BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN XUÂN QUANG

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG
MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI
QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN XUÂN QUANG

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG
MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI
QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG

18

2.1.1. Phương pháp giải tích
2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu

18

2.1.1.2. Phương pháp Lý thuyết đàn hồi

19

2.1.2. Các phương pháp số

20

2.1.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn

20

2.1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn

21

2.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG

23

TÍNH TOÁN KẾT CẤU.

2.3.1. Khái niệm về phần tử bậc cao

35

2.3.2 Hệ tọa độ tự nhiên

35

2.3.2.1 Khái niệm về hệ tọa độ tự nhiên

35

2.3.2.2. Toạ độ tự nhiên của phần tử ba chiều

36

2.3.3.Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút

37

2.3.4. Một số nét cơ bản về thuật toán và chương trình tính ma trận độ

40


-2-

cứng phần tử
2.4.PHẦN MỀM TÍNH TOÁN



3.2.2.Thông số ban đầu

48

B
4

B
5

3.2.2.1.Tiêu chuẩn tính toán

48

3.2.2.2.Hệ số an toàn

48

3.2.2.3.Lực tác dụng

48

3.2.3.Mô hình tính toán

51

3.2.4.Kết quả tính toán

51

Hình 1.6. Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn.
Hình 1.7. Giếng máy phát và turbin
Hình 3.0 Sơ đồ lực máy phát tác động vào giếng máy phát
Hình 3.1a. Sơ đồ hình học phần tử Solid 186
Hình 3.1b. Sơ đồ ứng suất phần tử Solid 186
Hình 3.2 Sơ đồ hình học của kết cấu tính toán nhìn chếch từ phía hạ lưu.
Hình 3.3 Sơ đồ phần tử nhìn chếch từ phía hạ lưu.
Hình 3.4(TH1) Chuyển vị U x , m
R

R

Hình 3.5(TH1) Chuyển vị U y , m
R

R

Hình 3.6(TH1) Chuyển vị U z , m
R

R

Hình 3.7(TH1) Chuyển vị tổng U sum , m
R

R

Hình 3.8(TH1) Ứng suất σ x , T/m2, (chiều thượng hạ lưu) nhìn từ phía hạ lưu
R


P

Hình 3.12(TH1) Ứng suất σ 2 , T/m2
R

R

P

Hình 3.13(TH1) Ứng suất σ 3 , T/m2
R

R

P

Hình 3.14(TH2) Chuyển vị U x , m
R

R

Hình 3.15(TH2) Chuyển vị U y , m
R

R

Hình 3.16(TH2) Chuyển vị U z , m
R

R


R

P

P

Hình 3.21(TH2) Ứng suất σ 1 , T/m2
R

R

P

Hình 3.22(TH2) Ứng suất σ 2 , T/m2
R

R

P

Hình 3.23(TH2) Ứng suất σ 3 , T/m2
R

R

P

Hình 3.24Vị trí các mặt cắt thể hiện đồ thị ứng suất trên sàn lắp ráp
Hình 3.25Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt A-A

hoặc trạm thủy điện kết hợp, vì lý do điều kiện địa hình - địa chất ở phía cửa ra hạ
lưu không thuận lợi nên các nhà thiết kế có xu hướng lùi tuyến nhà máy về phía
thượng lưu và đặt ngầm. Điều này tương đối phổ biến, đặc biệt công trình nằm
trong vùng động đất lớn cấp VIII, như công trình Huội Quảng thì lực động đất có
ảnh hưởng lớn đến công trình.
Một vấn đề được đặt ra là: trong quá trình vận hành, lực động đất lớn ảnh
hưởng đến sự làm việc bình thường của nhà máy. Cần phải tính toán xem khi nhà
máy chịu tác dụng của tải trọng dặc biệt này thì ứng suất và biết dạng của nhà máy
như thế nào. Đặc biệt ở bộ phận giếng máy phát và giếng turbin chịu ảnh hưởng lớn
nhất do hai bộ phận này còn chịu tác động của lực li tâm do máy phát và turbin tạo
ra.


-6-

Mặt khác ngày xưa chưa có máy tính nên việc tính toán được tính bằng tay
vừa lâu lại vừa không mô phỏng được trạng thái ứng suất và biến dạng của kết cấu;
ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) nên
việc tính toán nhanh , chính xác hơn và mô phỏng được trạng thái ứng suất và biến
dạng của kết cấu rõ ràng . Có nhiều phần mềm tính toán bằng phương pháp phần tử
hữu hạn như Sap 2000, Ansys V10…nhưng phần mềm Ansys V10 là công cụ mạnh
về kết kấu 3D nên việc lập mô hình tính toán cho giếng máy phát và giếng turbin là
thích hợp nhất. Công tác tính toán này đồng thời có thể sử dụng để tham khảo áp
dụng tính toán cho các công trình tương tự.
II. Mục đích của Đề tài:
Trên cơ sở nghiên cứu về phương pháp PTHH, áp dụng để tính toán trạng
thái ứng suất và biến dạng giếng máy phát và giếng turbin trạm thủy điện có xét tới
ảnh hưởng của động đất. Áp dụng cho công trình Huội Quảng.
III.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu :

Nhà máy thủy điện lòng sông: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác
thủy năng kiểu đập có cột nước không quá 35 – 40m. Bản thân nhà máy là một phần
công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng. Cửa lấy nước cũng là
thành phần trong cấu tạo của bản thân nhà máy. Vị trí nhà máy nằm trong lòng
sông.


-9-

Hình 1.1. Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lòng sông

Hình 1.2 Nhà máy thuỷ điện lòng sông không kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy


- 10 -

Hình 1.4. Nhà máy thuỷ điện trong thân đập tràn
- Nhà máy thủy điện sau đập: được bố trí ngay sau đập dâng. Khi cột nước cao
hơn 30 – 45m bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là một thành
phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn.
Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì CLN và đường ống dẫn nước turbin
được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước turbin được bố trí
trên phía hạ lưu của đập.


- 11 -

Hình 1.2. Nhà máy TĐ sau đập bê tông trọng lực.
1-lưới chắn rác, 2- Van sửa chữa, 3- Thiết bị đóng mở van công tac, 4- Đường ống
turbin, 2- Máy biến thế, 6- Thanh dẫn máy phát.

+ Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén,
phòng hỏa, tháo nước sửa chữa và rò rỉ.
Kết cấu nhà máy thủy điện thường bao gồm 2 phần chính là: Kết cấu phần
trên nước và kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện.
Kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện:
Phần dưới nước gồm các công trình dẫn nước (buồng xoắn, ống hút, đường
ống turbin) hoặc kênh xả đối với turbin xung kích. Tuỳ thuộc vào loại nhà máy và
loại turbin phần dưới nước có khác nhau. Đối với trạm thuỷ điện ngang đập phần
dưới nước của nhà máy ngoài buồng xoắn, ống hút còn có cửa lấy nước liên kết với
nhà máy, dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn. Trạm thuỷ điện sau đập và đường dẫn
phần dưới nước chủ yếu là buồng xoắn và ống hút, nước vào buồng xoắn qua đường
ống áp lực đặt trong thân đập hoặc đường ống áp lực đặt lộ thiên (nhà máy thủy
điện đường dẫn). Khi nhà máy thủy điện lắp turbin xung kích gáo thì phần dưới
nước của nhà máy đơn giản vì không có buồng xoắn turbin và hình dạng phức tạp
của ống hút, nó chỉ là kênh xả dẫn nước ra.
Phần dưới nước của nhà máy thủy điện, do đặc thù làm việc của nhà máy
cũng như kết cấu phần dưới nước được chia thành các bộ phận như sau:
+ Vỏ nhà máy thủy điện:

Bao gồm các tường thượng, hạ lưu, các sàn, dầm và

các tường ngăn phòng trong nhà máy thuỷ điện .
+ Móng nhà máy thủy điện: Bao gồm các phần tiếp xúc trực tiếp với nền địa
chất như bản đáy ống hút hoặc cửa ra ống hút .
+ Giếng máy phát và giếng turbin (xem hình vẽ 1.7).


- 14 -

Z

được yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật.
Gần đây, việc xây dựng các công trình thuỷ điện phát triển mạnh, rất nhiều
đơn vị tư vấn tham gia vào công tác thiết kế. Công việc tính toán kết cấu nhà máy
vẫn là một vấn đề chưa thể giải quyết triệt để.
Quan điểm tính toán tại thời điểm này theo TCVN và Liên bang Nga, các
đơn vị tư vấn trong nước tính toán thiết kế kết cấu nhà máy thuỷ điện truyền thống
dựa trên giải pháp tất định. Để thuận tiện cho việc mô hình hóa và tính toán số, thủ


- 16 -

tục phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng, theo đó mô hình khối nhà máy thiết kế
được chia thành các cấu kiện đơn giản để tính toán, các điều kiện biên là giả định
gần đúng với các tổ hợp tải trọng tương ứng và việc tính toán đã áp dụng các ứng
dụng của khoa học công nghệ. Với cách tính toán này đã có sự phát triển rõ rệt có
rất nhiều ưu điểm là có thể sử dụng rộng rãi không cần đòi hỏi trình độ tính toán cao
và có thể nhiều đơn vị hay nhiều người tính cùng tính một lúc, song còn nhiều tồn
tại, các bộ phận của khối nhà máy là không thống nhất, các kết quả chưa đủ chính
xác, không đúng với bản chất làm việc của cấu kiện là kết cấu nhà máy thủy điện,
đặc biệt là không đúng với thực tế tại các điểm cân bằng nút là khác nhau về nội
lực, không tối ưu kinh tế cho công trình. Theo quan điểm này việc tính toán là còn
rất đơn giản, dẫn đến nhiều sai sót không kiểm soát được, có rất nhiều phần kết cấu
quá an toàn và ngược lại.
Ngày nay, dưới sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, do khả
năng ứng dụng mạnh mẽ của các phần mềm phân tích kết cấu, về cơ bản, sơ đồ tính
toán kết cấu nhà máy thuỷ điện có thể được người thiết kế lập giống công trình thực
cả về hình dáng kích thước và vật liệu sử dụng cho kết cấu. Các tổ hợp tải trọng và
điều kiện biên được thực hiện tương tự thực tế thi công và vận hành của nhà máy.
Để phản ánh đúng tác động của các yếu tố ngẫu nhiên và phản ánh đúng bản chất
làm việc phức tạp của kết cấu nhà máy thủy điện, xu thế tiến bộ trong tính toán kết

- Phương pháp số.
- Ngoài ra còn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được ứng
suất và biến dạng khi dựa vào mô hình tương thích.
Mỗi phương pháp đều có tính ưu-nhược điểm. Việc áp dụng là dựa vào yêu
cầu, tính chất, mức độ của bài toán đặt ra.
2.1.1.Phương pháp giải tích:
Nội dung của phương pháp: tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các phương
trình vi phân tại mọi điểm trên công trình và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề
mặt (như phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi).
2.1.1.1. Phương pháp Sức bền vật liệu
Nội dung của phương pháp: coi công trình như một thanh được ngàm chặt
vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết về sự phân bố ứng suất pháp σ y
R

R

trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công
thức nén lệch tâm.
Ưu điểm: Phương pháp Sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính toán
cơ bản, giúp ta tính toán ứng suất biến dạng đơn giản, dễ dàng. Tính được các giá trị
σ x , σ y , τ xy tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương
R

R

R

R

R

giải quyết được. Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao.
Nhược điểm: Phương pháp Lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với
những trường hợp tải trọng phức tạp, như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát,
động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng… Kết quả tính toán chưa sát với thực tế
làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị hướng. Không xét được ảnh hưởng biến
dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính dị hướng, không tính được trong
giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất…
Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo phương pháp Lý thuyết đàn hồi cho
kết quả chính xác cao hơn so với phương pháp Sức bền vật liệu. Cách tính toán đơn
giản, kết quả chấp nhận được. Thường được sử dụng trong tính toán thiết kế các
công trình cấp III trở xuống.


- 20 -

2.1.2. Các phương pháp số

Nội dung của phương pháp: Các phương pháp số hay phương pháp rời rạc
hóa có thể phân thành 2 nhóm chính: Các phương pháp rời rạc kiểu toán học
mà đại diện là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp rời rạc kiểu vật
lý mà đại diện là phương pháp phần tử hữu hạn. Các phương pháp số là bài
toán biến phân, nếu như trong phương pháp sai phân hữu hạn ta chỉ thay các
vi phân bằng các sai phân thì trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ta
thay thế hệ thực (hệ liên tục) bằng một mô hình vật lý gần đúng (bằng một số
hữu hạn các phần tử) mà lời giải của nó được xác định bằng số hữu hạn số.
2.1.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn
Nội dung của phương pháp: Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương
pháp số cổ điển ra đời từ rất lâu, nhưng chỉ từ khi máy tính điện tử phát triển thì
phương pháp này mới được áp dụng rộng rãi. Phương pháp này cũng là một phương
pháp rời rạc hoá, song khác với phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp này là

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, chia miền
tính toán thành các miền con gọi là phần tử. Từ các phương trình vi phân chuyển
thành phương trình đại số mà ẩn là chuyển vị nút. Giải hệ phương trình vi phân tính
được chuyển vị nút, từ đó tính được các đại lượng khác. Hàm ẩn xác định cho miền
con nên giải được nhiều loại vật liệu khác nhau.
Ưu điểm:
Phương pháp Phần tử hữu hạn là một phương pháp tổng quát và hữu hiệu cho lời
giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần
đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. Từ việc phân tích trạng
thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng,
giao thông… cho đến các bài toán của lý thuyết trường như: lý thuết truyền nhiệt,
cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường. Phương pháp này đã giải
được bài toán có xét đến ảnh hưởng biến dạng, tính dị hướng của nền, xét đến nền
có lớp xen kẹp, đứt gẫy và giải được bài toán có điều kiện biên phức tạp. Phản ánh
đúng thực tế sự làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng. Phân


- 22 -

tích được trạng thái ứng suất biến dạng quanh vị trí lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng
suất nhiệt… mà các phương pháp Sức bền vật liệu, sai phân hữu hạn… không giải
quyết được. Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng
một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một
số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng
khác tùy theo bài toán. Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn
thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử.
Hiện nay, cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết bài toán
có khối lượng lớn, kết cấu phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác
cao.
Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện bằng

hoặc hàm ứng suất hoặc cả hàm chuyển vị và ứng suất.
Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của nó được
gọi là các thông số. Trong phương pháp phần tử hữu hạn, các thông số này được
biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm
nút của phần tử. Dạng đa thức nguyên của hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để
bài toán hội tụ. Nghĩa là khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm
cận đến kết quả chính xác.
Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất
định, trước tiên là phải thỏa mãn các phương trình của lý thuyết đàn hồi (bài toán
kết cấu) hoặc định luật Darcy (bài toán thấm). Song để thỏa mãn chặt chẽ tất cả cá
yêu cầu thì sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toàn
giải. Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn
đảm bảo được nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ra đời vào cuối những năm 50 nhưng
rất ít được sử dụng vì công cụ toán còn chưa phát triển. Vào cuối những năm 60,
phương pháp PTHH đặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và sử
dụng rộng rãi của máy tính điện tử. Đến nay có thể nói rằng phương pháp PTHH