“ Nghiên cứu quy trình tính toán kết cấu trụ pin của đập tràn có cửa van cung Áp dụng cho thủy điện Xêkaman 1”

1

LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tài
“ Nghiên cứu quy trình tính toán kết cấu trụ pin của đập tràn có cửa van cung
- Áp dụng cho thủy điện Xêkaman 1” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình,
hiệu quả của phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa công trình cùng các thầy, cô giáo, các
bộ môn của trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:
GS.TS. Nguyễn Chiến đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài
liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới:
Phong Đào tạo ĐH và SĐH, khoa công trình, các thầy cô giáo đã tham gia
giảng dạy trực tiếp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Đảng uỷ, Lãnh đạo, Cán bộ công nhân viên
Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Sông Đà đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian
thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong
gia đình đã động khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày
hôm nay.
Hà Nội, tháng 12 năm 2011
Tác giả

Lê Thiếu Lương


2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1
MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................6
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................7
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................9
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ ...........................................................9
VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CỬA VAN CUNG .........................................9
1.1 Tổng quan về xây dựng hồ chứa và công trình tháo lũ. ....................................9
1.2 Bố trí cửa van hình cung ở đập tràn ................................................................11
1.2.1 Khái niệm cửa van cung ...........................................................................11
1.2.2 Phân loại cửa van cung .............................................................................14
1.2.3 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay.................................................15
1.2.4 Phạm vi ứng dụng .....................................................................................16
1.3 Điều kiện làm việc của kết cấu trụ van cung ...................................................17
1.4 Tổng quan về phương pháp tính toán kết cấu trụ van .....................................19
1.4.1 Phân tích ứng suất mố trụ .........................................................................19
1.4.2 Bố trí cốt thép chịu lực trong trụ ..............................................................21
1.5 Giới hạn nội dung nghiên cứu .........................................................................22
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................23
CÁC NỘI DUNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU TRỤ VAN CUNG ..............................23
2.1 Tính toán kết cấu trụ van cung theo phương pháp truyền thống .....................23
2.1.1 Phân tích ứng suất trụ giữa .......................................................................23
2.1.2 Phân tích ứng suất trụ biên .......................................................................31
2.1.3 Quy trình tính toán ....................................................................................41
2.2 Tính toán kết cấu trụ van cung theo phương pháp phần tử hữu hạn ...............43
2.2.1 Nguyên lý tính toán phân tích ứng suất trụ...............................................43
2.2.2 Lựa chọn phần mềm tính toán ứng suất ....................................................50

3

2.2.3 Tính toán cốt thép các bộ phận .................................................................50
2.2.4 Đề xuất quy trình tính toán .......................................................................50
2.3 Kết luận chương 2 ...........................................................................................52
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO TRÀN XEKAMAN 1 ......................54
3.1 Giới thiệu công trình........................................................................................54
3.1.1 Thông tin chung ........................................................................................54
3.1.2 Các thông số chính của công trình ............................................................55
3.1.3 Hạng mục công trình chính.......................................................................55
3.2 Kết cấu trụ van và trường hợp tính toán ..........................................................57
3.2.1 Kết cấu trụ van ..........................................................................................57
3.2.2 Trường hợp tính toán ................................................................................57
3.3 Tính toán các lực tác dụng...............................................................................58
3.4 Tính toán kết cấu theo phương pháp truyền thống ..........................................58
3.4.1 Tính toán trụ giữa .....................................................................................58
3.4.2 Tính toán trụ biên......................................................................................62
3.5 Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn ....................................66
3.5.1 Các thông số đầu vào ................................................................................66
3.5.2 Mô hình tính toán......................................................................................66
3.5.3 Kết quả tính toán .......................................................................................67
3.6 Phân tích kết quả tính toán ..............................................................................71
3.7 Kết luận chương 3 ...........................................................................................72
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................74
4.1 Các kết quả nghiên cứu của luận văn ..............................................................74
4.2 Một số điểm tồn tại ..........................................................................................75
4.3 Hướng tiếp tục nghiên cứu ..............................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77
PHỤ LỤC ..................................................................................................................79

