1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Nghiên cứu áp lực thấm trong phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông trọng lực”

114 1,2K 2

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 114
Dung lượng 1,86 MB

Nội dung

Tính toán ứng suất biến dạng là một bài toán cơ bản và bắt buộc trong thiết kế đập bê tông trọng lực nhằm kiểm tra độ bền của đập trong các điều kiện làm việc khác nhau, đưa ra các biện

Trang 1

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: “Nghiên cứu áp lực thấm trong phân tích

ứng suất biến dạng đập bê tông trọng lực” đã hoàn thành

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

Cổ phần Tư vấn 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 thể 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 N ội, ngày 27 tháng 05 năm 2014

Tác giả

Ph ạm Tiến Hùng

Trang 2

BẢN CAM KẾT

Tác giả xin cam kết rằng, nội dung trong luận văn này hoàn toàn được thực hiện bởi chính tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Quang Hùng và TS.Nguyễn Hoàng Hưng Tất cả các số liệu sử dụng tính toán trong

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

Tác giả xin cam kết những điều trên là đúng sự thật Tác giả chịu trách nhiệm với những gì mình cam kết

Hà N ội, ngày 27 tháng 05 năm 2014

Tác giả

Ph ạm Tiến Hùng

Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 T ỔNG QUAN 3

1.1 Đập bê tông trọng lực tại Việt Nam 3

1.2 Tính toán phân tích ứng suất đập bê tông 4

1.2.1 Phương pháp giải tích 5

1.2.2 Phương pháp số 6

1.3 Áp lực đẩy ngược trong bài toán phương pháp số 7

1.3.1 Coi đập là vật liệu liên tục, nền là vật liệu xốp 7

1.3.2 Coi đập và nền là vật liệu liên tục 9

1.3.3 Coi đập và nền là vật liệu xốp 9

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP BÊ TÔNG TR ỌNG LỰC KHI COI NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP, ĐẬP LÀ VẬT LIỆU LIÊN T ỤC, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ĐẬP THỦY ĐIỆN BẢN CHÁT 18

2.1 Mô hình tiếp xúc 18

2.1.1 Mô hình ph ần tử tiếp xúc có độ dày 18

2.1.2 Mô hình ph ần tử tiếp xúc không có độ dày 22

2.2 Giới thiệu công trình 23

2.3 Mặt cắt tính toán 24

2.4 Chỉ tiêu tính toán 25

2.5 Tổ hợp tính toán 25

2.6 Lực tác dụng 26

2.7 Mô hình tính toán 27

Trang 4

2.8 Kết quả tính toán 28

2.8.1 T ổ hợp 1 28

2.8.2 T ổ hợp 2 30

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP BÊ TÔNG KHI COI ĐẬP VÀ NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP 31

3.1 Các giả thiết tính toán 31

3.2 Các điều kiện biên 35

3.2.1 Điều kiện biên trong bài toán thấm ổn định 35

3.2.2 Điều kiện biên cho bài toán ứng suất 38

3.3 Phân tích độc lập, không kể đến tính phân lớp của bê tông RCC 42

3.3.1 K ết quả tính toán tổ hợp 1 43

3.3.2 K ết quả tính toán tổ hợp 2 48

3.4 Phân tích độc lập, kể đến tính phân lớp của bê tông RCC 52

3.4.1 K ết quả tính toán tổ hợp 1 54

3.4.2 K ết quả tính toán tổ hợp 2 56

3.5 Kết luận 57

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 60

Trang 5

B ẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Một số đập bê tông được xây dựng trước năm 1945[3] 3

Bảng 1-2: Một số đập bê tông đầm lăn RCC tại Việt Nam[3] 4

Bảng 1-3: Bảng thông số tính toán trong mô hình FEM đập Longtan 14

Bảng 2-1: Các chỉ tiêu tính toán ổn định và thấm (nguồn PECC1) 25

Bảng 3-1: Chỉ tiêu tính toán cho bài toán thấm và ứng suất 43

HÌNH V Ẽ Hình 1-1: Lưới phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn 6

Hình 1-2: Biểu đồ áp lực đẩy ngược theo phương pháp sơ đồ đường thẳng (14TCN56-1988) 8

