tính toán thiết kế đập bê tông trọng lực

hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh

1 Tình hình phát triển đập bttl trên thế giới và việt nam

 Đập trọng lực mặt cắt tam giác được xây dựng

đầu tiên ở Mêxicô năm 1785.

 Năm 1850 đập BTTL được xây dựng.

 Đập BTTL cao nhất thế giới hiện nay

là đập Grande Dixence - Thụy sĩ cao 285m, được xây dựng từ năm 1951

đến 1962.

Thế giới:

Biểu đồ so sánh số lượng đập BTTL với các loại đập khác

 Trước đây, đập BTTL chiếm một

tỷ lệ nhỏ do chiều cao đập thấp

và điều kiện kinh tế.

 Hiện nay đập BTTL đã và đang

Việt nam:

Đập BTTL Tân giang Ninh thuận

được xây dựng nhiều ở Việt

Nam như: Tân giang - Ninh

I.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

2.Nguyên tắc thiết kế

• Đập và nền ổn định trong mọi điều kiện làm việc.

• Đập phải đủ cao đồng thời bố trí công trình tháo lũ và các công trinh khác….

• Đập và nền phải an toàn về thấm, về lún không đều,

về ảnh hưởng của nhiệt độ.

• Có hành lang công tác, có thiết bị quan trắc.

• Lựa chọn hinh thức đập, cấu tạo các bộ phận phù hợp với biện pháp, thời gian thi công, thuận lợi trong khai thác và quản lý, có giá thành và kinh phí quản lý rẻ.

2 Tình hình phát triển phương pháp tính toán đập bttl

 Phương pháp ứng suất cho phép (giai đoạn đàn hồi)

max  []

Coi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, chưa triệt để

lợi dụng khả năng chịu lực của bê tông.

 Phương pháp giai đoạn phá hoại (hệ số an toàn)

Đã xét đến biến dạng dẻo của bê tông, dùng một hệ số an toàn chung cho cả kết cấu

K=Fct/Fgt >[K]

 Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn

Đã xét đến mọi nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu.

ncNtt  mR/Kn

5.Tính toán mặt cắt cơ bản

(dạng tam giác)

nhỏ hơn trị số cho phép.

thượng lưu, ứng suất nén ở mép biên hạ lưu không vượt quá giới hạn cho phép và khi hồ không có nước không sinh ứng suất kéo ở mép biên hạ lưu, ứng suất nén ở mép biên thượng lưu không vượt quá giới hạn cho phép.

6.điều kiện khống chế của mặt cắt kinh

tế

• Thoả mãn điều kiện ổn định chống trượt K≥ [K]

n

A=f 1 (n) m=f2(n)

• Lập lại các bước trên với ξ, a, n tương ứng trên đồ thị chọn được Amin = f(n)

• Lập lại các bước trên với ξ, a, n tương ứng trên đồ thị chọn được Amin = f(n)

E'

7 Bố trớ vật liệu trong ĐBTTL

• Theo độ bền chịu nén I-IV

• Theo độ bền chịu kéo I-III

• Theo độ không thấm nước II-III

• Theo độ dãn dàI giới hạn I-IV

II

I III

II.PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

f

Một số quan điểm chọn tiêu chuẩn cường độ kháng cắt

(1) Lấy cường độ cực hạn làm tiêu chuẩn thiết kế chưa hợp lý, hệ số an toàn cao.

(2) Cường độ giới hạn, lấy A là cực hạn đàn hồi, chọn cường độ cắt giai đoạn đàn tính để thiết kế (3) Cường độ cực hạn khuất phục B - phá hoại dòn không phù hợp, phá hoại dẻo có thể chấp thuận (4) Nếu sử dụng biến dạng dư thì lựa chọn điểm D để thiết kế.

(5) Tiêu chuẩn chuyển vị lớn nhất để thiết kế.

(6) Tiêu chuẩn cường độ phục hồi.

(7) Cường độ sau cùng để thiết kế, phải làm thí nghiệm mới xét được cường độ này.

Nghiên cứu ổn định ở mặt cắt tiếp xúc với nền theo

công thức cường độ kháng cắt điểm

1 Mất ổn định của đập từ một điểm dẫn đến từng

vùng sau đó phá hoại toàn bộ

2 Sử dụng (6’) thực hiện theo hai bài toán: tăng tải dần đến khi phá hoại, hệ số dự trữ (xét đến tính chất của vật liệu

3 Quá trình phá hoại

(1) Khu vực thượng lưu xuất hiện vết nứt dẫn đến

phá hoại do ứng suất kéo và ứng suất tiếp.

