(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện

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 Thủy lợi và sự cố gắng nỗ
lực của bản thân, đến nay đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lực động đất
đến kết cấu đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện” đã được hoàn thành.
Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về việc nghiên cứu
xác định kết cấu đường hầm dẫn nước của thủy điện Suối Sập 3 – Sơn La. Do
thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khn khổ một luận văn thạc sỹ
cịn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Tác giả mong nhận được sự
góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trịnh Quốc
Cơng, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa
học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy
lợi, Phòng đào tào Đại học và sau Đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về
tài liệu, thơng tin và đóng góp nhiều ý kiến q báu cho bài luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 3 năm 2015
Học viên

Ngơ Duy Bính


LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Ngơ Duy Bính
Học viên lớp: 20C11
Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu
đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện” .
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội dung
và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng 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 của Nhà trường.
Học viên

Ngơ Duy Bính


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...........................................................................4
1.1. Tổng quan về đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện.....................4
1.1.1. Khái niệm và phân loại........................................................................... 4
1.1.2. Hình dạng mặt cắt và điều kiện sử dụng................................................. 4
1.2. Yêu cầu về phân tích, lựa chọn kết cấu cho tuyến đường hầm..................6
1.2.1. Đường hầm khơng có lớp áo gia cố........................................................ 9
1.2.2. Đường hầm có lớp áo gia cố................................................................... 9
1.3. Lựa chọn tuyến đường hầm, ngun lí tính tốn khả năng chịu lực vỏ
hầm...........................................................................................................
11
1.3.1. Lựa chọn tuyến của đường hầm............................................................ 11
1.3.2. Ngun lí tính tốn khả năng chịu lực vỏ hầm..................................... 13
1.4. Tổng quan về động đất.............................................................................15
1.4.1. Nguyên nhân gây ra động đất................................................................15
1.4.2. Một số khái niệm về động đất............................................................... 15
1.4.3. Tình hình động đất trên thế giới và ở Việt Nam....................................18
1.4.4. Ảnh hưởng của động đất đến cơng trình xây dựng và biện pháp giảm
thiểu thiệt hại do động đất.....................................................................21
1.5. Các nghiên cứu về thiết kế cơng trình chịu động đất ở trong nước và
ngoài nước................................................................................................23
1.5.1. Trong nước............................................................................................ 23
1.5.2. Ngoài nước............................................................................................26

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM
CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT..................27


MỤC LỤC
2.1. Các phương pháp phân tích kết cấu tuyến đường hầm chịu tải trọng động đất
27
2.1.1. Phương pháp giả tĩnh............................................................................ 27
2.1.2. Phương pháp phổ phản ứng...................................................................27
2.1.3. Phương pháp lịch sử thời gian...............................................................29
2.2. Lựa chọn phương pháp tính tốn kết cấu........................................................32
2.2.1. Lựa chọn theo mức độ phức tạp của kết cấu.........................................32
2.2.2. Lựa chọn theo tính đều đặn của cơng trình...........................................33
2.3. Nội dung phương pháp lịch sử thời gian trong phân tích kết cấu tuyến
đường hầm.......................................................................................................33
2.3.1. Phương trình vi phân mơ tả chuyển vị của kết cấu chịu tải trọng động
đất..........................................................................................................33
2.3.2.Thuật tốn Newmark trong phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất
theo phương pháp lịch sử thời gian.......................................................34
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC
ĐỘNG ĐẤT ĐẾN KẾT CẨU ĐƯỜNG HẦM CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
SUỐI SẬP...................................................................................................... 37
3.1. Giới thiệu chung về cơng trình.................................................................37
3.1.1. Tổng quan về cơng trình “Thủy điện Suối Sập 3”................................ 37
3.1.2. Các điều kiện tự nhiên...........................................................................41
3.1.3. Các hạng mục cơng trình chủ yếu.........................................................46
3.2. Các trường hợp tính tốn kết cấu tuyến đường hầm của trạm thủy điện
Suối sập....................................................................................................49
3.2.1. Lựa chọn mơ hình tính tốn.................................................................. 49
3.2.2. Các thơng số cơ bản của mơ hình......................................................... 50

3.3. Các trường hợp tính tốn, lực tác dụng và tổ hợp lực..............................52


MỤC LỤC
3.3.1. Các trường hợp tính tốn.......................................................................54
3.3.2. Xác định các tải trọng tĩnh.................................................................... 55
3.3.3. Xác định tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian..........60
3.4. Tính tốn các lực tác dụng lên vỏ hầm trong các trường hợp tính tốn...74
3.5. Phân tích kết quả tính tốn.......................................................................75
3.5.1. Kết quả tính tốn trường hợp 2............................................................. 75
3.5.2. Kết quả tính tốn trường hợp 3............................................................. 77
3.5.3. Kết quả tính tốn trường hợp 4............................................................. 79
3.5.4. Bảng tổng hợp kết quả.......................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC 1: TÍNH TỐN LỰC TÁC DỤNG LÊN VỎ ĐƯỜNG HẦM


