nghiên cứu kết cấu hợp lý đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện mường kim ii - lai châu

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, các cán bộ Trung tâm Quy hoạch và quản lý kh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Nguy ễn Hải Đăng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Nguy ễn Hải Đăng

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Ngô Trí Viềng

Hà Nội – 2013

Mẫu gáy bìa luận văn:

TÁC GIẢ LUẬN VĂN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 20

CÁC VĂN BẢN CẦN NỘP KHI NỘP LUẬN VĂN:

- 07 quyển luận văn theo đúng mẫu quy định chung;

- 02 đĩa CD đã có nội dung của luận văn;

- Bản nhận xét của giáo viên hướng dẫn;

- Lý lịch khoa học của học viên (có ký tên và đóng dấu của cơ quan hoặc địa phương);

- Phiếu hết nợ hoặc phiếu đóng tiền học phí của Phòng tài vụ;

- Chứng chỉ tiếng Anh theo quy định của Quy chế đào tạo trình độ Thạc sĩ

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Giới tính:

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Quê quán: Dân tộc:

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi đi học tập, nghiên cứu:

Chỗ ở hiện nay hoặc địa chỉ liên lạc:

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

Fax: Email: Di động:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1 Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian từ: / đến /

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học: Hệ đào tạo: Thời gian từ: / đến /

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:

Người hướng dẫn:

3 Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian từ: / đến /

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

Tên luận văn:

Ngày và nơi bảo vệ :

Người hướng dẫn:

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ):

Ảnh 4x6

cấp:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian N ơi công tác Công việc đảm nhiệm VI KHEN THƯỞNG VÀ KỶ LUẬT TRONG QUÁ TRÌNH HỌC CAO HỌC:

V CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày tháng Năm 20

(Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Nguyễn Hải Đăng Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/11/1986 Nơi sinh: Vĩnh Phúc

Quê quán: Tam Dương, Vĩnh Phúc Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi đi học tập: Nghiên cứu viên – Viện Thuỷ điện và năng lượng tái tạo – Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam

Chỗ ở hiện nay hoặc địa chỉ liên lạc: Định Công, Hoàng Mai, Hà Nội

Điện thoại cơ quan: 04 35642333 Điện thoại nhà riêng: Fax: 0435637412 Email: 30TUnguyenhaidangh@gmail.comU Di động: 0975 772 074

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:`

Hệ đào tạo: Thời gian từ: / đến /

Nơi học (trường, thành phố): Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian từ: 09/2004 đến 06/2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Thủy Lợi (Hà Nội)

Ngành học: Công trình thủy điện

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế nhà máy thủy điện Sê San 4

Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 05/2009-Đại học Thủy Lợi

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian từ: 04/2011 đến 04/2013

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Thủy Lợi – Hà Nội

Ngành học: Xây dựng công trình thủy

Tên luận văn: Nghiên cứu kết cấu hợp lý đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Mường Kim II – Lai Châu

Ngày và nơi bảo vệ: 06/2013- Trường Đại Học Thủy Lợi (Hà Nội)

Người hướng dẫn: GS.TS Ngô Trí Viềng

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn – trình độ B1

Ảnh 4x6

cấp:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian N ơi công tác Công việc đảm nhiệm 1/2010-12/2012 Viện Thuỷ điện và năng lượng tái tạo – Viện Khoa học Thủy Lợi Việt Nam Nghiên cứu viên 1/2013 - nay Công ty cổ phần đầu tư phát triển Bắc Sông Hồng Thiết kế viên VI KHEN THƯỞNG VÀ KỶ LUẬT TRONG QUÁ TRÌNH HỌC CAO HỌC:

Không

V CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Ngày 25 tháng 4 năm 2013

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN

TỔNG GIÁM ĐỐC

ĐỖ ĐĂNG DẦN

Ng ười khai ký tên

NGUYỄN HẢI ĐĂNG

L ỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu kết cấu hợp lý đường hầm dẫn nước vào

nhà máy thủy điện Mường Kim II – Lai Châu”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ công trình khoa học nào Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu

bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường

Học viên

Nguyễn Hải Đăng

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, các cán bộ Trung tâm Quy

hoạch và quản lý khai thác công trình thủy điện – Viện thủy điện và năng lượng tái

tạo và sự cố gắng nỗ lực của bản thân, đến nay đề tài “ Nghiên cứu kết cấu hợp lý

đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Mường Kim II – Lai Châu” 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 Mường Kim II Do thời gian và

kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ kỹ thuật còn tồn tại

một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Tác giả mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo

của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Ngô Trí Viềng

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, các cán bộ Trung tâm Quy hoạch và quản lý

khai thác công trình thủy điện; Viện thuỷ điện và năng lượng tái tạo – Viện Khoa

học Thuỷ lợi Việt Nam, công ty cổ phần đầu tư phát triển Bắc Sông Hồng đã tạo

điều kiện giúp đỡ tác giả về tài liệu, thông tin và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho

bài luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2013

Học viên

Nguyễn Hải Đăng

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 6

1 Tính cấp thiết của đề tài 6

2 Mục đích yêu cầu 7

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 8

4 Những kết quả đạt được của luận văn 8

5 Bố cục của luận văn 8

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC VÀO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 9

I.1 Các loại nhà máy thủy điện 9

I.1.1 Nhà máy thủy điện ngang đập 9

I.1.2 Nhà máy thủy điện sau đập 10

I.1.3 Nhà máy thủy điện đường dẫn 11

I.2 Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện 12

I.2.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện 12

I.2.2 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện 15

I.2.3 Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện 17

I.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện 18

I.3.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện 18

I.3.2 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện 18

I.3.3 Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện 19

I.4 Kết luận chương I 19

CHƯƠNG II KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 20

II.1 Các dạng kết cấu đường hầm 20

II.1.1 Mặt cắt đường hầm không áp 20

II.1.2 Mặt cắt đường hầm có áp 21

II.2 Phương pháp tính toán 22

II.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định áp lực lên vỏ đường hầm 22

