Sổ tay Kỹ Thuật Thuỷ Lợi -Phần 2-Tập 4 - Chương 3

b Xác định lực nâng cửa 1,1.G.g P.a 1,2.R.f.rT Kiểu cửa bản sập có kết cấu đơn giản, được ứng dụng ở các đập thấp có cột nước 4 á7 m, thích hợp các đập ở vùng trung du, các cống tiêu ở

Chương 3 cửa van phẳng

Biên soạn: GS TS Trương Đình Dụ

3.1 Cửa van phẳng

Cửa van phẳng là hình thức cửa ra đời sớm nhất trong các loại cửa van sử dụng

trong công trình Thủy lợi và đến nay còn áp dụng rộng r∙i do cửa van phẳng có kết cấu

đơn giản, dễ gia công chế tạo, vận hành thuận lợi Cửa phẳng được sử dụng nhiều trong

các công trình lấy nước, tiêu nước, trên đập tràn cần điều tiết lưu lượng, trên các công

trình điều tiết trên kênh Cửa đ∙ áp dụng có chiều rộng từ 0,6 m đến 80 m, thông dụng

nhỏ hơn 20m Cửa có thể là bằng gỗ, vật liệu tổng hợp, bê tông cốt thép và thép Hiện

nay phần lớn làm bằng thép

3.1.1 ưu nh-ợc điểm của cửa van phẳng

a) Ưu điểm

- Có thể làm cửa với kích thước lớn

- Kích thước không gian nó chiếm theo hướng dòng chảy tương đối nhỏ

- Tấm cửa có thể di dời khỏi miệng lỗ, tiện cho việc kiểm tra duy tu

- Dễ sử dụng máy đóng mở kiểu di động

b) Nhược điểm

- Yêu cầu đặt máy tương đối cao và trụ pin cống tương đối dày

- R∙nh cửa có ảnh hưởng tới dòng chảy, đối với cửa cống có cột nước cao đặc biệt

bất lợi, dễ xảy ra hiện tượng khí thực

- Số lượng cấu kiện chôn vào bê tông tương đối nhiều

- Lực đóng mở tương đối lớn, chịu ảnh hưởng nhiều của lực ma sát, do đó cần

phải dùng thiết bị đóng mở có công suất lớn

- Khi kéo lên cửa van treo trên cao, chịu tác dụng của gió b∙o

3.1.2 Các bộ phận chính của cửa van phẳng

- Bản mặt thường làm bằng thép có chiều dày không nhỏ hơn 4mm đối với cửa có

chiều rộng bé hơn hoặc bằng 2m và cột nước bé hơn 2m; chiều dày không nhỏ hơn

6mm đối với cửa có chiều rộng và chiều cao cột nước lớn hơn 2m Vùng chua mặn

chiều dày bản mặt lớn hơn 8 á 10 mm, có thể dày hơn đến 14mm

- Dầm chính ngang dạng đặc đối với B Ê 6m và kiểu giàn với B > 6m

Kết cấu dầm chính thường bố trí theo hướng ngang 2 đầu tựa lên dầm biên (ngàm

đàn hồi) Với cửa nhỏ dầm chính nhận áp lực trực tiếp từ bản mặt và dầm phụ đứng truyền vào, dầm phụ ngang không có

Dầm chính kết cấu theo hai dạng: Dầm đặc và dầm kiểu giàn Thông thường kết cấu giàn theo hình (3-1a) chịu áp lực nước 1 chiều và theo hình (3-1b) chịu áp lực nước

Trong thiết kế dầm chính được bố trí về số lượng và vị trí thế nào để chúng nhận

áp lực đều nhau hoặc gần đều nhau Kết cấu dầm đặc, số lượng dầm ³ 3 Kết cấu kiểu giàn số dầm chính thường là 3

Chú ý: Kết cấu dầm đặc cần khoét lỗ thoát nước để khi nâng cửa lên nước không

đọng lại trong các bụng dầm

b) Dầm ngang đáy

Được cấu tạo đảm bảo liên kết với chắn nước đáy thuận tiện Vị trí dầm đáy cần tuân theo theo điều kiện là góc a > 30o (hình 3-2) Tuân thủ điều kiện này tránh được hiện tượng dòng xoáy dưới bụng dầm giảm rung động và lực đóng mở Nếu vì kết cấu

bó buộc a < 30o thì bụng dầm cần khoét lỗ đảm bảo tỉ lệ:

F lỗ rỗng

20% (F - diện tích)

Hình 3-3 Sơ đồ cấu tạo cửa van phẳng

1- bản chắn; 2- dầm ngang đỉnh; 3- dầm ngang đáy; 4- dầm chính ngang; 5- dầm phụ

ngang; 6- hệ dầm đứng; 7- thanh giằng chéo; 8- các bộ phận tựa phụ; 9- đệm kín nước;

10- bộ phận để treo; 11- trục tựa hai bên; 12- bộ phận tựa gối động

c) Các dầm phụ dọc và ngang

Sau bản mặt là các dầm phụ dọc và ngang; kết cấu dầm phụ có dạng đặc thường

chọn thép chữ I, T Khi thiết kế cần bố trí các dầm phụ dọc và ngang sao cho n a

b

= của

ô bản mặt nằm trong tỉ lệ 1 < n < 2 ở đây a là khoảng cách giữa các dầm phụ dọc, b là

khoảng cách các dầm phụ ngang

d) Dầm biên

Dầm biên nhận áp lực từ dầm chính, dầm ngang ở đáy và ở đỉnh cộng với một

phần từ ô bản mặt truyền vào Kết cấu dầm biên thường có hai dạng: Dạng đặc chữ C, I

và dạng hộp

Kiểu dầm đặc thường dùng cho cửa trượt, cửa bánh xe lăn có trục kiểu công xôn

Kiểu dầm hộp bố trí cho cửa có bánh xe nằm ngay trong hộp, trục bánh xe ngắn kết cấu

chắc chắn

15

46

5711

1289

10

3

Hình 3-4 Cửa van phẳng đơn Hình 3-5 Cửa van phẳng 2 lớp

e) Tai kéo

Tai kéo của cửa là bộ phận nối cửa với đầu dưới cùng của thanh kéo hoặc móc kéo của cơ cấu nâng Khi cửa có chiều rộng bé hơn chiều cao nên bố trí một điểm kéo ở giữa cửa (1 tai kéo) Khi cửa có chiều rộng lớn hơn chiều cao 1,5 lần nên bố trí hai điểm kéo ở về phía hai dầm biên Những cửa có sức nâng lớn, trục tai kéo có khối lượng lớn (> 50 kg) cạnh chỗ tai cửa nên bố trí giá đỡ trục để thuận tiện khi lắp ráp và tháo dỡ

