Chương 3 - cửa van phẳng 55 55

Chương 3

cửa van phẳng

Biên soạn: GS. TS. Trương Đình Dụ 3.1. Cửa van phẳng

Cửa van phẳng là hình thức cửa ra đời sớm nhất trong các loại cửa van sử dụng
trong công trình Thủy lợi và đến nay còn áp dụng rộng ri do cửa van phẳng có kết cấu
đơn giản, dễ gia công chế tạo, vận hành thuận lợi. Cửa phẳng được sử dụng nhiều trong
các công trình lấy nước, tiêu nước, trên đập tràn cần điều tiết lưu lượng, trên các công
trình điều tiết trên kênh. Cửa đ áp dụng có chiều rộng từ 0,6 m đến 80 m, thông dụng
nhỏ hơn 20m. Cửa có thể là bằng gỗ, vật liệu tổng hợp, bê tông cốt thép và thép. Hiện
nay phần lớn làm bằng thép.

3.1.1. ưu nh-ợc điểm của cửa van phẳng
a) Ưu điểm
- Có thể làm cửa với kích thước lớn
- Kích thước không gian nó chiếm theo hướng dòng chảy tương đối nhỏ
- Tấm cửa có thể di dời khỏi miệng lỗ, tiện cho việc kiểm tra duy tu.
- Dễ sử dụng máy đóng mở kiểu di động.
b) Nhược điểm
- Yêu cầu đặt máy tương đối cao và trụ pin cống tương đối dày
- Rnh cửa có ảnh hưởng tới dòng chảy, đối với cửa cống có cột nước cao đặc biệt

()
L68
á

Hình 3-1
a

Hình 3-2

Trong thiết kế dầm chính được bố trí về số lượng và vị trí thế nào để chúng nhận
áp lực đều nhau hoặc gần đều nhau. Kết cấu dầm đặc, số lượng dầm 3. Kết cấu kiểu
giàn số dầm chính thường là 3.
Chú ý: Kết cấu dầm đặc cần khoét lỗ thoát nước để khi nâng cửa lên nước không
đọng lại trong các bụng dầm.
b) Dầm ngang đáy
Được cấu tạo đảm bảo liên kết với chắn nước đáy thuận tiện. Vị trí dầm đáy cần
tuân theo theo điều kiện là góc a > 30
o
(hình 3-2). Tuân thủ điều kiện này tránh được
hiện tượng dòng xoáy dưới bụng dầm giảm rung động và lực đóng mở. Nếu vì kết cấu
bó buộc a < 30
o
thì bụng dầm cần khoét lỗ đảm bảo tỉ lệ:
F lỗ rỗng
20% (F -diện tích)
F bụngdầm
.
Chương 3 - cửa van phẳng 57 57
khoảng cách các dầm phụ ngang.

d) Dầm biên
Dầm biên nhận áp lực từ dầm chính, dầm ngang ở đáy và ở đỉnh cộng với một
phần từ ô bản mặt truyền vào. Kết cấu dầm biên thường có hai dạng: Dạng đặc chữ C, I
và dạng hộp.
Kiểu dầm đặc thường dùng cho cửa trượt, cửa bánh xe lăn có trục kiểu công xôn.
Kiểu dầm hộp bố trí cho cửa có bánh xe nằm ngay trong hộp, trục bánh xe ngắn kết cấu
chắc chắn.
1
5
4
6
5
7
11
12
89
10
2
6
3
58 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4


Hình 3-5. Cửa van phẳng 2 lớp
e) Tai kéo
Tai kéo của cửa là bộ phận nối cửa với đầu dưới cùng của thanh kéo hoặc móc
kéo của cơ cấu nâng. Khi cửa có chiều rộng bé hơn chiều cao nên bố trí một điểm kéo ở
giữa cửa (1 tai kéo). Khi cửa có chiều rộng lớn hơn chiều cao 1,5 lần nên bố trí hai điểm
kéo ở về phía hai dầm biên. Những cửa có sức nâng lớn, trục tai kéo có khối lượng lớn
(> 50 kg) cạnh chỗ tai cửa nên bố trí giá đỡ trục để thuận tiện khi lắp ráp và tháo dỡ.
Trong thực tế ngoài bộ phận tai kéo còn có bộ phận treo cửa sử dụng vào việc treo
cửa trong thời gian sửa chữa công trình, bản thân cửa hoặc cơ cấu máy.

