Nghiên cứu hệ thống thủy lực đóng mở cửa cống dạng xoay cho công trình thủy lợi, thủy điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Hồ Sỹ Sơn

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THUỶ LỰC
ĐÓNG MỞ CỬA CỐNG DẠNG XOAY
CHO CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI, THUỶ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH : MÁY VÀ TỰ ĐỘNG THUỶ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Ngô Sỹ Lộc

HÀ NỘI 2010
 


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN CÁC LOẠI CỬA VAN
LẮP ĐẶT TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG LỚN
1.1. Cửa van cung

1.2. Cửa van xoay trục đứng
1.3. Cửa van xoay trục ngang
1.4. Cửa van lật
1.5. Cửa van lưỡi trai
1.6. Cửa van phẳng khẩu độ lớn
Chương 2 - TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỬA VAN XOAY
TRỤC NGANG TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG
LỚN Ở VIỆT NAM
2.1. Đặc điểm cửa van xoay trục ngang
2.2. Các công trình trên thế giới sử dụng cửa van xoay trục
ngang
2.3. Tiềm năng ứng dụng cửa van xoay trục ngang ở Việt Nam
Chương 3 - ĐIỀU KHIỂN ĐÓNG MỞ CỬA VAN XOAY
TRỤC NGANG
3.1. Điều khiển đóng mở cửa van xoay trục ngang trên công
trình ngăn sông Thames
3.2. Điều khiển đóng mở cửa van xoay trục ngang trên công
trình ngăn sông EMS
3.3. Phương pháp khác điều khiển đóng mở cửa van xoay trục
ngang
3.4. Phân tích đánh giá các phương pháp điều khiển cửa van
xoay trục ngang.
Chương 4 - NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ
THỐNG THUỶ LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN TRỤC NGANG
LẮP TRÊN CỐNG THỦ BỘ
4.1. Công trình cống thủ bộ
4.2. Cửa van xoay trục ngang lắp trên cống Thủ Bộ
4.3. Tính toán sơ bộ mô men quay cửa
1

1
3
4
5
8
10
10
12
13
14
16
17
20
21
21
25
28
28
29
30
31
34
34
36
38


4.4. Phương pháp đóng mở cửa van xoay trục ngang bằng xi
lanh
4.5. Phương pháp đóng mở cửa van xoay trục ngang bằng cóc

hãm
4.6. Cấu hình hệ thống thuỷ lực điều khiển đóng mở cửa van
xoay trục ngang bằng cóc hãm
4.7. Tính toán lựa chọn các phần tử thuỷ lực
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

2

42
47
52
57
69
71
72


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Gdia

Trọng lượng đĩa quay ở hai đầu

Gcua

Trọng lượng viên phân cửa

Ncua

Trọng lượng nước dằn trong viên phân cửa

Ndia

Trọng lượng nước dằn trong đĩa quay ở hai đầu

Ddia

Lực đẩy nổi tác dụng lên đĩa quay ở hai đầu

Dcua

Lực đẩy nổi tác dụng lên viên phân cửa

P

Lực li tâm do trọng lượng lệch tâm của viên phân cửa

N

Lực cản của nước tác dụng lên viên phân cửa khi quay

Fms1, Fms2

Lực ma sát giữa bề mặt cửa và nước

Mcq

Mô men cản quay

f

Hệ số ma sát trong ngõng trục

r

Bán kính ngõng trục

R

Bán kính trọng tâm viên phân cửa

ω

Vận tốc góc của cửa

c

Hệ số kể đến ảnh hưởng của hình dạng bề mặt cản

γ

Khối lượng riêng của nước (kg/m3)

v

Vận tốc tiếp tuyến

F

Diện tích tiết diện cản

Pxl

Lực cần thiết do xi lanh tạo ra

Mq

Mô men quay

Lxl

Cánh tay đòn lực do xi lanh tạo ra đối với với tâm quay

D

Đường kính xi lanh

d

Đường kính piston

vxl

vận tốc của xi lanh

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng biểu

Trang

Bảng 4.1 Kết quả tính mô men quay cửa (trường hợp không có nước
dằn)
Bảng 4.2 Kết quả tính mô men quay cửa (trường hợp có nước dằn)

40

Bảng 4.3 Kết quả tính lực xi lanh đóng mở cửa

43

Bảng 4.4 Kết quả tính lực xi lanh đẩy cóc hãm

50

Bảng 4.5 Các thông số kỹ thuật chính bơm A2FO250

59

4

41


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Nguyên lý làm việc cửa van cung

