nghiên cứu giải pháp xử lý và tính toán kết cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền có lớp xen kẹp yếu

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trờng đại học Thuỷ lợi





Hoàng đình khiêm



Nghiên cứu giảI pháp xử lý và tính toán kết
cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền
có lớp xen kẹp yếu







Luận văn thạc sĩ

Hà Nội - 2011

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trờng đại học Thuỷ lợi






Hoàng đình khiêm



Nghiên cứu Giải pháp xử lý và tính toán kết
cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền
có lớp xen kẹp yếu



Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Mã số: 60-58-40



Luận văn thạc sĩ

Ngời hớng dẫn khoa học:
GS.TS nguyễn văn lệ





Hà Nội - 2011
1

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
]LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài Nghiên cứu giải pháp xử lý và tính toán
kết cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền có lớp xen kẹp yếu được hoàn thành với
kết quả còn nhiều khiêm tốn, tác giả hy vọng đóng góp được một phần nhỏ bé cho
việc nghiên cứu, thiết kế xây dựng các công trình thủy lợi - thủy điện ở nước ta.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - GS.TS Nguyễn Văn Lệ
đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận
văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn thủy công, thi công,
Khoa sau đại học, Khoa công trình - Trường đại học Thủy lợi, Trung tâm Thủy điện -
Viện khoa học Thủy lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và thu
thập các tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài
luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận
văn.

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thày cô giáo và các
bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày 8 tháng 3 năm 2011
Tác giả


Hoàng Đình Khiêm


Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



2

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
MỤC LỤC
23TMỞ ĐẦU23T 5
23TCHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
XỬ LÝ KẾT CẤU VÀ NỀN
23T 7
23T1.1 ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC23T 7
23T1.2 PHÂN LOẠI ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC23T 8
23T1.2.1 Đập bê tông truyền thống23T 8
23T1.2.2 Đập bê tông đầm lăn23T 10
23T1.2.3 Đập trọng lực khe rỗng23T 12
23T1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA LOẠI HÌNH ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG TRỌNG
LỰC23T 13

23T1.4 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC TRÊN NỀN YẾU23T 14
23TCHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PTHH VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP
BÊTÔNG TRỌNG LỰC
23T 17
23T2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG
LỰC
23T 17
23T2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu23T 17
23T2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi23T 18
23T2.1.3 Phương pháp Phần tử hữu hạn23T 20
23T2.2 NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH23T 30
23T2.2.1 Phương pháp sức bền vật liệu23T 30
23T2.2.2 Phương pháp lý thuyết đàn hồi23T 31
23T2.2.3 Phương pháp PTHH23T 32
23T2.2.4 Lựa chọn phương pháp tính toán23T 33
23T2.3 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN23T 34
23TCHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN ĐÁ HÀN23T 41
23T3.1.1.Nhiệm vụ,cấp công trình và các tiêu chuẩn thiết kế23T 41
23T3.1.2 Qui mô xây dựng, thông số kỹ thuật và kết cấu công trình chủ yếu23T 41
23T3.1.3 Giới thiệu về đặc điểm địa chất , khó khăn về địa chất23T 45
23T3.1.4 Giải pháp xử lý khó khăn địa chất cho đập Đá Hàn.23T 46
23T3.1.5.Các trường hợp tính toán23T 46
23T3.1.6 Phương pháp tính toán, phần tử sử dụng và điều kiện biên23T 51
23T3.1.7 Kết quả tính toán23T 51
23T3.1.8 Nhận xét kết quả tính toán23T 69
23TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ23T 71
23T1. Những kết quả đạt được23T 71
23T2. Những tồn tại của luận văn23T 71
23T3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo23T 71
23TTÀI LIỆU THAM KHẢO23T 72

