(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Lựa Chọn Kích Thước Của Bản Mặt Bê Tông Trong Đập Đá Đổ Bê Tông Bản Mặt Sông Cạn.pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.77 MB, 95 trang )
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ
của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập,
nghiên cứu và tìm tịi, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân đến nay đề tài “Nghiên
cứu lựa chọn kích thước của bản mặt bê tông trong đập đá đổ bê tơng bản mặt Sơng
Cạn” đã được tác giả hồn thành đúng thời hạn quy định.
Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo T.S Nguyễn
Kiên Quyết và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung
cấp các thơng tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin
chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo và cán bộ cơng nhân viên Phịng Đào tạo Đại
học & Sau đại học, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều
kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện đào tạo & Khoa học ứng
dụng miền Trung – nơi tác giả đang công tác; gia đình, bạn bè & đồng nghiệp đã động
viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản thân tác
giả cịn ít nên luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận
được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài của
luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Ninh Thuận năm 2017
HỌC VIÊN
Lưu Văn Kiên
i
BẢN CAM KẾT
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu trích dẫn, kết
quả nghiên cứu trong Luận văn là trung thực, chưa từng được người nào cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
HỌC VIÊN
Lưu Văn Kiên
ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1
II. Mục đích của đề tài .................................................................................................. 2
III.
Cách tiếp cận và phương pháp thực hiện ............................................................ 2
IV.
Kết quả đạt được .................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ ........................ 3
1.1.
Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tơng bản mặt trên thế giới .............................. 3
1.2.
Tình hình xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tơng ở việt nam ................................ 8
1.3.
Những thành tựu, tồn tại trong xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt ở Việt
Nam…………………………………………………………………………………...11
1.3.1. Những thành tựu ............................................................................................. 11
1.3.2. Những tồn tại .................................................................................................. 11
1.4.
Những vấn đề kĩ thuật trong thiết kế đập đá đổ bê tông bản mặt ...................... 12
1.4.1. Phân loại đập đá đổ bê tông bản mặt ............................................................. 12
1.4.1.1. Phân loại theo vật liệu đắp đập ........................................................................ 12
1.4.1.2. Phân loại theo chiều cao đập ........................................................................... 13
1.4.1.3. Phân loại theo cấp công trình .......................................................................... 13
1.4.2. Cấu tạo các bộ phận của đập đá đổ bê tông bản mặt .................................... 14
1.4.3. Điều kiện nền xây dựng đập CFRD ................................................................ 15
1.4.4. Vật liệu xây dựng đập ..................................................................................... 18
1.4.4.1. Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp ........................................................ 18
1.4.4.2. Vật liệu đá đắp thân đập .................................................................................. 19
1.4.5. Vấn đề ổn định trượt ....................................................................................... 20
1.4.6. Vấn đề ứng suất - biến dạng ........................................................................... 21
1.4.7. Vấn đề về thấm ................................................................................................ 21
1.4.8. Giải pháp kháng chấn cho thân đập ở vùng có địa chấn ............................... 21
1.5.
Tình hình chịu lực và đặc điểm của bản mặt bê tông [2] .................................. 22
1.6.
Kết luận chương 1 ............................................................................................. 24
1.6.1. Ưu điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt ........................................................ 24
1.6.2. Nhược điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt ................................................. 24
1.6.3. Kết luận ........................................................................................................... 25
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐẬP ĐÁ
ĐỔ BÊ TƠNG BẢN MẶT ............................................................................................ 26
2.1.
Các phương pháp chủ yếu tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng cho CFRD .. 26
2.1.1. Các phương pháp tính tốn ứng suất- biến dạng ........................................... 26
2.1.2. 2.2.2. Phương pháp tính tốn được lựa chọn để phân tích trong luận văn ... 27
2.2.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn [3] ..................................... 27
2.2.1. Trình tự giải bài tốn bằng phương pháp PTHH ........................................... 28
iii
2.2.2. Giải bài toán phân bố ứng suất-biến dạng trong thân đập và bản mặt bê tông
bằng phương pháp PTHH ............................................................................................. 29
2.2.2.1.
Các giả thiết cơ bản và phiến hàm thế năng .............................................. 29
2.2.2.2.
Phần tử tứ diện và hàm xấp xỉ bậc nhất ..................................................... 31
2.2.2.3.
Phần tử tấm hình chữ nhật .......................................................................... 34
2.3.
Tổng quan về phần mềm SAP2000 [4] ............................................................. 37
2.3.1. Phần mềm SAP2000 và những ưu điểm ......................................................... 37
2.3.2. Bài toán hình khối (Solid) ............................................................................... 38
2.3.2.1. Khái niệm về bài tốn khối ............................................................................... 38
2.3.2.2. Một số quy ước về phần tử khối ....................................................................... 38
2.3.3. Trình tự giải bài tốn kết cấu bằng SAP2000 V14 ......................................... 40
2.4.
