Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu áp lực thấm trong phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông trọng lực

phần quan trọng vào sự phát tiễn của “Tính toán ứng suất biến dang là một bai toán cơ bản và bắt buộc trong thiết kế đập bê tông trọng lực nhằm kiểm tra độ bén của đập trong các kiện làm

Sau quá trình nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ từ hai thầy hướng dan, các

đồng nghiệp, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công trình trường Đai học Thủy Lợi, đến nay luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Xây

dựng công trình thủy với đề tài: “Nghién cứu áp lực thấm trong phân tích ứng suất biễn dạng đập bê tông trọng lực” đã hoàn thành.

Tác giả xin gửi lời chân thành cám ơn tới các đông nghiệp trong Công ty

Cé phan Tư van Xây Dựng điện 1, người đã cung cấp các số liệu cho luận văn

này.

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quang Hùng và TS.Vũ Hoàng Hưng, hai người đã trực tiếp hướng dẫn, và

giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Do thời gian và kiến thức có hạn, luận văn không thê tránh khỏi những điều thiếu sót Tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những quý vị quan tâm Mọi ý kiến đóng góp

xin liên hệ theo địa chỉ email: phamhung.207@ gmail.com

Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2014

Tác giả

Phạm Tiến Hùng

| BANCAMKETTác giả xin cam kết rằng, nội dung trong luận văn này hoàn toàn đượcthực hiện bởi chính tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyén QuangHùng và TS.Nguyén Hoàng Hưng Tat cả các số liệu sử dụng tính toán trong

luận văn thuộc về sở hữu của Công ty Cổ phan Tư vấn Xây dựng Điện 1 Tácgiả tôn trọng bản quyền tác giả của các nguồn tài liệu được sử dụng trong luậnvăn, tit cả đều được trích dẫn cụ thé

Tác giả xin cam kết những điều trên là đúng sự thật Tác giả chịu trách

nhiệm với những gì mình cam kết

Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2014

Tác giả

Phạm Tiến Hùng

1.2 Tính toán phân tích ứng suất đập bê tong, oo

-12.1 Phương pháp giải tích 5 1.2.2 Phương pháp sé 6

1.3 Ap lực diy ngược trong bai toán phương pháp số H1.3.1 Coi đập là vật liệu liên tục, nên là vật liệu xốp 7

13.2 Coi đập và nên là vật liệu lên tục 9 1.3.3 Cai đập và nén là vật liệu xép 9

CHƯƠNG 2 PHAN TÍCH UNG SUAT BIEN DANG DAP BE TONG'TRỌNG LỰC KHI COI NEN LA VAT LIEU XOP, DAP LA VAT LIEULIÊN TỤC, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CUU DAP THỦY ĐIỆN BANCHÁT -182.1 Mô hình tiếp xúc „18

2.1.1 Mô hình phan tử tiếp xúc có độ day 182.1.2 Mô hình phần tử tiếp xúc không có độ day 2

2.2 Giới thiệu công trình : oo 23

2.3 Mặt cat tinh toán 2

2.8 - Kết quả tính toán ¬ ¬— _.

281 Té hop 1 28

282 Té hop 2 30

CHƯƠNG 3 PHAN TÍCH UNG SUAT BL

KHI COI DAP VA NEN LA VAT LIEU XÓP

DANG DAP BE TONG

31 3.1 Các giả thiết tinh toán 31

3.2 Các điều kiện biên 35342.1 Điễu kiện biên trong bài toán thắm én định 35

3.2.2 Bidw kiện biên cho bài toán ứng suất 38 3.3 Phân tích độ 23.3.1 Kết quả tính toán tổ hop 1 4

3.3.2 Kết quả tính toán tổ hợp 2 48

3.4 Phan tích độc lập, ké dén tinh phân lớp của bê tông RCC 52

BAL Kết quả tính toán tô hợp TV cccsccssesssssvssseesiesiessessesseeeie 54

34.2 Kế quả tính toán tổ hop 2 56

3⁄5 Kếtluận 57KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,

TÀI LIỆU THAM KHAO

Bang 1-2: Một số đập bê tông đầm lan RCC tại Việt Nam[3]

Bang 1-3: Bảng thông số tính toán trong mô.

(nguồn PECCI)

‘Bang 3-1: Chi tiêu tính toán cho bai toán thắm và ứng suit

Bảng 2-1: Các chỉ tiêu tính toán én định và t

HÌNH VEHình 1-1: Ludi phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn.

th FEM đập Longtan

25 4

6Hình 1-2: Biểu đồ áp lực đây ngược theo phương pháp sơ đỏ đường thắng.(14TCN56-1988) : :

Hình 1-3: Áp lực đây ngược khi xác định qua tính toán thấm

Hình 1-4: Lớp RCC.

Hình 1-5: Mô hình tính toán E,

Hình 1-6: Mô hình tinh toán Ey,

Hình 2-1: Phin tử tiếp xúc có độ dầy t

Hình 2-8: Lưới phan tử, lực tắc dụng trong Ansys.

