(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng cơng trình thuỷ với đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu
phần trên nước nhà máy thủy điện” được hồn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu
quả của phịng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa cơng trình cùng các thầy, cô giáo, các bộ
môn của trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:
TS. Trịnh Quốc Công đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài
liệu thơng tin khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới:
Phòng Đào tạo ĐH và SĐH, khoa cơng trình, các thầy cơ giáo đã tham gia
giảng dạy trực tiếp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong
gia đình đã động khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày
hôm nay.
Hà Nội, tháng 03 năm
2015 Tác giả

Vũ Ngọc Minh


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Vũ Ngọc
Minh

Học

viên

lớp:

20C11
Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động do sự làm việc
của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy 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 của Nhà trường.
Học viên

Vũ Ngọc Minh


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 3
1.1.

Tổng quan về nhà máy thủy điện....................................................... 3

1.1.1.

Phân loại nhà máy thủy điện............................................................ 4

1.1.2.

Kết cấu nhà máy thủy điện............................................................. 13

1.2. Đặc điểm chịu lực của kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện....13

1.3. Các nghiên cứu về kết cấu nhà máy thủy điện.......................................... 14
1.4. Tích cấp thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài....................................... 15
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................... 16
2.1.

Các phương pháp phân tích kết cấu................................................. 16
2.1.1.

Các phương pháp phân tích kết cấu................................................ 16

2.1.2.

Phương pháp phần tử hữu hạn........................................................ 16

2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu chịu tải trọng động............................... 22
2.2.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính............................................................ 23
2.2.2. Xác định lực cản Damping.................................................................... 24
2.2.3. Xác định lực qn tính.......................................................................... 26
2.2.4. Phương pháp Newmark giải phương trình chuyển động.......................26
2.3. Kết luận chương 2..................................................................................... 28
CHƯƠNG III: LẬP BÀI TỐN PHÂN TÍCH KẾT CẤU PHẦN TRÊN
NƯỚC NMTĐ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG DO CÁC CHẾ
ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CẦU TRỤC GÂY LÊN, ÁP DỤNG CHO CƠNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN SUỐI SẬP 3...................................................................... 29
3.1. Nhà máy thủy điện Suối Sập 3.................................................................. 29
3.1.1. Giới thiệu chung về cơng trình.............................................................. 29
3.1.2. Các điều kiện tự nhiên cơng trình......................................................... 33
3.1.3. Các hạng mục cơng trình chủ yếu......................................................... 37
3.2. Kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện Suối Sập 3......................40
3.3. Các trường hợp tính tốn:......................................................................... 42

3.4. Lựa chọn mơ hình tính tốn kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện
Suối Sập 3 và các thơng số cơ bản của mơ hình..................................................42
3.5. Các lực tác dụng và tổ hợp lực................................................................. 45
3.5.1. Trọng lượng bản thân kết cấu:............................................................... 45
3.5.2. Tải trọng gió.......................................................................................... 45
3.5.3. Áp lực bánh xe của cầu trục:................................................................. 47
3.5.4. Lực hãm ngang...................................................................................... 48
3.5.5. Tải trong do va đập của cầu trục vào gối chắn đường ray.....................48
3.6. Kết quả tính tốn....................................................................................... 49
3.6.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy khi cầu trục di
chuyển dọc nhà máy......................................................................................... 49
3.6.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy trường hợp xe con
nâng vật và phanh hãm.....................................................................................52
3.6.3. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy với trường hợp cầu
trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray....................................................... 55
3.6.4. Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu nhà máy chịu tải trọng động
với trường hợp nâng tải của cầu trục................................................................ 58
3.7. So sánh, phân tích kết quả........................................................................ 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 69


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Nhà máy thủy điện ngang đập...................................................................4
Hình 1-2. Mặt cắt ngang nhà máy thủy điện sau đập................................................6
Hình 1-3. Nhà máy thúy điện đường dẫn lắp Turbin gáo..........................................7
Hình 1-4. Các loại kết cấu gian máy nhà máy thủy điện ngầm và nửa ngầm............8
Hình 1-5. Sơ đồ các dạng nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ...................11

