Phân tích ổn định của đập bê tông đầm lăn thủy điện sông bung 4 bằng phương pháp phần tử hữu hạn

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HỒNG NAM KHÁNH PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TƠNG ĐẦM LĂN THỦY ĐIỆN SƠNG BUNG 4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.40 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Nguyễn Thế Hùng Phản biện 1: TS. Hồng Phương Hoa Phản biện 2: TS.Trần Đình Quảng Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10 tháng 12 năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, sự nghiệp cơng nghiệp hĩa và hiện đại hĩa đất nước đang đặt ra những yêu cầu cao cho sự phát triển các ngành thủy lợi – thủy điện. Nhu cầu nước cho dân sinh, sản xuất cơng nghiệp, nơng nghiệp, các hoạt động dịch vụ, giao thơng, giữ gìn và cải thiện mơi sinh đang khơng ngừng tăng lên. Nhất là các cơng trình thủy lợi – thủy điện thì yêu cầu mức độ an tồn phải cao khi đối phĩ với lũ lụt. Nhiều hệ thống thuỷ lợi – thủy điện với quy mơ khác nhau đã và đang được xây dựng trên cả nước. Nhiệm vụ của người thiết kế cũng địi hỏi phải được chuyên mơn hĩa và cơng trình phải được tính tốn chính xác cao để tăng mức độ an tồn và tiết kiệm. Trong các hạng mục cơng trình thủy điện, thì vấn đề ổn định của đập dâng là cực kỳ quan trọng! Nĩ khơng chỉ ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế - xã hội của đất nước mà cịn ảnh hưởng đến đời sống dân sinh tại khu vực dự án. Việc nghiên cứu, tính tốn, kiểm tra ứng suất ổn định của đập và nền trong điều kiện làm việc thực tế khi cĩ những tổ hợp lực bất lợi như sĩng, giĩ, động đất… là rất cần thiết. Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Phân tích ổn định của đập bê tơng đầm lăn thủy điện Sơng Bung 4 bằng phương pháp phần tử hữu hạn” để nghiên cứu. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài Thu thập tài liệu thiết kế, tài liệu địa hình, địa chất, thủy văn Thủy điện Sơng Bung 4, nghiên cứu đánh giá điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn. Tìm hiểu các phương pháp tính sĩng lên đập, tính ổn định của hạng mục đập bê tơng đầm lăn, cơ sở lý thuyết và cách sử dụng phần mềm SAP2000. 4 Tính tốn ổn định, cơ sở lý thuyết và cách sử dụng phần mềm SAP2000 để kiểm tra độ ổn định của hạng mục đập bê tơng đầm lăn cơng trình Thủy điện Sơng Bung 4 khi làm việc đồng thời với nền trong điều kiện bất lợi của sĩng, giĩ, động đất… Từ đĩ kiến nghị với các cơng trình tương tự. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Ổn định của đập bê tơng đầm lăn trên sơng Bung, thuộc địa bàn xã Tà BHing và xã ZuơiH, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính ổn định của cơng trình thủy lợi – thủy điện, cơ sở lý thuyết của phần mềm SAP2000 và ứng dụng nĩ để giải quyết bài tốn ổn định. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận văn đưa ra các quan điểm tính ổn định đập Bê tơng trọng lực hiện nay và nêu lên được những hạn chế và ưu điểm của từng phương pháp. Chứng minh tính ưu điểm của phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đĩ ứng dụng phương pháp này để tính ổn định của đập bê tơng đầm lăn thủy điện Sơng Bung 4, Tỉnh Quảng Nam, khi áp lực sĩng được tính tốn sát với thực tế hơn. 6. Cấu trúc của luận văn CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH, ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC 1.1. Một số quan điểm chọn tiêu chuẩn ổn định của đập bê tơng trọng lực Đập bê tơng trọng lực là đập cĩ khối lượng bê tơng lớn. Đập duy trì ổn định nhờ trọng lượng của khối bê tơng này. 5 Loại đập này cĩ ưu điểm là kết cấu và phương pháp thi cơng đơn giản, độ ổn định cao, cĩ thể dùng để tràn nước hoặc khơng tràn nước. Loại đập này sớm được sử dụng trên tồn thế giới. Trong các nghiên cứu về ổn định của đập bê tơng trọng lực cĩ nhiều quan điểm khác nhau về lựa chọn tiêu chuẩn ổn định đập như sau: + Một điểm trên mặt cắt bị phá hoại thì coi như tồn bộ mặt cắt tính tốn đĩ bị phá hoại. + Lấy tiêu chuẩn biến hình cực hạn làm tiêu chuẩn tính tốn, khi đập làm việc vượt quá giới hạn này thì coi như đập làm việc khơng bình thường. Quan điểm biến hình cực hạn phù hợp về mặt lý luận tuy nhiên trả lời được câu hỏi khi nào gọi là biến hình cực hạn? Đây là một khĩ khăn, khi tính tốn phải kết hợp với tiêu chuẩn cường độ để nghiên cứu. + Tiêu chuẩn ổn định tạm thời. Cĩ thể hình dung tiêu chuẩn này nằm giữa giới hạn phá hoại và khơng phá hoại. Giới hạn tạm thời cho phép đập làm việc đến một giới hạn phá hoại nào đĩ của vật liệu hoặc một phạm vi nào đĩ của mặt cắt nhưng so với khả năng làm việc của vật liệu hoặc tổng thể đập vẫn cịn đủ nhỏ, vẫn cịn phù hợp với các điều kiện kinh tế kĩ thuật. Đây là một quan điểm tương đối tồn diện. Tuy nhiên các nghiên cứu chưa hồn thiện. Vì vậy hiện nay chưa thấy các quy phạm đưa vào để tính tốn thiết kế đập. 1.2. Các dạng mất ổn định của đập bê tơng trọng lực 1.2.1. Ổn định của cơng trình xây trên nền đá 1.2.1.1. Các khả năng mất ổn định a. Trượt theo một mặt nào đĩ, cĩ thể là mặt đáy đập tiếp xúc với nền, hay mặt phẳng đi qua đáy của các chân khay (khi đập cĩ làm chân khay cắm sâu vào nền) 6 b. Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đĩ, thường là mặt đáy đập, hay mặt cắt mà đập bị khoét lỗ, giảm yếu c. Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu tải của nền 1.2.1.2. Ổn định về trượt phẳng a. Với mặt trượt nằm ngang b. Với mặt trượt nghiêng về thượng lưu một gĩc β c. Với mặt trượt nghiêng về hạ lưu một gĩc β 1.2.1.3. Ổn định về lật 1.2.2. Ổn định của cơng trình xây trên nền đất 1.2.2.1. Hình dạng mặt trượt 1.2.2.2. Phán đốn khả năng trượt a. Với nền cát, đất hịn lớn, đất cĩ sét cứng và nửa cứng b. Với nền đất sét dẻo, dẻo cứng và dẻo mềm c. Khi khơng thỏa mãn các điều kiện quy định trên d. Khi mặt trượt nằm ngang e. Khi mặt trượt nằm nghiêng 1.2.2.3. Ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp 1.2.2.4. Ổn định theo sơ đồ trượt sâu a. Trường hợp nền đồng chất b. Trường hợp nền khơng đồng chất 1.3. Các phương pháp tính tốn độ bền và ổn định của nền và của đập bê tơng trọng lực 1.3.1. Nội dung tính tốn 1.3.2. Các phương pháp tính tốn 1.3.2.1. Phương pháp tính ứng suất mặt biên a. Ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang 7 b. Ứng suất cắt tại biên c. Ứng suất pháp trên biên d. Ứng suất chính ở biên e. Ứng suất cắt chính 1.3.2.2. Phương pháp phân tích trọng lực tính ứng suất trong thân đập a. Ứng suất pháp σy b. Ứng suất cắt τ c. Ứng suất pháp σx d. Ứng suất chính e. Ứng suất tiếp chính f. Các đường đẳng ứng suất và quỹ đạo ứng suất 1.3.2.