Sổ tay Kỹ Thuật Thuỷ Lợi -Phần 2-Tập 4 - Chương 1

Việc vận hành cửa van có thể nhờ vào máy nâng cơ, điện, xilanh thủy lực hoặc hoàn toàn lợi dụng sức nước - thường được gọi là cửa van tự động thủy lực, hoặc vừa lợi dụng sức nước vừa có

2

viện khoa học thủy lợi

sổ tay kỹ thuật thủy lợi

phần 2

công trình thủy lợi

tập 4 Cửa van và thiết bị đóng mở

ã Khái niệm chung về cửa van trong công trình thủy lợi

ã Thủy lực cửa van

ã Cửa van mặt

ã Cửa van sâu

ã Thiết bị đóng mở cửa van

biên soạn

GS TS Trương Đình Dụ - PGS TS Nguyễn Đăng Cường

Nhà xuất bản nông nghiệp

Hà Nội - 2005

Mục lục

Chương 1 Khái niệm chung về Cửa van trong công trình thủy lợi 11

1.4.4 Cửa trên đập tràn ở hồ chứa và đập dâng vùng Trung du và miền núi 13

1.9.2 Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian 28

1.9.3 Một số quy định trong thiết kế kết cấu cửa van 35

1.10.10 Các kiểu cửa van tự động thủy lực điều tiết trên kênh 36

Chương 2 Thủy lực cửa van 37

Chương 3 cửa van phẳng 55

3.1.4 Tải trọng và lực tác dụng lên cửa van phẳng 59

3.1.6 Kết cấu phần ốp ở ngưỡng khe van và gioăng kín nước 65

3.2.1 Ưu nhược điểm của cửa van cung 67

3.2.5 Xác định áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa van cung 73

3.7.4 Xác định trọng lượng bản thân và lực nâng cửa van trụ lăn 98

3.9.5 Chế độ vận hành của cửa van cánh cửa tự động 109

3.9.6 Các bộ phận chính của cửa van và khung chứa van 110

3.11.3 Cửa van cung đối trọng tự động điều tiết mực nước 119

Chương 4 cửa van sâu 137

Chương 5 Thiết bị đóng mở cửa van 157

5.1.1 Đặc điểm của thiết bị cửa van trên công trình thủy lợi, thủy điện 157

5.2.2 Ưu, nhược điểm của thiết bị đóng mở kiểu vít đai ốc 161

5.2.4 Máy đóng mở kiểu vít dùng cho cửa van sâu 164

5.3 Máy đóng mở kiểu dây mềm 165

5.3.1 Kết cấu chung của máy đóng mở kiểu dây mềm 165

5.3.2 Ưu, nhược điểm của thiết bị đóng mở kiểu dây mềm 166

5.4.3 Nhược điểm của thiết bị đóng mở bằng xilanh thủy lực 175

5.4.4 Tính toán các thông số cơ bản thiết bị đóng mở xilanh thủy lực 176

5.5.1 Tự động điều khiển, tự động hóa bằng điện và điện tử máy tính 178

Chương 1 Khái niệm chung về Cửa van trong công trình thủy lợi

Biên soạn: GS TS Trương Đình Dụ

1.1 Vai trò nhiệm vụ của cửa van

Cửa van là một bộ phận rất quan trọng trong công trình thủy lợi Cửa van được lắp

đặt vào các khoang của công trình thủy công ở công trình thủy lợi thủy điện Cửa van

cũng có thể đặt ở trên mặt, ở dưới sâu Nhiệm vụ của cửa van là đóng để giữ nước và

mở để tháo nước theo yêu cầu đặt ra cho công trình: lấy nước tưới, cấp nước phát điện,

thoát lũ, gạn triều, tiêu úng, điều tiết mực nước, lấy nước mặn nuôi trồng thủy sản

