7.2.1. Vận tải trên đường thuỷ nội địa 1. Sử dụng đường thủy nội địa
Ảnh hưởng của giao thông thủy nội địa ở các nước khác nhau là rất khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào vị trí địa lý và nền kinh tế. Mặc dù là khó khăn để có được số liệu chính xác về các phương pháp đăng ký vận chuyển hàng hóa khác nhau trên đường thủy nội địa (tất cả hàng hóa hay hàng hóa riêng cho một quốc gia) và những khó khăn trong việc phân biệt giữa giao thông thủy ven biển và giao thông thủy nội địa ở một số nước. Bảng 71 đưa một ít số liệu tổng quan (tính đến năm 1992) của một số nước cho cả hai giá trị thực tế ( chiều dài đường thủy và khối lượng vận tải thủy) và các điều kiện để so sánh với vận chuyển đường sắt và vận chuyển đường bộ (Savenije, 2000).
Bảng 7-1. Số liệu về vận chuyển hàng hóa trên đường thủy nội địa ở các nước Tên nước Chiều dài
đường thủya
Vận tải bằng đường thủy Tỷ lệ trong tổng công suất vận chuyển
(km) Khối lượng ( 106t/năm)
Sản lượng (109t km
/năm)
Khối lượng (%)
Sản lượng (%)
Úc 358 7 1,5 1,7 1,2
Bỉ 1513 90 5,1 17,7 10,7
Bungari 470 1 0,8 1,0 6,0
Trung Quốc 107800 312 57,0 14,4b 8,7b
CH Séc 303 7 3,0 3,1 3,6
Phần Lan 6245 2 2,0b 0,4 1,4
Pháp 5817 71 8,6 3,6 3,4
Đức 6291 230 57,2 18,7 19,1
Hungari 1464 9 1,5 2,9 20,9
Ý 1366 1 0,1 1,0b 0,4b
Hà Lan 5046 262 33,6 32,2 43,5
Ba Lan 3805 8 0,7 0,6 0,7
Rumani 1779 6 1,9 0,7 4,0
LB Nga c 34167 233 95,2 6,3 3,1
Slovakia 422 3 0,8 1,0 6,6
Thụy Sĩ 21 9 0,1 1,7 0,3
258
Anh 1192 6 0,2 0,3 0,1
Ukraine 3647 41 8,2 0,8 1,8
Mỹ 20573d 639 234,0b 10,6b
Chú thích:
a. Chiều dài thường xuyên sử dụng
b. Không có giá trị cho năm 1992, số liệu cho 198083 c. Phần Châu Âu của Nga
d. Trên 40000 km bao gồm đường ven biển nội bộ (Hilling,1999) 2. Hệ thống kéo đẩy và xà lan chở hàng
Xà lan có thể tự hành hoặc kéo đẩy bằng tầu. Hình thức ban đầu của hệ kéo bằng giá đỡ đã được thay thế bằng máy kéo diesel hay máy kéo bằng điện chạy trên kênh, hay các động cơ trên đường ray dọc theo kênh. Trên các kênh lớn hơn, phương pháp vận tải thủy truyền thống dùng tầu lai dắt, kéo một số xà lan, đã hầu hết được thay thế vào năm 1970 bằng cách điều khiển một nhóm xà lan bằng thuyền đẩy (mục 7.1.2). Sự phát triển này chủ yếu là dựa vào các ưu điểm của hệ thống kéo đẩy tầu.
1. Lực cản của một tầu đẩy xà lan thấp hơn tầu kéo có cùng tải trọng, do đó nó có thể hoặc là tăng tốc độ vận tải hoặc có thể giảm nhiên liệu tiêu thụ.
2. Đoàn thủy thủ trên tầu ít hơn về số lượng, do đó việc bố trí công việc và điều kiện sống của đoàn thủy thủ được cải thiện, chi phí vận hành giảm.
3. Chi phí đầu tư thấp hơn trên 40% so với tầu kéo.
4. Việc kiểm soát và tiện ích toàn bộ tầu được cải thiện, độ an toàn của nó được tốt hơn.
Những ưu điểm của công nghệ phát triển tầu đẩy với kích thước tầu có thể vận hành trên đường thủy và các âu thuyền mà không bị gián đoạn. Kích thước của tầu đẩy thay đổi tùy theo tính chất của đường thủy (mục 7.1.2); trên một số vùng lớn hơn (ví dụ phần hạ du của sông Mississippi) 48 xà lan dùng hệ kéo đẩy với tầu kéo sử dụng công suất trên 5000kW là phổ biến (Petersen, 1986).
