Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

LỜI CẢM ƠNLuận văn “Phân tích kết cau, 6n định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự cố găng nỗ lực của bản thân tác

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Phân tích kết cau, 6n định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự

cố găng nỗ lực của bản thân tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thây,

Có, cơ quan, bạn bè và gia đình.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dan: TS Trịnh Quốc Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học

cân thiết cho luận văn.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thây, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau

đại học, khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này.

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè.

Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013

Tác giả luận văn

DO HONG HOANG

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Hồng Hoàng

Học viên lớp: 18C11

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bồ trong bat

kỳ công trình khoa học nào.

Tác giả

DO HỎNG HOANG

MỤC LỤC

MỤC LLỤC -. 5-5222 E2 E2 1E2112711271211711271 21121111 .T1 111.111 Eeye 3

BANG KE DANH MỤC HINH VẼ 2- 5522222222212 6

MO DAU weeceecsssessessssssessessesssessessessusssessessecsessusssessessssssessessessesssessetsessesssessessessssseeseesess 1

2 Muc dich ctta iniưậggĂẲ:ẻ':'.: : 2

CHƯƠNG 1: TINH HÌNH XÂY DUNG THỦY ĐIỆN Ở VIET NAM

1.3.2 Một số khái niệm về động date eecceccceccecceessessessessessessesseessessessesseesessesseeseees 9

{Ca on nh aữD.5 Ô 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LY THUYET PHAN TÍCH KET CẤU NHÀ MAY THỦY

2.1 Phương trình vi phân mô tả chuyền vị của nhà máy dưới tác dụng của lực động

2.1.1 Xác định lực đàn hồi tuyến tính - essessessesssssesesessessessessessessesveaes 15

2.1.2 Xác định lực cản - - << 5< 3322211122311 1 1111 911 19g 11g vn ng vn nưyy 16

2.1.4 Dao động của hệ kết cau chịu tác động của động đất - 5-55 18

2.2 Các phương pháp phân tích kết cau chịu tải trọng động đất . 20 2.2.1 Phân tích kết câu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực

NYang tuONY AUONG T001 20

2.2.2 Phân tích kết câu NMTD chịu tải trong động dat bang phương pháp phé phan

THOT SIAN eee au:ă.L 21

CHƯƠNG 3: LAP BÀI TOÁN PHAN TÍCH KET CÁU NHÀ MAY THỦY ĐIỆN CHIU TÁC DUNG CUA LUC ĐỘNG DAT THEO PHƯƠNG PHAP LICH SỬ 096/90 27

3.3 Xây dựng mô hình từ tính toá - - - + + +2 +1 1E HH nhiệt 32

3.5 Các lực tác dụng và tổ hợp lực ¿ s¿©-++2+++2x++zkt2ExeEESEkErkrrrkerkrerkree 34

3.5.1 Xác định các tải trọng TĨnhh - - c1 112111191113 11 911 911111 1 vn ng 34

3.5.2 Tải trong gây nên do động đất -:-©2-©52+2z+Ek+£Ec£EESEEerxerkerrerrrrred 35

3.6.1 Kết quả tính toán trường hợp 1 (tô hợp cơ bản) ¿ -¿©c«2s+ecszz 38 3.6.2 Kết quả tính toán trường hợp 2a ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo

3.6.3 Kết quả tính toán trường hợp 2b ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo

phương pháp lịch sử thời Ø1a1) - 5c 3c 31132113 113135111 1111111111 Ekrreree 46

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ÔN ĐỊNH CHÓNG TRƯỢT CHO NHÀ MÁY THỦY

4.1.Tổng quan về phân tích 6n định chống trượt nhà máy thủy điện 55

4.2 Nội dung phương pháp phân tích 6n định chống trượt nhà máy thủy điện chịu

4.3 Tải trọng và tô hop hợp tải trọng trong phân tích 6n định chống trượt nhà máy

4500090015357 67

1 Két quả đạt được của luận Vande cece eceesceeseeecceseeeseeeseeeeeseeesecseeeseeeseeseeeeenaes 67

2 Van đề tồn tai và phương hướng nghiên cứu tiếp theo . - 67

BANG KE DANH MỤC HÌNH VE

Hình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do - 16 Hình 2.2: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do - 19 chịu tac động của động II eeceseccssescesssesessesessecsssecersessesessesessecarsucevsasansasaeeavaeaneees 19

Hình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tai ví trị công trình thủy điện Xfm Vàng 2 37 Hình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 2 38

Hình 3.11 Chuyên vị theo phương XX -¿-©2¿©2+¿22++2E+2EEt2Exrzrerrreerkree 43

Hình 3.13 Chuyên vị theo phương Z⁄Z -: 2-©22©5¿22+2E+v2E+2EE+2Exrzrkrrrrerkrre 44

Hình 3.15 Ứng xuất stress YY ccccescsccssscssessssssessessecsesssessecsssssssessessecsesssessesseessesseess 45

?0).NI.N6ii eo 18 V/an Ô 45 Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên chuyên vị theo phương X tại node 274809 46

trên sàn nhà mấy.

Hình 3.21: Biểu đồ biến thiên chuyển vỉ theo phương X tai node 19966

trên trồng thượng lưu

Hình 322: Biểu đồ biến thiên chuyển vi theo phương Z tại node 19966

trên tường thượng lưu

Hình 3.23: Biểu dd biến thiên ứng suất Stressyy tại node 19966 trên

tường thượng lưu

Hình 324: Biểu đồ biển hiên ứng suất Stess7, ti node 19966

trên tường thượng lưu.

