Xây dựng hệ thống Âu tàu

123 trang phuongnguyen 2770

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Xây dựng hệ thống Âu tàu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

xay_dung_he_thong_au_tau.pdf

Nội dung text: Xây dựng hệ thống Âu tàu

z  Xây dựng hệ thống Âu tàu
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ÂU TÀU 1.1. Khái niệm và vai trò của âu tàu trong giao thông vận tải: 1.1.1. Khái niệm về âu tàu: Âu tàu là công trình thủy công đưa tàu bè qua nơi có mực nước chênh lệch bằng cách cho tàu vào trong buồng âu và thay đổi mực nước trong buồng âu cân bằng dần dần với mực nước thượng, hạ lưu. 1.1.2. Vai trò của âu trong giao thông vận tải: Khi cải tạo điều kiện chạy tàu của một tuyến đường thủy hoặc tạo ra tuyến mới thì phải đảm bảo các chỉ tiêu thiết kcế để tàu có thể đi lại dễ dàng và an toàn, đó là các chỉ tiêu: + Độ sâu. + Bề rộng. + Bán kính cong. Để làm được điều này, có thể sử dụng một số phương pháp sau: - Nạo vét các đoạn có độ sâu nhỏ, thông thường là các ghềnh cạn. - Chỉnh trị đoạn sông bằng hệ thống kè: Giảm diện tích mặt cắt ngang sông -> tăng vận tốc dòng chảy -> gây xói mặt cắt -> tăng độ sâu. Thông thường 2 phương pháp này thường được kết hợp với nhau để đạt hiệu quả cao nhất. - Tạo hồ chứa nước trong vùng vận tải (đắp đập ) - Xây dựng tuyến âu tàu: + Trên sông, tại những đoạn không đảm bảo độ sâu, bề rộng, bán kính cong chạy tàu, người ta xây dựng 1 loạt các công trình để dâng mực nước để độ sâu trên từng đoạn lớn hơn độ sâu thiết kế, đồng thời tăng bề rộng và bán kính cong của tuyến chạy tàu. + Khi các công trình dâng nước, sông được chia ra thành các đoạn có cùng một mực nước riêng. Khi đó để tàu đi qua các đoạn đã được chia ra đó, ta phải xây dựng hệ thống âu tàu. + Đối với mỗi âu có một mực nước thượng lưu và hạ lưu riêng. Độ chênh mực nước giữa thượng và hạ lưu gọi là cột nước. 1.2. Phân loại âu: 1.2.1. Dựa vào số lượng buồng âu bố trí theo hàng dọc: 1.2.1.1. Âu đơn cấp: - Tàu vượt qua cột nước chênh lệch thượng hạ lưu chỉ qua một buồng âu. + Trên nền đất mềm âu tàu được xây dựng với cột nước H < 22m. + Trên nền đá cứng âu tàu được xây dựng với cột nước H < 42m. Âu đơn cấp là loại được dùng phổ biến nhất. 1-1
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu mnTl mnhl Hình 1.1: Âu đơn cấp 1- Cửa âu trên 3- Ngưỡng âu 2- Cửa âu dưới 4- Khối nước cấp tháo. H- Cột nước chênh lệch. Sb: Độ sâu buồng âu. 1.2.1.2. Âu đa cấp: - Có từ 2 buồng âu trở lên, bố trí nối tiếp với nhau để tàu có thể vượt qua cột nước chênh lệch bằng nhiều lần. - Âu đa cấp thường xây dựng ở nơi có cột nước cao, vì trong trường hợp này nếu xây âu đơn cấp thì yếu tố kỹ thuật không cho phép hoặc nếu được thì cũng phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp. Khi thiết kế cần dựa vào các số liệu địa chất, địa hình cột nước H và thông qua so sánh kinh tế kỹ thuật để chọn phương án hợp lý. - Để thuận lợi cho thi công nên thiết kế các buồng âu giống nhau và phân phối cột nước cho các buồng âu bằng nhau. - Âu đa cấp có thể có kênh ngắn ở giữa các buồng âu làm nơi gặp tránh nhau của tàu, hoặc cũng có thể bố trí các buồng âu liên tục. mntl mnhl Hình 1.2: Âu đa cấp 1- Cửa âu H- Cột nước chênh lệch Sb- Độ sâu các buồng âu 1.2.2. Dựa vào số lượng buồng âu bố trí theo hàng ngang: 1.2.2.1. Âu đơn tuyến: - Trên tuyến chạy tàu, tại một mặt cắt ngang chỉ có 1 buồng âu. 1-2
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu Hình 1.3: Âu đơn tuyến 1.2.2.2. Âu đa tuyến: - Bố trí song song từ 2 buồng âu trở lên trên mặt cắt ngang. - Âu đa tuyến thường được xây dựng tại vùng sông có mật độ tàu bè lớn, mà xây âu đơn tuyến thì không đáp ứng được yêu cầu thông qua. - Để tiện cho thiết kế và thi công, 2 âu có thể giống nhau, nhưng tuỳ theo tình hình vận tải và tiết kiệm nước mà có thể thiết kế 2 âu không giống nhau (tuyến ngắn và tuyến dài). Hình 1.4: Âu đa tuyến 1.2.3. Dựa theo phương pháp cấp tháo nước: 1.2.3.1. Âu tàu cấp tháo nước trực tiếp: - Trường hợp này cửa âu đồng thời làm nhiệm vụ cửa van cấp tháo nước. Loại này thường áp dụng nơi có cột nước chênh lệch nhỏ. Một số dạng cấp tháo nước trực tiếp (Hình 1.5) mntl mntl mnhl mnhl Hình 1.5: Một số dạng cấp thoát nước trực tiếp. 1.2.3.2. Âu tàu cấp tháo nước bằng đường ống a. Đường ống ngắn (cấp tháo nước tập trung): - Dùng với âu nhỏ, cột nước H nhỏ, ống ngắn có thể bố trí vòng ngang trong tường đầu âu hoặc luồn dọc đứng trong tường đầu âu trên (Hình 1.6) mntl mnhl 1-3
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu Hình 1.6: Các dạng ống ngắn. 1- Cửa âu 4. Các thanh điều chỉnh lưu lượng 2- Cống dẫn nước 5. Buồng tiêu năng 3- Ngưỡng âu b. Đường ống dẫn dài (cấp nước phân tán) Hình 1.7: Đường ống dẫn dài. 1.2.4. Dựa theo cách đặt cửa cấp nước: 1.2.4.1. Cửa van bố trí ngập (dưới mực nước hạ lưu) mnhl Hình 1.8: Cửa van ngập 1.2.4.2. Cửa van bố trí không ngập (trên mực nước hạ lưu) mntl mnhl Hình 1.9: Cửa van không ngập. 1. Buồng tiêu năng 2. Các thanh điều chỉnh lưu lượng 1.3. Các bộ phận của âu tàu: Âu tàu gồm 3 bộ phận chủ yếu: thân âu, đầu âu và kênh dắt tàu. 1-4
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu mntl mnhl Hình 1.10: Các bộ phận của âu tàu: 1- Đầu âu trên 5- Cửa âu dưới 9- Ống dẫn nước 2- Đầu âu dưới 6- Tường dẫn hướng 10- Tường buồng âu 3- Buồng âu 7- Bến đợi 11- Tường đầu âu 4- Cửa âu trên 8- Phai sửa chữa 12,13- Đáy đầu buồng âu 1.3.1. Đầu âu: - Có nhiệm vụ giữ độ chênh lệch mực nước giữa thượng, hạ lưu với buồng âu, và để đặt các thiết bị của âu như cửa âu, hệ thống cấp tháo nước, thiết bị đóng mở cửa âu, van cấp tháo, cửa phai (cửa sửa chữa), dây an toàn chống tàu va vào cửa - Đầu âu gồm có đầu âu trên và đầu âu dưới, ngoài ra với âu đa cấp còn có thể có đầu âu giữa. 1.3.2. Thân âu: - Còn được gọi là buồng âu, là phần giới hạn bởi đầu âu trên và đầu âu dưới. - Là nơi để chứa tàu và giải quyết cho tàu lên xuống theo mực nước thay đổi. - Thân âu gồm một số thiết bị như: chiếu sáng, thiết bị va, neo tàu, và có thể có hệ thống cấp tháo nước ( Hệ thống cấp tháo nước phân tán - đường ống dài) 1.3.3. Kênh đầu âu: Còn gọi là kênh dắt tàu, là bộ phận nhằm đảm bảo tàu ra, vào âu được xuôi thuận an toàn, bao gồm: - Kênh đầu âu thượng lưu: Là bộ phận nối tiếp đầu âu trên với kênh dẫn thượng lưu. - Kênh đầu âu hạ lưu: Là bộ phận nối tiếp đầu âu dưới với kênh dẫn hạ lưu Trên mỗi kênh đầu âu có: 1-5
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu + Tường dẫn hướng: để hướng tàu ra vào âu thuận lợi, dễ dàng. + Bến đợi: nơi để tàu neo đỗ chờ đợi qua âu. + Đê chắn sóng: bảo vệ tàu, công trình khỏi ảnh hưởng của sóng lớn. 1.3.5. Kênh dẫn: Là đoạn tiếp theo kênh đầu âu với tuyến sông hay kênh đào. 1.3.5. Các yêu cầu khi bố trí các bộ phận của âu: Vấn đề bố trí các bộ phận của âu tàu một cách hợp lý nhất trong điều kiện địa chất, thuỷ văn nhất định trên sông thiên nhiên và sông đào là một vấn đề quan trọng khi thiết kế công trình âu tàu. Do đó cần phải dựa vào các tài liệu địa hình, địa chất, thuỷ văn, quy mô công trình, tình hình kinh tế giao thông ở vùng lân cận, điều kiện thi công mà đề ra những phương án khác nhau, qua so sánh kinh tế kỹ thuật chọn ra phương án hợp lý nhất. 1.3.5.1. Nguyên tắc: - Bảo đảm cho tàu ra vào và chờ đợi an toàn nhanh chóng. - Bảo đảm cho các công trình thuỷ công trong đầu mối công trình thuỷ lợi vẫn hoạt động bình thường. - Bảo đảm chi phí xây dựng, quản lý ít nhất. 1.3.5.2. Những yêu cầu cụ thể: - Phải đảm bảo độ sâu trên toàn bộ đường dắt tàu. - Khi tàu ra vào âu phải tuyệt đối đi thẳng, vì vậy phải bố trí âu tàu và kênh dắt tàu trên một đường thẳng. TL HL Lthẳng / 2lđ + lb + L k + L k (1-1) Hình 1.11: Bố trí âu tàu trên một đường thẳng. - Trên kênh dắt tàu cần bố trí khu vực tàu đậu để chờ đợi, khu vực này phải xây dựng công trình bảo vệ để tránh sóng gió bảo đảm tàu đậu an toàn, phải xây giá dắt tàu để hướng tàu vào âu, tránh tàu đâm vào đầu âu. Chiều dài đê bảo vệ: Lđê = 1,2Lb - Kênh dẫn vào kênh dắt tàu không được cong quá yêu cầu, trục của đoạn thẳng vào kênh dẫn cần được nối tiếp với trục của đường tàu đi trong kênh theo đường cong có bán kính cong như sau: + Tàu dắt R / 5Lđt. + Tàu đẩy R / 3 Lđt. 1-6
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu /th¼ng 5 Hình 1.12: Bán kính cong kênh dẫn vào kênh dắt tàu - Kênh dắt tàu không được gặp khúc sông có vận tốc khá lớn và không được hợp với trục dòng sông một góc quá lớn: v ≤ (2 - 2,5) m/s α ≤ 150 α = Hình 1.13: Âu tàu xây dựng tại đoạn sông cong - Phân tốc của dòng chảy ngang có thể đưa tàu dạt vào bờ hoặc va vào các công trình khác, vì vậy yêu cầu phân tốc của dòng chảy ngang ≤ (0,2 ÷ 0,3)m/s. Chú ý: Không cho phép xây dựng âu tàu tại vùng nước xoáy với lưu tốc chảy vòng quá lớn (0,4 ÷ 0,5 m/s) tại cửa vào kênh. - Âu tàu trực tiếp xây dựng trong sông ở đầu mối công trình thuỷ lợi thì đập tràn, trạm thuỷ điện và âu tàu cần bố trí nằm song song tiếp liền nhau để bảo đảm tuyến chắn nước ngắn nhất và giao thông thuận tiện. 1.4. Các phương án xây dựng âu: - Xây dựng âu trên sông có hai phương án: + Phương án 1: Các công trình âu được xây dựng chỉ phát huy tác dụng về mùa kiệt, tức là mực nước dâng do các âu tạo ra thấp hơn so với mực nước lũ. Đến mùa lũ, các công trình này cho phép ngập và giao thông tiến hành như bình thường không có âu. + Phương án 2: Âu hoạt động quanh năm, tạo được mực nước lớn hơn nhiều so với mực nước tự nhiên của sông. Hỗ trợ cho các công trình khác như thủy điện (giữ được nước). Phương án 1 ngày nay hầu như không được sử dụng bởi mục đích không triệt để của nó. 1-7
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu Thông thường khi xây dựng các công trình thủy lợi người ta phải nhằm nhiều mục đích, do đó các công trình thường hợp thành một nhóm gọi là đầu mối công trình thủy lợi. Ba thành phần thường có trong đầu mối: + Đập tràn; + Nhà máy thủy điện; + Âu tàu. Với cách bố trí này yêu cầu: - Trước âu phải xây công trình bảo vệ. - Để ổn định âu tàu phải xây xa những chỗ thoát nước lớn của nhà máy điện thuỷ lợi. - Phía hạ lưu ở chỗ nối kênh dắt tàu với sông phải nghiên cứu vấn đề bồi xói, ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình. Hình 1.14: Sơ đồ bố trí âu tàu trong đầu mối công trình thủy lợi. 1- Âu tàu. 3. Nhà máy thuỷ điện 2- Đập tràn. 4. Đập đất 5. Đê bảo vệ 1.4.1. Bố trí âu tầu nhô về phía thượng lưu. Hình 1.15: Bố trí âu tàu nhô về thượng lưu. 1- Âu tàu. 3.Tường bảo vệ hạ lưu 2- Tường bảo vệ thượng lưu. 4.Đập Cách bố trí này có ưu nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Đường tàu vào kênh dắt tàu thượng lưu xa đập (đang xả nước) nên tránh được trường hợp tàu bị cuốn va vào đập. - Có thể rút ngắn chiều dài đê bảo vệ thượng lưu (vì đã có lợi một chiều dài bằng chiều dài buồng âu). 1-8
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu - Không bị hạn chế tĩnh không khi xây dựng cầu ở đầu âu dưới. * Nhược điểm: - Toàn bộ âu tàu nằm trong phần nước sâu nên công trình phải chịu áp lực nước rất lớn làm cho kết cấu nặng nề phức tạp, thiết bị chống thấm phải hoàn thiện, lúc tu sửa gặp khó khăn. - Ở hạ lưu phải kéo dài tường bảo vệ để tránh dòng chảy mạnh từ trên xuống, tới một khoảng cách mà ở đó nước đủ trấn tĩnh, kết cấu tường bảo vệ phải chắc chắn đảm bảo không bị xói lở. 1.4.2. Bố trí âu tàu lui về phía hạ lưu. Hình 1.16: Bố trí âu tàu nhô về hạ lưu. 1- Âu tàu. 3- Tường bảo vệ hạ lưu. 2- Tường bảo vệ thượng lưu. 4- Đập. Cách bố trí này có ưu, nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Không cần kéo dài tường bảo vệ hạ lưu (Do lợi dụng được chiều dài buồng âu). - áp lực nước tác dụng vào âu nhỏ nên kết cấu công trình nhẹ nhàng đỡ phức tạp hơn. * Nhược điểm: - Phải kéo dài tường bảo vệ thượng lưu. - Khó đảm bảo độ tĩnh không khi xây dựng cầu ở thượng lưu. Nhìn chung cả hai trường hợp bố trí trên đều có một nhược điểm là ở vùng đầu kênh dắt tàu thượng lưu (khu vực tường bảo vệ thượng lưu) mặt cắt lưu tốc bị co hẹp đột ngột, về mùa lũ dòng sông sẽ xuất hiện một vùng xoáy (Hình 2.8), nó là nguyên nhân làm giảm năng lực tải cát trước đập, làm cho tình trạng các đường dòng trước đập mất ổn định ( Lưu lượng phân bố không đều khi chảy qua mỗi cửa đập, gây nên sự chịu tải không đối xứng của công trình) gây trở ngại cho tàu bè từ sông vào kênh thượng lưu và ngược lại, vì rằng sự xuất hiện của các đường dòng ngang mạnh ở đầu tường bảo vệ thượng lưu có thể gây xói lở quật đổ tường (Trường hợp này đã xảy ra đối với âu tàu Klavary trên sông Labe - Tiệp Khắc vào năm 1946) 1-9
