Xem mẫu
- Chương XI. BỂ LẮNG CÁT CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN
XI. 1. CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI BỂ LẮNG CÁT
XI. 1. 1. Công dụng và điều kiện xây dựng bể lắng cát
Các con sông trong quá trình chảy đều mang theo phù sa lơ lửng và dòng phù sa
đáy, đặc biệt các sông miền núi, có sông với dòng chảy trung bình mang lượng phù sa
lên tới 60 kg/m3. Cần phải lọc các hạt phù sa nầy ra khỏi dòng chảy để tránh làm mòn
thành ống dẫn nước và các phần qua nước của thiết bị thuỷ lực nhằm khắc phục được sự
cố và nâng cao tuổi thọ đường ống và thiết bị, tránh giảm hiệu suất turbine. Biện pháp
công trình để lọc phù sa lơ lửng là xây dựng bể lắng cát trên đường dẫn.
Ở TTĐ kiểu đập do có hồ chứa lớn nên các hạt bùn cát nguy hiểm đã được lắng
đọng ở đáy hồ và do đó không cần phải có giải pháp chống tác động của bùn cát cho các
công trình dẫn nước. Ở các TTĐ đường dẫn với công trình đầu mối cột nước thấp, trong
cửa lấy nước thường bố trí các bộ phận ngăn cản dòng bùn cát đáy xâm nhập vào công
trình đường dẫn (xem chương X), còn các hạt bùn cát lơ lửng nguy hiểm được lắng
đọng và tháo khỏi bể lắng cát đặt ngay đầu đường dẫn, sát sau cửa lấy nước. Trường
hợp địa hình không cho phép bố trí trong thành phần đầu mối thì bể lắng cát được bố trí
trên kênh dẫn cách đầu mối một đoạn, cũng có thể kết hợp lắng và tháo cát ở bể áp lực.
Để lắng được bùn cát thì vận tốc dòng chảy trong bể phải giảm nhỏ, thường lấy
từ (0,1 - 0,5) m/s, do vậy mặt cắt ướt của bể lắng phải lớn hơn nhiều so với mặt cắt ướt
của đường dẫn nước. Giải pháp bể lắng cát được đặt ra khi hàm lượng bùn cát trong
dòng chảy lớn hơn 0,5 kg/m3 hoặc hàm lượng hạt nguy hiểm (các hạt bùn cát cứng có
đường kính d ≥ 0,25 mm hoặc hạt mềm hơn có d > 0,4 mm được coi là hạt nguy hiểm)
lớn hơn 0,2 kg/m3. Do kinh phí xây dựng bể lắng cát rất lớn , chiếm từ 20 - 25 % vốn
đầu tư công trình thuỷ điện, do vậy việc xây dựng nó phải qua luận chứng kinh tế kỹ
thuật các giải pháp công trình, ví dụ so sánh giữa việc xây dựng bể lắng với chi phí nạo
vét bùn cát trong công trình hoặc chi phí sửa chữa turbine trong trường hợp không xây
bể ..v.v.. xem giải pháp nào lợi hơn để chọn.
XI. 1. 2. Nguyên lý về cấu tạo bể lắng cát.
Hình (11-1) trình bày ba bộ phận chính của bể lắng cát gồm: phần vào 2, phần
thân (gồm đoạn chuyển tiếp 5 và đoạn công tác 4), phần cửa ra (gồm ngưỡng cửa ra 7
và đoạn nối tiếp với kênh dẫn 8):
- Phần vào là đoạn nối tiếp 2, nối với kênh dẫn ; đoạn này có tiết diện mở rộng
dần trên mặt bằng từ kênh 1 đến ngưỡng vào 3, có tác dụng phân phối dòng chảy vào bể
lắng. Ngưỡng vào 3 có tác dụng và cấu tạo như một cửa lấy nước mặt. Trên ngưỡng bố
trí rãnh hướng cửa van 14 (để hé mở van khi tiến hành xói rữa cát trong thân bể, hoặc
đóng van làm khô bể khi sửa chữa).
- Phần thân của bể gồm hai đoạn: đoạn chuyển tiếp có chiều dài l1, được đào sâu
dần xuống theo dòng chảy theo độ dốc hợp lý để chảy thuận. Đoạn thân chính 4 có
chiều dài lK là đoạn công tác của bể, có độ dốc nhỏ để dễ chuyển bùn cát xuống. Đây là
nơi lắng đọng loại bùn cát nguy hiểm. Các tường dọc 6 có tác dụng phân đều vận tốc.
- Phần cửa ra của bể: đây là ngưỡng ra 7, bên trên bố trí khe van cửa ra 15, khe
van sửa chữa 16 và khe van tháo cát 13. Van 15 đóng khi sửa chữa bể cùng với đóng
van 14. Van 13 mở khi tiến hành xói rữa bùn cát qua hành lang xả cát 10 vào hành lang
chung 11 dưới ngưỡng. Đoạn nối tiếp ra nối với kênh dẫn được thu hẹp dần để dẫn nước
vào kênh dẫn.
140
- Hình 11-1. Các bộ phận của bể lắng cát.
XI. 1. 3. Các loại bể lắng cát
Có nhiều cách phân loại bể lắng cát. Dựa theo số ngăn của bể phân ra bể lắng
một ngăn hoặc bể lắng nhiều ngăn, dựa theo đặc tính làm việc của bể phân ra: bể tháo
rữa định kỳ và bể tháo rữa liên tục... Biện pháp tháo rữa bùn cát trong các bể có thể có
nhiều cách : dùng dòng nước tốc độ lớn để cuốn trôi bùn cát (gọi là biện pháp thuỷ lực);
có thể dùng cơ giới để khuấy và tháo bùn cát (gọi là tháo rữa cơ giới); hoặc cũng có thể
kết hợp cả hai biện pháp trên (gọi là biện pháp hỗn hợp). Sau đây chúng ta xem xét các
loại bể theo đặc tính làm việc.
1. Bể lắng cát tháo rữa định kỳ
Bể lắng cát xói rữa định kỳ có thể một ngăn hoặc nhiều ngăn. Khi phần dung
tích chết với độ sâu hc (xem hình 11-1) đã lắng đọng nhiều bùn cát và đầy dần lên làm
dòng chảy thu hẹp khiến vận tốc tăng lên đến mức có thể kéo bùn cát nguy hiểm vượt
qua ngưỡng 7 vào kênh dẫn, cần phải tháo chúng khỏi bể lắng bằng các biện pháp đã
nêu trên. Thông thường hay dùng biện tháo rửa bằng thuỷ lực. Khi tháo bùn cát, do
dòng chảy trước ngưỡng ra bị xáo trộn mạnh có nguy cơ kéo theo bùn cát đã lắng vào
đường dẫn, do vậy nếu bể lắng chỉ có một ngăn thì khi xói rửa bùn cát phải tạm ngừng
cấp nước. Nếu bể lắng có nhiều ngăn (hình 11-1 và 11-2) thì tiến hành xói rửa định kỳ
lần lượt các ngăn và chỉ ngừng cấp nước ở ngăn đang xói rửa. Bể xói rửa nhiều ngăn
được dùng nhiều hơn loại chỉ có một ngăn do tính chất cấp nước liên tục và khả năng
phân phối đều vận tốc dòng chảy theo hướng ngang của nó, thường bể có từ 2 - 6 ngăn.
Công việc tháo rửa bùn cát trong các ngăn tiến hành cách sau (hình 11-1): trước
tiên đóng các cửa van 14, 15 ở đầu và cuối ngăn bể cần rửa; sau đó mở cửa van tháo cát
13 để tháo cạn nước trong ngăn; tiếp đến hé mở cửa van đầu ngăn 14 để tạo dòng chảy
xiết cuốn bùn cát vào các hành lang 10, 11 đưa bùn cát cần tháo về kênh tháo rửa 12.
141
- Hình 11-2. Sơ đồ bể lắng cát nhiều ngăn (của TTĐ Tritrick ở Liên xô cũ).
1- các ngăn; 2- đoạn nối tiếp với kênh dẫn; 3- kênh dẫn; 4- tường ngực; 5- rãnh van sửa chửa; 6- van công
tác; 7- tời điện; 8- lưới phân phối; 12- hành lang thu cát; 13- kênh tháo cát; 16- đập tràn.
