Phân tích ứng suất nhà máy thủy điện ngầm trong quá trình xây dựng

Bài viết Phân tích ứng suất nhà máy thủy điện ngầm trong quá trình xây dựng phân tích ứng suất nhà máy ngầm trong quá trình thi công khi có xét đến các đứt gãy địa chất thực tế. Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy một bức tranh tổng thể diễn biến quá trình thay đổi ứng suất trong môi trường theo quá trình thi công theo đúng thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo.

PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NGẦM TRONG QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG TS Đào Văn Hưng, PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Nhà máy thủy điện ngầm đặt sâu môi trường tự nhiên chịu lực phức tạp Q trình thi cơng làm thay đổi trạng thái ứng suất tự nhiên môi trường, phá vỡ trạng thái cân ban đầu ảnh hưởng tới kết cấu chịu lực nhà máy ngầm Nội dung báo tiến hành phân tích ứng suất nhà máy ngầm q trình thi cơng có xét đến đứt gãy địa chất thực tế Các kết nghiên cứu bước đầu cho thấy tranh tổng thể diễn biến q trình thay đổi ứng suất mơi trường theo q trình thi cơng theo thực tế Từ khóa: nhà máy thủy điện ngầm; ứng suất; biến dạng, xây dựng I Giới thiệu chung Việt Nam nước có nguồn lượng nước dồi giới Các cơng trình đầu mối ngày xây dựng với tốc độ quy mô tiến độ ngày mạnh mẽ Tuy nhiên trình triển khai thực hiện, vấn đề kỹ thuật ngày nảy sinh hệ thống tiêu chuẩn quy trình quy phạm Việt Nam đời từ sớm, nhiều vấn đề khơng phù hợp với điều kiện kĩ thuật kinh tế đất nước thới Một vấn đề tương đối quan trọng cơng trình thủy điện mà thực chưa có báo cáo tổng kết đánh giá chất lượng yêu cầu kỹ thuật theo hệ thống tiêu chuẩn Việt nam, kết dựa tham khảo kinh nghiệm nước đề cập đến kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm thủy lợi thủy điện Đặc biệt quan trọng đánh giá mức độ an toàn cơng trình ngầm chưa phụ thuộc nhiều vào điều kiện kỹ thuật đề cập đến nghiên cứu mang tính khoa học Một đặc điểm phá hoại môi trường tự nhiên xét đến phá vỡ trạng thái cân ban đầu thơng qua q trình thi cơng tiến hành q trình đào, khoan thi cơng cơng trình ngầm làm trạng thái cân ban đầu Việc xây dựng cơng trình ngầm đường hầm, gian nhà máy ngầm Đã làm ảnh hưởng đến sức chịu tải chung cơng trình mơi trường 136 Theo lý thuyết tính tốn cổ điển áp dụng Việt nam, việc áp dụng tiến hành tính tốn thiết kế nhiều mang tính biểu kiến, khơng phản ánh điều kiện làm việc thực tế trình thi cơng vận hành cơng trình thủy lợi, thủy điện q trình vận hành Chính từ điều kiện thực tế này, báo trình bày số quan điểm tính kết tính tốn phân bố ứng suất mơi trường tự nhiên q trình thay đổi q trình thi công nhằm đưa kết bước đầu đìêu kiện làm việc cơng trình ngầm điều kiện thực tế môi trường II Lựa chọn mơ hình tính tốn II.1 Lựa chọn mơ hình vật liệu II.1.1 Chuẩn tắc phá hoại Trong tiêu chuẩn hành Việt Nam phương pháp tính tốn lý thuyết vỏ hầm cơng trình tiêu biểu hệ thống cơng trình ngầm nói chung Việc lựa chọn sử dụng mơ hình vật liệu mơ hình đàn hồi thể số điều kiện phản ánh điều kiều làm việc chưa phù hợp với thực tế Một cơng trình ngầm đặt sâu mơi trường tự nhiên, q trình thi cơng, tải trọng tác động vào cơng trình ngầm khơng tuân theo điều kiện lý thuyết Chính điều phản ánh q trình làm việc mơi trường