“Giải pháp kết cấu và phân tích ứng suấtbiến dạng đập đá đổ bản mặt bê tông trên nền đất”

1
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Giải pháp kết cấu và phân tích ứng suất-biến dạng đập đá
đổ bản mặt bê tông trên nền đất” được hoàn thành tại khoa Công Trình và
Phòng đào tạo Đại học & Sau đại học – Trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Văn Lệ đã
tận tình hướng dẫn, dìu dắt tác giả hoàn thành luận văn. Xin trân thành cảm
ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công Trình – Trường Đại học Thủy Lợi Hà
Nội và lãnh đạo Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 1 đã cũng cấp số
liệu cho luận văn.
Tác giả chân thành cảm ơn các cơ quan đơn vị và các cá nhân nói trên
đã chia sẻ những khó khăn, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi cho
tác giả học tập và hoàn thành luận văn.
Kết quả ngày hôm nay tác giả đạt được chính là nhờ sự chỉ bảo ân cần
của các thầy cô giáo, cùng sự động viên nhiệt tình của cơ quan, gia đình và
bạn bè đồng nghiệp trong những năm qua. Một lần nữa tác giả xin ghi nhớ tất
cả các đóng góp to lớn đó.
Với thời gian và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi những sai
sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của Quí Thầy Cô giáo và các
bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Hữu Cường

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


2
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
T
2

T
2

CHƯƠNG 1:
T
2

T
2

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG ..... 9
T
2

T
2

1.1. Lịch sử phát triển đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) ....................... 9
T
2

T
2

T
2

T
2

1.1.1. Giới thiệu về đập đá đổ bản mặt bêtông (CFRD)......................... 9
T
2

T
2

T
2

T
2

1.1.2. Lịch sử phát triển .......................................................................... 9
T
2

T
2

T
2

T
2

1.1.3. Tình hình ứng dụng đập bản mặt bê tông tại Việt Nam ............. 17
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2. Tổng quan về đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) ........................... 20
T
2

T
2

T

2

T
2

1.2.1. Phân loại đập CFRD ................................................................... 20
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.2. Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD ........................................... 22
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.3. Điều kiện xây dựng đập CFRD .................................................. 24
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.4. Vật liệu xây dựng đập................................................................. 25
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.5. Công nghệ thi công đập CFRD .................................................. 28
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.6. Vấn đề ổn định trượt ................................................................... 29
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.7. Vấn đề thấm ................................................................................ 29
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.8. Vấn đề ứng suất, biến dạng ........................................................ 30
T
2

T
2

T
2

T
2

1.2.9. Ưu nhược điểm của đập CFRD .................................................. 30
T
2

T
2

T
2

T

2

CHƯƠNG 2:
T
2

T
2

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN .......................................... 32
T
2

T
2

2.1. Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng ................................ 32
T
2

T
2

T
2

T
2

2.2. Phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu ..................................... 33

T
2

T
2

T
2

T
2

2.2.1. Nội dung của phương pháp PTHH ............................................. 33
T
2

T
2

T
2

T
2

2.2.2. Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH ........................ 34
T
2

T

2

T
2

T
2

2.2.3. Tính kết cấu theo mô hinh tương thích ...................................... 36
T
2

T
2

T
2

T
2

2.2.4. Giải hệ phương trình cơ bản ....................................................... 42
T
2

T
2

T
2

T
2

2.3. Phần tử bậc cao trong phương pháp PTHH ...................................... 43
T
2

T
2

T
2

T
2

2.3.1. Khái niệm về phần tử bậc cao .................................................... 43
T
2

T
2

T
2

T
2

2.3.2. Hệ tọa độ tự nhiên ...................................................................... 43
T
2

T
2

T
2

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

T
2

Lớp: Cao học 17C1


3
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

2.4. Phần mềm tính toán ........................................................................... 47
T
2

T
2

T
2

T
2

2.4.1. Phần mềm tính toán kết cấu ....................................................... 47
T
2

T
2

T
2

T
2

2.4.2. Giới thiệu sơ lược về phần mềm – ANSYS ............................... 48
T
2

T
2

T
2

T

2

CHƯƠNG 3:
T
2

T
2

ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP BẢN MẶT
T
2

BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN TUYÊN QUANG ......................... 54
T
2