II.2.2 Lực tác dụng lên lớp lót đường hầm 22

II.3 Các phương pháp tính toán kết cấu lớp lót đường hầm 29

II.3.1 Phương pháp cơ học kết cấu 30

II.3.2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 39

II.3.3 Áp dụng các phương pháp số trong tính toán đường hầm 44

II.4 Các nguyên tắc thiết kế mặt cắt lớp lót 47

II.5 Kết luận chương II 48

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM CỦA THỦY ĐIỆN

MƯỜNG KIM II 49

III.1 Giới thiệu công trình 49

III.1.1 Vị trí công trình 49

III.1.2 Nhiệm vụ công trình 49

III.1.3 Thông số công trình 50

III.2 Bố trí mặt bằng của đường hầm 53

III.3 Lựa chọn kết cấu đường hầm cho công trình thủy điện Mường Kim II 54

III.4 Tính toán kết cấu 54

III.4.1 Các tài liệu đầu vào cho tính toán 54

III.4.2 Các trường hợp tính toán 63

III.4.3 Tính toán kết cấu 64

III.5 Phân tích kết quả tính toán 72

III.6 Kết luận chương III 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

I. Những kết quả đạt được của luận văn 75

II Những vấn đề còn tồn tại, kiến nghị 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 80

DANH MỤC HÌNH VẼ 25T Hình 1.1: nhà máy thủy điện ngang đập25T 10

25T Hình 1.2: nhà máy thủy điện sau đập25T 11

25T Hình 1.3: nhà máy thủy điện đường dẫn25T 12

25T Hình 1.4: kênh tự điều tiết25T 13

25T Hình 1.5: kênh không tự điều tiết25T 14

25T Hình 1.6: các hình thức mặt cắt kênh25T 15

25T Hình 1.7: đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng25T 16

25T Hình 1.8: đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện25T 17

25T Hình 1.9: đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy25T 17

25T Hình 2.1: các dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm không áp.25T 20

25T Hình 2.2: các dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm có áp.25T 22

25T Hình 2.3: sơ đồ tính áp lực đá núi25T 24

25T Hình 2.4: quan hệ giữa KR 0 R và fR k Rcủa đá nứt nẻ25T 27

25T Hình 2.5: vòm thấp và vòm công tác ở đỉnh25T 30

25T Hình 2.6: sơ đồ tính toán vòm thấp25T 31

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm

2011, ở Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn lại là nhiệt điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo Đến quý III/2012, thủy điện vừa

và nhỏ (N ≤ 30MW) đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất 11.600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia (tổng công suất thủy điện hơn 13 nghìn MW)

Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, nhưng ¾ lãnh thổ là rừng và đồi núi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong đó có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích lãnh thổ của nước ta), vì vậy trữ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm (trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng công suất lắp máy thủy điện đạt tới khoảng 25 nghìn MW, chưa kể thủy điện tích năng)

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

Hiện nay đã xây dựng được một số lớn nhà máy thủy điện Theo kế hoạch Thủy điện đến 2020 số công trình nhà máy thủy điện sẽ được tăng lên đáng kể Khai thác nguồn thủy điện là dạng năng lượng sạch, tái tạo và có hiệu quả kinh tế tổng hợp, thân thiện với môi trường và phù hợp với một nước giàu tiềm năng thủy điện

như ở nước ta

Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho các nhà máy thủy điện ở nước ta là khá phổ biến, điển hình có thể kể như: Thủy điện Hòa Bình (1920MW) có đường hầm dẫn nước đường kính D=8m; Thủy điện Nậm Chiến (200MW) có đường hầm áp lực dài 10km; Thủy điện Huội Quảng (520MW) có

đường hầm dài hơn 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài hơn 7km, D=7m…

Trên thế giới tính đến thập kỷ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm

dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây đựng hơn 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kỳ đó trên 170km [4]

Ở nước ta các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miền núi có địa hình vùng tuyến hẹp và dốc, địa chất nền là đá gốc nên có nhiều thuận lợi và hợp lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy Việc sử dụng đường hầm áp lực có những ưu điểm hơn so với phương án dẫn nước bằng kênh hở như: diện tích chiếm đất mặt ít, vận hành ổn định, chiều dài tuyến ngắn, tạo đường dẫn có áp nên chế độ chảy ổn định tuy nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm cũng như phương án gia cố đường hầm có vai trò quan trọng đối với sự làm việc ổn định, khả năng chịu áp lực nước và áp lực đất đá cũng như giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy có vai trò rất quan trọng

Nhà máy Thủy điện Mường Kim II thuộc huyện Than Uyên - tỉnh Lai Châu

có đường hầm dẫn nước khoảng 1600m, cột nước lớn nhất hơn 50m, lưu lượng thiết

kế QR tt R=27,11m3/s, công suất lắp máy 10,5MW, điện lượng bình quân năm 41,87.10P

- Nghiên cứu hình thức và kết cấu đường hầm

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất của đường hầm

- Lựa chọn kết cấu hợp lý

3 Cách t iếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp tổng hợp Thống kê các tài liệu, đi sâu nghiên cứu các dạng đường hầm

- Sử dụng phương pháp tính và phần mềm tính toán hiện đại

4 Những kết quả đạt được của luận văn

- Xác định hình thức và mặt cắt hợp lý của đường hầm

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và tìm được các lời giải tối ưu

5 Bố cục của luận văn

Chương I: Tổng quan các công trình dẫn nước vào nhà máy thủy điện

I.1 Các loại nhà máy thủy điện

I.2 Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện

I.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện I.4 Kết luận chương 1

Chương II: Kết cấu đường hầm và phương pháp tính toán

II.1 Các dạng kết cấu đường hầm

II.2 Phương pháp tính toán

II.3 Các phương pháp tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

II.4 Các nguyên tắc thiết kế mặt cắt lớp lót

II.5 Kết luận chương II

Chương III: Ứng dụng tính toán đường hầm của thủy điện Mường Kim II

III.1 Giới thiệu công trình

III.2 Bố trí mặt bằng của đường hầm

III.3 Lựa chọn kết cấu đường hầm cho công trình thủy điện Mường Kim II III.4 Tính toán kết cấu

