KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐ 69 (6/2020) 79 BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA “THOÁT KHÔNG” ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA TẤM BÊ TÔNG BẢN MẶT Nguyễn Thái Hoàng1, Nguyễn Công Thắng1, Nguyễn C[.]
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA “THOÁT KHÔNG” ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA TẤM BÊ TÔNG BẢN MẶT Nguyễn Thái Hồng1, Nguyễn Cơng Thắng1, Nguyễn Cảnh Thái2 Tóm tắt: “Thốt khơng” tượng xuất khoảng trống bê tông mặt đập CFRD biến dạng thân đập lớp đệm “Thốt khơng” gây ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng tượng dẫn đến việc phân bố lại ứng suất thay đổi chế làm việc bê tông mặt dẫn đến giảm khả chống thấm tuổi thọ cơng trình Nguy hại tượng dẫn đến cố sập gẫy mặt bê tơng phía thượng lưu khiến đập bị phá hủy Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng “thốt khơng” đến dao động bê tơng mặt, từ đề xuất phương pháp xác định “thốt khơng” trường Từ khóa: đập CFRD, tượng “thốt khơng”, dao động tấm, đàn hồi, tải trọng kích động ĐẶT VẤN ĐỀ * Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung, khoa học thiết kế thi cơng cơng trình thủy lợi - thủy điện có phát triển vượt bậc thời gian qua Các nhà khoa học tính tốn thiết kế dạng đập phù hợp với nhiều dạng địa hình địa chất, có tính an tồn, ổn định cao, tận dụng vật liệu sẵn có, tăng cường khả giới hóa thi cơng, giúp giảm giá thành xây dựng mà chất lượng công trình đảm bảo Đập đá đổ có mặt chống thấm bê tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) loại đập Đập CFRD có nhiều ưu điểm như: có tính an toàn cao, phù hợp với nhiều điều kiện địa hình, địa chất, khả chịu tải trọng động đất lớn, thi cơng điều kiện thời tiết khác nhau, tận dụng loại đá thải loại từ đào hố móng tràn, làm đường hầm tháo lũ để xây dựng đập Vì thế, việc sử dụng đập CFRD mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Trong thời gian qua đập CFRD lựa chọn để xây dựng cho cụm cơng trình đầu mối thủy lợi – thủy điện Việt Nam như: đập Tuyên Quang (cao 92m), đập Rào Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi Trường Đại học Thủy lợi Quán (cao 78m), đập Cửa Đạt (cao 118m), đập An Khê Kanak (cao 60m), đập Sông Bung (cao 98m) Trong thực tế đập đưa vào sử dụng, đập có chiều cao lớn thường có biến dạng lớn thân đập dẫn đến tượng tiếp xúc bê tông mặt phần lại thân đập Kết tạo khoảng trống bê tông mặt lớp đệm, tượng nhà nghiên cứu gọi tượng “thốt khơng” Khi chịu áp lực nước phần mặt bị “thốt khơng” khơng tựa vào tầng đệm, làm cho mô men uốn phạm vi tăng lớn, dễ dẫn đến nứt mặt Phạm vi “thốt khơng” lớn mơ men uốn áp lực nước gây lớn Điều nguy nhiểm mơ men uốn vị trí “thốt khơng” có chiều làm căng phía mặt nên bị nứt vết nứt bắt đầu xuất mặt dưới, khơng quan sát thấy Cịn quan sát thấy nứt vết nứt vết nứt xuyên, dẫn đến thấm nước qua mặt “Thốt khơng” tượng gây ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng tượng dẫn đến việc phân bố lại ứng suất thay đổi chế làm việc bê tông mặt dẫn đến giảm khả chống thấm tuổi thọ cơng trình Nguy hại tượng dẫn đến cố sập gẫy mặt bê tơng phía thượng lưu khiến đập bị phá hủy Chính cần theo dõi kiểm tra tình trạng “thốt không” để xử lý KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 79 trước tích nước đưa vào vận hành thời kỳ đầu vận hành biến dạng thân đập chưa ổn định Cần phải phát triển công nghệ nhằm phát xử lý tượng ‘thoát khơng’ để đảm bảo an tồn cho mặt hồ tích nước biện pháp khắc phục xảy tượng nứt