Nhà máy thủy điện - Công trình dẫn nước của trạm thủy điện

1.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI

Các công trình trên tuyến dẫn nước của trạm thuỷ điện làm nhiệm vụ dẫn nước  vào nhà máy của trạm thuỷ điện và ra khỏi nó với yêu cầu đảm bảo về khối lượng và chất lượng nước cho trạm thuỷ điện làm việc bình thường. Mỗi hạng mục công trình trên tuyến đường dẫn đảm nhận các chức năng khác nhau, chúng được bố trí ở các vị trí tương ứng trên tuyến năng lượng. Các hạng mục công trình chỉ làm nhiệm vụ dẫn nước được gọi chung là công trình dẫn nước. Căn cứ vào chức năng dẫn nước chúng được chia ra làm hai loại: công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện và công trình tháo nước khỏi nhà máy thuỷ điện. Trong chương này chủ yếu trình bày về các công trình dẫn nước vào nhà máy.

Công trình dẫn nước của trạm thuỷ điện có thể là công trình không áp (kênh dẫn, đường hầm không áp) hoặc loại có áp (đường hầm có áp, đường ống áp lực). Các công trình dẫn nước không áp được bố trí ở các cao trình gần với mực nước thượng lưu khi mực nước này ít thay đổi. Các công trình dẫn nước có áp được bố trí ở các cao trình sâu hơn khi mực nước thượng lưu thay đổi nhiều. Sử dụng các công trình này cho phép tăng độ sâu công tác của hồ chưa và do đó tăng được dung tích hiệu dụng của hồ. Khi địa hình tương đối bằng phẳng, tuyến đường dẫn ít chia cắt, địa chất ổn định,

về mặt kinh tế nên sử dụng hình thức kênh dẫn. Trong các trường hợp địa hình thay đổi nhiều, địa chất phức tạp thường sử dụng đường hầm hoặc đường ống áp lực. Sử dụng đường hầm tuy có đắt hơn, phức tạp hơn so với các công trình đặt trên mặt đất song nó ít bị sự ảnh hưởng của môi trường xung quanh, đặc biệt khi thời tiết thay đổi và do đó tuổt thọ công trình dài hơn. Mặt khác sử dụng đường hầm không đòi hỏi có sự theo dõi thường xuyên trong quá trình vận hành. Đường hầm có thể là loại có áp hoặc không áp. Khi mực nước thượng lưu thay đổi nhiều nếu sử dụng đường hầm không áp đòi hỏi nó phải có chiều cao lớn. Đối với đường hầm có áp kích thước tiết diện không phụ thuộc vào mực nước thượng lưu.

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 dẫn nước áp lực. Khác với đường hầm, đường ống áp lực được đặt trên mặt đất, trong hành lang (đường hầm) hoặc trong khối bê tông trọng lực của đập dâng hay trên mặt hạ lưu của nó, còn đường hầm là một kết cấu ngầm trong lòng đất, việc thi công nó được tiến hành trong lòng đất. Chi tiết về đường ống áp lực sẽ được trình bày trong chương IV.

Các yêu cầu đối với công trình dẫn nước thủy điện:

Các công trình dẫn nước thuỷ điện cần phải đảm bảo chuyển được mọi lưu lượng nước theo yêu cầu vận hành với tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất. Trong trường hợp các công trình này tham gia lợi dụng tổng hợp phục vụ cho các ngành dùng nước khác thì chúng còn phải thoả mãn các yêu cầu của các ngành dùng nước đó. Ngoài ra chúng còn phải đảm bảo yêu cầu chung của một công trình thuỷ lợi tương ứng với cấp công trình được xác định theo các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành.

1.2 CẤU TẠO KÊNH DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN

Kênh dẫn được ứng dụng rộng rãi ở trạm thuỷ điện đường dẫn khi mực nước thượng lưu thay đổi không nhiều và địa hình tương đối bằng phẳng.

1.2.1. Mặt cắt kênh

Mặt cắt kênh phụ thuộc vào điều kiện địa chất và địa hình của tuyến kênh. Nếu tuyến kênh đặt trên nền địa chất bằng đất thông thường chúng có tiết diện hình thang (Hình 3.1- sơ đồ I). Trong trường hợp nền đất yếu, kênh lại đào sâu chúng có tiết diện đa giác, parabol hoặc tròn (sơ đồ II,III,IV- hình 3.1). Ngược lại nếu địa chất tuyến kênh là đá tốt thì mái kênh có thể thẳng đứng hoặc gần thẳng đứng (sơ đồ V- hình 3.1).

Độ dốc mái kênh phụ thuộc vào đặc tính cơ lý của đất mà trên đó bố trí tuyến kênh. Đối với kênh không có lớp áo bảo vệ thì độ dốc mái kênh phải nhỏ hơn độ dốc của mái đất tự nhiên. Khi thiết kế sơ bộ độ dốc mái kênh có thể lấy theo qui phạm thiết kế kênh dẫn nước thuỷ điện QP-TL-C-I-76.

Đối với kênh có lớp bảo vệ bằng bê tông, bê tông cốt thép hệ số mái kênh m³1,25; các trường hợp khác m ³1,5.

Hình 3-1. Các mặt cắt ngang kênh dẫn nước thuỷ điện.

Chiều sâu nước trong kênh và chiều rộng đáy kênh được xác định trên cơ sở tính toán kinh tế so sánh các phương án và điều kiện kĩ thuật, thi công, vận hành.Về mặt thuỷ lực với kênh hình thang tỉ số chiều rộng b đáy kênh và chiều sâu nước h có lợi nhất khi bán kính thuỷ lực R= w/c là lớn nhất, khi đó tổn thất do ma sát là nhỏ nhất.

Tương ứng với điều kiện này:

trong đó: m - hệ số mái dốc; b- chiều rộng đáy; h chiều sâu nước trong kênh.

Nhưng mặt cắt có lợi nhất về thủy lực không phải bao giờ cũng là mặt cắt có lợi nhất về kinh tế. Mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực trùng hợp với mặt cắt có lợi nhất về

kinh tế chỉ trong trường hợp phần đào và phần đầu nắp phải kề bằng nhau.

Đối với kênh thi công bằng cơ giới thì chiều rộng đáy kênh phải đảm bảo cho các phương tiện cơ giới hoạt động, thông thường không nhỏ hơn 3 m.

1.2.2. Tuyến kênh

Việc chọn tuyến kênh sẽ quyết định đến toàn bộ kết cấu của các bộ phận trên tuyến đường dẫn. Nó có ảnh hưởng tới số lượng công trình trên kênh, khối lượng công trình và trong nhiều trường hợp ảnh hưởng tới khả năng vận hành liên tục của toàn bộ hệ thống. Chính vì vậy, việc lựa chọn tuyến kênh phải tiến hành dựa trên cơ sở so sánh kinh tế - kĩ thuật của các phương án căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và sơ đồ bố trí trạm thuỷ điện. Ngoài ra, các công trình có sẵn và giá trị vùng đất mà tuyến kênh đi qua cũng có ảnh hưởng tới việc lựa chọn tuyến kênh.

Về nguyên tắc khi lựa chọn tuyến kênh phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Để giảm khối lượng yêu cầu tuyến kênh phải ngắn, khối lượng đào đắp phải nhỏ. Tuyến kênh cố gắng chọn sao cho đi qua những nơi địa hình ít thay đổi và khối lượng đào đắp tương đương nhau, tránh những nơi sườn đồi quá dốc. (Trong trường hợp thi công bằng cơ giới thì tuyến kênh chọn thiên về đào sẽ có lợi hơn trường hợp thiên về đắp nhiều).

- Kênh không đi qua nơi địa chất quá yếu có khả năng sụt lở.

- Vốn đầu tư vào việc xây dựng các công trình trên kênh ít.

- Những nơi kênh phải uốn cong thì bán kính cong không vượt quá bán kính giới hạn theo điều kiện tổn thất thuỷ lực.

trong đó: r, v, b, w tương ứng là bán kính cong, vận tốc trung bình trong kênh, chiều rộng đáy kênh và diện tích tiết diện ướt của kênh.

1.2.3. Bờ kênh

Đỉnh kênh phải bố trí cao hơn mực nước lớn nhất trong kênh với một trị số an  toàn nhất định. Độ vượt cao của đỉnh bờ kênh trên mực nước cao nhất được tính theo công thức:

d= h_S +e                                                                        (3-3)

trong đó: h_S- chiều cao của sóng do gió trên mực nước tĩnh, e- độ vượt cao an toàn xét tới các yếu tố thay đổi các thông số thiết kế của kênh trong quá trình sử dụng, trị số này được xác định theo cấp công trình và loại kênh.

Mực nước lớn nhất trong kênh được xác định theo chế độ không ổn định trong quá trình vận hành và sự cố đối với các loại tổ máy thuỷ điện.

Chiều rộng đỉnh bờ kênh thuộc vào cấp công trình và các yêu cầu sử dụng với mục đích khác. Chiều rộng đỉnh bờ kênh không nhỏ hơn 2 m.

Khi kênh đào sâu trong đất cần phải bố trí một cơ chính ngăn cách phần mái dưới nước và mái trên nước, chiều rộng cơ chính không nhỏ hơn 1,5 m. Độ vượt cao của đỉnh cơ chính trên mực nước cao nhất được tính theo công thức (3-3). Nếu phần mái trên nước cao hơn cơ chính nhiều thì cần làm các cơ phụ với chiều rộng không nhỏ hơn 1,0 m và khoảng cách giữa các cơ nên lấy từ 6-8 m theo chiều cao.

Đối với bờ kênh đắp yêu cầu không để đường bão hoà của nước thấm từ kênh ra ngoài cắt mái ngoài của kênh. Trong trường hợp ngược lại cần làm các hệ thống thoát nước dưới dạng ống hoặc các dạng khác để hạ thấp đường bão hoà thấm.

1.2.4. Gia cố lòng và mái kênh

Lớp gia cố lòng và mái kênh còn dược gọi là áo kênh. áo kênh được làm với mục đích: chống xói lở lòng kênh, chống mất nước do thấm, giảm độ nhám của kênh, tăng vận tốc cho phép trong kênh và do đó giảm kích thước tiết diện kênh, tăng cường ổn định mái kênh. Ngoài ra, sử dụng áo kênh sẽ cải thiện điều kiện vận hành và do đó giảm bớt chi phí đại tu sửa chữa.

áo kênh thường được làm bằng bê tông, bê tông cốt thép, gạch đá xây hoặc lát và các vật liệu khác. Đối với kênh dẫn thuỷ điện phổ biến nhất là làm bằng bê tông và bê tông cốt thép.

a, áo kênh bằng bê tông.

Lòng kênh được gia cố bằng bê tông sẽ có độ bền lớn, khả năng chống thấm cao, độ nhám nhỏ, không đòi hỏi phải thường xuyên sửa chữa và ít phụ thuộc vào điều kiện địa chất. Mặc dù vật liệu bê tông đắt nhưng khi gần công trình có nhiều các phụ liệu cát, sỏi thì gia cố lòng kênh bằng bê tông sẽ có lợi. Bê tông lòng kênh có thể đổ tại chỗ cũng có thể dùng các tấm bê tông đúc sẵn lát ghép lại. Trong trường hợp gia cố lòng kênh bằng bê tông liền khối đổ tại chỗ thì với mục đích

Hình 3-2. Kết cấu các bộ phận kênh dẫn có lớp gia cố .

Hình 3-3. Kết cấu áo phận kênh bằng bê tông đổ tại chỗ . 

giảm ứng suất do thay đổi nhiệt độ và do lún không đều gây nên, các khối bê tông được cắt rời bằng các khớp nối nhiệt độ. Các khớp này có thể có nhiều dạng khác nhau, thông thường bằng nhựa đường hoặc bằng tấm nhựa PVC... Khoảng cách giữa các khớp nối thường lấy từ 3¸6m theo chiều dài kênh. Khớp nối dọc bố trí tại nơi nối tiếp đáy và mái kênh. Chiều dày lớp gia cố lòng bằng bê tông không cốt thép thường lấy trung bình từ 10¸20 cm, đáy kênh có thể từ 12¸25 cm, phần mái kênh độ dày có thể thay đổi trung bình từ 7¸15 cm (hình 3-2).

Về nguyên tắc, lớp bê tông gia cố lòng kênh được đặt trên lớp đệm dễ thấm nước như cát, sỏi, hoặc cát hạt lớn. Tại những nơi độ dốc mái kênh thay đổi hoặc phần tiếp giáp đáy và mái kênh chiều dày bê tông được lấy tăng lên khoảng hai lần. Kết cấu phần tiếp giáp thể hiện trên hình 3-3.

 b, áo kênh bằng bê tông cốt thép.

Trong các trường hợp địa chất tuyến kênh dễ biến dạng và biến dạng không đều cũng như tuyến kênh ở những vùng có khí hậu thay đổi đột ngột người ta thường sử dụng bê tông cốt thép. áo kênh làm bằng bê tông cốt thép có ưu điểm hơn bê tông thường ở độ bền cao chịu được biến dạng cục bộ nhưng giá thành đắt hơn, vì vậy nó được ứng dụng chỉ trong trường hợp địa chất phức tạp hoặc kênh làm điều tiết ngày với dao động mực nước trong kênh lớn.

Chiều dày lớp lót bê tông cốt thép thường từ 8-15 cm, với hàm lượng cốt thép không quá 2%. Lưới cốt thép thường từ 20 x 20: 30x30 cm, đường kính cốt thép từ 8- 12 mm. Lớp lót được đặt trên lớp đệm dày 20-80 cm và nói chung có thể liền khối không cần các khớp nhiệt độ. Để tiện thi công có thể làm các khớp thi công với khoảng cách từ 10-20 m.

c, áo kênh bằng các vật liệu khác.