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình dạng các tiết diện đường hầm..................................................5
Hình 1.2: Các loại vỏ đường hầm có áp............................................................7
Hình 1.3: Sơ đồ phụt vữa vỏ hầm.....................................................................8
Hình 3.1. Mơ hình tính tốn đường hầm.........................................................50
Hình 3.2. Sơ đồ tính áp lực đá núi..................................................................55
Hình 3.3. Quan hệ giữa K0 và fk của đá nứt nẻ.............................................59
Hình 3.4: Phổ phản ứng theo phương ngang..................................................64
Hình 3.5: Phổ phản ứng theo phương đứng....................................................66
Hình 3.6: Phổ thiết kế theo phương ngang......................................................68
Hình 3.7: Phổ thiết kế theo phương đứng.......................................................70
Hình 3.8: Phổ phản ứng theo phương ngang ứng với động đất cấp 7.............73

Hình 3.9. Phổ gia tốc nền nhân tạo theo phương ngang ứng động đất cấp 7 . 74
Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất S11 với TH2......................................................75
Hình 3.11. Biểu đồ ứng suất S33 với TH2......................................................76
Hình 3.12. Biểu đồ chuyển vị U1 với TH2.....................................................76
Hình 3.13. Biểu đồ chuyển vị U3 với TH2.....................................................77
Hình 3.14. Biểu đồ ứng suất S11 với TH3......................................................77
Hình 3.15. Biểu đồ ứng suất S33 với TH3......................................................78
Hình 3.16. Biểu đồ chuyển vị U1 với TH3.....................................................78
Hình 3.17. Biểu đồ chuyển vị U3 với TH3.....................................................79
Hình 3.18. Biểu đồ ứng suất S11 với TH4......................................................79
Hình 3.19. Biểu đồ ứng suất S33 với TH4......................................................80
Hình 3.20. Biểu đồ chuyển vị U1 với TH4.....................................................80
Hình 3.21. Biểu đồ chuyển vị U3 với TH4.....................................................81


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các loại áo chịu lực của đường hầm...............................................10
Bảng 1.2: Chiều dày tối thiểu của vỏ đường hầm...........................................14
Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất................17
Bảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất.................18
Bảng 1.5: Một số trận động đất gây thiệt hại về người...................................19
Bảng 2.1: Phạm vi áp dụng của các phương pháp tính tốn theo mức độ phức
tạp tăng dần của kết cấu..................................................................................32
Bảng 2.2: Quy định về việc xây dựng mơ hình và sử dụng phương pháp tính
tốn theo tính đều đặn của cơng trình.............................................................33
Bảng 3.1: Bảng thơng số chính của cơng trình...............................................37
Bảng 3.2: Quy mơ các hạng mục cơng trình chính.........................................39
Bảng 3.3: Các thơng số cơ bản về khí tượng - thủy văn................................42
Bảng 3.4: Thơng số cơ bản mặt cắt đường hầm..............................................50
Bảng 3.5: Chỉ tiêu cơ lý tính tốn cho bê tơng................................................50

Bảng 3.6: Thơng số cốt thép tính tốn............................................................51
Bảng 3.7: Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng các mẫu thí nghiệm của lớp IIB........52
Bảng 3.8: Hệ số lệch tải khi tính tốn lớp lót đường hầm..............................53
Bảng 3.9. Trị số Ka ứng với các loại đá..........................................................57
Bảng 3.10: Các loại nền đất............................................................................61
Bảng 3.11: Giá trị các tham số biểu diễn phổ phản ứng đàn hồi.....................61
Bảng 3.12: Các thơng số tính tốn phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang63
Bảng 3.13: Kết quả tính tốn phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang 63
Bảng 3.14: Các giá trị kiến nghị cho các tham số mô tả phổ phản ứng đàn hồi
theo phương thẳng đứng..................................................................................64
Bảng 3.15: Kết quả tính tốn phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng 65


Bảng 3.16: Các thơng số tính tốn phổ thiết kế theo phương nằm ngang......67
Bảng 3.17: Kết quả tính tốn phổ thiết kế theo phương nằm ngang...............67
Bảng 3.18: Các giá trị kiến nghị cho các tham số mô tả phổ thiết kế theo
phương thẳng đứng.........................................................................................68
Bảng 3.19: Kết quả tính tốn phổ thiết kế theo phương thẳng đứng..............69
Bảng 3.20: Địa điểm cấp động đất nghiên cứu...............................................73
Bảng 3.21: Thống kê các ngoại lực tác dụng lên đường hầm trong các trường
hợp tính tốn....................................................................................................74
Bảng 3.22: Thống kê kết quả tính tốn trong các trường hợp........................81
Bảng 3.23: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn các trường hợp tại các nút........82


