nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn ôphixêrốp và trụ pin van cung

Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với Đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng
của đập tràn Ôphixêrốp và trụ pin van cung” được hoàn thành với sự cố gắng nỗ
lực của bản thân tác giả và sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo, cơ quan và
gia đình, b
ạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Vũ
Thành Hải 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, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau
đại học, khoa Công 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 hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường
xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.



Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2013
Tác giả luận văn





Nguyễn Tuấn Đức

Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của Đề tài 1
2. Mục đích của Đề tài 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2
CHƯƠNG 1 3
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN 3
1.1. Các loại đập tràn 3
1.1.1. Phân loại theo hình dạng cửa tràn 6
1.1.2. Phân loại theo chiều dày đỉnh đập tràn 7
1.1.3. Phân loại theo hình dạng ngưỡng tràn trên mặt bằng 11
1.1.4. Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu 12
1.2. Tổng quan về tính toán kết cấu đập tràn 13
1.2.1. Các phương trình cơ bản 13
1.2.2. Phương pháp sức bền vật liệu 15
1.2.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi 17
1.2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 21
1.3. Ảnh hưởng của nền đến sự phân bố ứng suất thân đập tràn 23
CHƯƠNG 2 25
CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN 25
2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn 25
2.1.1. Các nguyên lý công khả dĩ 25
2.1.2. Thế năng biến dạng 27

2.1.3. Nguyên lý cực tiểu thế năng 28
2.2. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn 29
2.3. Tính toán kết cấu với mô hình tương thích 30
2.4. Cấu tạo đập tràn Ôphixêrốp 35
CHƯƠNG 3 39
ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA NỀN TỚI TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP TRÀN VÀ TRỤ PIN VAN CUNG HỒ CHỨA NƯỚC MỸ LÂM.39
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
3.1. Giới thiệu chung về hồ chứa nước Mỹ Lâm 39
3.1.1. Địa điểm xây dựng công trình 39
3.1.2. Nhiệm vụ của công trình 39
3.1.3. Các chỉ tiêu thiết kế công trình 39
3.1.4. Quy mô công trình 39
3.1.5. Các thông số cơ bản của đập tràn 40
3.1.6. Các số liệu tính toán cửa van cung 40
3.1.7. Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 41
3.2. Tính toán các lực tác dụng lên đập tràn 43
3.2.1. Sơ đồ tính toán 43
3.2.2. Trọng lượng bản thân 43
3.2.3. Áp lực nước thượng lưu 43
3.2.4. Áp lực nước thấm 44
3.2.5. Áp lực nước cửa van 44
3.2.6. Tổ hợp tải trọng 45
3.3. Mô hình hóa kết cấu của đập tràn Ôphixêrốp, trụ pin van cung và nền công
trình bằng phần tử khối 46
3.3.1. Chương trình tính toán kết cấu SAP2000 46
3.3.2. Mô hình tính toán kết cấu 48
3.3.3. Xây dựng mô hình phần tử mặt Area trong SAP2000 50

3.3.4. Các định nghĩa trong SAP2000 52
3.3.5. Xây dựng mô hình phần tử khối Solid trong SAP2000 53
3.3.6. Gán các lực tác dụng lên mô hình 55
3.3.7. Gán các điều kiện biên vào nền 58
3.3.8. Chạy chương trình 58
3.4. Kết quả tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn và trụ pin 59
3.4.1. Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử khối 59
3.4.2. Kết quả tính toán với độ cứng của nền có E = 5,2 (10
6
T/m
2
) 59
3.5. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn và trụ pin khi độ cứng
của nền thay đổi 65
3.5.1. Phân tích ứng suất đáy đập 65
3.5.2. Phân tích chuyển vị đáy đập 67
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
3.5.3. Phân tích ứng suất trụ biên và trụ giữa 68
3.5.4. Phân tích chuyển vị trụ biên và trụ giữa 71
3.6. Kết luận chương III 73
CHƯƠNG 4 75
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA TRỤ PIN ĐẬP
TRÀN THEO CÁC MÔ HÌNH KHÁC NHAU 75
4.1. Mô hình hóa trụ pin bằng phần tử vỏ 75
4.2. So sánh kết quả tính toán ứng suất và biến dạng theo hai mô hình 76
4.2.1. Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử vỏ
76
4.2.2. So sánh kết quả tính toán ứng suất theo hai mô hình 77

