Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải
trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự
cố gắng nỗ lực của bản thân tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy,
Cơ, cơ quan, bạn bè và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS. Trịnh
Quốc Cơng đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cơ giáo Phịng đào tạo đại học và Sau
đại học, khoa Cơng trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này.
Để hồn thành luận văn, tác giả cịn được sự cổ vũ, động viên khích lệ
thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè.

Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013
Tác giả luận văn

ĐỖ HỒNG HOÀNG


LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Đỗ Hồng Hồng
Học viên lớp: 18C11
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội dung
và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình khoa học nào.
Tác giả

ĐỖ HỒNG HOÀNG

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1
T
2
3

T
2
3

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
T
2
3

T
2
3

MỤC LỤC ...................................................................................................................3
T
2
3

T
2
3

BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................6
T

2
3

T
2
3

BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................8
T
2
3

T
2
3

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
T
2
3

T
2
3

1. Tính cấp thiết của đề tài: .........................................................................................1
T
2
3

T
2
3

2. Mục đích của đề tài: ................................................................................................2
T
2
3

T
2
3

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: ............................................................2
T
2
3

T
2
3

4. Kết quả dự kiến đạt được: .......................................................................................2
T
2
3

T
2
3

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM
T
2
3

VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT ..........................................................................4
T
2
3

1.1. Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam .....................................4
T
2
3

T
2
3

1.2. Tổng quan về nhà máy thủy điện .........................................................................6
T
2
3

T
2
3

1.3. Tổng quan về động đất .........................................................................................8

T
2
3

T
2
3

1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất.............................................................................8
T
2
3

T
2
3

1.3.2. Một số khái niệm về động đất ...........................................................................9
T
2
3

T
2
3

1.4. Kết luận chương. ................................................................................................14
T
2
3

T
2
3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY
T
2
3

ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ..................................................................15
T
2
3

2.1. Phương trình vi phân mơ tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực động
T
2
3

đất ..............................................................................................................................15
T
2
3

2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính ......................................................................15
T
2
3

T
2
3

2.1.2. Xác định lực cản ..............................................................................................16
T
2
3

T
2
3

2.1.3. Xác định lực quán tính ....................................................................................18
T
2
3

T
2
3


2.1.4. Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất. ....................................18
T
2
3

T
2

3

2.2. Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất ..............................20
T
2
3

T
2
3

2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực
T
2
3

ngang tương đương ...................................................................................................20
T
2
3

2.2.2 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp phổ phản
T
2
3

ứng .............................................................................................................................21
T
2
3

2.2.3 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử
T
2
3

thời gian. ....................................................................................................................21
T
2
3

2.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo .....................................24
T
2
3

T
2
3

2.4. Kết luận chương. ................................................................................................26
T
2
3

T
2
3

CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

T
2
3

CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ
THỜI GIAN ..............................................................................................................27
T
2
3

3.1. Lựa chọn mơ hình và các trường hợp tính tốn. ................................................27
T
2
3

T
2
3

3.2. Tổng quan về cơng trình thủy điện Xím Vàng 2................................................27
T
2
3

T
2
3

3.3. Xây dựng mơ hình từ tính tốn ..........................................................................32
T

2
3

T
2
3

3.4. Các thơng số cơ bản của mơ hình ......................................................................33
T
2
3

T
2
3

3.5. Các lực tác dụng và tổ hợp lực ...........................................................................34
T
2
3

T
2
3

3.5.1. Xác định các tải trọng tĩnh ..............................................................................34
T
2
3

T
2
3

3.5.2. Tải trọng gây nên do động đất. .......................................................................35
T
2
3

T
2
3

3.6. Kết quả tính tốn ................................................................................................38
T
2
3

T
2
3

3.6.1. Kết quả tính tốn trường hợp 1 (tổ hợp cơ bản)..............................................38
T
2
3

T
2
3

3.6.2. Kết quả tính tốn trường hợp 2a ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo
T
2
3

phương pháp phổ phản ứng) .....................................................................................42
T
2
3

3.6.3. Kết quả tính tốn trường hợp 2b ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo
T
2
3

phương pháp lịch sử thời gian) .................................................................................46
T
2
3

3.6.4. Bảng tổng hợp kết quả ....................................................................................52
T
2
3

T
2
3

CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT CHO NHÀ MÁY THỦY
T
2
3

ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ..................................................................55
T
2
3

THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN .....................................................55
T
2
3

T
2
3

4.1.Tổng quan về phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện .......................55
T
2
3

T
2
3

4.2. Nội dung phương pháp phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện chịu

T
2
3

tải trọng động đất theo mơ hình SDOF .....................................................................57
T
2
3

4.3. Tải trọng và tổ hợp hợp tải trọng trong phân tích ổn định chống trượt nhà máy
T
2
3

thủy điện ....................................................................................................................58
T
2
3

4.4. Kết quả phân tích ổn định trượt cho nhá máy thủy điện Xím Vàng 2 bằng mơ
T
2
3

hình SODF. ...............................................................................................................60
T
2
3

4.4.1. Số liệu tính tốn ..............................................................................................60

T
2
3

T
2
3

4.4. 2 . Trường hợp tính tốn ....................................................................................61
T
2
3

T
2
3

4.4.3 Kết quả tính ......................................................................................................63
T
2
3

T
2
3

4.5 Kết luận chương ..................................................................................................66
T
2
3

T
2
3

KẾT LUẬN ...............................................................................................................67
T
2
3

T
2
3

1.
T
2
3

T
2
3

2.
T
2
3

3.

T
2
3

T
2
3

T
2
3

Kết quả đạt được của luận văn ........................................................................67
T
2
3

T
2
3

Vấn đề tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................67
T
2
3

T
2
3

Phương hướng nghiên cứu tiếp theo ...............................................................68
T
2
3

T
2
3

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69
T
2
3

T
2
3


BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do ...............................16
T
2
3

T
2
3

Hình 2.2: Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do ...............................19

T
2
3

T
2
3

chịu tác động của động đất ........................................................................................19
T
2
3

T
2
3

Hình 3.1: Mơ hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad .....................................32
T
2
3

T
2
3

Hình 3.2: Chia lưới phần tử trong phần mềm Adina ................................................33
T
2
3

T
2
3

Hình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tại ví trị cơng trình thủy điện Xím Vàng 2...........37
T
2
3

T
2
3

Hình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị cơng trình thủy điện Xím Vàng 2...............38
T
2
3

T
2
3

Hình 3.5.Chuyển vị theo phương XX .......................................................................39
T
2
3

T
2

3

Hình 3.6 Chuyển vị theo phương YY .......................................................................40
T
2
3

T
2
3

Hình 3.7 Chuyển vị theo phương ZZ ........................................................................40
T
2
3

T
2
3

Hình 3.8 Ứng suất StressXX .....................................................................................41
T
2
3

T
2
3

Hình 3.9 Ứng suất StressYY .....................................................................................41

T
2
3

T
2
3

Hình 3.10 Ứng suất stressZZ ....................................................................................42
T
2
3

T
2
3

Hình 3.11. Chuyển vị theo phương XX ....................................................................43
T
2
3

T
2
3

Hình 3.12. Chuyển vị theo phương YY ....................................................................43
T
2
3

T
2
3

Hình 3.13. Chuyển vị theo phương ZZ .....................................................................44
T
2
3

T
2
3

Hình 3.14. Ứng xuất stress XX .................................................................................44
T
2
3

T
2
3

Hình 3.15. Ứng xuất stress YY .................................................................................45
T
2
3

T
2

3

Hình 3.16 Ứng xuất stress ZZ ...................................................................................45
T
2
3

T
2
3

Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 27489 ..............46
T
2
3

T
2
3

trên sàn nhà máy........................................................................................................46
T
2
3

T
2
3

Hình 3.18: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 27489 ...............47

T
2
3

T
2
3

trên sàn nhà máy........................................................................................................47
T
2
3

T
2
3

Hình 3.19: Biểu đồ biến thiên ứng suất Stress XX tại node 27489 ...........................47
T
2
3

R

R

T
2
3

trên sàn nhà máy........................................................................................................47
T
2
3

T
2
3

Hình 3.20: : Biểu đồ biến thiên ứng suất Stress YY tại node 27489 ........................48
T
2
3

R

R

T
2
3


trên sàn nhà máy........................................................................................................48
T
2
3

T
2

3

Hình 3.21: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 19966 ..............48
T
2
3

T
2
3

trên tường thượng lưu ...............................................................................................48
T
2
3

T
2
3

Hình 3.22: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 19966 ...............49
T
2
3

T
2
3

trên tường thượng lưu ...............................................................................................49

T
2
3

T
2
3

Hình 3.23: Biểu đồ biến thiên ứng suất Stress YY tại node 19966 trên ....................49
T
2
3

R

R

T
2
3

tường thượng lưu .......................................................................................................49
T
2
3

T
2
3

Hình 3.24: Biểu đồ biến thiên ứng suất Stress ZZ tại node 19966 ...........................50
T
2
3

R

R

T
2
3

trên tường thượng lưu ...............................................................................................50
T
2
3

T
2
3

Hình 3.25: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 22478 ..............50
T
2
3

T
2
3

trên tường hạ lưu .......................................................................................................50
T
2
3

T
2
3

Hình 3.26: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 22478 ...............51
T
2
3

T
2
3

trên tường hạ lưu .......................................................................................................51
T
2
3

T
2
3

Hình 3.27: Biểu đồ biến thiên ứng suất stress YY tại node 22478............................51
T

2
3

R

R

T
2
3

trên tường hạ lưu .......................................................................................................51
T
2
3

Hình 3.28:
T
2
3

T
2
3

Biểu đồ biến thiên ứng suất stress ZZ tại node 22478 ..........................52
R

R

T
2
3

trên tường hạ lưu .......................................................................................................52
T
2
3

T
2
3

Hình 4.1: Các mặt trượt tính toán cho sơ ụ trt phng .........................................55
T
2
3

T
2
3

ABCD, ABCDEF, ABCDE ......................................................................................55
T
2
3

T
2
3

Trường hợp tính toán .................................................................................................61
T
2
3

T
2
3

Hình 4.2. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 8..........................................62
T
2
3

T
2
3

Hình 4.3. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 9..........................................62
T
2
3

T
2
3

Hình 4.4. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 10........................................63
T

2
3

T
2
3

Hình 4.5. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 8.................64
T
2
3

T
2
3

Hình 4.6. Biểu đồ hệ số an tồn ổn định chống trươt với động đất cấp 9.................64
T
2
3

T
2
3

Hình 4.7. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 10...............65
T
2
3

T
2
3

Hình 4.8. Chuyển vị trượt của nhà máy chịu tải trong động đất cấp 10 ...................66
T
2
3

T
2
3


BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam ..................................................................4
T
2
3

T
2
3

Bảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bố năm 1982 và 1992 ..............................5
T
2
3

T

2
3

Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất ..........................10
T
2
3

T
2
3

Bảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất ..........................11
T
2
3

T
2
3

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả tính tốn nhà máy chịu tổ hợp tải trọng cơ bản (Trường
T
2
3

hợp 1) ........................................................................................................................52
T
2
3

Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả tính tốn nhà máy chịu tải trọng động đất theo phương
T
2
3

pháp phổ phản ứng (trường hợp 2a) ..........................................................................53
T
2
3

Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả tính tốn nhà máy chịu tải trọng động đất theo phương
T
2
3

pháp lịch sử thời gian (trường hợp 2b) .....................................................................53
T
2
3

Bảng 4.1. Tổng hợp và phân tích tải trọng tính tốn ổn định nhà máy thủy điện ....59
T
2
3

T
2
3

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Đất nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất tương đối mạnh.
Theo Viện Vật Lý Địa Cầu, đất nước ta có bốn vùng động đất chính. Vùng động đất
thứ nhất là miền núi tây bắc bao gồm các tỉnh Sơn La, Lai Châu với cường độ động
đất M=6.8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thổ sông Hồng với cường độ động đất
M = 6.2, Vùng động đất thứ ba là vùng miền núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc
Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 6.0, vùng động
đất cuối cùng là vùng phía nam của đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5.
Nước ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên nhu cầu
điện năng ngày càng tăng. Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng cho đất
nước. Chính vì vậy mà các cơng trình trạm thủy điện được xây dựng trên ngày một
nhiều. Nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối lớn, hình dạng khá phức tạp với
nhiều khoảng trống bên trong. Tồn 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, sửa chữa. Nhà máy thủy
điện phân chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước, phần dưới nước
chiếm khoảng 70% bê tông nhà máy.
Hiện nay khi phân tích ổn định và độ bền nhà máy chịu tải trọng động đất
thường sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh, có một số cơng ty thiết kế dùng
phương pháp phổ phản ứng. Tuy nhiên phương pháp mô phỏng tĩnh cũng như
phương pháp phổ phản ứng không phản ánh được sự ứng xử của kết cấu trong suốt
thời gian xảy ra động đất. Phương pháp lịch sử thời gian ( Response history analysis
..

) sử dụng biểu đồ gia tốc nền u (t ) để tính tốn nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết
cấu tại mọi thời điểm của một trận động đất. Phương pháp này đã phản ánh được

quá trình làm việc của kết cấu trong một trận động đất cụ thể.
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích bền và ổn định của nhà
máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đất theo phương pháp lịch sử thời gian là


2

rất cần thiêt. Học viên chọn đề tài: “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy
điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” sẽ góp một phần
vào cơng nghệ thiết kế, phân tích kết cấu và ổn định nhà máy thủy điện chịu tải
trọng động đất, từ đó lựa chọn được kích thước kết cấu hợp lý cho nhà máy thủy
điện đảm bảo nhà máy làm việc an toàn với mọi tổ hợp tải trọng trong thực tế vận
hành.
2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng cơ sở lý thuyết, mơ hình tốn trong phân tích kết cấu, ổn định của
nhà máy thủy điện chịu tác dụng của tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử
thời gian.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài
.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phân tích kết cấu cơng trình chịu tải trọng
động đất,
- Ứng dụng phương pháp lịch sử thời gian phân tích động học kết cấu nhà
máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đất.
- Xây dựng biểu đồ gia tốc nền tại vị trí cơng trình theo tiêu chuẩn xây dựng
Việt Nam TCXDVN 375-2006; Thiết kế cơng trình chịu động đất.
- Xây dựng mộ hình 3-D nhà máy thủy điện chịu các tải trọng tĩnh và tại
trọng động đất bằng phần mềm Phần tử hữu hạn có các module phân tích động
theo phương pháp lịch sử thời gian.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết, lập phần mềm phân tích ổn định nhà máy thủy

điện chịu tải trọng động đất
- Phân tích, đánh giá kết quả
4. Kết quả dự kiến đạt được:
- Biểu đồ gia tốc nền tại vị trí xây dựng nhà máy thủy điện.
- Trạng thái ứng suất biến dạng tại các điểm của nhà máy thủy điện theo
thời gian của trận động đất


3

- Xác định tần số dao động riêng, hình dáng dao động của nhà máy thủy
điện theo các dạng dao động.
- Quan hệ giữa hệ số an toàn chống trượt với thời gian của trận động đất, từ
đó tìm ra hệ số an toàn nhỏ nhất K min .
R

R


4

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM
VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.1. Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam
Việt Nam có 2360 con sông với chiều dài từ 10km trở lên, trong đó có 9 hệ
thống sơng có diện tích lưu vực trên 10.000km2, có mười hệ thống sơng suối lớn có
tiềm năng phát triển thủy điện. Tổng kết các nghiên cứu về quy hoạch thủy điện ở
nước ta cho thấy tổng trữ năng lý thuyết của các con sông được đánh giá đạt 300 tỷ
Kwh/năm, công suất đánh giá được đánh giá khoảng 34.647MW. Trữ năng kinh tế kỹ thuật được đánh giá khoảng 80-84 tỷ Kwh/năm, công suất lắp máy được đánh
giá khoảng 19.000-21.000MW.

Bảng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam
Lưu vực

Diện tích

Số cơng

Tổng cơng suất

Điện lượng

sơng

(km2)

trình

(MW)

(GWh)

