Bai tap TKDH thuy cong

Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công BÀI TẬP ĐỀ SỐ 12 THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG I SỐ LIỆU TÍNH TỐN Hồ chứa nước H có đường hầm dẫn dịng thi cơng, kết hợp tháo lũ lâu dài (hình 1) 1.1 Thơng số hồ chứa: - MNDBT = 70,0m - MNLTK = 73,0m - Ht = 3,0m - Zđập = 75,0m - Zcửa vào đường hầm = 40,0m - Cơng trình cấp II - Lưu lượng tháo lũ QTK = 890 m3/s 1.2 Thông số đường hầm: - Mặt cắt chữ nhật + vịm 1/2 hình trịn, có bề rộng B = 8,8 m, chiều cao phần chữ nhật H1 = B0/2 = 4,4m, có vát góc đáy (theo mặt cắt tiêuchuẩn) - Chiều dài hầm : Lhầm = 400 m - Độ dốc đáy i - Vật liệu gia cố: bê tông cốt thép M25 (250 cũ) - Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3 T/m - Hệ số kiên cố : fk = 6,5; nứt nẻ trung bình - Phần vào để tháo nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D = 8,0 m; ngưỡng thực dụng có P = 3,0 m; hệ số lưu lượng m = 0,48; bố trí theo tuyến trịn khơng hồn chỉnh với góc mở  = 300 , bán kính đến tuyến ngưỡng tràn Rt 1.3 Thông số hạ lưu (sau cửa đường hầm): - Zđáy = 18,0m; B = 30,0m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001 - Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6) II U CẦU TÍNH TỐN 2.1 Phần thuỷ lực: - Tính tốn bán kính Rt ngưỡng vào để tháo QTK với cột nước Ht khống chế Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy cơng - Tính toán độ dốc i đường hầm để tháo QTK với độ lưu không cho phép  = 0,2h (h độ sâu nước đường hầm) - Thiết kế thơng khí để đảm bảo chảy khơng áp hầm ngang (sau giếng đứng) - Thiết kế tiêu sau đường hầm (thiết kế mũi phun tính hố xói ứng với QTK ) 2.2 Phần kết cấu: Tính tốn nội lực bố trí cốt thép lớp lót đường hầm tính cho phần vịm nửa trịn mặt cắt hầm (chỉ xét áp lực đá núi, áp lực nước ngầm trọng lượng thân lớp lót) Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hm thy cụng P sơ đồ tín h to n thiết kếđ n g hầm Đá núi w=2,T/m S1 D Tuyến đờng hầm m=1.5 A m1 L =4m L1 L H1 =4,2m D Lỗ thông khí H =8,4m A -A 4,2m mỈt b» n g c ưa vµ o Bo =8,4m Hình - Sơ đồ tính toán thiết kế đường hầm Thực hiện: S2 Z2 h i A dx h L ỡ i gà S Lỗ th«ng khÝ Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy cơng PHẦN I - TÍNH TỐN THỦY LỰC I.1 Tính tốn bán kính Rt ngưỡng vào để tháo QTK: Theo công thức khả tháo đập tràn: (1) Với: - QTK - Lưu lượng lũ thiết kế, QTK = 890 m3/s - Bt - Chiều rộng tràn (m) - m - Hệ số lưu lượng, m = 0,48 - g - Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 - H0 - Cột nước toàn phần ngưỡng tràn, bỏ qua lưu tốc đến gần nên: H0  Ht = 3,0m Thay vào (1), ta được: Do mặt cắt khơng hồn chỉnh với góc mở rộng  = 300 , nên