Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống

Bộ giáo dục đào tạo Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn Trường đại học thủy lợi - Trương bá hùng Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Luận văn thạc sĩ Hà nội - 2011 Bộ giáo dục đào tạo Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn Trường đại học thủy lợi - Trương bá hùng Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Chuyên ngành : xây dựng công trình thủy MÃ số : 60-58-40 Luận văn thạc sĩ Người hướng dẫn khoa học : TS Đào Tuấn Anh H Nội - 2011 Luận văn thạc sĩ -1- M U Cựng vi s phát triển đất nước nhu cầu sử dụng lượng điện tăng lên không ngừng năm gần đây, gia tăng phụ tải nhanh làm xảy tượng thiếu điện diện rộng việc phát triển nguồn cung cấp điện trọng đầu tư không ngừng, Việt Nam lại nước có nguồn thủy dồi dào, sông suối phong phú đa dạng mà hàng loạt cơng trình thuỷ điện xây dựng để nhằm đáp ứng nhu cầu điện cho đất nước Trong cụm cơng trình đầu mối cơng trình thuỷ điện Đập phận quan trọng phận định chi phí hệ thống cơng trình Trong bối cảnh kinh tế khó khăn đất nước giới, việc tiết kiệm vật liệu cơng trình xây dựng nói chung cơng trình thủy lợi, thủy điện nói riêng chiến lược quan trọng công việc thiết kế thi công xây dựng Đập trụ chống đưa vào ứng dụng số cơng trình thủy lợi, thủy điện Việt Nam biện pháp cơng trình đập dâng có xu hướng tiết kiệm vật liệu đáng kể, góp phần rút bớt chi phí dự án Nhưng việc nghiên cứu sâu tính tốn thiết kế Đập trụ chống nước ta hạn chế Nhất trạng thái ứng suất biến dạng theo mơ hình tốn khơng gian Trong luận văn tác giả đề cập đến vấn đề: “Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống” Đề tài xin đưa góp phần nhỏ tham vọng tìm xu hướng giải tốn kết cấu tối ưu hóa hình thức Đập trụ chống đảm bảo yêu cầu kỹ thuật độ bền tiết kiệm vật liệu Luận văn gồm chương với nội dung sau õy: Hc viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn th¹c sÜ -2- Chương 1: Tổng quan đập trụ chống Chương 2: Các phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Chương 3: Tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng mơ hình tốn khơng gian đập trụ chống Thủy điện Nậm Ngần phương pháp truyền thống Chương 4: Giải tốn khơng gian trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống đầu mối cơng trình điện Nậm Ngần phương pháp PTHH Do thời gian trình độ hạn chế, thân cố gắng song luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý quý thầy cô bạn đồng nghiệp Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy hướng dẫn: TS Đào Tuấn Anh thầy giáo Khoa Cơng trình -Trường Đại học Thuỷ lợi tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Học viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -3- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ CHỐNG 1.1 Khái niện phân loại đập trụ chống Đập trụ chống tạo chắn nước nằm nghiêng phía thượng lưu trụ chống Áp lực nước truyền qua chắn đến trụ chống xuống Đập thường xây đá tốt Về mặt địa hình, đập chống thích hợp với lịng sơng rộng, bờ thoải Theo hình thức chắn nước đập ta phân loại sau: Đập phẳng: mặt chắn nước phẳng (hình 1-1a 1-1d), Đập liên vịm: mặt chắn nước dạng vòm nối liên tục với chống (hình 1-1b) Đập to đầu: phần đầu phía thượng lưu trụ pin mở rộng tạo thành chắn nước (hình 1-1c) Hình 1.1: Các hình thức đập trụ chống a- đập phẳng đá; b- đập liên vòm; c- đập to đầu; d- đập phẳng mềm Các loại hình thức khác đập tựa: đập phản hướng, đập hình cầu Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn văn thạc sĩ -4- p bn ta thng l kt cấu bê tông bê tông cốt thép Các kết cấu đập phẳng đập liên vòm tương đối mỏng, cần nhiều cốt thép, mặt chắn nước thường thiết kế theo kết cấu bêtông cốt thép Các kết cấu đập to đầu tương đối dày, hàm lượng cốt thép ít, gần kết cấu bê tơng Cũng dùng gạch, đá xây để xây dựng đập tựa, loại dùng xây đập thấp đá xây Thí dụ: Trung Quốc xây đập liên vịm cao 25m đá xây vữa 1.2 Ưu nhược điểm đập trụ chống 1.2.1 Ưu điểm - Mặt chắn nước thường thiết kế nằm nghiêng nên lợi dụng trọng lượng khối nước để làm tăng ổn định cho đập - Áp lực nước thấm đẩy ngược lên lên trụ chắn nhỏ (với loại đập đáy, có đáy có thiết bị thoát nước xuyên qua đáy, nằm trụ) - Thể tích đập khơng lớn, kết cấu mỏng nên tiết kiệm nhiều vật liệu Đập cao 100 m tiết kiệm từ 40%-80% bê tơng so với đập trọng lực độ cao Đập trọng lực cao 70m ứng suất nén lớn không vượt 12x105N/m2 độ cao ứng suất nén lớn đập trụ chống đạt 35x105N/m2 - Do đập trụ chống có kết cấu mỏng nên thi cơng tỏa nhiệt cao tiến độ thi cơng nhanh - Khi đập trụ chống cao khoảng cách trụ tương đối lớn ta bố trí trạm thủy điện trụ làm giảm chiều dài ống áp lực - Đập trụ chống có khả chịu độ q tải định Vì ngun nhân mực nước thượng lưu vượt mực nước thiết kế, Hc viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sÜ -5- lực nước đẩy ngang tăng lên trọng lượng nước mặt chắn nằm nghiêng tăng lên Do mực nước hạ lưu khơng thay đổi coi áp lực đẩy tác dụng lên đập khơng tăng Những nhân tố giúp cho đập có khả chịu độ tải định 1.2.2 Nhược điểm điều cần lưu ý thiết kế: - Trụ pin có độ cứng hướng ngang nhỏ, ổn định hướng ngang Động đất hướng ngang sinh chấn động cộng hưởng làm hỏng trụ pin Vì trụ đập tương đối mỏng nên có khả ổn định uốn dọc Nhưng vào kết tính tốn nghiên cứu gần ổn định uốn dọc khơng phải điều kiện khống chế - Bản chắn nước đập liên vịm đập phẳng mỏng nên tính chống thấm Khi mặt chắn nước bị nứt sửa chữa khó yêu cầu mặt vật liệu đập trụ chống tương đối cao tính chống thấm, chống phong hóa, xâm thực, độ bền … - Lượng cốt thép dùng nhiều đập trọng lực đập liên vòm đập phẳng - Yêu cầu xử lý cao so với đập trọng lực Đập trụ chống thường xây dựng đá Nếu đá sử dụng biện pháp vữa tạo màng chắn, đá phải tạo cừ, sân phủ chân khay để chống thấm Nhưng mặt xử lý cần bóc đá xung quanh trụ pin, khơng cần bóc tồn đá nên giảm khối lượng bóc móng gia cố Mặt khác q trình sử dụng cần kiểm tra gia cố dễ dàng - Bố trí thi cơng phức tạp, nhiều ván khn, cơng tác dẫn dịng thi cơng đập trụ chống khó so với đập bê tơng trọng lực Nếu bố trí dẫn dịng thi cơng qua đập xây dựng dễ gây chấn động thân đập xói đập Học viên: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -6- Về đập trụ chống khắc phục nhược điểm đập trọng lực Việc chuyển từ thiết kế đập trọng lực sang đập trụ chống bước phát triển lớn kĩ thuật xây dựng đập 1.3 Quá trình xây dựng phát triển đập trụ chống giới Việt Nam 1.3.1 Lịch sử phát triển đập trụ chống giới Một đập trụ chống giới đập liên vịm đá Eltra có mặt vịm thẳng đứng cao 23m xây dựng Tây Ban Nha cuối kỉ XVI Sau tới kỉ XIX xuất đập thuộc loại trọng lực Mái thượng lưu thẳng đứng , dùng trụ để gia cố Tác dụng trụ chống trượt truyền áp lực xuống Năm 1929, Mỹ xây dựng đập to đầu – đập Don Martin cao 30m Sau loại đập phát triển rộng rãi Italy, Thụy Điển, Scotland, Nhật Bản, Liên Xô, Bulgary, Rumani, Iran Hiện nay, giới có 500 đập chống xây dựng Loại đập phẳng có số đập cao, đập Possum Kingdom Mỹ cao 57,8m; khoảng cách trụ l = 12,2(m), xây năm 1941; đập Ecap (Argentina) xây năm 1949, có h = 88(m) Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -7- Hỡnh 1.2: Hỡnh nh đập Possum Kingdom Hình 1.3: Hình ảnh đập Manicuogan (Daniel Johnson) Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn văn thạc sĩ -8- Thuc loi p liờn vũm, cú thể kể đến số đập cao đập Beni Badel (Angieri) xây năm 1949, có h = 61(m); đập Mai Sơn( Trung Quốc) cao 88,24(m) Đập liên vòm cao Daniel Johnson Canada, xây năm 1970, cao 215(m), khối lượng bê tông 2,23 triệu m3, gồm có vịm trung P P tâm nhịp l = 161,5 13 vịm khác có nhịp l = 76,2(m) Trong số đập chống xây dựng loại đập phẳng phổ biến Tuy nhiên, ngày loại đập to đầu có xu hướng áp dụng rộng rãi ưu điểm kết cấu phức tạp, độ ổn định cao, tốc độ thi công nhanh Một số đập to đầu có chiều cao lớn đập Ben Metir (Tuynidi) cao 71m, đập Mengil( Iran) cao 105m, đập Hanatagi -1( Nhật Bản) cao 125m, đập Itaipu (Brazil – Paraguay) cao 196m Hình 1.4: Hình ảnh đập Itaipu Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn văn thạc sĩ -90- Ansys ln hn Nguyờn nhõn ny dễ hiểu mathcad phương pháp tính tốn cổ điển, tính tốn phải tách mặt thượng lưu tính riêng thân trụ tính riêng, nên làm việc đồng thời mặt thượng lưu trụ Nhưng Ansys lại khắc phục vấn đề này, mơ làm việc đồng thời mặt thượng lưu trụ đập Đây đạc điển bật ưu việc phương pháp tính Ansys c Mặt cắt A – A D – D: Phổ chuyển vị hai mặt này có nhiều điểm tương đồng, hai mặt cắt sát cắt qua lỗ khoét không cắt qua thân trụ Tuy nhiên phần đoạn tường thượng lưu mặt cắt D – D có chuyển vị lớn hơn, điều hợp lý mặt cắt A – A sát với vị trí mặt thượng lưu lên thân trụ Chuyển vị hai mặt cắt giảm dần từ xuống đáy, phù hợp với kết cấu phân bố lực Đồng thời nhận thấy phân bố ứng suất hai mặt cắt phù hợp với phổ chuyển vị Ứng suất phân bố tăng dần từ xuống đáy Mặt thượng lưu chịu ứng suất nén, mặt hạ lưu lại chịu ứng suất kéo Kết tính ứng suất hai phương pháp tương đồng, nhiên kết tính Ansys thiên lớn Nguyên nhân phân tích phương pháp tính Ansys có kể đến làm việc đồng thời mặt thượng lưu thân trụ làm việc đồng thời đập làm việc đồng thời hạn chế chuyển vị đập gây nên ứng suất lớn d Qua mặt cắt dọc đập, F – F H – H cho thấy rõ tồn đập có chuyển vị đối xứng, giá trị lớn đỉnh giảm dần xuống đáy Ứng suất phù hợp với chuyển vị tắng dần từ đỉnh xuống đáy, đạt giá trị Học viên: Trương Bá Hùng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -91- ln nht đáy Tuy nhiên, nhìn tổng thể có số điểm xuất dị ứng suất giá trị không lớn lắm, không vượt giá trị cho phép theo điều kiện độ bền bê tông Các điển dị ứng suất thường điển tiếp xúc đập với Nguyên nhân đập nên hai vật liệu khác nhau, có mơ đun đàn hồi mô đun biến dạng khác nhau, làm việc đồng thời mặt tiếp xúc thường xuất số điểm có ứng suất lớn, biện pháp khắc phục cho vấn đề khoan gia cố Ngồi điển dị ứng suất cịn suất vị trí có góc hẹp Để khắc phục cho trường hợp ta thường có biện pháp như: tăng cường độ bê tông (mác bê tơng), Sửa kết cấu hay vát góc (khó khăn thi cơng), bố trí cốt thép tăng cường cục bộ, … * Kết luận : a.Qua phân tích nhận xét cho thấy kết phân bố ứng suất mặt thân trụ hoàn toàn phù hợp với phổ chuyển vị đập Phổ chuyển vị đập phù hợp với kết cấu đập phân bố áp lực lên đập Chuyển vị lớn đỉnh đập b Đập gần làm việc trạng thái nén hoàn toàn, Các ứng suất nén tăng dần xuống đáy, ứng suất nén lớn theo hướng dịng chảy từ phía thượng lưu phần đập từ phía hạ lưu vùng tiếp giáp đập với sườn bờ Các ứng suất không vượt giá trị cho phép theo điều kiện độ bền nén bê tơng c Phương pháp tính Mathcad, tính toán phải tách phần riêng phần khối trụ riêng nên không mô làm việc đồng thời khối, kết ứng suất nhỏ Cịn phương pháp tính Ansys khắc phục nhươc điểm này, cho kết quả thiên lớn Điều phản ánh tình hình thực tế việc tính tốn theo phần mềm Học viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -92- Ansys (phương pháp phần tử hữu hạn) có xét đến ảnh hưởng đập làm việc đồng thời phận thân đập Tuy nhiên, phương pháp giải Mathcad phương pháp cố điển, dùng cơng thức tốn học để tính tốn nên cho kết nhanh đơn giản, ta dùng phương pháp cho giai đoạn thiết kế sơ Cịn phương pháp giải Ansys phức tạp, từ bước xây dựng mơ hình hình học thi phận liên kết với liên kết với phải chuẩn xác, bước xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn phần mềm tự động chia phần tử dễ báo lỗi bước mơ hình hình học khơng chuẩn xác Để khắc phục vấn đề mơ hình hình học nên xây dựng Ansys Workbench Ngồi để có kết Ansys xác điều kiện biên điều kiện đầu vào phải nhập vào chuẩn xác Do yêu cầu phức tạp nên phương pháp phù hợp cho giai đoạn thiết kế kỹ thuật vẽ thi công Học viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -93- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết đạt được: Đập trụ chống áp dụng sớm (từ cuối kỷ XVI) xây dựng nhiều giới, Việt Nam đập trụ chống áp dụng cơng trình thuỷ điện Nậm Ngần – Hà Giang Đập rụ chống loại đập có ưu điểm trội khối lượng xây dựng đập nhỏ đảng kể so với đập bê tông trọng lực ( lớn khối lượng xây dựng Đập Vịm) có chiều cao, đập phát huy khả làm việc vật liệu Việc nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng so sánh phương pháp tính tốn nhằm xác định lại hình dạng, kích thước hợp lý cho đập trụ chống thoả mãn điều kiện tối ưu kinh tế kỹ thuật Qua thời gian nghiên cứu làm luận văn, tác giả hoàn thành đề tài luận văn “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng đập trụ chống” với phần làm sau: a Giới thiệu lịch sử phát triển đập trụ chống giới tình hình xây dựng đập trụ chống Việt Nam b Trình bày phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Trên sở phân tích phương trình bản, lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn để dùng tính tốn ứng suất, chuyển vị luận văn c Tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng Đập trụ chống Thủy điện Nậm Ngần phương pháp truyền thống phần mền MATHCAD d Sử dụng phần mềm ANSYS phần mềm tính kết cấu có tính ưu việt phân tích ứng suất - biến dạng để giải tốn khơng gian trạng thái Học viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -94- ứng suất biến dạng đập trụ chống đầu mối cơng trình điện Nậm Ngần phương pháp PTHH Phương pháp sử dụng phần mền ANSYS (phương pháp PTHH) phương pháp ưu việt cả, giải tốn có điều kiện biên phức tạp, phản ánh thực tế làm việc đập trụ chống (bài tốn khơng gian) ứng dụng cơng nghệ tin học phục vụ tính tốn đem lại kết có tính xác cao Phần mềm ANSYS sử dụng luận văn phần mềm mạnh có tính linh động cao nên phù hợp cho việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống nhờ khả hỗ trợ đồ hoạ mạnh để giải tốn có điều kiện biên phức tạp, tính toán cho nhiều loại tải trọng, tác động, nhiều mơ hình vật liệu kiểu phân tích tốn khác Trong hai phương pháp tính tốn sử dụng phầm mền MATHCAD phần mềm ANSYS, phương pháp có ưu, nhược điểm định So sánh kết hai phương pháp cho thấy: a Kết phân bố ứng suất chuyển vị tương đồng b Kết phần mềm Ansys thiên lớn c Tính tốn phần mềm Mathcad phù hợp với giai đoạn thiết kế sơ d Phần mềm Ansys tính tốn cho giai đoạn thiết kế chi tiết (thiết kế kỹ thuật) Học viên: Trương Bá Hùng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -95- II Mt s điểm tồn luận văn Trong tính tốn chưa xét đến nhiều tổ hợp tải trọng (mới tính tốn cho tổ hợp tải trọng bản) nên tính đại diện kết luận chưa cao Các phương pháp tính tốn chưa xét đến số ảnh hưởng nhân tố động đất, nhiệt độ, biện pháp thi công, … tải trọng áp lực bùn cát, áp lực thấm, áp lực sóng, gió … Chưa so sánh, phân tích vùng ứng suất với như: vùng ứng suất sát , vùng ứng suất thân trụ, vùng ứng suất mặt tràn, vùng ứng suất cầu công tác III Kiến nghị Nếu thời gian cho phép, hướng nghiên cứu tác giả đặt nhiệm vụ sau: Tiếp tục mở rộng nghiên cứu với thông số đầu vào trường hợp tính tốn khác để hố xác nhận có luận văn Xét đến yếu tố ảnh hưởng khác đến đập động đất, nhiệt độ, độ ẩm biến dạng nền, phân giai đoạn q trình thi cơng đập… Xét đến tính phi tuyến vật liệu làm đập Thu thập thêm tài liệu, nghiên cứu cơng trình khác xây dựng để kiểm chứng kết nghiên cứu Nắm vững ưu nhược điểm phần mền ANSYS, sử dụng thành thạo phần mềm, vào điều kiện biên, nhân tố ảnh hưởng hợp lý từ nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất loại đập bê tông khác cơng trình bê tơng hay vật liệu khác, ứng dụng sản xuất Học viên: Trương Bá Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -96- TI LIU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Bộ môn Thuỷ công, Giáo trình thủy cơng Tập 1, NXB Nơng nghiệp Bộ mơn Thuỷ cơng, Giáo trình thủy cơng Tập 2, NXB Nông nghiệp Bộ Xây dựng (2005), Tiêu chuẩn thiết kế bêtông cốt thép 356: 2005 Nguyễn Xuân Bảo NNK (1983), Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng để tính tốn cơng trình thủy lợi, NXB Nông nghiệp Hà Nội Vũ Thành Hải (2006), Phân tích giới hạn kết cấu cơng trình, Bài giảng cao học Học viện kỹ thuật quân (2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Hồ sơ thiết kế ký thuật Công trình thuỷ điện Nậm Ngần (2007), Cơng ty tư vấn xây dựng Sông Đà – Ucrin Phạm Ngọc Khánh (2006), Sức bền vật liệu, NXB từ điển Bách Khoa Phạm Ngọc Khánh (2006), Bài giảng phương pháp Phần tử hữu hạn, Bài giảng cao học 10 Lý Trường Thành (2007), Cơ học kết cấu, NXB Xây dựng 11 Lều Thọ Trình (1974), Ổn định động lực học cơng trình, NXB Đại học trung học chun nghiệp 12 Ngơ Trí Viềng Sổ tay kĩ thuật thủy lợi tập NXB Xây dựng 13 Bùi Đức Vinh - Đại học Bách khoa TPHCM (2003), Phân tích thiết kế kết cấu phần mềm SAP2000, NXB Thống kê 14 XDVN 375:2006, NXB Xây dựng Học viên: Trương Bá Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ -97- 15 Cỏc tài liệu có liên quan đến Luận văn thu thập từ đồng nghiệp, ngành Nông nghiệp PTNT mạng Internet TIẾNG ANH 16 Megson, T.H.G (1996), Structural and Stress Analysis, Butterworth Heinmann 17 Mario Paz, William Leigh (2004), Structure Dynamic, Kluwer Academic Pulishers, Boston United State 18 EM 1110-2-6050 (1999) Response Spectra and Seismic Analysis for Concrete Hydraulic Structures 19 EM 1110-2-2400 (2003) Structural Design and Evaluation of Outlet Works TRANG WEB 20 Trang Web hội đập lớn Việt Nam (VNCOLD) http://www.vncold.vn TU T U 21 Trang Web hội đập lớn giới (ICOLD) http://www.icold-cigb.net U Học viên: Trương Bá Hùng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LI CM ƠN Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đào Tuấn Anh người tận tình hướng dẫn tác giả trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo mơn Thuỷ Cơng, khoa Cơng trình phịng Đào tạo Đại học Sau đại học, trường Đại học Thủy lợi Xin chân thành cảm ơn Tổng công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam- CTCP, bạn bè, đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện động viên nhiều mặt để tác giả hoàn thành tốt luận văn Tuy nhiên, thời gian có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên luận văn tránh thiếu sót, mong thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức kinh nghiệm lĩnh vực Luận văn hồn thành khoa Cơng trình trường Đại học Thủy lợi tháng 03 năm 2011 Hà nội, tháng 03 năm 2011 TRƯƠNG BÁ HÙNG Học viên: Trương Bá Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ CHỐNG 1.1 Khái niệm phân loại đập trụ chống …………………… 1.2 Ưu nhược điểm đập trụ chống ………………………… 1.2.1 Ưu điểm 1.2.2 Nhược điểm điều cần lưu ý thiết kế: 1.3 Quá trình xây dựng phát triển đập trụ chống giới việt nam 1.3.1 Lịch sử phát triển đập trụ chống giới 1.3.2 Sự phát triển đập trụ chống Việt Nam 10 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp 13 2.1.1 Phương trính cân tĩnh Navier 14 2.1.2 Phương trình Cauchy 15 2.1.3 Điều kiện tương thích biến dạng – Phương trình Saint Venant 16 2.1.4 Quan hệ ứng suất – Biến dạng – Định luật R.Hooke 16 2.2 Các phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống 18 2.2.1 Các phương pháp giải tích ………………………………… 19 2.2.1.1 Phương pháp sức bền vật liệu ……………………………… 19 2.2.1.2 Phương pháp tính theo lý thuyết đàn hồi ………………… 20 2.2.2 Các phương pháp thực nghiệm …………………………… 20 2.2.2.1 Phương pháp thí nghiệm mơ hình ………………………… 20 2.2.2.2 Phương pháp thí nghiệm quang đàn hồi …………………… 21 2.2.3 Phương pháp số 21 2.2.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 21 2.2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 21 2.3 Phương pháp tính toán sử dụng luận văn 22 Hc viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sÜ kü thuËt 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 23 2.4.1 Nội dung phương pháp ………………………………… 24 2.4.2 Phân tích ứng suất đập trụ chống theo mơ hình tương thích 27 2.5 Ứng dụng phương pháp PTHH vào trạng thái ứng suất biến dạng, giải toán trạng thái ứng suất biến dạng không gian đập trụ chống phần mềm ANSYS 30 2.5.1 Tổng quan ………………………………………………… 30 2.5.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS …………………………… 31 2.5.2.1 Xây dựng mơ hình hình học khơng gian đập trụ chống ………………………………………………………… 33 2.5.2.2 Lựa chọn phần tử, chia lưới phần tử khai báo điều kiện biên ………………………………………………………… 34 2.5.2.3 Tính tốn …………………………………………………… 35 2.5.2.4 Phân tích kết …………………………………………… 35 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG MƠ HÌNH BÀI TỐN KHƠNG GIAN CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG THỦY ĐIỆN NẬM NGẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG Giới thiệu cơng trình thuỷ điện Nậm Ngần kết cấu đập trụ chống đầu mối, đặc điểm điều kiện làm việc ……………………………………………………… 36 3.1.1 Giới thiệu chung …………………………………………… 36 3.1.2 Các thông số kỹ thuật chủ yếu …………………………… 38 3.1.3 Điều kiện địa hình địa chất cơng trình đầu mối …………… 41 3.2 Sơ đồ tính tốn phương pháp tính tốn ………………… 45 3.2.1 Sơ đồ tính tốn …………………………………………… 45 3.2.2 Phương pháp tinh toán …………………………………… 46 3.3 Kết tính tốn …………………………………………… 47 3.3.1 Điều kiện tính tốn ………………………………………… 47 3.3.2 Ứng suất mặt thượng lưu hạ lưu ……………………… 47 3.2.2.1 Ứng suất pháp phương ngang σ x mặt thượng lưu ……… 47 3.1 Học viên: Trương Bá Hùng R R Lớp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.2.2.2 ng sut phỏp phương ngang σ x mặt hạ lưu 48 …………… 3.2.2.3 Ứng suất pháp thẳng đứng σ y mặt thượng lưu …………… 48 3.2.2.4 Ứng suất pháp thẳng đứng σ y mặt hạ lưu ………………… 49 3.2.2.5 Ứng suất σ1 ………………………… lưu 49 3.2.2.6 Ứng suất σ mặt hạ lưu …………………………… 50 3.2.2.7 Ứng suất σ2 ………………………… lưu 50 3.2.2.8 Ứng suất σ mặt hạ lưu …………………………… 50 3.3.3 Ứng suất thân trụ …………………………………… 51 3.3.3.1 Ứng suất phương ………………………………… σy 51 3.3.3.2 Ứng suất phương ngang σ z ………………………………… 52 3.3.3.3 Ứng suất σ ………………………………………… 53 3.3.3.4 Ứng suất σ ………………………………………… 54 3.4 Nhận xét kết 55 R R R R R R R R mặt thượng R mặt thượng R R R R R R R R đứng R R R R R CHƯƠNG 4: GIẢI BÀI TỐN KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG TRONG ĐẦU MỐI CỦA CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN NẬM NGẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH 4.1 Xây dựng mơ hình hình học ……………………………… 56 4.2 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn ……………………… 58 4.2.1 Lựa chọn phần tử, chia lưới phần tử …………………… 58 4.1.2 Điều kiện biên …………………………………………… 58 4.3 Trường hợp tính tốn sơ đồ tính tốn ………………… 59 4.3.1 Trường hợp tính tốn: …………………………………… 59 4.3.2 Sơ đồ tính tốn …………………………………………… 59 4.4 Kết tính tốn ………………………………………… 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 Kết đạt ………………………………………… 93 I Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật II Mt s điểm tồn luận văn …………………… 95 III Kiến nghị …………………………………………… 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 B THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU Bảng số 3.1: Các tham số đặc trưng chất lượng khối đá hai vai đập THỒNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các hình thức đập trụ chống Hình 1.2: Hình ảnh đập Possum Kingdom Hình 1.3: Hình ảnh đập Manicuogan (Daniel Johnson) Hình 1.4: Hình ảnh đập Itaipu Hình 1.5: Sơ đồ đập Itaipu Hình 1.6: Hình ảnh đập Hanatagi Hình 1.7: Hình ảnh đập Nậm Ngần q trình xây dựng đập Hình 2.1: Các thành phần ứng suất phân tố hình hộp Hình 2.2: Các thành phần US phân tố hình hộp có kể đến lực thể tích Hình 2.3: a) Phần tử 3D, b)Phần tử nút, c) Chuyển vị nút Hình 2.4 : Phần tử khối Hình 2.5: Sơ đồ bước giải tốn phương pháp PTHH Hình 2.6: Sơ đồ bước phân tích US biến dạng khơng gian đập trụ chống Hình 3.1: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên đập trụ chống Hình 4.1: Mơ hình hình học đập trụ chống Nậm Ngần Hình 4.2: Phần tử hình học mơ hình Đập – Nền, đập trụ chống Nậm Ngần Hình 4.3: Mơ hình phần tử hữu hạn Đập – Nền, đập trụ chống Nậm Ngần Hình 4.4: Sơ đồ tải trọng trường hợp tổ hợp Hình 4.5: Phổ chuyển vị theo phương đứng u y nhìn từ thượng lưu Hình 4.6: Phổ chuyển vị theo phương đứng u y nhìn từ hạ lưu Hình 4.7: Phổ chuyển vị theo phương ngang u z nhìn từ thượng lưu Hình 4.8: Phổ chuyển vị theo phương ngang u z nhìn từ hạ lưu R R R R R R R R Hình 4.9: Phổ ứng suất σ nhìn từ thượng lưu R R Hc viờn: Trng Bỏ Hựng Lp: CH16C1 Luận văn thạc sÜ kü thuËt Hình 4.106: Phổ ứng suất σ nhìn từ hạ lưu R R Hình 4.11: Phổ ứng suất σ nhìn từ thượng lưu R R Hình 4.12: Phổ ứng suất σ nhìn từ hạ lưu R R Hình 4.13: Phổ ứng suất σ nhìn từ thượng lưu R R Hình 4.14: Phổ ứng suất σ nhìn từ hạ lưu Hình 4.15 : Vị trí mặt cắt ngang khảo sát ứng suất biến dạng Hình 4.16 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt A – A) Hình 4.17 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt A – A) R R Hình 4.18 : So sánh ứng suất σ y thượng lưu hạ lưu (mặt cắt A – A) R R Hình 4.19: So sánh ứng suất σ z thượng lưu hạ lưu (mặt cắt A – A) R R Hình 4.20 : So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu (mặt cắt A – A) R R Hình 4.21: So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu( mặt cắt A – A) Hình 4.22 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt B – B) Hình 4.23 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt B – B) R R Hình 4.24 : So sánh ứng suất σ y thượng lưu hạ lưu (mặt cắt B – B) R R Hình 4.25 : So sánh ứng suất σ z thượng lưu hạ (lưu mặt cắt B – B) R R Hình 4.26 : So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu (mặt cắt B- B) R R Hình 4.27: So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu (mặt cắt B – B) Hình 4.28 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt C – C) Hình 4.29 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt C – C) R R Hình 4.30 : Phổ ứng suất thẳng đứng σ y thân trụ tính Ansys (mặt cắt C–C) R R Hình 4.31: Phổ ứng suất thẳng đứng σ y thân trụ tính Mathcad (mặt cắt C – C) R R Hình 4.32 : So sánh ứng suất σ z thân trụ tính Ansys (mặt cắt C-C) R R Hình 4.33: Phổ ứng suất nằm ngang σ z thân trụ tính Mathcad (mặt cắt C – C) R R Hình 4.34 : Phổ ứng suất σ thân trụ tính Ansys (mặt cắt C – C) R R Hình 4.35: Phổ ứng suất σ thân trụ tính mathcad (mặt cắt C – C) R Học viên: Trương Bá Hùng R Lp: CH16C1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hỡnh 4.36 : Phổ ứng suất σ thân trụ tính Annsys ( mặt cắt C – C) R R Hình 4.37: Phổ ứng suất σ thân trụ tính Mathcad (mặt cắt C – C) Hình 4.38 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt D – D) Hình 4.39 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt D – D) R R Hình 4.40 : So sánh ứng suất σ y thượng lưu hạ lưu (mặt cắt D – D) R R Hình 4.41 : So sánh ứng suất σ z thượng lưu hạ lưu (mặt cắt D – D) R R Hình 4.42 : So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu (mặt cắt D – D) R R Hình 4.43 : So sánh ứng suất σ thượng lưu hạ lưu (mặt cắt D – D) Hình 4.44 : Phổ chuyển vị theo phương thẳng đứng y (mặt cắt dọc đập) Hình 4.45 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt dọc đập) Hình 4.46 : Phổ ứng suất theo phương thẳng đứng y (mặt cắt dọc đập) Hình 4.47 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt dọc đập) R R Hình 4.48 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt dọc đập) R R Hình 4.49 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt dọc đập) Hình 4.50 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt F – F) Hình 4.51 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt F – F) Hình 4.52 : Phổ ứng suất theo phương đứng y (mặt cắt F – F) Hình 4.53 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt F – F) R R Hình 4.54 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt F – F) R R Hình 4.55 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt F – F) Hình 4.56 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y(mặt cắt H – H) Hình 4.57 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt H – H) Hình 4.58 : Phổ ứng suất theo phương đứng y (mặt cắt H – H) Hình 4.59 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt H – H) R R Hình 4.60 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt H – H) R R Hình 4.61 : Phổ ứng suất σ (mặt cắt H – H) R Học viên: Trương Bá Hùng R Lớp: CH16C1 ... 2.5 Ứng dụng phương pháp PTHH vào trạng thái ứng suất biến dạng, giản tốn trạng thái ứng suất biến dạng khơng gian đập trụ chống phần mềm ANSYS 2.5.1 Tổng quan Khảo sát ứng suất biến dạng đập trụ. .. thiết kế Đập trụ chống nước ta hạn chế Nhất trạng thái ứng suất biến dạng theo mơ hình tốn khơng gian Trong luận văn tác giả đề cập đến vấn đề: ? ?Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống? ??... Chương 2: Các phương pháp tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Chương 3: Tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng mơ hình tốn khơng gian đập trụ chống Thủy điện Nậm Ngần phương pháp