Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn – áp dụng cho đường hầm thủy điện nậm toóng

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1
2. Mục đích yêu cầu. ................................................................................................... 3
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. ............................................................ 4
4. Những kết quả đạt được của luận văn ..................................................................... 4
5. Bố cục của luận văn ................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG .................................. 7
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy công tại Việt Nam .................................... 7
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công ................................................... 13
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................................................... 14
1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 14
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM
THỦY CÔNG ............................................................................................................... 15
2.1. Phương pháp giải tích. ....................................................................................... 15
2.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu ........................................................................... 15
2.1.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng [1] ..................................................... 25
2.2. Phương pháp số .................................................................................................. 30
2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ........................................................................ 30
2.2.2. Phương pháp phần tử biên .............................................................................. 31
2.3. Kết luận chương II. ............................................................................................ 32
CHƯƠNG 3. LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ....................... 34
3.1. Nguyên tắc và trình tự giải bài toán kết cấu đường hầm theo phương pháp phần
tử hữu hạn. [1] ........................................................................................................... 34
3.1.1. Rời rạc hóa miền tính toán .............................................................................. 34
3.1.2. Lựa chọn các hàm nội suy:.............................................................................. 35
3.1.3. Xác định tính chất của các phần tử ................................................................. 35
3.1.4. Lắp ráp hệ các phần tử .................................................................................... 35
3.1.5. Giải hệ phương trình ....................................................................................... 35

3.1.6. Các dạng tính toán bổ sung ............................................................................. 36

iii


3.2 Xác định ma trận độ cứng của phần tử vỏ. ......................................................... 36
3.3. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. ........................................ 36
3.4. Giới thiệu phần mềm SAP2000. ........................................................................ 39
3.4.1. Tính năng của phần mềm sử dụng SAP2000 .................................................. 41
3.4.2. Cách tính toán kết cấu đường hầm với SAP2000 ........................................... 42
3.5. Kết luận chương III. ........................................................................................... 43
CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆN
NẬM TOÓNG ............................................................................................................... 44
4.1. Giới thiệu công trình. ......................................................................................... 44
4.1.1. Vị trí công trình ............................................................................................... 44
4.1.2. Nhiệm vụ công trình ....................................................................................... 44
4.1.3. Thông số công trình ........................................................................................ 45
4.2. Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, các trường hợp tính toán
và sơ đồ tính. ............................................................................................................. 48
4.2.1. Thông số tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng. ....................................... 48
4.2.2. Các trường hợp tính toán và sơ đồ tính........................................................... 54
4.2.3. Cách xác định tải trọng ................................................................................... 58
4.3. Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện
Nậm Toóng ............................................................................................................... 62
4.3.1. Tính toán các lực tác dụng lên vỏ hầm trong các trường hợp tính toán. ....... 62
4.3.2. Tính toán nội lực trong đường hầm trong các trường hợp tính toán. ............ 65
4.4. Phân tích kết quả tính toán. ................................................................................ 66
4.5. Kết luận chương IV............................................................................................ 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ............................................................................................... 74

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng ......................................... 8
Hình 1.2. Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện ............................................... 9
Hình 1.3. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng ................................. 10
Hình 1.4. Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế................................. 11
Hình 1.5. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 2................................ 11
Hình 1.6. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 2 ................................ 12
Hình 1.7. Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng ..................................................... 12
Hình 2.1. Vòm thấp và vòm công tác ở đỉnh ................................................................. 15
Hình 2.2. Sơ đồ tính toán vòm thấp ............................................................................... 17
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán vòm cao ................................................................................ 18
Hình 2.4. Tính toán vòm cao ......................................................................................... 19
Hình 2.5. Sơ đồ vòm khép kín ....................................................................................... 20
Hình 2.6. Sơ đồ tính toán vòm khép kín ........................................................................ 20
Hình 2.7. Các lực tác dụng lên tường bên ..................................................................... 22
Hình 2.8. Tường bên cứng ............................................................................................. 24
Hình 2.9. Tường bên đàn hồi ......................................................................................... 24
Hình 2.10. Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn ......................................................... 25
Hình 2.11. Sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân
bố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c). ................................................... 27
Hình 2.12. Phân bố ứng suất trong khối đá có lỗ khoét tròn khi λ = σ x σ y ................. 29
Hình 2.13. Sơ đồ tác dụng của tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm ..... 29
Hình 2.14. Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên......................................... 32
Hình 3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 34
Hình 3.2. Sơ đồ tính toán bằng PP PTHH ..................................................................... 38