Hình 2-1. Các dạng biên chung giữa các phần tử....................................................17
Hình 2-2. Các dạng phần tử hữu hạn thường gặp....................................................18
Hình 2-3. Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác.....................................19
Hình 2-4. Sơ đồ khối của chương trình PTHH........................................................22
Hình 2-5. Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do..............................23
Hình 2-6: Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do..............................24
Hình 3-1. Sơ đồ khung ngang nhà máy thủy điện Suối Sập 3.................................41
Hình 3-2. Sơ đồ cắt dọc hệ khung nhà máy thủy điện Suối Sập 3...........................41
Hình 3-3. Mơ hình tính được xây dựng trong Sap...................................................44
Hình 3-4. Cách đánh số thanh phần tử....................................................................44
Hình 3-5. Mơ hình tính được xây dựng trong ADINA............................................45
Hình 3-6. Sơ đồ tải trọng gió...................................................................................46
Hình 3-7. Tải trọng gió............................................................................................47
Hình 3-8. Chuyển vị tổng của mơ hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà
máy.......................................................................................................................... 49
Hình 3-9. Biểu đồ bao lực dọc của mơ hình với trường hợp cầu trục di chuyển dọc
nhà máy................................................................................................................... 50
Hình 3-10. Biểu đồ bao lực cắt V2 của mơ hình với trường hợp cầu trục di chuyển
dọc nhà máy............................................................................................................50
Hình 3-11. Biểu đồ bao lực cắt V3 của mơ hình với trường hợp cầu trục di chuyển
dọc nhà máy............................................................................................................51


Hình 3-12. Biểu đồ bao Moment M3 của mơ hình với trường hợp cầu trục di
chuyển dọc nhà máy................................................................................................51
Hình 3-13. Chuyển vị tổng của mơ hình với trường hợp phanh hãm cầu trục.........52
Hình 3-14. Biểu đồ lực dọc của mơ hình với trường hợp phanh hãm cầu trục........53
Hình 3-15 Biểu đồ lực cắt V2 của mơ hình với trường hợp phanh hãm cầu trục....53
Hình 3-16. Biểu đồ lực cắt V3 của mơ hình với trường hợp phanh hãm cầu trục. . .54
Hình 3-17. Biểu đồ Moment M3 của mơ hình với trường hợp phanh hãm cầu trục.......54

Hình 3-18. Chuyển vị tổng của mơ hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối
chắn cuối đường ray................................................................................................55
Hình 3-19. Biểu đồ lực dọc của mơ hình với trường hợp cầu trục va chạm vào gối
chắn cuối đường ray................................................................................................56
Hình 3-20. Biểu đồ lực cắt V2 của mơ hình với trường hợp cầu trục va chạm vào
gối chắn cuối đường ray..........................................................................................56
Hình 3-21. Biểu đồ lực cắt V3 của mơ hình với trường hợp cầu trục va chạm vào
gối chắn cuối đường ray..........................................................................................57
Hình 3-22. Biểu đồ Moment M3 của mơ hình với trường hợp cầu trục va chạm vào
gối chắn cuối đường ray..........................................................................................57
Hình 3-23. Biểu đồ lực dọc của mơ hình với trường hợp nâng tải cầu trục.............58
Hình 3-24. Biểu đồ lực cắt V2 của mơ hình với trường hợp nâng tải cầu trục........59
Hình 3-25. Biểu đồ moment M3 của mơ hình với trường hợp nâng tải cầu trục.....59
Hình 3-26. Biểu đồ chuyển vị của điểm 62.............................................................60


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Các thơng số chính của cơng trình..........................................................29
Bảng 3.2: Quy mơ hạng mục cơng trình..................................................................31
Bảng 3.3: Các thơng số cơ bản về khí tượng - thủy văn.........................................33
Bảng 3.4: Thống kê kết quả tính tốn ứng suất các trường hợp.............................60
Bảng 3.5: Thống kê kết quả tính tốn chuyển vị các trường hợp...........................61
Bảng 3.6: Thơng số thép I600.................................................................................64
Bảng 3.7: Thông số thép I450.................................................................................65


1

MỞ ĐẦU
I. 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 ngày một
nhiều. Trong các thành phần cơng trình của trạm thủy điện thì nhà máy thủy điện là
một hạng mục cơng trình quan trọng, chiếm tỉ lệ vốn đầu tư tương đối lớn. Nhà máy
thủy điện là một kết cấu khối lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống
bên trong. Nhà máy thủy điện được chia thành hai phần: phần trên nước và phần
dưới nước. Tồn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn
định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động
trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa vì vậy khâu tính tốn kết cấu nhà
máy đóng vai trị rất quan trọng.
Hiện nay, tại các cơng ty thiết kế, khi tính tốn kết cấu phần trên nước của
nhà máy thủy điện chịu tai trọng động do cầu trục trong nhà máy gây lên thường chỉ
dùng phương pháp giả tĩnh nghĩa là coi tải trọng động bằng trọng lượng tĩnh nhân
với hệ số động. Mặt khác khi tính tốn kết cấu phần trên nước chỉ xét đến các lực
gây mômen uốn trong mặt phẳng vuông góc với trục nhà máy mà chưa xét đến các
lực tác dụng theo phuơng dọc trục nhà máy sinh ra trong quá trình cầu trục di
chuyển dọc nhà máy hoặc quá trình phanh hãm cầu trục gây lên. Do vậy kết quả
tính tốn khơng phản ánh đuợc sự ứng xử của kết cấu phần trên nước trong suốt quá
trình vận hành của nhà máy.
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích kết cấu phần trên nước
nhà máy thủy điện chịu tải trọng động do các chế độ làm việc khác nhau của cầu
trục gây lên là cần thiết. Học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải
trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy
thủy điện” sẽ đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng động gây nên bởi các chế độ
làm việc khác nhau của cầu trục từ đó có các kiến nghị cho các nhà thiết kế tính
tốn thiết kế hợp lý kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện.


