Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ THANH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TƠNG ĐẦM LĂN TRONG Q TRÌNH VẬN HÀNH Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 9.58.02.02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy Lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Vũ Thanh Te Phản biện 1: PGS.TS Vũ Hữu Hải Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Tương Lai Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 30 phút ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện tượng nứt đập bê tông dường phổ biến đập xây dựng Vết nứt tồn sẵn có thân đập ảnh hưởng lớn đến tính an tồn, tính thực dụng tính bền đập bê tơng Nếu vết nứt phát triển mạnh dẫn đến phá hoại cơng trình Vì vậy, nhà kỹ thuật thường xem diện vết nứt dấu hiệu ban đầu nguy hiểm an toàn kết cấu đập Nhận biết xác nguyên nhân gây nứt chế, điều kiện phát triển vết nứt bê tông, mô hợp lý vết nứt tồn thân đập trình vận hành đập có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc đánh giá điều kiện an toàn làm việc kết cấu đập q trình vận hành Do đó, đề tài “Nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả chịu tải đập trọng lực bê tơng đầm lăn q trình vận hành” vấn đề mang tính thời có ý nghĩa khoa học, thực tiễn góp phần đánh giá khả chịu lực đập trọng lực BTĐL giai đoạn vận hành tác dụng tải trọng tĩnh tải trọng động Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả chịu tải đập trọng lực bê tông đầm lăn giai đoạn vận hành tồn không tồn vết nứt ban đầu tác dụng tải trọng tĩnh động Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Các đập trọng lực BTĐL đã, xây dựng Việt Nam 3.2 Phạm vi nghiên cứu Sự hình thành phát triển vết nứt thân đập trọng lực BTĐL lực trình vận hành gây Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận Luận án tiếp cận lý thuyết thực tiễn để nghiên cứu, phân tích giải mục tiêu đặt 4.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết: Trên sở phân tích lý thuyết tính học BTĐL, mơ hình tiêu chuẩn phá hoại vật liệu BTĐL cơng trình phương pháp tính tốn PTHH tự thích ứng xây dựng Modul tính tốn ngơn ngữ lập trình tham số APDL môi trường phần mềm ANSYS để nghiên cứu giải tốn hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL đạt độ xác yêu cầu Phương pháp mơ hình tốn: Sử dụng mơ hình tốn để mô đánh giá xu mức độ ảnh hưởng vết nứt tới độ bền đập trọng lực bê tông đầm lăn chịu tác dụng lực q trình vận hành thơng qua giả thiết kịch đầu vào Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Đã nghiên cứu xây dựng phần mềm tính nứt kết cấu đập BTĐL ngơn ngữ lập trình tham số APDL tảng phần mềm ANSYS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng Phần mềm tính tốn kiểm chứng thơng qua nghiên cứu có Trên sở phần mềm tính tốn kiểm chứng tính tốn ảnh hưởng vài dạng vết nứt tồn thân đập độ bền đập BTĐL nói riêng đập BTTL nói chung 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu cung cấp giải pháp tính toán ứng suất, biến dạng nứt đập BTTL phần mềm ANSYS dựa ngôn ngữ lập trình tham số APDL sử dụng phương pháp phần tử tự thích ứng Luận án khẳng định lại lần khả đảm bảo an tồn cơng trình đập thủy điện Sơn La tồn vết nứt ban đầu chưa sử lý trình vận hành Cấu trúc Luận án Ngoài phần Mở đầu, phần kết luận kiến nghị, luận án trình bầy Chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan nứt đập BTĐL vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng nứt tới khả chịu tải đập BTĐL Chương 4: Nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL Sơn La CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NỨT ĐẬP BTĐL VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát BTĐL 1.1.1 Giới thiệu công nghệ BTĐL Bê tông đầm lăn (BTĐL) loại bê tông sử dụng nguyên vật liệu tương tự bê tông thường Khác với bê tông thường BTĐL làm chặt thiết bị rung lèn từ mặt ngồi (lu rung) Cơng nghệ thích hợp cho cơng trình bê tơng khối lớn, hình dáng khơng phức tạp đập trọng lực, mặt đường, sân bãi… Việc đầm lèn bê tông lu rung cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông khơ, chất kết dính so với bê tơng thường nhờ góp phần giảm thiểu tác động xấu nhiệt sinh q trình thủy hóa xi măng góp phần đầy nhanh tiến độ thi cơng tiết kiệm chi phí so với dùng công nghệ đổ bê tông truyền thống 1.1.2 Đặc điểm BTĐL 1.1.2.1 Vật liệu BTĐL Điểm đặc biệt BTĐL vật liệu trộn hỗn hợp hai thành phần chính: vật liệu hoạt tính vật liệu phi hoạt tính Vật liệu hoạt tính thường dùng có xỉ lò cao puzơlan; vật liệu phi hoạt tính có thạch anh, đá vơi, sa thạch… 1.1.2.2 Đặc điểm kỹ thuật thi công BTĐL Đặc điểm phương pháp thi công BTĐL chiều dày thực nén 30 ~ 50cm, lên liên tục mặt đập, ngun tắc khơng có thời gian ngưng 1.2 Tổng quan tình hình xây dựng đập BTĐL TG VN 1.2.1 Tình hình xây dựng đập BTĐL giới Hiện có 300 đập BTĐL với khối lượng tổng cộng khoảng 90 triệu m3 BTĐL xây dựng giới Trung Quốc quốc gia dẫn đầu số lượng đập BTĐL sau Hoa Kỳ, Nhật Bản Tây Ban Nha 1.2.2 Tình hình xây dựng đập BTĐL Việt Nam Từ năm 1990, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu ứng dụng với cơng trình đập BTĐL xây dựng Việt Nam đập Pleikrơng (hồn thành năm 2009) thuộc tỉnh Kon Tum với chiều cao đập lớn 71m Tiếp đó, hàng loạt cơng trình đập thủy lợi, thuỷ điện xây dựng chuẩn bị xây dựng BTĐL: thủy điện Bản Vẽ, cơng trình thủy điện Sê San 4, cơng trình thủy điện Sơn La, Lai Châu, Đồng Nai 4, Trung Sơn, Tân Mỹ 1.3 Tổng quan nứt đập BTĐL 1.3.1 Vấn đề nứt đập BTĐL giới Hiện tượng nứt đập bê tông dường phổ biến đập xây dựng Tính đến có tổng cộng 243 đập bê tơng bị phá hoại, đập bê tông xây dựng quốc gia giới tuyệt đại đa số xuất nứt Các đập bị nứt điển hình có đập Upper Stillwater (1985~1987, Mỹ, cao 90m), đập New Victoria (1991, Úc, 52m), đập Arriaran (1992, Tây Ban Nha, cao 58m) đập Salto Caxias (1998, Brazil, cao 67m) Tại Trung Quốc, quốc gia có nhiều đập BTĐL xuất vết nứt kể đến đập bê tông trọng lực Danjiangkou thuộc tỉnh Hồ Bắc (cao 97m) xuất nhiều vết nứt nhất, tổng cộng có 3.332 vết nứt; đập bê tơng Tuoxi thuộc tỉnh Hồ Nam (cao 104m) xuất vết nứt hơn, có đến 120 vết nứt 1.3.2 Vấn đề nứt đập BTĐL Việt Nam Các đập bê tông xây dựng Việt Nam khơng tránh khỏi tình trạng nứt q trình thi cơng Theo số liệu khảo sát có nhiều đập bê tông trọng lực xây dựng nước ta bị nứt Lai Châu, Trung Sơn, Bản Vẽ, Sông Tranh 2, Định Bình, Tràn Tả Trạch, đập Vũ Quang… điển nứt đập trọng lực BTĐL Sơn La tháng 06 năm 2008 q trình thi cơng ví dụ, chiều dài vết nứt 31,5 m, độ sâu 6m chiều rộng vết nứt khoảng 1mm 1.4 Tổng quan nghiên cứu nứt đập BTĐL 1.4.1 Nghiên cứu nứt đập BTĐL giới Để ngăn ngừa phát sinh nứt đập BTĐL giảm thiểu nứt đến mức tối đa, giới có ba xu hướng nghiên cứu: (1) Về vật liệu Nghiên cứu nâng cao khả chống nứt BTĐL Nhiều thí nghiệm rõ BTĐL có tính chống nứt tốt cần có đặc điểm cường độ kháng kéo cao, giá trị biến dạng kéo giới hạn lớn, mô đun đàn hồi nhỏ, tỉ suất co ngót nhỏ, nhiệt độ tăng biên đoạn nhiệt thấp, hệ số biến hình nhiệt độ nhỏ, biến hình co ngót thể tích nhỏ… (2) Về hình thức kết cấu công nghệ thi công Nghiên cứu hình thức kết cấu phân vùng vật liệu thân đập, nghiên cứu tốc độ thi công đập BTĐL hợp lý, phân khe, phân khoảnh, làm lạnh bê tông, bảo ơn bề mặt… (3) Về cơng nghệ tính tốn Sử dụng mơ hình tốn phân tích mơ diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt trình thi cơng BTĐL, diễn biến phát triển nứt q trình vận hành từ có biện pháp ngăn ngừa nứt đập BTĐL 1.4.2 Nghiên cứu nứt đập BTĐL Việt Nam Các nghiên cứu nứt đập BTĐL Việt Nam chủ yếu tập trung cho việc nghiên cứu sử dụng cấp phối hợp lý thi công; nghiên cứu công nghệ thi công để đảm bảo chất lượng đập BTĐL; nghiên cứu khống chế nhiệt độ lớn đập đảm bảo điều kiện chênh lệch nhiệt độ phạm vi cho phép; nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt tải trọng tới trường ứng suất thân đập q trình thi cơng; nghiên cứu kết cấu phân khe kết cấu hợp lý 1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu đặt Luận án Khi Việt Nam xây dựng nhiều đập bê tơng lớn sử dụng công nghệ BTĐL, việc nghiên cứu khống chế nứt hạn chế phát triển vết nứt việc làm cần thiết, đóng vai trò quan trọng việc đảm bảo an tồn cơng trình Các nghiên cứu giới Việt Nam chủ yếu tập trung nâng cao khả chống nứt cho đập, biện pháp để ngăn ngừa phát sinh nứt việc nghiên cứu vật liệu BTĐL Tuy nhiên, thực tế tượng nứt đập xẩy Chính từ lý này, hướng luận án tập trung sâu nghiên cứu tính tốn mơ phát triển vùng ứng suất cục thân đập dẫn tới hình thành phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả chịu tải đập BTĐL chịu tác dụng tải trọng tĩnh tải trọng động giai đoạn vận hành 1.6 Kết luận chương Trên sở phân tích, đánh giá nghiên cứu trước nhà khoa học giới Việt Nam từ hướng đề tài tập trung vào nghiên cứu giải vấn đề sau: - Nghiên cứu phát triển ứng suất cục thân đập BTĐL giai đoạn vận hành - Nghiên cứu tính tốn mơ phát triển vết nứt thân đập BTĐL giai đoạn vận hành - Nghiên cứu tính tốn mơ ảnh hưởng vết nứt tới khả chịu tải đập BTĐL giai đoạn vận hành CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 2.1 Đặt vấn đề Hiện phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ứng dụng rộng rãi phân tích ứng suất đập bê tông trọng lực, đặc biệt trường hợp: đập có hình dạng phức tạp; đập khơng đồng chất; đập có kẽ nứt; phân tích đập tác dụng tải trọng động; xét đến tương tác đập; xem xét tính phi tuyến vật liệu Nhưng tính tốn vị trí đột biến hình học kết cấu thường cho kết tính ƯS lớn (hiện tượng tập trung ứng suất) Nếu lấy ƯS lớn làm tiêu chuẩn thiết kế, dựa vào điều kiện khống chế ứng suất cho phép vật liệu không hợp lý; không xét đến tập trung ƯS, dựa vào ƯS thu phương pháp SBVL khả lại khơng đủ an tồn, đặc biệt đập bê tông trọng lực cao Để phát huy ưu điểm phương pháp PTHH tận dụng ưu điểm phương pháp SBVL cần tiến hành nghiên cứu để trung bình hóa ứng suất cục tính tốn PTHH phương pháp PTHH tự thích ứng Phương pháp ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng Phương pháp PTHH tự thích ứng (Adaptive Finite Element Method) phương pháp số có khả tự điều chỉnh lưới phần tử để tối ưu hóa lời giải tốn phần tử hữu hạn nhằm sát với thực tế bao gồm hai kỹ thuật chính: đánh giá sai số điều chỉnh mạng lưới Hình 2.2 biểu thị q trình tính tốn PTHH tự thích ứng Phần mềm phân tích PTHH thơng dụng ANSYS có khả phân tích tự thích ứng hiệu cao 2.2.1 Tính tốn tự thích ứng ANSYS Dừng Cấu kiện cơng trình Lựa chọn lưới phần tử ban đầu Có Phân tích sai số Tính tốn PTHH Thực tối ưu lưới phần tử Thỏa mãn độ xác cho trước? Khơng Hình Q trình tính tốn PTHH thích ứng Tính tốn với mơ hình khối bê tơng hình thang đặt đá cứng chịu tác dụng áp lực ngang coi khối bê tông ngàm đá Bảng 2.1 Chỉ tiêu lý vật liệu bê tông Hệ số  (T/m3) Vật liệu E (kN/m2) Poisson Bê tông 2,1×107 0,2 2,4 Hình 2 Mơ hình chia lưới PTHH tự thích ứng Sau phân tích trạng thái ứng suất biến dạng khối bê tông theo mô hình lưới PTHH tự thích ứng chịu tác dụng tải trọng áp lực nước phân bố hình tam giác phía thượng lưu với sai số lượng 2,7118% < sai số cho phép 5% (sai số định trước) Kết cho thấy chuyển vị lớn đỉnh 0,008771m, ứng suất Von Mises lớn chân phía thượng lưu 3484,23 kN/m2 Nếu tính tốn theo phương pháp PTHH thơng thường, kết tính tốn cho trường hợp khác kích thước lưới cho Bảng 2.2 Bảng 2.2 Kết tính tốn chuyển vị ứng suất theo PP PTHH Giá trị Đơn vị Chuyển vị m Ứng suất kN/m2 2.2.2 Nhận xét 10 0,008777 1975,29 Kích thước lưới PTHH (m) 0,5 0,00877 0,00877 0,008771 0,008772 2005,54 3019,35 4002,21 5158,61 Từ kết Bảng 2.2 cho thấy kích thước lưới phần tử nhỏ, chuyển vị tổng thể khối gần không thay đổi ứng suất lớn chân đập có gia tăng lớn Điều cho thấy, việc chia lưới phần tử theo chủ quan người tính tốn ảnh hưởng lớn đến kết tính tốn ứng suất cục đặc biệt vị trí có thay đổi đột ngột hình học Vì vậy, sử dụng phương pháp PTHH tự thích ứng góp phần xử lý sai số không mong muốn, nghiệm rác lời giải toán phần tử hữu hạn vị trí có đột biến hình học 2.3 2.3.1 Phương pháp ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng Ngun lý tính tốn Phương pháp ứng suất tương đương PTHH (Finite Element Equivalent Stress Method) tác giả người Trung Quốc đề xuất phân tích ứng suất đập vòm, sau nhiều tác giả ứng dụng cải tiến phương pháp Đường lối phương pháp coi ứng suất mặt cắt ngang lấy từ kết phân tích PTHH tương đương với nội lực tác dụng mặt cắt ngang Lợi dụng phương pháp SBVL tính toán phân bố lại ứng suất mặt cắt ngang để trung bình hóa ứng suất tập trung tính theo phương pháp PTHH 2.3.2 Tính tốn ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng ANSYS 2.3.2.1 Phương pháp tính tốn Bản thân phần mềm ANSYS khơng có mơ đun tính tốn ƯSTĐ thơng qua ngơn ngữ thiết kế tham số APDL phần mềm tính tốn ƯSTĐ Sau tính tốn PTHH tự thích ứng, dùng ngơn ngữ APDL lập trình xuất kết ƯSTĐ 2.3.2.2 Thực số Sau phân tích trạng thái ứng suất biến dạng khối bê tông hình 2.2 theo mơ hình lưới PTHH tự thích ứng tiến hành tính tốn ƯSTĐ theo phương đứng mặt cắt đáy khối bê tơng So sánh kết tính toán theo hai phương pháp cho Bảng 2.3 hình 2.14 đến hình 2.15 Bảng 2.3 So sánh kết tính tốn theo hai phương pháp Phương pháp tính tốn ƯSTĐ-PTHH SBVL Sai số (%) Nội lực ứng suất mặt cắt ngang đáy khối Lực dọc Mô men Ứng suất Ứng suất mép (kN) (kNm) mép TL (kN/m ) HL (kN/m2) -91086 682849 -465,088 -2137,373 -94176 607186 -601,877 -2088,865 -3,28 +12,46 -23,39 +2,32 2.5.2 Chương trình tính kết cấu đập BTĐL Chương trình RCCD_CRACK xây dựng sở phương pháp PTHH tự thích ứng có điều chỉnh trạng thái ứng suất phương đứng theo phương pháp ứng suất tương đương, dùng ngơn ngữ lập trình tham số APDL (ANSYS Parametric Design Language) ANSYS chương trình chuyên dụng phân tích kết cấu đập dạng file macro, để giải toán kết cấu đập BTĐL tác dụng tổ hợp tải trọng Toàn liệu đầu vào thực qua cửa sổ giao diện, thuận tiện dễ dàng kiểm tra Chương trình để nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt thân đập 2.5.3 Kiểm tra độ tin cậy Chương trình Để có sở đánh giá độ tin cậy “Chương trình RCCD_CRACK” ngơn ngữ lập trình APDL, tác giả kiểm chứng so sánh với ứng suất, biến dạng phá hoại nứt đập trọng lực Koyna - Ấn độ bị phá hoại trình xẩy động đất với nghiên cứu Mridha S Gaohui Wang Nghiên cứu gần Mridha S năm 2014 Hình 2.36 thể vết nứt cuối đập Koyna tác dụng trận động đất năm 1967 từ thí nghiệm mơ hình mơ số phần mềm ABAQUS với tiêu lý bê tông cho Bảng 2.7 Kết mô thí nghiệm tương đối đồng hình thức phá hoại Bảng 2.7 Chỉ tiêu lý dùng tính tốn đập Koyna Vật liệu Bê tơng E (kN/m2) 3,1×107 Hệ số Poisson 0,2  (T/m3) 2,643 ft (kN/m2) 2,9×103 fc (kN/m2) 24,1×103 Khi sử dụng “Chương trình RCCD_CRACK” ngơn ngữ lập trình APDL để tính tốn trạng thái ứng suất, biến dạng phát triển vết nứt đập bê tơng trọng lực Koyna với tham số kích thước, vật liệu trên, dước tác dụng gia tốc động đất theo phương đứng ngang cho kết phá hoại nứt cuối Hình 2.39 Kết tính tốn vùng phá hoại nứt tương đồng với nghiên cứu thí nghiệm mơ hình Mridha S Đây sở để đảm bảo độ tin cậy “Chương trình RCCD_CRACK” 11 Hình 2.36 Kết mơ số thí nghiệm mơ hình Mridha S (a) Vị trí xuất vết nứt (b) Vùng xuất biến dạng dẻo Hình 2.39 Kết tính tốn nứt đập Koyna RCCD_CRACK “Chương trình tính RCCD_CRACK” kiểm nghiệm cho đập Guandi với kết chuyển vị ứng suất trước thời điểm đập bị phá hoại Kết tương đồng với kết nghiên cứu Gaohui Wang Một lần khẳng định độ tin cậy “Chương trình RCCD_CRACK” tác giả lập 2.6 Kết luận Chương Từ sở lý thuyết, tác giả lập chương trình chuyên dụng xác định trạng thái biến dạng ứng suất đập BTĐL có tên gọi RCCD_CRACK ngơn ngữ lập trình tham số (APDL) để mơ hình thành phát triển vết nứt thân đập BTĐL tác dụng tải trọng tĩnh tải trọng động đất Trên sở kiểm nghiệm tính tốn cho đập Koyna Guandi cho thấy có kết tương đồng với nghiên cứu Mridha S Gaohui Wang Chương trình thể với liệu đầu vào nhập qua cửa sổ giao diện với người sử dụng kết xuất nhờ chức phần mềm ANSYS nên dễ dàng, thuận tiện cho người sử dụng mà khơng gặp khó khăn Trên sở tính tốn đập BTĐL Chương trình RCCD_CRACK phần mềm ANSYS có đủ độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu khả chịu tải đập BTĐL bị nứt tác dụng tải trọng tĩnh tải trọng động đất Chương 12 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỨT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 3.1 Đặt vấn đề Nứt bê tơng đập nhiều ngun nhân, ngồi ngun nhân chênh lệch nhiệt độ, có ngun nhân gây nứt chịu tác dụng tải trọng giai đoạn thi công vận hành Khi kết cấu tồn vết nứt làm thay đổi tính học kết cấu đặc biệt chịu tác dụng tải trọng động, không kiểm sốt hình thành phát triển vết nứt khó xác định khả chịu tải thực kết cấu Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu ảnh hưởng nứt tới khả chịu tải đập BTĐL để từ có ứng xử cho phù hợp 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nứt tới khả chịu tải đập 3.2.1 Sơ đồ tính tốn Nghiên cứu thực mơ hình mặt cắt đập đơn giản hóa giả thiết vết nứt tồn Phạm vi lấy phía chiều cao đập Chỉ tiêu lý vật liệu đập cho Bảng 3.1 Trong tính toán sử dụng hệ số cản vật liệu đập 0,03 vật liệu 0,05 Tính tốn với tải trọng với MNTL MNDBT tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất với gia tốc lấy từ trận động đất Koyna 11/1967 Sử dụng Chương trình RCCD_CRACK để tính tốn giả thiết cho phép thay đổi vị trí kích thước vết nứt Bảng 3.1 Chỉ tiêu lý vật liệu bê tông phi tuyến VL E (kN/m2) Hệ số  ft fc α β 2 Poisson (T/m ) (kN/m ) (kN/m ) BT 2,1×10 0,2 2,4 1,15×10 11,5×103 0,32 0,55 Nền 2,311×107 0,22 - - - (1) Vết nứt chân đập TL (2) Vết nứt đứng xuyên từ (3) Vết nứt thân đập Hình Sơ đồ tính tốn phát triển vết nứt thân đập 13 - 3.2.2 Kết tính toán 3.2.2.1 Vết nứt ngang xuất chân đập thượng lưu đập (1) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tải trọng Hình 3.6 thể kết tính tốn ứng với trường hợp vết nứt cách đáy đập HN = 0,5m, chiều sâu vết nứt ban đầu LN = 1,0m bề rộng vết nứt ban đầu BN = 1,0mm cho kết dịch chuyển lớn đập 14,364mm, chiều dài vết nứt đáy đập 6,0341m bề rộng vết nứt 1,962mm Hình 3.4 Gán áp lực nước lên mặt Hình 3.6 Vết nứt phát triển sau thượng lưu đập chịu tổ hợp tải trọng (2) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất - Khi đập khơng tồn vết nứt ban đầu: Hình 3.8 mơ thể đập bị phá hoại cục chân đập chịu tác dụng tải trọng động đất với chiều dài vết nứt L = 16,412m Mơ q trình chuyển vị đập vị trí đỉnh đập thể Hình 3.9 Về mặt tổng thể, đập chịu tác dụng tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất, đập chưa bị phá hoại Hình 3.8 Vết nứt phát triển sau Hình 3.9 Chuyển vị đỉnh đập theo chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt phương ngang - Khi đập xuất vết nứt ban đầu: Hình 3.11 mơ thể kết tính tốn phát triển vết nứt ứng với trường hợp vết nứt ban đầu cách đáy đập HN = 14 0,5m, chiều sâu vết nứt ban đầu LN = 1,0m bề rộng vết nứt ban đầu BN = 1,0mm Mơ q trình chuyển vị ngang đỉnh đập theo thời gian cho Hình 3.12 Khi xuất vết nứt chân thượng lưu đập, vết nứt ban đầu tiếp tục phát triển với chiều dài vết nứt L = 17,961m Lúc này, đập chưa bị phá hoại tổng thể Nếu tiến hành phóng đại gia tốc trận động đất Koyna 11/1967 gấp lần để tính tốn Mơ kết cho thấy đến thời điểm t = 1,96s đập bị phá hoại (mất ổn định tổng thể) với chiều dài vết nứt thời điểm bị phá hoại L = 19,912m Hình 3.13 Quá trình chuyển vị đỉnh đập trước thời điểm bị phá hoại Hình 3.14 Hình 11 Vết nứt phát triển sau chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt Hình 3.12 Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang Hình 3.13 Vết nứt trước thời điểm đập bị phá hoại tổng thể Hình 3.14 Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang (3) Nhận xét kết tính tốn Khi đập xuất vết nứt ban đầu chân thượng lưu đập, chịu tác dụng tải trọng tĩnh động trình vận hành, vết nứt ban đầu tiếp tục phát triển Đặc biệt chịu tác dụng tải trọng động đất, ứng suất cục vết nứt tăng lớn nên đập bị phá hoại từ vết nứt ban đầu Điều hoàn toàn 15 phù hợp với thực tế làm việc đập trọng lực vị trí thường có ứng suất kéo lớn đập chịu tác dụng tải trọng từ phía thượng lưu 3.2.2.2 Vết nứt đứng xuyên từ (1) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tải trọng Hình 3.17, 3.18, mơ thể kết tính tốn ứng với trường hợp vết nứt cách mặt thượng lưu đập HN = 35m, chiều sâu vết nứt ban đầu LN = 1,0m bề rộng vết nứt ban đầu BN = 1,0mm cho kết vết nứt ban đầu tiếp tục phát triển với chiều dài vết nứt L = 2,8974m Hình 3.17 Phân bố chuyển vị tổng Hình 3.18 Vết nứt xuất chân thượng lưu đập (2) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất Hình 3.19 mơ thể kết tính tốn phát triển vết nứt ứng với trường hợp vết nứt ban đầu cách mặt thượng lưu đập HN = 35m, chiều sâu vết nứt ban đầu LN = 1,0m bề rộng vết nứt ban đầu BN = 1,0mm cho kết vết nứt ban đầu tiếp tục phát triển với chiều dài vết nứt L = 15,939m Lúc này, đập chưa bị phá hoại tổng thể Nếu tiến hành phóng đại gia tốc trận động đất Koyna tháng 11/1967 đến phá hoại tổng thể Kết tính tốn cho Hình 3.23 mơ Hình 3.19 Vết nứt phát triển sau chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt Hình 3.20 Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang 16 Hình 3.23 Phát triển vết nứt chân thượng lưu đập chuyển vị ngang đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp lần đập bị phá hoại (3) Nhận xét kết tính tốn Khi đập BTĐL tồn vết nứt ban đầu xuyên từ vng góc với đáy đập chịu tác dụng tải trọng tĩnh động, chuyển vị tổng thể đập không thay đổi nhiều Vết nứt ban đầu gần không phát triển Khi vết nứt xuất đáy đập lại làm giảm phạm vi nứt phía thượng lưu đập ( L = 2,8974m < L = 4,8056m trường hợp đập không xuất vết nứt ban đầu) Điều giải thích ứng suất tập trung vào vị trí nứt lại bị kiềm chế nên vết nứt không phát triển làm giảm ứng suất tập trung chân thượng lưu đập Đây gần khe chặn nứt có lợi cho đập Khi vết nứt gần phía thượng lưu gây nguy hại cho đập Dưới tác dụng tải trọng động đất, chiều dài vết nứt lớn L = 15,939m, đập chưa bị phá hoại hồn tồn Khi phóng đại gia tốc lên lần, đập bị phá hoại hoàn tồn thời điểm t = 4,74s Có thể nói khả chịu tải đập đập xuất vết nứt xuyên từ tăng không xuất vết nứt, hay nói cách khác xuất vết nứt làm tăng khả chịu tải đập 3.2.2.3 Vết nứt thân đập dọc trục đập (1) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tổ hợp đặc biệt (a) Trường hợp vết nứt đứng (b) Trường hợp vết nứt ngang Hình 3.18 Vùng nứt chân đập tác dụng cùa tổ hợp tải trọng 17 (a) Trường hợp vết nứt ban đầu vng góc với mặt (vết nứt đứng) (b) Trường hợp vết nứt ban đầu song song với mặt (vết nứt ngang) Hình 3.28 Vết nứt phát triển sau chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất (2) Nhận xét kết tính tốn Kết tính tốn cho thấy, tồn vết nứt đứng dọc trục đập thân đập (vùng thường chịu ứng suất nén) không ảnh hưởng nhiều tính bền đập tác động chúng biên độ ứng suất phân bố ứng suất không đáng kể Các vết nứt ảnh hưởng tới vùng đập có khả hư hại động đất độ bền sau động đất gần không bị tác động Tuy nhiên, vết nứt ngang có chiều dài lớn (như mặt lớp đổ) cần xem xét thêm tính ổn định phần thân đập phía lớp tiếp giáp 3.2.2.4 Các vết nứt xuất đồng thời (1) Kết tính tốn ứng với tổ hợp tổ hợp đặc biệt Khi đập tồn vết nứt ba vị trí, tác dụng tải trọng động đất, vết nứt phát triển chân thượng lưu đập trường hợp có vết nứt chân Các vết nứt thân đập gần không ảnh hưởng (2) Nhận xét kết tính tốn Kết tính tốn chuyển vị, chiều dài vết nứt bề rộng vết nứt hai trường hợp xuất vết nứt ngang chân thượng lưu đập xuất vết nứt đồng thời ba vị trí ứng với tổ hợp tải trọng tổ hợp đặc biệt cho kết không khác nhiều Các trường hợp thay đổi vị trí chiều dài vết nứt ngang chân đập thượng lưu tương tự 3.3 Kết luận Chương Kết tính tốn cho thấy vết nứt xuất chân đập nguy hiểm ảnh hưởng lớn đến độ bền đập trình vận hành Nếu thân đập tồn đồng thời dạng vị trí vết nứt giả thiết trên, tác dụng tải trọng động đất, vết nứt chân thượng lưu đập nhanh chóng phát triển đập chủ yếu bị phá hoại từ chân cho kết gần có vết nứt xuất chân thượng lưu đập (có lớn nhỏ hơn) khơng đáng kể 18 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SƠN LA 4.1 Giới thiệu cơng trình Đập BTĐL cơng trình thủy điện Sơn La đập trọng lực BTĐL cao Việt Nam tính đến thời điểm Chiều cao lớn đập: 138,1m; Theo chiều dài đập gồm 18 khe biến dạng, khoảng cách khe 31,5m; Đập chia thành 12 khối đổ 4.1.1 Thơng số động đất thiết kế khu vực cơng trình thủy điện Sơn La Băng gia tốc động đất thiết kế cho thủy điện Sơn La lấy từ nguồn số liệu trung tâm liệu Địa vật lý quốc gia (Mỹ), chương trình nghiên cứu mơi trường khí hậu Hội đồng Châu Âu năm 2000 Viện học cơng trình thuộc Cục địa chấn quốc gia Trung Quốc tập hợp Hình 4.2 Băng gia tốc số 1a xấp xỉ với đường cong phổ động đất thiết kế cực đại cho cơng trình thủy điện Sơn La 4.1.2 Các vết nứt đập BTĐL Sơn La q trình thi cơng Theo báo cáo Ban QLDA NMTĐ Sơn La - Tập đoàn điện lực Việt Nam 02/2009, q trình thi cơng đập BTĐL Sơn La xuất viết nứt khối C2, khối L1.1, khối C3 khối C5 4.2 Nghiên cứu hình thành vết nứt thân đập BTĐL Sơn La 4.2.1 Sơ đồ tính tốn Để nghiên cứu khả hình thành phát triển vết nứt thân đập trình vận hành đập BTĐL Sơn La chịu tác dụng tải trọng động đất tiến hành nghiên cứu mặt cắt ngang vị trí có chiều cao lớn Các tiêu lý vật liệu BTĐL cho Bảng 4.4 19 Bảng 4.4 Chỉ tiêu lý vật liệu đập BTĐL Sơn La Vật E (kN/m2) Hệ số  ft fc α β 2 liệu Poisson (T/m ) (kN/m ) (kN/m ) RCC 2,5×10 0,167 2,4 1,2×10 16,0×103 0,32 0,52 Nền 2,311×107 0,22 2,7 4.2.2 Nhận xét kết tính tốn Sử dụng “Chương trình tính RCCD_CRACK” tính tốn hình thành vết nứt đập BTĐL Sơn La tác dụng tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất Khi đập BTĐL Sơn La không xuất vết nứt ban đầu, vùng phá hoại đập xuất nhiều vị trí, vết nứt xuất chân đập sau đến vị trí gần đỉnh đập Khi đỉnh gia tốc vượt lần so với thiết kế đập bị phá hoại Hay nói cách khác thân đập khơng tồn vết nứt khả chịu lực đập lớn, đập thiết kế đảm bảo an toàn xẩy động đất thiết kế 4.3 Nghiên cứu phát triển nứt thân đập BTĐL Sơn La 4.3.1 Sơ đồ tính tốn Trong nghiên cứu sử dụng Chương trình RCCD_CRACK tính toán cho hai trường hợp: mặt cắt qua khối C2 qua khối C3 có tồn vết nứt ban đầu Đối với mặt cắt qua khối C2 tồn vết nứt đứng cao trình 122,1, sâu 6m, rộng 0,5mm Đối với mặt cắt qua khối C3 tồn hai vết nứt đứng cao trình 138,0 song song với cách 18m, sâu 5m, rộng 0,5mm 4.3.2 Kết tính tốn 4.3.2.1 Trường hợp vết nứt phát triển khối C2 Hình 4.11 Hình 4.12 thể phá hoại nứt chân thượng lưu đập vị trí khe nứt ban đầu thân đập Vết nứt xuất chân đập tiếp giáp với có chiều dài L = 8,0769m, vết nứt phát triển vị trí vết nứt đứng ban đầu theo phương ngang dạng ngẫu lực ngược chiều kim đồng hồ từ khe nứt ban đầu với chiều dài L = 0,493m 20 Hình 4.11 Phân bố vết nứt chân Hình 4.12 Phá hoại cục vị trí đập tác dụng THCB vết nứt tác dụng THCB Trong trình xảy động đất vùng phá hoại nứt chân thượng lưu đập dần mở rộng phía hạ lưu theo thời gian động đất ổn định với chiều dài vết nứt L = 14,135m (Hình 4.17a) Tại vị trí khe tồn khe nứt ban đầu vết nứt phát triển phía thượng hạ lưu đập với chiều dài vết nứt ổn định L = 1,0m (Hình 4.17b) Nếu tiến hành phóng đại băng gia tốc lên lần kết đập bị phá hoại thời điểm ban đầu hình 4.19 Hình 4.20 Hình 4.17 Phát triển vết nứt chân đập thượng lưu vị trí vết nứt ban đầu q trình động đất Hình 4.19 Phân bố vết nứt chân đập tác dụng THCĐ Hình 4.20 Phá hoại cục vị trí vết nứt tác dụng THCĐ 21 4.3.2.2 Trường hợp vết nứt phát triển khối C3 Dưới tác dụng tổ hợp tải trọng bản, chân đập thượng lưu vị trí khe nứt ban đầu có vùng nhỏ phá hoại kéo (Hình 4.23 Hình 4.24) Chiều dài vết nứt ban đầu chân đập thượng lưu tiếp giáp với L = 9,9027m Khi chịu tác dụng tải trọng động đất vùng phá hoại kéo chân đập phía thượng lưu vị trí khe nứt ban đầu tiếp tục phát triển ổn định với chiều dài L = 15,642m Nếu tiến hành phóng đại băng gia tốc Hình 4.2 lên lần kết đập bị phá hoại thời điểm t = 0,16s Hình 4.23 Phân bố vết nứt chân Hình 4.24 Phá hoại cục vị trí đập tác dụng THCB vết nứt tác dụng THCB 4.4 Kết luận Chương Khi đập BTĐL Sơn La không tồn vết nứt ban đầu, vùng phá hoại đập xuất nhiều vị trí, vết nứt xuất chân đập sau đến vị trí gần đỉnh đập Đập bị phá hoại đỉnh gia tốc vượt so với thiết kế Khi đập BTĐL Sơn La trình thi công xuất vết nứt khối đổ khác tác dụng tổ hợp tải trọng động đất đập khơng bị phá hoại Đập bị phá hoại đỉnh gia tốc vượt so với thiết kế Luận án khẳng định lại tính ổn định độ bền đập thân đập trình vận hành tồn vết nứt chưa xử lý Các vết nứt tồn tại khối C2 C3 khơng có ảnh hưởng tới vùng đập có khả hư hại động đất ổn định sau động đất khơng bị tác động 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt Luận án (1) Luận án đưa sở lý thuyết, ứng dụng phát triển phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng, phương pháp ứng suất tương đương, xây dựng mô hình tiêu chuẩn phá hoại vật liệu BTĐL để nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL (2) Luận án lập chương trình chuyên dụng xác định trạng thái biến dạng ứng suất đập BTĐL, hình thành phát triển vết nứt tác dụng tải trọng tĩnh động có tên gọi RCCD_CRACK ngơn ngữ lập trình tham số (APDL) kiểm chứng có đủ độ tin cậy Các liệu vào nhập qua cửa sổ giao diện với người sử dụng kết xuất nhờ chức phần mềm ANSYS nên dễ dàng, thuận tiện cho người sử dụng mà khơng gặp khó khăn (3) Luận án làm rõ ảnh hưởng vài dạng vết nứt tồn thân đập tính ổn định độ bền đập (4) Luận án khẳng định lại tính bền đập BTĐL Sơn La thân đập tồn vết nứt Các vết nứt tồn tại khối C2 C3 khơng ảnh hưởng tới vùng đập có khả hư hại động đất độ bền sau động đất không bị tác động Những đóng góp Luận án (1) Đã áp dụng phương pháp PTHH tự thích ứng ngơn ngữ lập trình tham số (APDL) để xây dựng thuật tốn chương trình RCCD_CRACK tính tốn hình thành phát triển vết nứt thân đập trọng lực BTĐL (2) Đã làm rõ ảnh hưởng vết nứt đến khả chịu tải đập trọng lực BTĐL trình vận hành Những tồn hướng phát triển nghiên cứu 3.1 Những tồn Luận án Chưa so sánh với quan trắc thực tế đập Chưa xem xét dạng tải trọng khác áp lực nước động đất Chưa xem xét cách đầy đủ tính ba chiều vết nứt Giới hạn Chương trình dừng lại toán phẳng 3.2 Hướng phát triển nghiên cứu Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng loại tải trọng tới hình thành phát triển vết nứt thân đập BTĐL 23 Lập chương trình tính tốn mơ hình thành phát triển vết nứt thân đập BTĐL xem xét cách đầy đủ tính ba chiều vết nứt Kiến nghị Việt Nam xây dựng nhiều đập bê tơng lớn, việc nghiên cứu khống chế nứt hạn chế phát triển vết nứt việc làm cần thiết, đóng vai trò quan trọng việc đảm bảo an tồn cơng trình Kết nghiên cứu ứng dụng kiểm tra, đánh giá an toàn nứt đập BTĐL xây dựng Việt Nam từ kết khảo sát thực tế Làm tài liệu tham khảo cho quan thiết kế, đơn vị thi công, đơn vị quản lý để giải toán cụ thể ứng dụng thiết kế, thi cơng đập BTĐL./ 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Hà Thanh Dương (2018) Tính tốn phát triển vết nứt thân đập trọng lực bê tông đầm lăn dựa phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng phần mềm ANSYS Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn, số năm 2018, trang 62~66 Hà Thanh Dương (2018) Ảnh hưởng vết nứt thời kỳ đầu đến phát triển vết nứt giai đoạn vận hành đập trọng lực bê tơng đầm lăn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nông thôn, số năm 2018, trang 100~105 Hà Thanh Dương, Nguyễn Quang Hùng, Vũ Hoàng Hưng (2015) Điều chỉnh trạng thái ứng suất thân đập trọng lực theo phương pháp phần tử hữu hạn Hội nghị khoa học thường niên trường đại học Thủy Lợi, trang 65~67 Hà Thanh Dương, Nguyễn Quang Hùng, Vũ Hoàng Hưng (2014) Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng ứng dụng phân tích đập bê tông trọng lực Hội nghị khoa học thường niên trường đại học Thủy Lợi, trang 103~105 ... tốn hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng nứt tới khả chịu tải đập BTĐL Chương 4: Nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt đập BTĐL Sơn La CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NỨT... quan trọng việc đánh giá điều kiện an tồn làm việc kết cấu đập q trình vận hành Do đó, đề tài Nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả chịu tải đập trọng lực bê tông đầm lăn trình. .. C5 4.2 Nghiên cứu hình thành vết nứt thân đập BTĐL Sơn La 4.2.1 Sơ đồ tính tốn Để nghiên cứu khả hình thành phát triển vết nứt thân đập trình vận hành đập BTĐL Sơn La chịu tác dụng tải trọng động