Hình 3.25: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 22478

trên tường hạ lưu

trên trờng hạ lưu

Hình 327: Biểu dd biến thiên ứng suit sessyy tại node 22478

trên tường hạ lưu,

Hình328 Biểu đồbiến thiên ng suất stress, tạ node22478

trên tường hạ ưu

Hình 4.1: Các mặt trượt tinh toán cho sơ đồ trượt phẳng

ABCD, ABCDEF, ABCDE

"Trường hợp tinh toán

Hình 4.2 gia tốc nên tương ứng động đất

Hình 44. gia tốc nên tương ứng động đắt

Tình 4.4 gia tốc nền tương ứng động đất cắp 10

Hình 4.5 Biểu đồ hệ số an toàn ôn định chống truot với động đắt cắp 8.

Hình 4.6 Biểu đồ hệ số an toàn ôn định chống trưt với động đắt cắp 9.

Hình 4.7 Biểu ồ hệ số an toàn dn định chống trượt với động đít cíp 10

Hình 4.8 Chuyển vị trượt của nhà máy chịu tải trong động đất cấp 10,

48 48 48 49 49 49 49

30

0 0

0

65 66

BANG KE DANH MỤC BANG BIEU

Bang 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam 4

Bảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bổ năm 1982 và 1992 5

Bang 1.3: Bang chuyển đổi tương đương gi các thang động đất 10

Bang 1.4: Bang chuyển đổi tir định gia tốc nền sang cấp động dat "

Bang 3.1: Tông hợp kết quả tính toán nhà máy chịu tổ hợp tả trọng cơ bản (Trường hợp 1), 52

Bảng 3.2: Tổng hợp kết qua tinh toán nhà máy chịu tai trong động dat theo phương

pháp phỏ phản ứng (trưởng hợp 2a) 5 Bảng 3.3: Tông hợp kết qua tính toán nhà máy chịu tai trọng động dat theo phương pháp lịch sử thời gian (trường hợp 2b) 5 Bảng 4 Tổng hợp và phân tích tài trọng tính toán én định nhà máy thủy điện 9

MỞ ĐẦU

1 Tính cắp thiết của để tà:

Dit nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đắt tương đổi mạnh

“Theo Viện Vit Lý Địa Cầu, đắt nước ta có bốn vũng động đắt chỉnh Ving động dắtthứ nhất là miễn núi tây bắc bao gồm các tinh Sơn La, Lai Châu với cường độ động.đất M=6 8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thổ sông Hồng với cường độ động dit

M = 62, Vũng động đắt thứ ba là vùng miễn núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc.

Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 600, vùng động

lộ động dit M7 5.5

đắt cuối cũng à vùng phía nam của đt nước ta với cường

"Nước ta dang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đắt nước nên nhu cầu

điện năng ngày cảng tăng Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng cho đất

nước Chính vì vậy mà các công tình trạm thủy điện du xây dựng trên ngày một

du, Nhà máy thay điện là một kết cầu hình khối lớn, hình dạng khá phức tp vớinhiễu khoảng tống bên trong Toàn bộ nhà máy nói chung và từng phin nói riêngphải dim bảo đủ én định và da độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh

và tải trong động trong cúc giả đoạn xây dụng, vận hành sửa chữa Nhà máy thủy điện phân chia thành hai pt

chiếm khoảng 70% bê tông nhà máy

in; phần trên nước và phần dưới nước, phần dưới nước

Hiện nay khi phân ich ổn định và độ bén nhà máy chịu tải wong động đắt

thường sử dụng phương pháp mô phỏng nh, có một số công ty thiết kế dùng phương pháp phổ phản ứng Tuy nhiên phương pháp mô phòng tỉnh cũng như

phương pháp pho phân ứng không phản ánh được sự ứng xử của kết cấu trong suốt

thời gian xây ra động đất Phương pháp lịch sử thời gian ( Response history analysis,

) sử dung biểu đỏ gia tốc nền wind tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết cấu tại mọi thời điểm của một trận độ 3g đắc Phương pháp này đã phần ánh được

«qu tình làm việc của kết ấu ong một trận động đắc cụ thể

Chính vì các yếu tổ phân tích trên nên việc phần tích bén và ôn định của nhà

máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đắt theo phương pháp lịch sử thời gian là

rất cần thiêt Học viên chon dé tài: “Phân tích kết cấu, ồn định cia nhà máy thủy

điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” sẽ góp một phần

kg, phân tic kế cầu và ôn định nhà máy thủy điện chịu ti

trọng động đắc từ đó lựa chọn được kích thước kết cu hợp lý cho nhà máy thủy

điện đảm bảo nhà máy làm việc an toàn với mọi tỏ hợp tải trọng trong thực tế vận hành

2, Mục đích của đề tài:

Xây dựng cơ sở lý thuyết th toán rong phân tích kết cfu, én định cia

nhà máy thủy điện chịu tác dụng của tải trọng động đắt theo phương pháp lịch sử: thời gian

'Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

~ Diều tra thống kê và tổng hợp éc tài liệu đã nghiên cứu liên quan tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phân ích kết cấu công tình chịu tải trọng

động đất,

~ Ung dụng phương pháp lich sử thời gian phân tích động học

máy thủy điện chịu tác dụng của lực động,

~ Xây dựng biểu đỏ gia tốc nền tại vị trí công trình theo tiêu chuẩn xây dựng

Việt Nam TCXDVN 375-2006; Thiết ý công trình chịu động dit

= Xây dựng mộ bình 3-D nhà máy thủy điện chịu các ti trong tinh và tại

trong động đất bing phần mm Phin từ hew hạn có các module phân tích động

theo phương pháp lịch sử thời gian

~ Xây dựng cơ sở lý thuyết, lập phần mềm phân tích 6n định nhà máy thủy

điện chịu ti trong động đất

~ Phân tích, đánh giá kết quả.

