Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

BÀI TẬP ĐỀ SỐ 15
THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
I. Tài liệu ban đầu:
Hồ chứa nước H có đường hầm dẫn dòng thi công, kết hợp tháo lũ lâu dài.
1. Thông số hồ chứa:
MNDBT = 70,0m;
MNLTK = 73,0m.
Ht = 3,0m.
Zđập = 75,0m.
Zcửa vào đường hầm = 40,0m.
Công trình cấp II.
Lưu lượng tháo lũ QTK = 860 m3/s.
2. Thông số đường hầm:
- Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B0 = 7,8 m, chiều cao phần
chữ nhật Hcn = 4,4 có vát góc ở đáy (theo mặt cắt tiêu chuẩn).
- Chiều dài hầm : Lhầm = 400 m.
- Độ dốc đáy i.
- Vật liệu gia cố: bê tông cốt thép M250.
- Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3 T/m3.
- Hệ số kiên cố : fk = 5,0; 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
tròn không hoàn chỉnh với góc mở  = 3000, bán kính đến tuyến ngưỡng tràn là Rt.
3. Thông số hạ lưu (sau cửa ra 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. Yêu cầu tính toán:
1. Phần thuỷ lực:




MNHL
18,0

S2

Z2

h

h

m=1.5

L=400m
L1
MặT BằNG CửA VàO

L

MặT CắT ĐƯờNG HầM

Ha

R

Lx


m. 2á.H3/
0

Trong đó:
Bt : Chiều rộng tràn (m).
m : Hệ số lưu lượng tính toán, m = 0,48.
H0 : Cột nước toàn phần trên ngưỡng tràn, được xác định như sau :
H0  H 

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

- Thay tất cả vào (1) ta được : Bt =

860
 77,84
0,48 2.9,81.33 / 2

Ta chọn lại Bt = 78,0 m.
- Do mặt cắt không hoàn chỉnh với góc mở rộng  = 3000, nên bán kính đến
tuyến ngưỡng tràn Rt được xác định như sau :
Bt = 2Rt   Rt = Bt 1 360 = 78.
2 

360

1
360 = 14,9 m.
.

n
 H0 

H0 : Chiều cao toàn bộ của mặt cắt (m).
3


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

Các trị số f, fR, fc tra trên đồ thị hình (4-6) ứng với trị số h0/H0 và hệ số
1
n

Sedy theo Pavlopxki C  R y vôùã y = 0,11 .
* Tính H :
H0 = Hcn + B0/2 = 4,4 + 7,8/2 = 8,3 m.
Để chảy không áp, phải khống chế độ lưu thông  = 0,2 h0
H0 = h0 +  = h0 + 0,2 h0 = 1,2h0. 

â0
1

 0,83
H 0 1,2

Có tỷ số h0/H0 = 0,83 tra biểu đồ a hình 4-6 trang 27 Bài giảng cao học Thiết
kế đường hầm ta xác định được các thông số sau:
f = 0,80; fR = 0,31;



1
.8,30,11.0,88 = 65,33
0,017

Thay tất cả vào (2) ta được:
2

2



 Q tk 
860
ã tk  
=
= 0,022 = 2,2%

 .C R 
 55,11.65,33. 2,57 





- Chiều sâu mực nước trong đường hầm :
â0
H0

 0,83  âé  0,83.Hé  0,83.8,3 = 6,9 m.

