Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép công tŕnh thủy lợi thủy điện

LỜI CAM ĐOAN
Học viên Hồng Văn Đoan
Học viên: Lớp 25C11
Tơi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Vũ Hoàng Hưng. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận
văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào và dưới bất kỳ hình thức
nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi
nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Hoàng Văn Đoan

i


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, được sự
dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cơ giáo trong Trường Đại học Thủy lợi, sự giúp
đỡ tận tình của bạn bè trong lớp cùng với sự nỗ lực phấn đấu của bản thân tác giả đã
hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Cơng trình
thủy với đề tài: “Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép cơng trình thủy lợi thủy
điện”.
Để có được thành quả này, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
PGS.TS. Vũ Hồng Hưng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin
khoa học cần thiết trong thời gian tác giả thực hiện luận văn này. Bên cạnh đó, tác giả
cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo tại
các bộ môn trong Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả
trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Do năng lực của bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn luận văn khơng tránh được
những thiếu xót. Tác giả kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các
thầy cô giáo, các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, tháng 5 năm 2019

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ...................................................................................................... 2
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .................................................................. 3
4. Kết quả dự kiến đạt được: ........................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN
CẬY TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ........................................................ 4
1.1 Tổng quan về cửa van ................................................................................................ 4
1.1.1 Cửa van phẳng ........................................................................................................ 4
1.1.2 Cửa van cung .......................................................................................................... 4
1.1.3 Cửa van quạt ........................................................................................................... 5
1.1.4 Cửa sập (cửa van clape).......................................................................................... 6
1.1.5 Cửa van tự lật ......................................................................................................... 6
1.1.6 Cửa van tự động vùng triều .................................................................................... 7
1.1.7 Cửa van chữ nhân ................................................................................................... 8
1.1.8 Cửa van cổng (Visor gate) ...................................................................................... 9
1.1.9 Cửa van viên phân ................................................................................................ 10
1.1.10 Cửa van phao ...................................................................................................... 11
1.1.11 Cửa van phao chữ nhân ...................................................................................... 12
1.1.12 Cửa van kéo thẳng (cửa van lift gate)................................................................. 14
1.1.13 Cửa van kiểu ống lăn .......................................................................................... 16
1.1.14 Cửa van nồi ......................................................................................................... 17

1.1.15 Cửa van trụ xoay hai chiều ................................................................................. 18
1.2 Phương pháp thiết kế truyền thống và những tồn tại .............................................. 19
1.2.1 Phương pháp ứng suất cho phép ........................................................................... 19
1.2.2 Phương pháp tính theo các hệ số an tồn ............................................................. 20
1.2.3 Phương pháp trạng thái giới hạn .......................................................................... 21
iii


1.3 Phương pháp phân tích độ tin cậy trong đánh giá an toàn kết cấu .......................... 23
1.3.1 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ I ................................................................................ 23
1.3.2 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ II ............................................................................... 23
1.3.3 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ III ............................................................................. 24
1.4 Những kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước về phân tích độ tin cậy kết cấu cửa
van ................................................................................................................................. 24
1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................................ 24
1.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................. 29
Kết luận Chương 1 ........................................................................................................ 34
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU .................... 35
2.1 Biến ngẫu nhiên và hàm số phân bố ........................................................................ 35
2.1.1 Phân bố xác suất của các đại lượng ngẫu nhiên rời rạc ....................................... 35
2.1.2 Các đại lượng ngẫu nhiên liên tục ........................................................................ 35
2.1.3 Các số đặc trưng quan trọng nhất ......................................................................... 36
2.2 Phân bố xác xuất thường dùng trong phân tích độ tin cậy kết cấu ......................... 36
2.2.1 Phân phối đều trên đoạn [a,b]............................................................................... 36
2.2.2 Phân phối chuẩn ................................................................................................... 37
2.2.3 Một số phân phối khác ......................................................................................... 37
2.3 Một vài khái niệm cơ bản về phân tích độ tin cậy kết cấu ...................................... 37
2.3.1 Khái niệm rủi ro ................................................................................................... 37
2.3.2 Khái niệm độ tin cậy ............................................................................................ 38
2.3.3 Khái niệm cơ chế sự cố ........................................................................................ 38

2.4 Phương pháp tính tốn độ tin cậy kết cấu ............................................................... 40
2.4.1 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên ...................................................... 40
2.4.2 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo Cấp độ II bằng phương pháp FORM
....................................................................................................................................... 43
2.4.3 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo bài tốn Cấp độ III- Mơ phỏng ngẫu
nhiên Monte-Carlo ........................................................................................................ 47
2.5 Phân tích độ tin cậy của hệ thống ............................................................................ 50
2.5.1 Khái niệm Hệ thống ............................................................................................. 50
2.5.2 Các hệ thống liên kết cơ bản ................................................................................ 50
iv