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



3

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
23THình 1.1 Đập Dixence (Thụy sĩ) nhìn từ hạ lưu23T 7
23THình 1.2 - Mặt cắt điển hình đập Tân Giang23T 9
23THình 1.3 - Đập Tân Giang nhìn từ hạ lưu23T 10
23THình 1.4 - Mặt cắt điển hình đập Bắc Hà bằng RCC cao H = 61,5m23T 11
23THình 1.5 - Đập thủy điện Sơn La (góc nhìn từ nhà điều hành)23T 12
23THình 1.6 - Đập dâng có tường chống thấm23T 16
23THình 2.1 Xác định ứng suất pháp theo phương ngang23T 18
23THình 2.2 Xác định ứng suất chính23T 18
23THình 2.3 Nêm phẳng chịu tải trọng phân bố hình tam giác ở mặt bên.23T 18
23THình 2.4 Nêm phẳng chịu lực tập trung và mômen tập trung ở đỉnh.23T 19
23THình 2.5. Sơ đồ tính toán đập không tràn23T 19
23THình 2.6. Sơ đồ tính toán đập tràn23T 19
23THình 2.7 Một số dạng phần tử thường dùng23T 21
23THình 2.8 Giao diện ANSYS xuất hiện khi mở phần mềm23T 37
23THình 2.9 Cửa sổ khai báo loại phần tử23T 38
23THình 2.10 Cửa sổ khai báo lực23T 38
23THình 2.11 Cửa sổ tính toán23T 39
23THình 2.12 Cửa sổ khai báo vật liệu23T 39
23THình 2.13 Cửa sổ biểu diễn kết quả23T 40
23THình 3.1 Cắt dọc và mặt bằng tràn tự do Đá Hàn23T 46

23THình 3.2 Sơ đồ tính toán trường hợp 1.23T 47
23THình 3.3 Sơ đồ tính toán trường hợp 2.23T 49
23THình 3.4 Sơ đồ phần tử (TH1-a )23T 52
23THình 3.5 Chuyển vị UR
x
R, m(TH1-a)23T 53
23THình 3.6 Chuyển vị UR
Y
R, m(TH1-a)23T 54
23THình 3.7. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2
P(TH1-a)23T 55
23THình 3.8. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH1-a)23T 56
23THình 3.9. Sơ đồ phần tử (TH1-b)23T 57
23THình 3.10. Chuyển vị UR
x
R, m(TH1-b)23T 58
23THình 3.11. Chuyển vị UR
Y
R, m(TH1-b)23T 59
23THình 3.12. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2

P(TH1-b)23T 60
23THình 3.13. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH1-b)23T 61
23THình 3.14. Chuyển vị UR
x
R, m(TH2-a)23T 62
23THình 3.15. Chuyển vị UR
Y
R, m(TH2-a)23T 63
23THình 3.16. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2
P(TH2-a)23T 64
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



4

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
23THình 3.17. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH2-a)23T 65
23THình 3.18. Chuyển vị UR

x
R, m(TH2-b)23T 66
23THình 3.19. Chuyển vị UR
Y
R, m(TH2-b)23T 67
23THình 3.20. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2
P(TH2-b)23T 68
23THình 3.21. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH2-b)23T 69

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU
23TBảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước23T 8
23TBảng 3.1 Thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình đầu mối23T 44
23TBảng 3.2 Liệt kê các chỉ tiêu cơ lý của nền đập.23T 45
23TBảng 3.3 Tính toán ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng cơ bản23T 48
23TBảng 3.4 Tính toán ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng đặc23T 50

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



5

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thực tế xây dựng các đập trọng lực bê tông hiện nay có những công
trình gặp tình huống nằm dưới đáy đập là tầng đất yếu có chiều dày khá lớn hoặc các
lớp xen kẹp yếu. Trong các trường hợp này để đảm bảo an toàn cho công trình hoặc
phải đào bỏ tầng đất yếu hoặc có xen kẹp các lớp đất yếu phải áp dụng biện pháp xử
lý , sao cho ứng suất biến dạng của đập và nền thoả mãn yêu cầu chịu lực của vật liệu.
Nguyên tắc xử lý có thể áp dụng là hoặc lựa chọn kết cấu đập thích hợp, xử lý gia cố
hoặc kết hợp cả hai. Tiếp đó cần ứng dụng phương pháp số để phân tích trạng thái
ứng suất và biến dạng của đập và nền để đánh giá hiệu quả kỹ thuật của giải pháp xử
lý. Trong tình huống không thể lựa chọn được vị trí xây dựng đập tốt hơn , việc áp
dụng giải pháp xử lý là không thể tránh khỏi. Do vậy đề tài có ý nghĩa cấp thiết , khoa
học và thực tiễn.

