Nhà Máy Thủy điện - Ống Dẫn Nước áp Lực Trạm Thủy điện

 

Mục lục

• 1.1 CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC
• 1.2 LỰA CHỌN TUYẾN ỐNG VÀ XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH KINH TẾ ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC
  • 1.2.1. Lựa chọn tuyến đường ống dẫn nước áp lực
  • 1.2.2. Phương thức cấp nước của đường dẫn nước áp lực
  • 1.2.3. Hướng ống dẫn nước áp lực đi vào nhà máy
  • 1.2.4. Xác định đường kính ống dẫn nước áp lực
• 1.3 ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC BẰNG THÉP
  • 1.3.1. Phân loại và cấu tạo ống dẫn nước áp lực bằng thép
  • 1.3.2. Phương thức đặt đường ống thép hở
  • 1.3.3. Vật liệu làm ống dẫn nước áp lực bằng thép
  • 1.3.4. Van và các phụ kiện ống thép lộ thiên
• 1.4 CÁC LỰC TÁC DỤNG TRÊN ỐNG THÉP LỖ THIÊN
• 1.5 MỐ ÔM VÀ MỐ ĐỠ ỐNG THÉP
  • 1.5.1. Mố ôm
  • 1.5.2. Mố đỡ
• 1.6 THIẾT KẾ THÂN ỐNG THÉP LỖ THIÊN
  • 1.6.1. Ước tính độ dầy thành ống thép lộ thiên
  • 1.6.2. Phụ tải và tổ hợp phụ tải ống thép lộ thiên
  • 1.6.3. Phân tích ứng suất của thân ống thép lộ thiên
• 1.7 ỐNG PHÂN NHÁNH
  • 1.7.1. Bố trí và đặc điểm của ống phân nhánh
  • 1.7.2. Các loại ống phân nhánh thường dùng
• 1.8 ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
  • 1.8.1. Phân loại và phương thức lắp đặt ống dẫn nước áp lực bằng bê tông cốt thép (BTCT).
  • 1.8.2. Cấu tạo của ống bê tông cốt thép

1.1 CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC

Ống dẫn nước áp lực trạm thủy điện là đường ống dẫn nước có áp từ hồ chứa (đối với trạm thủy điện kiểu đập) hoặc từ bể áp lực hay tháp điều áp (đối với trạm thủy điện kiểu đường dẫn) đến tuốc bin nước. Nó có công dụng tạo thành toàn bộ hoặc phần lớn cột nước cho truạm thuỷ điện; đặc điểm của nó là có độ dốc lớn, bố trí gần nhà máy, chịu áp lực nước bên trong lớn nhất của trạm thuỷ điện bao gồm cả áp lực nước va. Cần đặc biệt xem trọng phương pháp thiết kế, công nghệ thi công cũng như vật liệu làm ống; vì khi đường ống bị sự cố nó ảnh hưởng trực tiếp đén an toàn nhà máy và nhân viên vận hành.

Căn cứ vào vật liệu làm vỏ ống dẫn nước áp lực có thể phân thành: ống thép, ống bê tông cốt thép, ống gỗ v.v...

Ống thép phần nhiều dùng cho trạm thuỷ điện có cột nước cao và trung bình.  Phạm vi sử dụng cột nước cho phép rất rộng, có thể từ mấy chục mét đến hàng ngàn mét; đường kính ống có thể từ dưới 1m đến 10m. Đối với trạm thuỷ điện nhỏ có cột nước cao, dùng ống thép rất thích hợp và cũng kinh tế .

Ống bê tông cốt thép có ưu điểm: bền, rẻ tiền, tiết kiệm được thép làm vỏ ống, lắp ráp đơn giản, tiện lợi. Nó thích hợp cho trạm thuỷ điện cột nước thấp (H< 30 ~ 50m), đặc điểm của nó là độ cứng lớn, có thể chịu được áp lực bên ngoài tương đối lớn, có thể chôn được trực tiếp dưới đất.

Ống gỗ thích hợp với trạm thuỷ điện nhỏ ở miền núi, nơi sẵn gỗ nhưng giao thông không thuận tiện; ngày nay hầu như không còn dùng nữa.

Ngoài ra những năm gần đây người ta cũng đã bắt đầu sử dụng ống làm bằng chất dẻo để dẫn nước cho trạm thuỷ điện.

Dựa vào hình thức bố trí có thể chia ra hai loại :

- Ống bố trí kiểu hở: ống đặt trên mặt đất như trong trạm thuỷ điện kiểu đường dẫn hoặc đặt trong hành lang trong thân đập vật liệu địa phương. Đối với ống đặt hở có ưu điểm là dễ kiểm tra, sửa chữa; nhưng có nhược điểm là chịu tác động của môi trường.

- Ống bố trí kiểu ngầm: ống đặt trong thân đập bê tông hoặc ở mặt hạ lưu của đập bê tông hay ở nền đập đất và có khi bố trí bên trong bờ sông. Loại bố trí kiểu này có ưu nhược điểm ngược với kiểu bố trí kiểu hở. Ngoài ra, đường ống còn phải chịu áp lực đất khi chôn trong đất.

1.2 LỰA CHỌN TUYẾN ỐNG VÀ XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH KINH TẾ ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC

1.2.1. Lựa chọn tuyến đường ống dẫn nước áp lực

Khi thiết kế đường ống dẫn nước áp lực, đầu tiên phải chọn tuyến đặt đường ống. Tuyến đường ống bố trí hợp lý hay không chẳng những ảnh hưởng lớn đến giá thành công trình, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn và độ tin cậy trong vận hành trạm thuỷ điện. Khi chọn tuyến đường ống cần phải xem xét đến bố trí mặt bằng tổng thể của trạm thuỷ điện. Nghiên cứu đề xuất một số phương án bố trí tuyến đường ống, tính toán thiết kế sau đó đem so sánh kỹ thuật kinh tế để lựa chọn.

Khi chọn tuyến ống nên chú ý mấy điểm dưới đây:

1- Chọn tuyến ngắn, thẳng: như thế không những hạ thấp giá thành, giảm tổn thất cột nước và áp lực nước va, mà còn có lợi cho tổ máy vận hành ổn định.

2- Độ dốc đặt đường ống không nên quá dốc, dốc quá sẽ tăng khó khăn cho thi công và ảnh hưởng đến ổn định của đường ống. Nói chung yêu cầu góc độ dốc không vượt quá 400. Với ống bê tông cốt thép, ống gỗ yêu cầu độ dốc đường ống nhỏ hơn so với đường ống thép.

3- Giảm bớt độ cong tuyến ống, nếu do điều kiện địa hình hạn chế tuyến ống phải chạy cong, yêu cầu bán kính cong của tuyến ống phải lớn hơn ba lần đường kính ống và lúc này tại chỗ cong phải xây mố ôm (mố néo) để cố định đường ống; yêu cầu đường đỉnh tuyến ống phải ở dưới đường áp lực thuỷ động nhỏ nhất (ứng với mực nước thượng lưu là MNC và kể tới tổn thất cột nước) từ 2-3m.

4- Đường ống dẫn nước áp lực phải đặt trên nền kiên cố, ổn định, phải tránh những nơi sạt lở, cố gắng bố trí theo dốc sườn núi, để việc tiêu nước dọc đường ống dễ dàng. Tránh sự tác động do lũ núi hoặc lũ bùn cát từ trên núi đổ xuống. Không được đặt đường ống ở đường tụ thuỷ, phải có biện pháp dẫn nước và tiêu nước dọc theo đường ống. Tất cả mố đỡ và mố ôm nên bố trí ở chỗ không sinh ra hiện tượng lún, cần xây mố đỡ và mố ôm trên nền đá gốc.

1.2.2. Phương thức cấp nước của đường dẫn nước áp lực

Ống dẫn nước áp lực dẫn nước vào tuốc bin theo mấy phương thức dưới đây:

1. Phương thức cấp nước độc lập : tức là mỗi đường ống cấp nước cho một tổ máy như biểu thị trên hình vẽ 4-1 (a),(b).

2. Phương thức cấp nước theo nhóm: tức là một ống cấp nước cho một số tổ máy, như -hình vẽ 4-1 (c),(d) biểu thị.

Hình 4-1. Sơ đồ bố trí phương thức cấp nước cho tua bin của đường ống dẫn nước áp lực.

+: Cần thiết phải lắp đặt van nước; x: Có lúc có thể không cần đặt van nước; 1-Bể áp

lực; 2-Tháp điều áp

 3. Phương thức cấp nước liên hợp : tức là một đường ống chính cấp nước cho tất cả các tổ máy của TTĐ, như hình 4-1 (e),(f) biểu thị.

Khi ống dẫn nước áp lực tương đối ngắn, lưu lượng qua tuốc bin tương đối lớn, có thể cấp nước theo phương thức độc lập. Loại này kết cấu giản đơn, vận hành ổn định,  ở chỗ cửa vào nhà máy nói chung không cần đặt van nước. Nhưng có nhược điểm là tốn vật liệu làm võ ống, số lượng mố ôm và mố đỡ tăng nên giá thành công trình tăng. Ở trạm thuỷ điện kiểu đập và có đường ống dẫn nước ngắn thường dùng phương thức cấp nước độc lập. Khi ống dẫn nước áp lực tương đối dài, lưu lượng qua tuốc bin tương đối lớn và số tổ máy nhiều thích hợp dùng phương thức cấp nước phân nhóm. Cấp nước theo phương thức này cấu tạo phức tạp, nhiều ống nhánh, cột nước tổn thất tương đối lớn và vận hành không được linh hoạt, bảo đảm như phương thức cấp nước độc lập. Nhưng tiết kiệm được vật liệu làm ống, giảm bớt khối lượng công trình đất đá, hạ giá thành.

Khi ống dẫn nước rất dài, lưu lượng qua tuốc bin tương đối nhỏ, cột nước cao, số lượng tổ máy tương đối nhiều, nên dùng phương thức cấp nước liên hợp. Cấp nước theo phương thức này có ưu khuyết điểm tương tự như cấp nước theo phương thức phân nhóm nhưng ở mức độ cao hơn, nhưng khi đường ống chính bị sự cố hoặc sữa chữa thì toàn bộ nhà máy ngừng hoạt động, nhưng tiết kiệm nhiều vật liệu làm võ ống và giảm giá thành chế tạo đường ống.

Khi cấp nước theo phương thức phân nhóm hay phương thức liên hợp trước mỗi tuốc bin cần lắp cửa van sự cố để bảo đảm khi bất kỳ một tổ máy nào đó phát sinh sự cố hoặc khi kiểm tra hay sữa chữa tổ máy không ảnh hưởng đến việc vận hành bình thường của TTĐ.

1.2.3. Hướng ống dẫn nước áp lực đi vào nhà máy

Ống dẫn nước áp lực dẫn nước đi vào nhà máy có thể theo ba loại hướng sau đây :

1) Hướng ống dẫn nước áp lực thẳng góc với trục nhà máy chính như hình 4-1 (a),(c),(e) biểu thị. Trong trường hợp này tuyến đường ống thường được bố trí gần như thẳng góc với đường đồng mức , nhà máy nằm song song với đường đồng mức. Do đó ưu điểm của cách bố trí này là đường ống sẽ ngắn nhất, tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất và khối lượng đào đắp ít hơn hai cách kia. Nhưng khuyết điểm của nó là khi đường ống bị vỡ do sự cố thì nước sẽ chảy thẳng vào nhà máy gây tổn thấy nặng nề cho nhà máy và uy hiếp đến tính mạng nhân viên vận hành. Để đề phòng sự cố có thể xãy ra thường ở cuối đường ống và ngay sát trước nhà máy người ta xây tường ngăn vững chắc hướng dòng chảy ra bên ngoài nhà máy theo kênh tháo nước riêng. Loại này thường dùng với trạm thuỷ điện có cột nước thấp và trung bình.

