Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ THIẾT BỊ
ĐÓNG MỞ CỬA VAN CỔNG KHẨU ĐỘ LỚN” đã được tác giả hoàn thành tại
Khoa Cơ Khí trường Đại học Thuỷ Lợi tháng 8 năm 2015. Trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của
thầy cô, bạn bè và gia đình.
Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS
Nguyễn Đăng Cường là người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá
trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến phòng đào tạo đại học và sau đại học, các thầy cô
trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy c trong khoa K thuật Cơ Khí đã tận
tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao học tại trường.
Trong khuôn khổ một luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không
thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp quý
báu của các thầy cô, và các đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 19 tháng 08 năm 2015.
Tác giả

Hoàng Thị Thanh Tâm


BẢN CAM KẾT

T i xin cam đoan: luận văn này là c ng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân
t i, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đăng Cƣờng .
Kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Tác giả

Hoàng Thị Thanh Tâm


MỤC LỤC

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀTHIẾT BỊ ĐÓNG MỞ ...........1
1.1 Tổng quan về các loại cửa van áp dụng cho c ng trình ngăn s ng ................1
1.1.1 Đặc điểm, chức năng của cửa van khẩu độ lớn ......................................1
1.1.2. Phân loại cửa van...................................................................................2
1.2. Các nghiên cứu và sử dụng cửa van có khẩu độ lớn trên thế giới .................4
1.3. Cửa van trong các c ng trình ngăn s ng ở Việt Nam..................................16
1.4. Thiết bị đóng mở cửa van [1] ......................................................................18
1.4.1. Thiết bị đóng mở cửa vít me .................................................................19
1.4.2. Thiết bị đóng mở kiểu thanh răng bánh răng.......................................20
1.4.3. Thiết bị đóng mở cửa van kiểu dây mềm (cáp, xích)............................20
1.4.4. Thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thuỷ lực ................................................22
CHƢƠNG II. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU VÀ PHƢƠNG PHÁP
TÍNH TOÁN CỬA VAN CỔNG ...........................................................................24
2.1. Lưạ chọn giải pháp kết cấu cửa van ............................................................24
2.1.1. Kết cấu cửa van ....................................................................................24
2.1.2. Sơ đồ cửa van .......................................................................................26
2.1.3.Tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên cửa .....................................30
2.2. Xây dựng phương pháp tính. .......................................................................30
2.2.1. Phương pháp phân tích kết cấu hệ phẳng ...........................................31
2.2.2. Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian [3] ..............................43
CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP ĐÓNG MỞ CỬA VAN CỔNG ...........................56
3.1. Lựa chọn giải pháp thiết bị đóng mở cửa van .............................................56
3.2. Yêu cầu chung đối với cơ cấu đóng mở cửa van.........................................60
3.3. Bố trí cơ cấu đóng mở cửa van cổng ...........................................................60
3.4. Giải pháp tính toán các thông số thiết bị đóng mở cửa van. .............61

CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CỬA VAN CỔNG ỨNG
DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ .................................................................66
4.1. Đặc điểm công trình và lựa chọn kết cấu cửa van hợp lý............................66
4.1.1.Giới thiệu chung về công trình ngăn sông Trà Lý ................................66
4.1.2. Nhiệm vụ của công trình ......................................................................66
4.1.3. Các thông số về công trình liên quan đến lựa chọn cửa van ...............67
4.1.4. Lựa chọn thông số thiết kế ...................................................................68
4.1.5. Lựa chọn kết cấu cửa van công trình thiết kế ......................................69
4.2. Tính toán cửa van cổng theo phương pháp phân tích hệ ph ng ..................69
4.2.1. Vật liệu chế tạo .....................................................................................69
4.2.2. Tính toán kết cấu cửa van ....................................................................70
4.3. Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian ............................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................88


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Cửa van cung đập tràn ......................................................................3
Hình 1.2. Cửa van ngăn s ng ...........................................................................4
Hình 1.3. Công trình Maeslandt kering khi mở và khi đóng hoàn toàn ..........5
Hình 1.4. Công trình Lower- Hà Lan ...............................................................6
Hình 1.5. Công trình Hartel Canal – Hà Lan. .................................................7
Hình 1.6. Cửa van ph ng trên công trình EMS-Đức .......................................8
Hình 1.7. Cống Haringvliet – Hà Lan ..............................................................9
Hình 1.8. Đập Upper Meuse – Bỉ ..................................................................10
Hình 1.9. Đập sông Thames – Anh ................................................................11
Hình 1.10. Công trình EMS – Đức ................................................................12
Hình 1.12. Mặt cắt ngang khoang cửa thông thuyền chính ...........................13

