Sổ tay Kỹ Thuật Thuỷ Lợi -Phần 2-Tập 4 - Chương 1

2
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
viện khoa học thủy lợi







sổ tay kỹ thuật thủy lợi

phần 2
công trình thủy lợi


tập 4

Cửa van và thiết bị đóng mở

ã Khái niệm chung về cửa van
trong công trình thủy lợi

ã Thủy lực cửa van

ã Cửa van mặt

ã Cửa van sâu

ã Thiết bị đóng mở cửa van

biên soạn

GS. TS. Trương Đình Dụ - PGS. TS. Nguyễn Đăng Cường











Nhà xuất bản nông nghiệp
Hà Nội - 2005
Mục lục 5 5




Mục lục


Lời giới thiệu
3
Mục lục
5

Chương 1. Khái niệm chung về Cửa van trong công trình thủy lợi
11
1.1. Vai trò nhiệm vụ của cửa van
11
1.2. Cấu tạo cửa van
11
1.3. Phân loại cửa van
11
1.4. Chọn loại cửa van cho công trình
12
1.4.1. Vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long
12
1.4.2. Vùng ven biển Trung Bộ
13
1.4.3. Vùng đồng bằng Bắc Bộ
13
1.4.4. Cửa trên đập tràn ở hồ chứa và đập dâng vùng Trung du và miền núi
13
1.5. Bố trí cửa van trong công trình
13
1.5.1. Đối với cống hở
13
1.5.2. Đối với cống kín
14
1.6. Lực và tổ hợp lực tác dụng lên cửa van
14
1.6.1. Lực tác dụng
14
1.6.2. Tổ hợp lực
14

1.7. Vật liệu làm của van
15
1.7.1. Thép
15
1.7.2. Gang
18
1.7.3. Đồng
18
1.7.4. Cao su
18
1.7.5. Vật liệu tổng hợp Composite
19
1.7.6. Bê tông cốt thép
19
1.8. Những vấn đề cần l-u ý trong thiết kế cửa van
19
1.9. Ph-ơng pháp tính toán
21
1.9.1. Phương pháp phân tích hệ kết cấu phẳng
22
6 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
1.9.2. Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian
28
1.9.3. Một số quy định trong thiết kế kết cấu cửa van
35
1.10. Một số cửa van đ nghiên cứu và ứng dụng
35
1.10.1. Cửa van phẳng
35
1.10.2. Cửa van cung

36
1.10.3. Cửa van Clape trục dưới (cửa sập)
36
1.10.4. Cửa van Clape trục trên
36
1.10.5. Cửa van hình quạt
36
1.10.6. Cửa van mái nhà
36
1.10.7. Cửa van trụ lăn
36
1.10.8. Các kiểu cửa quay trục đứng
36
1.10.9. Các kiểu cửa quay trục ngang
36
1.10.10. Các kiểu cửa van tự động thủy lực điều tiết trên kênh
36
1.10.11. Các kiểu cửa van âu tàu
36

Chương 2. Thủy lực cửa van 37
2.1. Khái niệm chung
37
2.2. Năng lực xả n-ớc
37
2.3. áp lực n-ớc tác dụng lên cửa van
42
2.3.1. Cửa van phẳng
42
2.3.2. Cửa van cung

50
2.3.3. Cửa van quạt
53
2.3.4. Chế độ thủy lực khi tràn qua cửa sập
53

Chương 3. cửa van phẳng
55
3.1. Cửa van phẳng
55
3.1.1. ưu nhược điểm của cửa van phẳng
55
3.1.2. Các bộ phận chính của cửa van phẳng
55
3.1.3. Cấu tạo của các bộ phận chính
56
3.1.4. Tải trọng và lực tác dụng lên cửa van phẳng
59
3.1.5. Các kiểu cửa van phẳng
61
3.1.6. Kết cấu phần ốp ở ngưỡng khe van và gioăng kín nước
65
3.2. Cửa van cung
67
Mục lục 7 7

3.2.1. Ưu nhược điểm của cửa van cung
67
3.2.2. Những kết cấu chính
67

3.2.3. Xác định vị trí của dầm chính
70
3.2.4. Các kiểu cửa van cung
71
3.2.5. Xác định áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa van cung
73
3.2.6. Tính trọng lượng bản thân cửa cung
76
3.2.7. Tính lực nâng hạ
76
3.3. Cửa sập (cửa Clape trục dưới)
77
3.3.1. Đặc tính cơ bản
77
3.3.2. Cửa sập điều khiển bằng cơ khí
77
3.3.3. Cửa sập tự động bằng đối trọng
79
3.3.4. Cửa Clape phao (gọi tắt là cửa sập phao)
81
3.4. Cửa Clape trục trên
82
3.4.1. Cấu tạo
82
3.4.2. Nguyên lý làm việc
82
3.4.3. Phạm vi áp dụng
82
3.5. Cửa quạt
83