Hiệu quả của công trình thủy lợi, thủy điện được đảm bảo như thiết kế đặt ra khi

cửa van được vận hành đạt độ tin cậy như quy trình vận hành đ∙ đề ra

Nếu việc vận hành cửa van có sự cố thì dẫn đến không những tổn hại lớn cho công

trình thủy lợi, thủy điện mà còn gây tác hại cho sản xuất đời sống của vùng hạ du Một

số vụ vỡ đập gây thiệt hại lớn ở ấn Độ, ở Mỹ là do kẹt cửa van ở tràn xả lũ

1.2 Cấu tạo cửa van

- Phần chuyển động gồm bản mặt, các dầm phụ, các dầm chính, các bánh xe lăn,

gioăng chống thấm, phần thiết bị nâng gắn với cửa van

- Phần cố định gồm các kết cấu tựa đặt ở trụ pin, ở đập tràn, kết cấu chống thấm

và phần thiết bị nâng gắn với công trình Việc vận hành cửa van có thể nhờ vào máy

nâng cơ, điện, xilanh thủy lực hoặc hoàn toàn lợi dụng sức nước - thường được gọi là

cửa van tự động thủy lực, hoặc vừa lợi dụng sức nước vừa có hỗ trợ của cơ điện thì được

gọi là cửa van bán tự động thủy lực Ngày nay ở một số công trình việc vận hành cửa

van ở một số nước đ∙ được tự động hoá điện tử, điều khiển từ xa rất hiện đại

1.3 Phân loại cửa van

Cửa van có thể phân loại theo vị trí đặt: Cửa van trên mặt, cửa van dưới sâu; theo

hình dạng kết cấu: Cửa van phẳng, cửa van cung, cửa van trụ, cửa quạt, cửa mái nhà,

cửa bản quay ; theo hình thức tháo nước qua cửa van: Cửa van nước tràn trên mặt, cửa

van nước chảy phía dưới; theo hình thức chuyển động: Cửa van chuyển động thẳng lên

xuống, cửa đẩy ngang, cửa quay trục giữa, trục trên, trục dưới; theo cách đóng mở cửa

van: Bằng sức nước (tự động thủy lực và bán tự động), bằng thiết bị cơ khí và bằng điện; theo tính chất vật liệu: Cửa van thép, cửa van bê tông cốt thép, cửa van vật liệu tổng hợp Ngoài ra theo nhiệm vụ có thể chia ra: Cửa van vận hành (sử dụng cho khai thác công trình); cửa van sửa chữa (dùng để thay thế khi sửa chữa cửa van vận hành); cửa van sự cố (dùng để xử lý khi có sự cố xảy ra); cửa van thi công sử dụng trong khi thi công và trong số đó có thể dùng làm cửa van dự phòng, cửa van sửa chữa và cửa van

sự cố

1.4 Chọn loại cửa van cho công trình

Việc chọn loại cửa phải căn cứ vào tính chất, nhiệm vụ và điều kiện tự nhiên nơi xây dựng công trình để đáp ứng tốt nhất cho nhiệm vụ công trình và công tác quản lý khai thác

1.4.1 Vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long

Đặc điểm của vùng này là bán nhật triều Đa số các cống có nhiệm vụ ngăn mặn giữ ngọt, thau chua rửa phèn và lấy nước triều ngọt trong một số thời gian, ngoài ra có một số cống lại cần lấy mặn để phục vụ nuôi trồng thuỷ sản khi chuyển đổi cơ cấu sản xuất Do vậy cống làm việc 2 chiều: có thể mở để gạn triều tiêu úng và cũng có lúc mở ngược lại để lấy triều ở vùng này có thể áp dụng 4 loại cửa sau:

a) Cửa van cánh cửa tự động thủy lực (CVCCTĐ)

Đây là loại cửa van hiện được ứng dụng rộng r∙i nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các loại cửa van khác Nó được đóng mở nhờ áp lực nước và lực lệch trục nên không thể dùng cửa van này để điều tiết mực nước

b) Cửa van cung

ít được sử dụng vì việc ứng dụng cửa van cung tự động để gạn triều tiêu úng đòi hỏi phức tạp, nếu điều khiển bằng cơ điện thông thường thì nhân lực phải túc trực thường xuyên trong mùa tiêu lũ ở những cống đóng mở ít mỗi năm một số lần thì có thể dùng cửa van cung

c) Cửa Clape trục dưới (cửa van sập)

ở những nơi cửa van được đóng 5 - 6 tháng và sau đó mở liên tục 5 - 6 tháng thì

có thể áp dụng loại cửa này Vì có ưu điểm có thể làm cửa rộng 15 á 30 m

d) Cửa van phẳng

Cửa van phẳng được đóng mở bằng thiết bị cơ khí hoặc cơ điện, có thể dùng ở những cống mỗi năm chỉ mở ít lần nhưng hiện ít dùng ở vùng này

