SỔ TAY KỸ THUẬT THỦY LỢI - PHẦN 2 CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - TẬP 4 doc

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 r∙i nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các loại cửa van khác..

2

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

Môc lôc

1.4 Chän lo¹i cöa van cho c«ng tr×nh 12

1.4.4 Cöa trªn ®Ëp trµn ë hå chøa vµ ®Ëp d©ng vïng Trung du vµ miÒn nói 13

1.5 Bè trÝ cöa van trong c«ng tr×nh 13

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

1.10.10 Các kiểu cửa van tự động thủy lực điều tiết trên kênh 36

2.3 áp lực n-ớc tác dụng lên cửa van 42

3.1.4 Tải trọng và lực tác dụng lên cửa van phẳng 59

3.1.6 Kết cấu phần ốp ở ngưỡng khe van và gioăng kín nước 65

3.2.1 Ưu nhược điểm của cửa van cung 67

3.2.5 Xác định áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa van cung 73

3.7.4 Xác định trọng lượng bản thân và lực nâng cửa van trụ lăn 98

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

3.11.3 Cửa van cung đối trọng tự động điều tiết mực nước 119

4.1 Một số vấn đề cần chú ý khi thiết kế cửa van sâu 137

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

5.2.2 Ưu, nhược điểm của thiết bị đóng mở kiểu vít đai ốc 161

5.2.4 Máy đóng mở kiểu vít dùng cho cửa van sâu 164

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

5.4 Thiết bị đóng mở bằng xilanh thủy lực 173

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

Phụ lục Một số thiết bị đóng mở cửa van 179

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

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 r∙i 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

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 b∙o

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 b∙o, 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 b∙o 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

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

- 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 CT0, BCT2, BCT3, BCT4 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 Д, vanadi f, bor P, môlipđen M, titan T, nhôm IO, nitơ A; con số sau chỉ

lượng phần trăm (làm tròn) khi quá 1%

B¶ng 1-1 chiÕm 1 trang

B¶ng 1-2 B¶ng 1-3 chiÕm 1 trang

1.7.2 Gang

Những chi tiết của cửa như bánh xe lăn, bánh xe cữ, cối cửa chịu áp lực nhỏ hơn

60 kG/cm2 có thể dùng gang xám và gang chống mài mòn theo

Bảng 1-4 Tính năng cơ học của gang

Kéo Gang Độ cứng

Brinell Giới hạn đàn hồi

kG/mm 2

Giới hạn phá hoại kG/mm 2

Độ dãn kéo đứt

%

Cắt kG/mm 2

Bảng 1-5 Cường độ tính toán của khối đúc bằng gang xám (GOCT 1412 - 79)

Cường độ tính toán MPa của khối đúc bằng gang xám Trạng thái ứng suất

1.7.5 Vật liệu tổng hợp Composite

Hiện tại cửa van bằng thép bọc composite đ∙ được ứng dụng khá phổ biến và cửa

van hoàn toàn bằng vật liệu composite cũng đ∙ được ứng dụng nhiều cho vùng ven biển

nơi có chênh lệch cột nước thấp nhưng chưa tổng kết và chưa có hướng dẫn thiết kế

Tính chất cơ lý của vật liệu composite như sau:

Cửa van bằng bê tông cốt thép dạng vỏ mỏng được ứng dụng làm cửa van tự động

ở một số công trình vùng ven biển có kết quả tốt; mác bê tông ³ 300 có dùng phụ gia

hóa dẻo nên bê tông đạt chất lượng cao

1.8 Những vấn đề cần l-u ý trong thiết kế cửa van

1.8.1 Phải chọn loại cửa van phù hợp với tính chất và nhiệm vụ công trình để đáp ứng

được yêu cầu đặt ra trong quản lý khai thác, phù hợp với điều kiện chế tạo lắp đặt, vận

hành, sửa chữa bảo dưỡng thay thế và phù hợp khả năng đầu tư kinh tế kỹ thuật Điều

