Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất do tải trọng động đất – áp dụng cho đập đất của thủy điện thượng kon tum

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

NGUYỄN THÀNH HƢNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT
DO TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – ÁP DỤNG CHO
ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY ĐIỆN THƢỢNG KON TUM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: DDK 60580202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Hướng
Phản biện 1: PGS. TS. Hồ Sỹ Tâm
Phản biện 2: TS. Kiều Xuân Tuyển

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại
học Bách khoa vào ngày 21 tháng 6 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa.
- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, Trường
Đại học Bách khoa – ĐHĐN.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn, nhưng nếu động đất
gây vỡ đập của các hồ chứa nước thì hậu quả lại rất nghiêm trọng; đa
số các hồ chứa nước, đập đất chiếm một tỷ lệ rất lớn; do vậy, việc
tính toán ổn định đập đất là một trong những yêu cầu rất quan trọng
trong nội dung thiết kế đập. Sự ổn định của của đập đất phụ thuộc
vào nhiều yếu tố: Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang đập, địa chất nền
đập, vật liệu đắp đập, áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động, áp lực sóng,
áp lực động đất... Tuy nhiên, trong thực tế tính toán ở nước ta hiện
nay, người ta chưa chú ý đúng mức ảnh hưởng của lực động đất đến
việc tính toán ổn định đập đất.
Động đất có thể trực tiếp phá hỏng kết cấu và gây mất ổn
định công trình hoặc gây ra những bất lợi mà từ đó làm mất ổn định
công trình một cách từ từ theo thời gian. Bên cạnh đó, khi xảy ra
động đất, nền đất có thể xảy ra hiện tượng hóa lỏng làm thay đổi tính
chất cơ lý của đất và ảnh hưởng đến ổn định tổng thể của công trình.
Hiện tượng hóa lỏng làm cho đất giảm, thậm chí mất khả
năng kháng cắt tạm thời; các hạt đất hầu như không liên kết với nhau
và mất hết khả năng chống cắt, vì thế sức chịu tải của nền giảm
xuống làm cho công trình mất tính ổn định gây ra các hiện tượng
trượt, lở, lún, nứt, gãy,... Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của động
đất đến đập đất là rất cấp thiết trong giai đoạn hiện nay và cả trong

tương lai. Vì vậy, đề tài luận văn được chọn: “Nghiên cứu tính toán
ứng xử của đập đất do tải trọng động đất – Áp dụng cho đập đất
của Thủy điện Thượng Kon Tum” là rất cần thiết.


2
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về ổn định đập đất.
- Nghiên cứu ứng xử của đập đất khi có động đất.
- Phân tích ổn định của đập đất chịu ảnh hưởng của động đất.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đập đất.
- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích ổn định đập đất chịu tác
động của động đất – áp dụng cho đập đất của Thủy điện Thượng Kon
Tum.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa.
- Sử dụng mô hình mô phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính toán ứng xử của đập đất
do tải trọng động đất – Áp dụng cho đập đất của Thủy điện
Thượng Kon Tum” sẽ đưa ra kiến nghị về quan điểm tính toán động
đất đối với đập đất phù hợp với thực tế và có tính khả thi trong điều
kiện thiết kế đập đất ở Việt Nam.
6. Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận văn gồm: Mở đầu, Chương 1, Chương 2,
Chương 3, Kết luận và kiến nghị.
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Ứng xử của đập đất dưới tác động của động đất

Chương 3: Áp dụng tính toán ổn định cho đập đất của thủy
điện thượng Kon Tum do ảnh hưởng của động đất
Kết luận và kiến nghị.