Hình 1-3: Áp lực đẩy ngược khi xác định qua tính toán thấm 8

Hình 1-4: Lớp RCC 13

Hình 1-5: Mô hình tính toán Ev 16

Hình 1-6: Mô hình tính toán Eh 16

Hình 2-1: Phần tử tiếp xúc có độ dày t 18

Hình 2-2: Thí nghiệm cắt xác định G 20

Hình 2-3: Thông số vật liệu tuyến tính không đẳng hướng trong Ansys 20

Hình 2-4: Các trường hợp tiếp xúc 21

Hình 2-5: Mặt cắt tính toán 25

Hình 2-6: Sơ đồ lực tác dụng tổ hợp 1 26

Hình 2-7: Sơ đồ lực tác dụng tổ hợp 2 27

Hình 2-8: Lưới phần tử, lực tác dụng trong Ansys 28

Hình 2-9: Tổ hợp 1- Biểu đồ ứng suất Sx, Sy 28

Hình 2-10: Tổ hợp 1 – Biểu đồ ứng suất chính S1, S3 29

Hình 2-11: Tổ hợp 1 – Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập 29

Trang 6

Hình 2-12: Tổ hợp 2- Ứng suất Sx, Sy 30

Hình 2-13: Tổ hợp 2- Ứng suất chính S1, S3 30

Hình 2-14: Tổ hợp 2 – Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập 30

Hình 3-1: Các mô hình vật liệu trong Seep/W 31

Hình 3-2: Vecto thấm trong vùng vật liệu không bão hòa 32

Hình 3-3:Thông số vật liệu cho vật liệu bão hòa/ không bão hòa 32

Hình 3-4: Áp lực nước lỗ rỗng âm trong Seep/W 33

Hình 3-5: Hàm thấm phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng âm 33

Hình 3-6: Khai báo hàm thấm cho vật liệu RCC 34

Hình 3-7: Khống chế áp lực nước lỗ rỗng âm lớn nhất 35

Hình 3-8: Điều kiện biên bài toán thấm 37

Hình 3-9: Điều kiện biên trong Sigma/w 39

Hình 3-10: Ứng suất tổng xấp xỉ 0KPa nếu không có điều kiện biên 39

Hình 3-11: Lực tác dụng lên một phân tố 40

Hình 3-12: Điều kiện biên bài toán đơn giản 42

Hình 3-13: Điều kiện biên bài toán ứng suất 42

Hình 3-14: Tổ hợp 1- Đường bão hòa - Áp lực nước lỗ rỗng dương 43

Hình 3-15: So sánh áp lực tại đáy đập 44

Hình 3-16: Biểu đồ ứng suất kéo chính 45

Hình 3-17: Biểu đồ ứng suất nén chính 45

Hình 3-18: So sánh kết quả 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 47

Hình 3-22: Áp lực nước lỗ rỗng 48

Hình 3-23: Áp lực nước lỗ rỗng tại đáy đập 48

Hình 3-24: So sánh kết quả TH1 49

Trang 7

Hình 3-25: So sánh với kết quả mục 2.8.2 – S1 50

Hình 3-26: So sánh S3 50

Hình 3-27: So sánh Sy 50

Hình 3-28: So sánh chênh lệch Sy 51

Hình 3-29: Chia lưới phát sinh phần tử tiếp xúc trong Seep/w 53

Hình 3-30: Thuộc tính phần tử tiếp xúc trong Seeep/W 53

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

Hình 3-32:So sánh lưu lượng thấm qua thân đập 54

Hình 3-33: So sánh S3 - giữa trường hợp có kể đến ảnh hưởng đến tính phân lớp bê tông RCC* 54

Hình 3-34: So sánh S1 55

Hình 3-35: So Sánh Sy 55

Hình 3-36: Đường bão hòa – áp lực nước lỗ rỗng 56

Hình 3-37: So sánh S3 56

Hình 3-38: So sánh S1 57

Hình 3-39: So sánh Sy 57

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Đập bê tông trọng lực là một công trình đầu mối quan trọng có nhiệm vụ

ngăn dòng, dâng cao cột nước, tạo hồ chứa được sử dụng đa mục đích góp

phần quan trọng vào sự phát triển của đất nước

Tính toán ứng suất biến dạng là một bài toán cơ bản và bắt buộc trong thiết kế đập bê tông trọng lực nhằm kiểm tra độ bền của đập trong các điều