Hình 4.1. Mặt cắt dọc tuyến hầm .................................................................................. 48
Hình 4.2. Mặt cắt dọc đoạn hầm qua đứt gãy bậc IV .................................................... 52
Hình 4.3. Mặt cắt hầm tính toán .................................................................................... 53
Hình 4.4. Hình ảnh gia cố bằng khung chống ............................................................... 54
Hình 4.5. Sơ đồ tính TH1 .............................................................................................. 55
Hình 4.6. Sơ đồ tính TH2 .............................................................................................. 57
Hình 4.7. Sơ đồ tính áp lực đá núi ................................................................................. 62
Hình 4.8. Áp lực nước ngầm ......................................................................................... 64

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Bảng thông số chính của công trình ............................................................. 45
Bảng 4.2. Chỉ tiêu cơ lý đất đá qua đứt gãy bậc IV ...................................................... 52
Bảng 4.3. Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm............................................. 58
Bảng 4.4. Hệ số chiết giảm của áp lực nước bên ngoài ................................................ 59
Bảng 4.5. Hệ số kiến cố của các loại đất đá .................................................................. 60
Bảng 4.6. Thống kê kết quả tính lực tác dụng lên đường hầm ..................................... 65
Bảng 4.7. Thống kê kết quả tính ứng suất biến dạng trong đường hầm ....................... 65
Bảng 4.8. Bảng so sánh kết quả ứng suất biến dạng với thiết kế ................................. 68

vi


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm 2011, ở
Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công suất
cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn lại là nhiệt

điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo. Đến quý III/2012, thủy điện vừa và
nhỏ (N ≤ 30MW) đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng
công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất
11.600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia (tổng
công suất thủy điện hơn 13 nghìn MW).
Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, nhưng ¾ lãnh thổ là rừng và đồi núi,
với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong đó có nhiều
sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện
tích lãnh thổ của nước ta), vì vậy trữ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ
KWh/năm. (trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm,
tổng công suất lắp máy thủy điện đạt tới khoảng 25 nghìn MW, chưa kể thủy
điện tích năng).
Như vậy, hiện nay công suất thủy điện trong hệ thống điện quốc gia mới chỉ phát
huy khoảng 50% so với tiềm năng. Nếu chỉ xét thủy điện vừa và nhỏ thì công
suất hiện hữu mới chỉ đạt được khoảng 20%, còn lại 80% trong thời gian tới cần
được phát huy hiệu quả.
Hiện nay đã xây dựng được một số lớn nhà máy thủy điện. Theo kế hoạch Thủy
điện đến 2020 số công trình nhà máy thủy điện sẽ được tăng lên đáng kể. Khai
thác nguồn thủy điện là dạng năng lượng sạch, tái tạo và có hiệu quả kinh tế tổng
hợp, thân thiện với môi trường và phù hợp với một nước giàu tiềm năng thủy
điện như ở nước ta.

1


Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho các nhà máy thủy
điện ở nước ta là khá phổ biến, điển hình có thể kể như: Thủy điện Hòa Bình
(1920MW) có đường hầm dẫn nước đường kính D=8m; Thủy điện Nậm Chiến
(200MW) có đường hầm áp lực dài 10km; Thủy điện Huội Quảng (520MW) có
đường hầm dài hơn 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài hơn 7km,

