Thiết kế đường hầm thủy công

Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

BÀI TẬP ĐỀ SỐ 15
THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
I. Tài liệu ban đầu:
Hồ chứa nước H có đường hầm dẫn dòng thi công, kết hợp tháo lũ lâu dài.
1. Thông số hồ chứa:
MNDBT = 70,0m;
MNLTK = 73,0m.
Ht = 3,0m.
Zđập = 75,0m.
Zcửa vào đường hầm = 40,0m.
Công trình cấp II.
Lưu lượng tháo lũ QTK = 860 m3/s.
2. Thông số đường hầm:
- Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B0 = 7,8 m, chiều cao phần
chữ nhật Hcn = 4,4 có vát góc ở đáy (theo mặt cắt tiêu chuẩn).
- Chiều dài hầm : Lhầm = 400 m.
- Độ dốc đáy i.
- Vật liệu gia cố: bê tông cốt thép M250.
- Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3 T/m3.
- Hệ số kiên cố : fk = 5,0; nứt nẻ trung bình.
- Phần vào để tháo nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D = 8,0
m; ngưỡng thực dụng có P = 3,0 m; hệ số lưu lượng m = 0,48; bố trí theo tuyến
tròn không hoàn chỉnh với góc mở  = 3000, bán kính đến tuyến ngưỡng tràn là Rt.
3. Thông số hạ lưu (sau cửa ra đường hầm) :
- Zđáy = 18,0m; B = 30,0m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001
- Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6).
II. Yêu cầu tính toán:
1. Phần thuỷ lực:

- Tính toán bán kính Rt của ngưỡng vào để tháo QTK với cột nước Ht đã khống
chế.
- Tính toán độ dốc i của đường hầm để tháo QTK với độ lưu không cho phép
 = 0,2h (h là độ sâu nước trong đường hầm).
1


Bi tp ln Thit k ng hm Thy cụng
H.W.r.u

- Thit k thụng khớ ng hm.
- Thit k tiờu nng sau ng hm (thit k mi phun v v tớnh h xúi ng
vi QTK).
2. Phn kt cu :
Tớnh toỏn ni lc v b trớ ct thộp trong lp lút ng hm cho phn vũm
na trũn ca mt ct hm (ch xột ỏp lc ỏ nỳi v trng lng bn thõn lp lút).

SƠ Đồ TíNH TOáN THIếT Kế ĐƯờNG HầM

Rt

S

S1

D

m1

Dx hra

MNHL
18,0

S2

Z2

h

h

m=1.5

L=400m
L1
MặT BằNG CửA VàO

L

MặT CắT ĐƯờNG HầM

Ha

R

Lx

o

H



Bo

2


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

BÀI LÀM
PHẦN TÍNH TOÁN THỦY LỰC
1. Tính toán bán kính Rt của ngưỡng vào để tháo QTK:
- Ngưỡng tràn kiểu ngưỡng thực dụng, lưu lượng tháo qua đập tràn được xác
định theo công thức sau:
2
Q TK  mBt 2áH3/
0

 Bt =

Q TK

(1)

2

m. 2á.H3/
0

Trong đó:
Bt : Chiều rộng tràn (m).
m : Hệ số lưu lượng tính toán, m = 0,48.
H0 : Cột nước toàn phần trên ngưỡng tràn, được xác định như sau :
H0  H 

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

- Thay tất cả vào (1) ta được : Bt =

860
 77,84
0,48 2.9,81.33 / 2

Ta chọn lại Bt = 78,0 m.
- Do mặt cắt không hoàn chỉnh với góc mở rộng  = 3000, nên bán kính đến
tuyến ngưỡng tràn Rt được xác định như sau :
Bt = 2Rt   Rt = Bt 1 360 = 78.
2 

360

1
360 = 14,9 m.
.