Để tăng hiệu quả xói rửa, đáy dốc được chọn i = (0,01 - 0,05), nếu bể có chiều
rộng lớn người ta làm các tường gân dọc có đỉnh cao hơn mực nước cao nhất của bùn
cát một ít để tăng vận tốc tháo nước.
142
- 2. Bể lắng cát xói rửa liên tục
Hình 11-3. Sơ đồ một số loại bể lắng cát xói rửa liên tục .
Bể lắng cát xói rửa liên tục có có cấu tạo như sau (hình 11-3,a): dọc đáy bể của
mỗi ngăn người ta bố trí một hành lang tập trung bùn cát tiết diện nhỏ 8, bên trên hành
lang này đặt lưới chắn rác 7 với các thanh 14 đặt theo phương nằm ngang. Bùn cát đọng
sẽ qua lưới vào hành lang tập trung chảy có áp với lưu lượng tăng dần và qua hành lang
xả cát 13 nằm dưới ngưỡng trả bùn cát về lại sông. Đối với bể lắng có bề rộng lớn người
ta xây các tường dọc (hình 11-3,b) và đặt một số hành lang tập trung bùn cát đáy riêng.
Hình (11-3,c) trình bày loại bể lắng cát xói rửa liên tục của I. F. Iarôsen, ở bể này ở đáy
có đặt nhiều hành lang đáy, các hành lang này chạy dọc theo chiều dài các ngăn và có
những lỗ hình khe dọc từ đáy bể lắng xuống. Bùn cát liên tục được cuốn xuống và mang
về hạ lưu cùng với nước xói rửa. Để bùn cát dễ lắng đọng và cuốn trôi thì đáy và từng
ngăn được làm có độ dốc. Hình (11-3,e) là loại bể có hành lang xói rửa dọc có khe
143
- đứng, nước mang bùn cát qua các lỗ đáy 4 lên khe đứng và đi vào các máng xả cát 6.
Loại này tháo bùn cát rãi đều trên tuyến và đỡ tắc rác hơn các sơ đồ a, b, c và e.
Nhược điểm của bể lắng xói rửa liên tục là tốn nước liên tục trong quá trình vận
hành (thường 10 - 15% lưu lượng qua bể lắng) và hành lang xói cát dễ bị tắc, khó dọn
rác, do vậy mà trong mùa kiệt nó thường vận hành theo nguyên tắc xói rữa định kỳ để
tiết kiệm nước. Tuy nhiên nó có ưu điểm là khi xói rửa không nghỉ vận hành trạm.
Việc tháo rửa bể lắng thường dùng chủ yếu là rửa bằng nước, tuy nhiên còn có
thể dùng máy hút bùn để tháo rửa liên tục. Ngoài ra còn có thể kết hợp tháo cát bằng
thuỷ lực và cơ giới (hình 11-3,g). Ở phương pháp này bùn cát từ các ngăn 1 chảy vào
hành lang góp 2 rồi tập trung vào giếng 14, máy bơm bùn cát 8 sẽ bơm tháo xuống hạ
lưu sông.
XI. 2. TÍNH TOÁN THUỶ LỰC BỂ LẮNG CÁT
Tính toán thuỷ lực bể lắng cát bao gồm xác định các kích thước công tác của bể
(chiều dài lK, chiều rộng B, chiều sâu h0 xem ký hiệu trong hình 11-1) và xác định thời
gian tháo rửa bùn cát lắng đọng trong bể.
Các kích thước B, h0 liên hệ nhau theo quan hệ B h0 = Q/V. Trong đó V là vận
tốc trung bình trong bể theo phương ngang, thường lấy trong khoảng (0,2 - 0,5)m/s. Khi
giảm h0 thì chiều dài công tác lK sẽ giảm và B sẽ tăng lên (hay số khoang tăng lên), hoặc
ngược lại. Vì vậy phương án tối ưu phải là tối ưu cho các thành phần kích thước của bể.
Để chọn phương án, ta giả thiết một số phương án h0 (thường lấy h0 từ 3- 3,5) m, trường
hợp lưu lượng lớn có thể lấy 6 - 8 m), rồi tính ra B và lK và số ngăn bể, tính toán khối
lượng phương án để so sánh chọn phương án có lợi. Đối với bể xói rửa định kỳ chiều
cao tổng cộng của bể còn tính đến lớp bùn cát ứng với dung tích chết là hC (hình 11-1);
thường lấy hC khoảng 20 - 25% chiều sâu toàn bộ của nước trong bể (đối với bể xói rửa
liên tục thì hC = 0) và hC được chọn kết quả cuối cùng theo thời gian làm đầy dung tích
chết của bể. Sau đây trình bày nội dung tính toán các thông số .
XI. 2. 1. Xác định chiều dài công tác của bể lắng cát
Xét quỹ đạo chuyển động của một hạt bùn cát M trong dòng chảy ở thời điểm
bất kỳ tại mặt cắt 1-1 (hình 11-1, ở đầu chương). Hạt M tham gia đồng thời hai chuyển
Q
động: chuyển động theo phương nằm ngang với vận tốc trung bình V x = (n-
n Bn h o
số ngăn; Bn - chiều rộng mỗi ngăn; h0 - độ sâu công tác của bể tại tiết diện đang xét; Q -
lưu lượng chảy qua bể) và chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng dưới tác
dụng của trọng lực với vận tốc lắng chìm của hạt trong nước ở trạng thái đứng yên là ω
(còn gọi là độ thô thuỷ lực). Tổng hợp hai chuyển động này là vận tốc tuyệt đối của hạt.
Nếu xem vận tốc phân bố đều theo chiều sâu và bỏ qua ảnh hưởng của dòng
chảy rối thì quỹ đạo chuyển động của hạt M sẽ là đường thẳng nghiêng góc với phương
ngang (đường AO hình 11-4,b). Thực tế vận tốc phân bố không đều theo chiều sâu dòng
chảy, do đó quỹ đạo chuyển động của hạt là đường cong, tốc độ chảy càng lớn thì chiều
dài để lắng hạt cát càng dài. Mặt khác độ rối của dòng chảy làm cho phương chuyển
động của hạt thay đổi thành đường dích dắc (hình 11-4,a). Mạch động theo phương
đứng làm giảm tốc độ lắng chìm của hạt, làm tăng chiều dài lắng đọng l và chiều dài
công tác lK của bể. Độ rối dòng chảy phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có sự phân bố lưu
tốc không đều theo chiều sâu và chiều ngang.
Sau đây trình bày một số cách tính lK cho bể tháo rửa định kỳ:
144
- 1. Tính chiều dài công tác lK theo vận tốc trung bình và mạch động
Yêu cầu xác định chiều dài lK của bể lắng là chiều dài này đủ cho hạt bùn cát có
kích thước nhỏ nhất nguy hiểm lắng đọng hết trong bể, nghĩa là hạt cát nằm ở mặt nước
tại mặt cắt đầu phần công tác của bể kịp lắng đến mực nước chê t trong phạm vi lK.
Phương pháp tính này lúc đầu tính thời gian để lắng chìm hạt cát có độ thô thuỷ
h
lực W từ mặt nước đến đáy bể bỏ qua tác động của rối là T0 = 0 , tương ứng sẽ có
W
V .h0
chiều dài tính toán là l = T0 .V = , sau đó đưa thêm vào công thức một hệ số k > 1
W
để tính đến ảnh hưởng của chảy rối ( kinh nghiệm lấy k = 1,3÷2,0) và có:
V.h 0
l k = k.T0 .V = k. (11-1)
W
Theo I.B.Egiazrôp thì mạch động lưu tốc của dòng rối theo phương thẳng đứng
V r = V /n (n là hệ số phụ thuộc vào độ sâu cônbg tác của bể, qua thí nghiệm lấy: n = 5,
khi h0 = 1m; n = 28 khi h0 = 10m). Như vậy tốc độ lắng chìm của hạt bùn cát có kể đến
mạch động sẽ là ω' = ω - V/n và chiều dài công tác t thiểu sẽ là:
V.h 0
l k = T0' V = (11-2)
W−V/n
Công thức tính chiều dài công tác (11-2) dùng các trị số trung bình của lưu tốc và mạch
động cho toàn bộ dòng chảy, tuy nhiên chưa xét đến sự phân bố không đều của vận tốc
và mạch động của chúng theo chiều sâu dòng nước, do vậy kết quả tính có sai lệch với
thực tế. Để khắc phục tồn tại này giáo sư F.F. Gubin đề nghị chia h0 ra nhiều lớp theo
chiều sâu (h0; 0,9h0; 0,8h0; ...; 0,1h0), với mỗi lớp có V, n tương ứng và dùng công thức
(11-2) tính ra các ∆ l k của mỗi lớp sau đó cộng lại sẽ được l k . Chú ý rằng khi vận tốc
V lấy lớn sẽ dẫn đến V/n = W thì l k → ∞, vì vậy phải chọn V rất nhỏ.