3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Khái quát chung về động đất
1.1.1. Vị trí Trái Đất
Trái Đất là hành tinh thứ ba tính từ Mặt Trời.
1.1.2. Hình dạng và kích thước Trái Đất
Hình dạng Trái Đất rất gần với hình phỏng cầu là hình cầu.
Trái đất có bán kính gần bằng 6.378km.
1.1.3. Cấu trúc Trái Đất
Từ ngoài vào trong, cấu trúc Trái Đất gồm 3 lớp: Lớp vỏ
Trái Đất, lớp Manti nằm dưới lớp vỏ Trái Đất và nhân Trái Đất.
1.1.3.1. Vỏ Trái Đất (Crust)
Vỏ Trái Đất được cấu tạo chủ yếu bằng những vật chất cứng
rắn, độ dày dao động từ 5km ở đại dương đến 70km ở lục địa.
1.1.3.2. Lớp Manti (Mantle)
Dưới vỏ Trái Đất cho tới độ sâu 2.900km là lớp Manti.
1.1.3.3. Nhân trái đất (Core)
Nhân Trái Đất là lớp trong cùng, dày khoảng 3.478km.
1.1.4. Khái quát chung về động đất
1.1.4.1. Định nghĩa động đất
Động đất là sự giải thoát đột ngột một lượng năng lượng lớn
tích tụ trong một thể tích nào đó bên trong Trái đất.
1.1.4.2. Nguyên nhân gây ra động đất
Nguyên nhân xảy ra động đất thường do các yếu tố: Nội

sinh, ngoại sinh và nhân sinh.
1.1.4.3. Sóng động đất (Seismic waves)
Khi động đất xảy ra, năng lượng được giải phóng từ chấn
tiêu sẽ được truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng các sóng


4
đàn hồi vật lý, đó là: Sóng khối và Sóng mặt. Các sóng này do động
đất gây ra nên được gọi là sóng động đất hay sóng địa chấn.
1.1.4.4. Các đặc trưng cơ bản của động đất
Các đặc trưng cơ bản của động đất, gồm: Năng lượng động
đất và Độ lớn động đất.
1.1.4.5. Cấp động đất
Cấp động đất là đại lượng biểu thị cường độ chấn động mà
nó gây ra trên mặt đất đối với nhà cửa, công trình, vật kiến trúc, con
người và biến dạng mặt đất...
1.2. Đặc điểm của động đất
1.2.1. Đặc điểm chung của động đất
Động đất xảy ra trong thời gian rất ngắn, gia tốc lớn.
Động đất có thể gây ra lở đất, nứt đất, sóng thần, nước triều
giả, vỡ đê - đập, hỏa hoạn, hư hại công trình…
1.2.2. Đặc điểm động đất ở Việt Nam
Các ghi chép lịch sử liên quan đến động đất ở Việt Nam còn
sơ lược. Việt Nam nằm trong khu vực có động đất ở mức trung bình
của thế giới. Năng lượng động đất và dư chấn phát sinh tập trung chủ
yếu trong khoảng thời gian ngắn.
1.2.3. Các trận động đất điển hình ở Việt Nam
- Trận động đất ngày 01/11/1935 ở Đông Nam Điện Biên
Phủ với cường độ 6,75 độ Richter.
- Trận động đất ngày 24/6/1983 ở thị trấn Tuần Giáo (tỉnh

Lai Châu) có cường độ 6,7 độ Richter (cấp động đất là 8÷9).
- Ngày 08/01/2018, một trận động đất có cường độ 3,9 độ
Richter đã xảy ra trên địa bàn tỉnh Điện Biên; tiếp theo đó, ngày
09/01/2018, trên địa bàn tỉnh Điện Biên đã xảy ra trận động đất với
cường độ 4,3 độ Richter.
- Theo tin từ Viện Vật lý Địa cầu, ngày 07/3/2018, một trận
động đất có độ lớn 3,4 Richter đã xảy ra tại huyện Bắc Trà My, tỉnh
Quảng Nam...


