2. Thông số đường hầm: Mặt cắt chữ nhật với vòm 12 hình tròn, có bề rộng B0 = 8.40 (m); Chiều cao phần chữ nhật: H1 = 5.00 (m); góc vát ở đáy theo mặt cắt tiêu chuẩn. Chiều dài đường hầm: L = 400 (m) Vật liệu gia cố: Bê tông cốt thép M25; Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3 Tm; hệ số kiên cố: fk = 6.50 Phần cửa vào để thoát nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D = 8,2 m; ngưỡng thực dụng có P = 3m, 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 sông hạ lưu( Sau cửa ra đường hầm): Zđáy = 18,0; B = 30,0 m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001; nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói K = 1,6).
Trang 1ĐỀ BÀI
A- TÀI LIỆU CHO TRƯỚC
Hồ chứa H có đường hầm dẫn dòng thi công, kết hợp tháo lũ
1 Thông số hồ chứa: Công trình cấp II
- MNDBT: 70,0
- MNLTK: 73,0 (Ht = 3 m)
- Zđập = 75,0
- Zcửa vào đường hầm = 40,0
- Công trình cấp II
- Lưu lượng tháo lũ: QTK = 980.00 (m3/s)
2 Thông số đường hầm:
- Mặt cắt chữ nhật với vòm 1/2 hình tròn, có bề rộng B0 = 8.40 (m); Chiều cao phần chữ nhật: H1 = 5.00 (m); góc vát ở đáy theo mặt cắt tiêu chuẩn
- Chiều dài đường hầm: L = 400 (m)
- Vật liệu gia cố: Bê tông cốt thép M25;
- Đá núi quanh đường hầm có w = 2,3 T/m; hệ số kiên cố: fk = 6.50
- Phần cửa vào để thoát nước lâu dài bố trí kiểu giếng đứng có đường kính D =
8,2 m; ngưỡng thực dụng có P = 3m, 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 sông hạ lưu( Sau cửa ra đường hầm):
Zđáy = 18,0; B = 30,0 m; m = 1,5; n = 0,03; i = 0,001; nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói K = 1,6)
B- YÊU CẦU TÍNH TOÁN
Trang 21 Tính toán thuỷ lực:
- Tính toán bán kính Rt của ngưỡng vào để tháo được QTK
- Tính toán độ dốc i của đường hầm để tháo được QTK với độ lưu không cho phép
= 0,2.h ( h là 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 Tính toán kết cấu:
Tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong lớp lót đường hầm( không xét lực kháng đàn tính)
Trang 3TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM
I TÍNH TOÁN THUỶ LỰC
1 Tính bán kính ngưỡng vào R t
Phần cửa vào được bố trí kiểu giếng đứng chảy không ngập với ngưỡng thực dụng nên lưu lượng tháo qua đường hầm được tính như lưu lượng chảy qua đập tràn, theo công thức:
2 / 3 0 2
m
Trong đó:
+ m : Hệ số lưu lượng của ngưỡng tràn, m = 0,48
+ H0 : Cột nước toàn phần trên ngưỡng tràn
Bỏ qua lưu tốc tới gần V0 : H0 = Ht = MNLTK - MNDBT = 73 - 70 = 3 (m)
+ Bt : Bề rộng cửa vào
Để tháo được lưu lượng thiết kế thì bề rộng cửa vào phải là:
923
84,36 ( )
TK t
t
Q
Do cửa vào bố trí theo tuyến tròn không hoàn toàn với góc mở = 300o nên bề rộng cửa vào chính là phần chu vi tuyến tròn vào
Gọi Rt là bán kính ngưỡng vào, ta có:
16,11 ( )
t
B
2 Tính độ dốc i của đường hầm
Ta cần tính độ dốc i để tháo được QTK với độ lưu không cho phép = 0,2.h; (h
là độ sâu nước trong đường hầm)
Mô hình tính toán thuỷ lực trong bài toán này là dòng chảy đều trong kênh hở
Theo công thức : Q C R i
)2
.