9

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất tương đối

mạnh. Theo Viện Vật Lý Địa Cầu, đất nước ta có bốn vùng động đất chính.
Vùng động đất thứ nhất là miền núi tây bắc bao gồm các tỉnh Sơn La, Lai
Châu với cường độ động đất M=6.8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thố sông
Hồng với cường độ động đất M = 6.2, Vùng động đất thứ ba là vùng miền núi
Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với
cường độ động đất M= 6.0, Vùng động đất cuối cùng là vùng phía nam của
đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5.
Nước ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên
nhu cầu điện năng ngày càng tăng. Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng
lượng cho đất nước. Chính vì vậy mà các cơng trình trạm thủy điện được xây
dựng trên ngày một nhiều, đặc biệt các cơng trình thủy điện có cơng suất vừa
và nhỏ với đường dẫn nước dài để tạo cột nước. Đường hầm để tạo cột nước
cho các trạm thủy điện ở nước ta hiện nay được sử dụng khả phổ biến, điển
hình như Thủy điện Nậm Chiến (200MW) có đường hầm dài 10Km, thủy
điện Huội Quảng (520MW) có đường hầm dài 4Km, và một số cơng trình
thủy điện nhỏ như Suối Sập, Sao Va, Xím Vàng, Nậm Mở …vv
Hiện nay, tại các cơng ty thiết kế, khi phân tích kết cấu tuyến đường
hầm của trạm thủy điện thường bỏ qua tải trọng động đất hoặc có kể đến tải
trọng động đất nhưng thường chỉ sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh. Điều
này dẫn đến kết quả tính tốn khơng phản ánh đúng trạng thái làm việc của
kết cấu tuyến đường hầm trong điều kiện xảy ra động đất. Với sự phát triển
của khoa học cơng nghệ, ngày nay có nhiều phương pháp tính tốn kết cấu
cơng trình chịu tải trọng động đất cho kết quả phản ánh được trạng thái làm
việc cũng như đặc tính động của kết cấu cơng trình như phương pháp phổ


phản ứng, phương pháp lịch sử thời gian …vv. Trong ú, Phơng pháp lịch sử
thời gian (Response history analysis ) sử dụng biểu đồ gia tốc
nền

..

tính
()
uđểt

toán nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết cấu tại mọi thời điểm của một trận
động đất. Phơng pháp này đà phản ánh đợc quá trình làm việc của kết cấu
đờng hầm trong quá trình xảy ra động đất của một trận động đất cụ thể từ đó
thấy đợc rõ hơn ảnh hởng của lực động đất đến kết cấu đờng hầm của trạm
thủy ®iƯn.
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích kết cấu đường
hầm dẫn nước của trạm thủy điện chịu tác dụng của lực động đất theo phương
pháp lịch sử thời gian để thấy được ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu
tuyến đường hầm là rất cần thiêt. Học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh
hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước của trạm thủy
điện” sẽ góp một phần vào cơng nghệ thiết kế, phân tích kết cấu tuyến đường
hầm dẫn nước vào máy thủy điện chịu tải trọng động đất, từ đó lựa chọn được
kích thước kết cấu hợp lý cho tuyến đường hầm của trạm thủy điện đảm bảo
cho tuyến đường hầm làm việc an toàn với mọi tổ hợp tải trọng trong thực tế
vận hành.
II. Mục đích của đề tài
Xây dựng cơ sở lý thuyết, mơ hình tốn trong phân tích kết tuyến
đường hầm dẫn nước của trạm thủy điên chịu tác dụng của tải trọng động đất
theo phương pháp lịch sử thời gian từ đó thầy được ảnh hướng của lực động
đất đến kết cấu tuyến đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến
đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phân tích kết cấu cơng trình ngầm chịu

tải trọng động đất.


- Xây dựng biểu đồ gia tốc nền tại vị trí cơng trình theo tiêu chuẩn xây dựng
Việt nam TCXDVN 375-2006; Thiết kế cơng trình chịu động đất.
- Xây dựng mơ hình kết cấu đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện chịu các
tải trọng tĩnh và tải trọng động đất bằng phần mềm Phần tử hữu hạn có các
module phân tích động theo phương pháp lịch sử thời gian.
- Phân tích, đánh giá, so sánh kết quả ứng suất, chuyển vị của kết cấu đường
hầm trạm thủy điện chịu tải trọng tĩnh và tải trọng động đất, từ đó rút ra kết
luận về ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước của
trạm thủy điện.
IV. Kết quả dự kiến đạt được
- Biểu đồ gia tốc nền tại vị trí xây dựng tuyến đường hầm.
- Xác định tần số dao động riêng, hình dáng dao động của kết cấu
đường hầm của trạm thủy điện theo các dạng dao động.
- Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu đường hầm chịu tải trọng
tĩnh.
- Biểu đồ trạng thái ứng suất biến dạng tại các điểm trên tuyến đường
hầm thủy điện theo thời gian của trận động đất.
- So sánh kết quả ứng suất biến dạng của tuyến đường hầm chịu tĩnh tải và tải
trọng động do động đất gây nên từ đó thấy được ảnh hưởng của lực động đất
đến kết cấu tuyến đường hầm.


