Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng đến ổn định của đập bê tông trên nền đá trong điều kiện có động đất và biện pháp xử lý để đảm bảo an toàn đập

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
I. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1
II. Mục đích của đề tài.................................................................................................1
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...........................................................2
1. Cách tiếp cận ...........................................................................................................2
2. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
IV. Kết quả đạt được ...................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ
VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐẬP ..........................................................................................3
1.1. Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam .................................3
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập bê tông trọng lực ....................................8
1.3. Các yếu tố tác động làm cho nền đập bị nghiêng.................................................8
1.4. Vấn đề kiểm soát an toàn đập ..............................................................................8
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ...............................................................................9
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NGHIÊNG MẶT NỀN
ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC ............................................10
2.1. Các trạng thái mặt nền bị nghiêng .....................................................................10
2.1.1. Mặt nền nghiêng về phía thượng lưu ..............................................................10
2.1.2. Mặt nền nghiêng về phía hạ lưu ......................................................................10
2.1.3. Các trạng thái nghiêng dọc theo trục đập ........................................................11
2.2. Cơ sở tính toán ổn định của đập trên mặt nền nghiêng ......................................11
2.2.1. Tính toán ổn định của đập theo tiêu chuẩn Việt Nam .....................................11
2.2.2. Tính toán ổn định của đập theo tiêu chuẩn Mỹ ...............................................27
2.1. Nghiên cứu quan hệ giữa độ nghiêng mặt nền với ổn định của đập ..................34
2.3.1. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ..........................................................................34
2.3.2. Xác định mặt cắt hợp lý của đập không tràn ...................................................36
2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng mặt nền đến ổn định của đập ...........42
2.4. Giải pháp kiểm soát độ nghiêng của đập ...........................................................48
2.4.1. Con lắc thuận...................................................................................................48
2.4.2. Con lắc nghịch.................................................................................................50

2.4.3. Ghi kết quả đo .................................................................................................53
2.5. Đề xuất biện pháp xử lý để đảm bảo an toàn đập ..............................................53
2.6. Kết luận chương 2 ..............................................................................................54
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP SÔNG TRANH 2 ....................55
3.1. Giới thiệu công trình ..........................................................................................55
3.1.1. Tổng quan về công trình .................................................................................55
3.1.2. Đập chính ........................................................................................................56
3.1.3. Đập phụ ...........................................................................................................58
3.2. Các vấn đề liên quan đến an toàn đập Sông Tranh 2 .........................................63
3.2.1. Hình thức mất ổn định tổng thể.......................................................................63
3.2.2. Hình thức mất ổn định cục bộ .........................................................................64
3.3. Hệ thống thiết bị quan trắc đập Sông Tranh 2 ...................................................65
3.4. Kiểm tra ổn định đập Sông Tranh 2 trong điều kiện hiện tại .............................66
3.4.1. Phương pháp tính toán ....................................................................................66
3.4.2. Mặt cắt tính toán..............................................................................................66
3.4.3. Các trường hợp tính toán.................................................................................67
3.4.4. Kết quả tính toán .............................................................................................69
3.5. Giải pháp đảm bảo an toàn cho đập Sông Tranh 2 ............................................70
3.5.1. Đề xuất giải pháp ............................................................................................70
3.5.2. Tính toán thông số của màn chống thấm gia cường .......................................71
3.5.3. Đánh giá hiệu quả tăng ổn định đập khi làm màn chống thấm gia cường ......73
3.6. Kết luận chương 3 ..............................................................................................73
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................75
4.1. Các kết quả đạt được trong luận văn ..................................................................75
4.2. Một số vấn đề tồn tại ..........................................................................................76
4.3. Hướng tiếp tục nghiên cứu .................................................................................76

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sông Tranh 2 ...........................................6
Hình 1.2 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sơn La .....................................................6
Hình 1.3 - Đập bê tông trọng lực Tân Giang - Ninh Thuận ........................................7
Hình 1.4 - Đập bê tông trọng lực Lòng Sông - Bình Thuận .......................................7
Hình 2.1 - Trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía thượng lưu..................................10
Hình 2.2 - Trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía hạ lưu .........................................11
Hình 2.3 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang...........15
Hình 2.4 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng .......16
Hình 2.5 - Sơ đồ các lực tác dụng lên đập khi chưa bị nghiêng ...............................18
Hình 2.6 - Sơ đồ tính r 1 ’ và r 2 ’ khi đập bị nghiêng góc β về hạ lưu.........................19
Hình 2.7 - Sơ đồ các lực tác dụng lên đập theo TCVN ............................................22
Hình 2.8 - Áp lực nước tăng thêm khi có động đất ...................................................26
Hình 2.9 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang...........30
Hình 2.10 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng .....31
Hình 2.11 - Vị trí của hợp lực trong các trường hợp ................................................32
Hình 2.12 - Áp lực đẩy ngược theo tiêu chuẩn Mỹ ..................................................33
Hình 2.13 - Mặt cắt cơ bản của đập ..........................................................................37
Hình 2.14 - Mặt cắt thực dụng đập không tràn .........................................................38
Hình 2.15 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 1 (TCVN) ............................................39
Hình 2.16 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 3 (TCVN) ............................................40
Hình 2.17 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 2 và 5 (TC Mỹ) ...................................40
Hình 2.18 - Quan hệ K = f (β) của đập có H đ = 60m ...............................................43
Hình 2.19 - Quan hệ K = f (β) của đập có H đ = 80m ...............................................43
Hình 2.20 - Quan hệ K = f(β) của đập có H đ = 100m ..............................................44
Hình 2.21 - Quan hệ K = f (β) của đập có H đ = 120m .............................................45
Hình 2.22 - Quan hệ K = f (β) của đập có H đ = 140m .............................................45
Hình 2.23 - Quan hệ [β] = f (H đ ) ..............................................................................46
Hình 2.24 - Quan hệ K min = f (H đ ) khi β = 2o ...........................................................46
Hình 2.25 - Quan hệ K min = f (H đ ) khi β = 4o ...........................................................47