~ Biểu đồ gia tốc nén tại vị trí xây dựng nhà máy thủy điện

~ Trạng thái ứn dạng tại các điểm của nhà máy thủy điện theo thời gian của trận động đất

+ Xác định tin số dao động riêng, hình dáng dao động của nhà máy thủy

điện theo các dạng dao động

~ Quan hi

đồ tìm ra hệ số an toàn nhỏ nhất Kain

an toàn chỗng trượt vớ thời gian của trận động đất từ

CHUONG 1: TINH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

VÀ TÔNG QUAN VỀ ĐỘNG DAT1.1, Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam

Việt Nam có 2360 con sông với chiều dai từ 10km trở lên, trong đó có 9 hệ

thống sông có điện tích lưu vực trên 10,000km2, có mười hệ thống sông subi lớn cótiểm năng phát triển thủy điện Tổng kết các nghiên cứu về quy hoạch thủy điện ởnước ta cho thấy tổng trữ năng lý thuyết của các con sông được đánh giá đạt 300 tỷKwhinăm, công suất đánh giá được đánh giá khoảng 34.647MW Trữ năng kin tế -

kỹ thuật được đánh giá khoảng 80-84 ty Kwh/năm, công suất lắp máy được đánh

giá khoảng 19.000-21.000MW.

“Băng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam

Liu ve Diệních | Sổcông | Tổngeôngsuất | Diệnlượng

sông (m2) | tình (Mw) (GWh)

Sông Đà 17200 8 6800.000 21100 LâGâmChây 52500 " 1600 6000

“Trước năm 1945 chỉ có các trạm thủy điện nhỏ do Pháp xây dựng phục vụ khai khoáng và nghỉ dưỡng Trong giai đoạn 1945-1975 nước ta đã xây

‘mg thủy điện Thác Bà với công suất kip máy là I0MW, thủy

sông suất 160MW Giai đoạn từ năm 1975 đến nay chúng ta đã xã

Da Nhim với dựng hàng loạt

các tram thủy điện lớn như: thủy điện Hòa Bình ing suất 1920MW, thủy điện Trị

An công suất 400MW, thủy điện Vĩnh Sơn công suất 66MW, thủy điện Thác Mo công suất 1S0MW, thủy điện Yaly công suất 720MW, thủy điện Trị An công suất 400MW, thủy dig

342MW, thủy điện Sơn La công su

San 3 công si t 260MW, thủy điện Tuyên Quang công suất

2400MW, thủy điện Bản Vẽ công suất

320MW, thủy điện Sẽ San 4 công suất 360MW

Bảng 1.2: Công suất các nguần điện phân bổ năm 1982 và 1992

Nguồn điện se ee

vw [| MW % Thủy điện xe) ae | 5B | 804

2025 (Quy hoạch điện VI) Để đáp ứng nhu cầu phát trién kính tế-xã hội với

mức tăng GDP khoảng 8,5%.-9%/ndm giai đoạn 2006-2010 và cao hon i nbu cầu

điện năng tăng 17%ndm (phương án cơ sở), J⁄4năm (phương án cao), giai đoạn.

2006-2015 tăng 22%nm (phương én cao)

Cée công trình thay điện đưa vào vận hành có vai td to lớn trong sản xuất

điện năng, phông chống lũ, cắp nước phục vụ phát triển kinh tế - xã hội Nam

2010 có khoảng 50 nhà máy thủy điện đưa vào vận hành vi đến năm 2020 có đến

80 nhà máy thủy di lớn và vừa được đưa vào vận hành trong hệ thống điện

“Các nhà máy thủy điện được xây dựng hầu hết ở vùng núi, nơi kỉnh tễ xã hội

phát triển còn chậm Việc xây dựng các, tình thủy điện còn thúc đẩy sự phát

triển kinh tẾ- xã hội của các khu vực này

'Về mặt kinh tế, tỷ lệ thủy điện cao trong hệ thống đã đem lại gid thành điện

năng hạ xuống đáng kẻ Về mặt kỹ thuật, hủy điện đã tăng cường chất lượng điệntrong hệ thống, vận hành linh hoạt

1.2 Tổng quan về nhà máy thủy điện

"Nhà máy thủy điện là công trình thủy công trong đó bi thiết bị động

lực (turbin, máy phát điện) và các hệ thống thiết bj phụ trợ khác phục vụ cho sự làm

cho các

việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cất

hộ ding điện Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thủy,

điện Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn của các thiết bị và

thuận lợi trong vận hành.

Nhà máy thủy điện được chia thành ba loại cơ bản

- Nhà máy thủy điện ngung dip: được xây dựng trong các sơ d khai thác thủy năng kiêu dip với cột nước không quá 35-40m Bản thân nhà máy là một thành

phần công trình dâng nước, nó thay thé cho một phần đập dâng Cửa léy nước cũng

là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy

= Nhà máy thủy điện sau đập: được bổ trí ngay sau đập ding nước Khi cột

nước cao hơn 30-45m thì bản thân nhà máy vì lý do én định công trình không thể là

một thành phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máycông suất lớn Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì cửa lấy nước và

đường ống dẫn nude turbin được bỗ tí wong thân đập bê tông, đôi khi đường ông

dẫn nước turbin được bổ tí trên phía hạlưu của đập

- Nhà máy thủy điện đường dẫn: trong sơ dé khai thác thủy năng kiểu đường

hoặc kết hợp , nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối

Cita lấy nước đặt cách xa nha máy Trong trường hợp công tinh dẫn nước là khong

ấp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bé áp lực, trong trường hợp công.

trình dẫn nước là đường him có áp thì cửa lấy nước bổ trí ở đầu đường him và là

một công trình độc lập Đường dẫn nước vio nhà máy thường là đường ống áp lựcnhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là

kênh dẫn thì có t ế bổ trí nhà máy thủy điện kiểu ngang dp.

