Thạc Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn Ôphixêrốp và

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NĂM 2014

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .1
1. Tính cấp thiết của Đề tài .1
2. Mục đích của Đề tài .2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .2
CHƯƠNG 1 3
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN 3
1.1. Các loại đập tràn .3
1.1.1. Phân loại theo hình dạng cửa tràn 6
1.1.2. Phân loại theo chiều dày đỉnh đập tràn 7
1.1.3. Phân loại theo hình dạng ngưỡng tràn trên mặt bằng 11
1.1.4. Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu 12
1.2. Tổng quan về tính toán kết cấu đập tràn 13
1.2.1. Các phương trình cơ bản 13
1.2.2. Phương pháp sức bền vật liệu 15
1.2.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi 17
1.2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) .21
1.3. Ảnh hưởng của nền đến sự phân bố ứng suất thân đập tràn .23
CHƯƠNG 2 25
CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN .25
2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn 25
2.1.1. Các nguyên lý công khả dĩ .25
2.1.2. Thế năng biến dạng 27
2.1.3. Nguyên lý cực tiểu thế năng 28
2.2. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn 29
2.3. Tính toán kết cấu với mô hình tương thích 30
2.4. Cấu tạo đập tràn Ôphixêrốp 35
CHƯƠNG 3 39
ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA NỀN TỚI TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP TRÀN VÀ TRỤ PIN VAN CUNG HỒ CHỨA NƯỚC MỸ LÂM.39 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
3.1. Giới thiệu chung về hồ chứa nước Mỹ Lâm .39
3.1.1. Địa điểm xây dựng công trình .39
3.1.2. Nhiệm vụ của công trình 39
3.1.3. Các chỉ tiêu thiết kế công trình 39
3.1.4. Quy mô công trình .39
3.1.5. Các thông số cơ bản của đập tràn 40
3.1.6. Các số liệu tính toán cửa van cung 40
3.1.7. Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 41
3.2. Tính toán các lực tác dụng lên đập tràn .43
3.2.1. Sơ đồ tính toán .43
3.2.2. Trọng lượng bản thân .43
3.2.3. Áp lực nước thượng lưu .43
3.2.4. Áp lực nước thấm 44
3.2.5. Áp lực nước cửa van 44
3.2.6. Tổ hợp tải trọng .45
3.3. Mô hình hóa kết cấu của đập tràn Ôphixêrốp, trụ pin van cung và nền công
trình bằng phần tử khối 46
3.3.1. Chương trình tính toán kết cấu SAP2000 46
3.3.2. Mô hình tính toán kết cấu 48
3.3.3. Xây dựng mô hình phần tử mặt Area trong SAP2000 .50
3.3.4. Các định nghĩa trong SAP2000 .52
3.3.5. Xây dựng mô hình phần tử khối Solid trong SAP2000 .53
3.3.6. Gán các lực tác dụng lên mô hình 55
3.3.7. Gán các điều kiện biên vào nền .58
3.3.8. Chạy chương trình .58
3.4. Kết quả tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn và trụ pin .59
3.4.1. Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử khối 59
3.4.2. Kết quả tính toán với độ cứng của nền có E = 5,2 (10 6 T/m 2 ) 59
3.5. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn và trụ pin khi độ cứng
của nền thay đổi .65
3.5.1. Phân tích ứng suất đáy đập 65
3.5.2. Phân tích chuyển vị đáy đập 67 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
3.5.3. Phân tích ứng suất trụ biên và trụ giữa 68
3.5.4. Phân tích chuyển vị trụ biên và trụ giữa 71
3.6. Kết luận chương III 73
CHƯƠNG 4 75
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA TRỤ PIN ĐẬP
TRÀN THEO CÁC MÔ HÌNH KHÁC NHAU .75
