Luận văn Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

Bộ giáo dục và đào tạo bộ nông nghiệp và PTNT
Tr-ờng đại học thủy lợi
0o0




Lê đức anh



Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định
bể tiêu năng của đập bê tông
đầm lăn trọng lực






Luận văn thạc sĩ kỹ thuật









Hà Nội - 2010

Bộ giáo dục và đào tạo bộ nông nghiệp và PTNT
Tr-ờng đại học thủy lợi
0o0




Lê đức anh



Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định
bể tiêu năng của đập bê tông
đầm lăn trọng lực

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số : 60.58.40


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:
1. GS.TS Ngô Trí Viềng
2. TS Nguyễn Trí Trinh





Hà Nội - 2010

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3
MỞ ĐẦU 4
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 4
II. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 5
1. Mục đích 5
2. Nhiệm vụ 5
3. Phương pháp nghiên cứu 5
4. Kết quả đạt được 5
CHƯƠNG 1 6
TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH 6
1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình 6
1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu năng
sau công trình 6
1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình 6
1.2.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng 7
1.2.3. Các biện pháp tiêu năng sau công trình 7
1.2.4. Hình thức tiêu năng đáy 9
1.2.5. Phương pháp nghiên cứu tiêu năng 13
1.2.6. Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình 14
1.3. Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 21
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN 21
BỂ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRỌNG LỰC21
2.1. Khái niệm về phân tích ổn định, độ bền của bể tiêu năng 21
2.2. Độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông 22
2.2.1. Ổn định lật của công trình 22
2.2.2. Ổn định trượt của công trình 22
2.2.3. Ổn định đẩy nổi của công trình 23
2.2.4. Tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb và tính toán ổn định theo cân
bằng giới hạn 25


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

2.3. Độ bền của bể tiêu năng 29
2.3.1. Phân tích độ bền theo phương pháp nội lực phá hoại 29
2.3.2. Phân tích độ bền theo phương pháp trạng thái giới hạn 30
2.3.3. Phân tích nội lực theo phương pháp sức bền vật liệu 31
2.3.5. Nhận xét đánh giá các phương pháp tính 41
2.4. Kết luận chương 2 43
CHƯƠNG 3: 44
ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH 44
CHO BỂ TIÊU NĂNG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÔNG TRÌNH HỒ
CHỨA NƯỚC TRONG, TỈNH QUẢNG NGÃI. 44
3.1. Giới thiệu chung về công trình Hồ chứa nước Nước Trong 44
3.2. Các chỉ tiêu tính toán 45
3.2.1. Các hệ số lệch tải 45

3.2.2. Chỉ tiêu cơ lý của bê tông dùng trong tính toán 46
3.2.3. Đặc trưng kháng cắt của khối đá nền dùng trong tính toán 47
3.2.4. Đặc trưng chống trượt giữa bê tông và đá nền công trình 47
3.3. Tính toán độ ổn định bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp
truyền thống và phương pháp phần tử hữu hạn 48
3.3.1. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp truyền thống 48
3.3.2. Tính độ ổn định bể tiêu năng theo phương pháp phần tử hữu hạn 57
3.4. Tính toán độ bền bể tiêu năng hồ Nước Trong theo phương pháp phần
tử hữu hạn 64
3.4.1. Các số liệu cơ bản 64
3.4.2. Kết quả tính toán kết cấu bể tiêu năng và mố 65
3.5. Nhận xét kết quả tính toán 73
3.5.1. Kết quả tính toán ổn định 73
3.5.2. Kết quả tính toán độ bền 74
3.5.3. Hệ số ổn định 74
CHƯƠNG 4. KT LUẬN VÀ KIN NGHỊ 75
4.1. Những kết quả đạt được của luận văn 75
4.2. Tồn tại và kiến nghị 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực


LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

với đề tài: “Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của
đập bê tông đầm lăn trọng lực” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình,
hiệu quả của Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa Công trình, cùng
các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá
nhân đã truyền thụ kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như
tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS. TS Ngô Trí
Viềng và TS Nguyễn Trí Trinh đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho
tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả có được kết quả như hôm nay là nhờ vào sự chỉ bảo ân cần của
các thầy cô giáo, cũng như sự động viên cổ vũ của cơ quan, gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp trong những năm qua.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến
của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa công trình và Phòng đào tạo Đại
học và sau Đại hoc, Trường Đại học Thuỷ Lợi.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010
Tác giả
Lê Đức Anh





Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

MỞ ĐẦU

I. TÍNH CẤP THIT CỦA ĐỀ TÀI:
Các công trình dạng trọng lực khi nói đến khả năng mất ổn định toàn
khối của công trình thường đề cập đến các khả năng mất ổn định sau:
- Bị trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt tiếp xúc giữa công trình
và nền, mặt nằm trong nền hay trong công trình. Mặt trượt được xét là mặt
phẳng hoặc mặt nghiêng.
- Bị lật quanh một trục nằm ngang khi mômen của ngoại lực gây lật lấy
đối với trục này vượt quá mômen chống lật.
- Bị đẩy nổi do tác dụng của các lực hướng từ dưới lên trên (áp lực
thấm, thủy tĩnh, động đất…).
- Hệ thống tiêu năng sau công trình bị phá hoại do dòng chảy, do đó
gây mất ổn định toàn bộ công trình
Tuy nhiên khi thiết kế các công trình dạng trọng lực, nếu ta khống chế
trong mọi trường hợp, tại các mép biên công trình không xuất hiện ứng suất
kéo, hoặc có xuất hiện với trị số nhỏ thì nói chung công trình không bị lật đổ.
Vì vậy việc kiểm tra khả năng lật thường là đảm bảo. Còn việc kiểm tra đẩy
nổi thường chỉ tiến hành với các công trình có ngưỡng thấp. Chính vì vậy
kiểm tra ổn định và độ bền của toàn bộ công trình trong đó có bể tiêu năng là
rất quan trọng đối với việc thiết kế các công trình dạng trọng lực.
Hiện nay, các tài liệu trong nước tính toán độ ổn định của bể tiêu năng
mới chỉ dừng lại ở công thức tính toán chung – xem ứng suất là phân bố đều
mà chưa xét đến trường hợp ứng suất phân bố không đều. Vì vậy “Nghiên
cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng đập tràn bê tông đầm


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

lăn trọng lực” là cần thiết nhằm giải quyết tồn tại hiện nay trong công tác
nghiên cứu độ bền và độ ổn định của bể tiêu năng đập bê tông đầm lăn trọng
lực.
II. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1. Mục đích
- Tổng quan được các phương pháp tính độ bền và độ ổn định bể tiêu
năng sau công trình.
- Đề xuất, lựa chọn phương pháp tính độ ổn định và độ bền hợp lý cho
bể tiêu năng sau công trình.
- Vận dụng các kiến thức đã học vào tính toán thiết kế và ứng dụng
công nghệ mới vào sản xuất.
2. Nhiệm vụ
Khái quát tình hình sử dụng các hình thức tiêu năng sau công trình hiện
nay. Xem xét các phương pháp tính độ bền và ổn định để lựa chọn phương
pháp phù hợp với yêu cầu đặt ra .
3. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng phương pháp tổng hợp thống kê các tài liệu lý thuyết, kết
hợp với phương pháp tính toán hiện đại và phần mềm ứng dụng.
- Áp dụng cho một công trình thực tế.
4. Kết quả đạt được
- Lựa chọn được phương pháp tính hợp lý để tính toán độ bền và độ ổn
định của bể tiêu năng sau công trình tràn nói chung và sau đập tràn bê tông
đầm lăn nói riêng.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

