Thiết kế cửa van phẳng vận hành cửa nhận nước công trình xe caman 3

Cửa van không thể thiếutrong các công trình thuỷ điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết dòng chảy vào tua bin,tích nước vào hồ chứa, xả nước mặt có vật trôi nổi, xả cát, đóng cửa van để sửac

Trọng lượng cửa van : 18617 daN

Thép bưng phần phía thượng lưu

II Yêu cầu :

Cấu tạo đơn giản, dễ lắp ráp sửa chữa

An toàn, thuận lợi

Lực đóng mở nhẹ, đóng mở nhanh

Đảm bảo điều kiện bền, ổn định, mĩ quan

Hợp với yêu cầu và điều kiện sản xuất

Dễ bảo dưỡng

Kết cấu yêu cầu hợp lí

Giá thành hạ

LỜI NÓI ĐẦU

Nước là tài nguyên vô cùng quý giá, là sự sống của muôn loài trên trái đất Ở đâu có nước thì ở đó có mầm sống Trong đời sống hàng ngày nước cần cho đời sống, cho chăn nuôi, trồng trọt, cho công nghiệp … Nước ta có khí hậu nhiệt đới mưa nhiều Nhưng mưa không đều quanh năm mà theo mùa, khi nhiều khi ít, vùng nhiều vùng ít Vì vậy để có thể điều hoà được nước quanh năm, phục vụ nhiều mục đích khác nhau người ta phải tích trữ nước vào trong các hồ đập, giữ nước trên sông … Từ hồ chứa, nước được điều tiết về các nhánh sử dụng khác nhau Muốn đảm bảo lưu lượng nước đủ dùng cho sinh hoạt, cho sản suất, cho giao thông … thì cần phải có cửa van để điều tiết lưu lượng và khống chế mực nước phù hợp.

Việt Nam vốn là một nước nông nghiệp, có khí hậu nhiệt đới - mưa nhiều, với hệ thống sông ngòi dày đặc và bờ biển dài Nguồn tài nguyên nước là rất lớn, cần được khai thác tốt, có hiệu quả Để thúc đẩy nền kinh tế đất nước nói chung và nền kinh tế nông nghiệp nói riêng, thì chúng ta cần phải chú trọng và cải tạo nâng cấp

hệ thống công trình thuỷ lợi Trên các công trình thuỷ lợi thì các cửa van giữ vai trò

rất quan trọng Chính vì vậy em xin được chọn đề tài : “Thiết kế cửa van phẳng vận hành cửa nhận nước công trình Xe Caman 3” làm đề tài tốt nghiệp Cửa van

được sử dụng để xả đáy cho công thuỷ lợi.

Để bản đồ án này được hoàn thành em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô

giáo, đặc biệt là: Thầy giáo KS.Bùi Văn Hiệu đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo

nhiệt tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Tuy đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện đồ án, xong do trình độ và sự hiểu biết có hạn, khó tránh khỏi những phần thiếu sót em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Hà nội, Ngày 09 tháng 09 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Lê Văn Khương.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CỬA VAN TRÊN CÁC CÔNG

TRÌNH THUỶ LỢI – THUỶ ĐIỆN

1.1 Tầm quan trọng và nhiệm vụ của cửa van:

Cửa van là một bộ phận quan trọng trên các công trình thuỷ lợi Nó dùng để điềutiết dòng chảy, điều chỉnh mực nước và lưu lượng qua công trình, dùng để ngănmặn giữ ngọt, tiêu chua rửa phen ở các vùng thuỷ triều Cửa van không thể thiếutrong các công trình thuỷ điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết dòng chảy vào tua bin,tích nước vào hồ chứa, xả nước mặt có vật trôi nổi, xả cát, đóng cửa van để sửachữa tua bin

Ở nước ta hiện nay cửa van được ứng dụng rất rộng rãi trên các công trình thuỷlợi, thuỷ điện đem lại nhiều lợi ích trong việc cung cấp nước, điện cho việc sinhhoạt của nhân dân, nuôi trồng thuỷ, hải sản, hoa màu Đồng thời giữ nước trongmùa khô và tiêu thoát nước trong mùa lũ đảm bảo an toàn cho công trình

Đặc biệt trong thời điểm hiện nay trước tình hình biến đổi khí hậu đang diễnbiến phức tạp thì việc thiết kế và lắp đặt cửa van lấy nước phục vụ cho sản xuất chonông nghiệp, công nghiêp và sinh hoạt đang trở thành vấn đề bức thiết Nhà nước tađang đẩy mạnh việc nghiên cứu những giải pháp mới nhằm chống lại thiên tai,phòng chống lũ lụt, đảm bảo cho cuộc sống của nhân dân

1.2 Cấu tạo cửa van :

Một cửa van gồm có ba bộ phận chính: phần cửa van, thiết bị đóng mở và hệthống điều khiển Phần cửa van có hai thành phần: phần động và phần tĩnh