4.1. Mô hình hóa trụ pin bằng phần tử vỏ .75
4.2. So sánh kết quả tính toán ứng suất và biến dạng theo hai mô hình .76
4.2.1. Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử vỏ 76
4.2.2. So sánh kết quả tính toán ứng suất theo hai mô hình 77
4.2.3. So sánh kết quả tính toán chuyển vị theo hai mô hình 82
4.3. Kết luận chương IV 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .84
1. Kết quả đạt được 84
2. Hạn chế, tồn tại 84
3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .86
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các hình thức đập trọng lực tràn nước .6
Hình 1-2: Phân loại đập tràn theo hình dạng cửa tràn .6
Hình 1-3: Đập tràn thành mỏng 7
Hình 1-4: Đập tràn thực dụng mặt cắt đa giác .7
Hình 1-5: Đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong .7
Hình 1-6: Đập tràn thủy điện Hòa Bình tỉnh Hòa Bình 8
Hình 1-7: Đập tràn hồ chứa nước Định Bình tỉnh Bình Định .8
Hình 1-8: Đập tràn Tân Giang tỉnh Ninh Thuận .9
Hình 1-9: Đập tràn Lòng Sông tỉnh Bình Thuận .9
Hình 1-10: Đập tràn cao su Tha La – Tân Châu tỉnh Tây Ninh .10
Hình 1-11: Đập tràn tự do ngưỡng răng cưa Phước Hòa tỉnh Bình Phước .10
Hình 1-12: Đập tràn đỉnh rộng 11
Hình 1-13: Đập tràn hồ chứa nước Gò Miếu tỉnh Thái Nguyên .11
Hình 1-14: Phân loại đập tràn theo hình dạng ngưỡng tràn 12
Hình 1-15: Đập tràn khép kín thủy lợi Phước Hòa tỉnh Bình Phước 12
Hình 1-16: Mô hình phân tố bao quanh một điểm trong thân đập 13
Hình 1-17: Sơ đồ tính toán ứng suất biên 15
Hình 1-18: Sơ đồ tính toán ứng suất theo lý thuyết đàn hồi 18
Hình 1-19: Sơ đồ tính toán ứng suất khi mặt đập chịu tải trọng phân bố đều 18
Hình 1-20: Sơ đồ tính toán ứng suất khi đỉnh đập chịu tải trọng tập trung 19
Hình 1-21: Sơ đồ chia lưới phần tử của đập và nền theo phương pháp PTHH 22
Hình 1-22: Ảnh hưởng của nền đến sự biến đổi ứng suất tại đáy đập 24
Hình 1-23: Ảnh hưởng của nền đến sự biến đổi ứng suất
σ
y trong thân đập 24
Hình 2-1: Quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu .27
Hình 2-2: Thuật toán giải bài toán kết cấu theo phương pháp PTHH 34
Hình 2-3: Cấu tạo đập tràn Ôphixêrốp .35
Hình 3-1: Đập tràn Ôphixêrốp hồ chứa nước Mỹ Lâm .42
Hình 3-2: Sơ đồ tính toán các lực tác dụng lên đập tràn 43
Hình 3-3: Sơ đồ tính toán áp lực nước tác dụng lên cửa van 44
Hình 3-4: Mặt cắt ngang đập và nền .48 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Hình 3-5: Đường chu vi đập và nền 50
Hình 3-6: Phần tử mặt Area của đập và nền .50
Hình 3-7: Mạng lưới phần tử mặt Area của đập và nền .51
Hình 3-8: Mạng lưới phần tử mặt Area của đập và nền sau ghép nhóm 52
Hình 3-9: Mô hình không gian 3D của đập và nền .54
Hình 3-10: Áp lực nước thượng lưu 56
Hình 3-11: Áp lực nước thấm 57
Hình 3-12: Áp lực nước cửa van .57
Hình 3-13: Điều kiện biên của nền 58
Hình 3-14: Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử khối .59
Hình 3-15: Chuyển vị của đập tràn .59
Hình 3-16: Phổ màu ứng suất S 11 đập tràn 60
Hình 3-17: Phổ màu ứng suất S 22 đập tràn 60
Hình 3-18: Phổ màu ứng suất S 33 đập tràn 60
Hình 3-19: Phổ màu ứng suất S 11 nền đập 61
Hình 3-20: Phổ màu ứng suất S 22 nền đập 61
Hình 3-21: Phổ màu ứng suất S 33 nền đập 61
Hình 3-22: Phổ màu ứng suất S 11 mặt đập 62
Hình 3-23: Phổ màu ứng suất S 22 mặt đập 62
Hình 3-24: Phổ màu ứng suất S 22 lõi đập 62
Hình 3-25: Chuyển vị các điểm góc của trụ biên 63
