bài tập lớn thiết kế đường hầm thủy công

Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

ĐỀ SỐ 50
A. TÀI LIỆU CHO TRƯỚC :
Hồ chứa nước H có đường hầm dẫn dòng thi cơng, kết hợp tháo lũ lâu dài:
1. Thơng số hồ chứa :
− MNDBT = 70,0m;
− MNLTK = 73,0m.
− Ht = 3,0m.
− Zđập = 75,0m.
− Zcửa vào đường hầm = 40,0m.
− Cơng trình cấp II.
− Lưu lượng tháo lũ QTK = 945,0m3/s.
2. Thơng số đường hầm :
− Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B 0 = 8,0m, chiều cao phần chữ
nhật Hcn = 4,4m có vát ở góc ở đáy (Theo mặt cắt tiêu chuẩn).
− Chiều dài hầm : Lhầm = 400m.
− Độ dốc đáy i .
− Vật liệu gia cố: bê tơng cốt thép M25.
− Đá núi quanh đường hầm có γw = 2,3 T/m3.
− Hệ số kiên cố : fk = 6,0.
− Phần vào để tháo nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D = 8,4m;
ngưỡng thực dụng có P = 3,0m; hệ số lưu lượng m = 0,48; bố trí theo tuyến tròn khơng
hồn chỉnh với góc mở a = 3000, bán kính đến tuyến ngưỡng tràn là Rt.
3. Thơng số hạ lưu (sau cửa ra đường hầm) :
− Zđáy = 18,0m; B = 30,0m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001
− Nền đó nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6).
B. U CẦU TÍNH TỐN :
1. Phần thuỷ lực :
− Tính tốn bán kính Rt của ngưỡng vào QTK.
− Tính tốn độ dốc i của đường hầm để tháo Q TK với độ lưu khơng cho phép d =

0,2h (h – độ sâu nước trong đường hầm).
− Thiết kế thơng khí đường hầm.
− Thiết kế tiêu năng sau đường hầm (thiết kế mũi phun và vẽ đường bao hố xói).
2. Phần kết cấu :
− Tính tốn nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm (khơng xét đến lực
kháng đàn tính).

Lê Minh Hoàng

Trang 1


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

BÀI LÀM
I. PHẦN THUỶ LỰC :

1. Tính tốn bán kính Rt của ngưỡng vào QTK:
− Ngưỡng tràn kiểu ngưỡng thực dụng, lưu lượng tháo qua đập tràn được xác định
theo cơng thức sau :
2
Q TK = mBt 2gH3/
0

⇒ Bt =

Q TK

2
m. 2g.H3/

0

(*)

Trong đó :
Bt : Chiều rộng tràn (m).
m : Hệ số lưu lượng tính tốn, m = 0,48.
H0 : Cột nước tồn phần trên ngưỡng tràn, được xác định như sau :
Lê Minh Hoàng

Trang 2


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công
H0 = H +

V02
do bỏ qua lưu tốc đến gần nên ta có : H0 ≈ Ht = 3,0m.
2g

− Thay tất cả vào (*) ta được :
Qtk

Bt =

m. 2.g H o

3
2

945

=

3

0,.48 2.9,81.3 2

=85,54m

− Để thi cơng thuận lợi, chọn Bt = 86m
− Do mặt cắt khống hồn chỉnh với góc mở rộng α = 3000, vì vậy bán kính đến
tuyến ngưỡng tràn Rt được xác định như sau :
Bt = 2.π .Rt .

