Đang tải... (xem toàn văn)
Cửa sập trục dưới được sử dụng phổ biến tại Việt Nam trong xây dựng các cống kiểm soát triều, ngăn mặngiữ ngọt và tiêu thoát lũ. Tại thành phố Hồ Chí Minh cửa sập trục dưới cũng đã được lựa chọn để xây dựng tại một số vị trí làm nhiệm vụ ngăn triều cường, chống ngập cho thành phố. Tuy nhiên trong tính toán lựa chọn thiết bị đóng mở vận hành cửa van, chưa có công thức nào để xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa. Nghiên cứu này trình bày cách xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa trong quá trình vận hành đóng cửa bằng mô hình toán (Flow 3D) kết hợp với số liệu quan trắc thực tế. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho tính toán thiết kế thiết bị đóng mở cửa van kiểu sập trục dưới.
XÁC ĐỊNH ÁP LỰC THỦY ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CỬA VAN CỐNG KIỂU SẬP TRỤC DƯỚI Cao Văn Chan1, Trịnh Cơng Vấn2 Tóm tắt: Cửa sập trục sử dụng phổ biến Việt Nam xây dựng cống kiểm soát triều, ngăn mặn-giữ tiêu thoát lũ Tại thành phố Hồ Chí Minh cửa sập trục lựa chọn để xây dựng số vị trí làm nhiệm vụ ngăn triều cường, chống ngập cho thành phố Tuy nhiên tính tốn lựa chọn thiết bị đóng mở vận hành cửa van, chưa có cơng thức để xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa Nghiên cứu trình bày cách xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa q trình vận hành đóng cửa mơ hình tốn (Flow- 3D) kết hợp với số liệu quan trắc thực tế Kết nghiên cứu sử dụng cho tính tốn thiết kế thiết bị đóng mở cửa van kiểu sập trục Từ khóa: cửa sập trục dưới, áp lực thủy động, thiết bị đóng mở ĐẶT VẤN ĐỀ1 Cửa sập trục loại cửa van cống liên kết với đáy cống lề đáy cửa Ở trạng thái “mở” toàn cửa đặt hốc cửa đáy, dòng chảy qua cống chảy mặt cửa Khi vận hành đóng mở, cửa cống quay theo mặt phẳng thẳng đứng xung quanh trục lề theo phương ngang Thiết bị đóng mở cửa sập thường sử dụng phổ biến xylanh thủy lực tời Các ưu điểm cửa sập trục dưới: Không bị giới hạn bề rộng khoang cống; Không bị giới hạn tĩnh không Cửa không chịu tác động gió vị trí cửa thường xun thấp Cửa khơng nhìn thấy trạng thái mở ảnh hưởng đến cảnh quan khu vực xây dựng cơng trình Cửa van cống làm nhiệm vụ ngăn triều cường chống ngập thường vận hành sau: -Trong thời gian triều khơng có nguy gây ngập, cửa cống mở hoàn toàn cho nước lưu thơng bình thường: cửa van kiểu sập trục nằm vị trí đáy cống -Khi triều cường, cửa cống kéo lên để đóng cửa cống khơng cho nước triều thâm nhập vào khu vực bảo vệ (ví dụ nội thành TPHCM) Học viên Cao học Việt-Bỉ, ĐHTL; PGS.TS Đại học Thủy lợi 32 - Khi triều rút cửa cống hạ xuống vị trí đáy cống để nước mưa tiêu từ khu vực bảo vệ chảy sơng Hình Sơ đồ kết cấu cửa van cống kiểu sập, trục Khi chọn xy lanh vận hành cửa cống cần xác định lực kéo lớn yêu cầu q trình “đóng cửa” Tải trọng tác động lên cửa van vận hành ‘đóng cửa” bao gồm: i Trọng lượng cửa van (G) ii.