Hình 3-26: Phổ màu ứng suất S 11 trụ biên .63
Hình 3-27: Phổ màu ứng suất S max trụ biên .63
Hình 3-28: Chuyển vị các điểm góc của trụ giữa 64
Hình 3-29: Phổ màu ứng suất S 11 trụ giữa 64
Hình 3-30: Phổ màu ứng suất S max trụ giữa .64
Hình 3-31: Phổ màu ứng suất S 33 đập và nền 65
Hình 3-32: Biểu đồ thay đổi ứng suất S 33 đáy đập 66
Hình 3-33: Biểu đồ thay đổi chuyển vị U 3 đáy đập 67
Hình 3-34: Phổ màu ứng suất S 11 trụ biên .68
Hình 3-35: Phổ màu ứng suất S max trụ biên .68
Hình 3-36: Phổ màu ứng suất S 11 trụ giữa 69 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Hình 3-37: Phổ màu ứng suất S max trụ giữa .69
Hình 3-38: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ biên 70
Hình 3-39: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ giữa .70
Hình 3-40: Chuyển vị tại điểm góc trên đỉnh trụ biên và trụ giữa 71
Hình 3-41: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ biên .72
Hình 3-42: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ giữa 72
Hình 4-1: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước thượng lưu 75
Hình 4-2: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước cửa van .76
Hình 4-3: Trạng thái ứng suất và nội lực tại một điểm trong phần tử vỏ .76
Hình 4-4: Vị trí các điểm so sánh ứng suất .77
Hình 4-5: Phổ màu ứng suất S 11 theo mô hình phần tử vỏ 78
Hình 4-6: Phổ màu ứng suất S 11 theo mô hình phần tử khối .78
Hình 4-7: Phổ màu ứng suất S 22 theo mô hình phần tử vỏ 79
Hình 4-8: Phổ màu ứng suất S 33 theo mô hình phần tử khối .79
Hình 4-9: Phổ màu ứng suất S 12 theo mô hình phần tử vỏ 80
Hình 4-10: Phổ màu ứng suất S 13 theo mô hình phần tử khối .80 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Tổng hợp các công trình thủy lợi thủy điện tiêu biểu của Việt Nam 4
Bảng 2-1: Hệ số hình dạng
σ φ
của đập không chân không Krigiơ - Ôphixêrốp .36
Bảng 2-2: Hệ số chênh lệch cột nước
σ
H của đập tràn không chân không .37
Bảng 2-3: Bán kính nối tiếp R (m) của đập tràn không chân không .37
Bảng 2-4: Tọa độ đường cong của đập không chân không Krigiơ - Ôphixêrốp .38
Bảng 3-1: Các thông số cơ bản của hồ chứa .40
Bảng 3-2: Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 41
Bảng 3-3: Tọa độ các nút phần tử LINE trên đường chu vi đập và nền .48
Bảng 3-4: Các trường hợp tính toán độ cứng của nền 65
Bảng 3-5: Kết quả tính toán ứng suất S 33 tại đáy đập .66
Bảng 3-6: Kết quả tính toán chuyển vị U 3 tại đáy đập 67
Bảng 3-7: Kết quả tính toán ứng suất lớn nhất trụ biên 69
Bảng 3-8: Kết quả tính toán ứng suất lớn nhất trụ giữa .70
Bảng 3-9: Kết quả tính toán chuyển vị trụ biên .71
Bảng 3-10: Kết quả tính toán chuyển vị trụ giữa 72
Bảng 4-1: Các thành phần ứng suất tương đương 77
Bảng 4-2: So sánh trạng thái ứng suất trụ biên 81
Bảng 4-3: So sánh trạng thái ứng suất trụ giữa 81
Bảng 4-4: So sánh chuyển vị trụ biên 82
Bảng 4-5: So sánh chuyển vị trụ giữa 82
Trường Đại Học Thủy Lợi 1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Đập tràn xả lũ là công trình không thể thiếu ở các hồ chứa nước, nó có nhiệm
vụ xả nước thừa để khống chế mực nước cao nhất có thể giữ ở hồ theo thiết kế, đảm
bảo an toàn cho đập. Việc tính toán thủy lực, tính toán kết cấu tràn, quản lý chất
lượng thi công đều có ảnh hưởng lớn tới công tác quản lý và vận hành đảm bảo an
toàn công trình sau này.
