Bộ giáo dục và đào tạo Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn Trờng đại học thủy lợi Trơng bá hùng Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Luận văn thạc sĩ Hà nội - 2011 Bộ giáo dục và đào tạo Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn Trờng đại học thủy lợi Trơng bá hùng Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống Chuyên ngành : xây dựng công trình thủy Mã số : 60-58-40 Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học : TS. Đào Tuấn Anh H Nội - 2011 LuËn v¨n th¹c sÜ -1- MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của đất nước nhu cầu sử dụng năng lượng điện tăng lên không ngừng trong những năm gần đây, sự gia tăng phụ tải quá nhanh đã làm xảy ra hiện tượng thiếu điện trên diện rộng do vậy việc phát triển nguồn cung cấp điện đã và đang được chú trọng đầu tư không ngừng, hơn thế nữa Việt Nam lại là một nước có nguồn thủy năng dồi dào, sông suối phong phú và đa dạng chính vì vậy mà hàng loạt công trình thuỷ điện đã đang và sẽ được xây dựng để nhằm đáp ứng các nhu cầu về điện cho đất nước. Trong trong cụm công trình đầu mối công trình thuỷ điện thì Đập là một bộ phận quan trọng nhất và cũng chính là bộ phận quyết định về chi phí của cả hệ thống công trình. Trong bối cảnh kinh tế khó khăn của đất nước và thế giới, việc tiết kiệm vật liệu trong các công trình xây dựng nói chung và công trình thủy lợi, thủy điện nói riêng đang là một chiến lược quan trọng trong công việc thiết kế và thi công xây dựng. Đập trụ chống mới được đưa vào ứng dụng trong một số công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam như là một biện pháp công trình đập dâng có xu hướng tiết kiệm vật liệu đáng kể, góp phần rút bớt chi phí của dự án. Nhưng việc nghiên cứu sâu về tính toán thiết kế Đập trụ chống ở nước ta đang hạn chế. Nhất là trạng thái ứng suất biến dạng theo mô hình bài toán không gian. Trong luận văn này tác giả đề cập đến vấn đề: “Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống”. Đề tài xin được đưa ra như là góp một phần nhỏ trong tham vọng tìm xu hướng giải quyết bài toán kết cấu tối ưu hóa hình thức Đập trụ chống đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật về độ bền và tiết kiệm vật liệu. Luận văn gồm 4 chương với các nội dung chính sau đây: Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -2- Chương 1: Tổng quan về đập trụ chống Chương 2: Các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của đập trụ chống. Chương 3: Tính toán trạng thái ứng suất biến dạng mô hình bài toán không gian của đập trụ chống Thủy điện Nậm Ngần bằng phương pháp truyền thống. Chương 4: Giải bài toán không gian trạng thái ứng suất biến dạng của đập trụ chống trong đầu mối của công trình điện Nậm Ngần bằng phương pháp PTHH Do thời gian và trình độ hạn chế, mặc dù bản thân đã rất cố gắng song luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp. Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy hướng dẫn: TS. Đào Tuấn Anh và các thầy cô giáo Khoa Công trình -Trường Đại học Thuỷ lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn. Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -3- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ CHỐNG 1.1. Khái niện và phân loại đập trụ chống Đập trụ chống được tạo bởi các bản chắn nước nằm nghiêng về phía thượng lưu và các trụ chống . Áp lực nước được truyền qua bản chắn đến trụ chống và xuống nền. Đập thường được xây trên nền đá tốt. Về mặt địa hình, đập bản chống thích hợp với các lòng sông rộng, bờ thoải. Theo hình thức bản chắn nước của đập ta có thể phân loại như sau: Đập bản phẳng: mặt chắn nước là các bản phẳng (hình 1-1a và 1-1d),. Đập liên vòm: mặt chắn nước là các bản dạng vòm nối liên tục với bản chống (hình 1-1b) Đập to đầu: phần đầu phía thượng lưu của trụ pin được mở rộng ra tạo thành bản chắn nước (hình 1-1c). Hình 1.1: Các hình thức đập trụ chống a- đập bản phẳng trên nền đá; b- đập liên vòm; c- đập to đầu; d- đập bản phẳng trên nền mềm. Các loại hình thức khác của đập bản tựa: đập phản hướng, đập hình cầu. Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -4- Đập bản tựa thường là kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép. Các kết cấu của đập bản phẳng và đập liên vòm tương đối mỏng, cần nhiều cốt thép, mặt chắn nước thường thiết kế theo kết cấu bêtông cốt thép. Các kết cấu của đập to đầu tương đối dày, hàm lượng cốt thép ít, gần như kết cấu bê tông. Cũng có thể dùng gạch, đá xây để xây dựng đập bản tựa, nhưng loại này được dùng rất ít và chỉ mới xây được các đập thấp bằng đá xây. Thí dụ: Trung Quốc đã xây một đập liên vòm cao 25m bằng đá xây vữa. 1.2. Ưu nhược điểm của đập trụ chống 1.2.1. Ưu điểm - Mặt chắn nước thường được thiết kế nằm nghiêng nên lợi dụng được trọng lượng khối nước để làm tăng ổn định cho đập. - Áp lực nước thấm đẩy ngược lên lên trụ và bản chắn nhỏ (với loại đập không có bản đáy, hoặc có bản đáy nhưng có thiết bị thoát nước xuyên qua bản đáy, nằm giữa các trụ). - Thể tích đập không lớn, kết cấu mỏng nên tiết kiệm được rất nhiều vật liệu. Đập cao 100 m có thể tiết kiệm từ 40%-80% bê tông so với đập trọng lực cùng độ cao. Đập trọng lực cao 70m ứng suất nén lớn nhất không vượt quá 12x105N/m2 trong khi đó cùng độ cao như thế ứng suất nén lớn nhất của đập trụ chống có thể đạt được là 35x105N/m2. - Do đập trụ chống có kết cấu mỏng nên khi thi công sẽ tỏa nhiệt cao hơn vì vậy tiến độ thi công cũng nhanh hơn. - Khi đập trụ chống cao khoảng cách giữa các trụ tương đối lớn ta có thể bố trí trạm thủy điện giữa 2 trụ do vậy làm giảm được chiều dài của ống áp lực. - Đập trụ chống có khả năng chịu được ở một độ quá tải nhất định. Vì một nguyên nhân nào đó mực nước thượng lưu vượt quá mực nước thiết kế, Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -5- lực nước đẩy ngang tăng lên nhưng trọng lượng nước trên mặt chắn nằm nghiêng cũng tăng lên. Do đó khi mực nước hạ lưu không thay đổi thì có thể coi áp lực đẩy nổi tác dụng lên đập không tăng. Những nhân tố đó giúp cho đập có khả năng chịu một độ quá tải nhất định. 1.2.2. Nhược điểm và những điều cần lưu ý khi thiết kế: - Trụ pin có độ cứng hướng ngang nhỏ, ổn định hướng ngang kém. Động đất hướng ngang có thể sinh ra chấn động cộng hưởng làm hỏng trụ pin. Vì trụ đập tương đối mỏng nên có khả năng mất ổn định về uốn dọc. Nhưng căn cứ vào những kết quả tính toán nghiên cứu gần đây thì ổn định uốn dọc không phải là điều kiện khống chế. - Bản chắn nước của đập liên vòm và đập bản phẳng rất mỏng nên tính chống thấm kém. Khi mặt chắn nước bị nứt thì sửa chữa rất khó do đó yêu cầu về mặt vật liệu của đập trụ chống tương đối cao về tính chống thấm, chống phong hóa, xâm thực, độ bền … - Lượng cốt thép dùng nhiều hơn đập trọng lực nhất là đập liên vòm và đập bản phẳng - Yêu cầu xử lý nền rất cao so với đập trọng lực. Đập trụ chống thường được xây dựng trên nền đá. Nếu nền đá thì có thể sử dụng biện pháp