Nghiên cứu lựa chọn các thông số của kết cấu chống tạm vì neo phù hợp khi đào mở rộng giếng điều áp trong điều kiện xây dựng thuỷ điện ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
**********

ĐỖ XN HỒNG

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN
CÁC THƠNG SỐ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TẠM VÌ NEO
PHÙ HỢP KHI ĐÀO MỞ RỘNG GIẾNG ĐIỀU ÁP
TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
**********

ĐỖ XN HỒNG

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN
CÁC THƠNG SỐ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TẠM VÌ NEO
PHÙ HỢP KHI ĐÀO MỞ RỘNG GIẾNG ĐIỀU ÁP
TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

Chun ngành:
Mã số :

Xây dựng cơng trình ngầm, mỏ

và cơng trình đặc biệt
60.58.50

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. ĐÀO VĂN CANH

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào.
Hà Nội, ngày
tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn

ĐỖ XUÂN HOÀNG


1
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... 5
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC THI CÔNG GIẾNG ĐIỀU ÁP
NGẦM TIẾT DIỆN LỚN ĐÀO TRONG ĐÁ TƯƠNG ĐỐI VỮNG CHẮC Ở
VIỆT NAM .................................................................................................. 12

1.1. Các vấn đề chung về giếng điều áp ........................................................ 12
1.1.1. Vai trị, cơng dụng giếng điều áp ........................................................ 12
1.1.2. Điều kiện và vị trí đặt giếng điều áp ................................................... 12
1.1.3. Nguyên lý làm việc của tháp điều áp .................................................. 13
1.1.4. Các loại hình tháp điều áp .................................................................. 14
1.2. Các phương pháp thi công giếng điều áp ............................................... 18
1.2.1. Thi công giếng điều áp theo phương pháp mỏ .................................... 19
1.2.2. Thi công giếng điều áp bằng các tổ hợp khoan ngược KPV và
ALIMAX
....................................................................................... 21
1.2.3. Thi công giếng điều áp bằng máy khoan ROBBINS ........................... 24
1.3. Kết cấu chống giếng điều áp .................................................................. 30
1.3.1. Kết cấu chống tạm .............................................................................. 30
1.3.2. Kết cấu chống cố định ........................................................................ 31
Nhận xét chương 1: ...................................................................................... 34
CHƯƠNG 2. THỰC TRẠNG VỀ CÔNG TÁC THIẾT KẾ KẾT CẤU
CHỐNG TẠM BẰNG VÌ NEO KHI ĐÀO MỞ RỘNG GIẾNG ĐIỀU ÁP
TRONG ĐÁ TƯƠNG ĐỐI VỮNG CHẮC .................................................. 35
2.1. Thực trạng về thiết kế hộ chiếu chống tạm giếng điều áp bằng vì neo ... 35
2.1.1. Thiết kế vì neo dựa theo hướng dẫn thiết kế đường hầm thủy lợi
HD.TC-C-77
....................................................................................... 35
2.1.2. Thiết kế dựa trên phương pháp chỉ tiêu chất lượng khối đá (phương
pháp Q) do Viện địa kỹ thuật Na Uy đề xuất ................................................ 37


2
2.2. Thực trạng chống tạm giếng điều áp bằng vì neo ................................... 39
2.3. Đánh giá chung...................................................................................... 49
Nhận xét chương 2 ....................................................................................... 49

CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ
KẾT CẤU CHỐNG TẠM VÌ NEO KHI THI CƠNG GIẾNG ĐIỀU ÁP ĐÀO
TRONG ĐẤT ĐÁ VỮNG CHẮC ................................................................ 50
3.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp xác định các thông số của kết cấu chống
tạm ............................................................................................................... 50
3.2. Tính tốn các thơng số vì neo bê tơng cốt thép cho đoạn cổ giếng ......... 52
3.3. Tính tốn các thơng số vì neo bê tông cốt thép cho phần thân giếng ...... 55
3.3.1. Đánh giá độ ổn định của khối đá bao quanh giếng .............................. 55
3.3.1.1. Đánh giá độ ổn định của khối đá bao quanh giếng theo viện
VNIMI(Liên Bang Nga) ............................................................................... 55
3.3.1.2. Đánh giá độ ổn định của khối đá bao quanh giếng theo chỉ số Q (chỉ
số chất lượng khối đá) .................................................................................. 56
3.3.2. Tính tốn các thơng số vì neo bê tơng cốt thép ................................... 60
3.4. Tính tốn các thơng số kết cấu vì neo BTCT và bê tơng phun cho cơng
trình giếng điều áp thủy điện Đắk Đrinh ....................................................... 67
3.4.1. Tính tốn vì neo gia cố vùng cổ giếng ................................................ 71
3.4.2. Tính tốn các thơng số kết cấu chống tạm vì neo và bê tơng phun phần
thân
....................................................................................... 72
3.4.3. Kiểm tra kết quả tính tốn bằng phần mềm PHASE 2 6.0................... 78
Nhận xét chương 3: ...................................................................................... 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 90
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 93


3
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đào KPV-1B và KPV-4A ...... 22
Bảng 1.2. Chu kỳ đào giếng ngược bằng tổ hợp KPV-1B................... 23

Bảng 1.3. Các cơng trình đã và sẽ sử dụng tổ hợp khoan Robbins ...... 25
Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật một số loại máy khoan Robbins .............. 27
Bảng 1.5. Phạm vi áp dụng của các phương pháp thi công giếng........ 29
Bảng 2.1. Chỉ tiêu độ bền khối đá tháp điều áp thủy điện A Vương ... 39
Bảng 2.2. Thông số kết cấu chống tạm tháp điều áp tại thủy điện
AVương ............................................................................................. 39
Bảng 2.3. Chỉ tiêu độ bền khối đá tháp điều áp thủy điện Sekaman 3 . 41
Bảng 2.4. Thông số kết cấu chống tạm tháp điều áp tại thủy điện
Sekaman 3 .......................................................................................... 41
Bảng 2.5. Chỉ tiêu độ bền khối đá tháp điều áp thủy điện Nậm Chiến 43
Bảng 2.6. Thông số kết cấu chống tạm tháp điều áp tại thủy điện Nậm
Chiến .................................................................................................. 43
Bảng 2.7. Chỉ tiêu độ bền khối đá tháp điều áp thủy điện Huội Quảng45
Bảng 2.8. Thông số kết cấu chống tạm tháp điều áp TĐ Huội Quảng . 45
Bảng 2.9. Chỉ tiêu độ bền khối đá tháp điều áp thủy điện Hủa Na ...... 47
Bảng 2.10. Thông số kết cấu chống tạm tháp điều áp tại thủy điện Hủa
Na ...................................................................................................... 47
Bảng 3.1: Tải trọng trung bình lên tường giếng .................................. 56
Bảng 3.2. Trị số Qw ............................................................................ 59
Bảng 3.3. Trị số chiều dày vùng biến dạng không đàn hồi bo [10] ...... 63
Bảng 3.5. Thông số công trình và tháp điều áp thủy điện Đắk Đrinh .. 69
Bảng 3.6. Đặc trưng cơ lý tầng phủ IA2 ............................................. 70


4
Bảng 3.7. Các chỉ tiêu cơ lý của khối đá khu vực tháp điều áp ........... 71
Bảng 3.8. Đặc trưng tính thấm của đá................................................. 71
Bảng 3.9. Thơng số vì neo đoạn cổ giếng ........................................... 72
Bảng 3.10. Thơng số vì neo đoạn độ sâu 0-:-60m ............................... 74
Bảng 3.11. Thơng số vì neo đoạn độ sâu 60-:-164m ........................... 75

Bảng 3.12. Tính tốn hệ số m ............................................................. 76
Bảng 3.13. Chiều dài vì neo l ............................................................. 76
Bảng 3.14. Tính khối lượng đất đá P .................................................. 77
Bảng 3.16. Thơng số kiểu phân tích ................................................... 78
Bảng 3.17. Định nghĩa vật liệu ........................................................... 79
Bảng 3.18. Tính chất vì neo ................................................................ 79
Bảng 3.19. Tính chất bê tơng phun ..................................................... 79
Bảng 3.20. Giá trị vùng phá hủy với hệ số bền là 1,5.......................... 87
Bảng 3.21. Giá trị biến dạng khi khơng chống và khi có neo .............. 88


5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ đặt tháp điều áp ................................................................... 12
Hình 1.2. Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp ............................... 14
Hình 1.3. Các kiểu tháp điều áp .................................................................... 14
Hình 1.4. Các kiểu đặt thép và cấp nước tháp điều áp ................................. 18
Hình 1.5. Các phương pháp đào giếng .......................................................... 18
Hình 1.6. Các sơ đồ đào giếng ...................................................................... 19
Hình 1.7. Thi cơng miệng giếng ................................................................... 20
Hình 1.8. Tổ hợp đào giếng tự hành kiểu KPV ............................................. 21
Hình 1.9. Chu kỳ thi cơng đào giếng bằng tổ hợp khoan ngược.................... 22
Hình 1.10. Sơ đồ cơng nghệ xây dựng giếng ................................................ 24
Hình 1.11. Hệ thống khoan ROBBINS ......................................................... 26
Hình 1.12. Quy trình doa ngược ................................................................... 27
Hình 1.13. Quy trình thi cơng giếng bằng ROBBINS 73RM-DC ................. 29
Hình 1.14. Đào đất đá tại giếng được chống bằng vỏ chống bê tơng cốt thép
lắp ghép ........................................................................................................ 32
Hình 1.15. Đưa tấm bê tông cố thép chế tạo sẵn vào vị trí ............................ 32
Hình 1.16. Sơ đồ thi cơng bê tông tháp điều áp thủy điện A Vương ............. 33