2.5.3 Phân tích hệ thống ................................................................................................ 52
2.6 Xây dựng bài tốn phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép ................................. 55
2.6.1 Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép. ........................................................... 55
2.6.2 Các bước phân tích độ tin cậy cho cửa van thép .................................................. 55
2.6.3 Phân tích thống kê các số liệu cơ bản ................................................................... 57
2.6.4 Mô tả kết cấu cửa van và thiết lập sơ đồ cây sự cố. ............................................. 58
2.6.5 Phân tích các cơ chế sự cố có thể xảy ra .............................................................. 59
2.6.6 Thiết lập hàm độ tin cậy của các cơ chế sự cố cho cửa van thép ......................... 60
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 65
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CHO CỬA VAN THÉP
HÌNH CUNG TRÀN XẢ LŨ ........................................................................................ 66
3.1 Khái quát về cửa van cung ...................................................................................... 66
3.1.1 Định nghĩa và phân loại ........................................................................................ 66
3.1.2 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay ............................................................ 67
3.1.3 Phạm vi sử dụng ................................................................................................... 68
3.2 Xác định độ tin cậy và đánh giá an toàn kết cấu cửa van hình cung thủy điện Huổi
Vang............................................................................................................................... 70
3.2.1 Mô tả cửa van thủy điện Huổi Vang .................................................................... 70

3.2.2 Cơ chế sự cố do biến dạng .................................................................................... 72
3.2.3 Cơ chế sự cố do cường độ .................................................................................... 74
3.2.4 Cơ chế sự cố do ổn định ....................................................................................... 78
3.2.5 Tổng hợp xác suất sự cố cửa van thép .................................................................. 81
3.3 Tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ........................................................ 85
3.3.1 Các thông số cơ bản.............................................................................................. 85
3.3.2 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ..................................................................................... 85
3.3.3 Trường hợp tính tốn ............................................................................................ 86
3.3.4 Xây dựng mơ hình ................................................................................................ 86
3.3.5 Kết quả tính tốn .................................................................................................. 87
3.3.6 Xác định độ tin cậy cửa van cung thủy điện Huối Vang theo phương pháp phần
tử hữu hạn ...................................................................................................................... 90
3.3.7 Tổng hợp xác suất sự cố cửa van thép tính theo phương pháp phần tử hữu hạn . 98
v


3.4 So sánh kết quả tính tốn hai phương pháp........................................................... 100
Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 105
PHỤ LỤC TÍNH TỐN ............................................................................................. 108

vi



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 - 1: Cửa van phẳng .............................................................................................. 4
Hình 1 - 2: Cửa van cung ................................................................................................ 4
Hình 1 - 3: Cửa van cung nhịp lớn .................................................................................. 5

Hình 1 - 4: Cửa van quạt ................................................................................................. 5
Hình 1 - 5: Cửa van Đập Đáy .......................................................................................... 5
Hình 1 - 6: Cửa van tràn hồ Cấm Sơn ............................................................................. 5
Hình 1 - 7: Cửa van clape ................................................................................................ 6
Hình 1 - 8: Vị trí cửa van trên bản đáy............................................................................ 6
Hình 1 - 9: Sơ họa hình thức kết cấu cửa van tự lật và ứng dụng trong thực tế ............. 7
Hình 1 - 10: Cửa van phẳng tự động trục đứng............................................................... 7
Hình 1 - 11: Cửa van chữ nhân ....................................................................................... 8
Hình 1 - 12: Cửa van chữ nhân hình cung ...................................................................... 8
Hình 1 - 13: Cửa van chữ nhân hình cung cơng trình chống lũ Chung Lâu (T.Quốc) ... 9
Hình 1 - 14: Cửa van cổng .............................................................................................. 9
Hình 1 - 15: Kết cấu van cổng....................................................................................... 10
Hình 1 - 16: Cửa van cổng sơng Tam Xoa .................................................................... 10
Hình 1 - 17: Cửa van cổng sơng Kizu-gawa ................................................................. 10
Hình 1 - 18: Cửa van ở trạng thái mở và đóng .............................................................. 11
Hình 1 - 19: Cửa van ngăn sơng Thames ở Anh ........................................................... 11
Hình 1 - 20: Cửa van ngăn sơng Ems ở Đức................................................................. 11
Hình 1 - 21: Cửa van thùng nổi ..................................................................................... 12
Hình 1 - 22: Cửa van cơng trình phịng lũ Tân Sạp ...................................................... 12
Hình 1 - 23: Bố trí tổng thể cơng trình .......................................................................... 13
Hình 1 - 24: Mặt cắt ngang kết cấu cửa van.................................................................. 13
Hình 1 - 25: Kết cấu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiều ................................ 14
Hình 1 - 26: Cửa van cơng trình sơng Ems – Đức ........................................................ 15
Hình 1 - 27: Cửa van cống Bào Chấu - Cà Mau ........................................................... 15
Hình 1 - 28: Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều ................................... 15
Hình 1 - 29: Cửa van cơng trình Hartel ......................................................................... 15
Hình 1 - 30: Cửa van cơng trình Táo Nga ..................................................................... 15
Hình 1 - 31: Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều ................................... 16
Hình 1 - 32: Cửa van kiểu ống lăn ................................................................................ 16
Hình 1 - 33: Cửa van kiểu ống lăn đầu tiên trên thế giới .............................................. 16