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi a. Đập cĩ dạng hình nêm vơ hạn dưới tác dụng của áp lực nước và trọng lượng bản thân b. Đập cĩ dạng hình nêm vơ hạn chịu tải trọng phân bố đều c. Đập cĩ dạng hình nêm vơ hạn chịu tác dụng của lực tập trung ở đỉnh d. Ứng suất do mơmen tập trung M ở đỉnh gây ra e. Ứng suất trong đập bê tơng do các tải trọng khác gây ra f. Mơ tả phân bố ứng suất trong thân đập 1.3.2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn Theo phương pháp phần tử hữu hạn, bài tốn quy về việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính xác định quan hệ giữa các lực tác dụng vào nút của phần tử và chuyển vị của các điểm nút của phần tử. Quan hệ này được biểu diễn dưới dạng ma trận: { } { } { }F K . U= (1.67) 1.3.2.5. Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn 8 a. Các trạng thái giới hạn b. Biểu thức tính tốn 1.3.2.6. Phương pháp hệ số an tồn chống trượt tại mặt tiếp giáp giữa đập và nền 1.3.2.7. Phương pháp tính theo hệ số an tồn 1.3.2.8. Phương pháp tính theo độ tin cậy 1.4. Ảnh hưởng của biến dạng nền đến sự phân bố ứng suất trong thân đập 1.5. Ảnh hưởng của lực thấm đến thành phần ứng suất trong thân đập 1.6. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm đến thành phần ứng suất trong thân đập CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM SAP2000 TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC 2.1. Giới thiệu chung SAP2000 là sản phẩm phần mềm để phân tích kết cấu xây dựng, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn diễn tốn dưới dạng ngơn ngữ ma trận làm cơ sở giải quyết các bài tốn kết cấu. SAP2000 cĩ giao diện đồ họa rất mạnh nên người dùng dễ sử dụng. Quá trình tạo và thay đổi mơ hình, giải và kiểm tra bài tốn thiết kế đều được thực hiện trong cùng một giao diện, hiển thị kết quả dưới dạng đồ họa kể cả mơ hình dao động theo thời gian trong các bài tốn phân tích động. Khi xử lý dữ liệu, SAP2000 tự động chuyển đổi mơ hình đối tượng cơ bản vào trong mơ hình phần tử cơ bản dùng để tính tốn. 9 Mơ hình phần tử cơ bản được gọi là mơ hình tính tốn, nĩ bao gồm các phần tử hữu hạn truyền thống và các liên kết (điểm nút). Phân tích ổn định của cơng trình phụ thuộc chủ yếu 2 trạng thái: - Ổn định lật, trượt của cơng trình. - Kiểm tra điều kiện bền của kết cấu. 2.2. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ổn định đập bê tơng trọng lực 2.2.1. Các loại phần tử 2.2.1.1. Phần tử tấm (Shell) 2.2.1.2. Phần tử biến dạng phẳng (Plane Strain Element) 2.2.1.3. Phần tử ứng suất phẳng (Plane Stress Element) 2.2.1. Hàm chuyển vị 2.2.2. Đánh giá sai số phần tử hữu hạn 2.2.3. Các điều kiện biên 2.2.4. Điều kiện cường độ 2.2.5. Hệ tọa độ miền 2.2.6. Lý thuyết sĩng sử dụng trong SAP2000 Tải trọng sĩng tác dụng lên cơng trình thường được biểu diễn dưới dạng biểu đồ áp lực sĩng theo độ sâu nước và phụ thuộc vào hình dạng kết cấu cơng trình. • Sĩng Airy hay cịn gọi là lý thuyết sĩng tuyến tính được xây dựng trên cơ sở sử dụng hệ phương trình thủy động lực học sĩng (2.26). 