Thiết kế đường hầm thủy công

Phần kết cấu : Tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm cho phần vòm nửa tròn của mặt cắt hầm chỉ xét áp lực đá núi và trọng lượng bản thân lớp lót... Tính toán độ d

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

2 Thông số đường hầm:

- Độ dốc đáy i

- Vật liệu gia cố: bê tông cốt thép M250

- 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

3 Thông số hạ lưu (sau cửa ra đường hầm) :

- Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6)

II Yêu cầu tính toán:

1 Phần thuỷ lực:

chế

 = 0,2h (h là độ sâu nước trong đường hầm)

H.W.r.u

Bo

L1 L Lx

MNHL

m1

18,0

m =1.5

S¥ §å TÝNH TO¸N THIÕT KÕ §¦êNG HÇM

MÆT C¾T §¦êNG HÇM

D

Rt

L=400m MÆT B»NG CöA VµO

h



 o

- Thiết kế thông khí đường hầm

- Thiết kế tiêu năng sau đường hầm (thiết kế mũi phun và vẽ tính hố xói ứng với QTK)

2 Phần kết cấu :

Tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm cho phần vòm nửa tròn của mặt cắt hầm (chỉ xét áp lực đá núi và trọng lượng bản thân lớp lót)

H.W.r.u

BÀI LÀM

PHẦN TÍNH TOÁN THỦY LỰC

1 Tính toán bán kính R t của ngưỡng vào để tháo Q TK :

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

0

Q

m 2á.H

Trong đó:

Bt : Chiều rộng tràn (m)

m : Hệ số lưu lượng tính toán, m = 0,48

2 0 0

V

2á

3 81 , 9 2 48 , 0

860

2 /

Bt = 2Rt

360

  Rt = Bt



2

1



14 , 3 2

1

.

300

2 Tính toán độ dốc i của đường hầm:

Do khống chế dòng chảy đều trong hầm sao cho dòng chảy không áp Vì vậy,



2 tk tk

Q

.C R

Trong đó :

0

0

â

H à

H



0 R

0

â

R H à

H

0 c

0

â 1

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

n

* Tính H :

H0 = Hcn + B0/2 = 4,4 + 7,8/2 = 8,3 m

H0 = h0 +  = h0 + 0,2 h0 = 1,2h0 0

0

0,83

kế đường hầm ta xác định được các thông số sau:

f = 0,80; fR = 0,31; fc = 0,88 Thay vào trên ta xác định được:

0 0

â

H à H



0

0 R

0

â

R H à

H

0,11 0

0 c

0

â 1

 C = 1 .8,30,11.0,88

Thay tất cả vào (2) ta được:



2 2

tk tk

.C R 55,11.65,33 2,57

- Chiều sâu mực nước trong đường hầm :

0

0

â 0,83 â 0,83.H

3 Thiết kế thông khí đường hầm:

3.1 Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết:

- Lưu lượng thông khí cần thiết được xác định theo công thức sau:

Qa = Qab + Qac Trong đó:

Qa : Lưu lượng thông khí cần thiết (m3/s)

thụt và được xác định theo công thức thực nghiệm sau :

H.W.r.u

Qab = 0,1.b.VTB (3) Trong đĩ : b là dãện tscâ ârnâ vãên pâân ở đlnâ véøm, céù câãềï cắ Zb

Câéïn Zb = 1,64 m >  ( = 1,38), tư ơná ư ùná vớã áéùc câắn ở tâm 0

90

 

Kâã đéù ta céù:

Bo

Hình 02: Sơ đồ tính toán diện tích hình viên phân

2 ( 1) 3, 9 ( 1)

16, 29

b

R

m

tk tk

b

.3,9 (7,8* 4, 4 ) 16,29

2

định theo cơng thức:

Qac = 0,04 Fr-40.Q (4) Trong đĩ :

Fr : Số Fr tính theo bán kính R,

2 v

Fr = 9, 65

gR

55,11

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 quá 60m/s để tránh rung động và phát ra tiếng rít

mặt cắt ngang ống dẫn khí như sau:

a

- Tính tốn độ chân khơng: Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí, xác định theo cơng thức tính tốn thuỷ động học :

a

γ

Q = μ ω 2g.h

γ

a ck

a a

a

Q

h =

γ

μ 2g.

γ

2

(5)

Trong đĩ:

thu hẹp tại cửa vào và được xác định như sau :

a

ã

 

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:

khí thẳng và ngắn nên uốn = 0, dđ = 0, bỏ qua tổn thất cửa ra nên cr = 0 Do đĩ:

i = cv + uốn + cr + dđường = 0,5

a : Dãện tscâ maqt cắt náaná cïûa éáná dẫn kâs (m2)

 và a : Lần lư ợt là tréïná lư ợná rãêná cïûa nư ớc và cïûa kâéâná kâs, tréná đãềï kãện brnâ tâïờná lấy /a = 760

- Thay tất cả vào (5) ta được:

ck

h = 0,248 m

H.W.r.u

- So sánh hck với [ hck ] = 6 m

phép

4 Thiết kế tiêu năng sau đường hầm:

4.1 Tính toán chiều sâu cột nước hạ lưu h h :

- Tính toán mặt cắt kênh theo phương pháp mặt cắt lợi nhất về thủy lực

TK

4m ã

F R

Q

Trong đó :

