Lý thuyết công trình tháo nước và thiết kế đường hầm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (327.88 KB, 25 trang )
CƠNG TRÌNH THÁO NƯỚC VÀ THIẾT KẾ DƯỜNG HẦM
*
*
*
*
MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................................1
I : TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH THÁO (LÝ THUYẾT)...........................................................2
Câu 1: Vẽ sơ đồ (mặt bằng, cắt dọc) và nêu đặc điểm bố trí, ưu nhược điểm,
trường hợp sử dụng của các loại công trình tháo lũ: đập tràn, đường tràn
dọc, đường tràn ngang, xiphông, giếng, gáo................................................................2
Câu 2: Trình bày các chức năng của tràn chính, tràn phụ, tràn sự cố trong
công trình đầu mối. Khi nào thì cần bố trí tràn phụ, tràn sự cố?..........................5
Câu 3: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các loại đập tràn.
Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến khả năng tháo. Trong
trường hợp nào thì phải nghiên cứu khả năng tháo bằng thí nghiệm mô hình? 5
Câu 4: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các CTTN kiểu kín
(xiphông, giếng). Phân tích khả năng chòu được sự quá tải về lưu lượng của
loại CTTN này.....................................................................................................................7
Câu 5: Trình bày công thức chung để kiểm tra khả năng khí hóa tại các bộ
phận CTTN; cách xác đònh trò số Kpg và K của từng bộ phận............................8
Câu 6: Trình bày phương pháp kiểm tra khả năng xâm thực bề mặt lòng dẫn
khi có ghồ ghề cục bộ.....................................................................................................9
Câu 7: Nêu và giải thích các giải pháp công trình để phòng chống khí thực
trên CTTN...........................................................................................................................10
Câu 8: Vì sao phải bố trí các kết cấu điều khiển dòng xiết (ĐKDX) trên
CTTN? Nêu các hiện tượng thủy lực bất lợi khi bố trí kết cấu ĐKDX không
hợp lý.................................................................................................................................11
Câu 9: Nêu các dạng đường biên của đoạn thu hẹp đáy phẳng, ưu nhược điểm
và điều kiện áp dụng của mỗi dạng.........................................................................12
Câu 10: Trình bày mục đích tính toán tiêu năng sau CTTN; cách xác đònh lưu
lượng tính toán đối với dạng tiêu năng dòng đáy, dòng mặt, dòng phóng xa;
cách xác đònh mực nước hạ lưu trong tính toán tiêu năng......................................13
Câu 11: Vẽ sơ đồ, nêu nguyên lý, đặc điểm công tác, ưu nhược điểm và
trường hợp áp dụng hình thức tiêu năng đáy, dòng mặt, dòng phóng xa.........13
II:THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THỦY CƠNG...........................................................................16
Câu 1: Đường hầm thủy công được xây dựng trong những trường hợp nào? Khi
nào thì chọn chế độ thủy lực trong đường hầm là có áp, không áp?..............16
Câu 2: Sự phân vỉa và tính nứt nẻ của đá núi có ảnh hưởng như thế nào
đến việc xây dựng đường hầm?...................................................................................16
Câu 3: Trong việc chọn tuyến đường hầm cần chú trọng xem xét các điều
kiện gì?................................................................................................................................18
Câu 4:Vẽ sơ đồ và trình bày cách bố trí các bộ phận của đường hầm tháo
dẫn nước, đường hầm của trạm thủy điện kiểu đường dẫn................................18
Câu 5: Vẽ sơ đồ và trình bày phương pháp tính toán thuỷ lực xác đònh khả
năng tháo nước của đường hầm có áp và không áp.........................................20
Câu 6: Trình bày nguyên tắc và trình tự tính toán để xác đònh kích thước mặt
cắt đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện.........................................................21
Câu 7: Tính toán áp lực đá núi tác dụng lên áo đường hầm theo phương pháp
Protiacanốp......................................................................................................................22
Câu 8: Trong thiết kế đường hầm, khi nào thì xét đến lực kháng đàn tính của
đá? Lực kháng đàn tính được tính toán như thế nào?..............................................22
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Câu 9: Trình bày nội dung tính toán vòm thấp theo phương pháp cơ học kết cấu.
...............................................................................................................................................23
Câu 10: Trình bày nội dung thiết kế đường hầm theo hệ thống phân loại chất
lượng khối đá (phương pháp Terzaghi, Barton, Bieniawxki). Hãy nói rõ vai trò
của kỹ sư đòa chất trong quá trình khảo sát, thiết kế và thi công hầm.............24
Câu 11: Nêu ưu nhược điểm, điều kiện ứng dụng và các nội dung thiết kế
đường hầm thủy công không bọc áo.........................................................................26
I : TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH THÁO (LÝ THUYẾT).
(Tham khảo)
Câu 1: Vẽ sơ đồ (mặt bằng, cắt dọc) và nêu đặc điểm bố trí, ưu nhược điểm,
trường hợp sử dụng của các loại công trình tháo lũ: đập tràn, đường tràn
dọc, đường tràn ngang, xiphông, giếng, gáo.
Trả lời:
- Đập tràn:
+ Vẽ sơ đồ:
A
10
5
11
0
11
5
12
0
12
13 5
0
105
115
11
0
120
125
130
a)
135
+Đặc điểm bố trí: Trực tiếp nằm trên thân đập ở lòng sông hoặc bãi gần sông. Cần bố trí
trực tiếp trên nền đá. Cần tạo cho điều kiện thiên nhiên của lòng sông không vò phá hoại.
Phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công và phương pháp thi công.
+ Ưu điểm: Vừa là đập dâng nước vừa tháo nước nên không phải làm thêm công trình
tháo nước ngoài thân đập. Có khả năng tháo nước lớn. Việc bố trí và đóng mở cửa van
thuận tiện nên có thể chủ động điều tiết nức theo nhu cầu.
+ Nhược điểm: Khối lượng thi công lớn, khó bố trí mặt bằng thi công và công trình dẫn
dòng, phải xử lí nền đối với các công trình có đòa chất phức tạp. Công trình tiêu năng sau
tràn lớn.
+ Trường hợp sử dụng: Dùng cho các công trình có mặt bằng rộng lưu lượng tháo lũ lớn.
- Đường tràn dọc :
+ Vẽ sơ đồ:
B
b)
A
B
C
C
c)
A
B
C
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
+ Đặc điểm bố trí: Đường tràn dọc thường nằm trên bờ hồ chứa nước. (Có thể bố trí 1
hoặc cả 2 bên vai đập tuỳ theo điều kiện đòa hình và kinh tế của công trình)
+ Ưu điểm: Thi công và quản lý đơn giản, xây dựng được trong nhiều điều kiện đòa hình
khác nhau, yêu cầu về đòa chất không cao, an toàn về tháo lũ …
+ Nhược điểm: Sau ngưỡng tràn là dốc nước do chảy xiết có thể xãy ra hiện tượng sóng
truyền vượt quá độ cao an toàn bờ dốc, gây áp lực động lên bản đáy, ảnh hưởng đến sự
làm việc của bể tiêu năng và kênh tháo sau bể tiêu năng.
+ Trường hợp sử dụng: Thường gặp trong đầu mối công trình có đập không tràn bằng vật
liệu tại chỗ chỗ và đập có trụ chống.
- Đường tràn ngang:
+ Vẽ sơ đồ:
4
3
II
5
I
I
6
2
II
7
1
II - II
I - I
1
1
7
+ Đặc điểm bố trí: Đường tràn ngang cũng thường nằm trên bờ hồ chứa nước
+ Ưu điểm: Trong điều kiện đòa hình dốc, sườn núi đá làm đường tràn ngang có nhiều ưu
điểm là bố trí ngưỡng tràn theo đường đồng mức của sườn núi, chiều dài ngưỡng tràn đảm
bảo tháo hết lưu lượng lũ cần thiết với cột nước trên ngưỡng thấp mà khối lượng đào đất
đá hợp lý. Độ dốc kênh tháo tương đối lớn nên mặt cắt kênh có thể giảm nhỏ, do đó khối
lượng công trình giảm. Cột nước trên ngưỡng tràn thấp nên có thể giảm độ cao của đập và
giảm được tổn thất ngập lụt thượng lưu.