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu Hình 1.17: Sự xuất hiện vùng xoáy nước lớn trong mùa lũ. 1- Nhà máy thuỷ điện. 3. Âu tàu 2- Đập tràn. 4. Kênh thượng lưu Để khắc phục sự cố trên, tại đầu tường bảo vệ thượng lưu của âu tàu Klavary, người ta xây 3 tường hướng dòng bằng bê tông cốt thép có hình lưỡi sóng có nhiệm vụ hướng dòng nước và phân tách đều dòng nước tại đầu tường, nhờ vậy đã triệt tiêu được vùng nước xoáy và hướng được dòng nước chảy dọc theo tường (Triệt tiêu được sự xuất hiện hố xói và độ ổn định của tường không bị đe doạ). Hình 1.18: Tường hướng dòng tại đầu tường bảo vệ thượng lưu âu tàu Klavary trên sông Labe. 1- Nhà máy thuỷ điện. 4. Kênh thượng lưu. 2- Đập tràn. 5. Tường hướng dòng. 3- Âu tàu. Khi bố trí âu tàu ở sát đập thì phía dưới đập lại xảy ra sự mở rộng đột ngột mặt cắt lưu tốc do đó vận tốc dòng chảy giảm đi, khi tường bảo vệ hạ lưu bị tràn ở mực nước lớn thì tại kênh dắt tàu hạ lưu tốc độ bồi lắng tăng lên, độ sâu chạy tàu giảm, gây khó khăn cho vận tải, hàng năm phải nạo vét. Để hạn chế quá trình bồi lắng kênh hạ lưu ta có thể nâng cao tường bảo vệ, hoặc tháo một khối lượng nước nhất định qua âu tàu khi nước lớn. 1.4.3. Đầu mối công trình thủy thợi có cầu đường sắt, đường bộ chạy qua: Khi có cầu bắc qua âu cầu chú ý đảm bảo độ tĩnh không để tàu bè qua lại dễ dàng, bảo đảm nguyên tắc bố trí cầu qua đâu âu dưới. Trường hợp đặc biệt do các điều kiện địa chất hoặc do sự cần thiết phải bố trí cầu đường sắt qua đầu âu thượng lưu thì phải có luận chứng kinh tế kỹ thuật. 1.4.3.1. Trường hợp đầu âu trên nằm ngang tuyến đầu mối công trình thuỷ lợi. 1-10
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu a. Cầu qua đầu âu trên: Hình 1.19: Bố trí cầu qua đầu âu trên. 1- Cầu đường sắt. 4- Đập tràn. 2- Đầu âu trên. 5- Trạm thuỷ điện. 3- Đầu âu dưới. Trường hợp này phải xây cầu rất xa mới đảm bảo được độ tĩnh không, song đường giao thông đi thẳng. b. Cầu vòng qua đầu âu dưới: Cách bố trí này dễ đảm bảo độ tĩnh không, nhưng đường giao thông không thuận tiện. Nếu xây dựng tuyến đường sắt thì khó đảm bảo bán kính cần thiết. Hình 1.20: Cầu đường sắt qua đầu âu dưới. 1- Đầu âu dưới. 2- Cầu đường sắt. 1.4.3.2. Trường hợp đầu âu dưới nằm ngang tuyến công trình thuỷ lợi: Cách bố trí này về mặt nguyên tắc rất đúng thuận lợi cho giao thông, song về mặt kết cấu công trình thì phức tạp, bất lợi. 1.4.4. Ảnh hưởng của việc xây dựng âu: Việc xây dựng âu có ảnh hưởng rất lớn tới chế độ dòng chảy và điều kiện chạy tàu: - Mực nước tăng làm ngập các vùng lân cận, thiệt hại này cũng là 1 phần đáng kể trong giá thành công trình (ngoài ra còn phải tính đến môi trường). - Mực nước tăng làm tăng mực nước ngầm. 1-11
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu - Vùng hồ nước được tạo có thể có sóng to 2-2,5m nên các tàu bè cần được gia cố thêm. - Dòng chảy giảm đáng kể so với trước. - Khoảng cách vận tải giảm đáng kể, theo thống kê có thể giảm được tới 10%. - Tàu qua âu đòi hỏi tốn thời gian khá nhiều nên âu tàu chỉ sử dụng khi không thể dùng phương pháp khác để tăng độ sâu chạy tàu. 1.5. Phương thức và thời gian tầu qua âu. 1.5.1. Phương thức tầu qua âu: 1.5.1.1. Qua âu theo một chiều: Tầu chỉ đi một chiều tự thượng lưu xuống hạ lưu hoặc ngược lại. * Từ thượng lưu → hạ lưu: Các bước thao tác bao gồm: 1) Mở cửa đầu âu trên cho tầu vào âu 2) Đóng cửa đầu âu trên. 3) Mở cửa van tháo nước ở đầu âu dưới cho mực nước buồng âu ngang bằng mực nước hạ lưu. 4) Mở cửa âu dưới cho tầu ra. 5) Đóng cửa âu dưới lại 6) Mở cửa van cấp nước ở đầu âu trên cho mực nước trong buống âu cao bằng mực nước thượng lưu. * Từ hạ lưu → thượng lưu: Các bước thao tác bao gồm: 1) Mở cửa đầu âu dưới cho tầu vào âu. 2) Đóng cửa âu dưới. 3) Mở cửa van cấp nước ở đầu âu trên cho mực nước trong buống âu cao bằng mực nước thượng lưu. 4) Mở cửa đầu âu trên cho tầu ra. 5) Đóng cửa đầu âu trên. 6) Mở cửa van tháo nước ở đầu âu dưới cho mực nước buồng âu ngang bằng mực nước hạ lưu. 1.5.1.2. Qua âu theo 2 chiều: Sau khi tàu ra khỏi âu, cửa âu vẫn mở để tàu khác đi ngược chiều với tàu khác đi vào âu ngay. Phương thức này rút ngắn được thời gian tàu qua âu và tiết kiệm được 1/2 lượng nước cấp tháo. 1.5.2. Thời gian tàu qua âu: 1.5.2.1. Qua âu một chiều: Giả sử có đoàn tàu đi từ hạ lưu lên thượng lưu, thời gian T1 được tính như sau: 1-12
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu T1=tm +tv +tđ +tt + tm +tr +tđ + tc (1-2) Trong đó: tm: thời gian mở cửa âu (dưới, trên). tv: thời gian tàu vào âu. tđ: thời gian đóng cửa âu (dưới, trên). tc: thời gian cấp nước. tr: thời gian tàu ra khỏi âu. tt: thời gian tháo nước xuống hạ lưu. Thông thường tm= tđ = t, do đó: T1= tv +tr +tc + tt +4t (1-3) 1.5.2.2. Qua âu hai chiều: Giả sử có 1 đoàn tầu từ hạ lưu lên thượng lưu và 1 đoàn tầu từ thượng lưu xuống hạ lưu, thời gian 2 đoàn tầu qua âu sẽ là: T2 = tv + tđ + tt + tm + tr + tv + tđ +tc + tm + tr (1-4) T2 = 2 tv + 2tr + tc + tt + 4t Như vậy nếu tính trung bình thời gian 1 đoàn tầu qua âu là: T'1 = tv + tr + 1/2 (tc + tt) + 2t (1-5) So sánh T1 và T'1 ta thấy tầu qua âu 2 chiều lợi hơn một khoảng thời gian là 2t + 1/2 (tc +tt) 1.5.2.3. Phân tích thời gian tầu qua âu: Thời gian tầu qua âu dài hay ngắn có ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng vận tải. Vì vậy ta phải rút ngắn thời gian này. Thời gian tầu qua âu phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Quy mô âu tầu. + Phương pháp và thiết bị kéo dắt tầu. + Thiết bị đóng mở cửa âu. + Hệ thống cấp tháo nước. *Thời gian đóng mở cửa âu: Đây là khoảng thời gian ngắn nhất trong cả quá trình công tác cửa âu. Thời gian đóng mở phụ thuộc vào quy mô âu, kết cấu cửa và nhiệm vụ của nó. Theo kinh nghiệm hiện nay tđ,m = 50'' ÷ 300" Nếu Bb 18m thì tđ,m ≤2,5' 1-13
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu *Thời gian cấp tháo nước: (tc,t) Phụ thuộc vào quy mô âu, cột nước chênh lệch, mặt cắt ngang ống dẫn và điều kiện tiêu năng. Thời gian cấp tháo nước do tính toán thuỷ lực mà tìm ra, khi tính toán sơ bộ thì: 3 tc,t = k Lb.Bb.H (phút) (1-6) Trong đó: k - Hệ số cấp tháo nước, k = 0,27 (hệ thống C.T.N tập trung). k = 0,19 (hệ thống C.T.N phân tán). Theo kinh nghiệm nếu Lb 150m thì tc,t = 8 ÷ 15' *Thời gian tầu ra vào âu: Thời gian tầu vào, ra âu: l l t = dt t = dt v v r v v ; r (1-7) Trong đó: ldt: chiều dài đoạn dắt tầu vv, vr: Tốc độ tầu khi vào ra khỏi âu. Thời gian tầu ra, vào âu chiếm tỷ số lớn nhất trong toàn bộ thời gian tầu qua âu. *Xét đoạn đường dắt tầu (Ldt): Ldt = Lb + Lđ + Lgd (1-8) Trong đó: Lb - chiều dài buồng âu. Lđ- Chiều dài đầu âu. Lgd- Chiều dài giá dắt tầu. Ldt phụ thuộc kiểu giá dắt tầu và phương thức cấp tháo nước do vậy lúc đầu chưa tính Ldt chính xác mà phải tính sau khi đã thiết kế giá dắt tầu và thiết bị cấp tháo nước. Sơ bộ tính theo công thức: Ldt = αdt . Lb (1-9) αdt - hệ số tỷ lệ liên quan tới phương thức tầu qua âu và phương thức cấp tháo nước. (Lấy theo bảng 1-2) Bảng 1.1: Hệ số αdt Trị số của αdt Tầu chạy một chiều Đoạn đường Tầu chạy Lấy nước từ Lấy nước từ 2 chiều kênh dắt tầu kênh trên 1-14
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu 1. Đoàn tầu với 1 tầu tính toán - Đường vào âu 1,2 1,5 1,2 - Đường ra âu 1,1 1,1 1,1 2. Đoàn tầu với 2 tầu tính toán - Đường vào âu 1,2 1,4 1,2 - Đường ra âu 1,1 1,1 1,2 *Tốc độ tầu vào âu: max η −1 vv = vt η 1,5 (1-10) vt - tốc độ tầu chạy trên sông tự nhiên 15, - hệ số kể đến trường hợp cửa đóng nên có sóng dội lại ảnh hưởng đến vt η- tỷ số mặt cắt ướt của kênh và diện tích mặt cắt ngang tầu ngập trong nước f η = t f *Tốc độ tàu ra: η −1 vmax = v (1-11) r η t Tốc độ tàu ra vào âu phụ thuộc loại tàu, đoạn đường và thiết bị kéo dắt, giá đỡ và giá dắt tàu Có thể tham khảo giá trị vv,r ở bảng sau: Bảng 1.2: Tốc độ tàu vào ra âu Tốc độ trung bình (m/s) Phương thức chạy tàu vv vr 1. Tàu qua âu đơn cấp 2 chiều - Trong kênh dắt tàu. 0.6 ÷ 0,8 0.8 ÷ 1 - Trong âu. 0.5 ÷ 0.7 0.6 ÷ 0.8 2. Tàu qua âu đơn cấp một chiều 0.5 ÷ 0.7 0.7 ÷ 0.9 3. Tàu qua âu đa cấp. 0.4 ÷ 0.6 0.4 ÷ 0.6 Chú ý: + Trong bảng trên những trị số nhỏ dùng trong kênh dắt tàu không có cầu tàu đứng và trong âu không có thiết bị hãm. + Với bè gỗ tốc độ trong bảng giảm 25 ÷ 30%. + Với tàu đẩy tốc độ trong bảng lấy tăng 20 ÷ 25% + Tàu tự hành tăng 35%. Theo kinh nghiệm khai thác, tổng thời gian tàu qua âu đơn cấp một vòng tuần hoàn T1 = 20' ÷ 40' và qua âu đơn cấp 2 chiều T2 = 30' ÷ 60'. 1.6. Năng lực vận tải của âu: 1.6.1. Định nghĩa: 1-15
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu - Năng lực vận tải của âu (P) là khối lượng hàng hoá mà âu có thể thông qua trong một khoảng thời gian (thường lấy là 1 năm). - Năng lực vận tải qua âu quyết định khối lượng vận tải trên toàn bộ tuyến sông qua âu tàu đó. - Năng lực vận tải qua âu phụ thuộc vào thời gian mỗi lần tàu qua âu, thời gian hoạt động của âu trong mỗi ngày, số ngày hoạt động trong năm, biên chế đoàn tàu qua âu và trọng tải. 1.6.2. Năng lực vận tải qua âu theo lý thuyết: P = n.N.m.G (T/năm] (1-12) Trong đó: n- số lần tàu qua âu trong ngày n = t/T. t- thời gian làm việc của âu trong ngày (h) T- thời gian một lần tàu qua âu (h) N- số ngày vận tải trong năm (ngày) m- số lượng tàu chở hàng một lần qua âu. G- trọng tải trung bình mỗi tàu (T) 1.6.3. Năng lực vận tải thực tế: ⎛ t − t0 ⎞ α Pt = ⎜ − n0 ⎟.N.m.G. (1-13) ⎝ T ⎠ β Trong đó: to: thời gian âu không làm việc do sự cố trong ngày (h). no: số chuyến tàu không có hàng qua âu (cả tàu khách). α: hệ số chở đầy của tàu, α = 0,8 ÷ 0,9. Luong hang hoa lon nhat trong thang β: hệ số không đều của hàng hoá: β = Luong hang hoa trung binh trong thang thường lấy β = 1,25 ÷ 1,75. Xét về mặt thực tế ta thấy năng lực vận tải qua âu nhỏ hơn so với lý thuyết, để tăng năng lực vận tải thực tế cần phải: + Giảm hệ số không đều β. + Tăng hệ số chở đầy α. + Giảm giờ chết t0. + Rút ngắn thời gian tàu qua âu (T). + Tăng thời kỳ vận tải trong năm (N). + Nâng cao tải trọng của tàu (G). 1.7. Khái niệm về đoàn tàu tính toán: 1-16
Chương 1: Khái niệm chung về âu tàu - Khi thiết kế âu phải định ra được những kích thước hợp lý nhất để đảm bảo cho tàu qua âu được an toàn, nhanh chóng và tiện lợi. - Kích thước âu có liên quan đến kiểu tàu, kích thước tàu và cách biên chế đội hình tàu chạy trên sông. Vì vậy khi thiết kế âu phải định ra được đoàn tàu tính toán. - Để định ra được đoàn tàu tính toán phải qua so sánh yếu tố kinh tế kỹ thuật của các phương án có xét đến khả năng phát triển trong tương lai nhằm đạt được các yêu cầu: vốn xây dựng ít, phí tổn vận tải nhỏ nhất, hiệu quả khai thác cao. - Để xác định đoàn tàu tính toán người ta lập ra những biểu đồ liên hệ giữa vốn đầu tư và chi phí khai thác về tàu bè hoặc công trình âu tàu cho các phương án khác nhau để chọn phương án tốt nhất. Khi đã có đoàn tàu tính toán ta định ra kích thước các bộ phận của âu. 1.8. Khái niệm về chọn kiểu âu tầu: Khi chọn kiểu âu tầu có 3 mặt mà ta phải xét đến và chúng có ý nghĩa quyết định là: + Sự làm việc của âu tầu. + Phương diện kỹ thuật. + Tính kinh tế. 1.8.1. Sự làm việc của âu: Âu tầu nói chung và các trang thiết bị có liên quan phải đảm bảo cho đoàn tầu qua âu nhanh chóng và an toàn. 1.8.2. Phương diện kỹ thuật: Phải giải quyết vấn đề kỹ thuật của âu ngang với tầm kỹ thuật thời đại. Bảo đảm tuổi thọ cao, độ hao mòn bé. Đồng thời giải quyết sao cho có thể sử dụng cơ giới hoá rộng rãi khi xây dựng và sử dụng rộng rãi cấu kiện đúc sẵn để lắp ghép. 1.8.3. Phương diện kinh tế: Bảo đảm cho công trình xây dựng, duy tu bảo dưỡng kinh tế nhất để có thể đạt được năng lực vận tải lớn nhất với vốn đầu tư nhỏ nhất. Ngoài 3 mặt có ý nghĩa quyết định trên ta còn phải tính đến một số khả năng làm việc của âu như: + Trên sông giao thông vận tải phải thiết kế âu tầu sao cho khi có lũ âu không làm việc thì âu có thể sử dụng để xả một phần nước lũ. + Hình dạng mặt bằng buồng âu thuận lợi nhất là hình chữ nhật, tường bên thường là thẳng đứng, là bê tông hoặc bê tông cốt thép, có khi dùng cả ván thép. 1-17