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Đường hầm dẫn nước còn gọi là tuynen dẫn nước. Trong khái niệm về
đường hầm người ta phân ra làm hai loại: đường hầm khơ thường ứng dụng

với mục đích giao thơng, bố trí thiết bị ...và đường hầm dẫn nước dùng để
cung cấp nước cho các mục đích phát điện, tưới và các ngành dùng nước khác
còn gọi là đường hầm thuỷ lợi.
Căn cứ vào chế độ thuỷ lực bên trong đường hầm mà chúng có thể
phân thành hai loại cơ bản: đường hầm dẫn nước có áp và đường hầm dẫn
nước khơng có áp. Đường hầm khơng áp được ứng dụng trong các trường hợp
khi mực nước trong chúng ít thay đổi.
Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện là cơng trình dẫn nước
kiểu kín, được xây dựng xun qua đất đá mà khơng bóc lớp đất đá ở trên.
Đường hầm dẫn nước được xây dựng khi:
+ Khơng có điều kiện tháo nước hoặc dẫn nước qua bản thân các cơng
trình dâng nước.
+ Khi xây dựng đường dẫn hở không kinh tế bằng xây dựng đường
hầm.
+ Nếu xây dựng kênh hở có thể bị phá hoại do sự sạt lở ở sườn núi hoặc
có đá lăn.
+ Tuyến dẫn nước qua nơi rừng núi rậm rạp, địa hình phức tạp.
1.1.2. Hình dạng mặt cắt và điều kiện sử dụng
Khi chọn mặt cắt ngang của đường hầm phải dựa vào các điều kiện sau:
+ Chế độ thủy lực: Quyết định tiết diện mặt cắt.
+ Địa chất: Điều kiện cơ bản quyết định hình thức mặt cắt.
+ Điều kiện thi cơng: Có khả năng thi cơng.


Hình 1.1: Hình dạng các tiết diện đường hầm.
a. Các hình thức của mặt cắt đường hầm khơng áp
Lực chủ yếu là áp lực đá núi vì vậy phải căn cứ vào áp lực đá núi, tức
hệ số kiên cố của địa chất để chọn hình dáng mặt cắt.
- Mặt cắt có đỉnh bằng hoặc vịm thấp: Dùng khi đá rắn chắc có hệ số kiên cố
Fk ≥ 8, khơng có áp lực đá núi.

- Mặt cắt có đỉnh là vòm nữa đường tròn: Sử dụng khi 4đá núi thẳng đứng.
- Mặt cắt có thành, vịm cong: Sử dụng khi 2phương thẳng đứng và phương ngang.
- Mặt cắt hình móng ngựa: Sử dụng khi F k<2, có áp lực đá núi theo
phương thẳng đứng, phương ngang và cả dưới lên.
- Mặt cắt hình trịn: Dùng khi có tầng đá nằm nghiêng dọc theo tuyến đường
hầm, áp lực đá núi không đối xứng qua đường trục thẳng đứng đi qua trung
tâm mặt cắt ngang, áp lực nước ngầm rất lớn.
b. Các dạng mắt cắt đường hầm có áp
- Đối với đường hầm có áp người ta thường dùng mặt cắt hình trịn. Với loại
này điều kiện dịng chảy tương đối tốt và có lợi cho việc chịu tác dụng của
áp lực nước phân bố đều ở trong đường hầm.


- Khi cột nước áp lực kể từ trung tâm mặt cắt trở lên không vượt quá ba lần
chiều cao của đường hầm, có thể dùng các hình thức mặt cắt đường hầm
khơng áp nhưng phải tiến hành phân tích các điều kiện kinh tế kỹ thuật một
cách đầy đủ.
* Lưu ý:
- Để đảm bảo điều kiện thi cơng thì:
+ Chiều cao hầm ≥ 1,85m đối với thi công thủ công và ≥ 2,5m với thi
công cơ giới.
+ Chiều rộng hầm ≥ 1m5m đối với thi công thủ công và ≥ 2,5m với thi
công cơ giới.
-Đối vớiđường hầm không áp, chiều sâu nước trongđường hầm không
lớn hơn 85% chiều cao đường hầm và trong mọi trường hợp khoảng không
trên mặt khơng bé hơn 0,4m.
1.2. u cầu về phân tích, lựa chọn kết cấu cho tuyến đường hầm
Phần lớn các đường hầm dẫn nước thuỷ điện đều có vỏ, tuỳ theo khả