III.5 Phân tích kết quả tính toán

III.6 Kết luận chương III

Kết luận và kiến nghị

I Những kết quả đạt được của luận văn

II Những vấn đề còn tồn tại, kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục tính toán

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC VÀO NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN I.1 Các loại nhà máy thủy điện

Nhà máy là công trình chủ yếu của Trạm thủy điện, trong đó bố trí các thiết

bị động lực: Tuabin, máy phát và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các hộ dùng điện Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo sự làm việc an toàn của thiết bị

và thuận lợi trong vận hành

Nhà máy thủy điện thông thường được chia thành 3 loại cơ bản: Nhà máy thủy điện ngang đập, nhà máy thủy điện sau đập, nhà máy thủy điện đường dẫn

Ngoài ra các loại nhà máy đặc biệt: nhà máy ngầm, nhà máy kiểu nửa ngầm, nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy trong thân đập v.v

I.1.1 Nhà máy thủy điện ngang đập

Nhà máy thủy điện ngang đập được xây dựng với cột nước không quá

35÷40m Ở đây toàn bộ hệ thống công trình tập trung trên một tuyến Bản thân nhà máy là một phần của công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu

áp lực nước thượng lưu Cửa lấy nước cũng là thành phần của bản thân nhà máy

Một đặc điểm cần lưu ý khi thiết kế đối với nhà máy thủy điện ngang đập là

về mùa lũ cột nước công tác thường giảm, dẫn đến công suất tổ máy giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thể ngừng làm việc Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ mùa lũ đồng thời giảm đập tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết

kế nhà máy thủy điện ngang đập, kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy Lợi dụng dòng xiết của lũ sau khi tháo qua nhà máy làm hạ mực nước hạ lưu, tăng cột nước làm việc của trạm thủy điện Tuy nhiên theo tìm hiểu của tác giả thì ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà máy dạng này Đây là một hướng mới phát triển các thủy điện cột nước thấp ở hạ du các sông lớn [3]

Nhà máy thủy điện ngang đập ở nước ta điển hình là nhà máy thủy điện Thác

Bà (120MW), thủy điện Chiêm Hóa (48MW)

Hình 1.1: nhà máy thủy điện ngang đập

I.1.2 Nhà máy thủy điện sau đập

Nhà máy thủy điện sau đập thường dùng với cột nước từ 30÷45m ≤ H ≤

250÷300m và có thể lớn hơn nữa Nhà máy được bố trí ngay sau đập dâng nước

Nhà máy không chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới nước và

biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn nhà máy ngang đập dâng Nếu đập dâng

nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước, tuabin được

bố trí trong thân đập bêtông Khoảng cách giữa đập và nhà máy thường đủ để bố trí

các phòng và máy biến thế [3]

Trong một số trường hợp nếu không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất hạ lưu

đập để giảm khối lượng bêtông và chiều dài đường ống dẫn nước vào tuabin người

ta đặt lấn nhà máy vào thân đập

Tùy thuộc vào cột nước công tác, nhà máy thủy điện sau đập thường dùng

Tuabin tâm trục, Tuabin cánh quay cột nước cao hoặc tuabin cánh chéo Ở nhà máy

thủy điện sau đập phần điện thường được bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà

máy; còn hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu Dạng nhà máy sau đập ở nước ta

có thể kể tới điển hình như: Sơn La (2400MW), Bản Chát (210MW), Tuyên Quang

(342MW), Pleikrong (100MW), Sesan 4 (360MW), Trị An (400MW),

Hình 1.2: nhà máy thủy điện sau đập

I.1.3 Nhà máy thủy điện đường dẫn

Nhà máy thủy điện đường dẫn phạm vi sử dụng cột nước rất rộng từ 2÷3m

đến 1700÷2000m [3]

Trong sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thủy

điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối cửa lấy nước đặt cách xa nhà

máy Trong trường hợp công trình dẫn nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong

thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp

thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm; tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều cách bố

trí khác nhau, tùy thuộc vào từng công trình Đường dẫn nước thường là đường ống

áp lực

Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình và nằm tập

trung theo hai khu vực; khu công trình đầu mối gồm công trình ngăn dòng, công

trình xả lũ, công trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có

áp hoặc không áp

Ở nước ta kiểu nhà máy thủy điện đường dẫn rất phổ biến, hầu hết các nhà

máy nhỏ đều sử dụng đường dẫn Các nhà máy lớn có thể kể đến như: Huội Quảng

(520MW), Bản Vẽ (320MW), A Vương (210MW), Sông Hinh (70MW)

Hình 1.3: nhà máy thủy điện đường dẫn

I.2 Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Công trình dẫn nước của trạm thủy điện có thể là công trình không áp (kênh

dẫn, đường hầm không áp) hoặc loại có áp (đường hầm có áp, đường ống áp lực)

Các công trình dẫn nước không áp được bố trí ở các cao trình gần với mực nước

thượng lưu khi mực nước này ít thay đổi Các công trình dẫn nước có áp được bố trí

ở cao trình sâu hơn khi mực nước thượng lưu thay đổi nhiều Sử dụng các công

trình này cho phép tăng độ sâu công tác của hồ chứa và do đó tăng dung tích hiệu

dụng của hồ

I.2.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Khi địa hình tương đối bằng phẳng, tuyến đường dẫn ít bị chia cắt, địa chất

ổn định, về mặt kinh tế nên sử dụng kênh dẫn nước Kênh dẫn được ứng dụng rộng

rãi ở trạm thủy điện đường dẫn khi mực nước thượng lưu thay đổi không nhiều

Trong thực tế người ta chia làm 2 loại: kênh tự điều tiết và kênh không tự điều tiết