II. Mục đích của Đề tài.

Xây dựng mộ hình phân tích kết cấu phần trên nước nhà máy thủy điện chịu
các tải trọng động do các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục trong nhà máy
gây lên như:
- Trường hợp nâng tải của cầu trục
- Trường hợp cầu trục di chuyển dọc nhà máy
- Trường hợp cầu trục va chạm vào gối chắn cuối đường ray
Phân tích kết quả ứng suất biến dạng của kết cấu cho các trường hợp khác
nhau từ đó rút ra được ảnh hưởng của tải trọng động do cầu trục làm việc gây ra
đối với kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện.
III. 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 dao động, phương trình vi phân mô tả
chuyển động của hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động cưỡng bức
- Nghiên cứu các phương pháp phân tích kết cấu chịu tác dụng tải trọng
động.
- Đề xuất phương pháp phân tích kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy
điện chịu tải trọng động do cầu trục di chuyển gây ra cho các trường hợp khác
nhau như: Trường hợp nâng tải, trường hợp di chuyển và trường hợp phanh hãm
cầu trục
- Xây dựng mộ hình 3-D phần trên nước nhà máy thủy điện chịu các tải
trọng tĩnh và tại trọng động bằng phần mềm Phần tử hữu hạn có các module phân
tích động cho các trường hợp
- Phân tích, đánh giá kết quả


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhà máy thủy điện.
Từ hơn 2000 năm trước người Hi Lạp cổ đại đã biết khai thác sức nước bằng
việc sử dụng các bánh xe guồng nước để xay gạo. Năm 1880, nhà phát minh người

Mỹ Lester A. Pelton khám phá ra nguyên lý phát điện từ sức nước trong một
chuyến thăm mỏ khai thác vàng gần nhà. Những người thợ mỏ đã đặt các guồng
quay bằng gỗ bên dòng suối. Nước chảy làm quay trục guồng, từ đó làm quay
những chiếc cối xay đá sa khoáng chứa vàng.
Do nắm rõ nguyên lý phát điện từ những chiếc trục quay, khơng khó để nhà
khoa học này thay chiếc guồng gỗ bằng một máy phát điện. Chỉ hai năm sau, nhà
máy thủy điện đầu tiên trên thế giới được H.J. Rogers xây dựng tại bang Wisconsin
(Hoa Kỳ), mở ra một kỷ nguyên thủy điện cho nhân loại.
Theo hội đồng năng lượng quốc tế (WEC), thủy điện đang đóng góp 20%
tổng cơng suất điện năng trên toàn thế giới, tương đương 2.600 TWh/năm. Na Uy là
nước mà 100% điện năng được sản xuất từ thủy điện. Những nước có thủy điện
chiếm hơn 50% cũng rất nhiều, như: Icela (83%), Áo (67%). Canada hiện là nước
sản xuất thủy điện lớn nhất thế giới, với tổng công suất gần 400 nghìn GWh, đáp
ứng hơn 70% nhu cầu nước này. Tiềm năng của nguồn điện xanh này còn rất lớn,
bởi WEC đã ước tính, trên tồn cầu, cơng suất thủy điện có thể đạt đến 14.400
TWh/năm....
Nguồn thuỷ năng ở nước ta rất lớn, trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỉ kWh với
khoảng 21 triệu kW công suất lắp máy, được quan tâm phát triển khá sớm (Nhà
máy thủy điện Đa Nhim: 160MW, Thác Bà: 108MW). Trong những năm gần đây
đã phát triển nhiều nhà máy với công suất khá lớn (Nhà máy thủy điện Hịa Bình:
1920MW, Yaly: 720MW, Trị An: 400MW, Hàm Thuận: 300MW…) và sắp tới đưa
vào sử dụng nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thủy điện Sơn La:
2400MW, Sêsan 4: 340MW, Sêsan 3: 259MW, Na Hang: 300MW, Đồng Nai 4:
280MW…) và nhiều nhà máy khác nhưng chúng ta mới chỉ khai thác được rất ít
khoảng 20% .