Hình 2-9: Tô hợp 1- Biểu đồ ứng suất Sx, Sy

AB

„20 20 21 25

26 2

-28 28 29 29

Hình 2-12: Tổ hợp 2- Ung suất Sx, Sy 301Hình 2-13: Tổ hợp 2- Ứng suất chính S1, S 30

Hình 2-14: To hợp 2 - Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập 230Hình 3-1: Các mô hình vật liệu trong Seep/W = v3

Hình 3-2: Vecto thắm trong vùng vật liệu không bão hòa 32Hình 3-3:Thông số vật liệu cho vật liệu bão hòa/ không bão hoa 32Hình 3-4: Ap lực nước lỗ rỗng âm trong Seep/W 33Hình 3-5: Hàm thắm phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng âm 33

Hình 3-6: Khai báo hàm thắm cho vật liệu RCC 3Hình 3-7: Khổng chế áp lực nước lỗ rỗng âm lớn nhất 35Hình 3-8: Điều kiện biên bài toán thắm „37

Hình 3-9: Điều kiện biên trong Sigma/w : : 39Hình 3-10: Ứng suất tổng xấp xi OKPa nếu không có điều kiện biên 39Hình 3-11: Lực tác dụng lên một phân tố oe sOHình 3-12: Điều kiện biên bai toán đơn giản " 42

Hình 3-13: Điều kiện biên bài toán ứng suất 42Hình 3-14: Tổ hợp 1- Đường bão hòa - Ap lực nước lỗ rỗng đương 43Hình 3-15: So sánh áp lực tại đáy đập

Hình 3-16: Biểu đỗ ứng suất kéo chính.

Hình 3-17: Biểu đồ ứng suất nén chính

Hình 3-18: So sánh kết qua với trường hợp 1 chương II (mục 2.8.1) - S1 46

Hình 3-19: So sánh S3 46

Hình 3-20: So sánh Sy 46 Hình 3-21: So sánh chênh lệch Sy với áp lực nước lỗ rỗng soe AT

Hình 3-22: Ap lực nước lỗ rỗng : 48Hình 3-23: Ap lực nước lỗ rỗng tại day đập 48Hình 3-24: So sánh kết quả THỊ _ _

Hình 3-27: So sánh Sy oo : 50

Hình 3-28: So sánh chênh lệch Sy = „u51

Hình 3-29: Chia lưới phát sinh phần tử tiếp xúc trong Seep/w' 33

Hình 3-30: Thuộc tính phần tử tiếp xúc trong Seeep/W 5

Hình 3-31: Mô phỏng các lớp RCC và tiếp xúc giữa các lớp 53

Hình 3-32:So sánh lưu lượng thắm qua thân đập “4

Hình 3-33: So tính phân lớp bê tông RCC* _ Hình 3-34: So sánh S1 os : „55

Hình 3-35: So Sánh Sy 55Hình 3-36: Đường bão hòa - áp lực nước lỗ ring 56Hình 3-37: So sánh S3 : oe %6 Hình 3-38: So sánh S1 _ : 5T

Hình 3-39: So sánh Sy 37

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài ¬

Đập bê tông trọng lực là một công trình đầu mỗi quan trọng có nhiệm vụngăn dòng, ding cao cột nước, tạo hồ chứa được sử dụng đa mục dich góp

ất nước

phần quan trọng vào sự phát tiễn của

“Tính toán ứng suất biến dang là một bai toán cơ bản và bắt buộc trong thiết kế đập bê tông trọng lực nhằm kiểm tra độ bén của đập trong các kiện làm việc khác nhau, đưa ra các biện pháp gia cổ tại những vùng nguy hiểm, phân vùng vật liệu hợp lý Với sự tre giúp của máy tính và sự phát triểncủa phương pháp phần tử hữu hạn, việc phân tích ứng suất biển dạng đập bê

tông trọng lực nay đã dễ ding và chính xác hơn bằng việc sử đụng các plmềm như SAP2000, Ansys Từ mặt cắt hình học, các thông at liệu, vàlực tác dụng, ta nhận được các kết quả ứng suất, dang như mong muôn

kiện làm việc thực tế, thì k

Như vậy, khi thong iu vào càng gin với điể

‘qua cảng có độ tin cậy

là rõ ig, về bản chất,

lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực đa s

bên cạnh đó vẫn còn một số lựcphương chiều tác dung, độ lớn Tuy nhỉ

còn gây tranh cãi trong tính toán, một trong số đó là áp lực day nổi và áp lực

thắm tác dụng lên đáy đập Tùy thuộc vào các quan điểm về vật liệu bê tông

có thấm hay không thấm, lực day nổi được đưa vio mô hình tính toán theo

những cách khác nhau.

Để tài: Nghiên cứu áp lực thắm trong phân tích ứng suất biến dang đập

bê trọng lực sẽ đi vào phân tích các quan điểm về lực thắm trong đập bê tông

trọng lực.

