Nghiên cứu xác định mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực theo các hệ êu chuẩn khác nhau”

1

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tài
“ Nghiên cứu xác định mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực theo các hệ
tiêu chuẩn khác nhau” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu quả của
phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa công trình cùng các thầy, cô giáo, các bộ môn của
trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:
GS.TS. Nguyễn Chiến đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài
liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới:
Phong Đào tạo ĐH và SĐH, khoa công trình, các thầy cô giáo đã tham gia
giảng dạy trực tiếp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Đảng uỷ, Lãnh đạo, Cán bộ công nhân viên
Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Sông Đà đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian
thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong
gia đình đã động khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày
hôm nay.
Hà Nội, tháng 03 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Thị Thanh Loan


2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 4
DANH LỤC BẢNG BIỂU...................................................................................... 5
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 6
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC VÀ
VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP. ................................................................... 8
1.1. Tình hình xây dựng đập bêtông trọng lực. ....................................................... 8
1.2. Về hình dạng mặt cắt đập. .............................................................................. 14
1.3. Những hư hỏng có thể gặp ở đập bêtông trọng lực. ....................................... 15
1.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu. ........................................................................ 17
1.5. Kết luận chương 1. ......................................................................................... 18
Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP. .............................. 19
2.1. Mặt cắt kinh tế. ............................................................................................... 19
2.1.1. Yêu cầu của mặt cắt kinh tế .................................................................... 19
2.1.2. Cách xác định mặt cắt kinh tế: ................................................................ 19
2.2. Yêu cầu ổn định đối với đập bêtông trọng lực . ............................................. 20
2.3. Giới thiệu tiêu chuẩn Việt Nam (14TCN 56 – 88) [1] : ................................. 21
2.3.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng. .................................................................. 21
2.3.2. Các điều kiện chống trượt, lật và điều kiện bền [5] : .............................. 24
2.3.3. Cách tính các lực theo tiêu chuẩn Việt Nam :......................................... 26
2.4. Thiết kế mặt cắt đập theo tiêu chuẩn Mỹ. ...................................................... 30
2.4.1. Các tổ hợp tải trọng [14] : ....................................................................... 31
2.4.2. Kiểm tra các điều kiện ổn định, bền : ..................................................... 33
2.4.3. Tính lực theo tiêu chuẩn Mỹ ................................................................... 37
2.5. Những điểm khác nhau của 2 hệ tiêu chuẩn. ................................................. 38
2.6. Kết luận chương 2. ......................................................................................... 38


3

Chương 3. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO ĐẬP BẢN CHÁT. ........................... 40
3.1. Giới thiệu công trình [7]. ............................................................................... 40
3.1.1. Vị trí công trình : ..................................................................................... 40
3.1.2. Nhiệm vụ công trình : ............................................................................. 40
3.1.3. Cấp công trình ......................................................................................... 41
3.2. Tính toán mặt cắt đập theo tiêu chuẩn Việt Nam. .......................................... 44
3.2.1. Các thông số đầu vào .............................................................................. 44
3.2.2. Các tổ hợp tải trọng tính theo tiêu chuẩn Việt Nam: .............................. 44
3.2.3. Khi vùng xây dựng không có động đất: .................................................. 47
3.2.4. Khi vùng xây dựng có động đất cấp 8: ................................................... 51
3.3. Tính toán mặt cắt đập theo tiêu chuẩn Mỹ. .................................................... 54
3.3.1. Giới thiệu phần mềm CADAM ............................................................... 54
3.3.2. Tổ hợp tải trọng tính toán........................................................................ 55
3.3.3. Khi vùng xây dựng không có động đất. .................................................. 57
3.3.4. Khi vùng xây dựng có động đất. ............................................................. 59
3.4. Phân tích kết quả tính toán. ............................................................................ 60
3.5. Kết luận chương 3. ......................................................................................... 62
Chương 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ. ................................................................ 63
4.1. Các kết quả đạt được của luận văn. ................................................................ 63
4.2. Một số điểm tồn tại. ....................................................................................... 65
4.3. Hướng tiếp tục nghiên cứu. ............................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 66
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 67


4

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình1. 1. Một số ảnh của các đập đầu tiên trên Thế Giới .................................. 9
Hình1. 2. Đập Pleikrong tỉnh Komtum ............................................................. 12

