Một trong năm kênh mới | Cách thiết kế khóa tàu giải quyết vấn đề vận chuyển nước có cột nước cao

Tin từ website này (Du Xiao) Nước là động lực tự nhiên để nâng những con tàu khổng lồ vượt qua các con đập, đồng thời nó cũng là một “quái vật” chứa năng lượng khổng lồ

Chênh lệch mực nước tối đa giữa thượng nguồn và hạ lưu đập Tam Hiệp lên tới 113 mét, tương đương với chiều cao của tòa nhà 40 tầng Đối với Kênh vận tải đường thủy Tam Hiệp mới, loại “ma thuật” nào có thể làm đầy khoang âu bằng nước chỉ trong mười phút, nâng con tàu khổng lồ một cách êm ái và đảm bảo kết cấu thủy lực vẫn nguyên vẹn?

Người kỹ sư giải thích rằng câu trả lời nằm ở cơ học chất lỏng và trí tuệ kỹ thuật

　Mặc "bộ đồ đệm khí" để dòng nước chảy với tốc độ cao

Khi gặp cột nước cao hàng chục mét, tốc độ nước chảy qua khe hở trong van sẽ mang theo năng lượng vô cùng khủng khiếp Lúc này, một “sát thủ mặt lạnh” vô hình của vật lý – “hiện tượng xâm thực” (còn gọi là xâm thực xâm thực) sẽ lặng lẽ đến

“Nguyên lý Bernoulli” trong vật lý cho chúng ta biết: Trong chất lỏng, nơi vận tốc dòng chảy lớn hơn thì áp suất nhỏ hơn

Khi nước chảy cực nhanh qua khe hở van, áp suất cục bộ sẽ giảm mạnh ngay lập tức Khi áp suất giảm xuống dưới áp suất hóa hơi của nước ở nhiệt độ phòng, nước sẽ “sôi” một cách bí ẩn ở nhiệt độ phòng, tạo ra vô số bong bóng nhỏ

Điều đáng sợ không phải là sự hình thành bong bóng mà là sự vỡ của chúng Khi những bong bóng này lao vào vùng áp suất cao ở hạ lưu cùng với dòng nước, chúng sẽ không thể chịu được áp lực nước cực lớn xung quanh và vỡ tung ngay lập tức Vào thời điểm đứt gãy, một tia cực nhỏ áp suất cực cao sẽ được tạo ra, giống như vô số chiếc búa nhỏ có kích thước nano, đập vào bề mặt kim loại với tần số cực cao Kim loại dù cứng đến đâu cũng sẽ bị mất mát và hư hỏng dưới tác động của hiện tượng ăn mòn xâm thực trong thời gian dài

Làm thế nào để giải quyết vấn đề này? Câu trả lời được các kỹ sư đưa ra là “giảm ăn mòn khí dung”

Vì không thể tránh khỏi tác động cứng nhắc của việc vỡ bong bóng nên hãy đặt một "bộ đồ đệm khí" đàn hồi lên dòng nước Các kỹ sư ép một lượng lớn không khí vào dòng nước tốc độ cao một cách giả tạo thông qua các lỗ thông hơi được thiết kế đặc biệt Khi một dòng nước chứa đầy bọt khí có thể nén được, không khí sẽ đóng vai trò như một tấm đệm cực kỳ mềm mại Khi bong bóng xâm thực sụp đổ, lớp không khí hỗn hợp có thể ngay lập tức hấp thụ phần lớn năng lượng va chạm, bảo vệ hoàn hảo sự an toàn của các van chính xác

Biến “cơn lũ dữ dội” thành “cơn mưa rào nhẹ nhàng”

Sau khi bảo vệ van, bạn vẫn cần quan tâm đến độ an toàn bên trong buồng khóa

Âu tàu thông hành mới cần tới 277000 tấn nước để đổ vào buồng âu chỉ trong 12 phút Nếu không được kiểm soát, dòng nước ngầm và xoáy nước hỗn loạn sẽ khiến con tàu 10000 tấn rung lắc dữ dội trong khoang âu tàu, thậm chí làm đứt dây cáp của tàu

Thủ thuật điều khiển của người kỹ sư thực chất xuất phát từ công thức áp suất cơ bản nhất trong vật lý, đó là P (áp suất) = F (áp suất) / S (diện tích cưỡng bức)

Với tiền đề là lực tác động (F) do tổng lượng phun nước mang lại là không đổi và thời gian cực ngắn, để giảm tác động của dòng nước lên mặt nước của khoang âu tàu và tàu (P), phương pháp điều khiển tối ưu là mở rộng diện tích cửa thoát nước (S) càng nhiều càng tốt

Lỗ thoát nước ở đáy âu tàu Tam Hiệp hiện tại chỉ chiếm 63% chiều dài buồng âu Tuy nhiên, các kỹ sư của kênh mới đã tăng tỷ lệ này lên 90% thông qua việc tối ưu hóa tối đa cấu trúc hành lang phía dưới