Với sự phát triển thương mại quốc tế, sự vận chuyển hàng hóa liên châu lục giành được sự quan tâm ngày càng tăng trên những đường thủy chính. Sau khi có sự phát triển nhanh chóng của vận tải côngtơnơ, các phương pháp tiên tiến của vận tải quốc tế theo cách vận tải các côngtơnơ, được gọi là xà lan chở hàng, đã bắt đầu khẳng định được vị trí của chúng (Kubec,1981).
Hệ thống này được dành tất cả cho việc vận chuyển hàng hóa mà người gửi và người nhận nằm trên đường thủy vận tải ở các châu lục khác nhau. Các xà lan được gom lại trên đường thủy nội địa đưa vào các tầu, được vận chuyển qua biển bởi các hãng hàng hải chuyên dụng có trang bị các thiết bị bốc dỡ hàng riêng (hệ thống xà lan trên tầu thủy – LASH).
259
Sự phát triển hơn nữa là kết nối hàng hải trực tiếp với giao thông thủy nội địa bằng cách sử dụng các tàu pha sôngbiển có kích thước tối đa cho phép thâm nhập vào đường thủy nội địa, đôi khi thực hiện việc trao đổi ở cảng nội địa các xà lan chở hàng nội địa và giao thông trên biển (chẳng hạn Duisburg ở Đức) (Hilling, 1999). Các đề nghị tiêu chuẩn hóa cho tầu và đường thủy nội địa cho vận tải sông/biển (PIANC,1996) được đưa ra năm 1997 dẫn đến sự thành lập Hiệp hội vận tải sông – biển Châu Âu (ERSTU).
7.2.2. Kênh hóa các sông và kênh giao thông nội địa 1. Kênh hóa các sông
Một con sông chảy tự do có thể được cải tạo bằng một chuỗi các đập cùng với âu thuyền. Kênh hóa trở nên cần thiết xuất phát từ quan điểm vận chuyển nếu như sông chảy tự do có chiều sâu quá nhỏ và vận tốc quá lớn làm cản trở tàu thuyền qua lại.
Những ưu điểm của hệ thống kênh hóa như sau: có cơ hội phát triển nguồn nước đa mục đích;
đủ độ sâu cho vận chuyển trong suốt cả năm, ngay cả thời kỳ dòng chảy trong sông nhỏ; giảm được vận tốc dòng chảy; tăng chiều rộng của đường thủy; đi lại trên sông an toàn và rẻ hơn;
giảm yêu cầu bảo vệ bờ và tu sửa (so với sông tự điều tiết). Những nhược điểm chính là chi phí vốn cao, cần thiết phải bảo vệ đất liền kề, các vấn đề thoát nước, sự chậm trễ của giao thông do đi qua các âu thuyền, có thể có sự lắng đọng bùn cát phía thượng lưu.
Vùng thượng lưu sông của hầu hết các con sông vận tải lớn đã được cải tạo hoặc trong quá trình cải tạo. Chiều cao riêng của các bậc thang ảnh hưởng đến chiều cao của đập, phụ thuộc vào mực nước, thay đổi lớn về điều kiện thủy văn, địa hình, địa chất, nhưng thường là từ 5 đến 15m.
2. Kênh giao thông nội địa
Kênh giao thông có thể được sử dụng để đi tắt qua đoạn sông có điều kiện giao thông khó khăn và có thể được sử dụng đồng thời với một hay nhiều đập được đặt cách xa nhau trong trường hợp sông được kênh hóa. Ngoài ra, kênh giao thông cũng được dùng để nối 2 lưu vực sông. Khi đó chúng đòi hỏi điểm lấy nước vào phù hợp, thường có kết cấu điều chỉnh dòng chảy riêng biệt và âu thuyền.
Các vị trí và cách bố trí kênh có thể – trong phạm vi giao thông và điều kiện về địa chất – được phù hợp với yêu cầu vận tải nói chung, với đất sử dụng và nhu cầu công nghiệp.