- Nghiên cứu độ ổn định, độ bền bể tiêu năng theo phương pháp tính
toán hiện đại với việc sử dụng phần mềm tính toán vào phân tích ổn định và
độ bền hồ Nước Trong tỉnh Quảng Ngãi.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BIỆN PHÁP TIÊU NĂNG SAU CÔNG TRÌNH
1.1. Khái niệm tiêu năng sau công trình
Khi xây dựng công trình trên sông, trên kênh thì mực nước phía trước
công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên. Khi dòng
chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một
phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn
lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu năng hữu hiệu thì sẽ
gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình.
Công trình tiêu năng làm bằng đá xây hoặc bê tông, bê tông cốt thép có
kích thước và cấu tạo đặc biệt, nằm sau các công trình như cống, đập tràn, dốc
nước… nhằm tạo ra một đệm nước để giảm hoặc triệt tiêu năng lượng còn lại
của dòng nước khi ra khỏi công trình đó, tránh sự xói mòn chân đập ở hạ lưu.
1.2. Các biện pháp tiêu năng phòng xói và phương pháp tính toán tiêu
năng sau công trình
1.2.1. Sự cần thiết tính toán tiêu năng sau công trình
Đặc điểm dòng chảy hạ lưu:
- Có lưu tốc lớn lại phân bố rất không đều trên mặt cắt ngang.
- Mực nước hạ lưu lại thường thay đổi luôn.
- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ
cao. Thường sau một đoạn dài nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình
thường, nhưng mạch động phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng
thái bình thường.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng xiên,
nước nhảy sóng….
Nếu không có giải pháp tiêu năng hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm
trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình, dẫn tới mất ổn định tổng thể công
trình.
Từ sự phân tích trên ta thấy việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu là
một trong những công việc quan trọng nhất của tính toán thiết kế các công
trình thuỷ lợi.
1.2.2. Nhiệm vụ tính toán tiêu năng
Phải tìm được biện pháp tiêu huỷ toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh
lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy về trạng thái
tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu.
1.2.3. Các biện pháp tiêu năng sau công trình
Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống dưới hạ lưu có năng lượng rất
lớn. Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: một phần phá
hoại lòng sông và hai bên bờ gây nên xói cục bộ sau đập, một phần tiêu hao
do ma sát nội bộ dòng chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí. Và
để tiêu hao năng lượng của dòng chảy thường dùng các biện pháp tiêu năng
sau: tiêu năng dòng chảy đáy, tiêu năng dòng chảy mặt, tiêu năng phóng xa.
1.2.3.1. Tiêu năng dòng đáy
+ Là hình thức lợi dụng nội ma sát để tiêu hao năng lượng thừa. Sau
thiết bị tiêu năng vẫn phải gia cố tiếp (gọi là sân sau thứ hai). Hình thức này
thường dùng với công trình tháo có cột nước thấp, vừa, nền đất, nền đá.

+ Thuộc về hình thức này có: Đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp
(gọi chung là hình thức tạo bể. Bể tiêu năng có thể tạo ra bằng cách đào gọi là
bể chìm, bằng cách xây tường gọi là bể nổi, bằng cả đào và xây tường gọi là


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

bể nửa chìm nửa nổi). Ngoài ra còn áp dụng cách giảm độ sâu sau nước nhảy
bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ (mố nhám, dầm tiêu năng…), tạo tường
phân dòng để khuyêch tán đều ở hạ lưu, làm đáy dốc ngược lại mực nước hạ
lưu nhỏ, làm đáy dốc thuận khi mực nước hạ lưu lớn.
1.2.3.2. Tiêu năng phóng xa
Theo kinh nghiệm xây dựng của nhiều nước hình thức này được dùng ở
các hồ chứa có cột nước cao và trung bình.
Ở nước ta và ở Trung Quốc, người ta ứng dụng hình thức này cả đối
với công trình loại vừa và nhỏ trên nền mềm có cột nước thấp cũng đạt được
kết quả
tốt.
Tuy nhiên hình thức này cũng còn một số tồn tại:
+ Hố xói làm biến dạng long sông, làm cho mực nước hạ lưu trạm thủy
điện thay đổi ảnh hưởng đến khả năng phát điện.
+ Xung kích của dòng phun tạo thành dòng cuộn ngược hoặc song vỗ
vào mái đập.
+ Hay xẩy ra khí thực.
+ Dòng phun tạo ra sương mù ảnh hưởng đến giao thông và các thiết bị
điện ở khu vực.
1.2.3.3. Tiêu năng mặt

Hình thức này thường ứng dụng với trường hợp lưu lượng lớn nhưng
chênh lệch đầu nước thượng hạ lưu không lớn, bờ ở hạ lưu có khả năng ổn
định, chống xói tốt.
Hình thức này đã được áp dụng ở nước ta và nhiều nước trên thế giới.
Thực tế sử dụng hình thức tiêu năng này cho thấy khi ứng dụng tiêu
năng dòng mặt thì đảm bảo được điều kiện ứng dụng nhưng ở hạ lưu có sóng


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

xô mãnh liệt và kéo dài vì vậy rất trở ngại cho thuyền bè đi lại và đe doạ sự
ổn định của bờ.
h
h
a
a)
b)
c) d)


