www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

27
Trờng hợp địa chất nền tơng đối đồng đều, cống không lớn lắm, bản đáy cả cống có
thể liền một khối. Nếu nền xấu, cống rộng để tránh những bất lợi do hiện tợng lún không đều
gây ra, thờng bố trí khe lún tại các trụ cống. Khe lún tách bản đáy thnh một số đoạn (hay
mảng, khoang). Mỗi đoạn gồm một, hay hai, ba cửa cống (hình 14-33). Tại khe lún phải bố trí
thiết bị chống thấm (khớp nối) bằng kim loại (đồng, tôn tráng kẽm) hay bằng nhựa pôlimer
hay bao tải tẩm nhựa đờng. Khớp nối đặt theo phơng đứng ở đầu trụ phía thợng lu v theo
phơng ngang ở bản đáy. Tại khe lún còn đặt bao tải tẩm nhựa đờng. Chiều dy khe lún
khoảng 2ữ3(cm).
Ngoi ra để giảm bớt đất đắp hai bên bờ đối với bản đáy có thể lm tờng chắn kiểu
hộp tách rời khỏi thân cống.


Hình 14-33. khe lún phân cống thành các đoạn.
IV. Trụ cống.
Trụ cống thờng bằng bê tông, bê tông cốt thép hoặc đá xây. Hình dạng trụ phải đảm
bảo cho dòng nớc chảy vo, chảy ra thuận. Đầu trụ có dạng tam giác, tròn, lu tuyến. Chiều
dy trụ giữa đơn thông thờng từ 0,5ữ1,5(m), trụ kép có chiều dy gấp 1,5 trụ giữa đơn, với
trụ biên chiều dy thay đổi dọc theo chiều cao, cng xuống thấp bề dy cng lớn. Chiều di trụ
tuỳ theo yêu cầu thuỷ lực v bố trí chung: khe van, khe phai, van, cầu giao thông, cầu thả phải,
cầu công tác.
Cao trình đỉnh trụ
đt
phía thợng lu, hạ lu cống đợc xác định theo công thức:

đt
= MNLNTK + h +
s

+ a; (14-53)
trong đó:
NMLNTK: l mực nớc lớn nhất thiết kế phía thợng lu (để tính
đt
) phía thợng
hoặc phía hạ lu (khi tính
đt
phía hạ lu).
h: chênh lệch giữa mực nớc tĩnh v trung tâm sóng.

s
: độ dềnh cao nhất của sóng ứng với mức đảm bảo.
a: độ vợt cao an ton.
Cao trình đỉnh trụ xác định theo (14-53) phải cao hơn MNLN kiểm tra.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

28
Trên trụ ngoi khe van (khe van phẳng, rộng 0,2 ữ 0,7m) còn có khe phai (rộng 0,1 ữ
0,4m). Khoảng cách giữa hai khe phải lớn hơn 1 mét. Trên đỉnh trụ bố trí mốc đo biến dạng,
lún; trong trụ có thể bố trí các ống đo áp lực thấm dới bản đáy cống.
Trụ v bản đáy có thể lm liền hoặc tách rời. Trờng hợp trụ v đáy l một khối liền thì
lực từ thân cống truyền xuống nền đợc phân bố đều hơn, song nội lực phát sinh trong bản đáy
lớn nên phải lm bản đáy dy hơn. Loại ny hay dùng khi nền tơng đối xấu, đảm bảo ứng
suất phân bố lên nền đều, tránh gây lún không đều quá lớn. Khi trụ v bản đáy tách rời, nền sẽ
chịu lực tập trung do trụ truyền tới, do đó đòi hỏi nền có sức chịu lớn.


a )
b )

c )
d )

Hình 14-34: Nối tiếp trụ cống và bản đáy.
a) Bản đáy tách rời độc lập với mố; b) Bản đáy tách rời mố cống nhng không
độc lập ; c) bản đáy và mố cống liền khối ; d) Bản đáy tách rời mố cống cắm sâu
Trong trờng hợp ny nội lực phát sinh trong bản đáy sẽ nhỏ đi, chiều dy bản đáy có
thể lm mỏng hơn. ở khe tiếp xúc giữa bản đáy v trụ cần phải có thiết bị chống thấm. Hình
(14-34) giới thiệu một số cách nối tiếp trụ v bản đáy.
Trụ biên ngoi tác dụng nh trụ giữa còn trực tiếp liên kết với bờ hoặc công trình khác.
Cũng có trờng hợp dùng hình thức tờng bên tách rời với thân cống. Hình (14-35) biểu thị
một số kiểu liên kết giữa trụ biên với bờ.
Loại (a) v (b) có tác dụng nh tờng trọng lực, phía sau lm thêm công son để tận
dụng trọng lợng khối đất đắp ở trên để tăng cờng ổn định. Loại (c) l kiểu tờng sờn, kết
cấu nhẹ, dùng khi tờng cao, song tốn cốt thép. Loại (d), (e), (f) l kiểu hộp lm tách rời thân
cống - loại ny kết cấu nhẹ, độ cứng lớn, dùng khi nền yếu v cần giảm ảnh hởng của áp lực
đất bên bờ đối với thân cống. Tuy nhiên loại ny kết cấu phức tạp, tốn cốt thép v thi công khó
khăn.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

29
a ) b ) c ) d ) e ) f )


Hình 14-35: Các hình thức mố bên
a) Mố bên liền bản đáy. ; b) Mố bên trọng lực tách rời bản đáy.
c) Mố bên dạng tờng sờn ; d) Mố bên dạng hộp chữ nhật tách rời bản đáy.
e) Mố bên dạng hộp hình thang tách rời bản đáy ; f) Mố bên có nửa dạng hộp chữ nhật tách
rời bản đáy.

V. Bể tiêu năng.
Bể tiêu năng có nhiệm vụ tiêu năng v bảo vệ lòng kênh sau cống. Chiều di bể, chiều
sâu bể qua tính toán tiêu năng m có. Cũng có ngời đề nghị xác định chiều di theo công
thức:
L
1
= (2 ữ 3,5)H, (14-54)
trong đó: H - chênh lệch mực nớc thợng hạ lu.
Chiều dy bản đáy bể xét theo yêu cầu chống đẩy nổi có thể xác định theo công thức (14-
52). Để giảm bớt áp lực thấm dới bản đáy công trình v ngay cả đáy bể tiêu năng thờng
bố trí lỗ thoát nớc ở đoạn phía sau của sn đáy bể. Các lỗ thoát nớc bố trí thnh hng so
le v phía dới có đặt tầng lọc ngợc để bảo vệ đất nền không bị mất ổn định thấm.
Đômbrôpxki đề nghị xác định chiều dy sân bể tiêu năng theo công thức:
t = 0,15V
1
1
h
,

(14-55)
trong đó: t - chiều dy sân;
v
1
, h
1
- lu tốc v chiều sâu dòng chảy trớc nớc nhảy.
Chiều dy bản đáy bể khoảng 0,5ữ1,5m v có thể lm bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ
hoặc do các tấm bê tông cốt thép đúc sẵn tạo thnh.
VI. Sân sau:
Sân sau có tác dụng tiêu hao phần năng lợng thừa còn lại v bảo vệ lòng kênh. Lu

tốc chảy trên sân sau không vợt quá lu tốc cho phép. Kết cấu của sân có tính mềm để dễ
thích nghi với những biến dạng của lòng kênh, dễ thấm nớc v độ gồ ghề lớn để tăng cờng
khả năng tiêu năng. Thờng dùng đá tảng xếp lại thnh sân, dới lớp đá tảng cần có cấu tạo
nh tầng lọc ngợc nhng yêu cầu không cao. Có thể dùng rọ đá, hoặc các tấm bê tông cốt
thép đúc sẵn.
Đờng kính hòn đá phải đủ lớn để dòng nớc không cuốn đi, sơ bộ tính theo công
thức:
v = 4,2
d
, (14-56)
trong đó: d - đờng kính hòn đá (m);
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

