Phân tích ứng suất đập bê tông tràn nước dưới tác dụng của áp lực mạch động

Phân tích ứng suất đập bê tông tràn nước dưới tác dụng của áp lực mạch động bằng phần mềm SAP2000.. Đập bê tông tràn nước không phải là một ngoại lệ, dưới tác dụng của áp lực mạch động s

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU

FLV Diện tích lưu vực

Qo Dòng chảy trung bình năm

DMTL

DMHL

ρ Hệ số diện tích hiệu dụng của áp lực đẩy

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU 1

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐỘNG DÒNG CHẢY ĐẬP BÊ TÔNG TRÀN NƯỚC 2

1.1 Tổng quan về đập bê tông tràn nước ở Việt Nam và trên Thế giới 2

1.2 Tổng quan về mạch động, áp lực mạch động của dòng chảy trên đập bê tông tràn nước 2

1.3 Sự ảnh hưởng của áp lực mạch động đến phân bố ứng suất bề mặt đập bê tông tràn nước 4

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn 9

Chương II NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ MẠCH ĐỘNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC MẠCH ĐỘNG ĐẾN ỨNG SUẤT 10

2.1 Cơ sở lý thuyết mạch động, xác định áp lực mạch động: 10

2.1.1 Hiện tượng mạch động 10

2.1.2 Xác định tính toán áp lực mạch động 15

2.2 Lý thuyết về ứng suất, phương pháp tính toán ứng suất: 17

2.2.1 Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn 17

2.2.2 Các phần mềm tính toán, lựa chọn phần mềm tính toán 21

2.2.3 Phân tích ứng suất đập bê tông tràn nước dưới tác dụng của áp lực mạch động bằng phần mềm SAP2000 21

2.3 Kết luận chương 2: 24

Chương III TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRÀN NƯỚC CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 26

3.1 Giới thiệu công trình tràn xả lũ: 26

3.1.1 Lý lịch công trình, cấp công trình 26

Cấp công trình: II 27

3.1.2 Hiện trạng và các thông số kỹ thuật 27

3.2 Tính toán ứng suất đập bê tông tràn nước: 34

3.2.1 Các số liệu đầu vào dùng cho tính toán 34

3.2.2 Tính toán ứng suất đập bê tông tràn nước khi bỏ qua áp lực mạch động 36

3.2.3 Tính toán ứng suất đập bê tông tràn nước có kể đến áp lực mạch động 52

3.3 Kết luận chương 3: 63

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ : 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 67

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi có áp lực mạch

động 5

Hình 1.2: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi có áp lực mạch động 5

Hình 1.3: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 6

Hình 1.4: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 7

Hình 1.5: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 7

Hình 1.6: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 8

Hình 1.7: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 8

Hình 1.8: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp lực mạch động 9

Hình 2.1: Trị số mạch động và trị số bình quân theo thời gian 12

Hình 2.2: Mạch động áp lực có trong dòng chảy rối (Đo trong máng thí nghiệm) a) Vị trí sau nước nhảy, trên trục đáy máng; b) ở phần giữa nước nhảy; c) Trong ống xả của turbin cánh quay 14

