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 1đồng 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 2BẢN 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 3MỤC 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 42.8 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 5B 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 6Hình 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 7Hình 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 8MỞ 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 93 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 10CHƯƠNG 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 11trọng, 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 13Cả 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 14chậm 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 15xác 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 161.3.2 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 18trong 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 19Bài 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 21Gọi 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 22Phân 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 23Hình 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 25CHƯƠNG 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 28Để 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 29khả 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 32Hình 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 34Hình 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 35Hình 2-8 : Lưới phần tử, lực tác dụng trong Ansys
Trang 36Hình 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 38CHƯƠNG 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 39cho 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 40Hình 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)