Các kênh thường được đánh giá là ngắn hơn so với sông cải tạo, có vận tốc dòng chảy nhỏ (hoặc bằng 0), giao thông được cả 2 chiều. Nhược điểm chính của kênh giao thông nội địa là việc sử dụng đất đai, chia cắt giao thông bộ; do đó khi chọn tuyến kênh, phải sử dụng tối đa các sông, kênh hiện có trong khu vực và so sánh nhiều phương án để lựa chọn được tuyến hợp lý.
Các kênh giao thông nội địa có thể chỉ lưu thông theo một chiều duy nhất hoặc hai chiều với mực nước cao nhất trong hồ chứa. Nó có thể kết nối hai hệ thống sông, hay nối một đường vận tải thủy với một trung tâm công nghiệp. Sự giao cắt của một kênh với một con
260
sông giao thông hay các kênh khác có thể tạo ra các hình thức giao thông đặc biệt cũng như các vấn đề về xây dựng các công trình giao cắt.
Các đoạn của các kênh tạm thời hay lâu dài ở trên cần xét đến giới hạn mực nước ngầm, các phương pháp chống mất nước do thấm, bảo vệ và tiêu nước thích hợp cho lớp không thấm hay các lớp chống thấm (ví dụ đất sét, bê tông, nhựa, v.v…) chống lại áp lực đẩy ngược trong trường hợp mực nước ngầm tăng lên. Các giải pháp bảo vệ sông đào hay kênh đào là như nhau và đa dạng như trên các sông đã được kênh hóa.
Kênh cần có đủ độ sâu và chiều rộng theo yêu cầu vận tải. Do sự trôi dạt của các tầu kéo đi qua khúc cua, nên chiều rộng của các đoạn này phải lớn hơn so với đoạn thẳng.
Chiều rộng tối thiểu B của đường thủy ở đoạn thẳng với việc đi lại đồng thời theo 2 chiều là B = 3b hoặc B = 2b + 3b, trong đó b là chiều rộng của xà lan (hay đoàn xà lan) và
b khoảng cách ngang giữa các xà lan và giữa xà lan với bờ, với b 5m. Nếu vận tải chỉ theo 1 chiều thì B=(1,5 2)b.
Bán kính tối thiểu r của đoạn cong bằng r = Kc.L, trong đó: L là chiều dài xà lan điển hình; Kc là hệ số, Kc = 3 cho tàu đẩy, Kc = 4,5 cho tàu kéo.
Chiều rộng của đoạn cong B0 = B +B (hình 7.4a), trong đó:
r
L B r B L
2 2
2 2
(71) Gọi góc lệch là góc giữa tiếp tuyến với cung cong giới hạn buồng tàu và đường thẳng đi qua trục của tầu kéo. Góc lệch phụ thuộc vào bán kính cong, tốc độ, công suất và thiết bị kéo (đẩy), tải trọng kéo, lực của gió và hình dạng lòng dẫn. Góc lệch cho tầu đi xuôi dòng lớn hơn đi ngược dòng.
Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (1980) xử lý tài liệu đo góc lệch của Đức từ sông Rhine cho tầu kéo dài đến 180m, và dùng được cho tàu xuống, giá trị 20 < < 150 cho bán kính cong 400m < r < 2500m (bán kính càng lớn thì góc càng nhỏ). Đối với tàu ngược dòng góc giảm một nửa.
261
Hình 7-4. Đoạn cong và độ lệch kéo cong trên đường thủy (Novak, 1994)
Theo Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ, các phương trình dưới đây áp dụng cho kênh ở đoạn cong với chiều rộng B0: cho đường vận tải một chiều:
c b L
B01 1sind 12
(72) Và cho đường vận tải hai chiều:
, 2
2 1 1
02 L sin b L sin b 2c c
B d u (73)
Trong đó L là chiều dài tàu kéo, góc lệch lớn nhất, b chiều rộng, c là khoảng cách giữa tàu và bờ kênh và c’ là khoảng cách giữa 2 đoàn tàu tránh nhau; chỉ số ‘d’ là cho tàu xuôi dòng, ‘u’ là cho tàu ngược dòng. Kết quả tính toán được sử dụng phương trình (73) có thể kiểm tra lại với phương trình (7.1).