vật liệu tự nhiên bên ngồi khơng tn theo giai đoạn làm việc vật liệu đàn hồi q x 2 y x h T A B e' N R e' P H 3.90 45-  45-  e" e" y B 2.30 2.63 L z n Hình 1a Quan điểm tính tốn theo phương pháp lý thuyết Hình 1b Kết tính tốn theo phưong pháp mơ hình số Từ quan điểm kết tính tốn thể hình 1(a,b) cho thất rõ khác biệt kết tính tốn theo quan điểm khác Chính từ điều đưa đến ứng xử khác mặt công trình khơng phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật Với đặc thù cơng trình ngầm đặt sâu tự nhiên, chịu tải trọng tương đối phức tạp với chiều sâu cột đất đá tương đối lớn Việc lựa chọn mơ hình vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi thể nhiều mặt chưa phù hợp với điều kiện thực tế mà tự nhiên không thỏa mãn điều kiện liên tục điều kiện chịu tải vật liệu khơng làm việc giai đoạn đàn hồi Chính từ lý nên việc lựa chọn đề xuất lựa chọn mơ hình vật liệu dùng nghiên cứu, mơ hình dẻo đàn tính với chuẩn tắc phá hoại Drucker-Prager môi trường đất đá chịu tải trọng lớn tương đối phù hợp thể sau: Phương trình chuẩn tắc: F  J  I  K (1) đó: I1        J2     2     2     2 ，   K hệ số mơi trường đất đá, c  lực dính đơn vị góc ma sát mơi trường Nếu xét mặt phẳng lượng , chuẩn tắc Drucker-Prager đa giác viền quanh sáu mặt chuẩn tắc Columb Khi hệ số  Kđược định nghĩa sau sin  6C cos   ，K  3  sin   3  sin   Đối với giới hạn đa giác Columb, chuẩn tắc Drucker-Prager xác định hệ số ,K xác định sau: sin  6C cos   ，K  3  sin   3  sin   Đối với toán hai chiều, hệ số 、K xác định sau: tan  3C  ，K   12 tan   12 tan  Chuẩn tắc kháng kéo lớp tiếp xúc môi trường cơng trình ngầm xác định theo cơng thức: F   n  Ra (2) đó: Ra cường độ kháng kéo vật liệu Ngoài ra, dựa trạng thái biến dạng kéo để phán đốn khu vực bị phá hoại cơng trình mơi trường, cho phép modul biến dạng kéo modul cường độ kháng cắt cho phép lựa chọn hệ số an toàn định II.1.2 Mơ hình vật liệu Với mơ hình đàn dẻo, F＜0 vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi, quan hệ ứng suất biến dạng thể qua quan hệ sau: 137 d  Dd  ~ ~ (3) ~ đó: D : ma trận đàn hồi ~ Khi môi trường tự nhiên xuất vết nứt đoạn tầng quan niệm vết nứt đoạn tầng khơng phát sinh ứng suất cắt Khi quan hệ viết lại dạng: T  d   T DT d  ~ ~ ~ ~ (4) ~ đó: T ma trận chuyển vị tọa ~  độ， D Ma trận đàn hồi dị hướng xét ~ đến tính khơng đồng theo hướng môi trường: 0 0 0 0 0   2G 0 0   0    2G 0 0 (5) D  ~ 0 0 0   0 0 G 0   0 0 0 0 Khi F>0 Vật liệu làm việc sau giai đoạn T  F   D d   tương ứng với phá hoại,khi     ~ ~  ~ vật liệu làm việc giai đoạn dẻo gia tải Để phản ánh quan hệ dẻo này, sử dụng quan hệ ứng suất biến dạng sau: d  D d (6) ~ ~ ep ~ đó: D  D D ~ ep ~ (7) ~ p ~ p ~ D  ~ p F F T ( ) D ~   ~ (8) ~ F T F ( ) D H ~   ~ ~ Ở lựa chọn H=0, giả thiết vật liệu làm việc giai đoạn dẻo lý tưởng, sau giai  F đoạn phá hoại,     ~ 138 ~ p ~ ~ *  R  K (     ) ~ p ~ p ~ (10) ~ đó: K e ma trận cứng tổng thể đàn ~ * hồi,   ma trận chuyển vị tăng thêm ~ 1 *   K  R ~ ~ e (11) ~  R :là ma trận tải tăng thêm ~ *    (     ) ~ ~  ma trận ~ (12) ~ chuyển vị dẻo tăng thêm，   tổng lượng chuyển vị tăng thêm ~ toàn kết cấu K  K K ~ e ~ (13) ~ p K ma trận cứng tổng thể toàn kết ~ cấu K ma trận cứng đường chéo ~ p vật liệu bắt đầu làm việc giai đoạn dẻo T K   V B D B dV (14) ~ p ~ ~ p ~ Q trình