Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu đập bản lật tự động áp dụng cho công trình đập dâng miền núi phía bắc

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 126 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU ĐẬP BẢN LẬT TỰ ĐỘNG 
ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP DÂNG MIỀN NÚI PHÍA BẮC 
Giang Thư1, Vũ Hoàng Hưng2 
Tóm tắt: Bài báo đã đề xuất một loại đập bản lật (dạng cửa van tự lật) áp dụng cho các công trình 
đập dâng miền núi phía Bắc. Dạng cửa van này có thể chế tạo sẵn theo từng đơn nguyên nên dễ 
dàng cho việc lắp đặt và thay thế. Với việc sử dụng hệ lò xo để tạo mô men chống lật nên có thể đáp 
ứng các mực nước khác nhau khi sử dụng lò xo có độ cứng tương đương thông qua các bảng tra và 
đồ thị đã được lập sẵn. Đây là ưu điểm chính của loại cửa van này. 
Từ khoá: đập bản lật, đập dâng, miền núi, ANSYS 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 
Cửa van tự lật được ứng dụng phổ biến trong 
các công trình thủy lợi thủy điện đặc biệt với 
các công trình dâng nước với cột nước không 
cao hoặc trong các công trình tràn sự cố. Ưu 
điểm nổi bật của loại hình cửa van này là có thể 
khống chế mực nước ở một độ cao nhất định, 
khi mực nước tăng cửa van tự động mở để hạ 
thấp mực nước và tự động đóng lại để dâng 
nước nhưng không cần tác động của con người 
hoặc máy móc thiết bị, do đó chủ động vận hành 
khi thời tiết cực đoan mưa lũ bất thường, hạn 
hán và giảm chi phí vận hành. Cửa van tự lật 
vận hành theo nguyên tắc khi mô men do áp lực 
thủy động lớn hơn mô men do trọng lượng bản 
thân cửa van và ma sát ở gối quay, cửa van sẽ 
được mở đến trạng thái cân bằng. Khi áp lực 
không thay đổi, góc mở cửa van cũng không 
thay đổi. Khi mô men do áp lực thủy động vẫn 
còn lớn hơn thì cửa van sẽ được mở hoàn toàn 
(ở trạng thái nằm ngang); khi mô men trọng 
lượng cửa van lớn hơn mô men áp lực thủy 
động với lực ma sát, cửa van sẽ đóng lại (ở 
trạng thái đứng) (ZHOU Jingyuan, 2007; Vũ 
Hoàng Hưng, 2009). 
1 Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học 
sông biển - Viện KHTL Việt Nam. 
2 Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi. 
Thời kỳ đầu từ những năm 60 của thế kỷ 20 
cửa van tự lật có hình thức kiểu gối đơn cố định, 
bộ phận gối đỡ được lắp đặt thấp hơn vị trí hợp 
lực của áp lực nước (Hình 1). Khi mực nước 
thượng lưu vượt qua đỉnh cửa với một độ cao 
nhất định, cửa van mở theo hướng đổ ra phía sau 
đến vị trí nằm ngang. Khi mực nước thượng lưu 
hạ đến đáy cửa, cửa van tự động quay về vị trí 
đóng để tiếp tục chức năng chắn nước. Qua nhiều 
năm loại cửa van này từng bước được cải tiến 
như thêm cơ cấu cản để khắc phục nhược điểm 
rung động khi đóng mở (DENG Xiaojun, 2012). 
Cho đến nay cửa van tự lật thường sử dụng hình 
thức bánh lăn có khe dẫn hướng (Hình 2) hoặc 
bánh lăn có thanh nối (Hình 3) (HOU Shihua, 
2007, 2008). Tuy nhiên trong thực tế khi cửa van 
ở trạng thái mở hoàn toàn, để quay lại vị trí đóng 
sẽ gặp nhiều khó khăn, thường sử dụng thêm hệ 
thống xi lanh thủy lực để đẩy cửa van về vị trí 
đóng đồng thời giúp ổn định trong quá trình làm 
việc (Hình 3). Ngoài ta khi mô men do trọng 
lượng bản thân càng lớn thì năng lực tích nước 
trước cửa van càng lớn, vì vậy cửa van thường 
được làm bằng bê tông do đó khá nặng nề nên 
khó vận chuyển lắp đặt đặc biệt là những vùng 
địa hình phức tạp. Vì vậy cần thiết phải nghiên 
cứu cải tiến vật liệu và kết cấu phù hợp khắc 
phục những nhược điểm này. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 127
Hình 1. Cửa van tự lật kiểu gối đơn Hình 2. Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có khe dẫn hướng 
Hình 3. Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có thanh nối 
2. ĐỀ XUẤT ĐẬP BẢN LẬT TỰ ĐỘNG 
2.1. Mô tả hình thức kết cấu 
Để khắc phục những nhược điểm của cửa van 
hiện có, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất 
một loại hình cửa van mới với đặc điểm sử dụng 
hệ thống lò xo trục khuỷu để tạo mô men do trọng 
lượng bản thân (mô men chống lật). Mô hình một 
cụm đập bản lật tự động được cho ở hình 4. 
