Tài liệu Tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện cùng làm việc với nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện cùng làm việc với nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn” đã được hoàn thành. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép tác giả sử dụng tài liệu đã công bố trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua. Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Khánh, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này. Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp. Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi. Hà Nội, Tháng 05 năm 2012 Tác giả Trần Thị Mai Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trích dẫn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác./. Trần Thị Mai Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 T 1 T 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN ..................................2 T 1 T 1 VÀ CÁC CHI TIẾT .................................................................................................2 T 1 T 1 Sự phát triển của thủy điện Việt Nam [2] ........................................................2 1.1 T 1 T 1 T 1 T 1 1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2] .........................................................................4 T 1 T 1 1.2.2 Phân theo điều kiện chịu áp lực nước ở thượng lưu ..........................................4 T 1 T 1 1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy ..........................................................................5 T 1 T 1 1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8] ..........................6 T 1 T 1 1.3.1 Công trình đầu mối.............................................................................................6 T 1 T 1 1.3.2 Công trình trên tuyến năng lượng ......................................................................7 T 1 T 1 1.3.2.1 Công trình lấy nước .............................................................................7 T 1 T 1 1.3.2.2 Đường hầm đường ống áp lực .............................................................7 T 1 T 1 1.3.2.3 Công trình điều áp ................................................................................7 T 1 T 1 1.3.2.4 Nhà máy thủy điện ...............................................................................8 T 1 T 1 1.4 Tác dụng và yêu cầu của cửa lấy nước [2] ..........................................................8 T 1 T 1 1.4.1 Tác dụng của cửa lấy nước .................................................................................8 T 1 T 1 1.4.2 Yêu cầu của cửa lấy nước ..................................................................................8 T 1 T 1 T 1 T 1 1.5 Phân loại cửa lấy nước [1] ..................................................................................9 T 1 T 1 1.5.1 Cửa lấy nước có áp ...........................................................................................10 T 1 T 1 1.5.1.1 Thiết bị đặt trong cửa lấy nước ..........................................................10 T 1 T 1 1.5.1.2 Hình dạng và cấu tạo cửa lấy nước có áp ..........................................13 T 1 T 1 1.5.2 Cửa lấy nước không áp ....................................................................................15 T 1 T 1 1.5.2.1 Vị trí và điều kiện áp dụng .................................................................15 T 1 T 1 1.5.2.2 Phân loại cửa lấy nước không áp ....................................................16 T 1 T 1 T 1 T 1 Chương 2: TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆN T 1 HÀNH .......................................................................................................................19 T 1 2.1 Các phương pháp tính toán ...............................................................................19 T 1 T 1 2.1.1 Phương pháp giải tích: .....................................................................................19 T 1 T 1 2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu ...........................................................19 T 1 T 1 2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi .........................................................20 T 1 T 1 2.1.2 Các phương pháp số .........................................................................................20 T 1 T 1 2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn ..........................................................21 T 1 T 1 2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ...........................................................22 T 1 T 1 2.2 Lựa chọn phương pháp tính toán trong luận văn ..............................................23 T 1 T 1 2.3 Trình bày các mô hình nền thường dùng và chọn mô hình tính toán trong luận T 1 văn [1] .......................................................................................................................23 T 1 2.3.1 Khái niệm về mô hình nền ...............................................................................23 T 1 T 1 2.3.4 Mô hình lớp không gian biến dạng tổng thể : ..................................................29 T 1 T 1 CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC CÙNG LÀM VIỆC VỚI T 1 NỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ........................................30 T 1 1.3 T 1 Thiết lập phương trình cơ bản của bài toán dựa trên thuật toán của phương pháp phần tử hữu hạn [6]. .........................................................................................30 T 1 3.1.1 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn ...................................................30 T 1 T 1 3.1.2 Phương pháp tính .............................................................................................31 T 1 T 1 3.1.3 Thiết lập hệ thống phương trình cơ bản của bài toán.......................................32 T 1 T 1 3.2 Áp dụng tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện Lai Châu. ......................34 T 1 T 1 3.2.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................34 T 1 T 1 3.2.1.1 Vị trí công trình ..................................................................................34 T 1 T 1 3.2.1.2 Tóm tắt thông số thiết kế kỹ thuật công trình ....................................34 T 1 T 1 3.2.1.3 Hạng mục cửa nhận nước ...................................................................38 T 1 T 1 3.2.2 Tính toán kết cấu cửa nhận nước .....................................................................40 T 1 T 1 3.2.2.1 Qui trình, qui phạm sử dụng trong tính toán......................................40 T 1 T 1 3.2.2.2 Thông số mô hình. .............................................................................41 T 1 T 1 3.2.2.3 Tải trọng tác dụng ..............................................................................43 T 1 T 1 3.2.2.4 Tổ hợp tải trọng ..................................................................................47 T 1 T 1 3.2.2.5 Các nguyên tắc trong tính toán bố trí cốt thép. ..................................48 T 1 T 1 3.2.2.6 Kết quả phân tích ứng suất biến dạng ................................................48 T 1 T 1 3.2.2.7 Kết quả tính toán cốt thép các bản mỏng chịu áp ..............................54 T 1 T 1 3.2.2.8 Kết quả tính toán cốt thép phần bê tông khối lớn ..............................64 T 1 T 1 3.2.2.9 Bố trí cốt thép .....................................................................................78 T 1 3.3 T 1 T 1 T 1 Các ảnh hưởng của nền ..................................................................................79 T 1 T 1 3.3.1 Trong bài toán tĩnh ...........................................................................................79 T 1 T 1 3.3.2 Trong bài toán động .........................................................................................82 T 1 T 1 3.3.3 Kết luận ............................................................................................................83 T 1 T 1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................84 T 1 T 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................85 T 1 T 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các công trình trên tuyến năng lượng. Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu cửa lấy nước Hình 1.3: Cửa lấy nước có áp kiểu bên bờ. Hình 1.4: Cửa lấy nước trong thân đập trọng lực. Hình 1.5: Cửa lấy nước bên bờ có giếng cửa van Hình 1.6: Cửa lấy nước kiểu tháp Hình 1.7: Cửa lấy nước Hủa Na - Quế Phong - Nghệ An Hình 1.8: Cửa lấy nước thủy điện Tuyên Quang Hình 1.9: Cửa lấy nước Thủy điện A Vương Hình 2.1 ÷ Hình 2.9 Hình 3.1 Hình 3.2: Vị trí công trình Hình 3.3: Mặt cắt ngang cửa nhận nước Hình 3.4 : Chính diện thượng lưu Hình 3.5: Mô hình tính toán nhìn từ thượng lưu Hình 3.6: Mô hình tính toán nhìn từ hạ lưu Hình 3.7: Phần tử shell mô hình thành mỏng chịu áp Hình 3.8: Áp lực nước tác dụng lên cửa nhận nước Hình 3.9: Lực cầu trục chân dê tác dụng lên sàn cửa nhận nước Hình 3.10: Tải trọng tác dụng lên sàn cửa nhận nước Hình 3.11: Tổ hợp 1 - Chuyển vị Ux Hình 3.12: Tổ hợp 1 - Chuyển vị Uy Hình 3.13: Tổ hợp 1- Chuyển vị Uz Hình 3.14: Tổ hợp 1- Ứng suất Sz Hình 3.15: Tổ hợp 1 - Ứng suất Sy Hình 3.16: Tổ hợp 1 - Ứng suất Sx Hình 3.17: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Ux Hình 3.18: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Uy Hình 3.19: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Uz Hình 3.20: Tổ hợp 2 - Ứng suất Sx Hình 3.21: Tổ hợp 2 - Ứng suất Sy Hình 3.22: Tổ hơp 2 - Ứng suất Sz Hình 3.23: Ký hiệu các tấm Hình 3.24: Các vị trí mặt cắt tấm 1,2,3 Hình 3.25: Các vị trí mặt cắt trụ 1 và 2 Hình 3.26: Tấm 1 - M và N theo phương X Hình 3.27: Tấm 1 - M và N theo phương Y Hình 3.28: Tấm 2 - M và N theo phương X Hình 3.29: Tấm 2 - M và N theo phương Y Hình 3.30: Trụ 1- Các thành phần nội lực Hình 3.31: Trụ 2- Các thành phần nội lực. Hình 3.32: Tấm 3- Các thành phần nội lực. Hình 3.33: Tấm 1- Các thành phần nội lực Hình 3.34: Tấm P2- Các thành phần nội lực Hình 3.35: Các biểu đồ đường đẳng ứng suất Hình 3.36: Biểu đồ ứng suất Hình 3.37: Các mặt cắt tính toán cốt thép Hình 3.38: Mặt cắt 1-1 :Các Đường đẳng ứng suất Hình 3.39: Mặt cắt 2-2: Đường đẳng ứng suất Sz và Sx Hình 3.40: Mặt cắt 2-2 : Đường đẳng ứng suất Sy Hình 3.41: Mặt cắt 3-3 : Đường đẳng ứng suất Sx và Sz Hình 3.42: Mặt cắt 3-3 : Đường đẳng ứng suất Sy. Hình 3.43: Mặt cắt 4-4: Đường đẳng ứng suất Sz Hình 3.44: Mặt cắt 4-4: Đường đẳng ứng suất Sz Hình 3.45: Mặt cắt 5-5 : Đường đẳng ứng suất Sx Hình 3.46: Mặt cắt 5-5 : Đường đẳng ứng suất Sy và Sz Hình 3.47: Mặt cắt 1-1: Đường đẳng trị cốt thép theo phương z Hình 3.48: Mặt cắt 2-2 : Đường đẳng trị cốt thép phương Z Hình 3.49: Mặt cắt 3-3: Đường đẳng trị cốt thép phương Z Hình 3.50: Mặt cắt 4-4: Đường đẳng trị cốt thép theo phương Z Hình 3.51: Mặt cắt 5-5: Đường đẳng trị cốt thép phương Z. Hình 3.52: Bố trí cốt thép cửa nhận nước Hình 3.53: Trường hợp 1 - Nền không được mô phỏng Hình 3.54: Trường hợp 2 - Nền được mô phỏng Hình 3.55: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Ux theo 2 phương án Hình 3.56: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uy theo 2 phương án Hình 3.57: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uz theo 2 phương án Hình 3.58: Gia tốc theo phương X cửa nhận nước trong trường hợp xảy ra động đất MCE. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật thủy điện Việt Nam Bảng 3.1: Các thông số chính của công trình thủy điện Lai Châu Bảng 3.2: Đặc trưng vật liệu Bảng 3.3: Phổ gia tốc với động đất cực đại tin cậy, thành phần nằm ngang (MCE-H) và phổ gia tốc với động đất cơ sở vận hành, thành phần nằm ngang OBE-H cho đập chính dự án thuỷ điện Lai Châu, giai đoạn thiết kế kỹ thuật Bảng 3.4 Bảng 3.5: Thông số của bê tông và cốt thép trong trạng thái giới hạn I Bảng 3.6: Kết quả cốt thép Bảng 3.7: Tần số dao động 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài: Ngày nay, công trình thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng khi mà nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ nhất cần khai thác triệt để. Ngoài ra nó còn là công trình lợi dụng tổng hợp và phòng chống thiên tai. Vì vậy việc xây dựng các công trình thuỷ điện lợi dụng tổng hợp chống lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu quan trọng của công cuộc phát triển đất nước. Cửa nhận nước là công trình đầu tiên trong hệ thống công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện, nó trực tiếp lấy nước từ hồ chứa vào nhà máy đảm bảo cung cấp đủ lượng nước cần thiết theo yêu cầu thủy điện và yêu cầu dùng nước khác. Việc tính toán kết cấu cửa nhận nước nhà máy thuỷ điện là vô cùng quan trọng từ đó xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành là cần thiết và có tính ứng dụng thực tế cao. 2. Mục đích của Đề tài: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của cửa nhận nước của nhà máy thủy điện để từ đó có biện pháp tính toán xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: - Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về công trình nghiên cứu; - Tìm hiểu về nhà máy thủy điện và cửa nhận nước nhà máy thủy điện - Tìm hiểu về các phương pháp tính toán kết cấu cửa nhận nước - Mô phỏng cửa lấy nước làm việc cùng với nền trong phần mềm ansys. Tính toán ứng suất biến dạng. - Phân tích các ảnh hưởng của nền đến ứng suất biến dạng. 4. Kết quả dự kiến đạt được: - Tính toán ứng suất biến dạng và bố trí cốt thép cửa nhận nước. - Xem xét ảnh hưởng của nền trong tính toán trong bài toán tĩnh và bài toán kể tới động đất. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VÀ CÁC CHI TIẾT 1.1 Sự phát triển của thủy điện Việt Nam [2] Đất nước Việt Nam có trên 1000 con sông, suối được phân bố đều khắp trong phạm vi cả nước, với trữ năng khoảng 280 tỷ KWh. Trên các triền sông lớn như sông Đà, sông Lô, sông Mã, sông Cả, sông Cửu Long… đều có khả năng xây dựng các trạm thủy điện công suất lớn hoặc tương đối lớn. Đến nay, chúng ta đã có trạm thủy điện Thác Bà 120MW, Sơn La 2400MW, Tuyên Quang 342MW… và hiện đang xây dựng các trạm thủy điện lớn khác như Lai Châu 1200MW, Huội Quảng 520MW…Ngoài ra, trên các sông suối nhỏ cũng đã và đang được xây dựng nhiều trạm thủy điện với công suất >1MW. Tiềm năng lý thuyết về thủy điện trên tất cả các hệ thống sông của Việt Nam khoảng 300 tỷ Kwh/ năm, trong đó lưu sông Hồng là 122 tỷ Kwh/ năm (chiếm 41% lý thuyết), sông Đồng Nai 27.35 tỷ 300 tỷ Kwh/ năm (chiếm 9%) và sông Sê San 16,46 tỷ Kwh/ năm (chiếm 6%). Trên toàn quốc, một số lưu vực sông có tiềm năng thủy điện lớn như sông Đà, sông Đồng Nai, Sê San, Srepok, sông Ba, sông Vũ GiaThu Bồn, sông Lô - Gâm, sông Mã và sông Cả. Trong đó lớn nhất là sông Đà khoảng 7800MW, sông Sê San 4000 MW và sông Đồng Nai khoảng 1900MW. Ngoài ra trên các lưu vực sông suối nhỏ khác có thể khai thác thủy điện nhỏ với trữ năng kinh tế có thể đạt tới 16 tỷ Kwh/ năm. Bảng 1.1. Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật thủy điện Việt Nam Diện tích km2 Số công trình Tổng công suất (MW) Điện lượng (kWh) Đà Lô- Gâm - Chảy Mã - Chu Cả 17200 52500 28400 27200 8 11 7 3 6800 1600 1087 470 2700 6000 2700 1800 Hương Vũ Gia- Thu Bồn Sê San 2800 10500 11450 2 8 8 284 1502 2000 990 4500 9100 Lưu vực sông P 3 Srêpok 12200 5 730 3300 Ba Đồng Nai 13800 17600 6 17 669 3000 2400 12000 Thủy điện nhỏ Tổng cộng 1000-3000 19000-21000 4000-12000 80000-84000 Trữ năng kinh tế của 10 lưu vực sông chính chiếm 85,9% trữ năng kinh tế kỹ thuật khai thác trên toàn lãnh thổ. Qua số liệu trên cho thấy tổng trữ lượng kinh tế kỹ thuật của các lưu vực sông chính là hơn 18000MW, điện năng tương ứng khoảng 70tỷ Kwh/ năm, trong đó miền Bắc khoảng 9490MW(52% tổng công suất trên các lưu vực chính) tương ứng khoảng 36,43tỷ Kwh, miền trung 5655MW(31,2%) tương ứng trên 22tỷ kWh và miền Nam 3000MW(16,5%) tương ứng 12tỷ kWh. Theo dự thảo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia dự báo nhu cầu điện toàn quốc sẽ tăng bình quân từ 14% đến 16% hàng năm trong giai đoạn 2011-2015, tăng khoảng trên 11,5%/năm giai đoạn 2016-2020. Nhu cầu điện sản xuất dự kiến năm 2015 là 194 - 211 tỷ kWh; năm 2020 là 329 - 362 tỷ kWh và năm 2030 là 695 - 834 tỷ kWh. Tuy nhiên sau năm 2020 tỷ trọng thủy điện trong hệ thống điện có xu hướng giảm vì phần lớn trữ năng thủy điện đã được khai thác mà nhu cầu dùng điện tăng cao do đó cần phải bổ sung các nguồn năng lượng khác và chủ yếu là nhiệt điện dùng khí đốt hoặc dầu. Các nguồn năng lượng khác như điện nguyên tử, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy triều cũng sẽ được nghiên cứu đưa vào sử dụng. Để đảm bảo cung cấp điện an toàn liên tục cho nhu cầu xã hội, với nhu cầu điện như trên, chương trình phát triển hệ thống điện sẽ có quy mô rất lớn. Trong QHĐ7, với phương án cơ sở dự kiến tổng công suất nguồn điện năm 2015 sẽ khoảng 42.500MW, gấp hơn 2 lần năm 2010 với tỷ trọng 33,6% thuỷ điện, 35,1% nhiệt điện than, 24,9% nhiệt điện dầu và khí, khoảng gần 4% nguồn năng lượng tái tạo (thuỷ điện nhỏ, điện gió, sinh khối, mặt trời v.v..), còn lại khoảng 2,5% nhập khẩu. Đến năm 2020 tổng công suất nguồn điện sẽ khoảng 65.500MW với tỷ trọng thuỷ điện 26,6% (~17.400MW), nhiệt điện than tăng lên 44,7% (~29.200MW), nhiệt 4 điện dầu-khí giảm xuống 19,6% (~12.800MW), nguồn năng lượng tái tạo chiếm 4,8% (~3.100MW), nhập khẩu chiếm 2,8% (~1.800 MW) và sẽ có tổ máy đầu tiên – 1000MW của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận. Năm 2030 tổng công suất nguồn điện lên tới 137.600MW, trong đó thuỷ điện chỉ còn chiếm 15,3%, nhiệt điện than tăng lên chiếm 56,1%, nhiệt điện dầu - khí 12,7%, công suất các nhà máy điện hạt nhân lên tới 10.700MW với tỷ trọng 7,8%, còn điện nhập khẩu chiếm khoảng 4,6%. 1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2] Nhà máy thủy điện có thể làm việc với các loại tuabin khác nhau, như tuabin gáo, tâm trục, cánh quay, chong chóng… Phạm vi dao động của mực nước và lưu lượng ở các nhà máy thủy điện cũng thường rất lớn. Có nhiều cách phân loại nhà máy thủy điện (NMTĐ), thường phân ra ba loại: 1.2.1 Phân theo trị số công suất lắp máy (N lm ) R R Phân theo N lm , các nước phân loại không giống nhau, điều đó phụ thuộc vào R R mức độ phát triển kinh tế - kỹ thuật của từng nước. Nói chung thường phân như sau: - NMTĐ nhỏ N lm < 5000 Kw - NMTĐ trung bình N lm = 5000-:-50000 Kw - NMTĐ lớn N lm > 50000-:-1000000 Kw R R R R R R Ở Việt Nam theo quy phạm QPVN 08-76 cũ cũng như theo quy phạm TCVN 5060-90) đã phân ra các cấp NMTĐ như sau: - Cấp đặc biệt : N lm >1000000Kw - Cấp I N lm > 300000 - 1000000Kw - Cấp II N lm > 50000 - 300000Kw - Cấp III N lm > 2000 - 50000Kw - Cấp IV N lm > 200 - 2000Kw - Cấp V N lm ≤ 200Kw R R R R R R R R R R R R 1.2.2 Phân theo điều kiện chịu áp lực nước ở thượng lưu Có thể phân thành hai nhóm sau: 5 - NMTĐ chịu áp lực nước từ phía thượng lưu : Nhà máy này là một thành phần của công trình dâng nước, nó chịu áp lực nước từ phía thượng lưu, đó là các NMTĐ lòng sông cột nước thấp ( hoặc nhà máy năm trên kênh dẫn) như NMTĐ Thác Bà, Trị An, Bàn Thạch.. - NMTĐ không chịu áp lực nước từ phía thượng lưu: Đây là các NMTĐ kiểu sau đập hoặc đường dẫn, nước được dẫn vào tuabin theo những đường ống chảy có áp đặt trong thân đập hoặc đặt hở trên mặt đất. Đó là các nhà máy thủy điện Đa Nhim, Cấm Sơn, Suối Cun.. 1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy - NMTĐ không kết hợp - NMTĐ kết hợp xả lũ (như xả lũ qua nhà máy hoặc tràn mái cột nước cao hoặc thấp) - NMTĐ kết hợp về kết cấu ( như đặt nhà máy trong thân đập, trong các mố trụ, trong tháp xả nước..) - NMTĐ kiểu hở và nửa hở - NMTĐ ngầm và nửa ngầm - NMTĐ trữ năng - NMTĐ thủy triều Tuy cách phân loại trên là khá chặt chẽ dựa trên đặc điểm về kết cấu cũng như vị trí của các NMTĐ trong hệ thống công trình, nhưng thực tế, thường phân loại các NMTĐ một cách đơn giản: - Các loại NMTĐ kiểu lòng sông, sau đập và đường dẫn. + NMTĐ kiểu lòng sông: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đập với cột nước không quá 35÷40m. Bản thân nhà máy là một thành phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng. Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy + NMTĐ sau đập được bố trí ngay sau đập dâng nước. Khi cột nước cao hơn 30÷45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là một thành phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn. 6 Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước turbin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước turbin được bố trí trên phía hạ lưu của đập. + NMTĐ đường dẫn trong sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối. Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy. Trong trường hợp công trình dẫn nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là một công trình độc lập. Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập. - Các loại NMTĐ kiểu đặc biệt: Các loại NMTĐ kiểu trữ năng, thủy triều, kết hợp, ngầm… 1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8] Công trình thủy điện bao gồm các hạng mục chủ yếu như công trình đầu mối hồ chứa (đập dâng, tràn xả lũ..) và các công trình trên tuyến năng lượng (cửa lấy nước, đường ống áp lực nhà máy, nhà máy, bể xả hạ lưu nhà máy…) Trong phạm vi của luận văn này tác giả xin giới thiệu sơ bộ các hạng mục chính của công trình thủy điện và chủ yếu đi sâu vào phân tích về hạng mục cửa lấy nước phục vụ công tác nghiên cứu luận văn. 1.3.1 Công trình đầu mối Công trình đầu mối bao gồm : đập ngăn nước, tràn xả nước, cống lấy nước. - Đập ngăn nước có tác dụng điều tiết dòng chảy làm nhiệm vụ giữ nước tạo hồ chứa để hình thành cột nước phục vụ mục đích tưới cho hạ lưu và làm quay bánh xe công tác cho nhà máy thủy điện. Đập ngăn nước được chia làm 2 loại theo vật liệu: + Đập bê tông trọng lực: bê tông thường CVC hoặc bêtông đầm lăn RCC. + Đập vật liệu địa phương: là các dạng đập đá đổ, đập đất, hoặc đập đất đá hỗn hợp… 7 - Tràn xả nước: xả lượng nước thừa khi mực nước trong hồ vượt quá khả năng tích trữ cho phép. - Cống lấy nước: có hay không tùy thuộc yêu cầu và nhiệm vụ của công trình đầu mối dùng để cung cấp nước cho hạ du công trình khi có yêu cầu về nước, được bố trí ngay trong thân đập hoặc kiểu tháp. 1.3.2 Công trình trên tuyến năng lượng Các hạng mục tuyến năng lượng Hình 1.1: Các công trình trên tuyến năng lượng 1- Tháp điều áp thượng lưu 2- Tháp điều áp hạ lưu 3- Nhà máy thủy điện 4- Đường hầm dẫn nước 5- Đường ống dẫn nước áp lực turbine 1.3.2.1 Công trình lấy nước Hạng mục công trình lấy nước thường đặt ở gần công trình đầu mối hướng hồ chứa có nhiệm vụ lấy nước trực tiếp từ hồ chứa cung cấp cho nhà máy phát điện. 1.3.2.2 Đường hầm đường ống áp lực Đường hầm đường ống dẫn nước áp lực có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa để đưa nước vào tubin của trạm thủy điện. 1.3.2.3 Công trình điều áp Đường ống dẫn nước vào turbin của thủy điện ngoài áp lực thông thường còn phải chịu thêm áp lực nước va khi đóng mở turbin. Nếu có thể tạo ra một mặt 8 thoáng ở một vị trí nào đó trên đường ống thì ở đó áp lực nước va được giải phóng và tại vị trí này trở lên thượng lưu đường ống sẽ không chịu áp lực nước va nữa Tháp điều áp chính là một bộ phận tạo ra mặt thoáng nói trên. Nó có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va. Ngoài ra nó còn làm giảm nhỏ áp lực ở phần đường ống dẫn nước từ tháp van vào turbin. Nếu hầm xả hạ lưu của nhà máy dài có thể phải bố trí thêm tháp điều áp hạ lưu tương tự như phía thượng lưu. 1.3.2.4 Nhà máy thủy điện Nhà máy thủy điện là công trình chủ yếu của trạm thủy điện, trong đó bố trí các thiết bị động lực: turbine, máy phát và các hệ thống thiết bị phụ trợ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp cũng như sinh hoạt cho nhân dân. 1.4 Tác dụng và yêu cầu của cửa lấy nước [2] 1.4.1 Tác dụng của cửa lấy nước Cửa lấy nước là công trình trực tiếp lấy nước từ hồ chứa hoặc từ sông vào công trình dẫn nước hoặc trực tiếp vào nhà máy thủy điện. Hình dạng và kết cấu của cửa lấy nước phụ thuộc vào sơ đồ bố trí công trình đầu mối, điều kiện địa hình, địa chất, đường dẫn nước sau cửa lấy nước, hàm lượng cát của dòng chảy và các điều kiện kinh tế. 1.4.2 Yêu