α
1 360
1 360
=> Rt = Bt . .
= 86. .
=16,43m
360
2π α
2π 300

2. Tính tốn độ dốc i của đường hầm để tháo Q TK với độ lưu khơng cho phép δ=
0,2h (h – độ sâu nước trong đường hầm).
− Do khống chế dòng chảy đều trong hầm sao cho dòng chảy khơng áp vì vậy độ
sâu dòng chảy đều h0 có quan hệ với độ dốc dọc của đường hầm i như sau :
2

 Q tk 
Lưu lượng qua hầm được xác định : Q tk = ω.C Ri ⇒ i = 
÷
 ω.C R 

(**)

Trong đó :
Các đặc trưng ω, C, R đều tính với dòng đều h0.
h 
ω = H 20 .fω  0 ÷
 H0 

h 
R = H 0 .fR  0 ÷
 H0 

C=

1 0,11  h 0 
.H 0 .fc 
÷
n
 H0 

H0 : Chiều cao tồn bộ của mặt cắt (m).
Các trị số fω, fR, fc tra trên đồ thị hình (4-6) ứng với trị số h0/H0 ứng với hệ số
1
n

Sedy theo Pavlopxki C = R y với y = 0,11 .
− Tính H :
H = Hcn + B0/2 = 4,4 + 8,0/2 = 8,40m.
− Để chảy khơng áp, phải khống chế độ lưu thơng δ = 0,2h0
H = h0 + δ = h0 + 0,2 h0 = 1,2h0.
⇒

h0
1
=
= 0,83
H 1,2

⇒ h0 = 0,83.H =0,83.8,4 =6,97m
⇒ δ = 0,2.ho = 0,2.6,97 =1,39m

− Có tỷ số h0/H0 = 0,83 tra biểu đồ hình 4.6.a trang 27 giáo trình “Thiết kế đường
hầm thủy cơng” ta xác định được các thơng số sau :
fω = 0,8 ; fR = 0,31;
fc = 0,88
Lê Minh Hoàng

Trang 3


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

− Thay vào trên ta xác định được :
ϖ = H 2 .f ϖ = 8, 42.0,8 = 56,45 m²

R = H.fR = 8,4 . 0,31 = 2,60 m
C=

1
1 0,11
8, 40,11.0,88 =65,42
H . fc =
0, 017
n

Thay tất cả vào (**) ta được :
2

2


945
 Q tk  
i tk = 
÷ ≈ 0,025 = 2,5%
÷ =
 ϖ.C. R   56, 45.65, 42. 2, 60 

Vậy chọn độ dốc dốc hầm là itk = 2,5%.
3. Thiết kế thơng khí đường hầm:
a). Tính tốn lưu lượng thơng khí cần thiết :
− Lưu lượng thơng khí cần thiết được xác định theo cơng thức sau :
QaK = QaB + QaC
Trong đó :

QaK : Lưu lượng khơng khí cần thiết (m3/s).
QaB : Lưu lượng khí bị cuốn vào vùng tách dòng sau ngưỡng, khe van, bậc thụt và
được xác định theo cơng thức thực nghiệm sau :
QaB = 0,1.Lb.hb.VTB (***)
Trong đó :
hb : Chiều cao ngưỡng: hb = δ = 1,39m
 lb : Chiều dài ngưỡng : lb = π .R = π .

B0
8, 0
= 3,14.
= 12,56m
2
2

 VTB : Lưu tốc của dòng chảy trước vị trí tách dòng, được xác định như sau :
VTB =

Q tk
=
ϖ

945
2

D
π.  ÷
2

=

945
2

D
π.  ÷
2

=17,06 m/s

Thay tất cả vào (3) ta được :
QaB = 0,1.lb.hb.VTB = 0,1.12,56.1,39.17,06= 29,88 m3/s
− QaC : Lưu lượng do tự hàm khí trên mặt thống dòng chảy
QaC = 0,04. Fr-40 .Q

(4)

Trong đó :
 Q: Lưu lượng nước, Q = 945 m3/s
 Fr : Số Fr tính theo bán kính R, Fr =
Lê Minh Hoàng

v2
= 10,97
gR
Trang 4


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

v : Lưu tốc bình qn của dòng chảy , v =

Q
945
=
= 16,74m/s
ω 56, 45

Vì Fr = 10,97 < 40 nên khơng có tự hàm khí ⇒ khơng tính QaC
Vậy QaK = QaB = 29,88 m3/s.
b). Tính tốn tiết diện ống dẫn khí :
*

Chọn lưu tốc khí trung bình trong ống thơng khí là Va = 40 m/s < 60 m/s
⇒ Diện tích mặt cắt ngang của ống thơng khí là:
ωaK =

*

Qa 29,88
=
= 0,75m2
Va
40

Kiểm tra lại độ chân khơng tại cửa ra ống thơng khí với ωa = 0,75 m2

− Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí, xác định theo cơng thức tính tốn thuỷ
động học :
QaK = μa .ωaK . 2g.hck .