* Kênh tự điều tiết: là kiểu đường dẫn hở mà độ sâu cuối có thể đạt đến mức:

độ dốc đường mặt nước trong đường dẫn bằng không, thường dùng đường dẫn là kênh với mặt cắt hình thang Khi thiết kế chọn độ dốc đáy kênh i theo trạng thái chảy đều, ứng với lưu lượng thiết kế qua nhà máy Cao trình đỉnh bờ kênh là nằm ngang suốt chiều dài kênh

Khi trạm thủy điện làm việc với lưu lượng thiết kế, dòng chảy trong kênh ổn định với dòng chảy đều Khi lưu lượng qua trạm nhỏ, mực nước cuối kênh tăng lên đến lưu lượng bằng không, mực nước trong kênh nằm ngang Do vậy mà kênh tự điều tiết được lưu lượng, không cần cửa điều tiết ở đầu kênh và không cần bố trí tràn xả thừa ở cuối kênh

Ưu điểm: Do không phải xả tràn nên tiết kiệm được lượng nước Mực nước cuối kênh cũng tăng khi lưu lượng nhỏ, nên giảm được tổn thất cột nước Từ đó mà giảm được tổn thất năng lượng

Nhược điểm: Khối lượng đào đắp lớn, cho nên thường chỉ ứng dụng với tuyến kênh ngắn, độ dốc tương đối nhỏ

Hình 1.4: kênh tự điều tiết

a) mặt cắt dọc; b) Quan hệ mực nước và độ sâu dòng chảy trong kênh

hR 1 R- độ sâu mực nước đầu kênh; hR 2 R - độ sâu mực nước cuối kênh;

hR 0 R - độ sâu chảy đều; hk – đô sâu giới hạn

* Kênh không tự điều tiết: Thiết kế dòng chảy trong kênh là dòng đều, ứng

với lưu lượng thiết kế của trạm Độ dốc đỉnh bờ kênh bằng với độ dốc đáy Do đó

khi lưu lượng dùng nhỏ hơn lưu lượng thiết kế, mực nước cuối kênh tăng lên, dòng

chảy tràn qua tràn xả thừa Chính vì thế mà phải thiết kế tràn xả thừa ở cuối kênh và

thường đặt ở bể áp lực Đầu kênh phải đặt cửa van điều tiết dòng chảy

Ưu điểm: Vì mặt cắt kênh không thay đổi theo chiều dài nên khối lượng đào

- đắp nhỏ, thường dùng cho công trình có tuyến dẫn nước dài

Nhược điểm: Phải có tràn xả thừa nên bớt mất một phần lưu lượng qua tràn

Tổn thất cột nước lớn hơn so với kênh tự điều tiết

Hình 1.5: kênh không tự điều tiết

a) Mặt cắt dọc; b) quan hệ giữa lưu lượng và các độ sâu trong kênh

Kênh dẫn của trạm thủy điện thường chạy trên sườn dốc nên hay gặp trường

hợp một bên đào, một bên đắp Cần chú ý rằng mái kênh phía đỉnh núi có thể sinh

trượt đất, còn mái về phía chân núi dễ thấm nước, vì vậy phải đầm nện kỹ Vì kênh

đặt trên sườn dốc, nên có trường hợp khối lượng đào rất lớn Chọn tuyến kênh phải

sao cho khối lượng đào nhỏ nhất, kênh đi qua vùng địa chất ổn định, ít thấm nước

và không cắt qua chỗ quá dốc Tại một vài vị trí phải làm các công trình đưa nước

như: xi phông, cầu máng, ống dẫn ngược v.v những đoạn kênh mà mái dễ sạt trượt

người ta phải làm nắp đậy Trên thực tế hiện nay các công trình thủy điện nhỏ phổ

biến dùng kênh bêtông cốt thép mặt cắt hình thang

Về nguyên tắc khi lựa chọn tuyến kênh phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Để giảm khối lượng công trình yêu cầu tuyến kênh phải ngắn, khối lượng

đào đắp phải nhỏ Cố gắng chọn tuyến kênh sao cho đi qua những nơi địa hình ít

thay đổi và khối lượng đào đắp tương đương nhau, tránh những nơi sườn đồi quá dốc

Kênh không đi qua nơi địa chất quá yếu có khả năng sụt lở

vốn đầu tư vào việc xây dựng các công trình trên kênh ít

Những nơi phải uốn cong thì bán kính cong không vượt quá bán kính cong giới hạn theo điều kiện tổn thất thủy lực

Hình 1.6: các hình thức mặt cắt kênh

a) Đào; b) Vừa đào vừa đắp; c) Bên đào bên đắp; d) Đắp;

e) kênh chữ nhật bằng bêtông

I.2.2 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Đường hầm dẫn nước còn gọi là tuynen dẫn nước Căn cứ vào chế độ thủy lực bên trong đường hầm mà chúng có thể phân thành hai loại cơ bản: đường hầm dẫn nước không áp và đường hàm dẫn nước có áp Đường hầm không áp được ứng dụng trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi

Khi lựa chọn tuyến đường hầm phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất

và điều kiện thi công Về măt kinh tế, yêu cầu tuyến đường hầm phải ngắn nhất Trong thực tế, do điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công, tuyến đường hầm có thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán kính

không nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không vượt quá

60P

o

P

Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki-lô-mét

Hình dạng tiết diện đường hầm phụ thuộc vào chế độ thủy lực trong nó điều

kiện địa hình, địa chất và chế độ thủy công

Đường hầm dẫn nước không áp [3]: có nhiều tiết diện khác nhau tùy theo

điều kiện địa chất mà tuyến đi qua Đường hầm dẫn nước có tỷ lệ chiều cao h và

chiều rộng b khoảng h:b =1:1,5, nếu mực nước trong đường hầm dao động nhiều thì

tỷ số này có thể lấy lớn, kích thước của nó phải đảm bảo chế độ chảy không áp

trong mọi điều kiện kể cả các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện Khi đường

hầm xuyên qua vùng địa chất là đá rắn chắc có thể sử dụng tiết diện hình chữ nhật

