TÀI LIỆU CHO TRƯỚC: Hồ chứa H có đường hầm dẫn dòng thi công, kết hợp tháo lũ lâu dài 1... Phần thuỷ lực: Tớnh toỏn bỏn kớnh Rt của ngưỡng vào để thỏo QTK với cột nước Ht đó khống chế;
Trang 1THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG
ĐỀ SỐ: 4
A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC:
Hồ chứa 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 = 680(m3/s)
2 Thông số đường hầm:
Mặt cắt chữ nhật + vòm 1/2 hình tròn có:
+ Bề rộng: B0 = 8,4m;
+ Chiều cao phần chữ nhật: Hcn = 5m;
+ Có vát góc ở đáy (theo mặt cắt tiêu chuẩn);
Chiều dài đường hầm: L = 400m;
Độ dốc đáy i;
n: Hệ số nhám đáy đường hầm n = 0,014;
Vật liệu gia cố: Bêtông cốt thép M250;
Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3T/m3;
Hệ số kiên cố fk = 6,5; nứt nẻ trung bình;
Phần vào để tháo nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D=8,5m; ngưỡng thực dụng có P = 3,0m; m = 0,48; bố trí theo tuyến tròn không hoàn chỉnh với góc mở = 300o; bán kính đến tuyến ngưỡng tràn là Rt
3 Thông số hạ lưu (sau cửa ra đường hầm):
Z đáy = 18,0; B = 30,0m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001;
Nền nứt nẻ trung bình (hệ số xói k = 1,6)
Trang 2B-YấU CẦU TÍNH TOÁN:
1 Phần thuỷ lực:
Tớnh toỏn bỏn kớnh Rt của ngưỡng vào để thỏo QTK với cột nước Ht đó khống chế;
Tớnh toỏn độ dốc i của đường hầm để thỏo QTK với độ lưu khụng cho phộp =0,2h (với h là độ sõu nước trong đường hầm);
Thiết kế thụng khớ đường hầm;
Thiết kế tiờu năng sau đường hầm (thiết kế mũi phun và vẽ đường bao hố xúi ứng với QTK)
2 Phần kết cấu:
Tớnh toỏn nội lực và bố trớ cốt thộp trong lớp lút đường hầm tớnh cho phần vũm nửa trũn của mặt cắt hầm (chỉ xột ỏp lực đỏ nỳi và trọng lượng bản thõn lớp lút, khụng xột đến lực khỏng đàn tớnh)
MNLTK = 73m
MNDBT = 70m Ht
P
D
h Zm
a
Rt
MNHL 40
i
m=1.5
Lỗ thông khí
Tuyến đ ờng hầm
Đá núi = 2.3T/m3
L = 400m
h
Z2
18 S2
S1 S
Dx hh
L1 L Lx sơ đồ tính toán thiết kế đ ờng hầm
60°
Lỗ thông khí D
Rt
Hcn
R H
Bo
h Mặt bằng cửa vào
Mặt cắt đ ờng hầm
Trang 3C- TÍNH TOÁN
1 Thủy lực:
1.1 Tính bán kính Rt:
Ngỡng tràn tháo nớc kiểu thực dụng, xuất phát từ công thức đập tràn:
3/2
Q mB 2gH => t o3/2
Q B
m 2gH
(1) Trong đó
Q: Lu lợng thiết kế, Q= Qtk = 680m3/s
m: Hệ số lu lợng , m =0,48
B0: Chiều rộng tràn
H0 - Cột nớc có kể lu tốc tới gần
0
Q V
t t
Giả thiết v0=0, thay số vào (1) đợc Bt=61,55m Tính ngợc lại V đợc v=1,84m/s
H02=3+
2 1,84
3,17 2.9,81 m Tính lại Bt
1= 56,59m Tính lại một lần nữa ta đợc
v02=2m/s, và Bt2 = 55,60m Vậy lấy Bt=55,60m
Ta cú
o t
t
B x360
2π R
=>
o t t
B x360 55,60.360
1.2.Tớnh độ dốc i của đường hầm
- Độ dốc i của đường hầm phải đảm bảo thỏo được lưu lượng thiết kế , khống chế điều kiện h
Theo cụng thức dũng đều trong kờnh ta cú QC Ri =>
2
2 2
Q i ωCR C R
(2) Trong đú