năng chịu lực và đặc điểm khối đất đá xung quanh tuyến đường hầm mà
chúng đảm nhận các nhiệm vụ khác nhau do đó nhiệm vụ của chúng cũng
khác nhau.
Nếu đường hầm đặt trong khối đá rắn chắc không nứt nẻ thì vỏ đường
hầm chỉ làm nhiệm vụ làm phẳng mặt trong của đường hầm để giảm tổn thất
thuỷ lực vì trong trường hợp này tải trọng do áp lực nước bên trong và áp lực
đất đá xung quanh là do khối đá đảm nhận. Trong các trường hợp này chúng
thông thường được làm bằng lớp vữa phun dày từ 5-10 cm. Nếu khối đất đá
có nhiều nứt nẻ thì chúng còn được làm nhiệm vụ chống thấm.


Hình 1.2: Các loại vỏ đường hầm có áp.
I- bê tông liền khối; II- bê tông cốt thép liền khối; III- vỏ hai lớp; IV- bê tông
cốt thép đúc sẵn; V & VI- các kết cấu vỏ kết cấu hợp; 1-lỗ phụt vữa bê tông
cốt thép; 2- ống phụt vữa chèn vỏ hầm; 3- cốt thép vòng; 4- cốt thép cấu tạo;
5- bê tông đúc tại chỗ; 6- vữa phun; 7-dăm sỏi; 8- ống thoát nước; 9- vữa, xi
măng; 10- khối bê tơng; 11- thép tấm có đai; 12- vịng thép tấm.
Trong trường hợp khối đất đá xung quanh không có khả năng đảm nhận
tải trọng do áp lực nước bên trong gây và áp lực đất bên ngoài nên thì thì vỏ
đường hầm có kết cấu để có thể chịu áp lực nước bên trong, áp lực đất và
nước ngầm từ bên ngồi, đồng thời đóng vai trị chống thấm và giảm ma sát.
Trên hình 1.2 thể hiện cấu tạo vỏ của các loại đường hầm có áp chịu áp lực
đất bên ngoài và nước bên trong.
Trong mọi trường hợp (trừ trường hợp vỏ hầm làm bằng bê tông phun
hoặc vữa phun) để tăng cường khả năng chịu lực của vỏ hầm, tạo vùng đệm
rắn chắc giữa vỏ hầm và khối đá tự nhiên xung quanh, tăng khả năng chống
thấm, trong trường hợp địa chất là đá nứt nẻ người ta phụt vữa xung quanh vỏ
hầm (hình 1.3). Việc phụt vữa xung quanh đường hầm tạo nên một khối rắn
chắc cùng làm việc chung với vỏ hầm và làm cho tải trọng phân bố đều xung
quanh, giảm khả năng biến dạng của khối đất đá. Vữa phụt xung quanh vỏ

hầm dưới


hai hình thức: phụt vữa lấp khe hở giữa và khối đất đá xung quanh (phụt vữa
bổ sung) và phụt vữa gia cố. Khi thi công giữa vỏ hầm và khối đá xung
quanh thường tồn tại một khe hở nhất định cần phải lấp đầy chúng bằng vữa xi
măng. Việc phụt vữa này được tiến hành khi bê tông vỏ đã hồn thành, qua
các ống đường kính 40-60 cm người ta nén vữa vào khoảng trống phía ngồi
vỏ từ bên trong đường hầm, các ống này được bố trí đều khi thi công vỏ hầm.
Việc phụt vữa gia cố chỉ tiến hành trong trường hợp địa chất là đá nứt
nẻ nhiều bằng cách khoan phụt vào khối đá xung quanh theo phương hướng
kính với vỏ hầm.

Hình 1.3: Sơ đồ phụt vữa vỏ hầm.
1- khối đá không phụt vữa; 2- vùng phụt vữa gia cố; vùng phụt vữa bổ sung;
4- vỏ hầm bê tông
Để bảo vệ vỏ hầm dưới tác động của nước ngầm xung quanh trong
trường hợp áp lực nước ngầm lớn, người ta thường làm hệ thống thoát nước
ngầm dọc theo đường hầm dưới dạng ống (bằng sứ hoặc bê tơng nhẹ) và thốt
nước ngang dưới dạng sỏi bọc xung quanh vỏ hầm (hình 1.2, sơ đồ V).
Vỏ hầm nên sử dụng một loại trên toàn tuyến, chỉ trong trường hợp đặc
biệt mới sử dụng khác loại.


1.2.1. Đường hầm khơng có lớp áo gia cố
Những đường hầm khơng áp, đi qua đá ít nứt nẻ liền khối, có độ bền
cao với vận tốc nước chảy khơng q 10m/s có thể thiết kế khơng áo. Để cải
thiện chế độ thủy lực và điều kiện kiểm tra đường hầm khơng có áo, trong
những trường hợp cá biệt nên thiết kế đáy phẳng của đường hầm bằng bê
tông.

Khi vận tốc dịng chảy lớn hơn 10m/s thì việc thiết kế đường hầm
khơng áp khơng có áo phải được luận chứng bằng những tài liệu nghiên cứu
thí nghiệm.
Những đường hầm có áp đi qua vùng có những điều kiện như trên, cho
phép được thiết kế không áo khi độ sâu đường hầm khơng q 1/2 trị số cột
nước bên trong tính bằng mét.
Đoạn đầu và đoạn cuối của đường hầm không áp và khơng có lớp áo
phải thiết kế có áo trên một đoạn dài bằng chiều rộng thông thủy nhưng
không ngắn hơn 6m,
Trong các thiết kế đường hầm khơng có áo phải áo dụng việc nổ mìn
tạo biên mặt nhẵn để giảm bớt độ nhám của mặt đường hầm.
1.2.2. Đường hầm có lớp áo gia cố
Áo đường hầm thủy lợi có thể chia ra: áo làm nhẵn (khơng chịu lực) và
áo chịu lực.
a.

Áo làm nhẵn:

Loại áo làm nhẵn phải đảm bảo cải thiện được những đặc trưng thủy
lực của các đường hầm, giảm bớt lượng mất nước do thấm qua đường hầm và
ngăn ngừa đá bị phong hóa. Loại áo làm nhẵn phải dự kiến bố trí:
- Trong các loại đá nứt nẻ và phong hóa mạnh và khơng gây áp lực đá.
- Để làm cho mặt trong của đường hầm được nhẵn phẳng khi đường hầm đi
qua các loại đá ổn định và nứt nẻ nhẹ.


Loại áo làm nhẵn phải thiết kế bằng bê tông liền khối hoặc bê tơng
phun và bố trí ở trong phạm vi của chu vi ướt. Áo bằng bê tông phun không
san và làm nhẵn mặt chỉ được áp dụng khi vận tốc nước chảy trong đường
hầm không lớn hơn 10m/s. Khi vận tốc lớn hơn, việc áp dụng loại áo này phải

được luận chứng bằng các số liệu nghiên cứu thí nghiệm.
b.

Áo chịu lực

Loại áo chịu lực phải chịu được các loại tải trọng trong thời kỳ xây
dựng và khai thác, đồng thời thỏa mãn được những yêu cầu của loại áo làm
nhẵn.
Các loại áo chịu lực của đường hầm có áp và khơng áp được nêu trong
bảng 1.1 sau
Bảng 1.1: Các loại áo chịu lực của đường hầm
Loại áo chịu lực

Loại đường hầm
Có áp

của đường hầm
Bằng bê tơng

- Đổ liền khối

- Đổ liền khối

- Đổ liền khối có phụt xi măng gia

- Bằng bê tông

cố

phun

- Bằng bê tông phun

- Bằng bê tông

- Bằng bê tông nén

phun

Bằng bê tông cốt - Đổ liền khối
thép

Khơng áp

- Đổ liền khối có phụt xi măng gia
cố
- Bằng bê tơng phun có cốt thép

- Đổ liền khối
- Bằng bê tơng
phun có cốt thép
- Lắp ghép từ những
đoạn ống nguyên
cả vòng hoặc từ
những khối
riêng.


Loại áo chịu lực

Loại đường hầm
Có áp

của đường hầm

Khơng áp

Liên hợp hai lớp - Bằng vịng ống bê tơng đổ liền
khối ở ngồi và vỏ thép ở trong
- Bằng vịng ống bê tơng cốt thép đổ
liền khối ở ngồi và vỏ thép ở trong
- Bằng vịng ống bê tơng đổ liền
khối hoặc áo bê tơng cốt thép lắp
ghép ở ngồi và vỏ vữa phun có cốt
thép ở trong

Những áo chịu lực của đường hầm cho phép thiết kế theo chịu nứt hoặc
chịu nứt với độ mở rộng khe nứt cho phép. Áo chống nứt phải được thiết kế
đối với cả đường hầm nằm trong các đá có thể bị xói ngầm, bị rửa lũa do mất
chất kiềm, cũng như trong trường hợp nếu mơi trường có độ kiềm
hydrocacbonat ít hơn 0,25 mg đương lượng/lít.
Trong mọi trường hợp khi lượng mất nước do thấm từ đường hầm ra
không làm giảm tuổi thọ của áp và ổn định của khối đá, và cũng như những
điều kiện về kinh tế năng lượng cho phép, thì phải thiết kế loại vỏ bằng bê
tơng hoặc bê tông cốt thép không cần chống nứt. Áo của những đường hầm
không áp, theo nguyên tắc phải thiết kế theo điều kiện không chống nứt.
1.3. Lựa chọn tuyến đường hầm, ngun lí tính tốn khả năng chịu lực vỏ
hầm
1.3.1. Lựa chọn tuyến của đường hầm
Khi lựa chọn tuyến đường hầm cần phải căn cứ vào điều kiện địa hình,

