Nghiên cứu nâng cấp cải tiến cửa van cánh cửa tự động thủy lực để đảm bảo yêu cầu phục vụ phát triển sản xuất - áp dụng cho cống Rạch Rum - Trà Vinh

ii L ỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại khoa sau đại học Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong và ng

i

L ỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Bá Hoàn

Học viên lớp: 23C11

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết

quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Hà Nội, tháng 04 năm 2017

Tác gi ả

Nguy ễn Bá Hoàn

ii

L ỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại khoa sau đại học Trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội, được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong và ngoài trường, sự cộng tác của các cơ quan chuyên môn và các bạn bè cộng sự với sự

nỗ lực phấn đấu của bản thân tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình thủy với nội dung: “Nghiên cứu nâng cấp cải tiến

cửa van cánh cửa tự động thủy lực để đảm bảo yêu cầu phục vụ phát triển sản xuất –

áp dụng cho cống Rách Rum – Trà Vinh”

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn khoa học là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thành Công đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để tác giả hoàn thành

luận văn

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chân thành và nhiệt tình của Trường Đại học Thủy

lợi, các thầy cô giáo và đồng nghiệp ở nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau đã cung

cấp cho tác giả những kiến thức quí báu để hoàn thành bản luận văn này

Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản luận văn này không tránh khỏi

những khiếm khuyết, tác giả mong được đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh và trọn vẹn hơn

Hà Nội, tháng 04 năm 2017

Tác gi ả

Nguy ễn Bá Hoàn

iii

M ỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN TỰ ĐỘNG TRONG NƯỚC VÀ

TRÊN THẾ GIỚI 4

1.1 Tổng quan về các công trình ngăn mặn và giữ ngọt ở Việt Nam 4

1.1.1 Cống truyền thống 4

1.1.2 Cống đập trụ đỡ 6

1.1.3 Cống Đập Xà lan 9

1.2 Tổng quan về các loại cửa van tự động ở Việt Nam và trên thế giới 12

1.3 Tổng quan cửa van tự động tại Việt Nam 24

1.3.1 Cửa van tự động trục đứng dạng cánh cửa 1 chiều,2 chiều 25

1.3.2 Cửa van sập tự động trục ngang 32

1.3.3 Cửa sập tự động bằng đối trọng 33

1.4 Phân tích, đánh giá chung về cửa van cánh cửa tự động thủy lực 34

1.4.1 Đánh giá về cửa van tự động trên thế giới 34

1.4.2 Đánh giá về cửa van tự động tại Việt Nam 35

1.5 Thực trạng quản lý vận hành hệ thống và những tồn tại của các nghiên cứu về cửa van cánh cửa tự động 35

1.6 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 37

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP CẢI TIẾN CỬA VAN CÁNH TỰ ĐỘNG THỦY LỰC VÀ THIẾT BỊ ĐỂ ĐÓNG MỞ CƯỠNG BỨC CỬA VAN CÁNH CỬA TỰ ĐỘNG THỦY LỰC 39

2.1 Phân tích, phân loại nguyên lý kết cấu cửa van cánh cửa tự động thủy lực, hạn chế của sản phẩm, công nghệ nghiên cứu trong nước và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình vận hành cửa van cánh cửa tự động thủy lực hiện nay 39

2.1.1 Phân tích,phân loại nguyên lý kết cấu cửa của cửa van cánh cửa tự động thủy lực 1 chiều,2 chiều 39

2.1.2 Cách thức vận hành của cửa van cánh cửa tự động thủy lực 43

2.1.3 Các tiêu chí của phương án nâng cấp,cải tiến cửa van cánh cửa tự động thủy lực 46

2.2 Cơ sở khoa học đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu cửa van cánh cửa tự động thủy lực cống hiện nay 46

iv

2.2.1 Khả năng lấy nước ngọt bổ sung trên cơ sở thay đổi độ mặn tại vị trí cửa sông.46

2.2.2 Khả năng lấy nước ngọt bổ sung trên cơ sở thay đổi độ mặn tại vị trí cửa sông.53

2.3 Phân tích và lựa chọn phương án phù hợp cho cửa van cánh cửa tự động thủy

lực để phục vụ nhu cầu sản xuất hiện nay 53

2.3.1 Các phương án nghiên cứu cải tạo, nâng cấp trực tiếp kết cấu cửa van tự động thủy lực 54

2.3.2 Phân tích, tính toán và lựa chọn giải pháp cải tiến cửa van cánh cửa tự động thủy lực để đảm bảo phù hợp mục tiêu phát triển kinh tế xã hội trong vùng 56

2.3.3 Sơ đồ bố trí cho cửa van phụ và cửa van chính khi đã khoét lỗ 58

2.3.4 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 60

2.3.5 Tính toán các lực tác dụng lên cửa van 61

2.3.6 Cấu tạo cửa van con và nguyên lý hoạt động của của van phẳng 63

2.3.7 Sử dụng phần mềm Sap2000 kiểm tra ổn định tổng thể cửa van: 65

2.3.8 Kết quả nghiên cứu đã đạt được 69

2.4 Kết luận chương 2 69

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CỐNG RẠCH RUM – TRÀ VINH71 3.1 Giới thiệu về công trình cống Rạch Rum - Trà Vinh 71

3.1.1 Nhiệm vụ và vị trí của công trình 71

3.1.2 Hiện trạng công trình 71

3.2 Đánh giá, đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu cửa van cống Rạch Rum hiện nay 73

3.2.1 Đánh giá về sự cần thiết cần phải nâng cấp 73

3.2.2 Đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu cửa van cống Rạch Rum 73

