Phân tích ứng suất nhà máy thủy điện ngầm trong quá trình xây dựng - Đào Văn Hưng

Nội dung text: Phân tích ứng suất nhà máy thủy điện ngầm trong quá trình xây dựng - Đào Văn Hưng

1. PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NGẦM TRONG QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG TS. Đào Văn Hưng, PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng Khoa Công trình - Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Nhà máy thủy điện ngầm đặt sâu trong môi trường tự nhiên chịu lực hết sức phức tạp. Quá trình thi công đã làm thay đổi trạng thái ứng suất tự nhiên môi trường, phá vỡ trạng thái cân bằng ban đầu ảnh hưởng tới kết cấu chịu lực của nhà máy ngầm. Nội dung bài báo này tiến hành phân tích ứng suất nhà máy ngầm trong quá trình thi công khi có xét đến các đứt gãy địa chất thực tế. Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy một bức tranh tổng thể diễn biến quá trình thay đổi ứng suất trong môi trường theo quá trình thi công theo đúng thực tế. Từ khóa: nhà máy thủy điện ngầm; ứng suất; biến dạng, xây dựng I. Giới thiệu chung Theo các lý thuyết tính toán cổ điển vẫn đang Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng được áp dụng ở Việt nam, việc áp dụng và tiến nước dồi dào trên thế giới. Các công trình đầu hành tính toán trong thiết kế nhiều khi mang mối ngày càng được xây dựng với tốc độ quy mô tính biểu kiến, không phản ánh được những điều và tiến độ càng ngày càng mạnh mẽ. Tuy nhiên kiện làm việc thực tế trong quá trình thi công trong quá trình triển khai thực hiện, các vấn đề cũng như vận hành của các công trình thủy lợi, kỹ thuật mới càng ngày càng nảy sinh khi hệ thủy điện trong quá trình vận hành. thống tiêu chuẩn quy trình quy phạm của Việt Chính từ những điều kiện thực tế này, bài báo Nam ra đời từ rất sớm, hiện nay nhiều vấn đề trình bày một số quan điểm tính cũng như kết không còn phù hợp với điều kiện kĩ thuật cũng quá tính toán phân bố ứng suất môi trường tự như kinh tế của đất nước cũng như trên thế thới. nhiên và quá trình thay đổi của nó trong quá trình Một vấn đề tương đối quan trọng trong công thi công nhằm đưa ra được những kết quả bước trình thủy điện mà chúng ta đã và đang thực hiện đầu về đìêu kiện làm việc của các công trình nhưng chưa có những báo cáo tổng kết cũng như ngầm trong điều kiện thực tế của môi trường. đánh giá chất lượng yêu cầu kỹ thuật theo hệ II. Lựa chọn mô hình tính toán. thống tiêu chuẩn Việt nam, các kết quả mới chỉ II.1. Lựa chọn mô hình vật liệu. dựa trên các tham khảo của kinh nghiệm nước II.1.1. Chuẩn tắc phá hoại. ngoài được đề cập đến ở đây là các kỹ thuật về Trong các tiêu chuẩn hiện hành của Việt xây dựng công trình ngầm thủy lợi thủy điện. Nam cũng như trong các phương pháp tính Đặc biệt quan trọng là khi đánh giá mức độ an toán lý thuyết về vỏ hầm là một trong những toàn của công trình ngầm này chưa phụ thuộc công trình tiêu biểu trong hệ thống các công nhiều vào điều kiện kỹ thuật được đề cập đến các trình ngầm nói chung. Việc lựa chọn sử dụng nghiên cứu mang tính