bài giảng thiết kế đường hầm thủy công

Thiết kế đường hầm thủy công-Chương I: Giới thiệu chung-Chương II: Khảo sát và nghiên cứu địa chất CT trongTKĐH-Chương III: Bố trí các bộ phận của đường hầm-Chương IV: Tính toán thủy lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM

THỦY CÔNG

Thiết kế đường hầm thủy công

- Chương I: Giới thiệu chung

- Chương II: Khảo sát và nghiên cứu địa chất CT

trong TKĐH

- Chương III: Bố trí các bộ phận của đường hầm

- Chương IV: Tính toán thủy lực, xác định các thông

số của mặt cắt

- Chương V: Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

- Chương VI: Tính toán đường hầm theo hệ thống phân loại chất lượng khối đá

- Chương VII: Thiết kế đường hầm thủy công không

có lớp lót kiên cố

I Khái niệm:

 Công trình dẫn nước đục xuyên qua núi;

 Sử dụng trong các trường hợp:

- Địa hình chật hẹp, bờ dốc núi đá;

- Dẫn tháo nước cho trạm TĐ ngầm;

- Tuyến dẫn nước qua rừng núi rậm rạp, hiểm trở;

- Tuyến dẫn nước qua sườn núi dễ sạt lở, đá lăn.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

II PHÂN LOẠI

1 Theo nhiệm vụ:

 Lấy và dẫn nước (phát điện, cấp nước…).

 Tháo nước: Tháo lũ, dẫn dòng thi công.

(có thể kết hợp tháo lũ thi công và lâu dài)

Hình vẽ đường hầm dẫn dòng thi công và tháo nước lâu dài

III TÌNH HÌNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM

 Hầm thủy điện Rào Quán, AVương, Bản Vẽ…

 Nậm Chiến, Sông Bung 2,4; ĐaMBri …

…

…

1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

Đập đá đổ BT bản mặt

E a9

hg4 D a2 a8 hg3

s

1:1.0 1:1.0

khu quản lý

Đ2 BM1 BM2 BM3 BM4

sô

chu

a11 a5 a10 H K a12

đập chính

b

s ch

BM11

Đ3 BM13

TN1-5 TN1-4

TN1-1 TN2-1 TN1-2 TN1-3 TR1

Đ1

TR3 TN2-4 TR4 TN2-5 tràn xả lũ

tuy nen 2

tuy nen 1

khu vự đất đá

sau khi hoàn thành

đê quai hạ l-u

sau khi hoàn thành khu vự đất đá

đê quai th-ợng l-u

110 110

TN1-6

BM5 BM6 BM8 BM9 BM10

28.20

r=0.25b

b) b

H 0 =

c) b

 Tác dụng:

- Thủy lực: Giảm độ nhám => giảm tổn thất thủy lực

- Kết cấu:

 Chịu lực tác dụng từ trong và ngoài.

 Nối tiếp với môi trường xung quanh: Bảo vệ đá khỏi bị phong hóa.

- Quản lý: giảm chi phí quản lý, giảm tổn thất nước.

1 Lớp lót đường hầm không áp

- Trát trơn (không chịu lực).

- Gia cố chỉnh thể: Đủ 3 chức năng; chịu lực tốt.

- Lắp ghép:  Đủ 3 chức năng.

 Khả năng chịu lực không lớn.

 Thi công nhanh.

1.3 LỚP LÓT ĐƯỜNG HẦM

Các hình thức lớp lót của đường hầm không áp

a) Trát trơn; b) Gia cố chỉnh thể bằng BT; c) Gia cố chỉnh thể

bằng BTCT; d) Gia cố ở đáy đường hầm.

1.3 LỚP LÓT ĐƯỜNG HẦM

 Khi cột nước không lớn lắm (H < 60m).

 Đá rắn chắc, chịu áp lực đá núi không lớn.

c) Lớp gia cố kép:

 Cấu tạo: - Vòng ngoài: BT, BTCT.

- Vòng trong: Xi măng lưới thép.

 Áp dụng: - Hầm có D lớn.

- Áp lực đá núi và áp lực nước đều lớn.

1.3 LỚP LÓT ĐƯỜNG HẦM

Hình thức lớp lót của đường hầm có áp

e) c)

 Vòng ngoài: BT lắp ghép (ngay sau khi đào).

 Vòng trong: Đổ tại chỗ, hoặc XM lới thép.

1.3 LỚP LểT ĐƯỜNG HẦM

 Các yếu tố cần làm rõ:

1 Thành phần thạch học (khoáng vật, hóa học):

 Đặc điểm trầm tích (cấu trúc, nguồn gốc).

 Đặc điểm cấu tạo (thế nằm, phân bố các đơn

ChƯơng II : Khảo sát và nghiên cứu

địa chất CT trong TKĐH

Đ 2.1 nghiên cứu cấu trúc địa chất

của đá núi

Cỏc yếu tố cần làm rừ:

3 Cỏc điều kiện địa chất thủy văn

 Trữ lượng nước, phõn bố ỏp lực nước.

 Tớnh thấm nước của đỏ.

 Tớnh xõm thực của nước.

4 Tớnh chứa khớ của đỏ

(khả năng thoỏt khớ + phụt khớ cựng với đỏ).

5 Cỏc điều kiện địa nhiệt

6 Tớnh chất cơ lý của đỏ nỳi

7 Trạng thỏi ứng suất – biến dạng của đỏ nỳi (Xột đến hoạt động động đất, kiến tạo).

Đ 2.1 nghiên cứu cấu trúc địa chất

của đá núi

I SỰ PHÂN VỈA VÀ TÍNH NỨT NẺ CỦA ĐÁ NÚI

1 Sự phõn vỉa, thế nằm của đỏ nỳi:

 Ảnh hưởng đến tỡnh hỡnh chịu lực của vỏ hầm

Đ 2.2 Nghiên cứu địa chất công trình

I Sự phân vỉa và tính nứt nẻ của đá núi

1 Sự phân vỉa, thế nằm của đá núi:

Đ 2.2 (tiếp)

I Sự phân vỉa và tính nứt nẻ của đá

núi

2 Tính nứt nẻ của đá núi:

a Cỏc thụng số đặc trưng:

 Khoảng cỏch trung bỡnh giữa cỏc khe nứt (l n ).

 Modun nứt nẻ M: Số khe nứt trờn 1 một theo

hướng vuụng gúc với mặt phẳng khe nứt.

 Hệ số rỗng do khe nứt K kn (%): Thể tớch trống do

khe nứt trong 1 đơn vị thể tớch của khối.

Đ 2.2 (tiếp)

II áp lực đá núi

2 Các đặc trng:

 Thay đổi theo thời gian:

- Thời kỳ đầu (sau khi đào): Tăng rất nhanh.

II áp lực đá núi

4 Xác định áp lực đá núi:

 Tính toán: Theo phương pháp Prôtôđiacanốp.

Phân biệt với các loại đá:

- Cứng: fk > 8.

- Cứng trung bình: fk = 4  8.

- Yếu: fk < 4.

 Thí nghiệm hiện trường:

- Bố trí khung chống và đo lúc đào hầm

(khảo sát).

- Kiểm chứng: Trong thi công.

Đ 2.2 (tiếp)

 Thí nghiệm hiện trường.

 Đo đạc kiểm chứng trong thi công.

Đ 2.3 nghiên cứu các tính chất cơ lý

của đá núi

Phụ thuộc điều kiện địa hình, địa chất, thi công, sử

dụng:

 Địa chất: Tránh khu vực đá xấu, sạt trợt, mực

 Địa hình: Độ chôn sâu của hầm hđ ≥ 3ht.

ht – Chiều cao mặt cắt đường hầm.

I Các bộ phận chính :

1 Bộ phận cửa vào.

2 Đ ường hầm sau cửa vào.

3 Phần cửa ra (thiết bị tiêu năng, phụ trợ).

II Các hình thức cửa vào :

1 Giếng đứng:

Đ 3.2 Bố trí đƯờng hầm dẫn tháo nƯớc

II C¸c h×nh thøc cöa vµo :

2 KiÓu m¸i nghiªng:

§ 3.2 (tiÕp)

3 H×nh thøc th¸p:

 Th¸p kÝn.

II Các hình thức cửa vào :

1.ĐH dẫn dòng; 2.ĐH dẫn nớc;

3.Đá;4.Mặt đất tự nhiên; 5.Đập đất;

6.Cửa vào.

III Cao trình cửa vào :

 hạ thấp MNTL  giảm Hđê quai .

 Có thể làm đường hầm có cửa vào ở các cao

trình khác nhau.

Đ 3.2 (tiếp)

IV Bè trÝ cöa van, èng th«ng khÝ :

IV Bè trÝ cöa van, èng th«ng khÝ :

I Đặc điểm bố trí : (NMTĐ kiểu đờng dẫn).

1 NMTĐ ngầm:

 Tuyến dẫn n ư ớc vào: gồm cửa lấy n ư ớc, đ ư

-ờng hầm có áp, tháp điều áp và đ ư ờng ống

II Các bộ phậnchính :

3 Đờng ống áp lực:

Làm việc với cột nớc cao và tăng dần khi đến gần

tổ máy.

4 Tháp điều áp: Có thể đặt trớc hoặc sau nhà máy.

5 Giếng thông khí: tiếp không khí vào đờng dẫn.

i i

2 Điều kiện chảy có áp ổn định:

K K

 Các biện pháp đảm bảo chảy có áp:

- Đặt van công tác ở cửa ra.

- Cửa vào thuận, ngập dới MNTL.

- Thu hẹp cửa ra, hoặc đặt cửa ra ngập

d-ới MNHL.

3 Tính toán thủy lực cửa vào đờng hầm:

a) Hình dạng cửa vào:

 Cửa vào vuông góc: - Tổn thất cột nớc lớn.

- Dễ sinh khí thực.

- Độ thoải của elip: K s = a / b

a : bán trục theo hớng // dòng chảy.

b : bán trục theo hớng  dòng chảy.

- Độ thu hẹp tại cửa vào:

K r = h v / h t = 1 + b / h t .

a-CV vuông góc; b -CV lượn tròn; c-CV dạng elíp

3 Tính toán thủy lực cửa vào đờng hầm:

b) Hệ số tổn thất cột nớc tại cửa vào:

3 Tính toán thủy lực cửa vào đờng hầm:

c) Kiểm tra khí hóa tại cửa vào:

Điều kiện không có khí hóa:

K > Kpg

g2/v

H

HK

Đ 4.1 (tiếp)

HĐT = Zv + Ha .

Ha = f(Z).

Hpg = f(T).

3 Tính toán thủy lực cửa vào đờng hầm:

c) Kiểm tra khí hóa tại cửa vào:

Điều kiện không có khí hóa:

K > Kpg

g2/v

H

HK

H a

(m)

Cao độ (m)

H a

(m)

Cao độ (m)

m - hệ số lu lợng.

 - Mặt cắt cuối đoạn cửa vào.

h - độ cao mặt cắt cuối cửa vào.

1

h

1 Cöa vµo:

b) Cöa vµo kh«ng ngËp: TÝnh nh ®Ëp trµn

§ 4.2 (tiÕp)

2 / 3

nb g H m

a) Cöa vµo ngËp: b) Cöa vµo kh«ng ngËp

h h

2 Thân đờng hầm:

a) Khi tính khẩu diện:

Khống chế dòng đều trong đờng hầm:

1 0,11

H h

f

H n

0.10

0.20 0.15 0.10 0.30 0.20

2

0.35

0.70 0.30 0.25

0.50 0.60

0.40 0.45 f R 0.80 0.90 f 0.80

0.80

0.40 0.20

b)

0.75 0.70

O

0.60 0.30 0.40 0.50

0.80 0.70 0.90

1

f R

0.10 0.05 0

0.30 0.20

0

0.10

0.10 0.15 0.20

C

f

0.45 0.40

C

R f 0.90

0.05

0.30 0.20 0.10

0 0.90

H 0.70 0.75

0.90 0.40

0.30 0.50 0.20 0.15 0.25

0.70 0.60 0.80 0.35

2 Thân đờng hầm:

b) Đối với các trờng hợp khác:

Khi có dòng không đều  tiến hành vẽ đờng mặt

n-ớc.

c

I h

h N

3 Tính toán thông khí đờng hầm:

b) Tính toán ti ế t diện ống dẫn khí:

Đ 4.2 (tiếp)

a aK

a

Q  m  2   / 

4 Tính toán thủy lực cửa ra đờng hầm:

 Sơ đồ tiêu năng: Đáy, mặt, phóng xa.

 Tính toán tiêu năng: Xem thủy lực.

- Thờng khống chế: Va < 50 m/s.

5 5

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

Tiêu năng đáy, Tiêu năng mặt, Tiêu năng mặt ngập, Tiêu năng phóng xa.

5 6

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

1 Tiêu năng đáy:

a Nguyên lý: tiêu năng bằng sức cản nội bộ của nước nhảy

b Điều kiện: chiều sâu nước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu

nhảy ngập và tiêu năng tập trung trong phạm vi khống chế

c Hình thức công trình: bể tiêu năng, tường tiêu năng hoặc

bể và tường kết hợp

d Điều kiện áp dụng: Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền không tốt

5 7

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

Bể tiêu năng

Tường tiêu năng

Bể và tường kết hợp.

5 8

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

2 Tiêu năng mặt:

a Nguyên lý: Lợi dụng sức cản nội bộ của nước, khuếch tán dòng chảy

b Điều kiện: Dòng chảy ở trạng thái chảy mặt

c Hình thức công trình: Tạo mũi phun ngập phía hạ lưu

d Đặc điểm, điều kiện áp dụng: Làm việc không ổn định khimực nước hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng => ảnh

hưởng đến sự làm việc của các công trình khác như thủy

điện, âu tàu và xói lở bờ sông

5 9

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

6 0

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

3 Tiêu năng phóng xa:

a Nguyên lý: Dùng mũi phun tạo dòng chảy có lưu tốc lớn

không khí, năng lượng dòng chảy được tiêu hao phần lớn

trong không khí, phần nhỏ còn lại ở lòng sông

b Hình thức công trình: Tạo mũi phun phóng xa phía hạ lưu

c Đặc điểm: Độ dài phóng xa càng lớn càng có lợi Đập tràn càng cao, độ dài lấy càng lớn

d Điều kiện áp dụng: Cho các đập có chiều cao lớn, thích

hợp với điều kiện địa chất là nền đá

6 1

TIÊU NĂNG SAU ĐẬP TRÀN:

Mũi phun liên tục

Mũi phun không liên tục

 Yêu cầu: Thỏa mãn điều kiện sử dụng, kinh tế, thi công.

 Điều kiện sử dụng:

- Tháo đủ lu lợng cần thiết, với tổn thất cột nớc cho

phép.

- Đ/ hầm vận tải thủy: Có đủ khoảng không cho tầu

thuyền.

 Điều kiện kinh tế: Điều hòa mâu thuẫn giữa:

- Kinh phí đào và xây lớp lót.

d

C

C B A

áp lực

đá

núi

Dài hạn (áp lực

n ước bên trong)

Ngắn hạn (áp lực nước va

…)

Đặc biệt (Động đất Nhiệt độ

…)

5.1 Tải trọng và tỏc dụng lờn lớp lút đường hầm

 Chó ý:

- Trong thiÕt kÕ cÇn tÝnh víi nhiÒu tæ hîp t¶i träng kh¸c nhau.

- HÖ sè lÖch t¶i (n) tÝnh riªng cho tõng lùc, chän theo gi¸ trÞ nµo bÊt lîi nhÊt cho c«ng tr×nh (B 5.1)

Tæ hîp t¶i träng

Thi c«ng (nc=0,95)

§Æc biÖt (nc=0,9)

C¬ b¶n

(nc=1)

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

2 Tính toán áp lực đá núi:

 Phương pháp tính toán: Theo Prôtôđiacanốp

Đá núi được đặc trưng bởi hệ số kiên cố fk.

(Coi đá ở thể rời quy ước)

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

P

e''

P b)

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

P

e''

P b)

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

2 Tính toán áp lực đá núi:

Trường hợp f k  4

Áp lực thắng đứng q = bđhpNếu H0 < 6 m thì thường không xét áp lực ngang Nếu H0  6 m thì có thể áp dụng CT (5-4) và (5-5) Nếu H > 500 m thì dung các phương pháp khác

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

P

e''

P b)

800 1000 1200 1400

(KG/cm ) 2

Ko 1600

5.1 Tải trọng và tác dụng lên lớp lót đường hầm

d

d

)1

(34,1

 Mục đích:

Xác định nội lực, ứng suất trong lớp lót 

- Kiểm tra điều kiện bền

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

a) Tính toán vòm thấp:

áp lực phụt vữa.

 Không xét lực kháng đàn tính và lực ma sát.

n

n o

n n

o

J

h M h

J

M

2 2

/







Jn – momen quán tính của mặt cắt chân vòm

hn – chiều cao mặt cắt

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

h M

n 0

M

h n

o n





5 , 0

 b

- Giải theo phương pháp lực:

M o = M p + X 1 + X 2 y n

1 2 1

1 2

n

n p

y X

X KJ

y X X

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

a) Tính toán vòm thấp:

 Xác định biến vị chân vòm do N o :

Biến vị phương vuông góc với mặt ngàm:

Chiếu  lên phương ngang:

Giải theo phương pháp lực:

N o = N p + X 2 cosjn

N p – Lực hướng trục ở chân vòm do ngoại lực sinh ra.

j - góc giữa phương trục vòm (tại từng mặt cắt) và phương ngang.