Áp lực nước động (W) iii.Ma sát lề (R); iv Lực kéo cửa van thiết bị (T) Căn vào biểu thức cân mô men quanh trục quay, yêu cầu lực vận hành thiết bị (hay lực kéo) xác định phương trình tổng quát đây: G * cos * g W * a R * f * r T (1) * cos KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 45 (6/2014) Hình Sơ đồ tải trọng tác động lên cửa van kiểu sập Trong đó: G- trọng lượng cửa van; g – khoảng cách từ trọng tâm cửa đến tâm cối quay; W – tổng áp lực thủy động tác dụng lên cửa van; a – khoảng cách từ điểm đặt tổng áp lực đến tâm cối; R – phản lực sinh cối; f – hệ số ma sát; r – bán kính trục; α- góc hợp mặt phẳng cửa van phương nằm ngang; β- góc hợp phương kéo cửa mặt phẳng cửa van Lực kéo cửa yêu cầu lực kéo lớn xác định suốt hành trình cửa di chuyển từ trạng thái “mở” (nằm ngang) trạng thái ‘đóng” (cửa vị trí đứng) Trong q trình đó, áp lực nước động thay đổi tùy thuộc vị trí cửa van (góc α), vận tốc dòng chảy với hướng đóng cửa (ngăn triều lên) tốc độ kéo cửa thiết bị Trong cách tính tốn thiết kế truyền thống, người kỹ sư thiết kế giả thiết số vị trí cửa van hành trình đóng cửa để xác định tải trọng có áp lực nước lên cửa van Các tính tốn chưa kể đến tốc độ kéo cửa van dẫn tới lựa chọn xylanh thủy lực với khả kéo tốc độ kéo cửa khơng phù hợp Các vị trí cửa van chọn để tính tốn mang tính chủ quan phụ thuộc kinh nghiệm người thiết kế Vì vậy, việc nghiên cứu cách xác định áp lực thủy động tác động lên cửa van suốt trình đóng cửa có ý nghĩa quan trong tính tốn thiết kế cửa van kiểu sập, trục XÁC ĐỊNH ÁP LỰC THỦY ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN CỬA 2.1 Xác định áp lực thủy động lên cửa van số liệu quan trắc thực tế Công tác khảo sát, quan trắc trình vận hành cửa van kiểu sập thực cơng trình xây dựng vận hành cửa sập Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm cống Bình Triệu, cống Thị Nghè cống Gò Dưa Cống Bình Triệu xây dựng đưa vào vận hành từ năm 2005, cống Gò Dưa Thị Nghè xây dựng nằm 2013 Các thông số cống trình bày bảng sau Bảng Các thông số kỹ thuật cửa kiểu sập TPHCM Các thông số kỹ thuật Đơn vị Cao trình ngưỡng Cao trình tâm cối quay Chiều cao cửa (H) Bề rộng cửa (B) Trọng lượng cửa (G) Hành trình xylanh Tổng thời gian đóng Đường kính xylanh Đường kính ngồi piston Vận tốc xy lanh Vận tốc cửa chuyển động m m m m Tấn m phút cm cm m / phút rad/s Các cống ngăn triều Bình triệu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 45 (6/2014) -3.50 -3.85 5.50 20.35 52.00 5.50 16.00 23.6 14.00 0.34 0.0016 Gò Dưa -4.00 -4.35 6.50 17.50 51.00 7.30 12.00 29.20 24.00 0.61 0.0022 Thị Nghè -4.30 -4.30 6.50 22.70 95.50 5.00 8.00 34.80 20.00 0.63 0.0033 33 Hình Cấu tạo xy lanh thủy lực Lực kéo cửa xylanh xác định nhờ với vị trí cửa (α) ta xác định giá quan trắc giá trị áp lực dầu đồng hồ (Δp) trị tổng áp lực nước lên cửa Kết tổng áp lực vào kích thước đường kính thủy động tác dụng lên cửa cống Bình triệu, xylanh (D) đường kính ngồi piston (d) Gò Dưa Thị Nghè thể hình để tính tốn theo biểu thức (2), ζ hệ Kết tính tốn từ số liệu quan trắc cho số tổn thất áp suất dầu xy lanh thấy bắt đầu kéo cửa (góc α=0) tổng áp lực 2 (2) nước lên mặt cửa van (tính bình qn cho 1m bề T * ( D d ) * p *ζ rộng cửa) cống Bình Triệu cống Gò