Hình 1.17. Cấu tạo cốp pha tháp điều áp thủy điện A Vương ....................... 33
Hình 2.1. Phương pháp Q đánh giá chất lượng khối đá ................................. 38
Hình 2.2. Các biện pháp gia cố cơng trình ngầm theo hệ thống Q ................ 38
Hình 2.3. Mặt bằng tháp điều áp thủy điện A Vương ................................... 40
Hình 2.4. Mặt cắt dọc tháp điều áp thủy điện A Vương ................................ 40
Hình 2.5. Mặt bằng tháp điều áp thủy điện Sekaman 3 ................................. 42
Hình 2.6. Mặt cắt dọc tháp điều áp thủy điện Sekaman 3 ............................. 42


6
Hình 2.7. Mặt bằng tháp điều áp thủy điện Nậm Chiến ................................ 44
Hình 2.8. Mặt cắt dọc tháp điều áp thủy điện Nậm Chiến ............................. 44
Hình 2.9. Mặt bằng giếng điều áp thủy điện Huội Quảng ............................. 46
Hình 2.10. Mặt cắt dọc giếng điều áp thủy điện Huội Quảng........................ 46
Hình 2.11. Mặt bằng tháp điều áp thủy điện Hủa Na .................................... 48
Hình 2.12. Mặt cắt dọc tháp điều áp thủy điện Hủa Na................................. 48
Hình 3.1. Sơ đồ thi cơng điển hình tháp điều áp ........................................... 51
Hình 3.2. Sơ họa vùng cổ giếng.................................................................... 52
Hình 3.3. Đường giới hạn khơng cần chống của tường giếng theo Barton [9]
..................................................................................................................... 58
Hình 3.4. Chỉ dẫn tính tốn áp lực lên tường giếng (Golder Associates, 1976)
[9] ................................................................................................................ 59
Hình 3.5. Các biện pháp gia cố giếng đứng theo hệ thống Q ........................ 60
Hình 3.6. Sơ đồ tính tốn gia cố tạm vì neo giếng đứng ............................... 61
Hình 3.7. Sơ đồ để xác định hệ số m ............................................................ 64
Hình 3.8. Mặt bằng vị trí tháp điều áp thủy điện Đăk Đrinh ......................... 69
Hình 3.9. Phân bố các đới đá tại tháp điều áp thủy điện Đăk Đrinh .............. 70
Hình 3.10. Mơ hình phân tích đoạn cổ giếng, đường kính 15m .................... 80
Hình 3.11. Mơ hình phân tích đoạn thân giếng, đường kính 6,6m ................ 80
Hình 3.12. Mơ hình phân tích đoạn thân giếng, đường kính 4,6m ................ 80

Hình 3.13. Đường hệ số bền đới đá IA2 khi không chống, đoạn giếng đường
kính 15m ...................................................................................................... 81
Hình 3.14. Đường hệ số bền đới đá IB khi không chống, đoạn giếng đường
kính 6,6m ..................................................................................................... 81


7
Hình 3.15. Đường hệ số bền đới đá IIA khi khơng chống, đoạn giếng đường
kính 6,6m ..................................................................................................... 81
Hình 3.16. Đường hệ số bền đới đá IIB khi không chống, đoạn giếng đường
kính 6,6m ..................................................................................................... 82
Hình 3.17. Đường hệ số bền đới đá IIB khi khơng chống, đoạn giếng đường
kính 4,6m ..................................................................................................... 82
Hình 3.18. Chuyển vị khơng chống đới IA2, đoạn giếng đường kính 15m ... 82
Hình 3.19. Chuyển vị khơng chống đới IB, đoạn giếng đường kính 6,6m .... 83
Hình 3.20. Chuyển vị không chống đới IIA, đoạn giếng đường kính 6,6m ... 83
Hình 3.21. Chuyển vị khơng chống đới IIB, đoạn giếng đường kính 6,6m ... 83
Hình 3.22. Chuyển vị khơng chống đới IIB, đoạn giếng đường kính 4,6m ... 84
Hình 3.23. Đường hệ số bền đới đá IA2 khi chống bằng vì neo kết hợp bê
tơng phun, đoạn đường kính giếng 15m ....................................................... 84
Hình 3.24. Đường hệ số bền đới đá IB khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng
phun, đoạn đường kính giếng 6,6m .............................................................. 84
Hình 3.25. Đường hệ số bền đới đá IIA khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng
phun, đoạn giếng đường kính 6,6m .............................................................. 85
Hình 3.26. Đường hệ số bền đới IIB khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng
phun, đoạn giếng đường kính 6,6m .............................................................. 85
Hình 3.27. Đường hệ số bền đới đá IIB khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng
phun, đoạn giếng đường kính 4,6m .............................................................. 85
Hình 3.28. Chuyển vị khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng phun đới IA2,
đoạn giếng đường kính 15m ........................................................................ 86

Hình 3.29. Chuyển vị khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng phun đới IB,
đoạn đường kính giếng 6,6m ........................................................................ 86


8
Hình 3.30. Chuyển vị khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng phun đới IIA,
đoạn giếng đường kính 6,6m ........................................................................ 86
Hình 3.31. Chuyển vị khi chống bằng vì neo kết hợp bê tơng phun đới IIB,
đoạn giếng đường kính 6,6m ........................................................................ 87
Hình 3.32. Chuyển vị khi chống bằng vì neo kết hợp bê tông phun đới IIB,
đoạn giếng đường kính 4,6m ........................................................................ 87