Tuy nhiên thủy điện đã chiếm tỉ trọng khá lớn, khoảng 60% công suất của hệ
thống điện Việt Nam. Trong tương lai khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao địi
hỏi nhiều năng lượng điện thì thủy điện là nguồn năng lựong cần phải khai khác

triệt để do giá thành rẻ và nguồn than đá để phát triển nhiệt điện đã khơng cịn
nhiều. Ngồi ra thủy điện cịn có vai trò quan trọng trong lợi dụng tổng hợp và
phòng chống thiên tai.

Hình 1-1. Nhà máy thủy điện ngang đập
Nhà máy thủy điện (NMTD) là một hạng mục chủ yếu của một trạm thủy
điện, là một cơng trình thủy cơng trong đó bố trí các thiết bị động lực (turbin, máy
phát điện) 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. Có thể nói
đây là một xưởng sản xuất điện năng của cơng trình thủy điện. Loại kết cấu nhà
máy phải đảm bảo sự làm việc an toàn của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành.
1.1.1. Phân loại nhà máy thủy điện.
Trong thực tế nhà máy thủy điện có thể phân đơn giản làm 2 loại:
- Các loại nhà máy thông thường: Nhà máy không kết hợp: Nhà máy lịng
sơng, nhà máy sau đập, nhà máy đường dẫn


- Các loại nhà máy đặc biệt: Nhà máy ngầm, nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy
trong than đập, v.v..
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 1 tuyến. Bản thân nhà
máy là 1 phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu áp
lực nước thượng lưu. Cửa lấy nước cũng là thành phần bản thân nhà máy.
Một đặc điểm 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 cơng suất nhà máy trong thời
kỳ 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. Nếu nghiên cứu bố trí 1 cách hợp lý
cơng trình xả lũ trong đoạn tổ máy thì khi tràn làm việc có thể tạo thành những vị

trí có thể tăng cột nước cơng tác do hiệu quả phun xiết.
Đối với nhà máy thủy điện ngang đập, cột nước thấp lưu lượng lớn, chiều dài
đoạn tổ máy thường được xác định theo kích thước bao ngồi buồng xoắn và ống
hút. Chiều ngang đoạn tổ máy theo chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy
phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn tuabin và chiều dài ống hút,
đồng thời việc tính tốn ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ đến kích
thước phần dưới nước của nhà máy, đặc biệt nền mềm.
Để giảm chiều cao phần dưới nước của nhà máy, trong thiết kế thường áp
dụng mặt cắt hình chữ T hường xuống với đỉnh bằng, như vậy có thể cho phép rút
ngắn chiều cao tầng tuabin và máy phát đặt gần tuabin hơn.
Để đảm bảo ổn định chống trượt và ứng suất đáy nền không vượt quá trị số
cho phép, tấm đáy của nhà máy thủy điện ngang đập nằm trên nền mềm thường có
kích thước rất lớn. Lợi dụng chiều dày tấm đáy người ta bố trí ở thượng lưu cửa lấy
nước hành trang kiểm tra và thu nước. (Hình 1-1)


1.1.1.2. Nhà máy thủy điện sau đập
Nhà

máy

thủy điện sau đập

thường

dùng

với

cột

nước

từ

35÷40m≤H≤250÷300m và có thể lớn hơn nữa. Nhà máy được bố trí ngay sau đập
dâng nước. Nhà máy khơng trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết
cầu phần dưới nước và biện pháp chống thấm đỡphức tạp hơn nhà máy ngang đập
dâng. Nếu đập dâng nước là bê tơng trọng lực thì thì cửa lấy nước và đường ống
dẫn nước Tuabin được bố trí trong thân đập bê tông . Khoảng cách giữa thân đập và
nhà máy thường đủ để bố trí các phịng và máy biến thế (máy nâng điện áp). (Hình
1-2)

Hình 1-2. Mặt cắt ngang nhà máy thủy điện sau đập.
Trong một số trường hợp nếu không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất hạ lưu
đập để giảm khối lượng bê tông và chiều dài đường ống dẫn nước vào tuabin người
ta thường đặt lấn nhà máy vào thân đập.
Tùy thuộc vào côt 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 bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà máy,
cịn hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu. (Hình 1-2)
1.1.1.3. Nhà máy thủy điện đường dẫn
Nhà máy thủy điện đường dẫn và nhà máy thủy điện sau đập có một số đặc
điểm kết cấu giống nhau. Cả 2 loại nhà máy đều dùng đường ống dẫn nước vào


tuabin. Cũng giống như nhà máy sau đập, loại nhà máy thủy điện đường dẫn không
trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu.
Nhà máy thủy điện đường dẫn pham vi sử dụng cột nước rất rộng từ 2÷3m
đến 1700÷2000m.