kiện làm việc khác nhau, đưa ra các biện pháp gia cố tại những vùng nguy hiểm, phân vùng vật liệu hợp lý Với sự trợ giúp của máy tính và sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn, việc phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông trọng lực nay đã dễ dàng và chính xác hơn bằng việc sử dụng các phần

mềm như SAP2000, Ansys Từ mặt cắt hình học, các thông số về vật liệu, và lực tác dụng, ta nhận được các kết quả ứng suất, biến dạng như mong muốn Như vậy, khi thông số đầu vào càng gần với điều kiện làm việc thực tế, thì kết

quả càng có độ tin cậy

Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực đa số là rõ ràng, về bản chất, phương chiều tác dụng, độ lớn Tuy nhiên bên cạnh đó vẫn còn một số lực còn gây tranh cãi trong tính toán, một trong số đó là áp lực đẩy nổi và áp lực thấm tác dụng lên đáy đập Tùy thuộc vào các quan điểm về vật liệu bê tông

có thấm hay không thấm, lực đẩy nổi được đưa vào mô hình tính toán theo

những cách khác nhau

Đề tài: Nghiên cứu áp lực thấm trong phân tích ứng suất biến dạng đập

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

trọng lực

2 M ục đích nghiên cứu

Phân tích các quan điểm về áp lực thấm - áp lực đẩy ngược trong tính toán ứng suất biến dạng của đập bê tông trọng lực, áp dụng vào tính toán với

Trang 9

3 K ết quả đạt được

- Phân tích tổng quan về lực đẩy nổi trong đập bê tông

- Thay cho việc sử dụng lực đẩy nổi như vẫn làm khi tính ổn định và ứng

suất, luận văn sẽ tính toán thấm để xác định áp lực nước lỗ rỗng và sử dụng

nó để phân tích ứng suất của đập

4 N ội dung luận văn

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

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: Tổng quan

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

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

CHƯƠNG 3: Phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông khi coi đập và nền

là vật liệu xốp

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 10

CHƯƠNG 1 TỔNG 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, 1945-1975, và sau năm 1975

Trước năm 1945, các đập bê tông với chiều cao từ 5-10m chủ yếu được người Pháp thiết kế, chỉ đạo thi công với nguyên liệu được nhập từ nước ngoài Các đập này có nhiệm vụ chủ yếu cấp nước tưới, phân lũ

B ảng 1-1: Một số đập bê tông được xây dựng trước năm 1945[3]

1 Cầu Sơn Sông Thương – Bắc Giang 1902

3 Bái Thượng Sông Chu – Thanh Hóa 1920

4 Thác Huống Sông Cầu – Thái Nguyên 1922-1929

5 Đồng Cam Sông Đà Rằng – Phú Yên 1925-1929

6 Đô Lương Sông Cả - Nghệ An 1934-1937

Từ năm 1945 đến năm 1975, với sự giúp đỡ của Liên Xô (phía Bắc),

Nhật (phía Nam), một số đập thấp được xây dựng với nhiệm vụ chính là thủy điện Có thể kể đến đập của thủy điện Thác Bà, Cấm 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 với quy mô lớn hơn Các đập được xây dựng theo chủ yếu 2 công nghệ bê tông,

bê tông trọng lực truyền thống CVC và bê tông đầm lăn RCC Trong đó, với

ưu điểm thi công nhanh, tiết kiệm nguyên vật liệu, RCC tỏ ra chiếm ưu thế Tính đến năm 2013, cả nước có 24 đập bê tông đầm lăn với chiều cao lớn

nhất lên tới 138,1m (đập Sơn La) Công nghệ thiết kế, thi công chủ yếu được

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

Trang 11

trọng, quá trình này còn có sự tham gia của các chuyên gia từ Nga, Trung Quốc, Thụy Sỹ, Nhật Bản…

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

STT Tên công

trình

Chiều cao (m)

16 Sông Tranh 2 100 Quảng Ngãi

17 Sông Côn 2 50 Quảng Nam

19 Huội Quảng 104,5 Sơn La

1.2 Tính toán phân tích ứng suất đập bê tông

Việc phân tích ứng suất trong thân đâp dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng nhằm các mục đích:

- Đánh giá ổn định đập theo điều kiện bền

Trang 12

- Xác định phân bố ứng suất, đường đẳng ứng suất để phân vùng vật liệu

- Xác định các ứng suất cục bộ tại các vị trí đặc biệt để gia cố cốt thép

- Xác định các chuyển vị ứng với các tổ hợp làm việc, là số liệu quan trọng khi so sánh với kết quả quan trắc nhằm đảm bảo đập làm việc đúng như thiết kế

- 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 biến dạng của đập

Hai phương pháp chủ yếu được dùng trong phân tích ứng suất của đập bê tông trọng lực là phương pháp giải tích và phương pháp số

1.2.1 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích, với hai đại diện là phương pháp đàn hồi và phương pháp sức bền vật liệu, tìm nghiệm giải tích cho thông số cần tính toán cho mọi điểm trên mặt phẳng tính toán thỏa mãn các phương trình giải tích, vi phân và điều kiện biên bề mặt

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 tạp

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

hoàn Đập có dạng tam giác, nền coi như mặt bán vô hạn Đập và nền được coi như là đồng nhất đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong miền đàn hồi

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

đã được giải sẵn ứng với các trường hợp khác nhau như lỗ khoét, lực tập

Trang 13

Cả hai phương pháp lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu đều không mô

tả được sát với điều kiện làm việc thực tế của đập: Làm việc trong không gian

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 để kiểm tra nhanh đối với các bài toán đơn giản

1.2.2 Phương pháp số

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

Phương pháp này có thể phân ra thành hai nhóm chính: Phần tử 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 đập bê tông trọng lực

Ưu điểm nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, miền tính toán được chia nhỏ thành các miền con Tùy thuộc vào khả năng tính toán của máy tính và độ chính xác yêu cầu của bài toán, càng nhiều phần tử, độ chính xác càng cao nhưng tốc độ giải bài toán cũng

Trang 14

chậm đi Nhưng nhờ vào đặc điểm này, nó có thể áp dụng cho các bài toán với hình dạng phức tạp, gồm nhiều miền 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 đẩy 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 tục (continuous media)

Xuất phát từ hai quan điểm trên, các khả năng sau có thể xảy ra:

- Coi đập là vật liệu liên tục, nền là vật liệu xốp

- 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 xốp

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

cả nền đá) Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy đập có thể được thường được tính toán qua hai phương pháp:

- Phương pháp sơ đồ đường thẳng: Coi nền là đồng nhất đẳng hướng,

thấm trong nền tuân theo định luật Darcy Cột nước thấm trong nền được xác định thông qua các điều kiện biên về hình học Đối với ảnh hưởng của các yếu tố như khoan phun chống thấm, cột nước thấm có thể được đơn giản tính toán bằng cách chiết giảm cột nước khi đi qua các bộ phận này

- Phương pháp số: Các đặc trưng của dòng thấm (lưu lượng, gradient,

cột nước…) được xác định thông qua bài toán mô phỏng thấm bằng phương pháp số Phương pháp này có thể xét đến tính dị hướng của vật liệu, ảnh hưởng của các yếu tố xử lý nền Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy đập được

Trang 15

xác định thông qua xác định cột nước tại các điểm tiếp giáp giữa đập - nền trong bài toán thấm

Hình 1-2: Bi ểu đồ áp lực đẩy ngược theo phương pháp sơ đồ đường

th ẳng (14TCN56-1988)

Hình 1-3: Áp l ực đẩy ngược khi xác định qua tính toán thấm

Trang 16

1.3.2 Coi đập và nền là vật liệu liên tục

Nước chỉ có thể di chuyển trong phạm vi các mặt không liên tục của vật

liệu Đó có thể là đứt gãy trong bê tông, nền đá, tiếp xúc giữa bê tông-đá Áp

lực đẩy ngược được tính toán trên các mặt này Xuất phát từ quan hệ giữa áp

lực này và trạng thái ứng suất biến 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 áp lực nước trên các mặt không liên tục

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

mô hình số được mô phỏng bằng các phần tử đứt gãy (joint elements) Đặc tính của phần tử này có quan hệ với trạng thái ứng suất và biến dạng (liên

