Perilaku analisis perpindahan bendungan multi-lengkungan oleh MLSR

Kumpulan data perpindahan radial, periode 13 tahun (Mei 2006–Juli 2018, 624 observasi) dipilih untuk pemodelan. Observasi bulan Mei 2006 hingga November 2016 dipilih untuk pelatihan model, sedangkan observasi bulan Desember 2016 hingga Juli 2018 dipilih untuk pengujian model. Data perpindahan radial titik pengamatan (PL3, PL13-1, PL21), yang diambil sebagai titik tipikal, dipilih untuk pemodelan dan analisis. Mengingat termometer yang mengukur suhu beton hanya dipasang pada penopang 13, berdasarkan Persamaan. ( 7 ), model pemantauan kesehatan perpindahan HTT ( M 1 ) berdasarkan suhu beton yang diukur ditetapkan. Sedangkan untuk penopang No. 3, 21, model pemantauan kesehatan perpindahan HTT lainnya ( M 2) ditetapkan berdasarkan suhu udara dan suhu air yang diukur. Menurut langkah penyelesaian model MLSR, faktor dan koefisien optimal tercantum pada Tabel 1 . Dan parameter kinerja model pemantauan kesehatan bendungan berdasarkan MLSR tercantum pada Tabel 2 . Perpindahan yang diukur dan dimodelkan ditunjukkan pada Gambar  12 . Semua ini menunjukkan bahwa metode MLSR mempunyai kinerja yang baik dalam penyesuaian dan prediksi.

Tabel 1 Faktor optimal dan koefisien model MLSR.
Tabel 2 Parameter kinerja model MLSR.
Gambar 12
gambar 12

Tanggal pemantauan, hasil model MLSR untuk perpindahan radial di PL3, PL13-1 dan PL21.

Komponen tekanan air, komponen temperatur dan komponen penuaan titik pengamatan perpindahan (PL3, PL13-1) dihitung berdasarkan Persamaan. ( 2 )–( 6 ). Selanjutnya, kontribusi ketinggian air, suhu dan waktu terhadap amplitudo perpindahan tahunan juga diperoleh. Gambar  13menunjukkan kontribusi masing-masing komponen terhadap amplitudo tahunan perpindahan radial dari tahun 2007 hingga 2017. Terlihat bahwa: (1) Pada amplitudo tahunan perpindahan radial penopang No.3, komponen tekanan air menyumbang 4,13 –6,66%, komponen suhu menyumbang 91,89–94,37%, dan komponen penuaan menyumbang 1,3–1,5%, dengan nilai rata-rata masing-masing sebesar 93,11%, 5,45% dan 1,44%. (2) Pada amplitudo tahunan perpindahan radial penopang No.13, komponen tekanan air menyumbang 18,50–27,90%, komponen suhu menyumbang 69,58–79,82%, dan komponen penuaan menyumbang 1,21–3,43%, dengan nilai rata-rata masing-masing sebesar 22,58%, 74,65% dan 2,77%. (3) Perpindahan radial penopang di dasar sungai lebih dipengaruhi oleh tekanan air tetapi tidak terlalu dipengaruhi oleh suhu dibandingkan penopang di tepian sungai, dan pengaruh waktu terhadapnya hanya sedikit. (4) Perpindahan radial paling dipengaruhi oleh suhu, diikuti oleh ketinggian air dan waktu.

Gambar 13
gambar 13

Kontribusi ketinggian air, suhu dan waktu terhadap perpindahan radial.

Gambar  14 menunjukkan hubungan suhu udara dengan komponen suhu yang dipisahkan berdasarkan model HHT di PL13-1. Ini menggambarkan bagaimana suhu mempengaruhi perpindahan radial, yaitu puncak bergeser ke hilir ketika suhu naik, dan puncak bergeser ke hulu ketika suhu turun. Perubahan perpindahan radial tertinggal dari perubahan suhu udara. Di sini, pengaruh suhu merupakan kombinasi perubahan suhu pada lengkungan dan penopang. Namun jika dilihat secara terpisah, pengaruhnya terhadap perpindahan bendungan sangatlah berbeda.

Gambar 14
gambar 14

Komponen suhu diukur dan suhu udara pada PL13-1.

Sedangkan untuk lengkungan, ketika suhu naik, penopang terdorong ke hilir oleh gaya dorong yang disebabkan oleh ekspansi termal dari lengkungan yang terhubung (lih., Gambar 15 a  ) , sedangkan suhu turun, penopang ditarik ke atas karena penyusutan. lengkungan (lih. Gambar  15 b). Sedangkan untuk penopang, puncak penopang dipindahkan ke hulu ketika suhu naik (lihat Gambar  15 c), dan puncak penopang dipindahkan ke hilir ketika suhu turun (lihat Gambar  15 d), yang merupakan hal yang sama. untuk bendungan lengkung dan bendungan gravitasi.

Gambar 15
gambar 15

Pengaruh variasi suhu terhadap perpindahan radial: ( a,b) masing-masing adalah kenaikan dan penurunan suhu lengkungan; ( c,d) masing-masing adalah kenaikan dan penurunan suhu penopang.

Karena proporsi komponen tekanan air relatif kecil, komponen tekanan air yang dipisahkan dari model yang dibuat dengan menggunakan seluruh data menjadi bias. Oleh karena itu, untuk menyoroti pengaruh tekanan air pada perpindahan radial sebanyak mungkin, nilai terukur yang sesuai dengan suhu udara antara 20 dan 23 °C dipilih, dan komponen tekanan air dipisahkan dengan metode MLSR. Gambar  16 mencerminkan hubungan antara komponen tekanan air dan perubahan ketinggian air. Terlihat ketika level reservoir diatas H 0(113,92 m), perpindahan radial berkorelasi positif dengan tinggi muka air, yaitu puncaknya bergeser ke arah hilir seiring dengan naiknya muka air, dan sebaliknya. Ketika tinggi muka air berada di bawah H 0 , perpindahan radial berkorelasi negatif dengan tinggi muka air, yaitu puncaknya bergeser ke arah hulu seiring dengan menurunnya muka air.

Gambar 16
gambar 16

Hubungan tinggi muka air dengan komponen tekanan air pada PL13-1.

Alasannya adalah ketika ketinggian air lebih rendah ( H  <  H 0 ) (lih. Gambar  17 a), garis resultan aksi, yang diteruskan dari tekanan air hulu melalui lengkungan ke penopang, melewati hulu air. titik tengah permukaan pondasi penopang, timbul momen lentur berlawanan arah jarum jam, dan puncaknya bergeser ke arah hilir. Ketika ketinggian air lebih tinggi ( H  >  H 0 ) (lih. Gambar  17 b), garis aksi resultan melewati titik tengah permukaan pondasi penopang, momen lentur searah jarum jam dihasilkan, dan puncak dipindahkan ke hilir. .

Gambar 17
gambar 17

Pengaruh variasi ketinggian air terhadap perpindahan radial.

Mirip dengan analisis perpindahan radial, kontribusi ketinggian air, suhu dan waktu terhadap amplitudo perpindahan tangensial tahunan (PL13-1, PL21) dihitung berdasarkan model HTT. Rata-rata kontribusi masing-masing komponen dalam 11 tahun terakhir (2007 hingga 2017) ditunjukkan pada Gambar  18 . Terlihat bahwa: (1) Pada amplitudo tangensial perpindahan tangensial penopang No.13 dan 21, komponen suhu masing-masing menyumbang rata-rata 96,52% dan 98,50%, dan komponen penuaan menyumbang 3,48% dan 1,50 % rata-rata, masing-masing. (2) Perpindahan tangensial hampir seluruhnya disebabkan oleh suhu.

Gambar 18
gambar 18

Kontribusi rata-rata ketinggian air, suhu dan waktu terhadap perpindahan tangensial.

Arah tekanan air tegak lurus terhadap perpindahan tangensial, dan bendungan telah beroperasi selama bertahun-tahun, sehingga tekanan air dan waktu tidak banyak berpengaruh terhadap perpindahan tangensial. Pengaruh ekspansi dan kontraksi termal merupakan penyebab mendasar perpindahan tangensial bendungan. Ketika suhu turun, lengkungan tersebut mengecil sehingga menarik penopang pada kedua tepian ke tengah, sehingga penopang pada tepi kiri bergerak ke arah tepi kanan, sedangkan penopang pada tepi kanan bergerak ke arah tepi kiri. Apabila suhu naik maka badan bendungan memanas dan mengembang sehingga mendorong penopang ke tepian, sehingga penopang di tepi kiri bergerak ke arah tepi kiri, sedangkan penopang di tepi kanan bergerak ke arah tepi kanan.

Hasil analisis di atas memberikan gambaran bahwa suhu mempunyai pengaruh paling besar terhadap perpindahan. Oleh karena itu, pengamatan harus ditingkatkan pada saat suhu cenderung meningkat atau menurun secara tiba-tiba. Karena efek superimposisi perpindahan tangensial, perhatian lebih harus diberikan pada lengkungan di tepi kanan dan kiri jika terjadi keretakan. Bendungan multi-lengkungan Foziling adalah jenis struktur yang ringan dan tipis, perubahan suhu yang drastis pasti akan menyebabkan tekanan suhu yang besar. Kemudian, simulasi keadaan tegangan bendungan pada suhu yang bervariasi akan menjadi sangat penting untuk mengevaluasi lebih lanjut keamanan bendungan.

Analisis numerik perilaku tegangan bendungan multi-lengkungan

Model numerik

Model numerik metode elemen hingga (FEM) merupakan teknik yang efektif untuk mempelajari perilaku bendungan dan menyelidiki keamanan bendungan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar  19 , jaring elemen hingga tiga dimensi dari bendungan multi-lengkung Foziling dibuat, yang mencakup 508.094 elemen dan 568.417 node. Dalam simulasi numerik, model elastis digunakan untuk sistem pondasi bendungan, dan kondisi keamanan tegangan elemen dinilai dibandingkan dengan kuat tarik ijin dan kuat tekan yang diperoleh berdasarkan kode relatif.

Gambar 19
gambar 19

Model numerik bendungan Foziling.

Model MLSR menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan komponen tekanan dan suhu air, komponen penuaan sangat kecil dan cenderung stabil. Oleh karena itu, hanya variasi ketinggian air dan suhu yang dianggap sebagai beban utama setelah keadaan geostatis model.

Parameter beton badan bendungan dan batuan pondasi, yang menentukan kekuatan tegangan dan karakteristik deformasi, merupakan landasan penting untuk memperoleh hasil yang dapat diandalkan melalui pemodelan numerik. Parameter mekanik dan termodinamika yang sesuai 35 dalam simulasi FEM dirangkum dalam Tabel 3 .

Tabel 3 Parameter mekanik dan termodinamika untuk simulasi numerik.

Ketinggian air normal, tinggi muka banjir rencana, dan tinggi muka banjir periksa bendungan masing-masing adalah 125,56 m (di masa depan), 125,97 m, dan 129,97 m. Badan bendungan multi-lengkungan tipis dan bidang suhu terutama bergantung pada perubahan periodik suhu udara sekitar, sehingga tidak ada bidang suhu yang stabil di badan bendungan. Oleh karena itu, selisih antara suhu rata-rata bulanan maksimum dan suhu rata-rata tahunan selama periode operasi diambil sebagai beban kenaikan suhu. Selisih antara suhu rata-rata bulanan minimum dan suhu rata-rata tahunan diambil sebagai beban penurunan suhu. Prosedur simulasi numerik dapat dibagi menjadi tiga bagian: (1) Model perpindahan panas dibuat, di mana metode kesetaraan parameter 36digunakan untuk mensimulasikan lapisan isolasi termal. (2) Berdasarkan data yang diukur termasuk suhu air dan udara, bidang suhu tertinggi, bidang suhu terendah, dan bidang suhu kuasi-stabil diperoleh dengan menerapkan suhu batas yang berbeda. (3) Model ekspansi linier dibuat dengan mesh yang sama dengan model perpindahan panas. Setelah model mencapai keseimbangan di bawah gravitasi, tekanan air diterapkan pada permukaan hulu melalui pembebanan hidrostatik. Bidang suhu ditetapkan sebagai bidang yang telah ditentukan sebelumnya di setiap langkah penghitungan. Kemudian keamanan bendungan dievaluasi berdasarkan tegangan hasil simulasi numerik.

Analisis hasil numerik

Ketinggian air yang tinggi, suhu air yang tinggi, dan kenaikan dan penurunan suhu yang tiba-tiba merupakan kasus pembebanan yang merugikan bagi keamanan bendungan karena kerentanan suhu bendungan dan kapasitas penyimpanan yang kecil. Dalam simulasi, ketinggian penyimpanan normal pada 125,56 m, ketinggian banjir terkendali pada 129,96 m, serta suhu tinggi dan rendah dipertimbangkan. Di sini, suhu tinggi dan rendah mengacu pada rata-rata suhu maksimum dan minimum bulanan. Jadi, ada empat kombinasi pembebanan, yang tercantum pada Tabel 4 .

Tabel 4 Kombinasi pembebanan untuk simulasi numerik.