Nhà máy thủy điện đường dẫn ống áp lực đặt lộ thiên có thể sử dụng cột
nước đến 2000m. Với cột nước từ 500÷600m trở lên thường dùng tuabin gáo, tổ
máy trục đứng hoặc trục ngang (Hình 1-3)

Hình 1-3. Nhà máy thúy điện đường dẫn lắp Turbin gáo.
Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục cơng trình và nằm tập
trung theo 2 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.
Ngồi cách phân loại trên nhà máy thủy điện còn được phân loại theo vị trí
tương đối của nhà máy trong bố trí tổng thể: Nhà máy thủy điện trên mặt đất, nhà
máy thủy điện ngầm được bố trí tồn bộ trong long đất, nhà máy thủy điện nửa
ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lịng đất, phần mái che có
thể bố trí trên mặt đất.
Nhà máy thủy điện ngầm:


Kết cấu của nhà máy thủy điện ngầm phụ thuộc rất ít vào phương thức tập
trung cột nước mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện địa hình và cấu trúc địa chất.
Nó có thể xây dựng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau, từ đá có cường độ
cao cho đến yếu, ở những nơi địa hình phức tạp, địa chất tầng trên xấu, nếu địa
chất dưới sâu tốt cho phép xây dựng nhà máy thủyđiện ngầm thì khối lượng đào
đắp sẽ giảm, tuyến đường ống áp lực dẫn vào tuabin ngắn, áp lực nước va giảm
vào có lợi cho việc điều chỉnh tổ máy.

Hình 1-4. Các loại kết cấu gian máy nhà máy thủy điện ngầm và nửa ngầm.
Tùy thuộc vào cường độ của đá, kết cấu tường và ngầm của nhà máy thủy
điện cũng khác nhau. Hình 4-4 thể hiện các loại kết cấu của nhà máy Thủy điện
ngầm và nửa ngầm.
Với cường độ đá rất cứng, ko có áp lực bên và áp lực đứng rất nhỏ, nếu đá

cứng thuộc cấp 8÷10 thì khơng cần phải xây vịm bê tơng chịu lực mà chỉ cần trát
tường (sơ đồ I).
Khi cường độ đá thấp hơn và có áp lực đứng thì phải xây vịm chịu lực.
Trong trường hợp này có thể có 2 cách: áp lực đất đá và tải trọng cầu trục thông qua


chân vòm truyền xuống khối đá (sơ đồ IIb) hoặc chỉ có tải trọng cầu trục thơng qua
hệ thống dầm và trụ cột truyền xuống khối đá (sơ đồ II).
Trong trường hợp đá có cường độ yếu, có áp lực đứng và ngang, sự nứt nẻ
nhiều và phịng hóa mạnh thì phải xây tường và vịm chịu lực (sơ đồ III). Đất đá có
cường độ q yều thì áp dụng kết cấu hình móng ngựa, kết cấu này đàm bảo chống
được áp lực đứng và ngang rất tốt (sơ đồ IV).
Khi nhà máy đặt ở cao trình khơng sâu lắm thường áp dụng kết cấu kiểu sơ
đồ V, phần nhà máy có thể có một phần nổi trên mặt đất, hoặc sau khi xây xong lấp
đất lại. Loại nhà máy này thường gọi kiểu nửa ngầm.
Sự phối hợp giữa các cơng trình ngầm được xác định bởi vị trí bố trí các
thiết bị chính và phụ. Trong thiết kế xây dựng nhà máy thủy điện ngầm, người ta
nghiên cứu lựa chọn phương án bố trí các thiết bị chính và phụ hợp lý phù hợp với
điều kiện thực tế của cơng trình. Ở nhà máy thủy điện ngầm việc bố trí máy biến
thế là một vấn đề lớn ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và bố trí các thiết bị chính trong
nhà máy. Người ta chỉ bố trí máy biến thế trên mặt đất khi nhà máy nằm không sâu
lắm, cịn nói chung là phải đặt dưới mặt đất, ở bên cạnh nhà máy trong hành lang
riêng hoặc ngay trong nhà máy.
Khi phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và điều kiện vận hành nhà máy
thủy điện ngầm người ta nhận thấy nó có một số ưu điểm sau:
- Lợi dùng cường độ cao của vòm đá để chuyển 1 phần tải trọng của kết cấu
của nhà máy và thiết bị xuống nền móng và do đó giảm nhẹ kết cấu chịu lực.
- Cơng trình xây dựng trong điều kiện địa chất vững chắc, an toàn cao, khả
năng an tồn quốc phịng tốt.
- Có thể thi cơng lắp ráp liên tục, không phụ thuộc điều kiện thời tiết khí hậu.