3.2.3 Yêu cầu đối với thiết bị cơ khí cửa van 75

3.2.4 Bố trí kết cấu cửa van 76

3.3 Tính toán kết cấu và kích thước hợp lý cho công trình 77

3.3.1 Các thông số kỹ thuật chính của cống Rạch Rum 77

3.3.2 Tải trọng 78

3.3.3 Tổ hợp tải trọng 78

3.3.4 Tính toán thiết kế nâng cấp cửa van Rạch Rum 79

3.3.5 Thiết bị đóng mở cửa van 88

v

3.4 Đưa ra quy trình quản lý vận hành, bảo dưỡng bảo trì sau khi nâng cấp 90

3.4.1 Những hạn chế về công tác quan trắc mực nước, chất lượng nước 90

3.4.2 Sự cần thiết của việc sử dụng hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu tự động 90

3.4.3 Mục tiêu 91

3.4.4 Nhiệm vụ 91

3.4.5 Phương thức thực hiện 91

3.5 Tổng kết chương 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

vi

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cắt ngang cống truyền thống 4

Hình 1.2: Cống Nghi Quang – Nghệ An 5

Hình 1.3: Cống Diễn Thành – Nghệ An 5

Hình 1.4: Cống Đò Điểm – Hà Tĩnh 5

Hình 1.5: Kết cấu chung đập trụ đỡ 6

Hình 1.6: Cống Thảo long – Thừa Thiên Huế 7

Hình 1.7: Cống Sông Cui – Long An 8

Hình 1.8: Cống Hiền Lương – Quảng Ngãi 8

Hình 1.9: Cống Biện Nhị - Cà Mau 8

Hình 1.10: Kết cấu đập Xà lan (Hộp và bản sườn) 10

Hình 1.11: Cống Phước Long 10

Hình 1.12: Cống Minh Hà – Cà Mau 11

Hình 1.13: Cống Rạch Lùm – Cà Mau 11

Hình 1.14 Cống SĐ7 (Lung Thuộc) – Cà Mau 12

Hình 1.15 Cống Công Nghiệp – Cà Mau 12

Hình 1.16: Cửa van sập trục trên 13

Hình 1.17:Nguyên lý hoạt động của cửa van Clape trục trên 14

Hình 1.18: Hệ thống thoát nước sử dụng cửa sập trên 14

Hình 1.19: Nguyên lý đóng mở cửa clape kiểu đối trọng 16

Hình 1.20: Cống điều tiết trên hệ thống kênh chính bắc qua làng Furawa thuộc dự án Hadejia valley Nhật Bản 17

Hình 1.21 Công trình ngăn triều Hartelkanal 18

Hình 1.22 – Cửa van phẳng kéo đứng tại cống Kamihirai – Nhật Bản 18

Hình 1.23: Cửa van clape trục ngang đóng mở bằng phao ngang của công ty Golden Harvest 19

Hình 1.24: Cửa van clape trục ngang đóng mở bằng phao đứng 20

Hình 1.24: Cấu tạo cửa van lật khống chế thủy lực 21

Hình 1.26: Cửa van ở trạng thái đóng hoàn toàn và mở chảy tràn qua đỉnh và đáy cửa22 Hình 1.27: Một số công trình ứng dụng cửa van sập khống chế thủy lực đang thi công24 Hình 1.28: Công trình ứng dụng cửa van sập khống chế thủy lực 24

vii

Hình 1.29: Cấu tạo cửa van tự động 26

Hình 1.30: Nguyên lý hoạt động 27

Hình 1.31 Đập Ba Lai – Bến Tre 28

Hình 1.32 Cống Cần Chông – Trà Vinh 29

Hình 1.33 Cống Bảo Định – Tiền Giang 30

Hình 1.34 Cống Sông Cui – Long An 30

Hình 1.35 Cống Ba Thôn – Tp Hồ Chí Minh 31

Hình 1.36 Cống Rạch Lùm – Cà Mau 32

Hình 1.37: Cửa sập tự động trục ngang 32

Hình 1.38: Cống Cầu Nha – Thanh Hóa 32

Hình 1.39: Các kiểu cửa van sập đối trọng 34

Hình 1.40: Khu vực nghiên cứu kiểm soát mặn 36

Hình 2.1 Cấu tạo cửa thép 39

Hình 2.2 Cấu tạo cửa bê tông cốt thép 40

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động 41

Hình 2.4: Cửa van tự động 2 chiều bằng thép CT3 42

Hình 2.5: Cửa van tự động 2 chiều bằng thép không rỉ 42

Hình 2.6: Cửa van tự động 2 chiều bằng thép không rỉ-composite 43

Hình 2.7: Sơ họa mô phỏng quá trình mở cửa lấy nước mùa khô 44

Hình 2.8: Sơ họa mô phỏng quá trình mở cửa tiêu úng mùa mưa 45

Hình 2.9: Dòng chảy qua lỗ 47

Hình 2.10 Sơ đồ tính chảy ngập qua lỗ 48

Hình 2.11: Sơ đồ tính thể hiện khả năng lấy nước của cửa con cống Rạch Rum 50

Hình 2.12 Bố trí cửa chớp ngang trên cửa tự thủy lực 54

Hình 2.13 Bố trí cửa van Clape trục dưới lên cửa van tự động 55

Hình 2.14 Bố trí cửa van phẳng lên cửa van tự động 55

Hình 2.15 Bố trí cửa van tự động lên cửa van tự động 56

Hình 2.16.Sơ đồ tính toán áp lực thủy tĩnh 61

Hình 2.17.Sơ đồ cấu tạo cửa van phẳng 63

Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo cửa van phẳng đóng mở cửa van phẳng 64

