Thạc Sĩ Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước sông Hồng mùa khô

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. NGUYÊN NHÂN GÂY CẠN KIỆT MÙA KHÔ Ở SÔNG HỒNG 4
1.1. Đặt vấn đề 4
1.2. Diễn biến mực nước và lưu lượng ở Hà Nội vào mua khô qua các thời kỳ. . 6
1.2.1. Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình
thượng nguồn. . 6
1.2.2. Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội sau khi có công trình thượng
nguồn . 10
1.2.3. Mực nước và lưu lượng ở Hà Nội khi xả nước tăng cường từ các hồ
thượng nguồn vào mùa khô. 11
1.3. Các nguyên nhân gây cạn kiệt dòng chảy sông hồng. . 15
1.3.1. Ảnh hưởng của sự điều tiết các công trình hồ chứa thượng nguồn ngoài
lãnh thổ Việt Nam . 16
1.3.2. Ảnh hưởng của sự vận hành các hồ thủy điện thượng nguồn của Việt
Nam chưa đúng như nhiệm vụ thiết kế đề ra 16
1.3.3. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, gây can kiệt nguồn nước . 18
1.3.4. Ảnh hưởng của sự hạ thấp đáy sông do hiện tượng xói nước trong lan
truyền và khai thác cát tự do . 19
1.3.5. Ảnh hưởng của thảm phủ thực vật suy giảm mạnh 23
1.3.6. Sự phối hợp giữa các ngành dùng nước chưa chặt chẽ . 23
1.4. Kết luận nguyên nhân cạn kiệt mùa khô ở sông Hồng 23
1.5. Kết luận chương 1 25
Chương 2. CÁC LOẠI CỬA VAN ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH
ĐIỀU TIẾT NƯỚC SÔNG HỒNG 26
2.1. Tổng quan các loại công trình điều tiết 26
2.2. Tổng quan các loại cửa van trong công trình điều tiết trong nước 28
2.2.1. Cửa van clape trục dưới 28
2.2.2. Cửa van phẳng . 28

2.2.3. Cửa van cung . 29
2.3. Tổng quan các loại cửa van cho công trình điều tiết trên thế giới. 30
2.3.1. Cửa van kéo đứng (cửa van phẳng) 30
2.3.2. Cửa van FLAP (cửa van CLAPE) . 33
2.3.3. Cửa van bằng cao su . 38
2.3.4. Cửa van cung . 38
2.4. Kết luận chương 2 40
Chương 3. TÍNH TOÁN CỬA VAN PHAO CHỮ NHÂN 41
3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc . 41
3.1.1. Cấu tạo 41
3.1.2. Nguyên lý vận hành cửa van phao chữ nhân 42
3.2. Ưu nhược điểm cửa van phao chữ nhân 43
3.3. Điều kiện nổi và chìm của cửa van trong nước 43
3.3.1. Điều kiện ổn định của cửa van trong nước . 43
3.3.2. Điều kiện chìm của cửa van trong nước . 46
3.4. Tính ổn định của cửa van phao chữ nhân khi nổi 46
3.5. Sơ đồ lực tác dụng 47
3.6. Tính toán lực đóng mở cửa van . 48
3.7. Cối quay trong các cửa van thông dụng . 50
3.7.1. Cối quay của cửa van tự động trục đứng 50
3.7.2. Cối quay của cửa van cung . 51
3.7.3. Cối quay cửa van Clape 51
3.8. Lựa chọn kết cấu cối quay cho cửa van phao chữ nhân. 52
3.8.1. Kết cấu cối quay dạng cầu 53
3.8.2. Kết cấu cối quay dạng bạc trục quay kết hợp với dây mềm . 55
3.9. Kết luận chương 3 58
Chương 4. ỨNG DỤNG CỬA VAN PHAO CHỮ NHÂN CHO ĐẬP ĐIỀU
TIẾT KHUYẾN LƯƠNG . 59
4.1. Giới thiệu chung về công trình Khuyến Lương. 59
4.1.1. Vị trí địa lý của công trình Khuyến Lương. 59