Ngoài các vật liệu bê tông và bê tông cốt thép người ta còn làm áo kênh bằng gạch đá xây, đá lát, bê tông nhựa đường hoặc các loại vật liệu nhựa PVC ...

Khi sử dụng gạch, đá để lát kênh mà không chít mạch thì chúng chỉ có tác dụng làm tăng sự ổn định của kênh và chống xói lở, không có tác dụng chống thấm. Các vật liệu nhựa đường, nhựa PVC ngày nay vẫn còn ít được ứng dụng. Ngoài ra, kênh có thể lót bằng các loại đất dẻo, trong trường hợp này áo chỉ làm nhiệm vụ chống thấm. Lớp đất bằng chất dẻo thường được đầm kĩ dày từ 30-60 cm và phải được bảo vệ bằng lớp cát sỏi dày từ 30-100 cm để chống xói.

1.3 ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH VÀ VẬN TỐC CHO PHÉP TRONG KÊNH

1.3.1. Vận tốc cho phép trong kênh

Kênh dẫn nước thuỷ điện khi thiết kế phải đảm bảo làm việc an toàn, ổn định trong mọi trường hợp. Nếu kênh dẫn cùng cấp nước hoặc được sử dụng cho các mục đích khác nhau thì nó phải đảm bảo các yêu cầu cho các mục đích đó. Vận tốc dòng chảy trong kênh quyết định mặt cắt trong kênh, vận tốc này phải đảm bảo cho kênh không bị xói lở, lắng đọng bùn cát lơ lửng, cây cỏ và các thực vật khác không mọc vì chúng sẽ làm tăng độ nhám của kênh.

1. Điều kiện kênh không xói lở

Vận tốc lớn nhất trong kênh không vượt quá vận tốc cho phép theo điều kiện chống xói lở V_{max XL}, vận tốc này được xác định tuỳ loại vật liệu lòng kênh và mái kênh, kích thước tiết diện kênh:

V  >  V_{max XL}                                                                          (3-4)

Đối với kênh trên nền không có lớp lót hoặc lớp lót bằng đất, đá lát thì vận tốc cho phép không xói Vmax _XL được xác định theo qui phạm QP-TL-C-I-76 phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực kênh dẫn và độ lớn các hạt tạo nên đáy và mái kênh nếu chúng là đất rời. Đối với trường hợp đất dính vận tốc cho phép không xói có thể chọn theo kinh nghiệm phụ thuộc vào loại đất và không vượt quá 1,8 m/s. Đối với kênh có lớp  lót bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá xây và các vật liệu nhân tạo khác hoặc kênh không lót trên nền đá thì vận tốc cho phép thông thường rất lớn, vận tốc trong kênh thuỷ điện không đạt tới trị số này do đó không cần thiết phải kiểm tra theo điều kiện xói lở mà vận tốc trong kênh được quyết định theo điều kiện có lợi về kinh tế, thông thường từ 2-3 m/s.

2. Điều kiện lắng đọng bùn cát

Để bùn cát lơ lửng không lắng đọng bồi lấp lòng kênh, vận tốc dòng chảy trong kênh không nhỏ hơn vận tốc nhỏ nhất mà khi đó bùn cát lơ lửng có thể lắng đọng VminLĐ.

V  ³ > V_{min LĐ}                                                              (3-5).

Vận tốc giới hạn không bồi lắng V_{min LĐ} độ lớn hạt bùn cát lơ lửng và số lượng nó, phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực, độ nhám kênh và nhiều yếu tố khác. V_{min LĐ} có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của I. I. Lêvi:                        

Trong đó: w-độ thô thuỷ lực của các hạt bùn cát có dường kính trung bình d_tb [mm/s], R-bán kính thuỷ lực tiết diện kênh [m]; p- hàm lượng (% theo trọng lượng) các hạt bùn cát lơ lửng có đường kính lớn hơn 0,25 mm; n- hệ số nhám lòng dẫn.

3. Điều kiện hạn chế phát triển của thực vật

Đối với các loại kênh đất để cây cỏ không mọc vận tốc dòng chảy trong kênh phải đủ lớn. Kinh nghiệm vận hành các kênh thuỷ điện cho thấy điều kiện để cây cỏ mọc trong kênh phụ thuộc vào độ sâu nước trong kênh và vận tốc dòng chảy trong nó. Khi độ sâu nước lớn hơn 1,5 m thì vận tốc cho phép để cây cỏ không mọc khoảng 0,6 m/s.

4. Điều kiện giao thông thuỷ

Trong thường hợp kênh dẫn nước thuỷ điện kết hợp làm kênh giao thông thuỷ thì vận tốc dòng chảy trong kênh không vượt quá 1,5 m/s để đảm bảo cho tàu thuyền đi lại được.

1.3.2. Điều kiện vận hành

Chế độ vận hành của kênh phụ thuộc vào các yếu tố khí hậu, thuỷ văn, chế độ làm việc của trạm thuỷ điện và đặc điểm kết cấu, cấu tạo của kênh và các công trình trên kênh. Lượng bùn cát lơ lửng thay đổi theo các thời kì trong năm, nếu dòng chảy có nhiều bùn cát lơ lửng cần thiết phải có bể lắng cát ở đầu kênh để loại bỏ bớt những thành phần hạt nguy hiểm có khả năng lắng đọng hoặc gây nguy hiểm đến các bộ phận công trình và thiết bị thuỷ điện. Sự lắng đọng các hạt bùn cát trong kênh phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trong nó. Để chúng không bồi lắng lòng kênh trong quá trình vận hành, mong muốn sao cho vận tốc trong kênh thường xuyên có giá trị lớn. Trong mùa lũ, lượng bùn cát trong dòng chảy nhiều nhưng trong thời kì này nói chung các trạm thuỷ điện đều làm việc với công suất lớn và ít thay đổi do đó vận tốc dòng chảy trong kênh lớn không gây lắng đọng bùn cát. Đối với trạm thuỷ điện làm việc theo chế độ điều tiết ngày trong mùa lũ để tăng vận tốc trong kênh khi chúng làm việc với công suất nhỏ cần phải xây dựng công trình xả nước cuối kênh.

Trên kênh cần phải bố trí hệ thống quan trắc để thường xuyên hoặc định kì kiểm tra trạng thái của kênh (mực nước, độ lún, mức độ xói, thấm v.v...) để có biện pháp xử lý. Đối với kênh dẫn nước thuỷ điện ít khi phải tháo cạn vì khi đó trạm thuỷ điện phải ngừng làm việc, trong trường hợp cần thiết phải tháo cạn nước trong kênh thì phải tiến hành tháo nước từ từ để tránh cho lớp lót lòng kênh khỏi bị phá huỷ do mực nước rút quá nhanh.

1.4 ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC

Đường hầm dẫn nước còn gọi là tuynen dẫn nước. Trong khái niệm về đường hầm người ta phân ra làm hai loại: đường hầm khô thường ứng dụng với mục đích giao thông, bố trí thiết bị ...và đường hầm dẫn nước dùng để cung cấp nước cho các mục đích phát điện, tưới và các ngành dùng nước khác còn gọi là đường hầm thuỷ lợi.

Căn cứ vào chế độ thuỷ lực bên trong đường hầm mà có thể phân thành hai loại cơ bản: đường hầm dẫn nước có áp và đường hầm dẫn nước không có áp. Đường hầm không áp được ứng dụng trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi.

1.4.1. Tuyến đường hầm dẫn nước

Khi lựa chọn tuyến đường hầm cần phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công. Về mặt 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 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 60^o. Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki lô mét.

1.4.2. Tiết diện đường hầm

Hình dạng tiết diện đường hầm phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực trong nó, điều kiện địa hình, địa chất và chế độ thi công.

Đường hầm dẫn nước không áp có nhiều tiết diện khác nhau tuỳ theo điều kiện địa chất mà tuyến đi qua. Đường hầm dẫn nước có thể có tiết diện như các sơrêđnồ thình 3-4

với tỷ số chiều cao h và chiều rộng b khoảng 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 không áp trong mọi điều kiện kể cả các chế độ chuyển tiếp của trạm thuỷ 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 (tiết diện dạng c). 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 dạng d với trần là nửa hình tròn. Tiết diện e được ứng dụng trong các trường hợp áp lực đất theo phương đứng lớn và áp lực hông không nhiều. Tiết diện f được dùng khi áp lực đất theo phương đứng và áp lực chủ động theo phương ngang rất lớn. Nói  chung các tiết diện e, f rất ít được ứng dụng trong thực tế.

Hình 3-4. Hình dạng các tiết diện đường hầm.

Đường hầm dẫn nước có áp về nguyên tắc thường có tiết diện tròn (hình 3-4a) vỏ của nó có khả năng chịu áp lực tốt từ các phía, về thuỷ 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 dịện khác, điều kiện cơ giới hoá thi công cũng thuận lợi hơn. Đối với đường hầm dẫn nước có áp với chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí đường hầm cần phải chọn sao cho áp suất bên trong nó không nhỏ0h2ơMn 0P,a.

Kích thước tối thiểu của đường hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công b>= 1,5 m, h>=1,8m. Đường hầm có kích thước kỷ lục của trạm thuỷ điện Stornorforx (Thụy điển) diện tích 390 m² vơí chiều rộng 15,6 m, chiều cao 26,8m dài 4km dùng để tháo nước ra khỏi nhà máy.

1.4.3. Vỏ đường hầm

Phần lớn các đường hầm dẫn nước thuỷ điện đều có vỏ, tuỳ theo khả năng chịu lực và đặc điểm khối đất đá xung quanh tuyến đường hầm mà chúng đảm nhận các nhiệm vụ khác nhau do đó nhiệm vụ của chúng cũng khác nhau.

Nếu đường hầm đặt trong khối đá rắn chắc không nứt nẻ thì vỏ đường hầm chỉ làm nhiệm vụ làm phẳng mặt trong của đường hầm để giảm tổn thất thuỷ lực vì trong trường hợp này tải trọng do áp lực nước bên trong và áp lực đất đá xung quanh là do khối đá đảm nhận. Trong các

trường hợp này chúng thông thường được làm bằng lớp vữa phun dày từ 5-10 cm. Nếu khối đất đá có nhiều nứt nẻ thì chúng còn được làm nhiệm vụ chống thấm.

Trong trường hợp khối đất đá xung quanh không có khả năng đảm nhận tải trọng do áp lực nước bên trong gây và áp lực đất bên ngoài nên thì thì vỏ đường hầm có kết cấu để có thể chịu áp lực nước bên trong, áp lực đất và nước ngầm từ bên ngoài, đồng thời đóng vai trò chống thấm và giảm ma sát. Trên hình 3-5 thể hiện cấu tạo vỏ của các loại đường hầm có áp chịu áp lực đất bên ngoài và nước bên trong.

Hình 3-5. Các loại vỏ đường hầm có áp.

I- bê tông liền khối; II- bê tông cốt thép liền khối; III- vỏ hai lớp; IV- bê tông cốt thép đúc sẵn; V & VI- các kết cấu vỏ kết cấu hợp; 1-lỗ phụt vữa bê tông cốt thép; 2- ống phụt vữa chèn vỏ hầm; 3- cốt thép vòng; 4- cốt thép cấu tạo; 5- bê tông đúc tại chỗ; 6- vữa phun; 7-dăm sỏi; 8- ống thoát nước; 9- vữa, xi măng; 10- khối bê tông; 11- thép tấm có đai; 12- vòng thép tấm.

Trong mọi trường hợp (trừ trường hợp vỏ hầm làm bằng bê tông phun hoặc vữa phun) để tăng cường khả năng chịu lực của vỏ hầm, tạo vùng đệm rắn chắc giữa vỏ hầm và khối đá xát tự nhiên tăng khả năng chống thấm, trong trường hợp địa chất là đá nứt nẻ người ta phụt vữa xung quanh vỏ hầm (hình 3-6). Việc phụt vữa xung quanh đường hầm tạo nên một khối rắn chắc cùng làm việc chung với vỏ hầm và làm cho tải trọng phân bố đều xung quanh, giảm khả năng biến dạng của khối đất đá. Vữa phụt xung quanh vỏ hầm dưới hai hình thức: phụt vữa lấp khe hở giữa và khối đất đá xung quanh (phụt vữa bổ sung) và phụt vữa gia cố. Khi thi công giữa vỏ hầm và khối đá xung quanh thường tồn tại một khe  hở nhất định cần phải lấp đầy chúng bằng vữa xi măng. Việc phụt vữa này được tiến hành khi bê tông vỏ đã hoàn thành, qua các ống đường kính 40-60 cm người ta nén vữa vào khoảng trống phía ngoài vỏ từ bên trong đường hầm, các ống này được bố trí đều khi thi công vỏ hầm.

Việc phụt vữa gia cố chỉ tiến hành trong trường hợp địa chất là đá nứt nẻ nhiều bằng cách khoan phụt vào khối đá xung quanh theo phương hướng kính với vỏ hầm.

Để bảo vệ vỏ hầm dưới tác động của nước ngầm xung quanh trong trường hợp áp lực nước ngầm lớn, người ta thường làm hệ thống thoát nước ngầm dọc theo đường hầm dưới dạng ống (bằng sứ hoặc bê tông nhẹ) và thoát nước ngang dưới dạng sỏi bọc xung quanh vỏ hầm (hình 3-5, sơ đồ V).

Vỏ hầm nên sử dụng một loại trên toàn tuyến, chỉ trong trường hợp đặc biệt mới sử dụng khác loại.