2. Tính chiều dài công tác lK theo lý thuyết xác suất
Như phần trên đã mô tả quỹ đạo của hạt A (nhì 11-4,b) khi chưa xét tới dòng rối
là AO nghiêng với phương ngang một góc, khi kể đến mạch động dòng rôi thì quỹ đạo
của hạt sẽ lệch khỏi quỹ đạo trung bình AO theo đường dích dắc theo hướng đứng (hình
11-4,a) không có quy luật và ngẫu nhiên. Vì thế có thể áp dụng lý thuyết xác suất trong
tính toán xác định chiều dài bể lắng cát. Người đầu tiên áp dụng phương pháp này là
M.A. Velikanôp (năm1936), theo ông thì độ lệch độ lệch ngẫu nhiên của hạt theo chiều
thẳng đứng so với quỹ đạo trung bình tuân theo luật phân bố trung bình của Gausse.
Hình 11-4. Sơ đồ lắng của bùn cát trong bể lắng cát.
145
- D.Ia. Xôcôlốp đề nghị áp dụng luật này cho việc phân bố các hạt lắng xuống của bể lắng
cát. Độ lệch thẳng đứng so với quỹ đạo trung bình theo định luật phân bố thông thường,
tức tần suất và mật độ phân bố y của độ lệch thẳng đứng x theo công thức:
− x2
1
e 2σ
y=
2
(11-3)
σ 2π
Trong đó σ - là độ lệch trung bình bậc hai. Trên (hình 11-4,b) trình bày sơ đồ đại lượng
y có hình dạng đường cong, có giá trị cực đại tại Oy. Theo thực nghiệm của X.F.
Xavelep σ phụ thuộc chiều dài l và khoảng cách đến đáy h và được biểu diễn gần đúng
theo công thức sau:
σ ≈ 0,26 lh (11-4)
Diện tích tích của các phần riêng trên biểu đồ y(x) đặc trưng cho xác suất đi qua của hạt
qua phần tương ứng của mặt cắt II. Xác suất ph đi qua của các quỹ đạo của các hạt có độ
thô thuỷ lực thấp hơn điểm D, tức là xác suất rơi của chúng xuống đáy sẽ bằng diện tích
của phần gạch ngang trên đường cong, nằm dưới điểm D:
ωl
−h
V
Wh = ∫ y dx (11-5)
−∞
Để xác định tần suất rơi trên đáy của tất cả các hạt có độ thô thuỷ lực đã
cho Wp đi qua mặt cắt đầu I, cần phải biết sự phân bố các hạt theo chiều sâu tại mặt căt
đầu (mặt cắt I). Việc tìm được sự phân bố này rất khó, thường để đơn giản người ta lấy
∆h
⋅ W h đối với toàn
phân bố của chúng là đều nhau suốt chiều sâu. Lấy tích phân của
ho
bộ độ sâu h0 của mặt căt đầu I có thể tìm được tần suất Wp. Ở đây tần suất lắng sẽ lấy
nhỏ chút ít vì thực tế hàm lượng bùn cát càng xuống sâu càng tăng.
Dựa trên hàng loạt tính toán, A.F. Degzda đã vẽ được biểu đồ quan hệ giữa tần
suất lắng của hạt có độ thô thuỷ lực ω với các thông số h0 và lK : Wp = f(h0/lK) và các tỷ
số ω/V (hình 11-5), trong đó V lấy bằng vận tốc trung bình của nước trong ngăn trong
điều kiện vận tốc phân bố đều theo mặt căt ngang. Sử dụng biểu đồ này có thể nhanh
chóng xác định một loạt phương án có các kích thước bể khác nhau và chọn ra phương
lợi nhất và kinh tế.
146
- Hình 11-5. Biểu đồ Wp = f (h0 /lK) dùng tính toán bể lắng cát.
Để dùng biểu đô trên, thường người ta tự cho tần suất lắng Wp của các thành
phần hạt phù sa có hại đối với turbine hay đường dẫn (Quy phạm của Viện xây dựng
Thuỷ năng Liên xô cũ thì tuỳ theo cấp công trình lấy Wp = 80 - 90 %). Hạt nguy hại đối
vơi turbine được coi là hạt có đường kính d > 0,25 mm (tương ứng có ω = 0,027 m/s)
khi hàm lượng phù sa lơ lửng trong nước vượt quá 0,5 kg/m3 còn hàm lượng của các hạt
nguy hiểm vượt quá 0,2 kg/m3. Khi hàm lượng phù sa nhỏ hơn không nhất thiết phải
xây bể lắng cát. Khi cột nước của TTĐ dưới 40 m thì kích thước có hại có thể lấy đến
0,4 mm (tương ứng có độ thô thuỷ lực ω = 0,043 m/s).
Khi xác định được các kích thước của bể lắng cát, người ta xác sẽ xác định mức
độ lắng của các thành phần hạt phù sa khác nhau. Để thực hiện việc này theo biểu đồ
(hình 11-5) người ta xác định tần suất lắng tương ứng Wi của hàng loạt thành phần hạt
(chỉ số i là ký hiệu của thành phần hạt đem xét). Sau đó tìm được tích số Wi.∆Si, (trong
đó ∆Si là số phần trăm hàm lượng bùn cát của thành phần hạt đem xét ở trong nước đi
vào bể lắng). Tổng số S = Σ (Wi.∆Si) đối với tất cả các thành phần hạt cho ta tổng số
phù sa lắng. Trị số cuối cùng này cho phép ta xác định được thời gian lấp đầy dung tích
chết của bể lắng ứng với độ sâu hc bên dưới h0. Trong bể lắng tháo rửa liên tục thì trị số
S dùng để tính lưu lượng để rửa bể. Dung tích chết thường lấy trong phạm vi 1 lần/
ngày đêm hoặc 1 lần/tuần do vậy trị số dung tích chết cần lấy sao cho đảm bảo phạm vi
này. Nếu như với tần suất đã biết nếu cần một dung tích chết quá lớn thì chuyển qua
dùng tháo rửa liên tục hoặc phải sử dụng tháo rửa cơ giới.
Phương pháp tính vừa trình bày chưa kể đến thực tế là vận tốc V thay đổi theo
độ sâu và theo chiều rộng dòng chảy trong các ngăn cũng như chưa xét đến sự phân bố
không đều của phù sa có độ lớn khác nhau theo chiều sâu. Hiện nay cũng đã có một số
tác giả đưa ra phương pháp tính đến các yếu tố này.
3. Tính toán thời gian lắng đầy và xói rửa bể lắng cát
Đối với bể lắng cát xói rửa chu kỳ, việc tính toán thời gian lắng đầy dung tích bể
(WC) và thời gian xói rửa (TL) bể nhằm xác định chu kỳ tháo rữa và lựa chọn chính xác
dung tích chết cũng như số ngăn của bể.
147
- a - Thời gian lắng đầy dung tích chết của bể
Khi tính toán thời gian lắng đầy dung tích chết thì ngoài phần dung tích bùn cát
nguy hiểm còn cần phải tính toàn bộ lượng bùn cát thực tế có thể lắng đọng trong nó.
Thực tế chỉ cần phải tính đến các loại bùn cát có đường kính d ≥ 0,05 mm.