mặt Hiện giới để xác định “thốt khơng” thường sử dụng phương pháp Ra đa đất (Ground Penetratinh Radar) phương pháp nhiệt hồng ngoại Phương pháp Ra đa đất (Ground Penetrating Radar - GPR) (Annan A.P, 1992) phương pháp Địa Vật lý hoạt động dựa nguyên lý lan truyền sóng điện từ mơi trường đất đá Khi ăng ten phát sóng điện từ tần số cao từ 106 ÷ 109 MHz, sóng lan truyền xuống môi trường đất đá Khi sóng điện từ gặp ranh giới vật chất có số điện mơi khác bị tán xạ, khúc xạ phản xạ Sóng phản xạ quay trở lại gặp mặt đất ăngten thu ghi lại Tín hiệu sóng phản xạ phản ánh thơng tin mơi trường địa chất phía Thiết bị phương pháp Rađa đất thường bao gồm trạm máy chủ hệ thống ăngten có tần số từ 15MHz đến 900MHz Việc lựa chọn ăngten dựa vào hai yếu tố: Độ sâu nghiên cứu độ phân giải ăngten Tại Việt Nam, phương pháp Rađa đất Viện Sinh Thái Bảo vệ cơng trình – Viện Khoa học Thủy Lợi áp dụng thử nghiệm cơng trình Hồ chứa nước Cửa Đạt cho số kết đáng ghi nhận, nhiên nhược điểm phương pháp thiết bị máy móc có chi phí cao khơng xác định chiều dày khơng (Đỗ Anh Chung, nnk 2013) Phương pháp nhiệt hồng ngoại dựa sở truyền nhiệt bê tơng: điểm bị “thốt khơng” nhiệt độ bê tơng truyền chậm so với vị trí bê tơng tiếp xúc trực tiếp với đất, điểm tiếp xúc trực tiếp với đất nhiệt độ bê tơng điểm truyền vào mơi trường nhanh nên nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường Phương pháp nhiệt hồng ngoại sử dụng thiết bị đo nhiệt độ đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp vào chúng gọi Nhiệt kế xạ 80 (Pyrometer) Thiết bị theo dõi đo độ lớn thực tế xạ nhiệt tỏa từ đối tượng cần đo Bức xạ nhiệt tỏa từ đối tượng qua hệ thống quang học bên Nhiệt kế Hệ thống quang học làm cho xạ nhiệt hội tụ tốt qua đầu dò Đầu đầu dò tỉ lệ với xạ nhiệt đầu vào Ưu điểm lớn Nhiệt kế xạ khơng có tiếp xúc trực tiếp Nhiệt kế đối tượng phát nhiệt độ Kinh nghiệm sử dụng phương pháp nhiệt hồng ngoại Trung Quốc để xác định “thốt khơng” thử nghiệm mơ hình Việt Nam (Đỗ Anh Chung, nnk 2018) cho thấy số hạn chế phương pháp như: phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ ngày, xác định “thốt khơng” với kích thước lớn, không hiệu kinh tế… Trong khuôn khổ báo nhóm tác giả trình bày nghiên cứu ảnh hưởng “thốt khơng” đến dao động bê tơng mặt mơ hình số đề xuất phương pháp xác định “thốt khơng” trường PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Dao động kết cấu chịu tải trọng kích động Tải trọng kích động tải trọng tác dụng vào cơng trình cách đột ngột với cường độ lớn, giảm nhanh sau khoảng thời gian tương đối ngắn Hình Tải trọng kích động theo thời gian Ở giai đoạn 2, hệ dao động tự với tần số dao động riêng xác định từ hệ phương trình vi phân dao động tự có cản hệ có n bậc tự (Dave Corelli, et al 1984): KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) u C u K u 0 (1) M đó: [M], [K] - ma trận khối lượng ma trận độ cứng; [C] - ma trận cản, mơ hình cản tỷ lệ : [C] = [M] + [K] (2) Các điều kiện ban đầu tổng quát : {u} = {uo} ; u u o (3) Để giải tốn dao động riêng có cản, thực hai bước sau : + Bước 1: Xác định tần số dao động riêng i ma trận dạng [] Các tần số dao động riêng i xác định từ phương trình tần số: det([K] – 2[M]) = (4) Ma trận dạng [] xác định từ việc chuẩn hóa ma trận [X] = ({X1 }, {X2 }, {Xi}, {Xn }] với {Xi} véc tơ dạng dao động riêng Ma trận dạng [] thỏa mãn điều kiện: []T [M] [] = [E] (5) + Bước 2: sử dụng phương pháp phân tích dạng dạng dao động riêng tìm nghiệm phương trình (1) Đặt {u} = []{v} sử dụng tính chất