3.1. Tổng quan về công trình .................................................................... 54
T
2

T
2

T
2

T
2

3.1.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 54
T
2

T
2

T
2

T
2

3.1.2. Các thông số kỹ thuật chính ....................................................... 57
T
2

T
2

T
2

T
2

3.2. Số liệu tính toán ................................................................................. 59
T
2

T
2

T
2

T
2

3.2.1. Mặt cắt và mô hình tính toán ...................................................... 59
T
2

T
2

T
2

T
2

3.2.2. Số liệu về chỉ tiêu cơ lý .............................................................. 61
T
2

T
2

T

2

T
2

3.2.3. Trường hợp tính toán .................................................................. 62
T
2

T
2

T
2

T
2

3.2.4. Kết quả tính toán ........................................................................ 62
T
2

T
2

T
2

T
2

CHƯƠNG 4:
T
2

T
2

4.1.
T
2

T
2

4.2.
T
2

T
2

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. 76
T
2

T
2

Những kết quả đạt được của luận văn .................................................... 76

T
2

T
2

Kiến nghị và tồn tại .............................................................................. 76
T
2

T
2

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 77
T
2

T
2

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


4
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Đập Kárahnjúkar (Iceland), cao 196m ....................................... 14

Hình 1.1.
TU
2

T
2
U

TU
2

Đập El Cajon (Mexico), cao 188m............................................. 14

Hình 1.2.
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU

2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Mặt cắt ngang điển hình đoạn lòng sông - Cửa Đạt ................... 19

Hình 1.9.
TU
2

T
2
U

Thi công bản mặt đập Tuyên Quang .......................................... 19

Hình 1.8.
TU
2

T

2
U

Mái thượng lưu đập bản mặt bêtông Tuyên Quang ................... 19

Hình 1.7.
TU
2

T
2
U

Đập Zipingpu – Trung Quốc, cao 156m ................................... 17

Hình 1.6.
TU
2

T
2
U

Đập Shuibuya (Trung Quốc), cao 233m .................................... 16

Hình 1.5.
TU
2

T

2
U

Đập Cirata (Indonesia), cao 125m - 1987 .................................. 15

Hình 1.4.
TU
2

T
2
U

Đập Santa Juana (Chile), cao 103m ........................................... 15

Hình 1.3.
TU
2

T
2
U

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.10. Thượng lưu đập Rào Quán ......................................................... 20
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.11. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng đá cứng ................................. 20
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.12. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi ................................. 21
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.13. Mặt cắt ngang điển hình của CFRD ........................................... 23
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.14. Cấu tạo chi tiết chân thượng lưu đập.......................................... 24
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 1.15. Mặt cắt điển hình đập Nalan – Trung Quốc ............................... 25
TU
2

T
2
U

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

TU

2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Cửa sổ khai báo loại phần tử ...................................................... 51

Hình 2.9.
TU
2

T
2
U

Giao diện ANSYS xuất hiện khi mở phần mềm ........................ 50

Hình 2.8.
TU
2

T

2
U

Hệ tọa độ tự nhiên và phần tử chuẩn .......................................... 45

Hình 2.5.
TU
2

T
2
U

Phần tử lục diện 20 điểm nút ...................................................... 44

Hình 2.4.
TU
2

T
2
U

Tọa độ tự nhiên của phần tử 3 chiều .......................................... 44

Hình 2.3.
TU
2

T

2
U

Sơ đồ tính toán ............................................................................ 41

Hình 2.2.
TU
2

T
2
U

Các loại phần tử .......................................................................... 34

Hình 2.1.
TU
2

TU
2

T
2
U

TU
2

T

2
U

Hình 2.10. Cửa sổ khai báo vật liệu ............................................................. 51
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 2.11. Cửa sổ khai báo lực .................................................................... 52
TU
2

T
2
U

TU
2

T

2
U

Hình 2.12. Cửa sổ tính toán .......................................................................... 52
TU
2

T
2
U

TU
2

T
2
U

Hình 2.13. Cửa sổ biểu diễn kết quả ............................................................ 53
TU
2

T
2
U

TU
2

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

T
2
U

Lớp: Cao học 17C1


5
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 2.14. Cửa sổ kết thúc làm việc và thoát ANSYS ................................ 53
TU
2

T
2
U

T
2
U

TU
2

T
2

U

TU
2

T
2
U

TU
2

Hình 3.4.
TU
2

TU
2

TU
2

TU
2

TU
2

T
2

U

R
U

RU

T
2
U

R
U

RU

T
2
U

Ứng suất theo phương Y - σ y (TH1) .......................................... 64

T
2
U

TU
2

R

U

RU

T
2
U

Biến dạng theo phương X - S x (TH2) ........................................ 65

Hình 3.9.
TU
2

RU

Ứng suất theo phương X - σ x (TH1) .......................................... 64

T
2
U

Hình 3.8.
TU
2

R
U

Biến dạng theo phương Y – S y (TH1) ........................................ 63

T
2
U

Hình 3.7.
TU
2

T
2
U

Biến dạng theo phương X – S x (TH1) ........................................ 63

T
2
U

Hình 3.6.
TU
2

T
2
U

Mô hình tính toán trong ANSYS ................................................ 60

T

2
U

Hình 3.5.
TU
2

T
2
U

Mặt cắt tính toán N4-N4 vai đập ................................................ 60

Hình 3.3.
TU
2

T
2
U

Mặt bằng tổng thể công trình thủy điện Tuyên Quang .............. 55

Hình 3.2.
TU
2

T
2
U

Vị trí công trình thủy điện Tuyên Quang ................................... 55

Hình 3.1.
TU
2

TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.10. Biến dạng theo phương Y - S y (TH2) ....................................... 65
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.11. Ứng suất theo phương X - σ x (TH2) .......................................... 66
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.12. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH2) .......................................... 66
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.13. Biến dạng theo phương X - S x (TH3) ........................................ 67
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.14. Biến dạng theo phương Y - S y (TH3) ........................................ 68
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.15. Ứng suất theo phương X - σ x (TH3) .......................................... 69
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.16. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH3) .......................................... 70
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.17. Biến dạng theo phương X - S x (TH4) ........................................ 71
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.18. Biến dạng theo phương Y - S y (TH4) ........................................ 72
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.19. Ứng suất theo phương X - σ x (TH4) .......................................... 73
TU
2

T
2
U

TU
2

R
U

RU

T
2
U

Hình 3.20. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH4) .......................................... 74
TU
2

T
2
U

TU
2

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

R

U

RU

T
2
U

Lớp: Cao học 17C1


6
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
THỐNG KẾ CẤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.
TU
2

T
2
U

Bảng 1.2.
TU
2

T

2
U

Bảng 1.3.
TU
2

T
2
U

Bảng 1.4.
TU
2

T
2
U

Bảng 3.1.
TU
2

T
2
U

Bảng 3.2.
TU
2

T
2
U

Bảng 3.3.
TU
2

T
2
U

Bảng 3.4.
TU
2

T
2
U

Bảng 3.5.
TU
2

T
2
U

Đập bản mặt bê tông trên thế giới cao trên 100m ...................... 11

TU
2

T
2
U

Cấp công trình theo chiều cao đập và tính chất nền ................... 22
TU
2

T
2
U

Sức kháng nén của vật liệu đá ứng với chiều cao đập................ 27
TU
2

T
2
U

Hệ số mềm hoá cho phép của vật liệu đá ................................... 27
TU
2

T
2
U

Tần suất dòng chảy lớn nhất và nhỏ nhất ................................... 56
TU
2

T
2
U

Thông số chính của công trình ................................................... 57
TU
2

T
2
U

Chỉ tiêu cơ lý của khối đá nền .................................................... 61
TU
2

T
2
U

Chỉ tiêu cơ lý của đới phong hoá hoàn toàn ............................... 61
TU
2

T

2
U

Chỉ tiêu cơ lý của bê tông bản mặt, bản chân, tường chống thấm....62
TU
2

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

T
2
U

Lớp: Cao học 17C1


7
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

MỞ ĐẦU
Đề tài:
U

I. Tính cấp thiết của đề tài
Đập đá đổ bản mặt bêtông (CFRD) hiện nay đang được công nhận trên
toàn thế giới là 1 loại đập khá kinh tế. Trung bình, tổng thời gian xây dựng
CFRD so với thời gian xây dựng đập đất đá là ít hơn khoảng 1 năm. Thời gian
xây dựng ngắn hơn giúp giảm thiểu phần lớn chi phí xây dựng và khiến các

dự án thủy điện mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Hầu như tất cả CFRD được xây dựng trên nền đá. Nhưng trên thực tế ở
trong nước và ở nước ngoài, vị trí xây dựng công trình trên nền đá không phải
lúc nào cũng có thể lựa chọn được. Trong trường hợp tầng đá nằm dưới sâu,
nếu bóc hết lớp đất thì phải thực hiện một khối lượng đào rất lớn, rất tốn kém.
Luận văn sẽ đề cập tới giải pháp thích hợp để xây dựng đập CFRD trên nền
đất. Mặt khác phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của đập và phần tường
bê tông chống thấm dưới nền đất. Từ những kết quả nghiên cứu đạt được sẽ
đưa ra số liệu phục vụ công tác thiết kế.
II. Mục đích của Đề tài
Đề xuất giải pháp phù hợp xây dựng đập đá đổ bản mặt bêtông trong
trường hợp tại vị trí tuyến đập có tầng đất dày trên nền đá.
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phân tích ứng suất –
biến dạng của đập đá đổ bản mặt bêtông và tường chống thấm đặt trong tầng
đất.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của đập đá đổ bản
mặt bêtông trên nền đất và tường chống thấm đặt trong tầng đất.