+ Nhược điểm: Dòng chảy trong máng bên là dòng biến lượng, xoắn ốc khá phức tạp
+ Trường hợp sử dụng: Trường hợp ở đầu mối công trình không có vò trí thích hợp để làm
đường tràn dọc, nhất là lúc đòa hình dốc và hẹp thì nên làm đường tràn ngang. Dùng cho
tất cả các loại công trình lớn, vừa và nhỏ.
- Xi phông:
+ Vẽ sơ đồ:
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
I-I
2
3
2
1
4
7
4
2
I
b)
2 1
3
I
6
5
4
+ Đặc điểm bố trí:Có thể bố trí trong đập bê tông, trong các đập đất không lớn lắm.
+ Ưu điểm:Tự động tháo nước. Rẻ tiền. Không cần có cửa van và các thiết bò đóng mở, do
đó không cần nhân viên phục vụ.
+ Nhược điểm:độ chân không lớn, dễ gây xâm thực, khi tháo lũ sinh ra chấn động ảnh
hưởng tới ổn đònh công trình, cấu tạo tương đối phức tạp.
+ Trường hợp sử dụng: Xi phông được ứng dụng rộng rãi ở những nơi nước lũ về nhanh khi
có mưa, việc ứng dụng xiphông tháo lũ có tác dụng lớn vì nó tự làm việc và đảm bảo tháo
lũ nhanh chóng
- Giếng:
+ Sơ đồ:
b)
a)
A
B
c)
B
H
C
H1
H1
A
C
+ Đặc điểm bố trí: Thường xây dựng ngoài thân đập, nằm ở ven bờ hồ chứa trong đầu mối
công trình có đập dâng bằng vật liệu đòa phương, cũng có trường hợp đập dâng là đập vòm
hay bản chống và phải tháo lũ thi công bằng đường hầm. Ngoài ra còn bố trí xây dựng
trong thân đập đất.
+ Ưu điểm:có khả năng tháo lưu lượng lớn với cột nước thấp.
+ Nhược điểm:Có chế độ thuỷ lực phức tạp.
+ Trường hợp sử dụng:Khi bờ hồ là đá, có đòa hình dốc và hẹp không thuận lợi để bố trí
các công trình tháo lũ khác. Bản thân đường hầm tháo lũ là đường hầm dẫn dòng thi công.
- Gáo:
+ Sơ đồ:
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
a)
b)
4
II
3
2
3
5
2
I
1
6
I
II
c)
I -I
I I -I I
3
4
7
H
2
6
6
+ Đặc điểm bố trí:Có thể đặt ở bờ sông hay thân đập
+ Ưu điểm:
+ Nhược điểm:côt nước trên đỉnh tràn nhỏ nên chiều dài ngưỡng lớn
+ Trường hợp sử dụng: Chỉ sử dụng đối với công trình loại nhỏ và vừa.
Câu 2: Trình bày các chức năng của tràn chính, tràn phụ, tràn sự cố trong
công trình đầu mối. Khi nào thì cần bố trí tràn phụ, tràn sự cố?
Trả lời:
- Chức năng của tràn chính: Tràn chính có nhiệm vụ tháo lưu lượng lũ thiết kế. Khi
tràn chính có cửa thì tràn chính còn có nhiệm vụ kết hợp dung tích phòng lũ với dung tích
hữu ích trong hồ.
- Chức năng của tràn phụ: Tràn phụ có nhiệm vụ tháo một phần lưu lượng lũ thiết
kế và lũ vượt quá thiết kế. Khi tràn chính không đảo bảo tháo lũ về. Tràn phụ được tính
toán đặt ở 1 cao trình nào đó.
- Chức năng của tràn sự cố: Tràn sự cố có nhiệm vụ tháo lưu lượng lũ thiết kế khi
vì một lý do nào đó tràn chính không làm việc được.
- Khi nào cần bố trí tràn phụ, tràn sự cố: Khi tràn chính chòu được sự quá tải kém
như giếng tháo lũ trong giai đoạn chảy có áp thì cần có tràn phụ và tràn sự cố để phối hợp
tháo lũ hay khi tràn chính gặp sự cố cửa van không làm việc.
Câu 3: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các loại đập tràn.
Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến khả năng tháo. Trong
trường hợp nào thì phải nghiên cứu khả năng tháo bằng thí nghiệm mô
hình?
Trả lời:
* Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các loại đập tràn
Q = σ n . m. ε. B. 2g H 3/0 2
Trong đó:
Q: Lưu lượng tháo nước
σn: hệ số ngập
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
m: hệ số lưu lượng, m = m . σ . σ
tc Φ H
mtc: hệ số lưu lượng được xác đònh theo đập tiêu chuẩn
σ
Φ: hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng, do cấu tạo khác với đập
tiêu chuẩn
σ
H: hệ số sửa chữa cột nước do H khác với cột nước thiết kế Htk
σ = f ( H/ HTK) : B¶ng tra
Theo tài liệu của Liên Xô: H
Theo tµi liƯu cđa ph¬ng T©y: σH = f ( H/ HTK)0,16
B: bề rộng tràn
g: gia tốc trọng trường
α. v20
H0: cột nước có kể đến lưu tốc tới gần, H0 = H +
2g
H: cột nước tràn
* Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến khả năng tháo:
- Đập tràn không cửa van:
+ Hình dạng mặt cắt đập: Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc xác đònh bán kính
cong hoặc điều chỉnh đường cong hợp lý ở đỉnh đập, ở chân đập kết hợp với mái thượng
lưu sẽ góp phần thỏa mãn các điều kiện kinh tế và kỹ thuật.
+ Hệ số lưu lượng của đập tràn Creager:
Ảnh hưởng của h/htk: tọa độ mặt tràn được thiết kế với cột nước h tk xác đònh
•
tương ứng với hệ số lưu lượng m 0. Khi vận hành đập sẽ làm việc với các cột
nước h ≠ htk, hệ số lưu lượng sẽ thay đổi m ≠ m0
Ảnh hưởng của hình dạng đập: Hình dạng mặt đập là một trong những nhân
•
tố ảnh hưởng đến lưu lượng thông qua các nghiên cứu thực nghiệm
Tổ hợp ảnh hưởng của h/htk và hình dạng đập với hiện tượng trộn khí:
•
Ảnh hưởng của chân không:
•
Ảnh hưởng của tuyến đập trên mặt bằng:
•
Một số vấn đề khi sử dụng đập tràn chân không
•
- Đập tràn có cửa van:
+ Vò trí cửa van: Khi thiết kế đập tràn có cửa van, kích thước cửa van và khối lượng
xây dựng đập có quan hệ với nhau và quyết đònh tính kinh tế của xây dựng. Vò trí đặt cửa
van có ảnh hưởng tới dòng chảy sau cửa van. Do yêu cầu cấu tạo tại vò trí đặt cửa van
đường cong đập tràn có thay đổi làm ảnh hưởng đến hệ số lưu lượng đẫn đến ảnh hưởng
khả năng tháo của đập tràn.
+ Hệ số lưu lượng qua đỉnh tràn có cửa van: Do chòu ảnh hưởng của hình dạng cửa
van và hình dạng cửa vào nên hệ số lưu lượng qua đập tràn có cửa van khác so với hệ số
lưu lượng chảy qua đập tràn không có cửa van.
*
Trong trường hợp nào thì phải nghiên cứu khả năng tháo bằng thí nghiệm mô hình
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Câu 4: Trình bày công thức tính khả năng tháo nước của các CTTN kiểu kín
(xiphông, giếng). Phân tích khả năng chòu được sự quá tải về lưu lượng
của loại CTTN này.