Vé công suất, nhà máy thủy điện chia làm nhiều loại theo côi suất lắp may,

cách phân loại này chi tương đối và cụ thé với tiêu chuẩn của từng quốc gia Ở Việt

chuẩn TCVN 185-2002.

Nam cẻ công trình được xác định theo

= Nhà máy thủy điện lớn: Nụ, > 1000MW'

~ Nhà máy thủy điện vừa: ISMW < Nụ, < 1000MW

- Nhà máy thủy điện nhỏ: Nụ, < 1SMW

“Theo cột nước, nhà máy thủy điện phân theo ba loại tùy thuộc cột nước công.

tác lớn nhất

- Nhà máy thủy điện cột nước cao: Hays > 400m

= Nhà máy thủy điện cột nước trung bình: 50m < H„„„ < 400m.

- Nhà máy thủy điện cột nước thấp: Hage < 50m

‘Cot nước công tác H,„ có liên quan đến loại turbin bố trí trong nhà máy ỞTTD cột nước cao bổ trí turbin tâm trục với tỷ tốc BE và khi cột nước Hae >5U0m

sử dung turbin gio Ở TTD cột nước trung bình thường bỗ tei các loại tubin tâm

trục với các ty tốc từ lớn đến bé và cột nước thấp thường bố trí turbin cánh quayhoặc turbin cánh quạt và cũng có thé bổ trí các turbin tâm trục tỷ tốc lớn hoặc turbin

cánh chếo.

Hình thức lắp máy cũng có ảnh hưởng lớn đến kết cấu nhà mày thủy điện:

với turbin phan kích công suất lớn thường bổ tr trục đứng Bồ trí như vậy nhà máy

xẽ gon hơn nhưng chiều lu móng nhà máy sẽ lớn, Với TTD ngàng dip cột nước

thấp Hag <20m có thể sử dụng turin cánh quay kiễu capxal trực ngang, Sng hút

thing Với nhà máy thủy điện sử dụng turin tâm trục công suất nhỏ cho thầy tốt

nhất là sử dụng hình thức lắp máy trục ngang vi khi đó việc lắp đặt va sửa chữa

turbin và máy phát không phụ thuộc lẫn nhau nhưng kích thước mặt bằng nhà máy

đồi hỏi lớn hơn so với trục đứng DSi với TTD sử đụng twin gáo, hình thức lấp

máy có thé trục đứng hoặc trục ngang không phụ thuộc vào công sut tổ mấy màphụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu các công trình cụ thể.

Kết cấu nhà mấy thủy điện được chin lầm hai phần: phin đưới nước (khỗi bê

ác hệ thông thết bị phụ Phần

trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp — sửa chữa, gian máy bổ trí máy pháttông phía đưới) bổ trí tubin, buồng xoắn, ông hút,

điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc trbin,

Kết cấy phần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xắn, ống hút bệ

máy phát, đường ống Turbin, Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nướcngoài buồng xoắn, ống hit, bệ máy còn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vàobuồng xoắn Với nhà máy thủy điện lắp Tunbin xung kích go, phẫn dưới nước chủ

yếu là kênh xả dẫn nứợc ra hạ lưu.

Dee theo chiễu đài nhà máy (vuông góc với chiễu đồng chảy) phần dưới nướcgốm nhiều khối tuabin giếng nhau và ngoài cũng là sàn lắp rip Tiy điều kiện địa

chất nỀn và chiễu dai nhà máy, toàn bộ nhà máy có thé là một khối liễn hoặc cách

nhau bing những khe hin cắt ngang nhà máy thành từng khối Trong mỗi khối gồm

từ một hoặc một số tổ mi „ iệng phần sin lắp máy do chịu ti rong khác nênthường được tích riêng khối các khỗituabin

6 tng tuabin thường bổ trí các hệ thông thết bị phụ gồm: hệ thống thiết bịcung cắp dầu mỡ, hệ thing thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thông thiết bị tháo

nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rò ri nhà máy.v.v Ngoài ra còn bồ trí các.

kho chứa và một số phòng phụ máy tgp lực và cơ cầu điều chính

Dưới sin lắp rip bổ trí cae xưởng, kho, may bơm, ging tập trung nước

1.3 Tổng quan về động đất

13.1 Nguyên nhân gây ra động đất

Động đất hay dia chin là sự rang động mạnh mẽ của vỏ quả đắt dưới dạng

các dao động đàn hồi Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân

sinh

= _ Nội sinh: lên quan đến vận động phun trào núi lừa, do ập đổ tần các hang

động ngằm, do sự co xát của các mảng thạch quyển đại dương dang bị hút

chìm xuống đưới một ming khác, do hoạt động đứt gầy dia chin bên trong

(tam phát sinh động đấu nông, thường ít

sâu quá 20km Nước ta không có núi lửa

dang hoạt động, nằm rit xa các đối hútchim và đới dồn mảng nên không có kiểu động đít liền quan đến cầu trúc này

như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya,

1.3.2 Một số khái niệm về động đắt

a) Chan tâm, chẩn tiêu

Noi phát sinh dich chuyển của Động dit được gọi là chin tiêu (hoặc lồ Độngdit), Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chắn tim của động đắt,

Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn iu lên mặt đất, tức là khoảngcách giữa chắn tiêu và chắn tâm Khoảng cách chi lêu là khoảng cách từ.

một điểm bắt kỳ trên mặt đất đến chắn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là A),Khoảng cách chắn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó

tâm ( còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D).