⇒ h ck

γ
γa



QaK
=

γ
 μ a .ωak 2g.
γa


2


÷
÷
÷
÷
÷


(5)

Trong đó :
 µa : Hệ số lưu lượng của ống dẫn khí, phụ thuộc vào hình dạng và mức độ thu

hẹp tại cửa vào và được xác định như sau :
μa =

1
1
=
= 0,82
1+ξ i
1+ 0,5

Với ξi là tổng tổn thất trên đường ống dẫn khí bao gồm tổn thất tại cửa vào, chổ
uốn cong và tổn thất dọc đường :
ξi = ξcv + ξuốn + ξcr + ξdđường = 0,5
Thiết kế cửa vào khơng thuận, tra bảng ta được : ξcv = 0,5, do thiết kế đường ống
dẫn khí thẳng nên ξuốn = 0, do đường ống dẫn khí ngắn nên bỏ qua tổn thất dọc đường nên
ξdđ = 0, bỏ qua tổn thất cửa ra nên ξcr = 0.
 ωaK : Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí (m2)
Lê Minh Hoàng

Trang 5


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

 γ và γa : Lần lượt là trọng lượng riêng của nước và của khơng khí, trong điều
kiện bình thuờng lấy γ/γa = 760.
− Thay tất cả vào (5) ta được: hck = 0,16 m
− So sánh hck với [ hck ] = 6 m
hck = 0,16m < [ hck ] = 6m ⇒ nên độ chân khơng nằm trong giới hạn cho phép.
Kết luận: Tiết diện ống thơng khí là ωa = 0,75 m2

*

− Hoặc mặt cắt hình tròn với bán kính ống r = 0,49 m
− Hoặc mặt cắt hình vng với kích thước cạnh a = 0,86 m
4. Thiết kế tiêu năng sau đường hầm
4.1). Tính tốn chiều sâu cột nước hạ lưu hh :

Cao trình đáy kênh:
Zđáy = 18,0

Chiều rộng kênh:
B = 30,0 m

Hệ số mái kênh:
m = 1,5

Hệ số nhám lòng kênh:
n = 0,03

Độ dốc đáy kênh:
i = 0,001

Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói K = 1,6)
Tính hh theo phương pháp thử dần.
Lập bảng tính tốn với các thơng số sau:
ω
Q = ωC Ri ; ω = ( b + mh ) h ; χ = b + 2 h 1 + m 2 ; R = ;
χ
1

+ 17.72 lg R ; Q = K i
n
Giả thiết chiều sâu mực nước trong kênh, khi nào giá trị lưu lượng tính ra tương ứng bằng
lưu lượng thiết kế QTK = 945 m3/s thì dừng lại và giá trị giả thiết chính là giá trị cần tìm.
K = ωC R ; C =

Bảng1: Tính chiều sâu mưc nước trong kênh ứng với lưu lượng thiết kế
No

hk(m)

w(m2)

c(m)

R(m) C(m0.5/s)

K(m3/s)

Q(m3/s)

1

5.000 187.500 48.028 3.904

43.815

16232.20

513.31

2

5.400 205.740 49.470 4.159

44.302

18587.75

587.80

3

5.800 224.460 50.912 4.409

44.751

21090.98

666.96

4

6.200 243.660 52.354 4.654

45.167

23742.35

750.80

5

6.800 273.360 54.518 5.014

45.741

27998.68

885.40

6

7.052 286.134 55.425 5.163

45.965

29883.51

945.00

Lê Minh Hoàng

Trang 6


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Theo bảng tính tốn ta chiều sâu mực nước trong kênh hạ lưu là h h = 7,052m ứng
với lưu lượng thiết kế QTK = 945 m3/s.