Trả lời:
* Công thức tính khả năng tháo nước của các CTTN kiểu kín:
- Xiphông:
Q = µ. ϖ. 2g. H t
Trong đó:
+ µ: hệ số lưu lượng tính theo công thức
• Trường hợp cửa ra không ngập
1
ω
µ = 1 + ∑ ξ . K 2 với Ki = ω
i
i
i
Ht: chênh mực nước thượng lưu và trung tâm mặt cắt cửa ra
Trường hợp cửa ra ngập
1
ω
ω
µ=
,
K
2
2 với Ki =
h =
ωi
ωh
Kh + ∑ ξ . Ki
•
i
Ht: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu
+ ∑ ξ i : tổng các hệ số tổn thất từ mặt cắt cửa vào đến mặt cắt cửa ra
của xiphông.
- Giếng:
+ ϖ: diện tích mặt cắt ở cửa ra
H
H
Ht
a). ChÕ ®é ®Ëp trµn
c). Ch¶y cã ¸p ®Õn cưa ra
H
c
H
b
a
Hd
0
b).ChÕ ®é ch¶y qua èng ng¾n
Q
d). Quan hệ Q ∼ H c ủa CTTL kiểu giếng
* Phân tích khả năng chòu được sự quá tải về lưu lượng của loại CTTN này
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Câu 5: Trình bày công thức chung để kiểm tra khả năng khí hóa tại các bộ
phận CTTN; cách xác đònh trò số Kpg và K của từng bộ phận.
Trả lời:
- Công thức chung để kiểm tra khả năng khí hóa tại các bộ phận CTTN:
K=
H
DT
v
-H
2
DT
pg
≤ K
pg
2. g
Trong đó:
K: Hệ số khí hóa của công trình hay bộ phận công trình
HĐT: cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy bao quanh công
trình hay bộ phận đang xét.
vĐT: Lưu tốc trung bình thời gian đặc trưng của dòng chảy tại bộ phận công trình
đang xét.
g: Gia tốc trọng trường
Kpg: hệ số khí hóa phân giới đặc trưng cho vật chảy bao.
- Cách xác đònh trò số Kpg và K của từng bộ phận: Việc xác đònh Kpg phụ thuộc vào
các bộ phận khác nhau. Để tìm K thì xác đònh HĐT và vĐT còn các bộ phận đều có Hpg
giống nhau phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Cửa vào các cống có áp:
HĐT = Z + Ha
vĐT = vT
với: Z: chênh lệch giữa cao độ mực nước thượng lưu và cao độ trần cống tháo ngay
sau cửa vào
vT: lưu tốc trung bình mặt cắt, ngay sau cửa vào
Ha: cột nước áp lực khí trời phụ thuộc cao độ điểm đang xét
Kpg = Cpmax
Với: Cpmax = C pmax + δmax
C pmax được xác đònh cho các cửa vào dạng tròn và elíp trong các thí nghiệm
của các tác giả khác nhau (Tríchvasvili, Orlôra và Rôzanốp Đubintrích, Borđanốp...)
δmax: hệ số mạch động áp lực lớn nhất, δmax = K0. δ trong đó δ là tiêu chuẩn
mạch động áp lực. Khi thiết kế cửa vào theo điều kiện không cho phép sinh khí thực có
thể lấy K0 =4.
Trò số δmax đã được Tríchvasvili xác đònh cho các cửa vào dạng tròn. Rôzanốp
và Nguyễn Chiến đã xác đònh được quan hệ δ = f(Ks, Kr, H/hT) cho một loạt các cửa vào
elíp khác nhau của đường xả đáy có áp trong điều kiện bài toán phẳng.
+ Các mố tiêu năng, các tường và mố phân dòng:
Kpg được xác đònh thông qua thí nghiệm mô hình
Khi có xét đến ảnh hưởng của nước nhảy ngập thì (Kpg)σ = Kpg - α.(σn - 1)
Với α là hệ số thực nghiệm:
α = 0,7 đối với mố hình quân cờ vuông
α = 0,52 đối với mố hình quân cờ hình thoi
α = 0,64 đối với mố hình quân cờ hình tháp
HĐT = Ha +h
Với h: chiều cao cột nước trên mố
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
co hẹp
Mố đặt ở cuối bể: h = h h - hmố và VĐT = Vc, với Vc: lưu tốc tại mặt cắt
Mố không đặt ở cuối bể thì lấy theo thí nghiệm và có thể lấy
h = (0,75-0,85)(hh - hm) với x/ln = 0,25, trong đó x: khoảng cách tính từ mặt cắt co hẹp, l n:
chiều dài nước nhảy.
Câu 6: Trình bày phương pháp kiểm tra khả năng xâm thực bề mặt lòng dẫn
khi có ghồ ghề cục bộ.
Trả lời:
- Công thức chung để kiểm tra khả năng khí hóa tại các bộ phận CTTN:
K=
H
DT
v
-H
2
DT
pg
≤ K
pg
2. g
Trong đó:
K: Hệ số khí hóa của công trình hay bộ phận công trình
HĐT: cột nước áp lực toàn phần đặc trưng của dòng chảy
vĐT: Lưu tốc trung bình thời gian đặc trưng của dòng chảy tại
g: Gia tốc trọng trường
Kpg: hệ số khí hóa phân giới đặc trưng cho vật chảy bao.
Kpg của từng mấu ghồ ghề do thí nghiệm mô hình xác đònh được, nhiệm vụ
là phải xác đònh HĐT và vđt theo từng dòng chảy một với vĐT lưu tốc cục bộ tại các mấu ghồ
ghề chứ không phải xác đònh theo lưu tốc bình quân.
- Xác đònh VĐT : Dòng chảy chia ra 3 dạng đặc trưng sau:
+ Dạng 1: gọi là giai đoạn đầu của dòng chảy, nơi dòng chảy có biến dạng đột ngột
do thay đổi hình dạng lòng dẫn; gồm các vùng co hẹp dòng chảy ở cửa vào CTTN, vùng
co hẹp khi chảy dưới cửa van, dòng chảy ở mặt bên của đầu trụ pin, dòng chảy sau các
khe van, bậc thụt, ngưỡng đáy. Các bộ phận này được đặc trưng bởi sự thay đổi đột ngột
áp lực và lưu tốc trên một chiều dài không lớn, gia tốc dòng chảy ở gần bề mặt thì lớn,
chiều dày lớp biên δ rất nho, cùng bậc với chiều cao có thể có của các mấu ghồ ghề.
• Dòng chảy ở cửa vào hay dưới cửa van: VĐT = VC, với VC là lưu tốc trung
bình tại mặt cắt co hẹp sau cửa vào hay sau cửa van.
• Dòng chảy ở đập tràn hay ở đoạn cong của lòng dẫn: V ĐT = VCB, với VCB là
lưu tốc bình quân cục bộ ở gần bề mặt lòng dẫn, không kể đến lớp biên.
+ Dạng 2: Là đoạn có lớp biên phát triển dần, phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang
thay đổi theo chiều dòng chảy; gồm các phần của đường tháo nước có áp có hình dạng và
diện tích mặt cắt ngang không đổi hoặc thay đổi theo chiều dài bề mặt của đập tràn, dốc
nước, các phần của đường tháo nước sau cửa van...
Quy ước lấy VĐT = Vy
•
Trong đó:
Vy là lưu tốc cục bộ tại vò trí cách mặt cơ bản của bề mặt lòng dẫn một
khoảng bằng y
Tùy thuộc vào dạng mấu ghồ ghề mà y = Zm + ∆ hay y = δ + ∆
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
∆: Chiều cao nhám tương đương trên bề mặt phụ thuộc vào loại vật liệu và
chất lượng thi công
Zm: chiều cao mấu ghồ ghề cục bộ
δ: chiều dày lớp biên tại mặt cắt đang xét
V
. ξ . ξ , m/s
Vy =
ϕ
TB
1
2
V
ξ1, ξ2 phụ thuộc vào tỷ số δ/∆ và y/∆ được tra trên đồ thò lập sẵn
VTB: lưu tốc trung bình mặt cắt. m/s
ϕV: hệ số biểu thò quan hệ giữa lưu tốc trung bình và lưu tốc lớn nhất trong
dòng chảy khi chiều dày lớp biên vàdạng mặt cắt ngang của dòng chảy đã cho,
được xác đònh như sau:
Với dòng chảy không áp mặt cắt ngang chữ nhật có bề rộng B và độ sâu
nước h:
1
δ2
B + 2.h δ
δ
ϕv =
. ( h − δ ) . ( B − 2.δ ) +
.
ln + 2 ÷− 2.ln - 5
δ
B.h
δ
∆
∆
ln + 3
∆
Với đường tháo có áp, mặt cắt hình tròn bán kính r:
2
1
1
δ
4r
δ
δ
2
ϕv = 2 . ( r − δ ) + .
