớn cho đồng bằng sông Cửu Long được thực hiện nhằm nêu rõ môi trường làm việc và yêu cầu đối với cửa van ở Đồng bằng sông Cửu Long, yêu cầu tính toán, vật liệu, tổ hợp tải trọng khi thiết kế cửa van. Với các bạn chuyên ngành Kiến trúc xây dựng thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT VÀ THIẾT KẾ CỬA VAN NHỊP LỚN CHO ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG PGS.TS.GVCC Đỗ Văn Hứa Tóm tắt: Sau nêu rõ mơi trường làm việc yêu cầu cửa van Đồng sông Cửu Long, tác giả đề nghị bổ sung u cầu tính tốn, vật liệu, tổ hợp tải trọng thiết kế cửa van TCVN 8299-2009: Cơng trình thủy lợ i- Thiết kế cửa van, khe van thép – Yêu cầu kỹ thuật Hà Nội - 2009 Việc thiết kế cơng trình đồng sông Cửu Long phục vụ cho dự án chống ngập khu vực thành phố HCM đặt cho nhà tư vấn lựa chọn tiêu chuẩn cho phù hợp Vì cần có phân tích lựa chọn tiêu chuẩn tương ứng để áp dụng cho phù hợp cao với điều kiện làm việc thực tế hạng mục cơng trình Điều kiện làm việc cửa van Đồng sông Cửu Long Năm 2004, công việc khảo sát đánh giá trạng ăn mòn tiến hành 15 cơng trình thuộc tỉnh Long An, Tiền Giang, Sóc Trăng Kiên Giang 1.1 Đặc điểm khí tượng thủy văn Căn vào tài liệu khí tượng thủy văn khu vực đồng Sơng cửu Long, giá trị bình quân năm số yếu tố ảnh hưởng đến làm việc cửa van số tỉnh trình bày bảng 1: Bảng 1: Các số liệu thủy văn số tỉnh đồng sông Cửu Long Địa điểm khảo sát Tiền Giang Long An Kiên Giang Sóc Trăng Lượng mưa (mm) 1452 1969 2216 2124 1.2 Môi trường nước Trên sở kết xác định thành phần hóa học mơi trường nước, tiêu điện hóa đường cong phân cực thép mơi trường làm việc, thấy rõ khác biệt đồng sông Hồng đồng sông Cửu Long phạm vi ảnh hưởng tính chất mơi trường ăn mòn Trong đồng phía Bắc, ảnh hưởng thủy triều vào sâu khoảng 30 Km (Hải Dương), đồng sơng Cửu Long thủy triều ăn sâu vào đến 120Km (Long An) Môi trường chua phèn chiếm phạm vi rộng lớn gồm Đồng Tháp, Long An, Kiên Giang vùng ven biển Ảnh hưởng pH: Độ chua phèn phân bố 32 Độ ẩm (%) 83,7 81,3 81,7 84,7 Nhiệt độ (0C) 26,9 27,4 27,5 26,8 khác nhau, vùng ven biển hai tỉnh Tiền Giang Sóc Trăng có mơi trường nước lợ trung tính (pH=6,5 – 7,5), hai tỉnh Long An, Kiên Giang có mơi trường đặc trưng cho đồng sông Cửu Long môi trường chua mặn Độ pH vào mùa mưa (pH=4-6), thấp mùa khô (pH=5,5 – 7,0) Khi pH < 4, tốc độ ăn mòn tăng nhanh Từ nhận thấy ảnh hưởng độ chua đến q trình ăn mòn đồng sơng Cửu Long chủ yếu xuất vào giai đoạn đầu mùa mưa Ảnh hưởng NaCl: Các kết khảo sát cho thấy nồng độ NaCl độ dẫn điện môi trường thay đổi theo vùng theo mùa Mùa khô nồng độ muối tăng độ pH giảm, mùa mưa có xu hướng ngược lại Trong mơi trường có nồng độ NaCl cao tốc độ ăn mòn thép môi trường nước lợ tăng Như q trình ăn mòn kim loại chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Đó độ dẫn điện, giá trị pH, hàm lượng oxy hòa tan nước Khi độ dẫn điện cao, độ pH nhỏ hàm lượng oxy nước cao trình xảy ăn mòn nhanh Ngồi q trình phụ thuộc vào vi sinh vật nước số hợp chất có vai trò ức chế q trình ăn mòn điều kiện vật lý khác Tốc độ ăn mòn: Các kết xác định tính chất điện hóa thép cho thấy tốc độ ăn mòn mật độ dòng ăn mòn phụ thuộc rõ vào nồng độ NaCl Khi nồng độ NaCl tăng tốc độ ăn mòn tăng Tốc độ ăn mòn ban đầu thép khơng rỉ nằm khoảng 0004 – 0,016mm/năm, thép cácbon nằm khoảng 0,273 – 1,756 mm/năm Điện ăn mòn thép phía thượng