D=7m…
Trên thế giới tính đến thập kỷ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn
nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà
máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô
tính đến thời kỳ đó trên 170km [4].
Ở nước ta các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miền núi có địa
hình vùng tuyến hẹp và dốc, địa chất nền là đá gốc nên có nhiều thuận lợi và hợp
lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng tạo cột nước áp lực cao
cho nhà máy. Việc sử dụng đường hầm áp lực có những ưu điểm hơn so với
phương án dẫn nước bằng kênh hở như: diện tích chiếm đất mặt ít, vận hành ổn
định, chiều dài tuyến ngắn, tạo đường dẫn có áp nên chế độ chảy ổn định...tuy
nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm cũng như phương án gia cố đường hầm
có vai trò quan trọng đối với sự làm việc ổn định, khả năng chịu áp lực nước và
áp lực đất đá cũng như giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy
có vai trò rất quan trọng.
Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hầm thủy công
có quy mô từ nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước tưới thuộc trạm bơm Nghi
Xuân (Hà Tĩnh) dài 160m; B x H = 1,8 x 2,2m; đường hầm Truông Khấp (Nghệ
An) có L = 550 m; D=2,9m. Hiện tại hàng loạt công trình thủy lợi, thủy điện
đang thiết kế và xây dựng có đường hầm thủy công, như đường hầm dẫn dòng
công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) có L = 908m; D = 9m; đường hầm dẫn nước
vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến (Sơn La) có L = 11.129 m; D = 3,8m v.v...

2


Các đường hầm thường được được gia cố bằng nhiều hình thức khác nhau tùy
thuộc vào điều kiện địa chất: phun vữa, bọc lót thép, đổ bê tông cốt thép…
Đối với đường hầm thủy công khi vận hành trong môi trường tiếp xúc với nước
xảy ra nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau, do đó có thể xảy ra mất

ổn định trong quá trình vận hành nếu như không có biện pháp gia cố. Để đường
hầm thủy công được đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành cần có lớp lót cho
đường hầm. Mục đích của tính toán lớp lót đường hầm thủy công là xác định nội
lực và phân bố ứng suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và
bố trí cốt thép. Bài toán xác định nội lực và ứng suất trong lớp lót có thể giải
bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ
thông tin, các phương pháp số được sử dụng nhiều trong tính toán kết cấu. Một
trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phần tử hữu
hạn. Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công
bằng phương pháp phần tử hữu hạn có tính khoa học và thực tiễn, để giải quyết
cấp thiết một vấn đề xây dựng đường hầm thủy công nói riêng cũng như các công
trình thủy lợi, thủy điện nói chung.
Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm
dẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn nhất hơn 418,4m, lưu lượng thiết kế
Qtt=10,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình quân năm
151,27.106kwh. Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu
trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử
hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” có ý
nghĩa kinh tế và khoa học.
2. Mục đích yêu cầu.
Dựa trên các tài liệu thu thập được về các thông số kỹ thuật của nhà máy Thủy
điện Nậm Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ...) và các tài liệu về địa

3


hình, địa chất (kết quả khoan thăm dò địa chất, báo cáo địa chất công trình...) yêu
cầu luận văn cần đạt được như sau:
- Tổng quan về đường hầm thủy công, các phương pháp tính toán đường hầm.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đường hầm thủy điện Nậm

Toóng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000.
- Phân tích, đánh giá, so sánh kết quả nhận được với hồ sơ thiết kế.3. Cách tiếp
cận và phương pháp nghiên cứu.
- Từ thực tế: Khi vận hành đường hầm xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau.
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện bền,
ổn định.
- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đã có.
- Phương pháp thu thập tài liệu.
- Liệt kê các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường
hầm thủy công.
- Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán đường hầm.
- Phân tích, nhận xét kết quả đạt được.
4. Những kết quả đạt được của luận văn
- Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công.
- Tổng quan các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường
hầm thủy công.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm
Toóng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết
kế.
5. Bố cục của luận văn

4


Chương 1: Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở Việt Nam.
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công.
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn.
1.4. Kết luận Chương 1.
Chương 2: Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm thủy công

2.1. Phương pháp giải tích.
2.2. Phương pháp số.
2.3. Kết luận Chương 2.
Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn
3.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn.
3.2. Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán trong luận văn: Sap 2000.
3.3. Kết luận Chương 3.
Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng
4.1. Giới thiệu công trình.
4.2. Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, sơ đồ tính.
4.3. Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện
Nậm Toóng..
4.4. Kết luận Chương 4.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Các kết quả đạt được của Luận văn.
2. Một số vấn đề tồn tại.
3. Kiến nghị.