Hình 1 - 34: Cửa van kiểu ống lăn số 25 trên thượng nguồn sông Mississippi ............ 17
vi


Hình 1 - 35: Cửa van nồi ............................................................................................... 17
Hình 1 - 36: Một loại cửa van nồi ở Thái Bình ............................................................. 17
Hình 1 - 37: Mơ hình cơng trình sau khi hồn thành (www.hefei.gov.cn) ................... 18
Hình 1 - 38: Cấu tạo cửa van trụ xoay hai chiều ........................................................... 19
Hình 2 - 1: Phân bố xác suất của hàm Z [7] .................................................................. 38
Hình 2 - 2: Định nghĩa biên sự cố [7] ............................................................................ 39
Hình 2 - 3: Quan hệ giữ hàm tải trọng S và hàm sức chịu tải R [7] .............................. 40
Hình 2 - 4: Miền tính tốn tích phân của hàm f R,S(R.S) [7] ......................................... 41
Hình 2 - 5: Đường đẳng mật độ xác suất của hàm kết hợp fR(X1)fS(X2). Vùng bôi đen
thể hiện vùng sự cố X1Hình 2 - 6: Số lượng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z ............ 50
Hình 2 - 7: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống nối tiếp và song song ................................... 51
Hình 2 - 8: Sơ đồ minh họa cây sự cố của một hệ thống KSNL điển hình ................... 52
Hình 2 - 9: Minh họa gán xác suất xảy ra sự cố của hệ thống nối tiếp có các thành phần
độc lập............................................................................................................................ 54
Hình 2 - 10: Sơ đồ cây sự cố cửa van ............................................................................ 56
Hình 2 - 11: Sơ đồ cây sự cố cửa van ............................................................................ 59
Hình 3 - 1: Cửa van hình cung trên đập tràn ................................................................. 66
Hình 3 - 2: Mặt bằng cửa van ........................................................................................ 66
Hình 3 - 3: Cửa van hình cung nhìn từ thượng lưu ....................................................... 67
Hình 3 - 4: Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung................................ 67
Hình 3 - 5: Các loại hình thức khung chính .................................................................. 68
Hình 3 - 6: Các hình thức khe van ................................................................................. 69
Hình 3 - 7: Bố trí chung một cửa van ............................................................................ 71
Hình 3 - 8: Biểu đồ thể hiện xác suất sự cố dầm chính giữa cửa van thủy điện Huối
Vang............................................................................................................................... 82

Hình 3 - 9: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao dầm h – xác suất sự cố Pf ......................... 84
Hình 3 - 10: Mơ hình PTHH kết cấu cửa van................................................................ 87
Hình 3 - 11: Biểu đồ thể hiện xác suất sự cố dầm chính giữa cửa van thủy điện Huối
Vang tính theo phương pháp PTHH .............................................................................. 98
Hình 3 - 12: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao dầm h – xác suất sự cố Pf tính theo
phương pháp phần tử hữu hạn .....................................................................................100
Hình 3 - 13: Xác suất an tồn của dầm chính giữa ứng với 5 kịch bản khi tính theo
phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp phần tử hữu hạn ............................ 101

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng phân phối xác suất của các đại lượng ngẫu nhiên rời rạc.................... 35
Bảng 2.2: Các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố, kí hiệu và ý nghĩa ................. 53
Bảng 2.3: Ký hiệu của các sự cố/sự kiện trong sơ đồ cây sự cố ................................... 54
Bảng 2.4: Ma trận sự cố kết cấu cửa van thép .............................................................. 57
Bảng 2.5: Danh sách các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do biến dạng .................. 61
Bảng 2.6: Danh sách các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do cường độ................... 62
Bảng 2.7: Danh sách các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do cường độ................... 64
Bảng 3.1: Các đặc trưng thống kê các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z ............... 72
Bảng 3.2: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do biến dạng .................................. 73
Bảng 3.3: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ....................... 73
Bảng 3.4: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do cường
độ ................................................................................................................................... 74
Bảng 3.5: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do cường độ chịu uốn .................... 75
Bảng 3.6: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ....................... 76
Bảng 3.7: .Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do cường độ chịu cắt .................... 77
Bảng 3.8: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ....................... 77
Bảng 3.9: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do ổn

định cục bộ bản bụng .................................................................................................... 78
Bảng 3.10: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do mất ổn định cục bộ bản bụng . 79
Bảng 3.11: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 80
Bảng 3.12: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do mất ổn định cục bộ bản cánh .. 81
Bảng 3.13: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 81
Bảng 3.14: Xác suất sự cố tổng hợp của kết cấu dầm chính giữa thủy điện Huối Vang
....................................................................................................................................... 82
Bảng 3.15: Thơng số cơ bản của cửa van...................................................................... 85
Bảng 3.16: Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ..................................................................... 85
Bảng 3.17: Kết quả tính tốn chuyển vị theo phương Ux tại vị trí giữa dầm ............... 88
Bảng 3.18: Kết quả tính tốn ứng suất theo phương Z tại vị trí bản cánh giữa dầm .... 88
Bảng 3.19: Kết quả tính tốn ứng suất theo phương Z tại vị trí bản bụng giữa dầm .... 89
viii