30
v - lu tốc trên sân sau (m/s).
Chiều dy lớp đá khan thờng bằng hoặc lớn hơn 20cm.
Chiều di sân sau có thể tham khảo công thức sau:
L
2
= k
Hq
, (14-57)

trong đó: H - chênh lệch mực nớc thợng hạ lu (m);
q - lu lợng đơn vị cuối sân (m
3
/s.m);
K - hệ số phụ thuộc tính chất đất lòng sông. Khi lòng sông l cát mịn, cát pha
K = 10 ữ 12; đất cát to, đất có tính dính K = 8 ữ 9; đất sét cứng K = 6 ữ 7. Phạm vi sử dụng

công thức trên:
Hq =1 ữ 9.
Ngoi ra, theo kinh nghiệm, chiều di ton bộ của hai sân v chiều di bể tiêu năng
khoảng (4 ữ 10)H.
VII. Cầu công tác:
Cầu công tác ở cống lộ thiên dùng để bố trí thiết bị đóng mở cửa van v thao tác van.
Cầu gồm các cột cùng với dầm dọc tạo thnh khung, dầm ngang, bản mặt, lan can cầu, thang
lên cầu công tác, kết cấu bao mặt cầu.
Cột cầu đợc gắn liền khối với trụ cống. Trên phạm vi ton cống, cầu công tác cũng bố
trí khe lún tơng ứng với bản đáy cống. Tại trụ có khe lún (trụ kép) bố trí hai hng cột ở hai
nửa của trụ kép. Kích thớc cắt ngang cột từ 0,3 x 0,3(m) đến 0,5 x 0,7(m). Dầm ngang dới
bản mặt, thờng bố trí tại nơi đặt máy đóng mở hoặc cụm thiết bị chuyển hớng, kích thớc
mặt cắt ngang dầm 0,1 x 0,2(m) đến 0,3 x 0,5(m). Bản mặt cầu dy từ 0,1ữ0,2(m). Chiều rộng
mặt cầu chọn đủ để bố trí thiết bị đóng mở, v ngời vận hnh đi lại, kiểm tra. Kết cấu bao che
có nhiệm vụ che ma, nắng, gió cho các thiết bị, mặt khác còn tạo dáng cho công trình, tạo
sức hút phục vụ du lịch.
Cao trình mặt cầu công tác (
ct
) phụ thuộc vo: kích thớc cửa van; cao trình đỉnh trụ;
thiết bị đóng mở; kích thớc dầm; bản mặt cầu công tác; phơng thức lắp ráp, bảo dỡng, sửa
chữa cửa van. Có thể xác định cao trình mặt cầu công tác (
ct
) theo công thức:

CT
=
CV
+ L + d + a, (14-58)
trong đó:


CV
- cao trình đáy cửa van ở vị trí cao nhất khi mở hoặc khi lắp ráp, sửa chữa, bảo
dỡng.
L - chiều cao van phẳng hoặc chiều di bản mặt hình tròn của van cung.
d - kích thớc của bộ phận truyền chuyển động, dầm, bản mặt cầu công tác. Trong tính
toán sơ bộ có thể chọn d = 1,0 ữ 1,5 m.
a - độ cao an ton, có thể lấy a = 0,3 ữ 0,5 (m).




www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

31
Đ14.7. Nguyên tắc bố trí v lựa chọn kết cấu cống.
Khi xác định vị trí đặt cống cần chú ý các điểm sau:
Về địa hình cần chọn vị trí cống sao cho dòng chảy đợc thuận v thoả mãn các yêu
cầu đã đề ra. Thí dụ cống lấy nớc phải bảo đảm yêu cầu về lu lợng, về chất lợng nớc.
Cống tiêu chọn ở vị trí thấp, đảm bảo khống chế đợc cả vùng tiêu. Nơi xây dựng công trình
phải thuận lợi cho công tác thi công, cho giao thông vận tải qua cống. Tuân theo nguyên tắc sử
dụng tổng hợp.
Về địa chất phải chọn ở nơi nền tốt hoặc không phức tạp để giảm bớt khối lợng xử lý
nền v không gây khó khăn cho thi công, tăng giá thnh công trình.
Trong quá trình thiết kế cống trớc hết căn cứ vo tình hình địa hình, địa chất, thuỷ
văn, nhiệm vụ thiết kế v các điều kiện cụ thể khác để sơ bộ định ra hình thức kết cấu cống.
Sau đó thông qua tính toán thuỷ lực, tính toán kết cấu m kiểm tra lại, sửa chữa các bộ phận
cho hợp lý. Vì vậy quá trình thiết kế cống l một quá trình xen kẽ giữa các bớc tính toán, bố
trí, chọn cấu tạo các bộ phận, nên phải thay đổi sửa chữa để chọn đợc công trình an ton v
kinh tế nhất.

Đối với các cống nhỏ, nếu chọn cao trình ngỡng cao thì kích thớc lỗ cống có lớn hơn
nhng giảm bớt đợc khối lợng phần nối tiếp hai bên m bộ phận ny thờng chiếm một tỷ lệ
lớn trong ton bộ khối lợng cống, do đó giá thnh có thể hạ. Các cống lớn, khối lợng bộ
phận bên không nhiều so với ton bộ khối lợng cống, vì vậy nên chọn ngỡng ở thấp thì rút
ngắn đợc kích thớc lỗ cống, giảm khối lợng sân trớc, sân sau, bản đáy. Căn cứ v
o tình
hình cụ thể v những yêu cầu thiết kế m xem xét chọn phơng án hợp lý.
Khi bố trí các kết cấu thân cống cần xét đến khả năng lợi dụng tổng hợp. Thí dụ lợi
dụng lỗ cống lm âu thuyền, bố trí cầu giao thông qua các trụ. Kết hợp bản đáy thân cống lm
sâu tiêu năng để rút ngắn chiều di sâu sau.
Ngoi ra khi thiết kế cần chú ý bảo đảm quản lý vận hnh dễ dng thuận tiện v bảo
đảm yêu cầu mỹ thuật, cảnh quan chung.
















www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam


32
Chơng 15 - đờng hầm v cống ngầm
Đ15.1. Khái niệm

Đờng hầm v cống ngầm thuộc loại công trình ngầm. Ngy nay trên thế giới loại
công trình ny đã đợc sử dụng rất phổ biến v phát triển ngy cng hiện đại. Trong những
năm gần đây ở nớc ta đã v đang xây dựng một số công trình ngầm có quy mô trung bình
nh đờng hầm v nh máy thuỷ điện Ho Bình, Trị An, đờng hầm xuyên đèo Hải Vân
Công trình ngầm đợc sử dụng vo nhiều mục đích khác nhau nh giao thông, thuỷ
lợi, thuỷ điện, cơ sở hạ tầng đô thị, khai thác khoáng sản v các công trình có chức năng đặc
biệt.
Công trình ngầm đợc xây dựng trong lòng đất vì vậy nó liên quan đến nhiều giải pháp
kỹ thuật, chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố chi phối. Đặc điểm lm việc cũng nh công tác
thiết kế, thi công công trình ngầm có nhiều điểm khác so với công trình xây dựng trên mặt đất.
Trong chơng ny chỉ tập trung nghiên cứu hai loại công trình thuỷ công ngầm đợc
phổ biến trong kỹ thuật thuỷ lợi, thuỷ điện đó l đờng hầm thuỷ công v cống ngầm.
Đờng hầm l một loại công trình tháo nớc hoặc dẫn nớc đục xuyên qua đá khi
không có điều kiện tháo nớc hoặc dẫn nớc qua bản thân các công trình dâng nớc hoặc
dùng biện pháp đo kênh hở gặp khó khăn, tốn kém (hình 15-1a).
Cống ngầm l
loại công trình đợc đặt dới đê, đập, vật liệu địa phơng (hình 15-1b),
dùng vo việc tháo nớc hoặc lấy nớc. Cống ngầm thờng ngắn hơn đờng hầm.
Về mặt thuỷ lực đờng hầm v cống ngầm l loại công trình chịu ảnh hởng của cột
nớc công tác lớn. Lớp lót đờng hầm v thân cống ngầm nằm sâu trong môi trờng đá hoặc
đất đắp, do đó về mặt chịu lực rất phức tạp.



Hình 15-1. a, đờng hầm. b, cống ngầm

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

33
Đ15.2 . Phân loại, điều kiện sử dụng v hình thức mặt cắt của
đờng hầm thuỷ công
I. Phân loại và điều kiện sử dụng
Đờng hầm thuỷ công đợc sử dụng trong các trờng hợp sau:
1. Khi xây dựng đờng dẫn hở không kinh tế bằng xây dựng đờng hầm.
2. Nếu xây dựng kênh hở có thể bị phá hoại do sự sạt lở của sờn núi hoặc có đá lăn;
3. Tuyến dẫn nớc qua nơi rừng núi rậm rạp, địa hình phức tạp.
Theo mục đích sử dụng, đờng hầm đợc chia ra lm các loại:
1. Đờng hầm lấy nớc và đờng hầm dẫn nớc:
Đờng hầm lấy nớc đợc xây dựng nhằm mục đích lấy nớc từ hồ chứa, sông ngòi
phục vụ cho nhu cầu của công nghiệp, đời sống, phát điện, tới v.v
Trên hệ thống dẫn nớc, tại những nơi do địa hình phức tạp, để rút ngắn tuyến kênh
hoặc giảm khối lợng công trình thờng hay xây dựng đờng hầm dẫn nớc.
2. Đờng hầm tháo nớc:
Đờng hầm tháo nớc l loại dùng để tháo lũ, dẫn dòng thi công, tháo nớc cho trạm
thuỷ điện ngầm. Trong xây dựng nên kết hợp đờng hầm sử dụng tạm thời lúc thi công với
đờng hầm sử dụng vo mục đích lâu di, nh hình15-2 biểu thị một đờng hầm tháo lũ đã
đợc sử dụng kết hợp lm đờng hầm dẫn dòng trong giai đoạn thi công.
Dựa theo điều kiện thuỷ lực ngời ta chia ra hai loại đờng hầm có áp v đờng hầm
không áp.
Đờng hầm có áp thờng đợc sử dụng trong các trờng hợp:
a. Mực nớc thợng lu thay đổi tơng đối lớn;
b. Yêu cầu dòng chảy l phải có áp nh trong trờng hợp cần dẫn nớc thẳng
vo buồng xoắn của trạm thuỷ điện;
c. Khi so với việc xây dựng loại đờng hầm không áp thấy kinh tế hơn.
a

b

Hình 15-2. a) tháo lũ thi công; b) tháo lũ lâu dài.
Đờng hầm không áp đợc sử dụng khi:
a. Mực nớc thợng lu v lu lợng qua đờng hầm ít thay đổi;
b. Yêu cầu dòng chảy phải l không áp (đờng hầm để thuyền bè qua lại);
c. Khi so sánh với việc xây dựng đờng hầm có áp thấy kinh tế hơn.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

34
Trong thực tế xây dựng một số đờng hầm, dọc theo chiều di của nó từng đoạn có chế
độ chảy khác nhau. Nh hình 15-1, đoạn đầu dòng chảy l có áp, đoạn tiếp theo sau cửa van l
dòng chảy không áp.
II. Hình thức mặt cắt của đờng hầm
Khi chọn hình thức mặt cắt ngang của đờng hầm phải dựa vo các điều kiện: thuỷ lực,
địa chất công trình v thi công.
Diện tích mặt cắt đờng hầm đợc quyết định từ tính toán thuỷ lực. Việc lựa chọn tốc
độ trung bình của dòng chảy trong đờng hầm có ảnh hởng tới diện tích mặt cắt ngang đờng
hầm, do đó nó có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật. Chọn hình dáng mặt cắt của đờng hầm có lợi về
mặt thuỷ lực v giảm độ nhám trong lòng dẫn để có thể giảm nhỏ đợc diện tích mặt cắt.
Hình thức mặt cắt nên đơn giản, tránh những hình thức phức tạp khó thi công.
Khi chọn phải xét đến khả năng sử dụng máy móc v vận chuyển đá núi ra khỏi đờng
hầm.
Điều kiện địa chất công trình thờng l điều kiện cơ bản khi chọn hình thức mặt cắt.
Đây l điều kiện đánh giá về mặt chịu lực để đảm bảo an ton v kinh tế trong đó áp lực đá núi
giữ tầm quan trọng bậc nhất.
1. Các hình thức mặt cắt đờng hầm không áp (hình 15-3)
Mặt cắt vòm đỉnh l vòm phẳng (hình 15-3a) đợc sử dụng khi đờng hầm đo qua
tầng đá rắn chắc có hệ số kiên cố f

k
>8, không có áp lực đá núi.
Mặt cắt vòm đỉnh l nửa đờng tròn (hình 15-3b) khi đờng hầm đo qua đá núi có 8 >
f
k
> 4, chỉ có áp lực đá núi thẳng đứng. Mặt cắt có thnh vòm cao (hình 15-3c) đợc dùng khi
đo qua đá núi có 4 > f
k
> 2, áp lực đá núi theo phơng đứng lớn hơn theo phơng ngang. Mặt
cắt hình móng ngựa (hình 15-3d) đợc dùng trong trờng hợp đá núi có f
k
< 2, có áp lực đá núi
bên, từ trên xuống v cả từ dới lên. Mặt cắt hình tròn đợc dùng khi có tầng đá nằm nghiêng
theo tuyến đờng hầm, áp lực đá không đối xứng qua đờng trục thẳng đứng qua trung tâm
mặt cắt ngang cũng nh trong những trờng hợp áp lực nớc ngầm rất lớn.
R=B/2
90
B
h = B
R=0.5B
r=0.15B
B
H=B
0
a)
h=B h=B

R=B/

2

90
0.1B
0.1B
r=0.15B
B
h =1.5B
B
H=1.5B
R
=
0
.
5
B
0
b)
h=1.5B
h=1.5B

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

35
R
=
B
r=0.2078B
r=0.283B
H= B
r=0.5B

r=0.15B
R
=
B
R
=B
H=B
B
B
H=B
H= B
c)

R
=
2
B

r
=
0
.2
5
B
r=0.25B
R=0.5B
R
=
B
r=0.15B

R
=2
B
B
H=1.4B
B
H=1.3B
H= 1.3 BH= 1.4 B

=artg (9/5)
0.3B
d)

Hình 15-3. Các hình thức mặt cắt của đờng hầm không áp
2. Hình thức mặt cắt đờng hầm có áp
Đối với đờng hầm có áp ngời ta thờng hay dùng mặt cắt hình tròn. Với loại ny
điều kiện dòng chảy tơng đối tốt v có lợi cho việc chịu tác dụng của áp lực nớc phân bố
đều ở trong đờng hầm.
Khi cột nớc áp lực (tính bằng mét) kể từ trung tâm mặt cắt trở lên không vợt quá 3
lần chiều cao của đờng hầm, có thể dùng các hình thức mặt cắt của đờng hầm không áp
nhng phải tiến hnh phân tích các điều kiện kinh tế kỹ thuật một cách đầy đủ.





Đ15-3. tính toán thuỷ lực v xác định kích thớc
mặt cắt của đờng hầm
I. Tính toán thuỷ lực đờng hầm không áp
Trong thực tế xây dựng những đờng hầm tháo nớc v lấy nớc từ hồ chứa, cửa vo có

thể bị ngập sâu dới mực nớc thợng lu (hình 15-4).
Những đờng hầm đợc xây đựng trên hệ thống dẫn nớc, tháo lũ thi công cửa vo có thể
không bị ngập (hình 15-5).
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

36
h =
.
h
i
H
z
h
H
h
z
z


Hình 15-4. Sơ đồ dòng chảy có cửa Hình 15-5. Dòng chảy ở đờng hầm
vào bị ngập không áp
Khi cửa vo bị ngập, lu lợng tháo qua đờng hầm đợc tính:

)(2 hHgQ

= , (15 -
1)
trong đó:
: hệ số lu lợng, =

o
;
, h: diện tích v độ cao của mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vo.
Khi cửa vo không ngập, lu lợng tháo qua đờng hầm có thể tính nh lu lợng
chảy qua đập trn chảy ngập.

2/3
on
Hg2bmQ =
(15 - 2)
trong đó:

g
V
HH
o
o
2
2
+= ;
b : chiều rộng ở cuối đoạn cửa vo;
m : hệ số lu lợng;
)
H
h
(f
o
1
n
=

: hệ số ngập;
h
1
: độ sâu ở sau mặt cắt co hẹp.
Khi dòng chảy trong đờng hầm l dòng chảy êm, việc xác định h
1
thông qua vẽ đờng
mặt nớc. Đờng mặt nớc đợc vẽ từ phía hạ lu lên với điều kiện biên l độ sâu dòng chảy ở
cuối đờng hầm.
Do điều kiện mực nớc thợng, hạ lu đờng hầm thay đổi, trạng thái chảy đều trong
đờng hầm bị phá vỡ, hình thnh dòng chảy không đều với đờng nớc dâng hoặc nớc hạ.
Xác định đờng mặt nớc trong đờng hầm đợc tiến hnh tơng tự nh đối với kênh hở. ở
những đoạn có mặt cắt ngang không đổi, sử dụng các phơng pháp vẽ đờng mặt nớc trong
lòng dẫn hở lăng trụ.