Trong thực tế xây dựng hiện nay việc đập đặt trên nền có lớp xen kẹp yếu xuất
hiện khá phổ biến. Để đóng góp vào việc giải quyết vấn đề tôi chọn đề tài “Nghiên
cứu giải pháp xử lý và tính toán kết cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền có
lớp xen kẹp yếu” làm đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật của mình.
II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
1. Mục đích
+ Tìm hiểu lựa chọn được giải pháp xử lý thích hợp.
+ Phân tích ứng suất và biến dạng của đập tràn trọng lực bê tông nhằm đánh
giá hiệu quả kỹ thuật của giải pháp xử lý.
+ Đề xuất một số kiến nghị liên quan đến thiết kế đập trong tình huống tương tự.
2. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
+ Tìm hiểu các giải pháp xử lý đã được áp dụng, lựa chọn giải pháp thích hợp.
+ Tìm hiểu các phương pháp phân tích ứng suất biến dạng hiện có lựa chọn
phương pháp phù hợp để xử lý.
+ Thực hiện tính toán cho một công trình cụ thể
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



6

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
3. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu, đánh giá sự làm việc của các công trình đã xây dựng
trong và ngoài nước. Phân tích lý luận và ứng dụng vào công trình thực tế.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bài toán phẳng.
5. Kết quả và dự kiến đạt được
Kiến nghị giải pháp xử lý và phương pháp tính toán phù hợp ứng dụng vào
thiết kế đập trọng lực bê tông trong tình huống tương tự.

II. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm các phần sau đây:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về đập tràn bê tông trọng lực và các phương pháp xử lý
kết cấu và nền.
1.1 Đập trọng lực bê tông
1.2 Các phương pháp xử lý kết cấu và nền
1.3 Các phương pháp tính toán đập tràn trọng lực bêtông trên nền yếu.
Chương 2: Phương pháp PTHH và ứng dụng vào tính toán kết cấu đập trọng lực.
2.1 Cơ sở của lý thuyết đàn hồi
2.2 Cơ sở của phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu
2.3 Ứng dụng phần mềm ANSYS trong tính toán đập bêtông.
Chương 3: Đề xuất giải pháp xử lý tính toán tràn Đá Hàn trên nền xen kẹp yếu.
3.1 Nhiệm vụ và qui mô công trình
3.2 Hình thức kết cấu đập và các bộ phận trong thân đập
3.3 Kiến nghị các giải pháp xử lý và trường hợp tính toán
3.4 Nhận xét kết quả.
3.5 Kết luận và kiến nghị.
Tài liệu tham khảo.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



7

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP XỬ LÝ KẾT CẤU VÀ NỀN
1.1 ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC

Đập tràn bê tông trọng lực là loại hình đập được xây dựng phổ biến nhất trong
các cụm công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện ở trong nước và trên thế giới.Trong
khoảng 100 năm gần đây số lượng đập bê tông được xây dựng chiếm hơn 50% tổng
số các loại đập đã được xây dựng trên thế giới. Đập Dixence (Thụy sĩ) cao 285m là
đập bê tông trọng lực cao nhất hiện nay.

Hình 1.1 Đập Dixence (Thụy sĩ) nhìn từ hạ lưu
Ở nước ta trong những thập niên gần đây cũng đã xây dựng được nhiều các
công trình thủy lợi, thủy điện lớn để phục vụ tưới tiêu, chống lũ và đáp ứng nhu cầu
dùng điện. Trong đó nhiều công trình đầu mối là đập tràn bê tông trọng lực truyền
thống và bê tông trọng lực đầm lăn.

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



8

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Bảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước
TT
Tên công trình Trên sông
Chiều
cao (m)
Nhiệm vụ
1
Đập thủy điện Sơn
La
Sông Đà 138 Chống lũ, phát điện
2

Đập thủy điện Bản
Vẽ
Sông Cả 137
Phát điện và cấp
nước
3 Đập PleiKrong
Sông Sa
Thày
71 Phát điện
4
Đập thủy điện Bắc
Hà
Sông Chảy 61,5
Phát điện và cấp
nước
5
Đập Định Bình Sông Côn 54 Phát điện