Dưa Mô men quanh trục quay cửa tổng áp lực nhỏ, 1,34 KN/m 4,88 KN/m, nước xác định sở mô men áp lực nước cửa van cống Thị lực kéo cửa, M(T) tổng giá trị mô men Nghè giá trị lên tới 22,88KN Nguyên nhân trọng lượng cửa, lực đẩy lực ma sát, tượng lý giải tốc M(G+E+Fr): độ đóng cửa cống Thị Nghè phút nhanh M(W) = M(T) - M(G + E + Fr) (3) nhiều so với thời gian đóng 16 phút Từ giá trị mơ men áp lực nước M(W) ứng cửa Bình Triệu Cống Bình Triệu Cống Gò Dưa Cống Thị Nghè Hình Tính tốn xác định áp lực thủy động tác động lên cửa van cống vận hành “đóng cửa” 2.2 Sử dụng mơ hình tốn để xác định áp cung cấp cho người sử dụng diễn biến dòng chảy áp lực nước tác dụng lên cửa van lực thủy động tác dụng lên cửa van Mơ hình tốn ba chiều Flow-3D Mỹ với độ xác cao suốt q trình di sử dụng để khảo sát q trình đóng cửa cơng chuyển cửa từ vị trí “mở hồn tồn” vị trí nêu tương ứng với trường hợp tính tốn “đóng cửa hồn tồn” Q trình khảo sát số liệu quan trắc Mơ hình tốn ngồi việc cung mơ hình tốn minh họa hình… cấp kết cách nhanh chóng 34 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 45 (6/2014) Hình Minh họa mơ chuyển động quay áp lực nước tác dụng lên cửa van Kết áp lực thủy động tác dụng lên cửa van cống Bình Triệu, cống Gò Dưa cống Thị Nghè xác định từ khảo sát mơ hình tốn trình bày tóm tắt hình cống Bình Triệu Vận tốc đóng: 1.74e-03 (rad/s) Điều kiện mực nước ban đầu: + Trước cửa: - 0.76(m) + Sau cửa : - 0.76(m) Điều kiện biên mực nước: + Trước cửa: -0.50(m) + Sau cửa: -0.76(m) cống Gò Dưa Vận tốc đóng: 2.18e-03 (rad/s) Điều kiện mực nước ban đầu: + Trước cửa: +1.20(m) + Sau cửa: +1.20(m) Điều kiện biên mực nước: + Trước cửa: +1.30(m) + Sau cửa: +1.20(m) Cống Thị Nghè Vận tốc đóng: 3.27e-03 (rad/s) Điều kiện mực nước ban đầu: + Trước cửa: +0.70(m) + Sau cửa: +0.70(m) Điều kiện biên mực nước: + Trước cửa: +0.80(m) + Sau cửa: +0.70(m) Hình Tổng hợp kết xác định áp lực thủy động tác dụng lên 1m bề rộng cửa van cống Bình Triệu, Gò Dưa Thị Nghè từ mơ hình tốn (kN/m) phương pháp phân tích số liệu thực đo Kết thảo luận Kết áp lực thủy động tác dụng lên cửa thơng qua khảo sát mơ hình tốn trình van cống Bình triệu, Gò dưa Thị Nghè bày hình sau cống Bình Triệu cống Gò Dưa Cống Nhiêu Lộc - Thị Nghè Hình So sánh kết áp lực thủy động tác dụng lên 1m bề rộng cửa van mơ hình tốn số liệu đo (kN/m) Từ kết bảng rút số đóng mở phù hợp Tính tốn truyền thống nhận xét sau đây: xét áp lực thủy tĩnh chưa kể đến tác động (i)Mơ hình tốn (Flow 3D) cho phép xác tốc độ kéo cửa van định áp lực thủy động lên mặt cửa van Tốc độ kéo cửa van (hay thời gian hoàn tất kiểu sập trục phục vụ hữu ích cho việc tính q trình đóng cửa) định toán thiết kế kết cấu cửa van lựa chọn thiết bị người thiết kế chủ yếu dựa vào mong muốn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 45 (6/2014) 35 van khoảng từ 1.63.10-3 đến 2.18.10-3 rad/s phù hợp KẾT LUẬN Hình Áp lực thủy động tác động lên cửa van với tốc độ kéo cửa van khác đóng cửa nhanh để ngăn triều cường Tuy nhiên, tốc độ kéo cửa nhanh dẫn đến áp lực thủy động tăng nhanh đột ngột đòi hỏi