2.3,14 300

2. Tính toán độ dốc i của đường hầm:
Do khống chế dòng chảy đều trong hầm sao cho dòng chảy không 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 

 .C R 

Lưu lượng qua hầm được xác định : Q tk  .C Rã  ã  

(2)

Trong đó :
Các đặc trưng , C, R đều tính với dòng đều h0.
â 
  H20 .à  0 
 H0 

â 
R  H 0 .àR  0 
 H0 

C

1 0,11  â 0 
.H 0 .àc 


n
 H0 

H0 : Chiều cao toàn bộ của mặt cắt (m).
3


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

Các trị số f, fR, fc tra trên đồ thị hình (4-6) ứng với trị số h0/H0 và hệ số
1
n

Sedy theo Pavlopxki C  R y vôùã y = 0,11 .
* Tính H :
H0 = Hcn + B0/2 = 4,4 + 7,8/2 = 8,3 m.
Để chảy không áp, phải khống chế độ lưu thông  = 0,2 h0
H0 = h0 +  = h0 + 0,2 h0 = 1,2h0. 

â0
1

 0,83
H 0 1,2

Có tỷ số h0/H0 = 0,83 tra biểu đồ a hình 4-6 trang 27 Bài giảng cao học Thiết
kế đường hầm ta xác định được các thông số sau:
f = 0,80; fR = 0,31;

fc = 0,88

Thay vào trên ta xác định được:
â 
  H20 .à  0 
 H0 



 = 8,32.0,8 = 55,11

â 
R  H 0 .àR  0 
 H0 



R = 8,3.0,31 = 2,57



C=

C

1 0,11  â 0 
.H 0 .àc 

n
 H0 

1
.8,30,11.0,88 = 65,33
0,017

Thay tất cả vào (2) ta được:
2

2



 Q tk 
860
ã tk  
=
= 0,022 = 2,2%

 .C R 
 55,11.65,33. 2,57 





- Chiều sâu mực nước trong đường hầm :
â0
H0

 0,83  âé  0,83.Hé  0,83.8,3 = 6,9 m.

Chọn độ dốc dốc hầm là itk = 2,2 %.
3. Thiết kế thông khí đường hầm:
3.1 Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết:
- Lưu lượng thông khí cần thiết được xác định theo công thức sau:
Qa = Qab + Qac
Trong đó:
Qa : Lưu lượng thông 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 công thức thực nghiệm sau :
4


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy cơng
H.W.r.u

Qab = 0,1. b .VTB

(3)

Trong đó : b là dãện tscâ ârnâ vãên pâân ởđlnâ véø
m, céù câãềï cắ Zb
Câéïn Zb = 1,64 m >  (  = 1,38), tư ơná ư ùná vớã áéùc câắn ở tâm   900

H

Ha

R

Zb

Kâã đéù ta céù:

Bo
Hình 02:
b 

Sơ đồ tính toán diện tích hình viên phân

R 2 (  1) 3,9 2 (  1)

 16, 29m 2
2
2

R là bán kính hình tròn, R = B0/2
VTB : Lưu tốc của dòng chảy phía dưới vật cản, được xác định:
VTB 

Q tk




Q tk
  b



860
.3,92
(7,8* 4, 4 
)  16,29
2

 20,52 m/s

- Ta có: QaC là lưu lượng do tự hàm khí trên mặt thống dòng chảy, được xác
định theo cơng thức:
Qac = 0,04. Fr-40 .Q (4)
Trong đó :
Q: Lưu lượng thiết kế QTK = 860 m3/s
Fr : Số Fr tính theo bán kính R, Fr =

v2
 9, 65
gR

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

Q 860

 15,6 m/s
 55,11

Vì Fr = 9,65 < 40 nên khơng có tự hàm khí  khơng tính Qac
5

Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy cơng
H.W.r.u

- Thay tất cả vào (3) ta được:
Qa = Qab = 0,1. b .VTB = 0,1.16,29.20,52 = 33,43 m3/s

3.2 Tính tốn tiết diện ống dẫn khí:
- Khi thiết kế đường ống dẫn khí, thường khống chế lưu tốc khí trung bình
trong ống khơng vượt q 60m/s để tránh rung động và phát ra tiếng rít.
- Ta tiến hành chọn Vak = 50 m/s < [Vak] = 60m/s tiến hành tính tốn diện tích
mặt cắt ngang ống dẫn khí như sau:
a =