Kết luận chương ................................................................................................ 40
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC BẢN MẶT VÀ ÁP DỤNG
CHO ĐẬP SÔNG CẠN ................................................................................................ 41
3.1.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố tới đập bản mặt................................... 41
3.1.1. Mơ hình tính tốn............................................................................................ 41
3.1.2. Tải trọng và tổ hợp tải trọng .......................................................................... 42
3.1.3. Ảnh hưởng của chiều cao đập ........................................................................ 42
3.1.3.1. Các tham số tính tốn ....................................................................................... 42
3.1.3.2. Kết quả tính toán .............................................................................................. 42
3.1.4. Ảnh hưởng của nhân tố nền ............................................................................. 46
3.1.4.1. Các tham số tính tốn ....................................................................................... 46
3.1.4.2. Kết quả tính tốn .............................................................................................. 47
3.1.5. Ảnh hưởng của mái đập .................................................................................. 51
3.1.5.1. Các tham số tính tốn ....................................................................................... 51
3.1.5.2. Kết quả tính tốn .............................................................................................. 52
3.2.
Xây dựng mối tương quan giữa chiều rộng bản mặt và chiều cao của đập......... 56
3.2.1. Các tham số tính tốn ..................................................................................... 56
3.2.2. Kết quả tính tốn ............................................................................................ 57
3.3.
Áp dụng cho đập đá đổ bê tông bản mặt Sơng Cạn .......................................... 60
3.3.1. Giới thiệu cơng trình [5] ................................................................................. 60
3.3.1.1. Vị trí địa lý ........................................................................................................ 60
3.3.1.2. Nhiệm vụ ........................................................................................................... 60
3.3.1.3. Quy mơ cơng trình ............................................................................................. 60
3.3.1.4. Chỉ tiêu cơ lý của đá đắp đập và nền................................................................. 62
3.3.2. Tính tốn lựa chọn kích thước bản mặt ........................................................... 62
3.3.2.1. Phạm vi tính tốn .............................................................................................. 62
3.3.2.2. Tham số hình học và sơ đồ tính tốn ................................................................. 62
3.3.2.3. Phân tích kết quả tính tốn ................................................................................ 64
3.4.
Kết luận chương ................................................................................................ 67
iv
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 68
1. Những kết quả đạt được của luận văn ....................................................................... 68
2. Những kết luận của luận văn ..................................................................................... 68
3. Những tồn tại của luận văn ........................................................................................ 69
4. Những kiến nghị của luận văn ................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 70
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 71
v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Tồn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđơnêxia .................................................. 5
Hình 1.2. Mặt cắt đập Cirata cao 125m ........................................................................... 6
Hình 1.3. Đập Kanaviou - Cyprus ................................................................................... 6
Hình 1.4. Tồn cảnh đập Toulnustouc cao 77m - Canada .............................................. 6
Hình 1.6. Tồn cảnh thuỷ điện Tun Quang nhìn từ hạ lưu .......................................... 9
Hình 1.7. Mặt cắt đại điện cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt.............................. 10
Hình 1.8. Vai phải đập đá đổ bê tơng Bản mặt Cửa Đạt tháng 2/2008 ......................... 10
Hình 1.9. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng đá cứng .................................................... 12
Hình 1.10. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi .................................................. 12
Hình 1.11. Mặt cắt ngang điển hình của đập đá đắp bê tơng bản mặt .......................... 14
Hình 1.12. Bố trí vùng tầng đệm đặc biệt...................................................................... 15
Hình.1.13. Khớp nối dọc bị ép vỡ ở đập Mohale (Lesotho, Châu Phi) ......................... 23
Hình 2.1. Màn hình khởi động của phần mềm SAP2000 .............................................. 37
Hình 2.2. Phần tử khối trong SAP2000 ......................................................................... 38
Hình 2. 3. Phần tử khối trong SAP2000 ........................................................................ 39
Hình 2.4. Phần tử khối 6 mặt và khối 5 mặt .................................................................. 39
Hình 3.1. Sơ đồ tính tốn cho một một dải bản mặt khối đá đổ .................................... 41
Hình 3.2. Mơ hình tính toán cho một một dải bản mặt khối đá đổ ............................... 41
Hình 3.3. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao
đập 40m. ........................................................................................................................ 43
Hình 3.4. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao
đập 60m. ........................................................................................................................ 44
Hình 3.5. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao
đập 80m. ........................................................................................................................ 45
Hình 3.6. Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt. 46
Hình 3.7. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có
E = 2*104 T/m2 .............................................................................................................. 48
Hình 3.8. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có
E = 1*105 T/m2 .............................................................................................................. 49
Hình 3.9. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có
E = 1,8*105 T/m2 ........................................................................................................... 50
Hình 3.10. Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt.51
vi
Hình 3.11. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số
mái mTL=1,30; m=1,25 .................................................................................................. 53