Hình 1.1. Các hình thức nối
tiếp dòng chảy ở hạ lưu
a. Tiêu năng dòng đáy
b. Tiêu năng dòng mặt
c. Tiêu năng dòng mặt
ngập
d. Tiêu năng phóng xa

1.2.4. Hình thức tiêu năng đáy
1.2.4.1. Đặc điểm tiêu năng dòng đáy
Lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy để tiêu năng.
1.2.4.2. Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này
Chiều sâu nước cuối bể phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của
nước nhảy (h
b
> h
c
”) để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung.
Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, có khả
năng gây xói lở, vì thế trong khu vực nước nhảy cần bảo vệ bằng bêtông (xây
sân sau). Khi nền đá xấu, đoạn nối tiếp qua sân sau (sân sau thứ hai) cần được
bảo vệ thích đáng. Muốn tăng hiệu quả tiêu năng, thường trên sân sau có xây
thêm các thiết bị tiêu năng phụ như mố, ngưỡng để cho sự xáo trộn nội bộ
dòng chảy càng mãnh liệt và ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó
cũng có thể tiêu hao một phần năng lượng. Biện pháp này có hiệu quả tốt
và được ứng dụng rộng rãi. Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước
thấp, địa chất nền tương đối kém.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

a. Bể tiêu năng (hình 1.2)
Sau khi xây bể làm tăng mực nước trên sân sau và thoả mãn yêu cầu:
h
b

= d + h
h
+ Z > h
c
”, (1.1)
Chiều dài sân sau L
s
lúc có bể hoặc tường tiêu năng được tính từ mặt
cắt co hẹp ngay sát chân đập tràn. Trong thực tế, trên sân sau khi có bể hoặc
tường sẽ hình thành nước nhảy không tự do nên chiều dài của nó nhỏ hơn
chiều dài nước nhảy tự do (l
n
). Theo đề nghị của M.Đ.Tsêtouxôp như sau:
L
s
= l
n
(1.2)
Trong đó:
 : hệ số thực nghiệm .
l
n
: được tính theo thực nghiệm.
Hình dạng bể tiêu năng trong mặt phẳng thẳng đứng là hình chữ nhật
(hình 1.2a) thì hiệu quả tiêu năng tốt. Nhưng do dòng chảy có thể bào mòn
cạnh và góc, nhất là khi nước có nhiều bùn cát, nên thường thiết kế bể có
dạng hình thang (hình 1.2b).
b. Tường tiêu năng (hình 1.3)
Khi do điều kiện kết cấu và thi công, bể tiêu năng không thích hợp thì
nên dùng tường tiêu năng. Tường có thể dâng mực nước hạ lưu và giảm khối

lượng đào. Sau tường tiêu năng không cho phép nước nhảy xa. Chiều cao của
tường cũng giống như chiều sâu bể được tính với nhiều cấp lưu lượng khác
nhau để tìm được chiều cao tường lớn nhất. Sau khi xác định được kích thước
h
h
d



h
h
d

Hình 1.2. Hình thức bể tiêu năng

Khi cột nước cao, h
c
” rất lớn, như
vậy phải hạ thấp đáy và bảo vệ kiên
cố sân sau. Lúc đó, hình thức tiêu
năng đáy không kinh tế.
Người ta thường dùng các biện pháp
như đào bể, xây tường hoặc bể, tường
kết hợp và các thiết bị tiêu năng khác
để tạo ra nước nhảy ngập sau đập
tràn.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

của tường cần phải kiểm tra xem sau tường có nước nhảy xa nữa không. Nếu
có thì phải thiết kế thêm tường tiêu năng thứ hai. Hình dạng tường tiêu năng
thường làm mặt cắt trơn và thuận để tránh phá hoại do bào mòn, (hình 1.3).
111
1: 0,75
105
112
122,2

Hình 1.3. Tường tiêu năng
c. Bể tường tiêu năng kết hợp (hình 1.4)
Khi dùng bể tiêu năng có khối lượng đào lớn và cao trình đáy đập phải
thấp, do đó khối lượng đập tăng; nếu dùng tường tiêu năng thì phải quá cao,
sau tường có thể sinh nước nhảy xa và cần thêm tường tiêu năng thứ 2, làm
tăng khối lượng bảo vệ. Lúc đó cần dùng bể và tường kết hợp (hình 1.4) để
giảm khối lượng đào, khối lượng đập và thiết bị bảo vệ.


