Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM TIẾN CẢNH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN ÁP DỤNG TÍNH T[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM TIẾN CẢNH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MƠ HÌNH PHI TUYẾN ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN KHAO MANG THƯỢNG - TỈNH N BÁI Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Sau trình nỗ lực thân, giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, đồng nghiệp, phòng Đào tạo Đại học Sau Đại học, khoa Cơng trình trường Đai học Thủy Lợi, đến luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đập vật liệu địa phương theo mơ hình phi tuyến Áp dụng tính tốn cho đập thuỷ điện Khao Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” hoàn thành Tác giả xin gửi lời chân thành cám ơn tới đồng nghiệp Công ty Cổ phần Tư vấn Xây Dựng điện 1, người cung cấp số liệu cho luận văn Đặc biệt tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình tác giả suốt trình thực luận văn Do thời gian kiến thức có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi điều thiếu sót Tác giả mong đóng góp ý kiến thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp quý vị quan tâm Mọi ý kiến đóng góp xin liên hệ theo địa email: canhpt_pecc@yahoo.com Hà Nội, ngày 22 tháng năm 2014 Tác giả Phạm Tiến Cảnh BẢN CAM KẾT Tác giả xin cam kết rằng, nội dung luận văn hồn tồn thực tác giả hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái Tất số liệu sử dụng tính tốn luận văn thuộc sở hữu Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Tác giả tôn trọng quyền tác giả nguồn tài liệu sử dụng luận văn, tất trích dẫn cụ thể Tác giả xin cam kết điều thật Tác giả chịu trách nhiệm với cam kết Hà Nội, ngày 22 tháng năm 2014 Tác giả Phạm Tiến Cảnh MỤC LỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN Tổng quan đập vật liệu địa phương 1.1.1 Mở đầu 1.1.2 Nhiệm vụ, chức đập .6 1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương .6 1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương giới Việt Nam 1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng đập 11 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 13 2.1 Tổng quan mơ hình vật liệu .13 2.1.1 Tổng quan ứng suất .13 2.1.2 Tổng quan biến dạng .15 2.2 Một số mơ hình vật liệu .16 2.2.1 Mơ hình vật liệu đàn hồi tuyến tính .16 2.2.2 Mơ hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb) 17 2.2.3 Mơ hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang) 19 2.2.4 Mơ hình đất tăng cứng Hardening Soil .21 2.3 Quy luật biến dạng đất 25 2.4 Các biến dạng đập hậu .26 2.5 Đứt gãy thủy lực 30 CHƯƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 32 3.1 Yếu tố hình học đập .32 3.2 Lựa chọn mơ hình vật liệu 32 3.3 Lựa chọn tiêu vật liệu 33 3.4 Lưới phần tử 34 3.5 Q trình thi cơng 35 3.6 Q trình tích nước 37 CHƯƠNG TÍNH TỐN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP KHAO MẠNG THƯỢNG 39 4.1 Giới thiệu đập Khao Mang Thượng 39 4.2 Phân tích số liệu, mơ hình tính tốn, mặt cắt tính tốn 49 4.2.1 Khảo sát mỏ vật liệu đắp đập 49 4.2.2 Công tác thí nghiệm vật liệu đắp đập 50 4.2.3 Phân tích số liệu 53 4.2.4 Mơ hình tính tốn 53 4.2.5 Xác định tiêu tính tốn cho mơ hình hardening soil .55 4.2.6 Các tính tốn ứng suất biến dạng đập .57 4.3 4.3.1 Kết tính tốn .58 Ảnh hưởng mơ hình tính tốn, q trình thi cơng, q trình tích nước: Tính cho mặt cắt 0+100 59 4.3.2 Ảnh hưởng hình dạng mặt cắt: Mặt cắt 0+75, 0+125, 0+150 .70 4.3.3 Ảnh hưởng khối gia tải hạ lưu: Mặt cắt 0+75 75 4.3.4 Tính tốn cho mặt cắt dọc trục đập .76 4.4 Kiến nghị 78 4.5 Kết luận chương 79 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC HÌNH VẼ Hình 2-1: Hệ trục tọa độ khơng