5


Tài liệu tham khảo
Phụ lục tính toán

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy công tại Việt Nam
Từ lâu, trước Công Nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp , La Mã các công trình

ngầm đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau: khai khoáng, cấp nước,
giao thông, lăng mộ, nhà thờ. Một số công trình còn được giữ nguyên cho đến
ngày nay. Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm
xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm
2150 trước Công Nguyên. Vào những năm 700 trước công nguyên một đường
hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite - Hy Lạp. Hầu hết các đường
hầm cổ xưa được xây dựng trên nền đá cứng, có dạng vòm như các hang động tự
nhiên, không cần vỏ chống đỡ. Thi công bằng công cụ thô sơ như xà beng,
chòong và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh
hầm bằng nước. Vào cuối thời Trung Cổ phương pháp thi công đã được tiến bộ
hơn bằng khoan tay và thuốc nổ. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866)
cùng với việc áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt cho xây dựng
công trình ngầm cũng như xây dựng các đường hầm thủy công. Vật liệu vỏ hầm
chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỉ
20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm.
Trên thế giới tính đến thập kỉ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn
nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà
máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô
tính đến thời kì đó trên 170km.
Ở Việt Nam đường hầm thủy công được ứng dụng rộng rãi trong các công trình
thủy điện, thủy lợi. Đường hầm thủy công sử dụng trong trường hợp địa hình
thay đổi nhiều, địa chất thuận lợi cho việc đào hầm. Căn cứ vào chế độ thủy lực
bên trong đường hầm mà chúng có thể phân thành hai loại cơ bản: đường hầm

7


dẫn nước không áp và đường hầm dẫn nước có áp. Đường hầm không áp được
ứng dụng trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi.
Khi lựa chọn tuyến đường hầm phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và

điều kiện thi công. Về măt kinh tế, yêu cầu tuyến đường hầm phải ngắn nhất.
Trong thực tế, do điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công, tuyến đường
hầm có thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán
kính không nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không
vượt quá 60o. Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục kilô-mét.
Hình dạng tiết diện đường hầm phụ thuộc vào chế độ thủy lực trong nó. điều kiện
địa hình, địa chất và chế độ thủy công.
Đường hầm dẫn nước không áp: có nhiều tiết diện khác nhau tùy theo điều
kiện địa chất mà tuyến đi qua. Đường hầm dẫn nước có tỷ lệ chiều cao h và chiều
rộng b khoảng h:b =1:1,5, nếu mực nước trong đường hầm dao động nhiều thì tỷ
số này có thể lấy lớn, kích thước của nó phải đảm bảo chế độ chảy không áp
trong mọi điều kiện kể cả các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện. Khi đường
hầm xuyên qua vùng địa chất là đá rắn chắc có thể sử dụng tiết diện hình chữ
nhật đáy bằng, trần vòm . Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo
phương đứng không lớn và không có áp lực hông của đất lên vỏ hầm thì có thể
sử dụng tiết diện với trần là nửa hình tròn .v.v...

Hình 1.1. Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng

8


Đường hầm dẫn nước có áp: về nguyên tắc thường có tiết diện hình tròn. Vỏ
của nó có khả năng chịu áp lực tốt từ các phía, về thủy lực nó có nhiều ưu điểm
hơn so với các dạng tiết diện khác. Ngoài ra, khi sử dụng tiết diện tròn, khối
lượng công tác đào và bêtông vỏ hầm cũng ít hơn so với các tiết diện khác. Đối
với đường hầm có áp có chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí đường hầm
cần phải chọn sao cho áp suất bên trong nó không nhỏ hơn 0,02Mpa. Kích thước
tối thiểu của đường hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công b≥ 1,8m .