Trong thực tế ngoài bộ phận tai kéo còn có bộ phận treo cửa sử dụng vào việc treo cửa trong thời gian sửa chữa công trình, bản thân cửa hoặc cơ cấu máy

3.1.4 Tải trọng và lực tác dụng lên cửa van phẳng

a) áp lực nước tĩnh

Biểu đồ áp lực Công thức xác định áp lực nước P Công thức xác định vị trí đặt áp lực (H

c )

2 t

1 .H L

t

H1

+

Trong đó: Ht - chiều cao cột nước thượng lưu;

Hh - chiều cao cột nước hạ lưu;

Hc - khoảng cách đặt tổng áp lực P tính từ mặt nước;

L - chiều rộng khoang cống

b) áp lực nước động (thành phần nằm ngang)

Xuất hiện khi mở cửa từng phần; trị số áp lực động bé hơn áp lực thủy tĩnh (do tổn

thất cột nước khi chảy qua cửa)

Trong tính toán cần nhớ: Khi cửa đóng trị số áp lực động của nước không có,

ngược lại khi mở từng phần trị số áp lực thủy tĩnh sẽ không có

Trong đó: hbc - chiều cao lớp bùn cát;

j - góc nghiêng tự nhiên của bùn cát ở trong nước;

gbc - trọng lượng riêng của bùn cát ở trong nước;

L - chiều rộng bùn cát tác dụng lên cửa

d) Lực hút ở đáy cửa

3 4

Hình 3-6 Biểu đồ sơ bộ tính trọng lượng cửa G

1- ứng với cửa bánh xe ở mặt; 2- ứng với cửa trượt ở mặt;

3- ứng với cửa bánh xe ở sâu; 4- ứng với cửa trượt ở sâu

+ Hoặc có thể xác định theo công thức A.R Beredinski:

F - diện tích cửa van

g) Tải trọng do gió (tính phần cửa nằm trên mặt nước)

Tấm trượt

Trong đó:

F - diện tích bề mặt chịu tác dụng gió của cửa, (m2);

qgió - cường độ áp lực gió khu vực đặt công trình, (qgió = 25 á 100 kG/m2,

thường tính toán lấy qgió = 45 kG/m2)

3.1.5 Các kiểu cửa van phẳng

a) Cửa phẳng trượt

(1) Đặc điểm:

+ Cửa van phẳng loại này có tấm trượt cố định vào dầm biên Tấm trượt nhận toàn

bộ áp lực ngang của nước tác dụng lên cửa để truyền vào khe cửa; vì vậy khi nâng hạ

cần khắc phục lực ma sát trượt

Cấu tạo tấm trượt có thể là một tấm

liên tục hoặc nhiều đoạn tấm cố định trên

dầm biên Để giảm nhẹ ma sát lăn người ta

có thể làm cơ cấu nhíp trượt (mặt trượt

cong)

+ Vật liệu tấm trượt: đối với cửa

nhỏ thường là đồng БpAЖ 9-4 hoặc thép

Bảng 3-1 Hệ số ma sát f

Trị số f Loại Vật liệu ma sát và điều kiện công tác

Lớn nhất Bé nhất

1 Thép với thép (trạng thái khô ráo) 0,5~0,6 0,15

2 Thép với gang đúc (trạng thái khô ráo) 0,35 0,16

3 Gỗ với thép (trong nước trong) 0,65 0,3

4 Gỗ ép lớp dính keo đối với thép không gỉ (trong nước trong) (1)

Theo cường độ nén dọc: q>2000 kG/cm 0,1~0,11 0,05

Ma sát trượt

1 Thép với đồng đen (trạng thái khô ráo) 0,3 0,16

2 Thép với đồng đen (có bôi trơn) 0,25 0,12

3 Thép với gỗ ép lớp keo (có bôi trơn) 0,16~0,20 0,08

a) b)

Hình 3-8 Sơ họa bánh xe cửa van

+ Cụm bánh xe và trục cố định vào cửa theo 2 dạng nằm trong hộp của dầm biên

và kiểu công xôn Khi bố trí bánh xe nằm trong hộp, trục bánh xe sẽ nhỏ hơn so với

kiểu bố trí công xôn

+ Vật liệu chế tạo:

- Với áp lực lên bánh xe nhỏ P < 5T dùng gang xám cЧ18.36 cЧ21-40, GOCT1412-70

- Với P > 5T dùng thép 25Л; 45Л

+ Trục dùng thép 35, 45 GOCT 1050-60, hoặc thép không gỉ

+ ổ trục có 2 dạng: Bạc đồng, gỗ ép hoặc ổ bi

+ Hệ số ma sát lăn của bánh xe và con lăn của cửa có tính đến sự làm việc trong nước:

Trong đó: Tx - lực sinh ra do ma sát ở cụm bánh xe với đường lăn;

Ty - lực sinh ra do ma sát của vật chắn nước với đường trượt;

R1 - bán kính vòng ngoài của ổ lăn (cm);

f2 - hệ số ma sát trượt giữa trục và bạc (xem bảng 3-1);

f - hệ số ma sát trượt giữa gioăng và đường trượt (xem bảng 3-1);

b - chiều dài của gioăng chắn nước chịu tác dụng của cột nước H (cm);

