Thiết Bị Thuỷ Công - Cấu Tạo Và Ứng Dụng - Đại Học Thuỷ Lợi.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Bộ MÔN MÁY XÂY DƯNG PGS TS NGUYỀN ĐẢNG CƯỜNG THIẾT BỊ THỦY CÔNG CÁU TẠO VÀ ỨNG DỤNG 9 7 86 049 132 2 8 51 NHÀ XUẤT BẲN KHOA HỌC Tự NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ 2 ♦ T hiêt bị thủy công là[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Bộ MÔN MÁY XÂY DƯNG

Thiêt bị thủy công là các loại thiêt bị lăp đặt trên công trình thủy lợi, thủy điện làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy, điều tiết lưu lượng, dẫn nước, bảo đảm an toàn cho

công trình, cho thiết bị thủy lực chính và giải quyết giao thông thủy qua công trình

Vì tương tác với dòng chât lỏng, chê độ thủy lực trong quá trình làm việc của thiêt bị thủy công râtphức tạp và có nhiêu loại, nhiêu dạng thiêt bị khác nhau.

Như vậy, thiết bị thủy công bao gồm các loại cửa van, thiết bị đóng mở, đường ống, thiết bị

đường ống và các thiêt bị chăn rác, làm sạch rác trên công trình.

Mục đích chủ yếu trong lần xuất bản thứ nhất của giáo trình thiết bị thủy công và ứng dụng

là: cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản từng chủng loại của thiết bị thủy công và phạm vi sử

dụng rộng lớn của chủng trong thực tế Quyên sách này bao trùm tất cả các vấn đề cơ bản về

chức năng của thiết bị, sử dụng thiết bị cũng như thiết kế, chế tạo, vận hành, bảo dưỡng, và ứng

dụng của các thiết bị thủy công thỉch hợp nhất Giáo trình được biên soạn từ các nguồn tài liệu

trong và ngoài nước, có cập nhật những vấn đề mới dựa trên kinh nghiệm và hiếu biết của tác giả

trong quả trình tham gia nghiên cứu, phục vụ sản xuầt thực tê Giảo trình đê giảng dạy cho sinh

viền tại trường đại học kỹ thuật chuyên ngành thiêt bị thủy lợi thủy điện, Đại học Thủy Lợi Tài

liệu này cũng có thê dùng đê tham khảo cho cán bộ kỹ thuật, cản bộ giảng dạy và sinh viên các

ngành khác liên quan.

Tài liệu biên soạn có đưa ra các vỉ dụ và bài tập tỉnh toán, nhằm nấng cao kiến thức thực

hành cho sinh viên.

Tác giả biên soạn chân thành cảm ơn các bạn đông nghiệp và các cán bộ giảng dạy thuộc

Bộ môn Máy xây dựng - Trường Đại học Thuỷ lợi, đã đọc và góp ý kiến cho bản thảo, có bô sung

chỉnh sửa trong quả trình biên soạn giáo trình lần này.

Vì là biên soạn lần đầu, không tránh khỏi sai sót, Tác giả xin chân thành cảm ơn các độc

giả, các bạn đồng nghiệp tiếp tục góp ỷ kiến để giáo trình về lĩnh vực này ngày một hoàn chỉnh

hơn, đáp ứng được yêu câu học tập và tìm hiêu của bạn đọc.

Người biên soạn

CH ƠN GI

\ z

1.1 Quá trình phát triển thiết bị thủy công

Nước là tài nguyên vô cùng quý giá, là sự sống của muôn loài trên trái đất này Ở đâu có nước thì ở đó có mầm sống Trong đời sống hàng ngày, nước cần cho đời sống, cho chăn nuôi, trồng trọt, cho công nghiệp, giao thông, cho vệ sinh, chống ô nhiễm môi trường Nước có từ mưa Nhưng mưa không đều quanh năm mà theo mùa, khi nhiều khi ít, vùng nhiều vùng ít Nước mưa một phần ngấm xuống đất, một phần bốc hơi, còn lại tích tụ vào chỗ trũng và theo dòng chảy

ra sông ra biển Vì vậy để có thể điều hòa được nước quanh năm, phục vụ nhiều mục đích khác nhau người ta phải tích trữ nước vào trong các hồ đập, giữ nước trên sông Từ hồ chứa, nước được điều tiết về các nhánh theo nhu cầu sử dụng khác nhau Rõ ràng là muốn điều tiết được dòng chảy, lưu lượng, dẫn dòng, bảo đảm giao thông thủy và bảo đảm an toàn công trình, thì người ta phải

có thiết bị như cửa van, thiết bị đóng mở, đường ống và được gọi chung là thiết bị thủy công

Từ thời xa xưa, con người đã biết làm các công trình thủy lợi bằng các đập nhỏ và vận chuyến nước đến các kênh tưới gần đó Nước thừa được xả qua đập Như một sự phát triển của tự nhiên, “đập di động” được xây dựng Các đập di động này có thể bị phá khỏi vị trí của nó để cho phép nước thừa chảy qua, vì thế hoạt động điều tiết nước an toàn hơn và linh hoạt hơn

Xa xưa, người Trung Quốc đã biết xây dựng kênh cho mục đích giao thông và tiêu nước lũ Khi nhu cầu giao thông thuỷ tăng nhanh, người ta đã tìm cách xây dựng các con đê có mái dốc để kéo thuyền lên xuống trên mặt dốc nghiêng Tuy nhiên, công việc này tốn rất nhiều công sức và thời gian Năm 983, người Trung Quốc khám phá ra cách xây dựng hai con đập cách nhau một khoảng để thuyền có thể vào “âu” tạo ra giữa hai con đập và mực nước có thể tăng hoặc giảm từ

từ Những bến đậu bằng gỗ hoặc bằng đá được xây ở mỗi bờ kênh Người ta đã biết đào các khe thẳng đứng đối diện nhau ở hai bên bờ kênh và dùng các thân cây đặt ngang vào các khe đó để giữ nước ở mức cao nhất Người ta sử dụng dây thừng đế nâng hạ các thân cây này về sau, các thân cây được liên kết thành rào chắn và có thế nâng lên hoặc hạ xuống đế điều tiết nước

Vào cuối thế kỳ XIV, âu thuyền rất phố biến ở Hà Lan tương tự như ở Trung Quốc Cửa van vẫn là kiểu tấm phang có thêm đối trọng và các thiết bị dẫn nước để rút nước từ từ trong khoang âu thuyền [24]

Năm 1795, Mỹ đã xây kênh Little Falls có âu thuyền đầu tiên Sự khác thường ở đây là thiết

kế cửa cho âu thuyền bằng gỗ Hai cửa gỗ quay được đặt ở mỗi đầu cuối âu thuyền Khi đóng cửa hoàn toàn, các cánh cửa không ghép thành một mặt mà kết họp với nhau thành một góc về phía thượng lưu theo hướng dòng chảy, lúc đó áp lực nước sẽ khoá chúng lại với nhau Ở gần đáy cửa

lớn, người ta làm các cửa nhỏ bằng gỗ hay gang đúc đê cấp và tháo nước trong âu và vẫn còn sử dụng đến ngày nay, hình 1-1.

Cửa kim loại đầu tiên xuất hiện

trong khoảng năm 1830 Nhiều phát minh

khác nhau ra đời và các cửa van lớn hơn

chưa từng có trước đây đã được xây

dựng

Filipo Maria Visconti thiết kế âu

thuyền trụ tháp đầu tiên vào năm 1439

Âu thuyền này đặt tại Vareno, gần Milan,

Italy, nhằm cải thiện giao thông thuỷ khi

vận chuyển đá granit để xây dựng công

trình Duomo Bản vẽ đầu tiên về âu

thuyền trụ tháp được vẽ năm 1497, hình

1-2 Bản vẽ này đã thế hiện các đặc diêm

chính của âu thuyền hiện đại với cửa trục

đứng thay vì kéo lên thăng đứng Phần

mở rộng ở giữa cho phép thông qua nhiều

thuyền tại cùng một thời điểm

Tường của khoang âu thuyền có

các móc neo đê cột thuyền vào nhằm

ngăn chặn sự chao đảo khi cấp hoặc tháo

nước trong khoang, lúc đó dòng nước

động gây ra hỗn loạn rất lớn Một trong

các loại cửa âu thuyền là cửa chữ nhân,

tương tự như những cửa đang sử dụng

ngày nay Lấy nước vào hoặc tháo nước

khỏi âu vẫn thực hiện kiêu đóng mở các

cửa ngách nhỏ Hệ thống này vẫn được sử

dụng cho đến tận ngày nay ở những âu

thuyền nhỏ Sử dụng vật liệu bằng gang

và thép nguyên tấm để thiết kế cửa chữ

nhân và sử dụng cho đến tận năm 1828

trên kênh Nivemais (Pháp) Năm 1864, âu

thuyền Charenton, Pháp, sử dụng cửa chữ

nhân kết cấu kim loại với chiều rộng

7,8m và cao 7,76m [24]

Cửa cung được ứng dụng đầu tiên

vào năm 1853 trên dòng sông Seine

(Paris) Tại đây đã lắp đặt bốn cửa cung

rộng 8,75m, cao Im Kỹ sư người Pháp -

Poiree thiết kế các cửa này Các ứng dụng

rất sớm khác là 132 cửa cung rộng 6m,

cao 5,lm được xây dựng do kỹ sư người

Hình 1-1 Cửa chữ nhân bằng gỗ vẫn còn được sử

dụng cho đến ngày nay.

Hình 1-2 Bản vẽ minh hoạ đầu tiên

về àu thuyền, 1497.

Hình 1-3 Cửa cung khi mở quay ngược lên, đập Rosetta, Ai Cập (1860).

Pháp - Mougel Bey cho các đập Rosetta và Daniietta trên đồng bằng sông Nile vào đầu những năm 1860, hình 1-3 Càng van được liên kết với bánh xe Tại thời điểm này chúng được gọi là

“cửa hình trụ có càng bắt vào bánh xe” Theo Wegmann, cửa ban đầu để đóng mở âu thuyền có hình dạng như cung tròn với càng thép gắn hai đầu từ tâm đến cung tròn Tại đây, chúng được liên kết bằng các vòng đệm lớn và quay quanh các trục gắn vào đáy âu thuyền Các cửa này hạ xuống bằng trọng lượng bản thân và nâng lên nhờ bơm khí nén vào các khoang rỗng của cửa, nhưng phương pháp này không vận hành được và được thay thế sau năm 1884 bằng cửa thép trượt trên rãnh làm từ vật liệu gang cố định vào âu thuyền dựa theo bằng sáng chế của F M Stoney Các tời nâng (hai cái cho mỗi đập) di chuyên liên tục trên ray đê nâng hoặc hạ cửa [24] Năm 1910 một bằng sáng chế của F.Harza về cửa cung được chứng nhận tại Mỹ

Trong những năm 1870, ở Mỹ cũng đồng thời phát minh ra cửa cung [24] Rehbock và Hilgard cùng với A.o.Powell cũng được ghi danh là nhà phát minh như Parker, người đã bán ý tưởng cho Jeremiah Bumham Tainter đến từ Menomonee, Wisconsin Trong năm 1886 Jeremiah Bumham Tainter đã đăng ký sáng chế này và nhận được bằng sáng chế số 344879 do Cục sáng chế Mỹ cấp Cửa có ba càng

dụng rất hay của cửa cung với

đối trọng Cửa van được xây

dựng năm 1888 trên sông Lez

ở miền Nam nước Pháp

Ở Đức, báo cáo đầu tiên

về cửa van cung là từ 1894 đến

1895 và được lắp đặt ở Hình 1-4 Cửa cung với đối trọng, sông Lez, Pháp (1888).

Werderschen Miihlegraben, Berlin Cửa rộng 12m, cao 1,87m Sau đó, vào năm 1903, một cửa khác rộng 5,56m, cao l,6m được xây dựng trên kênh Landwehr Cả hai cửa đều sử dụng càng van chịu nén.

