Vấn đề đỏnh giỏ độ an toàn đập vũm
Khi thiết kế đập vũm, đương nhiờn cần tiến hành phõn tớch ứng suất và ổn định, từ đú mà quyết định hỡnh dỏng và kớch thước hỡnh học của đập. Nhưng ngoài kết quả tớnh toỏn ứng suất và ổn định người thiết kế thường hay vẫn muốn với đập vũm đó xõy dựng trước đõy tiến hành loại suy, để tiện tiến hành đỏnh giỏ tớnh an toàn và tớnh kinh tế đối với mặt cắt thiết kế. Trước đõy người thiết kế thường dựng tỉ số dày cao của mặt cắt dầm vũm để đỏnh giỏ so sỏnh độ dày của đập vũm thiết kế với đập vũm đó xõy dựng là hợp lý hay khụng, nhưng ứng suất đập với tỉ lệ cao rộng lũng sụng, độ cao đập, hỡnh dỏng lũng sụng (hỡnh U hoặc hỡnh V)…cú liờn quan đến nhau, đơn độc dựng tỉ số dày cao khú mà đỏnh giỏ độ dày đập vũm là hợp lý hay khụng. Chuyờn gia về đập nổi tiếng của Thụy sĩ Lombardi đó đề xuất dựng hệ số độ mềm để đỏnh giỏ tớnh kinh nghiệm đối với độ dày đập vũm. Hệ số độ mềm C như sau:
C = AP
2
P
/VH (1.1) Trong đú: A là diện tớch mặt cắt giữa đập vũm;
V là thể tớch đập vũm; H là chiều cao đập lớn nhất.
Với chiều cao đập giống nhau, thể tớch V càng lớn, C càng nhỏ; diện tớch mặt cắt giữa A càng nhỏ, C cũng càng nhỏ. Vỡ vậy đối với chiều cao đập giống nhau, C càng nhỏ, đập càng an toàn.
Đối với hệ số độ mềm C giống nhau, hệ số an toàn đập thấp lớn hơn đập cao vỡ nú cú liờn quan đến ứng suất đập. Để phản ỏnh ảnh hưởng của đập cao, ZHU Bofang đó đề xuất hệ số mức độ ứng suất đập vũm.
D = CH = AP
2
P
/V (1.2) Hệ số D đại diện cho mức độ ứng suất đập vũm (bao gồm đập và nền). D càng nhỏ đập càng an toàn. Khi đỏnh giỏ độ an toàn của đập vũm ngoài việc suy xột hệ số mức độ ứng suất vẫn cần suy xột cường độ bờ tụng của đập, chất lượng thi cụng, cường độ khỏng nộn và khỏng cắt của nền đỏ. Nếu lấy hệ số mức độ ứng suất đập
vũm Kolnbrein DR0R = 3500 làm giới hạn trờn thỡ cụng thức (1.2) cú thể viết thành: C ≤ DR0R/H (1.3) Hệ số mức độ ứng suất D đại diện cho mức độ ứng suất của đập và nền, suy xột đến an toàn của đập khụng chỉ cú quan hệ với mức độ ứng suất mà cũn cú quan hệ đến cường độ của đập và nền. Để tiến một bước phản ỏnh ảnh hưởng của cường độ đập và nền, ZHU Bofang đề xuất hệ số mức độ an toàn đập vũm J như sau:
J = 100R/D = 100RV/AP
2
P
(1.4) Trong đú: R là cường độ của đập và nền.
