NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN KHAO MANG THƯỢNG - TỈNH YÊN BÁI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI



PHẠM TIẾN CẢNH



NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP
VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN. ÁP DỤNG TÍNH
TOÁN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN KHAO MANG THƯỢNG - TỈNH YÊN BÁI

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


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái






Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, các đồng
nghiệp, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công trình trường Đai học

Thủy Lợi, đến nay luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình
thủy với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa
phương theo mô hình phi tuyến. Áp dụng tính toán cho đập thuỷ điện Khao
Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” đã hoàn thành.
Tác giả xin gửi lời chân thành cám ơn tới các đồng nghiệp trong Công ty Cổ
phần Tư vấn Xây Dựng điện 1, người đã cung cấp các số liệu cho luận văn này.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Cảnh
Thái, người đã trực tiếp hướng dẫn, và giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn, luận văn không thể tránh khỏi những điều
thiếu sót. Tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những quý vị quan tâm. Mọi ý kiến đóng góp xin liên hệ theo địa
chỉ email:

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014
Tác giả



Phạm Tiến Cảnh
BẢN CAM KẾT
Tác giả xin cam kết rằng, nội dung trong luận văn này hoàn toàn được thực
hiện bởi chính tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái. Tất cả
các số liệu sử dụng tính toán trong luận văn thuộc về sở hữu của Công ty Cổ phần
Tư vấn Xây dựng Điện 1. Tác giả tôn trọng bản quyền tác giả của các nguồn tài liệu
được sử dụng trong luận văn, tất cả đều được trích dẫn cụ thể.
Tác giả xin cam kết những điều trên là đúng sự thật. Tác giả chịu trách nhiệm
với những gì mình cam kết.

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014

Tác giả



Phạm Tiến Cảnh
MỤC LỤC
HÌNH VẼ 1
BẢNG BIỂU 1
PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4
1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phương 4
1.1.1 Mở đầu 4
1.1.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập 6
1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương 6
1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam 7
1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng của đập. 11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG
CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 13
2.1 Tổng quan về mô hình vật liệu 13
2.1.1 Tổng quan về ứng suất 13
2.1.2 Tổng quan về biến dạng 15
2.2 Một số mô hình vật liệu cơ bản 16
2.2.1 Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính 16
2.2.2 Mô hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb) 17
2.2.3 Mô hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang) 19
2.2.4 Mô hình đất tăng cứng Hardening Soil 21
2.3 Quy luật biến dạng cơ bản của đất 25
2.4 Các biến dạng trong đập và hậu quả 26
2.5 Đứt gãy thủy lực 30
CHƯƠNG 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG

CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 32
3.1 Yếu tố về hình học của đập 32
3.2 Lựa chọn mô hình vật liệu 32
3.3 Lựa chọn chỉ tiêu của vật liệu 33
3.4 Lưới phần tử 34
3.5 Quá trình thi công 35
3.6 Quá trình tích nước 37
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP KHAO MẠNG
THƯỢNG 39
4.1 Giới thiệu về đập Khao Mang Thượng 39
4.2 Phân tích số liệu, mô hình tính toán, mặt cắt tính toán. 49
4.2.1 Khảo sát mỏ vật liệu đắp đập 49
4.2.2 Công tác thí nghiệm vật liệu đắp đập 50
4.2.3 Phân tích số liệu 53
4.2.4 Mô hình tính toán 53
4.2.5 Xác định chỉ tiêu tính toán cho mô hình hardening soil 55
4.2.6 Các tính toán ứng suất biến dạng đập 57
4.3 Kết quả tính toán 58
4.3.1 Ảnh hưởng mô hình tính toán, quá trình thi công, quá trình tích nước: Tính
cho mặt cắt 0+100 59
4.3.2 Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt: Mặt cắt 0+75, 0+125, 0+150 70
4.3.3 Ảnh hưởng của khối gia tải hạ lưu: Mặt cắt 0+75 75
4.3.4 Tính toán cho mặt cắt dọc trục đập 76
4.4 Kiến nghị 78
4.5 Kết luận chương 79
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC
HÌNH VẼ
Hình 2-1: Hệ trục tọa độ không gian tổng thể và ký hiệu ứng suất 13