Hình 2.3: Trị số tiêu chuẩn mạch động áp suất 16

Hình 2.4: Chọn đơn vị tính toán 21

Hình 2.5: Đường chu vi đập vè nền 22

Hình 2.6: Mô hình mạng lưới phần tử 23

Hình 3.1: Mặt cắt tràn vận hang phương án thiết kế 27

Hình 3.2: Mặt cắt tính toán ứng suất đập tràn Đa M’Bri 34

Hình 3.3: Áp lực nước thượng lưu TH1 37

Hình 3.4: Áp lực thấm TH1 38

Hình 3.5: Áp lực bùn cát TH1 39

40

Hình 3.5a: Áp lực nước tĩnh TH1 40

Hình 3.6: Áp lực nước thượng lưu TH2 41

Hình 3.7: Áp lực nước hạ lưu TH2 42

Hình 3.8: Áp lực thấm TH2 43

Hình 3.9: Áp lực đẩy nổi TH2 44

Hình 3.10: Áp lực bùn cát TH2 45

Hình 3.11: Áp lực nước tĩnh TH2 46

Hình 3.12: Áp lực nước thượng lưu TH3 47

Hình 3.13: Áp lực nước hạ lưu TH3 48

Hình 3.14: Áp lực thấm TH3 49

Hình 3.15: Áp lực đẩy nổi TH3 50

Hình 3.16: Áp lực bùn cát TH3 51

Hình 3.17: Áp lực nước tĩnh TH3 52

53

Hình 3.18: Biểu Đồ Phân Bố Áp Suất Tức Thời Trên Tràn 53

Hình 3.19: Áp lực mạch động tác dụng lên mặt tràn ừng với Q=800 m3/s 54

Hình 3.20: Áp lực mạch động tác dụng lên mặt tràn ừng với Q=1200 m3/s 55

Hình 3.21: Áp lực mạch động tác dụng lên mặt tràn ừng với Q=1612 m3/s 55

Hình 3.22: Áp lực mạch động tác dụng lên mặt tràn ừng với Q=1935.8 m3/s 56

Hình 3.23: Vị trí một số điểm nút đại diện trên tràn 56

Hình 3.24: Biểu đồ phân bố ứng suất S11 trên mặt tràn TH1, TH1A, TH1B 57

Hình 3.25: Biểu đồ phân bố ứng suất S11 trên mặt tràn TH2,TH2A 57

Hình 3.26: Biểu đồ phân bố ứng suất S11 trên mặt tràn TH3,TH3A 58

Hình 3.27: Biểu đồ phân bố ứng suất S22 trên mặt tràn TH1,TH1A,TH1B 59

Hình 3.28: Biểu đồ phân bố ứng suất S22 trên mặt tràn TH2,TH2A 59

Hình 3.29: Biểu đồ phân bố ứng suất S22 trên mặt tràn TH3,TH3A 60

Hình 3.30: Biểu đồ phân bố ứng suất S12 trên mặt tràn TH1,TH1A,TH1B 61

Hình 3.31: Biểu đồ phân bố ứng suất S12 trên mặt tràn TH2,TH2A 61

Hình 3.32: Biểu đồ phân bố ứng suất S12 trên mặt tràn TH3,TH3A 62

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

bảng 3.1: bảng thông số chính của công trình ®a m'bri 29

BẢNG 3.2: CÁC SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 35

Bảng 3.3: Kết Quả Thí Nghiệm Áp Suất Trên Mặt Tràn, Dọc Tim Tràn 53

Bảng 3.4: Sự thay đổi ứng suất S11 khi có xét tới Áp lực mạch động 58

Bảng 3.5: Sự thay đổi ứng suất S22 khi có xét tới Áp lực mạch động 60

Bảng 3.6: Sự thay đổi ứng suất S12 khi có xét tới Áp lực mạch động 62

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐỘNG DÒNG CHẢY

ĐẬP BÊ TÔNG TRÀN NƯỚC 1.1 Tổng quan về đập bê tông tràn nước ở Việt Nam và trên Thế giới

Hiện nay trên thế giới đập bê tông được sử dụng rất phổ biến trên thế giới, những nước có nhiều thành tựu lớn như là Mỹ, Nhật, Trung Quốc… Đập bê tông tràn nước bắt đầu được sử dụng vào cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX, trong những ngày đầu do trình độ khoa học còn hạn chế đồng thời chưa lường hết được những ảnh hưởng của ứng suất trong đập bê tông khối lớn nên hình thức đập này chưa được dùng nhiều Tuy nhiên, vài thập kỷ sau đó với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ thì đập bê tông tràn nước đã bắt đầu phát triển mạnh và rất được ưa chuộng trên Thế giới và Việt Nam

1.2 Tổng quan về mạch động, áp lực mạch động của dòng chảy trên đập bê tông tràn nước

Trong những năm vừa qua, nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn đã được xây

dựng Các công trình này thường có cột nước lớn, có lưu tốc dòng chảy lớn trên mặt tràn, lưu tốc vùng mũi phun Nhiều đập tràn đạt đến lưu tốc từ 25m/s đến 35m/s, như: Tràn Bản Vẽ, Sê San 3A, Sê San 4, Sông Tranh 2, Bản Chát, Kanak, Cửa Đạt, Định Bình …

Dòng chảy trên đập bê tông tràn nước có lưu tốc cao không chỉ gây ra hiện tượng khí thực mà còn gây ra hiện tượng mạch động lưu tốc Khi mạch động lưu tốc

đủ lớn gây rung động với công trình, ảnh hưởng đến phân bố ứng suất đập tràn, đặc

biệt là ứng suất lớp biên mặt tràn

Mạch động áp suất của dòng chảy rối có quan hệ với sự rung động, xâm thực, tiêu năng, xói lở, bong tróc bề mặt, phân bố ứng suất của công trình thủy công Hiện tượng mạch động của dòng chảy có lưu tốc cao sinh ra tải trọng động của nước trên đỉnh nhà máy thủy điện ngầm sau đập, tải trọng động đối với cửa van có cột nước cao, tải trọng động của nước tác dụng trên bản đáy của bể tiêu năng, tải trọng động

của dòng chảy đối với tường hướng dòng, tải trọng động đối với tường bên của dốc

nước… Các vấn đề nêu trên đều liên quan đến tính ổn định và rung động của kết

cấu công trình thủy công

Đối với bê tông khối lớn, việc tính toán và dự đoán được trước ứng suất là

một vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là ứng suất kéo Đập bê tông tràn nước không

phải là một ngoại lệ, dưới tác dụng của áp lực mạch động sẽ làm phát sinh ứng suất kéo trên bề mặt đập tràn nước nếu hình dáng thiết kế không tốt hoặc là lớp bề mặt không tính toán cũng như thi công tốt sẽ gây ra rung động phát sinh tiếng ồn, bong tróc, xâm thực ăn mòn các loại vật liệu bảo vệ bề mặt công trình, phá hoại kết cấu

bê tông ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và khả năng làm việc của công trình

