LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình
trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Tính toán cửa nhận nước
nhà máy thủy điện cùng làm việc với nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn”
đã được hoàn thành.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã
truyền đạt kiến thức, cho phép tác giả sử dụng tài liệu đã công bố trong quá trình
học tập, nghiên cứu vừa qua.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Khánh,
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo,
của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Hà Nội, Tháng 05 năm 2012
Tác giả
Trần Thị Mai Phương

MỤC LỤC

1TMỞ ĐẦU1T 1
1TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN1T 2
1TVÀ CÁC CHI TIẾT1T 2
1T1.11T 1TSự phát triển của thủy điện Việt Nam [2]1T 2
1T1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2]1T 4
1T1.2.2 Phân theo điều kiện chịu áp lực nước ở thượng lưu1T 4
1T1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy1T 5
1T1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8]1T 6
1T1.3.1 Công trình đầu mối1T 6
1T1.3.2 Công trình trên tuyến năng lượng1T 7
1T1.3.2.1 Công trình lấy nước1T 7
1T1.3.2.2 Đường hầm đường ống áp lực1T 7
1T1.3.2.3 Công trình điều áp1T 7
1T1.3.2.4 Nhà máy thủy điện1T 8

1T1.3 Thiết lập phương trình cơ bản của bài toán dựa trên thuật toán của phương
pháp phần tử hữu hạn [6].
1T 30
1T3.1.1 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn1T 30
1T3.1.2 Phương pháp tính1T 31
1T3.1.3 Thiết lập hệ thống phương trình cơ bản của bài toán1T 32
1T3.2 Áp dụng tính toán cửa nhận nước nhà máy thủy điện Lai Châu.1T 34
1T3.2.1 Giới thiệu chung1T 34
1T3.2.1.1 Vị trí công trình1T 34
1T3.2.1.2 Tóm tắt thông số thiết kế kỹ thuật công trình1T 34
1T3.2.1.3 Hạng mục cửa nhận nước1T 38
1T3.2.2 Tính toán kết cấu cửa nhận nước1T 40
1T3.2.2.1 Qui trình, qui phạm sử dụng trong tính toán1T 40
1T3.2.2.2 Thông số mô hình.1T 41
1T3.2.2.3 Tải trọng tác dụng1T 43
1T3.2.2.4 Tổ hợp tải trọng1T 47
1T3.2.2.5 Các nguyên tắc trong tính toán bố trí cốt thép.1T 48
1T3.2.2.6 Kết quả phân tích ứng suất biến dạng1T 48 1T3.2.2.7 Kết quả tính toán cốt thép các bản mỏng chịu áp1T 54
1T3.2.2.8 Kết quả tính toán cốt thép phần bê tông khối lớn1T 64
1T3.2.2.9 Bố trí cốt thép1T 78
1T3.31T 1TCác ảnh hưởng của nền1T 79
1T3.3.1 Trong bài toán tĩnh1T 79
1T3.3.2 Trong bài toán động1T 82
1T3.3.3 Kết luận1T 83
1TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ1T 84
1TTÀI LIỆU THAM KHẢO1T 85


Hình 2.9
Hình 3.1
Hình 3.2: Vị trí công trình
Hình 3.3: Mặt cắt ngang cửa nhận nước
Hình 3.4 : Chính diện thượng lưu
Hình 3.5: Mô hình tính toán nhìn từ thượng lưu
Hình 3.6: Mô hình tính toán nhìn từ hạ lưu
Hình 3.7: Phần tử shell mô hình thành mỏng chịu áp
Hình 3.8: Áp lực nước tác dụng lên cửa nhận nước
Hình 3.9: Lực cầu trục chân dê tác dụng lên sàn cửa nhận nước
Hình 3.10: Tải trọng tác dụng lên sàn cửa nhận nước
Hình 3.11: Tổ hợp 1 - Chuyển vị Ux
Hình 3.12: Tổ hợp 1 - Chuyển vị Uy
Hình 3.13: Tổ hợp 1- Chuyển vị Uz
Hình 3.14: Tổ hợp 1- Ứng suất Sz
Hình 3.15: Tổ hợp 1 - Ứng suất Sy
Hình 3.16: Tổ hợp 1 - Ứng suất Sx
Hình 3.17: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Ux Hình 3.18: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Uy
Hình 3.19: Tổ hợp 2 - Chuyển vị Uz
Hình 3.20: Tổ hợp 2 - Ứng suất Sx
Hình 3.21: Tổ hợp 2 - Ứng suất Sy
Hình 3.22: Tổ hơp 2 - Ứng suất Sz
Hình 3.23: Ký hiệu các tấm
Hình 3.24: Các vị trí mặt cắt tấm 1,2,3
Hình 3.25: Các vị trí mặt cắt trụ 1 và 2
Hình 3.26: Tấm 1 - M và N theo phương X
Hình 3.27: Tấm 1 - M và N theo phương Y