1.4.4. Nguyên lí tính toán khả năng chịu lực vỏ hầm

Hình 3-6. Sơ đồ phụt vữa vỏ hầm. khối đá không phụt vữa; 2- vùng phụt vữa gia cố; vùng phụt vữa bổ sung; 4- vỏ hầm bê tông

Nói chung kích thước tiết diện đường hầm được lựa chọn trên cơ sở đảm bảo các điều kiện về thuỷ lực và có lợi về kinh tế. Nhưng trong trường hợp đường hầm có lưulượng lớn, khối địa chất xung quanh phức tạp, áp lực đất lớn thì người ta có thể giảm kích thước tiết diện vỏ hầm bằng cách tăng số lượng chúng. Chiều dày và kết cấu vỏ hầm phải dựa trên cơ sở tính toán khả năng chịu lực của chúng.

Về nguyên tắc, khi tính toán vỏ hầm phải xét tới khả năng cùng làm việc chung với vỏ của khối đất đá xung quanh. Khi khối đất đá xung quanh và vỏ được lấp kín, nếu khối địa chất là đá tốt thì chúng có khả năng cùng tiếp nhận áp lực nước từ phía trong cùng với vỏ, trong trường hợp này vỏ hầm thường có kết cấu nhẹ hơn.

Việc tính toán nội lực và khả năng chịu tải của vỏ phải căn cứ vào hình dạng, kích thước cụ thể của vỏ theo các tiêu chuẩn hiện hành.

Tải trọng tác dụng lên vỏ hầm bao gồm:

a- Tải trọng thường xuyên: áp lực đất, trọng lượng bản thân vỏ hầm, ứng suất trước của vỏ (nếu vỏ là bê tông ứng lực trước).

b- Tải trọng tạm thời:

- Tải trọng thời gian dài: áp lực nước trong đường hầm (ở chế độ tính toán tương ứng với MNDBT của hồ chứa), áp lực nước ngầm.

- Tải trọng tức thời: áp lực mạch động của dòng nước, áp lực nước va trong đường hầm khi vận hành bình thường, áp lực do thay đổi nhiệt độ, áp lực của vữa phụt lên vỏ và tải trọng của các thiết bị thi công.

c- Tải trọng đặc biệt: Lực gây ra do tác động đất và các lực tác động bất thường khác như: áp lực nước trong đường hầm khi mực nước hồ ở vị trí siêu cao hoặc do nước va khi cắt tải toàn bộ do sự cố thuỷ điện, ứng lực gây ra do co ngót bê tông, do từ biến của đất, áp lực của vữa chưa đông cứng lên vỏ thép, áp lực do thí nghiệm v...

Vỏ hàm được kiểm tra theo hai trạng thái tố hợp tải trọng tính toán nguy hiểm nhất:

- Tổ hợp tải trọng cơ bản: bao gồm tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời.

- Tổ hợp tải trọng đặc biệt: bao gồm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, một số tải trọng tức thời và một trong tải trọng đặc biệt.

Trên cơ sở tính toán với các tổ hợp nguy hiểm nhất để chọn chiều dày của vỏ đảm bảo theo các tiêu chuẩn ổn định. Chiều dày tối thiểu của vỏ hầm không nhỏ hơn giá trị dưới đây:

Bảng 3-1. Chiều dày tối thiểu của vỏ đường hầm

1.5 TÍNH TOÁN THỦY LỰC CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN

Mục đích cơ bản của việc tính thuỷ lực đường dẫn nước của trạm thủy điện nhằm xác định kích thước thiết diện, độ dốc đường dẫn hở khi biết lưu lượng tính toán của chúng. Ngoài ra việc tính toán thuỷ lực còn nhằm mục đích xác định tổn thất thuỷ lực và do đó tổn thất năng lượng đối với trạm thủy điện.

Việc tính toán đường dẫn cần được tiến hành với các chế độ làm việc khác nhau của trạm thuỷ điện. Trong đường dẫn thường xảy ra hai chế độ thuỷ lực cơ bản: chế độ ổn định và chế độ không ổn định. Các kích thước chủ yếu của đường dẫn được xác định trên cơ sở tính toán nó ở chế độ ổn định tương ứng với lưu lượng tính toán. Chế độ không ổn định xảy ra trong các quá trình chuyển tiếp của trạm thuỷ điện khi làm việc bình thường (thay đổi phụ tải) và khi sự cố với trạm thuỷ điện (cắt tải). Đó là quá trình sóng dao động mực nước trong đường dẫn không áp và sóng áp lực trong đường dẫn có áp. Việc tính toán chế độ không ổn định nhằm kiểm tra sự ổn định làm việc của hệ thống công trình đường dẫn và từ kết quả đó đề ra các biện pháp công trình nhằm đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình trên hệ thống đường dẫn.

1.5.1. Tính toán thuỷ lực đường dẫn không áp

Kích thước tiết diện đường dẫn không áp (kênh, tuyến không áp) được xác định từ điều kiện tải được lưu lượng tính toán ở chế độ dòng đều. Cơ sở để tính toán dòng đều là sử dụng công thức Sêzi:

n- Hệ số nhám của lòng dẫn phụ thuộc vào loại lòng dẫn có thể lấy theo qui phạm QP -TL-C-1-76. Khi thiết kế sơ bộ có thể lấy theo bảng (3-2).

Bảng 3-2. Hệ số trung bình độ nhám đường dẫn

Từ công thức (2-7) có thể xác định độ dốc đáy theo lưu lượng tính toán Q và tiết diện đường dẫn không áp w:

Tổn thất cột nước trong trường hợp dòng đều được xác định theo công thức (2-

Äh = i L                                                                          (3-11)

L- Chiều dài đoạn đường dẫn có độ dốc i.

Đối với đường dẫn có độ dốc đáy thay đổi thì tiết diện của nó cũng được tính theo dòng đều với lưu lượng tính toán Q, và khi đó tổn thất cột nước cũng tính theo (3-11) cho từng đoạn với độ dốc i không đổi rồi cộng lại.

Chế độ làm việc của trạm thuỷ điện thường thay đổi nên việc xác định tổn thất thuỷ lực trong đường dẫn cần phải tiến hành với các lưu lượng khác lưu lượng thiết kế, khi đó dòng chảy trong đường dẫn là dòng biến đổi đều, đường mặt nước trong đường dẫn có thể là đường nước dâng hoặc đường nước hạ. Có nhiều phương pháp để xác định đường mặt nước trong đường dẫn của dòng biến đổi đều đã trình bày trong giáo trình thuỷ lực. Một trong các phương pháp đó là phương pháp Charnomski. Phương pháp này dựa trên cơ sở của phương trình Bernuly để xác định độ chênh lệch mực nước giữa hai mặt cắt:

Các trị số v , C , R đều tính theo giá trị trung bình giữa hai mặt cắt.

Trên cơ sở công thức (3-12) có thể xây dựng đường mặt nước với nhiều lưu lượng khác nhau của đường dẫn và để tiện cho việc sử dụng để tính tổn thất cột nước của trạm thuỷ điện ta xây dựng đường quan hệ giữa mực nước cuối đường dẫn với lưu lượng Q (hình 3-7). Trên đồ thị: h₁ - mực nước đầu đoạn; h₂ - mực nước cuối đoạn; Äh- tổn thất cột nước.

Tổn thất cột nước trên đường dẫn được xác định theo công thức:

Äh   =   i L  +  h₁ - h₂                                                (3-14)

Hình 3-7. Quan hệ mực nước cuối đường dẫn và lưu lượng.

 Đường cong h₂ = f(Q) hạ nhanh khi tăng lưu lượng và thẳng đứng khi lưu lượng đạt giá trị cực đại Q max tương ứng với độ sâu giới hạn hk của đường dẫn. Khi lưu lượng trong đường dẫn bằng 0 đường mặt nước trong kênh là đường nằm ngang, độ sâu nước cuối đường dẫn bằng h₁ + i L. Khi lưu lượng trong đường dẫn là lưu lượng tính toán Q_o dòng chảy trong nó là dòng đều h₂ = h₁. Khoảng cách Q_max - Q_o đặc trưng cho khả năng vượt tải của đường dẫn không áp.

1.5.2. Tính toán thuỷ lực đường dẫn có áp

Độ dốc thuỷ lực trong đường dẫn có áp không phụ thuộc vào độ dốc của bản thân đường dẫn. Độ dốc thuỷ lực trong đường dẫn áp lực được tính theo công thức Sezi viết dưới dạng (3-14).

trong đó: x_i - hệ số kháng cục bộ tại vị trí thứ i.

Hệ số Sezi trong công thức (3-14) phụ thuộc vào độ nhám n của đường dẫn nước có áp (đường hầm). Các kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số nhám của đường hầm có vỏ bằng bê tông n = 0,011 ¸ 0,012. Trong tính toán cần kể đến khả năng tăng độ nhám trong quả trình vận hành và đề nghị chọn n = 0,013 ¸ 0,017 đối với đường hầm có bề mặt nhẵn và n = 0,016 ¸ 0,023 đối với đường hầm có bề mặt không nhẵn.

Kích thước tiết diện đường dẫn được xác định trên cơ sở tổn thất thuỷ lực (tổn thất năng lượng) và khối lượng xây dựng nó sẽ trình bày ở phần sau.

1.5.3. Tính toán dòng không ổn định

Mục đích của việc tính toán dòng không ổn định trong kênh dẫn nước thuỷ điện nhằm xác định mực nước kênh cao nhất và thấp nhất xuất hiện trong kênh khi trạm thuỷ điện thay đổi phụ tải hoặc sự cố, trên cơ sở đó xác định độ cao cần thiết của bờ kênh, biện pháp gia cố mái kênh và bố trí cửa lấy nước vào đường ống áp lực của trạm thuỷ điện.

Việc giải quyết bài toán này có liên quan đến bài toán về chế độ thuỷ lực trong các đường ống áp lực với các chế độ chuyển tiếp của trạm thuỷ điện.

1.6 KÊNH TỰ ĐIỀU TIẾT VÀ KHÔNG TỰ ĐIỀU TIẾT

1.6.1. Khái niệm chung

Như đã trình bày ở trên, khi lưu lượng trong đường dẫn không áp nhỏ hơn lưu lượng tính toán (lưu lượng thiết kế) Q_o, đường mặt nước trong nó là đường nước dâng. Vì thế đối với đường dẫn hở (kênh) đòi hỏi bờ kênh phải cao còn đối với tuynen không áp đòi hỏi phải có chiều cao lớn. Để tránh các trường hợp nước tràn bờ kênh hoặc  ngập trần tuynen không áp khi trạm thuỷ điện làm việc với lưu lượng nhỏ, ở cuối đường dẫn người ta bố trí hệ thống tràn xả nước, đường dẫn trong trường hợp này gọi là không tự điều tiết. Trường hợp ngược lại, nếu cuối đường dẫn không bố trí tràn xả nước thì nó được gọi là tự điều tiết. Nếu đường dẫn là kênh thì kênh đó được gọi là kênh không tự điều tiết và tự điều tiết tương ứng.

1.6.2. Kênh tự điều tiết

Do cuối kênh không có hệ thống tràn xả nước, khi lưu lượng của trạm thuỷ điện nhỏ hơn lưu lượng thiết kế và khi TTĐ ngừng hoạt động đường mặt nước trong kênh là đường nước dâng hoặc nằm ngang, vì vậy đỉnh bờ kênh phải có cấu tạo là đường nằm ngang với độ vượt cao được tính theo công thức (3-3). Cũng vì thếnthiết diện kê lớn dần từ đầu kênh đến cuối kênh (độ sâu mực nước h lớn dần). Do có đặc điểm cấu tạo như trên, khi trạm thuỷ điện thay đổi lưu lượng thì lưu lượng trong kênh cũng thay đổi theo tương ứng, chính vì vậy nó được gọi là kênh tự điều tiết. Trong trường hợp này công trình cửa lấy nước đầu kênh không cần thiết phải bố trí cửa van điều tiết lưu lượng, các cửa van trong nó chỉ làm chức năng sửa chữa.

Về chế độ thuỷ lực trong kênh tự điều tiết đã trình bày ở phần I mục 3-5. và thể hiện trên hình 3-8.

Ưu điểm của kênh tự điều tiết là không mất nước do không xả nước qua tràn khi thay đổi lưu lượng qua trạm thuỷ điện, đồng thời khi trạm thuỷ điện làm việc với lưu lượng nhỏ tổn thất thuỷ lực trong nó cũng giảm đi tương ứng, vì lẽ đó giảm được tổn thất điện năng.

Ngoài ra phần dung tích nước nằm trên phần mặt nước dòng đều còn đóng vai trò là phần dung tích dự trữ tham gia điều tiết ngày.

Nhược điểm của kênh loại này là bờ kênh cao, tiết diện kênh lớn do đó khối lượng đào đắp sẽ lớn. Vì vậy nó thường được ứng dụng trong các trường hợp kênh ngắn và độ dốc kênh tương đối nhỏ.

Hình 3-8. Kênh tự điều tiết: a- Sơ đồ dạng đường mặt nước, b- Các quan hệ độ sâu h₂, ho, h_k với lưu lượng Q.

1.6.3. Kênh không tự điều tiết

Đặc điểm chủ yếu của kênh không tự điều tiết là cuối kênh có bố trí tràn xả nước. Ngưỡng tràn này bố trí ở cao trình cao hơn cao trình mực nước trong kênh khi lưu lượng tính toán Q_o khoảng 5¸10 cm để khi TTĐ làm việc với công suất lớn nhất  không có xả nước qua nó, còn chiều rộng tràn phải đảm bảo để xả được lưu lượng lớn nhất khi cắt tải toàn bộ các tổ máy thuỷ điện.

Hình 3-9. Kênh không tự điều tiết: a- Sơ đồ dạng đường mặt nước, b- Các quan hệ h₂, ho với lưu lượng trong kênh qua tràn.

