NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CỦA KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN MÓNG CỌC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.21 MB, 137 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
-----------------
LÝ MINH DƯƠNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
CỦA KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN
MÓNG CỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
-----------------
LÝ MINH DƯƠNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
CỦA KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN
MÓNG CỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy lợi
Mã số:
60-58-40
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN VĂN LỆ
HÀ NỘI – 2011
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-1-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
PHẦN 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kết cấu đập bê tông trọng lực được xây dựng khá phổ biến ở nhiều công trình
hồ chứa trong nước. Thông thường, đập bê tông trọng lực cần đặt trên nền đá tốt, song
thực tế triển khai một số công trình ở miền Trung và Tây Nguyên như Đá Hàn, Ngàn
Trươi, Đak Glun… tầng đá gốc nằm khá sâu, trên nó hoặc là tầng đất yếu hoặc xen kẹp
các tầng đất yếu. Để đảm bảo an toàn cho đập và nền, giải pháp được suy nghĩ đến là
sử dụng cọc để truyền tải trọng tác dụng vào đập xuống nền đá gốc hoặc nền ở dưới
sâu. Giải pháp móng cọc với các cọc là cọc đóng đã được áp dụng nhiều cho các kết
cấu cống và trạm bơm ở vùng đồng bằng, giải pháp cọc khoan nhồi được áp dụng
nhiều cho kết cấu nhà cao tầng và cầu. Với đập trọng lực, vấn đề được đặt ra là hình
thức kết cấu nào của đập trên móng cọc là hợp lý và cần phân tích ứng xử của hệ kết
cấu đập-móng-nền sát với thực tế để đảm bảo an toàn cho đập.
Nhằm đóng góp vào việc giải quyết vấn đề trên, trong luận văn này tác giả sẽ
nghiên cứu lựa chọn giải pháp hợp lý cho kết cấu đập trọng lực trên móng cọc và tìm
hiểu việc phân tích ứng suất của hệ kết cấu đập-cọc-nền phục vụ cho việc đánh giá an
toàn về độ bền và thiết kế đập.
2. Mục đích của đề tài
Tìm hiểu nguyên lý làm việc và phương pháp tính toán kết cấu đập bê tông
trọng lực và móng cọc để lựa chọn giải pháp hợp lý cho kết cấu đập bê tông trọng lực
trên móng cọc cũng như đánh giá mức độ an toàn của đập hoặc thiết kế bảo đảm an
toàn cho đập. Ứng dụng cụ thể cho đập Đá Hàn (Hà Tĩnh).
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-2-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu.
- Tìm hiểu về đập trọng lực, về móng cọc, về phương pháp tính toán đập trọng
lực, tính toán móng cọc.
- Tìm hiểu và nghiên cứu sử dụng phần mềm SAP 2000 và áp dụng vào tính
toán hệ đập-cọc-nền.
- Áp dụng cụ thể cho công trình đập Đá Hàn (Hà Tĩnh).
4. Kết quả dự kiến đạt được
- Phân tích lựa chọn được giải pháp kết cấu hợp lý.
- Nắm được phương pháp và phần mềm tính toán.
- Ứng dụng cho một công trình cụ thể đang được triển khai xây dựng là đập Đá
Hàn (Hà Tĩnh).
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-3-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
PHẦN 2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN
THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1.1 Lịch sử phát triển của đập bê tông trọng lực trên thế giới
Đập trọng lực là một loại hình thức đập cổ xưa nhưng quan trọng, là một loại
đập có khối lượng bê tông lớn. Đập được duy trì ổn định nhờ trọng lượng của khối bê
tông này, mặt cắt đập thường là hình tam giác, thông thường mặt thượng lưu thẳng
đứng hoặc hơi nghiêng về phía hạ lưu [15]. Đập trọng lực có nhiều ưu điểm, độ an toàn
đáng tin cậy, do mặt cắt đập khá lớn, lượng nước thẩm thấu thấp, có thể cho nước lũ
tràn qua đỉnh và ít xảy ra sự cố. Tính thích ứng của loại đập này với điều kiện địa hình
địa chất khá lớn, nên ngoài điều kiện xây dựng đập trên nền đá vẫn có thể xây dựng
đập trên nền đất với hình thức mặt cắt đập hợp lý và kết hợp với việc xử lý nền móng
phù hợp đập vẫn có thể ổn định và đảm bảo an toàn đập.
