Van cửa, van cổng và thiết bị các công trình kiểm soát mặn vùng đồng bằng sông Cửu Long

I. Vấn đề về van cửa phẳng

Van cửa phẳng tự động đóng mở (dạng cánh cửa) của các cống kiểm soát mặn hiện nay đã và đang áp dụng rộng rãi ở vùng ĐBSCL và các vùng ảnh hưởng triều khác trong cả nước. Trong đó cơ chế vận hành là van cửa phẳng tự động đóng mở theo chu kỳ con nước thông qua qui trình quản lý vận hành cống trong từng mùa vụ.

Những cửa van tự động đầu tiên đã được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt ở vùng ĐBSCL vào những năm đầu của thập kỷ 90 do nhà máy chế tạo cơ khí 276 và Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện. Cho đến nay gần như 100% các cống kiểm soát mặn hiện hữu (là đối tượng nghiên cứu nâng cấp) đều có chung cơ chế vận hành. Khẩu độ cửa van (B) phổ biến từ 2,5m ÷ 10,5m.

Theo kịch bản nước biển dâng được công bố và theo khuyến cáo lựa chọn, nhóm nghiên cứu chọn kịch bản nước biển dâng ở mức trung bình để tính toán thiết kế (đến năm 2050 mực nước biển tăng 30cm, 2075 tăng 50cm và năm 2010 tăng 75cm). Với yêu cầu này nhận thấy rằng: các cửa van hiện tại hầu hết đã có chiều cao mạn khô (từ mực nước max đến đỉnh cửa) tối thiểu là 0,3m ÷ 0,5m do đó:

– Đối với các công trình có chiều cao mạn khô hiện hữu là 0,3 m thì cần phải nâng cấp và thay cửa vào những năm 2030, cho dù kết cấu chịu lực của cửa van cổng có thích ứng với chênh lệch cột áp mới do nước biển dâng.

– Đối với các công trình có chiều cao mạn khô hiện hữu là 0,5 m thì cần phải nâng cấp và thay cửa vào những năm 2050, cho dù kết cấu chịu lực của cửa van cổng có thích ứng với chênh lệch cột áp mới do nước biển dâng.

Để tính toán nâng cấp cửa van cổng và thiết bị, căn cứ vào sự khác nhau về đặc điểm thủy văn, thủy lực và cơ chế vận hành vùng ĐBSCL chúng tôi chia cống kiểm soát mặn làm 2 loại: (1) Các công trình dưới đê biển Đông, bao gồm: Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu và phía Đông Cà Mau và (2) Các công trình dưới đê biển Tây, bao gồm: Kiên Giang và phía Tây Cà Mau.

II. Tính toán kiểm tra kết cấu của cửa van cổng tự động với các kịch bản biến đổi khí hậu.

1. Tính toán đối với các cống dưới đê vùng biển Đông.

Điều kiện đầu vào phục vụ tính toán kiểm tra

– Kịch bản nước biển dâng: Kịch bản 1 (KB1) nước biển dâng 30cm; kịch bản 2 (KB2) nước biển dâng 75cm.

– Loại cửa kiểm tra: Cửa tự động hai chiều, công trình kiểm tra đại diện là công trình Cống Láng Thé, tỉnh Trà Vinh (10 cửa tự động hai chiều có BxH = 10,5m x 7,2m; DH= 2,6m)

– Các tổ hợp mực nước và các thông số của công trình thủy công hiện trạng và các kịch bản nước biển dâng như sau:

Bảng 1. Các thông số thiết kế cửa van cổng Láng Thé

Kết quả tính toán kết cấu

Bảng 2. Kết quả tính toán kiểm tra cho cửa van cổng Láng Thé.

2. Tính toán đối với các cống dưới đê cùng biển tây.

Các điều kiện đầu vào phục vụ tính toán kiểm tra:

– Kịch bản nước biển dâng: cũng giống như kịch bản tính cho các cống dưới đê bao vùng biển Đông ĐBSCL.

– Loại cửa kiểm tra: Van cửa tự động hai chiều, công trình đại diện: Cống Cái Tre, tỉnh Kiên Giang (công trình có bố trí 03 cửa tự động hai chiều có BxH = 8m x 5m DH = 1,14m).

– Các tổ hợp mực nước và các thông số của công trình thủy công hiện trạng và các kịch bản nước biển dâng như sau:

Bảng 3. Các thông số phục vụ tính toán

Kết quả tính toán kết cấu

Bảng 4. Kết quả tính toán kiểm tra cho cửa van vùng biển Tây

Hình 2. Mô hình cửa tự động 2 chiều cống Cái Tre

Một số nhận xét chung:

Từ kết quả tính toán ở trên cho thấy:

Với kịch bản 1:

– Do chiều cao van cửa không cần tăng cao thêm nên cao trình dầm đỡ ray cho cầu trục cũng không cần nâng cao. Tuy nhiên về tải trọng tác dụng lên trụ pin do chênh áp tăng và tải trọng nâng cửa có gia tăng so với cũ (ban đầu) nên cần kiểm tra lại độ bền của trụ pin, khung cột dàn cầu trục, dầm đỡ ray cầu trục.

