Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu quả của phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa công trình cùng các thầy, cô giáo, các bộ môn của trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: TS. Trịnh Quốc Công đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới: Phòng Đào tạo ĐH và SĐH, khoa công trình, các thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy trực tiếp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã động khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày hôm nay. Hà Nội, tháng 03 năm 2015 Tác giả Vũ Ngọc Minh LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Ngọc Minh Học viên lớp: 20C11 Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật của Nhà trường. Học viên Vũ Ngọc Minh MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3 1.1. Tổng quan về nhà máy thủy điện. ................................................................3 1.1.1. Phân loại nhà máy thủy điện.....................................................................4 1.1.2. Kết cấu nhà máy thủy điện .....................................................................13 1.2. Đặc điểm chịu lực của kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện .....13 1.3. Các nghiên cứu về kết cấu nhà máy thủy điện ...........................................14 1.4. Tích cấp thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài ........................................15 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................16 2.1. Các phương pháp phân tích kết cấu. ..........................................................16 2.1.1. Các phương pháp phân tích kết cấu:.......................................................16 2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................16 2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu chịu tải trọng động ................................22 2.2.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính..............................................................23 2.2.2. Xác định lực cản Damping .....................................................................24 2.2.3. Xác định lực quán tính ............................................................................26 2.2.4. Phương pháp Newmark giải phương trình chuyển động ........................26 2.3. Kết luận chương 2 ......................................................................................28 CHƯƠNG III: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU PHẦN TRÊN NƯỚC NMTĐ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG DO CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CẦU TRỤC GÂY LÊN, ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SUỐI SẬP 3 ......................................................................................29 3.1. Nhà máy thủy điện Suối Sập 3 ...................................................................29 3.1.1. Giới thiệu chung về công trình ...............................................................29 3.1.2. Các điều kiện tự nhiên công trình ...........................................................33 3.1.3. Các hạng mục công trình chủ yếu ..........................................................37 3.2. Kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện Suối Sập 3 .......................40 3.3. Các trường hợp tính toán: ...........................................................................42 3.4. Lựa chọn mô hình tính toán kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện Suối Sập 3 và các thông số cơ bản của mô hình ...................................................42 3.5. Các lực tác dụng và tổ hợp lực ...................................................................45 3.5.1. Trọng lượng bản thân kết cấu: ................................................................45 3.5.2. Tải trọng gió. ..........................................................................................45 3.5.3. Áp lực bánh xe của cầu trục: ..................................................................47 3.5.4. Lực hãm ngang. ......................................................................................48 3.5.5. Tải trong do va đập của cầu trục vào gối chắn đường ray......................48 3.6. Kết quả tính toán. .......................................................................................49 3.6.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy khi cầu trục di chuyển dọc nhà máy ..........................................................................................49 3.6.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy trường hợp xe con nâng vật và phanh hãm ......................................................................................52 3.6.3. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ........................................................55 3.6.4. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy chịu tải trọng động với trường hợp nâng tải của cầu trục .................................................................58 3.7. So sánh, phân tích kết quả ..........................................................................60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1. Nhà máy thủy điện ngang đập ....................................................................4 Hình 1-2. Mặt cắt ngang nhà máy thủy điện sau đập. .................................................6 Hình 1-3. Nhà máy thúy điện đường dẫn lắp Turbin gáo. ..........................................7 Hình 1-4. Các loại kết cấu gian máy nhà máy thủy điện ngầm và nửa ngầm.............8 Hình 1-5. Sơ đồ các dạng nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ. ...................11 Hình 2-1. Các dạng biên chung giữa các phần tử .....................................................17 Hình 2-2. Các dạng phần tử hữu hạn thường gặp .....................................................18 Hình 2-3. Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác ......................................19 Hình 2-4. Sơ đồ khối của chương trình PTHH .........................................................22 Hình 2-5. Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do ...............................23 Hình 2-6: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do ...............................24 Hình 3-1. Sơ đồ khung ngang nhà máy thủy điện Suối Sập 3 ..................................41 Hình 3-2. Sơ đồ cắt dọc hệ khung nhà máy thủy điện Suối Sập 3 ............................41 Hình 3-3. Mô hình tính được xây dựng trong Sap ....................................................44 Hình 3-4. Cách đánh số thanh phần tử ......................................................................44 Hình 3-5. Mô hình tính được xây dựng trong ADINA .............................................45 Hình 3-6. Sơ đồ tải trọng gió.....................................................................................46 Hình 3-7. Tải trọng gió..............................................................................................47 Hình 3-8. Chuyển vị tổng của mô hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy ............................................................................................................................49 Hình 3-9. Biểu đồ bao lực dọc của mô hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy .....................................................................................................................50 Hình 3-10. Biểu đồ bao lực cắt V2 của mô hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy ..............................................................................................................50 Hình 3-11. Biểu đồ bao lực cắt V3 của mô hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy ..............................................................................................................51 Hình 3-12. Biểu đồ bao Moment M3 của mô hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy ..............................................................................................................51 Hình 3-13. Chuyển vị tổng của mô hình với trường hợp phanh hãm cầu trục .........52 Hình 3-14. Biểu đồ lực dọc của mô hình với trường hợp phanh hãm cầu trục ........53 Hình 3-15 Biểu đồ lực cắt V2 của mô hình với trường hợp phanh hãm cầu trục .....53 Hình 3-16. Biểu đồ lực cắt V3 của mô hình với trường hợp phanh hãm cầu trục ....54 Hình 3-17. Biểu đồ Moment M3 của mô hình với trường hợp phanh hãm cầu trục ......54 Hình 3-18. Chuyển