10

Hình 1.2. Cửa van cung trên cống Haringvliet – Hà Lan

11

Hình 1.3. Cống Maeslant – Hà Lan

13

Hình 1.4. Nguyên lý làm việc cửa van xoay trục ngang

13

Hình 1.5. Công trình ngăn sông Thames - Anh

14

Hình 1.6. Công trình ngăn sông EMS – Đức

14

Hình 1.7. Nguyên lý làm việc cửa van lật

14

Hình 1.8. Cửa van lật trên sông Sein (Pháp)

15

Hình 1.9. Cửa van lưỡi trai, Osaka, Nhật bản

16

Hình 1.10. Cửa van lưỡi trai, Hagenstein, Hà Lan

17

Hình 1.11. Cửa van phẳng, Spijkenisse, Hà Lan

18

Hình 1.12. Cửa van phẳng, EMS, Đức

18

Hình 2.1. Kết cấu cửa van xoay trục ngang

21

Hình 2.2. Nguyên lý đóng mở cửa van xoay trục ngang

21

Hình 2.3. Cửa van xoay trên công trình ngăn sông Thames

22

Hình 2.4. Kết cấu cửa van xoay trên công trình ngăn sông Thames

23

Hình 2.5. Cửa van xoay trục ngang trên công trình ngăn sông EMS,

24

Đức
Hình 2.6. Kết cấu cửa van xoay trục ngang trên công trình ngăn sông

25

EMS, Đức
Hình 3.1. Điều khiển cửa van xoay trục ngang trên sông Thames, Anh

28

Hình 3.2. Cửa van xoay trục ngang trên sông Thames đang đóng

29

Hình 3.3 Điều khiển cửa van xoay trục ngang trên sông EMS, Đức

29

Hình 3.4 Điều khiển cửa van xoay trục ngang bằng khí nén

31

Hình 4.1 Cửa van xoay trục ngang dự kiến lắp trên cống Thủ Bộ

36

Hình 4.2 Kết cấu cửa van xoay trục ngang

37

5


Hình 4.3 Mặt cắt ngang cửa van xoay trục ngang

37

Hình 4.4 Bố trính xi lanh vận hành cửa

38

Hình 4.5 Sơ đồ lực tác dụng

39

Hình 4.6. Biểu đồ mô men (trường hợp không có nước dằn)

41

Hình 4.7. Biểu đồ mô men (trường hợp có nước dằn)