Sơng Đà

17.200

8

6800.000

27.700

Lơ-Gâm-Chảy

52.500

11

1.600

6.000

Mã-Chu

28.400

7

760.000

2.700

Cả

27.200

3

470.000

1.800

Hương

2.800

2

234.000

990

Vũ Gia-Thu Bồn

10.500

8

1.502

4.500

Sê San

11.450

8

2.000

9.100

Srêpôk

12.200

5

730.000

3.300

Ba

13.800

6

550.000

2.400

Đồng Nai

17.600

17

3.000

12.000

1.000-3.000

4.000-12.000

19.000-21.000

80.000-84.000

Thủy điện nhỏ
Tổng cộng


5

Trước năm 1945 chỉ có các trạm thủy điện nhỏ do Pháp xây dựng phục vụ
nhu cầu khai khoáng và nghỉ dưỡng. Trong giai đoạn 1945-1975 nước ta đã xây
dựng thủy điện Thác Bà với công suất lắp máy là 108MW, thủy điện Đa Nhim với
công suất 160MW. Giai đoạn từ năm 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng hàng loạt
các trạm thủy điện lớn như: thủy điện Hòa Bình cơng suất 1920MW, thủy điện Trị
An cơng suất 400MW, thủy điện Vĩnh Sơn công suất 66MW, thủy điện Thác Mơ
công suất 150MW, thủy điện Yaly công suất 720MW, thủy điện Trị An công suất
400MW, thủy điện Sê San 3 công suất 260MW, thủy điện Tuyên Quang công suất
342MW, thủy điện Sơn La công suất 2400MW, thủy điện Bản Vẽ công suất
320MW, thủy điện Sê San 4 công suất 360MW…
Bảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bố năm 1982 và 1992
Nguồn điện

1982

1992

MW

%

MW

%

Thủy điện

268

21,8

2.12

60,4

Nhiệt điện than

205

16,7

645

15,4

Nhiệt điện dầu

198

16,1

198

5,6

Diêsel

440

35,7

390

11,1

Tuabin khí

120

9,7

157

4,5

Tổng cộng

1231

100

2.51

100

Căn cứ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét
đến 2025 (Quy hoạch điện VI). Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội với
mức tăng GDP khoảng 8,5%-9%/năm giai đoạn 2006-2010 và cao hơn thì nhu cầu
điện năng tăng 17%năm (phương án cơ sở), 20%năm (phương án cao), giai đoạn
2006-2015 tăng 22%năm (phương án cao).
Các cơng trình thủy điện đưa vào vận hành có vai trò to lớn trong sản xuất
điện năng, phòng chống lũ, cấp nước…phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Năm
2010 có khoảng 50 nhà máy thủy điện đưa vào vận hành và đến năm 2020 có đến
80 nhà máy thủy điện lớn và vừa được đưa vào vận hành trong hệ thống điện.


6

Các nhà máy thủy điện được xây dựng hầu hết ở vùng núi, nơi kinh tế-xã hội
phát triển còn chậm. Việc xây dựng các cơng trình thủy điện cịn thúc đẩy sự phát
triển kinh tế- xã hội của các khu vực này.
Về mặt kinh tế, tỷ lệ thủy điện cao trong hệ thống đã đem lại giá thành điện
năng hạ xuống đáng kể. Về mặt kỹ thuật, thủy điện đã tăng cường chất lượng điện
trong hệ thống, vận hành linh hoạt.
1.2. Tổng quan về nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện là cơng trình thủy cơng trong đó bố trí các thiết bị động
lực (turbin, máy phát điện) và các hệ thống thiết bị phụ trợ khác phục vụ cho sự làm
việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các
hộ dùng điện. Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của cơng trình thủy
điện. Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn của các thiết bị và
thuận lợi trong vận hành.
Nhà máy thủy điện được chia thành ba loại cơ bản:
- Nhà máy thủy điện ngang đập: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác
thủy năng kiểu đập với cột nước không quá 35-40m. Bản thân nhà máy là một thành
phần cơng trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng. Cửa lấy nước cũng
là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy.
- Nhà máy thủy điện sau đập: được bố trí ngay sau đập dâng nước. Khi cột
nước cao hơn 30-45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định cơng trình khơng thể là
một thành phần của cơng trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy
công suất lớn. Nếu đập dâng nước là đập bê tơng trọng lực thì cửa lấy nước và
đường ống dẫn nước turbin được bố trí trong thân đập bê tơng, đơi khi đường ống
dẫn nước turbin được bố trí trên phía hạ lưu của đập.
- Nhà máy thủy điện đường dẫn: trong sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường
dẫn hoặc kết hợp , nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi cơng trình đầu mối.
Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy. Trong trường hợp cơng trình dẫn nước là khơng
áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực, trong trường hợp cơng
trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là


7

một cơng trình độc lập. Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực
nhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là
kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập.
Về công suất, nhà máy thủy điện chia làm nhiều loại theo công suất lắp máy,

cách phân loại này chỉ tương đối và cụ thể với tiêu chuẩn của từng quốc gia. Ở Việt
Nam cấp công trình được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 185-2002.
- Nhà máy thủy điện lớn: N lm ≥ 1000MW
R