Zb

Kâã đéù ta céù:

Bo
Hình 02:
b 

Sơ đồ tính toán diện tích hình viên phân

R 2 (  1) 3,9 2 (  1)

 16, 29m 2
2
2

R là bán kính hình tròn, R = B0/2
VTB : Lưu tốc của dòng chảy phía dưới vật cản, được xác định:
VTB 

Q tk




Q tk
  b




Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy cơng
H.W.r.u

- Thay tất cả vào (3) ta được:
Qa = Qab = 0,1. b .VTB = 0,1.16,29.20,52 = 33,43 m3/s

3.2 Tính tốn tiết diện ống dẫn khí:
- Khi thiết kế đường ống dẫn khí, thường khống chế lưu tốc khí trung bình
trong ống khơng vượt q 60m/s để tránh rung động và phát ra tiếng rít.
- Ta tiến hành chọn Vak = 50 m/s < [Vak] = 60m/s tiến hành tính tốn diện tích
mặt cắt ngang ống dẫn khí như sau:
a =

Qa
33,43
=
 0,67 m 2
Va
50

- Tính tốn độ chân khơng: Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí, xác
định theo cơng thức tính tốn thuỷ động học :
Qa = μ a .ωa . 2g.h ck .

 h ck

γ
γa



1
= 0,82
1+0,5

Với  i là tổng tổn thất trên đường ống dẫn khí bao gồm tổn thất tại cửa
vào, chổ uốn cong và tổn thất dọc đường:
Thiết kế cửa vào khơng thuận, tra bảng ta được:  cv = 0,5, đường ống dẫn
khí thẳng và ngắn nên  uốn = 0,  dđ = 0, bỏ qua tổn thất cửa ra nên  cr = 0. Do đó:
 i =  cv +  uốn +  cr +  dđường = 0,5

a : Dãện tscâ maqt cắt náaná cïûa éáná dẫn kâs (m2).
âck: Đéäcâân kâéâná ở kâéảná kâéâná sạ bïéàná van.
 vàa : Lần lư ợt làtréïná lư ợná rãêná cïûa nư ớc vàcïûa kâéâná kâs, tréná
đãềï kãện brnâ tâïờ
ná lấy /a = 760.
- Thay tất cả vào (5) ta được:
h ck = 0,248 m.
6


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

- So sánh hck với [ hck ] = 6 m
hck = 0,248 m < [ hck ] = 6m  nên độ chân không nằm trong giới hạn cho
phép.
Chọn ống dẫn khí tiết diện chữ nhật kích thước 0,8 x 0,8 = 0,64 m2.
4. Thiết kế tiêu năng sau đường hầm:
4.1 Tính toán chiều sâu cột nước hạ lưu hh :
- Tính toán mặt cắt kênh theo phương pháp mặt cắt lợi nhất về thủy lực.

Cao trình MN
hạ lưu

Qxả(m3/s)

F(Rln)

Rln

b/Rln

h/Rln

hh

150,00

0,00178

2,84

10,56

0,868

2,47

20,47

300,00


4,77

6,29

1,148

5,48

23,48

750,00

0,00036

5,19

5,78

1,198

6,22

24,22

860,00

0,00031

5,49


L1
L
Lx
- Hình thức tiêu năng : Mũi phun tạo hố xói.
- Chọn kích thước sơ bộ của mũi phun:
 Góc nghiêng mũi phun : 0 = 300
 Chiều dài mũi phun :
Lmũi phun = 2,0 m.
 Cao trình mũi phun :
ZMũi phun = Zcửa vào – itk.Lhầm + Lmũi phun. sãn0
 Cao trình đáy sông hạ lưu : Zh = 18,0 m.
- Chiều dài phóng xa được xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây :
L  L1 

ââ  dx
tá

Trong đó :
L1  K a .

V12 cés  0 
2áZ
2
 sãn  0  sãn  0  2 2
á
V1




áR

 Q/

2

=

á.R

 905 / 52, 49 

2

9,81 2,51

 12, 07 < 35  K a  1

  : Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mặt nước hạ lưu.
 Z1 : Chênh lệch cao độ giữa mực nước thượng lưu và mũi phun:
Z1 = ZMNTL - Zmũi phun
 h : Chiều cao dòng nước trên mũi phun: â 

