phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

Bộ giáo dục v đo tạo Bộ nông nghiệp v ptnt
Trờng đại học thuỷ lợi
YZ




Trần minh đạt








Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn
trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện



Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60 - 58 - 40



luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Trịnh Quốc Công

H nội - 2013



LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ
thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:“Phân tích dòng không ổn
định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện”.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trịnh Quốc Công,
Bộ môn Thủy điện và NLTT Trường Đại học Thủy Lợi đ
ã 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 phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa
Công trình và khoa Năng Lượng Trường Đại học Thủy lợi cùng các thầy giáo, cô
giáo đã tham gia giảng dạy và tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt thời
gian tác giả học tập chương trình Cao học củ
a trường Đại học Thủy Lợi, cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Cán bộ Viện Kỹ thuật công trình-
Trường Đại học Thủy Lợi, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tận tình giúp đỡ trong
suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên
trong quá trình th
ực hiện luận văn, tác giả không tránh khỏi một số sai sót. Tác giả
mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các
bạn bè đồng nghiệp.
Mọi chi tiết xin liên hệ
hoặc Số điện thoại:
DĐ: 0975135673.

Tác giả chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 08 năm 2013
Tác giả


Trần Minh Đạt


LỜI CAM ĐOAN
Tên đề tài luận văn: “
Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các
chế độ chuyển tiếp của trạm 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 nào của Nhà trường.

Tác giả



Trần Minh Đạt


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5
1. Tính cấp thiết của đề tài 1

2. Mục đích của đề tài 2
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2
4. Kết quả dự kiến đạt được 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4
1.1. Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện 4
1.1.1. Các loại nhà máy thủy điện 4
1.1.2. Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện 7
1.1.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy
điện. 12
1.2. Tổng quan về các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện [1] 14
1.3. Các nghiên cứu về chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở ở Việt
Nam và trên thế giới. 15
1.4. Kết luận chương 1 15
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN
KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦ
A TRẠM THỦY ĐIỆN
17
2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dòng không ổn định biến đổi
gấp [7] 17
2.1.1. Sự hình thành sóng gián đoạn 17
2.1.2. Các phương trình cơ bản của đầu sóng gián đoạn 19
2.1.3. Hiện tượng truyền sóng gián đoạn trong lòng dẫn hở 20
2.2. Các phương pháp giải hệ phương trình vi phân sóng gián đoạn 21
2.2.1. Tính sóng gián đoạn dựa trên lý thuyết đặc trưng 21
2.2.2. Tính sóng gián đo
ạn bằng phương pháp sai phân trực tiếp 23
2.2.3 Xác định sóng gián đoạn bằng phương pháp Tre-tu-xôp 26


2.3. Lựa chọn phương pháp tính toán dòng không ổn định trên kênh dẫn trong

các chế độ chuyển tiếp 28
2.3.1. Xác định các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh khi cắt tải 28
2.3.2. Xác định các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh khi tăng tải 31
2.4. Kết luận chương 35
CHƯƠNG III: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN KÊNH
DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP KHÁC NHAU CỦA TRẠM THỦY
ĐIỆN NÀ TẨU-TỈNH CAO BẰNG 36
3.1. Giới thiệu công trình Nà T
ẩu 36
3.1.1 Vị trí 36
3.1.2. Nhiệm vụ của dự án 37
3.1.3. Cấp công trình 37
3.1.4. Điều kiện tự nhiên 37
3.1.5. Các quy trình, quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế áp dụng 38
3.1.6. Sự phù hợp của Dự án thủy điện Nà Tẩu với Quy Hoạch 39
3.1.7. Các nghiên cứu tính toán 39
3.1.8. Tác động môi trường đền bù giải phóng mặt bằng 40
3.1.9. Hình thức đầu tư 40
3.1.10. Hiệu quả kinh tế tài chính của dự án 41
3.1.11. Sơ đồ khai thác tuyến năng l
ượng 41
3.1.12. Tác động của dự án đến chất lượng cuộc sống con người 45
3.2. Tính toán dòng không ổn định trong kênh trong trường hợp cắt tải 48
3.2.1. Điều kiện đầu 49
3.2.2. Điều kiện biên 50
3.2.3 Kết quả tính toán sóng tăng áp khi cắt tải 51
3.3. Tính toán dòng không ổn định trong kênh trong trường hợp tăng tải 55
3.3.1. Điều kiện đầu 55
3.3.2. Điều kiện biên 56
3.3.3 Kết quả tính toán sóng giảm áp khi tăng tải 58