J là một chỉ tiờu phản ỏnh mức độ an toàn tương đối đập vũm, J càng lớn đập càng an toànP [5] P . 1.4 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ KHẢ NĂNG VÀ BIỆN PHÁP KHÁNG CHẤN ĐẬP VềM. Vấn đề phõn tớch khỏng chấn và biện phỏp cụng trỡnh khỏng chấn đập vũm
Hiện nay đỏnh giỏ an toàn khỏng chấn đập vũm vẫn lấy hệ số an toàn ổn định và ứng suất giới hạn khụng vượt quỏ ứng suất cho phộp để biểu thị. Phõn tớch khỏng chấn đập vũm cao cú đặc điểm ứng suất lớn dẫn đến tớnh phi tuyến, nguyờn lý chồng chất khụng thớch hợp, nờn dựa vào nguyờn tắc phối hợp nhịp nhàng phõn tớch động lực với phõn tớch tĩnh lực. Hiện nay phương phỏp cơ bản phõn tớch động lực đập vũm vẫn sử dụng phương phỏp phõn tải dầm vũm. Nhưng đập vũm được xem là kết cấu vỏ mỏng khụng gian siờu tĩnh định cao cấp, phõn tớch kết cấu của nú cú tớnh đặc biệt và tớnh phức tạp, dựa vào phương phỏp PTHH giả định nền đàn hồi tuyến tớnh và khụng khối lượng cú khả năng tốt hơn mụ phỏng thể hỡnh phức tạp của kết cấu đập, đặc tớnh cơ học và tỏc dụng ngẫu hợp động lực đập – kho nước – nền. Quy phạm hiện hành của Trung Quốc “Quy phạm thiết kế khỏng chấn cụng trỡnh thủy” quy định đõy là phương phỏp chủ yếu tớnh toỏn kiểm tra phõn tớch động lực. Biện phỏp cụng trỡnh khỏng chấn sử dụng trong cụng trỡnh đập vũm là bố trớ cốt thộp khỏng chấn (bao gồm cả cốt thộp hướng dầm và hướng vũm)PP.
Hiện nay khi phõn tớch khỏng chấn vẫn cũn tồn tại một vài vấn đề cần phải giải quyết như: vấn đề phi tuyến tớnh khe ngang trong đập vũm cao dưới tỏc dụng địa chấn mạnh; vấn đề ảnh hưởng của tỏc dụng ngẫu hợp đập – kho nước đối với phản
ứng động lực thể đập; vấn đề mụ phỏng số súng động trong nền vụ hạn; vấn đề cơ chế nhập súng địa chấn; vấn đề nghiờn cứu biện phỏp giảm chấn; vấn đề ảnh hưởng của tớnh năng động lực vật liệu bờ tụng đối với đặc tớnh khỏng chấn đập vũm; vấn đề cơ chế phỏ hoại đập vũm dưới tỏc dụng địa chấn mạnh; vấn đề ảnh hưởng của độ dày tầng phự sa đối với ỏp lực thủy động mặt đập và phản ứng động lực thể đập; vấn đề phõn tớch khỏng chấn trường địa chấn động ngẫu nhiờn đập vũm cao…P
[5]
P .
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG.
- Đập vũm được đỏnh giỏ cú khả năng ổn định tốt và hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm vật liệu, tớnh an toàn và khả năng chịu được động đất. Do trờn thế giới đó ỏp dụng xõy dựng từ lõu, nờn cần chỳ ý hỡnh thức đập này để thiết kế, đặc biệt với khu vực miền nỳi nhiều thung lũng hẹp.
- Khi thiết kế và thi cụng đập vũm cần chỳ ý đến vấn đề về cụng nghệ thi cụng mới cỏc vấn đề với mỗi cụng nghệ thi cụng ưu nhược điểm riờng của từng phương phỏp để lựa chọn và bố trớ cho thớch hợp theo từng điều kiện khu vực xõy dựng
- Khi đỏnh giỏ an toàn đập vũm cần quan tõm đến vấn đề tối ưu húa hỡnh thể đập vũm, lựa chọn phương phỏp phần tử hữu hạn, vấn đề khống chế chỉ tiờu ứng suất đập vũm.