Hình 1.11. Khoang cửa ph ng ở trạng thái đóng và mở ................................13
Hình 1.13. Dự án ngăn các cửa sông ở Venice – Italia ..................................14
Hình 1.14. Dự án trên sông Olm, M ............................................................15
Hình 1.15. Đập Thảo Long được xây dựng theo công nghệ đập trụ đỡ .......16
Hình 1.16. Cống đập Phước Long kiểu xà lan lúc đóng và mở cửa cống .....17
Hình 1.17. Thiết bị đóng mở vít chạy điện- quay tay ....................................19
Hình 1.18. Thiết bị đóng mở kiểu thanh răng bánh răng ...............................20
Hình 1.19. Thiết bị kiểu dây mềm di động- cố định ......................................21
Hình 1.20. Máy đóng mở kiểu xilanh thuỷ lực. .............................................22
Hình 2.1. Cửa van cổng khi mở (hình trên); khi đóng (hình dưới)................24
Hình 2.2. Sơ đồ kết cấu cửa ...........................................................................26
Hình 2.3. Cửa van có th p bưng 1 phía (phải) và cửa ốp cả 2 phía (trái) ......27
Hình 2.4. Gối quay cửa van cổng...................................................................28
Hình 2.5. Cơ cấu nâng cửa van cổng .............................................................29
Hình 2.6. Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van .................................31
Hình 2.7. Phân tích áp lực lên cửa van ..........................................................33
Hình 2.8. Áp dụng nước tĩnh tác dụng lên cửa van theo đường trọng tâm....35


Hình 2.9. Phản lực tại các gối tựa ..................................................................36
Hình 2.10. Sơ đồ xác định các lực N,Q .........................................................37
Hình 2.11. Xác định m men tĩnh của nửa đường tròn..................................40
Hình 2.12. Lực tác dụng lên gối khi cửa van đóng. .......................................41
Hình 2.13. Lực tác dụng lên gối khi cửa van mở. ..........................................42
Hình 2.14. Vị trí đặt gối quay cửa van cổng ..................................................42
Hình 2.15. Kết cấu tổ hợp bản với dầm .........................................................46
Hình 2.16. Hệ toạ độ cục bộ của phần tử thanh ............................................52
Hình 2.17. Trục toạ độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh ...............................52
Hình 2.18. Hệ toạ độ cục bộ 123 của phần tử thanh .....................................53
Hình 2.19. Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏ ..................................................53

Hình 2.20. Quy ước dấu của lực dọc và mômen xoắn ...................................54
Hình 2.21. Quy ước dấu của lực cắt và mômen uốn ......................................54
Hình 2.22. Quy ước dấu nội lực của vỏ .........................................................54
Hình 3.1. Thiết bị nâng cửa van cổng bằng xi lanh thuỷ lực .........................56
Hình 3.2. Thiết bị nâng cửa van cổng bằng tời cáp .......................................57
Hình 3.3. So sánh góc nâng lực kéo cáp và xi lanh .......................................57
Hình 3.4. Dây cáp luôn tiếp tuyến với đường tròn chuyển động của cửa .....58
Hình 3.5. Hệ thống cáp và ròng rọc đóng mở cửa- vị trí đóng ......................59
Hình 3.6. Hệ thống đóng mở cáp- vị trí mở hết để thong ..............................59
Hình 3.7. Tời kéo cửa van ..............................................................................61
Hình 3.8. Xác định lực k o m i nhánh dây cáp .............................................62
Hình 4.1. Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên cửa van ....................................71
Hình 4.2. Bố trí khung dầm cửa van ..............................................................72
Hình 4.3. Mặt cắt đứng kết cấu cửa van cổng................................................74
Hình 4.4. Mặt cắt ngang dầm cửa van ...........................................................74
Hình 4.5. Lực đóng mở cửa van.....................................................................76
Hình 4.6. Định nghĩa tiết diện dầm ................................................................78
Hình 4.7. Xây dựng sơ đồ lưới cửa van cổng ................................................79


Hình 4.8. M hình cửa van cổng trong SAP ..................................................80
Hình 4.9. Mô hình thép bản mặt cửa van .......................................................80
Hình 4.10. Phổ màu áp lực nước thượng lưu lên bề mặt ...............................80
Hình 4.11. Phổ màu áp lực nước hạ lưu lên bề mặt .......................................81
Hình 4.12. Tổ hợp tải trọng ............................................................................81
Hình 4.13. Chuyển vị giữa dầm .....................................................................82
Hình 4.14. Phổ màu lực dọc dầm chính ........................................................83
Hình 4.15. Lực tác dụng vào gối quay cửa van .............................................83

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1.Thông số của cửa van tính toán:.................................................69
Bảng 4.2. Ứng suất cho phép của kết cấu thép .........................................70
Bảng 4.3. Áp lực nước tác dụng lên cửa van .............................................71
Bảng 4.4. Ứng suất các ô dầm th p bưng ..................................................73
Bảng 4.5. Bảng thông số dầm cửa van ......................................................74
Bảng 4.6. Lực tác dụng lên 1 gối quay cửa van cổng ...............................75
Bảng 4.7. Tính toán đường kính trục gối quay ..........................................76
Bảng 4.8. Lực tác dụng vào gối quay. .......................................................84
Bảng 4.9. Bảng so sánh với kết quả phân tích theo hệ ph ng ...................84