10 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 x,z, t 0 t, M x, z d 0 z d dz 1 g 0 t, M x, t 2 x z 0 t, M x, t x x z ∆φ = ∀ ∀ ∈Ω φ  = = −     ∂φ ∂φ ∂φ    + + + η = ∀ ∀ η     ∂ ∂ ∂       ∂η ∂φ ∂η ∂φ + − = ∀ ∀ η  ∂ ∂ ∂ ∂  (2.26) • Sĩng Stoker hay cịn gọi là sĩng sinusoidal (sĩng hình sin). Ở đây các thơng số sĩng được diễn tả bằng các hàm lượng giác thơng thường và các hàm hyperbol dưới dạng chuỗi với số mũ từ 1 đến n. • Sĩng Cnoidal cũng là lý thuyết sĩng bậc cao, song các thơng số sĩng được diễn tả dưới các hàm Jacobie – Elliptic. • Lý thuyết Cnoidal cĩ phạm vi ứng dụng hẹp nằm kẹp giữa giới hạn vỡ H/d = 0,78 và khơng vỡ L2H/d3 = 26, được dừng lại ở vùng chuyển tiếp. 2.2.7. Phương pháp tính tốn cơng trình chịu tác động của động đất trong SAP2000 * Phương pháp phổ phản ứng: * Phương pháp lịch sử thời gian: - Kỹ thuật phân tích dạng chính: - Tích phân trực tiếp phương trình chuyển động: 2.2.8. Các phương trình phần tử hữu hạn Lời giải giả định: { } { } 1 T1 2 1 1 2 2 u N 0 N 0u v u(x, y) N d 0 N 0 Nv u          = = ≡             L L M (2.31) Quan hệ biến dạng - chuyển vị: 11 { } [ ] { } 1 2 1 x T11 2 y 2 xy 1 1 2 2 N Nu 0 0 ux xx vN Nv 0 0 B d uy y y u v N N N N y x y x y x    ∂ ∂∂     ∂ ∂∂    ε       ∂ ∂∂   ε = ε = ≡      ∂ ∂ ∂      γ      ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂  +  ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂   L L M L (2.32) Quan hệ ứng xử nếu cĩ sự thay đổi nhiệt độ ∆T: { } [ ] { } { }{ }0Cσ = ε − ε (2.33) { } { }T x y0 zT T 0 ; TE σ + σ ε = α∆ α∆ ε = −ν + α∆ (2.34) Bài tốn ứng suất phẳng: x x y y2 xy xy 1 0 T E 1 0 T 1 1 00 0 2        σ ν ε α∆          σ = ν ε − α∆       − ν      τ − ν γ          (2.35) Bài tốn biến dạng phẳng: x x y y xy xy 1 0 (1 ) T E 1 0 (1 ) T(1 )(1 2 ) 1 2 00 0 2        σ −ν ν ε +ν α∆          σ = ν −ν ε − +ν α∆      +ν − ν      τ − ν γ          2.36) Hệ phương trình phần tử: [ ]{ } { } { }{ }q bK d r r rε= + (2.37) Ma trận độ cứng phần tử: [ ] T A K h [B][C][B] dA= ∫∫ (2.38) Véctơ tải tương đương do tải phân bố: { } { } xq c yC q r h N dC q   =     ∫ (2.39) 12 Véctơ tải tương đương do tải thể tích: { } { } xb yA b r h N dA b   =     ∫ (2.40) Véctơ tải tương đương do sự thay đổi nhiệt độ ban đầu: { } { }0 A r h [B][C] dAε = ε∫∫ (2.41) 2.2.9. Rời rạc phần tử hữu hạn Xét phần tử hữu hạn hình tam giác bất kỳ cĩ các đỉnh 1, 2, 3 (Hình 2.10) và chịu tác dụng của các ngoại lực đặt tại các điểm nút là: [F] = [F1x, F1y, F2x, F2y, F3x, F3y] Tại các nút phát sinh phát sinh các véctơ chuyển vị là: [V] = [u1, v1, u2, v2, u3, v3] 1 2 3 4 5 7 1 8 10 6 11 12 13 14 9 15 16 1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 2 3 a) b) Hình 2.10. Sơ đồ tính tốn bằng phương pháp PTHH a) Chia miền S thành nhiều phần tử; b) Phần tử tam giác với 3 điểm nút Phương trình cân bằng ứng suất phẳng là: xyx x xy y y F 0 x y F 0 x y ∂τ∂σ + + = ∂ ∂ ∂τ ∂σ + + =  ∂ ∂ (2.42) 13 ( ) ( ) ( ) x x y2 y y x2 xy xy E 1 E 1 E 2 1 σ = ε + νε − ν σ = ε + νε − ν τ = γ − ν (2.43) Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biểu thức (2.43) cĩ thể thuận lợi khi viết dưới dạng ma trận: { } x x y y2 xy xy 1 0 E 1 0 1 10 0 2       σ ν ε      σ = σ = ν ε     − ν    τ − ν γ       (2.44) Tương đương với: { } [ ]{ }Dσ = ε [D] - ma trận đàn hồi. [ ] 2 1 0 ED 1 0 1 10 0 2    ν   = ν  − ν   − ν     (2.45) Biến dạng - chuyển vị: { } x y xy 0 x u 0 vy y x  ∂  ∂  ε    ∂  ε = ε =    ∂     γ   ∂ ∂  ∂ ∂  (2.46) 2.2.10. Các bước tính tốn + Tính [Ke], [Fe]: Giả thiết quy luật biến đổi của chuyển vị là bậc nhất 14 u = a1 + a2x + a3y v = b1 + b2x + b3y i 1i i j 2j j 3k k k e i i 4i j j 5j k k 6k u a1 x y 0 0 0 u a1 x y 0 0 0 au 1 x y 0 0 0 V . 