Luận văn Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

Hiện nay, các tài liệu trong nước tính toán độ ổn định của bể tiêu năng mới chỉ dừng lại ở công thức tính toán chung – xem ứng suất là phân bố đều mà chưa xét đến trường hợp ứng suất phân bố không đều. Vì vậy “Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng đập tràn bê tông đầm lăn trọng lực” là cần thiết nhằm giải quyết tồn tại hiện nay trong công tác nghiên cứu độ bền và độ ổn định của bể tiêu năng đập bê tông đầm lăn trọng lực.

Bộ giáo dục và đào tạo bộ nông nghiệp và PTNT Tr-ờng đại học thủy lợi 0o0 Lê đức anh Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2010 Bộ giáo dục và đào tạo bộ nông nghiệp và PTNT Tr-ờng đại học thủy lợi 0o0 Lê đức anh Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy Mã số : 60.58.40 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: 1. GS.TS Ngô Trí Viềng 2. TS Nguyễn Trí Trinh Hà Nội - 2010 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 3 MỞ ĐẦU 4 I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 4 II. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 5 1. Mục đích 5 2. Nhiệm vụ 5 3. Phương pháp nghiên cứu 5 4. Kết quả đạt được 5 CHƯƠNG 1 6 TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH 6 1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình 6 1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu năng sau công trình 6 1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình 6 1.2.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng 7 1.2.3. Các biện pháp tiêu năng sau công trình 7 1.2.4. Hình thức tiêu năng đáy 9 1.2.5. Phương pháp nghiên cứu tiêu năng 13 1.2.6. Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình 14 1.3. Kết luận chương 1 20 CHƯƠNG 2 21 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN 21 BỂ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRỌNG LỰC21 2.1. Khái niệm về phân tích ổn định, độ bền của bể tiêu năng 21 2.2. Độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông 22 2.2.1. Ổn định lật của công trình 22 2.2.2. Ổn định trượt của công trình 22 2.2.3. Ổn định đẩy nổi của công trình 23 2.2.4. Tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb và tính toán ổn định theo cân bằng giới hạn 25 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực 2.3. Độ bền của bể tiêu năng 29 2.3.1. Phân tích độ bền theo phương pháp nội lực phá hoại 29 2.3.2. Phân tích độ bền theo phương pháp trạng thái giới hạn 30 2.3.3. Phân tích nội lực theo phương pháp sức bền vật liệu 31 2.3.5. Nhận xét đánh giá các phương pháp tính 41 2.4. Kết luận chương 2 43 CHƯƠNG 3: 44 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH 44 CHO BỂ TIÊU NĂNG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC TRONG, TỈNH QUẢNG NGÃI. 44 3.1. Giới thiệu chung về công trình Hồ chứa nước Nước Trong 44 3.2. Các chỉ tiêu tính toán 45 3.2.1. Các hệ số lệch tải 45 3.2.2. Chỉ tiêu cơ lý của bê tông dùng trong tính toán 46 3.2.3. Đặc trưng kháng cắt của khối đá nền dùng trong tính toán 47 3.2.4. Đặc trưng chống trượt giữa bê tông và đá nền công trình 47 3.3. Tính toán độ ổn định bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp truyền thống và phương pháp phần tử hữu hạn 48 3.3.1. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp truyền thống 48 3.3.2. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp phần tử hữu hạn 57 3.4. Tính toán độ bền bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp phần tử hữu hạn 64 3.4.1. Các số liệu cơ bản 64 3.4.2. Kết quả tính toán kết cấu bể tiêu năng và mố 65 3.5. Nhận xét kết quả tính toán 73 3.5.1. Kết quả tính toán ổn định 73 3.5.2. Kết quả tính toán độ bền 74 3.5.3. Hệ số ổn định 74 CHƯƠNG 4. KT LUẬN VÀ KIN NGHỊ 75 4.1. Những kết quả đạt được của luận văn 75 4.2. Tồn tại và kiến nghị 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ với đề tài: “Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu quả của Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa Công trình, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã truyền thụ kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn. Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS. TS Ngô Trí Viềng và TS Nguyễn Trí Trinh đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả có được kết quả như hôm nay là nhờ vào sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô giáo, cũng như sự động viên cổ vũ của cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong những năm qua. Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp. Luận văn được hoàn thành tại Khoa công trình và Phòng đào tạo Đại học và sau Đại hoc, Trường Đại học Thuỷ Lợi. Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Tác giả Lê Đức Anh Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIT CỦA ĐỀ TÀI: Các công trình dạng trọng lực khi nói đến khả năng mất ổn định toàn khối của công trình thường đề cập đến các khả năng mất ổn định sau: - Bị trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt tiếp xúc giữa công trình và nền, mặt nằm trong nền hay trong công trình. Mặt trượt được xét là mặt phẳng hoặc mặt nghiêng. - Bị lật quanh một trục nằm ngang khi mômen của ngoại lực gây lật lấy đối với trục này vượt quá mômen chống lật. - Bị đẩy nổi do tác dụng của các lực hướng từ dưới lên trên (áp lực thấm, thủy tĩnh, động đất…). - Hệ thống tiêu năng sau công trình bị phá hoại do dòng chảy, do đó gây mất ổn định toàn bộ công trình Tuy nhiên khi thiết kế các công trình dạng trọng lực, nếu ta khống chế trong mọi trường hợp, tại các mép biên công trình không xuất hiện ứng suất kéo, hoặc có xuất hiện với trị số nhỏ thì nói chung công trình không bị lật đổ. Vì vậy việc kiểm tra khả năng lật thường là đảm bảo. Còn việc kiểm tra đẩy nổi thường chỉ tiến hành với các công trình có ngưỡng thấp. Chính vì vậy kiểm tra ổn định và độ bền của toàn bộ công trình trong đó có bể tiêu năng là rất quan trọng đối với việc thiết kế các công trình dạng trọng lực. Hiện nay, các tài liệu trong nước tính toán độ ổn định của bể tiêu năng mới chỉ dừng lại ở công thức tính toán chung – xem ứng suất là phân bố đều mà chưa xét đến trường hợp ứng suất phân bố không đều. Vì vậy “Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng đập tràn bê tông đầm Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực lăn trọng lực” là cần thiết nhằm giải quyết tồn tại hiện nay trong công tác nghiên cứu độ bền và độ ổn định của bể tiêu năng đập bê tông đầm lăn trọng lực. II. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1. Mục đích - Tổng quan được các phương pháp tính độ bền và độ ổn định bể tiêu năng sau công trình. - Đề xuất, lựa chọn phương pháp tính độ ổn định và độ bền hợp lý cho bể tiêu năng sau công trình. - Vận dụng các kiến thức đã học vào tính toán thiết kế và ứng dụng công nghệ mới vào sản xuất. 2. Nhiệm vụ Khái quát tình hình sử dụng các hình thức tiêu năng sau công trình hiện nay. Xem xét các phương pháp tính độ bền và ổn định để lựa chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu đặt ra . 3. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp tổng hợp thống kê các tài liệu lý thuyết, kết hợp với phương pháp tính toán hiện đại và phần mềm ứng dụng. - Áp dụng cho một công trình thực tế. 4. Kết quả đạt được - Lựa chọn được phương pháp tính hợp lý để tính toán độ bền và độ ổn định của bể tiêu năng sau công trình tràn nói chung và sau đập tràn bê tông đầm lăn nói riêng. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực - Nghiên cứu độ ổn định, độ bền bể tiêu năng theo phương pháp tính toán hiện đại với việc sử dụng phần mềm tính toán vào phân tích ổn định và độ bền hồ Nước Trong tỉnh Quảng Ngãi. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH 1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu năng hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình. Công trình tiêu năng làm bằng đá xây hoặc bê tông, bê tông cốt thép có kích thước và cấu tạo đặc biệt, nằm sau các công trình như cống, đập tràn, dốc nước… nhằm tạo ra một đệm nước để giảm hoặc triệt tiêu năng lượng còn lại của dòng nước khi ra khỏi công trình đó, tránh sự xói mòn chân đập ở hạ lưu. 1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu năng sau công trình 1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình Đặc điểm dòng chảy hạ lưu: - Có lưu tốc lớn lại phân bố rất không đều trên mặt cắt ngang. - Mực nước hạ lưu lại thường thay đổi luôn. - Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao. Thường sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình thường, nhưng mạch động phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng thái bình thường. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực - Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng…. Nếu không có giải pháp tiêu năng hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình, dẫn tới mất ổn định tổng thể công trình. Từ sự phân tích trên ta thấy việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu là một trong những công việc quan trọng nhất của tính toán thiết kế các công trình thuỷ lợi. 1.2.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng Phải tìm được biện pháp tiêu huỷ toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu. 1.2.3. Các biện pháp tiêu năng sau công trình Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống dưới hạ lưu có năng lượng rất lớn. Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần phá hoại lòng sông và hai bên bờ gây nên xói cục bộ sau đập, một phần tiêu hao do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí. Và để tiêu hao năng lượng của dòng chảy thường dùng các biện pháp tiêu năng sau: tiêu năng dòng chảy đáy, tiêu năng dòng chảy mặt, tiêu năng phóng xa. 1.2.3.1. Tiêu năng dòng đáy + Là hình thức lợi dụng nội ma sát để tiêu hao năng lượng thừa. Sau thiết bị tiêu năng vẫn phải gia cố tiếp (gọi là sân sau thứ hai). Hình thức này thường dùng với công trình tháo có cột nước thấp, vừa, nền đất, nền đá. + Thuộc về hình thức này có: Đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp (gọi chung là hình thức tạo bể. Bể tiêu năng có thể tạo ra bằng cách đào gọi là bể chìm, bằng cách xây tường gọi là bể nổi, bằng cả đào và xây tường gọi là Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực bể nửa chìm nửa nổi). Ngoài ra còn áp dụng cách giảm độ sâu sau nước nhảy bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ (mố nhám, dầm tiêu năng…), tạo tường phân dòng để khuyêch tán đều ở hạ lưu, làm đáy dốc ngược lại mực nước hạ lưu nhỏ, làm đáy dốc thuận khi mực nước hạ lưu lớn. 1.2.3.2. Tiêu năng phóng xa Theo kinh nghiệm xây dựng của nhiều nước hình thức này được dùng ở các hồ chứa có cột nước cao và trung bình. Ở nước ta và ở Trung Quốc, người ta ứng dụng hình thức này cả đối với công trình loại vừa và nhỏ trên nền mềm có cột nước thấp cũng đạt được kết quả tốt. Tuy nhiên hình thức này cũng còn một số tồn tại: + Hố xói làm biến dạng long sông, làm cho mực nước hạ lưu trạm thủy điện thay đổi ảnh hưởng đến khả năng phát điện. + Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn ngược hoặc song vỗ vào mái đập. + Hay xẩy ra khí thực. + Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và các thiết bị điện ở khu vực. 1.2.3.3. Tiêu năng mặt Hình thức này thường ứng dụng với trường hợp lưu lượng lớn nhưng chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ ở hạ lưu có khả năng ổn định, chống xói tốt. Hình thức này đã được áp dụng ở nước ta và nhiều nước trên thế giới. Thực tế sử dụng hình thức tiêu năng này cho thấy khi ứng dụng tiêu năng dòng mặt thì đảm bảo được điều kiện ứng dụng nhưng ở hạ lưu có sóng [...]... Kết cấu trên nền có khả năng mất ổn định về vị trí lật quanh trục qua mép đáy móng hạ l-u công trình do đó điều kiện ổn định của kết cấu biểu thị bởi biểu thức sau : k lat M M g k lat (2-1) 1 Trong đó : klat : hệ số an toàn ổn định về lật M g : là tổng các mômen của các lực giữ cho công trình khỏi bị lật đối với điểm mép đáy móng hạ l-u M 1 : là tổng các mômen của các lực gây lật công trình đối... số ổn định lật cho phép 2.2.2 n nh trt ca cụng trỡnh Để đảm bảo sự ổn định của công trình, hệ công trình nền d-ới tác dụng của tải trọng, cần phải tính toán nền theo sức chịu tải Điều kiện cần phải thoả mãn : Kt R K t N tt (2-2) Nghiờn cu tớnh toỏn bn v n nh b tiờu nng ca p bờ tụng m ln trng lc Lun vn thc s k thut - 23 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu Trong đó : R : là sức chịu tải của. .. nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu Trong đó : R : là sức chịu tải của nền Ntt : là giá trị tính toán của lực tổng quát gây tr-ợt (lật) [Kt] : hệ số ổn định tr-ợt cho phép Đối với nền đất khi thiết kế cần phải thoả mãn 2 yêu cầu đặt ra - Khống chế tải trọng tác dụng lên nền sao cho đất nền không bị phá hoại tr-ợt - Khống chế tải trọng tác dụng lên nền để không gây lún quá lớn Vic tớnh toỏn n nh ca cụng trỡnh... phng, ỏp sut tỏc dng phỏp tuyn tớnh theo : max,min N M F x Wx (2-15b) Trong đó : N M , M x : là tổng số các lực thẳng đứng tác dụng lên đáy móng y : là tổng các mômen của các lực đối với hai trục t-ơng ứng đi qua trọng tâm mặt cắt đáy móng F : là diện tích d-ới của tấm đáy Wx, Wy : là mômen chống uốn của diện tích đáy móng t-ờng đối với hai trục t-ơng ứng 2.3.4 Phõn tớch ni lc theo Phng phỏp phn t... an ton cho phộp theo trng thỏi gii hn K nc K n m (2-13) Trong ú: nc m : là hệ số tổ hợp tải trọng : là hệ số điều kiện làm việc Nghiờn cu tớnh toỏn bn v n nh b tiờu nng ca p bờ tụng m ln trng lc Lun vn thc s k thut - 31 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu Kn : là hệ số độ tin cậy của công trình Độ bền của công trình gồm hai vấn đề sau : - bn ca bn thõn cụng trỡnh - bn ca nn Hai vn ny c trỡnh . độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực lăn trọng lực là cần thiết nhằm giải quyết tồn tại hiện nay trong công tác nghiên cứu độ bền và độ ổn định của bể tiêu năng đập bê. Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng đập tràn bê tông đầm Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ. tích ổn định, độ bền của bể tiêu năng 21 2.2. Độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông 22 2.2.1. Ổn định lật của công trình 22 2.2.2. Ổn định trượt của công trình 22 2.2.3. Ổn định đẩy nổi của