1.2 PHÂN LOẠI ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.2.1 Đập bê tông truyền thống
Đập bêtông truyền thống là các đập bêtông được thi công bằng các phương
pháp đổ bêtông khối lớn , bêtông có độ sụt lớn và được đầm chặt bằng thiết bị và
phương pháp đầm thông thường.
Ở nước ta công nghệ thiết kế và thi công đập bê tông truyền thống cũng chỉ
mới phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây. Năm 1993 Bộ thủy lợi chỉ đạo HEC1
khảo sát thiết kế công trình thủy lợi Tân Giang, phương án công trình đầu mối được
phê duyệt là đập bê tông trọng lực, lần đầu tiên đã nghiên cứu áp dụng cấp phối bê
tông thường có trộn tro bay để giảm nhiệt thủy hóa, phụ gia chống thấm và nhiều phụ
gia khác như phụ gia ninh kết nhanh POZZOITH 122 HE, lớp bám dính Imatex, phụ
gia chống thấm Xypex Adimix C-2000…

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



9

Lun vn thc s Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu
Nm 2003 p ó tri qua th thỏch mựa l u tiờn an ton. Nh vy p bờ
tụng trng lc Tõn Giang l p c xõy dng ln u tiờn bng cụng ngh thit k,
thi cụng trong nc v l p bờ tụng trng lc cao nht lỳc by gi. S ra i ca
p Tõn Giang l tin cho s ra i ca nhiu p bờ tụng truyn thng nh cỏc
p Sụng Lũng Sụng, Sờ San 3

255.6
247.0
241.0
220.0
212.3
209.5
211.0
207.5
215.7
208.0
220.5
224.0
229.0
247.4
254.6
257.0
Bê tông cốt thép M200

Bê tông M150
Lỗ thóat nớc
Hành lang khoan phụt
Cầu công tác


Hỡnh 1.2 - Mt ct in hỡnh p Tõn Giang

Hc viờn: Hong ỡnh Khiờm Lp: Cao hc 17C1



10

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.3 - Đập Tân Giang nhìn từ hạ lưu
1.2.2 Đập bê tông đầm lăn
Đập bêtông đầm lăn là đập bêtông được thi công bằng bêtông có hàm lượng xi
măng thấp , độ sụt nhỏ, rải thành tầng lớp như thi công đập đất và làm chặt bằng lu
lăn kết hợp với rung động
Trên thế giới đập bê tông đầm lăn được xây dựng trong khoảng 20 - 30 năm
trở lại đây.
Mỹ và các nước phương Tây là nơi có các đập bê tông đầm lăn đầu tiên.Trung
Quốc là nước xây dựng nhiều đập bê tông đầm lăn, hiện đang có khoảng hơn 40 đập
bê tông đầm lăn đã được đưa vào khai. Họ đã thành lập Hội đồng khoa học về đập
RCC từ tháng 6/1990 và năm 2005 đã tổng kết 20 năm xây dựng đập bêtông đầm lăn.
Đập Longthan ở Quảng Tây cao 216,2m là đập bêtông đầm lăn cao nhất thế giới.
Ở nước ta lần đầu tiên vào năm 2003 công nghệ bê tông đầm lăn đã được ứng
dụng để xây dựng đập PleiKrong (KonTum) cao 71m, tiếp theo là đập Định Bình

(Bình Định) cao 54m, đập Sơn La cao 138m, đập Bản Vẽ (Nghệ An) cao 137m…
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



11

Lun vn thc s Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu
Cụng trỡnh thy in Bc H trờn sụng Chy huyn Bc H tnh Lo Cai. p
trn c b trớ phn lũng sụng, p trn gm 2 khi 2x29,5m, trn gm 4 khoang
kớch thc mi khoang 10,5x12m, chiu cao p phn trn H= 61,5m, thõn p kt
cu bng bờ tụng m ln mỏi thng lu v mt p c bc lp bờ tụng M300
chng thm v gia c. Ngoi ra cũn mt s cụng trỡnh khỏc nh: p thy in Sn
La, p nh Bỡnh











Hỡnh 1.4 - Mt ct in hỡnh p Bc H bng RCC cao H = 61,5m
u im ch yu ca bờtụng m ln so vi bờtụng thng l gim c ng sut
nhit thu hoỏ , tc thi cụng nhanh, thi cụng liờn tc. Tuy vy, im yu ni bt
ca p bờtụng m ln l thm nc qua cỏc khe thi cụng.Trong cỏc p bờtụng m
ln ó thi cụng Vit Nam , p Pleikrụng l p b thm khỏ nghiờm trng. Mc dự

vy cụng ngh ny vn c u tiờn la chn khi xõy dng p bờtụng.
0,50
R21,00
153.17
Tim hố xói
84.86
70,73
1:1
20,70
1:2.5
1:0.8
2,00
160.50
184.10
148.00
141.50
168.00
110.50
108.00
140.00
119.06
106.50
107.50
67.65
94.65
Bê tông cốt thép M300
135.50
1:0.2
Cửa van tràn 4 x (10.5mx12m)
1,50

70,23
MNTK 180.33(P=0.5%)
2,00
MNDBT 180.00
MNC 160.00
RCC
4,50
3,00
MNLKT 182.36(P=0.1%)
1:0.8
MNHLmax(P=0.1%)=140.26
MNHLmin=120.97
1:3
5,00
Đuờng mặt đất tự nhiên
3,00
2,00
BTCT M300
BT M300
Khoan phun XM chống thấm
Hành lang khoan phun
Bê tông đổ bù M200
27,00
176.00
Hc viờn: Hong ỡnh Khiờm Lp: Cao hc 17C1



12

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.5 - Đập thủy điện Sơn La (góc nhìn từ nhà điều hành)
1.2.3 Đập trọng lực khe rỗng
Đập trọng lực khe rỗng là một trong những dạng cải tiến của đập trọng lực. Do
có những khe rỗng lớn mà khối lượng của đập được giảm đi nhiều. Áp lực thấm dưới
đáy đập cũng giảm đi rất nhiều.
Đập trọng lực khe rỗng có thể làm theo dạng tràn nước hoặc không tràn nước.
Đập thường được chia thành nhiều đoạn làm việc độc lập nhau chiều dài mỗi đoạn
khoảng 15- 20m.
Việc tính toán ổn định của các đoạn đập, về nguyên lý không khác với việc
tính ổn định của đập trọng lực.
Ngoài ra còn có một số dạng đập bê tông trọng lực khác như đập trọng lực có
lỗ khoét lớn, đập trọng lực lắp ghép kiểu ngăn hộp, đập trọng lực ứng suất trước.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



13

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Ưu điểm của các đập này là giảm khá nhiều khối lượng bê tông (có thể giảm từ
20 - 70%), ngoài ra tốc độ thi công các loại đập này cũng nhanh hơn và điều kiện tỏa
nhiệt của bê tông trong quá trình thi công cũng thuận lợi hơn.
1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA LOẠI HÌNH ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG
TRỌNG LỰC
Đập tràn bê tông trọng lực được sử dụng rất lâu nhưng vẫn còn nhiều vấn đề
còn tồn tại.
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội trong những năm gần đây nhu cầu về tưới
tiêu, phòng lũ và nhu cầu dùng điện ngày càng gia tăng thì việc xây dựng các hồ chứa

ngày càng nhiều, trong đó công trình đầu mối là các hạng mục quan trọng. Hơn nữa
trong những năm gần đây nghành công nghiệp xi măng ở trong nước và trên thế giới
phát triển rất nhanh chóng cho nên việc sử dụng xi măng để làm vật liệu xây dựng
không còn khó khăn như trước.
Đồng thời với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các phương pháp thi công
bằng cơ giới hóa ngày càng phát triển cho nên loại hình đập tràn bê tông trọng lựccó
nhiều khả năng hơn được chọn để xây dựng.
Trong vòng khoảng 100 năm trở lại đây loại hình đập này được xây dựng khá
nhiều ở các nước phát triển vì những ưu điểm sau đây:
+ Độ ổn định và độ bền của đập lớn.
+ Phương pháp tính toán kết cấu đơn giản hơn so với các loại đập khác
+ Áp dụng được cho các loại quy mô công trình.
+ Ngày nay công nghệ bê tông đầm lăn phát triển có thể thay thế chất kết dính
xi măng bằng một số phụ gia khác như tro bay nhà máy nhiệt điện nên giảm được
hàm lượng xi măng xuống còn 60 - 70 Kg/m3 bê tông đã làm giảm giá thành công
trình.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



14

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
+ Giải quyết được vấn đề dẫn dòng thi công dễ dàng hơn so với đập đất, đập
đất đá hỗn hợp. Trong thời kỳ thi công có thể thi công chia thành từng đoạn, phân
thành từng đợt và cho phép lũ tràn qua đập.
Bên cạnh những ưu điểm trên thì đập tràn bê tông trọng lực cũng có một số vấn
đề tồn tại sau:
+ Đập tràn bê tông trọng lực có khối lượng bê tông lớn nên giá thành xây dựng
cao hơn so với các loại đập khác.