4

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Một số đập – hồ chứa được xây dựng đầu tiên trên thế giới ....................11
Hình 1-2: Mô hình cửa van cung ..............................................................................12
Hình 1-3a: Cửa van trên mặt có tâm bản mặt trùng với tâm quay ............................13
Hình 1-3b: Cửa van trên mặt có tâm bản mặt không trùng với tâm quay.................13
Hình 1-3c: Cửa van cung dưới sâu ............................................................................14
Hình 1-4: Hình dạng cửa van cung ...........................................................................15
Hình 1-5: Thủy Điện Sơn La.....................................................................................18
Hình 1-6: Thủy điện Hòa Bình..................................................................................18
Hình 1-7: Bố trí thép chịu lực ở trụ van cung ...........................................................21
Hình 1-8: Hình ảnh một công trình bố trí cốt thép theo quan điểm thứ 2 ................22
Hình 2-1: Sơ đồ bố trí van cung và trụ......................................................................23
Hình 2-2: Sơ đồ thay thế lực tác dụng lên trụ ...........................................................23
Hình 2-3: Sơ đồ bản hình nêm vuông .......................................................................24
Hình 2-4: Trường hợp lực tập trung P tại đỉnh hình nêm .........................................25
Hình 2-5: Trường hợp lực tập trung Q tại đỉnh hình nêm.........................................26
Hình 2-6: Trường hợp mômen tập trung M tại đỉnh hình nêm .................................27
Hình 2-7: Sơ đồ lực lên phân tố của nêm..................................................................28
Hình 2-8: Biểu thị chiều dương của ứng suất ...........................................................29
Hình 2-9: Sơ đồ ngoại lực cân bằng trên biên...........................................................29
Hình 2-10: Sơ đồ sai phân hữu hạn để tính vi phân của hàm ...................................32
Hình 2-11: Mômen theo hướng vuông góc với mặt bản ...........................................32
Hình 2-12: Sơ đồ sai phân hữu hạn khi gốc A trùng với O ......................................34
Hình 2-13: Sơ đồ sai phân hữu hạn tại điểm góc C và D ..........................................36
Hình 2-14: Sơ đồ mặt trung bình của bản .................................................................37
Hình 2-15: Sơ đồ dãn cung .......................................................................................38
Hình 2-16: Biểu thị chiều dương của nội lực ............................................................40

Hình 2-17: Biểu thị chiều dương của ứng suất .........................................................40
Hình 2-18: Phần tử lục diện 20 điểm nút ..................................................................46


5

Hình 2-19: Phần tử chuẩn khối lập phương ..............................................................47
Hình 3-1: Công trình thủy điện Xekaman 1 ..............................................................54
Hình 3-2: Mặt bằng đập tràn XêKaman 1 .................................................................57
Hình 3-3: Sơ đồ tính toán trụ giữa ............................................................................58
Hình 3-4: Quỹ đạo ứng suất chính mố giữa .............................................................60
Hình 3-5: Sơ đồ tính toán trụ giữa ............................................................................62
Hình 3-6: Quỹ đạo ứng suất chính mố biên ..............................................................64
Hình 3-7: Mô hình tính toán......................................................................................66
Hình 3-8: Sơ đồ chia lưới phần tử .............................................................................66
Hình 3-9: Chuyển vị U X (3D) ...................................................................................67
Hình 3-10: Chuyển vị U Y (3D) .................................................................................67
Hình 3-11: Ứng suất S X (3D) ....................................................................................67
Hình 3-12: Ứng suất S Y (3D) ....................................................................................67
Hình 3-13: Ứng suất S 1 (3D) ....................................................................................67
Hình 3-14: Ứng suất S 3 (3D) ....................................................................................67
Hình 3-15: Ứng suất S 1 (trụ giữa) .............................................................................68
Hình 3-16: Ứng suất S 3 (trụ giữa) .............................................................................68
Hình 3-17: Ứng suất S 1 (vùng tai van trụ giữa) ........................................................68
Hình 3-18:Ứng suất S 3 (vùng tai van trụ giữa) .........................................................68
Hình 3-19: Ứng suất S 1 (trụ biên) .............................................................................68
Hình 3-20: Ứng suất S 3 (trụ biên) .............................................................................68
Hình 3-21:Ứng suất S 1 (vùng tai van trụ biên) .........................................................69
Hình 3-22:Ứng suất S 3 (vùng tai van trụ biên) .........................................................69
Hình 3-23:Phương chiều ứng suất chính trụ giữa .....................................................69

Hình 3-24: Phương chiều ứng suất chính trụ biên ....................................................69


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Tổng hợp ứng suất chính vùng tai van trụ giữa ........................................60
Bảng 3.2: Tính toán và bố trí cốt thép trụ giữa .........................................................61
Bảng 3.3: Tổng hợp ứng suất chính vùng tai van trụ biên ........................................64
Bảng 3.4: Tính toán và bố trí cốt thép trụ biên .........................................................65
Bảng 3.5: Tổng hợp ứng suất chính vùng tai van (PPPTHH)(kN/m2)......................70
Bảng 3.6: Tính toán và bố trí cốt thép trụ giữa và trụ biên .......................................70
Bảng 3.7: So sánh kết quả tính toán giữa 2 phương pháp.........................................71
Bảng 3.8: So sánh kết quả ứng suất kéo tại một số điểm đặc biệt khác....................72


