Nghiên cứu bố trí phân khe trong đập vòm

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực luận văn, với giúp đỡ tận tình thầy giáo bạn bè đồng nghiệp với nỗ lực không ngừng thân, luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu bố trí phân khe đập vịm” hồn thành Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới giảng viên PGS.TS Nguyễn Quang Hùng TS Vũ Hồng Hưng trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian thực luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy lợi, Phòng đào tạo Đại học Sau đại học, khoa Cơng trình tồn thể thầy cô giáo giảng dạy, giúp đỡ tác giả trình học tập thực luận văn Lời cảm ơn chân thành xin gửi tới bạn bè đồng nghiệp, quan tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tác giả hoàn thành luận văn Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình ủng hộ, động viên tác giả mặt suốt trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Học viên Phan Văn Thắng LỜI CAM ĐOAN Tôi Phan Văn Thắng Tôi xin cam đoan: - Đây cơng trình nghiên cứu riêng - Kết luận văn trung thực khơng chép cơng trình nghiên cứu khác - Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả Phan Văn Thắng MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM 1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VỊM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG ĐẬP VỊM 1.2.1 Cơng nghệ thi cơng đập vịm: 1.2.2 Vấn đề thiết kế đập vòm 17 1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ AN TỒN ĐẬP VỊM 19 1.4 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ KHẢ NĂNG VÀ BIỆN PHÁP KHÁNG CHẤN ĐẬP VÒM 20 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU 22 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VỊM 22 2.1.1 Phương pháp dầm - Vòm: 22 2.1.2 Phương pháp PTHH 25 2.1.3 Phương pháp ứng suất đẳng hiệu PTHH 26 2.1.4 Phương pháp PTHH tự thích ứng 27 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH ĐẬP VỊM .27 2.2.1 Các hàm chuyển vị 27 2.2.2 Biến dạng 28 2.2.3 Ứng suất 28 2.2.4 Tải trọng 29 2.2.5 Độ cứng phần tử 29 2.2.6 Các phương trình cân 29 2.3 LƯỚI PHẦN TỬ HỮU HẠN TỰ THÍCH ỨNG TRONG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VỊM 31 2.3.1 Phương pháp h – thay đổi kích thước phần tử (h – enrichment): 33 2.3.2 Phương pháp p – thay đổi cấp bậc hàm số phần tử (p – refinement): 35 2.3.3 Phương pháp r – thay đổi vị trí điểm nút mạng lưới phần tử (phương pháp điểm nút di động): .37 2.3.4 Phương pháp tổ hợp: 37 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .38 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ PHÂN KHE HỢP LÝ TRONG ĐẬP VÒM 39 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM .40 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA CHẤT TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM 42 3.2.1 Địa chất 42 3.2.2 Mơ hình 43 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU CAO ĐẬP TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM 51 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .54 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH CỤ THỂ 56 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CƠNG TRÌNH 56 4.1.1 Mơ hình đập 56 4.1.2 Các tiêu lý 58 4.1.3 Các lực tác dụng .58 4.2 