địa chất và điều kiện thi công. Về mặt 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 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 ki lơ mét.
Về ngun lý tính tốn kinh tế đường hầm dẫn nước khơng áp hồn
tồn tương tự như đối với kênh dẫn. Đối với đường hầm khơng áp cũng có
khái niệm tự điều tiết và không tự điều tiết. Chế độ thuỷ lực tính tốn trong
đường hầm khơng áp là chế độ dịng đều, tổn thất cột nước lớn nhất trong nó
có thể lấy ∆hmax = i.L. Do giá thành xây dựng đường hầm đắt hơn so với kênh
dẫn nên vận tốc kinh tế trong đường hầm khơng áp trung bình từ 2,5÷3,5 m/s.
Đối với đường hầm dẫn nước áp lực, chế độ thuỷ lực không phụ thuộc
vào độ dốc tuyến dẫn, do đó tuỳ theo điều kiện địa hình, địa chất cụ thể để bố
trí. Mặt cắt kinh tếcủa đường hầm có áp (thường có tiết diện trịn) xác định
theo diện tích tiết diện ω của nó. Vận tốc kinh tế trong các đường hầm có áp
trong khoảng 3,5÷6 m/s.
a. Điều kiện địa 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.
b. Về địa hình và khả năng thi cơng
- Khơng bố trí đường hầm gần sát mặt đất đá thiên nhiên mà phải đảm bảo
một độ chơn sâu nhất định; hđ ≥ 3ht, trong đó:
hđ - Chiều dày lớp đất đá trên đỉnh đường hầm.
ht - Chiều cao mặt cắt đường hầm.
- Dọc tuyến đường hầm có những vị 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
định để có thể bố trí đào bằng nổ mìn.
c. Về điều kiện sử dụng
- Tốt nhất là chọn đường hầm tuyến thẳng (khi điều kiện địa hình, địa chất
cho phép).
- Khi buộc phải làm tuyến cong thì cần khống chế R≥ 5B, trong đó R là bán
kính cong, B là bề rộng mặt cắt đường hầm. Khi lưu tốc V ≤ 10m/s, cần
khống chế góc ngoặt α ≤ 60o . Khi V>10m/s, bán kính R cần xác định thơng
qua thí nghiệm.
1.3.2. Ngun lí tính tốn khả năng chịu lực vỏ hầm
Nói chung kích thước tiết diện đường hầmđược lựa chọn trên cơsở
đảm bảo các điều kiện về thuỷ lực và có lợi về kinh tế. Nhưng trong trường
hợp đường hầm có lưu lượng lớn, khối địa chất xung quanh phức tạp, áp lực
đất lớn thì người ta có thể giảm kích thước tiết diện vỏ hầm bằng cách tăng số
lượng chúng. Chiều dày và kết cấu vỏ hầm phải dựa trên cơ sở tính tốn khả
năng chịu lực của chúng.
Về ngun tắc, khi tính tốn vỏ hầm phải xét tới khả năng cùng làm
việc chung với vỏ của khối đất đá xung quanh. Khi khối đất đá xung quanh và
vỏ được lấp kín, nếu khối địa chất là đá tốt thì chúng có khả năng cùng tiếp
nhận áp lực nước từ phía trong cùng với vỏ, trong trường hợp này vỏ hầm
thường có kết cấu nhẹ hơn.
Việc tính tốn nội lực và khả năng chịu tải của vỏ phải căn cứ vào hình
dạng, kích thước cụ thể của vỏ theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Tải trọng tác dụng lên vỏ hầm bao gồm:
a- Tải trọng thường xuyên: áp lực đất, trọng lượng bản thân vỏ hầm,
ứng suất trước của vỏ (nếu vỏ là bê tông ứng lực trước).
b- Tải trọng tạm thời:

- Tải trọng thời gian dài: áp lực nước trong đường hầm (ở chế độ tính tốn
tương ứng với MNDBT của hồ chứa), áp lực nước ngầm.
- Tải trọng tức thời: áp lực mạch động của dòng nước, áp lực nước va trong
đường hầm khi vận hành bình thường, áp lực do thay đổi nhiệt độ, áp lực của
vữa phụt lên vỏ và tải trọng của các thiết bị thi công.
c- Tải trọng đặc biệt: Lực gây ra do tác động đất và các lực tác động bất
thường khác như: áp lực nước trong đường hầm khi mực nước hồ ở
vị trí siêu cao hoặc do nước va khi cắt tải toàn bộ do sự cố thuỷ điện,
ứng lực gây ra do co ngót bê tơng, do từ biến của đất, áp lực của vữa
chưa đông cứng lên vỏ thép, áp lực do thí nghiệm v.v...
Vỏ hàm được kiểm tra theo hai trạng thái tố hợp tải trọng tính tốn
nguy hiểm nhất:
- Tổ hợp tải trọng cơ bản: bao gồm tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm
thời.
- Tổ hợp tải trọng đặc biệt: bao gồm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời
dài hạn, một số tải trọng tức thời và một trong tải trọng đặc biệt.
Trên cơ sở tính tốn với các tổ hợp nguy hiểm nhất để chọn chiều dày
của vỏ đảm bảo theo các tiêu chuẩn ổn định. Chiều dày tối thiểu của vỏ hầm
không nhỏ hơn giá trị trong bảng 1.2 dưới đây:
Bảng 1.2: Chiều dày tối thiểu của vỏ đường hầm
TT Hình thức vỏ h
1 Bê tông, BTCT đ
2 Vỏ

ầm
ổ tại chỗ

kết hợp, lớp trong BTCT đổ tại chỗ

3 BTCT đúc sẵn
4 Vữa phun bê tông không c

Chiều dày, cm
20
10
10

ốt thép

10

5 Vữa phun bê tơng tạo mặt

5

6 Vữa phun có cốt thép

5


1.4. Tổng quan về động đất
1.4.1. Nguyên nhân gây ra động đất
Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới
dạng cá dao động đàn hồi. Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại
sinh và nhân sinh.
- Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang
động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút
chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong
các mảng lục địa.

- Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với
khối lượng lớn.
- Nhân sinh: do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ
chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm khí đốt
gây sụp đổ ngầm dưới đất.
Động đất ở Việt Nam thuộc kiểu do hoạt động của đứt gãy tạo ra, đều
có chấn tiêu (tâm phát sinh động đất) nơng, thường ít sâu q 20km.
Nước ta khơng có núi lửa đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút chìm
và đới dồn mảng nên khơng có kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này như
ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya.
1.4.2. Một số khái niệm về động đất
a) Chấn tâm, chấn tiêu.
- Nơi phát sinh dịch chuyển của Động đất được gọi là chấn tiêu (hoặc lị
động đất). Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chấn tâm của động đất.
- Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất , tức là khoảng
cách giữa chấn tiêu và chấn tâm. Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ
một điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là Δ).


Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến
chấn tâm ( cịn gọi là tâm cự, ký hiệu là D).
- Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình 60300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nơng <15Km. Chấn tiêu sâu
nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ). Động đất có sức tàn phá lớn nhất là
động đất chấn tiêu nơng, tồn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng
lượng đàn hồi tích lũy.
b) Biểu đồ động đất
Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ
động đất bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m2/s), vận tốc
(m/s). Biểu đồ động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của
một trận động đất đồng thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong

thiết kế kháng chấn.
c) Thang động đất và cấp động đất.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất
vẫn là các thang đo cơ bản sau:
Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra,
được tính bằng Magnitude (M). Một Magnitude bằng một độ Richter.
Cường độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả
động đất hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt
đất khi động đất đi qua, xác định theo cấp động đất đại diện là các thang:
MMI ( 12 cấp), MSK (12 cấp), JMA (8 cấp)
Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp
1-2, cấp 3-4 sẽ gây rung động nhẹ và cấp 6-7 làm chao đảo mặt đất, chấn
động cấp 7 trở lên sẽ gây thiệt hại lớn.


Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất
Cấp động

Magnitude

JMA

Merkaly Năng lượng

Cấp năng

E (Jun)

lượng KD

đất MSK
I

1.60

1.0

1

107.2

7.20

II

3.80

1.00

2

1010.5

10.50

III

4.20

1.67

3

1011.1

11.10

IV

4.60

2.33

4

1011.7

11.70

V

4.80

3.00

5

1012

12.00

VI

5.30

3.67

6

1012.75

12.75

VII

5.60

4.33

7

1013.2

13.20

VIII

5.90

5.00

8

1013.65

13.65

IX

6.30

5.67

9

1014.25

14.25

X

6.60

6.33

10

1014.7

14.70

XI

6.90

7.00

11

1015.15

15.15

XII

7.30

7.00

12

1015.75

15.75

d) Gia tốc cực đại.
Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển
động nền đất trong trận động đất đó. Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan
trọng, được dùng trong tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay.
Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều khơng dễ

dàng vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động
địa chấn. Vì vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền
đất đã có để thiết lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung
bình và các đặc trưng khác của động đất.