4.1.2. Nhiệm vụ chính công trình Khuyến Lương. . 62
4.2. Bố trí tính toán cửa van phao chữ nhân. 63
4.2.1. Thông số tính toán thiết kế. . 63
4.2.2. Mặt bằng bố trí tổng thể cửa van phao chữ nhân. . 63
4.3. Xác định thông số cơ bản cửa van phao chữ nhân . 64
4.3.1. Xác định cửa van phao theo điều kiện ổn định . 64
4.3.2. Điều kiện ổn định nổi của cửa van 65
4.3.3. Điều kiện ổn định chìm của cửa van . 67
4.3.4. Tính toán lực đóng mở cửa van. . 67
4.4. Các trường hợp tính toán ổn định 69
4.4.1. Chính diện và mặt cắt cửa van phao chữ nhân . 69
4.4.2. Trường hợp tính toán 70
4.4.3. Sơ đồ tính toán . 70
4.4.4. Phương pháp kiểm tra kết cấu . 71
4.5. Tính toán kết cấu cửa van 71
4.6. Kiểm tra kết quả tính toán theo trạng thái giới hạn I . 74
4.6.1. Kiểm tra dầm D1 . 74
4.6.2. Kiểm tra dầm dầm D3 . 75
4.6.3. Tính toán thanh chống dọc D2 76
4.6.4. Tính toán thanh giằng chéo liên kết 76
4.7. Kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2 77
4.7.1. Kiểm tra cho thanh dầm D1 77
4.7.2. Kiểm tra cho thanh dầm D2 77
4.7.3. Kiểm tra cho thanh dầm D3 77
4.8. Tính toán lựa chọn chiều dày bản mặt cửa van: 78
4.9. Nhận xét và kết luận . 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79
1. KẾT LUẬN. 79
2. KIẾN NGHỊ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 - 1: Bãi cát nổi giữa cầu Long biên và Chương Dương 5
Hình 1 - 2: Biểu đồ quá trình xói lòng dẫn sông hồng 19
Hình 1 - 3: Sơ đồ minh họa đường mặt nước bị xói . 20
Hình 1 - 4: Biểu đồ quan hệ Q=f(z) mùa khô ở trạm Hà Nội . 20
Hình 2 - 1: Hình ảnh các bộ phận chính của đập trụ đỡ với cửa van phẳng. 26
Hình 2 - 2: Sơ đồ đập xà lan điều tiết cố định . 27
Hình 2 - 3: Sơ đồ đập xà lan điều tiết thời vụ . 27
Hình 2 - 4: Cống đập Thảo Long-Huế 28
Hình 2 - 5: Cống bình triệu – thành phố Hồ Chí Minh . 28
Hình 2 - 6: Cống Tân Đệ-Thái Bình . 29
Hình 2 - 7: Cống Đồng Quan-Hà Nội . 29
Hình 2 - 8: Cống Liên Mạc có 3 khoang B= 10 m . 29
Hình 2 - 9: Cống Đa Độ-Hải Phòng 30
Hình 2 - 10: Cống Đò Điểm ngăn mặn . 30
Hình 2 - 11: (Spijkenisse, Netherlands, 1996) 31
Hình 2 - 12: Cửa van 80m tại Công trình ngăn triều Ravenswaay . 32
Hình 2 - 13: Công trình ngăn triều Krimpen và Bố trí cửa van 80m . 32
Hình 2 - 14: Cửa sập phương án A, đề xuất tại công trình ngăn triều Nieuwe Waterweg . 34
Hình 2 - 15: Cửa sập phương án B, đề xuất tại công trình ngăn triều Nieuwe waterweg . 35
Hình 2 - 16: Cửa sập đề xuất tại công trình ngăn triều Venice . 36
Hình 2 - 17: Cửa sập xây dựng tại Stamford, USA 36
Hình 2 - 18: Bremen, Germany, 1993 . 37
Hình 2 - 19: Terling – Rock Falls, Illinois, 2002 37
Hình 2 - 20: (Kampen, Hà lan, 2002) . 38
Hình 2 - 21: (Hellevoetsluis, The Netherlands, 1970) 39
Hình 2 - 22: Ems river, Germany 39
Hình 3 - 1: Kết cấu cửa van chữ nhân . 41