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu Chương 2 KÊNH DẪN VÀ KÊNH ĐẦU ÂU 2.1. Kênh dẫn: 2.1.1. Hình dáng: Hình dáng chủ yếu của mặt cắt ngang kênh có thể có các loại sau: - Hình chữ nhật - Hình thang - Cung tròn - Đa giác B B0 T h Hình 2. 1: Các mặt cắt ngang kênh dẫn - Kênh dẫn thường có tiết diện hình chữ nhật hay các hình gần như thế, hoặc trong thành phố có thể có kè bờ thẳng đứng thường được làm ở vùng có đá độ dốc 10:1 hay 5:1. - Ở địa hình khác người ta thường làm kênh hình thang, tuy nhiên trong quá trình khai thác lòng dẫn thường bị xói sâu do cánh chân vịt quạt của tàu và đẩy đất sang hai góc bên cạnh. - Tiết diện kênh ổn định nhất là hình cung, tuy nhiên thi công phức tạp. - Kênh loại đa giác có đáy nằm ngang và mái dốc được chia làm nhiều đoạn càng lên cao độ dốc càng tăng, phần dưới cùng là thoải nhất, phần trên cùng có gia cố bờ thì dốc nhất. - Mái dốc cần phải đảm bảo ổn định góc nghiêng của mái dốc phụ thuộc vào loại đất và không nhỏ hơn góc của mái dốc tự nhiên: + Phần trên cùng của mái dốc nếu có gia cố bờ: 1:1,5 ÷ 1:1,25 + Phần dưới cùng: 1:3 ÷ 1:5 - Bờ kênh cao hơn mực nước cao nhất một độ cao dự phòng lớn hơn độ cao do sóng tràn lên bờ. - Do trong kênh xuất hiện sóng do tàu gây ra mà việc bảo vệ bờ càng ngày càng đắt, có lúc người ta làm mặt cắt kênh có mái dốc rất thoải như bãi tắm. - Mỗi kiểu kênh nêu trên đều phải đảm bảo được chiều sâu và bề rộng chạy tàu: 2-1
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu + Nếu theo yêu cầu này thì hình chữ nhật là tốt nhất,có lực cản nhỏ nhất. + Hình dạng mặt cắt kênh cũng ảnh hưởng đến lực cản của tàu. + Hình thang tăng 20 ÷ 30% lực cản. Ở địa hình không phải là đá và tập trung nhiều kênh thông thường người ta chọn kênh đa giác và có gia cố bờ ở trên. Mực nước cao nhất và thấp nhất trong kênh lấy bằng 1 ÷ 5% và 95 ÷ 99% phụ thuộc vào cấp của tuyến vận tải. 2.1.2. Các kích thước chủ yếu của kênh dẫn: 2.1.2.1. Chiều sâu kênh dẫn: H = T + ΔT + t (2-1) T- Mớn nước của tàu. ΔT- Mớn nước gia tăng khi tàu chuyển động ΔT = B.sinα/2 + zdf (2-2) α- Góc nghiêng, tàu dầu 20, với các tàu khác 40 B- Bề rộng tàu zdf- Độ sâu dự phòng lấy theo bảng sau: Bảng 2.1: Độ sâu dự phòng zdf Zdf Đất 0,04T Bùn 0,05T Phù sa 0,02T Đất chặt (đất cát, sét) 0,07T Đất đá t- Lượng dự trữ. (> 0,15 ÷ 0,35m) - Nếu trong kênh có phù sa gây ra thì có thêm dự phòng độ sâu do phù sa, giá trị lấy theo kế hoạch nạo vét duy tu. - Nếu ở nơi có sóng (gió) cần thêm lượng dự trữ: 0,3hgió – t (hgió- chiều cao sóng do gió), nếu 1,3T (2-1) 2.1.2.2. Bề rộng kênh dẫn: Bề rộng thiết kế của kênh dẫn hai chiều trên đoạn thẳng là phải đảm bảo cho 2 tàu có kích thước lớn nhất tránh nhau: Bkd 2 chiều = 1,3(BT + BT) + 2ΔB (2-3) Trong kênh một chiều: Bkd 1 chiều = 1,5BT + ΔB (2-4) BT- Bề rộng tàu. ΔB- Độ dự phòng an toàn về bề rộng. 2-2
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu ΔB = LT.sinϕ - N(1 - cosϕ) (2-5) L- Chiều dài tàu. 0 ϕ- Góc dạt, tgϕ = vngang/v (min = 2 ) v- Vận tốc tàu. vngang- Vận tốc ngang của tàu được xác định theo phương trình sau: 2 v ngang γ 2 C ω = αβ ω v giãngang (2-2) 16 tau g t c- Hệ số khí động học, lấy bằng 1,4. v gióngang- Vận tốc gió vuông góc với trục kênh. ωt- Diện tích chắn gió của tàu (trên mực nước) ωtàu- Diện tích phần dưới mặt nước của tàu theo phương dọc. α- Hệ số cản (=0,5) 3 / 2 ⎛ h ⎞ β- Hệ số ảnh hưởng của kênh β = ⎜ ⎟ ⎝ h − T ⎠ h- Độ sâu mặt cắt T- Mớn nước tàu tính toán. γ = 9810 N/m3 g = 9,81 m/s 2.1.2.3. Gia tăng bề rộng kênh dẫn tại các đoạn cong: A L B G V C D R R R 1 2 φ O Hình 2. 2: Độ gia tăng bề rộng kênh dẫn tại đoạn cong G- Trọng tâm tàu. C.B Nếu đặt = α ta có: L α.L sinϕ = R 2-3
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu 2 2 ⎛ 1 ⎞ R1 = (R2 + B) + ⎜ L + 2L⎟ ⎝ 2 ⎠ 2 1 1 ⎛ 1 ⎞ 2 ≈ R2 + B + ⎜ +α ⎟ L 2 R2 + B ⎝ 2 ⎠ 2 1 ⎛ 1 ⎞ L ΔB = R1 - R2 - B = ⎜ +α ⎟ (2-7) 2 ⎝ 2 ⎠ R.cosϕ + B / 2 B Thông thường ϕ = 3 ÷ 20 do đó cosϕ ≈ 1 và 5L (tàu hoặc chiều dài của đoàn tàu uốn liên kết cứng, uốn liên kết mềm cho phép quay thì lấy tàu dài nhất. 2.1.3. Nối tiếp đoạn cong: 2-4
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu Để chuyển tiếp kích thước của kênh dẫn ở đoạn cong người ta tuân theo quy tắc sau: 2L/3 B+ΔB 2L/3 B+ΔB 0 1:2 B 20ΔB 20ΔB Hình 2. 3: Tiếp nối đoạn cong 2 - Đoạn cong từ đoạn đi ra từ hai phía là đoạn thẳng có chiều dài L và bề rộng 3 đoạn cong B+ΔB. - Tiếp theo là đoạn chuyển tiếp có độ dài 20ΔB và độ thoải theo trục chạy tàu 1:20. 2.2. Kênh đầu âu (Kênh dắt tàu): Có 3 dạng kênh đầu âu: - Trong kênh đào. - Trong sông. - Hồ chứa nước. LH LbÕn L©u LbÕn L d L d 2-5
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu Hình 2. 4: Kênh đầu âu (kênh dắt tàu) Nếu như sóng trong hồ chứa nước lớn hơn mức cho phép thì cần phải làm các công trình chắn sóng đối với tàu đậu ở bến cho phép từ 0,2 ÷ 0,7m 2.2.1. Các phương án kênh đầu âu: 2.2.1.1. Phương án a: Kênh đầu âu đối xứng, trục kênh trùng với trục của âu, điều kiện vào và ra là như nhau, tàu vào và ra đều phải chỉnh hướng theo đường cong. Hình 2. 5: Phương án a 2.2.1.2. Phương án b: Kênh không đối xứng: có thể có 2 loại: tàu vào kênh không thay đổi hướng và tàu ra không thay đổi hướng. Hình 2. 6: Phương án b 2.2.1.3. Phương án c:. Ưu tiên cho một hướng nào đó ví dự tàu từ thượng lưu xuống chất nhiều hàng. Hình 2. 7: Phương án c Phương án được sử dụng thông dụng nhất là phương án b. 2-6
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu 2.2.2. Kích thước của kênh đầu âu: Cvµo C 1 2 B/2 + B3 C Cra 3 B/2 + B 2 l l l l 1 2 3 4 Hình 2. 8: Kích thước kênh đầu âu 2.2.2.1. Chiều dài kênh đầu âu: LK = l1 + l2 + l3 + l4 (2-15) Trong đó: l1 = l3 = L (2-1) l2 = L + ()4R − C C (2-12) 2 2 2 2 2 2 (Xuất phát từ phương trình l2 + (2R − C) = lc + (2R) = L + (2R) ) C = Cra l4 > 20(BKD - BK) (2-17) B K- Bề rộng kênh. B KD- Bề rộng đoạn phòng ra. L2 ΔB = 0,2 = ΔB tại vị trí 3 khi tàu quay về trục của kênh gồm 2 độ rộng dự 2 R 3 phòng. L2 ΔB = 0,32 tại vị trí 2 tàu cần 1 độ dự phòng ΔB1 1 R Cvào = ΔB1 + abến + abờ abến- Khoảng cách dự phòng giữa tàu và bến. abờ- Khoảng cách dự phòng giữa tàu và bờ. 2.2.2.2. Chiều rộng kênh đầu âu: BK = abờ + B + (at + ΔB3) + B + (ΔB2 + abờ) at- Khoảng cách an toàn giữa các tàu. Khoảng cách giữa 2 trục tàu: 1 1 C = B + a + ΔB + B = B + a + ΔB (2-18) 2 t 3 2 t 3 Cra = C - Cvào = B + at – (abến - abờ) - (ΔB1 - ΔB3) (2-19) 2-7
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu a ≈ a ≈ 0,2B t bê abÕn ≈ 0,2B Khoảng cách giữa trục kênh và trục âu: 1 a = ()B + a − C (2-20) 0 2 t vµo Trên các đoạn cong có tổn thất mực nước lớn, cần phải làm nhiều âu khi đó khoảng cách các âu là (tối thiểu): L0 = 2l1 + 2l2 + l3 hoặc đặt âu nhiều cấp. (2-21) 2.2.2.3. Chiều sâu và cao trình đáy kênh: a. Chiều sâu kênh: TK = T + ΔT' (2-22) Trong đó: T- Mớn nước tàu tính toán. ΔT'- Độ sâu dự trữ, thường lấy ΔT' = 1 ÷ 1,5m. b. Cao trình đáy kênh: Khi tính cao trình đáy kênh dắt tàu phải lấy với mực nước vận tải thấp nhất, và phải xét đến các điều kiện sóng gió khi cấp tháo nước. - Cao trình đáy kênh thượng lưu: Day kenh MN dong TL TL = -Tk (2-23) - Cao trình đáy kênh hạ lưu: Day kenh HL MN dong HL min = -Tk (2-24) Lưu ý: Khi tính toán Cao trình đáy kênh thượng lưu thường thấp hơn Cao trình đáy đầu âu thượng lưu do độ sâu yêu cầu trong kênh thường lớn hơn độ sâu có lợi buồng âu, tuy nhiên để tiện cho thi công cũng như khai thác, nên lấy Cao trình đáy đầu âu thượng lưu bằng Cao trình đáy kênh thượng lưu. 2.2.3. Công trình dẫn hướng. Các công trình dẫn hướnglà các công trình nối tiếp với thành của đầu âu, chúng có tác dụng hướng tàu từ âu có bề rộng nhỏ ra kênh có bề rộng lớn và ngược lại. Công trình dẫn hướng nào bên phải khi vào âu tàu gọi là công trình thông tàu còn bên trái gọi là không thông tàu. 2-8
Chương 2: Kênh dẫn và kênh đầu âu lp ll r a1 - m¸i dèc R β a bê a Giíi h¹n luång tµu a 1.7500 R l l p c Hình 2. 9 : Công trình dẫn hướng ⎛ 3 ⎞ 1 lp + lc công trình thông tàu = ⎜ ÷1⎟L không nhỏ hơn L ⎝ 4 ⎠ 2 ⎛ 1 3 ⎞ 1 lp + ll công trình không thông tàu = ⎜ ÷ ⎟L không nhỏ hơn L ⎝ 2 4 ⎠ 3 β của thông tàu ≈ 15 ÷ 300 β của không thông tàu ≈ 200 r ≈ 0,2L Ngoài ra: Từ β, Lthông, r Æ lc Æ lpÆ R l = Rsin β p (2-25) lc = r()1− sin β 2-9
Chương 3: Kết cấu buồng âu Chương 3 KẾT CẤU BUỒNG ÂU 3.1. Các kích thước của buồng âu: 3.1.1. Chiều dài có lợi của buồng âu (Lb): Là chiều dài của buồng âu đủ để tàu đậu ở đó được an toàn. 3.1.1.1. Với đội hình đoàn tàu kéo: tk Δl t Δl t Δl b Hình 3. 1: Xác định chiều dài Lb n Lb = Ltk + ∑ Lt + (n +1)Δl (3-1) 2 Trong đó: Ltk - Chiều dài tàu kéo Lt: - Chiều dài 1 tàu hoặc xà lan n - Số lượng tàu (kể cả tàu kéo) theo hàng dọc. Δl - khoảng cách 3 tàu hoặc giữa tàu với cửa âu. Thông thường lấy Δl ≥ 3m, hoặc Δl = 1 + 0,015 Lt (công thức kinh nghiệm) 3.1.1.3. Với đội hình đoàn tàu đẩy: n Lb = Ltd + ∑ Lt + 2.Δl (3-3) 2 Trong đó: Ltd - Chiều dài tàu đẩy 3.1.1.3. Với tàu đơn: Lb = Lt + 2.Δl (3-3) Trong đó: Lt- Chiều dài tàu. 3.1.3. Bề rộng có lợi của buồng âu (Bb): 3.1.3.1. Với đoàn tàu: m Bb = ∑ Bt + 2.Δb (3-4) 1 3-1
Chương 3: Kết cấu buồng âu Trong đó: Bt- Bề rộng tàu hoặc xà lan Δb- Khoảng cách an toàn giữa biên tàu và mép tường, lấy Δb = (0,8 ÷ 3)m. m- Số tàu hoặc xà lan theo hàng ngang. Ngoài ra Bb có thể tính gần đúng theo công thức: m Bb = ()1,1÷1,15 ∑ Bt (3-5) 1 Theo quy phạm của Liên Xô (cũ) thì: + Khi Bb 30m thì Δb /0,5m. 3.1.3.3. Với tàu đơn: Bb = Bt + 2.Δb (3-6) 3.1.3. Độ sâu có lợi của buồng âu (Sb): Độ sâu có lợi của buồng âu tính từ mực nước thấp nhất trong buồng âu đến đáy âu: Sb = T + ΔT (3-7) Trong đó: T- Mớn nước lớn nhất của tàu chở đầy hàng. ΔT- Độ sâu dự trữ dưới đáy âu, đề phòng tàu va vào đáy âu. Theo quy phạm của Liên Xô: + Với Sb ≤ 3,5m thì ΔT/0,3m + Với Sb > 3,5m thì ΔT/0,5m Ngoài ra có thể tính Sb theo công thức: Sb = ()1,25 ÷1,3 T (3-8) 3.1.4. Cao trình đáy và cao trình đỉnh tường buồng âu: - Cao trình đáy và đỉnh âu liên quan đến mực nước thượng, hạ lưu. Mực nước thượng, hạ lưu luôn thay đổi theo thời gian và chia ra làm 3 loại: + Mực nước tĩnh: phụ thuộc vào điều kiện thuỷ văn của sông ngòi, hồ chứa nước trong thời gian dài. + Mực nước động: phụ thuộc vào các ảnh hưởng tức thời do việc điều chỉnh lưu lượng hàng ngày của nhà máy thuỷ điện, do cấp tháo nước khi tàu qua âu, do sóng gió, thuỷ triều gây ra. 3.1.4.1. Cao trình đáy âu: - Do mực nước thiết kế vận tải nhỏ nhất định ra, đồng thời có xét đến ảnh hưởng của mực nước động: 3-2
Chương 3: Kết cấu buồng âu Day au MN dong min = -Sb (3-9) - Ngoài ra còn phải chú ý đến sự phát triển trong tương lai để định ra cao trình đáy âu. - Việc chọn cao trình đáy âu thích hợp sẽ giảm được kinh phí xây dựng và đảm bảo cho âu làm việc tốt, tàu bè đi lại an toàn. 3.1.4.3. Cao trình đỉnh âu: - Cao trình đỉnh âu căn cứ vào mực nước thiết kế cao nhất để định ra, đồng thời có xét đến ảnh hưởng của mực nước động. Dinh au MN dongmax = + Do vuot cao δ (3-10) Thường lấy độ vượt cao δ< 1m * Chú ý: - Cần so sánh về kinh tế và kỹ thuật để quyết định tần suất thiết kế: + Với mực nước thấp thiết kế: Nếu cho phép đình chỉ chạy tàu trong một số trường hợp thì mực nước sẽ cao hơn. + Với mực nước cao thiêt kế: Nếu cho phép ngập một số bộ phận công trình thì mực nước sẽ nhỏ đi. Đối với tuyến sông chính mực nước cao nhất thường lấy với tần suất p = 1÷3%, song cũng cần xét đến trường hợp lũ quá cao. 3.2. Một số dạng kết cấu buồng âu. Thực tế buồng âu là đoạn kênh giới hạn bởi 3 đầu âu và trong mặt cắt ngang giới hạn bởi tường và đáy âu để có thể đảm bảo sự thay đổi rất nhanh của mực nước trong buồng âu. Trong buồng âu có bố trí thiết bị neo tầu và các thiết bị hỗ trợ khác để có thể đảm bảo cho tầu được an toàn khi đậu trong âu cũng như khi qua âu. 3.2.1. Phân loại: 3.2.1.1. Dựa vào hình dáng buồng âu: + Buồng âu tường đứng. + Buồng âu mái nghiêng. + Buồng âu kết hợp đứng và nghiêng. 3.2.1.3. Dựa vào vật liệu: + Buồng âu bê tông + Buồng âu bê tông cốt thép. + Buồng âu tường cừ. + Buồng âu gỗ. 3.2.1.3. Dựa vào kết cấu: 3-3
