Tài liệu Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ THANH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ THANH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9.58.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. NGUYỄN QUANG HÙNG 2. GS.TS. VŨ THANH TE HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn tài liệu nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Hà Thanh Dương i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các Nhà giáo, các Nhà khoa học và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành” đã hoàn thành. Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án. Và tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của tập thể PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng, GS.TS. Vũ Thanh Te từ những ngày đầu đã có những ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện Luận án. Tập thể các thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án. Và tác giả chân thành cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận án. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận án không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các Nhà giáo, các nhà khoa học chỉ bảo, các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Hà nội, tháng 3/2019 ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ......................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................... xii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ xiii DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG ...................... xiv MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4 3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 4 3.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 4 4.1. Cách tiếp cận ....................................................................................................4 4.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................ 5 6. Cấu trúc của Luận án ............................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 6 1.1. Khái quát về bê tông đầm lăn ...............................................................................6 1.1.1. Giới thiệu công nghệ bê tông đầm lăn........................................................... 6 1.1.2. Đặc điểm của BTĐL...................................................................................... 7 1.1.2.1. Vật liệu BTĐL ........................................................................................ 7 1.1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật thi công BTĐL...................................................8 1.2. Tổng quan về tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .....10 1.2.1. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới ...............................................10 1.2.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam ...............................................13 1.3. Tổng quan về nứt đập BTĐL ..............................................................................15 1.3.1. Vấn đề nứt đập BTĐL trên thế giới............................................................. 15 1.3.2. Vấn đề nứt đập BTĐL tại Việt Nam ........................................................... 17 1.3.2.1. Theo hình thức vết nứt .........................................................................17 1.3.2.2. Theo vị trí vết nứt .................................................................................18 1.4. Tổng quan về nghiên cứu nứt đập BTĐL .......................................................... 18 1.4.1. Nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới ..................................................... 18 iii 1.4.1.1. Nghiên cứu vật liệu nhằm nâng cao khả năng chống nứt của BTĐL ..18 1.4.1.2. Về hình thức kết cấu và công nghệ thi công ........................................20 1.4.1.3.Về công nghệ tính toán mô phỏng......................................................... 22 1.4.2. Nghiên cứu nứt đập BTĐL tại Việt Nam .................................................... 26 1.4.3. Nhận xét về nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .......28 1.5. Những vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với Luận án ........................................29 1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 29 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN .................................... 30 2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................30 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng ....................................................... 30 2.2.1. Khái niệm chung.......................................................................................... 