Hình 3 - 2: Nguyên lý làm việc của van phao chữ nhân . 42
Hình 3 - 3: Diễn biến tâm nổi và tâm ổn định khi nghiêng 44
Hình 3 - 4: Sơ đồ cửa van . 47
Hình 3 - 5: Sơ đồ lực tác dụng khi cửa van nổi trong nước 47
Hình 3 - 6: Sơ đồ lực tác dụng cửa van khi đang điều tiết 48
Hình 3 - 7: Sơ đồ lực đóng mở cửa van 49
Hình 3 - 8: Cụm cối quay trên cửa van tự động trục đứng . 50
Hình 3 - 9: Cụm cối quay dưới cửa van tự động trục đứng 50
Hình 3 - 10: Kết cấu cối quay cửa van cung . 51
Hình 3 - 11: Kết cấu cối quay cửa van Clape. 52
Hình 3 - 12: Công trình Maeslant - Hà Lan 53
Hình 3 - 13: Mô hình cối quay công trình Maeslant - Hà Lan 54
Hình 3 - 14: Kết cấu chi tiết cụm cối quay . 54
Hình 3 - 15: Trọng lượng các bộ phận kết cấu . 55
Hình 3 - 16: Kết cấu cối quay cửa . 56
Hình 3 - 17: Kết cấu gối đỡ trục quay ở dưới . 57
Hình 3 - 18: Kết cấu gối trục trung gian . 57
Hình 3 - 19: Kết cấu bạc trục quay và dây xích 58
Hình 3 - 20: Chi tiết bạc trục - trục quay 58
Hình 4 - 1: Vị trí tuyến công trình . 59
Hình 4 - 2: Mặt bằng tổng thể cửa van chữ nhân 63
Hình 4 - 3: Mặt cắt A - A . 64
Hình 4 - 4: Diễn biến tâm nổi và tâm ổn định khi nghiêng 65
Hình 4 - 5: Sơ đồ lực đóng mở cửa van 68
Hình 4 - 6: Kết cấu cửa van 69
Hình 4 - 7: Sơ đô tính kết cấu cửa van 70
Hình 4 - 8: Sơ đồ lực tác dụng 70
Hình 4 - 9: Sơ đồ mô hình trong Sap2000 70
Hình 4 - 10: Mô hình kết cấu cửa van . 71

Hình 4 - 11: Mô hình khung dầm cửa van 72
Hình 4 - 12: Biểu đồ Mômen M11 của bản mặt cửa van 3D 72
Hình 4 - 13: Biểu đồ Mômen M22 của bản mặt cửa van 3D 72
Hình 4 - 14: Biểu đồ Mômen M22 của bản đáy cửa van 72
Hình 4 - 15: Biểu đồ Mômen M22 Mặt phía thượng lưu 73
Hình 4 - 16: Biểu đồ Mômen M22 Mặt phía hạ lưu . 73
Hình 4 - 17: Biểu đồ Mômen M33 dầm D1 73
Hình 4 - 18: Biểu đồ Lực dọc dầm D1 và D2 . 73
Hình 4 - 19: Biểu đồ Mômen M33 dầm D3 74
Hình 4 - 20: Biểu đồ Mômen M33 dầm D2 74
Hình 4 - 21: Biểu đồ Lực dọc Nmax dầm D3 . 74
Hình 4 - 22: Biểu đồ Mômen M33 dầm D3 74
Hình 4 - 23: Biểu đồ lực dọc của thanh chống T1 74


DANH MỤC BẢNG BIỂU


Bảng 1 - 1: Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình
thượng nguồn 6
Bảng 1 - 2: Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất ở Hà Nội trước lúc chưa có công trình
thượng nguồn. . 10
Bảng 1 - 3: Mức nước và lưu lượng ở Hà Nội khi xả nước tăng cường từ các hồ
thượng nguồn vào mùa khô. 11
Bảng 2 - 1: Cửa van kéo đứng một số công trình trên thế giới . 30
Bảng 2 - 2: Dạng kết cấu cửa van này được áp dụng ở một số công trình trên thế
giới: . 33
Bảng 4 - 1: Tổ hợp mực nước tính toán và kiểm tra . 63
Bảng 4 - 2: Đặc trưng hình học của thép hình I1500 và U400 . 69
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tình trạng cạn kiệt trên hệ thống sông Hồng về mùa khô trong những năm
vừa qua ngày càng trầm trọng và diễn biến phức tạp. Về mùa khô sông Hồng bị hạ
thấp mực nước làm cho các cống không lấy được nước,trạm bơm không lấy được
nước. Để khắc phục phải làm công trình dâng nước phải cấp cho đủ nước và dâng
mực nước lên. Có nhiều nguyên nhân khác nhau mà mức nước trên sông Hồng sau
khi xây dựng các công trình Thủy Điện ở thượng nguồn bị hạ thấp,hồ thượng nguồn
không cấp đủ nước.Bên cạnh sự giảm sút về nguồn nước thì yêu cầu về mực nước
trong mùa khô cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Sau khi có các hồ chứa lòng sông
sẽ bị xói sâu,mực nước lại càng xuống thấp.Mặt khác tình trạng khai thác cát một
cách bừa bãi và quá mức độ cho phép càng làm trầm trọng thêm vấn đề hạ thấp mực
nước trên sông mùa kiệt.Theo như khảo sát,hiện nay trên sông Hồng hiện tượng hạ
thấp mực nước so với trước khi có hồ Hòa Bình đã xảy ra rất nghiêm trọng,có nơi
mực nước đã hạ xuống tới 2m so với trước đây.
Về lâu dài,đối với hệ thống sông Hồng trong mùa khô có hai vấn đề cần phải
tìm cách khắc phục đó là tình trạng giảm nguồn nước và tình trạng hạ thấp mực
nước.Chính vì vậy muốn dâng nước phải cấp nước đủ và dâng mực nước lên.Tháo
lũ sông Hồng là phạm trù an ninh quốc gia vì vậy công trình điều tiết trên sông
Hồng về mùa khô tuyệt đối không được mảy may ảnh hưởng đên khả năng thoát lũ
của sông Hồng.
Qua phân tích nguyên nhân,ưu nhược điểm tác giả đã chọn giải pháp cửa van
phao chữ nhân.Cửa van phao chữ nhân có nhiều ưu điểm nổi trội như khẩu độ
lớn,lắp đặt,vận hành sửa chữa không phức tạp.
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu cửa van phao chữ nhân điều tiết nước Sông
Hồng trong mùa khô ” nhằm từng bước hoàn thiện một cách mạnh mẽ, sâu rộng
hơn, góp phần phục vụ nhu cầu cấp bách của thực tế sản xuất có một ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao.

2
2. Tính mới của khoa học công nghệ
Đối với công trình điều tiết sông Hồng thì phải căn cứ vào nhiệm vụ, đặc
điểm kết cấu và vận hành của công trình để chọn kiểu cửa van thích hợp đáp ứng
được các yêu cầu đề ra khi thiết kế dự án. Có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giải
quyết cho việc điều tiết nước sông hồng trong mùa khô han.Ví dụ cửa van phẳng
được nâng hạ bằng hệ thống điều khiển đặt trên đỉnh của các tháp trụ pin công trình.
Về mùa khô, các cửa van này được đóng lại để ngăn và giữ nước theo yêu cầu thiết
kế. Về mùa lũ, toàn bộ hệ thống cửa van được kéo lên và chốt giữ lại bằng hệ thống
khóa. Nhưng nhược điểm của cửa van phẳng là khi kéo cửa van lên chịu gió bão bất
lợi về lực tác dụng lên công trình, hơn nữa mất mỹ quan cho công trình,ngoài ra cửa
van phẳng xây dựng rất tốn kém.
Xuất phát từ những yêu cầu của đập điều tiết thời vụ là: Dâng được mực
nước trong mùa khô theo yêu cầu,không ảnh hưởng đến thoát lũ chính vụ,lắp đặt
nhanh gọn và tháo dỡ dễ dàng nên các tác giả đề xuất chọn giải pháp cưa van phao
chữ nhân. Ưu nhược điểm của cửa van chữ nhân cũng giống như cửa van cánh cửa,
nhưng cửa van chữ nhân có ưu điểm hơn là có thể làm khoang rộng hơn. Cùng một
kích thước khoang đập thì một cánh cửa van chữ nhân chỉ rộng khoảng 0,57 cửa
van cánh cửa, nên gia công lắp đặt dễ hơn. Để việc lắp đặt sữa chữa dễ dàng có thể
làm cửa van phao chữ nhân. Trong trường hợp kết hợp với cầu giao thông qua sông
Hồng với khẩu độ lớn thì ứng dụng cửa van chữ nhân rất phù hợp. Công trình được
cấu tạo bởi hệ thống cửa van phao vận hành tại chỗ.Phần nền đáy công trình được
làm kiến cố và có hệ thống gờ vừa có tác dụng tựa lực cho cửa phao khi đóng,vừa
có tác dụng làm kín nước khi cửa làm việc. Cửa van họat động dựa trên nguyên lý
phao nổi trong nước nhờ lực đẩy acsimet. Cửa van chữ nhân thì đã có nhiều, nhưng
cửa van phao chữ nhân thì chưa được nghiên cứu và ứng dụng đặc biệt cửa van
phao chữ nhân lớn thì chưa nơi nào nghiên cứu.
3. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu kết cấu cửa van chữ nhân để ứng dụng cho việc điều tiết nước
sông hồng trong mua khô hạn.

3
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Cách tiếp cận:
Tiếp cận bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa
học hay các phương tiện thông tin đại chúng; qua các kết quả nghiên cứu công trình
ngăn sông trên thế giới cũng như trong nước đã có kết hợp tìm hiểu, thu thập, và
phân tích đánh giá các tài liệu có liên quan, từ đó đề ra phương án cụ thể phù hợp
với tình hình điều kiện cụ thể của nước ta.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp.
+ Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu.
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm
ứng dụng.