Trong nghiên cứu kết cấu dòng rối theo phương pháp Reynol, đem lưu tốc

một điểm bất kỳ của dòng chảy phân thành ba thành phần: U, V, W; áp lực p dùng các tham số vật lý khác có liên quan diễn tả thành “Trị số bình quân theo thời gian”

và “trị số mạch động” tức là: '

U = +U U ; '

V = +V V ϖ ϖ ϖ= + '; '

P= +P P (1.1) Thông số “Trị số mạch động” là chỉ lượng sóng dao động trên dưới trị số bình quân theo thời gian Nó đặc trưng cho quá trình động thái của dòng chảy chuyển động; trong đó trị số U V, , ,ϖ Pchỉ trị số bình quân thống kê theo thời gian (tức là kỳ vọng

số học), dùng ký hiệu E[U, V, w, p ] để diễn tả các trạng thái của quá trình diễn ra

b) V ề mạch động áp suất

Nghiên cứu mạch động áp suất của dòng chảy rối trong phòng thí nghiệm là

một vấn đề quan trọng trong thủy lực công trình Bởi lẽ tác dụng trên biên của công trình thủy công; mạch động áp suất của dòng chảy rối có quan hệ với sự rung động, xâm thực, tiêu năng, xói lở của công trình thủy công Các vấn đề này bao gồm các

mặt:

+ Liên quan đến tải trọng của dòng chảy ở biên công trình; trong công trình thực tế thường gặp các vấn đề dưới đây:

Dưới tác dụng của dòng chảy có lưu tốc cao, tải trọng động của nước lên bề

mặt đập bê tông tràn nước, tải trọng động đối với cửa van có cột nước cao, tải trọng động của nước tác dụng trên bản đáy của bể tiêu năng, tải trọng động của dòng chảy đối với tường hướng dòng, tải trọng động đối với tường bên của dốc nước… Các

vấn đề nêu trên đều liên quan đến tính ổn định và rung động của kết cấu công trình

thủy công

+ Tiếng ồn của dòng chảy rối và khí hoá (giảm áp) ở thời điểm tức thời trong dòng

chảy: Khi biên cứng tồn tại áp suất âm bình quân theo thời gian, do mạch động áp

suất mà xuất hiện khí hoá tức thời của dòng chảy và trong nội bộ dòng chảy của khu phân ly do mạch động áp suất tạo ra Khi xác định số khí hoá sơ sinh thường tính đến trị số mạch động áp suất Vấn đề ngược lại là do khí hoá của dòng chảy gây ra

ta thường bỏ qua ảnh hưởng của mạch động tới công trình

Hình 1.1: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi có áp lực

mạch động

Hình 1.2 : Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi có áp lực mạch

động

Hình 1.3 : Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Hình 1.4: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Hình 1.5: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Hình 1.6: Phân Bố ứng suất σ1 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Hình 1.7: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Hình 1.8: Phân Bố ứng suất σ3 đập tràn thủy điện Trung Sơn khi không có áp

lực mạch động

Các hình ảnh ở trên là biểu đồ phân bố ứng suất của một số công trình thủy điện

đã thi công ở Việt Nam Ta có thể thấy được rằng, khi không có áp lực mạch động, trên bề mặt đập chỉ xuất hiện ứng suất âm Còn trường hợp có kể đến áp lực mạch động thì trên bề mặt đập tràn xuất hiện ứng suất dương Và việc xuất hiện ứng suất này sẽ gây ra các hiện tượng bất lợi với kết cấu của vật liệu đó là: hiện tượng rung động, phát sinh tiếng ồn; hiện tượng xâm thực ăn mòn các loại vật liệu bảo vệ bề mặt công trình; hiện tượng xâm thực phá hoại kết cấu bê tông; và làm giảm tuổi thọ của công trình

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn

- Nghiên cứu các lý thuyết về hiện tượng mạch động dòng chảy có lưu tốc

lớn trên đập bê tông tràn nước

- Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực mạch động dòng chảy có lưu tốc lớn đến phân bố ứng suất đập bê tông tràn nước

- Nghiên cứu lý thuyết phần tử hữu hạn và các phần mềm tính toán ứng suất

- Ứng dụng phầm mềm tính toán Sap2000 vào tính toán ứng suất đập bê tông tràn nước khi có xét tới áp lực mạch động và khi không xét tới áp lực mạch động

Tù đó đưa ra đánh giá về sự phân bố ứng suất trên đập trong hai trường hợp này

Chương II NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ MẠCH ĐỘNG VÀ

ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC MẠCH ĐỘNG ĐẾN ỨNG SUẤT

+ U P, là chị số trung bình thời gian của U,P

+ U’,P’ là mạch động của lưu tốc áp suất

Trị số U’,P’ có thể dương, âm hoặc bằng không

- Về mạch động lưu tốc:

Dòng chảy trong công trình thủy lợi, thủy điện thường là dòng rối ; đặc biệt các công trình có dòng lưu tốc cao thì độ rồi càng lớn Chính kết cấu độ rối này khống chế chuyển động theo thời gian của dòng chảy, quy luật sức cản và đặc tính động lực có ý nghĩa thức tế đối với công trình như tiêu năng, trộn khí (hàm khí), khí thực, rung động…

Trong nghiên cứu kết cấu dòng rối theo phương pháp Reynol, đem lưu tốc một điểm bất kỳ của dòng chảy phân thành ba thành phần: U, V, W; áp lực p dùng các tham số vật lý khác có liên quan diễn tả thành “Trị số bình quân theo thời gian” và

“trị số mạch động” tức là:

''''

số học), dùng ký hiệu E[U, V, w, p ] để diễn tả các trạng thái của quá trình diễn ra, đối với thống kê bình quân theo thời gian thay cho bình quân của tập hợp

T tdO O

T

ϖ

= = ∫ (2.2)

Hình 2.1 : Trị số mạch động và trị số bình quân theo thời gian

- Về mạch động áp suất

Trên biên của công trình thủy công; mạch động áp suất của dòng chảy rối có quan hệ với sự rung động, xâm thực, tiêu năng, xói lở của công trình thủy công Các

vấn đề này bao gồm các mặt:

+ Liên quan đến tải trọng của dòng chảy ở biên công trình; trong công trình

thực tế thường gặp các vấn đề dưới đây:

Dưới tác dụng của dòng chảy có lưu tốc cao, tải trọng động của nước trên đỉnh nhà máy thủy điện ngầm sau đập, tải trọng động đối với cửa van có cột nước cao, tải trọng động của nước tác dụng trên bản đáy của bể tiêu năng, tải trọng động

của dòng chảy đối với tường hướng dòng, tải trọng động đối với tường bên của dốc nước…, Các vấn đề nêu trên đều liên quan đến tính ổn định và rung động của kết

cấu công trình thủy công

+ Tiếng ồn của dòng chảy rối và khí hoá (giảm áp) ở thời điểm tức thời trong dòng chảy:

Khi biên cứng tồn tại áp suất âm bình quân theo thời gian, do mạch động áp

suất mà xuất hiện khí hoá tức thời của dòng chảy và trong nội bộ dòng chảy của khu phân ly do mạch động áp suất tạo ra Khi xác định số khí hoá sơ sinh thường tính

đến trị số mạch động áp suất Vấn đề ngược lại là do khí hoá của dòng chảy gây ra

tiếng ồn

b) Nguyên nhân

Sự hình thành của mạch động có liên quan đến các biên của dòng chảy: sự thay đổi mực nước thượng hạ lưu, tác động của sóng, gió trong hồ chứa, ảnh hưởng của

độ nhám lòng dẫn … có rất nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến dòng chảy trên đập

bê tông tràn nước Sự tổ hợp của các yếu tố này có tính ngẫu nhiên Kết quả là các thông số dòng chảy cũng sẽ biến đổi một cách ngẫu nhiên Tuy vậy sự biến đổi đó vẫn tuân theo những quy luật nhất định mà việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã dần làm sáng tỏ chúng

c) Ảnh hưởng

Mạch động ảnh hưởng đến dòng chảy và công trình trên nhiều mặt Các ảnh hưởng quan trọng nhất là:

- Thay đổi tải trọng lên bề mặt công trình

Theo thời gian của áp suất lên công trình, thành lòng dẫn cũng chịu sự thay đổi của áp suất kiểu tương tự, kết quả là áp lực lên bề mặt công trình luôn luôn thay đổi Điều này có ảnh hưởng đến ổn định và độ bền của kết cấu

Khi đáy lòng dẫn (dốc nước, bể tiêu năng, sân sau) là các tấm làm việc độc lập thì sự hạ thấp đột ngột áp lực thủy động lên đó có thể làm cho tấm bị mất ổn định

do đẩy nổi Ngược lại khi áp lực đột ngột gia tăng, có thể làm cho tấm bị nứt vỡ do ứng suất kéo tại một số điểm vượt quá giới hạn của vật liệu

Khi thành lòng dẫn là các điểm làm việc độc lập ( không nối liền với bản đáy) thì sự hạ thấp đột ngột áp lực thủy động lên tường có thể làm cho nó bị mất cân bằng và bị đẩy trượt về phía trước; ứng suất trong tường cũng có những thay đổi theo hướng bất lợi

Đối với các ống có áp, sự thay đổi áp lực nước nên thành ống theo cả hai hướng

dù tăng hay giảm đều gây bất lợi, áp lực nước tăng sẽ làm tăng ứng suất kéo trong

thành ống; áp lực giảm có thể sinh ra chân không gây bẹp ống……

Hình 2.2 : Mạch động áp lực có trong dòng chảy rối (Đo trong máng thí

nghiệm) a) Vị trí sau nước nhảy, trên trục đáy máng; b) ở phần giữa nước nhảy; c)

