Cửa van tự động thủy lực kiểu cánh cửa ngày càng được sử dụng một cách phổ biến trong các cống vùng triều. Tuy nhiên, hiện tượng mở lệch của cửa tạo ra dòng chảy xiên qua cống là một vấn đề bức xúc được nhiều nhà khoa học quan tâm. Bài viết giới thiệu một giải pháp mới với chi phí thấp mang lại hiệu quả cao, có thể thay thế cho các giải pháp đã có trước đây
Đặt vấn đề
Hiện nay, cửa van tự động thuỷ lực kiểu cánh cửa đã trở thành một loại cửa van phổ biến, đặc biệt là đối với các công trình vùng ven biển có nhiệm vụ ngăn mặn – giữ ngọt, gạn triều tiêu úng, thóat lũ như ở ĐBSCL.
Từ khi áp dụng vào thực tế đến nay, cửa van cánh cửa tự động thủy lực đã phát huy rất tốt các ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế lớn trong sản xuất song đồng thời cũng đã bộc lộ những tồn tại nhất định, một trong những vấn đề đó là hiện tượng cửa van mở lệch đã gây dòng xiên tập trung về một phía không lợi cho nối tiếp sau cống, giảm khả năng thông thuyền và không đảm bảo mỹ quan công trình.
Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học quan tâm theo 2 hướng nghiên cứu:
– Nghiên cứu về bố trí kết cấu cửa van: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã có những kết quả nghiên cứu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của độ hở giữa tường bên với cửa van khi mở (tránh dòng chảy hẹp nằm giữa cửa van với trụ pin) bằng cách tạo hèm van và tăng độ kín nước gáy cửa. Tuy nhiên, hiệu quả cải thiện rất khiêm tốn.
– Nghiên cứu cải thiện chế độ thủy lực qua cửa van: Theo hướng này tập hợp khá nhiều nhà khoa học nhất là Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. Các nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề theo hướng bố trí thêm ngưỡng (lưỡi gà) để tăng độ mở của cửa. Phương án này được áp dụng hầu hết cho các cống vùng ĐBSCL.
Tuy nhiên, giải pháp này cần phải xử lý, mở rộng sân sau cửa van và phải xây dựng thêm một ngưỡng bằng BTCT tốn kém, đối với công trình nhiều khoang cống, sông rộng và sâu thì chi phí trên tăng lên đáng kể, đồng thời dẫn đến một số bất lợi khác. Qua nghiên cứu và thí nghiệm trên mô hình thủy lực, chúng tôi kiến nghị một giải pháp làm tăng độ mở cho cửa van qua đó hạn chế được dòng xiên qua cống mà không cần phải xây dựng ngưỡng bằng việc cải tiến kết cấu cửa van.
Phân tích & đánh giá
Phân tích động lực học quá trình tự động đóng mở của cửa van cho thấy, các yếu tố lực ảnh hưởng chính đến việc đóng, mở cửa van bao gồm: Trọng lượng bản thân cửa; áp lực nước; Lưu tốc dòng chảy qua cửa; Ma sát các ổ trục quay cửa.
Qua tính toán và thực tế cho thấy, lực ma sát ổ trục quay cửa là rất bé, ảnh hưởng không đáng kể đến độ mở của cửa. Trọng lượng cửa van càng nhẹ thì độ mở cửa càng tăng nhưng khả năng tự động đóng về lại bị giảm. Vì vậy, yếu tố trọng lượng cửa van thường được phân tích và lựa chọn ngay trong giai đoạn tính toán thiết kế bằng giải pháp xác định kích thước kết cấu của phần hộp rỗng phía dưới cửa.
Như vậy, còn lại 2 yếu tố là lưu tốc dòng chảy và độ chênh lệch áp lực nước cần nghiên cứu để cải thiện độ mở cho cửa. Đây là nguyên nhân vì sao từ trước tới nay, khi nghiên cứu giải pháp tăng độ mở cho cửa van, các nhà khoa học chỉ tập trung vào giải quyết vấn đề thủy lực và kết cấu thủy công như đã chỉ ra ở trên.
Độ mở của cửa van so với phương dòng chảy khi làm việc, tính cho trường hợp bản đáy phía dưới cửa là phẳng, (bỏ qua ảnh hưởng của lực ma sát và trọng lượng bản thân cửa) được xác định theo công thức [2]:
Khi làm các ngưỡng sau cửa van (lưỡi gà) chính là để giải quyết vấn đề này và độ mở của cửa đã được tăng lên. Song việc làm ngưỡng sau cửa van còn có nhược điểm là tốn kém về mặt kinh tế và có ảnh hưởng nhất định đến kết cấu công trình.
