Đề tài này trình bày kết quả mô phỏng phương pháp thực nghiệm xác định “thoát không” bằng mô hình số để kiểm tra tính khả thi của phương pháp được đề xuất. Nguy hại hơn hiện tượng này có thể dẫn đến sự cố sập gẫy bản mặt bê tông phía thượng lưu khiến đập bị phá hủy. Mời các bạn cùng tham khảo!
BÀI BÁO KHOA HỌC MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH “THỐT KHƠNG” DƯỚI TẤM BÊ TƠNG BẢN MẶT BẰNG MƠ HÌNH SỐ Nguyễn Thái Hồng1, Nguyễn Cơng Thắng1 Tóm tắt: “Thốt khơng” tượng xuất khoảng trống bê tông mặt đập CFRD biến dạng thân đập lớp đệm “Thốt khơng” gây ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng tượng dẫn đến việc phân bố lại ứng suất thay đổi chế làm việc bê tông mặt dẫn đến giảm khả chống thấm tuổi thọ cơng trình Nguy hại tượng dẫn đến cố sập gẫy mặt bê tơng phía thượng lưu khiến đập bị phá hủy Bài báo trình bày kết mô phương pháp thực nghiệm xác định “thốt khơng” mơ hình số để kiểm tra tính khả thi phương pháp đề xuất Từ khóa: đập CFRD, tượng “thốt khơng”, tần số dao động riêng, tải trọng kích động ĐẶT VẦN ĐỀ * Đập đá đổ bê tông mặt (CFRD) ứng dụng tương đối phổ biến giới đặc biệt nước phát triển Đập CFRD chống thấm mặt bê tơng phía thượng lưu Bản mặt nối với chân chân nối liền với đá móng đập Móng đập chân khoan xi măng chống thấm loại đập bê tơng khác Đập CFRD có nhiều ưu điểm như: có tính an tồn cao, phù hợp với nhiều điều kiện địa hình, địa chất, khả chịu tải trọng động đất lớn, thi cơng điều kiện thời tiết khác nhau, tận dụng loại đá thải loại từ đào hố móng tràn, làm đường hầm tháo lũ để xây dựng đập Với ưu điểm loại đập xây dựng ngày nhiều, hình thức bố trí mặt cắt đập ngày nghiên cứu hoàn thiện đạt hiệu qủa kinh tế Nhật Bản nước đặt tiền đề cho việc phát triển CFRD, thập kỷ 70 kỷ 20 nước xây dựng nhiều CFRD với chiều cao lớn Ở nước khác có hàng loạt CFRD đời, đến năm 2004, vào thống kê Khoa Cơng Trình, Trường Đại học Thủy lợi Khoa Cơng Trình, Trường Đại học Thủy lợi 76 chưa đầy đủ đập xây dựng xong từ sau năm 1966, toàn giới có 260 đập, đập cao 100m có 78 đập Trong thời gian qua đập CFRD lựa chọn để xây dựng cho cụm cơng trình đầu mối thủy lợi – thủy điện Việt Nam như: đập Tuyên Quang (cao 92m), đập Rào Quán (cao 78m), đập Cửa Đạt (cao 118m), đập An Khê Kanak (cao 60m), đập Sông Bung (cao 98m) Trong thực tế, đập đưa vào sử dụng, đập có chiều cao lớn thường có biến dạng lớn thân đập dẫn đến tượng tiếp xúc bê tơng mặt phần cịn lại thân đập Kết tạo khoảng trống bê tông mặt lớp đệm, tượng nhà nghiên cứu gọi tượng “thoát không” Khi chịu áp lực nước phần mặt bị “thốt khơng” khơng tựa vào tầng đệm, làm cho mô men uốn phạm vi tăng lớn, dễ dẫn đến nứt mặt Phạm vi “thốt khơng” lớn mơ men uốn áp lực nước gây lớn Điều nguy hiểm mô men uốn vị trí “thốt khơng” có chiều làm căng phía mặt nên bị nứt vết nứt bắt đầu xuất mặt dưới, khơng quan sát thấy Cịn quan sát thấy nứt vết nứt vết nứt xuyên, dẫn đến thấm nước qua mặt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) “Thốt khơng” tượng gây ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng tượng dẫn đến việc phân bố lại ứng suất thay đổi chế làm việc bê tông mặt dẫn đến giảm khả chống thấm tuổi thọ cơng trình Nguy hại tượng dẫn đến cố sập gẫy mặt bê tơng phía thượng lưu khiến đập bị phá hủy Chính cần theo dõi kiểm tra tình trạng “thốt khơng” để xử lý trước tích nước để đưa vào vận hành thời kỳ đầu vận hành biến dạng thân đập chưa ổn định Cần phải phát triển công nghệ nhằm phát xử lý tượng ‘thốt khơng’ để đảm bảo an tồn cho mặt hồ tích nước biện pháp khắc phục xảy tượng nứt mặt Hiện giới để xác định “thốt khơng” thường sử dụng phương pháp Ra đa đất (Ground Penetrating Radar) (Annan A.P, 1992) nhiên việc ứng dụng phương pháp có hạn chế định (Đỗ Anh Chung, nnk 2013) Kết nghiên cứu ảnh hưởng “thốt khơng” đến dao động bê tơng mặt nhóm tác giả (Nguyễn Thái Hoàng, nnk 2020) đưa kết luận sau: - Tấm bê tông mặt đập CFRD thường có chiều dày nhỏ so với hai chiều cịn lại nên xem mỏng đặt đàn hồi - Tần số dao động riêng mặt phụ thuộc vào độ cứng nền, xuất “thốt khơng” tần số dao động riêng giảm, diện tích “thốt khơng” lớn tần số dao động riêng giảm nhiều - Tần số dao động riêng dạng dao động bị ảnh hưởng tượng “thốt khơng” rõ ràng - Kết cấu chịu tải kích động sau thời gian tác dụng tải trọng dao động tự do, dao động xem tổng hợp dạng dao động riêng - Bằng phương pháp phân tích Fourier nhanh ta nhận dạng tần số từ tín hiệu đo dao động thu Từ kết nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định “thốt không” trường gồm bước: Bước 1: Tạo dao động cho mặt cách dùng tải trọng kích động tác dụng vị trí xác định sử dụng đầu đo gia tốc ghi lại phản ứng gia tốc vị trí xung quanh điểm kích động theo thời gian Bước 2: Sử dụng biến đổi Fourier nhanh chuyển kết đo theo thời gian sang miền tần số để xác định tần số dao động riêng ứng với dạng dao động Bước 3: Theo dõi thay đổi tần số để vị trí xảy “thốt khơng” Trong khn khổ báo nhóm tác giả trình bày kết mơ phương pháp mơ hình số để kiểm tra tính khả thi phương pháp trước áp dụng thực tế trường PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu Tấm bê tông mặt đập CFRD xem mỏng đặt đàn hồi Lời giải toán dao động đàn hồi chịu tác dụng tải trọng kích động có phương pháp phần tử hữu hạn Để so sánh kết thu mơ hình số kết từ mơ hình vật lý, mỏng với kích thước 0,5m x 2,12m x 3cm mô phần mềm ANSYS Lưới phần tử thể hình 1: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Hình Lưới phần tử 77 Tấm làm từ bê tơng có: Mơ đun đàn hồi E = 2,1.107 kN/m2; Hệ số Poisson : = 0,2; Hệ số nền: ks= 4.106 N/m3 Hiện tượng “thoát không” tượng tiếp xúc bê tơng mặt lớp đệm Nhóm nghiên cứu mơ tượng “thốt khơng” mơ hình số cách bỏ liên kết với vị trí giả định có “thốt khơng” Để theo dõi thay đổi tần số dao động riêng bê tông chia thành hàng cột có khoảng cách hàng cột 10cm Tạo dao động cho tải trọng kích động tác dụng lên theo phương vng góc với thời gian ngắn, sau xác định thay đổi giá trị gia tốc điểm xung quanh theo thời gian Thay đổi tải trọng kích động theo thời gian thể hình Hình Biểu đồ thay đổi tải trọng kích động theo thời gian Sơ đồ hàng cột, vị trí điểm kích động vị trí điểm đo gia tốc lần tính tốn thể hình Hình Sơ đồ hàng, cột tương quan vị trí điểm kích động, điểm đo gia tốc lần tính tốn 78 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Số lượng điểm đo gia tốc với số đầu đo gia tốc Phịng Thí Nghiệm Bộ mơn Sức bền – Kết cấu xếp theo sơ đồ hình để khảo sát ảnh hưởng khoảng cách từ điểm gõ đến vị trí đo ảnh hưởng vị trí gõ đến tần số dao động riêng nhận dạng Để khảo sát ảnh hưởng “thốt khơng” diện tích vùng “thốt khơng” đến tần số dao động riêng, nhóm nghiên cứu thực tính tốn cho trường hợp: Khơng “thốt khơng” (TH1), “thốt khơng” (TH2) “thốt khơng” nhiều (TH3) Vị trí diện tích “thốt khơng” trường hợp tính tốn trình bày phần 2.2 Kết nghiên cứu a) Trường hợp khơng “thốt khơng” (TH1) Với số liệu đo gia tốc, thực biến đổi Fourier sang miền tần số để xác định tần số dao động riêng Biến đổi Fourier phép tốn biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số đặt tên theo nhà toán học người Pháp Jean - Baptiste Joseph Fourier cuối kỷ 18 Theo phép phân tích Fourier tín hiệu bất kỳ, cho dù phức tạp đến đâu, chuyển từ miền thời gian sang miền tần số theo phương trình sau (Batenkov D, 2005) : X ( ) xk e jnk (1) Phương trình khơng đơn tốn học, cịn chuyển khối cấu thành tín hiệu thành khối riêng biệt Kết biến đổi Fourier cho ta phổ tần số (frequency spectrum), phổ tần số đạt giá trị cực trị tần số dao động riêng hệ Kết nhận dạng tần số dao động riêng điểm A (TH1) thể hình Hình Vị trí điểm kích động điểm đo gia tốc lần tính tốn mơ hình số TH1 Hình Kết nhận dạng tần số dao động riêng điểm A (TH1) Hình Biểu đồ thay đổi gia tốc điểm A theo thời gian TH1 Nhìn vào hình ta xác định tần số dao động riêng điểm A 40,29 Hz Tiến hành tương tự cho điểm lại lần tính tốn tồn nghiên cứu Kết tổng hợp Bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 79 Bảng Tần số dao động riêng trường hợp khơng “thốt khơng” C6 C5 C4 C3 C2 C1 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H1 H2 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H3 H4 H5 H6 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H7 H8 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H9 H10 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H11 H12 H13 H14 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H15 H16 H17 H18 H19 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 40.29 H20 H21 H22 b) Trường hợp “thốt khơng” (TH2) Tiến hành tương tự trường hợp khơng “thốt khơng” Kết nhận dạng tần số dao động riêng điểm A lần tính tốn thể hình Tổng hợp kết xác định tần số dao động thể Bảng Hình Kết nhận dạng tần số dao động riêng điểm A (TH2) 80 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Bảng Tần số dao động riêng trường hợp “thốt khơng” C6 C5 C4 C3 C2 C1 35.41 35.41 35.41 39.07 39.07 39.07 H1 35.41 35.41 35.41 39.07 39.07 39.07 H2 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H3 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H4 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H5 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H6 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H7 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H8 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H9 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H10 34.19 34.19 34.19 35.41 35.41 35.41 H11 34.19 34.19 34.19 35.41 35.41 35.41 H12 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H13 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H14 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H15 5.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H16 34.19 34.19 34.19 35.41 35.41 35.41 H17 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H18 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H19 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H20 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H21 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H22 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 81 b) Trường hợp “thốt khơng” nhiều (TH3) Tiến hành tương tự trường hợp trước Tổng hợp kết xác định tần số dao động thể Bảng C6 C5 C4 C3 C2 C1 35.41 35.41 36.63 36.63 36.63 35.41 H1 35.41 35.41 36.63 36.63 35.41 35.41 H2 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H3 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H4 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H5 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H6 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H7 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H8 35.41 35.41 34.19 35.41 34.19 34.19 H9 34.19 34.19 35.41 34.19 34.19 35.41 H10 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 H11 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 H12 34.19 34.19 35.41 35.41 34.19 34.19 H13 34.19 34.19 35.41 35.41 34.19 34.19 H14 35.41 34.19 34.19 35.41 34.19 34.19 H15 34.19 34.19 34.19 34.19 34.19 34.19 H16 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 32.97 H17 34.19 34.19 34.19 34.19 34.19 34.19 H18 34.19 34.19 35.41 35.41 34.19 34.19 H19 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H20 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H21 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 35.41 H22 d) Nhận xét kết nghiên cứu mơ hình số Từ kết nghiên cứu mơ hình số rút số nhận xét: 1) Khoảng cách từ điểm kích động đến vị trí đo khơng ảnh hưởng đến tần số dao động riêng nhận dang 82 2) Nhìn vào bảng tổng hợp kết Bảng ta thấy trường hợp khơng có “thốt không” tần số dao động riêng thu vị trí khác đồng tồn diện tích 3) So sánh kết thu trường hợp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) chưa “thốt khơng” có “thốt khơng” ta thấy với có “thốt khơng” tần số giảm so với chưa “thốt khơng” 4) So sánh kết thu trường hợp “thốt khơng ít” có “thốt khơng nhiều” cho thấy diện tích “thốt khơng” lớn tần số vị trí “thốt khơng” giảm nhiều 5) Trên có “thốt khơng”, tiến đến gần khu vực “thốt khơng” tần số có xu hướng giảm xuống, giá trị tần số bé thu vị trí có “thốt khơng” Như phương pháp sử dụng tải trọng kích động, thu tín hiệu gia tốc đề từ nhận dạng tần số dao động riêng phát vị trí “thốt khơng” bê tơng mặt KẾT LUẬN “Thốt khơng” gây cố nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn cơng trình nên việc phát triển cơng nghệ nhằm phát “thốt khơng”, đảm bảo an tồn cho mặt hồ tích nước đóng vai trị quan trọng Bài báo trình bày kết mơ phương pháp xác định “thốt khơng” trường mơ hình số Kết nghiên cứu mơ hình số cho thấy tính khả thi phương pháp Phương pháp cần kiểm chứng mô hình vật lý xây dựng quy trình thực nghiệm trước đưa vào áp dụng thực tế, phần nhóm nghiên cứu trình bày báo TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Anh Chung, Nguyễn Văn Lợi, Vũ Đức Minh, “Áp dụng phương pháp Rada đất để xác định “thốt khơng” bê tơng mặt đập Cửa Đạt”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 29, Số 4, 2013, tr 8-15 Nguyễn Thái Hồng, Nguyễn Cơng Thắng, Nguyễn Cảnh Thái, “Nghiên cứu ảnh hưởng khơng đến dao động bên tông mặt”, Tạp chí Khoa Học Kỹ Thuật Thủy Lợi Mơi Trường, Số 69, 2020, tr, 79-85 Annan A.P, Sensor & Software Inc., Ground Penetrating Radar Workshop Note, 1992 Batenkov D, Fast Fourier Transform, Key Paper in Computer Science Seminar, 2005 Abstract: EXPERIMENTAL METHOD TO DETERMINE “FACE SLAB DISPATCH” UNDER THE CONCRETE FACE SLAB “Face slab dispatch” is the phenomenon of appearing gaps under the concrete face slab of concrete faced rock-fill dam (CFRD) due to deformation of dam body and buffer layers “Face slab dispatch” is particularly serious because this phenomenon can lead to the redistribution of stress and change the working mechanism of the concrete face slab leading to the reduce of waterproofing and longevity of the construction More seriously, “face slab dispatch” can lead to the collapse of the upstream concrete face slab, then collapsing the dam The paper presents simulation results of empirical method to determine "face slab dispatch" by numerical model to test the feasibility of the proposed method Keywords: CFRD, “Face slab dispatch” phenomenon, slab vibration, free oscillation frequency, fluctuating load Ngày nhận bài: 26/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 10/6/2021 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 83 ... kết mơ phương pháp xác định “thốt khơng” trường mơ hình số Kết nghiên cứu mơ hình số cho thấy tính khả thi phương pháp Phương pháp cần kiểm chứng mô hình vật lý xây dựng quy trình thực nghiệm. .. pháp mơ hình số để kiểm tra tính khả thi phương pháp trước áp dụng thực tế trường PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu Tấm bê tông mặt đập CFRD xem mỏng đặt đàn hồi Lời giải... dạng dao động riêng - Bằng phương pháp phân tích Fourier nhanh ta nhận dạng tần số từ tín hiệu đo dao động thu Từ kết nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định “thốt không” trường gồm bước: