Nghiên cứu hoàn thiện công tác quản lý các dự án xây dựng trong ban quản lý dự án đầu tư và xây dựng sở nông nghiệp và phát triển nông thôn hà nội

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 cơng trình thủy với đề tài:“Phân tích dịng khơng 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 đã trực tiếp tận tình hướng
dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn phịng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa
Cơng 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 của 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 cơng trìnhTrường 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 chun mơn, cũng như thời gian có hạn, nên
trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả khơng 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 dịng không ổn định trên kênh dẫn trong các
chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện”.

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội
dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào. Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn 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 khơng ổn định trong lịng dẫn hở ở Việt
Nam và trên thế giới. ............................................................................................15
1.4. Kết luận chương 1..........................................................................................15
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN DỊNG KHƠNG ỔN ĐỊNH TRÊN
KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
...................................................................................................................................17
2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dịng khơng 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 lịng 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 đoạn 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 tốn dịng khơng 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 DỊNG KHƠNG 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 cơng trình Nà Tẩu .........................................................................36
3.1.1 Vị trí.........................................................................................................36
3.1.2. Nhiệm vụ của dự án...............................................................................37
3.1.3. Cấp cơng 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 tốn.......................................................................39
3.1.8. Tác động mơi 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 lượng ........................................................41
3.1.12. Tác động của dự án đến chất lượng cuộc sống con người ...................45
3.2. Tính tốn dịng 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 tốn sóng tăng áp khi cắt tải ...............................................51
3.3. Tính tốn dịng khơng 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 tốn 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 khơng 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 thuận dương

Hình 2-3:Sóng thuận âm.................................18

Hình 2-2:Sóng nghịch dương

Hình 2-4: Sóng nghịch âm..............................18

Hình 2-6: Q trình truyền đi của sóng gián đoạn âm ...............................................1
Hình 2-5: Q 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 tốn sóng gián đoạn khi cắt tải ......................................31
Hình 2-12: Sơ đồ xác định mực nước thấp nhất trong bể áp lực khi tăng tải ...........33
Hình 2.13: Sơ đồ khối tính tốn sóng gián đoạn khi tăng tải....................................34
Hình 3-1: Vị trí cơng trình thủy điện Nà Tẩu ...........................................................36
Hình 3-2: Mặt bằng tổng thể cơng trình thủy điện Nà Tẩu.........................................1
Hình 3-3: Cắt dọc tổng thể cơng trình thủy điện Nà Tẩu............................................1
Hình 3.4: Mơ hình tính tốn nước va ........................................................................50
Hình 3.5: Biểu đồ lưu lượng theo thời gian (TH cắt tải tồn bộ)..............................51
Hình 3.7: Mơ hình tính tốn 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 cơng trình...................................................46
Bảng 3.2: Đường mặt nước trong kênh trước khi xảy ra cắt tải ...............................49
Bảng 3.3: Kết quả tính tốn 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 tốn đặc trưng sóng gián đoạn khi tăng 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 cơng 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 cơng trình trạm thủy điện được xây dựng trên ngày
một nhiều. Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm
2011, ở Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% cơng
suất cho tồn hệ thống với tổng cơng suất khoảng 27 nghìn MW; phần cịn 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 cơng suất
khoảng 1500 MW; cịn 49 nhà máy thủy điện lớn 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 sơng suối có chiều dài từ 10km trở lên trong đó có nhiều
sơng lớn bắt nguồn từ nước ngồi, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích
lãnh thổ của nước ta, vì vậy trữ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm.
trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng cơng suất lắp.
Cơng 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 cơng trình thủy điện đường dẫn thường sử dụng một 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 cơng trình là việc bình thường thì tất cả các hạng mục trên tuyến năng lượng
phải đảm bảo vận hành an toàn trong mọi chế độ làm việc của nhà máy.
Trong cơng tác tính tốn và thiết kế các hạng mục cơng trình, đặc biệt là tuyến
kênh dẫn của trạm thủy điện ngồi tính tốn chế độ thủy lực trong trạng thái ổn


2
định, cịn phải giải quyết bài tốn dịng khơng ổn định trong các chế độ chuyển tiếp.

Đối với dịng khơng ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng
dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dịng khơng ổn định biến đổi gấp)
nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mơ tả sự dịch chuyển
của sóng gián đoạn, khơng phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho
một đoạn dịng chảy có chứa sóng gián đoạn.
Một số cơ quan tư vấn trong nước đã thực hiện việc tính tốn chế độ không ổn
định trong các chế độ chuyển tiếp cho kênh dẫn nhưng mới chỉ sử dụng cơng thức
gần đúng tính toán ra chiều cao mực nước dềnh tại cuối kênh mà chưa mơ phỏng
được q trình hình thành và truyền sóng nên kết quả tính tốn khơng chính xác và
khơng xác định được 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 dịng khơng 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 cơng 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, mơ hình tốn dịng khơng 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 cứu cơ sở lý thuyết về chuyển động khơng ổn định trong lịng dẫn
hở.
- Nghiên cứu các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện
- Ứng dụng phương pháp số phân tích dịng khơng 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 tốn thiết kể bể áp lực cuối kênh dẫn của trạm thủy điện


4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện
Các cơng trình chuyển nước từ cửa nước vào tới nhà máy thuỷ điện và từ nhà
máy xuống hạ lưu được gọi chung là cơng trình dẫn nước của trạm thuỷ điện. Tuyến
các cơng trình dọc theo các cơng trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện còn được
gọi là tuyến năng lượng. Tuỳ theo điều kiện cụ thể của từng cơng 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 khơng 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 cơng 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 khơng q
35÷40m. Ở đây tồn bộ hệ thống cơng trình tập trung trên một tuyến. Bản thân nhà
máy là một phần của cơng trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu
áp lực nước thượng lưu. Cửa lấy 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 khơng 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. Nếu đập dâng
nước là đập bêtơng trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước, tuabin được

6
bố trí trong thân đập bêtơng. Khoảng cách giữa đập và nhà máy thường đủ để bố trí
các phịng 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; cịn 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 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; tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều cách bố


7
trí khác nhau, tùy thuộc vào từng cơng trình. Đường dẫn nước thường là đường ống
áp lực. Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục cơng trình và nằm tập
trung theo hai khu vực; khu cơng trình đầu mối gồm cơng trình ngăn dịng, cơng
trình xả lũ, cơng trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có
áp hoặc khơng áp.
Ở nước ta kiểu nhà máy thủy điện đường dẫn rất phổ biến, hầu hết 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), Sơng 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 thủy điện và kênh xả


8
Sơ đồ dùng đường hầm dẫn nước: Các hạng mục cơng 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 cuối 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
khơng cần bố trí tràn xả thừa ở cuối kênh.

Ưu điểm điểm của loại 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. Ngồi ra, phần dung tích nằm trên phần
mặt nước dịng đều cịn đóng vai trị 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 đó 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
h1 - độ sâu mực nước đầu kênh; h2 - độ sâu mực nước cuối kênh;
h0 - 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, dịng 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 khơng 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 khơng 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 hầm phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và
điều kiện thi cơng. 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 cơng, tuyến đường hầm có
thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán kính khơng
nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt khơng vượt q 60o.
Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki-lơ-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 khơng áp: có nhiều tiết diện khác nhau tùy theo điều
kiện địa chất mà tuyến đi qua. Đường hầm dẫn nước 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 khơng 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 thể sử dụng tiết diện hình chữ nhật đáy bằng,
trần vịm . Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo phương đứng khơng lớn
và khơng có áp lực hơng của đất lên vỏ hầm thì có thể sử dụng tiết diện với trần là
nửa hình trịn .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 trịn. 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. Ngồi ra, khi sử dụng tiết diện trịn, 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 khơng nhỏ hơn 0,02Mpa. Kích thước tối thiểu của đường
hầm phải đảm bảo điều kiện an tồn thi cơng 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 khơng 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)
hoặc 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 cơng 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 cịn giảm tổn thất năng lượng trên
tuyến dẫn. Nhược điểm là tuyến kênh thường dài, đi vịng vèo làm cho khối lượng
các cơng trình phụ trợ (đường thi cơng) cũng nhiều, ngồi ra cịn có các cơng trình
dẫn nước phụ như xi phơng, cầu máng, ống dẫn ngược .v.v.... Dòng chảy trong kênh
là dịng khơng áp, cần thiết kế mặt cắt hợp lý để đảm bảo điều kiện khơng lắng và
khơng xói bờ kênh.