5
1.2.4. Phân vùng động đất ở Việt Nam
Ở nước ta đã có thể dự báo nguy cơ động đất ở từng vùng.
Dự báo này được thể hiện trên bản đồ phân vùng động đất mà Viện
Vật lý Địa cầu đã hoàn thành trong năm 2004.
1.3. Ảnh hƣởng của động đất đến đập đất
- Nhất thời làm tăng các lực đứng và lực ngang làm cản trở
sự ổn định của các hạt đất gây nên sụt, lở, lún, trượt mái đập đất,...
- Do sự rung lắc mà cấu trúc hạt đất bị sắp xếp lại chặt hơn
dẫn đến hiện tượng cố kết đất khô và đất bão hòa làm cho ứng suất
trong thân đập thay đổi gây ra lún thân và nền đập không đều.
- Đối với cát bão hòa, do sự rung động mà áp lực kẽ rỗng có
thể tăng lên, tại những nơi có áp lực đất bị kiềm chế có thể gây ra
hiện tượng hóa dẻo hay hóa lỏng tạm thời...
1.4. Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hƣởng của động đất đến
đập đất và các mô hình tính toán
1.4.1. Tổng quan về các nghiên cứu ảnh hưởng của động
đất đến đập đất
Báo cáo về thiết kế kháng chấn cho công trình đập đất của H.
Bolton Seed, Professor of Civil Engineering, University of

California, Berkeley CA (“Earthquake-Resistant design of Earth
Dams”) đã chỉ ra được một số ảnh hưởng quan trọng do động đất tác
dụng lên các công trình đập như sự rung lắc gây ra bởi động đất tạo
nên một áp lực lớn là áp lực nước lỗ rỗng trong thân và nền đập. Bên
cạnh đó, hiện tượng hóa lỏng còn gây ra một mặt trượt lớn tại con
đập San Fernando sau ảnh hưởng của trận động đất. Một nghiên cứu
khác cũng đề cập đến ổn định công trình đập đất trên tầng có thể hóa
lỏng hoặc mất đi sức chịu cắt của nó; hiện tượng này xảy ra tại con
đập của hồ chứa nước Vaiont ở Ý (bản thân đập không bị phá vỡ về
mặt cấu trúc) trong báo cáo khoa học mang tên “Effects of


6
Earthquakes on Dams and Embankments” của N.M. Newmark, D.
Sc, Ph. D, M.S., M.I.C.E* liên quan đến ảnh hưởng của động đất lên
đập và kè; nghiên cứu của Kramer, S.L., 1996 đề cập đến đặc điểm
diễn biến động đất, các khái niệm động đất liên quan như hóa lỏng
nền, ổn định, trượt mái,…
Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Nguyễn Hồng
Nam, Trường Đại học Thủy lợi đứng đầu đã tiến hành thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đê đập bằng vật liệu địa
phương chịu tải trọng động đất và giải pháp ổn định công trình”.
1.4.2. Tổng quan về các mô hình tính toán động đất cho
đập đất
FLAC là một ví dụ được phát triển chủ yếu cho các ứng
dụng liên quan đến các vấn đề về địa kỹ thuật, là một sản phẩm do
“An Itasca International Company” sáng lập. Hay là phân tích, tính
toán mô hình tải động sử dụng 2 modun cơ bản là 2D Dynamics và
3D Dynamics dựa trên tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn
bổ trợ cho phần mềm PLAXIS 2D, 3D. Bên cạnh đó, chúng ta không

thể không đề cập đến bộ phần mềm tích hợp GeoStudio trong tính
toán thiết kế ổn định độ dốc, biến dạng mặt đất, nhiệt và thay đổi
khối lượng trong đất đá; được xây dựng trên 7 module cơ bản:
Slope/W, Seep/W, Sigma/W, Quake/W, Temp/W, Ctran/W và
Air/W.
1.5. Kết luận
Việc đánh giá ổn định của đập đất do động đất gây ra có ý
nghĩa hết sức quan trọng trong việc đề xuất các phương án thiết kế
kháng chấn phù hợp. Vì vậy, đề tài luận văn nghiên cứu tính toán
ứng xử của đập đất do tải trọng động đất - Áp dụng cho đập đất của
Thủy điện Thượng Kon Tum là một vấn đề rất thiết thực và có ý
nghĩa thực tiễn.