Hcp - cột nước trung bình tác dụng vào gioăng (cm);

a - chiều rộng mặt gioăng ép vào đường trượt;

c) Cửa kiểu Wagon (hình 3-10)

Đối với cửa rộng, đầu nước lớn để giảm nhỏ đường kính bánh xe, khi thiết kế thường áp dụng kiểu Wagon

ưu điểm của loại cửa này là tuy số bánh xe nhiều (8, 12 ) nhưng tiếp xúc đỉnh bánh xe với đường lăn đều hơn do bộ phận khớp tự điều chỉnh và lực tác dụng lên mỗi bánh xe có thể bố trí đều nhau

Nhược điểm chính của loại cửa này là khe cửa rộng và sâu đòi hỏi trụ pin dày Lực nâng hạ tính như cửa bánh xe

d) Cửa 2 lớp

Gọi cửa 2 lớp vì nó có hai lớp đặt so le nhau cùng chắn một khoang thoát nước Mỗi lớp cửa có thể là cửa trượt hoặc cửa bánh xe hoàn chỉnh (hình 3-5)

Cửa loại này thường sử dụng ở âu thuyền hoặc không thể sử dụng 1 lớp cửa vì cửa

có chiều cao quá lớn, lực đóng mở bị hạn chế đòi hỏi phải làm 2 lớp Trong điều kiện

đó dùng cửa 2 lớp sẽ hạ thấp cầu công tác, giảm được lực đóng mở (trong nước ta điển hình loại cửa này là cửa van cống cầu xe)

Khi thiết kế cửa 2 lớp cần chú ý: Đối với lớp dưới phải có bánh xe cữ nằm trên

đường hướng (thuộc khe cửa) chạy suốt từ ngưỡng cửa lên đỉnh trụ pin

Chắn nước giữa 2 cửa theo hướng ngang (chỗ tiếp giáp của đỉnh cửa dưới và đáy

cửa trên) thực hiện theo dạng ở hình 3-11

Cửa trên

Cửa dưới

150 - 180

100

60

đáy khe cửa lớp trên

Thành khe cửa lớp dưới

Hình 3-11 Kín nước giữa hai lớp cửa

3.1.6 Kết cấu phần ốp ở ng-ỡng khe van và gioăng kín n-ớc

a) Kết cấu phần ốp

Cùng với cửa (phần động), đây là phần tĩnh nằm ở dưới nước khó sửa chữa Vì

vậy các bề mặt tiếp xúc với nước và không khí, được sơn, mạ không gỉ cẩn thận Bề mặt

của đường trượt cho bánh xe lăn thường sử dụng thép không gỉ hoặc mạ một lớp thép

không gỉ bên ngoài

Hình 3-12 Bố trí thép khe cửa

a), b), c) Các kết cấu thép trong r∙nh phai;

d), e), f) Các kết cấu thép chôn gắn trong bê tông

b) Kết cấu chắn nước

Bố trí gioăng chắn nước xem hình 3-13

Các hình từ a) á d) là chắn nước bên của cửa phẳng trượt;

e) á f) là chắn nước bên của cửa có bánh xe

Chắn nước đáy xem hình 3-18a, b

Hình 3-13 Các kiểu kết cấu chắn nước

c) Kết cấu chắn nước không có tường ngực

Đối với cửa phẳng vật chắn nước ngược với dòng chảy (không có tường ngực) thì cần phải có biện pháp ép cưỡng bức bằng nêm thép, hoặc các biện pháp kỹ thuật khác như bố trí bánh xe lệch tâm và khe van có độ côn vát tại vị trí đóng hết của cửa (thông thường bánh nêm vát, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và kín nước tuyệt đối), xem hình 3-14

Hình 3-14 Kiểu kết cấu chắn nước cưỡng bức

3.2 Cửa van cung

Cũng như cửa phẳng, cửa cung được sử dụng rộng r∙i trong các công trình thủy

lợi đặc biệt là trên tràn, đập dâng và cống vùng ảnh hưởng thủy triều, nhất là ở những

nơi có cột nước cao thì ưu điểm của nó càng nổi bật

3.2.1 Ưu nh-ợc điểm của cửa van cung

a) Ưu điểm

(1) Có thể bịt kín khoang cống có diện tích tương đối lớn

(2) Độ cao của giá đỡ máy và độ dày của trụ pin cống tương đối nhỏ

(3) R∙nh cửa không ảnh hưởng tới trạng thái dòng chảy

(4) Lực đóng mở tương đối nhỏ nhờ ảnh hưởng của lực cản ma sát đối với lực

đóng mở khá nhỏ và mô men sinh ra do áp lực nước tác dụng vào cửa đối với

tâm quay không lớn

(5) Số lượng cấu kiện tương đối ít

b) Nhược điểm

(1) Trụ pin cống đòi hỏi dài

(2) Vị trí không gian cánh cống chiếm tương đối lớn

(3) Không thể đưa ra ngoài khoang cống để kiểm tra sửa chữa

3.2.2 Những kết cấu chính

Cửa cung được cấu tạo 2 phần: Phần động và phần tĩnh

a) Kết cấu phần động

(1) Bản mặt

Bản mặt dạng hình cung có tâm thường trùng với tâm quay của cửa Bản mặt nhận

toàn bộ áp lực nước và truyền vào các dầm phụ sau nó Chiều dày bản mặt nhất thiết

phải lớn hơn 6 mm

Hình 3-16 Các dạng kết cấu càng cửa van

Càng là bộ phận nhận áp lực từ dầm chính truyền vào cối quay (trục quay) cửa

Kết cấu càng có dạng phẳng (hình 3-16b) và dạng không gian (hình 3-16a) Bố trí càng có thể thẳng góc với dầm chính (thường sử dụng khi B Ê 10 m), hoặc bố trí xiên góc với dầm chính (thường sử dụng khi B ³ 10 m)