Trên hình 3-9b thể hiện quan hệ độ sâu nước cuối kênh h₂ với lưu lượng trong kênh Q, lưu lượng này chia ra hai thành phần: một phần chảy qua tràn Q_tr và một phần qua nhà máy thuỷ điện Q_TĐ. ở chế độ tính toán lưu lượng trong kênh bằng lưu lượng phát điện (Q= Q_TĐ ), khi đó lưu lượng qua tràn Q_tr = 0, khi lưu lượng phát điện giảm mực nước cuối kênh dâng lên, nước bắt đầu chảy qua tràn Q_tr > 0 và nó đạt giá trị cực đại khi Q_TĐ = 0, lúc này mực nước kênh sẽ lớn nhất. Mực nước này phụ thuộc vào kích thước của tràn, nếu chiều rộng tràn lớn cột nước trên tràn sẽ thấp do đó mực nước cuối kênh sẽ thấp. Chính vì vậy bờ kênh không nhất thiết phải cao. ở các kênh không tự điều tiết đường đỉnh bờ kênh gần như song song với đáy kênh và do đó mặt cắt kênh gần như không thay đổi theo chiều dài.

Để nước không xả liên tục qua tràn cửa lấy nước vào kênh không tự điều tiết cần phải bố trí cửa van điều tiết lưu lượng, độ mở của nó tương ứng với lưu lượng yêu cầu của trạm thuỷ điện và mực nước kênh ở cao trình lớn nhất mà không có xả thừa.

Ưu điểm của việc sử dụng loại kênh này là khối lượng đào đắp kênh nhỏ nhưng tổn thất cột nước lớn, tổn thất nước qua tràn và vận hành phức tạp. Nó được ứng dụng trong các trường hợp kênh có chiều dài lớn hoặc độ dốc đáy kênh lớn.

Trong trường hợp kênh gồm hai đoạn và tràn xả nước bố trí ở giữa hai đoạn kênh thì đoạn đầu là kênh không tự điều tiết và đoạn sau là kênh tự điều tiết.

1.7 TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG TRONG ĐƯỜNG DẪN

Tổn thất năng lượng trong đường dẫn có thể xem là hai thành phần hợp thành: Tổn thất năng lượng do tổn thất lưu lượng và tổn thất năng lượng do giảm cột nước (tổn thất cột nước). Thành phần thứ nhất là do bốc hơi, rò rỉ qua các cửa van và tổn thất lưu lượng do thấm. Thành phần này chủ yếu xảy ra đối với đường dẫn hở. Phần bốc hơi và rò rỉ trong thực tế không đáng kể và khi thiết kế có thể bỏ qua, phần mất nước do thấm trong trường hợp đường dẫn dài cũng đáng kể. Kinh nghiệm vận hành ở các kênh dẫn nước thuỷ điện cho thấy với kênh không lót trên nền đất có độ thấm trung bình thì tổn thất lưu lượng chiếm khoảng 0,2 ¸ 0,5 % cho mỗi km chiều dài. Tổn thất do thấm từ kênh vào đất cần được xác định trên cơ sở bài toán thấm đã trình bày trong giáo trình thuỷ lực. Đối với đường hầm dẫn nước thì tổn thất lưu lượng nói chung là không đáng kể và trong tính toán có thể bỏ qua.

Giá trị tổn thất năng lượng của đường dẫn nước do tổn thất cột nước có thể xác

định theo trị số trung bình năm của liệt năm thuỷ văn theo công thức (3-17):

Do lưu lượng Q thay đổi theo thời gian và tổn thất cột nước Äh lại phụ thuộc vào nó nên tổn thất năng lượng ÄE phụ thuộc vào loại đường dẫn và đặc tính làm việc của trạm thuỷ điện.

Khi các đặc trưng của công trình đường dẫn đã biết, ta tiến hành tính toán thuỷ lực để xác định giá trị tổn thất cột nước ứng với nhiều trị số lưu lượng khác nhau của đường dẫn và xây dựng đường quan hệ Äh  = f(Q) dưới dạng đường cong hình 3-7 (đối với đường dẫn không áp) hoặc sử dụng công thức (3-15) hoặc ( 3-16) đối với đường dẫn có áp.

Hình 3-10. Các đồ thị duy trì lưu lượng, tổn thất cột nước và tổn thất công suất. 

Trạm thuỷ điện làm việc với lưu lượng thay đổi và đường duy trì của chúng thể hiện trên hình 3-10. Với các trị số trên đường duy trì lưu lượng ta có thể xác định được tổn thất thuỷ lực Äh theo quan hệ Äh = f(Q) và do đó xác định trị số tổn thất ÄN theo (3-18). Diện tích giới hạn  bởi đường  cong ÄN  (t)  và  hai  trục  toạ độ  trên  hình 3-10 chính là tổn thất năng lượng tính theo công thức (3-17).

Đối với nhiều trạm thuỷ điện trong mùa lũ thường có nước xả bỏ do không dùng hết và có thể sử dụng nó để bù đắp cho phần tổn thất cột nước, tức là thay vì giảm cột nước ta có thể tăng lưu lượng để đảm bảo công suất tối đa của trạm thuỷ điện. Nhưng điều này chỉ thựợc hiện được với một số trạm thuỷ điện khi trong thời gian xả nước thừa cột nước làm việc của nó lớn hơn cột nước tính toán và đường dẫn đã được thiết kế với một khả năng vượt tải nhất định.

Trong trường hợp này phần tổn thất năng lượng trong thời kì xả nước thừa không tính trong công thức (3-17) và khi đó nó có thể viết dưới dạng:

trong đó: Tx - thời gian trạm thuỷ điện xả nước thừa trong năm.

Trong một số trường hợp, vào mùa lũ khi trạm thuỷ điện xả nước thừa, do mực nước hạ lưu quá lớn mà cột nước công tác của trạm thuỷ điện nhỏ hơn cột nước tính toán. Do đặc tính của thiết bị thuỷ lực trong trường hợp này việc giảm cột nước kéo theo giảm lưu lượng phát điện qua tuabin và do đó tổn thất công suất lại lớn hơn giá trị tính theo (3-18). Để tính đến sự ảnh hưởng này trong thời kì xả nước Tx tổn thất năng lượng tính tăng thêm 1,5 lần và khi đó công thức (3-17) có thể viết:

trong đó: Q_o- lưu lượng phát điện lớn nhất.

đường quan hệ duy trì lưu lượng Q ~ t  (hình 3-11) bằng cách xây dựng đường quan hệ Q³ ~ t và trị số tích phân là diện tích giới hạn bởi đường cong Q³(t) và các trục toạ độ. Cũng như các đường dẫn không áp, trong thời kì xả nước thừa nếu cột nước công tác của TTĐ lớn hơn cột nước tính toán thì phần tổn thất năng lượng do tổn thất cột nước được bù đắp bằng cách tăng lưu lượng phát điện và do đó phần tích phân chỉ tính trong giới hạn từ T_x ¸ T . Trong trường hợp ngược lại phần tổn thất năng lượng trong thời kì xả nước thừa được nhân với hệ số 1,5.

Để đơn giản hoá công thức (3-21) ta thay thành phần tích phân diện tích tương đương với lưu lượng không đổi, Q_tb³ (lưu lượng trung bình lập phương), có nghĩa là thay

Đối với đường hầm dẫn nước có áp lưu tốc lớn nhất thường lấy trong khoảng 3¸5 m/s nhưng với điều kiện đảm bảo sự ổn định làm việc của trạm thuỷ điện khi trên tuyến đường dẫn bố trí tháp điều áp (xem chương V).

1.8 LỰA CHỌN MẶT CẮT KINH TẾ ĐƯỜNG DẪN NƯỚC TRẠM THỦY ĐIỆN

1.8.1. Nguyên lí chung

Khối lượng xây dựng công trình và tổn thất năng lượng trên đường dẫn phụ  thuộc vào kích thước của nó (kích thước tiết diện, bố trí tuyến, độ dốc đáy đối với đường dẫn không áp) và các đặc trưng thuỷ lực (lưu lượng, độ nhám). Với một tuyến công trình và lưu lượng tính toán đã chọn khi thay đổi kích thước tiết diện đường dẫn, khối lượng xây dựng và tổn thất năng lượng sẽ thay đổi và quy luật của chúng thường mâu thuẫn với nhau. Chính vì vậy việc lựa chọn kích thước tiết diện đường dẫn phải trên cơ sở so sánh kinh tế-kĩ thuật nhiều phương án. Tiêu chuẩn để chọn mặt cắt kinh tế đường dẫn thường sử dụng là tổng chi phí tính toán năm nhỏ nhất:

Z = Z_d + Z_nt + Z_E ® min                                          (3-24)

trong đó: Z- tổng chi phí tính toán năm; Z_d- chi phí tính toán đường dẫn và các công trình trên nó; Z_nt- chi phí tính toán của các công trình nối tiếp (cửa lấy nước, bể áp lực...); Z_E- chi phí tính đổi để bù đắp phần tổn thất điện năng và tổn thất công suất do tổn thất lưu lượng và cột nước trong nó.

Công thức (2-24) có thể viết:

trong đó: s_p- đơn giá điện năng bao gồm chi phí sản xuất và chi phí mở rộng công suất của các trạm nhiệt điện thay thế trên một đơn vị điện lượng.

Khi tăng kích thước tiết diện đường dẫn, vốn đầu tư và các chi phí vận hành sẽ tăng nhưng khi đó vận tốc dòng chảy trong nó giảm và do đó tổn thất điện năng giảm. Các quan hệ Z_K = f₁(w) và Z _E = f₂(w) biến đổi theo quy luật ngược chiều nhau và  tổng của chúng sẽ có thể có giá trị cực tiểu. Diện tích kinh tế tương ứng với tổng chi phí tính toán năm Z nhỏ nhất.

1.8.2. Lựa chọn mặt cắt kinh tế kênh dẫn nước thuỷ điện

Đố với kênh dẫn nước tiết diện hình thang, kích thước tiết diện được quyết định bởi hai thành phần: độ sâu nước h và chiều rộng đáy kênh b. Vì vậy, trong trường hợp này tiêu chuẩn (2-25) phải thoả mãn khi xét đến sự biến đổi của hai đặc trưng này.

Trong thực tế thiết kế thường gặp ba trường hợp sau đối với kênh dẫn nước thuỷ điện:

a, Chiều rộng kênh không đổi b= const, chỉ thay đổi độ sâu nước h trong kênh

trong các phương án so sánh. Trường hợp này chỉ áp dụng trong các điều kiện do khống chế về điều kiện biện pháp thi công công trình. Trong trường hợp này các quan hệ ZK và ZE phụ thuộc vào độ sâu trong kênh, mặt cắt kinh tế kênh dẫn ứng với độ sâu mực nước h khi đó tổng chi phí tính toán năm Z = Z_K+Z_E nhỏ nhất.

b, Khi h= const, b thay đổi. Trường hợp này có thể do điều kiện địa chất khống chế. Các thành phần chi phí tính toán phụ thuộc vào chiều rộng đáy kênh và tương ứng với tổng chi phí tính toán nhỏ nhất là giá trị chiều rộng đáy kênh lợi nhất.

c, Chiều rộng b và h đều thay đổi, đây là trường hợp tổng quát. Trong trường hợp này để chọn mặt cắt kinh tế nhất cần phải giải bài toán a.) hoặc b.) ở trên nhiều lần. Ví dụ: ban đầu có thể giả thiết một số trị số chiều rộng đáy kênh b₁,b₂...bn với mỗi chiều rộng đáy kênh b= const tiến hành xây dựngđường quan hệ Z= f(h), mỗi đường này sẽ cho một giá trị cực tiểu Z_min (hình 3-12b), đưa các giá trị cực tiểu đó tương ứng với b₁,b₂...bn lên trục toạ độ Z_min ~b ta có quan hệ Z_min phụ thuộc vào b. Giá trị cực tiểu của đường quan hệ này tương ứng với chiều rộng đáy kênh b_KT lợi nhất (hình 3-12b). Để xác định độ sâu h_KT lợi nhất tương ứng với b_KT ta tiến hành lại bài toán a) tương ứng vơíi b_KT= const (đường gạch rời nét trên hình 3-12a), trị số cực tiểu của quan hệ này cho ta độ sâu hKT có lợi chất.

Hình 3-12. Đồ thị xác định kích thước kinh tế kênh dẫn nước thuỷ điện.

Đồng thời với việc xác định mặt cắt kinh tế kể trên, đối với đường dẫn nước không áp là việc chọn chế độ thuỷ lực tính toán tối ưu, tức là chế độ thuỷ lực trong đường dẫn khi lưu lượng trong nó là lưu lượng tính toán. Các chế độ thuỷ lực trong kênh dẫn không chỉ phụ thuộc vào độ dốc đáy kênh và độ nhám lòng kênh. Các bài toán xác định mặt cắt kinh tế ở kênh trên được giải quyết với một độ dốc đáy kênh chọn trước cho các phương án so sánh hoặc có cùng chế độ thuỷ lực tính toán là dòng chảy đều. Trong trường hợp thứ hai độ dốc đáy kênh của các phương án so sánh xác định theo biểu thức (3-10). Việc chọn chế độ thuỷ lực tính toán tối ưu tương ứng với độ dốc đáy kênh tối ưu được tiến hành bằng cách giải các bài toán a, b, c với các độ dốc đáy khác nhau và chọn phương án có tổng chi phí tính toán nhỏ nhất.