Đề xuất giải pháp
Bố trí kết cấu
Sơ đồ bố trí cửa van phụ trên cửa van chính
Giải pháp mà đề tài đưa ra là sử dụng kết cấu cửa van phụ tăng áp. Trên bề mặt cửa van tự động (cửa chính), phía dưới cửa được bố trí thêm một cửa van phụ cũng có kết cấu là cửa van tự động thủy lực dạng cánh cửa. Cửa van này, đặt trong ô bản mặt ở tầng thấp nhất của cửa chính, nhằm đảm bảo không ảnh hưởng đến vấn đề qua lại của thuyền bè diễn ra phía trên (xem hình vẽ). Đặc điểm của cửa van này là kết cấu nhỏ gọn, đơn giản dễ chế tạo lắp đặt, không cần chi tiết kín nước, đảm bảo sự làm việc tự động nhẹ nhàng và có độ nhạy cao.
Nguyên lý làm việc của cửa phụ tăng áp
Khi mực nước ngang nhau và cửa van chính ở vị trí đóng, cửa van này cũng sẽ ở trạng thái “đóng”, lúc này nó hoàn toàn nằm ép sát hẳn vào trong hốc cửa van chính. Nhìn tổng thể cửa van khi đó chỉ như là một cửa van tự động bình thường. Khi cửa van chính tự động mở ra, sự lệch trục cửa van chính tạo ra sự lệch trục dây chuyền đến cửa van phụ làm cho cửa van phụ tự động mở ra phía dòng chảy để nhận một áp lực tăng thêm Pcp, áp lực này có tác dụng tạo thêm mô men quay làm cho độ mở cửa van tăng lên.
Một số kết quả tính toán
Xét ảnh hưởng của cửa van phụ đến vấn đề tự động mở ra và đóng về của cửa:
Với kết cấu này, thời điểm (cũng như điều kiện) cửa van tự động mở và tự động đóng về sẽ không bị ảnh hưởng bởi kết cấu cửa van phụ. Các biểu thức tính toán trong các trường hợp này không thay đổi.
Xác định ảnh hưởng của mô men gây ra do cửa phụ (Mcp) tác động lên cửa.
Thí nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy, với diện tích cửa phụ xấp xỉ 2% diện tích cửa chính sẽ cho hiệu quả tăng độ mở tương đương với việc xây dựng thêm ngưỡng (“lưỡi gà”) tăng độ mở nhưng lại không làm ảnh hưởng đến kết cấu công trình.
Vấn đề cần lưu ý là: Nếu kết cấu cửa phụ lớn thì hiệu quả làm tăng độ mở cửa càng rõ rệt, tuy nhiên nếu kết cấu này lớn quá sẽ ảnh hưởng đến giao thông thủy.
Kết luận
Việc cải tiến, nâng cấp làm tăng độ mở cửa van mang hiệu quả trong quản lý khai thác và có ý nghĩa kinh tế – kỹ thuật cao. Thể hiện qua các mặt: Tăng khẩu diện thuận lợi cho thuyền bè qua lại; Tránh được dòng xiên gây xói hạ lưu; Tăng thẩm mỹ công trình; Nếu bố trí ngưỡng ở hạ lưu để tăng độ mở cửa van, cần phải kéo dài sân sau, mở rộng hố móng thi công, gia cố nền v.v…, kết cấu cửa van phụ rẻ hơn rất nhiều (chỉ vào khoảng 10%), chế tạo và lắp đặt lại nhanh và đơn giản.
Giải pháp cửa van phụ tăng độ mở cho cửa van tự động thủy lực kiểu cánh cửa được nghiên cứu, đề xuất, tính toán xuất phát từ những tồn tại, bức xúc của thực tiến sản xuất. Sản phẩm nghiên cứu đã được thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình vật lý và bước đầu đã được áp dụng thiết kế cho một số cống thuộc tiểu dự án Ômôn – Xano. Đây là một giải pháp mới dễ chế tạo lắp đặt và với chi phí sản xuất thấp không đáng kể nhưng mang lại hiệu quả cao trong quản lý vận hành khai thác. Vì vậy chúng tôi kiến nghị nên ứng dụng các kết quả nghiên cứu này không những cho các công trình mới mà cả những công trình đã được xây dựng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Trương Đình Dụ và nhóm nghiên cứu (1985), “Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: 06-04-01-02”, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Quốc Dũng (1996), “Luận án PTS Khoa học kỹ thuật”, Hà Nội.
[3]. Trần Đình Hoà và nhóm nghiên cứu (2005), “Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu nâng cấp, cải tiến các cống có cửa van tự động thuỷ lực vùng chịu ảnh hưởng triều ven biển phía Bắc”, Hà Nội.
Tác giả: PGS.TS. Trần Đình Hòa
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
