www.Phanmemxaydung.com
344
Chương 8. Đường hầm thuỷ công
Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Chiến
8.1 Điều kiện sử dụng, phân loại và cách bố trí
I. Điều kiện sử dụng
Đường hầm thuỷ công là loại công trình dẫn tháo nước được xây dựng ngầm dưới đất,
thường là đục xuyên qua núi đá. Đường hầm thuỷ công có những đặc điểm chung của các
loại công trình ngầm là chịu tác dụng của áp lực đất đá, nước ngầm từ phía ngoài. Ngoài ra
đường hầm thuỷ công cũng có đặc điểm riêng là thường xuyên chịu tác động của nước (các
loại tác động cơ học, hoá - lý, sinh học) từ phía bên trong.
Đường hầm thuỷ công được sử dụng trong các trường hợp sau:
1- Khi địa hình tại khu công trình đầu mối chật hẹp, bờ dốc, núi đá, không có vị trí
thích hợp để bố trí công trình dẫn, tháo nước hở ;
2- Khi phải dẫn nước, tháo nước cho trạm thuỷ điện ngầm ;
3- Khi tuyến dẫn nước qua vùng rừng núi rậm rạp, địa hình phức tạp ;
4- Khi tuyến dẫn nước qua sườn núi dễ bị sạt lở, đá lăn.
Nói chung việc xây dựng đường hầm thuỷ công cần được luận chứng trên cơ sở so
sánh kinh tế kỹ thuật với các phương án công trình dẫn, tháo nước kiểu hở.
II. Phân loại
Có thể phân loại đường hầm thuỷ công theo một số tiêu chí sau đây:
1. Theo nhiệm vụ:
a. Đường hầm lấy nước và dẫn nước:
Đường hầm lấy nước được xây dựng để lấy nước từ hồ chứa, sông ngòi cho mục đích
tưới, phát điện, cấp nước dân dụng, công nghiệp
Đường hầm dẫn nước được xây dựng trên tuyến dẫn nước tại những nơi có điạ hình
phức tạp để rút ngắn tuyến hoặc giảm khối lượng, giá thành công trình.
b. Đường hầm tháo nước: có nhiệm vụ tháo lũ từ hồ chứa, dẫn dòng thi công, tháo nước
- Mực nước thượng lưu và lưu lượng qua đường hầm ít thay đổi;
- Yêu cầu dòng chảy phải là không áp (khi đường hầm có kết hợp giao thông thuỷ);
- Khi so sánh kinh tế kỹ thuật cho thấy đường hầm không áp là có lợi hơn.
III. Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm
Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm được quyết định chủ yếu dựa vào điều kiện
chịu lực và điều kiện thi công. Nguyên tắc chung là nên chọn hình thức mặt cắt đơn giản
phù hợp với điều kiện thi công. Về mặt chịu lực, thường phân biệt mặt cắt của đường hầm
không áp và đường hầm có áp.
1- Mặt cắt đường hầm không áp
Có các dạng như sau:
a
b
www.Phanmemxaydung.com
346
- Mặt cắt có phần dưới là chữ nhật, thường có vát góc; phần đỉnh là vòm thấp (hình 8-
2a). Loại này được dùng khi đường hầm đào qua tầng đá rắn chắc có hệ số kiên cố f
k
>8,
không có áp lực đá núi tác dụng lên đường hầm.
- Mặt cắt có phần dưới là chữ nhật, phần đỉnh là vòm nửa đường tròn (hình 8-2b): dùng
khi đá núi có 4< f
k
Ê 8, thường chỉ có áp lực đá núi thẳng đứng.
Hình 8-2. Các hình thức mặt cắt của đường hầm không áp
- Mặt cắt dạng vòm cao (hình 8-2c): dùng khi đá núi có 2< f
k
Ê
4, áp lực đá theo
.
3
b
b
r
=
0
.
1
5
b
0
H
b
0
=
R
=
b
3
,
4
6
,
8
3
,
4
b
2
0,1
0
H=1.5b
R
=
b
2
H
b
X/2
b
=
0
H=b
1
.
4
b
R
=
0
.
5
b
r=283b
H
R=0.25b
b
=
0
b
www.Phanmemxaydung.com
347
Khi cột nước áp lực (tính bằng mét) kể từ trung tâm mặt cắt đường hầm trở lên không
vượt quá 3 lần chiều cao của đường hầm thì có thể dùng hình thức mặt cắt của hầm không
áp, nhưng phải tiến hành các phân tích kinh tế kỹ thuật một cách đầy đủ.
