BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.Phạm Ngọc Khánh Hà Nội – 2010 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.2.CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TỐN KẾT CẤU 15 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN HIỆN HÀNH 2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG 18 2.1.1 Phương pháp giải tích 2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu 18 2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi 19 2.1.2 Các phương pháp số 20 2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 20 2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 21 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG 23 TÍNH TỐN KẾT CẤU 2.2.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.2.2 Tính kết cấu theo mơ hinh tương thích 26 2.2.3.Giải hệ phương trình 34 2.2.3.1 Cách giải hệ phương trình phương pháp PTHH 34 2.2.3.2 Xử lý điều kiện biên 34 2.3.PHẦN TỬ BẬC CAO TRONG PHƯƠNG PHÁP B 35 PHẦN TỬ HỮU HẠN B 2.3.1 Khái niệm phần tử bậc cao 35 2.3.2 Hệ tọa độ tự nhiên 35 2.3.2.1 Khái niệm hệ tọa độ tự nhiên 35 2.3.2.2 Toạ độ tự nhiên phần tử ba chiều 36 2.3.3.Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút 37 2.3.4 Một số nét thuật tốn chương trình tính ma trận độ 40 -2- cứng phần tử 2.4.PHẦN MỀM TÍNH TỐN 42 CHƯƠNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG 3.1.GIỚI THIỆU VỀ CƠNG TRÌNH 45 3.1.1.Cấp cơng trình tiêu chuẩn thiết kế 45 3.1.2.Các thơng số kỹ thuật 46 3.1.3.Cụm cơng trình đầu mối tuyến lượng 46 3.2 TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG GIẾNG B 48 MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TURBIN KHI CÓ KỂ TỚI ĐỘNG ĐẤT 3.2.1.Mục đích tính tốn 48 3.2.2.Thơng số ban đầu 48 B B 3.2.2.1.Tiêu chuẩn tính tốn 48 3.2.2.2.Hệ số an tồn 48 3.2.2.3.Lực tác dụng 48 3.2.3.Mơ hình tính tốn 51 3.2.4.Kết tính tốn 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 B B B B -3- DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ: Hình 1.1 Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lòng sơng Hình 1.2 Nhà máy thuỷ điện lòng sơng khơng kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy Hình 1.4 Nhà máy thuỷ điện thân đập tràn Hình 1.2 Nhà máy TĐ sau đập bê tơng trọng lực Hình 1.6 Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn Hình 1.7 Giếng máy phát turbin Hình 3.0 Sơ đồ lực máy phát tác động vào giếng máy phát Hình 3.1a Sơ đồ hình học phần tử Solid 186 Hình 3.1b Sơ đồ ứng suất phần tử Solid 186 Hình 3.2 Sơ đồ hình học kết cấu tính tốn nhìn chếch từ phía hạ lưu Hình 3.3 Sơ đồ phần tử nhìn chếch từ phía hạ lưu Hình 3.4(TH1) Chuyển vị U x , m R R Hình 3.5(TH1) Chuyển vị U y , m R R Hình 3.6(TH1) Chuyển vị U z , m R R Hình 3.7(TH1) Chuyển vị tổng U sum , m R R Hình 3.8(TH1) Ứng suất σ x , T/m2, (chiều thượng hạ lưu) nhìn từ phía hạ lưu R R P P Hình 3.9(TH1) Ứng suất σ y , T/m2, (phương vng góc dòng chảy) nhìn từ phía thượng lưu R R P P Hình 3.10(TH1) Ứng suất σ z , T/m2, (phương đứng) nhìn từ phía thượng lưu R R P P Hình 3.11(TH1) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.12(TH1) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.13(TH1) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.14(TH2) Chuyển vị U x , m R R Hình 3.15(TH2) Chuyển vị U y , m R R Hình 3.16(TH2) Chuyển vị U z , m R R Hình 3.17(TH2) Chuyển vị tổng U sum , m R R Hình 3.18(TH2) Ứng suất σ x , T/m2, (chiều thượng hạ lưu) nhìn từ phía hạ lưu R R P P Hình 3.19(TH2) Ứng suất σ y , T/m2, (phương vng góc dòng chảy) nhìn từ phía thượng lưu R R P P -4- Hình 3.20(TH2) Ứng suất σ z , T/m2, (phương đứng) nhìn từ phía thượng lưu R R P P Hình 3.21(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.22(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.23(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.24Vị trí mặt cắt thể đồ thị ứng suất sàn lắp ráp Hình 3.25Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt A-A Hình 3.26Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt B-B Hình 3.27Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt C-C Hình 3.28Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt D-D Hình 3.29Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt E-E Hình 3.30Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt F-F Hình 3.31Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt G-G Hình 3.32Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt H-H Danh mục bảng: Bảng 3.1 Các thông số tiêu cơng trình Huội Quảng Bảng 3.2 So sánh kết ứng suất biến dạng trường hợp -5- MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết Đề tài: Dự án cơng trình trạm thủy điện ngầm Huội Quảng (tại huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu) dựa án có qui mơ lớn ý nghĩa quan trọng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh phía tây bắc nước ta Cơng trình có cơng suất 520MW, nằm trạm thủy điện Bản Chát Sơn La, tạo thành hệ thống bậc thang quan trọng tuyến sông Nậm Mu – sơng Đà Cơng trình thủy điện Huội Quảng bao gồm: cụm cơng trình đầu mối (đập bêtơng trọng lực cao 80m + cửa lấy nước); đường hầm dẫn nước dài 5km (với đường kính 6,5m); tháp điều áp thượng lưu (đặt ngầm); nhà máy thủy điện ngầm núi tuyến hầm xả hạ lưu dài 300m Trạm thủy điện ngầm Huội Quảng công trình có nhiều hạng mục đặc biệt, có nhiều vấn đề đáng lưu tâm q trình tính tốn thiết kế thi công xây dựng Đặc biệt, công trình nằm vùng chịu ảnh hưởng động đất cấp VIII nên tác động đến ứng suất biết dạng cơng trình đáng kể Hiện này, q trình tính tốn thiết kế trạm thủy điện đường dẫn trạm thủy điện kết hợp, lý điều kiện địa hình - địa chất phía cửa hạ lưu khơng thuận lợi nên nhà thiết kế có xu hướng lùi tuyến nhà máy phía thượng lưu đặt ngầm Điều tương đối phổ biến, đặc biệt cơng trình nằm vùng động đất lớn cấp VIII, cơng trình Huội Quảng lực động đất có ảnh hưởng lớn đến cơng trình Một vấn đề đặt là: trình vận hành, lực động đất lớn ảnh hưởng đến làm việc bình thường nhà máy Cần phải tính tốn xem nhà máy chịu tác dụng tải trọng dặc biệt ứng suất biết dạng nhà máy Đặc biệt phận giếng máy phát giếng turbin chịu ảnh hưởng lớn hai phận chịu tác động lực li tâm máy phát turbin tạo -6- Mặt khác chưa có máy tính nên việc tính tốn tính tay vừa lâu lại vừa không mô trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu; ngày với hỗ trợ máy tính phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) nên việc tính tốn nhanh , xác mơ trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu rõ ràng Có nhiều phần mềm tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Sap 2000, Ansys V10…nhưng phần mềm Ansys V10 công cụ mạnh kết kấu 3D nên việc lập mơ hình tính tốn cho giếng máy phát giếng turbin thích hợp Cơng tác tính tốn đồng thời sử dụng để tham khảo áp dụng tính tốn cho cơng trình tương tự II Mục đích Đề tài: Trên sở nghiên cứu phương pháp PTHH, áp dụng để tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng giếng máy phát giếng turbin trạm thủy điện có xét tới ảnh hưởng động đất Áp dụng cho cơng trình Huội Quảng III.Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu : Nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng giếng máy phát giếng turbin trạm thủy điện Huội Quảng chịu tác dụng động đất Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu : -Trên sở thu thập tài liệu, tìm hiểu cơng trình nghiên cứu - Tìm hiểu ảnh hưởng lực động đất trình vận hành nhà máy thủy điện - Tìm hiểu công dụng, nguyên lý làm việc máy phát - Kết hợp lý thuyết với phương pháp tính toán đại – phương pháp PTHH với chọn phần mềm phù hợp để áp dụng cho luận văn -7- IV.Kết dự kiến đạt - Lập mô hình tính tốn theo thuật tốn phương pháp PTHH - Xác định trạng thái ứng suất - biến dạng giếng máy phát giếng turbin có kể tới tác dụng động đất -8- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN [3] Nhà máy thủy điện cơng trình thủy cơng bố trí thiết bị động lực (turbin, máy phát điện ) hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho làm việc bình thường thiết bị nhằm sản xuất điện cung cấp cho hộ dùng điện Có thể nói xưởng sản xuất điện cơng trình thủy điện Loại kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn thiết bị thuận lợi vận hành Nhà máy thủy điện chia thành loại bản: Nhà máy thủy điện lòng sơng: xây dựng sơ đồ khai thác thủy kiểu đập có cột nước không 35 – 40m Bản thân nhà máy phần cơng trình dâng nước, thay cho phần đập dâng Cửa lấy nước thành phần cấu tạo thân nhà máy Vị trí nhà máy nằm lòng sơng - 87 - Hình 3.23a(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.23b(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P - 88 - Hình 3.23c(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P Hình 3.23d(TH2) Ứng suất σ , T/m2 R R P - 89 - G-G H-H D-D C-C E-E F-F B-B A-A Hình 3.24Vị trí mặt cắt thể đồ thị ứng suất sàn lắp ráp - 90 - Hình 3.22.Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt A-A - 91 - Hình 3.26.Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt B-B - 92 - Hình 3.27.Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt C-C - 93 - Hình 3.28.Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt D-D - 94 - Hình 3.29.Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt E-E - 95 - Hình 3.30.Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt F-F - 96 - Hình 3.31.Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt G-G - 97 - Hình 3.32.Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt H-H - 98 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt I Tổng quan nhà máy thuỷ điện Trình bầy phương pháp tính tốn hành Ứng dụng cơng nghệ tính tốn đại phương pháp phần tử hữu hạn, đặc biệt có sử dụng phần tử bậc cao Sử dụng phần mềm tính tốn đại giải tốn khơng gian-phần mềm Ansys, xét ảnh hưởng lực động đất Lập mơ hình tính tốn theo thuật tốn phương pháp PTHH Xác định trạng thái ứng suất - biến dạng giếng máy phát giếng tua bin có kể tới tác dụng động đất không kể tới ảnh hưởng động đất Từ kết rút nhận xét để khuyến nghị cho sở thiết kế Cơng việc tính tốn nhiều nên dùng phần tử bậc cao giảm số phần tử mà kết xác tiếp kiệm khối lượng thời gian tính tốn Những tồn q trình thực luận văn: II Mới nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng giếng máy phát giếng tua bin chịu tác động động đất theo phương pháp hệ số mà chưa tính tốn phương pháp phổ động đất Mới tính tốn tĩnh lực bệ máy mà chưa tính tốn động lực bệ máy như: kiểm tra cộng hưởng, kiểm tra biên độ dao động Do chưa đủ thời gian nên luận văn chưa tính toán với loại phần tử bậc thấp để so sánh kết III Những kiến nghị hướng nghiên cứu Nghiên cứu cứu trạng thái ứng suất biến dạng giếng máy phát giếng tua bin chịu tác động phổ động đất động lực bệ máy - 99 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Văn Tảo nnk (2006) - Thủy lực I - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Nguyễn Cảnh Cẩm, Nguyễn Văn Cung, Lưu Công Đào nnk (2006) - Thủy lực II - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Hồ Sỹ Dự, Nguyễn Duy Hạnh, Huỳnh Tấn Lượng, Phan Kỳ Nam (2003) – Cơng trình trạm thuỷ điện – Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Nghiêm Hữu Hạnh - Cơ Học Đá - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội 2004 Hướng dẫn thiết kế Trạm thuỷ điện - Viện thiết kế Thuỷ công Liên Xô (1977) Phân viện Lêningrad - Nhà xuất Nông Nghiệp Phạm Ngọc Khánh, Nguyễn Công Thắng (1999) – Phương Pháp Số - Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội P.G.Kixelep (1984) - Cẩm nang tính tốn thủy lực (Lưu Cơng Đào, Nguyễn Tài dịch từ tiếng Nga) - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Nguyễn Văn Mạo (2010) - Đập bê tông bê tông cốt thép (bài giảng sau đại học) - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội Phạm Phụ (1972) - Cơ sở lượng Trạm thuỷ điện - Nhà xuất Bản Đại học Trung học chuyên nghiệp - Hà Nội 10 Nguyễn Cảnh Thái (2003) - Thiết kế đập vật liệu địa phương (Bài giảng cao học) - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội 11 Trịnh Minh Thụ (2009)- Giới thiệu Địa Kỹ Thuật - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội 12 Hồng Đình Trí, Đồn Hữu Quang, Lý Trường Thành, Dương Văn Thứ, Phạm Khắc Thưởng (1999) - Giáo trình học kết cấu - Nhà xuất Nơng Nghiệp, Hà Nội 13 Ngơ Trí Viềng, Nguyễn Chiến nnk (2004) - Thủy công tập I - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội - 100 - 14 Ngơ Trí Viềng, Phạm Ngọc Q nnk (2004) - Thủy công tập II - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Tiếng Anh 15 Armer GST and Gams F.K – Design for dynamic loading the use of model analysis - Conatruction Press London and New York 1982 16 I.C Cormeau - Viscoplasticity and Plasticity anh Plastity in the finite element method – Division of Civil Engineering University College of Swanses – 1976 17 A.J Davies - The finite element method : A first approach - Clarendor press Oxford - 1980 18 R.W Daniels - An introduction to numerical methods and optimization techniques - North Holland - New Yord 1978 19 Guthrie Brown J - Hvdroelectric Engineering practice - Volume II - London Blackie 1958 20 C Humpheson - Finite element analvsis of elasto/visco - plastic soils - School of Engineering Division of Civil Engineering University College of Swanses – 1976 21 Novak P and Cabelka J - Mode in hydraulic Engineering phvsical principles and design applications - Pitman advanced publishing Program Boston - London Melbourne 1981 22 J.T Oden - The finite element of nonlinear continus - Mc Graw -Hill book company – 1972 23 E.I Organick - A Fortran IV primer - Addison Wesley Publishing Company Printed in the United of America August 1967 24 M.F Rubinstenin - Matrix computer analysis of structures - Prentice Hall, INC Englewood Cliffs, New Jersey 1966 25 T.R Tauchert – Energy principles in structural mechanics – Mc Graw – Hill book Company 1974 - 101 - 26 J.R Whiteman – The mathematics of finite elements and Applications II – MAFEAP 1972- Academic Press London 1976 27 O.C Zienkiewicz – The finite element method in the struc-tural and continuum Mechanics – Mc Graw – Hill pullishing Company Limised – 1967 28 O.C Zienkiewicz – The finite element method in the Engineering science – Mc Graw - Hill pullishing Company Limised – 1967 29 Leslaw brunarski Mark Kwiecinski – Wstep Teoril sprezystosci i plastycznosci - Wydawnictwa politechniki Warszawlciej 1972 30 Maria Ptaszynska, Woloczkowicz – Analiza Wplywu obciazen dynamicznych na stateczosc Walow osadnikow przemyslowuch-International Journal of Mechanical Sciences – Perganon Press – Oxford – New York – Brannsch Weig: September 1972 31 Ven Te Chow (1959) - Open Channel Hydraulics - McGraw-Hill Companies, United States of America 32 Fuat Senturk, Ph.D (1989) - Hydraulic of Dams and Reservoirs, Water Resources Publications - United States of America 33 Henry M Morris (1963) - Applied Hydraulics in Engeineering, Ronald press Company - United States of America 34 Larry W.Mays (1999) - Hydraulic Desing Handbook, Department of Civil and Environmental Engnnering Arizonal State University Tempe, Arizonal - United States of America 35 McGraw-Hill Companies (1996), Handbook of Hydraulics (Seventh Edition) Tiếng Nga 36 X.M Xliki (1986) - Tính tốn thuỷ lực cơng trình thuỷ cơng xả nước (Bản tiếng Nga) - Nhà xuất lượng nguyên tử Moskva 37 R Tchoufaev (1982) - Thuỷ lực, (Bản tiếng Nga) - Nhà xuất lượng- chi nhánh Lenigrad ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG... cận phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu : Nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng giếng máy phát giếng turbin trạm thủy điện Huội Quảng chịu tác dụng động đất Cách tiếp cận Phương. .. phương pháp rời rạc kiểu vật lý mà đại diện phương pháp phần tử hữu hạn Các phương pháp số toán biến phân, phương pháp sai phân hữu hạn ta thay vi phân sai phân phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)