- Do kết cấu vũm chịu lực tốt, nờn đập vũm cú khả năng chống động đất tốt hơn so với cỏc loại đập khỏc. Nhưng cần phải từng bước xột thờm cỏc vấn đề cũn đang tồn tại như đó trỡnh bày ở trờn.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA NGHIấN CỨU 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VềM.
Do tỡnh hỡnh xõy dựng và phỏt triển, nhiều đập vũm cao được xõy dựng, nờn đũi hỏi phải tớnh toỏn hợp lý, chớnh xỏc, để thỏa món yờu cầu chịu lực, đồng thời giảm được khối lượng xõy dựng. Hiện nay phương phỏp phõn tớch ứng suất đập vũm chủ yếu gồm cú phương phỏp dầm - vũm, phương phỏp PTHH và phương phỏp thực nghiệm mụ hỡnh kết cấu. Cỏc phương phỏp này đều cú những ưu nhược điểm nhất định.
2.1.1 Phương phỏp dầm - Vũm:
Phương phỏp vũm ngang đơn thuần chỉ xột đến từng vũm riờng được cắt theo mặt ngang. Thực tế đập vũm là kết cấu khụng gian nghĩa là ngoài hướng ngang, đập vũm cũn làm việc theo phương thẳng đứng, cỏc phương phỏp dầm – vũm kể đến thực tế gồm cú:
- Phương phỏp vũm – dầm đỉnh.
- Phương phỏp nhiều vũm – nhiều dầm.
a) Phương phỏp vũm – dầm đỉnh:
Hỡnh 2.1: Sơ đồ phõn bố tải trọng lờn vũm và dầm
Dầm được phõn thành nhiều đoạn, cú chiều cao a tương ứng với cỏc lớp vũm nằm ngang của đập. Áp lực nước tỏc dụng lờn đập ở cỏc phần tử này lần lượt là pR1R, pR2R,… pRiR với pRiR = γhRiRa (hRiR là chiều sõu của nước ở trung tõm tại phần tử thứ i). Tại phần tử này gọi biến dạng của vũm là fRiR, cũn biến dạng của dầm là fP
r
lực nước tại phần tử đú tỏc dụng lờn vũm là pP v PRiR và cho dầm là pP r PRvR, ta dễ dàng nhận thấy rằng biến dạng fRiRP v P
chớnh là do tỏc dụng của fRiR gõy ra, cũn biến dạng của dầm fP
r P lại do tất cả cỏc tải trọng pP r PR1R, pP r PR2R ,… pP r PRnR gõy ra. Ta biết rằng pRiR = pP v PRiR + pP r PRiR hay pRiR = pRiR – pP v
PRiR. Vỡ vậy cú thể biểu diễn cỏc biến dạng cỏc biến dạng đú theo cỏc hệ thức sau: fRiRP v P= φ(pP v PRiR) fRiRP r PRR= ψRiR(pP r PR1R, pP r PR2R ,… pP r PRnR) = ψRiR[(pR1R- pP v PR1R), (pR2R- pP v PR2R),… (pRnR- pP v PR nR)] Vỡ biến dạng ở một điểm khụng đổi nờn, ta cú: fR1RP v P = fR1RP r P , fR2RP v P = fR2RP r P , … fRiRP v P = fRiRP r P …, fRnRP v P = fRnRP r P
. Như vậy cú một hệ thống n phương trỡnh để xỏc định ẩn số pP v PR1R, pP v PR2R ,…pP v PRiR,…pP v PRnR: φR1R (pP v PR1R) = ψR1R[(pR1R- pP v PR1R), (pR2R- pP v PR2R),… (pRiR- pP v PRiR),… (pRnR- pP v PRnR)] φR2R (pP v PR2R) = ψR2R[(pR1R- pP v PR1R), (pR2R- pP v PR2R),… (pRiR- pP v PRiR),… (pRnR- pP v PRnR)] (2.1) ……… φRnR (pP v PRnR) = ψRnR[(pR1R- pP v PR1R), (pR2R- pP v PR2R),… (pRiR- pP v PRiR),… (pRnR- pP v PRnR)]
Cụng thức để tớnh biến dạng của dầm cú thể tham khảo ở cơ học kế cấu cũn trị số biến dạng của vũm cú thể dựng cụng thức sau: ( ) 2 2 ( sin )(1 cos ) sin 2 (1 cos ) 2 1 12 v v v v n n o o o o n n n n o o o o o h r r p h f Ee e r γ α α α ϕ γ α α α α − − = = = − + + (2.2) Trong đú:
rRnR, rRoR - Bỏn kớnh ngoài và bỏn kớnh trung bỡnh của vũm. e - chiều dày vũm.