9
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vì neo được bắt đầu sử dụng từ đầu thế kỷ XX trong các mỏ hầm lò và
đường hầm. Đến nay, trong hầu hết các lĩnh vực xây dựng cơng trình ngầm
đến cơng trình giao thơng, dân dụng đều xuất hiện các loại hình chống giữ
bằng vì neo với các chủng loại từ neo cốt cứng đến neo cáp. Ví dụ như gia cố
tạm các đường hầm, các giếng đứng, giếng nghiêng; gia cố các mái dốc cửa
hầm; gia cố các hố móng đào sâu .v.v..
Không những chỉ áp dụng như các kết cấu chống tạm, xu hướng sử
dụng vì neo kết hợp với bê tông phun, lưới thép và các kết cấu gia cường khác
làm vỏ chống cố định trong các công trình ngầm hiện nay đang được áp dụng.
Lý thuyết tính tốn vì neo hiện nay gồm nhiều phương pháp khác nhau:
các phương pháp kinh nghiệm dựa vào các chỉ tiêu phân loại khối đá (RMR,
Q v.v..), các phương pháp phân tích dựa trên cơ sở các giả thuyết phá hủy, sụt
lở và xây dựng mơ hình số mơ tả tương tác giữa kết cấu chống và khối đá.
Mỗi loại phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng.

Về nguyên lý, vì neo là một phương pháp gia cố chủ động, sử dụng khả
năng mang tải của khối đá do đó có nhiều ưu điểm:
+ Là dạng kết cấu tích cực, chủ động.
+ Giảm chi phí vật liệu.
+ Giảm thiểu chi phí nhân cơng.
+ Giảm tiết diện đào.
+ Ngăn cản sự biến dạng vách đào bằng cách đặt vì neo ngay sau khi
đào.
+ Tăng cường khả năng thơng gió do giảm thiểu những cản trở gây ra
khi áp dụng các loại hình chống giữ khác như vịm chống.
Lý thuyết tính tốn vì neo trong mở rộng giếng điều áp cịn nhiều quan
điểm khác nhau. Việc xác định các thông số của kết cấu vì neo đơi chỗ dựa


10
theo kinh nghiệm, tùy tiện. Chính vì vậy, việc lựa chọn đưa ra một giải pháp
tính tốn phù hợp là việc cấp thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là lựa chọn được phương pháp xác định
các thơng số của kết cấu chống tạm vì neo hợp lý khi đào mở rộng các giếng
điều áp trong đất đá vững chắc tại các cơng trình xây dựng thủy điện.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Kết cấu chống tạm vì neo bê tơng cốt thép cho giếng điều áp.
Phạm vi nghiên cứu:
Kết cấu chống tạm của giếng điều áp thi công trong đất đá vững chắc
tại các dự án thủy điện tại Việt Nam.
4. Nội dung đề tài
Luận văn đề cập đến công nghệ thi công giếng điều áp trong xây dựng
thủy điện ở Việt Nam. Đánh giá tình trạng thiết kế chống tạm bằng vì neo cho

giếng điều áp thường sử dụng tại các đơn vị thiết kế.
Lựa chọn phương pháp tính áp lực lên tường giếng điều áp và phương
pháp đánh giá độ ổn định của khối đá xung quanh giếng. Trên cơ sở đó, đề
xuất phương pháp tính tốn các thơng số vì neo bê tơng cốt thép phù hợp khi
thi công các giếng điều áp đào qua các lớp đất đá vững chắc.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp:
o Nghiên cứu lý thuyết.
o Thu thập tài liệu, phân tích và tính tốn.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Lựa chọn được phương pháp tính tốn kết cấu chống tạm vì neo phù
hợp, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi đào mở rộng giếng điều áp trong
đất đá vững chắc.


11
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Kết quả nghiên cứu đề tài là cơ sở giúp cho công tác thiết kế và thi
công kết cấu chống tạm tháp điều áp bằng vì neo bê tơng cốt thép trong xây
dựng thủy điện.
7. Cấu chúng của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận được trình bày
trong 93 trang với 61 hình vẽ và 36 bảng.
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa
Xây dựng, bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ đã giúp đỡ và trang bị
kiến thức cho tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn tại
trường Đại học Mỏ Địa chất.
Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy PGS.TS Đào Văn Canh, người đã tận
tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi hoàn thành luận văn này./.

