Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: 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 ƠNSau 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 dé

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 dé tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường ham thủy công bằng phương pháp phan tử hữu han — Áp dụng cho đường ham thủy điện Nam Toóng ,Tỉnh

Lao 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 ham Thủy điện Nam Toóng — Lào Cai Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ kỹ thuật còn ton 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 PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng 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 tạo Đại học và sau Đại học, Công ty cô phần tư vấn xây dựng điện 1 đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về tài liệu, thông tin và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận

LỜI CAM DOAN

'Tên dé tài luận văn: "Nghiên cứu trang thái ứng suất - biến dạng đường him thủy côngbằng phương pháp phần từ hữu hạn ~ Áp dụng cho đường him thủy điện Nam Toéng

“Tỉnh Lio Cai”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cầu của riêng tôi Những nội dung và kếtquả trình bầy trong luận vin là trung thục và chưa được ai công bổ trong bắt kỳ côngtình khoa học nào Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trich nhiệm, chịu bit kỳ cáchình thức kỳ luật nảo của Nhà trường

Học viên

Tổng Xuân Phương

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌN! vDANH MỤC BANG BIEU

PHAN MO DAU 1

1 Tính cắp thiết của đề tai 1

2 Mục dich yêu cầu 3

3 Cách tiếp cận và phương phip nghiên cứu 4

4, Những kết quả đạt được của luận văn 4

5, Bổ cục của luận văn 4CHUONG 1 TONG QUAN VE DUONG HAM THỦY CONG 71.1 Tinh hình xây dựng đường him thủy công tại Việt Nam 7

1.2 Điều kiện lam việc của đường him thủy công 13

1.3 Pham vi nghiên cứu của luận vin M41.4 Két luận chương 1 “CHUONG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH T 'GHẦMTHỦY CÔNG

2.1.1 Phương pháp cơ học kết eft 1s 2.1.2, Phương phập cơ học vt rin biển dang [1] 25 2.2 Phương pháp số 30 2.2.1 Phương pháp phần sử hữu hạn 30 2.2.2 Phương pháp phần từ biên 31

2.3 Kết luận chương II 32'CHƯƠNG 3 LY THUYẾT PHƯƠNG PHAP PHAN TỪ HỮU HAN 343.1 Nguyên tắc và tình tự giải bài toán kết cầu đường hm theo phương pháp phin

từ hữu hạn [1] 34

3.1.2 Lựa chọn các hàm nội suy: 35

3.1.3, Xác định tinh chất của các phi tử 353.14, Lắp rp hệ các phần từ 35 3.1.5, Giải hệ phương trinh 35 3.1.6, Các dang tính toán bé sung 36

3.2 Xác định ma trân độ cứng của phn từ vỏ 363.3, Sơ đỗ tinh toán bằng phương pháp phần từ hit han 363.4, Giới hiệu phần mềm SAP2000 3934.1 Tinh năng của phn mém sir dựng SAP2000 413.4.2, Cách tính toán kết cầu đường him với SAP2000 2

3.5 Kết luận chương III 4

CHUONG 4 AP DUNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG HAM DỰ ÁN THỦY ĐIỆNNAM TOONG 444.1 Giới thiệu công tình “ 4.1 Vi trí công trình 44 4.1.2 Nhiệm vụ công trình 44 4.1.3 Thông số công tinh 48

42 Các thông số tỉnh toán trạng thai ứng suất biển dạng, cc trường hợp tinh toén

và sơ đồ tính 484.21 Thông số tinh toán trang thái ứng sut ~ bin dạng 48

4.2.2 Các trường hợp tinh toán và sơ đồ tính 34

4.2.3 Cích xác định ti trong s

4.3, Nghiên cứu trạng thi ứng suất - biển dạng đường him thủy công thủy điệnNim Tong “ 43:1 Tính toán các lực tắc dụng lên v6 him trong các trường hợp tỉnh toán 62 4.3.2 Tính toán nội lực trong đường him trong các trường hợp tỉnh toán 6Š 4.4, Phân tích kết quả tính toán 66 4.5 Kế luận chương IV 68KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ “TÀI LIỆU THAM KHAO 13PHU LUC TÍNH TOÁN 74

"Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện.

Đường him dẫn nước nhà máy thủy điện Nam Tong:

Hình ảnh đường him nhà may Thủy điện A Lin - Huế

Hình ảnh đường him nhà may thủy điện Sông Tranh 2

Hình ảnh đường him nhà máy thủy điện Sông Bung 2

ôi Quảng

‘Vom thắp và vòm công tác ở đỉnh.

Sơ đồ tính toán vòm thấp

Sơ đồ tính toán vòm cao

Hình ảnh nhà máy thủy điện Hi

“Tường bên din hỗi.

Hình 2.10, Sơ đồ lớp lot đường hằm mặt cắt tron

1s

7

Is 19 20

20

2 24 24 25Hình 2.11, Sơ đổ biển dang của ving trò dưới tác dung của ti tong thẳng đứng phân

Hình 2.13, Sơ đồ tác dung của tải trọng lên khối đ bao quanh lớp lot đường him

ố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c)

Hình 2.12, Phân bổ ứng suất trong khối đã có lỗ khoết trồn khỉ 2 =ø,/ơ,

Hình 2.14, Sơ đồ miền tinh toán phương pháp phần tir biên.

đọc đoạn him qua đút gay bậc [V.

