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 lào cai

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập, nghiên cứu và làm luận văn, được sự nhiệt tình giúp đỡ của các
thầy, cô giáo trong Trường Đại học Thuỷ lợi và sự cố gắng nỗ lực của bản thân, đến
nay 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” đã được hoàn thành.
Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về việc nghiên cứu xác định trạng
thái ứng suất biến dạng đường hầm Thủy điện Nậm Toóng – Lào Cai. Do thời gian và
kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ kỹ thuật còn tồn tại
một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Tác giả mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của
các thầy cơ giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thơng tin khoa học cần thiết
trong q trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào
tạo Đại học và sau Đại học, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng điện 1 đã tạo điều kiện
giúp đỡ tác giả về tài liệu, thơng tin và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận
văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2016
Học viên

Tống Xuân Phương

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên đề tài luận văn: “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 Tng
,Tỉnh Lào Cai”.

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội dung và kết
quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình khoa học nào. Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các
hình thức kỷ luật nào của Nhà trường.
Học viên

Tống Xuân Phương

ii


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 CƠNG .................................. 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 TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM
THỦY CƠNG ............................................................................................................... 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. Ngun tắc và trình tự giải bài tốn kết cấu đường hầm theo phương pháp phần
tử hữu hạn. [1] ........................................................................................................... 34
3.1.1. Rời rạc hóa miền tính tốn .............................................................................. 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 tốn bổ sung ............................................................................. 36

iii


3.2 Xác định ma trận độ cứng của phần tử vỏ. ......................................................... 36
3.3. Sơ đồ tính tốn 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 tốn kết cấu đường hầm với SAP2000 ........................................... 42
3.5. Kết luận chương III. ........................................................................................... 43
CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆN
NẬM TNG ............................................................................................................... 44
4.1. Giới thiệu cơng trình. ......................................................................................... 44
4.1.1. Vị trí cơng trình ............................................................................................... 44
4.1.2. Nhiệm vụ cơng trình ....................................................................................... 44
4.1.3. Thơng số cơng trình ........................................................................................ 45
4.2. Các thơng số tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng, các trường hợp tính tốn

và sơ đồ tính. ............................................................................................................. 48
4.2.1. Thơng số tính tốn trạng thái ứng suất – biến dạng. ....................................... 48
4.2.2. Các trường hợp tính tốn 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 cơng thủy điện
Nậm Tng ............................................................................................................... 62
4.3.1. Tính toán các lực tác dụng lên vỏ hầm trong các trường hợp tính tốn. ....... 62
4.3.2. Tính tốn nội lực trong đường hầm trong các trường hợp tính tốn. ............ 65
4.4. Phân tích kết quả tính tốn. ................................................................................ 66
4.5. Kết luận chương IV............................................................................................ 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73
PHỤ LỤC TÍNH TỐN ............................................................................................... 74

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đường hầm khơng 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 Tng ................................. 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 Sơng Tranh 2................................ 11
Hình 1.6. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sơng Bung 2 ................................ 12
Hình 1.7. Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng ..................................................... 12
Hình 2.1. Vịm thấp và vịm cơng tác ở đỉnh ................................................................. 15
Hình 2.2. Sơ đồ tính tốn vịm thấp ............................................................................... 17
Hình 2.3. Sơ đồ tính tốn vịm cao ................................................................................ 18
Hình 2.4. Tính tốn vịm cao ......................................................................................... 19
Hình 2.5. Sơ đồ vịm khép kín ....................................................................................... 20

Hình 2.6. Sơ đồ tính tốn vịm 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 trịn ......................................................... 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 vịng trịn (c). ................................................... 27
Hình 2.12. Phân bố ứng suất trong khối đá có lỗ kht trịn 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 tốn phương pháp phần tử biên......................................... 32
Hình 3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 34
Hình 3.2. Sơ đồ tính tốn 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 tốn .................................................................................... 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 thơng số chính của cơng 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 tốn 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 tồn hệ thống với tổng cơng suất khoảng 27 nghìn MW; phần cịn 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 sơng suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong đó có nhiều
sơng lớn bắt nguồn từ nước ngồi, 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 cơng 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 cơng
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 cơng 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 Hịa 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 Xơ đã xây dựng hơn 30 nhà
máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xơ
tính đến thời kỳ đó trên 170km [4].
Ở nước ta các cơng 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 trị 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 cơng
có quy mơ 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 Trng Khấp (Nghệ

An) có L = 550 m; D=2,9m. Hiện tại hàng loạt cơng trình thủy lợi, thủy điện
đang thiết kế và xây dựng có đường hầm thủy cơng, như đường hầm dẫn dịng
cơng 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 tơng 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 khơng có biện pháp gia cố. Để đường
hầm thủy cơng được đảm bảo an tồn trong q trình vận hành cần có lớp lót cho
đường hầm. Mục đích của tính tốn lớp lót đường hầm thủy cơng 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 tốn 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 tốn 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 cơng nói riêng cũng như các cơng
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, cơng 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 Tng (cột nước, lưu lượng, cơng suất, thiết bị ...) và các tài liệu về địa

3


hình, địa chất (kết quả khoan thăm dị địa chất, báo cáo địa chất cơng trình...) u
cầu luận văn cần đạt được như sau:
- Tổng quan về đường hầm thủy cơng, các phương pháp tính tốn đường hầm.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đường hầm thủy điện Nậm
Toóng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn thơng 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: Cơng 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 tốn trạng thái ứng suất - biến dạng đường
hầm thủy công.
- Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính tốn 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 cơng.
- Tổng quan các phương pháp tính tốn 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 cơng
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy cơng 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 tốn kết cấu đường hầm thủy cơng
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 tốn trong luận văn: Sap 2000.
3.3. Kết luận Chương 3.
Chương 4: Áp dụng tính tốn đường hầm thủy điện Nậm Tng
4.1. Giới thiệu cơng trình.
4.2. Các thơng 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 cơng thủy điện
Nậm Tng..
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 tốn