12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC
THI CÔNG GIẾNG ĐIỀU ÁP NGẦM TIẾT DIỆN LỚN
ĐÀO TRONG ĐÁ TƯƠNG ĐỐI VỮNG CHẮC Ở VIỆT NAM
1.1. Các vấn đề chung về giếng điều áp
1.1.1. Vai trị, cơng dụng giếng điều áp
Đường ống dẫn nước vào turbin của trạm thủy điện, ngoài áp lực nước
thơng thường, cịn phải chịu thêm áp lực nước va khi đóng mở turbin. Nếu tạo
ra một mặt thống ở một vị trí nào đó trên đường ống, thì ở đó áp lực nước va
được giải phóng và từ vị trí này trở lên thượng lưu đường ống sẽ không chịu
áp lực nước va nữa. Tháp điều áp (TĐA) chính là một bộ phận tạo ra mặt
thống nói trên. Do đó, nó có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía
trước tháp khỏi bị áp lực nước va. Ngồi ra, nó cịn làm giảm nhỏ áp lực ở
phần đường ống dẫn nước từ tháp vào turbin [1].

HÌNH 1.1. SƠ ĐỒ ĐẶT THÁP ĐIỀU ÁP

1- Tháp điều áp phía thượng lưu; 2- Tháp điều áp phía hạ lưu; 3- Nhà
máy thủy điện; 4- Đường hầm dẫn nước; 5- Đường ống áp lực dẫn
nước vào turbin
1.1.2. Điều kiện và vị trí đặt giếng điều áp
Có xây dựng tháp điều áp hay không phải căn cứ vào hiệu quả kinh tế;
nếu thấy chi phí để xây tháp nhỏ hơn chi phí giảm bớt do đường hầm dẫn
nước không phải chịu nước va, thì xây dựng tháp điều áp là hợp lý; trường
hợp ngược lại, chi phí xây tháp lớn hơn chi phí giảm bớt của đường hầm dẫn
nước do hiệu quả của tháp đem lại, thì khơng nên xây dựng tháp điều áp.
Tiêu chuẩn gần đúng cần thiết phải xây dựng tháp điều áp có thể căn cứ
vào hằng số quán tính của đường ống [1]:

13
=

.

∑

>3÷6

(1.1)

trong đó:
Tw : hằng số qn tính (thời gian đóng mở turbin);
Qmax : lưu lượng lớn nhất chảy trong ống;
Ho : cột nước tính tốn;
li, Fi : tương ứng là chiều dài và diện tích tiết diện đoạn ống thứ i.
Với tác dụng nêu trên, rõ ràng là vị trí của tháp càng gần nhà máy càng
có lợi. Nhưng thơng thường như vậy chiều cao của tháp càng phải tăng. Dung
hòa hai đặc điểm này tháp thường đặt ở chỗ bắt đầu chuyển sang độ dốc lớn
của tuyến ống.
Trong trường hợp đường hầm thoát nước từ turbin ra hạ lưu quá dài, có
khi cũng phải đặt tháp điều áp cho đường thốt. Khi đó tháp ở gần turbin là
hợp lý.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của tháp điều áp
Trường hợp giảm tải:
Khi giảm tải đột ngột lưu lượng turbin từ Qo xuống Q1. Do qn tính
của dịng chảy, lưu lượng vào đường hầm dẫn nước vẫn là Qo, như vậy sẽ có
một trị số ΔQ=Qo-Q1 chảy vào tháp, làm cho mực nước trong tháp dâng lên

dần, từ đó độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu (trong hồ chứa) và trong
tháp giảm dần, dẫn đến vận tốc dòng chảy giảm dần, do đó lưu lượng trong
đường hầm giảm dần. Nhưng cũng do qn tính của dịng chảy, mực nước
trong tháp khơng dừng ở mực nước tương ứng với lưu lượng Q1 trong đường
hầm mà vẫn tiếp tục dâng lên thậm chí cao hơn cả mực nước thượng lưu. Sau
đó, để cân bằng thủy lực nước phải chảy ngược trở lại về thượng lưu, mực
nước trong tháp hạ xuống. Nhưng cũng do lực qn tính nó lại hạ xuống q
mực nước cân bằng và dòng chảy lại phải chảy vào tháp. Cứ như vậy, mực
nước trong tháp dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực
nước trong tháp dừng ở mực nước ổn định mới ứng với lưu lượng Q1. (hình
1.2).
Trường hợp này trong thiết kế thường tính với mực nước thượng lưu
cao nhất và cắt tải lớn nhất (thường là cắt tồn bộ cơng suất lớn nhất của nhà
máy) để xác định mực nước cao nhất của tháp điều áp turbin (Zmax).


14
Trường hợp tăng tải:
Khi lưu lượng qua turbin tăng đột ngột mực nước trong tháp hạ xuống
đến trị số Zmin và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường
hợp trên.
Trong thiết kế thường tính với mực nước thấp nhất ở thượng lưu và
mức tăng tải lớn nhất có thể xảy ra trong vận hành để xác định mực nước thấp
nhất của tháp.