Đập tràn được phân thành nhiều khoang tràn bởi trụ pin để thuận lợi cho việc
bố trí cửa van, cầu công tác, cầu giao thông, máy đóng mở Ngoài ra trụ pin còn
chịu áp lực nước do cửa van truyền tới.
Nhiều năm gần đây, việc tính toán ứng suất và biến dạng cho đập tràn trụ pin
van cung thường đưa về bài toán phẳng nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực
của công trình khi làm việc. Trong thực tế, đập tràn, trụ pin, van cung và nền cùng
làm việc đồng thời và phải được tính theo bài toán không gian thì mới phản ánh được
đầy đủ, chính xác trạng thái làm việc của công trình.
Trong thiết kế, tài liệu về địa chất của nền công trình khó có thể phản ánh
chính xác trạng thái thực của nền. Các số liệu này ảnh hưởng tới ứng suất và biến
dạng của đập tràn Ôphixêrốp cửa van cung như thế nào. Đây là nội dung nghiên cứu
của luận văn.
Hiện nay công nghệ thông tin đang phát triển như vũ bão. Việc áp dụng các
phần mềm vào tính toán thiết kế công trình đã giải phóng sức lao động cho các cán
bộ thiết kế rất nhiều. Hồ sơ thiết kế được hoàn thành nhanh chóng, chính xác vừa
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật vừa mang tính thẩm mỹ cao.
Từ thực tiễn là một kỹ sư tư vấn thiết kế tại Cty tư vấn và chuyển giao công
nghệ trường Đại học Thủy lợi và những khó khăn gặp phải khi tính toán kết cấu các
công trình thủy lợi tác giả xin đề xuất đề tài luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu ảnh
hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn
Ôphixêrốp và trụ pin van cung”.
Trường Đại Học Thủy Lợi 2 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
2. Mục đích của Đề tài
Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất và biến dạng của đập tràn
Ôphixêrốp và trụ pin cửa van cung theo mô hình không gian 3 chiều bằng phương
pháp phần tử hữu hạn.
Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng
của đập tràn Ôphixêrốp và trụ pin van cung.
Phân tích so sánh ứng suất và biến dạng của trụ pin đập tràn khi mô hình hóa
bằng phần tử khối và phần tử tấm vỏ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Tính toán cho đập tràn xả lũ của hồ chứa nước Mỹ Lâm dự kiến xây dựng
trên sông Trong tại thôn Mỹ Lâm 2 thuộc huyện Tây Hòa tỉnh Phú Yên.
Phạm vi nghiên cứu:
- Tính toán ứng suất và biến dạng của đập tràn theo mô hình Đập - Trụ pin -
Nền làm việc đồng thời bằng phần tử khối.
- Thay đổi độ cứng của nền bằng cách thay đổi môđun đàn hồi và hệ số
Poison. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập và trụ pin.
- Phân tích so sánh ứng suất và biến dạng của trụ pin đập tràn khi mô hình hóa
bằng phần tử khối và phần tử tấm vỏ.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước
liên quan đến đề tài.
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu về công trình hồ chứa nước Mỹ Lâm.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp điều tra, thu thập tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán.
- Phương pháp sử dụng phần mềm SAP2000 để tính toán ứng suất và biến dạng.
- Phương pháp phân tích, tổng hợp.