30 2.2.2. Kỹ thuật sinh lưới tự thích ứng ...................................................................31 2.2.3. Kỹ thuật đánh giá sai số ..............................................................................33 2.2.4. Tính toán tự thích ứng trong ANSYS [43] ..................................................35 2.2.4.1. Điều kiện tính toán ...............................................................................35 2.2.4.2. Các bước tính toán ................................................................................35 2.2.4.3. Thực hiện bằng số ................................................................................36 2.2.5. Nhận xét.......................................................................................................38 2.3. Phương pháp ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng ..................................38 2.3.1. Nguyên lý tính toán ..................................................................................... 38 2.3.2. Công thức tính toán ..................................................................................... 39 2.3.3. Tính toán ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng trong ANSYS ..........40 2.3.3.1. Các bước tính toán ................................................................................40 2.3.3.2. Thực hiện bằng số ................................................................................41 2.3.4. Nhận xét.......................................................................................................43 2.4. Mô phỏng quá trình phá hoại BTĐL ..................................................................43 2.4.1. Tiêu chuẩn phá hoại BTĐL .........................................................................43 2.4.2. Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt [43][60] ..........................................46 2.4.2.1. Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt trong ANSYS .......................... 46 2.4.2.2. Thực hiện bằng số ................................................................................50 iv 2.5. Xây dựng bài toán tính toán ứng suất và biến dạng đập trọng lực BTĐL bằng ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong ANSYS ..................................................... 52 2.5.1. Mô tả kết cấu đập ........................................................................................ 52 2.5.2. Xử lý điều kiện biên .................................................................................... 53 2.5.2.1. Vấn đề điều kiện biên nền khi tính toán động ......................................53 2.5.2.2. Điều kiện biên mô phỏng môi trường vô hạn.......................................54 2.5.2.3. Xử lý biên đàn hồi – cản nhớt trong phần mềm ANSYS ..................... 55 2.5.4. Chương trình tính kết cấu đập BTĐL.......................................................... 56 2.5.5. Tính toán ứng suất, biến dạng và nứt đập BTĐL ........................................56 2.5.5.1. Số liệu tính toán .................................................................................... 56 2.5.5.2. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất ..............................................58 2.5.5.3. Kết quả tính toán nứt ............................................................................59 2.5.5.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................60 2.5.6. Kiểm tra độ tin cậy của Chương trình ......................................................... 61 2.6. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 66 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỨT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ............................................................ 68 3.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................68 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nứt tới khả năng chịu tải của đập BTĐL ................68 3.2.1. Vết nứt ngang xuất hiện tại chân đập thượng lưu đập.................................68 3.2.1.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................68 3.2.1.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 69 3.2.1.3. Kết quả tính toán ..................................................................................70 3.2.1.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................75 3.2.2. Vết nứt đứng xuyên từ nền ..........................................................................75 3.2.2.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................75 3.2.2.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 76 3.2.2.3. Kết quả tính toán ..................................................................................77 3.2.2.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................81 3.2.3. Vết nứt trong thân đập dọc trục đập ............................................................ 82 3.2.3.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................82 3.2.3.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 82 v 3.2.3.3. Kết quả tính toán ..................................................................................83 3.2.3.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................85 3.2.4. Các vết nứt xuất hiện đồng thời ..................................................................85 3.2.4.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................85 3.2.4.