MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1
2. Mục đích yêu cầu. ................................................................................................... 3
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. ............................................................ 4
4. Những kết quả đạt được của luận văn ..................................................................... 4
5. Bố cục của luận văn ................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG .................................. 7
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy công tại Việt Nam .................................... 7
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công ................................................... 13
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................................................... 14
1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 14
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM
THỦY CÔNG ............................................................................................................... 15
2.1. Phương pháp giải tích. ....................................................................................... 15
2.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu ........................................................................... 15
2.1.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng [1] ..................................................... 25
2.2. Phương pháp số .................................................................................................. 30
2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ........................................................................ 30
2.2.2. Phương pháp phần tử biên .............................................................................. 31
2.3. Kết luận chương II. ............................................................................................ 32
CHƯƠNG 3. LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ....................... 34
3.1. Nguyên tắc và trình tự giải bài toán kết cấu đường hầm theo phương pháp phần
tử hữu hạn. [1] ........................................................................................................... 34
3.1.1. Rời rạc hóa miền tính toán .............................................................................. 34
3.1.2. Lựa chọn các hàm nội suy:.............................................................................. 35
3.1.3. Xác định tính chất của các phần tử ................................................................. 35
3.1.4. Lắp ráp hệ các phần tử .................................................................................... 35
3.1.5. Giải hệ phương trình ....................................................................................... 35

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ............................................................................................... 74

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng ......................................... 8
Hình 1.2. Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện ............................................... 9
Hình 1.3. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng ................................. 10
Hình 1.4. Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế................................. 11
Hình 1.5. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 2................................ 11
Hình 1.6. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 2 ................................ 12
Hình 1.7. Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng ..................................................... 12
Hình 2.1. Vòm thấp và vòm công tác ở đỉnh ................................................................. 15
Hình 2.2. Sơ đồ tính toán vòm thấp ............................................................................... 17
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán vòm cao ................................................................................ 18
Hình 2.4. Tính toán vòm cao ......................................................................................... 19
Hình 2.5. Sơ đồ vòm khép kín ....................................................................................... 20
Hình 2.6. Sơ đồ tính toán vòm khép kín ........................................................................ 20
Hình 2.7. Các lực tác dụng lên tường bên ..................................................................... 22
Hình 2.8. Tường bên cứng ............................................................................................. 24
Hình 2.9. Tường bên đàn hồi ......................................................................................... 24
Hình 2.10. Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn ......................................................... 25
Hình 2.11. Sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân
bố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c). ................................................... 27
Hình 2.12. Phân bố ứng suất trong khối đá có lỗ khoét tròn khi λ = σ x σ y ................. 29
Hình 2.13. Sơ đồ tác dụng của tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm ..... 29
Hình 2.14. Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên......................................... 32
Hình 3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 34
Hình 3.2. Sơ đồ tính toán bằng PP PTHH ..................................................................... 38

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.

1


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,

ổn định trong quá trình vận hành nếu như không có biện pháp gia cố. Để đường
hầm thủy công được đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành cần có lớp lót cho
đường hầm. Mục đích của tính toán lớp lót đường hầm thủy công 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 nhiều phương pháp khác nhau. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ
thông tin, các phương pháp số được sử dụng nhiều trong tính toán kết cấu. Một
trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phần tử hữu
hạn. Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công
bằng phương pháp phần tử hữu hạn có tính khoa học và thực tiễn, để giải quyết
cấp thiết một vấn đề xây dựng đường hầm thủy công nói riêng cũng như các công
trình thủy lợi, thủy điện nói chung.
Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm
dẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn nhất hơn 418,4m, lưu lượng thiết kế
Qtt=10,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình quân năm
151,27.106kwh. Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu
trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử
hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” có ý
nghĩa kinh tế và khoa học.
2. Mục đích yêu cầu.
Dựa trên các tài liệu thu thập được về các thông số kỹ thuật của nhà máy Thủy
điện Nậm Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ...) và các tài liệu về địa