- Thiết bị vận hành trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ ổn định giảm được
ứng suất trong thiết bị.
- Nếu điều kiện địa chất tốt có thể bố trí nhà máy trong vị trí bất kỳ trên
tuyến đường dẫn khơng phụ thuộc điều kiện địa hình.
Tuyến dẫn nước có áp ngắn vì đi thẳng, tổn thất cột nước nhỏ, đường ống
tuabin có dạng giếng đứng hoặc giếng nghiêng, áp lực nước va giảm, tổ máy làm
việc ổn định.


Song ở nhà máy thủy điện ngầm có một số nhược điểm: Khối lượng thi công
lớn, yêu cầu kỹ thuật cao, u cầu về thơng gió, thốt nước, ánh sáng phải đảm bảo
mới thỏa mãn điều kiện làm việc của nhân việc vận hành.
Về đặc điểm kết cấu của ba loại cơ bản trên, nhà máy thủy điện cịn có nhiều
dạng kết cấu đặc biết khác như nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy trong thân đập bê
tông trọng lực, trong trụ pin, nhà máy thủy điện ngang đập với tuabin Capxul, nhà
máy thủy điện tích năng, nhà máy thủy điện thủy triều.v.v.
- Nhà máy thủy điện kết hợp xả lũ
Trong thiết kế và thí nghiệm, người ta đã đề ra và thửnghiệm rất nhiều
phương án kết hợp xả lũ qua nhà máy, nhưng trong thực tế xây dựng phổ biến hơn
cả có 3 loại: Nhà máy kết hợp xả mái, xả mặt (trên buồng xoắn) và xả đáy (dưới
buồng xoắn).
Phần dưới nước của nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ có nhiều
dạng kết cấu khác nhau tùy thuộc vào cột nước và kích thước tổ máy. (Hình 4-5)
Với cột nước từ 25÷40m thường bố trí nhà máy thủy điện trong thân đập tràn
theo sơ đồ I (nhà máy kết hợp xả mái). Các phòng phụ và phịng đặt thiết bị phụ bố
trí trên tầng ống hút.
Ở các trạm thủy điện có cột nước thấp, đường kính bánh xe cơng các D1 lớn,
cơng trình tràn xả lũ thường áp dụng sơ đồ II. Nhược điểm của sơ đồ này là nắp đậy
trên gian máy yêu cầu tuyệt đối kín.
Sơ đồ I

Sơ đồ II


Sơ đồ III

Sơ đồ IV

Hình 1-5. Sơ đồ các dạng nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ.


Để khắc phục nhược điểm của các sơ đồ trên, trong thiết kế người ta nghiên
cứu bố trí cơng trình xả lũ trên buồng xoắn theo sơ đồ III (nhà máy thủy điện kết
hợp xả mặt). Với sơ đồ này trục tổ máy dài dẫn đến kết cấu phần dưới nước tăng.
Hoặc như kết cấu sơ đồ IV cơng trình xả lũ có áp trên buồng xoắn.
Loại sơ đồ này có thể áp dụng với các cột nước khác nhau. Nhược điểm cửa
lấy nước tuabin đặt sâu, tải trọng cửa van lớn, thao tác không thuận tiện, trục tổ
máy dài kết cấu phần dưới nước tăng. Trong thiết kế vận hành các trạm thủy điện
loại lớn người ta thấy rằng áp dụng sơ đồ V bố trí cơng trình xả lũ có áp dưới
buồng xoắn là tốt nhất. Với sơ đồ này để giảm độ sâu móng nhà máy thường áp
dụng buồng xoắn bê tơng đối xứng có mặt cắt hướng lên trên và tăng chiều cao
ống hút, như vậy có thể giảm được kích thước phần dưới nước nhà máy.
Ưu điểm chung của các nhà máy kết hợp xả lũ:
- Rút ngắn được chiều dài đường tràn bê tông của cơng trình xả lũ.
- Nhờ hiệu quả phun xiết làm tăng cột nước công tác vào mùa lũ.
- Thuận lợi để bố trí cơng trình ở những nơi tuyến hẹp.
Tuy vậy nhà máy thủy điện kết hợp xả lũ có một số nhược điểm:
- Do bố trí đường xả lũ chiều rộng khối tổ máy thường tăng 5÷10%, thi
cơng khó khăn hơn.
- Vận hành nhà máy kết hợp xả lũ phức tạp vì phải có quy trình phối hợp

xả lũ.
- Nhà máy ẩm ướt vì bụi nước, khi xả lũ nhà máy có thể rung động.
Trong sơ đồ thể hiện việc bố trí một cách hợp lý các phịng thiết bị phụ tổ
máy.
Cột nước cơng tác Hmax có liên quan đến loại tuabin bố trí trong nhà máy. Ở
trạm thủy điện cột nước cao bố trí tuabin tâm trục với tỉ tốc bé và khi Hmax>500m
sử dụng tuabin gáo. Ở trạm thủy điện cột nước trung bình thường bố trí các loại
tuabin tâm trục với các tỉ tốc từ lớn đến bé và trong một số trường hợp cột nước
Hmax>150m có thể sử dụng tuabin cánh chéo. Ở trạm thủy điện cột nước thấp
thuờng bố trí tuabin cánh quay hoặc tuabin cánh quạt và cũng có thể bố trí các
tuabin tâm trục tỉ tốc lớn hoặc tuabin cánh chéo.