cần chú ý nhất khi chọn loại cửa van là độ tin cậy trong vận hành đóng mở để thực hiện

nhiệm vụ điều tiết mực nước lưu lượng do yêu cầu sản xuất đề ra

1.8.2 Tính toán cửa van cả về độ bền và ổn định đối với những lực và tải trọng cơ bản

tác dụng đồng thời và kiểm tra ứng suất khi có sự tác dụng của các tải trọng đặc biệt và

tổ hợp của chúng với những lực cơ bản Thường được tính theo trạng thái giới hạn thứ

nhất và trạng thái giới hạn thứ hai

1.8.3 Trong tính toán sơ bộ, việc chọn chiều cao mặt cắt dầm chịu lực phải xuất phát từ

điều kiện độ võng cho phép, tính theo công thức:

 - nhịp tính toán của dầm chịu lực, cm;

a - khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt tính toán của dầm chịu lực đến mép

dầm (cm); được lấy a = (0,75 á 0,65)hct (hct - chiều cao của mặt cắt dầm);

E - mô đun đàn hồi, đối với thép, E = 2100000 kG/cm2;

[s] - ứng suất cho phép (kG/cm2) của vật liệu làm cửa van

Độ võng cho phép lớn nhất của các dầm chính của cửa van không được vượt quá:

Cửa hoạt động thường xuyên Cửa làm việc tạm thời

1.8.5 Kết cấu cửa van phải thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, quan trắc theo dõi, sửa

chữa, thay thế các bộ phận và có độ tin cậy cao trong vận hành

1.8.6 Hình dạng mép dưới cửa van phải thuận cho dòng chảy, không bị cản và không

gây mạch động áp lực đáng kể và hiện tượng khí thực ở mép cửa van

1.8.7 Phải đảm bảo hình dạng không phát sinh chân không đối với các cửa van cho

nước tràn qua và đảm bảo thông không khí dưới lớp nước tràn đó

1.8.8 Phải chọn được vật liệu làm cửa van và biện pháp bảo vệ để cửa van bền trong

môi trường chua mặn, ẩm ướt

Thu thập và phân tích tài liệu

Điều tra, nghiên cứu, thí nghiệm mô hình hoặc thực tế Chọn loại hình cửa van

Vận hành chính thức

1.8.9 Trình tự công tác từ thiết kế đến vận hành cửa van

1.9 Ph-ơng pháp tính toán

Cửa van thủy công là vật kết cấu không gian ba chiều, nên về nguyên tắc phải

dùng hệ kết cấu không gian để tiến hành phân tích tính toán Nhưng bởi vì trước đây kỹ

thuật tính toán chưa phát triển, nếu làm như vậy trên thực tế gặp rất nhiều khó khăn Do

đó trong thiết kế công trình một thời gian dài đ∙ dùng phương pháp phân tích hệ mặt

phẳng để tính toán Tức là phân tích kết cấu không gian của cửa van thành nhiều kết cấu

phẳng độc lập, sau đó tiến hành tính toán riêng biệt Làm như thế sẽ thuận tiện cho công việc tính toán, nhưng cũng đưa đến nhiều sai số không phù hợp với thực tế, vì vậy kết quả tính toán mang tính gần đúng, không thể phản ánh tình trạng làm việc của cửa van một cách chân thực

Mấy năm gần đây đ∙ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng sự hỗ trợ của máy tính điện tử, để giải bài toán kết cấu không gian của cửa van, thực tế và đ∙ thu

được kết quả đáng tin cậy

Phần này giới thiệu khái quát hai phương pháp tính toán trên

Phản lực gối của dầm phụ thẳng đứng và hệ liên kết hướng đứng là phụ tải truyền cho dầm chủ nằm ngang, sau khi cộng thêm áp lực nước do bản mặt trực tiếp truyền