Qa
33,43
=
 0,67 m 2
Va
50

- Tính tốn độ chân khơng: Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí, xác
định theo cơng thức tính tốn thuỷ động học :
Qa = μ a .ωa . 2g.h ck .

 h ck

γ
γa




Qa

=
 μ . 2g. γ
 a a
γa










2

(5)

Trong đó:
a là 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 :
a 

1
=
1  ã

1
= 0,82
1+0,5

Với  i là tổng tổn thất trên đường ống dẫn khí bao gồm tổn thất tại cửa
vào, chổ uốn cong và tổn thất dọc đường:
Thiết kế cửa vào khơng thuận, tra bảng ta được:  cv = 0,5, đường ống dẫn
khí thẳng và ngắn nên  uốn = 0,  dđ = 0, bỏ qua tổn thất cửa ra nên  cr = 0. Do đó:
 i =  cv +  uốn +  cr +  dđường = 0,5

a : Dãện tscâ maqt cắt náaná cïûa éáná dẫn kâs (m2).
âck: Đéäcâân kâéâná ở kâéảná kâéâná sạ bïéàná van.
 vàa : Lần lư ợt làtréïná lư ợná rãêná cïûa nư ớc vàcïûa kâéâná kâs, tréná
đãềï kãện brnâ tâïờ
ná lấy /a = 760.
- Thay tất cả vào (5) ta được:
h ck = 0,248 m.
6


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

- So sánh hck với [ hck ] = 6 m
hck = 0,248 m < [ hck ] = 6m  nên độ chân không nằm trong giới hạn cho
phép.
Chọn ống dẫn khí tiết diện chữ nhật kích thước 0,8 x 0,8 = 0,64 m2.
4. Thiết kế tiêu năng sau đường hầm:
4.1 Tính toán chiều sâu cột nước hạ lưu hh :
- Tính toán mặt cắt kênh theo phương pháp mặt cắt lợi nhất về thủy lực.

Ta có : F  R ln  

4m 0 ã
Q TK

Trong đó :
QTK: Lưu lượng thiết kế của kênh Qtk = 860 (m3/s)
m : Hệ số mái kênh, m = 1,5
i : Độ dốc thiết kế : i = 0,001
n : Hệ số nhám của kênh, n = 0,03
- Có F(Rln) tra bảng (8-1) Bảng tra thủy lực ta được Rln.
- Với chiều rộng B = 30,0 m, lập quan hệ
thủy lực ta được :

b
sau đó tra bảng (8-3) Bảng tra
R ln

â
tương ứng với hệ số mái m = 1,5.
R ln

h 
- Tinh cột nước trong kênh: hh = 
 .R ln
 R ln 

- Tính toán cao trình mực nước hạ lưu:
MNHL = Zđáy + hh
Bảng 1: Tính toán quan hệ Q ~ hh

Cao trình MN
hạ lưu

Qxả(m3/s)

F(Rln)

Rln

b/Rln

h/Rln

hh

150,00

0,00178

2,84

10,56

0,868

2,47

20,47

300,00

0,00089

3,68

8,15

1,001

3,68

21,68

450,00

0,00059

4,28

7,00

1,086

4,65

22,65

600,00

0,00044

4,77

6,29

1,148

5,48

23,48

750,00

0,00036

5,19

5,78

1,198

6,22

24,22

860,00

0,00031

5,49

5,47

1,231

6,76

24,76
7


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

4.2 Tính toán tiêu năng:

h

Z2

m=1.5
MNHL



Dx hra

m1

18,0

L1
L
Lx
- Hình thức tiêu năng : Mũi phun tạo hố xói.
- Chọn kích thước sơ bộ của mũi phun:
 Góc nghiêng mũi phun : 0 = 300
 Chiều dài mũi phun :
Lmũi phun = 2,0 m.
 Cao trình mũi phun :
ZMũi phun = Zcửa vào – itk.Lhầm + Lmũi phun. sãn0
 Cao trình đáy sông hạ lưu : Zh = 18,0 m.
- Chiều dài phóng xa được xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây :
L  L1 

ââ  dx
tá

Trong đó :
L1  K a .

V12 cés  0 
2áZ
2
 sãn  0  sãn  0  2 2
á
V1







 Khoảng cách từ mũi phun đến đáy kênh hạ lưu Z2 :
Z2 

â cés  0
p
2

 Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mực nước hạ lưu :
tá  tá2  0 

v12

2áZ2
cés2  0

 Lưu tốc dòng chảy ở mũi phun : v1   2áZ1
 P : Chiều cao mũi bậc so với MNHL, P = Zmũi phun - ZMNHL
 Ka : Hệ số kể đến hàm khí (phụ thuộc vào hệ số Fr 1).
8


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

v2
Fr 


áR

 Q/

2

=

á.R

 905 / 52, 49 

2

9,81 2,51

 12, 07 < 35  K a  1

  : Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mặt nước hạ lưu.
 Z1 : Chênh lệch cao độ giữa mực nước thượng lưu và mũi phun:
Z1 = ZMNTL - Zmũi phun
 h : Chiều cao dòng nước trên mũi phun: â 

Q
B.v1

  : Hệ số lưu tốc, sơ bộ chọn  = 0,95
a) Xác định chiều sâu hố xói :
Coi chiều sâu hố xói bằng chiều sâu bể tiêu năng, được xác định như sau :
d x  .â"c  â â (a)

Trong đó :
  : Hệ số chảy ngập;  = 1,05  1,1 ta chọn  = 1,05.
 hh : Chiều sâu cột nước hạ lưu, được xác định theo phương pháp mặt cắt
lợi nhất về thuỷ lực như trên (tính toán với các thông số hạ lưu).
 â"c : Độ sâu liên hiệp với độ sâu hc tại mặt cắt co hẹp ở đáy hố sâu.
 Để tính toán ta giả thiết 1 chiều sâu dx ta tính ra E0 theo Agrốtskin sau đó
tính toán F  c  

q
2
.E3/
0

Vôùã q=

Q
Bt

;  = 0,95 . Tra bảng Agrốtskin với F(tc) và  ta

được c vaø"c Tính hc và â"c với â c  c .E0 vaøâ"c  "c .E0
 Thay tất cả các giá trị tìm được vào công thức (a) và tính toán lại dxtt, nếu
dxgt  dxtt thì xem như giả thiết là đúng nếu không phải tiến hành giả thiết và tính
toán lập lại như bước trên.
 E0 : Năng lượng toàn phần của dòng chảy lấy đối với đáy hố xói.
E0 = ZMNTL - Zđáy sông HL + dx = ZMNTL - 18 + dx
 Tính dx với cấp lưu lượng thiết kế được thể hiện trên bảng tính toán dưới
đây:
Bảng 2 : Bảng tính toán chiều sâu hố xói dx
Q

(m3/s)

MNTL

dxgt

E0
(m)

q
(m2/s)

F(c)

c

860

73,00

1,85

56,85

11,03

0,027

0,0061

c
0,1453

hc
(m)

hc
(m)

hh
(m)

dxtt
(m)

0,35

8,2574

6,76

1,91

9


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

b) Xác định chiều dài hố xói:

Chiều dài hố xói được xác định theo công thức sau:
Lx = 2.hk + 4,5.dx
Với quan điểm cho rằng hố xói có dạng hình thang, đáy có chiều rộng B =
2k, mái thượng lưu m1 = 3, mái hạ lưu m2 = 1,5; hk và cột nước phân giới và được
xác định như sau : â k  3

q 2
á

Bảng 3: Bảng kết quả tính toán chiều dài và chiều sâu hố xói
Q
H0
(m3/s) (m)
860

3,00

TL HL
73,00

6,76

hh
(m)
24,76

mp
31,75

®¸y P

s«ng (m)
18

6,99

Z1
(m)
41,2

V1
(m/s)
27,03

hmòi
0,41

Z2
(m)

tg0

L1
(m)

hc
(m)

hc"
(m)

dx
(m)

L
m)

hk
(m)

7,19

0,56

59,92

0,35

8,26

1,91

75,23

2,31

10

Lx (m)
13,24

Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

PHẦN TÍNH TOÁN KẾT CẤU
Mục đích của việc tính toán 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 không xét đến lực kháng đàn tính).
I. 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 công trình thuỷ lợi các quy định chủ yếu về thiết kế.
4. Kết cấu thép.
5. TCVN 4116-85 Kết cấu bê tông và bê tông cố thép thuỷ công.

II. Các chỉ tiêu của lớp đá quanh đường hầm:
- Dung trọng của đá : w = 2,3 T/m3.
- Hệ số kiên cố : fk = 5,0.
- Nền đá nứt nẻ trung bình có hệ số xói k = 1,6.
- Không xét đến lực kháng đàn tính.
III. Tính toán các áp lực tác dụng lên lớp vỏ đường hầm:
Do đá núi có hệ số kiên cố fk = 5,0 > 4 và H0 = 4,4 m < 6 m nên trong tính
toán áp lực tác dụng lên vỏ hầm không xét đến áp lực ngang.
Khi đó chiều cao vùng bị phá hoại khi đào đường hầm sơ bộ được xác định
theo công thức sau : hp = Ka.B0
Trong đó :
B0 : Chiều rộng đường hầm :B0 = 7,8 m.
Ka : Hệ số phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, được xác định theo bảng (53). Tra ra ta được : với fk = 5,0, đá nứt nẻ trung bình ta được : Ka = 0,20.
Thay tất cả vào trên ta được : hp = = Ka.B0 = 0,2.7,8 = 1,56 m.
Xác định áp lực thẳng đứng trên đỉnh đường hầm :

P = β.γw.hp = 1.2,3.1,56 = 3,59 T/m2
Trong đó :
11


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

β : Hệ số phụ thuôc vào bề rộng đường hầm, với B0 = 7,8 m > 7,5 m vậy β

= 1,0.
Dung trọng của đá : γw = 2,3 T/m3.
Xác định trong lượng bản thân: Phần mềm SAP2000 tự tính. Với chiều dày
của vỏ hầm ta chọn : thầm = 0,30m.
IV. Tính toán nội lực bằng pp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Sap2000

Biểu đồ áp lực đá+lớp lót

12


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

Biểu đồ lực dọc

13


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công

H.W.r.u

Biểu đồ lực cắt

14


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

Biểu đồ Mômen ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

V. Tính toán cốt thép lớp vỏ đường hầm:
- Qua kết quả tính toán nội lực bằng phần mềm sap 2000, với trường hợp tổ
hợp lực : Comb1 = 1,2.TLBT + 1,5.ÁPLỰC ĐÁ = 6,28 (T) ta được Mmaxtrong =
18,75 T.m
Tính A :

A

K n .n c .M
m b .R n .b.â 20

Trong đó :
Mác bê tông M25 (M250 cũ).  Môđun đàn hồi Eb = 2,65.107 T/m2.
Kn : Hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp công trình, CT cấp II : Kn = 1,20
n : hệ số tổ hợp tải trọng : n = 1.
M : Mô mem tính toán lớn nhất của đường hầm
mb : Hệ số điều kiện làm việc của bê tông: mb = 1
Rn : Cường độ chịu nén của Bê tông, Rn = 110 Kg/cm2

b : Chiều rộng băng tính cho b = 1m dài.
h0 : Chiều cao hữu ích của tiết diện tính toán.
+ Tính hệ số a :   1  1  2A
15


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

+ Tính Fa :

Fa 

m b .R n .b.â 0 .
m a .R a

Trong đó :
Ra : Cường độ chịu kéo của cốt thép, chọn cốt thép loại CII, Ra = 2700
Kg/cm2
ma : Hệ số điều kiện làm việc của cốt thép : ma = 1,1
+ Căn cứ vào Fa tính toán tra bảng và chọn cốt thép hợp lý, rồi sau đó kiểm
tra lại hàm lượng cốt thép tối thiểu.
 mãn   

Fa
m .R
  max  . b n
b.â 0
m a .R a

Với  mãn  0,15% Là hàm lượng cốt thép tối thiểu, được tra theo quy phạm.
Kết quả chọn cốt thép:
Tiết diện
1-1

M(T.m) ho(cm)
9,64
26

b(cm)
100

Fa(cm) μ(%)
15,33 0,59%

Bố trí
5 Φ20

Fach
15,71

μth(%)
0,60%

16