3.5.1. Phạm vi ứng dụng
83
3.5.2. Các loại cửa quạt
83
3.5.3. Điều kiện nâng và hạ cửa quạt
86
3.5.4. Kết cấu cửa quạt
89
3.5.5. Điều khiển cửa quạt
90
3.6. Cửa van mái nhà
91
3.6.1. Phạm vi ứng dụng
91
3.6.2. Các kiểu cửa van mái nhà
91
3.6.3. Lực nâng và hạ cửa mái nhà
92
3.6.4. Kết cấu cửa van mái nhà
95
3.6.5. Thiết kế và điều khiển cửa van mái nhà
95
3.7. Cửa van trụ lăn
96
3.7.1. Phạm vi sử dụng
96
3.7.2. Các kiểu cửa van trụ lăn
97
3.7.3. Kết cấu của cửa van trụ lăn
97

8 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
3.7.4. Xác định trọng lượng bản thân và lực nâng cửa van trụ lăn
98
3.7.5. Máy nâng cửa van trụ lăn
100
3.8. Cửa van giàn quay
100
3.9. Cửa van cánh cửa tự động
102
3.9.1. Xuất xứ cửa van cánh cửa tự động
102
3.9.2. Cấu tạo
102
3.9.3. Sơ đồ bố trí cửa van cánh cửa tự động
104
3.9.4. Nguyên lý hoạt động và tính lực đóng mở
105
3.9.5. Chế độ vận hành của cửa van cánh cửa tự động
109
3.9.6. Các bộ phận chính của cửa van và khung chứa van
110
3.10. Các kiểu cửa bản lệch trục đứng tự động và bán tự động
114
3.10.1. Cấu tạo
114
3.10.2. Nguyên lý làm việc tự động
115
3.10.3. Phạm vi áp dụng
115
3.11. Các kiểu cửa van trục ngang

116
3.11.1. Cửa phân viên (một phần tư hình tròn)
116
3.11.2. Cửa van Amil
117
3.11.3. Cửa van cung đối trọng tự động điều tiết mực nước
119
3.11.4. Cửa van bản quay trục ngang
119
3.12. Cửa âu tàu
122
3.12.1. Các loại cửa âu
122
3.12.2. Cửa chữ nhân
124

Chương 4. cửa van sâu
137
4.1. Một số vấn đề cần chú ý khi thiết kế cửa van sâu
137
4.2. Cửa phẳng sâu
137
4.2.1. Cấu tạo
137
4.2.2. Tải trọng và lực tác dụng lên cửa
139
4.2.3. Phạm vi sử dụng
140
4.3. Cửa van cung sâu
140

4.3.1. Cấu tạo
140
4.3.2. Một số tính toán cơ bản
142
4.3.3. Phạm vi ứng dụng
144
Mục lục 9 9

4.4. Van đĩa
144
4.4.1. Cấu tạo
144
4.4.2. Tải trọng và lực tác dụng
145
4.4.3. Tính sức bền của vỏ và đĩa
146
4.4.4. Phạm vi ứng dụng
147
4.5. Van cầu
147
4.5.1. Cấu tạo
147
4.5.2. Phạm vi sử dụng
148
4.6. Cửa Van hình kim
148
4.6.1. Cấu tạo và vận hành
148
4.6.2. Phạm vi sử dụng
149

4.7. Van côn
150
4.7.1. Cấu tạo
150
4.7.2. Tính độ bền
150
4.7.3. Tính lực đóng mở
151
4.7.4. Các hình thức bố trí và phạm vi sử dụng
151
4.8. Cửa van hình trụ
151
4.8.1. Cấu tạo và vận hành
151
4.8.2. Xác định ứng suất và ổn định của vỏ hình trụ
154
4.8.3. Tính lực nâng hạ
155
4.8.4. Phạm vi áp dụng
155
4.9. Chọn kiểu cửa van d-ới sâu
155

Chương 5. Thiết bị đóng mở cửa van
157
5.1. Đặc điểm, cấu tạo và phân loại thiết bị đóng mở cửa van
157
5.1.1. Đặc điểm của thiết bị cửa van trên công trình thủy lợi, thủy điện
157
5.1.2. Cấu tạo chung của thiết bị