Các thống kê về thể loại đập của tổ chức đập cao thế giới cho thấy đập đất
chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm
4%. Nhưng trong số các đập có chiều cao H đ > 100 m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ
R
R
chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Tỷ lệ số lượng đập bê
tông được xây dựng ở một số nước trên thê giới như: ở Mỹ chiếm 34,5%, ở Nhật 83%,
ở Ý 51%, ở Tây Ban Nha 85%, ở Pháp 51%, ở Canada 60% [3] vv...
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các lý luận tính toán đập ngày càng
phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày càng hợp lý, độ an toàn đập
ngày càng được nâng cao.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-4-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Hiện nay Trung Quốc là nước có nhiều đập bê tông trọng lực nhất trên thế giới,
tính đến năm 2000 đã có 22 đập cao trên 70m đã được xây dựng. Phải kể đến những
đập như Shuifeng cao 106m, đập Sanmen-xian cao 106m, đập Baozhusi và Manwan
cao 132m, Ankang cao 128m. Mỹ là nước đứng thứ 2 về số lượng đập đập bê tông
trọng lực được xây dựng như đập Willow Creek cao 52m, đập Upper Stillwater cao
91m, đập Cuchillo Negro cao 50m, đập Hollow cao 74m, đập Oliverhain cao 97m vv…
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thi công nghệ thi công đập bê tông
trọng lực cũng phát triển không ngừng. Từ những năm 1960 các công trình nghiên cứu
về đập bê tông đầm lăn đã bắt đầu. Thí nghiệm đầu tiên sử dụng công nghệ bê tông
đầm lăn được thực hiện ở Đài Loan vào năm 1963. Đập AlpeGra (H=172m) đã được
xây dựng ở Ý. Sau đó phương pháp này đã được sử dụng ở Mỹ, Canada, Anh,
Pakistan, Nhật, Brazil [3]… Các nhóm nghiên cứu người Mỹ, Nhật đã tiến hành nghiên
cứu xây dựng các đập Simajagawa cao 89m, đập bê tông trọng lực Miyagase cao 156m
(Nhật Bản) trong hình 1.1 hay đập Itaipu cao 190m của Braxin trong hình 1.2 là những
công trình tiêu biểu của đập bê tông trọng lực được xây dựng bằng công nghệ bê tông
đầm lăn. Công nghệ bê tông đầm lăn cho hiệu quả cao vì thời gian xây dựng công trình
nhanh và đơn giản.
Hình 1.1. Hình ảnh đập Miyagase (Nhật Bản)
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-5-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Hình 1.2. Hình ảnh đập Itaipu (Braxin)
1.1.2 Lịch sử phát triển của đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
Thời kì trước những năm 30 của thế kỷ XX, ở nước ta đã xuất hiện một số đập
bê tông trọng lực mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến 10m, chưa có
những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ công, kỹ thuật
không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam tỉnh Phú Yên do đặc điểm thủy văn của sông
Đà Rằng. Phần lớn công việc thiết kế, chỉ đạo thi công là do các kỹ sư Pháp thực hiện.
Xi măng nhập từ Châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào các kết quả nghiên cứu
của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam.
Giai đoạn từ năm 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số
đập bê tông trọng lực như đập Đô Lương (Nghệ An) hình 1.10, đập Bái Thượng
(Thanh Hóa), đập Thác Huống (Thái Nguyên) làm nhiệm vụ dâng nước để cấp nước
tưới, một số đập dâng nhỏ khác như đập An Trạch ở Quảng Nam, đập Cẩm Ly ở
Quảng Bình…
Giai đoạn từ năm 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc đầu tư xây
dựng các công trình thủy lợi cũng bị hạn chế. Trong thời kỳ này chưa có đập bê tông
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-6-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập Thác Bà, Cấm
Sơn, Đa Nhim…. Kỹ thuật và công nghệ xây dựng ở phía bắc chủ yếu của Liên Xô
(cũ) và của Trung Quốc, ở phía Nam là của Nhật [3]…
Cho đến nay ở Việt Nam có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại (phân bố ở
41/61 tỉnh thành nhưng tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung) trong đó có
khoảng 460 đập lớn đứng hàng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao trên thế giới.
Tuy nhiên sự phân bổ về loại hình đập lại không đều nhau. Trong số các đập có chiều
cao đập nhỏ hơn 100 thì đập vật liệu địa phương chiếm tới hơn 80%, tuy nhiên đối với
đập có chiều cao lớn hơn 100 m thì đập bê tông nói chung và đập bê tông trọng lực nói
riêng lại chiếm một tỷ lệ đáng kể. Hơn nữa, trong những năm gần đây, với tình hình
thiếu hụt về sản lượng điện, Việt Nam đã tiến hành xây dựng hàng loạt công trình thủy
điện với chiều cao đập tương đối lớn đa phần đều sử dụng hình thức đập bê tông trọng
lực như Định Bình (Bình Định) cao 42m, Sê San 3 (Gia Lai) cao 60 m, A Vương
(Quảng Nam) cao 80m, Sơn La cao 130m vv...
