MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú và đa dạng. Từ xa xưa con người đã có những giải pháp công trình thủy lợi để kiểm soát, điều phối nguồn nước nhằm thỏa mãn cho những mục đích dân sinh và các hoạt động kinh tế xã hội khác nhau. Điều này ngày càng trở nên đáng quan tâm hơn khi mà nhu cầu sử dụng nước như cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản, thủy điện và bảo vệ môi trường đang gia tăng nhanh chóng, cũng như trong bối cảnh các hoạt động khác của con người và Biến đổi khí hậu – Nước biển dâng đang ảnh hưởng mạnh mẽ đến hệ thống nguồn nước.
Vùng đồng bằng ven biển Việt Nam, đều là các vùng đất trù phú và có tiềm lực kinh tế từ nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên đây thường là các vùng đất có địa hình bằng phẳng, cao độ thấp lại chịu tác động của biên độ thủy triều lớn, mặt cắt lòng sông lớn, do đó hàng năm vào mùa kiệt khi dòng chảy thượng nguồn các con sông về hạn chế, xâm nhập mặn vào sâu trong nội đồng và lan truyền phần lớn diện tích đất đặc biệt là vùng đất phía Nam của Việt Nam. Những năm gần đây tính phức tạp của xâm nhập mặn càng lớn trước tác động của BĐKH-NBD và sự phát triển ồ ạt các đập thủy điện trên thượng nguồn sông Mê Công như ở Trung Quốc có khoảng 23.200 MW và Việt Nam 2. Hậu quả của xâm nhập mặn ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của người dân địa phương cũng như các hoạt động khác.
Việc kiểm soát nước ở khu vực ảnh hưởng của thủy triều luôn là bài toán có tính thời sự, đặc biệt hiện nay vùng ĐBSCL có tốc độ phát triển kinh tế xã hội cao và được coi là trọng điểm xuất khẩu nông thủy sản của cả nước. Trong những năm qua được sự quan tâm của Nhà nước, nhiều hệ thống công trình KSN được đầu tư xây dựng trong đó phải kể đến hệ thống công trình thủy lợi Cái Lớn – Cái Bé thuộc loại lớn ở khu vực Đông Nam Á gồm cống Cái Lớn (11 khoang cống B = 40 m và 1 khoang âu thuyền B = 15 m), cống Cái Bé (2 khoang cống B = 35 m và 1 khoang âu thuyền B = 15 m) và một số hạng mục công trình khác, hệ thống công trình vừa mới 1 hoàn thành giai đoạn 1 và đưa vào sử dụng trong năm 2021. Hệ thống công trình chống ngập khu vực thành phố Hồ Chí Minh gồm có cống Mương Chuối (4 khoang cống B = 40 m) và cống Phú Xuân, cống Cây Khô, cống Tân Thuận đều có bề rộng khoang cống B = 40 m. Theo quy hoạch thủy lợi đến năm 2030 sẽ đầu tư xây dựng nhiều công trình KSN khác như cụm công trình ven biển Tây, cụm công trình vùng Quản Lộ - Phụng Hiệp gồm hệ thống cống Nam kênh Chắc Băng (từ Láng Trâm đến Ngàn Dừa), hệ thống phân ranh mặn ngọt dọc bờ nam kênh Quản Lộ - Phụng Hiệp và cụm công trình cống ven sông Hậu bao gồm 7 cống kết hợp đê kiểm soát xâm nhập mặn từ cửa Trần Đề (Rạch Saintard, Rạch Mọp, Mỹ Hội, Rạch Vọp, Cái Trâm, Cái Cau, Cái Côn), dự án quản lý nước Bến Tre, dự án phát triển thành phố Cần Thơ, dự án công trình kiểm soát nguồn nước Nam Sông Hậu, dự án công trình kiểm soát nguồn nước kênh Nguyễn Tấn Thành và bờ hữu sông Vàm Cỏ Tây… [4].
Do điều kiện tự nhiên như đã trình bày ở trên, các công trình KSN vùng cửa sông ven biển đòi hỏi có nhịp lớn, đóng mở không thường xuyên, làm việc hai chiều, chịu tác động của dao động mực nước triều nên cần lựa chọn loại hình cửa van phù hợp. Thực tế đã chứng minh, một trong những loại hình cửa van đáp ứng tốt các yêu cầu trên là cửa van kéo đứng nhịp lớn. Về mặt nguyên lý làm việc đối với loại cửa van này giống như cửa van phẳng kéo đứng thông thường nhưng hình thức kết cấu rất đa dạng để đáp ứng yêu cầu nhịp lớn. Lúc này cửa van không chỉ làm việc như thiết bị cơ khí thủy công mà còn làm việc như một kết cấu thép không gian nhịp lớn.
Vì vậy khi tính toán thiết kế cần phải có sự kết hợp hài hòa giữa các yêu cầu về cơ khí và kết cấu hoặc độ bền và độ cứng. Những năm gần đây cửa van kéo đứng nhịp lớn với bản mặt chắn nước dạng phẳng kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép không gian đã được áp dụng khá phổ biến tại Việt Nam trong các công trình đập dâng nước, đập ngăn mặn, cống ngăn triều và có thể coi là thành công bước đầu, đã làm chủ công nghệ từ thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành điển hình như công trình cống Cái Lớn, cống Cái Bé, cống Mương Chuối, đập dâng sông Trà Khúc. Về cơ bản hình thức kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép như cửa van trong công trình sông Ems của Đức, chỉ thay đổi một chút về kết cấu dàn chịu trọng lượng phía hạ lưu, chỉ có thanh đứng hoặc kết hợp cả thanh đứng và thanh xiên. Việc áp dụng hình thức này trong các cửa van công trình KSN ở Việt Nam đã đem lại nhiều lợi ích cả kinh tế và kỹ thuật.
Tuy nhiên với điều 2 kiện làm việc đặc thù của các công trình KSN vùng cửa sông ven biển ở Việt Nam, hình thức kết cấu này đã thực sự hợp lý về mặt chịu lực hay chưa cần phải được làm rõ để từ đó có những thay đổi phù hợp. Khi tính toán kiểm tra các cửa van đã được thiết kế hiện nay thường có hệ số dự trữ độ bền khá lớn và chênh nhau khá nhiều giữa các bộ phận làm cho trọng lượng cửa van lớn so với yêu cầu chịu lực dẫn đến giá thành cửa van tăng lên, các chi phí liên quan như chế tạo, lắp đặt, vận chuyển, thiết bị vận hành cửa, hệ thống treo cửa, đỡ cửa cũng phải lớn hơn. Ngoài ra để khẳng định sự thành công của loại hình kết cấu này vẫn cần phải trải qua thực tiễn một thời gian và chứng minh bằng cơ sở khoa học về các vấn đề có liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu cửa van như lựa chọn hình thức kết cấu, tối ưu hóa kết cấu, độ bền, độ cứng và tuổi thọ của cửa van trong điều kiện cụ thể vùng ảnh hưởng của thủy triều với tính đặc thù địa phương khác so với các cửa van tương tự trên thế giới. Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu hình thức kết cấu hệ dàn cửa van kéo đứng nhịp lớn phù hợp cho vùng ảnh hưởng của thủy triều sẽ đóng góp vào hệ thống lý luận khoa học chuyên ngành cũng như cung cấp cho các nhà thiết kế những công cụ cần thiết để có thể tính toán cho các công trình có điều kiện tương tự.
Mở rộng hơn nữa, sự thành công của đề tài nghiên cứu sẽ góp phần đẩy nhanh việc khai thác hiệu quả tài nguyên đất và nước vùng ven biển cả về kỹ thuật và kinh tế. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong điều kiện làm việc hai chiều. Nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi hình thức kết cấu thanh bụng xiên của dàn chính đến độ bền và độ cứng của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi cửa van làm việc ở trạng thái đóng. Nghiên cứu ứng xử của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi chịu tác dụng của tải trọng động đất có xét đến tác dụng tương hỗ của khối nước trước và sau cửa van đang ở trạng thái đóng.
Nghiên cứu tuổi thọ mỏi của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi chịu tác dụng của dao động mực nước trước và sau cửa van. Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu Kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép không gian của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong công trình kiểm soát nước vùng triều đã, đang và sẽ được xây dựng tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu Hình dạng và kích thước hệ dàn ống thép của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong công trình kiểm soát nước vùng triều đã, đang và sẽ được xây dựng tại Việt Nam với biên độ chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu cửa van nhỏ từ 1,0 ÷ 2,5 m và cửa van làm việc ở trạng thái đóng.
Tải trọng động tác dụng lên cửa van là gia tốc động đất. Tuổi thọ mỏi của cửa van theo tuổi thọ mỏi của mối nối chân dàn chính với dầm biên. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về cửa van nhịp lớn; Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn chính cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn phù hợp với điều kiện làm việc hai chiều; Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình toán để tính toán tối ưu kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn; Ứng dụng tính toán cho một công trình điển hình vùng triều có xem xét đến tương tác động lực học của khối nước trước và sau cửa van khi chịu tác dụng của tải trọng động đất và tuổi thọ mỏi của cửa van khi chịu tác dụng của dao động mực nước trước và sau cửa van. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.
Cách tiếp cận Để đạt được mục tiêu nghiên cứu tác giả lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo, phù hợp với điều kiện Việt Nam, cụ thể: Tiếp cận kế thừa có chọn lọc kinh nghiệm, tri thức, cơ sở dữ liệu đã có liên quan đến luận án và tiếp thu công nghệ: (i) Tiếp thu, ứng dụng công nghệ tiên tiến ở 4 nước ngoài, xem xét, chọn lọc một số công nghệ tiên tiến phù hợp vùng nghiên cứu, trong đó chủ yếu tiếp thu về các giải pháp kết cấu công trình và ứng dụng các mô hình toán; (ii) Kế thừa các nghiên cứu trong nước cũng như tận dụng những kết quả từ các dự án nghiên cứu trước đó trong vùng nghiên cứu dự án, tạo nền tảng và điểm xuất phát thực hiện những phương pháp và công nghệ tính toán mới; (iii) Tổ chức hội thảo, lấy ý kiến chuyên gia, sử dụng kinh nghiệm thực tiễn về chuyên môn và quản lý tích lũy nhiều năm để giải quyết các nhiệm vụ cụ thể đặt ra trong quá trình thực hiện luận án.