41

Hình 4.8 Đường thẳng đi qua gối xi lanh

42

Hình 4.9 Vị trí đặt gối xi lanh

42

Hình 4.10 Biểu đồ lực xi lanh nâng hạ cửa

43

Hình 4.11 Biến thiên lực và hành trình xi lanh

45

Hình 4.12 Biến thiên vận tốc theo hành trình xi lanh

46

Hình 4.13 Biến thiên lực theo hành trình xi lanh

46

Hình 4.14 Hệ thống đóng mở cửa van bằng cóc hãm

47

Hình 4.15 Vị trí đặt tâm quay xi lanh

49

Hình 4.16 Biểu đồ lực xi lanh

50

Hình 4.17 Sơ đồ truyền năng lượng trong hệ thống thuỷ lực điều

52

khiển
Hình 4.18 Sơ đồ thuỷ lực cơ bản

53

Hình 4.19 Bộ phận vi sai

53

Hình 4.20 Nguyên lý đồng bộ kiểu bám dùng van tỉ lệ

56

Hình 4.21 Sơ đồ tối giản điều khiển xi lanh đẩy cóc hãm

57

Hình 4.22 Bơm thuỷ lực A2FO250

58

Hình 4.23 Các kích thước bơm A2FO250

59

Hình 4.24 Van phân phối H-4WEH 25

60

Hình 4.25 Đường dầu điều khiển

60

Hình 4.26 Van giảm áp tích hợp

60

Hình 4.27 Đường đặc tính tổn thấp áp suất qua van phân phối

61

Hình 4.28 Các kích thước chính của van phân phối

62

Hình 4.29 Ký hiệu chi tiết

62
6


Hình 4.30 Ký hiệu đơn giản

62

Hình 4.31 Van tỉ lệ 4WRZ 25

63

Hình 4.32 Ký hiệu van tỉ lệ 4WRZ 25

63

Hình 4.33 Mặt cắt van tỉ lệ 4WRZ 25

64

Hình 4.34 Sơ đồ khối điện điều khiển

65

Hình 4.35 Đường đặc tính van tỉ lệ 4WRZ 25

65

Hình 4.36 Kích thước van tỉ lệ 4WRZ 25

66

Hình 4.37 Sơ đồ chi tiết hệ thống thuỷ lực điều khiển xi lanh đẩy cóc

67

hãm

7


MỞ ĐẦU

Việt Nam có nhiều con sông lớn đổ ra bờ biển trải dài hơn 3000 km. Cửa
sông chịu ảnh hưởng rất lớn của hiện tượng thuỷ triều. Trong những năm gần
đây, hệ thống sông ngòi trên lãnh thổ Việt Nam thường xuyên bị ngập lụt do
nước biển dâng, đặc biệt là hệ thống sông ngòi, kênh rạch ở đồng bằng Sông Cửu
Long và Thành phố Hồ Chí Minh. Cộng thêm ảnh hưởng của biến đổi khí hậu
tình trạng nước biển xâm thực ở các cửa sông ngày càng trầm trọng. Trước thực
tế như vậy, nhu cầu xây dựng các công trình ngăn sông đã trở nên cấp thiết.
Trong đó cửa van và các thiết bị đóng mở giữ một vai trò quan trọng.
Trên cơ sở tìm hiểu về cửa van và kết quả nghiên cứu sơ bộ về phương án
chọn loại cửa van xoay trục ngang áp dụng cho công trình Cống Thủ Bộ, luận
văn sẽ tập trung nghiên cứu về tiềm năng ứng và điều khiển đóng mở cửa van
xoay trục ngang trên các công trình ngăn sông lớn ở Việt Nam.
Mục đích của luận văn
Phân tích tiềm năng ứng dụng cửa van xoay trục ngang trên các công trình
ngăn sông lớn ở Việt Nam.
Nghiên cứu lựa chọn và tính toán thiết kế hệ thống đóng mở cửa van xoay
trục ngang.

8


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn trên cơ sở tổng quát về các loại cửa van ứng dụng trên các công
trình ngăn sông lớn của thế giới sẽ tập trung nghiên cứu sâu cửa van xoay trục
ngang và hệ thống đóng mở của nó.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn dựa trên kết quả thu thập, phân tính
và đánh giá số liệu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trên thế giới, cửa van đã được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả
kinh tế to lớn. Tuy nhiên cơ sở tính toán, phương pháp tính, các bí mật công
nghệ… đều được các hãng chế tạo, các nhà thầu xây dựng giữ kín. Rào cản này
đã hạn chế rất lớn việc ứng dụng các thành tựu khoa học trong thiết kế, chế tạo
và xây dựng các công trình ngăn sông ở Việt Nam.
Xuất phát từ thực tế đó, kết quả nghiên cứu của luận văn hi vọng sẽ là nền
tảng cho việc triển khai ứng dụng cửa van xoay trục ngang trên các công trình
ngăn sông lớn của Việt Nam.

9


Chương 1
TỔNG QUAN CÁC LOẠI CỬA VAN
LẮP ĐẶT TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG LỚN
Khác với cửa van lắp đặt trên công trình đầu mối thuỷ lợi thuỷ điện, cửa
van lắp đặt trên các công trình ngăn sông lớn ngoài mục đích điều tiết nước thì
còn phải bảo đảm vấn đề giao thông thuỷ, điều kiện thuỷ lực của dòng chày qua

công trình, bảo đảm an toàn trong quá trình vận hành, bảo dưỡng , bảo đảm
chống bão và các vấn đề môi trường ... Tuy nhiên, khó hơn cả là đảm bảo điều
kiện giao thông thuỷ qua công trình.
Lựa chọn cửa van lắp đặt trên các công trình ngăn sông lớn, tiêu chí hàng
đầu là bảo đảm giao thông và vận hành an toàn. Do đó chỉ có một số loại cửa van
đáp ứng được tiêu chí này.
1.1. Cửa van cung
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý
Cửa van cung là cửa van có
bản mặt chắn nước có dạng mặt trụ
cong được đỡ bởi các dầm phụ, các
dầm phụ truyền lực lên dầm chính
(thường là 2 dầm), đầu dầm chính sẽ
truyền lực lên gối qua 2 càng. Khi
làm việc cửa van chuyển động quay
xung quanh một trục cố định nằm
ngang.

Hình 1.1. Nguyên lý làm việc cửa van
cung

10


1.1.2. Ưu nhược điểm
+Ưu điểm:
- Do có kết cấu mặt là một phần của mặt trụ nên áp lực nước đi qua tâm làm
cho mô men khi vận hành nhỏ.
- Có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không đi qua trục quay
van để giảm lực đóng mở.