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


8
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Cách tiếp cận và Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu, tìm hiểu về cấu tạo và công năng của các bộ phận
kết cấu đập.
- Sử dụng phương pháp PTHH và phần mềm sẵn có để phân tích trạng
thái ứng suất – biến dạng của đập và nền.
IV. Kết quả dự kiến đạt được
- Lập mô hình tính toán theo thuật toán của phương pháp PTHH.
- Xác định trạng thái ƯS – BD của đập đá đổ bản mặt bêtông và tường
bê tông chống thấm.
Ý nghĩa của luân văn
- Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo tính toán thiết kế
đập đá đổ bản mặt bê tông cho các công trình thủy lợi - thủy điện.

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


9
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG
1.1. Lịch sử phát triển đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD)
1.1.1. Giới thiệu về đập đá đổ bản mặt bêtông (CFRD)
Đập được xây dựng ngang lòng sông để chặn dòng, dâng nước thành hồ
chứa. Các hồ chứa hình thành sau các con đập dùng để chứa nước phục vụ các
mục đích: cung cấp nước thuỷ lợi, thuỷ điện, điều tiết lũ và du lịch.
Việc xây dựng một đập dâng là việc hết sức phức tạp và phụ thuộc rất

nhiều yếu tố như: điều kiện địa hình địa chất, nhu cầu nước, nguồn kinh phí
của quốc gia và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường dân sinh kinh tế.
Đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) là loại đập có thân đập được đắp
chủ yếu bằng vật liệu đá được đầm chặt. Sau đó, một tấm bê tông cốt thép
được xây dựng tại bề mặt thượng lưu đập với tác dụng chống thấm. Bản mặt
bê tông sẽ truyền áp lực nước thượng lưu cho vùng đất đá thân đập và cuối
cùng là vùng nền đập.
Với tấm bản mặt bê tông, khả năng chống thấm của đập tương đối tốt,
mái dốc thượng, hạ lưu xoải đảm bảo cho sự an toàn ổn định đập. Ngay cả khi
sự rò rỉ xuất hiện, các đập này cũng không dễ dàng sụp đổ. Mặt khác do
CFRD có móng rộng nên ứng suất đáy móng nhỏ hơn so với đập bê tông có
cùng chiều cao. Do vậy CFRD được xem là an toàn và kinh tế, đặc biệt là có
lợi về mặt thi công so với các loại đập khác vì hầu như không phụ thuộc vào
thời tiết.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Đập đá đổ bản mặt bê tông được mô tả bởi Galloway (1939), hội đập
lớn thế giới (1989a), Cooke (1984, 1993, 1999, 2000) và Regan (1997).
CFRD đầu tiên được xây dựng ở California - Mỹ vào năm 1965, là
bước cải tiến từ việc xây dựng đập đá đổ bản mặt bằng gỗ được xây dựng vào

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


10
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

đầu những năm 1950. Trong những năm 1940, CFRD và đập đá đổ lõi đất bắt
đầu phát triển. Tuy nhiên, chúng bị tạm dừng xây dựng vì các thiết bị đầm lăn
không đảm bảo được hệ số đầm cho phép dẫn đến thân đập biến dạng lớn gây
ra hiện tượng thấm qua thân đập. Với việc sử dụng loại đầm rung, một giai
đoạn mới của CFRD xuất hiện và nó phát triển nhanh chóng vào những năm
1970. Ứng dụng của loại đập tiên tiến này được áp dụng rất nhanh ở Australia
và Nam Mỹ với hơn 20 đập được xây dựng.
Những tiến bộ trong việc thiết kế và xây dựng đập đã đạt được nhiều
thành tích đáng kể và ngày càng hoàn thiện hơn. Năm 1966 Mỹ đã xây dựng
thành công đập New Exchequer cao 150m dùng kết hợp lăn ép tầng mỏng.
Tuy nhiên vẫn còn bị biến dạng lớn, dẫn đến hiện tượng thẩm thấu. Đây là
con đập cuối cùng trong thời kỳ quá độ.
Năm 1971, việc xây dựng thành công đập Cethana của Úc vào 110m đã
đặt nền móng kỹ thuật cho các đập CFRD sau này. Qua các con đập lớn được
xây dựng thành công như: Foz do Areia – Brazil cao 160m năm 1980,
Salvajina – Columbia cao 148m năm 1985, Aguamilpa – Mêhicô cao 187m
năm 1993 việc thiết kế và thi công đập CFRD ngày càng hoàn thiện hơn, quy
mô công trình ngày càng lớn hơn. CFRD ngày nay được xây dựng khắp nơi
trên thế giới vì tính ổn định, sử dụng vật liệu tại chỗ, thi công tương đối đơn
giản, không phụ thuộc vào thời tiết, tiết kiệm, thích hợp với nhiều loại địa
hình - địa chất, vận hành an toàn và dễ sửa chữa.
Đập đá đổ bản mặt bê tông của Trung Quốc bắt đầu từ năm 1985. So
với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông,
Trung Quốc bắt đầu chậm hơn nhưng phát triển nhanh và mạnh hơn các nước
trên thế giới. Chỉ trong vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc. Theo thống kê
chưa đầy đủ năm 2004 Trung Quốc đã xây dựng được khoảng 150 đập đá đổ
bản mặt bê tông cao hơn 30m, trong đó có 37 đập cao trên 100m.