a) b)
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

37
N
N
N
N
K
K
K
h
h
0

k
k
h
i
i
i
ii
ii
ii
0
h

Hình 15-6. Các dạng đờng mặt nớc
a) Hình dạng đờng mặt nớc trong trờng hợp h
0
> h
k

b) Hình dạng đờng mặt nớc trong trờng hợp h
0
< h
k

Các dạng đờng mặt nớc trong đờng hầm không áp nh trên hình vẽ (15-6) v trong
bảng (15-1).
Bảng 15-1. Các dạng đờng mặt nớc trong đờng hầm không áp
Trờng hợp I: i < i
k
Trờng hợp II: i > i
k

a b c A B c
h > ho h
o
> h > h
k
h
k
> h H > h
k
h
k
> h > h
o
h
o
> h
0
dl
dh
> 0
dl
dh
< 0
dl
dh
> 0
dl
dh
> 0
dl

dh
< 0
dl
dh
>
Đờng nớc
dâng
Đờng nớc
đổ
Đờng nớc
dâng
Đờng nớc
dâng
Đờng nớc
đổ
Đờng nớc
dâng
a
1
b
1
c
1
A
2
b
2
c
2
Sự nối tiếp dòng chảy với hạ lu ở cửa ra đờng hầm phụ thuộc vo cao trình cửa ra so

với mực nớc hạ lu v độ sâu dòng chảy ở hạ lu.
Muốn đảm bảo dòng chảy trong đờng hầm l không áp, dùng các biện pháp công
trình sau:
1. Trần của đờng hầm phải cao hơn mực nớc trong đờng hầm. Khi dòng chảy trong
đờng hầm l chảy êm, độ vợt cao
0.15h v không nhỏ hơn 0.4m. Khi dòng chảy trong
đờng hầm l chảy xiết, độ vợt cao an ton phụ thuộc vo trị số f
r1
. Khi tính toán có thể tham
khảo quan hệ giữa trị số F
r1
v tỷ số giữa diện tích mặt cắt ớt v diện tích ton phần của cắt ngang
(bảng 15 - 2).
Bảng 15-2
F
r1
10 10 - 20 20
/
0.90 0.80 0.75
2. Cho đỉnh cửa ra cao hơn mực nớc hạ lu.
3.Tăng độ dốc đáy đờng hầm.
4. Lm ống thông khí ở chỗ bắt đầu đoạn không áp.
II. Tính toán thuỷ lực đờng hầm có áp
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

38
Lu lợng tháo qua đờng hầm cũng nh đờng ống áp lực đợc xác định theo công
thức:


gzQ 2

= ,
(15-3)
trong đó:
- diện tích mặt cắt ngang tính toán của đờng hầm;
- hệ số lu lợng, phụ thuộc vo diện tích cắt ngang tính toán, có thể tính theo công
thức:
i
r
r





+
=
2
)(
1
,
(15-4)
trong đó:

r
hệ số sửa chữa động lợng ở mặt cắt cửa ra, lức không có gì đặc biệt thì lấy
r
~ 1


r
diện tích mặt cắt ra của ống

i
hệ số tổn thất thuỷ lực ở đoạn thứ i, bao gồm hệ số tổn thất dọc đờng
d
v hệ số
tổn thất cục bộ

c
.
z cột nớc tác dụng, có thể xác định:
z = E
o
T,
E
o
- năng lợng đơn vị ở thợng lu so với mặt phẳng so sánh;
T - năng lợng đơn vị của dòng chảy ở mặt cắt ra so với mặt phẳng so sánh.
Năng lợng ny phụ thuộc vo mức độ ngập ở mặt cắt ra v kết cấu của phần nối tiếp hạ
lu. Cách xác định T đợc giới thiệu kỹ trong các sách chuyên đề v quy phạm.
Khi thiết kế đờng hầm, muốn đảm bảo chế độ dòng chảy l có áp ổn định cần chú ý
đến các biện pháp công trình sau đây:
1. Đặt cửa van điều chỉnh ở cửa ra;
2. Cửa vo của đờng hầm phải thuận v ngập sâu dới mực nớc thợng lu một giới
hạn nhất định;
3. Thu hẹp cửa ra hoặc đặt ngập sâu dới mực nớc hạ lu;
4. Khi không xét đến ảnh hởng cửa van, điều kiện tồn tại dòng chảy có áp trong đờng
hầm có thể xác định theo công thức:


zz
rvv
v




1
1
1
1
+
<
+
, (15 - 5)
trong đó:

v
- hệ số tổn thất ở cửa vo;

v
- diện tích mặt cắt ngang cuối đoạn vo;
z
v
- khoảng cách từ đỉnh mặt cắt ở cuối đoạn vo đến mực nớc thợng lu;
- tổng hệ số tổn thất đờng ống tính đến mặt cắt cửa ra;

r
- diện tích mặt cắt cửa ra;
z - cột nớc tác dụng.

III . Kích thớc mặt cắt của đờng hầm
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

39
Kích thớc mặt cắt của đờng hầm phải thoả mãn các điều kiện sử dụng, kinh tế v thi
công
Về điều kiện sử dụng, kích thớc của đờng hầm phải đảm bảo với mực nớc thợng
hạ lu bất lợi nhất vẫn cho qua đợc với lu lợng đã định v đảm bảo đợc chế độ dòng chảy
theo những tiêu chuẩn thiết kế đã đặt ra.
Đối với đờng hầm vận tải thuỷ, phải đảm bảo thuận lợi cho sự qua lại của các loại
thuyền bè đã dự định. Những đờng hầm bên trong có đặt các ống thép thì kích thớc cần phải
thoả mãn các yêu cầu lắp ráp v sửa chữa.
Về điều kiện kinh tế, mặt cắt đờng hầm cng nhỏ cng có lợi, nhng nếu mặt cắt quá
nhỏ tốc độ dòng chảy sẽ rất lớn, tổn thất cột nớc sẽ tăng lên, vì vậy khi thiết kế đờng hầm
phải qua tính toán kinh tế kỹ thuật.
Kích thớc kinh tế của đờng hầm thuỷ điện l kích thớc cho ta tổng trị giá chi phí
vận hnh, đầu t năm v giá trị tổn thất điện năng năm do tổn thất cột nớc tạo ra l nhỏ nhất.
Trên hình 15-7 đờng A biểu thị quan hệ giữa đờng kính của đờng hầm với trị giá tổn thất
điện năng năm do tổn thất cốt nớc tạo ra, đờng B biểu thị quan hệ giữa đờng kính của
đờng hầm với chi phí đầu t v chi phí vận hnh năm do khối l
ợng công trình tạo ra. Đờng
C l đờng tổng cộng trị số của hai đờng A v B. Từ đó rút ra đợc đờng kính kinh tế D
kt

của đờng hầm ứng với trị số nhỏ nhất của đờng C.
Theo kinh nghiệm thiết kế, khi lu lợng cố định, lu tốc trong các đờng hầm lấy
nớc không áp vo khoảng 1,5
ữ2,5m/s, khi lu lợng biến đổi lớn, lu tốc thờng vo khoảng
1,5

ữ4,0m/s. Lu tốc trong những đờng hầm có áp của trạm thuỷ điện thờng l 2 ữ4m/s. Lu
tốc trong những đờng hầm có phụ tải cao có thể tăng lên đến 5m/s.
Khi xác định kích thớc các đờng hầm dẫn dòng thi công phải đồng thời xét kết hợp
cả hai mặt: giá thnh của đê quây thợng hạ lu v cờng độ thi công của các công trình
chính.
A
C
B
A
B
C


Hình 15-7. Đồ thị tính toán đờng kính kinh tế đờng hầm
Theo yêu cầu thi công, kích thớc đờng hầm không thể quá nhỏ. Nếu dùng sức ngời
đục đờng hầm, đờng kính của mặt cắt hình tròn không nên nhỏ hơn 1,8m. Chiều cao của
mặt cắt không tròn không nên nhỏ hơn 1,8m, chiều rộng không nhỏ hơn 1,5m. Khi thi
công bằng cơ giới, kích thớc nhỏ nhất nên lấy bằng 2,5m x 2,5m. Thờng thờng giá
thnh đơn vị đá đục giảm theo sự tăng kích thớc đờng hầm nhng khi đờng hầm vợt
quá 8
ữ9m do khối lợng gin chống tăng nên giá thnh đơn vị không giảm đợc nữa.

