MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU v PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích yêu cầu 3 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4 Những kết đạt luận văn Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG 1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công Việt Nam 1.2 Điều kiện làm việc đường hầm thủy công 13 1.3 Phạm vi nghiên cứu luận văn 14 1.4 Kết luận chương 14 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG 15 2.1 Phương pháp giải tích 15 2.1.1 Phương pháp học kết cấu 15 2.1.2 Phương pháp học vật rắn biến dạng [1] 25 2.2 Phương pháp số 30 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 30 2.2.2 Phương pháp phần tử biên 31 2.3 Kết luận chương II 32 CHƯƠNG LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34 3.1 Nguyên tắc trình tự giải toán kết cấu đường hầm theo phương pháp phần tử hữu hạn [1] 34 3.1.1 Rời rạc hóa miền tính toán 34 3.1.2 Lựa chọn hàm nội suy: 35 3.1.3 Xác định tính chất phần tử 35 3.1.4 Lắp ráp hệ phần tử 35 3.1.5 Giải hệ phương trình 35 3.1.6 Các dạng tính toán bổ sung 36 iii 3.2 Xác định ma trận độ cứng phần tử vỏ 36 3.3 Sơ đồ tính toán phương pháp phần tử hữu hạn 36 3.4 Giới thiệu phần mềm SAP2000 39 3.4.1 Tính phần mềm sử dụng SAP2000 41 3.4.2 Cách tính toán kết cấu đường hầm với SAP2000 42 3.5 Kết luận chương III 43 CHƯƠNG ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NẬM TOÓNG 44 4.1 Giới thiệu công trình 44 4.1.1 Vị trí công trình 44 4.1.2 Nhiệm vụ công trình 44 4.1.3 Thông số công trình 45 4.2 Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, trường hợp tính toán sơ đồ tính 48 4.2.1 Thông số tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng 48 4.2.2 Các trường hợp tính toán sơ đồ tính 54 4.2.3 Cách xác định tải trọng 58 4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện Nậm Toóng 62 4.3.1 Tính toán lực tác dụng lên vỏ hầm trường hợp tính toán 62 4.3.2 Tính toán nội lực đường hầm trường hợp tính toán 65 4.4 Phân tích kết tính toán 66 4.5 Kết luận chương IV 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 74 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường hầm không áp đặt đầu tuyến lượng Hình 1.2 Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện Hình 1.3 Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng 10 Hình 1.4 Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế 11 Hình 1.5 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 11 Hình 1.6 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 12 Hình 1.7 Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng 12 Hình 2.1 Vòm thấp vòm công tác đỉnh 15 Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vòm thấp 17 Hình 2.3 Sơ đồ tính toán vòm cao 18 Hình 2.4 Tính toán vòm cao 19 Hình 2.5 Sơ đồ vòm khép kín 20 Hình 2.6 Sơ đồ tính toán vòm khép kín 20 Hình 2.7 Các lực tác dụng lên tường bên 22 Hình 2.8 Tường bên cứng 24 Hình 2.9 Tường bên đàn hồi 24 Hình 2.10 Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn 25 Hình 2.11 Sơ đồ biến dạng vòng tròn tác dụng tải trọng thẳng đứng phân bố (a,b) sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c) 27 Hình 2.12 Phân bố ứng suất khối đá có lỗ khoét tròn λ = σ x σ y 29 Hình 2.13 Sơ đồ tác dụng tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm 29 Hình 2.14 Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên 32 Hình 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 34 Hình 3.2 Sơ đồ tính toán PP PTHH 38 Hình 4.1 Mặt cắt dọc tuyến hầm 48 Hình 4.2 Mặt cắt dọc đoạn hầm qua đứt gãy bậc IV 52 Hình 4.3 Mặt cắt hầm tính toán 53 Hình 4.4 Hình ảnh gia cố khung chống 54 Hình 4.5 Sơ đồ tính TH1 55 Hình 4.6 Sơ đồ tính TH2 57 Hình 4.7 Sơ đồ tính áp lực đá núi 62 Hình 4.8 Áp lực nước ngầm 64 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thông số công trình 45 Bảng 4.2 Chỉ tiêu lý đất đá qua đứt gãy bậc IV 52 Bảng 4.3 Hệ số lệch tải tính toán lớp lót đường hầm 58 Bảng 4.4 Hệ số chiết giảm áp lực nước bên 59 Bảng 4.5 Hệ số kiến cố loại đất đá 60 Bảng 4.6 Thống kê kết tính lực tác dụng lên đường hầm 65 Bảng 