- Cửa van cung thường được dùng trong đập tràn ở mặt cắt bắt kỳ mà không
cần mở rộng đỉnh đập.
- Do kết cấu cong làm tăng khả năng chịu uấn của cửa van.
+ Nhược điểm.
- Hạn chế về chiều cao thông thủy
- Cửa van cung có mố và tường biên dài
- Độ cứng của cửa van cung nhỏ hơn cửa van phẳng
- Kết cấu phức tạp và hơi cồng kềnh.
1.1.3. Phạm vi ứng dụng
- Cửa van cung được dùng phổ
biến trong các công trình tiêu
và tưới, các công trình tháo lũ,
đặc biệt là cửa van tại các hồ
thủy điện, công trình đầu
mối...
- Chỉ dùng làm cửa chính, không

Hình 1.2. Cửa van cung trên
Cống Haringvliet – Hà Lan

dùng làm cửa sữa chữa.

11


- Không dùng cửa dẫn nước vào buồng tua bin trong các nhà máy thủy điện
trên sông, cửa của các bể áp lực, các ống có áp dẫn vào nhà máy thủy
điện.
1.2. Cửa van xoay trục đứng
1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý

Cửa van trụ đứng là cửa van có bản mặt chắn nước cong, cửa van có dạng
hình quạt nằm ngang, bản mặt của cửa van được đỡ bởi các dầm phụ và hệ giàn,
truyền lực lên hai gối qua hệ càng thường có kết cấu giàn. Khi làm việc cửa van
chuyển động quay xung quanh trục cố định thẳng đứng.
1.2.2. Ưu nhược điểm:
+Ưu điểm:
- Khẩu độ lớn, không ảnh hưởng đến giao thông thủy.
- Do có kết cấu mặt là một phần của mặt trụ nên áp lực nước đi qua tâm làm
cho mô men khi vận hành nhỏ.
- Có thể lợi dụng lực đẩy nổi của nước nâng cửa van để giảm lực đóng mở.
- Không đòi hỏi trụ pin cao
+ Nhược điểm.
- Chế tạo phức tạp đặc biệt các gối đỡ
- Vận hành cửa van khó khăn tiêu tốn năng lượng
- Kết cấu phức tạp và hơi cồng kềnh.

12


1.2.3. Phạm vi ứng dụng
Sử dụng ở các sông rất rộng,
nhiều tàu bè qua lại như các vùng
cửa sông. Cửa van lớn nhất loại này
là cửa van trên sông dẫn vào cảng
Rotterdam

(Hoek

van

Holland,

Netherlands, 1997) với nhịp 360m
chiều rộng 246 m chiều cao 22m

Hình 1.3. Cống Maeslant – Hà Lan

1.3. Cửa van xoay trục ngang
1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý
Cửa van xoay trục ngang bao
gồm một hình viên phân gắn vào hai
đầu là hai khối trụ tròn mỏng. Khối trụ
tròn hai đầu quay quanh 2 bán trục nằm
ngang được cố định vào trụ pin.

Hình 1.4. Nguyên lý làm việc cửa van
xoay trục ngang

1.3.2. Ưu điểm, nhược điểm
+ Ưu điểm
- Tạo thông thoáng cho dòng chảy khi mở, đóng mở nhanh.
- Phù hợp với cống triều cường.
- Kết cấu chắc chắn.
- Không bị ảnh hưởng của bão lũ (mở hết cửa nằm ở đáy công trình). Đóng
mở kết hợp cơ khí và xilanh thủy lực (tay quay-dùng hai xilanh xoay),
hành trình của xilanh nhỏ.
- Sửa chứa và bảo dưỡng dễ dàng .
13

- Trụ pin công trình không phải xây quá cao.
+ Nhược điểm :
- Đòi hỏi chế tạo chính xác cửa van phải kín để tận dụng lực đẩy nổi.
- Chế tạo, lắp đặt đòi hỏi các thiết bị chính xác.
1.3.3. Phạm vi ứng dụng
Đây là loại cửa van có nhiều ưu điểm hiện đang được nghiên cứu và phát
triển ở nhiều nước.
Trên thế giới hiện có hai công trình lắp đặt loại cửa này là công trình ngăn
sông Thames ở Anh và công trình ngăn sông EMS ở Đức.

Hình 1.5. Công trình ngăn sông
Thames - Anh

Hình 1.6. Công trình ngăn sông EMS –
Đức

1.4. Cửa van lật
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý
Cửa van lật có thể là tấm
phẳng hoặc cong , một cạnh được
lắp bản lề quay nằm ở ngưỡng cửa,
khi đóng, mở cửa van quay quanh
cối bản lề này. Khi mở cửa van sẽ
nằm xuống đáy sông.

Hình 1.7. Nguyên lý làm việc cửa van lật
14


1.4.2.Ưu nhược điểm :

+Ưu điểm :
-

Không cần có trụ pin ngăn cách, các cửa được lắp với nhau liên tiếp, có
thể chia khẩu độ thành nhiều phần tùy ý theo lực đóng mở và hành trình
của xilanh.

