Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng động đất đến kết cấu đường hầm thủy điện Suối Sập 3

Luận văn thạc sĩ: Phân tích ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước trạm thủy điện, đề xuất giải pháp tối ưu.

• Tác giả: Ngô Duy Bính
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Quốc Công
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước của trạm thủy điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đường hầm dẫn nước và tác động động đất

Đường hầm dẫn nước là hạng mục quan trọng trong hệ thống công trình thủy điện. Kết cấu này chịu nhiều loại tải trọng trong suốt quá trình vận hành. Động đất là một trong những tải trọng nguy hiểm nhất đối với đường hầm. Tại Việt Nam, vùng Tây Bắc có hoạt động địa chấn mạnh. Dự án thủy điện Suối Sập 3 nằm tại tỉnh Sơn La thuộc khu vực có nguy cơ động đất cao. Nghiên cứu ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước giúp đảm bảo an toàn công trình. Đường hầm có hai loại chính: không có lớp áo gia cố và có lớp áo gia cố. Hình dạng mặt cắt ngang ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực. Các yếu tố như cấp công trình, điều kiện địa chất cần được xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế.

1.1. Khái niệm và phân loại đường hầm thủy điện

Đường hầm dẫn nước thủy điện là công trình ngầm dẫn nước từ hồ chứa đến nhà máy phát điện. Phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Theo lớp gia cố, đường hầm gồm loại không gia cố và có gia cố. Theo vị trí, gồm đường hầm xuyên núi và đường hầm dẫn nước. Hình dạng mặt cắt phổ biến là hình tròn, hình móng ngựa và hình chữ nhật bo góc. Việc lựa chọn hình dạng phụ thuộc vào điều kiện địa chất, áp lực nước và mục đích sử dụng.

1.2. Tình hình động đất và nguy cơ tại Việt Nam

Động đất xảy ra do sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ trái đất. Việt Nam nằm trong vùng có hoạt động địa chấn tương đối mạnh. Khu vực Tây Bắc, đặc biệt tỉnh Sơn La, thường xuyên xảy ra động đất. Trận động đất lịch sử năm 1960 tại Chile đạt M=8.9 Richter cho thấy sức tàn phá khủng khiếp. Năm 2004, trận động đất sóng thần tại Indonesia mạnh 9.0 Richter gây thiệt hại nghiêm trọng. Các nghiên cứu địa chấn tại Việt Nam đã ghi nhận nhiều trận động đất có cường độ cấp 6-7 theo thang MSK-64.

II. Phân tích ảnh hưởng động đất đến kết cấu đường hầm

Động đất tác động lên đường hầm dẫn nước thông qua nhiều cơ chế phức tạp. Gia tốc nền đất truyền vào vỏ hầm gây ra ứng suất và biến dạng lớn. Cường độ động đất đo bằng gia tốc đỉnh nền đất PGA. Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất cho thấy mối liên hệ rõ ràng. Theo thang MSK-64, cấp động đất V có đỉnh gia tốc nền 0,012-0,03g. Cấp động đất X có đỉnh gia tốc nền trên 0,48g. Kết cấu đường hầm chịu cả tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh bao gồm áp lực đất đá, áp lực nước ngầm và tải trọng bản thân. Tải trọng động từ động đất tạo ra lực quán tính và biến dạng nền đất. Hiện tượng liquefaction đất nền có thể gây sụp đổ đường hầm. Vị trí đường hầm so với mặt đất và điều kiện địa chất ảnh hưởng lớn đến mức độ thiệt hại.

2.1. Cơ chế phá hủy đường hầm dưới tác động địa chấn

Động đất gây phá hủy đường hầm qua nhiều cơ chế khác nhau. Biến dạng nền đất tương đối giữa các đoạn hầm tạo ứng suất uốn và cắt. Gia tốc đỉnh nền đất PGA quyết định mức độ nghiêm trọng của tải trọng động. Đường hầm tại vùng đất yếu chịu nguy cơ liquefaction cao hơn. Các mối nối và vị trí thay đổi điều kiện địa chất là điểm yếu dễ hư hỏng. Nứt vỏ hầm và rò rỉ nước là hậu quả phổ biến của động đất mạnh.

2.2. Đánh giá cường độ động đất và thang đo địa chấn

Đánh giá cường độ động đất sử dụng nhiều thang đo khác nhau. Thang MSK-64 và thang MM là hai thang phổ biến nhất hiện nay. Gia tốc cực đại là đại lượng quan trọng trong tiêu chuẩn kháng chấn. Việc xác định chính xác gia tốc cực đại ở mỗi điểm khó khăn do thiếu dữ liệu. Người ta thường sử dụng băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết lập tương quan thống kê. Dự án thủy điện Suối Sập 3 cần đánh giá cấp động đất thiết kế phù hợp với điều kiện khu vực.

III. Phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất

Có ba phương pháp chính để phân tích kết cấu đường hầm chịu tải trọng động đất. Phương pháp giả tĩnh đơn giản nhất, quy đổi tải trọng động thành tải trọng tĩnh tương đương. Phương pháp phổ phản ứng sử dụng phổ thiết kế để xác định đáp ứng động lớn nhất. Phương pháp lịch sử thời gian cho kết quả chính xác nhất nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào mức độ phức tạp của kết cấu và tính đều đặn của công trình. Đường hầm dẫn nước của thủy điện Suối Sập 3 là công trình cấp III. Phương pháp lịch sử thời gian được áp dụng trong nghiên cứu này. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của kết cấu chịu tải trọng động đất. Thuật toán Newmark là công cụ giải hệ phương trình vi phân hiệu quả. Kết quả phân tích cho thấy giá trị ứng suất và biến dạng tại các vị trí nguy hiểm.

3.1. So sánh ba phương pháp phân tích kháng chấn

Phương pháp giả tĩnh áp dụng hệ số động đất quy đổi tải trọng tĩnh. Phương pháp này phù hợp với công trình đơn giản và sơ bộ. Phương pháp phổ phản ứng tính toán đáp ứng tối đa dựa trên phổ thiết kế. Phương pháp lịch sử thời gian mô phỏng quá trình động đất thực tế theo từng bước thời gian. So sánh kết quả từ ba phương pháp giúp đánh giá độ tin cậy của tính toán. Đối với công trình cấp III trở lên, phương pháp lịch sử thời gian được khuyến nghị sử dụng.

3.2. Thuật toán Newmark trong phân tích kết cấu đường hầm

Thuật toán Newmark là phương pháp tích phân số để giải phương trình động lực học. Phương trình vi phân bậc hai được chuyển thành hệ đại số tuyến tính tại mỗi bước thời gian. Các tham số alpha và delta kiểm soát độ ổn định và chính xác của thuật toán. Giá trị alpha bằng 0,25 và delta bằng 0,5 cho sơ đồ gia tốc trung bình tuyến tính. Phương pháp này phù hợp với bài toán kết cấu đường hầm chịu tải trọng động đất. Kết quả tính toán cho thấy thuật toán Newmark cho đáp ứng động tin cậy.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn cho công trình thủy điện

Nghiên cứu đã hoàn thành việc phân tích ảnh hưởng của lực động đất đến kết cấu đường hầm dẫn nước thủy điện Suối Sập 3. Kết quả cho thấy vỏ hầm bê tông cốt thép đáp ứng yêu cầu chịu lực dưới tải trọng động đất thiết kế. Phương pháp lịch sử thời gian với thuật toán Newmark cho kết quả chính xác và tin cậy. Ứng suất và biến dạng tại các vị trí nguy hiểm nằm trong giới hạn cho phép. Thiết kế đường hầm cần đảm bảo khả năng kháng chấn theo quy chuẩn hiện hành. Công trình cấp III cần được tính toán cẩn thận với phương pháp phù hợp. Nghiên cứu này là đóng góp nhỏ về xác định kết cấu đường hầm dẫn nước chịu tải trọng động đất. Kết quả có thể tham khảo áp dụng cho các dự án thủy điện tương tự tại Việt Nam. Các nghiên cứu tiếp theo cần xem xét thêm yếu tố thời gian và quá trình lão hóa vật liệu.

4.1. Kết quả phân tích ứng suất và biến dạng vỏ hầm

Kết quả tính toán cho thấy giá trị ứng suất von Mises tại vỏ hầm đạt cực đại ở vị trí góc cong. Bi dạng tối đa của vỏ hầm nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế. Ứng suất uốn và ứng suất cắt tăng đáng kể khi có tải trọng động đất. So sánh kết quả từ ba phương pháp phân tích cho thấy độ phù hợp tốt. Vị trí mối nối và thay đổi tiết diện là nơi tập trung ứng suất cao cần chú ý khi thiết kế và thi công.

4.2. Khuyến nghị cho thiết kế và vận hành công trình

Thiết kế đường hầm dẫn nước tại vùng động đất cần tuân thủ nghiêm ngặt quy chuẩn kháng chấn. Lớp vỏ hầm phải có độ dày và cốt thép phù hợp để chịu tải trọng động. Hệ thống thoát nước và khe co giãn cần được tính toán cẩn thận. Giám sát công trình trong quá trình vận hành giúp phát hiện sớm hư hỏng do động đất. Bảo trì định kỳ và kiểm tra sau mỗi trận động đất là biện pháp quan trọng đảm bảo an toàn. Kết quả nghiên cứu áp dụng cho các dự án thủy điện tương tự tại vùng Tây Bắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện 1. Khái niệm và phân loại Đường hầm dẫn nước còn gọi là tuynen dẫn nước. Trong khái niệm về đường hầm người ta phân ra làm hai loại: đường hầm khô thường ứng dụng với mục đích giao thông, bố trí thiết bị .và đường hầm dẫn nước dùng để cung cấp nước cho các mục đích phát điện, tưới và các ngành dùng nước khác còn gọi là đường hầm thuỷ lợi.

Căn cứ vào chế độ thuỷ lực bên trong đường hầm mà chúng có thể phân thành hai loại cơ bản: đường hầm dẫn nước có áp và đường hầm dẫn nước không có áp. Đường hầm không áp được ứng dụng trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi. Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện là công trình dẫn nước kiểu kín, được xây dựng xuyên qua đất đá mà không bóc lớp đất đá ở trên. Đường hầm dẫn nước được xây dựng khi: + Không có điều kiện tháo nước hoặc dẫn nước qua bản thân các công trình dâng nước.

+ Khi xây dựng đường dẫn hở không kinh tế bằng xây dựng đường hầm. + Nếu xây dựng kênh hở có thể bị phá hoại do sự sạt lở ở sườn núi hoặc có đá lăn. + Tuyến dẫn nước qua nơi rừng núi rậm rạp, địa hình phức tạp. Hình dạng mặt cắt và điều kiện sử dụng Khi chọn mặt cắt ngang của đường hầm phải dựa vào các điều kiện sau: + Chế độ thủy lực: Quyết định tiết diện mặt cắt.

+ Địa chất: Điều kiện cơ bản quyết định hình thức mặt cắt. + Điều kiện thi công: Có khả năng thi công.1: Hình dạng các tiết diện đường hầm. Các hình thức của mặt cắt đường hầm không áp Lực chủ yếu là áp lực đá núi vì vậy phải căn cứ vào áp lực đá núi, tức hệ số kiên cố của địa chất để chọn hình dáng mặt cắt. - Mặt cắt có đỉnh bằng hoặc vòm thấp: Dùng khi đá rắn chắc có hệ số kiên cố Fk  8, không có áp lực đá núi.

- Mặt cắt có đỉnh là vòm nữa đường tròn: Sử dụng khi 4<F k<8, chỉ có áp lực đá núi thẳng đứng. - Mặt cắt có thành, vòm cong: Sử dụng khi 2<F k<4, có áp lực đá núi theo phương thẳng đứng và phương ngang. - Mặt cắt hình móng ngựa: Sử dụng khi F k<2, có áp lực đá núi theo phương thẳng đứng, phương ngang và cả dưới lên. - Mặt cắt hình tròn: Dùng khi có tầng đá nằm nghiêng dọc theo tuyến đường hầm, áp lực đá núi không đối xứng qua đường trục thẳng đứng đi qua trung tâm mặt cắt ngang, áp lực nước ngầm rất lớn.

Các dạng mắt cắt đường hầm có áp - Đối với đường hầm có áp người ta thường dùng mặt cắt hình tròn. Với loại này điều kiện dòng chảy tương đối tốt và có lợi cho việc chịu tác dụng của áp lực nước phân bố đều ở trong đường hầm. 6 - Khi cột nước áp lực kể từ trung tâm mặt cắt trở lên không vượt quá ba lần chiều cao của đường hầm, có thể dùng các hình thức mặt cắt đường hầm không áp nhưng phải tiến hành phân tích các điều kiện kinh tế kỹ thuật một cách đầy đủ. * Lưu ý: - Để đảm bảo điều kiện thi công thì: + Chiều cao hầm  1,85m đối với thi công thủ công và  2,5m với thi công cơ giới.

+ Chiều rộng hầm  1m5m đối với thi công thủ công và  2,5m với thi công cơ giới. -Đối vớiđường hầm không áp, chiều sâu nước trongđường hầm không lớn hơn 85% chiều cao đường hầm và trong mọi trường hợp khoảng không trên mặt không bé hơn 0,4m. Yêu cầu về phân tích, lựa chọn kết cấu cho tuyến đường hầm Phần lớn các đường hầm dẫn nước thuỷ điện đều có vỏ, tuỳ theo khả năng chịu lực và đặc điểm khối đất đá xung quanh tuyến đường hầm mà chúng đảm nhận các nhiệm vụ khác nhau do đó nhiệm vụ của chúng cũng khác nhau. Nếu đường hầm đặt trong khối đá rắn chắc không nứt nẻ thì vỏ đường hầm chỉ làm nhiệm vụ làm phẳng mặt trong của đường hầm để giảm tổn thất thuỷ lực vì trong trường hợp này tải trọng do áp lực nước bên trong và áp lực đất đá xung quanh là do khối đá đảm nhận.

Trong các trường hợp này chúng thông thường được làm bằng lớp vữa phun dày từ 5-10 cm. Nếu khối đất đá có nhiều nứt nẻ thì chúng còn được làm nhiệm vụ chống thấm.2: Các loại vỏ đường hầm có áp. I- bê tông liền khối; II- bê tông cốt thép liền khối; III- vỏ hai lớp; IV- bê tông cốt thép đúc sẵn; V & VI- các kết cấu vỏ kết cấu hợp; 1-lỗ phụt vữa bê tông cốt thép; 2- ống phụt vữa chèn vỏ hầm; 3- cốt thép vòng; 4- cốt thép cấu tạo; 5- bê tông đúc tại chỗ; 6- vữa phun; 7-dăm sỏi; 8- ống thoát nước; 9- vữa, xi măng; 10- khối bê tông; 11- thép tấm có đai; 12- vòng thép tấm. Trong trường hợp khối đất đá xung quanh không có khả năng đảm nhận tải trọng do áp lực nước bên trong gây và áp lực đất bên ngoài nên thì thì vỏ đường hầm có kết cấu để có thể chịu áp lực nước bên trong, áp lực đất và nước ngầm từ bên ngoài, đồng thời đóng vai trò chống thấm và giảm ma sát.2 thể hiện cấu tạo vỏ của các loại đường hầm có áp chịu áp lực đất bên ngoài và nước bên trong.

Trong mọi trường hợp (trừ trường hợp vỏ hầm làm bằng bê tông phun hoặc vữa phun) để tăng cường khả năng chịu lực của vỏ hầm, tạo vùng đệm rắn chắc giữa vỏ hầm và khối đá tự nhiên xung quanh, tăng khả năng chống thấm, trong trường hợp địa chất là đá nứt nẻ người ta phụt vữa xung quanh vỏ hầm (hình 1. Việc phụt vữa xung quanh đường hầm tạo nên một khối rắn chắc cùng làm việc chung với vỏ hầm và làm cho tải trọng phân bố đều xung quanh, giảm khả năng biến dạng của khối đất đá. Vữa phụt xung quanh vỏ hầm dưới 8 hai hình thức: phụt vữa lấp khe hở giữa và khối đất đá xung quanh (phụt vữa bổ sung) và phụt vữa gia cố. Khi thi công giữa vỏ hầm và khối đá xung quanh thường tồn tại một khe hở nhất định cần phải lấp đầy chúng bằng vữa xi măng.

Việc phụt vữa này được tiến hành khi bê tông vỏ đã hoàn thành, qua các ống đường kính 40-60 cm người ta nén vữa vào khoảng trống phía ngoài vỏ từ bên trong đường hầm, các ống này được bố trí đều khi thi công vỏ hầm. Việc phụt vữa gia cố chỉ tiến hành trong trường hợp địa chất là đá nứt nẻ nhiều bằng cách khoan phụt vào khối đá xung quanh theo phương hướng kính với vỏ hầm.3: Sơ đồ phụt vữa vỏ hầm. 1- khối đá không phụt vữa; 2- vùng phụt vữa gia cố; vùng phụt vữa bổ sung; 4- vỏ hầm bê tông Để bảo vệ vỏ hầm dưới tác động của nước ngầm xung quanh trong trường hợp áp lực nước ngầm lớn, người ta thường làm hệ thống thoát nước ngầm dọc theo đường hầm dưới dạng ống (bằng sứ hoặc bê tông nhẹ) và thoát nước ngang dưới dạng sỏi bọc xung quanh vỏ hầm (hình 1. Vỏ hầm nên sử dụng một loại trên toàn tuyến, chỉ trong trường hợp đặc biệt mới sử dụng khác loại.

Đường hầm không có lớp áo gia cố Những đường hầm không áp, đi qua đá ít nứt nẻ liền khối, có độ bền cao với vận tốc nước chảy không quá 10m/s có thể thiết kế không áo. Để cải thiện chế độ thủy lực và điều kiện kiểm tra đường hầm không có áo, trong những trường hợp cá biệt nên thiết kế đáy phẳng của đường hầm bằng bê tông. Khi vận tốc dòng chảy lớn hơn 10m/s thì việc thiết kế đường hầm không áp không có áo phải được luận chứng bằng những tài liệu nghiên cứu thí nghiệm. Những đường hầm có áp đi qua vùng có những điều kiện như trên, cho phép được thiết kế không áo khi độ sâu đường hầm không quá 1/2 trị số cột nước bên trong tính bằng mét.

Đoạn đầu và đoạn cuối của đường hầm không áp và không có lớp áo phải thiết kế có áo trên một đoạn dài bằng chiều rộng thông thủy nhưng không ngắn hơn 6m, Trong các thiết kế đường hầm không có áo phải áo dụng việc nổ mìn tạo biên mặt nhẵn để giảm bớt độ nhám của mặt đường hầm. Đường hầm có lớp áo gia cố Áo đường hầm thủy lợi có thể chia ra: áo làm nhẵn (không chịu lực) và áo chịu lực. Áo làm nhẵn: Loại áo làm nhẵn phải đảm bảo cải thiện được những đặc trưng thủy lực của các đường hầm, giảm bớt lượng mất nước do thấm qua đường hầm và ngăn ngừa đá bị phong hóa. Loại áo làm nhẵn phải dự kiến bố trí: - Trong các loại đá nứt nẻ và phong hóa mạnh và không gây áp lực đá.

- Để làm cho mặt trong của đường hầm được nhẵn phẳng khi đường hầm đi qua các loại đá ổn định và nứt nẻ nhẹ. 1 Loại áo làm nhẵn phải thiết kế bằng bê tông liền khối hoặc bê tông phun và bố trí ở trong phạm vi của chu vi ướt. Áo bằng bê tông phun không san và làm nhẵn mặt chỉ được áp dụng khi vận tốc nước chảy trong đường hầm không lớn hơn 10m/s. Khi vận tốc lớn hơn, việc áp dụng loại áo này phải được luận chứng bằng các số liệu nghiên cứu thí nghiệm.

Áo chịu lực Loại áo chịu lực phải chịu được các loại tải trọng trong thời kỳ xây dựng và khai thác, đồng thời thỏa mãn được những yêu cầu của loại áo làm nhẵn. Các loại áo chịu lực của đường hầm có áp và không áp được nêu trong bảng 1.1: Các loại áo chịu lực của đường hầm Loại áo chịu lực Loại đường hầm của đường hầm Có áp Không áp Bằng bê tông - Đổ liền khối - Đổ liền khối - Đổ liền khối có phụt xi măng gia - Bằng bê tông cố phun - Bằng bê tông phun - Bằng bê tông - Bằng bê tông nén phun Bằng bê tông cốt - Đổ liền khối - Đổ liền khối thép - Đổ liền khối có phụt xi măng gia - Bằng bê tông cố phun có cốt thép - Bằng bê tông phun có cốt thép - Lắp ghép từ những đoạn ống nguyên cả vòng hoặc từ những khối riêng.