Tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện cùng làm việc với nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Việc tính toán kết cấu cửa nhận nước nhà máy thuỷ điện là vô cùng quan trọng từ đó xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành là cần thiết và

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Khánh, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội, Tháng 05 năm 2012

Trần Thị Mai Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trích dẫn là trung thực Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác./

Trần Thị Mai Phương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các công trình trên tuyến năng lượng

Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu cửa lấy nước

Hình 1.3: Cửa lấy nước có áp kiểu bên bờ

Hình 1.4: Cửa lấy nước trong thân đập trọng lực

Hình 1.5: Cửa lấy nước bên bờ có giếng cửa van

Hình 1.6: Cửa lấy nước kiểu tháp

Hình 1.7: Cửa lấy nước Hủa Na - Quế Phong - Nghệ An

Hình 1.8: Cửa lấy nước thủy điện Tuyên Quang

Hình 1.9: Cửa lấy nước Thủy điện A Vương

Hình 2.1÷ Hình 2.9

Hình 3.1

Hình 3.2: Vị trí công trình

Hình 3.3: Mặt cắt ngang cửa nhận nước

Hình 3.4 : Chính diện thượng lưu

Hình 3.5: Mô hình tính toán nhìn từ thượng lưu

Hình 3.6: Mô hình tính toán nhìn từ hạ lưu

Hình 3.7: Phần tử shell mô hình thành mỏng chịu áp

Hình 3.8: Áp lực nước tác dụng lên cửa nhận nước

Hình 3.9: Lực cầu trục chân dê tác dụng lên sàn cửa nhận nước Hình 3.10: Tải trọng tác dụng lên sàn cửa nhận nước

Hình 3.41: 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 3.53: Trường hợp 1 - Nền không được mô phỏng

Hình 3.54: Trường hợp 2 - Nền được mô phỏng

Hình 3.55: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Ux theo 2 phương án

Hình 3.56: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uy theo 2 phương án

Hình 3.57: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uz theo 2 phương án

Hình 3.58: Gia tốc theo phương X cửa nhận nước trong trường hợp xảy ra động đất MCE

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật thủy điện Việt Nam

Bảng 3.1: Các thông số chính của công trình thủy điện Lai Châu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Ngày nay, công trình thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng khi mà nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ nhất cần khai thác triệt để Ngoài ra nó còn là công trình lợi dụng tổng hợp và phòng chống thiên tai Vì vậy việc xây dựng các công trình thuỷ điện lợi dụng tổng hợp chống lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu quan trọng của công cuộc phát triển đất nước Cửa nhận nước là công trình đầu tiên trong hệ thống công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện, nó trực tiếp lấy nước từ hồ chứa vào nhà máy đảm bảo cung cấp

đủ lượng nước cần thiết theo yêu cầu thủy điện và yêu cầu dùng nước khác

Việc tính toán kết cấu cửa nhận nước nhà máy thuỷ điện là vô cùng quan trọng

từ đó xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành là cần thiết và có tính ứng dụng thực tế cao

2 Mục đích của Đề tài:

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của cửa nhận nước của nhà máy thủy điện để từ đó có biện pháp tính toán xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về công trình nghiên cứu;

- Tìm hiểu về nhà máy thủy điện và cửa nhận nước nhà máy thủy điện

- Tìm hiểu về các phương pháp tính toán kết cấu cửa nhận nước

- Mô phỏng cửa lấy nước làm việc cùng với nền trong phần mềm ansys Tính toán ứng suất biến dạng

- Phân tích các ảnh hưởng của nền đến ứng suất biến dạng

4 Kết quả dự kiến đạt được:

- Tính toán ứng suất biến dạng và bố trí cốt thép cửa nhận nước

- Xem xét ảnh hưởng của nền trong tính toán trong bài toán tĩnh và bài toán kể tới động đất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN

VÀ CÁC CHI TIẾT

1.1 Sự phát triển của thủy điện Việt Nam [2]

Đất nước Việt Nam có trên 1000 con sông, suối được phân bố đều khắp trong phạm vi cả nước, với trữ năng khoảng 280 tỷ KWh Trên các triền sông lớn như sông Đà, sông Lô, sông Mã, sông Cả, sông Cửu Long… đều có khả năng xây dựng các trạm thủy điện công suất lớn hoặc tương đối lớn Đến nay, chúng ta đã có trạm thủy điện Thác Bà 120MW, Sơn La 2400MW, Tuyên Quang 342MW… và hiện đang xây dựng các trạm thủy điện lớn khác như Lai Châu 1200MW, Huội Quảng 520MW…Ngoài ra, trên các sông suối nhỏ cũng đã và đang được xây dựng nhiều trạm thủy điện với công suất >1MW