Chương 3: Kết cấu buồng âu + Buồng âu tường liền đáy. + Buồng âu đáy rời. + Buồng âu lắp ghép. 3.2.2. Buồng âu mái nghiêng: mntl mnhl Líp gia cè m¸i dèc Hình 3. 2: Mặt cắt ngang buồng âu mái nghiêng và cầu dẫn hướng tầu Với buồng âu mái nghiêng, khi tháo nước khỏi buồng âu thì nước ngầm ở trong mái chảy ra làm mất vật liệu của mái và có thể dẫn đến sụt lở. Vì vậy phải có lớp gia cố chống hiện tượng mái sụt. Chiều dày lớp gia cố mái thường do độ dốc mái quyết định, độ dốc mái thường là m = 1:1÷1: 3. Loại kết cấu buồng âu này có ưu nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Giá thành hạ. - Ít tốn bê tông cốt thép. * Nhược điểm: - Lượng nước tiêu hao lớn. - Thời gian cấp tháo nước lâu. - Tầu dễ bị hư hỏng lúc cập tầu, lúc tháo nước. Để tránh cho tầu khỏi đâm vào, tường âu phải xây cầu dẫn hướng tầu, như vậy sẽ khắc phục được nhược điểm thứ 3, nhưng giá thành lại tăng lên. Vì nhược điểm nhiều hơn ưu điểm cho nên hiện nay người ta ít dùng kết cấu buồng âu này. Loại này chỉ áp dụng ở những sông nhỏ, mức vận chuyển hàng hoá không lớn và cột nước H < 3,5m. 3.2.3. Buồng âu tường đứng xây dựng trên nền đá: 3.2.3.1. Trường hợp mặt nền đá xấp xỉ cao trình đáy âu: Loại kết cấu này thường có tường buồng dạng hình tam giác đỉnh trên của tam giác mở rộng thành hình chữ nhật, chiều rộng tường thường được xác định bởi điều kiện không xuất hiệu ứng suất kéo ở mặt trước và mặt sau tường: 3-4
Chương 3: Kết cấu buồng âu γ θ ≥ 450 − (3-11) 2 Với γ là góc nội ma sát của đất lấp sau tường. mntl mnhl Líp bªt«ng Hình 3. 3: Mặt cắt ngang buồng âu bê tông trên nền đá. * Ưu điểm: + Kết cấu đáy đơn giản. + Nếu lớp đá tốt chỉ cần san bằng hoặc trát qua lớp xi măng. + Nếu lớp đá xấu: Dùng một lớp bê tông hoặc lát những tấm bê tông. * Nhược điểm: Loại kết cấu này chỉ dùng ở những âu tàu có cột nước chênh lệch nhỏ, vì nếu cột nước lớn phải xây khối bê tông lớn đắt tiền. 3.2.3.2. Trường hợp mặt nền đá nằm cao hơn cao trình đáy âu thiết kế: Ta có thể lợi dụng lớp đá ngang tường buồng âu để chịu lực trong quá trình âu làm việc, do đó tường âu không nhất thiết phải mở rộng kích thước ở dưới đáy. Nếu nền đá yếu, ở đáy buồng âu ta phải dùng lớp trát bê tông (có thể lớp trát có dây neo) mntl mnhl Hình 3. 4: Buồng âu bê tông trên nền đá yếu. 1- Lớp trát bê tông. 3- Tường buồng âu. 3- Nền đá yếu. 3-5
Chương 3: Kết cấu buồng âu - Nếu nền đá cứng ta làm lớp trát mặt có dây neo cố định vào đá (đối với tường buồng âu), còn đáy âu chỉ việc san bằng. Để giảm áp lực thấm từ trong ra phía tường buồng và sau lớp trát mặt, cần xây thiết bị thoát nước nằm ngang. mntl mnhl Hình 3. 5: Buồng âu bê tông trên nền đá cứng. 1- Vật thoát nước sau tường buồng. 3- Neo của lớp trát mặt. 3- Vật thoát nước sau lớp trát mặt. Để tránh rác rưởi làm tắc cống thoát nước, yêu cầu đường kính cống φ / 35 ÷ 30 cm. 3.2.4. Buồng âu kiểu đáy phân ly (đáy thấm nước): Cấu tạo buồng âu kiểu đáy phân ly phụ thuộc nhiều vào hệ thống cấp tháo nước của âu tàu - tập trung hay phân tán- tức là phụ thuộc ở chỗ trong tường buồng âu có cống dẫn nước hay không. Khi dùng hệ thống cấp tháo nước phân tán mà trong tường buồng âu có cống dẫn nước thì tường buồng âu thường là kiểu trọng lực (bê tông ít cốt thép) như hình 3.5 hoặc kiểu bản tựa (bêtông cốt thép). mntl mnhl Hình 3. 6: Buồng âu kiểu trọng lực có cống dẫn nước. 1. Cống dẫn nước. 3. Dằng ngang. 3. Cừ chắn. 3-6
Chương 3: Kết cấu buồng âu Khi dùng hệ thống cấp tháo nước tập trung thì tường buồng âu có thể xây theo kiểu trọng lực (hình 3.7), kiểu bản tựa (hình 3.11), kiểu bệ cọc cao (hình 3.10), hoặc kiểu cừ thép (hình 3.6). Tất cả các kết cấu buồng âu kiểu đáy phân ly đều có hình thức kết cấu đáy như nhau: Lớp bảo vệ đáy (đá xây hoặc tấm bê tông xây trên tầng lọc ngược (hình 3.11). * Kích thước sơ bộ. I O I Hình 3. 7: Các kích thước buồng âu đáy phân ly b0 = (1 ÷ 1,5)m. b1 = (0,3 ÷ 0,5) hb. d0 = (1,5 ÷ 3,0)m. d1 = (0,3 ÷ 0,35) hb. ⎛ 1 1⎞ d1 30m. Theo quy phạm (Hình 53- 59) b0 / (0,75 ÷ 0,80)m bt = (0,16 ÷ 0,33) ht bt - Chiều rộng tường tại mặt cắt tính toán. ht - Khoảng cách từ đỉnh tường đến mặt cắt tính toán. 3.2.4.1. Buồng âu bằng tường cừ: Trên nền không phải là đá với cột nước thấp và vừa, âu tàu thường có kết cấu buồng bằng cừ. Cừ có thể bằng thép, bê tông cốt thép hoặc gỗ, nhưng thông thường nhất là dùng cừ thép. 3-7
Chương 3: Kết cấu buồng âu Tường cừ có thể đóng thẳng đứng hoặc xiên với độ xiên từ 1: 0,03 ÷ 1: 0,01 và dùng thanh neo giữ chặt, dây neo được giữ chặt cố định bởi cọc neo, bản neo hoặc tường neo. Khoảng cách giữa các dây neo phụ thuộc vào áp lực đất và sức chống uốn của cừ. Chiều sâu đáy cừ phải đảm bảo cừ gắn chặt vào lòng đất và thoả mãn chiều dài cần thiết của đường viền thấm. Nếu tường buồng không cao, ta xây tường cừ 1 neo, đáy âu làm theo phương thức tầng lọc ngược. mntl $ mnhl $ Hình 3. 8: Buồng âu tường cừ 1 thanh neo với đáy có lỗ giảm áp lực (A). 1. Tầng lọc ngược. 4. Lưới chắn. 3. Lỗ giảm áp lực. 5. Thanh neo. 3. Van có bản lề. Khi tường buồng tương đối cao, ta dùng tường cừ 3 neo. Buồng âu bằng tường cừ có ưu điểm là tiết kiệm được bê tông, do các cấu kiện đúc sẵn nên thi công nhanh, thích hợp nơi địa chất yếu, song có nhược điểm là chiếm diện tích xây dựng khá lớn, trên tường âu khó đặt thiết bị buộc tầu di động. Buồng âu bằng tường cừ thường được xây dựng khi cột nước chênh lệch H<13m. 3.2.4.2. Buồng âu tường trọng lực: (hình 3.7) mntl mnhl O I Hình 3. 9: Buồng âu tường trọng lực có dằng ngang rời. 1- Mút thừa trong 4-Cừ chống thấm. 3- Mút thừa ngoài. 5-Đoạn nước trấn tĩnh. 3-8
Chương 3: Kết cấu buồng âu 3- Dằng ngang BTCT. Loại buồng âu tường trọng lực tốn ít cốt thép, thi công đơn giản, dưới tường thường làm những mút thừa. * Mút thừa ngoài: Giữ cho tường khỏi trượt vào trong, chiều dài của nó phụ thuộc vào điều kiện ổn định của tường, tức là phụ thuộc vào góc nội ma sát của lóp đất đắp, phụ thuộc vào sơ đồ thấm của buồng âu, và còn phụ thuộc vào góc nội ma sát và góc trượt của đất nền. * Mút thừa trong: Nhằm giảm áp lực nền, chiều dài của mút thừa trong phụ thuộc vào áp lực cho phép của đất và tính phân bố không đều của áp lực lúc cấp tháo nước buồng âu. Để tăng tính ổn định của đất nền dưới tường, ở dưới mút thừa trong cần đóng một hàng cừ chống thấm và dùng dằng ngang liên kết với mút thừa trong. Dằng ngang: thường dùng loại dằng ngang rời (hình 3.7) hoặc dằng ngang liên kết (hình 3.8). Dằng ngang liên kết ngoài khả năng chịu lực dọc do tường truyền đến, nó còn có tác dụng giảm tính không đều của áp lực nền lúc cấp tháo nước buồng âu. Để đảm bảo tường âu không bị nghiêng vào trong do lún, độ nghiêng chính diện của tường âu thường bằng 1: 100 ÷ 1: 50. Bề rộng nhỏ nhất của tường âu bê tông cốt thép ở cao trình đáy âu và trên đáy âu được xác định căn cứ vào tính toán lực kéo lớn nhất của bê tông ở sau tường, phụ thuộc vào đất lấp và mực nước ngầm tính toán sau tường. Thông thường: bt = (0.33 ÷ 0.38) ht (3-13) Ở đây: bt: chiều rộng tường. ht: chiều cao từ tiết diện tính toán đến đỉnh tường. mntl mnhl $ Hình 3. 10: Buồng âu tường trọng lực có dằng ngang liên kết. 1- Mút thừa trong. 3-Dằng ngang BTCT. 3- Mút thừa ngoài. 4-Cừ chống thấm. Buồng âu tường trọng lực có thể áp dụng với bất kỳ cột nước chênh lệch nào, nhất là nó thích ứng với âu tầu có cột nước lớn và địa chất tốt. 3-9
Chương 3: Kết cấu buồng âu Nếu nền đất yếu ta xây tường âu bê tông trên nền cọc (hình 3.9) mntl mnhl Hình 3. 11: Tường buồng âu trên nền cọc xiên. 1- Lớp bảo vệ đáy. 3- Tầng lọc ngược. 3- Cọc xiên. Tường buồng âu trên nền cọc xiên chỉ xây dựng ở những âu tầu có cột nước chênh lệch nhỏ H = 3 ÷ 3,5m 3.2.4.3. Buồng âu kiểu bệ cọc cao: Buồng âu kiểu bệ cọc cao thường được xây dựng trên nền đất yếu. Bệ cọc cao là bê tông hoặc bê tông cốt thép và có cừ trước hoặc cừ sau. Để tránh tăng thể tích khối nước tháo đi và tránh mục nát khi dùng cọc gỗ, mặt đáy của đài cọc phải đặt thấp hơn mực nước hạ lưu từ 0,5 ÷ 1m. Cừ trước hoặc cừ sau có tác dụng giảm bề rộng đài cọc và tăng chiều dài thấm từ buồng âu đến lớp đất lấp (hoặc đến thiết bị thoát nước trong lớp đất lấp). mntl mnhl Hình 3. 12: Buồng âu kiểu bệ cọc cao. Loại kết cấu buồng âu kiểu bệ cọc cao có ưu điểm là chi phí xây dựng ít, nhưng việc đóng cọc phức tạp, khó tránh được hiện tượng nước thấm qua cừ. 3.2.4.4. Buồng âu kiểu bản tựa: 3-10
Chương 3: Kết cấu buồng âu mntl mnhl Hình 3. 13: Buồng âu kiểu bản tựa. 1- Tầng lọc ngược. 4- Bản đáy BTCT. 3- Lớp bảo vệ đáy. 5- Bản tựa. 3- Bản mặt BTCT. Ổn định lật và ổn định trượt của tường buồng âu kiểu này do trọng lượng đất lấp sau tường đảm bảo, vì trọng lượng bản thân của tường nhẹ. 3.2.5. Buồng âu đáy liên kết: - Về mặt kỹ thuật và quản lý, buồng âu đáy liên kết là hình thức hoàn thiện nhất vì có những ưu điểm sau: + Khắc phục được hiện tượng thấm từ buồng âu đến lớp đất lấp. + Triệt tiêu được khả năng đất nền dưới tường âu trồi vào buồng âu. + Thích hợp xây dựng trên nền đất mềm. Đáy buồng âu kiểu liên kết chịu lực rất lớn vì vậy cần phải dày và bố trí nhiều cốt thép. Buồng âu đáy liên kết có 3 dạng: + Kiểu ụ tầu. + Kiểu mút thừa nối giữa. 3.2.5.1. Buồng âu đáy liên kết kiểu ụ tầu: mntl mnhl O O Hình 3. 14: Buồng âu kiểu ụ tầu. Buồng âu kiểu ụ tầu có thể xây dựng hoàn toàn bằng bê tông, nhưng loại này ít dùng vì đáy và tường khá dày, phải đào nhiều đất ở hố móng. Hiện nay thường sử dụng rộng rãi buồng âu kiểu ụ tầu bằng bê tông cốt thép vì giảm được chiều dày của tường và buồng âu. 3-11
Chương 3: Kết cấu buồng âu Các kích thước chủ yếu của buồng âu.: * Kích thước sơ bộ: I O K K I Hình 3. 15: Các kích thước sơ bộ buồng âu đáy liên kết kiểu ụ tàu b0 = (1 ÷ 1,5)m (3-13) b1 = (0,3 ÷ 0,35) ht ⎛ 1 1⎞ d0 = ⎜ ÷ ⎟ ht ⎝ 5 4⎠ ⎛ 1 1⎞ d1 = ⎜ ÷ ⎟ ht ⎝ 5 4⎠ Trong đó: d1,d0- Chiều dày đáy. b1,b0- Bề rộng tường. ht- Chiều cao tự do của tường buồng âu. * Ưu điểm: - Chống thấm và chống trượt tốt. - Trên nền đất mềm xây dựng được với cột nước H lớn. - Thi công nhanh, đơn giản. - Không có hiện tượng đất trồi vào buồng âu. * Nhược điểm: - Khi bề rộng buồng âu lớn khó xác định ứng suất ở dưới đáy âu (ngoại lực để xác định chiều dày đáy). - Giá thành xây dựng cao. - Kết cấu buồng âu kiểu ụ tầu thường được áp dụng khi chiều rộng buồng âu Bb<30m. 3.3.5.3. Buồng âu kiểu mút thừa nối giữa: * Kích thước sơ bộ. b0 = (1 ÷ 1,5)m. b1 = (0,3 ÷ 0,5) ht 3-12
Chương 3: Kết cấu buồng âu d0 = (1,5 ÷ 3,0)m. d1 = (0,3 ÷ 0,35) ht ⎛ 1 1⎞ d1 30m. 3.2.6. Giới hạn áp dụng các loại kết cấu buồng âu trên nền đất mềm. Tỷ lệ khối lượng công trình của buồng âu trong toàn bộ khối lượng công trình âu tầu là rất lớn (thường chiếm 50%). Vì vậy khi thiết kế âu tầu cần chọn dạng kết cấu buồng âu hợp lý nhất. Kết cấu buồng âu có liên quan đến: + Hệ số ma sát giữa đất nền và bê tông (tức là liên quan đến hệ số ổn định trượt) + ứng suất của đất nền + Lớp đất đắp sau tường (góc nội ma sát ω) + Kích thước của âu. Theo giáo sư Mikhailốp: + Khi h ≥ 0,6: không dùng đáy phân ly. Bb h + Khi ≤ 03, : không dùng đáy liên kết (trừ trường hợp đất nền quá yếu) Bb + Khi 0.3 < h < 0.6: phải so sánh các phương án. Bb Buồng âu bệ cọc thường được xây dựng trên nền đất mềm yếu và trong trường hợp tỷ số giữa chiều cao kết cấu bên trên ht so với độ sâu trong buồng âu không lớn lắm, thông thường khi h = 1,5 Sb Buồng âu kiểu tường cừ thưòng được xây dựng trên nền đất mềm yếu và chiều cao tường âu không lớn hơn 13 ÷ 14m. 3.3. Một số thiết bị, chi tiết phụ của buồng âu: 3.3.1. Khe lún và nhiệt độ: Do nhiệt độ thayn đổi và do lún không đều tường âu có thể bị rạn nứt. Để tránh hiện tượng này cần phải bố trí khe lún và khe nhiệt độ và có thể làm chung. 3-13