đến, phụ tải được biểu thị ở hình (d) Phản lực gối của dầm chủ ngang truyền cho dầm bên, sau khi cộng thêm áp lực nước do bản mặt truyền đến, phụ tải của nó như hình (e) Dầm bên dựa vào trục bánh xe của bánh xe chính, vì vậy áp lực nước tác dụng lên bản mặt cuối cùng qua bánh xe chính truyền cho đường ray và kết cấu gắn trong bê tông

Bằng phương pháp nêu trên ta đưa một cửa van không gian phân tích thành rất nhiều cấu kiện hệ phẳng độc lập, sau khi có phụ tải việc tính toán sẽ không còn khó khăn nữa Nhưng cần phải chú ý, ở trên đường giao nhau của hai cấu kiện hệ phẳng, phải xét cộng dồn ứng suất

Đối với cửa van cung hoặc các hình thức cửa van khác, đều có thể sử dụng phương pháp này được một nhóm hệ kết cấu phẳng có giá trị như kết cấu không gian ban đầu Vật kết cấu của những hệ phẳng này do bản, dầm, cột và thanh giằng v.v tạo thành Phương pháp phân tích xem ở tài liệu cơ học kết cấu

ở đây chỉ giới thiệu phương pháp tính toán bản mặt có liên quan tới kết cấu cửa van mà ở Trung Quốc khi biên soạn quy phạm thiết kế cửa van thép, người ta đi sâu nghiên cứu từ thực nghiệm và tính toán Qua đó rút ra các kết luận sau đây:

(1) Vật liệu thép là một loại vật liệu đàn hồi rất tốt, làm việc trong phạm vi biến

dạng nhỏ, trạng thái ứng suất ở trong bản mặt hoàn toàn thống nhất với kết quả của lý thuyết bản mỏng đàn hồi Thực nghiệm cho thấy, tiền đề diễn toán của công thức Pakhơ

là chưa chặt chẽ, không thể phản ánh tình trạng làm việc thực của bản mặt, không nên tiếp tục sử dụng

(2) Bản mặt ở trong kết cấu cửa van có hai tác dụng: Một là trong quá trình truyền

áp lực nước, nó có tác dụng uốn cong cục bộ, ứng suất của nó có thể tính toán theo bản

mỏng đàn hồi của gối trên khung dầm Hai là, nó lại là một bộ phận của khung dầm

tham gia với kết cấu tổng thể, ứng suất của nó có thể xác định được theo biên cánh của

khung dầm

(3) ứng suất phát sinh lớn nhất trong bản mặt (hay gọi là điểm khống chế ứng

suất) là điểm giữa của ô với khung đỡ 4 bên

Theo tình hình bố trí cửa van thông thường, điểm khống chế xuất hiện tại điểm

giữa của cạnh dài khu ô dầm

(4) Thực nghiệm cho thấy, bản mặt khi đi vào giai đoạn làm việc có tính đàn hồi

dẻo, cường độ tiềm tàng rất lớn, phạm vi của khu tính dẻo được mở rộng, điểm khống

chế ứng suất sẽ nhỏ và cục bộ Dựa vào ứng suất cho phép của nó để tiến hành kiểm tra

cường độ là thích hợp

Căn cứ vào các kết luận nêu trên đ∙ quy định phương pháp tính toán bản mặt

như sau:

a) ứng suất uốn cục bộ của bản mặt smx, smy nên căn cứ vào dạng khung đỡ biên

để tính toán theo bản mỏng đàn hồi chịu phụ tải phân bố đều, công thức tính toán như

p - cường độ áp lực nước của trung tâm khu ô tính toán bản mặt (kG/cm2);

a - độ dài cạnh ngắn của ô tính toán bản mặt (cm) tính từ khe hàn giữa bản

mặt và ô dầm;

d - độ dày của bản mặt (cm);

k - hệ số ứng suất uốn của điểm giữa cạnh đỡ bản mỏng đàn hồi Trong tính

toán có thể chia thành hai loại: Điểm giữa cạnh dài và điểm giữa cạnh ngắn Giá trị của nó tra trong hình 1-2

b) Nếu bản mặt nối liền với dầm đỡ, cho phép bản mặt làm việc với biên cánh của

dầm, độ rộng hữu hiệu B của nó lấy bằng trị tương đối nhỏ tìm được theo công thức:

B = x.b;

BÊ 60d +b1; (thép số 3) (1-3)

BÊ 50d +b1; (thép số 16) Trong đó: b - khoảng cách giữa dầm,

x - hệ số độ rộng hữu hiệu, xem hình thức bố trí của dầm, tra theo hình 1-3;

Hình 1-1 Tình trạng chịu lực của cửa van phẳng trên mặt

1- bản mặt; 2- dầm phụ ngang; 3- dầm đứng; 4- hệ liên kết đứng; 5- dầm chính ngang; 6- dầm biên; 7- hệ liên kết sau cánh;8- bánh xe di chuyển; 9- tai cửa; 10- bánh xe cữ;

11- đường ray chính; 12- đường ray ngược

7 5

4 3 2

5

5 1

8

6

9

3

A B

A

b y

A B

Biên cố định Biên gối đơn giản

Điểm giữa cạnh dài biên cố định

Điểm giữa cạnh ngắn biên cố định

0 - khoảng cách giữa điểm O, đối với dầm chống đơn giản 0 = 1 Đối với

dầm chống liên tục, xác định gần đúng theo hình trên;

x1 - ứng với hình mô men uốn dương đường Parabon;

x2 - ứng với hình mô men uốn âm hình tam giác

c) Khi tính toán cường độ của bản mặt, nên đưa ứng suất smx, smy tìm được theo

uốn cục bộ nêu trên cộng với ứng suất sox tìm được theo bản cạnh cánh dầm (hoặc soy)

ứng suất tính toán szh sau khi đ∙ cộng lại nên thoả m∙n điều kiện sau đây:

[ ]

Nếu tỷ số chiều dài cạnh của bản mặt b/a >1,5 mà cạnh dài bố trí theo hướng trục

dầm (hình 1-4) thì chỉ cần tính ứng suất của điểm A theo công thức:

s s s - thống nhất dùng trị tuyệt đối

Vì sử dụng công thức (1-5) và (1-6) để tính toán (szh)A, (szh)B tương đối phiền

phức, rất khó bỏ đi một số trường hợp tính toán không cần thiết nào đó một cách trực

quan; Đồng thời cũng do tính toán phức tạp, dễ sai xót, vì thế có thể đổi thành công

thức đơn giản hóa dưới đây (1-7) và (1-8) để thay thế công thức (1-4), (1-5) và

So sánh với công thức ban đầu, sai số lớn nhất bằng khoảng 1,2%

Hình 1-4 Tính toán ứng suất tại điểm A

Hình 1-5 Tính toán ứng suất tại điểm B

1.9.2 Ph-ơng pháp phân tích hệ kết cấu không gian

Kết cấu cửa van phân tích theo hệ không gian được coi trọng sau khi máy tính

điện tử ra đời kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn, ứng dụng trong lĩnh vực phân tích kết cấu ngày nay được sử dụng rộng r∙i Từ kết quả phân tích mà xét, nó phản ánh một cách tương đối sát thực trạng thái làm việc của kết cấu, đồng thời còn xử lý một cách tự động, nhanh chóng và tiêu chuẩn hoá rất tốt

Trong phương pháp phần tử hữu hạn, có một vấn đề quan trọng là làm sao xây dựng được mô hình số của kết cấu phân nhỏ có giá trị như nhau với kết cấu thực, sao cho một hệ kết cấu có độ tự do vô hạn chuyển hoá thành một hệ kết cấu tự do hữu hạn Thường căn cứ vào bố trí cụ thể của kết cấu để phán đoán xác định vì vậy ngoài việc phải nắm vững trạng thái làm việc chủ yếu của kết cấu, còn phải xem xét làm sao cho tính chất phần tử của kết cấu sau khi phân nhỏ phải tương đối đơn giản, dễ tính toán quan hệ đặc tính của phần tử