HÌNH 1.2. SƠ ĐỒ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC TRONG THÁP ĐIỀU ÁP

1.1.4. Các loại hình tháp điều áp
Chọn kiểu tháp điều áp phải xuất phát từ các ngun tắc:
- Giá thành cơng trình thấp nhất;

- Bảo đảm các tổ máy làm việc ổn định;
- Triệt tiêu dao động nhanh.
 Theo hình dạng cấu tạo thường gặp các kiểu tháp sau:

HÌNH 1.3. CÁC KIỂU THÁP ĐIỀU ÁP

a-Kiểu viên trụ; b- kiểu viên trụ có màng ngăn; c- kiểu hai ngăn; dkiểu có máng tràn; e- kiểu có lõi trong; g- kiểu nén khí; h- kiểu nửa nén khí


15
1) Tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 1.3a)
Tháp điều áp kiểu viên trụ là một giếng đứng hoặc nghiêng có tiết diện
khơng thay đổi. Kiểu này có kết cấu đơn giản, dễ thi cơng, tính tốn thiết kế
cũng đơn giản. Nhưng có nhược điểm cơ bản nhất là ở chế độ ổn định khi
dòng chảy qua tháp tổn thất thủy lực cục bộ ở chỗ nối tiếp đường hầm và
đường ống với tháp điều áp có thể lớn, đồng thời dung tích tháp lớn, thời gian
dao động kéo dài. Tháp điều áp viên trụ được ứng dụng ở các trạm thủy điện
cột nước thấp, mực nước thượng lưu ít thay đổi.
2) Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản (hình 1.3b)
Thực chất là tháp điều áp kiểu viên trụ, nhưng có đặt một màng cản ở
đáy để tăng thêm tổn thất thủy lực khi dòng chảy vào và ra khỏi tháp. Màng
cản có thể dưới dạng lỗ cản hoặc lưới cản làm tăng tổn thất thủy lực khi nước
chảy qua nó và do đó giảm được biên độ dao động dẫn đến giảm được dung
tích tháp và làm cho dao động mực nước trong tháp tắt nhanh. Ngoài ra so với
tháp điều áp viên trụ nó cịn giảm được tổn thất thủy lực của dòng ổn định khi
qua vị trí đặt tháp. Tháp điều áp kiểu này được ứng dụng ở các trạm thủy điện
cột nước trung bình và mực nước thượng lưu ít thay đổi.
3) Tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới) (hình 1.3c)
Tháp điều áp kiểu này gồm hai ngăn và một giếng đứng, ngăn trên và
ngăn dưới có tiết diện lớn hơn nhiều so với giếng đứng. Nguyên lý làm việc

như sau:
Khi thay đổi phụ tải, mực nước trong tháp dao động, nhưng vì tiết diện
giếng đứng nhỏ, nên mực nước trong tháp thay đổi rất nhanh làm cho thời
gian dao động giảm. Nhưng nếu chỉ với tiết diện giếng đứng thì biên độ dao
động sẽ rất lớn, vì vậy khi mực nước trong tháp dao động đến cao độ nhất
định, do tiết diện được mở rộng rất nhiều ở ngăn trên hoặc ngăn dưới nên biên
độ dao động sẽ không tăng nhanh được. Như vậy tháp điều áp loại này đã
giảm được thời gian dao động mà lại hạn chế được biên độ dao động mực
nước trong tháp.
Với cấu trúc hợp lý như vậy, nên dung tích tháp kiểu này nhỏ hơn
nhiều so với tháp điều áp kiểu viên trụ, nhưng nó có nhược điểm là cấu tạo
phức tạp, thường thích hợp với tháp ngầm trong đất.
Tháp điều áp kiểu này cũng thích hợp với trường hợp cột nước cao,
mực nước hồ chứa thay đổi lớn, khi đó chỉ việc kéo dài phần giếng đứng.


16

4) Tháp điều áp kiểu có màng tràn (hình 1.3d)
Ngun lý làm việc tương tự như trường hợp 3, nhưng ngăn trên có
đường tràn nước. Kiểu này có ưu điểm là hồn tồn có thể khống chế mức
nước cao nhất của tháp, nhưng có nhược điểm là mất một phần nước qua
máng tràn.
5) Giếng điều áp có kiểu lõi trong (cịn gọi là kiểu kép hay kiểu sai
phân) (hình 1.3e)
Kiểu này gồm có giếng đứng ở trong và ngăn ngồi, ở đáy giếng đứng
có các lỗ thơng với ngăn ngồi, nhưng các lỗ này nhỏ, khi mực nước dao
động, nước khơng thốt từ giếng đứng ra ngồi kịp (vì các lỗ thông nhỏ) nên
thay đổi mực nước nhanh, tạo ra hiệu quả giống như kiểu hai ngăn, sau đó
nước mới chảy dần qua lỗ thông để cho mực nước trong giếng và ngăn ngoài