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


11
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Bảng 1.1. Đập bản mặt bê tông trên thế giới cao trên 100m

(International Water Power & Dam Construction - Materon, Bayardo)
Tên đập

Quốc gia

Năm hoàn thành

Chiều cao (m)

1

Segredo

Brazil

1991

145

1

Aguamilpa

Mexico

1993

187

2

Alto Anchicaya

Colombia

1974

140

3

Ancoa

Chile

2010

115

4

Antamina

Peru

2002

109

5

Atasu

Turkey

2002

122

6

Baishuikeng

China

2005

101

7

Baixi

China

2001

124

8

Baiyun

China

1998

120

9

Bajiaohe

China

2003

115.3

10

Barra Grande

Brazil

2005

194

11

Bastonia

Romania

1997

110

12

Batang Ai, Sarawak

Malaysia

1985

110

13

Campos Novos

Brazil

2006

200

14

Cethana

Australia

1971

110

15

Chaishitan

China

2000

103

16

Chuza

Colombia

1978

135

17

Cirata

Indonesia

1987

125

18

Dchar El Oued

Morocco

2001

101

19

Dim

Turkey

2001

135

20

Dongba

China

2007

105

21

Eping

China

2005

124.3

STT

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


12
Luận văn thạc sĩ
22

Ercado

23

Fortuna (Raised)

24

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Colombia

2004

120

Panama

1994

105

Foz do Areia

Brazil

1980

160

25

Gaotang

China

1999

111

26

Golillas

Colombia

1978

125

27

Gongboixia

China

2007

130

28

Gudongkou

China

2000

120

29

Heiquan

China

2000

124

30

Hongjiadu

China

2007

182

31

Ita

Brazil

1999

125

32

Itapebi

Brazil

2003

120

33

Jilingtai

China

2007

152

34

Jiudianxia

China

2008

137

35

Khao Laem

Thailand

1984

130

36

Koman

Albania

1986

133

37

Kurtun

Turkey

2001

133

38

Liyutang

China

2007

105

39

Longshou II

China

2004

147

40

Machadinho

Brazil

2002

125

41

Mazar

Ecuador

2010

166

42

Messochora

Greece

1994

135

43

Mironi

Pakistan

2005

127

44

Murchison

Australia

1982

93

45

Nalan

China

2007

109

46

Nam Ngum 3

Laos

2005

220

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


13
Luận văn thạc sĩ
47

Narmashir

48

Neveri Turimiquire

49

New Exchequer

50

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Iran

2008

115

Venezuela

1981

115

US

1966

150

Pai Quere

Brazil

2008

150

51

Panshitou

China

2005

101

52

Paradela

Portugal

1955

112

53

Pecineagu

Romania

1984

105

54

Porce III

Colombia

2010

145

55

Potrerillos

Argentina

2004

116

56

Rama

Yugoslavia

1967

110

57

Reece

Australia

1986

122

58

Salvajina

Colombia

1983

148

59

Segredo

Brazil

1991

145

60

Shiroro

Nigeria

1984

130

61

Tianshengqiao

China

1997

180

62

Xingo

Brazil

1994

150

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


14
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.1. Đập Kárahnjúkar (Iceland), cao 196m

Hình 1.2. Đập El Cajon (Mexico), cao 188m

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


15
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.3. Đập Santa Juana (Chile), cao 103m

Hình 1.4. Đập Cirata (Indonesia), cao 125m - 1987

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


16
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.5. Đập Shuibuya (Trung Quốc), cao 233m

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


17
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.6. Đập Zipingpu – Trung Quốc, cao 156m

(Đã đứng vững trong trận động đất cấp 8 ngày 12/5/2008

khi chỉ cách tâm chấn Vân Xuyên, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc 17km)
1.1.3. Tình hình ứng dụng đập bản mặt bê tông tại Việt Nam
Ở Việt Nam, đập đá đổ bản mặt bê tông đã bước đầu được áp dụng vào
một số công trình. Lần đầu tiên đã áp dụng vào công trình đập chính của công
trình thuỷ điện Tuyên Quang (Na Hang) cao 92m, sau đó là đập Rào Quán
tỉnh Quảng Trị cao 78m và đập chính của công trình thuỷ lợi thuỷ điện Cửa
Đạt tỉnh Thanh Hoá cao 117m.
Đập đá đổ bản mặt bê tông chống thấm là một loại hình đập đá đổ mới
được đưa vào nước ta. Tuy nhiên nó đang dần từng bước chứng minh được
tính ưu việt của nó so với các loại đập khác nhất là với loại đập cao. Với công
nghệ và trang thiết bị thi công ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh
trong quá trình thi công đập đá bản mặt bê tông chống thấm sẽ giảm bớt nhiều
và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát triển ở nước ta.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


18
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Một số công trình đập đá đổ bản mặt bê tông đã được xây dựng ở nước ta:
- Công trình thuỷ điện Tuyên Quang:
+ Chiều dài đỉnh đập

:

717,90m

+ Chiều cao đập lớn nhất

:

92,20m

+ Chiều rộng đỉnh đập

:

10,00m

+ Mực nước dâng trung bình

:

36,00m

+ Dung tích hồ chứa nước

:

2,245 tỷ m3

+ Số tổ máy

:

3 tổ

+ Công suất thiết kế

:

342 MW

+ Thời gian thi công

:

5 năm

+ Khối lượng bêtông

:

950,10 m3

+ Lắp đặt thiết bị

:

15,10 T

P

P

- Công trình thuỷ điện Cửa Đạt:

+ Cao trình đỉnh đập

:

121,30 m

+ Cao trình đỉnh tường chắn sóng :

23,50 m

+ Chiều cao đập lớn nhất

:

117,00 m

+ Thời gian thi công

:

2004 - 2009

+ Tổng vốn đầu tư

:

547 tỷ đồng

- Công trình thuỷ điện Rào Quán:
+ Chiều dài dập

:

540,00 m

+ Chiều cao đập lớn nhất

:

75,00 m

+ Cao trình đỉnh đập

:

121,30 m

+ Mực nước dâng bình thường :

480,00 m

+ Dung tích hồ chứa

:

141,00 triệu m3

+ Số tổ máy

:

2 tổ

+ Công suất thiết kế

:

64 MW

+ Doanh thu hàng năm

:

150-200 tỷ đồng

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


19
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.7. Mái thượng lưu đập bản mặt bêtông Tuyên Quang

Hình 1.8. Thi công bản mặt đập Tuyên Quang

Hình 1.9. Mặt cắt ngang điển hình đoạn lòng sông - Cửa Đạt

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


20
Lun vn thc s

Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu

Thng lu p Ro Quỏn

Hỡnh 1.10.

1.2. Tng quan v p ỏ bờ tụng bn mt (CFRD)
1.2.1. Phõn loi p CFRD
Hin nay p CFRD cha cú nhiu loi, nhỡn chung vic phõn loi
thng c da vo cỏc tiờu chớ sau:
1.2.1.1. Phõn loi theo vt liu p p
Da vo vt liu dựng p p l ỏ cng hay cui si m ngi ta
phõn thnh 2 loi l:
p ỏ bn mt cú thõn p c p bng ỏ cng, loi p ny
thng c phõn vựng vt liu trong mt ct ngang nh hỡnh 1.11.
11
8

3
5

a
6
2
1

9

7
10

4

1 (IA). Tầng phủ thượng lưu
2 (IB). Vùng gia trọnng
3 (2A). Vùng tầng đệm
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
5 (3A). Vùng quá độ
6 (3B). Vùng thân đập chính

Hỡnh 1.11.

