Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

ĐỀ SỐ 50
A. TÀI LIỆU CHO TRƯỚC :
Hồ chứa nước H có đường hầm dẫn dòng thi cơng, kết hợp tháo lũ lâu dài:
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 = 945,0m3/s.
2. Thơng số đường hầm :
− Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B 0 = 8,0m, chiều cao phần chữ
nhật Hcn = 4,4m có vát ở góc ở đáy (Theo mặt cắt tiêu chuẩn).
− Chiều dài hầm : Lhầm = 400m.
− Độ dốc đáy i .
− Vật liệu gia cố: bê tơng cốt thép M25.
− Đá núi quanh đường hầm có γw = 2,3 T/m3.
− Hệ số kiên cố : fk = 6,0.
− Phần vào để tháo nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D = 8,4m;
ngưỡng thực dụng có P = 3,0m; hệ số lưu lượng m = 0,48; bố trí theo tuyến tròn khơng
hồn chỉnh với góc mở a = 3000, bán kính đến tuyến ngưỡng tràn là Rt.
3. Thơng số hạ lưu (sau cửa ra đường hầm) :
− Zđáy = 18,0m; B = 30,0m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001
− Nền đó nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6).
B. U CẦU TÍNH TỐN :
1. Phần thuỷ lực :
− Tính tốn bán kính Rt của ngưỡng vào QTK.
− Tính tốn độ dốc i của đường hầm để tháo Q TK với độ lưu khơng cho phép d =

0

(*)

Trong đó :
Bt : Chiều rộng tràn (m).
m : Hệ số lưu lượng tính tốn, m = 0,48.
H0 : Cột nước tồn phần trên ngưỡng tràn, được xác định như sau :
Lê Minh Hoàng

Trang 2


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công
H0 = H +

V02
do bỏ qua lưu tốc đến gần nên ta có : H0 ≈ Ht = 3,0m.
2g

− Thay tất cả vào (*) ta được :
Qtk

Bt =

m. 2.g H o

3
2



 Q tk 
Lưu lượng qua hầm được xác định : Q tk = ω.C Ri ⇒ i = 
÷
 ω.C R 

(**)

Trong đó :
Các đặc trưng ω, C, R đều tính với dòng đều h0.
h 
ω = H 20 .fω  0 ÷
 H0 

h 
R = H 0 .fR  0 ÷
 H0 

C=

1 0,11  h 0 
.H 0 .fc 
÷
n
 H0 

H0 : Chiều cao tồn bộ của mặt cắt (m).
Các trị số fω, fR, fc tra trên đồ thị hình (4-6) ứng với trị số h0/H0 ứng với hệ số
1
n


R = H.fR = 8,4 . 0,31 = 2,60 m
C=

1
1 0,11
8, 40,11.0,88 =65,42
H . fc =
0, 017
n

Thay tất cả vào (**) ta được :
2

2


945
 Q tk  
i tk = 
÷ ≈ 0,025 = 2,5%
÷ =
 ϖ.C. R   56, 45.65, 42. 2, 60 

Vậy chọn độ dốc dốc hầm là itk = 2,5%.
3. Thiết kế thơng khí đường hầm:
a). Tính tốn lưu lượng thơng khí cần thiết :
− Lưu lượng thơng khí cần thiết được xác định theo cơng thức sau :
QaK = QaB + QaC
Trong đó :


945
2

D
π.  ÷
2

=17,06 m/s

Thay tất cả vào (3) ta được :
QaB = 0,1.lb.hb.VTB = 0,1.12,56.1,39.17,06= 29,88 m3/s
− QaC : Lưu lượng do tự hàm khí trên mặt thống dòng chảy
QaC = 0,04. Fr-40 .Q

(4)