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG THÂN ĐẬP 60 4.2.1 Ảnh hưởng liên kết với đập 60 4.2.2 Phân tích, đánh giá kết tính tốn chuyển vị trường hợp 61 4.2.3 Phân tích, đánh giá kết tính tốn ứng suất trường hợp 65 4.3 PHÂN TÍCH VÀ BỐ TRÍ KHE HỢP LÝ .71 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 KẾT LUẬN .73 TỒN TẠI 73 KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 76 PHỤ LỤC 3.1 76 PHỤ LỤC 3.2 78 PHỤ LỤC 3.3 79 PHỤ LỤC 4.1 81 PHỤ LỤC 4.2 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một số hình ảnh đập vịm nước phương Tây Hình 1.2: Một số hình ảnh đập vịm Trung Quốc Hình 1.4: Kết cấu khe dẫn đập vòm RCC Hình 1.5: SCC lấp đầy khối đá đổ hình thành RFC 14 Hình 1.6: Thi cơng RFC đập vịm .16 Hình 1.7: Đặc trưng hình học dầm vịm 18 Hình 1.8: Đặc trưng hình học vịm ngang 18 Hình 2.1: Sơ đồ phân bố tải trọng lên vòm dầm 22 Hình 2.2: Sơ đồ phân phối tải trọng cho dầm vòm mặt nằm ngang 24 Hình 2.3: Phương pháp phần tử hữu hạn 26 Hình 2.4: Ba phương pháp thay đổi mạng lưới phần tử liên tục 33 Hình 3.1: Các loại khe đập vòm 40 Hình 3.2: Kết cấu khe thi cơng 40 Hình 3.3: Những điều kiện địa hình xây dựng đập vịm 41 Hình 3.4: Phổ S ứng với E = 5800 Mpa 44 R R R R Hình 3.5: Phổ S ứng với E = 7200 Mpa 44 R R R R Hình 3.6: Phổ S ứng với E = 9000 Mpa 45 R R R R Hình 3.7: Quan hệ E ~ Uy………………………………………………………….46 Hình 3.8: Quan hệ E ~ Uz………………………………………………………….46 Hình 3.9: Quan hệ E ~ S ………………………………………………………… 46 R R Hình 3.10: Quan hệ E ~ S ……………………………………………… ………46 R R Hình 3.11: Phổ S ứng với υ = 1,5 48 R R R R Hình 3.12: Phổ S ứng với υ = 2,0 48 R R R R Hình 3.13: Phổ S ứng với υ = 2,5 49 R R R R Hình 3.14: Quan hệ υ ~ Uy……………………………………………………… 49 Hình 3.15: Quan hệ υ ~ Uz……………………………………………………… 49 Hình 3.16: Quan hệ υ ~ S …………………………………………………………………50 R R Hình 3.17: Quan hệ υ ~ S ………………………………………………………….50 R R Hình 3.19: Phổ Uy ứng với H = 90 m 52 R R R R Hình 3.20: Phổ Uy ứng với H = 120 m .52 R R R R Hình 3.21: Quan hệ H ~ Uy……………………………………………………………….53 Hình 3.22: Quan hệ H ~ Uz……………………………………………………… 53 Hình 3.23: Quan hệ H ~ S …………………………………………………………53 R R Hình 3.24: Quan hệ H ~ S …………………………………………………………53 R R Hình 4.1: Đập Moticello 56 Hình 4.2: Mơ hình mặt đập 57 Hình 4.3: Mơ hình cắt ngang đập 57 Hình 4.4: Mơ hình tính tốn 57 Hình 4.5: Chuyển vị theo phương Y – TH1 .62 Hình 4.6: Chuyển vị theo phương Y – TH2 .63 Hình 4.7: Chuyển vị theo phương Y – TH3 .63 Hình 4.8: Chuyển vị theo phương Y – TH4 .64 Hình 4.9: Quan hệ trường hợp phân khe với chuyển vị theo phương Y 64 Hình 4.10: Ứng suất S1– TH1 65 Hình 4.11: Ứng suất S1– TH2 66 Hình 4.12: Ứng suất S1– TH3 66 Hình 4.13: Ứng suất S1– TH4 67 Hình 4.14: Quan hệ S số khe 67 R R Hình 4.15: Ứng suất S3– TH1 68 Hình 4.16: Ứng suất S3– TH2 69 Hình 4.17: Ứng suất S3– TH3 69 Hình 4.18: Ứng suất S3– TH4 70 Hình 4.19: Quan hệ S số khe 70 R R DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tỉ lệ cấp phối vài đập vịm RCC điển hình Trung Quốc Bảng 1.2: Tính kỹ thuật RCC vài đập vòm Trung Quốc Bảng 1.3: Thống kê đập vòm ứng dụng bê tông vi giãn nở MgO Trung Quốc năm gần 10 Bảng 1.4: Bảng tỉ lệ cấp phối chủ yếu bê tông MgO trộn xây dựng 12 Bảng 1.5: Tỉ lệ cấp phối bê tơng MgO thích hợp cho vùng