Hình 3.56: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uy theo 2 phương án
Hình 3.57: Kết quả chuyển vị tại đỉnh Uz theo 2 phương án
Hình 3.58: Gia tốc theo phương X cửa nhận nước trong trường hợp xảy ra động đất
MCE.
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật thủy điện Việt Nam
Bảng 3.1: Các thông số chính của công trình thủy điện Lai Châu
Bảng 3.2: Đặc trưng vật liệu
Bảng 3.3: Phổ gia tốc với động đất cực đại tin cậy, thành phần nằm ngang (MCE-H) và
phổ gia tốc với động đất cơ sở vận hành, thành phần nằm ngang OBE-H cho đập chính
dự án thuỷ điện Lai Châu, giai đoạn thiết kế kỹ thuật

- Tìm hiểu về các phương pháp tính toán kết cấu cửa nhận nước
- Mô phỏng cửa lấy nước làm việc cùng với nền trong phần mềm ansys. Tính toán
ứng suất biến dạng.
- Phân tích các ảnh hưởng của nền đến ứng suất biến dạng.
4. Kết quả dự kiến đạt được:
- Tính toán ứng suất biến dạng và bố trí cốt thép cửa nhận nước.
- Xem xét ảnh hưởng của nền trong tính toán trong bài toán tĩnh và bài toán kể tới
động đất. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN
VÀ CÁC CHI TIẾT
1.1 Sự phát triển của thủy điện Việt Nam [2]
Đất nước Việt Nam có trên 1000 con sông, suối được phân bố đều khắp trong
phạm vi cả nước, với trữ năng khoảng 280 tỷ KWh. Trên các triền sông lớn như
sông Đà, sông Lô, sông Mã, sông Cả, sông Cửu Long… đều có khả năng xây dựng
các trạm thủy điện công suất lớn hoặc tương đối lớn. Đến nay, chúng ta đã có trạm
thủy điện Thác Bà 120MW, Sơn La 2400MW, Tuyên Quang 342MW… và hiện
đang xây dựng các trạm thủy điện lớn khác như Lai Châu 1200MW, Huội Quảng
520MW…Ngoài ra, trên các sông suối nhỏ cũng đã và đang được xây dựng nhiều
trạm thủy điện với công suất >1MW.
Tiềm năng lý thuyết về thủy điện trên tất cả các hệ thống sông của Việt Nam
khoảng 300 tỷ Kwh/ năm, trong đó lưu sông Hồng là 122 tỷ Kwh/ năm (chiếm 41%
lý thuyết), sông Đồng Nai 27.35 tỷ 300 tỷ Kwh/ năm (chiếm 9%) và sông Sê San
16,46 tỷ Kwh/ năm (chiếm 6%). Trên toàn quốc, một số lưu vực sông có tiềm năng
thủy điện lớn như sông Đà, sông Đồng Nai, Sê San, Srepok, sông Ba, sông Vũ Gia-
Thu Bồn, sông Lô - Gâm, sông Mã và sông Cả. Trong đó lớn nhất là sông Đà
khoảng 7800MW, sông Sê San 4000 MW và sông Đồng Nai khoảng 1900MW.
Ngoài ra trên các lưu vực sông suối nhỏ khác có thể khai thác thủy điện nhỏ với trữ

3
470
1800
Hương
2800
2
284
990
Vũ Gia- Thu Bồn
10500
8
1502
4500
Sê San
11450
8
2000
9100 3
Srêpok
12200
5
730
3300
Ba
13800
6
669

