CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN

28



BẢNG CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA CÔNG TRÌNH

Đơn vị



1



Trị số



3



STT Thông số



4



2



I



Đặc trưng lưu vực



1



Diện tích lưu vực



F LV



Km2



51.8



2



Dòng chảy trung bình năm



Qo



m3/s



1.99



3



Tổng lượng dòng chảy năm



Wo



106 m3



62.74



4



Lưu lượng dòng chảy lũ P = 0,2%



m3/s



504



- Tần suất P = 0.5%



m3/s



432



- Tần suất P = 1.0%



m3/s



376



- Tần suất P = 1.5%



m3/s



344



- Tần suất P = 5.0%



m3/s



266



- Tần suất P = 10%



m3/s



220



R



R



R



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



P



II



Hồ chứa



1



Mực nước dâng bình thường MNDBT



m



765



2



Mực nước chết MNC



m



762



3



Mực nước lũ kiểm tra (P = 0,2%)



m



767.45



4



Mực nước lũ thiết kế (P = 1%)



m



767.01



5



Diện tích mặt hồ

m2



26046



ứng với MNDBT

6



P



Dung tích hồ chứa

Dung tích toàn bộ



103 m3



146



Dung tích hữu ích



103 m3



66



P



P



P



P



P



P



29



103 m3



Dung tích chết



P



P



P



80



Mực nước hạ lưu nhà máy



m



Mực nước lớn nhất



m



237



Mực nước khi chạy 1 tổ máy định mức



III



m



231.07



m3/s



4.38



Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy

IV



P



P



Cột nước phát điện

Cột nước lớn nhất



H max



m



510



Cột nước nhỏ nhất



H min



m



495.54



Cột nước tính toán



H tt



m



495.54



Cột nước trung bình



H tb



m



498.02



R



R



R



R



V



Chỉ tiêu năng lượng



1



Công suất đảm bảo



N db



MW



3.1



2



Công suất lắp máy



N lm



MW



18



3



Điện lượng trung bình nhiều năm E 0



106 kWh



64.912



4



Số giờ sử dụng N lm



giờ



3606



VI



Tiến độ thi công



Năm



2.5



109 đ



576.350



R



R



R



R



R



h



P



P



Khởi công + Công tác đào hở

Lấp sông + Công tác BT + đào ngầm

Năm phát điện

VII



Tổng dự toán



P



P



Xây dựng



239.352



Thiết bị



141.082



30



Chi phí quản lý dự án và chi phí khác

+ Chi phí QLDA



6.059



+ Chi phí khác



54.533



+ Chi phí lãi vay



83.286



Dự phòng 10%



52.038



VIII Chỉ tiêu kinh tế

Giá điện mùa mưa/mùa khô



UScent/Kwh



1082



Vốn phân tích kinh tế



109 đ



440.67



- NPV



109 đ



105.95



- IRR



%



13.20



P



P



P



P



- B/C

IX



1.24



Chỉ tiêu tài chính (vốn tự có của Chủ

đầu tư chiếm 30%, còn lại

ngân hàng trong nước



vốn vay



với lãi suất



12%/năm. Giá bán điện 6,0 Cent/kWh)

109 đ



440.67



%



11.4



- NPV



109 đ



26.81



- FIRR



%



13.05



Vốn phân tích tài chính

Chiết khấu



P



P



P



P



- B/C



1.06



- Giá thành



đ/kwh



1082



- Hoàn vốn



năm



18



31



Nhà máy thủy điện Xím Vàng 2 bao gồm 2 tổ máy với turbine gáo trục đứng

– 3 vòi phun đường kính bánh xe công tác là 1.50m và máy phát đồng bộ với vận

tốc quay định mức là 600v/ph, điện áp là 6.3kv, công suất định mức một tổ máy

9Mw. Tổng công suất lắp đặt của nhà máy thủy điện là 18MW.

Hai tổ máy nằm trong một phân đoạn với kích thước mặt bằng là 20.0m(dọc

chiều dòng chảy) và 30.8m(vuông góc chiều dòng chảy). Chiều cao của phần ngầm

dưới nước (tính đến cao trình 243.50m) là 10.2m được ngăn với các phân đoạn gian

lắp ráp liền kề bằng khe biến dạng.

Các thông số chính của nhà máy:

- Cao trình lắp máy, m



243.50



- Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy, m3/s



4.38



- Công suất lắp máy, MW



18



- Số tổ máy, tổ



2



- Turbine kiểu gáo trục dứng, 3 vòi phun

Các cao trình chính của nhà máy được xác định theo các kích thước thiết bị

chính được tính toán ở phần lựa chọn thiết bị và cao trình mực nước hạ lưu lớn nhất.