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

2 21

1

1 12

2 11

1

n p

p

y X

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

NN

,yXX

MM

2 p

2 1

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

b) Tính vòm cao:

 Nguyên lý tính toán

Nguyên lý Winkler: trị số của phản lực tỉ lệ với chuyển vị của điểm này; hướng phản lực vuông góc với mặt ngoài của lớp lót.

Lực ma sát: T = fnK 

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

c) Tính toán vòm kín:

- Với tầng đá tương đối yếu: lớp lót được xây thành 1 khối

chỉnh thể

- Sơ đồ tính toán: theo trình tự thi công

- Sơ đồ tính toán  vòm khép kín = vòm cao + vòm ngược

đàn hồi

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

Tường cứng Tường đàn hồi

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

- Tường bên cứng: sơ đồ kết cấu và sơ đồ tính toán

- Tường bên được tính như dầm trên nền đàn hồi

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

1 Phương pháp cơ học kết cấu:

- Tường đàn hồi: sơ đồ kết cấu và sơ đồ tính toán

- Tường bên được tính như dầm trên nền đàn hồi

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng:

 Nguyên lý tính toán

- Dựa trên lời giải của lý thuyết đàn hồi, dẻo và từ biến

- Xét lỗ khoét đường hầm trong một môi trường đàn hồi vô

3 Phương pháp số trong tính toán đường hầm

- Rời rạc hóa miền tính toán: chia lưới pt

- Lựa chọn mô hình vật liệu

- Lựa chọn điều kiện biên: biên chung, tiếp xúc, tải trọng

- Lựa chọn giải pháp trích xuất dữ liệu

3 Phương pháp số trong tính toán đường hầm

5.2 Tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

1 Vật liệu xây dựng lớp lót

 Các loại vật liệu

- Bê tông; bê tông cốt thép; xi măng lưới thép

- Bê tông phun; vữa phun;

- Cấu kiện lắp ghép bằng thép

- Gạch xây, đá xây

5.3 Cấu tạo lớp lót của đường hầm

2 Khe nối trong lớp lót

- Lớp lót BTCT cần bố trí các khe công tác ngang và dọc

- Khoảng cách giữa các khe 6-8 m

4 Tháo nước, biện pháp xử lý tầng đá đứt gãy

- Khi mực nước ngầm cao, cần đặt ống để thoát nước

- Khi đường hầm bắt buộc phải xuyên qua tầng đá đứt gãy:

tang thêm chiều dày lớp lót và bố trí thêm cốt thép

- Nếu đứt gãy lớn cần bố trí khe co dãn ngang

5.3 Cấu tạo lớp lót của đường hầm

CHƯƠNG 6

THEO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI

CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ

6.1 Tổng quát

Các phương pháp phân loại đá núi

Bảng 6.1 Các hệ thống phân loại khối đá điển hình trên thế giới

6.2 Phương pháp tải trọng cho trước của Terzaghi

6.2 Phương pháp tải trọng cho trước của Terzaghi

vỡ đi qua vùng đá rắn chắc, đá vụn rơi xuống sau một thời gian.

đứng không cần gia cố.

đá khối vừa, cấp 5 là là khối lớn.

Khối lớn và có mạch nối

5

8

Cách phân cấp đá

6.2 Phương pháp tải trọng cho trước của Terzaghi

6.2 Phương pháp tải trọng cho trước của Terzaghi

6.2 Phương pháp tải trọng cho trước của Terzaghi

Ưu – nhược điểm?

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

1 Hệ thống phân cấp khối đá

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

Bieniawski (RMR)

Bảng 6-3 Phân loại chất lượng khối đá theo RMR

- Việc phân loại được thực hiện cho các vùng kết cấu riêng;

- Ranh giới của kết cấu là: đứt gãy, vết nứt hay mặt tiếp giáp;

- Ứng với mỗi vùng, các trị số I1  I6 được xác định theo tài liệu địa chất và quan sát hiện trường.

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

Bảng 6-3 Phân loại chất lượng khối đá theo RMR

- Việc phân loại được thực hiện cho các vùng kết cấu riêng;

- Ranh giới của kết cấu là: đứt gãy, vết nứt hay mặt tiếp giáp;

- Ứng với mỗi vùng, các trị số I1  I6 được xác định theo tài liệu địa chất và quan sát hiện trường.

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

Bieniawski (RMR)

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

Bieniawski (RMR)

TT

Cường độ vật liệu đá nguyên vẹn (Mpa)

Tải trọng điểm

Nén một trục

6.3 Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá của

Bieniawski (RMR)