bài tập lớn thiết kế đường hầm thủy công

Phần kết cấu :  Tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm không xét đến lực kháng đàn tính... Tính tốn độ dốc i của đường hầm để tháo Q TK với độ lưu khơng cho phép 

ĐỀ SỐ 50

A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC :

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 = 945,0m3/s

2 Thông số đường hầm :

 Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B0 = 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 tông cốt thép M25

 Đá núi quanh đường hầm có w = 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 không hoàn chỉnh với góc mở a = 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 đó nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6)

B YÊU CẦU TÍNH TOÁN :

1 Phần thuỷ lực :

 Tính toán bán kính Rt của ngưỡng vào QTK

 Tính toán độ dốc i của đường hầm để tháo QTK với độ lưu không cho phép d = 0,2h (h – độ sâu nước trong đường hầm)

 Thiết kế thông khí đường hầm

 Thiết kế tiêu năng sau đường hầm (thiết kế mũi phun và vẽ đường bao hố xói)

2 Phần kết cấu :

 Tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm (không xét đến lực kháng đàn tính)

BÀI LÀM

I PHẦN THUỶ LỰC :

1 Tính tốn bán kính R t của ngưỡng vào Q TK :

 Ngưỡng tràn kiểu ngưỡng thực dụng, lưu lượng tháo qua đập tràn được xác định theo cơng thức sau :

0

Q

Q mB 2gH B = (*)

m 2g.H

Trong đĩ :

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 :

2 0 0

V

H H

2g

  do bỏ qua lưu tốc đến gần nên ta cĩ : H0  Ht = 3,0m

 Thay tất cả vào (*) ta được :

Lê Minh Hoàng Trang 2

3 3

945 2 0,.48 2.9,81.3

tk t

o

Q B

 Để thi cơng thuận lợi, chọn Bt = 86m

 Do mặt cắt khống hồn chỉnh với gĩc mở rộng = 3000, vì vậy bán kính đến tuyến ngưỡng tràn Rt được xác định như sau :

360

2 t 

B  =>





360 2

1

t

R  =86 1 360

2 300=16,43m

2 Tính tốn độ dốc i của đường hầm để tháo Q TK với độ lưu khơng cho phép = 0,2h (h – độ sâu nước trong đường hầm).

 Do khống chế dịng chảy đều trong hầm sao cho dịng chảy khơng áp vì vậy độ sâu dịng chảy đều h0 cĩ quan hệ với độ dốc dọc của đường hầm i như sau :

Lưu lượng qua hầm được xác định : Qtk .C Ri i Qtk 2 (**)

.C R



Trong đĩ :

Các đặc trưng , C, R đều tính với dịng đều h0

0

0

h

H f

H



 

   

  0 R 0

0

h

R H f

H

 

  0,110 c 0

0

h 1

C H f

 

 

H0 : Chiều cao tồn bộ của mặt cắt (m)

Các trị số f, fR, fc tra trên đồ thị hình (4-6) ứng với trị số h0/H0 ứng với hệ số Sedy theo Pavlopxki C 1R với y = 0,11y

n

 Tính H :

H = Hcn + B0/2 = 4,4 + 8,0/2 = 8,40m

 Để chảy khơng áp, phải khống chế độ lưu thơng = 0,2h0

H = h0 +  = h0 + 0,2 h0 = 1,2h0

83 , 0 2 , 1

1

0







H h

H

h0 0,83

o

h

2 , 0



  = 0,2.6,97 =1,39m

 Cĩ tỷ số h0/H0 = 0,83 tra biểu đồ hình 4.6.a trang 27 giáo trình “Thiết kế đường hầm thủy cơng” ta xác định được các thơng số sau :

f = 0,8 ; fR = 0,31; fc = 0,88

 Thay vào trên ta xác định được :

H f 8, 4 0,8

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

f H n

C 1 0 , 11

 = 1 8, 4 0,880,11

0,017 =65,42 Thay tất cả vào (**) ta được :