1.4.2 Vùng ven biển Trung Bộ

Có 2 loại cống:

- Loại cống thường bị chìm ngập trong lũ chính vụ nên ứng dụng cửa Clape trục

dưới Đóng mở nhẹ và khi lũ về cửa van nằm sát đáy Loại này có thể làm khoang rộng

và cũng có thể ứng dụng cửa van cánh cửa tự động

- Loại cống ở cao không bị chìm ngập trong lũ chính vụ và gần biển dễ bị gió b∙o

thì có thể ứng dụng cửa van cung, van phẳng, để chủ động đóng mở tháo lũ và điều tiết

mực nước

ở những cống gần biển chịu ảnh hưởng của b∙o, nếu chỉ dùng đơn thuần cửa van

cánh cửa tự động thì sẽ không chủ động ngăn triều dâng và tháo lũ Bởi vì loại cửa này

chỉ mở cưỡng bức được khi chênh lệch nhỏ hơn 1m ở những cống này hoặc chỉ dùng

cửa van cung, hoặc vừa dùng cửa cung phối hợp cửa van cánh cửa tự động để khi lũ

bình thường thì gạn triều tiêu úng và khi có b∙o thì thêm một số cửa cung để tháo lũ

1.4.3 Vùng đồng bằng Bắc Bộ

a) Vùng ven biển chịu ảnh hưởng của triều

Đây là nơi có chế độ nhật triều, yêu cầu cấp nước và tiêu lũ một cách chủ động

ở đây khác xa với 2 vùng trên, các cống nên áp dụng cửa van cung hoặc cửa van phẳng

để đóng mở bất kỳ lúc nào theo yêu cầu khống chế mực nước trong đồng

b) Vùng đồng bằng không chịu ảnh hưởng của thuỷ triều

Cống ở vùng này nên áp dụng cửa van cung, cửa van phẳng và có thể dùng cửa

Clape trục dưới để chủ động điều tiết mực nước trong đồng bất kỳ thời điểm nào

1.4.4 Cửa trên đập tràn ở hồ chứa và đập dâng vùng Trung du và miền núi

Thường được sử dụng phổ biến là cửa van cung hoặc cửa van phẳng cũng có thể

áp dụng cửa van Clape trục dưới ở đây cũng có thể dùng cửa quạt tự động thủy lực,

khi mở nằm trong bụng đập khi đóng cửa được nâng lên

1.4.5 Công trình xả sâu hoặc lấy nước dưới sâu

Thường được sử dụng cửa van cung hoặc cửa van phẳng Những cống nhỏ lấy

nước sâu có thể dùng van côn hoặc van kim

1.5 Bố trí cửa van trong công trình

1.5.1 Đối với cống hở

a) Loại không có tường ngực

ở những công trình nước thượng lưu luôn lớn hơn hạ lưu, cửa được bố trí thiên về

phía sau để tăng an toàn cho cống về lật trượt ở những cống ngăn triều thường cửa van

đặt ở giữa để đảm bảo độ ổn định cả hai chiều

b) Loại có tường ngực để giảm chiều cao cửa van

Đối với cửa van cung nhất thiết phải bố trí sau tường ngực, còn cửa van phẳng thì

có thể bố trí trước hoặc sau tùy ý

1.5.2 Đối với cống kín

Có thể bố trí cửa van ở miệng vào, ở giữa hoặc ở cuối cống

1.6 Lực và tổ hợp lực tác dụng lên cửa van

- Thép cacbon: lượng cacbon C < 1,7% Không có các thành phần hợp kim khác

Chia ra thép cacbon thấp, lượng cacbon C từ 0,09 á 0,22%, là thép xây dựng chủ yếu;

thép cacbon vừa lượng cacbon C từ 0,25 á 0,5% dùng cho chế tạo cơ khí; thép cacbon

cao lượng cacbon C từ 0,6% là thép dụng cụ

- Thép hợp kim, chia ra: thép hợp kim thấp với tỷ lệ các nguyên tố hợp kim dưới

2,5% là thép xây dựng; thép hợp kim vừa và thép hợp kim cao sử dụng làm thép dùng

cho chế tạo cơ khí và dụng cụ

b) Ký hiệu thép

- Thép cacbon thấp: Theo cách đặt tên của Liên Xô cũ thép cacbon thấp có các số

hiệu CT0, BCT2, BCT3, BCT4 theo thứ tự từ ít đến nhiều cacbon Chữ B là chỉ nhóm thép