2)Hướng ống dẫn nước áp lực song song với trục nhà máy chính như hình 4-1 (d) ,(f) biểu thị. Loại bố trí này tránh được những khuyết điểm trên. Nhưng tăng tổn thất cột nước và tăng khối lượng đào móng nhà máy vì trong trường hợp này nhà máy thường bố trí thẳng góc với đường đồng mức mái dốc như hình 4-1(f) biểu thị. Loại này thích hợp trong TTĐ có cột nước tương đối cao.

3)Hướng ống dẫn nước áp lực tạo với trục nhà máy một góc nào đó. Cách bố trí này đường ống dẫn nước vào nhà máy có hướng xiên. Do đó chiếm diện tích mặt bằng nhà máy lớn, gây trở ngại việc bố trí các trụ cầu trục cũng như các thiết bị trong nhà máy, nói chung ít dùng..

Tóm lại việc lựa chọn phương thức cấp nước và hướng ống dẩn nước áp lực đi  vào nhà máy, nên tuân thủ ba nguyên tắc sau:

1)Kết hợp chặt chẽ với việc bố trí tổng thể công trình và lưu ý đặc biệt tới ba hạng mục sau: bể áp lực, đường ống dẫn nước áp lực và nhà máy trong TTĐ kiểu kênh dẫn.

2)Cố gắng giảm chiều dài đường ống để hạ giá thành và bảo đảm các mố ôm và mố đỡ đường ống không phát sinh lún.

3)Bảo đảm nhà máy vận hành linh hoạt và an toàn.

Sau khi phân tích tổng hợp, qua so sánh các phương án để chọn được phương án tốt nhất.

1.2.4. Xác định đường kính ống dẫn nước áp lực

Vốn đầu tư xây dựng cơ bản và chi phí vận hành năm của đường ống dẫn nước áp lực tăng theo độ tăng đường kính ống, song tổn thất cột nước thì ngược lại. Cho nên việc xác định đường kính kinh tế (Dkt) của ống dẫn nước áp lực phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật để lựa chọn.

1. Tính gần đúng đường kính kinh tế (DKT ) ống dẫn nước áp lực

Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ có thể dựa vào lưu tốc kinh tế để ước tính.

 

Trong đó:

Qmax: lưu lượng thiết kế lớn nhất chảy qua đường ống áp lực (m3/s) VKT : lưu tốc kinh tế của ống dẩn nước áp lực (m/s)

Căn cứ kinh nghiệm, lưu tốc kinh tế của ống thép VKT= 3 - 6m/s, của ống bê tông cốt thép VKT = 2 - 4m/s.

Ngoài ra đường kính kinh tế ống dẩn nước áp lực có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của Bundsu (Đức ) : 

DKT =                             ( m )    khi H < 100 m                        (4-1b)

DKT =                                           khi H > 100 m              (4-1c)

trong đó : Q max- lưu lượng lớn nhất qua đường ống (m3/ s)

               H -     cột nước tác dụng kể cả áp lực nước va dương(m).

2. Xác định đường kính kinh tế đường ống dẫn nước áp lực

Việc tính toán DKT của ống thép phải dựa vào nguyên lý cơ bản của tính toán kinh tế năng lượng và thường dùng là phương pháp hoàn vốn chênh lệch.

Đường kính của ống thép càng lớn thì giá thành càng cao; ngược lại đường kính ống càng nhỏ thì lưu tốc càng lớn gây tổn thất điện năng quá lớn. Tính toán kinh tế đường ống là phải tìm ra giải pháp tối ưu giải quyết mâu thuẩn giữa vốn đầu tư xây dựng cơ bản và tổn thất điện năng trong đường ống thể hiện qua chi phí tính toán vận hành năm. Phương án đường kính có lợi nhất (kinh tế) của đường ống phải là phương án có tổng chi phí tính toán năm nhỏ nhất .

Chi phí tính toán năm (Ctt) của ống thép bao gồm :

a) Chi phí vận hành hàng năm: Chi phí hao mòn (khấu hao) và sửa chữa lớn hàng năm thường tính bằng tỷ lệ % (pkhấu hao) của vốn xây dựng cơ bản (K); pkhấu hao thường lấy 5%. Chi phí quản lý vận hành hàng năm thường cũng được tính bằng tỷ lệ % (pvận hành) của vốn xây dựng cơ bản (K); pvận hành trung bình thường lấy 2%.

b) Chi phí hoàn vốn là một phần trong chi phí giá thành được bù lại trong thời gian

bù vốn chênh lệch To có giá trị là K /To

c) Chi phí bồi thường cho tổn thất điện năng thay thế được ký hiệu bằng s. Ä Trong đó s là giá thành một đơn vị điện năng thay thế, Ä E là tổn thất điện năng trong năm

Chi phí tính toán năm có thể tính theo công thức:

                             Ctt= (pkhấu hao + pvận hành+ phoàn vốn)%K + s Ä E                       (4-2a) hoặc                       Ctt= p%.K  +  s Ä E                       (4-2b)

trong đó :

                              p = pkhấu hao + pvận hành +phoàn vốn

                              phoàn vốn = 100/To

     To - thời gian bù vốn chênh lệch

Để tiện cho việc tính toán ta lấy 1m dài đoạn ống để xét. Trọng lượng 1m dài đường ống thép được tính theo công thức:

G = 7,85 P D(d /100).k                                                                       T/m

trong công thức :

+ 7,85 - tỷ trọng của thép T/m3

+ D - đường kính ống thép (m)

+ d - chiều dày thành ống thép (cm)

+ k - hệ số tăng thêm trọng lượng đường ống do khi chế tạo ống, thực tế phải có thêm mặt bích, vành đai cứng v.v... .và k = 1,1 - 1,2

Nếu giá mỗi tấn thép là b (đồng/T) kể cả công lắp ráp, công sơn.v.v... do đó giá tiền mỗi mét dài ống thép( xem như vốn xây dưng cơ bản K) sẽ là:

K = G.b  =  7,85 P Dd kb.10-2 (đồng)                               (4-3)

Như vậy chi phí tính toán năm kể cả chi phí bồi thường tổn thất điện năng Ä E  của mỗi mét dài ống sẽ là :

Ctt = p.K .10-2 + s. Ä E = 7,85 P D d kp.10-4 + s. Ä E                (4-4)

Tổn thất điện năng được tính từ tổn thất cột nước. Tổn thất cột nước của mỗi mét dài đường ống chính là độ dốc thuỷ lực J . Theo công thức Maning ta có :

J = n2v2/R1,33

trong đó :

Lưu tốc trong ống v = 4Q/ P D2 ;

- Bán kính thuỷ lực R= D/4

- Hệ số nhám trong ống thép n = 0,0135 Như vậy tổn thất đầu nước trên một mét dài ống là :

Ä H = J =1,883 (Q2/D5,33).10-3                                                   (4-5)

Trong công thức Q tính bằng m3/s và D tính bằng m.Biết  Ä H ta tính được tổn thất công suất trong ống :

Ä N = 9,81   Q Ä H = 9,81   QJ=18,5  (Q3/D5,33).10-3         (4-6)

Tổn thất điện năng năm trong đường ống :

Ä E = ò8760 Ä Ndt = (18,5   .10-3/D5,33) ò8760 Q 3 dt                              (4-7)

Trong công thức trên ta giả thiết và D là hằng số nên dưa ra ngoài dấu tích phân còn Q là hàm số của t. Thời gian t lấy đơn vị là giờ , một năm có 8760 giờ. Nếu lấy Ä t = 1 giờ ta có thể viết :

 

trong đó  [Q3 ]tb    là trị số bình quân của lưu lượng lập phương và thay vào công thức trên (4-7) ta tính được :

Ä E = 162   [Q3 ]tb/D5,33

đặt Q30 = [Q3]tb và thay vào ta có :

Ä E = 162   Q03/D5,33                                                     (4-9)

Đây là trị số tổn thất điện năng trong một năm . Phần tổn tổn thất điện năng này phải được bù lại (thay thế) bằng điện năng các trạm phát điện thay thế khác. Nếu chi phí tính toán của một đơn vị điện năng thay thế là S (tính bằng xu), do đó chi phí hàng năm để bù vào tổn thất điện năng năm là:

Ä E.S =  1,62   SQ 3/D5,33   ( đồng )                           (4-10)

Như vậy chi phí tính toán năm :

Ctt = 7,85 P Dd kbp.10-4 + 1,62 SQ 3/D5,33               (4-11)

Để tìm được đường kính kinh tế của đường ống ta phải vi phân phương trình chi phí tính toán năm trên đối với đường kính D và cho bằng không.

Có hai trường hợp:

Trường hợp thứ nhất : khi cột nước tác dụng trong ống nhỏ, ta có thể lấy độ dày thành ống d bằng trị số cho phép nhỏ nhất (d = const), do đó d không phụ thuộc vào đường kính D và xem d là hằng số . Như vậy sau khi vi phân đối với D và rút gọn ta  có :

Trường hợp thứ hai : khi cột nước tác dụng trong ống lớn, độ dày thành ống do tính toán cường độ quyết định. Lúc này d có thể xác định theo lực tác dụng của áp lực nước bên trong ống và lực này là nhân tố chủ yếu quyết định chiều dày thành ống:

 

trong công thức :

- là trọng lượng riêng của nước.

- H là cột nước tác dụng (kể cả áp lực nước va)

- [s ] là ứng suất cho phép của vật liệu làm vỏ ống .

- là hệ số xét đến chất lượng hàn ống thép và thường j £

Ơ đây lấy     =1 , đường kính ống D tính bằng mét và d tính bằng cm ta tính được :

Hai công thức (4-12) và (4-13) tính đường kính kinh tế D của ống đều có khai phương bậc cao 7,33 và 6,33; do đó nếu trong công thức có một số liệu không chính xác lắm, sau khi khai phương bậc cao 7,33 và 6,33 thì sai số sẽ giảm nhỏ đi nhiều. Trong đó chỉ có Q0 là có ảnh hưởng lớn nhất, bởi vì trong công thức nó được lập phương lên. Vì vậy chúng ta có thể lấy :      =0,85; [s ]=840 kg/cm2 và p=pvận hành+pkhấu

hao+phoàn vốn= (7 +100/T0)% ;

Trường hợp thứ nhất lấy k = 1,1 ; trường hợp thứ hai lấy k = 1,2, thay các trị số trên vào các công thức tính đường kính kinh tế (4-12) , (4-13) và sau khi rút gọn ta được :

trong đó và b là hệ số nó phụ thuộc trị số T0 và giá trị của nó thay đổi như sau:

T0 (năm)	=	5	10	15	20	25
	a =	2,07	2,22	2,30	2,35	2,38
	b =	3,39	3,61	3,72	3,78	3,83

Tính toán đường kính kinh tế ống thép theo công thức (4-14) rất tiện lợi , chỉ có tính Q0 là hơi phức tạp . Dưới đây sẽ trình bày cách tính Q0.

Trước tiên dựa vào kết quả tính toán thuỷ năng ta vẽ đường duy trì lưu lượng chảy qua đường ống thép của trạm thuỷ điện, như đường I trong hình (4-2). Sau đó đem tung độ cuả các điểm biểu thị trên đường I lập phương lên ta có đường biểu diển Q3 như đường II trong hình (4-2) biểu thị. Tìm diện tích nằm dưới đường II (tức đường cong Q3) và giới hạn bởi trục tung , trục hoành. Đem diện tích này chia cho 8760 giờ  ta có Qtb và từ đó tìm được Q0.