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu, cụm từ không những được nhắc đến nhiều trong truyền
thông, mà thực tế ảnh hưởng tiêu cực của nó trên toàn cầu đang diễn ra nhanh hơn
so với dự báo của các nhà khoa học. Thiên tai như hạn hán bất thường, mưa lớn, lũ
lụt, bão với tốc độ gió cực lớn, lốc xoáy có sức tàn phá mạnh và khốc liệt đã xẩy ra
thường xuyên hơn trước. Nhiệt độ trái đất ngày một tăng cao, làm tan băng cả bắc
cực và nam cực, dẫn đến nước biển dâng cao, làm úng ngập nhiều vùng ven biển
rộng lớn, làm xâm nhập mặn phá hoại mùa màng, ảnh hưởng lớn đến đời sống của
người dân. Trong khi đó, Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200km, dân cư tập
trung đ ng tại các vùng đồng bằng ven biển, các hoạt động kinh tế phụ thuộc nhiều
vào nông nghiệp, tài nguyên thiên nhiên.
Theo khuyến cáo của Liên hợp Quốc, Việt Nam là một trong năm nước ảnh
hưởng lớn nhất do nước biển dâng. Nếu nhiệt độ trái đất nóng lên thêm 20C thì đồng
bằng sông Cửu Long sẽ mất đến 45% đất canh tác và có đến 20 triệu người mất nhà
cửa. Đặc biệt thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ …là các thành phố bị đe dọa ảnh
hưởng triều cường nhất trên thế giới. Trong những năm gần đây, triều cường gây
úng ngập thành phố ngày càng nhiều, năm sau cao hơn năm trước, thời gian úng

ngập kéo dài nhiều ngày hơn trong năm. Kéo theo hệ lụy gây khó khăn cho phát
triển kinh tế xã hội.
Những n lực để ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng trong thời
gian qua của thế giới đã dẫn tới một thông điệp mang tính chiến lược: đó là chúng ta
ưu tiên cho những giải pháp thích ứng thích hợp một cách khoa học, nhằm giảm
thiểu các tác động như xây dựng các công trình cứng như đê kè ven biển, đập ngăn
sông và các giải pháp công trình khác. Khi nghiên cứu biện pháp ngăn sông để
chống triều cường, một bộ phận phải nghĩ tới đó là cửa van. Do đặc điểm của dòng
chảy liên tục trên sông, yêu cầu về giao thông thủy, về bảo vệ môi trường sinh thái,
cảnh quan mà các cửa van trên sông phải sử dụng với khẩu độ lớn (thường có chiều


rộng trên 30 m). Cửa van khẩu độ lớn được nghiên cứu ở nước ta trong khoảng 10
năm trở lại đây.
Như vậy, việc xây dựng các c ng trình trên s ng rạch để kiểm soát triều là
còn mới mẻ ở Việt Nam. Nước ta mới nghiên cứu và xây dựng một vài c ng trình
ngăn s ng như c ng trình Thảo Long với dạng cửa van clape trục dưới, có khẩu độ
31,5m, chiều cao cột nước chỉ đến 4,2m. Với các loại cửa van có khẩu độ trên 40m,
chiều cao cột nước trên 10m đang được nghiên cứu và hầu như chưa có kinh
nghiệm thiết kế thi c ng. Để đáp ứng được yêu cầu về quy m c ng trình trên s ng
lớn, đáp ứng yêu cầu thủy lực c ng trình và cấp độ giao th ng thủy, chúng ta phải
nghiên cứu các loại cửa van có khẩu độ trên 50m, chiều cao cột nước cao hơn 15m,
với các giải pháp đóng mở khác nhau. Do đó sự lựa chọn hình thức cống với cửa
van truyền thống kh ng còn phù hợp với điều kiện thực tế. Chính vì vậy em chọn đề
tài nghiên cứu của luận văn: “ Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở
cửa van cổng khẩu độ lớn” là rất cấp bách và cần thiết, góp phần vào nghiên cứu
cửa van khẩu độ lớn hiện nay của Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Luận văn được thực hiện nhằm đạt được các mục đính sau:
- Đánh giá tổng quan hiện trạng các loại cửa van khẩu độ lớn đã sử dụng trên

thế giới và ở Việt Nam;
- Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc, lựa chọn kết cấu cửa van cổng;
- Nghiên cứu tính toán thiết bị đóng mở cửa van cổng;
- Xây dựng phương pháp tính cửa van cổng và áp dụng vào công trình.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
a. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cửa van cổng có khẩu độ lớn đồng bộ với
thiết bị đóng mở lắp đặt cho công trình trên sông.
b. Phạm vi nghiên cứu:


Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu cửa van cổng về cấu tạo, kết
cấu, phương pháp tính nguyên lý hoạt động đồng bộ cùng thiết bị đóng mở và ứng
dụng vào công trình cụ thể.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tổng kết và nghiên cứu kết cấu các loại cửa van đã được sử dụng trong và
ngoài nước;
- Tiếp cận các thành tựu KHCN trên thế giới: Cập nhật các tài liệu k thuật,
các thông tin về công nghệ xây dựng c ng trình ngăn s ng và cửa van trên thế giới
để nghiên cứu áp dụng phù hợp với điều kiện thực tiễn kinh tế - xã hội ở Việt Nam;
- So sánh, đề xuất kết cấu cửa van và thiết bị đóng mở phù hợp với công
trình;
- Phân tích, xây dựng công thức tính và sử dụng phần mềm tính toán kết cấu
cụ thể và rút ra kết luận.