bán kính đến tuyến ngưỡng tràn Rt xác định sau:  I.2 Tính tốn độ dốc i đường hầm để tháo QTK: Lưu lượng qua hầm xác định theo công thức: (2) Trong đó: - QTK - Lưu lượng lũ thiết kế, QTK = 890 m3/s - ω, C, R - Diện tích mặt cắt ướt, hệ số Sêzy, bán kính thủy lực xác định sau: (3) - H - Chiều cao toàn mặt cắt, H = 8,8m - n - Hệ số nhám bê tông, n = 0,017 Để chảy không áp, phải khống chế độ lưu hông cho phép  = 0,2h0  h0 + 0,2h0 = H = 8,8  h0/H = 7,33/8,8 = 0,83 Thực hiện:  h0 = 8,8/1,2 = 7,33 m Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Tra biểu đồ, xác định được: fω = 0,80 ; fR = 0,31; fc = 0,88 Thay vào (3): Thay vào (2), xác định i: Vậy, chọn độ dốc dọc hầm i = 0,0175 I.3 Thiết kế thơng khí đường hầm: I.3.1 Bố trí thơng khí: - Bố trí vật cản (bậc) đoạn đầu hầm ngang nối tiếp với đoạn cong để tạo dịng khơng áp hầm ngang Chiều cao vật cản, chọn Z b ≥  Diện tích vật cản diện tích chốn chỗ vật cản mặt cắt hầm: b (thường lấy theo diện tích hình viên phân đỉnh vịm, có chiều cao Zb) - Bố trí ống thơng khí: ống thẳng có diện tích mặt cắt ngang ω a, đầu vào cao trình cao MNLTK (độ cao an tồn  = 2-3m); đầu vị trí trần mặt cắt đầu đường hầm; chiều dài ống thông khí (để tính tổn thất dọc đường) L = Zvào - Zra = 75 - 40 - 8,8 = 26,2m I.1.3.2 Tính tốn lưu lượng thơng khí cần thiết: Khi sau van không áp, chiều dài đường dẫn nhỏ, lưu lượng thơng khí xác định theo cơng thức: QaK = QaB Trong đó: - QaK - Lưu lượng thơng khí cần thiết - QaB - Lưu lượng khí bị vào vùng tách dòng sau ngưỡng, xác định theo công thức thực nghiệm: QaB = 0,1*lb*hb*Vtb Với: - lb - Chiều dài ngưỡng, lb = Bt = 80,56m - hb - Chiều cao ngưỡng, hb = P = 3m - Vtb - Lưu tốc bình qn dịng chảy trước vị trí tách dịng Vtb = QTK/Bt/Ht = 890/80,56/3 = 3,68m/s Thay vào, ta có: Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công QaK = QaB = 0,1*80,56*3*3,68 = 89 m3/s I.1.3.3 Tính tốn tiết diện ống dẫn khí: Khi thiết kế đường ống dẫn khí, thường khống chế lưu tốc khí trung bình ống không vượt 60m/s để tránh rung động phát tiếng rít * Xác định diện tích ống dẫn khí: Chọn trị số lưu tốc ống dẫn khí VaK = 50 m/s  [ Va] = 60 m/s Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí: ωa = QaK/ Va = 89/50 = 1,78 m2 Chọn ống dẫn khí tiết diện hình chữ nhật, kích thước 1,4x1,3 = 1,82 m2 Lưu tốc ống dẫn khí VaK = QaK/ ωa = 89/1,82 = 48,9 m/s * Xác định độ chênh áp suất hai đầu ống dẫn khí: Đối với ống dẫn khí độ chênh áp suất hai đầu ống độ chân khơng buồng khí hck(c) = hw(c) Trong đó: hck(c) - Độ chân khơng buồng khí hw(c) - Tổn thất áp suất ống dẫn khí chính, xác định theo: Với: Va - Lưu tốc khơng khí ống, Va = 48,9 m/s a - Hệ số lưu lượng ống dẫn khí i - Tổng tổn thất áp lực toàn ống dẫn Thiết kế cửa vào khơng thuận, tra bảng có: cv = 0,5; đường ống dẫn khí thẳng ngắn nên uốn = dd = 0; bỏ qua tổn thất cửa nên cr =  i = 0,5 , a - Lần lượt trọng lượng riêng nước khơng khí, điều kiện bình thường, lấy: /a = 780 Thay vào, ta có: Thấy: hw(c) = 0,232m  [ hw] = 0,5m  Đảm bảo điều kiện ổn định I.4 Thiết kế tiêu sau đường hầm Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Đường hầm có cột nước cơng tác cao, lịng dẫn hạ lưu đá nứt nẻ trung bình áp dụng hình thức tiêu kiểu phóng xa I.4.1 Tính chiều sâu cột nước hạ lưu hh: Dịng chảy ổn định kênh với cột nước tính theo phương pháp thử dần: Cho Q, giả thiết hh  Tính Qtt, Qtt khác với Q thay đổi hh đến Qtt = Q Tính Q theo cơng thức dòng đều: Với: - b - Bề rộng kênh, b = 30m - m - Hệ số mái kênh, m = 1,5 - i - Độ dốc kênh, i = 0,001 - n - Hệ số nhám, n = 0,03 Mực nước hạ lưu tương ứng: MNHL = Zđáy + hh = 18 + hh Kết tính tốn: Bảng - Kết tính tốn qun hệ Q~hh Q (m/ s) hh (m)   (m2) (m) 84.8  14 8 176 87 215 55 251 67 29 7 9. 4.5 47.1 5.2  52.9 55.7 R C i (m/ s) (m)  15 2.51  .77 45 4.76 6 5.61 75 6.6 89 7. Thực hiện: Qtt MNH L  18. 2.17 7.9 .1 15 2.51 .8 4.21 .1  21.77 .75 41.55 .1 45 22.76 4.29 42.49 .1 6 2.61 4.75 4.22 .1 75 24.6 5.21 4.89 .1 89 25. Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công I.4.2 Thiết kế mũi phun: Hình - Sơ đồ mũi phun * Chọn kích thước sơ mũi phun: - Góc nghiêng mũi phun:  = 300 - Chiều dài mũi phun: Lmp = 2m - Cao trình mũi phun: Zmp = Zcửa vào - i.Lh + Lmp.sin = 40 - 0,0175*400 + 2*sin300 = 34,0m * Chiều dài phóng xa: Với: - Khoảng cách từ mũi phun đến đáy kênh hạ lưu Z2: - Góc nghiêng dịng phun vị trí rơi xuống mực nước hạ lưu: - Lưu tốc dòng chảy mũi phun: - Chiều cao mũi bậc so với MNHL: p = Zmp - MNHL = 34 - 25 = 9m - Ka - Hệ số kể đến hàm khí (phụ thuộc vào hệ số Fr) Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Z1 - Chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu mũi phun: Z1 = ZMNTL - Zmp = 73 - 34 = 39m  - Hệ số lưu tốc, chọn  = 0,95 h - Chiều cao dòng nước mũi phun * Chiều sâu hố xói: Coi chiều sâu hố xói chiều dài bể tiêu năng: dx = hc" - hh Với:  - Hệ số ngập, chọn  = 1,04 hh - Chiều sâu mực nước hạ lưu, hh = 7m hc" - Độ sâu liên hiệp với độ sâu hc mặt cắt co hẹp đáy hố sâu Cách tính dx: + Giả thiết dx + Tính lưu lượng đơn vị kênh dẫn hạ lưu q: + Tính lượng đơn vị dòng chảy E0: E0 = ZMNTL - Zđáy + dx = 73 - 18 - dx + Tính F(c): + Tra bảng, xác định c c" + Tính độ sâu liên hiệp: ho = Eo*c ho” = Eo*c” + Xác định độ chênh lệch mực nước Z: + Kiểm tra lại chiều sâu đào bể dx': dx' = hc" - hh - Z Nếu