- Q: Lưu lượng thiết kế bằng 680m3/s
- i: Độ dốc đường hầm
Trang 4C: Hệ số Seri,
0.11 1
( / )
C o
n
w : Diện tớch mặt cắt ướt ,w = H2.fw(ho/H) (5) H: Chiều cao toàn bộ , H=Hcn + R = 4,2+5 = 9,2m
0,833
H h 0.2h 1.2 => o 1.2
H
7,67m =>
Tra đồ thị 4-6a-Bài giảng thiết kế đường hầm thủy cụng ta được
fw =0,8 fR = 0,31 fC =0,88
Thay vào cỏc cụng thức (3) đến (5) ta được
w = 56,43m2 R = 2,38m C=66,86
Thay vào cụng thức (2) ta được
ωCR C R 56, 43 66,86 2,38
Vậy độ dốc đường hầm i = 0,0157 = 1,57%
1.3.Thiết kế thụng khớ đường hầm
a, Bố trớ thụng khớ
Hcn
R H
Bo
Zb
h Mặt cắt đ ờng hầm
- Bố trí vật cản (bậc) ở đoạn đầu hầm ngang nối tiếp với đoạn cong để tạo dòng không áp trong hầm ngang Chiều cao vật cản chọn Zb = d Diện tích vật cản chính là diện tích chiếm chỗ của vật cản trong hầm
Trang 5R Zb Cos
R
.2 1 3,14.4, 2 2.50,586 1
R
- Bố trí ống thẳng có diện tích mặt cắt ngang là wa, miệng trên cùng cao hơn MNLTK là 3m Đầu dới cùng ở trần đờng hầm phía sau vật cản
- Chiều dài La= MNLTK +3- ∇ cv – H = 26,8m
b, Lưu lượng thụng khớ cần thiết Q ak
Khi sau cửa van là khụng ỏp , chiều dài đường dẫn nhỏ, cụng thức tớnh toỏn lượng thụng khớ cần thiết Qak =Qab + Qac
Trong đú Qak- Lưu lượng thụng khớ cần thiết
Qab- Lưu lượng khớ bị cuốn vào vựng tỏch dũng sau ngưỡng, xỏc định theo cụng thức thực nghiệm QaB = 0.1 Wb VN với Vn là lưu tốc bỡnh quõn của dũng chảy tại ngưỡng (vật cản)
680
11,11 68,12 6,92
N
Q V
b
m/s Trong cụng thức trờn là diện tớch mặt cắt đường hầm
R
Qac- Lưu lượng tự hàm khớ trờn mặt thoỏng dũng chảy , xỏc định theo cụng thức Ixantrenco
0.01 40.
aC
Q Fr Q Do Fr<40 nờn coi như khụng cú tự hàm khớ Vậy lưu lượng thụng khớ cần thiết là Qak= Qab = 7,69m3/s
c, Tiết diện ống thụng khớ
- Diện tớch mặt cắt ngang ống thụng khớ xỏc định theo cụng thức sau
2
aK a aK ck
a
Q g h
Trong đú àa: Hệ số lưu lượng ống thụng khớ lấy bằng 0,8
Trang 6waK: Diện tích mặt cắt ngang ống thông khí
hck: Độ chân không ở trần hầm
- Chiều cao thông khí tương đương
6,92
0,82
8, 4
b
Bo
- Chiều cao cột nước tương đương ht=ha + h0 =8,49m
Tính các hệ số
8, 49
8, 4 0,82
0,098
8, 4
400
47,62
8, 4
T
a
h
Fr
Bo
h
Bo
L
Bo
- Tra hình 4.9b (Công trình tháo lũ) ta thấy đây là điểm cần thông khí
- Chọn 2
a aK
Bo
-
a aK
X
Bo ha
0,61
- Ta có
* X 2YL
q
với
Bo
ha 10,19>7 nên q 1
Vậy
* 0,61 2 400
1 0,82
Y
q
Ta có bảng như sau
Y 0.0005 0.001 0.0015
Vẽ phương trình q* lên đồ thị 4.11 ta có q* = 0,8 với Y =0,002
- Ta có
N ck
g ha
0,014m
- Q a q q Bo haV * . N 1.0,8.8, 4.0,82.11,1161,52m2
-780 2 4, 234 2.9,81.0, 014 61,52
1
aK a aK ck
a
Q g h
m2
- Ta thấy Qa=Qak nên lấy Qak=61,52m2
- Vậy
0,8
a aK aK
a
5,29m2 =>
61,52
11,63 /
5, 29
aK aK
aK a
Q
< 60 m/s
Trang 7- aK 3, 2min= 0,04 W = 3,41m2
- Đường kính ống thông khí D = 2,6m Chọn D=2,6m.