3


hình, địa chất (kết quả khoan thăm dò địa chất, báo cáo địa chất công trình...) yêu
cầu luận văn cần đạt được như sau:
- Tổng quan về đường hầm thủy công, các phương pháp tính toán đường hầm.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đường hầm thủy điện Nậm

2.1. Phương pháp giải tích.
2.2. Phương pháp số.
2.3. Kết luận Chương 2.
Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn
3.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn.
3.2. Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán trong luận văn: Sap 2000.
3.3. Kết luận Chương 3.
Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng
4.1. Giới thiệu công trình.
4.2. Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, sơ đồ tính.
4.3. Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện
Nậm Toóng..
4.4. Kết luận Chương 4.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Các kết quả đạt được của Luận văn.
2. Một số vấn đề tồn tại.
3. Kiến nghị.

5


Tài liệu tham khảo
Phụ lục tính toán

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
1.1. Tình hình xây dựng đường hầm thủy công tại Việt Nam
Từ lâu, trước Công Nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp , La Mã các công trình

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 60o. Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục kilô-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: 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 1.1. Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng

8


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 .



chiều dài 1.700m tiết diện hầm, BxH = 6,8 m x 9,9 m.

Hình 1.5. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 2

11


Dự án thủy điện Sông Bung 2 được xây dựng tại Huyện Nam Giang, tỉnh Quảng
Nam. Hầm ngang dẫn dòng dài 389,9m. Tiết diện hầm BxH = 14 m x 14,8 m
trong đó chiều cao tường 7,8 m, bán kính vòm R = 7 m.

Hình 1.6. Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 2
Dự án nhà máy thủy điện Huội Quảng được xây dựng tại huyện Mường La, tỉnh
Sơn La. Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Huội Quảng có chiều dài
4.000m, tiết diện hầmBxH = 9 m x 9,9 m.

Hình 1.7. Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng

12


Ngoài ra còn nhiều công trình khác sử dụng đường hầm thủy công.
1.2. Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công
Hiện nay chưa có một định nghĩa chính thức về đường hầm. Nhìn chung, đường
hầm là loại công trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đôi chiều rộng, kín
ở hai bên sườn và mở an toàn ở hai đầu. Tùy theo chức năng, đường hầm có thể
được phân thành các loại chính là: đường hầm giao thông, đường hầm thủy công
và đường hầm công nghiệp - dân dụng.
Đường hầm giao thông gồm đường hầm dành cho người đi bộ và đường hầm trên

áp lực đá núi nằm ngang, áp lực nước ngầm.
- Trường hợp 2: Đang vận hành hầm chịu tác dụng của áp lực đá núi thẳng đứng,
áp lực đá núi nằm ngang, áp lực nước ngầm và áp lực thủy tĩnh.
1.4. Kết luận chương 1
Trên đây tác giả đã giới thiệu tổng quan về đường hầm thủy công tại Việt Nam,
trong đó có nêu một số dự án thủy điện cụ thể có sử dụng đường hầm thủy công.
Đường hầm thủy công có điều kiện làm việc trong môi trường tiếp xúc với nước
nên xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau. Do đó việc nghiên
cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công là rất cần thiết với mục
đích lựa chọn sử dụng các loại kết cấu đường hầm phù hợp. Người kỹ sư thiết kế
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 hầm không áp, hầm có áp, hoặc
kết hợp cả hai 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. Do vấn đề
kiến thức cũng như thời gian hạn chế nên phạm vi nghiên cứu của luận văn là có
giới hạn chưa thể bao quát hết tất cả các trường hợp tính toán trong thực tế.

14


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU
ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
2.1. Phương pháp giải tích.
2.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu
2.1.1.1. Tính toán vòm thấp [1].
Đối với mặt cắt như hình 2.1a, 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 2.1b, nếu chiều
dày lớp lót không đổi và không có áp lực đá núi bên thì cũng có thể coi rằng chỉ

K 2Jn K

Góc quay β của mặt cắt là:
M0
δ
=
0,5hn J n K

=
β

Vì M0 = Mp + X1 + X2yn, trong đó Mp là mô men chân vòm do ngoại lực gây ra,
nên:
M p + X 1 + X 2 yn

β=
=
βp

KJ n

=
β p + X 1β1 + X 2 yn β1

Mp
1
=
; β1
KJ n
KJ n

(2-1)

Mô men và lực hướng trục ở mỗi mặt cắt trên vòm được xác định:
M = M P + X 1 + X 2 y, 

=
N N p + X 2 cos ϕ 

(2-2)

Trong đó: Mp và Np là mô men và lực hướng trục do ngoại lực gây ra trên hệ tĩnh
đinh; X1, X2 được xác định từ hệ phương trình (2-1).
Ứng suất tại mỗi mặt cắt vòm xác định theo công thức nén lệch tâm:
σ=

N M
±
F W

(2-3)

17


2.1.1.2. Tính toán vòm cao [1]
Những mặt cắt của đương hầm như hình 2.3 được tính toán theo sơ đồ vòm cao
hình 2.8. Khi tính toán không xét tác dụng của bản đáy. Chân vòm được ngàm
chặt đàn hồi vào đá. Giả thiết hai điểm A, D ở chân vòm chỉ có chuyển vị góc,
không có chuyển vị đàn hồi đường thẳng, do đó lực kháng đàn tính tại điểm này
bằng không. Giả định lực kháng đàn tính tác dụng lên vòm phân bố theo đường

 cos ϕn 

(2-4)

18


Từ vị trí có giá trị max trở xuống, lực kháng đàn tính tại một điểm trên vòm tính
theo công thức:

y2 
=
K δ K δ n 1 − 2 
yh 


(2-5)

Phương pháp còn xét đến lực ma sát T. Lực này tỷ lệ thuận với lực kháng đàn
tính: T = µ K δ , Trong đó µ là hệ số ma sát giữa đá núi với lớp lót.
Phương trình chính tắc có xét tới chuyển vị góc β ở chân vòm là:
δ11 X 1 + ∆1 p + β =0



X 2δ 22 + ∆ 2 p + β yn = 0 

(2-6)

Trong đó: β =β p + X 1β1 + X 2Yn β 2 .


20


Khi tính toán kết cấu vòm kín thường phân làm hai phần: phần trên tính toán như
một vòm cao, phần dưới là một vòm cong ngược (hình 2.6).
Tính toán phần vòm cao như phương pháp đã nêu ở trên nhưng chuyển vị góc
chân vòm do các ngoại lực gây ra ( β p ) và chuyển vị góc chân vòm do mô men
đơn vị gây ra ( β1 ) cần phải xét đến ảnh hưởng của vòm đáy.
Vòm đáy được coi như một dầm trên nền đàn hồi, khi vòm đáy tương đối thấp, tỷ
số giữa chiều cao vòm với chiều rộng chân vòm (vòm đáy) khoảng 1/10, thì có
thể coi vòm đáy như một dầm thẳng để tính toán.
Theo kết quả tính dầm trên nền đàn hồi có:
(2-7)

(2-8)
Trong đó: β p - chuyển vị góc ở chân vòm do các ngoại lực gây ra;
β1 - chuyển vị góc ở chân vòm do mô men đơn vị gây ra;

α=4

Kb
EJ

(2-9)

E, J – mô đun đàn hồi của vật liệu và mô men quán tính của mặt cắt vòm đáy
K - hệ số lực kháng đàn tính của đá núi;
b - chiều dài của đoạn vòm, thường lấy đoạn dài một mét để tính toán;
Mp – mô men ở chân vòm do các ngoại lực gây ra tính theo hệ tĩnh định;