3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước bể áp lực đến mực nước cao nhất trong
bể khi cắt tải 62
3.5. Kết luận chương 3 63
KẾT LUẬN 65
1. Kết quả đạt được của luận văn 65
2. Vấn đề còn tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67



BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nhà máy thủy điện ngang đập 5
Hình 1.2: Nhà máy thủy điện sau đập 6
Hình 1.3: Nhà máy thủy điện đường dẫn 7
Hình 1.4: Kênh tự điều tiết 9
Hình 1.5: Kênh không tự điều tiết 9
Hình 1.6: Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng 10
Hình 1.7: Đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện 11
Hình 1.8: Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy 12
Hình 2-1: Sóng thu
ận dương Hình 2-3:Sóng thuận âm 18
Hình 2-2:Sóng nghịch dương Hình 2-4: Sóng nghịch âm 18
Hình 2-6: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn âm 1
Hình 2-5: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn dương 1
Hình 2-7: Sóng gián đoạn thuận – dương 22
Hình 2-8: Sơ đồ sai phân ẩn hình chữ nhật 23
Hình 2-10: Sơ đồ xác định mực nước cao nhất trong bể áp lực khi giảm tải 30

Hình 2.11: Sơ đồ khối tính toán sóng gián đoạn khi cắt tải 31
Hình 2-12: Sơ đồ xác định mự
c nước thấp nhất trong bể áp lực khi tăng tải 33
Hình 2.13: Sơ đồ khối tính toán sóng gián đoạn khi tăng tải 34
Hình 3-1: Vị trí công trình thủy điện Nà Tẩu 36
Hình 3-2: Mặt bằng tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1
Hình 3-3: Cắt dọc tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1
Hình 3.4: Mô hình tính toán nước va 50
Hình 3.5: Biểu đồ lưu lượng theo thời gian (TH cắt tải toàn bộ) 51
Hình 3.7: Mô hình tính toán nước va 57
Hình 3.8: Biểu
đồ lưu lượng theo thời gian (TH tăng tải tổ máy cuối cùng) 58
Hình 3.9: Biến thiên mực nước tại các mặt cắt của kênh khi tăng tải 61
Hình 3.10: Quan hệ chiều rộng bể áp lực với mực nước lớn nhất trong bể áp lực 63


BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU


Bảng 3.1: Bảng các thông số chính của công trình 46
Bảng 3.2: Đường mặt nước trong kênh trước khi xảy ra cắt tải 49
Bảng 3.3: Kết quả tính toán các đặc trưng sóng tăng áp trong kênh khi cắt tải 52
Bảng 3.4: Dao động mực nước tại các mặt cắt trên kênh theo thời gian 53
Bảng 3.5: Đường mặt trong kênh trước khi xảy ra cắt tải 56
Bảng 3.6: Kết quả tính toán đặc trưng sóng gián đoạn khi t
ăng tải 59
Bảng 3.7: Dao động mực nước tại các mặt cắt trên kênh theo thời gian 60
1

MỞ ĐẦU
1. 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 trên ngày
một nhiều. Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công th
ương thì năm
2011, ở Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công
suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn lại là
nhiệt điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo. Đến quý III/2012, thủy điện vừa
và nhỏ đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất
khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện l
ớn với tổng công suất 11.600 MW là
nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, nhưng ¾ lãnh thổ là rừng và đồi
núi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên trong đó có nhiều
sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích
lãnh thổ của nước ta, vì vậy trữ năng lý thuy
ết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm.
trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng công suất lắp.
Công trình thủy điện bao gồm nhiều hạng mục như: Hồ chứa, các công trình
trên tuyến năng lượng, nhà máy, kênh xả. Tuy theo điều kiện địa hình, địa chất mà
các công trình thủy điện đường dẫn thường sử dụng mộ
t trong hai phương pháp tập
trung cột nước đó là dung kênh dẫn hoặc đường hầm dẫn nước có áp. Đối với
phương pháp tập trung cột nước bằng kênh dẫn thì các hạng mục trên tuyến năng
lượng thường là cửa lấy nước, kênh dẫn, bể áp lực, nhà máy và kênh xả. Để đảm
bảo công trình là việc bình thường thì tất cả các hạng mục trên tuyến năng lượng
phải đảm bảo vậ

n hành an toàn trong mọi chế độ làm việc của nhà máy.
Trong công tác tính toán và thiết kế các hạng mục công trình, đặc biệt là tuyến
kênh dẫn của trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái ổn
2

định, còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định trong các chế độ chuyển tiếp.
Đối với dòng không ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng
dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dòng không ổn định biến đổi gấp)
nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mô tả sự dịch chuyển
của sóng gián đoạn, không phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho
một đoạn dòng chảy có chứa sóng gián đoạn.
Một số cơ quan tư vấn trong nước đã thực hiện việc tính toán chế độ không ổn
định trong các chế độ chuyển tiếp cho kênh dẫn nhưng mới chỉ sử dụng công thức
gần đúng tính toán ra chiều cao mực nước dềnh tại cuối kênh mà chưa mô phỏng
được quá trình hình thành và truyền sóng nên kết quả tính toán không chính xác và
không xác định đượ
c các đại lượng liên quan như vận tốc sóng, lưu lượng sóng dọc
theo chiều dài kênh dẫn. Từ các yếu tố phân tích trên nên việc thực hiện đề tài
“phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm
thủy điện” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nó giúp cho việc thiết kế, lựa chọn kết
cấu kênh dẫn, bể áp lực và các công trình trên kênh được hợp lý, đảm bảo trạm thủy
điện làm việc an toàn trong mọi chế độ vận hành của nhà máy.
2. Mục đích của đề tài
Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán dòng không ổn định trong kênh dẫn
thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện.
3. 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 cứ
u cơ sở lý thuyết về chuyển động không ổn định trong lòng dẫn

hở.
- Nghiên cứu các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện
- Ứng dụng phương pháp số phân tích dòng không ổn định trong kênh dẫn
thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện.
- Phân tích, đánh giá kết quả.
3

4. Kết quả dự kiến đạt được
- Kết quả phân tích áp lực nước va trong các chế độ chuyển tiếp của trạm
thủy điện.
- Sự thay đổi lưu lượng với thời gian trong ống áp lực của trạm thủy điện
trong các chế độ chuyển tiếp
- Xác định được cao trình mặt nước trong kênh dẫn tại điểm bất kỳ theo thời
gian (Zt ~t) cho các chế độ chuyển tiếp khác nhau của trạm thủy điện .
- Xác định được cao trình mặt nước trong kênh dẫn dọc theo chiều dài dòng
chảy (Zt ~L) cho các chế độ chuyển tiếp khác nhau của trạm thủy điện.
- Xác định mực nước max, mực nước min trong bể áp lực cuối kênh dẫn, từ
đó làm cơ sở tính toán thiết kể bể áp lực cuối kênh dẫn của trạm thủy đ
iện

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện
Các công trình chuyển nước từ cửa nước vào tới nhà máy thuỷ điện và từ nhà
máy xuống hạ lưu được gọi chung là công trình dẫn nước của trạm thuỷ điện. Tuyến
các công trình dọc theo các công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện còn được
gọi là tuyến năng lượng. Tuỳ theo đ
iều kiện cụ thể của từng công trình mà tuyến
năng lượng có thể bao gồm: cửa lấy nước, bể lắng cát, kênh dẫn nước, tuy nen dẫn
nước có áp và không có áp, bể áp lực, tháp điều áp, đường ống dẫn nước áp lực,
đường dẫn nước ra khỏi nhà máy.
1.1.1. Các loại nhà máy thủy điện
Nhà máy là công trình chủ yếu của Trạm thủy điện, trong đó bố trí các thiết bị
động lực: Tuabin, máy phát 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. Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo sự làm việc an toàn của thiết bị
và thuận lợi trong vận hành. Nhà máy thủy điện thông thường được chia thành 3
loại cơ bản: Nhà máy thủy điện ngang đập, nhà máy thủy điện sau đập, nhà máy
thủy điện đường dẫn.
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 một tuyến. Bản thân nhà

máy là một phần của công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu
áp lực nước thượng lưu. Cửa l
ấy nước cũng là thành phần của bản thân nhà máy.
Một đặc điểm cần lưu ý 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 mùa 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. Lợi dụng dòng xiết của lũ
sau khi tháo qua nhà máy làm hạ mực nước hạ lưu, tăng cột nước làm việc của trạm
thủy điện. Tuy nhiên theo tìm hiểu của tác giả thì ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà
5

máy dạng này. Đây là một hướng mới phát triển các thủy điện cột nước thấp ở hạ du
các sông lớn [3].
Nhà máy thủy điện ngang đập ở nước ta điển hình là nhà máy thủy điện Thác
Bà (120MW), thủy điện Chiêm Hóa (48MW).