đáy bằng, trần vòm Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo phương đứng

không lớn và không có áp lực hông của đất lên vỏ hầm thì có thể sử dụng tiết diện

với trần là nửa hình tròn v.v

Hình 1.7: đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng

Đường hầm dẫn nước có áp: về nguyên tắc thường có tiết diện hình tròn

Vỏ của nó có khả năng chịu áp lực tốt từ các phía, về thủy lực nó có nhiều ưu điểm

hơn so với các dạng tiết diện khác Ngoài ra, khi sử dụng tiết diện tròn, khối lượng

công tác đào và bêtông vỏ hầm cũng ít hơn so với các tiết diện khác Đối với đường

hầm có áp có chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí đường hầm cần phải chọn

sao cho áp suất bên trong nó không nhỏ hơn 0,02Mpa Kích thước tối thiểu của

đường hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công b≥ 1,8m [3]

Hình 1.8: đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện

I.2.3 Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Trong trường hợp do địa hình địa chất quá phức tạp, nếu dùng kênh dẫn hoặc

đường hầm không có lợi thì người ta thường sử dụng đường ống áp lực Khác với

đường hầm, đường ống áp lực được đặt trên mặt đất, trong hành lang (đường hầm)

hoặc trong khối bêtông trọng lực của đập dâng hay mặt hạ lưu của nó (thủy điện

Sơn La, Bản Chát ) Đối với trạm thủy điện đường dẫn ta thường gặp đường ống

áp lực nối từ bể áp lực (đối với đường dẫn hở) hoặc từ tháp điều áp (đối với đường

hầm áp lực) xuống tới nhà máy thủy điện Đường ống áp lực thường được làm bằng

thép, bêtông cốt thép

Hình 1.9: đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy

I.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện

I.3.1 Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Về mặt bố trí công trình: sử dụng trong trường hợp khi địa hình tương đối bằng phẳng, tuyến đường dẫn ít bị chia cắt, địa chất ổn định Ưu điểm của kênh dẫn

là thi công đơn giản, nếu là kênh tự điều tiết thì còn giảm tổn thất năng lượng trên tuyến dẫn Nhược điểm là tuyến kênh thường dài, đi vòng vèo làm cho khối lượng các công trình phụ trợ (đường thi công) cũng nhiều, ngoài ra còn có các công trình dẫn nước phụ như xi phông, cầu máng, ống dẫn ngược v.v Dòng chảy trong kênh

là dòng không áp, cần thiết kế mặt cắt hợp lý để đảm bảo điều kiện không lắng và không xói bờ kênh

Về mặt thi công: Hầu hết là thi công hở nên có thể bố trí thi công dễ dàng hơn so với công trình ngầm Nhưng nhược điểm của kênh dẫn là chiếm nhiều diện tích bề mặt, đôi khi tuyến đi qua các công trình dân dụng như: nhà ở, đường xá, cầu cống v.v thì cần có các biện pháp thi công phức tạp

Về mặt quản lý vận hành: Sử dụng công trình kênh dẫn thì chỉ sử dụng được

ít độ sâu công tác của hồ chứa, thường áp dụng cho các trạm thủy điện nhỏ, không điều tiết hoặc điều tiết ngắn hạn Khi vận hành kênh dẫn thường hay xảy ra các sự

cố như sạt trượt mái, đá núi lở đè vào tuyến kênh, tuy nhiên khi không may gặp sự

cố thì lại dễ dàng khắc phục hơn so với đường hầm vì tuyến dẫn nằm hở trên mặt đất Có thể thường xuyên kiểm tra tuyến kênh đảm bảo vận hành ổn định

I.3.2 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Về mặt bố trí công trình: Sử dụng trong trường hợp địa hình thay đổi nhiều, địa chất thuận lợi cho việc đào hầm Tuyến đường hầm thường ngắn hơn và không thay đổi phương nhiều so với tuyến kênh Khi mực nước thượng lưu thay đổi không nhiều có thể dùng đường hầm không áp, nhưng nếu dùng đường hầm không áp trong trường hợp mực nước thượng lưu thay đổi nhiều thì đòi hỏi kích thước hầm phải lớn Dùng đường hầm có áp giúp tăng độ sâu công tác của các hồ chứa, nên chúng thường được dùng cho các công trình thủy điện có hồ lớn làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng, mực nước thượng lưu thay đổi nhiều

Về mặt thi công: Đường hầm không chiếm nhiều diện tích bề mặt nhưng khi thi công thường phức tạp hơn kênh, công tác khảo sát địa chất rất quan trọng để lựa chọn tuyến đường hầm hợp lý nhất Thi công đường hầm thường đắt hơn so với kênh Trong các trường hợp địa chất khác nhau cần phải làm các lớp áo hầm chịu lực tốt Thi công các lớp vỏ hầm này rất phức tạp

Về mặt quản lý vận hành: Vì đường hầm nằm ngầm trong lòng đất nên nó ít

bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, đặc biệt khi thời tiết thay đổi do đó tuổi thọ của công trình cao hơn, không phải kiểm tra Tuy nhiên nếu không may gặp sự

cố thì công tác sửa chữa gặp nhiều khó khăn Trong thực tế công trình thủy điện Mường Kim (bậc thang trên của thủy điện Mường Kim II) khi vận hành vào mùa lũ năm 2012 đã gặp trường hợp khi lũ về lớn làm bùn, gỗ, rác làm hỏng lưới chắn rác