4.2.3. So sánh kết quả tính toán chuyển vị theo hai mô hình 82
4.3. Kết luận chương IV 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84
1. Kết quả đạt được 84
2. Hạn chế, tồn tại 84
3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các hình thức đập trọng lực tràn nước 6
Hình 1-2: Phân loại đập tràn theo hình dạng cửa tràn 6
Hình 1-3: Đập tràn thành mỏng 7
Hình 1-4: Đập tràn thực dụng mặt cắt đa giác 7
Hình 1-5: Đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong 7
Hình 1-6: Đập tràn thủy điện Hòa Bình tỉnh Hòa Bình 8
Hình 1-7: Đập tràn hồ chứa nước Định Bình tỉnh Bình Định 8
Hình 1-8: Đập tràn Tân Giang tỉnh Ninh Thuận 9
Hình 1-9: Đập tràn Lòng Sông tỉnh Bình Thuận 9
Hình 1-10: Đập tràn cao su Tha La – Tân Châu tỉnh Tây Ninh 10
Hình 1-11: Đập tràn tự do ngưỡng răng cưa Phước Hòa tỉnh Bình Phước 10
Hình 1-12: Đập tràn đỉnh rộng 11
Hình 1-13: Đập tràn hồ chứa nước Gò Miếu tỉnh Thái Nguyên 11
Hình 1-14: Phân loại đập tràn theo hình dạng ngưỡng tràn 12
Hình 1-15: Đập tràn khép kín thủy lợi Phước Hòa tỉnh Bình Phước 12
Hình 1-16: Mô hình phân tố bao quanh một điểm trong thân đập 13
Hình 1-17: Sơ đồ tính toán ứng suất biên 15
Hình 1-18: Sơ đồ tính toán ứng suất theo lý thuyết đàn hồi 18

Hình 1-19: Sơ đồ tính toán ứng suất khi mặt đập chịu tải trọng phân bố đều 18
Hình 1-20: Sơ đồ tính toán ứng suất khi đỉnh đập chịu tải trọng tập trung 19
Hình 1-21: Sơ đồ chia lưới phần tử của đập và nền theo phương pháp PTHH 22
Hình 1-22: Ảnh hưởng của nền đến sự biến đổi ứng suất tại đáy đập 24
Hình 1-23: Ảnh hưởng của nền đến sự biến đổi ứng suất
σ
y
trong thân đập 24
Hình 2-1: Quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu 27
Hình 2-2: Thuật toán giải bài toán kết cấu theo phương pháp PTHH 34
Hình 2-3: Cấu tạo đập tràn Ôphixêrốp 35
Hình 3-1: Đập tràn Ôphixêrốp hồ chứa nước Mỹ Lâm 42
Hình 3-2: Sơ đồ tính toán các lực tác dụng lên đập tràn 43
Hình 3-3: Sơ đồ tính toán áp lực nước tác dụng lên cửa van 44
Hình 3-4: Mặt cắt ngang đập và nền 48
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Hình 3-5: Đường chu vi đập và nền 50
Hình 3-6: Phần tử mặt Area của đập và nền 50
Hình 3-7: Mạng lưới phần tử mặt Area của đập và nền 51
Hình 3-8: Mạng lưới phần tử mặt Area của đập và nền sau ghép nhóm 52
Hình 3-9: Mô hình không gian 3D của đập và nền 54
Hình 3-10: Áp lực nước thượng lưu 56
Hình 3-11: Áp lực nước thấm 57
Hình 3-12: Áp lực nước cửa van 57
Hình 3-13: Điều kiện biên của nền 58
Hình 3-14: Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử khối 59
Hình 3-15: Chuyển vị của đập tràn 59
Hình 3-16: Phổ màu ứng suất S

11
đập tràn 60
Hình 3-17: Phổ màu ứng suất S
22
đập tràn 60
Hình 3-18: Phổ màu ứng suất S
33
đập tràn 60
Hình 3-19: Phổ màu ứng suất S
11
nền đập 61
Hình 3-20: Phổ màu ứng suất S
22
nền đập 61
Hình 3-21: Phổ màu ứng suất S
33
nền đập 61
Hình 3-22: Phổ màu ứng suất S
11
mặt đập 62
Hình 3-23: Phổ màu ứng suất S
22
mặt đập 62
Hình 3-24: Phổ màu ứng suất S
22
lõi đập 62
Hình 3-25: Chuyển vị các điểm góc của trụ biên 63
Hình 3-26: Phổ màu ứng suất S
11
trụ biên 63