(5) Dầm chính

Cửa cung trên mặt thường cấu tạo 2 dầm chính chịu lực đều nhau Kết cấu dầm

chính có dạng đặc và dạng giàn

Dạng đặc thường là thép chữ I, T hoặc thép tấm ghép thành, kết cấu này thích hợp

với cửa có B < 8m và DH < 5m Dạng giàn thích hợp với cửa có B ³ 8m và DH ³ 5m

Được cố định vào đế cối quay; chế tạo bằng thép CT5, thép 35 hoặc thép 45

Trục và đế cối nhận toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa truyền vào

trụ pin Đế cối cửa van được cố định vào trụ pin nhờ các bu lông Khi thiết kế cần chú ý

việc bố trí các bu lông này sao cho dễ thay thế khi sửa chữa

(3) Gioăng chắn n-ớc

Cửa cung được chắn nước ở đáy và 2 bên, vật liệu gioăng thường bằng cao su vì

độ đàn hồi lớn dễ kín nước

Kết cấu kín nước có dạng ở hình 3-18

20 5

Nối điểm đầu của vectơ thứ nhất đến điểm cuối của vectơ thứ n ta có được phương

và độ lớn của tổng hợp lực ON Từ A đến điểm giữa của ON kẻ đường thẳng góc gặp

đường cong tại B BN và BO là phương bố trí dầm chính và giá trị của lực phân bố đều

trên dầm chính (hình 3-19)

3.2.4 Các kiểu cửa van cung

a) Cửa van cung thường (hình 3-20a, b)

b) Cửa van cung có lưỡi tràn trên (hình 3-20c)

Ngoài cửa cung thông dụng ta thường gặp còn có cửa cung có lưỡi tràn bên trên

Đây là hình thức cửa kết hợp giữa cửa cung và cửa sập Khi muốn tháo lưu lượng nhỏ,

hạ cửa sập (bên trên cửa cung), nước tràn qua cửa cung Khi muốn xả lưu lượng lớn, kéo

cả cửa cung lên Hình thức cửa này thường sử dụng ở công trình tràn có lưu lượng xả lũ

thay đổi lớn

c) Cửa cung hai lớp

(1) Cửa cung hai lớp đồng tâm và cùng đ-ờng kính (hình 3-20d)

Hình 3-20 Sơ đồ cửa cung 2 lớp đồng tâm và cùng đường kính

(2) Cửa cung hai lớp đồng tâm bán kính khác nhau (hình 3-21)

Cửa cung 2 lớp đặt chồng lên nhau và quay cùng tâm quay Trục quay có hai bậc,

bậc có đường kính lớn dành cho lớp dưới, bậc có đường kính nhỏ dành cho lớp trên

Loại cửa cung 2 lớp có lợi ở chỗ khi cần tháo lưu lượng nhỏ thì mở lớp trên, vẫn giữ

nước trong hồ cao hơn ngưỡng cửa; khi xả lũ lớn mở cả hai lớp

b)

a)

4.50

G1 T

2 G

Hình 3-21 Sơ đồ cửa van cung 2 lớp đồng tâm khác bán kính

d) Cửa cung phao (hình 3-22)

Tác dụng của phao là giảm nhẹ lực nâng hạ Loại cửa này thích hợp khi công trình

có tường ngực và có thể thiết kế thêm cơ cấu đối trọng để đóng mở tự động hoặc bán tự

động như cống La Khê Vân Đình (Hà Tây)

Đối trọng

Phao

Hình 3-22 Sơ đồ cửa cung phao

e) Vị trí đặt tâm quay cửa cung

Tâm quay cửa cung thường đặt trên trụ pin, vị trí đặt có khoảng cách tới ngưỡng cửa thường xác định theo hình 3-23

Hình 3-23 Sơ đồ xác định vị trí tâm quay cửa van

a) Cửa van trong khoang cống; b) Cửa van trong khoang tràn

3.2.5 Xác định áp lực n-ớc tĩnh tác dụng lên cửa van cung

áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa cung trên mặt được trình bày trong bảng 3-2

ParctgP

Bảng 3-2 áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa cung trên mặt

Chiếm 2 trang Bảng ngang

h - chiều cao cửa van;

Hn - cột nước dưới tâm cửa van;

 - nhịp của cửa van;

A - hệ số ứng dụng,

Đối với cửa van nhỏ lấy 0,09; đối với cửa van lớn lấy 0,052

Trọng lượng cửa van cung có kết hợp cửa van Clape trên đỉnh thì trọng lượng là:

Gcl = 1,25.G Trọng lượng của phần tĩnh có thể lấy gần đúng:

Khi tính toán sơ bộ lực nâng hạ cửa cánh tay đòn của trọng lượng lấy bằng 0,8R

và điểm đặt của G nằm trên phương của P

3.3 Cửa sập (cửa Clape trục dưới)

3.3.1 Đặc tính cơ bản

Cửa sập hay còn gọi là cửa Clape trục dưới là cửa có trục phía dưới gắn với bản đế

công trình, có thể làm khoang rộng nhờ có nhiều gối tựa trung gian ở đáy, kết cấu đơn

giản, gọn, không chiếm không gian trên cống, khi mở cửa nằm trong dòng chảy không

bị ảnh hưởng gió b∙o, có khả năng điều chỉnh chính xác mực nước và cho phép xả vật

nổi, khả năng làm việc nhanh nhạy Nhược điểm là cửa nằm trong nước khó sửa chữa

3.3.2 Cửa sập điều khiển bằng cơ khí

a) Cấu tạo các kiểu cửa

(1) Kiểu bản sập:

Cửa có cấu tạo gồm một dầm chính ngang (1) nằm ở phần đầu và cuối hai đầu

dầm bố trí điểm kéo và neo cửa, các dầm đứng (2), đầu trên nối với dầm chính và đầu

dưới nối với cối bản lề (3), các dầm phụ liên kết các dầm đứng (4) Độ đồng tâm của

các cối quay chỉ cho phép sai số ± 1,5 mm trên suốt cả chiều dài cửa Hiện nay để dễ

dàng thi công thì các cối quay được chế tạo sẵn trong nhà máy trên một dầm Đây là

kiểu cửa được ứng dụng ngày càng nhiều nhờ tính ưu việt của nó nhất là khi sử dụng

xilanh thủy lực để đóng mở Mô hình kết cấu loại cửa bản sập này được ứng dụng ở

công trình ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long – Huế chiều rộng 31,5 m (hình 3-24) và ở

cống Duy Thành (Quảng Nam) chiều rộng 20 m

Hình 3-24 Kiểu bản sập gắn trên dầm đáy của đập Thảo Long (Thừa Thiên Huế)

1- dầm chính ngang; 2- dầm đứng; 3- cụm cối quay; 4- dầm phụ ngang

(2) Kiểu quả trám (hình 3-25): Kiểu dầm rỗng

Hình 3-25 Cửa sập kiểu quả trám

Loại này được ứng dụng trên đập tràn, bản thân là một dầm rỗng, kết cấu cứng,

chịu xoắn tốt, hiện tại ít được sử dụng

b) Xác định lực nâng cửa

1,1.G.g P.a 1,2.R.f.rT

Kiểu cửa bản sập có kết cấu đơn giản, được ứng dụng ở các đập thấp có cột nước

4 á7 m, thích hợp các đập ở vùng trung du, các cống tiêu ở đồng bằng cần làm khoang

rộng và cần đóng mở nhanh để thoát lũ Hiện nay áp dụng xilanh thủy lực để đóng mở

cửa càng làm cho việc điều khiển vận hành cửa này thuận lợi và đạt độ tin cậy cao, khi

cần thiết có thể tiến tới tự động hoá đóng mở

3.3.3 Cửa sập tự động bằng đối trọng

Những cửa van này có đặc trưng là có sự tham gia của đối trọng, làm cân bằng với

trọng lượng cửa Có thể phân ra 3 loại khác nhau: Loại cân bằng phía trên, loại cân

ngang và loại cân bằng phía dưới (hình 3-26, 3-27, 3-28)

- Loại cân bằng phía trên có thể có hai trường hợp: Một là (hình 3-26) đối trọng

nằm trên khô, được làm nổi bởi nước thượng lưu Loại này phải chọn lựa cánh tay đòn

và đối trọng sao cho trong mọi vị trí bất kỳ của cửa vẫn đảm bảo được tính cân bằng để

giữ được mực nước dâng cần thiết Hai là đối trọng được đặt ở trong 1 hầm của trụ pin,

việc đóng mở cửa van được thực hiện khi có sự hỗ trợ bởi lực đẩy nổi đối trọng của

nước đ∙ chứa đầy trong hầm

- Loại cân bằng ngang thì đối trọng nằm trong hầm riêng có cao trình ngang với

cửa van (hình 3-27)

- Loại cân bằng phía dưới (hình 3-28) việc gắn với đối trọng không phải ở đầu cửa

van mà hàng loạt điểm trung gian nhờ sự liên kết khớp quay của trục cửa van với nhiều

cánh tay đòn của đối trọng Để hạ cửa van, phải cho nước vào buồng đối trọng làm đối

trọng nổi lên, cửa sẽ hạ xuống Loại cửa này phức tạp nên ít sử dụng

Hình 3-26 Cửa sập đối trọng phía trên

Hình 3-27 Cắt ngang cửa sập đối trọng ngang

(Đã áp dụng ở cửa xả cát Đô Lương)

Hình 3-28 Cửa sập có đối trọng phía dưới

3.3.4 Cửa Clape phao (gọi tắt là cửa sập phao)

a) Cấu tạo

Cửa sập phao khác với cửa sập thường ở chỗ bản thân cửa là 1 phao kín bằng thép

hoặc bằng vật liệu tổng hợp Có lỗ bơm nước ra và có lỗ bơm nước vào

b) Nguyên lý vận hành

- Khi cần hạ cửa để tháo lũ thì bơm nước vào bụng phao, cửa van sẽ tự hạ xuống

nhờ trọng lượng bản thân và trọng lượng nước trong phao

- Khi cần đóng cửa thì bơm hút hết nước trong bụng cửa và cửa sẽ nổi lên nhờ lực

đẩy nổi của cửa

- Điều kiện để đóng cửa:

- Điều kiện để mở cửa:

3.4 Cửa Clape trục trên (hình 3-30)

3.4.1 Cấu tạo

Là một tấm phẳng có thể bằng gỗ hoặc bằng thép hoặc vật liệu tổng hợp được liên kết bởi các dầm chính phụ ngang và đứng Cửa van được treo vào các ổ quay đặt ở dầm ngang phía trên hoặc ở trụ pin

Loại cửa van này được áp dụng nhiều ở các cống dưới đê sông, đê biển ưu điểm

là tự động tiêu lũ kịp thời, tự động ngăn triều ngăn lũ nhanh nhạy Nhược điểm là không

điều tiết được mực nước trong đồng, hay nói đúng hơn là không giữ được mực nước

trong đồng và cũng không lấy được nước từ sông vào đồng Do vậy loại cửa này thường

dùng để ngăn mặn và tiêu lũ phía sông, biển, còn phía trong đồng lại phải có cửa phẳng

để giữ nước Để tăng độ mở khi tiêu lũ có thể mở cửa lấy nước người ta làm đối trọng

phía trên trục quay và gọi là Clape đối trọng

Hình 3-30 Dạng cửa Clape trục trên

3.5 Cửa quạt

3.5.1 Phạm vi ứng dụng

Cửa quạt được dùng nhiều trên các đập tràn của nhà máy thủy điện và của các

công trình thủy nông Cửa quạt được dùng trong điều kiện cần thiết sử dụng lực nước để

