Phân tích ứng suất nhà máy thủy điện ngầm trong quá trình xây dựng - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Chính từ những điều kiện thực tế này, bài báo trình bày một số quan điểm tính cũng như kết quá tính toán phân bố ứng suất môi trường tự nhiên và quá trình thay đổi c[r]

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 quá 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 cịn 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 tồn 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 môi trường

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 q 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 q tính tốn phân bố ứng suất mơi trường tự nhiên q trình thay đổi q trình thi cơng nhằm đưa kết bước đầu đìêu kiện làm việc cơng trình ngầm điều kiện thực tế mơi trường

II Lựa chọn mơ hình tính tốn II.1 Lựa chọn mơ hình vật liệu. II.1.1 Chuẩn tắc phá hoại

1 2

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 cơng 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 không 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: K

I J

F  2  1  (1) đó:

3

1  

I 

     

 2

1 3 2 2

6

  

 

      

J ，

K hệ số môi trường đất đá, c  lực dính đơn vị góc ma sát môi 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 3

sin



 ，

 



sin 3

cos



 C

K

Đối với giới hạn đa giác Columb, chuẩn tắc Drucker-Prager xác định hệ số

,K xác định sau:

 

 

sin 3

sin



 ，

 



sin 3

cos



 C

K

Đối với toán hai chiều, hệ số 、K xác định sau:

  

2

tan 12

tan



 ，



tan 12

3



 C

K

Chuẩn tắc kháng kéo lớp tiếp xúc môi trường cơng trình ngầm xác định theo cơng thức:

a

n R

F   (2) đó: Ralà cường độ kháng kéo vật liệu

Ngoài ra, dựa trạng thái biến dạng kéo để phán đoán 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 tồn 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:

L B

e'

e" e'

e"

x

y 2

A B

P R

N

h

T q

45-

45-

2.30 2.63 3.90

3

1 H

1

y

~ ~

~ Dd

d   (3)

trong 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 ~

~ T DTd

d 



 (4)

trong đó:

~

Tlà ma trận chuyển vị tọa độ，



~

DMa trận đàn hồi dị hướng xét đến tính khơng đồng theo hướng môi trường:                         0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ~ G G G

D  



(5)

Khi F>0 Vật liệu làm việc sau giai đoạn

phá hoại,khi

~ ~ ~            

 Dd

F

T

tương ứng với 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:

~ ep ~

~ D d

d   (6)

trong đó:

p ~ ~ ep

~ D D

D   (7) Ma trận dẻo

p ~

D xác định sau:

H F D ) F ( D ) F ( F D D ~ ~ T ~ ~ T ~ ~ ~ p ~             

 (8)

Ở lựa chọn H=0, giả thiết vật liệu làm việc giai đoạn dẻo lý tưởng, sau giai đoạn phá hoại, 0

          ~ ~ T ~ d D F 

 , vật liệu

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:

p ~ ~ ~

e R

K   (9)

) ( K R ~ * ~ p ~ p ~  

   (10)

trong đó:

~ e

K ma trận cứng tổng thể đàn hồi, *

~



 ma trận chuyển vị tăng thêm

~ e ~ *

~ K R



  1 (11)

~

R

 :là ma trận tải tăng thêm ) ( ~ * ~ ~   

   (12)

~



 ma trận chuyển vị dẻo tăng thêm，

~



 tổng lượng chuyển vị tăng thêm toàn kết cấu

p ~ ~ e

~ K K

K   (13)

~

K ma trận cứng tổng thể toàn kết cấu

p ~

K ma trận cứng đường chéo vật liệu bắt đầu làm việc giai đoạn dẻo

dV B D B K ~ p ~ T ~ V p

~  (14)

Q trình tính tốn tích phân bước

dừng lại 

         n ~ n ~ n ~ 1

II.2 Phương pháp phản ứng lực

xác định tải trọng Dựa trường ứng suất tự nhiên ban đầu, thơng qua việc giải phương trình tuyến tính xác định ứng suất biên Dựa vào quan hệ ứng suất biến dạng giai đoạn đàn hồi, tiến hành xác định xác định tải trọng phát sinh trình dỡ tải Giải phương trình cân để thu trường chuyển vị tăng thêm Quá trình tiếp diễn kết

thúc trình đào

Nếu gọi trường ứng suất ban đầu môi trường  0

 , trường chuyển vị tương đối ban đầu  u 0, i thứ tự bước đào thi công，ứng suất pháp ban đầu bước đào thứ i  0

i

 , tải trọng phát sinh trình đào bước thứ i xác định sau:

   

   

1 1

1 2 1 2

1 1

1 2 1 2

1

2

6

2

6 x

y

i i i i i i i

x x x xy xy xy

i i i i i i i

y y y xy xy xy

p b b b b a a a a

p a a a a b b b b

     

     

   

   



 

          

  

 

        

 

（15）

trong đó: i i

a x x ，a2 xixi1， i i

b y y ，b2  yi1yi。

Nếu hệ trục tọa độ x, y trùng với phương ứng suất đồng nghĩa với xy 0,

đó cơng thức (15) rút gọn thành:

 

 

1

1 2

1

1 2

1

2

x y

i i i i

x x x

i i i i

y y y

p b b b b

p a a a a

  

  

 

 



 

      

  

 

    

 

(16)

Nếu trường ứng suất ban đầu định nghĩa trường ứng suất trung bình, cơng thức (15)có thể viết dạng:

   

   

0 2

0 2

1 2

x y

i

x xy

i

y xy

p b b a a

p a a b b

 

 



 

      

  

 

    



(17)

Nếu hệ trục tọa độ x,y trùng với phương ứng suất chính, cơng thức (7)có thể rút gọn thành:

 

 

0

0

1 2

x y

i

x

i

y

p b b

p a a

 



 

    

  

 

  

 

(18)

Trường ứng suất chuyển vị cuối xác định từ trường ứng suất, chuyển vị ban đầu sau bổ sung cộng dồn trường ứng suất, chuyển vị tăng thêm bước đào thi công:

         0  1  2    n (19)      u  u1  u2  un (20)

III Cơng trình ứng dụng

nút, 211578 phần tử Vị trí đứt gãy địa tầng F1, F5, F12, F18 thể hình 3-4 Để gia tăng mức độ xác trình tính tốn mức độ phức tạp

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

Hình 3-3 Mơ hình khơng gian ba chiều phân tích ứng suất nhà máy thủy điện

Hình3-4 Mơ tả đứt gãy F1,F5,F12,F18 dùng trong tính tốn

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:

Bảng 3.1 Tiến độ thi công

Bước

thi cơng

Cao trình gian nhà máy (m)

Cao trình

phịng điều

khiển (m)

Đường hầm

lấy nước

(m)

1 250.4 245.7 263.0

2 241.2 236.7 256.5

3 230.7 227.8 250.7

4 221.5 221.5 244.0

5 211.5 234.0

6 205.0 222.5

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)

Kết phân tích ứng suất vùng dẻo:

Hình3-7 Đẳng ứng suất kéo chính 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 chính mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 4, đơn vị: MPa)

Hình 3-11 Đẳng ứng suất nén chính 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 chính mặt cắt dọc tổ máy (bước đào 6, đơn vị: MPa)

Hình 3-14 Đẳng ứng suất nén chính 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 không 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

bộ sát đường hầm dẫn nước tường thượng lưu nhà máy chính) phát sinh ứng suất kéo khơng lớn Giá trị ứng suất tồn gian nhà máy nằm khoảng từ -43.0 ~ 1.0 MPa

3) Sau hồn 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

đầu Sau từ trường ứng suất ban đầu lại đưa vào mô 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

Thông qua mô q trình thi cơng cơng trình thực tế biết, điều chỉnh mơ hình phân tích tham số tính tốn,

các 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 cơng 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 công 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 Quý 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