Trong thực tế, với độ chính xác tính toán nhất định vùng thay đổi kích thước tiết diện xung quanh điểm tối ưu lí thuyết là tương đối rộng, khi đó tổng chi phí tính toán năm ít biến đổi xung quanh giá trị tối thiểu. Chính vì vậy kích thước tiết diện tối ưu về lí thuyết chưa phải luôn là phương án chọn. Phương án chọn phải đảm bảo các điều kiện về vận tốc đã trình bày ở mục 3-3 và trong trường hợp chung khi các điều kiện này được thỏa mãn thì xu hướng nên chọn phương án có kích thước nhỏ, nó sẽ có khối lượng nhỏ, giảm được thời gian thi công công trình.

Nếu chế độ thuỷ lực tính toán trong các phương án chọn là dòng chảy với đường mặt nước là đường nước đổ thì phương án chọn phải đảm bảo có lưu lượng giới hạn Q_max lớn hơn lưu lượng tính toán với một trị số dự trữ vượt tải càng lớn càng tốt. Đối với kênh dẫn nước dài thì trị số dự trữ vượt tải Q_max-Q_tt rất nhỏ, chính vì vậy trong các kênh dài chế độ thuỷ lực tính toán là dòng đều.

Ngoài việc tính toán so sánh kinh tế để xác định mặt cắt, chế độ thuỷ lực tính toán (độ dốc đáy kênh),việc lựa chọn tuyến kênh có ý nghĩa quan trọng. Việc lựa chọn tuyến kênh có ảnh hưởng trực tiếp tới khối lượng công trình và tổn thất điện năng. Các bài toán xác định mặt cắt kinh tế kênh không thể tính cho một đơn vị chiều dài mà phải tính cho toàn chiều dài của kênh. Trong thực tế, do địa hình địa chất thay đổi nhiều mà kênh có thể được phân đoạn để tính toán, so sánh, nhưng phương án chọn cuối cùng phải xét trên toàn tuyến kênh. Việc thay đổi hình thức lát kênh cũng có ảnh hưởng lớn đến phương án lựa chọn. Khi chuyển từ kênh đất sang các hình thức lát kênh, hệ số nhám có thể giảm và do đó giảm tổn thất thuỷ lực, đồng thời có thể tăng vận tốc cho phép trong kênh mà giảm được kích thước của nó. Vì vậy phần chi phí xây lát kênh có thể được bù đắp lại một phần hoặc toàn bộ do giảm khối lượng đào đắp và tiết kiệm điện năng do giảm tổn thất cột nước.

Phương án lựa chọn cuối cùng phải xét trên cơ sở đề cập toàn diện tới mọi yếu tố liên quan trong tổng thể chung của công trình, phải đảm bảo tiêu chuẩn về kinh tế và thoả mãn yêu cầu về kĩ thuật, đồng thời thoả mãn tiến độ thi công và điều kiện vận hành trong tương lai. Kinh nghiệm thiết kế, xây dựng cho thấy vận tốc kinh tế (tương ứng với lưu lượng tính toán và mặt cắt kinh tế) trong kênh lát bê tông hoặc bê tông cốt thép trung bình từ 1,5¸ 2,5 m/s, trong trường hợp đặc biệt có thể đến 2,5 m/s.

1.8.3. Lựa chọn mặt cắt kinh tế đường hầm dẫn nước

Về nguyên lý tính toán kinh tế đường hầm dẫn nước không áp hoàn toàn tương tự như đối với kênh dẫn. Đối với đường hầm không áp cũng có khái niệm tự điều tiết và không tự điều tiết. Chế độ thuỷ lực tính toán trong đường hầm không áp là chế độ dòng đều, tổn thất cột nước lớn nhất trong nó có thể lấy Äh_max = i.L. Do giá thành xây dựng đường hầm đắt hơn so với kênh dẫn nên vận tốc kinh tế trong đường hầm không áp trung bình từ 2,5¸3,5 m/s.

Đối với đường hầm dẫn nước áp lực, chế độ thuỷ lực không phụ thuộc vào độ dốc tuyến dẫn, do đó tuỳ theo điều kiện địa hình, địa chất cụ thể để bố trí. Tổn thất cột nước trong đường hầm có áp xác    định theo công thức (3-15) hoặc (3-16). Mặt cắt kinh tế của đường hầm có áp (thường có tiết diện tròn) xác định theo diện tích tiết diện w của nó. Vận tốc kinh tế trong các đường hầm có áp trong khoảng 3,5¸6 m/s.

1.9 BỂ ÁP LỰC

1.9.1. Công dụng, các bộ phận chính

Bể áp lực được bố trí ở cuối đường dẫn nước không áp, nó là công trình nối tiếp đường dẫn không áp với công trình dẫn nước có áp hoặc với đường dẫn nước turbin, vì vậy nó phải đảm nhận các nhiệm vụ sau:

- Phân phối đều nước trong đường dẫn không áp cho các đường ống dẫn nước turbin. Đảm bảo các đường ống đó làm việc độc lập trong quá trình vận hành bình thường cũng như khi sự cố hoặc sửa chữa cần phải đóng hoàn toàn không cho nước chảy vào đường ống.

- Giảm tổn thất thuỷ lực khi cháy vào đường dẫn có áp.

- Loại trừ rác bẩn do lưới chắn rác thô ở đầu đường dẫn chưa loại trừ hoặc rác bẩn do bổ sung trên đường dẫn không để chúng lọt vào đường ống.

- Đảm bảo xả lượng nước thừa khi trạm thuỷ điện thay đổi công suất nếu cần thiết hoặc cung cấp nước cho hạ lưu khi trạm thuỷ điện ngừng làm việc hoặc làm việc với công suất quá nhỏ khi hạ lưu của trạm thuỷ điện đòi hỏi phải cung cấp một lưu lượng nước nhất định cho một nhu cầu nào đó.

- Làm giảm dao động mực nước trước đường ống áp lực trong các quá trình chuyển tiếp của trạm thuỷ điện.

- Loại trừ bùn cát nếu chúng còn nguy hiểm với

Để đạt được các nhiệm vụ đó bể áp lực có thể bao gồm các bộ phận cấu thành sau:

1. Bộ phận lấy nước (cửa nước vào)

Cửa nước vào là bộ phận quan trọng nhất của bể áp lực, nó có nhiệm vụ lấy nước vào các đường ống turbin đảm bảo các yêu cầu về khối lượng và chất lượng. Cửa nước vào của bể áp lực thường có kết cấu dưới dạng tường chắn, trên hình 3-13 là một ví dụ về kết cấu của cửa nước vào bể áp lực. Về mặt cấu tạo, hình thức kết cấu cửa nước vào của bể áp lực cũng giống như công trình lâý nước khác đã được trình bày ở chương I, nó được bố trí các cửa van công tác, van sửa chữa, lưới chắn rác, thiết bị đóng mở, thiết bị nâng chuyển, các ống thông khí và ống cân bằng áp lực v.v... Hình dạng và nguyên tắc bố trí các bộ phận cần phải bảo đảm tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất và thuận lợi an toàn trong vận hành.

Van công tác (van sự cố- sửa chữa) của cửa nước vào về mặt nguyên tắc là van phẳng với các thiết bị đóng mở độc lập có khả năng điều khiển tự động tại chỗ từ xa. Nếu đường ống dẫn nước turbin bố trí hở trên mặt đất thì van công tác phải là van đón nhanh.

Van sửa chữa ở cửa lấy nước bể áp lực thường dưới dạng phai hoặc van phẳng.

Do dòng chảy vào bể áp lực không chứa vật nổi và các rác bẩn có kích thước lớn nên lưới chắn rác được bố trí giữa hai cửa van sửa chữa và van công tác và đặt  nghiêng một góc 10^o¸ 30^o theo phương thẳng đứng vì đặt nghiêng sẽ tiện lợi cho việc dọn rác bằng các thiết bị cơ giới.

Ngưỡng cửa lấy nước phải đặt ở cao trình sao cho miệng các ống dẫn nước turbin phải ngập dưới mực nước thấp nhất trong bể áp lực để đảm bảo không khí không lọt vào đường ống trong quá trình vận hành bình thường.

Đỉnh tường chắn bể áp lực và cửa lấy nước đặt cao hơn mực nước cao nhất trong bể áp lực từ 0,3 ¸ 1,0 m tùy thuộc vào kích thước bể và cấp công trình.

2. Khoang trước

Khoang trước là phần mở rộng của đường dẫn trước cửa lấy nước. Nó là phần nối tiếp đường dẫn không áp với cửa nước vào nhằm đảm bảo cho dòng chảy được thuận dòng sao cho tổn thất thuỷ lực trong bể áp lực và tại cửa vào là nhỏ nhất. Để đạt được điều đó, yêu cầu đối với bộ phận chuyển tiếp phải có tiết diện lớn, vận tốc dòng chảy trong nó trước khi tới cửa lấy nước phải nhỏ để phần lớn động năng dòng chảy trong đường dẫn biến thành thế năng, sự tiếp nối bộ phận này với đường dẫn và với cửa nước vào phải thuận dòng. Chiều rộng và chiều sâu của khoang trước được quyết định bởi tiết diện đường dẫn không áp và chiều rộng, chiều cao của cửa lấy nước . Kích thước tiết diện đầu khoang trước của bể áp lực là kích thước kênh dẫn, chúng tăng dần cả theo chiều sâu lẫn trên mặt bằng và đến cuối khoang do kích thước cửa lấy nước quyết định.

Góc mở rộng của bể áp lực (khoang trước) không vượt quá 10^o¸12^o độ theo phương ngang cũng như phương thẳng đứng. Vận tốc dòng chảy trong bộ phận này thường từ 0,6¸ 0,8 m/s. Cửa nước vào và khoang trước nối tiếp với nhau bằng tường cánh giống như phần tiếp nối của các vai đập. Để đảm bảo các điều kiện tiếp nối và mở rộng chiều dài của bể áp lực có thể quá lớn, để giảm nó người ta thường bố trí trong bể áp lực các tường hướng dòng dưới dạng trụ bin hoặc tường với chiều dày nhỏ (hình 3-16 II).

Khoang trước của bể áp lực có thể bố trí dưới hình thức khối chìm, nửa chìm nửa nổi hoặc nổi hoàn toàn bằng các đê bao hoặc các tường chắn nước. Hình dạng của nó hoặc các bộ phận tiếp nối với đường dẫn, cửa nước vào phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất tại vị trí công trình. Trên hình 2-14 là một ví dụ về sơ đồ bố trí các bộ phận của bể áp lực, ở đây ngoài các bộ phận chủ yếu là cửa nước  vào  và khoang trước còn có các công trình xả nước, tháo vật nổi, tháo bùn cát, bộ phận nối tiếp với bể điều tiết ngày và các bộ phận khác.

Hình 3-13. Cắt dọc bể áp lực theo dòng chảy. 1- kênh dẫn; 2- khe phai; 3- lưới chắn rác; 4- cửa lấy nước; 5- ống thông khí; 6- cửa van công tác; 7- ống dẫn nước turbin.

3. Công trình xả nước

Công trình xả nước của bể áp lực có công dụng xả bỏ nước khi trạm thuỷ điện giảm công suất và trong các trường hợp cắt tải sự cố của trạm thuỷ điện.

Yêu cầu đối với các công trình xả nước phải đảm bảo đóng mở tự động và đóng mở nhanh. Đối với kênh không tự điều tiết thì nhất thiết phải bố trí công trình xả nước ở cuối để khống chế mực nước cao nhất trong kênh, còn ở kênh tự điều tiết thì việc bố trí công trình xả nước trong thành phần kết cấu của bể áp lực khi hạ lưu có nhu cầu cung cấp nước liên tục với lưu lượng lớn. Lưu lượng tính toán của công trình xả nước thường lấy bằng lưu lượng lớn nhất trong kênh.

Công trình xả nước được chia làm hai bộ phận: phần đầu mối nằm trong thành phần bể áp lực, phần dẫn nước xuống hạ lưu thường dưới dạng dốc nước.

Phần đầu mối công trình xả nước tự động thường sử dụng tràn không cửa van (tràn tự do), xi phông và cống tháo nước với cửa van đóng mở tự động.

Tràn không cửa van có ưu điểm là đơn giản về cấu tạo, vận hành an toàn, không có trường hợp tràn không làm việc do sự cố bản thân như đối với tràn có cửa van và các công trình xả nước có cửa van khác. Nhược điểm cơ bản của tràn không cửa van là lưu lượng đơn vị tháo qua tràn nhỏ và do đó chiều rộng tràn đòi hỏi có kích thước lớn hoặc chiều cao lớp nước tràn phải lớn (thường h £ 0,5¸ 0,75 m) và do đó phải nâng cao bờ bể áp lực và đường dẫn. Tràn không cửa van có thể bố trí dưới dạng một máng tràn hoặc nhiều máng tràn . Trên hình 3-15a là sơ đồ cấu tạo và bố trí công trình xả nước kiểu máng tràn đơn (một máng tràn), trong trường hợp này diện tràn nước tương đối lớn, tuy bố trí một máng tràn nhưng nó tiếp nhận nước từ ba phía do đó có thể giảm chiều cao lớp nước tràn. Công trình xả nước với nhiều máng tràn trên hình 3- 15a, diện trước rất lớn tuy chiều rộng của công trình tràn không lớn, lớp nước trên tràn có chiều cao nhỏ hơn rất nhiều. Trong nhiều trường hợp công trình xả nước được làm dưới dạng tràn tự do thông thường.

Hình 3-14. Các bộ phận cấu thành của bể áp lực.

1-ống dẫn nước turbin; 2- của lấy nước; 3- khoang trước; 4- xi phông xả nướ; 5- tràn; 6- dốc nước; 7, 8 & 9 - đường tháo vật nổi ( băng tuyết); 10- lỗ xả cát; 11- lỗ xả đáy; 12-tường ngực; 13- công trình liên kết bể điều tiết ngày; 14- ống tháo cạn bể điều tiết ngày. 

Xi phông cũng thường được sử dụng làm công trình xả nước của bể áp lực, nó cho phép khống chế dao động trong bể áp lực một cách linh hoạt, lưu lượng đơn vị xi phông lớn hơn tràn tự do từ 4¸5 lần. Tràn kiểu xi phông được cấu tạo bởi loạt ống xi phông (không nhỏ hơn hai ống), số lượng của chúng phụ thuộc vào lưu lượng tràn cần xả và kích thước của xi phông. Trên hình 3-15c là một ví dụ về tràn kiểu xi phông của bể áp lực, khi mực nước trong bể áp lực dâng đến cao trình nhất định (đỉnh ngưỡng tràn xi phông) nước tự động chảy qua tràn và xi phông nhanh chóng tăng lưu lượng đến trị số tương ứng với độ chân không ở trong nó. Khi các ngưỡng của xi phông được bố trí theo bậc chênh lệch nhau về cao độ, chúng cho phép loại bỏ sóng trong bể áp lực khi xả nước. Do có nhiều ưu đinểmên các công trình xả nước của bể áp lực thường bố trí kiểu tràn xi phông.

Các công trình xả nước có cửa van tuy đắt nhưng chúng có kích thước mặt bằng nhỏ, tiện lợi cho việc bố trí trong bể áp lực, đồng thời nó cho phép khống chế mực nước dao động trong bể áp lực trong phạm vi nhỏ, ngoài ra chúng còn cho phép nhanh chóng cung cấp lưu lượng cần thiết cho hạ lưu. Ngoài công dụng xả nước, các công trình xả nước nhiều cửa van còn kết hợp để xói rửa bùn cát trong trường hợp chúng được làm dưới dạng cống xả đáy.

Việc lựa chọn hình thức công trình xả nước phải trên cơ sở so sánh kinh tế - kĩ thuật. Kinh nghiệm thiết kế cho thấy tốt hơn cả là sử dụng các sơ đồ xả hỗn hợp, nghĩa là trong bể áp lực có thể sử dụng đồng thời một số hình thức công trình xả khác nhau (chẳng hạn tràn không cửa van kết hợp với công trình xả có cửa van đóng mở tự động).

Phần dẫn nước của các công trình xả nước thường sử dụng dưới dạng dốc nước với các hình thức tiêu năng sau nó dạng bể, tường tiêu năng hoặc máng phun v.v.. Trong trường hợp lưu lượng nhỏ còn có thể sử dụng dưới dạng bậc nước.

Hình 3-15. Các công trình xả nước của bể áp lực.

a- tràn xả nước kiểu máng đơn; b- tràn xả nước kiểu nhiều máng; c- xi phông xả nước; 1- khoang trước; 2- kênh nối bể áp lực và bể điều tiết ngày; 3- máng tràn xả nước; 4- tường áp lực; 5- tràn dạng cong; 6- cửa lấy nước; 7- tràn kiểu nhiều máng; 8- dốc nước; 9- cơ cấu điều chỉnh lưu lượng.

4. Các thành phần khác của công trình

Ngoài các bộ phận chính là cửa lấy nước, khoang trước, công trình xả nước, trong bể áp lực còn được bố trí cửa xả cát, cống tháo nước sửa chữa, cửa lấy nước tưới và cấp nước cho các mục đích khác nhau.

Lưu tốc trong bể áp lực nhỏ, vì vậy nó đóng vai trò như một bể lắng cát phụ, để tháo rửa cát lắng đọng trong bể áp lực người ta thường sử dụng các hành lang tháo cát có cửa van, cửa vào chúng đặt ở đáy bể áp lực giống như ở bể lắng cát hoặc cửa lấy nước không áp (hình 1-16).

Khác với bể lắng cát, cửa xả cát của bể áp lực xói rửa cát trong điều kiện trạm thuỷ điện đang làm việc bình thường, nước trong bể áp lực còn đầy nên không thể tạo được vận tốc lớn để đủ sức xói rửa bùn cát lắng đọng một cách triệt để. Trong thực tế hiệu quả của các hành lang xói rửa cát bố trí ở bể áp lực không lớn, do vậy tốt hơn hết là việc nạo vét bùn cát lắng đọng có thể kết hợp thực hiện bằng các phương pháp cơ giới như bơm hút bùn v.v....  ở bể áp lực người ta cố gắng bố trí các công trình xả  nước và xả cát có chung bộ phận dẫn nước.

Kích thước hành lang xả cát cần đủ lớn để có thể tiến hành kiểm tra và sửa chữa. Khi tiến hành xói rửa bể áp lực, vận tốc dòng nước trong nó (trong khoang trước) không nhỏ hơn 2¸2,5 m/s.

Để tiến hành sửa chữa bể áp lực và kênh dẫn, trong phạm vi bể áp lực người ta bố trí cống xả đáy. Nói chung cống xả đáy và cống xả cát thường được kết hợp làm một.

Khi hạ lưu có nhu cầu cung cấp nước với mục đích tưới hoặc cấp nước với mục đích khác (ví dụ, cấp nước sinh hoạt), trong bể áp lực người ta bố trí các cửa lấy nước phục vụ cho mục đích này, tuỳ theo điều kiện cụ thể của điều kiện địa hình, địa chất mà các bộ phận này có thể có các hình thức công trình khác nhau.

1.9.2. Bố trí tổng thể công trình của bể áp lực

Trên hình 3-16 thể hiện các sơ đồ bố trí các bộ phận của bể áp lực. Việc bố trí các công trình này do nhiều yếu tố quyết định: địa hình, địa chất, địa chất thuỷ văn, thành phần cấu thành bể áp lực. Căn cứ vào hướng vận tốc dòng chảy vào cửa lấy nước so với kênh dẫn (trục đường ống cửa lấy nước và trục kênh dẫn) người ta chia chúng ra làm ba loại hình thức bố trí bể áp lực:

1. Sơ đồ dẫn nước chính diện (sơ đồ I, II)

Trục đường dẫn trùng với trục của đường ống dẫn nước turbin. Về mặt thuỷ lực sơ đồ này có ưu điểm hơn cả, tổn thất thuỷ lực trong bể áp lực sẽ nhỏ do hướng vận  tốc trong bể áp lực và đường ống dẫn nước trùng nhau, do đó tổn thất cửa vào sẽ nhỏ. Nhược điểm của sơ đồ bố trí kiểu này là công trình xả nước và tháo vật nổi được bố trí ở phần tường bên của bể áp lực và do đó việc tháo vật nổi gặp nhiều khó khăn.

Hình 3-16. Các sơ đồ bố trí các thành phần của bể áp lực.

1- kênh dẫn; 3- khoang trước; 3-đường ống dẫn nước áp lực; 4- đường xả vật nổi; 5- tràn; 6- tường hướng vật nổi; 7- phao nổi; 8- trụ pin hướng dòng; 9 &10- dốc nước.

Để khắc phục điều này, trong bể áp lực người ta bố trí tường hướng vật nổi dưới dạng phao nổi hoặc tường chắn, vật nổi sẽ bị chắn lại trước tường này và khi mở cửa tháo vật nổi chúng dễ dàng được tháo xuống hạ lưu.

2. Sơ đồ dẫn nước kiểu bên hông (sơ đồ IV)

Cửa lấy nước bố trí ở tường bên bể áp lực, trục đường ống dẫn nước turbin vuông góc với trục kênh dẫn. Dòng chảy vào cửa lấy nước không thuận, phải đổi hướng tạo nên độ nghiêng mặt nước làm tăng tổn thất cột nước. Cửa xả vật nổi bố trí bên cạnh cửa lấy nước gần như chính diện với dòng chảy trong bể áp lực, rác bẩn và vật nổi sẽ bị chặn lại trước cửa nước vào và được tháo xuống hạ lưu qua cửa tháo vật nổi. Trong trường hợp này không cần thiết bố trí tường chắn vật nổi. Ưu điểm của sơ đồ bố trí kiểu này là chiều dài bể áp lực nhỏ, việc tháo vật nổi thuận tiện song để giảm tổn thất thuỷ lực cần phải tăng tiết diện khoang trước của bể do đó có thể phải tăng vốn xây dựng, ngoài ra với sơ đồ này không thuận lợi trong vận hành do bùn cát lắng đọng không đều trong bể và rác bẩn phân bố không đều trên lưới chắn rác gây khó khăn trong việc tháo rửa cũng như tăng tổn thất trên lưới chắn rác.

3. Sơ đồ kết hợp (sơ đồ III- V)

Theo các sơ đồ này trục ống dẫn turbin và trục của khoang trước bể áp lực được bố trí xiên góc. ở các sơ đồ này vẫn cần thiết phải bố trí phao ngăn vật nổi trước cửa lấy nước. Sơ đồ V phần mở rộng bể áp lực đóng vai trò phần chuyển tiếp, trong đó đòng chảy đổi hướng dần trước khi đến cửa nước vào. Các sơ đồ này vẫn còn tổn thất thuỷ lực tương đối lớn, rác bẩn bám vào lưới chắn rác không đều nhưng với sơ đồ bố trí kiểu này chiều dài bể áp lực có thể nhỏ hơn một ít và cải thiện được việc tháo vật nổi.

1.9.3. Nguyên lý tính toán bể áp lực

Mục đích của việc tính toán bể áp lực nhằm xác định kích thước các bộ phận của nó để đảm bảo các yêu cầu về thuỷ lực và ổn định công trình. Các mực nước tối thiểu và tối đa trong bể áp lực phải đảm bảo cho cửa lấy nước làm việc bình thường và nước không tràn ra ngoài thành bể trong mọi chế độ vận hành của trạm thuỷ điện. Do bể áp lực thường bố trí ở nơi nối tiếp của sườn dốc nên điều đặc biệt quan trọng đối với công trình là điều kiện ổn định chống trượt và ổn định thấm.

1. Xác định kích thước bể áp lực

a, Phần cửa lấy nước

Cửa lấy nước của bể áp lực cũng giống như cửa lấy nước ở trạm thuỷ điện thông thường, chúng phải đảm bảo các yêu cầu chung như đã trình bày ở mục 1-1, nghĩa là  vị trí, kích thước các bộ phận của nó phải đảm bảo cho dòng chảy vào ống dẫn nước turbin được thuận tiện, tổn thất thuỷ lực nhỏ, vận hành các bộ phận công trình thuận lợi.

Chiều rộng khoang cửa lấy nước b_K (hình 3-17c) phụ thuộc vào đường kính ống áp lực, kích thước tiêu chuẩn của các cửa sau bố trí sau nó, theo kinh nghiệm có thể

lấy bằng b_K=(1,5- 1,8)D, trong đó D- đường kính ống áp lực. Như vậy chiều rộng cửa lấy nước sẽ là:

B= n b_K +  ( n  - 1 ) d                                                (3-30)

Trong đó n- số khoang cửa lấy nước; d- chiều dài trụ pin,

Chiều dài L₂ của cửa lấy nước được quyết định bởi việc bố trí các thiết bị và kết cấu cửa lấy nước.

Cao trình ngưỡng cửa lấy nước phụ thuộc vào đường kính đường ống áp lực và phải đảm bảo độ ngập sâu cần thiết của nó dưới mực nước thấp nhất trong bể áp lực. Ngoài ra, chiều rộng và chiều sâu nước trước lưới chắn rác tuỳ thuộc vào phương thức chọn rác phải đảm bảo vận tốc dòng chảy trước nó nằm trong phạm vi cho phép v_K. Vận tốc v_K thường lấy từ 0,7- 0,8 m/s.

Với vận tốc cho phép v_K, độ sâu h_K của bể áp lực được tính từ mực nước dâng bình thường (MNDBT) đến ngưỡng với mức tối thiểu có thể xác định theo công thức:

v_o - vận tốc lớn nhất trong đường ống.

Việc xác định mực nước thấp nhất (Ñ_min) trong bể áp lực phải dựa vào chế độ vận hành và đặc điểm của hệ thống đường dẫn. Mực nước thấp nhất trong bể áp lực ở chế độ làm việc ổn định có thể lấy bằng mực nước chết của bể điều tiết ngày nếu dao động mực nước trong nó không truyền vào đường dẫn. Mực nước thấp nhất cũng có thể xuất hiện trong các chế độ không ổn định của quá trình tăng tải TTĐ. Trong thực tế, việc tăng tải đồng thời tất cả các tổ máy là không thể có, do đó mực nước thấp nhất chỉ có thể xuất hiện khi tăng tải lớn nhất tổ máy cuối cùng trong khi các tổ máy khác làm việc đầy tải. Khi đó mực nước thấp nhất trong bể áp lực được xác định theo công thức:

Ñ_min = Ñ_n-1 - Äh                                                        (3-33)

trong đó: Ñ_n-1 - Mực nước trong bể áp lực khi n-1 tổ máy của TTĐ làm việc toàn bộ công suất; Äh - sóng giảm áp lớn nhất khi tăng tải tố máy cuối cùng (hình 3-17a).

Đối với kênh tự động điều tiết mực nước Ñ_n-1 khi n-1 tổ máy làm việc ổn định  với công suất lớn nhất có thể xác định từ đường nước dâng trong kênh dẫn, còn đối với kênh không tự điều tiết thì có thể lấy bằng cao trình mực nước trên tràn với lớp nước trên ngưỡng tràn tương ứng với lưu lượng lớn nhất của một tổ máy qua nó Q_tràn=Q_T.

Chiều cao sóng giảm áp Äh có thể xác định trên cơ sở tính toán dòng không ổn định trong kênh dẫn khi tăng lưu lượng lớn nhất của một tổ máy ÄQ=Q_T. Phương pháp xác định chiều cao sóng không ổn định do tăng hoặc giảm tải tổ máy thuỷ điện trên

Hình 3-17. Sơ đồ xác định kích thước bể áp lực.