cầu của cửa lấy nước - Phải đảm bảo cung cấp nước cho đường dẫn nước đủ lưu lượng cần thiết theo biểu đồ phụ tải của trạm thủy điện và các yêu cầu dùng nước khác nếu có. - Có thể đóng hẳn để ngừng cấp nước hoàn toàn trong trường hợp hư hỏng, kiểm tra sửa chữa đường hầm dẫn nước, các bộ phận công trình và thiết bị sau cửa lấy nước. - Giữ cho bùn cát rác bẩn không vào đường hầm làm hư hại công trình và thiết bị - Cửa lấy nước phải có hinh dạng vị trí sao cho nước chảy vào thuận dòng tổn thất thủy lực là nhỏ nhất. Nếu dòng chảy sau cửa lấy nước là có áp thì phải giữ cho không khí không cuộn theo dòng chảy vào đường dẫn. 9 - Đảm bảo ổn định bền vững, vận hành tiện lợi. Giá thành xây dựng và chi phí vận hành là thấp nhất. Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu cửa lấy nước a, Cửa lấy nước có áp b, Cửa lấy nước không áp 1- Lưới chắn rác 2- Tường chắn vật nổi 3- Khe van sửa chữa 4- Khe van sửa chữa – sự cố 5- Tường giữa 6- Máy đóng mở cửa van 7- Ống thông khí 8- Ống cân bằng áp lực 9- Cầu trục 10- Đường xả cát 1.5 Phân loại cửa lấy nước [1] Theo trạng thái dòng chảy trong cửa lấy nước phân ra thành 2 loại - Kiểu lấy nước có áp - Kiểu lấy nước không áp 10 Tùy theo vị trí tương đối của cửa lấy nước trong công trình đầu mối, đặc điểm kết cấu và hình thức lấy nước, còn được phân ra thành cửa lấy nước đặt trong thân đập, kiểu bên bờ, kiểu tháp, cửa lấy nước mặt, cửa lấy nước dưới sâu... 1.5.1 Cửa lấy nước có áp 1.5.1.1 Thiết bị đặt trong cửa lấy nước Hình 1.3: Cửa lấy nước có áp kiểu bên bờ 1- Tường chắn vật nổi 2- Lưới chắn rác 3- Khe chung lưới chắn rác và phai sửa chữa 4- Khe cạp vớt rác 5- Van công tác 6- Máy đóng mở thủy lực 7- Ống thông khí 8- Ống cân bằng áp lực 11 a, Lưới chắn rác: - Tác dụng: ngăn giữ không cho rác bẩn vào cửa, gây hư hại cho các bộ phận của công trình và turbine - Yêu cầu ngăn giữ rác bẩn hiệu quả cao nhất, tạo tổn thất thủy lực nhỏ nhất, kết cấu lưới bền vững, thuận lợi cho việc lắp đặt, tháo dỡ và thu dọn rác - Vị trí: lưới chắn rác thường được đặt trước cửa van có trường hợp lưới chắn rác và phai sửa chữa đặt chung một khe (trong trường hợp đó, khi đóng phai sửa chữa phải rút lưới chắn rác lên) b, Thiết bị thu dọn rác: Thường dùng mấy loại sau: thiết bị cào rác thiết bị cắt rác, thiết bị cặp rác. Cũng có thể dùng nhiều loại thiết bị phối hợp với nhau để vớt rác c, Cửa van sửa chữa Thường đặt ngay sau lưới chắn rác. Cửa van này chỉ đóng khi cần sửa chữa công trình cửa lấy nước và phần đầu đường hầm. Van sửa chữa thường được làm dạng của van phẳng, khi chiều cao cửa lớn thì làm cửa van phẳng nhiều tầng. Trong trường hợp độ sâu cửa van không lớn, van sửa chữa làm theo các phai độc lập. Cửa van sửa chữa không nhất thiết phải làm đủ cho các khoang cửa, mà chỉ cần 1-3 bộ dùng chung cho hạng mục. Khi cần đóng để sửa chữa khoang nào thì cần trục chạy sẽ đưa cửa hoặc phai đến đóng khoang đó. d, Cửa van công tác: Nếu đường ống dẫn nước áp lực đặt lộ thiên (hở trên mặt đất) hoặc ống bố trí ở mặt hạ lưu đập bê tông trọng lực không có lớp bê tông cốt thép bảo vệ thì van công tác thường là van đóng nhanh để bảo vệ an toàn cho công trình và thiết bị ở phía sau. Lúc này này van công tác còn gọi là van sự cố. Cửa van công tác chịu áp lực rất lớn, có trường hợp cột nước trước cửa đến 100m. Khi đóng, cửa hạ xuống dòng chảy có vận tốc lớn. Như vậy cửa van phải tính toán chịu được áp lực cao nhất, lại phải đủ trọng lượng thắng lực đẩy ngang của nước chảy khi đóng.