www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC MỘT SỐ TỒN TẠI Ở CỬA VAN CƠNG TRÌNH PHÂN LŨ ĐẬP ĐÁY The causes and solusions to make good one’s shortcoming some exist in the gate of the Day dam PGS TS Đỗ Văn Hứa, PGS TS Vũ Thành Hải, ThS Lê Đình Phát, ThS Vũ Hồng Hưng Đại học Thuỷ lợi Hà Nội Tóm tắt: Cơng trình đập Đáy phân lũ cho Hà nội xây dựng cách 70 năm Đến cửa van cơng trình xuất nhiều tượng ăn mòn, nứt mối hàn, tiếng kêu Dựa vào kết khảo sát trường phân tích trạng thái diễn biến ứng suất chuyển vị trình vận hành, báo nêu nguyên nhân đưa giải pháp khắc phục Cơng trình đập Đáy với nhiệm vụ chống lũ cho Hà Nội làm việc 70 năm Đến cơng trình xuống cấp nên nẩy sinh nhiều tượng cần nghiên cứu Trong cửa van - phận quan trọng cơng trình – vận hành nẩy sinh nhiều tồn xuất tiếng kêu, nứt mối hàn, cửa van bị lệch đóng mở Bài báo phân tích ngun nhân từ kết khảo sát trường tính tốn lý thuyết mơ hình Đó sở để đưa giải pháp khắc phục I Mở đầu Cơng trình phân lũ đập Đáy xây dựng từ năm 1934 khánh thành năm 1937, cách 70 năm nhằm phòng chống lũ cho thành phố Hà Nội Cơng trình có cửa, cửa rộng 33,75m cao 5m Người Pháp thiết kế loại cửa van có kết cấu mới, lần xây dựng giới - Cửa van mái nhà, với hình thức đóng mở tự động thuỷ lực Q trình khai thác sử dụng, cơng trình trải qua thử nghiệm sử dụng thoát lũ thực tế cho thấy nhiều vấn đề kỹ thuật tồn cần phải khắc phục Năm 1975 nhà nước Việt Nam cải tạo, nâng cấp cơng trình đập Đáy phần kết cấu cũ để đáp ứng nhiệm vụ đảm bảo làm việc an tồn cho cơng trình, đảm bảo u cầu phân lũ cho Thủ Hà Nội với lưu lượng 5000m3/s (hình 1) Gần đóng mở cửa van xuất tượng báo hiệu xuống cấp công trình cần nghiên cứu Rõ rệt tượng phát “tiếng kêu”, nứt mối hàn ăn mịn …” Để tìm ngun nhân tượng tiến hành khảo sát ăn mòn, đo độ võng dọc đỉnh van, chuyển vị giàn chống xoắn, độ đồng trục 17 cối lề cửa số và đo biến dạng dầm gối lề Kết hợp với số liệu khảo sát thực tế sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm SAP2000 để thiết lập mơ hình tính tốn tìm trạng thái ứng suất, biến dạng phận cửa van, nhằm tìm nguyên nhân phát sinh số tượng tồn cửa van đập Đáy www.vncold.vn www.vncold.vn Dàn chống uốn www.vncold.vn Bản mặt hạ lưu Dầm Giàn chống xoắn +13.9 Bản mặt thượng lưu +8.8 Dàn đỡ II Dàn đỡ I +6.36 10.5m Hình II Phân tích diễn biến nội lực 2.1 Diễn biến ứng suất lớn nhỏ mặt hạ lưu Cửa van đóng mở theo cấp cao trình: 9.0, 10.35, 11.7, 12.9, 13.9 Bài báo giới thiệu trường hợp có diễn biến ứng suất chênh lệch lớn đỉnh van cao trình 13,9m Trường hợp đỉnh van CT+13.90m: Phổ ứng suất S11 S22 mặt cửa van số trọng lượng thân, thể thể hình hình Ứng suất S22max, S22min mặt van mở cân lệch cho bảng Bảng Ứng suất S22max,min (daN/cm2) mặt cửa van (CT+13.90m) Mở cân Cấu kiện Mở lệch) (+) Bản mặt thượng lưu Mặt tràn hạ lưu (-) (+) (-) 196,58 - 113,54 541,1 - 154,5 43,41 - 95,25 600,93 - 640,09 www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn Hình Phổ ứng suất pháp S22 mở cân (CT+13,9m) Các trường hợp khác, đỉnh cửa van cao trình +12.90, +11.70, +10.35, +9.00m, phổ ứng suất có dạng tương tự Cịn diễn biến ứng suất mặt biểu