7.2.3. Lực cản tàu
Tác động của một con tầu với môi trường nước xung quanh là phức tạp, đặc biệt là những nơi có dòng chảy xiết, thêm vào đó, sự tác động của dòng chảy và sóng tạo ra do sự đi lại của thuyền bè với bờ và đáy của đường thủy cũng phải được kể đến. Các yếu tố này, cùng với yêu cầu về công suất và tốc độ của tầu, việc xác định hình dạng luồng vận tải thủy cũng phải kể đến sự thay đổi dòng sông, ví dụ như cầu cố định và di động, cửa vào và ra của bến tầu, âu thuyền, nơi giao nhau của kênh và sông, phà, lối rẽ, những vị trí đi qua các hồ giải trí v.v….
Khi tầu chuyển động ngược chiều của dòng chảy, một phần tàu sẽ bị ngập thêm nước, phạm vi ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy ngược là đáng kể; thêm vào đó, mực nước dọc theo tầu bị hạ thấp, nhất là ở phạm vi gần giữa tầu. Việc bảo vệ bờ ở dòng chảy xiết phải yêu cầu chịu được vận tốc này, cũng như chịu được các tác động do thuyền đi lại, việc tiêu thoát nước của bờ là cần thiết.
Vận tốc tối đa của dòng chảy cho tàu ngược dòng được cho là kinh tế vào khoảng 2,5 m/s. Vận tốc của tầu và tầu kéo được giới hạn theo điều kiện kinh tế, tùy thuộc vào loại tầu và các thông số của đường thủy. Nó thường lên đến 15 – 20km/h đối với sông sâu và rộng và 11 – 15km/h trên các kênh và sông đào vận tải thủy (cấp IV).
Lực cản tầu trên vùng nước thu hẹp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, ảnh hưởng nhiều nhất là vận tốc của tàu, vận tốc dòng chảy, hình dạng mũi, đuôi, chiều dài, độ vát đuôi, độ mớn nước (cả ở đầu và đuôi), độ sâu an toàn, khoảng cách đến bờ. Biểu thị chung cho lực cản R của một tầu kéo được đưa ra bởi Kaa (1978), ở dạng đơn giản như sau:
bT v C gbTz A
u v C
R F 2 p 2
2 ' 1
) 2 (
1
(74)
trong đó:
v là vận tốc của tầu;
u là lưu tốc dòng chảy hồi phục (u ở phần đuôi tầu);
262
z là độ hạ thấp mực nước (bằng độ chúi đuôi) ở đuôi hay đầu tầu;
CF là hệ số ma sát cản;
A’ là diện tích phần ướt;
b là bề rộng của tầu;
T là độ mớn nước và Cp là hệ số phụ thuộc vào tốc độ và độ mớn nước.
Lưu tốc dòng chảy phục hồi u và độ hạ thấp mực nước z ở trong phương trình (74) có thể được tính từ phương trình Bernoulli và phương trình liên tục:
2
)2
(
2gz vu v (75)
) )(
(v u AC AM AC
vA
(76)
trong đó:
AC là mặt cắt ngang của kênh và AM mặt cắt giữa tầu. Giá trị xấp xỉ gần đúng cho ∆AC
được lấy là: AC ≈ BC
z
trong đó: BC là bề rộng kênh nguyên dạng.
Trên một đường thủy thu hẹp, lực cản R tăng theo tỷ số n của diện tích mặt cắt ngang AC và phần chìm của xà lan A’ (tổng số phần chìm của cả đoàn), giảm xấp xỉ theo tỷ số (n/(n
1))2 (tức là sự biến đổi của R đối với v2). Tiếp theo sau đó cho các giá trị của n nhỏ hơn 45, tăng lực cản trở thành ma sát (giảm n từ 6 về 5 tăng R bằng 8%, từ 5 về 4 bằng 14% và từ 4 về 3 bằng 26%) và thường sử dụng giá trị n lớn hơn 4 (tất nhiên giới hạn này cũng phụ thuộc vào tốc độ). Hình 75 biểu thị các giá trị gần đúng của lực cản R cho xà lan 1350t như là một hàm của v đối với ba giá trị của n và T. Các đường cong đã được tính toán từ phương trình đơn giản do Gebers (Cábelka):
25 .
) 2
'
( A kBT v
R (77)
263
Hình 7-5. Quan hệ lực cản và vận tốc.