Diasumsikan tegangan tekan bernilai negatif dan tegangan tarik bernilai positif. Distribusi tegangan utama dalam kombinasi pembebanan (C1 dan C2) ditunjukkan pada Gambar. 20 dan 21 masing-masing, dimana penopang No.12 dan 13 diambil sebagai contoh. Hal tersebut dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar 20
gambar 20

Tegangan utama akibat pembebanan C1: ( a ) tegangan utama maksimum dan ( b ) tegangan utama minimum pada (i) lengkungan, (ii) penopang, (iii) penopang No. 12 dan (iv) penopang No. 13 (satuan: Pa).

Gambar 21
gambar 21

Tegangan utama akibat pembebanan C2: ( a ) tegangan utama maksimum dan ( b ) tegangan utama minimum pada (i) lengkungan, (ii) penopang, (iii) penopang No.12 dan (iv) penopang No.13 (satuan: Pa).

  1. Tegangan tarik di sebagian besar area lengkungan dan penopang lebih kecil dari tegangan tarik ijin (0,9 Mpa) beton bendungan di C1, kecuali untuk lengkungan No. 2 dan 22. Pada daerah tengah dan bawah penopang No. 12 dan 13 terjadi tegangan tarik. Karena keterbatasan pondasi, tegangan tarik maksimum pada penopang No. 12 dan 13 masing-masing mencapai 1,54 Mpa dan 1,55 Mpa (lihat Gambar 20 a),  melebihi tegangan tarik ijin, namun lebih kecil dari tegangan tarik ultimit ( 3,53 MPa). Hal ini juga terjadi di bagian bawah lengkungan.

  2. Tegangan tekan maksimum lengkungan No. 3–21 terutama terjadi pada ketinggian mendekati 1/3 kedalaman air di C1, dan nilai maksimumnya mencapai 3,54 Mpa, yang sangat mirip dengan distribusi tegangan tekan maksimum penopang. Tegangan tekan maksimum penopang No. 12 dan 13 masing-masing adalah 3,41 Mpa dan 3,46 Mpa (lihat Gambar 20 b), yang jauh lebih rendah daripada tegangan tekan izin (12,45 Mpa).

  3. Tegangan tarik lengkungan dan penopang umumnya menurun pada C2 dibandingkan dengan C1. Tegangan tarik yang lebih besar terjadi pada bagian tengah panel penopang bagian hulu, dan tidak ada satupun yang melebihi tegangan tarik ijin. Terlebih lagi, konsentrasi tegangan pada bagian kontak antara lengkungan dan pondasi menghilang, namun masih ada pada kaki penopang (lihat Gambar  21 a). Tegangan tekan maksimum penopang No. 12 dan 13 masing-masing sebesar 4,26 Mpa dan 4,14 Mpa.

  4. Tegangan tarik yang lebih besar terjadi pada bagian tengah puncak lengkungan No. 2 dan 22 pada C1 dan C2. Dan nilai maksimumnya masing-masing mencapai 1,46 Mpa dan 1,27 Mpa. Di dekat bagian bawah sisi lengkungan No. 2 dan 22 yang dihubungkan dengan bendungan gravitasi, tegangan tarik yang lebih besar (1,52 Mpa) terjadi pada C1, sedangkan tegangan tekan yang lebih besar (4,14 Mpa) terjadi pada C2.

Kasus beban khusus juga diterapkan pada bendungan di C3 dan C4. Distribusi tegangan utama sangat mirip dengan C1 dan C2, namun nilai tegangan umumnya meningkat. Hal ini tidak terulang di sini. Tegangan tarik maksimum dan tegangan tekan maksimum tercantum pada Tabel 5 .

Tabel 5 Tegangan utama maksimum dan minimum pada C3 dan C4.

Akibat besarnya tegangan tarik yang terjadi di dekat puncak lengkungan No. 2 dan 22, serta pondasi lengkungan dan penopang di C1 dan C3, melebihi kuat tarik yang diijinkan, maka kasus beban tinggi muka air  +  suhu Drop dianggap sebagai kombinasi beban operasi yang paling tidak menguntungkan bagi keamanan bendungan.

Dibandingkan dengan tegangan yang disimulasikan sebelum perkuatan (35) , tegangan umumnya berkurang, yang menunjukkan bahwa keamanan bendungan meningkat. Area yang melebihi tegangan tarik yang diijinkan dianggap sebagai area rawan kerusakan, yang ditunjukkan dalam zona persegi panjang (lihat Gambar  20 dan 21). Karena sensitivitas bendungan multi-lengkungan terhadap suhu dan efek kumulatif deformasi, perpindahan tangensial penopang No. 2 dan No. 22 lebih besar daripada yang lain. Selain itu, salah satu ujung lengkungan No. 2 dan 22 dihubungkan dengan bendungan gravitasi, dan ujung lainnya dihubungkan dengan penopang. Perbedaan kekakuan di antara keduanya begitu besar sehingga ujung yang terhubung ke bendungan gravitasi lebih terkekang dan terkena gaya yang lebih besar. Oleh karena itu, jika ketinggian air dan suhu terus berubah, retakan lelah cenderung terjadi pada lengkungan No. 2 dan 22. Akibatnya, lengkungan No. 2 dan 22 serta bagian bawah lengkungan dan penopang dianggap sebagai bagian lemah dari bendungan, dan perhatian lebih harus diberikan dalam patroli keselamatan.

Oleh karena itu, area lengkungan No. 2 dan 22 dari pondasi hingga ketinggian 127,46 m diperkuat dengan beton serat baja sebagai tulangannya. Area permukaan hulu dan hilir lengkungan serta perpanjangan kiri dan kanannya selebar 0,5 m, masing-masing dipertebal sebesar 0,15 m dan 0,1 m. Untuk daerah tegangan tarik yang besar pada muka beton bagian hulu dan dinding samping tiap penopang, dilakukan penyemprotan beton serat baja untuk penebalan dari bagian dalam penopang. Muka beton bagian hulu dipertebal 0,5 m, muka beton bagian bawah (di bawah elevasi 79,56 m) dipertebal 0,7 m, dan dinding samping kiri dan kanan dipertebal 0,4 m. Apalagi kuat tekan beton serat baja 48,0Mpa, kuat tarik 3,5Mpa, dan kuat rekat dengan beton lama 2,5–3,0Mpa 35. Proyek perkuatan ini dimaksudkan untuk mencegah keretakan.

Kesimpulan

Dalam studi ini, deformasi bendungan multi-lengkung Foziling dikarakterisasi berdasarkan data pemantauan. Kontribusi ketinggian air, suhu, dan waktu terhadap perpindahan radial bendungan diukur dengan model HTT dan metode MLSR. Kemudian dianalisis pengaruh karakteristik tekanan dan suhu air terhadap perpindahan. Akhirnya, model numerik dibuat untuk menyelidiki keadaan tegangan bendungan dalam berbagai kasus beban. Kesimpulan utama yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

  1. Bendungan multi-lengkung Foziling berada dalam keadaan elastis setelah perkuatan terakhir berdasarkan kinerja MLSR yang baik pada titik-titik pemantauan perpindahan tipikal. Pengaruh karakteristik ketinggian air dan suhu terhadap perpindahan bendungan diinterpretasikan dengan memisahkan variabel berdasarkan model HTT. Penopang dipindahkan ke hilir (hulu) ketika suhu naik (turun). Ketika tinggi muka air naik dari rendah ke tinggi, hubungan antara perpindahan dan tinggi muka air mula-mula bersifat negatif dan kemudian positif.

  2. Suhu memberikan kontribusi paling besar terhadap perpindahan radial penopang, diikuti oleh ketinggian air, dan waktu. Perpindahan tangensial hampir seluruhnya disebabkan oleh suhu. Dapat disimpulkan bahwa bendungan multi-lengkungan cukup sensitif terhadap fluktuasi suhu, dan fluktuasi suhu yang drastis merupakan faktor yang merugikan keamanan bendungan.

  3. Tegangan tarik yang lebih besar terutama terjadi di dekat puncak lengkungan No.2 dan 22 serta bagian bawah lengkungan dan penopang, terutama pada kasus beban suhu rendah dan ketinggian air tinggi. Selain itu, kerusakan akibat kelelahan dapat terjadi pada area dengan variasi tegangan yang besar, yang mungkin menyebabkan timbulnya retakan. Meskipun penerapan beton bertulang serat baja di wilayah tegangan tinggi dapat secara efektif mengurangi timbulnya retakan lelah, perhatian lebih harus diberikan pada bagian bendungan yang lemah.

  4. Hasil analisis perpindahan dan tegangan menggambarkan bahwa bendungan masih beroperasi dengan baik sejak perkuatan terakhir, dan efektivitas proyek perkuatan, memberikan landasan yang baik untuk pengoperasian di masa depan pada permukaan air yang lebih tinggi. Di sisi lain, hal ini juga menunjukkan bahwa metode yang diusulkan dalam makalah ini memiliki nilai untuk mempopulerkan teknik dan penerapan pada bendungan beton lainnya.