4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.5 Ứng dụng công nghệ quan trắc tự động nhằm hiện đại hóa trong công tác quản
(3.4)
Đặt = ϕ được :
Vậy, lưu lượng qua lỗ bị ngập:
(3.5)Trong đó: Trong đó:
ϕ: hệ số lưu lượng của lỗ bị ngập
ω: diện tích lỗ
g: Gia tốc trọng trường
Với giả định lỗ cửa con có diện tích ω = 1,0m2 và hệ số lưu lượng ϕ = 0,85, thì khả năng lấy nước bổ sung qua cửa nhỏ được tính qua sơ đồ:
0 2 4 ∆z ∆z ∆z 0
Hình 3.6: Sơ đồ tính thể hiện khả năng lấy nước bổ sung của cống Xuân Hòa
Như vậy, độ chênh lệch mực nước thượng hạ lưu ∆Z là một hàm phụ thuộc thời gian t: ∆Z = f(t)
Khi đó, lượng nước lấy bổ sung là: ∑∫ = n tt g f t dt W 1 2 1 ) ( . . 2 ϕω
3.2.1.2 Tính toán khả năng lấy nước bổ sung
Căn cứ số liệu đo đạc thực tế về mực nước ngoài sông, trong đồng và độ mặn theo giờ của Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình thủy lợi Tiền Giang tại vị trí cống Xuân Hòa vào mùa khô năm 2013, sơ bộ tính toán được khả năng lấy nước ngọt bổ sung cho vùng dự án khi cống đóng ngăn mặn.
Thời gian cống Xuân Hòa đóng ngăn mặn được thể hiện trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Thời gian cống Xuân Hòa đóng ngăn mặn năm 2013
STT Tháng Ngày đóng Ngày mở Số ngày
1 1 0 2 2 24/2/2013 28/2/2013 4 3 3 01/3/2013 06/3/2013 5 4 10/3/2013 12/3/2013 2 5 24/3/2013 31/3/2013 7 6 4 01/4/2013 05/4/2013 4 7 09/4/2013 30/4/2013 21
Tổng cộng 43
(Nguồn: Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thủy lợi Tiền Giang)
Hình 3.7: Biểu đồ mực nước và độ mặn thực đo tháng 2/2013 tại cống Xuân Hòa
Hình 3.8: Biểu đồ mực nước và độ mặn thực đo tháng 3/2013 tại cống Xuân Hòa
Bảng 3.2: Lượng nước cống Xuân Hòa lấy được đầu năm 2013 (theo chế độ vận hành hiện tại)
Tháng Thời gian lấy t
(giờ : phút)
Lượng nước lấy W
(m3) 1 894:20:00 61.284.364 2 748:55:00 45.087.455 3 224:30:00 14.427.195 4 67:15:00 5.326.935 Tổng 1710:30:00 111.698.754
(Nguồn: Công ty TNHH MTV Khai thác công trình Thủy lợi Tiền Giang)
Hình 3.10: Cửa A1 cống Xuân Hòa đang vận hành lấy nước ngày 07/4/2013 Bảng 3.3: Nhu cầu nước khu vực dự án mùa khô năm 2013
Cây trồng Diện tích
(ha)
Nhu cầu nước
(m3/ha)
Lượng nước cấp
W (m3)
Lúa Đông Xuân 29.643 7.655 226.917.165
Hoa màu 1.599 273 436.527
Nuôi trồng TS 20 370.740 7.414.800
Tổng 234.768.492
- Diện tích vụ lúa Đông Xuân và hoa màu theo số liệu gieo trồng thực tế năm 2013 của Công ty TNHH MTV Khai thác thủy lợi Tiền Giang.[9]
- Nhu cầu nước của lúa và hoa màu vụ Đông Xuân theo nghiên cứu của Viện KHTL miền Nam năm 1999. [8]
- Nhu cầu nước của thủy sản theo kết quả đề tài: Nghiên cứu đề xuất các giải pháp KHCN thủy lợi phát triển bền vững vùng nuôi trồng thủy sản nước ngọt ở ĐBSCL - Viện KHTL miền Nam năm 2009. [2]
Chọn ngày 01/3/2013 là ngày cống Xuân Hòa đóng để tính toán điển hình:
Bảng 3.4: Số liệu mực nước và độ mặn quan trắc tại cống Xuân Hòa 01/3/2013
Ngày giờ Mực nước (m) Mặn (g/l)
Sông Đồng Sông Đồng 01-03-13 0:50:00 -0.30 0.30 0.80 1.2 01-03-13 3:00:00 1.25 0.30 1.50 1.2 01-03-13 5:10:00 1.64 0.29 2.00 1.2 01-03-13 7:00:00 1.22 0.29 3.00 1.2 01-03-13 9:00:00 0.30 0.29 2.80 1.2 01-03-13 11:00:00 -0.15 0.29 1.60 1.2 01-03-13 12:40:00 -0.48 0.27 0.90 1.2 01-03-13 15:00:00 1.43 0.27 1.60 1.2 01-03-13 18:10:00 1.60 0.23 2.20 1.2 01-03-13 20:10:00 1.05 0.23 3.00 1.2 01-03-13 21:00:00 0.50 0.23 2.30 1.2 01-03-13 23:00:00 -0.13 0.21 1.00 1.2
(Nguồn: Công ty TNHH MTV Khai thác công trình Thủy lợi Tiền Giang)
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ MNĐ~MNS~S ngày 01/3/2013
Hình 3.12: Khả năng lấy nước bổ sung ngày 01/3/2013
Giả định cửa con có diện tích ω=1,0 m2, hệ số lưu lượng ϕ=0,85. Khi mực nước ngoài sông cao hơn mực nước trong đồng và độ mặn nước sông ≤2,0g/l, thì lượng nước có thể lấy bổ sung trong ngày 01/3/2013 được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5: Lượng nước lấy bổ sung vào ngày 01/3/2013
Ngày Giờ đo MNS MNĐ S
(g/l) ∆Z (m) Thời gian lấy nước bổ sung (s) Q (m3/s) W (m3) 01-03-13 0:50 -0.30 0.30 0.80 -0.60 - - - 3:00 1.25 0.30 1.50 0.95 7,800 3.67 28,624 5:10 1.64 0.29 2.00 1.35 - - - 7:00 1.22 0.29 3.00 0.93 - - - 9:00 0.30 0.29 2.80 0.01 - - - 11:00 -0.15 0.29 1.60 -0.44 - - - 12:40 -0.48 0.27 0.90 -0.75 - - - 15:00 1.43 0.27 1.60 1.16 8,400 4.06 34,063 18:10 1.60 0.23 2.20 1.37 - - - 20:10 1.05 0.23 3.00 0.82 - - - 21:00 0.50 0.23 2.30 0.27 - - - 23:00 -0.13 0.21 1.00 -0.34 - - - Tổng cộng 62,686
Qua hình 3.12 và bảng 3.5 có thể thấy: Khoảng thời gian thích hợp có thể mở cửa van lấy nước bổ sung trong ngày 01/3/2013là từ khoảng 1h – 3h và từ 13h – 15h. Khi đấy mực nước sông lên cao hơn mực nước trong đồng và độ mặn S<2g/l đủ điều kiện cho phép lấy nước. Nếu mở cánh cửa con thì trong khoảng thời gian
Thời gian lấy nước bổ sung
Thời gian lấy nước bổ sung Lượng nước
đấy có thể lấy được hơn 62.000m3 nước bổ sung cho vùng dự án, thời gian lấy nước là 4h30’.
Lượng nước có thể lấy bổ sung trong mùa khô năm 2013 (chi tiết xin xem phần Phụ lục):
Bảng 3.6: Lượng nước lấy bổ sung cống Xuân Hòa mùa khô năm 2013
STT Tháng Ngày Giờ lấy nước
(giờ:phút) Lượng nước lấy bổ sung (m3) 1 1 0 0 - 2 2 4 35:50 422.523 3 3 14 218:45 2.548.033 4 4 21 251:05 2.768.997 Tổng cộng 505:40 5.739.553
Như vậy, vào mùa khô khi cửa cống Xuân Hòa đóng để ngăn mặn giữ ngọt, trong mỗi kỳ triều khi độ mặn ngoài sông chưa lên quá cao thì vẫn có khả năng lấy thêm nước bổ sung. Lượng nước có thể lấy thêm cho 1 đơn vị (m2) cửa con trong tháng 2, tháng 3, tháng 4 năm 2013 là khoảng 5,7 triệu m3 , xấp xỉ 5% tổng lượng nước lấy được như vận hành hiện nay.