Phần động có thể chuyển động được, hoạt động nhu một vách ngăn để điều tiếtdòng nước chảy qua bao gồm bản mặt và các dầm Tấm thép có nhiệm vụ trực tiếpngăn nước được gọi là tấm thép bưng, thép bưng liên kết với các dầm tăng cứngphía sau gọi là bản mặt Các chi tiết bịt kín nước giữa phần động và phần tĩnh củacửa van gọi là gioăng kín nước Thông thường gioăng kín nước làm bằng gỗ, kimloại hoặc tấm cao su được vít chặt vào bản mặt Trên phần động của cửa van có các

bộ phận hỗ trợ (bánh xe, con lăn, gối đệm) gọi là gối tựa động và bộ phận dẫnhướng (tấm cữ, bánh xe cữ, lò xo), nhằm mục đích làm cho cửa van vận hành đúnghướng, chống dao động và an toàn

Ngưỡng cửa là bộ phận nằm ngang thấp nhất của phần tĩnh và làm việc như là

bộ phận hỗ trợ bịt cửa hoặc là bịt đáy Trong các loại cửa quạt, trống và mái nhà,ngưỡng cửa đóng vai trò là bịt đáy Ray bánh xe lăn làm việc như bộ phận hỗ trợ vàphân phối lực truyền vào bánh xe hoặc con lăn

Khe van cũng có chức năng tương tự để nhận tải trọng truyền bởi cữ dừng vàrãnh trượt trên dầm đứng Khe van và dẫn hướng ngược giới hạn dịch chuyển củacửa van trong mặt phẳng ngang và được thiết kế để chịu ứng suất tương ứng Dầm

đỡ là một bộ phận được sử dụng chỉ ở những cửa chìm trong mặt nước đặt vàotường ngực Dầm đỡ đặt phía trên ngưỡng được đóng kín, làm mặt tựa gioăng bịtđỉnh và chống mài mòn lớp bê tông do nước chảy với tốc độ cao

Thiết bị vận hành chịu trách nhiệm trực tiếp việc đóng mở cửa Một số cửakhông cần tang nâng mà được di chuyển bởi áp lực nước như cửa quạt, trống và cửavan mái nhà

Thiết bị đóng mở bao gồm: động cơ, hộp số và bộ phận liên kết với cửa

Hệ thống điều khiển: điện, đường dây, các công tắc, bảng điều khiển

Tuỳ theo nhiệm vụ hay kết cấu mà cửa van được phân thành nhiều loại khácnhau Mỗi loại cửa van đều có những ưu nhược điểm riêng và tùy theo đó mà cóphạm vi sử dụng hợp lý

1.3 Phân loại cửa van dùng trong công trình Thủy lợi:

1.3.1 Theo mục đích sử dụng cửa van có thể phân chia thành:

a) Cửa van dùng để điều tiết liên tục dòng chảy và mực nước

- Cửa đập tràn: dùng để xả nước trên mặt đập khi lưu lượng nước về hồ chứavượt quá mực nước cho phép chứa trong hồ

- Cửa xả đáy: dùng để xả nước đáy đập khi lưu lượng nước về hồ chứa vượt quámực nước cho phép chứa trong hồ

- Cửa âu thuyền (khoang âu thuyền và cống lấy nước): dùng để điều tiết mựcnước trong âu thuyền để cho phép tàu bè, giao thông qua lại trên công trình ngănnước.

- Cửa tự động điều tiết lũ: Tự động đóng hoặc mở khi có lũ và thủy triều lên

- Cửa bảo hiểm thình thoảng được sử dụng để chặn nước trong ống dẫn hoặckênh.Cửa được thiết kế để vận hành bình thường ở vị trí đóng hoặc mở Chỉ trongnhững vị trí đặc biệt, có thể những cửa này được sử dụng để mở một phần Ví dụnhư: cửa lấy nước ở phần dẫn nước vào ống áp lực có thể nâng lên một ít

b) Các loại cửa được coi là khẩn cấp gồm:

- Cửa van lắp đặt phía trước cửa van vận hành của ống áp lực

- Cửa đường ống ra của tuabin Kaplan

- Cửa lắp đặt phía trước cửa xả đáy

c) Cửa sửa chữa: chỉ được mở khi áp suất nước cân bằng và chức năng chính củacửa là cho phép tạo khoảng trống, khô ráo trong kênh hoặc đường ống để sửa chữacác thiết bị chính (tuabin, bơm, hoặc thậm chí là cửa van khác) Loại cửa van sửachữa thông thường là các loại phai

d) Cửa van thi công: Cửa van sử dụng cho dẫn dòng thi công Loại này được sửdụng để đóng kín cửa dẫn dòng khi thi công xong công trình, để tích trữ nước vào

hồ chứa

1.3.2 Theo nguyên tắc vận hành cửa van được chia ra:

a) Cửa van tịnh tiến là cửa van khi đóng mở kéo theo chiều thẳng đứng

- Cửa trượt: Đối với cửa trượt, cánh cửa di chuyển dọc theo khe van Khi dichuyển cửa van khắc phục lực ma sát trượt giữa phần tĩnh và gối cửa của phần động

và gioăng kín nước

- Cửa bánh xe: Gối tựa động sử dụng bánh xe hay con lăn Như vậy khi nâng hạcửa van phải khắc phục lực ma sát của gối tự động và ma sát trượt của gioăng kínnước

b) Cửa quay là cửa khi đóng mở quay quanh một trục cố định gọi là trục bản lề:

- Cửa van quay theo trục đứng: cửa van chữ nhân thì trục thẳng đứng ở gầntường của khoang cửa, cửa cung trục đứng (rẻ quạt)

1.3.3 Theo dòng chảy tương quan với vị trí cửa:

a) Chảy tràn qua đỉnh cửa: cửa phẳng kéo đứng, viên phân quay, sập kín và rẻquạt, khi mở cửa được hạ xuống xung quanh trục đặt trên ngưỡng cho phép nướcchảy phía trên cửa

b) Chảy phía dưới : cửa cánh trượt, cửa xích, trụ ngang, cung, bánh xe, cổng vàStoney, khi mở cửa di chuyển lên trên và nước chảy phía dưới cửa

c) Chảy cả trên lẫn dưới: cửa phẳng hỗn hợp phẳng kép, cho phép dòng chảy lầnlượt chảy cả trên và dưới cửa tùy theo yêu cầu vận hành

Tất cả các cửa có thể ứng dụng cho các công trình trên cạn, nhưng chỉ có một số

ít được sử dụng để lắp đặt dưới sâu bao gồm: cửa van bánh xe, cung, viên phânquay, cửa xích, trượt, dầm nâng, trụ đứng và Stoney

1.3.5 Theo chiều cao cột nước tính từ ngưỡng cửa:

Cửa cột áp thấp: đến 15m

Cửa cột áp trung bình: từ 15 - 30m

Cửa cột áp cao: lớn hơn 30m

1.3.6 Theo kết cấu cửa:

Theo kết cấu và hình dạng, chúng ta có các loại cửa van phẳng (hình 1.1 a, b, h),cửa van cung (hình 1.1 c), cửa van rẻ quạt (hình 1.1 g, n) cửa van trụ đứng (hình 1.1d), cửa van trụ lăn (hình 1.1 e), cửa van mái nhà (hình 1.1 j, k), cửa van chữ nhân(hình 1.1 m), cửa van thủy lực kiểu mái nhà (hình 1.1 n) và một số loại khác Ngàynay nhiều nước trên thế giới đã có nhiều cửa van có khẩu độ lớn đến 80 ÷ 120 mét,cột nước cao từ 40 ÷ 50 mét.

1.4 Một số loại cửa van thường dùng trong công trình Thủy lợi:

1.4.1 Cửa van chữ nhân:

*) Cấu tạo và nguyên lý:

+ Cấu tạo:

Hình 1.2 - Kênh đào Panama

- Cửa van chữ nhân là cửa van có bản mặt chắn nước là mặt phẳng, gồm haicánh , quay quanh hai trục cố định thẳng đứng, nó có dạng như cánh cửa

+ Nguyên lý:

- Khi làm việc hai cánh quay quanh hai trục thẳng đứng song song

*) Ưu nhược điểm:

- Tính nhạy cảm của gioăng có thể bị nguy hiểm từ các mảnh vỡ trên cửa.

- Khoang âu thuyền dài hơn có thể mở cửa (chủ yếu là khóa cửa ở phía hạ lưu)

- Không có khả năng đóng trong trường hợp khẩn cấp

*) Phạm vi ứng dụng:

- Thường dùng trong trường hợp âu thuyền làm việc một chiều

- Đóng mở chậm nên không sử dụng được trong việc giữ ngọt

1.4.2 Cửa van cung:

Hình 1.3 - Cửa van cung

*) Cấu tạo và nguyên lý:

+ Cấu tạo:

- Cửa van cung là cửa van có bản mặt chắn nước có dạng hình cung

- Kết cấu gồm các bộ phận: Bản mặt chắn nước, dầm chính, khung đứng, dầm đỡphía sau, đế cối quay, trục quay, gioăng chắn nước, càng, bu lông đai ốc,…

- Cửa van cung có mố và tường biên dài.

- Độ cứng của cửa van cung nhỏ hơn cửa van phẳng

- Chỉ dùng làm cửa chính, không dùng làm cửa sữa chữa

1.4.3 Cửa van cung trục đứng:

*) Cấu tạo và nguyên lý:

Là loại cửa van có bản mặt chắn nước cong Cửa van có dạng hình quạt nằmngang Toàn bộ bản mặt được đỡ bởi hệ thống giàn phụ sau đó truyền lực lên gốitựa qua hệ càng có dạng giàn Khi đóng mở thì cửa van chuyển động quay xungquanh trục cố định thẳng đứng

*) Ưu nhược điểm:

+Ưu điểm:

- Mômen yêu cầu để vận hành nhỏ do bản mặt là một phần của hình trụ nên áplực nước đi qua tâm

- Trụ pin đòi hỏi thấp

- Khẩu độ lớn, ảnh hưởng đến giao thông thủy nhỏ

- Có thể tận dụng lực đẩy nổi để giảm lực đóng mở

+Nhược điểm:

- Kết cấu cửa tương đối phức tạp và cồng kềnh.

- Chế tạo phức tạp, đặc biệt là các gối đỡ

- Đòi hỏi máy đóng mở lớn khi vận hành

*) Phạm vi ứng dụng:

Thường được sử dụng với các sông có chiều rộng lớn, có nhiều tàu bè lớn qualại

Hình 1.4 - Cửa van zhonglou Trung Quốc

1.4.4.Cửa van viên phân:

*) Cấu tạo và nguyên lý:

Cửa van là một mảnh hình viên phân gắn vào hai đầu là hai khối trụ tròn mỏng.Khối trụ được lắp quay quanh hai bán trục nằm ngang được cố định vào trụ pin

cơ khí

Hình 1.5 - Cửa van trên sông Thames (Anh).