7

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của Đề tài.
Trong công trình thủy lợi, thủy điện, đập tràn là một hạng mục công trình lớn cả
về quy mô và tầm quan trọng. Đập tràn được xây dựng nhằm mục đích điều tiết và
tháo lũ cho hồ chứa. Đập tràn cần phải được bố trí trụ pin để phân đập tràn thành
nhiều khoang tràn và thuận lợi cho việc bố trí cửa van .Trụ pin không những cần
thiết cho bố trí cửa van mà còn để bố trí cầu công tác, máy đóng mở, cầu giao thông
và chịu áp lực nước do cửa van truyền tới.
Với đập tràn bố trí cửa van cung, ảnh hưởng của quá trình vận hành van cung
đối với trụ pin tràn là rất lớn. Trong nhiều năm gần đây, việc tính toán ứng suất và
biến dạng trong trụ pin tràn vẫn dừng lại ở bài toán phẳng. Trong khi đó, thực tế sự
làm việc của trụ pin là ở trạng thái không gian 3 chiều.

Việc áp dụng sơ đồ tính toán khác với trạng thái làm việc thực tế có thể dẫn đến
những kết quả bất lợi, bố trí thép không đủ để chịu lực hoặc bố trí thép quá thừa,
gây lãng phí. Vì vậy cần thiết phải đánh giá mức độ chính xác của các phương pháp
trước đây, lựa chọn phương pháp tính toán hợp lý và đề xuất quy trình tính toán phù
hợp. Đề tài luận văn hướng đến giải quyết các vấn đề này nên có tính cấp thiết và
tính thực tiễn cao.
II. Mục đích của Đề tài.
+ Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất và biến dạng trong trụ van cung ở
trạng thái không gian 3 chiều theo phương pháp phần tử hữu hạn.
+ Phân tích và so sánh với việc tính toán ứng suất và biến dạng trong trụ van
cung theo phương pháp truyền thống.
+ Bố trí cốt thép cho các bộ phận của trụ van cung.
+ Đối chiếu, phân tích kết quả tính toán của công trình thực tế, đưa ra nhận xét
và kiến nghị cho công trình tương tự.


8

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng: tính toán kết cấu trụ van cung trên đập tràn có van trên mặt. Phân
tích ứng suất và bố trí cốt thép trụ.
- Tính toán cụ thể công trình thủy điện Xekaman 1 - Cộng Hoà Dân Chủ Nhân
Dân Lào.
IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
+ Cách tiếp cận:
- Nghiên cứu thông qua các tài liệu: Giáo trình thủy công, giáo trình thủy
lực, các giáo trình chuyên ngành, các tài liệu chuyên ngành dịch từ tiếng Anh,
Trung Quốc...
- Nghiên cứu qua hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện Xekaman 1 Cộng Hoà Dân Chủ Nhân Dân Lào và các kết quả đã tính toán một số công trình
tương tự.

+ Phương pháp nghiên cứu:
- Tổng hợp tài liệu từ các công trình thực tế.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Nghiên cứu lý luận để sử dụng mô hình ứng suất và biến dạng.
- Sử dụng phần mền ANSYS để tính toán.
- Ứng dụng tính toán cụ thể cho trụ pin tràn công trình thủy điện Xekaman 1
- Cộng Hoà Dân Chủ Nhân Dân Lào.
- Khái quát hóa và đề xuất quy trình tính toán.


9

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ
VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CỬA VAN CUNG
1.1 Tổng quan về xây dựng hồ chứa và công trình tháo lũ.
Cách đây 4000 năm ở Trung Quốc và Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện công trình
Thuỷ lợi. Đập được xây dựng đầu tiên là đập trên sông Nile cao 15m, dài 450m có
cốt là đá đổ và đất sét.
Nước có nhiều đập nhất là Trung Quốc với 22.000 đập, đứng thứ hai là Mỹ
có 6.575 đập, đứng thứ ba là Ấn Độ có 4.291 đập sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập,
tiếp đến là Tây Ban Nha. Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong số các nước
có nhiều đập cao trên thế giới.
Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, đỉnh cao là năm
1970. Các thống kê về thể loại đập của ICOLD- 1986 cho thấy 78% là đập đất, đá
đổ 5%, đập bêtông trọng là 12%, đập vòm là 4%. Nếu xét các đập có chiều cao trên
100m thì 30% là đập đất đá, 38% là đập bê tông, 21.5% là đập vòm.
Ở Việt Nam đã xây dựng được trên 460 hồ chứa nước có dung tích trên 1
triệu m3 và đập cao từ 10m trở lên và khoảng 3000 hồ tiểu thuỷ nông khác, hàng
năm đảm bảo tưới 40 vạn ha đất canh tác, sản xuất 17 tỷ kWh điện. Một loạt hệ