Trang 17

- [ ]σ ' =   σ 'x σ 'y σ 'z τ 'xy τ 'yz τ 'zx T: Vecto ứng suất hiệu quả

' ' ' '

µε

µ µε

µ µε

Trang 18

trong đó

- X0, Y0, Z0: Lực khối ứng với biến dạng ban đầu ε0

- p: áp lực nước lỗ rỗng được tính theo công thức

- β: Module thể tích của nước

Xuất phát từ phương trình (1.17) và (1.18), các bài toán phân tích có thể như sau:

1.3.3.1 Phân tích độc lập

Hệ số thấm k trong phương trình (1.18) là hằng số, không xét đến sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian Phương trình (1.18) được viết lại dưới dạng bài toán dừng (steady-state):

Trang 19

Bài toán được giải như sau:

Bước 1: Giải phương trinh (1.19) để tìm phân bố áp lực nước lỗ rỗng Bước 2: Giải phương trình (1.17)

Phương pháp này được đề cập trong tài liệu của Michael McKay, và Francisco Lopez [11]

1.3.3.2 Phân tích cặp

Các thông số trong phương trình (1.18) bao gồm hệ số thấm k theo các phương, hệ số rỗng n, biến dạng tổng thể tích đều phụ thuộc vào trạng thái ứng suất, được mô tả bởi phương trình (1.17) Trong phương trình (1.17),

trạng thái ứng suất phụ thuộc vào áp lực lỗ rỗng, được mô tả bởi phương trình (1.18) Do đó, trường ứng suất và thấm là phụ thuộc nhau và có thể ổn định trên một điều kiện biên theo phương pháp thử dần[16]

Cặp phương trình có thể được viết lại như sau:

- { }Q : Vecto lưu lượng tại nút

- { }H : Vecto cột nước tổng tại nút

- [ ]K : Ma trận độ cứng

- [L u( )]: Ma trận thấm

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

Trang 20

[ ]

1

' 2

' 3

trong đó λ là hệ số được xác định bằng thí nghiệm hoặc từ kinh nghiệm

1.3.3.3 Ảnh hưởng của lớp 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 thấm đập RCC được Chai Junrui

và cộng sự[6], Gu Chong-Shi và cộng sự [16] đề xuất xét đến ảnh hưởng của các lớp thi công này Hình 1-4 mô tả một lớp RCC trong đó, b0 là độ mở khe

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

hoặc chiều dày ảnh hưởng (influence thickness) theo cách gọi của Gu Shi B là chiều dày một lớp RCC

Chong-Hình 1-4: L ớp RCC

Gọi k0 là hệ số thấm trong phạm vi b0 và k là hệ số thấm của RCC Dưới tác dụng của gradient thủy lực có giá trị J, gọi q0 là lưu lượng thấm ngang qua phạm vi b0 và q là lưu lượng thấm ngang qua phạm vi (B-b0)

3 0

Trang 21

Gọi kh là hệ số thấm theo phương ngang tương đương của toàn bộ lớp RCC, ta có lưu lượng thấm Q qua toàn bộ lớp (chiều dày B) được tính theo công thức [16]:

1/3 3

a) Theo Chai Junrui và c ộng sự

Được áp dụng cho đập Longtan, khối RCC được mô tả bởi các phần tử solid 6 mặt 8 nút và các phần tử "joint" Module đàn hồi E và hệ số Poisson là như nhau theo mọi phương, chỉ khác nhau về hệ số K cho hai phương X (song song với lớp RCC) và Y (vuông góc với lớp RCC)

B ảng 1-3: Bảng thông số tính toán trong mô hình FEM đập Longtan

riêng (N/m3)

Hệ số thấm (m/s)

Module đàn hồi (GPa) Poisson Hệ số

"joint" Ảnh hưởng của dòng thấm trong đập tới ứng suất được thể hiện bằng

áp lực thấm theo phương vuông góc và áp lực tiếp tuyến, được quy về tại các lực tại nút tương đương trong FEM

Áp lực theo phương vuông góc p=γ(H-z) với H là giá trị cột nước, z là cao trình Áp lực kéo tiếp tuyến (tangent drag force) được tính theo công thức

Trang 22

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 thấm 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 biến dạng, tìm được giá trị b0.