Hình 3.12. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số
mái mTL=1,40; m=1,35 .................................................................................................. 54
Hình 3.13. Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số
mái mTL=1,50; m=1,45 .................................................................................................. 55
Hình 3.14. Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt.56
Hình 3.15. Biểu đồ ứng suất chính S11 lớn nhất ............................................................ 58
Hình 3.16. Biểu đồ ứng suất chính S22 lớn nhất ............................................................ 58
Hình 3.17. Biểu đồ ứng suất chính S33 lớn nhất ............................................................ 59
Hình 3.18. Cắt ngang đập điển hình .............................................................................. 61
Hình 3.19. Cắt ngang đập điển hình .............................................................................. 63
Hình 3.20. Phổ màu ứng suất chính S1 ......................................................................... 64
Hình 3.21. Phổ màu ứng suất chính S2 ......................................................................... 64
Hình 3.22. Phổ màu ứng suất chính S3 ......................................................................... 65
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Một số đập trên thế giới cao trên 100m .......................................................... 4
Bảng 1-2. Đập đá đổ bản mặt đang xây dựng cao trên 100m ở Trung Quốc .................. 7
Bảng 1-3. Cấp cơng trình theo chiều cao đập và tính chất nền [1] ............................... 13
Bảng 1-4. Tên đất đá theo phân loại của Nga ............................................................... 16
Bảng 1-5. Sức kháng nén của vật liệu đá ứng với chiều cao đập .................................. 19
Bảng 1-6: Hệ số mềm hóa cho phép của vật liệu đá ..................................................... 20
Bảng 3-1. Tham số hình học của đập ............................................................................ 42
Bảng 3-3. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.1 (Hđ = 40m) ...................... 43
Bảng 3-4. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.2 (Hđ = 60m) ...................... 43
Bảng 3-5. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.3 (Hđ = 80m) ...................... 44
Bảng 3-6. Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới ................................................... 45
Bảng 3-7. Tham số hình học của đập ............................................................................ 46
Bảng 3-8. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền ........................................................... 47
Bảng 3-9. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.1 nền có E = 2*104 T/m2 .... 47
Bảng 3-10. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.2 nền có E = 1*105 T/m2 .. 48
Bảng 3-11. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.3 nền có E = 1,8*105 T/m249
Bảng 3-11. Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới ................................................. 50
Bảng 3-12. Tham số hình học của đập .......................................................................... 51
Bảng 3-13. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền ......................................................... 52
Bảng 3-15. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH3.2 hệ số mái mTL=1,40; mHL
=1,35 .............................................................................................................................. 53
Bảng 3-16. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH3.3 hệ số mái mTL=1,50;
mHL=1,45 ....................................................................................................................... 54
Bảng 3-17. Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới ................................................. 55
Bảng 3-18. Tham số hình học của đập .......................................................................... 56
Bảng 3-20. Ứng suất chính lớn nhất .............................................................................. 57
Bảng 3-21. Chỉ tiêu cơ lý của đá đắp đập và nền .......................................................... 62
Bảng 3-22. Tham số hình học của đập .......................................................................... 63
Bảng 3-23. Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ................................................................ 65
viii
BẢNG VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
ALN:
Áp lực nước
BNNPTNT:
Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
CFRD (Concrete Face Rockfill Dams): Đập đá đổ bê tông bản mặt
DEAD:
Trọng lượng bản thân
PTHH:
Phần tử hữu hạn
QCVN:
Quy chuẩn Việt Nam
ƯSBD:
Ứng suất biến dạng
VLĐP:
Vật liệu địa phương
ix
MỞ ĐẦU
I.
Tính cấp thiết của đề tài
Các đập đá đổ ở nước ta và trên thế giới thường được xây dựng bằng hình thức: thân
đập là đá đổ và chống thấm là tường nghiêng hoặc lõi giữa bằng đất sét hoặc bê tông
atphal. Tuy nhiên khi nguồn vật liệu làm kết cấu chống thấm khan hiếm hoặc ở vùng
thời tiết không thuận, mưa nhiều, yêu cầu tiến độ thi công nhanh, hoặc cần giảm cơng
trình dẫn dịng bằng cách cho tràn qua mặt đập xây dở, … thì hình thức đập đá đổ
chống thấm bằng lõi giữa hoặc tường nghiêng khơng cịn phù hợp nữa mà thay thế vào
đó là đập đá đổ chống thấm bằng lớp bê tông bản mặt.
Đập đá đổ chống thấm bằng bê tông bản mặt (Concrete Face Rockfill Dams) được xây
dựng đầu tiên vào năm 1985 tại Mỹ, đã dần thay thế các đập đá đổ truyền thống. Với
những ưu điểm nổi bật của mình, nó đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển
từ lâu, đặc biệt là Trung Quốc, Nga, Mỹ và ngày càng được hồn thiện về phương
pháp tính tốn cũng như phương pháp xây dựng. Ưu điểm chính của loại đập này là thi
công nhanh, giảm khối lượng đắp đập, áp dụng cho các đập có chiều cao lớn, có thể
cho nước tràn qua mặt đập đang xây dựng, chủ động trong thi công nên rút ngắn được
thời gian xây dựng cơng trình, giảm được giá thành và đạt hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên
để đảm bảo được chất lượng và lợi thế của CFRD địi hỏi trình độ tổ chức thi công khá
cao, trang thiết bị xe máy phải đồng bộ, đồng thời trong công tác khảo sát, thiết kế
cũng phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe, đặc biệt là việc xử lý đúng đắn bản chân
và phân khe dọc của bản mặt nhằm đảm bảo việc kín nước và ổn định bền vững khi
bản mặt bị chuyển dịch và biến dạng.
Đập đá đổ bê tông bản mặt là một loại hình thức đập tương đối mới đối với Việt Nam.
Trong tính tốn thiết kế loại hình đập này điều quan trọng chủ yếu là khống chế biến
dạng của bản mặt bê tông nhằm đảm bảo an toàn chống thấm và độ bền tránh phát sinh
vết nứt. Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là trong tính tốn kỹ thuật, thơng thường quan
niệm bản mặt bê tông được ngàm chặt vào nền và được tựa lên khối đá đổ được đầm
chặt theo u cầu. Chính vì vậy nên trong quá trình làm việc xảy ra hiện tượng chuyển
vị không đều giữa các loại vật liệu khác nhau. Chính sự chuyển vị khơng đều này dẫn
1
đến biến dạng cục bộ gây mất ổn định cho cơng trình. Với sự phát triển của cơng nghệ
tính tốn thiết kế hiện nay đã dần mô phỏng được liên kết giữa bản mặt bê tông và
thân đập bằng đá đổ nhằm tiếp cận sát với thực tế quá trình làm việc của đập đá đổ bê
tông bản mặt.