Điều này giống như việc đi tắm So với việc bị cả một xô nước đổ lên đầu, bạn chắc chắn sẽ thích tận hưởng cảm giác tắm thoải mái và đều đặn dưới đầu vòi hoa sen Kênh mới sử dụng công nghệ chuyển dòng xốp để hòa tan dòng nước mạnh và tập trung thành vô số dòng nước nhỏ phun đều xuống đáy buồng khóa Động năng của dòng nước được bù đắp và tiêu hao từng lớp trong sự giao thoa lẫn nhau, nâng mặt nước dâng lên đều đặn như một chiếc thang máy, khiến con tàu khổng lồ 10000 tấn luôn vững vàng như một ngọn núi

　Rồng ngầm 3km giải quyết được “hiệu ứng búa nước”

Một vấn đề khác mà kênh mới phải đối mặt là hành lang truyền tải và xả nước dài gần 3km bị chôn sâu trong đá núi cứng

▲ Công trường xây dựng kênh mới Trung tâm Tam Hiệp của Dự án Kênh mới Vận tải Đường thủy Tam Hiệp được chụp vào ngày 8 tháng 6 Ảnh của phóng viên Tân Hoa Xã Xiao Yijiu

Vật lý cho chúng ta biết rằng khối lượng càng lớn thì tốc độ càng nhanh và quán tính càng lớn Hãy tưởng tượng một đường ống ngầm dài 3 km chứa hàng trăm nghìn tấn nước đang xả nước với tốc độ cao Nếu trường hợp khẩn cấp xảy ra và van cần phải đóng khẩn cấp thì chuyện gì sẽ xảy ra -

Dòng nước tốc độ cao không thể dừng lại ngay lập tức do quán tính rất lớn Chúng sẽ đập mạnh vào van đang đóng và tạo ra một làn sóng áp suất ngược dữ dội Làn sóng khổng lồ này dao động tới lui trong đường ống, được gọi là “hiệu ứng búa nước” trong kỹ thuật

▲ Thỉnh thoảng khi mở vòi sẽ phát ra âm thanh “ù ù-ù ù-xèo xèo” Điều này là do nước chảy nhanh trong đường ống và dao động qua lại, giống như một chiếc búa nhỏ “đánh” vào thành ống Đây chính là “hiệu ứng búa nước” (Nguồn ảnh: Tài khoản chính thức của WeChat Popular Science WeChat)

Đối mặt với "rồng nước ngầm" dài 3 km này, các kỹ sư đã áp dụng phương pháp phòng ngừa và kiểm soát kép "cứng và mềm":

Đầu tiên, thông qua ứng suất chung của đá và đất, đường ống dẫn nước được khoác lên mình “áo giáp cứng” Hành lang thoát nước không phải là một ống treo mà được cắm sâu vào khối đá cứng Các kỹ sư đã sử dụng kỹ thuật đặc biệt để “ôm” chặt các tảng đá trên núi và các hành lang bê tông vào nhau để cùng chịu lực Điều này giống như đặt một lớp “áo giáp đá” không thể phá hủy lên đường ống dẫn nước Khi áp lực búa nước có đầu cao 30 mét phát nổ trong đường ống, không chỉ một lớp bê tông chịu áp lực mà cả một ngọn núi liên tục phía sau nó

Thứ hai là “Thái Cực Quyền linh hoạt” dựa trên bể tràn được kết nối Chỉ chịu đựng thôi chưa đủ, bạn phải tìm lối thoát cho áp lực không nơi nào giải tỏa Để đạt được mục đích này, các kỹ sư đã xây dựng một "bể tràn được kết nối" trên đỉnh cổng Nguyên lý của nó giống như van an toàn giới hạn áp suất trên nồi áp suất - khi áp suất búa nước trong đường ống tăng cao, dòng nước áp suất cao dư thừa sẽ tự động chảy ngược lên bể tràn, ngay lập tức chuyển biến động áp suất thành mực nước trong bể tràn tăng giảm có thể kiểm soát được Cũng giống như Thái Cực Quyền “bốn chiêu một ngàn cân”, cơn khủng hoảng búa nước nguy hiểm được âm thầm loại bỏ

Từ việc hóa giải sức mạnh của sấm sét bằng thế năng cột nước cao, đến việc sử dụng nguyên lý áp suất chất lỏng để giải quyết vấn đề “xâm thực”; từ việc sử dụng công thức áp lực để biến nước sông hung bạo thành một cơn mưa rào nhẹ nhàng, đến sử dụng cơ chế đệm để giải quyết vấn đề Áp lực nặng nề của “búa nước” trong các đường ống dẫn đường dài - đối mặt với một khối nước khổng lồ có mực nước giảm 113 mét, các kỹ sư đã không chọn cách sử dụng vũ lực để chặn nó mà sử dụng khoa học vật lý cực đoan để tháo dỡ năng lượng của nước theo từng lớp và hướng dẫn nó một cách hợp lý Đây chính là “thần kỳ” giúp nước được điều tiết thông suốt trong Dự án Kênh mới vận tải đường thủy Tam Hiệp

 

Biên tập viên:Ren Xian Du Jianwei Yang Jin

Ngày phát hành: 24 tháng 6 năm 2026