+ Vật liệu xây dựng chính gồm có xi măng, sắt thép, đá, cát cuội sỏi phải vận
chuyển từ nơi khác đến.
+ Trong quá trình thi công phải giải quyết các vấn đề phát sinh do ứng suất
nhiệt.
+ Do đập có trọng lượng bản thân lớn nhất là đối với đập cao do đó lực truyền
xuống nền cũng lớn vì vậy yêu cầu đối với nền cao hơn so với các loại đập bằng vật
liệu tại chỗ.
+ Loại hình đập này không áp dụng được trên mọi nền so với đập đất.
+ Không tận dụng được vật liệu sẵn có ở địa phương.
1.4 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC TRÊN NỀN YẾU
Thông thường đập trọng lực xây dựng trên nền đá tốt ít nứt nẻ mà trong phân
loại đất đá hiện nay thường ký hiệu là lớp II. Tuy vậy ở nhiều công trình hiện nay do
lớp II nằm dưới sâu, nên nếu đặt đập tràn ở lớp II thì khối lượng đào móng sẽ rất lớn,
khối lượng công trình cũng tăng lên.Để giảm chi phí xây dựng đập cần phải có giải
pháp phù hợp sao cho vừa đảm bảo an toàn cho công trình, vừa giảm chi phí đầu tư.
Các giải pháp có thể nghĩ tới là:
+ Giảm nhẹ kết cấu hoặc tăng diện tiếp xúc của kết cấu với nền để giảm ứng
suất của đáy đập.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



15

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
+ Sử dụng cọc có sức chịu tải lớn ví dụ như cọc khoan nhồi để chịu trọng
lượng đập và lực xô ngang của nước.
+ Kết hợp cả hai giải pháp trên.
Về giải pháp kết cấu, thay thế cho đập trọng lực đã sử dụng đập bản phẳng, đập
dạng tường ô. Kết cấu đập dạng tường ô đã được áp dụng ở đập Định Bình( Bình

Định) và một số công trình khác. Giải pháp cọc khoan nhồi cũng đã bắt đầu được áp
dụng ở đập Đá Hàn (Hà Tĩnh). Như là những đóng góp về giải pháp trong luận văn
này tác giả đề xuất sử dụng giải pháp đập có lỗ khoét lớn với đáy mở rộng để xây
dựng đập tại vị trí có điều kiện địa chất không thuận lợi, ví dụ như lớp phong hoá nhẹ
(IB) hoặc thậm chí lớp phong hoá vừa (IA2) khá dày. Nguyên tắc của giải pháp là vẫn
giữ trọng lượng đập cần thiết để đảm bảo ổn định trượt và lật. Việc làm đập rỗng là để
mở rộng mặt cắt của đập, tăng diện tiếp xúc của đáy đập với nền nhằm giảm ứng suất
của đáy đập sao cho phù hợp với sức chịu tải của nền. Mặt khác, để phòng thấm qua
nền có khả năng tăng mạnh khi đập đặt trên lớp IB hoặc thậm chí trên lớp IA2 cần
phải có giải pháp chống thấm triệt để hơn, ví dụ làm tường chống thấm xuyên qua lớp
IB hoặc cả hai lớp IA2 và lớp IB, như biểu diễn trên hình 1.6
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



16

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.6 - Đập dâng có tường chống thấm

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



17

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP PTHH VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP
BÊTÔNG TRỌNG LỰC
Phân tích tính toán ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực là nhằm xác định
trị số, phương chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực, biến
dạng của nền, sự thay đổi của nhiệt độ, biện pháp thi công Trên cơ sở các kết quả
tính toán được tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, từ đó phân vùng đập
để sử dụng các mác bê tông khác nhau, phù hợp với điều kiện chịu lực từng vùng.
Nhằm đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật cho công trình.
2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG
TRỌNG LỰC
Để giải quyết bài toán ứng suất, biến dạng của đập bêtông trọng lực có rất
nhiều phương pháp như: phương pháp sức bền vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn
hồi, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp
phần tử biên. Nói chung các phương pháp này đều dựa trên giả thiết cơ bản : Vật
liệu là môi trường liên tục, đồng nhất và đẳng hướng. Dưới đây trình bày những nét
chính của một số phương pháp thường được sử dụng.
2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu
Nội dung phương pháp này là, coi đập như một thanh được ngàm chặt vào nền

chịu nén lệch tâm và chịu cắt trên cơ sở đó xác định ứng suất pháp và tiếp trên mặt cắt
ngang bằng công thức của sức bền vật liệu. Tiếp đó sử dụng điều kiện cân bằng của
phân tố được tách ra ở mép biên để xác định ứng suất pháp theo phương ngang (Hình
2.1), cũng như ứng suất chính (Hình 2.2)



Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



18

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ










Hình 2.1 Xác định ứng suất pháp
theo phương ngang

Hình 2.2 Xác định ứng suất chính

2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi
Nội dung phương pháp này là sử dụng lời giải sẵn có của lý thuyết đàn hồi để
tính toán chuyển vị và ứng suất của đập. Theo đó đập trọng lực tràn hoặc không tràn
đều được qui về bài toán hình nêm phẳng có chiều dài vô hạn chịu tải trọng phân bố
hình tam giác ở mặt bên(Hình 2.2.3) và chịu lực tập trung và mômen tập trung ở đỉnh
(Hình 2.2.4)
Sơ đồ qui đổi dạng và tải trọng thực tế của đập về dạng bài toán hình nêm như
biểu diễn trên hình 2.3 và 2.4 được minh hoạ trên hình (2.5) cho đập không tràn và
(2.6) cho đập tràn.





Hình 2.3 Nêm phẳng chịu tải trọng phân bố hình tam giác ở mặt bên.
Y
o
x
β
P
dy
dx dx
γ
y
σ'
y
σ
'
x
σ

"
y
σ
"
x
τ
'
τ'
τ"
τ"
α
1
α2
y
dx dx
γy
σ'
y
σ"
y
τ"
N'
1
N"
1
α
1
α
2
τ

'
y
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



19

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
o
x
Y
P
M

Hình 2.4 Nêm phẳng chịu lực tập trung và mômen tập trung ở đỉnh.
o
x
P
Y
=
o
P
Y
o
x
Y
P
M
+

Hình 2.5. Sơ đồ tính toán đập không tràn
P
=
o
P
Y
o
x
Y
P
M
+

Hình 2.6. Sơ đồ tính toán đập tràn
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



20

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Trong hình 2.5 và 2.6 , mômen và lực tập trung ở đỉnh là các thành phần tải
trọng qui đổi biểu diễn tác dụng của trọng lượng khối vật liệu giới hạn trong miền
được gạch chéo đưa về đỉnh của khối hình nêm.
Để tiện tính toán, dựa vào lời giải của lý thuyết đàn đàn hồi đã thiết lập các
bảng tra trị ứng suất cho trường hợp tải trọng có thể tìm các bảng tra này trong các
sách chuyên khảo sát về thiết kế đập bêtông trọng lực.
2.1.3 Phương pháp Phần tử hữu hạn
a. Nguyên lý chung

Khi tính bằng phương pháp PTHH kết cấu được chia thành nhiều phần nhỏ,
mỗi phần được gọi là một phần tử (element). Các phần tử thường được chọn có dạng
hình học đơn giản. Chẳng hạn, với kết cấu hệ thanh phần tử thường được chọn là một
đoạn của thanh. Với tấm, vỏ hoặc bài toán phẳng (ứng suất phẳng, biến dạng phẳng)
thường chọn phần tử có dạng tam giác hoặc tứ giác. Với kết cấu dạng khối thường
chọn phần tử có dạng khối chóp hoặc lăng trụ (h. 2.1).
Các phần tử được xem như chỉ được nối với nhau ở điểm chia giữa hai đoạn
(phần tử thanh), ở đỉnh của tam giác, tứ giác, đỉnh của khối chóp, khối lăng trụ (phần
tử phẳng hoặc khối). Các điểm này được gọi là các điểm nút (node) của mạng lưới
phần tử.Trong một số trường hợp nút còn được chọn thêm là một số điểm ở trên đoạn
(phần tử thanh), trên cạnh (phần tử tam giác, tứ giác hoặc phần tử khối).
Về nguyên tắc, lưới phần tử càng dày, số điểm nút càng nhiều thì độ chính
xác của kết quả càng lớn. Tuy vậy, trong thực tế áp dụng cũng không cần phải chia
lưới phần tử qua dày. Mặt khác, không nhất thiết phải chia các phần tử có kích thước
như nhau mà nên dùng lưới phần tử có kích thước nhỏ ở những vùng hàm phải tìm có
khả năng biến thiên mạnh về giá trị, ví dụ vùng xung quanh các lỗ khoét trong thân
đập, vùng gần các vị trí đặt tải tập trung còn ở các vùng khác thì dùng lưới phần tử
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



21

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
có kích thước lớn hơn. Như vậy vừa đạt độ chính xác cao, vừa giảm được kích thước
của bài toán phải giải.