diễn hình Hình – Phổ ứng suất pháp S22 mở lệch (CT+13.90m) Nếu để cửa van mở lệch ứng suất S11max trung bình phần tử mặt tràn hạ lưu tăng lên gấp lần so với mở cân cao trình đỉnh van 13.9m Khi bắt đầu kéo van ứng suất S11 măt thượng lưu chênh tới 4,6 lần, sau chênh lệch giảm dần Nhận xét: Từ hình cho thấy, trường hợp kéo lệch (L), mặt xuất chênh lệch ứng suất rõ rệt Ở mặt hạ lưu, lên cao chênh lệch ứng suất S22 lớn, mặt thượng lưu lên cao ứng suất nhỏ Ở cao trình +13.90m, mặt tràn hạ lưu chênh lệch ứng suất S22 lớn hai đầu van Sự chênh lệch ứng suất cho thấy mặt cửa van bị vặn 2.2 Diễn biến ứng suất lớn nhỏ dầm Trường hợp đỉnh van cao trình+13.9m, mở cân phổ ứng suất pháp S22 trọng lượng thân dầm cửa van số cho hình 5; mở lệch phổ ứng suất pháp S22 dầm cho hình Kết tính ứng suất dầm điểm có giá trị ứng suất kéo ứng suất nén lớn nhất, thống kê bảng www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn Ứng suất (daN/cm2) Diễn biến ứng suât S22 m ặt hạ lưu m cân lệch 1000 500 S22max C S22min C -500 10.35 11.7 12.9 13.9 S22max L S22min L -1000 Độ m (m ) Diên biến ứng suất S22 mặt thượng lưu mở cân lệch 3000 ƯS (daN/cm2) 2000 S22max C 1000 S 22min C -1000 10.35 11.7 12.9 13.9 S22max L S 22min L -2000 -3000 Độ mở (m) Diễn biến ứng suất S11 mặt thượng lưu mở cân lệch Ứng suất (daN/cm2) 1500 1000 S11max C 500 S 11min C S11max L -500 10.35 11.7 12.9 13.9 S 11min L -1000 Độ mở (m) Diễn biến ứng suất S11 mặt hạ lưu mở cân lệch ƯS (daN/cm2) 600 400 200 -200 10.35 11.7 12.9 -400 -600 Mức dộ mở (m) Hình 13.9 S11max C S 11min C S11max L S 11min L www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn (9) (3) (1) Hình Phổ biểu đồ ứng suất pháp S22 dầm mở cân Hình Phổ biểu đồ ứng suất S22 dầm mở lệch 92mm Bảng Kết tính tốn ứng suất pháp (daN/cm2) dầm số 17 đỉnh van CT+13.90 Sô TT Cấu kiện dầm Mở lệch Mở cân (+) (-) 576.4 -2889.4 496.67 -367.27 Bản cánh hạ 4130.5 -2044.9 85.50 -78.18 Bản bụng dầm 1219.23 -1071.33 219.48 -259.43 Cánh thượng S11 (-) Cánh thượng S22 (+) 140.2 -457.9 200.00 -132.2 Bản cánh hạ 828.77 -950.16 55.42 -38.82 1698.47 -1474.88 279.95 -360.45 Bản bụng dầm www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn Các trường hợp khác, đỉnh cửa van cao trình +12.90, +11.70, +10.35, +9.0m có phổ ứng suất tương tự Chênh lệch ứng suất lớn nhỏ dầm số 17 trường hợp mở cân ( C ) lệch (L) biểu diễn hình Nhận xét: Trong dầm cánh có ứng suất pháp dọc theo dầm có giá trị lớn, vị trí dầm thay đổi tiết diện ứng suất S22 = 4615.6daN/cm2 Bản cánh có mặt tham gia chịu lực với dầm nên ứng suất nhỏ S22 = -2889.4daN/cm2, bụng có S11 = -1474.88daN/cm2 Chênh lệch ứng suất S11 cánh hạ dầm m cân lệch Ứng suất (daN/cm2) 2000 S11maxC 1000 S11minC -1000 10.35 11.7 12.9 13.9 -2000 S11max L S 11min L Độ m (m ) Chênh lệch ỨS S22 bụng dầm m cân lệch Ưng suất (daN/cm2) 2000 S22maxC 1000 S22minC -1000 10.35 11.7 -2000 12.9 13.9 S22max L S 22min L Độ m (m ) Hình 2.3 Diễn biến nội lực lớn nhỏ giàn chống xoắn (GCX) Giàn chống xoắn hệ thép hình hàn với khung chính, coi kết cấu chủ yếu để chống xoắn cho cửa van (Hình 8) Hình Khi mở cân, kết tính tốn cho thấy lực dọc xuất tất