157
5.1.3. Phân loại và phạm vi ứng dụng
158
5.2. Máy đóng mở kiểu vít đai ốc
160
5.2.1. Nguyên lý máy đóng mở kiểu vít đai ốc
160
5.2.2. Ưu, nhược điểm của thiết bị đóng mở kiểu vít đai ốc
161
5.2.3. Tính toán thiết bị vít đai ốc
162
5.2.4. Máy đóng mở kiểu vít dùng cho cửa van sâu
164
10 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
5.3. Máy đóng mở kiểu dây mềm
165
5.3.1. Kết cấu chung của máy đóng mở kiểu dây mềm
165
5.3.2. Ưu, nhược điểm của thiết bị đóng mở kiểu dây mềm
166
5.3.3. Tính toán các thông số cơ bản
167
5.4. Thiết bị đóng mở bằng xilanh thủy lực
173
5.4.1. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động
173
5.4.2. Ưu điểm của xilanh thủy lực
175
5.4.3. Nhược điểm của thiết bị đóng mở bằng xilanh thủy lực
175

5.4.4. Tính toán các thông số cơ bản thiết bị đóng mở xilanh thủy lực
176
5.5. Hệ thống điều khiển đóng mở cửa van
177
5.5.1. Tự động điều khiển, tự động hóa bằng điện và điện tử máy tính
178
5.5.2. Điều khiển từ xa
178
5.5.3. Tự động bằng thủy lực
178
Phụ lục. Một số thiết bị đóng mở cửa van
179

Tài liệu tham khảo
182

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van... 11 11




Chương 1

Khái niệm chung về Cửa van
trong công trình thủy lợi

Biên soạn: GS. TS. Trương Đình Dụ


1.1. Vai trò nhiệm vụ của cửa van

Cửa van là một bộ phận rất quan trọng trong công trình thủy lợi. Cửa van được lắp
đặt vào các khoang của công trình thủy công ở công trình thủy lợi thủy điện. Cửa van
cũng có thể đặt ở trên mặt, ở dưới sâu. Nhiệm vụ của cửa van là đóng để giữ nước và
mở để tháo nước theo yêu cầu đặt ra cho công trình: lấy nước tưới, cấp nước phát điện,
thoát lũ, gạn triều, tiêu úng, điều tiết mực nước, lấy nước mặn nuôi trồng thủy sản...
Hiệu quả của công trình thủy lợi, thủy điện được đảm bảo như thiết kế đặt ra khi
cửa van được vận hành đạt độ tin cậy như quy trình vận hành đ đề ra.
Nếu việc vận hành cửa van có sự cố thì dẫn đến không những tổn hại lớn cho công
trình thủy lợi, thủy điện mà còn gây tác hại cho sản xuất đời sống của vùng hạ du. Một
số vụ vỡ đập gây thiệt hại lớn ở ấn Độ, ở Mỹ là do kẹt cửa van ở tràn xả lũ.

1.2. Cấu tạo cửa van

- Phần chuyển động gồm bản mặt, các dầm phụ, các dầm chính, các bánh xe lăn,
gioăng chống thấm, phần thiết bị nâng gắn với cửa van.
- Phần cố định gồm các kết cấu tựa đặt ở trụ pin, ở đập tràn, kết cấu chống thấm
và phần thiết bị nâng gắn với công trình. Việc vận hành cửa van có thể nhờ vào máy
nâng cơ, điện, xilanh thủy lực hoặc hoàn toàn lợi dụng sức nước - thường được gọi là
cửa van tự động thủy lực, hoặc vừa lợi dụng sức nước vừa có hỗ trợ của cơ điện thì được
gọi là cửa van bán tự động thủy lực. Ngày nay ở một số công trình việc vận hành cửa
van ở một số nước đ được tự động hoá điện tử, điều khiển từ xa rất hiện đại.