khoa học. mô hình vật liệu là mô hình đàn hồi đã thể hiện Một đặc điểm phá hoại của môi trường nền một số điều kiện phản ánh điều kiều làm việc tự nhiên khi xét đến sự phá vỡ trạng thái cân chưa phù hợp với thực tế. Một công trình ngầm bằng ban đầu của nó thông qua quá trình thi đặt sâu trong môi trường tự nhiên, nhất là trong công khi tiến hành các quá trình đào, khoan thi quá trình thi công, các tải trọng tác động vào công công trình ngầm đã làm mất trạng thái công trình ngầm đã không còn tuân theo điều cân bằng ban đầu của nó. Việc xây dựng các kiện lý thuyết nữa. Chính điều này phản ánh công trình ngầm như đường hầm, gian nhà máy quá trình làm việc của môi trường vật liệu tự ngầm Đã làm ảnh hưởng đến sức chịu tải nhiên bên ngoài không còn tuân theo giai đoạn chung của công trình cũng như môi trường nền. làm việc của vật liệu đàn hồi. 136
2. q x 1 2 2 y 3 x T h e' A B N e' R 1 P 3.90 H 1 45-  45-  3 e" e" y B 2.30 2.63 L 1 2 3 n z Hình 1a. Quan điểm tính toán theo Hình 1b. Kết quả tính toán theo phưong phương pháp lý thuyết pháp mô hình số. Từ quan điểm cũng như kết quả tính toán giác viền quanh sáu mặt của chuẩn tắc được thể hiện ở hình 1(a,b) đã cho thất rõ về Columb. Khi đó các hệ số và Kđược định sự khác biệt nhau giữa các kết quả tính toán nghĩa như sau theo các quan điểm khác nhau. Chính từ điều 2sin  6C cos ， K . này sẽ đưa đến những ứng xử khác nhau về 3 3 sin  3 3 sin  mặt công trình không phù hợp với điều kiện Đối với giới hạn trong của đa giác Columb, kinh tế kỹ thuật. Với đặc thù của công trình chuẩn tắc Drucker-Prager xác định các hệ số ngầm được đặt sâu dưới nền tự nhiên, chịu tải ,K lần lượt được xác định như sau: trọng tương đối phức tạp với chiều sâu cột đất 2sin  6C cos đá tương đối lớn. Việc lựa chọn mô hình vật ， K . 3 3 sin  3 3 sin  liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi đã thể hiện nhiều mặt chưa phù hợp với điều kiện Đối với bài toán hai chiều, các hệ số 、K thực tế khi mà nền tự nhiên không thỏa mãn lần lượt được xác định như sau: 2 tan 3C được điều kiện liên tục cũng như điều kiện ， K . chịu tải của vật liệu không làm việc trong giai 9 12 tan 2  9 12 tan đoạn đàn hồi. Chính từ những lý do như vậy Chuẩn tắc kháng kéo tại lớp tiếp xúc giữa nên việc lựa chọn và đề xuất lựa chọn mô hình môi trường và công trình ngầm được xác định vật liệu dùng trong nghiên cứu, ở đây là mô theo công thức: hình dẻo đàn tính với chuẩn tắc phá hoại F  n Ra (2) Drucker-Prager đối với môi trường đất đá chịu trong đó: R là cường độ kháng kéo của vật tải trọng lớn là tương đối phù hợp và được thể a hiện như sau: liệu. Phương trình cơ bản của chuẩn tắc: Ngoài ra, dựa trên trạng thái biến dạng kéo để phán đoán các khu vực bị phá hoại của F J I K (1) 2 1 công trình và môi trường, trong đó có thể cho trong đó: phép modul biến dạng kéo cũng như modul I1  1  2  3  cường độ kháng cắt cho phép lựa chọn một hệ 1 2 2 2 số an toàn nhất định J 2   1  2  2  3  3  1 ， 6 II.1.2. Mô hình vật liệu K là các hệ số của môi trường đất đá, c Với mô hình đàn dẻo, khi F＜0 vật liệu làm và  là lực dính đơn vị và góc ma sát trong việc trong giai đoạn đàn hồi, khi đó quan hệ của môi trường nền. Nếu xét trên mặt phẳng giữa ứng suất và biến dạng được thể hiện qua năng lượng , chuẩn tắc Drucker-Prager là đa quan hệ sau: 137