. ln + 2 ÷− 2.ln - 5
r
2 ln δ + 3 δ ∆
∆
∆
+ Dạng 3: Là đoạn có lớp biên đã phát triển và đạt đến ổn đònh, phân bố lưu tốc
trên mặt cắt là không đổi dọc theo chiều dài; gồm dòng chảy trên các đường tháo nước có
áp hay không áp, ở cự ly cách xa mặt cắt đầu một đoạn > 40A, với A là kích thước mặt
cắt ướt theo phương pháp tuyến với mặt đáy
VĐT cũng xác đònh như ở dạng 2 nhưng với chiều dày lớp biên không đổi
•
- Xác đònh cột nước áp lực đặc trưng HĐT:
HĐT = Ha + hd
Trong đó:
Ha: cột nước áp lực khí trời
hd: cột nước áp lực dư, được xác đònh như sau
Đối với dòng chảy không áp:
hd = h. cos Ψ
h: chiều sâu dòng chảy tại mặt cắt tính toán
Ψ: là góc nghiêng của đáy lòng dẫn so với phương ngang
Đối với dòng cháy có áp:
hd = Z - hW
Z: chênh lệch cao độ từ MNTL đến trần của mặt cắt đang xét
hW: cột nước tổn thất tính từ mặt cắt trước cửa vào đến mặt cắt đang xét.
Câu 7: Nêu và giải thích các giải pháp công trình để phòng chống khí thực
trên CTTN.
Trả lời:
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
* Giới hạn sự khí hóa dòng chảy ở giai đoạn đầu: Ở giai đoạn đầu của quá trình khí
hóa, khả năng xâm thực rất nhỏ và thường không nguy hiểm. Vì vậy, khi thiết kế CTTN
và các bộ phận của nó (cửa vào, khe van, dốc nước, mố tiêu năng…) thay cho việc khống
chế K>Kpg có thể chấp nhận điều kiện K>Kpgx. Trò số Kpgx thường lấy gần đúng 0,85 Kpg.
* Lựa chọn vật liệu theo độ bền khí thực: Tăng mac bê tông, gia cường khu vực dự
báo có khí thực cách sử dụng vật liệu bền: thép, chất dẻo, cao su….Những vật liệu này cho
ta v
vào lớp dòng chảy sát thành làm tăng độ hàm khí S trong nước do đó tăng v ng và dẫn đến
giảm được hiện tượng khí thực.
* Dẫn nước vào miền hạ áp: Khi đó giảm trò số K pg của mố và ngăn ngừa khả năng
khí thực.
* p dụng các kết cấu”Phi khí thực”: Ở giai đoạn siêu khí hóa, dòng chảy có khả
năng xâm thực rất nhỏ. Ở giai đoạn này, đuốc khí hình thành sau vật chảy bao được mở
rộng trên một phạm vi lớn của dòng chảy và không có giới hạn rõ ràng, biên của nó
không khép lại ở gần thành rắn của dòng chảy nên sự nổ các bọt khí không đủ gây ra ứng
suất mỏi làm phá hủy vật liệu. p dụng đối với các mố tiêu năng và phân dòng, buồng
van.
* Nâng cao chất lượng thi công: Khi thi công các bề mặt qua nước của CTTN, nhất
là những bộ phận tiếp xúc với dòng chảy có lưu tốc lớn, cần chú ý đến bề mặt chất lượng
công trình: Không cho phép rỗ mặt; Khống chế các ghồ ghề cục bộ trong phạm vi cho
phép, đặc biệt là các vò trí nối ván khuôn, các khớp nối của công trình, các vò trí tiếp giáp
giữa hai loại vật liệu khác nhau; Loại trừ các ghồ ghề cục bộ khác nhau: các đinh, chốt,
các hòn cốt liệu lớn nhô ra trên bề mặt….
Câu 8: Vì sao phải bố trí các kết cấu điều khiển dòng xiết (ĐKDX) trên
CTTN? Nêu các hiện tượng thủy lực bất lợi khi bố trí kết cấu ĐKDX
không hợp lý.
Trả lời:
* Vì sao phải bố trí các kết cấu điều khiển dòng xiết (ĐKDX) trên CTTN:
Khi thiết kế các đường tháo nước không áp thì giá thành của chúng phụ thuộc rất
nhiều vào điều kiện tại chỗ, mà trước hết là điều kiện đòa hình. Khi bố trí đường tháo
nước trong các điều kiện đòa hình đòa chất bất lợi ta cần phải thay đổi hướng dòng chảy;
khi ngưỡng tràn lớn ta cần đoạn thu hẹp từ ngưỡng tràn đến thân dốc hoặc để đảm bảo
không bò xói lỡ ở hạ lưu ta lại mở rộng từ cuối dốc nước đến vò trí tiêu năng.. Những thay
đổi đó nhằm giải quyết bài toán kinh tế nhưng lại dễ sinh ra dòng xiết ảnh hưởng đến chất
lượng công trình. Vì vậy cần phải bố trí các kết cấu ĐKDX trên CTTN. Như vậy chúng ta
cần tìm ra biên pháp công trình để làm biến dạng dòng xiết một cách hợp lý cho phù hợp
với các điều kiện tại chỗ, loại bỏ hoặc hạn chế các điều kiện thủy lực bất lợi. Từ đó có
thể rút ngắn chiều dài các đoạn chuyển tiếp, giảm nhẹ thiết bò tiêu năng hạ lưu và do đó
hạ giá thành công trình.
* Nêu các hiện tượng thủy lực bất lợi khi bố trí kết cấu ĐKDX không hợp lý:
- Sóng xiên truyền đi dài gây rối loạn thiết bò tiêu năng
- Sóng xiên thúc vào bờ sẽ dễ vọt nước ra ngoài
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
- Khi tường rẽ gấp vào trong dòng chảy làm dòng chảy sau tuyến sóng có chiều
sâu thay đổi gấp. Nếu chiều sâu sau sóng h2>hk sẽ hình thành nước nhảy xiên.
Câu 9: Nêu các dạng đường biên của đoạn thu hẹp đáy phẳng, ưu nhược điểm
và điều kiện áp dụng của mỗi dạng.
Trình bày nội dung tính toán các thông số thủy lực trên đoạn thu hẹp chảy xiết có
đáy phẳng và tường bên gãy khúc.
Trả lời:
* Nêu các dạng đường biên của đoạn thu hẹp đáy phẳng, ưu nhược điểm và điều kiện áp dụng của
mỗi dạng:
- Tường bên gãy khúc
+ Ưu điểm: Nối tiếp phổ biến nhất. Đơn giản, dễ thi công. Dễ kiểm soát các
thông số thủy lực đã đề ra.
+ Nhược điểm: Khi thu hẹp mạnh và nhanh quá sóng sẽ vọt ra khỏi tường,
và khi thu hẹp nhanh quá làm lưu lượng đơn vò tăng lên thì dòng nước dễ chuyển từ chảy
xiết sang chảy êm sinh ra bước nhảy xiên gây ra bất lợi cho nối tiếp ở phía sau, làm rối
loạn tiêu năng ở sau.
+ Điều kiện áp dụng: Khi thiết kế đường tràn không lớn.