thống hồ chứa nước phục vụ nông nghiệp ra đời như Suối Hai, Đại Lải, Cấm Sơn,
Thác Bà, Kẻ Gỗ, Quất Đông, Yên Lập, sông Mực, Xạ Hương, sông Rác, suối Nứa,
Gò Miếu, Bảo Linh, Nam Thạch Hãn, Vực Tròn, Phú Ninh, Ya Yun hạ, Tuyền
Lâm, Dầu Tiếng...
Về thuỷ điện, nguồn thuỷ năng ở nước ta rất lớn, trữ năng kỹ thuật khoảng
90 tỉ kWh với khoảng 21 triệu kW công suất lắp máy. Đến nay chúng ta đã xây
dựng công trình Hoà Bình trên sông Đà là công trình lợi dụng tổng hợp chống lũ,
phát điện công suất 1920 MW, cung cấp nước và giao thông thuỷ... Hiện nay nhà
nước ta đang cho khẩn trương triển khai các dự án bậc thang trên sông Đà và sông
Lô - Gâm trong đó phải kể đến đập Sơn La có dung tích và công suất lắp máy lớn


10

hơn nhiều so với đập Hoà Bình. Hồ Thác Bà vừa phục vụ tưới và phát điện công
suất 108 MW. Trên sông Sê San đã xây dựng nhà máy thuỷ điện Yaly có công suất
720MW ; trên sông Đồng Nai có thuỷ điện Trị An với công suất 400 MW; trên sông
La Ngà đã xây dựng thuỷ điện Hàm Thuận - Đa Mi có công suất 500 MW; trên
sông Bé có thuỷ điện Thác Mơ công suất 160 MW và thuỷ điện Cần Đơn 72 MW ;
trên Sông Hinh có đập và nhà máy thuỷ điện sông Hinh với công suất 70 MW và
phục vụ tưới cho 5000 ha ruộng đất...
Thuỷ lợi nước ta đã góp phần đắc lực phát triển nền nông nghiệp đa dạng,
trọng tâm là bảo đảm lương thực cho toàn xã hội, có xuất khẩu; đồng thời góp phần
to lớn vào việc phát triển thuỷ điện, khai thác nguồn năng lượng quan trọng, cấp
thoát nước cho công nghiệp và đô thị. Ngoài ra thuỷ lợi tạo điều kiện phát triển giao
thông thuỷ, góp phần phân bố lại lao động trong cả nước, làm biến đổi nhiều mặt về
xã hội qua tác dụng chống lũ, chống úng, giải phóng sức lao động ở nông thôn, cải
thiện môi trường làm cho nông thôn trở nên văn minh, sạch đẹp.
Công trình tháo nước (CTTN) là một hạng mục không thể thiếu được của
một đầu mối thủy lợi. Nó dùng để tháo nước thừa trong mùa lũ, đảm bảo an toàn

cho cả đầu mối; ở một số đầu mối thủy lợi, CTTN còn được kết hợp để tháo nước
thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hồ chứa, hay kết hợp để tháo nước
thi công.
Do vai trò đặc biệt quan trọng của CTTN, đối với một số đầu mối Thủy lợi,
ngoài CTTN chính, người ta còn bố trí thêm đường tràn phụ, tràn sự cố (TSC) để hỗ
trợ tháo những con lũ vượt quá mức thiết kế.


11

Hình 1-1: Một số đập – hồ chứa được xây dựng đầu tiên trên thế giới
1.2 Bố trí cửa van hình cung ở đập tràn
1.2.1 Khái niệm cửa van cung
+ Khái niệm về cửa van:
Cửa van là một bộ phận của công trình thủy lợi, thủy điện bố trí tại các lỗ
tháo nước của đập, cống… để khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu
cầu tháo nước ở các thời kỳ khác nhau. Cửa van có thể di động được nhờ sức kéo từ
các thiết bị đóng mở hoặc nhờ sức nước. Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các
bộ phận cố định gắn chặt vào mố hoặc ngưỡng của công trình tháo.
+ Khái niệm về cửa van hình cung


12

Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nước cong mặt trụ. Sau tấm
chắn nước là hệ thông dầm tựa vào càng, chân càng tựa vào trục quay gắn vào trụ.
Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là chuyển động quay.

Hình 1-2: Mô hình cửa van cung
Khi trục quay của cửa van trùng với tâm vòng tròn của tâm chắn, áp lực

nước sẽ truyền qua càng đến trục quay. Nếu tâm quay nằm thấp hơn tâm cung mặt
chắn thì lực mở sẽ giảm; khi tâm quay nằm phía trên tâm cung mặt chắn thì áp lực
nước có tác dụng ép cửa van xuống ngưỡng làm cho đáy khít hơn, ít rò rỉ. Song
nhược điểm của các trường hợp này là dễ gây hiện tượng rung động khi mở cửa. Vì
vậy thường bố trí trục quay trùng với tâm vòng tròn của mặt chắn.
Ưu điểm của van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng, điều tiết
lưu lượng khá tốt, trụ có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông. Tuy
nhiên trụ phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van. Áp lực nước tác dụng tập
trung lên trụ (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong trụ và việc bố trí cốt


13

thép chịu lực phức tạp, nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai
chiều. Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng.
Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có nhịp
lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng thép.
Khi cửa van không lớn cũng có thể làm bằng gỗ.
Cửa van cung lớn thường được dùng đóng mở cửa xả lũ ở đập tràn. Cửa van
hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu, có cửa phụ
hoặc không có cửa phụ trên đỉnh van. Cửa van trên mặt là cửa van có đỉnh cao hơn
cao trình mực nước thượng lưu, cửa van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn mực
nước thượng lưu.

Hình 1-3a: Cửa van trên mặt có tâm bản mặt trùng với tâm quay
T©m t«n b­ng

T©m quay cöa

Hình 1-3b: Cửa van trên mặt có tâm bản mặt không trùng với tâm quay

14

Hình 1-3c: Cửa van cung dưới sâu
Các yêu cầu khi thiết kế cửa van là: Cấu tạo đơn giản, lắp ráp, sửa chữa dễ
dàng, đóng mở nhẹ và nhanh; đủ khả năng chịu lực, làm việc an toàn và bền; đảm
bảo mỹ quan, giá thành hợp lý. Trong quá trình sử dụng, cửa van phải đảm bảo
khống chế được mọi lưu lượng khác nhau theo yêu cầu khai thác. Chỗ tiếp xúc giữa
cửa van với trụ, ngưỡng đáy, tường ngực phải có thiết bị chắn nước tốt để chống rò
rỉ. Trường hợp phía thượng lưu có nhiều bùn cát hay vật nổi thì cửa van phải có khả
năng tháo bùn cát hay vật nổi dễ dàng.
1.2.2 Phân loại cửa van cung
Cửa van hình cung được phân loại như sau:
+ Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: Cửa van trên mặt và
cửa van dưới sâu.
+ Theo hình thức nước chảy qua van, có thể chia thành ba nhóm: Cửa van
cho nước chảy ở dưới, cho nước tràn qua cửa van, nước chảy qua đỉnh van và chảy
dưới van.
+ Theo kết cấu, cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có cửa
phụ và cửa van kép.


15

Hình 1-4: Hình dạng cửa van cung
Trong các đập tràn thường dùng cửa van cho nước chảy ở dưới hoặc vừa cho
nước chảy ở dưới vừa cho nước tràn qua van. Trong các âu tàu thuyền chỉ dùng loại
cho nước tràn qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống.
Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai tầng được dùng khi cần tháo vật nổi

hoặc cần tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thì phải mất một lượng
nước khá lớn.
1.2.3 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay
Phần lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung tròn có tâm trùng với tâm
quay, trong các sông có lượng phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì tâm quay
có thể đặt thấp hơn tâm của bản mặt.
Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù sa tác
dụng lên bản mặt, và giảm được lực kéo của máy đóng mở khi nâng van.
Cửa van được dùng phổ biến nhất hiện này là cửa van hai dầm chính chịu tải
trọng bằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quay của
cửa van.


16

Khung chính được chia làm các loại sau: Chân thẳng và chân cứng, chân
thẳng và mảnh, chân xiên và mảnh.
Cửa van chân cứng: Có lực xô ngang lớn, làm giảm được moomen uốn trong
dầm, nhưng mômen uốn trong chân lại lớn, đồng thời khi cửa van chuyển động có
lực ma sát ở mặt bên của gối bản lề. Cửa van chân mảnh được dùng phổ biến nhất,
trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn độ cứng của dầm vì vậy ảnh hưởng
của lực ngang có thể bỏ qua.
Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau:
- Giảm được mômen uốn trong dầm chính, do đó dầm chính sẽ nhỏ. Khi nhịp
van dưới 12m và cột nước dưới 5m có thể dùng thép định hình làm thép dầm chính.
- Chiều cao dầm chính giảm nên kết cấu giàn ngang có thể nhỏ, trọng lượng
giảm, do đó lực kéo cần thiết của máy đóng mở cũng giảm.
Cửa van chân xiên cũng có nhược điểm như sau:
- Cấu tạo gối bản lề và cấu tạo mối nối giữa dầm chính với chân van khá
phức tạp.

