Thuỷ điện Bản Chát là một trong hai công trình trong bậc thang thuỷ điện trên sông Nậm Mu - nhánh cấp I bên trái của sông Đà.
Vị trí tuyến công trình thuộc địa bàn xã Mường Kim, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu.
Về chủ trương đầu tư dự án thuỷ điện Bản Chát được Thủ tướng Chính phủ cho phép tại văn bản số 1411/TTg-CN ngày 21/9/2005. Việc đầu tư dự án thuỷđiện Bản Chát nhằm mục đích chủ yếu sau:
-Phát điện: Với công suất lắp máy 220MW, điện lượng trung bình năm kể cả gia tăng cho Sơn La và Hoà Bình là 1,158 tỷ kWh, chưa kể hàng năm tăng thêm cho thuỷ điện Huội Quảng khoảng 70MW công suất đảm bảo và khoảng 200 triệu kWh, thuỷ điện Bản Chát sẽ là một nguồn điện đáng kể cho hệ thống điện Quốc gia trong tương lai.
-Bổ sung nước mùa kiệt: Với dung tích hồ chứa lớn trên 2,1 tỷ m3 , trong đó dung tích hữu ích trên 1,7 tỷ m3, hồ chứa thuỷ điện Bản Chát thuộc loại lớn ở Việt Nam và sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung nước mùa kiệt cho hạ du. Theo tính toán, với tần suất đảm bảo 85%, hồ Bản Chát bổ sung được lưu lượng khoảng 66 m3/s. Như vậy, thuỷ điện Bản Chát cùng với thuỷ điện Sơn La sẽ góp phần đáng kể trong việc cung cấp nước về mùa kiệt cho hạ du. Điều này đặc biệt có ý nghĩa hơn khi mà những năm gần đây tình trạng hạn hán và thiếu nước thường diễn ra trầm trọng ở các tỉnh đồng bằng Sông Hồng.
-Hỗ trợ cắt một phần đỉnh lũ cho các công trình ở hạ lưu: Kết quả tính
toán điều tiết, hồ chứa Bản Chát cắt được khoảng 6000 m3/s lưu lượng đỉnh lũ tại tuyến Bản Chát (tần suất 0,02%). Thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại tuyến Pa Vinh có cùng thời điểm với thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại Bản Chát sau khi được tính thời gian chảy chuyền từ Bản Chát đến Pa Vinh. Do đó, lưu lượng đỉnh lũ tại Pa Vinh sẽ được giảm khoảng 6000m3/s, tương đương 10% đỉnh lũ tại Pa Vinh.
Đập dâng trong cụm công trình đầu mối có kết cấu bằng bê tông RCC trên nền đá cứng, chiều cao lớn nhất xấp xỉ 130m, là công trình cấp 1, được hoàn thành vào cuối năm 2010 và bắt đầu tích nước năm 2011.
2.3 Mặt cắt tính toán
Phân tích ứng suất và biến dạng cho mặt cắt đập không tràn có cao trình 482,00m, đáy ở cao trình 400,00m trên nền đá IIA.
Hình 2-5: Mặt cắt tính toán 2.4 Chỉ tiêu tính toán
Các chỉ tiêu tính toán lấy theo bảng 2-1
Bảng 2-1: Các chỉ tiêu tính toán ổn định và thấm (nguồn PECC1).
TT Tên E tĩnh (MPa) Trọng lượng riêng (T/m3) Hệ số Poisson Tiếp xúc bê tông -đá ϕ, độ MPa C, 1 IA2 70 1,92 0,35 2 IB 3000 2,63 0,32 31 0,15 3 IIA 9000 2,70 0,27 40 0,5 4 IIB 11000 2,71 0,25 40 0,5 5 Bê tông RCC 25000 2,4 0,18 - - 6 Màng khoan phụt chống thấm 20000 2,4 0,2 - - 7 Đứt gãy 70 1,9 0,3 2.5 Tổ hợp tính toán
Để nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực thấm tới phân bố ứng suất trong thân đập, ổn định của đập, tính toán với hai tổ hợp với hai mực nước thượng lưu khác nhau như sau:
- Tổ hợp 1: Mực nước thượng lưu tại mực nước dâng bình thường 475,00m, mực nước hạ lưu tại cao trình +400,0m, bỏ qua áp lực bùn cát, các thiết bịtiêu nước chống thấm làm việc bình thường.
- Tổ hợp 2: Mực nước thượng lưu tại mực nước lũ thiết kế 477,3m, bỏ qua áp lực bùn cát, mực nước hạ lưu tại cao trình 400,0m. Thiết bị tiêu nước chống thấm hỏng.