được đảm bảo về cơ tính và thành phần hoá học

- Thép hợp kim thấp: Theo cách đặt tên của Liên Xô cũ thì hai số đầu chỉ phần

vạn cacbon; chữ cái Nga chỉ tên các thành phần hợp kim: măng gan G, silic C, crôm X,

niken H, đồng Д, vanadi f, bor P, môlipđen M, titan T, nhôm IO, nitơ A; con số sau chỉ

lượng phần trăm (làm tròn) khi quá 1%

B¶ng 1-1 chiÕm 1 trang

B¶ng 1-2 B¶ng 1-3 chiÕm 1 trang

1.7.2 Gang

Những chi tiết của cửa như bánh xe lăn, bánh xe cữ, cối cửa chịu áp lực nhỏ hơn

60 kG/cm2 có thể dùng gang xám và gang chống mài mòn theo

Bảng 1-4 Tính năng cơ học của gang

Kéo Gang Độ cứng

Brinell Giới hạn đàn hồi

kG/mm 2

Giới hạn phá hoại kG/mm 2

Độ dãn kéo đứt

%

Cắt kG/mm 2

Bảng 1-5 Cường độ tính toán của khối đúc bằng gang xám (GOCT 1412 - 79)

Cường độ tính toán MPa của khối đúc bằng gang xám Trạng thái ứng suất

CЧ 15 CЧ 20 CЧ 25 CЧ 30 Kéo đúng tâm và kéo khi uốn

1.7.5 Vật liệu tổng hợp Composite

Hiện tại cửa van bằng thép bọc composite đ∙ được ứng dụng khá phổ biến và cửa

van hoàn toàn bằng vật liệu composite cũng đ∙ được ứng dụng nhiều cho vùng ven biển

nơi có chênh lệch cột nước thấp nhưng chưa tổng kết và chưa có hướng dẫn thiết kế

Tính chất cơ lý của vật liệu composite như sau:

Cửa van bằng bê tông cốt thép dạng vỏ mỏng được ứng dụng làm cửa van tự động

ở một số công trình vùng ven biển có kết quả tốt; mác bê tông ³ 300 có dùng phụ gia

hóa dẻo nên bê tông đạt chất lượng cao

1.8 Những vấn đề cần l-u ý trong thiết kế cửa van

1.8.1 Phải chọn loại cửa van phù hợp với tính chất và nhiệm vụ công trình để đáp ứng

được yêu cầu đặt ra trong quản lý khai thác, phù hợp với điều kiện chế tạo lắp đặt, vận

hành, sửa chữa bảo dưỡng thay thế và phù hợp khả năng đầu tư kinh tế kỹ thuật Điều

cần chú ý nhất khi chọn loại cửa van là độ tin cậy trong vận hành đóng mở để thực hiện

nhiệm vụ điều tiết mực nước lưu lượng do yêu cầu sản xuất đề ra

1.8.2 Tính toán cửa van cả về độ bền và ổn định đối với những lực và tải trọng cơ bản

tác dụng đồng thời và kiểm tra ứng suất khi có sự tác dụng của các tải trọng đặc biệt và

tổ hợp của chúng với những lực cơ bản Thường được tính theo trạng thái giới hạn thứ

nhất và trạng thái giới hạn thứ hai

1.8.3 Trong tính toán sơ bộ, việc chọn chiều cao mặt cắt dầm chịu lực phải xuất phát từ

điều kiện độ võng cho phép, tính theo công thức:

 - nhịp tính toán của dầm chịu lực, cm;

a - khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt tính toán của dầm chịu lực đến mép

dầm (cm); được lấy a = (0,75 á 0,65)hct (hct - chiều cao của mặt cắt dầm);

E - mô đun đàn hồi, đối với thép, E = 2100000 kG/cm2;

[s] - ứng suất cho phép (kG/cm2) của vật liệu làm cửa van

Độ võng cho phép lớn nhất của các dầm chính của cửa van không được vượt quá:

Cửa hoạt động thường xuyên Cửa làm việc tạm thời + Đối với dầm đặc: 1

1.8.5 Kết cấu cửa van phải thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, quan trắc theo dõi, sửa

chữa, thay thế các bộ phận và có độ tin cậy cao trong vận hành

1.8.6 Hình dạng mép dưới cửa van phải thuận cho dòng chảy, không bị cản và không

gây mạch động áp lực đáng kể và hiện tượng khí thực ở mép cửa van

1.8.7 Phải đảm bảo hình dạng không phát sinh chân không đối với các cửa van cho

nước tràn qua và đảm bảo thông không khí dưới lớp nước tràn đó

1.8.8 Phải chọn được vật liệu làm cửa van và biện pháp bảo vệ để cửa van bền trong

môi trường chua mặn, ẩm ướt

Thu thập và phân tích tài liệu

Điều tra, nghiên cứu, thí nghiệm mô hình hoặc thực tế Chọn loại hình cửa van

Vận hành chính thức

1.8.9 Trình tự công tác từ thiết kế đến vận hành cửa van

1.9 Ph-ơng pháp tính toán

Cửa van thủy công là vật kết cấu không gian ba chiều, nên về nguyên tắc phải

dùng hệ kết cấu không gian để tiến hành phân tích tính toán Nhưng bởi vì trước đây kỹ

thuật tính toán chưa phát triển, nếu làm như vậy trên thực tế gặp rất nhiều khó khăn Do

đó trong thiết kế công trình một thời gian dài đ∙ dùng phương pháp phân tích hệ mặt

phẳng để tính toán Tức là phân tích kết cấu không gian của cửa van thành nhiều kết cấu

phẳng độc lập, sau đó tiến hành tính toán riêng biệt Làm như thế sẽ thuận tiện cho công việc tính toán, nhưng cũng đưa đến nhiều sai số không phù hợp với thực tế, vì vậy kết quả tính toán mang tính gần đúng, không thể phản ánh tình trạng làm việc của cửa van một cách chân thực

Mấy năm gần đây đ∙ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng sự hỗ trợ của máy tính điện tử, để giải bài toán kết cấu không gian của cửa van, thực tế và đ∙ thu

được kết quả đáng tin cậy

Phần này giới thiệu khái quát hai phương pháp tính toán trên

Phản lực gối của dầm phụ thẳng đứng và hệ liên kết hướng đứng là phụ tải truyền cho dầm chủ nằm ngang, sau khi cộng thêm áp lực nước do bản mặt trực tiếp truyền

đến, phụ tải được biểu thị ở hình (d) Phản lực gối của dầm chủ ngang truyền cho dầm bên, sau khi cộng thêm áp lực nước do bản mặt truyền đến, phụ tải của nó như hình (e) Dầm bên dựa vào trục bánh xe của bánh xe chính, vì vậy áp lực nước tác dụng lên bản mặt cuối cùng qua bánh xe chính truyền cho đường ray và kết cấu gắn trong bê tông

Bằng phương pháp nêu trên ta đưa một cửa van không gian phân tích thành rất nhiều cấu kiện hệ phẳng độc lập, sau khi có phụ tải việc tính toán sẽ không còn khó khăn nữa Nhưng cần phải chú ý, ở trên đường giao nhau của hai cấu kiện hệ phẳng, phải xét cộng dồn ứng suất

Đối với cửa van cung hoặc các hình thức cửa van khác, đều có thể sử dụng phương pháp này được một nhóm hệ kết cấu phẳng có giá trị như kết cấu không gian ban đầu Vật kết cấu của những hệ phẳng này do bản, dầm, cột và thanh giằng v.v tạo thành Phương pháp phân tích xem ở tài liệu cơ học kết cấu

ở đây chỉ giới thiệu phương pháp tính toán bản mặt có liên quan tới kết cấu cửa van mà ở Trung Quốc khi biên soạn quy phạm thiết kế cửa van thép, người ta đi sâu nghiên cứu từ thực nghiệm và tính toán Qua đó rút ra các kết luận sau đây:

(1) Vật liệu thép là một loại vật liệu đàn hồi rất tốt, làm việc trong phạm vi biến

dạng nhỏ, trạng thái ứng suất ở trong bản mặt hoàn toàn thống nhất với kết quả của lý thuyết bản mỏng đàn hồi Thực nghiệm cho thấy, tiền đề diễn toán của công thức Pakhơ

là chưa chặt chẽ, không thể phản ánh tình trạng làm việc thực của bản mặt, không nên tiếp tục sử dụng