Tiềm năng lý thuyết về thủy điện trên tất cả các hệ thống sông của Việt Nam khoảng 300 tỷ Kwh/ năm, trong đó lưu sông Hồng là 122 tỷ Kwh/ năm (chiếm 41%

lý thuyết), sông Đồng Nai 27.35 tỷ 300 tỷ Kwh/ năm (chiếm 9%) và sông Sê San 16,46 tỷ Kwh/ năm (chiếm 6%) Trên toàn quốc, một số lưu vực sông có tiềm năng thủy điện lớn như sông Đà, sông Đồng Nai, Sê San, Srepok, sông Ba, sông Vũ Gia- Thu Bồn, sông Lô - Gâm, sông Mã và sông Cả Trong đó lớn nhất là sông Đà khoảng 7800MW, sông Sê San 4000 MW và sông Đồng Nai khoảng 1900MW Ngoài ra trên các lưu vực sông suối nhỏ khác có thể khai thác thủy điện nhỏ với trữ năng kinh tế có thể đạt tới 16 tỷ Kwh/ năm

Bảng 1.1 Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật thủy điện Việt Nam

Lưu vực sông Diện tích

kmP

2

Số công trình

Tổng công suất (MW)

Điện lượng (kWh)

Theo dự thảo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia dự báo nhu cầu điện toàn quốc sẽ tăng bình quân từ 14% đến 16% hàng năm trong giai đoạn 2011-2015, tăng khoảng trên 11,5%/năm giai đoạn 2016-2020 Nhu cầu điện sản xuất dự kiến năm

2015 là 194 - 211 tỷ kWh; năm 2020 là 329 - 362 tỷ kWh và năm 2030 là 695 - 834

tỷ kWh Tuy nhiên sau năm 2020 tỷ trọng thủy điện trong hệ thống điện có xu hướng giảm vì phần lớn trữ năng thủy điện đã được khai thác mà nhu cầu dùng điện tăng cao do đó cần phải bổ sung các nguồn năng lượng khác và chủ yếu là nhiệt điện dùng khí đốt hoặc dầu Các nguồn năng lượng khác như điện nguyên tử, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy triều cũng sẽ được nghiên cứu đưa vào sử dụng

Để đảm bảo cung cấp điện an toàn liên tục cho nhu cầu xã hội, với nhu cầu điện như trên, chương trình phát triển hệ thống điện sẽ có quy mô rất lớn Trong QHĐ7, với phương án cơ sở dự kiến tổng công suất nguồn điện năm 2015 sẽ khoảng 42.500MW, gấp hơn 2 lần năm 2010 với tỷ trọng 33,6% thuỷ điện, 35,1% nhiệt điện than, 24,9% nhiệt điện dầu và khí, khoảng gần 4% nguồn năng lượng tái tạo (thuỷ điện nhỏ, điện gió, sinh khối, mặt trời v.v ), còn lại khoảng 2,5% nhập khẩu Đến năm 2020 tổng công suất nguồn điện sẽ khoảng 65.500MW với tỷ trọng thuỷ điện 26,6% (~17.400MW), nhiệt điện than tăng lên 44,7% (~29.200MW), nhiệt

điện dầu-khí giảm xuống 19,6% (~12.800MW), nguồn năng lượng tái tạo chiếm 4,8% (~3.100MW), nhập khẩu chiếm 2,8% (~1.800 MW) và sẽ có tổ máy đầu tiên – 1000MW của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận Năm 2030 tổng công suất nguồn điện lên tới 137.600MW, trong đó thuỷ điện chỉ còn chiếm 15,3%, nhiệt điện than tăng lên chiếm 56,1%, nhiệt điện dầu - khí 12,7%, công suất các nhà máy điện hạt nhân lên tới 10.700MW với tỷ trọng 7,8%, còn điện nhập khẩu chiếm khoảng 4,6%

1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2]

Nhà máy thủy điện có thể làm việc với các loại tuabin khác nhau, như tuabin gáo, tâm trục, cánh quay, chong chóng… Phạm vi dao động của mực nước và lưu lượng ở các nhà máy thủy điện cũng thường rất lớn Có nhiều cách phân loại nhà máy thủy điện (NMTĐ), thường phân ra ba loại:

1.2.1 Phân theo t rị số công suất lắp máy (NRlmR)

Phân theo NR lm R, các nước phân loại không giống nhau, điều đó phụ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế - kỹ thuật của từng nước

Nói chung thường phân như sau:

Có thể phân thành hai nhóm sau:

- NMTĐ chịu áp lực nước từ phía thượng lưu : Nhà máy này là một thành phần của công trình dâng nước, nó chịu áp lực nước từ phía thượng lưu, đó là các NMTĐ lòng sông cột nước thấp ( hoặc nhà máy năm trên kênh dẫn) như NMTĐ Thác Bà, Trị An, Bàn Thạch

- NMTĐ không chịu áp lực nước từ phía thượng lưu: Đây là các NMTĐ kiểu sau đập hoặc đường dẫn, nước được dẫn vào tuabin theo những đường ống chảy có áp đặt trong thân đập hoặc đặt hở trên mặt đất Đó là các nhà máy thủy điện Đa Nhim, Cấm Sơn, Suối Cun

1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy

Tuy cách phân loại trên là khá chặt chẽ dựa trên đặc điểm về kết cấu cũng như

vị trí của các NMTĐ trong hệ thống công trình, nhưng thực tế, thường phân loại các NMTĐ một cách đơn giản:

- Các loại NMTĐ kiểu lòng sông, sau đập và đường dẫn

+ NMTĐ kiểu lòng sông: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác thủy năng kiểu

đập với cột nước không quá 35÷40m Bản thân nhà máy là một thành phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy

+ NMTĐ sau đập được bố trí ngay sau đập dâng nước Khi cột nước cao hơn

30÷45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là một thành phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn

Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước turbin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước turbin được bố trí trên phía hạ lưu của đập

+ NMTĐ đường dẫn trong sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết

hợp, nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy Trong trường hợp công trình dẫn nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là một công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể

bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập

- Các loại NMTĐ kiểu đặc biệt: Các loại NMTĐ kiểu trữ năng, thủy triều, kết hợp, ngầm…

1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8]

Công trình thủy điện bao gồm các hạng mục chủ yếu như công trình đầu mối hồ chứa (đập dâng, tràn xả lũ ) và các công trình trên tuyến năng lượng (cửa lấy nước, đường ống áp lực nhà máy, nhà máy, bể xả hạ lưu nhà máy…)

Trong phạm vi của luận văn này tác giả xin giới thiệu sơ bộ các hạng mục chính của công trình thủy điện và chủ yếu đi sâu vào phân tích về hạng mục cửa lấy nước phục vụ công tác nghiên cứu luận văn

1.3.1 Công trình đầu mối

Công trình đầu mối bao gồm : đập ngăn nước, tràn xả nước, cống lấy nước

- Đập ngăn nước có tác dụng điều tiết dòng chảy làm nhiệm vụ giữ nước tạo hồ chứa để hình thành cột nước phục vụ mục đích tưới cho hạ lưu và làm quay bánh xe công tác cho nhà máy thủy điện

Đập ngăn nước được chia làm 2 loại theo vật liệu:

+ Đập bê tông trọng lực: bê tông thường CVC hoặc bêtông đầm lăn RCC

+ Đập vật liệu địa phương: là các dạng đập đá đổ, đập đất, hoặc đập đất đá hỗn hợp…

- Tràn xả nước: xả lượng nước thừa khi mực nước trong hồ vượt quá khả năng tích trữ cho phép

- Cống lấy nước: có hay không tùy thuộc yêu cầu và nhiệm vụ của công trình đầu mối dùng để cung cấp nước cho hạ du công trình khi có yêu cầu về nước, được bố trí ngay trong thân đập hoặc kiểu tháp

1.3.2 Công trình trên tuy ến năng lượng

Các hạng mục tuyến năng lượng

Hình 1 1: Các công trình trên tuyến năng lượng

1- Tháp điều áp thượng lưu

2- Tháp điều áp hạ lưu

3- Nhà máy thủy điện

4- Đường hầm dẫn nước

5- Đường ống dẫn nước áp lực turbine

1.3.2.1 Công trình lấy nước

Hạng mục công trình lấy nước thường đặt ở gần công trình đầu mối hướng hồ chứa có nhiệm vụ lấy nước trực tiếp từ hồ chứa cung cấp cho nhà máy phát điện

thoáng ở một vị trí nào đó trên đường ống thì ở đó áp lực nước va được giải phóng

và tại vị trí này trở lên thượng lưu đường ống sẽ không chịu áp lực nước va nữa Tháp điều áp chính là một bộ phận tạo ra mặt thoáng nói trên Nó có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va Ngoài ra nó còn làm giảm nhỏ áp lực ở phần đường ống dẫn nước từ tháp van vào turbin

Nếu hầm xả hạ lưu của nhà máy dài có thể phải bố trí thêm tháp điều áp hạ lưu tương tự như phía thượng lưu

1.3.2.4 Nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện là công trình chủ yếu của trạm thủy điện, trong đó bố trí các thiết bị động lực: turbine, máy phát và các hệ thống thiết bị phụ trợ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp cũng như sinh hoạt cho nhân dân

1.4 Tác dụng và yêu cầu của cửa lấy nước [2]

Cửa lấy nước là công trình trực tiếp lấy nước từ hồ chứa hoặc từ sông vào công trình dẫn nước hoặc trực tiếp vào nhà máy thủy điện

Hình dạng và kết cấu của cửa lấy nước phụ thuộc vào sơ đồ bố trí công trình đầu mối, điều kiện địa hình, địa chất, đường dẫn nước sau cửa lấy nước, hàm lượng cát của dòng chảy và các điều kiện kinh tế

1.4.2 Yêu cầu của cửa lấy nước

- Phải đảm bảo cung cấp nước cho đường dẫn nước đủ lưu lượng cần thiết theo biểu đồ phụ tải của trạm thủy điện và các yêu cầu dùng nước khác nếu có

- Có thể đóng hẳn để ngừng cấp nước hoàn toàn trong trường hợp hư hỏng, kiểm tra sửa chữa đường hầm dẫn nước, các bộ phận công trình và thiết bị sau cửa lấy nước