Thời gian lâp đầy toàn bộ các ngăn công tác (s) được tính như sau:
W c ρc
TL = 1000 [s] và thoả mãn điều kiện tháo rửa > n .Tth, (11-6)
GL
Trong đó: Wc là tổng dung tích chết (m3), tính từ độ sâu hC xuống đáy bể;
GL - tổng lượng bùn cát lắng đọng trong bể trong 1 giây, bao hàm những hạt
có đường kính d ≥ 0,05 mm, (kg/s);
ρC - khối lượng riêng của bùn cát lắng đọng trong bể, lấy ρC = 1,6 T/m3.
n - số ngăn công tác của bể;
Tth - Thời gian tiến hành tháo rửa mỗi ngăn bể, (s).
b - Thời gian tháo rửa bể lắng cát
Thời gian tháo rửa định kỳ mỗi ngăn bể lắng cát bao gồm: thời gian tháo bùn c
lắng đọng (Ttc), thời gian đóng mở van, thời gian tháo cạn nước khỏi bể, thời gian cho
nước trở lại bể và thời gian đưa bể trở lại hoạt động:
Tth = (1,5 - 2,0).Ttc và phải thoả mãn điều kiện (11-6). (11-7)
Trong đó :
W c ρc
T tc = 1,2 100 , (s) (*)
p th Q th
Trong công thức (*) cần xác định:
Qth là lưu lượng tính toán dùng cho tháo rửa, ta giả thiết , thường lấy 30 - 40%
lưu lượng toàn bộ bể lắng cát và không quá lưu lượng công tác của một ngăn;
pth - hàm lượng bùn cát trong dòng tháo, (%):
4 2
⎡ V ⎤ ⎡d ⎤
p th = ⎢ th ⎥ ⎢ 75% ⎥
⎣ ω 75% ⎦ ⎣ h th ⎦
Trong đó: Vth là vận tốc dòng tháo bùn cát: Vth = qth/hth, với:
+ lưu lượng tháo đơn vị qth = Qth/Bth với Bth là chiều rộng phần tháo của ngăn;
3/ 5
⎡q n ⎤
+ chiều sâu dòng cát tháocát: h th = ⎢ th ⎥ , hệ số nhám đáy bể với lớp bùn
⎢ io ⎥
⎣ ⎦
cát n = 0,0275, còn i0 là độ dốc đáy bể;
ω 75% , d 75% tương ứng là: độ thô thuỷ lực và đường kính của hạt bùn cát lắng
đọng có 75% số hạt có kích thước nhỏ hơn nó.
Nếu Tth tính được theo công thức (11-7) mà chưa thoả mãn điều kiện (11-6) thì
có thể tăng độ dốc i0 hoặc tăng Qth, nếu được, và tiến hành tính toán lại.
148
- c - Kiểm tra điều kiện tháo rửa
Hình 11-6. Các sơ đồ tháo rửa bể lắng cát
a - tháo rửa định kỳ; b - tháo rửa liên tục.
Để tháo rửa bằng phương pháp thuỷ lực, cần bảo đảm độ chênh mực nước:
* Đối với bể lắng xói rửa định kỳ thì do làm việc không áp, do vậy cần bảo đảm mực
nước ở tiết diện cuối cùng của không được thấp hơn mực nước sông khi xả lưu lượng
thiết kế. Muốn vậy dộ chênh lệch mực nước thương hạ lưu của bể lắng phải thoả mãn:
h o + h c + i o l k ≤ ( Z t l − Z hl ) + h t h − ∑ h W (11-8)
với ∑ h W tổng tổn thất cột nước trong các bộ phận tháo rửa.
* Đối với bể lắng cát xói rửa liên tục thì yêu cầu chênh lệch mực nước trước và sau bể
lắng cát phải lớn hơn tổng tỏn thất cột nước qua các bộ phân tháo rửa và tổn thất cửa
Z tl − Z hl ≥ h c. vao + h luoi + h xa
vào: (11-9)
với: h c. vao , h luoi , h xa tương ứng là tổn thất cửa vào, trên lưới chắn rác và tổn
thất thuỷ lực trong hành lang xả cát.
149
- Chương XII. CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC CỦA TTĐ
XII. 1. KHÁI NIỆM VỀ CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC CỦA T.T.ĐIỆN
Công tình dẫn nước của TTĐ thường được bố trí ngay sau cửa lấy nước, nhiệm
vụ của chúng là dẫn nước về nhà máy và tháo nước từ ống xả về hạ lưu nhà máy. Công
trình dẫn nước xét về nguyên lý thuỷ lực có thể chia hai loại: công trình dẫn nước có áp
và công trình dẫn nước không áp .
Hình 12-1 trình bày khái quát qua một số mặt cắt ngang và bố trí của chúng.
Hình 12-1. Các loại đường dẫn của TTĐ.
- Công trình dẫn nước có áp (hình 12-1 sơ đồ g, h, i) được dùng khi mực nước
thượng lưu thay đổi nhiều. Loại này thường là ống thép, ống bêtông cốt thép, ống gỗ ...
và đường hầm (tunel) có áp với mặt cắt ướt đầy nước. Đường ống thường đặt lộ thiên
trên mặt đất hoặc trên sườn dốc tương đối ổn định, chúng đặt tựa trên mố đỡ hoăc trên
giá đỡ, riêng ống bê tông cốt thép có bề dày tương đối lớn có thể chôn dưới đập làm
bằng vật liệu địa phương, đường hầm được đào trong đá tốt và có thuyến ngắn.
- Công trình dẫn nước không áp (hình 12-1 sơ đồ a, b, c, d, e) được dùng trong
trường hợp mực nước thượng lưu ít thay đổi. Loại này thường là kênh dẫn, các loại
máng dẫn và đường hầm không áp, có mặt nước thoáng trong đường dẫn.
Kênh dẫn hay được dùng khi địa hình tuyến tương đối bằng phẳng, ít bị chia cắt,
địa chất ổn định vì dùng nó tương đối kinh tế. Tuyến kênh bố trí chạy theo đường đồng
mức cao độ với độ dốc kênh nhỏ để tận dụng cột nước địa hình.
Khi địa hình thay đổi nhiều, địa chất phức tạp thường sử dụng đường hầm hoặc
ống áp lực. Đường hầm tuy đắt và khó thi công, phức tạp hơn so với đường dẫn lộ thiên
trên mặt đất nhưng ít chịu ảnh hưởng của môi trường xung quanh, không phải theo dõi
thường xuyên trong quá trình vận hành, tuổi thọ đường hầm cũng dài.
XII. 2. ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC CỦA TTĐ
Đường hầm (hay còn gọi là tunel) là công trình được đào trong đồi núi. Đường
hầm dẫn nước của TTĐ là loại đường hầm ướt, có áp hoặc không áp. Ngoài nhiệm vụ
dẫn nước phát điện, đường hầm còn dùng trong dẫn dòng thi công xây dựng đập, tháo lũ
từ hồ chứa, hoặc làm ngăn chứa nước của buồng điều áp hai buồng, trong TTĐ ngầm
đường hầm khô còn làm đường vận chuyển và giếng thông và dẫn cáp điện giữa nhà
máy với bên ngoài ... Sau đây ta xét cụ thể đường hầm có áp và không áp của TTĐ.
150
- XII. 2. 1. Chọn tuyến đường hầm và hình dạng đường hầm
1. Chọn tuyến đường hầm
Việc chọn tuyến đường hầm do điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công
(thiết bị thi công) quyết định:
- Nguyên tắc chung đặt ra khi chọn tuyến là chọn tuyến ngắn nhất và đi qua
vùng đá tốt, tránh vùng đất đất đá yếu, nứt nẻ hoặc sụt lở;
- Nếu phải đi qua vùng đất đá xấu thì đoạn đó phải ngắn để dễ thi công và giảm
chiều dài đoạn này vì có lớp lót dày;
- Tuyến đường hầm nên đặt vuông góc với hướng nứt của đất đá;
- Bán kính lượn của đường hầm (R) trên mặt bằng phải thoả mãn điều kiện:
R ≥ 5B (12-1)
(B là bề rộng của đường hầm) và góc ngoặc tuyến dẫn không quá 600;
- Chọn tuyến phải đảm bảo đảm bảo dễ thi công.
Kết quả cuối cùng chọn tuyến tối ưu phải qua so sánh kinh tế - kỹ thuật một số
phương án tuyến dự định.
2. Hình dáng mặt cắt ngang của đường hầm
Hình 12-2. Hình dạng mặt cắt ngang đường hầm.
Hình dáng mặt cắt ngang đường hầm tuỳ thuộc vào chế độ thuỷ lực, điều kiện
địa chất công trình tuyến, khả năng chịu lực của lớp áo hầm, phương pháp đào và trang
thiết bị thi công đường hầm.
Thông thường đường hầm có áp thường có hình dạng tròn (hình 12-2,a) vì chịu
lực tốt, hình dạng đơn giản, dễ đào và đổ bê tông bằng cơ giới, khối lượng đào hầm và
đổ bêtông nhỏ, chế độ thuỷ lực tốt nhất, vỏ áo chịu lực đều. Hình (12-2,b) có dạng ôvan
là dạng biến đổi của mặt cắt tròn, nó có thêm đoạn chữ nhật nằm ngang ở giải giữa tạo
cho lớp áo chịu áp lực nước và áp lực đá núi đều hơn.
Đường hầm không áp có nhiều dạng mặt cắt ngang hơn đường hầm có áp, trong
số đó có cả dạng mặt cắt tròn. Khi đá cứng, đặc dường như không có áp lực đất đá tác
dụng lên đường hầm thì có thê dùng mặt cắt chữ nhật với vách đứng trần vòm thoải
(hình 12-2,c). Khi có áp lực áp lực đá phương đứng nhỏ, không có áp lực bên hông
dùng mặt cắt đỉnh nửa tròn, vách đứng (hình 12-2,d). Khi có sự trương nở từ đáy hầm
và áp lực phương đứng lớn, áp lực bên hông không lớn sử dụng dạng (hình 12-2,e). Khi
151
- áp lực theo phương đứng và ngang đều lớn thì dùng mặt cắt ngang dạng (hình 12-2,f).
Hai loại sau nói chung ít được dùng trong thực tế.
Kích thước mặt cắt ngang và độ dốc đường hầm không áp được chọn sao cho
đảm bảo tháo được lưu lượng tính toán, không để nước đầy mặt cắt và tạo áp lực dư trên
đỉnh vòm ở mọi chế độ vận hành. Do vậy mặt thoáng của nước ở chế độ ổn định phải
thấp hơn trần hầm 0,15h và không nhỏ hơn 0,4 m. Khi thiết kế đường hầm có áp với
chiều dài lớn thì kích thước mặt cắt ngang và cao trình đặt đường hầm phải đảm bảo độ
dự trữ áp lực ở đỉnh hầm phải không nhỏ hơn 1,5 - 2 m cột nước trong mọi chế độ vận
hành, kể cả ở chế độ không ổn định. Để bảo đảm điều kiện thi công thì kích thước tối
thiểu của mặt cắt ngang đường hầm b x h ≥ 1,9 x 2,7 m.
3. Vỏ áo đường hầm
Nói chung đường hầm dẫn nước của TTĐ đều có vỏ áo. Trường hợp hầm đặt
trong khối đá vững chắc không có nứt nẻ thì vỏ áo thường được làm bằng cách phun
vữa dày 5 - 10 cm để làm trơn bề mặt tiếp xúc với dòng chảy để giảm tổn thất thuỷ lực
mà không cần chịu lực. Nếu khối đá có nhiều nứt nẻ thì lớp vữa đường hầm còn có tác
dụng chống thấm. Ngược lại khi khi khối đât đá xung quanh đường hầm không có khả
năng đảm nhận tải trọng của áp lực nước bên trong và áp lực đất đá bên ngoài thì vỏ áo
phải có kết cấu chịu các tác dụng của áp lực nước bên trong và nước ngầm bên ngoài,
đồng thời chống thấm và giảm ma sát. Hình (12-3) sau đây là một số kết cấu vỏ áo chịu
lực:
- Vỏ áo bêtông đúc liền khối của đường hầm áp lực (sơ đồ I) được dùng trong
những điều kiện sau: đá chắc, có áp lực đá núi nhỏ cột nước H ≤ 60 m, hoặc khi áp lực
đá bằng không thì có thể dùng cho cột nước dến 100 m. Khi áp lực đá núi lớn, cột nước
từ 30 - 60 đến 100 m thì có thể dùng sơ đồ (II) với một hoặc hai lớp cốt thép. Cốt thép
hai lớp dùng khi xuất hiện vết nứt trong bê tông dưới tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh. Ưu
điểm của hai loại trên là vỏ áo liên kết tĩnh với đá nú, có khả năng chống thấm và độ
nhám nhỏ. Vỏ áo bêtông cốt thép chống kéo lớn hơn vỏ bêtông và vận hành an toàn
hơn, mặt khác do chiều dày áo nhỏ hơn do đó giảm kích thước đào phá đá. Tuy nhiên
nhược điểm của áo bêtông cốt thép (II) là công tác bêtông cốt thép phức tạp, đặc biệt
khi khối đào qua đá chắc.
- Để khắc phục nhược điểm của sơ đồ (II) người ta đưa ra loại vỏ áo bêtông toàn
khối hai lớp (sơ đồ III). Vòng ngoài của áo loại này là bêtông, vòng trong tăng cường
bằng cốt thép. Số lượng cốt thép và chiều dày các vòng được xác định qua tính toán. Vỏ
áo hai vòng có lợi thế dùng đối với đường hầm áp lực nhờ những điều kiện làm việc
tĩnh khác nhau; trong giai đoạn xây dựng vòng bêtông ngoài gánh chịu áp lực đá núi và
chiều dày của nó được xác định từ điều kiện này. Công tác cốt thép và thi công vòng
trong được tiến hành nhờ sự che chắn của vòng bêtông ngoài. Cả hai vòng cùng liên kết
chịu lực trong giai đoạn vận hành. Vòng trong của vỏ hai lớp thường làm bằng hình
thức vữa phun cốt thép với một dãy thép xoắn. Kiểu tạo vỏ bằng vữa phun tạo cho áo
hai lớp có độ bền và chống thấm cao hơn. Khi cột nước cao hoặc đường kính đường
hầm lớn thì vòng trong của áo hai lớp làm bằng bêtông cốt thép.
152
- Hình 12-3. Các kiểu vỏ áo chịu lực của đường hầm có áp
1- lỗ khoan phun xi măng gia cố; 2- ống để dổ xi măng; 3- cốt thép vòng; 4- cốt thép phân bố;
5- bêtông toàn khối; 6- vữa phun; 7- dăm sỏi; 8- ống tiêu nước; 9- vử xi măng; 10- khối bêtông;
11- thép tấm có đai; 12- thép xoắn chịu ép.
- Vỏ áo đường hầm áp lực làm bằng bêtông cốt thép lắp ghép (sơ đồ IV) thường
được dùng với đường hầm dạng mặt cắt tròn kích thước nhỏ, các cấu kiện lắp ghép
thường làm bằng bêtông, bêtông cốt thép, hãn hữu dùng kim loại (thép, gang). Để giảm
độ nhám và nâng cao tính chống thấm, người ta tạo một lớp vữa phun dày 15 - 25 cm
lên mặt trong của áo lắp ghép và mài nhẵn chúng. Ưu điểm chính của vỏ áo lắp ghép là
nhanh chóng đưa vào sử dụng ngay sau khi lắp ghép xong và công nghiệp hoá khâu chế
tạo cấu kiện áo. Nhược điểm của kiểu vỏ áo này là thấm nhiều qua các khớp nối dọc của
đường hầm, do vậy cần đảm bảo độ kín nước của khớp nối.
- Vỏ áo tunel áp lực kiểu kết hợp. Để làm chặt các chỗ nối và nâng cao khả năng
chịu lực của vỏ áo lắp ghép, người ta đặt thêm vòng đúc liền khối. Vỏ áo nhiều lớp
được được hình thành bằng cách đặt một số lớp đúc liền khối, rồi đặt tiếp một số lớp lắp
ghép ... cứ vậy nhận được kiểu vỏ áo kết hợp. Đối với kiểu này thường vòng ngoài của
vỏ áo được ghép bằng các cấu kiện lắp ghép bê tông, nhờ vòng ngoài bảo vệ cho phép
tiến hành thi công thuận lợi vòng đúc liền khối bên trong (sơ đồ V). Để đảm bảo sự kết
hợp làm việc của các vòng trong và ngoài để nâng cao khả năng chịu lực của vỏ người
ta sử dụng những giải pháp kết cấu khác nhau. Khi cột nước lớn có thể dùng ống thép
đường kính lớn làm lớp vòng trong của kiểu vỏ áo này. Các đoạn ống này được chế tạo
từng đoạn dài 5 - 10 m từ thép tấm dày từ 10 - 20 mm và dày hơn rồi hàn ghép tại chỗ.
Trong xây dựng đường hầm công tác phụt vữa xi măng quanh vỏ đường hầm
được tiến hành nhằm để: tăng cường khả năng chịu lực của hầm, tạo vùng đệm rắn chắc
giữa hầm và khối đá bao quanh, tăng khả năng chống thấm khi đá nứt nẻ, phân bố tải
trọng đều, giảm biến dạng của khối đất đá. Vữa phụt chia ra hai loại là phụt vữa gia cố
và phụt vữa lấp đầy. Phụt vữa lấp đầy nhằm mục đích lấp đầy khe hở giữa vỏ đường
hầm và khối đá xung quanh. Việc phụt vữa lấp đầy tiến hành sau khi vỏ áo đã thi công
xong, vữa được nén qua các ống có đường kính từ 40 - 60 mm đặt qua vỏ vào các
khoảng trống giữa vỏ áo và đá núi. Phụt vữa gia cố tiến hành trong điều kiện đá xung
quanh nứt nẻ nhiều và bằng cách phun phụt vào khối đá xung quanh theo các lỗ khoan
đặt hướng bán kính.
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
153
- hầm với dạng ống sứ hoặc ống bêtông nhẹ và thoát nước ngang dưới dạng sỏi bọc xung
quanh vỏ hầm (sơ đồ III và V, hình 12-3).
XII. 2. 2. Tính toán kết cấu đường hầm dẫn nước của TTĐ
Tính toán kết cấu vỏ áo đường hầm nhằm mục đích kiểm tra độ bền của vỏ áo và
kiểm tra trị số áp lực cho phép truyền lên đât đá xung quanh vỏ hầm. Sự kết hợp cùng
chịu lực giữa chúng là đặc điểm làm việc của đường hầm. Khi địa chất bao quanh vỏ áo
đủ chắc, giữa vỏ hầm và mặt đá đào không có khe hở thì chúng có khả năng tiếp nhận
áp lực nước từ phía trong cùng với áo vỏ, trường hợp này kết cấu vỏ áo đường hầm nhẹ
hơn. Vì vậy việc đánh gía đúng điều kiện phối hợp chịu lực của chúng sẽ tạo điều kiện
chọn được kết cấu đường hầm kinh tế và sử dụng lâu dài.
Việc tính toán kết cấu và khả năng chịu tải của áo vỏ hầm theo phương pháp cơ
học kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành với các tải trọng sau:
- Tải trọng cơ bản gồm có: áp lực đất đá, lực kháng của đất đá, trọng lượng riêng
của áo vỏ, áp lực nước phân bố đều trong tunel, áp lực nén của vữa xi mămg từ sau vỏ
áo, áp lực của nước ngầm khi dòng thấm ổn định, lực nhiệt độ phát sinh ở vùng băng giá
- Tải trọng tạm thời gồm: lực phát sinh do nhiệt độ thay đổi, do bêtông co ngót,
áp lực nước ngầm khi kết cấu tiêu nước thấm bị hỏng, tải trọng do máy thi công truyền
lên vỏ áo đường hầm khi thi công.
- Tải trọng đặc biệt gồm: lực động đất, khi kể đến lực này cần có lập luận
chuyên môn riêng. Trị số của lực động đất tỷ lệ nghịch với độ sâu đặt tunel và kích
thước mặt cắt ngang đường hầm.
Sơ đồ tính toán của vỏ aó đường hầm được xác định dựa vào cấu tạo và độ bền
của khối đât đá bao quanh nó, có tính đến điều kiện làm việc thực tế của vỏ và phương
pháp đào đường hầm. Các phương pháp tính toán vỏ áo đường hầm thuỷ công được
trình bày trong các tài liệu chuyên môn. Theo chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế tunel, bề dày vỏ
áo của tunel không áp và có áp không được nhỏ hơn những chỉ dẫn sau:
δ = 0,12 m;
- Áo bằng bêtông cốt thép, khối bêtông lắp ghép thì bề dày:
- Áo ở vòm, ở tường, ở vòm ngược đúc liền khối bằng bêtông
δ = 0,20 m;
hoặc bêtông cốt thép một lớp:
- Áo ở vòm, tường và vòm ngược bêtông cốt thép hai lớp cốt thép: δ = 0,25 m;
δ = 0,12 m;
- Vòng trong bằng bêtông cốt thép:
δ = 0,05 m.
- Áo trong bằng cốt thép phun xi măng và bêtông phun xi mămg
Chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép trong vỏ áo bêtông cốt thép
đúc liền khối được xác định phụ thuộc vào chiều dày của vỏ áo và phụ thuộc vào tính
xâm thực của nước, nhưng không lấy nhỏ hơn 3 - 5 cm.
XII. 3. KÊNH DẪN CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN
Mặc dù kênh dẫn là loại đường dẫn đơn giản, ngoài việc đảm bảo an toàn và ổn
định, nó còn phải thoả mãn những yêu cầu về chống thấm, ổn định chống xói lở, chống
hư hỏng dưới tác động của điều kiện bất lợi do khí hậu và tảo mộc gây ra ..v.v... Kênh
dẫn của TTĐ là loại kênh động lực cho nên ngoài yêu cầu về khối lượng xây lắp nhỏ và
đảm bảo an toàn cần phải xét đến hiệu quả về năng lượng của nó. Kênh dẫn được sử
dụng rộng rãi trong TTĐ đường dẫn có mực nước thượng lưu giao động ít và được đặt
trên địa hình tương đối bằng phẳng, khối lượng đào đắp ít.
XII. 3. 1. Chọn tuyến kênh và hình thức kênh
Việc chọn tuyến kênh có tính chất quyết định đến kết cấu và khối lượng đường
dẫn cũng như thành phần công trình trên kênh. Việc lựa chọn tuyến kênh phải dựa trên
cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật của các phương án.
154
- Nguyên tắc chọn tuyến kênh phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Tuyến kênh phải ngắn để giảm khối lượng đào đắp công trình nhỏ, tránh đi qua
đồi quá dốc để đỡ khối đào lớn. Vì vậy nên chọn tuyến kênh đi qua địa hình tương đối
bằng phẳng như ở lượn theo các đường đồng mức của đồi;
- Địa chất tuyến kênh đi qua cần tránh nơi đất yếu, đất dễ sạt lở, tránh đặt nơi bị
nước mưa từ sườn đồi tập trung đổ vào uy hiếp;
- Khi điều kiện thi công cơ giới nên chọn tuyến kênh đào hơn là kênh đắp;
- Côư gắng chọn tuyến không có hoặc ít phát sinh các công trình trên kênh (như
cầu máng, cống luồn ...) để giảm khối lượng đường dẫn;
- Ở nơi tuyến kênh đổi hướng cần tránh tuyến thay đổi đột ngột bất lợi về chế độ
thuỷ lực trong kênh. Bán kính cong của trục tuyến kênh thoả mãn yêu cầu sau:
r ≥ 11 V 2 ω + 12 và phải r ≥ 5b (12-3)
(trong đó: r, V, b, ω tương ứng là bán kính cong, vận tốc trung bình trong kênh,
bề rộng đáy kênh, diện tích tiết diện ướt của kênh).
Hình dạng mặt cắt ngang kênh tuỳ thuộc vào địa hình, địa chất tuyến kênh đặt
trên nó. Thông thường mặt cắt ngang kênh thường dùng là hình thang, trường hợp đất
yếu kênh lại có yêu cầu đào sâu thì chúng có dạng đa giác, parabol hoặc dạng tròn.
Kênh đào qua đá tốt thì có thể dùng kênh chữ nhật hoặc mái kênh dốc. Kinh nghiệm nếu
mặt kênh được bảo vệ bằng lớp bêtông, bêtông cốt thép hay xây đá thì hệ số mái dốc
mặt trong m ≥ 1,25; còn các trường hợp khác m ≥ 1,5.
Bố trí kênh trên mặt đất có thể có những hình thức sau (hình 12-4) sau:
Hình 12-4. Các hình thức bố trí kênh trên mặt đất.
- Sơ đồ I là kênh hoàn toàn đào trong đất. Kênh đào có nhiều ưu điểm là: ổn
định tốt, khi đào trong đất tốt thì công nghệ thi công đơn giản, nhưng có nhược điểm là
khối lượng công tác đất lớn.
- Sơ đồ IV là kênh hoàn toàn làm bằng đất đắp. Nhược điểm của kênh đắp là
khối lượng đất đắp lớn, cần sử dụng kết cấu phức tạp để bảo vệ mái kênh ổn định và
chống thấm. Do vậy hình thức kênh này ít gặp hoặc được dùng khi độ sâu lớp nước
trong kênh nhỏ và địa hình bằng phẳng.
- Sơ đồ II và III là kênh vừa đào vừa đắp, sử dụng khối lượng đất đào lòng kênh
đê đắp bờ kênh. Như vậy đở tốn công chở đất đổ đi và giảm khối lương đào, tuy vậy
biến dạng mái đât của khối đắp và mái đất tự nhiên sẽ không đều, do vậy khả năng làm
việc của kênh phức tạp, cần phải làm lớp áo bảo vệ mái của kênh.
155
- - Sơ đồ V và VI là kênh dẫn đào trong đá núi. Lợi dụng khả năng chịu lực của đá
núi tạo mặt cắt ngang kênh. Để chống thấm nước cần có lớp áo mỏng bảo vệ mái trong
của kênh. Hình thức này có thể chọn mái đứng m = 0 hoặc dốc. Khi kênh đào sâu, trên
đỉnh kênh cần làm cơ.
XII. 3. 2. Cấu tạo mặt cắt kênh
1. Bờ và đỉnh kênh
Đỉnh kênh là nơi đi lại và chỡ vật liệu tu sửa kênh trong giai đoạn khai thác và
theo điều kiện ổn định thì bề rộng đỉnh kênh phải lấy không nhỏ hơn 2 mét, nếu có nhu
cầu giao thông thì phải lấy theo tiêu chuẩn của giao thông. Để bảo vệ kênh không bị
tràn nước thì cao trình đỉnh kênh phải cao hơn mực nước lớn nhất của dòng không ổn
định trong kênh một đoạn là d = hS + e ( hS là chiều cao sóng gió so với mực nước tĩnh,
e là độ vượt cao an toàn lấy theo cấp công trình và loại kênh).
Khi kênh đào sâu, để ngăn cách phần dưới nước với phần khô người ta làm cơ
với bề rộng cơ chính không nhỏ hơn 1,5 m và đỉnh cơ nằm trên mực nước cao nhất cũng
một đoạn bằng d (như công thức trên). Ngoài ra khi phần mái trên của kênh quá cao hơn
cơ chính nhiều thì cần đặt cơ phụ với bề rộng không nhỏ hơn 1 m và kgoảng cách giữa
các cơ nên lấy từ 6 - 8 mtheo chiều cao.
Đối với loại kênh đắp, cần làm hệ thống thoát nước (hình 15,a) để hạ thấp đường
bão hoà thấm để tránh đường bảo hoà ra mái kênh.
Hình 12-5. Cấu tạo mái và lòng kênh.
2. Áo mái kênh và lòng kênh
Tiếp xúc giữa mái kênh với dòng nước được đặt lớp áo bằng bêtông, bêtông cốt
thép hay đá xây láng vữa xi măng ..v..v.. nhằm giảm tổn thất thuỷ lực, chống xói lở lòng
kênh, chống thấm nước. Đồng thời áo kênh còn cho phép tăng vận tốc trong kênh để
giảm kích thước mặt cắt kênh và tăng ổn địnhmái kênh. Ao kênh bằng bêtông và bêtông
cốt thép được ưa dùng trong kênh dẫn của trạm thuỷ điện (hình 12-5,b). Chiều dày áo
bêtông gia cố lòng kênh có thể lấy từ 12 - 25 cm, gia cố mái dày trung bình từ 7 - 15cm.
Dưới lớp áo là lớp đệm dễ thấm nước làm bằng cát, sói,hoặc cát hạt lớn dày 20 - 80 cm.
Áo bằng bêtông cốt thép được sử dụng khi địa chất tuyến kênh dễ biến dạng và
biến dạng không đều hoặc ở nơi khí hậu thay đổi đột ngột. Tuy áo bêtông cốt thép có độ
156
- bền cao và chịu biến dạng hơn bêtông nhưng đắt hơn. Chiều dày lớp áo bêtông cốt thép
thường lấy từ 8 - 15 cm với hàm lượng cốt thép không quá 2%, đặt thép Φ8 - Φ12 mm
kích thước lưới cốt thép từ 20 x 20 đến 30 x 30 cm. Áo bêttông cốt thép có thể liền khối
không cần đặt khớp nhiệt độ, tuy nhiên vì để tiện thi công có thể phân khớp thi công với
khoảng cách từ 10 - 20 m một.
Áo bằng gạch, đá lát không chít mạch được dùng để tăng ổn định kênh và chống
xói, không có khả năng chống thấm.. Kênh còn được lót bằng đất dẻo để ch thấm, lớp
này được được đầm kỹ dày từ 30 - 60 cm, bên trên được bảo vệ chống xói bằng lớp cát
sỏi dày từ 30 - 100 cm.
3. Vận tốc cho phép và điều kiện vận hành kênh
Kênh dẫn nước phải đảm bảo không làm xói lở hoặc bồi lắng bùn cát lơ lửng
trong kênh và cần có vận tốc sao cho cây cỏ và thực vật không mọc được trong lòng dẫn
để tránh làm tăng hệ số nhám. Kinh nghiệm vận hành TTĐ cho thấy khi độ sâu nước
lớn hơn 1,5 m thì vận tốc cho phép cỏ không mọc được là 0,6 m/s. Theo điều kiện bảo
đảm điều kiện giao thông thuỷ thì vận tốc dòng chảy không vượt quá 1,5 m/s để đảm
bảo tàu thuyền đi lại được. Để không lắng và không xói thì:
[ V lang ] < V < [ V xoi ] (12-4)
Vận tốc cho phép không xói:
Vận tốc này tuỳ thuộc loại vật liệu làm kênh, mái kênh và kích thước kênh. Trị
số vận tốc này phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực (R) kênh dẫn và độ lớn các hạt tạo nên
đáy và mái kênh nếu chúng là hạt rời (xem Quy phạm QP-TL-C-I-76). Đối với đất dính
theo kinh nghiệm [ V xoi ] chọn không lớn hơn 1,8 m/s, phụ thuộc vào loại đất. Kênh có
áo bêtông, bêtông cốt thép, đá xây thì vận tốc này rất lớn, do vậy không cần thiết phải
kiểm tra xói, mà vận tốc trong kênh được quyết định theo điều kiện kinh tế từ 2 - 3 m/s.
Vận tốc cho phép không lắng:
Vận tốc này phụ thuộc vào độ lớn và số lượng hạt bùn cát, bán kính thuỷ lực, hệ
số đọ nhám kênh và các yếu tố khác. Theo công thức kinh nghiệm của I.I. Levi:
[ ] ω 4 p 0.0225
V lang = 0,01 (12-5)
R
d tb 0,01 n
Trong công thức: ω là độ thô thuỷ lực (mm/s) của các hạt bùn cát có đường kính
trung bình d tb ; R (m) là bán kính thuỷ lực của mặt cắt kênh; p (theo % trọng lượng) các
hạt bùn cát lơ lửng có đường kính lớn hơn 0,25 mm vượt quá 0,01%; 0,0225/n là hệ số
hiệu chỉnh độ nhám lòng kênh khi nó khác với độ nhám thông thường của kênh đất
không có lớp áo (n = 0,0225).
XII. 3. 3. Kênh tự điều tiết và không tự điều tiết
Kênh dẫn được thiết kế với khả năng tháo được lưu lượng tính toán lớn nhất ở
chế độ dòng ổn định đều trên toàn chiều dài kênh khi kênh cùng kiểu kết cấu, hoặc trên
chiều dài từng đoạn kênh khi các đoạn có kết cấu khác nhau.