Nội dung đề tài này tiến hành nghiên cứu mô phỏng đầy đủ các liên kết giữa các bộ
phận trong đập nhằm tìm ra kích thước bản mặt bê tơng một cách hợp lý nhất về điều
kiện chịu lực, một trong những nội dung chính trong cơng tác thiết kế và thi cơng quan
tâm - với mong muốn góp phần phát triển vào việc xây dựng mạnh mẽ loại hình đập
này ở Việt Nam hiện nay.
II. Mục đích của đề tài
Bản mặt bê tông là phần hết sức quan trọng của đập đá đắp chống thấm bằng bê tơng
bản mặt. Nó có tác dụng ngăn nước dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu. Vì vậy, vấn đề
bảo đảm sự làm việc bình thường, khơng phát sinh các hư hỏng của bản mặt và để giữ
ổn định tổng thể cho cả đập đá đổ bê tông bản mặt là rất quan trọng. Mục đích của
luận văn này là sử dụng các phương pháp tính tốn hiện đại để phân tích ứng suất, biến
dạng và sự ổn định của đập đá đổ bê tơng bản mặt, từ đó đưa ra các kiến nghị về kích
thước của tấm bê tơng bản mặt một cách hợp lý.
III. Cách tiếp cận và phương pháp thực hiện
Việc phân tích điều kiện làm việc đồng thời của bản mặt bê tông và đập đá đắp được
nghiên cứu dựa trên phương pháp Phần tử hữu hạn.
Việc xác định kích thước hợp lý của các tấm bê tông bản mặt dựa vào các lý thuyết
của sức bền vật liệu, kết cấu bê tông cốt thép, địa kỹ thuật.
IV. Kết quả đạt được
Khái quát được tình hình xây dựng đập đá đổ bê bản mặt trên thế giới và Việt Nam;
Nắm vững được các u cầu kỹ thuật tính tốn đập đá đổ bê tông bản mặt;
Xác định được mối tương quan giữa chiều dày và chiều rộng bản mặt theo điều kiện
chịu lực.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ
Đập đá đổ là một loại đập vật liệu địa phương do phần lớn khối lượng đắp là vật liệu
được khai thác tại chỗ (khai thác ở mỏ vật liệu gần cơng trình hoặc đá đào móng hoặc
sỏi đá tự nhiên). Việc bố trí các loại vật liệu trong mặt cắt đập là rất quan trọng. Nó
quyết định đến tính ổn định trong quá trình làm việc của đập và nhất là tính kinh tế của
dự án. Hiện nay mặt cắt đập đá đổ ngày càng phức tạp và được phân ra nhiều vùng. Tuỳ
theo việc phân bố ứng suất trong thân đập, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của các
vùng trong thân đập và căn cứ vào khả năng khai thác vật liệu trong vùng mà mặt cắt
ngang của đập sẽ được tính tốn để chọn ra mặt cắt hợp lý nhất. Người ta thường tận đất
đá đào hố móng cơng trình để đắp vào một phần thích hợp của đập. Đập đá đắp bê tông
bản mặt là một dạng đập trong nhóm đập đá đổ.
1.1. Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt trên thế giới
Đập đá đổ bản mặt bê tơng có lịch sử phát triển từ rất lâu đời, cách đây khoảng hơn 1
thế kỷ các nước đã nghiên cứu xây dựng loại đập này. Năm 1895 loại đập này lần đầu
tiên được xây dựng ở California (Mỹ). Tuy nhiên phải từ những năm 1980 trở đi kiểu
đập này mới phát triển mạnh mẽ, do công nghệ thi công đắp đá đầm nén phát triển.
J.Barry Cooke là người đầu tiên nghiên cứu loại đập bản mặt bê tông hiện đại vào năm
1984 và vào năm 1989 ICOLD đã có những khuyến nghị về kiểu đập này. Từ đó loại
đập này được nhiều nước mạnh dạn áp dụng nhất là Trung Quốc, Mỹ, Anh, Ấn Độ,
Nga, Nhật .... Ở Châu Á đập đá đổ bản mặt bê tông được áp dụng xây dựng cho nhiều
cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện lớn ở Trung Quốc. Trung Quốc đã có được những nghiên
cứu và thành công nhất định trong lĩnh vực xây dựng đập loại này. Hiện nay đây là một
trong các loại đập đang phát triển mạnh nhất trên thế giới.
Đập đá đổ bản mặt bê tông là loại đập cải tiến của đập đá đổ truyền thống (thường được
chống thấm bằng tường nghiêng hoặc lõi giữa là đất sét). Mái của đập loại này tương
đối dốc (1:1,0 ~ 1:1.5) do đó tiết kiệm được một lượng lớn vật liệu đắp đập so với đập
đá đổ truyền thống. Đập đá đổ bản mặt bê tông thường áp dụng cho các loại đập cao
(H>40m) và đặt trên nền đá. Việc thiết kế các đập đá đổ bản mặt bê tông ban đầu chủ
yếu dựa trên kinh nghiệm và được hiệu chỉnh dần.
3
Đến nay việc tính tốn thiết kế đập đá đổ bản mặt bê tơng đã dần được hồn chỉnh. Đập
đá đổ bản mặt bê tông đã được áp dụng ở nhiều nơi và áp dụng cho cả những đập cao tới
187m.