tính tốn tích phân bước    ~ n 1 dừng lại ~ n    ~ n Ma trận dẻo D xác định sau: D làm việc nằm giai đoạn trung tính gia tải dỡ tải, vật liệu làm việc với tính chất đàn dẻo, lúc vật liệu làm việc tương tự giai đoạn đàn hồi II.1.3 Giải phương trình phi tuyến Khi giải phương trình phí tuyến, lựa chọn phương pháp gia tải bước xác định theo phương trình bản: K e    R (9) T   D d   , vật liệu  ~ ~  II.2 Phương pháp phản ứng lực Phương pháp phản ứng lực cho lực trình dỡ tải phát sinh trình đào ứng suất phát sinh mặt môi trường đào hai lực phương ngược chiều có độ lớn Từ quan điểm nên việc xác định ứng suất phát sinh thi cơng cơng trình ngầm việc xác định tải trọng phát sinh q trình đào móng sinh việc mơ q trình thi cơng quan trọng có ảnh hưởng lớn đến việc xác định tải trọng Dựa trường thúc trình đào ứng suất tự nhiên ban đầu, thông qua việc giải Nếu gọi trường ứng suất ban đầu môi phương trình tuyến tính xác định ứng trường  0 , trường chuyển vị tương đối suất biên Dựa vào quan hệ ứng suất biến dạng giai đoạn đàn hồi, ban đầu u , i thứ tự bước đào thi tiến hành xác định xác định tải trọng phát sinh công，ứng suất pháp ban đầu bước đào thứ trình dỡ tải Giải phương trình cân i  i , tải trọng phát sinh trình để thu trường chuyển vị tăng thêm đào bước thứ i xác định sau: Quá trình tiếp diễn kết  p ix   2 xi  b1  b2    xi 1b2   xi 1b1  2 xyi  a1  a2    xyi 1a2   xyi 1a1     （15） i i i 1 i 1 i i 1 i 1 p y   2 y  a1  a2    y a2   y a1  2 xy  b1  b2    xy b2   xy b1    đó: III Cơng trình ứng dụng Cơng trình ứng dụng lựa chọn a1  xi 1  xi ， a2  xi  xi 1 ， nghiên cứu cơng trình thực tế tổ máy b1  yi  yi 1 ， b2  yi 1  yi 。 Quá trình tính tốn thực mơ Nếu hệ trục tọa độ x, y trùng với phương toàn trình đào thi cơng đường hầm dẫn ứng suất đồng nghĩa với  xy  , nước, gian nhà máy, đường hầm tháo nước cơng thức (15) rút gọn thành: theo trình tự thiết kế Quan tâm ý  i i i 1 i 1 nghiên cứu tập trung vào p   2 x  b1  b2    x b2   x b1    (16) đường hầm lấy nước số 6, 7,  i i i 1 i 1 đường hầm có tuyến cong đường hầm p   2 y  a1  a2    y a2   y a1    tháo nước số 4, 5, 6, 7, 8, không nghiên Nếu trường ứng suất ban đầu định cứu vào đường hầm dẫn nước tập trung thoát nghĩa trường ứng suất trung bình, cơng thức hạ lưu Điều đáng ý gian nhà (15)có thể viết dạng: máy số có đường hầm tháo nước trước  i vào tháp điều áp có tuyến cong có p   x  b1  b2    xy  a1  a2     (17) nhiều ảnh hưởng trình phát sinh ứng  pi   y  a1  a2    xy  b1  b2    suất vùng Sự ảnh hưởng vết  Nếu hệ trục tọa độ x,y trùng với phương nứt địa tầng tới phân bố ứng suất khu nhà máy xem xét cách thỏa ứng suất chính, cơng thức (7)có thể rút đáng Tồn chiều dài tuyến cơng trình gọn thành: ngầm rộng 552.5 m phạm vi gian nhà  i p    x  b1  b2    máy ngầm tổ máy dài 292.5 m, Tố máy số  (18)  đào dài 100m, tổ máy số đào dài 160 m p i   y  a1  a    Cao trình đặt máy cao độ 345m, vị trí trung  Trường ứng suất chuyển vị cuối tâm gian nhà máy cách thượng lưu 115m, xác định từ trường ứng suất, chuyển vị cách hạ lưu 230 m Trong trình nghiên ban đầu sau bổ sung cộng dồn cứu, có xét đến ảnh hưởng đứt gãy trường ứng suất, chuyển vị tăng thêm địa tầng F1 , F5 , F12 , F18 F5 , F12 F18 ba đứt gãy nằm ngang, đứt gãy F1 vuông góc bước đào thi cơng: (19) với ba đứt gãy này，Lưới