giàn, lực dọc lớn chủ yếu chéo ngang hai đầu giàn (Hình 9) Ngồi lực dọc cịn xuất mô men xoắn Trong thực tế khảo sát cho thấy mối hàn bị nứt tách tập trung hai phía đầu cửa van (hình 8) www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn A B C D 11 13 15 17 Hình Biểu đồ lực dọc giàn chống xoắn (mở cân) E' A B C F E D 11 13 15 17 Hình 10 Biểu đồ lực dọc giàn chống xoắn (mở lệch) Khi mở lệch, kết tính tốn cho thấy lực dọc tương đối lớn có tất (Hình 10) Do cửa van mở lệch nên biểu đồ lực dọc khơng cịn đối xứng mà đầu phía cao lực dọc lớn đầu thấp Khu vực giàn xuất nội lực lớn Nội lực đứng nhỏ Vì cửa số mối hàn bị nứt tập trung khu vực xiên GCX (hình 11) H×nh 11 Nhận xét: Trong giàn giàn chống xoắn chịu lực lớn nhất, bụng xiên có lực dọc lớn khoảng giàn Nmax = 629kN Nmin = -611kN Thanh bụng đứng có lực dọc lớn hai đầu giàn Nmax = 716kN Nmin = -639kN Kéo lệch làm cho cửa van chịu xoắn nguyên nhân sinh nội lực lớn nhiều giàn Qua kết tính tốn chuyển vị cho thấy nút giàn thuộc giàn chống xoắn có chuyển vị lớn dẫn đến xé rách mối hàn, điều phù hợp với kết khảo sát trường nứt mối hàn www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn 2.4 Diễn biến phản lực gối lề Phân bố phản lực Rx Rz mở lệch cao trình a/ Phản lực (kN) 600 400 200 -200 10 11 12 13 14 15 16 17 Rx(kN) Rz(kN) -400 Gối lề b/ So sanh phản lực gối m cân lệch Phản lực (kN) 600 500 400 R1C 300 R1L 200 100 10.35 11.7 12.9 13.9 Độ m (m ) Hình 12 Theo kết tính tốn cửa van kéo lên cao phản lực gối lớn Sự phân phối phản lực lên gối lề mở lệch không đều, gối lề hai đầu chịu lực lớn gối trong, gối lề số có Rxz=550kN, gối lề số 17 có Rxz=600kN lớn lần giá trị phản lực gối lề số có Rxz=90kN Sự phân bố khơng phần khả chống xoắn cửa van nhỏ III Nhận xét giải pháp đề xuất Từ kết nghiên cứu cho thấy : - Ứng suất ứng suất cục mặt hạ lưu lớn Khi mở van bị lệch ứng suất mặt hạ lưu tăng gấp lần, ứng suất mặt thượng lưu tăng gấp 4,6 lần Sự tăng ứng suất mặt cửa van bị vặn Bản mặt thượng lưu nhờ bố trí hệ dầm phụ ngang dầy (700mm) lại có măt cong nên khơng phát tiếng kêu, cịn mặt hạ lưu bố trí dầm ngang thưa (1000mm) nên tiếng kêu phát nhiều - Trạng thái ứng suất phức tạp dầm khác đầm cho thấy cửa van bị uốn vặn theo hai phương làm cho dầm chịu lực khác www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn - Khi mở cân lệch nội lực giàn chống xoắn khác nhau, van mở cân hai đầu có nội lực lớn, cịn mở lệch xiên giàn có nội lực lớn, vị trí nứt mối hàn phân bố giàn chống xoắn Vì cần giảm tượng xoắn cho cửa van, giải pháp giảm nội lực giàn chống xoắn, có tác dụng làm cho việc phân phối phản lực gối lề Sau số giải pháp khắc phục: - Cân chỉnh cửa để giảm độ lệch Cửa van đóng mở tời điện thông qua hệ thống puly để giảm lực căng cáp Quá trình vận hành hàng chục năm cáp chịu ảnh hưởng thời tiết, độ giãn nở sợi cáp khác Khảo sát kỹ hệ thống cáp cho thấy nhiều sợi cáp nhỏ sợi cáp lớn bị đứt Mặt khác, việc mắc cáp ban đầu khơng thể đảm bảo hồn tồn cân được, tượng lệch cáp không tránh khỏi Vì thiết kế cho phép chênh lệch 10cm Nhưng quy định khơng thể rõ ảnh hưởng đến chuyển vị biến dạng phận Sau ba mươi năm cửa van