IV. Tuyến đường hầm
Việc lựa chọn tuyến là một khâu rất quan trọng trong thiết kế đường hầm. Yếu tố quan
trọng nhất trong việc chọn tuyến là phải phân tích kĩ điều kiện địa hình địa chất, khả năng
thi công và điều kiện sử dụng.
1. Điều kiện địa chất: đường hầm cần đào qua khu vực đá tốt và đồng nhất ,tránh đi
qua những khu vực có đá xấu, có khả năng tự sạt trượt, mực nước ngầm cao và lượng nước
thấm lớn .
2- Về địa hình và khả năng thi công:
- Không bố trí đường hầm gần sát mặt đất đá thiên nhiên mà phải đảm bảo một độ chôn
sâu nhất định: h
d
3h
t
, trong đó:
h
348
8-2. Tính toán thuỷ lực đường hầm
Tính toán thuỷ lực đường hầm thuỷ công bao gồm việc đảm bảo khả năng chuyển nước
với lưu lượng tính toán đã cho trong tất cả các chế độ làm việc của hồ chứa hay trạm thuỷ
điện, giữ được chế độ thuỷ lực ổn định (có áp hay không có áp), loại trừ các hiện tượng thuỷ
lực bất lợi như chân không khí thực tại các bộ phận công trình có đột biến về đường biên,
nước va vượt quá mức cho phép trong đường hầm có áp, hiện tượng thoát khí gây tiếng nổ
trong đường hầm có chế độ thuỷ lực thay đổi
Sau đây trình bày nội dung tính toán thuỷ lực trong trường hợp đường hầm có chế độ
chảy ổn định. Các trường hợp chảy không ổn định có liên quan đến việc đóng mở đột ngột
tổ máy thuỷ điện như hiện tượng nước va, sóng gián đoạn được trình bày trong các tài liệu
chuyên môn.
I-Tính toán thuỷ lực đường hầm không áp
Để tính toán thuỷ lực đường hầm thường phân biệt 3 bộ phận của nó: cửa vào, thân
đường hầm, cửa ra.
1. Cửa vào
Trong thực tế, các đường hầm tháo nước và lấy nước từ hồ chứa, cửa vào có thể bị ngập
sâu dưới mực nước thượng lưu (hình 8-4); những đường hầm được xây dựng trên hệ thống
dẫn nước, tháo lũ thi công cửa vào có thể không bị ngập (hình 8-5).
Hình 8-4.Sơ đồ dòng chảy
có cửa vào bị ngập
Hình 8-5.Dòng chảy ở đường hầm
không áp cửa vào không ngập
Khi cửa vào ngập, lưu lượng tháo qua đường hầm được tính theo công thức chảy qua lỗ:
Q = m.w. )h.H.(g2
h
e- , (8-1)
trong đó:
.b. g2 .H
o
3/2
, (8-2)
trong đó: m - hệ số lưu lượng của ngưỡng tràn;
b - bề rộng ở cuối đoạn cửa vào;
s
n
- hệ số ngập, s
n
= f(h
1
/H
o
), tra ở sổ tay thuỷ lực;
h
1
- độ sâu ở sau mặt cắt co hẹp;
H
o
- cột nước toàn phần trên ngưỡng tràn:
g2
V
HH
2
o
o
+=
V
o
R = H.f
R
.(h
o
/H); (8-4)
C =
n
1
.H
0.11
.f
c
(h
o
/H),
trong đó: H - chiều cao toàn bộ của mặt cắt.
Các trị số f
w
, f
R
, f
c
tra trên đồ thị hình (8 6) ứng với trị số h
o
/H. Các đồ thị này được
lập khi tính hệ số Sedy theo Pavlopxki C =
y
R.
n
1
, f
c
tra theo
đối số h/H.
Muốn đảm bảo dòng chảy trong đường hầm là không áp, thường sử dụng các biện pháp
công trình sau:
C
O
0.20
h
o
00.05
0
0.10
0.10
0.200.150.10
0.300.20
2
0.40
W
0.35
0.70
0.300.25
0.500.60
0.40
f
R
0.45
0.80
f
0
a)
h
0.80
r
=
0
.
5
H
0.70
0.60
0.40
0.50
0
H
0.70
0.90
f
w
0.75
0.40
f
0.850.90
w
f
f
C
0.70
0.350.250.30
0.90
H
0.700.75
0.900.400.300.50
0.200.150.25
0.700.600.80
0.350.300.40
f
W
f R
f
f
R
w
0.800.850.90
C
f
c
I
h
N
0
K
I
b
a)
b)
h
0
k
- số
Frút tại mặt cắt kiểm tra ;
w
- diện tích mặt cắt ướt thực tế ;
W - diện tích toàn bộ mặt cắt đường hầm .
2- Làm đỉnh đường hầm ở cửa ra cao hơn mực nước hạ lưu;
3- Tăng độ dốc đáy của đường hầm ;
4- Làm ống thông khí ở chỗ bắt đầu đoạn không áp .
3. Tính toán thông khí đường hầm
a- Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết
- Khi sau van là không áp, chiều dài đường dẫn nhỏ (chiều dài không vượt quá 30-50
lần chiều sâu dòng chảy):
Q
aK
=Q
aB
(8-5)
trong đó: Q
ak
-lưu lượng không khí cần thiết;
Q
ab
-lưu lượng khí bị cuốn vào vùng tách dòng sau ngưỡng, khe van, bậc thụt, xác
định theo công thức thực nghiệm :
Q
aB
=0,1.l
b
Q
ab
- như đã giả thích ở trên;
www.Phanmemxaydung.com
352
Q
ac
- lưu lượng do tự hàm khí trên mặt thoáng dòng chảy, xác định theo công thức
Ixatrenco :
Q
ac
= 0,01. 40Fr - .Q (8-8)
Q - lưu lượng nước;
F
r
- số Frút của dòng chảy ngay sau van. Khi F
r
Ê 40 thì coi như không có tự hàm khí.
Q
aM
- lưu lượng khí bị cuốn vào mặt thoáng do ma sát trên mặt phân cách giữa dòng
nước chảy xuôi và dòng khí chảy ngược từ phía cuối lên đầu đường hầm. Cách xác định Q
aM
xem bài Vấn đề chân không và yêu cầu thông khí các cống ngầm lấy nước dưới đập - Tạp
chí thuỷ lợi số 313/1996.
b - Tính toán tiết diện các ống dẫn khí
Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí được xác định theo công thức đã biết của thuỷ
khí động học:
lần lượt là trọng lượng riêng của nước và của không khí, trong điều kiện bình
thường có thể lấy
g
/
g
a
= 760.
Khi thiết kế đường ống dẫn khí, thường khống chế lưu tốc khí trung bình trong ống
không vượt quá 60m/s để tránh rung động và phát ra tiếng rít.
4.Tính toán thuỷ lực cửa ra cửa đường hầm
Tuỳ theo cao độ tương đối của cửa ra đường hầm so với đáy hạ lưu và địa chất nền hạ
lưu, có thể chọn các sơ đồ tiêu năng đáy, tiêu năng mặt hay tiêu năng phóng xa.
Hình thức tiêu năng đáy thường áp dụng với các đường hầm lấy nước, dẫn nước hay
đường hầm tháo nước có cột nước công tác không cao.
Hình thức tiêu năng mặt và phóng xa có thể áp dụng với các đường hầm tháo nước có
cột nước công tác cao, lòng dẫn hạ lưu có địa chất là nền đá tốt.
Phương pháp tính toán nối tiếp và tiêu năng xem các sổ tay tính toán thuỷ lực. www.Phanmemxaydung.com
353
II Tính toán thuỷ lực đường hầm có áp
1. Tính toán khả năng tháo nước
Khả năng tháo nước của đường hầm có áp xác định theo công thức của ống có áp nói
chung:
Q =
mw
r
.
,
ở đây khi cửa ra không ngập, có thể lấy
w
r
=
w
h
khi đó K
h
= 1; còn khi cửa ra ngập dưới
mực nước hạ lưu thì w
h
là diện tích mặt cắt ngang dòng chảy ở bể tiêu năng.
x
i
- hệ số tổn thất cột nước (cục bộ hay dọc đường ) tại bộ phận của đường hầm có mặt
cắt ngang tính toán là w
i
; đối với tổn thất cục bộ thì w
i
lấy tại mặt cắt sau vị trí có tổn thất,
còn đối với tổn thất dọc đường thì w
i
lấy là diện tích mặt cắt trung bình của đoạn đang xét;
K
i
= w
r
/w
i
hầm như sau:
V
1
Z.
vV
x+
w
>
ồ
x+
w
2
ii
2
h
r
KK
Z.
, (8-14)
trong đó :
x
v
- hệ số tổn thất cột nước ở cửa vào;
w
v
- diện tích mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vào ;
Z
v
- chênh lệch cao độ từ mực nước thượng lưu đến đỉnh của mặt cắt ngang cuối đoạn
355
Nối tiếp từ thượng lưu vào thân đường hầm là một đoạn có mặt cắt thay đổi gọi là cửa
vào của đường hầm. Yêu cầu của đoạn này là dòng chảy phải thuận để giảm tổn thất cột
nước và tránh hiện tượng chảy tách dòng có thể dẫn tới khí hoá và khí thực làm hư hỏng
công trình.
Cửa vào dạng vuông góc (hình 8-8a) tuy cấu tạo đơn giản nhưng tổn thất cột nước lớn
và rất dễ xảy khí thực nên ít được sử dụng. Trong điều kiện thực tế thường áp dụng loại cửa
vào lượn tròn (hình 8-8b) hay elíp (hình 8-8c).
Đối với cửa vào lượn tròn hay elíp, mức độ thuận dòng của nó được đánh giá bởi hai
thông số:
- Độ thoải của elíp K
s
= a/b, trong đó a - bán trục dài, b - bán trục ngắn của elíp. Đối
với cửa vào lượn tròn, K
s
=1.
- Độ thu hẹp tại cửa vào :
K
r
= h
v
/h
t
= 1+b/ h
t
, (8-15)
ở đây: h
t
chiều
Hình 8-10. Hệ số khí hoá phân giới K
pg
của các
cửa vào elíp
Giới hạn tách dòng
K
pg
3.4
3.0
2.6
2.2
1.8
1.4
1.0
1.21.41.61.82.02.22.4
K
r
0.6
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.51.01.52.02.5
K =3
s
K =1
s
= ; (8-17)
H
ĐT
- cột nước tính toán đặc trưng cho trạng thái làm việc thực tế cửa vào:
H
ĐT
= Z
V
+H
a
;
H
a
- cột nước áp suất khí trời, phụ thuộc vào cao độ điểm tính toán (trần mặt cắt sau
cửa vào). Trị số H
a
như ở bảng 6-8;
Z
V
- chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu và trần mặt cắt sau cửa vào của đường
hầm;
H
pg
- cột nước áp lực phân giới của nước, thay đổi theo nhiệt độ tại điểm tính toán, xem
bảng 6-9.
V
ĐT
- lưu tốc đặc trưng, lấy theo lưu tốc trung bình tại mặt cắt ngay sau cửa vào.
Khi tính toán theo (8-16) thấy không thoả mãn thì cần điều chỉnh hình dạng và kích
thước cửa vào (K
thi công phải đồng thời xét kết hợp cả hai mặt: giá thành
của đê quai thượng, hạ lưu và cường độ thi công cho
phép của các công trình chính.
Theo điều kiện thi công, kích thước của các đường
hầm không thể quá nhỏ. Nếu đục bằng thủ công thì
đường hầm tròn cần có d
1,8m; đường hầm mặt cắt
không tròn cần có B x H1,5x1,8m. Khi thi công cơ
giới, thường khống chế B x H 2,5m x 2,5m.
Hình 8-11. Để xác định đường kính
kinh tế của đường hầm thuỷ điện. 8.3 Lớp lót đường hầm
Lớp lót được bố trí bao quanh mặt cắt đường hầm để đảm bảo các điều kiện thuỷ lực,
điều kiện chịu lực và nối tiếp đường hầm với môi trường xung quanh.
I. Các hình thức lớp lót của đường hầm
1. Lớp lót của đường hầm không áp
a. Lớp lót trát trơn (hình 8-12a). Khi đường hầm đào qua tầng đá rất cứng (f
k
>10)
không có áp lực đá núi có thể sử dụng hình thức này để giảm độ nhám và bảo vệ đá núi
khỏi bị phong hoá. Lớp lót trát trơn có thể tạo bằng cách phun vữa hoặc trát.
b. Lớp lót gia cố chỉnh thể (hình 8-12b). Trường hợp áp lực đá núi không lớn, lực
kháng đàn tính có thể đảm bảo thì dùng lớp lót bê tông chỉnh thể. Đôi khi dòng nước có tính
xâm thực mạnh, có tính bào mòn lớn, dùng lớp lót bêtông không có lợi thì có thể dùng lớp
lót xây bằng đá, gạch xây. Nếu không có áp lực đá núi bên trên thì có thể dùng lớp lót hình
vòm ở trên đỉnh bằng bêtông, còn phía dưới dùng lớp lót kiểu trát trơn. Khi gặp đá mềm
k
> 14), cột nước
không lớn. Tác dụng của lớp lót chỉ nhằm giảm bớt độ nhám của đường hầm và chống
thấm.
b. Lớp lót gia cố chỉnh thể đơn: Do bêtông không chịu được ứng suất kéo lớn nên lớp
lót đơn bằng bêtông chỉ dùng trong trường hợp cột nước không lớn lắm (H < 60m), tầng đá
tương đối rắn chắc, áp lực đá núi không lớn và lực kháng đàn tính bảo đảm. Với đường hầm
cao áp (H > 60m) mà hệ số lực kháng đàn tính đơn vị của đá vào khoảng 1,0 x 10
10
N/m
2
cũng có thể dùng loại lớp lót này (hình 8-13a). Với những đường hầm có cột nước vào loại
trung bình H = 30
á
60m và đường hầm có cột nước cao (H > 60m) còn có thể dùng hình
thức lót gia cố bằng bêtông cốt thép (hình 8-13b). Khi H < 60m cũng có thể dùng lớp lót
kiểu lắp ghép nhưng chỗ nối tiếp phải bảo đảm gia cố thật tốt.
c. Lớp lót gia cố kép (hình 8-13c, d, e, f, g).
Cấu tạo: vòng ngoài làm bằng bêtông hoặc bêtông cốt thép, vòng trong là xi măng lưới
thép hoặc bằng thép. Lớp lót kép thường dùng cho những đường hầm có đường kính lớn, áp
lực đá núi và áp lực nước bên trong đều rất lớn, khi đó áp lực đá núi sẽ do vòng ngoài chống
đỡ, còn áp lực nước trong đường hầm sẽ do vòng trong và vòng ngoài cùng chịu. Đối với
3
2
0
2
3
0
340
d)
489
R
3
8
6
1.0
R
2
5
2
1.0
b)b)
www.Phanmemxaydung.com
359
những đường hầm khi thi công nếu cần tiến hành lót ngay để chống đỡ áp lực đá núi thì
dùng hình thức lớp lót lắp ghép rất tiện. Vòng ngoài dùng các kết cấu lắp ghép đúc sẵn do
đó đào đến đâu có thể lắp ngay đến đấy, lúc đó lớp lót có tác dụng chống đỡ đá núi rồi tiếp
tục thi công vòng trong.
Hình 8-13. Hình thức lớp lót của đường hầm có áp
II. Lực tác dụng lên lớp lót đường hầm
1. Lực tác dụng và tổ hợp lực.
Tất cả các tải trọng và lực tác dụng lên lớp lót đường hầm có thể phân ra thành các tải
trọng thường xuyên và tạm thời. Các tải trọng tạm thời lại được phân ra thành tải trọng tạm
thời dài hạn, ngắn hạn và đặc biệt.
Tải trọng thường xuyên tác dụng trong suốt thời gian tồn tại của đường hầm. Các tải
trọng tạm thời đặc trưng cho từng thời kỳ xây dựng hay khai thác đường hầm.
Việc tính toán lớp lót cần được tiến hành với các tổ hợp tải trọng khác nhau. Tổ hợp tải
trọng cơ bản bao gồm các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn
- Do trọng lượng đá trong vòm cân bằng 1,5
- Do trọng lượng toàn bộ đá ở vùng bị phá hoại trên đường hầm 1,1 (0,9)
2.
áp lực ngang của đá núi
1,2 (0,8)
3. Trọng lượng lớp lót 1,2 (0,9)
4.
áp lực nước bên trong (có xét đến nước va)
1,0
5.
áp lực mạch động của nước
1,2
6.
áp lực nước ngầm
1,1 (0,9)
7.
áp lực phụt vữa
1,2 (1)
8.
áp lực từ máy móc
1,2
*Ghi chú: chỉ sử dụng các hệ số lệch tải trong ngoặc đơn khi kết quả tính toán thể hiện
công trình ở trong tình trạng bất lợi hơn
2. Tính toán áp lực đá núi.
áp lực đá núi tác dụng lên lớp lót đường hầm được tính theo phương pháp vòm cân
bằng tự nhiên do Prôtôđiacanốp đề xướng. Theo đó đá núi được xem như là một thể rời quy
ước, có hệ số kiên cố là f
k
2,8-3,0 20 87
Rất
cứng
Các đá granit, poocfia thạch anh, phiến
thạch silic rất cứng; các đá quắczit ít cứng
hơn loại trên, các loại sa thạch và đá vôi
cứng nhất.
2,6-2,7 15 85
Copyright: Tài liệu đại học ©