Đến cuối năm 2008 theo thống kê của hội đập đá đổ bê tơng bản mặt Thế giới thì trên
thế giới đã xây dựng được khoảng 200 đập có chiều cao lớn hơn 100m, trong đó có 20
đập cao hơn 150m. Các đập điển hình được thống kê trong bảng sau (xem Bảng 1-1):
Bảng 1-1. Một số đập trên thế giới cao trên 100m
Tên đập
TT
Tên nước
1
Aguamilpa
Mexico
2
Akbu
Venezuela
3
For do Areia
4
Chiều cao đập
(m)
Chiều dài
đập (m)
187
160.5
150
Braxin
160
828
NewExchquer
Mỹ
150
427
5
Myxukhơla
Hy Lạp
150
560
6
Sauvaxira
Colombia
148
362
7
Segrado
Braxin
145
705
8
Anto Anchicaya
Colombia
140
280
9
Xingo
Nam Tư
140
850
10
Aman
Anbani
133
450
11
Khao lan
Thái Lan
130
1000
12
Xello
Nigeria
130
560
13
Clylass
Colombia
127
110
14
Xila
Indonexia
125
453
15
Yta
Nam Tư
125
780
16
Recce
Úc
122
360
17
Tumili
Venezuela
115
650
18
Poltala
Bồ Đào nha
112
540
19
Cetnana
Úc
110
113
20
Uluai
Malaixia
110
580
4
21
Thuỷ bộ á
Hồ Bắc
22
Tam bản khê
23
233
584
Quế Châu
185.5
424
Hồng Gia Bộ
Quế Châu
182.3
465
24
Thiện gia bình
Hồ Bắc
180
25
Tham khang
Triết Giang
161
506
26
Tài binh bổ
Tứ Xuyên
159
638
27
Đại liệu thụ
Ninh Hạ
156
770
28
Hương thuỵ đông
An Huy
153
516
29
Cát lâm đài
Tân Cương
152
392
30
Than khẩu
Sơn Tây
140
1150
31
Va u sơn
Tứ xun
140
32
Cơng bạch kh
Thanh Hải
130
Một số hình ảnh của đập CFRD trên thế giới.
Hình 1.1. Tồn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđônêxia
5
423
Hình 1.2. Mặt cắt đập Cirata cao 125m
Hình 1.3. Đập Kanaviou - Cyprus
Hình 1.4. Tồn cảnh đập Toulnustouc cao 77m - Canada
6
So với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt, Trung Quốc
tuy bước đầu tiên hơi chậm nhưng khởi điểm rất mạnh và phát triển nhanh. Chỉ trong
vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc. Đến cuối năm 1998, căn cứ vào thống kê chưa
đầy đủ ở Trung Quốc đã hoàn thành 39 đập, đập cao nhất là đập thuỷ điện Bạch Vân
tỉnh Hồ Nam, xây dựng năm 1998, cao 120m. Hiện nay ở Trung Quốc đập CFRD cao
trên 100m đang xây dựng có hơn 20 đập (xem bảng 1.2).
Bảng 1-2. Đập đá đổ bản mặt đang xây dựng cao trên 100m ở Trung Quốc
TT
Tên đập
Địa điểm
xây dựng
Chiều cao
đập (m)
Chiều dài
đập (m)
Khối lượng
đập (105m3)
233
584
1455
1
Thuỷ Á Bộ
Hồ Bắc
2
Tam Bản Khê
Quế Châu
185,5
424
991
3
Hồng Gia Bộ
Quế Châu
182,5
465
1007
4
Thiện Gia Bình
Hồ Bắc
180
5
Thẩm Khang
Triết Giang
161
506
1000
6
Tài Binh Bổ
Tứ Xuyên
159
638
1167
7
Đại Liêu Thụ
Ninh Hạ
156
770
1450
8
Hương Thuỷ Đông An Huy
153
516
257
9
Cát Lâm Đài
Tân Cương
152
392
920
10
Than Khẩu
Sơn Tây
140
1150
2395
11
Va U Sơn
Tứ Xuyên
140
12
Công Bạch Khuê
Thanh Hải
130
423
455
13
Chè Miên
Phú Kiến
126
478
342
14
Phan Khẩu
Hồ Bắc
123
322
346
15
Ngũ Thiếu
Trương
Kháng
110
220
163
16
Linh Thiên
Hồ Nam
110
261
250
17
Soang Câu
Cát Lâm
109,7
312
258
18
Thiên Thuỷ
Hồ Nam
102,5
313
172
7
19
Bàn Thạch Đầu
Hà Nam
20
Tích Thạch Gi
Thanh Hải
100,8
558
529
100
348
288
1.2. Tình hình xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông ở việt nam
Đập đá đổ bản mặt bê tông mới được du nhập vào Việt Nam trong những năm gần đây
và đã được áp dụng cho một số cơng trình như: cơng trình Thủy điện Tun Quang
(2002), cơng trình Thủy lợi - Thủy điện Rào Qn (Quảng Trị, 2002) và cơng trình
Thủy lợi - Thủy điện Cửa Đạt (Thanh Hố, 2004), cơng trình thủy điện An Khê &
Kanak (Gia Lai 2009) và đập Sông Bung 2 (Quản Nam, đang xây dựng). Các ngun lý
tính tốn và qui phạm áp dụng để thiết kế và thi cơng những cơng trình này thường dựa
vào các qui phạm và kinh nghiệm đã áp dụng thành cơng cho các cơng trình cùng loại
của Trung Quốc và Nga.
Đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vào
nước ta. Tuy nhiên nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so với
các loại đập khác nhất là với các loại đập cao. Với công nghệ và trang thiết bị thi công
ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong q trình thi cơng đập đá bê tông bản
mặt chống thấm sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát
triển ở nước ta. Chúng ta hi vọng hàng loạt các cơng trình đập đá đổ bê tơng bản mặt sẽ
được xây dựng rộng rãi ở trong nước.
Thông số kỹ thuật của một số cơng trình đá đổ bê tơng bản mặt đang được xây dựng.
- Cơng trình thuỷ điện Tuyên Quang.
+ Chiều dài đập theo đỉnh :
717,9 m
+ Chiều cao đập lớn nhất :
92,2 m
+ Chiều rộng đỉnh đập :
10 m
+ Mực nước dâng trung bình :
36 m
+ Dung tích hồ chứa nước :
2.245 tỷ m3
+ Số tổ máy :
3
+ Công suất thiết kế :
342 MW
+ Loại đập :
Đá đổ bê tông bản mặt
8
+ Thời gian thi cơng :
5 năm
Hình 1.6. Tồn cảnh thuỷ điện Tun Quang nhìn từ hạ lưu
- Cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt.
+ Loại đập:
Đập đá đổ bê tơng bản mặt.
+ Cao trình đỉnh đập:
122,7m
+ Cao trình đỉnh tường chắn sóng:
123,53m
+ Chiều cao đập lớn nhất:
103,0m
+ Chiều dài đỉnh đập:
740,0m
+ Thời gian thi công:
2004 - 2009
9
Hình 1.7. Mặt cắt đại điện cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt
Hình 1.8. Vai phải đập đá đổ bê tông Bản mặt Cửa Đạt tháng 2/2008
- Công trình thủy điện An Khê & Kanak.
+ Loại đập (cụm Kanak):
Đập đá đổ bê tông bản mặt.
+ Chiều rộng đỉnh đập :
10 m
+ Dung tích hồ chứa nước :
300 triệu m3
+ Số tổ máy :
3
+ Công suất thiết kế :
173 MW
+ Thời gian thi công :
2005-2009 năm
10
1.3. Những thành tựu, tồn tại trong xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt ở Việt
Nam
1.3.1. Những thành tựu
Việt Nam là một trong những nước có nhiều đập VLĐP. Tuy nhiên đại đa số là đập có
chiều cao H<40m thuộc loại đập thấp. Đập VLĐP được xây dựng nhiều nhất là ở khu
vực miền Trung và Tây Nguyên, hầu hết các cơng trình trên đều là đập đất đồng chất,
hoặc đập đất nhiều khối.
Đập đá đổ nói chung và đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm nói riêng được xây
dựng ở nước ta cịn ít so với đập đất, tuy nhiên những cơng trình sử dụng loại đập này
đều loại đập cao như Ialy, Hịa Bình, Đa Mi-Hàm Thuận (đập đá đổ hoặc đất đá hỗn
hợp), thuỷ điện Rào Quán (Quảng Trị), thuỷ điện Tuyên Quang, Hồ chứa nước Cửa Đạt
(đập CFRD) và nhiều dự án chuẩn bị đầu tư khác có chiều cao đập từ 50m đến hơn
100m.
Đập CFRD là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vào xây dựng ở nước ta. Tuy nhiên
nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so với các loại đập đá đổ
khác, nhất là với các loại đập cao. Với công nghệ và trang thiết bị thi công ngày càng
hiện đại, các khó khăn phát sinh trong q trình thi cơng đập đá đổ bê tông bản mặt
chống thấm sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát
triển ở nước ta. Từ thành công và những kinh nghiệm rút ra từ công tác khảo sát, thiết kế
và thi cơng trong các cơng trình CFRD như Rào Quán, Tuyên Quang, Cửa Đạt, chúng ta
hi vọng hàng loạt các cơng trình sử dụng CFRD sẽ được xây dựng rộng rãi ở Việt Nam.
1.3.2. Những tồn tại
CFRD là loại đập mới (nhất là ở nước ta) nên các lý thuyết tính tốn chưa thật hồn
chỉnh, kinh nghiệm xây dựng đập loại này còn rất thiếu.
Nhiều bộ phận của đập thường được chọn theo kinh nghiệm của nước ngồi hoặc tính
tốn bằng mơ hình 2D và cơng cụ thơ sơ nên chưa phản ánh đúng tình hình làm việc của
đập, chưa tiết kiệm được giá thành xây dựng đập.
Ở nước ta chưa có các tiêu chuẩn, qui phạm dành riêng cho các công tác khảo sát, thiết
kế và thi công đập loại này. Việc xây dựng đập loại này thường được tiến hành theo các
qui phạm và kinh nghiệm của nước ngoài.