Trong ví dụ nêu ở hình (4-2) , tỷ số giữa lưu lượng Q0 và lưu lượng trung bình Qtb là 1,07.

Khi tính toán sơ bộ , chưa biết được đường duy trì lưu lượng chảy qua ống thép ta có thể lấy gần đúng Q0 = (1,1 - 1,2)Qtb để tính toán sau đó hiệu chỉnh lại.

Cuối cùng chọn đường kính kinh tế đường ống thép còn cần phải tiến hành phân tích kinh tế kỷ thuật . Nội dung của việc phân tích có thể dựa vào các điểm sau :

1. áp lực nước va tăng lên trong ống có hợp lý không.

2. Chi phí vật liệu làm ống thép có thích đáng không.

3. Việc thi công đường ống có khả thi không.

4. Nếu giảm nhỏ hơn nữa đường kính ống thép sẽ có ưu khuyết điểm gì về kinh tế kỷ thuật.

Hình 4-2. Đường duy trì lưu lượng TTĐ

Bảng 4-1 liệt kê đường kính kinh tế ống dẫn nước áp lực bằng thép trong phạm vi Qmax = 0,2 - 16 m3/s, cột nước H<100 m, để tham khảo trong khi chọn đường kính ống thép dẫn nước áp lực của trạm thuỷ điện nhỏ và vừa.

Bảng 4-1. Đường kính kinh tế của ống thép dẫn nước áp lực. 

STT	Lưu lượng qua ống(m3/s)	Đường kính trong ống(m)	Lưu tốc (m/s)	STT	Lưu lượng qua ống(m3/s)	Đường kính trong ống(m)	Lưu tốc (m/s)
1	0,2	0,35	2,10	12	3,5	1,10	3,55
2	0,4	0,45	2,50	13	4,0	1,20	3,57
3	0,6	0,58	2,30	14	4,5	1,25	3,66
4	0,8	0,60	2,85	15	5,0	1,36	3,74
5	1,0	0.66	2,95	16	6,0	1,40	3,84
6	1,2	0,70	3,03	17	7,0	1,50	3,9
7	1,5	0,78	3,13	18	8,0	1,60	3,98
8	1,8	0,84	3,24	19	10,0	1,80	4,11
9	2,0	0,88	3,28	20	12,0	1,90	4,23
10	2,5	1,00	3,38	21	14,0	2,00	4,32
11	3,0	1,00	3,46	22	16,0	2,10	4,40

1.3 ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC BẰNG THÉP

Ống dẫn nước áp lực bằng thép có các ưu điểm: chịu được áp lực nước bên trong cao, kết cấu nhẹ, lượng nước tổn thất bé, độ nhám nhỏ, độ bền lớn....; cho nên nó được sử dụng rất rộng rãi, nhất là đối với trạm thuỷ điện cột nước cao đường ống dẫn nước áp lực đều dùng ống thép.

1.3.1. Phân loại và cấu tạo ống dẫn nước áp lực bằng thép

Phân loại theo phương thức đặt đường ống gồm có: Ống thép hở (lộ thiên), ống thép chôn dưới đất, ống thép chôn trong thân đập, ống đặt sau mái hạ lưu đập .v.v.

Ống thép lộ thiên là loại đường ống đặt nằm ngay trên mặt đất, nó là loại ống được dùng tương đối rộng rãi trong các trạm thuỷ điện, như hình (4-3) biểu thị. Trong phần này sẽ trình bày kỹ về ống thép lộ thiên.

 

Hình 4-3. TTĐ với ống dấn nước áp lực lộ thiên

  

Hình 4-4. TTĐ với ống dấn nước áp lực trong thân đập bê tông

Ống thép chôn dưới đất, bên ngoài vỏ ống được bọc một lớp bê tông hoặc một lớp vữa xi măng cát.

Ống thép chôn trong thân đập là chỉ loại ống thép đặt trong khối bê tông của thân

đập, như thể hiện trên hình (4-4).

Ống thép đặt trên mái hạ lưu đập bê tông, xung quanh vỏ ống có đổ một lớp mỏng bê tông để bảo vệ, như thể hiện trên hình (4-5).  Hình 4-5. TTĐ với ống dấn nước áp lực trên mái hạ lưu đập bê tông 

Dựa vào cấu tạo ống thép lộ thiên có thể chia thành 3 loại: ống thép đúc sẵn, ống thép hàn và ống thép hàn có đai.

1. Ống thép đúc sẵn

Ống thép đúc sẵn là loại ống được nhà máy chế tạo sẵn thành từng đoạn ống, sau khi vận chuyển đến công trường, hàn nối tiếp các đoạn ống lại thành đường ống hoàn chỉnh. Đường kính ống thép đúc sẵn thường không vượt quá 600mm và chiều dài mỗi đoạn thường từ 4 - 6m. Loại ống này thích hợp với trạm thuỷ điện nhỏ, đầu nước cao.

2. Ống thép hàn với thành ống trơn

Ống dẫn nước áp lực của trạm thuỷ điện nói chung đều dùng ống thép hàn, người ta dùng thép tấm cuộn thành ống tròn, hàn các đường dọc, các đường ngang thành các ống thép hàn. Trong nhà máy thường chế tạo thành các đoạn ống có chiều dài thường từ 4 - 6m, (có khi đến 18m, phụ thuộc vào điều kiện chuyên chở), sau đó chuyển đến công trường nối các đoạn lại với nhau. Việc nối tiếp các đoạn ống với nhau có thể hàn nối tiếp. Đường hàn dọc của ống thép chịu áp lực nước lớn nhất, vì thế hai đường hàn dọc liền nhau nên bố trí lệch nhau, như hình (4-6) biểu thị. Yêu cầu chất lượng các đường hàn phải có cường độ tương tự như thép làm ống. Để kiểm tra chất lượng các mối hàn trong điều kiện hiện đại, ngày nay người ta có thể dùng phương pháp siêu âm hoặc bằng máy chụp dùng tia phóng xạ.

Trước đây kỹ thuật hàn điện chưa phát triển người ta còn chế tạo ống thép kiểu đinh tán rivê. Ông thép cũng được chế tạo từ các tấm thép cuốn tròn rồi tán rivê ở các mối dọc và ngang. Đường ống dẫn nước áp lực ở TTĐ Tà Sa (Cao Bằng) trước đây đã dùng loại ống thép kiểu tán rivê. Nhược điểm của ống thép tán rivê là tổn thất thuỷ lực lớn và tốn nhiều thép hơn ống thép hàn , vì nó phải ghép chồng lên nhau ở mối nối để tán rivê. Do vậy trong thực tế hiện nay hầu như không được sử dụng nữa.

Ví dụ đường ống dẫn nước áp lực ở TTĐ Brátskaia (Liên Xô cũ) đã dùng ống thép hàn có đường kính Do = 7m , Htt= 130,5m , xung quanh võ ống còn được bọc thêm một lớp bê tông cốt thép dày gần 1,5m và tất cả đặt trong thân đập bê tông (xem hình vẽ 4 - 7).

       Hình 4-7. Đường ống thép của TTĐ Bratskaia

Khi đường kính ống tương đối lớn, độ dày thành ống tương đối mỏng so với yêu cầu về cường độ thì mức độ ổn định về chịu áp lực bên ngoài của thành ống không đủ, lúc này có thể hàn thêm các vành đai ngoài vỏ ống để tăng thêm độ cứng của thành ống, như hình (4-8) biểu thị.

b, Ống thép hàn có đai

  Hình 4-8. Cắt dọc ống thép có đai

Khi ống dẫn nước áp lực có tích số HD > 1000m2, độ dày của thành ống thép vượt quá độ dày thực tế có thể chế tạo được hoặc lớn hơn giới hạn kinh tế cho phép v.v.., người ta có thể dùng loại ống thép hàn có đai hoặc ống thép hàn hình sóng có đai khi cột nước của TTĐ lớn hơn như hình (4-8) biểu thị. Vành đai của các ống thép hàn thường được chế tạo từ thép có độ bền cao nên nó có thể chịu được phần lớn áp lực nước (khoảng từ 60 - 70%). Vì vậy nên độ dày vỏ ống thép hàn có đai nhỏ hơn nhiều so với độ dày vỏ ống thành nhẵn và trọng lượng giảm được từ 30 - 35%. Công nghệ ché tạo loại ống thép hàn hình sóng có đai khá phức tạp, nên chỉ thích dùng cho TTĐ có cột nước rất cao.Ví dụ đường ống dẫn nước áp lực ở trạm thuỷ điện Dience (Thụy sĩ) dùng loại đường ống thép hàn hình sóng có đai D=1,0 m , H = 1750 m xem hình (4-9).

 

Hình 4-9. Đường ống dẫn nước áp lực ở trạm thuỷ điện Dience (Thụy sĩ ) D=1,0 m , H = 1750

Lắp vành đai vào ống thép có hai cách : cách lắp nóng và cách lắp nguội.

- Cách lắp nóng : chế tạo vành đai từ các thép thỏi, tôi và hiệu chỉnh kích thước trong trạng thái nguội, sau đó nung nóng chúng đến nhiệt độ 400 – 5000 C và đưa chúng vào võ ống đang trong trạng thái nguội. Khi nguội vành đai co lại ép chặt vào võ ống tạo thành ứng suất trước trong ống.

- Cách lắp nguội : ban đầu chế tạo ống thép như ống thông thường , lồng vào các vành đai bên ngoài võ ống, cố gắng giảm bớt khe hở. Sau đó dùng nắp bịt kín hai đầu và đưa vào trong ống một áp lực lớn hơn áp lực làm việc 2,5 lần, theo đề nghị của kỹ sư Ferand (Pháp) năm 1927, ứng suất trong thành ống vượt quá giới hạn đàn hồi thành ống sẽ biến dạng thành hình sóng. Độ sóng của võ ống làm giảm ứng suất trong thành ống, nhưng lại gây nên tổn thất thuỷ lực lớn hơn từ 1,2 – 1,3 lần so với ống thép thông thường. Dùng loại ống thép kiểu này không cần lắp thêm khớp co giãn nhiệt độ .

4. Ống thép nhiều lớp

Ở các TTĐ cột nước cao đôi khi người ta sử dụng ống thép nhiều lớp. Ống thép nhiều lớp có cấu tạo từ một số vỏ ống thép, lớp vỏ ống thép ở ngoài bọc khít rịt lớp vỏ ống thép ở trong và bảo đảm sao cho các lớp vỏ riêng biệt tiếp xúc khít kín vói nhau trên toàn bộ bề mặt của vỏ ống . Trọng lượng của đường ống thép nhiều lớp giảm được từ 10 - 11% so với trọng lượng đường ống thép thành nhẵn tương đương.

1.3.2. Phương thức đặt đường ống thép hở

Ống thép hở phần lớn đặt trên sườn núi có độ dốc lớn, sử dụng mố ôm và mố đỡ để cố định và đỡ đường ống. Mố ôm có tác dụng cố định đường ống, không cho đường ống dịch chuyển theo các phương. Mố đỡ được phân bố đều giữa hai mố ôm và có thể cho phép đường ống co dãn theo hướng dọc trục ống. Đáy của ống thép nên dặt cao hơn mặt đất tối thiểu là 60 cm để tiện cho thi công, kiểm tra và bảo dưỡng.