khơng u cầu kỹ thuật xylanh mà ảnh hưởng đến độ bền kết cấu nối cửa van xylanh, xylanh trụ pin cống Một mơ hình cống cửa kiểu sập trục với bề rộng cửa 6,5m, chiều cao cột nước H=0,9B khảo sát mơ hình toán với tốc độ kéo cửa khác nhau, đặc trưng vận tốc góc SP (rad/s) 1.63.10-3; 2.18.10-3; 3.27.10-3; 4.36.10-3 Kết trình bày hình… cho thấy tốc độ kéo cửa Xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa van (cửa sập trục dưới) yêu cầu để xác định nâng lực vận hành thiết bị Áp lực thủy động xác định thí nghiệm mơ hình vật lý Tuy nhiên, sử dụng mơ hình tốn để xác định áp lực thủy động phương án hợp lý, nhanh hiệu Các kết xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa van mơ hình tốn kiểm định số liệu đo đạc cho thấy sai khác mơ hình kết đo khơng nhiều, sử dụng mơ hình tốn mơ nhiều kịch vận hành đóng cửa khác để xây dựng biểu đồ áp lực thủy động tiêu chuẩn Wo tác dụng lên cửa sập dạng trục Mô hình tốn Flow-3D tiếp tục sử dụng để nghiên cứu hệ số hiệu chỉnh áp lực thủy động để xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa van (cửa sập trục dưới) cho thiết kế hệ thống vận hành cửa TÀI LIỆU THAM KHẢO ADUARD NAUDASCHER, Hydraulic structure design manual-hydrodynamic force, University of Karlsruhe, Germany, 1991 Dr S Van Baar, H.K.T Kuijper e.al, Manual for structural hydraulic engineering, Delft University of Technology, January 2003, Paulo C F Erbisti, Design of Hydraulic gates, Lisse, the Netherlands, 2004 EM 1110-2-2703, Lock gates and Operating Equipment, 30th June 1994 Abstract: DETERMINATION OF THE HYDRODYNAMIC LOAD ON BOTTOM AXIAL FLAP GATES Flap gates are widely used in Vietnam in building tidal sluices for water control, saltwater prevention and flood drainage In Ho Chi Minh City Flap gates have been installed in locations to protect land and people from tidal flood However, there is no formula available for determinationg hydrodynamic pressure on the gates This study shows how to determine the hydrodynamic pressure on the gates during closing operation by mathematical model (Flow-3D) combined with the site monitoring data The research results can be used for flap gate design calculations and selection of the operating equipments Key words: Flap gates, Hydrodynamic load Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng 36 BBT nhận bài: 19/6/2014 Phản biện xong: 18/7/2014 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 45 (6/2014) ... cách xác định áp lực thủy động tác động lên cửa van suốt q trình đóng cửa có ý nghĩa quan trong tính tốn thiết kế cửa van kiểu sập, trục XÁC ĐỊNH ÁP LỰC THỦY ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN CỬA 2.1 Xác định áp. .. hình… cho thấy tốc độ kéo cửa Xác định áp lực thủy động tác dụng lên cửa van (cửa sập trục dưới) yêu cầu để xác định nâng lực vận hành thiết bị Áp lực thủy động xác định thí nghiệm mơ hình vật... tốn xác định áp lực thủy động tác động lên cửa van cống vận hành “đóng cửa 2.2 Sử dụng mơ hình tốn để xác định áp cung cấp cho người sử dụng diễn biến dòng chảy áp lực nước tác dụng lên cửa van