Các cao độ chính như sau:

- Cao trình sàn máy phát, m



243.50



- Cao trình sàn lắp máy, m



243.50



- Cao trình sàn dầm cầu trục, m



251.00



- Cao trình đỉnh nhà máy, m



253.90



Thiết bị cơ khí thủy lực bao gồm:

- Tua bin thuỷ lực, hệ thống điều khiển tự động của tua bin thuỷ lực, van

trước tua bin, thiết bị dầu áp lực và các hệ thống thiết bị phụ.

- Máy phát, hệ thống kích từ.

- Thiết bị điều khiển.

- Hệ thống thiết bị điện.

- Hệ thống thiết bị khác



32



3.3. Xây dựng mô hình từ tính toán

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Adina để thực hiện phân tích

kết cấu cho nhà máy thủy điện Xím Vàng 2 cho các trường hợp tính toán.

Việc xây dựng mô hình 3D phần dưới nước nhà máy thủy điện được thực

hiện trên phần mềm AutoCad sau đó chuyển sang phần mềm Adina để tính toán.

Các khối bê tông phần dưới nước được mô hình hóa bằng các phần tử Shell với

chiều dầy bê tông được tính trung bình.



Hình 3.1: Mô hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad



33



Hình 3.2: Chia lưới phần tử trong phần mềm Adina

3.4. Các thông số cơ bản của mô hình

Mô hình được xây dựng trong Adina với phần tử Shell 4 nút

- Hệ số tin cậy K n đối với công trình cấp 3: K n = 1,15

R



R



R



- Hệ số tổ hợp tải trọng:



R



n c = 1,0

R



R



- Thống số tính toán của bê tông M250:

+ Trọng lượng riêng của bê tông: γ b = 2,5(T/m3)

R



R



+ Cường độ nén dọc trục:



R n = 110(kg/cm2)



+ Cường độ kéo dọc trục:



R k = 8,8(kg/cm2)



R



R



R



R



R kc = 11,5(kg/cm2)

R



+ Môđun đàn hồi của bê tông:



R



E b = 2,65x105(kg/cm2)

R



R



P



P



+ Hệ số giới hạn đối với bê tông M250, cốt thép CIII: α 0 = 0,6

R



R



34



3.5. Các lực tác dụng và tổ hợp lực

Các lực tác dụng lên phần dưới nước của nhà máy gồm có:

- Trọng lượng bản thân công trình

- Áp lực đất đắp tác dụng lên tường biên (không bao gồm tường biên hạ lưu)

- Áp lực nước tác dụng lên tường biên

- Tải trọng phần trên nước truyền xuống chia đều tập trung ở cột

- Tải trọng thiết bị thủy lực chính

- Tải trọng người, thiết bị điện và thiết bị phụ trên sàn đặt máy

- Lực do động đất gây ra

3.5.1. Xác định các tải trọng tĩnh

3.5.1.1. Xác định trọng lượng bản thân

Một phần tử bất kỳ thuộc nhà máy thì công thức chung để tính toán trọng lượng bản

thân của một phần tử hữu hạn là:

Gi = i =g .Vi

γ i .V ρi .



Trong đó:



ρi - khối lượng riêng phần tử i.

γ i - trọng lượng riêng phần tử i.



g – gia tốc trọng trường.

Vi – thể tích phần tử i.

Gi – trọng lượng bản thân phần tử i.

Và như vậy thì trọng lượng bản thân của toàn bộ khối sẽ là:

G

=



n



∑ ρ .g.V

i =1



i



i



Khi phân tích kết cấu, mô phỏng trọng lượng bản thân kết cấu và trọng lượng của

các thiết bị liên quan trong mô hình tính toán ta cần khai báo:

1. Nhập khối lượng riêng (density) trong tính chất vật liệu, nếu không nhập

khối lượng riêng thì không thể sản sinh hiệu quả trọng lực.

2. Theo phương pháp dùng menu: Apply Load → Load Type: Mass

Proportional → Load number → Define:



35



Mass-Proportional Load number: 1

Magnitude: 9,81

Z:



-1



Trọng lượng bản thân trong mô hình tính toán chỉ bao gồm khối lượng bê tông của

nhà máy.

3.5.1.2. Áp lực nước thủy tĩnh, áp lực đất

a. Nguyên tắc tính áp lực nước thủy tĩnh

Công thức để xác định áp lực thủy tĩnh như sau:

=

Pi



1

.γ n .H i2

2



(3.1)



Trong đó: γ n − Trọng nước riêng của nước.