- Làm tăng nội lực trong chân van, đồng thời chiều dài của chân van cũng
lớn.
- Khi có nước tràn qua đỉnh van không nên sử dụng.
1.2.4 Phạm vi ứng dụng
Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình tiêu và tưới, nhịp có
thể đạt tới 40m với chiều cao dưới 14m.
Khi nhịp từ 10÷12m, thường dùng loại van cung hai khung chính, chân mảnh
thẳng hay xiên. Với nhịp 6÷12m cột nước từ 2.5÷4m thường dùng loại chân xiên và
ô dầm ngang. Ở những đầu âu thuyền để tăng thêm chiều dài, giảm năng lượng
dòng chảy dưới van khi đưa nước vào buồng âu, dùng van hình cung tốt hơn van
phẳng.
Không dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm và
cửa van thi công vì gối tựa cố định. Cửa van hình cung có thể bố trí trong khe van
hoặc ở mặt ngoài của trụ pin.


17

Cửa van hình cung được dùng rộng rãi trong công trình thủy lợi vì nó có
nhiều ưu điểm:
- Có thể dùng trên đập tràn với mặt cắt bất kỳ mà không cần mở rộng đỉnh
đập.
- Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng tốt hơn của van
phẳng.
- Cửa van được liên kết gối bản lề cố định nên chuyển động của van được
xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc do vênh.
- Lực kéo của máy đóng mở nhỏ, có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực
nước không đi qua trục quay van để giảm áp lực đóng mở.
- Có thể nhấc van ở một phía, do đó kích thước kết cấu của cần trục có thể
nhỏ đi.

Van cung cũng có một số nhược điểm sau:
- Phải có mố và tường biên dài.
- Độ cứng của van cung nhỏ hơn van phẳng.
- Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu yêu cầu gối bản lề
không ngâm nước thì chân van phải rất dài.
1.3 Điều kiện làm việc của kết cấu trụ van cung
Các công trình thủy lợi, thủy điện lớn ở nước ta như Định Bình, Sê San 3A,
Cửa Đạt, Hòa Bình, Sơn La, Sông Hinh,… đều dùng cửa van hình cung trên các đập
tràn, có nhịp van B=10÷15m, có chiều cao van H=12÷18m, bán kính bản mặt
R=12÷21m.


18

Hình 1-5: Thủy Điện Sơn La

Hình 1-6: Thủy điện Hòa Bình
Trụ van cung là một kết cấu không gian chịu lực phức tạp. Dưới tác dụng của
ngoại lực, các trạng thái chịu lực chính của trụ như sau:
- Chịu nén: do trọng lượng bản than trụ và các thiết bị đặt trên trụ.
- Chịu kéo: do lực đẩy của càng van vào tai trụ, trong khi đáy trụ bị ngàm
chặt vào thân đập tràn nên phần thân trụ sẽ bị kéo.


19

- Chịu uốn: đối với trụ biên, hoặc trụ giữa nhưng một bên van mở và một
bên van đóng thì có áp lực nước xô ngang làm cho trụ bị uốn theo phương trục đập
(từ trái qua phải hoặc ngược lại).
- Chịu cắt: do tác dụng của áp lực nước khi van đóng có thể làm cho mặt tiếp

giáp trụ với thân tràn bị cắt rời. Ngoài ra lực tập trung tại tai trụ cũng có tác dụng
cắt rời tai trụ khỏi mặt bên của trụ.
Về hình dạng trụ, do đặc điểm kết cấu, đáy trụ không phải là mặt nằm ngang
mà thường uốn cong theo dạng đập tràn. Đỉnh trụ cũng thường không bằng phẳng
mà có cao trình thay đổi theo các vị trí đặt cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả
phai…Trong tính toán nói chung thường đơn giản hóa hình dạng trụ và có thể dẫn
đến sai số lớn, nhất là ở các biên.
Như vậy, do đặc điểm kết cấu và ngoại lực tác dụng, trụ van cung có trạng
thái chịu lực rất phức tạp và thay đổi giữa các trường hợp tính toán. Điều này đòi
hỏi trong tính toán kết cấu trụ phải áp dụng các phương pháp phù hợp nhằm giảm
thiểu các mô tả đơn giản hóa và tính toán cho các trường hợp khác nhau.
1.4 Tổng quan về phương pháp tính toán kết cấu trụ van
Như trên đã nêu, trụ van cung là một kết cấu có hình dạng và tính chất chịu
lực phức tạp. Trong tính toán thường phân thành 2 bước lớn: Phân tích ứng suất và
tính toán cốt thép.
1.4.1 Phân tích ứng suất mố trụ
1) Phương pháp truyền thống
Phương pháp này được áp dụng trong một thời gian dài khi các công cụ hỗ
trợ tính toán chưa phát triển mạnh. Thực chất của phương pháp này là đơn giản hóa
kích thước hình học và điều kiện chịu lực của trụ, đưa về sơ đồ phân tích ứng suất
của một nêm phẳng có tải trọng (mômen và lực tập trung) tác dụng ở đỉnh của nêm.
Kết quả tính toán cho ta hình ảnh về phân bố ứng suất (trị số và phương chiều) trên
toàn trụ. Còn phần tai van được tách ra tính riêng như một dầm công xôn ngắn được