g) Bộ phận cữ
Cữ có tác dụng loại trừ khả năng mặt đầu cửa (dầm biên hoặc đầu trục bánh xe,...)
chạm vào bê tông ở khe cửa do cửa bị nghiêng lệch.
Cữ cấu tạo theo hai hình thức: bánh xe và trượt. Trong một cửa van hoàn chỉnh
thường bố trí 4 cữ bên và 4 cữ theo hướng ngược dòng chảy.
Cữ bên có thể bố trí phía tôn bưng hoặc phía đối diện với tôn bưng nếu không có
tường ngực. ở một số trường hợp cữ bên còn bố trí trong lòng dầm biên. Cữ ngược theo
hướng dòng chảy bố trí ngay trên dầm biên phần nằm trong khe. Tác dụng của loại cữ
này là giảm rung động cửa khi nâng hạ từng phần.
162214002600300150
300
100
80
1412
136012501250650
3.13
12.87
6.2
Chương 3 - cửa van phẳng 59 59


h
t
th
H
1
.(2.H)
3 HH
-
+Trong đó: H
t
- chiều cao cột nước thượng lưu;
H
h
- chiều cao cột nước hạ lưu;
H
c
- khoảng cách đặt tổng áp lực P tính từ mặt nước;
L - chiều rộng khoang cống.

b) áp lực nước động (thành phần nằm ngang)
Xuất hiện khi mở cửa từng phần; trị số áp lực động bé hơn áp lực thủy tĩnh (do tổn
thất cột nước khi chảy qua cửa).
Trong tính toán cần nhớ: Khi cửa đóng trị số áp lực động của nước không có,
ngược lại khi mở từng phần trị số áp lực thủy tĩnh sẽ không có.
Khi tính sơ bộ trị số áp lực động lấy bằng trị số áp lực tĩnh ở vị trí tương đương.

c) áp lực bùn cát lắng

Sơ bộ có thể xác định trọng lượng phần động cửa theo biểu đồ hình 3-6.
TC
400
300
200
100
80
60
50
40
30
20
10
8
6
5
4
3
2
1
10
20
30
40
50
60
80
100
200
300

3- ứng với cửa bánh xe ở sâu; 4- ứng với cửa trượt ở sâu.

+ Hoặc có thể xác định theo công thức A.R. Beredinski:
G0,055.F. F= (3-3)
+ Hoặc có thể theo công thức P.A. Ephimôp:

4
G0,157.F. F= (3-4)
Trong đó:
F - diện tích cửa van.

g) Tải trọng do gió (tính phần cửa nằm trên mặt nước)

giógió
PF.q= , (kg); (3-5)
Chương 3 - cửa van phẳng 61 61

Tấm trượt
Trong đó:
F - diện tích bề mặt chịu tác dụng gió của cửa, (m
2
);
q
gió
- cường độ áp lực gió khu vực đặt công trình, (q
gió
= 25 á 100 kG/m
2
,
thường tính toán lấy q

Hình 3-7. Sơ đồ bố trí tấm trượt
(2) Tính lực nâng hạ:
- Lực nâng:

12d
TK.GK.W.fP=++; (3-6)
Trong đó:
K
1
= 1,1; K
2
= 1,2;
W - tổng áp lực nước tác dụng vào cửa;
f - trị số hệ số ma sát trượt;
P
d
- lực hút, xem công thức (3-2);
G - trọng lượng bản thân của cửa.

4. Thép không gỉ đối với gỗ ép lớp keo (có bôi trơn) 0,12~0,16 0,05
1. Cao su với thép 0,65 0,3
Ma sát ngăn nước
2. Cao su với thép không gỉ 0,5 0,2
1.Thép với thép 0,1
Ma sát lăn
2. Thép với gang đúc 0,1

Ghi chú:
(1)
Độ trơn nhẵn bề mặt công tác của cấu kiện thí nghiệm: Tấm trượt
ẹ
6,
đường trượt
ẹ
7.