3. d  D d  (3) làm việc nằm trong giai đoạn trung tính giữa ~ ~ ~ gia tải và dỡ tải, vật liệu làm việc với tính chất trong đó: thuần đàn dẻo, lúc này vật liệu làm việc tương D : ma trận đàn hồi. ~ tự như trong giai đoạn đàn hồi. Khi môi trường tự nhiên xuất hiện các vết II.1.3. Giải phương trình cơ bản phi tuyến. nứt đoạn tầng và quan niệm rằng tại các vết Khi giải phương trình cơ bản phí tuyến, lựa nứt đoạn tầng này không phát sinh ứng suất chọn phương pháp gia tải từng bước được xác cắt. Khi đó quan hệ này có thể viết lại dưới định theo phương trình cơ bản: dạng: K e  R (9) ~ ~ p T ~ d  T DT d  (4) * ~ ~ ~ ~ ~ R K (   ) (10) trong đó: T là ma trận chuyển vị tọa ~ p ~ p ~ ~ ~ trong đó: K là ma trận cứng tổng thể đàn e độ， D Ma trận đàn hồi dị hướng có thể xét ~ ~ hồi,  * là ma trận chuyển vị tăng thêm. đến tính không đồng nhất theo các hướng của ~ * 1 môi trường:  K R (11) ~ ~ e ~ 0 0 0 0 0 0 R :là ma trận tải tăng thêm. 0  2G 0 0 0 0 ~  (  *  ) (12) 0   2G 0 0 0 ~ ~ ~ D (5) ~ 0 0 0 0 0 0  ma trận chuyển vị dẻo tăng ~ 0 0 0 0 G 0 thêm，  là tổng lượng chuyển vị tăng thêm ~ 0 0 0 0 0 0 của toàn kết cấu. Khi F>0 Vật liệu làm việc sau giai đoạn K K K (13) T ~ e ~ ~ p F K là ma trận cứng tổng thể của toàn kết phá hoại,khi D d  0 tương ứng với ~  ~ ~ ~ cấu K là ma trận cứng đường chéo chính khi vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo gia tải. ~ p Để phản ánh quan hệ dẻo này, có thể sử dụng vật liệu bắt đầu làm việc trong giai đoạn dẻo. T K V B D B dV (14) quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau: ~ p ~ ~ p ~ d  D d  (6) ~ ~ ep ~ Quá trình tính toán tích phân từng bước sẽ   trong đó: ~ n ~ n 1 dừng lại khi  1. D D D (7)  ~ ep ~ ~ p ~ n Ma trận dẻo D được xác định như sau: II.2 Phương pháp phản ứng lực ~ p Phương pháp phản ứng lực cho rằng lực do F F D ( )T D quá trình dỡ tải phát sinh do quá trình đào và ~   ~ D ~ ~ (8) ứng suất phát sinh trên mặt nền môi trường ~ p F F ( )T D H khi đào là hai lực cùng phương ngược chiều  ~  ~ ~ và có độ lớn như nhau. Từ quan điểm đó nên Ở đây lựa chọn H=0, giả thiết là vật liệu việc xác định ứng suất phát sinh trong nền khi làm việc trong giai đoạn dẻo lý tưởng, sau giai thi công công trình ngầm chính là việc xác T định tải trọng phát sinh do quá trình đào móng F đoạn phá hoại, khi D d  0 , vật liệu sinh ra và việc mô phỏng quá trình thi công  ~ ~ ~ hết sức quan trọng có ảnh hưởng lớn đến việc 138
