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

1TMỞ ĐẦU1T 1
1TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN1T 2
1TVÀ CÁC CHI TIẾT1T 2
1T1.11T 1TSự phát triển của thủy điện Việt Nam [2]1T 2
1T1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2]1T 4
1T1.2.2 Phân theo điều kiện chịu áp lực nước ở thượng lưu1T 4
1T1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy1T 5
1T1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8]1T 6
1T1.3.1 Công trình đầu mối1T 6
1T1.3.2 Công trình trên tuyến năng lượng1T 7
1T1.3.2.1 Công trình lấy nước1T 7
1T1.3.2.2 Đường hầm đường ống áp lực1T 7
1T1.3.2.3 Công trình điều áp1T 7
1T1.3.2.4 Nhà máy thủy điện1T 8

1T1.4 Tác dụng và yêu cầu của cửa lấy nước [2]1T 8
1T1.4.1 Tác dụng của cửa lấy nước1T 8
1T1.4.21T 1TYêu cầu của cửa lấy nước1T 8
1T1.5 Phân loại cửa lấy nước [1]1T 9
1T1.5.1 Cửa lấy nước có áp1T 10
1T1.5.1.1 Thiết bị đặt trong cửa lấy nước1T 10
1T1.5.1.2 Hình dạng và cấu tạo cửa lấy nước có áp1T 13
1T1.5.2 Cửa lấy nước không áp1T 15
1T1.5.2.1 Vị trí và điều kiện áp dụng1T 15
1T1.5.2.21T 1TPhân loại cửa lấy nước không áp1T 16
1TChương 2: TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆN
HÀNH
1T 19
1T2.1 Các phương pháp tính toán1T 19
1T2.1.1 Phương pháp giải tích:1T 19


1T2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu1T 19
1T2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi1T 20
1T2.1.2 Các phương pháp số1T 20
1T2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn1T 21
1T2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn1T 22
1T2.2 Lựa chọn phương pháp tính toán trong luận văn1T 23
1T2.3 Trình bày các mô hình nền thường dùng và chọn mô hình tính toán trong luận
văn [1]1T 23
1T2.3.1 Khái niệm về mô hình nền1T 23
1T2.3.4 Mô hình lớp không gian biến dạng tổng thể :1T 29
1TCHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC CÙNG LÀM VIỆC VỚI
NỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
1T 30

1T1.3 Thiết lập phương trình cơ bản của bài toán dựa trên thuật toán của phương
pháp phần tử hữu hạn [6].
1T 30
1T3.1.1 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn1T 30
1T3.1.2 Phương pháp tính1T 31
1T3.1.3 Thiết lập hệ thống phương trình cơ bản của bài toán1T 32
1T3.2 Áp dụng tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện Lai Châu.1T 34
1T3.2.1 Giới thiệu chung1T 34
1T3.2.1.1 Vị trí công trình1T 34
1T3.2.1.2 Tóm tắt thông số thiết kế kỹ thuật công trình1T 34
1T3.2.1.3 Hạng mục cửa nhận nước1T 38
1T3.2.2 Tính toán kết cấu cửa nhận nước1T 40
1T3.2.2.1 Qui trình, qui phạm sử dụng trong tính toán1T 40
1T3.2.2.2 Thông số mô hình.1T 41
1T3.2.2.3 Tải trọng tác dụng1T 43
1T3.2.2.4 Tổ hợp tải trọng1T 47
1T3.2.2.5 Các nguyên tắc trong tính toán bố trí cốt thép.1T 48
1T3.2.2.6 Kết quả phân tích ứng suất biến dạng1T 48


1T3.2.2.7 Kết quả tính toán cốt thép các bản mỏng chịu áp1T 54
1T3.2.2.8 Kết quả tính toán cốt thép phần bê tông khối lớn1T 64
1T3.2.2.9 Bố trí cốt thép1T 78
1T3.31T 1TCác ảnh hưởng của nền1T 79
1T3.3.1 Trong bài toán tĩnh1T 79
1T3.3.2 Trong bài toán động1T 82
1T3.3.3 Kết luận1T 83
1TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ1T 84
1TTÀI LIỆU THAM KHẢO1T 85

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 Gia-
Thu 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
Lưu vực sông
Diện tích
kmP
2

Số công
trình
Tổng công suất
(MW)
Điện lượng
(kWh)
Đà
17200
8
6800
2700
Lô- Gâm - Chảy
52500
11
1600
6000
Mã - Chu
28400
7
1087
2700
Cả
27200

3
470
1800
Hương
2800
2
284
990
Vũ Gia- Thu Bồn
10500
8
1502
4500
Sê San
11450
8
2000
9100


3
Srêpok
12200
5
730
3300
Ba
13800
6
669

2400
Đồng Nai
17600
17
3000
12000
Thủy điện nhỏ


1000-3000
4000-12000
Tổng cộng


19000-21000
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
R
lm
R)

Phân theo N
R
lm
R, các nước phân loại không giống nhau, điều đó phụ thuộc vào
mức độ phát triển kinh tế - kỹ thuật của từng nước.
Nói chung thường phân như sau:
- NMTĐ nhỏ N
R
lm
R < 5000 Kw
- NMTĐ trung bình N
R
lm
R = 5000-:-50000 Kw
- NMTĐ lớn NR
lm
R > 50000-:-1000000 Kw
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
R
lm
R >1000000Kw
- Cấp I NR
lm
R > 300000 - 1000000Kw
- Cấp II N
R
lm
R > 50000 - 300000Kw

- Cấp III N
R
lm
R > 2000 - 50000Kw
- Cấp IV NR
lm
R > 200 - 2000Kw
- Cấp V N
R
lm
R ≤ 200Kw
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.

12
Lực đóng mở phải đủ lớn, nếu là cửa van sự cố thì hệ thống tự động đóng mở
phải nhanh, nhậy, luôn ở vị trí sẵn sàng làm việc.
Cửa van có thể làm theo dạng phẳng, van cầu, van cung, van đĩa.
Cửa van phẳng bao gồm: bản mặt cùng với hệ khung dầm đỡ, các mép ngoài gắn
các gioăng cao su để giữ kín nước. Bàn trượt con lăn hoặc bánh xe lăn đỡ cho cửa
van luôn nằm đúng vị trí trong khe cửa và giảm nhỏ ma sát khi đóng mở.
Các loại cửa van đĩa, van cầu, van bán cầu thường phải đặt chế tạo ở các nhà
máy chuyên sản xuất.
e,Thiết bị nâng chuyển
Đây là thiết bị dùng để phục vụ đóng mở, tháo lắp vận chuyển các cửa van, lưới
chắn rác và vớt rác trên lưới.
Cửa van sửa chữa và lưới chắn rác có thể dùng một bộ phận thiết bị để luân
chuyển dùng cho khoang cửa, chạy trên đường ray cố định.
Với cửa van công tác hoặc hoặc cửa van sự cố thì phải có thiết bị đóng mở riêng
cho từng cửa. Nhưng để vận chuyển tháo lắp, sửa chữa vẫn có thể dùng cầu trục
chạy chung. Thông thường để đóng mở cửa hiện nay dùng máy nâng thủy lực, tốc
độ 0.2-2 m/ph. Nếu là cửa van sự cố thì có yêu cầu đóng nhanh, sau 2-3 phút phải
đóng xong hoàn toàn.
f, Ống thông khí
Phía sau cửa van công tác ở đường dẫn dòng có áp, phải đặt ống thông khí, để
khi đóng mở dòng chảy rút đi sẽ có không khí qua ống thông khí vào đường dẫn,
tránh hiện tượng chân không phát sinh. Và ngược lại, khi mở cửa nước vào đầy ống,
không khí có đường thoát ra.
g, Ống cân bằng áp lực
Với cửa lấy nước có áp, nhất là với trường hợp độ sâu lớn khi cửa đóng sẽ có
chênh lệch áp lực hai mặt cửa rất lớn, do đó lực mở cửa phải lớn. Để giảm bớt lực
nâng này, cần bố trí ống cân bằng áp lực. Trước khi mở cửa, mở ống cân bằng để
dòng chảy vào đầy đường ống áp lực, tạo ra cân bằng áp. Sau đó mới mở cánh cửa

công tác.


13
1.5.1.2 Hình dạng và cấu tạo cửa lấy nước có áp
Cửa lấy nước có áp được chia làm mấy loại chính:
a, Cửa lấy nước kiểu đập

Hình 1.4 : Cửa lấy nước trong thân đập trọng lực
a, Cửa lấy nước với lưới chắn rác tháo lắp được
b, Cửa lấy nước với lưới chắn rác đặt cố định dọn rác bình thường
1- Tường chắn vật nổi
2- Van sửa chữa
3- Van sự cố sửa chữa
4- Lưới chắn rác
5- Ống thông khí
6- Ống cân bằng áp lực
7- Máy đóng mở thủy lực
8- Ống dẫn nước turbin
- Cửa lấy nước đặt trong thân đập: thường được dùng để lấy vào trong đường
ống dẫn nước cho các trạm thủy điện đặt trong đập bê tông.


14
- Cửa lấy nước của nhà máy thủy điện ngang đập : lấy nước trực tiếp từ thượng
lưu, dẫn vào nhà máy, yêu cầu về cấu tạo và các thiết bị cũng theo các nguyên tắc
nêu trên. Cửa lấy nước có chung bản đáy bê tông và là một phần của nhà máy, cùng
với nhà máy chiếm một đoạn vị trí của đập ngăn sông. Vì vậy nó cùng với nhà máy
chịu áp lực nước thượng lưu. Cửa lấy nước kiểu này thường có tiết diện rộng cho
nên để giảm kích thước của cửa van, có thể đặt thêm trụ pin trung gian. Chiều dày

các trụ pin từ 1,5
÷
2,6m. Khi có đặt khe lún giữa trụ pin, chiều dày trụ có thể tăng
lên gấp đôi. Lưới chắn rác có thể đặt nghiêng (khi độ sâu nhỏ) hoặc đặt đứng.
b, Cửa lấy nước kiểu bên bờ

Hình 1.5: Cửa lấy nước bên bờ có giếng cửa van
a, Kiểu giếng khô
b, Kiểu giếng ướt
Thường được dùng cho các trạm thủy điện đường dẫn có áp. Cửa lấy đặt ở một
bên bờ, phía thượng lưu và gần với đập ngăn sông.
Với địa hình thuận lợi, nền đá, cửa lấy nước cấu tạo như một khối bê tông gắn
vào bờ, đặt các thiết bị thông thường như đã mô tả.
Trường hợp địa hình không thuận lợi như bờ quá dốc hoặc quá thoải có thể đặt
giếng các cửa van lùi sâu vào trong, nối với miệng cửa bằng một đoạn hầm dẫn có áp.


15
Lưới chắn rác thường đặt nghiêng phía đầu hầm dẫn. Giếng đặt cửa van sửa chữa
và van công tác. Cửa van có thể phẳng hoặc van cung, khi đó nước ra vào giếng
bình thường nên được gọi là giếng ướt. Cũng có thể đặt các cửa van đĩa hoặc cầu,
khi đó nước không vào giếng, gọi là giếng khô.
c,Cửa lấy nước kiểu tháp.


Hình 1.6: Cửa lấy nước kiểu tháp
Kết cấu phức tạp hơn các kiểu trên, nhưng có thể lấy nước bằng nhiều dãy lỗ
theo chiều cao. Các cửa lấy nước có thể bố trí một tầng hoặc hai tầng. Cửa lấy nước
có thể đặt xung quanh tháp hoặc một phía.
Lưới chắn rác và cửa van sửa chữa thường đặt ở tháp, còn cửa van công tác có

thể đặt ở tháp hoặc trên đường dẫn, ở ngoài phạm vi cửa.
1.5.2 Cửa lấy nước không áp
1.5.2.1 Vị trí và điều kiện áp dụng
Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở các trạm thủy điện có đường dẫn
nước không áp, nhưng cũng có khi ở đường dẫn nước có áp. Nhưng điều kiện cơ
bản để áp dụng cửa lấy nước không áp là mực nước thượng lưu thay đổi rất ít.
Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở sông có độ dốc và vận tốc lớn, dòng
chảy có độ hàm cát lớn trong mùa lũ.


16
Chú ý là sau khi xây dựng công trình đầu mối, dòng chảy tự nhiên của sông bị
thay đổi, phía thượng lưu đập bắt đầu bồi lấp. Cùng thời gian, đáy thượng lưu dâng
lên, vận tốc dòng chảy trong mùa lũ tăng, đem theo cát vào cửa lấy nước. Để tránh
bớt dòng chảy mang theo cát vào đường dẫn và tạo thuận dòng phải chọn vị trí hợp
lý của cửa lấy nước.
Trên đoạn sông ngay phía thượng lưu của công trình đầu mối, nếu là đoạn cong
thì dọng chảy có dạng cuộn (hình 1-9b) những đường cong trên mặt không mang
theo cát đáy hướng về phía lõm, còn những đường dòng đáy mang theo cát hướng
về bờ lồi. Do đó bờ lõm bị xói, bờ lồi bị bồi. Chọn vị trí cửa lấy nước ở phía bờ lõm
sẽ có được độ sâu tự nhiên và giảm bớt dòng chảy mang cát.
Nếu không có được vị trí thuận lợi, hoặc lượng hàm cát lớn, có thể phải đặt các
tường hướng dòng.
1.5.2.2 Phân loại cửa lấy nước không áp
Có một số kiểu lấy nước không áp sau:
- Kiểu bên bờ lấy nước mặt: có một số dạng như cửa vó ngưỡng ngăn cát, cửa có
ngăn lắng cát, cửa có hố tập trung cát.
- Kiểu bên bờ có công trình dòng chảy cuộn trước ngưỡng.
- Cửa bên bờ có hành lang tháo cát.
- Kiểu chính diện lấy nước mặt.

Một số hình ảnh công trình cửa lấy nước của trạm thủy điện ở Việt Nam