b) Cửa phẳng bánh xe
(1) Đặc điểm:
+ Khác với cửa trượt ở chỗ bánh xe nhận toàn bộ áp lực của cửa và truyền lên khe.
Khi thiết kế thường chọn số lượng bánh xe trong một cửa là 4 và bố trí để mỗi bánh xe
chịu lực đều nhau. Kết cấu cửa bánh xe có phức tạp hơn cửa trượt nhưng vẫn được sử
dụng rộng ri vì lực nâng hạ nhỏ (hệ số ma sát lăn nhỏ hơn hệ số ma sát trượt).
Chương 3 - cửa van phẳng 63 63 a) b)

Hình 3-8. Sơ họa bánh xe cửa van


x1
1
R
W
T.f.(1)
Rr
=+ (3-10)
Trong đó: T
x
- lực sinh ra do ma sát ở cụm bánh xe với đường lăn;
T
y
- lực sinh ra do ma sát của vật chắn nước với đường trượt;

ycp
T2.H.b.a.f= (3-11)
R - bán kính bánh xe (cm);
r - bán kính trục (cm);
f
1
- hệ số ma sát lăn, f
1
= 0,1;
r
1
- bán kính của viên bi (cm);

64 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
R
1

Nếu T > 0 cửa tự hạ;
T < 0 cửa không tự hạ được.

c) Cửa kiểu Wagon (hình 3-10)
Đối với cửa rộng, đầu nước lớn để giảm nhỏ đường kính bánh xe, khi thiết kế
thường áp dụng kiểu Wagon.
ưu điểm của loại cửa này là tuy số bánh xe nhiều (8, 12...) nhưng tiếp xúc đỉnh
bánh xe với đường lăn đều hơn do bộ phận khớp tự điều chỉnh và lực tác dụng lên mỗi
bánh xe có thể bố trí đều nhau.
Nhược điểm chính của loại cửa này là khe cửa rộng và sâu đòi hỏi trụ pin dày.
Lực nâng hạ tính như cửa bánh xe.

d) Cửa 2 lớp
Gọi cửa 2 lớp vì nó có hai lớp đặt so le nhau cùng chắn một khoang thoát nước.
Mỗi lớp cửa có thể là cửa trượt hoặc cửa bánh xe hoàn chỉnh (hình 3-5).
Cửa loại này thường sử dụng ở âu thuyền hoặc không thể sử dụng 1 lớp cửa vì cửa
có chiều cao quá lớn, lực đóng mở bị hạn chế đòi hỏi phải làm 2 lớp. Trong điều kiện
đó dùng cửa 2 lớp sẽ hạ thấp cầu công tác, giảm được lực đóng mở (trong nước ta điển
hình loại cửa này là cửa van cống cầu xe).
Chương 3 - cửa van phẳng 65 65

Khi thiết kế cửa 2 lớp cần chú ý: Đối với lớp dưới phải có bánh xe cữ nằm trên
đường hướng (thuộc khe cửa) chạy suốt từ ngưỡng cửa lên đỉnh trụ pin.
Chắn nước giữa 2 cửa theo hướng ngang (chỗ tiếp giáp của đỉnh cửa dưới và đáy
cửa trên) thực hiện theo dạng ở hình 3-11. Cửa
trên
Cửa

10
a)
b)
c)
12
5
5
10
40-60
60
e)
5
12
d) f)
Khe cửa và các chi tiết thép ốp khác cần thi công chính xác, nếu không sẽ ảnh
hưởng lớn đến điều kiện vận hành quản lý công trình, có nhiều trường hợp phải đục đi
làm lại. Kết cấu phần ốp thường gặp xem hình 3-12.

b) Kết cấu chắn nước
Bố trí gioăng chắn nước xem hình 3-13.
Các hình từ a) á d) là chắn nước bên của cửa phẳng trượt;
e) á f) là chắn nước bên của cửa có bánh xe.
Chắn nước đáy xem hình 3-18a, b.



3.2.1. Ưu nh-ợc điểm của cửa van cung
a) Ưu điểm
(1) Có thể bịt kín khoang cống có diện tích tương đối lớn.
(2) Độ cao của giá đỡ máy và độ dày của trụ pin cống tương đối nhỏ.
(3) Rnh cửa không ảnh hưởng tới trạng thái dòng chảy.
(4) Lực đóng mở tương đối nhỏ nhờ ảnh hưởng của lực cản ma sát đối với lực
đóng mở khá nhỏ và mô men sinh ra do áp lực nước tác dụng vào cửa đối với
tâm quay không lớn.
(5) Số lượng cấu kiện tương đối ít.

b) Nhược điểm
(1) Trụ pin cống đòi hỏi dài.
(2) Vị trí không gian cánh cống chiếm tương đối lớn.
(3) Không thể đưa ra ngoài khoang cống để kiểm tra sửa chữa.

