3.2.1 Địa chất
Yờu cầu về địa chất của đập vũm khỏ cao để giữ được ổn định đập. Tuyến xõy dựng đập vũm phải cú hai bờ đỏ đủ cường độ, chịu được tải trọng truyền tới, đỏ cú hỡnh toàn khối, khụng bị biến dạng lớn và khụng bị nước xõm thực. Yờu cầu về nền tại đỏy đập khụng chặt chẽ như nền đập bờ tụng trọng lực, vỡ tải trọng chủ yếu truyền đến hai bờ, song cũng phải đủ cường độ, thoỏt nước và khụng bị mất ổn định thấm.
Trong khảo sỏt địa chất cần tiến hành khoan, đào thậm chớ phải đào đường hầm ngang để khảo sỏt, phỏn đoỏn khả năng mất ổn định, phạm vi mất ổn định, mặt trượt cú thể xảy ra. Xỏc định rừ thế nằm và phõn bố của cỏc lớp đỏ. Xỏc định cỏc hệ số khỏng cắt f, C theo mẫu cú kớch thước tuỳ thuộc vào số lượng và độ lớn của cỏc vết nứt trong đỏ. Đỏnh giỏ an toàn ổn định khỏng trượt. Trờn cơ sở tài liệu khảo sỏt địa chất để đỏnh giỏ điều kiện địa chất xõy dựng đập vũm.
Trong thực tế cỏc yờu cầu địa chất khú đạt được hoàn toàn, vỡ vậy phải cú cỏc biện phỏp gia cố:
- Đào, khoan đường hầm ngang xuyờn qua vết nứt và đổ bờ tụng truyền lực. - Khoan phụt vữa bờ tụng lấp cỏc vết nứt hoặc tạo màng chống thấm.
mảng đỏ, đoạn tầng, tạo nờn chỉnh thể.
- Đào, dọn sạch vết nứt và đổ đầy bờ tụng thay thế. - Làm tường ỏp vỏch đỏ cú thộp nộo dự ứng lực. - Tạo rónh, chõn khay cắm vào phần đỏ tốt.v.v...
Tuỳ tỡnh hỡnh địa chất cụ thể để chọn và ỏp dụng một hay nhiều giải phỏp nhằm đảm bảo đỏ hai bờ và ở đỏy đập trở thành chỉnh thể đủ cường độ và ổn định.
3.2.2 Mụ hỡnh
Tớnh biến dạng của nền đỏ trong khi tớnh toỏn mụ hỡnh đập vũm – nền được đặc trưng bởi mụđun biến dạng E và hệ số Poisson υ. Mụ đun biến dạng của đỏ khỏc với mụđun đàn hỏi ở chỗ khi xỏc định nú người ta xột đến cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, biến dạng này cú quan hệ với sự khộp lại của cỏc khe nứt. Do nguyờn nhõn này mà mụ đun biến dạng luụn luụn nhỏ hơn nhiều hơn so với mụ đun đàn hồi.
a) Mụ hỡnh với nền thay đổi mụ đun biến dạng E:
Mụ đun Young (E): mụ tả đàn hồi đạng kộo, hoặc xu hướng của một vật thể bị biến dạng dọc theo một trục khi cỏc lực kộo được đặt dọc theo trục đú; nú được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất kộo cho biến dạng kộo.
Sử dụng mụ hỡnh tớnh toỏn với mụ đun biến dạng E thay đổi tương ứng với ba trường hợp:
- Trường hợp 1 với ER1R = 5800 Mpa. - Trường hợp 2 với ER2R = 7200 Mpa. - Trường hợp 3 với ER3R = 9000 Mpa.
Cỏc kết quả của phổ ứng suất Uy, Uz, SR3R xem phụ lục 3.1. Kết quả của phổ ứng suất SR1R xem hỡnh 3.4 ữ hỡnh 3.6.
Hỡnh 3.4: Phổ SR1 Rứng với ER1R = 5800 Mpa
Hỡnh 3.6: Phổ SR1 Rứng với ER3R = 9000 Mpa
Bảng 3.1: Kết quả tớnh toỏn với cỏc trường hợp E khỏc nhau
TH1 TH2 TH3 URyR (m) 0,052 0,0481 0,045 URzR (m) 0,0101 0,0086 0,0077 SR1R(KN/mP 2 P ) 684,374 630,668 574,146 SR3R(KN/mP 2 P ) -2873 -2992 -3138
Từ kết quả tớnh toỏn vẽ biểu đồ mối quan hệ giữa cỏc trường hợp E khỏc nhau với cỏc giỏ trị chuyển vị và ứng suất.
Hỡnh 3.7 : Quan hệ E ~ Uy Hỡnh 3.8: Quan hệ E ~ Uz
Hỡnh 3.9: Quan hệ E ~ SR1R Hỡnh 3.10: Quan hệ E ~ SR3
Ở đõy nhận thấy rằng mụđun biến dạng của nền cú tỏc động tới chuyển vị của từng khối đập đang xột. Với E = 9000 Mpa lờn thỡ chuyển vị của đập theo phương dũng chảy giảm đi 13,46% so với trường hợp E = 5800 Mpa.
Như vậy trong một giới hạn nào đú với mụđun biến dạng cao chia nhiều khe sẽ khụng cú nhiều bất lợi về mặt chuyển vị.
Cũn quy luật thay đổi thành phần ứng suất chớnh lớn nhất SR1R hoàn toàn trỏi chiều với quy luật thay đổi thành phần ứng suất chớnh nhỏ nhất SR3R. Tuy nhiờn sự ảnh hưởng này đối với 2 thành phần chớnh là khụng tương đồng nhau. Với ứng suất chớnh SR1R khi mụđun biến dạng E tăng từ 5800 Mpa đến 7200 Mpa thỡ thành phần ứng suất giảm 7,8%. Khi mụđun E tăng đến 9200 Mpa thỡ ứng suất nhỏ nhất giảm thờm 8,9% vậy tốc độ giảm của ứng suất khi E thay đổi từ 5800 Mpa đến 9200 Mpa là 16,1%.
Khi mụđun biến dạng E tăng lờn thỡ ứng suất chớnh lớn nhất SR1 Rgiảm vậy nền càng cứng thỡ khả năng phỏt sinh ứng suất kộo càng giảm.
Đối với ứng suất chớnh nhỏ nhất SR3R khi mụđun biến dạng thay đổi mụđun biến dạng E tăng từ 5800 Mpa đến 7200 Mpa thỡ thành phần ứng suất tăng 4,1%. Khi mụđun E tăng đến 9200 Mpa thỡ ứng suất lớn nhất tăng thờm 4,9% vậy tốc độ tăng của ứng suất khi E thay đổi từ 5800 Mpa đến 9200 Mpa là 9,1%.
Khi mụđun biến dạng E tăng lờn thỡ ứng suất chớnh lớn nhất SR3 Rtăng vậy nền càng cứng thỡ khả năng phỏt sinh ứng suất nộn càng tăng.
Nếu xột ảnh hưởng của mụđun đàn hồi tới phõn khe, nền càng yếu việc phõn khe nhiều sẽ làm bờ tụng tăng ứng suất kộo gõy bất lợi cho đập. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b) Mụ hỡnh với nền thay đổi hệ số Poisson υ:
Hệ số Poisson của nền là tỉ số giữa độ biến dạng hụng tương đối với biến dạng dọc trục tương đối của nền. Với nền khi mụ hỡnh coi nền đỏ là vật liệu đẳng hướng do đú biến dạng của nền theo một phương sẽ gõy ra biến dạng theo cỏc phương cũn lại trong khụng gian 3 chiều.
Trong nghiờn cứu ảnh hưởng của địa chất tới phõn khe sử dụng mụ hỡnh với hệ số Poisson thay đổi tương ứng với ba trường hợp:
- Trường hợp 1: Hệ số Poisson υR1R = 0,15. - Trường hợp 2: Hệ số Poisson υR2R = 0,2. - Trường hợp 3: Hệ số Poisson υR3R = 0,25.
Cỏc kết quả của phổ ứng suất Uy, Uz, SR3R xem phụ lục 3.2. Kết quả của phổ ứng suất SR1R xem hỡnh 3.11 ữ hỡnh 3.13.
Hỡnh 3.11: Phổ SR1 Rứng với υR1R = 0,15
Hỡnh 3.13: Phổ SR1 Rứng với υR3R = 0,25
Bảng 3.2: Kết quả tớnh toỏn với cỏc trường hợp hệ số Poisson υ khỏc nhau
TH1 TH2 TH3 URyR (m) 0,0482 0,0481 0,0479 URzR (m) 0,0087 0,0086 0,0083 SR1R(KN/mP 2 P ) 634,498 630,668 625,686 SR3R(KN/mP 2 P ) -2975 -2992 -3011 Hỡnh 3.14: Quan hệ υ ~ Uy Hỡnh 3.15: Quan hệ υ ~ Uz
Hỡnh 3.16: Quan hệ υ ~ SR1R Hỡnh 3.17: Quan hệ υ ~ SR3
Quy luật thay đổi hệ số Poisson tương đồng với quy luật thay đổi hệ số biến dạng E. Ở đõy nhận thấy rằng hệ số Poisson thay đổi tăng υ = 0,15 thỡ chuyển vị của đập theo phương dũng chảy giảm đi rất nhỏ so với trường hợp υ = 0,25.
Quy luật thay đổi thành phần ứng suất chớnh lớn nhất SR1R hoàn toàn trỏi chiều với quy luật thay đổi thành phần ứng suất chớnh nhỏ nhất SR3R. Tuy nhiờn sự ảnh hưởng này đối với 2 thành phần chớnh là khụng tương đồng nhau. Với ứng suất chớnh SR1R khi hệ số Poisson tăng từ 0,15 đến 0,2 thỡ thành phần ứng suất giảm 0,6%. Khi hệ số Poisson tăng đến 0,25 thỡ ứng suất lớn nhất giảm thờm 0,7% vậy tốc độ giảm của ứng suất khi υ thay đổi từ 0,15 đến 0,25 là 1,4%.
Khi hệ số υ tăng lờn thỡ ứng suất chớnh lớn nhất SR1 Rgiảm vỡ vậy khả năng phỏt sinh ứng suất kộo càng giảm.
Đối với ứng suất chớnh nhỏ nhất SR3R khi hệ số Poisson thay đổi υ tăng từ 0,15 đến 0,2 thỡ thành phần ứng suất tăng 0,57%. Khi hệ số Poisson tăng đến 0,25 thỡ ứng suất nhỏ nhất tăng thờm 0,63% vậy tốc độ tăng của ứng suất khi υ thay đổi từ 0,15 đến 0,25 là 1,2%.
Khi hệ số Poisson tăng lờn thỡ ứng suất chớnh lớn nhất SR3 Rtăng vậy nền càng cứng thỡ khả năng phỏt sinh ứng suất nộn càng tăng.
Nếu xột ảnh hưởng của hệ số Poisson tới phõn khe, nền càng yếu việc phõn khe nhiều sẽ làm bờ tụng tăng ứng suất kộo gõy bất lợi cho đập.
3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU CAO ĐẬP TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VềM.
Trong phõn tớch ảnh hưởng của chiều cao đập tới phõn khe. Xột ba trường hợp chiều cao đập:
- Trường hợp 1: H = 75 m. - Trường hợp 2: H = 90 m. - Trường hợp 3: H = 120m.
Với cỏc trường hợp chiều dài mỗi khoảnh đập vũm là L= 20,78 m.
Cỏc kết quả của phổ ứng suất Uy, Uz, SR3R xem phụ lục 3.3. Kết quả của phổ ứng suất SR1R xem hỡnh 3.18 ữ hỡnh 3.21.
Hỡnh 3.19: Phổ Uy RRứng với HR2R= 90 m.
Bảng 3.3: Kết quả tớnh toỏn với cỏc trường hợp chiều cao đập khỏc nhau H= 75m H= 90m H= 120m URyR (m) 0,0279 0,0481 0,102 URzR (m) 0,0065 0,0086 0,0185 SR1R(KN/mP 2 P ) 596,975 630,668 1990 SR3R(KN/mP 2 P ) -2181 -2992 -5659 Hỡnh 3.21: Quan hệ H ~ Uy Hỡnh 3.22: Quan hệ H ~ Uz Hỡnh 3.23: Quan hệ H ~ SR1R Hỡnh 3.24: Quan hệ H ~ SR3
Với đập cú chiều cao càng lớn thỡ chuyển vị theo phương Y (từ thượng lưu về hạ lưu) càng lớn. Đồng thời độ lỳn theo phương Z (phương trọng lực) cũng tăng. Do khi chiều cao đập tăng ỏp lực nước thủy tĩnh tỏc dụng lờn đập càng lớn, lực đẩy về phớa hạ lưu tăng do đú khiến đập chuyển vị nhiều hơn về phớa hạ lưu, trọng lượng bản thõn đập tăng, lực tỏc dụng vào nền lớn hơn làm đập lỳn nhiều hơn, bờn cạnh đú cũn do ảnh hưởng độ sụt, co ngút biến dạng của bờ tụng.
tăng khụng đều nhau. Tất cả đều tăng nhanh ở trường hợp cuối.
Chuyển vị theo phương dũng chảy (phương Y) khi H tăng từ 75m đến 90m chuyển vị tăng 72,5%, khi H tăng từ 90 m đến 120 m thỡ chuyển vị tăng thờm 111,9%. Tốc độ tăng khi H từ 75 m đến 120 m là 265,6%. Đập càng cao chuyển vị tăng càng lớn.
Chuyển vị theo phương trọng lực (phương Z) cũng tăng khi tốc độ tăng khi H từ 75 m đến 120 m là 184,6%.
Cũn tương quan giữa chiều cao đập H với cỏc ứng suất chớnh cú sự tương đồng nhau, ứng suất tăng rừ rệt khi chiều cao đập tăng lờn. Với ứng suất chớnh nhỏ nhất SR1R. Đường quan hệ là đường cong lừm. Khi chiều cao H tăng từ 75 m đến 90 m ứng suất SR1Rtăng 5,6%. Khi chiều cao H tăng từ 90 m đến 120 m ứng suất chớnh SR1Rtăng 215,5%.
Vậy khi chiều cao đập càng tăng ứng suất kộo xuất hiện trong đập càng lớn. Để hạn chế ứng suất kộo trong đập, Khi chiều cao tăng cần bố trớ phõn khe hợp lớ để giảm ứng suất kộo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dựa vào kết quả phõn tớch ba trường hợp trờn và phổ màu của chuyển vị theo phương Y khụng phải lớn nhất ở đỉnh đập mà cú xu hướng chuyển dần xuống dưới gần đỉnh vũm phớa hạ lưu đập. Do chiều cao đập tăng, kết cấu vũm cú khả năng chịu lực tốt, phớa dưới chõn đập, và đỉnh đập đều chuyển vị về phớa hạ lưu nhưng đỉnh đập chuyển vị nhỏ hơn phớa dưới, dẫn đến chuyển vị lớn nhất sẽ gần phớa dưới đỉnh đập vũm. Do ở đõy cú hiện tượng sinh ra bởi hiệu ứng P- Delta
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG.
- Dựa vào cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn với mụđun biến dạng thay đổi, hệ số Poisson và chiều cao đập thay đổi, qua cỏc kết quả tớnh toỏn nhận được, tỏc giả nhận thấy rằng ở thượng lưu đập vũm phớa trờn đỉnh vũm luụn cú ứng suất nộn, cũn hạ lưu đập vũm cú xuất hiện ứng suất kộo.
- Thụng qua phõn tớch kết quả tớnh toỏn bằng phương phỏp phần tử hữu hạn để nghiờn cứu phõn khe cho đập vũm, tựy theo điều kiện địa hỡnh, địa chất, chiều cao đập mà bố trớ phõn khe cho hợp lý:
- Với điều kiện địa hỡnh như tại vị trớ xuất hiện dốc lồi lừm khụng đều cần chỳ ý xử lý nền và bố trớ phõn khe tại những vị trớ đú để trỏnh hiện tượng lỳn khụng đều gõy ra cỏc nứt đập trong quỏ trỡnh làm việc. Tại cỏc địa hỡnh cú mỏi dốc lớn nờn bố trớ khe đập dầy hơn so với địa hỡnh dốc nhỏ.
- Tỡnh hỡnh địa chất đặc biệt quan trọng tới sự ổn định của đập vỡ vậy hai bờn bờ đỏ phải đủ cường độ, chịu được tải trọng truyền tới, đỏ cú hỡnh toàn khối, khụng bị biến dạng lớn và khụng bị nước xõm thực. Với nền cú địa chất yếu việc phõn nhiều khe sẽ làm tăng ứng suất kộo vào tăng ứng suất nộn cho đập, làm đập mất an toàn về ứng suất đập, làm cỏc khoảnh đập xụ lệch với nhau nhiều hơn. Với nền cú địa chất tốt phõn khe nhiều khe sự bất lợi về ứng suất giảm đi, chuyển vị của đập cũng giảm. - Với đập cú chiều cao lớn cần quan tõm tới hiệu ứng P-Delta sinh uốn ngang và cắt ngang tại từng khối đập. Do chiều dài đập tăng, phớa mặt hạ lưu của đỉnh vũm xuất hiện ứng suất kộo, nếu chiều dài đập mà tăng lờn định đập cú xu hướng chuyển dịch về phớa thượng lưu. Vỡ vậy nếu chiều cao đập tăng nờn bố trớ số lượng khe vừa phải, bố trớ khe dầy gõy bất lợi về ứng suất và chuyển vị, dựa vào kết quả phõn tớch của chương 3 đó cho thấy khi chiều cao đập càng tăng thỡ sự tăng về ứng suất và chuyển vị tăng nhanh và đột biến.
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CễNG TRèNH CỤ THỂ 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CễNG TRèNH.
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 hoàn 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 )