điện dùng khí đốt hoặc dầu. Các nguồn năng lượng khác như điện nguyên tử, năng
lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy triều cũng sẽ được nghiên cứu đưa vào sử
dụng.
Để đảm bảo cung cấp điện an toàn liên tục cho nhu cầu xã hội, với nhu cầu điện
như trên, chương trình phát triển hệ thống điện sẽ có quy mô rất lớn. Trong QHĐ7,
với phương án cơ sở dự kiến tổng công suất nguồn điện năm 2015 sẽ khoảng
42.500MW, gấp hơn 2 lần năm 2010 với tỷ trọng 33,6% thuỷ điện, 35,1% nhiệt
điện than, 24,9% nhiệt điện dầu và khí, khoảng gần 4% nguồn năng lượng tái tạo
(thuỷ điện nhỏ, điện gió, sinh khối, mặt trời v.v ), còn lại khoảng 2,5% nhập khẩu.
Đến năm 2020 tổng công suất nguồn điện sẽ khoảng 65.500MW với tỷ trọng thuỷ
điện 26,6% (~17.400MW), nhiệt điện than tăng lên 44,7% (~29.200MW), nhiệt 4
điện dầu-khí giảm xuống 19,6% (~12.800MW), nguồn năng lượng tái tạo chiếm
4,8% (~3.100MW), nhập khẩu chiếm 2,8% (~1.800 MW) và sẽ có tổ máy đầu tiên –
1000MW của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận. Năm 2030 tổng công suất nguồn
điện lên tới 137.600MW, trong đó thuỷ điện chỉ còn chiếm 15,3%, nhiệt điện than
tăng lên chiếm 56,1%, nhiệt điện dầu - khí 12,7%, công suất các nhà máy điện hạt
nhân lên tới 10.700MW với tỷ trọng 7,8%, còn điện nhập khẩu chiếm khoảng 4,6%.
1.2 Phân loại nhà máy thủy điện [2]

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

- Cấp III N
R
lm
R > 2000 - 50000Kw
- Cấp IV NR
lm
R > 200 - 2000Kw
- Cấp V N
R
lm
R ≤ 200Kw
1.2.2 Phân theo điều kiện chịu áp lực nước ở thượng lưu
Có thể phân thành hai nhóm sau: 5
- NMTĐ chịu áp lực nước từ phía thượng lưu : Nhà máy này là một thành phần
của công trình dâng nước, nó chịu áp lực nước từ phía thượng lưu, đó là các NMTĐ
lòng sông cột nước thấp ( hoặc nhà máy năm trên kênh dẫn) như NMTĐ Thác Bà,
Trị An, Bàn Thạch
- NMTĐ không chịu áp lực nước từ phía thượng lưu: Đây là các NMTĐ kiểu sau
đập hoặc đường dẫn, nước được dẫn vào tuabin theo những đường ống chảy có áp
đặt trong thân đập hoặc đặt hở trên mặt đất. Đó là các nhà máy thủy điện Đa Nhim,
Cấm Sơn, Suối Cun
1.2.3 Phân loại theo kết cấu nhà máy
- NMTĐ không kết hợp
- NMTĐ kết hợp xả lũ (như xả lũ qua nhà máy hoặc tràn mái cột nước cao hoặc
thấp)
- NMTĐ kết hợp về kết cấu ( như đặt nhà máy trong thân đập, trong các mố trụ,
trong tháp xả nước )

ngầm…
1.3 Tổng quan về các hạng mục của công trình thủy điện [2, 7, 8]
Công trình thủy điện bao gồm các hạng mục chủ yếu như công trình đầu mối hồ
chứa (đập dâng, tràn xả lũ ) và các công trình trên tuyến năng lượng (cửa lấy nước,
đường ống áp lực nhà máy, nhà máy, bể xả hạ lưu nhà máy…)
Trong phạm vi của luận văn này tác giả xin giới thiệu sơ bộ các hạng mục chính
của công trình thủy điện và chủ yếu đi sâu vào phân tích về hạng mục cửa lấy nước
phục vụ công tác nghiên cứu luận văn.
1.3.1 Công trình đầu mối
Công trình đầu mối bao gồm : đập ngăn nước, tràn xả nước, cống lấy nước.
- Đập ngăn nước có tác dụng điều tiết dòng chảy làm nhiệm vụ giữ nước tạo hồ
chứa để hình thành cột nước phục vụ mục đích tưới cho hạ lưu và làm quay bánh xe
công tác cho nhà máy thủy điện.
Đập ngăn nước được chia làm 2 loại theo vật liệu:
+ Đập bê tông trọng lực: bê tông thường CVC hoặc bêtông đầm lăn RCC.
+ Đập vật liệu địa phương: là các dạng đập đá đổ, đập đất, hoặc đập đất đá hỗn hợp… 7
- Tràn xả nước: xả lượng nước thừa khi mực nước trong hồ vượt quá khả năng tích
trữ cho phép.
- Cống lấy nước: có hay không tùy thuộc yêu cầu và nhiệm vụ của công trình đầu
mối dùng để cung cấp nước cho hạ du công trình khi có yêu cầu về nước, được bố
trí ngay trong thân đập hoặc kiểu tháp.
1.3.2 Công trình trên tuyến năng lượng
Các hạng mục tuyến năng lượng