7 (3C). Vùng đá đổ hạ lưu
8 (3D). Bảo vệ mái hạ lưu
9. Vùng có thể biến động giữa vùng 6 và vùng 7
(dạng tam giác - góc ở đỉnh tuỳ thuộc vào vật liệu và chiều cao đập)
10 (3E). Vùng đá thải (thoát nước chân đập)
11. Bản mặt bê tông

Mt ct ngang thõn p p bng ỏ cng

Hc viờn: Nguyn Hu Cng

Lp: Cao hc 17C1


21
Lun vn thc s

Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu

p ỏ bn mt cú thõn p c p bng cui si, loi p ny
thng c phõn vựng vt liu trong mt ct ngang nh hỡnh 1.12.
p ỏ bn mt bờ tụng thõn p bng ỏ cng thng cú h s mỏi
p thng, h lu (1:1,0ữ1:1,4) nh hn so vi h s mỏi ca thõn p bng
cui si ( 1:1,5ữ1:1,6). Tuy nhiờn thõn p p bng cui si tn dng c
nhiu hn vt liu o t múng cụng trỡnh hoc khai thỏc vi giỏ thnh r
hn.
11
8

3
5

10

6
7

6

9

2
12
1

4

1 (IA). Tầng phủ thượng lưu
2 (IB). Vùng gia trọnng
3 (2A). Vùng tầng đệm
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
5 (3A). Vùng quá độ
6 (3B). Vùng thân đập chính (cuội sỏi)

Hỡnh 1.12.

7 (3C). Vùng đá đổ hạ lưu (cuội sỏi)
8 (3D). Bảo vệ mái hạ lưu
9 (3E). Đống đá tiêu nước hạ lưu
10 (3F). Vùng tiêu nước
11. Bản mặt bê tông
12 . Tầng phủ nền đập

Mt ct ngang thõn p p bng cui si

1.2.1.2. Phõn loi theo chiu cao
Theo chiu cao p, tiờu chun thit k p t ỏ kiu m nộn (SDJ
218 84) ca Trung Quc ó phõn thnh 3 loi:
p thp: chiu cao p H < 30m

p va: chiu cao p H t 30 ữ 70 m
p cao: chiu cao p H > 70m
õy chiu cao p c tớnh t nh p n v trớ sõu nht ca nn
sau khi ó dn sch h múng.

Hc viờn: Nguyn Hu Cng

Lp: Cao hc 17C1


22
Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

1.2.1.3. Phân loại theo cấp công trình
Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ( TCXDVN 285:2002) thì chiều
cao đập đất đá được xác định như ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Cấp công trình theo chiều cao đập và tính chất nền
Loại công trình

Cấp thiết kế

Loại đất nền

Đập vật liệu đất, đá có
chiều cao lớn nhất (m)

I

II

III

IV

V

A

>100

70÷ 100

25÷70

10÷25

≤ 10

B

> 75

35÷ 75

15÷35

8÷ 15

≤8

C

> 50

25÷ 50

15÷25

8÷ 15

≤8

Đất nền chia thành 3 nhóm điển hình:
Nhóm A: Nền là đá
Nhóm B: Nền là đất cát, đất hạt thô, đất sét ở trạng thái cứng, nửa cứng
Nhóm C: Nền là đất sét bão hoà nước ở trạng thái dẻo.
Chiều cao đập từ mặt đập đến vị trí nền thấp nhất sau khi dọn sạch móng.
Nhận xét: Vì đập đá đổ hầu như chỉ xây dựng trên nền đá (yêu cầu nền cao
U

U

hơn đập đất) do vậy cũng có thể hiểu đập cấp I, II là đập cao, đập cấp III là
loại vừa, đập cấp IV, V là đập thấp.
1.2.2. Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD
Đập CFRD có cấu tạo chính là khối đá cấp phối đắp, đầm nén ở thân
đập và bản bê tông cốt thép mác cao phủ trên bề mặt mái thượng lưu để ngăn
nước thấm qua đập. Khối đá đắp cũng được chia làm nhiều vùng khác nhau

như những đập đá đổ thông thường tùy thuộc vào các loại đá dùng trong thân
đập. Phần tiếp giáp giữa bản mặt bê tông và khối đá đắp là lớp đệm (dày từ
2m đến 3m) và lớp chuyển tiếp (dày 4m). Mặt cắt ngang điển hình của đập
CFRD được biểu diễn trong hình 1.13.

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


23
Luận văn thạc sĩ

Hình 1.13.

