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

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu làm luận văn, nhiệt tình giúp đỡ thầy, cô giáo Trường Đại học Thuỷ lợi cố gắng nỗ lực thân, đến đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Tng ,Tỉnh Lào Cai” hồn thành Các kết luận văn đóng góp nhỏ việc nghiên cứu xác định trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm Thủy điện Nậm Toóng – Lào Cai Do thời gian kinh nghiệm hạn chế nên khuôn khổ luận văn thạc sỹ kỹ thuật tồn số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Tác giả mong nhận góp ý, bảo thầy giáo bạn đồng nghiệp Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng người tận tình hướng dẫn, bảo cung cấp thông tin khoa học cần thiết trình thực luận văn Xin cảm ơn Nhà trường, thầy cô giáo Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo Đại học sau Đại học, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng điện tạo điều kiện giúp đỡ tác giả tài liệu, thơng tin đóng góp nhiều ý kiến q báu cho luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2016 Học viên Tống Xuân Phương i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố công trình khoa học Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu hình thức kỷ luật Nhà trường Học viên Tống Xuân Phương ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU v PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích yêu cầu 3 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4 Những kết đạt luận văn Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG 1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công Việt Nam 1.2 Điều kiện làm việc đường hầm thủy công 13 1.3 Phạm vi nghiên cứu luận văn 14 1.4 Kết luận chương 14 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THỦY CƠNG 15 2.1 Phương pháp giải tích 15 2.1.1 Phương pháp học kết cấu 15 2.1.2 Phương pháp học vật rắn biến dạng [1] 25 2.2 Phương pháp số 30 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 30 2.2.2 Phương pháp phần tử biên 31 2.3 Kết luận chương II 32 CHƯƠNG LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34 3.1 Ngun tắc trình tự giải tốn kết cấu đường hầm theo phương pháp phần tử hữu hạn [1] 34 3.1.1 Rời rạc hóa miền tính tốn 34 3.1.2 Lựa chọn hàm nội suy: 35 3.1.3 Xác định tính chất phần tử 35 3.1.4 Lắp ráp hệ phần tử 35 3.1.5 Giải hệ phương trình 35 3.1.6 Các dạng tính tốn bổ sung 36 iii 3.2 Xác định ma trận độ cứng phần tử vỏ 36 3.3 Sơ đồ tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 36 3.4 Giới thiệu phần mềm SAP2000 39 3.4.1 Tính phần mềm sử dụng SAP2000 41 3.4.2 Cách tính tốn kết cấu đường hầm với SAP2000 42 3.5 Kết luận chương III 43 CHƯƠNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NẬM TOÓNG 44 4.1 Giới thiệu cơng trình 44 4.1.1 Vị trí cơng trình 44 4.1.2 Nhiệm vụ cơng trình 44 4.1.3 Thơng số cơng trình 45 4.2 Các thơng số tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng, trường hợp tính tốn sơ đồ tính 48 4.2.1 Thông số tính tốn trạng thái ứng suất – biến dạng 48 4.2.2 Các trường hợp tính tốn sơ đồ tính 54 4.2.3 Cách xác định tải trọng 58 4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện Nậm Toóng 62 4.3.1 Tính tốn lực tác dụng lên vỏ hầm trường hợp tính tốn 62 4.3.2 Tính tốn nội lực đường hầm trường hợp tính tốn 65 4.4 Phân tích kết tính tốn 66 4.5 Kết luận chương IV 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC TÍNH TỐN 74 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường hầm khơng áp đặt đầu tuyến lượng Hình 1.2 Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện Hình 1.3 Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Tng 10 Hình 1.4 Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế 11 Hình 1.5 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sơng Tranh 11 Hình 1.6 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 12 Hình 1.7 Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng 12 Hình 2.1 Vịm thấp vịm cơng tác đỉnh 15 Hình 2.2 Sơ đồ tính tốn vịm thấp 17 Hình 2.3 Sơ đồ tính tốn vịm cao 18 Hình 2.4 Tính tốn vịm cao 19 Hình 2.5 Sơ đồ vịm khép kín 20 Hình 2.6 Sơ đồ tính tốn vịm khép kín 20 Hình 2.7 Các lực tác dụng lên tường bên 22 Hình 2.8 Tường bên cứng 24 Hình 2.9 Tường bên đàn hồi 24 Hình 2.10 Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn 25 Hình 2.11 Sơ đồ biến dạng vòng tròn tác dụng tải trọng thẳng đứng phân bố (a,b) sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c) 27 Hình 2.12 Phân bố ứng suất khối đá có lỗ kht trịn λ = σ x σ y 29 Hình 2.13 Sơ đồ tác dụng tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lót đường hầm 29 Hình 2.14 Sơ đồ miền tính tốn phương pháp phần tử biên 32 Hình 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 34 Hình 3.2 Sơ đồ tính tốn PP PTHH 38 Hình 4.1 Mặt cắt dọc tuyến hầm 48 Hình 4.2 Mặt cắt dọc đoạn hầm qua đứt gãy bậc IV 52 Hình 4.3 Mặt cắt hầm tính tốn 53 Hình 4.4 Hình ảnh gia cố khung chống 54 Hình 4.5 Sơ đồ tính TH1 55 Hình 4.6 Sơ đồ tính TH2 57 Hình 4.7 Sơ đồ tính áp lực đá núi 62 Hình 4.8 Áp lực nước ngầm 64 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thơng số cơng trình 45 Bảng 4.2 Chỉ tiêu lý đất đá qua đứt gãy bậc IV 52 Bảng 4.3 Hệ số lệch tải tính tốn lớp lót đường hầm 58 Bảng 4.4 Hệ số chiết giảm áp lực nước bên 59 Bảng 4.5 Hệ số kiến cố loại đất đá 60 Bảng 4.6 Thống kê kết tính lực tác dụng lên đường hầm 65 Bảng 4.7 Thống kê kết tính ứng suất biến dạng đường hầm 65 Bảng 4.8 Bảng so sánh kết ứng suất biến dạng với thiết kế 68 vi PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo báo cáo năm 2011 viện Năng lượng - Bộ cơng thương năm 2011, Việt Nam thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% cơng suất cho tồn hệ thống với tổng cơng suất khoảng 27 nghìn MW; phần cịn lại nhiệt điện than – khí – dầu lượng tái tạo Đến quý III/2012, thủy điện vừa nhỏ (N ≤ 30MW) phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất 11.600 MW nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh lượng quốc gia (tổng cơng suất thủy điện 13 nghìn MW) Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, ¾ lãnh thổ rừng đồi núi, với tổng cộng 2.360 sơng suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong có nhiều sơng lớn bắt nguồn từ nước ngồi, nên diện tích hứng nước lớn nhiều diện tích lãnh thổ nước ta), trữ lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm (trong trữ kinh tế kỹ thuật 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, công suất thủy điện hệ thống điện quốc gia phát huy khoảng 50% so với tiềm Nếu xét thủy điện vừa nhỏ cơng suất hữu đạt khoảng 20%, lại 80% thời gian tới cần phát huy hiệu Hiện xây dựng số lớn nhà máy thủy điện Theo kế hoạch Thủy điện đến 2020 số cơng trình nhà máy thủy điện tăng lên đáng kể Khai thác nguồn thủy điện dạng lượng sạch, tái tạo có hiệu kinh tế tổng hợp, thân thiện với môi trường phù hợp với nước giàu tiềm thủy điện nước ta Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho nhà máy thủy điện nước ta phổ biến, điển hình kể như: Thủy điện Hịa 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 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài 7km, D=7m… Trên giới tính đến thập kỷ 70 nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước kể đến hàng nghìn, tính riêng Liên Xơ xây dựng 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài đường hầm thủy công xây dựng Liên Xơ tính đến thời kỳ 170km [4] Ở nước ta cơng trình thủy điện nhỏ thường xây dựng miền núi có địa hình vùng tuyến hẹp dốc, địa chất đá gốc nên có nhiều thuận lợi hợp lý bố trí đường hầm dẫn nước tuyến lượng tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy Việc sử dụng đường hầm áp lực có ưu điểm so với phương án dẫn nước 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 nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm phương án gia cố đường hầm có vai trị quan trọng làm việc ổn định, khả chịu áp lực nước áp lực đất đá giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy có vai trị quan trọng Ở Việt Nam, thời gian gần xây dựng số đường hầm thủy cơng có quy mơ 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 Trng Khấp (Nghệ An) có L = 550 m; D=2,9m Hiện hàng loạt cơng trình thủy lợi, thủy điện thiết kế xây dựng có đường