Bộ giáo dục và đào tạo bộ nông nghiệp và PTNT
Tr-ờng đại học thủy lợi
0o0
Lê đức anh
Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định
bể tiêu năng của đập bê tông
đầm lăn trọng lực
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hà Nội - 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 3
MỞ ĐẦU 4
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 4
II. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 5
1. Mục đích 5
2. Nhiệm vụ 5
3. Phương pháp nghiên cứu 5
4. Kết quả đạt được 5
CHƯƠNG 1 6
TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH 6
1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình 6
1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu năng
sau công trình 6
1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình 6
1.2.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng 7
1.2.3. Các biện pháp tiêu năng sau công trình 7
1.2.4. Hình thức tiêu năng đáy 9
1.2.5. Phương pháp nghiên cứu tiêu năng 13
1.2.6. Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình 14
1.3. Kết luận chương 1 20
3.2.2. Chỉ tiêu cơ lý của bê tông dùng trong tính toán 46
3.2.3. Đặc trưng kháng cắt của khối đá nền dùng trong tính toán 47
3.2.4. Đặc trưng chống trượt giữa bê tông và đá nền công trình 47
3.3. Tính toán độ ổn định bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp
truyền thống và phương pháp phần tử hữu hạn 48
3.3.1. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp truyền thống 48
3.3.2. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp phần tử hữu hạn 57
3.4. Tính toán độ bền bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp phần
tử hữu hạn 64
3.4.1. Các số liệu cơ bản 64
3.4.2. Kết quả tính toán kết cấu bể tiêu năng và mố 65
3.5. Nhận xét kết quả tính toán 73
3.5.1. Kết quả tính toán ổn định 73
3.5.2. Kết quả tính toán độ bền 74
3.5.3. Hệ số ổn định 74
CHƯƠNG 4. KT LUẬN VÀ KIN NGHỊ 75
4.1. Những kết quả đạt được của luận văn 75
4.2. Tồn tại và kiến nghị 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ
MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIT CỦA ĐỀ TÀI:
Các công trình dạng trọng lực khi nói đến khả năng mất ổn định toàn
khối của công trình thường đề cập đến các khả năng mất ổn định sau:
- Bị trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt tiếp xúc giữa công trình
và nền, mặt nằm trong nền hay trong công trình. Mặt trượt được xét là mặt
phẳng hoặc mặt nghiêng.
- Bị lật quanh một trục nằm ngang khi mômen của ngoại lực gây lật lấy
đối với trục này vượt quá mômen chống lật.
- Bị đẩy nổi do tác dụng của các lực hướng từ dưới lên trên (áp lực
thấm, thủy tĩnh, động đất…).
- Hệ thống tiêu năng sau công trình bị phá hoại do dòng chảy, do đó
gây mất ổn định toàn bộ công trình
Tuy nhiên khi thiết kế các công trình dạng trọng lực, nếu ta khống chế
trong mọi trường hợp, tại các mép biên công trình không xuất hiện ứng suất
kéo, hoặc có xuất hiện với trị số nhỏ thì nói chung công trình không bị lật đổ.
Vì vậy việc kiểm tra khả năng lật thường là đảm bảo. Còn việc kiểm tra đẩy
nổi thường chỉ tiến hành với các công trình có ngưỡng thấp. Chính vì vậy
kiểm tra ổn định và độ bền của toàn bộ công trình trong đó có bể tiêu năng là
rất quan trọng đối với việc thiết kế các công trình dạng trọng lực.
Hiện nay, các tài liệu trong nước tính toán độ ổn định của bể tiêu năng
mới chỉ dừng lại ở công thức tính toán chung – xem ứng suất là phân bố đều
mà chưa xét đến trường hợp ứng suất phân bố không đều. Vì vậy “Nghiên
cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng đập tràn bê tông đầm Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ
Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
- Nghiên cứu độ ổn định, độ bền bể tiêu năng theo phương pháp tính
toán hiện đại với việc sử dụng phần mềm tính toán vào phân tích ổn định và
độ bền hồ Nước Trong tỉnh Quảng Ngãi.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH
1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình
Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước
công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng
chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một
phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn
lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu năng hữu hiệu thì sẽ
gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình.