Việt Nam cũng đã và đang áp dụng thành công công nghệ xây dựng đập bê tông
đầm lăn. Mặc dù đến với công nghệ này tương đối muộn so với một số nước trên thế
giới, nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó đặc biệt là nước láng giềng Trung
Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên có rất nhiều dự án
thủy lợi thủy điện lớn đã và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này. Từ nay
đến năm 2013 nước ta có số đập bê tông đầm lăn lên đến 24 đập. Việt Nam trở thành
nước xếp hàng thứ 7 về tốc độ phát triển bê tông đầm lăn. Các hình từ 1.3 ÷ 1.6 là hình
ảnh các đập đã đang và sẽ được xây dựng trong nước.
Nhưng hiện nay trên lãnh thổ Việt Nam, địa hình và địa chất là nền đá thuận lợi
cho việc xây dựng đập bê tông trọng lực không còn nhiều nên trong đề tài luận văn này
tác giả nghiên cứu một hướng đi mới trong việc thiết kế và xây dựng đập bê tông trọng
lực trên nền đất yếu. Trên thực tế xây dựng một số công trình ở Việt Nam đặc biệt là ở
miền Trung, Tây nguyên và miền Đông Nam Bộ một số nơi tầng đá gốc nằm khá sâu
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-7-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
hoặc đá và các lớp đất yếu xen kẹp nhau. Một trong những giải pháp được nghĩ tới là
xây dựng đập bê tông trọng lực trên móng cọc nhằm truyền toàn bộ tải trọng của đập
xuống nền đá gốc hoặc nền đá ở dưới sâu.
Hình 1.3. Đập Lòng Sông- Tỉnh Bình Thuận
Hình 1.4. Đập Định Bình-Tỉnh Bình Định
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-8-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Đập bê tông trọng lực trên nền đất yếu khác với đập bê tông trọng lực trên nền
đá ở những điểm sau: đập trên nền đất yếu thường có đáy rộng hơn, do sức kháng trượt
của nền nhỏ và tải trọng đơn vị cho phép bé. Do đó, việc xây dựng các đập cao trên nền
đất yếu thường tốn kém và nhiều khi không thể thực hiện được (chiều cao đập thường
không vượt quá 40 ÷ 50m). Vì vậy, khi thiết kế loại đập này cần xem xét kỹ các đặc
trưng địa kỹ thuật của vật liệu nền. Với giải pháp xây dựng đập trên hệ móng cọc thì
một số vấn đề khó khăn ở trên có thể được giải quyết phần nào, có thể làm giảm bớt
khối lượng vật liệu xây đập bằng cách sử dụng hình thức đập rỗng vì liên kết giữa đập
và nền thông qua hệ cọc có thể đảm bảo an toàn cho đập về mặt ổn định cũng như về
sức chịu tải của nền. Đập tràn của hồ chứa nước Tả Trạch-Thừa Thiên Huế (hình 1.5)
và hồ chứa nước Ngàn Trươi-Hà Tĩnh (hình 1.6) là những công trình xây dựng trên nền
đất yếu.
Hình 1.5. Hồ chứa nước Tả Trạch (Thừa Thiên Huế), tràn là đập BTTL.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-9-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Hình1.6. Hồ chứa nước Ngàn Trươi (Hà Tĩnh), tràn là đập BTTL.
1.2 THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC (BTTL)
Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực được thiết kế dạng hình thang hoặc hình
chữ nhật, sau này do tiến bộ kĩ thuật các đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc đa
giác.
Cơ sở lý luận để tính toán mặt cắt đập là đập phải đảm bảo ổn định về cường độ,
ổn định chống trượt, lật và khối lượng vật liệu xây dựng đập là ít nhất.
Các nghiên cứu để cải tiến mặt cắt đập bê tông trọng lực không ngừng phát
triển. Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao an toàn và giảm khối lượng vật liệu xây dựng
đập. Hình dạng mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực tương đối đa dạng. Trong các
nghiên cứu cũng như các tính toán thiết kế, các mặt cắt đập được quy về dạng mặt cắt
tính toán dạng tam giác [15].
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-10-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
1.2.1 Mặt cắt cơ bản của đập BTTL
Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực có dạng tam giác, tải trọng tính toán
bao gồm trọng lượng bản thân, áp lực nước, áp lực thấm.