3.2.2. Những kết cấu chính
Cửa cung được cấu tạo 2 phần: Phần động và phần tĩnh.
a) Kết cấu phần động
(1) Bản mặt
Bản mặt dạng hình cung có tâm thường trùng với tâm quay của cửa. Bản mặt nhận
toàn bộ áp lực nước và truyền vào các dầm phụ sau nó. Chiều dày bản mặt nhất thiết
phải lớn hơn 6 mm.
68 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

a) b) c) d)

Hình 3-15. Cửa van cung
1- bản mặt; 2- các dầm phụ; 3- dầm đứng; 4- dầm chính;
5- càng van; 6- tôn gia cường càng; 7- cối bản lề.

b) Kết cấu phần tĩnh 1450
14.3649
4050
1000
250

Hình 3-17. Kết cấu cối bản lề cửa van cung

(1) Đế cối quay:
Chế tạo bởi thép đúc 25, 45 GOCT hoặc thép hàn.
(2) Trục quay:
Được cố định vào đế cối quay; chế tạo bằng thép CT5, thép 35 hoặc thép 45.
Trục và đế cối nhận toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa truyền vào
trụ pin. Đế cối cửa van được cố định vào trụ pin nhờ các bu lông. Khi thiết kế cần chú ý
việc bố trí các bu lông này sao cho dễ thay thế khi sửa chữa.
(3) Gioăng chắn n-ớc
Cửa cung được chắn nước ở đáy và 2 bên, vật liệu gioăng thường bằng cao su vì
độ đàn hồi lớn dễ kín nước.
Kết cấu kín nước có dạng ở hình 3-18.
70 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4

110
10
14
10
a) b)
c) d)


b
P

8
7

6
5

3
1
2
P
a
d
1
P

P
2
c
2
1

4
HHình 3-19. Sơ đồ xác định vị trí cửa dầm chính
Hình 3-20. Sơ đồ cửa cung 2 lớp đồng tâm và cùng đường kính

(2) Cửa cung hai lớp đồng tâm bán kính khác nhau (hình 3-21)
Cửa cung 2 lớp đặt chồng lên nhau và quay cùng tâm quay. Trục quay có hai bậc,
bậc có đường kính lớn dành cho lớp dưới, bậc có đường kính nhỏ dành cho lớp trên.
Loại cửa cung 2 lớp có lợi ở chỗ khi cần tháo lưu lượng nhỏ thì mở lớp trên, vẫn giữ
nước trong hồ cao hơn ngưỡng cửa; khi xả lũ lớn mở cả hai lớp.
b)
c)
d)
a)
72 sổ tay KTTL * Phần 2 - công trình thủy lợi * Tập 4
6.35
4.50
G
1
T
2
G
l = 8500
a
a
5.10
1
2

R
Đường mặt nước
H
(0,50 - 0,75).H

Hình 3-23. Sơ đồ xác định vị trí tâm quay cửa van
a) Cửa van trong khoang cống; b) Cửa van trong khoang tràn. 3.2.5. Xác định áp lực n-ớc tĩnh tác dụng lên cửa van cung

áp lực nước tĩnh tác dụng lên cửa cung trên mặt được trình bày trong bảng 3-2.
Tổng áp lực nước P

22
ngd
PPP=+
; (3-25)
a - góc tạo thành giữa P với mặt ngang

d
ng
P
arctg
P
a= ; (3-26)
Trong đó:
L - chiều rộng tính toán của cửa;
t
ng

Đối với cửa van nhỏ lấy 0,09; đối với cửa van lớn lấy 0,052.

Trọng lượng cửa van cung có kết hợp cửa van Clape trên đỉnh thì trọng lượng là:
G
cl
= 1,25.G
Trọng lượng của phần tĩnh có thể lấy gần đúng:
G
t
= 0,15.G

3.2.7. Tính lực nâng hạ
a) Lực nâng

'
12xyd
n.G.gn.(T.rT.R) P .R
T
+++
=
r
; (3-27)
Trong đó: n
1
= 1,1; n
2
= 1,2;
G - trọng lượng bản thân cửa van;
g - tay đòn của G đối với tâm quay;
x2


c) Lực giữ

'
xyd
1,1.G.g(T.rT.R) P .R
T
-++
=
r
(3-29)
Khi tính toán sơ bộ lực nâng hạ cửa cánh tay đòn của trọng lượng lấy bằng 0,8R
và điểm đặt của G nằm trên phương của P.

3.3. Cửa sập (cửa Clape trục dưới)
3.3.1. Đặc tính cơ bản

Cửa sập hay còn gọi là cửa Clape trục dưới là cửa có trục phía dưới gắn với bản đế
công trình, có thể làm khoang rộng nhờ có nhiều gối tựa trung gian ở đáy, kết cấu đơn
giản, gọn, không chiếm không gian trên cống, khi mở cửa nằm trong dòng chảy không
bị ảnh hưởng gió bo, có khả năng điều chỉnh chính xác mực nước và cho phép xả vật
nổi, khả năng làm việc nhanh nhạy. Nhược điểm là cửa nằm trong nước khó sửa chữa.

3.3.2. Cửa sập điều khiển bằng cơ khí
a) Cấu tạo các kiểu cửa
(1) Kiểu bản sập:
Cửa có cấu tạo gồm một dầm chính ngang (1) nằm ở phần đầu và cuối hai đầu
dầm bố trí điểm kéo và neo cửa, các dầm đứng (2), đầu trên nối với dầm chính và đầu
dưới nối với cối bản lề (3), các dầm phụ liên kết các dầm đứng (4). Độ đồng tâm của
các cối quay chỉ cho phép sai số 1,5 mm trên suốt cả chiều dài cửa. Hiện nay để dễ

g, a, r, t - cánh tay đòn của các lực: G, P, R và T đối với tâm quay;
G - trọng lượng bản thân cửa;
P - tổng áp lực nước tác dụng lên cửa;
R - phản lực tại gối;
r - bán kính trục quay;
f - hệ số ma sát trượt.

c) Phạm vi ứng dụng
Kiểu cửa bản sập có kết cấu đơn giản, được ứng dụng ở các đập thấp có cột nước
4 á7 m, thích hợp các đập ở vùng trung du, các cống tiêu ở đồng bằng cần làm khoang
rộng và cần đóng mở nhanh để thoát lũ. Hiện nay áp dụng xilanh thủy lực để đóng mở
cửa càng làm cho việc điều khiển vận hành cửa này thuận lợi và đạt độ tin cậy cao, khi
cần thiết có thể tiến tới tự động hoá đóng mở.

3.3.3. Cửa sập tự động bằng đối trọng
Những cửa van này có đặc trưng là có sự tham gia của đối trọng, làm cân bằng với
trọng lượng cửa. Có thể phân ra 3 loại khác nhau: Loại cân bằng phía trên, loại cân
ngang và loại cân bằng phía dưới (hình 3-26, 3-27, 3-28).
- Loại cân bằng phía trên có thể có hai trường hợp: Một là (hình 3-26) đối trọng
nằm trên khô, được làm nổi bởi nước thượng lưu. Loại này phải chọn lựa cánh tay đòn
và đối trọng sao cho trong mọi vị trí bất kỳ của cửa vẫn đảm bảo được tính cân bằng để
giữ được mực nước dâng cần thiết. Hai là đối trọng được đặt ở trong 1 hầm của trụ pin,
việc đóng mở cửa van được thực hiện khi có sự hỗ trợ bởi lực đẩy nổi đối trọng của
nước đ chứa đầy trong hầm.
- Loại cân bằng ngang thì đối trọng nằm trong hầm riêng có cao trình ngang với
cửa van (hình 3-27).
- Loại cân bằng phía dưới (hình 3-28) việc gắn với đối trọng không phải ở đầu cửa
van mà hàng loạt điểm trung gian nhờ sự liên kết khớp quay của trục cửa van với nhiều
cánh tay đòn của đối trọng. Để hạ cửa van, phải cho nước vào buồng đối trọng làm đối
trọng nổi lên, cửa sẽ hạ xuống. Loại cửa này phức tạp nên ít sử dụng.