trực giao dạng dao động riêng, biến đổi phương trình (1) thành phương trình: v ( E )v v 0 (6) đó: [2] - ma trận đường chéo với thành phần đường chéo i2 Khai triển phương trình thứ i (6) ta : vi α β ωi2 v i ωi2 vi Nghiệm (7) có dạng: ξi ωi t 2 A isin ξ i ωi t Bicos ξ i ωi t đó: Ai, Bi giá trị phụ thuộc vào điều kiên ban đầu (3); i - tỷ số cản dạng dao động riêng thứ i Xác định theo công thức : vi e ξi (8) αβ ωi2 2ωi (9) Viết lại (8) dạng ma trận {v} = [A] [ESt] + [B] [ECt] Với : A1 B1 A .0 B .0 2 A ; B 0 A n 0 Bn ξ1 ω1 t e sin ξ ω2 t sin e ESt ξn ωn t sin e Biến đổi ta : (7) ξ ω t ξ ω t ; 2 ξ 2n ω n t (10) ξ1 ω1 t e cos ξ12 ω1 t ξ2 ω2 t cos ξ 22 ω2 t e EC t ξ n ωn t cos ξ 2n ωn t e KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) (11) (12) 81 B1 A1 B A 1 2 B u o ; A DM1 1 1 u o DM2 B Bn A n Với : 1 ξ2 ω 1 ξ1 ω1 ξ ω ξ ω2 ; DM DM1 0 ξ n ωn ξ n ωn Vậy nghiệm hệ phương trình (1) là: {u}= [] {v} = [][A][ESt] + [][B] [ECt] (14) (15) Thay vào tốn kết cấu chịu tải kích động với giả thiết thời gian t1 nhỏ so với chu kỳ dao động riêng Tại thời điểm kết cấu bắt đầu dao động tự t=t1, dịch chuyển {u(t1)} nhỏ bỏ qua, điều kiện ban đầu u u (t1 ) Thay vào (13) ta có : B 0; A1 A A DM 1 1 u (t1 ) (16) An Nghiệm tổng quát toán dao động kết cấu chịu tải trọng kích động có dạng: {u} = [][A] [ESt] (17) Như dao động kết cấu chịu tải trọng kích động sau thời gian lực tác dụng xem tổng dao động với tần số trùng với tần số dao động riêng 2.2 Phân tích dao động phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT) Được đặt tên theo nhà toán học người Pháp Jean - Baptiste Joseph Fourier cuối kỷ 18, biến đổi Fourier phép tốn biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số Theo phép phân tích Fourier tín hiệu bất kỳ, cho dù phức tạp đến đâu, chuyển từ miền thời gian sang miền tần số theo phương trình sau (Batenkov D, 2005): 82 (13) X ( ) xk e jnk (18) Phương trình khơng đơn tốn học, cịn mơ tả khối cấu thành tín hiệu thành khối riêng biệt Cho dù thành phần tín hiệu nhỏ hay lớn, chúng xuất danh sách thành phần cung cấp phép biến đổi Số lượng phép tính cần thiết để xử lý phương trình tỉ lệ với chiều dài chuỗi tín hiệu Các máy tính hàng trăm để thực phép biến đổi đơn giản theo tiêu chuẩn Do đó, kể từ năm 1805 có nỗ lực để nâng cao hiệu thuật toán Carl Friedrich Gauss phát minh phương pháp biến đổi Fourier hiệu quả, nhiên khơng rõ ràng James Cooley IBM John Tukey Princeton khám phá thuật toán phổ biến vào năm 1965 Thuật tốn họ làm giảm đáng kể số lượng phép tính Địi hỏi bắt buộc thuật tốn số tín hiệu lũy thừa Thuật tốn gọi phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT) Ngay sau giới thiệu tạo nên cách mạng biến đổi Fourier tín hiệu Với 64000 điểm FFT, thuật toán nhanh gấp 4000 lần so với phương pháp ban đầu (Batenkov D, 2005) Sử dụng phép biến đổi FFT phân tích dao động kết cấu chịu tác dụng tải trọng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) kích động giai đoạn dao động tư ta xác định tần sô dao động riêng kết cấu 2.3 Ảnh hưởng "thốt khơng" đến tần số dao động riêng đàn hồi Tấm bê tông mặt đập CFRD thường có chiều dày nhỏ so với hai chiều cịn lại nên xem mỏng đặt đàn hồi Hình Tấm đàn hồi Phương trình vi phân dao động tự mỏng đàn hồi (CAO Zhiyuan, 1989): w( x, y, t ) D w( x, y, t ) ks w( x, y, t ) h 0 t (19) Với: w(x,y,t) – dịch chuyển 4 4 4 2 2 Eh3 2 ; ; D 12(1 ) x x y y x y (20) D độ cứng chống uốn tấm; E mô đun đàn hồi; - hệ số biến dạng ngang; ks - hệ số a) Lời giải giải tích: Trong nghiên cứu hình chữ nhật mỏng đàn hồi có điều kiện biên liên kết đơn giản (simply supported plate, hình 3) CAO Zhiyuan (CAO Zhiyuan, 1989) tìm phương trình xác định tần số dao động riêng sau: mn D m2 n2 k ( 2) s h a b h (21) với : – trọng lượng riêng tấm; h – độ dày tấm; a, b – chiều dài chiều rộng tấm; m,n – bước tần số giảm giá trị tần số giao động riêng giảm Hiện tượng “thốt khơng” làm giảm độ cứng trung bình nền, dẫn đến tần số dao động riêng mặt giảm theo Diện tích “thốt khơng” lớn tần số dao động riêng giảm rõ rệt b) Lời giải mơ hình số Lời giải toán dao động đàn hồi có phương pháp phần tử hữu hạn Để so sánh với kết thí nghiệm từ mơ hình vật lý, mỏng với kích thước 0,5m x 2,1m x 3cm mô phần mềm ANSYS Tính tốn thực với trường hợp: Khơng “thốt khơng”, “thốt khơng” với bề rộng 10cm, 20cm 30cm (hình 4) Hình Simply supported plate Phương trình (21) cho thấy giá trị hệ số KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Hình Các trường hợp tính tốn 83 Tấm làm từ bê tơng có: Mô đun đàn hồi E = 2,1.107 kN/m2; Hệ số Poisson : = 0,2; Hệ số nền: ks= 4.106 N/m3 Hình Dạng dao động thứ dạng dao động thứ Hình Lưới phần tử Kết tính tốn thể bảng tổng hợp tần số dao động riêng Bảng Nhận xét kết quả: - Hiện tượng “thốt khơng” làm giảm tần số dao động riêng mỏng đàn hồi Diện tích “thốt khơng” lớn giá trị tần số dao động riêng giảm nhiều - Hiện tượng “thốt khơng” ảnh hưởng nhiều đến dạng dao động với tần số thấp giảm dần mode dao động tần số cao Trong tất dạng dao động dạng dao động chịu ảnh hưởng “thốt khơng” rõ rệt Bảng Bảng tổng hợp tần số dao động riêng Mode 10 11 12 13 14 15 84 K_TK TK_10cm TK_20cm TK_30cm 40.028 38.887 37.137 35.008 45.574 44.537 43.905 43.538 70.71 70.708 70.688 70.658 72.025 72.012 71.902 71.733 124.05 123.46 122.99 122.58 126.41 125.84 125.3 124.79 192.14 192.14 192.08 192 198.09 198.07 197.95 197.77 268.14 267.88 267.69 267.52 292.01 291.77 291.62 291.52 304.78 304.78 304.78 304.78 356.26 356.25 356.18 356.08 402.54 402.53 402.44 402.32 413.24 413.15 413.06 412.98 431.98 431.98 431.97 431.95 2.4 Đề xuất phương pháp xác định “thốt khơng” trường Từ kết nghiên cứu trình bày phần trước ta rút nhận xét sau: - Tấm bê tông mặt đập CFRD thường có chiều dày nhỏ so với hai chiều cịn lại nên xem mỏng đặt đàn hồi - Tần số dao động riêng mặt phụ thuộc vào độ cứng nền, xuất “thốt khơng” tần số dao động riêng giảm, diện tích “thốt khơng” lớn tần số dao động riêng giảm nhiều - Tần số dao động riêng dạng dao động bị ảnh hưởng tượng “thốt khơng” rõ ràng - Kết cấu chịu tải kích động sau thời gian tác dụng tải trọng dao động tự do, dao động xem tổng hợp dạng dao động riêng - Bằng phương pháp phân tích Fourier nhanh ta nhận dạng tần số từ tín hiệu đo dao động thu Từ nhận xét nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định “thốt khơng” trường sau: Tạo dao động cho mặt cách dùng tải trọng kích động tác dụng vị trí xác định sử dụng đầu đo gia tốc ghi lại phản ứng gia tốc vị trí xung quanh điểm kích động theo thời gian Sử dụng biến đổi Fourier nhanh chuyển kết đo theo thời gian sang miền tần số ta xác định tần số dao động riêng Hiện tượng “thốt khơng” có ảnh hưởng đến tín hiệu dao động thu hay cụ thể đến tần số dao động riêng dạng dao động Theo dõi thay đổi tần số vị trí xảy “thốt khơng” KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) KẾT LUẬN “Thốt khơng” gây cố nghiêm trọng ảnh hưởng đến an tồn cơng trình nên việc phát triển cơng nghệ nhằm phát “thốt khơng”, đảm bảo an tồn cho mặt hồ tích nước đóng vai trị quan trọng Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng “thốt khơng” đến tần số dao động riêng bê tông mặt Kết nghiên cứu mối liên hệ diện tích “thốt không” suy giảm độ lớn tần số dao động riêng, đặc biệt tần số dạng dao động Dựa vào lời giải tốn dao động kết cấu chịu tải trọng kích động nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định “thốt khơng” trường Phương pháp dựa việc chuyển tín hiệu dao động mặt chịu tải trọng kích động từ miền thời gian sang miền tần số phương pháp biến đổi nhanh Fourier xác định tần số dao động riêng Sau phân tích thay đổi giá trị tần số dao động riêng để xác định vị trí “thốt khơng” trường Phương pháp cần kiểm chứng mơ hình vật lý xây dựng quy trình thực nghiệm trước đưa vào áp dụng thực tế, phần nhóm nghiên cứu trình bày báo - LỜI CẢM ƠN: Bài báo hoàn thành hỗ trợ đề tài ĐTĐL.CN-04/16, “Nghiên cứu công nghệ phát sớm nguy cố đê sông, đập đất, đập đá, đập bê tông trọng lực đề xuất giải pháp xử lý” Các tác giả xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Anh Chung, Nguyễn Văn Lợi, Vũ Đức Minh, “Áp dụng phương pháp Rada đất để xác định “thốt khơng” bê tơng mặt đập Cửa Đạt”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 29, Số 4, 2013, tr 8-15 Đỗ Anh Chung, Vũ Đức Minh, “Đánh giá khả phát “thốt khơng” lớp bê tông lát mái đê đập phương pháp Nhiệt Hồng ngoại”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 34, Số 3, 2018, tr 95-106 Annan A.P, Sensor & Software Inc., Ground Penetrating Radar Workshop Note, 1992 Batenkov D, Fast Fourier Transform, Key Paper in Computer Science Seminar, 2005 CAO Zhiyuan Vibration Theory of Plate and Shell [M] Beijing: China Railway Publishing House, 1989 Dave Corelli, David L Brown, Impact Testing Consideration Proceedings of the 2nd International Modal Analysus Conferenc, 1984 Abstract: RESEARCH ON THE EFFECT OF “FACE SLAB DISPATCH” ON THE VIBRATION OF THE CONCRETE FACE SLAB “Face slab dispatch” is the phenomenon of appearing gaps under the concrete face slab of concrete faced rock-fill dam (CFRD) due to deformation of dam body and buffer layers “Face slab dispatch” is particularly serious because this phenomenon can lead to the redistribution of stress and change the working mechanism of the concrete face slab leading to the reduce of waterproofing and longevity of the construction More seriously, “face slab dispatch” can lead to the collapse of the upstream concrete face slab, then collapsing the dam In this paper, the results of the research on the effect of “face slab dispatch” on the vibration of the concrete face slab are presented, thereby proposing a method for determining “face slab dispatch” in the field Keywords: CFRD, “Face slab dispatch” phenomenon, slab vibration, elastic foundation, fluctuating load Ngày nhận bài: 10/5/2020 Ngày chấp nhận đăng: 11/6/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 85 ... khơng” ảnh hưởng nhiều đến dạng dao động với tần số thấp giảm dần mode dao động tần số cao Trong tất dạng dao động dạng dao động chịu ảnh hưởng “thốt khơng” rõ rệt Bảng Bảng tổng hợp tần số dao động. .. tác giả trình bày nghiên cứu ảnh hưởng “thốt khơng” đến dao động bê tông mặt mô hình số đề xuất phương pháp xác định “thốt không” trường PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Dao động kết cấu chịu... khơng” đến tần số dao động riêng bê tông mặt Kết nghiên cứu mối liên hệ diện tích “thốt khơng” suy giảm độ lớn tần số dao động riêng, đặc biệt tần số dạng dao động Dựa vào lời giải toán dao động