bằng nhau. Ở kiểu này khi mực nước lên cao khỏi miệng giếng đứng thì tràn
ra ngăn ngồi, do đó mà khống chế được độ cao lớn nhất của mực nước tùy
theo sức chứa của ngăn ngoài.
Tháp điều áp kiểu này thường được ứng dụng trong tất cả các trường
hợp khi tháp để hở trên mặt đất.
6) Tháp điều áp kiểu nén khí hoặc kiểu nửa nén khí (hình 1.3h và hình
1.3g)
Trong tháp điều áp kiểu nén khí, khơng khí trong tháp trên mặt thống
được ngăn cách với khơng khí bên ngồi. Trong q trình dao động mực nước
trong tháp, áp suất khơng khí sẽ thay đổi theo hướng cản trở lại, do đó khi dao
động mực nước sẽ bị áp lực khơng khí làm cho biên độ giảm. Kiểu này có thể
khơng cần làm tháp cao và giảm nhỏ được dung tích tháp rất nhiều. Nhược
điểm là trong quản lý phải bổ sung để duy trì thể tích khơng khí trong tháp bị
hao hụt do cuốn theo nước trong quá trình vận hành, kết cấu tháp phải bền
vững chịu được áp lực thay đổi của không khí và phải rất kín để khơng khí
khơng thốt ra.
Tháp điều áp kiểu nửa nén khí vừa dùng dung tích tháp vừa dùng áp lực
khơng khí trong khi làm việc. Khơng khí trong tháp được nối với khơng khí
bên ngồi bằng đường ống tiết diện nhỏ, áp lực khơng khí trong tháp tổn thất
khi khơng khí di chuyển trong ống nối. Và như vậy có tác dụng giảm biên độ
dao động của mực nước trong tháp nhưng hiệu quả không bằng tháp điều áp


17
kiểu nén khí hồn tồn. Ưu điểm là khơng cần bổ sung khơng khí trong q
trình vận hành nhưng thể tích tháp địi hỏi lớn hơn.
Các loại tháp điều áp kiểu nén khí thích hợp với vùng có động đất vì
kích thước nhỏ nhẹ.
Ngồi cách phân loại theo hình dạng cấu tạo nói trên cịn có thể phân
loại theo các cách sau:

 Phân loại theo cách xây dựng
Kiểu nổi hoàn toàn: Toàn bộ tháp đặt nổi trên nền, kiểu này thường
khối lượng xây dựng lớn, nên không lợi về kinh tế, nhưng dễ kiểm tra sửa
chữa.
Kiểu đặt ngầm: Toàn bộ tháp đặt ngầm dưới mặt đất, khi này thường dùng
kiểu có ngăn trên là có lợi (hoặc cả ngăn trên và dưới) vì có thể dễ dàng
mở rộng tiết diện của các ngăn.
Kiểu hỗn hợp nửa chìm nửa nổi: Kiểu này thường dùng khi khơng đặt
ngầm được hồn tồn.
 Phân loại theo cách đặt
- Đặt trên đường dẫn nước vào nhà máy.
- Đặt trên đường dẫn nước từ nhà máy ra.
- Hệ thống tháp điều áp đặt nối tiếp (hình 1.4a): Có trường hợp đặt
một tháp điều áp thì biên độ sẽ quá lớn, có thể phải đặt hai hay
nhiều tháp kế tiếp nhau.
- Hệ thống tháp điều áp đặt song song (hình 1.4b): Trường hợp dẫn
nước cùng một nguồn cung cấp cho hai nhà máy thì có thể đặt hai
tháp riêng biệt trên hai nhánh đường dẫn.
 Phân loại theo cấp cấp nước
- Kiểu đường dẫn nước vào ở phía trên (hình 1.4c).
- Kiểu đường dẫn nước vào ở cả phía trên và phía dưới (hình 1.4d).


18

HÌNH 1.4. CÁC KIỂU ĐẶT THÁP VÀ CẤP NƯỚC THÁP ĐIỀU ÁP

a-Hệ thống tháp điều áp đặt nối tiếp; b- hệ thống tháp điều áp đặt song
song; c- kiểu đường dẫn nước vào ở phía trên; d- kiểu đường dẫn nước vào ở
cả phía trên và phía dưới

1.2. Các phương pháp thi công giếng điều áp
Việc thi công giếng điều áp có thể tiến hành bằng những phương pháp
khác nhau: theo hướng từ trên xuống hoặc theo hướng từ dưới lên hoặc đào
mở rộng theo giếng dẫn (hình 1.5) [4].

HÌNH 1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÀO GIẾNG

a-Đào toàn tiết diện từ trên xuống; b- đào toàn tiết diện từ dưới lên; cđào giếng dẫn rồi mở rộng từ trên xuống
Việc chọn phương pháp thi công giếng phụ thuộc vào quy hoạch chung
của tổ hợp cơng trình ngầm, điều kiện địa hình, thời gian xây dựng, địa chất
cơng trình, kích thước và chiều sâu giếng.


19
1.2.1. Thi công giếng điều áp theo phương pháp mỏ
Việc đào giếng theo hướng từ trên xuống. Tùy thuộc vào trình tự thực
hiện các cơng việc bốc đá và xây vỏ chống trong thực tế các sơ đồ công nghệ
sau được sử dụng: sơ đồ nối tiếp, sơ đồ song song hoặc sơ đồ hỗn hợp (hình
1.6).