Mặt ct him tinh toán

38

48 52 53

““ 5s sĩ 62 6

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 4.1 Bing thông số chỉnh của công tình

Bảng 42 Chỉtều cơ lý dit đá qua đứt gây bậc 1V

Bảng 4.3 Hệ số lệch ti kh tính ton lớp ớt đường him,

Bảng 44 Hệ số chiết giảm của áp lực nước bên ngoài

Bing 4.5 Hệ số kiến cố của các loại đắt đá

Bảng 4.6 Thống kể kết quả tình lự tắc dụng lên đường him

Bảng 4,7 Thống kê kết quả tỉnh ứng suất biến dạng trong đường him

Băng 4.8 Bảng so sinh kết quả ứng suất bin dạng với thiết kế

45 5 58 so

60

6s

6

6

PHAN MỞ DAU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thi năm 2011, ởViệt Nam chúng ta thủy điện cung cắp gin 40% điện năng, gần 50% công sucho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW: phần côn lại là nhiệtđiện than — khí - dầu và năng lượng tái tạo Đến quý III/2012, thủy điện vừa vànhỏ (N_ < 30MW) đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng.công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nha máy thủy điện lớn với tổng công suất11,600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an nin năng lượng quốc gia (tổng

ìn MW).

công suất thủy điện hơn 13 nại

Nước ta có điện ti núi, tự nhiên 329.200 km2, nhưng 34 lãnh th là rùng và đvới ting cộng 2.360 sông subi có chiều dã từ 10km trở lên (rong đó có nhiềusông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiễu diệntích lãnh thổ của nước ta), vì

KWhinam, (rong đó trỡ năng kính tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm,

vậy trừ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ

tổng công suất lắp máy thủy điện đạt tới khoảng 25 nghìn MW, chưa kế thủy điện tích năng).

Nhu vậy, hign nay công suất thủy điện trong hệ thống điện quốc gia mới chỉ phthuy khoảng 50% so với tiềm năng Nếu chỉ xét thủy điện vừa và nhỏ thì côngsuất hiện hữu mới chỉ đạt được khoảng 20%, còn lại 80% trong thời gian tới canđược phát huy hiệu quả.

Hiện nay đã xây dựng được một số lớn nhà máy thủy điện Theo kế hoạch Thủy.

& Khaiđiện đến 2020 số công tỉnh nhà mấy thủy điện sẽ duge tăng lên ding

thác nguồn thủy điện là dang năng lượng sạch, ái tạo và có hiệu quả kinh tế tổnghợp, thân thiện với môi trường và phù hợp với một nước giàu tiềm năng thủy.điện như ở nước ta

"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, điễn hình có thể kể như: Thủy điện Hòa Bình

(1920MW) có đường him dẫn nước đường kính

(300MW) có đường him áp lực dài 10km; Thủy điện Huội Quảng (520MW) có

ện Yaly (720MW) có đường him dải hơn 7km,

mị Thủy điện Nim Chiến

đường him di hơn 4am; Thủy

G nước ta các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miễn núi có địa

hình vùng tuyến hẹp và đốc, địa chất nên là đá gốc nên cổ nhiễ thuận lợi và hợp

lý khi bổ tr đường him dn nước trên tuyển năng lượng tạo cột nước ấp lực cao

cho nhà may Việc sử dụng đường him áp lực có những ưu điền hơn so với

phương án din nước bằng kênh hở như: diện tích chiếm đắt mặt it, vận hành én

định, chiều dai tuyến ngắn, tạo đường dẫn có áp nên chế độ cháy ôn định tuy

nhiên việc lựa chọn ‘ing như phương án gia cổ đường him

có vai trò quan trọng đối với sự làm việc ổn định, khả năng chịu áp lực nước và

ấp lực đất đá cũng như giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà may

có vai tr rất quan trong.

'Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hằm thủy công

số quy mô từ nhỏ đến vita như: đường him dẫn nước tưới thuộc tram bơm NghĩXuân (Hà Tĩnh) dài 160m; B x H = 1,8 x 2,2m; đường him Truông Khắp (Nghệ An) có L = 550 m:

dang thiết kế và xây đựng có đường him thủy công, như đường him dẫn dngcông trình Cửa Dat (Thanh Hỏa) có L = 908m; D = 9m; đường him dẫn nude

1.129 m: D =

.9m Hiện tại hing loạt công trình thủy lợi, thủy điện

vào nhà máy thiy điện Nim Chiến (Sơn La) có L sm và,

“Các đường him thường được được gia cổ bằng nhiễu hình thức khác nhau tủy

thuộc vào di kiện địa chất: phun vữa, bọc lót thép, đổ bê tông cốt thép,

Đối với đường him thủy công khi vận hành trong mỗi trường tiẾp xúc với nước

xây ra nhiều trang thái ứng suất ~ biển dang khác nhau, do đó có thể xay ra mắt

n định trong quả tình vận hành nễu như không cổ biện pháp gia cổ Để đườnghim thủy công được đảm bảo an toàn rong quá trình vận hành cần có lớp lt cho

Mục đích của tính toán lớp lót đường him thủy công là xác định nội

đề hành kiểm tra điều kiện bền và.lực và phân bổ ứng suất trong lớp ớt

bố trí cốt thép Bài toán xác định nội lực và ứng suất trong lớp lớt có thể giải

ng nhiều phương pháp khác nhau Ngày nay, với sự phát tiễn của công nghệthông tn, các phương pháp số được sử dụng nhiều trong tính toán kết cấu Mộttrong 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 him thủy công,bằng phương pháp phin tir hữu han có tỉnh khoa học và thực tiễn, để giải quyếtsắp thiết một vấn đỀ xây dựng đường hằm thủy công nồi iêng cũng như các côngtrình thủy lợi, thủy điện nói chung.