Hình 3-27: Phổ màu ứng suất S
max
trụ biên 63
Hình 3-28: Chuyển vị các điểm góc của trụ giữa 64
Hình 3-29: Phổ màu ứng suất S
11
trụ giữa 64
Hình 3-30: Phổ màu ứng suất S
max
trụ giữa 64
Hình 3-31: Phổ màu ứng suất S
33
đập và nền 65
Hình 3-32: Biểu đồ thay đổi ứng suất S
33
đáy đập 66
Hình 3-33: Biểu đồ thay đổi chuyển vị U
3
đáy đập 67
Hình 3-34: Phổ màu ứng suất S
11
trụ biên 68
Hình 3-35: Phổ màu ứng suất S
max
trụ biên 68
Hình 3-36: Phổ màu ứng suất S
11
trụ giữa 69
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Hình 3-37: Phổ màu ứng suất S
max
trụ giữa 69
Hình 3-38: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ biên 70
Hình 3-39: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ giữa 70
Hình 3-40: Chuyển vị tại điểm góc trên đỉnh trụ biên và trụ giữa 71
Hình 3-41: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ biên 72
Hình 3-42: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ giữa 72
Hình 4-1: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước thượng lưu 75
Hình 4-2: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước cửa van 76
Hình 4-3: Trạng thái ứng suất và nội lực tại một điểm trong phần tử vỏ 76
Hình 4-4: Vị trí các điểm so sánh ứng suất 77
Hình 4-5: Phổ màu ứng suất S
11
theo mô hình phần tử vỏ 78
Hình 4-6: Phổ màu ứng suất S
11
theo mô hình phần tử khối 78
Hình 4-7: Phổ màu ứng suất S
22
theo mô hình phần tử vỏ 79
Hình 4-8: Phổ màu ứng suất S
33
theo mô hình phần tử khối 79
Hình 4-9: Phổ màu ứng suất S
12
theo mô hình phần tử vỏ 80
Hình 4-10: Phổ màu ứng suất S
13

theo mô hình phần tử khối 80
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Tổng hợp các công trình thủy lợi thủy điện tiêu biểu của Việt Nam 4
Bảng 2-1: Hệ số hình dạng
σ
φ
của đập không chân không Krigiơ - Ôphixêrốp 36
Bảng 2-2: Hệ số chênh lệch cột nước
σ
H
của đập tràn không chân không 37
Bảng 2-3: Bán kính nối tiếp R (m) của đập tràn không chân không 37
Bảng 2-4: Tọa độ đường cong của đập không chân không Krigiơ - Ôphixêrốp 38
Bảng 3-1: Các thông số cơ bản của hồ chứa 40
Bảng 3-2: Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 41
Bảng 3-3: Tọa độ các nút phần tử LINE trên đường chu vi đập và nền 48
Bảng 3-4: Các trường hợp tính toán độ cứng của nền 65
Bảng 3-5: Kết quả tính toán ứng suất S
33
tại đáy đập 66
Bảng 3-6: Kết quả tính toán chuyển vị U
3
tại đáy đập 67
Bảng 3-7: Kết quả tính toán ứng suất lớn nhất trụ biên 69
Bảng 3-8: Kết quả tính toán ứng suất lớn nhất trụ giữa 70
Bảng 3-9: Kết quả tính toán chuyển vị trụ biên 71
Bảng 3-10: Kết quả tính toán chuyển vị trụ giữa 72

Bảng 4-1: Các thành phần ứng suất tương đương 77
Bảng 4-2: So sánh trạng thái ứng suất trụ biên 81
Bảng 4-3: So sánh trạng thái ứng suất trụ giữa 81
Bảng 4-4: So sánh chuyển vị trụ biên 82
Bảng 4-5: So sánh chuyển vị trụ giữa 82

Trường Đại Học Thủy Lợi 1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Đập tràn xả lũ là công trình không thể thiếu ở các hồ chứa nước, nó có nhiệm
vụ xả nước thừa để khống chế mực nước cao nhất có thể giữ ở hồ theo thiết kế, đảm
bảo an toàn cho đập. Việc tính toán thủy lực, tính toán kết cấu tràn, quản lý chất
lượng thi công đều có ảnh hưởng lớn tới công tác qu
ản lý và vận hành đảm bảo an
toàn công trình sau này.
Đập tràn được phân thành nhiều khoang tràn bởi trụ pin để thuận lợi cho việc
bố trí cửa van, cầu công tác, cầu giao thông, máy đóng mở… Ngoài ra trụ pin còn
chịu áp lực nước do cửa van truyền tới.
Nhiều năm gần đây, việc tính toán ứng suất và biến dạng cho đập tràn trụ pin
van cung thường đưa về bài toán phẳng nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực
của công trình khi làm việc. Trong thực tế, đập tràn, trụ pin, van cung và nền cùng
làm việc đồng thời và phải được tính theo bài toán không gian thì mới phản ánh được
đầy đủ, chính xác trạng thái làm việc của công trình.
Trong thiết kế, tài liệu về địa chất của nền công trình khó có thể phản ánh
chính xác trạng thái thực của nền. Các số liệu này ảnh hưởng tới ứng suất và biến
dạng của đập tràn Ôphixêrốp cửa van cung như thế nào.
Đây là nội dung nghiên cứu
của luận văn.

Hiện nay công nghệ thông tin đang phát triển như vũ bão. Việc áp dụng các
phần mềm vào tính toán thiết kế công trình đã giải phóng sức lao động cho các cán
bộ thiết kế rất nhiều. Hồ sơ thiết kế được hoàn thành nhanh chóng, chính xác vừa
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật vừa mang tính thẩm mỹ cao.
Từ thực tiễn là một kỹ sư tư v
ấn thiết kế tại Cty tư vấn và chuyển giao công
nghệ trường Đại học Thủy lợi và những khó khăn gặp phải khi tính toán kết cấu các
công trình thủy lợi tác giả xin đề xuất đề tài luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu ảnh
hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng của đập tràn
Ôphixêrốp và trụ pin van cung”.

Trường Đại Học Thủy Lợi 2 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
2. Mục đích của Đề tài
Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất và biến dạng của đập tràn
Ôphixêrốp và trụ pin cửa van cung theo mô hình không gian 3 chiều bằng phương
pháp phần tử hữu hạn.
Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng
của đập tràn Ôphixêrốp và trụ pin van cung.
Phân tích so sánh ứng suất và biến dạng của trụ pin đập tràn khi mô hình hóa
b
ằng phần tử khối và phần tử tấm vỏ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Tính toán cho đập tràn xả lũ của hồ chứa nước Mỹ Lâm dự kiến xây dựng
trên sông Trong tại thôn Mỹ Lâm 2 thuộc huyện Tây Hòa tỉnh Phú Yên.
Phạm vi nghiên cứu:
- Tính toán ứng suất và biến dạng của đập tràn theo mô hình Đập - Trụ pin -
Nền làm việc đồng thời bằng phần tử

khối.
- Thay đổi độ cứng của nền bằng cách thay đổi môđun đàn hồi và hệ số
Poison. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập và trụ pin.
- Phân tích so sánh ứng suất và biến dạng của trụ pin đập tràn khi mô hình hóa
bằng phần tử khối và phần tử tấm vỏ.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu nghiên cứ
u đã có ở trong và ngoài nước
liên quan đến đề tài.
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu về công trình hồ chứa nước Mỹ Lâm.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp điều tra, thu thập tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán.
- Phương pháp sử dụng phần mềm SAP2000 để tính toán ứng suất và biến dạng.
- Phương pháp phân tích, tổng hợp.
Trường Đại Học Thủy Lợi 3 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN
1.1. Các loại đập tràn
Các điều tra khảo cổ học đã xác định công trình thủy lợi xuất hiện ở Lưỡng Hà
và Ai Cập vào khoảng thiên niên kỷ 6 TCN.
Hệ thống chứa nước và thủy lợi cũng được phát triển bởi nền văn minh Indus
ở Pakistan và bắc Ấn Độ vào năm 3.000 TCN.
Theo thống kê của Hội đập cao thế giớ
i (ICOLD) tính đến năm 2000 trên
toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn. Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có
chiều cao H=10÷15m và có chiều dài L≥500m, Q

xả lũ
≥2.000 m
3
/s; hồ có dung tích
W≥1.000.000m
3
nước được xếp vào loại đập cao. Số lượng hơn 45.000 đập phân bố
không đều trên các châu lục.
Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập
chiếm 48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn Độ
với 4.291 đập. Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập. Việt
Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nướ
c có nhiều đập lớn.
Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý
thuyết tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập
ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao.
Thập kỷ 30÷40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng
khoảng 0,9. Thập kỷ 50÷60 tỷ số B/H=0,8. Thập kỷ
70 tỷ số B/H=0,7. Từ thập kỷ
30÷70 thể tích đập giảm được (20÷30)%.
Theo thống kê của Bộ xây dựng tính đến đầu năm 2013 ở Việt Nam có trên
7.000 hồ chứa thủy điện, thủy lợi lớn nhỏ. Trong đó đập cao từ 50m trở lên là 35
công trình (32 công trình thủy điện, 3 công trình thủy lợi). Đập cao từ 15m đến 50m
hoạc có dung tích hồ chứa từ 3 triệu m
3
trở lên là 605 công trình (54 công trình thủy
điện, 551 công trình thủy lợi). Đập cao dưới 15m và có dung tích hồ chứa nhỏ hơn 3
triệu m
3
là trên 6.000 công trình. Một số công trình thủy lợi thủy điện tiêu biểu:

Trường Đại Học Thủy Lợi 4 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Bảng 1-1: Tổng hợp các công trình thủy lợi thủy điện tiêu biểu của Việt Nam
STT Tên công trình
Năm
xây
dựng
Loại
đập
H
max
Hình thức tràn Q
xả max

Dung
tích
toàn bộ
Dung
tích hữu
ích

(m) (m
3
/s) (10
6
m
3
)(10
6

m
3
)
1
Hồ chứa nước
Núi Cốc
1973-
1982
A 27
Tràn có cửa, tiêu năng
máng phun
1.435 176 168
2
Hồ chứa nước
Cấm Sơn
1966-
1974
A 42
Tràn có van điều khiển,
tiêu năng máng phun
727 338 228
3
Hồ chứa nước
Suối Hai
1958-
1964
A 29 Tràn tự do 80 47 42
4
Hồ chứa nước
Đồng Mô

1969-
1974
A 20
Tràn có cửa, tiêu năng
đáy
90 110 58
5
Hồ chứa nước
Đại Lải
1959-
1961
A 13 Tràn đỉnh rộng 475 35 21
6
Hồ chứa nước
Kẻ Gỗ
1976-
1988
A 37
Tràn có cánh cửa hình
cung
1.764 425 345
7
Hồ chứa nước
Sông Rác
1987-
1996
A 27
Tràn dốc nước, tiêu năng
bằng mũi phun
1.250 125 110

8
Hồ chứa nước
Phú Ninh
1976-
1986
A 40 Tràn tự do, xả mặt 2.150 344 273
9
Hồ chứa nước
Núi Một
1978-
1980
A 33
Tràn xả sâu, tiêu năng
bằng mũi phun
254 139 111
10
Hồ chứa nước
Ayun Hạ
1990-
1999
A 36
Tràn Ôphixêrốp, tiêu
năng máng phun
1.237 253 201
11
Hồ chứa nước
Đạ Tẻh
1986-
1996
A 27

Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
618 24 19
12
Hồ chứa nước
Tuyền Lâm
1982-
1987
A 32
Tràn đỉnh rộng, nối tiếp
dốc nước, bậc nước
500 11 10
13
Hồ chứa nước
Cà Giây
1996-
2000
A 25
Tràn tự do, tiêu năng
bằng mũi phun
304 37 29
14
Hồ chứa nước
Sông Quao
1988-
1997
A 40
Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
1.058 73 67

15 Đập Tân Giang
1997-
2003
E 38
Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
1.070 13
16 Đập Lòng Sông
2000-
2004
E 48
Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
37 33
17
Hồ chứa nước
Dầu Tiếng
1981-
1985
A 28
BTCT, tiêu năng bằng
mũi phun
2.800 1.580 1.110
18
Hồ Easoupe
Thượng
2002-
2005
A 27
BTCT, tiêu năng bằng

mũi phun
792 147 136
19
Hồ Krong buk
Hạ
2006-
2010
A 33
Tràn có cửa, tiêu năng
mặt
1.020 109 96
20 Hồ Iamơ
2006-
2010
A 32
Tràn thực dụng, tiêu
năng mặt
654 178 163
21 Hồ Iam'lá
2006-
2010
A 38
Tràn có cửa, tiêu năng
mũi phun
714 54 49
22 Hồ Sông Ray
2006-
2010
A 35
Tràn có cửa, tiêu năng

đáy
2.400 215 197
Trường Đại Học Thủy Lợi 5 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
STT Tên công trình
Năm
xây
dựng
Loại
đập
H
max
Hình thức tràn Q
xả max

Dung
tích
toàn bộ
Dung
tích hữu
ích

(m) (m
3
/s) (10
6
m
3
)(10

6
m
3
)
23 Hồ Cửa Đạt
2004-
2009
C 119
Tràn có cửa, tiêu năng
đáy
11.594 1.365 1.071
24 Hồ Nước Trong
2006-
2010
D 72
Tràn xả lũ có mặt cắt
dạng thực dụng
290 259
25 Hồ Tả Trạch
2006-
2010
A 60
Tràn xả mặt kết hợp xả
sâu, tiêu năng mũi phun
646 573
26
Thủy điện
Thác Bà
1964-
1971

E 48
Tràn xả mặt kết hợp xả
sâu, tiêu năng mũi phun
3.230 2.490 2.160
27
Thủy điện
Hòa Bình
1979-
1994
B 128
Tràn xả lũ có 2 tầng:
tầng dưới có 12 cửa xả
đáy kích thước 6x10 m,
tầng trên có 6 cửa xả mặt
kích thước 15x15 m.
35.400 9.450 5.650
28
Thủy điện
Trị An
1984-
1991
A 40
Đập tràn bê tông trọng
lực
18.448 2.765 2.547
29
Thủy điện
Ialy
1993-
2001

B 71
Tràn Ôphixêrốp, tiêu
năng mũi phun
17.400 1.037 779
30
Thủy lợi
Phước Hòa
2006-
2010
A 28
Tràn tự do ngưỡng răng
cưa (labyrinth weir)
4.200
31
Thủy điện
Hàm Thuận
1997-
2001
B 94
Tràn Ôphixêrốp, tiêu
năng mũi phun
695 523
32
Thủy điện
Đại Ninh
2003-
2007
B 56
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun

7.900 320 252
33
Thủy điện
A Vương
2003-
2008
D 80
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
5.720 344 267
34
Thủy điện
Tuyên Quang
2002-
2007
C 92
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
2.245
35
Thủy điện
Đồng Nai 3
2004-
2009
D 108
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
10.400 1.424 863
36
Thủy điện

Đồng Nai 4
2004-
2010
D 128
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
10.000 337 320
37
Thủy điện
Sơn La
2005-
2012
D 138
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
34.780 9.260 6.504
CHÚ THÍCH:
A: Đập đất
B: Đập đá đổ có lõi chống thấm
C: Đập đá đổ + Bê tông bản mặt
D: Đập bê tông đầm lăn
E: Đập bê tông trọng lực
Theo chức năng, đập bê tông trọng lực được phân thành:
- Đập không tràn: Đập có chức năng chắn nước, không cho nước tràn qua.
- Đập tràn nước: Đập có chức năng chắn nước, cho nước tràn qua.
Trường Đại Học Thủy Lợi 6 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21

a. Tràn mặt b. Xả sâu c. Kết hợp tràn mặt và xả sâu

Hình 1-1: Các hình thức đập trọng lực tràn nước
Đập tràn là hạng mục không thể thiếu của công trình thủy lợi. Nó dùng để tháo
lượng nước thừa trong mùa lũ đảm bảo an toàn cho công trình. Một số công trình
đầu mối ngoài tràn chính còn bố trí thêm tràn phụ và tràn sự cố để có thể tháo nước
thừa của những con lũ vượt tần suất thiết kế.
Theo quy phạm tính toán thủ
y lực đập tràn (QPTL C8-76), đập tràn được phân
loại như sau:
1.1.1. Phân loại theo hình dạng cửa tràn
- Đập tràn cửa chữ nhật (Hình 1-2 a)
- Đập tràn cửa tam giác (Hình 1-2 b)
- Đập tràn cửa hình thang (Hình 1-2 c)
- Đập tràn cửa hình tròn (Hình 1-2 d)
- Đập tràn cửa parabol (Hình 1-2 e)
- Đập tràn cửa nghiêng (Hình 1-2 f)

Hình 1-2: Phân loại đập tràn theo hình dạng cửa tràn
Trường Đại Học Thủy Lợi 7 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
1.1.2. Phân loại theo chiều dày đỉnh đập tràn
- Đập tràn thành mỏng: Chiều dày và hình dạng không ảnh hưởng đến làn
nước tràn và lưu lượng. Chiều dày đỉnh đập thỏa mãn điều kiện: 0 < δ < 0,67H.
Đập tràn thành mỏng thường được dùng trong phòng thí nghiệm để đo lưu
lượng dòng chảy.

Hình 1-3: Đập tràn thành mỏng
- Đập tràn thực dụng: Chiều dày đỉnh đập ảnh hưởng đến làn nước tràn nhưng
không quá lớn. Mặt cắt đập có thể là đa giác hoạc hình cong. Chiều dày đỉnh đập
thỏa mãn điều kiện: 0,67H < δ < (2÷3)H.

Hình 1-4: Đập tràn thực dụng mặt cắt đa giác

Hình 1-5: Đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong
Trường Đại Học Thủy Lợi 8 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Các công trình thủy lợi thủy điện lớn thường dùng đập tràn thực dụng mặt cắt
hình cong.

Hình 1-6: Đập tràn thủy điện Hòa Bình tỉnh Hòa Bình

Hình 1-7: Đập tràn hồ chứa nước Định Bình tỉnh Bình Định
Trường Đại Học Thủy Lợi 9 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21

Hình 1-8: Đập tràn Tân Giang tỉnh Ninh Thuận

Hình 1-9: Đập tràn Lòng Sông tỉnh Bình Thuận
Trường Đại Học Thủy Lợi 10 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Với sự phát triển của khoa học công nghệ còn có các loại đập tràn mới như:

Hình 1-10: Đập tràn cao su Tha La – Tân Châu tỉnh Tây Ninh

Hình 1-11: Đập tràn tự do ngưỡng răng cưa Phước Hòa tỉnh Bình Phước
Trường Đại Học Thủy Lợi 11 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
- Đập tràn đỉnh rộng: Trên đỉnh đập hình thành dòng chảy thay đổi dần. Chiều
dày đỉnh đập thỏa mãn điều kiện: (2÷3)H < δ < (8÷10)H.

Hình 1-12: Đập tràn đỉnh rộng
Đập tràn đỉnh rộng thường áp dụng cho các công trình thủy lợi vừa và nhỏ.

Hình 1-13: Đập tràn hồ chứa nước Gò Miếu tỉnh Thái Nguyên
1.1.3. Phân loại theo hình dạng ngưỡng tràn trên mặt bằng
- Đập tràn thẳng hoạc tràn chính diện (Hình 1-16 a)
- Đập tràn xiên (Hình 1-16 b)
- Đập tràn bên (Hình 1-16 c)
Trường Đại Học Thủy Lợi 12 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
- Đập tràn gãy khúc (Hình 1-16 d)
- Đập tràn cong (Hình 1-16 e)
- Đập tràn khép kín kiểu giếng đứng (Hình 1-16 g)

Hình 1-14: Phân loại đập tràn theo hình dạng ngưỡng tràn

Hình 1-15: Đập tràn khép kín thủy lợi Phước Hòa tỉnh Bình Phước
1.1.4. Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu
- Đập tràn chảy không ngập: Q và H không phụ thuộc vào h
n
.
- Đập tràn chảy ngập: Q và H phụ thuộc vào h
n
.
Ngoài ra còn có đập tràn không có co hẹp bên và đập tràn có co hẹp bên.