Hình 2-2: Không gian ứng suất chính 14
Hình 2-3: Quan hệ giữa ứng suất biến dạng – mô hình đàn hồi tuyến tính 16
Hình 2-4: Quan hệ ứng suất – biến dạng mô hình Mohr Coulomb 17
Hình 2-5: Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính (C=0) 18
Hình 2-6: Đường cong quan hệ giữa ứng suất – biến dạng. 20
Hình 2-7: Xác định module tham chiếu
ref
oed
E
23
Hình 2-8: Đường cong ứng suất biến dạng 23
Hình 2-9: Quy luật biến dạng của đất 25
Hình 2-10: Biến dạng đều 26
Hình 2-11: Chênh lệch chuyển vị do địa hình 26
Hình 2-12: Chênh lệch chuyển vị do vật liệu đắp khác nhau 27
Hình 2-13: Chênh lệch chuyển vị do thay đổi địa chất nền 27
Hình 2-14: Chênh lệch chuyển vị do vết nứt kiến tạo chạy dọc theo phương dòng
chảy 27
Hình 2-15: Biến dạng theo phương ngang 27
Hình 2-16: Lún nền đập 27
Hình 2-17: Vết nứt vuông góc trục đập 28
Hình 2-18: Vết nứt ngang 29
Hình 2-19: Vết nứt dọc 30
Hình 2-20: Giảm ứng suất trong thân đập. 31
Hình 3-1: Ảnh hưởng của quá trình thi công đến trạng thái ứng suất biến dạng 36
Hình 4-1: Thiết kế mặt cắt ngang đập điển hình 44
Hình 4-2: Biểu đồ cấp phối hạt các khối đắp 46
Hình 4-3: Đập đắp đến cao trình 470.00m 47
Hình 4-4: Đập đắp đến cao trình 900.00m 47
Hình 4-5: Thi công lõi sét chống thấm đến cao trình 900.00m 48

Hình 4-6: Thi công thí nghiệm đắp đá thượng lưu (khối 5) 48
Hình 4-7: Thiết bị thí nghiệm nén 3 trục mẫu đất 52
Hình 4-8: Đang thí nghiệm nén 3 mẫu đất cố kết 1 trục 52
Hình 4-9: Đường cong quan hệ 𝛔~𝛆 thí nghiệm nén Oed 57
Hình 4-10: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎y’ 59
Hình 4-11: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎x’ 59
Hình 4-12: Chuyển vị theo phương đứng, kết thúc giai đoạn thi công 60
Hình 4-13: Kết thúc giai đoạn thi công – Chuyển vị theo phương ngang 60
Hình 4-14: MNDBT - Ứng suất 𝜎y’ 60
Hình 4-15: MNDBT - Ứng suất 𝜎x’ 60
Hình 4-16: MNDBT – Chuyển vị theo phương X. 61
Hình 4-17: Kết quả ứng suất theo phương Y của giai đoạn thi công xong (màu đỏ)
và giai đoạn mực nước dâng bình thường. 62
Hình 4-18: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎x’ 63
Hình 4-19: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎y’ 64
Hình 4-20: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất chính. 64
Hình 4-21: Các điểm vẽ biểu đồ chuyển vị thẳng đứng 64
Hình 4-22: Chuyển vị đứng các điểm đo. 65
Hình 4-23: Chuyển vị đứng tăng thêm do từng lớp đất đắp ứng với các điểm khảo
sát 65
Hình 4-24: Các ứng suất hiệu quả theo phương Y tại các cao trình 895, 905, và 884
66
Hình 4-25: MNDBT – Áp lực nước lỗ rỗng 67
Hình 4-26: MNDBT - ứng suất hiệu quả 𝜎y’ 68
Hình 4-27: MNDBT - ứng suất hiệu quả 𝜎x’ 68
Hình 4-28: MNDBT - ứng suất chính hiệu quả. 68
Hình 4-29: Chuyển vị thẳng đứng – MNDBT 69
Hình 4-30: Chuyển vị thẳng đứng –cuối giai đoạn thi công 69
Hình 4-31: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y 70
Hình 4-32: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x 70

