Công trình thủy lợi - Chương 4

Chương 4. Đập bê tông trọng lực
Chương 4
ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
4.1. Khái niệm chung
Đập trọng lực là loại đập mà sự ổn định chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân của
nó. Trọng lượng của đập giữ cho đập không bị đẩy nổi, trượt và lật.
Đập trọng lực có khối lượng lớn nên không lợi dụng hết được khả năng làm việc
của vật liệu.Vì vậy vật liệu xây dựng đập không có yêu cầu cao nh
ư bêtông, không cần
mác cao, một phần đập có thể dùng bằng đá...
Để đảm bảo tính ổn định cao người ta xây dựng đập bằng bêtông nên có thể gọi là
đập bêtông trọng lực.
4.1.1. Phân loại
1) Đập trọng lực không tràn: ít xây dựng vì tốn kém
2) Đập trọng lực tràn nước: loại này xây dựng nhiều. Hiện nay người ta xây dựng
đập bêtông trọng lực tràn nước trên nền đất với cột nước H ≥ 30m .Việc xây
dựng đập trên nền đá thuận lợi hơn.
4.1.2. Ưu, khuyết điểm
4.1.2.1. Ưu điểm
+ Có thể xây dựng được đập cao (Đập Gởrăngđixây cao 284m);
+ Có thể bố trí cho tràn trên mặt hoặc tháo nước trong thân đập, bố trí ống đẫn nước
vào nhà máy thuỷ điện trong thân đập;
+ Có thể làm rỗng thân đập, trong đó bố trí nhà máy thuỷ điện;
+ Tính bền vững cao.
4.1.2.2. Nhược điểm
+ Việc xây dựng đập tốn rất nhiều vật liệu;
+ Yêu cầu về nền và móng cao hơn nhiều so với các loại đập khác.
4.2. Thiết kế mặt cắt ngang của đập bêtông trọng lực
4.2.1. Phân tích mặt cắt kinh tế của đập
Mặt cắt ngang kinh tế của đập là mặt cắt ngang có chiều rộng nhỏ nhất và thoả mãm
ba điều kiện:

+ Điều kiện ổn định: đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm
nhất phải lớn hơn trị số cho phép;
+ Điều kiện ứng suất: khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo
ở mép thượng
lưu hoặc có xuất hiện phải nhỏ hơn trị số cho phép;
+ Điều kiện về kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lượng công trình là nhỏ nhất.
4.2.2. Xác định bề dày đế đập theo điều kiện ứng suất
Xét một đoạn đập có chiều dài bằng 1m, mặt cắt ngang tam giác ABC: chiều rộng
là b chiều cao là h.
Hình chiếu của mái dốc thượng lưu là n.b. Hình chiếu mái dốc hạ lưu là (1-n).b.

4-1
Chương 4. Đập bê tông trọng lực
Các lực tác dụng lên đập gồm:
- Trọng lực bản thân G;
- Áp lực nước thượng lưu nằm ngang , thẳng đứng W1, W2;
- Áp lực thấm dưới đáy công trình dạng tam gíac W
t
có chiều cao α
1
.h với α
1
<1 là
hệ số áp lực thấm.
øng suÊt ph¸p theo
ph−¬ng th¼ng ®øng

Hình 4- 1: sơ đồ áp lực nước tác dụng lên đập
- Áp lực nước ở hạ lưu bằng không
Nhiệm vụ tìm b nhỏ nhất khi cho trước chiều cao h

- Ứng suất trên mặt cắt ngang đập tính theo công thức nén lệch tâm:

2
0
*6
b
M
b
V
∑∑
±=
σ
(4.1)
Trong đó :
ΣV: Tổng các lực thẳng đứng vuông góc với nền .
ΣM
0
: Mômen của tất cả các lực đối với trọng tâm O của tiết diện (O là điểm giữa
của BC)
∑G = G + W
2
-W
t

Do đó ta có :
2
*
*
2
**

2
*
11
hbhbnhb
G
γαγγ
−+=
∑

∑
−+= )..(
2
.
11
γαγγ
n
hb
G
(4.2)
Trong đó : γ; γ
1
: trọng lượng riêng của nước và của vật liệu xây dựng.
α
1
: hệ số áp lực thấm do tác dụng cản trở của màng chống thấm

4-2
Chương 4. Đập bê tông trọng lực
∑M
0

=
).2..2..3..2(
12
.
11
2
1
2
22
nnnh
b
hhb
γγγγαγ
+−+−+
(4.3)
Thay kết quả tìm được vào công thức (4.1) ta được σ
1
là ứng suất pháp ở mép
thượng lưu khi hồ đầy nước tại mặt cắt đáy đập:
()( )
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−−+−=
2
2
1111

..21
2
b
h
nnn
h
γγαγλσ
(4.4)
Ứng suất pháp tại mép hạ lưu:
()
2
3
112
...
b
h
nhn
b
γγγγσ
++−=
(4.5)
Khi thượng lưu không có nước (tức là khi mới thi công) ứng suất pháp tại mép
thượng lưu và hạ lưu:
)1.(.
1
1
0
nh −=
γσ
(4.6)

hn..
1
2
0
γσ
=
(4.7)
Khi hồ đầy nước với điều kiện ứng suất pháp tại mép thượng lưu σ
1
= 0:
()( )
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−−+−=
2
2
11
..21
2
0
b
h
nnn
h
nb
γγαγλ

→
1
)2()1(
α
γ
γ
−−+−
=
nnn
h
b
b
(4.8)
Đập có b
min
tức là có mẫu số max. Đạo hàm biểu thức (4-6) cho bằng O khi đó ta
có:
0))2.()1([
1
1
=−−+−
∂
∂
α
γ
γ
nnn
n

2
2
1
γ
γ
−
=n
(4.9)
Chú ý:
Nếu đập làm bằng bêtông có γ
b
= 2.4 T/m
3
, γ = 1 T/m
3
khi đó n = -0.2 mái thượng
lưu dốc ngược. Xét về mặt thực tế thì mặt cắt như thế không ổn định khi hạ lưu không có
nước. Do vậy người ta chọn mặt cắt đập bêtông là tam giác cong có mái dốc thượng lưu
thẳng đứng (n=0).

4-3
Chương 4. Đập bê tông trọng lực

Hình 4- 2: Mái thượng lưu dốc ngược
Trong trường hợp này chiều rộng đáy đập tính theo công thức:
1
α
γ
γ
−

=
b
h
b
(4.10)
Với mặt cắt cơ bản là tam giác vuông, mái thượng lưu thẳng đứng thì ứng suất mép
thượng, hạ lưu là :
+ Khi hồ đầy nước :
σ
1
= 0 ; σ
2
= (γ
1
-α
1
γ).h (4.11)
+ Khi hồ không có nước:
σ
01
= γ
1
.h ; σ
02
= 0
Từ công thức (4.10) với
4.2=
γ
γ
b

thì:
α
1
= 0 → b = 0.65.h
α
1
= 0.5 → b = 0.72.h
Khi α
1
= 0 trường hợp không áp lực thấm dưới nền thì chiều rộng đáy đập b nhỏ
hơn khi có áp lực thấm dưới nền và khối lượng vật liệu giảm 10÷25%.Vì vậy cần có biện
pháp phòng chống thấm dưới đáy công trình để giảm áp lực thấm.
4.2.3. Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt
Điều kiện tối thiểu để đảm bảo điều kiện ổn định của đập :
∑
= GfWK
c
**
1
(4.12)
Trong đó:
f: hệ số ma sát giữa đập và nền;
K
c
: hệ số an toàn ổn định của đập;
ΣG: tổng các lực tác dụng lên mặt cắt;
Từ công thức (4.12) ta có thể viết :
)..(
2
.

.
2
..
1
2
γαγγγ
−+= n
hb
f
h
k
bc
(4.13)

4-4
Chương 4. Đập bê tông trọng lực
).(
.
1
1
α
γ
γ
−+
=
nf
h
kb
c

Nếu n = 0, f = 0.7,
4.2=
γ
γ
b
, α
1
= 0.5 k
c
= 1 thì b = 0.75h
Trường hợp α
1
= 0 thì b = 0.6.h
Nhận xét :
+ Từ kết quả tính toán b trên, nếu áp lực thấm nhỏ thì bề rộng đáy đập do điều kiện
cường độ quyết định. Khi áp lực thấm lớn thì b do điều kiện ổn định khống chế.
+ Với nền đá có hệ số ma sát nhỏ, để thoả mãn điều kiện ổn định thì chiều rộng đáy
đập phải tăng nhi
ều đồng thời mái dốc thượng lưu phải nghiêng (n>0). Vì vậy để tăng
điều kiện ổn định người ta đào móng nghêng vè phía thượng lưu.

Hình 4- 3
Lúc đó :
∑∑
∑∑
−
+
=
ββ
ββ

sin.cos.¦
sin.cos.
GsW
WG
k
c
.f (4.14)
4.2.4. Mặt cắt thực tế của đập
Trong thực tế công trình thuỷ lợi còn kết hợp với giao thông nên đỉnh đập không thể
nhọn như trên được mà phải mở rộng ra hoặc vì tiết kiệm vật liệu mà khoét rỗng.
Đối với đập tràn do yêu cầu tháo nước đỉnh đập được hạ thấp xuống nên trọng
lượng bản thân giảm. Mái đập hạ lưu thường có dạng cong ở chân đập để đảm bảo nơi
tiế
p xúc với công trình tiêu năng thường uốn cong theo một cung tròn có bán kính R.

Hình 4- 4: Mặt cắt thực tế của đập Bêtông trọng lực



4-5