Cấu tạo một cụm đập bản lật tự động gồm 
các bộ phận: (1) Bản chắn; (2) Sườn chống; (3) 
Trục quay; (4) Trục khuỷu; (5) Thanh truyền; 
(6) Tấm trượt; (7) Lò xo; (8) Hộp kỹ thuật. 
Khèi bª t«ng
MNTL
Hép kü thuËt
Cöa lËt
Hình 4. Mô hình đập bản lật tự động 
2 
3 
5 7 
1 
8 
4 
6 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 128 
Khi áp lực thủy động tác dụng vào bản chắn, 
thông qua hệ thống trục khuỷu thanh truyền tác 
dụng vào hệ lò xo, nhờ độ cứng của lò xo sẽ tạo ra 
mô men ngược với mô men do áp lực thủy động. 
Nếu mô men do áp lực thủy động lớn hơn mô men 
do lực kéo của lò xo và ma sát ở gối quay, cửa van 
sẽ được mở đến trạng thái cân bằng. 
2.2. Cấu tạo và các thông số cơ bản 
Sơ đồ cấu tạo đập bản lật cho ở hình 5. Trục 
bản lề O cố định, trục bản lề B chuyển động tịnh 
tiến theo phương ngang, trục bản lề A chuyển 
động quay quanh tâm O. 
Hình 5. Sơ đồ cấu tạo đập bản lật 
Các ký hiệu thể hiện trên Hình 5: 
Llx – chiều dài lò xo (m) 
Klx – độ cứng của hệ lò xo (kN/m) 
B – bề rộng cửa van (m) 
Hv – chiều cao bản chắn cửa van (m) 
Gv – trọng lượng bản chắn cửa van (kN) 
e – khoảng cách từ trọng tâm bản chắn cửa 
van đến tâm O (m) 
L1, L2 - chiều dài trục khuỷu và thanh truyền (m) 
1 – góc nghiêng trục khuỷu so với phương 
đứng (độ) 
2 – góc nghiêng của thanh truyền so với 
phương ngang (độ) 
H - chiều cao mực nước trước cửa van (m) 
Fs - lực ma sát ở tấm trượt và hộp kỹ thuật (kN) 
FtO, FtA, FtB – mô men cản do lực ma sát ở 
các ổ trục quay (kNm) 
 – góc mở cửa van so với phương đứng (độ) 
 Llx – độ dãn dài của hệ lò xo so với vị trí 
ban đầu (m) 
Theo sơ đồ hình 5, quan hệ giữa độ cứng hệ lò 
xo với áp lực nước tác dụng vào bản mặt như sau: 
- Mô men do áp lực nước tác dụng vào bản 
chắn đối với tâm O: 
MO=[(n×H×H/2)×(B/2)]×H/3+Gv×e – FtO (kNm) 
- Lực tác dụng vào thanh AB: 
FA = MO/L1 (kN) 
- Lực dọc vào thanh AB: 
FAB = FAcos(1-2) (kN) 
- Lực tác dụng vào lò xo tại B: 
FB = FABcos2 (kN) 
- Độ cứng cần thiết của hệ lò xo: 
Klx = (FB - Fs)/ Llx (kN/m) 
- Quan hệ giữa góc mở cửa van và độ dãn 
dài của hệ lò xo Llx: 
 Llx  [(L1× × /180)×cos(1-2)]×cos2 (m) 
Ví dụ: Xác định độ cứng cần thiết của hệ lò 
xo cho một trường hợp kích thước cửa van L1 = 
0,15m; L2 = 0,15m; H = 0,3m; B = 1m; 1 = 
20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; bỏ qua hệ số ma sát tại 
các ổ trục. Góc mở cho phép của cửa van =5o. 
MO = [(10×0,3×0,3×0,5)(1/2)]×(0,3/3) = 
0,0225 (kNm); 
FA = 0,0225/0,15 = 0,1500 (kN); 
2 
Gv 
Fs 
FtB 
FtA 
FtO 
FA 
O 
A 
B 
1 
L1 
L2 
Llx 
Klx 
Hv 
H 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 129
FAB = 0,1449 (kN); FB = 0,1443 (kN); 
 Llx  [(0,15× 5×3,1416/180)× cos(20-5)] × 
cos5 = 0,01259 (m); 
Klx = 0,1443/0,01259 = 11,456 (kN/m). 
2.3. Ưu, nhược điểm và khả năng áp dụng 
Đập bản lật được đề xuất ở trên có ưu điểm dễ 
dàng tạo ra mô men chống lật bằng cách sử dụng 
hệ lò xo có độ cứng khác nhau để khống chế mực 
nước trước cửa van theo yêu cầu. Bản mặt chắn 
nước có thể dùng các tấm bê tông, gỗ hoặc 
composite lắp ghép trên sườn chống. Tuy nhiên 
để đập bản lật hoạt động được tốt vẫn cần phải 
bảo dưỡng thường xuyên các thiết bị cơ khí và 
bộ phận ổ trục không thường xuyên ngập nước. 
3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ 
BẢN CỦA ĐẬP BẢN LẬT 
3.1. Xây dựng mô hình 
Dựa trên ngôn ngữ lập trình tham số APDL 
trong phần mềm ANSYS, xây dựng mô hình kết 
cấu truyền động của đập bản lật với các tham số 
kích thước và tải trọng tùy ý để dễ dàng cho 
việc nghiên cứu và thiết kế. Do đập bản lật làm 
việc đối xứng nên chỉ xây dựng ½ mô hình. Các 
vị trí cố định thay bằng các liên kết để giảm 
khối lượng mô hình tính toán nhưng vẫn đảm 
bảo độ chính xác. Áp lực nước tác dụng vào bản 
mặt được gán thông qua sườn. Các vị trí tiếp 
xúc tại các ổ trục được mô phỏng bằng phần tử 
tiếp xúc với hệ số ma sát tùy ý. Mô hình hình 
học tại cơ cấu truyền động cho ở hình 6. Mô 
hình phần tử hữu hạn hệ thống kết cấu cho ở 
hình 7. 
Hình 6. Mô hình hình học Hình 7. Mô hình phần tử hữu hạn 
3.2. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình 
Tiến hành tính toán cho một trường hợp kích 
thước cửa van L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; H = 
0,3m; B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; Klx 
= 30 kN/m; giả thiết hệ số ma sát tại các ổ trục 
bằng 0. 
Độ dãn dài của lò xo khi chịu tác dụng của tải 
trọng bằng 0,005022 m (xem Hình 8) tương ứng 
với góc mở của bản mặt = 2o01’. Khi tính toán 
bằng giải tích với góc mở bản mặt tương ứng = 
2o01’ thì độ dãn dài của hệ lò xo bằng 0,005288 
m và độ cứng lò xo cần thiết Kkx = 27,29 kN/m. 
Lần lượt kiểm tra với các chiều cao H = 0,4m và 
H = 0,5m được kết quả cho ở Bảng 1. 
Hình 8. Chuyển vị của lò xo và đỉnh cửa khi H = 0,3m và H = 0,5m 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 130 
Bảng 1. Bảng so sánh kết quả tính toán 
Chiều cao cột nước H (m) Tính toán Tham số 
0,3m 0,4m 0,5m 
Độ cứng hệ lò xo (kN/m) 30 30 30 
Độ dãn dài của hệ lò xo (m) 0,005022 0,01174 0,022946 ANSYS 
Góc xoay bản mặt (độ) 2o01’ 4o40’ 9o00 
Góc xoay bản mặt (độ) 2o01’ 4o40’ 9o00 
Độ dãn dài của hệ lò xo (m) 0,005089 0,011768 0,022762 Giải tích 
Độ cứng hệ lò xo (kN/m) 28,35 29,07 29,35 
Sai số Độ cứng hệ lò xo (kN/m) 5,5% 3,1% 2,2% 
Nhận xét: 
Độ cứng của hệ lò xo tính toán bằng giải tích 
cho kết quả xấp xỉ bằng phần mềm ANSYS. Vì 
vậy có thể nói mô hình tính toán lập bằng phần 
mềm ANSYS đảm bảo độ tin cậy. 