-

Tải trọng trải đều trên ngưỡng, do vậy lực không bị tập trung trên trụ pin

+Nhược điểm :
-

Hệ thống xilanh ngâm trong nước, do vậy khó sửa chữa và lắp ráp

-

Trục quay của cửa van ngâm trong nước khó sửa chữa bảo dưỡng

-

Điều khiển khó khăn, hệ thống điều khiển phức tạp

-

Lắp đặt phức tạp

-

Lực đóng mở ban đầu rất lớn. Khi cửa van bắt đầu đóng, do diện tích tiếp
xúc với đáy lớn nên lực hút chân không rất lớn, mặt khác do thanh đẩy
(hoặc xilanh đẩy ) ban đầu có góc đẩy nhỏ nên lực ban đầu lớn. Vì vậy cột
nước càng cao , cửa van càng rộng thì xilanh càng lớn

-

Kết cấu cửa phải chắc hơn các loại khác do ít điểm tựa

-

Do nhiều tấm nên rò rỉ nhiều

1.4.3. Phạm vi áp dụng
Cửa van lật sử dụng tại những
nơi có yêu cầu về độ thông thoáng cho
vận tải thủy và khó xây dựng trụ pin.
Tại sông Sein của Pháp đã có 30 cửa
van loại này được lắp đặt trên chiều
rộng 70m, chiều cao mỗi tấm là 3,3 m

Hình 1.8. Cửa van lật trên sông Sein
(Pháp)

chiều rộng mỗi tấm là 2,5 m.
15


1.5. Cửa van lưỡi trai
1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý

Cửa van lưỡi trai có cấu tạo là một phần của mặt trụ đứng có hình dạng
giống đập vòm . Khi vận hành nó sẽ quay quanh hai bán trục nằm ngang nhờ hai
tời được lắp phía trên.
1.5.2 Ưu nhược điểm
+ Ưu diểm:
-

Do có kết cấu cong về phía áp lực nước làm tăng độ cứng vững của cửa
van

-

Độ cong làm tăng chiều cao thông thủy thuận lợi cho tàu bè qua lại

-

Khi mở cửa van diện tích phần chiu áp lưc gió theo phương dòng chảy rất
nhỏ, theo phương vuông góc còn lại cung giảm đi nhiều do kết cấu cong
của cửa.

-

Không phải xây trụ pin quá cao.

+ Nhược điểm:
-

Đòi hỏi thiết bị dẫn hướng cho thiết bị đóng mở

-

Phải thiết kế, thi công phần thủy công phức tạp đòi hỏi chính xác

-

Phần cối quay ngâm trong nước nên khó bôi trơn và giảm tuổi thọ.

1.5.3. Phạm vi áp dụng:
Ở thành phố Osaka. Nhật Bản,
ba cửa đã được lắp đặt vào năm 1970.
Mỗi cái chiều rộng 57 m và chiều cao

Hình 1.9. Cửa van lưỡi trai, Osaka,
Nhật bản

11,9 m để ngăn thủy triều.
16


Cửa van này được thiết kế với mực nước phía biển là 10,9 m và mực nước
phía sông là 6,7m. Chiều dài chịu lực là 66 m và mỗi cánh cửa nặng khoảng 5,2
MN.
Vào năm 1960 sáu của van
lưỡi trai đã được lắp đặt gần thành
phố Hagenstein trên sông Lech và
sông Low Rhine Hà Lan. Cửa van
rộng 48 m và cao 7 m. Cửa van được

Hình 1.10. Cửa van lưỡi trai,
Hagenstein, Hà Lan

lắp thành từng đôi và giống với cửa
van ở Osaka, được vận hành bởi tời
và cáp thép.
1.6. Cửa van phẳng khẩu độ lớn
1.6.1. Cấu tạo và nguyên lý

Cửa van phẳng là cửa van có bản mặt chắn nước là mặt phẳng, kết cấu
chịu lực thường là dầm hoặc giàn. Khi vận hành cửa van chuyển động tịnh tiến
lên xuống nhờ lực nâng của tời cáp, vít me hoặc xilanh thủy lực.
1.6.2. Ưu, nhược điểm
+Ưu điểm:
-

Thiết bị đóng mở có thể bằng tời cáp, vít me (nên giá thành rẻ, chủ động
trong chế tạo) hoặc dùng xi lanh thuỷ lực

-

Dễ bảo dưỡng sửa chữa cửa và thiết bị

-

Thời gian mở kéo lên khỏi mặt nước lâu hơn nằm trong nước, nên chống
hà tốt hơn.