Hình 1.1: Nhà máy thủy điện ngang đập

1.1.1.2. Nhà máy thủy điện sau đập
Nhà máy thủy điện sau đập thường dùng với cột nước từ 30÷45m ≤ H ≤
250÷300m và có thể lớn hơn nữa. Nhà máy được bố trí ngay sau đập dâng nước.
Nhà máy không chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới nước và
biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn nhà máy ngang đập dâng. Nế
u đập dâng
nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước, tuabin được
6

bố trí trong thân đập bêtông. Khoảng cách giữa đập và nhà máy thường đủ để bố trí

các phòng và máy biến thế [3].
Tùy thuộc vào cột 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 được bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà
máy; còn hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu. Dạng nhà máy sau đập ở
nước ta
có thể kể tới điển hình như: Sơn La (2400MW), Bản Chát (210MW), Tuyên Quang
(342MW), Pleikrong (100MW), Sesan 4 (360MW), Trị An (400MW),

Hình 1.2: Nhà máy thủy điện sau đập
(
)
1.1.1.3. Nhà máy thủy điện đường dẫn
Nhà máy thủy điện đường dẫn phạm vi sử dụng cột nước rất rộng từ 2÷3m đến
1700÷2000m [3].
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 nướ
c 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; tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều cách bố
7

trí khác nhau, tùy thuộc vào từng công trình. Đường dẫn nước thường là đường ống
áp lực. Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình và nằm tập
trung theo hai 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.
Ở nước ta kiểu nhà máy thủy điện đường dẫn rất phổ biến, hầu h
ết các nhà

máy nhỏ đều sử dụng đường dẫn. Các nhà máy lớn có thể kể đến như: Huội Quảng
(520MW), Bản Vẽ (320MW), A Vương (210MW), Sông Hinh (70MW)

Hình 1.3: Nhà máy thủy điện đường dẫn
(
)
1.1.2. Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Tùy theo điều kiện địa hình, điều kiện địa chất tuyến năng lượng của trạm thủy điện
đường dẫn thường dùng một trong hai sơ đồ sau:
Sơ đồ dùng kênh dẫn: Các hạng mục công trình thuộc sơ đồ này thường dùng là cửa
lấy nước, kênh dẫn, bể áp lực đường ống áp lực, nhà máy th
ủy điện và kênh xả
8

Sơ đồ dùng đường hầm dẫn nước: Các hạng mục công trình thuộc sơ đồ này thường
dùng là cửa lấy nước, đường hầm dẫn nước, tháp điều áp, đường ống áp lực (hoặc
đường hầm áp lực cao), nhà máy thủy điện và kênh xả.
1.1.2.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Khi địa hình tương đối bằng phẳng, tuyến đường dẫn ít bị chia cắt, địa chất ổn
định, về mặt kinh tế nên sử dụng kênh dẫn nước. Kênh dẫn được ứng dụng rộng rãi
ở trạm thủy điện đường dẫn khi mực nước thượng lưu thay đổi không nhiều.
Trong thực tế người ta chia làm 2 loại: kênh tự điều tiết và kênh không tự điều
tiết.
Kênh tự điều tiết: Là kiểu đường dẫn hở mà độ sâu cu
ối có thể đạt đến mức:
độ dốc đường mặt nước trong đường dẫn bằng không, thường dùng đường dẫn là
kênh với mặt cắt hình thang. Khi thiết kế chọn độ dốc đáy kênh i theo trạng thái
chảy đều, ứng với lưu lượng thiết kế qua nhà máy. Cao trình đỉnh bờ kênh là nằm
ngang suốt chiều dài kênh. Khi trạm thủy điện làm việc với lưu lượng thiết kế, dòng
chảy trong kênh ổn định với dòng chảy đều. Khi lưu lượng qua trạm nhỏ, mực nước

cuối kênh tăng lên đến lưu lượng bằng không, mực nước trong kênh nằm ngang. Do
vậy mà kênh tự điều tiết được lưu lượng, không cần cửa điều tiết ở đầu kênh và
không cần bố trí tràn xả thừa ở cuối kênh.
Ưu điểm điểm của loạ
i kênh này là tiết kiệm được lượng nước do không phải
xả tràn, mực nước cuối kênh cũng tăng khi lưu lượng nhỏ, nên giảm được tổn thất
cột nước, giảm được tổn thất năng lượng. Ngoài ra, phần dung tích nằm trên phần
mặt nước dòng đều còn đóng vai trò là phần dung tích dự trữ tham gia điều tiết
ngày.
Tuy nhiên kênh này có nhược điểm là bờ kênh cao, tiết diện lớn do đ
ó khối
lượng đào đắp lớn. Cho nên thường chỉ ứng dụng với tuyến kênh ngắn, độ dốc
tương đối nhỏ.
9