2.Mue đích nghiên cứu :

Phân tích các quan điểm về áp lực thắm - áp lực đẩy ngược trong tính toán ứng suất biển dạng áp dụng vào tính toán với ia đập bê tông trọng lực

số liệu thực tế từ công trình Thủy Điện Bản Chit.

suit, luận văn sẽ tính toán thẩm để xác định áp lực nước lỗ rồng và sử dụng

nó để phân tích ứng suất của đập

4.Nội dung luận văn ——_

Nội dung luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương, tà liệu tham khảo,

MỞ DAU

CHUONG 1: Tổng quan

CHƯƠNG 2: Phân tích ứng suất biến dang đập bê tông trọng lực khi coi

nên là vật liệu xốp, đập là vật liệu liên tục, trường hợp nghiên cứu đập thủy điện bản chát

CHUONG 3: Phân tích ứng suit biển dang đập bê tông khi coi đập và nén

là vật liệu xốp —_

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHU LUC

CHƯƠNG 1 NG QUAN

1.1 Đập bê tông trọng lực tại Việt Nam

Quá trình phát triển đập bê tông trọng lực ở Việt Nam có thể chia ra làm.

3 giai đoạn chính Từ trước năm 1945, 194% -1975, và sau năm 1975.

Trude năm 1945, các đập bê tông với chiều cao từ 5-10m chủ yếu được

người Pháp thiết kế, chi đạo thi công với nguyên liệu được nhập từ nước

ngoài Các đập này có nhiệm vụ chủ yếu cắp nước tưới, phân lũ

Bảng 1-1: Một số đập bé tông được xây dựng trước năm 19453]

TT [ Tên Địa điểm xây dựng Năm xây dựng

1 [Cau Son — [Sông Thương- Bắc Giang | 1902

Liễn Sơn _ | Sông Phó Day 19141917Bai Thượng | Sông Chu ~ Thanh Hóa _ | 1920

Đồng Cam | Sông Đà Ring — Phú Yên | 1925-1929

điện Có thé kể đến đập của thủy điện Thác Bà, Cắm Sơn, Đa Nhim,

Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào giai đoạn công nghiệp hóa hiện

đại hóa Đập bê tông đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc điều tiết lũ,

phát điện, điều tiết thủy lợi Các đập bê tông được xây dựng nhiều hơn vớiquy mô lớn hơn Các đập được xây dựng theo chủ yếu 2 công nghệ bê tông,

bê tông trong lực truyền thống CVC và bê tông đầm lin RCC Trong đó, với

ưu điểm thi công nhanh, tiết kiệm nguyên vật liệu, RCC tỏ ra chiếm ưu thế.

Tinh đến năm 2013, cả nước có 24 đập bê tông đầm lăn với chiều cao lớn

nhất lên tới 138,Im (đập Sơn La) Công nghệ thiết k thi công chủ yếu được

các đơn vị trong nước thực hiện Với các công trình có ý nghĩa đặc biệt quan

Bang 1-2: Một số đập bê tông đầm lăn RCC tại Việt Nam[3]

STT | Tên công Chiểu | Địa điểm XD

6 [Bình Điễn 7S _ |Thùa Thiên Huế

7 |C§Bi 70 | Thừa Thiên Huế

§ |ĐểngNai3 | 110 | Dic Nong

9 |DongNai4 | 129 | Dic Nong

10 |ĐakRing 100 | Quing Ngãi

Ti |[NướcTrong | 70 | Quang Ngãi

12 |SonLa 138 [Son La

13 |Bản Chat 70 |LaiChâu

14 [Bản Về 138 [NghệAn

15 | Hida Na 945 [Nghé An

16 |SéngTranh2 | 100 [Quảng Ngãi

17 | Song Con 2 50 | Quing Nam

18 | Bin Un 85 | Thanh Ha

19 |Huội Quảng | 1045 |SơnLa

1.2 Tính toán phân tích ứng suất đập bê tông

Việc phân tích ứng suất trong thân dp dưới tác dụng của tổ hợp tải trongnhằm các mục đích:

~ Đánh giá én định đập theo điều kiện bền

~ Xác định phân bố ứng suất, đường đẳng ứng suất dé phân vùng vật

liệu

~ Xác định các ứng suất cục bộ tại các vị tri đặc biệt dé gia c cốtthép.

~ Xác định các chuyển vị ứng với các tổ hợp làm việc, là liệu quan

trọng khi so sánh với kết quả quan tric nhằm đảm bảo đập làm.việc đúng như thiết kể,

~ Xác định ảnh hưởng của các nhân tố như biến dạng nền, thay đổi

nhiệt độ, phân giai đoạn thi công đến trạng thái ứng suất biển dạng,

của đập

Hai phương pháp chủ yêu được đùng trong phân tích ứng suất của đập bê

tông trọng lực là phương pháp giải tích và phương pháp số

phân và điều kiện

Phương pháp sức bền vật liệu: Hay còn gọi là phương pháp phân tích

trọng lực hoặc phương pháp phân tích tuyến tính Phương pháp này đơn giản,

cho kết quả đủ độ tin cậy trong các bài toán thiết kế đập bê tông có cấu tạo

mặt cắt, nền không phức tap.

Phương pháp lý thuyết đàn hồi: Dựa vào bài toán nêm vô hạn tuần

hoàn Đập có dạng tam giác, nén coi như mặt bán vô hạn Đập và nền được

coi như là đồng nhất đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong miễn đàn hồi

và tuân theo định luật Hooke Các lời giải cho bài toán nêm vô hạn tuần hoàn

đã được giải sẵn tng với các trường hợp khác nhau như lỗ khoát, lực tậptrung, nhiệt

ba chiều, hình dạng phức tạp với hành lang, lỗ khoét, các ảnh hưởng của nền

tới trạng thái ứng suất của đập, làm việc trong điều kiện các lực tác dụng phức.tạp Do đó hai phương pháp này trong thực tế thiết kế thường chỉ dùng đểkiểm tra nhanh đối với các bai toán don giản

1.2.2 Phương pháp số

Hình 1-1: Lưới phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp này có thé phân ra thành hai nhóm chính: Phần từ hữu hạn

và sai phân hữu hạn trong đó phương pháp phần tử hữu hạn có những ưu

điểm vượt trội, và được ứng dụng rộng rãi trong phân tích tính toán ứng suất

chậm đi Nhưng nhờ vào đặc điểm này, nó có thể áp dụng cho các bài toán

với hình dạng phức tạp, gồm nhiều miễn có đặc điểm cơ lý và tính chất khác

nhau Hiện nay, với sự phát triển của máy tính, số phần tử trong một mô hình

là rất lớn, có thể lên tới hàng triệu phần tử, do đó các bài toán phức tạp được.giải quyết với độ chính xác cao

1.3 Áp lực day ngược trong bài toán phương pháp số

Bê tông và nền đá có thể được coi là vật liệu xốp (porous media), hoặc

vật liệu liên tue (continuous media).

“Xuất phát từ hai quan điểm trên, các khả năng sau có 1

liệu liên tục, nên là vật liệu xốp.

- Coi đập là

= Coi cả đập và nền đều là vật liệu liên tục.

~ Coi cả đập và nền đều là vật liệu xốp

1.3.1 Coi đập là vật liệu liên tục, nền là vật liệu xắp

Quan điểm này thường được sử dụng trong thiết kế đập bê tông Dapđược coi là vật liệu không thấm, quá trình thắm chỉ xảy ra dưới nền (bao gồm

cả nền đá) Áp lực diy ngược tác dụng lên đáy đập có thé được thường được

tính toán qua hai phương pháp:

- Phương pháp sơ đồ đường thẳng: Coi nẻn là đồng nhất đảng hướng,thắm trong nền tuân theo định luật Darcy Cột nước thắm trong nền được xácđịnh thông qua các điều kiện biên về hình học Đối với ảnh hưởng của cácyếu tố như khoan phun chống thắm, cột nước thắm có thể được đơn giản tính

toán bằng ích chiết giảm cột nước khi đi qua các bộ phận này.

- Phương pháp số: Các đặc trưng của dong thắm (lưu lượng, gradient,cột nước ) được xác định thông qua bài toán mô phỏng thắm bằng phương

pháp số Phương pháp này có thể xét đến tính dị hướng của vật liệu, ảnh.hưởng của các yếu tổ xử lý nền Áp lực đây ngược tác dụng lên đáy đập được

Hình 1-2: Biểu đồ áp lực đẩy ngược theo phương pháp sơ đồ đường.

thing (14TCNS6-1988)

ÁP

Hình 1-3: Áp lực đẩy ngược khi xác nh qua tính toán thắm

1.3.2 Coi đập và nền là vật liệu liên tực

Nước chỉ có thé di chuyển trong phạm vi c mặt không liên tục của vậtliệu Đó có thé là đứt gãy trong bê tông, nén đá, tiếp xúc giữa bê tông-đá Ap

lực day ngược được tính toán trên các mặt này Xuất phát từ quan hệ giữa áp.lực này và trang thái ứng suất biển dạng của vật liệu, hai mô hình phân tích

sau được áp dụng:

-Phân tích độc lập (Uncoupled analyses): Không có quan hệ giữa trạng thái ứng suất và biến dạng của vật liệu với ấp lực nước trên các mặt

không liên tục.

-Phân tích cặp (Coupled analyses) [7]: Các mặt không liên tục trong,

mô hình số được mô phỏng bằng các phan tir đứt gay (joint elements) Đặctính của phần tử này có quan hệ với trang thái ứng suất và biến dạng (liênquan đến độ mở đứt gãy)

clo ứng suất hiệu quả

~[ø]=[p pp 0 0 0Ÿ: Veeto áp lực nước lỗ rỗng

Do đồ quan hệ ứng suất và biển dạng được tính toán theo ứng suất hiệu quả

tz]-(nle]-I=)) (13)

trong đó

~ [z]: Vecto biến dang

~ [z,]: Vecto biến dang ban đầu

trong đó

~ Xo, Yo, Zo: Lực khối ứng với biến dạng ban đầu z0

~p: áp lực nước lỗ rỗng được tinh theo công thức

Buse 1: Giải phương trình (1.19) để tim phân bố áp lực nước lỗ rỗng.