3.2.2 Cơ chế cửa van đóng mở cưỡng bức bổ sung chức năng lấy nước cho cửa tự động hiện có
3.2.2.1 Bản chất của giải pháp
Mục đích của giải pháp là nghiên cứu cải tiến kết cấu cửa van tự động thành cửa van có khả năng đóng mở cưỡng bức để thuận tiện trong công tác quản lý vận hành điều tiết nguồn nước đáp ứng yêu cầu của thực tiễn sản xuất. Để đạt được mục đích trên, cửa van theo giải pháp đề xuất nghiên cứu có kết cấu như sau:
Về cơ bản kết cấu cửa van theo giải pháp được đề xuất vẫn là kết cấu cửa van tự động bao gồm các bộ phận: cửa van mẹ (khung bao và bản mặt) liên kết với thân cống qua hai cụm cối cửa. Cửa van mẹ vẫn có thể đóng mở tự động dựa vào độ chênh lệch mực nước trước và sau cống để điều tiết nguồn nước.
Khác biệt ở chỗ: Trên thân của cửa van mẹ (cửa mẹ đóng mở tự động), thiết kế thêm các cửa van con (đóng mở cưỡng bức theo chiều lên – xuống bằng hệ thống xilanh thủy lực) với diện tích và vị trí được tính toán hợp lý mà không làm ảnh hưởng đến khả năng chắn nước và khả năng chịu lực của cửa mẹ. Do đó vấn đề điều tiết nguồn nước có thể chủ động hơn, nâng cao hiệu quả đầu tư công trình.
3.2.2.2 Mô tả giải pháp
Cửa van theo giải pháp đề xuất bao gồm:
- Cửa van mẹ: là cửa van cánh cửa, đóng mở tự động.
- Cửa van con: có kết cầu gồm các dầm ngang, dầm dọc, bản mặt cửa và cao su kín nước, ốp trên thân của cửa van mẹ, chủ động đóng mở (theo chiều lên – xuống) bằng hệ thống xi lanh thủy lực.
Thông qua số liệu quan trắc, khi mực nước và độ mặn đạt yêu cầu có thể chủ động mở cửa van con lấy nước bổ sung (vào mùa khô) hoặc để cửa mẹ tự vận hành đóng mở theo triều (vào mùa mưa).
Việc vận hành đóng mở cửa van cống Xuân Hòa theo bảng 3.7:
Bảng 3.7: Quy trình vận hành cống Xuân Hòa
Chất lượng nước Cửa mẹ tự động Cửa con cưỡng bức
Điều kiện Vận hành cửa Điều kiện Vận hành cửa
Nguồn nước ngoài sông ngọt rõ ràng
MNS > MNĐ [Mở]: lấy ngọt [Đóng] MNS < MNĐ [Đóng]: giữ
ngọt Nguồn nước ngoài
sông ngọt không rõ ràng [Đóng] MNS > MNĐ S ≤ 2 g/l [Mở]: lấy ngọt MNS < MNĐ S ≤ 2g/l [Đóng]: giữ ngọt S > 2 g/l [Đóng]: ngăn mặn Ghi chú:
- MNS: Mực nước ngoài sông - MNĐ: Mực nước trong đồng - S: Độ mặn
Như vậy, việc vận hành đóng mở cửa cống lấy nước sẽ căn cứ vào kết quả quan trắc mực nước, độ mặn. Nếu quá trình quan trắc và dự báo mặn có độ chính xác cao, cánh cửa mẹ sẽ làm việc nhiều hơn, tương ứng lượng nước lấy phục vụ sản xuất nhiều hơn, chi phí vận hành sẽ giảm nhiều.
3.2.3 Giải pháp bố trí kết cấu cải tiến cho cửa van cống Xuân Hòa
Các yêu cầu khi thiết kế cửa con:
- Diện tích cửa con càng lớn thì khả năng lấy thêm nước càng nhiều. - Kích thước cửa nhỏ phải tùy thuộc vào kết cấu cửa mẹ.