Bảng 3.20: Kết quả tính tốn ứng suất tiếp Sxz tại vị trí bản bụng giữa dầm............... 89
Bảng 3.21: Kết quả tính tốn ứng suất theo phương X tại vị trí bản cánh giữa dầm .... 89
Bảng 3.22: Các đặc trưng thống kê các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z .............. 90
Bảng 3.23: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do biến dạng................................. 91
Bảng 3.24: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 91
Bảng 3.25: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do
cường độ uốn ................................................................................................................. 92
Bảng 3.26: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do cường độ chịu uốn .................. 92
Bảng 3.27: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 93
Bảng 3.28: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do
cường độ ........................................................................................................................ 94
Bảng 3.29: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do cường độ chịu cắt.................... 94
Bảng 3.30: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 94
Bảng 3.31: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên theo cơ chế sự cố do ổn
định cục bộ bản bụng ..................................................................................................... 95

Bảng 3.32: Xác xuất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do mất ổn định cục bộ bản bụng .. 96
Bảng 3.33: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ..................... 97
Bảng 3.34: Xác suất sự cố tổng hợp của kết cấu dầm chính giữa thủy điện Huối Vang
....................................................................................................................................... 98

ix



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia có nền nơng nghiệp phát triển, nên hệ thống cơng trình đầu mối
thuỷ lợi đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Các hồ đập được thiết
kế theo phương pháp truyền thống trong đó các chỉ tiêu kỹ thuật của cơng trình được
mơ phỏng qua khả năng tháo, khả năng chịu tải của công trình nhưng chưa xét đến sự
ảnh hưởng của các thành phần cơng trình đến an tồn chung của hệ thống. Bên cạnh
đó, các yếu tố bất định từ phía tự nhiên tác động vào hồ đập ngày một phức tạp và khó
kiểm sốt làm cho hồ đập là nơi tiềm ẩn các tai họa do vỡ đập gây ra.
Các công trình thủy lợi của nước ta đã xây dựng và khai thác lâu năm. Nước ta hiện
nay có hơn 75 hệ thống thủy nông lớn và vừa, 700 hồ chứa cùng với hang nghìn cửa
van vận hành thực hiện nhiệm vụ đa dạng của cơng trình thủy lợi. Dọc theo 3600 km
bờ biển, có rất nhiều cơng trình thủy lợi đã và đang xây dựng với những nhiệm vụ hết
sức quan trọng đó là: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thốt lũ góp phần giải quyết vấn đề
dân sinh kinh tế và an ninh quốc phòng vùng ven biển. Hệ thống cơng trình thủy lợi có
các hình thức cửa van rất phong phú: cửa van phẳng, cửa van cung, cửa van hình quạt,
van lăn,… với các hình thức vận hành đa dạng như tự động, bán tự động, điều khiển
bằng thiết bị cơ khí, thủy cơng, thủy lực,… Biện pháp bảo vệ cũng rất đa dạng: sơn,
mạ kẽm, phủ compozit, prơtecto,…
Trong hệ thống các cơng trình thủy lợi, nhiều cơng trình xây dựng từ thời pháp như:
Bara Bến thủy Nghệ An ( 1936), Trà Linh I ( 1936), phù xa Sơn Tây ( 1945), Đa Nhim

Lâm Đồng ( 1964),…
Trong những năm gần đây, ngồi những cơng trình lớn như thủy điện Sơng Đà, Yaly,
Azul – Hạ,… lĩnh vực cơ khí cửa van ở nước ta cũng có những bước phát triển đáng
kể, nhiều cơng trình hạng mục cơ khí mang tính hiện đại đã được áp dụng và đề xuất
như hệ thống cửa van hồ Dầu Tiếng ( Tây Ninh), Ba Lai ( Bến Tre ), An Tiêm ( Quảng
Trị), Đò Điệm ( Hà Tĩnh), Nghi Quang ( Nghệ An),…