dx  dx' giá trị cần tìm Kết tính tốn: Bảng - Kết tính tốn chiều sâu hố xói dx Q (m3/s) Thực hiện: q (m2/ s) E0 (m ) F(tc) c  "c hc (m) h"c (m) Z (m) dx (m) Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công 890 21,98 0,0149 51,00 0,0653 0,2146 0,76 10,94 0,35 4,00 * Chiều dài hố xói: Chiều dài hố xói xác định theo: Lx = 2hk + 4,5dx Với quan điểm cho hố xói có dạng hình thang: đáy có chiều rộng 2h k, mái thượng lưu mt = 3, mái hạ lưu mh = 1,5 Cột nước phân giới xác định sau: Bảng - Kết tính tốn chiều dài phóng xa L chiều dài hố xói Lx Q (m3/s) V1 (m/ s) 890 26,28 h (m ) 1,13 Z2 (m) tg L1 (m) L (m) dx (m) hk (m) Lx (m) 9,49 0,83 74,42 87,64 4,00 3,67 25,33 PHẦN II - TÍNH TỐN KẾT CẤU Mục đích việc tính tốn kết cấu lớp lót đường hầm xác định nội lực ứng suất lớp lót, từ tiến hành kiểm tra điều kiện bền bố trí cốt thép Ở giới hạn tính kết cấu cho vịm nửa trịn đỉnh, tác dụng tải trọng thường xuyên (áp lực đá núi, áp lực nước ngầm trọng lượng thân), bỏ qua lực kháng đàn tính II.1 Xác định ngoại lực: II.1.1 Áp lực đá núi: Do đá núi có hệ số kiên cố fk = 6,5 > nên áp lực đá núi lấy tương ứng trọng lượng đất đá vùng bị phá hoại Chiều cao vùng bị phá hoại đào đường hầm, sơ xác định sau: hp = KaB0 = 0,2*8,8 = 1,76m Với: B0 - Chiều rộng đường hầm, B0 = 8,8m Ka - Hệ số phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ đá, tra bảng có Ka = 0,2 Áp lực thẳng đứng đỉnh đường hầm, xác định: P = β.đ.hp = 1*2,3*1,76 = 4,05 T/m2 Với: Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công β - Hệ số phụ thuộc bề rộng đường hầm, B0 = 8,8m > 7,5m nên β = đ - Trọng lượng riêng đá núi, đ = 2,3 T/m3 Do chiều cao thành đường hầm H = 4,4m < 6m nên bỏ qua trị số áp lực nằm ngang đá núi II.1.2 Trọng lượng thân: Trọng lượng thân lớp lót: g = b.t = 2,5*0.4 = 1,0 T/m2 Với: b - Trọng lượng riêng vật liệu lớp lót, BTCT nên b = 2,5 T/m3 t - Chiều dày lớp lót, chọn t = 0,4m II.1.3 Áp lực nước ngầm: Áp lực nước ngầm, xác định theo: Pnn = Hn = 1*10 = 10 T/m2 Với:  - Trọng lượng riêng nước,  = 1,0T/m3 Hn - Chiều cao cột nước ngầm đỉnh đường hầm, Hn = 10m II.2 Xác định nội lực: Tổ hợp lực tính tốn: Ptt = n1.P + n2.g + n3.Pnn = 1,5*4,05 + 1,2*1 + 1,1*10 = 18,27 T/m2 Với: n1, n2, n3 - hệ số lệch tải, n1 = 1,5; n2 = 1,2; n3 = 1,1 Kết tính tốn nội lực phần mềm SAP 2000 Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy cơng Hình - Biểu đồ áp lực đá núi + lớp lót + nước ngầm Hình - Biểu đồ lực dọc Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy cơng Hình - Biểu đồ lực cắt Hình - Biểu đồ mơmen II.3 Tính tốn cốt thép: Qua kết tính tốn nội lực phần mềm SAP 2000, xác định được: - Momen căng max: Mct = 