Nhà máy Thủy điện Nim Toớng thuộc huyện Sa Pa - tinh Lào Cai có đường himdẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn nhất hơn 418 4m, lưu lượng thiết kế

Q

151,27.10°kwh Có kết cấu đường him tương đối phức tap, Để tai "Nghiên cứu

=10,2m3/s, công suất lip máy 30MW, điện lượng bình quân năm

trạng thái ứng suất - biển dạng đường him thủy công bing phương pháp phần tử.hữu hạn ~ Ap dụng cho đường him thủy điện Nim Toéng Tinh Lio Cai" có ýnghĩa kinh ế và khoa học

2 Mue dich yêu cầu

Dựa trên các tai liệu thu thập được về các thông số kỹ thuật của nhà máy Thủy

điện Nam Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ) và các tả liệu về địa

hình, địa chất (kết qua khoan thăm dô dia chất, báo cáo địa chất công trnh ) yêucầu luận văn cần đạt được như sau:

- Tổng quan về đường him thủy công, các phương pháp tinh toán đường him

~ Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dang của đường ham thủy điện Nam

‘Tosng bằng phương pháp Phin tử hữu hạn thông qua phần mém SAP2000

~ Phân tích, đánh giá, so sánh kết quả nhận được với hồ sơ thiết kế 3, Cách tiếp

cân và phương pháp nghiên cứu.

+ Từ thự tế: Khi vận hinh đường him xuất hiện nhiễu trạng thi ứng suất

biến dạng khác nhau

- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải dim bảo điều kiện bên,

ổn định.

~ Kế thừa các nghiên cứu trước đó đã có,

Phuong pháp thu thập tai liệu.

Liệt ké các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường.

him thủy công

~ Ap dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tinh toán đường him,

Phân tích, nhận xét t quả đạt được.

4 Những kết quả đạt được của luận văn

~ Tổng quan về xây dựng đường hằm thủy công

~ Téng quan các phương pháp tinh toán trang th - biến dang đường

‘ham thủy công,

~ Nghiên cứu trang thái img suất - biển dạng đường him thủy thủy điện Nậm Todng bằng phương pháp phần từ hữu han, so sinh với phương án thiết

kế

Bố cục của luận văn

Chương 1: Tổng quan về xây dựng đường him thủy công,

1.1 Tinh hình xây đựng đường hằm thủy công ở Việt Nam:

1.2 Điều kiện làm việc của đường him thủy công

Phạm vi nghiên cứu của luận văn.

Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn

34 G hiệu chung về phương pháp phần từ hữu hạn

3.2 Giới thiệu phần mềm áp dung tinh toán rong luận văn: Sap 2000

3⁄4, Kết luận Chương 3.

Chương 4: Ap dụng tính toán đường him thấy Nậm Tosng 4.1, Giới thiệu công trình.

4.2 Các thông số tỉnh toán trạng thi ứng suắt biển dang, sơ đồ tính

4.3, Nghiên cứu trang thải ứng suất biến dạng đường him thủy công thủy điệnNam Toông

4.4 Kết luận Chương 4

KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

1, Các kết quả đạt được của Luận văn

3 Một số vẫn đề tổn tại

3 Kiến nghị

“Tài liệu tham khảo Phy lực tính toán

CHUONG 1 TONG QUAN VE DUONG HAM THỦY CÔNG

1.1 Tình hình xây dựng đường hằm thủy công tại Việt Nam

Từ lâu, trước Công Nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp , La Mã các công trình

fh khác nhau: khai khoảng,giao thông, lãng mộ, nhà thờ Một số công trình còn được gi

ngằm đã được sử dụng với nhiễu mục đ ấp nước,

nguyên cho đếnngày nay Công trình ngằm được coi là lâu đời nhất trên thé giới là đường himxuyên qua sông Eupharate ở thành phổ Babilon được xây dựng vào khoảng năm

2150 trước Công Nguyên Vào những năm 700 trước công nguyên một đường

dẫn nước đã được xây dựng ở dio Samosaite - Hy Lạp Hầu hết các đường

sổ xưa được xây đụng trên nén đá cứng, có dạng vom như cúc hang động tựnhiên, không cần vỏ chống đỡ Thi công bằng công cụ thô sơ như xà beng,chdong và phương pháp nhiệt dom giản: đốt nóng gương him, sau đó làm lạnhhim bằng nước, Vào cuỗi thời Trung Cổ phương pháp thi công đã được tiến bộ.hơn bằng khoan tay và thuốc nd Việc phát minh ra thuốc nỗ Dinamite (1866)

cùng với việc áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt cho xây dựng

sông trình ngằm cũng như xây dựng các đường him thủy công Vật liga vỏ himchủ yếu là đã hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng Mãi đến những năm 70 cửa th ki

20 bê tông mới trở thành vật iệu chủ yêu trong xây dựng công trình ngim,

“rên thé giới tính đến thập kỉ 70 những nhà máy thủy điện có đường him dẫnnước có thé ké đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhàmáy thay điện Tổng chiễu dai các đường him thủy công đã xây dựng ở Liên Xôtính đến thời kì đó trên 170km,

6 Việt Nam đường him thủy công được ứng dung rộng rồi trong các công trình

thủy điện, thủy lợi Đường him thủy công sử dụng trong trường hợp địa hìnhthay đổi nhiễu, địa chất thuận lợi cho việc đảo him, Can cứ vào chế độ thủy lựcbên trong đường him mà chúng cổ thé phân thành ha loại cơ ban: đường him

dẫn nước không áp và đường him dẫn nước có áp Đường him không ấp được

{img dụng trong các trường hợp khi mục nước trong chúng ít thay đổi.