Hình1. 3. Đập Định Bình tỉnh Bình Định ......................................................... 12
Hình1. 4. Đập Sơn La tỉnh Sơn La ................................................................... 13
Hình1. 5. Đập Bản Chát tỉnh Lai Châu ............................................................. 13
Hình1. 6. Một số dạng mặt cắt cơ bản .............................................................. 14
Hình1. 7:Mặt cắt thực tế của đập bêtông trọng lực .......................................... 15
Hình 2- 1: Hình dạng mặt cắt kinh tế ............................................................... 19
Hình 2- 2: Cách xác định mặt cắt kinh tế ......................................................... 20
Hình 2- 3: Sơ đồ các lực tác dụng lên đập (TCVN) ......................................... 26
Hình 2- 4: Sơ đồ áp lực đẩy ngược (TCVN) .................................................... 28
Hình 2- 5: Áp lực nước tăng thêm khi có động đất .......................................... 30
Hình 2- 6: Vị trí của hợp lực trong các trường hợp .......................................... 34
Hình 2- 7: Hình dạng mặt trượt gãy.................................................................. 34
Hình 2- 8: Sơ đồ tính ổn định ........................................................................... 35
Hình 2- 9: Vị trí của hợp lực trong các trường hợp ......................................... 36
Hình 2- 10: Áp lực đẩy nổi (TC Mỹ) ............................................................... 37
Hình 2- 11: Các phương án mặt cắt nghiên cứu ............................................... 39
Hình 3. 1: Sơ đồ tính toán của phương án mặt cắt 1 ........................................ 46
Hình 3. 2: Sơ đồ tính toán của phương án mặt cắt 2 ........................................ 46
Hình 3. 3: Quan hệ A ~f(n) ............................................................................... 49
Hình 3. 4: Quan hệ A ~f(n) ............................................................................... 53
Hình 3. 5: Sơ đồ tính toán cho mặt cắt 1 .......................................................... 57
Hình 3. 6: Sơ đồ tính toán cho mặt cắt 2 .......................................................... 58


5

DANH LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1- 1: Số lượng đập BTĐL tại các nước trên thế giới tính đến 12/200 [8]10
Bảng 1- 2: Một số đập bê tông trọng lực đã và đang được xây dựng [8] ........ 11
Bảng 1- 3:Các hư hỏng có thể gặp ở đập bêtông trọng lực ............................. 17

Bảng 2. 1: Các thành phần lực đối với các trường hợp .................................... 23
Bảng 2. 2: Hệ số α’ = hm/H và α” = ht/H ......................................................... 28
Bảng 2. 3: Hệ số động đất ................................................................................. 29
Bảng 2. 4: Các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Mỹ ......................................... 33
Bảng 2. 5: Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Mỹ .................................................. 36
Bảng 2. 6: Gia tốc động đất theo tiêu chuẩn Mỹ ............................................. 37
Bảng 3- 1: Các thông số và chỉ tiêu chính của công trình ............................... 42
Bảng 3- 2: Các đặc tính vật liệu và nền ........................................................... 44
Bảng 3- 3: Hệ số Kmin cho phương án mặt cắt 1, không có động đất ............ 48
Bảng 3- 4: Hệ số Kmin cho phương án mặt cắt 2, không có động đất ............ 49
Bảng 3- 5: Hệ số Kmin cho mặt cắt giảm yếu, không có động ....................... 50
Bảng 3- 6: Hệ số Kmin cho phương án mặt cắt 1, có động đất ........................ 51
Bảng 3- 7: Hệ số Kmin cho phương án mặt cắt 2, có động đất ....................... 52
Bảng 3- 8: Hệ số Kmin cho mặt cắt giảm yếu, có động đất ............................. 53
Bảng 3- 9: Kết quả tính toán trường hợp m1=0.75 ( chi tiết xem phụ lục5) ..... 57
Bảng 3- 10: Kết quả tính toán trường hợp n2=0.3, m2=0.83 (Chi tiết xem phụ
lục 6) .......................................................................................................................... 58
Bảng 3- 11: Kết quả tính toán trường hợp m1=0.78......................................... 59
Bảng 3- 12: Kết quả tính toán trường hợp n2=0.4, m2=0.83 ........................... 60