Phương thức đặt đường ống thép hở có hai loại cơ bản sau:

1. Phương thức đặt đường ống kiểu liên tục: tức là khi đường ống nằm giữa hai mố ôm không bị cắt đoạn để bố trí khớp co dãn nhiệt độ và trục đường ống là một đường thẳng (xem hình vẽ 4-10a). Do đó khi nhiệt độ thay đổi mà hai đầu ống bị hai mố ôm giữ chặt nên làm cho thành ống sinh ra lực nhiệt độ hướng trục rất lớn và tác dụng lên hai mố ôm ở hai đầu. Như vậy không những phải tăng càng nhiều ống mà còn phải tăng thêm trọng lượng bản thân mố ôm. Phương thức đặt đường ống kiểu này chỉ dùng cho những đoạn ống cá biệt , ví dụ ở đoạn ống phân nhánh, có chiều dài ngắn hay khi đoạn ống ở giữa hai mố ôm là đoạn ống cong như hình (4-10c) biểu thị, còn nói chung là không nên dùng.

Hình 4-10. Các phương thức đặt ống thép

Phương thức đặt đường ống kiểu phân đoạn :

Phương thức này khác phương thức đặt đường ống liên tục là ở giữa hai mố ôm có bố trí khớp co dãn nhiệt độ (xem hình vẽ 4-10b). Do đó khi nhiệt độ thay đổi thì ống có thể co dãn theo hướng dọc trục đường ống, nên triệt tiêu được ứng suất do nhiệt độ gây ra trong thành ống. Khớp co dãn nhiệt độ thường bố trí gần mố ôm phía trên. Thực tiển chứng minh rằng đối với ống thép đặt lộ thiên dùng hình thức đặt đường ống kiểu phân đoạn (bố trí khớp co dãn nhiệt độ) là thích hợp hơn.

1.3.3. Vật liệu làm ống dẫn nước áp lực bằng thép

Ống dẫn nước áp lực nói chung phải chịu được áp lực bên trong tương đối cao (kể cả áp lực nước va) , nên ống đặt lộ thiên nếu bị sự cố hậu quả sẽ rất nghiêm trọng .Vì vậy việc chọn vật liệu thép làm ống phải đặc biệt coi trọng.

Các linh kiện chịu lực chủ yếu của ống thép như thân ống, vòng đỡ , vành khuyên gia cố .v.v...; khi chọn vật liệu làm các cấu kiện này cũng phải bảo đảm các chỉ tiêu về cường độ , tính chịu va đập , tính đàn hồi v.v...

Thép là loại vật liệu đàn hồi và nóng chảy, hiện tại chỉ giới hạn vật liệu làm việc trong trạng thái đàn hồi và căn cứ vào ứng suất cho phép để tính toán kiểm nghiệm cường độ. Cần lưu ý rằng khi thiết kế ống dẫn nước áp lực của trạm thuỷ điện phải tuân thủ nghiêm túc các quy định trong “quy phạm thiết kế ống dẫn nước áp lực của trạm thuỷ điện”

1.3.4. Van và các phụ kiện ống thép lộ thiên

1. Van: Van của ống thép dẫn nước áp lực nói chung bố trí tại cửa vào tua bin nước. Nó dùng để cắt dòng chảy và cách ly tổ máy khi tổ máy có sự cố hoặc kiểm tra, sửa chữa. Nếu khi bố trí cửa cống tại cửa vào ống dẫn nước áp lực (như ở tháp điều áp) có khó khăn, có thể đặt van khống chế. Tại cửa vào tua bin nước có cần đặt van hay không, nên căn cứ vào các điều kiện để xác định: cột nước cao hay thấp, công suất tổ máy lớn hay nhỏ, phương thức cấp nước của ống dẫn nước áp lực bằng thép và phương thức vận hành trạm thuỷ điện trong hệ thống v.v.

Các van thường dùng trên ống dẫn nước áp lực trạm thuỷ điện có:

a, Van phẳng : Như hình (4-11) biểu thị, van phẳng nói chung thao tác bằng điện hoặc lực thuỷ, loại van này kín nước, vận hành tốt, nhưng yêu cầu lực thao tác lớn, đóng mở chậm, ngoại hình cao, trọng lượng lớn. Cho nên thường dùng với ống thép dẩn nước áp lực có đường kính nhỏ hoặc dùng làm van khi kiểm tra sửa chữa.

b, Van đĩa (van bướm): Như hình (4-12) biểu thị, nó đóng mở bằng điện hoặc thuỷ lực; ưu điểm loại van này là lực đóng mở nhỏ, đóng mở tiện, nhanh, thể tích nhỏ nhẹ. Khuyết điểm là tổn thất cột nước tương đối lớn, không kín lắm. Để tránh rò rỉ nước, xung quanh cửa van người ta đặt đai ép khí. Van đĩa thích hợp với trạm thuỷ có đường kính lớn, cột nước không cao lắm.

                                                    Hình 4-11. Van phẳng                                                                               Hình 4-12. Van đĩa

Ngoài 2 loại van trên , còn có van hình cầu.v.v.Van đĩa và van hình cầu đều là van đóng khi nước đang chảy, nhưng cần dùng ống điều áp bên cạnh khi đóng mở.

2. Phụ kiện

Phụ kiện trên ống thép lộ thiên có: khớp co dãn nhiệt độ, van thông hơi, ống thông nhau, cửa kiểm tra và lỗ tiêu nước, v.v...

a). Khớp co dãn nhiệt độ: Đường ống dẫn nước áp lực tuốc bin thường được cố đinh bằng các mố ôm . Do đó khi nhiệt độ thay đổi , đương ống sẽ co dãn, song bị các mố ôm giữ chặt nên sinh ra ứng suất nhiệt trong thành ống. Để tránh ứng suất nhiệt này người ta làm các khớp co dãn nhiệt độ , do đó ống có thể dịch chuyển được khi nhiệt độ thay đổi. Khớp co dãn nhiệt độ có các loại cơ bản sau :

+ Khớp co dãn kiẻu trượt (khớp trượt), nó chỉ cho phép ống dẫn nước áp lực tự do co dãn theo hướng trục, như hình (4-13a) và (4-13b) biểu thị. Tác dụng của khớp co dãn là để giảm ứng suất nhiệt tăng lên trong thành ống khi nhiệt độ thay đổi. Nó dùng trong đường ống bố trí kiểu phân đoạn và ở chỗ có cửa van. Khớp co dãn loại nhỏ dùng phương pháp đúc tạo thành, khớp co dãn loại lớn làm bằng thép tấm.

+ Khớp co dãn kiểu đĩa đàn tính như hình (4-14). Loại này thường được dùng khi đường kính ống lớn và cột nước tác dụng lên ống nhỏ.

 

Hình 4-13. Khớp co giãn kiểu trượt

  

Hình 4-14. Khớp co giãn kiểu đĩa đàn tính

 

3. Van thông hơi

Van thông hơi., thường bố trí ở sau cửa van, tác dụng giống như lỗ thông hơi. Khi cửa van đột ngột đóng, áp lực trong ống giảm làm van thông khí mở, khí từ ngoài vào; Khi ống đầy nước, không khí thoát ra ngoài theo van thông hơi.

4. Ống thông nhau, cửa kiểm tra và ống tiêu nước:

ở chỗ van tuốc bin nên bố trí ống thông nhau. Nói chung van đĩa và van hình cầu phần lớn đều có ống bình áp, tác dụng của nó giống như ống bình áp ở chỗ cửa van của cửa lấy nước có áp.

Để tiện kiểm tra và bảo dưỡng ống dẫn nước, nên bố trí cửa kiểm tra . Hình (4- 15a) biểu thị, là một trong các loại hình kết cấu cửa kiểm tra. Bố trí cửa kiểm tra sao cho người kiểm tra ra vào dễ dàng, nói chung nên bố trí gần mố cố định để tiện buộc giây thép, móc đỡ và bố trí máy chuyên dùng phục vụ công tác kiểm tra và sửa chữav.v... Khoảng cách giữa 2 cửa kiểm tra nói chung không nên quá 150m . Đường kính cửa vào không nhỏ hơn 0,45m. Nếu ống dẫn nước không dài hoặc đường kính tương đối nhỏ, có thể không cần bố trí cửa kiểm tra.

Hình 4-15. a- Cửa vào kiểm tra đường ống thép; b- Lỗ thoát nước

Ở vị trí thấp nhất của ống dẫn nước áp lực, nên bố trí ống thoát nước (hoặc lỗ thoát nước - hình 4-15b), để khi kiểm tra ống dẫn nước, ta tháo nước trong ống và nước rò rỉ ở van phía trên.

Ngoài ra, trên ống dẫn nước áp lực còn có thể bố trí các thiết bị đo như: đo lưu lượng, đo áp lực và ứng suất thành ống v.v.

1.4 CÁC LỰC TÁC DỤNG TRÊN ỐNG THÉP LỖ THIÊN

Các lực tác dụng trên ống thép dựa vào tính chất có thể chia làm ba loại :

1. Nhóm lực chủ yếu: đó là những lực chính tác dụng thường xuyên lên đường ống trong quá trình vận hành, gồm có : áp lực nước bên trong (bao gồm cả áp lực nước va),trọng lượng nước trong ống, trọng lượng bản thân của đường ống, lực ma sát giữa nước và thành ống, lực ma sát gữa thành ống và mố đỡ, lực li tâm của dòng nước trong ống và lực sản sinh do nhiệt độ thay đổi v...

2. Nhóm lực thứ yếu: đó là những lực tác dụng không thường xuyên lên đường ống, gồm có các lực sau: áp lực nước va tăng lên khi chế độ làm việc bình thường của thiết bị điều tốc tuốc bin bị phá hoại, lực chân không sinh ra khi tháo một phần nước hoặc tháo hết nước trong ống, lực sinh ra khi thi công ống, khi thử nghiệm ống và lực sinh ra do gió bão .

3. Nhóm lực đặc biệt: gồm có lực động đất, lực sự cố v...

Để tính toán các lực hướng trục tác dụng lên ống thép, ta có thể dùng các công thức kèm sơ đồ lực tác dụng được tập hợp trong bảng 4-2.

 Bảng 4-2. Các lực hướng trục tác dụng lên ống thép.

TT	Tên lực tác dụng	Công thức tính toán	Sơ đồ lực tác dụng	Ghi chú
1	Lực hướng trục do trọng lượng ống gây nên	A1 = q o L sin j		qô- trọng lượng mỗi mét dài ống L - độ dài tính toán của đoạn ống.
2	Lực     hướng Lực hướng trục do nước bên        trong ống  tác dụng lên cửa van hay đầu mút	A  = P D 2 gH 2     4        0		-        trọng lượng      riêng của nước. H - cột nước
3	Lực    hướng trục do nước bên trong tác dụng lên chỗ ống cong	A  = P D 2 gH 3     4        0
4	Lực     hướng trục do nước bên trong tác dụng         lên đoạn ống có đường    kính thay đổi	A = P (D 2 - D 2 )gH 4     4         01              02
5	Lực    hướng trục do nước bên trong tác dụng         lên khớp  co dãn nhiệt độ.	A     = P (D 2 - D 2 )gH 5              4      1               2

 

6	Lực ma sát của nước đối với thành ống.	P A    =      D 2 gh 6             4      o          w		hư - tổn thất cột nước do ma sát.
7	Lực ma sát của vật liệu chèn ở khớp co dãn khi nhiệt độ thay đổi.	A7 = pDbfk gH		fk - hệ số ma sát giữa vật liệu chèn với thành ống.
8	Lực ma sát giữa mố đỡ với      thành ống         khi nhiệt        độ thay đổi.	A8        =(Qố        + Qn)f.cos		Qố - trọng lượng     đoạn ống tính toán. Qn - trọng lượng               nước trong               đoạn ống tính toán. f - hệ số ma sát giữa mố đỡ   và  thành ống.
9	Lực li tâm của dòng nước ở chỗ đoạn ống uốn cong	PD 2 g A9 =         o .    V 2 4      g		R - lực li tâm A9 - thành phần          lực hướng trục của lực li tâm. V - lưu tốc trong ống.
10	Lực gây ra do biến dạng ngang khi      chiều dày     thành ống    không đổi.	A10 = msPDd.		-    hệ    số poát xông. o -         ứng suất. d     -  chiều dày        thành ống

 

11

Lực gây ra do nhiệt độ thay đổi khi chiều dày thành ống không đổi.