Q
B.v1

  : Hệ số lưu tốc, sơ bộ chọn  = 0,95
a) Xác định chiều sâu hố xói :
Coi chiều sâu hố xói bằng chiều sâu bể tiêu năng, được xác định như sau :
d x  .â"c  â â (a)

c
0,1453

hc
(m)

hc
(m)

hh
(m)

dxtt
(m)

0,35

8,2574

6,76

1,91

9


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

b) Xác định chiều dài hố xói:

s«ng (m)
18

6,99

Z1
(m)
41,2

V1
(m/s)
27,03

hmòi
0,41

Z2
(m)

tg0

L1
(m)

hc
(m)

hc"
(m)



Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

PHẦN TÍNH TOÁN KẾT CẤU
Mục đích của việc tính toán kết cấu lớp lót đường hầm là xác định được
nội lực vá ứng suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và bố trí
cốt thép (ở đây không xét đến lực kháng đàn tính).
I. Các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm:
1. Hướng dẫn thiết kế đường hầm thuỷ lợi HD-TL-C3-77.
2. Kết cấu thép tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575-1991.
3. Các công trình thuỷ lợi các quy định chủ yếu về thiết kế.
4. Kết cấu thép.
5. TCVN 4116-85 Kết cấu bê tông và bê tông cố thép thuỷ công.

II. Các chỉ tiêu của lớp đá quanh đường hầm:
- Dung trọng của đá : w = 2,3 T/m3.
- Hệ số kiên cố : fk = 5,0.
- Nền đá nứt nẻ trung bình có hệ số xói k = 1,6.
- Không xét đến lực kháng đàn tính.
III. Tính toán các áp lực tác dụng lên lớp vỏ đường hầm:
Do đá núi có hệ số kiên cố fk = 5,0 > 4 và H0 = 4,4 m < 6 m nên trong tính
toán áp lực tác dụng lên vỏ hầm không xét đến áp lực ngang.
Khi đó chiều cao vùng bị phá hoại khi đào đường hầm sơ bộ được xác định
theo công thức sau : hp = Ka.B0
Trong đó :
B0 : Chiều rộng đường hầm :B0 = 7,8 m.
Ka : Hệ số phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, được xác định theo bảng (53). Tra ra ta được : với fk = 5,0, đá nứt nẻ trung bình ta được : Ka = 0,20.
Thay tất cả vào trên ta được : hp = = Ka.B0 = 0,2.7,8 = 1,56 m.
Xác định áp lực thẳng đứng trên đỉnh đường hầm :

H.W.r.u

Biểu đồ lực cắt

14


Bài tập lớn Thiết kế đường hầm Thủy công
H.W.r.u

Biểu đồ Mômen ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

V. Tính toán cốt thép lớp vỏ đường hầm:
- Qua kết quả tính toán nội lực bằng phần mềm sap 2000, với trường hợp tổ
hợp lực : Comb1 = 1,2.TLBT + 1,5.ÁPLỰC ĐÁ = 6,28 (T) ta được Mmaxtrong =
18,75 T.m
Tính A :

A

K n .n c .M
m b .R n .b.â 20

Trong đó :
Mác bê tông M25 (M250 cũ).  Môđun đàn hồi Eb = 2,65.107 T/m2.
Kn : Hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp công trình, CT cấp II : Kn = 1,20
n : hệ số tổ hợp tải trọng : n = 1.
M : Mô mem tính toán lớn nhất của đường hầm
mb : Hệ số điều kiện làm việc của bê tông: mb = 1
Rn : Cường độ chịu nén của Bê tông, Rn = 110 Kg/cm2

Với  mãn  0,15% Là hàm lượng cốt thép tối thiểu, được tra theo quy phạm.
Kết quả chọn cốt thép:
Tiết diện
1-1

M(T.m) ho(cm)
9,64
26

b(cm)
100

Fa(cm) μ(%)
15,33 0,59%

Bố trí
5 Φ20

Fach
15,71

μth(%)
0,60%

16