Kết quả nghiên cứu kết cấu tấm bê tông gia cố mái đập đá đổ đắp dở khi xả lũ thi công

Xả lũ thi công qua đoạn đập đá đổ đắp dở, vận tốc dòng chảy gây xói lở mái hạ lưu đập và lòng sông sau đập, do đó nghiên cứu kết cấu gia cố bảo vệ an toàn đập đá đổ đắp dở khi xả lũ thi công rất quan trọng. bài viết nêu kết quả nghiên cứu dạng kết cấu tấm bê tông gia cố mái hạ lưu đập đá đổ đắp dở.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TẤM BÊ TÔNG GIA CỐ MÁI ĐẬP ĐÁ ĐỔ ĐẮP DỞ KHI XẢ LŨ THI CÔNG PGS TS Trần Quốc Thưởng Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Động lực học sơng biển Tóm tắt: Xả lũ thi công qua đoạn đập đá đổ đắp dở, vận tốc dòng chảy gây xói lở mái hạ lưu đập lòng sơng sau đập, nghiên cứu kết cấu gia cố bảo vệ an toàn đập đá đổ đắp dở xả lũ thi công quan trọng Bài viết nêu kết nghiên cứu dạng kết cấu bê tông gia cố mái hạ lưu đập đá đổ đắp dở Từ khóa: Đá đổ, bê tơng, thép neo Summary: In flood discharge period while flow pass-through section of in-constructing rock fill weir the flow velocity may cause downstream slope slide and river bed scouring Thus research of structure of slope protection in order to provide rock fill weir safety under high flood flow discharge will play important role The paper presents the results of research of structure of concrete slab for protection of downstream slope of in-constructive rock fill weir Keywords: Rock fill, concrete slab, steel anchor bar I MỞ ĐẦU * Lựa chọn phương án dẫn dòng, xả lũ thi cơng vấn đề quan trọng xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện Phương án hợp lí khơng tiết kiệm kinh phí dẫn dòng mà rút ngắn thời gian thi cơng Dưới điều kiện có bảo vệ, đập đá đổ mặt cho nước tràn qua, từ giảm quy mơ cơng trình dẫn dòng Đây biện pháp để giảm kinh phí xây dựng, yêu cầu cần thiết thi công Đối với thi công đập đá đổ mặt đặc biệt quy mơ cơng trình lớn lưu lượng dẫn dòng lớn, khơng tận dụng đối đa ưu điểm phải tăng thêm quy mơ cơng trình dẫn dòng khiến kinh phí thi cơng tăng thêm lớn, đồng thời cường độ thi cơng khó thỏa mãn nên khó đáp ứng u cầu an tồn cho cơng trình Khi đập đá đổ đắp dở cho nước tràn qua phải tiến hành bảo vệ thân đập đặc biệt mái đập hạ lưu để tránh bị xói lở phá hoại Có nhiều biện pháp bảo vệ mái hạ lưu: Đá hộc, thảm rọ đá, khung thép bỏ đá dạng bậc nước, bê tông Dưới nêu kết nghiên cứu bê tông V = A1 (m/s) V = B (m/s) H = C1 (m ) V = V = H = P = P = D (mH 2O) V A (m/s) B2 ( m/s) C (m ) = A3 (m/s) V = B (m/s) H = C3 (m ) P = D (mH 2O) D (mH2O) ( 1) (3 ) (2 ) (4) (5 ) (7 ) Z Hình Cắt dọc cơng trình dẫn dòng t ấm bê t ôn g L (6) (3 ) (4) Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng Ngày nhận bài: 24/7/2015 Ngày thông qua phản biện: 15/8/2015 Ngày duyệt đăng: 28/9/2015   Hình1a Sơ họa bê tơng cốt thép Ghi : TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cấp lưu lượng lũ lớn (đỉnh lũ Q=6500 m3/s), vận tốc lớn vùng chân đập (mực nước hạ lưu dao động) 1-M thượng lưu; 2- Thân đập đắp dở 3- Tấm bê tông; 2.1 Xác định thơng số thủy lực 4- Lớp đệm Tính toán kiểm tra làm việc kết cấu bê tông nêu cho cấp lưu lượng nguy hiểm cấp chân lũ có thời gian xả lũ dài 3 q1=9,50 m /s.m, (Q=2000m /s) cấp đỉnh lũ lớn có vận tốc dòng chảy lớn q2=31,00 m3/s.m (Q=6500m3/s) Vận tốc lớn vùng chân mái dốc (mực nước hạ lưu dao động) 5- Thép neo; 6- Lỗ thoát nước; 7- Chân đập (4) (2) (1) (3)   Hình 2: Sơ họa thép neo Ghi chú: 2.1.1 Ứng với cấp q=9,50 m /s.m (Q=2000 m /s) Vận tốc dòng chảy V=12,27 m/s ; mạch động vận tốc V’=0,42 m/s 1.Tấm bê tơng cốt thép Độ sâu dòng chảy : H=0,90m ; áp suất mạch động P’=0,40 mH2O (mét cột nước) Thép neo 18 dài 8.0 m (cả uốn) 3 2.1.2 Ứng với cấp q=31,00 m /s.m (Q=6500 m /s) Cục bê tơng chơn thân đập kích thước 50x50x50cm Vận tốc dòng chảy v=16,50 m/s ; mạch động vận tốc V’=0,50 m/s Lỗ thoát nước Độ sâu dòng chảy : H=2,32 m ; áp suất mạch động P’=0,74 mH2O (mét cột nước) Nhiệm vụ nghiên cứu xem xét kết cấu ban đầu (nêu hình 1;2) có đảm bảo an tồn xả lũ với cấp lưu lượng khác (hình 3), đặc biệt xác định đường kính thép neo, ổn định mái hạ lưu đập xả lũ thi công qua 8000 Q =6500m3/s 7000 6000 Q (m3/s) 5000 Phần mềm ANSYS có khả phân tích nhiệt ổn định nhiệt khơng ổn định hệ kết cấu Do trường nhiệt trường thấm có tính chất tương đồng sử dụng cơng phân tích nhiệt ANSYS để tính tốn kiểm tra thấm qua khối đá đổ đắp dở Để mơ hình trường nhiệt độ mơ hình trường thấm tương đồng, cần thỏa mãn điều kiện đây: 4000 3000 2000 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 T (giờ) Hình 3: Q trình lũ thi cơng II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Căn vào đường trình xả lũ thi công trên, ý tới cấp lưu lượng cấp chân lũ có thời gian xả lũ dài (Q=2000 m /s) 2.2 Cơ sở lý thuyết 2.2.1 Tương tự hình học Biên ngồi mơ hình trường nhiệt độ biên ngồi phạm vi nghiên cứu thấm tương đồng hình học Khi phạm vi thấm lớp đá đồng đều, mơ hình cần đồng đều; phạm vi thấm lớp đá không đồng đều, yêu cầu mô hình nên có đường phân chia dẫn nhiệt khơng giống bảo đảm tương đồng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ đường phân chia lớp đá khơng giống 2.2.3.Trường hợp tính tốn 2.2.2 Điều kiện biên tương đương Để kiểm tra làm việc bê tông mái, tính tốn kiểm tra với cấp lưu lượng Q = 2000m3/s 6500m3/s Ứng với cấp lưu lượng đo đường mặt nước, vận tốc mặt cắt điển hình (đầu, giữa, cuối chân đập) Sơ đồ thông số dùng tính tốn thể hình 4-5 Chú ý mặt cắt chân đập vùng mực nước hạ lưu dao động Tức biên đoạn nhiệt mơ hình mơ nhiệt độ biên ngăn nước phạm vi thấm tương đương Biên dẫn nhiệt biên thấm nước tương đương, nhiệt độ biên dẫn nhiệt cột nước biên thấm nước tương đương V = 27 ( m/s) , V'= 42 ( m/ s) H = 0.9 (m) P' = 0.4 (mH2O) (1) (3) (2) (4) Hình 4: Sơ đồ tính toán với cấp lưu lượng Q = 2000m3/s V = 16 (m/s ), V'= 0.5 ( m/ s) H = 32 ( m) P' = 0.74 (mH2 O) (1) (3 ) (2) (4) Hình 5: Sơ đồ tính tốn với cấp lưu lượng Q = 6500m /s Ghi chú: (1) Bê tông chống thấm mái thượng lưu (2) Đá đắp thân đập, n=23% (3) Tấm bê tơng (rộng×dài×cao)=(9×6×1)m (4) Neo thép cắm sâu vào (2), đặt cách tối đa 2,5m 2.2.4 Mơ hình tính tốn Do bê tông xếp lớp đệm, khả bám dính theo phương vng góc nhỏ, bê tông được giữ khối đá thơng qua thép neo nên mơ hình tính tốn sử dụng phần tử tiếp xúc mơ tiếp xúc mặt bê tông bê tông với lớp đệm Sử dụng phần tử tiếp xúc TARGE169-CONTA172 với đặc trưng vật liệu hệ số ma sát Tính tốn kiểm tra kết cấu bê tơng phần mềm ANSYS Khối đá đổ bê tông sử dụng phần tử ứng suất phẳng điểm nút PLANE42, nút có hai bậc tự chuyển vị theo phương X Y Thanh thép neo sử dụng phần tử BEAM3 Đây phần tử chiều chịu kéo nén dọc trục chịu uốn Đặc trưng hình học phần tử kích thước mặt cắt ngang phần tử Hình 6: Mơ bê tơng neo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Do bê tơng vật liệu khơng thấm nên chủ yếu dòng mặt mái bê tơng Vì mơ hình tính tốn, gán áp lực thủy tĩnh tác dụng lên phía áp lực thủy động tác dụng lên phía ngồi mái bê tơng M hình phần tử hữu hạn mơ kết cấu khối đá đổ bảo vệ mái hạ lưu bê tơng nêu hình đến hình 14   Hình 8: Chi tiết mạng lưới phần tử hữu hạn vị trí chân Hình 7: Chi tiết mạng lưới phần tử hữu hạn vị trí đỉnh   Hình 10: Lực dọc neo, Q = 2000m /s  Hình 9: Phổ chuyển vị tổng mái hạ lưu, Q = 2000m3/s   Hình 11: Ứng suất kéo lớn bê tơng, Q = 2000m /s   Hình 12: Phổ chuyển vị tổng mái hạ lưu, Q = 6500m3/s TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ   Hình 13: Lực dọc neo, Q = 6500m /s Hình 14: Ứng suất kéo lớn bê tông, Q = 6500m /s 2.3 Kết tính tốn kết cấu 2.3.1 Tính tốn lực kéo 3 2.3.1.1 Ứng với cấp lưu lượng Q=9,50 m /s.m (Q=2000 m /s) Lực dọc lớn neo N k = 127,847kN - Kiểm tra khả chịu kéo neo ứng với đường kính neo 25: k  12784, m  651  daN / cm2   R k   2100  1750  daN / cm  3,1416  2,5 k 1,2 2 k=651(daN/cm ) < [R k] =1750 (daN/cm ) Thanh neo 25 đủ khả chịu kéo - Kiểm tra khả chịu kéo neo ứng với đường kính neo 18 k  12784,7 m  1256  daN / cm2   R k   2100  1750  daN / cm2  3,1416 1,8 k 1, 2 k=1256(daN/cm ) < [R k] =1750 (daN/cm ) Với bê tơng M 250 có Rk = 1400 kN/m2 Trong đó: - 2100 (daN/cm ) ứng suất kéo cho phép thép neo - 1,2 hệ số hiệu chỉnh 2 Rk =1321 kN/m < [ R k] = 1400 kN/m Trong đó: - 1400 (kN/m ) ứng suất kéo cho phép bê tơng Như đường kính neo 18 đủ khả chịu kéo - 0,8 hệ số hiệu chỉnh - Kiểmtra khả chịu kéo bê tông 2.3.1.2 Ứng với cấp lưu lượng Q = 6500m /s Bê tông đảm bảo khả chịu kéo Ứng suất kéo lớn bê tông điểm tiếp xúc bê tông neo S1 = 1651 kN/m Lực dọc lớn neo N k = 103,987 KN Ứng suất kéo trung bình vị trí tiếp xúc S1 = 0,81651 = 1321 kN/m2 - Kiểm tra khả chịu kéo neo ứng với đường kính neo 25: σk   10398,7  529 daN/cm 3,1416  2,5 2   mk R k    2100  1750 daN/cm 1,2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ k=529(daN/cm2) < [R k] =1750 (daN/cm2) - Kiểm tra khả chịu kéo neo ứng với đường kính neo 18:    10398,7 m  1021,6 daN/cm2  R k   2100  1750 daN/cm 2 3,1416 1,8 k 1,2 2 k=1021,6(daN/cm ) < [R k] =1750 (daN/cm ) σk   Thanh neo có đường kính 18 đủ khả chịu kéo - Kiểm tra khả chịu kéo bê tông Ứng suất kéo lớn bê tông điểm tiếp xúc bê tông neo S1=1267 kN/m2 Ứng suất kéo tủng bình vị trí tiếp xúc S1= 0,8×1267 =1014 kN/m2 Với bê tơng M250 có Rk=1400 kN/m2 Rk=1014 kN/m2 < [R k]=1400 kN/m2 Hình 15: Lực cắt neo ứng với cấp lưu lượng Q = 6500m3/s Bê tông đảm bảo khả chịu kéo 2.3.1.3 Kiểm tra lực cắt với neo 18 Kết tính tốn hình 15 c  Kiểm tra khả chịu cắt neo ứng với đường kính neo 18: 13, m  1,37  daN / cm   R c   1300  1083  daN / cm  3,1416  1,8 k 1, c =1,37 (daN/cm2) [K]=1,20 Hình 17: Hệ số ổn định mái ứng với cấp lưu lượng q=31,00m3/s.m, Q=6500m3/s (K=3,094) K=3,094>[K]=1,20 Như vậy: Mái dốc hạ lưu ổn định với cấp lưu lượng lũ đầu neo hàn (hay buộc) vào khung thép, sau đổ bê tông cốt thép chỗ III - Các kết cấu phù hợp với cơng trình: Chiều cao đập đá đổ đắp dở H16m, mái dốc m≥6 lưu lượng đơn vị lũ thi công q31,00 m3/s.m KẾT LUẬN Qua thí nghiệm mơ hình tính toán kiểm tra kết cấu, ổn định gia cố mái hạ lưu đập đá đổ bê tơng rút số nhận xét sau: - Tấm bê tơng có kích thước 9×6×1 m (dài× rộng × dày) có đục lỗ nước, neo vào thân đập thép neo 18 dài 8m (cả uốn), neo đặt cách tối đa 2,50m Với kết cấu bê tông đảm bảo ổn định, an tồn cho cơng trình xả lũ thi công qua đoạn đập đá đổ đắp dở - Theo cơng trình thi cơng giới nước, thi công bê tông cốt thép bảo vệ mái đập đá đổ đắp dở cần ý biện pháp thi công: đặt sẵn neo thân đập, đầu gắn vào cục bê tơng có kích thước 50x50x50cm (chơn sẵn thân đập) Tuy nhiên để củng cố thêm sở khoa học cho việc ứng dụng giải pháp vào thực tế, cần tiếp tục thực nội dung nghiên cứu sau: Nghiên cứu chế độ thủy lực dòng chảy qua cơng trình dẫn dòng; nghiên cứu bảo vệ chân mái hạ lưu đập; nghiên cứu kết cấu gia cố bảo vệ vai đập, vai hạ lưu đập, mái bờ sơng hạ lưu đập; nghiên cứu xói lở hạ lưu mơ hình lòng mềm; nghiên cứu gia cố mái hạ lưu đập đá đổ đắp dở khung thép bỏ đá dạng bậc nước Những nội dung nghiên cứu chúng tơi trình bày vào dịp khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] QCVN 04-05-2012, Cơng trình thủy lợi- Các quy định chủ yếu thiết kế [2] TCVN 9147-2012, Cơng trình thủy lợi - Quy trình tính tốn thủy lực đập tràn [3] TCVN 9151-2012, Cơng trình thủy lợi - Quy trình tính tốn thủy lực cống sâu [4] TCVN 9610-2012, Cơng trình thủy lợi - u cầu thiết kế dẫn dòng xây dựng [5] X.V.ZBAS, thủy lực chặn lòng sơng , Võ Phán, Trương Nhật Thanh dịch, NXB KHKT, năm 1974 [6] Sổ tay tính tốn thủy lực, Lưu Công Đào, Nguyễn Tài dịch từ tiếng Nga, NXB nông nghiệp năm 1974 [7] Sổ tay thủy cơng, Matxcơva năm 1988 [8] Dẫn dòng thi cơng cơng trình thủy lợi, thủy điện, Trường đại học thủy lợi [9] Tháo lũ qua đập đá đổ xây dựng dở, Studenichnikov B.I, tạp chí KHKT trường đại học xây dựng Matxcơva, năm 1961 năm 2009 [10] Sự tiến triển dẫn dòng thi cơng vượt lũ đập đá đổ bê tông mặt Trung Quốc, Triệu Tăng Khải, Tổng công ty thiết kế quy hoạch thủy lợi, thủy điện, năm 2005 [11] Phan Đình Đại (1992): Thi cơng đập thủy điện Hòa Bình- NXB xây dựng, Hà Nội [12] Nghiên cứu thí nghiệm tràn qua mặt đập mặt, Hồ Khứ Liệt- Dự Ba, Phòng nghiên cứu Thủy công Viện nghiên cứu khoa học thủy lợi Nam Kinh, năm 1997 [13] Viện Năng Lượng (2002), Báo cáo kết thí nghiệm mơ hình cơng trình thủy điện Tuyên Quang [14] Viện Khoa học Thuỷ lợi (2006), Báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực xả lũ thi công qua đập đá đổ đắp dở, cơng trình Cửa Đạt, Thanh Hóa [15] Trần Quốc Thưởng, (2005): Thí nghiệm mơ hình thủy lực - NXB xây dựng, Hà Nội [16] Trần Quốc Thưởng (2008): Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số 6-201J [17] Báo cáo thí nghiệm mơ hình thủy lực dẫn dòng thi cơng cơng trình: Sơng Bung 4, Sôn g Tranh 2, Hạ Sê San 2, Bản Chát, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam [18] Báo cáo thí nghiệm mơ hình thủy lực cơng trình: Đồng Nai 4, Đaktit, Serepok 3, Sesan Viện Khoa học thủy lợi Miền Nam TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 28 - 2015 ... Với kết cấu bê tông đảm bảo ổn định, an tồn cho cơng trình xả lũ thi công qua đoạn đập đá đổ đắp dở - Theo cơng trình thi cơng giới nước, thi công bê tông cốt thép bảo vệ mái đập đá đổ đắp dở. .. nội dung nghiên cứu sau: Nghiên cứu chế độ thủy lực dòng chảy qua cơng trình dẫn dòng; nghiên cứu bảo vệ chân mái hạ lưu đập; nghiên cứu kết cấu gia cố bảo vệ vai đập, vai hạ lưu đập, mái bờ sơng... đập, mái bờ sơng hạ lưu đập; nghiên cứu xói lở hạ lưu mơ hình lòng mềm; nghiên cứu gia cố mái hạ lưu đập đá đổ đắp dở khung thép bỏ đá dạng bậc nước Những nội dung nghiên cứu chúng tơi trình bày