Hình 3.1: Tổng thể công trình cống Rạch Rum 71

viii

Hình 3.2: Hiện trạng cống Rạch Rum 72

Hình 3.3: Bố trí chung cửa van Rạch Rum 77

Hình 3.4: Sơ đồ xác định tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van tự động 79

Hình 3.5: Kích thước lỗ khoét trên cửa van tự động 80

Hình 3.6: Sơ đồ lực tác dụng lên cửa van phẳng 81

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí các dầm ngang 82

Hình 3.8: Sơ đồ tính toán kết cấu dầm ngang 82

Hình 3.9: Xác định lực tác dụng lên trục cối quay cửa 85

Hình 3.10: Sơ đồ hoạt động của cửa cải tiến 87

Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực đóng mở cửa van 89

Hình 3.12: Sơ đồ bố trí trạm đo và điều khiển vận hành tự động 92

Hình 3.13: Cầu hình trạm đo và điều khiển công trình tự động 93

ix

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu chắn nước 74

Bảng 3.2: Ứng suất cho phép của kết cấu thép 75

Bảng 3.3: Trạm quan trắc tự động và thông số đo 92

1

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Hệ thống các cống thủy lợi khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) [1] phục vụ việc gạn triều tiêu úng, thau chua rửa phèn có vai trò rất quan trọng Hiện nay hầu hết các cống ở vùng này đều sử dụng cửa van cánh cửa tự động thủy lực Khi áp dụng vào thực tế cửa van tự động thủy lực đã phát huy rất tốt các ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn trong sản xuất nông nghiệp cho cả vùng ĐBSCL

Cửa van tự động thủy lực có hai loại: loại cửa van tự động thủy lực một chiều và loại cửa van tự động thủy lực hai chiều Kết cấu cửa van tụ động thủy lực dạng cánh cửa trục đứng có độ lệch trục, khẩu độ cửa thông thường áp dụng nhiều là 5m, 8m và 10m Vật liệu chế tạo cửa van phần lớn là bằng thép, một số ít bằng bê tông cốt thép và vật liệu khác

Nhiều đề tài nghiên cứu khoa học về cửa van cánh cửa tự động thủy lực đã được đề

xuất, một loạt các cửa van được cải tiến mới nhằm thích ứng với điều kiện vận hành và trình độ quản lý theo hướng hiện đại Tuy nhiên, việc vận hành mở cống Rạch Rum còn một số tồn tại chính trong vận hành cửa cống như chưa bảo đảm mức tưới cho toàn hệ thống ngọt hóa Nếu mở cửa van hai chiều để lợi dụng thủy triều nâng

mực nước nội đồng lên cao thì nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào hệ thống tưới, ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của nhân dân trong khu

vực dự án Theo thiết kế ứng với tần suất tưới 75%, mỗi năm có 2 tháng cống không lấy được ngọt là tháng 4 và tháng 5 Trong thực tế vận hành do không chắc

chắn về khả năng lấy nước ngọt nên thậm chí cửa cống bị đóng nhiều kể cả khi nước ngoài sông không mặn dẫn đến lãng phí nguồn nước ngọt Đây cũng là khiếm khuyết chung của các loại cửa van tự động đóng mở

Do vậy hướng nghiên cứu cải tiến kết cấu cửa van tự động cống Rạch Rum có thể đóng mở cưỡng bức khi cần thiết để ngăn triều, lấy nước ngọt, tạo điều kiện thuận tiện và chủ động hơn trong công tác quản lý vận hành và khai thác, góp phần nâng cao hiệu quả công trình là một nhiệm vụ cần thiết Đây là đề tài nghiên cứu cơ bản và có tính cấp thiết Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học nhằm

Luận văn nhằm giải quyết mục đích chính sau:

- Phân tích khả năng lấy nước hiện tại của cửa van tự động, đề xuất giải pháp cải

tiến cửa van tự động hiện nay tại công trình để có thể vận hành gạn triều lấy thêm nước ngọt, tăng cường khả năng lấy nước tưới.Lựa chọn phương án phù hợp để đảm

bảo yêu cầu của sản xuất hiện nay

3 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách ti ếp cận

- Nhiệm vụ của đề tài là tính toán khả năng lấy nước và đề xuất giải pháp cải tiến cửa van tự động của cống Rạch Rum-Trà Vinh Vì vậy, đề tài đã áp dụng cách tiếp cận chính như sau:

 Kế thừa/ ứng dụng những kiến thức khoa học, công nghệ về các giải pháp xây dựng

kết cấu cửa van cống ngăn triều ở trong và ngoài nước

 Tiếp cận thực tiễn vùng nghiên cứu: Khả năng lấy nước trong mùa khô, phương pháp vận hành cống Rạch Rum-Trà Vinh

 Đi khảo sát thực tế công trình để xác định điều kiện làm việc, nhu cầu cần cung cấp nước phục vụ sản xuất, khả năng nâng cấp cải tiến cửa van tự động thủy lực trục đứng

 Thông tin tìm hiểu qua internet,…

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chính và kỹ thuật sẽ được sử dụng trong đề tài này bao

gồm:

 Phương pháp kế thừa: Kế thừa tài liệu của các đề tài, dự án về các giải pháp xây

dựng cửa van cống ngăn triều của Việt Nam, cụ thể các công trình đã ứng dụng tại

3

đồng bằng sông Cửu Long

 Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu: Điều tra dân sinh, kinh tế

- xã hội, lấy ý kiến của cộng đồng và các cơ quan hữu quan quản lý vùng cống Rạch Rum –Trà Vinh

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, sử dụng mô hình toán

 Từ kết quả nghiên cứu, phân tích, tính toán và thiết kế xác định được khối lượng vật tư và thiết bị cần thiết và tiến hành ứng dụng thử nghiệm và công trình