Hi – Chiều cao cột nước từ mực nước thượng lưu đến điểm tính toán.

Pi – Áp lực nước tại điểm tính toán.

b. Nguyên tắc tính áp lực đất

Áp lực chủ động của đá đắp:

Wđ =

Trong đó:



1

ϕ

γ.H2 tg 2  45 − 





2

2



P



P



H- Chiều sâu cột đá đắp,

ϕ- Góc ma sát trong của đá đắp.



c. Khai báo áp lực nước, áp lực đất theo phương pháp dùng menu:

- Geometry → Spatial Functions → Surface

- Apply Load → Load Type: Force → Load number → Define

3.5.2. Tải trọng gây nên do động đất.

3.5.2.1. Phổ phản ứng thiết kế

Theo TCXDVN 375-2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”, khi phân tích

kết cấu công trình chịu tải trọng động đất, ta phải sử dụng phổ phản ứng thiết kế tại

vị trí xây dựng công trình. Phổ phản ứng thiết được dung trong phân tích kết cấu

chịu tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng.



36



Theo mục “Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi” xây dựng được đường

phổ thiết kế theo phương ngang ứng với cấp động đất. Với các thành phần nằm

ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi thiết kế S d (T) được xác định

R



R



bằng các công thức sau:

 2 T  2,5 2  

− 

0 ≤ T ≤ TB : S d= ag .S .  + 

(T )

 3 TB  q 3  

TB ≤ T ≤ TC : S d (T ) = .S .

ag



2,5

q



2,5 TC



⋅

= a g .S ⋅

q T

TC ≤ T ≤ TD : S d (T )

≥ β .a = 0,3714

g



2,5 TC .TD



⋅

= a g .S ⋅

q

T2

TD ≤ T : S d (T )

≥ β .a = 0,3714

g





S d (T) Phổ phản ứng đàn hồi thiết kế

R



R



T: Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do;

a g : Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (ag = γI. agR);

R



R



T B : Giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng

R



R



gia tốc;

TC: Giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;

R



R



T D :Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi

R



R



trong phổ phản ứng;

q: hệ số ứng xử;

β: hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang, β= 0,2.

Tra phụ lục H, phần I(TCXDVN 375-2006): a gR = 0.1983

R



R



Tra phụ lục K, phần I(TCXDVN 375-2006) được cấp động đất: cấp 8



37



Hình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 2

3.5.2.2. Biểu đồ gia tốc nền

Biểu đồ gia tốc nền được sử dụng trong phân tích kết cấu công trình chịu tải

trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian.

Theo TCXDVN 375-2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”, thì có thể xây

dựng biểu đồ gia tốc nhân tạo từ phổ thiết kế cụ thể được quy đinh trong mục “

3.2.3.1.3. Giản đồ gia tốc nhân tạo”. Ứng với mỗi công trình ta có thể xây dựng

được biểu đồ gia tốc nền khác nhau, biểu đồ gia tốc nền phụ thuộc vào: vị trí xây

dựng công trình, loại đất nền, loại kết cấu...Ở đây tác giả mô hình tính toán cho

công trình “ Thủy điện Xím Vàng 2”.

Từ đường phổ phản ứng theo phương ngang, sử dụng phần mềm Simqke_Gp

của giáo sư Piero Gelfi thuộc trường đại học Brescia của Italy, thu được phổ gia tốc.



38



Hình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 2

3.6. Kết quả tính toán

Như đã trình bày trong phần trên, trong luận văn này, tác giả phân tích kết

cấu phần dưới nước nhà máy thủy điện Xim vàng 2 cho hai tổ hợp tải trọng.

Trường hợp 1. Tổ hợp cơ bản, phần dưới nước chịu tải trọng bản thân và áp

lực đất chủ động, áp lực thủy tĩnh

Trường hợp 2. Ngoài các tĩnh lực như trường hợp 1, nhà máy thủy điện Xím

vàng chịu tải trọng động đất với hai phương pháp tính toán.

a. Phân tích kết cấu nhà máy thủy điện Xím vàng chịu tải trọng động đất

theo phương phổ phản ứng (2a)

b. Phân tích kết cấu nhà máy thủy điện Xím vàng chịu tải trong động đất

theo phương pháp lịch sử thời gian (2b)

3.6.1. Kết quả tính toán trường hợp 1 (tổ hợp cơ bản)

Kết quả tính toán cho trường hợp 1 được trình bày trong các hình từ hình 3.5

đến hình 3.10 và được cho trong bảng 3.1. Trong đó, kết quả về chuyển vị được