Chương 3: Kết cấu buồng âu Hình 3. 16: Khe lún và khe nhiệt độ 1- Tấm lá đồng 3- Khe lún nhét đầy vữa 3- Lớp bitum Theo quy phạm, đối với tường âu bê tông cốt thép cứ 35m đến 40m ta phải bố trí 1 khe nhiệt độ, còn đối tường bê tông khoảng cách đó là 10 ÷ 15m. Bề rộng của khe lún và khe nhiệt độ Δl: Δl =Δllún + Δlto (3-14) Δllún- Bề rộng khe yêu cầu do lún y1 − y2 Δllún = .h (3-15) l y Trong đó: y 1, y3: độ lún ở 3 đầu khối tường. h y: độ cao của bức tường đang xét. l- Chiều dài khối tường. Δlto: bề rộng khe yêu cầu do nhiệt độ thay đổi. 0 Δlto = α.Δt .l (3-16) Trong đó: α = 1.10-5- Hệ số nở dài của bê tông Δt0- Mức chênh lệch nhiệt độ l- Khoảng cách giữa các khe lún Khi: Δt 0 = 300 ÷ 400 ⎫ ⎬ → Δlto = 0,6 ÷1,2cm l = 10 ÷ 20m ⎭ 3.3.3. Mặt trong tường âu: Mặt trong tường âu cần đảm bảo để tầu bè và bản thân tường không bị hỏng khi tầu bè va chạm vào (thường đặt những nẹp gỗ để bảo vệ). - Khoảng cách giữa các thanh gỗ đệm là 3 ÷ 5m. 3-14
Chương 3: Kết cấu buồng âu - Khi tính toán chiều rộng có lợi của buồng âu phải trừ đi chiều dày của 3 lớp gỗ bảo vệ. Ở những âu tầu có ảnh hưởng của nước mặn thì có thể dùng cao su tấm (lớp) hoặc những tấm BTCT Trường hợp âu tầu có cột nước lớn phải làm khe hở để đặt phao di động. Hình 3. 17: Phao di động trong buồng âu 3.3.3.1. Thiết bị va: Thiết bị chống va có thể là cao su hoặc là gỗ: Hình 3.18: Đệm chống va bằng cao su và bằng gỗ trong buồng âu (Chi tiết tham khảo [6] - Công trình bến cảng - Phạm Văn Giáp) 3.3.3.3. Thiết bị neo tầu: Thiết bị neo tầu thường là neo cố định, neo di động. - Neo cố định là những trụ neo đặt trên đỉnh tường âu hay cầu tầu. Trụ neo có thể là những ống gang rỗng, thép hoặc bê tông cốt thép có vỏ bọc sắt. Trụ neo được chôn sâu xuống tường âu, khoảng cách dọc theo buồng âu là 15÷30m/1 trụ. Trụ neo cố định chỉ bố trí khi cột nước chênh lệch H 7m 3.3.3. Cấu tạo chống thấm: 3.3.3.1. Đặc điểm thấm trong âu tầu: Tình hình thấm trong âu tầu cơ bản khác với các công trình thuỷ công ở chỗ: khi cấp tháo nước âu tầu cột nước tác dụng lần lượt truyền từ bộ phận này đến bộ phận khác của công trình. Độ lớn của cột nước tác dụng tăng lên rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn từ 0 đến trị số tính toán lớn nhất, hoặc giảm từ trị số lớn nhất về 0. Vì thế trong âu tầu không những xét hiện tượng thấm trong điều kiện chảy ổn định mà còn xét cả trong điều kiện chảy không ổn định. Sơ đồ thấm khi âu tầu làm việc phụ thuộc vào kết cấu buồng âu (đáy phân ly hay liên kết), phụ thuộc vào vị trí bố trí âu trong đầu mối công trình thuỷ lợi (nhô về phía thượng lưu hay hạ lưu). 3-15
Chương 3: Kết cấu buồng âu Khi buồng âu kiểu đáy không thấm đặt ở hạ lưu đầu mối công trình thuỷ lợi thì dưới đáy âu có dòng chảy có áp, mặt bên có dòng thấm không áp vòng quanh công trình. Áp lực đẩy nổi của dòng thấm làm tăng khả năng trồi đất vào buồng âu, ngoài ra hiện tượng thấm còn làm hao tổn nước ở thượng lưu. Vì vậy phải tìm biện pháp hạn chế hiện tượng thấm. 3.3.3.3. Những biện pháp chống thấm: * Đóng cừ: Khi nền đất đồng nhất, để kéo dài đường viền thấm, ta đóng những hàng cừ gỗ sâu 3-4m ở 3 đầu của đầu âu Khi nền đất không đồng nhất, phải đóng cừ tới lớp đất ít thấm. * Xây thiết bị thoát nước: Để giảm áp lực thấm sau tường tác dụng lên tường âu khi buồng âu tháo nước xong, người ta thường xây mương hố thoát nước hoặc thiết bị thoát nước này đặt giữa cao trình mực nước thượng lưu và hạ lưu. - Trường hợp nền cát có tính thấm lớn, ta có thể làm đáy âu có tính thấm một chiều, khi đó vị trí của thiết bị thoát nước sau tường cao hơn mực nước hạ lưu lớn nhất từ 1 ÷ 1,5m - Để tránh nước ứ đọng, thiết bị thoát nước phải nghiêng về phía hạ lưu một độ dốc1: 500 ÷ 1: 30. - Ngoài 3 biện pháp trên, có thể làm sân phủ, xây chân khay, xây tầng lọc ngược. 3-16
Chương 3: Kết cấu buồng âu Chương 3 1 3.1. Các kích thước của buồng âu: 1 3.3. Một số dạng kết cấu buồng âu. 3 3.3. Một số thiết bị, chi tiết phụ của buồng âu: 13 3-17
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Chương 4 HỆ THỐNG CẤP THÁO NƯỚC VÀ TÍNH TOÁN THUỶ LỰC KHI CẤP THÁO PHẦN A: HỆ THỐNG CẤP THÁO NƯỚC. 4.1. Tính chất của hệ thống cấp tháo nước. 4.1.1. Định nghĩa: Hệ thống cấp tháo nước là tất cả những thiết bị và cấu tạo trong âu nhằm phục vụ cho việc cấp tháo nước buồng âu. Người ta còn gọi hệ thống cấp tháo nước là hệ thống các ống dẫn nước. 4.1.2. Phân loại: Tuỳ theo cách bố trí các ống dẫn nước mà ta chia ra làm hai loại: + Hệ thống cấp tháo nước tập trung: việc cấp tháo nước thực hiện ở đầu âu.(Hình 4.1). + Hệ thống cấp tháo nước phân tán: việc cấp tháo nước được thực hiện trên toàn bộ chiều dài âu (hình 4.2). Hình 4. 1: Hệ thống cấp tháo nước tập trung. 1- Cửa âu trên. 3- Cống dẫn nước 2- Cửa âu dưới. 4-Van đóng mở. Hình 4. 2: Hệ thống cấp tháo nước phân tán. 1- Cửa âu trên. 3-Cống dẫn nước. 2- Cửa âu dưới. 4-Van cấp tháo. Tuỳ theo kết cấu và cách bố trí của các ống dẫn nước mà trong 2 loại trên lại phân ra những loại khác nhau nữa. 4.1.3. Tính chất thuỷ lực của hệ thống cấp tháo nước. 4-1
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Khi cấp tháo nước, mực nước trong buồng âu dâng lên dần dần hoặc thụt xuống dần. Lưu lượng dọc theo chiều dài buồng âu thì khác nhau, vận tốc dòng nước cũng khác nhau. Lưu lượng chảy qua hệ thống cấp tháo nước cũng thay đổi dần, dòng nước chảy trong hệ thống cấp tháo nước là dòng chảy không đều, không ổn định, cộng với những hiện tượng thuỷ lực cục bộ gây nên một lực thuỷ động đối với tàu đỗ trong buồng âu và cả đối với tàu nằm trong kênh dắt tàu, vì vậy tàu đậu trong âu khi cấp tháo nước phải buộc vào các trụ buộc tàu cố định hoặc di động. Chú ý: - Khi cấp nước vào buồng âu phải cuộn ngắn dây buộc lại để tàu không bị lỏng quá mức. - Khi tháo nước khỏi buồng âu phải nới dây để tàu khỏi bị treo lơ lửng, dây sẽ đứt do trọng lượng của tàu. - Khi buộc tàu vào trụ di động, thì khi cấp tháo nước trụ tàu lên xuống theo mực nước, lúc đó tàu chỉ chịu lực ngang và một phần lực nghiêng. - Tuỳ theo khoảng cách dự trữ giữa tường buồng âu và tàu ta có thể buộc tàu cả hai bên hoặc một bên (hình 4.3). Hình 4. 3: Buộc tàu vào trụ cố định. Tiêu chuẩn đánh giá về độ an toàn cho tàu bè qua âu, vận tốc hợp lý, phương pháp cấp tháo nước thích hợp chính là độ lớn của các lực nằm ngang tác dụng lên tàu. Các lực này được tạo lên do động năng của dòng nước cấp tháo, do sóng, do độ dốc mặt nước và các hiện tượng khác (nói chung là các hiện tượng thuỷ lực). Các lực tác dụng vào tàu đỗ trong âu có thể phân chia thành hai thành phần: + Thành phần lực dọc: song song với trục âu. + Thành phần lực ngang: vuông góc với trục âu. Do tác dụng của những thành phần lực này mà tàu nếu không được neo buộc cẩn thận sẽ bị lắc chuyển động, tàu có thể va vào tường buồng âu hoặc xô vào cửa âu, làm hỏng trang thiết bị cửa âu, thậm chí hỏng cả tàu. Để tránh được sự nguy hiểm này ta phải giới hạn sự chuyển dịch của tàu. Khi đánh giá về độ an toàn của tàu bè qua âu người ta lấy thành phần lực dọc làm căn bản, bởi vì nó gây nên chuyển động theo hướng va vào tàu khác và va vào các trang thiết bị nhạy cảm nhất của âu (cửa), còn thành phần lực ngang thường được chặn lại bằng các kết cấu đệm chống va, nó ít gây ảnh hưởng đến sức căng của dây buộc tàu. 4-2
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Khi cấp tháo nước buồng âu, chiều tác dụng của lực dọc cũng thay đổi nên tàu phải được neo buộc bằng 2 dây, một dây chống chuyển động về phía thượng lưu, một dây chống chuyển động về phía hạ lưu. Mỗi một dây buộc tàu phải có khả năng chịu được lực tác dụng lớn nhất (vì tại một thời điểm nào đó, lực thuỷ động truyền tới 90% vào dây buộc tàu). Độ lớn của lực kéo trong dây buộc tàu không chỉ phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực khi cấp tháo nước, mà còn phụ thuộc vào phương pháp buộc tàu, kiểu thiết bị buộc tàu Do ảnh hưởng của lực quán tính tàu chuyển động, lực dọc ban đầu sẽ tăng lên và lực kéo trong dây buộc tàu cũng tăng theo. Theo kết quả đo thực tế ở một số âu tàu (Tiệp Khắc, Liên Xô cũ) thì lực quán tính do chuyển động của tàu phát sinh là 20% và thường không vượt quá 30 ÷ 34% giá trị lực dọc ban đầu tác dụng lên tàu. Như vậy lực dọc lớn nhất là: P' = 1,34P (4-1). Lực kéo trong dây buộc tàu luôn luôn lớn hơn lực dọc P' vì dây buộc tàu tạo với 1,35P trục âu một góc α: R = . cosα Góc α có giá trị từ 20 ÷ 400, vậy lực kéo lớn nhất trong dây buộc tàu là: 135, P 135, P R ===175, P max cosα 0 max cos40 (4-2) Khi đánh giá điều kiện an toàn cho tàu bè qua âu, trong thực tế có một quan điểm chung là giá trị lực kéo lớn nhất trong dây buộc tàu không được vượt quá giá trị cho phép Rcf. Rcf là hàm số của trọng tải tàu W. Quan hệ giữa Rcf và trọng tải tàu được biểu thị bằng phương trình: 1 R W = cf -> R = (4-3) R W cf R Giá trị tuyệt đối của lực kéo cho phép Rcf trong dây buộc tàu sẽ lớn lên khi trọng tải R của tàu lớn lên, nhưng giá trị tương đối cf thì ngược lại (sẽ bé đi). Quan hệ đó có thể W biểu thị bằng công thức thực nghiệm. 1 1 ⎡1⎤ = = ⎢ ⎥ (4-4) R 205 W 2 ⎣n⎦ n: chỉ số của dây buộc tàu. Quan hệ (4-4) được biểu diễn ở hình (4.4) 4-3
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 1 1 Hình 4. 4: Quan hệ ≈ R 205 W 2 Dựa vào tài liệu thực đo ( N.A. Sêmanốp) đã tìm ra lực kéo trong dây buộc tàu là: R = α 3 W 2 (4-4) α: hệ số thay đổi với từng âu khác nhau: α = 0,013 ÷ 0,031. 4.1.4. Lực dọc P tác dụng lên tàu trong âu. Lực dọc P tác dụng lên tàu trong âu được xác định: P = P1 + P2 + P3 (4-6) 4.1.4.1. Thành phần P1: Thành phần P1 có là do tác dụng của dòng nước: Dòng nước chảy vào âu theo hướng từ đầu tàu dọc thân tàu đến cuối tàu và dọc đáy tàu, thành phần này được tạo nên do lực cản đường dòng của tàu. Sử dụng công thức Zvôncốp: 183, ⎛ Q ⎞ Q 2 PkO= ⎜ ⎟ + ϕδ f 1 t ⎝ ff− ⎠ t f 2 at a (T) (4-7) Trong đó: k: hệ số ma sát của nước với bề mặt tàu. k = 0,17.10-3 đối với tàu vỏ thép. k = 0,24.10-3 đối với tàu vỏ gỗ. δ: hệ số chỗ đẩy của tàu δ = 0,94 đối với tàu chạy chậm. δ = 0,60 đối với tàu chạy nhanh. ϕ: hệ số lực cản hình dạng của tàu. ϕ = 8.10-3 tàu mũi tù. ϕ = 10,4.10-3 tàu mũi nhọn. 4-4
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2 ft: diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của tàu chìm trong nước (m ) 2 fa: diện tích mặt cắt ngang đầy nước của âu (m ). Q: lưu lượng chảy đến tức thời vào buồng âu (m3/s) 2 Ot: diện tích bề mặt ướt của tàu (m ). Ot= Lt (1,9.S + T.Bt) + Lt, Bt: chiều dài, chiều rộng tàu (m). + T: mớn nước tàu (m). + S: độ chìm của tàu (theo phương dọc) Giá trị P1max đạt được khi có Qmax trong âu. Khi tháo nước buồng âu thì thành phần P1 sẽ nhỏ hơn khi cấp nước, vì phương trình (3-8) sẽ mất đi thành phần thứ 2 (Lực cản trở hình dạng tàu). 1,83 ⎛ Q ⎞ t ⎜ ⎟ P1 = k.Ot ⎜ ⎟ (4-8) ⎝ fa − ft ⎠ 4.1.4.2. Thành phần P2: Thành phần lực dọc P2 được tạo nên do độ dốc mặt nước trong âu. Độ dốc mặt nước xuất hiện do các nguyên nhân khác nhau. Khi dòng nước chảy đều vào âu (trong một khoảng thời gian nhất định) do kết quả của sự thay đổi động năng thành thế năng đã tạo thành độ dốc mặt nước (tại cuối buồng âu mực nước cao hơn ở đầu buồng âu -nơi nước chảy vào). Thành phần lực dọc P2 được xác định theo công thức: P2 = W.I (T) (4-9) Trong đó: W: trọng tải tàu (T). I= Δh : Độ dốc mặt nước trong âu. Lb Độ chênh lệch mực nước Δh tại đầu và cuối buồng âu với phương pháp cấp nước V 2 trực tiếp ta tính gần đúng như là chiều cao vận tốc Δh = 1 tại đầu âu. Còn ở cuối buồng 2g âu vận tốc dòng nước bằng không và động năng cũng giảm đến giá trị không. Thành phần lực dọc P2 tác dụng ngược chiều so với P1, P2 đạt giá trị max khi có năng lượng đường dòng Emax chảy vào âu ( Không trùng với Qmax). 4.1.4.3. Thành phần P3: Khi cấp tháo nước âu tàu, tại kênh dắt tàu thượng, hạ lưu sẽ xuất hiện các sóng (tạo nên do sự thay đổi lưu tốc tức thời). Ở đây ta chỉ giới hạn xét sóng trong âu vì nó nguy hiểm hơn nhiều so với sóng trong kênh dắt tàu. Để tính được sóng trong âu tàu ta chỉ xét trường hợp nước chảy vào (hoặc chảy ra) được tập trung tại một đầu âu. Mỗi một khi lưu tốc thay đổi sẽ sinh ra sóng, sóng này sẽ 4-5