– Về kết cấu van cửa theo hiện hữu: Đối với các cửa van dưới đê vùng biển Đông, kết cấu cửa một số dầm có thể giữ nguyên tiết diện vì khả năng chịu lực vẫn hoàn toàn đảm bảo, một số dầm cần thay đổi tiết diện dầm do không còn đủ khả năng chịu lực, còn đối với các cửa van dưới đê ven biển Tây khi KB1 xảy ra cửa vẫn hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực được và thích ứng được với BĐKH. Do đó khi cửa cũ hết tuổi thọ có thể thay cửa mới có kết cấu như hiện hữu cho đến năm 2050.
Với kịch bản 2:

– Cao trình mực nước biển dâng theo KB2 đã vượt qua cao trình đỉnh cửa, do đó bắt buộc chiều cao cửa và đỉnh trụ pin phải được nâng cao. Qua các số liệu về mực nước biển max, cửa cần phải nâng cao thêm 0,75m. Việc nâng cấp, thay mới cửa tự động trên cơ sở khe cửa hiện có và phần kết cấu bê tông nằm trong nước là hạn chế thay đổi nên có thể thực hiện được.

– Nếu là van cửa cổng thay mới: Về phần kết cấu thủy công, phải nâng cao dầm cầu trục đảm bảo chiều cao nâng-hạ cửa van (hình ….), kiểm tra lại khả năng chịu lực của kết cấu dàn van. Về khe van cổng vẫn sử dụng được khe cửa hiện hữu, chỉ phải kéo dài thêm khe cửa (do nâng cao đỉnh trụ pin). Máy đóng mở cần tính toán lại lực nâng do áp lực nước tăng, trọng lượng cửa van tăng, đối chiếu khả năng chịu tải của máy đóng mở hiện hữu để từ đó đưa ra quyết định cho việc thay thế. Riêng đối với kết cấu cánh cửa do thay đổi về kích thước hình học cũng như áp lực nước dẫn đến kết cấu thay đổi. Việc thay đổi cụ thể do tư vấn thiết kế quyết định.

– Nếu là cửa nâng cấp: Giải pháp này không khả thi do phải tháo bỏ gần như toàn bộ cửa cũ, sau đó lại chế tạo lại, việc làm này có thể còn đắt hơn chế tạo mới cửa van.

Hình 3. Nâng cao bộ phận trụ pin và dầm công tác

III. Kết luận.

Việc nâng cấp cửa van cổng và thiết bị cũng như các bộ phận khác của từng công trình căn cứ vào các điều kiện cụ thể của công trình như: nhiệm vụ, chế độ thủy văn, thủy lực, tuổi thọ công trình, tuổi thọ cửa van cổng và trên nguyên tắc tận dụng tối đa kết cấu hiện hữu. Trong giới hạn nghiên cứu của bài báo đã tính toán kiểm tra kết cấu cho một số cửa van cổng tự động đại diện cho 2 vùng biển Đông và biển Tây để có cơ sở bố trí kết cấu cửa van nâng cấp và làm mới theo các kịch bản nước biển dâng.

Thực tế tuổi thọ của cửa van khoảng 10 ÷ 20 năm (trừ các cửa van bằng vật liệu thép không gỉ), như vậy trong quá trình thực hiện việc thay cửa, ngoài việc tính toán thiết kế đảm bảo ổn định theo quy trình, quy phạm hiện hành cần bổ sung thêm các điều kiện về chênh lệch mực nước để tính toán kiểm tra nhằm chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu – nước biển dâng đồng thời đảm bảo thích nghi với điều kiện sản xuất và môi trường.

Cửa van cổng tự động thủy lực dạng cánh cửa được lựa chọn áp dụng cho vùng ĐBSCL một cách rộng rãi do đặc tính kỹ thuật riêng của nó đó là khả năng ngăn mặn, gạn triều-cải tạo chua phèn. Tuy nhiên, cơ cấu sản xuất nông nghiệp vùng ven biển ĐBSCL hiện nay đã và đang có những thay đổi, từ ngọt hóa hoàn toàn để sản xuất lúa chuyển sang nuôi trồng thủy sản nước lợ hoặc xen canh lúa – tôm (nước mặn). Nhu cầu nước phục vụ cho sản xuất là cần một lượng nước mặn nhất định vào những thời điểm nhất định (phải khống chế cả về chất và lượng). Với cửa cổng tự động một chiều hiện nay không thể lấy mặn được, với loại cửa tự động 2 chiều có thể lấy mặn khi có nhu cầu, tuy nhiên vì là cửa đóng mở tự động thủy lực nên không thể kiểm soát được mặn (chất và lượng) theo yêu cầu. Do vậy, song song với việc nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cấp cửa van nhằm ứng phó với BĐKH cũng cần phải nghiên cứu đề xuất một số giải pháp đóng-mở cưỡng bức cửa van thay thể một phần hoặc toàn bộ cửa van tự động hiện nay nhằm chủ động lấy nước mặn đáp ứng yêu cầu sản xuất (nội dung này chúng tôi sẽ đề cập trong một bài báo khác).