20

ngàm vào trụ. Độ bền của phần tai van trụ được kiểm tra theo điều kiện chịu uốn,
chịu cắt (tại mặt tiếp giáp với trụ) và chịu ép mặt (tại vị trí trục quay tỳ vào tai van).
Do việc đơn giản hóa kích thước hình học nên kết quả ứng suất ở các biên

thường không chính xác, đặc biệt là ở mặt tiếp giáp giữa chân trụ và thân đập tràn
được đơn giản hóa thành mặt nằm ngang. Tuy nhiên, kinh nghiệm tính toán cho
thấy ứng suất ở các biên thường không lớn và trị số ứng suất chủ đạo quyết định
hàm lượng cốt thép trong trụ vẫn là ứng suất ở phạm vi lân cận tai trụ. Do đó tính
toán theo phương pháp truyền thống về cơ bản vẫn đảm bảo được điều kiện bền của
trụ khi chịu lực.
2) Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
Phương pháp này xét trụ như một kết cấu không gian và chịu lực cùng với
thân tràn, do đó mô tả được sự làm việc của trụ sát thực tế hơn. Kết cấu toàn khối
của trụ và phần thân tràn liền kề được chia thành các phần tử dạng khối bất kỳ. Các
phần tử khối được liên kết với nhau thông qua các điểm nút. Ứng suất của các điểm
nút được suy diễn từ các phương trình mô tả chuyển vị của các nút gắn với các phần
tử liền kề. Để đảm bảo sự chính xác cho phép thì số phần tử được chia phải đủ lớn,
số phương trình mô tả nhiều, do đó phương pháp này cần được hỗ trợ bởi các công
cụ tính toán mạnh là máy tính điện tử.
Mô tả cụ thể nội dung của 2 phương pháp phân tích ứng suất trụ được trình
bày ở chương 2.


21

1.4.2 Bố trí cốt thép chịu lực trong trụ
a)

b)

Hình 1-7: Bố trí thép chịu lực ở trụ van cung
a. Thép hình rẻ quạt ; b. Thép chịu lực đặt song song
Hiện nay trên thế giới có hai quan điểm bố trí cốt thép trong trụ pin:
- Quan điểm thứ nhất: bố trí thép hình rẻ quạt (hình 1-7a), cốt thép được bố

trí dựa theo sự phân bố ứng suất trong trụ pin. Trường phái này được sử dụng rộng
rãi trên thế giới bởi các nước Đông Âu. Du nhập vào Việt Nam do Liên Xô, đã trợ
giúp lớn về mặt kỹ thuật cho các công trình lớn của nước ta trước đây. Các công ty
tư vấn của ta phần lớn sử dụng phương pháp bố trí thép này để thiết kế trụ pin van
cung. Đây là phương pháp bố trí thép quen thuộc đối với chúng ta, tuy nhiên nhược
điểm là lượng thép bố trí quá nhiều.
- Quan điểm thứ hai: bố trí thép song song theo hướng chịu lực chính trong
trụ pin, có ứng lực trước hoặc không ứng lực trước (hình 1-7b).

Quan điểm này

phổ biến ở các nước Tây Âu, đặc biệt là Mỹ, đặc điểm của phương án bố trí này là
các thanh thép đã chịu một phần ứng suất trước, do vậy khi trụ pin làm việc, phần
ứng suất này được giải phóng và bù phần ứng suất trụ pin phải chịu do tải trọng.
Quan điểm này tỏ ra hữu hiệu trong việc tiết kiệm cốt thép, cách bố trí cũng đơn
giản hơn. Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước
cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình.