Bước 4: Tính lại giá trị kh theo giá trị b0, tính lại tw theo b0

Bước 5: Lặp lại bước 1 khi thỏa mãn độ dung sai cho phép

b) Theo Gu Chong-shi và c ộng sự

Hai thông số chính trong mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính là module đàn hồi E và hệ số Poisson μ 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 Ev, Eh,

μv, μH lần lượt là module đàn hồi và hệ số Poisson theo hai phương: song song với lớp thi công và vuông góc với lớp thi công Gọi E0, μ0 là module đàn hồi và hệ số nở hông của vật liệu trong phạm vi b0, E và μ là module đàn

hồi của khối RCC tiêu chuẩn

Ev, Eh, μv, μH, E, μ được xác định từ thí nghiệm Gu Chong-Shi và cộng

sự mô phỏng một lớp RCC thành hai phần riêng biệt: Phần RCC tiêu chuẩn (thể hiện qua hai thông số E và μ) , và phần RCC trong phạm vi b0 (thể hiện qua hai thông số E0, μ0)

Như vậy các thông số đã biết là b0 tính theo công thức (1.24), Ev, Eh, μv,

μH, E, μ để xác định E0, μ0 tác giả dùng hai mô hình được thể hiện bởi hình 1-6 và 1-7:

Trang 23

Hình 1-5: Mô hình tính toán E v Hình 1-6: Mô hình tính toán E h

Gọi ∆l là biến dạng theo phương dọc trục của RCC và phần tiếp xúc b0

dưới lực tác dụng F được tạo bởi hai thành phần F0 và Fc

0

h B b b

Trang 25

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI COI NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP, ĐẬP LÀ VẬT LIỆU LIÊN TỤC, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ĐẬP THỦY ĐIỆN

BẢN CHÁT 2.1 Mô hình 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 tử được đề xuất bởi Goodman, Taylor và Brekke (1968) với độ dày phần tử là 0 và mô hình do C.S.Desai đề xuất với độ dày t

2.1.1 Mô hình phần tử tiếp xúc có độ dày

-[ ]dσ : Vector vi phân ứng suất

-[ ]dε : Vector vi phân biến dạng

-[ ]C i: ma trận thành lập

Trang 26

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]nn ns i

[ ]C nn 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 thể

Cần phải lưu ý rằng, module G này khác với module G của vật liệu nền

Phần tử tiếp xúc có thể dùng chính phần tử mô phỏng đập, nền để mô

phỏng Đối với ứng xử là tuyến tính, thông số đầu vào gồm modun đàn hồi E

Trang 27

(lấy bằng modun đàn hồi của nền), hệ số Poisson υ (bằng giá trị của nền) và modun cắt G được xác định từ thí nghiệm hình 2-2

Trang 28

Để đánh giá trạng thái trượt hoặc lật bằng sử dụng phần tử tiếp xúc có độ dày, sử dụng các tiêu chí như sau:

 C: lực dính đơn vị tại mặt trượt

- σ là ứng suất pháp tuyến của phần tử tiếp xúc, τ là ứng suất tiếp tuyến

- Nếu không có chuyển vị tương đối, hoặc nền “dính” vào “đập” (stick mode) : σ >0, τ<S

- Nếu xảy ra hiện tượng trượt, không tách rời: σ>0, τ≥S

- Nếu xảy ra hiện tượng lật, phần tử tiếp xúc được chia làm ba phần một phần nằm trong “phần mở tiếp xúc”, một phần “tiếp xúc”, và

một phần trượt Trong phần mở tiếp xúc, σ <0, τ>0 Trong phần

tiếp xúc σ>0, τ<S Trong phần trượt σ >0, τ≥S

Mô hình này có ưu điểm là mô phỏng được lực dính theo phương pháp tuyến của mặt tiếp xúc giữa đập và nền (do phần tử để mô phỏng tiếp xúc có

Trang 29

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 xác định chỉ tiêu modulus kháng cắt G ứng với các độ dày khác nhau, do đó kết

quả tính toán theo mô hình này không được đề cập tới

2.1.2 Mô hình phần tử tiếp xúc không có độ dày

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

phần tử:

0 0

- v r: Chuyển vị theo hướng pháp tuyến

- u r: Chuyển vị theo hướng tiếp tuyến

Để mô phỏng tiếp xúc không độ dày trong Ansys, dùng 2 loại phần tử: môt cho mặt mục tiêu – phần tử targe169, một cho mặt tiếp xúc- phần tử conta172

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

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

- No separation: Giống kiểu bounded nhưng cho phép trượt với giá

trị nhỏ

- Rough: Hai vật thể có thể tách rời nhưng không thể trượt lên nhau

Trang 30

- Frictionless: Mặt tiếp xúc không có lực ma sát, độ mở tiếp xúc phụ

thuộc lực tác dụng

- Frictional: Mặt tiếp xúc xuất hiện lực ma sát, cho phép trượt nếu

lực gây trượt vượt quá lực ma sát cho phép Tiếp xúc có thể đóng,

2.2 Giới thiệu công trình

Thuỷ điện Bản Chát là một trong hai công trình trong bậc thang thuỷ điện trên sông Nậm Mu - nhánh cấp I bên trái của sông Đà

Vị trí tuyến công trình thuộc địa bàn xã Mường Kim, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu

Về chủ trương đầu tư dự án thuỷ điện Bản Chát 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 suất lắp máy 220MW, điện lượng trung bình năm

kể cả gia tăng cho Sơn La và Hoà Bình là 1,158 tỷ kWh, chưa kể hàng năm tăng thêm cho thuỷ điện Huội Quảng khoảng 70MW công suất đảm bảo và khoảng 200 triệu kWh, thuỷ điện Bản Chát sẽ là một nguồn điện đáng kể cho

hệ thống điện Quốc gia trong tương lai

Trang 31

- B ổ sung nước mùa kiệt: Với dung tích hồ chứa lớn trên 2,1 tỷ m3

, trong đó dung tích hữu ích trên 1,7 tỷ m3, hồ chứa thuỷ điện Bản Chát 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 tần suất đảm bảo 85%, hồ Bản Chát

bổ sung được lưu lượng khoảng 66 m3/s Như vậy, thuỷ điện Bản Chát cùng với thuỷ điện Sơn La sẽ góp phần đáng kể trong việc cung cấp nước về mùa kiệt cho hạ du Điều này đặc biệt có ý nghĩa hơn khi mà những năm gần đây tình trạng hạn hán và thiếu nước thường diễn ra trầm trọng ở các tỉnh đồng

bằng Sông Hồng

- H ỗ trợ cắt một phần đỉnh lũ cho các công trình ở hạ lưu: Kết quả tính

toán điều tiết, hồ chứa Bản Chát cắt được khoảng 6000 m3/s lưu lượng đỉnh lũ

tại tuyến Bản Chát (tần suất 0,02%) Thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại tuyến Pa Vinh có cùng thời điểm với thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại Bản Chát sau khi được tính thời gian chảy chuyền từ Bản Chát đến Pa Vinh Do đó, lưu lượng đỉnh lũ tại Pa Vinh sẽ được giảm khoảng 6000m3/s, tương đương 10% đỉnh lũ tại Pa Vinh

Đập dâng trong cụm công trình đầu mối có kết cấu bằng bê tông RCC trên nền đá cứng, chiều cao lớn nhất xấp xỉ 130m, là công trình cấp 1, được hoàn thành vào cuối năm 2010 và bắt đầu tích nước năm 2011

2.3 Mặt cắt tính toán

Phân tích ứng suất và biến dạng cho mặt cắt đập không tràn có cao trình 482,00m, đáy ở cao trình 400,00m trên nền đá IIA

Trang 32

Hình 2-5: M ặt cắt tính toán

2.4 Chỉ tiêu tính toán

Các chỉ tiêu tính toán lấy theo bảng 2-1

B ảng 2-1: Các chỉ tiêu tính toán ổn định và thấm (nguồn PECC1)

(MPa)

Trọng lượng riêng (T/m3)

Hệ số Poisson

Tiếp xúc bê tông -đá

Trang 33

- T ổ hợp 1: Mực 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 bị tiêu nước chống thấm làm việc bình thường

- T ổ hợp 2: Mực nước thượng lưu tại mực nước lũ thiết kế 477,3m, bỏ

qua áp lực bùn cát, mực nước hạ lưu tại cao trình 400,0m Thiết bị tiêu nước chống thấm hỏng

2.6 Lực tác dụng

Lực tác dụng bao gồm

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

- Áp lực nước thượng hạ lưu: Áp lực tại một điểm tại mặt thượng hạ lưu được xác định theo công thức: P= γ wH với H là khoảng cách từ mực nước thượng hạ lưu đến điểm tính toán

- Áp lực đẩy ngược: Xác định theo 14TCN56-1988

Hình 2-6 : Sơ đồ lực tác dụng tổ hợp 1

Trang 34

Hình 2-7 : Sơ đồ lực tác dụng tổ hợp 2

2.7 Mô hình tính toán

- Mặt cắt tính toán được mô phỏng trong Ansys trong hệ trục tọa độ

tổng thể X, Y, Z trong đó

• X: hướng từ trái qua phải

• Y: Hướng từ dưới lên trên, ngược chiều trọng lực

• Z: Dọc theo trục đập

- Phần tử Plane182 - biến dạng phẳng (K3=3) dùng mô phỏng đập,

nền trong bài toán ổn định

- Tiếp xúc giữa đập và nền được mô tả theo tiếp xúc không độ dày bằng cách sử dụng phần tử Targe169 và Conta172

- Điều kiện biên: Khống chế chuyển vị ngang và đứng tại các biên ngoài cùng của mô hình (nền) Áp lực nước được gán tại các mặt chịu áp

Trang 35

Hình 2-8 : Lưới phần tử, lực tác dụng trong Ansys

Trang 36

Hình 2-10: T ổ hợp 1 – Biểu đồ ứng suất chính S1, S3

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

Trang 38

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP BÊ TÔNG

KHI COI ĐẬP VÀ NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP

Như đã phân tích tại chương I, 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 cặp

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

bộ phần mềm Geostudio được sử dụng để tính toán Việc tính toán bao gồm xem xét cả ảnh hưởng của các lớp thi công đến kết quả thấm - ứng suất – biến

dạng trong đập

3.1 Các giả thiết tính toán

Nước chỉ di chuyển trong miền bão hòa theo định luật Darcy, phía trên đường bão hòa không tồn tại vùng mao dẫn

Trong Seep/w cung cấp ba loại vật liệu chính: Bão hòa hoàn toàn (saturated only), Bão hòa/không bão hòa (saturated/ unsaturated), và phần tử

tiếp xúc (interface element)

Hình 3-1: Các mô hình v ật liệu trong Seep/W

Vật liệu bão hòa hoàn toàn phù hợp với miền vật liệu hoàn toàn nằm dưới đường bão hòa (ví dụ nền đập) Thông số chính của loại vật liệu này bao gồm hệ số thấm bão hòa (Saturated conductivity) và tỷ số của hệ số thấm theo phương nằm ngang và thẳng đứng Nếu dùng loại vật liệu này để mô phỏng

Trang 39

cho đập sẽ không hợp lý Theo sách hướng dẫn của Seep/w (trang 76), theo cách này, vùng không bão hòa của đập vẫn truyền tải lượng nước thấm có lưu lượng bằng vùng bão hòa, điều này dẫn đến đường bão hòa là không chính xác

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

Vật liệu bão hòa/không bão hòa phù hợp với miền vật liệu xuất hiện cả vùng bão hòa và không bão hòa

Hình 3-3:Thông s ố vật liệu cho vật liệu bão hòa/ không bão hòa

Hệ số thấm trong vật liệu này là một hàm thấm hàm thấm có đặc điểm như sau:

- Nếu vật liệu nằm dưới đường bão hòa, hệ số thấm là hệ số thấm bão hòa

- Nếu vật liệu nằm trên đường bão hòa, hệ số thấm hệ số phụ thuộc vào giá trị áp lực nước lỗ rỗng âm (negative pore water pressure) hay độ hút dính (matric suction) Áp lực nước lỗ rỗng âm tại một điểm được tính bằng bằng công thức u a =hγ w trong đó h là khoảng cách từ điểm đó đến đường bão hòa

Trang 40

Hình 3-4: Áp l ực nước lỗ rỗng âm trong Seep/W

Hình 3-5: Hàm th ấm 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 đất không bão hòa), và thỏa mãn miền 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)

Ngày đăng: 23/05/2015, 17:10

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TRÍCH ĐOẠN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w