Hình 1.2. Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện
Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hầm thủy công
có quy mô nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước thuộc trạm bơm Nghi Xuân
(Hà Tĩnh) dài 160m, BxH=1,8x2,2m; đường hầm Truông Khấp (Nghệ An) có
L=550m, D = 2,9m. Hiện tại có nhiều công trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế
và xây dựng đường hầm thủy công như:
Dự án Nhà máy thủy điện Nậm Toóng được xây dựng tại Huyện Sa Pa, tỉnh Lào
Cai. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng: hầm ngang từ Cửa

nhận nước đến Nhà máy dài 4.968 m. Tiết diện hầm BxH = 3x3,5 m trong
đó chiều cao tường 2 m, chiều cao vòm 1,5 m, bán kính vòm R = 1,5 m.

9


Hình 1.3. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng

Dự án Nhà máy thủy điện A Lin B1 được xây dựng tại huyện Phong
Điền và A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy
điện A Lin B1 có chiều dài 4.500m tiết diện hầm, BxH = 4,1 m x 4,7 m
trong đó chiều cao tường 2,65 m, chiều cao vòm 2,05 m, bán kính vòm R =
2,05m.

10


Hình 1.4. Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế
Dự án nhà máy thủy điện sông Tranh 2 được xây dựng trên sông Tranh, thuộc
bậc thang hệ thống Sông Vu Gia – Thu Bồn nằm trên địa bàn huyện Bắc Trà My,
tỉnh Quảng Nam. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Sông Tranh 2 có

chiều dài 1.700m tiết diện hầm, BxH = 6,8 m x 9,9 m.

Hình 1.5. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 2

11


Dự án thủy điện Sông Bung 2 được xây dựng tại Huyện Nam Giang, tỉnh Quảng
Nam. Hầm ngang dẫn dòng dài 389,9m. Tiết diện hầm BxH = 14 m x 14,8 m
trong đó chiều cao tường 7,8 m, bán kính vòm R = 7 m.

Hình 1.6. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 2
Dự án nhà máy thủy điện Huội Quảng được xây dựng tại huyện Mường La, tỉnh
Sơn La. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Huội Quảng có chiều dài
4.000m, tiết diện hầmBxH = 9 m x 9,9 m.

Hình 1.7. Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng

12


Ngoài ra còn nhiều công trình khác sử dụng đường hầm thủy công.
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công
Hiện nay chưa có một định nghĩa chính thức về đường hầm. Nhìn chung, đường
hầm là loại công trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đôi chiều rộng, kín
ở hai bên sườn và mở an toàn ở hai đầu. Tùy theo chức năng, đường hầm có thể
được phân thành các loại chính là: đường hầm giao thông, đường hầm thủy công
và đường hầm công nghiệp - dân dụng.
Đường hầm giao thông gồm đường hầm dành cho người đi bộ và đường hầm trên

các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu
dân cư, khu công nghiệp và cáccông trình đặc biệt khác. Một loại hình độc đáo
của đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, được xây dựng tại hầu hết các
thành phố lớn trên thế giới như Luân Đôn, Paris, Berlin, Matxcơva,...Đây là một
loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn diện tích trên
mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn cao.
Các đường hầm dân dụng và công nghiệp được xây dựng ở vùng núi hoặc trong
các thành phố để khai thác khoáng sản, làm kho chứa vật liệu, vũ khí. Trong các
thành phố lớn, đường hầm được xây dựng để đặt các hệ thống cáp điện lực hoặc
cáp thông tin, tạo thuận lợi cho việc quản lý, khai thác và bảo dưỡng.
Đường hầm thủy công là loại công trình dẫn tháo nước được xây dựng ngầm
dưới đất, thường xuyên là đục xuyên qua núi đá. Đường hầm thủy công có đặc
điểm chung của các công trình ngầm là chịu tác dụng của áp lực đất đá, nước
ngầm từ phía ngoài và chịu tác dụng của nước từ bên trong. Điều khác biệt trong
điều kiện làm việc của đường hầm thủy công so với các loại đường hầm khác là
nó làm việc trong môi trường tiếp xúc với nước từ bên trong nên nó sẽ chịu tác
tác động lý - hóa của nước. Chính vì thế khi nghiên cứu về đường hầm thủy công
ngoài các điều kiện chung ra thì phải đặc biệt xem xét đến điều kiện làm việc
trong môi trường nước để đảm bảo tính ổn định của đường hầm.