R

- Nhà máy thủy điện vừa: 15MW ≤ N lm ≤ 1000MW
R

R

- Nhà máy thủy điện nhỏ: N lm ≤ 15MW
R

R

Theo cột nước, nhà máy thủy điện phân theo ba loại tùy thuộc cột nước công
tác lớn nhất:
- Nhà máy thủy điện cột nước cao: H max > 400m
R

R

- Nhà máy thủy điện cột nước trung bình: 50m ≤ H max ≤ 400m
R

R

- Nhà máy thủy điện cột nước thấp: H max ≤ 50m

R

R

Cột nước cơng tác H max có liên quan đến loại turbin bố trí trong nhà máy. Ở
R

R

TTĐ cột nước cao bố trí turbin tâm trục với tỷ tốc bé và khi cột nước H max >500m
R

R

sử dụng turbin gáo. Ở TTĐ cột nước trung bình thường bố trí các loại turbin tâm
trục với các tỷ tốc từ lớn đến bé và cột nước thấp thường bố trí turbin cánh quay
hoặc turbin cánh quạt và cũng có thể bố trí các turbin tâm trục tỷ tốc lớn hoặc turbin
cánh chéo.
Hình thức lắp máy cũng có ảnh hưởng lớn đến kết cấu nhà mày thủy điện:
với turbin phản kích cơng suất lớn thường bố trí trục đứng. Bố trí như vậy nhà máy
sẽ gọn hơn nhưng chiều sâu móng nhà máy sẽ lớn. Với TTĐ ngang đập cột nước
thấp H max <20m có thể sử dụng turbin cánh quay kiểu capxul trục ngang, ống hút
R

R

thẳng. Với nhà máy thủy điện sử dụng turbin tâm trục công suất nhỏ cho thấy tốt
nhất là sử dụng hình thức lắp máy trục ngang vì khi đó việc lắp đặt và sửa chữa
turbin và máy phát khơng phụ thuộc lẫn nhau nhưng kích thước mặt bằng nhà máy
đòi hỏi lớn hơn so với trục đứng. Đối với TTĐ sử dụng turbin gáo, hình thức lắp

8

máy có thể trục đứng hoặc trục ngang khơng phụ thuộc vào công suất tổ máy mà
phụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu các cơng trình cụ thể.
Kết cấu nhà máy thủy điện được chia làm hai phần: phần dưới nước (khối bê
tơng phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ. Phần
trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp – sửa chữa, gian máy bố trí máy phát
điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin.
Kết cấy phần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xoắn, ống hút, bệ
T
7
1

máy phát, đường ống Turbin. Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nước
ngồi buồng xoắn, ống hút, bệ máy cịn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào
buồng xoắn. Với nhà máy thủy điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ
yếu là kênh xả dẫn nứơc ra hạ lưu.
Dọc theo chiều dài nhà máy (vng góc với chiều dịng chảy) phần dưới nước
T
7
1

gồm nhiều khối tuabin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp. Tùy điều kiện địa
chất nền và chiều dài nhà máy, toàn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoặc cách
nhau bằng những khe lún cắt ngang nhà máy thành từng khối. Trong mỗi khối gồm
từ một hoặc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp máy do chịu tải trọng khác nên
thường được tách riêng khỏi các khối tuabin.
Ở tầng tuabin thường bố trí các hệ thống thiết bị phụ gồm: hệ thống thiết bị

T
7
1

cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo
nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rò rỉ nhà máy.v.v. Ngồi ra cịn bố trí các
kho chứa và một số phòng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh.
Dưới sàn lắp ráp bố trí các xưởng, kho, máy bơm, giếng tập trung nước
T
7
1

1.3. Tổng quan về động đất
1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất
Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng
các dao động đàn hồi. Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân
sinh.
-

Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang
động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút


9

chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong
các mảng lục địa.
-

Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với

khối lượng lớn.

-

Nhân sinh: do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ
chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm khí đốt
gây sụp đổ ngầm dưới đất.

Động đất ở Việt Nam thuộc kiểu do hoạt
động của đứt gãy tạo ra, đều có chấn tiêu
( tâm phát sinh động đất) nơng, thường ít
sâu q 20km. Nước ta khơng có núi lửa
đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút
chìm và đới dồn mảng nên khơng có kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này
như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya.
1.3.2. Một số khái niệm về động đất
a) Chấn tâm, chấn tiêu.
-

Nơi phát sinh dịch chuyển của Động đất được gọi là chấn tiêu (hoặc lị Động
đất). Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chấn tâm của động đất.