Hình 2.7 Một số dạng phần tử thường dùng
Để xác định vị trí của phần tử và điểm nút trong mạng lưới phần tử mối phần
tử và mỗi điểm nút được đánh một số mã. Cách đánh số mã đơn giản nhất là dùng
các số tự nhiên 1, 2, 3 để gán cho mỗi phần tử và mỗi điểm nút. Thứ tự đánh số
không ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Về cách giải, phương pháp PTHH là một phương pháp gần đúng. Ý nghĩa
gần đúng thể hiện ở chỗ trong miền của một phần tử chọn một hàm nào đó để biểu
diễn gần đúng dạng của hàm phải tìm trong miền của phần tử đó. Hàm được chọn gọi
là hàm xấp xỉ. Để đơn giản, dạng của hàm thường được chọn là một đa thức nguyên,
trong đó hệ số của đa thức là ẩn cần tìm. Bậc của đa thức cần chọn để thoả mãn điều
kiện hội tụ của lời giải. Thông thường, với mỗi dạng kết cấu phải chọn một dạng bậc
của đa thức. Ví dụ với bài toán phẳng chỉ cần chọn hàm xấp xỉ có dạng là hàm bậc
nhất, với kết cấu hệ thanh và kết cấu tấm vỏ bậc của hàm xấp xỉ phải chọn thấp nhất
là bậc ba Khác với các phương pháp gần đúng khác, ở phương pháp PTHH các hệ
số của đa thức nguyên được biểu diễn qua các giá trị của hàm phải tìm tại vị trí các
điểm nút của phần tử. Do đó, để tìm dạng của hàm xấp xỉ, thay cho việc tìm hệ số
của đa thức đi tìm giá trị của hàm tại vị trí các điểm nút.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



22

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Trong bài toán kết cấu, tuỳ theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ định tìm là
chuyển vị, ứng suất hoặc cả hai, người ta sử dụng ba loại mô hình sau: mô hình tương
thích, mô hình cân bằng và mô hình hỗn hợp. Trong ba mô hình trên thì mô hình
tương thích được sử dụng rộng rãi nhất. Trong mô hình tương thích hàm được chọn

biểu diễn xấp xỉ là chuyển vị trong phạm vi một phần tử, các hệ số của đa thức xấp
xỉ được biểu diễn thông qua chuyển vị ở các nút của phần tử. Ẩn của bài toán được
chọn là chuyển vị tại các điểm nút.
Để gọn trong cách biểu diễn, phương pháp PTHH thường sử dụng ký hiệu
ma trận để viết các biểu thức hoặc các phương trình tính toán. Cụ thể là thay cho
việc viết các phần tử của một dãy sử dụng chữ cái ký hiệu dãy đó, thay thế cho việc
viết các phần tử của một ma trận sử dụng chữ cái ký hiệu ma trận đó, thay cho diễn
giải một biểu thức hoặc một hệ phương trình sử dụng ký hiệu nhân ma trận v.v.
Dưới đây sử dụng ký hiệu ma trận để viết phương trình hình học và phương
trình vật lý của lý thuyết đàn hồi là hai phương trình được sử dụng để thiết lập
phương trình giải bằng phương pháp PTHH.
Phương trình hình học: Nếu gọi























=
zx
yz
xy
z
y
x
γ
γ
γ
ε
ε
ε
ε
là vectơ biến dạng;













=
w
v
u
u
là vectơ chuyển vị

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1



23

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ


































∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂

∂
∂
∂
∂
∂
∂
=∂
zx
yz
xy
z
y
x
T
là ma trận chuyển vị của ma trân toán tử vi phân ∂

thì phương trình hình học được viết gọn lại ở dạng ma trận như sau:


u
T
∂=
ε
(2.1)

Phương trình vật lý: Nếu gọi























=
zx
yz
xy
z
y
x
τ
τ
τ
σ
σ

σ
σ
là vectơ ứng suất

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1