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 Cơng trình
trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
chun ngành Xây dựng cơng trình thủy với đề tài: “Tính tốn 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 cịn hạn chế, luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu
sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cơ giáo,
của các Q vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hồn thành tại Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Hà Nội, Tháng 05 năm 2012
Tác giả

Trần Thị Mai Phương


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. 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 cơng trình thủy điện [2, 7, 8] ..........................6
T
1

T
1

1.3.1 Cơng trình đầu mối.............................................................................................6
T
1

T
1

1.3.2 Cơng trình trên tuyến năng lượng ......................................................................7
T
1

T
1

1.3.2.1 Cơng 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 Cơng 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 khơng 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 TỐN CỬA NHẬN NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆN
T
1

HÀNH .......................................................................................................................19
T
1

2.1 Các phương pháp tính tốn ...............................................................................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 tốn trong luận văn ..............................................23
T
1

T
1

2.3 Trình bày các mơ hình nền thường dùng và chọn mơ hình tính tốn trong luận
T
1

văn [1] .......................................................................................................................23
T
1

2.3.1 Khái niệm về mơ hình nền ...............................................................................23
T
1

T
1

2.3.4 Mơ hình lớp khơng gian biến dạng tổng thể : ..................................................29
T

1

T
1

CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN 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 tốn 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 tốn.......................................32
T
1

T
1

3.2 Áp dụng tính tốn 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 cơng trình ..................................................................................34
T

1

T
1

3.2.1.2 Tóm tắt thơng số thiết kế kỹ thuật cơng trình ....................................34
T
1

T
1

3.2.1.3 Hạng mục cửa nhận nước ...................................................................38
T
1

T
1

3.2.2 Tính tốn kết cấu cửa nhận nước .....................................................................40
T
1

T
1

3.2.2.1 Qui trình, qui phạm sử dụng trong tính tốn......................................40
T
1

T
1

3.2.2.2 Thơng số mơ 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 tốn 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 tốn cốt thép các bản mỏng chịu áp ..............................54
T
1

T
1

3.2.2.8 Kết quả tính tốn cốt thép phần bê tơng 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 cơng 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 cơng trình
Hình 3.3: Mặt cắt ngang cửa nhận nước
Hình 3.4 : Chính diện thượng lưu
Hình 3.5: Mơ hình tính tốn nhìn từ thượng lưu
Hình 3.6: Mơ hình tính tốn nhìn từ hạ lưu
Hình 3.7: Phần tử shell mơ 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 tốn 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 khơng được mơ phỏng
Hình 3.54: Trường hợp 2 - Nền được mơ 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 cơng 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, cơng trình thuỷ điện đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp năng
lượng khi mà nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao địi hỏi nhiều năng lượng điện thì
thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ nhất cần khai thác triệt để. Ngồi ra nó cịn là
cơng trình lợi dụng tổng hợp và phịng chống thiên tai. Vì vậy việc xây dựng các
cơng 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 cơng trình đầu tiên trong hệ thống cơng 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 u cầu dùng nước khác.
Việc tính tốn kết cấu cửa nhận nước nhà máy thuỷ điện là vô cùng quan trọng
từ đó xác định hình dạng kết cấu cơng trình đảm bảo an tồn ổn định trong q 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 tốn xác định hình dạng kết cấu cơng trình
đảm bảo an tồn ổn định trong q trình vận hành.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
-

Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về cơng 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 tốn kết cấu cửa nhận nước

-

Mơ phỏng cửa lấy nước làm việc cùng với nền trong phần mềm ansys. Tính tốn

ứng suất biến dạng.
- Phân tích các ảnh hưởng của nền đến ứng suất biến dạng.
4. Kết quả dự kiến đạt được:
-

Tính tốn ứng suất biến dạng và bố trí cốt thép cửa nhận nước.

- Xem xét ảnh hưởng của nền trong tính tốn trong bài tốn 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 sơng, 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…Ngồi ra, trên các sơng 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 sơng 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 sơng có tiềm năng
thủy điện lớn như sơng 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 sơng Đà
khoảng 7800MW, sơng Sê San 4000 MW và sơng Đồng Nai khoảng 1900MW.
Ngồi ra trên các lưu vực sơng 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 cơng
trình

Tổng cơng suất
(MW)

Điện lượng
(kWh)

Đà
Lơ- 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 sơng 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 sơng chính là hơn 18000MW, điện năng tương ứng khoảng
70tỷ Kwh/ năm, trong đó miền Bắc khoảng 9490MW(52% tổng cơng 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 tồn
quốc sẽ tăng bình qn 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 mơ 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 cịn chiếm 15,3%, nhiệt điện than
tăng lên chiếm 56,1%, nhiệt điện dầu - khí 12,7%, cơng 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 khơng 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 cơng trình dâng nước, nó chịu áp lực nước từ phía thượng lưu, đó là các NMTĐ

lịng sơng cột nước thấp ( hoặc nhà máy năm trên kênh dẫn) như NMTĐ Thác Bà,
Trị An, Bàn Thạch..
-

NMTĐ khơng 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 cơng trình, nhưng thực tế, thường phân loại các
NMTĐ một cách đơn giản:
-

Các loại NMTĐ kiểu lịng sơng, sau đập và đường dẫn.
+ NMTĐ kiểu lịng sơng: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác thủy năng kiểu

đập với cột nước khơng q 35÷40m. Bản thân nhà máy là một thành phần cơng
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 cơng trình khơng thể là một thành
phần của cơng 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 tơng, đơi 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 cơng trình đầu mối. Cửa lấy nước
đặt cách xa nhà máy. Trong trường hợp cơng trình dẫn nước là khơng áp thì cửa lấy
nước nằm trong thành phần của bể áp lực; trong trường hợp cơng trình dẫn nước là
đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là một cơng 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 cơng trình thủy điện [2, 7, 8]
Cơng trình thủy điện bao gồm các hạng mục chủ yếu như cơng trình đầu mối hồ
chứa (đập dâng, tràn xả lũ..) và các cơng 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 cơng 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 Cơng trình đầu mối
Cơng trình đầu mối bao gồm : đập ngăn nước, tràn xả nước, cống lấy nước.
- Đập ngăn nước có tác dụng điều tiết dịng 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 khơng tùy thuộc u cầu và nhiệm vụ của cơng trình đầu
mối dùng để cung cấp nước cho hạ du cơng trình khi có u cầu về nước, được bố
trí ngay trong thân đập hoặc kiểu tháp.
1.3.2 Cơng trình trên tuyến năng lượng
Các hạng mục tuyến năng lượng

Hình 1.1: Các cơng 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 Cơng trình lấy nước
Hạng mục cơng trình lấy nước thường đặt ở gần cơng 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 Cơng trình điều áp
Đường ống dẫn nước vào turbin của thủy điện ngồi áp lực thơng thường cịn
phải chịu thêm áp lực nước va khi đóng mở turbin. Nếu có thể tạo ra một mặt


8

thống 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 thống nói trên. Nó có tác dụng

giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va. Ngồi ra nó
cịn 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 cơng 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 cơng trình trực tiếp lấy nước từ hồ chứa hoặc từ sông vào cơng
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 cơng 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 hồn tồn trong trường hợp hư hỏng, kiểm

tra sửa chữa đường hầm dẫn nước, các bộ phận cơng trình và thiết bị sau cửa lấy
nước.
-

Giữ cho bùn cát rác bẩn không vào đường hầm làm hư hại cơng 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 dịng chảy sau cửa lấy nước là có áp thì phải giữ cho
khơng khí khơng cuộn theo dịng 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 khơng 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 thơng 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 cơng 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 cơng tác
6- Máy đóng mở thủy lực
7- Ống thơng 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

cơng trình và turbine
-

u 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 cơng
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 cơng 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 tơng trọng lực khơng có lớp bê tơng cốt thép bảo vệ thì van cơng
tác thường là van đóng nhanh để bảo vệ an tồn cho cơng trình và thiết bị ở phía
sau. Lúc này này van cơng tác cịn gọi là van sự cố.
Cửa van cơng tác chịu áp lực rất lớn, có trường hợp cột nước trước cửa đến
100m. Khi đóng, cửa hạ xuống dịng chảy có vận tốc lớn. Như vậy cửa van phải
tính tốn 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, ln 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. Thơng 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 u cầu đóng nhanh, sau 2-3 phút phải
đóng xong hồn tồn.
f, Ống thơng khí
Phía sau cửa van cơng tác ở đường dẫn dịng có áp, phải đặt ống thơng khí, để
khi đóng mở dịng chảy rút đi sẽ có khơng khí qua ống thơng khí vào đường dẫn,
tránh hiện tượng chân không phát sinh. Và ngược lại, khi mở cửa nước vào đầy ống,
khơng 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 thơng 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 sơng. 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 đơi. 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 khơ
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 sơng.
Với địa hình thuận lợi, nền đá, cửa lấy nước cấu tạo như một khối bê tông gắn

vào bờ, đặt các thiết bị thơng thường như đã mơ tả.
Trường hợp địa hình khơng 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 khơng vào giếng, gọi là giếng khơ.
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, cịn cửa van cơng tác có
thể đặt ở tháp hoặc trên đường dẫn, ở ngoài phạm vi cửa.
1.5.2 Cửa lấy nước khơng 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 khơng 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 khơng áp thường được đặt ở sơng có độ dốc và vận tốc lớn, dịng
chảy có độ hàm cát lớn trong mùa lũ.


16

Chú ý là sau khi xây dựng cơng trình đầu mối, dịng chảy tự nhiên của sơng 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 dịng phải chọn vị trí hợp
lý của cửa lấy nước.
Trên đoạn sơng ngay phía thượng lưu của cơng trình đầu mối, nếu là đoạn cong
thì dọng chảy có dạng cuộn (hình 1-9b) những đường cong trên mặt khơng mang
theo cát đáy hướng về phía lõm, cịn những đường dịng 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 khơng có được vị trí thuận lợi, hoặc lượng hàm cát lớn, có thể phải đặt các
tường hướng dịng.
1.5.2.2 Phân loại cửa lấy nước khơng 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 cơng trình dịng chảy cuộn trước ngưỡng.

- Cửa bên bờ có hành lang tháo cát.
-

Kiểu chính diện lấy nước mặt.
Một số hình ảnh cơng trình cửa lấy nước của trạm thủy điện ở Việt Nam