Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

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 công trình thủy với đề tài:“Phân tích dòng không ổn định trên kênh

-Y Z -

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

Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Quốc Công

Hμ 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 công trình thủy với đề tài:“Phân tích dòng không 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 phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công 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

trình-Trường 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 chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả không 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 tranminhdatwru@gmail.com 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 dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các

chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện ”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội

dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công

bố trong bất kỳ công trình khoa học nào Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn 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 không ổn định trong lòng dẫn hở ở Việt Nam và trên thế giới .15

1.4 Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG 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 dòng không 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 lòng 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 toán dòng không 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 DÒNG KHÔNG 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 công trình Nà Tẩu 36

3.1.1 Vị trí 36

3.1.2 Nhiệm vụ của dự án 37

3.1.3 Cấp công 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 toán 39

3.1.8 Tác động môi 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 toán dòng 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 toán sóng tăng áp khi cắt tải 51

3.3 Tính toán dòng không 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 toán 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 không 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: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn âm 1

Hình 2-5: Quá 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 toán 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 toán sóng gián đoạn khi tăng tải 34

Hình 3-1: Vị trí công trình thủy điện Nà Tẩu 36

Hình 3-2: Mặt bằng tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1

Hình 3-3: Cắt dọc tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1

Hình 3.4: Mô hình tính toán nước va 50

Hình 3.5: Biểu đồ lưu lượng theo thời gian (TH cắt tải toàn bộ) 51

Hình 3.7: Mô hình tính toán 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 công trình 46

Bảng 3.2: Đường mặt nước trong kênh trước khi xảy ra cắt tải 49

Bảng 3.3: Kết quả tính toán 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 toán 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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang trong thời kỳ công 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 công 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% công suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn 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 công suất khoảng 1500 MW; còn 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 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên trong đó có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, 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 công suất lắp Công 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 công 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 công 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 công tác tính toán và thiết kế các hạng mục công trình, đặc biệt là tuyến kênh dẫn của trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái ổn

định, còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định trong các chế độ chuyển tiếp Đối với dòng không ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dòng không ổn định biến đổi gấp) nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mô tả sự dịch chuyển của sóng gián đoạn, không phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho một đoạn dòng chảy có chứa sóng gián đoạn

Một số cơ quan tư vấn trong nước đã thực hiện việc tính toán chế độ không ổn định trong các chế độ chuyển tiếp cho kênh dẫn nhưng mới chỉ sử dụng công thức gần đúng tính toán ra chiều cao mực nước dềnh tại cuối kênh mà chưa mô phỏng được quá trình hình thành và truyền sóng nên kết quả tính toán không 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 Từ các yếu tố phân tích trên nên việc thực hiện đề tài

“phân tích dòng không 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 công 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, mô hình toán dòng không 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 không ổn định trong lòng dẫn

hở

- Nghiên cứu các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

- Ứng dụng phương pháp số phân tích dòng không ổn định trong kênh dẫn thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

- Phân tích, đánh giá kết quả

4 Kết quả dự kiến đạt được

- Kết quả phân tích áp lực nước va trong các chế độ chuyển tiếp của trạm

- Xác định mực nước max, mực nước min trong bể áp lực cuối kênh dẫn, từ

đó làm cơ sở tính toán thiết kể bể áp lực cuối kênh dẫn của trạm thủy điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện

Các công trình chuyển nước từ cửa nước vào tới nhà máy thuỷ điện và từ nhà máy xuống hạ lưu được gọi chung là công trình dẫn nước của trạm thuỷ điện Tuyến các công trình dọc theo các công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện còn được gọi là tuyến năng lượng Tuỳ theo điều kiện cụ thể của từng công 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 không 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 công 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 không quá 35÷40m Ở đây toàn bộ hệ thống công trình tập trung trên một tuyến Bản thân nhà máy là một phần của 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 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