4.2). Tính tốn hố xói :
L rơi
h cd
θ

P

m

a.

MN HL

S2

Đ á y kên h hl

bhố

m

Tài liệu tính tốn

- Cao trình cửa ra đường hầm

: ∇cửa ra= ∇cửa vào-i.L = 40- 0,025.400=30m..

- Chiều sâu dòng chảy cửa ra

: hcửa ra = ho = 6,97m

- Vận tốc dòng chảy cửa ra

: Vcửa ra = 16,74 m/s.

- Lưu lượng tính tốn

: Qtk = 945 m3/s

- Cao trình đáy kênh hạ lưu

: ∇đáy kênh = 18 m

- Mực nước đầu kênh hạ lưu

: ∇đầu kênh = 18 + 7,052 = 25,052 m.

- Chọn góc nghiêng mũi phun

: θ =200 hay imũi =sinθ = 0,342

- Chọn chiều dài mũi phun

: Lmũi = 2m.

- Chiều cao mũi phun:

: hmũi = imũi.Lmũi=0,684m

- Cao trình mũi phun:

: ∇mũi = ∇cửa ra+ hmũi = 30 + 0,684 = 30,684 m

b. Xác định chiều dài nước rơi Lrơi
Ta sẽ tính tốn theo các nội dung sau:
Chiều dài Lrơi là khoảng cách phóng xa theo phương ngang từ mũi phun đến trung tâm
dòng nước tại đáy kênh hạ lưu. Được xác định theo cơng thức sau:


S + 0,5h
L roi = 2.ϕ2 .H 0 . 1 − i 2m .  i m2 + 2 2
+ im ÷
÷
ϕ .H 0



(6)

Trong đó:
+ ϕ: hệ số lưu tốc, ϕ = 1
+ h: chiều sâu dòng chảy cuối mũi phun. Coi h = hcd (do Lmũi phun nhỏ)
+ im : độ dốc mũi phun, im = sinθ
+ S2 : khoảng cách từ mũi phun đến đáy kênh hạ lưu.
Lê Minh Hoàng

Trang 7


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

S2= ∇mũi – ∇đáy kênh

(7)

+ H0 : cột nước lưu tốc cuối mũi phun
H0 = E0 – (S2+ 0,5.h)

(8)

+ E0 : năng lượng tồn phần của dòng chảy tại mũi phun lấy với đáy kênh hạ lưu
E0 = ∇cửa ra– ∇đáy kênh + h +

2
αVcuara
2g

(9)

Bảng 2 :Bảng tính tốn chiều dài nước rơi Lrơi
∇mũi
(m)
30.684

hmũi
(m)
20
0.342 0.684
c. Xác định chiều sâu hố xói
θ

imũi

S2
(m)
12.684

E0
(m)
33.257

HO
(m)
17.087

LRơi
(m)
44.097

- Tính tốn hố xói sau máng phun nhằm mục đích xác định được mức độ xói lở phía sau
cơng trình để tính chiều dài máng và độ sâu đặt móng trụ máng phù hợp, đảm bảo an tồn
cho cơng trình.
- Việc xác định kích thước và chiều sâu hố xói có nhiều cơng thức tính:
+ Cơng thức tính của Mas-man;
+ Cơng thức của giáo sư Za-ma-rin;
+ Cơng thức tính của giáo sư Pa-tơ-ra-sep
+ Cơng thức tính của giáo sư Vư-dơ-gơ
- Các cơng thức tính cho các kết quả khác nhau. Trong phạm vi đồ án này, chọn cơng
thức tính của giáo sư Zamarin:
Theo Zamarin, chiều sâu hố xói được xác định theo cơng thức:

dh =

N .q. sin β '
V '.Vcp

− hh

(10)

