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 luậnvăn Xin cảm ơn Nhà trường, thầy cô giáo Trường Đại học Thủy Lợi, Phịng Đào tạo Đại học sau Đại học, Cơng 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 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” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng 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 MỤC LỤC DANH MỤCHÌNHVẼ v DANH MỤCBẢNGBIỂU v PHẦNMỞĐẦU 1 Tính cấp thiết củađềtài Mục đíchyêucầu 3 Cách tiếp cận phương phápnghiêncứu .4 Những kết đạt củaluậnvăn Bố cục củaluậnvăn .4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦMTHỦYCƠNG 1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy cơng tạiViệtNam 1.2 Điều kiện làm việc đường hầmthủycông 13 1.3 Phạm vi nghiên cứu củaluậnvăn 14 1.4 Kết luậnchương 14 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤUĐƯỜNG HẦMTHỦYCƠNG 15 2.1 Phương phápgiảitích .15 2.1.1 Phương pháp họckếtcấu 15 2.1.2 Phương pháp học vật rắn biếndạng[1] .25 2.2 Phươngphápsố 30 2.2.1 Phương pháp phần tửhữuhạn 30 2.2.2 Phương pháp phầntửbiên .31 2.3 Kết luậnchươngII 32 CHƯƠNG LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬHỮUHẠN .34 3.1 Nguyên tắc trình tự giải tốn kết cấu đường hầm theo phương pháp phầntử hữuhạn.[1] 34 3.1.1 Rời rạc hóa miềntínhtốn .34 3.1.2 Lựa chọn hàmnộisuy 35 3.1.3 Xác định tính chất cácphầntử 35 3.1.4 Lắp ráp hệ cácphầntử 35 3.1.5 Giải hệphươngtrình 35 3.1.6 Các dạng tính tốnbổsung 36 3.2 Xác định ma trận độ cứng phầntử vỏ 36 3.3 Sơ đồ tính toán phương pháp phần tửhữuhạn 36 3.4 Giới thiệu phầnmềmSAP2000 39 3.4.1 Tính phần mềm sửdụngSAP2000 41 3.4.2 Cách tính tốn kết cấu đường hầmvớiSAP2000 42 3.5 Kết luậnchươngIII 43 CHƯƠNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆNNẬMTOÓNG 44 4.1 Giới thiệucơngtrình 44 4.1.1 Vị trícơngtrình 44 4.1.2 Nhiệm vụcơngtrình 44 4.1.3 Thơng sốcơngtrình .45 4.2 Các thơng số tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng, trường hợp tính tốnvà sơđồtính 48 4.2.1 Thơng số tính toán trạng thái ứng suất –biếndạng 48 4.2.2 Các trường hợp tính tốn sơđồtính 54 4.2.3 Cách xác địnhtảitrọng 58 4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy cơng thủy điệnNậmTng .62 4.3.1 Tính tốn lực tác dụng lên vỏ hầm trường hợptínht o n 62 4.3.2 Tính tốn nội lực đường hầm trường hợptínhtốn 65 4.4 Phân tích kết quảtínhtốn 66 4.5 Kết luậnchươngIV 68 KẾT LUẬN VÀKIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆUTHAM KHẢO 73 PHỤ LỤCTÍNH TỐN .74 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường hầm khơng áp đặt đầu tuyếnnănglượng Hình 1.2 Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máythủyđiện .9 Hình 1.3 Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điệnNậmToóng 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 SơngTranh2 11 Hình 1.6 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện SôngBung2 12 Hình 1.7 Hình ảnh nhà máy thủy điệnHuộiQuảng .12 Hình 2.1 Vịm thấp vịm cơng tácởđỉnh 15 Hình 2.2 Sơ đồ tính tốnvịmthấp 17 Hình 2.3 Sơ đồ tính tốnvịmcao .18 Hình 2.4 Tính tốnvịmcao 19 Hình 2.5 Sơ đồ vịmkhépkín 20 Hình 2.6 Sơ đồ tính tốn vịmkhépkín .20 Hình 2.7 Các lực tác dụng lêntườngbên .22 Hình 2.8 Tườngbêncứng 24 Hình 2.9 Tường bênđànhồi 24 Hình 2.10 Sơ đồ lớp lót đường hầm mặtcắttrịn 25 Hình 2.11 Sơ đồ biến dạng vòng tròn tác dụng tải trọng thẳng đứng phânbố (a,b) sơ đồ lực tác dụng vào vòngtròn(c) 27 Hình 2.12 Phân bố ứng suất khối đá có lỗ kht trịnkhi x y 29 Hình 2.13 Sơ đồ tác dụng tải trọng lên khối đá bao quanh lớp lótđườnghầm 29 Hình 2.14 Sơ đồ miền tính tốn phương pháp phầntử biên .32 Hình 3.1 Phương pháp phần tửhữuhạn 34 Hình 3.2 Sơ đồ tính tốn bằngPPPTHH 38 Hình 4.1 Mặt cắt dọc tuyếnhầm 48 Hình 4.2 Mặt cắt dọc đoạn hầm qua đứt gãybậcIV 52 Hình 4.3 Mặt cắt hầm tínhtốn 53 Hình 4.4 Hình ảnh gia cố bằngkhungchống 54 Hình 4.5 Sơ đồtínhTH1 .55 Hình 4.6 Sơ đồtínhTH2 .57 Hình 4.7 Sơ đồ tính áp lực đánúi .62 Hình 4.8 Áp lựcnướcngầm 64 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thơng số củacơngtrình .45 Bảng 4.2 Chỉ tiêu lý đất đá qua đứt gãybậcIV 52 Bảng 4.3 Hệ số lệch tải tính tốn lớp lótđườnghầm .58 Bảng 4.4 Hệ số chiết giảm áp lực nướcbênngoài 59 Bảng 4.5 Hệ số kiến cố loạiđấtđá 60 Bảng 4.6 Thống kê kết tính lực tác dụng lênđườnghầm 65 Bảng 4.7 Thống kê kết tính ứng suất biến dạng trongđườnghầm 65 Bảng 4.8 Bảng so sánh kết ứng suất biến dạng vớithiếtkế 68 PHẦN MỞ ĐẦU Tínhcấp 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 công 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 sông 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 tíchnăng) 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 hiệuquả 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 nướcta 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 Xô 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 quantrọng 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 Truông 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 = 3,8mv.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 q 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 toán 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 tốn 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 nóichung 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 yêucầu 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 tốn đường hầm - Nghiênc ứ u t r n g t h i ứ n g s u ấ t - b i ế n d n g c ủ a đ n g h ầ m t h ủ y đ i ệ n N ậ m Toóng phương pháp Phần tử hữu hạn thơng qua phần mềm SAP2000 - Phân tích, đánh giá, so sánh kết nhận với hồ sơ thiết kế.3 Cách tiếp cận phương pháp nghiêncứu - Từthựctế:Khivậnhànhđườnghầmxuấthiệnnhiềutrạngtháiứngsuấtbiến dạng khác - Tiếp cận từ điều kiện kỹ thuật: Cơng trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổnđịnh - Kế thừa nghiên cứu trước đãcó - Phương pháp thu thập tàiliệu - Liệt kê phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủycông - Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn đườnghầm - Phân tích, nhận xét kết đạtđược Những kết đạt luậnvăn - Tổng quan xây dựng đường hầm thủycơng - Tổng quan phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủycông - 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 Bốcục luậnvăn