22

Hình 1-8: Hình ảnh một công trình bố trí cốt thép theo quan điểm thứ 2
1.5 Giới hạn nội dung nghiên cứu
Việc nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất và biến dạng trụ van cung
trong luận văn này được giới hạn trong phạm vi sau:
Nghiên cứu bài toán không gian 3 chiều theo phương pháp phần tử hữu hạn cho
1 khối bao gồm trụ pin gắn với 1 phần tràn cắt lìa. Liên kết dưới đáy của khối này
được coi là liên kết ngàm.
Trong nội dung nghiên cứu không xét đến các lực tác dụng do cầu giao thông,
cầu trục chân dê, các phương tiện trên tràn,...

Cơ sở nghiên cứu tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ hiện hành
của Nhà nước và ngành Thuỷ Lợi Việt Nam.


23

CHƯƠNG 2
CÁC NỘI DUNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU TRỤ VAN CUNG
2.1 Tính toán kết cấu trụ van cung theo phương pháp truyền thống
Trong nhiều năm gần đây, việc tính toán kết cấu của trụ van cung vẫn thường
sử dụng phương pháp truyền thống với việc đưa bài toán ứng suất biến dạng của trụ
van cung về bài toán phẳng.
2.1.1 Phân tích ứng suất trụ giữa

2.1.1.1 Nguyên lý chung
Hình dạng của trụ pin thường phức tạp (hình 2.1). Để cho đơn giản, sử dụng
một bản hình chữ nhật có chiều dày không thay đổi để thay thế. Phía dưới bản cố
định chặt với nền, còn ba cạnh bên coi như tự do.
P
M

A

B

Q

45°

C

Hình 2-1: Sơ đồ bố trí van cung và trụ

D

Hình 2-2: Sơ đồ thay thế lực tác
dụng lên trụ

Do mố giữa chịu lực đẩy của van đối xứng, hợp lực của nó đặt ở mặt đối
xứng của mố, do đó ứng suất của mố giữa thuộc về bài toán ứng suất phẳng của lý
thuyết đàn hồi.
Thường thường, kích thước giá đỡ cửa van nhỏ hơn kích thước của trụ giữa
rất nhiều và gối đỡ này thường đặt ở góc của trụ. Do đó lực đẩy của van R có thể
dùng 2 phân lực P, Q và mô men M thay thế (hình 2.2).


24

Để tìm ứng suất do P, Q và M gây ra, có thể coi trụ pin là 1 bộ phận của bản
hình nêm vuông lớn, ở góc A chịu các ngoại lực P, Q, M tác dụng (hình 2.3).
Vì cạnh BC thực tế là tự do, để làm triệt tiêu ứng suất của biên có thể cho
thêm ứng suất có trị số bằng với ứng suất do hình nêm sinh ra nhưng có phương
ngược lại tác dụng lên mép biên. Đem ứng suất do 2 loại lực trên sinh ra cộng lại sẽ
được kết quả của bài toán trong trường hợp BC là tự do (phương pháp giải này chưa
xét đến ảnh hưởng của cạnh cố định CD).
Khi phân tích ứng suất bên trong hình nêm do các lực P, Q, M sinh ra, có thể
sử dụng các kết quả nghiên cứu hiện có. Khi nghiên cứu ứng suất do các tải trọng
ngược lại gây ra, có thể coi mố như 1 dầm conson ngắn để tính toán.
A

B
45°
45°

C

D

Hình 2-3: Sơ đồ bản hình nêm vuông

2.1.1.2 Các phương trình cơ bản
Trong các công thức dưới đây giả thiết chiều dày trụ pin bằng 1 m và các lực
P, Q, mô men M là các tải trọng tác dụng trên 1 chiều dày đơn vị.
1. Trường hợp góc đỉnh hình nêm chịu lực tập trung P tác dụng: Theo lý
thuyết đàn hồi, ứng suất trong bản sinh ra trong trường hợp này là:
σ r1 =

P
cos θ
.
1
α + sin 2α r
2

σ θ = 0 ; τ rθ = 0

(2-1)


25

Xét đến α = 45o = π/4 , thay vào công thức σ r1 và chuyển thành hệ trục
vuông góc x, y ta được:
σ r1 =

2 P ( x + y)

(2-2)

π

(1 + )( x 2 + y 2 )
2
P

O
y

α=45°
x

θ

σr1
y

x

Hình 2-4: Trường hợp lực tập trung P tại đỉnh hình nêm
2. Trường hợp góc đỉnh hình nêm chịu lực tập trung Q tác dụng, trường hợp

này, ứng suất tính theo công thức:
σ r2 =

Q
sin θ
.
1
α − sin 2α r
2

(2-3)

σ θ = 0 ; τ rθ = 0

Cũng như trên có thể đổi thành:
σ r2 =
(

π
2

2Q ( x − y )

(2-4)

− 1)( x + y )
2

2