6

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công trình thủy lợi, thủy điện, đập dâng là một hạng mục công trình lớn
cả về quy mô và tầm quan trọng. Đập dâng được xây dựng nhằm mục đích dâng
nước tạo hồ chứa, đảm bảo cho lấy nước tưới hoặc phát điện...
Đập bê tông trọng lực là đập bêtông khối lớn. Đập duy trì ổn định nhờ trọng
lượng của khối bêtông thân đập. Là đập bêtông khối lớn nên trong thời kỳ xây

dựng do quá trình thủy hóa ximăng làm nhiệt độ của bêtông tăng, làm giảm tốc độ
thi công đập. Để khắc phục nhược điểm này ngày nay người ta đã đưa vào công
nghệ mới- công nghệ đầm lăn RCC.
Đập bê tông trọng lực thi công theo công nghệ đầm lăn RCC đã được áp dụng
nhiều ở nước ta trong thời gian gần đây. Bêtông đầm lăn là một phương pháp thi
công bêtông kiểu mới nó cho phép rút ngắn thời gian thi công công trình. Bêtông
đầm lăn (RCC) là loại hỗn hợp bê tông được trộn với một tỉ lệ nước rất nhỏ. Hỗn
hợp này được thi công bằng cách rải thành từng lớp có chiều dày khoảng trong
khoảng 0.3÷0.6 m. Trong quá trình thi công không xử lý tốt tiếp giáp giữa các lớp
bêtông thì lực ma sát tiếp xúc giữa các lớp không đủ khả năng chống trượt gây mất
ổn định đập. Do đó đối với đập bêtông đầm lăn cần phải phân tích tính ổn định và
ứng suất của đập bê tông đầm lăn theo lớp. Vì vậy để đảm bảo an toàn cho đập
trong quá trình vận hành ta cần áp dụng các hệ thống tiêu chuẩn khác nhau (tiêu
chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ) để có thể xét hết các tổ hợp tải trọng và độ bền
của vật liệu mặt phân cách.
Khi thiết kế xây dựng đập ngoài việc đảm bảo ổn định về cường độ, ổn định
chống trượt phải đảm bảo khối lượng vật liệu xây dựng đập là ít nhất. Để thỏa mãn
điều kiện ổn định, chiều rộng đáy đập càng lớn càng an toàn, đồng thời mái thượng
lưu nên làm nghiêng (n >0) để lợi dụng trọng lượng nước trên mái thượng lưu, tăng
cường ổn định đập. Tuy nhiên mái thượng lưu quá thoải thì sẽ không có lợi cho việc
khống chế ứng suất kéo ở mặt hạ lưu đập và sự ổn định tại mặt cắt giảm yếu đặc
biệt là với đập bê tông đầm lăn. Ngược lại nếu chọn hệ số mái thượng lưu (n) nhỏ


7
thì khả năng xuất hiện ứng suất kéo ở mặt thượng lưu là lớn đặc biệt là khi hồ đầy
nước và có động đất.
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xác định mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực
theo các hệ tiêu chuẩn khác nhau” là hết sức cần thiết nhằm giảm chi phí xây dựng
mà vẫn đảm bảo an toàn kỹ thuật .

II. Mục đích của đề tài:
- Nghiên cứu xác định mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực.
- Nghiên cứu ổn định của mặt cắt lựa chọn theo các hệ tiêu chuẩn khác nhau.
- Ứng dụng tính toán cho công trình thủy điện Bản Chát.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài
nước có liên quan đến đề tài.
- Lựa chọn phương pháp tính toán, mô hình tính toán và phần mềm hợp lý để
tính toán cho mặt cắt đập.
- Ứng dụng tính toán cho đập của công trình thủy điện Bản Chát.
IV. Kết quả đạt được
- Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực và vấn đề đánh giá an toàn đập
- Phương pháp và quy trình tính toán mặt cắt đập bê tông trọng lực theo tiêu
chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ
- Ứng dụng tính toán mặt cắt hợp lý của đập Bản Chát.
- Kiến nghị dạng mặt cắt hợp lý của đập bê tông trọng lực trong từng trường
hợp cụ thể .