2.6 Lực tác dụng
Lực tác dụng bao gồm
- Trọng lượng bản thân: Được xác định tự động từ chương trình
- Áp lực nước thượng hạ lưu: Áp lực tại một điểm tại mặt thượng hạ lưu được xác định theo công thức: P=γwH với H là khoảng cách từ mực nước thượng hạ lưu đến điểm tính toán.
- Áp lực đẩy ngược: Xác định theo 14TCN56-1988.
Hình 2-7: Sơ đồ lực tác dụng tổ hợp 2 2.7 Mô hình tính toán
-Mặt cắt tính toán được mô phỏng trong Ansys trong hệ trục tọa độ tổng thểX, Y, Z trong đó
•X: hướng từ trái qua phải
•Y: Hướng từ dưới lên trên, ngược chiều trọng lực •Z: Dọc theo trục đập
-Phần tử Plane182 - biến dạng phẳng (K3=3) dùng mô phỏng đập, nền trong bài toán ổn định.
-Tiếp xúc giữa đập và nền được mô tả theo tiếp xúc không độ dày bằng cách sử dụng phần tử Targe169 và Conta172.
-Điều kiện biên: Khống chế chuyển vị ngang và đứng tại các biên ngoài cùng của mô hình (nền). Áp lực nước được gán tại các mặt chịu áp.
Hình 2-8: Lưới phần tử, lực tác dụng trong Ansys 2.8 Kết quả tính toán
Các kết quả tính toán trong chương này sẽ được so sánh với các kết quả tính toán trong chương III của luận văn này.
2.8.1 Tổ hợp 1
Hình 2-10: Tổ hợp 1 – Biểu đồứng suất chính S1, S3
2.8.2 Tổ hợp 2
Hình 2-12: Tổ hợp 2- Ứng suất Sx, Sy
Hình 2-13: Tổ hợp 2- Ứng suất chính S1, S3
CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP BÊ TÔNG KHI COI ĐẬP VÀ NỀN LÀ VẬT LIỆU XỐP
Như đã phân tích tại chương I, phần 1.3, khi coi cả nền và đập là vật liệu xốp, có hai cách phân tích bài toán ứng suất biến dạng: phân tích độc lập và phân tích cặp.
Bài toán phân tích cặp xét đến ảnh hưởng của bài toán thấm đến trường ứng suất. Do tính phức tạp của bài toán cũng như hạn chế về mặt công cụ tính toán, bài toán này không được xét tới trong phạm vi luận văn này.
Đối với bài toán phân tích độc lập, hai module Seep/w và Sigma/w trong bộ phần mềm Geostudio được sử dụng để tính toán. Việc tính toán bao gồm xem xét cả ảnh hưởng của các lớp thi công đến kết quả thấm - ứng suất – biến dạng trong đập.
3.1 Các giả thiết tính toán
Nước chỉ di chuyển trong miền bão hòa theo định luật Darcy, phía trên đường bão hòa không tồn tại vùng mao dẫn.
Trong Seep/w cung cấp ba loại vật liệu chính: Bão hòa hoàn toàn (saturated only), Bão hòa/không bão hòa (saturated/ unsaturated), và phần tử tiếp xúc (interface element).
Hình 3-1: Các mô hình vật liệu trong Seep/W
Vật liệu bão hòa hoàn toàn phù hợp với miền vật liệu hoàn toàn nằm dưới đường bão hòa (ví dụ nền đập). Thông số chính của loại vật liệu này bao gồm hệ số thấm bão hòa (Saturated conductivity) và tỷ số của hệ số thấm theo phương nằm ngang và thẳng đứng. Nếu dùng loại vật liệu này để mô phỏng
cho đập sẽ không hợp lý. Theo sách hướng dẫn của Seep/w (trang 76), theo cách này, vùng không bão hòa của đập vẫn truyền tải lượng nước thấm có lưu lượng bằng vùng bão hòa, điều này dẫn đến đường bão hòa là không chính xác.
Hình 3-2: Vecto thấm trong vùng vật liệu không bão hòa
Vật liệu bão hòa/không bão hòa phù hợp với miền vật liệu xuất hiện cả vùng bão hòa và không bão hòa.
Hình 3-3:Thông số vật liệu cho vật liệu bão hòa/ không bão hòa.
Hệ số thấm trong vật liệu này là một hàm thấm . hàm thấm có đặc điểm như sau:
- Nếu vật liệu nằm dưới đường bão hòa, hệ số thấm là hệ số thấm bão hòa.
- Nếu vật liệu nằm trên đường bão hòa, hệ số thấm hệ số phụ thuộc vào giá trị áp lực nước lỗ rỗng âm (negative pore water pressure) hay độ hút dính (matric suction). Áp lực nước lỗ rỗng âm tại một điểm được tính bằng bằng công thức ua =hγw trong đó h là khoảng cách từ điểm đó đến đường bão hòa.
Hình 3-4: Áp lực nước lỗ rỗng âm trong Seep/W
Hình 3-5: Hàm thấm phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng âm
Với giả thiết nước chỉ di chuyển trong miền bão hòa (giả thiết của cơ học đất không bão hòa), và thỏa mãn miền vật liệu bao gồm cả vùng bão hòa và không bão hòa, vật liệu cho đập được khai báo như sau:
- Loại vật liệu: Saturated/Unsaturated.
- Hệ số thấm tại vùng không bão hòa (phụ thuộc áp lực nước lỗ rỗng) được gán với hệ số rất nhỏ (1e-30m/s).
Hình 3-6: Khai báo hàm thấm cho vật liệu RCC
Với vật liệu nằm dưới đường bão hòa (nền, đứt gãy, màn khoan phụt…), sử dụng loại vật liệu bão hòa (saturated only).
Cũng do giả thiết như trên, nên không xuât hiện áp lực nước lỗ rỗng âm. Theo nguyên lý ứng suất hiệu quả của Tenzaghi, ứng suất hiệu quả bằng hiệu của ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng ( '
w
u
σ = −σ ).Nếu áp lực nước lỗ rỗng âm, sẽ dẫn đến việc ứng suất hiệu quả lớn hơn ứng suất tổng. Vì vậy giả thiết như trên nhằm mục đích khống chế ứng suất hiệu quả bằng ứng suất tổng tại miền không bão hòa.
Với Seep/w, do xây dựng trên lý thuyết cơ học đất tới hạn, nên luôn tồn tại áp lực nước lỗ rỗng âm trong bài toán phân tích thấm. Khi sử dụng Sigma/w, việc khai báo áp lực nước lỗ rỗng có thể thực hiện qua hai cách
- Trực tiếp lấy từ Seep/w: Cách này luôn làm tăng ứng suất hiệu quả tại miền không bão hòa, do xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng âm.
- Khai báo bằng việc "vẽ" đường bão hòa, hay đường mực nước (water table): Bằng cách này, áp lực nước lỗ rỗng âm lớn nhất có thể được kiểm soát bằng việc tự nhập giá trị này. Tuy nhiên, điều này không kiểm soát được áp lực nước lỗ rỗng tại các vị trí dưới đường bão hòa bằng đúng kết quả từ Seep/w
Hình 3-7: Khống chế áp lực nước lỗ rỗng âm lớn nhất.
Trong luận văn này, với bài toán phân tích độc lập bằng module Seep/W và Sigma/W, đường bão hòa được lấy trực tiếp từ Seep/W. Do đó chỉ xem xét đánh giá phân bố ứng suất cho các phần dưới đường bão hòa.
3.2 Các điều kiện biên
3.2.1 Điều kiện biên trong bài toán thấm ổn định
Phương trình cho bài toán phân tích thấm có dạng
[ ]K { } { }H = Q (3.1) trong đó
- { }H : Vecto tổng cột nước tại các điểm nút. H được tính theo công thức w w p H z γ = + (3.2) Với z là cao trình tại nút, pw là áp lực nước lỗ rỗng tại nút. Thành phần w w p γ được gọi là cột nước áp lực. - { }Q : vector lưu lượng tại nút
Trong bài toán phân tích thấm, giá trị tổng cột nước tại mỗi nút được tính toán thông qua một vài giá trị cụ thể tại một số nút. Giá trị này có thể là tổng cột nước H hoặc lưu lượng Q, giá trị này được gọi là điều kiện biên của bài toán thấm.
Như vậy bài toán thấm chỉ gồm 2 điều kiện biên, H và Q và chỉ một trong hai điều kiện này được gán cho một nút cụ thể.
Seep/w cung cấp nhiều cách khác nhau để gán một trong hai điều kiện biên này:
- Điều kiện biên cột nước tổng H (m)
- Điều kiện biên về cột nước áp suất P (m): Khi cột nước áp suất được gán một giá trị cụ thể, từ công thức (3.2), giá trị H được xác định. Nếu P=0, cột nước H có giá trị chính bằng cao trình tại điểm đó.
- Điều kiện biên vềlưu lượng tại nút Q (m3/s): Q có giá trịdương khi nước đi vào mô hình, có giá trị âm khi nước đi vào mô hình.
- Điều kiện biên về lưu lượng đơn vị trên một mặt cắt q (m/s): Điều kiện biên này được quy đổi về Q tại các nút.
- Trong trường hợp điểm ra đường bão hòa, điều kiện Q và H không thể xác định trực tiếp. Do đó điều kiện này được gán với loại điều kiện biên kiểm tra khả năng ra của đường bão hòa (potential seepage review). Với điều kiện biên loại này, ban đầu các nút trên đường thẳng được gán điều kiện biên được gán với giá trị Q=0m3/s. Sau lần tính toán thứ nhất, cột nước tổng H tại các nút được tính lại, từ đó tính ra cột nước áp suất P. Nếu P>0, có nghĩa là tại nút đó, nước muốn thoát ra ngoài (Q>0), nhưng điều kiện Q=0 không cho phép điều này. Do đó, tại bước giải tiếp theo, Seep/W chuyển điều kiện biên Q=0 thành điều kiện biên H và tiếp tục giải. Lúc này, tại các nút điều kiện Q được chuyển thành H, Seep/W tiếp tục tính lại Q và kiểm tra lại điều kiện về Q. Điều này được lặp lại cho tất cả các nút trên mặt có khả năng xuất hiện điểm ra đường bão hòa cho đến khi thỏa mãn điều kiện cột nước tổng tại nút đó có giá trị bằng cao trình tại nút đó, hay nói cách khác P=0 hoặc Q tại nút đó bằng 0.
Quay trở lại với bài toán đập, tại mặt thượng lưu, và hạ lưu, với mọi điểm nằm dưới mực nước thượng lưu, hạ lưu tương ứng, điều kiện biên H luôn được xác định, có giá trị bằng chính cao trình mực nước thượng hạlưu.
Hành lang có nhiệm vụ thu nước tại các ống thoát nước, tại hành lang, cột nước áp suất luôn có giá trị bằng 0, do nước thoát ra tại đây được bơm chuyển về hạ lưu. Do đó tại hành lang, các nút được gán điều kiện P=0.
Với biên hạ lưu đập, do không có vật thoát nước, vì vậy có thể xuất hiện điểm ra đường bão hòa. Điều kiện biên kiểm tra khả năng xuất hiện điểm ra đường bão hòa được áp dụng cho các điểm nút này.
Điều kiện biên cho bài toán thấm được mô tả như hình sau.
3.2.2 Điều kiện biên cho bài toán ứng suất.
Trong Sigma/w, các điều kiện biên như sau có thể được áp dụng
- Điều kiện khống chế chuyển vị: Khống chế chuyển vị tại nút theo phương X, Y, hoặc cảhai phương với một giá trị cụ thể.
- Điều kiện về lực: Ứng suất (stress) tại một điểm theo phương X, Y hoặc theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến được xác định.
Đối với nền, điều kiện khống chế chuyển vị tại các biên bao ngoài của mô hình được áp dụng: Khống chế chuyển vị theo phương X bằng 0 tại các biên bên phải và trái mô hình, khống chế chuyển vị theo phương Y bằng 0 tại biên tận cùng thẳng đứng của mô hình.
Với mặt thượng lưu đập, hạ lưu đập, mặt nền thượng hạ lưu, điều kiện biên được xác định như sau:
- Với một điểm nằm trên biên một trong những biên trên, ứng suất hiệu quả luôn bằng 0, ứng suất tổng luôn có giá trị bằng cột nước áp suất P.
- Trong Sigma/w, khi áp lực nước lỗ rỗng được lấy trực tiếp tại bài toán phân tích thấm, tại các biên này, áp lực nước lỗ rỗng không được tự động chuyển thành thành phần lực để tính ứng suất tổng. Có nghĩa là nếu không có điều kiện biên, ứng suất tổng tại những vị trí này luôn bằng 0, ứng suất hiệu quả luôn âm. Để rõ ràng hơn, xem xét ví dụ như sau:
Hình 3-9: Điều kiện biên trong Sigma/w
Với bài toán trên, theo phân tích ở trên, tại điểm A ta có ứng suất tổng bằng ~50 kPa, ứng suất hiệu quả bằng 0, và áp lực nước lỗ rỗng ~50 kPa. Tuy nhiên, nếu không có điều kiện biên, kết quả ứng suất tổng của Sigma/W luôn cho giá trị ~0 kPa.
Điều này được lý giải trong mục 9.2 của tài liệu hướng dẫn sử dụng