Tính cấp thiết của đề tài
Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm 2011, ở
Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng Việt Nam, cung cấp gần 40% điện năng và gần 50% công suất với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW Tính đến quý III/2012, cả nước có khoảng 190 nhà máy thủy điện vừa và nhỏ (N ≤ 30MW) phát điện với tổng công suất khoảng 1500 MW, bên cạnh 49 nhà máy thủy điện lớn.
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).
Việt Nam có diện tích tự nhiên 329.200 km², chủ yếu là rừng và đồi núi, với hơn 2.360 sông suối dài từ 10 km trở lên Nhiều sông lớn có nguồn gốc từ nước ngoài, dẫn đến diện tích hứng nước lớn hơn diện tích lãnh thổ Do đó, trữ năng lý thuyết của nước ta đạt khoảng 310 tỷ m³.
Năng lượng thủy điện có tiềm năng lớn với khả năng sản xuất lên tới 90 tỷ KWh/năm và tổng công suất lắp máy đạt khoảng 25 nghìn MW, chưa tính đến năng lượng từ thủy điện tích năng.
Hiện nay, công suất thủy điện trong hệ thống điện quốc gia chỉ khai thác được khoảng 50% tiềm năng Đối với thủy điện vừa và nhỏ, công suất hiện tại chỉ đạt khoảng 20%, cho thấy vẫn còn 80% tiềm năng cần được phát huy hiệu quả trong tương lai.
Hiện nay, Việt Nam đã xây dựng nhiều nhà máy thủy điện và theo kế hoạch đến năm 2020, số lượng công trình này sẽ tăng đáng kể Khai thác nguồn thủy điện không chỉ mang lại năng lượng sạch, tái tạo mà còn có hiệu quả kinh tế cao, thân thiện với môi trường Điều này đặc biệt phù hợp với tiềm năng thủy điện phong phú của đất nước chúng ta.
Việc áp dụng đường hầm áp lực để tạo chênh lệch cột nước cho các nhà máy thủy điện tại Việt Nam đang trở nên phổ biến, với Thủy điện Hòa Bình là một trong những ví dụ tiêu biểu.
(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 hơ n 7km,
Tính đến thập kỷ 70, trên thế giới có hàng nghìn nhà máy thủy điện với hệ thống đường hầm dẫn nước, trong đó Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy và tổng chiều dài các đường hầm thủy công đạt trên 170km Tại Việt Nam, các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miền núi với địa hình hẹp và dốc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí đường hầm dẫn nước, giúp tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy Việc sử dụng đường hầm áp lực mang lại nhiều ưu điểm so với kênh hở như tiết kiệm đất, vận hành ổn định và tạo chế độ chảy ổn định Tuy nhiên, việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm và phương án gia cố đường hầm rất quan trọng, ảnh hưởng đến sự ổn định, khả năng chịu áp lực nước và đất đá, đồng thời giảm tổn thất thủy lực, mang lại lợi ích lớn cho nhà máy Gần đây, Việt Nam đã xây dựng một số đường hầm thủy công 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
Hiện nay, nhiều công trình thủy lợi và thủy điện đang được thiết kế và xây dựng với các đường hầm thủy công Ví dụ, đường hầm dẫn dòng của công trình Cửa Đạt tại Thanh Hóa có chiều dài 908m và đường kính 9m; trong khi đó, đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến ở Sơn La có chiều dài lên đến 11.129m và đường kính 3,8m Những công trình này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và sử dụng tài nguyên nước hiệu quả.
Đường hầm thường được gia cố bằng nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa chất, như phun vữa, bọc lót thép và đổ bê tông cốt thép Đối với đường hầm thủy công, việc tiếp xúc với nước tạo ra nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng, dẫn đến nguy cơ mất ổn định nếu không có biện pháp gia cố thích hợp Để đảm bảo an toàn cho đường hầm trong quá trình vận hành, cần thiết phải có lớp lót, với mục tiêu xác định nội lực và phân bố ứng suất trong lớp lót nhằm kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép Việc xác định nội lực và ứng suất có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp phần tử hữu hạn đang được ưa chuộng nhờ vào sự phát triển của công nghệ thông tin Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đường hầm thủy công bằng phương pháp này không chỉ có tính khoa học mà còn mang tính thực tiễn cao, góp phần giải quyết các vấn đề trong xây dựng công trình thủy lợi và thủy điện.
Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm dẫn nước khoảng 4500 m, cột nước lớn nhất hơ n 418,4m, l ư u l ượng thiết kế
Q tt ,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình quân nă m
Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn” áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng, tỉnh Lào Cai, mang lại ý nghĩa kinh tế và khoa học quan trọng Việc nghiên cứu này sẽ giúp hiểu rõ hơn về kết cấu phức tạp của đường hầm và cải thiện hiệu quả thiết kế cũng như an toàn trong quá trình vận hành.
Mục đích yêu cầu
Dựa trên các tài liệu thu thập về thông số kỹ thuật của nhà máy Thủy điện Nậm Toóng, bao gồm cột nước, lưu lượng, công suất và thiết bị, cùng với các báo cáo địa chất như kết quả khoan thăm dò, luận văn cần đạt được các yêu cầu cụ thể để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ trong nghiên cứu Việc phân tích các yếu tố địa chất và thủy lực là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của nhà máy.
- Tổng quan về đường hầm thủy công, các phương pháp tính toán đường hầm.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đường hầm thủy điện Nậm
Toó ng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000.
- Phân tích, đánh giá, so sánh kết quả nhận được với hồ sơ thiết kế 3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Từ thực tế: Khi vận hành đường hầm xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau.
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn định.
- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đã có.
- Phương pháp thu thập tài liệu.
- Liệt kê các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công.
- Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán đường hầm.
- Phân tích, nhận xét kết quả đạt được.
4 Những kết quả đạt được của luận văn
- Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công.
- Tổng quan các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đườn g hầm thủy công.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm
Toóng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết kế.
Bố cục của luận văn thạc sĩ ngành Thủy Lợi cần được tổ chức một cách rõ ràng và logic để đảm bảo tính mạch lạc trong nội dung Mỗi phần của luận văn nên có mục tiêu cụ thể, bao gồm phần mở đầu, nội dung chính và kết luận Đặc biệt, phần nội dung cần được chia thành các chương và mục nhỏ để dễ dàng theo dõi và trình bày các vấn đề nghiên cứu Việc tuân thủ các quy định về bố cục không chỉ giúp luận văn trở nên chuyên nghiệp mà còn nâng cao khả năng thuyết phục và giá trị khoa học của nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công
1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở Việt Nam.
1.2 Điều kiện làm việc của đường hầm thủy công.
1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn.
Chương 2: Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm thủy công
Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn
3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn.
3.2 Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán trong luận văn: Sap 2000.
Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng
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
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1 Các kết quả đạt được của Luận văn.
2 Một số vấn đề tồn tại.
Đại học Thủy Lợi là một cơ sở giáo dục hàng đầu, nổi bật trong lĩnh vực đào tạo và nghiên cứu về thủy lợi Trường cung cấp nhiều chương trình học đa dạng, giúp sinh viên phát triển kỹ năng và kiến thức cần thiết cho nghề nghiệp trong ngành này Để nâng cao chất lượng đào tạo, cần có những kiến nghị nhằm cải thiện cơ sở vật chất, tăng cường hợp tác quốc tế và phát triển chương trình học phù hợp với nhu cầu thực tiễn Việc chú trọng đến nghiên cứu khoa học cũng là yếu tố quan trọng để khẳng định vị thế của trường trong khu vực và quốc tế.
Phụ lục tính toán của Đại học Thủy lợi cung cấp các thông tin quan trọng liên quan đến lĩnh vực thủy lợi Các tài liệu này giúp sinh viên và giảng viên nắm bắt kiến thức chuyên môn và áp dụng vào thực tiễn Đại học Thủy lợi nổi bật với chương trình đào tạo chất lượng, giúp sinh viên phát triển kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp trong ngành thủy lợi Thông qua các khóa học và nghiên cứu, trường cam kết cung cấp nền tảng vững chắc cho sinh viên, từ đó góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG
1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công tại Việt Nam
Từ xa xưa, trước Công Nguyên, các công trình ngầm đã được xây dựng tại Babilon, Ai Cập, Hy Lạp và La Mã với nhiều mục đích như khai khoáng, cấp nước, giao thông, lăng mộ và nhà thờ Một số công trình vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay Đường hầm xuyên qua sông Euphrates ở thành phố Babilon, được xây dựng vào khoảng năm 2000 TCN, được coi là công trình ngầm lâu đời nhất trên thế giới.
Vào năm 2150 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, Hy Lạp, đánh dấu sự phát triển của công nghệ xây dựng hầm ngầm Hầu hết các đường hầm cổ xưa được xây dựng trên nền đá cứng với cấu trúc dạng vòm, không cần vỏ chống đỡ, và thi công bằng các công cụ thô sơ như xà beng và chòong Phương pháp thi công ban đầu sử dụng nhiệt đơn giản để làm nóng và làm lạnh hầm Đến cuối thời Trung Cổ, công nghệ thi công đã tiến bộ với việc sử dụng khoan tay và thuốc nổ Sự phát minh ra thuốc nổ Dinamite vào năm 1866 và máy khoan đập xoay đã tạo ra bước ngoặt quan trọng trong xây dựng công trình ngầm và đường hầm thủy công, với vật liệu chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng.