Ví dụ: Đối với kết cấu của cửa van phẳng do bản mặt, dầm dọc, dầm ngang và các

bộ phận khác tạo thành, phân tích như phân tích phương pháp hệ mặt phẳng đ∙ trình bày

ở trên, đương nhiên có thể xem như một loại phương án phân nhỏ

Chẳng qua trong phương án này tuy đ∙ xem xét tính chất làm việc chủ yếu của kết cấu, nhưng tính chất phần tử của kết cấu sau khi phân nhỏ tương đối phức tạp, khó có thể xác định quan hệ đặc tính phần tử của nó Vì vậy, có thể đưa kết cấu cửa van tưởng tượng như một tấm bản được gia cường bởi hệ thống khung dầm, cũng chính là một hệ kết cấu không gian do bản hai chiều và dầm một chiều tạo thành

Hình 1-6 Sơ đồ phân nhỏ kết cấu của cửa van phẳng

1

2

3 6 5

4

7

8

9 12 11

10

13

14

15

Như hình 1-6 bản mặt 1-3-15-13 gắn lên dầm ngang 1-3, 4-6, , 13-15, trên dầm

dọc 1-13, 2-14, 3-15 mà tạo thành tổ hợp kết cấu Có thể cắt rời toàn bộ kết cấu cửa van

theo tuyến trục dọc, ngang phân chia thành rất nhiều phần tử bản và phần tử dầm, do

vậy mà hoàn thành quá trình phân nhỏ kết cấu

Hình vẽ cho thấy phần tử kết cấu cửa van phẳng, gồm có 8 phần tử bản và 22 phần

tử dầm, các phần tử được liên kết lại bởi các nút 1, 2, , 15

Không nghi ngờ gì nữa, do kết cấu là liên tục, trên các điểm nút các chuyển vị và

nội lực của các phần tử bằng nhau

Sau khi đ∙ chia nhỏ toàn bộ kết cấu, công việc của bước sau tiến hành phân tích

tính toán tính năng đối với các loại phần tử

Do các loại phần tử chỉ tiếp xúc với nhau tại các điểm nút Vì vậy có quan hệ cơ

bản tức là thêm lực trên điểm nút và chuyển vị do lực đó sinh ra Quan hệ này có thể

dùng độ cứng hoặc độ mềm của phần tử để diễn đạt Trong kết cấu có thể dùng nguyên

lý công ảo kết hợp với phương trình hình học, phương trình vật lý để tiến hành

diễn toán

Sau khi đ∙ tính được tính năng của phần tử, có thể tiến hành kết hợp lại kết cấu,

đưa kết cấu đ∙ phân nhỏ, theo một quan hệ nhất định tái tập hợp lại, khôi phục lại diện

mạo nguyên dạng của kết cấu Lúc này cần thiết phải thoả m∙n:

với ngoại lực tác dụng lên các điểm nút

(2) Điều kiện tương ứng - Dưới tác dụng của phụ tải và ngoại lực lên phần tử, biến

dạng tại các điểm nút (và trên biên) cần phải duy trì liên tục

Căn cứ vào những yếu tố này, có thể viết ra được toàn bộ phương trình nhiều biến

số để tìm lời giải Quy mô nhóm phương trình luôn luôn rất lớn, chỉ có thể giải được

trên máy tính điện tử Sau khi đ∙ giải được biến số của những điểm nút này, theo tính

năng của phần tử đ∙ thu được từ đầu, có thể tìm ra được ứng suất và chuyển vị của bất

kỳ một điểm nào trong phần tử Hạng mục này cũng do máy tính điện tử đảm nhiệm

Từ đó có thể thấy, dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích kết cấu không

gian hoàn toàn giống như phân tích kết cấu siêu tĩnh trong cơ học kết cấu Các bước

Bước 5: Tìm lời giải của biến số của kết cấu (Ví dụ chuyển vị và nội lực của điểm nút)

Bước 6: Tính toán biến số kết cấu của các điểm nội bộ các phần tử (như ứng suất

và biến dạng)