đường dẫn hở được trình bày ở mục 3-10. Khi thiết kế sơ bộ chiều cao sóng giảm áp Äh có thể xác định từ phương trình cân bằng nước trong thời gian tăng tải tổ máy T_s được thể hiện trên sơ đồ a hình 3-17:

trong đó: Ñ_đ, Ñ_max - tương ứng là cao trình đỉnh tường và cao trình mực nước cao nhất trong bể áp lực; h_s - chiều cao sóng do gió tính theo tiêu chuẩn tính sóng gió; d- chiều cao an toàn tuỳ thuộc vào cấp công trình.

Chiều cao an toàn d có thể lấy như sau:

d = 0,2¸0,25 m đối với kênh có Q< 30 m³/s.

d = 0,3¸0,4 m đối với kênh có Q= 30¸100 m³/s.

d = 0,4¸0,5 m đối với kênh có Q> 100 m³/s.

Cao trình mực nước lớn nhất trong bể áp lực Ñ_max được tính cho trường hợp đột ngột cắt tải toàn bộ các tổ máy thuỷ điện do sự cố. Đối với kênh không tự điều tiết mực nước cao nhất trong bể áp lực lấy bằng mực nước trước tràn khi xả toàn bộ lưu lượng của trạm thuỷ điện qua nó. Đối với kênh tự điều tiết, mực nước cao nhất Ñ_max xác định trên cơ sở tính toán dòng không ổn định trong kênh hở khi cắt tải đột ngột với lưu lượng ÄQ= Q_max của TTĐ và mực nước trong bể áp lực ban đầu tương ứng với mực nước dâng bình thường (xem mục 3-10), khi đó :

Ñ_max = MNDBT + Äh’                                              (3-36)

khi tính sơ bộ chiều cao sóng tăng áp Äh’ có thể xác định từ phương trình cân bằng nước trong thời gian cắt tải tổ máy T_s được thể hiện trên sơ đồ b hình 3-17:

b, Khoang trước của bể áp lực:

Phần này là đoạn nối tiếp kênh dẫn và cửa lấy nước. Kích thước và kết cấu của  nó phải đảm bảo tổn thất thuỷ lực trong nó là nhỏ nhất, việc tiếp nối bể áp lực và kênh dẫn phải thuận để không gây tổn thất thuỷ lực và dòng chảy được phân bố đều. Tiết diện của khoang trước tăng đều theo chiều dòng chảy tới cửa lấy nước.

Đáy bể đoạn mở rộng trước ngưỡng cửa lấy nước (khoang trước) phải thấp hơn ngưỡng từ 0,5¸1,0 m đủ để bùn cát lắng đọng và tháo rửa theo hành lang xả cát. Chiều dài khoang trước sơ bộ có thể tính theo công thức:

L = 5 ( H- h) + 1 m                                                               (3-38).

trong đó: H- chiều sâu bể áp lực được tính từ đỉnh tường đến đáy bể; h- chiều sâu kênh dẫn nước.

Trong phạm vi khoang trước được bố trí các bộ phận công trình khác như tràn, cửa lấy nước cho các mục đích khác v.v.... Đối với kênh không tự điều tiết, tràn xả nước được thiết kế với lưu lượng lớn nhất của trạm thuỷ điện, khi đó kích thước tràn được xác định từ công thức :

trong đó : m, B, H_tr - tương ứng là hệ số lưu lượng, chiều rộng và độ sâu lớp nước tràn.

Độ sâu lớp nước tràn H_tr thường lấy trong phạm vi 0,2¸0,6 m. Cao trình ngưỡng tràn bố trí cao hơn mực nước dâng bình thường (MNDBT)từ 3¸5 cm đảm bảo ở chế  độ làm việc tính toán của TTĐ nước không chảy qua tràn.

2. Tính toán ổn định

Bể áp lực được bố trí ở cuối kênh dẫn và đầu đường ống áp lực, do đó vị trí của nó thường nằm trên mái dốc tương đối lớn hoặc gần nó. Vì vậy đường viền thấm dưới đáy cửa lấy nước và xung quanh tương đối ngắn dễ gây nguy hiểm về trượt đối với công trình. Ngoài ra dòng thấm ra ngoài mái dốc cũng có khả năng gây trượt cho mái dốc nói chung (hình 3-18 sơ đồ I- II).

Khi tính toán ổn định các công trình bể áp lực đặt trên nền đất, cần thiết phải tiến hành tính toán ổn định thấm bao gồm lưu lượng thấm, đường bão hoà thấm, sự phân bố áp lực thấm, và vận tốc dòng thấm dưới đáy cũng như xung quanh công trình. Đối với công trình đặt trên nền đá việc tính thấm nhằm mục đích xác định áp lực lên phần dưới đất của công trình.

Tính toán ổn định chung của bể áp lực cần phải tiến hành với các sơ đồ trượt phẳng của đáy móng, trượt hỗn hợp cũng như tính lún và ứng suất đáy móng công trình.

Khi nền công trình có nhiều lớp đất với các đặc tính cơ lí khác nhau dưới đáy và hướng nghiêng của chúng trùng với hướng dốc của địa hình (hình 3-18 sơ đồ III) thì khả năng trượt hỗn hợp theo mặt cắt các lớp đất rất dễ xảy ra. Vì vậy trong trường hợp này cần phải tiến hành kiểm tra ổn định trượt theo từng lớp đất cùng với công trình. Nói chung việc tính ổn định bể áp lực được tiến hành với các sơ đồ và phương pháp dùng trong các quy phạm về nền móng công trình thuỷ lợi.

Hình 3-18. Sơ đồ tính toán ổn định bể áp lực.

1. Tường chắn bể áp lực (cửa nước vào); 2- Tường bên; 3- Bờ kênh; 4- Dòng thấm; 5- Các lớp đất khác

1.10 BỂ ĐIỀU TIẾT NGÀY

1.10.1 Công dụng

Bể điều tiết ngày cho phép trữ nước để trạm thuỷ điện tiến hành điều tiết ngày. Khi trạm thuỷ điện làm việc ở chế độ điều tiết ngày, phụ tải thường xuyên thay đổi do đó trong kênh dẫn nước sẽ hình thành dòng không ổn định làm cho mực nước trong kênh dao động lớn đặc biệt khi kênh dẫn dài. Để giảm sóng dao động mực nước trong bể áp lực và trong kênh dẫn người ta cố gắng bố trí bể điều tiết ngay gần với bể áp lực. Khi lưu lượng yêu cầu phất điện giảm nhỏ nước được trữ vào bể điều tiết ngày để cung cấp cho trạm thuỷ điện khi cần tăng công suất, vì thế đoạn kênh dẫn trước bể điều tiết ngày được thiết kế với lưu lượng phát điện lớn nhất. Vì vậy khi bể điều tiết ngày bố trí gần bể áp lực khối lượng kênh dẫn nước sẽ giảm đi nhiều.

1.10.2. Cấu tạo bể điều tiết ngày

Dung tích hữu ích của bể điều tiết ngày nói chung khoảng 20- 25% lượng nước dùng trong ngày, việc xác định nó thường thông qua tính toán thuỷ năng. Với dung tích hữu ích đã biết, để xác định độ sâu công tác (tương ứng với diện tích mặt bể) cần dựa trên cơ sở so sánh kinh tế- kĩ thuật. Độ sâu công tác của bể điều tiết ngày phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất vùng đặt bể và điều kiện thi công. Nói chung việc tăng diện tích bể sẽ làm giảm dao động mực nước trong nó dẫn đến giảm chiều cao tường bể áp lực, tường bể điều tiết ngày và chiều cao bờ kênh, trong trường hợp đường dẫn là đường hầm không áp thì giảm được chiều cao của nó, ngoài ra còn giảm được trọng lượng các thiết bị cơ khí, cải thiện điều kiện làm việc của công trình đường dẫn, tăng điện lượng của trạm thuỷ điện do tăng cột nước bình quân ngày đêm.

Đối với bể điều tiết ngày, trong mọi trường hợp đều không cho phép truyền dao động mực nước trong nó tới công trình đầu mối. Khi bể điều tiết ngày đặt gần bể áp lực mà dao động mực nước trong bể điều tiết lớn thì có thể phải bố trí các công trình hạn chế dao động này vào kênh. Về mặt kinh tế, khi bể điều tiết có dao động mực  nước lớn mà đặt càng xa bể áp lực càng bất lợi. Trong thực tế, độ sâu công tác của bể điều tiết ngày của TTĐ thay đổi trong khoảng từ 0,3¸0,5 m đến 6¸7 m.

Hình 3-19. Bể điều tiết ngày của trạm thuỷ điện.

1-đường hầm dẫn nước không áp; 2 - Cầu máng; 3- công trình hạn chế giảm mực nước trong đường dẫn khi mực mước bể điều tiết ngày hạ thấp; 4- kênh xế; 5- công trình ngăn cách BĐT ngày và bể áp lực; 6- các cửa lấy nước TĐ; 7-công trình xả nước; 8- hành lang xả cát; 9-cửa van cung.

Dung tích chết của bể điều tiết ngày phụ thuộc vào điều kiện địa hình nơi xây bể. Tuỳ theo điều kiện cụ thể, nếu lợi dụng được các hồ tự nhiên, vùng đất trũng, khe suối, lòng sông để làm bể điều tiết ngày thì dung tích chết có thể khác nhau. Nếu bể điều tiết ngày hoàn toàn nhân tạo, dung tích của nó không lợi dụng được điều kiện địa hình thì phần dung tích chết phải là tối thiểu cần thiết cho điều kiện lắng đọng bùn cát. Thông thường độ sâu phần dung tích chết lấy bằng 1¸2 m.

Việc dọn bùn cát lắng đọng trong bể điều tiết ngày được tiến hành theo định kỳ và có thể dùng phương pháp cơ giới hoặc thuỷ lực như đối với bể lắng cát. Có thể dùng tàu hút bùn để dọn bùn cát lắng đọng trong bể hoặc dùng các phương pháp tập trung bùn cát vào một vị trí nhất định rồi tháo nó ra khỏi bể. Trong mùa lũ lượng bùn cát trong dòng chảy nhịều vì thế cần có biện pháp hạn chế bùn cát lắng đọng trong bể vào mùa này, một trong các biện pháp có hiệu quả là đóng không cho nước vào bể  điều tiết, lúc này trạm thuỷ điện làm việc ở chế độ không điều tiết ngày.

Để chống mất nước do thấm khỏi bể điều tiết ngày người ta thường xây lát mặt trong của bể bằng các vật liệu rẻ tiền như đất sét, bê tông át phan, màng chống thấm bằng nhựa polyetilen và các loại vật liệu rẻ tiền khác.

Trên hình 3-19 là một ví dụ về cấu tạo các bộ phận của bể điều tiết ngày. ở đây  bể điều tiết ngày được bố trí cạnh bể áp lực, dao động mực nước trong bể điều tiết ngày không gây ảnh hưởng đối với mực nước trong kênh dẫn và trong bể áp lực bởi các công trình không chế mực nước 3 và 5.

1.10.3. Vị trí của bể điều tiết ngày

Việc bố trí bể điều tiết ngày phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất. Khi bố trí nó cần phải xem xét khả năng sử dụng các hồ tự nhiên, vùng trũng, khe suối lớn hoặc sông trên tuyến đường dẫn hoặc gần với nó, đồng thời cần xem xét địa chất khu vực bố trí bể điều tiết ngày để có biện pháp xử lí hoặc đưa ra phương án lựa chọn vị trí của nó.

Để đáp ứng điều kiện làm việc của TTĐ điều tiết ngày, đoạn kênh nối bể áp lực với bể điều tiết ngày cần làm theo hỉnh thức tự điều tiết và nó được gọi là “kênh cao điểm”. Để giảm chiều cao tường bể áp lực, cửa nước vào và bờ đoạn kênh này, bể điều tiết ngày bố trí càng gần bể áp lực càng có lợi. Khi dao động mực nước trong bể điều tiết ngày lớn nên bố trí nó gần bể áp lực, khi đó khối lượng xây dựng của toàn hệ  thống đường dẫn sẽ nhỏ và điều kiện làm việc của nó sẽ tốt hơn.

Trong thực tế có ba phương án bố trí bể điều tiết ngày trên đường dẫn (hình 3-20):

Phương án I : Bể điều tiết ngày bố trí khoảng giữa tuyến kênh. Với phương án này sẽ hình thành đoạn “kênh cao điểm” và có ba hình thức bố trí: phương án I-a với hình thức bố trí bể điều tiết ngày bên cạnh tuyến đường dẫn, có đoạn kênh nối và công trình ngăn cách. Nó ứng dụng được cho mọi trường hợp khi dao động mực nước trong bể điều tiết ngày lớn cũng như nhỏ.

Ưu điểm các phương thức bố trí này là bể điều tiết có thể tách khỏi đường dẫn nên rất tiện lợi trong vận hành khi nạo vét sửa chữa cũng như khi trong mùa lũ TTĐ làm việc theo chế độ không điều tiết ngày, song nhược điểm là tổn thất cột nước lớn  do có thêm đoạn kênh nối và công trình ngăn cách. Phương án bố trí với bể điều tiết ngày đặt trực tiếp trên đường dẫn (phương án I-b) chỉ ứng dụng khi dao động mực nước trong nó nhỏ (độ sâu công tác của bể nhỏ tức là diện tích bể lớn), khi có thể sử dụng hồ chứa tự nhiên, địa hình trũng hoặc lòng sông suối cắt qua tuyến đường dẫn để tạo bể. Trường hợp này dao động mực nước trong BĐT ngày có ảnh hưởng trực tiếp đến bể áp lực, nạo vét bùn cát lắng đọng trong bể và việc tiến hành sửa chữa nó chỉ tiến hành khi TTĐ ngừng hoạt động. Ưu điểm của phương thức này là tổn thất thuỷ  lực nhỏ hơn.