1.4.Tiêu năng sau đường hầm
Đường hầm có lòng dẫn hạ lưu nền đá nứt nẻ trung bình=> Áp dụng kiểu tiêu năng bằng mũi phun
a, Tính thủy lực hạ lưu
Tính toán mực nước hạ lưu theo phương pháp thử dần trong excel (dùng hàm goalseek)
Ta có QC Ri, b mh h , b 2h 1m2 , R
Hạ lưu có Zđáy = 18m, Qtk =885m3/s, B=30m, m=1.5, n=0.03, i=0.001
Tính toán được MNHL ứng với các cấp lưu lượng như sau
100 1.98 65.187 37.129
200 2.98 102.53 40.726
300 3.77 134.37 43.588
400 4.45 163.23 46.046
500 5.06 190.11 48.236
600 5.61 215.55 50.230
680 6.02 235.08 51.714
Vậy mực nước sông cao nhất ở hạ lưu là 24,02m
Trang 8b, Thiết kế mũi phun
- Chọn chiều dài mũi phun là 3m
- Chọn góc mũi phun là 30 độ
- Vậy cao trình đỉnh mũi phun = 40-400*i+tg30.3= 35,43 m
c, Đường bao hố xói
-Giả thiết các cấp lưu lượng từ Qmin đến Q thiết kế Nối các điểm ngoài cùng của hố xói
ta được đường bao hố xói Trình tự tính toán như sau
-Chiều dài phun xa của dòng tia có độ dốc nghịch xác định theo công thức
sin cos cos sin 2 ( )
L
g
Trong đó hệ số phụ thuộc p tra bảng 3-10 công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi
- Vận tốc rơi của dòng tia v v2xv2y; v x ;v v y 2 (g p h )
- Góc nghiêng của dòng tia
2 (g p h)
tg
v
- Chiều sâu hố xói lớn nhất t=h+2Ltgα khi θ<100 và khi θ>100 thì t=L.sin θ trong đó
L =
0
1, 4 lg
cp
v
q
a vx
với a=0,7-0,8- hệ số giảm sóc lưu tốc ( Phương trình của luồng nước chảy loe rộng trong hố xói) , q- lưu lượng đơn vị tại chỗ luồng nước rơi, vcp- lưu tốc cho phép với đất nền Đá nứt nẻ trung bình vcp = 6.9m/s
- Cao độ hố xói = MNHL – t
- Chiều dài hố xói theo hướng dòng chảy Lx=4.5dx+2hpg
0 70.00
100 70.84 19.98 0.94 20.00
0.3
4 0.940 25.04 0.06 1.98 44.85 23.54
200 71.33 20.98 0.91 20.00
0.3
4 0.940 25.21 0.13 2.98 47.03 22.94
300 71.74 21.77 0.89 20.00
0.3
4 0.940 25.35 0.19 3.77 48.87 22.68
400 72.11 22.45 0.88 20.00
0.3 0.940 25.48 0.26 4.45 50.39 22.42
Trang 9500 72.44 23.06 0.87 20.00
0.3
4 0.940 25.60 0.32 5.06 51.77 22.27
600 72.76 23.61 0.87 20.00
0.3
4 0.940 25.71 0.38 5.61 53.21 22.37
680 73.00 24.02 0.87 20.00
0.3
4 0.940 25.79 0.43 6.02 54.28 22.44
(m3/
100 5.95 24.28 0.253 14.19 1.62 6.90 0.70 1.59 0.39 17.61 0.65 3.05
200 7.1 24.02 0.310 17.20 3.25 6.90 0.70 3.17 0.94 17.06 1.02 6.266
300 7.89 24.01 0.348 19.17 4.87 6.90 0.70 4.75 1.56 16.44 1.34 9.71
400 8.46 23.97 0.377 20.66 6.50 6.90 0.70 6.33 2.23 15.77 1.63 13.3
500 8.93 24.00 0.401 21.86 8.12 6.90 0.70 7.92 2.95 15.05 1.89 17.04