Ví dụ, phương pháp tiến hành tính cửa van phẳng

(1) Đưa kết cấu của cửa van tiến hành phân chia nhỏ, như hình 1-6, cắt ra một

mảnh nhỏ kết cấu tổ hợp của bản mặt và dầm, như hình 1-7 và lấy hệ toạ độ tay phải để làm toạ độ

(2) Dùng phương pháp chuyển vị: lấy chuyển vị của điểm nút để làm biến số của

kết cấu Dùng hàm số chuyển vị dưới đây (đối với dầm x, cho y = 0 đối với dầm y, cho

vw

Dầm hướng y

Dầm hướng x

(1-12)

(1-13)

[ ]

2 2 1

xk yk zk xk yk xl yl zl xl yl

F

0 F

0 F

1 M

b 6 M

a 6 F

R

0 F

0 F

1 F

b 6 M

a 6 M

0 F

0 F

0 0

8 10

b 15

a 18 0 0

dầm, chỉ cần khi tính toán đổi x thành y trong công thức là tính toán được

Nếu cần phải xét phụ tải ngoài, chỉ cần áp lực nước P0 +gy tác dụng lên bản mặt

cửa van (xem hình 1-8, trục y với hướng mặt đất, trục x và trục z song song với hướng

mặt đất, trục z chỉ xuống hướng hạ lưu)

Sau khi dịch chuyển vị trí, lực tác dụng đều lên nút {R}e như công thức (1-15)

biểu thị

(4) Khi đ∙ có ma trận độ cứng của các phần tử và lực tác dụng của điểm nút, có

thể tập hợp chúng lại, hình thành tổng ma trận độ cứng của kết cấu, đồng thời theo điều

kiện cân bằng của lực trên điểm nút, tạo ra các nhóm chương trình sau đây:

Trước khi giải phương trình (1-18) cần phải căn cứ vào điều điều kiện biên, tiến

hành xử lý điều kiện biên, tức là cần phải đề phòng sự vận động thể cứng của tổng thể

b

Ví dụ: Đối với biên của gối cố định

Đối với biên của gối đơn giản w = 0

Đối với gối biên của hình học và phụ tải đối xứng (1-17)

Đối xứng với trục x, v 0

}

ứng suất của biên cánh trên, dưới điểm giữa của phần tử dầm hướng x và phần tử

d d - chuyển vị điểm nút của phần tử dầm do máy tính điện tử xác định

1.9.3 Một số quy định trong thiết kế kết cấu cửa van

Khi thiết kế kết cấu cửa van thuỷ công nên cố gắng theo tình hình tổ hợp phụ tải

bất lợi nhất có thể phát sinh trong thực tế, tiến hành tính toán các mặt: Cường độ, độ

cứng và tính ổn định v.v

trị số ứng suất lớn nhất của kết cấu do tính toán cường độ thu được không vượt

quá 5% ứng suất cho phép của vật liệu

Tỷ số f/L của độ võng lớn nhất của cấu kiện chịu uốn với khẩu độ tính toán của

nó Tỷ số L/r độ d∙n dài tính toán của cấu kiện chịu kéo, chịu nén với bán kính quay về

của mặt cắt và kích thước mặt cắt nhỏ nhất của cấu kiện chịu tải trọng, đều phải tuân

thủ phạm vi cho phép của quy phạm

1.10 Một số cửa van đ∙ nghiên cứu và ứng dụng

Hiện nay có hàng chục loại cửa van đ∙ được áp dụng trong thực tế, nhưng trong sổ

tay này chỉ trình bày được một số cửa van thường được áp dụng phổ biến nhất, còn một

số cửa van khác chỉ xin được giới thiệu sơ đồ nguyên lý

1.10.1 Cửa van phẳng

Là loại được ứng dụng rộng r∙i, có kết cấu đơn giản và vận hành có độ tin cậy

cao, nhược điểm là lực kéo nặng vì phải kéo toàn bộ trọng lượng cửa và phải thắng ma

sát do áp lực nước gây ra và chiếm không gian phía trên đập

1.10.2 Cửa van cung

- Cửa van cung trục ngang: Là loại cửa cũng được ứng dụng phổ biến bởi ưu điểm của cửa cung lực kéo nhẹ vì chỉ cần kéo một phần trọng lượng cửa và áp lực nước thường đi qua tâm quay nên không trực tiếp cản trở lực kéo mà chỉ có tác dụng gây ma sát ở cối quay, vận hành có độ tin cậy cao Nhược điểm là chiếm diện tích trên công trình