(2) Khu vùc h¹ l­u xuÊt hiÖn øng suÊt nÐn vµ øng

suÊt c¾t, ph¸ ho¹i ban ®Çu rÊt tõ tõ.

(3) Chân hạ lưu dưới nền xuất hiện ứng suất tương

ứng điểm B.

(4) Sự phá hoại hạ lưu từ từ nhưng tiến dần về thượng lưu, khi hai vùng gặp nhau thì bị phá hoại hoàn toàn.

Nghiên cứu mở rộng vùng phá hủy ở

mặt cắt sát nền

Kiểm tra ổn định đập theo hệ số dự trữ

định giới hạn, hệ số an toàn được tính theo công

f K

- Chiều cao đập ảnh hưởng tới K khoảng 6%

21%

- ảnh hưởng của dao động chưa xét đến

3 §¬n gi¶n ho¸ (7) ®­îc c«ng thøc tiªu chuÈn

f

Ảnh hưởng của lực ma sát,lực dính,góc

nghiêng của mặt trượt

So sánh ổn định theo hệ thống tiêu chuẩn

cắt dọc tim đập

Đường viền đáy móng

Lỗ thả xilanh bxh=3x3m

CVC

Tim tuyến tràn Tim tuyến năng lượng Tim kênh dẫn dòng

Tim tuyến đập

1:0.75

1 :0 5

Tim tuyến đập

CVC

Đường mặt đất tự nhiên

Khoan thoát nước bước a=3m

Khoan phun gia cố L=5m, bước 3x3m

Khoan phụt chống thấm

bước a=3m

RCC

MNTL

275.00

L L1

1:0 80

1:0.20

Bảng 5.3: Bảng kết quả của phân tích ổn định đập phương án chọn

(theo tiêu chuẩn của Việt Nam và Liên bang Nga)

Mặt cắt tính

toán

Tổ hợp tải trọng [K]

Block đập

tràn

Cơ bản 1 1.37 2.01 1.92 -184.58 -62.84

Cơ bản 2 1.37 2.02 1.77 -172.07 -55.12 Đặc biệt 1 1.23 1.88 1.66 -178.31 -40.69 Đặc biệt 2 1.16 1.25 1.45 -247.30 22.79 Đặc biệt 3 1.17 1.47 1.54 -216.85 -4.75 Đặc biệt 4 1.24 10.89 8.94 -76.50 -251.28

Trư-ờng hợp 6 2.0 2.58

-170.40 -1.48

Trường hợp 7 1.3 3.43

-133.46 -42.04Trư-ờng hợp 8 - Đỉnh

- Duy trì 1.3 1.39

406.16 O**Trường hợp 9 1.3 1.50 - -

MC2

Trường hợp 4 2 4.05

-117.89 -79.76Trư-ờng hợp 5 - Đỉnh

- Duy trì 1.3 23.46 -2.53

271.23

-Trư-ờng hợp 6 2.0 2.65

-170.65 -15.23

Trường hợp 7 1.3 3.72

-132.57 -59.04Trư-ờng hợp 8 - Đỉnh

- Duy trì 1.3 1.55 341.38 O**Trường hợp 9 1.3 1.76 - -

Trư-ờng hợp 1 2 -

-120.63

237.56

-Trư-ờng hợp 2 3 4.14

-182.24 -76.20

3 Xác định cường độ kháng nén yêu cầu để thiết kế cấp phối bê

tông RCC và đúc kiểm tra hiện trường

• Bê tông đầm lăn trong thân đập có cường độ kháng nén yêu cầu là 16MPa ở tuổi 365 ngày được xác định qua mẫu nõn khoan có đường kính 150mm, cao 300mm

là cơ sở để tính toán xác định cường độ yêu cầu cho

công tác thiết kế thành phần cấp phối RCC cũng như cho công tác đánh giá sự phù hợp về cường độ của các

công tác thiết kế thành phần cấp phối RCC cũng như cho công tác đánh giá sự phù hợp về cường độ của các mẫu kiểm tra trong quá trình thi công nhằm đảm bảo

cường độ thiết kế yêu cầu Các tính toán để xác định

cường độ yêu cầu cho công tác thiết kế thành phần cấp phối bê tông RCC được thực hiện theo phương pháp

nêu trong tiêu chuẩn ACI 214.3R-88 của Viện Bê tông Hoa Kỳ Trình tự tính toán như sau:

• - Cường độ chịu nén yêu cầu (f’c) của bê tông thân đập qua các mẫu khoan có đường kính 150mm, cao

300mm:

• - Chuyển đổi cường độ thiết kế yêu cầu từ mẫu khoan trong thân đập sang cường độ thiết kế đối với mẫu hình trụ đúc tại hiện trường:

Sử dụng hệ số chuyển đổi K = 1,125 để xác định cường độ yêu cầu của mẫu đúc hình trụ tại hiện trường để kiểm tra (f’cl):

nhiên và phân bố xác suất theo qui luật phân bố chuẩn Sử dụng phương pháp phân tích xác suất thống kê nêu trong tiêu chuẩn ACI 214.3R-88 để xác định giá trị cường độ yêu cầu đối với công tác

thiết kế cấp phối bê tông (f’cr):

số biến đổi v = 20% lấy s = 0,2.f’cl.

• + p là hệ số xác định theo tỷ lệ % các mẫu kiểm tra có giá trị cường

độ thấp hơn giá trị kiểm tra yêu cầu Với tỷ lệ 1 trong 5 mẫu kiểm tra

có giá trị cường độ thấp hơn giá trị kiểm tra yêu cầu, theo ACI

214.3R-88 xác định được:

p = 0,854.

150mm, cao 300mm đối với công tác thiết kế cấp phối bê tông RCC (f’cr) là:

f’cr = 18 + 3,6 x 0,854 = 21,1 MPa.

Kiến nghị:

- Cường độ nén yêu cầu theo mẫu hình trụ có đường kính 150mm, cao 300mm đối với công tác thiết kế cấp phối bê tông trong phòng thủy

điện Lai Châu là: 21,1 MPa.

- Cường độ nén yêu cầu theo mẫu hình trụ có đường kính 150mm, cao 300mm đối với công tác đúc mẫu kiểm tra tại hiện trường thủy điện

Lai Châu là: 18 MPa.

Sự cần thiết nghiên cứu

Đập bê tông trọng lực đang được sử dụng

nhiều trong các dự án Thủy lợi Thủy điện.

Sự làm việc của đập tương đối phức tạp, để

đảm bảo an toàn, kinh tế yêu cầu phương pháp tính toán thiết kế và công nghệ thi công cao.

Có nhiều phương pháp tính ổn định được xây dựng trên cơ sở lý luận của đập bê tông trọng lực nhưng chưa thống nhất, cần nghiên cứu

phương pháp tiến bộ với quan điểm chung là giảm kích thước mặt cắt, tăng độ an toàn cho

đập.

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích

ổn định đập bê tông trọng lực theo phương

pháp phát triển vùng phá hoại cục bộ tại mặt

cắt sát nền và nghiên cứu một số nhân tố ảnh hưởng đến ổn định đập.

Phương phap nghiên cứu

ứng dụng phần mền SAP200 để phân tích trường ứng suất tại mặt cắt sát nền.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trong phạm vi bài toán phẳng Các lực tác

động là lực tĩnh.

KÕt luËn.

Đập bê tông trọng lực và đặc điểm làm việc[1]

Tình hình xây dựng đập trên thế giới và Việt Nam.

Tiến bộ trong xây dựng đập.

Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực.

Các yêu cầu tính toán đập bê tông trọng lực.

Các tổ hợp dùng trong tính toán.

Phương pháp hệ số an toàn [1].

Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực theo phương pháp trạng thái giới hạn [4]

Phương pháp xét đến lực chống cắt (xét đến tga và C).Phương pháp cân bằng giới hạn

Tính theo lý thuyết độ tin cậy [3]

Một số quan điểm về tiêu chuẩn ổn định

Tiêu chuẩn biến hình cực hạn.

Tiêu chuẩn ổn định tạm thời.

Phân tích phát triển vùng phá hoại cục bộ từ hai phía ở chân đập, dẫn đến mất ổn định tổng thể

đập.

Kết luận

Tính toán ổn định đập theo hình thức mất ổn định tổng thể khối lượng tính toán ít, thiên về an toàn, kích thước mặt cắt lớn, không kinh tế.