CChắn tiêu ở độ sâu 300-100Km gọi là chin tu sâu, chấn ti trung binh 60

in chan

300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <1SKm Chấn tiêuxâu nhất đo được là 720Km ở Florida (Ms) Động đất có sức tản phá lớn

nhất à động đất chin tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75%năng lượng đàn hồi tích lũy

+b) Biểu đồ động ais

Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất

bao gồm các loại biểu đỏ: chuyển vị (mm), gia tốc (m*/s), vận tốc (m/s) Biểu đỏ

động đất là các tài igu quan trong 48 đánh giá tinh chất của một trận động đất đồng

thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chắn.

©) Thang động đắt và cắp động đắt

Hiện nay trên thé giới có rất nhiều thang động đắt, nhưng phổ biến nhất vẫn

là các thang đo cơ bản sau:

Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được

tính bằng Magnitude (M) Một Magnitude bằng một độ Richter

Cường độ động đắt được đặc trưng bởi trị số gia ốc địa chin a, mô tả độngđất hiện tượng động đất hông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đắt khi động

it di qua, xác định theo cắp động dat đại diện là các thang: MMI ( 12 cấp), MSK (

12 cấp), IMA (8 cấp)

Theo thang 4 tẾ MSK con người không thé nhận biết chin động cấp 1-2,cắp 3-4 sẽ gây ning động nhẹ và ấp 6-7 lam chao đảo mặt dắt, chắn động cấp trở

lên sẽ gây thiệt hại lớn

Bing 1.3: Bảng chuyên déi tương đương giữu các thang động đắt

Cip ding | Magnitud Năng lượng | Cấp năng

d) Gia toe cực đại

Gin tốc ewe đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nén đấttrong tận động đất đó, Gia tốc cục dại là đại lượng rit quan trọng, được dùng trong

433 s00 567 633 7.00

7400

tit cả các tiêu chuẩn kháng chắn hiện nay

Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không đễ dang

vi thiếu biểu đổ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chắn Vìvây người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nén dit đã có để thết

lập mỗi tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung

Dit nước ta nằm trong vùng chịu anh hường của động dit tương đổi mạnh

Theo Viện Vật Lý Địa CẢu, đất nước ta có bốn vùng động đắt chính Vùng động đắt

thứ nhất là miễn ni tây bắc bao gdm các tinh Sơn La, Lai Châu với cường độ động

3, Ving thứ hai đồng bằng châu thổ sông Hồng với cường độ động đắt M

mm các tỉnh Bắc,

= 62, Vũng động đất thư ba là ving miỄn núi Đông Bắc bao

Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 6.0, Ving động

= 55 (

đất cubi cùng là vàng phía nam của đất nước ta với cường độ động đắt

Xem biểu đồ phần vùng động dit)

14 Két luận chương,

= Trong chương | tác giả đã khái quất được tình hình xây dựng các công tình

thủy điện ở Việt Nam, cho thấy việc tiết kế và thi công ngày cảng được

hoàn thiện hơn, ố lượng nhà máy và quy mô công trình ngày càng nhiều

= Thấy được ưu nhược điểm và các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu khi xây

ấu hình khối

dựng nhà máy thủy điện đó là: nhà máy thủy điện là một kết

lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng tống bên tong Toàn bộ nhà

"máy nói chung và từng phần nồi riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền

cđưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải wong động trong các gia đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa.

- _ Tông quan nguyên nhân gây ra động đất, các khái niệm v động dắt

: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHAN TÍCH KET CÁU NHÀ MAYTHUY ĐIỆN CHỊU TAI TRỌNG DONG DAT

Nhung hệ như vậy có tên gọi là hệ có khối lượng tập trung, hoặc hệ có khối lượngrồi rac, hoặc thông dung hơn, hệ có nhiều bậc tự do

Để xây dựng phương tinh chuyển động của hệ kết cấu người ta có thể dùng

phương pháp lực (phương pháp ma trận độ mém) hoặc phương pháp chuyển vị (phương pháp ma trận độ cứng) Trong luận văn này tác giả giới thiệu phương pháp

chuyển vị để thiết lập phương trình chuyển động cho hệ kết cầu

Dưới tác động của ngoại lực động Fy(t) các khối lượng my của hệ kết cầu sẽ có

các chuyển vị ngang Xo (k- +k n) Trên cơ sở của nguyên lý đ'Alembert,

các chuyển vị này được sác định từ phương tình cân bằng động sau tại mỗi khối

lượng my

“Trong đó;

Fox()— Lực quán tính tác động lên khối lượng mg;

Fex(t) — Lực cản tác động lên khối lượng my;

Euu,(Đ) Lực đàn hồi tác động lên khối lượng my;

-31 Xác định lực din lồi myễn tink

"ĐỂ xác định lực din hdi Fyx(t) tác động lên khối lượng mg ta giả thết rằng tắt

cả các bậc tự đo của hệ kết cầu đều bị chốt lại (bình 2.1.b), sau đó lần lượt cho mỗibạc ự do một chuyển vĩ cưỡng bức xy), x:(9 RD) (te Trang điều kiện

này tại mỗi bậc tr do sẽ phát sinh ra lực din hồ Bằng cách tháo chốt lẫn lượt cácbậc tự do và bắt chúng phải chia chuyén vĩ cưỡng bức đứng bằng chuyển vĩ ngang

tạ là hệ số độ cứng hoặc phản lực đơn vị sinh ra khi chit ti liên tục

hệ kết cấu với các chuyển vị bằng đơn v tình 2.1.)

2 Xác định lực cản

Dé xác định lực cản Fcs(0 tác động lên khối lượng my, như phần trên đã trình

ốc độ

jem lực cản trong trường hợp này là lực cản nhớt tỷ lệ thuận ví

chuyển động của hệ kết cầu Do đó, tương tự như cách xác định lục đàn hồi Fy) „

ta xem mỗi hệ số củn bit kỹ cạ biểu diễn lục xuất hiện theo hướng bậc tự do j khỉ

Khi lượng mụ có tốc độ chuyển vị bằng đơn vị trong khi các khối lượng khác có

tốc độ bằng không thị chốt li), cố nghĩa là Z hổ, =0 #9)

s0 " £00 109

DI " 149 di) s9

0 " s9 su

tú) xi) LAO ru)

Tình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cau có nhiễu bậc tự do

“Trong trường hợp này lực cản được xác định theo

Hoje dưới dang ma trận:

ots} fel abla] (FO) es)

Trong đó:

° :

‘mal Ma tận khối lượng G6

a Veeto vận tốc, 2.10)

i] 'Vectơ chuyển vị G109)

Vecto ngoại lực 612)

2.1.3 Xác

Lực quán tính tỷ lệ thuận với gia tốc,

inh lực quán tink

Lực quán tính tác động lên khối lượng my được xác định từ phương tinh

“Trong đó: mk ~ khối lượng tập trung lại nút k.

Xứ),

2.14 Dao động cia hệ kết chu chịu tắc động cia động đắc

ia tốc tại nút k tại thời điểm t

Tương tự như trưởng hợp hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu ti trọng động bat kỳ, mô hình tính toán của của cơ hệ chịu tác động động đất được thé hiện.

ở hình 2.2 Dusit đối

cứng chịu một chuyển vị cưỡng bức theo phương ngang xo(t) Như vậy tại bắt kỳ

c động của dia chin, mồng của công trình được xem là tu

thời điểm nào của chuyển động, mỗi khấi lượng của hệ kế cấu sẽ thực hiện một

chuyễn động tịnh tiến sang ngang x9(t) và một chuyển động ngang tương đối x(0).

“Chuyển động tuyệt đối của hệ kết cầu sẽ bằng: xo(4x(0,

chậu tác động của động ditLực quần tính xuất hign ở bậc tự do k khi hg kết cầu có chuyển vị tuyệt đồi

Xolt) + xi):

Fal =Lis( +O] ew

“Các lực khác tác động lên khối lượng k như lực đàn hồ)

hoàn toàn giống như trường hợp trước bởi vì chúng chi phụ thuộc vào các chuyền vị

lực cân được xác định

tương đổi x) Chuyển vị nên xo(t) không làm thay đổi các lục trên bởi vì chuyển

động tink tiến không làm cho hệ kế cầu biển dạng

Ap dụng nguyên lý d'Alembert ta được phương trình cân bằng động theo hướng

bậc tự do k như sau:

ï"" nn aaa.)

thức trên vào ta được phương trình chuyển động sau:

Hoặc dưới dạng ma trân

[Jie fla} +a] ba} = {FO}

2.2 Các phương pháp phân tích kết cầu chịu tii trong động đất

3.2.1 Phân tích kết cấu NMTD chịu tải trong động đất bằng phương pháp tĩnh

lục ngưng tương đương

Phương phip tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp mã trong đồ lực

quán tính do động đắt sinh ra tác động lên công trình theo phương ngang được thay

thé bing tinh lực ngang tương đương Phin lớn các công trình xây dựng thôngthường khi tết kế kháng chin đều sử dụng phương pháp này để tính ton, Trongcác chấn, lực ngang do động đất sinh ra tác động ở chân.su chuẩn thiết kế khát công trình được gid thiết bằng hệ số địa chắn Cs và trọng lượng toàn bộ công tình

Q Lực ngang này có tên gọi là lực cắt đáy hoặc lực cắt ở chân công trình, được.

phân bổ trở li trên toàn bộ chiều cao công tình ti các bị tí có khối lượng tập

trung, thương là cao trình các bản sàn Hệ số địa chắn Cs phụ thuộc vào nhiễu yêu

e nhau, gdm các yếu tổ chỉnh như sau

= Vùng hoạt động động đất;

~ Điều kiện nên đất tại địa điểm xây dựng;

Tm quan trọng của công tinh;

~ Hệ số làm việc của kết cầu;

- Giải pháp kết cấu

- Phổ thiết kế động đất:

~ Khối lượng của công trinh,,

Phương pháp tỉnh lực ngang tương đương không áp dụng được cho các công

trình có hình dang không đều đặn, hoặc có sự phân bổ khối lượng và độ cứng không,

<u trong mặt bằng cũng như trên chiễu cao Bên cạnh đồ phương pháp nảy còn cỏ

thời gian động dit để cho phép thiết kế được các công trình vừa hiệu quả vừa an

toàn.

2.2.2 Phân tích kết cầu NMTD chịu tải trong động đắt bằng phương pháp phổ

phân ứng

Phương pháp phổ phản ứng được gọi với tên đầy đủ là phương pháp phân

tích phổ phản ứng dang dao động và được xem là phương pháp tham el

định các hệ quả của tác động động đắt, Phương pháp này dùng để phân tích các kếtsấu không thỏa min các điều kiện áp dụng phương phip tinh lực ngang tương

Phương pháp tính toán theo lịch sử thời gian cho phép xác định được toàn bộ

‘qui tình phan ứng của hệ kết cấu dưới tắc động của tải trọng Có hai cách tính toán:

Áp dung kỹ thuật phân tích dạng chính hoặc tch phân trực tiếp từ phương tình

chuyển động Trong cả hai cách trên, lich sử thời gian tác động của ải trọng lên hệ

kết edu được chia thành các bước rit nhỏ, Trong mỗi bước thời gian, hệ phươngtrình vi phân được thay bằng hệ phương trình đại số với dn số là chuyển vị của hệkết cầu 'ác số hạng biết trước của hệ kết cầu được xác định từ một số giả thiết vềđiều kiện biển thiên của tải trong tác động hoặc gia nên trong khoảng thời gian

mỗi bước Phan ứng toàn phần của hệ kết cấu xác định được ở cuối một bước thời

trở thành.

gians kiện ban đầu để toán phản ứng của hệ kết cấu ở bước iếp

theo Quá trình tính toán được lp lại cho tit cả các bước thời gian được xét tới Thù

thuật tính toán này có tên gọi là phương pháp tích phân từng bước một Trong luận

văn này tác gia sử dụng thuật toán Newmark cho phân tích kết sấu chịu ôi trong

động đất theo lịch sử thời gian

2.2.4 Nội dung thuật toán Newmark

Phương trình chuyển động của cơ hệ dưới tác dung của lực động đắt của hệ

c tự do.

"` 2.16) Trong đó:

m: ma trận khối lượng của hệ kết cầu k: ma tran độ cứng của cơ hí

ce: ma trận hệ số cân của cơ hệ

tr chuyển vị nút của cơ hệ

9; vector vận tốc nút của cơ hệ

9; vector gia tốc nút của cơ hệ 2): giá tị gia tốc nền tại thời điểm tính toán ©

Việc giải phương trình vi phân trên theo phương pháp giải tích thông thường

là không thể thực hiện được đặc biệt a đối với hệ có nhiều bậc tự do và chịu lực tác

dung của lực động đất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Do đó phương trình trênchỉ có thể được giải bằng phương pháp gần đúng (Phương pháp số) Hiện nay, tồn

tại một số phường pháp giải phương trình trên tuỷ thuộc vào cách lấy sai phân các.

biến Trong luận văn nay tác giả giới thiệu phương pháp Newmark

Theo Newmark:

+Íd~z)A + Gann G1

"` ` (318)

“Các hệ s8”P xác định giá tị thay đổi của gia tốc trong bước thời gian & và

.được xác định dim bảo độ chính xác cũng như tính én định của phương pháp.

¬

spas

Thông thường chon: 7 = 2 và 67 54

Phương trình (2.17) và (2.18) kết hợp với phương tinh 2.16) để

các giá trị 4" từ các giá trị tương ứng đã biết ở bước thứ i Tuy nhiên để

này ta cần dùng phương pháp giải lặp vi biển “+!

Di với hệ tuyển tính, ta có thể biển đối công thúc Newmark để thm ra li

tìm ra lời giải của hệ phương,

xuất hiện ở vé phải của phương

giải mà không edn sử dụng phương pháp lặp Trinh tự làm như sau:

Dae ML Haye At arth, nh G19)

Khi đó phương trình ( 2.16 ) được viết lại như sau:

mau eure KÂN, = Ap, 62D

Thay (2.19 ) và (2.20 ) vào (2.17) và (2.18 ) ta được:

Am: = (Ad GANA.

thứ i đã biết, các giá trị È và

AP hoan toàn được xác định

Tir phương trình 2.18) giải ra được các giá trì “và từ phương trình ( 2.24) và

(2.25) Lin lượt giải ra được AM và AW Thay 4M, S16 vào phương h (2.19) tìm

fe wid uj Mel Med Many

ra các giá trị I

2.3 Co sở ý thuyết xây dựng biễu dé gia tbe nền nhân tạo

‘Theo phương pháp lịch sử thời gian tì dữ liệu đầu vào phải có biểu gia tốcnền theo thời gian Nhưng trong TCXDVN 375-2006 “Thiết kể công tình chị,

kế theo từng vị trí xây dựng.

động đắt”, chỉ cho được biểu đỏ phổ phản ứng thi

công trình.

“Theo TCXDVN 375-2006 thì có thể sử dụng biểu đồ gia tốc nhân tạo từ phd

thiết kế cụ thể được quy định tong mục " 3/23.13 Gin đỗ gi tốc nhân tạ

“Phương pháp xây dựng biẫu đ gi tốc nén

Nghiệm của phương trình phản ứng của hệ kết cấu được xác định theo phương

Biểu thie (2.8) biểu thị chuyên vị tương đối của hệ kế cấu một bộc tự do, có

iu chuyển động với gia tốc tốc *("), Đạo ham

khối lượng m khi nỀn của hệ kí

liên tục biểu thức này ta sẽ được tốc độ tương đối:

G32)

“Trong đó: mỹ

“Trong thực tế, đa s6 các công tình xây dụng có giá tị phần cản tối hạn, "<<1.0

nên 0 và = còn 8(—1) 06 thể thay bằng el") Do đó, các

biểu thức (29), (2.10), (2.11) có thé viết đưới dạng gần đúng như sau:

‘cha nó và độc lập với lịch sử chuyển động của hệ kéu cấu theo thời gian.

Đị với một trận động đất đang xét, nhụ thuộc vào chu kỷ riêng và phin

sản tới hạn, giá tr lớn nhất của các biểu thức trên được gọi là giá - phổ phản ứng

(Spd; Spy: Spa) Để đơn giản giả - phổ phan ứng được gọi tắt thành phỏ phan ứng.

Do dé biến thiên hỗn loại của hàm ` ÍÖ nên người ta chứng mình

.được rằng phổ tốc độ tương đối có th viết như sau:

|[z.() 7 "sne(r~s]

X(t)" teose(r~

lex (2.36)

237)

R01 (238)

HK), 28 639

Từ mỗi quan hệ giữa phổ phản ứng với gia tốc nền >) GS Piero Gelfi

gid thuật để tạo ra sự chuyển đổi qua lại

thuộc đại học Brescia của lay đã tiết lộ

giữa đường phố và được viết thành phần mém có tê là

Simgke_Gr.

2.4, Kết luận chương,

han ứng và gia

“rên cơ sở lý thuyết tong phân tích động tác giả đã nêu được cách thức xây

dựng phương trình động lực học cơ bản trong bai toán cơ học và xác định các lực.

thành phần Làm rõ hơn cách xây dựng biểu đồ gia tốc nỄn nhân tạo từ phd phản

ứng theo TCXDVN 375-2006 “Thiết kế công trình chịu động đắt” từ đó làm dữ

Vio giải các bài toán động đất, tác giả đã nêu được các phương pháp giải

toán phân tích kết cấu chịu tải tong động đất và đã trình bảy thuật toánNewmark để phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất bằng phương pháp lịch sửthời gian để làm cơ sở cho việc phân tích kết cấu nhà máy thủy điện chịu ti trongđộng đất trong các chương tiếp theo

CHONG 3: LAP BÀI TOÁN PHAN TÍCH KET CAU NHÀ MAY THỦYĐIỆN CHỊU TAC DỰNG CUA LỰC DONG DAT THEO PHƯƠNG PHÁP.

LỊCH SỬ THỜI GIAN

3.1 Lựa chọn mô hình và các trường hợp tính toán.

Mo nh inh toán tác giả la chọn mồ hình tinh toán 3D cho phần dưới nước

nhà máy thi điện Cụ thể tác giả lựa chọn tính toán cho phn dưới nước nhà máy

thủy điện của công trình thủy điện Xím Vàng 2 ~ Sơn La Trong luận văn tác giả phân tích kết cầu cho nhà máy thủy điện Xim Vàng 2 cho hai trường hợp (i trọng.

“Trường hợp 1 Tổ hợp tải rong cơ bản

“Trường hợp 2 TỔ hợp đặc biệt khi có xét đến lực động đất Trường hợp nay

tác giã ích toán theo hai phương pháp để so sánh

a, Phương pháp pho phản ứng

b Phương pháp lịch sử thời gian

3.2, Tổng quan về công trình thấy điện Nim Vàng 2

“Xim Vàng là nhánh sông cắp bi tri sông Da, bắt nguồn từ vùng núi có độ

cao tên 2000 m nằm ở huyện Bắc Yên, tinh Sơn La Dòng chính Xim Vàng chảy

theo hướng Đông Bắc — Tây Nam 46 ra sông Da ở cao độ khoảng 140 m thuộc xãCChim Van, huyện Bắc Yên, tính Sơn La

Lưu vực Xím Vàng tiếp giáp về phía Bắc với lưu vực sông Ngồi Thia, phía

ing Ba và dé vào sông Đà ở phía Nam,

Công trình thủy điện Xím Vàng 2 dự kiến được xây dựng trên suối Xím

Vàng thuộc xã Xím Vang, huyện Bắc Yên, tính Sơn La, Tuyến công tình nằm cách

thị trấn Phù Yên khoảng 34 km về phía Đông, cách thị trấn Phiéng Ban khoảng.16km về phía Đông Nam

Toa độ ví í công inh: 104019250” kinh độ Đông

21019°10" vĩ độ Bắc

2 | Dòng chảy trung bình năm Qa mis 1.99

3° | Tống lượng dòng chảy năm Wo 10° m* 62.74

4 | Lưu lượng dong chảy lũ P= 0.2% mis 504

= 0.5% m'/s 432

= 10% m'/s 3761.5% mis 344

~ Tân suất P.= 50% mis 266

- Tân suất P= 10% mis 20

Dung tích chết 10° m 80

THÍ | Mực nước hạ lưu nhà máy m

Mize nước lớn nhất m 237

Mực nước khi chạy 148 may định mức | m 23107

Lưu lượng lớn nhất qua nhà may mis 438

1_ | Công suất dim bio Na | MW 3H

2 | Công suất lắp máy Nim MW 18

3 | Điện lượng trung bình nhiều nim Ey 10” kWh 64.912

4 | Số giờ sử dụng Nụ, hị ie 3606

VI | Tin độ thì công Năm 35

Khởi công + Công tie đào hờ

Lip sông + Công tác BT + dio ngằm

‘Nam phát điện.

VIL | Tổng dự toán 104 576.350

Xây dựng 239.352 Thidt bi 141.082

“Chỉ phí quản lý dự án và chi phí khác.

“Chi phi QLDA, 6058

+ Chi phí khác 54.533 + Chi phí vay 33.286

Dự phòng 10% 52.038

Vil | Chỉ tiêu kinh tế

Giá điện mùa mưa/mùa khô ‘UScent/Kwh 1082

dẫu tr chiếm 30%, còn lạ vẫn vay

ngân hảng trong nước với lãi suất

12%/năm Giá bán điện 6,0 CenkWh).

Vấn phân ich i chính 10" 44067

Chế khẩu % is-NPV 109đ 2681

-ERR % 105

“Bic 106

~ Giá hành kwh 1082

Hoan vốn năm 18