Trong đó:
+ N: hệ số phụ thuộc khoảng cách Z từ đáy mũi phun đến mực nước hạ lưu. Tra bảng
2.4 trang 46 “Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu cơng trình tháo”.
P = ∇mũi – ∇mực nước hl → N
+ q: lưu lượng đơn vị. q =

Q 945
=
= 23,50 (m3/s.m)
B 30

+ hh : chiều sâu dòng nước trong kênh hạ lưu, hh = 7,052 m
+ V’: vận tốc dòng phun tại chỗ gặp mặt nước hạ lưu
V’ =
Lê Minh Hoàng

2.g ( E 0 − hh )

(11)
Trang 8

Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

+ Vcp: vận tốc khơng xói cho phép với đất nền là đá nứt nẻ trung bình tra quy phạm
thiết kế kênh TCVN 4118 – 85 nên ta chọn Vcp = 5,6 (m/s)
+ β’: góc dòng phun hợp với đáy kênh hạ lưu, được tính từ cơng thức:
cosβ’ =

V
cos β
V'

(12)

• V: tốc độ tại chỗ tới dòng gặp đáy kênh hạ lưu, tính theo cơng thức:
2
2
+ 2g.(S2 + 0,5.h mui ) = Vcua
V= Vmui
ra + 2g.(S2 + 0,5.h mui )

• β tính theo cơng thức, cosβ = (1 − im2 ).

(13)

H0
E0

(14)

Lập bảng tính chiều sâu hố xói với nhiều góc θ khác nhau.
Bảng 3 : Bảng tính chiều sâu hố xói
θ

imũi

∇mũi
(m)

S2
(m)

Ho
(m)

V
(m/s)

V'
(m/s)

cosβ

cosβ
'

P
(m)

N

sinβ'

dh
(m)

2
0 0.342 30.684 12.684 17.087 34.599 22.675 0.45 0.69 5.63 5.95 0.72 4.95
d. Chiều rộng hố xói
Chiều rộng hố xói theo phương ngang:
q

31,50

= 5,63m
bhố = V =
5, 6
cp

⇒
Chọn bh = 5,6 m
e. Chiều dài hố xói
Lhố = bh + 2.m.dh
Trong đó:
+ m: hệ số mái hố xói, m = 1,5
+ dh : chiều sâu hố xói, dh = 4,70m
Vậy
Lhố = 5,6 + 2.1,5.4,7 = 19,70 m. Chọn Lhố = 20 m.
Kết luận: Kích thước cơ bản của hố xói như sau :
- Chiều sâu hố xói

: dhx = 4, 7 m .

- Chiều dài hố xói

: Lhx =20 m

- Chiều rộng đáy hố xói

: bhx = 5,6 m

- Hệ số mái dốc hố xói

: m = 1,5.

PHẦN KẾT CẤU :
Lê Minh Hoàng

Trang 9


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Mục đích của việc tính tốn kết cấu lớp lót đường hầm là xác định được nội lực vá
ứng suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép (ở đây
khơng xét đến lực kháng đàn tính).
Các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm :
1. Hướng dẫn thiết kế đường hầm thuỷ lợi HD-TL-C3-77.
2. Kết cấu thép tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575-1991.
3. Các cơng trình thuỷ lợi các quy định chủ yếu về thiết kế.

4. Kết cấu thép.
5. TCVN 4116-85 Kết cấu bê tơng và bê tơng cố thép thuỷ cơng.
Các chỉ tiêu của lớp đá quanh đường hầm :
Các chỉ tiêu cơ lý của đá xung quanh:
 Mơ đun đàn hồi của nền: E =
 Dung trọng tự nhiên của đá γW = 2,3 T/m3
 Lực dính đơn vị C =
 Góc ma sát trong của đá ϕ =


