Nghiên cứu giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm giảm hiện tượng tập trung ứng suất trong thời kỳ khai thác

Bài viết đề xuất giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm giảm hiện tượng tập trung ứng suất trên mặt cắt ngang của đập bê tông trong thời gian làm việc. Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng tính toán, xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của kết cấu đề xuất, qua đó so sánh với kết cấu được sử dụng nhiều hiện nay, để từ đó rút ra kết luận.

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU MỚI CHO ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC NHẰM GIẢM HIỆN TƯỢNG TẬP TRUNG ỨNG SUẤT TRONG THỜI KỲ KHAI THÁC RESEARCHING NEW TYPE STRUCTURES OF CONCRETE GRAVITY DAM FOR REDUCING STRESS CONCENTRATION DURING WORKING TIME NGUYỄN HOÀNG Khoa Cơng trình, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Trong báo này, tác giả đề xuất giải pháp kết cấu cho đập bê tông trọng lực nhằm giảm tượng tập trung ứng suất mặt cắt ngang đập bê tông thời gian làm việc Tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng tính tốn, xác định trạng thái ứng suất - biến dạng kết cấu đề xuất, qua so sánh với kết cấu sử dụng nhiều nay, để từ rút kết luận Từ khóa: Đập bê tông, ứng suất, tập trung, kết cấu, mặt cắt, khai thác Abstract In this paper author proposed new type structure of concrete gravity dam for reducing stress concentration of cross section’s dam during working time Author also used method element finite to calculating stress- strain state of new type structure These results are used compare with stress- strain state of structure, which is popular using for concrete gravity dam Keywords: Gravity dam, stress- strain, stress concentration, structure, cross-section, working time Đặt vấn đề Lựa chọn mặt cắt hợp lý cho đập bê tông, bê tông trọng lực vấn đề hàng đầu nhà thiết kế Theo [1] mặt cắt cho hợp lý đập bê tơng mặt cắt có mái dốc thượng lưu phần thẳng đứng, phần có mái dốc 1:0,2 1:0,3 Hình Vùng ứng suất tập trung Vùng ứng suất tập trung Hình Mặt cắt đập bê tông trọng lực thông thường Tuy nhiên, trình khai thác chịu tải trọng bản: áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm,… xuất hiện tượng tập trung ứng suất số vùng (Hình 1) như: Phía tiếp giáp đá chân đập (gót đập); vùng độ mái thẳng đứng mái dốc phía thượng hạ lưu Hiện tượng tập trung ứng suất [2] nguyên nhân gây vết nứt vùng dẫn tới làm giảm chu kỳ khai thác cơng trình, nặng phá hủy tồn kết cấu cơng trình, gây hậu thảm hại Một số kết nghiên cứu trước mặt cắt tối ưu đập bê tông trọng lực [5] phân tích theo hướng đảm bảo điều kiện ổn định trượt; lật Bên cạnh đó, có cơng trình nghiên cứu phân tích ứng suất tập trung mái hạ lưu [6], nhiên kết Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 39 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 dừng lại việc tính tốn tìm ứng suất xác định mức độ hình thành vết nứt ứng suất tập trung gây mà chưa có hướng để làm giảm ứng suất tập trung Đề xuất giải pháp kết cấu, tính tốn phân tích kết Hiện tượng ứng suất tập trung ứng suất lớn trội phát sinh khu vực tương đối hẹp, xảy nơi có thay đổi đột ngột hình dạng tiết diện Mặt cắt thể hình cho thầy thay đổi đột ngột tiết diện vùng độ Do đó, để giảm thay đổi đột ngột tiết diện, tác giả báo đề xuất kết cấu Hình Lúc này, vùng có thay đổi đột ngột tiết diện thay đoạn cong q độ có bán kính R=19m phía hạ lưu R=30m phía thượng lưu Để đánh giá hiệu kết cấu so với kết cấu thông thường đề cập tới mục 1, tác giả áp dụng tính tốn phân tích ứng suất cho loại kết cấu nói điều kiện chịu tải trọng tĩnh (áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm) phương pháp phần tử hữu hạn mơ hình hóa phần mềm ANSYS [4] Các thơng số hình học kết câu sau: chiều cao đập 46,3m; chiều rộng đỉnh 7m; mái dốc phía thượng lưu 1:0,3; phía hạ lưu 1:0,75 Phía mái thượng lưu lớp bê tông RCC loại có modul đàn hồi E= 42GPa [3]; bê tơng thân đập bê tơng đầm lăn RCC loại có modul đàn hồi E RCC= 29GPa [3]; đá xem xét tính tốn loại đá nứt nẻ có module đàn hồi trung bình E nền= 30GPa [3] Hình Mặt cắt ngang đập bê tơng trọng lực đề xuất Mơ hình tốn lưới phần tử hữu hạn Hình a) b) Hình Lưới phần tử hữu hạn kết cấu tính tốn a- Kết cấu đề cập mục b- Kết cấu đề xuất tác giả 40 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 Điều kiện biên toán sử dụng cho phần tính tốn gồm: Điều kiện biên tải trọng điều kiện biên chuyển vị Điều kiện biên tải trọng bao gồm: Áp lực thủy tĩnh phía thượng lưu ứng với chiều cao mức nước trước đập H=42,93m áp lực thấm đáy đập xét trọng trường hợp hệ số triết giảm sau chống thấm α=0,5 Điều kiện biên chuyển vị: phần tính tốn này, tác giả xem đập bê tông đá làm việc thể thống Điều phù hợp với xu hướng nghiên cứu đập bê tông đá vùng chuyển vị phần đáy phân đoạn đá nghiên cứu coi ngàm cứng (ứng với chuyển vị 0) Vùng ngàm b) a) Hình Điều kiện biên khai báo phần mềm a- Điều kiện biên tải trọng (áp lực nước thượng lưu) b- Điều kiện biên chuyển vị Kết tính tốn chuyển vị tổng đập trường ứng suất vùng có tượng tập trung ứng suất thể Hình 5, Hình Umax= 0,00268m Umax= 0,00269m a) b) Hình Trường ứng suất phía thượng lưu đập a- Kết cấu đề cập mục 1; b- Kết cấu đề xuất tác giả σkéo = 1,45MPa σkéo = 1,81MP a σkéo max = 2,12MPa σkéo max = 1,72MPa a) b) Hình Trường ứng suất phía thượng lưu đập a- Kết cấu đề cập mục 1; b- Kết cấu đề xuất tác giả Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 41 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 σnén max = 0,59MPa a) σnén max 0,13MPa = b) Hình Trường ứng suất phía hạ lưu đập a- Kết cấu đề cập mục 1; b- Kết cấu đề xuất tác giả Chuyển vị tổng lớn kết cấu đề cập mục 0,00269m; kết cấu mà tác giả đề xuất 0,00268m Kết chuyển vị nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện làm việc đập Ứng suất kéo theo phương Y lớn gót đập kết cấu ban đầu 2,12MPa kết cấu đề xuất giảm xuống 1,72MPa, tức giảm xấp xỉ 20% Ứng suất kéo theo phương Y vùng độ mái thượng lưu kết cấu đề xuất 1,45MPa nhỏ so với kết cấu ban đầu 1,81MPa Tại vùng độ mái hạ lưu, ứng suất nén theo phương Y kết cấu đề xuất tác giả 0,13MPa giảm lần so với kết cấu ban đầu 0,52MPa Kết luận Căn vào việc phân tích kết tính tốn ta thấy, việc sử dụng đoạn cong độ thiết kế mặt cắt ngang cho đập bê tông, đập bê tông trọng lực cho thấy việc giảm đáng kể giá trị ứng suất kéo, nén vùng thường xảy tượng tập trung ứng suất Do đó, giảm khả xảy tượng phá hủy kết cấu, ổn định cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Hồng Phó Un, Bàn công nghệ xây dựng đập bê tông đầm lăn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, 11/2012, trang 21-25 [2] Federal Emergency Management Agency: Selecting Analytic Tools for Concrete Dams to Address Key Events along Potential Failure Mode Paths FEMA P-1016., 7/2014 [3] H.Santana, E.Castell Miel I: RCC dam, height world record In Proceedings of the IV International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams, Madrid, Spain (17-19, November 2003) pp 345-350 [4] Кent L LawrenceАNSYS Workbench Tutorial Release 11 Schroff Development Corporation 2007 236 p [5] Nguyễn Chiến, Nguyễn Duy Hưng, Mặt cắt đập bê tơng trọng lực xây dựng vùng có động đất, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường, 09/2015, trang 30-36 [6] Hongyuan ZHANG, Tatsuo OHMACHI- Seismic cracking and strengthening of concrete gravity dams 12WCEE2000- 1410 pp.1-8 Ngày nhận bài: 15/03/2018 Ngày nhận sửa: 01/04/2018 Ngày duyệt đăng: 03/04/2018 42 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 ... tìm ứng suất xác định mức độ hình thành vết nứt ứng suất tập trung gây mà chưa có hướng để làm giảm ứng suất tập trung Đề xuất giải pháp kết cấu, tính tốn phân tích kết Hiện tượng ứng suất tập trung. .. cắt ngang cho đập bê tông, đập bê tông trọng lực cho thấy việc giảm đáng kể giá trị ứng suất kéo, nén vùng thường xảy tượng tập trung ứng suất Do đó, giảm khả xảy tượng phá hủy kết cấu, ổn định... làm việc đập Ứng suất kéo theo phương Y lớn gót đập kết cấu ban đầu 2,12MPa kết cấu đề xuất giảm xuống 1,72MPa, tức giảm xấp xỉ 20% Ứng suất kéo theo phương Y vùng độ mái thượng lưu kết cấu đề