Cửa van cung lần đầu tiên sử dụng ở Mỹ để điều khiển dòng chảy trong cống và sử dụng để khóa các cống dẫn nước xây dựng trên kênh New York vào năm 1905

Do cửa van cung có độ tin cậy cao, nên khoảng 28 cửa đã được xây dựng trong vùng Bavaria (Đức) đến năm 1976

Thế kỷ XIX, người ta đã phát minh ra các dạng cửa van cung khác nhau Điểm đáng chú ý

là tất cả chúng đều đi trước thời đại bởi những thiên tài vĩ đại như Renaissance, Leonardo de Vinci Trong những nghiên cứu về thủy lực vào khoảng nám 1490, Leonardo de Vinci đã vẽ loại cửa này ơ đây có thế tìm thấy cửa chữ nhân, cửa clapê bản lề trên, bản lề dưới, bản lề phải, cửa đơn bản lề đứng và cửa van cung Cửa van này có càng van hướng kính kéo dài xuống dưới trục quay Càng van làm việc như là đối trọng nên dễ dàng vận hành cửa bằng tay thông qua đòn bẩy Bản mặt của cửa cũng được làm cong như cửa hiện đại

Thế kỳ XX, quy mô các hồ chứa cũng có nhiều thay đổi, do tiến bộ kỹ thuật trong khoa học xây dựng, kết cấu, vật liệu, công nghệ, các công trình hồ chứa, công trình đập, thúy điện, thủy lợi

đã phát triến vượt bậc Các phương tiện giao thông thủy ngày một lớn hơn, hiện đại hơn Yêu cầu dùng nước cũng nhiều hơn, đa dạng hơn Bên cạnh đó, do biến đổi khí hậu, thời tiết khắc nghiệt hơn Đe đáp ứng được các yêu cầu đòi hỏi đó, thiết bị thủy công cũng phát triển vượt bậc Ví dụ như công trình thủy điện Tam Hiệp, Trung Quốc: Đập chính dài 2035m, chiều cao 185m, diện tích mặt hồ:10.000km2, dung tích chứa: 39.300 triệu km3, mực nước dâng bình thường là 175m,

có 26 tổ máy với công suất 84.700 tr.kWh Công trình âu thuyền cũng hết sức phức tạp gồm hai tuyến lên và xuống với năm bậc Mỗi bậc âu thuyền có hai cửa van chữ nhân, mỗi cánh cửa cao 40m, rộng 40m, nặng 170 tấn

Cồng trình trên sồng cũng

phát triến đáng kê, ví dụ cồng trình

trên sông Theme ở Anh Sông rộng

520m, sử dụng các cửa van viên

phân quay khẩu độ 61,5m, cao

17m, hình 1-6

Công trình Rotterdam Tuyến

luồng tàu, tại vị trí công trình, rộng

360m và sâu 17m; hai cửa hình

quạt rộng 21 Om, chiều cao 22m,

càng dài 240m, trọng lượng gần

5500 tấn

Hình 1-5 Cửa âu thuyền công trình Tam Hiệp, Trung Quốc.

Các công trình dẫn nước như

phổ biến trong các công trình

dẫn nước của nhà máy thủy

điện, thủy lợi Trong các đường

ống dẫn nước cũng có các van

điều tiết, van sửa chữa, van bảo

hiểm đế vận hành, bảo đảm an

toàn cho công trình Ngoài ra,

còn được trang bị thêm các bộ

phận chắn rác, các thiết bị vớt

rác trên các công trình dẫn nước

vào trạm bom, tua bin

Ở Việt Nam, thiết bị thủy

công cũng ngày một phát triển

Việt Nam là một nước nhiệt đới

gió mùa, sông ngòi chằng chịt,

địa hình dốc Công tác thủy lợi

đã được quan tâm từ xa xưa

Cửa van phát triển ở Việt Nam

từ khi Pháp đô hộ Những năm

30 của thế kỷ XX, ở Việt Nam

đã có các công trình như: đập

Bái Thượng, bara Đô Lưong,

cửa van mái nhà ở Đập Đáy

Các cửa van ở các công trình

này vẫn còn tồn tại cho đến

ngày nay Từ sau năm 1954,

công tác thủy lợi ở miền Bắc Hình 1-7 Công trình chắn sóng, ở Rotterdam, Hà Lan.

Hình 1-8 Cửa van mái nhà ở đập Đáy. Hình 1-9 Cửa van cung thủy điện Đại Ninh.

bắt đầu phát triển mạnh Đầu tiên phải kể đến cồng trình đại thủy nông Bắc Hung Hải Ngày nay chúng ta có hàng ngàn hồ chứa lớn nhỏ, hàng trăm nhà máy thủy điện khắp Bắc Trung Nam Kèm theo đó là hàng vạn cửa van, đuờng ống và các thiết bị thủy cồng khác để vận hành công trình Trong đó phải kế đến cửa van trạm thủy điện Hòa Bình, Yaly, Đại Ninh, Sơn La , công trình thủy lợi Dầu Tiếng, công trình trên sông Thảo Long

1.2 Các ứng dụng chính của thiết bị thủy công

1.2.1 Cửa van

Cửa van được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau thuộc kỹ thuật thuỷ lợi, thủy điện Các ứng dụng chính bao gồm:

1 Công việc chống lụt;

2 Bảo vệ các thiết bị, cửa cấp cứu lắp đặt phía trước tuabin;

3 Điều khiên mực nước trong hồ chứa cho các mục đích dự phòng hoặc ở gần khu dân cư hoặc khu vực không có lũ;

4 Giữ ồn định mực nước trong hồ chứa;

5 Làm sạch đáy hồ chứa, xả rác trôi nối trong hồ (thân cây gãy, băng đá);

6 Điều tiết dòng chảy trong đập;

7 Bảo dường các thiết bị lắp đặt phía sau tua bin, phía trước đập tràn;

Các thiết bị đóng mở làm nhiệm vụ đóng mở cửa van đê điều tiết dòng chảy Thiết bị đóng mở phải bảo đảm cho cửa van hoạt động đúng yêu cầu vận hành Các thiết bị thực hiện theo nguyên lý chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay cửa van Để thực hiện nhiệm vụ này, nguời ta sử dụng các nguyên lý truyền động cơ khí và truyền động thủy lực Các loại thiết bị đóng mở cửa van nhu xi lanh thủy lục nhu hình 1-9, thiết bị đóng mở bằng tời cáp hoặc xích, hình 1-10, thiết bị đóng mở bằng vít me, hình 1-11 và thanh răng bánh răng Các loại thiết bị này sẽ đuợc trình bày trong chương 10.

1.2.3 Đường ống áp /ực

Trạm thủy điện thường đặt sau đập, đường ống dẫn nước vào tua bin được bắt đầu từ cửa nhận nước, có nhiệm vụ lấy nước từ hồ chứa vào đường ống Đường ống dẫn nước có thế đặt trong thân đập hoặc theo mặt dưới đập Trong trạm thủy điện trên sông có đập ngăn sông và đường ống dẫn nước, hình 1-12

Hình 1-12 Lắp đường ống nhà máy thuỷ điện:

I.Cửa van sửa chữa; 2.Cửa van vận hành; 3, 5 Máy cẩu; 4 Đường ống.

Trong sơ đồ đường ống, cột áp được tạo chủ yếu do đường dẫn; tức là một phần nước sông được hướng chảy vào đường ống đặt theo bờ sông có độ dốc nhỏ hơn nhiều so với độ dốc của lòng sông Nhờ chênh lệch giữa độ dốc đường dẫn và lòng sông mà tạo thành chênh lệch cột áp có thể sản xuất điện năng

Đường dẫn nước có thê có áp và không có áp Đường dẫn không áp thường dẫn nước từ cồng trình lấy nước nằm trên dòng chảy theo kênh, hay mương dẫn chảy vào bể có áp Đường chảy có áp là dạng hầm hay đường ống chịu áp đi từ công trình nhận nước qua đường ống vào tua bin hay công trình chảy ngầm bên dưới một công trình cắt ngang qua đường dẫn nước Cũng có loại đường ống dẫn nước hỗn hợp: vừa có áp và không áp Loại này là đường dẫn phía trên có dạng kênh dẫn lộ thiên hoặc đường hầm không có áp chảy vào bể có áp; từ bể có áp bắt đầu có đường hầm hoặc đường ống có áp.

Đường ống thép chịu áp thuộc hạng mục chính của nhà máy thủy điện, hoặc đường lấy nước qua đập của công trình thủy lợi Đường ống thép được sử dụng rộng rãi trong các cồng trình thủy năng chịu cột áp vừa và cao Đường ống thép là dạng kết cấu nằm tự do, nằm trong đất đắp, trong đá hoặc trong khối bê tông Đường ống thép được sử dụng khắp nơi: các trạm bơm thuộc hệ thống tưới tiêu, đường ống dẫn nước, hệ thống cấp nước kỹ thuật và các hạng mục công nghiệp khác

1.2.4 Các van trong đường ống

Ngoài các loại cửa van lắp trước và sau đường ống dẫn nước đã kể trên, còn một số loại van nằm trong đường ống áp lực để điều tiết dòng chảy Các loại này có thể kể đến như van bướm, van côn, van tia, van giảm áp Các loại van này sẽ nghiên cứu ở chương 12

1.2.5 Các thiết bị khác

Đe bảo đảm cho công trình hoạt động bình thường, điều tiết dòng chảy theo mong muốn, bảo đảm cho công trình on định, thì cần có thêm các thiết bị thủy công khác; đó là các loại thiết bị như lưới chắn rác, thiết bị vớt rác, các khớp co giãn, khớp lắp ráp trong đường ống Các loại thiết

bị này sẽ được trình bày trong chương 13

Bài tập chương 1

1 Vì sao Việt Nam lại phải nghiên cứu và phát triên các thiết bị cơ khí thủy công?

2 Ke một số công trình tiêu biêu có các cửa van khác nhau ở Việt Nam đã sử dụng?

3 Bạn có biết loại cửa van cỡ lớn nào trên thế giới đã thiết kế mà Việt Nam chưa có?

4 Nêu các ứng dụng của cửa van trên cồng trình thủy lợi?

5 Có bao nhiêu loại máy đóng mở cửa van đã sử dụng ở Việt Nam?

6 Nêu các nguyên lý làm việc của các máy đóng mở cửa van?

7 Nêu mục đích sử dụng đường ống áp lực?

8 Vì sao phải sử dụng thiết bị vớt rác ở trạm bơm và nhà máy điện?

CHƯƠNG 2

X /

CÁC LOẠI CỬA VAN

2.1 Phân loại cửa van

Cửa van là một bộ phận rất quan trọng trên các công trình thuỷ lợi, thủy điện Nó dùng để điều tiết dòng chảy, điều chỉnh mục nước và lưu lượng qua công trình, dùng để ngăn mặn giữ ngọt, tiêu chua rửa phèn ở các vùng triều Cửa van không thể thiếu trong các công trình thuỷ điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết dòng chảy vào tuabin, tích nước vào hồ chứa, xả nước mặt có vật trôi nổi, xả cát lắng đọng, đóng cửa van để sửa chữa tuabin như đã nêu trong chưong 1 Do vậy cồng trình khai thác có tốt hay không, có đạt được mục tiêu thiết kế hay không là phụ thuộc vào sự vận hành và kết cấu cửa van

Trong chương này chúng ta phân loại cửa van và nghiên cứu từng loại cửa van, các chức năng, ưu nhược điểm khi sử dụng

2.1.1 Theo mục đích sử dụng cửa van

1 Cửa van dùng đế điều tiết liên tục dòng chảy và mực nước. Ví dụ như:

- Cửa đập tràn: Dùng đế xả nước trên mặt đập khi lưu lượng nước về hồ chứa vượt quá mực nước cho phép chứa trong hồ

- Cửa xả đáy: Dùng đê xả nước dưới đáy đập khi lưu lượng nước về hồ chứa vượt quá mực nước cho phép chứa trong hồ

- Cửa âu thuyền (khoang âu thuyền và cống lấy nước): Dùng đê điều tiết mực nước trong âu thuyền để cho phép tàu bè, giao thông qua lại trên công trình ngăn nước

- Cửa tự động điều tiết lũ: Tự động đóng hoặc mở khi có lũ và thủy triều lên

2 Cửa van được coi là cửa cấp nước, gồm:

- Cửa van lắp đặt phía trước cửa van vận hành của ống áp lực;

- Cửa van đường ống ra của tuabin Kaplan;

- Cửa van lắp đặt phía trước cửa xả đáy

3 Cửa van sửa chữa: Chỉ được mở khi áp suất nước cân bằng và chức năng chính của cửa

là cho phép tạo khoảng trống khô ráo trong kênh hoặc đường ống đế sửa chữa các thiết bị chính

(tuabin, bơm, hoặc thậm chí là cửa van cấp nước) Loại cửa van sửa chữa được chia thành nhiều tấm nhỏ theo chiều đứng để dễ bảo quản và tải trọng nâng từng tấm là nhỏ gọi là phai.