Kích thước mặt cắt cơ bản được xác định dựa theo ba điều kiện cơ bản sau:
* Điều kiện ổn định trượt:
Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất phải lớn hơn
trị số cho phép: K > [K c ]
R
R
* Điều kiện ứng suất:
- Ở mép chân đập thượng lưu không xuất hiện ứng xuất kéo còn ở các điểm trên
mặt thượng lưu là ứng suất nén có giá trị ≥
1
áp lực nước tại điểm đó.
4
- Ở mép chân đập hạ lưu ứng suất chính nén không được vượt quá trị số cho
phép σ n < [σ] của vật liệu đập và nền.
R
R
* Điều kiện kinh tế:
Đảm bảo khối lượng công trình là nhỏ nhất [3], [15].
1.2.2 Mặt cắt thực tế của đập BTTL
- Trong thực tế còn nhiều tải trọng khác, ví dụ áp lực bùn cát, áp lực sóng, động
đất vv...do vậy bề rộng thực tế B của đáy đập còn lớn hơn.
- Với đập không tràn cần đủ rộng và đủ cao.
- Với đập tràn ngoài yêu cầu chịu lực còn cần phải thỏa mãn các yêu cầu về thủy
lực.
Hình 1.7. Mặt cắt cơ bản và mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-11-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Ngoài ra hình dạng mặt cắt thực tế của đập còn phụ thuộc vào điều kiện nối tiếp
của đập với nền và bờ hoặc với các công trình khác. Mặt khác hình dạng mặt cắt của
đập cũng phụ thuộc vào các biện pháp đặc biệt khác như tạo các khe rỗng trong thân
đập để giảm khối lượng bê tông của công trình và cải thiện được điều kiện tỏa nhiệt khi
đổ bê tông thân đập... Hình 1.7 mô tả mặt cắt cơ bản và mặt cắt thực tế của đập [15].
1.3 THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
Trong thiết kế đập, giải pháp được coi là hợp lý nhất là giải pháp có thể thoả
mãn các yêu cầu về cường độ, ổn định của đập và nền, đưa ra được phương pháp thi
công có lợi nhất trong điều kiện cụ thể, đáp ứng các yêu cầu về mặt vận hành, có giá
thành rẻ nhất.
Đập bê tông trên nền đất yếu thường có mặt cắt lớn nhằm đảm bảo sự phân bố
ứng suất đồng đều trên toàn bộ mặt tiếp xúc của nền với công trình.
1.3.1 Các bộ phận của đập
Các bộ phận của đập có thể chia làm hai phần:
1. Phần dưới: đặt sâu trong nền đất, chẳng hạn như bản đáy móng, bản đáy sân
thượng, hạ lưu, bể tiêu năng và tường chống thấm của bể tiêu năng, lỗ thoát nước bể
tiêu năng, cừ chống thấm ..v.v...
2. Phần trên: bố trí phía trên bản đáy, chẳng hạn như phần tràn nước, các trụ
pin và cầu giao thông,.v.v...
Về nguyên tắc đập trên nền đất yếu thường có đường viền thấm phát triển theo
phương ngang và các bộ phận được thiết kế nhằm triệt tiêu năng lượng thừa xả về hạ
lưu công trình và đảm bảo cho đáy lòng sông không bị xói lở ảnh hưởng đến ổn định
của đập.
Việc xây dựng các đập khối lớn tương đối dễ dàng (trọng lượng của đập được
quyết định phụ thuộc vào các điều kiện ổn định và sức kháng cắt). Còn các đập rỗng
(đập có trọng lượng nhẹ hơn) cần ít khối lượng bê tông nhưng lại cần hàm lượng thép
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
-12-
cao hơn. Để đảm bảo an toàn ổn định cho đập rỗng, ta cần tiến hành thêm một số biện
pháp thi công, điều này làm cho việc xây dựng đập trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, khi
xây dựng đập, người ta phải so sánh các giải pháp thay thế khác nhau để tìm ra giải
pháp tối ưu (xây đập khối lớn hay xây đập rỗng). Hình 1.8 mô tả mặt cắt điển hình của
đập tràn được xây dựng trên nền đất yếu [16].
a)
3
5
4
6
9
8
14
b)
12
h3
7
1 2
10
11
13
12
13
Hình 1.8. Đập tràn trên nền đất yếu và các bộ phận của nó.