1.3. Phân loại cửa van

Cửa van có thể phân loại theo vị trí đặt: Cửa van trên mặt, cửa van dưới sâu; theo
hình dạng kết cấu: Cửa van phẳng, cửa van cung, cửa van trụ, cửa quạt, cửa mái nhà,
cửa bản quay...; theo hình thức tháo nước qua cửa van: Cửa van nước tràn trên mặt, cửa
van nước chảy phía dưới; theo hình thức chuyển động: Cửa van chuyển động thẳng lên
xuống, cửa đẩy ngang, cửa quay trục giữa, trục trên, trục dưới; theo cách đóng mở cửa

12 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
van: Bằng sức nước (tự động thủy lực và bán tự động), bằng thiết bị cơ khí và bằng điện;
theo tính chất vật liệu: Cửa van thép, cửa van bê tông cốt thép, cửa van vật liệu tổng hợp.
Ngoài ra theo nhiệm vụ có thể chia ra: Cửa van vận hành (sử dụng cho khai thác
công trình); cửa van sửa chữa (dùng để thay thế khi sửa chữa cửa van vận hành); cửa
van sự cố (dùng để xử lý khi có sự cố xảy ra); cửa van thi công sử dụng trong khi thi
công và trong số đó có thể dùng làm cửa van dự phòng, cửa van sửa chữa và cửa van
sự cố.

1.4. Chọn loại cửa van cho công trình

Việc chọn loại cửa phải căn cứ vào tính chất, nhiệm vụ và điều kiện tự nhiên nơi
xây dựng công trình để đáp ứng tốt nhất cho nhiệm vụ công trình và công tác quản lý
khai thác.

1.4.1. Vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long
Đặc điểm của vùng này là bán nhật triều. Đa số các cống có nhiệm vụ ngăn mặn
giữ ngọt, thau chua rửa phèn và lấy nước triều ngọt trong một số thời gian, ngoài ra có
một số cống lại cần lấy mặn để phục vụ nuôi trồng thuỷ sản khi chuyển đổi cơ cấu sản
xuất. Do vậy cống làm việc 2 chiều: có thể mở để gạn triều tiêu úng và cũng có lúc mở
ngược lại để lấy triều. ở vùng này có thể áp dụng 4 loại cửa sau:

a) Cửa van cánh cửa tự động thủy lực (CVCCTĐ)
Đây là loại cửa van hiện được ứng dụng rộng ri nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các
loại cửa van khác. Nó được đóng mở nhờ áp lực nước và lực lệch trục nên không thể
dùng cửa van này để điều tiết mực nước.

b) Cửa van cung
ít được sử dụng vì việc ứng dụng cửa van cung tự động để gạn triều tiêu úng đòi
hỏi phức tạp, nếu điều khiển bằng cơ điện thông thường thì nhân lực phải túc trực

thường xuyên trong mùa tiêu lũ. ở những cống đóng mở ít mỗi năm một số lần thì có
thể dùng cửa van cung.

c) Cửa Clape trục dưới (cửa van sập)
ở những nơi cửa van được đóng 5 - 6 tháng và sau đó mở liên tục 5 - 6 tháng thì
có thể áp dụng loại cửa này. Vì có ưu điểm có thể làm cửa rộng 15 á 30 m.

d) Cửa van phẳng
Cửa van phẳng được đóng mở bằng thiết bị cơ khí hoặc cơ điện, có thể dùng ở
những cống mỗi năm chỉ mở ít lần nhưng hiện ít dùng ở vùng này.

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van... 13 13

1.4.2. Vùng ven biển Trung Bộ
Có 2 loại cống:
- Loại cống thường bị chìm ngập trong lũ chính vụ nên ứng dụng cửa Clape trục
dưới. Đóng mở nhẹ và khi lũ về cửa van nằm sát đáy. Loại này có thể làm khoang rộng
và cũng có thể ứng dụng cửa van cánh cửa tự động.
- Loại cống ở cao không bị chìm ngập trong lũ chính vụ và gần biển dễ bị gió bo
thì có thể ứng dụng cửa van cung, van phẳng, để chủ động đóng mở tháo lũ và điều tiết
mực nước.
ở những cống gần biển chịu ảnh hưởng của bo, nếu chỉ dùng đơn thuần cửa van
cánh cửa tự động thì sẽ không chủ động ngăn triều dâng và tháo lũ. Bởi vì loại cửa này
chỉ mở cưỡng bức được khi chênh lệch nhỏ hơn 1m. ở những cống này hoặc chỉ dùng
cửa van cung, hoặc vừa dùng cửa cung phối hợp cửa van cánh cửa tự động để khi lũ
bình thường thì gạn triều tiêu úng và khi có bo thì thêm một số cửa cung để tháo lũ.

1.4.3. Vùng đồng bằng Bắc Bộ
a) Vùng ven biển chịu ảnh hưởng của triều
Đây là nơi có chế độ nhật triều, yêu cầu cấp nước và tiêu lũ một cách chủ động.