bị ăn mòn, khả chịu lực bị giảm nên mở lệch cửa van có ảnh hưởng đến trạng thái chịu lực cửa Việc cân chỉnh để đảm bảo cửa van đóng mở cân tuyệt đối khơng thể làm được, cho phép có độ chênh để tránh gây tượng tồn cần xác định thơng qua tính tốn Vì giải pháp khắc phục lệch đề xuất sau: + Cân chỉnh cáp hàng năm để đảm bảo độ lệch cho phép, không để ảnh hưởng tới sự làm việc an toàn cửa van Cần xác định lại độ chênh cho phép hai đầu van vận hành + Có thể nghiên cứu thay đổi phương pháp đóng mở sử dụng piton Phương án đòi hỏi phải sửa đổi kết cấu cầu công tác số phận khác - Gia cố gối lề Do gối lề số chủ yếu chịu lực đẩy lớn từ thượng lưu hạ lưu gây nên ứng suất kéo lớn mép cánh thượng lưu thép chữ I chôn vào bê tơng cốt thép tràn, để giảm nhỏ ứng suất kéo này, phương án dùng thép nối từ cánh thượng lưu thép chữ I 190x100 tới đáy hầm van nằm theo mái hạ lưu hầm van (xem hình 13) Thanh gia cố làm thép chữ I Vì chiều dài lớn 3,2m, để tăng ổn định cho chịu nén, bố trí giằng Do gối lề số ngồi chịu lực đẩy lớn từ phía thượng lưu hạ lưu cịn có lực đẩy ngang Fx = -20.56 (kN); hai gia cố chỗi để chịu lực Fx Kết tính tốn Phần mềm SAP thể hình 14 cho thấy với tăng cường thêm gia cố, ứng suất thép I gối lề chơn bê tơng giảm đáng kể cịn khoảng 61% so với chưa có gia cố (hình 14) Góc nghiêng gia cố đặt chọn khoảng từ 5o ~ 7o so với www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn phương dịng chảy có cao khả chịu lực gối ổn định gia cố f Thép chữ I ▼6,25 2215 Hình 13 Hình 14 ▼3,95 www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn - Gia cố giàn chống xoắn Các mối hàn giàn chống xoăn bị rách nứt nhiều nhất, giải pháp đề xuất sau: + Đối với chịu lực nén lớn cần hàn bổ sung đệm đảm bảo đệm cách L1 < 40r11 nén nhỏ L1 < 80r11 kéo (Hình 15a) a) b) • • L1 Hình 15 - Đối với chịu mô men xoắn lớn cần hàn thêm thép làm tăng chiều dầy cánh thép ghép hai thép góc (Hình 15b) - Hàn bổ sung chống đứng vị trí nút giao hoa thị để giảm chiều dài tính tốn ngồi mặt phẳng giàn Ví dụ xét AB, mặt phẳng giàn chiều dài tính tốn AB , ngồi mặt phẳng gian chiều dài tính tốn AB ; thêm đứng vào nút giao hoa thị A B chiều dài tính tốn ngồi mặt phẳng giàn AB Như thêm chống đứng hạn chế chuyển vị theo phương thẳng đứng GCX A • • • • B • • • • • • • • • • Hình 13 Vị trí bổ xung đứng - Gia cố mặt hạ lưu Qua theo dõi nhiều đợt vận hành cho thấy: + Tiếng kêu xuất vùng mặt tràn hạ lưu mà không thấy xuất mặt thượng lưu Khi cối lề ngập cửa van vận hành cao, tiếng kêu xuất bình thường, điều chứng tỏ tiếng kêu khơng phát từ cối lề thường đặt + Khi vận hành cửa van mà giàn chống xoắn ngập nước tượng tiếng kêu xuất tiếng kêu êm hơn, điều chứng tỏ nứt mối hàn www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn cựa mối hàn giàn chống xoắn tạo tiếng kêu bị môi trường nước ngăn cản + Khi vận hành cửa van mà giàn chống xoắn khơng ngập nước tượng tiếng kêu xuất to, điều chứng tỏ nứt mối hàn cựa mối hàn giàn chống xoắn tạo tiếng kêu phát vọng lên mặt tràn hạ lưu, âm phóng đại Qua tượng nêu cho thấy nguyên nhân xuất tiếng kêu do: + Do hệ dầm phụ mặt tràn hạ lưu đặt thưa, khoảng cách dầm phụ ngang 1000mmm, gần gấp đôi khoảng cách quy định (50-60 chiều dầy mặt) Ở mặt thượng lưu hệ dầm phụ đặt dầy 700mm lại có dạng mặt cong, tiếng kêu sẩy mặt hạ lưu ứng suất ô mặt lớn Điều sẩy cửa van bị mở lệch + Khi nứt, rách mối hàn tạo giải phóng lượng phát tiếng kêu Tiếng kêu phóng đại đặc điểm cấu tạo cửa van đập Đáy Dầm gia cố Hình 14 Nguyên nhân sâu xa tượng tăng ứng suất mặt, nứt tách mối hàn giàn chống xoắn số cấu kiện cửa van bố trí kết cấu chưa hợp lý, lại luôn làm việc trạng thái mở lệch nên tạo mơ men xoắn Vì cần: + Bổ sung thêm dầm phụ ngang phần mặt tràn (Hình 14): Khoảng cách dầm phụ 1000mm, cần bổ sung thêm dầm phụ ngang để khoảng cách dầm phụ 500mm ( tương ứng với 50 lần chiều dầy mặtphù hợp với quy định bố trí dầm) Sự bổ sung dầm phụ giảm ứng suất mặt, tăng khả ổn định, giảm tiếng kêu số lượng cường độ www.vncold.vn www.vncold.vn www.vncold.vn IV Kết luận Tìm nguyên nhân tượng sẩy vận hành cửa van đập Đáy vấn đề nêu từ nhiều năm Bài báo phân tích có sở khoa học để tìm nguyên nhân đưa giải pháp khắc phục tượng tồn nhằm sử dụng cơng trình an tồn phân lũ Tài liệu tham khảo Các báo cáo kỹ thuật biên bản, tài liệu nghiệm thu công trình đập Đáy hàng năm Phân lũ sơng Đáy tập I, IV Viện thiết kế thủy lợi thủy điện 1976 Tiêu chuẩn thiết kế cửa van thép công trình thủy lợi thủy điện Bộ thủy lợi nước Cộng hòa Nhân dân Trung hoa 1995 Kết cấu thép thủy cơng NXB thủy lợi Hồng hà (Trung quốc) 2006 Kết đo đạc phản lực gối lề cửa van đập Đáy 5/2000 PGS.PTS Đỗ văn Hứa, ThS Nguyễn Hoàng Hà, KS Vũ Hoàng Hưng, Đại học Thủy lợi Ảnh hưởng ăn mòn kim loại đến khả chịu lực cửa van thép cơng trình thủy lợi Tuyển tập khoa học cơng trình thủy lợi 11- 2004 ThS Hồng Anh Giang Theo dõi tình trạng kết cấu cơng trình biến dạng nhiệt tự nhiên Tạp chí Khoa học cơng nghệ xây dựng Số năm 2004 PGS PTS Đỗ văn Hứa, PGS TS Vũ Thành Hải Sổ tay kỹ thuật thủy lợi, tập Kết cấu thép kết cấu gỗ Hà Nội 2003 GS TS Nguyễn Văn Lệ Xây dựng phần mềm tính tốn kết cấu cơng trình thuỷ lợi Hội nghị nghiên cứu ứng dụng tin học toàn cầu 2004 10 GS.TS Nguyễn Văn Lệ, PGS Vũ Thành Hải Thẩm định cống lấy nước, đập tràn cơng trình thuỷ điện Srêpơk + 4/2007 Work of the Day dam with flood prevention task for Hanoi has worked for 70 years Presently the project has already degrading should arise some phenomena - the operation hassome exist appear as noise, welding crack The article will analyze the causes from the survey results and the theoretical calculations on the model That is the reason to offer solutions to repair  ... xoắn Vì cần giảm tượng xoắn cho cửa van, giải pháp giảm nội lực giàn chống xoắn, có tác dụng làm cho việc phân phối phản lực gối lề Sau số giải pháp khắc phục: - Cân chỉnh cửa để giảm độ lệch Cửa... gối trong, gối lề số có Rxz=550kN, gối lề số 17 có Rxz=600kN lớn lần giá trị phản lực gối lề số có Rxz=90kN Sự phân bố khơng phần khả chống xoắn cửa van nhỏ III Nhận xét giải pháp đề xuất Từ kết... van đập Đáy vấn đề nêu từ nhiều năm Bài báo phân tích có sở khoa học để tìm nguyên nhân đưa giải pháp khắc phục tượng tồn nhằm sử dụng cơng trình an tồn phân lũ Tài liệu tham khảo Các báo cáo