Khi lựa chọn tuyển đường him phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và

điều kiện thi công Về mat kinh tế, yêu cầu tuyển đường him phải ngắn nhất

“rong thực té, do điều kign địa hình, địa chất và điều kiện thi công tuyển đườnghim có thể có dạng gly khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bảnkính không nhỏ hơn 5 lẫn chiều rộng tiết điện của chúng và góc ngoặt khôngvượt quả 60” Tuyến đường him dẫn nước thủ điện có thể dã tới hàng chục ki-lô-mét

Hình đạng tết diện đường hằm phụ thuộc vào chế độ thủ lực trong ó điều kiệnđịa hình, địa chất và chế độ thủy công,

Đường hầm dẫn nước không áp: cô nhiều it điện khác nhau tùy theo điềukiện địa ct cao h và chiều

thì

số này cố thé lấy ln, kích thước cña nó phải đảm bảo chế độ chủy không áp

mã tuyển di qua Đường him dẫn nước có tỷ lệ ỉ

tông b khoảng heb =1:1,5, néu mực nước trong đường him dao động nhi

trong mọi điều kiện kể cá các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện Khí đường

hằm xuyên qua ving địa chit là đã rin chắc có thể sử dụng tiết điện hình chữnhật day bằng, trin vim Khi địa chất không rin chắc lắm, áp lực đất theo

phương đứng không lớn và không có áp lục hông của đt lên vỏ him thi có thể

sử dụng tiết điện với tn là nữa hình tồn vs

Hình 1.1 Đường hằm không áp đặt ở đầu tuyển năng lượng

"Đường him dẫn nước có áp: vé nguyễn tắc thường có tt điện hình trên VO

‘ea nó có khả năng chịu ấp lực từ các phía, về thủy lực nó có nhiều ưu điểm.hơn so với các dang it điện khác, Ngoài a, khi sử dụng it điện trên, khối

lượng công tác đảo và bêtông v6 him cũng ít hon so với các tiết diện khác Đối

với đường him có áp có chitu di lớn, kích thước tết diện và vị tr đường himcin phải chọn sao cho ấp su bên trong nó không nhỏ hơn 0,02Mpa, Kích thướctối thiểu của đường him phải đảm bảo điều ign an toàn thi công b> I,#m

Hình 1.2 Đường him áp lực dẫn vào nhà máy thủy diện

6 Vigt Nam, trong thời gian gin đây đã xây đựng một số đường him thủy công

có quy mô nhỏ đến vừa như: đường him dẫn nước thuộc trạm bơm Nghỉ Xuân.(Hà Tĩnh) đài 160m, BxH~I 8x22m; đường him Truông Khấp (Nghệ An) cóL=550m, D = 2,9m Hiện tại có nhiều công trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế

và xây dựng đường him thủy công như:

Dự ấn Nhà máy thủy điện Nam Toóng được xây dựng tại Huyện Sa Pa, tỉnh Lào

Cai, Dường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng: ham ngang từ Cửa.nhận nước đến Nhà máy đài 4.968 m Tiết diện him BxH = 3x3,5 m trong

đồ chiều cao tường 2 m, chiều cao vom 1,5 m, bán kính vòm R = 1,5 m.

Dự án Nhà máy thủy điện A Lin BI được xây dựng tại huyện Phong

Đi và A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế Đường him dẫn nước nhà máy thủyđiện A Lin BI có chiều dải 4.500m tiết điện ham, BxH = 4,1 m x 4,7 m

trong đó chiều cao tường 2,65 m, chiều cao vom 2,05 m, bán kính vòm R =

2,05m

Hình 1-4 Hình ảnh đường him nhà máy Thùy điện A Lin - Huế

Dự án nhà máy thủy điện sông Tranh 2 được xây dựng trên sông Tranh, thuộc.

bậc thang hệ thẳng Sông Vu Gia - Thu Bên nằm trên địa bản huyện Bắc Tri My,tinh Quảng Nam Đường him dẫn nước nhà máy thủy điện Sông Tranh 2 có

chiều dai 1.700m tiết điện ham, BxH = 6,8 m x 9,9 m

Dv án thủy điện Sông Bung 2 được xây dựng tại Huyện Nam Giang, tinh QuảngNam, Him ngang dẫn dòng dai 389,9m, Tiết diện him BxH = 14 m x 14.8 mtrong độ chiễu cao tường 7.8 m, bán kính vòm R =7 m

Hình 1.6 Hình ảnh đường him nhà máy thùy điện Sông Bung 2

Dự án nhà máy thủy điện Hui Quảng được xây đựng ti huyện Mường La, tỉnhSon La, Đường him din nước nhà máy thủy điện Huội Quảng có chiều di

diện himBxH =9 mx 99m

Ngoài ra còn nhiều công trình khác sử dụng đường him thủy công.

1.2, Điều kiện ầm việc của đường hằm thủy công

Hiện nay chưa có một định nghĩa chính thức về đường him, Nhìn chung, đường.hầm là loại công trình dưới mặt đắt có chigu dài ít nhất là gắp đôi chiễu rộng,.ở hai bên sườn và mở an toản ở hai đầu Tùy theo chức năng, đường him có théđược phân thành các loại chỉnh l: đường him giao thông, đường him thủy công

và đường bằm công nghiệp - dân dụng

"Đường him giao thông gồm đường him đành cho người đi bộ và đường him trêncae tuyển 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.

cia đường him giao thông là đường xe điện ngằm được xây dựng tạ hẳu hết các thành phổ lớn trên thé giới như Luân Đôn, Paris, Berlin, Matxcơva, ˆĐây là một

loại hình vận tải công cộng có rit nhiều tu điểm như: không tổn diện tích trên

mặt đất ít sây 6 nhiễm cả về khí thải va iếng én, hiệu quả và an toàn cao.