7
CHƢƠNG 2
ỨNG XỬ CỦA ĐẬP ĐẤT DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
2.1. Đặt vấn đề
Để xác định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động
đất, các nước trên thế giới đã và đang sử dụng hai phương pháp tính
toán cơ bản, đó là: Phương pháp tĩnh và Phương pháp động lực.
2.2. Phƣơng pháp tính toán
2.2.1. Phương pháp tính toán tĩnh
Toàn bộ công trình được xem như một vật rắn tuyệt đối đặt
trên nền, lực động đất tác dụng lên công trình có phương nằm ngang.
2.2.2. Phương pháp tính toán động
Mô hình hóa kết cấu công trình chịu tác dụng động đất bằng
hệ phương trình vi phân toán học, kết quả sẽ tìm được ứng xử của
công trình; gồm có các phương pháp như sau:
2.2.2.1. Phương pháp giải tích

Từ phương trình vi phân có thể xác định được chuyển vị, vận
tốc và gia tốc. Các lực động đất được xác định bằng tích khối lượng
của hệ với gia tốc tương ứng của chúng.
2.2.2.2. Phương pháp phổ ứng xử
Nội dung của phương pháp phổ là: Xác định gia tốc, vận tốc
và chuyển vị cực đại của các dao động đó.
2.2.2.3. Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian
Để xác định ứng xử của công trình theo phương pháp phân
tích theo lịch sử thời gian cần có số liệu quan trắc địa chấn, đặc biệt
là phải có biểu đồ gia tốc của một trận động đất điển hình để xác
định xo(n) tại thời điểm tn. Đây là một khó khăn vì nhiều nước trong
đó có Việt Nam chưa có biểu đồ gia tốc xo’’(n)(t). Mặt khác, trong


8
thực tế không phải lúc nào cũng cần đến lịch sử ứng xử theo thời
gian; thông thường để thiết kế các công trình trong vùng động đất
người ta chỉ cần giá trị cực đại của chúng là đủ.
2.2.2.4. Phương pháp tải trọng ngang thay thế
Các lực động đất thực sự tác dụng lên công trình khi có động
đất được thay thế bằng các lực tĩnh ảo có hiệu ứng tương đương.
2.2.2.5. Phương pháp động lực
Phương pháp này sử dụng các phương trình vi phân dao
động có vế phải là các lực gây ra các dao động cưỡng bức, biểu thị
bằng biểu đồ gia tốc của các trận động đất đã đo được trên thế giới.
2.2.2.6. Phương pháp ngẫu nhiên
Đặt vấn đề ngẫu nhiên bài toán động lực kháng chấn, cho
phép suy nghĩ theo một cách mới trước một vài khía cạnh của vấn đề
kháng chấn và đánh giá được phương án tính toán.
2.3. Hiện tƣợng hóa lỏng do động đất

2.3.1. Giới thiệu chung
Dấu hiệu nhận biết hóa lỏng là sự giảm sức chống cắt
và/hoặc độ cứng tạm thời, gia tăng áp lực nước lỗ rỗng trong các vật
liệu rời - bão hòa nước, đến mức làm tăng đáng kể biến dạng lâu dài
của đất, hoặc dẫn tới điều kiện ứng suất hữu hiệu của đất gần bằng 0.
2.3.2. Cơ chế hình thành hóa lỏng
Người ta chia hóa lỏng làm hai dạng cơ bản là hóa lỏng dạng
dòng chảy và hóa lỏng do tính lưu động chu kỳ.
2.3.3. Hóa lỏng nền
Khi đất hóa lỏng xảy ra, nền đập đất không còn khả năng
chịu tải, các công trình xây dựng phía trên nó như: Tháp cống, tràn
xả lũ, tường chắn sóng, mặt đập... sẽ bị nghiêng ngả, sụt lún; đồng
thời các công trình ngầm như: Cống lấy nước, cống xả cát sẽ bị đẩy
trồi lên mặt đất do tác dụng của lực đẩy Archimedes.


9
2.4. Phân tích lực động đất theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn
2.4.1. Khái quát chung về phương pháp PTHH
Cơ sở của PP PTHH là làm rời rạc hóa các miền liên tục
phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành các miền
con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút.
Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được
giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thỏa mãn điều
kiện biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.
2.4.2. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH
Phương pháp PTHH là một phương pháp để giải gần đúng
các phương trình vi phân đạo hàm riêng thay vì phải tìm nghiệm
dạng giải tích của hàm ta tìm trị số của hàm hoặc đạo hàm của nó ở
tại một số hữu hạn điểm trong miền xác định.

2.4.3. Điểm chung ứng dụng phương pháp PTHH để gải
bài toán kết cấu
2.4.3.1. Ẩn số của bài toán kết cấu
Trong các bài toán kết cấu, ẩn số phải tìm có thể là: Ứng suất
 (hay nội lực N); biến dạng  (hay chuyển vị V).
2.4.3.2. Điều kiện biên của bài toán
Ví dụ, tại liên kết ngàm các chuyển vị bằng 0, tại mặt ngoài
của vật thể không có tải trọng n = 0.
2.4.3.3. Các bước cơ bản giải bài toán theo phương pháp
PTHH
- Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát.
- Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp.
- Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử.
- Bước 4: Ghép nối các phần tử trong miền V.
- Bước 5: Thay hàm xấp xỉ đã giả thiết vào biểu thức điều
kiện tiếp cận tốt nhất giữa hàm xấp xỉ chuyển vị với chuyển vị thực


10
sẽ được hệ phương trình mà trong đó ẩn số là trị số chuyển vị tại các
điểm nút.
- Bước 6: Giải hệ phương trình nhận được với các điều kiện
biên và tải trọng cho trước tìm được chuyển vị tại các điểm nút.
2.4.3.4. Tiêu chuẩn tiếp cận tốt nhất giữa hàm xấp xỉ chuyển
vị với hàm chuyển vị thực
Một hàm được chọn là hàm xấp xỉ của chuyển vị trong kết
cấu sẽ tiếp cận tốt nhất với hàm thực nếu thay nó vào biểu thức thế
năng biến dạng toàn phần của kết cấu thì làm cho đại lượng này đạt
cực tiểu.
2.4.4. Phân tích lực động đất theo phương pháp PTHH đối

với đập đất
Để phân tích ứng suất, biến dạng, chuyển vị, dao động trong
thân và nền đập dưới tác dụng của động đất, ta xét theo bài toán
phẳng.
2.4.4.1. Sơ đồ tính toán
Xét mặt cắt đập có chiều dày t = 1m, chịu tác dụng của lực
phân bố thể tích q và các lực bề mặt P và tác động của động đất theo
thời gian.
2.4.4.2. Hệ tọa độ, hàm nội suy
- Hệ tọa độ tổng thể xy, thường mô phỏng bài toán ở góc
phần tư thứ nhất (Hình 2.10).
- Hệ tọa độ địa phương rs được gắn vào phần tử (Hình 2.10).

Hình 2.10 Hệ tọa độ


11
2.4.4.3. Phương trình cơ bản
Phương trình cơ bản ứng xử động lực học theo phương pháp
PTHH là:

[M]x’’ + [D]x’ + [K]x = F

(2.34)

Trong đó:
- [M]: Ma trận khối lượng;
- [D]: Ma trận cản do dẻo và nhớt, nó là tổ hợp bậc nhất của
ma trận khối lượng [M] và ma trận độ cứng [K].
2.4.4.4. Giải bài toán phụ thuộc vào thời gian

Phương trình cơ bản ứng xử động lực học (2.34) là phương
trình vi phân bậc 2. Phương trình này có thể giải trong miền thời gian
hoặc miền dao động. Lời giải trong miền thời gian là tốt hơn đối với
bài toán khi tính chất vật liệu thay đổi theo thời gian, ở bài toán này
sẽ giải trong miền thời gian.
2.5. Kết luận
Khi động đất xảy ra xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm
nhất định và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy dưới
dạng sóng địa chấn. Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể làm
hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: Lực quán
tính, sự thay đổi các tính chất cơ lý của đất đá, hóa lỏng, sự chuyển
vị do đứt gãy, trượt đất hay các chuyển động bề mặt khác... Do đó,
việc tính toán ổn định đập đất và hiện tượng hóa lỏng dưới tác động
do động đất là những nội dung rất quan trọng trong công tác thiết kế
đập đất. Vì vậy, trong chương này, tác giả đã trình bày các phương
pháp tính toán, phương pháp tính toán tĩnh, phương pháp tính toán
động, cơ chế hình thành hóa lỏng và phân tích lực động đất theo
phương pháp phần tử hữu hạn, hay Modun Quake/W trong bộ phần
mềm Geo-Slope (Canada) bài toán hóa lỏng được giải theo phương
pháp phần tử hữu hạn hoặc giải bài toán thấm...


12
CHƢƠNG 3
ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO ĐẬP ĐẤT CỦA THỦY
ĐIỆN THƢỢNG KON TUM DO ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
3.1. Thực tế phân tích động đất trong thiết kế đập đất ở Việt Nam
Trong thực tế tính toán chống động đất ở nước ta hiện nay,
người ta thường chỉ sử dụng phương pháp tĩnh lực.
3.2. Hƣớng tiếp cận và mô phỏng quá trình tính toán của đề tài

Bước 1: Sử dụng modun SEEP/W của Geo-Slope để tính
toán thấm qua thân đập.
Bước 2: Sử dụng modun SLOPE/W tính toán hệ số ổn định
K tương ứng với kết quả bài toán thấm đã mô phỏng ở trên.
Bước 3: Sử dụng modun QUAKE/W để phân tích bài toán
tĩnh khi có động đất.
Bước 4: Sử dụng modun QUAKE/W để phân tích bài toán
động.
Bước 5: Sử dụng modun SLOPE/W tính toán hệ số ổn định
K tương ứng với bài toán động theo modun QUAKE/W.
3.3. Dữ liệu động đất và trƣờng hợp tính toán
3.3.1. Phân vùng gia tốc nền
TCVN 9386:2012 về Thiết kế công trình chịu động đất.
3.3.2. Đỉnh gia tốc nền
Theo TCVN 9386:2012 về Thiết kế công trình chịu động
đất, gia tốc nền thiết kế được xác định theo công thức: ag = agR.
Trong đó: ag : Đỉnh gia tốc nền thiết kế; agR : Đỉnh gia tốc
nền tham chiếu; γ : Hệ số tầm quan trọng.
3.3.3. Gia tốc lịch sử thời gian
Phân tích động của đập đất được thực hiện bởi phương pháp
PTHH dựa trên trạng thái phân tích chương trình máy tính của
Quake/W trong bộ phần mềm của Geo-Slope. Biểu đồ gia tốc theo
thời gian tính toán cho đập đất thượng Kon Tum đã được thu thập,
xử lý bằng cách sử dụng các gia tốc đỉnh và hồ sơ động đất thực tế.
Tuy nhiên, vì không có hồ sơ gia tốc lịch sử thời gian gần vị trí xây
dựng tuyến đập nên có thể sử dụng các dữ liệu gia tốc sau đây để


13
phân tích: Động đất ở Alkion (Greece), ngày 24/02/1981 có đỉnh gia

tốc nền: PGA = 1,139m/s2 = 0,116g và báo cáo các trận động đất ở
Điện Biên năm 2001.
Đặc điểm động đất ở Việt Nam là diễn ra với thời gian ngắn,
biểu đồ gia tốc theo thời gian phân bố chủ yếu những giây đầu tiên
xảy ra động đất, sau đó giảm dần nhanh cho đến khi kết thúc (Động
đất ở Điện Biên năm 2001, Hình 3.4). Trong khi đó, các trận động
đất lớn thu thập được trên thế giới có thời gian diễn ra động đất lâu
hơn nhiều và biên độ gia tốc nền cũng lớn hơn (Động đất Alkion
năm 1981, Hình 3.5).

Hình 3.4 Biểu đồ gia tốc động đất Điện Biên năm 2001

Hình 3.5 Biểu đồ gia tốc trận động đất Alkion năm 1981
Trong báo cáo các trận động đất ở Điện Biên năm 2001 có
giới thiệu đến động đất và dư chấn dưới dạng hình ảnh như Hình 3.4.
Điều bất cập ở đây là dữ liệu tính toán cần mô phỏng, thiết lập trong
modun Geo-Slope phải là số liệu đo đạc cụ thể theo thời gian diễn
biến động đất dưới dạng file *.txt, chi tiết như Hình 3.6.


14

Hình 3.6. Dữ liệu đầu vào cần thiết lập cho mô phỏng động
đất bằng Geo-Slope
(Nguồn: />
Tuy trận động đất Điện Biên năm 2001 là gần hơn và phù
hợp hơn so với trận động đất Alkion, nhưng vì không có số liệu đo
đạc chi tiết nên không thể tiếp cận được; do vậy, chỉ có thể sử dụng
biều đồ gia tốc nền tại trận động đất Alkion (Hình 3.5) có số liệu đo
đạc cụ thể để tiến hành tính toán, thu phóng với hai điều kiện quan

trọng là đỉnh gia tốc nền và thời gian động đất sao cho phù hợp với
điều kiện động đất tại khu vực xây dựng công trình. Áp dụng phân
tích ứng xử do động đất theo phương pháp lịch sử thời gian cho đập
đất Thượng Kon Tum, kết quả như Hình 3.7.

Hình 3.7 Biểu đồ gia tốc nền tính toán


15
3.3.4. Trường hợp tính toán
Bảng 3.2 Trường hợp tính toán ổn định đập đất
Thời kỳ
tính
toán

Trƣờng hợp
tính toán

Tổ
hợp

Mái
tính ổn
định

Ở thượng lưu là MNDBT, ở hạ lưu
Đặc
Hạ
là mực nước trung bình trong thời kỳ
biệt

lưu
cấp nước, có xét đến động đất
3.4. Giới thiệu về Đập đất của Thủy điện thƣợng Kon Tum
3.4.1. Tổng quan về Dự án thủy điện thượng Kon Tum
Dự án thủy điện Thượng Kon Tum thuộc dự án nhóm A.
3.4.2. Mô tả đập đất của công trình thủy điện thượng Kon
Tum
Đập đất thuộc loại đập nhiều khối Hình 3.8.
Động
đất

Hình 3.8 Mặt cắt đập đại diện – Mặt cắt D8
3.4.3. Tài liệu địa chất nền và đất đắp đập
Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá dùng trong tính toán
γ
C
K

Vật liệu
(T/m3) (Độ) (T/m2) (m/s)
Đất đắp đập
Đá đắp vào lăng trụ đá TL,
lăng trụ thoát nước HL đập
edQ+IA1(lớp địa chất nền)

1,77

19

3

2,8e-8

2,00

35

20

1e-2

1,9

18

2

1,1e-6

IA2 (lớp địa chất nền)

2,1

26,6

5

5,78e-6

16
IB (lớp địa chất nền)

2,62

33

20

6,25e-5

IIA (lớp địa chất nền)

2,66

40,38

35

1,16e-5

IIB (lớp địa chất nền)
2,66
42
45
4,62e-5
(Nguồn: Hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện thượng Kon Tum)
3.4.4. Kết quả tính toán theo hồ sơ thiết kế được duyệt
Kết quả tính toán ổn định thấm, tính toán ổn định trượt, tính
toán biến dạng đập và chỉ tính cho trường hợp bài toán tĩnh.

3.5. Kết quả nghiên cứu tính toán của đề tài
Tính toán ổn định thấm, ổn định trượt, nghiên cứu tính toán
chuyển vị, hóa lỏng và tính cho cả hai trường hợp tĩnh và động. Sau
đây, tác giả tiến hành tính toán cho Mặt cắt đại diện – MC D8, mô
hình mô phỏng phương pháp phần tử hữu hạn chi tiết như Hình 3.9.

Hình 3.9 Mô hình tính toán bài toán thấm
3.5.1. Kết quả bài toán phân tích thấm
Các kết quả phân tích bài toán thấm được thể hiện như trong
các Hình 3.10, Hình 3.11 và Hình 3.12.

Hình 3.10 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (Pore-Water Presure)


17

Hình 3.11 Kết quả phân tích tổng cột nước (Total Head)

Hình 3.12 Kết quả Gradient thấm (XY-Gradients)
Kết quả tính toán thấm cho thấy lưu lượng thấm tại mặt cắt
giữa đập là 0,00049617(m3/sec), Gradient thấm lớn nhất tại cửa ra
lăng trụ đá hạ lưu là 2.4, đường bão hòa đảm bảo yêu cầu.
3.5.2. Kết quả bài toán phân tích động đất
3.5.2.1. Kết quả bài toán tĩnh

Hình 3.13 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X (kPa)


18

Hình 3.14 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y (kPa)

Hình 3.15 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (kPa)

Hình 3.16 Kết quả tổng cột nước (m)


19
3.5.2.2. Kết quả bài toán động

Hình 3.17 Kết quả ứng suất tổng theo phương Y (kPa)

Hình 3.18 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương X sau động đất
(kPa)

Hình 3.19 Kết quả ứng suất hiệu quả theo phương Y sau động đất (kPa)


20

Hình 3.20 Kết quả áp lực nước lỗ rỗng sau trận động đất (kPa)

Hình 3.24 Kết quả vùng hóa lỏng nền tại thời điểm 20 giây
- Kết quả tính toán biến dạng một số điểm trên đỉnh đập và
nền đập trong thời gian động đất Hình 3.25 và sơ đồ Hình 3.26.

Hình 3.25 Điểm quan sát thứ 24 và 51


21

Hình 3.26 Biểu đồ chuyển vị theo phương X của điểm nút 24 và 51

Hình 3.28 Kết quả chuyển vị theo phương X(m) tại thời điểm 20 giây

Hình 3.30 Kết quả chuyển vị theo phương Y(m) tại thời điểm 20 giây
3.5.3. Kết quả tính toán ổn định
3.5.3.1. Kết quả tính toán ổn định - Bài toán tĩnh:
Kết quả tính toán ổn định mái hạ lưu đập đất cho mặt cắt đại
diện D8 có cung trượt và tâm trượt nguy hiểm nhất được mô tả như
Hình 3.31 với hệ số ổn định nhỏ nhất là Kminmin = 1,416.


22

Hình 3.31 Hệ số ổn định Kminmin = 1,416 (bài toán tĩnh)
3.5.3.2. Kết quả tính toán ổn định - Bài toán động:

Hình 3.34 Hệ số ổn định mái HL đập tại thời điểm t = 20 giây (K = 1,444)
Kết quả về hệ số ổn định của đập đất tính toán theo phương pháp
lịch sử thời gian được thể hiện như Hình 3.35.

Hình 3.35 Biểu đồ thể hiện hệ số ổn định mái HL đập của thủy điện
thượng Kon Tum theo phương pháp tĩnh và phương pháp động lực


23
3.6. Đánh giá và phân tích kết quả
3.6.1. Khả năng hóa lỏng nền
Với bài toán phân tích tĩnh có thiết lập đỉnh gia tốc nền ag =

0.0796g thì chúng ta chưa thể hiện được kết quả phân tích hóa lỏng.
Khi đó phải dựa vào kết quả phân tích động đất bằng phân tích động
với modun QUAKE/W. Dựa vào kết quả có được thì đối với công
trình và nền công trình thủy điện thượng Kon Tum hoàn toàn có thể
bị hóa lỏng bởi động đất cấp VII.
3.6.2. Chuyển vị
Chuyển vị đứng bé hơn chuyển vị ngang. Theo cả hai
phương X và Y thì chuyển vị có xu hướng tăng lên theo chuỗi thời
gian mô phỏng.
3.6.3. Ổn định đập đất
Từ kết quả tính toán ổn định đập đất theo phương pháp tĩnh
và phương pháp động lực, thể hiện chúng trên cùng một đồ thị như
Hình 3.35, từ đó rút ra một số nhận xét như sau:
- Theo phương pháp tĩnh, hệ số ổn định là không đổi (K =
1,416) trong suốt quá trình động đất.
- Hệ số ổn định tính toán theo phương pháp động lực thay
đổi theo thời gian. Đặc biệt nhận thấy một vài hệ số ổn định tính toán
theo phương pháp động lực nhỏ hơn hệ số ổn định khi tính toán theo
phương pháp tĩnh.
3.7. Kết luận
Kết quả nhận thấy phần mềm Geo-Slope cho phép tính toán
hệ số ổn định và đánh giá khả năng hóa lỏng nền với độ chính xác
đáp ứng được yêu cầu trong thực tế thiết kế và kiểm tra sự ổn định
của đập đất trong trường hợp xảy ra động đất.