(Với R tính bằng kN x 102 và v tính bằng ms1, trong đó 0,14 < < 0,28 ( = 0,14 đối với thân tầu bằng sắt và bằng 0,28 đối với thân tầu bằng gỗ) và 1,7 < k < 3,5 (k = 1,7 đối với thuyền nhỏ và xà lan rỗng, k = 3,5 đối với xà lan được chất đầy). Kết quả của phương trình 7
7 gần đúng với các số liệu của mô hình.
Tầu đi qua đoạn cong có bán kính r sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm ở mặt bên của tầu và chịu trôi dạt một góc .
7.2.4. Tác động của sóng tàu vào bờ
Chuyển động của tầu trên nước là nguyên nhân tác động vào bờ của đường vận tải thủy, do đó phải có cách bảo vệ phù hợp cho bờ. Điều quan trọng là phải bố trí lớp bảo vệ mặt ngoài của bờ sâu xuống phía dưới mặt nước ở một vị trí đủ thấp và đáy của nó phải phù hợp để đảm bảo tiếp xúc trực tiếp với đất nền. Tầng lọc tương ứng với lớp đất là cần thiết, như hệ thống tiêu thoát nước đạt yêu cầu. Để biết thêm chi tiết xem thêm PIANC (1987).
Chiều cao của sóng tại vị trí bờ được hình thành do thuyền bè đi lại trên đường thủy phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc của tầu, quan hệ của tầu với động lượng của sóng, kích thước, hình dạng của tầu và vị trí tương đối với bờ. Mặt cắt ngang của đường thủy cũng ảnh hưởng tới vận tốc của sóng. Tốc độ tầu là yếu tố quan trọng nhất, chiều cao sóng sinh ra tăng tương đối về độ dốc theo tốc độ cho đến khi đạt đến một giá trị lớn nhất, phù hợp với tốc độ mà chuyển động của tàu lướt bằng mũi tầu ở trên mặt nước; một tầu chạy xuôi dòng nhanh trên đường thủy có kích thước trung bình với tốc độ 20 – 25km/hthường tạo ra chiều cao sóng 0,2
0,3m (Novak,1994). Tốc độ này tương ứng với vận tốc nghiêng dọc và ít khi đạt được khi vận
264
chuyển thương mại hoặc tầu du lịch lớn. Để biết thêm chi tiết sơ bộ trong phạm vi đường thủy, xem Blaauw và Verhey (1983), Fuehrer (1985), Kolkman (1973), Schofield và Martin (1988).
7.3. Âu thuyền 7.3.1. Khái niệm
Khi có chênh lệch tập trung cột nước trên các con sông và kênh đào, thường khắc phục bằng các âu thuyền vận tải. Thành phần chính của âu thuyền gồm đầu âu, buồng âu, hệ thống van và hệ thống cấp (thoát) nước âu thuyền (Novak, 1994), hình 76.
5
3
4 5
6
6
1 2
7 8
H1
2 7
4
3
8
Hình 7-6. Sơ đồ bố trí âu thuyền 1 cấp: a) cắt dọc; b) mặt bằng
1,2 – đường dẫn thuyền thượng, hạ lưu; 3 – buồng âu; 4,5 – đầu âu thượng, hạ lưu;
6 – bến thuyền; 7,8 – cửa van thượng, hạ lưu.
Buồng âu là bộ phận chính của âu thuyền. Mực nước trong buồng âu được điều tiết thay đổi để đưa tàu thuyền từ hạ lưu lên thượng lưu hay ngược lại.
Đầu âu là nơi đặt cửa van và hệ thống dẫn tháo nước để làm đầy hay tháo cạn buồng âu. Mỗi cấp của âu thuyền có đầu âu thượng lưu, đầu âu hạ lưu và các cửa van tương ứng.
Đường dẫn thuyền nằm tiếp giáp với đầu âu về hai phía thượng, hạ lưu để đảm bảo cho tàu thuyền ra vào được an toàn và thuận lợi. Trên đường dẫn thuyền có bố trí giá dắt thuyền để tránh va chạm. Ngoài ra, còn bố trí bến để tàu thuyền neo đậu chờ qua âu.
7.3.2. Phân loại
1. Theo số lượng buồng âu dọc theo tuyến
a) Âu một cấp: là loại âu chỉ có một buồng (một bậc), (hình 77).
hv
1 2
H
3
4