-

Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất , tức là khoảng
cách giữa chấn tiêu và chấn tâm. Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ
một điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là Δ).
Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn
tâm ( còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D).

-

Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình 60300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km. Chấn tiêu
sâu nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ). Động đất có sức tàn phá lớn


10

nhất là động đất chấn tiêu nơng, tồn bộ năng lượng được giải phóng là 75%
năng lượng đàn hồi tích lũy.
b) Biểu đồ động đất
Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất
bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m2/s), vận tốc (m/s). Biểu đồ
P

P

động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng
thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn.
c) Thang động đất và cấp động đất.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn
là các thang đo cơ bản sau:
Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được
tính bằng Magnitude (M). Một Magnitude bằng một độ Richter.
Cường độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả động
đất hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đất khi động
đất đi qua, xác định theo cấp động đất đại diện là các thang: MMI ( 12 cấp), MSK (
12 cấp), JMA (8 cấp)
Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp 1-2,
cấp 3-4 sẽ gây rung động nhẹ và cấp 6-7 làm chao đảo mặt đất, chấn động cấp 7 trở

lên sẽ gây thiệt hại lớn.
Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất
Cấp động

Magnitud

Năng lượng

Cấp năng

đất MSK

e

E (Jun)

lượng KD

I

1

107.2

7.20

1.00

2

1010.5

10.50

4.20

1.67

3

1011.1

11.10

IV

4.60

2.33

4

1011.7

11.70

V

4.80

3.00

5

1012

12.00

VI

5.30

3.67

6

1012.75

12.75

JMA

Merkaly

1.60

1.0

II

3.80

III

P

P

P

P

P

P


11

VII

5.60

4.33

7

1013.2

13.20

VIII

5.90

5.00

8

1013.65

13.65

IX

6.30

5.67

9

1014.25

14.25

X

6.60

6.33

10

1014.7

14.70

XI

6.90

7.00

11

1015.15

15.15

XII

7.30

7.00

12

1015.75

15.75

P

P

P

P

P

P

d) Gia tốc cực đại
Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất
trong trận động đất đó. Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan trọng, được dùng trong
tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay.
Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều khơng dễ dàng
vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chấn. Vì
vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết
lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng
khác của động đất.
Bảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất
Thang MSK-64
Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền (a)
g

Thang MM

Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền (a)
g

V

0,012-0,03

V

0,03-0,04

VI

>0,03-0,06

VI

0,06-0,07

VII

>0,06-0,12

VII

0,10-0,15

VIII

>0,12-0,24

VIII

0,25-0,30

IX

>0,24-0,48

IX

0,50-0,55

X

>0,48

X

>0,60

Đất nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất tương đối mạnh.
Theo Viện Vật Lý Địa Cầu, đất nước ta có bốn vùng động đất chính. Vùng động đất
thứ nhất là miền núi tây bắc bao gồm các tỉnh Sơn La, Lai Châu với cường độ động


12

đất M=6.8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thố sông Hồng với cường độ động đất M
= 6.2, Vùng động đất thư ba là vùng miền núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc
Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 6.0, Vùng động
đất cuối cùng là vùng phía nam của đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5 (
Xem biểu đồ phần vùng động đất)


13


14

1.4. Kết luận chương.
-

Trong chương 1 tác giả đã khái qt được tình hình xây dựng các cơng trình
thủy điện ở Việt Nam, cho thấy việc thiết kế và thi cơng ngày càng được
hồn thiện hơn, số lượng nhà máy và quy mơ cơng trình ngày càng nhiều.

-

Thấy được ưu nhược điểm và các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu khi xây
dựng nhà máy thủy điện đó là: nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối
lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong. Tồn 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, sửa chữa

-

Tổng quan nguyên nhân gây ra động đất, các khái niệm về động đất.