Hình 2.26 - Nguyên lý làm việc của con lắc thuận ...................................................49
Hình 2.27 - Thiết bị ghi đo dịch chuyển ngang ........................................................50
Hình 2.28 - Cảm biến ghi đo vị trí của dây dọi .........................................................50
Hình 2.29 - Nguyên lý làm việc của con lắc nghịch .................................................51
Hình 2.30 - Thiết bị con lắc ngược của RST sau lắp đặt ..........................................52
Hình 3.1 - Đập dâng, đập tràn thuỷ điện Sông Tranh 2 nhìn từ hạ lưu.....................62
Hình 3.2 - Hồ chứa, thượng lưu đập phụ ..................................................................62
Hình 3.3 - Mặt cắt tính toán ổn định đập dâng Sông Tranh 2...................................67
Hình 3.4 - Sơ đồ tính toán ổn định đập Sông Tranh 2 cho TH1 (TCVN). ...............67
Hình 3.5 - Sơ đồ tính toán ổn định đập Sông Tranh 2 cho TH3 (TCVN) ................68
Hình 3.6 - Sơ đồ tính toán ổn định đập Sông Tranh 2 cho TH5 (TCVN) ................68
Hình 3.7 - Sơ đồ tính toán ổn định đập Sông Tranh 2 theo TC Mỹ..........................69
Hình 3.8 - Quan hệ K min = f (β) của đập Sông Tranh 2 ............................................70
Hình 3.9 - Giải pháp bố trí neo thép cho đập Sông Tranh 2 .....................................71


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 - Số lượng đập BTĐL tại các nước trên thế giới tính đến 12/2005 .............4
Bảng 1.2 - Một số đập BTTL đã và đang được xây dựng ở nước ta ..........................5
Bảng 2.1 - Các thành phần lực đối với các trường hợp ............................................14
Bảng 2.2 - Các trị số α’ và α’’ theo TCVN ..............................................................24
Bảng 2.3 - Hệ số động đất .........................................................................................26
Bảng 2.4 - Các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Mỹ .................................................29
Bảng 2.5 - Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Mỹ ...........................................................32
Bảng 2.6 - Gia tốc động đất theo tiêu chuẩn Mỹ ......................................................33
Bảng 2.7 - Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ổn định đập theo TCVN.......................41
Bảng 2.8 - Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ổn định đập theo TC Mỹ ......................41
Bảng 2.9 - Kết quả tính toán mặt cắt hợp lý .............................................................42
Bảng 2.10 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f (β) cho đập cao 60m.................42
Bảng 2.11 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f (β) cho đập cao 80m .................43

Bảng 2.12 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f (β) cho đập cao 100m ...............44
Bảng 2.13 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f (β) cho đập cao 120m ...............44
Bảng 2.14 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f (β) cho đập cao 140m ...............45
Bảng 2.15 - Góc [β] ứng với các chiều cao đập khác nhau ......................................46
Bảng 2.16 - Tổng hợp kết quả tính ổn định khi β = 2o .............................................46
Bảng 2.17 - Tổng hợp kết quả tính ổn định khi β = 4o .............................................47
Bảng 3.1 - Các thông số chính của công trình thuỷ điện Sông Tranh 2 ...................59
Bảng 3.2 - Các hư hỏng có thể gặp ở đập chính thuỷ điện Sông Tranh 2 ................64
Bảng 3.3 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K min = f (β) cho đập Sông Tranh 2 ......69
Bảng 3.4 - Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ổn định đập Sông Tranh 2 theo TC Mỹ ....70
Bảng 3.5 - Bảng đánh giá hiệu quả tăng ổn định đập Sông Tranh 2 khi làm màn
chống thấm gia cường ...............................................................................................73


1

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Ở nước ta hiện nay có rất nhiều hồ chứa vừa và lớn. Các đập trong công trình
đầu mối từ trước đến nay chủ yếu được xây dựng bằng đất hay bằng vật liệu địa
phương. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thời gian qua đã có nhiều
công trình được xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép với quy mô lớn.
Đập bê tông trọng lực duy trì ổn định nhờ trọng lượng của bản thân khối bê
tông. Vì thế nên những công trình này chủ yếu được xây dựng trên nền đá; góc
nghiêng của mặt nền bằng 0. Khu vực xây dựng và ở phía sâu dưới nền đập có thể
có các đứt gãy kiến tạo, trong quá trình khảo sát thiết kế không lường đến hậu quả
hoặc chưa phát hiện ra để có giải pháp xử lý trước khi xây dựng đập; cộng thêm tác
nhân động đất, động đất kích thích do quá trình tích nước trong lòng hồ tác dụng lên
công trình, làm cho đập bị nghiêng và có thể xảy ra các sự cố về đập như trượt, lật.
Nếu đập bị nghiêng về phía thượng lưu thì mức độ tác hại không nhiều, còn nếu