vị tổng của mô hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ..................................................................................................55 Hình 3-19. Biểu đồ lực dọc của mô hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ..................................................................................................56 Hình 3-20. Biểu đồ lực cắt V2 của mô hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ............................................................................................56 Hình 3-21. Biểu đồ lực cắt V3 của mô hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ............................................................................................57 Hình 3-22. Biểu đồ Moment M3 của mô hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray ............................................................................................57 Hình 3-23. Biểu đồ lực dọc của mô hình với trường hợp nâng tải cầu trục .............58 Hình 3-24. Biểu đồ lực cắt V2 của mô hình với trường hợp nâng tải cầu trục .........59 Hình 3-25. Biểu đồ moment M3 của mô hình với trường hợp nâng tải cầu trục......59 Hình 3-26. Biểu đồ chuyển vị của điểm 62...............................................................60 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Các thông số chính của công trình ...........................................................29 Bảng 3.2: Quy mô hạng mục công trình ...................................................................31 Bảng 3.3: Các thông số cơ bản về khí tượng - thủy văn ..........................................33 Bảng 3.4: Thống kê kết quả tính toán ứng suất các trường hợp. .............................60 Bảng 3.5: Thống kê kết quả tính toán chuyển vị các trường hợp. ...........................61 Bảng 3.6: Thông số thép I600. ..................................................................................64 Bảng 3.7: Thông số thép I450. ..................................................................................65 1 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của Đề tài. Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên nhu cầu điện năng ngày càng tăng. Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng cho đất nước. Chính vì vậy mà các công trình trạm thủy điện được xây dựng ngày một nhiều. Trong các thành phần công trình của trạm thủy điện thì nhà máy thủy điện là một hạng mục công trình quan trọng, chiếm tỉ lệ vốn đầu tư tương đối lớn. Nhà máy thủy điện là một kết cấu khối lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong. Nhà máy thủy điện được chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước. Toàn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa vì vậy khâu tính toán kết cấu nhà máy đóng vai trò rất quan trọng. Hiện nay, tại các công ty thiết kế, khi tính toán kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện chịu tai trọng động do cầu trục trong nhà máy gây lên thường chỉ dùng phương pháp giả tĩnh nghĩa là coi tải trọng động bằng trọng lượng tĩnh nhân với hệ số động. Mặt khác khi tính toán kết cấu phần trên nước chỉ xét đến các lực gây mômen uốn trong mặt phẳng vuông góc với trục nhà máy mà chưa xét đến các lực tác dụng theo phuơng dọc trục nhà máy sinh ra trong quá trình cầu trục di chuyển dọc nhà máy hoặc quá trình phanh hãm cầu trục gây lên. Do vậy kết quả tính toán không phản ánh đuợc sự ứng xử của kết cấu phần trên nước trong suốt quá trình vận hành của nhà máy. Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện chịu tải trọng động do các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục gây lên là cần thiết. Học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện” sẽ đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng động gây nên bởi các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục từ đó có các kiến nghị cho các nhà thiết kế tính toán thiết kế hợp lý kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện. 2 II. Mục đích của Đề tài. Xây dựng mộ hình phân tích kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện chịu các tải trọng động do các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục trong nhà máy gây lên như: - Trường hợp nâng tải của cầu trục - Trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy - Trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray Phân tích kết quả ứng suất biến dạng của kết cấu cho các trường hợp khác nhau từ đó rút ra được ảnh hưởng của tải trọng động do cầu trục làm việc gây ra đối với kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện. III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. - Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về dao động, phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động cưỡng bức - Nghiên cứu các phương pháp phân tích kết cấu chịu tác dụng tải trọng động. - Đề xuất phương pháp phân tích kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động do cầu trục di chuyển gây ra cho các trường hợp khác nhau như: Trường hợp nâng tải, trường hợp di chuyển và trường hợp phanh hãm cầu trục - Xây dựng mộ hình 3-D phần trên nước nhà máy thủy điện chịu các tải trọng tĩnh và tại trọng động bằng phần mềm Phần tử hữu hạn có các module phân tích động cho các trường hợp - Phân tích, đánh giá kết quả 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhà máy thủy điện. Từ hơn 2000 năm trước người Hi Lạp cổ đại đã biết khai thác sức nước bằng việc sử dụng các bánh xe guồng nước để xay gạo. Năm 1880, nhà phát minh người Mỹ Lester A. Pelton khám phá ra nguyên lý phát điện từ sức nước trong một chuyến thăm mỏ khai thác vàng gần nhà. Những người thợ mỏ đã đặt các guồng quay bằng gỗ bên dòng suối. Nước chảy làm quay trục guồng, từ đó làm quay những chiếc cối xay đá sa khoáng chứa vàng. Do nắm rõ nguyên lý phát điện từ những chiếc trục quay, không khó để nhà khoa học này thay chiếc guồng gỗ bằng một máy phát điện. Chỉ hai năm sau, nhà máy thủy điện đầu tiên trên thế giới được H.J. Rogers xây dựng tại bang Wisconsin (Hoa Kỳ), mở ra một kỷ nguyên thủy điện cho nhân loại. Theo hội đồng năng lượng quốc tế (WEC), thủy điện đang đóng góp 20% tổng công suất điện năng trên toàn thế giới, tương đương 2.600 TWh/năm. Na Uy là nước mà 100% điện năng được sản xuất từ thủy điện. Những nước có thủy điện chiếm hơn 50% cũng rất nhiều, như: Icela (83%), Áo (67%). Canada hiện là nước sản xuất thủy điện lớn nhất thế giới, với tổng công suất gần 400 nghìn GWh, đáp ứng hơn 70% nhu cầu nước này. Tiềm năng của nguồn điện xanh này còn rất lớn, bởi WEC đã ước tính, trên toàn cầu, công suất thủy điện có thể đạt đến 14.400 TWh/năm.... Nguồn thuỷ năng ở nước ta rất lớn, trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỉ kWh với khoảng 21 triệu kW công suất lắp máy, được quan tâm phát triển khá sớm (Nhà máy thủy điện Đa Nhim: 160MW, Thác Bà: 108MW). Trong những năm gần đây đã phát triển nhiều nhà máy với công suất khá lớn (Nhà máy thủy điện Hòa Bình: 1920MW, Yaly: 720MW, Trị An: 400MW, Hàm Thuận: 300MW…) và sắp tới đưa vào sử dụng nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thủy điện Sơn La: 2400MW, Sêsan 4: 340MW, Sêsan 3: 259MW, Na Hang: 300MW, Đồng Nai 4: 280MW…) và nhiều nhà máy khác nhưng chúng ta mới chỉ khai thác được rất ít khoảng 20% . 4 Tuy nhiên thủy điện đã chiếm tỉ trọng khá lớn, khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt Nam. Trong tương lai khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thủy điện là nguồn năng lựong cần phải khai khác triệt để do giá thành rẻ và nguồn than đá để phát triển nhiệt điện đã không còn nhiều. Ngoài ra thủy điện còn có vai trò quan trọng trong lợi dụng tổng hợp và phòng chống thiên tai. Hình 1-1. Nhà máy thủy điện ngang đập Nhà máy thủy điện (NMTD) là một hạng mục chủ yếu của một trạm thủy điện, là một công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động lực (turbin, máy phát điện) và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các hộ dùng điện. Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thủy điện. Loại kết cấu nhà máy phải đảm bảo sự làm việc an toàn của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành. 1.1.1. Phân loại nhà máy thủy điện. Trong thực tế nhà máy thủy điện có thể phân đơn giản làm 2 loại: - Các loại nhà máy thông thường: Nhà máy không kết hợp: Nhà máy lòng sông, nhà máy sau đập, nhà máy đường dẫn 5 - Các loại nhà máy đặc biệt: Nhà máy ngầm, nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy trong than đập, v.v.. 1.1.1.1. Nhà máy thủy điện ngang đập Nhà máy thủy điện ngang đập được xây dựng với cột nước không quá 35÷40m. Ở đây toàn bộ hệ thống công trình tập trung trên 1 tuyến. Bản thân nhà máy là 1 phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu áp lực nước thượng lưu. Cửa lấy nước cũng là thành phần bản thân nhà máy. Một đặc điểm khi thiết kế đối với nhà máy thủy điện ngang đập là về mùa lũ cột nước công tác thường giảm, dẫn đến công suất tổ máy giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thể ngừng làm việc. Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy. Nếu nghiên cứu bố trí 1 cách hợp lý công trình xả lũ trong đoạn tổ máy thì khi tràn làm việc có thể tạo thành những vị trí có thể tăng cột nước công tác do hiệu quả phun xiết. Đối với nhà máy thủy điện ngang đập, cột nước thấp lưu lượng lớn, chiều dài đoạn tổ máy thường được xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút. Chiều ngang đoạn tổ máy theo chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn tuabin và chiều dài ống hút, đồng thời việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ đến kích thước phần dưới nước của nhà máy, đặc biệt nền mềm. Để giảm chiều cao phần dưới nước của nhà máy, trong thiết kế thường áp dụng mặt cắt hình chữ T hường xuống với đỉnh bằng, như vậy có thể cho phép rút ngắn chiều cao tầng tuabin và máy phát đặt gần tuabin hơn. Để đảm bảo ổn định chống trượt và ứng suất đáy nền không vượt quá trị số cho phép, tấm đáy của nhà máy thủy điện ngang đập nằm trên nền mềm thường có kích thước rất lớn. Lợi dụng chiều dày tấm đáy người ta bố trí ở thượng lưu cửa lấy nước hành trang kiểm tra và thu nước. (Hình 1-1) 6 1.1.1.2. Nhà Nhà máy thủy điện sau đập máy thủy điện sau đập thường dùng với cột nước từ 35÷40m≤H≤250÷300m và có thể lớn hơn nữa. Nhà máy được bố trí ngay sau đập dâng nước. Nhà máy không trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết cầu phần dưới nước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn nhà máy ngang đập dâng. Nếu đập dâng nước là bê tông trọng lực thì thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước Tuabin được bố trí trong thân đập bê tông . Khoảng cách giữa thân đập và nhà máy thường đủ để bố trí các phòng và máy biến thế (máy nâng điện áp). (Hình 1-2) Hình 1-2. Mặt cắt ngang nhà máy thủy điện sau đập. Trong một số trường hợp nếu không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất hạ lưu đập để giảm khối lượng bê tông và chiều dài đường ống dẫn nước vào tuabin người ta thường đặt lấn nhà máy vào thân đập. Tùy thuộc vào côt nước công tác, nhà máy thủy điện sau đập thường dùng tuabin tâm trục, tuabin cánh quay cột nước cao hoặc tuabin cánh chéo. Ở nhà máy thủy điện sau đập phần điện thường bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà máy, còn hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu. (Hình 1-2) 1.1.1.3. Nhà máy thủy điện đường dẫn Nhà máy thủy điện đường dẫn và nhà máy thủy điện sau đập có một số đặc điểm kết cấu giống nhau. Cả 2 loại nhà máy đều dùng đường ống dẫn nước vào 7 tuabin. Cũng giống như nhà máy sau đập, loại nhà máy thủy điện đường dẫn không trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu. Nhà máy thủy điện đường dẫn pham vi sử dụng cột nước rất rộng từ 2÷3m đến 1700÷2000m. Nhà máy thủy điện đường dẫn ống áp lực đặt lộ thiên có thể sử dụng cột nước đến 2000m. Với cột nước từ 500÷600m trở lên thường dùng tuabin gáo, tổ máy trục đứng hoặc trục ngang (Hình 1-3) Hình 1-3. Nhà máy thúy điện đường dẫn lắp Turbin gáo. Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình và nằm tập trung theo 2 khu vực: khu công trình đầu mối gồm: công trình ngăn dòng, công trình xả lũ, công trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có áp hoặc không áp. Ngoài cách phân loại trên nhà máy thủy điện còn được phân loại theo vị trí tương đối của nhà máy trong bố trí tổng thể: Nhà máy thủy điện trên mặt đất, nhà máy thủy điện ngầm được bố trí toàn bộ trong long đất, nhà máy thủy điện nửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lòng đất, phần mái che có thể bố trí trên mặt đất. Nhà máy thủy điện ngầm: 8 Kết cấu của nhà máy thủy điện ngầm phụ thuộc rất ít vào phương thức tập trung cột nước mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện địa hình và cấu trúc địa chất. Nó có thể xây dựng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau, từ đá có cường độ cao cho đến yếu, ở những nơi địa hình phức tạp, địa chất tầng trên xấu, nếu địa chất dưới sâu tốt cho phép xây dựng nhà máy thủy điện ngầm thì khối lượng đào đắp sẽ giảm, tuyến đường ống áp lực dẫn vào tuabin ngắn, áp lực nước va giảm vào có lợi cho việc điều chỉnh tổ máy. Hình 1-4. Các loại kết cấu gian máy nhà máy thủy điện ngầm và nửa ngầm. Tùy thuộc vào cường độ của đá, kết cấu tường và ngầm của nhà máy thủy điện cũng khác nhau. Hình 4-4 thể hiện các loại kết cấu của nhà máy Thủy điện ngầm và nửa ngầm. Với cường độ đá rất cứng, ko có áp lực bên và áp lực đứng rất nhỏ, nếu đá cứng thuộc cấp 8÷10 thì không cần phải xây vòm bê tông chịu lực mà chỉ cần trát tường (sơ đồ I). Khi cường độ đá thấp hơn và có áp lực đứng thì phải xây vòm chịu lực. Trong trường hợp này có thể có 2 cách: áp lực đất đá và tải trọng cầu trục thông qua 9 chân vòm truyền xuống khối đá (sơ đồ IIb) hoặc chỉ có tải trọng cầu trục thông qua hệ thống dầm và trụ cột truyền xuống khối đá (sơ đồ II). Trong trường hợp đá có cường độ yếu, có áp lực đứng và ngang, sự nứt nẻ nhiều và phòng hóa mạnh thì phải xây tường và vòm chịu lực (sơ đồ III). Đất đá có cường độ quá yều thì áp dụng kết cấu hình móng ngựa, kết cấu này đàm bảo chống được áp lực đứng và ngang rất tốt (sơ đồ IV). Khi nhà máy đặt ở cao trình không sâu lắm thường áp dụng kết cấu kiểu sơ đồ V, phần nhà máy có thể có một phần nổi trên mặt đất, hoặc sau khi xây xong lấp đất lại. Loại nhà máy này thường gọi kiểu nửa ngầm. Sự phối hợp giữa các công trình ngầm được xác định bởi vị trí bố trí các thiết bị chính và phụ. Trong thiết kế xây dựng nhà máy thủy điện ngầm, người ta nghiên cứu lựa chọn phương án bố trí các thiết bị chính và phụ hợp lý phù hợp với điều kiện thực tế của công trình. Ở nhà máy thủy điện ngầm việc bố trí máy biến thế là một vấn đề lớn ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và bố trí các thiết bị chính trong nhà máy. Người ta chỉ bố trí máy biến thế trên mặt đất khi nhà máy nằm không sâu lắm, còn nói chung là phải đặt dưới mặt đất, ở bên cạnh nhà máy trong hành lang riêng hoặc ngay trong nhà máy. Khi phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và điều kiện vận hành nhà máy thủy điện ngầm người ta nhận thấy nó có một số ưu điểm sau: - Lợi dùng cường độ cao của vòm đá để chuyển 1 phần tải trọng của kết cấu của nhà máy và thiết bị xuống nền móng và do đó giảm nhẹ kết cấu chịu lực. - Công trình xây dựng trong điều kiện địa chất vững chắc, an toàn cao, khả năng an toàn quốc phòng tốt. - Có thể thi công lắp ráp liên tục, không phụ thuộc điều kiện thời tiết khí hậu. - Thiết bị vận hành trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ ổn định giảm được ứng suất trong thiết bị. - Nếu điều kiện địa chất tốt có thể bố trí nhà máy trong vị trí bất kỳ trên tuyến đường dẫn không phụ thuộc điều kiện địa hình. Tuyến dẫn nước có áp ngắn vì đi thẳng, tổn thất cột nước nhỏ, đường ống tuabin có dạng giếng đứng hoặc giếng nghiêng, áp lực nước va giảm, tổ máy làm việc ổn định. 10 Song ở nhà máy thủy điện ngầm có một số nhược điểm: Khối lượng thi công lớn, yêu cầu kỹ thuật cao, yêu cầu về thông gió, thoát nước, ánh sáng phải đảm bảo mới thỏa mãn điều kiện làm việc của nhân việc vận hành. Về đặc điểm kết cấu của ba loại cơ bản trên, nhà máy thủy điện còn có nhiều dạng kết cấu đặc biết khác như nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy trong thân đập bê tông trọng lực, trong trụ pin, nhà máy thủy điện ngang đập với tuabin Capxul, nhà máy thủy điện tích năng, nhà máy thủy điện thủy triều.v.v. - Nhà máy thủy điện kết hợp xả lũ Trong thiết kế và thí nghiệm, người ta đã đề ra và thử nghiệm rất nhiều phương án kết hợp xả lũ qua nhà máy, nhưng trong thực tế xây dựng phổ biến hơn cả có 3 loại: Nhà máy kết hợp xả mái, xả mặt (trên buồng xoắn) và xả đáy (dưới buồng xoắn). Phần dưới nước của nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ có nhiều dạng kết cấu khác nhau tùy thuộc vào cột nước và kích thước tổ máy. (Hình 4-5) Với cột nước từ 25÷40m thường bố trí nhà máy thủy điện trong thân đập tràn theo sơ đồ I (nhà máy kết hợp xả mái). Các phòng phụ và phòng đặt thiết bị phụ bố trí trên tầng ống hút. Ở các trạm thủy điện có cột nước thấp, đường kính bánh xe công các D1 lớn, công trình tràn xả lũ thường áp dụng sơ đồ II. Nhược điểm của sơ đồ này là nắp đậy trên gian máy yêu cầu tuyệt đối kín. Sơ đồ I Sơ đồ II 11 Sơ đồ III Sơ đồ IV Hình 1-5. Sơ đồ các dạng nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ. 