lưu cửa van đóng cửa có khác điện phía biển âm hơn, điều làm tăng tốc độ ăn mòn mặt phía biển 1.3 Nhận xét Từ kết đo đạc khảo sát làm việc cửa van thép cơng trình thủy lợi đồng bắng sông Cửu Long cho thấy hệ thống cửa van thép cơng trình thủy lợi phải làm việc điều kiện vừa chịu tải trọng nặng, vừa chịu tác dụng xâm thực mạnh môi trường nước, đặc biệt vùng chua mặn ven biển, bị ăn mòn nghiêm trọng Các cửa van nhanh chóng xuống cấp ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ hiệu khai thác cơng trình Sự khác biệt đặc thù riêng đồng sông Cửu Long : - Cửa van làm việc môi trường chua mặn phạm vi ảnh hưởng sâu rộng - Vật liệu chế tạo van phương pháp bảo vệ chống ăn mòn đa dạng chưa có phân tích, tổng kết đánh giá để chọn loại vật liệu chế tạo kết cấu vật liệu lớp phủ phù hợp - Hình thức cơng trình, kết cấu cửa van đa dạng, nhiều cơng trình sử dụng chế độ vận hành tự động Nội dung tính tốn nguyên tắc thiết kế cửa van Các vấn đề phân tích tính tốn thiết kế cửa van bao gồm: NỘI DUNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ Bố trí tổng thể Tính toán, thiết kế Nguyên tắc thiết kế Theo ứng suất cho phép Nguyên tắc thiết kế Theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn thiết kế số nước giới Đối với tiêu chuẩn nước ngoài, áp dụng nguyên vẹn gặp điều bất ổn Lý là, tiêu chuẩn nước soạn thảo nhằm mục đích phục vụ cho quốc gia Nó phải phù hợp với điều kiện khí hậu, điều kiện tự nhiên, điều kiện vật liệu trình độ cơng nghệ nước Vì tiêu chuẩn nước dùng để tham khảo cần thiết máy móc áp dụng nguyên vẹn không hợp lý Tuy cần hiểu rõ nguyên tắc tính tốn, điều kiện tính tốn tiêu tính tốn cửa van Những điều tóm lược bảng Những nội dung cần xem xét 4.1 Vật liệu Thực tế khảo sát, đánh giá cửa van thép xây dựng vùng đồng sông Cửu Long cho thấy: Các cống xây dựng chưa 33 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 ôxy rót sôi nửa tĩnh tĩnh có chứa hàm lượng lưu huỳnh, phốt thích hợp hàm các-bon hợp lý Giải pháp kết cấu tránh dùng hình thức tiết diện có bề mặt tiếp xúc với nước lớn, khe hẹp Các loại thép sử dụng cần có độ dầy an tồn chống ăn mòn Bảng 2: Tiêu chuẩn thiết kế cửa van số nước giới Nước ban hành Tiêu chuẩn Ngun tắc tính tốn TCVN Việt 8299:209 Nam Ứng suất cho phép Trung SL 74-95 Quốc Ứng suất cho phép Nga СниП II-2381.M., 1982 Sức chịu tải Cực hạn Tính tốn Trạng thái mà kết cấu khơng đủ khả chịu lực Hệ số tải trọng Trạng thái giới hạn Trạng thái Những nội Chỉ tiêu Tiêu sử dụng kết dung đề cập tính tốn gần chuẩn cấu cưả van mặt f Khơng cho  tăng bề dầy l 600 chống ăn mòn f Tăng bề   1,05   dầy từ 1l 600 2mm chống ăn mòn f  l 600  Q  1,2  1.6 Mỹ Châu Âu 34 Trạng thái giới hạn cho kết cấu ứng suất EM cho phép 1110-2cho cấu 2105 kiện phụ,bộ phận cố định DIN Trạng thái 19704 giới hạn* Trạng thái mà kết cấu khơng đủ khả chịu lực Hệ số tải trọng Khơng sử dụng bình thường biến dạng lớn hư hỏng cục  Q  1,  1.6 f 1   l 600 1000 Trạng thái mà kết cấu khơng đủ khả chịu lực Hệ số tải trọng Khơng sử dụng bình thường biến dạng lớn hư hỏng cục  Q   f 1   l 600 1000 -Mỏi, -Dao động, -Ổn định vị trí, -Động đất - Tải trọng va đập -Mỏi, -Dao động, -Ổn định vị trí, -Động đất -Tải trọng va đập R  c Rn M    0,5 f y 4.2 Tải trọng Điều kiện làm việc cửa van đồng sơng Cửu Long, ngồi ngăn mặn giữ ngọt, có nhu cầu cho tầu lớn vào sơng nên thường có nhịp