Đối với trạm thủy điện sử dụng tuabin gáo, hình thức lắp máy có thể trục
đứng hoặc trục ngang khơng phụ thuộc vào công suất lắp máy mà phụ thuộc vào số
lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu cơng trình cụ thể.
1.1.2. Kết cấu nhà máy thủy điện
Kết cấu nhà máy thủy điện được chia làm hai phần: phần dưới nước (khối bê
tơng phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ. Phần
trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp – sửa chữa, gian máy bố trí máy phát
điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin.
Kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xoắn, ống hút, bệ
máy phát, đường ống Turbin. Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nước
ngoài buồng xoắn, ống hút, bệ máy cịn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào
buồng xoắn. Với nhà máy thủy điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ
yếu là kênh xả dẫn nứơc ra hạ lưu.
Dọc theo chiều dài nhà máy (vng góc với chiều dịng chảy) phần dưới
nước gồm nhiều khối tuabin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp. Tùy điều kiện
địa chất nền và chiều dài nhà máy, tồn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoặc
cách nhau bằng những khe lún cắt ngang nhà máy thành từng khối. Trong mỗi khối

gồm từ một hoặc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp máy do chịu tải trọng khác nên
thường được tách riêng khỏi các khối tuabin.
Ở tầng tuabin thường bố trí các hệ thống thiết bị phụ gồm: hệ thống thiết bị
cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo
nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rị rỉ nhà máy.v.v. Ngồi ra cịn bố trí các
kho chứa và một số phịng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh.
Dưới sàn lắp ráp bố trí các xưởng, kho, máy bơm, giếng tập trung nước
1.2. Đặc điểm chịu lực của kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện
Kết cấu và kích thước phần trên nước nhà máy thủy điện có liên quan chặt
chẽ đến việc bố trí thiết bị trong gian máy. Phần xây lắp bên trên của nhà máy thủy
điện có thể dung một trong các hình thức sau: nhà máy kín, nhà máy hở, nhà máy
nửa hở.


Nhìn chung các hình thức nhà máy đều có chung một hệ thống kết cấu chịu
lực bao gồm các kết cấu cơ bản: Móng, dầm móng, cột dầm cầu trục, kết cấu mang
lực mái, kết cấu đỡ kết cấu mang lực mái, kết cấu đỡ sàn, hệ khung chống gió, hệ
giằng… Kết cấu chịu lực nhận tải trọng của phần trên nhà máy truyền xuống kết
cấu phần dưới nhà máy.
Các tải trọng chủ yếu bao gồm:
- Tải trọng cố định như trọng lượng bản thân kết cấu xây dựng, tải trọng
của máy móc, trang thiết bị bố trí cố định trên mái, trên sàn, nền,…
- Tải trọng tạm thời như tải trọng của con người, tải trọng của hệ thống vận
chuyển giao thong vận chuyển không cố định, tải trọng của nguyên vật
liệu, áp lực gió…
Hệ thống kết cấu chịu lực thường được phân thành kết cấu chịu lực theo
phương đứng (như cột,…) và theo phương ngang (như kết cấu mang lực mái, dầm
cầu trục, hệ giằng). Trong một số trường hợp chúng cũng có thể chịu lực theo cả
phương đứng và phương ngang như kết cấu kiểu vòm.
1.3. Các nghiên cứu về kết cấu nhà máy thủy điện

Như đã nói ở trên, do nhu cầu điện năng ngày càng tăng, cộng với nguồn trữ
năng dồi về thủy điện nên các nhà máy thủy điện ở Việt Nam xây dựng ngày càng
nhiều, từ những cơng trình có cơng suất lớn như thủy điện Sơn La, thủy điện Lai
Châu tới những cơng trình có cơng suất nhỏ hơn như thủyđiện Sơng Tranh 2, thủy
điện Nậm Chiến,… bên cạnh đó một vài năm gần đây, các công ty thiết kế của nước
ta cịn tham gia thiết kế các cơng trình thủy điện được xây dựng trên nước bạn Lào
ngày một nhiều, trong số đó có các cơng trình như thủy điện Xekaman1, Xekaman
2, Xekaman 3, Nampagnou, xeset houython,… Trong quá trình thiết kế, bước tính
tốn phân tích động học cho kết cấu nhà máy thủy điện phần trên nước là một yêu
cầu khơng thể thiếu để đảm bảo tính ổn định của nhà máy khi đi vào hoạt động. Các
nghiên cứu tính tốn cụ thể của mỗi cơng trình đó được các đơn vị tư vấn thiết kế
thực hiện trong quá trình thiết kế, đó là cơng ty tư vấn Sơng Đà với cơng trình thủy
điện Xekaman1, Xekaman 2, Xekaman 3, cơng ty tư vấn thiết kế Ukrin với công