Quảng Đông – Trung Quốc 12 Bảng 1.6: Tham số đặc trưng thí nghiệm phá hoại uốn cắt 16 Bảng 3.1: Kết tính toán với trường hợp E khác 45 Bảng 3.2: Kết tính tốn với trường hợp hệ số Poisson υ khác 49 Bảng 3.3: Kết tính tốn với trường hợp chiều cao đập khác .53 Bảng 4.1: Chỉ tiêu lý 58 Bảng 4.2: Kết tổng hợp chuyển vị ứng ứng suất hai trường hợp 61 Bảng 4.3: Tổng hợp chuyển vị trường hợp tính tốn .64 Bảng 4.4: Tổng hợp ứng suất S trường hợp tính tốn 67 R R Bảng 4.5: Tổng hợp ứng suất S đập 70 R R DANH MỤC VIẾT TẮT CKD: Chất kết dính MH: Mơ hình N/X: Nước Xi măng N: Nước PPPTHH: Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH: Phần tử hữu hạn RCC: Roller Compacted Concrete S1: Ứng suất lớn S3: Ứng suất nhỏ TH1: Trường hợp TH2: Trường hợp TH3: Trường hợp TH4: Trường hợp Uy: Chuyển vị theo phương Y Uz: Chuyển vị theo phương Z VL: Vật liệu X: Xi măng R R R R 69 Hình 4.16: Ứng suất S3– TH2 Hình 4.17: Ứng suất S3– TH3 70 Hình 4.18: Ứng suất S3– TH4 Bảng 4.5: Tổng hợp ứng suất S đập R Phạm TH1 vi (KN/m2) (KN/m2) Đập -3187 -3492 TH2 P P R TH3 P P TH4 (KN/m2) (KN/m2) P P -3435 Hình 4.19: Quan hệ S số khe R R P -3617 P 71 Từ bảng tổng hợp kết tính tốn đồ thị quan hệ S số khe R R nhận thấy rõ trường hợp tính tốn đập làm việc tiếp xúc, mà đập khơng phân khe thành phần ứng suất có kết có giá trị nhỏ trường hợp cịn lại Hình dạng đường quan hệ S số khe có xu hướng tăng lên R R Ứng suất nhỏ S trường hợp đập có khe tăng 9,5% so với trường R R hợp đập khơng có khe Ứng suất S tăng 5,3% đập tăng số khe từ lên tới R R 15 khe Như tính tốn đập có xét đến ảnh hưởng mà đâp chia khe bất lợi mặt kết cấu Số khe nhiều ứng suất nén tăng Do số khe tốt để đập làm việc an tồn khơng phải lớn tốt cho đập, mà số khe hợp lí phải thỏa mãn nhỏ ứng suất chịu nén bê tông Các kết phổ ứng suất Uz, xem phụ lục 4.2 4.3 PHÂN TÍCH VÀ BỐ TRÍ KHE HỢP LÝ Mặc dù phân nhiều khe bất lợi mặt kết cấu ứng suất nén đập tăng cịn ứng suất kéo đập có xu hướng giảm - Kết phân tích cơng trình với trường hợp tính tốn cho thấy biến đổi có quy luật ứng suất kéo đập vịm, đập vịm mặt hạ lưu đỉnh vịm có xuất ứng suất kéo cịn phía thượng lưu ln xuất ứng suất nén - Do muốn phân tích bố trí khe hợp lí ngồi phương pháp tính tốn lí thuyết nên áp dụng phương pháp tính tốn mới, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn dựa trợ giúp máy tính 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Qua nghiên cứu phân khe cho đập vòm trường hợp kết bước đầu thu quan hệ ứng suất biến dạng trường hợp Giúp tác giả lựa chọn số lượng khe cơng trình 14 chiều dài khoảnh đổ 20,78 m Bước đầu tìm quy luật biến đổi ứng suất biến dạng trường hợp phân khe khác nhau: 72 - Với ứng suất S ứng suất có xu hướng giảm sau phân khe Do R R bố trí khe theo trường hợp lựa chọn cần kiểm tra kĩ ứng suất cục phát sinh tính tốn - Với ứng suất S phân khe có xu hướng tăng, bê tơng có R R khả chịu nén tốt nên khả phá hoại đập ứng suất nén với trường hợp lựa chọn đảm bảo giới hạn an toàn Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn ứng suất đập vòm kết hợp với trợ giúp phần mềm giúp đưa kết phân tích ứng suất đập Qua giúp tác giả đưa lựa chọn khe thi công hợp lý, số lượng khe thi cơng tùy thuộc vào cơng trình, khoảnh đổ có chiều dài từ 10 ÷ 25m giúp giải vấn đề nhiệt bê tông khối lớn, hạn chế vết nứt, đồng thời không gây nhiều khó khăn thi cơng 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN - Tổng quan đập vịm cho biết tình hình xây dựng phát triển đập vòm giới nước Cho thấy nước ta đập vòm hạn chế mặt số lượng tài liệu nghiên cứu chuyên ngành, cho thấy cần thiết phải phát triển, đầu tư cho nghiên cứu thí nghiệm để phát triển hình thức đập Đồng thời cung cấp vấn đề đánh giá an toàn đập vịm thi cơng, cơng nghệ thi cơng đập vịm - Nghiên cứu lý thuyết đập vịm cho thấy phương pháp tính tốn nghiên cứu đập vòm sử dụng, cho thấy việc vận dụng phương pháp vào tính tốn giúp người thiết kế có nhìn tổng quan, có nhiều kết để phân tích đánh giá đưa kết cuối phục vụ công tác sản xuất, xây dựng Qua áp dụng tính tốn cho mơ hình phương pháp phần tử hữu hạn mà sử dụng phần mềm hỗ trợ phần mềm Ansys - Thông qua nghiên cứu phân tích trường chuyển vị, ứng suất biến dạng thân đập vịm cho thấy hình ảnh bước đầu tác động nhân tố tự nhiên địa hình, địa chất tới thay đổi ứng suất biến dạng thân đập - Quy luật thay đổi trường chuyển vị, ứng suất biến dạng cho thầy rõ mức độ ảnh hưởng chiều cao đập, độ cứng nền, mực nước hồ, liên kết tiếp giáp đập đến đập vòm - Với kết tính tốn cơng trình cụ thể giúp nhận thấy thay đổi ứng suất đập, quy luật chuyển vị Với đập bố trí nhiều khe, quy luật thay đổi chuyển vị ứng suất đồng Khi chia nhiều khe giúp làm giảm ứng suất kéo phát sinh thân đập Qua tính tốn cho cơng trình cụ thể tác giả chọn phương án để thiết kế đập vịm, đảm bảo an tồn mặt kết cấu TỒN TẠI - Việc nghiên cứu bố trí phân khe đập vòm, tổ hợp ảnh hưởng địa hình địa chất, số lượng khe,… sau bố trí khe, phân bố ứng suất đập vòm 74 khác với phân bố ứng suất đập bê tông trọng lực, việc làm địi hỏi cần có kinh nghiệm với kiến thức sâu đập vòm - Dựa vào seri kết phân tích, hạn chế mặt phần mềm máy tính, việc phân tích phân khe tác giả dừng lại 14 khe chiều dài khoảnh đổ 20,78 m Kết phân khe nhiều thay đổi mà tác giả chưa đưa vào - Khi tính tốn chưa xét đến tính chất phi tuyến vật liệu làm đập, tương tác chất lỏng đập - Ảnh hưởng khác đến đập vòm như: nhiệt độ, giai đoạn thi cơng… - Kết tính tốn chưa đưa lực động đất vào để đánh giá phân tích kết thực tế đập làm việc chịu tác dụng nhiều tổ hợp lực tác dụng KIẾN NGHỊ - Để góp phần vào nghiên cứu phát triền xây dựng đập vòm, cần đầu tư nhiều nhân lực vật lực Đồng thời phải hoàn thiện hệ thống quy phạm quy chuẩn khảo sát lựa chọn địa hình, địa chất, thiết kế kiểu vịm cơng nghệ thi cơng đập vịm - Trên sở thu từ kinh nghiệm nước trước, có Trung Quốc, Ucraina, Nga… số nước phương tây ứng dụng bước vào Việt Nam 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bộ Thủy Lợi, Vụ kỹ thuật (1982), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, NXB Nông nghiệp Bộ Xây dựng (1995), Tải trọng tác động lên cơng trình TCVN 2737-1995, NXB Xây dựng, Hà Nội Bộ Xây Dựng (2002), Cơng trình Thủy lợi - Các qui định chủ yếu thiết kế TCXDVN 285-2002, NXB Xây dựng, Hà Nội Vũ Hồng Hưng, Nguyễn Quang Hùng (2011), Ansys - phân tích kết cấu cơng trình thủy lợi thủy điện, NXB Xây Dựng Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng (2009), Vài vấn đề cần quan tâm thiết kế đập vòm cao, Tạp chí thủy lợi & mơi trường Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng (2009), Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng hiệu phân tích ứng suất đập vịm cao, Tạp chí NN&PTNT Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng (2009), Kĩ thuật phân khe kết cấu – Một vấn đề quan trọng thiết kế đập vịm bê tơng đầm lăn cao Vũ Hoàng Hưng, Dương Đức Tiến, Vũ Quốc Vương (2008), Cơng nghệ xây dựng bê tơng đập vịm Phạm Ngọc Khánh, Trịnh Đình Châm (2002), Lý thuyết đàn hồi, NXB Xây dựng, Hà Nội 10 Phạm Ngọc Khánh, Nguyễn Công Thắng (2007), Phương pháp số, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội 11 Phạm Ngọc Q, Đập vịm, ĐHTL 12 Ngơ Trí Viềng, Nguyễn Chiến, Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Cảnh Thái (2005), Giáo trình thủy cơng - tập 2, ĐHTL Tiếng Anh 13 EM 1110-2-2201 (1994), Engineering and Design - Arch Dam Design T Proponent T 14 Yusof Ghanaat (1993), Theoretical Manual for Analysis of Arch Dams 76 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 3.1 Hình 1: Phổ U y ứng với E = 5800 Mpa Hình 2: Phổ U y ứng với E = 7200 Mpa Hình 3: Phổ U y ứng với E = 9000 Mpa Hình 4: Phổ U z ứng với E = 5800 Mpa R R R R R R R R Hình 5: Phổ U z ứng với E = 7200 Mpa R Mpa R R R R R R R R R R R Hình 6: Phổ U z ứng với E = 9000 R R R R 77 Hình 7: Phổ S ứng với E = 5800 Mpa R R R R Hình 8: Phổ S ứng với E = 7200 Mpa R R Hình 9: Phổ S ứng với E = 9000 Mpa R R R R R R 78 PHỤ LỤC 3.2 Hình 1: Phổ U y ứng với υ = 0,15 R R R R Hình 2: Phổ U y ứng với υ = 0,25 R R R R Hình 3: Phổ U z ứng với υ =0,15 Hình 4: Phổ U z ứng với υ =0,25 Hình 5: Phổ S ứng với υ = 0,15 Hình 6: Phổ S ứng với υ = 0,25 R R R R R R R R R R R R R R R R 79 PHỤ LỤC 3.3 Hình 1: Phổ U y ứng với H = 75 m Hình 2: Phổ U y ứng với H = 90 m Hình 3: Phổ U y ứng với H = 120 m Hình 4: Phổ U z ứng với H = 75 m R R R R Hình 5: Phổ U z ứng với H = 90 m R R R R R R Hình 6: Phổ U z ứng với H = 120 m R R 80 Hình 7: Phổ S ứng với H = 75 m R Hình 8: Phổ S ứng với H = 90 m R R Hình 9: Phổ S ứng với H = 120 m R R R 81 PHỤ LỤC 4.1 Hình 1: Phổ S - MH tiếp xúc bền vững R R Hình 2: Phổ S - MH tiếp xúc bền R R vững Hình 3: Phổ U z - MH tiếp xúc bền vững Hình 4: Phổ U y - MH tiếp xúc bền vững R R R Hình 5: Phổ U z -MH tiếp xúc trượt R trượt R R Hình 6: Phổ U y - MH tiếp xúc R R 82 Hình 7: Phổ S - MH tiếp xúc trượt R trượt R Hình 8: Phổ S - MH tiếp xúc R R 83 PHỤ LỤC 4.2 Hình 1: Phổ U z ứng với TH1 Hình 2: Phổ U z ứng với TH2 Hình 3: Phổ U z ứng với TH3 Hình 4: Phổ U z ứng với TH4 R R R R R R R R ... 1936, Mỹ xây dựng đập vòm Hoover (cao 221m), đập vòm cao 200m Năm 1939, Italia xây dựng đập vòm Osigletta (cao 79.8m) đập vòm có bố trí khe biên để loại bỏ ứng suất kéo Năm 1958, đập vòm Vajont (cao... cụng RFC đập vòm Hiện Trung Quốc tiến hành chuẩn bị thi cơng đập vịm RFC đập vòm Shi Longgou (đập vòm Thạch Long Câu tỉnh Quý Châu), đập vòm cong hai chiều, chiều cao đập lớn 44,90m, đập chủ yếu... cao, độ tin cậy tốt 39 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ PHÂN KHE HỢP LÝ TRONG ĐẬP VỊM Đối với đập vịm bê tơng nói chung, thiết kế khống chế nứt đề quan trọng Nứt đập vòm có hại đến tính tổng thể kết