- Giữ cho bùn cát rác bẩn không vào đường hầm làm hư hại công trình và thiết bị

- Cửa lấy nước phải có hinh dạng vị trí sao cho nước chảy vào thuận dòng tổn thất thủy lực là nhỏ nhất Nếu dòng chảy sau cửa lấy nước là có áp thì phải giữ cho không khí không cuộn theo dòng chảy vào đường dẫn

- Đảm bảo ổn định bền vững, vận hành tiện lợi Giá thành xây dựng và chi phí vận hành là thấp nhất

Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu cửa lấy nước

a, Cửa lấy nước có áp b, Cửa lấy nước không áp

1- Lưới chắn rác

2- Tường chắn vật nổi

3- Khe van sửa chữa

4- Khe van sửa chữa – sự cố

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

Tùy theo vị trí tương đối của cửa lấy nước trong công trình đầu mối, đặc điểm kết cấu và hình thức lấy nước, còn được phân ra thành cửa lấy nước đặt trong thân đập, kiểu bên bờ, kiểu tháp, cửa lấy nước mặt, cửa lấy nước dưới sâu

1.5.1 Cửa lấy nước có áp

1.5.1.1 Thiết bị đặt trong cửa lấy nước

Hình 1 3: Cửa lấy nước có áp kiểu bên bờ

- Vị trí: lưới chắn rác thường được đặt trước cửa van có trường hợp lưới chắn rác

và phai sửa chữa đặt chung một khe (trong trường hợp đó, khi đóng phai sửa chữa phải rút lưới chắn rác lên)

b, Thiết bị thu dọn rác:

Thường dùng mấy loại sau: thiết bị cào rác thiết bị cắt rác, thiết bị cặp rác Cũng

có thể dùng nhiều loại thiết bị phối hợp với nhau để vớt rác

c, Cửa van sửa chữa

Thường đặt ngay sau lưới chắn rác Cửa van này chỉ đóng khi cần sửa chữa công trình cửa lấy nước và phần đầu đường hầm

Van sửa chữa thường được làm dạng của van phẳng, khi chiều cao cửa lớn thì làm cửa van phẳng nhiều tầng Trong trường hợp độ sâu cửa van không lớn, van sửa chữa làm theo các phai độc lập

Cửa van sửa chữa không nhất thiết phải làm đủ cho các khoang cửa, mà chỉ cần 1-3 bộ dùng chung cho hạng mục Khi cần đóng để sửa chữa khoang nào thì cần trục chạy sẽ đưa cửa hoặc phai đến đóng khoang đó

d, Cửa van công tác:

Nếu đường ống dẫn nước áp lực đặt lộ thiên (hở trên mặt đất) hoặc ống bố trí ở mặt hạ lưu đập bê tông trọng lực không có lớp bê tông cốt thép bảo vệ thì van công tác thường là van đóng nhanh để bảo vệ an toàn cho công trình và thiết bị ở phía sau Lúc này này van công tác còn gọi là van sự cố

Cửa van công tác chịu áp lực rất lớn, có trường hợp cột nước trước cửa đến 100m Khi đóng, cửa hạ xuống dòng chảy có vận tốc lớn Như vậy cửa van phải tính toán chịu được áp lực cao nhất, lại phải đủ trọng lượng thắng lực đẩy ngang của nước chảy khi đóng

Lực đóng mở phải đủ lớn, nếu là cửa van sự cố thì hệ thống tự động đóng mở phải nhanh, nhậy, luôn ở vị trí sẵn sàng làm việc

Cửa van có thể làm theo dạng phẳng, van cầu, van cung, van đĩa

Cửa van phẳng bao gồm: bản mặt cùng với hệ khung dầm đỡ, các mép ngoài gắn các gioăng cao su để giữ kín nước Bàn trượt con lăn hoặc bánh xe lăn đỡ cho cửa van luôn nằm đúng vị trí trong khe cửa và giảm nhỏ ma sát khi đóng mở

Các loại cửa van đĩa, van cầu, van bán cầu thường phải đặt chế tạo ở các nhà máy chuyên sản xuất

e,Th iết bị nâng chuyển

Đây là thiết bị dùng để phục vụ đóng mở, tháo lắp vận chuyển các cửa van, lưới chắn rác và vớt rác trên lưới

Cửa van sửa chữa và lưới chắn rác có thể dùng một bộ phận thiết bị để luân chuyển dùng cho khoang cửa, chạy trên đường ray cố định

Với cửa van công tác hoặc hoặc cửa van sự cố thì phải có thiết bị đóng mở riêng cho từng cửa Nhưng để vận chuyển tháo lắp, sửa chữa vẫn có thể dùng cầu trục chạy chung Thông thường để đóng mở cửa hiện nay dùng máy nâng thủy lực, tốc