4. xác định các tải trọng này. Dựa trên trường thúc quá trình đào. ứng suất tự nhiên ban đầu, thông qua việc giải Nếu gọi trường ứng suất ban đầu trong môi phương trình tuyến tính xác định được ứng trường là  0 , trường chuyển vị tương đối suất tại các biên. Dựa vào các quan hệ của 0 ứng suất biến dạng trong giai đoạn đàn hồi, ban đầu là u , i là thứ tự bước đào thi tiến hành xác định xác định tải trọng phát sinh công，ứng suất pháp ban đầu tại bước đào thứ trong quá trình dỡ tải. Giải phương trình cân i i là  0 , tải trọng phát sinh trong quá trình bằng để thu được trường chuyển vị tăng thêm. đào bước thứ i được xác định như sau: Quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi kết 1  pi 2 i b b  i 1 b  i 1 b 2  i a a  i 1 a  i 1 a x 6 x1 2 x 2 x 1 xy 1 2 xy 2 xy 1  （15） 1 pi 2 i a a  i 1 a  i 1 a 2  i b b  i 1 b  i 1 b y 6 y1 2 y 2 y 1 xy 1 2 xy 2 xy 1  trong đó: III. Công trình ứng dụng a1 xi 1 x i ， a2 xi x i 1 ， Công trình ứng dụng được lựa chọn trong b y y ，b y y 。 nghiên cứu là một công trình thực tế 9 tổ máy. 1i i 1 2i 1 i Quá trình tính toán được thực hiện mô phỏng Nếu hệ trục tọa độ x, y trùng với phương toàn bộ quá trình đào thi công đường hầm dẫn của ứng suất chính đồng nghĩa với  0 , khi xy nước, gian nhà máy, đường hầm tháo nước đó công thức (15) có thể rút gọn thành: theo đúng trình tự thiết kế. Quan tâm và chú ý i1 i i 1 i 1  p 2 b b  b  b nhất trong nghiên cứu tập trung vào các x 6 x1 2 x 2 x 1  (16) đường hầm lấy nước số 6, 7, 8 là những 1 pi 2 i a a  i 1 a  i 1 a đường hầm có tuyến cong và các đường hầm y y 1 2 y 2 y 1 6  tháo nước số 4, 5, 6, 7, 8, 9 và không nghiên Nếu trường ứng suất ban đầu được định cứu vào đường hầm dẫn nước tập trung thoát nghĩa là trường ứng suất trung bình, công thức ra hạ lưu. Điều đáng chú ý ở đây là gian nhà (15)có thể được viết dưới dạng: máy số 3 có các đường hầm tháo nước trước i 1  p x0 b 1 b 2  xy 0 a 1 a 2 khi vào tháp điều áp có tuyến cong sẽ có x 2 (17)  nhiều ảnh hưởng trong quá trình phát sinh ứng i 1 p y0 a 1 a 2  xy 0 b 1 b 2 suất của vùng này. Sự ảnh hưởng của 4 vết y 2  Nếu hệ trục tọa độ x,y trùng với phương nứt địa tầng tới phân bố ứng suất trong khu nhà máy cũng đã được xem xét một cách thỏa của ứng suất chính, công thức (7)có thể rút đáng. Toàn bộ chiều dài tuyến công trình gọn thành: ngầm rộng 552.5 m trong đó phạm vi gian nhà i 1  p  x 0 b 1 b 2 máy ngầm 9 tổ máy dài 292.5 m, Tố máy số x 2 (18)  1 9 đào dài 100m, tổ máy số 1 đào dài 160 m. pi  a a y 2 y 0 1 2  Cao trình đặt máy ở cao độ 345m, vị trí trung Trường ứng suất và chuyển vị cuối cùng tâm gian nhà máy cách thượng lưu 115m, được xác định từ trường ứng suất, chuyển vị cách hạ lưu 230 m. Trong quá trình nghiên ban đầu sau khi đã bổ sung cộng dồn các cứu, có xét đến ảnh hưởng của các đứt gãy trường ứng suất, chuyển vị tăng thêm trong địa tầng F1 , F5 , F12 , F18 trong đó F5 , F12 và F18 là các bước đào thi công: ba đứt gãy nằm ngang, đứt gãy F1 vuông góc  0  1  2  n (19) với ba đứt gãy này，Lưới phần tử thể hiện toàn bộ quá trình thi công công trình ngầm u u1 u 2   un  (20) được thể hiện trên hình 3-3 với 212106 điểm 139
5. nút, 211578 phần tử. Vị trí các đứt gãy địa địa chất, ảnh hưởng của quá trình thi công, ở tầng F1 , F5 , F12 , F18 được thể hiện trong đây lựa chọn kiểu phân tầng HL0+051.250, hình 3-4. Để gia tăng mức độ chính xác trong HL0+258.250, HR0+000.250 để tính toán phi quá trình tính toán về mức độ phức tạp của tuyến tính. Hình 3-3. Mô hình không gian ba chiều Hình3-4. Mô tả các đứt gãy F1 , F5 , F12 , F18 dùng phân tích ứng suất nhà máy thủy điện trong tính toán III.1 Mô phỏng quá trình thi công Bảng 3.1. Tiến độ thi công Cao trình Đường hầm Phương án thi công được thể hiện như ở Bước Cao trình gian phòng điều lấy nước bảng 3.1 thi công nhà máy (m) III.2 Phân tích kết quả tính toán khiển (m) (m) 1 250.4 245.7 263.0 Lựa chọn mặt cắt qua tổ máy số 2 để tiến 2 241.2 236.7 256.5 hành phân tích kết quả tính toán trong suốt 3 230.7 227.8 250.7 quá trình thi công. 4 221.5 221.5 244.0 Kết quả phân tích chuyển vị: 5 211.5 234.0 6 205.0 222.5 Hình 3-1 Đẳng chuyển vị Hình 3-2 Đẳng chuyển vị Hình 3-3 Đẳng chuyển vị (bước đào 1, đơn vị: m) (bước đào 2, đơn vị: m) (bước đào 3, đơn vị: m) Hình 3-4 Đẳng chuyển vị Hình 3-5 Đẳng chuyển vị Hình 3-6 Đẳng chuyển vị (bước đào 4, đơn vị: m) (bước đào 5, đơn vị: m) (bước đào 6, đơn vị: m) 140
6. Kết quả phân tích ứng suất và vùng dẻo: Hình3-7 Đẳng ứng suất kéo Hình 3-8 Đường đẳng ứng Hình 3-9 Vùng tính dẻo mặt chính mặt cắt dọc tổ máy 2 suất nén chính mặt cắt dọc tổ cắt dọc tổ máy 2 (bước đào (bước đào 2, đơn vị: MPa) máy 2(bước đào 2, đơn vị: 2) MPa) Hình3-10 Đẳng ứng suất kéo Hình 3-11 Đẳng ứng suất nén Hình 3-12 Vùng tính dẻo mặt chính mặt cắt dọc tổ máy 2 chính mặt cắt dọc tổ máy cắt dọc tổ máy 2 (bước đào 4, đơn vị: MPa) 2(bước đào 4, đơn vị: MPa) (bước đào 4) Hình3-13 Đẳng ứng suất kéo Hình 3-14 Đẳng ứng suất nén Hình 3-12 Vùng tính dẻo mặt chính mặt cắt dọc tổ máy 2 chính mặt cắt dọc tổ máy cắt dọc tổ máy 2 (bước đào 6, đơn vị: MPa) 2(bước đào 6, đơn vị: MPa) (bước đào 6) Các kết quả tính toán thể hiện mặt cắt dọc bộ sát đường hầm dẫn nước dưới tường tổ máy số 2 mô phỏng số chân thực quá trình thượng lưu nhà máy chính) phát sinh ứng suất thi công toàn gian nhà máy ngầm, đã phân kéo nhưng không lớn. Giá trị ứng suất toàn tích chi tiết trường chuyển vị khối đá trong gian nhà máy đều nằm trong khoảng từ -43.0 các giai đoạn đào, hai cấp trường chuyển vị ~ 1.0 MPa. cùng với đặc trưng biến hình vùng tính dẻo, 3) Sau khi hoàn thành quá trình đào, toàn cung cấp các số liệu để phân tích ổn định nhà gian nhà máy đã xuất hiện vùng tính dẻo với máy ngầm. mức độ khác nhau, khi tiến hành gia cố chống 1) Giá trị chuyển vị phát sinh trong quá đỡ nên xem xét kỹ, đặc biệt là các vùng giao trình đào không quá lớn, nói chung đều nhỏ giữa các gian nhà máy. hơn 25.0 mm, chỉ có vùng cục bộ gần các gian IV. Kết luận nhà máy vượt quá 30 mm, mặc dù ảnh hưởng Bài báo sử dụng phương pháp hỗn hợp tiến đối với tính ổn định khối đá không quá lớn hành mô phỏng quá trình đào nhà máy thủy nhưng cũng cần phải gia cố chống đỡ. điện ngầm, quá trình mô phỏng bao gồm các 2) Tổng thể trong quá trình đào, đại bộ bước cơ bản: đầu tiên từ mô hình phần tử hữu phận trong vùng đều là ứng suất nén, chỉ có hạn tiến hành tính toán phân tích với bước gia một vùng nhỏ (đáy cuối đường hầm, vùng cục tải thứ nhất, thu được trường ứng suất ban 141