A11= aEÄtPDd

- hệ số nở nhiệt. E      -     Mô đuyn đàn hồi của thép. Ät      -     độ chênh     nhiệt độ.

Các loại lực ghi trong bảng 4-2 mới chỉ xét đến áp lực nước bên trong, trọng  lượng nước trong ống, trọng lượng bản thân đường ống, lực ma sát giữa dòng nước  với thành ống và giữa thành ống với mố ôm, lực phát sinh do nhiệt độ thay đổi và lự  ly tâm của dòng chảy qua đoạn ống cong. Đó là nhóm lực chủ yếu, còn nhóm lực thứ yếu và lực đặc biệt khi tính toán thiết kế cầm các tài liệu và quy phạm hữu tham quan.

Nếu dựa vào phương hướng tác dụng của các lực lên ống thép có thể chia làm ba loại :

1. Lực hướng tâm, tác dụng theo hướng đường kính, nó gây ra lực kéo hướng vòng trong thành ống và nó là lực chủ yếu để thiết kế chiều dày thành ống.

2. Lực hướng trục, tác dụng theo hướng dọc trục ống. Nó gây ra lực kéo hay lực nén hướng dọc trục trong thành ống.

3. Lực pháp tuyến, tác dụng theo hướng thẳng góc với trục ống. Lực này làm cho ống bị cong. Lực hướng trục và lực pháp tuyến thông qua thành ống tác dụng lên mố ôm và mố đỡ và truyền xuống nền móng.

Điều cần lưu ý ở đây là các lực tác dụng lên ống thép dẫn nước áp lực đuợc tổng hợp trong bảng 4-2 không nhất thíết đồng thời phát sinh. Vì vậy cần căn cứ vào trường hợp tính toán, tình hình bố trí đường ống và kết cấu cụ thể để xác định.

1.5 MỐ ÔM VÀ MỐ ĐỠ ỐNG THÉP

Dọc theo chiều dài, đường ống được bố trí trên các mố ôm và mố đỡ. Mố ôm (còn gọi là bệ néo) thường được bố trí ở chỗ cong đường ống (nơi tuyến ống đổi phương) và nó có tác dụng cố định ống không cho ống dịch chuyển. Đoạn đường ống nằm giữa hai mố ôm được tựa trên các mố đỡ (còn gọi là mố trung gian). Kết cấu mố đỡ phải bảo đảm để đường ống dịch chuyển được theo hướng dọc trục khi nhiệt độ thay đổi trong trường hợp đoạn ống nằm giữa hai mố ôm có bố trí khớp co giãn nhiệt độ.

1.5.1. Mố ôm

Hình 4-16. Các kiểu mố ôm: a- Mố kín, b- mố hở

1. Phân loại mố ôm

Căn cứ vào phương thức giữ chặt đường ống, mố ôm có thể chia làm hai loại : mố ôm kiểu bọc kín (hình 4-16a) và mố ôm kiểu hở (lộ thiên) như hình (4-16b)biểu thị.

Mố ôm ở trạm thủy điện nhỏ thường dùng kiểu bọc kín. Khi đường kính ống nhỏ hơn 0,6m có thể chôn trực tiếp ống vào khối bê tông của mố ôm. Khi đường kính ống lớn người ta hàn lên thành ống một số linh kiện cố định (thanh hoặc vòng cố định) sau đó chôn sâu vào khối bê tông của mố ôm, mặt khác xung quanh ống thép còn bố trí thêm cốt thép vòng.

Mố ôm thường dùng bê tông M150 để xây , cũng có thể dùng đá xây nhưng trong phạm vi quanh ống 0,4m nên bọc bằng bê tông.

Vữa xi măng cát dùng để xây đá có M100, đá dùng để xây có mác không nhỏ hơn 200 và khi thi công cần đặc biệt chú ý chất lượng.

Khoảng cách giữa hai mố ôm phụ thuộc vào kết cấu đường ống, điều kiện địa hình địa chất của tuyến dặt đường ống. Thông thường khoảng cách này trong khoảng từ 150 - 200 m. Khi độ dốc tuyến ống nhỏ và khớp co giãn nhiệt độ đặt ở giữa nhịp hai mố ôm thì khoảng cách đó có thể đạt tới 350 - 400m..

2. Thiết kế mố ôm

Mố ôm là loại kết cấu trọng lực, cường độ của nó dễ thoả mãn, vì vậy khi thiết kế mố ôm chủ yếu căn cứ vào điều kiện chống trượt, điều kiện ổn định để quyết định thể tích và kích thước ngoại hình của mố ôm. Phụ tải và tổ hợp lực của nó tác dụng nên mố ôm, thường khống chế trong điều kiện đầy nước, nhiệt độ tăng.

a) Mố ôm trên nền đất

Ta lấy mố ôm trên nền yếu làm ví dụ (Hình 4-17) để nói rõ nội dung và các bước thiết kế mố ôm.

Đầu tiên tính toán trọng lượng G để đảm bảo yêu cầu ổn định chống trượt của mố ôm.

Trong đó : åX : tổng các phản lực hướng ngang của các lực tác dụng lên mố ôm (kN).

åY : tổng các phản lực hướng thẳng đứng của các lực tác dụng lên mố ôm (kN).

G- Trọng lượng bản thân mố ôm (kN) fo - Hệ số ma sát giữa mố ôm và nền,

Kc- Hệ số an toàn chống trượt, thường Kc ³ 1,5 -2,0

Sau đó căn cứ vào trọng lượng của mố ôm, tìm thể tích và từ đó xác định kích thước ngoài của mố ôm. Kích thước ngoại hình của mố ôm phải thoả mãn yêu cầu bọc kín toàn đoạn ống chỗ cong. Mặt khác 2 đoạn ống thẳng ở 2 đầu đoạn ống cong phải chôn vào trong bê tông không nhỏ hơn 0,4m, bề dày của lớp bê tông bao quanh đoạn ống không nhỏ hơn 0,8D lần đường kính ống. Việc tính toán xác định kích thước mố ôm nên đồng thời với việc tính toán kiểm tra ứng suất nền và phải bảo đảm sao cho hợp lực tác dụng lên mố ôm có độ lệch tâm nhỏ. Nói chung cần tính thử vài lần, ứng suất biên móng mố ôm có thể tính theo công thức:

Trong 2 công thức trên:

e - Độ lệch tâm, nghĩa là khoảng cách giữa điểm tác dụng của hợp lực và đường trung tâm chiều rộng đáy mố ôm.

åM : Tổng mô men mà các lực åX,åYvà G .v.v...

B,L: Chiều rộng và dài của đáy mố ôm (Hình 4-16)

Ứng suất nền s mà ta tính từ công thức trên nên nhỏ hơn ứng suất cho phép của nền [s], đồng thời không cho phép phát sinh lực kéo (smin >0).

Khi xác định kích thước bên ngoài của mố ôm, nên làm thế nào để ứng suất trên nền phân bố đều đặn. Nói chung yêu cầu giữa tỷ lệ ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất không lớn hơn 2.

Mố ôm trên nền yếu, ngoài việc kiểm tra ứng suất nền còn cần phải kiểm tra khả năng nền của mố ôm có bị trượt không.

Khi đoạn ống ở chỗ mố ôm có hướng cong lên, thì hợp lực có hướng đi lên , lúc này  åY  có giá trị âm , đặc biệt là hệ số ma sát f rất nhỏ . Do đó trong trường hợp  này yêu cầu trọng lượng G phải rất lớn . Mố ôm ở chỗ có độ dốc thường sinh trượt nghiêng hoặc trượt vòng cung cho nên chỗ có độ dốc phải bóc hết tầng phủ bên ngoài và xây mố ôm trực tiếp trên nền đá.

b, Mố ôm trên nền đá

Đối với mố ôm đặt trên nền đá, để giảm nhỏ kích thước của mố ôm, thường đem mặt đáy làm thành bậc thang hình nghiêng, mặt khác làm sao cho mặt nghiêng gần trực giao với hướng hợp lực. Tính toán ổn định chống trượt tiến hành theo mặt nghiêng, như hình (4-18) biểu thị. Nguyên lý tính toán giống như nền đất.

 

Khi mố ôm bố trí trên nền yếu hoặc trên nền bán nham thạch, cần phải xem xét ảnh hưởng do nền lún không đều đối với nội lực của ống thép.

1.5.2. Mố đỡ

Tác dụng của mố đỡ là gánh chịu phản lực hướng pháp tuyến của trọng lượng nước và trọng lượng thân ống, nó có tác dụng đỡ ống đẫn nước. Mố đỡ cho phép ống dẫn nước dịch chuyển theo hướng trục của ống, để thích ứng với sự co giãn của ống khi nhiệt độ thay đổi.

Hình 4-19. Mố đỡ kiểu yên ngựa                                                                       Hình 4-20. Mố đỡ kiểu trượt

 

 

Khoảng cách giữa hai mố đỡ liên quan tới điều kiện địa hình, địa chất tuyến đặt đường ống và đường kính ống to hay nhỏ. Sơ bộ có thể xác định khoảng cách (lk) giữa hai mố đỡ theo công thức sau:

trong đó : R’ - cường độ tính toán của vật liệu khi hệ số điều kiện làm việc m =

q - tải trọng phân phối ngang trên một m dài ống; r - bán kính trung bình vỏ ống;

d - chiều dày vỏ ống.

Hình 4-21. Con lăn mố trượt

Nếu địa hình biến đổi lớn, điều kiện địa chất tương đối kém hoặc đường kính tương đối lớn cần giảm chiều dài  lk thích hợp so với tính toán.

Đối với trạm thuỷ điện nhỏ, khoảng cách giữa hai mố đỡ khoảng từ 3 - 5m. Có lúc căn cứ vào chiều dài bản thân đoạn ống để xác định các khoảng cách các mố đỡ. Như chiều dài đoạn ống là 3m, khoảng cách các mố đỡ cũng có thể lấy 3m. Giữa hai mố ôm, các mố đỡ  nên bố trí có khoảng cách bằng nhau.

Chọn  hình  thức  mố  đỡ  là  vấn đề làm thế nào giảm bớt lực ma sát giữa thành ống và mố đỡ. Nói chung dựa vào đặc tính dịch chuyển tương đối giữa thân ống và mố đỡ, có thể phân mố đỡ làm mấy loại: mố đỡ hình thức trượt, hình thức lăn và hình thức lắc lưc Mố đỡ hình thức trượt lại có hai loại: mố đỡ kiểu yên ngựa hình (4-20)

19) và mố đỡ kiểu trượt với vành đỡ hình (4-20); ảnh con lăn trượt như hình (4-21) biểu thị.

Thông thường ở mặt trên của mố đỡ đặt bản đỡ bằng thép đồng thời giữa bản đỡ và thành ống cho dầu nhớt để giảm lực ma sát.

Mố đỡ kiểu trượt có vành đỡ như hình (4-20) biểu thị. Ở ngay vị trí mố đỡ, đặt vành đỡ cứng, dùng 2 mặt đỡ có diện tích không lớn tiếp xúc với mố đỡ, như thế cải thiện được trạng thái ứng suất của thành ống, giảm bớt lực ma sát, đồng thời làm cho thành ống tránh được mài mòn.

Mố đỡ phần lớn làm bằng bê tông, khi đường kính ống D< 0,8m cũng có thể xây đá.