nghiêng về phía hạ lưu thì rất bất lợi cho ổn định của đập. Vì vậy, phải nghiên cứu
và tìm ra được góc nghiêng cho phép của mặt nền, giải pháp an toàn cho đập khi bị
nghiêng vượt mức cho phép.
Với các đập bê tông có chiều cao lớn thì việc đảm bảo an toàn ổn định cho đập
là vô cùng quan trọng. Khi sự cố xảy ra thì hậu quả sẽ lớn hơn nhiều so với đập đất
hay đập vật liệu địa phương. Vì thế, việc nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng đến
ổn định của đập BTTL trên nền đá trong điều kiện có động đất là có tính cấp thiết
và có ý nghĩa thực tiễn cao.
II. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng đến ổn định của đập bêtông trọng lực
trong điều kiện có động đất.
- Vận dụng những kết quả nghiên cứu đó để kiểm tra ổn định cho đập Sông
Tranh 2.


2

III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1. Cách tiếp cận
- Từ thực tế: Các nguyên nhân tiềm ẩn làm cho mặt nền bị nghiêng sau khi đập
đi vào sử dụng.
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn
định.
- Tiếp cận hiện đại: Ứng dụng các phương pháp tính toán tiên tiến, phần mềm
hiện đại để kiểm tra ổn định cho đập.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập thông tin, kế thừa các nghiên cứu đã có.
- Phân tích lý luận về quan hệ giữa ổn định của đập với độ nghiêng mặt nền.
- Sử dụng mô hình toán.
- Ứng dụng cho công trình thực tế.

IV. Kết quả đạt được
- Khảo sát quan hệ giữa ổn định của đập và độ nghiêng mặt nền phụ thuộc vào
các thông số khác nhau.
- Thiết bị quan trắc cần thiết để kiểm soát độ nghiêng của mặt nền.
- Giải pháp an toàn cho đập BTTL khi bị nghiêng.
- Kết quả tính cho đập Sông Tranh 2.


3

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP
BÊTÔNG TRỌNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐẬP
1.1. Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn. Đập duy trì ổn định
nhờ trọng lượng của khối bê tông.
Loại đập này có ưu điểm là kết cấu và phương pháp thi công đơn giản, độ ổn
định cao, có thể dùng để tràn nước hoặc không tràn nước. Chính từ những ưu điểm
đó nên đập bê tông trọng lực sớm được sử dụng trên toàn thế giới.
Đập bê tông trọng lực có từ 100 năm sau công nguyên ở Ponte di San Mauro.
Đập đầu tiên cao 15m được xây dựng khi chưa có cơ sở lý luận. Từ năm 853 khi
thiết kế và xây dựng đập bê tông trọng lực đã bất đầu có lý luận thực tiễn trên hai
chuẩn: cường độ và ổn định trượt. Từ năm 70 – 80 của thế kỷ XX đập bê tông trọng
lực bất đầu phát triển mạnh, cứ vài ba ngày lại có một đập mới được xây dựng.
Theo con số thống kê của Hội đập lớn thế giới (ICOLD) thì ở Mỹ đập bê tông
trọng lực chiếm 34,5% tổng số các loại đập, ở Nhật 83%, ở Ý 51%, ở Tây Ban Nha
85%, ở Pháp 51%, ở Canada 60%.
Bên cạnh những ưu điểm, đập bê tông trọng lực cũng có những nhược điểm:
khối lượng bê tông lớn, trong đó có vật liệu xi măng, dẫn đến giá thành cao so với
các kiểu đập khác. Sử dụng không hết khả năng chịu lực của vật liệu bê tông, đặc

biệt là các đập không cao lắm (H<60m). Do toàn đập là bê tông khối lớn nên dễ
sinh ra ứng suất nhiệt và các biến dạng nhiệt trong thân đập. Những nhược điểm này
đặt ra sự cần thiết phải tìm các biện pháp cải tiến đập bê tông trọng lực khối lớn.
Năm 1970, J.M.Rapher người Mỹ giới thiệu về “đập trọng lực tối ưu” lần đầu tiên
đã ra phương pháp dùng máy đầm nén và vận chuyển cơ giới của đập đất đá, dùng
vật liệu cấp phối hạt thô tự nhiên trộn với xi măng đầm nén tạo thành thân đập,
cường độ kháng cắt của nó tăng lên nhiều so với đập đất đá làm cho mặt cắt ngang
thân đập giảm nhỏ đi, đồng thời so với đập bê tông trọng lực truyền thống có thể rút


4

ngắn thời gian thi công, giảm giá thành công trình và đến năm 1972 ông tiếp tục
công bố kết quả thí nghiệm dùng xe ô tô tự đổ, rải bằng máy gạt, và dùng đầm rung
đầm nén bê tông, hình thành khái niệm sơ bộ của đập bê tông đầm lăn. Đập bê tông
đầm lăn là đập làm bằng bê tông thi công với công nghệ đầm lăn. Bê tông đầm lăn
là một hỗn hợp gồm cốt liệu (đá, cát, sỏi), xi măng và các phụ gia được trộn với một
độ ẩm cho phép vận chuyển, đổ bằng phương tiện thi công giống như vận chuyển đất
đá và làm chặt bằng máy đầm lăn rung. Cho tới nay, đập BTĐL được thi công xây
dựng ở nhiều nước trên thế giới, ở nơi có nhiệt độ môi trường thấp cho đến nơi có
nhiệt độ môi trường cao và có thể trong cả những vùng thường xuyên có mưa lớn.
Bảng 1.1 - Số lượng đập BTĐL tại các nước trên thế giới tính đến 12/2005 [3]
Tên nước

Số
KL RCC
đập
(103 m3)
đã XD

Tỷ lệ
đập
(%)

Tên nước

Số đập
đã XD

KL
RCC
(103 m3)

Tỷ lệ
đập
(%)

Nam Mỹ

Châu Á
Trung Quốc

59

28275

20,00

Brazil

36

9440

12,63

Nhật Bản

43

15465

15,10

Chile

2

2170

0,70

Thái Lan

3

5248

1,05

Colombia

2

2974

0,70

Kyrgystan

1

100

0,35

Indonesia

1

528

0,35

Argentina

1

590

0,35

Châu Âu

Châu Phi

Tây Ban Nha

22

3164

7,72

Nam Phi

14

1214

4,91

Pháp

6

234

2,10

Ma rốc

11

2044

3,86

Hy Lạp

3

500

0,70

Algeria

2

2760

0,70

Nga

1

1200

0,35

Angola

1

757

0,35

Ý

1

262

0,35

Eritrea

1

187

0,35

Bắc Mỹ

Châu Úc

Hoa Kỳ

37

5081

12,98

Australia

9

596

3,15

Canada

2

622

0,70

Khác

17

7534

5,96


5

Ở Việt Nam, các đập đã được xây dựng trước đây chủ yếu là đập đất, đập đá
đổ, đập đất đá hỗn hợp, còn đập bê tông chỉ chiếm một tỷ trọng nhỏ. Đập bê tông
trọng lực bất đầu được xây dựng tương đối nhiều trong khoảng gần chục năm gần
đây. Đập Tân Giang thuộc tỉnh Ninh Thuận cao 39,5m được xem là đập bê tông
trọng lực đầu tiên do nghành thuỷ lợi nước ta tự thiết kế và thi công đã hoàn thành
năm 2001. Cho đến năm 1995 Bộ thuỷ lợi mới quan tâm đến công nghệ bê tông
đầm lăn. So với thế giới công nghệ RCC của Việt Nam phát triển tương đối muộn,
nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó và đặc biệt tại nước láng giềng Trung
Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên có rất nhiều dự
án thuỷ lợi, thuỷ điện lớn đã và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này.
Cuối năm 2003, Bộ Công nghiệp đã ra quyết định phê duyệt thiết kế kỹ thuật công
trình thuỷ điện PleiKrông tại tỉnh Kon Tum trong đó phần đập bê tông được thi
công bằng công nghệ bê tông đầm lăn với chiều cao đập lớn nhất là 71m, khối
lượng bê tông RCC là 326000 m3 trong tổng số 573000 m3 bê tông các loại.
Hiện nay nhiều dự án lớn đang được thiết kế và xây dựng theo phương án đập
bê tông trọng lực - bê tông đầm lăn.
Bảng 1.2 - Một số đập BTTL đã và đang được xây dựng ở nước ta [3]
Tên đập

Địa điểm

Hmax

Công nghệ XD

1

Lòng Sông

Bình Thuận

46

BT thường

2

Định Bình

Bình Định

50

BT đầm lăn

3

PleiKrông

Kon Tum

75

BT đầm lăn

4

Sơn La

Sơn La

138

BT đầm lăn

5

Bản Vẽ

Nghệ An

135

BT đầm lăn

6

A Vương

Quảng Nam

100

BT đầm lăn

7

Hủa Na

Nghệ An

99

BT thường

8

Đồng Nai 3

Đắk Nông

110

BT đầm lăn

9

Đồng Nai 4

Đắk Nông

129

BT đầm lăn

10

Nước Trong

Quảng Ngãi

72

BT đầm lăn

11

Bản Chát

Lai Châu

126

BT đầm lăn

TT


6

Hình 1.1 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sông Tranh 2

Hình 1.2 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sơn La

7

Hình 1.3 - Đập bê tông trọng lực Tân Giang - Ninh Thuận

Hình 1.4 - Đập bê tông trọng lực Lòng Sông - Bình Thuận


8

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập bê tông trọng lực
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập bê tông trọng lực. Có thể kể
đến các yếu tố chính như áp lực nước (từ thượng, hạ lưu), áp lực nước thấm và đẩy
nổi, trọng lượng bản thân đập và thiết bị (cửa van, máy nâng v.v...), bùn cát bồi lắng
phía thượng lưu, sóng, gió, nhiệt độ, vật nổi, động đất, địa chất vai và nền đập, địa
hình lòng sông ...
Khi tính toán thiết kế đập bê tông trọng lực cần tính hết các yếu tố và tổ hợp
ảnh hưởng của chúng đối với công trình.
1.3. Các yếu tố tác động làm cho nền đập bị nghiêng
Có rất nhiều nguyên nhân khiến cho nền đập bị nghiêng, nhưng chủ yếu có thể
kể đến các nguyên nhân sau:
- Do đặc điểm bố trí công trình.
- Khu vực xây dựng và ở phía sâu dưới nền đập có các đứt gãy kiến tạo, trong
quá trình khảo sát thiết kế không lường đến hậu quả hoặc chưa phát hiện ra để có
giải pháp xử lý trước khi xây dựng đập. Khi hồ tích nước với chiều cao cột nước
lớn, làm tăng tải trọng lên nền, gây ra chuyển vị giữa các khối, có thể dẫn đến hậu
quả là làm cho nền đập bị nghiêng.
- Trong quá trình sử dụng có thể xuất hiện sự vượt tải trọng thiết kế, chiều từ
thượng lưu về hạ lưu. Đặc biệt là các đập được xây dựng trong vùng có động đất
mạnh và động đất kích thích do quá trình tích nước trong hồ. Các tác nhân như động
đất, nổ phá v.v... là các tác nhân khó lường, nguyên nhân gây nên sự vượt tải trọng