Hình 4-33: Mặt cắt 0+75 - MNLTK - ứng suất hiệu quả 𝛔y 71
Hình 4-34: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y 71
Hình 4-35: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x 72
Hình 4-36: Mặt cắt 0+125 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y 72
Hình 4-37: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y 73
Hình 4-38: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x 73
Hình 4-39: Mặt cắt 0+150 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y 74
Hình 4-40: Ứng suất trong lõi sét cao trình 904m khi MNDBT 75
Hình 4-41: Mặt cắt A-A 75
Hình 4-42: Trường hợp không có khối gia tải Max = 14,8cm 76
Hình 4-43: Có khối gia tải Max = 5cm 76
Hình 4-44: Thi công xong - chuyển vị theo phương X 77
Hình 4-45:Thi công xong - chuyển vị theo phương Y 77
Hình 4-46: Ứng suất Sx'- mực nước 915. 78
BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới 8
Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ đã
xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng 1/2007 9
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam. 10
Bảng 4-1: Bảng thông số các hạng mục công trình thủy điện Khao Mang Thượng
giai đoạn TKKT 41
Bảng 4-2:Cấp phối hạt cát lọc (khối 3) 45
Bảng 4-3: Cấp phối hạt cát lọc (khối 4) 45
Bảng 4-4: Cấp phối hạt đá đắp thượng lưu (khối 5) 45
Bảng 4-5:Khối lượng công tác thí nghiệm trong phòng và hiện trường 51
Bảng 4-6: Chỉ tiêu tính toán kiến nghị theo số liệu của chủ nhiệm địa chất. 53
Bảng 4-7: Chỉ tiêu tính toán đập KMT theo mô hình Hardening Soil 55
Bảng 4-8: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục CU cho lõi sét 56
Bảng 4-9: Kết quả thí nghiệm nén Oed 56
Bảng 4-10: Modulus đàn hồi trung bình cho các vùng vật liệu – kết thúc giai đoạn

thi công 67
Bảng 4-11: Modulus đàn hồi trung bình cho các vùng vật liệu – Mực nước DBT 67

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập vật liệu địa phương đã được xây
dựng nhiều ở Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xô với mục
đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Về sau, đập vật liệu địa phương ngày
càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài
nguyên dòng nước.
Đối với nước ta khi xây dựng những hồ chứa, đập vật liệu địa phương là loại
công trình dâng nước phổ biến nhất. Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây
dựng, phương tiện thi công của nước ta, trong tương lai đập vật liệu địa phương
còn có triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập vật liệu địa phương đã được
thực hiện từ những năm 40 của thế kỷ 20 ở CHLB Nga và các nước phương Tây.
Tuy nhiên do hạn chế về công cụ tính toán mà người ta buộc phải đưa vào quá
nhiều giả thiết nhằm đơn giản hoá các công thức tính toán. Các công thức này là
những biểu thức giải tích theo bài toán một chiều. Cho tới nay, các công thức đó chỉ
có ý nghĩa về mặt lịch sử.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá theo bài toán phẳng
hai chiều cũng đã được tiến hành vào những năm 60 của thế kỷ trước (gắn liền với
sự ra đời của phương pháp phần tử hữu hạn ), và bài toán không gian ba chiều cũng
chỉ mới được bắt đầu tính toán vào những năm 70 của thế kỷ 20. Tất cả các bài toán
đó đều được giải theo mô hình tuyến tính.
Do thực tế xây dựng các dự án thủy điện lớn ở CHLB Nga và các nước
phương tây ngày càng phát triển, nên các đập đất đá cao cũng được ứng dụng nhiều
hơn.Theo đó các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm của đập cao cũng phát
triển và đã chứng minh rằng các kết quả tính toán theo mô hình tuyến tính đã không