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

40

Đ15-4 tải trọng, lực tác dụng v tổ hợp lực tác dụng lên lớp lót
đờng hầm
I. Loại lực và nhóm lực

Căn cứ vo tính chất, điều kiện tác dụng, tải trọng v các lực tác dụng lên lớp lót của
đờng hầm thuỷ công đợc chia ra loại cố định v tạm thời (lâu di, tức thời v đặc biệt).
1. Các tải trọng và lực tác dụng cố định
- áp lực đá núi;
- Trọng lợng bản thân lớp lót;
- Tác dụng của ứng suất trớc.
2. Các tải trọng tạm thời dài hạn
- áp lực nớc trong đờng hầm ứng với mực nớc dâng bình thờng trong hồ;
- áp lực nớc ngầm.
3. Các tải trọng và lực tác dụng tức thời
- áp lực xung động của dòng nớc;
- áp lực nớc trong đờng hầm do nớc va;
- áp lực sinh ra khi phụt vữa;
- áp lực tác dụng vo vỏ thép do bê tông vữa mới đổ;
- áp lực của các thiết bị cơ giới khi thi công.
4. Các tải trọng và lực tác dụng đặc biệt
- Lực tác dụng của động đất v nổ mìn;
- áp lực nớc trong đờng hầm ứng với mực nớc gia cờng hoặc do lực tác dụng của
nớc va khi giảm ton bộ phụ tải;
- ứng lực xuất hiện do sự thay đổi nhiệt độ co ngót v
trơng nở của bê tông, từ biến
của đá.
5. Các tổ hợp lực
- Tổ hợp chủ yếu bao gồm những lực v những tải trọng tác dụng cố định, tạm thời di
hạn v tức thời.
- Tổ hợp đặc biệt bao gồm những tải trọng v lực tác dụng cố định lâu di v tạm thời,
một vi tải trọng v lực tác dụng tức thời v một trong những tải trọng v lực tác dụng đặc
biệt. Trong tính toán thiết kế, các lực v tải trọng phải lấy riêng với những tổ hợp lực bất lợi
nhất có thể xảy ra cho từng trờng hợp khai thác v xây dựng.
II. áp lực đá núi

1. Khái niệm
Sau khi đo đờng hầm, trạng thái cân bằng lực lúc ban đầu bị phá vỡ trên mặt đo sẽ
sinh ra ứng suất mới lm cho lớp đá xung quanh biến hình gây ra một áp lực nhất định tác
dụng lên lớp lót của đờng hầm, đó chính l áp lực đá núi.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

41
1
2
3
z
n

Hình 15-8. Các vùng ứng suất ở đá núi khi đáo đờng hầm
Trên hình 15-8 thể hiện sự thay đổi ứng suất trong đá do đo đờng hầm: vùng 1 ứng suất
bị giảm; đá núi bị phá hoại sinh ra áp lực đá núi thẳng đứng v nằm ngang tác dụng trực
tiếp lên lớp lót của đờng hầm, vùng 2 ứng suất nén tăng v vùng 3 ứng suất phân bố đều.
áp lực đá núi không những có liên qua đến tính chất các tầng đá nh độ bền, sự phân
tầng, thế nằm m còn có liên quan tới độ sâu của đờng hầm, kích thớc mặt cắt của đờng
hầm v các phơng pháp thi công. Xác định áp lực đá núi một cách chính xác l một việc khó
khăn. Hiện nay có nhiều phơng pháp tính toán, dựa trên cơ sở những giả thiết riêng của mình
các phơng pháp đã đạt đợc độ chính xác ở những mức độ khác nhau, trong đó những
phơng pháp thờng đợc kể đến l:
- Giả thiết áp lực đá núi giống áp lực nớc tĩnh, xem nó tỷ lệ thuận với độ sâu của tầng đá
phía trên đờng hầm. Giả thiết ny chỉ tơng đối chính xác trongg trờng hợp đờng hầm ở vị
trí rất nông trong các tầng đá có tính chảy hoặc các tầng đá vụn nát.
- Giả thiết tầng đá l một môi trờng đn hồi đồng nhất v đẳng hớng, dùng lý thuyết
đn hồi để tính áp lực đá núi. Trong thực tế đá không phải l môi trờng đn hổi đồng nhất
đẳng hớng nên phơng pháp ny không có ý nghĩa thực tế.

- Phơng pháp quan trắc thực địa. Dùng các thiết bị máy móc quan trắc đặt trong các
đoạn đ
ờng hầm đã đo để đo áp lực đá núi. Đối với những công trình quan trọng thờng dùng
phơng pháp ny để điều chỉnh lại kết quả tính toán ban đầu.
- Phơng pháp dùng phổ biến hiện nay l phơng pháp do giáo s M.M Pơrôtôđiacanốp
đề xuất năm 1903.
2. Xác định áp lực đá núi theo phơng pháp M.M Pơrôđiacanốp
Từ các đờng hầm đo trong tầng đá có nhiều kẽ nứt ta có thể thấy đợc hiện tợng sau:
đầu tiên phần đá trên đỉnh mất ổn định rơi xuống, sau đó một phần đá hai bên sờn xuất hiện
các vết rạn nứt v trợt xuống (hình 15-9), đến một lúc no đó sẽ ổn định hình thnh vòm cân
bằng tự nhiên. áp lực đá núi tác dụng lên lớp lót không phải l ton bộ trọng lợng đá trên
đỉnh m chỉ l trọng lợng của đá bị phá hoại dới vòm cân bằng m thôi.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

42
L
B
e'
e"
e'
e"
x
y
1
2
2
3
A
B

P
R
N
h
T
q
45-/2
45-/2
2.30 2.63
3.90
3
1
H
1
y
x

Hình 15-9. Hiện tợng đá bị sụt và Hình 15-10. Sơ đồ tính áp lực đá mái
hình thành vòm cân bằng tự nhiên
Phơng pháp M.M Pơrôđiacanốp đã căn cứ vo lý luận ny, dùng quan hệ cân bằng
tìm ra kích thớc của vòm cân bằng, từ đó tính đợc áp lực đá núi thẳng đứng v áp lực đá núi
bên. Tác giả của phơng pháp cho rằng đá núi ở vo trạng thái giữa thể đn hồi v thể hạt rời.
ở đây ông đã tính hệ số ma sát trong của đá f cùng với lực dính đơn vị C v gọi l hệ số kiên
cố của đá f
k
:





C
f
Cf
f
k
+=
+
=
.
,
(15 6)
trong đó:
- ứng suất pháp theo phơng thẳng đứng.
Đối với thể tơi rời f
k
~ tg ( - góc ma sát trong của nham thạch tơi rời).
Với đá
Rf
k
100
1
=
(R - cờng độ chịu nén giới hạn của đá tự nhiên).
Theo lý luận của thể hạt rời, giới hạn mặt phá hoại ở hai bên đờng hầm chỉ xảy ra với
góc (
2
45


o

), ta có sơ đồ tính toán nh hình 15-10.
Xét điều kiện cân bằng của vòm ở đoạn OC, tác dụng vo đoạn ny có lực đẩy đỉnh vòm từ
phía trái N, lực dọc trục T v áp lực đá núi tác dụng lên vòm p.
Mô men của tất cả các lực tác dụng lên đoạn OA lấy với điểm O bằng không:

0
2
x
.pxN
y
=
Ta có:

N
px
y
2
2
= .
(15 - 7)
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

43
Đây l phơng trình của vòm cân bằng tự nhiên. Phản lực R ở điểm B l áp lực ở chân
vòm. Thnh phần P gây ra lực ma sát ở chân vòm f
k
P, còn lực N l lực đẩy hớng về phía đá
núi. Để chân vòm A v B ổn định, lực ma sát cần phải lớn hơn hoặc bằng lực đẩy.
f

k
P N.
Trong thực tế tính toán, để tăng an ton, ngời ta lấy N bằng một nửa lực ma sát, tức l:
N = 0,5f
k
P hay
k
f
2
L
p5,0N =
(15 - 8)
Thay trị số N vo phơng trình (15-7), chúng ta có:

k
2
Lf5,0
x
y =

(15 - 9)
Khi x = 0,5L v y = h, từ công thức (15-9) chúng ta có chiều cao của vòm:
h =
k
f
L
2
,
(15-10)
trong đó:









+=
2
45tgH2BL
o
oo
.
(15-11)
áp lực đá núi tác dụng theo phơng đứng lên lớp lót đờng hầm đợc tính bằng trọng
lợng khối đá đợc giới hạn trong phạm vi của vòm cân bằng (hình 15-10)
Trọng lợng của khối đá đợc tính:

3
2
G
=
đ
.Lh =
đ
k
2
f3
L

.
Vậy lực phân bố trung bình l:
p =

đ
k
2
f3
L
.
(15 - 12)
Theo lý thuyết thể hạt rời, áp lực đá núi theo phơng ngang có thể tính nh áp lực lên
lng tờng mn thẳng đứng:
e =

đ
tg
2
(45
o
-
2

)
(15 - 13)
e =

đ
(h + H
o

) tg
2
(45
o
-
2

).
(15 - 14)
áp lực trung bình:
e
tb
=
đ
(h + 0,5H
o
) tg
2
(45
o
-
2

).
(15 - 15)
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

44
Phơng pháp M.MPơrôtôđiacanốp không xét đến ảnh hởng của độ sâu vị trí đặt đờng

hầm so với bề mặt v ảnh hởng tơng tác khi đờng hầm đặt gần nhau, đặc biệt l cấu trúc
địa chất v.v
Khi đờng hầm đặt rất sâu (H > 500m), phơng pháp ny không thích hợp. Trong
trờng hợp ny nên sử dụng những phơng pháp đặc biệt có xét đến trạng thái dẻo, hiện tợng
tách bóc của nham thạch v các hiện tợng đặc biệt khác.
Sơ đồ hình (15-10) đợc phân tích trong trờng hợp có thnh phần áp lực đá núi thẳng
đứng v nằm ngang. Trong thực tế tính toán tuỳ theo tình hình cụ thể về tính chất tầng đá
(đợc thể hiện bằng hệ số f
k
) đờng hầm đi qua m ở đó không có, có không đủ hoặc đủ các
thnh phần áp lực đá núi. Khi tính toán phải dựa vo vác quy phạm hiện hnh.
3. Nhân tố ảnh hởng đến áp lực đá núi
Cấu tạo của tầng đá ảnh hởng rất lớn đối với áp lực đá núi. Khi đờng hầm đục xuyên
qua các lớp đá nằm ngang (hình 15-11) thì độ cứng của lớp đá trên đỉnh đờng hầm nhỏ,
nên nó dễ bị phá hoại, do đó áp lực đá núi sẽ lớn. Khi đờng hầm xuyên qua các lớp đá
thẳng đứng hoặc có độ nghiêng rất dốc (hình 15-12) các lớp đất ở đỉnh đờng hầm có độ
cứng lớn, áp lực đá núi nhỏ.

Hình 15-11 Hình 15-12
Khi xét hệ số kiên cố f
k
phải xét đến ảnh hởng cấu tạo của đá núi. Khi đá còn tơi,
hon chỉnh, độ nứt nẻ nhỏ hơn 1%, hớng dốc các lớp đá gần nh vuông góc với trục của
đờng hầm, cờng độ chịu nén của đá núi R > 1,0 x10
8
N/m
2
v không có nớc ngầm thì có
thể không xét đến ảnh hởng của áp lực đá núi. Khi đá núi nứt nẻ nhiều, phơng của các vết
nứt gần nh song song với trục đờng hầm, dù cờng độ chịu nén của đá lớn, trị số f

k
cũng
không thể lớn hơn 6. Đá bị nứt nhiều, trong khe nứt có đất cao lanh, sét, nớc ngầm tơng đối
nhiều, R < 6,0 x 10
7
N/m
2
trị số f
k
không nên lấy nhỏ hơn 2.
Điều kiện thi công cũng có ảnh hởng nhất định dến áp lực đá núi. Sau khi đo đờng
hầm, ngoi các lớp rất vụn ra, biến hình dẻo v đn hồi của đá ở xung quanh đờng hầm
không phải l hon thnh ngay m sẽ diễn biến qua một thời gian, vì vậy khoảng cách giữa
thời gian sau khi tháo gin chống tạm thời v khi xây dựng lớp lót cng di thì biến hình của
đá cng lớn. Nổ mìn khi thi công cũng có thể lm rộng các khe nứt do đá lm cho áp lực đá
núi tăng lên. Vì vậy khi chọn f
k
phải xét đến ảnh hởng của điều kiện thi công.
Khi đờng hầm đo qua các tầng đá rắn chắc (f
k
8) không có áp lực đá núi tác dụng
lên lớp lót. Trờng hợp tầng đá có 8 > f
k
> 4 chỉ có áp lực đá núi thẳng đứng. ở tầng đá có 4
f
k
2 có cả áp lực đá núi thẳng đứng v nằm ngang. Khi f
k
< 2, áp lực đá núi thẳng đứng v
nằm ngang khá lớn, có cả áp lực từ dới lên. Khi đờng hầm nằm nông (khoảng cách từ nóc

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

45
hầm đo đến mặt đất nhỏ hơn hai lần chiều cao của vòm áp lực), áp lực đá núi thẳng đứng lấy
bằng trọng lợng ton bộ lớp nham thạch nằm trên nó.
Xác định hệ số kiên cố f
k
theo công thức M.M.Prơtôđiacanốp cho giá trị thiên lớn, vì
trong thực tế các lớp đá có tồn tại những vết nứt rạn. Do đó cần căn cứ vo cấu tạo của đá m
đem trị số tìm đợc nhân với hệ số từ 0,5-:-0,9. Hệ số kiên cố của đá có thể tham khảo ở bảng
15-3.




Bảng 15-3. Hệ số kiên cố của đá
Mức độ rắn
chắc của đá
Các loại đá f
k

(T/m
3
)
o
Vô cùng
cứng
Loại đá quắczit v ba zan cùng các loại đá khác
vô cùng rắn chắc

20 2,8-3,0 87
o

Rất cứng
Đá hoa cơng rất cứng, poocfia thạch anh, phiến
thạch si lit, đá quắc zit có độ cứng dới loại trên, loại
đá vôi v sa thạch cứng nhất.
15 2,7-2,8 85
o

Cứng
Đá hoa cơng v đá giống hoa cơng chặt, quặng
thạch anh, sa thạch v đá vôi rất cứng, cuội kết
cứng, quặng sắt rất cứng
10
2,5
ữ2,6
82
o
30
Cứng
Đá vôi cứng, đá hoa cơng không cứng, sa thạch
cứng, đá cẩm thạch, đôlômít cứng, quặng sắt mu
vng cứng
8 2,5 80
o

Tơng đối
cứng
Sa thạch thông thờng, quặng sắt thờng 6 2,4 75

o

Tơng đối
cứng
Phiến thạch cát, sa thạch phiến 5 2,5 72
0
5
Cứng trung
bình
Đá diệp thạch sét cứng, đá vôi v sa thạch không
cứng, cuội kết mềm
4 2,8 70
o

Cứng trung
bình
Các loại diệp thạch không cứng, mác nơ chặt 3 2,5 70
o

Tơng đối
mềm
Diệp thạch mềm, đá vôi mềm, đá phấn, muối mỏ,
thạch cao, ăngđơrasit, đá mác nơ thờng, sa thạch
vụn, đất pha đá
2 2,4 65
o

Tơng đối
mềm
Đá vụn, diệp thạch vụn, sỏi, cuội kết thnh khối,

than đá cứng (f
k
= 1,4 ữ1,8), đất sét cứng
1,5
1,8
ữ2,0
60
o

Mềm
Sét chặt, than đá trung bình (f
k
= 1,0ữ1,4), cát
cứng, đất dính
1,0 1,8 45
o

Mềm Sét pha ít cát, đất hong thổ, than đá mềm (f
k
= 0,8 1,6 40
o

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

46
0,6ữ1,0)
Đất Đất thực vật, cát ẩm 0,6 1,5 30
o


Vụn Cát, đá dăm, đất trồng trọt, than bùn 0,5 1,7 27
o

III. Lực kháng đàn tính của đá
Dới tác dụng của tải trọng, khi lớp lót đờng hầm biến dạng về phía ngoi sẽ bị đá
núi ngăn lại, đó l lực kháng đn tính mang tính chất bị động. Lực kháng đn tính không
những có quan hệ với tính chất vật lý v cấu tạo của các tầng đá m còn có liên quan tới sự
biến dạng của lớp lót. Nh vậy, lực kháng đn tính có liên quan với trị số của tải trọng v độ
cứng của lớp lót. Lực kháng đn tính của đá núi có thể chịu đợc một phần ứng suất do áp lực
đá núi, trọng lợng bản thân của lớp lót v áp lực nớc bên trong sinh ra, lm giảm bớt trị số
các lực tác dụng lên lớp lót, có lợi đối với sự lm việc của lớp lót. Vì vậy khi xét thật kỹ v
chính xác ảnh hởng của lực kháng đn tính có thể thu nhỏ kích thớc lớp lót, lm giảm khối
lợng công trình. Với trình độ kỹ thuật hiện nay khi dùng những biện pháp thi công thích
đáng, bảo đảm trong mọi trờng hợp, lớp lót liên kết chặt chẽ với tầng đá rắn chắc xung quanh
thì lúc thiết kế các đờng hầm đều có thể xét đến lực kháng đn tính. Nếu lực kháng đn tính
dùng lớn thì lớp lót sẽ sinh ra ứng suất lớn lúc đó khó tránh đợc nứt gãy. Theo hớng dẫn
thiết kế đờng hầm thuỷ lợi HD TL-C-3-77, khi tính toán lớp lót đờng hầm (bao gồm cả các
chi tiết có dạng định hình của vỏ thép) chịu những tổ hợp tải trọng bất kỳ phải xét đến loại lực
ny. Khi đờng hầm có áp nằm ở độ sâu bé hơn ba lần đờng kính của nó, tính toán loại lực
ny phải có luận chứng đặc biệt.
Trị số của lực kháng đn tính có thể coi gần đúng tỷ lệ thuận với biến vị theo hớng
pháp tuyến với bề mặt lớp lót, tức l:
p = Ky,