- Tường bên dạng cong liên hợp:
+ Ưu điểm: Khi có sóng xiên vấp vào bờ thì nhờ độ cong hợp lý thì dòng
chảy trơn thuận mà sẽ hóa giải sóng mặc dù có phản xạ nhưng phản xạ rất ít
+ Nhược điểm:Vẫn còn sóng nhưng không thúc vào bờ đối diện. Khó thi
công. Khó kiểm soát các thông số thủy lực
+ Điều kiện áp dụng:
- Tường bên dạng đường cong không nhiễu
+ Ưu điểm: Khi sóng nhiễu thúc vào bờ thì tự hóa giải
+ Nhược điểm: Bán kính cong phải tính toán không phải theo bán kính R1, R2
như ở trên. Khó thi công. Khó kiểm soát các thông số thủy lực
+ Điều kiện áp dụng:
- Dạng thu hẹp hướng tâm (khi đập tràn tuyến cong)
+ Ưu điểm: Không có sóng phản xạ
+ Nhược điểm:Chỉ áp dụng trong điều kiện đòa hình cho phép. Khó thi công.
Khó kiểm soát các thông số thủy lực.
+ Điều kiện áp dụng: áp dụng khi đập tràn tuyến cong.
* Trình bày nội dung tính toán các thông số thủy lực trên đoạn thu hẹp chảy xiết có đáy
phẳng và tường bên gãy khúc:
Yêu cầu tính toán chiều dài đoạn chuyển tiếp L ct để đảm bảo chế độ chảy ổn đònh
là nối tiếp chảy xiết khi biết B1, B2, Q, h1 và độ đốc đoạn chuyển tiếp i.
- Giả thiết Lct
- Vẽ đường mặt nước trong đoạn chuyển tiếp, xuất phát từ h 1
+ Nếu tại mỗi mặt cắt đều có h
• Nếu h2 nhỏ hơn nhiều hk thì giả thiết lại Lct theo chiều hướng giảm
và tiến hành làm lại như trên
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
+ Nếu tại mặt cắt trung gian có h > h k thì giả thiết lại Lct theo hướng tăng và
tiến hành làm lại như trên cho đến khí các mặt cắt đều có h < hk và h2 ~ hk là được.
Xác đònh vò trí sóng dâng cao nhất sát tường
X0
= f(Fr1 , θ) với θ là góc
- Khi độ dốc đoạn thu hẹp i = 0: Theo đồ thò của Satalốp
h1
ngoặt vào của tường
- Khi i > 0: Xb = X0 (1 + 0,7. i)
- Chiều sâu nước tại vò trí dâng cao nhất sát tường:
hs = h1. (2,25. (Fr1. sin2θ)0,63 + 1)
Câu 10: Trình bày mục đích tính toán tiêu năng sau CTTN; cách xác đònh lưu
lượng tính toán đối với dạng tiêu năng dòng đáy, dòng mặt, dòng phóng
xa; cách xác đònh mực nước hạ lưu trong tính toán tiêu năng.
Trả lời:
* Mục đích tính toán tiêu năng sau CTTN:
Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước công trình sẽ
dâng lên nghóa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ
lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng
bằng mực nước hạ lưu, phần còn lại còn gọi là năng lượng thừa nếu không có giải pháp
tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lỡ nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình.
Dòng chảy ở hạ lưu có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang, mực
nước hạ lưu lại thường thay đổi luôn; mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy
xãy ra với mức độ cao và phải sau một đoạn dài mới trở về trạng thái bình thường; có
nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng… làm xói
cục bộ, mài mòn, xâm thực…
Vì vậy cần phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh
lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy trở về trạng thái tự
nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu.
* Cách xác đònh lưu lượng tính toán:
- Đối với dạng tiêu năng dòng đáy:
Thay đổi các cấp lưu lượng từ 0 ÷ Q max và xác đònh (hc” – hh). Cấp lưu lượng nào
cho
(hc” – hh)max chính là Q để tính toán tiêu năng.
- Đối với tiêu năng dòng mặt, dòng phóng xa:
Thay đổi các cấp lưu lượng từ 0 ÷ Q max, ứng với mỗi cấp lưu lượng xác đònh được
chiều dài hố xói và chiều sâu hố xói. Từ đó ta vẽ được đường bao hố xói.
* Cách xác đònh mực nước hạ lưu trong tính toán tiêu năng:
Khi CTTN ở sát sông hạ lưu (L kênh hạ lưu nhỏ) thì lấy Q ~ Zh để tính tiêu năng
Khi CTTN ở xa sông hạ lưu (L kênh hạ lưu dài) thì phải tính chuyền mực nước hạ
lưu sông đến vò trí CTTN.
Câu 11: Vẽ sơ đồ, nêu nguyên lý, đặc điểm công tác, ưu nhược điểm và trường
hợp áp dụng hình thức tiêu năng đáy, dòng mặt, dòng phóng xa.
Trả lời:
* Tiêu năng đáy:
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
- Vẽ sơ đồ: (xem gt nôi tiếp và tiêu năng hạ lưu CTTN)
- Nguyên lý: Dùng nước nhảy để ma sát nội bộ tiêu hao năng lượng
- Đặc điểm công tác: cần tạo ra nước nhảy ngập bằng hình thức đào bể, xây tường
hoặc bể tường kết hợp
- Ưu điểm:
+ tiêu năng tốt
+ làm việc ổn đònh
+ dòng chảy sau bể ít dao động
- Nhược điểm:
+ Khi cột nước cao sẽ dẫn đến quy mô bể lớn
+ Không có lợi khi có nhiều vật nổi
+ Kết cấu bể kiên cố
- Phạm vi ứng dụng:
+ cột nước không cao
+ nền hạ lưu phải là nền đá
* Tiêu năng dòng mặt:
- Vẽ sơ đồ: (xem gt nôi tiếp và tiêu năng hạ lưu CTTN)
- Nguyên lý: Dùng ma sát nội bộ để tiêu hao năng lượng
- Đặc điểm công tác: cần tạo ra bậc ở chân công trình
- Ưu điểm:
+ Không cần làm đáy dày, bảo vệ đáy nhẹ nhàng
+ tháo vật trôi nổi tốt hơn
- Nhược điểm:
+ Mặt nước hạ lưu nổi sóng dập dềnh trên một đoạn dài ảnh hưởng đến hạ
lưu, đặc biệt ảnh hưởng đến tàu thuyền.
+ Mực nước hạ lưu thay đổi nhiều dể chuyển đổi từ hình thức này sang hình
thức khác
- Phạm vi ứng dụng:
+ mực nước hạ lưu thay đổi ít
+ hạ lưu công trình không gần với đường giao thông thủy
+ nền hạ lưu phải là nền đá
* Tiêu năng dòng phóng xa:
- Vẽ sơ đồ:
- Nguyên lý: Sử dụng ma sát giữa dòng chảy và không khí để tiêu hao năng lượng,
phần còn lại do ma sát giữa lớp nước và nước ở hạ lưu.
- Đặc điểm công tác: cần tạo ra mũi phun để đưa dòng chảy ra xa công trình và cần
có hố xói để không ảnh hưởng đến chân công trình.
- Ưu điểm:
+ không cần bảo vệ ở sau hạ lưu nếu nền đá tốt và hố xói không ăn lan vào chân công
trình.
- Nhược điểm:
+ Đòa chất hạ lưu công trình không tốt sẽ làm hố xói mở rộng ăn lan vào
chân công trình gây mất ổn đònh cho công trình.
+ Cần đào sẵn chiều sâu hố xói để không bò hiện tượng xung vỗ làm ảnh
hưởng đến công trình.
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
+ Hố xói do dòng phun tạo ra có thể hạ thấp mực nước hạ lưu làm ảnh
hưởng đến yêu cầu dùng nước phía hạ lưu công trình
+ Ở mũi phun có thế xãy ra khí thực
+ Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và môi trường sống nói chung.
- Phạm vi ứng dụng:
+ Dùng cho công trình có cột nước trung bình và lớn
+ Nền công trình là nền đá, có thể đặt trên nền mềm với cột nước vừa và nhỏ
+ Đỉnh mũi phun phải cao hơn mực nước hạ lưu, chiều cao cột nước trước
đập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa không ảnh hưởng bất lợi đến công trình, cột
nước hạ lưu cũng đủ lớn để chiều sâu hố xói không quá lớn .
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
II:THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THỦY CƠNG.