“Các đường him din dụng và công ngi được xây dựng ở vùng núi hoặc trong các thành phố để khai thác khoáng sản, làm kho chứa vật liệu, vũ khi Trong cácthành phố lớn, đường him được xây dựng dé đặt các hệ thống cáp điện lực hoặc.cáp thông tin, tạo thuận lợi cho việc quản lý, khai thác và bao dưỡng,

Dường him thủy công là loại công trình dẫn tháo nước được xây dựng ngằm.đưới đất thường xuyên là đục xuyên qua núi đó, Đường hằm thủy công có đặcđiểm chung của các công trình a; đá, nước tgầm là chịu tác dụng của áp lực

khác biệt trong,ngằm từ phía ngoài và chịu tác dụng của nước từ bên trong

các loại đường hằm khác làđiều kiện làm việc của đường him thủy công so v

nó làm việc trong môi trường tgp xúc với nước từ bên trong nên nó sẽ chịu táctác động lý hón của nước, Chính vì thé khi nghiên cầu về đường him thay công

ngoài các điều kiện chung ra thì phải đặc biệt xem xét đến điều kiện làm việc

trong môi tường nước để dim bảo tinh bn định của đường him,

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

“rong thực tế khi nghiên cứu trạng thái ứng suắt biển dạng của đường him thủysông sẽ phải xét đến rất nhiễu trường hợp với nhiễu mặt cắt chịu ác động củanhiều yêu tổ khác nhau tuy nhiên trong phạm vi của Luận văn do vẫn đề về kiếnthức cũng như thời gian hạn chế nên chỉ xét đến hai trường hợp ứng với mặt cắthim di qua khu vực có điều kiện dia chất bất lợi nhất (đứt gay bậc IV);

- Trường hợp 1: Dang thi công him chịu tác dụng của áp lực đá núi thẳng đứng,

4p lực đã núi nằm ngang, áp lực nước ngằm.

~ Trường hợp 2: Đang vận hảnh him chịu tác dụng của áp lực đã núi thẳng đứng,

áp lực đá núi nằm ngang, áp lực nước ngằm vi áp lực thủy tĩnh

sẽ đưa ra các phương án khác nhau, phân tích ưu nhược điểm của từng phương

ám, tính toán kỹ thuật để so chọn ra phương án lợi nhất về kỹ thuật, kinh Việc

sử dụng trong thực tẾ cũng rit nh hoạt, có thé la him không áp, him cổ áp, hoặckết hợp cả hai miễn sao cho đảm bảo chuyển được mọi lưu lượng nước theo yêucẩu, vận hành với tôn thất thủy lực nhỏ nhất, chỉ phí xây dựng và quan lý vậnhành cũng thấp nhất góp phin làm cho dự ấn cỏ hiệu quả cao nhất Do vin đề

kiến thức cũng như thời gian hạn chế nên phạm vi nghiên cứu của luận văn là có giới hạn chưa thé bao quát hết tt cả các trường hợp tính toán trong thực ễ.

CHUONG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KET CẤU

DUONG HAM THUY CONG

có một phần định là vòm công tác và được tinh như sơ đồ vòm thấp (hình 2.24)

Hình 2.1 Vom thấp vả vòm công tác ở định

a) Vom thấp ở đỉnh; b) Vom công tác ở đình

Tai trọng và lực tác dung lên vom chủ yếu là: áp lực đá núi, trong lượng bản thân, áp lực phụ vữa, không xét đồn lực kháng đàn ính và lực ma sit, Do chân vom là ngầm chất din hii với đá núi nên kh tính toán cần phải xét đến ảnh hưởng của chuyển vị chân vòm.

Chuyển vị chân vòm gồm chuyển vị góc và chuyển vị thẳng

Khi mặt ngâm chịu mô men My thi hai bên của mặt cắt chân vòm sẽ có ứng suất

trong đó J, là mô men quán tính của mặt cắt chân vòm Chuyển vịtheo phương pháp tuyển của mặt cắt tỷ lễ (huận với ứng suất pháp của mặt cất,tức là ø = KS, trong đó K là hệ số lực kháng đản tinh của đá núi ở chân vòm, do

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vòm thấp.

Hình chiếu của A xuống phương nằm ngang (song song với trục x) là AH

Np +X, cos N,

ant =X» cos, 08, =AP +X,KI m

“Trong dN, là lực hướng trục ở chân vòm do các ngoại lực sinh ra,

Phương trình chính tắc của vom khi có xét đến chuyển vị chân vòm có dang:

Xiế +X;ổ, +A, +B =0

Mô men và lục hướng trục ở mỗi mặt eit trên vòm được xác định:

3.1.1.3 Tinh toán vom cao [1]

"Những mặt cắt của đương him như hình 2.3 được tỉnh toán theo sơ đồ vòm cao

hình 2.8 Khi tính toán không xét tác dụng của ban đáy Chân vom được ngàm.

chat din hồi vào da Giả thiết hai điểm A, D ở chân vim chi cổ chuyển vi góc.không có chuyển vị đàn hồi đường thẳng, do đó lực kháng đản tính tại điểm naybằng không Giả định lực khing dan tỉnh tác dụng lên vòm phân theo đường.

parabôn (hình 24a, b) có trị số lớn nhất KO, tại ví trí (+ )M wong độ n là

tổng chiều cao đoạn vim chịu tác dụng của lực kháng din tính

Hình 2.3 Sơ đỗ tinh toán vòm cao

‘Tir vị trí có lực kháng đản tính lớn nhất trở lên, lực kháng dan tính tại một điểm trên vòm tính theo công thức:

(cost

01-28ere ay

Từ vịt cổ giá tị max trở xuống, lục khng dn tính ti một điểm trên vòm tỉnh

theo công thức:

( 2) “3

Phường pháp còn xét đến lực ma sát T Lực này tỷ lệ thuận với lực kháng đàn

tính: T= pK „ Trong đô „ là hệ số ma sát giữa đá núi với lớp lót

b) Xác định vị trí có lực kháng đàn tính lớn nhất trên vòm

3.1.1.3 Tinh toán vom kin [1]

"rong ting đá tương đối mém yếu thường xây lớp lót thành một khối chỉnh thểtrên toàn bộ chu vi của mặt cắt đường him (hình 2.5) Khi xác định xơ đồ tínhtoán cho loại này cần đưa vào tình tự thi công lớp lot Nếu thi công một lúc toàn

bộ lớp lót theo chu vi mặt cắt đường him thi sơ đồ tính toán sẽ là một kết cấukhép kính (vom kín) trên nén din hồi (hình 2.6) VỀ thực chất, kết cấu này gồm

một vòm cao và một vòm ngược ở đáy ghép lại mà thành Nếu thí công phần.

‘vom cao phía trên trước một thời gian sau mới thi công phẫn vòm ở day thì trọng.lượng bản thân lớp 1 và áp lực đá núi (nhất là áp lực đá núi sinh ra trong Khoảng

giữa hai lần thi công vòm đính và vòm đáy) sẽ do vòm cao phía trên chịu, lúc đó.

‘vim phía trên tỉnh theo kết cấu vim cao, Néu biện pháp thi công đảm bảo vomtrên và vòm đáy cùng làm việc thì dưới tác dụng của các lực khác như áp lực.nước bên trong và ngoài đường him, lớp lot sẽ được tỉnh theo kết cấu khép kintrên nên dan hồi.

Hình 2.5 Sơ đỗ vòm khép kín Hình 2.6, Sơ đồ tỉnh toán vòm khép kin

Khi tính toán kết cấu vòm kin thường phân lim hai phần: phần trên tỉnh toán nhưmột vom cao, phần đưới là một vòm cong ngược (hình 2.6).

“Tính toán phần vòm cao như phương pháp đã nêu ở trên nhưng chuyển vị gócchân vòm do các ngoại lực gây ra (đ,} và chuyển vị góc chân vòm do mô menđơn vị gây ra (6) cin phải xét đến ảnh hưởng của vom đáy

khi vom diy tương đổi thấp, tỷVom đáy được coi như một dim trên nền din hồ

số giữa chiều cao vòm với chiều rộng chân vòm (vòm đáy) khoảng 1/10, thi có thể coi vòm đáy như một dằm thẳng để tính toán.

‘Theo kết quả tinh dầm trên nén đàn hồi có:

en

P,G;+B,M, G8)

Trong đó: /,- chuyển vị góc ở chân vòm do các ngoại lực gây ra;

/8 - chuyển vi góc ở chân vòm do mô men đơn vị gây ra;

G9)

E,1 mô dun dan hai của vật liệu và mô men quản tính của mặt cắt vim đấy

K - hệ số lực kháng đàn tính của đá núi;

b- chiều đãi của đoạn vôm, thường lấy đoạn đi một mét để tinh toán;

M, — mô men ở chân vòm do các ngoại lực gây ra tính theo hệ tinh định;

Py - tổng hình chiếu theo phương thẳng đứng của các lực tác dụng lên nửa vòm

inh (bao gồm cả lực ma sắt và lực kháng din tính);

R (at)

Ga Gs hệ số phụ thuộc vio tị số |“ |

Xác định nội lực và ứng suất ở vm kín tương tự như đối với vòm cao Biết các

giá tị Mo, No, Pp ở chân vom ta có thể tim được mô men ở các mặt cắt trên vòm

đầy, đồ kiểm tra cường độ và bổ tí ct thép vam đầy,

Phương pháp này có khối lượng tinh toán rit lớn G.G.Zurabop và O.E.Bugava

chuẩn để giảm bởi kl

đã lập bảng cho những mặt cắt có kích thước lượng

tính toán.

221.14 Tinh toán kết edu tường bên của lớp ớt đường hằm [1]

Lớp lót của đường him thủy công không áp trong các tram thủy điện ngằmthường được làm theo kiểu tường bên thắng đứng, Đối với loại lớp lót này dùng.phương pháp tính vòm cao sẽ không chính xác vi sự phân bổ của lực kháng đản tính sẽ không tuân theo quy luật đường parabôn.

CC Đavuđôp đã ding lý thuyết din hồi cổ xét ảnh hưởng của trường đản hồicủa đã núi Tác gia không ding hệ số lực kháng đản tính K mà dùng médun inhồi Ey và hệ số poatxông sy của đã núi để phân ánh tác dụng của đã núi Lúc inhoán coi lớp lớt và môi trường đàn hồi của đá núi cùng chịu sự tác đụng của các

lực (hình 2.7)

a) Tường cúng; b) Tường dain hồi

“Chiều diy ting din hỏi H ở phía bản đây hoặc sau trờng bên sẽ được tính từ bản

đáy (hoặc tường bên) đến một mặt phẳng có áp lực tăng thêm do các lực tác dụng.

lên lớp lot gây ra, đối với mặt phing đồ bằng khoảng 20% áp lực ban đầu, tức

2Z: ơ là áp lực dit, dé lúc ban đầu chưa xây đường him

“Trong khi tính toán có xét đến lực đẩy ngang của đắt đá, Lực nà lâm giảm biến hình din hồi hướng ngang của tring bên Trị số và sự phân bổ của áp lực diy ngang này phụ thuộc vào hệ số cứng a của tưởng bên.