đóng mở

Cửa quạt có tiết diện ngang dạng hình quạt, nó quay quanh trục nằm ngang, được

gắn chặt với đập phía thượng lưu hoặc hạ lưu; một phần hoặc toàn bộ cửa van vào trong

thân đập, cửa van chuyển động được là nhờ có một phần hoặc toàn bộ áp lực nước

3.5.2 Các loại cửa quạt

Cửa quạt thường có các loại sau:

- Loại cửa quạt hở chuyển động nhờ tác động thủy lực

- Loại cửa quạt kín chịu tác động thủy lực

+ có trục quay ở thượng lưu;

+ có trục quay ở hạ lưu

Loại cửa quạt hoạt động do thủy lực có thể rộng tới 60 á 65m và cao tới 9 á 10m

- Loại tác động bằng cơ giới và thủy lực

Cửa quạt có thể tác động bằng cơ giới cùng với thủy lực để tăng tính chủ động khi vận hành Loại này có nhịp rộng 40 á 50m và cao 8 á 9m

a) Cửa quạt hở do tác động thủy lực (hình 3-31)

Cửa quạt có bản chắn theo 2 mái và trục quay về phía hạ lưu; các cửa này hạ vào

bụng đập nhờ tác dụng của trọng lượng bản thân (khi phân cách buồng áp lực với thượng lưu) và nâng lên dưới tác dụng của áp lực nước thượng lưu (khi nối buồng áp lực với thượng lưu) Để tăng tính nổi của cửa van quạt, ở các kết cấu mới đây có thể thêm phao ở trong góc trên của cửa quạt

4 5

Hình 3-31 Cửa quạt dạng hở

1- buồng áp lực; 2- ống dẫn trong trụ pin; 3- giếng trong trụ pin; 4- ống nối giếng với hạ lưu; 5- ống viễn kính của máy điều chỉnh (cân bằng đối trọng và nối với đỉnh cửa van và với máy nâng); 6- ròng rọc nâng ống viễn kính; 7- mô tơ nâng ống (điều khiển nhờ phao

đặt ở phần vào cửa buồng); 8- mô tơ thả ống

b) Cửa van quạt kín trục thượng lưu (hình 3-32)

Cửa van đóng cửa bằng cách mở van (4) thông với thượng lưu, khoá van (5)

thông với hạ lưu, áp lực nước thượng lưu tác dụng lên bản mặt (3) đẩy cửa quạt lên để ngăn nước

- Khi cần mở cửa quạt thì chỉ việc đóng van thông buồng áp lực với thượng lưu (4)

và mở van tháo nước trong buồng áp lực ra hạ lưu (5) áp lực nước lên mặt (1) sẽ ấn cửa sập vào hầm van để tháo lũ

- Bản mặt (1) kéo dài thành công xon có tác dụng giảm bớt trọng lượng cửa

1.40 0.0

Hình 3-32 Cửa van hình quạt dạng kín và trục quay phía thượng lưu

c) Cửa van quạt dạng kín có trục quay ở hạ lưu (hình 3-33)

Hình 3-33 Cửa quạt bằng bê tông cốt thép dạng kín và trục quay phía hạ lưu

Kiểu quạt này có mặt cong ở thượng lưu hướng vào tâm quay Nguyên lý đóng

mở nhờ tăng và giảm áp lực trong buồng phao

- Đóng cửa bằng cách mở van (1) đóng van (2) để có áp lực nước trong buồng đẩy cửa van lên cao trình cần thiết

- Hạ cửa bằng cách đóng van (1) mở van (2) để giảm áp lực nước trong buồng, cửa quạt hạ xuống tháo lũ

3.5.3 Điều kiện nâng và hạ cửa quạt

Vì mô men của lực ma sát ở bản lề tựa không lớn lắm nên có thể bỏ qua được

Hình 3-34 Sơ đồ tính lực tác dụng lên cửa quạt hở

Khi mực nước trong buồng áp lực giảm thì áp lực Wd sẽ giảm đi, đẳng thức (3-30) không còn đúng nữa và cửa van bắt đầu hạ xuống Nước tràn qua cửa van sẽ gây ra áp lực Phl (hình 3-34b) và trong khi đó là áp lực Wd sẽ giảm xuống Trong vị trí ấy phương trình cân bằng có dạng:

Từ đó để hạ cửa van xuống, cần phải có:

Wd - áp lực thượng lưu trong buồng áp lực;

w, hl - cánh tay đòn của áp lực thượng lưu và áp lực hạ lưu;

g - cánh tay đòn của trọng lượng G

b) Sơ đồ cửa quạt kín

(1) Cửa quạt kín trục ở hạ l-u (hình 3-35)

Lhlhl

Hình 3-35 Sơ đồ lực tác dụng trên cửa quạt kín trục quay ở hạ lưu

Muốn nâng cửa van từ dưới lên cần phải có một độ chênh lệch cột nước nhỏ trên

đập tràn; nếu không đủ độ chênh lệch cột nước thì có thể cho khí nén vào buồng áp lực

Từ điều kiện cân bằng của loại cửa van kín ở vị trí nằm trên (hình 3-35a) chúng

Đẳng thức này luôn đạt được và cửa van luôn đảm bảo nổi Ngoài ra còn phải giữ

ở vị trí trên nó bằng cách tạo ra 1 áp lực A ở vị trí lưng chừng (hình 3-35b) điều kiện

nâng và hạ cửa van được xác định theo công thức (3-34b; 3-34c)

(2) Cửa quạt kín trục ở th-ợng l-u (hình 3-36)

- Cửa quạt đóng để dâng nước khi: W d d >Gg +P t  pt (3-36a)

- Cửa quạt mở khi: W dd <Gg +P t  pt (3-36b)