38,12 Tm - Momen căng max: Mcn = 17,95 Tm II.3.1 Tính cốt thép chịu lực mặt ngồi lớp lót: Tính cốt thép đơn: Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Với: M - Mômen uốn tải trọng gây ra, M = 17,95 Tm Rb - Cường độ chịu nén tính tốn bê tơng, với bê tơng cốt thép M25, tra bảng có Rb = 11,5MPa = 1150T/m2 Rs - Cường độ chịu kéo tính tốn cốt thép, với cốt thép nhóm A-II, tra bảng có Rs = 280MPa = 28000T/m2 b - Chiều rộng tiết diện, chọn b = 1m h0 - Chiều cao hữu ích tiết diện, h0 = h - a = 0,4 - 0,03 = 0,37 m h - Chiều cao tiết diện, h = 0,4m a - Chiều dày lớp bảo vệ cốt thép, chọn a=0,03m Bê tông cốt thép M25, thép nhóm A-II, tra bảng có r = 0,429 r = 0,623 Thấy  < r  Diện tích cốt thép cần thiết: Chọn 20  As' = 18,84cm2 Hàm lượng cốt thép: (hợp lý) II.3.2 Tính cốt thép chịu lực mặt lớp lót: Tính cốt thép đơn: Với: M - Mơmen uốn tải trọng gây ra, M = 38,12 Tm Rb - Cường độ chịu nén tính tốn bê tơng, với bê tơng cốt thép M25, tra bảng có Rb = 11,5MPa = 1150T/m2 Rs - Cường độ chịu kéo tính tốn cốt thép, với cốt thép nhóm A-II, tra bảng có Rs = 280MPa = 28000T/m2 b - Chiều rộng tiết diện, chọn b = 1m h0 - Chiều cao hữu ích tiết diện, h0 = h - a = 0,4 - 0,03 = 0,37 m h - Chiều cao tiết diện, h = 0,4m a - Chiều dày lớp bảo vệ cốt thép, chọn a=0,03m Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Bê tông cốt thép M25, thép nhóm A-II, tra bảng có r = 0,429 r = 0,623 Thấy  < r  Diện tích cốt thép cần thiết: Chọn 28  As' = 43,10cm2 Hàm lượng cốt thép: (hợp lý) II.3.3 Tính cốt thép xiên lớp lót: Xét u cầu tính cốt thép xiên: Thấy: lực cắt Qmax = 44,01T < 0,6Rbbh0 = 0,6*1150*1*0,34 = 234,6T Vậy bê tông đủ khả chịu cắt, khơng hình thành khe nứt nghiêng nên cần bố trí thép ngang theo yêu cầu cấu tạo Chọn thép ngang 8, khoảng cách a = 150mm Kiểm tra điều kiện đặt thép xiên: Qmax  0,3w1b1Rbbh0 Với: Hệ số xét đến ảnh hưởng cốt đai, xác định theo: w1 = + 5w = + 5*7,78*0,67*10-3 = 1,03 < 1,3 Trong đó: Với: Es - Mơđun đàn hồi cốt thép, thép nhóm A-II, Es = 21*104MPa Eb - Môđun đàn hồi bê tông, bê tơng M25, Eb = 27*103MPa Aw - Diện tích tiết diện lớp thép đai, chọn thép đai 8 s - Bước thép đai, s = 15cm Hệ số xét đến ảnh hưởng cường độ bê tông, xác định theo: b1 = - 0,01Rb = - 0,01*11,5 = 0,89 Thấy: Qmax = 44,01T  0,3w1b1Rbbh0 = 0,3*1,03*0,89*1150*1*0,34 = 107,5T Thực hiện: Bài tập lớn: Thiết kế đường hầm thủy công Vậy cốt đai chọn với bê tông đủ khả chịu cắt, khơng cần bố trí cốt xiên Thực hiện: ... đường hầm: I.3.1 Bố trí thơng khí: - Bố trí vật cản (bậc) đoạn đầu hầm ngang nối tiếp với đoạn cong để tạo dịng khơng áp hầm ngang Chiều cao vật cản, chọn Z b ≥  Diện tích vật cản diện tích