15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực
động đất
Khi tính tốn phản ứng động ta khơng thể mơ hình hóa tất cả các hệ kết cấu dưới
dạng hệ có một số bậc dao động tự do. Đại đa số các hệ kết cấu chịu lực của các
cơng trình xây dựng thường có mơ hình tính tốn gồm một số bậc tự do lớn hơn
một. Đó là các hệ kết cấu mà khối lượng của chúng có thể tập trung về một số bộ
phận nào đó sao cho sự làm việc thực của chúng về cơ bản khơng bị ảnh hưởng.
Nhưng hệ như vậy có tên gọi là hệ có khối lượng tập trung, hoặc hệ có khối lượng
rời rạc, hoặc thơng dụng hơn, hệ có nhiều bậc tự do.
Để xây dựng phương trình chuyển động của hệ kết cấu người ta có thể dùng
phương pháp lực (phương pháp ma trận độ mềm) hoặc phương pháp chuyển vị
(phương pháp ma trận độ cứng). Trong luận văn này tác giả giới thiệu phương pháp
chuyển vị để thiết lập phương trình chuyển động cho hệ kết cấu.
Dưới tác động của ngoại lực động F k (t) các khối lượng m k của hệ kết cấu sẽ có
R

R

R

R

các chuyển vị ngang x k(t) (k=1,2,..,k,…,n). Trên cơ sở của nguyên lý d’Alembert,

R

R

các chuyển vị này được xác định từ phương trình cân bằng động sau tại mỗi khối
lượng m k :
R

R

FQ ,k ( t ) + FC ,k ( t ) + FH ,k ( t ) =
Fk ( t )

(k=1,2,…,n)

(2.1)

Trong đó:
F Q.k (t) – Lực qn tính tác động lên khối lượng m k ;
R

R

R

R

F C.k (t) – Lực cản tác động lên khối lượng m k ;
R

R

R

R

F H.k (t) – Lực đàn hồi tác động lên khối lượng m k ;
R

R

R

R

2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính
Để xác định lực đàn hồi F H.k (t) tác động lên khối lượng m k ta giả thiết rằng tất
R

R

R

R

cả các bậc tự do của hệ kết cấu đều bị chốt lại (hình 2.1.b), sau đó lần lượt cho mỗi
bậc tự do một chuyển vị cưỡng bức x 1 (t), x 2 (t), …. x k (t)… x n (t). Trong điều kiện
R

R

R

R

R

R

R

R


16

này tại mỗi bậc tự do sẽ phát sinh ra lực đàn hồi. Bằng cách tháo chốt lần lượt các
bậc tự do và bắt chúng phải chịu chuyển vị cưỡng bức đúng bằng chuyển vị ngang
của hệ cho ở hình 2.1.a ta sẽ được các lực đàn hồi sau tại mỗi bậc tự do:
n

FH ,k ( t ) = −∑ rk , j x j ( t )
j =1

(k=1,2,……,n)

(2.2)

Trong đó:
r k,j là hệ số độ cứng hoặc phản lực đơn vị sinh ra khi chất tải liên tục

R

R

hệ kết cấu với các chuyển vị bằng đơn vị (hình 2.1.c).
2.1.2. Xác định lực cản
Để xác định lực cản F C.k (t) tác động lên khối lượng m k , như phần trên đã trình
R

R

R

R

bày, ta xem lực cản trong trường hợp này là lực cản nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ
chuyển động của hệ kết cấu. Do đó, tương tự như cách xác định lực đàn hồi F H,k (t) ,
R

R

ta xem mỗi hệ số cản bất kỳ c jk biểu diễn lực xuất hiện theo hướng bậc tự do j khi
R

R

khối lượng m k có tốc độ chuyển vị bằng đơn vị trong khi các khối lượng khác có
R

R

tốc độ bằng khơng (bị chốt lại), có nghĩa là

=
xk 1,=
x j 0( j ≠ k )

Hình 2.1: Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do


17

Trong trường hợp này lực cản được xác định theo công thức sau:
n

FC ,k ( t ) = −∑ ckj x j ( t )
j =1

(k=1,2,…n)

(2.3)

Thay các biểu thức ở (2.1); (2.2); (2.3) vào (2.0) ta được phương trình cân bằng
như sau:
n

n

mk 
xk ( t ) + ∑ ckj x j ( t ) + ∑ rk , j x j ( t ) =

Fk ( t )
=j 1 =j 1

(k=1,2,…n)

(2.4)

Hoặc dưới dạng ma trận:

[ M ]{x} + [C ]{ x} + [ K ]{ x} =
{F ( t )}

(2.5)

Trong đó:

Ma trận khối lượng

(2.6)

Ma hệ số cản Damping

(2.7)

Ma trận độ cứng

(2.8)

Vectơ gia tốc

(2.9)