Tính toán ổn định đập theo hình thức từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến sự mất ổn định tổng thể với tiêu chuẩn ổn định tạm thời đánh giá đúng khả năng chịu lực đập bê tông trọng lực.

Như vậy nếu có sự liên hệ định lượng giữa phá hoại cục, ổn định tổng thể và tiêu chuẩn phá hoại của vật liệu thì có thể đưa ra được khái niệm ổn

định tạm thời để phân tích ổn định đập.Luận văn

sẽ đi theo quan điểm này để nghiên cứu.

Chương II: ứng dụng SAp2000 phân tích

ổn định đập bê tông trọng lực

Mục đích:

Mô phỏng bằng số phương pháp tính ổn định đập bê tông trọng lực bằng kết quả phân tích phát triển vùng phá hoại cục tại mặt cắt sắt nền

Nội dung:

Nội dung phương pháp tính ổn định đập bê tông trọng lực bằng kết quả phân tích phát triển vùng phá hoại cục bộ ở mặt cắt sát nền (OĐ-PTCB)

Giới hạn bài toán trong luận văn

Phân tích trường ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong SAP2000

Phần mền SAP2000 tính toán ứng suất trong thân đập

Phân tích ổn định cục bộ tại mặt cắt sát nền

Nhận xét kết quả

G P

B'

2 1

W

B' B

Hinh 2-1 Sơ đồ về phát triển vùng phá hoại cục bộ, (1) vùng phá hoại cục bộ thượng lưu B chiều rộng đáy đập

(2) vùng phá hoại cục bộ hạ lưu B’chiều rộng đáy đập công tác

Cơ sở của phương pháp OĐ-PTCB

Đập bê tông trọng lực làm việc như một kết cấu chịu nén lệch tâm hai chiều Đập chịu tác dụng của các tổ hợp tải trọng, các vùng có ứng suất chính tập trung và phát triển tại chân đập.Tương ứng với giới hạn phá hoại của

vật liệu mà người thiết kế lựa chọn, ở đó có khả năng xuất hiện vùng phá hoại Vùng phá hoại phát triển từ hai phía thượng lưu và hạ lưu tiến gần lại nhau, hiện tượng này

làm cho chiều rộng công tác của đáy đập thu hẹp lại đến một giới hạn nào đó đập bị mất ổn định như hình (2-1)

Như vậy định ra được tiêu chuẩn ổn định dựa trên cơ sở phân tích sự phát triển vùng phá hoại cục bộ.

Tóm tắt nội dung của phương pháp

đến khả năng làm việc của vật liệu trong phạm vi B hoặc

có thể chỉ xét đến khả năng làm việc của vật liệu vùng (1)

và (2) Tuỳ thuộc vào cách ứng xử vật liệu của người thiết kế lựa chọn

Căn cứ vào tiêu chuẩn ổn định như hệ số ổn định cho phép [K] đánh giá được ỏn định của đập

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của

phương pháp OĐ-PTCB

Phương pháp khắc phục được nhược điểm của phương pháp thiết kế mặt cắt đập theo lý thuyết truyền thống và thuận tiện cho việc thiết kế trên máy tính Đặc biệt kết hợp với các thí nghiệm vật liệu, sử dụng các giai đoạn khác nhau của vật liệu có thể tiết kiện vật liệu mang lại hiệu quả kinh tế Đây là một bước phát triển mới về lý luận đập bê tông trọng lực

•Vật liệu nền, thân đập làm việc theo mô hinh đàn hồi tuyếntính

• Nền là đá gốc không có hiện tượng đứt gẫy

•Chỉ xét đến an toàn trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằmngang

Hinh 2-7.Biểu đồ quan hệ B'/B  max /[ ]  [K]

Nhận xét

Căn cứ vào kết quả phân tích ổn định theo phương

pháp phát triển vùng phá hoại cục bộ tại mặt cắt sát nền, ta thấy khi áp lực phía thượng lưu tăng thì vùng ứng suất kéo phía thượng lưu phát triển nhanh vượt

quá khả năng chịu kéo của bê tông, phía hạ lưu xuất hiện ứng suất nén có trị số luôn nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất nén cho phép Chiều rộng làm việc tại

mặt cắt sát nền thu hẹp dần khi K=[K]=1, smax =[s]gh thì

B =26,0 m, ứng với trường hợp này ta có tỷ lệ:

B /B=0,81 và hệ số ổn định tương ứng với mặt cắt thu hẹp K =0,82.