1

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀ
THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ

1.1 Tổng quan về các loại cửa van áp dụng cho công trình ngăn sông
1.1.1 Đặc điểm, chức năng của cửa van khẩu độ lớn
Việt Nam là quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lại có địa hình đa dạng,
với hàng trăm con s ng chảy ra biển dọc suốt chiều dài hơn 3.200 km bờ biển từ
Bắc vào Nam. Các con s ng đã mang đến nguồn nước dồi dào phục vụ cho nông
nghiệp, công nghiệp, thủy điện và sinh hoạt ở nước ta.
Tuy nhiên, một khó khăn rất lớn là s ng thường nhiều nước vào mùa mưa, và
cạn kiệt, thiếu nước vào mùa khô, cộng với nước biển ngày càng dâng cao do ảnh
hưởng của biển đổi khí hậu. Điều này không những gây thiếu nước cho các sông, hồ
phục vụ nông nghiệp, thủy điện mà còn khiến cho nước mặn xâm nhập vào sâu
trong đất liền, ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và
đời sống người dân.
Trong điều kiện đó, người ta cũng đã xây dựng các c ng trình ngăn s ng
nhỏ, kênh rạch để chống nước biển dâng, ngăn mặn, giữ nguồn nước ngọt. Các công
trình đã được sử dụng nhiều ở đồng bằng sông Cửu Long, chủ yếu là các cửa van tự
động thủy lực vùng triều, quy mô công trình không lớn. Nhưng do biến đổi khí hậu,
triều cường ngày càng lớn, vì vậy đòi hỏi phải có giải pháp công trình lớn hơn, nhất
là các sông lớn để ngăn triều.
Công trình trên sông chủ yếu dùng cửa van làm thành tường chắn hay gọi là
barie trên sông. Các cửa van được đặt vào khe van ở các trụ pin xây sẵn. Các thiết
bị đóng mở được đặt trên đỉnh trụ pin để vận hành. Việc khai thác công trình có đạt
hiệu quả như thiết kế hay không là phụ thuộc rất lớn vào độ tin cậy của quá trình
vận hành các cửa van trên công trình. Nếu vận hành các cửa van có sự cố thì dẫn
đến không những tổn hại lớn cho công trình mà còn gây tác hại cho sản xuất, đời
sống của cả vùng.
Để bảo đảm tốc độ dòng chảy qua c ng trình và đáp ứng được yêu cầu về
cấp độ giao thông thủy, chúng ta phải xây dựng các công trình trên sông có khẩu độ


2

lớn có nơi lên trên 75m, độ tĩnh kh ng trên 9m tùy theo cấp độ giao thông thủy của
từng công trình, tải trọng lên tới hàng trăm tấn, thiết bị đóng mở với hành trình lớn.
Chúng ta phải nghiên cứu sâu hơn về cửa van, thiết bị đóng mở và cải tiến công
nghệ, nâng cao khả năng nghiên cứu thiết kế để đáp ứng yêu cầu mới.
Các lọai cửa van có khẩu độ lớn hơn 45m và có chiều cao trên 10m tuy chưa
từng được chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam nhưng đã được áp dụng ở nhiều công
trình trên sông của nhiều nước trên thế giới, vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng vào
các c ng trình ngăn triều ở nước ta là hoàn toàn khả thi. Sự ứng dụng thành công
loại cửa van có khẩu độ lớn cho các công trình sẽ mở ra thời kỳ mới ứng dụng công
nghệ tiên tiến cho các công trình kiểm sóat triều quy mô lớn, giảm nhẹ ảnh hưởng
của tình trạng nước biển dâng trong tương lai.
1.1.2. Phân loại cửa van
a. Nhiệm vụ, chức năng của cửa van.
Cửa van là một bộ phận cơ khí thủy công rất quan trọng trong công trình
thủy lợi, thủy điện nói chung và công trình kiểm soát triều, ngăn mặn giữ ngọt nói
riêng. Cửa van được lắp đặt vào các khoang của công trình thủy lợi, thủy điện, có
thể là cống lộ thiên, hay cống ngầm. Nhiệm vụ của cửa van là điều tiết dòng chảy
và bảo vệ an toàn cho công trình trong quá trình sử dụng: đóng để trữ nước trong
c ng trình đầu mối, hồ chứa và mở để cấp nước tưới, cấp nước phát điện, thoát lũ
điều tiết mực nước bảo vệ công trình. Mặt khác cửa van được lắp ở các công trình
trên s ng khi đóng để ngăn triều, giữ ngọt; khi mở để tiêu úng, điều tiết mực nước,
phục vụ giao th ng...Để vận hành đóng mở cửa van thường sử dụng các thiết bị
đóng mở dùng năng lượng điện, thủy lực. Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các
bộ phận cố định gắn chặt vào mố của công trình.
b. Phân loại cửa van
Cửa van được sử dụng rất rộng rãi trong công trình thủy lợi. Hình thức của
chúng rất đa dạng, phong phú. Có thể phân loại cửa van theo nhiều cách khác nhau.
Nhưng ở đây chỉ phân loại theo loại công trình:

3

1. Cửa van trên c ng trình đầu mối
C ng trình đầu mối là các c ng trình đập cố định bằng bê tông hoặc đập đất,
mục đích là để trữ nước vào mùa mưa của một lưu vực để sử dụng vào mùa khô.
Như vậy cửa van lắp đặt vào c ng trình khi đóng kín thì nó trở thành một phần của
thân đập để giữ nước,
khi mở là cung cấp
nước cho vùng hạ du,
hoặc theo đường ống
vào buồng tua bin phát
điện. Đập càng cao thì
cột nước tác dụng lên
cửa van càng lớn, có
nơi trên 50m cột nước,
th ng thường áp lực
nước tác dụng lên cửa
van từ một phía, nên lực
đóng mở cần công suất