Hình 1.1: Các công trình trên tuyến năng lượng
1- Tháp điều áp thượng lưu
2- Tháp điều áp hạ lưu

trình dẫn nước hoặc trực tiếp vào nhà máy thủy điện.
Hình dạng và kết cấu của cửa lấy nước phụ thuộc vào sơ đồ bố trí công trình đầu
mối, điều kiện địa hình, địa chất, đường dẫn nước sau cửa lấy nước, hàm lượng cát
của dòng chảy và các điều kiện kinh tế.
1.4.2 Yêu cầu của cửa lấy nước
- Phải đảm bảo cung cấp nước cho đường dẫn nước đủ lưu lượng cần thiết theo
biểu đồ phụ tải của trạm thủy điện và các yêu cầu dùng nước khác nếu có.
- Có thể đóng hẳn để ngừng cấp nước hoàn toàn trong trường hợp hư hỏng, kiểm
tra sửa chữa đường hầm dẫn nước, các bộ phận công trình và thiết bị sau cửa lấy
nước.
- Giữ cho bùn cát rác bẩn không vào đường hầm làm hư hại công trình và thiết bị
- Cửa lấy nước phải có hinh dạng vị trí sao cho nước chảy vào thuận dòng tổn
thất thủy lực là nhỏ nhất. Nếu dòng chảy sau cửa lấy nước là có áp thì phải giữ cho
không khí không cuộn theo dòng chảy vào đường dẫn. 9
- Đảm bảo ổn định bền vững, vận hành tiện lợi. Giá thành xây dựng và chi phí vận
hành là thấp nhất. Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu cửa lấy nước
a, Cửa lấy nước có áp b, Cửa lấy nước không áp
1- Lưới chắn rác
2- Tường chắn vật nổi
3- Khe van sửa chữa
4- Khe van sửa chữa – sự cố
5- Tường giữa
6- Máy đóng mở cửa van
7- Ống thông khí

a, Lưới chắn rác:
- Tác dụng: ngăn giữ không cho rác bẩn vào cửa, gây hư hại cho các bộ phận của
công trình và turbine
- Yêu cầu ngăn giữ rác bẩn hiệu quả cao nhất, tạo tổn thất thủy lực nhỏ nhất, kết
cấu lưới bền vững, thuận lợi cho việc lắp đặt, tháo dỡ và thu dọn rác
- Vị trí: lưới chắn rác thường được đặt trước cửa van có trường hợp lưới chắn rác
và phai sửa chữa đặt chung một khe (trong trường hợp đó, khi đóng phai sửa chữa
phải rút lưới chắn rác lên)
b, Thiết bị thu dọn rác:
Thường dùng mấy loại sau: thiết bị cào rác thiết bị cắt rác, thiết bị cặp rác. Cũng
có thể dùng nhiều loại thiết bị phối hợp với nhau để vớt rác
c, Cửa van sửa chữa
Thường đặt ngay sau lưới chắn rác. Cửa van này chỉ đóng khi cần sửa chữa công
trình cửa lấy nước và phần đầu đường hầm.
Van sửa chữa thường được làm dạng của van phẳng, khi chiều cao cửa lớn thì
làm cửa van phẳng nhiều tầng. Trong trường hợp độ sâu cửa van không lớn, van sửa
chữa làm theo các phai độc lập.
Cửa van sửa chữa không nhất thiết phải làm đủ cho các khoang cửa, mà chỉ cần
1-3 bộ dùng chung cho hạng mục. Khi cần đóng để sửa chữa khoang nào thì cần
trục chạy sẽ đưa cửa hoặc phai đến đóng khoang đó.
d, Cửa van công tác:
Nếu đường ống dẫn nước áp lực đặt lộ thiên (hở trên mặt đất) hoặc ống bố trí ở
mặt hạ lưu đập bê tông trọng lực không có lớp bê tông cốt thép bảo vệ thì van công
tác thường là van đóng nhanh để bảo vệ an toàn cho công trình và thiết bị ở phía
sau. Lúc này này van công tác còn gọi là van sự cố.
Cửa van công tác chịu áp lực rất lớn, có trường hợp cột nước trước cửa đến
100m. Khi đóng, cửa hạ xuống dòng chảy có vận tốc lớn. Như vậy cửa van phải
tính toán chịu được áp lực cao nhất, lại phải đủ trọng lượng thắng lực đẩy ngang của
nước chảy khi đóng.