*) Ưu nhược điểm:

+ Ưu điểm:

- Phù hợp với cống ở vùng triều cường

- Ảnh hưởng của lũ bão đến công trình nhỏ do khi đóng thì toàn bộ cửa van nằmsâu dưới nước Kết cấu cửa van chắc chắn, an toàn khi vận hành

- Đóng mở đơn giản, nhanh chóng

- Sửa chữa và bảo dưỡng dễ dàng

- Trụ pin cống không phải xây quá cao

- Thông thủy dễ dàng

+ Nhược điểm:

- Chế tạo tương đối phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao khi lắp đặt

- Bị ăn mòn do khi đóng thì cửa van nằm trong nước và dễ bị kẹt do bùn cát lắngđọng

*) Phạm vi ứng dụng:

Đây là loại cửa van có nhiều ưu điểm đã được sử dụng ở nhiều các nước và đangtiếp tục phát triển Công trình tiêu biểu trên thế giới là hệ thống cửa van chắn triều

cường trên sông Thames (Anh) bao gồm 6 cửa với chiều cao 20 m và chiều rộng61m.

1.4.5.Cửa van cổng ( cửa lưỡi trai):

*) Cấu tạo và nguyên lý:

Cửa van lưỡi trai có cấu tạo là một phần của mặt trụ đứng có hình dạng giốngđập vòm Khi vận hành nó sẽ quay quanh hai bán trục nằm ngang nhờ hai tời đượclắp phía trên

Hình 1.6 -Cửa van lưỡi trai trên sông Rhine – Hà Lan

*) Ưu nhược điểm

- Kết cấu cửa có dạng bản mặt cong lên tăng độ cứng vững

- Khi cửa van mở thì chịu ảnh hưởng của áp lực gió tương đối nhỏ

- Trụ pin đòi hỏi thấp

- Thuận tiện cho giao thông thủy vì khi cửa có dạng cong nên làm tăng chiều caokhi cửa mở

+ Nhược điểm

- Phần cối quay ngâm trong nước nên khó bôi trơn, han gỉ và tuổi thọ không cao

- Thi công công trình khó khăn, phức tạp

- Cơ cấu đóng mở yêu cầu cần có thiết bị dẫn hướng

- Điều chỉnh được chiều cao của bản mặt chắn nước khi mực nước ở thượng lưudâng lên cao hoặc hạ thấp bản mặt chắn nước xuống khi muốn điều chỉnh mực nước

ở thượng lưu ở một cao trình nào đó

- Cửa van phẳng kép là cửa van có hai cánh khi hạ cánh trên có thể tháo được vậtnổi mà không bị mất nhiều nước trong hồ chứa Loại van này dùng thích hợp khi cộtnước không nhỏ hơn 5m Kiểu van phẳng kép công sôn

- Cửa van phẳng có cửa phụ có tác dụng tháo vật nổi như cửa van kép, hình dạngmặt trên của cửa phụ cần đảm bảo không xẩy ra hiện tượng chân không khi nướctràn qua làm cho cửa van bị rung động Kết cấu cửa phụ cần có độ cứng vững đểchịu mô men uốn và mô men xoắn lớn, đồng thời để chịu lực va chạm do vật nổisinh ra

*) Cấu tạo và nguyên lý:

+ Cấu tạo:

- Cửa van phẳng là cửa van có bản mặt chắn nước là mặt phẳng Kết cấu cửagồm có: Dầm ngang chính, dầm đứng chính, dầm ngang phụ, dầm đứng phụ, dầmđáy, dầm biên, bu lông đai ốc,

cơ khí

+ Nguyên lý:

- Khi làm việc cửa van phẳng chuyển động tịnh tiến lên xuống hoặc theophương ngang Các thiết bị đóng mở thường dùng cho hình thức loại cửa van nàythường là: thiết bị đóng mở kiểu dây mềm, vít đai ốc, bánh răng thanh răng

Hình 1.9 - Cấu tạo cửa van phẳng1- Bản mặt 7- Thanh giằng chéo

- Có thể dùng trên đập tràn có hình dạng bất kỳ

- Không đòi hỏi kích thước của công trình dọc theo dòng chảy phải lớn như cácloại cửa van khác

- Có thể dùng để đóng mở các lỗ cống có bề rộng và chiều cao lớn

- Đóng mở nhanh và đơn giản khi vận hành, đặc biệt là có thể chia thành nhiều đoạn do đó có thể dễ dàng tháo được vật trôi nổi trên mặt đồng thời cũng có thể

hạ được chiều cao của mố

- Cửa van phẳng có cấu tạo đơn giản nên dể bảo quản, kiểm tra và sữa chữa

- Cửa van phẳng có thể được sử dụng làm cửa van chính, cửa van bảo hiểm , cửavan sữa chữa và thi công

- Lực nâng cửa van lớn do đó máy đóng mở phải có công suất lớn

- Khi đặt dưới sâu thì áp lực nước có tác dụng nâng hoặc hạ cửa van làm tănglực khi nâng van

- Khi mực nước hạ lưu cao hơn lỗ cống thì cần phải có thêm bộ phận cân bằng

áp với phần sau cửa van

Hình 1.8 - Cửa van thấu kính

cơ khí

1.4.8 Cửa van bánh xe:

*) Cấu tạo và nguyên lý

+ Cấu tạo:

Cửa van phẳng kéo đứng có lắp gối tựa động là bánh xe được gọi là cửa vanbánh xe Bao gồm bản mặt, bánh xe, trục và gioăng Bản mặt là dạng tấm phẳng vàđược tăng cứng bởi các dầm ngang và gân đứng Trên mỗi cạnh của bản mặt, ởphần cuối dầm ngang được hàn vào dầm biên đứng Bánh xe được gắn vào trục cốđịnh ở mặt bên dầm biên đứng và có chức năng kép: giảm lực ma sát và truyền áplực nước lên phần cố định

Hình 1.10 - Cửa fixed-wheel cho cửa xả đáy của nhà máy thuỷ điện Passu real

*) Ưu nhược điểm :

Kết luận

Sau một thời gian tìm tòi và nghiên cứu về các loại cửa van, em đã sơ bộ nắmđược hình dạng kết cấu, nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng của các loại cửavan Cửa van rất phong phú và đa dạng về chủng loại, kích cỡ, chức năng phù hợpvới điều kiện cụ thể của từng công trình Vì vậy để sử dụng hiệu quả ta cần tìm hiều

về nhiều loại cửa van khác nhau

Cửa van phẳng là loại của van ra đời sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụngrộng rãi trên công trình thủy lợi nhờ những ưu điểm của nó so với các loại cửa vankhác Để điều tiết chính xác mực nước hồ chứa và khả năng thoát nước chỗng lũ lụtthì ta cần phải thiết kế cửa van dưới sâu Trên cơ sở xem xét và kết hợp với điềukiện công trình, trong chương tiếp theo em tiến hành thiết kế cửa van phẳng vậnhành cửa nhận nước Cụ thể, yêu cầu của đề tài :

“Thiết kế cửa van phẳng vận hành cửa nhận nước công trình Xe Caman 3” với :

BxH = 4x4,45 m

Mực nước thượng lưu : + 960 m

Mực nước thượng lưu (max) : + 961,27 m

Mực nước hạ lưu (min) : + 913 m

Cao trình ngưỡng : +913 m

cơ khí

CHƯƠNG 2:- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG

2.1 Các thông số thiết kế cửa van:

W TL

thông thủy

K/ gioăng tớimép cống

2.2 Chọn tiêu chuẩn thiết kế cửa van phẳng:

Quá trình thiết kế dựa trên “TCVN 8299 : 2009 - Công trình thủy lợi - Yêu cầu

kỹ thuật trong thiết kế cửa van, khe van bằng thép” ; theo quy định tại khoản 1điều 69 của Luật tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a, khoản 1 điều 7 củaNghị định số 127/2007/NĐ – CP ngày 1/8/2007 của Chính phủ quy định chi tiết thihành một số điều của Luật tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật

Khi tính toán kết cấu cửa van phẳng phải căn cứ vào tổ hợp tải trọng bất lợi nhất

và điều kiện cụ thể công trình có thể phát sinh để tính toán, kiểm tra độ bền, độcứng và tính ổn định của cửa van

Tính toán, thiết kế đảm bảo tiết kiệm kim loại, chọn sơ đồ tối ưu của công trình

và tiết diện của cấu kiện trên cơ sở kinh tế - kỹ thuật Có biện pháp chống ăn mònhợp lý

Sơ đồ tính toán, những giả thiết tính toán cơ bản phải thể hiện được điều kiệnlàm việc thực tế của cửa van

Trị số ứng suất lớn nhất của kết cấu khi tính toán không được vượt quá 5% ứngsuất cho phép của vật liệu

Tính toán, thiết kế các cấu kiện cửa van được thực hiện theo phương pháp ứngsuất cho phép

Áp lực nước tác dụng trực tiếp vào bản mặt cửa, từ đó truyền đến các dầmngang, dầm đứng, dầm biên cũng như các bộ phận khác của cửa van Việc xác địnhtải trọng tác dụng lên bản mặt cửa là cơ sở cho tính toán các bộ phận kết cấu kháccủa cửa van

2.3 Chọn vật liệu cho các bộ phận cửa van phẳng:

2.3.1 Vật liệu cửa van:

Đối với công trình nằm trong vùng nước ngọt thì tính ôxy hóa của thép trongmôi trường sẽ chậm, đồng thời kết cấu cửa van có sơn phủ kẽm và chống rỉ nêndùng thép CT38 hoặc loại tương đương để chế tạo cửa sẽ tiết kiệm được giá thànhgia công Đối với công trình nằm trong vùng biển hoặc vùng có độ chua phèn lớnthì nên dùng thép inox loại SUS304 để chế tạo cửa vì đối với loại thép này về hóahọc thì trơ trong môi trường nước mặn và môi trường có độ phèn chua lớn

Với vùng đồng bằng sông hồng độ ngọt hóa cao thì nên kết cấu cửa van nêndùng thép CT51, còn một số chi tiết kín nước và chi tiết cố định như khe van thìdùng thép SUS304

Đối với công trình Xe Caman, thì ta nên dùng thép CT38 để chế tạo cửa

Để chống phá hủy do quá trình điện hóa gây ra han gỉ, ta sử dụng các loại sơnlót, sơn phủ được quy định kỹ thuật

Phần kết cấu cửa : Thép hợp kim thấp 19Mn theo TCVN 8298:2008

Do ứng suất ở đây không cho trước nên ta sẽ dựa vào σch và σb của vật liêu theonhà cung cấp chế tạo Ứng suất cho phép hay cường độ tính toán theo trạng thái giớihạn của vật liệu được xác định theo công thức:

[σu] = RTC.C.k.m.mv

Trong đó:

-k là hệ số kể đến tính đồng chất của vật liệu Với thép 19Mn thì k = 0,85;

-m là hệ số lấy theo điều kiện làm việc m = 0,85;

-mv là hệ số tính theo cấp công trình Công trình mà ta đang đi thiết kế cửa van

là công trình cấp II: mv = 0,95

Như vậy [σu] = RTC.C.k.m.mv = 32.1,05.0,85.0,85.0,95= 23 kN/cm2

[τ] = RTC.C.k.m.mv = 32.0,6.0,85.0,95= 15,504 kN/cm2

Theo điều kiện thực tế tính toán ta có bảng sau :

Bảng 2.1 - Cường độ tính toán thép chế tạo cửa van

2.3.2 Mối hàn:

Cường độ tính toán mối hàn (Hàn thép CT38 dùng que hàn E42)

Loại đường hàn Trạng thái ứng suất

Cường độ tính toán của đường hàntrong kết cấu bằng thépCT38(daN/cm²)

Kíhiệu

2.3.3.Vật liệu gioăng kín nước:

Cao su làm gioăng chắn nước, tính chất cơ lý theo nhà máy cao su Sao vàng-HàNội chế tạo với các chỉ tiêu cần đạt : (TCVN 8299 : 2009) :

- Giới hạn ổn định khi dựt đứt : 180 daN/cm²

- Độ giãn dài tương đối không bé hơn (%) : 500

- Độ giãn dài dư không lớn hơn (%) : 40

- Sức kháng rạn nứt không bé hơn (daN/cm²) : 70

- Độ cứng theo Shor không bé hơn : 70

- Hệ số lão hóa theo “Gh” sau 144 giờ ở 70ºc : 0,7

- Độ trương nở trong nước 70ºc sau 24 giờ không lớn hơn (%) : 2

- Sức kháng mài mòn không lớn hơn, cm³/kN : 450

- Độ đàn hồi : 45÷65

2.3.4 Vật liệu phần tĩnh và các chi tiết phụ:

Các chi tiết đặt sẵn trong bê tông (khe van) thường sử dụng thép hợp kimSUS304 Do phần này được cố định, khó kiểm tra, sửa chữa, thay thế

- Bulông dùng bulông bằng thép 45 hay 40X theo TC ΓOCT 4543-61

- Bộ phận cữ dùng hợp kim đồng do yêu cầu độ cứng tránh cửa van bị lắc ngang

- Bạc ở tai treo cửa có thể dùng hợp kim đồng với [ ]δ CM= 150 kg/cm² có dầubôi trơn

- Các loại chốt , trục : 40X13 ( tiêu chuẩn ΓOCT 6532-72)

- Các loại bạc , con trượt : ACM-K-112( tiêu chuẩn TY GM -015-84 )

- Sơn bảo vệ : Do cửa van là loại sử dụng không vĩnh cửu , thời hạn sử dụngngắn do bảo vệ chống rỉ do ăn mòn hóa học là không cao lên chọn loại sơn phù hợp.2.3.5 Độ võng và hệ số ma sát:

Dầm chính của cửa van làm việc trong dòng chảy là : f ≤ 1/1000

Các bộ phận của ô dầm : f ≤ 1/250 (TCVN 8299 : 2009/19)

Hệ số ma sát lấy theo TCVN 8299 : 2009 (Bảng B.3/40)

2.4 Lựa chọn kết cấu tổng thể cho cửa van phẳng:

Ở những công trình đầu mối có đầu nước cao, sử dụng công trình xả sâu để tháolưu lượng là ưu việt vì nó có khả năng tháo lớn và ở đây thường dùng cửa van dướisâu

cơ khí

Vì cột nước cao, nhịp cửa không lớn nên cửa được kết cấu nhiều dầm chính,dạng đặc Độ cứng cửa yêu cầu cao để hạn chế rung động khi có dòng chảy bêndưới nó Mặt khác do vận tốc dòng chảy lớn nên phía sau cửa thường xảy ra chânkhông, do đó phải có thông hơi Lưu lượng khí đưa vào lấy khoảng 30% lưu lượngnước chảy qua lỗ cửa, diện tích lỗ dẫn khí khoảng 1/10 diện tích thoát nước

Kết cấu tựa của cửa cấu tạo theo dạng: trượt và bánh xe

Ưu điểm của cửa trượt: khe cửa hẹp giảm rung động và giảm xâm thực khe.Song hệ số ma sát trượt lớn nên máy đóng mở cần sức nâng lớn

Loại bánh xe khe cửa rộng dễ gây chấn động cửa và hèm cửa dễ bị xâm thựcnhưng vì hệ số ma sát lăn nhỏ nên máy đóng mở có sức nâng nhỏ hơn so với củatrượt

Như vậy với trường hợp chịu cột nước cao như yêu cầu thiết kế ta chọn cửa vanbánh xe để thiết kế

Ta sẽ thiết kế cửa van giống như cửa fixed-wheel cho cửa xả đáy của nhà máythủy điện Passu real

Hình 2.1 - Cửa fixed-wheel cho cửa xả đáy của nhà máy thuỷ điện Passu real.Với công trình Xe Caman 3 ta chỉ cần thiết kế cửa với 4 bánh xe, và không cầnphải chia cửa ra làm nhiều tấm vì chiều cao cửa < 5m Nếu ta chia cửa ra làm nhiềuphần thì khi mở cửa để điều chỉnh lưu lượng, khe cửa thường bị phá hoại vì bị rungđộng do kết cấu có bậc tự do dưới ảnh hưởng của dòng chảy và lực đóng mở khálớn Và mối liên kết giữa các tấm hay bị han gỉ.

Với việc thiết kế và lắp đặt 4 bánh xe khó nhưng với công nghệ hiện đại ta cóthể hoàn toàn chế tạo dễ dàng

2.5 Bố trí kết cấu tổng thể cửa van bánh xe

Trong công trình ngăn nước, thì cấp độ yêu cầu cao bởi phạm vi ảnh hưởng vànhiệm vụ của công trình rất lớn, do đó hệ thống cửa van trong quá trình khai thácvận hành đòi hỏi đáp ứng rất nhiệm vụ:

- Dùng để xả đáy trên các công trình thủy lợi

- Điều tiết chính xác mực nước trong hồ chứa, phòng chống lũ lụt

cơ khí

Khung cửa bao gồm các dầm chính tựa lên các dầm đứng, tựa lên dầm biên Cácdầm ngang được bố trí với khoảng cách thay đổi để mỗi dầm có thể chịu áp lựcnước như nhau, điều đó thuận lợi cho việc lựa chọn các dầm ngang có cùng kíchthước và dễ chế tạo Đối với cửa van phẳng phẳng dưới sâu, các dầm chính thườngđược bố trí theo điều kiện các dầm chịu tải bằng nhau ⇒ Kích thước mặt cắt ngangcủa các dầm chính giống nhau ⇒ dễ chế tạo

Khoảng cách các dầm bố trí sao cho tăng tính ổn định, dễ chế tạo, vận chuyển,lắp đặt

Dầm ngang được liên kết với các dầm đứng, được đặt vuông góc với dầm đứngtạo thành các ô dầm ⇒ tạo ra khối vững chắc

Với kết cấu nhiều dầm chính như đã nêu thì cửa van không bị đọng bùn, cát,nước, kết cấu nhẹ, có nhịp lớn, tiết kiệm vật liệu

Ta chọn dầm chính là dầm chữ I Sơ bộ chọn số lượng dầm chính là 7 dầm, cácdầm có cùng số hiệu

1

2

3

5 4

6 7

Hình 2.2 - Sơ đồ bố trí tổng thể cửa van

Bản mặt được tựa trên 4 cạnh của ô dầm.

Ô dầm chịu tải trọng do bản mặt truyền tới , hay nói khác đi là gối tựa của bảnmặt Vậy kích thước của ô dầm đặc trưng cho kích thước tính toán của bản mặt, do

đó nó quyết định chiều dày cần thiết của bản mặt

2.5.3 Dầm biên:

Dầm biên ở hai đầu cửa van được nối với dầm ngang, bản mặt Các bộ phận củagối tựa bánh xe, các thiết bị treo, chốt giữ và móc treo được nối với cửa van quadầm biên

Mặt cắt của dầm biên thường được dùng hai loại : Loại có bản bụng và loại cóhai bản bụng Loại một bản bụng chế tạo đơn giản nhưng độ cứng nhỏ và khả năngchịu xoắn kém , loại này thường dùng trong các cửa van có gối đỡ kiểu cân bằng Loại hai bản bụng có ưu điểm là dễ dàng liên kết với thiết bị treo , với gối đỡ kiểubánh xe Loại này có độ cứng lớn nên được sử dụng nhiều nhưng chế tạo phức tạp Trong trường hợp này ta chọn dầm biên loại có hai bản bụng.Bản bụng ngoàiđược làm bằng một tấm thép liên tục trên toàn bộ chiều cao cửa van,còn bản bụngtrong thì được cắt rời tại chỗ giao nhau với bản bụng của dầm chính

cơ khí

Dầm đứng làm việc như một dầm đơn vị ngàm 2 đầu Để kết cấu gọn nhẹ thuậntiện cho bố trí kết cấu ta chọn dầm đứng là các tấm tôn có bề dày nhất định

2.6 Tính toán, thiết kế kết cấu cửa van phẳng :

Các tải trọng cơ bản tác dụng lên cửa van:

- Công thức tính áp lực thủy tĩnh: ( 3.5/51 [1])

P = γ .L.h.( H - )

Trong đó :

P là tổng áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van (kN)

γ là trọng lượng riêng của nước (γ = 9,81kN/m³)

L là nhịp tính toán của cửa van L = B + 2c = 4 + 2.0,2 = 4,4 m (trong đó c làkhoảng cách từ mép cống tới tâm bánh xe : c = 0,2 m)

H là cột nước thượng lưu : H = ∇TL - ∇N = 960 - 913 = 47 m

Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van :

2.6.2 Lực hút:

Công thức : P = P.b.l

Trong đó :P = 60 kN/m² - Cường độ áp lực chân không

b - là bề rộng của vật chắn nước đáy tiếp xúc với ngưỡng.b = 0,06 m

l - là chiều dài chịu tải của vật chắn nước

2.6.3 Lực đẩy và lực thấm:

Lực đẩy tác dụng vào mép dưới cửa van khi tựa vào ngưỡng, hướng từ dưới lêntrên:

P = γ.H.a.l

Trong đó : H là cột nước thượng lưu

a là bề rộng diện tích chịu áp lực nước

cơ khí

l là chiều dài chịu áp lực nước

Áp lực thấm tác dụng lên mặt tiếp giáp giữa vật chắn nước với ngưỡng, hướng

từ dưới lên trên :

P = 0,5.γ.H.b.l

Trong đó : b là bề rộng diện tích tiếp xúc của vật chắn nước với ngưỡng

l là chiều dài vật chắn nước

2.7 Tính toán xác định các kích thước của các bộ phận cửa van:

Khi ta đã xác định được áp lực thủy tĩnh tác động lên cửa van, cũng như cách bốtrí kết cấu cửa van, bước tiếp theo là đi xác định các kích thước các bộ phận cửavan

2.7.1 Bố trí dầm ngang:

Áp lực nước phân bố theo dạng tam giác, do đó yêu cầu đặt ra là bố trí dầmchính phù hợp với biểu đồ áp lực để các dầm ngang chịu lực như nhau Đối với cửavan phẳng dưới sâu, do vướng dầm ngang tường ngực nên chọn nhiều dầm chínhngang để cửa van được mỏng Từ quan điểm là chi phí chế tạo rẻ nhất, dễ dàngchuẩn bị vật tư, chế tạo đồng loạt nên chọn tiết diện dầm ngang có kích thước nhưnhau Muốn vậy thì phải bố trí sao cho tất cả các dầm ngang chịu tải bằng nhau.Điều này đạt được bằng cách chia biểu đồ áp lực nước thành các diện tích tươngđương nhau và xác định tâm của từng dầm đặt vào trong các trọng tâm của từngdiện tích ấy Xác định khoảng cách giữa các dầm chính để áp lực nước tác dụng lêncác dầm như nhau ta sử dụng phương pháp giải tích bằng cách sử dụng phươngtrình sau đây: ( 3.13|56|[1] ) Áp dụng cho cửa van dưới sâu hạ lưu không có nước:

y = ( k + B ) - (k - 1 + B )

Trong đó :

y - khoảng cách từ trục dầm chính đến đỉnh van(Mực nước thượng lưu);

Hình 2.5 - Bản mặt.

Bản mặt được bố trí thành 4 cột giống nhau nên ta chỉ cần tính cho một dãy cột

Ở đây ta tính toán cho ô bản mặt thứ 2 vì bản mặt này có bề rộng b lớn nhất Các ôdầm được tính toán như tấm hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố Có 2 trường hợp:

• Khi ô có cạnh dài < 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 4 cạnh.Trường hợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

- Pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (N/mm2);

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (N/mm2) R = 230mm2);

- k : là hệ số ứng suất trung điểm biên dài của bệ đỡ tấm móng đàn hồi tính theoA.4 phụ lục A(TCVN8299:2009/29);

cơ khí

- b: Cạnh dài của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2).R = 230mm2)

Để tính toán ta lập bảng tính như sau:

4090 4400

M kNm

Q kN

Hình 2.5 - Biểu đồ mô men và lực cắt

Mô men uốn lớn nhất trong dầm xác định theo công thức:

M = P.L -

Trong đó :

- P : áp lực thủy tĩnh đơn vị trên dầm

- L : nhịp tính toán của dầm L = 4,4 m

- L : khoảng cách giữa hai gối đỡ L = 4,09 m

Lực cắt lớn nhất tác dụng lên dầm xác định theo công thức :

Kiểm tra ứng suất và độ võng ở dầm chính số 2:

• chiều cao của tiết diện h = 600 mm

cơ khí

• bản rộng cánh b = 195 mm

• chiều dày bản bụng δ = 12 mm

• chiều dày cánh t = 17,8 mm

• diện tích tiết diện F = 138 cm

• mô men quán tính J = 76806 cm

• mô men chống uốn W = 2560 cm

Dựa vào bảng tính toán ở trên ta vẽ biểu đồ mô men và lực cắt

p

40904400

M kNm

Q kN

502,6558,44

558,4Hình 2.6 - Biểu đồ nội lực dầm số 2

Do dầm chính được hàn trực tiếp với bản mặt nên khi kiểm tra ứng suất ta đưa

cả vào bản mặt Tiết diện tính toán như sau :