độ 0.2-2 m/ph Nếu là cửa van sự cố thì có yêu cầu đóng nhanh, sau 2-3 phút phải đóng xong hoàn toàn

f, Ống thông khí

Phía sau cửa van công tác ở đường dẫn dòng có áp, phải đặt ống thông khí, để khi đóng mở dòng chảy rút đi sẽ có không khí qua ống thông khí vào đường dẫn, tránh hiện tượng chân không phát sinh Và ngược lại, khi mở cửa nước vào đầy ống, không khí có đường thoát ra

g, Ống cân bằng áp lực

Với cửa lấy nước có áp, nhất là với trường hợp độ sâu lớn khi cửa đóng sẽ có chênh lệch áp lực hai mặt cửa rất lớn, do đó lực mở cửa phải lớn Để giảm bớt lực nâng này, cần bố trí ống cân bằng áp lực Trước khi mở cửa, mở ống cân bằng để dòng chảy vào đầy đường ống áp lực, tạo ra cân bằng áp Sau đó mới mở cánh cửa công tác

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

- Cửa lấy nước của nhà máy thủy điện ngang đập : lấy nước trực tiếp từ thượng lưu, dẫn vào nhà máy, yêu cầu về cấu tạo và các thiết bị cũng theo các nguyên tắc nêu trên Cửa lấy nước có chung bản đáy bê tông và là một phần của nhà máy, cùng với nhà máy chiếm một đoạn vị trí của đập ngăn sông Vì vậy nó cùng với nhà máy chịu áp lực nước thượng lưu Cửa lấy nước kiểu này thường có tiết diện rộng cho nên để giảm kích thước của cửa van, có thể đặt thêm trụ pin trung gian Chiều dày các trụ pin từ 1,5÷2,6m Khi có đặt khe lún giữa trụ pin, chiều dày trụ có thể tăng lên gấp đôi Lưới chắn rác có thể đặt nghiêng (khi độ sâu nhỏ) hoặc đặt đứng

b, Cửa lấy nước kiểu bên bờ

Hình 1.5 : Cửa lấy nước bên bờ có giếng cửa van

a, Kiểu giếng khô

b, Kiểu giếng ướt

Thường được dùng cho các trạm thủy điện đường dẫn có áp Cửa lấy đặt ở một bên bờ, phía thượng lưu và gần với đập ngăn sông

Với địa hình thuận lợi, nền đá, cửa lấy nước cấu tạo như một khối bê tông gắn vào bờ, đặt các thiết bị thông thường như đã mô tả

Trường hợp địa hình không thuận lợi như bờ quá dốc hoặc quá thoải có thể đặt giếng các cửa van lùi sâu vào trong, nối với miệng cửa bằng một đoạn hầm dẫn có áp

Lưới chắn rác thường đặt nghiêng phía đầu hầm dẫn Giếng đặt cửa van sửa chữa

và van công tác Cửa van có thể phẳng hoặc van cung, khi đó nước ra vào giếng bình thường nên được gọi là giếng ướt Cũng có thể đặt các cửa van đĩa hoặc cầu, khi đó nước không vào giếng, gọi là giếng khô

c, Cửa lấy nước kiểu tháp.

Hình 1.6 : Cửa lấy nước kiểu tháp

Kết cấu phức tạp hơn các kiểu trên, nhưng có thể lấy nước bằng nhiều dãy lỗ theo chiều cao Các cửa lấy nước có thể bố trí một tầng hoặc hai tầng Cửa lấy nước

có thể đặt xung quanh tháp hoặc một phía

Lưới chắn rác và cửa van sửa chữa thường đặt ở tháp, còn cửa van công tác có thể đặt ở tháp hoặc trên đường dẫn, ở ngoài phạm vi cửa

1.5.2.1 Vị trí và điều kiện áp dụng

Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở các trạm thủy điện có đường dẫn nước không áp, nhưng cũng có khi ở đường dẫn nước có áp Nhưng điều kiện cơ bản để áp dụng cửa lấy nước không áp là mực nước thượng lưu thay đổi rất ít

Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở sông có độ dốc và vận tốc lớn, dòng chảy có độ hàm cát lớn trong mùa lũ

Chú ý là sau khi xây dựng công trình đầu mối, dòng chảy tự nhiên của sông bị thay đổi, phía thượng lưu đập bắt đầu bồi lấp Cùng thời gian, đáy thượng lưu dâng lên, vận tốc dòng chảy trong mùa lũ tăng, đem theo cát vào cửa lấy nước Để tránh bớt dòng chảy mang theo cát vào đường dẫn và tạo thuận dòng phải chọn vị trí hợp

lý của cửa lấy nước

Trên đoạn sông ngay phía thượng lưu của công trình đầu mối, nếu là đoạn cong thì dọng chảy có dạng cuộn (hình 1-9b) những đường cong trên mặt không mang theo cát đáy hướng về phía lõm, còn những đường dòng đáy mang theo cát hướng

về bờ lồi Do đó bờ lõm bị xói, bờ lồi bị bồi Chọn vị trí cửa lấy nước ở phía bờ lõm

sẽ có được độ sâu tự nhiên và giảm bớt dòng chảy mang cát

Nếu không có được vị trí thuận lợi, hoặc lượng hàm cát lớn, có thể phải đặt các tường hướng dòng

1.5.2.2 Phân loại cửa lấy nước không áp

Có một số kiểu lấy nước không áp sau:

- Kiểu bên bờ lấy nước mặt: có một số dạng như cửa vó ngưỡng ngăn cát, cửa có

ngăn lắng cát, cửa có hố tập trung cát

- Kiểu bên bờ có công trình dòng chảy cuộn trước ngưỡng

- Cửa bên bờ có hành lang tháo cát

- Kiểu chính diện lấy nước mặt

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

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

Chương 2: TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

HIỆN HÀNH 2.1 Các phương pháp tính toán

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp để xác định ứng suất và biến dạng trong công trình Có thể kể ra một số phương pháp sau:

trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công thức nén lệch tâm

- Không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, không xét được trong giai đoạn thi công

2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi

Pháp Lý thuyết đàn hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân, các phương trình này vừa thỏa mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn

điều kiện biên

Ưu điểm:

- Phương pháp này giải quyết được những vấn đề như ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết được

- Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao

Nhược điểm:

- Khó thực hiện được với những trường hợp tải trọng phức tạp, như áp lực thấm

và đẩy nổi, áp lực bùn cát, động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng…

- Kết quả tính toán chưa sát với thực tế làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị hướng

- Không xét được ảnh hưởng biến dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính dị hướng, không tính được trong giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất…

Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo phương pháp Lý thuyết đàn hồi cho

kết quả chính xác cao hơn so với phương pháp Sức bền vật liệu Cách tính toán đơn giản, kết quả chấp nhận được Thường được sử dụng trong tính toán thiết kế các công trình cấp III trở xuống

- Các phương pháp rời rạc kiểu vật lý (phương pháp phần tử hữu hạn)

Nếu như trong phương pháp sai phân hữu hạn ta chỉ thay các vi phân bằng các sai phân thì trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ta thay thế hệ thực (hệ liên tục) bằng một mô hình vật lý gần đúng (bằng một số hữu hạn các phần tử) mà lời

giải của nó được xác định bằng số hữu hạn số

2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương pháp số cổ điển ra đời từ rất lâu, nhưng chỉ từ khi máy tính điện tử phát triển thì phương pháp này mới được áp dụng rộng rãi Phương pháp này cũng là một phương pháp rời rạc hoá, song khác với phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp này là phương pháp rời rạc kiểu toán học, nó không thay đổi gì miền tính toán mà chỉ phủ lên miền tính toán một lưới (có thể là lưới hình vuông, chữ nhật, tam giác, tứ giác cong…) và nó thay thế một hàm xác định trong một miền liên tục bằng một hàm lưới gồm tập hợp rời rạc hữu hạn các điểm, ở đó đạo hàm này được thay thế bằng các tỷ sai phân, do đó bài toán biên của phương trình vi phân được thay thế bởi một hệ phương trình đại số tuyến tính

Ưu điểm: Phương pháp này vẫn thuận lợi đối với một số bài toán như bài toán

tính toán thuỷ lực hay khi kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn trong việc giải các bài toán không dừng (bài toán phụ thuộc thời gian)

Nhược điểm:

- Tính toán tương đối đơn giản nhưng không thuận lợi trong việc lập trình do khi giải trên máy tính thì việc đưa số liệu vào khá cồng kềnh (so với phương pháp phần

tử hữu hạn)

- Rất khó khăn khi tính toán những bài toán mà miền tính toán không thuần nhất

có nhiều miền con với những tính chất cơ lý khác nhau, nên đến nay nó ít được dùng hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn

- Chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vật liệu phức tạp

- Không giải được các bài toán có điều kiện biên phức tạp

- Độ chính xác của phương pháp còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước mắt lưới, mắt lưới càng dày thì độ chính xác càng cao

- Không phân tích được bài toán dị hướng và trong giai đoạn thi công công trình

2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn cũng thuộc loại bài toán biến phân, song nó khác với phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó không tìm dạng hàm xấp xỉ của các hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con trong miền xác định của nó Điều này rất thuận lợi khi giải bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có những đặc tính khác nhau

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, chia miền tính toán thành các miền con gọi là phần tử Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Từ các phương trình vi phân chuyển thành phương trình đại số mà ẩn là chuyển

vị nút Giải hệ phương trình vi phân tính được chuyển vị nút, từ đó tính được các đại lượng khác Hàm ẩn xác định cho miền con nên giải được nhiều loại vật liệu khác nhau

Ưu điểm:

- Là phương pháp tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó Từ việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thông… cho đến các bài toán của

lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường

- Phương pháp này giải được bài toán có xét đến ảnh hưởng biến dạng ban đầu, tính dị hướng của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp, đứt gẫy và giải được bài toán có điều kiện biên phức tạp Phản ánh đúng thực tế sự làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng Phân tích được trạng thái ứng suất biến dạng quanh

vị trí lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt… mà các phương pháp Sức bền vật liệu, sai phân hữu hạn… không giải quyết được Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần

tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng khác tùy theo bài toán Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử Hiện nay, cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết bài toán có khối lượng lớn, kết cấu phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác cao

Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện bằng

thủ công, mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế đưa về kết cấu có tính toán sao cho hợp lý và cho kết quả đúng, sát với thực tế nhất

2.2 Lựa chọn phương pháp tính toán trong luận văn

Qua phân tích ưu nhược điêm trên cho thấy PPPTHH là một phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán về kết cấu để áp dụng vào việc tính toán kết cấu cửa lấy nước của nhà máy thủy điện

2.3 Trình bày các mô hình nền thường dùng và chọn mô hình tính toán trong

luận văn [1]

Ta xét một móng dầm như hình 2.1, dưới tác dụng của tải trọng ngoài q(x) móng dầm bị uốn và độ võng của móng w(x) được xác định bằng phương trình vi phân trong môn sức bền vật liệu :

EJ 4

4

)(

dx

x w d

Hình 2.1

Phương trình chứa hai hàm số chưa biết là w(x) và p(x) Chỉ riêng một phương

trình đó thì bài toán không thể giải được Điều đó có nghĩa là biến dạng của dầm và nội lực của nó không chỉ phụ thuộc vào tải trọng ngoài và độ cứng của bản thân dầm mà còn phụ thuộc vào biến dạng của nền nữa

Để giải được phương trình trên cần dựa vào điều kiện móng và nền cùng làm

việc, chúng luôn tiếp xúc với nhau, nghĩa là độ võng của dầm bằng độ lún của nền w(x)=s(x) Đồng thời người ta phải dùng một mô hình cơ học nào đó để mô tả tính biến dạng của nền, trên cơ sở mô hình ấy rút ra mối quan hệ giữa phản lực nền p(x)

và độ võng của dầm w(x) hoặc độ lún của nền s(x) Mô hình cơ học như vậy gọi là

mô hình nền

Trong thực tế tính toán thường hay sử dụng những mô hình nền như sau :

- Mô hình nền biến dạng cục bộ (mô hình nền Winkler)

- Mô hình nền nửa không gian biến dạng tuyến tính

- Mô hình lớp không gian biến dạng tổng thể

Cơ sở của mô hình này dựa trên giả thiết là tại mỗi điểm (ở mặt đáy) của dầm trên nền đàn hồi, áp suất trên mặt nền (có trị số bằng phản lực nền p(x)) tỷ lệ bậc nhất với độ lún của nền s(x), nghĩa là :

Mô hình nền Winkler cho ta hình ảnh của nền đất như một dãy các lò xo có độ cứng c, các lò xo này độc lập với nhau (hình 2.2a và hình 2.3a) Thiếu sót chủ yếu của mô hình nền Winkler là ở chỗ không phản ánh được tính phân phối của đất Vì đất có tính dính và ma sát trong nên khi chịu tải trọng cục bộ nó có khả năng lôi (huy động) cả vùng đất xung quanh (ngoài phạm vi đặt tải) vào cùng làm việc với phần đất ngay dưới tải trọng Đặc tính ấy của đất được gọi là đặc tính phân phối (hình 2.2b và 2.3b) Mô hình nền Winkler vì vậy còn được gọi là mô hình nền biến dạng cục bộ

q

Pq

qa)

Do không kể đến tính phân phối của đất nên có sự sai lệch như sau :

- Khi nền đồng nhất, tải trọng phân bố đều liên tục trên dầm (mềm tuyệt đối) thì theo mô hình nền Winkler dầm sẽ lún đều và không bị uốn (hình 2.4a) Nhưng thực

tế quan sát thấy trong trường hợp này dầm vẫn bị võng ở giữa (hình 2.4b) Sở dĩ như vậy bởi vì vùng đất ở giữa phải làm việc nhiều hơn do ảnh hưởng của vùng đất xung quanh nên lún nhiều hơn hai đầu

q

Hình 2.4

- Khi móng tuyệt đối cứng, tải trọng đặt đối xứng, móng sẽ lún đều, theo mô hình

nền Winkler ứng xuất tiếp xúc sẽ phân bố đều Nhưng những kết quả đo đạc thí

nghiệm trong các trường hợp như vậy, ứng suất tiếp xúc vẫn phân bố không đều mà

phân bố theo một đường cong lõm hoặc lồi tùy theo khoảng tác dụng của tải trọng

(hình 2.5)

Hình 2.5

P

Winkler ứng suất tiếp xúc phải có trị số âm (nghĩa là ứng suất kéo) Nhưng thực tế

giữa dầm và nền không thể có ứng suất kéo được

Hình 2.6

P

- Một thiếu sót khác của mô hình Winkler là hệ số nền c là một thông số có tính

quy ước, không có ý nghĩa vật lý rõ ràng Ngay đối với một loại đất, hệ số nền c

cũng không phải là một hằng số, nó biến đổi phụ thuộc vào kích thước đáy móng,

phụ thuộc khoảng tải trọng tác dụng…

Tuy vậy, mô hình Winkler vẫn được sử dụng nhiều trong thực tế do sự đơn giản trong tính toán và nó cho kết quả ít sai khác với thực tế

Từ những năm 30 mô hình này được nêu ra và phát triển để tính toán nền móng công trình Ở đây, nền đất được xem như một nửa không gian biến dạng tuyến tính với những đặc trưng là mô đuyn biến dạng ER o Rvà hệ số nở hông µ0