ở đây khác xa với 2 vùng trên, các cống nên áp dụng cửa van cung hoặc cửa van phẳng
để đóng mở bất kỳ lúc nào theo yêu cầu khống chế mực nước trong đồng.

b) Vùng đồng bằng không chịu ảnh hưởng của thuỷ triều
Cống ở vùng này nên áp dụng cửa van cung, cửa van phẳng và có thể dùng cửa
Clape trục dưới để chủ động điều tiết mực nước trong đồng bất kỳ thời điểm nào.

1.4.4. Cửa trên đập tràn ở hồ chứa và đập dâng vùng Trung du và miền núi
Thường được sử dụng phổ biến là cửa van cung hoặc cửa van phẳng cũng có thể
áp dụng cửa van Clape trục dưới. ở đây cũng có thể dùng cửa quạt tự động thủy lực,
khi mở nằm trong bụng đập khi đóng cửa được nâng lên.

1.4.5. Công trình xả sâu hoặc lấy nước dưới sâu
Thường được sử dụng cửa van cung hoặc cửa van phẳng. Những cống nhỏ lấy
nước sâu có thể dùng van côn hoặc van kim.

1.5. Bố trí cửa van trong công trình
1.5.1. Đối với cống hở
a) Loại không có tường ngực
ở những công trình nước thượng lưu luôn lớn hơn hạ lưu, cửa được bố trí thiên về
phía sau để tăng an toàn cho cống về lật trượt. ở những cống ngăn triều thường cửa van
đặt ở giữa để đảm bảo độ ổn định cả hai chiều.
14 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
b) Loại có tường ngực để giảm chiều cao cửa van
Đối với cửa van cung nhất thiết phải bố trí sau tường ngực, còn cửa van phẳng thì
có thể bố trí trước hoặc sau tùy ý.

1.5.2. Đối với cống kín
Có thể bố trí cửa van ở miệng vào, ở giữa hoặc ở cuối cống.

1.6. Lực và tổ hợp lực tác dụng lên cửa van
1.6.1. Lực tác dụng
- áp lực thủy tĩnh.
- áp lực thủy động.
- Trọng lượng bản thân.
- Lực quán tính.
- áp lực sóng.
- áp lực gió.
- áp lực chân không.
- Lực va của tàu thuyền, vật nổi.
- áp lực bùn cát.
- Lực ma sát.
- Lực của thiết bị đóng mở.
- Lực động đất.
- Tải trọng thử.

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

Chương 1 - Khái niệm chung về cửa van... 15 15

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


1.7. Vật liệu làm cửa van
1.7.1. Thép
a) Phân loại thép
Theo thành phần hoá học:
- Thép cacbon: lượng cacbon C < 1,7%. Không có các thành phần hợp kim khác.
Chia ra thép cacbon thấp, lượng cacbon C từ 0,09 á 0,22%, là thép xây dựng chủ yếu;
thép cacbon vừa lượng cacbon C từ 0,25 á 0,5% dùng cho chế tạo cơ khí; thép cacbon
cao lượng cacbon C từ 0,6% là thép dụng cụ.
- Thép hợp kim, chia ra: thép hợp kim thấp với tỷ lệ các nguyên tố hợp kim dưới
2,5% là thép xây dựng; thép hợp kim vừa và thép hợp kim cao sử dụng làm thép dùng
cho chế tạo cơ khí và dụng cụ.

b) Ký hiệu thép
- Thép cacbon thấp: Theo cách đặt tên của Liên Xô cũ thép cacbon thấp có các số
hiệu C
T
0, BC
T
2, BC
T

3, BC
T
4 theo thứ tự từ ít đến nhiều cacbon. Chữ B là chỉ nhóm thép
được đảm bảo về cơ tính và thành phần hoá học.
- Thép hợp kim thấp: Theo cách đặt tên của Liên Xô cũ thì hai số đầu chỉ phần
vạn cacbon; chữ cái Nga chỉ tên các thành phần hợp kim: măng gan G, silic C, crôm X,
niken H, đồng , vanadi f, bor P, môlipđen M, titan T, nhôm IO, nitơ A; con số sau chỉ
lượng phần trăm (làm tròn) khi quá 1%.



16 sæ tay KTTL * PhÇn 2 - c«ng tr×nh thñy lîi * TËp 4
B¶ng 1-1 chiÕm 1 trang
Ch­¬ng 1 - Kh¸i niÖm chung vÒ cöa van... 17 17

B¶ng 1-2 B¶ng 1-3 chiÕm 1 trang