1. Tính tốn lực tác dụng.
Xét cho 1 m chiều dài đường hầm
Đá núi có fk = 6,0 > 4 nên trong trường hợp này áp lực đá núi lấy tương ứng bằng trọng
lượng đất đá trong vùng bị phá hoại.
Chiều cao vùng bị phá hoại có thể tính theo cơng thức sau:
hp = Ka.B0;
Trong đó:



B0 - chiều rộng đường hầm; B0 = 8,0 m;
K a - hệ số phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, lấy theo bảng (5.3) “Bài
giảng cao học Thiết kế đường hầm thủy cơng”; Ka = 0, 2

Lê Minh Hoàng

Trang 10


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Từ đó hp = 0,2. 8,0= 1,60 m
− Áp lực thẳng đứng tác dụng lên đỉnh vỏ đường hầm được xác định như sau:
P1 = β.γw.hp
Trong đó:
 β - hệ số phụ thuộc vào bề rộng đường hầm,
với B0 = 8,0m > 7,5 m thì β = 1.0
 Dung trọng tự nhiên của đá núi γW = 2,3 T/m3
→ P1 = 1. 2,3.1,60 = 3,68 T/m
− Trọng lượng bản thân lớp lót:
Chọn chiều dày lớp lót t = 0,45m
P2 = π. R. t = π.

Bo
.t = 5,65 T/m
2

2. Tính tốn nội lực bằng pp phần tử hữu hạn thơng qua PM Sap2000 :
a) Tính theo 3D:

Mơmen M11( theo phương dọc) ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

Lê Minh Hoàng

Trang 11


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Mơmen M22( theo phương ngang) ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

b) Tính theo 2D:
Trọng lượng bản thân

Áp lực đá

Lê Minh Hoàng

Trang 12


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Biểu đồ Mơmen ứng hới tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

3. Tính tốn cốt thép lớp vỏ đường hầm :
− Qua kết quả tính tốn nội lực bằng phần mềm Sap 2000, với trường hợp tổ hợp lực
: Comb1 = 1,2.TLBT + 1,5.ÁPLỰC ĐÁ ta được Mmaxtrong = 18,80 T.m.
− Tính A :

A=

K n .n c .M

m b .R n .b.h 20

Trong đó :
Mác bê tơng M250. → Mơđun đàn hồi Eb = 2,65.106 T/m2.
Kn : Hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp cơng trình, CT cấp II : Kn = 1,20
Lê Minh Hoàng

Trang 13


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

n : hệ số tổ hợp tải trọng : n = 1.
M : Mơmen tính tốn lớn nhất của đường hầm
mb : Hệ số điều kiện làm việc của bê tơng: mb = 1
Rn : Cường độ chịu nén của Bê tơng, Rn = 110 Kg/cm2
b : Chiều rộng băng tính cho b = 1m dài.
h0 : Chiều cao hữu ích của tiết diện tính tốn.
− Tính hệ số a : α = 1 − 1 − 2A
Fa =

− Tính Fa :

m b .R n .b.h 0 .α
m a .R a

Trong đó :
Ra : Cường độ chịu kéo của cốt thép, Ra = 2700 Kg/cm2
ma : Hệ số điều kiện làm việc của cốt thép : ma = 1,1
− Căn cứ vào Fa tính tốn tra bảng và chọn cốt thép hợp lý, rồi sau đó kiểm tra lại
hàm lượng cốt thép tối thiểu.
µ min ≤ µ =

Fa
m .R
≤ µ max = α. b n

b.h 0
m a .R a

Với µ min = 0,15% Là hàm lượng cốt thép tối thiểu, được tra theo quy phạm.
Nội lực
Q
M
(Tm) (T/m)
25,58 18,80

Lê Minh Hoàng

Bảng tính tốn kết cấu vỏ đường hầm
Hệ số tính tốn
Tính Fa (cm2) và chọn

Thép cấu tạo

A

a0

Fatt

Fachọn

Rebars

Fatt

Fachọn

Rebars

0,186

0,208

23,16

24,54

5Φ25

5,43

5,65

5Φ12

Trang 14