phản ánh đúng thực tế làm việc của công trình. Để phản ánh đúng sự làm việc của
các đập cao cần phải đi tìm kiếm một phương hướng khác. Đó là việc giải bài toán
với mô hình phi tuyến về mối liên hệ giữa ứng suất - biến dạng.
2
Vấn đề nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong thiết kế các đập vật
liệu địa phương ở Việt nam là cần thiết và cấp bách.
Sự phát triển gần đây của các chương trình máy tính địa kỹ thuật phân tích
ứng suất-biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn đã đem lại hiệu quả cao
trong thiết kế công trình. Tuy nhiên, thách thức không nhỏ đối với người thiết kế là
việc lựa chọn đúng đắn mô hình phân tích cũng như các tham số của mô hình đất
đá.
Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa
phương theo mô hình phi tuyến. Áp dụng tính toán cho đập thuỷ điện Khao
Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” sẽ nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng theo
mô hình phi tuyến xác định ứng suất và biến dạng trong thân và nền đập. Khi biết
được sự phân bố ứng suất sẽ dự kiến được khả năng phát sinh vết nứt trong đập- là
một trong những nội dung quan trọng khi thiết kế đập cao và có địa hình phức tạp
(như vai đập vách dốc, độ dốc thay đổi lớn ). Đề tài sẽ áp dụng phân tích ứng suất
biến dạng theo mô hình đàn hồi phi tuyến – mô hình đất tăng cứng Hardening soil
cho đập thủy điện Khao Mang Thượng, đập đá đổ lõi sét.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đập vật liệu địa phương theo
mô hình phi tuyến phản ánh đúng sự làm việc của đập.
- Đề xuất giải pháp thiết kế hợp phù hợp cũng như biện pháp xử lý trong thời
kỳ thi công.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng giúp tăng khả năng an toàn đập
và giảm giá thành công trình đặc biệt là những đập có điều kiện địa hình phức tạp.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập vật liệu địa phương.
- Nghiên cứu một số mô hình đàn hồi phi tuyến.

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng của đập.
- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với việc tính toán áp dụng cho một công trình
cụ thể là đập thủy điện Khao Mang Thượng – đập đá đổ.
- Từ kết quả tính toán áp dụng rút ra kết luận và kiến nghị.
3
4. Kết quả và dự kiến đạt được
- Phân tích ứng suất biến dạng theo mô hình đàn hồi phi tuyến cho đập thủy
điện Khao Mang Thượng.
- Đề xuất các biện pháp nâng cao an toàn cho đập.
- Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phân tích ứng suất - biến
dạng cho các đập vật liệu địa phương.
5. Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm các phần như sau
MỞ ĐẦU
Chương I: Tổng quan
Chương II: Cơ sở lý thuyết phân tích ứng suất biến dạng đập vật liệu địa
phương
Chương III: Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa
phương
Chương IV: Tính toán ứng suất biến dạng đập Khao Mang Thượng
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phương
Hình 1.1. Ảnh đập vật liệu địa phương
1.1.1 Mở đầu
Đập vật liệu địa phương được hiểu một cách đơn giản là đập được xây dựng từ
các vật liệu lấy ngay tại địa phương có công trình xây dựng, không phải vận chuyển

xa, không qua công nghệ chế biến phức tạp. Vì vậy đập vật liệu địa phương còn
được gọi là đập vật liệu tại chỗ.
Tuy nhiên về mặt cơ học đất đá, đập vật liệu địa phương được hiểu là đập
đuợc xây dựng trực tiếp từ các sản phẩm phong hoá (các loại đất, cát, sỏi) và chưa
phong hoá (đá đổ, đá dăm) của vỏ trái đất. Về nguyên tắc bất cứ loại vật liệu gì là
sản phẩm phong hoá của vỏ trái đất đều có thể dùng để xây dựng đập.
Đập vật liệu địa phương là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ
nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia
5
nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi, thủy điện hay xây
dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông.
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đá đã được xây dựng nhiều ở
Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xô với mục đích dâng và
giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Về sau, đập đất ngày càng đóng vai trò quan trọng
trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận
thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình v.v cũng như việc ứng dụng rộng
rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát
triển mạnh mẽ. Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất (riêng Nhật
đã có 1281 đập đất cao hơn 15 m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75 m.
Các công trình thuỷ công nói chung và đập vật liệu địa phương nói riêng được
sử dụng rất phổ biến ở tất cả các nước trên thế giới khi xây dựng các dự án thuỷ lợi,
thuỷ điện, giao thông thuỷ v.v Các đập đất đã xuất hiện khá sớm, từ hàng nghìn
năm trước công nguyên (như ở Trung quốc thời cổ đại đã có đê đập ven sông
Hoàng Hà, ở Ấn Độ đã thời cổ cũng đã có đê đập ngăn nước lũ của sông Hằng, ở
Việt Nam từ thời Lý đã có đê ven sông Hồng v.v ). Ở nước ta, trong những năm
qua đã xây dựng nhiều đập đất đồng chất, đập đất nhiều khối, đập đất đá hốn hợp,
đập đá đổ…trong đầu mối công trình thủy lợi, thủy điện.
Đặc điểm chính của các đập đất đá là thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và
động. Qua phân tích sự làm việc và tổng kết các công trình đã được xây dựng, khai