Bước 2: Giải phương trình (1.17).

Phuong pháp này được đề cập trong tài liệu của Michael McKay, và

Francisco Lopez [II].

với

= {u}: Vecto chuyển

{P]: Vecto lực tại nút

{Ø: Veclo lưu lượng tại nút

{0}: Vecto cột nước tong tại nút

[K]: Ma trận độ cứng

~ [Lúa]: Ma trận thấm

Hệ số thấm k trong phương trình (1.18) là hàm phụ thuộc vào trạng thái ứng.xuất chính có thể được viết dưới dạng [16]

eo cũ

ran) (120

00 c9

trong đó 21a hệsố được xác định bằng thí nghiệm hoặc từ kinh nghiệm

1.3.3.3 Ảnh hướng của lip tiếp xúc trong bê tông RCC

Với các đập RCC, do thi công theo từng lớp do đó khối RCC có tính dị

hướng Bài toán cặp trong phân tích ứng suất thắm đập RCC được Chai Junruicông su{6], Gu Chong-Shi và cộng sự [16] dé xuất xét đến anh hưởng của

các lớp thi công này Hình 1-4 mô tả một lớp RCC trong đó, bạ là độ mở khe

nứt tương đương (equivalent cracking open) theo cách gọi của Chai Junrui

hoặc chiểu day ảnh hưởng (influence thickness) theo cách gọi của Gu

Chong-Shi B là chiều day một lớp RCC.

Gọi ky là hệ số thấm theo phương ngang tương đương của toàn bộ lớpRCC, ta có lưu lượng thấm Q qua toàn bộ lớp (chiều dày B) được tính theo.

công thức [16]

28 gp) oxy, | MOE

=kBI =4+9

a) Theo Chai Junrui và cộng sự.

Được áp dụng cho đập Longtan, khỏi RCC được mô tả bởi các phần tirsolid 6 mặt 8 nút và các phan tử "joint", Module din hỗi E và hệ số Poisson lànhư nhau theo mọi phương, chỉ khác nhau về hệ số K cho hai phương X (song

xong với lớp RCC) và Y (vuông góc với lớp RCC),

Bang 1-3: Bang thông số tính toán trong mô hình FEM đập Longtan

Miễn Trọng lượng | Hés6 thim| Module din | Hệsố

: riêng (N/m') (m/s) hồi (GPa) | Poisson

Than đập 23520 1,0E-09 25 0,167

“Thân dap 23520 1.0E-08 25 0,167

Tim cách nước 24010 1,0E-10 28 0,167 Khoan phụt 26559 108-08, 22 02

chồng thấm | |

Nền 26460 1.0E-07 22 02

Trong phương trình (1.22), hệ số thắm ky, ko ban đầu được xác định từ.thí nghiệm Giá trị bạ được xác định từ chuyển vị tương đối của phần tử

"joint" Ảnh hưởng của dong thấm trong đập tới ứng suất được thé hiện bằng

4p lực thấm theo phương vuông góc và áp lực tiếp tuyến, được quy vé tại các

lực tại nút tương đương trong FEM.

Ap lực theo phương vuông góc p=y(H-z) với H là giá trị cột nước, z là

cao trình Ap lực kéo tiếp tuyến (tangent drag force) được tính theo công thức

Phân bố áp lực nước lỗ rỗng được rút ra từ kết quả bài toán thấm

(phương trình 1.19) Bài toán cặp được giải theo phương pháp giải lặp

+ Bước 1: Giải bài toán thắm theo thông số đầu vào là các hệ số ban

đầu,

+ Bước 2: Quy dòng thấm về các lực tương đương tại nút

+ Bước 3: Giải bài toán ứng suất biển dạng, tìm được giá trị bạ

+ Bước 4: Tính lại giá trị ky theo giá trị bọ, tính lại ty theo bọ

+ Bước 5: Lip lại bước 1 khi thỏa mãn độ dung sai cho phép.

b) Theo Gu Chong-shi và cộng sự.

Hai thông số chính trong mô hình vật iệu đản hỗ tuyến tính là module dan hồi E và hệ số Poisson Do sự không đồng nhất theo hai phương, do đó với một lớp RCC, hai thông số trên là khác nhau theo hai phương Gọi E,, Es,

gu, tu lần lượt là module đàn hồi và hệ số Poisson theo hai phương: song

song với lớp thi công và vuông với lớp thi công Gọi Ep, tp là module

đàn hồi và hệ số nở hông của vật liệu trong phạm vi bạ, E va là module đàn

hồi của khối RCC tiêu chuẩn

E,, Ex, Hư, tu, E, t được xác định từ thí nghiệm Gu Chong-Shi và cộng,

su mô phỏng một lớp RCC thành hai phần riêng biệt: Phần RCC tiêu chuẩn

(thể hiện qua hai thông số E và w) , và phan RCC trong phạm vi b0 (thể hiệnqua hai thông số Eo, tạ)

Nhu vậy các thông số đã biết là bạ tính theo công thức (1.24), E,, Ex Hv,

ts, E, để xác định Eo, to tác giả dùng hai mô hình được thể hiện bởi hình

1-6 và 1:

Mô hình tính toán Ey Hình 1-6: Mô hình tinh toán Ey

Goi AI là biến dang theo phương dọc trục của RCC và phan tiếp xúc bo

dưới lực tác dung F được tạo bởi hai thành phần Fy và Fy

ÔNGTRONG LỰC KHI COI NÊN LA VAT LIỆU XÓP, DAP LA VẶT

LIỆU LIÊN TỤC, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ĐẬP THỦY ĐIỆN

BẢN CHÁTCHUONG 2.PHÂN TÍCH UNG SUẤT BIEN DANG DAP

2.1 Mô hi h tiếp xúc

Để mô tả tiếp xúc giữa đập và nền, các phần tử tiếp xúc được sử dụng.Hiện nay trong mô phỏng hình học, sử dụng chủ yếu hai loại phần tir được déxuất bởi Goodman, Taylor va Brekke (1968) với độ dày phần tử là 0 và mô.hình do C.S.Desai dé xuất với độ dày t

2.1.1 Mô hình phan tế tiếp xúc có độ day

[4ø]: Vector vi phân ứng suất

-[4z]: Vector vi phân biển dang.

-[C]: ma trận thành lập.

các thí nghiệm trong phòng, do đó thường được bỏ qua.

[C„] là ma trận phụ thuộc vào ứng xử của mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào tính

chất của mặt tiếp xúc, vật liệu nền, và vật liệu tiếp xúc bê tông Do đó có thé

~ Thông thường, các kết quả có thể chấp nhận được khi thành phan pháptuyến của vật liệu tiếp xúc được gán giá trị bằng với giá trị của phần tử nền.Thanh phan tiếp tuyển [C,„ ]phụ thuộc vào chiều dày phan tử tiếp xúc vàđược giả sử bằng với mô đun cắt G của vật liệu tiếp xúc

Cin phải lưu ý rằng, module G này khác với module G của vật liệu nén,Phan tử tiếp xúc có thé dùng chính phan tử mô phỏng đập, nền dé mô

n tính, thông số đầu vào gồm modun đản hồi E

(lấy bằng modun đàn hồi của nén), hệ số Poisson u (bằng giá trị của nén) và

Trong Ansys, với vat liệu tuyến tinh đẳng hướng, E và G có thể quy đổi

cho nhau qua công thức:

E

Đề mô phỏng vật liệu tiếp xúc bằng phần tir nén, G và E cin được khai

báo trong trường hợp vật liệu tuyển tính không đẳng hướng (Hình 3-3)

TỊ Temperatures

x ey Ez PRXY PRYZ PRXZ oxy

ov —

ox ee

“Thông số vật liệu tuyến tính không đẳng hướng trong Ansys

Để đánh giá trang thái trượt hoặc lật bằng sử dụng phan tử tiếp xúc có dd

day, sử dụng các tiêu chí như sau:

marie xúc | Tiếpxúc

- Gọi § sức kháng cắt phan tử tiếp xúc, $ được tính toán theo

tiêu chuẩn phá hoại Morh- Colournb:

3 =øgd+e 2.6)

Với+o: Ứng suất pháp tuyến tại mặt trượt

$# 7 ~rgó : hệ số ma sắt tại mặt trượt

'%C: lực đính đơn vị tại mặt trượt

co là ứng suất pháp tuyến của phần tử tiếp xúc, + là ứng suất tiếp

Nếu không có chuyển vị tương đối, hoặc nền “đính” vào “đập”

(stick mode) : ơ >0, <8

= Nếu xảy ra hiện tượng trượt, không tách rời: ơ >0, 2S

Nếu xảy ra hiện tượng lật, phan tử tiếp xúc được chia làm ba phan

, một phan “tiếp xtimột phần nằm trong “phần mở tiếp xúc

khả năng chịu kéo) Tuy nhiên, đây cũng là nhược điểm Nếu bỏ qua lực dính này, mô hình này không phù hợp.

Trong phạm vi luận văn này, do không có điều kiện thí nghiệm để xácđịnh cl

‘qua tính toán theo mô hình này không được để cập tới

11 modulus kháng cắt G ứng với các độ đây khác nhau, do d kết

2.1.2 Mô hình phần tử tiếp xúc không có độ day

Được để xuất bởi Goodman, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng củaphần tử

~_&: độ cứng tiếp tuyến

~ ,z Chuyển vị theo hướng pháp tuyển.

= x,: Chuyển vị theo hướng tiếp tuyến

Để mô phỏng tiếp xúc không độ dày trong Ansys, dùng 2 loại phan tử:

môt cho mặt mục tiêu — phan tir targe169, một cho mặt tiếp xúc- phần tửconta]72.

Có tắt cả 5 loại tiếp xúc được mô phỏng trong Ansys:

~ Bounded: 2 đối tượng tiếp xúc dính chặt vào nhau, không cho phép:

'Với sự tiếp xúc của bê tông — đá, kiểu tiếp

hợp, trong đó lực ma sát được tuân theo công thức Morh-Coloumb:

[r]=øMU+e 08) trong đó

[-]: Sức kháng trượt giới hạn

at pháp tuyến

- MU: Hệ

cc: lực dính bê tông - đá

ma sát giữa bê tông — đá

2.2 Giới thiệu công trình

Thuỷ điện Bản Chat là một trong hai công trình trong bậc thang thuỷ

điện trên sông Nam Mu - nhánh cấp I bên trái của sông Đà

‘Vj trí tuyển công trình thuộc địa bàn xã Mường Kim, huyện Than Uyên,

tỉnh Lai Châu.

'Về chủ trương đầu tư dự án thuỷ điện Bản Chat được Thủ tướng Chính

phủ cho phép tại văn bản số 1411/TTg-CN ngày 21/9/2005 Việc đầu tư dự án

thuỷ điện Bản Chát nhằm mục đích chủ yếu sau:

-Phát điện: Với công suit lắp máy 220MW, điện lượng trung bình năm.

kể cả gia tăng cho Sơn La và Hoà Bình là 1,158 ty kWh, chưa kế hàng nămtăng thêm cho thuỷ điện Hugi Quảng khoảng 7OMW công suất đảm bảo vàkhoảng 200 triệu kWh, thuỷ điện Bản Chat sẽ là một nguồn điện đáng kế cho

hệ thống điện Quốc gia trong tương lai,

-Bổ sung nước mùa kiệt: Với dung tích hồ chứa lớn trên 2.1 tỷ m',trong đó dung tích hữu ích trên 1,7 ty m`, hd chứa thuỷ điện Ban Chat thuộc.

loại lớn ở Việt Nam và sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung nước

mùa kiệt cho hạ du Theo tính toán, với tan suất đảm bảo 85%, hồ Bản Chat

bộ sung được lưu lượng khoảng 66 mÌ/s Như vậy, thuỷ điện Bản Chat cùngvới thuỷ điện Sơn La sẽ góp phần đáng kể trong việc cung cắp nước về mùa.kiệt cho hạ du Điều này đặc biệt có ý nghĩa hơn khi mà những năm g đây

tình trạng hạn hán và thiếu nước thường diễn ra trằm trọng ở các tỉnh đồng

bin; Sông Hồng

- Hỗ trợ cắt một phần đình lũ cho các công trình ở hạ lưu: Kết quả tính

toán điều tiết, hỗ chứa Ban Chat cắt được khoảng 6000 m”/s lưu lượng đỉnh lũtại tuyến Bản Chat (tần suất 0,02%) Thời gian xuất biện đỉnh lũ tại tuyến Pa

Vinh có cùng thời điểm với thời gian xuất hiện đình lũ tại Bản Chat sau khi

được tính thời gian chảy chuyền từ Bản Chat đến Pa Vinh Do đó, lưu lượngđình lũ tại Pa Vinh sẽ được giảm khoảng 6000m`⁄s, tương đương 10% đỉnh lũ

tại Pa Vinh,

Đập dang trong cụm công trình dau mỗi có kết cau bằng bê tông RCC

trên nền đá cứng, chiều cao lớn nhất xắp xỉ 130m, là công trình cấp 1, được.hoàn thành vào cuối năm 2010 và bat đầu tích nước năm 2011

2.3 Mặt cắt tính toán

Phan tích ứng suất và biến dang cho mặt cắt đập không tràn có cao trình

482,00m, đáy ở cao trình 400,00m trên nền đá IIA.

Hình 2-5: Mặt cit tinh toán.

.4 Chi tiêu tính toán

Các chỉ tiêu tính toán lấy theo bảng 2-1

Bang 2-1: Các chỉ tiêu tính toán 6n định và thắm (nguồn PECC1)

Để nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực thắm tới phân bố ứng suất trong

thân đập, 6n định của đập, tính toán với hai tổ hợp với hai mực nước thượng lưu khác nhau như sau:

~ TỔ hợp 1: Mục nước thượng lưu tại mực nước dâng bình thường

475,00m, mực nước hạ lưu tại cao trình +400,0m, bỏ qua áp lực bùn cát, các

thiết bj tiêu nước chồng thắm làm việc bình thường

+ Tổ hợp 2: Mực nước thượng lưu tai mực nước lũ thiết kế 477,3m, bỏi

qua áp lực bùn cát, mục nước hạ lưu tại cao trình 400,0m Thiết bị tiêu nướcchống thắm hỏng

2.6 Lực tác dung

Lực tác dụng bao gồm

- Trọng lượng bản thân: Được xác định tự động từ chương trình

- Ap lực nước thượng hạ lưu: Ap lực tại một điểm tại mặt thượng hạ lưuđược xác định theo công thức: P=y,# với H là khoảng cách từ mực nước

tướng từ trấi qua phải

*Y: Hướng từ dưới lên trên, ngược chiéu trọng lực

#Z: Doc theo trục đập

- Phan tử Plane182 - bi dang phẳng (K3=3) dùng mô phỏng dap,nên trong bài toán ôn định

~ Tiếp xúc giữa đập và nền được mô tả theo tiếp xúc không độ day

bi Wg cách sử dung phan tử Targe169 và Contal72

~ Điều kiện biên: Khống chế chuyển vị ngang và đứng tại các biênngoài cùng của mô hình (nén) Ap lực nước được gắn tại các mặt chịu áp

Các kết quả tính toán trong chương này sẽ được so sánh với các kết quả

tính toán trong chương III của luận văn này,

:

`-Hình 2-9: Tổ hợp 1- Biểu đồ ứng sua2.8.1 TỔ hợp 1

Khoảng cách đến mặt thượng lưu (rn)

Hình 2-11: Tổ hợp 1 - Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập

Hình 2-13: Tổ hợp 2- Ứng suất chính S1, S3

Ứng suất tại đáy đập

Hình 2-14: Té hợp 2 - Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập

TONGPHAN TÍCH UNG SUAT BIEN DANG DAP BỊ

U XÓP

Nhu đã phân tích tại chương 1, phần 1.3, khi coi cả nền và đập là vật liệu

xốp, có hai cách phân tích bài toán ứng suất biến dạng: phân tích độc lập và

phân tích cập.

Bai toán phân tích cặp xét đến ảnh hưởng của bài toán thắm đến trường.ứng suất Do tính phức tạp của bài toán cũng như hạn chế về mặt công cụ tính

toán, bai toán này không được xét tới trong phạm vi luận văn này.

Đối với bài toán phân tích độc lập, hai module Seep/w và Sigma/w trong,

nh toán bao gồm

bộ phần mềm Geostudio được sử dụng để tính toán Vig

xem xét cả ảnh hưởng của các lớp thi công đến kết quả thấm - ứng suất — biến

dang trong đập.

3.1 Các giả thiết tinh toán

Nước chi di chuyển trong miền bão hỏa theo định luật Darcy, phía trênđường bão hòa không tổn tại vùng mao dẫn

Trong Seepl cung cấp ba loại vật liệu chính: Bão hòa hoàn toàn

(saturated only), Bão hòa/không bão hòa (saturated/ unsaturated), và phần tửtiếp xúc (interface element)

MateiiMade: [5suz.e4/Ussvae ie]

Hyde Properties lS2t2t /Unssturstes

yd, Conduct ntefoee L |

Hình

3-Vat liệu bão hò

'ác mô hình vật liệu trong Seep/W

hoàn toàn phù hợp với miễn vật liệu hoàn toàn nằm

dưới đường bão hòa (ví dụ nén đập) Thông số chính cia loi vật liệu này baogdm hệ số thắm bão hòa (Saturated conductivity) và tỷ số của hệ số thấm theo.phương nằm ngang và thing đứng Nếu dùng loại vật liệu nảy để mô phỏng

cho đập sẽ không hợp lý Theo sách hướng dẫn của Seep/w (trang 76), theo

‘h nay, vùng không bão hòa của đập vẫn truyền tải lượng nước thắm có lưu.lượng bằng vùng bão hòa, điều này dẫn đến đường bão hòa là không chính

Xác,

Hình 3-2: Vecto thắm trong vùng vật liệu không bão hòa

Vat liệu bão hòa/không bão hòa phù hợp với miễn vật liệu xuất hiện cả

vùng bão hòa và không bão hòa.

Matedpdd: [ssuzae2/oneae#l 7 x]

~ Nếu vật liệu „ hệ số thắm là hệ số thắm bãoim dưới đường bão hò hòa

- Nếu vật liệu nằm trên đường bão hòa, hệ số thắm hệ số phụ thuộc vào

giá tr áp lực nước lỗ rỗng âm (negative pore water pressure) hay độ hút dính(matric suction) Áp lực nước lỗ rổng âm tại một điểm được tính bằng bằng

công thức w„ =/y, trong đó h là khoảng cách từ điểm đó đến đường bão hòa

Hình 3-5: Hàm thấm phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng âm

Với giả thiết nước chỉ di chuyển trong miền bão hòa (giả thiết của cơ

học dat không bão hòa), và thỏa mãn miễn vật liệu bao gồm cả vùng bão hòa

và không bão hòa, vật liệu cho đập được khai báo như sau:

- Loại vật liệu: Saturated/Unsaturated.

~ Hệ số thấm tại vùng không bão hòa (phụ thuộc áp lực nước lỗ rỗng)được gán với hệ số rất nhỏ (Ie-30m/S)