8

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC VÀ
VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP.
1.1. Tình hình xây dựng đập bêtông trọng lực.
Đập bêtông trọng lực là đập có khối lượng bêtông lớn. Đập duy trì ổn định
nhờ trọng lượng của khối bêtông.
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 hoặc không tràn nước. Chính từ những ưu điểm nêu
trên nên đập bêtông trọng lực sớm được sử dụng trên toàn thế giới.
Đập bêtông 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 bêtông trọng lực đã bắt đầu có lý luận thực tiễn trên hai
chuẩn: cường độ và ổn định trượt. Từ năm 70 - 80 của thế kỷ XX đập bêtông trọng
lực bắt đầu phát triển mạnh , cứ vài ba ngày lại có một đập mới được xây dựng.
Theo con số thống kê của hội đập cao thế giới (ICOLD) thì ở Mỹ đập bêtông
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 bêtông trọng lực cũng có những nhược điểm: thể
tích lớn, khối lượng bê tông nhiều 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 ở các đập không cao lắm (H<100m). Do toàn đập là bê tông khối
lớn nên dễ sinh ra ứng suất nhiệt trong thân đập và các biến dạng nhiệt. Những
nhược điểm này đặt ra sự cần thiết phải tìm ra các biện pháp cải tiến đập bêtông
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 ngắn thời gian thi công giảm giá thành công trình và đến năm 1972


9
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 bêtông đầm
lăn. Đập bêtông đầm lăn là đập làm bằng bê tông với công nghệ đầm lăn. Bêtông
đầm lăn là một hỗn hợp gồm cốt liệu (đá, cát, sỏi), xi măng và các phụ gia được
trộn trước 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.

Hình1. 1. Một số ảnh của các đập đầu tiên trên Thế Giới


10
Bảng 1- 1: Số lượng đập BTĐL tại các nước trên thế giới tính đến 12/200 [8]

Tên Nước

Số
đập
đã
xây
dựng

Khối
lượng
RCC
(103m3)

Tỷ lệ
đập
(%)

Tên Nước

Số đập
đã xây
dựng

Khối
lượng
RCC
(103m3)

Tỷ lệ
đập
(%)

Nam Mỹ

Châu Á
Trung Quốc

59

28 275

20,00

Nhật Bản

43

15 465

15,10

Thái Lan

3

5 248

Kyrgystan

1

Indonesia

1

Brazil

36

9 440

12,63

1,05

Chile

2

2 170

0,70

100

0,35

Colombia

2

2 974

0,70

528

0,35

Argentina

1

590

0,35

Châu Âu

Châu Phi

Tây Ban

Nha

22

3164

7,72

Pháp

6

234

2,10

Hy Lạp

3

500

Nga

1

Ý

1

Nam Phi

14

1 214

4,91

Ma rốc

11

2 044

3,86

0,70

Algeria

2

2 760

0,7

1200

0,35

Angola

1

757

0,35

262

0,35

Eritrea

1

187

0,35

Bắc Mỹ

Châu Úc

Hoa Kỳ

37

5 081

12,98

Australia

9

596

3,15

Canada

2

622

0,70

Khác

17

7 534

5,96

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 bêtông chỉ chiếm một tỷ trọng nhỏ. Đập bêtông
trọng lực bắt 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 bêtông

trọng lực đầu tiên do ngành thủy lợi nước ta tự thiết kế và thi công đã hoàn thành
năm 2001. Cho đến năm 1995 Bộ Thủy 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


11
án thủy lợi, thủy 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 thủy điện PlêiKrông 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 71 m, khối lượng
bê tông RCC là 326 000 m3 trong tổng số 573 000 m3 bê tông các loại.
Hiện nay nhiều dự án lớn đang được thiết kế và xây dựng theo phương án đập
bêtông trọng lực - bêtông đầm lăn.
Bảng 1- 2: Một số đập bê tông trọng lực đã và đang được xây dựng [8]
TT

Tên đập

Địa điểm

H max

Công nghệ xây dựng

1

Lòng Sông

Bình Thuận

46

BT thường

2

Định Bình

Bình Định

50

BT đầm lăn

3

PleiKrông

Kontum

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

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


12

Hình1. 2. Đập Pleikrong tỉnh Komtum

Hình1. 3. Đập Định Bình tỉnh Bình Định


13

Hình1. 4. Đập Sơn La tỉnh Sơn La

Hình1. 5. Đập Bản Chát tỉnh Lai Châu

14
1.2. Về hình dạng mặt cắt đập.
Ban đầu mặt cắt đập bêtông trọng lực được thiết kế dạng hình thang hoặc hình
chữ nhật, sau này do tiến bộ kỹ thuật các đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc

h

đa giác.

m

m1

m1

H

2

2
m

m

2'

(b)

(c)

2

m

m1

(a)