1


Bên cạnh các loại cửa van truyền thống như van phẳng, van cung đóng mở bằng cơ,
điện, những năm gần đây loại cửa van tự động đã được sử dụng rất nhiều phổ biến là
cửa van tự động bản lệch trục đứng, trục ngang. Đến nay đã có tới trên 500 cửa van tự
động. Qua các giai đoạn sử dụng vật liệu, công nghệ gia công lắp đặt, tiêu chuẩn thiết
kế và cơng tác bảo hành, bảo trì cũng thay đổi. Một số cơng trình đã được sửa chữa
nâng cấp.
Bộ phận cửa van và thiết bị đóng mở được coi như là “chìa khóa” vào khai thác sử
dụng ngơi nhà. Sự cố bất ngờ đối với cửa van là hết sức nguy hiểm, tai họa sẽ rất lớn
và khó xử lý, khi xử lý sẽ rất tốn kém vì điều kiện làm việc hết sức phức tạp không chỉ
liên quan đến kết cấu cơng trình mà cịn liên quan bị động đến mực nước theo thời
gian.
Đặc biệt đối với nước ta, việc dùng vật liệu thép chưa có tài liệu kiểm định nào, tiêu
chuẩn thiết kế cửa van cũng chưa có, các chỉ tiêu tính tốn cịn dựa vào tài liệu nước
ngồi. Vì vậy khi xem xét đúng sai của một vấn đề trong lĩnh vực này rất khó phán xét
[1].
Sử dụng lý thuyết độ tin cậy xem là nền tảng của phương pháp thiết kế theo trạng thái
giới hạn là một xu thế phát triển trong lĩnh vực kết cấu cơng trình trên thế giới. Đến
nay, các nghiên cứu về an tồn cơng trình thủy lợi ở Việt Nam, đặc biệt là việc ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích và đánh giá an tồn cho hệ thống đầu mối hồ
chứa thủy lợi chưa đầy đủ. Thiết kế cửa van thép cơng trình thủy lợi thủy điện ở Việt

Nam từ trước đến nay vẫn sử dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu phát triển ứng dụng toán xác suất - thống kê kết hợp với
lý thuyết về cơng trình thủy lợi và lý thuyết về hệ thống vào các phân tích về an tồn
cho kết cấu cửa van thép có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.

2. Mục đích của đề tài
Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép trong cơng trình thủy lợi thủy điện để đánh
giá mức độ an toàn, là cơ sở đề xuất giải pháp gia cố cửa van.

2


3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.1 Cách tiếp cận
Các phương pháp tiếp cận được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm tiếp cận hệ
thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững và tiếp cận hiện đại.
- Tiếp cận tổng hợp: Xem xét đầy đủ các yếu tố kinh tế, kỹ thuật, xã hội
- Tiếp cận bền vững: Thỏa mãn đồng thời các yêu cầu an tồn về kỹ thuật, kinh tế và
xã hội có xét đến sự thay đổi của điều kiện biên như biến đổi khí hậu trong tương lai.
- Tiếp cận hiện đại: Sử dụng các lý thuyết và phương pháp tính tốn hiện đại, tin cậy
để giải quyết vấn đề.

3.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC).
Ngoài ra trong luận văn các phương pháp nghiên cứu sau cũng được sử dụng:
- Phương pháp kế thừa (các kết quả nghiên cứu và giải pháp cơng nghệ đã có trước đây);
- Phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu thực
đo cho nghiên cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu;
- Phương pháp toán thống kê xác định các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên
tải trọng và độ bền;

- Phương pháp mơ hình, mơ phỏng: Sử dụng các mơ hình tốn để tính tốn, phâm tích
kết cấu cửa van thép theo lý thuyết độ tin cậy: phần mềm kết cấu ANSYS.

4. Kết quả dự kiến đạt được
Nắm vững lý thuyết cơ bản phân tích độ tin cậy kết cấu.
Xây dựng bài toán ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn cấu kiện kết cấu cửa
van thép.
Tính tốn và phân tích độ tin cậy cấu kiện kết cấu cửa van thép.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT
ĐỘ TIN CẬY TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU
1.1 Tổng quan về cửa van
Cửa van là một bộ phận cơ khí quan trọng dùng để đóng mở các lỗ trong cơng trình
thủy và điều tiết lưu lượng nước chảy qua. Thông thường cửa van được làm bằng vật
liệu thép [2].
1.1.1 Cửa van phẳng
Cửa van có bản mặt chắn nước là mặt phẳng, chuyển động tịnh tiến trong khe van nhờ
hệ thống vít, tời kéo hoặc xy lanh thủy lực. Sử dụng được cho cả cửa van trên mặt
(1-1a) và dưới sâu (1-1b).

Hình 1 - 1: Cửa van phẳng
1.1.2 Cửa van cung
Cửa van có bản mặt chắn nước hình cung, chuyển động xoay quanh gối cố định nhờ hệ
thống tời kéo hoặc xy lanh thủy lực. Cửa van được sử dụng cho cả cửa van trên mặt
(1-2a) và cửa van ở dưới sâu (1-2b). Hiện nay do yêu cầu ngày càng cao đối với cửa
van cống vùng triều có nhịp lớn, cửa van cung từng bước được cải tiến (hình 1-3)

Hình 1 - 2: Cửa van cung
4


Hình 1 - 3: Cửa van cung nhịp lớn
1.1.3 Cửa van quạt
Cửa van có mặt cắt ngang hình quạt kín bên trong được gia cố bằng hệ dầm giằng,
chuyển động xoay quanh gối bản lề đặt ở phía hạ lưu (1-4a) hoặc thượng lưu (1-4b)
cửa van. Khác với cửa van cung chỉ có hai gối, cửa van quạt có nhiều gối và khi ở
trạng thái mở sẽ nằm ở dưới ngưỡng cơng trình. Cửa van quạt điển hình ở Việt Nam
có cửa van mới cơng trình phân lũ Đập Đáy – Hà Nội (hình 1-5) và cửa van tràn hồ
Cấm Sơn – Lạng Sơn (hình 1-6).