4 K ết quả dự kiến đạt được

-Nâng cấp, cải tiến cửa van tự động cống Rạch Rum –Trà Vinh thực hiện các nhiệm

vụ:

- Đáp ứng nhu cầu mới của sản xuất với mục tiêu cửa van tự động của công trình có

thế thực hiện được nhiệm vụ trong quá trình vận hành là có khả năng chủ động điều

tiết mực nước qua công trình

- Đảm bảo mực tiêu lấy nước, giữ nước, điều tiết nước đảm bảo yêu cầu sản xuất và tiêu thoát lũ

- Hiện đại hóa trong công tác quản lý vận hành công trình

5 C ấu trúc của luận văn

Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về cửa van tự động trong nước và trên thế giới

- Chương 2: Nghiên cứu nâng cấp cải tiến cửa van cánh cửa tự động thủy lực và thiết

bị để đóng mở cưỡng bức cửa van cánh cửa tự động thủy lực

- Chương 3: Áp dụng cho công trình cống Rạch Rum – Trà Vinh

Kết luận và kiến nghị

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN TỰ ĐỘNG TRONG

NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.1 T ổng quan về các công trình ngăn mặn và giữ ngọt ở Việt Nam [1]

1.1.2.3 Cấu tạo và nguyên lý kết cấu

Hầu hết các công trình ngăn sông ở nước ta từ trước đến nay đều được xây dựng theo công nghệ truyền thống Công trình có dạng khối tảng bằng bê-tông cốt thộp (BTCT) Bản đáy dày 0,5 ÷ 1,5 m, trên bản đáy đổ các trụ pin, giữa hai trụ pin là các cửa van, dưới bản đáy cống có thể có hệ cọc hoặc không có cọc tùy địa chất của nền

Ổn định: Chống trượt bằng ma sát đất - Chống lật dùng trọng lượng công trình với nền

đất tốt Cũn nền đất yếu thỡ ổn định bằng móng cọc

Chống thấm: Bằng đường viền ngang giữa bản đáy công trình và nền đất

Chống xói: Bằng kết cấu kiên cố sân, bể tiêu năng và sân sau

2x50

225 478

800 400

60 250 400

2x30

7

+ Trụ pin của công trình liên kết trực tiếp với hệ thống cọc hoặc thông qua bệ đỡ Hệ thống cọc có thể là cọc bê-tông cốt thép thường đúc sẵn hoặc cọc bê-tông cốt thép dự ứng lực hoặc cọc ống bê-tông cốt thép đúc ly tâm hoặc cọc khoan nhồi hoặc cọc ống thép nhồi bê-tông cốt thép

+ Dầm đỡ van nhận một phần lực do cửa van tác dụng và truyền về các trụ, có kết cấu dầm hoặc hộp phao được đúc sẵn rồi lắp ghép vào vị trí, hoặc đúc tại chỗ

+ Cừ chống thấm được đóng liên tục giữa hai bờ tạo thành vách đứng ngăn nước thấm dưới đáy công trình, liên kết vào đáy dầm đỡ van và trụ Cừ được nhiều đơn vị trong

và ngoài nước chế tạo sẵn, có thể được làm bằng thép, nhựa, composite, bê-tông cốt thép hoặc bê-tông cốt thép dự ứng lực

+ Cửa van sử dụng trong đập Trụ đỡ có thể là cửa van Clape trục trên, Clape trục dưới, cửa van phẳng, cửa van cánh, cửa tự động thủy lực, cửa van cung, cửa van cao su hay cửa van phao các loại Cửa van được vận hành đóng mở bằng thiết bị đóng mở từ đơn giản như tời điện đến hiện đại là Xi lanh thủy lực, điều khiển điện – điện tử

1.1.2.3 Một số công trình cống Đập trụ đỡ

Hình 1.6: C ống Thảo long – Thừa Thiên Huế

8

Hình 1.7: C ống Sông Cui – Long An

Hình 1.8: C ống Hiền Lương – Quảng Ngãi

Hình 1.9: Cống Biện Nhị - Cà Mau

9

1.1.2.3 Cấu tạo, nguyên lý kết cấu

- Nguyên lý đập Xà lan

Ổn định lún: Ứng dụng kết cấu tối ưu dầm bản nhẹ để ứng suất lên nền nhỏ hơn ứng

suất cho phép của đất nền mềm yếu, không cần hoặc hạn chế tối đa việc xử lý nền

Ổn định trượt, lật: Dùng ma sát đất nền với đáy công trình và đất đắp mang cống với tường bên;

Ổn định thấm: Theo nguyên lý đường viền ngang dưới đáy công trình;

Ổn định xói: Mở rộng khẩu độ cống để lưu tốc sau cống nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép

của đất tự nhiên mềm yếu nên chỉ cần gia cố đơn giản

- Kết cấu Đập Xà lan

Đập xà lan về cơ bản có 2 dạng kết cấu chính:

+ Dạng 1: Cống đập xà lan hộp: đáy có kết cấu dạng hộp chữ nhật (hộp đáy), tường

cũng là dạng hộp chữ nhật (hộp tường) Hộp đáy và hộp tường có nhiệm vụ làm nổi đập và là kết cấu chịu lực

+ D ạng 2 : Cống đập xà lan bản dầm: đáy và tường đều là bản dầm, là kết cấu chịu lực

và cùng với bản chắn hai đầu tạo thành hộp làm nổi

Cả hai loại này đều bố trí cửa van vào vị trí giữa xà lan Trước và sau cống đập xà lan

có thảm đá để chống xói và tăng ổn định chống trượt Phía trên cống đập xà lan bố trí thiết bị điều khiển cửa van, cầu công tác và có thể kết hợp làm cầu giao thông

