Lai dắt thùng chìm trong xây dựng công trình biển

LAI DẮT THÙNG CHÌM TRONG XÂY DỰNG CÔNG<br /> TRÌNH BIỂN<br /> PGS.TS. Hå SÜ Minh<br /> Trường Đại học Thủy lợi<br /> <br /> Tóm tắt: Sóng, dòng, tốc độ di chuyển tàu kéo sẽ làm cho thùng chìm chuyển động đứng và<br /> ngang ở các dạng nhấp nhô, quay, bồng bềnh, lắc lư. Để tính toán các chuyển động đó, sử dụng<br /> phương pháp hàm Response và số liệu đo trong mô hình vật lý.<br /> <br /> 1. Giíi thiÖu  - Đặc trưng biên độ, được xác định:<br /> Một giai đoạn quan trọng trong xây dựng f (t   )<br />   a e (2)<br /> công trình biển bằng thùng chìm trọng lực là<br /> kéo thùng từ nơi chế tạo đến vị trí công trình. <br /> Trong đó: tga  <br /> Để xác định được công suất tàu kéo, góc kéo 1  2<br /> phối hợp giữa các tàu với nhau để đưa thùng a 1<br /> vào vị trí, cần tính toán lực kéo, tốc độ di f  (3)<br /> chuyển hợp lý, trong điều kiện vùng biển có<br />  st (1  <br /> )  2  2 2 2<br /> <br /> sóng, dòng rất phức tạp. Nội dung trình bày st - Góc dao động tĩnh lực,<br /> dưới đây, cùng với bài “Neo giữ và đánh chìm<br /> st = M a c   b a c<br /> caisson (thùng chìm) trong xây dựng công trình<br /> biển”(cùng số của tạp chí) là một phần quan  - Hệ số cộng hưởng,<br /> trọng trong tổ chức thi công thùng chìm, mà    e ,  - Tần số sóng<br /> thực tiễn ở nước ta chưa thực hiện.<br /> c<br /> 2. Néi dung e  - Tần số sóng ngẫu nhiên, có thể tính<br /> 2.1. Chuyển động thùng chìm khi kéo, đẩy a<br /> Trong quá trình kéo, đẩy thùng chìm, có hai  GM<br /> dạng chuyển động xẩy ra: chuyển động thẳng e  . Đối với thùng chìm có khối hộp<br /> k<br /> đứng và chuyển động ngang do sóng và lực kéo,<br /> lực đẩy của các tàu dắt. Chuyển động thẳng đứng k = (0.45 - 0.55)B<br /> nhấp nhô , chuyển động ngang đu đưa, lắc lư   - đặc trưng pha .<br /> theo trục ngang và nhấp nhô theo trục dọc, quay<br /> theo trục đứng.Tất cả chuyển động này là do lực Phương trình vi phân chuyển động quay tịnh tiến:<br /> tổng hợp của sóng, dòng, trọng lực và áp lực đẩy d 2x dx<br /> ax 2<br />  bx  c x x  F (t ) (4)<br /> nổi thùng chìm. Phương trình vi phân dao động dt dt<br /> thùng chìm do sóng tác dụng theo hướng chuyển Trong đó:<br /> động của thùng chìm một góc  là: F(t) - Lực tác dụng theo thời gian.<br /> d 2 d (1)<br /> a  b  c   M (t )  M a cos(t    ) a x , bx , c x - Hằng số<br /> dt 2 dt<br /> Trong đó: Coi trường sóng trong tự nhiên gồm những<br /> M (t ) - Moment gây chuyển động do sóng. sóng đơn hình sin có chu kỳ, pha và biên độ<br /> a - Hệ số thủy động khối lượng phần chìm riêng. Trường sóng được đặc trưng bởi phổ<br /> bao gồm cả phần nước bị chiếm chỗ, b - hệ số<br />  <br /> năng lượng: S h ( ) m 2 s . Phổ chuyển động phụ<br /> thuộc phổ năng lượng và hằng số kích tần.<br /> thủy động tắt dần, c - hệ số thủy tĩnh hồi phục.<br /> R( )m / m<br /> <br /> <br /> <br /> 110<br />  S X ( )  R 2 ( ).S h ( ) m 2 s   (5)<br /> 4,5<br /> (phương W)<br /> <br /> <br /> Để xác định biên độ chuyển động trong   <br /> <br /> <br /> <br />     v = 1,0 m/s<br /> phạm vi cho phép, sử dụng phương pháp mức  <br />     v = 1,5 m/s<br /> bảo đảm theo phân bố Rayleigh và thu thập số <br />     v = 2,0 m/s<br /> <br /> liệu trong mô hình vật lý:<br /> a2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Cw = W/12.v2.A<br /> 2 m0<br /> P (  a )  e (6)<br /> <br /> Trong đó: m0 là phần diện tích nằm dưới<br /> đường cong phân phối S <br /> <br /> <br /> tc  0.135  2 m0 hoặc P(  tc )  13.5% <br /> <br /> .