Trong đó :
 Q: Lưu lượng nước, Q = 945 m3/s
 Fr : Số Fr tính theo bán kính R, Fr =
Lê Minh Hoàng

v2
= 10,97
gR
Trang 4


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công



⇒ h ck

γ
γa



QaK
=

γ
 μ a .ωak 2g.
γa


2


÷
÷
÷
÷
÷


(5)

Trong đó :
 µa : Hệ số lưu lượng của ống dẫn khí, phụ thuộc vào hình dạng và mức độ thu


*

− Hoặc mặt cắt hình tròn với bán kính ống r = 0,49 m
− Hoặc mặt cắt hình vng với kích thước cạnh a = 0,86 m
4. Thiết kế tiêu năng sau đường hầm
4.1). Tính tốn chiều sâu cột nước hạ lưu hh :

Cao trình đáy kênh:
Zđáy = 18,0

Chiều rộng kênh:
B = 30,0 m

Hệ số mái kênh:
m = 1,5

Hệ số nhám lòng kênh:
n = 0,03

Độ dốc đáy kênh:
i = 0,001

Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói K = 1,6)
Tính hh theo phương pháp thử dần.
Lập bảng tính tốn với các thơng số sau:
ω
Q = ωC Ri ; ω = ( b + mh ) h ; χ = b + 2 h 1 + m 2 ; R = ;
χ
1


2

5.400 205.740 49.470 4.159

44.302

18587.75

587.80

3

5.800 224.460 50.912 4.409

44.751

21090.98

666.96

4

6.200 243.660 52.354 4.654

45.167

23742.35

750.80

4.2). Tính tốn hố xói :
L rơi
h cd
θ

P

m

a.

MN HL

S2

Đ á y kên h hl

bhố

m

Tài liệu tính tốn

- Cao trình cửa ra đường hầm

: ∇cửa ra= ∇cửa vào-i.L = 40- 0,025.400=30m..

- Chiều sâu dòng chảy cửa ra

: hcửa ra = ho = 6,97m


: ∇mũi = ∇cửa ra+ hmũi = 30 + 0,684 = 30,684 m

b. Xác định chiều dài nước rơi Lrơi
Ta sẽ tính tốn theo các nội dung sau:
Chiều dài Lrơi là khoảng cách phóng xa theo phương ngang từ mũi phun đến trung tâm
dòng nước tại đáy kênh hạ lưu. Được xác định theo cơng thức sau:


S + 0,5h
L roi = 2.ϕ2 .H 0 . 1 − i 2m .  i m2 + 2 2
+ im ÷
÷
ϕ .H 0



(6)

Trong đó:
+ ϕ: hệ số lưu tốc, ϕ = 1
+ h: chiều sâu dòng chảy cuối mũi phun. Coi h = hcd (do Lmũi phun nhỏ)
+ im : độ dốc mũi phun, im = sinθ
+ S2 : khoảng cách từ mũi phun đến đáy kênh hạ lưu.
Lê Minh Hoàng

Trang 7


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công


imũi

S2
(m)
12.684

E0
(m)
33.257

HO
(m)
17.087

LRơi
(m)
44.097

- Tính tốn hố xói sau máng phun nhằm mục đích xác định được mức độ xói lở phía sau
cơng trình để tính chiều dài máng và độ sâu đặt móng trụ máng phù hợp, đảm bảo an tồn
cho cơng trình.
- Việc xác định kích thước và chiều sâu hố xói có nhiều cơng thức tính:
+ Cơng thức tính của Mas-man;
+ Cơng thức của giáo sư Za-ma-rin;
+ Cơng thức tính của giáo sư Pa-tơ-ra-sep
+ Cơng thức tính của giáo sư Vư-dơ-gơ
- Các cơng thức tính cho các kết quả khác nhau. Trong phạm vi đồ án này, chọn cơng
thức tính của giáo sư Zamarin:
Theo Zamarin, chiều sâu hố xói được xác định theo cơng thức:


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

+ Vcp: vận tốc khơng xói cho phép với đất nền là đá nứt nẻ trung bình tra quy phạm
thiết kế kênh TCVN 4118 – 85 nên ta chọn Vcp = 5,6 (m/s)
+ β’: góc dòng phun hợp với đáy kênh hạ lưu, được tính từ cơng thức:
cosβ’ =

V
cos β
V'

(12)

• V: tốc độ tại chỗ tới dòng gặp đáy kênh hạ lưu, tính theo cơng thức:
2
2
+ 2g.(S2 + 0,5.h mui ) = Vcua
V= Vmui
ra + 2g.(S2 + 0,5.h mui )

• β tính theo cơng thức, cosβ = (1 − im2 ).

(13)

H0
E0

(14)



sinβ'

dh
(m)

2
0 0.342 30.684 12.684 17.087 34.599 22.675 0.45 0.69 5.63 5.95 0.72 4.95
d. Chiều rộng hố xói
Chiều rộng hố xói theo phương ngang:
q

31,50

= 5,63m
bhố = V =
5, 6
cp

⇒
Chọn bh = 5,6 m
e. Chiều dài hố xói
Lhố = bh + 2.m.dh
Trong đó:
+ m: hệ số mái hố xói, m = 1,5
+ dh : chiều sâu hố xói, dh = 4,70m
Vậy
Lhố = 5,6 + 2.1,5.4,7 = 19,70 m. Chọn Lhố = 20 m.
Kết luận: Kích thước cơ bản của hố xói như sau :
- Chiều sâu hố xói

4. Kết cấu thép.
5. TCVN 4116-85 Kết cấu bê tơng và bê tơng cố thép thuỷ cơng.
Các chỉ tiêu của lớp đá quanh đường hầm :
Các chỉ tiêu cơ lý của đá xung quanh:
 Mơ đun đàn hồi của nền: E =
 Dung trọng tự nhiên của đá γW = 2,3 T/m3
 Lực dính đơn vị C =
 Góc ma sát trong của đá ϕ =


1. Tính tốn lực tác dụng.
Xét cho 1 m chiều dài đường hầm
Đá núi có fk = 6,0 > 4 nên trong trường hợp này áp lực đá núi lấy tương ứng bằng trọng
lượng đất đá trong vùng bị phá hoại.
Chiều cao vùng bị phá hoại có thể tính theo cơng thức sau:
hp = Ka.B0;
Trong đó:



B0 - chiều rộng đường hầm; B0 = 8,0 m;
K a - hệ số phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, lấy theo bảng (5.3) “Bài
giảng cao học Thiết kế đường hầm thủy cơng”; Ka = 0, 2

Lê Minh Hoàng

Trang 10


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công


b) Tính theo 2D:
Trọng lượng bản thân

Áp lực đá

Lê Minh Hoàng

Trang 12


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm thuỷ công

Biểu đồ Mơmen ứng hới tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

3. Tính tốn cốt thép lớp vỏ đường hầm :
− Qua kết quả tính tốn nội lực bằng phần mềm Sap 2000, với trường hợp tổ hợp lực
: Comb1 = 1,2.TLBT + 1,5.ÁPLỰC ĐÁ ta được Mmaxtrong = 18,80 T.m.
− Tính A :

A=

K n .n c .M

m b .R n .b.h 20

Trong đó :
Mác bê tơng M250. → Mơđun đàn hồi Eb = 2,65.106 T/m2.
Kn : Hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp cơng trình, CT cấp II : Kn = 1,20
Lê Minh Hoàng

b.h 0
m a .R a

Với µ min = 0,15% Là hàm lượng cốt thép tối thiểu, được tra theo quy phạm.
Nội lực
Q
M
(Tm) (T/m)
25,58 18,80

Lê Minh Hoàng

Bảng tính tốn kết cấu vỏ đường hầm
Hệ số tính tốn
Tính Fa (cm2) và chọn

Thép cấu tạo

A

a0

Fatt

Fachọn

Rebars

Fatt