Về mặt thi công: Hầu hết là thi công hở nên có thể bố trí thi cơng dễ dàng hơn
so với cơng trình ngầm. Nhưng nhược điểm của kênh dẫn là chiếm nhiều diện tích
bề mặt, đơi khi tuyến đi qua các cơng trình dân dụng như: nhà ở, đường xá, cầu
cống .v.v...thì cần có các biện pháp thi cơng 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 cơng 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 khơng
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 địi hỏi kích thước hầm
phải lớn. Dùng đường hầm có áp giúp tăng độ sâu cơng tác của các hồ chứa, nên
chúng thường được dùng cho các cơng trình thủy điện có hồ lớn làm nhiệm vụ điều
tiết lưu lượng, mực nước thượng lưu thay đổi nhiều.
Về mặt thi cơng: Đường hầm khơng 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 với
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 lịng đất nên nó ít bị
ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, đặc biệt khi thời tiết thay đổi do đó tuổi thọ
của cơng trình cao hơn, khơng phải kiểm tra. Tuy nhiên nếu không may gặp sự cố

thì cơng tác sửa chữa gặp nhiều khó khăn. Trong thực tế có cơng 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 đường ống
áp lực là một phần của cơng trình dẫn nước, cịn 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 cơng trình có tuyến đường dẫn dài người
ta kết hợp đường ống và các cơng 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 cơng suất, cột nước, lưu lượng, số vịng 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 tồn bộ hệ thống cơng 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 cơng 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 q trình điều chỉnh, và
về mặt năng lượng 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
cơng trình thủy điện cần thiết phải xét đến các đặc trưng cơ bản của các quá trình
chuyển tiếp trong các bộ phận cơng 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 thống 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 khơng ổn định trong lịng 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 dịng khơng ổn định trong lịng dẫn hở đặc biệt là dịng khơng ổn
định biến đổi gấp. Các nghiên cứu này đã được ứng dụng tính tốn cho nhiều bài
tốn thực tế như bài tốn vở đập, dịng chảy trên âu thuyền vv.. Tuy nhiên, theo
tìm hiểu của tác giả việc tính tốn xác định các đặc trưng dịng 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 q tính tốn
khơng 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 cơng
trình trên tuyến năng lượng của trạm thủy điện. Trong thực tế tùy thuộc vào điều

kiện địa hình, địa chất cụ thể của các cơng 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 khơng áp, hầm có áp, đường ống áp lực, hoặc có thể kết hợp các loại
trên thành cơng 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 tốn thiết kế tuyến kênh dẫn, việc tính tốn xác định các đặc trưng dịng
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 TỐN DỊNG KHƠNG ỔN ĐỊNH
TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP
CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
Trong cơng tác tính tốn và thiết kế các trạm thủy điện ngồi tính tốn chế độ
thủy lực trong trạng thái ổn định cịn phải giải quyết bài tốn dịng khơng ổn định ở

các cơng trình dẫn nước như kênh hở, đường hầm, giếng điều áp, đường ống tuốc
bin và kênh xả. Đây là bài toán phức tạp. Về mặt cơ sở lý luận, đó là hệ phương
trình vi phân cơ bản của dịng 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 tốn rất phức tạp.
Đối với dịng khơng ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng
dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dịng khơng ổn định biến đổi gấp)
nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mơ tả sự dịch chuyển
của sóng gián đoạn, khơng phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho
một đoạn dịng chảy có chứa sóng gián đoạn. Trong chương này, tác giả nghiên cứu
xây dựng thuật tốn để viết chương trình phần mềm tính tốn các đặc trưng sóng
tăng áp, sóng giảm áp trong kênh dẫn ở các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện.
2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dịng khơng 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 dịng khơng ổn định

thay đổi gấp theo khơng gian hoặc thời gian. Chương này nghiên cứu dịng khơng
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 dịng 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