11
1.4. Những vấn đề kĩ thuật trong thiết kế đập đá đổ bê tông bản mặt
1.4.1. Phân loại đập đá đổ bê tông bản mặt
1.4.1.1. Phân loại theo vật liệu đắp đập
Dựa vào vật liệu dùng để đắp đập người ta phân thành 2 loại là:
- Đập đá đổ bản mặt có thân đập được đắp bằng đá cứng, loại đập này thường được phân
vùng vật liệu theo mặt cắt ngang nh hỡnh 1.9:
11
5
8
3
6
7
9
2
10
1
4
1 (IA). Tầng phủ th-ợng l-u
5 (3A). Vùng quá độ
2 (IB). Vùng gia trọng
6 (3B). Vùng thân đập chính
3 (2A). Vùng tầng đệm
7 (3C). Vùng đá đổ hạ l-u
10 (3E). Vùng đá thải (thoát n-ớc chân đập)
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
8 (3D). Bảo vệ mái hạ l-u
11. Bản mặt bê tông
9. Vùng có thể biển động giữa vùng 6 và vùng 7
(dạng tam giác - góc ở đỉnh phụ thuộc vào vật liệu và chiều cao ®Ëp)
Hình 1.9. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng đá cứng
- Đập đá đổ bản mặt có thân đập được đắp bằng cuội sỏi, loại đập này thường được phân
vùng vật liệu theo mặt cắt ngang như hình 1.10.
11
5
3
10
8
6
7
6
9
2
12
1
4
1 (IA). Tầng phủ th-ợng l-u
5 (3A). Vùng quá độ
9 (3E). Đống đá tiêu n-ớc hạ l-u
2 (IB). Vùng gia trọng
6 (3B). Vùng thân đập chính(cuội sỏi)
10 (3F). Vùng tiêu n-ớc
3 (2A). Vùng tầng đệm
7 (3C). Vùng đá đổ hạ l-u( cuội sỏi)
11. Bản mặt bê tông
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
8 (3D). Bảo vệ mái hạ l-u
12. Tầng phủ nỊn ®Ëp
Hình 1.10. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi
Đập đá đổ bản mặt bê tông thân đập đắp bằng đá cứng thường có hệ số mái đập thượng,
hạ lưu (1:1,0 ~ 1:1,4) nhỏ hơn so với hệ số mái của thân đập đắp bằng cuội sỏi (1:1,5 ~
12
1:1,6). Tuy nhiên thân đập đắp bằng cuội sỏi thì dễ tận dụng vật liệu đào từ móng cơng
trình hoặc khai thác với giá thành rẻ hơn.
1.4.1.2. Phân loại theo chiều cao đập
Theo chiều cao đập, tiêu chuẩn thiết kế đập đất đá kiểu đầm nén (SDJ 218-84) của
Trung Quốc đã phân thành 3 loại:
- Đập thấp: chiều cao đập (H)<30m.
- Đập vừa: chiều cao đập (H) từ 3070m.
- Đập cao: chiều cao đập (H)>70m.
Ở đây chiều cao đập được tính từ đỉnh đập đến vị trí sâu nhất của nền sau khi đã dọn
sạch hố móng (với đập đá đổ bê tông bản mặt là nền bản chân).
1.4.1.3. Phân loại theo cấp cơng trình
Theo quy chuẩn Việt Nam (QCVN 04-05:2012/BNNPTNT) thì chiều cao đập đất đá
được xác định như ở sau (xem bảng 1-3).
Bảng 1-3. Cấp cơng trình theo chiều cao đập và tính chất nền [1]
Loại cơng trình
Loại đất
nền
Đập vật liệu đất, đất đá có chiều cao lớn
nhất, m
Cấp cơng trình
Đặc biệt
I
II
III
IV
A
> 100
>70 100
>25 70
>10 25
10
B
-
> 35 75
>15 35
>8 15
8
C
-
-
>15 25
>5 15
5
Đất nền chia thành 3 nhóm điển hình:
Nhóm A: Nền là đá.
Nhóm B: Nền là đất cát, đất hạt thơ, đất sét ở trạng thái cứng, nửa cứng.
Nhóm C: Nền là đất sét bão hòa nước ở trạng thái dẻo.
Chiều cao đập tính từ mặt đập đến vị trí nền thấp nhất sau khi dọn sạch móng.
Nhận xét: Vì đập đá đổ hầu như chỉ xây dựng trên nền đá (yêu cầu nền cao hơn đập đất)
do vậy cũng có thể hiểu đập cấp đặc biệt, I, là đập cao, đập cấp II, III là loại vừa, đập
cấp IV là đập thấp.
13
1.4.2. Cấu tạo các bộ phận của đập đá đổ bê tông bản mặt
Đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm CFRD có cấu tạo chính là khối đá cấp phối
đắp, đầm nén ở thân đập và phần bê tông cốt thép mác cao phủ trên bề mặt mái thượng
lưu để ngăn cản nước thấm qua đập. Khối đá đắp cũng được chia làm nhiều vùng khác
nhau như những đập đá đổ thông thường tuỳ thuộc vào các loại đá dùng trong thân đập.
Phần tiếp giáp giữa bê tông bản mặt và khối đá đắp là lớp đệm (dày từ 2m đến 3m) và
lớp chuyển tiếp (dày 4m). Hai lớp này được cấu tạo bằng cát cuội sỏi đầm chặt với cấp
phối phù hợp. Mặt cắt ngang điển hình ca CFRD cho Hỡnh 1.11.