αRoR - một nửa gúc trung tõm vũm.
b) Phương phỏp nhiều dầm – nhiều vũm:
Phương phỏp này chia đập theo mặt cắt nằm ngang thành cỏc vũm và theo mặt cắt đứng thành cỏc dầm cụng xụn cắm chặt vào bờ nền. Phương phỏp trờn mới chỉ xột được một dầm ở đỉnh vũm. Do đú ỏp lực theo mặt cắt ngang tỏc dụng cho dầm, cũng như cho vũm sau khi đó phõn phối là dạng phõn bố đều.
Hỡnh 2.2: Sơ đồ phõn phối tải trọng cho dầm và vũm trờn mặt nằm ngang. Phương phỏp nhiều vũm – nhiều dầm là phương phỏp tớnh toỏn đập vũm chớnh xỏc hơn. Đập vũm được chia thành nhiều khoanh vũm cú cựng chiều cao và nhiều dầm cú cựng chiều rộng bằng cỏc mặt phẳng ngang và cỏc mặt phẳng đứng theo hướng đường kớnh. Nếu hỡnh dạng mặt cắt tuyến đập khụng thay đổi đột biến thỡ lấy khoảng cỏch giữa cỏc khoanh vũm bằng nhau.
- Núi chung chọn 5ữ7 khoanh vũm và tường cụng xụn (Hỡnh 2.2) vũm và dầm nờn giao nhau tại bờ đập (trừ dầm qua đỉnh vũm).
- Phương phỏp tớnh toỏn được dựng hiện nay vẫn là phương phỏp thử tải trọng. Đầu tiờn căn cứ vào kinh nghiệm, tham khảo kết quả tớnh toỏn cỏc cụng trỡnh đó xõy dựng mà phõn biểu đồ tải trọng nước cho cả hai hệ thống vũm và dầm. Căn cứ vào biểu đồ tải trọng của vũm và dầm để tớnh biến dạng tại cỏc điểm chung. Nếu biến dạng tại cỏc điểm chung của hai hệ thống khụng bằng nhau thỡ phõn bố tại biểu đồ tải trọng nước và việc tớnh toỏn lặp lại như lần đầu, đến khi biến dạng tại cỏc điểm chung bằng nhau (hoặc tớnh gần bằng nhau). Sai số cho phộp về biến dạng tại cỏc điểm chong của hai hệ thống vào khoảng 5 – 10%. Dựa vào biểu đồ phõn bố tải trọng cuối cựng để tớnh nội lực và ứng suất trong thõn đập.
Căn cứ vào lý luận trờn ta cú thể tớnh được cỏc bước tớnh toỏn của phương phỏp thử tải trọng như sau:
- Chọn hệ thống vũm và dầm tớnh toỏn. - Điều chỉnh theo hướng đường kớnh:
+ Phõn biểu đồ tải trọng cho khoanh vũm và dầm.
+ Tớnh biến vi theo hướng đường kớnh của khoanh vũm và dầm dưới tỏc dụng của tải trọng theo hướng đường kớnh.
- Điều chỉnh theo hướng tiếp tuyến, tức điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến của khoanh vũm.