1

m

m1'

'
m2

(d)

(e)

(f)

Hình1. 6. Một số dạng mặt cắt cơ bản
a. Mặt cắt ngang đập có dạng hình tam giác có hệ số mái thượng lưu là m1,
hạ lưu là m2 (hình a). Đây là dạng cổ điển nhất của mặt cắt đập, nó phù hợp với tình
hình chịu lực của đập (áp lực nước xô ngang cũng có biểu đồ phân bố dạng tam
giác). Việc chọn m1 nhằm lợi dụng thêm một phần trọng lượng nước đè lên mái
thượng lưu làm tăng thêm ổn định cho đập.

b. Mặt cắt ngang đập dạng đa giác (hình b, c, d, e,f ): tuỳ theo các điều kiện
chịu lực cụ thể (cao trình bùn cát, mực nước hạ lưu, áp lực sóng gió, tác động của
động đất...) mà có thể sử dụng một trong các dạng này để tăng tính hợp lý (tận
dụng hết khả năng chịu lực của vật liệu tại mỗi mặt cắt, giảm khối lượng đập...).
Dạng mặt cắt trên hình b là khá hợp lý, được sử dụng nhiều nhất, dễ bố trí kết hợp


15
giữa phần đập tràn và không tràn, thuận tiện cho việc bố trí bệ đặt lưới chắn rác và
cửa van của ống tháo nước dưới sâu. Các hình thức c, d, e được sử dụng để thỏa
mãn đơn thuần về ổn định của đập hoặc ứng suất ở mép biên thượng, hạ lưu đập mà
không làm cho khối lượng đập tăng lên quá nhiều.
Cơ sở lý luận để tính toán mặt cắt đập là đập phải đảm bảo ổn định về cường
độ, ổn định chống trượt và khối lượng xây dựng đập là ít nhất.
Các nghiên cứu cải tiến mặt cắt đập bêtông trọng lực không ngừng phát triển.
Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao an toàn và giảm khối lượng xây dựng đập. Hình
dạng mặt cắt thực tế của đập bêtông trọng lực tương đối đa dạng. Trong nghiên cứu
cũng như trong tính toán thiết kế, các mặt cắt đập được quy về dạng mặt cắt tính
toán. Mặt cắt được dùng phổ biến nhất trong nghiên cứu là mặt cắt dạng tam giác.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, 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.
Thập kỷ 30 ÷ 40 của thập kỷ 20, tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng
khoảng 0,9. Thập kỷ 50 ÷ 60 tỷ số B/H = 0,8. Thập kỷ 70 tỷ số B/H = 0,7. Từ thập
kỷ 30 ÷ 70, thể tích đập giảm được (20 ÷ 30)%.

Hình1. 7:Mặt cắt thực tế của đập bêtông trọng lực
1.3. Những hư hỏng có thể gặp ở đập bêtông trọng lực.
Các hư hỏng thường gặp ở đập bêtông trọng lực là hư hỏng tổng thể, hư hỏng
về cường độ, hư hỏng về biến dạng đường biên và các dạng hư hỏng khác. Các

dạng hư hỏng có thế xếp loại A, B, C, D để dễ dàng trong việc phân tích nguyên


16
nhân hư hỏng từ đó đưa ra tiêu chuẩn đánh giá an toàn và các bài toán phân tích phù
hợp.
A: Hư hỏng tổng thể.
B: Hư hỏng về cường độ, cục bộ.
C: Hư hỏng về biến dạng đường biên.
D: Các hư hỏng khác.
Hình thức mất ổn định tổng thể
Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đáy đập tiếp xúc với nền hay mặt phẳng
đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu vào
nền). Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt phân
lớp - là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt qua đá
nguyên khối. Khi thân đập có các vị trí giảm yếu (khoét lỗ, mặt ngang tiếp giáp giữa
các khối đổ,...) cần xét thêm mặt trượt qua các vị trí này. Tùy theo đặc điểm bố trí
công trình và cấu tạo nền mà mặt trượt có thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng
về phía thượng lưu hoặc hạ lưu).
Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó, thường
là mặt đáy đập.
Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu
tải của nền. Trong trường hợp này, phải thay đổi hình dạng mặt cắt đập hoặc tăng bề
rộng đáy đập để điều chỉnh lại phân bố ứng suất dưới đáy đập.
Hình thức mất ổn định cục bộ
Dưới tác dụng của ngoại lực, các điểm trong thân đập sẽ xuất hiện ứng suất
pháp và ứng suất tiếp. Khi một bộ phận nào đó của đập (chủ yếu là ở chân mặt
thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén hoặc ứng suất cắt vượt quá
sức chịu tải của vật liệu thì vùng đó bị nứt nẻ. Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất
tập trung càng lớn ở lân cận và vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần.