- Cửa van cung trục đứng: Thường ít dùng vì càng làm việc theo sơ đồ công xôn, nên không làm được khoang rộng

1.10.3 Cửa van Clape trục d-ới (cửa sập)

Đây là loại cửa van có nhiều ưu điểm, lực kéo nhỏ, lực được phân đều lên các mố nên có thể làm cửa rộng, nhược điểm là trục quay nằm trong nước

1.10.4 Cửa van Clape trục trên

Loại cửa van này thường dùng để tiêu úng và ngăn triều hoặc ngăn lũ từ sông, nhược điểm chỉ ngăn nước một chiều và thường ứng dụng cho loại cống nhỏ

1.10.5 Cửa van hình quạt

Được bố trí trên các đập tràn, khi mở cửa nằm vào trong thân đập ưu điểm có thể làm khoang rộng, có thể hỗ trợ đóng mở bằng thủy lực Nhược điểm cửa van có kết cấu phức tạp hơn so với cửa Clape nên ứng dụng còn ít

1.10.6 Cửa van mái nhà

Là loại cửa van được đóng mở bằng thuỷ lực, có thể làm khoang rộng, được ứng dụng cho những công trình điều tiết lũ lớn, như đ∙ áp dụng ở đập Đáy từ năm 1937 Nhược điểm có độ tin cậy không cao

1.10.7 Cửa van trụ lăn

Hiện nay ít sử dụng

1.10.8 Các kiểu cửa quay trục đứng

Đây là loại cửa van mới được phát triển ở nước ta trong hai thập kỷ vừa qua

- Cửa van cánh cửa tự động

- Cửa van cánh cửa không tự động

- Cửa bản lệch

1.10.9 Các kiểu cửa quay trục ngang

Đây cũng là loại cửa mới được phát triển trong thập kỷ vừa qua

- Bản quay trục giữa, bản quay khoảng 1/3 từ dưới lên

- Bản quay trục giữa nhiều lớp

1.10.10 Các kiểu cửa van tự động thủy lực điều tiết trên kênh

Hiện có nhiều loại cửa van điều tiết mực nước, điều tiết lưu lượng đ∙ được ứng dụng trên nhiều trên nhiều hệ thống thủy nông trên Thế giới

1.10.11 Các kiểu cửa van âu tàu

Hiện có nhiều loại cửa van có thể ứng dụng cho âu tàu như: Cửa chữ nhân, cửa phẳng chìm, cửa phẳng đứng, cửa phẳng kéo, cửa clape, cửa đẩy ngang, cửa cung đứng, cửa một phần hình tròn

Chương 1 11 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

1.9.3 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

Biên soạn: GS TS Trương Đình Dụ

2.1 Khái niệm chung

Cửa van là bộ phận chịu lực tác động của dòng chảy nên có tính chất thủy lực

quan trọng:

- Năng lực xả nước tốt, nghĩa là ở độ mở khác nhau - hệ số lưu lượng tương đối

lớn hoặc có hệ số cản tương đối nhỏ

- Lực tác dụng thủy động ổn định rõ ràng, làm cho lực đóng mở tương đối nhỏ và

ổn định, tính năng đóng mở tương đối tốt, thao tác linh hoạt thuận tiện

- Phân bố áp lực nước đều đặn và trạng thái dòng chảy ổn định, tại cửa van và tại

