Thạc Sĩ Nghiên cứu kết cấu hợp lý đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Mường Kim II - Lai Châu

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 6
1. Tính cấp thiết của đề tài 6
2. Mục đích yêu cầu . 7
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 8
4. Những kết quả đạt được của luận văn . 8
5. Bố cục của luận văn 8
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC VÀO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 9
I.1. Các loại nhà máy thủy điện . 9
I.1.1. Nhà máy thủy điện ngang đập . 9
I.1.2. Nhà máy thủy điện sau đập . 10
I.1.3. Nhà máy thủy điện đường dẫn 11
I.2. Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện 12
I.2.1. Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện 12
I.2.2. Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện 15
I.2.3. Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện . 17
I.3. Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện. 18
I.3.1. Kênh dẫn nước vào nhà máy thủy điện 18
I.3.2. Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện 18
I.3.3. Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện . 19
I.4. Kết luận chương I 19
CHƯƠNG II. KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 20
II.1. Các dạng kết cấu đường hầm . 20
II.1.1. Mặt cắt đường hầm không áp 20
II.1.2. Mặt cắt đường hầm có áp . 21
II.2. Phương pháp tính toán 22
II.2.1. Cơ sở lý thuyết xác định áp lực lên vỏ đường hầm . 22
II.2.2. Lực tác dụng lên lớp lót đường hầm . 22
II.3. Các phương pháp tính toán kết cấu lớp lót đường hầm 29
II.3.1. Phương pháp cơ học kết cấu 30
II.3.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng . 39
II.3.3. Áp dụng các phương pháp số trong tính toán đường hầm 44
II.4. Các nguyên tắc thiết kế mặt cắt lớp lót 47
II.5. Kết luận chương II . 48
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM CỦA THỦY ĐIỆN MƯỜNG KIM II 49
III.1. Giới thiệu công trình 49
III.1.1. Vị trí công trình 49
III.1.2. Nhiệm vụ công trình 49
III.1.3. Thông số công trình . 50
III.2. Bố trí mặt bằng của đường hầm 53
III.3. Lựa chọn kết cấu đường hầm cho công trình thủy điện Mường Kim II . 54
III.4. Tính toán kết cấu 54
III.4.1. Các tài liệu đầu vào cho tính toán 54
III.4.2. Các trường hợp tính toán 63
III.4.3. Tính toán kết cấu 64
III.5. Phân tích kết quả tính toán . 72
III.6. Kết luận chương III 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 75
I. Những kết quả đạt được của luận văn . 75
II. Những vấn đề còn tồn tại, kiến nghị 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 79
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 80

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: nhà máy thủy điện ngang đập. 10
Hình 1.2: nhà máy thủy điện sau đập. 11
Hình 1.3: nhà máy thủy điện đường dẫn. 12
Hình 1.4: kênh tự điều tiết 13
Hình 1.5: kênh không tự điều tiết 14
Hình 1.6: các hình thức mặt cắt kênh. 15
Hình 1.7: đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng. 16
Hình 1.8: đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện. 17
Hình 1.9: đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy. 17
Hình 2.1: các dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm không áp. 20
Hình 2.2: các dạng kết cấu mặt cắt của đường hầm có áp. 22
Hình 2.3: sơ đồ tính áp lực đá núi 24
Hình 2.4: quan hệ giữa K0 và fk của đá nứt nẻ 27
Hình 2.5: vòm thấp và vòm công tác ở đỉnh. 30
Hình 2.6: sơ đồ tính toán vòm thấp. 31
Hình 2.7: sơ đồ tính toán vòm cao. 33
Hình 2.8: tính toán vòm cao. 34
Hình 2.9: sơ đồ vòm khép kín. 35
Hình 2.10: sơ đồ tính toán vòm khép kín. 35
Hình 2.11: các lực tác dụng lên tường bên. 37
Hình 2.12: tường bên cứng. 38
Hình 2.13: tường bên đàn hồi 39
Hình 2.14: sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn. 40
Hình 2.15: sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân bố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c). 41
Hình 2.16: phân bố ứng suất trong khối đá có lỗ khoét tròn khi . 43
Hình 2.17: sơ đồ tác dụng của tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm 43
Hình 2.18: phương pháp phần tử hữu hạn. 45
Hình 2.19: Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên. 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm 23
Bảng 2-2: Trị số Ka ứng với các loại đá. 25
Bảng 3.1: Bảng các thông số chính của công trình. 50
Bảng 3.2: Bảng quy mô các hạng mục công trình. 51
Bảng 3.3: Tổng hợp đặc điểm các nguồn nước thủy điện Mường Kim II. 59
Bảng 3.4: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các đới theo số liệu phân tích thí nghiệm trên nền đá trachit phức hệ núi lửa Nậm Kim. 60
Bảng 3.5: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các đới theo số liệu phân tích thí nghiệm trên nền đá trầm tích hệ tầng Mường Trai. 61
Bảng 3.6: Các thông số để tính trị số RMR và GSI theo tiêu chuẩn Hoek-Brown trên các đới trên nền đá phun trào trachit phức hệ Nậm Kim. 62
Bảng 3.7: Các thông số để tính trị số RMR và GSI theo tiêu chuẩn Hoek-Brown trên các đới trên nền đá trầm tích hệ tầng Mường Trai. 62
Bảng 3.8: Chỉ tiêu cơ lý của đá tuyến đường hầm thủy điện Mường Kim II. 63
Bảng 3.9: Kích thước hình học của các mặt cắt 63
Bảng 3.10: Thống kê kết quả tính lực tác dụng lên đường hầm 70
Bảng 3.11: Thống kê kết quả tính nội lực trong đường hầm 71



PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm 2011, ở Việt Nam chúng ta 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 còn lại là nhiệt điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo. Đến quý III/2012, thủy điện vừa và nhỏ (N 30MW) đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất 11.600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia (tổng công suất thủy điện hơn 13 nghìn MW).
Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, nhưng ¾ lãnh thổ là rừng và đồi núi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong đó có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích lãnh thổ của nước ta), vì vậy trữ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm. (trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể 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, hiện nay công suất thủy điện trong hệ thống điện quốc gia mới chỉ phát huy khoảng 50% so với tiềm năng. Nếu chỉ xét thủy điện vừa và nhỏ thì công suất hiện hữu mới chỉ đạt được khoảng 20%, còn lại 80% trong thời gian tới cần được phát huy hiệu quả.
Hiện nay đã xây dựng được một số lớn nhà máy thủy điện. Theo kế hoạch Thủy điện đến 2020 số công trình nhà máy thủy điện sẽ được tăng lên đáng kể. Khai thác nguồn thủy điện là dạng năng lượng sạch, tái tạo và có hiệu quả kinh tế tổng hợp, thân thiện với môi trường và phù hợp với một nước giàu tiềm năng thủy điện như ở nước ta.
Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho các nhà máy thủy điện ở nước ta là khá phổ biến, điển hình có thể 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 hơn 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài hơn 7km, D=7m
Trên thế giới tính đến thập kỷ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây đựng hơn 30 nhà máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kỳ đó trên 170km [4].
Ở nước ta các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miền núi có địa hình vùng tuyến hẹp và dốc, địa chất nền là đá gốc nên có nhiều thuận lợi và hợp lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy. Việc sử dụng đường hầm áp lực có những ưu điểm hơn so với phương án dẫn nước bằng 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 .tuy nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm cũng như phương án gia cố đường hầm có vai trò quan trọng đối với sự làm việc ổn định, khả năng chịu áp lực nước và áp lực đất đá cũng như giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy có vai trò rất quan trọng.
Nhà máy Thủy điện Mường Kim II thuộc huyện Than Uyên - tỉnh Lai Châu có đường hầm dẫn nước khoảng 1600m, cột nước lớn nhất hơn 50m, lưu lượng thiết kế Qtt=27,11m3/s, công suất lắp máy 10,5MW, điện lượng bình quân năm 41,87.106kwh. Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu kết cấu hợp lý đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Mường Kim II – Lai Châu” có ý nghĩa kinh tế và khoa học.
2. Mục đích yêu cầu.
Dựa trên các tài liệu thu thập được về các thông số kỹ thuật của nhà máy thủy điện Mường Kim II (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị .) và các tài liệu về địa hình, địa chất (kết quả khoan thăm dò địa chất, báo cáo địa chất công trình .) yêu cầu luận văn cần đạt được như sau:
- Nghiên cứu hình thức và kết cấu đường hầm.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất của đường hầm.
- Lựa chọn kết cấu hợp lý.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Sử dụng phương pháp tổng hợp. Thống kê các tài liệu, đi sâu nghiên cứu các dạng đường hầm.
- Sử dụng phương pháp tính và phần mềm tính toán hiện đại.
4. Những kết quả đạt được của luận văn
- Xác định hình thức và mặt cắt hợp lý của đường hầm.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và tìm được các lời giải tối ưu.
5. Bố cục của luận văn
Chương I: Tổng quan các công trình dẫn nước vào nhà máy thủy điện.
I.1. Các loại nhà máy thủy điện
I.2. Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện.
I.3. Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện.
I.4. Kết luận chương 1.
Chương II: Kết cấu đường hầm và phương pháp tính toán
II.1. Các dạng kết cấu đường hầm.
II.2. Phương pháp tính toán.
II.3. Các phương pháp tính toán kết cấu lớp lót đường hầm.
II.4. Các nguyên tắc thiết kế mặt cắt lớp lót
II.5. Kết luận chương II.
Chương III: Ứng dụng tính toán đường hầm của thủy điện Mường Kim II.
III.1. Giới thiệu công trình.
III.2. Bố trí mặt bằng của đường hầm.
III.3. Lựa chọn kết cấu đường hầm cho công trình thủy điện Mường Kim II.
III.4. Tính toán kết cấu.
III.5. Phân tích kết quả tính toán.
III.6. Kết luận chương III.
Kết luận và kiến nghị
I. Những kết quả đạt được của luận văn.
II. Những vấn đề còn tồn tại, kiến nghị.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục tính toán