(a) Mặt cắt dọc; (b) Mặt bằng; 1. Lớp bảo vệ sân phủ bằng sét; 2. Các tấm gia cố;
3. Trụ; 4. Cửa van sửa chữa và cầu giao thông; 5. Cửa van chính; 6. thân đập;
7. Hành lang thoát nước trong thân đập; 8. Bản đáy tiêu năng; 9. Sân sau;
10. Hố xói sân sau; 11. Đá hộc xếp sân sau; 12. Tầng lọc ngược;
13. Lỗ thoát nước; 14. Cừ thép.
Trên hình 1.9 mô tả các mặt cắt của đập tràn trên nền đất được xây dựng ở Nga
trong các giai đoạn khác nhau. Với cùng một độ chênh lệch cột nước thượng hạ lưu
(25m), các đập khối lớn xây dựng từ năm 1929 đến 1935 cần 1500÷1600m3 bê tông
P
P
trên 1m chiều dài đập, lớn hơn từ 45÷50% so với khối lượng bê tông trên 1m chiều dài
đập của các đập được xây dựng năm 1954. Lượng thép dùng để xây đập năm
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-13-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
1929-1935 khoảng 35 kg/1m3 bê tông, năm 1951-1954 là khoảng (55÷ 66)kg/1m3 bê
P
P
P
P
tông. Rõ ràng là việc lựa chọn đập khối lớn hay đập rỗng và mức độ giảm trọng lượng
của đập phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế và kỹ thuật điển hình của khu vực xây dựng.
1949
1929
a)
e)
1929
(b)
1950
(f)
1935
(c)
1951
(g)
1954
1948
(d)
(h)
Hình 1.9. Một số đập tràn trên nền mềm được xây dựng ở Liên xô ( 1929 đến 1954).
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
1a1
7.5 0
875
85
200
110
1080
235
8.9 5
Cửa van đập
600
6.0 0
310
Ti m cửa van
7.5 0
1a1
MN k iệt HL (8.50-9.00)
120
100
50
00
70
5.0 0
500
Rọ đá
1
6.5 0
Đường mặt địa hình
1000
Đá đổ gia cố hố xói
1000
60
Đường địa hình hi ện trạng
Vết đá đổ theo thiết kế
Đường kính viên đá D 30cm
Hỡnh 1.10. p ụ Lng c xõy dng Ngh An Vit Nam.
60
8.3 1
9.0 5
11.0 0
200
R =2
1a1
6.0 0
hiện t rạng
Đường mặt địa hì nh
M N kiệt TL 9.5
Ti m đập
115
7.5 0
-14-
0
Hc viờn: Lý Minh Dng
ỉ6
220
Lun vn thc s k thut
Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thy
80
100
Cao hc 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-15-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Với đập được xây dựng trên nền đất ứng suất móng của đập được đặc trưng bởi
hệ số K=σ max /σ min ; trong đó: σ max , σ min là ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất tại đáy đập.
R
R
R
R
R
R
R
R
Hệ số này xem xét đến sự phân bố không đều của ứng suất. Đối với nền sét, K ≤
1.2÷1.5; đối với nền cát K < 1.5÷3 [16].
1.3.2 Sự hình thành đường viền thấm của đập
Sơ đồ của đường viền thấm dưới đáy công trình phụ thuộc vào kết cấu địa chất,
loại nền và các yêu cầu đối với đường viền thấm. Đó là phải đảm bảo ổn định thấm cho
nền, giảm nhẹ lực thấm lên đáy đập.
*Khi thiết kế đường viền thấm, thường xuất phát từ những quan điểm sau:
1. Bên cạnh các thành phần theo phương ngang nên có các thành phần theo
phương đứng. Theo quan điểm của thuỷ lực thì đoạn đường viền thấm theo phương
đứng có hiệu quả tiêu hao cột nước thấm tốt hơn đoạn đường viền nằm ngang. Do vậy,
với nền đất thường sử dụng tường cừ thì độ sâu của bản cừ thường lấy từ (0,5÷1,5)H,
với H là cột nước lớn nhất của đập. Hình 1.11 biểu diễn một số hình thức của tường cừ.
2- Bản cừ đôi (hình 1.11 II) được sử dụng nhiều hơn, vì việc tăng thêm một bản
cừ ở đầu sân phủ thượng lưu là phương án tiết kiệm hơn so với việc tăng chiều dài của
bản cừ thứ nhất.
3- Khi tầng thấm dày thì không nên đóng cừ đến tầng không thấm. Trong trường
hợp này ta dùng bản cừ và chân khay treo.
4- Bản cừ theo phương đứng trên đất á sét với hệ số thấm nhỏ là không
hiệu quả.
5- Một kết cấu chống thấm theo phương thẳng đứng (tường chống thấm,
thùng chìm) được hạ thấp tới tầng không thấm sẽ ngăn chặn đươc hoàn toàn dòng
thấm. Trong trường hợp này, sân thượng lưu không cần nữa (và trường hợp này gọi là
đường viền sâu).
