4.1.1 Mụ hỡnh đập và nền
Cụng trỡnh đập vũm mà tỏc giả thực hiện mụ hỡnh 3D để phõn tớch là loại đập vũm nằm ở Hồ Berryessa là hồ lớn nhất ở Hạt Napa, California. Hồ chứa này được tạo ra bởi Đập Monticello, là một hồ chứa cung cấp nước và nguồn thủy điện cho vựng North Bay của Vựng vịnh San Francisco. Việc xõy dựng Đập Monticello đó bắt đầu vào năm 1953, và hồ chứa đó được hồn thành năm 1963.
Hỡnh 4.1: Đập Moticello Một số thụng số của đập: Diện tớch lưu vực : 566 mP 2 P . - Thể tớch đập 2,9.10P 5 P mP 3 P . - Chiều dài đập 311,8 m. - Chiều cao đập 92 m.
- Chiều rộng đỉnh đập 4,08 m. - Cao trỡnh đỉnh đập: +138,99.
- Đập vũm cú gúc trung tõm khụng thay đổi, tõm và bỏn kớnh thay đổi theo cao trỡnh đập. Cỏc chỉ tiờu cơ lý của mụ hỡnh đập và nền xem bảng 4.1.
Hỡnh 4.2: Mụ hỡnh mặt bằng đập.
Hỡnh 4.3: Mụ hỡnh cắt ngang đập.
Sử dụng phần mềm ANSYS mụ phỏng phần tử hữu hạn đập và nền. Đập được mụ phỏng bằng phần tử SOLID 65 và nền coi là đồng nhất và đẳng hướng được mụ phỏng bằng phần tử SOLID 45. Tại mặt tiếp giỏp giữa cỏc khối đập và đập với nền đập được mụ phỏng bằng phần tử tiếp xỳc mặt ba chiều Targe 170- Conta 173.
4.1.2 Cỏc chỉ tiờu cơ lý
Cỏc chỉ tiờu cơ lý của bờ tụng dựng trong tớnh toỏn. Bảng 4.1: Chỉ tiờu cơ lý TT Vật liệu γ (KN/mP 3 P ) E (KN/mP 2 P ) à Rn (KN/mP 2 P ) Rk (KN/mP 2 P ) 1 BTCT M25 25 2,1 x10P 7 0,167 28000 1400 2 Nền đỏ 0 0,8 x10P 7 0,2 9000 750 Với:
+ Trị số RRnR, RRkR của bờ tụng lấy theo bảng 5 của Quy trỡnh thiết kế kết cấu BT và BTCT thuỷ cụng 14TCN 54-87
+ Hệ số biến dạng ngang ban đầu của bờ tụng được lấy từ à = 0,15 ữ 0,17 (trang 19 –14TCN54-87).
+ Mụ đun đàn hồi E=0,9Eb với Eb là mụ đun đàn hồi ban đầu của bờ tụng lấy theo bảng 7 của 14TCN54-87 (điều 1.69 14TCN 56-88) .
+ Đối với trường hợp tớnh toỏn cú tải trọng động đất mụđun đàn hồi của vật liệu lấy bằng 1,1 lần mụđun đàn hồi tĩnh cường độ kộo cho phộp RRKRtrong trường hợp động đất bằng 1,5 lần RRKRtĩnh.
4.1.3 Cỏc lực tỏc dụng
Đập vũm cũng giống như cỏc cụng trỡnh thủy cụng khỏc như đập đất, đập bờ tụng trọng lực là chịu tỏc dụng của cỏc lực: - Trọng lượng bản thõn. - Áp lực nước. - Nhiệt độ. - Áp lực bựn cỏt, ỏp lực đẩy nổi. - Động đất …
Ở trong tớnh toỏn mụ hỡnh đập này tỏc giả chỉ xột tỏc dụng của tải trọng bản thõn với ỏp lực nước.
a) Trọng lượng bản thõn:
gia tốc, phương hướng của nú với phương thực tế là tương phản. Khi phõn tớch kết cấu, mụ phỏng trọng lượng bản thõn kết cấu và trọng lượng của cỏc thiết bị liờn quan ta cần khai bỏo nhập khối lượng riờng (density) trong tớnh chất vật liệu, nếu khụng nhập khối lượng riờng thỡ khụng thể sản sinh hiệu quả trọng lực.
Trọng lượng bản thõn trong mụ hỡnh tớnh toỏn này chỉ gồm cú khối lượng của đập. Trọng lượng của nước đó quy đổi thành ỏp lực nước phõn bố lờn bề mặt kết cấu. Do đú trong mụ hỡnh tớnh toỏn chỉ cần khai bỏo khối lượng riờng của đập, và khai bỏo thờm gia tốc trọng trường, Ansys sẽ tự động tớnh toỏn trọng lượng riờng của từng phần tử đập. Một phần tử bất kỳ thuộc đập hay nền thỡ cụng thức chung để tớnh toỏn trọng lượng bản thõn của một phần tử hữu hạn là:
. . .
i i i i i
G = γ V = ρ g V
Trong đú: ρi- khối lượng riờng phần tử i. γi- trọng lượng riờng phần tử i. g – gia tốc trọng trường.
VRiR – thể tớch phần tử i.
GRiR – trọng lượng bản thõn phần tử i.
Và như vậy thỡ trọng lượng bản thõn của toàn bộ khối sẽ là:
1 . . n i i i G g V = =∑ρ b) Áp lực nước thủy tĩnh:
- Nguyờn tắc tớnh toỏn ỏp lực thủy tĩnh:
Cụng thức để xỏc định ỏp lực thủy tĩnh như sau: 2 1 . . 2 i n i P = γ H
Trong đú: γ −n Trọng nước riờng của nước.
HRiR – Chiều cao cột nước từ mực nước thượng lưu đến điểm tớnh toỏn. PRiR – Áp lực nước tại điểm tớnh toỏn.
- Cỏch thức đưa ỏp lực thủy tĩnh vào mụ hỡnh trong phần mềm Ansys:
cỏch thức để đưa vào mụ hỡnh kể cả đú là đưa vào đường hay vào mặt. Cú thể kể ra một số cỏch đưa ỏp lực vào mặt như sau:
Theo phương phỏp dựng menu:
- Solution->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas
- Preprocessor->Load->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas - Đưa ỏp lực vào theo hàm theo cỏc bước:
+ Bước 1 – tạo hàm: Solution->Define Loads->Apply->Functions->Define/Edit + Bước 2 – ghi hàm: Solution->Define Loads->Apply->Functions->Read File + Bước 3 – ỏp tải: Solution->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas. Sau đú chọn SFA là Existing table tiếp tục chọn hàm vừa đó tạo.
Theo phương phỏp dựng lệnh: SF; SFL…
Như vậy cú rất nhiều cỏch để đưa ỏp lực núi chung và ỏp lực thủy tĩnh núi riờng vào mụ hỡnh tớnh toỏn.
4.2 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG THÂN ĐẬP. 4.2.1 Ảnh hưởng của liờn kết nền với đập. 4.2.1 Ảnh hưởng của liờn kết nền với đập.
Trước tiờn tỏc giả đỏnh giỏ về sự khỏc biệt về mặt bản chất giữa 2 trường hợp tớnh toỏn:
- Đập - nền làm việc khụng cú tiếp xỳc, khi tớnh toỏn đập vũm khụng xột tiếp xỳc giữa đập – nền khi đú coi như đập ngàm chặt vào nền đồng nhất như một khối. Do đú trường chuyển vị và ứng suất cú tớnh liờn tục.
- Đập - nền làm việc cú tiếp xỳc, khi đú vấn đề tiếp xỳc giữa đập và nền đó được đưa vào trong tớnh toỏn, và do sự khỏc nhau về tớnh chất vật liệu giữa đập và nền làm cho tớnh liờn tục về xu hướng nội lực khụng cũn đảm bảo. Theo định luật Hỳc
.
E
σ = εtrong Ansys tớnh toỏn với ẩn số là chuyển vị, tại cỏc nỳt trựng nhau thỡ chuyển vị là như nhau, nhưng trường ứng suất lại chờnh lệch nhau một giỏ trị
( )
. dap n
E E E
∆σ = ∆ ε = − ε. Đõy mới là thể hiện sự chờnh lệch về trường ứng suất do cú sự khỏc biệt về mụ đun đàn hồi của vật liệu, cũn một khỏc biệt nữa làm chờnh lệch về ứng suất giữa đập và nền là tớnh tiếp xỳc của 2 khối. Nếu 2 khối đập – nền
liờn tục tức là đập chuyển vị 1 giỏ trị nào đú thỡ nền cũng chuyển vị với cựng phương chiều và giỏ trị như vậy, nhưng do tớnh tiếp xỳc giữa 2 khối do vậy 2 khối đập – nền cú thể trượt lờn nhau, dẫn tới chuyển vị của cỏc nỳt thuộc đập và nền cú thể là khỏc nhau
Bảng 4.2: Kết quả tổng hợp chuyển vị ứng ứng suất của hai trường hợp
Khụng tiếp xỳc Tiếp xỳc Uy (cm) 2,24 3,30 Uz (cm) 0,38 0,76 SR1R (KN/mP 2 P ) 2050 1107 SR3R (KN/mP 2 P ) -6847 -3187
Bảng 4.2 cho thấy chuyển vị theo phương Y tăng 106% khi xột đến tiếp xỳc giữa đập – nền. Ứng suất kộo giảm 46%, ứng suất nộn giảm 53,47%. Kết quả này cho thấy nếu đập – nền khi tớnh toỏn cú xột đến tiếp xỳc, hay đập cú khe biờn (khe chu vi) thỡ ứng suất kộo nộn đều giảm, chuyển vị lại tăng.
Kết quả phổ màu xem phụ lục 4.1
Do vậy sự chờnh lệch về trường ứng suất của đập và nền khi tỏch thành 2 khối là cú 2 nguyờn nhõn:
- Thứ nhất do sự khỏc biệt về chỉ tiờu cơ lý của 2 khối đập và nền đập
- Thứ hai do sự tiếp xỳc giữa đập- nền dẫn đến chuyển vị tại cỏc nỳt thuộc đập và nền khụng như nhau.
4.2.2 Phõn tớch, đỏnh giỏ kết quả tớnh toỏn chuyển vị của cỏc trường hợp.
Khi tớnh toỏn tỏc giả đó tớnh toỏn với đập Moticellno với 4 trường hợp khỏc nhau: - Nền là 1 khối và đập là 1 khối làm việc tiếp xỳc với nhau (TH1).
- Đập chia thành 6 khe và nền là 1 khối làm việc tiếp xỳc với nhau (TH2). - Đập chia thành 11 khe và nền là 1 khối làm việc tiếp xỳc với nhau (TH3). - Đập chia thành 14 khe và nền là 1 khối làm việc tiếp xỳc với nhau (TH4). Khi đập và nền là cỏc khối khỏc nhau và tiếp xỳc với nhau, đập lại được phõn ra
thành cỏc khối và chỳng cũng làm việc tiếp xỳc với nhau (trường hợp – 2,3,4). Về mặt bản chất của vấn đề cũng giống như trường hợp 1, nhưng ở đõy cú sự khỏc biệt là khi cỏc khối của đập tiếp xỳc với nhau bằng cỏc khe thi cụng, nhưng chỳng cú cựng chỉ tiờu cơ lý, như vậy chờnh lệch về ứng suất của cỏc phần tử thuộc đập chỉ do một nguyờn nhõn là do sự chuyển vị khụng giống nhau của cỏc phần tử thuộc cỏc khối khỏc nhau.
Ứng với mỗi trường hợp sau khi sử dụng phần mềm tớnh toỏn kết quả chuyển vị theo phương Y (phương của dũng chảy) được thể hiện trong hỡnh:
Hỡnh 4.6: Chuyển vị theo phương Y – TH2
Hỡnh 4.8: Chuyển vị theo phương Y – TH4
Bảng 4.3: Tổng hợp cỏc chuyển vị của cỏc trường hợp tớnh toỏn
Phạm vi xem xột Chuyển vị TH1 (m) TH2 (m) TH4 (m) TH5 (m) Đập Y 0,033 0,042 0,043 0,046 Z 0,0076 0,0086 0,0087 0,0096
Từ bảng 4.3 tổng hợp cỏc chuyển vị cú thể rỳt ra một kết luận rằng trong quỏ trỡnh làm việc của đập khi cú xột đến sự tiếp xỳc giữa đập và nền thỡ đập phõn càng nhiều khe thỡ chuyển vị càng tăng. Tại trường hợp 4 thiết kế 14 khe thi cụng chuyển vị theo phương Y tăng 39,4% so với chuyển vị ở trường hợp khụng phõn khe thi cụng.
Chuyển vị của đập thep phương thẳng đứng cũng tăng lờn 26,3% khi đập chia 14 khe so với trường hợp đập khụng chia khe.
Như vậy về mặt kết cấu thỡ đập chia càng nhiều khe thỡ càng bất lợi về mặt kết cấu, mà thực tế khi xõy dựng cụng trỡnh đập vũm thỡ theo yờu cầu kỹ thuật, thi cụng việc tỏch khối thi cụng đập là điều tất yếu vỡ nếu khụng phõn khe sẽ khú xử lý vấn đề phỏt nhiệt trong bờ tụng dẫn đến hiện tượng gõy nứt bờ tụng.
4.2.3 Phõn tớch, đỏnh giỏ kết quả tớnh toỏn ứng suất của cỏc trường hợp.
a) Ứng suất kộo:
Với đập vũm ứng suất kộo được đặc trưng bởi đại lượng SR1R trong tớnh toỏn bằng phần mềm ansys
Hỡnh 4.11: Ứng suất S1– TH2
Hỡnh 4.13: Ứng suất S1– TH4
Bảng 4.4: Tổng hợp cỏc ứng suất SR1R của cỏc trường hợp tớnh toỏn
Phạm vi xem xột TH1 (KN/mP 2 P ) TH2 (KN/mP 2 P ) TH4 (KN/mP 2 P ) TH5 (KN/mP 2 P ) Đập 1107 944 910 900
Nhận thấy quan hệ giữa ứng suất chớnh lớn nhất SR1R và số khe của đập cú xu hướng giảm. Với trường hợp 2 đập cú 6 khe ứng suất kộo tổng thể của đập là 944 KN/mP
2
P
giảm 14,7% so với trường hợp 1 đập khụng phõn khe.
Tại trường hợp đập cú 14 khe ứng suất lớn nhất SR1R giảm so với trường hợp đập khụng phõn khe là 1%. Đường quan hệ ứng suất cho thấy ở giới hạn cỏc trường hợp tớnh toỏn trong luận văn ứng suất kộo giảm nhanh khi phõn khe, khi số khe tăng từ 11 khe lờn 14 khe ứng suất giảm rất nhỏ.
b) Ứng suất nộn:
Khi xột tới ứng suất nộn chõn đập vũm phớa hạ lưu của mụ hỡnh trờn cũng lấy kết quả tương ứng với 4 trường hợp. Kết quả tớnh toỏn của mụ hỡnh được thể hiện ở bảng 4.4.
Hỡnh 4.16: Ứng suất S3– TH2
Hỡnh 4.18: Ứng suất S3– TH4Bảng 4.5: Tổng hợp ứng suất chớnh SR3R của đập Bảng 4.5: Tổng hợp ứng suất chớnh SR3R của đập Phạm vi TH1 (KN/mP 2 P ) TH2 (KN/mP 2 P ) TH3 (KN/mP 2 P ) TH4 (KN/mP 2 P ) Đập -3187 -3492 -3435 -3617
Từ bảng tổng hợp kết quả tớnh toỏn và đồ thị quan hệ giữa SR3 Rvà số khe cú thể nhận thấy rừ rằng trường hợp tớnh toỏn đập và nền làm việc tiếp xỳc, mà đập khụng phõn khe thỡ cỏc thành phần ứng suất cú kết quả cú giỏ trị nhỏ hơn cỏc trường hợp cũn lại. Hỡnh dạng đường quan hệ của SR3R và số khe cú xu hướng tăng lờn.
Ứng suất chớnh nhỏ nhất SR3R ở trường hợp đập cú 6 khe tăng 9,5% so với trường hợp đập khụng cú khe. Ứng suất SR3R cũng tăng 5,3% khi đập tăng số khe từ 9 lờn tới 15 khe.
Như vậy tớnh toỏn đập cú xột đến ảnh hưởng của nền mà đõp chia khe sẽ bất lợi về mặt kết cấu. Số khe càng nhiều ứng suất nộn càng tăng. Do vậy số khe tốt nhất để đập làm việc an toàn khụng phải càng lớn càng tốt cho đập, mà số khe hợp lớ phải thỏa món nhỏ hơn ứng suất chịu nộn của bờ tụng.
Cỏc kết quả của phổ ứng suất Uz, xem phụ lục 4.2.
4.3 PHÂN TÍCH VÀ BỐ TRÍ KHE HỢP Lí.
Mặc dự phõn càng nhiều khe sẽ càng bất lợi về mặt kết cấu ứng suất nộn của đập tăng cũn ứng suất kộo của đập cú xu hướng giảm.
- Kết quả trờn phõn tớch của cụng trỡnh trờn với cỏc trường hợp tớnh toỏn đó cho thấy sự biến đổi cú quy luật của ứng suất kộo của đập vũm, vỡ trong đập vũm tại mặt hạ lưu của đỉnh vũm cú xuất hiện ứng suất kộo cũn phớa thượng lưu luụn xuất hiện ứng suất nộn.
- Do đú muốn phõn tớch và bố trớ khe hợp lớ ngoài cỏc phương phỏp tớnh toỏn lớ thuyết nờn ỏp dụng cỏc phương phỏp tớnh toỏn mới, ỏp dụng cỏc phương phỏp phần tử hữu hạn để tớnh toỏn dựa trờn sự trợ giỳp của mỏy tớnh.
4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG.
Qua nghiờn cứu về phõn khe cho đập vũm trong 4 trường hợp kết quả bước đầu thu được quan hệ về ứng suất và biến dạng của cỏc trường hợp. Giỳp tỏc giả lựa chọn về số lượng khe của cụng trỡnh là 14 chiều dài của một khoảnh đổ là 20,78 m.
Bước đầu tỡm được quy luật biến đổi của ứng suất và biến dạng của cỏc trường hợp phõn khe khỏc nhau:
- Với ứng suất chớnh SR1Rứng suất cú xu hướng giảm sau khi phõn khe. Do đú khi bố trớ khe theo trường hợp đó lựa chọn cần kiểm tra kĩ cỏc ứng suất cục bộ cú thể phỏt sinh khi tớnh toỏn
- Với ứng suất chớnh SR3Rkhi phõn khe đều cú xu hướng tăng, nhưng do bờ tụng cú khả năng chịu nộn tốt nờn khả năng phỏ hoại đập bởi ứng suất nộn với trường hợp lựa chọn đảm bảo trong giới hạn an toàn.
Việc ỏp dụng phương phỏp phần tử hữu hạn trong tớnh toỏn ứng suất đập vũm kết hợp với sự trợ giỳp của phần mềm giỳp đưa ra được cỏc kết quả trong phõn tớch ứng