- Về đặc điểm, cống đập xà lan có các đặc điểm là:

+ Cống đập xà lan làm việc theo nguyên lý:Ổn định chống lún theo nguyên lý làm

nhẹ công trình và mở rộng đáy cống để có ứng suất của đáy công trình nhỏ hơn ứng

suất cho phép của đất nền Ổn định chống xói theo nguyên lý mở rộng tiết diện tháo để

có lưu tốc sau cống nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép của đất nền Ổn định chống thấm theo nguyên lý đường viền thấm ngang

10

+ Đập xà lan làm việc theo nguyên lý đẩy nổi acsimet để làm nổi khi di dời và hạ chìm vào vị trí xây dựng

+ Sử dụng được nền đất yếu để làm nền móng công trình

+ Chế tạo hàng loạt theo quy trình công nghiệp ở trong hố đúc rồi lai dắt đến vị trí xây dựng để hạ chìm vào hố móng đã chuẩn bị sẵn

+ Có thể di dời cống đến vị trí khác khi cần thiết

Giảm kinh phí đầu tư: Cùng một điều kiện và nhiệm vụ như nhau, đầu tư xây dựng

cống đập xà lan chỉ bằng 55-60% cống truyền thống

Hình 1.10: K ết cấu đập Xà lan (Hộp và bản sườn)

1.1.2.3 Một số công trình cống Đập Xà lan

Hình 1.11: C ống Phước Long

11

Hình 1.12: C ống Minh Hà – Cà Mau

Hình 1.13: C ống Rạch Lùm – Cà Mau

12

Hình 1.14 Cống SĐ7 (Lung Thuộc) – Cà Mau

Hình 1.15 Cống Công Nghiệp – Cà Mau 1.2 T ổng quan về các loại cửa van tự động ở Việt Nam và trên thế giới [1]

Nội dung chính của phần này là nghiên cứu phân tích về vấn đề tổng quan chung về

cửa van tự động trong công trình thủy lợi, tìm hiểu về những loại hình cửa van tự động trên thế giới:

13

1.2.2.3 Cửa van sập trục trên (Plap gate)

Cửa van sập trục trên là loại cửa có hệ thống khớp bản lề bố trí ngang trên cánh cửa và các khớp bản lề được gắn lên vị trí đỉnh cửa Khi không ngăn giữ nước,lúc này mực nước phía sau lớn hơn mực nước phía trước cửa van Dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh cửa van bị đẩy lệch một góc α so với phương thẳng đứng, khi mực nước phía trước lớn hơn mực nước phía sau cửa, cánh cửa quay xuống quanh cối bản lề nhờ trọng lực bản thân và áp lực nước phía thượng lưu ép lên bề mặt cửa Hình dạng cửa

có thể được chế tạo theo hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông

Hình 1.16: C ửa van sập trục trên

14

Hình 1.17 :Nguyên lý hoạt động của cửa van Clape trục trên

Dạng kết cấu cửa van này được áp dụng tại các vị trí chỉ cho nước nhảy một chiều từ phía thượng lưu ra phía trước cửa Cửa sẽ luôn đóng với chiều ngược lại vì vậy nó phù

hợp để áp dụng tại các vị trí xả qua đê, hệ thống thoát nước hoặc đường ống thoát nước

Hình 1.18: H ệ thống thoát nước sử dụng cửa sập trên

1.2.2.3 Cửa van tự động clape kiểu đối trọng

Cửa van tự động kiểu đối trọng là loại cửa van có khả năng kiểm soát mực nước thượng lưu cống Loại cửa này bắt đầu được đề cập và nghiên cứu bởi Vlugter năm

1940, và trong những năm sau đó cho tới nay một số nhà nghiên cứu đó cải tiến và

hoàn thiện hơn như Brouwer năm 1987, Brants 1996, de Graaff năm 1998, và Burt et

al 2001

- Kết cấu cửa: gồm bản mặt cửa và hệ thống dầm quay quanh một trục ngang nằm cao

hơn mực nước phía thượng lưu, trên đỉnh cửa có lắp đối trọng có tác dụng bù lại áp lực thủy tĩnh mất đi trong quá trỡnh cửa mở để đưa cửa về trạng thái đóng khi mực nước

hạ xuống mực nước thiết kế đóng

Đối trọng

Trục xoay

Dầm

16

Hình 1.19 : Nguyên lý đóng mở cửa clape kiểu đối trọng

- Nguyên lý hoạt động: Khi ở vị trí đóng trọng lượng bản thân cánh cửa cùng với trọng

lượng đối trọng tạo momen quay lớn hơn hoặc bằng momen do áp lực thủy tĩnh tạo ra Khi mực nước phía thượng lưu tăng cao áp lực thủy tĩnh tăng lên tạo ra momen đủ lớn

để thắng được momen tạo lực đóng, cửa từ từ mở ra với một góc α so với phương đứng Nước thoát ra làm mực nước hạ lưu hạ xuống cho tới khi áp lực thủy tĩnh trở lại trạng thái cân bằng với đối trọng cửa sẽ quay về vị trí đóng như lúc đầu

- Ưu điểm: Cửa loại này có ưu điểm là vận hành không cần tác động của con người,

hình thức đơn giản dễ chế tạo, vật liệu đa dạng, có thể chế tạo bằng bê tông, thép, compozit , gia thành thấp

- Nhược điểm: Cửa chỉ chế tạo với loại có khẩu độ nhỏ, biên độ điều tiết mực nước

thượng hạ lưu chênh lệch thấp, chỉ điều tiết mực nước theo một chiều

- Ứng dụng: Cửa van tự động clape kiểu đối trọng được sử dụng để điều tiết mực nước

của các mạng lưới kênh mở Nó đã được lắp đặt ở Indonesia từ năm 1940, gần đây hơn loại cửa này đã được sử dụng trong hai chương trình gation irri- Nigeria được xây