d
C
h
h

Hình 1.4. Bể và tường tiêu năng kết hợp


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

d. Các thiết bị tiêu năng trên sân sau
Trên sâu sau thường bố trí các thiết bị để tiêu hao năng lượng dòng
chảy như mố, ngưỡng v.v (hình 1.5) làm cho dòng chảy gây ra lực phản kích lại
và giảm được h
c
”, rút ngắn chiều dài sân sau. Thí nghiệm chứng minh rằng, nếu bố
trí thích hợp các thiết bị đó có thể giảm được (20% + 30%)h
c
”.
C
P
L
P
L
C
10
5
3
7
3
P
C
P
7,5
2,5
15

5
a)
b)
c) d)

Hình 1.5. Hình thức các thiết bị tiêu năng
(kích thước trong hình ghi theo m)
- Ngưỡng tiêu năng (hình 1.5a) ngập trong nước nhảy, góc nghiêng mái
thượng lưu ngưỡng nhỏ hơn 90
0
và lớn hơn 60
0
. Vị trí ngưỡng nên đặt chính
giữa chiều dài sân sau.
- Mố tiêu năng (hình 1.5b, c, d) thường bố trí gần nơi bắt đầu của sân
sau, tại khu vực dòng chảy có lưu tốc cao, cách chân đập một đoạn dài hơn
chiều sâu phân giới của dòng chảy. Kích thước và vị trí mố có ảnh hưởng
lớn đối với dòng chảy. Theo thí nghiệm, kích thước mố nên lấy như sau:
Chiều cao mố d
m
= (0,75  1,0)h
c
, chiều rộng mố b
m
= (0,5  1) d
m
,
khoảng cách B
m
giữa mép của hai mố gần nhau B

m
< b
m
. Nếu bố trí hai hàng
mố, hiệu quả tiêu năng tốt hơn so với một hàng. Khoảng cách giữa hai hàng
mố L
m
= (2  3)d
m
, bố trí các mố theo hình hoa mai. Chọn số hàng mố còn
phụ thuộc vào hình thức mố, có lúc bố trí hai hàng, lưu tốc phân bố không tốt.
Có nhiều hình thức mố tiêu năng (hình 1.6): để cải thiện điều kiện thuỷ lực, ở
cạnh mép mố thường vát cong đề phòng hiện tượng khí thực.
- Mố phân dòng có thể làm cho dòng chảy có lưu tốc cao ở chân đập
chuyển thành trạng thái dòng chảy có lợi. Nói chung sau mố phân dòng nên có


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

mố tiêu năng (hình 1.6d); do ở giữa các mố phân dòng có dòng chảy tập
trung, sau đó gặp phản kích của mố tiêu năng càng làm cho hiệu quả tiêu năng
tăng thêm.
a)
b) c) d)

a)
b)

c)
d)
Hình 1.6. Các hình thức mố tiêu năng
1.2.5. Phương pháp nghiên cứu tiêu năng
Chọn hình thức tiêu năng phòng xói hạ lưu, xác định các thông số của
giải pháp tiêu năng cụ thể chưa có lời giải chính xác hoàn toàn. Vì vậy hiện
nay áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Có thể áp dụng độc lập hoặc phối
hợp các phương pháp.
1.2.5.1. Phương pháp lý luận
Phương pháp lý luận chính xác chưa có. Phương pháp này thường dẫn
tới áp dụng các công thức lý luận kết hợp với các hệ số điều chỉnh.
1.2.5.2. Phương pháp thực nghiệm mô hình
Từ thực nghiệm mô hình thuỷ lực xây dựng các công thức thực nghiệm.
Các công thức này có phạm vi ứng dụng nhất định và có giá trị gần đúng.
Ngoài ra phương pháp này còn để kiểm chứng các kết quả có được từ phương
pháp lý luận.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 14 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

1.2.5.3. Nghiên cứu trên nguyên hình
Nguyên hình chính là mô hình có tỷ lệ 1:1. Mọi điều kiện tương tự
được đảm bảo. Nhưng dòng chảy trong thực tế lại diễn ra theo một quá trình
ngoài ý chủ quan của con người.
1.2.6. Một số hình ảnh về các hình thức tiêu năng sau công trình
* Hồ chứa nước Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh

Hình 1.6. Hồ chứa nước Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh – Hình thức tiêu năng bể
Đập tràn mặt cắt thực dụng Ôphixêrốp, tiêu năng đáy với các thông số:
- Cao trình ngưỡng tràn: +45,0.
- Cao trình đáy bể tiêu năng: +36,0.
- Chiều dài bể tiêu năng: 36,0 m.
- Chiều rộng bể tiêu năng: 53,0 m.