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 85 3.2.4.3. Kết quả tính toán ..................................................................................86 3.2.4.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................89 3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 89 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SƠN LA......................................................................... 91 4.1. Giới thiệu công trình........................................................................................... 91 4.1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 91 4.1.2. Thông số động đất thiết kế khu vực công trình thủy điện Sơn La ..............92 4.1.3. Các vết nứt đập BTĐL Sơn La được phát hiện trong quá trình thi công ....93 4.2. Nghiên cứu sự hình thành vết nứt trong thân đập BTĐL Sơn La ...................... 94 4.2.1. Sơ đồ tính toán ............................................................................................. 94 4.2.2. Kết quả tính toán ......................................................................................... 95 4.2.3. Nhận xét kết quả tính toán ...........................................................................96 4.3 Nghiên cứu sự phát triển nứt trong thân đập BTĐL Sơn La ............................... 96 4.3.1. Sơ đồ tính toán ............................................................................................. 96 4.3.2. Kết quả tính toán ......................................................................................... 98 4.3.2.1. Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C2............................................98 4.3.2.2. Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C3..........................................102 4.4. Đánh giá khả năng chịu tải của đập ..................................................................105 4.5. Kết luận Chương 4 ...........................................................................................105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 106 1. Những kết quả đạt được của Luận án ..................................................................106 2. Những đóng góp mới của Luận án ......................................................................107 3. Những tồn tại và hướng phát triển nghiên cứu ....................................................107 4. Kiến nghị .............................................................................................................107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 109 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 115 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Công nghệ thi công BTĐL .............................................................................6 Hình 1. 2. Vị trí vết nứt trong đoạn số 6 (04/2000 và 03/2001) ....................................17 Hình 1. 3. Hình thức kết cấu đập BTĐL của Mỹ và Nhật Bản .....................................20 Hình 1. 4. Hình thức kết cấu đập BTĐL Trung Quốc ................................................... 21 Hình 1. 5. Sơ đồ lưới PTHH tính toán phát triển nứt của L.J.Malvar ........................... 23 Hình 1. 6. Vùng phá hoại nứt ........................................................................................ 23 Hình 1. 7. Biến dạng ở thời điểm phá hoại ....................................................................23 Hình 1. 8. Mạng lưới tự thích ứng trong quá trình phát triển vết nứt ........................... 24 Hình 1. 9. Mô hình mô phỏng tiếp xúc tại vị trí vết nứt................................................24 Hình 1. 10. Hai loại vết nứt tồn tại trong thân đập ........................................................ 25 Hình 1. 11. Chuyển dịch tương đối lớn nhất tại vị trí vết nứt đối với hai loại vết nứt ..25 Hình 1. 12. Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại I .................26 Hình 1. 13. Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại II ................26 Hình 2. 1. Ba mô hình cơ bản để thay đổi mạng lưới phần tử liên tục ......................... 32 Hình 2. 2. Quá trình tính toán PTHH thích ứng ............................................................ 32 Hình 2. 3. Mô hình chia lưới PTHH tự thích ứng ......................................................... 36 Hình 2. 4. Mô hình phần tử hữu hạn .............................................................................37 Hình 2. 5. Phần trăm sai số năng lượng.........................................................................37 Hình 2. 6. Phân bố chuyển vị tổng ................................................................................37 Hình 2. 7. Phân bố ứng suất Von Mises ........................................................................37 Hình 2. 8. Kết quả tính toán ứng suất trong thân đập.................................................... 38 Hình 2. 9. Sơ đồ quá trình thực hiện tính toán ứng suất tương đương .......................... 40 Hình 2. 10. Phân bố ứng suất theo phương đứng Y .................................................... 41 Hình 2. 11. Phân bố ứng suất theo phương đứng Y tại mặt cắt đáy khối theo PTHH 41 Hình 2. 12. Tính toán ƯSTĐ-PTHH .............................................................................41 Hình 2. 13. Tính toán ứng suất SBVL ...........................................................................41 Hình 2. 14. So sánh ứng suất phương đứng Y theo PTHH và ƯSTĐ-PTHH ............42 Hình 2. 15. So sánh ứng suất phương đứng Y theo SBVL và ƯSTĐ-PTHH .............42 Hình 2. 16. Phương gia cố dưới hệ tọa độ phần tử ........................................................ 48 vii Hình 2. 17. Hình biểu thị Rt ........................................................................................... 49 Hình 2. 18. Quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến của vật liệu bê tông trong ANSYS .......................................................................................................................................51 Hình 2. 19. Mô hình PTHH tự thích ứng.......................................................................51 Hình 2. 20. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................51 Hình 2. 21. Vết nứt tại chân thượng lưu ........................................................................52 Hình 2. 22. Kết cấu mặt cắt đập bê tông trọng lực ...................................................... 53 Hình 2. 23. Biên cản nhớt .............................................................................................. 54 Hình 2. 24. Biên đàn hồi – cản nhớt ..............................................................................54 Hình 2. 25. Phần tử lò xo – cản nhớt .............................................................................56 Hình 2. 26. Mặt cắt ngang đập Đồng Nai 4 .................................................................57 Hình 2. 27. Mô hình hình học........................................................................................ 58 Hình 2. 28. Mô hình PTHH tự thích ứng.......................................................................58 Hình 2. 29. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................58 Hình 2. 30. Phân bố ứng suất Y ..................................................................................58 Hình 2. 31. Phân bố ứng suất chính 1 .........................................................................59 Hình 2. 32. Phân bố ứng suất chính 3 .........................................................................59 Hình 2. 33. Vị trí phát sinh vết nứt trong thân đập ........................................................ 60 Hình 2. 34. Mặt cắt ngang đập Koyna - Ấn Độ ........................................................... 61 Hình 2. 35. Gia tốc động đất Koyna tháng 11/1967 [17] .............................................61 Hình 2. 36. Kết quả mô phỏng số trên phần mềm ABAQUS và thí nghiệm mô hình của Mridha S [16] ..........................................................................................................62 Hình 2. 37. Mô hình tính toán tương tác 3D đập – nước – nền [19] .......................... 62 Hình 2. 38. Kết quả mô phỏng số và thí nghiệm mô hình của Gaohui Wang [19] ...63 Hình 2. 39. Kết quả tính toán nứt đập Koyna bằng Chương trình RCCD_FAILURE .......................................................................................................................................63 Hình 2. 40. Mặt cắt ngang đập Guandi – Trung Quốc ................................................64 Hình 2. 41. Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna cho bài toán 2D [17] .....................................................................................................65 Hình 2. 42. Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna cho bài toán 3D [19] .....................................................................................................65 viii Hình 2. 43. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................66 Hình 2. 44. Phân bố ứng suất chính 1 .........................................................................66 Hình 2. 45. Kết quả tính toán phá hoại nứt đập Guandi bằng Chương trình RCCD_FAILURE.........................................................................................................66 Hình 3. 1. Ứng suất tại bề mặt khối bê tông ..................................................................69 Hình 3. 2. Phát triển vết nứt từ vết nứt ban đầu ............................................................ 69 Hình 3. 3. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập .......................... 70 Hình 3. 4. Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập ..................................................... 71 Hình 3. 5. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản ............................................71 Hình 3. 6. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản ................................ 71 Hình 3. 7. Mô hình PTHH tự thích ứng.........................................................................73 Hình 3. 8. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất ..........73 Hình 3. 9. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất ..........73 Hình 3. 10. Ứng suất chính lớn nhất trong thân đập tại thời điểm 10s ......................... 73 Hình 3. 11. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 74 Hình 3. 12. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất ........74 Hình 3. 13. Vết nứt trước thời điểm đập bị phá hoại tổng thể.......................................75 Hình 3. 14. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang đến thời điểm bị phá hoại......75 Hình 3. 15. Biến dạng do nhiệt độ và ứng suất của khối bê tông do nền kiềm chế ......76 Hình 3. 16. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt đứng xuyên từ nền ................................ 77 Hình 3. 17. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................78 Hình 3. 18. Vết nứt xuất hiện tại chân TL .....................................................................78 Hình 3. 19. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 79 Hình 3. 20. Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất .............79 Hình 3. 21. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 2 lần ....................................................................80 Hình 3. 22. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 3 lần .................... 80 Hình 3. 23. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 4 lần .................... 81 ix Hình 3. 24. Vết nứt xuất hiện trong thân đập ................................................................ 82 Hình 3. 25. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập .......................................83 Hình 3. 26. Vùng nứt tại chân đập dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản .............83 Hình 3. 27. Phổ chuyển vị tổng dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản ..................84 Hình 3. 28. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất ........85 Hình 3. 29. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập .......................................86 Hình 3. 30. Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập ................................................... 87 Hình 3. 31. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản ..........................................87 Hình 3. 32. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản .............................. 87 Hình 3. 33. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 88 Hình 3. 34. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp đặc biệt có động đất .................... 88 Hình 3. 35. Vết nứt ngang phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt .................88 Hình 4.1. Sơ đồ phân khối đổ đập BTĐL Sơn La ......................................................... 92 Hình 4.2. Băng gia tốc số 1a xấp xỉ với đường cong phổ động đất thiết kế cực đại cho công trình thủy điện Sơn La [68]................................................................................... 93 Hình 4.3. Băng gia tốc số 4a xấp xỉ với đường cong phổ động đất cơ sở vận hành cho công trình thủy điện Sơn La [68]................................................................................... 93 Hình 4.4. Mặt cắt ngang đập BTĐL Sơn La .................................................................94 Hình 4.5. Quá trình phá hoại đập BTĐL Sơn La dưới tác dụng của tải trọng động đất .......................................................................................................................................95 Hình 4.6. Kết quả tính toán tại thời điểm đập BTĐL bị phá hoại hoàn toàn .............96 Hình 4.7. Sơ đồ tính toán cho trường hợp 1 tồn tại vết nứt tại khối C2 ........................ 97 Hình 4.8. Sơ đồ tính toán cho trường hợp 2 tồn tại vết nứt tại khối C3 ........................ 98 Hình 4.9. Mô hình PTHH tự thích ứng..........................................................................99 Hình 4.10. Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản ............99 Hình 4.11. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản ................... 99 Hình 4.12. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .............99 Hình 4.13. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang ...................................................100 Hình 4.14. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng .....................................................100 Hình 4.15. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang ...............................................100 x Hình 4.16. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng ................................................100 Hình 4.17. Phát triển vết nứt tại chân đập thượng lưu trong quá trình động đất .........101 Hình 4.18. Phát triển vết nứt tại vị trí vết nứt ban đầu trong quá trình động đất ........101 Hình 4.19. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .............102 Hình 4.20. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......102 Hình 4.21. Mô hình PTHH tự thích ứng......................................................................103 Hình 4.22. Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .........................103 Hình 4.23. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .................103 Hình 4.24. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản ...........103 Hình 4.25. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang ...................................................103 Hình 4.26. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng .....................................................103 Hình 4.27. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang theo thời gian .......................104 Hình 4.28. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng theo thời gian .........................104 Hình 4.29. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .............104 Hình 4.30. Phân bố ứng suất chính lớn nhất dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......104 Hình 4.31. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......104 xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Số lượng đập BTĐL tại một số nước trên thế giới .......................................11 Bảng 1.2. 10 đập BTĐL có thể tích lớn nhất thế giới ................................................... 12 Bảng 1.3. 10 đập BTĐL có chiều cao lớn nhất thế giới ................................................12 Bảng 1.4. Danh mục các đập BTĐL ở Việt Nam .......................................................... 14 Bảng 1.5. Thông kê vết nứt đập Yushi (04/2000) [5] ................................................... 16 Bảng 2.1. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông ................................................................ 36 Bảng 2.2. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất theo phương pháp PTHH .............37 Bảng 2.3. So sánh kết quả tính toán theo hai phương pháp ..........................................42 Bảng 2.4. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến ................................................51 Bảng 2.5. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền ........................................................... 57 Bảng 2.6. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất ....................................................... 59 Bảng 2.7. Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Koyna .............................................62 Bảng 2.8. Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Guandi ............................................64 Bảng 3. 1. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến ...............................................70 Bảng 3. 2. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............72 Bảng 3. 3. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............78 Bảng 3. 4. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............84 Bảng 3. 5. Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt ..................... 87 Bảng 3. 6. Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt ..................... 89 Bảng 4. 1. Thời gian thi công các khối đổ BTĐL tính đến 02/2009 ............................. 91 Bảng 4. 2. Các thông số của băng gia tốc chọn lựa nhằm xấp xỉ với phổ động đất thiết kế cực đại (ME) và cơ sở vận hành (OBE) cho công trình thủy điện Sơn La ...............92 Bảng 4. 3. Mô tả vết nứt tại các khối đổ BTĐL ............................................................ 94 Bảng 4. 4. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập BTĐL Sơn La..............................................95 Bảng 4. 5. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền đập BTĐL Sơn La ........................... 97 xii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACI American Concrete Institute (Viện Bê tông Hoa Kỳ) AIT Asian Institute of Technology (Viện Công nghệ Châu Á) ALN Áp lực nước APDL Ansys Parametric Design Language (Ngôn ngữ thiết kế tham số) BTCT Bê tông cốt thép BTĐL Bê tông đầm lăn CIRIA Construction Industry Research and Information Association (Hiệp hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng) CVC Conventional Vibrated Concrete (Bê tông thông thường) ĐHTL Đại học Thủy Lợi IDRC International Development Research Centrer ICOLD International Commission On Large Dams (Hội đập lớn thế giới) MNC Mực nước chết MNDBT Mực nước dâng bình thường MNDGC Mực nước dâng gia cường (Mực nước lũ lớn nhất) MNTL Mực nước thượng lưu LATS Luận án tiến sĩ PGK Phụ gia khoáng PTHH Phần tử hữu hạn RCC Roller Compacted Concrete (Bê tông đầm lăn) RCCD Roller Compacted Concrete Dams (Đập BTĐL) RCD Roller Compacted Dam (Đập đầm lăn) SBVL Sức bền vật liệu TH1 Tổ hợp tải trọng tĩnh TLBT Trọng lượng bản thân USACE U.S. Army Corps of Engineers (Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ) USBR U.S. Bureau of Reclamation (Cục khai hoang Mỹ) ƯSTĐ-PTHH Ứng suất tương đương phần tử hữu hạn xiii DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG  Miền tích phân eu Sai số chuyển vị u Giá trị chuyển vị giải chính xác  u Giá trị chuyển vị giải gần đúng e Sai số ứng suất  Giá trị ứng suất giải chính xác   eu Giá trị ứng suất giải gần đúng Sai số năng lượng  Mức độ hiệu quả dùng để đánh giá sai số D Ma trận hằng số đàn hồi k Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào loại phần tử η Sai số toàn phần của toàn miền tính toán Nadapt Số phần tử cần gia tăng cục bộ trong lưới phần tử tự thích ứng N Lực dọc tại mặt cắt M Mô men tại mặt cắt L Chiều dài mặt cắt y Ứng suất theo phương đứng tại vị trí x n Số điểm nút trên mặt cắt I Mô men quán tính của mặt cắt đối với xo E Môđun đàn hồi của vật liệu (kN/m2)  Hệ số Poisson của vật liệu  Khối lượng riêng của vật liệu(T/m3) ft Cường độ chịu kéo lớn nhất của bê tông (kN/m2) fc Cường độ chịu nén lớn nhất của bê tông (kN/m2) α Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt đóng β Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt mở xiv MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú, có 2.360 con sông chiều dài trên 10km, trong đó 9 hệ thống sông chính có diện tích lưu vực hơn 10.000 km2. Việt Nam cũng là nước có truyền thống phát triển công trình thủy lợi, từ nhiều thế kỷ trước đó đã xây dựng các hệ thống đê sông và kênh đào dùng cho cấp nước và vận tải thủy. Sau năm 1954, dưới sự trợ giúp kỹ thuật của Liên Xô và Trung Quốc, Việt Nam đã xây dựng được một vài nhà máy thủy điện lớn như Thác Bà (tổng dung lượng lắp máy 120MW, đập đất đá cao 48m); Hòa Bình (tổng dung lượng lắp máy 1.920MW, đập đá đổ lõi sét cao 128m)... Theo tài liệu thống kê của Hội đập lớn và phát triển nguồn nước Việt Nam, tính đến nay Việt Nam đã xây dựng được khoảng 6.500 đập lớn nhỏ phân bố ở 41/64 tỉnh thành, trong đó có 560 hồ chứa có dung tích nước lớn trên 3 triệu m3 hoặc đập cao trên 15m và chủ yếu tập trung ở miền Bắc và Nam Trung bộ, Tây Nguyên. Các loại đập được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đập đất đá, đập đất, đập bê tông rất ít. Từ năm 2000 trở lại đây, cùng với sự phát triển của các dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựng khá nhiều. Tính đến nay Việt Nam đã và đang thi công trên 30 đập bê tông lớn (đập cao trên 60m). Bê tông đầm lăn (RCC – Roller Compacted Concrete) theo Viện nghiên cứu bê tông của Mỹ (ACI) là loại “bê tông được đầm bằng máy đầm lăn; hỗn hợp bê tông ở dạng chưa đông cứng có khả năng hỗ trợ cho máy đầm khi hoạt động đầm”. Như vậy, bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông được làm chặt bằng phương pháp đầm lăn, khác với bê tông truyền thống được làm chặt bằng phương pháp đầm rung. Sử dụng BTĐL được coi như một bước phát triển đột phá trong công nghệ xây dựng đập bê tông trọng lực nói riêng, xây dựng đập công trình thủy lợi, thủy điện nói chung. Với những ưu điểm vượt trội của BTĐL đó là: lượng dùng xi măng thấp, tỷ lệ nước/chất kết dính thấp, lượng nước chỉ vừa đủ cho sự thủy hóa của xi măng và các điều này đã góp phần làm giảm thiểu khả năng nứt do nhiệt thủy hóa của xi măng và nứt do co ngót của bê tông; Hơn thế nữa, do tốc độ thi công BTĐL nhanh, nhất là đối với thi công các đập có mặt bằng thi công rộng, khối lượng bê tông lớn tạo ra giá thành công trình giảm, đạt hiệu quả kinh tế cao. Tính kinh tế và việc thi công thành công BTDL đã nhanh chóng được công nhận trên toàn thế giới và được xem là sự phát triển quan trọng nhất trong công nghệ xây dựng đập trong suốt hơn 40 năm qua. Theo báo cáo của Hội đập lớn thế giới (Hội nghị quốc tế lần thứ 5 về BTĐL tháng 02/2007), số lượng đập BTĐL không ngừng tăng lên theo thời gian. Tính đến nay toàn thế giới đã xây dựng được trên 300 1 đập BTĐL phân bố trên 44 quốc gia, đứng đầu là Trung Quốc, Nhật, Mỹ, Braxin, Tây Ban Nha .v.v… Mặc dù đi sau các nước trên thế giới và khu vực về việc áp dụng công nghệ BTĐL trong xây dựng đập. Tuy nhiên, đến nay có thể nói Việt Nam đã chính thức có tên trên bản đồ công nghệ BTĐL của thế giới. Đã có trên 30 đập trọng lực thi công bằng công nghệ BTĐL tại Việt Nam. Theo báo cáo của Dustan M.M. tại Hội nghị xây dựng đập BTĐL, do Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) tổ chức tại Hà nội tháng 4 năm 2007, đập BTĐL thủy điện Sơn La đứng thứ 10 về chiều cao và đứng thứ 3 về khối lượng bê tông trong số 10 đập bê tông lớn nhất thế giới, tính đến năm 2006. Từ năm 2000 trở lại đây, cùng với sự phát triển của các dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựng khá nhiều. Một vài đập điển hình như; Định Bình (hoàn thành năm 2009, cao 54m); tiếp theo là các đập Pleikrong (đập trọng lực BTĐL, đây là đập trọng lực BTĐL đầu tiên ở Việt Nam, cao 73m); A Vương (đập trọng lực BTĐL, cao 83m); Đồng Nai 3 (đập trọng lực BTĐL, cao 108m); Bản Vẽ (đập trọng lực BTĐL, cao 137m); Sơn La (đập trọng lực BTĐL, cao 138,1m); Huội Quảng (đập trọng lực bê tông truyền thống, cao 104m), Lai Châu (đập trọng lực BTĐL, cao 137m)…Từ nay đến năm 2020, số lượng đập lớn sẽ được xây dựng ở Việt Nam không ngừng tăng lên. Một vài đập thủy điện như Trung Sơn, A Sáp, Sông Bung 4, Thượng Kon Tum, nước trong, Tân Mỹ… đang dần được hoàn thành trong đó nhiều đập trong số này sử dụng vật liệu BTĐL. Mặc dù đập bê tông xuất hiện khá muộn so với các loại đập khác như đập đất, đập đá xây..., nhưng do bê tông có thể phối chế thành các loại kết cấu bê tông có cường độ khác nhau, tính năng khác nhau và hình dạng khác nhau, đồng thời có sẵn tính bền khá tốt, ngoài ra chịu được sự tác động ăn mòn của môi trường, nên có thể nói nó có tuổi thọ khá cao. Trên thế giới, cùng với tích lũy kinh nghiệm và trình độ khoa học kỹ thuật không ngừng được nâng cao, xu thế xây dựng đập càng ngày càng cao, chiều dài của đập cũng tăng lớn, ứng suất cho phép thiết kế nâng cao rõ rệt, đối với điều kiện địa hình địa chất cũng được mở rộng, thậm chí dưới điều kiện địa hình địa chất kém cũng đã xây dựng không ít đập bê tông. Tuy nhiên hiện tượng nứt đập bê tông dường như là phổ biến trong các đập đã xây dựng. Nguyên nhân gây ra nứt bê tông rất phức tạp, ảnh hưởng đến công năng kết cấu cũng khác nhau. Nguyên nhân gây ra nứt có thể chỉ ra như sau: Bê tông là loại vật liệu có đặc tính vật lý và cơ học biến đổi rất nhiều theo thời gian. Nứt có thể do quá trình ninh kết bê tông tạo nên. Ở các khối bê tông lớn, nhiệt tỏa ra từ phản ứng hóa học chậm thoát ra ngoài làm cho bê tông bị nóng lên và ứng suất nhiệt là 2 nguyên nhân gây ra nứt. Ngoài ra nứt có thể do việc bảo dưỡng bê tông trong quá trình đông cứng chưa tốt. Do thay đổi nhiệt độ và độ ẩm cùng với sự lún không đều cũng gây ra nứt. Nứt do sự co ngót của bê tông gây ra. Do công tác thi công (vận chuyển, đầm, dưỡng hộ...) cũng gây ra nứt. Do trong cốt liệu bê tông hàm chứa một vài khoáng vật nào đó và các lỗ rỗng dẫn đến nứt. Do tải trọng tĩnh và tải trọng động trong giai đoạn thi công và vận hành gây ra nứt. Những vết nứt tồn tại trong công trình có thể ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn, tính thực dụng và tính bền của đập bê tông. Nếu vết nứt phát triển có thể là một trong những nguyên nhân dẫn đến phá hoại công trình. Vì vậy, thường xem sự hiện diện của vết nứt trong công trình là dấu hiệu của sự nguy hiểm. Căn cứ vào tài liệu điều tra trong và ngoài nước, nguyên nhân gây ra nứt kết cấu công trình thuộc về biến dạng là chính và chiếm tới 80%, do tải trọng là chính chiếm khoảng 20%. Trong thực tế, sự hình thành và phát triển nứt thông thường là do ảnh hưởng của kết quả của tác dụng đồng thời biến dạng và tải trọng. Do vậy, nhận biết chính xác nguyên nhân gây ra nứt và cơ chế, nghiên cứu điều kiện phát triển vết nứt bê tông, mô phỏng hợp lý tác dụng vết nứt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhiều học giả quốc tế vận dụng cơ học rạn nứt, cơ học phá hủy để nghiên cứu nứt bê tông. Về phương diện kỹ thuật mô phỏng phát triển vết nứt trên máy tính, nhiều học giả nước ngoài cũng như trong nước cũng đã làm rất nhiều công việc cụ thể, sử dụng rất nhiều phương pháp mới như: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp lưu hình, phương pháp phần tử biên, phương pháp phân hình hình học. Nhưng nói chung vẫn chưa giải quyết thấu đáo, đặc biệt đối với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. Sự phát triển cường độ kháng kéo của bê tông là tương đối thấp và đặc biệt đối với thời gian đầu phát triển cường độ của BTĐL rất dễ dẫn tới nứt do nguyên nhân ứng suất kéo gây ra và những vết nứt này thường ảnh hưởng đến tính năng cơ bản của cấu kiện kết cấu bê tông. Việc mô phỏng hợp lý, có hiệu quả từ đầu đến cuối quá trình phát sinh phát triển nứt là vấn đề quan trọng của phân tích phần tử hữu hạn trong bài toán phân tích đập BTĐL trong quá trình thi công cũng như vận hành sau này. 3 Khi Việt Nam sẽ còn xây dựng nhiều đập bê tông trong đó có nhiều đập thi công bằng công nghệ BTĐL, việc nghiên cứu khống chế nứt và hạn chế phát triển vết nứt là việc làm cần thiết, nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình. Từ những lý do này, đề tài tập trung đi sâu nghiên cứu sự phát triển của những vùng ứng suất cục bộ trong thân đập dẫn tới hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập BTĐL, là một vấn đề vẫn mang tính thời sự và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn góp phần đánh giá khả năng chịu lực của đập trọng lực BTĐL trong giai đoạn vận hành dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá được khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong giai đoạn vận hành khi tồn tại hoặc không tồn tại vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Các đập trọng lực BTĐL đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Sự hình thành và phát triển vết nứt trong thân đập trọng lực BTĐL do lực trong quá trình vận hành gây ra. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Cách tiếp cận Luận án tiếp cận cả lý thuyết và thực tiễn để nghiên cứu, phân tích và giải quyết các mục tiêu đặt ra. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới. Phương pháp lý thuyết: Trên cơ sở phân tích lý thuyết về tính năng cơ học của BTĐL, mô hình và tiêu chuẩn phá hoại của vật liệu BTĐL trong công trình và phương pháp tính toán PTHH tự thích ứng xây dựng Modul tính toán bằng ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong môi trường phần mềm ANSYS để nghiên cứu giải bài toán sự hình thành và phát triển vết nứt đập BTĐL đạt độ chính xác yêu cầu. 4