1.6 THIẾT KẾ THÂN ỐNG THÉP LỖ THIÊN

1.6.1. Ước tính độ dầy thành ống thép lộ thiên

Độ dày thành ống thép lộ thiên bao gồm độ dày tính toán và độ dày chống gỉ. Độ dày tính toán do yêu cầu về cường độ của thành ống mà quyết định. Thông thường trước tiên sơ bộ xác định độ dày thành ống, sau đó dựa vào đường kính ống , kết cấu ống , khoảng cách giữa các mố đỡ , áp lực nước tính toán bên trong cũng như các lực tác dụng khác lên ống để cuối cùng xác định độ dày tính toán thành ống. Chiều dày chống gỉ nói chung từ 1-2mm. Ông thép thuộc loại kết cấu vỏ mỏng, ngoài thoả mãn yêu cầu về cường độ, còn yêu cầu về độ cứng thành ống để thuận tiện trong quá trình chế tạo, lắp ráp và vận chuyển.

Áp lực nước trong ống là phụ tải chủ yếu tác dụng lên ống thép lộ thiên, ống thép vỏ mỏng dưới tác dụng của lực phân bố đều gây nên ứng suất hướng cắt thành ống (ứng suất hướng vòng) sz có thể căn cứ vào công thức sau đây để tính.

Trong đó :

p: áp lực nước trong ống (N/mm2) Do: đường kính ống thép (mm)

d: chiều dày thành ống (mm)

Khi chỉ xét đến phụ tải chủ yếu , ứng suất cho phép của vật liệu thép [s] nên giảm đi với hệ số j1 để sử dụng và xét thêm cường độ đường hàn với hệ số j 2 thì chiều dày thành ống d tính theo công thức dưới đây:

 

Trong đó:

[s]: ứng suất cho phép của thép (N/mm2)

d: Chìêu dày tính toán thành ống (mm)

ji : Hệ số hạ thấp ứng suất cho phép, thường lấy ji=0,75

j2 : Hệ số đường hàn ,j2=0,9-0,95, căn cứ vào kỹ thuật hàn và phương pháp kiểm nghiệm để định.

1.6.2. Phụ tải và tổ hợp phụ tải ống thép lộ thiên

Căn cứ điều kiện làm việc ống thép, phụ tải tác dụng trên ống thép, có thể phân thành phụ tải chủ yếu (cơ bản) và phụ tải thứ yếu (đột xuất). Phụ tải chủ yếu là phụ tải thường tác dụng trong vận hành bình thường và phụ tải tác dụng trong thời gian ngắn ; Phụ tải thứ yếu là phụ tải tác dụng trong tình hình đột xuất với thời gian ngắn.

1. Phụ tải cơ bản gồm:

1- Áp lực nước tính toán là áp lực nước trong ống khi mực nước thượng lưu là mực nước dâng bình thường cộng với áp lực nước va do tổ máy đột nhiên mất phụ tải mà sinh

2- Các loại lực hướng trục đã trình bày trong bảng 4-2 (Các lực hướng trục ghi trong bảng và các lực khác phải căn cứ vào tình hình cụ thể mà phân tích và xác định).

3- Lực do nền lún không đều của mố ôm và mố đỡ sinh ra. 4- Phụ tải do gió bão.

2. Phụ tải đặc biệt gồm:

1- Áp lực nước tính toán là áp lực nước trong ống khi mực nước phát điện đạt cao nhất và áp lực nước va do tổ máy đột ngột mất phụ tải mà sinh

2- Lực chân không khi ống xả hết nước trong ống sinh

3- Trọng lượng nước trong ống trong quá trình bổ xung hoặc tháo nước.

4- Lực tác dụng do thí nghiệm áp lực nước sinh

5- Lực tác dụng do lắp ráp ống sinh ra. 6- Lực động đất.

6- Các loại lực nêu trên, không phải lúc nào cũng đều tồn tại, cần tiến hành phân tích cụ thể với từng loại phụ tải, xác định tổ hợp phụ tải bất lợi nhất để tiến hành tính toán.

1.6.3. Phân tích ứng suất của thân ống thép lộ thiên

Mặt cắt tính toán trong phân tích ứng suất của thân ống thép, nên căn cứ vào hình thức kết cấu thân ống và đặc điểm chịu lực để chọn. Mặt cắt cơ bản để phân tích ứng suất của thân ống thép, nói chung lấy như hình (4-22): Mặt cắt 1- 1 chọn ở trong nhịp, mặt cắt 2-2 chọn ở biên bên vành đỡ. Mặt cắt 3-3 chọn ở nơi đặt vành thép gia cố và mặt cắt 4-4 chọn ở nơi đặt mố đỡ.

Tiêu chuẩn phân tích ứng lực thành ống quy định như sau:

Gọi đường trục của ống là trục x, chọn đường  kính  ống làm trục y,   đường song   song với tiếp tuyến vành ống làm trục z. Ưng suất nén lấy dấu âm (-), ứng suất kéo lấy dấu dương (+).

1. Ứng suất thành ống do lực tác dụng

Đối với ống thép lộ thiên, lực hướng đường kính chính là áp lực nước trong ống, như hình 4-24 biểu thị.

  

Hình 4.24. Sơ đồ phân bố áp lực nước trong ống theo phương hướng kính

a, Ứng suất pháp tuyến (hướng đường kính): Ứng suất hướng đường kính sy ở các mặt cắt men theo thân ống thép bằng áp lực nước trong ống tại mặt ắt đó.

Trong đó:

sy= -p = -     g(Htt m rcosj.cosa)                                      (4-21)

Htt-Cột nước tính toán: Htt=H0+ÄH r-Bán kính trong của ống dẫn nước

j-Góc nghiêng giữa trục ống và đường thẳng nằm ngang.

- Góc kẹp giữa giữa đường kính ống và đường thẳng đứng.

- Mật độ của nước. g-Gia tốc trọng trường.

b, Ứng suất tiếp tuyến

Dưới tác dụng của áp lực nước hướng đường kính, thành ống sản sinh ứng suất tiếp tuyến sz; Vì ống thép thuộc loại kết cấu hình tròn vỏ mỏng, có thể cho rằng ứng suất tiếp tuyến phân bố đều theo chiều dày của thành ống, ứng suất tiếp tuyến thành ống có thể căn cứ công thức sau đây để tính:

  

Trong đó:

d: chiều dày thành ống

Các ký hiệu khác giống như công thức (4-21)

Đối với mặt cắt 3-3, 4-4, vì dưới tác dụng ràng buộc của vành đai gia cố và vành đai mố đỡ, ứng suất tiếp tuyến phải căn cứ vào chuyển vị hướng tâm của thành ống để xác định.

2. Ứng suất thành ống sản sinh dưới tác dụng của lực hướng trục

Dưới tác dụng lực hướng trục å A , thành ống sản sinh ứng suất hướng trục :

Trong đó:

D- đường kính ống dẫn nước.

Các lực hướng trục tác dụng lên ống có thể căn cứ bảng 4-2 để xác định.

Hình 4-25. Biểu đồ lực cắt Q và momen M do lực pháp tuyến gây nên

3. Ứng suất thành ống do tác dụng lực pháp tuyến

Như hình (4-25) biểu thị, dưới tác dụng của phụ tải q (nó là phân lực pháp tuyến của trọng lượng ống và trọng lượng nước trong ống) phân bố đều theo hướng pháp tuyến, ống thép sẽ uốn cong theo hướng đứng, thành ống sản sinh ứng suất hướng trục sx1 và ứng suất cắt txz.

Lúc này có thể xem ống thép là một dầm nhiều nhịp liên tục để tính mômen M và lực cắt Q của các mặt cắt, như thế sx1 có thể tính theo công thức dưới đây:

  

Trong đó :

W-mômen kháng uốn của mặt cắt hình khuyên tròn thành ống thép. M-mômen trên mặt cắt tính toán.

Mômen lớn nhất ở mặt cắt giữa nhịp và mặt cắt tại mố đỡ có thể lấy gần đúng:

Trong đó:

q-tải trọng bình quân hướng pháp tuyến, nghĩa là tổng các phân lực pháp tuyến của trọng lượng ống và trọng lượng nước trong ống.

l- khoảng cách giữa các mố đỡ.

Ứng suất cắt txz là :

  

Trong đó:

S-mômen tĩnh của diện tích hình khuyên của thành ống đối với trục trung hoà và trị số S xác định theo công thức:

S=2R2dsina

J-mômen quán tính của mặt cắt thành ống: J=pR3d R - bán kính ống dẫn nước.

b-chiều rộng mặt cắt chịu cắt: b=2d

a-góc của cung tính từ đỉnh ống đến điểm tính toán: ở đỉnh ống a=0, đáy ống a= 1800.

Q-lực cắt trên mặt cắt .

Từ công thức (4-27) ta biết , ở đỉnh ống a=0, đáy ống a=1800, txz=0, Hai bên ống a=900 và a=2700 và :

txz= Q      Tại đây ứng suất cắt lớn nhất.

pRd

4. Ứng suất thành ống tại vòng thép gia cố

Dưới tác dụng của áp lực nước bên trong, thành ống phát sinh chuyển vị theo phương hướng kính một lượng Ä2 (hình 4-26)

  

Hình 4-26. Sơ đồ tính toán chuyển vị cục bộ tại vòng thép gia cố ở thành ống thép

Ä1=(p.a + 2Q’)

Nhưng vì có vòng đai thép có độ cứng tương đối lớn thít lại, nên chỉ phát sinh chuyển vị hướng đường kính ra ngoài một lượng Ä1 và nó được tính bằng:

 

Trong đó:

Q’-lực cắt do thành ống truyền cho vòng thép

Fk’-diện tích mặt cắt tĩnh vòng thép (bao gồm diện tích thành ống đoạn nối tiếp a)

Vì vậy thành ở vành đai thép và vùng phụ cận phát sinh uốn cong cục bộ. Căn cứ lý thuyết đàn hồi, phạm vi ảnh hưởng của vòng thép đối với ứng suất thành ống chỉ giới hạn trong phạm vi có chiều dày hạn chế 2 bên vành thép là l’ và xác định theo công thức sau:

Trong đó:

m-Hệ số Poisson. Đối với thép có thể lấy m=0,3

Bây giờ ta tách riêng thành ống và vành đai thép gia cố quanh ống và chỗ tách riêng phân bố đều lực cắt hướng tâm Q’ và mômen M’, như hình (4-26) thể hiện. Căn cứ lý thuyết đàn hồi, giữa Q’ và M’ tồn tại quan hệ dưới đây:

Dưới tác dụng đồng thời của Q’ và M’. thành ống sản sinh chuyển vị hướng tâm Ä3 là:

Các thành phần ứng suất trên thành ống tại chỗ vành đai thép gia cố và công thức tính toán của chúng được tổng hợp trong bảng (4 - 3)

5. Ứng suất thành ống tại chỗ vành mố đỡ

Vành mố trụ đỡ cũng giống vành đai thép gia cố, có tác dụng bó chặt không cho thành ống chuyển vị, khiến thành ống uốn cong cục bộ. Việc tính toán ứng suất cục bộ của nó giống như đối với chỗ vành đai thép gia cố. Dưới tác dụng của tải trọng hướng pháp tuyến, các mặt cắt trong vòng cung sản sinh mômen Mk. Bây giờ ta lấy vành đai đỡ và đoạn ống (2l’) cùng tác dụng với nó làm đoạn tính toán.

Tải trọng tác dụng trên đoạn tính toán như hình (4-27) biểu thị.

Các nội lực của mặt cắt trong vành đai mố đỡ có thể dựa vào lý thuyết đàn hồi để tính như hình (4-27b) biểu thị.

Nội lực các mặt cắt trong vành đai mố đỡ không những có quan hệ đến tải trọng và kích thước của vành đai mố đỡ mà còn có quan hệ với và Rk xem hình 4-27) Khi   b =0,04 RK mô men dương lớn nhất và mômen âm lớn nhất và gần bằng nhau. Nghĩa là vật  liệu sử dụng đạt hiệu ích kinh tế tối ưu. Bây giờ đem mô men Mk trong vành đai khi b=0,04Rk , lực hướng trục Tk của vành đai và lực cắt hướng đường kính Qk vẽ lên  hình (4-28). Ứng suất trên các mặt cắt trong vành đai mố đỡ có thể xác định theo công thức dưới đây:

 

 

Hình 4-28. Sơ đồ phân bố tải trọng tại các mặt cắt ( khi b=0,4 Rk )

 

Trong đó:

Wk, Fk, Jk và Sk phân biệt là môđuyn chống uốn, diện tích mặt cắt, mômen quán tính của vành đai mố đỡ (bao gồm cả thành ống cùng tác dụng) và mômen tĩnh của một mặt cắt nào đó trên điểm tính toán đối với trục trung hoà. Sơ đồ mặt cắt vành đai mố đỡ như hình (4-29) biểu thị. Công thức tính toán của 4 mặt cắt cơ bản tổng hợp thành bảng (4-3).

Bảng 4-3. Công thức tính ứng suất ở các mặt cắt vành đai mố đỡ ống thép

6. Kiểm tra cường độ của thành ống thép

Tổng hợp các nội dung trên ta thấy thành ống thép ở vào trạng thái ứng suất phức tạp, có cái chịu ứng suất kéo hay nén (ứng suất chính), có cái chịu ứng suất cắt. Kiểm tra cường độ của cấu kiện trong trạng thái ứng suất này , nên tiến hành theo ứng suất tính toán.

Hiện nay trên thế giới, phần lớn các quy phạm thiết kế ống thép của các nước đều áp dụng lý thuyết cường độ thứ 4.

Căn cứ lý thuyết này, chuẩn tắc về cường độ áp dụng tiêu chuẩn biến hình đơn vị do chuyển dịch gây ra. Ứng suất tính toán tìm được phải nhỏ hơn [s].

Công thức tính ứng suất tính toán của trạng thái ứng suất 3 chiều khi ta căn cứ lý thuyết thứ 4 để lập là:

 

Hình 4-29.  Mặt cắt vành đai mố đỡ (l’= 0,78)

1.6.4. Kiểm tra tính ổn định chống ngoại lực của ống thép lộ thiên

Áp lực ngoài tác dụng lên ống thép lộ thiên, có lúc có thể lớn hơn áp lực trong. Thí dụ như khi đóng cửa van đột ngột mà lỗ thông hơi mất tác dụng, không khí không thể vào ống. Trong ống xuất hiện chân không, lúc này có thể do độ cứng của ống không  đủ vì thế mất tính ổn định, phát sinh hiện tượng bị bóp méo như hình (4-30) biểu thị. Vì thế, cần phân tích và tiến hành tính ổn định chống áp lực từ ngoài vào.

Hình 4-30. Trạng thái mất ổn định của ống do áp lực bên ngoài

Đối với ống thép lộ thiên, không có vành đai gia cố quanh thân ống, ống có thể co giãn theo hướng trục, áp lực giới hạn duy trì thành ống ổn định là:

 

Trong công thức:

k - hệ số an toàn.

1 - m 2 ⎝ D ⎠

P -trị số ngoại lực thiết kế của đường ống thép.

Đối với ống thép lộ thiên, ngoại lực lớn nhất là áp lực khí trời, vì thế                                                                                                                                            khi Pgh=0,1MPa, mặt khác lấy hệ số an toàn k=2, Ethép= 2.105 MPa,

mthép= 0,3 thay vào công thức ( 4-41) ta được:

Từ công thức trên ta có thể thấy khi đường kính ống D = 1,3m. Chiều dày thành ống d³ 10mm, thì tính ổn định chống áp lực ngoài của ống mới có thể được duy trì. Nhưng thành ống như vậy, đối với điều kiện của cường độ của ống thép áp lực khi cột nước tác dụng vừa và thấp mà xét là không cần thiết và cũng không kinh tế. Phương pháp để giải quyết mâu thuẫn này là ngoài thành ống làm thêm một số vành đai thép gia cố,  do đó độ dày thành ống có thể giảm nhỏ. Như vậy sẽ không phải chịu sự ràng buộc theo công thức (4-43). Song vành đai thép gia cố nên bảo đảm đủ độ cứng để giữ ổn định cho đường ống.

1.7 ỐNG PHÂN NHÁNH

1.7.1. Bố trí và đặc điểm của ống phân nhánh

1.Bố trí ống phân nhánh

Khi trạm thuỷ điện dùng phương thức phân nhóm cấp nước hoặc phương thức cung cấp nước liên hợp tức là với một ống chính cung cấp nước cho nhiều tổ máy. Lúc này nhất thiết phải bố trí ống phân nhánh để phân phối lưu lượng cho các tổ máy. Khi bố trí ống phân nhánh phải xem xét đến các yếu tố sau: địa hình, địa chất, bố trí khu nhà máy và tổn thất đầu nước v.v.Việc bố trí ống phân nhánh vừa phải đảm bảo an toàn vừa phải hợp lý về kinh tế. Các đường trục của ống nhánh nên nằm trong cùng một mặt phẳng là tốt nhất hoặc có thể không cùng nằm trong một mặt phẳng.

Có 3 cách bố trí điển hình:

1- Các ống nhánh bố trí lệch cả về một bên của ống chính (không đối xứng). Có loại rẽ hai, rẽ ba, rẽ bốn không đối xứng như hình (4-31a) biểu thị.

2- Các ống nhánh bố trí đối xứng sang 2 bên của ống chính. Ông rẽ hai đối xứng như hình (4-31b) biểu thị.

3- Bố trí thành 3 nhánh đối xứng. Ông rẽ ba đối xứng như hình (4-31c) biểu thị.

Hình 4-31. Các sơ đồ bố trí ống phân nhánh.

Đối với trạm thuỷ điện nhỏ, số tổ máy nói chung từ 2-4. Rất nhiều trường hợp bố trí theo hình chữ Y tức là bố trí một ống cho 2 máy. Khi có 3 máy và 1 ống chính  phần lớn bố trí lệch về một bên như hình (4- 31a). Khi đường kính ống không lớn  cũng có thể bố trí theo hình thức ống rẽ ba ( chạc ba ) như hình (4-31c). Khi có 4 máy và 1 ống chính thì có thể áp dụng hình thức bố trí như hình (4-31b) .

2. Đặc điểm của ống phân nhánh

Ống phân nhánh là bộ phận phức tạp nhất của ống dẫn nước áp lực, đặc điểm của nó là: kết cấu và điều kiện chịu lực phức tạp, công nghệ chế tạo và lắp đặt khó khăn, tổn thất đầu nước lớn. Ống phân nhánh do các đoạn ống hình chóp cụt hợp thành.

Khi xác định hình thức phân nhánh, cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Một là kết cấu hợp lý, không sản sinh ứng suất tập trung và biến hình quá lớn;

- Hai là cố gắng giảm bớt dòng chảy rối tại nơi phân nhánh, làm cho lưu tốc trong ống tăng lên dần dần, cố gắng giảm bớt nước quẩn và mạch động để giảm bớt tổn thất đầu nước.

 

Hình 4-32. Sơ đồ lực tác dụng trong bộ phận rẽ nhánh của ống thép.

Trạng thái dòng chảy trong ống phân nhánh có mặt cắt hình tròn là tốt nhất. Xuất phát từ mục đích cải thiện điều kiện dòng chảy, góc phân nhánh (góc kẹp giữa trục ống  chính  và  trục  ống  nhánh như hình (4-32) biểu thị nên chọn nhỏ. Vì vậy khi việc bố trí kết cấu ống và công nghệ chế tạo cho phép, hơn nữa với điều kiện kinh tế hợp lý, thì nên cố gắng chọn góc phân nhánh nhỏ. Góc phân nhánh nói chung a=300-600 và phần lớn thường lấy a=450-600 . Với góc kẹp như vậy, qua thí nghiệm cho thấy tổn thất thuỷ lực là nhỏ nhất. Ngoài ra khi xác định góc phân nhánh còn phải chiếu cố đến các yếu tố như khoảng cách giữa các tổ máy và khối lượng đào đất đá v.v. . .

Thành ống của ống chính và ống nhánh tại chỗ phân nhánh cắt nhau, khiến hình dáng mặt cắt ngang thành ống không phải là hình tròn hoàn chỉnh nữa. Chỗ thành ống giáp nhau tồn tại lực không cân bằng rất lớn như lực T1 và lực T2 trong hình (4-32) biểu thị . Để đảm bảo cân bằng lực và ổn định cho thành ống ở chỗ cắt nhau, cần phải lắp thêm cấu kiện gia cố tại đường cắt nhau (đường giao tuyến giữa ống chính và ống nhánh) để nó gánh chịu lực không cân bằng này. Như thế , ống phân nhánh trở thành  tổ hợp kết cấu siêu tĩnh không gian do kết cấu vỏ mỏng và cấu kiện gia cố hợp thành. Nó chịu lực tương đối phức tạp.

Do ống phân nhánh có ngoại hình phức tạp, các đường hàn tương đối tập trung, để việc chế tạo và hàn nối tiếp dễ dàng, góc của ống phân nhánh không nên chọn nhỏ  quá; tránh hàn 2 lần và vết hàn chồng lên nhau.

1.7.2. Các loại ống phân nhánh thường dùng

Căn cứ vào hình thể và phương thức gia cố của ống phân nhánh, ống phân nhánh thường dùng trong trạm thuỷ điện chủ yếu có mấy loại như sau:

1. Ống phân nhánh kiểu rẽ bên không đối xứng

Ống phân nhánh kiểu rẽ bên không đối xứng do ống chính, ống nhánh và bản thép gia cố hợp thành, như hình (4-33) biểu thị.

Hình 4-33. Chi tiết cấu tạo ống rẽ nhánh không đối xứng.

1- ống chính 2-bản thép gia cố . 3- ống phân nhánh.

Lực không cân bằng ở chỗ đường cắt, do bản thép gia cố và thành ống cùng gánh chịu. Trạng thái ứng suất của ống phân nhánh kiểu rẽ bên tương đối phức tạp. Chiều rộng bản gia cố, dựa vào kinh nghiệm có thể chọn, nói chung không nhỏ hơn (0,12 - 0,18) lần đường kính ống chính. Thành ống vì cùng tham gia chịu áp lực nước bên trong không cân bằng, do đó chiều dày thành ống cần tăng một cách thích đáng, nói chung bằng (1,25 - 1,5) lần chiều dày tính toán của thành ống. Bản gia cố của ống phân nhánh kiểu bên có thể chế tạo bằng bản thép thông thường, công nghệ chế tạo tương đối đơn giản. Nó thường dùng trong trạm thuỷ điện có cột nước tương đối thấp, hoặc đường kính tương đối nhỏ.

2. Ống phân nhánh kiểu rẽ hai, rẽ ba đối xứng

Ống phân nhánh kiểu rẽ hai , rẽ ba đối xứng do ống chính (1), ống nhánh (3), dầm chữ U cạnh đáy bao ngoài ở đường cắt nhau(5; 6; 7) và vành đai gia cố lưng  (2; 4)  cấu thành như hình (4-34) biểu thị. Dầm hình chữ U gánh vác lực không cân bằng tương đối lớn, là cấu kiện chính trong loại ống phân nhánh kiểu này. Còn vành đai gia cố lưng gánh chịu lực tương đối nhỏ.