- Điều chỉnh theo hướng quay của mụmen, tức điều chỉnh biến vị gúc
- Tiến hành điều chỉnh trở lại: Khi đó điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến và hướng quay của mụmen, ta điều chỉnh lại biến vị theo hướng đường kớnh. Đến đõy mới kết thỳc quỏ trỡnh tớnh toỏn điều chỉnh để tỡm tải trọng thành phần tỏc dụng lờn khoanh vũm và dầm. Khối lượng tớnh toỏn rất lớn, để giảm nhẹ việc tớnh toỏn cú thể điều chỉnh biến vị theo hướng đường kớnh, vỡ đõy là loại biến vị chủ yếu.
- Tớnh toỏn nội lực ứng suất:
+ Căn cứ vào biểu đồ tải trọng đó điều chỉnh mà tớnh nội lực và ứng suất tại cỏc điểm tớnh toỏn.
+ Tớnh toỏn ứng suất chớnh tại cỏc điểm tớnh toỏn.
Trong tớnh toỏn cú thể sử dụng cỏc bảng lập sẵn ở cỏc sỏch chuyờn đề hoặc sử dụng cỏc phần mềm tớnh toỏnP
[11]
P .
2.1.2 Phương phỏp PTHH
Lý luận tớnh toỏn trong phương phỏp PTHH tiờn tiến hơn phương phỏp nhiều dầm vũm, đó được ứng dụng rộng rói trong phõn tớch ứng suất đập vũm. Do phương phỏp này cú nhiều ưu điểm: phõn chia phần tử linh hoạt, cú thể suy xột biến hỡnh nền khỏ tốt, cú thể xử lý cỏc loại tải trọng, đặc biệt với cỏc trạng thỏi dưới đõy: đập vũm cú hỡnh dạng phức tạp; đập vũm cú mở lỗ đỏy, lỗ giữa, lỗ mặt hoặc hành lang; phõn tớch động lực đập vũm, đặc biệt là khi cần xột đến tỏc dụng ngẫu hợp giữa kho nước và đập; khi cần suy xột phõn tớch phi tuyến tớnh tầng nền kẹp mềm yếu, tầng đứt gẫy, kẽ nứt, rạn nứt hoặc phõn tỏch khối đập…Dưới giả định lý luận đàn hồi, loại hỡnh phần tử sử dụng và kớch thước mạng lưới phần tử thụng thường cú liờn quan đến kết quả ứng suất PTHH, đặc biệt là đối với mặt phụ cận nền đập tồn tại hiện tượng tập trung ứng suất làm cho tớnh ổn định giỏ trị kết quả ứng suất PTHH khỏ kộm, khú thiết lập tiờu chuẩn khống chế ứng suất tương ứng. Vỡ vậy một thời gian dài trước đõy phương phỏp PTHH luụn được xem là phương phỏp thẩm tra thiết kế đập vũm. Trờn thực tế đập vũm là một loại kết cấu siờu tĩnh định bậc cao,
cú tiềm lực chịu tải rất lớn, nếu lấy ứng suất lớn nhất làm tiờu chuẩn thiết kế, tiến hành thiết kế dựa vào chuẩn tắc truyền thống mất hiệu lực tớnh đàn hồi, hiển nhiờn quỏ bảo thủ; nhưng nếu khụng xột đến tập trung ứng suất, chỉ dựa vào ứng suất thu được của phương phỏp dầm vũm tiến hành thiết kế, khả năng lại khụng đủ an toàn, đặc biệt là đối với đập vũm cao.
Hỡnh 2.3: Phương phỏp phần tử hữu hạn
2.1.3 Phương phỏp ứng suất đẳng hiệu PTHH
Năm 1991, giỏo sư Phú Tỏc Tõn đó đề xuất phương phỏp ứng suất đẳng hiệu phần tử hữu hạn: Trong phương phỏp thử tải, thụng thường giả thiết ứng suất chớnh