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 không 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 bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước, tuabin được

bố trí trong thân đập bêtông Khoảng cách giữa đập và nhà máy thường đủ để bố trí các phòng 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; còn 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 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; tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều cách bố

trí khác nhau, tùy thuộc vào từng công trình Đường dẫn nước thường là đường ống

áp lực Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình và nằm tập trung theo hai khu vực; khu công trình đầu mối gồm công trình ngăn dòng, công trình xả lũ, công trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có

áp hoặc không 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), Sông 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

Sơ đồ dùng đường hầm dẫn nước: Các hạng mục công 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 không 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 Ngoài ra, phần dung tích nằm trên phần mặt nước dòng đều còn đóng vai trò 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

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, dòng 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 không tự điều tiết

a) Mặt cắt dọc; b) Quan hệ giữa lưu lượng và các độ sâu trong kênh

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 không 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 công 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 công, tuyến đường hầm có thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán kính không nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không vượt quá 60o Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki-lô-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 không 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 không 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 vòm Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo phương đứng không lớn

và không có áp lực hông của đất lên vỏ hầm thì có thể sử dụng tiết diện với trần là nửa hình tròn v.v

Hình 1.6: Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng

Đường hầm dẫn nước có áp: về nguyên tắc thường có tiết diện hình tròn 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 Ngoài ra, khi sử dụng tiết diện tròn, 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 không nhỏ hơn 0,02Mpa Kích thước tối thiểu của đường

hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công 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 không 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

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 công 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 còn giảm tổn thất năng lượng trên tuyến dẫn Nhược điểm là tuyến kênh thường dài, đi vòng vèo làm cho khối lượng các công trình phụ trợ (đường thi công) cũng nhiều, ngoài ra còn có các công trình dẫn nước phụ như xi phông, cầu máng, ống dẫn ngược v.v Dòng chảy trong kênh

là dòng không áp, cần thiết kế mặt cắt hợp lý để đảm bảo điều kiện không lắng và không xói bờ kênh

Về mặt thi công: Hầu hết là thi công hở nên có thể bố trí thi công dễ dàng hơn

so với công trình ngầm Nhưng nhược điểm của kênh dẫn là chiếm nhiều diện tích

bề mặt, đôi khi tuyến đi qua các công trình dân dụng như: nhà ở, đường xá, cầu cống v.v thì cần có các biện pháp thi công 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

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 công 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 không 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 đòi hỏi kích thước hầm phải lớn Dùng đường hầm có áp giúp tăng độ sâu công tác của các hồ chứa, nên chúng thường được dùng cho các công trình thủy điện có hồ lớn làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng, mực nước thượng lưu thay đổi nhiều

Về mặt thi công: Đường hầm không 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 lòng đất nên nó ít bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, đặc biệt khi thời tiết thay đổi do đó tuổi thọ của công trình cao hơn, không phải kiểm tra Tuy nhiên nếu không may gặp sự cố thì công tác sửa chữa gặp nhiều khó khăn Trong thực tế có công 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 công trình dẫn nước, còn 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

nhược điểm là giá thành cao, do đó ở các công trình có tuyến đường dẫn dài người

ta kết hợp đường ống và các công 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 công suất, cột nước, lưu lượng, số vòng 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 toàn bộ hệ thống công 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 công 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 quá 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 công trình thủy điện cần thiết phải xét đến các đặc trưng cơ bản của các quá trình chuyển tiếp trong các bộ phận công 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

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 không ổn định trong lòng 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 dòng không ổn định trong lòng dẫn hở đặc biệt là dòng không ổn định biến đổi gấp Các nghiên cứu này đã được ứng dụng tính toán cho nhiều bài toán thực tế như bài toán vở đập, dòng chảy trên âu thuyền vv Tuy nhiên, theo tìm hiểu của tác giả việc tính toán xác định các đặc trưng dòng 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 quá tính toán không 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 công 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 công 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 không áp, hầm có áp, đường ống áp lực, hoặc có thể kết hợp các loại trên thành công 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

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 toán thiết kế tuyến kênh dẫn, việc tính toán xác định các đặc trưng dòng 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

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH

TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP

CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN

Trong công tác tính toán và thiết kế các trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái ổn định còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định ở các công 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 dòng 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 toán rất phức tạp