12 Để khắc phục nhược điểm của các sơ đồ trên, trong thiết kế người ta nghiên cứu bố trí công trình xả lũ trên buồng xoắn theo sơ đồ III (nhà máy thủy điện kết hợp xả mặt). Với sơ đồ này trục tổ máy dài dẫn đến kết cấu phần dưới nước tăng. Hoặc như kết cấu sơ đồ IV công trình xả lũ có áp trên buồng xoắn. Loại sơ đồ này có thể áp dụng với các cột nước khác nhau. Nhược điểm cửa lấy nước tuabin đặt sâu, tải trọng cửa van lớn, thao tác không thuận tiện, trục tổ máy dài kết cấu phần dưới nước tăng. Trong thiết kế vận hành các trạm thủy điện loại lớn người ta thấy rằng áp dụng sơ đồ V bố trí công trình xả lũ có áp dưới buồng xoắn là tốt nhất. Với sơ đồ này để giảm độ sâu móng nhà máy thường áp dụng buồng xoắn bê tông đối xứng có mặt cắt hướng lên trên và tăng chiều cao ống hút, như vậy có thể giảm được kích thước phần dưới nước nhà máy. Ưu điểm chung của các nhà máy kết hợp xả lũ: - Rút ngắn được chiều dài đường tràn bê tông của công trình xả lũ. - Nhờ hiệu quả phun xiết làm tăng cột nước công tác vào mùa lũ. - Thuận lợi để bố trí công trình ở những nơi tuyến hẹp. Tuy vậy nhà máy thủy điện kết hợp xả lũ có một số nhược điểm: - Do bố trí đường xả lũ chiều rộng khối tổ máy thường tăng 5÷10%, thi công khó khăn hơn. - Vận hành nhà máy kết hợp xả lũ phức tạp vì phải có quy trình phối hợp xả lũ. - Nhà máy ẩm ướt vì bụi nước, khi xả lũ nhà máy có thể rung động. Trong sơ đồ thể hiện việc bố trí một cách hợp lý các phòng thiết bị phụ tổ máy. Cột nước công tác Hmax có liên quan đến loại tuabin bố trí trong nhà máy. Ở trạm thủy điện cột nước cao bố trí tuabin tâm trục với tỉ tốc bé và khi Hmax>500m sử dụng tuabin gáo. Ở trạm thủy điện cột nước trung bình thường bố trí các loại tuabin tâm trục với các tỉ tốc từ lớn đến bé và trong một số trường hợp cột nước Hmax>150m có thể sử dụng tuabin cánh chéo. Ở trạm thủy điện cột nước thấp thuờng bố trí tuabin cánh quay hoặc tuabin cánh quạt và cũng có thể bố trí các tuabin tâm trục tỉ tốc lớn hoặc tuabin cánh chéo. 13 Đối với trạm thủy điện sử dụng tuabin gáo, hình thức lắp máy có thể trục đứng hoặc trục ngang không phụ thuộc vào công suất lắp máy mà phụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu công trình cụ thể. 1.1.2. Kết cấu nhà máy thủy điện Kết cấu nhà máy thủy điện được chia làm hai phần: phần dưới nước (khối bê tông phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ. Phần trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp – sửa chữa, gian máy bố trí máy phát điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin. Kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xoắn, ống hút, bệ máy phát, đường ống Turbin. Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nước ngoài buồng xoắn, ống hút, bệ máy còn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn. Với nhà máy thủy điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ yếu là kênh xả dẫn nứơc ra hạ lưu. Dọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc với chiều dòng chảy) phần dưới nước gồm nhiều khối tuabin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp. Tùy điều kiện địa chất nền và chiều dài nhà máy, toàn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoặc cách nhau bằng những khe lún cắt ngang nhà máy thành từng khối. Trong mỗi khối gồm từ một hoặc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp máy do chịu tải trọng khác nên thường được tách riêng khỏi các khối tuabin. Ở tầng tuabin thường bố trí các hệ thống thiết bị phụ gồm: hệ thống thiết bị cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rò rỉ nhà máy.v.v. Ngoài ra còn bố trí các kho chứa và một số phòng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh. Dưới sàn lắp ráp bố trí các xưởng, kho, máy bơm, giếng tập trung nước 1.2. Đặc điểm chịu lực của kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện Kết cấu và kích thước phần trên nước nhà máy thủy điện có liên quan chặt chẽ đến việc bố trí thiết bị trong gian máy. Phần xây lắp bên trên của nhà máy thủy điện có thể dung một trong các hình thức sau: nhà máy kín, nhà máy hở, nhà máy nửa hở.