công trình thủy công lân cận, không có hiện tượng khí thực

- áp lực mạch động và cường độ chảy rối của dòng chảy tương đối nhỏ, không

gây chấn động có tính nguy hại

2.2 Năng lực xả n-ớc

Cửa van mặt nói chung thường áp dụng cho các tràn xả lũ của hồ chứa và cống

đồng bằng Trạng thái dòng chảy khi chảy qua đập tràn và cống thường có hai loại:

chảy tràn và chảy lỗ

Xác định điểm phân giới của chảy tràn và chảy lỗ là vô cùng quan trọng, nó có

quan hệ với các nhân tố: Hình thức đỉnh tràn, hình thức cửa van, điều kiện mực nước

thượng hạ lưu và độ mở tương đối của cửa van v.v

Đối với loại tràn và loại cửa van thường gặp, điều kiện phán đoán chảy lỗ nêu

trong bảng 2-1

Bảng 2-1 Công thức phán đoán dòng chảy qua lỗ

Loại ngưỡng tràn Loại cửa Công thức phán đoán

Tràn đỉnh rộng Cửa van phẳng hoặc cửa van cung e/H Ê 0,65

Tràn thực dụng

Cửa van cung Khi q2/gH < 5 e/H Ê 0,75

Khi q 2 /gH > 5 e/H Ê 0,8

Trong đó: e- cao độ mở cửa van (m);

e- độ mở của cửa van (m);

m1- hệ số lưu lượng chảy lỗ Trị số của nó có quan hệ tới loại hình ngưỡng tràn, loại hình cửa van và độ mở tương đối của cửa van, xem bảng 2-2

0,44 <q<p /2

n1< 0,56 Tràn thực dụng Cửa van phẳng

Cửa van cung

m 1 = 0,745 – 0,274n 1

m1 = 0,685 – 0,19n1

Trong đó: n1- độ mở tương đối của cửa van, n1=e H;

q - góc kẹp giữa tiếp tuyến với đường nằm ngang của viền đáy của cung khi độ mở là n1, tính bằng radian

Đối với cống đồng bằng, nếu dưới cống là dòng chảy ngập, hệ số lưu lượng m1 tra

h"c- độ sâu nước tại mặt cắt thu hẹp nhất của dòng chảy dưới cửa van (m)

Dòng chảy d-ới cửa sâu

Cửa van sâu là loại cửa van được lắp đặt ở các lỗ tháo nước dưới sâu

Năng lực tháo nước của cửa van đặt dưới sâu có quan hệ với tổng các tổn thất ma

sát theo dòng chảy và tổn thất cục bộ Năng lực tháo nước của bản thân cửa van bằng

cột nước tại vị trí trước cửa van, thường bằng chiều cao ống (chữ nhật) hoặc bằng đường

kính ống tròn trừ đi độ sâu co hẹp sau cửa van để làm cột nước công tác hữu hiệu H

Tính toán theo công thức:

2

Trong đó:

A- diện tích miệng lỗ khi cửa van mở hết (m2)

m2- hệ số lưu lượng theo định nghĩa diện tích A Tức là khác với m1 của công thức (2-1) Trị số của nó tính theo công thức:

2

2

11

m =

x2- hệ số tổn thất của cửa van Trị số x2 của các loại cửa van có thể tra trong bảng 2-3

Loại cửa Trạng thái dòng chảy ở hạ lưu Hệ số tổn thất x2

Chảy tự do x2 tra theo hình 2-2

Trong đó:

n2 - độ mở tương đối cửa van, tính toán theo chiều cao lỗ h, n2 = e/h;

n3 - độ mở tương đối của cửa van hình cung, tính toán theo góc trung tâm j,

n3 = j/j0 hoặc n3ằ n2 – 0,05;

b - góc quay khi mở cửa van bướm, tính bằng Radian, khi mở hết b = p/2;

h= 1+0,43j+0,41j2, j xem hình 2-1, tính bằng Radian

Hình dạng đáy cửa van phẳng, xem hình 2-1

Hình 2-1 Hình dạng viền đáy của cửa van phẳng

1.6 1.4 1.2

e h