0 0 0 1 x y av 0 0 0 1 x y av 0 0 0 1 x y av                        = =                               (2.48) Chuyển vị tại điểm (x,y) thơng qua chuyển vị nút là: 1 xy xy eV M .C .V − = (2.49) [ ] x T y xy xy u 0 x x uv 0 . .V vy y u v y x y x    ∂ ∂    ∂ ∂     ε        ∂ ∂ ε = ε = = = ∂      ∂ ∂      ε     ∂ ∂ ∂ ∂ +   ∂ ∂ ∂ ∂    (2.50) 1 x 1 x y 0 0 0 B . .C 0 0 0 1 x yy y x −  ∂  ∂     ∂ =    ∂     ∂ ∂ + ∂ ∂  (2.52) jk ki ij kj ik ji kj ik ji jk ki ij y y y 0 0 0 1B . 0 0 0 x x x 2S x x x y y y∆     =       (2.53) Trong đĩ xkj = xk - xj; ykj = yk - yj. S∆ - diện tích phần tử được xác định như sau: 15 ( )j k k j k i i k i j j i i j k i j k 1 1 1 x y x y x y x y x y x y1S x x x 2 2 y y y ∆   − + − + −  = =      (2.54) Với bài tốn ứng suất phẳng ta cĩ: [ ][ ] [ ] x y e e xy D B V S V  σ   σ = σ = =   σ  (2.55) Tính tốn ma trận độ cứng [Ke] cho từng phần tử theo cơng thức: [ ] [ ] [ ] [ ] pt T T e e pt V K B .D. B .V dV t.S . B .D. B∆= =∫ (2.56) Ma trận tải phần tử [Fe] cho từng phần tử theo cơng thức: [ ]( ) pt exi exj T exk1 T e xy pt eyiV eyj eyk F F F F C M . .dV F F F −          = ρ =           ∫ (2.57) + Đưa [Ke] vào [K]: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể của tồn hệ và phương trình với hệ cĩ m phần tử ta cĩ: m e e 1 K K = =∑ (2.58) Triển khai phương trình K.V - F = 0 dưới dạng ma trận: 16 11 12 1,n 1,n 1 1,n 2 1,2n 21 22 2,n 2,n 1 2,n 2 2,2n n,1 n,2 n,n n,n 1 n,n 2 n,2n n 1,1 n 1,2 n 1,n n 1,n 1 n 1,n 2 n 1,2n n 2,1 n 2,2 n 2,n n 2,n 1 n 2,n 2 n 2,2n 2n,1 2n, k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + L L L L M M M M M M M M L L L L L L M M M M M M M M 1x1 2x2 nxn 1y1 2y2 ny2 2n,n 2n,n 1 2n,n 2 2n,2n n Fu Fu Fu Fv Fv Fk k k k v+ +                         =                             MM MM L L (2.59) Việc đưa [Ke] vào [K] theo nguyên tắc: - Hàng 1, 2, 3 của Ke được xếp vào hàng i, j, k của ma trận K. - Hàng 4, 5, 6 của Ke được xếp vào hàng n+i, n+j, n+k của ma trận K. - Cột 1, 2, 3 của Ke được cộng vào cột i, j, k của ma trận K. - Cột 4, 5, 6 của Ke được cộng vào cột n+i, n+j, n+k của ma trận K. + Đưa [Fe] vào [F]: Xây dựng véctơ tải F của tồn hệ, với hệ cĩ m phần tử và n nút thì véctơ tải của hệ cĩ 2n thành phần x1 m xm e e 1 y1 ym F F F F F F =         = =            ∑ M M (2.60) Việc đưa [Fe] vào [F] theo nguyên tắc: - Hàng 1, 2, 3 của Fe được xếp vào hàng i, j, k của ma trận F. - Hàng 4, 5, 6 của Fe được xếp vào hàng n+i, n+j, n+k của ma trận F. 17 - Cộng thêm vào tải trọng tập trung tại nút i theo phương X vào hàng i. - Cộng thêm vào tải trọng tập trung tại nút i theo phương Y vào hàng i+n. + Gán điều kiện biên theo nguyên tắc sau: - Nút i cĩ tính chất X = 1 thì [Ki,i] = VCL. - Nút i cĩ tính chất Y = 1 thì [Ki+n,i+n] = VCL. + Giải hệ phương trình: Giải hệ phương trình (2.59) cho kết quả