Hình 1 - 4: Cửa van quạt

Hình 1 - 5: Cửa van Đập Đáy

Hình 1 - 6: Cửa van tràn hồ Cấm Sơn
5


1.1.4 Cửa sập (cửa van clape)
Cửa van clape là chỉ loại cửa van được tạo thành từ một cánh phẳng chuyển động quay
quanh một trục cố định nằm ngang sát dưới đáy cơng trình như hình 1-7 và hình 1-8.
Khi cần ngăn nước, cửa van được dựng lên ở vị trí đứng; khi cần tháo nước, cửa van
được quay ngang nằm song song với đáy lòng dẫn. Để vận hành cửa van thường sử
dụng xylanh thủy lực gắn tại hai đầu cửa. Hiện nay loại cửa van này được sử dụng
tương đối rộng rãi do nó đáp ứng được với mọi loại khẩu độ khác nhau từ một vài mét
đến hàng trăm mét. Một số cơng trình ở Việt Nam như Phú Cam, Thảo Long (Thừa
Thiên – Huế), một số cống lớn khu vực đồng bằng sông Cửu Long đều sử dụng loại

cửa van này.

Hình 1 - 7: Cửa van clape

Hình 1 - 8: Vị trí cửa van trên bản đáy

1.1.5 Cửa van tự lật
Cửa van tự lật là chỉ loại cửa van có bản mặt chắn nước là phẳng quay quanh một trục
cố định hoặc di động khi mực nước trước cửa van đủ lớn. Loại cửa van này được ứng
dụng phổ biến trong các cơng trình thủy lợi thủy điện đặc biệt với các cơng trình dâng
nước với cột nước khơng cao hoặc trong các cơng trình tràn sự cố. Ưu điểm nổi bật là
có thể khống chế mực nước ở một độ cao nhất định, khi mực nước tăng cửa van tự
động mở để hạ thấp mực nước và tự động đóng lại để dâng nước nhưng khơng cần tác
động của con người hoặc máy móc thiết bị, do đó chủ động vận hành khi thời tiết cực
đoan mưa lũ bất thường, hạn hán và giảm chi phí vận hành. Cửa van tự lật vận hành
theo nguyên tắc khi mô men do áp lực thủy động lớn hơn mô men do trọng lượng bản
thân cửa van và ma sát ở gối quay, cửa van sẽ được mở đến trạng thái cân bằng. Khi
áp lực không thay đổi, góc mở cửa van cũng khơng thay đổi. Khi mơ men do áp lực
thủy động vẫn cịn lớn hơn thì cửa van sẽ được mở hoàn toàn (ở trạng thái nằm
6


ngang); khi mô men trọng lượng cửa van lớn hơn mô men áp lực thủy động với lực ma
sát, cửa van sẽ đóng lại (ở trạng thái đứng) (xem hình 1-9).

Hình 1 - 9: Sơ họa hình thức kết cấu cửa van tự lật và ứng dụng trong thực tế
1.1.6 Cửa van tự động vùng triều
Cửa van tự động vùng triều là chỉ loại cửa van được tạo thành từ một cánh phẳng
chuyển động quay quanh một trục thẳng đứng khi mực nước chênh lệch đủ lớn như
hình vẽ

1-10. Cửa van này thường gặp trong các cống vùng ven biển đồng bằng

sơng Cửu Long như Gị Cơng, Long Hải (Tiền Giang), Đôi Ma, Rạch Chanh (Long
An), Luỳnh Huỳnh, Số 2 (Kiên Giang), Sáu Quế (Sóc Trăng), Gành Hào (Cà Mau)….
Khi mực nước phía đồng cao hơn mực nước phía biển, cửa van tự động mở để thoát
nước ra biển; khi mực nước phía biển cao hơn mực nước phía đồng, cửa van tự động
đóng để ngăn nước biển xâm nhập vào nội đồng, do đó cịn có tên gọi khác là cửa van
phẳng tự động thủy lực trục đứng. Về mặt hình thức làm việc gần giống như cánh van
cửa van chữ nhân, về mặt cấu tạo thường có thêm bản mặt phía đồng để tạo hộp rỗng,
lợi dụng lực đẩy nổi làm giảm nhẹ lực đóng mở thủy lực.
Cánh cửa