Trong ống xả của turbin cánh quay

- Gây rung động

Sự thay đổi tải trọng sẽ dẫn đến hệ quả là dây rung động công trình Sự rung động mạnh có thể dễ dàng nhận ra ở các kết cấu mảnh Và nếu kết cấu có tần số giao động tự do xấp xỉ bằng tần số giao động cưỡng bức do mạch động gây ra thì có thể phát sinh cộng hưởng làm đổ vỡ công trình

Rung động mạnh cũng làm ảnh hưởng đến độ bền của các khớp nối Điều này cần lưu ý với công trình dưới đất như đường hầm, cống ngầm

- Làm thay đổi mực nước

Sự gia tăng mực nước trong lòng dẫn có thể dẫn đến tràn bờ các công trình tháo nước kiểu hở, ảnh hưởng đến an toàn công trình

- Ảnh hưởng đến sự khí hóa dòng chảy

Tại các điểm mà mạch động áp suất có “đỉnh âm” thì có thể sinh ra chân không, làm cho dòng chảy bị khí hóa , có thể dẫn đến khí thực làm hư hỏng thành lòng dẫn

- Ảnh hưởng đến xói lòng dẫn

Khi gặp các “đỉnh dương” của mạch động lưu tốc trị số lưu tốc tức thời của

dòng chảy có thể vượt quá lưu tốc khởi động của vật liệu đáy và mái lòng dẫn Hiện tượng xói hạ lưu xảy ra phổ biến ở các đường tràn, cống tưới, tiêu đầu mối và trên

hệ thống

Đối với các ống có áp, sự thay đổi áp lực nước nên thành ống theo cả hai hướng

dù tăng hay giảm đều gây bất lợi, áp lực nước tăng sẽ làm tăng ứng suất kéo trong thành ống; áp lực giảm có thể sinh ra chân không gây bẹp ống……

Tính toán thông thường lấy: A=3σ,

Hình 2.3 : Trị số tiêu chuẩn mạch động áp suất a) Ở đáy long dẫn có nước nhảy hoàn chỉnh: x- khoảng cách từ mặt cắt đo đến

vị trí đầu nước nhảy; L n : Chiều dài nước nhảy; ρ: khối lượng riêng của nước;

u : Lưu tốc trung bình mặt cắt đầu nước nhảy; b) Áp suất bình quân p(o)khi van mở a=0,8h (1) và tiêu chuẩn mạch động áp suất σp trên trần cống xả, khi

độ mở a/h=0,8 (2); 0,5 (3) và 0,2 (4); p n áp suất trước cửa van

Trong đó: + A là biên độ mạch động

+ σ là tiêu chuẩn mạch động

Trong những trường hợp yêu cầu độ an toàn cao hơn, có thể lấy : A=4σ,

Các cực trị đại lượng X đang xét là:

max,min x

Trong đó: X - Giá trị trung bình thời gian của X

A x- Biên độ mạch động của đại lượng X

Tần số mạch động có ý nghĩa lớn khi xét rung động của công trình Chẳng hạn dòng chảy qua đập tràn có tần số mạch động trung bình f=(200-300)Hz, cao hơn nhiều so với tần số dao động riêng của đập nên không thể gây ra cộng hưởng

2.2 Lý thuyết về ứng suất, phương pháp tính toán ứng suất:

2.2.1 Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn

a) Lịch sử

Phương pháp phần tử hữu hạn được bắt nguồn từ những yêu cầu giải các bài toán phức tạp về lý thuyết đàn hồi, phân tích kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật hàng không Nó được bắt đầu phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941)

và Richard Courant (1942) Mặc dù hướng tiếp cận của những người đi tiên phong

là khác nhau nhưng họ đều có một quan điểm chung, đó là chia những miền liên tục thành những miền con rời rạc Hrennikoff rời rạc những miền liên tục bằng cách sử dụng lưới tương tự, trong khi Courant chia những miền liên tục thành những miền

có hình tam giác cho cách giải thứ hai của phương trình vi phân từng phần elliptic, xuất hiện từ các bài toán về xoắn của phần tử thanh hình trụ Sự đóng góp của Courant là phát triển, thu hút một số người nhanh chóng đưa ra kết quả cho PPVPTP elliptic được phát triển bởi Rayleigh, Ritz, và Galerkin Sự phát triển chính thức của PPPTHH được bắt đầu vào nửa sau những năm 1950 trong việc phân tích kết cấu khung máy bay và công trình xây dựng, và đã thu được nhiều kết quả ở Berkeley (xem Early Finite Element Research at Berkeley) trong những năm 1960

trong ngành xây dựng Phương pháp này được cung cấp nền tảng toán học chặt chẽ vào năm 1973 với việc xuất bản cuốn Strang và tổng kết trong An Analysis of The Finite element Method và kể từ đó PPPTHH được tổng quát hóa thành một ngành của toán ứng dụng, một mô hình số học cho các hệ thống tự nhiên, được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật, ví dụ như điện từ học và động lực học chất lỏng

Sự phát triển của PPPTHH trong cơ học kết cấu đặt cơ sở cho nguyên lý năng lượng, ví dụ như: nguyên lý công khả dĩ, PPPTHH cung cấp một cơ sở tổng quát mang tính trực quan theo quy luật tự nhiên, đó là một yêu cầu lớn đối với những kỹ

sư kết cấu

b) Ứng dụng

Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể

Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn cũng được dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, như trong vật lý plasma, các bài toán về truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trường điện từ

c) Phương Pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô

tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề vềtrạng

thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, vân vân

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi

là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự

do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của máy tính điện tử đã làm thay đổi sâu sắc cách xem xét và sử dụng các phương pháp tính toán kết cấu Với công cụ máy tính điện tử người ta có thể chọn các thuật toán tổng quát, soạn thảo các chương trình mang tính tự động hóa cao, áp dụng cho một lớp các bài toán có chung tính chất chủ yếu Một trong những phương pháp số sử dụng máy tính điện tử trong tính toán kết cấu hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn Trong phương pháp phần tử hữu hạn, vật thể liên tục được thay thế bằng một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng hữu hạn Chúng được nối với nhau

ở một số điểm quy định gọi là nút Các phần tử này vẫn giữ nguyên vật thể liên tục trong phạm vi mỗi nút nhưng do có hình dạng đơn giản và kích thước bé nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở quy luật về sự phân bố chuyển vị và nội lực Các đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được xác định và mô tả dưới dạng các ma trận độ cứng của phần tử Các ma trận này dùng để ghép các phần lại thành một mô hình rời rạc hóa của kết cấu thực dưới dạng ma trận cứng của cả kết cấu Các tác động ngoài gây ra nội lực và chuyển vị của kết cấu được quy về các ứng lực tại các nút và được mô tả trong ma trận tải trọng nút Các ẩn số cần tìm là các chuyển vị (hoặc nội lực) tại các nút được xác định trong ma trận chuyển vị nút (hoặc ma trận nội lực nút) Các ma trận độ cứng, ma trận tải trọng và ma trận chuyển vị nút được liên kết với nhau trong phương trình cân bằng theo quy luật tuyến tính hay phi tuyến tùy theo ứng xử của kết cấu và các tác động lên kết cấu Như vậy, thuật toán phần tử hữu hạn được dựa trên sự nghiên cứu và xác lập các ma trận cơ bản cùng với quy luật liên hệ giữa các ma trận để phản ánh gần đúng các ứng xử thực tế của kết cấu và các tác động lên kết cấu Hệ phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn có dạng như sau:

[K ] {D =} { F} (2.5) Trong đó: - [K]: là ma trận độ cứng của toàn kết cấu

- {D}: véc tơ chuyển vị nút của toàn kết cấu

- {F}: véc tơ ngoại lực nút

Đây là phương trình cân bằng lực tại toàn bộ các nút của hệ Sau khi xét điều kiện biên (nút có chuyển vị hoặc không chuyển vị đã biết trước) thì hệ này hoàn toàn có thể giải được Kết quả giải hệ phương trình trên cho ta chuyển vị của toàn kết cấu ở hệ tọa độ chung, từ đó sẽ tìm ra chuyển vị nút của mỗi phần tử trong hệ tọa độ riêng của phần tử, sau đó sẽ xác định được nội lực, ứng suất, biến dạng của điểm bất kỳ trong phần tử

Khi có xét tới áp lực mạch động, hệ phương trình có bản sẽ có dạng như sau:

[K ] {D} = { F}+ { }t

d

F (2.6)

{ }F d t = f u( )i i t=1,n (2.7)

Trong đó: - Ui là lưu tốc tại chất điểm thứ i

- F d là áp lực mạch động

2.2.2 Các phần mềm tính toán, lựa chọn phần mềm tính toán

Hiện nay việc sử dụng các phần mềm trên máy vi tính để giải các bài toán kết cấu rất phổ biến Có rất nhiều phần mềm có thể giải quyết bài toán kết cấu đặt ra ở trên như ANSYS, Sap 2000, Abaqus, ADINA… Trong khuôn khổ luận văn này tác giả chọn phần mềm Sap2000 v12 để tính toán ứng suất của đập bê tông tràn nước Các bước giải bài toán bằng phần mềm Sap 2000 V12

+ Chạy và lấy kết quả

2.2.3 Phân tích ứng suất đập bê tông tràn nước dưới tác dụng của áp lực mạch động bằng phần mềm SAP2000

- Chọn hệ đơn vị

Hình 2.4: Chọn đơn vị tính toán

Ở đây tác giả chọn đơn vị là kN,m,C

- Xây dựng mô hình tính toán

- Tạo đường chu vi đập trong mặt phẳng XZ bằng phần mềm excel: Nút j của phần tử Line ở phía trước là nút I của phần tử Line ở phía sau Sau khi có được các điểm tọa độ trên Excel, tiến hành coppy sang Sap2000 như sau:

Bôi đen phần tọa độ trong Excel rồi tiến hang coppy> Mở phần mềm Sap2000

> Edit> New Model> Xuất hiện bẳng New Model > Chọn Blank > View > Set 2D View> chọn XZ Plane > OK > Edit > Paste > OK Ta có đường chu vi đập

và nền

Hình 2.5 : Đường chu vi đập vè nền

- Vẽ mặt cắt ngang đập: Draw poly Area> nhấn chuột vào lần lượt các nút 1,2,3,4,….sau khi nhấn đến nút cuối cùng, ta nhấn đúp chuột hoặc nhấn Enter khi đó ta có diện tích mặt cắt ngang đập và nền:

- Chia mạng lưới phần tử: Sử dụng cách chia tự do như sau : Select > Select > All > Edit > Divide Area > Chọn kích thước lớn nhất của đối tượng chia >

OK

Hình 2.6: Mô hình mạng lưới phần tử

- Định nghĩa vật liệu: Define > Materials > Define Materials > Add New Materials > Materials Property Data > Nhập trọng lượng riếng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson của đập và nền > OK > Add New Materials

- Định nghĩa phần tử diện tích: Define > Section Properties > Area Sections > chọn Sell trong Select Section Type to Add > Add New Section > Sell Section Data > Nhập Section Name> Nhập Membrane=…, Bending=… > OK

- Gán phần tử diện tích vào mô hình: Chọn các phần tử đập > Assign > Area > Section > chọn Area section cần gán > ok

- Định nghĩa tải trọng: Define > Load Patterns > Xuất hiện bảng Define Load Patterns > Nhập tên tải ở cột 1 > chọn Live ở cột 2 > Add New Load Patterns > OK

- Định nghĩa tên tải trọng nút: Define > Joint Patterns > Define Patterns Name > Nhập tên tải trọng nút ở cột 1 > Add New Patterns Name > OK

- Gán các lực lên đập: Nếu là lực phân bố không đều thì quá trính gán lực phải làm theo 2 bước:

+ Gán lực vào nút: Chọn phần tử cần gán lực là các nút và các mặt > Assign > Joint Patterns > Pattern Data

+ Chuyển lực từ nút vào mặt chịu lực: Nhấn chuột vào nút PS để chọn lại các đối tượng vừa chọn > Assign > Area Load > Surface Pressure

- Tổ hợp tải trọng: Define > Load Combination > Define Load Combination > Add New Combination > Xuất hiện bảng Load Load Combination Data > Nhập tên cho

tổ hợp tại trọng và Add các tải thành phần tương ứng > OK

- Gán liên kết vào nền đập: Chọn các nút ở hai cạnh đứng của nền đập rồi gán ràng buộc chuyển vị ngang ( Phương 1), chọn các nút ở cạnh đáy nền rồi gán ràng buộc theo phương 2, hai nút ở hai đầu gán ràng buộc chuyển vị theo cả hai phương 1 và 2

- Lưu số liệu: File > Save > File Name> nhập tên cho File cần lưu > OK

- Chạy trương trình: Analyze > Set Analyze Optiun > XZ plane > OK > Analyze > Set Not Case to Run > Run Now > Analysis Complite > OK

- Khai thác kết quả tính toán

2.3 Kết luận chương 2:

- Bài toán phân tích áp lực mạch động là một trong những bài toán thủy lực phức tạp Khi giải bài toán ứng suất cần phân tích kỹ đặc điểm, tính chất của môi trường, trạng thái vận động của dòng chảy để lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, đảm bảo độ tin cậy Hiện nay, phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử dụng rộng rãi, là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu, cho lời giải rất chính xác đối với các bài toán kỹ thuật khác nhau, với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành thông dụng và là một công cụ mạnh để giải các loại bài toán về phân tích ứng suất

- Đối với công trình đập bê tông tràn nước, trong số các nguyên nhân gây bong tróc, rung động công trình, ảnh hưởng của áp lực mạch động là một trong những yếu tố quan trọng Biết được điều đó, tiến hành tính toán để đưa ra được các giải pháp xử

lý tối ưu nhất, nhằm giảm thiểu tới mức thấp nhất các tác động tiêu cưu Góp phần nâng cao khả năng làm việc an toàn và tuổi thọ của công trình

+ Có rất nhiều các phương pháp để phân tích nội lực đập bê tông tràn nước Nhưng ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cũng như lỹ thuyết tính toán, phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng rộng rãi Phương pháp này tương đối

dễ làm, cho kết quả tính toán nhanh và chính xác Giúp nâng cao năng suất trong công việc Qua việc tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tác giả đã chọn

sử dụng phần mềm Sap 2000 v12 để phân tích ứng suất đập bê tông tràn nước

Chương III TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRÀN NƯỚC

Vị trí đập có tọa độ 11º34’55’’ độ vĩ Bắc và 107º39’45’’ độ Kinh Đông, cách hợp lưu với suối ĐaBr’Len về phía hạ lưu khoảng 1400m Nhà máy thủy điện nằm

ở dưới chân thác Kiểng có tọa độ 11º31’38’’ độ vĩ Bắc và 107º38’48’’ độ Kinh Đông với công suất 75MW và điện lượng bình quân là 338,2 triệu KWh Vị trí công trình cách thị xã Bảo Lộc hơn 20km về phía Tây Đuôi hồ Đa M’Bri cách thác du lịch Đa M’Bri khoảng 8 km về phía thượng lưu Suối Đa M’Bri là một trong hai nhánh chính của sông Đa-Hu oai, một phụ lưu trái của sông Đồng Nai

Đầu mối công trình gồm:

+ Đập tràn xả lũ vận hành có chiều dài là 33,0 m; gồm 3 khoang tràn, mỗi khoang rộng 9,0 m, đỉnh ngưỡng tràn ở cao trình 604,0 m; hình thức tiêu năng theo dạng dòng phun Mũi hất bố trí ở cao trình 580,0 m; bán kính cong ngược R=14,0 m; góc ở tâm là 75º Điều tiết dòng chảy bằng cửa van cung

+ Đập không tràn ở hai bên đoạn đập tràn, dạng hình thang, bằng bê tông; cao trình đỉnh đập không tràn là 616,0 m; chiều cao đập lớn nhất là 55,0 m; chiều dài đỉnh đập là 216,0 m; chiều rộng đỉnh đập là 6,50m; mái đập thượng lưu thẳng đứng, mái đập hạ lưu m= 0,80

+ Đập phụ: Đập đất cao trình đỉnh đập 616,0 m; cao trình đỉnh tường chắn sóng 616,80 m; chiều cao đập lớn nhất 38,30 m; chiều dài đỉnh đập là 326,10 m; bề rộng đỉnh đập là 10,0 m; mái thượng lưu 3,25/3,50/3,75; mái hạ lưu 3,0/3,25 Cao trình đỉnh đống đá tiêu nước 590.0

Hành lang kiểm tra và tiêu nước (2.5x2.5m)

BTCT M25

200300 585.50

IV-2 IV-8

250 250 125

Hành lang khoan phun + thoát nước (3x3m)

φ105, a = 1.5 m Khoan phun chống thấm

φ32 Thép néo 561.00

3925 50325

6989

562.00

580.00 576.30

616.00

579.00

604.00 596.05

548.05

200 1385

720 200 520

189

603.42

603.88

2130 325

325 1145 480 365

609.00 400

613.00 610.00

R14 00

- Cung cấp điện năng lên lưới điện quốc gia vào năm 2010

- Mùa kiệt công trình còn bổ sung nguồn nước tưới cho hạ lưu và tham gia

điều tiết nguồn nước làm tăng thêm sản lượng điện cho thủy điện Đồng Nai 8 và Trị

An

- Tạo điều kiện phát triển kinh tế-xã hội cho địa phương, phát triển du lịch trong khu vực

b) Cỏc thụng số kỹ thuật của cụng trỡnh

- Cụng trỡnh thủy điện Đa M’Bri cú cỏc thụng số chớnh sau:

+ Hồ chứa: cú mực nước dõng bỡnh thường 614,0 m;

Lưu lượng lớn nhất qua nhà mỏy: 22,70 m3/s

Đường kính trong bể trên: 12,0 m

5 Dòng chảy trung bình năm Qo m3/s 11,64

7 Tổng lượng dòng chảy năm Wo 106m3 367,04

Cột nước lớn nhất Hmax m 419,4

Cột nước nhỏ nhất Hmin m 380,4 Cột nước tính toán Htt m 385,0

1 Công suất đảm bảo Nđb MW 17,1

2 Công suất lắp máy NLM MW 75,0

3 Điện lượng trung bình nhiều năm Eo 106kWh 338,2

4 Cửa lấy nước

5 Đường hầm dẫn nước Loại có áp

6 Tháp điều áp: kiểu bể trên

Kích thước nhà máy dàixrộngxsâuxcao m 40x28,3x26,1x15,7

máy

STT Thông s ố Đơn vị Tr ị số

Chi phí đền bù, di dân, tái định cư và môi trường 109đ 67,639

Chi phí giao thông ngoài công trường 109đ 27,500

TB lãi suất 8%, vay quỹ HTPT cho TĐC và sản xuất TB trong nước lãi suất 7,8%, còn lại vốn vay ngân hàng trong nước với lãi suất 12%/năm Giá bán điện 4,3

3.2 Tính toán ứng suất đập bê tông tràn nước:

3.2.1 Các số liệu đầu vào dùng cho tính toán

Hình 3.2 : Mặt cắt tính toán ứng suất đập tràn Đa M’Bri

b) Các số liệu đầu vào