phần tử thể   0 1 2 n (20) tồn q trình thi cơng cơng trình ngầm u   u1   u     u n  thể hình 3-3 với 212106 điểm x y x y x y 139 nút, 211578 phần tử Vị trí đứt gãy địa tầng F1 , F5 , F12 , F18 thể hình 3-4 Để gia tăng mức độ xác q trình tính tốn mức độ phức tạp Hình 3-3 Mơ hình khơng gian ba chiều phân tích ứng suất nhà máy thủy điện III.1 Mơ q trình thi cơng Phương án thi công thể bảng 3.1 III.2 Phân tích kết tính tốn Lựa chọn mặt cắt qua tổ máy số để tiến hành phân tích kết tính tốn suốt q trình thi cơng Kết phân tích chuyển vị: địa chất, ảnh hưởng q trình thi cơng, lựa chọn kiểu phân tầng HL0+051.250, HL0+258.250, HR0+000.250 để tính tốn phi tuyến tính Hình3-4 Mơ tả đứt gãy F1 , F5 , F12 , F18 dùng tính tốn Bảng 3.1 Tiến độ thi cơng Bước Cao trình gian thi cơng nhà máy (m) 250.4 241.2 230.7 221.5 211.5 205.0 Cao trình phòng điều khiển (m) 245.7 236.7 227.8 221.5 Đường hầm lấy nước (m) 263.0 256.5 250.7 244.0 234.0 222.5 Hình 3-1 Đẳng chuyển vị (bước đào 1, đơn vị: m) Hình 3-2 Đẳng chuyển vị (bước đào 2, đơn vị: m) Hình 3-3 Đẳng chuyển vị (bước đào 3, đơn vị: m) Hình 3-4 Đẳng chuyển vị (bước đào 4, đơn vị: m) Hình 3-5 Đẳng chuyển vị (bước đào 5, đơn vị: m) Hình 3-6 Đẳng chuyển vị (bước đào 6, đơn vị: m) 140 Kết phân tích ứng suất vùng dẻo: Hình3-7 Đẳng ứng suất kéo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 2, đơn vị: MPa) Hình 3-8 Đường đẳng ứng suất nén mặt cắt dọc tổ máy 2(bước đào 2, đơn vị: MPa) Hình 3-9 Vùng tính dẻo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 2) Hình3-10 Đẳng ứng suất kéo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 4, đơn vị: MPa) Hình 3-11 Đẳng ứng suất nén mặt cắt dọc tổ máy 2(bước đào 4, đơn vị: MPa) Hình 3-12 Vùng tính dẻo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 4) Hình3-13 Đẳng ứng suất kéo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 6, đơn vị: MPa) Hình 3-14 Đẳng ứng suất nén mặt cắt dọc tổ máy 2(bước đào 6, đơn vị: MPa) Hình 3-12 Vùng tính dẻo mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 6) Các kết tính tốn thể mặt cắt dọc tổ máy số mô số chân thực q trình thi cơng tồn gian nhà máy ngầm, phân tích chi tiết trường chuyển vị khối đá giai đoạn đào, hai cấp trường chuyển vị với đặc trưng biến hình vùng tính dẻo, cung cấp số liệu để phân tích ổn định nhà máy ngầm 1) Giá trị chuyển vị phát sinh q trình đào khơng q lớn, nói chung nhỏ 25.0 mm, có vùng cục gần gian nhà máy vượt 30 mm, ảnh hưởng tính ổn định khối đá khơng lớn cần phải gia cố chống đỡ 2) Tổng thể trình đào, đại phận vùng ứng suất nén, có vùng nhỏ (đáy cuối đường hầm, vùng cục sát đường hầm dẫn nước tường thượng lưu nhà máy chính) phát sinh ứng suất kéo khơng lớn Giá trị ứng suất toàn gian nhà máy nằm khoảng từ -43.0 ~ 1.0 MPa 3) Sau hoàn thành q trình đào, tồn gian nhà máy xuất vùng tính dẻo với mức độ khác nhau, tiến hành gia cố chống đỡ nên xem xét kỹ, đặc biệt vùng giao gian nhà máy IV Kết luận Bài báo sử dụng phương pháp hỗn hợp tiến hành mơ q trình đào nhà máy thủy điện ngầm, q trình mơ bao gồm bước bản: từ mơ hình phần tử hữu hạn tiến hành tính tốn phân tích với bước gia tải thứ nhất, thu trường ứng suất ban 141 đầu Sau từ trường ứng suất ban đầu lại đưa vào mơ hình phần tử hữu hạn, đồng thời lấy chuyển vị 0, từ tiến hành phân tích mơ với bước đào, thu trường chuyển vị trường ứng suất, trường chuyển vị trường ứng suất thực tế Thơng qua mơ q trình thi cơng cơng trình thực tế biết, điều chỉnh mơ hình phân tích tham số tính tốn, vùng khác khơng tính chất sử dụng phương pháp phân tích khác để tiến hành dự báo ổn định biến hình, đề xuất phương án thi công hợp lý biện pháp gia cố có, điểm quan trọng báo xác định phạm vi tính tốn điều kiện biên mơ hình với phương pháp mơ q trình đào nhà máy ngầm, đồng thời thu vài kết mơ có giá trị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Hưng, 2010 Phân tích ứng suất biến dạng ổn định hệ thống Nhà máy Thủy điện ngầm (Luận án Tiến sỹ), Đại học Hà Hải - Trung Quốc (Trung Văn) [2] Nguyễn Quốc Hùng, Nguyễn Thế Hùng, 2004 Thiết kế cơng trình hầm Giao thơng NXB Giao thơng vận tải [3] Zhang You Tian, 1999 Thiết kế kết cấu công trình ngầm thủy cơng - Trung Quốc, NXB Thủy điện Tây Bắc (Trung Văn) [4] Li Shi Hui, 1999 Lý thuyết thiết kế gia cố đường hầm Bắc Kinh: Nhà xuất Khoa học (Trung Văn) [5] ZhuWei Sheng, 2004 Nghiên cứu tính ổn định hệ thống cơng trình ngầm quy mơ lớn, Tạp chí Cơ học đất đá cơng trình (Trung Văn) [6] Zhang You Tian, 2001 Bài học kinh nghiệm xây dựng đường hầm thủy cơng Tạp chí Thủy lợi Thủy điện Q Châu (Trung văn) [7] Kong De Sen, Luan Mao Tian, 2005 Nghiên cứu phương pháp phân tích trị số học đất đá, Tạp chí Kỹ thuật cơng trình đất đá (Trung văn) [8] Zheng Zhi, 2001 Sự phát triển cơng trình ngầm thủy cơng, Tạp chí Thủy lợi thủy điện Quý Châu (Trung Văn) [9] Trần Bảo Việt, Bùi Trong Cầu, 2006 Phương pháp convergence - confinement thiết kế hầm Tạp chí cầu đường [10] C.Carranza Torroes, C.Feirhurst, 2000 Application of the convergence - confinement method of tunnel design to rock mass that satisfy the Hoek - Brown failure criterion, Tunnelling ang underground space Abstract STRESS ANALYSIS OF SUBTERRANEAN HYDROPOWER PLANTS DURING CONSTRUCTION Dr Dao Van Hung, Assoc Prof Nguyen Quang Hung Faculty Of Civil Engineering, Water Resources University Deeply-placed subterranean hydropower plants in natural environment must bear greatly complicated loads The construction has changed the natural stress state, disrupted the initial equilibrium state and exerted impacts on load-bearing structures of subterranean plants Contents introduced in this paper are the stress analysis of subterranean hydropower plants during construction taking the actual geological faults into consideration Initial research results have shown an overall picture of actual evolution of stress change in the medium during construction stage Keyword: subterranean hydropower; stress; deformation; construction 142 ... phương pháp mơ q trình đào nhà máy ngầm, đồng thời thu vài kết mô có giá trị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Hưng, 2010 Phân tích ứng suất biến dạng ổn định hệ thống Nhà máy Thủy điện ngầm (Luận án... độ xác q trình tính tốn mức độ phức tạp Hình 3-3 Mơ hình khơng gian ba chiều phân tích ứng suất nhà máy thủy điện III.1 Mơ q trình thi cơng Phương án thi công thể bảng 3.1 III.2 Phân tích kết... gian nhà máy IV Kết luận Bài báo sử dụng phương pháp hỗn hợp tiến hành mơ q trình đào nhà máy thủy điện ngầm, q trình mơ bao gồm bước bản: từ mô hình phần tử hữu hạn tiến hành tính tốn phân tích