Khi ø >0,05 tường bên là tường đàn hồi, áp lực diy ngang phân bổ theo quy luậthình tam giác (hình 2.7b)

Khi ø.<0,05 tường bên là tường cứng, áp lực đẫy ngang phân bổ theo quy luật

hình thang (hình 2.7a) Hệ số ø được tinh

SEI =

Trong 46; E, - mô dun đàn hồi và hị Poatxông của vật liệu;

1 Mô men quản tính mặt cất tưởng bên:

C= 02h, hụ là chiều cao trờng bên.

Hiện nay có quan điểm cho rằng khi đá núi tương đổi rắn chắc (f, >2) thì chỉ xétđến phản lực dn tính của đã núi mà không xét lực dy ngang của đ núi

“Theo phương pháp nay, phần vim của lớp lót sẽ được tính toán với các lực tác.

dụng: ấp lực thẳng đúng và ấp lực bên cia đá nữ, đồng thời coi chân vm ngim

in hồi vào tường bên, đựa vào tác dụng của tường bên để tính ra chuyển vị góc

ở chân vòm,

“Tường bên được tính toán theo dim trên nén din hồi, Lúc tính toán thay ác dụngtầng đàn hồi sau và dưới chân tường bên bằng các kết cấu thanh Số lượng thanh.mỗi phía khoảng 5 là đủ độ chính xác theo yêu cầ thiết kể

-—

Hình 2.9 Tường bên din hồi4) Sơ đồ kết cầu; b) Sơ đồ tính toán

2.1.2, Phương pháp cơ học vật rắn biến dang [1]

Nhóm các phương pháp này dya trên lời giải của lý thuyết din hồi, déo và từbiển với nửa không gian hay nửa mặt phẳng có lỗ khoét hình tròn hay hình có.biển phúc tạp hơn, có đường biên tự do hoặc có các vòng liên kết với chiễu diy

"bên trong và bên ngoài

“Ta xét biến dạng khi có tác dụng của lực phân bố bên trong P lên hình trụ thànhdầy (hình 2.10) có bán kính trong r,, bán kính ngoài r, Vật liệu lớp lót được đặc trưng bởi mô dun din hồi E; và hệ số poatxông ø¡: mỗi trường bao quanh: tương ứng là Ey ay Theo lời giải của B.G Galerkin, ứng suất tại các biên của lớp lót

trong hệ toa độ cực (r,9) như sau:

Lời giải chính xác của lý thuyết đàn hồi không cho phép thiết lập được cáccông thức tinh toán khép kin với trường hop ti trọng phân bổ tên một phần củađường biên (ví dy tải trong là áp lực đá núi)

“rong trường hợp này có thể sử đụng ôi giải của B.P Bodrôp và L.N.Gorelic(1936) Lõi giả này sử đụng nguyên lý thể năng cự iễu cho vòm tròn tong môitrường đàn hồi Giả thiết rằng khi biến dạng của lớp lót về phía khối đá thì phảnlực lên nó tỷ lệ với biến dạng (giả thiết Vinkle), nghĩa là p = ku (hinh 2.11)

trong đồ u- thành phần chuyển vị theo hướng bin kính tại một điềm bắt kỳ: t—

thành pi

thẳng góc gây ra, quan hệ giữa các thành phần chuyển vị có th viết dưới dang:

chuyển vị hướng tgp tuyến, Bỏ qua biển dang do các lực ngang và

r-[sde es)

Tinh đúng đắn của biểu thức này có thể được chứng minh khi xem xét điềukiện cân bằng của phân bổ lớp lót abed (hình 2.11b) khi biến dang,

Hinh 2.11 Sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng

phan bố đều (a,b) và sơ đỏ lực tác dụng vào vòng tròn (c).

Để đảm báo nhận được lời giải bằng số, biển dạng hướng ban kính được viết theo

chuỗi Phuiệ:

u=¥(a,cosmg+b, sinmp) (214)

Trong đỏ: ø- góc giữa trục x và tia hướng đến điểm đang xét; aj, a; A„;Biv iby — các hằng số chưa biết, Tinh đối xứng qua trục thẳng đứng của kết cấu.lớp lst và tải rong dẫn đến là các số hang thứ hai của biểu thức (2-27) bingkhông, từ đó:

=a, cosmp

Góc 9; (hình 2.154) được chia ra trong quả trình tim tỉ số ban đầu của biểu đổphản lực Sau khi xác định thé năng t của vòng trồn như là tổng cong của ngoại

lực, nội lực khi biển dang và phan lực đàn hỏi, sẽ tìm được các an số ai, a

bằng cách áp dung lý thuyết cực ti thể năng, kh đỏ

Phương pháp nêu trên cho phép để ding thiết lập chương trình giả trên máy tính.

Lồi giải của bài toán lý thuyết din hồi về phân bổ ứng suất quanh lỗ trên chophép xác định trường ứng suất trong khối din hồi đồng nhất bị Khost bởi đườnghằm mặt cất tròn Đối với lỗ khoết bán kính r (đình 2.12), trường ứng suất banđầu xác định theo công thức sau:

0, =1(9-H)ia, = 47,09 Wit, (2-18)

trong đó: y,- trọng lượng riêng của dé núi, ứng suất trong khối được xác địnhtheo công thức Kirs

@-19)

trong dé:

én đi

.0- gc giữa trực y và hướng, tính toán.

x Khoảng cách từ tâm vòng tron đến điểm tinh toán

Khi Ø=0 thì tên biên lỗ khoết =rị, hình 2.16), ứng suất tiếp vuông góc bằng:

ø, =yH(32~1), (2-20)

