Bài giảng Công trình trên hệ thống thủy lợi - Chương IV: Tính toán ổn định và độ bền của nhà máy thuỷ điện

CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆNI. Đặc điểm của nhà máy thuỷ điện .§4-1. §Æc ®iÓm vµ yªu cÇu tÝnh to¸n æn ®Þnh vµ ®é bÒn nhµ m¸y thuû ®iÖnĐặc điểm cơ bản của nhà máy thuỷ điện là có kết cấu hình khối lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong. Mỗi loại nhà máy mang đặc thù riêng về mặt kết cấu riêng. Các thành phần kết cấu còn phụ thuộc việc nối tiếp với các bộ phận xung quanh trong bố trí tổng thể chung của công trình.II. Yêu cầu khi tính toán ổn định và độ bền nhà máy thuỷ điện .§4-1. §Æc ®iÓm vµ yªu cÇu tÝnh to¸n æn ®Þnh vµ ®é bÒn nhµ m¸y thuû ®iÖnYêu cầu đối với công trình thuỷ điện là toàn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành cũng như khi sửa chữa. Các sơ đồ tính toán ổn định và độ bền của nhà máy phải phản ánh hợp lí các giai đoạn xây dựng nhà máy và phải xét đến trạng thái ứng suất thay đổi khi nhà máy bị lún.III. Các tải trọng tác dụng lên nhà máy.§4-1. §Æc ®iÓm vµ yªu cÇu tÝnh to¸n æn ®Þnh vµ ®é bÒn nhµ m¸y thuû ®iÖnTải trọng thường xuyên.Trọng lượng công trình và thiết bị, trọng lượng nước trong ống xả và buồng xoắn.áp lực thủy tĩnh nước thượng và hạ lưu.áp lực thấm và áp lực đẩy nổi.áp lực đất đắp và áp lực bùn cát thượng và hạ lưu ( áp lực chủ động).Tải trọng gây nên do biến dạng lún và nhiệt độ.III. Các tải trọng tác dụng lên nhà máy.§4-1. §Æc ®iÓm vµ yªu cÇu tÝnh to¸n æn ®Þnh vµ ®é bÒn nhµ m¸y thuû ®iÖn2. Tải trọng tạm thời.Tải trọng do sóngTải trọng gió.Tải trọng động đất.IV. Các bước tính toán ổn định và độ bền nhà máy .§4-1. §Æc ®iÓm vµ yªu cÇu tÝnh to¸n æn ®Þnh vµ ®é bÒn nhµ m¸y thuû ®iÖnXác định các tải trọng tác dụng và các phản lực tác dụng lên công trình theo các thời kỳ xây dựng và vận hầnh.Tính toán ổn định chống trượt.Tính toán độ bền chung của nhà máy: Tính toán ứng suát trong các bộ phận công trình khi xét đến sự biến dạng chung của toàn bộ công trình cùng với nền.Tính toán độ bền các chi tiết ( cục bộ): Tính ứng suất cục bộ do tải trọng tác động riêng trên từng bộ phận. Ngày nay có thể dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán độ bền chung và độ bền cục bộ các chi tiết ( bài toán không gian)I. Các sơ đồ tính toán.§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnViệc tính toán ổn định nhà máy là dựa vào lí thuyết của cơ học đất - nền móng. Mỗi loại nhà máy mang đặc thù riêng về mặt kết cấu riêng. Nhà máy thủy điện trên nền đất mất ổn định có thể xảy ra thưo 3 sơ đồ: Trượt phằng theo mặt tiếp xúc với đất nền; Trượt hỗn hợp cùng với một phần của đất nền; Trượt sâu cùng với toàn bộ của khối đất nền.I. Các sơ đồ tính toán.§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnTiêu chuẩn đánh giá sơ đồ mặt trượt phẳng dự theo chỉ số mô hình:Trong đó:max- ứng suất pháp lớn nhất trên đất nền (T/m2) - Trọng lượng riêng của đất (T/m3)B - chiều rộng tính toán của nhà máy theo chiều dòng chảy (m), không tính sân phủ.K- trị số không thứ nguyên phụ thuộc vào góc ma sát trong  và lực dính của đất c. Đối với công trình cấp I, II K xác định theo kết quả thí nghiệm mô hình, còn đối với công trình cấp III, IV đất nền là đất có thể lấy K =3, còn nền cát chặt thì K =1.I. Các sơ đồ tính toán.§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnĐối với công trình trên nền đất sét dẻo và dẻo mềm ngoài tiêu chuẩn trên cần thỏa mãn yêu cầu sau:Trong đó: tt; ctt – các giá trị tính toán của góc ma sát trong và ứng suất kháng cắt của đất; tb – ứng suất trung bình đáy móng.Đối với nhà máy thuỷ điện thông thường chỉ số mô hình nên phần lớn chỉ kiểm tra theo sơ đồ trượt phẳng.§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnSơ đồ trượt phẳng:II. Các trường hợp tính toán ổn định chống trượt§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖn1. Vận hành bình thường: Mực nước thượng lưu là MNDBT, mực nước hạ lưu nhà máy ứng với lưu lượng vận hành một tổ máy. Lực tác dụng thẳng đứng gồm có: Trọng lượng kết cấu bê tông nhà máy ; trọng lượng nước của các bộ phận qua nước (buồng xoắn, ống hút, ống dẫn nước) ; trọng lượng các thiết bị chủ yếu (tua bin, máy phát) ; áp lực thấm đẩy nổi. áp lực nằm ngang gồm có: áp lực nước thượng hạ lưu nhà máy ; áp lực đất chủ động thượng lưu.-II. Các trường hợp tính toán ổn định chống trượt§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖn2. Sửa chữa: Thượng hạ lưu nhà máy có áp lực nước ; thiết bị dỡ đem đi sửa chữa ; phần qua nước bơm cạn ; các tải trọng khác giống trường hợp 1.3. Xả lũ đặc biệt:Thượng lưu MNLSC , hạ lưu mực nước cao nhất.Trong các trường hợp trên trường hợp thứ hai là bất lợi nhất khi tính toán ổn định chống trượt.III. Phương pháp tính toán§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnTrong đó: N -Tổ hợp lực bất lợi nhất của các lực đẩy trượt.R: khả năng chống trượt của nền; m- hệ số điều kiện làm việc, phụ thuộc loại công trình và tính chất nền, theo quy phạm, m=1 đối với công trình bê tông trên nền đất, đá yếu.nc- hệ số tổ hợp tải trọng. nc=1 với tổ hợp cơ bản; 0,9 – tổ hợp đặc biệt; 0,95- tải trọng trong thời gian xây dựng.kn- hệ số tin cậy phụ thuộc vào cấp công trình( k=1,25- CT cấp I; 1,2- cấp II; 1,15 cấp III, IV,V.Tiêu chuẩn đánh giá ổn định ổn định chống trượt của nhà máy thuỷ điện tính theo điều kiện theo trạng thái giới hạn trượt phẳng: IV. Tính toán ổn định chống trượt cho nhà máy thuỷ điện ngang đập§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnSơ đồ các lực tác dụng lên nhà máy thủy điện lòng sông trong tính toán ổn định chống trượt cho trường hợp sửa chữa§4-2. TÝnh to¸n æn ®Þnh chèng tr­ît nhµ m¸y thuû ®iÖnBn - hình chiếu của chiều rộng tấm đáy trên mặt nằm ngang.l - chiều dài công trình ngang chiều dòng chay, trong tính toán ổn định nhà máy thuỷ điện l thường lấy 1 m dài hoặc chiều dài một đoạn tổ máy.TB ,TH: áp lực nước thượng lưu và hạ lưu nhà máyP=G: trọng lượng ban thân nhà máy, trọng lượng thiết bị và trọng lượng nước.U=U ( u0: áp lực đẩy nổi.; u1: áp lực thấm.EaB , EaH: áp lực chủ động của đất (nếu móng chôn sâu)EnH: áp lực bị động đất phía hạ lưu.thường lấy bằng 0,71. Mục đích§4-3. øng suÊt d­íi b¶n ®¸y nhµ m¸yBiểu đồ phản lực nền cần để tính độ lún, độ bền, biến vị ngang của nhà máy và để đánh giá trạng thái giới hạn của nềnPhản lực nền xác định từ điều kiện cân bằng của công trình2 . Phương pháp tính toán:§4-3. øng suÊt d­íi b¶n ®¸y nhµ m¸yViệc xác định ứng suất pháp tuyến của nền lên tấm đáy nhà máy có thể xác định theo phương pháp nén lệch tâm. Tuy nhiên phương pháp này chưa tính hết các ảnh hưởng của đặc tinh cơ lý của đất nền và độ cứng của tấm đáy công trình.Biểu đồ phản lực nền có thể xác định theo 2 giả thiết: nền là một môi trường biến dạng tuyến tính : Theo mô hình biến dạng tuyến tính đối với nền đồng chất phản lực nền phân bố theo đường cong hoặc theo phương pháp hệ số nền. Nội dung cơ bản của phương pháp hệ số nền - theo giả thiết Vincle là ứng suát pháp tại các điểm tiếp giáp với đáy móng công trình tỷ lệ thuận với độ lún s tại điểm đó: p= kos ( ko – hệ số nền, s- độ lún công trình )a. Phương pháp theo hệ số nền - theo giả thiết Vincle §4-3. øng suÊt d­íi b¶n ®¸y nhµ m¸yTiêu chuẩn Gorlunốp - Paxađốp xác định độ cứng tuyệt đối :hoặc theo chiều dài quy đổi  =l/LS tính theo kết cấu ống vỏ mỏng Mx=Mo.(x) §4-5. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.2. Tính toán kết cấu bệ máy phát điện3. Ứng suất chính và ứng suất cắtỨng suất cắt cho bệ máy :Ứng suất pháp :+ ứng suất cắt xảy ra khi chập mạch . Ip- mô men quán tính cực của mặt cắt bệ máy + ứng suất cắt do biên độ lệch tâm của máy móc sinh ra . + ứng suất cắt do biên độ mô men xoắn sinh ra. = n'+ p+  §4-6. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.3. Tính toán động lực bệ máyKhi tổ máy làm việc, dưới tác dụng của tải trọng động bệ máy sinh ra rung động ( chấn động) cưỡng bức và rung động tự do. Do đó cần phải tính toán để kiểm tra bệ máy có phát sinh dao động cộng hưởng không. (n0-n)/n0 >20-30 % Đồng thời phải tính toán biên độ dao động lớn nhất có vượt quá giá trị cho phép không. - Biên độ thẳng đứng: A1<0,1 - 0,15 mm- Biên độ ngang: A2 và A3<0,15 - 0,20 mmKhi tính toán nội lực, sơ bộ dùng hệ số động lực từ 1,5 - 2,0 để tính toán, nhưng sau đó cần phải tính toán hệ số động lực thực tế có thoả mãn điều kiện an toàn và kinh tế hay không?.§4-6. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.3. Tính toán động lực bệ máyTần số rung động sinh ra do phần quay tổ máy (máy phát) ;a. Tần số rung động cưỡng bức:Tần số rung động do sự xung kích thuỷ lực.n1= n Z1 – số cánh turbin; Z2 số cánh hướng nước; a là ước số chung lớn nhất của z1và z2 §4-6. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.3. Tính toán động lực bệ máyTần số rung động thẳng đứng n01 b. Tần số rung động tự do của bệ máy:G1- Toàn bộ tải trọng tác dụng lên bệ máy toàn bộ tải trọng thẳng đứng bao gồm cả tấm đỉnh buồng xoắn; 1: biến vị thẳng đứng của kết cấu dưới tác dụng lực đơn vị (bao gồm cả bệ máy và đỉnh của của buồng xoắn) §4-6. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.3. Tính toán động lực bệ máyTần số rung động ngang n02G2- tải trọng tác dụng lên bệ máy gồm một phần trong lượng bệ mỏy G2= Pi + 0.35Po; 2: biến vị ngang của bệ máy dưới tác dụng lực đơn vị ( không kể sự ảnh hưởng của sàn máy phát đối vơí đỉnh bệ máy) §4-6. TÝnh to¸n ®é bÒn côc bé nhµ m¸y thuû ®iÖnHình 4-4. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương ngang chiều dòng chảy như là một dầm trên nền đàn hồi.4.5.3. Tính toán động lực bệ máyTần số rung động xoắn n03Qs, Ds - trọng lượng và đường kính bình quân stato.P0, D0- trọng lượng và đường kính bình quân bệ máy1 - góc xoắn kết cấu dưới tác dụng mô men xoắn đơn vị