Công trình tiêu năng làm bằng đá xây hoặc bê tông, bê tông cốt thép có
kích thước và cấu tạo đặc biệt, nằm sau các công trình như cống, đập tràn, dốc
nước… nhằm tạo ra một đệm nước để giảm hoặc triệt tiêu năng lượng còn lại
của dòng nước khi ra khỏi công trình đó, tránh sự xói mòn chân đập ở hạ lưu.
1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu
năng sau công trình
1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình
Đặc điểm dòng chảy hạ lưu:
- Có lưu tốc lớn lại phân bố rất không đều trên mặt cắt ngang.
- Mực nước hạ lưu lại thường thay đổi luôn.
- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ
cao. Thường sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình
thường, nhưng mạch động phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng
thái bình thường.
+ Thuộc về hình thức này có: Đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp
(gọi chung là hình thức tạo bể. Bể tiêu năng có thể tạo ra bằng cách đào gọi là
bể chìm, bằng cách xây tường gọi là bể nổi, bằng cả đào và xây tường gọi là Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
bể nửa chìm nửa nổi). Ngoài ra còn áp dụng cách giảm độ sâu sau nước nhảy
bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ (mố nhám, dầm tiêu năng…), tạo tường
phân dòng để khuyêch tán đều ở hạ lưu, làm đáy dốc ngược lại mực nước hạ
lưu nhỏ, làm đáy dốc thuận khi mực nước hạ lưu lớn.
1.2.3.2. Tiêu năng phóng xa
Theo kinh nghiệm xây dựng của nhiều nước hình thức này được dùng ở
các hồ chứa có cột nước cao và trung bình.
Ở nước ta và ở Trung Quốc, người ta ứng dụng hình thức này cả đối
với công trình loại vừa và nhỏ trên nền mềm có cột nước thấp cũng đạt được
kết quả
tốt.
Tuy nhiên hình thức này cũng còn một số tồn tại:
+ Hố xói làm biến dạng long sông, làm cho mực nước hạ lưu trạm thủy
điện thay đổi ảnh hưởng đến khả năng phát điện.
+ Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn ngược hoặc song vỗ
vào mái đập.
+ Hay xẩy ra khí thực.
+ Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và các thiết bị
điện ở khu vực.
1.2.3.3. Tiêu năng mặt
1.2.4. Hình thức tiêu năng đáy
1.2.4.1. Đặc điểm tiêu năng dòng đáy
Lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu năng.
1.2.4.2. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này
Chiều sâu nước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của
nước nhảy (h
b
> h
c
”) để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả
năng gây xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây
sân sau). Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cần được
bảo vệ thích đáng. Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sân sau có xây
thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ
dòng chảy càng mãnh liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó
cũng có thể tiêu hao một phần năng lượng. Biện pháp này có hiệu quả tốt
và được ứng dụng rộng rãi. Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước
thấp, địa chất nền tương đối kém. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
a. Bể tiêu năng (hình 1.2)
Sau khi xây bể làm tăng mực nước trên sân sau và thoả mãn yêu cầu:
h
b
lượng đào. Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa. Chiều cao của
tường cũng giống như chiều sâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác
nhau để tìm được chiều cao tường lớn nhất. Sau khi xác định được kích thước
h
h
d
h
h
d
Hình 1.2. Hình thức bể tiêu năng
Khi cột nước cao, h
c
” rất lớn, như
vậy phải hạ thấp đáy và bảo vệ kiên
cố sân sau. Lúc đó, hình thức tiêu
năng đáy không kinh tế.
Người ta thường dùng các biện pháp
như đào bể, xây tường hoặc bể, tường
kết hợp và các thiết bị tiêu năng khác
để tạo ra nước nhảy ngập sau đập
tràn. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ
Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
d. Các thiết bị tiêu năng trên sân sau
Trên sâu sau thường bố trí các thiết bị để tiêu hao năng lượng dòng
chảy như mố, ngưỡng v.v (hình 1.5) làm cho dòng chảy gây ra lực phản kích lại
và giảm được h
c
”, rút ngắn chiều dài sân sau. Thí nghiệm chứng minh rằng, nếu bố
trí thích hợp các thiết bị đó có thể giảm được (20% + 30%)h
c
”.
C
P
L
P
L
C
10
5
3
7
3
P
C
P
7,5
2,5
15
m
< b
m
. Nếu bố trí hai hàng
mố, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng. Khoảng cách giữa hai hàng
mố L
m
= (2 3)d
m
, bố trí các mố theo hình hoa mai. Chọn số hàng mố còn
phụ thuộc vào hình thức mố, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bố không tốt.
Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.6): để cải thiện điều kiện thuỷ lực, ở
cạnh mép mố thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực.
- Mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy có lưu tốc cao ở chân đập
chuyển thành trạng thái dòng chảy có lợi. Nói chung sau mố phân dòng nên có Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
mố tiêu năng (hình 1.6d); do ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy tập
trung, sau đó gặp phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng
tăng thêm.
a)
b) c) d)
a)
b)
Hình 1.6. Hồ chứa nước Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh – Hình thức tiêu năng bể
Đập tràn mặt cắt thực dụng Ôphixêrốp, tiêu năng đáy với các thông số:
- Cao trình ngưỡng tràn: +45,0.
- Cao trình đáy bể tiêu năng: +36,0.
- Chiều dài bể tiêu năng: 36,0 m.
- Chiều rộng bể tiêu năng: 53,0 m.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
* Công trình thuỷ điện Tuyên Quang:
Hình 1.7. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang – Tiêu năng phóng xa
Công trình thủy điện Tuyên Quang gồm có 3 hạng mục chính:
Đập chính (không tràn) cao 97,3m; tràn xả lũ có 2 phần xả mặt 4(15x15,15m)
và xả đáy 8(4,5x6m); nhà máy thủy điện có 3 tổ máy.
* Hồ Lòng Sông - Bình Thuận:
Hình 1.8. Đập tràn hồ Lòng Sông - Bình Thuận, Tiêu năng phóng xa
Tại đỉnh, đập có chiều dài là 246 m, bề rộng 6m. Phần tràn ở giữa đập
có 6 khoang, mỗi khoang có cửa rộng 8m×6m. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
Cao trình đỉnh đập: 228.1m; chiều cao lớn nhất: 138.1m; xả sâu:
12x(6x10)m (12 cửa xả kích thước 6x10m ở phía dưới bên phải ảnh), xả mặt:
6x(15x13)m (6 cửa xả mặt ở phía trên bên trái ảnh).
* Công trình thủy điện Định Bình – Bình Định:
Hình 1.13. Hình thức tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
Dung tích hữu ích: 170 x 106 m3. Đập chính L: 380 m. Chiều
cao đập: 54 m. Diện tích tưới: 7.800 Ha.
* Công trình thủy điện Suối Đuốc – Bình Định:
Hình 1.14. Hình thức tiêu năng phóng xa Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực
Kiểu tràn dọc, điều tiết bằng cửa van phẳng + vít me, ngưỡng tràn mặt
cắt thực dụng kiểu Ofixerop, nối tiếp sau tràn bằng dốc nước, tiêu năng mũi
phun, kết cấu bằng BTCT M200.
- Cao trình ngưỡng tràn: 50,33 m.
- Bề rộng ngưỡng tràn (15cửa*2m): 30,00 m.
- Lưu lượng xả lũ thiết kế: 229,27 m
3
/s.
Công trình thủy điện Đại Ninh – Bình
Thuận
Tiêu năng phóng xa
9
Công trình thủy điện Yaly – Gia Lai
Tiêu năng phóng xa
10
Hồ chứa nước Gò Miếu - Thái Nguyên
Tiêu năng phóng xa
11
Hồ chứa nước Lòng Sông – Bình Thuận
Tiêu năng phóng xa
12
Hồ chứa nước Dầu Tiềng – Tây Ninh
Tiêu năng phóng xa
13
Công trình thủy điện Sơn La – Sơn La
Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
14
Công trình thủy điện Định Bình – Bình
Định
Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
15
Hồ chứa nước Suối Chỉ - Quảng Ngãi
Tiêu năng mặt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ
cao lớn chủ yếu được xây dựng trên nền đá. Bể tiêu năng là một khối bê tông
lớn liên kết chặt chẽ với nền. Ổn định của bể khi chịu các tác động phụ thuộc
vào khả năng chịu tải của nền và khả năng chịu tải của bản thân. Phân tích ổn
định bể tiêu năng nhằm đánh giá ổn định tổng thể của cả khối bể - nền: lật ,
trượt, đẩy nổi còn đánh giá độ bền bể tiêu năng nhằm xác định khả năng chịu
lực của bể.
Tuỳ thuộc loại nền mà bể có thể bị trượt theo các hình thức khác nhau
như: trượt phẳng, trượt sâu, trượt phức hợp. Khi bể xây trên nền đá thường
xảy ra trượt phẳng ở mặt tiếp xúc giữa bản đáy và nền, các dạng mặt trượt sâu
do đứt gẫy của đá, hình thành vùng cục bộ đá bị suy yếu do tự nhiên hoặc do
thi công…Tuỳ thuộc vào hình thức mặt cắt, tính không đồng nhất của nền, tổ
hợp các tác động, công trình có thể bị lún nghiêng hoặc lật về phía hạ
lưu…Các hình thái mất ổn định trên trong tính toán quy về các trường hợp
mất ổn định tổng thể.
Về sơ đồ kết cấu, bể tiêu năng là một kết cấu chịu nén lệch tâm cả về
hạ lưu và thượng lưu tuỳ thuộc vào trường hợp làm việc. Vật liệu bê tông làm
bể có thể bị phá hoại cả về cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo. Do
cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn so với cường độ chịu nén (thông
thường bằng 10%÷15% của chịu nén) nên công trình thường thiết kế tận dụng
tối đa khả năng chịu nén của bê tông và hạn chế tối đa việc sử dụng khả năng
chịu kéo. Trong thiết kế, phân tích ứng suất với các tổ hợp tải trọng nhằm
đánh giá ổn định cường độ của mọi điểm trong công trình, vì ứng suất kéo
thường xảy ra ở các mép phía trước của nên người thiết kế phải tính toán phân
tích độ bền cục bộ tại những khu vực này. Lun vn thc s k thut - 22 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu Nghiờn cu tớnh toỏn bn v n nh b tiờu nng ca p bờ tụng m ln trng lc
: hệ số an toàn ổn định về lật
g
M
: là tổng các mômen của các lực giữ cho công trình khỏi bị lật
đối với điểm mép đáy móng hạ l-u.
1
M
: là tổng các mômen của các lực gây lật công trình đối với cùng
điểm đó.
[k
lat
] : là hệ số ổn định lật cho phép.
2.2.2. n nh trt ca cụng trỡnh
Để đảm bảo sự ổn định của công trình, hệ công trình nền d-ới tác
dụng của tải trọng, cần phải tính toán nền theo sức chịu tải . Điều kiện cần
phải thoả mãn :
t
tt
t
K
N
R
K
(2-2) Lun vn thc s k thut - 23 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu
dndn
K
U
N
K
(2-3)
Trong ú:
K
dn
: h s n nh y ni tớnh toỏn.
N: tng cỏc lc tỏc dng lờn tm ỏy ang xột theo chiu thng
ng t trờn xung di.
[K
dn
]: h s n nh y ni cho phộp.
Copyright: Tài liệu đại học ©