gian tổng thể ký hiệu ứng suất 13 Hình 2-2: Khơng gian ứng suất .14 Hình 2-3: Quan hệ ứng suất biến dạng – mơ hình đàn hồi tuyến tính 16 Hình 2-4: Quan hệ ứng suất – biến dạng mơ hình Mohr Coulomb 17 Hình 2-5: Mặt dẻo khơng gian ứng suất (C=0) 18 Hình 2-6: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng 20 ref 23 Hình 2-7: Xác định module tham chiếu Eoed Hình 2-8: Đường cong ứng suất biến dạng .23 Hình 2-9: Quy luật biến dạng đất .25 Hình 2-10: Biến dạng 26 Hình 2-11: Chênh lệch chuyển vị địa hình 26 Hình 2-12: Chênh lệch chuyển vị vật liệu đắp khác 27 Hình 2-13: Chênh lệch chuyển vị thay đổi địa chất 27 Hình 2-14: Chênh lệch chuyển vị vết nứt kiến tạo chạy dọc theo phương dòng chảy 27 Hình 2-15: Biến dạng theo phương ngang 27 Hình 2-16: Lún đập 27 Hình 2-17: Vết nứt vng góc trục đập 28 Hình 2-18: Vết nứt ngang 29 Hình 2-19: Vết nứt dọc .30 Hình 2-20: Giảm ứng suất thân đập 31 Hình 3-1: Ảnh hưởng q trình thi cơng đến trạng thái ứng suất biến dạng 36 Hình 4-1: Thiết kế mặt cắt ngang đập điển hình .44 Hình 4-2: Biểu đồ cấp phối hạt khối đắp 46 Hình 4-3: Đập đắp đến cao trình 470.00m 47 Hình 4-4: Đập đắp đến cao trình 900.00m .47 Hình 4-5: Thi cơng lõi sét chống thấm đến cao trình 900.00m 48 Hình 4-6: Thi cơng thí nghiệm đắp đá thượng lưu (khối 5) 48 Hình 4-7: Thiết bị thí nghiệm nén trục mẫu đất .52 Hình 4-8: Đang thí nghiệm nén mẫu đất cố kết trục 52 Hình 4-9: Đường cong quan hệ 𝛔~𝛆 thí nghiệm nén Oed 57 Hình 4-10: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất 𝜎y’ 59 Hình 4-11: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎x’ 59 Hình 4-12: Chuyển vị theo phương đứng, kết thúc giai đoạn thi công .60 Hình 4-13: Kết thúc giai đoạn thi cơng – Chuyển vị theo phương ngang 60 Hình 4-14: MNDBT - Ứng suất 𝜎y’ 60 Hình 4-15: MNDBT - Ứng suất 𝜎x’ 60 Hình 4-16: MNDBT – Chuyển vị theo phương X .61 Hình 4-17: Kết ứng suất theo phương Y giai đoạn thi công xong (màu đỏ) giai đoạn mực nước dâng bình thường 62 Hình 4-18: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎x’ 63 Hình 4-19: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất 𝜎y’ 64 Hình 4-20: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 64 Hình 4-21: Các điểm vẽ biểu đồ chuyển vị thẳng đứng 64 Hình 4-22: Chuyển vị đứng điểm đo .65 Hình 4-23: Chuyển vị đứng tăng thêm lớp đất đắp ứng với điểm khảo sát 65 Hình 4-24: Các ứng suất hiệu theo phương Y cao trình 895, 905, 884 66 Hình 4-25: MNDBT – Áp lực nước lỗ rỗng 67 Hình 4-26: MNDBT - ứng suất hiệu 𝜎y’ 68 Hình 4-27: MNDBT - ứng suất hiệu 𝜎x’ 68 Hình 4-28: MNDBT - ứng suất hiệu 68 Hình 4-29: Chuyển vị thẳng đứng – MNDBT 69 Hình 4-30: Chuyển vị thẳng đứng –cuối giai đoạn thi công .69 Hình 4-31: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi cơng - ứng suất hiệu 𝛔y .70 Hình 4-32: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu 𝛔x .70 Hình 4-33: Mặt cắt 0+75 - MNLTK - ứng suất hiệu 𝛔y 71 Hình 4-34: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu 𝛔y 71 Hình 4-35: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu 𝛔x .72 Hình 4-36: Mặt cắt 0+125 - MNLTK - Ứng suất hiệu 𝛔y 72 Hình 4-37: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu 𝛔y 73 Hình 4-38: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu 𝛔x 73 Hình 4-39: Mặt cắt 0+150 - MNLTK - Ứng suất hiệu 𝛔y 74 Hình 4-40: Ứng suất lõi sét cao trình 904m MNDBT .75 Hình 4-41: Mặt cắt A-A 75 Hình 4-42: Trường hợp khơng có khối gia tải Max = 14,8cm 76 Hình 4-43: Có khối gia tải Max = 5cm .76 Hình 4-44: Thi cơng xong - chuyển vị theo phương X .77 Hình 4-45:Thi cơng xong - chuyển vị theo phương Y 77 Hình 4-46: Ứng suất Sx'- mực nước 915 .78 BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao 100m giới Bảng 1-2: Các đập cao