7. đầu. Sau đó từ trường ứng suất ban đầu này lại các vùng khác nhau không cùng tính chất có đưa vào mô hình phần tử hữu hạn, đồng thời thể sử dụng phương pháp phân tích khác nhau lấy chuyển vị bằng 0, từ đó tiến hành phân để tiến hành dự báo ổn định và biến hình, đề tích mô phỏng với các bước đào, thu được xuất phương án thi công hợp lý và các biện trường chuyển vị và trường ứng suất, đây pháp gia cố nếu có, điểm quan trọng của bài chính là trường chuyển vị và trường ứng suất báo này chính là đã xác định được phạm vi thực tế. tính toán và điều kiện biên của mô hình cùng Thông qua mô phỏng quá trình thi công với phương pháp mô phỏng quá trình đào nhà một công trình thực tế đã biết, điều chỉnh mô máy ngầm, đồng thời thu được một vài kết hình phân tích và tham số tính toán, đối với quả mô phỏng có giá trị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Hưng, 2010. Phân tích ứng suất biến dạng và ổn định hệ thống Nhà máy Thủy điện ngầm (Luận án Tiến sỹ), Đại học Hà Hải - Trung Quốc. (Trung Văn) [2] Nguyễn Quốc Hùng, Nguyễn Thế Hùng, 2004. Thiết kế công trình hầm Giao thông. NXB Giao thông vận tải. [3] Zhang You Tian, 1999. Thiết kế kết cấu công trình ngầm thủy công - Trung Quốc, NXB Thủy điện Tây Bắc. (Trung Văn) [4] Li Shi Hui, 1999. Lý thuyết mới trong thiết kế gia cố đường hầm. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Khoa học. (Trung Văn) [5] ZhuWei Sheng, 2004. Nghiên cứu tính ổn định của hệ thống công trình ngầm quy mô lớn, Tạp chí Cơ học đất đá và công trình. (Trung Văn) [6] Zhang You Tian, 2001. Bài học kinh nghiệm trong xây dựng đường hầm thủy công. Tạp chí Thủy lợi Thủy điện Quý Châu. (Trung văn) [7] Kong De Sen, Luan Mao Tian, 2005. Nghiên cứu phương pháp phân tích trị số cơ học đất đá, Tạp chí Kỹ thuật công trình đất đá. (Trung văn) [8]. Zheng Zhi, 2001. Sự phát triển công trình ngầm thủy công, Tạp chí Thủy lợi thủy điện Quý Châu. (Trung Văn) [9]. Trần Bảo Việt, Bùi Trong Cầu, 2006. Phương pháp convergence - confinement trong thiết kế hầm. Tạp chí cầu đường. [10] C.Carranza Torroes, C.Feirhurst, 2000. Application of the convergence - confinement method of tunnel design to rock mass that satisfy the Hoek - Brown failure criterion, Tunnelling ang underground space. Abstract STRESS ANALYSIS OF SUBTERRANEAN HYDROPOWER PLANTS DURING CONSTRUCTION Dr. Dao Van Hung, Assoc. Prof. Nguyen Quang Hung Faculty Of Civil Engineering, Water Resources University Deeply-placed subterranean hydropower plants in natural environment must bear greatly complicated loads. The construction has changed the natural stress state, disrupted the initial equilibrium state and exerted impacts on load-bearing structures of subterranean plants. Contents introduced in this paper are the stress analysis of subterranean hydropower plants during construction taking the actual geological faults into consideration. Initial research results have shown an overall picture of actual evolution of stress change in the medium during construction stage. Keyword: subterranean hydropower; stress; deformation; construction 142