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

LỜI CẢM ƠN Sau quá trình nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ từ hai thầy hướng dẫn, 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: “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 Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2014 Tác giả Phạm Tiến Hùng 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 Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2014 Tác giả Phạm Tiến Hùng MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG 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 TRỌNG LỰC KHI COI NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP, ĐẬP LÀ VẬT LIỆU LIÊN TỤC, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ĐẬP THỦY ĐIỆN BẢN CHÁT 18 2.1 Mô hình tiếp xúc 18 2.1.1 Mô hình phần tử tiếp xúc có độ dày 18 2.1.2 Mô hình phần 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 2.8 Kết quả tính toán 28 2.8.1 Tổ hợp 1 28 2.8.2 Tổ 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 Kết quả tính toán tổ hợp 1 43 3.3.2 Kết 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 Kết quả tính toán tổ hợp 1 54 3.4.2 Kết quả tính toán tổ hợp 2 56 3.5 Kết luận 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 BẢNG 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 VẼ 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 E v 16 Hình 1-6: Mô hình tính toán E h 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 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 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 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp 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. Mục 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 số liệu thực tế từ công trình Thủy Điện Bản Chát. 2 3. Kết 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. Nội 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 3 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. Bảng 1-1: Một số đập bê tông được xây dựng trước năm 1945[3] TT Tên Địa điểm xây dựng Năm xây dựng 1 Cầu Sơn Sông Thương – Bắc Giang 1902 2 Liễn Sơn Sông Phó Đáy 1914-1917 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 các đơn vị trong nước thực hiện. Với các công trình có ý nghĩa đặc biệt quan [...]... 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, ... toán thấm 9 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... 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. .. vậy là các thông số E và μ trong phương trình (1.17) được xác định công thức (1.25) và (1.26), (1.27) và (1.28) 18 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... 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 8 xác định thông qua xác định cột nước tại các điểm tiếp giáp giữa đập - nền trong bài toán thấm Hình 1-2: Biểu đồ áp lực đẩy ngược theo phương pháp sơ đồ đường thẳng (14TCN56-1988) Hình 1-3: Áp lực đẩy ngược khi xác định qua tính toán thấm. .. 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... (1.11) trong đó X, Y, Z là lực khối theo 3 phương x, y, z tương ứng, σij các thành phần ứng suất Theo nguyên lý ứng suất hiệu quả của Tenzaghi ta có σ] [= [σ '] + [ p ] trong đó - [σ ] = σ x σ y σ z τ xy τ yz τ zx  : Vecto ứng suất tổng   T (1.12) 10 - [σ '] = σ 'x σ ' y σ 'z τ 'xy τ ' yz τ 'zx  : Vecto ứng suất hiệu quả   T - [ p ] = [ p p p 0 0 0] : Vecto áp lực nước lỗ rỗng T Do đó quan hệ ứng. .. 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... Ngãi 11 Nước Trong 70 Quảng Ngãi 12 Sơn La 138 Sơn La 13 Bản Chát 70 Lai Châu 14 Bản Vẽ 138 Nghệ An 15 Hủa Na 94,5 Nghệ An 16 Sông Tranh 2 100 Quảng Ngãi 17 Sông Côn 2 50 Quảng Nam 18 Bản Uôn 85 Thanh Hóa 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 5 - 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 . 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. Mục đích nghiên cứu Phân tích các. 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. 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