1.2.2.3 Cửa van phẳng kéo đứng (Lift Gates)[2]

Đây là kết cấu cửa van dạng dàn bản chắn, khi làm việc được nâng lên hạ xuống theo phương thẳng đứng Loại cửa van này khi ngăn nước cửa hạ xuống và kéo lên cao phía trên không khi không ngăn nước

Loại cửa van này có độ ổn định cao trong quá trình vận hành Kết cấu cửa là một tổ

hợp kết cấu dàn nên giảm được trọng lượng cửa van, thiết bị đóng mở đơn giản, lợi về

lực đóng mở, quá trình bảo dưỡng cửa van được thực hiện dễ dàng và thuận tiện khi

cửa van được kéo lên khỏi mặt nước Hạn chế của cửa loại này là khi nâng ảnh hưởng

tới không gian của công trình Mộ nhược điểm khác là do bản mặt cửa lớn, khi kéo lên

sẽ chắn gió gây ra lực tác dụng lên công trình, đặc biệt khi có gió bão

Ở Hà Lan, loại cửa này đã ứng dụng vào trong các công trình ngăn sông, tiêu biểu là đập Hartel (01 khoang cửa rộng 49,3 m và 01 khoang cửa rộng 98 m), đập chắn sóng

Hollandse Ijsel (01 khoang cửa rộng 96 m), cống Beernem – Bỉ (Cửa cao 8,05m và

rộng 17,9m)

Hình 1.21 Công trình ngăn triều Hartelkanal

Ở Nhật Bản, cống Kamihirai (4 cửa rộng 30m, trong đó 2 cửa cao 9,2m và 2 cửa còn

lại cao 9.5m) và cống Shinanogawa (3 cửa van, mỗi cửa rộng 30m cao 24.5m) cũng được áp dụng cửa van này

Hình 1.22 – C ửa van phẳng kéo đứng tại cống Kamihirai – Nhật Bản

1.2.2.3 Cửa van tự động cape trục trên đóng mở bằng phao

Cửa van tự động clape trục tròn đóng mở bằng phao là loại cửa có hệ thống khớp bản

lề bố trí ngang trên cánh cửa, các khớp bản lề cùng tai phao được gắn lên vị trí đỉnh cửa Nó có khả năng kiểm soát mực nước max phía thượng lưu cống

Hình 1.23: C ửa van clape trục ngang đóng mở bằng phao ngang của công ty

Golden Harvest

Phao

20

Hình 1.24: C ửa van clape trục ngang đóng mở bằng phao đứng

- Nguyên lý hoạt động cửa đóng mở bằng phao ngang :Cửa hoạt động dựa trên

nguyên lý phao nổi, ở trạng thái bình thường cửa luôn luôn mở cho dòng nước thượng

hạ lưu cống thông nhau Nhưng khi mực nước thượng lưu cống tăng lên vượt quá cao

độ mở của cửa, phao trên cửa nổi lên, cửa từ từ giảm dần góc mở, khi mực nước vượt cao độ thiết kế cửa hoàn toàn đóng

- Nguyên lý hoạt động cửa đóng mở bằng phao đứng :Đối với dạng cửa phao đứng tai

phao của cửa lắp hai loại phao có kích thước khác nhau Loại phao kích thước nhỏ lắp vào phía mép dưới tai phao, loại phao kích thước lớn hơn lắp vào phía mép trên tai phao Bình thường khi mực nước thượng lưu cống thấp cửa van luôn đóng, khi mực nước thượng lưu tăng lên làm ngập hệ phao nhỏ trên tai phao, dưới tác dụng làm nổi của phao cửa van từ từ được nâng lên cho nước chảy qua Khi mực nước tiếp tục dâng cao ngập hệ phao có kích thước lớn hơn phía trên, hệ phao này bắt đầu nổi lên, do có kích thước lớn hơn lực nổi của hệ phao này lớn hơn hệ phao nổi có kích thước nhỏ phía dưới, cửa van từ từ giảm dần góc mở, nếu mực nước tiếp tục tăng thì cửa van sẽ đóng lại hoàn toàn

- Ưu điểm: Hoạt động của hệ thống cửa không cần đến sự can thiệp của con người

cùng các loại thiết bị, năng lương phụ trợ Tự động kiểm soát mực nước thượng lưu

với độ chính xác tương đối Có khả năng hoạt động trong điều kiện ngập nước, cấu tạo đơn giản dễ chế tạo và sử dụng

21

- Nhược điểm: Cửa chỉ chế tạo với loại có khẩu độ nhỏ, biên độ điều tiết mực nước

thượng hạ lưu chênh lệch trong khoảng nhất định, chỉ điều tiết mực nước theo một chiều

- Ứng dụng: Cửa van tự động clape đóng mở bằng phao được sử dụng để điều tiết nước cho các vùng triều đặc biệt là có khả năng phát huy tác dụng ngăn dòng triều cao

và kiểm soát mực nước trong một biên độ nhất định

1.2.2.3 Cửa van sập tự động khống chế thủy lực

- Cấu tạo cửa:

Cửa gồm có bản mặt cửa chế tạo bằng bê tông , hai bên là hai tai cửa bê tông một đầu liên kết với bản mặt một đầu liên kết với thanh trượt bằng thép có các nấc ứng với

từng độ mở của cửa van Thanh trượt bằng thép còn lại được gắn cố định trên gối tựa

Hình 1.24: C ấu tạo cửa van lật khống chế thủy lực

- Nguyên lý hoạt động:

Khi mô men áp lực thủy động lớn hơn mô men trọng lượng cửa van với lực ma sát đối

với điểm gối tựa, cửa van tự động mở đến một góc đổ nhất định, tại vị trí góc đổ này

mô men áp lực thủy động bằng mô men trọng lượng cửa van đối với điểm gối tựa, cửa van ở trạng thái cân bằng mới Khi lưu lượng không thay đổi, góc độ mở cửa cũng không thay đổi Khi lưu lượng thượng lưu giảm nhỏ đến mức độ nhất định, khiến mô

men trọng lượng cửa van lớn hơn mô men áp lực thủy động với lực ma sát đối vớiđiểm gối tựa, cửa van sập tự khống chế thủy lực có thể tự hành quay lại đóng đến mộtgóc đổ nhất định, cửa van lại ở trạng thái cân bằng mới khi đạt đến lưu lượng này

Hình 1.26: C ửa van ở trạng thái đóng hoàn toàn và mở chảy tràn qua đỉnh

và đáy cửa

-Ưu điểm:

Cửa van sập tự khống chế thủy lực có sẵn công năng tự động đóng mở, không cần thiết

bị cơ điện với thao tác xả bằng thủ công, xả lũ chuẩn xác và kịp thời, tiết kiệm nhân

lực và vật lực; nó hoàn toàn nhờ nâng cao cột nước, tăng lớn áp lực nước dần dần tự

B ản mặt

c ửa( bê

tông)

Thanh trượt bằng thép,có các nấc ứng

v ới độ mở

c ửa van.

Trục xoay

c ửa van

23

động mở cửa van mà còn duy trì được mực nước tích không thay đổi; khi cửa van mở hoàn toàn tình trạng xả nước qua cửa với đáy sông thiên nhiên sai khác không nhiều, khi mực nước giảm thấp cửa van dần dần đóng tích nước Ngoài ra thời gian xây dựng

ngắn, giá thành thấp, suất đầu tư thấp Cửa van sập tự khống chế thủy lực bình thường

hầu như không cần phải thay thế phụ tùng và duy tu bảo dưỡng

- Nhược điểm:

Cửa được chế tạo bằng vật liệu bê tông cốt thép là một loại vật liệu dòn có sức chịu va đập lực động kém Cửa lại hoạt động theo nguyên lý sập từng nấc như vậy trong suốt quá trình hoạt động cửa thường xuyên phải chịu các lực động tác lên các bộ phận cửa, điều này sẽ ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ của loại cửa này

- Ứng dụng:

+ Dùng trong đường tràn hồ chứa nước; có khả năng tự động điều tiết hồ chứa, phát huy hiệu quả lớn nhất hồ chứa, bảo đảm an toàn hồ chứa Thực tiễn chứng minh, công năng của nó không giống với các loại cửa van bình thường khác

+ Dùng trong trạm thủy điện; có thể dựa vào điều kiện thủy văn hiện có, lợi dụng hữu

hiệu phòng chống lũ lụt, nâng cao cột nước; tự động xói cát bồi lắng trong hồ, bảo đảm tuổi thọ sử dụng hồ chứa, phát huy tối đa hiệu quả kinh tế nhà máy điện

+ Dùng trong vận tải thủy với thủy lợi; có khả năng tự động điều tiết mực nước, thỏa mãn yêu cầu độ sâu nước thông thuyền với dùng nước cho nông nghiệp

+ Dùng trong môi trường đô thị; sau khi tích nước cải thiện môi trường sinh thái đô

thị, thỏa mãn yêu cầu phòng lũ thành phố

24

Hình 1.27: M ột số công trình ứng dụng cửa van sập khống chế thủy lực đang thi

công

Hình 1.28: Công trình ứng dụng cửa van sập khống chế thủy lực

1.3 T ổng quan cửa van tự động tại Việt Nam

Việt Nam là một nước có đường bờ biển dài và gắn với nó là một dải đồng bằng ven biển có diện tích rất lớn, tuy có những thuận lợi đất đai phì nhiêu, có nguồn nước để phát triển kinh tế Nhưng đồng bằng ven biển cũng có những bất lợi cần phải khắc phục:

- Bất lợi lớn nhất ở đây là thường xuyên bị nước mặn từ biển xâm nhập gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp và tác hại cho đời sống sinh hoạt của người dân Nhiều cánh

- Bất lợi thứ ba là đồng bằng ven biển có nhiều vùng trũng đất thấp thường xuyên bị úng ngập nên bị chua phèn, và mùa mưa thường bị lũ gây ngập sâu dài ngày

Trước những vấn đề lớn cần phải khắc phục để biến điều kiện đất đai của nước ta thành một thế mạnh thực sự làm bệ phóng đưa đất nước vươn lên phát triển thì đảng và nhà nước có chủ trương xây dựng hàng loạt các cống ngăn mặn giữ ngọt ở tất cả các giải đồng bằng ven biển Đến lúc này một vấn đề mới đặt ra là làm sao phát triển công nghệ cửa van hoạt động phù hợp với nhiệm vụ đặt ra mà suất đầu tư cũng như kinh phí hoạt động là thấp nhất phù hợp với hiện trạng kinh tế của Việt Nam Thời điểm ấy chính là lúc hàng loạt các loại cửa van tự động đó được nghiên cứu chế tạo và áp dụng lắp đắt cho các cống ngăn mặn giữ ngọt, gạn phèn tiêu úng Sự phát triển thể hiện ở số lượng hệ thống và cả chức năng của hệ thống Sự thay đổi chức năng đã đưa các hệ

thống bên cạnh nhiệm vụ ngọt hóa còn phát triển lên nhiệm vụ đa mục tiêu Cùng với

sự thay đổi chức năng, các loại hình cửa van cũng dần được chuyển đổi để phù hợp hơn với vùng sản xuất

