CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG 1. Khái quát về cửa van hình cung 1. Khái niệm và phân loại Cửa van là một bộ phận của công trình thuỷ lợi, dùng để khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khai thác khác nhau. Cửa van thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủy lực.
Theo SAP2000 phân tích kết cấu công trình thủy lợi thủy điện, “Cửa van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng mặt cong, thường là một phần của mặt trụ tròn và được nối với hai càng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh một trục quay cố định nằm ngang. Cửa van hình cung thường được dùng làm cửa xả lũ ở đập tràn”. Hình dạng không gian và các bộ phận chính của kết cấu cửa van cung càng xiên cho ở hình 1. 1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu, có cửa phụ hoặc không có cửa phụ trên đỉnh van.
Cửa van trên mặt là cửa van có đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.2), cửa van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1. 3 Của van hình cung có ưu điểm là đóng mở nhanh và dễ dàng điều tiết lưu lượng tháo, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông. 2- Cửa van trên mặt Hình 1. 3- Cửa van dưới sâu Tuy nhiên trụ pin phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van.
Áp lực nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua càng van) làm cho ứng suất tập trung phát sinh trong trụ pin và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp hơn, nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều. Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng. Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa có nhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng thép.
Cửa van cung được phân loại như sau: Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu. Theo hình thức chảy qua van, có thể chia thành 3 nhóm: Cửa van cho nước chảy ở dưới, cho nước tràn qua 4 đỉnh van, cho nước chảy qua đỉnh van và chảy dưới đáy van. Theo kết cấu cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có cửa phụ và cửa van kép. Trong các đập tràn thường dùng của van cho nước chảy ở dưới hoặc vừa cho chảy ở dưới vừa cho nước tràn qua van.
Trong các âu tầu, thuyền chỉ dùng loại tràn qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống. Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai tầng, được dùng khi cần tháo vật nổi hoặc tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thì sẽ mất một khối lượng nước khá lớn. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo - Kết cấu phần động cửa van cung - Cửa van hình cung bao gồm bản chắn nước (bản mặt), hệ thống dầm (dầm phụ dọc, dầm đứng, dầm chính), càng đỡ và gối quay (hình 1. Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.
4- Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung - Gối quay - Đối với kết cấu càng van, chịu áp lực nước từ dầm chính và dầm đứng truyền tới, tính toán theo hệ giàn. Gối quay là nơi càng tựa lên và quay khi đóng mở cửa.5 biểu thị một số hình thức gối quay. Trường hợp bán kính van cung R = (1,2÷1,5)H 1 ; (trong đó H 1 là chiều sâu nước thượng lưu) thì gối đặt thấp hơn mực nước thượng lưu. Gối quay thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị ngập nước dẫn tới hư hỏng và han rỉ.
5- Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề Gối quay của cửa van cung thường dùng là gối kiểu nón cụt (hình 1.5a) và gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau (hình 1. Gối có hai trục quay cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể chuyển động được theo hai phương khác nhau. Do đó khi các trụ lún không đều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa. Gối bản lề một trục quay cấu tạo đơn giản hơn, thường dùng trong các cửa van có nhịp không lớn.
- Gối đỡ bên - Để đảm bảo cho cửa van ở vị trí bình thường trong khe van khi đóng và khi mở, để đảm bảo cho cửa van không bị xô lệch và không bị kẹt trong khe van. Thiết bị định hướng bên có thể dùng kiểu bánh xe như ở hình 1.6a hoặc kiểu trượt như ở hình 1.6b, được bố trí ở hai đầu van. 6- Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt - Vật chắn nước - Vật chắn nước có thể làm bằng gỗ, cao su, kim loại v., nhưng thường dùng nhất là bằng cao su. Các dạng mặt cắt ngang của vật chắn nước bằng cao su thường dùng được biểu thị ở hình 1.
Cao su tấm dùng làm vật chắn nước đáy, cao su chữ P thường dùng làm vật chắn nước bên và ở đỉnh, cao su chữ L chủ yếu dùng làm vật chắn nước ở bên cửa van hình cung. Cấu tạo vật chắn nước bên cho ở hình 1.7b và vật chắn nước đáy cho ở hình 1. 7- Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung 1. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay Phần lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung tròn có tâm trùng với tâm quay, trong các sông có lượng phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì tâm quay có thể đặt thấp hơn tâm bản mặt.
8- Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù sa tác dụng lên bản mặt, giảm được lực kéo của máy đóng mở khi nâng van. Cửa van thường dùng nhất hiện nay là cửa van hai dầm chính chịu tải trọng bằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quay của cửa van. Khung chính được chia thành các loại sau: 8 - Chân thẳng và cứng (hình 1. - Chân thẳng và mảnh (hình 1.9b) - Chân xiên và mảnh (hình 1.
9- Các loại hình thức khung chính Cửa van chân cứng có lực xô ngang lớn. làm giảm được mômen uốn trong dầm, nhưng mômen uốn trong càng lại lớn, đồng thời khi cửa van chuyển động có lực ma sát ở mặt bên của gối bản lề. Cửa van chân mảnh được dùng phổ biến nhất, trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn độ cứng của dầm vì vậy ảnh hưởng của lực xô ngang nhỏ, có thể bỏ qua. Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau: Giảm được mômen uốn trong dầm chính, do đó dầm chính sẽ nhỏ, khi nhịp van dưới 12m và cột nước dưới 5m có thể dùng thép định hình làm dầm chính.
Chiều cao dầm chính giảm, nên kết cấu giàn đứng có thể nhỏ, trọng lượng van giảm, do đó lực kéo cần thiết của máy đóng mở cũng giảm. Cửa van chân xiên cũng có một số nhược điểm sau: Cấu tạo gối bản lề và mối nối giữa dầm chính với chân van khá phức tạp. Tăng nội lực trong chân van và tăng chiều dài của chân van. Khi có nước tràn qua đỉnh van không nên sử dụng.
Phạm vi ứng dụng Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình tưới và tiêu, nhịp có thể tới 40m với chiều cao dưới 14m. Khi nhịp van từ 10 đến 12m, thường dùng loại van cung hai dầm chính, chân mảnh, thẳng hay xiên. Với nhịp từ 6 đến 12m, cột 9 nước từ 2,5 đến 4m thường dùng loại chân xiên và ô dầm ngang. Ở những đầu âu thuyền để tăng thêm chiều dài âu, giảm năng lượng dòng chảy dưới van khi đưa nước vào buồng âu, dùng van hình cung tốt hơn van phẳng.
Không dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm và cửa van thi công vì gối tựa của cửa van cung là cố định. Cửa van cung có thể bố trí trong khe van hoặc ở mặt ngoài của trụ pin như ở hình 1. Cửa van hình cung được dùng rộng rãi trong công trình thủy lợi vì nó có nhiều ưu điểm: Có thể dùng trên đập tràn với mặt cắt bất kỳ mà không cần mở rộng đỉnh đập. Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng tốt hơn van phẳng.
Cửa van được liên kết với gối bản lề cố định nên chuyển động của cửa van được xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc kẹt do vênh. Trọng lượng van cung nhỏ hơn các loại khác. Lực kéo của máy đóng mở nhỏ, có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không đi qua trục quay để giảm lực đóng mở. Van cung cũng có một số nhược điểm sau: Phải có mố và đường biên dài.
Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu yêu cầu gối bản lề không ngâm trong nước thì càng van phải rất dài.Thời gian đóng mở lâu hơn cửa van phẳng. 10- Các hình thức khe van 10 1. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van 1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van Cấu tạo cửa van cung phải bảo đảm các yêu cầu khai thác, giá thành hạ và phải dễ chế tạo, lắp ghép, kiểm tra, sửa chữa.
Phần lớn cửa van cung dùng loại hai khung chính. Khi nhịp từ 12 đến 16m dầm của khung chính dùng loại tiết diện đặc, còn khi nhịp lớn dùng loại giàn có thanh bụng xiên hoặc tam giác.Chân khung thường dùng tiết diện đặc. Dầm đứng ở giữa thường dùng loại rỗng, còn dầm đứng hai đầu dùng loại đặc. Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van phải bảo đảm dòng cháy dưới đáy van không va vào dầm chính dưới.
Nếu vì một nguyên nhân nào đó không thể đưa dầm chính dưới lên phía trên, thì kết của dầm dầm chính tốt nhất là dùng loại rỗng (giàn). Khi dùng dầm đặc thì bản bụng của dầm cần phải khoét lỗ, diện tích của lỗ không được nhỏ hơn 20% tổng diện tích bản bụng dầm chính. Loại cửa van có dầm chính bố trí thấp thường gặp trong cống có khẩu độ lớn và chịu cột nước nhỏ.