- Phải nằm thấp hơn mực nước thấp nhất phía đồng. - Phải có đủ không gian để kéo cửa lên khi lấy nước. - Không nằm ở vị trí quá thấp để tránh bùn cát khi mở cửa.
Trong thực tế, để xác định vị trí đặt cửa hợp lý khi phụ thuộc vào mực nước trong đồng và độ mặn, cần phải tính toán dựa trên chuỗi số liệu thực đo qua nhiều năm. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn, tác giả dựa trên số liệu thực đo mùa khô của năm 2013 (tháng 2 đến tháng 4) để làm cơ sở tính toán sơ bộ.
Mực nước tại cửa cống Xuân Hòa được thể hiện trong bảng 3.6:
Bảng 3.8: Mực nước max, min tại cống Xuân Hòa mùa khô năm 2013
Tháng Mực nước sông Mực nước đồng
Zmax Zmin Zmax Zmin
2 1.78 -0.68 0.70 0.33
3 1.67 -1.03 0.55 -0.20
4 1.77 -1.21 1.40 -0.11
(Nguồn: Công ty TNHH MTV Khai thác công trình Thủy lợi Tiền Giang)
Mực nước hạ lưu thấp nhất trong mùa khô là -0.20m. Cao trình ngưỡng cống Xuân Hòa là -3.50. Vậy chiều cao cột nước phía đồng thấp nhất vào khoảng 330cm. Vị trí hợp lý của cửa con có thể:
- Thấp hơn mực nước đồng: 30 – 50cm - Cao hơn ngưỡng cống: 80 – 100cm
Bảng 3.9: Bảng lựa chọn chiều cao lỗ cửa con hợp lý
Chiều cao mực nước hạ lưu (cm) Khoảng dao động hạ lưu (cm) Khoảng tránh bùn cát (cm) Khoảng hợp lý bố trí cửa con
(cm)
330 30 – 50 80 – 100 180<h<220
Tuy nhiên, do cửa con là giải pháp cải tiến từ cửa mẹ đóng mở tự động, nên chiều cao cửa con còn phải phụ thuộc vào kết cấu của cửa mẹ. Do đó chọn chiều cao cửa con thích hợp là 130cm.
Chiều rộng cửa con phải nằm trong khung dầm dọc của cửa mẹ và nên có chiều rộng <2,0m để tiện nâng hạ cửa. Chọn chiều rộng của cửa con là 150cm.
Bố trí 02 cửa con trên cửa mẹ. Kích thước cửa phải lớn hơn kích thước lỗ để bố trí thiết bị kín nước. Do đó chọn kích thước cửa là Bxh=170x150cm.
Nguyên tắc bố trí cửa:
- Tạo được chế độ vận hành đối xứng để tạo ra phân bố dòng chảy có tính đối xứng cao, phân bố rộng, tránh dòng chảy bị lệch gây xói lở cống. Do đó, bố trí cửa con vào khoang giữa (khoang A2, A3) của cống, mỗi khoang 2 cửa.
- Đặt cửa con ở phía sông: Trong trường hợp ngăn mặn, khi mực nước ngoài sông cao hơn trong đồng thì áp lực nước tì cửa van con vào sát cửa van mẹ, ngăn nước mặn rò rỉ vào trong đồng. Đồng thời, khi cửa mẹ vận hành mở cửa lấy nước không đẩy cửa con va vào trụ pin.
Hình 3.13: Vị trí bố trí cửa con trên cửa mẹ
Giả thiết rằng chỉ bố trí bổ sung 4 cửa con cho 2 cánh cửa mẹ A2, A3 thì tổng diện tích lấy nước bổ sung là: 1,3x1,5x4=7,8m2. Theo như vận hành thực tế 3 tháng mùa khô năm 2013, tính sơ bộ được tổng lượng nước có thể lấy thêm là: 7,8x5,7.106=44x106 m3, đạt 40% tổng lượng nước đã lấy được trong điều kiện cửa van hiện nay.
Hình 3.14: Sơ đồ hoạt động của cửa cải tiến
3.3 Thiết kế sơ bộ cửa con
3.3.1 Vật liệu chế tạo 3.3.1.1 Kết cấu cửa van
Cửa van con được cấu tạo gồm các dầm tổ hợp và bản mặt bằng thép không rỉ, kín nước bằng cao su củ tỏi. Cửa van con được đóng mở bằng xilanh thủy lực.