600 9.43 24.27 0.422 22.86 9.75 6.90 0.70 9.57 3.72 14.28 2.13 20.99
680 9.79 24.48 0.436 23.57 11.05 6.90 0.70 10.90 4.36 13.64 2.32 24.25
2.Kết cấu
2.1.Trường hợp tính toán
- Tính toán cho vòm nửa tròn ở đỉnh Sơ đồ vòm thấp
- Đường hầm không có nước
2.2 Tải trọng tính toán
- Áp lực đá núi -Hệ số vượt tải n=1,5- Phân bố đều được tính theo sơ đồ vòm phá hoại, với fk >4 và B0>6m, áp lực đá núi tính theo công thức (11) theo HDTL C3-77
d H
qtc h = 2,3.1,68=3,86T/m với hH = k1.B0 = 0,2.8,4 = 1,68m (đá nứt nẻ trung bình)
Trang 10- Trọng lượng bản thân - Hệ số vượt tải n=1,1- Phân bố đều với giá trị
b 0, 4.2, 4 0,96 / 2
= 2,4T/m3 và h: chiều dày lớp áo hầm, chọn h=0,4m
- Bỏ qua lực kháng đàn tính và áp lực nước ngầm
- Vậy tổng áp lực phân bố tính toán qtt=(1,5.3,86+1,1.0,96).b=6,85.1= 6,85T/m với b là bề rộng tính toán , lấy bằng 1m.s
2.3 Xác định nội lực vòm theo phương pháp cơ học kết cấu
qtt
B
A
X2
x
y O
X1
A i p
q
- Phương trình chính tắc của vòm khi không xét đến biến vị chân vòm
1 11 2 12 1p
1 21 2 22 2p
- Moment và lực dọc tại mỗi mặt cắt trên đỉnh vòm
- Tính toán các hệ số trong phương trình chính tắc
Với X1=1 =>
1 1
1 0
M N
, Với X2=1 =>
2
2 cos
2sin2
2
Trang 11/2 11
0
22
3 22
2
12 21
0
2
(1 cos ) (1 cos ) cos cos
1
2
d
R
/2
2 1
0
2 2
1
p
p
d
- Thay số với betong M250 có E = 2,65.1e6T/m2, J = 5,33e-3 m4, bánh kính R=4m, tải trọng qtt = 6,576 T/m ta được
11
22
12 21
1
2
4,67 4 1,87 3 7,12 4
1, 4 2 3,39 2
p
p
e e e E e
- Vậy ta có phương trình chính tắc như sau
Giải phương trình được X1=5,58 và X2=16
- Vậy phương trình moment và lực dọc tại các mặt cắt
Q Qb 16.sin
Trang 12Ta có bảng tính toán M,N, Q tại các mặt cắt ứng với các góc tương ứng như sau
12,8m
5,8Tm
5,6Tm
Moment (Tm)
axial force (T) 44,9T
33,9T
21,3T 16,0T
16T
shear force (T) 1,1T
5T
0
2.4 Tính toán bố trí cốt thép
Tính toán bố trí cốt thép theo quy trình thiết kế bê tông cốt thép thủy công, cấu kiện chịu nén lệch tâm
Trang 13Công trình cấp III có Kn=1,15 Tổ hợp cơ bản nc=1
Thép CIII, có Rs=3400kg/cm2 BT M250 có Rk = 8,8kg/cm2, Rn=1100kg/cm2 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ a=5cm
Hệ số điều kiện làm việc của bê tông mb=1, của thép ma=1,15
Hàm lượng cốt thép tối thiểu lấy bằng 0,05%=> Fa=Fa'=1,75cm2
-Kết quả tính toán trên chưa xét tới áp lực nước ngầm, khi mực nước ở mực nước
lũ thiết kế, áp lực ngầm là rất lớn Kết quả tính toán ở trên chưa phải là kết quả bố trí cốt thép cuối cùng