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Mặt cắt ngang điển hình của CFRD

Đá đắp trong thân đập thường được phân thành hai khối chính: khối đá
đắp thượng lưu và khối đá đắp hạ lưu. Khối đá đắp thượng lưu đòi hỏi yêu
cầu kỹ thuật cao hơn khối đá đắp hạ lưu, cụ thể là cường độ kháng nén lớn
hơn 30MPa cho khối thượng lưu, còn khối hạ lưu chỉ yêu cầu bằng hoặc nhỏ
hơn 30 MPa, có nơi đã dùng khối đá đắp hạ lưu có cường độ kháng nén 10
Mpa với điều kiện nằm trên mực nước hạ lưu. Phạm vi tiếp giáp hai khối đá
này có thể thay đổi tùy thuộc tính chất của từng công trình: chiều cao đập, vật
liệu đắp đập, điều kiện nền ..vv.. Phần chân hạ lưu đập có thể bố trí khối đá
đổ có kích thước lớn hơn trong thân đập để tăng khả năng ổn định cho đập.
Bản mặt bê tông có tác dụng chống thấm cho đập và được liên kết với
nền qua bản chân. Tại điểm tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân được bố trí

khớp nối biên h.1.14a đảm bảo ngăn dòng thấm khi có chuyển dịch giữa bản
mặt và bản chân. Bản mặt cũng được chia làm nhiều tấm nối với nhau bằng
khớp nối dọc với cấu tạo cần thiết để đảm bảo không phát sinh dòng thấm từ
thượng lưu về hạ lưu khi có sự chuyển dịch khác nhau giữa các tấm bản mặt.
Do bản mặt ở vùng vai đập chịu kéo còn bản mặt ở vùng giữa chịu nén theo
Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1


24
Lun vn thc s

Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu

phng trc p, nờn khp ni dc cng c chia lm khp ni chu kộo
(h.1.14b) v khp ni chu nộn (h.1.14c).
2
4

1

3

1. Bản chân
2. Bản mặt
3. Khớp nối

5

4. Vùng tầng đệm
5. Vùng tầng đệm đặc biệt

(a)

(b)

(c)
Hỡnh 1.14.

Cu to chi tit chõn thng lu p

tng an ton v thm cho khu vc tip giỏp gia bn mt v bn
chõn, ngi ta b trớ mt tng m c bit ngay sau h lu bn chõn. Tng
m ny c cu to t cỏt cui si hoc ỏ xay v c m nn cht nh
tiờu chun ca lp m di bn mt, nú cũn cú tỏc dng nh mt lp lc khi
cú s c h hng ca khp ni gia bn mt v bn chõn.
1.2.3. iu kin xõy dng p CFRD
V c bn, iu kin xõy dng p CFRD cng tng t nh p ỏ
thụng thng. p CFRD ũi hi phi thc hin mt khi lng cụng tỏc
t ỏ ln bao gm: khai thỏc, vn chuyn, p vt liu vo thõn p. c bit
i vi p cao thỡ ti trng truyn xung nn khỏ ln, nờn ũi hi nn phi
cú bn v ớt bin dng. So vi p bờ tụng v p t, p CFRD cú yờu
cu nn khụng cao. Tuy vy, phn ln cỏc p ó c xõy dng cho n hin
Hc viờn: Nguyn Hu Cng

Lp: Cao hc 17C1


25

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

nay vẫn được chọn đặt trên nền đá IIB hoặc IIA, một số đập được chọn đặt
trên nền đá IB.
Cũng cần nói thêm là, một số ít đập CFRD cũng đã được xây dựng ở vị
trí có tầng phủ khá dày, ví dụ đập Na Lan ở Trung Quốc (cao 109m), đập
Toulnustouc ở Canada (cao 75m), đập Reece của Áo (cao 122m). Trong tình
huống này, để chặn dòng thấm qua tầng phủ phải làm một tường bê tông đủ
dày nối bản chân với tầng đá nằm dưới tầng phủ (Xem hình 1.15).

Hình 1.15.

Mặt cắt điển hình đập Nalan – Trung Quốc

1.2.4. Vật liệu xây dựng đập
Trước hết phải có đủ vật liệu để đắp các khối cho thân đập như: đá, đất
làm lõi, cát, sỏi lọc (có thể tận dụng đất đào móng) ..vv.. thường thì vẫn phải
tính toán thông qua luận chứng hiệu quả kinh tế và tài chính.
1.2.4.1. Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp
Lớp đệm thường có chiều dày không đổi và được chọn theo kinh
nghiệm, thường không nhỏ hơn 3m. Lớp chuyển tiếp có chiều dày không đổi
từ 3 ÷ 4m. Khi thi công, lớp đệm và lớp chuyển tiếp thường được thi công
đồng thời, chiều cao của lớp đổ thường lấy bằng nửa chiều chiều cao của lớp
đá đổ của khối đá thượng lưu.

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Lớp: Cao học 17C1