<br /> <br /> Dưới đây là một số kết quả thí nghiệm của<br /> Delft Hydraulics Laboratory về hệ số sức cản <br /> khi kéo thùng ứng với độ sâu nước, lưu tốc và<br /> góc  khác nhau, hình 1,2,3,4 <br />       <br /> §é s©u (m)<br /> <br /> Hình 3. Hệ số sức cản phụ thuộc độ sâu.<br />  (phương W)<br /> 2,0<br /> ®é s©u 7.25m<br /> ,, ,, 8.25m<br /> ,, ,, 15.0m<br /> ,, ,, 30.0m<br /> <br /> <br /> 1,5<br /> Hình 1. Kéo thùng chìm<br /> C L = L/12.v2.A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1.8 <br /> C w = W/12.v2.A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> 1.6<br /> 1.4 1,0<br /> 1.2<br /> 1.0<br /> 0.8<br /> 0.6<br /> 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5<br /> v (m/s)<br /> 4.4  0,5<br /> ®é s©u 7.25m   90<br /> 4.2 ,, ,, 8.25m<br /> ,, ,, 15.0m<br /> 4.0<br /> ,, ,, 30.0m<br /> 3.8<br /> 3.6<br /> Cw = W/12.v2.A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.4 0<br /> 3.2 0 15 30 45 60 75 90<br /> 3.0  (®é)<br /> 2.8<br /> 2.6<br /> Hình 4. Hệ số sức cản phụ thuộc góc kéo (phươngL)<br /> 2.4 w L<br /> 2.2 cw  cL <br /> 1 2 1 2<br /> 2.0 v A v A<br /> 1.8 2 2<br /> 1.6<br /> 1.4<br /> Trong đó:<br /> 1.2 CW - Hệ số sức cản thùng chìm kéo ngược.<br /> 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5<br /> v (m/s) CL - Hệ số sức cản khi thùng chìm kéo ngang<br /> Hình 2. Hệ số sức cản phụ thuộc lưu tốc L - Lực kéo ngang thùng chìm (kN)<br /> <br /> <br /> 111<br />  W - Lực kéo dọc thùng chìm (kN) dạng thùng và số Reynolds.<br /> v - Lưu tốc dòng (m/s) A - Diện tích phần trên mặt nước (do gió) và<br /> A - Diện tích phần chìm cản nước khi kéo (m2). phần dưới nước (do dòng) (m2).<br />  - Khối lượng riêng của nước (kg/m3) -3 2<br /> dV dt = 5.10 m/s (do gió),<br /> -3 2<br /> Khi kéo, ghép nối (hình 5) và neo giữ thùng dV dt = 0,3.10 m/s (do dòng)<br /> chìm (hình 6), lực do gió và dòng đều phải tính 2) Lực do sóng:<br /> thành 2 phần: lực quán tính và lực kéo: 1 coshk ( z  d )<br /> P   gz  gH cos(kx  t ) (10)<br /> F = F1 + F2 (7) 2 cosh( kd )<br /> Trong đó: Trong đó:<br /> dv z - Trục đứng tính từ mực nước M.S.L trở lên.<br /> F1: lực quán tính, F1  C m V (8)<br /> dt H - Chiều cao sóng (m)<br /> F2: lực kéo, F2  C d Av 2 (9) 2<br /> k- số sóng, k  (rad/m)<br /> 2.2. Lực tác dụng <br /> 1) Lực do gió và dòng:  - chiều dài bước sóng (m)<br /> d- chiều sâu đáy tính từ z= - d (m)<br /> x - trục ngang theo hướng truyền sóng.<br /> Ví dụ: Tính ổn định, chuyển động, lực tác<br /> dụng lên thùng chìm (ví dụ tính như cho một tàu<br /> thủy) có các thông số sau: m= 45.106 kg, kích<br /> thước L*b*d=150*30*15 m. (hình 7)<br />  Tính ổn định:<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5: Kéo, ghép thùng chìm<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Các thông số tính ổn định<br />  Chuyển động thùng chìm<br /> Giả sử K   15m thì  e  0.468 s 1   và<br /> Te  13.4 s . Nếu sóng có chu kỳ 5s thì<br /> <br />   1.257 ,    2.69 . Trường hợp chỉ có<br /> Hình 6: Neo giữ thùng chìm cuối cùng e<br /> Trong (8) và (9): 2H<br /> sóng hướng ngang,  st  kH  .<br /> a <br /> Cm = - Hệ số quán tính, là tỷ số giữa  Tính lực: Cũng ví dụ trên, với Cd= 1.4 và<br /> m<br /> khối lượng thùng chìm a (kg) và khối lượng Cm=1.2, Các lực tác dụng được tính như sau:<br /> nước thùng chìm chiếm chỗ m (kg). 2<br />  - Khối lượng riêng của nước khi tính lực do = (rad/s),<br /> T<br /> dòng, của không khí khi tính lực do gió (kg/m3). T- chu kỳ sóng (s).<br /> V - Thể tích nước bị chiếm chỗ (m3). Tích phân hữu hạn (10) từ z=D đến z=0, ta<br /> v - Tốc độ gió hoặc lưu tốc dòng (m/s). có lực tác dụng lên thùng chìm do sóng:<br /> Cd - Hệ số cản lực , phụ thuộc độ nhám, hình<br /> <br /> <br /> <br /> 112<br />  1 1 H Nếu 