thác vận hành người ta nhận thấy rằng các công trình thuỷ công như các đập đất đá
là loaị công trình có nhiều vấn đề kỹ thuật hơn cả. Sự có mặt thường xuyên của
dòng thấm trong thân và nền của các công trình thuỷ công đã dẫn dến sự tăng kích
thước mặt cắt ngang của chúng cũng như đòi hỏi quá trình thi công nghiêm ngặt,
cho nên giá thành công trình cao hơn rất nhiều giá thành các công trình không chịu
tác dụng của dòng nước (ví như so với các công trình kiến trúc trên mặt đất).
6
Để hạn chế tới mức tối thiểu nhất tác hại các loại ngoại lực bên ngoài tác
động lên các đập đất đá mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, nhất thiết phải hiểu
được bản chất của của các loại nội lực phát sinh trong thân và nền công trình.
Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của các loại máy tính, đặc biệt
là sự phát triển cực kỳ nhanh chóng của các phần mềm ứng dụng, đã cho phép
chúng ta gải quyết được rất nhiều vấn đề khoa học và công nghệ phức tạp đặt ra đối
với các công trình thuỷ công như các đập vật liệu địa phương.
1.1.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập
Đập vật liệu địa phương là loại công trình tận dụng vật liệu tại chỗ, có nhiệm
vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công
trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi,
thủy điện hay xây dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông.
1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương
1.1.3.1 Ưu điểm
Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập vật liệu địa phương không cao lắm so
với những loại đập khác. Đập vật liệu địa phương có thể xây dựng được với bất kỳ
điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào. Những vùng có động đất cũng có thể
xây dựng được đập đất. Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp,
có địa chất tốt thích hợp cho các loại đập bê tông càng ít cho nên dần dần đi vào
khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho đập bằng vật liệu tại chỗ.
Với những thành tựu nghiên cứu trong các lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm,
trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống
thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để

đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại. Do đó giá thành công trình
ngày càng hạ thấp và chiều cao đập càng được nâng cao. Người ta đã tính được rằng
nếu lựa chọn được loại đất có thành phần hạt thích hợp và đầm nén tốt thì ứng suất
cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110 kg/cm
2
và như vậy có thể xây dựng
được đập cao đến 650 m.
7
Có khả năng cơ giới hóa hoàn toàn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất
với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ
giá thành công trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hoàn toàn lực lượng lao
động thủ công…
Tóm lại ưu điểm của đập vật liệu địa phương bao gồm:
- Có cấu tạo đơn gian nhưng rất phong phú, giá thành hạ;
- Yêu cầu địa chất nền không cao, có thể xây dựng trên mọi loại nền;
- Vật liệu không cần xử lý nhiều, tận dụng được các vật liệu tại chỗ;
- Kỹ thuật thi công đơn giản, cho phép cơ giới hóa các công đoạn thi
công từ khai thác vật liệu, chuyên chở, đắp, đầm nén Công tác chuẩn
bị trước khi xây dựng không tốn nhiều công sức như các loại đập khác.
- Kinh nghiệm trong thiết kế, thi công và quản lý đập được tích lũy qua
thời gian dài.
- Làm việc tin cậy kể cả ở vùng có động đất.
- Dễ quản lý, tôn cao, đắp dày thêm.
1.1.3.2 Nhược điểm
- Khối lượng đập lớn, do mái thượng lưu và hạ lưu đập thoải;
- Không cho nước tràn qua đỉnh đập. Nếu nước tràn qua đỉnh đập sẽ bị
hư hỏng hoặc bị phá hủy do tác động gây xói mòn của dòng nước;
- Đập lún nhiều, lún phân bố không đều;
- Dễ bị xói mòn bên trong thân đập.
1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, đập vật liệu địa phương được xây dựng từ thời xa xưa. Đập
Ceylou (Xrilanca) cao 21.5m, khối lượng đất đắp 13.000.000m
3
được xây dựng từ
năm 504 trước công nguyên. Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, đập vật liệu địa phương được mở rộng về chủng loại, chiều cao. Đập không
chỉ còn được xây dựng từ đất, mà còn có thể từ đá đổ, bê tông kết hợp đất, đá
đổ…Chiều cao đập đã lên tới 335m (đập Rogun ở Tajikistan – hoàn thành năm
8
2015), trở thành loại đập có chiều cao lớn nhất trên thế giới, vượt qua đập bê tông
Bakhtiari (315m) và đập vòm Jinping-I (305m).
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới
Số
TT
Tên đập
Tên nước
Chiều
cao (m)
1
Rogun
Taijikistan
335
2
Nurek
Taijikistan
315
3
Shuangjiangkou
Trung Quốc
312