Trục quay

Hình 1 - 10: Cửa van phẳng tự động trục đứng
7


1.1.7 Cửa van chữ nhân
Cửa van chữ nhân là chỉ loại cửa van được tạo thành từ hai cánh có mặt chắn nước là
phẳng hoặc hình cung chuyển động trên mặt bằng quay quanh trục bản lề đặt thẳng
đứng như hình 1-11. Khi cần ngăn nước, cửa van được đưa ra đặt tiếp giáp nhau; khi
cần thông thuyền, cửa van được kéo vào buồng van. Đối với cửa van chữ nhân bản
phẳng được ứng dụng rộng rãi trong các âu thuyền. Đối với cửa van chữ nhân hình
cung được ứng dụng khơng nhiều do nó chỉ thích hợp với cơng trình ngăn nước có
khẩu độ đặc biệt lớn, mặt bằng bố trí cửa rộng (hình 1-12). Khối mặt cửa van có kết
cấu hộp rỗng có thể bơm nước từ ngồi vào hoặc rút nước từ trong ra nhằm mục đích
tăng tải trọng khi đóng cửa hoặc giảm nhỏ lực khi mở cửa.
Mép cửa

Trục
cửa

Cửa van chữ nhân bản cong

Cửa van chữ nhân bản phẳng

Hình 1 - 11: Cửa van chữ nhân

Hình 1 - 12: Cửa van chữ nhân hình cung
Cơng trình ngăn triều Maeslant (Hà Lan, bề rộng thông thủy 360m), cơng trình ngăn
sóng thành phố Saint Petersburg (Nga, bề rộng thơng thủy 200m), cơng trình chống lũ
Chung Lâu (Trung Quốc, bề rộng thông thuyền là 90m) đều sử dụng loại hình cửa van
8


này.
Hình 1-13 là hình ảnh cửa van cơng trình chống lũ Chung Lâu (TP. Thường Châu,
Trung Quốc). Cơng trình cơ bản hoàn thành năm 2008 và là cửa van lớn nhất Châu Á
hiện nay.

Hình 1 - 13: Cửa van chữ nhân hình cung cơng trình chống lũ Chung Lâu (T.Quốc)
1.1.8 Cửa van cổng (Visor gate)
Cửa van cổng là chỉ loại cửa van có hình dạng nửa trụ trịn xoay quanh gối bản lề đặt
tại chân vịm như hình 1-14. Khi cần ngăn nước, cửa van được hạ xuống sát đáy cơng
trình; khi cần tháo nước, cửa van được kéo lên bằng hệ thống dây cáp nối với tai cửa
gắn trên cửa van. Loại cửa van này thích hợp cơng trình có khẩu độ vừa và lớn, mỗi
nhịp có thể thiết kế từ 10m ~ 60m và chiều cao cửa từ 2m ~ 6m. Một số cơng trình tiêu
biểu trên thế giới sử dụng loại cửa van này như cơng trình ngăn sông Low Rhine (Hà
Lan, 2 cửa rộng 54m), cống kiểm sốt triều trên sơng Kizu-gawa (TP. Osaka - Nhật

Bản, 1 cửa rộng 57m, hình 1-16), cơng trình cống cửa sông Tam Xoa (TP. Nam Kinh Trung Quốc, 2 cửa rộng 40m, hình 1-17).
a/

b/

Hình 1 - 14: Cửa van cổng
9


Cấu tạo các bộ phận cửa van được cho ở hình 1-15. Cửa van có bản mặt cong trịn với
bán kính R, chiều cao HV. Bán kính R được chọn theo nhiệm vụ thiết kế cơng trình do
u cầu ngăn sơng và giao thơng thủy.
a/

I

3

6

h

1

4

7

7

5

1

R
6

I

I-I

b/

4

8

B
2

Hình 1 - 15: Kết cấu van cổng
Khi vận hành, cửa van (1) được quay xung quanh gối quay (2) được chôn vào trụ pin
(8). Cửa van di chuyển được nhờ hệ thống thiết bị đóng mở gồm máy đóng mở (3) đặt
trên đỉnh của trụ (7), đầu tai van (4) có gắn pu ly và nối với máy đóng mở nhờ dây kéo
(5). Dây kéo (5) trượt trên hệ thống con lăn (6) đặt trên trụ (7). Như vậy cửa van có
chiều rộng thơng thủy B và chiều cao thơng tầu h.

Hình 1 - 16: Cửa van cổng sơng Tam
Xoa

Hình 1 - 17: Cửa van cổng sông Kizu-gawa

1.1.9 Cửa van viên phân
Cửa van viên phân là cửa van có kết cấu bản chắn nước là một phần của trụ tròn được
gắn lên hai đĩa tròn, tâm trục đặt ở hai đầu trụ pin. Đĩa tròn được gắn với cơ cấu
chuyển động song phẳng. Khi cửa van mở hoàn toàn, phần chắn nước nằm song song
10

HV


với đáy cơng trình; khi cửa van chắn nước, phần chắn nước được đưa đến vị trí thẳng
đứng như hình 1-18. Một số cơng trình điển hình trên thế giới sử dụng loại hình cửa
van này như cơng trình ngăn sơng Thames – Anh (hình 1-19), cơng trình ngăn sơng
EMS – Đức (hình 1-20).