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
-16-
6- Chân khay hạ lưu được dùng để hạ gradient cột nước thấm ở cửa ra. Điều này
sẽ làm tăng tính ổn định thấm của đất nền nhưng sẽ làm tăng áp lực đẩy nổi dưới
đáy đập.
*Khi bố trí thiết bị thoát nước (TBTN) cần chú ý tới các điểm sau đây:
1- TBTN là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm áp lực thấm tác động lên đáy
đập. Vì vậy TBTN được thiết kế trên nền của đập và lớp bảo vệ hạ lưu (hình 1.12. I,
IV, V).
2- Có thể sân thượng lưu không cần đến TBTN hoặc chỉ một phần của sân cần
TBTN. (hình 1.11. II).
3- Trường hợp không cần hạ thấp áp lực đẩy ngược lên đáy đập hoặc khi trong
nền có đất bồi tích thường làm tắc nghẽn TBTN thì không cần thiết kế TBTN nữa.
4- TBTN theo phương dọc và phương ngang được thiết kế khi trong nền có lớp
đất thấm nhiều nằm dưới đất thấm ít. Tải trọng tác động lên tầng kẹp của đất không
thấm sẽ tạo ra áp lực đẩy ngược, lực tác động này hướng lên trên làm giảm sự ổn định
của đập và của nền.
II
I
1
2
1
2
III
1
2
2
4
3
3
5
IV
VI
V
1
2
1
4
2
1
2
Hình 1.11. Đường viền thấm dưới đất của đập tràn trên nền mềm
1,2. các phần không thoát nước và thoát nước của đường viền;
3. tầng không thấm nước; 4. thoát nước theo phương đứng;5. đất có tính thấm tăng.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-17-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
1.4 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.4.1 Yêu cầu kiểm tra
Đập bê tông trọng lực phần lớn được xây dựng trên nền đá. Các đập bê tông
trọng lực được xây dựng trên nền đất chủ yếu là đập có cột nước thấp.
Khi tính toán thiết kế đập bê tông trọng lực phải đảm bảo an toàn theo các tiêu
chuẩn sau:
- Ổn định chống lật.
- Ổn định chống trượt.
- Ổn định của đập cùng nền.
1.4.2 Các phương pháp tính toán
- Phương pháp trạng thái giới hạn (trạng thái giới hạn 1).
- Phương pháp hệ số an toàn chống trượt tại mặt tiếp xúc giữa đập với nền.
1.4.3 Một số quan điểm đánh giá ổn định đập bê tông trọng lực
Trong các nghiên cứu về ổn định đập bê tông trọng lực có nhiều quan điểm khác
nhau về lựa chọn tiêu chuẩn đánh giá ổn định đập. Dưới đây trình bày một số quan
điểm [15]:
- Quan điểm 1: trên mặt cắt có một điểm bị phá hoại thì coi là toàn bộ mặt cắt
bị phá hoại. Đây là một quan điểm tương đối cực đoan. Tính toán để tìm được lời giải
hợp lý có điểm phá hoại để đặc trưng cho phá hoại cả mặt cắt tiêu biểu dẫn đến đập bị
mất ổn định là việc làm phức tạp, không khả thi.
- Quan điểm 2: khi lực ma sát trên mặt tiếp xúc giữa đập và nền không đủ khả
năng chống trượt thì đập mất ổn định. Quan điểm này còn nhiều hạn chế, chưa phản
ánh đúng tình hình làm việc của đập bê tông.
- Quan điểm 3: lấy tiêu chuẩn biến dạng cực hạn làm chuẩn tính toán, khi đập
làm việc vượt quá giới hạn này thì coi như đập làm việc không bình thường. Quan
điểm biến dạng cực hạn phù hợp về mặt lý thuyết tuy vậy để trả lời được câu hỏi khi
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-18-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
nào biến dạng là cực hạn? Là một việc khó khăn, khi tính toán phải kết hợp với tiêu
chuẩn cường độ để nghiên cứu.
- Quan điểm 4: tiêu chuẩn ổn định tạm thời. Có thể hình dung tiêu chuẩn này
nằm giữa giới hạn phá hoại và không phá hoại. Giới hạn tạm thời cho phép đập làm
việc đến một giới hạn phá hoại nào đó của vật liệu hoặc một phạm vi nào đó của mặt
cắt so với khả năng làm việc của vật liệu hoặc tổng thể đập vẫn còn đủ nhỏ, vẫn còn
phù hợp với các điều kiện kinh tế kĩ thuật. Đây là một quan điểm tương đối toàn diện.