(
R C
Q i
Trong đó:
Trang 4+ : Diện tích mặt cắt ướt
+ R: Bán kính thuỷ lực mặt cắt ướt
+ C: Hệ số Sedy
Các hệ số , C, R đều tính với độ sâu dòng đều ho Tuỳ theo dạng mặt cắt đường hầm các đặc trưng thuỷ lực trên được xác định như sau:
H2 f( ho / H )
R H fR( ho / H )
1 H0 , 11 f ( h / H )
n
Trong đó:
+ H: Chiều cao toàn bộ của mặt cắt
+ f, fR, fC : Các trị số tra trên đồ thị hình (4-6)a ứng với trị số ho/H
Đồ thị này được lập khi tính hệ số Sedy theo Pavlopxki
+ n: Hệ số nhám đáy đường hầm, vật liệu BTCT M25: n = 0,014
Do ho là độ sâu dòng đều trong đường hầm với độ lưu không = 0,2.h = 0,2.ho
Nên chiều cao toàn bộ mặt cắt được tính là:
H = HCN + R = ho + = ho + 0,2.ho = 1,2.ho = 4,2 + 4,25 = 8,45 (m)
ho/H = 1/1,2=0.833 h0=0,883 8,45=7,04(m) = 0,2.7,04=1,41(m)
Tra đồ thị (4-6)a ta có: f = 0,91
fR = 0,31
fC = 0,88
= 8,452.0,91.0,883 = 54,15
R = 8,45.0,31.0,883 = 2,18
1 0,11
.8, 45 0,88.0,883 66, 24 0,014
Thay số ta có:
Trang 52 932 2
TK
Q i
C R
Kiểm tra lại độ lưu không đã chọn:
+ Lưu tốc bình quân mặt cắt: 932
17, 21 ( / ) 54,15
TK
Q
+ Số Frut tại mặt cắt kiểm tra:
2 17, 212
13,83 9,81.2,18
V Fr
g R
Thỏa mãn Fr=10-20 Độ lưu không thỏa mãn
3 Thiết kế thông khí đường hầm
a Tính toán lưu lượng thông khí cần thiết:
Từ tính toán ở trên, ta có:
- Chiều sâu dòng chảy trong đường hầm là: h0 = 8, 451, 2 = 7,04 (m)
- Chiều dài đường hầm là: L = 400 (m)
Ta tính toán theo trường hợp chiều dài đường dẫn nhỏ: QaK = QaB
Trong đó: + QaK: lưu lượng thông khí cần thiết
+ QaB: lưu lượng khí bị cuốn vào vùng tách dòng sau ngưỡng, được xác định theo công thức thực nghiệm:
QaB = 0,1.lb.hb.VTB Trong đó: + hb: chiều cao ngưỡng, hb = P = 3 (m)
+ lb: chiều dài ngưỡng, lb = Bt = 84,36 (m)
+ VTB: lưu tốc bình quân của dòng chảy trước vị trí tách dòng, chính
là vận tốc dòng chảy trên đoạn ngưỡng vào
tb . 84,36 3932 3,68
t
Q V
B H
Thay số vào ta có: QaB = 0,1.84,36.3.3,68 = 93,20 (m3)
b Tính toán thiết diện các ống dẫn khí
Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn khí được xác định theo công thức của thuỷ khí động học:
Trang 6QaK = a.aK 2 g h. /a aK =
a a
aK h g
Q
2 /
Trong đó: + a: hệ số lưu lượng của ống dẫn khí, a = 0,8
+ aK: diện tích mặt cắt ngang ống dẫn khí
+ h: cột nước chênh lệch áp lực ở đầu và cuối ống dẫn khí,
h = hck, hck độ chân không ở khoảng sau bậc thụt hay buông van , tính bằng m cột nước
h = MNDBT - MN hầm = MNDBT - Zvào + hhầm
hhầm: chiều sâu nước trong hầm , hhầm = h0 = 7,04 m
h = 70 - 40 + 7,04 = 37,04 m
+ và a: trọng lượng riêng của nước và không khí,
thường lấy /a = 760
Thay số ta có:
93, 20
0,16 0.8 2 9.81 37,04 760
2
aK aK
a
a
Q
g h
Tiết diện của ống thông khí không được nhỏ hơn min:
hÇm min
k. 0,04
k
hÇm min
04 , 0
Trong đó:
k: hệ số lưu lượng của ống dẫn khí, lấy k = 0.8
hầm: tiết diện đường hầm, hầm = 54,15 m2
Thay số vào ta có: min
0,04 0,04 54,15
2.71 0,8
hÇm
k
Chọn tiết diện ống thông khí = 2,71 m2 với đường kính là Dống = 1,86m
4 Thiết kế tiêu năng sau đường hầm( thiết kế mũi phun và vẽ đường bao hố xói)
a Tính chiều sâu dòng chảy kênh hạ lưu (h h )
Cao trình đáy kênh : Zđáy = 18.0 Chiều rộng kênh : B = 30m