Hình 3-36 Sơ đồ lực tác dụng trên cửa quạt kín trục quay ở thượng lưu

Trên các cửa van có trục quay ở thượng lưu, áp lực thượng lưu Ptl sẽ sinh ra mô men có xu hướng đóng cửa lại (hình 3-36a), đồng thời áp lực đó sẽ tác dụng vào cạnh dưới của cửa van đến mức để bảo vệ cho cửa khỏi bị lật bởi phản lực A người ta phải dùng một gối tựa đặc biệt để giảm nhỏ phản lực A Gần đây người ta dùng kết cấu lưỡi trai (hình 3-36c), lưỡi trai sẽ làm tăng mô men của lực Ptl Sơ đồ lực tác dụng khi cửa van mở ở vị trí lưng chừng trình bày ở hình (3-36b)

(3) Cửa quạt đ-ợc nâng lên bằng cơ giới và thủy lực

Hình 3-37 Sơ đồ lực tác dụng lên cửa quạt dưới tác dụng của cơ giới và thủy lực

pt

pt t Pt

ld

d W

c)

Khi nước tràn qua cửa van, áp lực nước tác dụng ở mặt dưới bản CO (hình 3-37a)

áp lực này bằng hiệu số biểu đồ Wd và Pd (đường gạch nét), nó làm giảm lực kéo của

thiết bị nâng cửa và luôn luôn tăng khi nâng cửa lên (hình 3-37b)

áp lực nước nói trên có thể cản trở việc hạ cửa van, và vì thế người ta phải dùng

thiết bị hai chiều có thể kéo cửa van xuống tận đáy khoang

- Hiện nay khi thiết kế cửa quạt người ta có quan điểm trang bị cơ giới để chủ

động điều khiển đóng mở cửa van Qua nghiên cứu thấy rõ rằng đ∙ là cửa quạt thì dù có

trang bị máy nâng hạ người ta vẫn phải quan tâm đến áp lực dòng chảy ở mặt ngoài và

trong buồng cửa van và chỉ khi tính đúng những lực đó thì mới tính được lực đóng mở

chính xác

Hình 3-38 Cửa quạt đóng mở bằng cơ giới có trợ thủy lực ở đập Đáy

Trên đỉnh loại cửa van này phải có khoét hai hàng lỗ để khi kéo thì chỉ cần kéo

trọng lượng G của cửa quạt, còn áp lực nước trong và ngoài cân bằng nhau, còn khi hạ

cửa thì nhờ trọng lượng bản thân Mặc dù trọng lượng của cửa có thể tự hạ xuống nhưng

thường ta vẫn bố trí điểm kéo phía dưới để dự phòng an toàn cho việc hạ cửa như ở đập

Đáy (hình 3-38)

Trong trường hợp này có thể dùng xilanh thủy lực thì mọi khó khăn sẽ được

giải quyết

3.5.4 Kết cấu cửa quạt

- Bán kính bản mặt hình trụ của loại cửa van hở được lấy trong khoảng r = (1,4 á 1,6)h,

đôi khi đến 2h Trục quay đặt thấp hơn ngưỡng đập một đoạn (0,1 á 0,2)h Đối với các

cửa van phải có trục quay ở phía thượng lưu thì r = (0,8 á 1,3)h, còn gối tựa đặt cao hơn

ngưỡng ở cuối phía dưới cửa van một đoạn là (0,25 á 0,30)h

- Phần di chuyển của cửa van gồm có bản mặt, giàn ngang thẳng đứng làm bằng

những dầm chính và đặt cách nhau một khoảng từ 1,3 m đến 3 m, được nối với nhau

lỗ

GT

R

nhờ các thanh dọc, các cột giữa, các thanh biên nằm ngang ở trên, ở dưới và các thanh giằng dọc và ngang

Trục quay của cửa van có thể liên tục suốt cả chiều dài cửa van hay có một số bản

lề tựa tương ứng với số giàn hình quạt thẳng đứng Các thiết bị chống thấm ở biên và

đáy làm bằng cao su, nhờ có áp lực nước nó được áp sát vào bản mặt và lớp phủ cửa bê tông

Trong tính toán sơ bộ, hàm lượng thép cần cho phần di động và phần không di

động của cửa van (tính bằng tấn) trong một mét vuông bề mặt của khoang cống phải

đóng có thể lấy như bảng 3-3

Bảng 3-3 Chiều cao cửa van và kiểu cửa van

Chiều cao của (khoang) (m) Kiểu cửa van

- Cửa quạt hở có trục quay ở hạ lưu

- Cửa quạt có phao và trục quay ở thượng lưu

- Cửa quạt tác động bằng cơ giới thủy lực

0,80 1,00 0,30

1,05 1,45 0,50

1,25 1,80 0,80

Trong các kết cấu mới đây còn phải tính đến trọng lượng bản mặt hướng tâm của cửa van, trọng lượng ấy lấy tương ứng với chiều cao của khoang nói trên là 0,09; 0,16;

và 0,25 tấn trên một mét vuông khoang phải đóng Trọng lượng máy nâng cửa van này tính giống như cửa van hình cung

3.5.5 Điều khiển cửa quạt

Máy điều khiển cửa quạt tác động bằng cơ giới thủy lực có 3 kiểu:

a) Thiết bị điều chỉnh áp lực nước trong buồng áp lực với mọi vị trí của cửa van;

b) Thiết bị điều chỉnh áp lực nước trong buồng áp lực trong vị trí xác định của cửa van; c) Thiết bị điều chỉnh thể tích nước trong buồng áp lực

Lấy sơ đồ làm việc của máy điều khiển kiểu đầu tiên làm ví dụ; kiểu này có ống hình viễn kính, dùng để điều chỉnh áp lực ở buồng cửa van Máy điều khiển được trình bày sơ lược trên hình 3-30, nó có nhiệm vụ tự động giữ nước ở mức đ∙ định Nước ở thượng lưu chảy vào buồng áp lực 1 theo ống dẫn 2 ở trong trụ pin, ống này thông với mặt của trụ pin nhờ giếng 3, giếng này lại nối với hạ lưu nhờ ống 4 Trong giếng 3 đặt ống viễn kính 5, ống đó sẽ cân bằng nhờ đối trọng và được treo trên dây, còn dây thì nối lên ròng rọc 6 Ròng rọc 6 sẽ nhận mô men quay theo hai chiều từ động cơ 7 điều khiển bằng phao đặt ở cửa vào buồng điều khiển và động cơ quay ngược lại 8