hầm thủy cơng, đường hầm dẫn dịng cơng trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) có L = 908m; D = 9m; đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến (Sơn La) có L = 11.129 m; D = 3,8m v.v Các đường hầm thường được gia cố nhiều hình thức khác tùy thuộc vào điều kiện địa chất: phun vữa, bọc lót thép, đổ bê tơng cốt thép… Đối với đường hầm thủy công vận hành môi trường tiếp xúc với nước xảy nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau, xảy ổn định trình vận hành khơng có biện pháp gia cố Để đường hầm thủy cơng đảm bảo an tồn q trình vận hành cần có lớp lót cho đường hầm Mục đích tính tốn lớp lót đường hầm thủy công xác định nội lực phân bố ứng suất lớp lót, từ tiến hành kiểm tra điều kiện bền bố trí cốt thép Bài tốn xác định nội lực ứng suất lớp lót giải nhiều phương pháp khác Ngày nay, với phát triển công nghệ thông tin, phương pháp số sử dụng nhiều tính toán kết cấu Một phương pháp phổ biến phương pháp phần tử hữu hạn Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn có tính khoa học thực tiễn, để giải cấp thiết vấn đề xây dựng đường hầm thủy cơng nói riêng cơng trình thủy lợi, thủy điện nói chung Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm dẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn 418,4m, lưu lượng thiết kế Qtt=10,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình qn năm 151,27.106kwh Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công phương pháp phần tử hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” có ý nghĩa kinh tế khoa học Mục đích yêu cầu Dựa tài liệu thu thập thông số kỹ thuật nhà máy Thủy điện Nậm Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ) tài liệu địa hình, địa chất (kết khoan thăm dị địa chất, báo cáo địa chất cơng trình ) u cầu luận văn cần đạt sau: - Tổng quan đường hầm thủy cơng, phương pháp tính toán đường hầm - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy điện Nậm Toóng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000 - Phân tích, đánh giá, so sánh kết nhận với hồ sơ thiết kế.3 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Từ thực tế: Khi vận hành đường hầm xuất nhiều trạng thái ứng suất biến dạng khác - Tiếp cận từ điều kiện kỹ thuật: Cơng trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn định - Kế thừa nghiên cứu trước có - Phương pháp thu thập tài liệu - Liệt kê phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công - Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn đường hầm - Phân tích, nhận xét kết đạt Những kết đạt luận văn - Tổng quan xây dựng đường hầm thủy cơng - Tổng quan phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công - Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm Toóng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết kế Bố cục luận văn PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi cơng xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 11 (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 22 (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi cơng xong chưa có nước ỨNG SUẤT S 33 (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi cơng xong chưa có nước ỨNG SUẤT S max (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi cơng xong chưa có nước ỨNG SUẤT S (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi cơng xong chưa có nước Chuyển vị đỉnh hầm (m) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH2 - Đường hầm vừa thi công xong chưa có nước Chuyển vị vách hầm (m) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S 11 (T/m2) TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành PL1 - Kết tính tốn nội lực ỨNG SUẤT S 22 (T/m2) TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành PL1 - Kết tính tốn nội lực ỨNG SUẤT S 33 (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S max (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành ỨNG SUẤT S (T/m2) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị đỉnh hầm (m) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị vách hầm (m) PL1 - Kết tính tốn nội lực TH3 - Đường hầm đưa vào vận hành Chuyển vị đáy hầm (m)