Hoa Kỳ, bao gồm đập cao từ 170m Hoa Kỳ xây dựng xong, vận hành bình thường Tính đến thời điểm tháng 1/2007 Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương xây dựng Việt Nam 10 Bảng 4-1: Bảng thơng số hạng mục cơng trình thủy điện Khao Mang Thượng giai đoạn TKKT 41 Bảng 4-2:Cấp phối hạt cát lọc (khối 3) .45 Bảng 4-3: Cấp phối hạt cát lọc (khối 4) 45 Bảng 4-4: Cấp phối hạt đá đắp thượng lưu (khối 5) 45 Bảng 4-5:Khối lượng cơng tác thí nghiệm phòng trường 51 Bảng 4-6: Chỉ tiêu tính tốn kiến nghị theo số liệu chủ nhiệm địa chất .53 Bảng 4-7: Chỉ tiêu tính tốn đập KMT theo mơ hình Hardening Soil 55 Bảng 4-8: Kết thí nghiệm nén trục CU cho lõi sét 56 Bảng 4-9: Kết thí nghiệm nén Oed .56 Bảng 4-10: Modulus đàn hồi trung bình cho vùng vật liệu – kết thúc giai đoạn thi công 67 Bảng 4-11: Modulus đàn hồi trung bình cho vùng vật liệu – Mực nước DBT 67 79 Cơng trình có tuổi thọ 100 năm, kiến nghị độ lún dự phòng cho đập 1,5-2% chiều cao đập (từ 1-1,5m) 4.5 Kết luận chương Qua phân tích thực cho đập Khao Mang Thượng, kết luận rút sau: - Trong điều kiện thí nghiệm Việt Nam, phương pháp xác định tiêu cho mơ hình phi tuyến theo cơng trình tương tự phù hợp Tuy nhiên việc cần phải đòi hỏi hiệu chỉnh số liệu thơng qua phương pháp phân tích ngược - Đối với lõi sét, thí nghiệm nén Oed thực kết hợp với thí nghiệm cắt nhanh, nén trục CU… để xác định thông số cho mơ hình đất tăng cứng - Do chênh lệch độ cứng, ln có tượng treo ứng suất xảy lõi đập Khi đập vừa thi công xong, ứng suất mặt cắt ngang tâm lõi lớn giảm dần khu vực tiếp giáp Khi tích nước, ứng suất hiệu hạ lưu giảm nhanh ảnh hưởng áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hiệu lõi đạt giá trị lớn khu vực hạ lưu - Kết lún theo hai mơ hình tuyến tính hardening soil theo thơng số tính tốn cho kết tương đương Mặc dù cuối giai đoạn thi cơng, độ cứng trung bình của lõi theo mơ hình đất tăng cứng 38000Kpa module mơ hình tuyến tính 13000Kpa, độ cứng theo mơ hình đất tăng cứng phát triển theo độ cao đắp đập - Khối gia tải hạ lưu ngồi việc có tác dụng tăng ổn định cho mái hạ lưu cịn có tác dụng làm giảm chuyển vị ngang đập làm tăng độ chặt khối đắp hạ lưu - Trên mặt cắt ngang mặt cắt dọc không thấy xuất ứng suất kéo lõi đập - Sau tích nước, theo kết tính tốn, đập mong muốn lún thêm 8,3 cm 80 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết đạt luận văn Luận văn đạt điểm sau - Tổng quan kiến thức đập vật liệu địa phương, nhiệm vụ, ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương; - Trình bày tổng quan ứng suất, biến dạng, mơ hình vật liệu; - Trình bày tổng quan mơ hình vật liệu tuyến tính, đàn dẻo tuyệt đối, Duncan-Chang, mơ hình đất tăng cứng Cách xác định thơng số mơ hình đất tăng cứng từ thí nghiệm phịng; - Trình bày tổng quang biến dạng đập vật liệu địa phương, ảnh hưởng chúng; - Trình bày yếu tố ảnh hưởng đến phân tích ứng suất biến dạng đập vật liệu địa phương; - Nắm bắt quy trình tính tốn ứng suất biến dạng đập có kể đến ảnh hưởng q trình thi cơng, ảnh hưởng q trình tích nước; - Áp dụng kiến thức xác định thơng số tính tốn cho đập Khao Mang Thượng theo mơ hình tăng cứng; - Thực phân tích ứng suất biến dạng nhằm mục đích đánh giá độ an tồn đập, phân tích tượng treo ứng suất, suy giảm ứng suất nền, ảnh hưởng hình dạng mặt cắt tính tốn, khối gia tải hạ lưu đến trạng thái ứng suất biến dạng đập; - Thực tính tốn cho mặt cắt dọc trục đập nhằm đánh giá, dự báo tổng quan trạng thái ứng suất theo phương dọc trục đập Hạn chế, tồn trình thực Trong q trình thực tính tốn ứng suất biến dạng cho đập Khao Mang Thượng, tồn số hạn chế, là: - Hạn chế tiêu vật liệu: tiêu vật liệu tính tốn có lõi sét xác định từ thí nghiệm Các khối vật liệu cịn lại tiêu lấy tham khảo từ cơng trình khác ảnh hưởng độ tin cậy số liệu tính tốn 81 - Hạn chế mơ hình tính tốn: với đặc điểm địa hình, dốc hai bên vai đập, mơ hình tính tốn theo 2D tỏ không phù hợp với làm việc thực tế đập Điều yêu cầu mơ hình tính tốn 3D để kiểm tra khả ổn định theo phương dọc trục đập - Hạn chế phần tử tiếp xúc: tiếp xúc đập chưa xem xét toán (đập dính với nhau), điều dẫn đến hình thành ứng suất kéo vị trí tiếp xúc Chưa có kết quan trắc để tiến hành hiệu chỉnh thông số vật liệu Hướng khắc phục, kiến nghị - Chỉ tiêu vật liệu tính tốn hiệu chỉnh lại sở thu thập số liệu quan trắc đập q trình thi cơng, trước tích nước, sau tích nước vận hành Cụ thể sau thi công xong, trước tích nước, kết quan trắc cần cập nhật để hiệu chỉnh thông số vật liệu, từ tính tốn lại trạng thái ứng suất biến dạng để đánh giá an toàn đập trước đập tích nước lần - Tiếp tục nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng theo mơ hình khơng gian (tính tốn theo mơ hình 3D) 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1- Nguyễn Tài Chinh, Nguyễn Duy Thiện (n.d) Đập đá đổ đất đá hỗn hợp Nhà xuất nông nghiệp; 2- Trịnh Trọng Hàn Sổ tay thủy lợi; 3- Nguyễn Công Mẫn (2001) Geotechnical Modelling - Plaxis Short Course Hanoi; 4- Nguyễn Cảnh Thái Đập vật liệu địa phương Đại học Thủy Lợi; 5- Ngơ Trí Viềng, Nguyễn Chiến, Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Cảnh Thái, Nguyễn Văn Hạnh Thủy Công Nhà xuất Xây Dựng; Tiếng Anh 6- A.Soroush, R Jannatiaghdam (October 2011 ) Behavior of rockfill materials in triaxial compression testing International Journal of Civil Engineering, Vol 10, No 7- Ignacio Escuder, Joaquin Andreu, Manuel Rechea (2005) An analysis of stress- strain behaviour and wetting effects on quarried rock shells Can.Geotech.J, 51-60 8- J.M.Duncan, Peter Byrne, Kai S.Wong, Phillip Mabry (8-1980) Strength, stress-strain, and bulk modulus parameters for finite element analyses of stresses and movements in soil masses Berkeley California: University of California 9- James M.Duncan, Chin-Yun Chang (September 1970) Nonlinear analysis of stress and strain in soils Soil Mechanics and foundation division, American Society of Civil Engineers 10- Karstunen, P M (n.d.) Hardening Soil Model University of Strathclyde 83 11- Pereira, J H (1996) Numerical analysis of the mechanical behaviour of collapsing earth dams during first reservoir filling University of Saskatchewan 12- Plaxis (n.d.) Material Models Manual 13- R.Mahin Roosta, A.Alizadeh (2011) Simulation of collapse settlement in rockfill material due to saturation International journal of Civil Engineering, Vol 10, No.2 14- Sigma (n.d.) Stress-Deformation Modelling with Sigma/w 2007 Geo-slope International Ltd PHỤ LỤC M/c 0+125 Phase 1: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 3: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 4: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 5: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 6: Tổng chuyển vị tăng thêm Kết thúc thi công - Tổng chuyển vị MC 0+150 Phase 1: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 2: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 3: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 4: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 5: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 6: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 7: Tổng chuyển vị tăng thêm Kết thúc thi công- Tổng chuyển vị MC 0+75 Phase 1: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 2: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 3: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 4: Tổng chuyển vị tăng thêm Phase 5: tổng chuyển vị tăng thêm Phase 6: Tổng chuyển vị tăng thêm