chuyển vị. Với mỗi phần tử (i, j, k), ta xác định được véctơ chuyển vị nút V với: - ui, uj, uk lấy từ phần tử thứ i, j, k của véctơ u. - vi, vj, vk lấy từ phần tử thứ i+n, j+n, k+n của véctơ v. Các thành phần ứng suất xác định theo cơng thức (2.60). CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SAP2000 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TƠNG ĐẦM LĂN CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠNG BUNG 4 3.1. Giới thiệu về cơng trình thủy điện Sơng Bung 4 3.1.1. Vị trí địa lý Vị trí của tuyến cơng trình Sơng Bung 4 nằm trên địa bàn xã Tà BHing và xã ZuơiH thuộc huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà Nẵng theo đường chim bay khoảng 75km về hướng Tây - Nam. Tọa độ địa lý tuyến đập ở 15042’19’’ vĩ Bắc, 107038’28’’ kinh Đơng. Tọa độ địa lý nhà máy ở 15043’38” vĩ Bắc, 107038’58” kinh Đơng. 18 3.1.2. Đặc điểm địa hình - địa mạo, địa chất cơng trình khu đầu mối 3.1.2.1. Đặc điểm địa hình - địa mạo 3.1.2.2. Đặc điểm địa chất 3.1.3. Quy mơ cơng trình đầu mối 3.1.3.1. Đập dâng 3.1.3.2. Đập tràn 3.2. Các loại tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên cơng trình 3.2.1. Tải trọng thường xuyên và tạm thời (dài hạn và ngắn hạn) 3.2.1.1. Áp lực thủy tĩnh a. Mặt thượng lưu Thành phần theo phương ngang: 21 n TL 1W .H 2 = γ (3.1) Thành phần theo phương ngang: 21 n TL 1W .H 2 = γ (3.2) Cường độ tại đáy đập: 1 n TLP .H= γ (3.3) b. Mặt hạ lưu Thành phần theo phương ngang: 22 n HL 1W .H 2 = γ (3.4) Thành phần theo phương đứng: 24 n HL HL 1W .m .H 2 = γ (3.5) Cường độ tại đáy đập: 2 n HLP .H= γ (3.6) 3.2.1.2. Áp lực sĩng Áp lực ngang lớn nhất của sĩng (tính cho 1m chiều rộng) là: s d n TL hW k h H 2   = γ +    (3.7) Mơmen của áp lực sĩng lấy với đáy cơng trình là: 22 TL TL max m n h.H HhM k h 6 2 2   = γ + +    (3.8) 19 Cường độ tại đáy đập: ( ) n s 3 .HP cosh 2 d / L γ = pi (3.9) Cường độ tại MNDBT: ( )4 n 3hP d Ph d= γ ++ (3.10) 3.2.1.3. Áp lực thấm Lực thấm đẩy ngược: max n 1P . .H= γ α (3.12) Tổng áp lực thấm đẩy ngược: th n 1 1W . . .H.B 2 = γ α (3.13) Lực thủy tĩnh đẩy ngược: dn n HL 1W . .H .B 2 = γ (3.14) Cường độ tại thượng lưu đập: 5 n HL n 1P H H= γ + γ α (3.15) Cường độ tại hạ lưu đập: 6 n HLP H= γ (3.16) 3.2.1.4. Áp lực bùn cát Thành phần theo phương ngang: 25 bc bc bc 1W .h . 2 = γ ξ (3.17) Thành phần theo phương đứng: 26 bc TL bc 1W .m .h 2 = γ (3.18) Cường độ tại đáy đập: 7 bc bc bcP .h .= γ ξ (3.19) 3.2.1.5. Trọng lượng bản thân đập btG .= γ Ω (3.21) 3.2.1.6. Lực sinh ra khi cĩ động đất dF k. .G= α (3.22) Áp lực nước tăng thêm khi cĩ động đất là: 2 d n TL 1W k. .H 2 = γ (3.23) Cường độ tại đáy đập: 8 n TLP k. .H= γ (3.24) Áp lực bùn cát tăng thêm khi cĩ động đất là: 7 5W 2k.tg .W= ϕ (3.25) Cường độ tại đáy đập: 9 bc bc bcP 2k.tg . .h .= ϕ γ ξ (3.26) 20 Kết quả tính tốn trị số áp lực tác dụng lên đập: TT Áp lực tác dụng Vị trí Cường độ(T/m2) 1 Mặt thượng lưu (MNTL) 0 2 Áp lực thủy tĩnh P1 Mặt thượng lưu (đáy đập) 104,50 3 Mặt hạ lưu (MNHL) 0 4 Áp lực thủy tĩnh P2 Mặt hạ lưu (đáy đập) 28,70 5 Áp lực sĩng P3 Tại đáy đập 0,08 6 Áp lực sĩng P4 MNTL 3,63 7 Áp lực thấm P5 Đáy thượng lưu đập 66,60 8 Áp lực thấm P6 Đáy hạ lưu đập 28,70 9 Tại cao trình ∇173 0 10 Áp lực bùn cát P7 Tại đáy đập 36,92 11 Mặt thượng lưu (MNTL) 0 12 Áp lực nước tăng thêm khi cĩ động đất P8 Mặt thượng lưu (đáy đập) 2,61 13 Mặt thượng lưu (MNTL) 0 14 Áp lực bùn cát tăng thêm khi cĩ động đất P9 Mặt thượng lưu (đáy đập) 0,67 3.2.2. Tổ hợp tải trọng tính tốn 3.2.2.