LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải
trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự
cố gắng nỗ lực của bản thân tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy,
Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS. Trịnh
Quốc Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau
đại học, khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này.
Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ
thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè. Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013
Tác giả luận văn
ĐỖ HỒNG HOÀNG LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đỗ Hồng Hoàng
Học viên lớp: 18C11
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung
và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất
VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT32T 4
32T1.1. Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam32T 4
32T1.2. Tổng quan về nhà máy thủy điện32T 6
32T1.3. Tổng quan về động đất32T 8
32T1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất32T 8
32T1.3.2. Một số khái niệm về động đất32T 9
32T1.4. Kết luận chương.32T 14
32TCHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
32T 15
32T2.1. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực động
đất
32T 15
32T2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính32T 15
32T2.1.2. Xác định lực cản32T 16
32T2.1.3. Xác định lực quán tính32T 18
32T2.1.4. Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất.32T 18
32T2.2. Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất32T 20
32T2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực
ngang tương đương
32T 20
32T2.2.2 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp phổ phản
ứng
32T 21
32T2.2.3 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử
thời gian.
32T 21
32T2.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo32T 24
32T2.4. Kết luận chương.32T 26
32TCHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
32T4.4. Kết quả phân tích ổn định trượt cho nhá máy thủy điện Xím Vàng 2 bằng mô
hình SODF.
32T 60
32T4.4.1. Số liệu tính toán32T 60
32T4.4. 2 . Trường hợp tính toán32T 61
32T4.4.3 Kết quả tính32T 63
32T4.5 Kết luận chương32T 66
32TKẾT LUẬN32T 67
32T1.32T 32TKết quả đạt được của luận văn32T 67
32T2.32T 32TVấn đề tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 67
32T3.32T 32TPhương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 68
32TTÀI LIỆU THAM KHẢO32T 69
BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ
32THình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do32T 16
32THình 2.2: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do32T 19
32Tchịu tác động của động đất32T 19
32THình 3.1: Mô hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad32T 32
32THình 3.2: Chia lưới phần tử trong phần mềm Adina32T 33
32THình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 37
32THình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 38
32THình 3.5.Chuyển vị theo phương XX32T 39
32THình 3.6 Chuyển vị theo phương YY32T 40
32THình 3.7 Chuyển vị theo phương ZZ32T 40
32THình 3.8 Ứng suất StressXX32T 41
R tại node 1996632T 50
32Ttrên tường thượng lưu32T 50
32THình 3.25: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 2247832T 50
32Ttrên tường hạ lưu32T 50
32THình 3.26: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 2247832T 51
32Ttrên tường hạ lưu32T 51
32THình 3.27: Biểu đồ biến thiên ứng suất stressR
YY
R tại node 2247832T 51
32Ttrên tường hạ lưu32T 51
32THình 3.28: Biểu đồ biến thiên ứng suất stressR
ZZ
R tại node 2247832T 52
32Ttrên tường hạ lưu32T 52
32THình 4.1: Các mt trượt tính toán cho sơ đồ trượt phng32T 55
32TABCD, ABCDEF, ABCDE32T 55
32TTrêng hîp tÝnh to¸n32T 61
32THình 4.2. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 832T 62
32THình 4.3. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 932T 62
32THình 4.4. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 1032T 63
32THình 4.5. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 832T 64
32THình 4.6. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 932T 64
32THình 4.7. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 1032T 65
32THình 4.8. Chuyển vị trượt của nhà máy chịu tải trong động đất cấp 1032T 66
BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU
32TBảng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam32T 4
32TBảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bố năm 1982 và 199232T 5
32TBảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất32T 10
32TBảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất32T 11
điện phân chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước, phần dưới nước
chiếm khoảng 70% bê tông nhà máy.
Hiện nay khi phân tích ổn định và độ bền nhà máy chịu tải trọng động đất
thường sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh, có một số công ty thiết kế dùng
phương pháp phổ phản ứng. Tuy nhiên phương pháp mô phỏng tĩnh cũng như
phương pháp phổ
phản ứng không phản ánh được sự ứng xử của kết cấu trong suốt
thời gian xảy ra động đất. Phương pháp lịch sử thời gian ( Response history analysis
) sử dụng biểu đồ gia tốc nền
)(tu
để tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết
cấu tại mọi thời điểm của một trận động đất. Phương pháp này đã phản ánh được
quá trình làm việc của kết cấu trong một trận động đất cụ thể.
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích bền và ổn định của nhà
máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đất theo phương pháp lịch sử thời gian là
2
rất cần thiêt. Học viên chọn đề tài: “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy
điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” sẽ góp một phần
vào công nghệ thiết kế, phân tích kết cấu và ổn định nhà máy thủy điện chịu tải
trọng động đất, từ đó lựa chọn được kích thước kết cấu hợp lý cho nhà máy thủy
điện đảm bảo nhà máy làm việc an toàn với mọi tổ hợp tải trọng trong thực tế vận
hành.