Đề tài nghiên cứu cấu trúc và phương pháp tính cửa van tự động thủy lực cống vùng triều mã số 06 - 04 - 01 - 02 năm 1981 - 1985 đã nghiên cứu được 6 kiểu cửa van tự động thủy lực, nhưng chỉ có cửa van cánh cửa tự động được ứng dụng rộng rãi còn các loại cửa khác chưa được áp dụng phổ biến

- Cấu tạo của cửa:

Cửa van loại này có dạng giống cánh cửa nên được gọi là cửa van cánh cửa Cửa bao

gồm khung cửa và cánh cửa, phần khung cửa lắp trong khe cửa, phần cánh cửa liên kết lên khung cửa thông qua trục cối quay trên và cói quay dưới Để giữ cho cánh cửa ở

26

trạng thái đóng hay mở thì trên khung cửa bố trí hệ thống khóa giữ cửa

Hình 1.29: C ấu tạo cửa van tự động

- Nguyên lý hoạt động:

Dựa trên nguyên lý lệch trục của cửa, trọng lượng cửa lúc này phân ra thành hai thành

phần lực là G.cosθ và G.sinθ trong đó thành phần G.sinθ có tác dụng kéo cửa về vị trí đóng Và chênh lệch mực nước thượng hạ lưu tạo ra áp lực đẩy cửa mở ra

I-I

G.sin G.cos

G

θ θ

Cửa hoạt động hoàn toàn tự động không cần tới sự điều khiển của con người và các

loại thiết bị cơ điện hỗ trợ đóng mở, chủ động thay chua,rửa mặn ở ĐBSCL khi sử

dụng cửa van 2 chiều.Nhờ vậy phạm vi ứng dụng của loại cửa này tương đối rộng kể

cả ở những vùng chưa có mạng lưới điện

- Ứng dụng:

Cửa van tự động thủy lực là một loại hình cửa van có giá trị rất lớn trong ứng dụng cho các công trình ngăn sông vùng triều Tính đến thời điểm này thì cửa van tự động

đã được sử dụng rất nhiều trên đất nước từ Bắc tới Nam, đặc biệt là khu vực Đồng

bằng sông Cửu Long

28

- Cửa van cánh cửa tự động thủy lực có hai loại: loại cửa van cánh cửa tự động thủy lực một chiều và loại cửa van cánh cửa tự động thủy lực hai chiều Kết cấu cửa van tự động thủy lực dạng cánh cửa trục đứng có độ lệch trục, khẩu độ cửa thông thường áp dụng nhiều là 5m, 8m và 10m Vật liệu chế tạo cửa van phần lớn là bằng thép, một số

ít bằng bê tông cốt thép và vật liệu khác

- Loại cửa van tự động thủy lực một chiều thường lắp đặt cho công trình gạn triều tiêu úng, thau chua rửa mặn

- Loại Cửa van tự động thủy lực hai chiều về nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống như

cửa van tự động thủy lực một chiều nhưng khóa cửa cho phép cửa mở theo hai chiều

của dòng chảy, loại cửa van này cho phép công trình tiêu thoát và lấy nước ngược từ

hạ lưu vào trong sông Do một số vùng với công trình tiêu úng có điều kiện lấy thêm

một phần nước ngọt phía hạ lưu khi mực nước hạ lưu cao hơn do triều dâng lên và phù

hợp với sản xuất nông nghiệp thì được lắp đặt loại cửa van tự động thủy lực hai chiều

Một số công trình sử dụng cửa van tự động hai chiều dạng cánh cửa

1.3.1.1 Đập Ba Lai – Bến Tre

Hình 1.31 Đập Ba Lai – Bến Tre

- Công trình đóng mở bằng cửa van tự động hai chiều gồm 10 cửa van bằng thép không rỉ kích thước BxH = 8x7.2m Trên cống có hệ giàn van, giàn cầu trục để phục

vụ công tác bảo dưỡng, sửa chữa công trình

- Công trình có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, tạo nguồn ngọt, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn, cải tạo đất cho 115,000ha đất tự nhiên, trong đó 88.500ha đất canh tác Bên cạnh

đó công trình còn phải đảm bảo cấp nước sinh hoạt cho cho dân các huyện Châu

- Công trình đóng mở bằng cửa van tự động hai chiều gồm 8 cửa van bằng thép không

rỉ kích thước BxH = 10x7.5m Trên cống có hệ giàn van, giàn cầu trục để phục vụ công tác bảo dưỡng, sửa chữa công trình

- Ngăn mặn, giữ ngọt, tạo nguồn, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn, cải tạo đất cho 177.792ha đất tự nhiên trong 267.000ha đất canh tác Trong đó cống Cần Chông trực tiếp ngăn mặn, tạo nguồn cho 14.040ha, tiêu úng cho 16.500ha

1.3.1.3 Cống Bảo Định – Tiền Giang

30

Hình 1.33 Cống Bảo Định – Tiền Giang

- Công trình đóng mở bằng cửa van tự động hai chiều gồm 3 cửa van bằng thép không

rỉ kích thước BxH = 10x6.5m Trên cống có hệ giàn van, giàn cầu trục để phục vụ công tác bảo dưỡng, sửa chữa công trình

- Ngăn mặn, giữ ngọt, tạo nguồn ngọt, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn, cải tạo đất cho 10.300 ha đất lúa 3 vụ và vườn cây ăn trái, cấp nước sinh hoạt cho cho nhân dân trong khu vực dự án

1.3.1.4 Cống Sông Cui – Long An

Hình 1.34 Cống Sông Cui – Long An