2 2

tk tk

i

.C R 56, 45.65, 42 2, 60



Vậy chọn độ dốc dốc hầm là i tk = 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 đĩ :

QaK : Lưu lượng khơng khí cần thiết (m3/s)

QaB : Lưu lượng khí bị cuốn vào vùng tách dịng sau ngưỡng, khe van, bậc thụt và được xác định theo cơng thức thực nghiệm sau :

QaB = 0,1.Lb.hb.VTB (***) Trong đĩ :

hb : Chiều cao ngưỡng: hb =  = 1,39m

 lb : Chiều dài ngưỡng : lb = 0

2

B R

  =3,14.8,0

2 = 12,56m

 VTB : Lưu tốc của dịng chảy trước vị trí tách dịng, được xác định như sau :

   

tk

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 dịng chảy

QaC = 0,04 Fr-40.Q (4) Trong đĩ :

 Q: Lưu lượng nước, Q = 945 m3/s

 Fr : Số Fr tính theo bán kính R,

2

v

Fr = 10,97

gR 

v : Lưu tốc bình quân của dịng chảy , v = Q56, 45945 

 16,74m/s

Lê Minh Hoàng Trang 4

Vì Fr = 10,97 < 40 nên không có tự hàm khí  không tính QaC

Vậy QaK = QaB = 29,88 m3/s

b) Tính toán tiết diện ống dẫn khí :

* Chọn lưu tốc khí trung bình trong ống thông khí là Va = 40 m/s < 60 m/s

 Diện tích mặt cắt ngang của ống thông khí là:

a aK a

Q 29,88 =

V 40

* Kiểm tra lại độ chân không tại cửa ra ống thông khí với a= 0,75 m2

 Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí, xác định theo công thức tính toán thuỷ động học :

a

γ

Q = μ ω 2g.h

γ

aK ck

a

Q

h =

γ

μ 2g

γ





2

Trong đó :

 a : Hệ số lưu lượng của ống dẫn khí, phụ thuộc vào hình dạng và mức độ thu hẹp tại cửa vào và được xác định như sau :

a

i

μ = = = 0,82 1+ ξ 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 :

i = cv + uốn + cr + dđường = 0,5 Thiết kế cửa vào không thuận, tra bảng ta được :cv = 0,5, do thiết kế đường ống dẫn khí thẳng nên uốn = 0, do đường ống dẫn khí ngắn nên bỏ qua tổn thất dọc đường nên

dđ = 0, bỏ qua tổn thất cửa ra nên cr = 0

 aK : Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí (m2)

  và a : Lần lượt là trọng lượng riêng của nước và của không khí, trong điều kiện bình thuờng lấy /a = 760

 Thay tất cả vào (5) ta được: hck = 0,16 m

 So sánh hck với [ hck ] = 6 m

hck = 0,16m < [ hck ] = 6m  nên độ chân khơng nằm trong giới hạn cho phép

* Kết luận: Tiết diện ống thơng khí là a= 0,75 m2

 Hoặc mặt cắt hình trịn với bán kính ống r = 0,49 m

 Hoặc mặt cắt hình vuơng 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 h h :

 Cao trình đáy kênh: Zđáy = 18,0

 Chiều rộng kênh: B = 30,0 m

 Hệ số mái kênh: m = 1,5

 Hệ số nhám lịng kênh: n = 0,03

 Độ dốc đáy kênh: i = 0,001

 Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xĩi K = 1,6)

Tính hh theo phương pháp thử dần

Lập bảng tính tốn với các thơng số sau:

Ri C

Q ; b mhh; 2

m 1 h 2









R C

K ; 17.72lgR

n

1

Giả thiết chiều sâu mực nước trong kênh, khi nào giá trị lưu lượng tính ra tương ứng bằng lưu lượng thiết kế QTK = 945 m3/s thì dừng lại và giá trị giả thiết chính là giá trị cần tìm

Bảng1: Tính chiều sâu mưc nước trong kênh ứng với lưu lượng thiết kế

No h k (m) w(m 2 ) c(m) R(m) C(m 0.5 /s) K(m 3 /s) Q(m 3 /s)

1 5.000 187.500 48.028 3.904 43.815 16232.20 513.31

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

5 6.800 273.360 54.518 5.014 45.741 27998.68 885.40

6 7.052 286.134 55.425 5.163 45.965 29883.51 945.00

Theo bảng tính tốn ta chiều sâu mực nước trong kênh hạ lưu là hh = 7,052m ứng với lưu lượng thiết kế QTK = 945 m3/s

4.2) Tính tốn hố xĩi :

Lê Minh Hoàng Trang 6



hố

rơi

cd

L

MNHL Đáy kênh hl

b

h

P S2

a Tài liệu tính toán

- 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

- Vận tốc dòng chảy cửa ra : Vcửa ra = 16,74 m/s

- Lưu lượng tính toán : Qtk = 945 m3/s

- Cao trình đáy kênh hạ lưu : đáy kênh = 18 m

- Mực nước đầu kênh hạ lưu : đầu kênh = 18 + 7,052 = 25,052 m

- Chọn góc nghiêng mũi phun :  =200 hay imũi =sin = 0,342

- Chọn chiều dài mũi phun : Lmũi = 2m

- Chiều cao mũi phun: : hmũi = imũi.Lmũi=0,684m

- Cao trình mũi phun: : mũi = cửa ra+ hmũi = 30 + 0,684 = 30,684 m

b Xác định chiều dài nước rơi L rơi

Ta sẽ tính toán 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 công thức sau:

0

S 0,5h

L 2 .H 1 i i i

.H

(6)

Trong đó:

 : hệ số lưu tốc,  = 1

 h: chiều sâu dòng chảy cuối mũi phun Coi h = hcd (do Lmũi phun nhỏ)

 im : độ dốc mũi phun, im = sin

 S2 : khoảng cách từ mũi phun đến đáy kênh hạ lưu

 H0 : cột nước lưu tốc cuối mũi phun

 E0 : năng lượng toàn phần của dòng chảy tại mũi phun lấy với đáy kênh hạ lưu

E0 = cửa ra– đáy kênh + h + Vcuara2

2g



(9)

Bảng 2 :Bảng tính tốn chiều dài nước rơi Lrơi

 imũi

hmũi ( m )

mũi ( m )

S2 ( m )

E0 ( m )

HO ( m )

LRơi ( m )

20 0.342 0.684 30.684 12.684 33.257 17.087 44.097

c Xác định chiều sâu hố xĩi

- Tính tốn hố xĩi sau máng phun nhằm mục đích xác định được mức độ xĩi lở phía sau cơng trình để tính chiều dài máng và độ sâu đặt mĩng trụ máng phù hợp, đảm bảo an tồn cho cơng trình

- Việc xác định kích thước và chiều sâu hố xĩi cĩ 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 xĩi được xác định theo cơng thức:

h cp

V V

q N

'

sin



(10)

Trong đĩ:

 N: hệ số phụ thuộc khoảng cách Z từ đáy mũi phun đến mực nước hạ lưu Tra bảng 2.4 trang 46 “Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu cơng trình tháo”

P = mũi – mực nước hl  N

 q: lưu lượng đơn vị q = Q 945

B30 = 23,50 (m3/s.m)

 hh : chiều sâu dịng nước trong kênh hạ lưu, hh = 7,052 m

 V’: vận tốc dịng phun tại chỗ gặp mặt nước hạ lưu

 Vcp: vận tốc khơng xĩi 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)

 ’: gĩc dịng phun hợp với đáy kênh hạ lưu, được tính từ cơng thức:

cos’ = cos

'

V

Lê Minh Hoàng Trang 8

 V: tốc độ tại chỗ tới dòng gặp đáy kênh hạ lưu, tính theo công thức:

V 2g.(S 0,5.h ) = 2

V 2g.(S 0,5.h ) (13)

  tính theo công thức, cos =

0

0

2)

1 (

E

H

i m

Lập bảng tính chiều sâu hố xói với nhiều góc  khác nhau

Bảng 3 : Bảng tính chiều sâu hố xói

 imũi

muõi

(m)

S2

(m)

Ho

(m)

V (m/s)

V' (m/s)

cos



cos

'

P (m) N

sin

'

dh

(m) 2

0

0.34

2

30.68

4

12.68 4

17.08 7

34.59 9

22.67 5

0.4

5 0.69

5.6 3

5.9 5

0.7

2 4.95

d Chiều rộng hố xói

Chiều rộng hố xói theo phương ngang:

bhố =

cp

V

q

= 31,505,6 5,63m

 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 : dhx = 4, 7 m

- Chiều dài hố xói : Lhx =20 m

- Chiều rộng đáy hố xói : bhx = 5,6 m

- Hệ số mái dốc hố xói : m = 1,5

PHẦN 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)

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 cơng trình thuỷ lợi các quy định chủ yếu về thiết kế

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 W = 2,3 T/m3

 Lực dính đơn vị C =

 Gĩc ma sát trong của đá  =

1 Tính tốn lực tác dụng.

Xét cho 1 m chiều dài đường hầm

Đá núi cĩ 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 cĩ thể tính theo cơng thức sau:

hp = Ka.B0; Trong đĩ:

 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

Từ đĩ hp = 0,2 8,0= 1,60 m

 Áp lực thẳng đứng tác dụng lên đỉnh vỏ đường hầm được xác định như sau:

P1 = .w.hp Trong đĩ:

  - hệ số phụ thuộc vào bề rộng đường hầm,

với B0 = 8,0m > 7,5 m thì  = 1.0

Lê Minh Hoàng Trang 10

 Dung trọng tự nhiên của đá núi W = 2,3 T/m3

 P1 = 1 2,3.1,60 = 3,68 T/m

 Trọng lượng bản thân lớp lót:

Chọn chiều dày lớp lót t = 0,45m

P2 =  R t = Bo

.t 2

 = 5,65 T/m

2 Tính toán nội lực bằng pp phần tử hữu hạn thông qua PM Sap2000 :

a) Tính theo 3D:

Mômen M11( theo phương dọc) ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

Mômen M22( theo phương ngang) ứng với tổ hợp áp lực đá và trọng lượng bản thân

b) Tính theo 2D:

Trọng lượng bản thân

Áp lực đá

Lê Minh Hoàng Trang 12

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

3 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 ta được Mmaxtrong = 18,80 T.m

0 n b

c n h b R m

M n K

A 

Trong đó :

Mác bê tông M250  Môđun đàn hồi Eb = 2,65.106 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 : Mômen 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

b : Chiều rộng băng tính cho b = 1m dài

h0 : Chiều cao hữu ích của tiết diện tính toán

 Tính hệ số a :  1 1 2A

 Tính Fa :

a a

0 n b R m

h b R m

Trong đĩ :

Ra : Cường độ chịu kéo của cốt thép, Ra = 2700 Kg/cm2

ma : Hệ số điều kiện làm việc của cốt thép : ma = 1,1

 Căn cứ vào Fa tính tốn tra bảng và chọn cốt thép hợp lý, rồi sau đĩ kiểm tra lại hàm lượng cốt thép tối thiểu

a a

n b max

0

a

R m h

b

F















 Với min 0,15% Là hàm lượng cốt thép tối thiểu, được tra theo quy phạm

B ng tính tốn k t c u v đ ng h mảng tính tốn kết cấu vỏ đường hầm ết cấu vỏ đường hầm ấu vỏ đường hầm ỏ đường hầm ường hầm ầm

Nội lực Hệ số tính tốn Tính Fa (cm 2 ) và chọn Thép cấu tạo

Q

(Tm)

M (T/

m) A a 0 Fa tt Fa chọn Rebars Fa tt Fa chọn Rebars

Lê Minh Hoàng Trang 14