trình thủy điện Nậm Chiến 1, cơng ty tư vấn thiết kế Việt Hà với cơng trình thủy
điện Nampagnou, sexet houython,…
1.4. Tích cấp thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Hiện nay, theo tìm hiểu của tác giả, tại các cơng ty thiết kế, khi tính tốn kết
cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện chịu tai trọng động do cầu trục trong nhà
máy gây lên thường chỉ dùng phương pháp giả tĩnh nghĩa là coi tải trọng động bằng
trọng lượng tĩnh nhân với hệ số động. Mặt khác khi tính tốn kết cấu phần trên
nước chỉ xét đến các lực gây mômen uốn trong mặt phẳng vuông góc với trục
nhà máy mà chưa xét đến các lực tác dụng theo phuơng dọc trục nhà máy sinh ra
trong quá trình cầu trục di chuyển dọc nhà máy hoặc quá trình phanh hãm cầu
trục gây lên. Do vậy kết quả tính tốn khơng phản ánh đuợc sự ứng xử của kết
cấu phần trên nước trong suốt quá trình vận hành của nhà máy.
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích kết cấu phần trên nước
nhà máy thủyđiện chịu tải trọng động do các chế độ làm việc khác nhau của cầu
trục gây lên là cần thiết. Học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải

trọng động do sự làm việc của cầu trục đến kết cấu phần trên nước nhà máy thủy
điện” sẽ đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng động gây nên bởi các chế độ làm
việc khác nhau của cầu trục từ đó có các kiến nghị cho các nhà thiết kế tính tốn
thiết kế hợp lý kết cấu phần trên nước của nhà máy thủy điện.


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các phương pháp phân tích kết cấu.
2.1.1. Các phương pháp phân tích kết cấu:
Các phương pháp phân tích kết cấu hiện nay thường đc sử dụng
- Phương pháp sức bền vật liệu
- Phương pháp đàn hồi
- Phương pháp phần tử hữu hạn
Trong luận văn tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn kết
cấu cho phần trên nước chịu tải trọng động
2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án
ngày càng phức tạp, đắt tiền và địi hỏi độ chính xác, an tồn cao.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu
hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài tốn kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng
thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ơ tơ, máy bay,
tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường
như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ
trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều
kết cấu phức tạp cũng đã được tính tốn và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
Hiện có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: ANSYS, ABAQAUS, SAP,
ADINA, v.v.
Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng
lấy một chương trình tính tốn bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết,
kỹ thuật mơ hình hố cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp.

2.1.2.1 Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn
Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị,
ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra nhiều miền con v e có kích thước và
bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp
các miền ve.


Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con v e được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng
các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:
- Xấp xỉ nút trên mỗi miền con v

e

chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào

nút của ve và biên của nó,
- Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con v

e

được xây dựng sao cho chúng liên tục

trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau.
- Các miền con v

e

được gọi là các phần tử.

2.1.2.2 Định nghĩa hình học của phần tử hữu hạn

a. Nút hình học
Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH.
Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử v e có
dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử v e cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy
nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong
ve hoặc trên biên của nó.
b. Quy tắc chia miền thành các phần tử.
Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau:
-

Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của
chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa
các phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1).
Tập hợp tất cả các phần tử v e phải tạo thành một miền càng gần với miền V

-

cho trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử.

biên giới
v

1

v2

v2
v1

v1

v2

Hình 2-1. Các dạngbiên
biêngiới
chung giữa các phần tử biên giới


2.1.2.3 Các dạng phần tử hữu hạn
Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều.
Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử
bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v. Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng
phần tử hữu hạn hay gặp.
Phần tử một chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Phần tử hai chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Phần tử ba chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Phần tử tứ diện
Hình 2-2. Các dạng phần tử hữu hạn thường gặp
2.1.2.4 Phần tử quy chiếu, phần tử thực
Với mục đích đơn giản hố việc xác định giải tích các phần tử có dạng phức
tạp, chúng ta đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký hiệu
là vr. Phần tử qui chiếu thường là phần tử đơn giản, được xác định trong khơng gian
qui chiếu mà từ đó, ta có thể biến đổi nó thành từng phần tử thực v e nhờ một phép
biến đổi hình học r e . Ví dụ trong trường hợp phần tử tam giác (Hình 1.2).