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo chuyển động từ một đầu (mà tại đó nước chảy vào hoặc chảy ra) đến đầu kia, tại đây sóng đập vào cửa và quay trở lại. Như vậy là khối nước trong âu trong thời gian cấp tháo nước sẽ luôn xê dịch, những tổn thất do ma sát và xoáy nước rất nhỏ nên được bỏ qua, do có tàu trong âu nên nó có tác dụng phá sóng, trong âu sẽ xảy ra một tình trạng rất phức tạp của dòng chảy, các đại lượng gây nên tình trạng phức tạp đó phụ thuộc vào vị trí của tàu trong âu, diện tích tàu chiếm chỗ Các hiện tượng sóng trong âu khi có tàu mới được thử nghiệm rất ít, bởi vậy phép tính lực dọc tác dụng lên tàu chỉ là gần đúng. a. Thành phần P3 khi mở van cấp thoát đột ngột. η Hình 4. 5: Sự xuất hiện sóng khi mở van đột ngột. Khi mở van đột ngột, lưu lượng dòng nước tập trung chảy vào âu sẽ nhanh chóng tăng từ giá trị Q = 0 đến Qmax. Trong âu sẽ xuất hiện sóng có chiều cao η: Qmax Bc. η = b (4-10) Vận tốc truyền sóng c xác định từ phương trình Lagrange: gS. ± v C = b (4-11) Trong đó: Bb: chiều rộng buồng âu (m) Sb: độ sâu buồng âu (m) v: vận tốc trung bình của dòng nước trong âu khi tạo thành sóng (m/s). g: gia tốc trọng trường(m/s). Nếu thay Qmax = μωs 2gH , chiều cao sóng đầu tiên sẽ là: μ ω 2gH μ ω 2H η ==s s B g S B . S bb bb (4-12) Khi sóng đầu tiên đập vào mũi tàu, một phần bật trở lại và do vậy tạo nên sự nâng cao thêm sóng truyền dọc theo tàu thành giá trị mới η': η' = m.η (4-13) Giá trị gần đúng m tính theo công thức: 4-6
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2 m = f 11+−t f a (4-14) Vận tốc truyền sóng dọc tàu được xác định bằng biểu thức: c' = gh. ao (4-14) ffat− hảo = - Độ sâu ảo của nước tại đoạn tàu đỗ. BB− bt Thành phần lực dọc P3 được tạo nên do tác động của sóng là: 2 B t .S t μ s .ω 2H P3= ψ.B t . S t .m. η = . f Bb S b 1 + 1+ t f a (4-16) Trong đó: St: diện tích vỏ tàu chìm. ψ: độ chìm của khung chính tàu, thường lấy = 1. b. Thành phần lực dọc P3 khi mở van liên tục đều. Khi mở van liên tục thì ta có thể coi sự thay đổi từ từ của dòng nước chảy vào âu như là hàng loạt sự thay đổi của các phần tử dQ nối tiếp nhau, mà từ đó nó tạo nên các phần tử sóng có chiều cao dη. dη dη dη Hình 4. 6: Sóng khi cấp nước với độ dốc dọc. Bằng cách nối các phần tử sóng lại ta có sóng với độ dốc dọc I được xác định từ phương trình: d η d Q 1 d Q I= = = . c. d t B . g . S . g . S .d g. f a d t b b b t (4-17) Ở đây: fa = Bb . Sb. Q Q η = = Bcb . BgSbb Độ dốc dọc I' của sóng dọc theo tàu có xét tới sự thay đổi vận tốc truyền của sóng là: 4-7
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 1 d Q I '= . gf()− f d at t (4-18) Độ dốc dọc mặt nước I' sẽ lớn nhất tại thời điểm khi sóng bằng đầu đập vào cửa âu, bởi vì ở pha tiếp theo sóng đã va vào cửa âu độ dốc sẽ giảm dần. dQ Thành phần ( Độ tăng lưu lượng trong buồng âu) sẽ ảnh hưởng đến độ dốc I'. dt Ngoài ra thành phần (fa - ft) cũng ảnh hưởng đến I'. Giá trị (fa - ft) nhỏ nhất khi nước dQ trong buồng âu ít nhất, tức là lúc bắt đầu cấp nước - khi có max. Lúc đó I' đạt giá trị dt max. 1 ⎛ dQ ⎞ I'max = ⎜ ⎟ (4-19) g()fa − ft ⎝ dt ⎠max Thành phần lực dọc P3 sẽ là: max P3 = W.I'max (4-20) c. Thành phần lực dọc P3 khi cấp tháo nước bằng hệ thống ống dẫn trung và dài: Khi cấp tháo nước buồng âu hệ thống ống dẫn trung hoặc dài thì dòng nước vào âu sẽ phân bố dọc theo chiều dài buồng âu. Nếu bố trí đúng kỹ thuật các cửa ra (để đường max dòng phân chia đều) thì lực dọc tác dụng lên tầu sẽ nhỏ. Độ lớn lực dọc P3 sẽ bằng: m ⎡ ⎤ max ⎛ Pi ⎞ ⎛ Pm ⎞ w P3 = ⎢ fg22⎜ − hf⎟ −− g⎜ h⎟ ⎥ (4-21) ∑ i ⎝ γγ⎠ m ⎝ ⎠ gf()− f ii= ⎣⎢ ⎦⎥ at Trong đó: Pi: áp suất dư trong ống dẫn tại cửa ra thứ i. fi: diện tích cửa ra thứ i. Pm: áp suất dư tại đầu ống dẫn. fm: diện tích cửa ở đầu ống dẫn. Thành phần lớn nhất của lực dọc P là P3, chiếm khoảng (80 ÷ 84%) P, khi đó các thành phần lực dọc không đạt giá trị cực đại cùng một lúc, thường thì P1 và P2 rất nhỏ và khi phân tích sự xuất hiện và tác động của chúng, người ta giả thiết chúng tác dụng ngược chiều nhau, triệt tiêu lẫn nhau, do đó: max W ⎛ dQ ⎞ Pmax = P3 = W.I'max = ⎜ ⎟ (4-22) g()fa − ft ⎝ dt ⎠max Độ lớn của từng thành phần lực dọc phụ thuộc vào: + Vận tốc và phương pháp cấp tháo nước. + Các kích thước buồng âu. + Tỷ lệ giữa các kích thước buồng âu và hình dáng tàu. Chú ý: - Lực dọc P sẽ nhỏ đi nếu dòng cấp tháo được phân bố đều theo chiều dài buồng âu. 4-8
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo - Lực dọc Pmax khi đường dòng cấp tháo nước tập trung tại một đầu âu (trường hợp cấp tháo nước trực tiếp hoặc cống dẫn ngắn). - Khi xác định độ lớn các thành phần lực P ta phải tính cho trường hợp bất lợi nhất. 4.2. Những yêu cầu đối với hệ thống cấp tháo nước. 1- Phải đảm bảo cấp đầy và tháo cạn buồng âu trong thời gian qui định ứng với số lượng tàu qua âu. 2- Việc cấp và tháo nước phải tiến hành trong thời gian phù hợp với điều kiện đậu tàu và điều kiện đi lại của tàu trong buồng âu và trong kênh dắt tàu. Để đảm bảo yêu cầu này thì R < Rcf. Trong đó: R: lực kéo xuất hiện trong dây buộc tàu do tác động của lực thuỷ động P. Rcf: lực kéo cho phép của dây buộc tàu. 3- Lưu tốc dòng nước trong kênh dắt tàu cần hạn chế trong một phạm vi nhất định tuỳ theo công suất của tàu kéo và điều kiện luồng lạch để đảm bảo vận tải trên đườn dắt tàu thuận lợi. Thông thường lưu tốc dòng nước nhỏ hơn vận tốc tàu chạy là (0,4 ÷0,5 m/s) thì lái tàu sẽ dễ dàng. Ví dụ: tốc độ tàu chạy là 4 ÷ 5 km/h (1,1 ÷ 1,4 m/s) thì lưu tốc lớn nhất của dòng nước là 0,7 ÷ 1,0 m/s. 4- Khi tàu đậu trong âu phải giới hạn vận tốc lên xuống của mực nước trong buồng âu. Vlên, xuống ≤ 0.04 ÷ 0.06 m/s. Nếu không chú ý điều kiện này thì âu nhỏ dùng cột neo tàu cố định trên tường buồng âu, tàu có thể bị treo và dây neo đứt gây tai nạn cho tàu. Chú ý: Ở những âu tàu lớn dùng trụ neo di động thì ta không cần xét đến điều kiện trên nữa. 5- Cần đảm bảo kết cấu của âu tàu không bị hư hỏng, đáy âu và đường dắt tàu không bị xói lở, cửa van không bị chấn động và xâm thực làm hỏng. Để đảm bảo điều kiện trên yêu cầu vận tốc của dòng nước tháo ra không được lớn hơn vận tốc dòng nước cho phép không xói lở: Vt < Vkx. Trị số Vkx được lấy theo bảng: Bảng 4.1: Vận tốc không xói Địa chất đáy Vkx (m/s) - Cát rất nhỏ. 0,34 - 0,40 - Cát nhỏ. 0,40 ÷ 0,50 - Cát trung bình. 0,50 - 0,60 - Cát khô. 0,60 - 0,70 - Đá dăm nhỏ. 0,80 - 0,90 4-9
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo - Á sét yếu. 0,70 - 0,80 - Á sét chắc. 0,90 - 1,0 - Á sét nhẹ 0,7 - 0,80 - Á sét trung bình và chắc. 1,0 - 1,20 - Sét mềm. 0,7 - 0,80 - Sét trung bình. 1,20 - 1,40 Đối với đất sét chắc, đất nửa đá và đá vận tốc trung bình của dòng nước trong kênh dắt tàu thường giới hạn không phải bởi điều kiện xói lở mà bởi điều kiện chuyển động của tàu trong đó. Nói chung để đảm bảo những yêu cầu đối với hệ thống cấp tháo nước đã nêu trên cần có một số biện pháp sau: + Khi cấp tháo, nước phải được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, chiều rộng của buồng âu. + Dùng những cấu tạo tiêu năng để tiêu hao bớt năng lượng của dòng nước trước khi vào hoặc ra khỏi âu. + Khi mở van ống dẫn nước phải mở từ từ để mực nước tăng lên hoặc rút xuống dần dần. 4.3. Hệ thống cấp tháo nước tập trung. Hệ thống cấp tháo nước tập trung còn được gọi là hệ thống cấp tháo nước đầu âu, hệ thống này đặc trưng ở chỗ nước vào buồng âu và ra khỏi buồng âu được thực hiện ở đầu âu với các hình thức khác nhau như: + Cấp tháo nước qua lỗ trên cửa âu. + Qua cống ngắn đi vòng qua cửa âu. + Qua cống ngầm dưới cửa âu. + Qua khe dưới cửa âu. 4.3.1. Hệ thống cấp tháo nước bằng cống dẫn. 4.3.1.1. Loại có cống dẫn nằm trong mặt phẳng ngang. Loại này được sử dụng rất rộng rãi, nhất là theo đà phát triển của loại âu tàu đá và bê tông. Cống dẫn ngắn được vòng qua cửa âu xuyên qua tường âu, cửa ra có thể có một cửa (hình 4.1) hay nhiều cửa (hình 4.7). Nói chung loại này thường được xây dựng với âu tàu có cột nước nhỏ H≤ 4m. Hình 4. 7: Cống dẫn nước trong mặt phẳng ngang. 1- Cửa âu trên. 3-Cửa âu dưới. 4-10
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2- Van cấp tháo. 4-Cửa ra. Thông thường ở đầu âu dưới người ta làm những cống dẫn đi vòng có tiết diện thay đổi để tránh tổn thất cục bộ lớn. Tại vị trí đặt van tiết diện cống dẫn là ωr. ωr = (1,4 ÷ 1,8) ω (4-23) Để tránh xâm thực, cửa cống dẫn nên đặt dưới mực nước vận tải từ 0,3 ÷ 0,74m và cửa ra nên đặt thấp hơn cửa vào. * Ưu điểm: - Lợi dụng được 2 dòng chảy đối lưu để tiêu năng. - Thi công đơn giản, nhanh chóng. * Nhược điểm: - Dòng nước chảy ra mạnh dễ ảnh hưởng đến điều kiện đậu tàu. - Ở cửa ra lưu tốc lớn và phân bố không đều hình thành dòng chảy xoáy trong thân âu. - Tường đầu âu dày. 4.3.1.2. Loại có cống dẫn nằm trong mặt phẳng đứng. Loại này còn được gọi là cấp tháo nước qua tường vây (hình 4.8). Tường vây là tường xây ở đầu âu trên để giảm độ cao của cửa âu, các âu tàu hiện đại thường dùng kiểu kết cấu này. mntl A-A Hình 4. 8: Cấp tháo nước qua tường vây. 1- Buồng tiêu năng. 3-Cửa âu. 2- Cống dẫn nước. 4-Tường vây. * Ưu điểm: - Tiêu năng tốt. - Bố trí các thiết bị ở đầu âu thuận tiện hợp lý. Loại kết cấu này thường được xây dựng ở những âu tàu có mực nước lớn. Nếu buồng tiêu năng không đủ ta làm thêm những thiết bị tiêu năng khác (thanh tiêu năng, lưới tiêu năng, ngưỡng tiêu năng). 4.3.2. Cấp nước bằng lỗ qua cửa. 4-11
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 4.3.2.1. Loại đơn giản: Loại đơn giản của hệ thống cấp tháo nước bằng lỗ qua cửa bắt đầu dùng khi xây dựng những âu tàu đầu tiên vào nửa sau thế kỷ XV và được phát triển rộng rãi ở Nga với âu tàu có cột nước H nhỏ vào thế kỷ XVIII. Ở những âu này việc làm đầy và tháo cạn buồng âu được tiến hành qua lỗ ở cửa có van điều tiết. Cửa van có thể bố trí thành hàng ngang, số lượng nhiều hay ít, kích thước lớn hay nhỏ tuỳ theo nhu cầu cấp tháo nước. Cửa van có thể là cửa phẳng, cửa quay theo trục đứng, trục ngang hay kéo lên. Cửa van được mở bằng cách đứng trên cầu công tác trên đỉnh cửa âu rồi dùng cần kéo lên (loại này đã được áp dụng ở âu Cổ Am - Nam Hà) Để tránh bị chấn động, cửa van cần được đặt thấp hơn mực nước hạ lưu. Loại kết cấu này có các ưu điểm sau: * Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản, giá thành hạ. - Tường đầu âu mỏng, thích hợp với đầu âu kết cấu bằng gỗ. * Nhược điểm: - Dòng nước cấp tháo chảy mạnh nên ảnh hưởng đến kết cấu của âu tàu và tàu bè đậu trong âu. Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách mở cửa van từ từ hoặc làm thiết bị tiêu năng. Hiện nay loại kết cấu này chỉ dùng ở âu tàu có cột nước H 10m. 4-12
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo mntl mnhl ® Hình 4. 10: Đầu âu dùng buồng và thanh tiêu năng. 1- Cửa âu. 4-Tàu đậu trong âu. 2- Buồng tiêu năng. Lđ: Chiều dài đầu âu. 3- Thanh tiêu năng. Ltt: Chiều dài đoạn nước trấn tĩnh mntl mnhl Hình 4. 11: Đầu âu dùng tưòng và lưới tiêu năng 1- Cửa âu. 3-Lưới tiêu năng. 2- Tường tiêu năng. Với đầu âu dưới ta không bố trí được những thiết bị tiêu năng như trên vì sẽ vướng tàu chạy mà ta chỉ xây ngưỡng tiêu năng (hình 4.12) hoặc xây buồng tiêu năng với thanh tiêu năng cong (hình 4.13). mntl mnhl Hình 4. 12: Hệ thống cấp tháo nước có ngưỡng tiêu năng. 4-13
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 1- Cửa âu dưới. 3-Ngưỡng tiêu năng có răng. 2- Van điều tiết. mntl mnhl Hình 4. 13: Hệ thống cấp tháo nước với thanh tiêu năng cong. 1- Cửa âu dưới. 3-Thanh tiêu năng cong. 2- Van điều tiết. 4-Buồng tiêu năng. 4.4. Hệ thống cấp tháo nước phân tán. Hệ thống cấp tháo nước phân tán là hệ thống cấp tháo nước qua các cống ngầm dọc theo tường hay đáy thân âu. Hệ thống cấp tháo nước phân tán được xây dựng khi cột nước chênh lệch H > 12m. Sự khác nhau cơ bản về kết cấu giữa hệ thống cấp tháo nước tập trung và phân tán là ở hệ thống cấp tháo nước phân tán, cống dẫn nước được bố trí trong tường hoặc đáy buồng âu. Sự khác nhau cơ bản về thuỷ lực giữa hệ thống cấp tháo nước nước tập trung và phân tán là biện pháp cấp tháo nước. * Ưu điểm: - Nước trong âu ổn định, điều kiện đậu tàu tốt (vì dòng nước chảy ra khỏi cống dẫn ở hai tường buồng âu sẽ lệch nhau hướng vào tường đối diện, mặt nước trong âu sẽ có hình lõm do vậy các lực ngang tác dụng lên tàu nhỏ) (Hình 4.14). Hình 4. 14: Hướng của dòng nước cấp tháo khi ra khỏi cửa cống dẫn. * Nhược điểm: - Cấu tạo cống dọc phức tạp, thi công khó. 4-14