chiều cao thông thủy lớn, lại chịu ảnh hưởng nhật triều bão gió lớn, đóng mở thường xuyên Vì cần đưa thêm thành phần tải trọng áp lực gió gió giật, xuất nội lực nhiệt độ tải trọng va đập vật (tầu thuyền) 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 C 4 BC H B B,H,C chiều rộng, chiều cao chiều dầy kết cấu Vì tổ hợp tải trọng cần đưa vào yếu tố tải trọng vị trí vận hành cửa van Ví dụ với cửa van phẳng trường hợp tính tốn nên chọn: - Trường hợp cửa van đóng hồn tồn, 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 hồn 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) 4.3 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 không gian sử dụng phần mềm phù hợp thay cho phương pháp tính tốn cấu kiện dạng kết cấu phẳng thường dùng trước 4.4 Kiểm tra mỏi Các cửa van hoạt động vùng triều chịu tải trọng động bị rung động, số lần đóng mở lớn Thường số chu kỳ tải trọng > 104 lần cần xét đến tượng mỏi Để tăng khả chịu mỏi cần tránh tạo ứng suất tập trung lớn, sử dụng vật liệu, hình thức liên kết kỹ thuật chế tạo phù hợp Kết luận kiến nghị Do vùng Đồng sơng Cửu Long có mơi trường khác với vùng khác, cửa van thuộc dự án chống ngập khu vực thành phố HCM có kích thước lớn, ngồi nhiệm vụ ngăn mặn giữ phải đảm bảo điều kiện giao thơng thủy Vì vậy, từ việc chọn loại cửa van thích hợp, tính tốn đày đủ yếu tố đảm bảo an tồn cho q trình vận hành công nghệ chế tạo lắp đặt, cần nghiên cứu chi tiết chọn lựa thơng số tính tốn, loại vật liệu, hình thức liên kết, thiết bị đóng mở sát với điều kiện thực tế công trình 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1/ Báo cáo Điều tra khảo sát “Sự ăn mòn kim loại cửa van hệ thống cơng trình thủy lợi” 2004 2/ TCVN 8299 : 2009 Cơng trình thủy lợi- Thiết kế cửa van, khe van thép – Yêu cầu kỹ thuật Hà Nội – 2009 3/ Cтaльные koнструкции Hopмы проектирования СниП II-23-81.M., 1982 4/ Engineering and Design vertical lift gates CECW-ED Engineer Manual 1110 - - 2701 30 November 1997 5/ Engineering and Design of hydraulic steel structures CECW-ED Engineer Manual 1110 - 2105 31 March 1993 6/ Tiêu chuẩn thiết kế cửa van thép cơng trình thủy lợi thủy điện SL 74 – 95 (Trung quốc) 7/ Engineering and Design of spillway tainter gates CECW-ET Engineer Manual 1110 - 2702 January 2000 Summary: TECHNICAL PROBLEMS AND DESIGN FOR LARGE SPAN GATES IN THE MEKONG DELTA Assoc Prof Dr Do van Hua After pointing out the working environment and the requirements for gates servicing in the Mekong Delta, the author propoes additional requirements for calculation, using materials, combination of the design load in TCVN 8299-2009: Hydraulics structures Technical requirements for steel gate and groove design Hanoi – 2009 36 ... tắc thiết kế cửa van Các vấn đề phân tích tính tốn thiết kế cửa van bao gồm: NỘI DUNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ Bố trí tổng thể Tính tốn, thiết kế Ngun tắc thiết kế Theo ứng suất cho phép Nguyên tắc thiết. .. kiện làm việc cửa van đồng sông Cửu Long, ngồi ngăn mặn giữ ngọt, có nhu cầu cho tầu lớn vào sơng nên thường có nhịp chiều cao thông thủy lớn, lại chịu ảnh hưởng nhật triều bão gió lớn, đóng mở... tạo ứng suất tập trung lớn, sử dụng vật liệu, hình thức liên kết kỹ thuật chế tạo phù hợp Kết luận kiến nghị Do vùng Đồng sơng Cửu Long có mơi trường khác với vùng khác, cửa van thuộc dự án chống