phụt vữa tạo màng chắn, nếu không phải nền đá thì phải tạo cừ, sân phủ hoặc chân khay để chống thấm. Nhưng về mặt xử lý nền chỉ cần bóc đá xung quanh trụ pin, không cần bóc toàn bộ đá nền nên giảm được khối lượng bóc móng và gia cố nền. Mặt khác trong quá trình sử dụng khi cần có thể kiểm tra và gia cố nền dễ dàng. - Bố trí thi công phức tạp, nhiều ván khuôn, công tác dẫn dòng thi công ở đập trụ chống khó hơn so với đập bê tông trọng lực. Nếu bố trí dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng thì dễ gây chấn động thân đập và xói nền đập. Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -6- Về cơ bản đập trụ chống khắc phục được các nhược điểm của đập trọng lực. Việc chuyển từ thiết kế đập trọng lực sang đập trụ chống là một bước phát triển lớn trong kĩ thuật xây dựng đập. 1.3. Quá trình xây dựng và phát triển đập trụ chống trên thế giới và Việt Nam 1.3.1. Lịch sử phát triển đập trụ chống trên thế giới. Một trong những đập trụ chống đầu tiên trên thế giới là đập liên vòm bằng đá Eltra có mặt vòm thẳng đứng cao 23m được xây dựng tại Tây Ban Nha cuối thế kỉ XVI. Sau đó mãi tới thế kỉ XIX mới xuất hiện các đập thuộc loại này những vẫn là trọng lực. Mái thượng lưu thẳng đứng , dùng các trụ để gia cố. Tác dụng của trụ là chống trượt và truyền áp lực xuống nền. Năm 1929, Mỹ đã xây dựng đập to đầu đầu tiên – đập Don Martin cao 30m. Sau đó loại đập này được phát triển rộng rãi ở Italy, Thụy Điển, Scotland, Nhật Bản, Liên Xô, Bulgary, Rumani, Iran Hiện nay, trên thế giới đã có trên 500 đập bản chống được xây dựng. Loại đập bản phẳng đã có một số đập khá cao, như đập Possum Kingdom ở Mỹ cao 57,8m; khoảng cách giữa các trụ l = 12,2(m), xây năm 1941; đập Ecap (Argentina) xây năm 1949, có h = 88(m). Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -7- Hình 1.2: Hình ảnh đập Possum Kingdom Hình 1.3: Hình ảnh đập Manicuogan 5 (Daniel Johnson) Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ -8- Thuộc loại đập liên vòm, có thể kể đến một số đập cao như đập Beni Badel (Angieri) xây năm 1949, có h = 61(m); đập Mai Sơn( Trung Quốc) cao 88,24(m). Đập liên vòm cao nhất hiện nay là Daniel Johnson ở Canada, xây năm 1970, cao 215(m), khối lượng bê tông 2,23 triệu m P 3 P, gồm có vòm trung tâm nhịp l = 161,5 và 13 vòm khác có nhịp l = 76,2(m). Trong số các đập bản chống đã xây dựng cho đến nay thì loại đập bản phẳng là phổ biến nhất. Tuy nhiên, ngày nay loại đập to đầu cũng đang có xu hướng được áp dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó như kết cấu ít phức tạp, độ ổn định cao, tốc độ thi công nhanh. Một số đập to đầu có chiều cao khá lớn như đập Ben Metir (Tuynidi) cao 71m, đập Mengil( Iran) cao 105m, đập Hanatagi -1( Nhật Bản) cao 125m, đập Itaipu (Brazil – Paraguay) cao 196m. Hình 1.4: Hình ảnh đập Itaipu Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 . về đập trụ chống Chương 2: Các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của đập trụ chống. Chương 3: Tính toán trạng thái ứng suất biến dạng mô hình bài toán không gian của đập trụ. Đập trụ chống ở nước ta đang hạn chế. Nhất là trạng thái ứng suất biến dạng theo mô hình bài toán không gian. Trong luận văn này tác giả đề cập đến vấn đề: Khảo sát trạng thái ứng suất biến. BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG Tính toán trạng thái ứng suất biến dạng trong thân đập nhằm xác định trị số, phương chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực, biến dạng