HÌNH 1.6. CÁC SƠ ĐỒ ĐÀO GIẾNG

a-Sơ đồ nối tiếp; b) Sơ đồ song song; c) Sơ đồ hỗn hợp
Sơ đồ nối tiếp: Theo sơ đồ này, phân giếng ra thành từng bước công
nghệ (20-:-30m). Trong mỗi đoạn bắt đầu từ trên xuống theo thứ tự đào đất
đá, bốc xúc đưa đất đá lên mặt đất, dựng vì chống tạm và sau đó đổ bê tông
vỏ chống cố định.
Sơ đồ song song: Theo sơ đồ này, việc đào đất đá và xây vỏ chống
đồng thời ở hai đoạn giếng liền nhau. Với sơ đồ này, việc khoan, nổ mìn và
thải đá được bắt đầu sau khi kết thúc xây vỏ chống ở bước đào trước.

Sơ đồ hỗn hợp: Theo sơ đồ này, tất cả các công đoạn: khoan nổ, xúc đá,
xây vỏ trong một chu trình đào thống nhất.
Hai sơ đồ sau đảm bảo tiến độ xây dựng giếng nhanh hơn, nhất là các
giếng sâu (từ 400m trở lên) nhưng đòi hỏi các thiết bị phức tạp và năng suất
cao.


20
Xây dựng giếng bắt đầu từ việc xây dựng miệng giếng có vỏ bê tơng và
có một vịng giữ khỏe hơn để tiếp nhận áp lực thẳng đứng do trọng lượng tháp
và các ngoại tải khác.

HÌNH 1.7. THI CƠNG MIỆNG GIẾNG

1-Cần cẩu ô tô; 2- Thùng trục; 3- Gầu ngoạm; 4- Ván khuôn; 5- Tời;
6- Máy xúc; 7- Khung che miệng giếng; 8- Ben (dạng phễu)
Trên hình 1.7 là một phương án xây miệng giếng bằng máy xúc (6) và
cần cẩu ơ tơ (1) có trang bị gầu ngoạm (3) để thải đá. Sau khi kết thúc việc
xây miệng giếng, tiến hành lắp khu cơ sở (7) để che miệng giếng và để lắp các
ống dẫn khác nhau, trong đó ống để cấp bê tông, để lắp ben (8) (dạng phễu),
cáp, các ngăn để hạ các thùng chứa (2) v.v… Ván khuôn (4) được treo và dịch
chuyển nhờ tời (5).


21
1.2.2. Thi công giếng điều áp bằng các tổ hợp khoan ngược KPV và
ALIMAX
Việc đào giếng theo hướng từ dưới lên áp dụng cho các giếng tiết diện
trung bình và lớn, tiết diện giếng tiên phong từ 4-:-6m2 trong khi xây dựng
các tổ hợp ngầm của các nhà máy thủy điện. Đối với các giếng đường kính

lớn thường áp dụng phương pháp liên hợp: Bắt đầu bằng việc đào các giếng
dẫn từ dưới lên sử dụng tổ hợp khoan ngược KPV, ALIMAX hoặc máy khoan
ROBBINS, sau đó mở rộng đến tiết diện thiết kế từ trên xuống.
Việc đào các hang dẫn từ dưới lên có thể tiến hành nhờ các tổ hợp thiết
bị tự hành như kiểu KPV-1B, KPV-4A (Liên Xơ cũ) hoặc Alimak (Thụy
Điển).

HÌNH 1.8. TỔ HỢP ĐÀO GIẾNG TỰ HÀNH KIỂU KPV

1- Sàn công tác; 2- Khung của tổ hợp; 3- Động cơ điện hoặc khí nén;
4- Ray đơn; 5- Ống cấp khí nén; 6- Tời
Các tổ hợp đào tự hành (hình 1.8) là một sàn cơng tác (1) gắn trên một
khung của tổ hợp (2) trên đó có bố trí động cơ điện hoặc khí nén (3). Việc di
chuyển tổ hợp lên xuống theo đường một ray đơn (4) tổ hợp từng khâu một,
mỗi khâu dài 1,5m. Theo mức độ dịch chuyển của gương đường ray được kéo
dài theo. Đường ray được gắn lên vách hang bằng neo dài 1-:-1,5m. Tổ hợp
được trang bị điện thoại để liên lạc, cấp khí nén cho tổ hợp bằng ống cao su
mềm (5) cuốn vào, tở ra bằng tời (6). Tiết diện hang đào bằng tổ hợp tự hành
thường trong phạm vi 4-:-9m2.


22

HÌNH 1.9. CHU KỲ THI CƠNG ĐÀO GIẾNG BẰNG TỔ HỢP KHOAN NGƯỢC

Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đào KPV-1B và KPV-4A
STT

Chỉ tiêu của tổ hợp

1

Sức nâng tải, kg
Tốc độ chuyển dịch sàn treo theo
ray đơn, m/phút
Lên phía trên
Xuống phía dưới
Các kích thước chủ yếu, mm
Chiều dài sàn
Chiều rộng sàn
Chiều cao (không kể phần bảo vệ)
Trọng lượng sàn, kg
Chiều dài nâng,m
Diện tích mặt cắt ngang giếng thi
cơng, m2

2
3
4
5
6

Tổ hợp
KPV-1B
KPV-4A
500
600

12
15

12
15

1500
1500
2200
1125
160

1650
1650
2350
1250
160

4-:-10

4-:-10