và chui vào đường hầm khiến công tác khắc phục sau này gặp nhiều khó khăn

I.3.3 Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện

Như đã nói ở trên, trong các nhà máy thủy điện dạng đường dẫn thì đường ống áp lực là một phần của công trình dẫn nước, còn đối với các nhà máy thủy điện kiểu ngang đập hoặc sau đập thì đường ống áp lực dẫn trực tiếp từ cửa nhận nước đến nhà máy thủy điện Ưu điểm của đường ống áp lực là kết cấu đơn giản, dễ thi công, chịu lực tốt, tổn thất thủy lực nhỏ hơn nhiều so với các đường dẫn khác nhưng nhược điểm là giá thành cao, do đó ở các công trình có tuyến đường dẫn dài người

ta kết hợp đường ống và các công trình dẫn nước khác

I.4 Kết luận chương I

Trên đây tác giả đã nêu lên các loại đường dẫn vào nhà máy thủy điện cũng như ưu nhược điểm của các loại đường dẫn này Trong thực tế tùy vào từng trường hợp cụ thể của các công trình mà sử dụng các loại đường dẫn khác nhau cho phù hợp Người ta sẽ đưa ra các phương án khác nhau, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án, tính toán kỹ thuật để so chọn ra phương án lợi nhất về kỹ thuật, kinh tế Việc sử dụng trong thực tế cũng rất linh hoạt, có thể là kênh dẫn, hầm không áp, hầm có áp, đường ống áp lực, hoặc có thể kết hợp các loại trên thành công trình dẫn nước vào nhà máy thủy điện miễn sao cho đảm bảo chuyển được mọi lưu lượng nước theo yêu cầu, vận hành với tổn thất thủy lực nhỏ nhất, chi phí xây dựng và quản lý vận hành cũng thấp nhất Góp phần làm cho dự án có hiệu quả cao nhất

CHƯƠNG II KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN II.1 Các dạng kết cấu đường hầm

Hình thức kết cấu mặt cắt ngang của đường hầm được quyết định chủ yếu dựa vào điều kiện chịu lực và điều kiện thi công Nguyên tắc chung là nên chọn hình thức mặt cắt đơn giản, phù hợp với điều kiện thi công Về mặt chịu lực, thường phân biệt mặt cắt của đường hầm không áp và đường hầm có áp

II.1.1 Mặt cắt đường hầm không áp

Thường có các dang như sau [2]:

Hình 2.1: c ác dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm không áp

Mặt cắt có phần dưới là chữ nhật, thường có vát góc; phần đỉnh là vòm thấp (hình 2.1a) Loại này được dùng khi đường hầm đào qua đá rắn chắc có hệ số kiên

cố fk>8, không có áp lực đá núi tác dụng lên đường hầm

Mặt cắt có phần dưới là chữ nhật, phần đỉnh là vòm nửa tròn (hình 2.1b); Loại này dùng khi đá núi có hệ số kiên cố 4<fR k R≤8, thường chỉ có áp lực đá núi thẳng đứng

R= 0.5b

R =b R= 0.5b

b r=0.15b

Mặt cắt dạng vòm cao (hình 2.1c); dùng khi đá núi có 2<fk≤4, áp lực đá theo phương đứng lớn hơn phương ngang

mặt cắt hình móng ngựa (hình 2.1d), tức vòm cong theo cả hai hướng – lên trên và xuống dưới, được dùng khi đá núi có fk≤2, lớp lót đường hầm chịu áp lực đá núi từ trên đỉnh, hai bên và cả từ dưới đáy

Mặt cắt hình tròn: được dùng khi các thớ đá nằm nghiêng, áp lực đá lên đường hầm không đối xứng qua trục thẳng đứng, hay khi áp lực nước ngầm lên áo đường hầm rất lớn

Tuy nhiên, như đã nói ở trên, ngoài điều kiện chịu lực thì điều kiện thi công cũng ảnh hưởng trực tiếp đến kết cấu mặt cắt của đường hầm Do vậy trong thực tế đôi khi nếu áp dụng mặt cắt tròn đường hầm có áp thì kích thước của chúng nhỏ, không thi công bằng máy móc được nên người ta cũng dùng những kiểu kết cấu của hầm không áp Mặc dù điều kiện thủy lực không tốt bằng mặt cắt tròn nhưng bù lại

có tiết diện lớn cũng giảm được tổn thất thủy lực

e) c)

Hình 2.2: c ác dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm có áp

II.2 Phương pháp tính toán

II.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định áp lực lên vỏ đường hầm

Đường hầm là công trình ngầm thuỷ công được đặt sâu trong lòng đất nên nó chịu tác dụng chủ yếu của áp lực địa tầng và áp lực nước Áp lực địa tầng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như độ nứt nẻ, phong hoá Áp lực nước gồm có áp lực nước ngầm bên ngoài và áp lực nước bên trong hầm Nhìn chung, các yếu tố tác động lên công trình ngầm rất phức tạp, nên trong tính toán phải kết hợp lý thuyết và thực nghiệm một cách chặt chẽ, đảm bảo tính chính xác của kết quả

II.2.2 Lực tác dụng lên lớp lót đường hầm

Tất cả các tải trọng và lực tác dụng lên lớp lót đường hầm có thể phân ra thành các tải trọng thường xuyên và tạm thời Các tải trọng tạm thời lại được phân

ra thành tải trọng tạm thời dài hạn, ngắn hạn và đặc biệt Tải trọng thường xuyên tác

dụng trong suốt thời gian tồn tại của đường hầm Các tải trọng tạm thời đặc trưng cho từng thời kỳ xây dựng hay khai thác đường hầm

Việc tính toán lớp lót cần được tiến hành với các tổ hợp tải trọng khác nhau

Tổ hợp tải trọng cơ bản bao gồm các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn

Tổ hợp tải trọng đặc biệt bao gồm các tải trọng thường xuyên, các tải trọng

tạm thời dài hạn, một số tải trọng tạm thời ngắn hạn và một tải trọng đặc biệt ( ví dụ

lực do động đất, lực do nổ phá…) Trong tính toán cần dự kiến các tổ hợp lực bất

lợi nhất trong từng thời kỳ: xây dựng, khai thác hay sửa chữa

Hệ số lệch tải khi tính toán lấy theo quy phạm Khi tính toán lớp lót đường

hầm về độ bền và ổn đinh (trạng thái giới hạn thứ nhất) lấy theo bảng 2-1 dưới đây (theo Sổ tay KTTL * Phần 2, Tập 2 – Công trình thủy lợi [12]) Khi tính toán theo

trạng thái giới hạn thứ hai, các hệ số lệch tải lấy bằng 1

B ảng 2.1: Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm

1 Áp lực thẳng đứng của đá núi:

- Do trọng lượng đá trong vòm cân bằng 1,5

- Do trọng lượng toàn bộ đá ở vùng bị phá hoại trên đường hầm 1,1 (0,9)

Ghi chú: Chỉ sử dụng các hệ số lệch tải trong ngoặc đơn khi kết quả tính toán thể

a Tính toán áp lực đá núi

Áp lực đá núi tác dụng lên lớp lót đường hầm được tính theo phương pháp vòm cân bằng tự nhiên do Prôtôdiacanôp đề xướng Theo đó đá núi được xem như

là một thể rời quy ước, có hệ số kiên cố là fR k R Trị số fR k R cho từng loại đá cụ thể tham

khảo trong Sổ tay KTTL * Phần 2, Tập 2 – Công trình thủy lợi, trang 381 [12])

Bo y

ϕ

45°-R 45°- P

Khi tính toán áp lực đá núi, cần phân biệt 2 trường hợp:

* Đá núi có fk <4, khi đó xung quanh đường hầm hình thành vòm cân bằng

tự nhiên có kích thước như sau [12]:Nh ịp vòm

HR 0 R - Chiều cao đường hầm;

ϕ - Góc ma sát trong của đất đá trong vòm;

- Chiều cao vòm: h = L/ (2fR k R); (2-2) Các trị số áp lực đá núi lấy như sau:

- Áp lực thẳng đứng trên đỉnh: p = βγR đ Rh (2-3) Trong đó: h - chiều cao vòm;

γR đ R- Trọng lượng riêng của đá núi;

β - hệ số, phụ thuộc vào bề rộng của đường hầm; xác định như sau:

- Áp lực ngang hai bên:

* Đá núi có fk ≥4, Trong trường hợp này, áp lực đá núi lấy tương ứng bằng

trọng lượng đất đá trong vùng vị phá hoại [12]

Chiều cao vùng bị phá hoại khi đào đường hầm được xác định theo tài liệu nghiên cứu hiện trường Tuy nhiên theo tính toán sơ bộ, có thể lấy như sau:

hR p R = KR a RBR 0 R (2-7) Trong đó: BR 0 R- Bề rộng đường hầm;

KR a R - hệ số, phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, xác định theo bảng 2-2, trong đó MR q R là môđun kẽ nứt, lấy bằng số lượng kẽ nứt trên 1 mét dài quan trắc

(H>500m) thì áp lực đá núi được xác định bằng các phương pháp riêng có xét đến

trạng thái chày dẻo, hiện tượng bóc tách của nham thạch và các yếu tố đặc biệt khác

b Tính toán l ực kháng đàn tính của đá

Dưới tác dụng của tải trọng, khi lớp lót đường hầm biến dạng về phía ngoài

sẽ bị đá núi ngăn lại, lực ngăn lại đó là lực kháng đàn tính mang tính chất bị động

Lực kháng đàn tính không những có mối quan hệ với tính chất vật lý và cấu tạo của các tầng đá mà còn có liên quan tới sự biến dạng của lớp lót Như vậy lực kháng đàn tính có liên quan với trị số của tải trọng và độ cứng của lớp lót Lực kháng đàn tính của đá núi có thể chịu được một phần ứng suất do áp lực đá núi, trọng lượng

bản thân của lớp lót, có lợi đối với sự làm việc của lớp lót Vì vậy khi xét thật kỹ và chính xác ảnh hưởng của lực kháng đàn tính thì có thể thu nhỏ kích thước lớp lót, làm giảm khối lượng công trình Với trình độ kỹ thuật hiện nay khi dùng những

biện pháp thi công thích đáng, bảo đảm trong mọi trường hợp, lớp lót luôn liên kết

chặt chẽ với các tầng đá rắn chắc xung quanh thì lúc thiết kế các đường hầm đều có

thể xét đến lực kháng đàn tính Nếu lực kháng đàn tính dùng lớn thì trong lớp lót sẽ sinh ra ứng suất lớn, lúc đó khó tránh được nứt gãy Theo hướng dẫn thiết kế đường

hầm thủy lợi HD TL-C-3-77 [6] khi tính toán lớp lót đường hầm (bao gồm cả các chi tiết có dạng định hình của vỏ thép) chịu những tổ hợp tải trọng bất kỳ phải xét đến loại lực này Khi đường hầm có áp nằm ở độ sâu bé hơn ba lần đường kính của

nó, tính toán loại lực này phải có luận chứng đặc biệt

Trị số của lưc kháng đàn tính có thể coi gần đúng tỷ lệ thuận với biến vị theo hướng pháp tuyến với bề mặt lớp lót [12], tức là:

p= K.u (2-8) Trong đó: p- Lực kháng đàn tính phân bố;

độ dài Hệ số này phụ thuộc vào tính chất của đá và đường kính của hầm Trong tính toán lớp lót đường hầm, đặc trưng đàn tính của đá được xét thông qua hệ số lực

kháng đơn vị KR 0 R hoặc bằng môđun biến dạng của đá ER đ R và hệ số biến dạng ngang

µR đ R(hệ số Poatxông) có xét đến khả năng làm tăng thêm những đặc trưng trên trong trường hợp đá bao quanh đường hầm được gia cố nhân tạo

Đối với đường hầm có áp hình tròn nằm trong đá đồng nhất đẳng hướng, quan hệ giữa ER đ R, KR 0 R và µR đ Rxác định bằng công thức [12]:

ER đ R=100KR 0 R(1 + µR đ R) (2-9) Tùy theo mức độ quan trọng của công trình mà các đặc trưng ER đ R, ER 0 R được xác định từ tài liệu nghiên cứu tại hiện trường bằng những phương phát có mức độ chính xác khác nhau

Ở đương hầm có mặt cắt dạng tròn, hệ số K và KR 0 R quan hệ với nhau theo công thức:

KR 0 R - hệ số lực kháng đơn vị (chính là hệ số đàn tính của đá khi bán kính đào đường hầm bằng 100cm), kG/cmP

800 1000 1200 1400

(KG/cm ) 2 Ko

1600

Hình 2.4: quan h ệ giữa KR0R và fRk Rc ủa đá nứt nẻ

Đối với đường hầm không có mặt cắt tròn:

b - chiều rộng đế, cm;

Khi có tài liệu về tính dị hướng của khối đá và trị số thực đo về hệ số phản

lực dọc vỉa KR 1 R và ngang vỉa KR 2 Rthì hệ số lực kháng tại một mặt cắt bất kỳ sẽ là:

*Áp l ực nước: Bao gồm áp lực nước bên trong và bên ngoài đường hầm Giá

trị áp lực nước bên trong phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy; áp lực nước bên ngoài đường hầm phụ thuộc vào mực nước ngầm Các lực này được xác định theo nguyên tác của áp lực thủy tĩnh

Với đường hầm có áp, ngoài áp lực nước khi làm việc bình thường còn cần xem xét khả năng xuất hiện áp lực nước va (dương và âm) khi đóng mở cửa van đột

ngột, đặc biệt là các đường hầm của tổ máy thủy điện

* Áp l ực phụt vữa: Các lỗ phụt vữa thường bố trí ở đỉnh đường hầm Ở phía

dưới đường kính nằm ngang của đường hầm chỉ bố trí lỗ phụt vữa khi có những lỗ

hổng cục bộ lớn hoặc khi có hiện tượng trụt đá Riêng trường hợp dùng lớp lót kiều

lắp ghép thì cần bố trí lỗ phụt vữa trên toàn chu vi mặt cắt ngang đường hầm Các lỗ

phụt vữa liên kết thường bố trí đối xứng

Sự phân bố áp lực tác dụng lên lớp lót đường hầm khi tiến hành phụt vữa có liên quan đến hình thành dạng mặt cắt đường hầm, độ rỗng của đá ở phía sau lớp lót, số lượng và vị trí lỗ phụt vữa, trình tự phụt vữa và áp lực khi phụt vữa Trị số

của áp lực này cần căn cứ vào thí nghiệm ở hiện trường và các quy phạm hiện hành

để xác định

* Ứng suất nhiệt: Cũng như ứng lực xuất hiện do trương nở của bê tông, từ

biến của đá, ứng lực xuất hiện do thay đổi nhiệt độ là loại lực đặc biệt để tác dụng lên lớp lót của đường hầm Ứng suất nhiệt thường xét trong giai đoạn thi công (nhiệt do bê tông ngưng kết tỏa ra) và trong thời kỳ khai thác (chênh lệch nhiệt độ

giữa nước chảy trong đường hầm với đá núi xung quanh) Khi bề dày lớp lót nhỏ,

dễ tỏa nhiệt và đường kính hầm không lớn lắm (3-4m) thỉ có thể không cần xét đến ứng suất nhiệt

* L ực động đất: Ảnh hưởng của động đất đối với đường hầm phụ thuộc vào

nhiều yếu tố khác nhau: cấp động đất, tính chất của đất đá, sự phân lớp, thế nằm của

đá, độ chôn sâu của đường hầm…

Ở vùng động đất cấp 6 trở xuống có thể không cần xét lực động đất Ở vùng động đất cấp 10 trở lên, lực động đất lên lớp lót đường hầm rất lớn nên đường hầm

cần được thiết kế đặc biệt, hoặc không dùng đường hầm

Ở cửa vào, cửa ra của đường hầm, là nơi có độ chôn sâu nhỏ, đường hầm

chịu lực tác dụng của lực động đất rất lớn, các tầng đá ở đây dễ bị sụt hoặc trượt khi

có động đất, cần phải có kết cấu tường cánh và tường đầu bền vững để đảm bảo an toàn

Trên toàn chiều dài đường hầm, lực động đất cần được tính riêng cho từng đoạn, ở mỗi đoạn có các đặc trưng đất đá và độ chôn sâu tương đối đồng đều Trị số

của lực động đất thường được xác định theo bài toán động, tức xét dao dộng đàn hồi

của đường hầm cùng với khối đá núi bao quanh

II.3 Các phương pháp tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

Mục đích của tính toán kết cấu lớp lót là xác định nội lực và phân bố ứng

suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép Bài toán

xác định nội lực và ứng suất trong lớp lót có thể giải bằng phương phát cơ học kết

cấu, phương phát cơ học vât rắn biến dạng hay phương pháp số

II.3.1 Ph ương pháp cơ học kết cấu

a) Tính toán vòm thấp [12]

Đối với mặt cắt như hình 2.5a, vòm thấp ở đỉnh là kết cấu chịu lực trong tính toán xem chân vòm ngàm cứng đàn hồi vào đá Với mặt cắt hình 2.5b, nếu chiều dày lớp lót không đổi và không có áp lực đá núi bên thì cũng có thể coi rằng chỉ có

một phần đỉnh là vòm công tác và được tính như sơ đồ vòm thấp (hình 2.6a)

Biến vị chân vòm gồm biến vị góc và biến vị theo đường thẳng

Khi mặt ngàm chịu mô men MR 0 R thì hai bên của mặt cắt chân vòm sẽ có ứng suất

là σ =Kδ , trong đó K là hệ số lực kháng đàn tính của đá núi ở chân vòm, do đó ta có:

0 2

n n

KJ M

∆ = (xem hình 2.6b)

Hình 2.6: s ơ đồ tính toán vòm thấp

Hình chiếu của ∆ xuống phương nằm ngang (song song với trục x) là ∆H