Nghĩa là khi 2.1/3, trên biên sẽ phát sinh ứng suit kéo Cn lưu ý rằng trong

trong khối đá khôngtrường hợp lỗ khogt không được gia cổ thì phân bổ ứng s

phụ thuộc vào đặc trưng biển dạng của nó vẻ được xác định chỉ theo trường ứng

2 và các thông số hình họcsuất ban đầu tương ứng với ø, /ơ,

Hình 2.12 Phân bố ứng suất trong khối Hinh 2.13 Sơ đồ tác dung của tai trong

đá có lỗ Khost tròn khi 4=ø,/ø, _ lênkhối đá bao quanh lớp lót đường

him

“Trong trường hợp lỗ khoét được gia cổ bằng một vòng tron có chiều dày khôngđổi thì tinh hình sẽ khác Chẳng hạn, khi có các áp lực p và Ap (ví dụ lực độngdit) tác dụng lên khối đá ở xa đường him (hình 2.12) thi có thé sử dụng lời giảicủa GN Xavin:{5]

Co thể nhận được các công thức tính toán ở dang giải tích cho trường hợp có áp

lực nước tác dụng bên ngoài, áp lực nước bên trong đường him không áp, trong lượng bản thân lớp ớt v.v.

2.3 Phương pháp số

2.2.1 Phương pháp phần từ hữu han

Phương pháp PTHH được xem là hiệu quả nhất để giải các bài toán cơ học vậttắn nói riêng và co học môi trường liên tục nói chung như các bai toán thủy khíđộng học, bài toán v8 từ trường và điện trường Trong phương pháp phần tử hãu

hạn ta thay thé hệ thực (hệ liên tye) bằng một mô hình vật lý gắn đúng (bing một

sổ hữu hạn các phần tứ) mà li giải của nô được xác định bằng số hữu hạn sốĐiều kiện để giải các bài toán min xá định gồm nhiều miễn con

Một trong những điểm nổi bật của phương pháp PTHH là dé dàng lập chươngtrinh để giảitrên mấy tính, tạo điều kiện thuận lợi cho công việc ự động ha tính

toán hàng loạt kết cấu với những kích thước,

kiện biên khác nhau.

inh dang, mô hình vật liệu va điều.

trong đó: * P và Q— các điểm trên biên của miễn R;

* Ty, uy — ten-xơ bậc hai tương ứng của các chuyển vị pháp tuyển và tiếp tuyển

do 3 ti trọng đơn vị trực giao sinh ra tong vật thể dn hi và là hàm của khoảng,cách giữa các điểm P, Q và hing số dan hồi của môi trường;

* u = chuyển vị pháp tuyến của biên;

* - chuyển vị tiếp tuyển trên biên,

Hình 2.14 Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên

R= miễn; B —biên; 1 phần tử biên

Phương trình (2-22) được giải bằng phương pháp số, khi đó bién liền tục đượcthay bằng N phần tử biên:

Pa) > :

0) Su (0, )8T,(O,.P.)=S140.)404(0 P.) 223)

Các tị số a7, và Asunhận được theo thông số hình học của các phân tổ vì hằng

số đàn hồi vật liệu Phương trình cuối cùng của (2-22) quy về dạng:

Trong chương này tác giả đã trình bảy được các phương pháp tính toán kết cấu

đường him, Trước đây khi chưa có công cụ máy tính để ứng dụng vào tinh toánsắc bài toán kết cấu đường him thì phương pháp giải tích là phương pháp tối ađược sử dụng nó cho kết quả tính vẫn còn sai số tương đối lớn do đó nó ảnh

hưởng tới công tác chon phương dn thết kế kết cầu đường hầm Ngày nay khử

máy tính là công cụ hữu ích trong tính toán thì phương pháp số được ứng dụng.

rộng rãi trong việc tinh toán kết cấu đường him Ưu điểm của phương pháp số li

tính toán dễ dàng hơn phương pháp giải tích và có thể giải những bài oán có tính

chất phic tạp hơn Trong các phương pháp số thi phương pháp phần từ hữu hanđược nhiều người sử dụng bởi ưu điểm của phương pháp này là công cụ sử dụngchính là máy tính, do đó rút ngắn được thời gian tính toán mà lại cho kết quảchính xác hơn.

Với những wu điểm như trên tác giả đã chọn phương pháp áp dung để xác địnhtrạng thái ứng suất bién dạng đường him dẫn nước vào nhà may thủy điện Nim'Toóng - Lào Cai là phương pháp phần tử hữu hạn thông qua sử dụng phần mém SAP 2000.

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHAN TỬ HỮU HAN

3⁄1 Nguyên tắc và trình tự giải bà toán kết cấu đường hằm theo phương,

pháp phần tử hữu hạn [1]

3.1L Rồi rgc hóa miền tính toán

Mita xác định được chia thành các phần ti, Trong git hạn của sơ đổ tính tin

6 thể bao gồm các dạng phần từ khác nhau Ví dụ như sơ đồ tinh toán chođường hm và khối đá bao quanh (hình 3.1a) được chia thành các phan tử phẳng.hình tứ giác và am giác (hình 3.Ib), Sổ lượng và dạng phin tử sử dung được xác

định bởi mục đích tính toán và yêu cầu độ chính xác của kết quả, cũng như khả.

năng có thể - dung lượng bộ nhớ, năng lực của hệ thống tính toán, các tham sốcủa chương tình máy tinh sẽ được sử dụng cho tỉnh toán Cin chú ý là việc chiamiễn xét thành các phần tử chí là biện pháp tính toán mà thường thì không mang

ý nghĩa vật ly nao,

3) Mặt cắt đường him trong môi trường đá không đồng nhất

9) Sơ đỗ lưới phn từ