3.3. Xác định ảnh hưởng của chiều cao cột 
nước trước cửa van đến độ mở cửa van 
Nghiên cứu được tiến hành tính toán cho 
trường hợp kích thước L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; 
B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; Klx = 30 
kN/m; hệ số ma sát trượt giữa tấm trượt và hộp 
kỹ thuật s = 0,5; hệ số ma sát trượt tại ổ trục t 
= 0,2. Chiều cao mực nước trước cửa van thay 
đổi H = 0,1 ~ 1,0m. Kết quả đường quan hệ 
giữa chiều cao cột nước trước cửa van (H) và độ 
mở cửa van ( ) được cho ở Hình 9. 
Hình 9. Quan hệ giữa chiều cao cột nước và độ mở cửa van 
3.4. Xác định ảnh hưởng của chiều cao cột 
nước trước cửa van đến độ cứng của hệ lò xo 
Nghiên cứu được tiến hành tính toán cho trường 
hợp kích thước L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; B = 1m; 
1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; độ dãn dài cho phép 
của hệ lò xo Llx = 0,0127m (tương ứng với góc 
mở cửa van = 5o); hệ số ma sát trượt giữa tấm 
trượt và hộp kỹ thuật s = 0,5; hệ số ma sát trượt tại 
ổ trục t = 0,2. Chiều cao mực nước trước cửa van 
thay đổi H = 0,1 ~ 1,0m. Kết quả đường quan hệ 
giữa chiều cao cột nước trước cửa van (H) và độ 
cứng của hệ lò xo (Klx) được cho ở Hình 10. 
Hình 10. Quan hệ giữa chiều cao cột nước và độ cứng hệ lò xo 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 131
4. KẾT LUẬN 
Đập bản lật là một kết cấu mới lần đầu tiên 
được đề xuất. Về nguyên tắc kết cấu này có thể 
tạo ra cột nước có chiều cao khác nhau tùy thuộc 
vào độ cứng của hệ lò xo. Tuy nhiên đây mới chỉ 
là đề xuất về nghiên cứu cấu tạo và các thông số 
cơ bản, để hiện thực hóa ý tưởng cần có các 
nghiên cứu tiếp theo đặc biệt là nghiên cứu thử 
nghiệm trên mô hình vật lý để xác định phân bố 
áp lực tác dụng vào bản mặt ứng với các độ mở 
khác nhau và hệ số ma sát tại các ổ trục từ đó lựa 
chọn độ cứng của hệ lò xo phù hợp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Vũ Hoàng Hưng, Cửa van sập tự động khống chế thủy lực, Trường Đại học Thủy Lợi. 
ZHOU Jingyuan. Study and application of hydraulic automatic flap gate. Journal of Hydroelectric 
Engineering, 06-2007. 
邓晓君,焦怀金. 水力自动翻板闸门的发展历程及应用. 北京水务,2012年第03期. 
HOU Shihua, SHEN Chang song. Path of instantaneous center of hydro-automatic flap gate and its 
influences on gate’s stability. Hydro-Science and Engineering, 3, 9-2007. 
侯石华,沈长松. 连杆滚轮式水力自动翻板闸门的结构优化. 水利水电科技进展, 2008 年8月. 
Abtract: 
STUDY ON THE IMPROVEMENT OF STRUCTURAL SHAPE 
OF HYDRO-AUTOMATIC FLAP GATE UTILIZED IN SMALL-DAMS 
IN THE MOUTAIN OF NORTHERN REGION 
The present paper proposes a hydro-automatic flap gate utilized in small-dams in the moutain 
of Northern region. This gate can be manufactured for one-by-one prototype specimen 
available. Thus, it is easily to install and replace the gates in small-dams. For using spring 
system to create the momen againsted overturn, the gate can satisfy with different water levels 
when it is used the spring sytem with equivalent stiffness through table test available. It is the 
main advantages of the gate. 
Keywords: hydro-automatic flap gate, small-dam, moutain, ANSYS. 
Ngày nhận bài: 02/11/2017 
Ngày chấp nhận đăng: 14/12/2017