H×nh 2-8: S¬ ho¹ vïng øng suÊt côc bé ph¸t triÓn

Chương iii: xét các nhân tố ảnh hưởng đến

ổn định tại mặt cắt sát nền

Mục đích:

xét ảnh hưởng của áp lực thấm, chiều cao đập đến sự

phát triển vùng ứng suất cục bộ tại chân đập.

Hinh 3-1 Sơ đồ tính toán khi a thay đổi

Mực nước thượng lưu không đổi và bằng chiều cao đập (H = h =40m), hạ lưu không có nước, hệ số áp lực thấm (a) còn lại do tác dụngcủa màng chống thấm thay đổi : a = 0  0,70

điểm xác định ở đáy đập s tăng, từ các giá trị định lượng về

các thành phần ứng suất đã tính được phân tích như 7) có thể đánh giá được ổn định của đập

tăng 27%, bề rộng mặt cắt đập thu hẹp Hệ số an toàn ổn

định trượt giảm 13% Vậy giảm áp lực thấm là biện pháp

công trình cần thiết góp phần tăng ổn định, giảm kích thước mặt cắt

ảnh hưởng của chiều cao đập

Với các trường hợp tính toán cụ thể trên, ta

thấy khi chiều cao đập giảm ứng suất chính

kéo tại chân đập phía thượng lưu tăng, ứng

suất chính nén giảm, vùng ứng suất cục bộ

tăng, nhưng trong các trường hợp đã tính điều kiện ổn định tổng thể tăng Vì vậy khi thiết kế cần chú ý xem xét vấn đề này

øng dông kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho ®Ëp bª t«ng träng

Kết quả tính toán

Tính toán ổn định trượt phẳng khi a=0,5.

Kết quả tính toán ứng suất khi a=0,5.

Căn cứ vào kết quả tính toán(phụ lục 4)trên biên và đáy đập thượng lưu có một số điểm không thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế

14TCN56-88, cần có biện pháp xử lý.

Kết quả tính toán khi áp lực thấm thay đổi.

Nhận xét

Khi tăng áp lực thấm, tại mặt cắt sát nền ứng

suất thay đổi giống như quan hệ

hình(3-4)áhình(3-8), ứng suất chính và ứng suất pháp tăng nhanh phía thượng lưu và giảm phía hạ

lưu, điều này phù hợp với nhận xét(3.2.3).

Các kết quả tính toán theo tổ hợp lực cơ bản

đập Định Bình tại mặt cắt sát nền không xuất

hiện vùng ứng suất kéo Đập đảm bảo điều kiện

ổn định theo tiêu chuẩn thiết kế truyền thống.

hệ giữa hệ số ổn định K và K , chiều rộng công tác

B /B của đáy đập và giá trị ứng suất kéo lớn nhất ở mép biên thượng lưu đập Hình (2-7) là một dẫn chứng về khả năng thực thi của phương pháp

Kết luận và kiến nghị

3 Luận văn cũng đã nghiên cứu một số nhân tố

ảnh hưởng như áp lực thấm, chiều cao đập tới

sự phát triển vùng phá hoại cục bộ tại mặt cắt

sát nền từ đó đánh giá được ảnh hưởng của các nhân tố này tới ổn định đập

4 Một số kết quả của nghiên cứu của luận văn

cũng đã được ứng dụng vào đập Định Bình để

thể hiện đóng góp của luận văn.

5 Kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần làm

sáng tỏ quan điểm mới trong thiết kế đập bê

tông trọng lực.Theo hướng này người thiết kế có thể xây dựng được phương pháp thiết kế mặt cắt

đập trên máy tính, trong đó có sự điều chỉnh giai

đoạn làm việc của đập Vấn đề này xin được tiếp tục nghiên cứu ở các đề tài tiếp theo.

TÍNH ỔN ĐỊNH ĐẬP BTTL

1 Các tiêu chuẩn Mỹ:

Gravity Dam Design

EM 1110-2-2200 Stabilyty Analysis of Concrete

EM-1110-2-2100.

2 Tiêu chuẩn Việt-Nga

14TCN 56-88