(1516)
trong đó:
p lực kháng đn tính phân bố
y trị số biến vị theo hớng pháp tuyến;
K hệ số lực kháng đn tính (kg/cm
3

), l lực tác dụng lên một đơn vị diện tích v lm
cho đơn vị diện tích ny biến vị một đoạn bằng một đơn vị độ di. Hệ số ny phụ thuộc vo
tính chất của đá v đờng kính của đờng hầm. Trong tính toán lớp lót đờng hầm, đặc trng
đn tính của đá đợc xét thông qua hệ số lực kháng đơn vị K
o
hoặc bằng môđun biến dạng của
đá E
đ
v hệ số biến dạng ngang
đ
(hệ số poát xông) có xét đến khả năng lm tăng thêm
những đặc trng trên trong trờng hợp đá bao quanh đờng hầm đợc gia cố nhân tạo.
Đối với đờng hầm có áp hình tròn nằm trong đá đồng nhất đẳng hớng, quan hệ giữa
E
đ
, K
o
v
đ
đợc xác định bằng công thức:
E
đ
= 100K
o
(1+
đ
)
(15-17)
Tuỳ theo mức độ quan trọng của công trình m đặc trng E
đ

, K
o
đợc xác định từ
những ti liệu nghiên cứu tại hiện trờng bằng những phơng pháp ở những mức độ chính xác
khác nhau.
0
1600
1400
1200
1000
K
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

47
Đờng hầm có mặt cắt dạng tròn, hệ số
K v K
o
quan hệ với nhau theo công thức:
K =
n
o
r
K
100
, (15-18)
trong đó:
r
n
bán kính ngoi của lớp lót, cm

K
o
hệ số lực kháng đơn vị (chính l hệ
số đn tính của đá khi bán kính đo đờng
hầm bằng 100cm), kG/cm
2
.
Hệ số K
o
phụ thuộc vo hệ số kiên cố của
đá f
k
, đợc xác định bằng thí nghiệm.
Trên hình 15-13 thể hiện quan hệ giữa K
o
v
f
k
của đá nứt nẻ.
IV. áp lực nớc
á
p lực nớc tác dụng lên đờng hầm bao gồm áp lực bên trong v bên ngoi đờng hầm.
Giá trị áp lực bên trong phụ thuộc vo trạng thái dòng chảy có áp hay không áp.
áp lực nớc
bên ngoi đờng hầm phụ thuộc vo mực nớc ngầm. Tính toán áp lực nớc bên trong đờng
hầm sử dụng các phơng pháp thuỷ lực thông thờng. Cũng giống nh áp lực bên trong đờng
hầm, áp lực nớc bên ngoi đờng hầm đợc phân ra thnh hai thnh phần áp lực đều v áp
lực không đều. Hợp lực của hai thnh phần ny chính l áp lực đẩy nổi tác dụng lên đờng
hầm.
áp lực phân bố đều ở bên ngoi đờng hầm l một trong những ngoại lực rất khó xác

định. Hiện vẫn cha có phơng pháp no tơng đối chính xác để xác định áp lực ny cho các
đờng hầm có hình dạng không phải l tròn.
V. áp lực phụt vữa
Các lỗ phụt vữa thờng bố trí ở đỉnh đờng hầm, ở phía dới đờng kính nằm ngang của
đờng hầm chỉ bố trí lỗ phụt vữa khi có những lỗ hổng cục bộ rất lớn hoặc có hiện tợng trụt
đá. Riêng trong trờng hợp dùng lớp lót kiểu lắp ghép thì cần phải bố trí lỗ phụt vữa ở cả chu
vi mặt cắt ngang của đờng hầm. Lỗ phụt vữa liên kết thờng bố trí đối xứng.
Sự phân bố áp lực tác dụng lên lớp lót của đờng hầm sinh ra khi tiến hnh phụt vữa có
liên quan đến hình dạng mặt cắt của đờng hầm, độ rỗng của đá ở phía sau lớp lót, số lợng v
vị trí lỗ phụt vữa, trình tự phụt vữa v áp lực khi phụt vữa. Trị số của áp lực ny cần căn cứ vo
thí nghiệm ở hiện trờng v các quy phạm hiện hnh để xác định. Sự phân bố của áp lực lên
lớp lót khi tiến hnh phụt vữa cũng đợc xác định bằng thí nghiệm.
VI. ứng suất nhiệt
Cũng nh ứng lực xuất hiện do sự trơng nở của bê tông, từ biến của đá, ứng lực xuất
hiện do sự thay đổi nhiệt độ l loại lực đặc biệt tác dụng lên lớp lót của đờng hầm. Sự thay
đổi nhiệt độ ở môi trờng bên trong v bên ngoi đờng hầm hay nhiệt độ không khí hoặc
nớc ở bên trong đờng hầm thấp hơn nhiệt độ lúc đổ bê tông lm cho bê tông co giãn, tại lớp
lót có thể sinh ứng suất kéo, do đó cần bố trí cốt thép chịu nhiệt độ. Khi bề dy lớp lót nhỏ dễ
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

48
toả nhiệt v đờng kính đờng hầm không lớn lắm (3ữ4m) có thể không cần xét đến ứng suất
nhiệt.
VII. Lực động đất
Sự ảnh hởng động đất đối với đờng hầm phụ thuộc vo điều kiện địa chất chỗ xây đựng
đờng hầm.
ở những nơi đoạn tầng nhiều, nứt nẻ nhiều hoặc tính chất của đá biến đổi rất lớn,
do tác dụng của động đất, các bộ phận của đờng hầm bị chấn động khác nhau nên lớp lót
phải chịu lực rất lớn có thể bị phá hoại

. ở những nơi có động đất từ cấp 6 trở xuống có thể
không xét lực động đất. Những khu vực có động đất trên cấp 10, đờng hầm cần thiết kế đặc
biệt hoặc không dùng đờng hầm.
ở những vùng động đất cấp 7, 8, 9 có thể dựa vo tình hình
địa chất, chia đờng hầm thnh nhiều đoạn có bề dy lớp lót khác nhau, riêng cửa vo v cửa
ra cần có biện pháp gia cố tốt.
ảnh hởng của động đất đối với đờng hầm có liên quan nhiều với vị trí đo của đờng
hầm. Đờng hầm cng ở sâu dới đá, ảnh hởng của lực động đất cng nhỏ. Nếu ở độ sâu
30m, lực tác dụng lên đờng hầm chỉ bằng 1/10 so với vị trí trên mặt đất. ảnh hởng của
động đất đối với cửa vo v cửa ra của đờng hầm rất lớn, các tầng đá ở đây có khả năng
bị sụt hoặc trợt cần phải lm tờng cánh chống đỡ v tốt nhất nên dùng kết cấu bê tông v
bê tông cốt thép.
Tóm lại ảnh hởng của động đất đối với đờng hầm phụ thuộc vo tình hình địa chất
công trình, cờng độ động đất, vị trí sâu nông của đờng hầm. Khi tính toán cần phân tích cụ
thể.
Đ15-5. tính toán kết cấu lớp lót đờng hầm
Thông qua các điều kiện thuỷ lực đã quyết định đợc hình dạng v kích thớc mặt cắt
ngang của đờng hầm. Để ổn định hình dạng mặt cắt, giảm độ nhám bên trong, chống thấm
cho đờng hầm phải tiến hnh xây dựng lớp lót. Chiều dy của lớp lót sẽ đợc quyết định
trên cơ sở tính toán kết cấu phụ thuộc vo hình dạng mặt cắt, cấu tạo lớp lót v tình hình
lm việc của đờng hầm.
I. Các hình thức lớp lót của đờng hầm
1. Các loại lớp lót của đờng hầm không áp
a. Lớp lót trát trơn (hình 15-14a). Khi đờng hầm đo qua tầng đá rất cứng (f
k
>10)
không có áp lực đá núi có thể sử dụng hình thức ny để lm giảm độ nhám v bảo vệ đá núi
khỏi bị phong hoá. Lớp lót trát trơn có thể đợc tạo bằng cách phun vữa hoặc trát.
b. Lớp lót gia cố chỉnh thể (hình 15-14b). Trờng hợp áp lực đá núi không lớn, lực
kháng đn tính có bảo đảm thì dùng lớp lót bêtông chỉnh thể. Đôi khi dòng nớc có tính xâm

thực mạnh, có tính bo mòn lớn dùng lớp lót bằng bêtông không có lợi thì có thể dùng lớp lót
xây bằng đá, gạch. Nếu không có áp lực đá núi bên thì có thể chỉ dùng lớp lót hình vòm ở trên
đỉnh bằng bêtông còn phía dới dùng lớp lót kiểu trát trơn. Khi gặp đá mềm yếu, áp lực đá núi rất
lớn, cũng có thể dùng lớp lót bằng bêtông cốt thép, căn cứ vo áp lực đá núi lớn hay nhỏ m bố
trí cốt thép thnh một hay hai tầng (hình 15-14c).
c. Lớp lót kiểu lắp ghép: Khi đá núi có thể cho phép tiến hnh đo hon ton đờng
hầm hoặc cần có lớp lót để chống đỡ ngay áp lực đá núi thì có thể dùng lớp lót kiểu lắp ghép.
Lớp lót ny gồm có những tấm bê tông hoặc bê tông cốt thép đúc sẵn lót ở vòng ngoi, vòng
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