Khi mức nước thượng lưu dâng cao hơn vị trí đ∙ định, phao sẽ làm nối dòng điện

và động cơ 7 làm việc, nhờ vậy ống viễn kính 5 hạ xuống ống viễn kính 5 vừa nối với

động cơ 7 vừa nối với đỉnh của van nhờ một hệ thống ròng rọc kép Nếu hạ cửa van bằng hệ thống phao - động cơ điện thì ống viễn kính sẽ làm to hơn, cửa van được nối với dây và dây này làm cho ống chuyển động theo chiều ngược lại, sự chuyển động này

cũng đồng thời do tác dụng của động cơ quay ngược 8 đ∙ được phát động bằng các nút

điện lúc cửa van bắt đầu chuyển động Nhờ vậy mà tốc độ hạ cửa van giảm dần cho đến

lúc cửa van dừng lại

Khi đó động cơ 7 lại bắt đầu hạ ống 5 xuống, và như vậy cửa van và ống chuyển

động sẽ giao động quanh một vị trí trung gian nào đó cho đến khi mức nước đạt đến

mức quy định

Sự chuyển động lớn của cửa van được thực hiện bằng cách điều khiển bằng tay

qua các khóa nước trong ống dẫn và ống tháo nước

3.6 Cửa van mái nhà

3.6.1 Phạm vi ứng dụng

Cửa van mái nhà đ∙ được dùng từ khoảng năm 30 của thế kỷ XX, chủ yếu là trên

những đập có cột nước không lớn Cửa van loại mái nhà dùng lợi nhất là trên các đập

tràn đỉnh rộng và nơi có lũ xảy ra nhanh, dùng để tháo các vật nổi Muốn cửa van sẽ

làm việc tốt trong trường hợp nước có bùn cát thì phải đảm bảo xói rửa bùn cát trong

buồng áp lực Cửa van mái nhà có giá thành thấp so với các loại cửa khác, đặc biệt là

trong trường hợp đập không cao lắm, không đòi hỏi có cầu công tác và có thể làm

khoang rộng 40 á 45 m với chiều cao 6 á 7 m

3.6.2 Các kiểu cửa van mái nhà

Cửa van mái nhà (hình 3-39) thường làm bằng 2 tấm thượng và hạ lưu quay quanh

các trục nằm ngang gắn ở đỉnh đập Trong trạng thái nâng lên (trạng thái có áp lực) cửa

van có dạng như hai mái nhà, mái hạ lưu đỡ mái thượng lưu và khoảng không giữa các

mái nhà là buồng áp lực

Hình 3-39 Cửa van mái nhà

Cửa van mái nhà là loại đóng mở bằng thủy lực, để nâng nó lên người ta nối

phòng áp lực với thượng lưu bằng ống dẫn, mái hạ lưu dưới ảnh hưởng của cột nước

thượng lưu sẽ nâng mái thượng lưu lên vị trí giới hạn

Để hạ cửa van người ta khoá đường ống nối buồng áp lực với thượng lưu và mở khóa thông đường ống nối buồng áp lực hạ lưu Buồng áp lực được tháo nước đến đâu thì mái hạ lưu chịu áp lực nước ở thượng lưu sẽ tự hạ xuống để cho mái thượng lưu cùng hạ xuống: như thế cửa van sẽ xếp nằm trên đập.

Hình 3-40 Cửa van mái nhà có phao

Trên hình 3-40 trình bày kết cấu có hình lưu tuyến của loại cửa van mái nhà, ở

đầu trên của mái hạ lưu có lắp một ống rỗng

ống ấy dùng làm phao, có tác dụng làm cân bằng một phần trọng lượng bản thân cửa van

Nhờ sự cân bằng ấy, khi vận động cửa van chỉ cần có một độ chênh lệch cột nước nhỏ giữa thượng lưu và hạ lưu Máy điều khiển các cửa van mái nhà hiện đại làm việc hoàn toàn tự động bằng cách nối các khóa nước ở ống dẫn nước vào và ống dẫn nước ra với phao dùng để theo dõi mực nước thượng lưu Máy điều khiển đặt trong trụ pin Việc nâng hay hạ cửa van khá nhanh chóng

3.6.3 Lực nâng và hạ cửa mái nhà

Điều kiện nâng và hạ cửa van được xác định qua sự khảo sát các lực tác dụng trên cửa van Các lực này rút ra từ điều kiện cân bằng của cửa van trong những vị trí khác nhau và được biểu diễn trong dạng chung bằng đẳng thức:

M =M =0 Trong đó Mt và Md - mô men của tất cả các lực tác dụng lên 2 mái thượng hạ lưu

đối với trục quay

Các lực chính gồm có áp lực ngoài và trong (từ buồng áp lực) của nước lên mái thượng lưu (Pt và Wt) và mái hạ lưu (Pd và Wd) và trọng lượng bản thân của các mái (Gt

Lực ma sát ở bản lề tựa, ổ bi và các thiết bị chống thấm vì không lớn lắm nên có

thể bỏ qua

Đối với các vị trí của cửa van được trình bày ở hình 3-41, phương trình cân bằng

của các lực tác dụng được viết dưới dạng sau đây:

a

B

A

C MNTL

Li

Pt

pi

t W

wi

t G

gt

Nd 90°

t N

Gd

Wd

b wd gd

Hình 3-41 Sơ đồ các lực tác dụng lên cửa van mái nhà

w =

Trong đó: g - trọng lượng riêng của nước;

 - nhịp của cửa van;

Hk - cột nước trong phòng áp lực

Từ đó rút ra:

3 k

Tương tự như trường hợp trên, người ta giải phương trình (3-44) và (3-45) và tìm

được hệ số Hk cần thiết cho sự cân bằng

c) Vị trí III (hình 3-41c)