11
5
8
3
6
9
7
2
10
1
4
1 (IA). Tầng phủ th-ợng l-u
5 (3A). Vùng quá độ
2 (IB). Vùng gia trọng
6 (3B). Vùng thân đập chính
3 (2A). Vùng tầng đệm
7 (3C). Vùng đá đổ hạ l-u
10 (3E). Vùng đá thải (thoát n-ớc chân đập)
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
8 (3D). Bảo vệ mái hạ l-u
11. Bản mặt bê tông
9. Vùng có thể biển động giữa vùng 6 và vùng 7
(dạng tam giác - góc ở đỉnh phụ thuộc vào vật liệu và chiều cao đập)
Hỡnh 1.11. Mt ct ngang in hỡnh của đập đá đắp bê tông bản mặt
Đá đắp trong thân đập thường được phân thành hai khối chính: khối đá đắp thượng lưu
và khối đá đắp hạ lưu. Khối đá đắp thượng lưu đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn khối đá
đắp hạ lưu (cường độ kháng nén lớn hơn 30Mpa cho khối thượng lưu, còn khối hạ lưu
chỉ yêu cầu bằng hoặc nhỏ hơn 30Mpa, có nơi đã dùng khối đá đắp hạ lưu có cường độ
kháng nén 10Mpa với điều kiện nằm trên mực nước hạ lưu). Phạm vi tiếp giáp hai khối
đá này có thể thay đổi tuỳ thuộc tính chất của từng cơng trình: chiều cao đập, vật liệu
đắp đập, điều kiện nền v.v...Phần chân hạ lưu đập có thể bố trí khối đá đổ có kích thước
lớn hơn trong thân đập để tăng khả năng ổn định cho đập.
Bê tơng bản mặt có tác dụng chống thấm cho đập và được liên kết với nền qua bản chân.
Tại điểm tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân được bố trí khớp nối biên đảm bảo ngăn
dịng thấm khi có chuyển dịch giữa bản mặt và bản chân. Bản mặt cũng được chia làm
14
nhiều tấm bằng các khe lún (khớp nối) dọc để đảm bảo khơng phát sinh dịng thấm từ
thượng lưu về hạ lưu khi có sự chuyển dịch khác nhau giữa các tấm bản mặt.
Để đảm bảo cho sự ổn định của phần tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân, người ta bố trí
một tầng đệm đặc biệt ngay sau hạ lưu bản chân. Tầng đệm này được cấu tạo từ cát cuội
sỏi hoặc đá xay và được đầm nện chặt như tiêu chuẩn của lớp đệm dưới bản mặt. Ngồi
ra tầng đệm đặc biệt này cịn có tác dụng như một lớp lọc khi có sự cố của khớp nối giữa
bản mặt và bản chân (xem Hình 1.12).
2
3
4
5
1
CHÚ THÍCH: 1 - Bản chân; 2 - Bản mặt; 3 - Khớp nối biên;
4 (2A) - Vùng tầng đệm; 5 (2B) - Vùng tầng đệm đặc biệt.
Hình 1.12. Bố trí vùng tầng đệm đặc biệt
1.4.3. Điều kiện nền xây dựng đập CFRD
Về cơ bản, điều kiện để xây dựng CFRD cũng tương tự như đập đá đổ thơng thường.
CFRD địi hỏi phải thực hiện một khối lượng công tác đất đá lớn bao gồm: khai thác,
vận chuyển, đắp vật liệu vào thân đập. Đặc biệt đối với đập cao thì việc chuyển tải trọng
lên nền khá lớn cho nên đòi hỏi nền phải có đủ độ bền và ít biến dạng.
Theo quy phạm “SDJ 218-84” thì tổng độ lún của đập đá đổ không được lớn hơn 1%
chiều cao đập.
Với các lý do trên, điều kiện quyết định để xây dựng CFRD về định tính là: Đá nền đảm
bảo yêu cầu cần thiết, bị lún ít dưới tác dụng của tải trọng ngồi. Đập đá đổ có u cầu
của địa chất cao ở vị trí đặt lõi đập. Tất cả các đập đá đổ được xây dựng ở nước ta thì lõi
đều được đặt lên lớp đá IIA-IB, đối với đập loại vừa đến thấp hoặc vị trí sườn đồi có thể
15
đặt trên lớp IB-IA2, vật liệu đá đổ có thể đặt trên lớp IA2-IA1. Ở đây tên gọi của đất đá
theo hệ thống phân loại của Nga như liệt kê ở Bảng 1.4.
Bảng 1-4. Tên đất đá theo phân loại của Nga
Ký hiệu các
Các hệ thống phân loại
đới ĐC
Hệ thống
Nhóm
đá
Của Nga
Mô tả vắn
gãy
Hệ thống Q
(Banon)
(Bieniawski)
tắt các đặc Tron Trong
trưng của đá g khối đứt
đá
RMR
Gọi tên
theo biến
E (kG
/cm2)
dạng
CHU
Tên
Tên
Xếp
chất
Xếp
chất
loại
lượng
loại
lượng
đá
đá
2.02.02-85
Đất lẫn dăm
sạn, có chỗ
0
còn giữ được
cấu trúc của
9
d-eQ
d-eQ
IA1
IA1
Đất
V
Rất xấu
8
7
đá mẹ
Đá mềm yếu,
1
bị nứt nẻ và
ơxít sắt hóa
Cực kỳ
xấu
Đặc biệt
Xấu
Đá nửa
IA2
IB
5000
mạnh
cứng biến
dạng rất
IV
Xấu
6
Rất xấu
5
Xấu
mạnh
Đá cứng chắc
2
trung
bình,
phong
hóa
trung
bình
đến nhẹ, nứt
Đá biến
dạng
IB
IIA
15000
50000
nẻ rất mạnh,
mạnh
trung
bình
bị ơxits sắt
hố dọc theo
16
III
Trung
bình
