BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Nguyễn Hải Đăng NGHIÊN CỨU KẾT CẤU HỢP LÝ ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC VÀO
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN MƯỜNG KIM II – LAI CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ


Hà Nội – 2013

Mẫu gáy bìa luận văn: TÁC GIẢ LUẬN VĂN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 20

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: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

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:
[email protected] 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
Ngày 25 tháng 4 năm 2013
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN
TỔNG GIÁM ĐỐC ĐỖ ĐĂNG DẦN

Người khai ký tên NGUYỄN HẢI ĐĂNG

1
LỜI 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


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 3
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 6


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

4
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
25THình 1.1: nhà máy thủy điện ngang đập25T 10
25THình 1.2: nhà máy thủy điện sau đập25T 11

25THình 2.16: phân bố ứng suất trong khối đá có lỗ khoét tròn khi 25T
xy
λσσ
=
43
25THình 2.17: sơ đồ tác dụng của tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm25T . 43
25THình 2.18: phương pháp phần tử hữu hạn25T 45
25THình 2.19: Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên25T 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU
25TBảng 2-1: Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm25T 23
25TBảng 2-2: Trị số KR
a
R ứng với các loại đá25T 25
25TBảng 3.1: Bảng các thông số chính của công trình.25T 50
25TBảng 3.2: Bảng quy mô các hạng mục công trình.25T 51
25TBảng 3.3: Tổng hợp đặc điểm các nguồn nước thủy điện Mường Kim II.25T 59
25TBảng 3.4: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các đới theo số liệu phân tích thí nghiệm
trên nền đá trachit phức hệ núi lửa Nậm Kim.
25T 60
25TBảng 3.5: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các đới theo số liệu phân tích thí nghiệm
trên nền đá trầm tích hệ tầng Mường Trai.
25T 61
25TBảng 3.6: Các thông số để tính trị số RMR và GSI theo tiêu chuẩn Hoek-Brown
trên các đới trên nền đá phun trào trachit phức hệ Nậm Kim.
25T 62
25TBảng 3.7: Các thông số để tính trị số RMR và GSI theo tiêu chuẩn Hoek-Brown
trên các đới trên nền đá trầm tích hệ tầng Mường Trai.
25T 62
25TBảng 3.8: Chỉ tiêu cơ lý của đá tuyến đường hầm thủy điện Mường Kim II.25T 63

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

7
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 Q

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

9
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.

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

11
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

12
trình xả lũ, công trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có

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
h
R
1
R- độ sâu mực nước đầu kênh; hR
2
R - độ sâu mực nước cuối kênh;
h
R
0
R - độ sâu chảy đều; hk – đô sâu giới hạn.

14
* 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.

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

16
không nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không vượt quá
60
P
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