4
Lianghekou
Trung Quốc
295
5
Changheba
Trung quốc
240
6
Orovin (Oroville)
Mỹ
262,4
7
Xitviptơ (Swift)
Mỹ
156
8
Anđecxôn Rănsơ Anderson
Ranch
Mỹ
139
9
Zavajô (Navajo)
Mỹ
124
10
Xerơ Pôngxông
Pháp
122
11

Hiks (Hicks)
Mỹ
122
12
Matmac (Mattmarh)
Thụy sĩ
115
13
Benmô
Tân Tây Lan
110
14
Đôratlam
Pakitxtăng
110
15
Hin coric
Mỹ
105
16
Lucky-Peak
MỸ
104
17
Caxita (Vasitas)
MỸ
101

9
Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ

đã xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng
1/2007
TT
Tên đập
Trên sông
Vị trí XD
(Bang)
Chiều cao
đập (mét)
Năm hoàn
thành
1
Oroville
Feather
California
262,4
1968
2
Hoover
Colorado
Nevada
248,8
1936
3
Dworshak
N. Fork
Clearwater
Idaho
244,4
1973

4
Glen Canyon
Colorado
Arizona
242,0
1964
5
New Bullards
Bar
North Yuba
California
219,8
1969
6
Seven Oaks
Santa Ana
California
215,4
1999
7
New Melones
Stanislaus
California
213,0
1979
8
Mossyrock
Cowlitz
Washington
206,5

1968
9
Shasta
Sacramento
California
205,2
1945
10
Don Pedro
Tuolumne
California
199,4
1971
11
Hungry Horse
S. Fork
Flathead
Montana
192,2
1953
12
Grand Coulee
Columbia
Washington
187,4
1942
13
Ross
Skagit
Washington

184,0
1949
14
Trinity
Trinity
California
183,4
1962
15
Yellowtail
Bighorn
Montana
178,9
1966
16
Cougar
S. Fork
McKenzie
Oregon
176,9
1964
17
Flaming
Gorge
Green
Utah
171,1
1964

Ở Mỹ, nếu tính từ 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa phương, trong đó

chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ những đập đã xây dựng trong cùng thời
10
gian. Ở Canađa cũng trong thời gian đó chỉ xây dựng 1 đập bê tông duy nhất còn là
đập bằng vật liệu địa phương. Ở Anh, trước 1964 đập bằng vật liệu địa phương chỉ
chiếm 45 tổng số các loại đập mà từ 1964 lại đây đã nâng tỷ số lên 67%.
Đối với nước ta, đập vật liệu địa phương là loại công trình dâng nước phổ
biến nhất khi xây dựng những hồ chứa. Những hồ chứa nước đã xây dựng ở nước
ta đập đất chiếm tuyệt đại đa số.
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam.
Stt
Ký hiệu công trình
Loại đập
Chiều cao (m)
1
Thác bà
Đá đổ, lỗi giữa
45, 00
2
Cấm sơn
Đất, hỗn hợp
42, 00
3
Cẩm ly
Đá xêp, tường nghiêng
30, 00
4
Tà keo
Đất, đồng chất
30, 00
5

Khuôn thần
Đất, đồng chất
27, 00
6
Suối hai
Đất, tường nghiêng
24, 80
7
Thượng tuy
Đất, đồng chất
24, 50
8
Đồng ngư
Đất, đồng chất
23, 00
9
Đại lãi
Đất, tường nghiêng
20, 00
10
Ngãi sơn
Đất, hỗn hợp
20, 00
11
Đồng mô
Đất, hỗn hợp
17, 50
12
La ngà
Đất, tường nghiêng