4 Cửa van thi công: Cửa van sử dụng cho dẫn dòng thi cồng Loại này được sử dụng để đóng kín cửa dẫn dòng đê tích trữ nước vào hồ chứa

2.1.2 Theo nguyên tắc vận hành cửa van

1 Cửa van tịnh tiến là cửa van khi đóng mở kẻo theo chiều thẳng đứng

- Cửa trượt: đối với cửa trượt, cánh cửa di chuyển dọc theo khe van Khi di chuyển cửa van khắc phục lực ma sát trượt giữa phàn tĩnh và gối tựa của phần động và gioăng kín nước

- Cửa bánh xe: gối tựa động sử dụng là bánh xe hay con lăn Như vậy khi nâng hạ cửa phải khắc phục ma sát lăn của gối tựa động và ma sát trượt của gioáng kín nước

2 Cửa quay là cửa khi đóng mở quay quanh một trục co định gọi là trục bản lể

- Cửa van quay theo trục đứng: cửa cung trục đứng (hình quạt), cửa van chữ nhân: loại này có trục đứng ở gần tường của khoang cửa

- Cửa quay theo trục bản lề nằm ngang trên ngưỡng: cửa sập, cửa van cung, cửa van sập kín, cửa van cống, cửa van viên phân quay

3 Cửa van vừa quay vừa tịnh tiến: Cửa van trụ ngang (trụ lăn) là loại cửa van duy

nhất khi đóng mở cửa vừa tịnh tiến vừa quay xung quanh mình nó Ket cấu cửa van dạng trụ

có trục nằm ngang với bánh răng hai đầu trục ăn khớp với thanh răng lắp cố định ở rãnh nghiêng mỗi trụ pin

2.1.3 Theo dòng chảy tưong quan vói vị trí đặt cửa van

1 Nước chảy tràn qua đỉnh cửa van: Gồm các loại cửa van phăng kéo đứng, cửa van viên phân quay, cửa sập kín và cửa van hình quạt Các loại cửa van này khi mở được hạ xuống xung quanh trục đặt trên ngưỡng cho phép nước chảy phía trên đỉnh cửa

2 Nước chảy phía dưới đáy: Gồm có cửa van phang trượt, cửa van xích, cửa van trụ ngang, cửa cung, cửa van phang bánh xe, cửa van cổng và cửa van Stoney Loại cửa này khi mở cửa di chuyến lên trên và nước chảy phía dưới cửa

3 Nước chảy cả trên và dưới: Gồm có loại cửa van phăng hỗn hợp và phăng kép Loại này

cho phép dòng chảy lần lượt chảy qua phía trên đỉnh và dưới đáy cửa tùy theo yêu cầu vận hành

2.1.4 Theo vị trí đặt cửa

1 Cửa van trên mặt: Cửa lắp trên cống lộ thiên, mực nước thượng lưu thấp hơn đỉnh cửa

Cửa trên mặt không cần lắp gioăng bịt kín cạnh trên đỉnh

2 Cửa van dưới sâu: Cửa van lắp ở lối vào cống ngầm, mực nước cao hơn đỉnh cửa Loại

cửa van này phải lắp gioăng bịt kín toàn chu vi

Tất cả các cửa van có thể ứng dụng cho các công trình trên mặt, nhưng chỉ có một số ít được sử dụng để lắp đặt dưới sâu bao gồm: cửa van bánh xe, cửa van cung, cửa van viên phân quay, cửa van cửa van xích, cửa phang trượt, dầm nâng, cửa van trụ đứng và cửa van Stoney.

2.1.5 Theo chiểu cao cột nước tĩnh thượng lưu tính từngưõng cửa van

1 Cửa van cột áp thấp: Cột nước thượng lưu cửa đến 15m tính đến ngưỡng;

2 Cửa van cột áp trung bình: Cột nước thượng lưu cửa từ 15 + 3Om;

3 Cửa van cột áp cao: Cột nước thượng lưu cửa lớn hơn 3Om

Tuy nhiên, tiêu chuẩn dựa trên cột nước là yếu tố chù quan và thay đổi theo sự phát triển của công nghệ

2.1.6 Theo kết cấu cửa van

Hình 2-1 Một số loại cửa van:

a,b Cửa van phẳng; c Cửa van cung; d Cửa van trụ đứng; e Cửa van trụ ngang; g Cửa van lưỡi gà; h Cửa phai; j Cửa van giàn quay; k Cửa van tam giác; I Cửa van hình quạt;

m Cửa van chữ nhân; n Cửa van mái nhà; p Cửa van phai.

15

Theo kết cấu và hình dạng của cửa van chia ra các loại: cửa van phẳng (hình 2-la, b, h), cửa van cung, (hình 2-lc), cửa van hình quạt (hình 2-lg, n), cửa van trụ đứng (hình 2-ld), cửa van trụ lăn (hình 2-le), cửa van mái nhà (hình 2-1 j, k), cửa van chữ nhân (hình 2-lm), cửa van thuỷ lực kiêu mái nhà (hình 2-ln) và có một số loại khác Ngày nay nhiều nuớc trên thế giới đã

có những cửa van có khấu độ đến 80 4- 100 m, cột nuớc cao từ trên 50 m

2.2 Các bộ phận của cửa van

Cấu tạo của mỗi cửa van gồm có hai bộ phận chính: phần cửa van và thiết bị đóng mở Phần cửa van có hai thành phần: phần động và phần tĩnh

2.2 ỉ Phán động

Là bộ phận có thể chuyển động được, hoạt động như một vách ngăn để điều tiết dòng nước chảy, bao gồm bản mật và các dầm chịu tải Tấm thép bưng có nhiệm vụ trực tiếp ngăn nước được gọi là thép bưng hay tồn bưng Thép bưng liên kết với các dằm tăng cứng phía sau gọi là bản mặt Các chi tiết bịt kín nước giữa phần động và tĩnh của cửa van gọi là gioăng kín nước Thông thường gioăng kín nước làm bằng gỗ, kim loại hoặc bằng cao su, các gioăng này được bắt bu lồng chặt vào bản mặt Trên phần động của van có các bộ phận hỗ trợ (bánh xe, con lăn,

gối đệm) gọi là gối tựa động Ngoài ra còn có bộ phận dẫn hướng (tấm cữ, bánh xe cữ, lò xo),

nhằm mục đích làm cho cửa van chuyển động đúng hướng định trước, chống dao động và bảo đảm an toàn

2.2.2 Phẩn tĩnh

Phần tĩnh là các bộ phận gắn liền vào bê tông để dẫn hướng, làm mặt tựa gioăng kín nước, làm đường ray cho cửa van hoạt động và truyền chuyển tiếp áp lực nước tác động lên cửa vào bê tồng Phần tĩnh cũng có tác dụng bảo vệ các gờ bê tông và hỗ trợ các bộ phận bịt kín, hình 2-2 Các chi tiết chính của phần tĩnh: ngưỡng cửa, ray bánh xe hoặc đường trượt, dẫn hướng cạnh, dẫn hướng đối trọng, dầm đỡ, tựa gioăng và thậm chí cả đường rãnh

Ngưỡng cửa là bộ phận nằm ngang thấp

trợ bịt cửa hoặc là bịt đáy Trong các loại cửa

van như cửa van hình quạt, cửa van trống và

cửa van mái nhà, ngưỡng cửa đóng vai trò là

bịt đáy Ray bánh xe lăn làm việc như bộ phận

hỗ trợ và phân phối lực truyền vào bánh xe

hoặc con lăn

Khe van, hình 2-3, cũng có chức năng

tưong tự để nhận tải trọng truyền từ gối tựa

động, gioăng chắn nước vào rãnh trượt trên

dầm đứng Khe van và dẫn hướng ngược giới

hạn dịch chuyến của cửa van trong mặt phang

ngang và được thiết kế đế chịu ứng suất tương

ứng Dầm đỡ hay dầm tường ngực là một bộ

phần tĩnh và làm việc như là bộ phận hồnhất của

Hình 2-2 Thi công lắp đặt phần tĩnh cửa van

cung và khe van sửa chữa trên đập tràn.

phận được sử dụng chỉ ở những cửa cống ngầm

Dầm đỡ làm mặt tựa gioăng bịt đỉnh và chống mài

mòn lóp bê tông do nước chảy với tốc độ cao

Hình 2-4 Cửa van trượt bằng thép không

rì (H, FONTAINE).

2.2.3 Thiết bị đóng mở cửa van

Thiêt bị đóng mở cửa van hay thỉêt bị vận

hành là bộ phận tác động trực tiếp đóng mở cửa

van Một số cửa không cần thiết bị đóng mở cưỡng

bức mà được vận hành do lợi dụng áp lực nước để

đóng mở như cửa quạt, cửa van trống và cửa van

mái nhà Thiết bị đóng mở cửa van được nghiên cứu

kỹ ở chương 10

Hình 2-3 Khe cửa và cửa chữ nhân yển động

cơ ma sát lăn c sử dụng để đóng kín cửa

2.3 Cửa van trươt dẫn dòng khi thi công xong công trình,

để dàng nước.

Cửa van phang trượt là loại cửa đơn giản

nhất Bản mặt gồm một tấm thép bưng để chắn nước

và khung xương bằng thép hình để tăng cứng và ổn

định Hai dầm biên đứng gắn gối tựa động trượt, các

cạnh đều có gioăng chắn nước Khi kéo cửa theo

chiều đứng, các gối tựa động trượt dọc theo ray

trượt đặt trong khe van liên kết với bê tông, hình

2-4 Các gối trượt thường bằng kim loại chống mòn,

liên kết chặt với các bề mặt chịu tải Các gioăng kín

nước cũng được tựa trên mặt phăng gắn trong khe

van Khi cửa van đóng, gioăng bịt kín nước không

cho rò rỉ qua giữa cửa và khe van Khi vận hành,

các gioăng trượt trên mật tựa gioăng Do đó mặt tựa

gioăng thường bằng thép được gia công nhẵn để

giảm mòn gioăng và kín nước Ngoài ra còn có các

bộ phận cữ lắp trên cửa van hoặc khe van để dẫn

hướng cho cửa van chuyển động theo một hướng

nhất định

Nhờ kết cấu đơn giản, an toàn và vì rất ít phải

bảo dưỡng nên cửa van phang trượt được sử dụng

rộng rãi như là một thiết bị điều khiến trong các

kênh tưới, công trình xử lý chất thải, cửa xả đáy, cửa lấy nước nhỏ và cửa tràn hồ chứa loại nhỏ

Vì mặt tấm thép bưng phẳng, nên áp lực nước tác dụng vuồng góc với mặt thép bưng Áp lực thủy tĩnh lên cửa van trượt này truyền lên khe cửa và bê tông, không gây rung động khi cửa

mở vì có mặt tiếp xúc và ma sát lớn giữa các bề mặt trượt Đặc tính này rất tốt đối với các cửa xả đáy cột nước cao để điều khiển việc xả và ngăn chặn bùn lắng Những cửa van này làm việc tin cậy, không tạo ra rung động, xâm thực hay mất ổn định

17

Cửa van trượt có thể làm bằng gỗ, thép, gang nguyên tấm hoặc thép kết cấu Ngày nay thường sử dụng cửa van trượt bằng kim loại do độ bền cao, chịu áp lực nước lớn Cửa bằng gỗ tiết kiệm, bền và chống mài mòn tốt, chịu cột áp thấp, dùng cho cửa nhỏ.