Dựa vào kết quả lý thuyết đàn hồi ta có phương trình liên hệ giữa tải trọng P (đặt trên mặt nền) và độ lún của nền như sau :

+ Trường hợp bài toán không gian (hình 2.7) : theo lời giải của Butxinesk, ta có :

d E

P S

o

π

µ )1( − 02

E

P S

o

ln)1(2

A, B : hai điểm đang xét

P : tải trọng tác dụng theo đường thẳng

d : khoảng cách từ điểm xét đến điểm lực tác dụng

S : độ lún của nền

Ở đây dạng lún của mặt nền là một đường cong hàm số Logarit

D

S

B A

Hình 2.8

Mô hình nền nửa không gian biến dạng tuyến tính đã xét đến tính phân phối của đất (biến dạng của nền đất xảy ra cả ngoài điểm đặt tải) vì vậy mô hình này còn gọi

là mô hình nền biến dạng tổng quát

Thiếu sót chủ yếu của mô hình này là đánh giá quá cao tính phân phối của đất và khi tính toán đã coi chiều sâu vùng nén tới vô hạn, cho nên dẫn đến biến dạng của mặt nền ra xa vô hạn Điều đó là không phù hợp Thực tế chiều sâu vùng chịu nén chỉ giới hạn ở một độ sâu nhất định (HR a R) và độ lún mặt nền sẽ tắt ở tại một điểm cách vị trí đặt tải chỉ một khoảng nhất định Thí dụ trong thí nghiệm bàn nén độ lún mặt đất ngoài phạm vi đặt tải tắt rất nhanh (hình 2.9) (thông thường chỉ vào khoảng (0.3-0.5) đường kính tấm nén tùy theo đất và trạng thái của đất Chính thiếu sót đó dẫn đến hậu quả là trị số nội lực trong kết cấu móng tính theo mô hình nửa không gian biến dạng tuyến tính rất lớn, kích thước mặt bằng móng càng lớn thì độ sai lệch càng nhiều

P

1 3

2

1- Mô hình Winkler

2- Mô hình biến dạng tổng quát

3- Tài liệu thí nghiệm thực tế đo được

Hình 2.9

Mặc dù vậy, trên cơ sở mô hình nền nửa không gian biến dạng tuyến tính nhiều nhà khoa học trên thế giới (M.I.Gorbunôv-Pôxađôv, B.M.Giêmôskin…) đã nêu được những phương pháp giải quyết cho nhiều trường hợp tải trọng tác dụng khác nhau và lập nên các bảng biểu sử dụng rất thuận tiện Chính vì thế mà mô hình này được sử dụng nhiều và càng được phát triển, nó phù hợp khi đất nền có tính nén ít

và trung bình và chiều dày của lớp đất chịu nén khá lớn

Mô hình này là bước phát triển của mô hình nền nửa không gian biến dạng tổng quát, nó vẫn giữ nguyên tính chất của mô hình nền nửa không gian biến dạng tổng quát nhưng đã xét đến chiều dầy lớp đất chịu nén (HR a R) Trường hợp lớp đất nền H>HR a Rthì lấy HR a Rđể tính toán, trường hợp H<HR a Rthì lấy H để tính toán Kết quả phản lực nền tính theo mô hình này sát với thực tế hơn

Nhược điểm của mô hình là tính toán coi vùng chịu nén HR a R là hằng số nhưng thực ra HR a R thay đổi tùy theo điểm tính lún và việc tính toán khá phức tạp trong nhiều trường hợp còn chưa giải quyết được

Ngoài mấy mô hình kể trên, còn nhiều mô hình đất khác nữa như mô hình nền màng, mô hình nền tấm, mô hình nền nửa không gian biến dạng tổng quát có xét đến mô đuyn biến dạng ER o Rthay đổi theo chiều sâu…

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN CỬA NHẬN NƯỚC CÙNG LÀM VIỆC VỚI

NỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.3 Thiết lập phương trình cơ bản của bài toán dựa trên thuật toán của

phương pháp phần tử hữu hạn [6].

Chia miền tính toán thành nhiều các miền nhỏ gọi là phần tử Các phần tử này được nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử Tùy thuộc bài toán cần giải có thể sử dụng các loại phần tử dạng thanh, dạng phẳng hoặc phần

Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của nó được gọi

là các thông số Trong phương pháp phần tử hữu hạn, các thông số này được biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử Dạng đa thức nguyên của hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để bài toán hội tụ Nghĩa là khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận kết quả chính xác

Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất định, trước tiên là phải thỏa mãn các phương trình của lý thuyết đàn hồi (bài toán kết cấu) hoặc định luật Darcy (bài toán thấm) Tuy vậy để thỏa mãn chặt chẽ tất cả các yêu cầu sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do

Phần tử thanh

Phần tử khối Phần tử phẳng

Hình 3.1

đó trong thực thế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu

Trong phạm vi của mỗi phần tử, giả thiết một dạng phân bố xác định nào đó Chọn ẩn số là chuyển vị nút, giả thiết hàm chuyển vị bằng đa thức nguyên với bài toán phẳng:

y x v

y x u

),(