-

Lực đóng mở nhỏ, chủ yếu là trọng lượng cửa
17

-

Hành trình đóng mở thẳng nên các thiết bị đóng mở đơn giản, và làm việc
ổn định hơn các lọai cửa khác

+Nhược điểm:
-

Phải xây cột trụ cao đế đảm bảo giao thông thủy

-

Tải trọng gió lớn khi kéo lên.

1.6.3. Phạm vi ứng dụng
Cửa van phẳng khẩu độ lớn được
áp dụng rất phổ biến tại các công trình
ngăn lũ, chống mặn ven biển trên thế
giới. Tiêu biểu là công trình Spijkenisse,
Hà Lan, 1996 với hai cửa van phẳng
(dạng thấu kính) với nhịp 98m và 49,3m
chiều cao 9,3m.
Tại công trình đập Ems của Đức

Hình 1.11. Cửa van phẳng,
Spijkenisse, Hà Lan

(Ems-Barrrier, Federal State Lower

Saxony Niedersachsen, Germany) Có 4
cửa van phẳng khẩu độ lớn được lắp đặt
vơi nhịp 64,2m chiều cao 10,5 m.
Các cửa van phẳng khẩu độ lớn
đều có kết cấu giàn không gian chịu lực,
bản mặt dùng thép ghép dạng hộp. Vận
Hình 1.12. Cửa van phẳng, EMS, Đức

hành cửa van bằng xi lanh thủy lực.

18


Kết luận chương 1
Trên cơ sở nghiên cứu sâu về cấu tạo, nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm
và phạm vi ứng dụng của các loại cửa van lắp đặt trên các công trình ngăn sông
lớn tác giả thực hiện việc so sánh và phân tích khả năng ứng dụng của từng loại
vào điều kiện cụ thể của nước ta. Từ đó tác giả nhận thấy rằng cửa van nói chung
và cửa van khẩu độ lớn nói riêng rất phong phú và đa dạng về chủng loại và kết
cấu. Có nhiều kết cấu cửa mới, mỗi loại cửa van đều có những đặc điểm riêng
phù hợp với những điều kiện nhất định, do đó để giải quyết tối ưu bài toán kinh
tế kỹ thuật một công trình có thể sẽ phải lắp nhiều loại cửa van khác nhau. Điển
hình nhất có thể kế đến là công trình ngăn sông EMS. Công trình này sử dụng
một cửa van xoay trục ngang để thông thuỷ các con thuyền lớn, một cửa van
cung để thông thuỷ các con thuyền nhỏ hơn và 4 cửa van phẳng khẩu độ lớn để
ngăn sông.
Có thể thấy công trình ngăn sông EMS là điển hình cho thiết kế các công
trình ngăn sông hiện đại, giải quyết được tối ưu bài toán kinh tế kỹ thuật. Các cửa
van sử dụng trên công trình EMS thì cửa van phẳng và cửa van cung đã có bề
dày lịch sử phát triển với nhiều công trình nghiên cứu về nó. Cửa van xoay trục

ngang giải quyết được nhiều vấn đề đối với công trình ngăn sông lớn, đặc biệt là
vấn đề giao thông thuỷ mới được phát triển trong những năm gần đây. Trên thế
giới mới chỉ có hai công trình lắp đặt loại cửa này là công trình ngăn sông EMS
và công trình ngăn sông Thames.
Cửa van xoay trục ngang mặc dù có những ưu điểm vượt trội nhưng chưa
có nhiều đề tài nghiên cứu về nó. Công nghệ chế tạo, các bí mật về kỹ thuật lắp
đặt điều khiển … vẫn đang được các hãng xản xuất lớn trên thế giới giữ kín.
Chính vì vậy đề tài này tập trung nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển cửa van xoay
trục ngang.
19


Chương 2
TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỬA VAN XOAY TRỤC NGANG
TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG LỚN Ở VIỆT NAM
Với hơn 3000 km bờ biển chịu nhiều ảnh hưởng của thuỷ triều cộng với
ảnh hưởng do biến đổi khí hậu thì việc định hướng xây dựng hệ thống đê biển và
các công trình ngăn sông là tất yếu đối với Việt Nam. Khác với công trình đầu
mối, các công trình ngăn sông, đặc biệt là công trình ngăn sông lớn phải đáp ứng
rất nhiều nhiệm vụ:
- Ngăn giữ nước phục vụ dân sinh kinh tế, cải tạo cảnh quan môi trường
sinh thái;
- Thoát lũ đảm bảo an toàn khi mùa lũ về;
- Đảm bảo điều kiện giao thông thủy qua công trình;
- Đối với các công trình ở các cửa sông có sự xâm nhập mặn thì cửa van
phải đáp ứng được yêu cầu chống nước biển dâng do biến đổi khí hậu.
Trên các công trình ngăn sông này, cửa van có nhiều đặc tính kỹ thuật
phức tạp hơn so với các công trình thông thường và các công trình đầu mối. Hình
thức cửa van phải đảm bảo vấn đề chịu lực, phù hợp với đặc điểm, nhiệm vụ của
công trình đồng thời hệ thống thiết bị đóng mở cửa van phải đảm bảo tuyệt đối