Bản mặt cửa van trượt là kết cấu hàn bao gồm tấm thép phăng hàn với các dằm ngang chính và các dầm đứng Tấm thép bưng thường nằm về phía thượng lun, trên mặt liên kết các bánh xe lăn cữ Một số nhà sản xuất thay thế cấu trúc này bằng tấm lượn sóng hình thang Người

ta có thể dùng các thanh hợp kim đồng thiếc hoặc đồng thau liên kết với các cạnh cửa van phía hạ lưu để làm gối tựa trượt và kết họp làm gioăng bịt kín nước Gioăng gỗ hoặc cao su cũng được sử dụng trong trường hợp này Cửa dùng gioăng kim loại áp dụng khi áp lực thuỷ tĩnh truyền qua gioăng lớn

Lực cản đóng mở cửa van bao gồm: trọng lượng cửa, lực hút xuống hoặc đây lên, ma sát trượt giữa gối tựa động với đường trượt, ma sát trượt giữa gioăng và phần cố định cả khi nâng lên hoặc hạ xuống Vì lực ma sát rất lớn, nên có thể lớn hon trọng lượng cửa van khi đóng Trong trường họp đó, thiết bị phải tạo được lực ấn xuống dưới để thắng được lực ma sát và áp lực đẩy nổi Cũng vì lý do này mà không sử dụng thiết bị đóng mở bằng dây mềm Đe tránh bị cong, cần nâng cửa phải đủ cứng vững Khi cửa có chiều rộng bằng hoặc lớn hon hai lần chiều cao thì thường có hai cần nâng liên kết với trục cân bằng

Đe vận hành hồ chứa hiệu quả, thường sử dụng cửa van trượt đóng mở bằng xi lanh thủy lực Trong trường này, người ta lắp hai cửa van giống nhau ở lối vào đầu cống, cách nhau khoảng

từ 1 l,5m Cửa van phía hạ lưu là cửa vận hành chính, đóng mở và điều tiết dòng chảy, cửathượng lưu thường mở và là cửa bảo vệ, sửa chữa cửa hạ lưu Vì bố trí như vậy, cửa thượng lưu thường thiết kế thành nhiều mảnh nhỏ ghép lại theo chiều đứng gọi là cửa van sửa chữa hay phai sửa chữa Cơ cấu nâng hạ thuỷ lực dễ dàng thắng được lực ma sát lớn của cửa van trượt ở cống xả đáy

Một ví dụ thú vị về cửa van này là cửa mở đáy của đập Emosson, hình 2-5, rộng l,lm cao l,8m và chiều cao cột nước là 155m, nằm gần Chamonix giữa biên giới Pháp và Thụy sỹ Đặcdiêm chính của cửa này là

bản mặt làm bằng một tấm

thép dày mà khồng có

xương gia cường Ưu diêm

là không phải hàn, giảm

được kích thước khe cửa

(dẫn đến giảm sự nhiễu loạn

rỉ Cửa van được trang bị hệ

thống bôi trơn áp lực cao đế

giảm ma sát trượt bên, cho

phép tháo cửa khỏi dẫn

hướng sau khi nén một thời

Hình 2-5 Cửa mở đáy đập Emosson:

1 Cửa sửa chữa; 2 Cửa vận hành; 3 Xi lanh thuỷ lực; 4 Cửa van;

5 Thép không gỉ; 6 Hợp kim đồng thiếc, 7 Gioăng cao su.

gian dài không vận hành Áp suất của hệ thống bôi trơn là 50 Mpa Người thiết kế cửa này tin tưởng rằng, vì lý do kinh tế chiều rộng cửa không nên vượt quá 1,5 -ỉ- 2,5m và chiều cao cột áp vào khoảng 180m (cửa nhỏ) đến 60m (cửa lớn) [24].

2.4 Cửa phai

2.4.1 Cấu tạo phai

Phai là cửa van sửa chữa, dùng chắn nước làm khô ráo để bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị hoặc cửa van chính nằm phía hạ lưu phai Ket cấu phai cũng giống cửa phang trượt, có thể chia thành nhiều phân đoạn và thường thép bưng nằm về phía hạ lưu Cửa phai có thể được sử dụng ở: thượng lưu cửa lấy nước, cửa tràn, thượng lưu và hạ lưu của lối vào cửa xả đáy khi mực nước hạ lưu cao hơn ngưỡng cửa và hạ lưu tuabin hoặc cửa sửa chữa

Đóng mở phai trong trạng thái nước cân bằng

Tuỳ thuộc vào chiều cao cần bịt kín, phai có thể có

nhiều phân đoạn Chiều cao và số lượng của tấm phai

phụ thuộc bởi:

- Khả năng nâng của thiết bị đóng mở;

- Chiều cao của máy nâng;

- Tấm phai càng cao thì chiều cao nâng phía

trên sàn vận hành càng cao;

- Mức độ khó khi cất giữ các tấm phai;

- Giới hạn vận chuyên của đường vận chuyên

đến công trường;

- Chiều rộng thông thường lớn nhất của các

bộ phận vận chuyển bằng đường cao tốc

hoặc đường tàu hoả là 3m Trên đường cao

tốc, nếu như vượt quá giới hạn cho phép thì

cần đến các giấy phép lưu hành đặc biệt

cũng như phải có các biến báo trên đường đi,

như vậy sẽ làm tăng giá thành vận chuyên

Hình 2-6 Phai đập tràn:

1 Tấm phai; 2.Dần hướng phai;

3 Dầm nâng phai; 4 cổng trục.

Chỉ khi đánh giá đầy đủ ảnh

hưởng của các yếu tố trên, người

thiết kế mới xác định được chiều

cao hợp lý của tấm phai

Phai chắn nước cũng được

trang bị gioăng cạnh, gioăng đáy và

gioăng ở giữa các tấm phai Đê

gioăng áp sát vào tựa gioăng khi

mới hạ phai xuống khe, người ta

dùng các lò xo lá lắp phía mặt chịu Hình 2-7 Lò xo lá bán elip cho gioăng chịu nén trước.

19

áp lực để nén trước gioăng áp vào tưa giăng Lò xo tác dụng như cái nêm làm chặt tấm phai với khe phai, hình 2-7.

Tấm phai có thề giống nhau hoặc được thiết kế riêng để mỗi tấm chịu áp lực tương ứng theo chiều cao cột nước Trong trường hợp thiết kế riêng thì phải lắp đặt các tấm phai đúng theo thứ tự Thiết kế các tấm phai giống nhau hiến nhiên là không tiết kiệm, vì tất cả các tấm đều phải theo tấm chịu lực lớn nhất Nhưng ưu diêm của chúng là an toàn hơn, linh hoạt và dễ chế tạo và vận hành vì sẽ không cần phải lắp đặt theo thứ tự Trong trường hợp phai ngập dưới nước, tấm trên cùng phải có gioăng ở đỉnh và vì vậy không thể giống các tấm khác Để cân bàng áp lực nước khi mở phai, phai trên cùng phải lắp van điều áp

Tấm phai được lắp vào và tháo ra khỏi vị trí làm việc ở điều kiện áp lực nước cân bằng, sử dụng máy trục và dầm thả phai

2.4.2 Cấu tạo dấm thả phai

Dầm thả phai trang bị móc phai, dầm

ngang, đối trọng, con lăn dẫn hướng Móc phai

2 vận hành nhờ hệ thống thanh truyền và đối

trọng 4, hình 2-8 Hệ thống hoạt động như sau:

1 Đưa tấm phai ra khỏi khe: Dầm nâng

phai được đưa vào khe phai nhờ móc nâng của

máy trục 6 Khi đó đối trọng của dầm nâng

được đặt ở vị trí mở (nét đứt quãng) Dầm được

đưa vào dẫn hướng và hạ xuống cho đến khi

đáy cữ của dầm nằm trên mặt tấm phai Sau đó

điều khiên đối trọng lật qua phía đối diện, móc

phai gài vào vấu treo của phai Khi đó, do tác

động của đối trọng, móc phai ở vị trí thẳng

đứng sẽ móc tấm phai vào dầm nâng, (vị trí móc

phai hình nét liền) Cho móc cẩu nâng dần phai

lên khỏi khe phai và di chuyển đến kho cất giữ,

hình 2-9

2 Đưa phai lắp vào vị trỉ khe: Quy trình

sẽ ngược lại với việc đưa phai khỏi khe Ban

đầu máy trục nâng dầm phai có liên kết sẵn phai

từ kho chứa ra và vận chuyển đến vị trí khe phai

cần lắp Đưa từ từ phai, dầm vào khe phai và

chỉnh đúng theo ray dẫn hướng cho đến khi phai

nằm đúng vị trí Lúc đó dầm nâng được hạ tiếp

cho đến khi cữ đáy của dầm thả phai nằm trên

bề mặt đỉnh phai Di chuyển đối trọng quay

sang đối diện vị trí móc, móc phai từ từ tách ra

khỏi vấu treo phai Tiến hành kéo dầm nâng

phai khỏi khe và chu kỳ lắp phai tiếp theo được

lặp lại

6

Hình 2-8 Dầm nàng phai:

1 Tấm phai; 2 Móc phai 3 Van điều áp;

4 Đối trọng; 5 Con lăn, 6 Móc nâng.

Hình 2-9 Dầm nâng phai, tấm phai,

và thiết bị nâng.

Cân bằng áp lực để tháo các tấm phai sau khi kết thúc bảo dưỡng sửa chữa được thực hiện bằng cách tháo nước vào trong khoang giữa cửa phai và cửa van chính Tháo nước vào khoang này có thể thực hiện bằng cách:

Lắp đặt van điều áp ở đỉnh tấm phai trên cùng, đóng mở van bằng dầm nâng, hình 2-10 Khi kéo dầm nâng liên kết với cần lên một ít và dừng lại, nước chảy theo đường ống vào khoanggiữa Đợi đến khi nước vào đầy khoang giữa, áp lực

nước hai mặt phai được cân bằng, thì tiếp tục kéo phai

lên Trong một số trường họp đặc biệt không cần lắp van

điều áp Cân bằng áp được thực hiện bằng cách nhấc tấm

phai trên cùng để tạo ra khe hở giữa tấm này với tấm

ngay phía dưới Chiều cao cột nước tương đối thấp nên

dễ dàng nâng phai trên cùng

2.5 Cửa van phảng bánh xe

2.5.1 Cấu tạo cửa van bánh xe

Cửa van phang bánh xe có bản mặt giống cửa van

phang trượt nhưng chỉ khác là thay gối tựa động trượt

bằng bánh xe lăn Như vậy cấu tạo cửa van phang bánh

xe bao gồm: tấm thép bưng phắng hàn với các dầm

ngang và dầm đứng, hai dầm biên đứng có lắp trục, bánh

xe và gioăng kín nước, hình 2-11 Áp lực nước truyền

vuông góc với thép bưng, qua dầm ngang đến dằm biên

đứng, qua các bánh xe lên ray lắp trong khe van và

truyền vào bê tông Bánh xe gắn vào trục cố định ở mặt

bên dằm biên đứng và có chức năng kép: giảm lực ma sát

khi đóng mở cửa và truyền áp lực cửa van lên phần cố

định Cửa van bánh xe có lực cản ma sát nhỏ nên có thê

tự đóng, kể cả cửa lấy nước có cột áp cao Nhờ vậy mà

cửa van bánh xe được sử dụng rộng rãi nhất

Nhưng nếu cửa van bánh xe trong tháp có cột áp

cao quá, tốc độ dòng chảy dưới van lớn, thì lực đẩy lên

lớn hơn trọng lượng cửa, nên cửa van vẫn không tự đóng

được Hơn nữa do tiếp xúc giữa bánh xe và ray là tiếp

xúc đường hay điểm, nên ứng suất cục bộ lớn, có thể

vượt quá ứng suất chịu nén cho phép của bê tông

Cửa van bánh xe lắp đặt trên các hồ chứa được lắp

gioăng cả cạnh và đáy cửa Tấm thép bưng có thế nằm về

phía thượng lưu hoặc hạ lưu của cửa van Tấm thép bưng

ở thượng lưu bảo vệ dầm chống lại các nguy hiếm do

băng tan hay sự tích tụ rác, loại bỏ lực kéo xuống vì góc

vát đáy nằm ở phía hạ lưu, giảm mài mòn và thuận lợi

trong bảo dưỡng

Hình 2-10 Van điều áp:

1-Cần; 2 Gối trượt; 3 Lò xo; 4.Nắp;

5 Gioăng; 6 Thép bưng.

Hình 2-11 Cửa van bánh xe cho cửa

xả đáy của nhà máy thuỷ điện

Passu real.