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CƠNG
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy cơng tại Việt Nam
Từ lâu, trước Công Nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp , La Mã các cơng trình
ngầm đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau: khai khống, cấp nước,
giao thơng, lăng mộ, nhà thờ. Một số cơng trình cịn được giữ ngun cho đến
ngày nay. Cơng 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 vịm như các hang động tự
nhiên, khơng 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
cơng 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 cơng 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 Xơ đã xây dựng hơn 30 nhà
máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy cơng đã xây dựng ở Liên Xơ

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 cơng 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 khơng 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 cơng. 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 cơng, tuyến đường
hầm có thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán
kính khơng nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt khơng
vượt q 60o. Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục kilơ-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 khơng 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 khơng 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 vịm . Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo
phương đứng khơng lớn và khơng có áp lực hơng của đất lên vỏ hầm thì có thể
sử dụng tiết diện với trần là nửa hình trịn .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 trịn. 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. Ngồi ra, khi sử dụng tiết diện trịn, khối
lượng cơng tác đào và bêtơng 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 khơng nhỏ hơn 0,02Mpa. Kích thước
tối thiểu của đường hầm phải đảm bảo điều kiện an tồn thi cơng 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 cơng
có quy mơ nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước thuộc trạm bơm Nghi Xuân
(Hà Tĩnh) dài 160m, BxH=1,8x2,2m; đường hầm Trng Khấp (Nghệ An) có
L=550m, D = 2,9m. Hiện tại có nhiều cơng trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế
và xây dựng đường hầm thủy cơng như:
Dự án Nhà máy thủy điện Nậm Tng 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 vịm 1,5 m, bán kính vịm 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 vịm 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 Sơng 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 vịm 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


Ngồi ra cịn nhiều cơng trình khác sử dụng đường hầm thủy công.
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy cơng
Hiện nay chưa có một định nghĩa chính thức về đường hầm. Nhìn chung, đường
hầm là loại cơng trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đơi 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 Ln Đơn, Paris, Berlin, Matxcơva,...Đây là một
loại hình vận tải cơng cộng có rất nhiều ưu điểm như: khơng tốn diện tích trên
mặt đất, ít gây ơ nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an tồn cao.
Các đường hầm dân dụng và cơng 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 cơng là loại cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng
ngồi các điều kiện chung ra thì phải đặc biệt xem xét đến điều kiện làm việc

trong mơi 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 cơng tại Việt Nam,
trong đó có nêu một số dự án thủy điện cụ thể có sử dụng đường hầm thủy cơng.
Đường hầm thủy cơng 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 cơng 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 tốn 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 khơng 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 tốn trong thực tế.

14


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU
ĐƯỜNG HẦM THỦY CƠNG
2.1. Phương pháp giải tích.
2.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu
2.1.1.1. Tính tốn vịm thấp [1].
Đối với mặt cắt như hình 2.1a, vịm thấp ở đỉnh là kết cấu chịu lực trong tính
tốn xem chân vịm ngàm cứng đàn hồi vào đá. Với mặt cắt hình 2.1b, nếu chiều
dày lớp lót khơng đổi và khơng có áp lực đá núi bên thì cũng có thể coi rằng chỉ
có một phần đỉnh là vịm cơng tác và được tính như sơ đồ vịm thấp (hình 2.2a)

Hình 2.1. Vịm thấp và vịm cơng tác ở đỉnh
a) Vịm thấp ở đỉnh; b) Vịm cơng 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
vịm là ngàm chặt đàn hồi với đá núi nên khi tính toán cần phải xét đến ảnh
hưởng của chuyển vị chân vịm.
Chuyển vị chân vịm gồm chuyển vị góc và chuyển vị thẳng.

15


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

M o hn
, trong đó Jn là mơ men qn 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 vịm, 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 mơ men chân vịm 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 vịm sẽ chuyển vị theo phương vng góc với mặt
ngàm một giá trị ∆ =

N0
(xem hình 2.2b)
Khn

16


Hình 2.2. Sơ đồ tính tốn vịm 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 vịm do các ngoại lực sinh ra.
Phương trình chính tắc của vịm khi có xét đến chuyển vị chân vịm 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 mơ 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 vịm xác định theo công thức nén lệch tâm:
σ=

N M
±
F W

(2-3)

17


2.1.1.2. Tính tốn vịm cao [1]
Những mặt cắt của đương hầm như hình 2.3 được tính tốn theo sơ đồ vịm cao
hình 2.8. Khi tính tốn khơng 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,
khơng có chuyển vị đàn hồi đường thẳng, do đó lực kháng đàn tính tại điểm này
bằng khơng. Giả định lực kháng đàn tính tác dụng lên vịm phân bố theo đường
1 1

parabơn (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 vịm tương đối cao
dùng tỷ số

f
1
f
> 1 dùng tỷ số H ; khi vịm khơng cao lắm
<1
3
l
l

2

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

Hình 2.3. Sơ đồ tính tốn vịm cao
Từ vị trí có lực kháng đàn tính lớn nhất trở lên, lực kháng đàn tính tại một điểm
trên vịm tính theo cơng 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 vịm tính
theo cơng 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 vịm được xác định theo các cơng thức
và cơng thức (2-2).

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

19

(2-1)