Ứng suất càng tăng, đến một lúc nào đó vượt qua giới hạn nhất định, công trình sẽ


17
bị phá hoại. Trong trường hợp này từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại toàn đập
bêtông trọng lực.
Bảng 1- 3:Các hư hỏng có thể gặp ở đập bêtông trọng lực
Xếp

Hướng phân tích nguyên

Tiêu chuẩn

loại

nhân

đánh giá

Từng đoạn thân đập bị
xê dịch về phía hạ lưu

A

Do vượt tải so với thiết kế hoặc
do trong quá trình thi công

Ktrượt

Thân đập bị nghiêng về

phía thượng hoặc hạ lưu

A

Do địa chất nền không đồng nhất
hoặc do thi công

[∆]lún, σnền, θ0

Đỉnh đập thấp so với
thiết kế

A

Do lún không đều hoặc do thi
công

[∆]lún

Thấp không đều dọc trục

A

Lún không đều, khớp nối không
làm việc

[∆]lún, kiểm
tra khớp

Bị đẩy nổi

A

Phân bố áp lực đẩy ngược

Kđẩy nổi

Mặt tràn bị xâm thực

C

Dòng chảy vận tốc lớn, nhám
nhiều

Tiêu chuẩn
khí thực

A, B

Cường độ về nhiệt, lún không đều

[∆]lún, σt, σgh

Kích thước các bộ phận tiêu năng

Các kích
thước hợp lý
của bộ phận
tiêu năng
Kiểm tra

đường bao hố
xói

Dạng hư hỏng

Mặt đập bị nứt
Xói lòng dẫn hạ lưu

C

Xói chân đập tràn tiêu
năng bằng dòng phun

C

Dòng phun không đúng thiết kế

Rò rỉ nước

D

Do nứt bề mặt hoặc thi công khớp
nối.

1.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu.
Việc nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý 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 bê tông trọng lực
của đoạn đập có chiều dài đơn vị (1 m) trên nền đá.

18
Nền công trình là nền đá gốc, mặt trượt nằm ngang và chưa xét đến ảnh hưởng
của nền.
Cơ sở nghiên cứu tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ hiện hành
của Nhà nước và ngành Thuỷ Lợi Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ.
1.5. Kết luận chương 1.
Đập bêtông trọng lực phát triển từ rất sớm và ngày càng được sử dụng nhiều
trên thế giới. Đặc biệt với sự ra đời của đập bêtông đầm lăn thì hầu hết các đập có
chiều cao lớn đều áp dụng hình thức đập này. Đập càng lớn thì càng cần độ an toàn
cao và tiết kiệm nguyên vật liệu giảm giá thành.
Từ sự phân tích những hư hỏng có thể gặp của đập bêtông trọng lực ta thấy
đập bêtông trọng lực thường bị hư hỏng tổng thể mà nguyên nhân chủ yếu là trong
quá trình tính toán thiết kế chưa lựa chọn được mặt cắt đập hợp lý.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì hình dạng mặt cắt đập ngày càng
phong phú và hợp lý, độ an toàn được nâng cao. Khi thiết kế mặt cắt đập thì đập
vừa phải đảm bảo điều kiện ổn định, ứng suất vừa phải đảm bảo điều kiện kinh tế.
Đây luôn là bài toán khó nhưng điều kiện an toàn đập luôn được đặt lên hàng đầu.
Do đó trong quá trình tính toán lựa chọn mặt cắt đập không chỉ áp dụng tiêu chuẩn
Việt Nam mà cần áp dụng tiêu chuẩn của các nước tiên tiến và trong phạm vi luận
văn này chỉ xét đến tiêu chuẩn Mỹ.
Hiện nay có nhiều phần mềm có khả năng tính ổn định và ứng suất đập. Phần
mềm CADAM được lựa chọn làm công cụ nghiên cứu cho luận văn này.


19

Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP.
2.1. Mặt cắt kinh tế.
2.1.1. Yêu cầu của mặt cắt kinh tế

Mặt cắt kinh tế phải đảm bảo những
điều kiện sau đây :
h = ξH

+ Điều kiện ổn định : đảm bảo hệ
số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt
H

m

nguy hiểm nhất không nhỏ hơn trị số
+ Điều kiện ứng suất : khống chế

n

cho phép.
không để ứng suất kéo ở mép thượng
lưu hoặc xuất hiện ứng suất kéo nhưng
nhỏ hơn cho phép; ứng suất chính nén
mép hạ lưu không vượt quá trị số cho
phép.
+ Điều kiện kinh tế : đảm bảo

Hình 2- 1: Hình dạng mặt cắt kinh tế

khối lượng công trình là nhỏ nhất.
2.1.2. Cách xác định mặt cắt kinh tế:
+ Giả thiết các trị số ξ như ξ = 0; ξ = 0,1; ξ = 0,2; ξ = 0,3…
+ Với mỗi ξ giả thiết nhiều trị số n, dựa vào yêu cầu ổn định chống trượt
K ≥ [Kc] xác định được m ứng với mỗi n. Vẽ quan hệ m = f1(n) ứng với mỗi ξ.

+ Ứng với mỗi cặp m,n của bước 2 tính ứng suất chính biên thượng lưu và
lập quan hệ σ’1 = f2(n), tính diện tích mặt cắt đập và thiết lập quan hệ A = f3(n).
+ Dựa vào các quan hệ m= f1(n), σ’1= f2(n), A = f3(n) chọn được cặp m,n vừa
thoả mãn điều kiện ổn định, điều kiện ứng suất lại kinh tế nhất (ứng với mỗi ξ).
+ Lặp lại các bước trên cho các giá trị ξ khác nhau ta tìm được các tổ hợp
ξ,n,m thoả mãn điều kiện ổn định và ứng suất. Chọn tổ hợp cho giá trị Amin được
mặt cắt kinh tế.


20

A,σ'1,m
A,σ'1
A1
A = f 3(n)

σ'1

m=

=f

2

A5

A2

f 1(n)

A4
A3

(n)

n
ξ1

C

C2

C1
ξ2

C3
ξ3

C4
ξ4

C5
ξ5

Hình 2- 2: Cách xác định mặt cắt kinh tế
2.2. Yêu cầu ổn định đối với đập bêtông trọng lực .
Dưới tác động của tổ hợp tải trọng, đập bêtông trọng lực phải thỏa mãn các
điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và an toàn về cường độ nền.
Các tính toán để kiểm tra an toàn về trượt được thực hiện đối với các mặt tiếp
xúc giữa đập và nền hoặc đối với mặt phẳng dưới đáy đập. An toàn về trượt được

phân tích ở mặt tiếp xúc giữa đập và nền hoặc mặt phẳng gãy có thể hình thành
trong nền móng.
Ứng suất phát sinh ở đập và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế của
vật liệu làm đập hoặc đá nền.
Đập bêtông đầm lăn ngoài các tính toán như nêu trên còn phải kiểm tra các
điều kiện ổn định ở mặt tiếp xúc giữa các tầng có thể hình thành khe lạnh trong thi
công.
Trong tính toán đập bêtông trọng lực nhiều phương pháp phân tích ổn định và
phương pháp phân tích ứng suất tùy theo quan điểm của từng nước do đó các
phương pháp được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đập bêtông trọng lực của mỗi nước
khác nhau.


21
2.3. Giới thiệu tiêu chuẩn Việt Nam (14TCN 56 – 88) [1] :
2.3.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng.
2.3.1.1. Tải trọng tác dụng
1. Tải trọng và tác động thường xuyên.
- Trọng lượng bản thân công trình và thiết bị đặt trên đập.
- Lực tác động của nước bao gồm: áp lực thủy 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.


22
- Áp lực sóng có vận tốc gió lớn nhất nhiều năm có tần suất p=2%, mực nước
hồ ở MNDBT.
2.3.1.2. Các tổ hợp tải trọng :
Theo tiêu chuẩn Việt Nam tính toán ổn định theo hai tổ hợp tải trọng là tổ hợp
tải trọng cơ bản và tổ hợp 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 cùng 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 hai 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 Qmin.
+ Trường hợp 2 :
- Khi xả lũ với tần suất thiết kế pTK, 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 QmaxPTK.
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.
- Xuất hiện động đất .


23
- Các thiết bị chống thấm và thoát nước hoạt động bình thường.
+ Trường hợp 4 :
- Khi hồ xả lũ với tần suất kiểm tra PKT, 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 QmaxPKT.
+ Trường hợp 5 :
- Khi cửa van đóng, mực nước hồ là MNDBT.
- Mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng Qmin.
- 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

H1

1

+

+

2

+

3

+

4

+

5

+

H2

H3

h1

h3

+
+

Up1 Up2 Up3 Up4
+

+

+

+

+
+

+

h2

+
+

+

+

+

Bc

S

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

ĐĐ

L
+

+
+

Trong đó:
+ H1, H2, H3 : Áp lực thuỷ tĩnh của nước hồ lên mặt thượng lưu công trình
ứng với MNDBT, MNLKT, MNLTK.
+ h1, h2, h3 : Áp lực nước hạ lưu ứng với các trường hợp van đóng hoàn toàn
(ZHLmin), xả lũ thiết kế, xả lũ với tần suất kiểm tra.
+ Up1, Up2, Up3, Up4 : 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 gồm :WH ; WBC ; F.


24
2.3.2. Các điều kiện chống trượt, lật và điều kiện bền [5] :
2.3.2.1. Ổn định trượt :
Phân tích ổn định chống trượt:
Công trình đảm bảo ổn định trượt phẳng khi thoả mãn điều kiện sau :
KT =

∑ P.tgϕ + C..F
≥ [KC]
∑T

(2- 1)

Trong đó:+ ∑P(T) : Tổng đại số các lực tác dụng theo phương thẳng đứng
+ ∑T (T) : Tổng các lực theo phương ngang tính từ mặt trượt.

+ F (m2) : Diện tích mặt trượt.
+ ϕ (o), C (T/m2) : Chỉ tiêu cơ lý lớp đá sát đáy đập.
+ [KC] : Hệ số an toàn trượt cho phép.
2.3.2.2. Ổn định chống lật :
Đập sẽ không bị lật khi thoả mãn điều kiện sau đây :
KL =

∑ M CL
≥ [KC]
∑ M GL

(2- 2)

Trong đó :
+ ∑MCL (T) : Tổng mô men chống lật tính với trục qua mép hạ lưu đập.
+ ∑MGL (T) : Tổng mô men gây lật tính với trục qua mép hạ lưu đập.
+ [KC] : Hệ số an toàn lật xác định như ổn định trượt.
2.3.2.3. Công thức tính hệ số an toàn theo tiêu chuẩn:
Được tính theo TCXDVN 285 – 2002 [5] :
Theo tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam 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.
nc.Ntt <

n .K
m
R
.R hoặc K =
> C n = [Kc]
Kn
m

N tt

Trong đó:
nc: hệ số tổ hợp tải trọng.


25
Trong tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:
nc = 1,00- đối với tổ hợp tải trọng cơ bản.
= 0,90- đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt.
nc = 0,95 – đối với tổ hợp tải trọng trong thời kỳ thi công và sửa chữa.
Ntt: 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
Kn: hệ số bảo đảm được xét theo quy mô, nhiệm vụ của công trình. Kn được
xác định theo cấp công trình:
Công trình cấp I lấy: Kn = 1,25
Công trình cấp II lấy: Kn =1,20.
Công trình cấp III, IV và V lấy : Kn = 1,15.
[Kc]: hệ số an toàn chống trượt cho phép.
K: hệ số ổn định trượt tính toán.
2.3.2.4. Ổn định cường độ thân đập và nền :
Ứng suất tại đáy móng được xác định theo công thức nén lệch tâm như sau :
σmax,min =

∑P 6*∑M0
±
B
B2

(2- 3)

Trong đó:
+ ∑P (T) : Tổng các lực thẳng đứng.
+ B (m) : Bề rộng đáy đập.
+ ΣM0(T.m): tổng mômen của các lực đối với trọng tâm mặt cắt tính toán.
Qui ước dấu của ứng suất trong luận văn này như sau:
+ Ứng suất nén mang dấu (+)
+ Ứng suất kéo mang dấu (-)
Kiểm tra điều kiện bền của thân đập và nền theo điều kiện sau đây :
σmax ≤Rn/[KC] và |σmin | ≥ Rk/[KC]

(2- 4)

+ [KC] : Hệ số an toàn cường độ (tính như trường hợp ổn định trượt).