2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán trong phân tích kết cấu, ổn định của
nhà máy thủy điện chịu tác dụng của tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử
thời gian.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài.
1.1. Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam
Việt Nam có 2360 con sông với chiều dài từ 10km trở lên, trong đó có 9 hệ
thống sông có diện tích lưu vực trên 10.000km2, có mười hệ thống sông suối lớn có
tiềm năng phát triển thủy điện. Tổng kết các nghiên cứu về quy hoạch thủy điện ở
nước ta cho thấy tổng trữ năng lý thuyết của các con sông được đánh giá đạt 300 tỷ
Kwh/năm, công suất đánh giá được đánh giá khoảng 34.647MW. Trữ năng kinh tế -
kỹ thuật được đánh giá khoảng 80-84 tỷ Kwh/năm, công suất lắp máy được đánh
giá khoảng 19.000-21.000MW.
Bảng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam
Lưu vực
sông
Diện tích
(km2)
Số công
trình
Tổng công suất
(MW)
Điện lượng
(GWh)
Sông Đà 17.200 8 6800.000 27.700
Lô-Gâm-Chảy 52.500 11 1.600 6.000
Mã-Chu 28.400 7 760.000 2.700
Cả 27.200 3 470.000 1.800
Hương 2.800 2 234.000 990
Vũ Gia-Thu Bồn 10.500 8 1.502 4.500
Sê San 11.450 8 2.000 9.100
Srêpôk 12.200 5 730.000 3.300
Ba 13.800 6 550.000 2.400
Đồng Nai 17.600 17 3.000 12.000
Thủy điện nhỏ 1.000-3.000 4.000-12.000
645
15,4
Nhiệt điện dầu
198
16,1
198
5,6
Diêsel
440
35,7
390
11,1
Tuabin khí
120
9,7
157
4,5
Tổng cộng
1231
100
2.51
100
Căn cứ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét
đến 2025 (Quy hoạch điện VI). Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội với
mức tăng GDP khoảng 8,5%-9%/năm giai đoạn 2006-2010 và cao hơn thì nhu cầu
điện năng tăng 17%năm (phương án cơ sở), 20%năm (phương án cao), giai đoạn
2006-2015 tăng 22%năm (phương án cao).
Các công trình thủy điện đưa vào vận hành có vai trò to lớn trong sản xuất
điện năng, phòng chống lũ, cấp nước…phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Năm
2010 có khoảng 50 nhà máy thủy điện đưa vào vận hành và đến năm 2020 có đến
áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực, trong trường hợp công
trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là
7
một công trình độc lập. Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực
nhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là
kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập.
Về công suất, nhà máy thủy điện chia làm nhiều loại theo công suất lắp máy,
cách phân loại này chỉ tương đối và cụ thể với tiêu chuẩn của từng quốc gia. Ở Việt
Nam cấp công trình được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 185-2002.
- Nhà máy thủy điện lớn: N
R
lm
R≥ 1000MW
- Nhà máy thủy điện vừa: 15MW ≤ N
R
lm
R ≤ 1000MW
- Nhà máy thủy điện nhỏ: N
R
lm
R ≤ 15MW
Theo cột nước, nhà máy thủy điện phân theo ba loại tùy thuộc cột nước công
tác lớn nhất:
- Nhà máy thủy điện cột nước cao: H
R
max
R > 400m
- Nhà máy thủy điện cột nước trung bình: 50m ≤ H
R
máy có thể trục đứng hoc trục ngang không phụ thuộc vào công suất tổ máy mà
phụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu các công trình cụ thể.
Kết cấu nhà máy thủy điện được chia làm hai phần: phần dưới nước (khối bê
tông phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ. Phần
trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp – sửa chữa, gian máy bố trí máy phát
điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin.
Kết cấy 17Tphần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xoắn, ống hút, bệ
máy phát, đường ống Turbin. Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nước
ngoài buồng xoắn, ống hút, bệ máy còn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào
buồng xoắn. Với nhà máy thủy điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ
yếu là kênh xả dẫn nứơc ra hạ lưu.
17TDọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc với chiều dòng chảy) phần dưới nước
gồm nhiều khối tuabin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp. Tùy điều kiện địa
chất nền và chiều dài nhà máy, toàn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoc cách
nhau bằng những khe lún cắt ngang nhà máy thành từng khối. Trong mỗi khối gồm
từ một hoc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp máy do chịu tải trọng khác nên
thường được tách riêng khỏi các khối tuabin.
17TỞ tầng tuabin thường bố trí các hệ thống thiết bị phụ gồm: hệ thống thiết bị
cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo
nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rò rỉ nhà máy.v.v. Ngoài ra còn bố trí các
kho chứa và một số phòng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh.
17TDưới sàn lắp ráp bố trí các xưởng, kho, máy bơm, giếng tập trung nước
1.3. Tổng quan về động đất
1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất
Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng
các dao động đàn hồi. Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân
sinh.
- Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang
động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút
nhất là động đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75%
năng lượng đàn hồi tích lũy.
b) Biểu đồ động đất
Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất
bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m
P
2
P/s), vận tốc (m/s). Biểu đồ
động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng
thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn.
c) Thang động đất và cấp động đất.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn
là các thang đo cơ bản sau:
Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được
tính bằng Magnitude (M). Một Magnitude bằng một độ Richter.
Cường độ động đất được đc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả động
đất hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mt đất khi động
đất đi qua, xác định theo cấp động đất đại diện là các thang: MMI ( 12 cấp), MSK (
12 cấp), JMA (8 cấp)
Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp 1-2,
cấp 3-4 sẽ gây rung động nhẹ và cấp 6-7 làm chao đảo mt đất, chấn động cấp 7 trở
lên sẽ gây thiệt hại lớn.
Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất
Cấp động
đất MSK
Magnitud
e
JMA Merkaly
Năng lượng
10P
10.5
10P
11.1
10P
11.7
10P
12
10P
12.75
7.20
10.50
11.10
11.70
12.00
12.75
11
VII
VIII
IX
X
XI
XII
5.60
5.90
6.30
6.60
6.90
7.30
15.15
15.75
d) Gia tốc cực đại
Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất
trong trận động đất đó. Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan trọng, được dùng trong
tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay.
Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không dễ dàng
vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chấn. Vì
vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết
lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung bình và các đc trưng
khác của động đất.
Bảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất
Thang MSK-64
Thang MM
Cấp động đất
Đỉnh gia tốc nền (a)
g
Cấp động đất
Đỉnh gia tốc nền (a)
g
V
0,012-0,03
V
0,03-0,04
VI
>0,03-0,06
VI
0,06-0,07
VII
>0,06-0,12
- Trong chương 1 tác giả đã khái quát được tình hình xây dựng các công trình
thủy điện ở Việt Nam, cho thấy việc thiết kế và thi công ngày càng được
hoàn thiện hơn, số lượng nhà máy và quy mô công trình ngày càng nhiều.
- Thấy được ưu nhược điểm và các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu khi xây
dựng nhà máy thủy điện đó là: nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối
lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong. Toàn bộ nhà
máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền
dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai
đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa
- Tổng quan nguyên nhân gây ra động đất, các khái niệm về động đất.
15
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực
động đất
Khi tính toán phản ứng động ta không thể mô hình hóa tất cả các hệ kết cấu dưới
dạng hệ có một số bậc dao động tự do. Đại đa số các hệ kết cấu chịu lực của các
F
R
Q.k
R(t) – Lực quán tính tác động lên khối lượng mR
k
R;
F
R
C.k
R(t) – Lực cản tác động lên khối lượng mR
k
R;
F
R
H.k
R(t) – Lực đàn hồi tác động lên khối lượng mR
k
R;
2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính
Để xác định lực đàn hồi F
R
H.k
R(t) tác động lên khối lượng mR
k
R ta giả thiết rằng tất
cả các bậc tự do của hệ kết cấu đều bị chốt lại (hình 2.1.b), sau đó lần lượt cho mỗi
bậc tự do một chuyển vị cưỡng bức x
R
1
R(t), xR
2.1.2. Xác định lực cản
Để xác định lực cản F
R
C.k
R(t) tác động lên khối lượng mR
k
R, như phần trên đã trình
bày, ta xem lực cản trong trường hợp này là lực cản nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ
chuyển động của hệ kết cấu. Do đó, tương tự như cách xác định lực đàn hồi F
R
H,k
R(t) ,
ta xem mỗi hệ số cản bất kỳ c
R
jk
R biểu diễn lực xuất hiện theo hướng bậc tự do j khi
khối lượng m
R
k
R có tốc độ chuyển vị bằng đơn vị trong khi các khối lượng khác có
tốc độ bằng không (bị chốt lại), có nghĩa là
1, 0( )
kj
x x jk= = ≠
Hình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do
17
{ }
[ ]
{ }
[ ]
{ } ( )
{ }
M x C x K x Ft++ =
(2.5)
Trong đó: Ma trận khối lượng (2.6) Ma hệ số cản Damping (2.7) Ma trận độ cứng (2.8)
Vectơ gia tốc (2.9)
Copyright: Tài liệu đại học ©