Hình 1.1.Cửa van cung đập tràn

lớn.
Vì vậy các cửa van trên c ng trình đầu mối thường có khẩu độ nhỏ, tốc độ
dòng chảy dưới van lớn, lưu lượng lớn. Cửa van đầu mối có nhiệm vụ điều tiết dòng
chảy, điều tiết mực nước trong hồ và bảo đảm an toàn cho công trình, cửa van đầu
mối vận hành ít.
Cửa van đầu mối đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm, có hàng chục loại
kết cấu khác nhau như: cửa van ph ng trượt, cửa van ph ng bánh xe k o đứng, cửa

van cung, cửa van rẻ quạt, cửa van mái nhà, cửa sập, cửa clape trục dưới, cửa van
chữ nhân, cửa van trụ đứng, trụ ngang, cửa van trống, cửa van cổng...,
M i cửa van đáp ứng cho các điều kiện, đặc điểm của từng công trình cụ
thể.


4

2. Cửa van trên sông
So với c ng trình đầu
mối, cửa van trên sông có
những đặc tính k

thuật phức

tạp hơn rất nhiều, nhất là sông
ven biển. Sông có dòng chảy
liên tục từ đất liền ra biển, khi
có thủy triều thì đổi dòng ngược
lại. Để đảm bảo dòng chảy tự
nhiên qua công trình không bị
cản quá lớn, không gây xói lở…

Hình 1.2. Cửa van ngăn sông

thì cửa van phải có khẩu độ lớn.
Mặt khác phải bảo đảm yêu cầu giao thông thủy qua công trình. Tuy khẩu độ lớn
nhưng áp lực nước tác dụng lên cửa chủ yếu là sự chênh lệch cột áp của hai phía
của cửa van. Có nghĩa là hai phía của cửa van bao giờ cũng có mực nước nhất định.
Do đó, áp suất lên cửa van không lớn, nhưng do khẩu độ lớn nên bất lợi về độ ổn

định, trọng lượng cửa van lớn. Tuy nhiên khi mở cửa thường lợi dụng lúc đổi dòng,
nước đứng, nên lực đóng mở chỉ là trọng lượng bản thân cửa. Các thiết bị đóng mở
có công suất đáp ứng được lực đóng mở này.
Do mục đích sử dụng c ng trình trên s ng đa dạng hơn nên chỉ có thể sử
dụng được một số loại cửa van có dạng giống cửa van đầu mối; Đó là cửa van
ph ng k o đứng, cửa van cung, cửa van cổng, cửa van viên phân quay, cửa chữ
nhân, cửa van clape trục dưới và clape trục trên. Các loại cửa van này cũng đã được
sử dụng ở c ng trình đầu mối, nhưng đã cải tiến nhằm giảm thiểu các nhược điểm
của chúng để sử dụng vào công trình trên sông
1.2. Các nghiên cứu và sử dụng cửa van có khẩu độ lớn trên thế giới
Nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước có sông tiếp giáp với biển, có
tác động từ triều dâng, đã nghiên cứu thiết kế nhiều loại cửa van để ngăn s ng
chống úng ngập, bão lớn. Một số loại cửa van điển hình như:


5

1.Cửa van cung trục đứng mở ngang (Vertical axis sector gates):
Cửa van cung trục đứng có kết cấu phần động với mặt cắt ngang dạng hình
cung. Khi hoạt động, cửa quay quanh trục th ng đứng đi qua tâm cối quay, lực tập
trung về cối trục do vậy cửa van có khả năng chịu lực lớn.
Cửa van loại này đã được áp dụng ở c ng trình như cống Maeslant thuộc dự
án Delta – Hà Lan (2 cửa van cung trục đứng có bán kính cửa van 240m)
Có thể nói rằng đây là sự kỳ diệu của trí tuệ con người trong lĩnh vực xây
dựng công trình thủy. Theo WIKIPEDIA, đây là kết cấu động lớn nhất hành tinh.
Công trình có tên gọi Maeslant Barrier được xây dựng như một lá chắn bảo
vệ vùng ven biển trước bão mạnh ở cảng Rotterdam, Hà Lan. Hai cánh cửa hình
quạt, chắn trọn tuyến luồng tàu có chiều dài gần 300m, rộng 210m và chiều cao
22m; trọng lượng gần 5500 tấn. Tuyến luồng tàu, tại vị trí công trình, rộng 360m và
sâu 17m. Từ 1997 đến nay tại

đây chưa bị nước ngập đe
dọa. Cửa van làm việc theo
nguyên lý tàu ngầm. Trong
điều kiện yên bình, chúng
nằm trong khoang hầm khô
ráo.
Trước khi cần ngăn
sông khoảng 8 giờ, khoang
hầm được mở ra nạp đầy
nước. Sau 15 phút cửa van đã
ở tình trạng ngập nước, 4 giờ
trước khi ngăn s ng, Trung
tâm điều hành cảng sẽ ra lệnh
dừng lưu th ng tàu thuyền, 2
giờ trước khi đóng cửa tín
hiệu giao thông thủy sẽ bật
Hình 1.3. Công trình Maeslandt kering khi mở
và khi đóng hoàn toàn


6

sáng màu đỏ và cửa van bắt đầu di chuyển đến vị trí giữa sông. Thời gian đưa cửa
van từ khoang hầm ra đến giữa sông mất khoảng 15 phút. Sau khi hai cửa van giáp
nhau kín khít, các khoang của chúng được nạp đầy nước và được hạ xuống đáy s ng
dưới tác dụng của trọng lượng bản thân.
Mở cửa van được thực hiện theo quy trình ngược lại. Sau khi mối đe dọa từ
bão đã qua, nước ở các khoang được đẩy ra, cửa van nổi lên và di chuyển theo
đường cong về vị trí ban đầu của mình. Toàn bộ quá trình này được giám sát và
điều khiển bởi hệ thống B.O.S (hệ thống trợ giúp và ra quyết định). Hệ thống này tự

động thu thập dữ liệu, tiến hành mô phỏng tình huống trên máy tính và đưa ra quyết
định.
Tuy cửa van có nhiều ưu điểm, nhưng trong điều kiện Việt Nam về k thuật,
kinh tế, quy mô khó có thể áp dụng được.
2.Cửa van cổng hay lưỡi trai (Visor gate)
Đây là loại cửa van có hình dạng bán trụ, cánh cửa liên kết gối bản lề lên hai
trụ pin của công trình.
Quá trình hoạt động, cửa
van quay quanh gối bản
lề, khi mở kh ng ngăn
giữ nước, bảo đảm giao
thông thủy, cửa quay lên,
khi ngăn giữ nước cửa
van

quay

hạ

xuống

ngưỡng.
Loại cửa van này
ứng dụng trong công

Hình 1.4. Công trình Lower- Hà Lan

trình tiêu biểu như ngăn s ng Rhine – Hà Lan (2 khoang cửa rộng 54m), hay ở đập
Aji – Nhật Bản (c ng trình được xây dựng để phòng chống lũ cho thành phố
OSAKA, cửa van được thiết kế với khẩu độ rộng 57m).

7

Loại kết cấu cửa có khả năng chịu lực lớn, ổn định, khi cửa mở có thể cho
tàu thuyền di chuyển qua công trình, lực nâng hạ cửa van cổng tương đối nhỏ, do
quá trình cửa van đóng mở quay quanh cối bản lề cho nên một phần trọng lượng
cửa truyền lên gối quay, khi cửa kéo hết hành trình thì trọng lượng cửa van gây ảnh
hưởng lên lực kéo càng giảm, quá trình bảo dưỡng cửa van được thực hiện dễ dàng
và thuận tiện khi cửa van quay lên trên khỏi mặt nước. Khi cửa mở có độ tĩnh
không lớn, thích hợp cho giao thông thủy. Ngoài ra, một ưu điểm của loại cửa này
là có thể điều chỉnh vị trí đặt cối quay khi cần điều chỉnh độ tĩnh kh ng của cửa.
Tuy nhiên loại cửa này có hạn chế là cần khoảng không gian trụ pin lớn để bố trí
khung đỡ. Phần ngưỡng tiếp xúc ở đáy của cửa van cổng với công trình theo một
cung tròn cho nên việc bố trí kết cấu bản đáy c ng trình phức tạp.
3. Cửa van dạng thấu kính kéo thẳng đứng
Loại cửa van này có dạng như cửa van ph ng kéo th ng đứng, chỉ khác là
mặt chắn nước hình cong theo mặt ngang gần giống cửa van cổng. Loại cửa này đã
ứng dụng vào công trình ngăn s ng Hartel, Hà Lan (một khoang cửa rộng 49,3m và
một khoang cửa rộng 98m, chiều cao cửa là 9,3m), đóng mở bằng xi lanh thủy lực,
hình 1.5.
Loại cửa van có dạng thấu kính nằm ngang, cân bằng, có độ ổn định cao

Hình 1.5. Công trình Hartel Canal – Hà Lan.


8

trong quá trình vận hành, kết cấu cửa là một tổ hợp kết cấu giàn cho nên giảm được
trọng lượng cửa van, chắc chắn nên khẩu độ đạt đến 98m. Thiết bị đóng mở đơn

giản, quá trình bảo dưỡng cửa van được thực hiện dễ dàng và thuận tiện khi cửa van
được kéo lên khỏi mặt nước.
Khi k o đứng đòi hỏi hành trình thiết bị đóng mở lớn, chịu gió lớn khi neo
giữ trên cao.
4. Cửa van phẳng kéo đứng
Các loại cửa này có mặt chắn nước dạng ph ng như các cửa van trên công
trình đầu mối. Cửa van ph ng khẩu độ lớn k o đứng được sử dụng khá rộng rãi trên
nhiều công trình như c ng trình Shinanogawa – Nhật Bản, đóng mở bằng tời cáp.
Công trình trên sông EMS cộng hòa liên bang Đức đã sử dụng 5 cửa van ph ng kéo
th ng đứng có khẩu độ đến 63,5m, cao 10,5m, vận hành bằng xi lanh thủy lực.
Cửa van loại này có kết cấu mặt chắn nước là ph ng. Do vậy kết cấu tương
đối đơn giản, thiết kế và chế tạo dễ dàng, kết cấu công trình thủy c ng tương đối
đơn giản, kh ng đòi hỏi
độ chính xác cao. Để
hạn chế nhược điểm của
cửa van ph ng trượt kéo
đứng, người ta đã cải
tiến kết cấu như sử dụng
các dầm r ng, bố trí
dầm phụ đứng và ngang
về một phía, phía thứ
hai bố trí dầm chính

Hình 1.6. Cửa van phẳng trên công trình EMSĐức

kiểu dàn với ống thép r ng. Như vậy vừa giảm trọng lượng, tăng khả năng chịu tải
và tăng ổn định, chống lắng đọng rác, tăng lực đẩy nổi, chống nước biển ăn mòn.
Do ưu điểm của nó mà cửa van loại này được sử dụng nhiều trên các công
trình ngăn s ng, nhất là sử dụng cho các khoang cửa không cần giao thông thủy.
Thiết bị đóng mở cho cửa van này có thể là bằng xi lanh thủy lực hoặc tời cáp.

9

Hạn chế của loại cửa này là khi sử dụng cho khoang phục vụ giao thông thì
phải kéo lên cao, ảnh hưởng tới không gian của công trình, trụ pin thường rất cao
theo cấp c ng trình giao th ng. Như vậy khi sử dụng máy đóng mở bằng xi lanh
thủy lực có hành trình lớn sẽ rất khó khăn, rất ít nhà máy có thể sản xuất và đáp ứng
được điều kiện vận hành. Khi kéo lên cao thì diện tích chắn gió lớn, mômen do gió
gây ra sẽ tác dụng lên công trình thủy c ng và đặc biệt khi có gió bão. Như vậy hình
thức toàn bộ c ng trình kh ng được hài hòa khi độ tĩnh kh ng đòi hỏi lớn.
5.Cửa van cung (Radial gates)
Mặt cắt ngang của cửa van cung có dạng hình cung tròn, tâm cung là tâm
quay của cửa, phần chắn nước là tổ hợp bản mặt lắp ghép lên các kết cấu dầm,
thông qua kết cấu
giàn càng truyền lực
lên trụ bin thông qua
cối quay, với cửa
van có khẩu độ lớn
thì để đảm bảo điều
kiện ổn định và an
toàn trong quá trình
làm việc của cửa
van, người ta đã bố
trí

các

dầm

Hình 1.7. Cống Haringvliet – Hà Lan

phụ

ngang r ng và đứng ra mặt trước. Mặt trong càng van là dầm chính kiểu dàn với các
ống thép r ng, các thanh giằng bố trí chéo nhau bảo đảm độ ổn định khi nâng cửa
không bị xoắn vặn.
Loại cửa van này được ứng dụng cho một số công trình, tiêu biểu là cống
Haringvliet – Hà Lan (17 khoang bố trí 2 lớp cửa rộng 56m), Đập Upper Meuse Bỉ,
đập Braddock – M (4 cửa rộng 33,53m), đập Iron – Romania (7 cửa rộng 21m).


10

Cửa này có khả năng chịu lực lớn, cột nước cao, lực nâng hạ cửa van cung có
lợi về lực vì quá trình cửa van đóng mở quay quanh cối bản lề cho nên một phần

Hình 1.8. Đập Upper Meuse – Bỉ
trọng lượng cửa tryền lên gối quay, hơn nữa nhờ bản mặt hình cung cho nên có thể
lợi dụng sức nước để giảm lực nâng cửa van, kết cấu cửa van không quá phức tạp
cho nên khả năng chế tạo và lắp đặt có thể thực hiện được dễ dàng, quá trình bảo
dưỡng cửa van được thực hiện dễ dàng và thuận tiện khi cửa van quay lên khỏi mặt
nước. Tuy nhiên hạn chế của cửa van loại này là mở quay lên trên chiếm một
khoảng không gian của công trình và tạo thành một tấm chắn gió gây ra lực tác
dụng lên c ng trình. Khi độ tĩnh kh ng lớn, cánh van sẽ rất dài, hành trình đóng mở
lớn, khó khăn cho việc lựa chọn xi lanh đóng mở và giữ ổn định để đạt độ tĩnh
không khi tàu thuyền qua lại.
6. Cửa van viên phân quay ( rotary segment gate)
Kết cấu cửa van bằng thép gồm phần chắn nước có mặt cắt ngang là hình
viên phân kín gắn vào hai đĩa hình trụ tròn quanh trục nằm ngang gắn trên hai trụ

pin.


11

Cửa có thể quay quanh trục nằm ngang trong phạm vi 1800 và làm việc tại 5
vị trí khác nhau: (a) thân cửa nằm ngang sử dụng khi cần thông thuyền, (b) bản mặt
cửa nghiêng 450 sử dụng khi chắn sóng và ngăn triều thấp, (c) bản mặt nghiêng 900
sử dụng khi ngăn triều và chắn sóng ngăn triều trung bình, (d) bản mặt cửa nghiêng

Hình 1.9. Đập sông Thames – Anh
1350 sử dụng khi ngăn sóng cao và sử dụng bảo dưỡng cửa, (e) bản mặt nghiêng
1800 dùng khi sửa chữa, bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo cho các tàu cỡ nhỏ đi qua.
Cửa van viên phân quay được ứng dụng trong các c ng trình như:
C ng trình ngăn s ng Thames – Anh rộng 520m. Gồm 10 khoang cửa trong
đó 4 khoang rộng 61m, 2 khoang cửa rộng 31,5m và 4 khoang cửa cung rộng
31,5m. Khoang cửa có chiều rộng 61m, cao 20m, tổng trọng lượng 3300 tấn. Có
khả năng chịu được tải trọng tác dụng trên 9.000 tấn. Cửa vận hành nhờ vào cơ cấu
hai xilanh thủy lực nối với một khâu bốn khớp và một thanh nối dài.
Thao tác đóng mở cửa van được tiến hành khá thường xuyên và m i lần như
vậy trở thành màn xem thực sự hấp dẫn đối với khách du lịch. Trong 21 năm, tổ hợp
này đã thực hiện đóng mở tổng cộng 92 lần


12

C ng trình ngăn s ng EMS – Đức tổng chiều dài 476m có nhiệm vụ ngăn
triều ở hạ lưu và bảo đảm giao thông thủy phía thượng lưu vào mùa kiệt. Đây là
công trình mới hoàn thành năm 2002 trên cơ sở rút kinh nghiệm của các công trình
của Hà lan và Anh, do đó sử dụng tổ hợp cửa van rất hợp lý. Công trình bao gồm 7

Hình 1.10. Công trình EMS – Đức
cửa, 2 cửa phục vụ cho mục đích giao th ng thủy: một cửa van viên phân quay rộng
60m cho phép tàu thuyền chính qua lại, một cửa cung rộng 50m phục vụ cho giao
thông thủy nội địa, 5 cửa còn lại đều là cửa van ph ng k o đứng rộng từ 50 –
62,5m. Tất cả các cửa van đều chuyển động nhờ vào hệ thống xi lanh thủy lực được
điều khiển từ phòng trung tâm.
Cửa van viên phân quay có khẩu độ lớn, có góc quay làm việc lớn nên cửa
đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của công trình mà các loại cửa khác không thể
làm được, đặc biệt là giao thông thủy, kết cấu cửa cứng và ổn định, không giới hạn
chiều cao thông thuyền. Có thể mở rộng khẩu độ cống lên đến 60m hoặc hơn nữa.
Kết cấu trụ đỡ thấp, tạo vẻ đẹp và hài hòa cho công trình. Cửa van có lực đẩy nổi
lớn. Có thể lợi dụng lực đẩy nổi để đóng mở cửa nhẹ nhàng và giảm áp lực lên gối
quay của cửa.


13

Hình 1.11. Khoang cửa phẳng ở trạng thái đóng và mở

Hình 1.12. Mặt cắt ngang khoang cửa thông thuyền chính
Hạn chế của cửa van viên phân quay có khẩu độ lớn là trọng lượng cửa lớn.
Vì kích thước mặt cắt ngang đều nhau suốt cả chiều dài cửa, do đó để chống lại
mômen uốn và bảo đảm độ võng trong phạm vi cho ph p thì độ đặc của kết cấu phải
lớn. Nhưng nếu tăng kích thước bao để làm tăng độ r ng kết cấu lớn thì bị ảnh
hưởng do chiều sâu cột nước và mặt đáy cửa sát với nền. Nhược điểm nữa là khi
vận hành, trường hợp chỉ sử dụng xi lanh thủy lực, thì khó vượt qua điểm chết, là
điểm đường tâm xi lanh thủy lực đi qua tâm quay cửa van. Lúc đó kh ng còn cánh
tay đòn tạo ra mô men quay. Do vậy phải sử dụng nước dằn để đưa cửa vượt qua
điểm chết. Kết cấu phần thủy c ng đòi hỏi tương đối chính xác để bảo vệ độ kín

khít trong quá trình vận hành.
7. Cửa van clape trục dưới:
Kết cấu cửa van có dạng kết cấu bản dầm, phía dưới cánh cửa bố trí các cối
quay, các cối quay có thể gắn trực tiếp lên bản đáy c ng trình hoặc lắp trên kết cấu
dầm định vị, trường hợp khẩu độ lớn, cửa van được chế tạo dạng hộp phao. Quá


14

trình vận hành, cửa van quay quanh cối quay, khi ngăn giữ nước cửa quay lên trên
và khi tháo nước cửa van quay xuống nằm sát đáy c ng trình.
Tiêu biểu ứng dụng cửa van này là dự án xây dựng các công trình giảm nhẹ
lụt lội do triều cường cho thành phố Venice – Italia , hệ thống gồm 78 cửa van bằng
thép trên hệ thống xà lan, m i cửa cao từ 18 ÷ 28m, rộng 20m, dày 5m. Cửa van là
loại dạng Clape phao trục dưới khi cần tháo lũ thì bơm nước vào bụng cửa van để
cửa hạ xuống, khi cần ngăn triều thì bơm nước ra khỏi bụng để cửa tự nổi lên. Dự

Hình 1.13. Dự án ngăn các cửa sông ở Venice – Italia
án này dự kiến làm trong 10 năm và tiêu tốn tới 4,8 tỷ USD.
Cửa van này có kết cấu đơn giản, lực nâng hạ cửa van có lợi về lực vì quá
trình cửa van đóng mở quay quanh cối bản lề cho nên một phần trọng lượng cửa
tryền lên cối quay, nếu cửa phao thì sử dụng được sức đẩy nổi trong nước nên có
thể thiết kế đóng mở tự động. Khi mở cửa van nằm sát đáy c ng trình cho nên
không chiếm mất không gian của công trình.