(Tham khảo)
Câu 1:
Đường hầm thủy công được xây dựng trong những trường hợp
nào? Khi nào thì chọn chế độ thủy lực trong đường hầm là có áp, không
áp?
Trả lời:
* Đường hầm thủy công được xây dựng trong những trường hợp nào:
- Khi đòa hình tại khu công trình đầu mối chật hẹp, bờ dốc, núi đá, không có vò trí
thích hợp để bố trí công trình dẫn, tháo nước hở
- Khi phải dẫn nước, tháo nước cho trạm thủy điện ngầm
- Khi tuyến dẫn nước qua vùng rừng núi rậm rạp, đòa hình phức tạp
- Khi tuyến dẫn nước qua sườn núi dễ bò sạt lỡ, đá lăn
Nói chung việc xây dựng đường hầm thủy công cần được luận chứng trên cơ sở so
sánh kinh tế – kỹ thuật với các phương án dẫn, tháo nước kiểu hở.
* Khi nào thì chọn chế độ thủy lực trong đường hầm là có áp, không áp:
- Đường hầm có áp:
+ Khi mực nước thượng lưu thay đổi nhiều
+ Khi yêu cầu dòng chảy phải có áp (đường hầm dẫn nước nối thẳng với tổ
máy thủy điện)
+ Khi so sánh kinh tế – kỹ thuật cho thấy đường hầm có áp là lợi hơn
- Đường hầm không áp:
+ Mực nước thượng lưu và lưu lượng qua đường hầm ít thay đổi
+ Yêu cầu dòng chảy phải là không áp (khi đường hầm có kết hợp giao
thông thủy)
+ Khi so sánh kinh tế – kỹ thuật cho thấy đường hầm không áp là có lợi hơn
Câu 2: Sự phân vỉa và tính nứt nẻ của đá núi có ảnh hưởng như thế nào đến
việc xây dựng đường hầm?
Trả lời:
Để xác đònh đặc trưng và mức độ nứt nẻ của đá núi phải chỉ ra được các kiểu khe
nứt nguyên sinh (theo nguyên nhân hình thành), mức độ dày đặc, độ rộng, độ dài của khe
nứt, độ nhám bề mặt, thành phần và tính chất của chất lấp nhét.
Khi đo vẽ đòa chất công trình cần phải chỉ ra được thông tin về các yếu tố thế nằm
của khối đá và hệ thống cơ bản của khe nứt, điều này là cần thiết cho tính toán thiết kế.
Việc đào và gia cố đường hầm sẽ được giảm nhẹ khi trục đường hầm vuông góc
với đường phương của vỉa. Khi trục đường hầm song song với đường phương nhưng mặt
vỉa thẳng đứng, việc đào hầm cũng không phải là đặc biệt phức tạp chừng nào độ bền về
trượt giữa các vỉa chưa bò phá vỡ. Nếu trục đường hầm song song với đường phương và
mặt vỉa nằm ngang thì sẽ phát sinh khó khăn khi các vỉa mỏng, nhòp đào lớn và có vòm
cong.
Bất lợi nhất đối với ổn đònh của khối đá là khi hệ thống khe nứt có vỉa song song
với tuyến đào và các khe nứt có góc đổ 40 0 – 700, nghóa là tạo thành một góc nhọn với mặt
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
vòm và trong khe nứt có chất lấp nhét loại sét, có mặt trượt…Khi đào hầm theo phương các
vỉa sẽ hình thành khối đá sụt lỡ chủ yếu từ phía các vỉa bò hẫng.
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Câu 3: Trong việc chọn tuyến đường hầm cần chú trọng xem xét các điều kiện
gì?
Trả lời:
Việc lựa chọn tuyến là một khâu rất quan trọng trong thiết kế đường hầm. Yếu tố
quan trọng nhất trong việc chọn tuyến là phải phân tích kỹ điều kiện đòa hình đòa chất,
khả năng thi công và điều kiện sử dụng.
- Điều kiện đòa chất: Đường hầm cần đào qua khu vực đá tốt và đồng nhất, tránh đi
qua những khu vực có đá xấu, có khả năng tự sạt trượt, mực nước ngầm cao và lượng nước
thấm lớn.
- Về đòa hình và khả năng thi công:
+ Không bố trí đường hầm gần sát mặt đá thiên nhiên mà phải đảm bảo một độ
chôn sâu nhất đònh: hd >= 3ht, trong đó:
hd: chiều dày lớp đất đá trên đỉnh hầm
ht: chiều cao mặt cắt đường hầm
+ Dọc tuyến đường hầm có những vò trí có thể bố trí giếng đứng hay hầm ngang để
vận chuyển đất đá, tăng được diện công tác khi thi công đào hầm.
+ Tuyến đường hầm cần đặt cách xa các công trình khác một khoảng nhất đònh để
có thể bố trí đào bằng nổ mìn.
Ghi chú hình vẽ:
1. Các giếng đứng đế vận chuyển đất đa
2. Hầm ngang
3. Các nhánh công tác khi đào đường hầm
1
1
3
3
2
3
3
- Về điều kiện sử dụng:
+ Khi điều kiện đòa hình, đòa chất cho phép thì nên chọn tuyến đường hầm thẳng
+ Khi buộc phải làm tuyến cong cần khống chế R≥5B, trong đó R bán kính cong, B
là bề rộng mặt cắt đường hầm. Khi lưu tốc v≤ 10m/s, cần khống chế góc ngoặt α ≤ 600.
Khi v>10m/s, bán kính R cần xác đònh thông qua thí nghiệm.
Câu 4:Vẽ sơ đồ và trình bày cách bố trí các bộ phận của đường hầm tháo dẫn
nước, đường hầm của trạm thủy điện kiểu đường dẫn.
Trả lời:
* Vẽ sơ đồ và trình bày cách bố trí các bộ phận của đường hầm tháo dẫn nước:
Ngoài kênh dẫn vào ở thượng lưu (có khi không cần dẫn kênh vào) và kênh dẫn ra
ở hạ lưu, đường hầm tháo, dẫn nước chủ yếu do các bộ phận sau hợp thành:
- Bộ phận cửa vào: gồm lưới chắn rác, cửa van, dùng khi sửa chữa, cửa van chính,
máy đóng mở, giàn bệ đặt máy đóng mở, ống cân bằng áp lực và lỗ thông hơi. Tùy theo
hình thức kết cấu khác nhau,phần cửa vào có thể phân thành các hình thức tháp, giếng
đứng, mái nghiêng, tháp tựa vào bờ...
- Đường hầm ở phần sau cửa vào thường có độ dốc > 1% và đáy không làm dốc
ngược
- Phần cửa ra: thường bố trí bể tiêu năng và các kêt cấu phụ trợ
- Các hình thức cửa vào: (xem hình vẽ ở trong gt)
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Hình thức giếng đứng: dùng ở những nơi đá kiên cố. Trước miệng cửa vào đoạn
tiết diện thay đổi trước cửa van có đặt lưới chắn rác. Trong giếng đứng đặt cửa van
thao tác và các thiết bò đóng mở cửa van.
• Hình thức mái nghiêng: Dùng ở nơi có đòa chất tốt, đá rắn chắc và có mái nghiêng,
cửa van và lưới chắn rác được di động trên đường ray đặt trên mái nghiêng.
• Hình thức tháp: Dùng ở những nơi đường hầm có lớp phủ tương đối dày hoặc đá
xấu.
• Hình thức tháp tựa bờ: Dùng ở những nơi có bờ tương đối dốc, đá rắn chắc.
- Bố trí cửa van, ống thông khí:
• Bố trí cửa van (xem hình vẽ ở trong gt): Các công trình tháo nước thường sử dụng
là cửa van chính và cửa van sửa chữa. Cửa van sửa chữa thường đặt ở phần cửa
vào, nếu cửa ra đặt thấp hơn mực nước hạ lưu thì cũng cần bố trí cửa van sửa chữa
ở đây. Cửa van chính thường đặt ở cửa vào nhưng cũng có khi đặt ở cửa ra.