Trường Đại Học Thủy Lợi 13 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
1.2. Tổng quan về tính toán kết cấu đập tràn
Tính toán kết cấu bao gồm tính ứng suất và biến dạng của công trình do tác
động của ngoại lực.
Tính toán ứng suất trong thân đập nhằm mục đích xác định trị số, phương
chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và các nhân tố
khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, s
ự phân chia giai đoạn thi công
của thân đập Trên cơ sở đó tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của công trình,
bố trí các bộ phận công trình thích ứng với điều kiện làm việc.
Khi tính toán xem vật liệu làm việc trong miền đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất
và biến dạng là tuyến tính. Ứng suất và biến dạng của đập không chỉ phụ thuộc vào
tải trọng tác d
ụng lên đập, ảnh hưởng của nền đập…mà còn phụ thuộc vào tọa độ
x,y của từng điểm trong thân đập, giữa chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau
thông qua các phương trình cân bằng, phương trình hình học, phương trình vật lý
gọi chung là các phương trình cơ bản.
1.2.1. Các phương trình cơ bản
Xét một phân tố hình hộp vô cùng nhỏ bao quanh một điểm nào đó trong đập.
Tách phân tố đó ra khỏi đậ
p.
y
z
x
τ
xy
τ
yz

σ
y
τ
yx
σ
x
τ
xz
τ
zx
τ
zy
σ
z
Bê tông

Hình 1-16: Mô hình phân tố bao quanh một điểm trong thân đập
a. Phương trình cân bằng tĩnh Navier
Phương trình cân bằng tĩnh Navier là phương trình liên hệ giữa các thành phần
ứng suất với nhau:
Trường Đại Học Thủy Lợi 14 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21

0
0
0
yx
xzx
xy y zy

yz
xz
z
X
xyz
Y
xyz
Z
xyz
τ
στ
τστ
τ
τ
σ
∂
⎧
∂∂
+++=
⎪
∂∂∂
⎪
⎪
∂∂∂
⎪
+++=
⎨
∂∂∂
⎪
⎪

∂
∂
∂
+++=
⎪
∂∂∂
⎪
⎩
(1.1)
Trong đó: +
,
x
σ
,
y
σ
,
z
σ
,
x
y
τ
,
yz
τ
x
z
τ
: Các thành phần ứng suất của một phân tố.

+ X, Y, Z: Các thành phần hình chiếu của lực thể tích lên trục.
b. Phương trình hình học Cauchy
Phương trình hình học Cauchy là phương trình liên hệ giữa các thành phần
biến dạng và chuyển vị với giả thiết biến dạng nhỏ.
Biến dạng thẳng:
x
u
x
ε
∂
=
∂
;
y
v
y
ε
∂
=
∂
;
w
z
z
ε
∂
=
∂
(1.2)
Biến dạng góc:

xy
vu
x
y
γ
∂
∂
=+
∂
∂
;
w
yz
v
y
z
γ
∂
∂
=+
∂
∂
;
uw
zx
zx
γ
∂
∂
=+

∂
∂
(1.3)
Với u, v, w là các chuyển vị.
c. Phương trình liên tục về biến dạng Saint Venant
22
2
22
2
,
2 ,
yxy
x
xy yz
zx x
yxxy
x
yzx yz
εγ
ε
γγ
γε
⎧
∂∂
∂
+=
⎪
∂∂∂∂
⎪
⎨

∂∂
⎛⎞
∂∂
∂
⎪
+− =
⎜⎟
⎪
∂∂ ∂ ∂ ∂∂
⎝⎠
⎩
(1.4)
d. Phương trình vật lý
Trong trường hợp tổng quát quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo định
luật Hooke, với giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính có dị hướng.
Có thể viết biểu thức của định luật Hooke dưới dạng ma trận:

1
{}=[D] .{ }
ε
σ
−
(1.5)
Với
{}
ε
là véctơ biến dạng; {}
σ
là véc tơ ứng suất;
1

[D]
−
là ma trận các hằng
số đàn hồi.
Trong tính toán kết cấu đập bê tông trọng lực hiện nay thường sử dụng ba
phương pháp tính toán sau:
Trường Đại Học Thủy Lợi 15 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
1.2.2. Phương pháp sức bền vật liệu
Còn gọi là phương pháp phân tích trọng lực hoặc phương pháp phân tích tuyến
tính. Phương pháp này đơn giản cho kết quả đủ độ tin cậy trong các bài toán thiết kế
đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp.