21

Khi sử dụng cửa van bánh xe lắp đặt trên tràn, bản mặt kéo dài từ ngưỡng cho đến mức cao nhất của hồ chứa và thường dư thêm 0,3 0,5m để ngăn nước bắn toé do sóng tạo bởi gió trong

hồ chứa Khe dẫn hướng cửa được kéo dài đến tận sàn vận hành để cửa có thề nâng lên đến mức cao hơn mức nước lớn nhất của hồ cầu cồng tác được lắp đặt trên đỉnh dẫn hướng để đặt thiết bị nâng Do phải kéo dài thêm một ít dẫn hướng phía trên sàn vận hành thường làm mất thâm mỹ của loại cửa này, hình 2-13

Có thế lựa chọn cửa van bánh xe cho mục đích này theo một trong ba cách sau:

a Có nhiều cửa van bánh xe lắp trên cùng khe van Thực chất là phân đoạn cửa van lớn theo chiều ngang Điều tiết mực nước chính xác hồ chứa bằng cách nâng cửa trên

b Cửa van bánh xe kép bao gồm hai cánh được thiết kế liên kết với nhau, để cánh cửa trên có thê hạ thấp hơn, cho phép xả nước qua cửa Cả hai cánh đều được nâng lên trên mực nước cao nhất

c Cửa van bánh xe lắp cửa sập trên đỉnh, hình 2-14 Cửa sập thấp cho phép điều chỉnh chính xác cột nước cũng như dễ dàng loại bỏ gỗ và vật trôi nổi

Hình 2-14 Đập Hap. stockhein với

cửa van bánh xe (DSD-NOELL)

rộng 8m, cao 6m.

a) Laufenburg (1909) b) Eglisau (1915) c) Reckingen (1930)

Hình 2-15 Cửa van kéo đứng hai cánh.

Hình 2-16 Cửa van bánh xe hai lớp,

hạ lưu và được thiết kế để bảo vệ dầm cửa dưới khi nước xả qua cửa Vì biên dạng cửa trên giống như một cái móc nên có tên gọi là cửa móc

Ưu điểm chính của cửa này được tóm tắt:

- Lực nâng yêu cầu cho cửa dưới giảm vì không còn lực thuỷ động;

- Một rãnh trượt con lăn đơn cho cả hai cửa

Sử dụng cửa bánh xe cột áp cao ở cống lấy nước, trên mặt đập bê tông, hạ lưu của lối ra hoặc ống áp lực Với mục đích chính sử dụng cửa phang bánh xe để đóng khấn cấp nhằm bảo vệ ống áp lực và các thiết bị hạ lưu thì vị trí thích hợp nhất là gần lối vào Tuy nhiên khi lắp đặt ở lối vào trong cống gần đường tâm của đập đất khồng khả thi hoặc quá đắt

ơ châu Âu, thường sử dụng cửa van bánh xe với tấm thép bưng và gioăng kín nước về phía thượng lưu Loại này có thê đóng tự trọng và còn giảm lực nâng cửa và tất nhiên là giảm giá thành Thép bưng và gioăng kín nước ở phía thượng lưu làm cho việc kiềm tra khung cửa dễ dàng

23

khi cửa đóng, hạ lưu không có nước, cần thiết kế để dầm đỉnh có độ võng là nhỏ nhất, để không cho gioăng đỉnh tách khỏi tường ngực.

2.5.2 Sự khác biệt của vị trí thép bưng và gioăng kín nước

Cần chú ý lực đẩy lên khi thiết kế thép bưng và gioăng kín nước đặt ở phía thượng lưu của cửa van phang bánh xe Một số sự cố đã xẩy ra: ở đập Mossyrock, Mỹ, một cửa lấy nước bịt đường ống áp lực nặng 654 kN bị đẩy văng khoảng 12m kể từ khe van do xuất hiện lực quá lớn

Ờ đập Dworshak, cửa nặng 124,6 kN bị đẩy văng 76m từ đỉnh khe van Ở nhà máy thuỷ điện ƯVAC, Nam Tư cũ, một cửa lấy nước rộng 2,6m, cao 4,6m và nặng 174,6 kN, khi cho đầy nước vào đường hầm và điền đầy ống thông đã bị đẩy văng Cửa bị hư hỏng, một số bộ phận ngay lập tức bị xoắn và lỗ thông khí bằng kim loại bị ép phang Tại thời gian xảy ra tai nạn, chiều cao cột nước là 56,5m Ở nhà máy thuỳ điện Agua Vermelha, Brazil, khi có lệnh mở và đang lấy nước vào ống áp lực thì cửa lấy nước bị đấy văng bất ngờ Các nguyên nhân xấy ra có thế là không thiết lập sự cân bằng áp suất Xi lanh đỡ

dầm bị kéo tung ra khỏi bu lông neo Xi

lanh bị đay văng một phần qua đỉnh

đập Nước bắn vào đỉnh cửa ống thông

đang mở và cánh cửa bị hư hỏng sau

khi rời khỏi ngưỡng [24]

Các nghiên cứu mô hình do quân

đoàn kỹ sư Mỹ tiến hành dẫn đến kết

luận: nguyên nhân chính của hai tai nạn

ở Mỹ là độ rộng giữa khe cạnh hạ lưu

cửa và cửa nhỏ hơn độ mở của cửa

(f < a trong hình 2-19) Trong trường

hợp này, do khe hở sau cửa van nhỏ, có

thể hạn chế dòng chảy của nước vào lỗ

thông đù để gây ra áp lực nước trục tiếp

-280

Hình 2-18 Cửa van bánh xe cống lấy nước nhà máy thuỷ điện Agua Vermel ha, cột nước tính từ ngưỡng là 40m.

hướng lên trên từ dưới đáy cửa Quân

đoàn kỹ sư Mỹ đề nghị tăng khoảng

cách giữa cửa van và tường phía hạ lưu

theo chiều đứng sẽ làm giảm lực nâng

lên, hình 2-19b

Các thử nghiệm chỉ ra rằng: lắp

gioăng ở phía thượng lưu thì lực hút

xuống không tăng Tuy nhiên, có thê

xảy ra lực đấy lên là nguyên nhân cửa

bị đẩy văng lên, vì vậy cần thực nghiệm

đối với cửa có gioăng và tấm thép bưng

ở phía thượng lưu

Một số hiện tượng thuỷ lực xuất

hiện trong một thời gian ngắn ở cửa van

có gioăn đặt ở phía thượng lưu, rất khó

Hình 2-19 Cửa van bánh xe với thép bưng và gioăng kín nước ở phía thượng lưu, vị trí gày sự cố.

lường trước và có thể dễ bị bỏ qua khi kiểm tra, chẳng hạn như là có tia nước thẳng đứng từ khe

hở giữa bề mặt cửa và dầm đỡ phía thượng lưu Mặc dù khe hở nhỏ, dòng chảy cục bộ có thể rất cao

Những sự cố trong khi đóng khấn cấp của cửa với gioăng ở phía thượng lưu là:

- Trước khi bắt đầu đóng, lỗ thông cửa đầy nước và cửa hoàn toàn chìm ngập;

- Khi cửa bắt đầu đóng, áp suất giảm ở hạ lưu cửa và ống thông gió cho khí vào;

- Ở vị trí nào đó trong phạm vi cửa chuyển động, nước trong lỗ thông đột ngột chảy đến vùng áp suất thấp ở phía hạ lưu của cửa Một thể tích lớn nước được giữ lại ở đỉnh của dầm ngang Việc tháo nước này qua lỗ rò ở dưới dầm là chậm, vì thế mỗi dằm cần có

lỗ thoát nước riêng ngay dưới dầm

Vì lỗ thông cửa trống, dòng chảy

qua khe hở giữa tường ngực phía

thượng lưu và bản mặt cửa van tăng lên

Tia nước phun thẳng đứng thông qua

khe hở và rơi vào dầm đỉnh cửa van,

như vậy khồng điều khiển được sự di

chuyển của dòng chảy điền đầy bên

trong cửa

Khi cửa sắp đóng hết, gioăng

đỉnh tiếp xúc với tường ngực phía

thượng lưu và bịt kín khe hở và dòng

chảy cục bộ Đường ống áp lực hoàn

toàn hết nước và cửa dịch chuyển tới

ngưỡng, kết thúc hoạt động đóng cửa

Đối với cửa lấy nước có gioăng ở

phía thượng lưu không nên thiết kế với

vòm khung dốc lớn, bởi vì lưu tốc dòng

chảy lớn của nước sẽ ép lỗ thông khí

đóng khẩn cấp Vận tốc dòng chảy qua

lồ thông càng cao thì thể tích nước giữ

lại trên dầm đỉnh cửa càng lớn

Vận tốc dòng nước đi vào lỗ

thông cửa van có thể được điều khiển

bởi thiết kế họp lý khe hở giữa dầm

tường ngực phía thượng lưu và tấm

thép bưng Tỉ lệ của dòng chảy sẽ được

giảm với khe hở nhỏ hơn Trọng lượng

nước giữ lại trong lòng cánh cửa nên

được xem xét cẩn thận và cộng vào

trọng lượng cửa Từ đó tính toán lực

vận hành khi đóng khẩn cấp cửa van

với gioăng ở phía thượng lưu

Hình 2-20 Cửa van bánh xe, nhà máy thuỷ điện

Sobradinho (DEDINI).

Hình 2-21 Phân đoạn cửa van bánh xe, nhà máy thuỷ

điện Lupia (Bardella).

25

Cửa van cống lấy nước là thiết bị an toàn cuối cùng cho tuabin và nó phải đóng khẩn cấp ở bất kỳ điều kiện nào của dòng chảy và mực nước Từ quan điếm an toàn, độ tin cậy cao nhất cho mục đích đóng khẩn cấp, thì kết cấu cửa lấy nước với gioăng ở phía hạ lưu là phù hợp, do nó không tạo ra lực đây cửa Nghiên cứu mô hình chỉ ra rằng: giá thành đầu tư ban đầu cho cửa van khẩn cấp với gioăng ở phía hạ lưu thấp hơn so với cửa lắp gioăng ở phía thượng lưu Độ tin cậy phụ thuộc vào lựa chọn kiêu cửa van đóng khân cấp Tuy nhiên, cửa lắp gioăng phía thượng lun thì lực mở cửa nhỏ hơn so với cửa lắp gioăng ở phía hạ lun Do đó, tùy theo điều kiện làm việc

mà lựa chọn cửa lắp gioăng phía thượng hoặc hạ lưu

Đôi với cửa van bánh xe có thép bưng và gioăng ở phía hạ lun thì cân quan tâm đên lực kéo xuống và cần chú ý đặc biệt đến thiết kế hình thức đáy cửa nhằm giảm áp lực thúy lực là nhỏ nhất Lực kéo xuống xuất hiện khi cửa mở từng phần, lúc đó một phần cột áp chuyển thành năng lượng tĩnh Sự chênh áp giữa đỉnh và đáy cửa làm tăng lực nước tác dụng nén cửa xuống và ảnh hưởng đáng kể đến thiết bị nâng Lực kéo xuống xác

định trong chương 5

Khi bố trí mỗi bên dầm biên đứng quá hai

bánh xe sẽ xảy ra dầm siêu tĩnh, về cơ bản, nó liên

quan đến việc xác định các phản lực lên bánh xe ở

cùng một bên cửa khi một bánh xe khồng tiếp xúc

với ray Điều này có thể là do mặt các bánh xe

không thẳng hàng hoặc do mài mòn hoặc đường

kính bánh xe gia công không chính xác Do vậy nên

thiết kế mỗi cửa van chỉ có hai bánh xe một bên dằm

biên đứng, nếu áp lực lên bánh xe vượt quá mức cho

phép, thì chia cửa van lớn thành các phân đoạn nhỏ

hơn theo chiều đứng để mỗi phân đoạn chỉ có hai

bánh xe mỗi bên, hình 2-20 Nối ghép các phân đoạn

bằng các tấm liên kết khóp với nhau Một dải cao su

bịt kín nước được lắp chặt vào mặt tấm thép bung

của phân đoạn trên và phân đoạn dưới với sự hỗ trợ

của hai tấm đệm cữ, hình 2-22

Cửa van bánh xe dưới sâu có gioăng cho cả

bốn cạnh Cửa van trên mặt chỉ có gioăng hai cạnh

bên và đáy Với cửa lắp trong đường hầm, gioăng

đáy thường là dải cao su hình chữ nhật gắn trên cùng

mặt phang như gioăng cạnh và gioăng đỉnh hoặc

cạnh khác của bản mặt

Cửa van bánh xe lớn nhất đã từng được lắp

đặt trong khoang âu thuyền châu thổ sông Volga của

Nga Mỗi cửa có trọng lượng khoảng 11,8MN và

khâu độ 11 Om và cao 12,93m, sử dụng tời cáp với

sức nâng 17,6MN để vận hành những cửa van này

[24]

Hình 2-22 Làm kín nước giữa các phân đoạn:

1 Phân đoạn trên; 2 Phân đoạn dưới; 3 Dải cao

su; 4 Tấm đêm cữ; 5 Bulông.