20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm.
Tính đến thập kỷ 70, trên thế giới có hàng nghìn nhà máy thủy điện với đường hầm dẫn nước, trong đó Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy và tổng chiều dài các đường hầm thủy công lên đến 170km Tại Việt Nam, đường hầm thủy công được áp dụng rộng rãi trong các công trình thủy điện và thủy lợi, đặc biệt trong những địa hình và địa chất thuận lợi cho việc đào hầm Đường hầm thủy công được phân thành hai loại chính: đường hầm dẫn nước không áp và đường hầm dẫn nước có áp, với đường hầm không áp thường được sử dụng khi mực nước bên trong ít thay đổi.
Khi chọn tuyến đường hầm, cần xem xét điều kiện địa hình, địa chất và khả năng thi công Về mặt kinh tế, tuyến đường hầm nên được thiết kế ngắn nhất có thể.
Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện thường có dạng gãy khúc do điều kiện địa hình và địa chất Các đoạn hầm nối với nhau được thiết kế lượn cong với bán kính tối thiểu gấp 5 lần chiều rộng tiết diện và góc ngoặt không vượt quá 60 độ Độ dài của tuyến đường hầm có thể lên tới hàng chục ki-lô-mét.
Hình dạng tiết diện của đường hầm phụ thuộc vào chế độ thủy lực, điều kiện địa hình và địa chất Đối với đường hầm dẫn nước không áp, tiết diện có thể thay đổi tùy thuộc vào địa chất mà tuyến đi qua Tỷ lệ chiều cao h và chiều rộng b thường là h:b = 1:1,5; nếu mực nước dao động nhiều, tỷ lệ này có thể lớn hơn, đảm bảo chế độ chảy không áp trong mọi điều kiện, kể cả trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện Khi đường hầm đi qua vùng địa chất đá rắn chắc, tiết diện hình chữ nhật với đáy bằng và trần vòm là phù hợp Ngược lại, nếu địa chất không rắn chắc, với áp lực đất đứng không lớn và không có áp lực hông, tiết diện có thể có trần hình nửa vòng cung.
Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng thủy lợi thường có tiết diện hình tròn, giúp chịu áp lực tốt từ các phía và mang lại nhiều ưu điểm thủy lực hơn so với các tiết diện khác Sử dụng tiết diện tròn cũng giảm khối lượng công tác đào và bê tông vỏ hầm Đối với đường hầm có áp với chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí cần được lựa chọn để đảm bảo áp suất bên trong không nhỏ hơn 0,02 Mpa, với kích thước tối thiểu phải đạt điều kiện an toàn thi công là b ≥ 1,8m.
Gần đây, Việt Nam đã xây dựng một số đường hầm thủy công quy mô nhỏ đến vừa, điển hình là đường hầm dẫn nước tại trạm bơm Nghi Xuân, phục vụ cho các nhà máy thủy điện.
(Hà Tĩnh) dài 160m, BxH=1,8x2,2m; đường hầm Truông Khấp (Nghệ An) có
LU0m , D = 2,9m Hiện tại có nhiều công trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế và xây dựng đường hầm thủy công như:
Dự án Nhà máy thủy điện Nậm Toóng được xây dựng tại Huyện Sa Pa, tỉnh Lào
Hầm dẫn nước của nhà máy thủy điện Nậm Toóng có chiều dài 4.968 mét, với tiết diện hầm là 3x3,5 mét Chiều cao tường đạt 2 mét, chiều cao vòm là 1,5 mét và bán kính vòm R là 1,5 mét.
Hình 1.3 Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng
Dự án Nhà máy thủy điện A Lin B1 tọa lạc tại huyện Phong Điền và A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế Hệ thống đường hầm dẫn nước của nhà máy có chiều dài 4.500m với kích thước tiết diện là 4,1m x 4,7m Chiều cao tường của hầm đạt 2,65m, trong khi chiều cao vòm là 2,05m với bán kính vòm R.
Trường Đại học Thủy lợi, với chiều cao 2,05m, nổi bật trong lĩnh vực giáo dục và nghiên cứu về thủy lợi Đây là nơi cung cấp kiến thức chuyên sâu và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành thủy lợi tại Việt Nam Với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và cơ sở vật chất hiện đại, Đại học Thủy lợi cam kết mang đến những chương trình học tập và nghiên cứu tiên tiến, đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành.
Hình 1.4 Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế
![4.1.3. Thông số công trình [2] - Luận văn nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho đường hầm thủy điện nậm toóng lào cai](https://media.store123doc.com/figures/002/443/thong-so-cong-trinh-2443302.png)