Phương thức bố trí I-c là một hình thức cải tiến phương án I-b. Để giảm bớt lượng bùn cát lắng đọng trong mùa lũ người ta xây dựng thêm đoạn kênh xế bên cạnh bể áp lực để chuyển vật nổi và bùn cát nếu như không dùng biện pháp lắng sạch trước khi vào bể điều tiết ngày.

Phương án II: Bể điều tiết ngày bố trí ở cuối đường dẫn không áp. Với hình thức này bể điều tiết ngày được bố trí bên cạnh bể áp lực hoăc trùng với nó sẽ cho phép giảm được chiều cao cửa lấy nước và bờ bể áp lực một lượng bằng tổn thất cột nước trong kênh nối và trong kênh cao điểm. Ngoài ra trong trường hợp này có thể phân tán hoàn toàn hoặc phần lớn sóng dao động mực nước phát sinh trong các quá trình chuyển tiếp của trạm thuỷ điện. Phương án này cũng có ba hình thức bố trí tương tự như ở phương án I.

Khi dao động mực nước trong bể điều tiết ngày quá lớn không đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của đường dẫn, ở phía trên chỗ nối tiếp bể với đường dẫn người ta bố trí các công trình ngăn không cho các dao động này truyền vào đường dẫn. Với mục đích đó có thể sử dụng các bậc nước hoặc tràn có dốc nước tiêu năng bằng mũi phun.

ở các hình I-c, II-c bể điều tiết ngày được nối với đường dẫn ở đầu vào của nó cho phép giảm tổn thất cột nước khi vận hành trong mùa kiệt nước được dẫn qua bể điều tiết ngày.

Hình 3-20. Các phương án bố trí bể điều tiết ngày của trạm thuỷ điện.

1- Đường dẫn; 2- Kênh nối; 3- Tràn ở cửa nước vào; 4- Kênh cao điểm; 5- Bể áp lực; 6- Kênh xế; 7- Bậc nước; 8- Tràn có dốc nước và tiêu năng; 9- Công trình nối tiếp giữa các bể; 10- Công trình tháo nước; 11- Cửa van; 12- Đoạn đường dẫn có áp; 13- Đường ống nối; 14- ống dẫn nước turbin.

Việc bố trí các cửa van ở công trình nối tiếp bể điều tiết ngày với đường dẫn hoặc với bể áp lực cho phép tách bể điều tiết ra khỏi hệ thống dẫn nước trong quá trình vận hành để sửa chữa, ngăn ngừa bùn cát vào bể trong mùa lũ, nhanh chóng phục hồi mực nước trong bể áp lực khi điều tiết ngày.

Phương án III: Bể điều tiết ngày bố trí cách bể áp lực một khoảng nào đó và dùng đường dẫn nối với đường dẫn có áp hoặc đường ống dẫn nước turbin (hình 3-20 phương án III-a,b). Ưu điểm của phương án này là có thể giảm dao động mực nước trong bể áp lực khi tháo và trữ nước ở bể điều tiết ngày. Khi độ sâu công tác của bể điều tiết ngày lớn thì phương án này cho phép giảm khối lượng công trình và giá thành bể áp lực. Việc giảm dao động mực nước trong bể áp lực khi bể điều tiết ngày hoạt động được thực hiện nhờ công trình tràn nước đặt trong phạm vi cửa lấy nước, nước qua công trình tràn chảy vào đường ống áp lực. ở phương án bố trí này việc tháo vật nổi cần tiến hành từ bể áp lực vì không cho phép tháo qua đường dẫn có áp.

Nói chung vị trí bể điều tiết ngày có ảnh hưởng đến chế độ thuỷ lực trong đường dẫn nước TTĐ. Phương án lựa chọn cuối cùng phải dựa trên cơ sở so sánh kinh tế - kĩ thuật một số phương án khả dụng. Về nguyên tắc cố gắng để bố trí bể điều tiết ngày gần với bể áp lực và chú ý đến việc lợi dụng các điều kiện địa hình tự nhiên để giảm khối lượng chung cho toàn bộ công trình. Khi bể điều tiết ngày là một công trình độc lập tách rời  với đường dẫn và bể áp lực thì phương pháp nối tiếp chúng phải trên cơ  sở tính toán so sánh phương án. Có nhiều phương án nối tiếp chúng, nhưng trong  thành phần của các công trình nối tiếp nhất thiết phải có cửa van để tách rời bể ĐTN khi sửa chữa hoặc nạo vét bùn cát.

1.11 TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG ĐƯỜNG DẪN NƯỚC KHÔNG ÁP

Khi công suất hoặc lưu lượng của TTĐ thay đổi, trong đường dẫn không áp xuất hiện chế độ không ổn định lan truyền dọc theo đường dẫn dưới dạng sóng dài. Sự thay đổi công suất và lưu lượng của TTĐ có liên quan tới chế độ làm việc của nó trên biểu đồ phụ tải ngày và các trường hợp sự cố của tổ máy. Nói tóm lại, nó liên quan tới các quá trình chuyển tiếp của tổ máy thuỷ điện.

Các dạng cơ bản của sóng trong đường dẫn không áp được thể hiện trên các sơ đồ hình 3-21, trong đó : h_o, V_o, Q_o - tương ứng độ sâu nước, vận tốc và lưu lượng ban đầu ở chế độ ổn định ; Äh - chiều cao sóng; c- vận tốc truyền sóng.

Trong đường dẫn không áp, tuỳ thuộc vào vị trí của điểm gây sóng và đặc tính của tác động gây sóng mà có thể xẩy ra sóng tăng áp (sóng dương) hoặc sóng giảm áp (sóng âm). Sóng dương làm cho mực nước trong đường dẫn tăng lên, còn sóng âm thì ngược lại làm giảm mực nước. Đối với đường dẫn nước vào TTĐ, khi giảm lưu lượng phát điện trong đường dẫn sẽ xuất hiện sóng dương, sóng âm xuất hiện khi tăng lưu lượng phát điện, các sóng này có chiều cao ban đầu Äh_o di chuyển với vận tốc C theo dòng chảy có vận tốc ban đầu Vo và độ sâu nước ho. Trong thời gian sóng di chuyển từ bể áp lực đến đầu kênh và phản hồi ngược lại, tại bể áp lực chiều cao sóng Äh tiếp tục tăng và nó đạt cực trị  Äh_max khi sóng phản hồi di chuyển về tới bể áp lực. Trong thiết kế cần thiết phải xác định các trị số cực trị này nhằm xác định mực nước cao nhất và thấp nhẩt trong bể áp lực cũng như tại các tiết diện khác của đường dẫn để trên cơ sở đó xác định cao trình đỉnh các công trình dẫn nước không áp và bố trí của lấy nước của TTĐ.

Hình 3-21. Các dạng sóng dài trong đường dẫn không áp. 

Cơ sở để tính toán dòng chảy không ổn định trong đường dẫn hở là hệ phương trình vi phân cơ bản Xen-ven-na (3-40 và 3-41):

- Phương trình động lực:

- Phương trình liên tục:

trong đó: s- toạ độ tương ứng với vị trí của tiết diện; t- thời gian; v- vận tốc trung bình; h- độ sâu nước; ip- độ dốc đáy; F- diện tích ướt của tiết diện; C- hệ số Sezi; R- bán kính thuỷ lực.

Giải hệ phương trình (3-40 và 3-41) với các điều kiện biên cụ thể ta có thể xác định được các đặc trưng của quá trình chuyển động không ổn định của dòng chảy. Nhưng trong thiết kế sơ bộ như đã nói ở trên, 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. Sau đây sẽ trình bày phương pháp gần đúng của M. D. Tre-tu-xôp.

Xét trường hợp sóng dương hình 3-22,a với chiều cao Äh di chuyển với vận tốc c theo dòng chảy với vận tốc ban đầu v_o 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 v_o ± c còn vận tốc trong vùng sóng v ± c ( hình 3-22,b) Viết phương trình liên tục cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 ta có :

(v_o ± c ) F_o = ( v ± c ) ( F_o + Äh B’ )                                                                                                                                    (3-42)

trong đó: B’ - chiều rộng trung bình của lòng dẫn ở trong vùng sóng dâng Äh.

Thay vào (3-42) các giá trị lưu lượng ban đầu Q_o = v_oF_o ; và giá trị lưu lượng trong sóng

Q = v_oF_o + v Äh B’ ta có:

ÄQ_s = Q _o- Q  =  ±  c Äh B’                                                  (3-43)

hay nếu không tính dấu của vận tốc c:

ÄQ_s = Q_o - Q  =  c Äh B’                                          ( 2-44)

Viết phương trình biến đổi động lượng của dòng chảy trước sóng tại mặt cắt 1-1 và trong sóng tại mặt cắt 2-2:

Kết hợp các biểu thức (2-42) với (2-45) suy ra:

Hình 3-22. Sơ đồ chuyển động của mặt sóng.

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

Dựa vào các công thức (3-44) ¸(3-49) ta có thể xác định chiều cao sóng tăng và giảm ảp trong các đường dẫn hở.

1.11.1. Xác định mực nước lớn nhất trong bể áp lực khi cắt tải

Sơ đồ tính toán mực nước cao nhất khi giảm lưu lượng của trạm thuỷ điện từ Q_o đến Q’_o được thể hiện trên hình 3-23. Tại bể áp lực ( tiết diện 0-0) khi giảm tải đột ngột, ban đầu xuất hiện sống dương với chiều cao Äh_o và lan truyền về đầu kênh     với vận tốc co được xác định theo hai biểu thức ( 3-44) và (3-47):

trong đó: F_o, B’_o, v_o - 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 Äh_L với vận tốc C_L xác định theo (3-44) và (3-47) (với giả thiết mặt nước trong kênh khi sóng chưa lan truyền tới đầu kênh là đường nằm ngang):

trong đó:  f_o = [ B_o + m (Äh_L + ÄH )] (Äh_L + ÄH );   f_L =   (B_L + mÄh_L ) Äh_L - tương ứng là diện tích các tiết diện sóng tại mặt cắt 0-0 và L-L; m- hệ số mái kênh; B_o,  B_L- chiều rộng mặt nước trong kênh tại các tiết diện tương ứng ở chế độ ổn định trước lúc xuất hiện sóng; L- khoảng cách giữa hai mặt cắt; ÄH - độ chênh mực nước ở hai tiết diện ở chế độ ổn định với lưu lượng Q_o.

Công thức (3-44’’) được suy ra từ biểu thức (3-44) với các trị số trung bình giữa hai mặt cắt:

Q_o -Q_o’ = C_tb Äh_tb B’_tb;                   c_tb = co + cL ;               w = Äh_tb B’_tb L

Các trị số c_o, Äh_o, c_L, Äh_L xác định từ các biểu thức trên bằng phương pháp thử dần hoặc đồ giải.

Hình 3-23. Sơ đồ xác định mực nước cao nhất trong bể áp lực khi giảm tải.

Từ sơ đồ hình 3-23 với giả thiết thời gian sóng di chuyển từ bể áp lực tới đầu kênh và phản hồi ngược lại là như nhau, trong thời gian sóng di chuyển từ tiết diện 0-0 đến L-L, tại bể áp lực mực nước tiếp tục tăng từ Z’_o đến Z’’_o và trong thời gian sóng phản hồi trở về đến bể áp lực mực nước tiếp tục tăng một lượng tương đương:

Khi tăng lưu lượng qua TTĐ một cách tức thời, trong bể áp lực sẽ xuất hiện sóng giảm áp với chiều cao ban đầu   Äh_o và truyền về đầu kênh với vận tốc co được xác    định từ các biểu thức (2-48) và (2-49):

Mực nước tại tiết diện 0-0 tiếp tục giảm trong quá trình truyền sóng đến đầu kênh và phản hồi ngược trở lại. Khi sóng lan truyền tới tiết diện L-L thì mực nước trong bể áp lực giảm xuống cao trình Z_o’’ = Z_o - h_o (hình 3-24), khi đó vận tốc và chiều cao sóng tại L-L có thể xác định theo các biểu thức sau:

Để xác định lưu lượng ÄQ_L tại tiết diện L-L khi sóng giảm áp truyền đến đó có  thể tính theo công thức:

Hình 3-24. Sơ đồ xác định mực nước thấp nhất trong bể áp lực khi tăng tải.

Chiều cao sóng tại tiết diện 0-0 khi nó lan truyền đến đầu kênh được xác định theo công thức:

Để xác định trị số Äh_L và c_L có thể dùng phương pháp thử dần bằng cách giả thiết Äh_L tìm c_L theo (3-48’) và  ÄQ_L theo (3-50 ¸ 3-53) sau đó tìm Äh_L  theo (3-48’’). Nếu kết quả gần với giá trị giả thiết thì đó là nghiệm cần tìm.

Với giả thiết thời gian truyền sóng từ bể áp lực tới đầu kênh và ngược lại đều bằng nhau, từ hình (3-24) ta dễ dàng xác định mực nước thấp nhất trong BAL:

trong đó: Z_o - mực nước tại 0-0 trước khi xuất hiện sóng.

Để giải quyết một cách triệt để bài toán dòng không ổn định trong kênh hở phục vụ cho việc tính toán các quá trình chuyển tiếp của TTĐ, bằng phương pháp đường  đặc trưng có thể biến đổi hệ phương trình (3-40) và (3-41) về hệ phương trình vi phân thông thường và giải bằng phương pháp sai phân.

Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team