Hình 1 - 18: Cửa van ở trạng thái mở và đóng
Cửa van cơng trình ngăn sơng Thames ở Anh được hồn thành năm 1984. Cơng trình
này có chiều rộng 523m được phân thành 10 khoang trong đó 4 khoang rộng 61m, 2
khoang rộng 31,5m cho phép thuyền bè qua lại và 4 khoang rộng 31,5m không cho
phép thuyền bè qua lại (1 ở bờ Nam và 3 ở bờ Bắc). Các khoang cho phép thuyền bè
qua lại sử dụng cửa van kiểu trụ xoay với bán kính cung trịn bằng 27m, cao 18m.

Hình 1 - 19: Cửa van ngăn sơng
Thames ở Anh

Hình 1 - 20: Cửa van ngăn sông Ems ở Đức

1.1.10 Cửa van phao
Cửa van phao là cửa van dạng hộp rỗng có thể xoay quanh trục thẳng đứng như hình

1-21. Khi cần ngăn nước, phao được xoay vào vị trí vng góc với dịng chảy, dùng
các cánh van gắn trên phao để điều tiết nước; Khi cần thông thủy xoay phao vào sát
bờ. Cửa van loại này được sử dụng thành công trong công trình phịng lũ Tân Sạp nằm
trên kênh đào Tơ Nam thuộc địa phận thành phố Thường Châu tỉnh Giang Tô, Trung
Quốc (hình 1-22).
11


Cánh van

Phao nổi
Trục xoay

Hình 1 - 21: Cửa van thùng nổi

Hình 1 - 22: Cửa van cơng trình phịng lũ Tân Sạp

1.1.11 Cửa van phao chữ nhân
Cửa van này tận dụng những ưu điểm của các hình thức kết cấu cửa van đã ứng dụng
nhiều trong thực tiễn:
+ Cửa van clapê đóng mở bằng xylanh thủy lực kéo hoặc đẩy, dễ dàng điều tiết mực
nước thượng lưu;
+ Cửa van tự động thủy lực trục đứng lợi dụng lực đẩy của áp lực nước khiến cửa van
vận hành nhẹ nhàng;
+ Cửa van chữ nhân lợi dụng ưu điểm của vòm ba khớp tạo được khẩu độ thông thủy
lớn, xylanh hoặc tời kéo được đặt trên đỉnh cửa van không bị ngập nước. Khi cửa van
mở, cánh cửa van nằm trong bờ khơng ngăn cản dịng chảy vào mùa lũ.
Dựa trên một loại kết cấu cửa van phao đã được ứng dụng thành công ở Trung Quốc
(Cửa van Tân Sạp – TP. Thường Châu) với một cánh cửa phao nhịp 60m làm hồn
tồn bằng thép đóng mở thủ cơng, giải pháp cửa van phao hai cánh đóng mở bằng xy

lanh thủy lực hoặc tời kéo, ống thổi khí hoặc chân vịt (tạm gọi là cửa van phao chữ
nhân có cánh phụ điều tiết). Hình 1-23 thể hiện sơ đồ bố trí tổng thể cơng trình.
Ngun lý làm việc của cửa van như cửa van chữ nhân, chỉ khác khi cửa van ở trạng
thái đóng, các cánh phụ trên cửa van có thể điều tiết lưu lượng và mực nước.
12


(1) Cửa van; (2) Xylanh thủy lực hoặc tời kéo; (3) Trụ van; (4) Bờ sơng
Hình 1 - 23: Bố trí tổng thể cơng trình
Hình 1-24 thể hiện mặt cắt ngang cửa van. Khi cánh phụ đóng hồn tồn (Hình 1-24a),
mực nước thượng lưu sẽ đạt đến mực nước thiết kế; khi cánh phụ mở hồn tồn (Hình
1-24b), mực nước thượng lưu xuống tới mực nước thông thuyền thấp nhất, lúc này có
thể dùng xylanh, tời kéo hoặc chân vịt đưa cửa van vào bờ. Cửa van có thể nổi hoặc
chìm tịnh tiến theo phương trục bản lề khi cho nước vào ra buồng phao để giảm lực tác
dụng vào gối bản lề và lực đóng mở cửa van. Khi dâng nước thượng lưu, cửa phao
thượng lưu mở, cửa phao hạ lưu đóng, nước sẽ lấp đầy buồng phao, cửa van sẽ tỳ lên
dầm đáy thông qua gối đỡ trung gian (Hình 1.24a); khi cần mở cửa van thơng thuyền,
đóng cửa phao thượng lưu, mở cửa phao hạ lưu cho nước chảy ra ngoài nếu mực nước
hạ lưu kiệt hoặc đóng cả cửa phao thượng hạ lưu và bơm cưỡng bức nước ra ngồi,
cửa van sẽ nổi (Hình 1.24b). Buồng phao có thể làm bằng kết cấu thép hoặc kết cấu bê
tông cốt thép vỏ mỏng.

(a)

(b)

(1) Phao; (2) Cửa van clape; (3) Xylanh kéo hoặc đẩy ; (4) Khung đỡ cửa van clape
(trụ pin cầu công tác); (5) Lan can; (6) Gối đỡ trung gian; (7) Cửa phao TL; (8) Cửa
phao HL; (9) Dầm đáy
Hình 1 - 24: Mặt cắt ngang kết cấu cửa van

13