an toàn trong quá trình vận hành khai thác. Đặc biệt cửa van phải đảm bảo điều
kiện giao thông thuỷ là yêu cầu hàng đầu.
Xuất phát từ mục tiêu cụ thể của công trình như khống chế mực nước, khả
năng tiêu thoát, chống sóng triều, đảm bảo giao thông thủy và kết hợp các
nguyên lý kết cấu, thủy động lực học, các nhà nghiên cứu đã đề xuất và ứng dụng
nhiều loại hình cửa van lớn khác nhau, mỗi loại có một đặc điểm và khả năng
đáp ứng nhiệm vụ công trình khác nhau. Các loại cửa van này đã trình bày chi
tiết trong chương 1. Trong các loại cửa van đó, cửa van xoay trục ngang là cửa
20


van khẩu độ lớn đảm bảo mọi cấp giao thông thuỷ độ rộng, độ tĩnh không, thời
gian đóng mở …) đã mở ra tiềm năng ứng dụng loại cửa van này ở Việt Nam.
2.1. Đặc điểm cửa van xoay trục ngang
Cửa van xoay trục ngang được Charles
Draper giới thiệu những khái niệm đầu tiên và
được áp dụng lần đầu trên sông Thames vào
năm 1982. Cửa gồm có một viên phân ở giữa
để chắn nước. Kết cấu viên phân thường là
kết cấu giàn chịu lực bọc tôn bên ngoài hoặc
kết cấu đàm hộp chịu lực. Viên phân ở giữa
được liên kết với hai đĩa tròn hai đầu. Đĩa

Hình 2.1. Kết cấu cửa van xoay
trục ngang

tròn liên kết với trục quay đặt trên hai gối
quay ở trong trụ pin hai đầu.
Khi cửa mở, cơ cấu đóng mở làm quay
đĩa tròn hai đầu, phân viên phân cửa quay

xuống dưới, mặt dây cung nằm sát ngưỡng
đáy. Khi cửa đóng, đĩa hai đầu quay tròn 900
theo chiều ngược kim đồng hồ, phân viên
phân cửa chắn nước ngăn cách giữa thượng

Hình 2.2. Nguyên lý đóng mở
cửa van xoay trục ngang

lưu và hạ lưu.
2.2. Các công trình trên thế giới sử dụng cửa van xoay trục ngang
2.2.1 Công trình ngăn sông thames
London thường chịu ảnh hưởng của thuỷ triều xâm nhập vao sông
Thames, nhưng trận lũ lịch sử năm 1953 trên sông thames làm chết 58 người và
hơn 10.000 phải sơ tán đã làm thay đổi tất cả. Ngay sau đó, Chính phủ anh đã
21


quyết định xây dựng một công trình ngăn sông Thames để ngăn lũ và thuỷ triều
dâng.
Tuy nhiên mọi thứ vẫn tiến triển
rất chậm. Mãi đến năm 1965, Greater
London Council thành lập và chịu trách
nhiệm về dự báo và phòng chống lũ khu
vực London. Đến năm 1970, tổ chức
này mới đưa ra được bản tóm tắt về dự
án ngăn sông Thames. Năm 1974 công

Hình 2.3. Cửa van xoay trên công
trình ngăn sông Thames

trình bắt đầu được xây dựng và hoàn
thành vào năm 1982.
Các thông số chính của công trình:
- Số lượng cửa: 4 cửa van xoay trục ngang khẩu độ 61m, 2 cửa van xoay
trục ngang khẩu độ 31m và 4 cửa van cung khẩu độ 31m.
- Tổng trọng lượng các cửa van: 7420 tấn
- Tổng trọng lượng bê tông sử dụng cho công trình: 9000 tấn
- Chiều sâu đặt trụ pin: - 27 m
- Tổng chiều cao trụ pin: 65 m
- Đường kính đĩa quay: 22 m
- Cao trình ngưỡng: - 9,25 m
- Mực nước max thiết kế: + 3,65 m
- Mực nước min thiết kế: - 2,85 m
- Chiều cao chắn nước khi cửa đóng: + 6,9 m
- Chiều rộng sông đoạn xây công trình: 520 m
- Năng lượng đóng mở cửa: 3 trạm biến thế 1,5MW
- Nhân viên vận hành công trình: 60 người
- Thời gian đóng mở cửa: 15 phút
22