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

* Công trình thuỷ điện Tuyên Quang:

Hình 1.7. Công trình thuỷ điện Tuyên Quang – Tiêu năng phóng xa
Công trình thủy điện Tuyên Quang gồm có 3 hạng mục chính:
Đập chính (không tràn) cao 97,3m; tràn xả lũ có 2 phần xả mặt 4(15x15,15m)
và xả đáy 8(4,5x6m); nhà máy thủy điện có 3 tổ máy.
* Hồ Lòng Sông - Bình Thuận:

Hình 1.8. Đập tràn hồ Lòng Sông - Bình Thuận, Tiêu năng phóng xa
Tại đỉnh, đập có chiều dài là 246 m, bề rộng 6m. Phần tràn ở giữa đập
có 6 khoang, mỗi khoang có cửa rộng 8m×6m.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

* Đập thuỷ điện Yaly – Gia Lai:

Hình 1.9. Tràn xả lũ đập thuỷ điện Yaly. Hình thức tiêu năng mũi phun.
Tràn xả lũ gồm 6 cửa, dùng van cung. Mỗi cửa rộng 15 m. Ngưỡng tràn
ở cao trình +499,12 ( thấp hơn MNDBT 15,88 m ). Hình thước ngưỡng tràn
Ofixêrop, nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước có độ dốc thay đổi và tiêu
năng mũi phun. Lưu lượng xả lớn nhất là 17.400 m3/s
* Công trình thuỷ điện Đại Ninh – Bình Thuận:
Hình 1.10. Hình thức tiêu năng phóng xa


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

* Công trình thủy điện Đồng Nai 3 – Lâm Đồng và Đăknông:

Hình 1.11. Hình thức tiêu năng phóng xa
Đập tràn: Đập tràn trọng lực, tiêu năng bằng mũi phun. Cao trình
ngưỡng tràn +574m (thấp hơn MNDBT 16m), có 5 cửa kích thước, mỗi cửa b
x h = 15 x 16 (m). Cửa van hình cung có b x h = 15 x 16,5 (m). Đóng mở
bằng xilanh thủy lực với sức nâng: 2 x 160T mỗi cửa
* Công trình thủy điện Sơn La:
Hình 1.12. Hình thức tiêu năng mặt và tiêu năng đáy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

Cao trình đỉnh đập: 228.1m; chiều cao lớn nhất: 138.1m; xả sâu:
12x(6x10)m (12 cửa xả kích thước 6x10m ở phía dưới bên phải ảnh), xả mặt:
6x(15x13)m (6 cửa xả mặt ở phía trên bên trái ảnh).
* Công trình thủy điện Định Bình – Bình Định:

Hình 1.13. Hình thức tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
Dung tích hữu ích: 170 x 106 m3. Đập chính L: 380 m. Chiều
cao đập: 54 m. Diện tích tưới: 7.800 Ha.
* Công trình thủy điện Suối Đuốc – Bình Định:
Hình 1.14. Hình thức tiêu năng phóng xa


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

Kiểu tràn dọc, điều tiết bằng cửa van phẳng + vít me, ngưỡng tràn mặt
cắt thực dụng kiểu Ofixerop, nối tiếp sau tràn bằng dốc nước, tiêu năng mũi
phun, kết cấu bằng BTCT M200.
- Cao trình ngưỡng tràn: 50,33 m.
- Bề rộng ngưỡng tràn (15cửa*2m): 30,00 m.
- Lưu lượng xả lũ thiết kế: 229,27 m
3
/s.

- Lưu lượng xả lũ kiểm tra: 284,47 m
3
/s.
Bảng 1.1. Các hình thức tiêu năng của một số công trình
thuỷ lợi, thủy điện nước ta
TT
Tên công trình
Hình thức tiêu năng
1
Hồ chứa nước Ngàn Trươi – Hà Tĩnh
Tiêu năng đáy
2
Hồ chứa nước Khe Dứa – Thanh Hoá
Tiêu năng đáy
3
Hồ chứa nước Khe Rò 1 và 2 - Quảng Trị
Tiêu năng đáy
4
Hồ chứa nước Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh
Tiêu năng đáy
5
Hồ chứa nước Đồng Bò - Quảng Nam
Tiêu năng đáy
6
Hồ chứa nước ALưới - Thừa Thiên Huế
Tiêu năng đáy
7
Hồ chứa nước Khuôn Pin - Lạng Sơn
Tiêu năng đáy
8

Công trình thủy điện Đại Ninh – Bình
Thuận
Tiêu năng phóng xa
9
Công trình thủy điện Yaly – Gia Lai
Tiêu năng phóng xa
10
Hồ chứa nước Gò Miếu - Thái Nguyên
Tiêu năng phóng xa
11
Hồ chứa nước Lòng Sông – Bình Thuận
Tiêu năng phóng xa
12
Hồ chứa nước Dầu Tiềng – Tây Ninh
Tiêu năng phóng xa
13
Công trình thủy điện Sơn La – Sơn La
Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
14
Công trình thủy điện Định Bình – Bình
Định
Tiêu năng mặt và tiêu năng đáy
15
Hồ chứa nước Suối Chỉ - Quảng Ngãi
Tiêu năng mặt


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ

Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

1.3. Kết luận chương 1
Như đã trình bày ở trên các công trình dạng trọng lực khi nói đến khả
năng mất ổn định toàn khối của công trình thường đề cập đến các khả năng
mất ổn định trượt, lật, đảy nổi. Trong đó bể tiêu năng là một bộ phận công
trình có đặc điểm làm việc phức tạp, áp lực thủy động và mạch động lớn do
vậy đánh giá khả năng làm việc của bể tiêu năng trong quá trình vận hành là
hết sức quan trọng.
Trong chương 1, tác giả tổng quan các điều kiện làm việc và sự cần
thiết của đề tài. Tác giả trình bày các hình thức tiêu năng, đặc biệt là tiêu năng
dòng đáy, dạng tiêu năng bể, có thiết bị như mố tiêu năng. Đây là hình thức
tiêu năng được áp dụng ở một số công trình thủy lợi, thủy điện như hồ chứa
Cửa Đạt – Thanh Hóa, hồ Nước Trong - Quảng Ngãi, nhà máy thủy điện
Tuyên Quang – Tuyên Quang, .v.v Trong các chương sau tác giả nghiên
cứu cụ thể hơn về điều kiện làm việc, ổn định cũng như độ bền của hình thức
tiêu năng này.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - Chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ


Nghiên cứu tính toán độ bền và độ ổn định bể tiêu năng của đập bê tông đầm lăn trọng lực

CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN
BỂ TIÊU NĂNG CỦA ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRỌNG LỰC

2.1. Khái niệm về phân tích ổn định, độ bền của bể tiêu năng
Bể tiêu năng được xây dựng cả trên nền đất và nền đá, các đập có chiều

cao lớn chủ yếu được xây dựng trên nền đá. Bể tiêu năng là một khối bê tông
lớn liên kết chặt chẽ với nền. Ổn định của bể khi chịu các tác động phụ thuộc
vào khả năng chịu tải của nền và khả năng chịu tải của bản thân. Phân tích ổn
định bể tiêu năng nhằm đánh giá ổn định tổng thể của cả khối bể - nền: lật ,
trượt, đẩy nổi còn đánh giá độ bền bể tiêu năng nhằm xác định khả năng chịu
lực của bể.
Tuỳ thuộc loại nền mà bể có thể bị trượt theo các hình thức khác nhau
như: trượt phẳng, trượt sâu, trượt phức hợp. Khi bể xây trên nền đá thường
xảy ra trượt phẳng ở mặt tiếp xúc giữa bản đáy và nền, các dạng mặt trượt sâu
do đứt gẫy của đá, hình thành vùng cục bộ đá bị suy yếu do tự nhiên hoặc do
thi công…Tuỳ thuộc vào hình thức mặt cắt, tính không đồng nhất của nền, tổ
hợp các tác động, công trình có thể bị lún nghiêng hoặc lật về phía hạ
lưu…Các hình thái mất ổn định trên trong tính toán quy về các trường hợp
mất ổn định tổng thể.
Về sơ đồ kết cấu, bể tiêu năng là một kết cấu chịu nén lệch tâm cả về
hạ lưu và thượng lưu tuỳ thuộc vào trường hợp làm việc. Vật liệu bê tông làm
bể có thể bị phá hoại cả về cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo. Do
cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn so với cường độ chịu nén (thông
thường bằng 10%÷15% của chịu nén) nên công trình thường thiết kế tận dụng
tối đa khả năng chịu nén của bê tông và hạn chế tối đa việc sử dụng khả năng
chịu kéo. Trong thiết kế, phân tích ứng suất với các tổ hợp tải trọng nhằm
đánh giá ổn định cường độ của mọi điểm trong công trình, vì ứng suất kéo
thường xảy ra ở các mép phía trước của nên người thiết kế phải tính toán phân
tích độ bền cục bộ tại những khu vực này.