13


1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
Trong thực tế khi nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đường hầm thủy
công sẽ phải xét đến rất nhiều trường hợp với nhiều mặt cắt chịu tác động của
nhiều yếu tố khác nhau tuy nhiên trong phạm vi của Luận văn do vấn đề về kiến
thức cũng như thời gian hạn chế nên chỉ xét đến hai trường hợp ứng với mặt cắt
hầm đi qua khu vực có điều kiện địa chất bất lợi nhất (đứt gãy bậc IV):
- Trường hợp 1: Đang thi công hầm chịu tác dụng của áp lực đá núi thẳng đứng,

áp lực đá núi nằm ngang, áp lực nước ngầm.
- Trường hợp 2: Đang vận hành hầm chịu tác dụng của áp lực đá núi thẳng đứng,
áp lực đá núi nằm ngang, áp lực nước ngầm và áp lực thủy tĩnh.
1.4. Kết luận chương 1
Trên đây tác giả đã giới thiệu tổng quan về đường hầm thủy công tại Việt Nam,
trong đó có nêu một số dự án thủy điện cụ thể có sử dụng đường hầm thủy công.
Đường hầm thủy công có điều kiện làm việc trong môi trường tiếp xúc với nước
nên xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau. Do đó việc nghiên
cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công là rất cần thiết với mục
đích lựa chọn sử dụng các loại kết cấu đường hầm phù hợp. Người kỹ sư thiết kế
sẽ đưa ra các phương án khác nhau, phân tích ưu nhược điểm của từng phương
án, tính toán kỹ thuật để so chọn ra phương án lợi nhất về kỹ thuật, kinh tế. Việc
sử dụng trong thực tế cũng rất linh hoạt, có thể là hầm không áp, hầm có áp, hoặc
kết hợp cả hai miễn sao cho đảm bảo chuyển được mọi lưu lượng nước theo yêu
cầu, vận hành với tổn thất thủy lực nhỏ nhất, chi phí xây dựng và quản lý vận
hành cũng thấp nhất góp phần làm cho dự án có hiệu quả cao nhất. Do vấn đề
kiến thức cũng như thời gian hạn chế nên phạm vi nghiên cứu của luận văn là có
giới hạn chưa thể bao quát hết tất cả các trường hợp tính toán trong thực tế.

14


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU
ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
2.1. Phương pháp giải tích.
2.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu
2.1.1.1. Tính toán vòm thấp [1].
Đối với mặt cắt như hình 2.1a, vòm thấp ở đỉnh là kết cấu chịu lực trong tính
toán xem chân vòm ngàm cứng đàn hồi vào đá. Với mặt cắt hình 2.1b, nếu chiều
dày lớp lót không đổi và không có áp lực đá núi bên thì cũng có thể coi rằng chỉ

có một phần đỉnh là vòm công tác và được tính như sơ đồ vòm thấp (hình 2.2a)

Hình 2.1. Vòm thấp và vòm công tác ở đỉnh
a) Vòm thấp ở đỉnh; b) Vòm công tác ở đỉnh
Tải trọng và lực tác dụng lên vòm chủ yếu là: 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 cần phải xét đến ảnh
hưởng của chuyển vị chân vòm.
Chuyển vị chân vòm gồm chuyển vị góc và chuyển vị thẳng.