Hình 2-23 Cửa van xích trên đập San

Louis (MITSUBISHI).

2.6 Cửa van xích

Cửa van xích cũng vẫn là cửa van phang, nhưng phần tựa động là xích thay bánh xe Thành phần chính của cửa van xích là bản mặt được đỡ bởi dầm đứng ở cạnh bên Truyền động kiểu xích con lăn liên tục được gắn xung quanh dầm đứng Con lăn truyền động di chuyển cùng với cửa van, hình 2-23

Lực ma sát trên các con lăn nhở và khả năng chịu tải lớn là lý do mà cửa van xích được lắp đặt ở những cống có cột áp cao và yêu cầu đóng kín bằng trọng lượng bản thân thay vì cửa van bánh xe Nhược điểm của loại cửa này so với cửa van bánh xe là:

- Giá đầu tư ban đầu cao hon;

- Giá bảo dưỡng cao hơn do có nhiều chi tiết chuyển động;

- Cần điều chỉnh độ chính xác cao giữa bước con lăn và xích con lăn để vận hành chính xác;

- Có thể hỏng một số con lăn hoặc chốt ảnh hưởng đến hoạt động của xích con lăn;

- Có thể nguy hiểm đối với con lăn vì tải lệch tâm do lệch bản mặt nên cần có dầm ngang với mô men quán tính lớn hơn

Cửa van xích thường được thiết kế như là cửa bảo vệ ở các cống lấy nước cột áp cao và chỉ làm việc ở vị trí đóng hết hoặc mở hết Vị trí đóng và mở thồng thường được thực hiện do điều kiện cân bằng áp suất Đóng khấn cấp đế ngăn nước đô vào cống dẫn được thực hiện bằng trọng lượng bản thân cửa van

Cửa van xích bao gồm tấm thép bưng, dầm ngang, dầm đứng bên, truyền động xích con lăn

và gioăng làm kín Tấm thép bưng và gioăng kín nước có thể đặt ở phía hạ lưu hoặc thượng lưu Một thiết kế thú vị là một cửa van xích ở đập San Louis, Mỹ, được làm từ hai phần, mỗi phần có một cặp truyền động xích Liên kết giữa hai phân đoạn được tạo ra để mối nối theo phương ngang

có tác dụng như bản lề cho phép giảm sự lệch theo phương đứng của xích Đặc điểm này ngăn chặn tập trung ứng suất uốn trên mặt đúng của mối nối và tránh tải tác dụng lên con lăn quá mức vốn

là nhược điềm của bánh xích Cửa van xích đã được sử dụng ở Mỹ và một số nước Nam Mỹ khác

2.7 Cửa van cung

2.7.1 Câu tạo và công dụng cửa cung

Cửa van cung có mặt cắt ngang hình cung, khi đóng mở xoay quanh một trục ngang cố định Đơn giản nhất của cửa bao gồm tấm bản mặt hình cung tròn được đỡ bởi càng chịu nén hướng kính để truyền lực nước từ bản mặt lên gối đỡ cố định, hình 2-25 và hình 2-26

Áp lực nước lên mật cong của thép bưng, tổng áp lực đi qua tâm gối đỡ và thường trùng với tâm bán kính cong bản mặt Vì vậy không có xu hướng mở hay đóng cửa Trong một số trường hợp, tâm bán kính cong bản mặt nằm ở trên tâm trục quay đủ lớn để tạo mồmen quay nhằm hỗ trợ tời nâng mở cửa nhẹ nhàng hơn Mô men này phải nhỏ hơn mồ men do trọng lượng cửa sinh ra để đảm bảo cửa đóng kín ở vị trí đóng Trong một số trường họp lắp đặt, cửa van cung

có thể có thêm đối trọng trên dầm kéo dài ở hướng đối diện bản mặt, cho phép nâng cửa với lực nâng nhẹ

27

Hình 2-24 Cửa van cung, nhà máy điện Jupia,

Các nhà tư vấn thiết kế, nhà sử

dụng và nhà chế tạo rất dễ nhầm lẫn

giữa khái niệm cửa cung và cửa hình

quạt Thông thường, cửa van cung

được gọi sai thành cửa hình quạt

Tuy nhiên, không có lý do cho sự

nhầm lẫn này vì hai loại cửa có

những đặc điểm khác nhau Cửa van

cung xuất hiện năm 1853 tại Pháp,

còn cửa hình quạt phát minh năm

1907 tại Mỹ

Nhờ kết cấu đơn giản, bền

chắc, đóng mở nhẹ, chịu được áp lực

lớn, dòng xả đáy thuận nên cửa van

cung thường được sử dụng để đóng

Hình 2-26 Cửa van cung sông Ba Hạ.

Cống, như là van điều tiết nước khi lấy đầy nước hoặc làm kiệt nước hệ thống, tràn xả lũ

Ưu diêm chính của cửa cung là chỉ truyền lực nén xuống trụ pin nên dễ dàng trong thiết kế trụ pin

Cửa cung là loại cửa thích họp nhất đối với dòng chảy lớn, bởi vì nó dễ vận hành và bảo dường (dễ tiếp cận 0 đỡ và khung bản mặt), trọng lượng nhẹ, một phần tải được phân lên gối một đầu, do vậy lực đóng mở nhẹ Cơ cấu nâng được thiết kết đế thắng trọng lượng cố định của các phần di động và lực ma sát giữa gối đỡ và gioăng cạnh khi vận hành cửa Cửa đóng kín thường bằng trọng lượng bản thân cửa cung Đê an toàn hơn cho thiết bị, ngoài cơ cấu đóng mở bằng động cơ điện, người ta còn lắp thêm thiết bị điều khiên bằng tay đế cho phép nâng cửa trong trường họp mất điện

Cửa cung không có hốc khe van trong trụ pin, điều đó làm giảm khối lượng thiết kế và dòng chảy có thể chảy sát tường Do đó cửa cung phù họp với vận hành ở trạng thái mở một phần Khi so sánh với cửa sập, cửa cung lắp đặt đơn giản hơn Việc kiểm tra độ mài mòn và sự

thắng hàng của gối đỡ và phần tỳ không tốn

nhiều thời gian so với phần tỳ cửa sập Cửa sập

yêu cầu chặt chẽ về dung sai mài mòn rãnh

trượt, dẫn hướng và cần thiết cho tải phân bố

đều

Trước tiên, dòng chảy lớn nhất qua đập

tràn đã được xác định độ rộng của khoang tràn

nên chỉ việc lựa chọn để đạt chiều dài nhỏ nhất

cho đập tràn và vì thế làm giảm toàn bộ giá

thành Thường có xu thế sử dụng khoang cửa

hình vuông hoặc cửa có chiều cao lớn hơn chiều

rộng Gối đỡ cửa thường đặt cao ít nhất là một

mét phía trên đường mực nước xả lớn nhất qua

Tâm thép bưng được đỡ bởi một sô dâm 7////////////{/j/// 7////////////^//z 7/////////////////A

uzzzzzzzzzzzzzzzzi

Hình 2-28 Bố trí cửa van (hình chiếu bằng).

ngang, dâm đứng và các kêt câu tăng cứng Kêt

cấu chủ yếu tựa vào các dầm ngang chính hoặc

các dầm chính đứng và được đỡ bởi càng van

Dầm ngang chính hoặc dầm đứng chính là các

dầm chịu toàn bộ tải trọng tác dụng lên cửa Các

dầm này phải đủ bền và ổn định

Bố trí thông thường của càng van như

hình 2-27 Bố trí kiêu a được sử dụng cho các cửa thấp hoặc khi khung cửa được thiết kế như một phần chống lại xoắn vặn Càng có dạng hộp với khả năng chống xoắn cao Trong bố trí kiếu chữ

A, phản lực được đờ bởi dầm đứng có thế đã được xác định ngoại trừ trường hợp cửa có ba hoặc nhiều hơn một cặp càng (trường họp c và d) Trong trường hợp này, áp lực tác dụng lên dầm

chính và càng là dạng siêu tĩnh

Thêm nữa, thiết kế và kết cấu phần kết nối cuối càng van với ngõng trục trong trường hợp cửa có nhiều càng có thể phức tạp hơn Vì thế để giảm không gian người ta ít khi lựa chọn kết cấu này Tăng cường càng van là để chống uốn trong mặt phẳng đứng

Trên hình 2-28 là cách bố trí các dạng càng: Thiết kế càng thẳng kiểu a thường sử dụng cho cửa nhỏ, càng van song song với bề mặt trụ pin và liên kết với phần cuối của dầm ngang, thường

sử dụng khi B < 10m Khi cửa rộng B > 10m thì lựa chọn càng xiên kiếu b đế giảm mô men uốn

ở giữa dầm chính ngang Độ nghiêng của dầm tạo ra lực dọc trục trong dầm ngang hướng vào giữa Kiểu c ít được sử dụng, nó được dùng cho các cửa van chịu lực tác dụng lớn, hình 2-29.

Càng van thường liên kết với dầm chính bằng bu lông và chịu tải dọc trục và mô men uốn

do lực ma sát trong trục 0 quay Theo hướng dọc trục, càng van phải chịu lực đẩy của nước và lực nâng của thiết bị đóng mở Càng van liên kết chặt với moay ơ cối quay bằng hàn hoặc bulông Mayơ có dạng hình trục rỗng được sản xuất từ thép đúc hoặc thép chịu lực Bạc đồng thường được đặt vào trong mayơ Chốt trục quay được làm bằng thép hợp kim hoặc thép chịu lực Trong trường hợp này, chốt còn được mạ bên ngoài một lóp crom cứng đế chống mài mòn tốt hơn và độ

29

bền cao hơn Chốt được chặn hai đầu và chống quay tròn bằng tấm khoá Đỡ trục quay thường được làm bằng thép đúc hoặc thép kết cấu và gắn cứng vào bê tông hoặc dầm thép.

Hình 2-29 Cửa cung chắn sóng biển Hình 2-30 Bạc tự bôi trơn (DEVAGLIDE).

Khi lắp ô bi và bạc đồng, cằn có không gian chứa mỡ thích hợp trong các chốt của trục quay cho mục đích bôi trơn Bạc tự bôi trơn được sử dụng trong các cửa chịu tải lớn vì chúng có

hệ số ma sát thấp và độ bền nén cao và vì thế có khả năng chịu tải lớn hơn Tuy nhiên, thường thì

mỡ bồi trơn không được sử dụng cho cửa với bạc tự bôi trơn Mỡ trong các khe hở phải được ngăn nước và đảm bảo khả năng bôi trơn ban đầu của bạc Bạc tự bôi trơn hiện tại được cung cấp dưới tên thương mại như là Lubrite, Deva và Giles, hình 2-30 Vật liệu bôi trơn là một hỗn hợp pha trộn của vài vật liệu rắn (kim loại, ô xít kim loại và các vật liệu khác) đặt trong các lỗ xuyên tâm của vòng kim loại Vật liệu bôi trơn kết họp với vật liệu mang trong vòng kim loại với nhiệt

độ và áp suất cao để điền đầy các vật liệu bôi trơn Họp kim đồng, thép đúc hoặc thép họp kim được sử dụng như vật liệu nền cho các vòng này

Hình 2-31 Cối quay cửa cung, tổng công ty Cơ Điện Xây dựng Nông

Nghiệp & Thủy Lợi chế tạo.