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo - Giá thành xây dựng cao. Dưới đây ta xét một số cách bố trí cống dẫn nước của hệ thống cấp tháo nước phân tán. 4.4.1 Bố trí cống dẫn nước trong tường âu: Loại kết cấu này có cống dẫn nằm trong tường dọc suốt thân âu và những cống ngắn chạy vào buồng âu. Bố trí kiểu này sẽ làm cho nước phân bố đều hơn suốt dọc thân âu. Điều quan trọng là bố trí sao cho các cống ngắn so le nhau. Hình 4. 15: Bố trí cống dẫn dài trong tường buồng âu. Thông thường ở hệ thống cấp tháo nước phân tán cống dẫn dài có tiết diện không đổi trên suốt chiều dài buồng âu vì không chỉ phục vụ riêng việc cấp mà cả tháo nước. Để đảm bảo cho sự phân chia đều dòng nước dọc theo chiều dài buồng âu khi cấp nước thì yêu cầu khi thiết kế là: + Các cửa ra có tiết diện bé dần đều đặn theo dòng nước. + Nếu các cửa ra có tiết diện không đổi thì phải tăng dần khoảng cách giữa các cửa ra. Nếu vận tốc cấp tháo nước càng lớn thì sự chênh lệch áp suất thuỷ lực giữa 2 đầu cống dẫn càng lớn. Để cho các kích thước ngang của cống dẫn nhỏ nhất (độ yếu của tường nhỏ nhất) ta chọn vận tốc dòng nước trong cống dẫn lớn nhất. Vận tốc đó không được lớn hơn 8m/s, nếu lớn hơn cống dẫn phải được trát gia cố bề mặt. Nhược điểm lớn của hệ thống cấp tháo nước này là nếu một bên cống hỏng (nghẹt van, van bị hỏng, cống bị hỏng ) thì chỉ một bên làm việc, khi đó tàu đỗ trong âu sẽ bị dạt sang một bên. 4.4.2. Bố trí cống dẫn nước ở đáy âu. Loại này cống dẫn nước xây dọc đáy âu và được đậy bằng những tấm bê tông có bố trí cửa ra. Kết cấu này trước đây chỉ xây dựng trên nền đá, thời gian gần đây người ta xây dựng cả trên nền đất. 4-15
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Hình 4. 16: Bố trí cống dẫn nước ở đáy âu. 1- Cửa âu. 3-Cửa ra. 2- Cống dẫn dọc dưới đáy âu. 4-Van điều tiết. Hình 4. 17: Mặt cắt ngang âu tàu xây trên nền đá và bố trí cống dẫn ở đáy âu. Trong trường hợp chiều rộng buồng âu quá lớn (Bb>24m) thì yêu cầu đối với dòng chảy khi cấp nước không những chỉ phân bố đều theo chiều dài âu mà còn phải phân bố đều theo chiều rộng của âu. Yêu cầu này có thể được giải quyết thoả đáng bằng cách từ các cống dẫn dài trong tường hoặc đáy âu ta bố trí các cống dẫn ngang vuông góc với trục âu ở dưới đáy âu và có các cửa ra song song với trục âu (Hình 4.18, Hình 4.19). A A c¾t a-a Hình 4. 18: Hệ thống cống dẫn dọc và ngang trong tường và đáy âu. 4-16
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Hình 4. 19: Cấp tháo nước với hệ thống cống dẫn dọc và ngang ở đáy buồng âu. Nói chung bố trí cống dẫn nước ở đáy âu có ưu điểm là dòng nước chảy tương đối đều, song cũng có nhược điểm là nước chảy trực tiếp từ đáy âu lên sẽ làmcho tàu lắc (trường hợp cửa ra hướng thẳng góc với đáy âu như trên hình vẽ 4.17, 4.19) 4.4.3. Yêu cầu về cách bố trí cửa ra của cống dẫn nước: Để cho lưu lượng của dòng nước cấp tháo phân bố đều tại các cửa ra suốt dọc buồng âu, dựa trên cơ sở tính toán và thí nghiệm, ta phải thiết kế cửa ra thay đổi theo chiều dài buồng âu (nếu cự ly giữa các cửa ra như nhau). Trong thuỷ lực học chúng ta đã biết nước chảy càng xa thì càng yếu do tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ, do đó tại những cửa ra càng xa nước chảy càng yếu, ta phải mở rộng mặt cắt cửa ra. Đối với cửa ra ở đáy có thể không thay đổi diện tích mặt cắt, mà thay đổi cự ly cửa ra theo chiều dài buồng âu. 4.4.3.1. Cửa ra ở tường: mnhl Hình 4. 20: Cửa ra cống dẫn nước trong tường. Để đảm bảo nước chảy ngập, tránh chấn động, yêu cầu: lr ≥ (3÷ 4) hr (4-24) Trong đó: lr - Chiều dài cửa ra. br - Bề rộng cửa ra. hr - Chiều cao cửa ra. Để tránh trường hợp mở van đột ngột nước đập vào đáy tàu, yêu cầu: hmax ≥ 0,09Bb - (Sb - T) (4-24) 4-17
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Trong đó: hmax - Độ dâng mực nước trong buồng tại thời điểm Q = Qmax. Để đảm bảo sự khuyếch tán của dòng nước cấp tháo trước khi đối lưu (đảm bảo không dậy sóng) yêu cầu: lB ≤ br + 0,17 Bb (4-26) Ở đây: lB - Khoảng cách giữa các cửa ra. 4.4.3.2. Cửa ra ở đáy: Kinh nghiệm khai thác âu tàu cho thấy, dòng nước chảy ra ở đáy có thể làm hỏng vỏ tàu gỗ, hoặc làm cho tàu lắc. Vì vậy tại các cửa ra ở đáy phải được bố trí các tấm che để giảm bớt năng lượng của dòng nước cấp tháo (hình 4.21). Hình 4. 21: Cửa ra ở đáy với tấm che. 1- Cống dẫn dọc. 3- Tấm che. 2- Cửa ra. * Các quy định trên đây được đưa ra dựa trên các nghiên cứu tính toán, thí nghiệm mô hình, nếu không thoả mãn yêu cầu thì phải điều chỉnh thời gian mở van hoặc mở rộng mặt cắt cửa ra. 4.5. Phương pháp cấp tháo nước: Hiện nay ở bất kỳ hệ thống cấp tháo nước nào người ta cũng ứng dụng phương pháp mở van cống dẫn nước liên tục dần dần để đảm bảo điều kiện đậu tàu. Những nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ rằng việc mở van không liên tục điều kiện đậu tàu kém hơn so với cách mở liên tục cùng khoảng thời gian đó. Người ta có thể mở van dần dần, liên tục với vận tốc đều hoặc không đều, nhưng thông dụng nhất là phương pháp mở đều van cống dẫn nước với một vận tốc cố định. Việc chọn vận tốc và thời gian mở van cống dẫn nước được xác định chủ yếu bằng điều kiện đậu tàu. Vì vậy khi cột nước lớn muốn đảm bảo lưu tốc dòng nước trong lòng lạch bé, điều kiện đậu tàu tốt, thì dùng các biện pháp sau: 1. Kéo dài thời gian cấp tháo nước. 2. Xây hệ thống lấy nước bên cạnh âu, biện pháp này sẽ giảm được thời gian cấp tháo nước. Song có nhược điểm là kết cấu và thiết bị phức tạp sẽ làm giá thành xây dựng tăng (hình 4.22). 3. Có thể mở rộng mặt cắt kênh dắt tàu để giảm vận tốc dòng nước lúc cấp tháo nước, làm cho điều kiện đậu tàu được tốt. 4-18
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Hình 4. 22: Sơ đồ hệ thống cáp tháo nước bên cạnh âu. 1- Công trình lấy nước 4- Cống dẫn nước qua phần đắp của âu. 2- Công trình lấy nước 5- Đập đất 3- Cống dẫn dưới đáy buồng âu 4.6. Chọn hệ thống cấp tháo nước: Hệ thống cấp tháo nước hợp lý nhất là hệ thống cấp tháo nước đảm bảo được thời gian cần thiết làm đầy và tháo cạn buồng âu với điều kiện đậu tầu tốt nhất, với giá thành xây dựng âu nhỏ nhất. Vì vậy khi chọn hệ thống cấp tháo nước ta phải dựa vào những điều kiện sau: + Thời gian cấp tháo nước đáp ứng được quy định về khả năng thông qua của âu tầu. + Đảm bảo an toàn cho tàu bè đậu trong âu và trong kênh dắt tầu. + Kết cấu chung của đầu âu và quy mô của âu tầu như H, Lb, Bb. + Khả năng và thiết bị thi công. + Giá thành xây dựng. Theo ý kiến của nhà khoa học Nga Mikhailốp thì: + H 14m: Xây dựng hệ thống cấp tháo nước phân tán sẽ rẻ hơn. + 7 14m: Xây dựng hệ thống cấp tháo nước phân tán - Khi H < 10m: Xây dựng hệ thống cấp tháo nước tập trung. - 10 < H < 14m: Phải so sánh về kinh tế kỹ thuật 2 hệ thống cấp tháo nước phân tán và tập trung để chọn phương án hợp lý. Ngoài cột nước H, khi so sánh lựa chọn hệ thống cấp tháo nước ta còn phải chú ý đến lưu lượng trung bình của dòng nước cấp tháo (Qtb), đồng thời phải xét đến năng lượng trung bình của dòng nước cấp tháo (etb): 4-19
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo V 3 Qtb = (m /s) T etb = γ. Qtb . Htb (kW) (Gần đúng) (4-27) Khi QTB và eTB tương đối lớn thì phải dùng hệ thống cấp nước phân tán. 3 ⎧Qtb > 300m / s Theo Mikhailốp khi ⎨ thì phải xây dựng hệ thống cấp thoát nước ⎩etb > 20.0000kW phân tán. Ghi chú: Trong công thức (3.29) Qtb là lưu lượng trung bình của dòng nước. T - Thời gian cấp tháo nước (giây) V- lượng nước cấp tháo (m3) 4-20
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo PHẦN B: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC 4.7. Khái niệm chung về tính toán thuỷ lực. 4.7.1. Các hiện tượng thuỷ lực xảy ra khi cấp tháo nước: - Khi cấp tháo nước dòng chảy gây ra một lực thuỷ động đối với tầu đậu trong buồng âu và trong kênh dắt tầu, lực đó truyền vào dây buộc tầu, nếu lực kéo trong dây buộc tầu R > Rcf dây sẽ đứt, rất nguy hiểm. - Khi cấp tháo nước ở kênh dắt tầu sẽ có một lưu lượng dòng chảy lớn, vận tốc dòng nước mạnh sẽ gây xói lở ở hạ lưu. - Dòng nước chảy trong cống dẫn có thể gây ra những hiện tượng chấn động hoặc xâm thực. Để khắc phục những hiện tượng bất lợi trên, nhằm làm cho âu và các thiết bị làm việc tốt, tầu bè qua âu an toàn và thuận lợi, ta phải tính toán thuỷ lực âu tầu. 4.7.2. Mục đích tính toán thuỷ lực: Việc tính toán thuỷ lực âu tầu nhằm những mục đích sau: - Xác định kích thước của cống dẫn nước phù hợp với thời gian cấp tháo nước (theo yêu cầu khai thác và điều kiện kỹ thuật). - Định kích thước của thiết bị tiêu năng. - Định ra tốc độ mở van cống dẫn nước. - Định được vị trí đặt van dẫn nước. Phương pháp thông thường là định ra phương án trước (như định ra kích thước cống dẫn nước, kiểu cửa van, phương pháp và thời gian đóng mở cửa van ) rồi kiểm nghiệm lại điều kiện đậu tầu và hiện tượng thuỷ lực phía sau cửa van. Phương pháp khác là có thể định ra các kết cấu có quan hệ như thiết bị tiêu năng (buồng tiêu năng, thanh tiêu năng ) rồi dùng thí nghiệm mô hình để kiểm nghiệm. Căn cứ vào điều kiện đậu tầu cho phép để tìm ra mặt cắt cống dẫn nước, kiểu cửa van và tính toán thời gian đóng mở van. 4.8. Phương trình cơ bản của chuyển động nước trong hệ thống cấp tháo nước âu tầu. Chuyển động nước trong hệ thống cấp tháo nước âu tầu là một chuyển động không ổn định (các yếu tố thuỷ lực như vận tốc v, áp suất p thay đổi theo thời gian) và là chuyển động không đều (các yếu tố thuỷ lực thay đổi theo chiều dài dòng chảy). Nhưng để đơn giản bài toán người ta coi dòng chảy là ổn định. P v 2 P v 2 Từ phương trình Bécnuly: z + 1 + α 1 = z + 2 + α 2 + h + h 1 γ 2g 2 γ 2g c d Giả sử có một cống dẫn nước vòng qua tường với tiết diện thay đổi (hình 4.23). Ta áp dụng phương trình Bécnuly cho 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 ta có: (mặt chuẩn nằmg ngang 0- 0 đi qua mặt phẳng chứa trục cống dẫn nước): 4-21
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2 2 m 2 m P1 v1 P2 v2 vi 1 dvi z1 + + α = z2 + + α + ∑ξ i + ∑li (4-28) γ 2g γ 2g i=1 2g g i=1 dt Trong đó: z1, z2: độ cao hình học của mặt cắt 1-1 và 2-2 (độ cao từ mặt nước đến mặt phẳng chuẩn nằmg ngang) P1, P2: áp suất tại mặt nước 1-1 và 2-2 (= Pa) P P 1 ; 2 γ γ : độ cao áp suất (cột nước áp lực) v1, v2: lưu tốc ở mặt nước do mực nước thay đổi sinh ra. v 2 v 2 α 1 ;α 2 2g 2g : cột nước lưu tốc α- hệ số hiệu chỉnh động năng (còn gọi là hệ số cột nước lưu tốc) α = 2: Nếu vận tốc phân bố theo quy luật Parabol (trạng thái chảy tầng) α = 1,01 ÷ 1,10: Nếu vận tốc phân bố theo quy luật lôgarit (chảy rối) α = 1,0: Dòng rối có kích thước bé α = 1,04 ÷ 1,10: Khi nước chảy trong ống, kênh hoặc máng. ξi- Hệ số sức cản của đoạn thứ i trong cống dẫn (trong đoạn này độ nhám và tiết diện như nhau) m 2 vi hc = ∑ξi i=1 2g : Tổng tổn thất cục bộ m 1 dvi hd = ∑li g i=1 dt : Tổng tổn thất dọc đường v i- Lưu tốc trong đoạn ống dẫn nước i. Hình 4. 23: Kết cấu cống dẫn nước vòng qua tường và chọn mặt cắt cho phương trình Becnuli. Từ phương trình (4-28) ta có: 4-22