15


Khi mặt ngàm chịu mô men M0 thì hai bên của mặt cắt chân vòm sẽ có ứng suất
σ=

M o hn
, trong đó Jn là mô men quán tính của mặt cắt chân vòm. Chuyển vị
2Jn

theo phương pháp tuyến của mặt cắt tỷ lệ thuận với ứng suất pháp của mặt cắt,
tức là σ = K δ , trong đó K là hệ số lực kháng đàn tính của đá núi ở chân vòm, do
đó ta có:
=
δ

σ

M 0 hn
=

K 2Jn K

Góc quay β của mặt cắt là:
M0
δ
=
0,5hn J n K

=
β

Vì M0 = Mp + X1 + X2yn, trong đó Mp là mô men chân vòm do ngoại lực gây ra,
nên:
M p + X 1 + X 2 yn

β=
=
βp

KJ n

=
β p + X 1β1 + X 2 yn β1

Mp
1
=
; β1
KJ n
KJ n

yn là khoảng cách từ tâm đàn hồi đến điểm giữa chân vòm theo phương thẳng
đứng.
Khi lực dọc N0 tác dụng, chân vòm sẽ chuyển vị theo phương vuông góc với mặt
ngàm một giá trị ∆ =

N0
(xem hình 2.2b)
Khn

16


Hình 2.2. Sơ đồ tính toán vòm thấp
Hình chiếu của ∆ xuống phương nằm ngang (song song với trục x) là ∆H .
N
N + X 2 cos ϕ
cos ϕ n =∆P + X 2 ∆ 2
∆H = 0 cos ϕn = P
Khn
Khn

Trong đó Np là lực hướng trục ở chân vòm do các ngoại lực sinh ra.
Phương trình chính tắc của vòm khi có xét đến chuyển vị chân vòm có dạng:
X 1δ11 + X 2δ12 + ∆1 p + β = 0



X 1δ 21 + X 2δ 22 + ∆ 2 p + β yn + ∆H = 0 

(2-1)

Mô men và lực hướng trục ở mỗi mặt cắt trên vòm được xác định:
M = M P + X 1 + X 2 y, 

=
N N p + X 2 cos ϕ 

(2-2)

Trong đó: Mp và Np là mô men và lực hướng trục do ngoại lực gây ra trên hệ tĩnh
đinh; X1, X2 được xác định từ hệ phương trình (2-1).
Ứng suất tại mỗi mặt cắt vòm xác định theo công thức nén lệch tâm:
σ=

N M
±
F W

(2-3)

17


2.1.1.2. Tính toán vòm cao [1]
Những mặt cắt của đương hầm như hình 2.3 được tính toán theo sơ đồ vòm cao
hình 2.8. Khi tính toán không xét tác dụng của bản đáy. Chân vòm được ngàm
chặt đàn hồi vào đá. Giả thiết hai điểm A, D ở chân vòm chỉ có chuyển vị góc,
không có chuyển vị đàn hồi đường thẳng, do đó lực kháng đàn tính tại điểm này
bằng không. Giả định lực kháng đàn tính tác dụng lên vòm phân bố theo đường

1 1

parabôn (hình 2.4a, b) có trị số lớn nhất K δ n tại ví trí  ÷  H , trong đó H là
5 3
tổng chiều cao đoạn vòm chịu tác dụng của lực kháng đàn tính.
Khi vòm tương đối cao
dùng tỷ số

f
1
f
> 1 dùng tỷ số H ; khi vòm không cao lắm
<1
3
l
l

2
H ; trong đó f là chiều cao vòm, l là chiều rộng chân vòm.
3

Hình 2.3. Sơ đồ tính toán vòm cao
Từ vị trí có lực kháng đàn tính lớn nhất trở lên, lực kháng đàn tính tại một điểm
trên vòm tính theo công thức:

cos 2 ζ 
=
K δ K δ n 1 −

2

 cos ϕn 

(2-4)

18


Từ vị trí có giá trị max trở xuống, lực kháng đàn tính tại một điểm trên vòm tính
theo công thức:

y2 
=
K δ K δ n 1 − 2 
yh 


(2-5)

Phương pháp còn xét đến lực ma sát T. Lực này tỷ lệ thuận với lực kháng đàn
tính: T = µ K δ , Trong đó µ là hệ số ma sát giữa đá núi với lớp lót.
Phương trình chính tắc có xét tới chuyển vị góc β ở chân vòm là:
δ11 X 1 + ∆1 p + β =0



X 2δ 22 + ∆ 2 p + β yn = 0 

(2-6)

Trong đó: β =β p + X 1β1 + X 2Yn β 2 .