thiết kế.
1.4. Vấn đề kiểm soát an toàn đập
Đập bê tông trọng lực thường có chiều cao lớn, khi sự cố xảy ra thì hậu quả sẽ
rất nặng nề. Vì vậy vấn đề kiểm soát an toàn đập là vô cùng quan trọng. Để kiểm
soát an toàn đập cần thực hiện nghiêm ngặt các vấn đề sau:


9

- Lắp đầy đủ các hệ thống thiết bị quan trắc trạng thái làm việc của đập. Các
thiết bị quan trắc chủ yếu như Pezomet quan trắc áp lực thấm dưới nền đập, mốc
quan trắc chuyển vị ở bề mặt công trình, mốc quan trắc lún, thiết bị quan trắc
chuyển vị khối đập tại khe nhiệt, thiết bị quan trắc nhiệt độ trong khối bê tông, thiết
bị đo ứng suất, máng tràn đo lưu lượng thấm, cảm biến gia tốc động đất v.v...
- Thực hiện quan trắc kiểm tra trong thời kì thi công để đo biến dạng của nền,
chế độ nhiệt độ, trạng thái ứng suất nhiệt và sự hình thành vết nứt trong các khối đổ
bê tông. Tiến hành quan trắc kiểm tra trong thời kỳ khai thác để đo áp lực đẩy
ngược và dòng thấm của nước trong nền và bên bờ ở vai đập chuyển vị thẳng đứng
(lún) và nằm ngang, trạng thái ứng suất và ứng suất nhiệt của đập và nền đập, chế
độ thủy lực của dòng chảy tại công trình xả và ở thượng hạ lưu, trạng thái lòng dẫn
ở hạ lưu, điều kiện làm việc của các khớp nối tiếp xúc ở nền và sự mở rộng của các
khớp nối thi công.
- Thực hiện công tác kiểm tra thường xuyên và kiểm định đập theo đúng chu
kỳ đã đề ra.
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Việc nghiên cứu mức ảnh hưởng của độ nghiêng mặt nền đến ổn định của đập
bê tông trọng lực trong luận văn này được giới hạn trong phạm vi sau:
Nghiên cứu trong phạm vi bài toán phẳng cho mặt cắt đập không tràn nước
trên nền đá.
Nền công trình là nền đá gốc, mặt trượt phẳng. Mặt nền công trình khi xây

dựng được bố trí nằm ngang.
Tính toán cho trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía hạ lưu.
Cơ sở tính toán chỉ dựa trên tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ hiện hành của
Việt Nam và Mỹ.


10

CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NGHIÊNG
MẶT NỀN ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
2.1. Các trạng thái mặt nền bị nghiêng
2.1.1. Mặt nền nghiêng về phía thượng lưu
Khi mặt nền đập bê tông trọng lực bị nghiêng về phía thượng lưu sẽ làm cho
đập nghiêng về phía thượng lưu. Mặt thượng lưu là mặt chịu áp lực cột nước lớn,
các tác nhân gây ra ngoại lực tác dụng đa phần có chiều từ thượng lưu về hạ lưu. Vì
vậy, trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía thượng lưu có mức độ tác hại không
nhiều cho ổn định của đập bê tông trọng lực.

β
Hình 2.1 - Trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía thượng lưu
2.1.2. Mặt nền nghiêng về phía hạ lưu
Ngược lại với trạng thái mặt nền bị nghiêng ở 2.1.1, khi mặt nền đập bê tông
trọng lực bị nghiêng về phía hạ lưu sẽ làm cho đập bị nghiêng về phía hạ lưu. Đây
là trạng thái rất bất lợi cho ổn định của đập. Khi góc nghiêng của mặt nền lớn vượt
mức cho phép, cộng với các tác nhân khó lường như động đất, nổ phá v.v... có thể
dẫn đến các sự cố về đập như trượt ở mặt phẳng tiếp giáp giữa đập và nền, lật quanh
trục đi qua chân đập phía hạ lưu. Đồng thời cũng có thể gây nên các phá hoại về
ứng suất trong thân đập và nền do điểm đặt của hợp lực lệch tâm lớn về phía hạ lưu.

11

β
Hình 2.2 - Trạng thái mặt nền bị nghiêng về phía hạ lưu
2.1.3. Các trạng thái nghiêng dọc theo trục đập
Trạng thái mặt nền của đập bê tông trọng lực nghiêng từ hai vai vào giữa lòng
sông. Đây là trạng thái tự nhiên của lòng sông. Theo phương dọc trục, đập chủ yếu
chỉ chịu tác dụng của trọng lượng bản thân, do đó trong thiết kế có thể khống chế độ
nghiêng của vai đập để đảm bảo ổn định lâu dài theo phương dọc trục.
2.2. Cơ sở tính toán ổn định của đập trên mặt nền nghiêng
Với đập có chiều cao lớn, ổn định và độ bền của đập phụ thuộc nhiều vào các
tổ hợp tải trọng và độ bền của vật liệu thân đập. Trong thiết kế các đập cao, để an
toàn thường áp dụng cả hai hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và nước ngoài, chủ yếu là
tiêu chuẩn Mỹ.
2.2.1. Tính toán ổn định của đập theo tiêu chuẩn Việt Nam
2.2.1.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng [8]
a) Tải trọng tác dụng
* Tải trọng và tác động thường xuyên:
- Trọng lượng bản thân công trình và thiết bị đặt trên đập.


12

- Lực tác động của nước bao gồm: áp lực thuỷ tĩnh và áp lực thấm ứng với
thượng lưu là mực nước dâng bình thường (MNDBT), hạ lưu là mực nước tương
ứng.
- Áp lực đất của khối đất ở thượng, hạ lưu đập.
* Tải trọng và tác động tạm thời dài hạn:
- Áp lực bùn cát lắng đọng trước đập.

- Tác động của nhiệt với năm có biên dao động trung bình của nhiệt độ trung
bình tháng.
* Tải trọng và tác động tạm thời ngắn hạn:
- Lực tác động của nước khi mực nước thượng lưu ứng với mực nước lũ thiết
kế (MNLTK), hạ lưu ứng với lưu lượng xả thiết kế, thiết bị chống thấm và tiêu
thoát nước làm việc bình thường.
- Áp lực sóng do gió có vận tốc bình quân nhiều năm tính với MNLTK.
- Các tải trọng do thiết bị nâng, bốc dỡ, vận chuyển kết cấu, thiết bị khác.
- Các tải trọng do neo buộc tàu thuyền, va đập của vật trôi.
* Các tải trọng và tác động đặc biệt:
- Lực tác động của nước khi mực nước thượng lưu là mực nước lũ kiểm tra
(MNLKT) và mực nước hạ lưu tương ứng, thiết bị chống thấm, tiêu nước làm việc
bình thường.
- Áp lực thấm khi thiết bị chống thấm, thiết bị tiêu nước làm việc không bình
thường.
- Tác động của nhiệt được xác định với năm có biên độ dao động lớn nhất của
nhiệt độ trung bình tháng.
- Áp lực sóng có vận tốc gió lớn nhất nhiều năm có tần suất p=2%, mực nước
hồ ở MNDBT.


13

b) Các tổ hợp tải trọng
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, tính toán ổn định theo hai loại tổ hợp tải trọng là tổ
hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt.
Tổ hợp tải trọng cơ bản gồm các tải trọng và các tác động thường xuyên, tạm
thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn mà đập có thể cùng tiếp nhận một lúc.
Tổ hợp tải trọng đặc biệt bao gồm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp
cơ bản nhưng một trong số các tải trọng đó được thay thế bằng tải trọng hoặc tác

động đặc biệt. Trường hợp tải trọng cơ bản có xét thêm tải trọng động đất hoặc chấn
động do vụ nổ cũng xét vào loại tổ hợp đặc biệt. Các tổ hợp tải trọng tương ứng với
các tính toán như sau:
* Tổ hợp cơ bản:
- Trường hợp 1:
+ Khi vận hành mực nước trong hồ là mực nước dâng bình thường (MNDBT).
+ Các thiết bị chống thấm và thoát nước hoạt động bình thường.
+ Mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng Q min .
- Trường hợp 2:
+ Khi xả lũ với tần suất thiết kế P TK , mực nước trong hồ là mực nước lũ thiết kế
(MNLTK).
+ Các thiết bị chống thấm và thoát nước hoạt động bình thường.
+ Mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng xả qua tràn Q maxPTK .
* Tổ hợp đặc biệt:
Tổ hợp đặc biệt bao gồm các tải trọng như tổ hợp cơ bản và thêm một tải trọng
đặc biệt. Có các trường hợp như sau:
- Trường hợp 3:
+ Khi cửa van đóng, mực nước hồ là MNDBT.


14

+ Xuất hiện động đất.
+ Các thiết bị chống thấm và thoát nước hoạt động bình thường.
- Trường hợp 4:
+ Khi hồ xả lũ với tần suất kiểm tra P KT , mực nước hồ là mực nước lũ kiểm tra
(MNLKT).
+ Các thiết bị chống thấm và thoát nước hoạt động bình thường.
+ Mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng xả qua tràn Q maxPKT .
- Trường hợp 5:

+ Khi mực nước hồ là MNDBT.
+ Mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng Q min .
+ Thiết bị chống thấm hoặc thoát nước làm việc không bình thường.
Dựa vào các trường hợp tính toán trên ta có bảng tổng hợp các thành phần lực
cho các trường hợp như sau:
Bảng 2.1 - Các thành phần lực đối với các trường hợp
T/h G H 1 H 2 H 3 h 1 h 2 h 3 Up 1 Up 2 Up 3 Up 4 Bc S ĐĐ L
1

+

2

+

3

+

4

+

5

+

+

+

+

+
+

+

+
+

+

+
+
+

+

+
+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+
+
+

Trong đó:
+ H 1 , H 2 , H 3 : áp lực thuỷ tĩnh của nước hồ lên mặt thượng lưu công trình ứng
với MNDBT, MNLTK, MNLKT.


15

+ h 1 , h 2 , h 3 : áp lực nước hạ lưu ứng với các trường hợp van đóng hoàn toàn
(Z HLmin ), xả lũ thiết kế, xả lũ với tần suất kiểm tra.
+ Up 1 , Up 2 , Up 3 , Up 4 : áp lực đẩy ngược trong các trường hợp MNDBT,
MNLTK, MNLKT, khi MNDBT và màng chống thấm và thiết bị thoát nước hỏng.
+ Bc, S, L: lần lượt là áp lực bùn cát, sóng, tải trọng động do xả lũ.
+ ĐĐ: tải trọng tác động do có động đất, bao bồm: W H ; W bc ; F.
2.2.1.2. Các điều kiện chống trượt, lật và điều kiện bền
a) Ổn định trượt

* Trường hợp mặt trượt nằm ngang:
Công trình đảm bảo ổn định trượt phẳng trên mặt nằm ngang [13] khi thoả mãn
điều kiện sau:

=
KT

(∑ G − W).f + C.A
≥ [KC ]
∑P

ΣP

(2.1)

Σg

F = c.a

W

Hình 2.3 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang
* Trường hợp mặt trượt nằm nghiêng:


16

Công trình đảm bảo ổn định trượt phẳng trên mặt nằm nghiêng [13] khi thoả
mãn điều kiện sau:

=
KT

ΣP

(∑ G.cos β − W + ∑ P.sin β).f + C.A
≥ [KC ]
∑ P.cos β − ∑ G.sin β

Σg

(2.2)

Σg

ΣP

β

β
F = c.a
W

F = c.a
w

Hình 2.4 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng
Trong các công thức (2.1), (2.2):
+ ΣG (KN): tổng hợp các lực theo phương thẳng đứng tác dụng lên phần công
trình tính từ mặt trượt trở lên, trừ phần áp lực đẩy nổi do áp lực thấm và áp lực thuỷ

tĩnh tác dụng lên mặt trượt (theo phương vuông góc với mặt này).
+ ΣP (KN): tổng hợp các lực theo phương ngang tính từ mặt trượt trở lên.
+ W (KN): áp lực đẩy nổi do áp lực thấm và áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt
trượt.
+ β (0): góc giữa phương mặt trượt và phương nằm ngang (β > 0 khi mặt trượt
nghiêng về thượng lưu, β < 0 khi mặt trượt nghiêng về hạ lưu).
+ A (m2): diện tích mặt trượt.
+ ϕ (0), C (KN/m2): chỉ tiêu cơ lý trên mặt tiếp giáp giữa bê tông và lớp đá sát
đáy đập.


17

+ [K C ]: hệ số an toàn chống trượt cho phép, xác định theo cấp công trình và tổ
hợp lực tính toán.
b) Ổn định chống lật
* Công thức chung:
Đập sẽ không bị lật [13] khi thoả mãn điều kiện sau đây:

=
KL

∑ M CL
≥ [KC ] ,
∑ M GL

(2.3)

trong đó:
+ ΣM CL (KN.m): tổng mômen chống lật tính với trục nằm ngang qua mép hạ

lưu đập.
+ ΣM GL (KN.m): tổng mômen gây lật tính với trục nằm ngang qua mép hạ lưu
đập.
+ [K C ]: hệ số an toàn chống lật cho phép xác định như ổn định trượt.
* Thành lập công thức tính hệ số ổn định chống lật cho trường hợp nền
đập bị nghiêng về hạ lưu:
- Trường hợp đáy đập nằm ngang:
Để thành lập công thức tính hệ số ổn định lật trong trường hợp đáy đập nằm
ngang, ta xét bài toán như hình 2.5. Xét khả năng lật quanh trục nằm ngang qua
điểm I (mép biên hạ lưu của đáy đập). Ta có:

b
2
∑ M CL = G1.r1 + G 2 .r2= G1.(B − ) + G 2 . (B − b);
2
3
∑ M GL = PBC .

hb
H
h
m .h
B
+ PTL . − PHL . − G HL . 2 + Wdn . + Wth .r3 ;
3
3
3
3
2

b
2
G1.(B − ) + G 2 . (B − b)
2
3
⇒ KL =
hb
H
h
m .h
B
PBC . + PTL . − PHL . − G HL . 2 + Wdn . + Wth .r3
3
3
3
3
2

(2.4)


18

b
d

Ptl

hb

H

r1

O1
G1

m2

H®

d'

r2
Gnhl

O2
G2

Pbc

phl

h

I

B
Wdn

Wth

r3

Hình 2.5 - Sơ đồ các lực tác dụng lên đập khi chưa bị nghiêng
- Trường hợp đáy đập bị nghiêng về hạ lưu:
Nhận thấy, khi đáy đập bị nghiêng về hạ lưu thì trị số và khoảng cách từ điểm
đặt hợp lực tới tâm lật (I) của các lực: áp lực nước thượng hạ lưu, áp lực bùn cát, áp
lực thấm, áp lực đẩy nổi, áp lực tăng thêm do động đất là không đổi so với trường
hợp đáy đập nằm ngang. Do đó mômen do chúng gây ra khi quay quanh điểm chân
đập (I) không thay đổi. Trọng lượng bản thân (G) của đập không thay đổi về trị số
nhưng có khoảng cách đến tâm lật (I) giảm nên mômen do trọng lượng bản thân gây
ra khi lật quanh chân đập (I) giảm. Điều đó làm giảm mômen chống lật và hệ số ổn
định lật bị giảm xuống.
Chia mặt cắt ngang đập thành 2 hình đơn giản (hình chữ nhật và hình tam giác)
đã biết trọng tâm O 1 , O 2 như hình 2.6. Trọng lượng và cánh tay đòn tương ứng là
G 1 , G 2 và r 1 , r 2 .


19

Bài toán cần giải quyết ở đây là tìm được công thức tính cánh tay đòn r 1 ’ và r 2 ’
của trọng tâm G 1 và G 2 sau khi đập bị nghiêng về hạ lưu một góc β.
b

b
d

d
d'

H®

d'

H®

r1

O1

H

H
m2

m2

G1
β

a a1

O2
c1

b1

r1'

a)

β

a
β

a2

I

B

r2
G2
c2

b2

b)

I

β

r2'

B

Hình 2.6 - Sơ đồ tính r 1 ’ và r 2 ’ khi đập bị nghiêng góc β về hạ lưu

- Xét tam giác vuông IB 1 C 1 (hình 2.6a):
r 1 ’ = IB 1 = IC 1 .cos β, với IC 1 = AI – AC 1 = B −

b Hđ
−
.tgβ
2 2

b Hđ


=
> r1' =
.tgβ  .cos β
B− −
2 2



(2.5)

- Xét tam giác vuông IB 2 C 2 (hình 2.6b):
r 2 ’ = IB 2 = IC 2 .cos β, với IC 2 = AI – AA 2 – A 2 C 2 = B − b −

⇒ r2'

B − b Hđ − d '
−
.tgβ
3

3

2.(B − b) − (H đ − d ').tgβ
.cos β
3

(2.6)

Hệ số an toàn chống lật khi đáy đập nghiêng góc β về hạ lưu sẽ là:

K Lβ

G1
G
.cos β.(2B − b − H đ .tgβ) + 2 .cos β.[2(B − b) − (H đ − d ').tgβ]
3
= 2
hb
H
h
m .h
B
PBC . + PTL . − PHL . − G HL . 2 + Wdn . + Wth .r3
3
3
3
3
2

(2.7)

20

c) Công thức tính hệ số an toàn ổn định cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam
Theo Quy chuẩn của Việt Nam [6] hiện nay, tính toán hệ số an toàn ổn định
(trượt, lật) và độ bền của công trình theo trạng thái giới hạn thứ nhất.

n c .N tt ≤

n .K
R
m
.R hoặc K = ≥ C n =
[KC ] ,
N tt
m
Kn

(2.8)

trong đó:
+ n C : hệ số tổ hợp tải trọng.
Trong tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:
n C = 1,00: đối với tổ hợp tải trọng cơ bản;
n c = 0,90: đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt;
n c = 0,95: đối với tổ hợp tải trọng trong thời kỳ thi công và sửa chữa.
+ N tt : trị số tính toán của tải trọng tổng hợp.
+ m: hệ số điều kiện làm việc.
+ R: trị số tính toán của sức chịu tải tổng hợp của công trình hay nền.

+ K n : hệ số bảo đảm được xét theo quy mô, nhiệm vụ của công trình. K n được
xác định theo cấp công trình.
Công trình cấp đặc biệt lấy: K n = 1,25;
Công trình cấp I lấy: K n = 1,20;
Công trình cấp II, III, IV lấy: K n = 1,15.
+ [K C ]: hệ số an toàn chống trượt, lật cho phép.
+ K: hệ số ổn định trượt, lật tính toán.


21

d) Ứng suất trong thân đập và nền
Ứng suất trên mặt nằm ngang cho bài toán phẳng được xác định theo công
thức nén lệch tâm [5] như sau:

∑ P 6.∑ M o
,
σmax,min = ±
B
B2

(2.9)

trong đó:
+ ΣP (KN): tổng các lực thẳng đứng.
+ B (m): bề rộng đáy đập.
+ ΣM o (KN.m): tổng mômen của các lực đối với trọng tâm mặt đáy tính toán
(mômen mang dấu dương khi lực có xu thế làm đập quay quanh điểm O theo chiều
quay ngược của kim đồng hồ và ngược lại) .
Quy ước dấu của ứng suất khi áp dụng công thức (2.9):

+ Ứng suất nén mang dấu dương (+).
+ Ứng suất kéo mang dấu âm (-).
Kiểm tra điều kiện bền của thân đập và nền theo điều kiện sau đây:

σn ≤

Rn
R
và σk ≤ k
[KC ]
[KC ]

(2.10)

+ [K C ]: hệ số an toàn cường độ (tính như trường hợp ổn định).
+ R n (KN/m2): cường độ kháng nén cho phép của nền đá, bê tông.
+ R k (KN/m2): cường độ kháng kéo cho phép của nền đá, bê tông.
Trị số R n lấy theo giá trị nhỏ trong số 2 giá trị cường độ kháng nén của đập và
nền; trị số R k lấy theo giá trị (tuyệt đối) nhỏ tương ứng của đập và nền.