Nghiên cứu giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm giảm hiện tượng tập trung ứng suất trong thời kỳ khai thác

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU MỚI CHO ĐẬP BÊ TÔNG<br /> TRỌNG LỰC NHẰM GIẢM HIỆN TƯỢNG TẬP TRUNG ỨNG SUẤT<br /> TRONG THỜI KỲ KHAI THÁC<br /> RESEARCHING NEW TYPE STRUCTURES OF CONCRETE GRAVITY DAM<br /> FOR REDUCING STRESS CONCENTRATION DURING WORKING TIME<br /> NGUYỄN HOÀNG<br /> Khoa Công trình, Trường ĐHHH Việt Nam<br /> Tóm tắt<br /> Trong bài báo này, tác giả đề xuất giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm<br /> giảm hiện tượng tập trung ứng suất trên mặt cắt ngang của đập bê tông trong thời gian làm<br /> việc. Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng tính toán, xác định trạng<br /> thái ứng suất - biến dạng của kết cấu đề xuất, qua đó so sánh với kết cấu được sử dụng<br /> nhiều hiện nay, để từ đó rút ra kết luận.<br /> Từ khóa: Đập bê tông, ứng suất, tập trung, kết cấu, mặt cắt, khai thác.<br /> Abstract<br /> In this paper author proposed new type structure of concrete gravity dam for reducing<br /> stress concentration of cross section’s dam during working time. Author also used method<br /> element finite to calculating stress- strain state of new type structure. These results are<br /> used compare with stress- strain state of structure, which is popular using for concrete<br /> gravity dam.<br /> Keywords: Gravity dam, stress- strain, stress concentration, structure, cross-section, working time.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Lựa chọn mặt cắt hợp lý cho các đập bê tông, bê tông trọng lực luôn là một trong những vấn<br /> đề hàng đầu của các nhà thiết kế. Theo [1] mặt cắt được cho là hợp lý hiện nay của các đập bê tông<br /> là mặt cắt có mái dốc thượng lưu một phần là thẳng đứng, một phần có mái dốc 1:0,2 hoặc 1:0,3<br /> như Hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vùng ứng suất tập trung<br /> <br /> <br /> <br /> Vùng ứng suất tập<br /> trung<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mặt cắt đập bê tông trọng lực thông thường<br /> Tuy nhiên, trong quá trình khai thác khi chịu các tải trọng cơ bản: áp lực thủy tĩnh, áp lực<br /> thấm,… thì xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất tại một số vùng (Hình 1) như: Phía tiếp giáp<br /> giữa nền đá và chân đập (gót đập); vùng quá độ giữa mái thẳng đứng và mái dốc phía thượng và<br /> hạ lưu. Hiện tượng tập trung ứng suất [2] này là nguyên nhân gây ra các vết nứt tại các vùng đó dẫn<br /> tới làm giảm chu kỳ khai thác công trình, và nặng hơn là phá hủy toàn bộ kết cấu công trình, gây ra<br /> hậu quả thảm hại. Một số các kết quả nghiên cứu trước đây về mặt cắt tối ưu của đập bê tông trọng<br /> lực [5] mới chỉ phân tích theo hướng đảm bảo điều kiện ổn định trượt; lật. Bên cạnh đó, cũng đã có<br /> các công trình nghiên cứu phân tích về ứng suất tập trung ở mái hạ lưu [6], tuy nhiên kết quả mới<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 39<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018<br /> <br /> <br /> chỉ dừng lại ở việc tính toán tìm ra ứng suất và xác định mức độ hình thành vết nứt do ứng suất tập<br /> trung gây ra mà chưa có hướng để làm giảm ứng suất tập trung đó.<br /> 2. Đề xuất giải pháp kết cấu, tính toán và phân tích kết quả<br /> Hiện tượng ứng suất tập trung là ứng suất lớn trội phát sinh trên một khu vực tương đối hẹp,<br /> xảy ra tại những nơi có sự thay đổi đột ngột về hình dạng tiết diện. Mặt cắt được thể hiện trên hình<br /> 1 cho thầy sự thay đổi đột ngột tiết diện tại những vùng quá độ. Do đó, để giảm sự thay đổi đột ngột<br /> về tiết diện, tác giả bài báo đề xuất kết cấu như Hình 2. Lúc này, các vùng có sự thay đổi đột ngột<br /> về tiết diện được thay thế bằng các đoạn cong quá độ có bán kính lần lượt là R=19m về phía hạ lưu<br /> và R=30m về phía thượng lưu. Để đánh giá hiệu quả của kết cấu này so với kết cấu thông thường<br /> được đề cập tới ở mục 1, tác giả áp dụng tính toán và phân tích ứng suất cho 2 loại kết cấu nói trên<br /> trong điều kiện chỉ chịu các tải trọng tĩnh (áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm) bằng phương pháp phần tử<br /> hữu hạn và được mô hình hóa bởi phần mềm ANSYS [4]. Các thông số hình học cơ bản của kết<br /> câu như sau: chiều cao đập 46,3m; chiều rộng đỉnh bằng 7m; mái dốc phía thượng lưu là 1:0,3; phía<br /> hạ lưu là 1:0,75. Phía mái thượng lưu là lớp bê tông RCC loại 1 có modul đàn hồi E= 42GPa [3]; bê<br /> tông thân đập là bê tông đầm lăn RCC loại 2 có modul đàn hồi là E RCC= 29GPa [3]; nền đá được<br /> xem xét tính toán là loại nền đá ít nứt nẻ có module đàn hồi trung bình E nền= 30GPa [3].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mặt cắt ngang đập bê tông trọng lực được đề xuất<br /> Mô hình toán và lưới phần tử hữu hạn được như Hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> Hình 3. Lưới phần tử hữu hạn của kết cấu tính toán<br /> a- Kết cấu được đề cập ở mục 1<br /> b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả<br /> <br /> <br /> <br /> 40 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018<br /> <br /> <br /> Điều kiện biên của bài toán được sử dụng cho phần tính toán này gồm: Điều kiện biên về tải<br /> trọng và điều kiện biên về chuyển vị. Điều kiện biên về tải trọng bao gồm: Áp lực thủy tĩnh phía<br /> thượng lưu ứng với chiều cao mức nước trước đập là H=42,93m và áp lực thấm dưới đáy đập được<br /> xét trọng trường hợp hệ số triết giảm sau màn chống thấm là α=0,5. Điều kiện biên về chuyển vị:<br /> trong phần tính toán này, tác giả xem rằng đập bê tông và nền đá làm việc như một thể thống nhất.<br /> Điều này cũng phù hợp với các xu hướng nghiên cứu về đập bê tông trên nền đá hiện nay cho nên<br /> vùng chuyển vị ở phần đáy của phân đoạn nền đá nghiên cứu được coi như là ngàm cứng (ứng với<br /> chuyển vị bằng 0).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vùng ngàm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> a)<br /> Hình 4. Điều kiện biên được khai báo trong phần mềm<br /> a- Điều kiện biên tải trọng (áp lực nước thượng lưu)<br /> b- Điều kiện biên về chuyển vị<br /> Kết quả tính toán chuyển vị tổng của đập và trường ứng suất tại các vùng có hiện tượng tập<br /> trung ứng suất được thể hiện như các Hình 5, Hình 6.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Umax= 0,00268m<br /> Umax= 0,00269m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> Hình 5. Trường ứng suất phía thượng lưu đập<br /> a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả<br /> <br /> σkéo = σkéo =<br /> 1,81MP 1,45MPa<br /> a<br /> <br /> σkéo max = 2,12MPa<br /> σkéo max = 1,72MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> Hình 6. Trường ứng suất phía thượng lưu đập<br /> a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 41<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> σnén max = 0,59MPa σnén max =<br /> 0,13MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> Hình 7. Trường ứng suất phía hạ lưu đập<br /> a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả<br /> Chuyển vị tổng lớn nhất của kết cấu được đề cập ở mục 1 là 0,00269m; còn đối với kết cấu<br /> mà tác giả đề xuất là 0,00268m. Kết quả chuyển vị nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện làm<br /> việc của đập. Ứng suất kéo theo phương Y lớn nhất tại gót đập đối với kết cấu ban đầu là 2,12MPa<br /> còn đối với kết cấu được đề xuất giảm xuống còn 1,72MPa, tức là giảm đi xấp xỉ 20%. Ứng suất kéo<br /> theo phương Y tại vùng quá độ mái thượng lưu đối với kết cấu được đề xuất là 1,45MPa nhỏ hơn<br /> so với kết cấu ban đầu là 1,81MPa. Tại vùng quá độ mái hạ lưu, ứng suất nén theo phương Y của<br /> kết cấu được đề xuất bởi tác giả là 0,13MPa giảm 4 lần so với kết cấu ban đầu là 0,52MPa.<br /> 3. Kết luận<br /> Căn cứ vào việc phân tích các kết quả tính toán ta thấy, việc sử dụng các đoạn cong quá độ<br /> trong thiết kế mặt cắt ngang cho đập bê tông, đập bê tông trọng lực cho thấy việc giảm đáng kể giá<br /> trị ứng suất kéo, nén tại các vùng thường xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất. Do đó, giảm khả<br /> năng xảy ra hiện tượng phá hủy kết cấu, mất ổn định công trình.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] PGS. TS Hoàng Phó Uyên, Bàn về công nghệ xây dựng đập bằng bê tông đầm lăn, Tạp chí Khoa<br /> học và Công nghệ Thủy lợi, 11/2012, trang 21-25.<br /> [2] Federal Emergency Management Agency: Selecting Analytic Tools for Concrete Dams to<br /> Address Key Events along Potential Failure Mode Paths. FEMA P-1016., 7/2014.<br /> [3] H.Santana, E.Castell. Miel I: RCC dam, height world record. In Proceedings of the IV International<br /> Symposium on Roller Compacted Concrete Dams, Madrid, Spain (17-19, November 2003) pp. 345-350.<br /> [4] Кent L. LawrenceАNSYS Workbench Tutorial Release 11. Schroff Development Corporation. 2007. 236 p.<br /> [5] Nguyễn Chiến, Nguyễn Duy Hưng, Mặt cắt của đập bê tông trọng lực xây dựng trong vùng có<br /> động đất, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 09/2015, trang 30-36.<br /> [6] Hongyuan ZHANG, Tatsuo OHMACHI- Seismic cracking and strengthening of concrete gravity<br /> dams. 12WCEE2000- 1410 pp.1-8.<br /> <br /> Ngày nhận bài: 15/03/2018<br /> Ngày nhận bản sửa: 01/04/2018<br /> Ngày duyệt đăng: 03/04/2018<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 42 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018<br />