• Bố trí ống thông khí:
ống thông khí chính: trực tiếp thông với khí trời, đặt ở cao độ trên mực nước
gia cường thượng lưu (đối với các loại tháp) hay cao hơn mặt đất (đối với
giếng đứng) và có lưới bảo vệ chống đất đá, rác lọt vào. Cửa ra của ống
thông khí chính đặt ngay ở trần đường hầm, mặt cắt sau cửa van
ống thông khí trực tiếp đến các vò trí tách dòng: Các ống này bố trí bên
trong tường bên hoặc trụ pin, nối từ khoảng không sau buồng van đến vò trí
cần tiếp khí. Với ống tiếp khí ở ngưỡng đáy cần chọn độ dốc thuận để tránh
nước đọng làm cản trở việc thông khí.
• Ống cân bằng áp lực: Khi có hai cửa van, có thể đặt ống để cân bằng áp lực trước
và sau cửa van. Ống cân bằng áp lực có thể bố trí trong trụ pin, cũng có thề đặt
ngay trên cửa van.
* Đường hầm của nhà máy thủy điện: (xem hình 3-10, 3-11 trong gt)
- Cửa lấy nước:
• cửa dưới sâu: là đoạn hầm có mặt cắt thay đổi có cửa vào đặt trên mái nghiêng
của bờ hồ, phía đầu đoạn có lưới chắn rác, cuối đoạn có cửa van và bộ phận nối
với đường hầm phía sau.
• cửa lấy nước trên mặt: khi độ sâu công tác của hồ nhỏ. Ngay sau cửa dẫn nước là
đường hầm dẫn nước có áp hoặc không áp. Cửa lấy nước trên mặt của công trình
đầu mối có cột nước thấp thường kết hợp với ngưỡng của bể lắng cát và khi đó
đường hầm dẫn nước bên bờ được bắt đầu phía sau bể lắng cát.
- Đường hầm dẫn nước: Đường dẫn ra từ tuabin nhà máy thủy điện làm theo kiểu đường
hầm dẫn nước không áp hoặc có áp tùy thuộc vào dao động của mực nước hạ lưu.
- Đường ống áp lực: bố trí làm việc với cột nước áp lực cao và tăng dần đến khi gần tới tổ
máy.
- Tháp điều áp: Đặt ở đường hầm dẫn nước trước hoặc sau nhà máy.
- Giếng thông khí: Bộ phận này dùng để tiếp không khí vào đường dẫn. Ở các cửa lấy
nước dưới sâu, bên cạnh giếng van sửa chữa- sự cố cần đặt giếng thông khí để đảm bảo
tiếp không khí vào đường hầm dẫn nước khi van đóng.
- Các công trình ngầm không tiếp xúc với nước:
• Gian máy ngầm: Trong gian này sẽ đặt các thiết bò của tổ máy, máy biến áp. Máy
biến áp có thể đặt trong chính gian máy hoặc là đặt trong một gian ngầm riêng sát
với gian máy.
•
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
•
•
Buồng máy biến áp: Buồng này cần đặt gần với gian máy và nối bởi đường hầm
hay giếng cáp
Buồng van: Đặt sau cửa lấy nước dưới sâu, tháp điều áp, ở các đường ống dẫn nước
áp lực trước gian máy và sau gian máy để đóng đường ống xả. các buồng van được
nối thông với mặt đất để chuyển thiết bò và nhân viên vận hành.
Câu 5: Vẽ sơ đồ và trình bày phương pháp tính toán thuỷ lực xác đònh khả
năng tháo nước của đường hầm có áp và không áp.
*). Đối vơi đường hầm có áp :
- Khả năng tháo nước của đường hầm có áp xác đònh theo công thức của ống có áp
nói chung :
Q = µ.ωr . 2gZ 0
sau :
Trong đó :
ωr : Diện tích mặt cắt ngang tính toán (thường lấy ở cửa ra) của đường hầm. (m 2)
µ : Hệ số lưu lượng của cống và được xác đònh theo công thức của thuỷ lực như
µ=
1
K 2h
+ ∑ ξ i .K 2i
Trong đó :
Kh : Tỷ số giữa diện tích mặt cắt cửa ra đường hầm và diện tích mặt cắt dòng chảy
sau cửa ra. Kh = ωr/ωh. khi cửa ra không ngập thì có thể lấy ωr = ωh, khi cửa ra bò ngập thì
ωh là diện tích cắt ngang của dòng chảy ở bể tiêu năng.
∑ξi : Tổng tổn thất qua cống bao gồm tổn thất tại cửa vào, tổn thất cục bộ, tổn thất
dọc đường và tổn tất tại cửa ra. ∑ξi = ξcv + ξcbộ + ξdđường + ξcr
Ki = ωr/ωi. (Với ωi : Diện tích mặt cắt ngang tại vò trí đang xét)
Z0 : Cột nước công tác toàn phần của đường hầm và được xác đònh như sau :
α.V02
Z0 = Z +
2g
Trong đó :
V0 : Lưu tốc đến gần (m/s).
α : Hệ số sửa chữa lưu tốc.
Z : Cột nước công tác (m).
+ Trường hợp cửa ra của đường hầm không ngập : Z là chênh lệch cao độ mực nước
thượng lưu và tâm mặt cắt cửa ra của đường hầm
+ Trường hợp cửa ra ngập dưới mực nước hạ lưu: Z là chênh lệch cao độ mực nước thượng
hạ lưu
*). Đối vơi đường hầm không áp :
- Khi cửa vào ngập, lưu lượng tháo qua đường hầm tính theo công thức chảy qua lỗ:
Q = µ. ϖ. 2g. (H - ε h .h)
trong đó:
µ: hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào hình dạng và mức độ thu hẹp tại cửa vào
ϖ: diện tích mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vào
h: độ cao mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vào
H: độ sâu nước trước cửa vào
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
εh: hệ số co hẹp theo phương đứng
- Khi cửa vào không ngập, lưu lượng tháo qua đường hầm tính như tháo qua đập
tràn:
Q = m. σn. b.
2g. H 3/2
0
trong đó:
m: hệ số lưu lượng của ngưỡng tràn
b: bề rộng ở cuối đoạn cửa vào
σn: hệ số ngập
H0: cột nước toàn phần trên ngưỡng tràn, H0 = H+V02/2g
V0: lưu tốc tới gần
Câu 6: Trình bày nguyên tắc và trình tự tính toán để xác đònh kích thước mặt
cắt đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện.
Trả lời:
Kích thước mặt cắt đường hầm phải thỏa mãn các điều kiện sử dụng, kinh tế và thi
công
- Về điều kiện sử dụng:
• Tháo đủ lưu lượng cần thiết, với tổn thất
C
A
cột nước cho phép
B
• Đường hầm vận tải thủy: có đủ khoảng
không cho tàu thuyền
C
• Đường hầm bên trong có đặt các ống
B
thép thì cần thỏa mãn các yêu cầu vận
A
chuyển, lắp ráp và sửa chữa.
- Về điều kiện kinh tế: Điều hòa mâu thuẩn giữa
• Kinh phí đào và xây lớp lót
• Kinh phí bù đắp do tổn thất cột nước
- Về điều kiện thi công:
• Đường hầm dẫn dòng thi công phải xét đồng thời cả hai mặt: giá thành của
đê quai thượng hạ lưu và cường độ thi công cho phép của các công trình
chính
• Thi công thủ công cần BxH > (1,5x1,8) m và thi công cơ giới BxH>(2,5X2,5)m
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
d
Câu 7: Tính toán áp lực đá núi tác dụng lên áo đường hầm theo phương pháp
Protiacanốp.
Trả lời:
* Trường hợp đá núi có fk < 4:
- Nhòp vòm: L = B0 +2H0.tg(450 - ϕ/2)
+ B0: bề rộng đường hầm
+ H0: chiều cao đường hầm
+ ϕ: góc ma sát trong của đất đá trong vòm
- Chiều cao vòm: h = L/ (2.fk)
- Áp lực đứng trên đỉnh: p = β. γđ. h
+ h: chiều cao vòm
+ γđ: trọng lượng riêng của đá núi
+ β: hệ số, phụ thuộc vào bề rộng đường hần
• B0 ≤ 5,5 m thì β = 0,7
• B0 ≥ 7,5 m thì β = 1,0
• B0 ở khoảng giữa 2 giá trò trên thì xác đònh bằng nội suy
- Áp lực ngang hai bên:
+ Tại vò trí đỉnh: e' = p. tg2 (450 - ϕ/2)
+ Tại vò trí đáy: e" = (p+γđ. H0). tg2 (450 - ϕ/2)
+ Khi tính toán coi như phân bố đều: e = (p+γđ.H0/2). tg2 (450 - ϕ/2)
* Trường hợp đá núi có fk ≥ 4:
- Chỉ có áp lực thẳng đứng p = β. γđ. hp
+ hp = Ka. B0
+ B0: chiều rộng đường hầm
+ Ka: hệ số, phụ thuộc vào hệ số kiên cố fk và mức độ nứt nẻ được tra bảng
+ β, γđ: như trên
Câu 8: Trong thiết kế đường hầm, khi nào thì xét đến lực kháng đàn tính của
đá? Lực kháng đàn tính được tính toán như thế nào?
Trả lời:
* Trong thiết kế đường hầm, khi nào thì xét đến lực kháng đàn tính của đá?
- thường chỉ xét với đường hầm có áp
- Chỉ xét khi có sự liên kết chặt chẽ giữa lớp lót đường hầm và đá núi xung quanh
* Lực kháng đàn tính được tính toán như thế nào?
Trò số của lực kháng đàn tính có thể coi gần đúng tỷ lệ thuận với biến vò theo
phương pháp tuyến với bề mặt lớp lót:
p = K.u
trong đó:
p - lực kháng đàn tính phân bố
u - biến vò của lớp lót
K - hệ số lực kháng đàn tính
+ Mặt cắt hầm hình tròn: K=(100K0)/rn (KG/cm3)
• Rn: bán kính ngoài của lớp lót, cm
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
• K0: hệ số lực kháng đơn vò, KG/cm2, phụ thuôc vào fk
+ Mặt cắt không tròn: K = (100K0)/(0,5B0) (KG/cm3)
• B0 = B - 2t
• B: bề rộng mặt cắt mới đào (cm)
• t: chiều dày của lớp lót (cm)
+ Dưới đế của lớp lót mở: Kđ = 100K0/(1,34(1-µd)b)
• md: hệ số Poatxông
• b: chiều rộng đế (cm)
Câu 9: Trình bày nội dung tính toán vòm thấp theo phương pháp cơ học kết
cấu.
Trả lời:
- Sơ đồ tính: Đối với mặt cắt (xem hình 5-3/37 – BG thiết kế đường hầm thủy
công), vòm thấp ở đỉnh là kết cấu chòu lực, trong tính toán xem chân vòm ngàm cứng đàn
hồi vào đá. Tải trọng và lực tác dụng lên vòm chủ yếu: áp lực đá núi, trọng lượng bản
thân, áp lực phụt vữa, không xét đến lực kháng đàn tính và lực ma sát. Do chân vòm là
ngàm chặt đàn hồi với đá núi nên khi tính toán phải xét đến ảnh hưởng biến vò của chân
vòm (biến vò góc và biến vò theo đường thẳng). Sơ đồ tính (hình 5-4 trang 38)
- Chọn hệ cơ bản:
- Phương trình chính tắc của vòm khi có xét đến biến vò chân vòm có dạng:
X1. δ11 + X2. δ12 + ∆1P + β = 0
X1. δ12 + X2. δ22 + ∆2P + β. yn + ∆H= 0
X1, X2: các ẩn lực cần tìm
δ11, δ12, δ21, δ22: xác đònh bằng phương pháp nhân biểu đồ lần lượt do X 1 = 1
và X2 = 1 gây ra
∆1P, ∆2P: xác đònh bằng phương pháp nhân biểu đồ lần lượt do tải trọng gây ra
β = βP + X1. β1 + X2 . yn . β1; là góc quay của mặt cắt
MP
βP =
K. J n
1
β1 =
K. J n
K: hệ số lực kháng đàn tính của đá núi ở chân vòm
Jn: mômen quán tính của mặt cắt chân vòm
MP: mômen chân vòm do ngoại lực gây ra
yn: khoảng cách từ tâm đàn hồi đến điểm giữa chân vòm theo phương thẳng đứng.
N0
N + X2 . cosϕ
. cosϕn = P
cos ϕn = ∆P + X 2 . ∆ 2
∆H =
K. h n
K. h n
NP: lực hướng trục ở chân vòm do các ngoại lực sinh ra.
- Giải hệ được X1, X2. Từ đó xác đònh được mômen và lực hướng trục ở mỗi mặt
cắt trên vòm theo công thức:
M = MP + X1 + X2. y
N = NP + X2. cosϕ
MP, NP: mômen và lực hướng trục do ngoại lực gây ra trên hệ tónh đònh
y: khoảng cách theo phương thẳng đứng từ đỉnh vòm đến mặt cắt đang xét
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
ϕ: góc giữa phương trục vòm (tại mặt cắt đang xét) và phương ngang x
- Ứng suất tại mỗi mặt cắt vòm xác đònh theo công thức nén lệch tâm:
N M
σ= ±
F W
Từ đó kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép
Câu 10: Trình bày nội dung thiết kế đường hầm theo hệ thống phân loại chất
lượng khối đá (phương pháp Terzaghi, Barton, Bieniawxki). Hãy nói rõ
vai trò của kỹ sư đòa chất trong quá trình khảo sát, thiết kế và thi công
hầm.
Trả lời:
* Phương pháp Terzaghi (Phương pháp tải trọng cho trước):
Theo phương pháp này chia khối đá thành 9 loại. Khi đó tải trọng đá ước tính theo
tiêu chí Terzaghi:
Điều kiện đá
Tải trọng đá HP
1. Cứng và nguyên phần
Không
2. Cứng, phân tầng hoặc phân phiến
(0-0,5)B
3. Nguyên khối, nứt vừa
(0 - 0,25) B
4. Khối vừa và có mạch nối
0,25 B - 0,35 (B+Ht)
5. Khối rất lớn và có mạch nối
(0,35 - 1,1) (B+Ht)
6. Vỡ vụn hoàn toàn nhưng nguyên vẹn về hóa tính
1,1 (B+Ht)
7. Đá bò ép, độ sâu trung bình
(1,1 - 2,1) (B+Ht)
8. Đá bò ép, độ sâu lớn
(2,1 - 4,5) (B+Ht)
9. Đá trương nở
Đến 76 m, không tính (B+Ht)
* Phương pháp Bieniawxki (RMR):
Phương pháp này đánh giá chất lượng khối đá theo 6 tiêu chí:
- Cường độ của vật liệu đá nguyên vẹn
- Chất lượng nõn khoan
- Bước của các đứt đoạn
- Điều kiện của các đứt đoạn
- Điều kiện nước ngầm
- Thế nằm của khe nứt
Từ các tiêu chi đó khôí đá được chấm điểm và tra theo điểm sẽ phân loại được
khối đá. Từ đó sẽ có phương pháp xử lý khối đá.
* Phương pháp Barton (Q):
Phương pháp cũng đánh giá chất lượng khối đá thông qua:
- RQD (%) : chỉ tiêu chất lượng đá, lấy những thỏi nõn khoan có chiều dài
≥10cm
- Jn: Số lượng hệ thống khe nứt
- Jr: chỉ số độ nhám của khe nứt
- Ja: chỉ số phong hóa khe nứt
- JW: hệ số rút nước khe nứt
- SRF: hệ số giảm ứng suất
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
Từ đó mỗi khối đá sẽ có một số điểm và sẽ có cấp tương ứng. Ngoài ra phương
pháp này còn bổ sung thêm thông số đường kính tương đương khi đào D c. Để từ đó đưa ra
biện pháp xử lý khối đá.
Lý thuyết: cơng trình tháo & thiết kế đường hầm