Lun vn thc s k thut - 22 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu


Nghiờn cu tớnh toỏn bn v n nh b tiờu nng ca p bờ tụng m ln trng lc

2.2. n nh b tiờu nng ca p bờ tụng
Di tỏc dng ca cỏc t hp ti trng, b tiờu nng phi tho món cỏc
iu kin:
- n nh chng trt.
- n nh chng lt, thc cht i vi b tiờu nng do bn ỏy rng, ti
trng ngang nh hn so vi ti trng ng nờn thụng thng b m bo n
nh chng lt.
- n nh v lt, trt phi tho món cỏc iu kin quy nh ca h
thng tiờu chun ỏp dng.
- n nh y ni.
2.2.1. n nh lt ca cụng trỡnh
Kết cấu trên nền có khả năng mất ổn định về vị trí lật quanh trục qua
mép đáy móng hạ l-u công trình do đó điều kiện ổn định của kết cấu biểu thị
bởi biểu thức sau :

lat
g
lat
k
M
M
k


1
(2-1)
Trong đó :
k
lat

: hệ số an toàn ổn định về lật

g
M
: là tổng các mômen của các lực giữ cho công trình khỏi bị lật
đối với điểm mép đáy móng hạ l-u.

1
M
: là tổng các mômen của các lực gây lật công trình đối với cùng
điểm đó.
[k
lat
] : là hệ số ổn định lật cho phép.
2.2.2. n nh trt ca cụng trỡnh
Để đảm bảo sự ổn định của công trình, hệ công trình nền d-ới tác
dụng của tải trọng, cần phải tính toán nền theo sức chịu tải . Điều kiện cần
phải thoả mãn :

t
tt
t
K
N
R
K
(2-2)


Lun vn thc s k thut - 23 - Chuyờn nghnh Xõy dng cụng trỡnh thu

Nghiờn cu tớnh toỏn bn v n nh b tiờu nng ca p bờ tụng m ln trng lc

Trong đó :
R : là sức chịu tải của nền.
N
tt
: là giá trị tính toán của lực tổng quát gây tr-ợt (lật).
[K
t
] : hệ số ổn định tr-ợt cho phép .
Đối với nền đất khi thiết kế cần phải thoả mãn 2 yêu cầu đặt ra.
- Khống chế tải trọng tác dụng lên nền sao cho đất nền không bị phá
hoại tr-ợt.
- Khống chế tải trọng tác dụng lên nền để không gây lún quá lớn.
Vic tớnh toỏn n nh ca cụng trỡnh trờn nn khụng phi l ỏ phi
theo s trt phng hoc trt hn hp v trt sõu. Ngoi ra khi lc gõy
trt ú cú lch tõm ln
LBe 05.0
thỡ phi tớnh n nh ca cụng trỡnh
theo s trt phng cú xột n s quay trờn mt bng.
- Trt phng : Xy ra khi t trờn mt tip xỳc b phỏ hoi , t trong
nn cũn trng thỏi cõn bng bn , do ú khi cụng trỡnh mt n nh t nn
khụng b tri lờn.
- Trt hn hp : mt phn ca ỏy múng hin tng trt xy ra
trc tip trờn mt nn ca nú , phn cũn li ca ỏy múng t b ộp trụi.
- Trt sõu : t nn b trt sõu hon ton vo trong nn.
2.2.3. n nh y ni ca cụng trỡnh
n nh v phng din y ni c ỏnh giỏ qua h thc sau:

dndn
K
U
N
K
(2-3)
Trong ú:
K
dn
: h s n nh y ni tớnh toỏn.
N: tng cỏc lc tỏc dng lờn tm ỏy ang xột theo chiu thng
ng t trờn xung di.
[K
dn
]: h s n nh y ni cho phộp.