49
trong lm những tấm xi măng lới thép hoặc bê tông cốt thép liền khối để chịu áp lực nớc
bên trong v chống thấm. Hình thức lớp lót ny có nhiều u điểm: tốc độ thi công nhanh, giảm
bớt hoặc tránh hẳn đợc việc đổ bê tông phức tạp ở trong đờng hầm. Bê tông đúc sẵn ở trong
xởng nên chất lợng cao. Bên cạnh đó hình thức ny cũng có một số nhợc điểm: điều kiện
chịu lực v chống thấm của bê tông lắp ghép kém. Khi áp lực nớc bên trong đờng hầm lớn,
buộc phải dùng vòng trong lớp lót bằng bê tông cốt thép đổ liền khối, vì vậy công trình sẽ
phức tạp, giá thnh sẽ cao.

ở những nơi đá xấu, rời rạc, dùng hình thức lắp ghép cũng có lợi.
Đầu tiên lm một vnh bảo hộ để đo đờng hầm rồi tiến hnh lắp ghép ton bộ vòng
ngoi lớp lót, chống đỡ áp lực đá núi, sau đó tiến hnh thi công vòng trong của lớp lót.
0.15
2.42
1.75
1.35
1.00 1.00
2.30
0.25

0.4
0
.
3
5
1
.
3
0
4.8
4
.
8
0.3
0.42
1.
4
2

3.2
4.0
3.4
3.2
2.2
35
15
1007
35



Hình 15-14. Các hình thức lớp lót của đờng hầm không áp
a) Lớp lót trát trơn; b) Lớp lót gia cố chỉnh thể bằng bêtông; c) Lớp lót gia cố chỉnh thể bằng
bêtông cốt thép; d) gia cố ở đáy đờng hầm
2. Các lớp lót của đờng hầm có áp
a. Loại trát trơn, chống thấm
: dùng cho những nơi đá rắn chắc (f
k
>14) cột nớc không
lớn. Tác dụng của lớp lót chỉ nhằm giảm bớt độ nhám của đờng hầm v chống thấm.
b. Lớp lót gia cố chỉnh thể đơn: do bê tông không chịu đợc ứng suất kéo lớn nên lớp lót
đơn bằng bê tông chỉ dùng trong trờng hợp cột nớc không lớn lắm (H<60m), tầng đá tơng
đối rắn chắc, áp lực đá núi không lớn v lực kháng đn tính bảo đảm. Với đờng hầm cao áp
(H>60m) m hệ số lực kháng đn tính đơn vị của đá vo khoảng 1,1x10
10
N/m
2
cũng có thể
dùng loại lớp lót ny (hình 15-15a). Với những đờng hầm có cột nớc vo loại trung bình H
= 30
ữ60m v đờng hầm có cột nớc cao (H>60m) còn có thể dùng hình thức lót gia cố bằng
bê tông cốt thép (hình 15-15b). Khi H<60m cũng có thể dùng lớp lót kiểu lắp ghép nhng chỗ
nối tiếp phải bảo đảm gia cố thật tốt.

www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

50

4
.

6
0
4
.
2
7

Hình 15-15. Hình thức lớp lót của đờng hầm có áp
c. Lớp lót gia cố kép (hình 15-15c, d, e, f, g)
Vòng ngoi lm bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép. Vòng trong l xi măng lới thép
hoặc bằng thép. Lớp lót kép thờng dùng cho những đờng hầm có đờng kính lớn, áp lực đá
núi v áp lực nớc bên trong đều rất lớn.
áp lực đá núi sẽ do vòng ngoi chống đỡ, còn áp lực
nớc trong đờng hầm sẽ do vòng trong v vòng ngoi cùng chịu. Đối với những đờng hầm
khi thi công nếu cần tiến hnh lót ngay để chống đỡ áp lực đá núi thì dùng hình thức lớp lót
lắp ghép rất tiện. Vòng ngoi dùng các kết cấu lắp ghép đúc sẵn do đó đo đến đâu có thể lắp
ngay đến đấy, lúc đó lớp lót có tác dụng chống đỡ đá núi rồi tiếp tục thi công vòng trong.
II. Tính toán lớp lót đờng hầm không áp
Dới tác dụng của các lực, lớp lót của đờng hầm lm việc trong điều kiện rất phức
tạp, nó có liên quan rất chặt chẽ với sự biến dạng của đá núi l môi trờng xung quanh nó. Vì
vậy cho đến nay có rất nhiều phơng pháp tính lớp lót trên cơ sở những quan hệ về sơ đồ lực
cũng nh sự tơng tác giữa lớp lót với môi trờng đá khác nhau sẽ có lời giải ở những mức độ
chính xác khác nhau.
1. Tính toán vòm thấp

Đối với những mặt cắt nh hình (15-16a) vòm thấp ở đỉnh chịu lực, trong tính toán
xem chân vòm ngm cứng đn hồi vo đá. Hình thức mặt cắt hình (15-16b) nếu chiều dy lớp
lót không đổi v không có áp lực đá núi bên cũng có thể coi chỉ có một phần ở đỉnh l vòm
công tác v đợc tính nh sơ đồ vòm thấp (hình 15-17a).
www.vncold.vn

www.vncold.vn Hi p ln v Phỏt trin ngun nc Vit Nam

51
Tải trọng v lực tác dụng lên vòm chủ yếu l: áp lực đá núi, trọng lợng bản thân, áp
lực phụt vữa, không xét đến lực kháng đn tính v lực ma sát. Do chân vòm l ngm chặt đn
hồi với đá núi nên khi tính toán cần phải xét đến ảnh hởng của biến vị chân vòm.
Biến vị chân vòm gồm biến vị góc v biến vị theo đờng thẳng.
Khi ngm chặt chịu mômen M
0
lúc đó hai biên của mặt cắt chân vòm sẽ có ứng suất
n
n
J
hM
2
0
=

, trong đó J
n
l mô men quán tính của mặt cắt chân vòm. Biến vị theo phơng pháp
tuyến của mặt cắt tỷ lệ thuận với ứng suất pháp của mặt cắt, tức l
=K, trong đó K hệ số
kháng đn tính của đá núi ở chân vòm, do đó ta có:

KJ
hM
K
n
n

2
0
==


.
Góc quay
của mặt cắt l:

KJ
M
h
nn
0
5,0
==


.
Vì M
0
= M
p
+ X
1
+ X
2
Y
n
, trong đó M

p
l mômen chân vòm do ngoại lực gây ra, do đó:


1211
21

np
n
np
yXX
KJ
yXXM
++=
++
= ;

;
n
p
p
KJ
M
=


n
KJ
1
1

=

,
y
n
l khoảng cách từ trung tâm đn hồi đến điểm giữa chân vòm theo phơng thẳng
đứng.
Khi lực dọc N
0
tác dụng, chân vòm sẽ biến vị theo phơng vuông góc với mặt ngm
một giá trị
n
hK
N
.
0
= (xem hình 15-17b).
Hình chiếu của xuống phơng nằm ngang (song song với trục x) l H.

22
2
0
cos
cos
cos +=
+
== XP
Kh
XN
Kh

N
H
n
n
np
n
n



,
trong đó N
p
l lực hớng trục ở chân vòm do các ngoại lực sinh ra.
Phơng trình chính tắc của vòm khi có xét đến biến vị chân vòm có dạng:






=++++
=+++
0
;0
2222211
1122111
HyXX
XX
np

p


(15-19)