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2 2 m 2 m v2 − v1 vi 1 dvi z1 − z2 = α + ∑ξ i + ∑li (4-29) 2g i=1 2g g i=1 dt Trong đó: z1 - z2 = Ht là cột nước chênh lệch tại thời điểm t v 2 − v 2 α 2 1 ≈ 0 2g (bỏ qua vì rất nhỏ) Ta có: m v 2 v 2 1 v 2 h = ξ i = ξ = c ∑ i c 2 i=1 2g 2g μt 2g Với: ξc- hệ số sức cản tổng cộng của hệ thống cấp tháo nước μt - hệ số lưu lượng (ở thời điểm t) ⎛ ω ⎞ d⎜v. ⎟ 1 m dv 1 m ⎜ ω ⎟ 1 m ⎛ ω dv ⎞ 1 dv m ω i ⎝ i ⎠ ⎜ ⎟ hd = ∑li = ∑li = ∑⎜li . ⎟ = ∑ li g i=1 dt g i=1 dt g i=1 ⎝ ωi dt ⎠ g dt i=1 ωi m ω Đặt: lds = ∑ li - chiều dài dẫn suất của cống dẫn i=1 ωi ωi- diện tích tiết diện ngang đoạn cống dẫn đoạn thứ i l dv => h = ds : Cột nước quán tính. d g dt Thay các đại lượng vào (3-31) ta có: 2 1 v lds dv H t = 2 + (4-30) μ t 2g g dt Đây là phương trình cơ bản để tính toán thuỷ lực âu tầu. 4.9. Tính toán kích thước cống dẫn nước và thời gian cấp tháo nước 4.9.1. Trường hợp buồng âu tường đứng, mở van đều, liên tục và chảy ngập: Buồng âu tường nghiêng hiện nay chỉ áp dụng cho các âu có cột nước chênh lệch không lớn trên những sông nhỏ, còn tường buồng những âu tầu hiện đại thường có dạng đứng hoặc có độ nghiêng nhỏ từ 40:1 đến 100:1. Vì vậy trong phần này ta chỉ tính toán cho trường hợp buồng âu tường đứng. Trong thực tế, ở các âu tầu hiện đại để tránh sự phức tạp về thiết bị, người ta ít dùng đồng thời một số hệ thống cấp tháo nước mà hệ số lưu lượng khác nhau rõ rệt. Vì vậy, các công thức tính toán dưới đây chỉ áp dụng cho trường hợp cấp tháo nước buồng âu có diện tích cố định, với việc mở van dần dần liên tục của hệ thống cấp tháo nước. 4-23
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính, tích phân phương trình (4-30) ta có hệ thức sau: t − C μ dt = .2 H − H (4-31) ∫ t ()t 0 ω 2g (Xem diễn giải xác định công thức 4-31 ở phần sau) Trong đó: Ω .Ω C = 1 2 Ω + Ω 1 2 Ω1: diện tích mặt thoáng buồng âu thứ nhất. Ω2: diện tích mặt thoáng buồng âu thứ hai. - Với âu đơn cấp: + Khi cấp nước: Ω1 = ∞: Mặt thoáng kênh thượng lưu Ω2 = Ω: Mặt thoáng trong âu + Khi tháo nước: Ω1 = Ω: Mặt thoáng trong âu Ω2 = ∞: Mặt thoáng kênh hạ lưu Ω .Ω Ta có: C = 1 2 = Ω Ω1 + Ω 2 - Với âu đa cấp: + Khi cấp nước từ thượng lưu vào buồng thứ nhất và tháo nước từ buồng cuối cùng ra hạ lưu thì như trường hợp âu đơn cấp: C = Ω + Khi cấp tháo nước giữa các buồng âu Ω1 = Ω2 = Ω (Mặt thoáng 2 buồng âu như Ω .Ω Ω nhau), ta có: C = 1 2 = Ω + Ω 2 1 2 Lưu lượng trong hệ thống thuỷ lực: Q = ω.μ t 2g.H t (4-32) Chứng minh công thức (4-31): mntl Ω1 Ω2 Hình 4.24: Sơ đồ tính toán kích thước cống dẫn nước và thời gian cấp tháo nước. 4-24
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Từ phương trình cơ bản (4-30), bỏ qua cột nước quán tính ta có: 1 v 2 H t = 2 => v = μ t 2g.H t μ t 2g Mặt khác: Q = ω.v -> Q = ω.μ t 2g.H t (4-32) Q μ t = ω 2g.H => t (1) Dựa vào điều kiện liên tục: khối nước dâng lên Ω2.dy2, khối nước tụt xuống Ω1.dy1 và lượng nước chảy qua cống có tiết diện ω trong khoảng thời gian dt là như nhau, ta có: q.dt = Ω1.dy1 = Ω2 . dy2 Ω .dy Do đó: q = 1 1 (2) dt ⎛ Ω ⎞ ⎜ 1 ⎟ Ta thấy: dH = −()dy1 + dy2 = −⎜1 + ⎟.dy1 : Biến thiên độ chênh cột nước của ⎝ Ω 2 ⎠ Âu bằng tổng lượng biến thiên mực nước thượng lưu dy1 và hạ lưu dy2 nhưng trái dấu. Ω 2 → dy1 = − .dH Ω1 + Ω 2 Ω1.Ω 2 → Ω1.dy1 = − .dH = −C.dH (3) Ω1 + Ω 2 Từ (1), (2), (3) ta có: q Ω1.dy1 − C.dH − C.dH μ t = = = μ t dt = ω 2g.H ω 2g.H .dt ω 2g.H .dt ω 2g.H t t t => t Tích phân 2 vế ta có: t H t H t − C.dH − C −1/ 2 − C μt dt = = . Ht dH = .2()Ht − H ∫ ∫ ω 2g.H ω 2g ∫ ω 2g 0 H t H t − C => μ dt = .2 H − H (4-31) (Công thức cần chứng minh) ∫ t ()t 0 ω 2g Trong đó: H - cột nước chênh lệch ban đầu (lúc t =0) Ht- cột nước chênh lệch tại thời điểm t. Hệ số lưu lượng μt là một hàm của thời gian μt=f(t) và được biểu diễn bằng đồ thị như hình 4.24 4-25
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo μt μ t =f(t) S t O tm T t0 Hình 4. 24: Đồ thị biểu diễn μt = μt(t) T: Thời gian cấp tháo nước xong. tm: thời gian mở xong cửa van t0: thời gian từ lúc mở xong cửa van đến lúc cấp tháo nước xong. 4.9.1.1. Trong khoảng thời gian từ 0 → tm: Ta có thời gian mở van tm là: 2C( H − H m ) tm = (4-33) α.μ.ω 2g Hm- Cột nước chênh lệch tại thời điểm vừa mở xong cửa van Chứng minh công thức (4-33): Từ công thức (4-31) xét cho thời gian 0 → tm ta có: tm − C μ t dt = .2()H m − H = S ∫ ω 2g 0 S Đặt: α = : Hệ số phụ thuộc vào loại cửa van và hệ số μ của hệ thống cấp μ.tm tháo nước. → S = α.μ.tm C ⇒ α.μ.tm = .2()H − H m ω 2g 2C( H − H m ) ⇒ tm = (4-33) (Công thức cần chứng minh) α.μ.ω 2g 4.9.1.2. Trong khoảng thời gian từ tm → T: Ta có thời gian từ lúc mở van xong đến khi cấp tháo nước xong t0 là: 4-26
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 2C H m t0 = (4-34) μ.ω 2g Chứng minh công thức (4-34): Từ công thức (4-31) xét cho thời gian tm →T ta có: T − C μ t dt = .2()0 − H m ∫ ω 2g tm 2C H m ⇒ t0 = T − tm = (4-34) (Công thức cần chứng minh) μ.ω 2g 4.9.1.3. Tính toán thời gian cấp tháo nước T: Ta có toàn bộ thời gian cấp tháo kể từ khi mở van đến khi cấp tháo xong nước là: 2C H T = (4-34) μ.ω 2g ()1− ()1− α km Chứng minh công thức (4-34): Ta có tổng thời gian cấp tháo nước xong hoàn toàn là: T = tm + t0 → t0 = T − tm = T ()1− km t với k = m : Tỷ số giữa thời gian mở van và thời gian cấp tháo nước xong m T t0 2C H m μ.ω 2g → T = = → H m = ()1− km T (1) 1− km μ.ω 2g ()1− km 2C 2C( H − Hm ) 2C Hm Đồng thời ta cũng có: T =tm +t0 = + α.μ.ω 2g μ.ω 2g 2C ⇒T = []H −()1−α Hm α.μ.ω 2g 2C ⎡ μ.ω 2g ⎤ Thay (1) vào ta có: ⇒T = ⎢ H −()1−α ()1−km T⎥ α.μ.ω 2g ⎣⎢ 2C ⎦⎥ μ.ω 2g ⇒ []α+()()1+α 1−km T = H 2C 2C H ⇒ T = (4-34) (Công thức cần chứng minh) μ.ω 2g ()1− ()1− α km 4-27
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Hệ số α phụ thuộc vào loại cửa van và hệ số μ của hệ thống cấp tháo nước, α lấy theo bảng: Bảng 4.2: Giá trị α phụ thuộc vào loại cửa van và hệ số μ Giá trị α với μ của hệ thống C.T.N Loại van μ= 0,4 μ = 0,6 μ = 0,7 μ = 0,8 -Van phẳng (mép dưới nhọn) 0,63 0,49 0,46 0,43 - Van cung 0,64 0,61 0,48 0,46 - Van hình trụ 0,71 0,67 0,64 0,46 - Van quay 0,47 0,43 0,40 0,47 Để đơn giản ta thường lấy α = 0,4, do đó: 4C H T = (4-36) μ.ω 2g ()2 − km Từ (4-36) ta xác định được diện tích tiết diện ngang cống dẫn nước ω (cả 2 bên) 4C H ω = (4-37) μ.T 2g ()2 − km 4.9.2. Trường hợp mở van đột ngột: Nếu mở van đột ngột, tm = 0 => μt = μ = const và ta có: 2C H T = t0 = (4-38) μ.ω 2g 2C H Và ω = (4-39) μ.T 2g Khi tính toán sơ bộ, người ta giải thiết μ = const và lấy như sau: μ = 0,7 ÷0,8: Cấp tháo nước qua lỗ đơn giản: μ = 0,6 ÷ 0,7: Qua ống dẫn ngắn: μ = 0,4 ÷ 0,6: Qua ống dẫn dài: Hệ số km lấy như sau: km = 0,4 ÷ 0,7: với ống dẫn ngắn. km = 0,3 ÷ 0,4: với ống dẫn dài (ở hệ thống cấp tháo nước phân tán) 4.10. Đường đặc tính thuỷ lực. Đường đặc tính thủy lực là đường biểu thị quan hệ giữa thời gian với mực nước, cột nước chênh lệch, lưu lượng, năng lượng trong một đơn vị thời gian của dòng chảy (tỷ năng), tốc độ đóng mở van, hệ số lưu lượng. Nó giúp ta kiểm nghiệm lại điều kiện ổn định trong âu tầu. Do đó trong tính toán thuỷ lực âu tầu, ta cần phải vẽ đường đặc tính thuỷ lực. Công việc này tiến hành ở giai đoạn cuối cùng của công tác thiết kế, khi mà đã chọn kiểu cửa van, thời gian đóng mở van và xác định được các kích thước cơ bản của Âu. 4-28
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo 4.10.1. Nguyên lý xây dựng các đường đặc tính thuỷ lực: Đường đặc tính thuỷ lực bao gồm: - Đường quan hệ giữa tốc độ đóng mở van và thời gian nt = nt(t) - Đường quan hệ giữa hệ số lưu lượng và thời gian μt = μt (t) - Đường quan hệ giữa cột nước chênh lệch và thời gian Ht = Ht(t) - Đường quan hệ giữa mực nước và thời gian yt = yt(t) - Đường quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Q = Q(t) dQ - Đường quan hệ giữa biến thiên lưu lượng và thời gian dQ = dQ(t) dt - Đường quan hệ giữa năng lượng dòng chảy (tỷ năng) và thời gian e=e(t) Và sau đây là nguyên lý xây dựng các đường đặc trưng thuỷ lực: 4.10.1.1. Đường quan hệ giữa hệ số lưu lượng và thời gian μt = μt(t): Thông thường đường này được xác định dựa theo loại van mà hệ thống cấp tháo sử dụng, nếu mở van đột ngột để đạt tới vị trí ổn định thì ta có hệ số lưu lượng là không đổi theo thời gian, nếu mở van từ từ thì thường có một điều kiện nào đấy, ví dụ như để hệ số lưu lượng biến đổi bậc nhất theo thời gian, các trường hợp phức tạp hơn thì xác định giá trị μt ở các thời điểm khác nhau của thời gian t. 4.10.1.2. Đường quan hệ giữa tốc độ đóng mở van và thời gian nt = ntf(t) Mức độ mở van cấp tháo nước quyết định hệ số lưu lượng của đường ống dẫn nước, do đó nếu có cấu tạo van, hệ thống đường ống và hàm μt = μt(t), ta dễ dàng xác định được độ mở của van cũng như tốc độ đóng mở van (đạo hàm bậc nhất của độ mở của van). 4.10.1.3. Đường quan hệ giữa cột nước chênh lệch và thời gian Ht = Ht(t) Từ đường quan hệ μt =μt(t) ta sẽ xác định được đường quan hệ Ht = Ht(t) theo công t − C thức (4-31): μ dt = .2 H − H hay ta có: ∫ t ()t 0 ω 2g 2 ⎛ ω 2g t ⎞ H = ⎜ H − . μ dt ⎟ (4-40) t ⎜ 2.C ∫ t ⎟ ⎝ 0 ⎠ 4.10.1.4. Đường quan hệ giữa thời gian và mực nước yt = yt(t) Khi có sự thay đổi độ chênh mực nước theo thời gian Ht = Ht(t) ta dễ dàng xác định được sự thay đổi mực nước trong Âu theo thời gian yt = yt(t) do thông thường trong quá trình cấp cũng như tháo, mực nước thượng lưu và hạ lưu ổn định. 4.10.1.5. Đường quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Q = Q(t) Kết hợp sự thay đổi độ chênh mực nước Ht = Ht(t) và sự thay đổi hệ số lưu lượng μt = μt(t) ta xác định được sự thay đổi lưu lượng theo thời gian Q = Q(t) theo công thức đã xây dựng (4-32): Q(t) = ω.μ t (t) 2g.H t (t) 4-29
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo Và cũng từ đó đạo hàm bậc nhất đường biến thiên lưu lượng Q = Q(t) ta có Đường quan hệ giữa biến thiên lưu lượng và thời gian dQ = dQ(t) 4.10.1.6. Đường quan hệ giữa năng lượng dòng chảy (tỷ năng) và thời gian e=e(t) Xuất phát từ công thức tính năng lượng trong một đơn vị thời gian: e = γ.Q.H t ta có sự biến thiên năng lượng dòng chảy trên một đơn vị thời gian theo thời gian là e(t) = γ.Q(t).H t (t) Sau đây ta sẽ cụ thể hoá nguyên lý xây dựng các đường đặc trưng thuỷ lực cho hai trường hợp mở van thông dụng trong Âu tàu hiện nay: - Mở van đột ngột - Mở van từ từ để hệ số lưu lượng thay đổi tuyến tính. 4.10.2. Đường đặc tính thuỷ lực cho trường hợp mở van đột ngột: Sau đây ta sẽ xây dựng các đường đặc tính thủy lực cho trường hợp đơn giản nhất: Mở van đột ngột để hệ số lưu lượng tăng đến ngay giá trị lớn nhất μt=μ, ta có: 4.10.2.1. Tốc độ đóng mở van n: Đầu tiên tốc độ đóng mở van sẽ là ∞, sau đó sẽ bằng 0: ⎧∞ khi t = 0 n(t) = ⎨ ⎩ 0 khi t > 0 4.10.2.2. Hệ số lưu lượng: Do mở van đột ngột thời gian mở van tm=0, ta có hệ số lưu lượng tăng đột ngột đến giá trị ổn định: μt = μ = const tức là: μ(t) = μ 4.10.2.3. Cột nước chênh lệch - Mực nước: Theo công thức (4-40) của phần nguyên lý xây dựng đường quan hệ mực nước 2 ⎛ ω 2g t ⎞ chênh lệch với thời gian: H = ⎜ H − . μ dt ⎟ t ⎜ 2.C ∫ t ⎟ ⎝ 0 ⎠ Áp dụng cho trường hợp đang xét là mở van đột ngột ( μ = const) ta có: 2 ⎛ μ.ω 2g ⎞ H (t) = ⎜ H − .t ⎟ (4-41) t ⎜ ⎟ ⎝ 2.C ⎠ Từ đó ta xác định được mực nước trong Âu: - Khi cấp nước: Mực nước thượng lưu ổn định, mực nước trong Âu tăng dần: y1 (t) = y0 + H − H t (t) (4-42) Trong đó: y0- Mực nước ban đầu trong Âu, chính là mực nước hạ lưu. H- Mực nước chênh lệch ban đầu, chính là chênh lệch mực nước thượng lưu - hạ lưu. 4-30
Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước và tính toán thủy lực khi cấp tháo - Khi tháo nước: Mực nước hạ lưu ổn định, mực nước trong Âu giảm dần: y2 (t) = y0 − (H − H t (t)) (4-43) Trong đó: y 0- Mực nước ban đầu trong Âu, là mực nước thượng lưu. H- Mực nước chênh lệch ban đầu. 4.10.2.4. Lưu lượng: Theo công thức tính lưu lượng trong ống cấp tháo nước (4-32): Q(t) = ω.μ t (t) 2g.H t (t) và với công thức vừa xây dựng được ở trên (4-41): 2 ⎛ μ.ω 2g ⎞ H (t) = ⎜ H − .t ⎟ t ⎜ ⎟ ⎝ 2.C ⎠ Áp dụng cho trường hợp mở van đột ngột ( μ = const) ta có: ⎛ μ.ω 2g ⎞ Q(t) = ω.μ 2g ⎜ H − .t ⎟ (4-44) ⎜ ⎟ ⎝ 2.C ⎠ 4.10.2.5. Độ biến thiên lưu lượng: Từ công thức xác địn lưu lượng trên đạo hàm bậc nhất ta có được sự biến thiên lưu lượng trong ống cấp tháo nước: dQ(t) μ 2 .ω2 .g = − = const (4-44) dt C 4.10.2.6. Năng lượng dòng chảy (tỷ năng): Theo như phần nguyên lý đã trình bày ta có năng lượng dòng chảy cấo tháo trong một đơn vị thời gian: 3 ⎛ μ.ω 2g ⎞ e(t) = γ.Q(t).H (t) = γ.μ.ω 2g.⎜ H − .t ⎟ (4-46) t ⎜ ⎟ ⎝ 2.C ⎠ 4-31