4.7 Thống kê kết tính ứng suất biến dạng đường hầm 65 Bảng 4.8 Bảng so sánh kết ứng suất biến dạng với thiết kế 68 vi PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo báo cáo năm 2011 viện Năng lượng - Bộ công thương năm 2011, Việt Nam thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần lại nhiệt điện than – khí – dầu lượng tái tạo Đến quý III/2012, thủy điện vừa nhỏ (N ≤ 30MW) phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất 11.600 MW nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh lượng quốc gia (tổng công suất thủy điện 13 nghìn MW) Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, ¾ lãnh thổ rừng đồi núi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn nhiều diện tích lãnh thổ nước ta), trữ lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm (trong trữ kinh tế kỹ thuật đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng công suất lắp máy thủy điện đạt tới khoảng 25 nghìn MW, chưa kể thủy điện tích năng) Như vậy, công suất thủy điện hệ thống điện quốc gia phát huy khoảng 50% so với tiềm Nếu xét thủy điện vừa nhỏ công suất hữu đạt khoảng 20%, lại 80% thời gian tới cần phát huy hiệu Hiện xây dựng số lớn nhà máy thủy điện Theo kế hoạch Thủy điện đến 2020 số công trình nhà máy thủy điện tăng lên đáng kể Khai thác nguồn thủy điện dạng lượng sạch, tái tạo có hiệu kinh tế tổng hợp, thân thiện với môi trường phù hợp với nước giàu tiềm thủy điện nước ta Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho nhà máy thủy điện nước ta phổ biến, điển hình kể như: Thủy điện Hòa Bình (1920MW) có đường hầm dẫn nước đường kính D=8m; Thủy điện Nậm Chiến (200MW) có đường hầm áp lực dài 10km; Thủy điện Huội Quảng (520MW) có đường hầm dài 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài 7km, D=7m… Trên giới tính đến thập kỷ 70 nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước kể đến hàng nghìn, tính riêng Liên Xô xây dựng 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài đường hầm thủy công xây dựng Liên Xô tính đến thời kỳ 170km [4] Ở nước ta công trình thủy điện nhỏ thường xây dựng miền núi có địa hình vùng tuyến hẹp dốc, địa chất đá gốc nên có nhiều thuận lợi hợp lý bố trí đường hầm dẫn nước tuyến lượng tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy Việc sử dụng đường hầm áp lực có ưu điểm so với phương án dẫn nước kênh hở như: diện tích chiếm đất mặt ít, vận hành ổn định, chiều dài tuyến ngắn, tạo đường dẫn có áp nên chế độ chảy ổn định nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm phương án gia cố đường hầm có vai trò quan trọng làm việc ổn định, khả chịu áp lực nước áp lực đất đá giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy có vai trò quan trọng Ở Việt Nam, thời gian gần xây dựng số đường hầm thủy công có quy mô từ nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước tưới thuộc trạm bơm Nghi Xuân (Hà Tĩnh) dài 160m; B x H = 1,8 x 2,2m; đường hầm Truông Khấp (Nghệ An) có L = 550 m; D=2,9m Hiện hàng loạt công trình thủy lợi, thủy điện thiết kế xây dựng có đường hầm thủy công, đường hầm dẫn dòng công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) có L = 908m; D = 9m; đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến (Sơn La) có L = 11.129 m; D = 3,8m v.v Các đường hầm thường được gia cố nhiều hình thức khác tùy thuộc vào điều kiện địa chất: phun vữa, bọc lót thép, đổ bê tông cốt thép… Đối với đường hầm thủy công vận hành môi trường tiếp xúc với nước xảy nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau, xảy ổn định trình vận hành biện pháp gia cố Để đường hầm thủy công đảm bảo an toàn trình vận hành cần có lớp lót cho đường hầm Mục đích tính toán lớp lót đường hầm thủy công xác định nội lực phân bố ứng suất lớp lót, từ tiến hành kiểm tra điều kiện bền bố trí cốt thép Bài toán xác định nội lực ứng suất lớp lót giải nhiều phương pháp khác Ngày nay, với phát triển công nghệ thông tin, phương pháp số sử dụng nhiều tính toán kết cấu Một phương pháp phổ biến phương pháp phần tử hữu hạn Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn có tính khoa học thực tiễn, để giải cấp thiết vấn đề xây dựng đường hầm thủy công nói riêng công trình thủy lợi, thủy điện nói chung Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm dẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn 418,4m, lưu lượng thiết kế Qtt=10,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình quân năm 151,27.106kwh Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” có ý nghĩa kinh tế khoa học Mục đích yêu cầu Dựa tài liệu thu thập thông số kỹ thuật nhà máy Thủy điện Nậm Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ) tài liệu địa hình, địa chất (kết khoan thăm dò địa chất, báo cáo địa chất công trình ) yêu cầu luận văn cần đạt sau: - Tổng quan đường hầm thủy công, phương pháp tính toán đường hầm - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy điện Nậm Toóng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000 - Phân tích, đánh giá, so sánh kết nhận với hồ sơ thiết kế.3 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Từ thực tế: Khi vận hành đường hầm xuất nhiều trạng thái ứng suất biến dạng khác - Tiếp cận từ điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn định - Kế thừa nghiên cứu trước có - Phương pháp thu thập tài liệu - Liệt kê phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công - Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán đường hầm - Phân tích, nhận xét kết đạt Những kết đạt luận văn - Tổng quan xây dựng đường hầm thủy công - Tổng quan phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm Toóng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết kế Bố cục luận văn Chương 1: Tổng quan xây dựng đường hầm thủy công 1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công Việt Nam 1.2 Điều kiện làm việc đường hầm thủy công 1.3 Phạm vi nghiên cứu luận văn 1.4 Kết luận Chương Chương 2: Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm thủy công 2.1 Phương pháp giải tích 2.2 Phương pháp số 2.3 Kết luận Chương Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn 3.1 Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn 3.2 Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán luận văn: Sap 2000 3.3 Kết luận Chương Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng 4.1 Giới thiệu công trình 4.2 Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, sơ đồ tính 4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện Nậm Toóng 4.4 Kết luận Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết đạt Luận văn Một số vấn đề tồn Kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục tính toán PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 11 (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 22 (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 33 (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S max (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước Chuyển vị đỉnh hầm (m) PL1 - Kết tính toán nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước Chuyển vị vách hầm (m) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S 11 (T/m2) TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành PL1 - Kết tính toán nội lực ỨNG SUẤT S 22 (T/m2) TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành PL1 - Kết tính toán nội lực ỨNG SUẤT S 33 (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S max (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S (T/m2) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị đỉnh hầm (m) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị vách hầm (m) PL1 - Kết tính toán nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị đáy hầm (m) ... dựng đường hầm thủy công - Tổng quan phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm Toóng phương. .. - Tổng quan đường hầm thủy công, phương pháp tính toán đường hầm - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy điện Nậm Toóng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000... công nghệ thông tin, phương pháp số sử dụng nhiều tính toán kết cấu Một phương pháp phổ biến phương pháp phần tử hữu hạn Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công phương