Giá trị nội lực và ứng suất trong vòm được xác định theo các công thức
và công thức (2-2).

Hình 2.4. Tính toán vòm cao
a) Sơ đồ tính toán kết cấu vòm cao;
b) Xác định vị trí có lực kháng đàn tính lớn nhất trên vòm.

19

(2-1)


2.1.1.3. Tính toán vòm kín [1]
Trong tầng đá tương đối mềm yếu thường xây lớp lót thành một khối chỉnh thể
trên toàn bộ chu vi của mặt cắt đường hầm (hình 2.5). Khi xác định xơ đồ tính
toán cho loại này cần dưa vào trình tự thi công lớp lót. Nếu thi công một lúc toàn
bộ lớp lót theo chu vi mặt cắt đường hầm thì sơ đồ tính toán sẽ là một kết cấu
khép kính (vòm kín) trên nền đàn hồi (hình 2.6). Về thực chất, kết cấu này gồm
một vòm cao và một vòm ngược ở đáy ghép lại mà thành. Nếu thi công phần
vòm cao phía trên trước một thời gian sau mới thi công phần vòm ở đáy thì trọng
lượng bản thân lớp lót và áp lực đá núi (nhất là áp lực đá núi sinh ra trong khoảng
giữa hai lần thi công vòm đỉnh và vòm đáy) sẽ do vòm cao phía trên chịu, lúc đó
vòm phía trên tính theo kết cấu vòm cao. Nếu biện pháp thi công đảm bảo vòm
trên và vòm đáy cùng làm việc thì dưới tác dụng của các lực khác như áp lực
nước bên trong và ngoài đường hầm, lớp lót sẽ được tính theo kết cấu khép kín
trên nền đàn hồi.

Hình 2.5. Sơ đồ vòm khép kín

Hình 2.6. Sơ đồ tính toán vòm khép kín

20


Khi tính toán kết cấu vòm kín thường phân làm hai phần: phần trên tính toán như
một vòm cao, phần dưới là một vòm cong ngược (hình 2.6).
Tính toán phần vòm cao như phương pháp đã nêu ở trên nhưng chuyển vị góc
chân vòm do các ngoại lực gây ra ( β p ) và chuyển vị góc chân vòm do mô men
đơn vị gây ra ( β1 ) cần phải xét đến ảnh hưởng của vòm đáy.
Vòm đáy được coi như một dầm trên nền đàn hồi, khi vòm đáy tương đối thấp, tỷ
số giữa chiều cao vòm với chiều rộng chân vòm (vòm đáy) khoảng 1/10, thì có
thể coi vòm đáy như một dầm thẳng để tính toán.
Theo kết quả tính dầm trên nền đàn hồi có:
(2-7)

(2-8)
Trong đó: β p - chuyển vị góc ở chân vòm do các ngoại lực gây ra;
β1 - chuyển vị góc ở chân vòm do mô men đơn vị gây ra;

α=4

Kb
EJ

(2-9)

E, J – mô đun đàn hồi của vật liệu và mô men quán tính của mặt cắt vòm đáy
K - hệ số lực kháng đàn tính của đá núi;
b - chiều dài của đoạn vòm, thường lấy đoạn dài một mét để tính toán;
Mp – mô men ở chân vòm do các ngoại lực gây ra tính theo hệ tĩnh định;

P0 - tổng hình chiếu theo phương thẳng đứng của các lực tác dụng lên nửa vòm
đỉnh (bao gồm cả lực mà sát và lực kháng đàn tính);
 αl 
G4 và G5 - hệ số phụ thuộc vào trị số   .
 2 

21