SỔ TAY KỸ THUẬT THỦY LỢI - PHẦN 2 CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - TẬP 4 doc

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
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
à Khái niệm chung về cửa van

trong công trình thủy lợi
à Thủy lực cửa van
à Cửa van mặt
à Cửa van sâu
à 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
2


5

Mục lục

Mục lục
Lời giới thiệu

3

Mục lục

5

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

11

1.1. Vai trò nhiệm vụ của cửa van

11

1.2. Cấu tạo cửa van

11

1.3. Phân loại cửa van

11

1.4. Chọn loại cửa van cho công trình

12

1.4.1. Vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long

12

1.4.2. Vùng ven biển Trung Bộ

13

1.4.3. Vùng đồng bằng Bắc Bộ

13

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

13

1.5. Bố trí cửa van trong công trình

13

1.5.1. Đối với cống hở

13

1.5.2. Đối với cống kín

14

1.6. Lực và tổ hợp lực tác dụng lên cửa van

14

1.6.1. Lực tác dụng

14

1.6.2. Tổ hợp lực

14

1.7. Vật liệu làm của van

15

1.7.1. Thép

15

1.7.2. Gang

18

1.7.3. Đồng

18

1.7.4. Cao su

18

1.7.5. Vật liệu tổng hợp Composite

19

1.7.6. Bê tông cốt thép

19

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

19

1.9. Ph-ơng pháp tính toán

21

1.9.1. Phương pháp phân tích hệ kết cấu phẳng

22


6

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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. Một số cửa van đ nghiên cứu và ứng dụng

35

1.10.1. Cửa van phẳng

35

1.10.2. Cửa van cung

36

1.10.3. Cưa van Clape trơc d­íi (cưa sËp)

36

1.10.4. Cưa van Clape trục trên

36

1.10.5. Cửa van hình quạt

36

1.10.6. Cửa van mái nhà

36

1.10.7. Cửa van trụ lăn

36

1.10.8. Các kiểu cửa quay trục đứng

36

1.10.9. C¸c kiĨu cưa quay trơc ngang

36

1.10.10. C¸c kiĨu cưa van tự động thủy lực điều tiết trên kênh

36

1.10.11. Các kiểu cửa van âu tàu

36

Chương 2. Thủy lực cửa van

37

2.1. Khái niệm chung

37

2.2. Năng lực xả n-ớc

37

2.3. áp lực n-ớc tác dụng lên cửa van

42

2.3.1. Cửa van phẳng

42

2.3.2. Cửa van cung

50

2.3.3. Cửa van quạt

53

2.3.4. Chế độ thủy lực khi tràn qua cửa sập

53

Chương 3. cửa van phẳng

55

3.1. Cửa van phẳng

55

3.1.1. ưu nhược điểm của cửa van phẳng

55

3.1.2. Các bộ phận chính của cửa van phẳng

55

3.1.3. Cấu tạo của các bộ phận chính

56

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

59

3.1.5. Các kiểu cửa van phẳng

61

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

65

3.2. Cửa van cung

67


Mục lục

7

3.2.1. Ưu nhược điểm của cửa van cung

67

3.2.2. Những kết cấu chính

67

3.2.3. Xác định vị trí của dầm chính

70

3.2.4. Các kiểu cửa van cung

71

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

73

3.2.6. Tính trọng lượng bản thân cửa cung

76

3.2.7. Tính lực nâng hạ

76

3.3. Cửa sập (cửa Clape trục dưới)

77

3.3.1. Đặc tính cơ bản

77

3.3.2. Cửa sập ®iỊu khiĨn b»ng c¬ khÝ

77

3.3.3. Cưa sËp tù ®éng b»ng đối trọng

79

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

81

3.4. Cửa Clape trục trên

82

3.4.1. Cấu tạo

82

3.4.2. Nguyên lý làm việc

82

3.4.3. Phạm vi áp dụng

82

3.5. Cửa quạt

83

3.5.1. Phạm vi ứng dụng

83

3.5.2. Các loại cửa quạt

83

3.5.3. Điều kiện nâng và hạ cửa quạt

86

3.5.4. Kết cấu cửa quạt

89

3.5.5. Điều khiển cửa quạt

90

3.6. Cửa van mái nhà

91

3.6.1. Phạm vi ứng dụng

91

3.6.2. Các kiểu cửa van mái nhà

91

3.6.3. Lực nâng và hạ cửa mái nhà

92

3.6.4. Kết cấu cửa van mái nhà

95

3.6.5. Thiết kế và điều khiển cửa van mái nhà

95

3.7. Cửa van trụ lăn

96

3.7.1. Phạm vi sử dụng

96

3.7.2. Các kiểu cửa van trụ lăn

97

3.7.3. Kết cấu của cửa van trụ lăn

97


8

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

3.7.4. Xác định trọng lượng bản thân và lực nâng cửa van trụ lăn
3.7.5. Máy nâng cửa van trụ lăn

98
100

3.8. Cửa van giàn quay

100

3.9. Cửa van cánh cửa tự động

102

3.9.1. Xuất xứ cửa van cánh cửa tự động

102

3.9.2. Cấu tạo

102

3.9.3. Sơ đồ bố trí cửa van cánh cửa tự động

104

3.9.4. Nguyên lý hoạt động và tính lực đóng mở

105

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

3.10. Các kiểu cửa bản lệch trục đứng tự động và bán tự động

114

3.10.1. Cấu tạo

114

3.10.2. Nguyên lý làm việc tự động

115

3.10.3. Phạm vi áp dụng

115

3.11. Các kiểu cửa van trục ngang

116

3.11.1. Cửa phân viên (một phần tư hình tròn)

116

3.11.2. Cửa van Amil

117

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

119

3.11.4. Cửa van bản quay trục ngang

119

3.12. Cửa âu tàu

122

3.12.1. Các loại cửa âu

122

3.12.2. Cửa chữ nhân

124

Chương 4. cửa van sâu

137

4.1. Một số vấn đề cần chú ý khi thiết kế cửa van sâu

137

4.2. Cửa phẳng sâu

137

4.2.1. Cấu tạo

137

4.2.2. Tải trọng và lực tác dụng lên cửa

139

4.2.3. Phạm vi sử dụng

140

4.3. Cửa van cung sâu

140

4.3.1. Cấu tạo

140

4.3.2. Một số tính toán cơ bản

142

4.3.3. Phạm vi øng dông

144


Mục lục

4.4. Van đĩa

9
144

4.4.1. Cấu tạo

144

4.4.2. Tải trọng và lực tác dụng

145

4.4.3. Tính sức bền của vỏ và đĩa

146

4.4.4. Phạm vi ứng dụng

147

4.5. Van cầu

147

4.5.1. Cấu tạo

147

4.5.2. Phạm vi sử dụng

148

4.6. Cửa Van hình kim

148

4.6.1. Cấu tạo và vận hành

148

4.6.2. Phạm vi sử dụng

149

4.7. Van côn

150

4.7.1. Cấu tạo

150

4.7.2. Tính độ bền

150

4.7.3. Tính lực đóng mở

151

4.7.4. Các hình thức bố trí và phạm vi sử dụng

151

4.8. Cửa van hình trụ

151

4.8.1. Cấu tạo và vận hành

151

4.8.2. Xác định ứng suất và ổn định của vỏ hình trụ

154

4.8.3. Tính lực nâng hạ

155

4.8.4. Phạm vi áp dụng

155

4.9. Chọn kiểu cửa van d-ới sâu

155

Chương 5. Thiết bị đóng mở cửa van

157

5.1. Đặc điểm, cấu tạo và phân loại 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

5.1.2. Cấu tạo chung của thiết bị

157

5.1.3. Phân loại và phạm vi ứng dụng

158

5.2. Máy đóng mở kiểu vít đai ốc

160

5.2.1. Nguyên lý máy đóng mở kiểu vít đai ốc

160

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

161

5.2.3. Tính toán thiết bị vít đai ốc

162

5.2.4. Máy đóng mở kiểu vít dùng cho cửa van s©u

164

10

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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

5.3.3. Tính toán các thông số cơ bản

167

5.4. Thiết bị đóng mở bằng xilanh thủy lực

173

5.4.1. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động

173

5.4.2. Ưu điểm của xilanh thủy lực

175

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 ®ãng më xilanh thđy lùc

176

5.5. HƯ thèng ®iỊu khiĨn ®ãng më cưa van

177

5.5.1. Tù ®éng ®iỊu khiĨn, tù ®éng hãa bằng điện và điện tử máy tính

178

5.5.2. Điều khiển từ xa

178

5.5.3. Tù ®éng b»ng thđy lùc

178

Phơ lơc. Mét sè thiÕt bị đóng mở cửa van

179

Tài liệu tham khảo

182


11

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

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 cưa van
Cưa van lµ mét bé phËn rÊt quan träng 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 ®∙ ®Ị ra.
NÕu viƯc vËn hµnh cưa van cã sù 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


12

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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 xư lý khi cã sù cè x¶y ra); cưa 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 vµ lÊy n­íc triỊu ngät trong mét sè thêi 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 ri 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.


Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

13

1.4.2. Vùng ven biĨn Trung Bé
Cã 2 lo¹i cèng:
- Lo¹i cèng th­êng 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 giã b∙o
th× cã thĨ øng dơng cưa 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 bo, 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 bo 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 thĨ dïng cưa
Clape trơc d­íi ®Ĩ chđ ®éng ®iỊu tiÕt 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.


14

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

b) Loại có tường ngực để giảm chiỊu cao cưa van
§èi víi cưa van cung nhÊt thiÕt phải bố trí sau tường ngực, còn cửa van phẳng thì
có thể bố trí trước hoặc sau tùy ý.

1.5.2. Đối víi cèng kÝn
Cã thĨ bè trÝ cưa van ë miƯng vào, ở giữa hoặc ở cuối cống.
1.6. Lực và tổ hợp lực tác dụng lên cửa van
1.6.1. Lực tác dụng
- áp lực thủy tĩnh.
- áp lực thủy động.
- Trọng lượng bản thân.
- Lực quán tính.
- áp lực sóng.
- áp lực gió.
- áp lực chân không.
- Lực va của tàu thuyền, vËt nỉi.
- ¸p lùc bïn c¸t.

- Lùc ma s¸t.
- Lùc của thiết bị đóng mở.
- Lực động đất.
- Tải trọng thử.

1.6.2. Tổ hợp lực
Khi tính toán thiết kế cần phân ra các tổ hợp lực để tính toán:
a) Tổ hợp chính
- áp lực thủy tĩnh.
- áp lực thủy động.
- Trọng lượng bản thân.
- Lực quán tính.
- áp lực sóng.
- áp lực gió.
- áp lực chân không.
- áp lực bùn cát.
- Lực của thiết bị đóng mở.
- Lực ma sát.


Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

15

b) Tổ hợp đặc biệt
Gồm tổ hợp chính và thêm các lực:
- Lực nâng khi cửa bị kẹt.
- lực va của tàu thuyền và vật nổi.
- Tải trọng do động đất
- Tải trọng thử.

1.7. Vật liệu làm cửa van
1.7.1. Thép
a) Phân loại thép
Theo thành phần hoá học:
- 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 thÐp dơng cơ.
- ThÐp hỵp kim, chia ra: thÐp hỵp 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 thÐp cacbon thÊp cã c¸c sè
hiƯu 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 , vanadi f, bor P, môlipđen M, titan T, nhôm IO, nitơ A; con số sau chỉ
lượng phần trăm (làm tròn) khi quá 1%.


16

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

Bảng 1-1 chiếm 1 trang


Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

Bảng 1-2 B¶ng 1-3 chiÕm 1 trang

17


18

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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
Gang
Gang xám
Gang rèn gốc:
- peclit
- ferit peclit
- ferit

Độ cứng
Brinell

Kéo
Giới hạn đàn hồi Giới hạn phá hoại Độ dÃn kéo ®øt
%
kG/mm2
kG/mm2

240

-

25

280
200
175

42 - 46
38 - 44
32 - 40

58 - 75
50 -58
42 - 48

Cắt
kG/mm2
34

1-2
5 - 10
10 - 18

68
48
37

Bảng 1-5. Cường độ tính toán của khối đúc bằng gang xám ( GOCT 1412 - 79)
Trạng thái ứng suất
Kéo đúng tâm và kéo khi uốn
Nén đúng tâm và nén khi uốn
Trượt
ép mặt tỳ đầu

Cường ®é tÝnh to¸n MPa cđa khèi ®óc b»ng gang x¸m
CЧ 15

C 20

C 25

C 30

55
160
40
240

65
200
50
300

85
230
65
340

100
250
75
370

1.7.3. Đồng
Dùng để làm bạc trục bánh xe, trục quay của cửa hoặc đường trượt dùng đồng với
[s] = 150 kG/cm2 có dầu bôi trơn và [s] = 140 kG/cm2 không được bôi trơn.
1.7.4. Cao su
Dùng làm gioăng chắn nước của cao su Sao vàng Hà Nội các chỉ tiêu cần đạt:
- Giới hạn ổn định khi dật đứt: 180 kG/cm2
- Độ dn dài tương đối không bé hơn 5 lần
- Độ dn dài dư không lớn hơn: 40%
- Sức kháng rạn nứt không bé hơn: 70 kG/cm2.
- Độ cứng theo Shore không bé hơn: 60
- Độ đàn hồi: 45 á 65%.
Cao su dùng làm cửa van: Hiện nay đ sản xuất trong nước.


19

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

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 n­íc thÊp nh­ng ch­a tỉng kÕt vµ ch­a cã h­íng dÉn thiÕt kÕ.
TÝnh chÊt c¬ lý cđa vËt liƯu composite nh­ sau:
- øng suÊt kÐo Rk = 2700j

= 675 kG/cm2

- øng suÊt nÐn Rn =1600j + 670

= 1070 kG/cm2

- øng suÊt uèn Ru = 6500j - 525

= 1100 kG/cm2

Trong ®ã: j = 0,25.

1.7.6. Bê tông cốt thép
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 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:
5 2

f= .
. [s] ;
24 E.2.a

(1-1)

trong đó:
f - độ võng ở tâm của nhịp dầm;
- 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 ®un ®µn håi, ®èi víi thÐp, E = 2100000 kG/cm2;
[s] - øng st cho phÐp (kG/cm2) cđa vËt liƯu lµm cöa van.


20

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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
.
750

1
.
500

+ Đối với dầm giàn:

1
.
1000

1
.
700

Các dầm phụ độ võng tính toán không vượt quá:

1
. .
250

1.8.4. Trong trường hợp các dầm chịu tải trọng không đều, đối với liên kết đặc khi
c h ct > 5 và đối với các liên kết giàn khi c h ct > 2 thì phải tính cửa van theo trạng thái
xoắn. ở đây c là khoảng cách giữa các dầm.

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 ­ít...


21

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

1.8.9. Trình tự công tác từ thiết kế đến vận hành cửa van.
Thu thập và phân tích tài liệu
Điều tra, nghiên cứu, thí
nghiệm mô hình hoặc thực tế
Chọn loại hình cửa van
Bố trí
Lặp lại nhiều lần
Tính toán

Thiết kế

Tính trọng lượng và lực đóng mở

Lập phương án công nghệ

Thảo
luận tổng
hợp kỹ
thuật

Vẽ hình

Chế tạo

Lắp đặt

Vận hành thử

Vận hành chính thức

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 cđa cưa van thµnh nhiỊu kÕt cÊu


22

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

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.

1.9.1. Ph-ơng pháp phân tích hệ kết cấu phẳng

Quan hệ giữa các cấu kiện trong cửa van thủy công tương đối phức tạp. ở đây lấy
cửa van phẳng mặt bánh xe cố định, làm ví dụ cho thuyết minh phương pháp phân tích
hệ kết cấu phẳng (hình 1-1).
Bản mặt trực tiếp chịu áp lực nước và truyền đến dầm khung bốn bên. Phụ tải là
khu vực gạch chéo trong hình, và theo đường phân góc, phân phối khung dầm 2 bên.
Phụ tải của dầm phụ nằm ngang như biểu thị trên hình (a), (b). Phụ tải của dầm phụ
thẳng đứng, ngoài ngoại lực nước do bản mặt truyền đến, còn phải chịu phản lực gối đỡ
dầm phụ nằm ngang truyền đến, phụ tải của nó được biểu thị ở hình (c).
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 so¹n quy ph¹m thiÕt kÕ cưa van thÐp, ng­êi 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.

23

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

(2) Bản mặt ở trong kết cấu cửa van có hai tác dụng: Một là trong quá trình truyền
áp lực nước, nó cã t¸c dơng n cong cơc bé, øng st cđa nó có thể tính toán theo bản
mỏng đàn hồi của gối trên khung dầm. Hai là, nó lại là một bé phËn cđa khung dÇm
tham gia víi kÕt cÊu tỉng thể, ứng suất của nó có thể xác định được theo biên cánh của
khung dầm.
(3) ứng suất phát sinh lớn nhất trong bản mặt (hay gọi là điểm khống chế ứng
suất) là điểm giữa của ô với khung đỡ 4 bên.
Theo tình hình bố trí cửa van thông thường, điểm khống chế xuất hiện tại điểm
giữa của cạnh dài khu ô dầm.
(4) Thực nghiệm cho thấy, bản mặt khi đi vào giai đoạn làm việc có tính đàn hồi
dẻo, cường độ tiềm tàng rất lớn, phạm vi của khu tính dẻo được mở rộng, điểm khống
chế ứng suất sẽ nhỏ vµ cơc bé. Dùa vµo øng st cho phÐp cđa nó để tiến hành kiểm tra
cường độ là thích hợp.
Căn cứ vào các kết luận nêu trên đ quy định phương pháp tính toán bản mặt
như sau:
a) ứng suất uốn cục bộ của bản mặt smx, smy nên căn cứ vào dạng khung đỡ biên
để tính toán theo bản mỏng đàn hồi chịu phụ tải phân bố đều, công thức tính toán như
sau:
sm =

kpa 2
d2

;

(1-2)

Trong đó:
p - cường độ áp lực nước của trung tâm khu ô tính toán bản mặt (kG/cm2);
a - độ dài cạnh ngắn của ô tính toán bản mặt (cm) tính từ khe hàn giữa bản
mặt và ô dầm;
d - độ dày của bản mặt (cm);
k - hệ số ứng suất uốn của điểm giữa cạnh đỡ bản mỏng đàn hồi. Trong tính
toán có thể chia thành hai loại: Điểm giữa cạnh dài và điểm giữa cạnh
ngắn. Giá trị của nó tra trong hình 1-2.
b) Nếu bản mặt nối liền với dầm đỡ, cho phép bản mặt làm việc với biên cánh của
dầm, độ rộng hữu hiệu B của nó lấy bằng trị tương đối nhỏ tìm được theo công thức:
B = x.b;
BÊ 60d +b1; (thép sè 3)
B£ 50d +b1; (thÐp sè 16)
Trong ®ã: b - khoảng cách giữa dầm,

(1-3)


24

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

1
b = (b1 +b2 );
2
b1 - độ rộng biên cánh trên của dầm, nếu không đặt biên cánh trên thì
bằng độ dày bản bụng của dầm;

x - hệ số độ rộng hữu hiệu, xem hình thức bố trí của dầm, tra theo hình 1-3;
giữa

B3

A3

R

C

B1

A1

3

(d)

9

B2

A2

(a)

(b)

II

6

B1

A1

2

3

B2

5

R1

I
B3

A4

B4

C3

B3

A3

7

E

B4

C4

F

8

A4
R2

5

1

A2

5

I
A3

A1

B1

4

3

C2

B2

A2

C1

5
B5

A5

B5

C

A6

B6

C

6

A5

5

15

B6

A6

II
12

10

Nhìn theo II-II

Nhìn hướng E

1

(e)

(c)

7

giữa

4
11

Nhìn theo I - I

Nhìn theo hướng F

Hình 1-1. Tình trạng chịu lực của cửa van phẳng trên mặt
1- bản mặt; 2- dầm phụ ngang; 3- dầm đứng; 4- hệ liên kết đứng; 5- dầm chính ngang;
6- dầm biên; 7- hệ liên kết sau cánh;8- bánh xe di chuyển; 9- tai cửa; 10- bánh xe cữ;
11- đường ray chính; 12- ®­êng ray ng­ỵc.


25

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

0,76

K
0,7

Biên cố định
Biên gối đơn giản

A

0,6

B Điểm giữa cạnh ngắn biên cố định

A

B

Điểm giữa cạnh dài biên cố định

0,5

0,4

B

A

B

A

B

A

x
a

b

(smx )A = m.(smy )A
(smy )B = m.(smx )B

y

0,3
1

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

b/a
Hình 1-2. Trị số K
0 - khoảng cách giữa điểm O, đối với dầm chống đơn giản 0 = 1. Đối với
dầm chống liên tục, xác định gần đúng theo hình trên;
x1 - ứng với hình mô men uốn dương đường Parabon;
x2 - ứng với hình mô men uốn âm hình tam giác.

c) Khi tính toán cường độ của bản mặt, nên đưa ứng suất smx, smy tìm được theo
uốn cục bộ nêu trên cộng với ứng suất sox tìm được theo bản cạnh cánh dầm (hoặc soy).
ứng suất tính toán szh sau khi đ cộng lại nên thoả mn điều kiện sau đây:
szh Ê 1,1.a [ a ] ;

(1-4)

Nếu tỷ số chiều dài cạnh của bản mặt b/a >1,5 mà cạnh dài bố trí theo hướng trục
dầm (hình 1-4) thì chỉ cần tính ứng suất của điểm A theo công thức:

( szh )A

=

( smy )

2

+ ( s mx - sox ) - ( smx - sox ) ;
2

(1-5)


26

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

Trong đó: smy = kpa 2 / d2 ;
smx = msmy = 0, 3smy ;

sox - øng suất uốn của dầm đối với điểm A;
smx , smy , sox - thống nhất dùng trị tuyệt đối.

d
b0

l 0=0,8l
b1

l

b2

b

b0

l 0=0,6l
l =0,4l
l
0

b0

x2 b

x

x1 b

1
0.8

x1
x2

0.6
0.4
0.2
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

l0/b
Hình 1-3. Trị số x
Nếu tỷ số dài của cạnh bản mặt cắt b/a Ê 1,5 hoặc bố trí cạnh ngắn theo hướng
trục dầm (hình 1-5), ngoài việc tính ứng suất của điểm A ra, còn phải tính ứng suất của
điểm B theo công thức sau:

( szh )B
Trong ®ã: smx =

=

( smy ) + ( smx + soy )

kpa 2
d2

2

.

smy = msmx = 0, 3smx .

2

- smy ( smx + sox ) ;

(1-6)

27

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van...

M
.
W
M, W - mô men uốn và mô men kháng của mặt cắt dầm đối với vị trí
của điểm tính toán;
sox = (1, 5x - 0,5 )

smx , smy , sox - thống nhất dùng trị tuyệt đối.
Vì sử dụng công thức (1-5) và (1-6) để tính toán (szh)A, (szh)B tương đối phiền
phức, rất khó bỏ đi một số trường hợp tính toán không cần thiết nào đó một cách trực
quan; Đồng thời cũng do tính toán phức tạp, dễ sai xót, vì thế có thể đổi thành công
thức đơn giản hóa dưới đây (1-7) và (1-8) để thay thế công thức (1-4), (1-5) và
(1-6).
Điều kiện tính toán với điểm A:
0, 65sox + 0, 68smy £ a [ s] ;

(1-7)

§iỊu kiƯn tÝnh toán với điểm B:
0, 9sox + 0, 8smx Ê a [ s] ;

(1-8)

So sánh với công thức ban đầu, sai số lớn nhất bằng khoảng 1,2%.

A

X

smx-sox
smy

a

Đường trục dầm

b
Hình 1-4. Tính toán ứng suất tại điểm A

Hình 1-5. Tính toán ứng suất tại điểm B


28

sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

1.9.2. Ph-ơng pháp phân tích hệ kết cấu không gian
Kết cấu cửa van phân tích theo hệ không gian được coi trọng sau khi máy tính
điện tử ra đời kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn,
ứng dụng trong lĩnh vực phân tích kết cấu ngày nay được sử dụng rộng ri. Từ kết quả
phân tích mà xét, nó phản ánh một cách tương đối sát thực trạng thái làm việc của kết
cấu, đồng thời còn xử lý một cách tự động, nhanh chóng và tiêu chuẩn hoá rất tốt.
Trong phương pháp phần tử hữu hạn, có một vấn đề quan trọng là làm sao xây
dựng được mô hình số của kết cấu phân nhỏ có giá trị như nhau víi kÕt cÊu thùc, sao
cho mét hƯ kÕt cÊu cã độ tự do vô hạn chuyển hoá thành một hệ kết cấu tự do hữu hạn.
Thường căn cứ vào bố trí cụ thể của kết cấu để phán đoán xác định. vì vậy ngoài việc

phải nắm vững trạng thái làm việc chủ yếu của kết cấu, còn phải xem xét làm sao cho
tính chất phần tử của kết cấu sau khi phân nhỏ phải tương đối đơn giản, dễ tính toán
quan hệ đặc tính của phần tử.
Ví dụ: Đối với kết cấu của cửa van phẳng do bản mặt, dầm dọc, dầm ngang và các
bộ phận khác tạo thành, phân tích như phân tích phương pháp hệ mặt phẳng đ trình bày
ở trên, đương nhiên có thể xem như một loại phương án phân nhỏ.
Chẳng qua trong phương án này tuy đ xem xét tính chất làm việc chủ yếu cđa kÕt
cÊu, nh­ng tÝnh chÊt phÇn tư cđa kÕt cÊu sau khi phân nhỏ tương đối phức tạp, khó có
thể xác định quan hệ đặc tính phần tử của nó. Vì vậy, có thể đưa kết cấu cửa van tưởng
tượng như một tấm bản được gia cường bởi hệ thống khung dầm, cũng chính là một hệ
kết cấu không gian do bản hai chiều và dầm một chiều tạo thành.
1
2
3

4
5
7

6
8

10

9
11
12

13
14

15

Hình 1-6. Sơ đồ phân nhỏ kết cấu của cửa van ph¼ng