Cửa van xoay trục ngang trên công trình sông Thames là nhân tố chính
làm giảm chiều cao công trình. Sông Thames là một trong nhưng con sông có
mật độ giao thông thuỷ lớn, vì vậy ngoài yêu cầu chống lũ và ngăn thuỷ triều thì
yêu cầu đảm bảo giao thông thuỷ bình thường khi không có lũ cũng được xem
xét đến. Khi thiết kế công trình ngăn sông Thames có tới hơn 40 phương án cửa
van, nhưng chỉ có phương án sử dụng cửa van xoay trục ngang là đảm bảo được
cả hai yêu cầu chống lũ và giao thông thuỷ. Đồng thời phương án này có thiết kế
thẩm mỹ nhất do trụ pin không cần phải làm cao như các loại cửa khác và khi
cửa mở thì nằm sâu dưới ngưỡng.

Phần viên phân cửa van xoay trục
ngang lắp trên công trình ngăn sông Thames
có kết cấu kiểu dầm, bên ngoài bọc tôn. Hai
bên là hai đĩa tròn cũng kết cấu kiểu dầm
hộp.

Hình 2.4. Kết cấu cửa van xoay
trên công trình ngăn sông Thames

Có thể nói công trình ngăn sông Thames là đỉnh cao của sự kết hợp công
nghệ thông tin, điện, điện tử, cơ khí và kỹ thuật xây dựng của thập kỷ 70 thế kỷ
trước. Đến nay các cửa van trên công trình đã 27 lần đóng mở để thực hiện vai
trò chống lũ. Hàng tháng cửa đóng trong vòng 2 giờ để kiểm tra các điều kiện kỹ
thuật và vận hành. Hàng năm cửa đóng trong vòng 1 ngày để kiểm tra tổng thể
tình trạng của công trình. Theo thiết kế ban đầu công trình ngăn sông Thames sẽ
phục vụ cho đến năm 2030, nhưng do mực nước biển không dâng nhiều như dự
kiến nên có thể công trình này còn phục vụ ngăn sông Thames cho đến năm
2070.
2.2.2 Công trình ngăn sông EMS
Công trình ngăn sông EMS được xây dựng năm 1998 và hoàn thành vào
năm 2002 với chi phí lên đến hơn 200 triệu €. Công trình nằm gần khu vực
23


Emden vùng đông bắc nước Đức. Công trình bao gồm bảy khoang với ba loại
cửa van khác nhau có nhiệm vụ ngăn lũ và bảo vệ lưu vực sông EMS. Ngoài ra
còn phải đảm bảo giao thông thuỷ bình thường giữa Papenburg (gồm cầu cảng và
sửa chữa tàu thuyền) và Emden. Công trình ngăn sông EMS còn đảm bảo thêm
một nhiệm vụ khác nữa mà các công trình ngăn sông khác không có là bơm nước
từ biển vào sông EMS trong mùa kiệt để đảm bảo giao thông thuỷ trên sông EMS

hoạt động bình thường.
Các tàu thuyền đi lại qua hai
trong số bảy khoang của công trình. Các
tàu nhỏ và trung bình đi qua khoang cửa
van cung có khẩu độ 50m, các tàu lớn đi
qua khoang cửa van xoay trục ngang có
khẩu độ 60m. Năm khoang còn lại là
bốn cửa van phẳng khẩu độ 63,5m và

Hình 2.5. Cửa van xoay trục ngang
trên công trình ngăn sông EMS, Đức

một cửa van phẳng khẩu độ 50m.
Toàn bộ công trình có chiều dài 476m với phần lớn nằm dưới nước. Các
cửa van trên công trình được đóng mở bằng xi lanh thuỷ lực (hai xi lanh cho mỗi
cửa). Điều khiển đóng mở xi lanh được thực hiện từ phòng điều khiển đặt ở phía
bắc của công trình.
Cửa van xoay trục ngang cũng có kết cấu dạng giàn, bọc tôn bên ngoài.
Yêu cầu về kín khít của cửa van xoay trục ngang trên công trình EMS rất cao vì
nước sẽ được bơm vào bên trong viên phân cửa và đĩa hai đầu trong quá trình
làm việc của cửa van.
Một số thông số chính cửa van xoay trục ngang trên công trình ngăn sông
EMS:
- Đường kính đĩa quay: 24m
24