Hệ số mái kênh : m = 1,5
Hệ số nhám lòng kênh: n = 0,03
Trang 7Độ dốc đáy kênh : i = 0,001 Nền đá nứt nẻ trung bình (hệ số xói K = 1,6) Tính hh theo phương pháp thử dần:
+ Lập bảng tính toán với các thông số sau:
Q C Ri ; b mhh; 2
m 1 h 2
KC R ; 17.72lgR
n
1
C ; Q K i
+ Giả thiết chiều sâu nước trong sông, khi nào giá trị lưu lượng tính ra tương ứng bằng lưu lượng thiết kế QTK = 932m3/s thì dừng lại và giá trị giả thiết chính là giá trị cần tìm
Bảng tính chiều sâu mực nước trong sông hạ lưu ứng với lưu lượng thiết kế:
F hh(m) (m2) (m) R(m) C(m0.5/s) K(m3/s) Q(m3/s)
1 4.926 184.169 47.760 3.856 43.720 15811.46 500.00
2 5.463 208.668 49.698 4.199 44.375 18973.68 600.00
3 6.196 243.480 52.341 4.652 45.164 23717.08 750.00
4 7.000 284.005 55.275 5.138 45.929 29567.24 932.00
Theo bảng tính toán ta có chiều sâu mực nước trong sông hạ lưu là hh = 7,00 m ứng với lưu lượng thiết kế QTK = 932 m3/s
Để vẽ đường bao hố xói, cần tính toán với nhiều cấp lưu lượng từ 0 ~ Qmax Do đó cần xác định hh ứng với các cấp lưu lượng này
Theo trình tự tính toán như trên, ta có kết quả tính toán với các cấp lưu lượng thể hiện trong bảng sau:
TT hh(m) (m2) (m) R(m) C(m0.5/s) K(m3/s) Q(m3/s)
1 2.908 99.925 40.485 2.468 40.286 6324.41 200.00
2 3.676 130.537 43.253 3.018 41.834 9486.85 300.00
3 4.926 184.169 47.760 3.856 43.720 15811.46 500.00
4 5.463 208.668 49.698 4.199 44.375 18973.68 600.00
5 6.196 243.480 52.341 4.652 45.164 23717.08 750.00
6 7.000 283.500 55.239 5.132 45.920 29492.33 932.00
Trang 8b Tính chiều dài phóng xa.
Theo cách bố trí và tính toán ở trên ta có:
+ Góc nghiêng mũi phun: 0 = 150
+ Cao trình tại mũi phun:
+ Chiều dài mũi phun: 2 m
mũi phun = Zcửa vào + i.L + 2.tg15 = 40 - 0,0309.400 + 2.0,268 = 28,2 (m)
+ Cao trình đáy sông hạ lưu: đáy sông HL = 18.0 (m)
Chiều dài phóng xa được xác định theo công thức kinh nghiệm :
tg
dx h L
2 1
2 0
2 0
0
2 1 a 1
V
gZ 2 sin
sin g
cos V K
L
p 2
cos h
Z2 0
0 2 2 1
2 0
2
cos v
gZ 2 tg
tg
Trong đó:
p: Chiều cao mũi phun so với MNHL, p =mũi phun - MNHL = 28,2 - MNHL
Ka: Hệ số kể đến hàm khí, Fr = 13,83 < 35 Ka = 1
: Góc nghiêng của dòng phun tại vị trí rơi xuống mặt nước hạ lưu,
0: Góc nghiêng của mũi phun, 0 = 150
: Hệ số lưu tốc, sơ bộ lấy = 0.95
g: gia tốc trọng trường, lấy g = 9.81m/s2
S1: Chênh lệch cao độ giữa MNTL và mũi phun, S1 = MNTL – 28,2
v1: Lưu tốc dòng chảy ở mũi phun, v1 2gS1
h: Chiều cao dòng nước trên mũi phun,
1
v B Q
h
Trang 9c Chiều sâu hố xói.
Coi chiều sâu hố xói bằng chiều sâu bể tiêu năng:
h
"
c
d Với : hệ số ngập, lấy = 1.05
hh: chiều sâu nước hạ lưu
hc: độ sâu liên hiệp với độ sâu hc tại mặt cắt co hẹp ở đáy hố sâu, xác định như sau:
Tính
0 c
c
h E g 2
q h
30
Q B
Q
q (m3/s.m)
gh
q 8 1
h 5 ,
0
"
h
3 c
2 0 c
0: hệ số động năng của dòng chảy, lấy 0 = 1
E0: năng lượng toàn phần của dòng chảy lấy với đáy hố xói
E0 = mũi phun- đáy sông HL + h +
g
V
2
2 1
+ dx
Giả thiết trị số ban đầu của dx, tính hc theo phương pháp thử dần Sau đó thử lại dx
có phù hợp giả thiết hay không, nếu dx tính toán dx gt hc là đúng, nếu sai, giả thiết lại lại dx và tính lại theo các bước như trên
d Chiều dài hố xói.
Với quan điểm cho rằng hố xói có dạng hình thang: đáy có chiều rộng bằng 2hk, mái thượng lưu m1 = 3, mái hạ lưu m2 = 1.5, chiều dài hố xói được tính theo công thức: Lx 2hk 4.5dx
Trong đó: hk là độ sâu phân giới, 3
2 k
g
q
h
B ng k t qu tính chi u d i v chi u sâu h xóiảng kết quả tính chiều dài và chiều sâu hố xói ết quả tính chiều dài và chiều sâu hố xói ảng kết quả tính chiều dài và chiều sâu hố xói ều dài và chiều sâu hố xói ài và chiều sâu hố xói ài và chiều sâu hố xói ều dài và chiều sâu hố xói ố xói
Q (m3/s) 200 300 500 600 750 932
H0 (m) 0,644 0,966 1,609 1,931 2,414 3,00
MNTL 70,644 70,966 71,609 71,931 72,414 73,00
MNHL 20,908 21,676 22,926 23,463 24,196 25,000
Trang 10hh (m) 2.908 3.676 4.926 5.463 6.196 7,000
P (m) 7,292 6,524 5,274 4,737 4,004 3,200
S1 (m) 42,444 42,766 42,809 43,131 43,614 44,200
V1 (m/s) 25,965 26,078 26,271 26,357 26,477 26,614
h 0,963 1,438 2,379 2,846 3,541 4,392
Z2 (m) 12,557 12,019 11,223 10,911 10,514 10,111
tg 0,681 0,666 0,643 0,634 0,622 0,610
L1 (m) 87,247 86,563 86,027 85,568 85,161 84,765
hc (m) 0,216 0,319 0,521 0,619 0,764 0,938
hc" (m) 6,373 7,83 10,168 11,170 12,538 14,067
L (m) 70,65 72,74 76,40 78,09 80,50 83,35
hk (m) 1,655 2,168 3,048 3,442 3,994 4,626
Dựa vào bảng kết quả ta thấy khoảng cách L (khoảng cách nằm ngang từ mũi phun đến điểm đáy hố xói): L= 83,35 (m) lớn hơn so với chiều dài hố xói Lx= 44,17 và chiều sâu hố xói (dx), do đó hố xói sẽ ở cách xa cửa ra đường hầm và không có khả năng ăn sâu và phá huỷ cửa vào đường hầm
Trang 11II TÍNH TOÁN KẾT CẤU
1 Số liệu tính toán:
- Sơ đồ tính vòm là sơ đồ vòm thấp
- Bỏ qua lực kháng đàn tính của đá
- Bán kính vòm R = 4,25 m
- Chiều dày lớp lót chọn bằng 0,6m
- Mô đun đàn hồi E = 2,3.107 KN/m2
- Trọng lượng riêng của đá núi, đ = 23 (KN/m3)
- Bề rộng đáy vòm B = 8,5 m
- A = 900 = 1,57 (rad)
- Diện tích mặt cắt dầm F = 0,6.1 = 0,6 (m2)
- Mô men quán tính của mặt cắt dầm: J = 1.0,63/12 = 1,8.10-2 (m4)
- EF = 2,3.107.0,6 = 1,38.107 (KN)
- EJ = 2,3.107.1,8.10-2 = 4,14.105 (KN.m2)
2 Tải trọng tính toán
Bỏ qua lực kháng đàn tính của đá, áp lực tác dụng lên đỉnh vòm là áp lực đá núi,
sơ đồ tính toán vòm là sơ đồ vòm thấp
Áp lực trên đỉnh vòm: p = đ.hp
Trong đó:
+ hp : Chiều cao vòm, xác định bằng công thức: hp = Ka.B0
Trang 12Ka: Hệ số, phụ thuộc vào độ nứt nẻ của đá Tra bảng (5-3) Sách Thiết kế đường hầm thủy công, ta được Ka = 0,20
Với B0 = B = 8,5 (m)
hp = Ka.B0 = 0,20 x 8,5 = 1,7 (m)
+ đ : Trọng lượng riêng của đá núi, đ = 2,3 (T/m3)
Thay vào công thức trên ta được p = 2,3x1,7 = 3,91 (T/m2)
Sơ đồ tính toán vòm
3 Tính toán nội lực trên vòm
Phương trình chính tắc của vòm khi có xét đến biến vị chân vòm có dạng
0
0 2
22 2 21
1
1 12 2 11
1
H y X
X
X X
n p
p
Mô men và lực hướng trục ở mỗi mặt cắt trên đỉnh vòm được xác định:
cos
2
2 1
X N N
y X X M M
p p
Trình tự tính toán như sau:
a Tính toán các biến vị 11 , 12 , 22
Trang 135
3 22
3
5
4, 25.1,57
1,612.10 4,14.10
4, 25 ( sin ) (1,57 1) 2, 487.10
4,14.10
( 1,57 2.1 1.0)
A
R
EJ R
EJ
( 1,57 1.0) 6,607.10
b Tính toán tải trọng đơn vị 1 , 2
1.2,5.0,6 3,91 5,41(T/m ) 54,1 (kN/m )
bt
5
4
3 2
4
5
( sin cos ) (1,57 1.0) 393,73.10
54,1.4, 25 1 1 1 1 ( 1,57 1.0 1 ) 962,81.10
q R x EJ
q R x EJ
c Tính toán nội lực cơ bản M AP , H AP , V AP
Độ cong của vòm:
(1 cos ) 4, 25.(1 0) 4, 25( )A
( sin ) (4, 25) 54,1 488,59 ( )
.sin 54,1.4, 25.1 229,93 ( ) 23.3,14.4, 25.0,6 184,16 ( )
229,93 184,16 414,09 ( )
vom
d Tính toán nội lực đỉnh vòm
Do bỏ qua lực kháng đàn tính của đá nên ta có: = 0 và H = 0 Thay các giá trị vừa tìm được ở trên vào hệ phương trình chính tắc đỉnh vòm ta xác định được X1 và X2 như sau
1,612 2, 487 393,73 0
2, 487 6,607 962,81 0
Giải hệ trên ta được:
X1 = 46,33 (kN.m)
X2 = 128,29 (kN)
Trang 14e Nội lực tại mặt cắt bất kỳ trên đỉnh vòm:
Nội lực tại mặt cắt bất kỳ thuôc đỉnh vòm được xác định như sau:
cos
2
2 1
X N N
y X X M M
p p
Thay các giá trị vừa tìm được vào ta có:
2
488,59 46,33 128, 29.4, 25.(1 cos ) 442, 26 545, 23.(1 cos )
cos 414,09 128, 29.cos
p
M
Từ công thức trên ta thấy tại mặt cắt chân vòm ứng với = 900 có giá trị nội lực tại điểm A chân vòm như sau:
MA = 102,87 (kN.m)
NA = 414,09 (kN)
4 Tính toán bố trí cốt thép:
Đây là bài toán nén lệch tâm Các số liệu dùng để tính tóan bố trí cốt thép như sau:
Xét 1 đoạn vòm 1m b=1m = 100 (cm)
h = 0,6 (m) = 60 cm
a = a’ = 3 cm
h0 = h - a = 57 cm
M = 102,97 (kN.m) = 1.028.700 (kg.cm)
N = 414,09 (kN) = 41.409 (kg)
KH = 1,25; nc = 1; ma = 0,8; mb = 1,15; mkc = 0,95
Ra = Ra’ = 2600 (kg/cm2)
Ru = 90 (kg/cm2)
Độ lệch tâm e:
0
1028700
24,84 (cm) 0,3h 0,3.57 17 (cm) 41409
M
e
N
Như vậy tiết diện chịu nén lệch tâm lớn
Cốt thép vùng chịu nén:
0
' 0
0, 4 0, 4.100.57 90
d
u kc
a
a
N e
b h R m
F
Điều này chứng tỏ bê tông miền chịu nén có đủ khả năng chịu lực, không cần đến
Fa Lúc này lấy Fa = 0
Cốt thép vùng chịu kéo:
d a
a
u a
R m
N F
R R
R h b F
0
Trang 15Ta có:
' ' 0
0
d
a a kc
u
N e
m A
b h R
Với A01 = 0,037 tra bảng (7-2) Giáo trình Bê tông cốt thép ta được:
1 = 0,49 x = 1.h0 = 0,49.57 = 27,93 cm > 2.a’ = 6 cm Do đó:
1 0
Ta chọn Fa: 524/m với Fa = 22,62 cm2 để bố trí cốt thép