Gối đỡ cửa thường chịu tải rất lớn nên được thiết kế để bù vào sự thiếu hụt của tiếp xúc không hoàn toàn của chốt, giãn nở nhiệt, biến dạng đàn hồi và độ nghiêng do lắp đặt Cuối những năm 60 của thế kỷ trước, gối đỡ cầu đàu tiên được sử dụng ở châu Âu đã chứng minh sự hiệu quả trong nhiều trường họp trước đây không làm được Ví dụ: Cửa cung công trình Stor rộng 43m và cao 13m chịu tải 37MN;

gối đỡ cầu có đường kính

trong O420mm, đường

đỡ cửa cung càng xiên

đang được chế tạo tại tổng

công ty Cơ Điện Xây dựng

Nông Nghiệp & Thủy Lợi

Hình 2-33 Cửa van cung với

cửa sập.

Đối với cửa cung có các càng xiên, lực ép cạnh bên nên được đưa vào dữ liệu đế thiết kế neo và xác định hệ số lực ma sát trong gối đỡ Đe giảm lực ma sát vì yếu tố cạnh bên thì cạnh thường chèn thêm một vòng đệm chịu lực làm cùng vật liệu như đệm lót giữa bề mặt trượt và bề mặt ngỗng trục

Khe hở giữa các bề mặt trụ pin và bề mặt ngồng trục thường được điền đầy bằng nhựa epoxy hoặc chì nóng chảy đê truyền áp lực cạnh bên lên trụ pin Cửa van cung khi mở phải nâng lên Chỉ với độ mở nhỏ, một lượng nước tương đối lớn được tháo qua cửa, vì sự tháo nước do áp lực đấy như là một vòi phun Cửa thường kết hợp với cửa sập nhỏ ở trên đỉnh để tháo vật trôi nối Với kết cấu như vậy, nó có thế xả băng đá và rác vụn mà không thất thoát nhiều nước

2.7.2 Các ứng dụng khác của cửa cung

Cửa van cung cho hệ thống âu thuyền đầu tiên được xây dựng có tay đòn để tạo lực nén Tuy nhiên, kiểu này dẫn đến tràn một lưọng lớn không khí vào ống dẫn nước qua trục cửa làm hỗn loạn dòng chảy trong âu thuyền Các mẫu thí nghiệm cho thấy xoay ngược cửa để bề mặt lõm hướng về thượng lưu thì loại bỏ được vấn đề này Các mẫu thử nghiệm đã chứng minh đặc điểm này và cửa van cung bây giờ được sử dụng trong hầu hết các hồ chứa ở Mỹ Loại cửa này có kích thước nhỏ và diện tích bề mặt không quá

25m2

Một loại kết cấu khác phù họp cho

việc tháo nước cả trên và dưới là cửa van

cung kép được phát triên bởi ZWAG,

Thụy Sĩ Cửa bao gồm hai bản mặt đồng

trục Cửa thấp hơn là cửa cung truyền

thống có thể được nâng lên để tháo

lượng nước lớn Cửa phía trên đặt về

phía thượng lưu của cửa dưới Cửa trên

CÓ hai càng hàn vào đỉnh và tì lên cửa

dưới từ áp lực các con lăn Bằng cách hạ

cửa trên xuống, mực nước hồ chứa có

thể điều tiết chính xác cũng như xả các

31

rác vụn Gối đờ của cả cửa trên và dưới đồng tâm và được gắn trên cùng một trục, hình 2-34 Cả hai cánh cửa có thể cùng nâng lên để đảm bảo xả lũ thiết kế.

Hình 2-35 Cửa van cung có thể ngập trong

nước Àu thuyền Saini Anthony Falls, sông

Mississippi.

Hình 2-36 Cửa van cung có thể ngập trong

nước Âu thuyền Nakaura (KURIMMOTO).

Cửa cung được sử dụng cho âu thuyền và điều tiết nước trên kênh:

1 Cửa có thể ngập trong nước' Sử dụng ở phía thượng lưu các âu thuyền nhỏ Cửa phía

dưới cho phép khoá khoang điền đầy âu thuyền và lối đi của các thuyền lớn Hai kiểu cơ bản được nhận ra: một là cửa van có trục bản lề ở dưới ngưỡng, hình 2-35 và cửa van kiểu thứ hai là trục bản lề ở trên, hình 2-36

2 Các cửa van với trục quay theo chiều đứng: Sử dụng theo cặp đế đóng mở âu thuyền, hình 2-37 Hai cửa tiếp xúc ở tâm âu thuyền khi ở vị trí đóng Ớ vị trí mở, cửa được đưa vào khoang chứa bên thành âu thuyền Chiều dài khoang âu thuyền với loại cửa này lớn hơn khoang

âu thuyền với cửa sập

3 Cửa tự động điều khiển mực

nước: Được lắp đặt rộng rãi trên các kênh

tưới, kiếm soát lũ và trên các hồ điều hoà

Loại cửa này tự động điều khiển mực nước

mà không cần sự can thiệp bằng tay hay bất

kỳ nguồn dẫn động khác Loại cửa này có

- Cánh cửa với bản mặt hình cung

quay xung quanh trục ngang;

Hình 2-37 Cửa van cung với trục quay theo phưoìng

đứng cho âu thuyền.

- Phao nổi đặt ở phía thượng

lưu của bản mặt;

- Đối trọng;

- Càng van và gối đỡ

Trong thiết kế loại cửa như vậy

cần phải đảm bảo hai điều kiện:

- Trục quay cửa trùng với tâm

cong của bản mặt và phao

nôi phải được nâng lên cùng

với mực nước điều chỉnh

thượng lưu;

- Trọng tâm cửa phải nằm

trên mặt phang vuông góc

với bề mặt thấp nhất của

phao nổi và cũng đi qua trục

quay

Lực tác dụng lên cửa bao gồm:

- Trọng lượng cửa (cả đối

men các lực tới trục quay phải bằng

không Lực thuỷ tĩnh tác dụng lên bản

mặt và bề mặt trụ của phao nồi đi qua

trục quay và không ảnh hưởng đến

trạng thái cân bằng Ngoài ra, mô men

cản do phản lực gối đõ có thể không kể

đến vì đường kính chốt nhỏ Vì thế,

yếu tố cân bằng chỉ phụ thuộc vào mô

men do trọng lượng cửa và lực đẩy tác

dụng lên bề mặt dưới thấp của phao

nổi

Kiểm soát mực nước thượng lưu

thực hiện như sau: Neu mực nước

thượng lun ở mức trục quay của cửa,

cửa van sẽ đứng yên không chuyển

động dù ở bất kỳ vị trí nào Độ mở của

cửa van phụ thuộc vào dòng chảy và độ

Hình 2-38 Cửa cung tự động với đối trọng:

1 Van lấy nước vào; 2 Phao; 3 Van xả nước;

4 Đối trọng; 5.Tâm quay.

Hình 2-39 Cửa điều tiết mực nước thượng lưu AMIL

(ALSTOM).

Hình 2-40 Nguyên lý hoạt động của cửa điều tiết mực nước thượng lưu (ALSTOM).

33

chênh mực nước thượng lưu và hạ lưu, có nghĩa là độ mở càng lớn thì dòng chảy càng lớn và dễ

bị mất cân bằng thuỷ tĩnh

Trong trường họp có sự tăng nhẹ về dòng nước đến hoặc mực nước phía hạ lưu giảm xuống, mực nước thượng lưu tăng lên trên giá trị thiết lập Độ nôi của phao tăng lên và mômen của nó lớn hơn mômen do trọng lượng cửa gây ra, do đó làm cửa mở cho đến khi mực nước thượng lưu hạ xuống đến chiều cao trục quay cửa

Trong trường hợp ngược lại, nghĩa là có sự giảm dòng chảy đến hay phía hạ lưu tăng lên, mực nước thượng lưu giảm xuống là nguyên nhân làm giảm lực đẩy phao nổi và cửa sẽ đóng cho đến khi mực nước thượng lưu dâng cao đến chiều cao trục quay cửa

Khi cửa mở, ma sát bị hạn chế bởi các ổ bi đỡ Mặt khác, ở vị trí đóng, cạnh của bản mặt có thể dính chặt vào bờ kênh Khi mở cửa thì cần phải có thêm lực tác dụng lớn hơn lực đẩy của phao nổi để thắng lực ban đầu ở trên đỉnh bản mặt Cánh cửa thường tạo thành hình thang để tránh bị kẹt khi cửa bắt đầu mở Vì loại cửa này chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sóng và gió nên thường được trang bị thêm bộ giảm chấn bằng dầu để làm giảm giao động

b Cửa ôn định mực nước hạ

lưu, hình 2-41: được thiết kế để lắp

đặt ở cống xả có áp lực và cửa trên

bề mặt Loại cửa van này có trục

quay cửa đặt ở mực nước ổn định

hạ lưu và đồng tâm với tâm cong

của bản mặt và phao nổi Trọng

tâm cửa cũng cần phải nằm trong

mặt phăng vuông góc với bề mặt

dưới của phao nối và đi qua trục

quay cửa Hình 2-41 Nguyên lý cửa van ổn định mực nước hạ lưu:

1 Đối trọng có thể điều chỉnh; 2 Phao nổi.

3 Mực nước ổn định hạ lưu, 4 Mực nước thượng lưu.

Hình 2-42 Cửa hình quạt, Đập St.Aldegund (DSD-

NOELL, rộng 40m, cao 5,4m.

Hình 2-43 Mặt cắt ngang cửa hình quạt ở

đập Pombos.

2.8 Cửa hình quạt

Cửa van hình quạt có một bản mặt cong giống như cửa van cung, nhưng mặt càng phía trên (có thể cả mặt càng dưới) được hàn tấm thép mặt kín liên tục đến tận cối quay, hình 2-42 Loại cửa này có bản lề phía hạ lưu Thiết kế đầu tiên của cửa hình quạt có cạnh dưới kín nên làm thành một phần kín trong hình dạng quạt thật sự do đó có tên này Ở vị trí nâng, cửa hình quạt được giữ trạng thái mở do áp lực nước lên bề mặt bên trong cạnh trên cửa van

Hoạt động của cửa van hình quạt hoàn toàn bằng thuỷ lực và không cần thiết bị đóng mở Ket cấu phần động đặt trong khoang cửa lắp trên kết cấu đỉnh Khi điều tiết nước chảy từ hồ chứa vào trong lòng khoang cửa, thì sẽ tạo ra áp suất lên mặt đáy cửa van, làm quay cửa lên phía trên Cửa van quạt được hạ xuống nhờ mở van xả để tháo nước trong khoang Bản lề gối đỡ cách từ 1,5 + 3m kẹp chặt vào gờ hạ lưu của khoang Bán kính cung R= (1,4 2)H

Cửa van hình quạt có thể điều khiển tự động chính xác và an toàn mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài Cửa van hình quạt có chiều dài tuỳ ý Chiều cao cửa được giới hạn khoảng 8m Loại cửa van này thường sử dụng ở châu Âu, giữ vị trí quan trọng ở những khu vực có số lượng lớn các vật trôi nổi hoặc băng đá cần xả qua công trình

Hình 2-44, hình 2-45 trình bày các trạng thái khác nhau trong vận hành cửa van cung và cửa van hình quạt Cả hai đều ở vị trí mở Cửa van cung phải được nâng lên bằng thiết bị đê xả nước, với độ mở nhỏ của cửa, lưu lượng tưong đối lớn

Với cửa van hình quạt được xả phía trên cửa bằng cách hạ cửa xuống Các rác vụn trôi nổi

và băng đá dễ dàng chảy qua mà không mất nhiều nước

Ở Brazil, loại cửa này chỉ được lắp đặt trong năm 1924 trên đập Pombos, sông Paraiba Ớ đây lắp đặt ba cửa có chiều rộng 45m, cao 7,4m và bán kính 10,6m, hình 2-43 Phần cửa có dạng của hình quạt rỗng Kiếm tra bên trong cửa được thực hiện thông qua lỗ cho người chui vào ở cạnh trên cửa

Hình 2-44 Nguyên lý vận hành cửa van cung. Hình 2-45 Nguyên lý vận hành cửa hình quạt.

35

2.9 Cửa sập (clapê trục dưới)

Loại cửa này bao gồm bản mặt dạng phăng hoặc cong quay quanh trục đặt trên ngưỡng cửa Khi thiết kế với một cánh có dạng của bụng cá, cửa có thể được vận hành từ một bên với khấu độ lên đến 20m, vì kết cấu ô kín nên chống lại mô men xoắn lớn hon Gối đõ neo lên trên ngưỡng và cách nhau khoảng 2,5-Mm

Ở vị trí nâng cao nhất, cửa sập tạo với phương ngang một góc từ 60°^-70° Ở vị trí thấp nhất, bản mặt tạo thành bề mặt liên tục với đáy đập nước, không làm cản trở dòng nước chảy qua Tương tự như cửa trống và cửa quạt, ở cửa sập, nước chảy phía trên đỉnh khi cửa mở Gioăng chắn nước được lắp ở cạnh đáy và cạnh bên của tấm thép bưng Gioăng đáy có thể được làm bằng cao su và bắt bu lông chìm vào ngưỡng và tỳ vào tấm thép bưng, hình 2-47, hoặc lắp với phần tiếp giáp với bề mặt trụ của phần dưới bản mặt, hình 2-48 Tấm bọc bên ngoài thường xuyên bảo

2-49

Cửa sập cũng được sử dụng đế lắp

phía trên cửa cung, hình 2-33 và cửa

phăng bánh xe Những cửa này có lợi thế

về vận hành linh hoạt, bởi chúng cho

Hình 2-47 Chi tiết khớp bản lề và gioăng

chặn đáy cửa sập (DSD-NOELL).

Hình 2-48 Bảo vệ gioăng chặn đáy.

cách nâng cả hai cửa.

Trong kiểu kết cấu này, bản lề

gối đỡ cửa sập gắn chặt với cửa van

dưới và bản mặt của cả hai cửa được

Hình 2-49 Nhìn từ hạ lưu cửa sập với các tấm phủ dập

cong (RODNEY HUNT).

liên kết bằng gioăng cao su bắt vít lên

chúng Điều này đảm bảo cửa kín nước ở bắt kỳ vị trí nào Cửa sập ở phía trên thường được chế tạo với khâu độ nhỏ hơn các cửa ở dưới Các loại cửa về sau được thiết kế thêm tấm phăng (ngăn xói nước) để liên kết với gioăng cạnh ở tất cả các vị trí

Cửa sập được sử dụng như là cửa chính trong điều khiển đập tràn có chiều cao giới hạn là 5m, chưa có cửa sập nào trên đập tràn với khẩu độ lớn hơn 50m, mà cao hơn 5m Cửa sập lớn nhất được chế tạo là ở St Pantaleon, Áo, với khẩu độ 100m và cao 3,7m Cửa cao nhất ở Barenburg, Thụy Sĩ với khấu độ 6,2m và cao 7,2m

2.10 Cửa van chữ nhãn

Cửa chữ nhân được sử dụng như là cửa âu thuyền và bao gồm hai cánh cửa quay quanh trục đứng đặt ở tường khoang âu thuyền Ở vị trí đóng, hai cánh cửa tiếp xúc với nhau ở trung tâm khoang âu thuyền, đầu tự do tựa vào nhau tạo thành chữ nhân nên có tên là cửa chữ nhân, hình 2-50 Ớ vị trí mở, cửa chữ nhân được khép vào trong khoang ở bên cạnh tường âu thuyền Cửa chữ nhân khá đơn giản trong kết cấu và vận hành Cửa có thê mở hoặc đóng nhanh hơn các loại cửa âu thuyền khác Một số nhược điếm của cửa chữ nhân là:

a Cối quay, gioăng đáy, và phần dưới cửa van luôn ngập nước, do đó đòi hỏi phải rút hết nước mới kiếm tra bảo dưỡng được;

b Tính nhạy cảm của gioăng

đáy có thế bị nguy hiêm từ

các mảnh vỡ trên ngưỡng

cửa;

c Khoang âu thuyền dài hơn

đê có thê mở cửa (chủ yếu

là khoá cửa ở phía hạ lưu;

d Không có khả năng đóng

trong trường hợp khấn cấp

Mỗi cánh cửa thường được đỡ

bởi hai diêm Một chốt ở gằn phía trên

đỉnh cửa và một cối đỡ ở đáy cối trên

được neo vào sàn bê tông và điều

chỉnh độ thẳng bằng tăng dơ cối dưới

Hình 2-50 Cửa van chữ nhân ờ vị trí đóng,

âu thuyền Bariri.

37

của cửa tỳ lên dầm đáy cố định với ngưỡng Trong một số trường họp, cối phần dưới được làm lệch tâm và được thiết kế để gioăng chặn cạnh di chuyển ra xa vị trí tì khi cửa bắt đầu mở.

Vận hành hầu hết các cửa van chữ nhân bằng các xi lanh thuỷ lực bố trí theo chiều ngang đóng mở hai chiều, cằn xi lanh được liên kết với dầm đỉnh của cánh cửa Kết nối giữa cần và cánh cửa ở gần trục bản lề đế giảm chiều dài xi lanh Trong điều kiện thông thường, sử dụng xi lanh có lực nhỏ đế đóng mở cửa vì chỉ cần đủ đê thắng lực ma sát, hình 2-50

Khi chọn kích thước sơ bộ có thế lấy, hình 2-51:

ở Mỹ, giá trị góc a trong khoảng 18,4°

hi - phần nhô lên

của cửa so với mực nước thượng lưu,

nướclưu,

a~ 20-23°;

Hình 2-51 Cửa van chữ nhân:

1 Gối trên; 2 Gối đỡ dưới; 3 Tấm cửa; 4 Gioáng giữa.

2.11 Cửa van trụ đứng

Cửa van trụ đứng có bản mặt dạng hình trụ

di chuyển thẳng đứng khi đóng mở Cửa van trụ

đứng thường được sử dụng cho cống lấy nước

dạng tháp, cửa được thiết kế để chịu áp suất bên

ngoài hoặc bên trong Khi nâng cửa để hở một

bên cống hình cánh cung đặt trong tháp, noi nước

chảy qua Nhìn chung, gioăng trên được bắt vít

vào phần đặt sẵn và tiếp xúc thường xuyên với bề

mặt ngoài trụ của cửa van, sẽ ngăn nước chảy qua

kể cả khi cửa mở một phần Gioăng đáy được bắt

chặt vào bản mặt Khi cửa đóng, gioăng chặn sẽ

ép vào ngưỡng cửa

Cửa van trụ đứng thường được nâng lên bởi

một số ống dẫn hướng đứng, được kéo dài đến tận

đỉnh tháp, nơi mà điểm cuối được liên kết với

máy vít chạy điện Vì bản mặt dạng hình trụ và

lắp ráp theo phương đứng nên áp suất thuỷ lực

được cân bằng Do đó đế chuyên động của cửa

van, thì lực máy vít phải thắng được lực do trọng

lượng cửa, cần, ma sát gioăng chắn nước, ma sát

phần dẫn hướng và lực hút phát sinh khi cửa mở

hoặc đóng

Các cần nâng cửa được dẫn hướng bởi các

vòng cố định vào kết cấu tháp và đặt cách nhau

theo yêu cầu để không làm cong cần khi cửa chịu

tác dụng của lực ma sát

Hình 2-52 Cửa van trụ đứng, nhà máy

thuỷ điện Vianden.

Hình 2-53 Cửa trụ ngang (KRUPP).

2.12 Cửa trụ ngang

Cửa trụ ngang là hình trụ bằng thép đặt nằm ngang và hai đầu có bánh răng ăn khớp với hai đầu cuối của cửa Cơ cấu thanh răng được đặt ở trụ pin dọc theo đường lõm; hình 2-53 Những cửa này đã được sử dụng thành công ở các nước phương Bắc, nơi có băng trôi và nhiệt độ thấp,

mà các cửa truyền thống khi sử dụng sẽ bị trở ngại hoặc thậm chí không vận hành được Chúng thường được sử dụng ở những đập có cột áp thấp và được lắp đặt ở những nơi có khoảng cách trụ pin rộng để các mảnh vụn trôi nổi có thể chảy qua

Hình trụ là ống được lốc từ thép tấm và được gia cố theo chiều dọc và các dầm ngăn ở bề mặt trong Hình trụ có thể được điền đầy nước để ngăn chặn đẩy nổi Cửa được bịt gioăng ở hai đầu và đáy Gioăng đáy bao gồm một thanh gỗ bắt bulông vào đáy của mép cửa khi cửa ở vị trí đóng Gỗ hoặc cao su tấm liên kết với tấm đứng rộng hơn chiều rộng của hốc tường để làm kín thích hợp Tấm tựa giăng cạnh được làm bằng tấm phang hoặc các đoạn thép hình gắn vào bê tồng Đĩa kim loại liên kết phần cuối của hình trụ sẽ truyền các lực của nước lên bộ phận đặt sẵn

39

Do kết cấu hình trụ nên cửa trụ lăn có

độ cứng vững lớn, vì vậy có thể được chế tạo

với khẩu độ lớn Cũng vì lý do này, nó cũng

có thê vận hành chỉ với một bên Kích thước

thực tế lớn nhất của cửa trụ lăn có thê đạt đến

5Om theo chiều rộng và 8m theo chiều cao

Nó có thế là loại cửa nặng nhất và đắt nhất

trong tất cả các loại cửa van

2.13 Cửa stoney

Loại cửa này có hệ thống con lăn

truyền động ở cạnh khung, bao gồm con lăn

ngang được định vị bởi hai tấm thẳng đứng

Con lăn truyền động được đặt giữa bản mặt

cửa và rãnh bánh xe Con lăn cửa được nâng

lên bằng cáp thép Cáp dẫn qua puly đặt ở

phía trên đỉnh thăng đứng, phần cuối liên kết

với điếm treo cố định trên trụ pin và đầu còn

lại liên kết với cửa Với sự sắp xếp như vậy,

con lăn truyền động chỉ di chuyển một nửa

khoảng cách trong khi nâng cửa

Nhược điểm chính của cửa Stoney là

không xác định được phản lực tĩnh vì sử dụng

số lượng lớn con lăn và vị trí con lăn luôn

thay đổi trong khi di chuyển Thêm nữa, với

cửa nâng, các con lăn sẽ có sự va chạm hoàn

toàn của dòng chảy dẫn đến mài mòn con lăn

do các chất cặn trong nước

Hình 2-54 Cửa stoney:

1 Bản mặt; 2 Dầm ngưỡng; 3 Rãnh con lăn; 4 Cáp con lăn truyền động; 5 Tang nâng; 6 Dẩn hướng đối trọng; 7 Gioãng cạnh; 8.Truyền động con lăn; 9 Bánh

xe; 10 Puly; 11 Cáp bản mặt cửa.

Tám cửa stoney đã được lắp đặt trên Hình 2-55 Cửa stoney với bản mặt cong,

tràn nhà máy thuỳ điện Pombos, cửa rộng

12m, hai cửa cao 11,2m, sáu cửa cao 7,6m,

Hình 2-55 Cửa vận hành bằng tời nâng kết họp đối trọng bê tông Gioăng cạnh bao gồm các ống thép đứng ép đồng thời vào cả bản mặt và khe cửa Bản mặt hơi cong và khung bản mặt được làm theo dạng các vì kèo

Giá thành cao và chi phí bảo dưỡng lớn, loại cửa này về mặt lý thuyết không dài hơn được nữa ứng dụng gần đây nhất là năm 1961 ở đập El Iníìernillo, Mexico Cửa rộng 3,3m và cao 8m

2.14 Cửa van trông

Bản mặt cửa van trống là một hình cong nồi theo phương ngang, tạo thành hình lăng trụ tam giác và trục quay ở ngưỡng phía thượng lưu, hình 2-56 Các cạnh bên thượng lưu và hạ lưu được tạo thành tấm cong, còn tấm phang làm thành đáy cửa Ket cấu được gắn vào tấm phang ở hai cạnh bên