công tác. 13
1.5.1.2 Hình dạng và cấu tạo cửa lấy nước có áp
Cửa lấy nước có áp được chia làm mấy loại chính:
a, Cửa lấy nước kiểu đập

Hình 1.4 : Cửa lấy nước trong thân đập trọng lực
a, Cửa lấy nước với lưới chắn rác tháo lắp được
b, Cửa lấy nước với lưới chắn rác đặt cố định dọn rác bình thường
1- Tường chắn vật nổi
2- Van sửa chữa
3- Van sự cố sửa chữa
4- Lưới chắn rác
5- Ống thông khí
6- Ống cân bằng áp lực
7- Máy đóng mở thủy lực
8- Ống dẫn nước turbin
- Cửa lấy nước đặt trong thân đập: thường được dùng để lấy vào trong đường
ống dẫn nước cho các trạm thủy điện đặt trong đập bê tông. 14
- Cửa lấy nước của nhà máy thủy điện ngang đập : lấy nước trực tiếp từ thượng
lưu, dẫn vào nhà máy, yêu cầu về cấu tạo và các thiết bị cũng theo các nguyên tắc
nêu trên. Cửa lấy nước có chung bản đáy bê tông và là một phần của nhà máy, cùng
với nhà máy chiếm một đoạn vị trí của đập ngăn sông. Vì vậy nó cùng với nhà máy
chịu áp lực nước thượng lưu. Cửa lấy nước kiểu này thường có tiết diện rộng cho
nên để giảm kích thước của cửa van, có thể đặt thêm trụ pin trung gian. Chiều dày

thể đặt ở tháp hoặc trên đường dẫn, ở ngoài phạm vi cửa.
1.5.2 Cửa lấy nước không áp
1.5.2.1 Vị trí và điều kiện áp dụng
Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở các trạm thủy điện có đường dẫn
nước không áp, nhưng cũng có khi ở đường dẫn nước có áp. Nhưng điều kiện cơ
bản để áp dụng cửa lấy nước không áp là mực nước thượng lưu thay đổi rất ít.
Cửa lấy nước không áp thường được đặt ở sông có độ dốc và vận tốc lớn, dòng
chảy có độ hàm cát lớn trong mùa lũ. 16
Chú ý là sau khi xây dựng công trình đầu mối, dòng chảy tự nhiên của sông bị
thay đổi, phía thượng lưu đập bắt đầu bồi lấp. Cùng thời gian, đáy thượng lưu dâng
lên, vận tốc dòng chảy trong mùa lũ tăng, đem theo cát vào cửa lấy nước. Để tránh
bớt dòng chảy mang theo cát vào đường dẫn và tạo thuận dòng phải chọn vị trí hợp
lý của cửa lấy nước.
Trên đoạn sông ngay phía thượng lưu của công trình đầu mối, nếu là đoạn cong
thì dọng chảy có dạng cuộn (hình 1-9b) những đường cong trên mặt không mang
theo cát đáy hướng về phía lõm, còn những đường dòng đáy mang theo cát hướng
về bờ lồi. Do đó bờ lõm bị xói, bờ lồi bị bồi. Chọn vị trí cửa lấy nước ở phía bờ lõm
sẽ có được độ sâu tự nhiên và giảm bớt dòng chảy mang cát.
Nếu không có được vị trí thuận lợi, hoặc lượng hàm cát lớn, có thể phải đặt các
tường hướng dòng.
1.5.2.2 Phân loại cửa lấy nước không áp
Có một số kiểu lấy nước không áp sau:
- Kiểu bên bờ lấy nước mặt: có một số dạng như cửa vó ngưỡng ngăn cát, cửa có
ngăn lắng cát, cửa có hố tập trung cát.
- Kiểu bên bờ có công trình dòng chảy cuộn trước ngưỡng.
- Cửa bên bờ có hành lang tháo cát.
- Kiểu chính diện lấy nước mặt.