Tuy nhiên các nghiên cứu chưa hoàn thiện. Vì vậy hiện nay chưa thấy các quy phạm
nào nào đưa vào để tính toán thiết kế đập.
1.5 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.5.1 Khái quát chung
1.5.1.1 Nội dung
Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực nhằm xác định trị số,
phương, chiều và tình hình phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và
ảnh hưởng của các nhân tố khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân
giai đoạn thi công thân đập [15]...
1.5.1.2 Mục đích
Trên cơ sở tính toán được ứng suất, tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật
liệu, phân vùng đập để xác định số hiệu bê tông phù hợp với điều kiện chịu lực của
từng vùng, bố trí, cấu tạo các bộ phận công trình thích ứng với điều kiện làm việc của
chúng.
1.5.1.3 Trường hợp tính toán
- Trường hợp khai thác: đập làm việc dưới điều kiện tác dụng của 2 tổ hợp lực:
cơ bản và đặc biệt.
- Trường hợp thi công: đang thi công, thi công vừa xong.
- Trường hợp sửa chữa.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-19-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
1.5.2 Lựa chọn phương pháp tính ứng suất và biến dạng cho
công trình
Có rất nhiều phương pháp tính ứng suất và biến dạng cho công trình, trong đó
có thể kể đến một số phương pháp như sau:
- Phương pháp giải tích: tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các phương trình vi
phân tại mọi điểm trong công trình và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề mặt, như
phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi.
- Phương pháp số: xác định gần đúng giá trị của hàm ẩn tại một số hữu hạn
điểm bên trong và trên biên của kết cấu, như phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH),
phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH).
Dựa trên cơ sở phương pháp số, nhất là phương pháp PTHH, nhiều phần mềm
thương mại đã được xây dựng để hỗ trợ người sử dụng dễ dàng trong việc tính toán kết
cấu, chẳng hạn như ANSYS, SAP, ABAQUS...
- Phương pháp thực nghiệm: các phương pháp thực nghiệm cũng giúp tìm
được ứng suất biến dạng của kết cấu. Tuy vậy, so với việc tính toán, thực nghiệm
thường đòi hỏi nhiều thời gian công sức và chi phí hơn, nên hiện nay chỉ được áp dụng
cho các công trình có tầm quan trọng lớn.
1.5.2.1 Các phương pháp giải tích
*Phương pháp sức bền vật liệu:
-Ưu điểm: Đây là phương pháp tính toán cơ bản, giúp ta tính toán ứng suất biến
dạng đơn giản, dễ dàng. Tính được các giá trị σ x ,σ y ,τ xy tại các điểm đang xét, từ đó xác
định được ứng suất chính và phương chính tại mọi điểm khác nhau.
- Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số khá lớn, không phản ánh đúng trạng
thái ứng suất biến dạng công trình. Nguyên nhân là do khi tính theo Sức bền vật liệu ta
coi công trình như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời;
giả thiết sự phân bố ứng suất pháp ( σ y trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng,
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-20-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
trị số tại biên được xác định theo công thức nén lệch tâm). Mặt khác, không thể giải
quyết được các bài toán phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại
lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng vv...
- Kết luận: Do sai số lớn nên lời giải sức bền vật liệu hầu như không nên sử
dụng để phân tích ứng suất biến dạng cho công trình quan trọng. Thường dùng để tính
toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.
*Phương pháp lý thuyết đàn hồi:
- Ưu điểm: Giải quyết được các bài toán như ứng suất tập trung, ứng suất xung
quanh lỗ khoét, ứng suất nhiệt vv... mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết
được. Trên cơ sở các công thức giải tích của lời giải việc tính toán tương đối đơn giản,
áp dụng dễ dàng, độ chính xác tương đối cao.
- Nhược điểm: Phương pháp lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với những
trường hợp kết cấu có dạng hình học,tải trọng và điều kiện biên phức tạp, vật liệu
không đồng chất, không đẳng hướng vv... Không xét được ảnh hưởng biến dạng của
nền, nhất là trường hợp nền có các lớp xen kẹp, đứt gẫy, dị hướng vv...
- Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo Lý thuyết đàn hồi cho kết quả chính
xác cao hơn so với Sức bền vật liệu. Tính toán tương đối đơn giản, dễ áp dụng song chỉ
áp dụng cho các trường hợp kết cấu có dạng hình học, tải trọng và điều kiện biên đơn
giản, đã có lời giải sẵn.
1.5.2.2 Các phương pháp thực nghiệm
*Phương pháp thí nghiệm mô hình:
Dựa vào mô hình tương tự, phương pháp thí nghiệm mô hình cho độ chính xác
khá cao. Nhưng phương pháp này thường chỉ được tiến hành với những công trình lớn,
quan trọng, nên đòi hỏi nhiều thời gian và công sức đặc biệt là chi phí cho thí nghiệm
mô hình rất cao.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-21-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
*Phương pháp thí nghiệm quang đàn hồi:
Có tính trực quan cao, có thể cho biết tình hình phân bố ứng suất của các kết cấu
phức tạp, thậm chí không giải được bằng Lý thuyết đàn hồi, song đòi hỏi nhiều thời
gian, công sức làm mô hình, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả, độ chính xác về
mặt định lượng cũng không cao nên hiện nay ít được sử dụng.
1.5.2.3 Phương pháp số
*Phương pháp sai phân hữu hạn:
Về mặt nguyên lý phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận lợi
trong việc lập trình, khối lượng tính toán lớn. Phương pháp sai phân hữu hạn không
giải được các bài toán có điều kiện biên phức tạp. Độ chính xác phụ thuộc vào hình
dạng và kích thước mắt lưới.
*Phương pháp phần tử hữu hạn:
- Ưu điểm: Đây là một phương pháp tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều
lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả với các bài toán có dạng hình học,
điều kiện biên và tải trọng phức tạp. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng
trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thông đến các bài toán
của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn
hồi, điện từ trường vv... Phương pháp này đã giải được bài toán có xét đến ảnh hưởng
của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp, đứt gẫy hoặc thậm chí cả tính dị hướng. Phương
pháp PTHH đặc biệt tiện lợi khi giải các bài toán tìm ứng suất biến dạng quanh lỗ
khoét, ứng suất tiếp xúc, ứng suất nhiệt... Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu,
môi trường liên tục bằng một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên
kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các
đại lượng đặc trưng khác tùy theo bài toán. Các đại lượng tính toán bên trong phần tử
được biểu diễn thông qua các trị số của đại lượng đó tại các điểm nút của phần tử.
Phương pháp phần tử hữu hạn cũng thuộc loại bài toán biến phân, song nó khác
với các phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó không tìm dạng hàm xấp xỉ của hàm
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-22-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng phần tử là miền con trong miền xác
định của nó. Điều này rất thuận lợi khi giải bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền
con có những đặc tính cơ học khác nhau.
- Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện tính toán
bằng tay, mặt khác phải đưa kết cấu thực tế về kết cấu tính toán sao cho phù hợp với
thực tế làm việc của nó.
1.6 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Qua phân tích ưu nhược điểm ở trên nhận thấy phương pháp phần tử hữu hạn
giải được các bài toán có biên phức tạp, phản ánh đúng với thực tế làm việc của kết cấu
và cho kết quả có độ chính xác cao. Với phương pháp này có thể nghiên cứu được bài
toán kết cấu cùng làm việc với nền có nhiều lớp xen kẹp có tính chất cơ lý khác nhau,
chịu tải trọng và có điều kiện biên bất kỳ.
Do vậy, trong phạm vi luận văn này tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu
hạn để giải bài toán đập bê tông trọng lực làm việc đồng thời với nền và cọc.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-23-
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
CHƯƠNG 2
GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRÊN MÓNG CỌC
2.1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CỦA MÓNG CỌC
2.1.1 Khái niệm
2.1.1.1 Lịch sử phát triển
Móng cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Người ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng
khả năng chịu tải trọng lớn cho móng.
Móng cọc đã được sử dụng từ rất sớm, khoảng 1200 năm trước, những
người dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sĩ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống
các hồ nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn, họ cũng đã biết đóng các cọc gỗ để làm
đê quai chắn đất và làm móng nhà vv...Ngày nay, cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ
thuật nói, móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng
như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình xây dựng.
2.1.1.2 Một số ưu điểm và phạm vi sử dụng
Móng cọc thường được sử dụng ở các công trình chịu tải trọng lớn mà lớp đất
tốt nằm dưới sâu để giảm biến dạng lún và lún không đều như các nhà cao tầng, nhà
tháp, các công trình thủy lợi ...
Móng cọc với nhiều phương pháp thi công đa dạng như : Cọc đóng, cọc ép, cọc
khoan nhồi .v.v. nên có thể sử dụng làm móng cho các công trình có điều kiện địa chất
phức tạp mà các loại móng nông không đáp ứng được như vùng đất yếu, thậm chí
các công trình trên sông, trên biển ...
Móng cọc được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công
nghiệp, cầu đường, thuỷ lợi - thuỷ điện.
Học viên: Lý Minh Dương
Cao học 17C1