Hình 1-17: Sơ đồ tính toán ứng suất biên
a. Ứng suất pháp và tiếp b. Ứng suất chính
-
G
∑
: Tổng các lực theo phương thẳng đứng.
- P
∑
: Tổng các lực theo phương nằm ngang.
-
0
M
∑
: Tổng mô men đối với tâm mặt cắt
a. Ứng suất tại biên đập
Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang:

0
'"
2
6
,
yy
GM
B
B
σσ
=±
∑
∑
(1.6)
Với B là bề rộng của mặt cắt ngang đang xét.
Ứng suất tiếp:
+ Biên thượng lưu:
''
1
()
yy
y
tg
τ
γσα
=− (1.7)
+ Biên hạ lưu:
""
2
yy

tg
τ
σα
=
(1.8)
Ứng suất pháp trên mặt cắt đứng:
+ Biên thượng lưu:
''2
1
()
xy
yy tg
σ
γγσα
=− − (1.9)
+ Biên hạ lưu:
""2
2xy
tg
σ
σα
=
(1.10)
Trường Đại Học Thủy Lợi 16 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Với: - γ là trọng lượng riêng của nước.
- y là chiều sâu nước thượng lưu tính đến mặt cắt đang xét.
-
1

α
là góc giữa mái thượng lưu đập và phương thẳng đứng
.
-
2
α
là góc giữa mái hạ lưu đập và phương thẳng đứng.
b. Ứng suất trong mặt cắt đập
Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang:
'"
"
().
yy
yy
x
B
σσ
σσ
−
=+
(1.11)
Với x là khoảng cách từ điểm đang xét tới mép hạ lưu
Ứng suất tiếp trên mặt cắt ngang:
2
11 1
abxcx
τ
=+ +
(1.12)
Với :

"
1
'"
1
'"
1
2
6
1
24
6
1
33
a
P
b
BB
P
c
BB
τ
τ
τ
τ
τ
=
⎡
⎤
=− + +
⎢

⎥
⎣
⎦
⎡
⎤
=++
⎢
⎥
⎣
⎦
∑
∑
(1.13)
Ứng suất pháp trên mặt cắt thẳng đứng:
'"
"
().
xx
xx
x
B
σσ
σσ
−
=+
(1.14)
Ưu điểm: Phương pháp sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính toán cơ
bản, giúp tính toán ứng suất và biến dạng dễ dàng. Tính được các giá trị σ
x
, σ

y
, τ
xy

tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi
điểm trong thân đập.
Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số lớn, không phản ánh đúng trạng thái
ứng suất và biến dạng trong đập. Nguyên nhân do tính theo sức bền vật liệu đã coi
đập như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời, giả
thiết s
ự phân bố ứng suất pháp σ
y
trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng không
đúng với thực tế, trị số tại biên đập được xác định theo công thức nén lệch tâm, vật
liệu đồng nhất đẳng hướng. Mặt khác, không thể giải quyết được các bài toàn phức
Trường Đại Học Thủy Lợi 17 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt,
tính dị hướng, không xét được trong giai đoạn thi công…
Phạm vi ứng dụng: Do sai số lớn nên phương pháp sức bền vật liệu hầu như
không được sử dụng để phân tích ứng suất và biến dạng trong thiết kế đập. Thường
được sử dụng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với công trình cấp III,
IV (theo 14TCN 56-88).
1.2.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi
Phương pháp này xem thân đập là một môi trường liên tục, đồng nhất, đẳng
hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu tuân theo định luật
Húc. Với những đập cao các giả thiết đó cơ bản phù hợp với thực tế.
a. Đập có dạ
ng hình nêm vô hạn chịu tác dụng áp lực nước và trọng lượng bản thân

Theo lý thuyết đàn hồi, ứng suất tại một điểm bất kỳ trong thân đập có chiều
cao vô hạn được biểu diễn dưới dạng các hàm số tuyến tính:
11
22
33
z
y
ax by
ax by
ax by
σ
σ
τ
⎧
=+
⎪
=+
⎨
⎪
=+
⎩
(1.15)
Các hệ số của phương trình trên được xác định từ việc phân tích ứng suất tại
các biên đập.
()
()
()
()
() ()
()

()
()
()
()
()
()
()
()
2
1
11221 12122
22
12 12
22 2 2
1
11221212
22
12 12
2
1
221 112
22
12 12
22 2
1
212 2112
22
12 12
32311122
2

223
32
2
1; ; ;
a mmm m mmmm m
mm mm
bmmmmmmm
mm mm
ammmmm
mm mm
bmm mmmm
mm mm
abbamtgmtg
γγ
γ
γ
γ
γ
γγ
αα
⎧
=−+ −−
⎪
++
⎪
⎪
=− −−
⎪
++
⎪

⎨
⎪
=−−+−
⎪
++
⎪
⎪
=+−−−
⎪
++
⎩
=− =− = =
(1.16)
γ; γ
1
: là trọng lượng riêng của nước và vật liệu xây đập.
Ứng suất tại biên đập được xác định từ các biểu thức (1.15), (1.16) với:
x = - m
1
y và x = m
2
y.