Đối với dòng không ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dòng không ổn định biến đổi gấp) nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mô tả sự dịch chuyển của sóng gián đoạn, không phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho một đoạn dòng chảy có chứa sóng gián đoạn Trong chương này, tác giả nghiên cứu xây dựng thuật toán để viết chương trình phần mềm tính toán 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 dòng không ổn định biến đổi gấp [7]

chắn nước bị vỡ hoặc tại cửa sông khi sóng triều lên nhanh v.v đều tạo thành những sóng gián đoạn với mức độ khác nhau Sau khi hình thành, sóng được truyền xuôi hoặc ngược chiều với dòng chảy Nếu truyền cùng chiều với dòng chảy ban đầu gọi là sóng thuận; ngược lại gọi là sóng nghịch Khi sóng gián đoạn hình thành,

có thể làm cho cao trình mực nước tăng lên hoặc giảm đi một cách đột ngột Sóng làm tăng cao trình mực nước gọi là sóng dương và ngược lại gọi là sóng âm Như vậy, có 4 loại sóng gián đoạn:

Hình 2-1 Hình 2-2 Hình 2-3 Hình 2-4

Trong đó:

vs: vận tốc của đầu sóng gián đoạn

v1: vận tốc của dòng chảy sau khi sóng gián đoạn đi qua

v2: vận tốc của dòng chảy ban đầu

Trong quá trình truyền đi của sóng gián đoạn, chỉ có sóng dương mới giữ được đặc tính ban đầu của nó là có một đầu sóng gần như thẳng đứng còn các sóng âm sẽ mất dần đặc tính đó nghĩa là đầu sóng sẽ bẹt dần và sau một khoảng thời gian nhất định sẽ chuyển thành dòng không ổn định thay đổi dần (hình 2-5 và 2-6) Tuy nhiên, với những đoạn kênh ngắn vẫn có thể xem các sóng âm còn giữ được tính gián đoạn ban đầu của nó với độ cao đầu sóng tương đương thích hợp

Trong đó:

A-B: đầu sóng khi mới hình thành

A1-B1: đầu sóng sau một thời gian truyền đi, đã bẹt ra

2.1.2 Các phương trình cơ bản của đầu sóng gián đoạn

Vận tốc tuyệt đối của đầu sóng có dạng:

Ở đây:

) (

) (

.

2 1 2

02 01 1

ωθ

) (

.

h

h h h

Trong đó: Q1, Q2 là lưu lượng của dòng chảy sau và trước khi đầu sóng đi qua

Thay cho (2-1) ta có thể tính vs dưới dạng khác

Vận tốc dòng chảy trong lòng dẫn sau đầu sóng:

Hình 2-5: Quá trình truyền đi

của sóng gián đoạn dương

Hình 2-6: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn âm

.(

1

1 1

1 2 2

()

) (

.

2 1 1

02 01 2

ωθ

2

) (

2

h

h h h

2 2 1

r v

Tóm lại, với sóng thuận - dương và sóng nghịch - âm, vận tốc dòng chảy sau

khi sóng đi qua bao giờ cũng lớn hơn và cùng chiều với vận tốc dòng chảy ban đầu

Ngược lại, với sóng thuận - âm và sóng nghịch - dương thì độ lớn của vận tốc dòng

chảy sau khi sóng đi qua bao giờ cũng nhỏ thua độ lớn vận tốc của dòng chảy ban

đầu, còn chiều thì có thể cùng hoặc ngược chiều với chiều dòng chảy đó

2.1.3 Hiện tượng truyền sóng gián đoạn trong lòng dẫn hở

Xét một dòng chảy ban đầu là không ổn định thay đổi dần trong một lòng dẫn

bất kỳ Giả sử lúc t0 tại mặt cắt l0 xuất hiện sóng gián đoạn với độ cao Δh0 và lưu

lượng ΔQ0:

0 0

* 0

0 z z

Δ

0 0

* 0

0 Q Q

Δ

Sóng này truyền dọc theo lòng dẫn với tốc độ là vs0

Sau quãng thời gian Δt1, đầu sóng đi tới mặt cắt: l1 = l0 + Δl1 Tại đó độ cao và lưu lượng sóng là:

1 1

* 1

1 z z

Δ

1 1

* 1

* 2

2 z z

Δ

2 2

* 2

2.2 Các phương pháp giải hệ phương trình vi phân sóng gián đoạn

2.2.1 Tính sóng gián đoạn dựa trên lý thuyết đặc trưng

Xét một sóng gián đoạn, giả dụ là sóng thuận - dương truyền đi trên lòng dẫn có dòng chảy ban đầu là không ổn định thay đổi dần (hình 2-7)

Tại thời điểm t đầu sóng ở mặt cắt l Lúc đó đầu sóng có vận tốc là vs, độ cao và lưu lượng sóng là:

Δh = z* - z

ΔQ = Q* - Q Sau thời gian dt, đầu sóng đi tới mặt cắt (l + dl) (điểm M) thỏa mãn phương trình

dl = vs dt (2-12) Giả sử rằng, lúc đó có hai đường đặc trưng thuận xuất phát tại A, B lúc t cùng đi

tới M Hai đường đặc trưng đó thỏa mãn phương trình:

Hình 2-7: Sóng gián đoạn thuận – dương

Tóm lại, ta có hệ 8 phương trình để giải bài toán truyền sóng gián đoạn Đó là

(2-12), (2-13), (2-14), (2-15) và 3 phương trình cho quan hệ Q ∼ z trên hai đường đặc

trưng thuận và một đường đặc trưng nghịch

dt F

g dz B

0 1 1 11

dt F

g dz B

0 2 2 22

g dz B

0 2 2 12

2.2.2 Tính sóng gián đoạn bằng phương pháp sai phân trực tiếp

Xét một sóng gián đoạn, để tổng quát, ta cho rằng dòng chảy ban đầu cũng là

dòng không ổn định thay đổi dần Như vậy là trong lòng dẫn có hai dòng chảy

không ổn định thay đổi dần được phân cách bởi đầu sóng gián đoạn Ngoài cách

giải dựa trên lý thuyết đặc trưng, đề xuất cách giải dựa trên phương pháp sai phân

trực tiếp Ở đây, để tiện diễn giải, ta dùng sơ đồ sai phân ẩn hình chữ nhật để trình

bày (hình 2-8)

Δ

Hình 2-8: Sơ đồ sai phân ẩn hình chữ nhật

Cho rằng sóng gián đoạn xuất phát từ gốc tọa độ (l1, t1) Lúc t2i-1 đầu sóng đi

tới l2i-1 (điểm A) Giả dụ rằng đã tính tới thời điểm t2i-1 có nghĩa là mọi giá trị thủy

lực tại thời điểm đó đã biết Tới t2i-1 sóng đi tới l2i-1 (điểm D) Các đại lượng quan hệ

tới đầu sóng lúc đó là: 2 *

1 2

+ +

i i

1 2

+ +

i i

1 2

+ +

i i

1 2

+ +

i i

z ; còn tại mặt cắt l2i-1 cao trình mực nước và lưu lượng sẽ là 2 1

1 2

+ +

i i

1 2

+ +

i i

Q Nếu Δ l2i đã định trước thì Δ t2i là đại lượng chưa biết do tốc độ đầu sóng vs2i+1 chưa xác định được

Tóm lại, với lòng dẫn có sóng gián đoạn đi qua, số ẩn số cần tìm là 7 So sánh

với đoạn bình thường của dòng không ổn định thay đổi dần, thì số ẩn tăng thêm là

3 Vậy để giải được cần có 3 phương trình bổ sung Ta có hai phương trình ứng với

đầu sóng, đó là phương trình liên tục (2-4) và phương trình chuyển động (2-1) Để

có phương trình bổ sung thứ ba, cần quan sát hiện tượng sau:

Xét sự thay đổi khối nước trong đoạn có sóng gián đoạn đi qua do dòng không

ổn định ban đầu gây ra Thể tích đó là:

i

i i

i i

1 2 1 2 1 2

2 =( − )Δ

−

− + (1) Với:

i s

i i

v

l t

2

2 2

Δ

=

Từ điều kiện hình học, tính được:

i

i i

i i

1 2 1 2 1 2

2 =( − )Δ

+

− + ω

1 2 1 2 1 2

−

−

− + − i i

1 2

2 = + =

+

i i

Hệ phương trình tính toán

Xét sóng gián đoạn truyền trên lòng dẫn dài L được chia ra m đoạn với (m +1)

mặt cắt Tại mặt cắt đầu tiên l1 và mặt cắt cuối cùng l2m+1 đã cho điều kiện biên, giả

dụ dưới dạng tổng quát:

0)

1 2 1 2 1 2 2

+

+ +

i m

Từ hình (2-8) thấy rằng, trong lòng dẫn đang xét, chỉ trừ đoạn Δl2i, ta đều có

thể viết được 2 phương trình cho mỗi đoạn, đó là phương trình liên tục và phương

trình chuyển động Hai phương trình đó có thể viết dưới dạng chung như sau, với j

≠ 1

0 ) , , ,

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

+

+ +

i j

i j

0 ) , , ,

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

+

+ +

i j

i j

Riêng đoạn Δ l2i, tức đoạn có đầu sóng gián đoạn đi qua trong khoảng thời

gian Δ t2i, thì phương trình liên tục phải viết là:

−+

+

1 2

1 2

1 2

1 2

0

l l

i i i i

Sai phân hóa theo sơ đồ hình chữ nhật, ta có phương trình sau:

0),,,

1 2

* 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

+

+ +

Phương trình động lực trong đoạn đó, nếu viết cho thời điểm t2i+1 sẽ có dạng như

đối với các đoạn khác và có thể biểu diễn bằng hàm G2i

0),,,

1 2

* 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

+

+ +

Phương trình liên tục tại đầu sóng (2-4) được viết là:

1 2 1 2

* 2 1 2

1 2 1 2

* 2 1 2 1

+

+ +

+ +

+ +

i i

i i i

s

Q Q

1 2 1 2 1 2

* 2 1 2

* 2 1 2

*

+

+ +

+ +

+ + i i i i i i

i i

Phương trình chuyển động của đầu sóng (2-1) được viết lại như sau:

)(

)(

1 2 1 2

* 2 1 2 1 2 1 2

1 2 1 2

* 2 1 2

* 2 1 2 1

2

1 2 1

+

+ +

+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

−

−+

i i

i i

i i O

i i O

i i i

i i

S

S S

g

Q v

ωω

ω

ω

Phương trình này có khi được gọi là phương trình RanKine - Hugoniot

Tóm lại, ta có hệ phương trình sau:

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ + + +

+ + + +

+ +

0),,,(

0),,,(

0),,,(

0),,,(

0,

(

)(

1 2 1 2 1 2 1 2

* 2 1 2

* 2 1 2

* 2

* 2 1 2

* 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2

* 2 1 2

* 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2

1 2 3 1 2 3 1 2 1 1 2 1 2

1 2 3 1 2 3 1 2 1 1 2 1 2

1 2 1 1 2 1

1

i i

i i

i i

i i i

i i

i i

i i

i i i

i i

i i

i i

i i i

i i i i

i i i i

i i o

Q z Q z L

Q z Q z G

Q z Q z L

Q z Q z G

Q z Q z L

Q z G

+ + +

+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

0,

0),,,(

0)(

)(

1 2 1 2 1 2 1 2 ) 1 ( 2

1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ) 1 ( 2

1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ) 1 ( 2

1 2 1 2 2

2

i m

i m m

i i

i i

i i

i i i

i i

i i

i i

i i i

i i i

Q z L

Q z Q z G

Q z Q z L

z G

Hệ này (A = A1 + A2 và 2-24) có 2(m+2) phương trình sẽ cùng phương trình (2-34) để giải ra (2m + 5) ẩn Đó là 2 (m +1) giá trị Q, z tại các mặt cắt của dòng không ổn định thay đổi dần và giá trị liên quan tới đầu sóng Q*, z* và vs

2.2.3 Xác định sóng gián đoạn bằng phương pháp Tre-tu-xôp

Xét trường hợp sóng dương (hình 2-9,a) với chiều cao Δh di chuyển với vận tốc c theo dòng chảy với vận tốc ban đầu vo và độ sâu nước ho, và vận tốc hiện thời trong phạm vi sóng v (mũi tên liền nét tương ứng với sóng thuận khi hướng vận tốc truyền sóng c trùng với hướng vận tốc dòng chảy; không liền nét ứng với trường hợp sóng nghịch khi vận tốc c và vận tốc v không trùng hướng) Sử dụng phương pháp “ dừng sóng” bằng cách đưa toàn bộ hệ thống đường dẫn lùi ngược chuyển động sóng một trị số vận tốc c, khi đó có thể coi như sóng đứng yên và vận tốc dòng chảy ban đầu sẽ là vo ± c còn vận tốc trong vùng sóng v± c ( hình 2-9,b) Viết phương trình liên tục cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 ta có :

(vo ± c ) Fo = ( v ± c ) ( Fo + Δh B’ ) (2-36)

trong đó: B’ - chiều rộng trung bình của lòng dẫn ở trong vùng sóng dâng Δh Thay vào (2-36) các giá trị lưu lượng ban đầu Qo = voFo ; và giá trị lưu lượng trong sóng

Q = voFo + v Δh B’

Ta có: ΔQs = Q o- Q = ± c Δh B’ (2-37) Hay nếu không tính dấu của vận tốc c:

Cũng bằng cách lập luận tương tự ta có thể xây dựng các biểu thức tính cho sóng âm:

'

Dựa vào các công thức (2-38) ÷ (2-43) ta có thể xác định chiều cao sóng tăng

và giảm ảp trong các đường dẫn hở

2.3 Lựa chọn phương pháp tính toán dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp

Giải hệ phương trình vi phân theo phương pháp đường đặc trưng hoặc phương pháp sai phân sẽ cho kết quả tương đối chính xác các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh dẫn của trạm thủy điện tuy nhiên phương pháp này giải tương đối phức tạp Trong thiết kế, mục tiêu cơ bản là xác định các mực nước lớn nhất và thấp nhất ở các tiết diện của đường dẫn nên bài toán này với mức độ chính xác tương đối có thể giải quyết bằng cách sử dụng các phương pháp gần đúng của M D Tre-tu-xôp Trong phần này tác giả sẽ xây dựng thuật toán tính toán dòng không ổn định trên kênh cho chế độ cắt tải và chế độ tăng tải của trạm thủy điện

2.3.1 Xác định các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh khi cắt tải

Sơ đồ tính toán mực nước cao nhất khi giảm lưu lượng của trạm thuỷ điện từ

Qo đến Q’o được thể hiện trên hình 2-10 Tại bể áp lực (tiết diện 0-0) khi giảm tải đột ngột, ban đầu xuất hiện sóng dương với chiều cao Δho và lan truyền về đầu kênh với vận tốc co được xác định theo hai biểu thức ( 2-44) và (2-45):

'

trong đó: Fo, B’o, vo - tương ứng với trạng thái dòng chảy ở thời điểm ban đầu tại tiết diện 0-0

Sau thời gian T sóng lan truyền tới tiết diện đầu kênh, tại đây chiều cao sóng

sẽ là ΔhL với vận tốc CL xác định theo ( 2-46) và (2-47) (với giả thiết mặt nước trong kênh khi sóng chưa lan truyền tới đầu kênh là đường nằm ngang):

Công thức (2-46) được suy ra từ biểu thức (2-44) với các trị số trung bình giữa hai mặt cắt:

Qo -Qo’ = Ctb Δhtb B’tb; ctb = co +cL

2 ; w = Δhtb B’tb L Các trị số co, Δho, cL, ΔhL xác định từ các biểu thức trên bằng phương pháp thử dần hoặc đồ giải