17, 00
13
Vân trục
Đất, đồng chất
16, 00
14
Đa nhim (đơn dương)
Đất đồng chát
29,00
14
Hoà bình
Đa đổ, lỗi giữa
128, 00
15
Trị an (đập chính)
Đất-đá hỗn hợp
45,00
16
Trị an (suối rộp)
Đất, đồng chất
42,00
17
Thác mơ (đập chính)
Đất- đá hỗn hợp
48,00
18
Thác mơ (đức hạnh)
Đất, đồng chất
46,00
19

Đa nhim (đ. Dương)
Đất, đồng chất
43,00
11
20
Hàm thuận(đ.chính)
Đá đổ, lỗi giữa
94,00
21
Hàm thuận(đập phụ)
Đất đồng chất
58,00
22
Đăkr’tih
Đất đồng chất
41,50
23
Đại ninh
Đất đá
58,00
24
Đa mi (đập chính)
Đá đổ, lỗi giữa
72,00
25
Yaly, (đập chính)
Đá đổ, lõi giữa
75,00
26
Buôn tua srah

Đá đổ
83,00
27
Tuyên quang (đập chính)
Đá đổ, bản mặt
92,20
28
Quảng trị (đập chính)
Đá đổ, bản mặt
75,00
1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng của đập.
Dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân đập và của áp lực nước các biến
dạng của thân đập xảy ra theo các hình thức lún thẳng đứng và chuyển vị ngang.
Nếu trong trường hợp này đập không được xây dựng trên nền cứng thì còn xảy ra cả
các biến dạng của nền.
Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương nhằm
tìm ra mặt cắt đập hợp lý, phân vùng hợp lý vật liệu, tìm ra các nguy cơ ảnh hưởng
xấu đến sự ổn định của đập như đứt gãy thủy lực, nứt, đưa ra các dự báo lún để có
biện pháp xử lý thích hợp.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá đã được thực hiện từ
những năm 40 của thế kỷ 20 ở CHLB Nga và các nước phương Tây. Tuy nhiên do
hạn chế về công cụ tính toán mà người ta buộc phải đưa vào quá nhiều giả thiết
nhằm đơn giản hoá các công thức tính toán. Các công thức này là những biểu thức
giải tích theo bài toán một chiều. Cho tới nay, các công thức đó chỉ có ý nghĩa về
mặt lịch sử.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá theo bài toán phẳng
hai chiều cũng đã được tiến hành vào những năm 60 của thế kỷ trước (gắn liền với
sự ra đời của phương pháp phần tử hữu hạn ), và bài toán không gian ba chiều cũng
chỉ mới được bắt đầu tính toán vào những năm 70 của thế kỷ 20. Tất cả các bài toán
đó đều được giải theo mô hình tuyến tính.

12
Do thực tế xây dựng các dự án thủy điện lớn ở CHLB Nga và các nước
phương tây ngày càng phát triển, nên các đập đất đá cao cũng được ứng dụng nhiều
hơn.Theo đó các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về đập cao cũng phát triển
và đã chứng minh rằng các kết quả tính toán theo mô hình tuyến tính đã không phản
ánh đúng thực tế làm việc của công trình. Để phản ánh đúng sự làm việc của các
đập cao cần phải đi tìm kiếm một phương hướng khác. Đó là việc giải bài toán của
đập với mô hình phi tuyến về mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển về cơ học phi tuyến của môi
trường rời và về trạng thái ứng suất không gian đã đi đến kết luận rằng:
- Đất, đá là những vật liệu thể hiện phi tuyến rất mạnh, ngay cả khi tải
trọng nhỏ.
- Khi chịu tải trọng lớn, nhất thiết phải kể đến ảnh hưởng của ứng suất
nén trung gian 
2
tức là phải tính đến trạng thái ứng suất không gian
của phần tử đất đá đang xét.
Mặt khác, việc giải các bài toán không gian (ba chiều) khi so sánh với bài toán
phẳng đã đưa đến kết luận rằng chỉ có bài toán không gian mới phản ánh đúng sự
làm việc tự nhiên của đập. Những kết luận như vậy cũng đã được các cơ quan thiết
kế thừa nhận. Chính việc xây dựng các đập có tuyến cong như Kugar (Mỹ), Ragun (
CHLB Nga), Hòa Bình, Yaly (Việt Nam),… là đã sử dụng các kết quả của bài toán
không gian.