Hình 1.4: Kênh tự điều tiết
a) Mặt cắt dọc; b) Quan hệ mực nước và độ sâu dòng chảy trong kênh
h
1
- độ sâu mực nước đầu kênh; h
2
- độ sâu mực nước cuối kênh;
h
0
- độ sâu chảy đều; hk – đô sâu giới hạn.
Kênh không tự điều tiết: Thiết kế dòng chảy trong kênh là dòng đều, ứng với
lưu lượng thiết kế của trạm. Độ dốc đỉnh bờ kênh bằng với độ dốc đáy. Do đó khi
lưu lượng nhỏ hơn lưu lượng thiết kế, mực nước cuối kênh tăng lên, dòng chảy tràn
qua tràn xả thừa. Chính vì thế mà phải thiết kế tràn xả thừa ở cuối kênh và thường

đặt ở bể áp lực. Đầu kênh phải đặt cửa van điều tiết dòng chảy. Ưu điểm của loại
kênh này là khối lượng đào - đắp nhỏ. Tuy nhiên nhược điểm của loại kênh này là
phải có tràn xả thừa nên bớt mất một phần lưu lượng qua tràn. Tổn thất cột nước lớn
hơn so với kênh tự điều tiết.

Hình 1.5: Kênh không tự điều tiết
a) Mặt cắt dọc; b) Quan hệ giữa lưu lượng và các độ sâu trong kênh.


10

1.1.2.2. Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Đường hầm dẫn nước còn gọi là tuynen dẫn nước. Căn cứ vào chế độ thủy lực
bên trong đường hầm mà chúng có thể phân thành hai loại cơ bản: đường hầm dẫn
nước không áp và đường hầm dẫn nước có áp. Đường hầm không áp được ứng dụng
trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi.
Khi lựa chọn tuyến đường h
ầm phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và
điều kiện thi công. Về măt kinh tế, yêu cầu tuyến đường hầm phải ngắn nhất. Trong
thực tế, do điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công, tuyến đường hầm có
thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán kính không
nhỏ hơn 5 lần chi
ều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không vượt quá 60
o
.
Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki-lô-mét.
Hình dạng tiết diện đường hầm phụ thuộc vào chế độ thủy lực trong nó, điều
kiện địa hình, địa chất và chế độ thủy công.
Đường hầm dẫn nước không áp: có nhiều tiết diện khác nhau tùy theo điều
kiện địa chất mà tuyến đi qua. Đường hầm dẫn n

ước có tỷ lệ chiều cao h và chiều
rộng b khoảng h:b =1:1,5, nếu mực nước trong đường hầm dao động nhiều thì tỷ số
này có thể lấy lớn, kích thước của nó phải đảm bảo chế độ chảy không áp trong mọi
điều kiện kể cả các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện. Khi đường hầm xuyên
qua vùng địa chất là đá rắn chắc có th
ể sử dụng tiết diện hình chữ nhật đáy bằng,
trần vòm . Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo phương đứng không lớn
và không có áp lực hông của đất lên vỏ hầm thì có thể sử dụng tiết diện với trần là
nửa hình tròn .v.v

Hình 1.6: Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng
11

Đường hầm dẫn nước có áp: về nguyên tắc thường có tiết diện hình tròn. Vỏ
của nó có khả năng chịu áp lực tốt từ các phía, về thủy lực nó có nhiều ưu điểm hơn
so với các dạng tiết diện khác. Ngoài ra, khi sử dụng tiết diện tròn, khối lượng công
tác đào và bê tông vỏ hầm cũng ít hơn so với các tiết diện khác. Đối với đường hầm
có áp có chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí đường hầm cần phải chọn sao
cho áp suất bên trong nó không nhỏ hơn 0,02Mpa. Kích thước tối thiểu của đường
hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công b≥ 1,8m [3].


Hình 1.7: Đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện
1.1.2.3. Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Trong trường hợp do địa hình địa chất quá phức tạp, nếu dùng kênh dẫn hoặc
đường hầm không có lợi thì người ta thường sử dụng đường ống áp lực. Khác với
đường hầm, đường ống áp lực được đặt trên mặt đất, trong hành lang (đường hầm)
ho
ặc trong khối bêtông trọng lực của đập dâng hay mặt hạ lưu của nó (thủy điện
Sơn La, Bản Chát ). Đối với trạm thủy điện đường dẫn ta thường gặp đường ống

áp lực nối từ bể áp lực (đối với đường dẫn hở) hoặc từ tháp điều áp (đối với đường
hầm áp lực) xuống tới nhà máy thủy
điện. Đường ống áp lực thường được làm bằng
thép, bêtông cốt thép
12


Hình 1.8: Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy
1.1.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện.
1.1.3.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Về mặt bố trí công trình: sử dụng trong trường hợp khi địa hình tương đối
bằng phẳng, tuyến đường dẫn ít bị chia cắt, địa chất ổn định. Ưu điểm của kênh dẫn
là thi công
đơn giản, nếu là kênh tự điều tiết thì còn giảm tổn thất năng lượng trên
tuyến dẫn. Nhược điểm là tuyến kênh thường dài, đi vòng vèo làm cho khối lượng
các công trình phụ trợ (đường thi công) cũng nhiều, ngoài ra còn có các công trình
dẫn nước phụ như xi phông, cầu máng, ống dẫn ngược .v.v Dòng chảy trong kênh
là dòng không áp, cần thiết kế mặt cắt hợp lý để đảm bảo điều kiện không lắng và
không xói bờ kênh.
Về mặt thi công: Hầu hết là thi công hở nên có thể bố trí thi công dễ dàng hơn
so với công trình ngầm. Nhưng nhược điểm của kênh dẫn là chiếm nhiều diện tích
bề mặt, đôi khi tuyến đi qua các công trình dân dụng như: nhà ở, đường xá, cầu
cống .v.v thì cần có các biện pháp thi công phức tạp.
Về mặt quản lý vận hành: Sử dụng công trình kênh dẫn thì chỉ sử dụng được ít
độ sâu công tác của hồ chứa, thường áp dụng cho các trạm thủy điện nhỏ, không
điều tiết hoặc điều tiết ngắn hạn. Khi vận hành kênh dẫn thường hay xảy ra các sự
cố như sạt trượt mái, đá núi lở đè vào tuyến kênh, tuy nhiên khi không may gặp sự
13

cố thì lại dễ dàng khắc phục hơn so với đường hầm vì tuyến dẫn nằm hở trên mặt

đất. Có thể thường xuyên kiểm tra tuyến kênh đảm bảo vận hành ổn định.
1.1.3.2 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Về mặt bố trí công trình: Sử dụng trong trường hợp địa hình thay đổi nhiều,
địa chất thuận lợi cho việc đào hầm. Tuyến đường hầm thường ngắn hơn và không
thay đổi phương nhiều so với tuyến kênh. Khi mực nước thượng lưu thay đổi không
nhiều có thể dùng đường hầm không áp, nhưng nếu dùng đường hầm không áp
trong trường hợp mực nước thượng lưu thay đổi nhiều thì đòi hỏi kích thước hầm
phải lớn. Dùng đường hầm có áp giúp tăng độ sâu công tác của các hồ chứa, nên
chúng thường được dùng cho các công trình thủy đi
ện có hồ lớn làm nhiệm vụ điều
tiết lưu lượng, mực nước thượng lưu thay đổi nhiều.
Về mặt thi công: Đường hầm không chiếm nhiều diện tích bề mặt nhưng khi
thi công thường phức tạp hơn kênh, công tác khảo sát địa chất rất quan trọng để lựa
chọn tuyến đường hầm hợp lý nhất. Thi công đường hầm thường đắt hơn so vớ
i
kênh. Trong các trường hợp địa chất khác nhau cần phải làm các lớp áo hầm chịu
lực tốt. Thi công các lớp vỏ hầm này rất phức tạp.
Về mặt quản lý vận hành: Vì đường hầm nằm ngầm trong lòng đất nên nó ít bị
ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, đặc biệt khi thời tiết thay đổi do đó tuổi thọ
của công trình cao hơn, không phải kiểm tra. Tuy nhiên nếu không may gặp sự cố
thì công tác sử
a chữa gặp nhiều khó khăn. Trong thực tế có công trình thủy điện khi
vận hành vào mùa lũ đã gặp trường hợp khi lũ về lớn làm bùn, gỗ, rác làm hỏng
lưới chắn rác và chui vào đường hầm khiến công tác khắc phục sau này gặp nhiều
khó khăn.
1.1.3.3 Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện
Như đã nói ở trên, trong các nhà máy thủy điện dạng đường dẫn thì đườ
ng ống
áp lực là một phần của công trình dẫn nước, còn đối với các nhà máy thủy điện kiểu
ngang đập hoặc sau đập thì đường ống áp lực dẫn trực tiếp từ cửa nhận nước đến

nhà máy thủy điện. Ưu điểm của đường ống áp lực là kết cấu đơn giản, dễ thi công,
chịu lực tốt, tổn thất thủy lực nhỏ hơn nhiều so với các đường dẫn khác nhưng
14

nhược điểm là giá thành cao, do đó ở các công trình có tuyến đường dẫn dài người
ta kết hợp đường ống và các công trình dẫn nước khác.
1.2. Tổng quan về các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện [1]
Chế độ không ổn định của trạm thủy điện xảy ra khi có sự biến đổi theo thời
gian của công suất, cột nước, lưu lượng, số vòng quay v.v…. Chế
độ này xuất hiện
khi có sự điều chỉnh lưu lượng qua turbin. Khi tổ máy thủy điện chuyển chế độ
làm việc từ trạng thái này sang trạng thái khác như khi mở máy, dừng máy, thay
đổi công suất…, lưu lượng qua turbin thay đổi theo thời gian dẫn đến chế độ làm
việc của toàn bộ hệ thống công trình trên tuyến năng lượng đều chuyển sang chế
độ làm việc không ổn định. Các chế
độ không ổn định của các bộ phận công trình
do tổ máy chuyển chế độ làm việc được gọi là các chế độ chuyển tiếp và quá trình
thay đổi từ chế độ này sang chế độ khác được gọi là quá trình chuyển tiếp. Trong
các quá trình chuyển tiếp các đặc trưng về động lực học tăng lên gây nguy hiểm
cho các bộ phận công trình và thiết bị, gây khó khăn trong quá trình điều chỉnh, và
về mặt năng l
ượng gây mất ổn định trong việc cung cấp năng lượng cho các hộ
dùng và do đó gây thiệt hại về mặt kinh tế cũng như có thể gây ra các sự cố đối với
các hộ dùng điện. Hầu hết các sự cố đối với tổ máy thủy điện thường xẩy ra trong
các quá trình chuyển tiếp, chính vì vậy trong thiết kế cũng như trong vận hành các
công trình thủy điện cầ
n thiết phải xét đến các đặc trưng cơ bản của các quá trình
chuyển tiếp trong các bộ phận công trình trạm thủy điện.
Các quá trình chuyển tiếp của trạm thủy điện được chia làm hai loại :
- Các quá trình chuyển tiếp trong vận hành bình thường : khởi động , dừng

máy, thay đổi công suất (tăng hoặc giảm tải), chuyển tổ máy sang chế độ chạy bù
để tăng công suất tác dụng cho hệ th
ống và chuyển từ chế độ chạy bù về chế độ
làm việc bình thường. Các quá trình này xảy ra trong trạng thái vận hành chủ động
điều chỉnh.
- Các quá trình chuyển tiếp khi sự cố của trạm thủy điện : quá trình cắt tải,
quá trình lồng tốc và quá trình đưa tổ máy ra khỏi chế độ lồng tốc. Các quá trình
15

này xảy ra khi có sự cố đối với một số bộ phận của trạm thủy điện hoặc của hệ
thống đường dây tải điện.
1.3. Các nghiên cứu về chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở ở Việt
Nam và trên thế giới.
Cho đến nay ở Việt Nam và trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về
chuyển động của dòng không ổ
n định trong lòng dẫn hở đặc biệt là dòng không ổn
định biến đổi gấp. Các nghiên cứu này đã được ứng dụng tính toán cho nhiều bài
toán thực tế như bài toán vở đập, dòng chảy trên âu thuyền vv Tuy nhiên, theo
tìm hiểu của tác giả việc tính toán xác định các đặc trưng dòng chảy trong các chế
độ chuyển tiếp của trạm thủy điện ở các công ty tư vấn thiết kế thủy điện chủ yếu
dùng các công thức gần đúng hoặc công thức kinh nghiệm nên kết quá tính toán
không chính xác và không xác định được các đại lượng liên quan như vận tốc
sóng, lưu lượng sóng dọc theo chiều dài kênh dẫn.
1.4. Kết luận chương 1
Trong chương 1 tác giả đã trình bày được tổng quan về các hạng mục công
trình trên tuyến năng lượng của trạm thủy điện. Trong thực tế tùy thuộc vào điều
kiện địa hình, địa ch
ất cụ thể của các công trình mà sử dụng các loại đường dẫn
khác nhau cho phù hợp. Việc sử dụng trong thực tế cũng rất linh hoạt, có thể là
kênh dẫn, hầm không áp, hầm có áp, đường ống áp lực, hoặc có thể kết hợp các loại

trên thành công trình dẫn nước vào nhà máy thủy điện miễn sao cho đảm bảo
chuyển được mọi lưu lượng nước theo yêu cầu, vận hành với tổn thất thủy lực nhỏ
nhất, chi phí xây dựng và quản lý vận hành cũng thấp nhất. Góp phần làm cho dự án
có hiệu quả cao nhất.
Trong chương này, tác giả cũng đã nêu được tổng quan về các chế độ chuyển
tiếp của nhà máy thủy điện: Các quá trình chuyển tiếp trong vận hành bình thường :
khởi động , dừng máy, thay đổi công suất (tăng hoặc giảm tải), chuyển tổ máy sang
chế độ
chạy bù để tăng công suất tác dụng cho hệ thống và chuyển từ chế độ chạy
bù về chế độ làm việc bình thường. Các quá trình chuyển tiếp khi sự cố của trạm
thủy điện : quá trình cắt tải, quá trình lồng tốc và quá trình đưa tổ máy ra khỏi chế
16

độ lồng tốc. Các quá trình chuyển tiếp này sẽ ảnh hưởng đến chế độ thủy lực trên
tuyến năng lượng của trạm thủy điện như gây ra áp lực nước va trong tuyến đường
ống áp lực, gây ra hiện tượng sóng tăng áp, sóng giảm áp trong kênh dẫn. Vì vậy
trong tính toán thiết kế tuyến kênh dẫn, việc tính toán xác định các đặc trưng dòng
chảy trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện là rất cần thiết, làm cơ sở cho
việc xác định kích thước, kết cấu kênh dẫn.

17

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH
TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP
CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
Trong công tác tính toán và thiết kế các trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ
thủy lực trong trạng thái ổn định còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định ở
các công trình dẫn nước như kênh hở, đường hầm, giếng điều áp, đường ống tuốc
bin và kênh xả. Đ
ây là bài toán phức tạp. Về mặt cơ sở lý luận, đó là hệ phương
trình vi phân cơ bản của dòng chảy (phương trình động lượng và phương trình liên
tục), nhưng việc giải hệ phương trình này để đạt mức độ chính xác yêu cầu là một
bài toán rất phức tạp.
Đối với dòng không ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng
dương), do mang bản chất c
ủa sóng gián đoạn (dòng không ổn định biến đổi gấp)
nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mô tả sự dịch chuyển
của sóng gián đoạn, không phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho
một đoạn dòng chảy có chứa sóng gián đoạn. Trong chương này, tác giả nghiên cứu
xây dựng thuật toán để viết chương trình phần mềm tính toán các đặc trưng sóng

tăng áp, sóng giảm áp trong kênh dẫn ở các ch
ế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện.
2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dòng không ổn định biến đổi
gấp [7]
2.1.1. Sự hình thành sóng gián đoạn
Các yếu tố thủy lực của chuyển động không ổn định phụ thuộc vào hai biến:
không gian và thời gian. Với dòng chảy một chiều, thường biểu thị như sau:
Q = Q(1, t) hoặc v = v(1, t)
và z = z(1, t) hoặc h = h(1, t)
Nếu các đại lượng này thay đổi nhanh theo l hoặc t, ta có dòng không ổn định
thay đổi gấp theo không gian hoặc thời gian. Chương này nghiên cứu dòng không
ổn định thay đổi theo thời gian. Đặc biệt, nếu sự thay đổi theo thời gian xảy ra một
cách đột ngột tại một vị trí nào đó trên dòng dẫn sẽ hình thành sóng gián đoạn. Ví
dụ khi lưu lượng tại trạm thủy điện hay một trạm bơm thay đổi đột ngột; khi đập