Khi lưu lượng của TTĐ nhỏ hơn lưu lượng tính toán lớn nhất, trong kênh không
còn là dòng đều nữa. Khi chuyển động đều, mặt nước tự do trong kênh song song với
đáy kênh và độ sâu trên cả chiều dài kênh không đổi.Trên (hình 12-6,a sơ đồ I) các đoạn
có các độ dốc i1, i2, i3 theo dọc kênh không như nhau, nhưng tốc độ trung bình và độ sâu
trên từng đoạn khi cùng lưu lượng lớn nhất Qmax thì không đổi. Khi giảm lưu lượng
phát điện, lượng nước thừa làm dâng mực nước trong kênh và trong bể áp lực, để tránh
nước tràn qua tường chắn của bể áp lực và đỉnh kênh thì cần phải làm công trình tháo
nước thừa (thường là đập tràn) ở cuối kênh. Kích thước công trình tháo được xác định
157
- để tháo được Qmax. Đồng thời với việc dùng đập tràn tháo nước thừa tránh để nước tràn
qua
Hình 12-6. Sơ đồ thuỷ lực của kênh dẫn.
đỉnh kênh còn cần phải có biện pháp tiết kiệm nước, do vậy ở cửa lấy nước đầu kênh
dẫn cần có cửa van để khống chế lưu lượng theo yêu cầu của TTĐ. Việc tháo nước bắt
buộc qua tràn và dùng van điều tiết dẫn đến kênh có tên gọi là kênh không tự điều tiết.
Kết quả của dùng van điều tiết lượng nước qua kênh theo lưu lượng TTĐ yêu cầu dẫn
đến dòng chảy đều trong kênh có độ sâu mới tương ứng với lưu lượng tháo qua kênh
nhỏ hơn lưu lượng Qmax. Như vậy việc giảm lưu lượng kéo theo giảm mực nước trong
bể áp lực làm giảm cột nước của trạm thuỷ điện một lượng ∆h" (hình 12-6,a sơ đồ II).
Để khắc phục tổn thất cột nước và lưu lượng ngoài việc dùng van đầu kênh để điều tiết
lưu lượng theo yêu cầu, cần phải tạo đường nước dâng ở đoạn cuối kênh, cố gắng dâng
cao mực nước trong bể áp lực tương ứng với lưu lượng lớn nhất, giảm tổng tổn thất cột
nước từ ∆h" đến trị số ∆h' (hình 12-6, sơ đồ II).
Hình (12-6, sơ đồ III) trình bày phương án kênh có cao trình đỉnh không đổi suốt
chiều dài kênh, nằm cao hơn mực nước cao nhất trong kênh khi lưu lượng phát điện
bằng không (Q = 0). Khi giảm lưu lượng phát điện, mực nước trong kênh và bể áp lực
sẽ từ từ dâng lên và đến khi dừng phát điện thì mực nước sẽ nằm ngang trên toàn chiều
dài kênh dẫn. Ở đây không cần có đập tràn ở bể áp lực để xả bỏ nước thừa vì nước này
được trữ lại trong kênh và không cần cửa van điều tiết ở đầu kênh (đầu kênh chỉ đặt van
sửa chữa), vì vậy kênh có tên gọi là kênh tự điều tiết. Trong kênh tự điều tiết, khi lưu
lượng phát điện nhỏ hơn Qmax thì mặt thoáng của dòng chảy trong kênh là đường cong
nước dâng, còn khi lưu lượng phát điện bằng Qmax thì là dòng chảy đều có đường mặt
thoáng song song với đường đay kênh. Phần dung tích gạch chéo trên sơ đồ III có thể
được sử dụng để điều tiết dòng chảy cho TTĐ. Tổn thất cột nước theo chiều dài kênh tự
điều tiết ∆h được tính toán tương ứng với lưu lượng cần tháo Q so với cao trình mực
nước ở thượng lưu, và lớn nhất ∆hmax khi tháo với Qmax.
So sánh hai loại kênh trên, kênh tự điều tiết có ưu điểm là tránh xả bỏ nước thừa
trong mọi trường hợp và không cần van công tác đầu kênh, nhưng mặt cắt ngang kênh
tăng dần theo tuyến, kênh càng dài thì khối lượng đào đắp kênh càng lớn. Do vậy kênh
này nên dùng khi chiều dài kênh ngắn. Ngược lại, kênh không tự điều tiết tuy khối
lượng đào đắp ít hơn, mặt cắt kênh thường như nhau trên toàn tuyến, nhưng lại phải xả
158
- bỏ nước thừa khi lưu lượng phát điện nhỏ hơn Qmax, do vậy nó được dùng càng kinh tế
khi kênh kéo dài. Trong thực tế loại kênh này được dùng rộng rải hơn.
XII. 4. TÍNH TOÁN THUỶ LỰC ĐƯỜNG DẪN
Việc tính toán thuỷ lực đường dẫn của TTĐ (bao gồm kênh dẫn và đường hầm
dẫn nước) nhằm mục đích xác định kích thước tiết diện, độ dốc đường dẫn (đối với
đường dẫn không áp) khi biết lưu lượng tính toán của chúng. Đồng thời tiến hành xác
định tổn thất thuỷ lực và tổn thất năng lượng khi trạm thuỷ điện vận hành ở các chế độ
khác nhau với kích thước đường dẫn đang xét để so sánh lựa chọn. Để xác định kích
thước đường dẫn, người ta dựa vào chế độ ổn định tương ứng với lưu lượng tính toán.
Tính toán chế độ làm việc không ổn định xảy ra trong các quá trình chuyển tiếp bình
thường (như thay đổi phụ tải) và chế độ bất thường khi sự cố nhắm kiểm tra sự làm việc
ổn định của hệ thống đường dẫ để có biện pháp bảo đảm an toàn cho đường dẫn. Phần
này chỉ trình bày việc tính toán thuỷ lực với chế độ ổn định, còn tính toán ở chế độ
không ổn định xem ở các phần liên quan khác sẽ đề cập trong các chương khác.
XII. 4. 1. Tính toán thuỷ lực đường dẫn không áp
Đường dẫn không áp bao gồm kênh dẫn và đường hầm không áp. Nhiệm vụ
chung của tính toán thuỷ lực đường dẫn là căn cứ vào lưu lượng tính toán (lưu lượng
lớn nhất) tháo qua đường dẫn ở chế độ dòng đều ổn định xác định ra kích thước mặt cắt
ngang của nó. Để tính cho đường dẫn không áp ta dùng công thức của Sêdi ở dạng sau:
Q2
i= 2 2 (12-6)
ωCR
Trong đó: Q là lưu lượng tính toán, C - hệ số Sêdi, ω, R, i - tương ứng là: diện tích mặt
cắt ướt, bán kính thuỷ lực và độ dốc đáy đường dẫn.
Ngoài lưu lượng tính toán, để giải bài toán thuỷ lực thường phải biết là hình
dạng mặt cắt ngang và hệ số nhám n của thành đường dẫn (hệ số nhám lấy theo QP-TL-
C-1-76 hoặc các bảng tra Thuỷ lưc). Hệ số Sêdi được xác định dựa vào kích thước, dạng
và độ nhám thành dẫn. Trong đó có thể dùng công thức của Paplôpski:
1
C = Ry (12-7)
n
với y = 2,5 n − 0,13 − 0.75 ( n − 0.1 ) R
Tổn thất cột nước trường hợp dòng đều xác định theo độ dốc i và chiều dài đoạn
đường dẫn, tính theo công thức: ∆h = iL.
Khi xác định kích thước mặt cắt ngang của đường dẫn không áp cần bảo đảm tốc
độ dòng chảy từ điều kiện tháo lưu lượng lớn nhất đến tháo lưu lượng nhỏ nhất phải
không bồi lắng và xói lở lòng dẫn, đồng thời bảo đảm điều kiện diệt thảo mộc và đảm
bảo giao thông thuỷ ..v.v... Từ điều kiện (12-6) ta thấy mặt cắt ướt của đường dẫn không
áp được xác định theo độ dốc đáy của nó. Độ dốc càng lớn thì mặt cắt của nó càng
nhỏ,nhưng tổn thất cột nước và năng lượng càng lớn. Do vậy cần phải thông qua tính
toán so sánh kinh tế - năng lượng để chọn (xem phần tiếp theo XII. 5).
XII. 4. 2. Tính toán thuỷ lực đường dẫn có áp
Việc xác định mặt cắt ngang đường dẫn có áp (đường hầm có áp, đường ống)
được tiến hành xuất phát từ tổn thất cột nước phát sinh khi tháo lưu lượng tính toán qua
nó. Ở chế độ dòng chảy ổn định đều, khi biết kích thước và kết cấu đường dẫn thì tổn
thất cột nước được xác định theo công thức sau:
159
nguon tai.lieu . vn