QTK: Lưu lượng thiết kế của kênh Qtk = 860 (m3/s)

m : Hệ số mái kênh, m = 1,5

i : Độ dốc thiết kế : i = 0,001

n : Hệ số nhám của kênh, n = 0,03

- Có F(Rln) tra bảng (8-1) Bảng tra thủy lực ta được Rln

- Với chiều rộng B = 30,0 m, lập quan hệ

ln

b

thủy lực ta được :

ln

â

ln

h R R

- Tính toán cao trình mực nước hạ lưu:

Bảng 1: Tính toán quan hệ Q ~ h h

Qxả(m3/s) F(Rln) Rln b/Rln h/Rln hh Cao trình MN

hạ lưu 150,00 0,00178 2,84 10,56 0,868 2,47 20,47 300,00 0,00089 3,68 8,15 1,001 3,68 21,68 450,00 0,00059 4,28 7,00 1,086 4,65 22,65 600,00 0,00044 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 5,47 1,231 6,76 24,76

H.W.r.u

L1 L Lx

MNHL

m1

18,0

m =1.5

h



4.2 Tính toán tiêu năng:

- Hình thức tiêu năng : Mũi phun tạo hố xói

- Chọn kích thước sơ bộ của mũi phun:

 Cao trình mũi phun : ZMũi phun = Zcửa vào – itk.Lhầm + Lmũi phun sãn0

- Chiều dài phóng xa được xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây :

â x 1

tá





Trong đó :

2

2

1



0 2

â cés

2



 Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mực nước hạ lưu :

2áZ

v cés



H.W.r.u

   



2

a

Q/ 905 / 52, 49 v

Z1 = ZMNTL - Zmũi phun

 h : Chiều cao dịng nước trên mũi phun:

1

Q â B.v



a) Xác định chiều sâu hố xĩi :

Coi chiều sâu hố xĩi bằng chiều sâu bể tiêu năng, được xác định như sau :

"

d   â  â (a) Trong đĩ :

lợi nhất về thuỷ lực như trên (tính tốn với các thơng số hạ lưu)

 â"c : Độ sâu liên hiệp với độ sâu hc tại mặt cắt co hẹp ở đáy hố sâu



c 3/ 2

t 0

F Vớã q= ; = 0,95

B

c và c

c

â   E và â   E

tốn lập lại như bước trên

E0 = ZMNTL - Zđáy sơng HL + dx = ZMNTL - 18 + dx

 Tính dx với cấp lưu lượng thiết kế được thể hiện trên bảng tính tốn dưới đây:

Bảng 2 : Bảng tính tốn chiều sâu hố xĩi dx

Q

(m 3 /s)

MNTL d xgt E 0

(m)

q (m 2 /s)

(m)

h c (m)

h h (m)

d xtt (m)

860 73,00 1,85 56,85 11,03 0,027 0,0061 0,1453 0,35 8,2574 6,76 1,91

H.W.r.u

b) Xỏc định chiều dài hố xúi:

Chiều dài hố xúi được xỏc định theo cụng thức sau:

Lx = 2.hk + 4,5.dx Với quan điểm cho rằng hố xúi cú dạng hỡnh thang, đỏy cú chiều rộng B =

xỏc định như sau :

2 3 k

q õ

ỏ





Bảng 3: Bảng kết quả tớnh toỏn chiều dài và chiều sõu hố xúi

Q

(m3/s)

H0

(m)  TL  HL

hh (m) mp

đáy sông

P (m)

Z1 (m)

V1 (m/s) hmũi

Z2 (m) tg0

L1 (m)

hc (m)

hc"

(m)

dx (m)

L m)

hk (m) Lx (m)

860 3,00 73,00 6,76 24,76 31,75 18 6,99 41,2 27,03 0,41 7,19 0,56 59,92 0,35 8,26 1,91 75,23 2,31 13,24

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:

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 :

(5-3) 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 :

P = β.γw.hp = 1.2,3.1,56 = 3,59 T/m2 Trong đó :

H.W.r.u

= 1,0

Dung trọng của đá : γw = 2,3 T/m3

Xác định trong lượng bản thân: Phần mềm SAP2000 tự tính Với chiều dày

IV Tính toán nội lực bằng pp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Sap2000

Biểu đồ áp lực đá+lớp lót

H.W.r.u

Biểu đồ lực dọc

H.W.r.u

Biểu đồ lực cắt

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

18,75 T.m

0 n b

c n

â b R m

M n K

A 

Trong đó :

n : hệ số tổ hợp tải trọng : n = 1

M : Mô mem tính toán lớn nhất của đường hầm

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

+ Tính hệ số a :   1  1  2 A

H.W.r.u

a a

0 n b

R m

â b R m

Trong đó :

Ra : Cường độ chịu kéo của cốt thép, chọn cốt thép loại CII, Ra = 2700

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

tra lại hàm lượng cốt thép tối thiểu

a a

n b max

0

a mãn

R m

R m â

b

F

















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

Tiết diện M(T.m) ho(cm) b(cm) Fa(cm) μ(%) Bố trí Fach μth(%)

1-1 9,64 26 100 15,33 0,59% 5 Φ20 15,71 0,60%