Hình 4-34. Sơ đồ kết cấu điển hình ống phân nhánh

1- ống chính ; 2 & 4 -vành đai gia cố lưng ; 3-ống nhánh ; 5 , 6 &7 - dầm chữ U.

Đem các dầm chữ U và các vành đai gia cố lưng liên kết lại, hình thành một cấu kiện tổ hợp do vỏ mỏng và hệ thống dầm không gian, ta được ống phân nhánh rẽ hai hay rẽ ba. Công nghệ chế tạo ống phân nhánh rẽ hai và rẽ ba yêu cầu cao. Ông phân nhánh loại rẽ hai và rẽ ba đói xứng là loại thường dùng nên có nhiều kinh nghiệm về thiết kế, chế tạo và vận hành. Nó thích hợp với ống lộ thiên có cột nước tương đối cao, lưu lượng tương đối nhỏ.

3. Ống phân nhánh kiểu hình cầu (quả cầu). Ống phân nhánh kiểu hình cầu như hình (4-35) biểu thị. Nó thường được dùng cho trạm thuỷ điện có cột nước cao. Khi ống phân nhánh hình cầu có đường kính không lớn thường được đúc liền. Để giảm tổn thất thuỷ lực bên trong quả cầu, đôi khi người ta đặt thêm ống dẫn hướng . Trên thành ống dẫn hướng này người ta đục các lỗ thông nhau, nhờ đó thành ống dẫn hướng chịu áp lực nước hai bên. Vì vậy mà độ dày thành ống có thể làm mỏng đi.

Hình 4-35. Kết cấu ống phân nhánh dạng hình cầu

Khi cột nước cao và tiết diện qua nước lớn, việc thiết kế và công nghệ chế tạo ống phân nhánh kiểu hình cầu khá phức tạp: một mặt phải bảo đảm tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất, mặt khác phải bảo đảm tốt nhất về độ bền và độ ổn định. Như vậy cần phải qua thí nghiệm mô hình để chọn kết chấu hợp lý cống phân nhánh.

Để bảo đảm độ bền và độ ổn định chỗ ống phân nhánh thường được đặt trong khối bê tông cốt thép (mố ôm), khối bê tông này chịu tất cả các lực xuất hiện trong ống phân nhánh truyền cho nó. Kết cấu ống phân nhánh được đặt trong khối bê tông như vậy có thể chịu được cột nước cao và tiết diện qua nước bất kỳ.

1.8 ỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.8.1. Phân loại và phương thức lắp đặt ống dẫn nước áp lực bằng bê tông cốt thép (BTCT).

1. Phân loại ống dẫn nước áp lực bằng bê tông cốt thép

Ống dẫn nước áp lực bằng BTCT có thể chia thành 2 loại: ống dẫn nước áp lực bằng BTCT thông thường và ống dẫn nước áp lực bằng BTCT ứng suất trước (dự ứng lực).

Ống dẫn nước áp lực bằng BTCT thông thường cũng có 2 loại: loại đổ tại chỗ và loại đúc sẵn. Trạm thuỷ điện nhỏ nói chung dùng loại ống đúc sẵn, lắp ráp tại hiện trường, như vậy chất lượng dễ được đảm bảo; hơn nữa có thể tăng nhanh tốc độ thi công. Chiều dài ống BTCT đúc sẵn thường là 3-5 m, đường kính ống nói chung nhỏ hơn 2m, độ dầy của ống từ 10-25cm. Ông BTCT thông thường dùng cho trường hợp cột nước dưới 50m. Khi đường kính trong của ống tương đối nhỏ, cột nước cho phép có thể đạt tới 70 -80m. Trong thực tiển xây dựng thuỷ điện ở Trung Quốc với ống BTCT ứng suất trựớc có đường kính trong nhỏ hơn 1m có nơi đã dùng với cột nước từ 120m - 180m.

Ống BTCT ứng suất trợước được chế tạo trong nhà máy so với ống BTCT thông thường nó có tính đàn hồi tương đối lớn , tính không thấm nước tốt hơn, trọng lượng nhẹ hơn và có thể chịu áp lực nước bên trong tương đối lớn(bao gồm cả áp lực nước va). Độ dầy thành ống có thể giảm nhỏ đến còn 6cm và hiện nay đã chế tạo được ống BTCT dự ứng lực có đường kính trong của cống có thể đạt đến 2m , cột nước công tác có thể đạt đến 160m. Dùng ống BTCT ứng suất trước thay cho ống thép có thể giảm được 60% lượng thép yêu cầu.

2. Lắp đặt ống BTCT

Ống BTCT nói chung lắp đặt trên đệm cứng (bệ đỡ liên tục), đệm này có thể làm bằng đá xây vữa xi măng cát M100 hoặc bê tông đá hộc M150. Như hình (4-36) thể hiện. Góc bao của đệm ống (2a) thường là 90 , 1350 .và 180o . Khi nền là đá cứng, đệm ống BTCT có đường kính ống D>0,6m , có thể làm theo hình thức kiểu yên ngựa thể hiện trên hình (4-36a), cũng có thể đặt trực tiếp trên nền đá với lớp đệm ống hình cung ngược như hình (4-36b) thể hiện. Nếu là nền đất thì dưới đệm ống phải lót một lớp gạch đá vụn. Chỉ khi nào nền rất tốt , đường kính ống<0,6m mới có thể đặt ống trực tiếp xuống nền cứng.

Để tránh phát sinh lực hướng trục do nhiệt độ đột ngột thay đổi, có thể đem ống BTCT chôn dưới đất, như hình(4-36c) biểu thị . Độ sâu chôn ống nên bảo đảm đỉnh ống cách mặt đất không nhỏ hơn 1m và ở khu vực có động đất không nhỏ hơn 1,5m.

Ống BTCT rất mẫn cảm đối với nền đất lún, nền lún không đều có thể dẫn đến nứt gẫy ống. Vì vậy yêu cầu địa chất dọc tuyến ống phải tốt, ngăn chặn hiện tượng lún không đều.

Ở những chỗ đường ống rẽ cong và những chỗ độ dốc tuyến ống thay đổi đều phải bố trí mố ôm để cố định ống. Ngoài ra nếu đường ống bố trí trên sườn đồi quá dốc , lại dài cần bố trí thêm mố ôm ở giữa đoạn để tránh đường ống trượt theo mái dốc.  Khoảng cách giữa hai mố ôm kề nhau trên đoạn dốc dựa vào điều kiện địa hình, địa chất để định. Trong điều kiện sườn núi tương đối dốc nhưng điều kiện địa chất tốt, khoảng cách giữa hai mố ôm kề nhau nên lấy từ 20 - 30m. Nếu điều kiện địa chất không tốt lắm, khoảng cách giữa hai mố ôm cần giảm một cách thích đáng. Khi đường ống đi khu vực bằng phẳng nhưng quá dài, nói chung cứ cách từ 150 -  200m nên bố  trí một mố ôm.

Hình 4-36. Các kiểu đặt ống BTCT

1.8.2. Cấu tạo của ống bê tông cốt thép

1. Chiều dày thành ống

Chiều dày thành ống BTCT ngoài việc thoả mãn yêu cầu cường độ, còn phải thoả mãn các yêu cầu thi công, chống thấm, chống nứt và bảo đảm ổn định. Do đó chiều dày thành ống nói chung không nhỏ hơn 10-15cm. Căn cứ kinh nghiệm chiều dày thành ống BTCT có thể ước tính theo công thức :

 

DO là đường kính trong của ống .

2. Phân đoạn đường ống BTCT

Với ống BTCT đổ tại chỗ để ống có thể tự co dãn được khi nhiệt độ thay đổi, nói chung nên bố trí khớp co dãn nhiệt độ. Khi ống đặt trên nền đá, khoảng cách khe co giãn lấy từ 10 - 15m. Khi ống đặt trên nền đất tốt, khoảng cách khe co dãn lấy từ 15 - 20m. Nếu có biện pháp thích hợp, thí dụ như giữa hai khe co dãn ta phân ra nhiều đoạn ống (mỗi đoạn dài từ 4 - 5m) và phân kỳ thi công, thi công không liên tục thì khoảng cách giữa hai khe co dãn có thể tăng đến 30 - 35m.

3. Bố trí cốt thép

  

Hình 4-37. Sơ đồ bố trí cốt thép ống BTCT

1. Lớp bảo vệ. 2- Vòng thép bên trong 3- Vòng thép bên ngoài. 4- Thép dọc trục.

Đối với ống BTCT thường , nói chung bố trí 2 lớp thép. Chỉ trong trường hợp đường kính ống nhỏ, thành ống mỏng mới bố trí một lớp thép. Cốt thép vòng là cốt thép chịu lực chính, thường dùng thép F6 - F16, khoảng cách a  giữa 2 vòng thép liền nhau không lớn hơn 1,5 lần chiều dày thành ống , mặt khác trong 1m dài bố trí tối thiểu 6 vòng trở lên, hàm lượng thép không nhỏ hơn 0,4%. Thép cấu tạo dọc ống dùng loại F6 - F10, mỗi lớp bố trí tối thiểu 6 thanh, khoảng cách giữa các thanh <30 cm, hàm lượng thép không nhỏ hơn 0,2%. Lớp bảo vệ không nhỏ hơn 2 cm. Bố trí cốt thép xem hình (4-37) biểu thị.

Đối với ống BTCT   ứng suất trước, việc bố trí cốt thép có thểh tham k liệu hữu quan.

4. Đầu nối tiếp

Chỗ đầu nối tiếp ở khớp co dãn của ống BTCT là chỗ xung yếu nhất. Trong thiết  kế thi công cần phải đảm bảo chất lượng.

Hình thức đầu nối tiếp thường dùng có ba loại:

a - Đầu nối tiếp kiểu nối lồng đầu như hình (4-38a) biểu thị. Loài này dùng cho

ống BTCT đúc sẳn có đường kính trong nhỏ hơn 60cm

b- Đầu nối tiếp kiểu miệng bằng như hình (4-38 b và c) biểu thị. Loại này thường dùng cho ống BTCT thi công tại hiện trường và có đường kính ống tương đối lớn.

c- Đầu nối tiếp kiểu có đoạn ống lồng bao ngoài như hình (4-38d) biểu thị . Loại này có lồng thêm một đoạn ống ở mặt ngoài chỗ nối tiếp, cấu tạo phức tạp hơn , nhưng hiệu quả chống rò rỉ nước tốt hơn. Nó thường dùng với ống BTCT đúc sẵn, đường kính tương đối lớn và TTĐ có cột nước cao hơn.

Chiều rộng khe co dãn khoảng 1,5 - 2 cm và các chi tiết khác xem trên hình vẽ (4- 38).

Ở chỗ nối tiếp phân đoạn trên đường ống cần phải thi công tốt để chống rò rỉ. Các nội dung tính toán kết cấu bê tông cốt thép, kiểm tra nứt v.v...tham khảo sách “ Kết cấu bê tông cốt thép”

Hình 4-38. Các hình thức khớp nối ống bê tông cốt thép.

1- Vật liệu tẩm nhựa đường; 2- Đầu ống trong; 3- Gioăng cao su; 4 - Đầu ống ngoài; 5- Dây thừng tẩm nhựa đường; 6- Bản chắn nước; 7- Vữa xi măng; 8- Thành ống; 9 -Gioăng chắn nước; 10- Bao tải thô tẩm nhựa đường; 11- Ù đồng hoặc kim loại không rỉ; 12- Vữa nhựa đường; 13- Thành phía trong ống; 14- Bao tải mịn tẩm nhựa đường.

Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team