3.3.1.2 Liên kết hàn
Các mối hàn của cửa hàn bằng phương pháp hàn bằng tay, dùng que hàn loại E42 hoặc các loại que hàn có chỉ tiêu cơ lý tương đương, khi hàn các chi tiết thép không rỉ phải dùng que hàn thép không rỉ.
3.3.1.3 Chắn nước cửa van
Dùng loại cao su mềm hình tấm và dạng củ tỏi có các chỉ tiêu cơ lý: - Giới hạn ổn định khi kéo đứt: 180,0 Kg/cm2
- Độ giãn dài tương đối không bé hơn 500% - Độ giãn dài dư không lớn hơn 45%
- Sức kháng rạn nứt không bé hơn 70Kg/cm2 - Độ cứng theo Shor không bé hơn 70,0
- Hệ số bỏ hóa theo Ghia sau 144 giờ ở nhiệt độ 70oC: 0,7
- Độ trương nở ở trong nước 70oC trong 24h không lớn hơn 2,0% - Sức kháng mài mòn không lớn hơn 450cm3/KWg.Lo
- Độ đàn hồi 45 – 65
- Trọng lượng riêng: 1,08T/m3
3.3.1.4 Ứng suất cho phép
Ứng suất cho phép của các loại vật liệu tham khảo bảng 3.8
Bảng 3.10: Ứng suất cho phép đối với liên kết hàn
TT Loại ứng suất Loại thép Ký hiệu
CT3 SUS.304
I Mối hàn đối đầu
1 Kéo, nén 1490 2410
2 Uốn 1565 2540
3 Cắt 895 1450
II Mối hàn góc
1 Kéo, nén, uốn, cắt 1045 1685
Bảng 3.11: Ứng suất cho phép của kết cấu thép
TT Loại ứng suất Loại thép (Kg/cm2) Ký hiệu
CT3 SUS.304 1 Kéo, nén 1490 2050 [σ]k 2 Uốn 1565 [σ]u 3 Cắt 895 1000 [τ] 4 Ép mặt 2330 4300 [σ]em 3.3.1.5 Độ võng cho phép
Do cửa van làm việc trong dòng chảy, nên độ võng tương đối của các dầm lấy như sau: (theo sổ tay KTTL tập 5)
- Dầm chính ngang: [f]=1/600
- Dầm console: [f]=1/300
- Các bộ phận phụ của ô dầm: [f]=1/250
3.3.1. 6 Tải trọng và tổ hợp tải trọng
Các tải trọng chính tác động lên cửa van bao gồm (theo QPTL C2.75) - Áp lực nước tĩnh: Hệ số tải trọng n1 = 1,1. - Áp lực sóng, gió: Hệ số tải trọng n2 = 1,2. - Trọng lượng bản thân: Hệ số tải trọng n3 = 1,1.
- Hệ số an toàn để tính toán kết cấu: n = n1 x n2 = 1,32 Chọn trường hợp nguy hiểm nhất khi cửa van mẹ đang đóng cửa giữ ngọt vào tháng 4, và mực nước phía sông đang ở chân triều. Trong tổ hợp này:
- Mực nước ngoài sông: -1,21
- Mực nước trong đồng: 1,40
- Chênh lệch mực nước: 2,61
3.3.2 Kiểm tra khả năng đóng mở của cửa mẹ 3.3.2.1 Sơ đồ tính:
Sử dụng phần mềm SAP2000 ver.12 để mô hình và tính nội lực trong cửa van mẹ.
Kết cấu cửa van mẹ: (sau khi cải tiến)
- Cửa van mẹ có cấu tạo gồm bản mặt là thép tấm dày 8mm, các thanh dầm ngang là thép U400x160x8, dầm dọc là thép tấm 400x8.
- Trên cửa van mẹ bố trí 02 cửa van con
Hình 3.16: Sơ đồ áp lực nước phía đồng
Hình 3.17: Sơ đồ áp lực nước phía sông
3.3.2. 2 Kết quả tính toán
Hình 3.19: Lực cắt trên dầm cửa mẹ Hình 3.20: Moment trên dầm cửa mẹ