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản a. Các tải trọng thường xuyên b. Các tải trọng tạm thời dài hạn c. Các tải trọng tạm thời ngắn hạn 3.2.2.2. Tổ hợp tải trọng đặc biệt a. Các tải trọng thường xuyên b. Các tải trọng tạm thời dài hạn c. Các tải trọng tạm thời ngắn hạn d. Tác động của động đất 21 3.2.3. Lập sơ đồ tính tốn 3.2.4. Biến đổi lực phân bố về lực tập trung tại nút 3.3. Ứng dụng phần mềm SAP2000 phân tích ổn định đập bê tơng đầm lăn Thủy điện Sơng Bung 4 3.3.1. Tài liệu tính tốn STT Đặc điểm cơng trình Đơn vị Thơng số (1) (2) (3) (4) 1 Cao trình mực nước thượng lưu (MNDBT) m 222,5 [2] 2 Cao trình mực nước thượng lưu (MNGC) ứng với tần suất p = 0,02% m 225,97 [2] 3 Cao trình mực nước hạ lưu m 146,7 [2] 4 Hệ số động đất k 0,025 [2] 5 Cao trình bùn cát m 173 [2] 6 Dung trọng trung bình của bùn cát T/m3 1,37 [2] 7 Gĩc ma sát trong của bùn cát độ 20 [2] 8 Hệ số Posisson vật liệu đập 0,15 9 Hệ số Posisson vật liệu nền 0,25 10 Mơđun đàn hồi vật liệu đập T/m2 2,5.106 11 Mơđun đàn hồi vật liệu nền T/m2 1.106 [2] 12 Chiều cao sĩng m 2 13 Dung trọng của bê tơng T/m3 2,4 14 Hệ số cột nước thấm 0,4 [9] 15 Cường độ vật liệu bê tơng làm đập M200 T/m2 900 16 Hệ số ma sát giữa đáy đập và đá nền 0,75 [2] 17 Lực dính giữa bê tơng đáy đập và đá nền kG/cm2 2,0 [2] 18 Hệ số α xét tới tác dụng giảm nhỏ áp lực thấm của màn chắn 0,5 [12] 22 * Điều kiện kiểm tra hệ số an tồn của đập và ứng suất nguy hiểm nhất (max, min) trong kết cấu theo tiêu chuẩn 14TCN 56-88. * Tổ hợp tải trọng cơ bản: + Trị số [K] cho phép về ổn định lật và trượt: c n l n .k 1.1, 25[K ] 1, 25 m 1 = = = ; c ntr n .k 1.1, 25[K ] 1,31 m 0,95 = = = + Trị số [σ] cho phép: [ ] 2 c n R.m 900.1 720 (T / m ) n .k 1.1,25 σ = = = * Tổ hợp tải trọng đặc biệt: + Trị số [K] cho phép về ổn định lật và trượt: c n l n .k 0,9.1,25[K ] 1,13 m 1 = = = ; c ntr n .k 0,9.1, 25[K ] 1,18 m 0,95 = = = + Trị số [σ] cho phép: [ ] 2 c n R.m 900.1 800 (T / m ) n .k 0,9.1, 25 σ = = = 3.3.2. Các trường hợp tính tốn a. Trường hợp 1: Tổ hợp tải trọng cơ bản, xét đập làm việc trên nền đá b. Trường hợp 2: Tổ hợp tải trọng đặc biệt cĩ xét đến yếu tố dư chấn của động đất, đập làm việc trên nền đá. 3.3.3. Kết quả tính tốn 23 3.3.3.1. Trường hợp 1 (Theo PPSBVL – Theo tiêu chuẩn 14TCN 56-88) Hình 3.6. Sơ đồ phân tích ổn định đập dâng TH1 theo PPSBVL 3.3.3.2. Trường hợp 1 (Theo PPPTHH) Hình 3.7. Kết quả phân tích ổn định đập dâng TH1 theo PPPTHH -105,11 (T/m2) -242,95 (T/m2) -24- 3.3.3.3. Trường hợp 2 (Theo PPSBVL – Theo tiêu chuẩn 14TCN 56-88) Hình 3.8. Sơ đồ phân tích ổn định đập dâng TH2 theo PPSBVL 3.3.3.4. Trường hợp 2 (Theo PPPTHH) Hình 3.9. Kết quả phân tích ổn định đập dâng TH2 theo PPPTHH 3.3.4. Tĩm tắt trường hợp tính tốn 3.3.5. Nhận xét kết quả tính tốn Tải trọng cơ bản Tải trọng đặc biệt cĩ tác động dư chấn Thượng lưu Hạ lưu Thượng lưu Hạ lưu 47,46% 43,54% 59,40% 35,43% -36,53 (T/m2) -251,58 (T/m2) -25- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ổn định kết cấu cơng trình. Với phương pháp phần tử hữu hạn đã xác định được tương đối gần đúng ứng suất và biến dạng của cơng trình nên đảm bảo được an tồn và kinh tế cho cơng trình. Với các phương pháp tính tốn thơng thường hiện nay của các cơ quan tư vấn (Phương pháp sức bền vật liệu), khi thiết kế đập dâng thủy điện Sơng Bung 4 khơng thể hiện đầy đủ bản chất làm việc của kết cấu, khơng xét đến sự làm việc đồng thời của kết cấu và nền, khơng phản ảnh đúng tải trọng do áp lực sĩng lên cơng trình nên kết quả tính tốn sai khác với thực tế rất nhiều. Chính vì vậy, người thiết kế khi chọn phương pháp sức bền vật liệu để tính tốn thường chọn hệ số an tồn khá cao để đảm bảo an tồn cho cơng trình, gây lãng phí về kinh tế. Đối với đập bê tơng đầm lăn Thủy điện Sơng Bung 4, khi kiểm tra ổn định bằng phần mềm SAP2000.v.12 cho thấy cơng trình đảm bảo an tồn. Từ kết quả tính tốn thu thập được chúng ta cĩ thể lựa chọn được vật liệu, mặt cắt kinh tế lợi nhất nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Tuy nhiên, trong quá trình tính tốn, luận văn cịn dựa trên một số giả thiết chưa hợp lý lắm nên kết quả chỉ là gần đúng, điều này thể hiện ở một số điểm sau: - Giả định vật liệu làm đập là bê tơng M200, đồng chất cĩ quan hệ tuyến tính. - Độ bền ổn định, ổn định trượt, lật của tổng thể đập dâng chưa thể hiện đầy đủ các yếu tổ ảnh hưởng như: + Đập được giả thiết là tồn khối kín, khơng xét đến các hành lang thốt nước trong thân đập. -26- + Trong thân đập cĩ bố trí các cơng trình phụ như hành lang thốt nước, vị trí tháo nước,… sẽ làm cho kết cấu bị suy yếu đi. Vùng lân cận lỗ, đường hầm phát sinh ứng suất tập trung và ứng suất kéo cục bộ. Do vậy trong phạm vi rộng cho việc nghiên cứu tiếp, chúng ta cần tính tốn và chọn mặt cắt làm việc của kết cấu với đầy đủ hạng mục tổng thể. Kiến nghị Đề tài cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết các vấn đề: - Ảnh hưởng biến hình của nền đối với ứng suất thân đập, tỷ số mơđun đàn hồi của vật liệu làm đập và mơđun đàn hồi của nền vì nĩ cũng ảnh hưởng nhiều đến sự phân bố ứng suất. - Vật liệu làm việc phi tuyến. - Về tải trọng tác dụng: cần xét thêm một số tải trọng tham gia ảnh hưởng đến kết quả tính tốn như: + Ảnh hưởng do nhiệt độ biến đổi và sự co ngĩt của bê tơng. + Ảnh hưởng của quá trình vận hành, khai thác. + Ảnh hưởng của các yếu tố thi cơng. Phân tích ổn định kết cấu cơng trình là nhiệm vụ quan trọng của người thiết kế. Nhất là đập dâng thủy điện thì yêu cầu mức độ an tồn phải cao để đối phĩ với lũ lụt, nĩ khơng chỉ ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế - xã hội của đất nước mà cịn ảnh hưởng đến đời sống dân sinh tại khu vự dự án. Ngay nay, nhờ sự phát triển của máy tính, việc áp dụng PPPTHH trong tính tốn ổn định kết cấu trở nên đơn giản. Phần mềm SAP2000 cĩ độ tin cậy cao, áp dụng cho mọi bài tốn kết cấu cĩ các điều kiện biên phức tạp, dễ sử dụng, giúp cho người thiết kế tính tốn trong nhiều trường hợp khác nhau. Do đĩ, luận văn kiến nghị, các cơ quan tư vấn khi tính tốn ổn định các kết cấu phức tạp nên áp dụng PPPTHH và các phần mềm được xây dựng trên PPPTHH (ví dụ như SAP2000) phục vụ cho việc thiết kế./.