13
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
2.1 Tổng quan về mô hình vật liệu

“Mô hình vật liệu là một tập hợp của các phương trình toán học mô tả quan
hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu”
2.1.1 Tổng quan về ứng suất
Ứng suất là một tensor có thể được thể hiện bởi ma trận trong hệ tọa độ
Cartesian như sau:

xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
  
   
  







(2.1)
Tensor ứng suât là đối xứng, do đó
yx

=
xy

,
zx xz



, và
zy yz


. Do đó
tensor ứng suất thường được biểu diễn dưới dạng vector bao gồm 6 thành phần khác
nhau

 
T
xx yy zz xz xy yz
      


(2.2)
Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng,
0
yz zx




Hình 2-1: Hệ trục tọa độ không gian tổng thể và ký hiệu ứng suất
Theo Terzaghi, ứng suất trong đất được chia ra thành ứng suất hiệu quả
'

và
áp lực nước lỗ rỗng
w


. Do đó ứng suất tổng được viết dưới dạng:

'
w
  


(2.3)
14
Nước được coi như không chịu cắt, do đó ứng suất cắt hiệu quả luôn luôn
bằng ứng suất cắt tổng.
Thông thường, các thành phần ứng suất chính (
1 2 3
  

) được sử dụng
thanh cho các thành phần ứng suất Cartesian với quy ước ứng suất mang dấu âm là
ứng suất nén, mang dấu dương là ứng suất kéo.

Hình 2-2: Không gian ứng suất chính
Ngoài ứng suất chính, hai thành phần ứng suất bất biến không phụ thuộc vào
hệ tọa độ cũng thường được sử dụng. Đó là:

       


' ' ' ' ' '
1 2 3
2 2 2
' ' ' ' ' ' 2 2 2

11
' ( ) ( )
33
1
6
2
xx yy zz
xx yy yy zz zz xx xy yz zx
p
q
     
        
       
        

(2.4)
Trong đó
- p’: ứng suất hiệu quả đẳng hướng
- q: độ lệch ứng suất cắt.
Trong thí nghiệm nén 3 trục đẳng hướng, với
',
23


thì
''
13
q



Ứng suất chính có thể viết lại dưới dạng hàm của ứng suất bất biến như sau:

'
22
' sin
33
i
pq


   



(2.5)
Trong đó

là góc Lode được định nghĩa qua công thức:

3
3
1 27
arcsin
33
J
q







(2.6)
15
2.1.2 Tổng quan về biến dạng
Biến dạng là một tensor có thể được biểu diễn thông qua ma trận trong hệ trục
tọa đô Cartesian như sau:

xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
  
   
  







(2.7)
Theo lý thuyết biến dạng nhỏ, chỉ có tổng các thành phần biến dạng cắt
ij

và
ji

dẫn đến ứng suất cắt. Tổng biến dạng này được biển diễn dưới dạng biến dạng

cắt

. Do đó thay vì sử dụng
yx , yz
, , , ,
xy xz zx zy
     
thì
,,
xy xz yz
  
được sử dụng tương
ứng. Vì vậy, tensor biến dạng thường được biểu diện qua vector chuyển vị bao gồm
6 thành phần:

 
T
xx yy zz xz xy yz
      


(2.8)
Trong đó
-
x
xx
x
u





;
y
yy
y
u




;
z
zz
z
u





-
yx
y
x
xy xy
yx
u
u
  



   


-
y
z
yz zy yz
yz
u
u
  


   


-
x
z
xz xz zx
zx
u
u
  


   


Với
x
u
,
y
u
,
z
u
lần lượt là chuyển vị theo hướng ba trục x, y, z trong hệ tọa độ
Cartesian. Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng
0
zz xz yz
  
  

Cũng giống như ứng suất, biến dạng mang dấu âm thể hiện vật liệu bị nén,
ngược lại mang dấu dương thể hiện kéo.
Tương tự với thuật ngữ ứng suất bất biến, biến dạng bất biến thường được sử
dụng là biến dạng khối tổng
v

, được định nghĩa theo công thức: