Chiều dài hữu ớch của buồng õu theo cụng thức (5) trong TCVN 9144 : 2012 “Cụng trỡnh thủy lợi – Yờu cầu thiết kế õu tàu ” như sau:
Lk1 = Lđt + 2 ∆L (3.1)
Trong đú:
Lđt: chiều dài của đoàn tàu tớnh toỏn hoặc của một nhúm tàu thiết kế qua õu cựng một đợt;
Lđt = nLC + (n-1)∆L n: số tàu qua õu một lượt LC : Chiều dài tàu tớnh toỏn.
∆L: chiều dài an toàn của buồng õu ởhai đầu và giữa cỏc tàu trong đoàn; Theo tớnh toỏn của ĐTĐL 2011 – G/61, để đảm bảo năng lực vận tải và khối lượng hàng húa theo quy hoạch thỡ õu Vũng Tàu – Gũ Cụng được thiết kếđảm bảo mỗi buồng õu phục vụ cho 2 tàu cú trọng tải 50.000 DWT qua õu một lượt. Như vậy số tàu qua õu một lượt là 2 tàu 50.000 DWT, n=2
- Chiều dài tàu tớnh toỏn LC: Chọn tàu tớnh toỏn qua õu là loại tàu Container. Kớch thước tàu chọn theo Hiệp hội hàng hải quốc tế PIANC. Theo phụ lục 1 ta cú LC = 267,00m
- ∆L: chiều dài an toàn của buồng õu ởhai đầu và giữa cỏc tàu trong đoàn ∆L = 4 + 0,015 Lc = 8,01m
Để đảm bảo an toàn trong quỏ trỡnh vận hành, chọn ∆L = 8,50m Do đú chiều dài hữu ớch của buồng õu:
Lk1 = Lđt + 2∆L = 2Lc +3∆L = 2*267 + 3*8,5 = 559,5m
Chọn chiều dài hữu ớch của buồng õu là : LK1 = 560,00m. 3.3.2. Chiều rộng hữu ớch của buồng õu Bk1
Chiều rộng hữu ớch của buồng õu tớnh theo cụng thức (7) trong TCVN 9144 : 2012
Bk1 = Bđt + 2 ∆b (3.2)
Trong đú:
Bđt: chiều rộng của cỏc tàu hoặc đoàn tàu tớnh toỏn qua õu cựng một đợt (đứng cạnh nhau); Theo Phụ lục 1, Bđt = 33,10m
2∆b: chiều rộng an toàn của buồng õu của hai bờn đoàn tàu hoặc nhúm tàu. Khoảng rộng an toàn ở mỗi phớa:
- Khi buồng õu tới 10 m khoảng rộng an toàn khụng được nhỏhơn 0,2 m; - Khi buồng õu tới 18 m khoảng rộng an toàn khụng được nhỏhơn 0,4 m; - Khi buồng trờn 18 m khoảng rộng an toàn khụng được nhỏhơn 0,5m. Chọn ∆b = 1,20m
Do đú: Bk1 = Bđt + 2 ∆b = 33,10 + 2*1,2 = 35,50m Chọn chiều rộng hữu ớch của buồng õu là: BK = 36,00m 3.3.3. Chiều sõu trờn ngưỡng và cao trỡnh đỏy buồng õu
3.3.3.1. Chiều sõu trờn ngưỡng
Chiều sõu trờn ngưỡng tớnh theo cụng thức (8) trong TCVN 9144 : 2012 như sau Chiều sõu trờn ngưỡng SK lấy bằng:
Sk = Sc + ∆S (3.3)
Trong đú:
Sc: mớn nước của chiếc tàu tớnh toỏn (khi chở đủ trọng tải); Theo phụ lục 1 Sc = 13,11m.
∆S: độsõu an toàn trờn ngưỡng, khụng nhỏ hơn tổng số độ gia tăng mớn nước của chiếc tàu tớnh toỏn do độ chờnh dọc (tớnh theo phụ lục B - TCVN 9144 : 2012 ) và độ an toàn nhỏ nhất dưới bụng tàu khi chạy theo Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Trị số độ sõu an toàn nhỏ nhất dưới bụng tàu phụ thuộc vào chiều
sõu đặt ngưỡng
Loại õu Chiều sõu đặt ngưỡng (m)
Độ sõu an toàn nhỏ nhất dưới bụng tàu (cm)
Bờ tụng cốt thộp Tới 2,5 25
Trờn 2,5 40
Bằng gỗ Tới 1,0 10
Trờn 1,0 15
Theo quy phạm của Liờn Xụ (bài giảng thiết kế õu tàu của ĐH Hàng Hải) thỡ
Với Sc <= 3,5m thỡ ∆S = 0,3m Sc > 3,5m thỡ ∆S = 0,5m
Với õu Vũng Tàu – Gũ Cụng, chọn ∆S = 0,5m Do đú Sk = Sc + ∆ = 13,11 + 0,5 = 13,61m
3.3.3.2. Cao trỡnh ngưỡng và đỏy buồng õu
Do mực nước thiết kế vận tải nhỏ nhất định ra, đồng thời cú xột đến ảnh hưởng của mực nước động:
đỏy buồng õu = Mực nước min - Sk (3.4)
đỏy buồng õu = -2,44 – 13,61 = -16,05 m Chọn cao trỡnh ngưỡng và đỏy buồng õu là: -16,05m
3.3.4. Cao trỡnh đỉnh tường õu
Cao trỡnh đỉnh õu căn cứ vào mực nước thiết kế cao nhất để định ra, đồng thời cú xột đến ảnh hưởng của mực nước động.
đỉnh tường õu = Mực nước max + ∆ZNBD + độ cao an toàn (3.5)
Độ cao an toàn thường lấy < 1m (theo bài giảng bộ mụn õu tàu – Đại học Hàng Hải). Chọn độ cao an toàn 0,75m
Mực nước động lớn nhất cú xột đến súng, giú. Tuy nhiờn với õu Vũng Tàu - Gũ Cụng cú hệ thống đờ chắn súng bảo vệ nờn chiều cao súng cú thể bỏ qua. Khi đú, mực nước động max là mực nước cao cực trị: +2,70m
Trị số gia tăng mực nước biển trung bỡnh do ảnh hưởng của nước biển dõng được xỏc định:
∆ZNBD = Tct* RNBD = 100*0,0075= 0,75 (m) (3.6) Trong đú:
RNBD : Tốc độdõng nước biển trung bỡnh (m/năm) RNBD= 0,0075 (m/ năm) TCT: Tuổi thọ cụng trỡnh dự kiến xõy dựng TCT= 100 năm.
Do đú cao trỡnh đỉnh tường õu:
đỉnh tường õu = 2,7 +0,75 +0,75 = 3,95m
Lựa chọn cao trỡnh đỉnh tường õu là +4,00m 3.4. Tớnh toỏn kiểm tra ổn định õu thuyền
3.4.1. Kiểm tra ổn định nổi của đơn nguyờn buồng õu
3.4.1.1. Lựa chọn kớch thước đơn nguyờn buồng õu
Đơn nguyờn buồng õu cú kết cấu dạng phao hộp xà lan, thi cụng trong hố múng khụ sau đú làm nổi, di chuyển và hạ chỡm vào vị trớ thiết kế. Kớch thước cơ bản của đơn nguyờn phao hộp xà lan bao gồm chiều rộng phao BP, chiều dài phao Lp và chiều cao phao Hp.
Cỏc kớch thước phao hộp xà lan được lựa chọn đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể của cụng trỡnh, đảm bảo nổi trờn mặt nước và thuận tiện trong quỏ trỡnh thi cụng chế tạo, di chuyển và hạ chỡm phao.
Dựa vào kớch thước cơ bản của õu thuyền đó tớnh toỏn, lựa chọn cỏc kớch thước cơ bản của phao hộp xà lan như sau :
- Chiều rộng phao Bp:
Bp = Bk1 + 2Bt (3.7)
Trong đú : Bk1 = 36m là chiều rộng hữu ớch của buồng õu Bt là chiều rộng trụ õu. Chọn Bt = 10m
Do đú Bp = 36 +2*10 = 56m - Chiều dài phao Lp.
Chiều dài phao được lựa chọn căn cứ vào chiều dài hữu ớch của buồng õu Lk1, điều kiện thi cụng chế tạo và di chuyển hạ chỡm. Với chiều rộng hữu ớch của buồng õu Lk1 = 560m, tỏc giả lựa chọn chiều dài của đơn nguyờn phao xà lan Lp = 28m để tớnh toỏn kiểm tra ổn định.
- Chiều cao phao Hp.
Hp = đỉnh tường õu – đỏy buồng õu + Hđỏy (3.8) Lựa chọn chiều cao đỏy phao Hđỏy = 5m
Do đú Hp = 4 – (-16,05) + 5 = 25,05m - Bốtrớ cỏc khoang, tường và vỏch:
Kớch thước cỏc khoang, chiều dày của tường, bản đỏy được xỏc định với việc tớnh toỏn kết cấu ứng với trường hợp làm việc bất lợi nhất. Cỏc kớch thước được lựa chọn sơ bộ theo kinh nghiệm và tớnh toỏn kiểm tra ổn định, kết cấu để kiểm tra. Vỡ vậy, tỏc giảđề xuất lựa chọn cỏc kớch thước như sau :
Chiều rộng cỏc khoang ≤ 5m ; Chiều dày tường bao ngoài : 50cm ; Chiều dày cỏc vỏch ngăn : 30cm ; Chiều dày bản đỏy : 50cm.
Hỡnh 3.6. Mặt bằng kết cấu phao hộp xà lan 3.4.1.2. Điều kiện đảm bảo nổi
Đơn nguyờn buồng õu cú kết cấu dạng phao hộp xà lan (gọi tắt là phao hoặc xà lan) được cấu tạo bởi cỏc tường và vỏch cú chuyền dày từ 30 ữ 50cm. Yờu cầu khi thiết kếđơn nguyờn buồng õu là nú phải nổi được ở trong nước với độ nổi thiết kế. Một xà lan đang nổi trờn mặt nước chịu tỏc động đồng thời của hai lực ngược chiều nhau, trọng lượng bản thõn theo phương hướng xuống và lực nổi acsimet theo hướng ngược lại.
Điều kiện nổi của xà lan trong nước là lực đẩy nổi cú giỏ trị tuyệt đối bằng trọng lượng của đơn nguyờn và thiết bị, tõm nổi (B) của phần chỡm và trọng tõm (G) cựng nằm trờn đường thẳng vuụng gúc với mặt thoỏng.
Một đơn nguyờn buồng õu dạng phao hộp xà lan, sau khi sơ bộxỏc định cỏc thụng số và kớch thước sẽtớnh được trọng lượng bản thõn.
Điều kiện nổi của xà lan: ∑G = B.hn.L ⇒hn G B.L = ∑ (3.9) Trong đú:
hn: Chiều sõu mớn nước (độ ngập). ∑G : Trọng lượng của toàn bộ xà lan.
Theo “Kỹ thuật thi cụng cụng trỡnh Cảng – Đường thủy” Trường Đại học Xõy dựng 2003. Để đảm bảo an toàn trong quỏ trỡnh di chuyển đơn nguyờn buồng õu trong điều kiện vựng nước cú súng lớn, cần lựa chọn chiều cao mạn khụ (F) của xà lan theo điều kiện: S h tg B d H − ≥ + + = 3 2 2 F φ (3.10) Trong đú:
H: Chiều cao xà lan
B: Chiều rộng xà lan tại ngang mặt nước
φ: Gúc nghiờng của xà lan khi di chuyển, thường lấy θ = 60 ữ 80
h: Chiều cao súng
S: Chiều cao dự trữ mạn khụ
xà lan, thường lấy 0,50 ữ 1,0m Hỡnh 3.7. Sơ đồ kiểm tra chiều cao mạn khụ F
của xà lan 3.4.1.3. Kiểm tra điều kiện ổn định nổi
Đểđảm bảo xà lan khụng bị lật ngay khi nổi thỡ nú phải đảm bảo ổn định ở trạng thỏi tĩnh. Điều này phụ thuộc vào vịtrớ tương đối của trọng tõm và tõm nổi tức là phụ thuộc vào kết cấu của xà lan.
Điều kiện đảm bảo cho xà lan khi nổi ổn định trờn mặt nước là tõm nổi của phần chỡm và trọng tõm của xà lan nằm trờn cựng đường thẳng vuụng gúc mặt thoỏng.
Trọng tõm của xà lan: Để xà lan nổi đều trờn mặt thoỏng thỡ kết cấu phải thoả món phương trỡnh sau: 0 . 1 = ∑ = n i i i x g (3.11) 0 . 1 = ∑ = n i i i y g (3.12) Trong đú:
gi: Trọng lượng của kết cấu thứ i, hoặc tải trọng thứ i
xi, yi: khoảng cỏch từ trọng tõm kết cấu thứi đến trục OX, OY.
Khi xà lan thoảmón cỏc điều kiện trờn thỡ toạđộ trọng tõm XG= 0, YG= 0, ZG.
B1 Yb hn B/2 M G B B/2 Φ P M N Q Φ
Hỡnh 3.8. Diễn biến tõm nổi và tõm ổn định khi nghiờng
G: Trọng tõm của xà lan: n i i i 1 G n i i 1 g Z Z g = = =∑ ∑ (3.13)
Tõm nổi B của phần chỡm là trọng tõm của phần xà lan dưới nước, đối với kết cấu đối xứng thỡ tọa độ tõm nổi là:
XB = 0; YB = 0; ZB = hn/2
Tõm ổn định M được xỏc định trong trường hợp xà lan bị nghiờng với gúc nghiờng hết sức nhỏ, là điểm cắt giữa hướng tỏc động của lực nổi và trục đối xứng xà lan.
Bỏn kớnh tõm ổn định là khoảng cỏch giữa tõm nổi B và tõm ổn định M. Khi xà lan nghiờng với gúc nghiờng nhỏ thỡ tõm nổi di chuyển theo cung gần như cung trũn với bỏn kớnh MB cũn tõm là M. Khi xà lan nghiờng với gúc nghiờng lớn, điều trờn khụng cũn đỳng nữa. Tõm B lỳc đú dịch chuyển theo quĩ đạo giả elip, cũn M luụn nằm trờn đường cong ngược với đường cong mà tõm B vẽ.
(3.14) (3.15) (3.16) Diễn biến ổn định: - Nếu: G B M G B Z Z hoặc Z Z Z < > >
Thỡ xà lan ở trạng thỏi ổn định bền. Khi làm nổi nếu xà lan nghiờng gúc φ, tõm nổi di chuyển từB đến B1, lực nổi W đi qua tõm nổi B1 và hướng lờn, trọng lượng xà lan đi qua G và hướng xuống, hai lực này song song ngược chiều nhau và cú giỏ trị tuyệt đối bằng nhau, tạo ra momen phục hồi (Mph) đưa xà lan về lại vị trớ cõn bằng.
Mph= ΣG.GM.sinφ = ΣG.GM.φ (3.17)
GM: khoảng cỏch từ trọng tõm đến tõm ổn định
Khi kộo nổi đường gần hay trong vựng nước được che chắn, lấy GM ≥ 20cm, khi kộo nổi đường xa hoặc trong vựng nước khụng được che chắn lấy GM ≥ 30cm. Nếu độ sõu luồng lớn, để đảm bảo an toàn chiều cao mạn khụ F của xà lan thường lấy GM ≥ 40 ữ 50cm.
Nếu ZB < ZM <ZG xà lan ở trạng thỏi ổn định khụng bền.
Dựa vào hệphương trỡnh trờn ta kiểm toỏn được điều kiện ổn định của xà lan khi nổi. Nếu thoảmón điều kiện vềổn định thỡ cỏc thụng số của xà lan như đó chọn là hợp lý, cũn nếu khụng thoả món thỡ cần phải thay đổi hoặc bố trớ lại kết cấu.
Đối với kết cấu xà lan như đó đề xuất xỏc định được:
Tổng trọng lượng của xà lan : ∑G = 14632,69 (T) Chiều sõu mớn nước của xà lan : hn = ∑G/B.L = 9,33 (m) Trọng tõm của xà lan : ZG = 9,39 (m)
Chiều cao tõm nổi của xà lan : ZB = hn/2 = 4,67 (m) Chiều cao tõm ổn định của xà lan : ZM = 31,42 (m)
Khoảng cỏch từ trọng tõm đến tõm ổn định: GM = 22,03 (m) Như vậy: ZM > ZG > ZB => Xà lan đảm bảo điều kiện ổn định bền.
Giả thiết chiều cao súng trong quỏ trỡnh di chuyển xà lan h=1,5 m gúc nghiờng của xà lan 70, S = 1,0 m. Kiểm tra điều kiện mạn khụ:
F = H – hn = 25,05 – 9,33 = 15,72 (m) > B/2*tg70 + 2/3*1 + 1 = 3,39 (m)
Chiều cao mạn khụ của xà lan đảm bảo an toàn trong quỏ trỡnh di chuyển
3.4.2. Tớnh toỏn kiểm tra sức chịu tải của nền
Trường hợp tớnh toỏn
Tớnh toỏn cho trường hợp bất lợi nhất là trường hợp õu thuyền vận hành. - Trường hợp vận hành 1: Đưa tàu từthượng lưu (lựa chọn phớa hồlà thượng lưu) về hạ lưu (lựa chọn phớa biển là hạ lưu). Khi đú mực nước trong hồ là +1,00 (Mực nước giữ trong hồ) và mực nước phớa biển là mực nước thấp khai thỏc -2,44. Quỏ trỡnh vận hành như sau:
Mực nước hồ +1,00 cửa õu thượng hạ lưu đúng Bơm nước vào buồng õu đến +1,00 Mở cửa õu thượng lưu Đưa tàu vào buồng õu Bơm nước đến cao trỡnh -2,44 Mở cửa õu hạ lưu Tàu ra khỏi buồng õu.
- Trường hợp vận hành 2: Đưa tàu từ hạ lưu lờn thượng lưu. Khi đú mực nước phớa biển là +2,70, mực nước trong hồ là -1,00.
Mực nước biển +2,70 cửa õu thượng hạ lưu đúng Bơm nước vào buồng õu đến +2,70 Mở cửa õu hạ lưu Đưa tàu vào buồng õu Bơm nước ra đến cao trỡnh -1,00 Mở cửa õu hạ thượng Tàu ra khỏi buồng õu.
Như vậy trong 2 trường hợp vận hành, buồng õu làm việc bất lợi nhất là trường hợp vận hành thứ 2 khi mực nước trong buồng õu lớn nhất là +2,70m. Đõy cũng là trường hợp đầu õu làm việc bất lợi nhất với chờnh lệch cột nước +3,70m. Do đú trong khuụn khổ luận văn, tỏc giả lựa chọn tớnh toỏn kiểm tra ổn định buồng õu và đầu õu cho trường hợp vận hành 2.
3.4.2.1. Kiểm tra sức chịu tải của nền đầu õu
Khi cụng trỡnh làm việc sẽ truyền tải trọng tỏc dụng xuống nền. Do đú, cần tớnh toỏn kiểm tra xem nền tự nhiờn cú đảm bảo khả năng chịu tải của cụng trỡnh
hay khụng, nếu khụng thỏa món nền cần được gia cố: Điều kiện đảm bảo cho nền khụng cần gia cố :
σtb < Rnền và σmax< 1,2 Rnền (3.18) Tải trọng tỏc dụng lờn đầu õu gồm:
- Tải trọng đứng
+ Trọng lượng bản thõn của đầu õu bao gồm: trọng lượng kết cấu bờ tụng cốt thộp, trọng lượng vật liệu lấp đầy khoang rỗng G1 ;
+ Trọng lượng cửa van và thiết bị G2
+ Áp lực nước tĩnh thiết kế tỏc dụng trực tiếp lờn cụng trỡnh G3, G4 + Áp lực đẩy nổi tỏc dụng lờn cụng trỡnh Wp
- Tải trọng ngang
+ Áp lực nước phớa thượng lưu HTL + Áp lực nước phớa hạ lưu HHL
+ Áp lực đất chủ động phớa hạ lưu Eđc + Áp lực đất bị động phớa thượng lưu Eđb
Bỏ qua ỏp lực nước ngầm, ỏp lực thấm và ảnh hưởng của tường buồng õu lờn đầu õu Theo kết quả tớnh toỏn trong Phụ lục 2 ta cú:
Sức chịu tải của nền Rnền = 48,24 T/m2
σtb = 31,24 (T/m2) < Rnền = 48,24(T/m2) σmax = 67,13 (T/m2) > 1,2Rnền = 57,89 (T/m2)
Điều đú cú nghĩa là đất nền dưới đầu õu khụng đảm bảo khảnăng chịu tải, cần