Thạc Sĩ Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng đập trụ chống

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NĂM 2014


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ CHỐNG
1.1 Khái niệm và phân loại đập trụ chống . 3
1.2 Ưu nhược điểm của đập trụ chống . 4
1.2.1 Ưu điểm . 4
1.2.2 Nhược điểm và những điều cần lưu ý khi thiết kế: 5
1.3 Quá trình xây dựng và phát triển đập trụ chống trên thế giới
và việt nam .
6
1.3.1 Lịch sử phát triển đập trụ chống trên thế giới 6
1.3.2 Sự phát triển đập trụ chống tại Việt Nam. 10
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG
SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG
2.1 Cơ sở lý thuyết các phương pháp 13
2.1.1 Phương trính cân bằng tĩnh của Navier . 14
2.1.2 Phương trình Cauchy . 15
2.1.3 Điều kiện tương thích về biến dạng – Phương trình Saint
Venant
16
2.1.4 Quan hệ giữa ứng suất – Biến dạng – Định luật R.Hooke 16
2.2 Các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng
của đập trụ chống .
18
2.2.1 Các phương pháp giải tích . 19
2.2.1.1 Phương pháp sức bền vật liệu 19
2.2.1.2 Phương pháp tính theo lý thuyết đàn hồi . 20
2.2.2 Các phương pháp thực nghiệm 20
2.2.2.1 Phương pháp thí nghiệm mô hình 20
2.2.2.2 Phương pháp thí nghiệm quang đàn hồi 21
2.2.3 Phương pháp số 21
2.2.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 21
2.2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn . 21
2.3 Phương pháp tính toán sử dụng trong luận văn . 22
Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) . 23
2.4.1 Nội dung của phương pháp 24
2.4.2 Phân tích ứng suất đập trụ chống theo mô hình tương thích 27
2.5 Ứng dụng phương pháp PTHH vào trạng thái ứng suất biến
dạng, giải bài toán trạng thái ứng suất biến dạng không gian
của đập trụ chống bằng phần mềm ANSYS 30
2.5.1 Tổng quan 30
2.5.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS . 31
2.5.2.1 Xây dựng mô hình hình học không gian đập trụ chống và
nền 33
2.5.2.2 Lựa chọn phần tử, chia lưới phần tử và khai báo điều kiện
biên .
34
2.5.2.3 Tính toán 35
2.5.2.4 Phân tích kết quả 35
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
3.1 Giới thiệu về công trình thuỷ điện Nậm Ngần và kết cấu đập
trụ chống trong đầu mối, đặc điểm và điều kiện làm việc
của nó . 36
3.1.1 Giới thiệu chung 36
3.1.2 Các thông số kỹ thuật chủ yếu . 38
3.1.3 Điều kiện địa hình địa chất công trình đầu mối . 41
3.2 Sơ đồ tính toán và phương pháp tính toán . 45
3.2.1 Sơ đồ tính toán . 45
3.2.2 Phương pháp tinh toán . 46
3.3 Kết quả tính toán 47
3.3.1 Điều kiện tính toán . 47
3.3.2 Ứng suất mặt thượng lưu và hạ lưu . 47
3.2.2.1 Ứng suất pháp phương ngang σ R x R tại mặt thượng lưu . 47
Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
3.2.2.2 Ứng suất pháp phương ngang σ R x R tại mặt hạ lưu
.
48
3.2.2.3 Ứng suất pháp thẳng đứng σ R y R mặt thượng lưu . 48
3.2.2.4 Ứng suất pháp thẳng đứng σ R y R mặt hạ lưu 49
3.2.2.5 Ứng suất chính σ R 1 R mặt thượng lưu

49
3.2.2.6 Ứng suất chính σ R 1 R mặt hạ lưu . 50
3.2.2.7 Ứng suất chính σ R 2 R mặt thượng lưu

50
3.2.2.8 Ứng suất chính σ R 2 R mặt hạ lưu . 50
3.3.3 Ứng suất trong thân trụ 51
3.3.3.1 Ứng suất phương đứng σ R y R

51
3.3.3.2 Ứng suất phương ngang σ R z R 52
3.3.3.3 Ứng suất chính σ R 2 R 53
3.3.3.4 Ứng suất chính σ R 3 R 54
3.4 Nhận xét kết quả 55
CHƯƠNG 4: GIẢI BÀI TOÁN KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT
BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỤ CHỐNG TRONG ĐẦU MỐI CỦA CÔNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN NẬM NGẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH
4.1 Xây dựng mô hình hình học 56
4.2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 58
4.2.1 Lựa chọn phần tử, chia lưới phần tử . 58
4.1.2 Điều kiện biên . 58
4.3 Trường hợp tính toán và sơ đồ tính toán . 59
4.3.1 Trường hợp tính toán: . 59
4.3.2 Sơ đồ tính toán 59
4.4 Kết quả tính toán . 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93
I Kết quả đạt được . 93
Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
II Một số điểm tồn tại của luận văn 95
III Kiến nghị . 95
0B TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng số 3.1: Các tham số đặc trưng chất lượng khối đá tại hai vai và nền đập

THỒNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các hình thức đập trụ chống
Hình 1.2: Hình ảnh đập Possum Kingdom
Hình 1.3: Hình ảnh đập Manicuogan 5 (Daniel Johnson)
Hình 1.4: Hình ảnh đập Itaipu
Hình 1.5: Sơ đồ đập Itaipu
Hình 1.6: Hình ảnh đập Hanatagi
Hình 1.7: Hình ảnh đập Nậm Ngần trong quá trình xây dựng đập chính
Hình 2.1: Các thành phần ứng suất trên phân tố hình hộp
Hình 2.2: Các thành phần US trên phân tố hình hộp có kể đến lực thể tích
Hình 2.3: a) Phần tử 3D, b)Phần tử 8 nút, c) Chuyển vị nút
Hình 2.4 : Phần tử khối
Hình 2.5: Sơ đồ các bước giải bài toán bằng phương pháp PTHH
Hình 2.6: Sơ đồ các bước phân tích US biến dạng không gian đập trụ chống
Hình 3.1: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên đập trụ chống
Hình 4.1: Mô hình hình học của đập trụ chống Nậm Ngần
Hình 4.2: Phần tử hình học của mô hình Đập – Nền, đập trụ chống Nậm Ngần
Hình 4.3: Mô hình phần tử hữu hạn Đập – Nền, đập trụ chống Nậm Ngần
Hình 4.4: Sơ đồ tải trọng trường hợp tổ hợp cơ bản
Hình 4.5: Phổ chuyển vị theo phương đứng u R y R nhìn từ thượng lưu
Hình 4.6: Phổ chuyển vị theo phương đứng u R y R nhìn từ hạ lưu
Hình 4.7: Phổ chuyển vị theo phương ngang u R z R nhìn từ thượng lưu
Hình 4.8: Phổ chuyển vị theo phương ngang u R z R nhìn từ hạ lưu
Hình 4.9: Phổ ứng suất
σ
R 1 R nhìn từ thượng lưu
Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
Hình 4.106: Phổ ứng suất
σ
R 1 R nhìn từ hạ lưu
Hình 4.11: Phổ ứng suất
σ
R 2 R nhìn từ thượng lưu
Hình 4.12: Phổ ứng suất
σ
R 2 R nhìn từ hạ lưu
Hình 4.13: Phổ ứng suất
σ
R 3 R nhìn từ thượng lưu
Hình 4.14: Phổ ứng suất
σ
R 3 R nhìn từ hạ lưu
Hình 4.15 : Vị trí các mặt cắt ngang khảo sát ứng suất biến dạng
Hình 4.16 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt A – A)
Hình 4.17 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt A – A)
Hình 4.18 : So sánh ứng suất
σ
R y R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt A – A)
Hình 4.19: So sánh ứng suất
σ
R z R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt A – A)
Hình 4.20 : So sánh ứng suất
σ
R 1 R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt A – A)
Hình 4.21: So sánh ứng suất
σ
R 3 R thượng lưu và hạ lưu( mặt cắt A – A)
Hình 4.22 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt B – B)
Hình 4.23 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt B – B)
Hình 4.24 : So sánh ứng suất
σ
R y R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt B – B)
Hình 4.25 : So sánh ứng suất
σ
R z R thượng lưu và hạ (lưu mặt cắt B – B)
Hình 4.26 : So sánh ứng suất
σ
R 2 R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt B- B)
Hình 4.27: So sánh ứng suất
σ
R 3 R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt B – B)
Hình 4.28 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt C – C)
Hình 4.29 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt C – C)
Hình 4.30 : Phổ ứng suất thẳng đứng
σ
R y R trong thân trụ tính bằng Ansys
(mặt cắt C–C)
Hình 4.31: Phổ ứng suất thẳng đứng
σ
R y R trong thân trụ tính bằng Mathcad
(mặt cắt C – C)
Hình 4.32 : So sánh ứng suất
σ
R z R trong thân trụ tính bằng Ansys (mặt cắt C-C)
Hình 4.33: Phổ ứng suất nằm ngang
σ
R z R trong thân trụ tính bằng Mathcad
(mặt cắt C – C)
Hình 4.34 : Phổ ứng suất chính
σ
R 3 R trong thân trụ tính bằng Ansys
(mặt cắt C – C)
Hình 4.35: Phổ ứng suất chính
σ
R 3 R trong thân trụ tính bằng mathcad
(mặt cắt C – C)
Học viên: Trương Bá Hùng Lớp: CH16C1 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
Hình 4.36 : Phổ ứng suất chính
σ
R 2 R trong thân trụ tính bằng Annsys
( mặt cắt C – C)
Hình 4.37: Phổ ứng suất chính
σ
R 2 R trong thân trụ tính bằng Mathcad
(mặt cắt C – C)
Hình 4.38 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt D – D)
Hình 4.39 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt D – D)



Hình 4.40 : So sánh ứng suất
σ
R y R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt D – D)
Hình 4.41 : So sánh ứng suất
σ
R z R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt D – D)
Hình 4.42 : So sánh ứng suất
σ
R 2 R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt D – D)
Hình 4.43 : So sánh ứng suất
σ
R 3 R thượng lưu và hạ lưu (mặt cắt D – D)
Hình 4.44 : Phổ chuyển vị theo phương thẳng đứng y (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.45 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.46 : Phổ ứng suất theo phương thẳng đứng y (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.47 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.48 : Phổ ứng suất chính
σ
R 2 R (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.49 : Phổ ứng suất chính
σ
R 3 R (mặt cắt dọc đập)
Hình 4.50 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y (mặt cắt F – F)
Hình 4.51 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt F – F)
Hình 4.52 : Phổ ứng suất theo phương đứng y (mặt cắt F – F)
Hình 4.53 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt F – F)
Hình 4.54 : Phổ ứng suất chính
σ
R 2 R (mặt cắt F – F)
Hình 4.55 : Phổ ứng suất chính
σ
R 3 R (mặt cắt F – F)
Hình 4.56 : Phổ chuyển vị theo phương đứng y(mặt cắt H – H)
Hình 4.57 : Phổ chuyển vị theo phương ngang z (mặt cắt H – H)
Hình 4.58 : Phổ ứng suất theo phương đứng y (mặt cắt H – H)
Hình 4.59 : Phổ ứng suất theo phương ngang z (mặt cắt H – H)
Hình 4.60 : Phổ ứng suất chính
σ
R 2 R (mặt cắt H – H)
Hình 4.61 : Phổ ứng suất chính
σ
R 3 R (mặt cắt H – H)


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.