“Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán không gian”

1
LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình
trường Đại học thuỷ lợi, Tổng Công ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam CTCP, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ
thuật với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê
tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán
không gian” đã được hoàn thành.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân
đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như sự giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo Tổng Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi
Việt Nam - CTCP cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành Hải
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Hà Nội, tháng 03 năm 2011
Tác giả luận văn

VŨ THỊ THƯƠNG


2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ
ĐỘNG ĐẤT....................................................................................................... 6
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC ............................ 6
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới ................. 6

1.1.2. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam ................ 10
1.1.3. Các vấn đề chung khi thiết kế đập BTTL và BTCT ..................... 14
1.1.4. Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối ........ 15
1.1.5. Các phương pháp tính toán thiết kế ............................................... 17
1.1.5.1. Cơ sở thiết kế mặt cắt .................................................................. 17
1.1.5.2. Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực .................. 17
1.1.5.3. Các tổ hợp tải trọng tính toán..................................................... 18
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT.............................................................. 20
1.2.1. Giới thiệu chung về động đất ......................................................... 20
1.2.2. Ảnh hưởng của động đất đến sự làm việc của đập ...................... 27
1.2.3. Động đất ở Việt Nam ...................................................................... 28
1.2.4. Lý luận chung về các phương pháp tính toán động đất............... 31
1.2.5. Lựa chọn phương pháp tính toán tải trọng động đất ................... 35
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................... 35
CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG ........................................................................... 36
2.1. Các trường hợp tính toán.................................................................... 36
2.2. Các phương pháp tính toán ................................................................ 37
2.3. Nhận xét các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng ............... 37
2.3.1. Tính theo sức bền vật liệu .............................................................. 37
2.3.2. Tính theo lý thuyết đàn hồi ............................................................ 38
2.3.3. Tính theo các phương pháp khác .................................................. 39
2.3.4. Tính theo phương pháp phần tử hữu hạn .................................... 40


3
2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................... 41
2.5.1. Cơ sở của phương pháp ................................................................ 43
2.5.2. Nội dung của phương pháp ........................................................... 47
2.5.3. Tính toán kết cấu với mô hình tương thích .................................. 49

CHƯƠNG 4 –PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP
TRỌNG LỰC ĐỒNG MÍT THEO BÀI TOÁN PHẲNG VÀ BÀI TOÁN
KHÔNG GIAN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ......................................... 54
3.1. Tổng quan về hồ chứa nước Đồng Mít .............................................. 54
3.1.1. Vị Trí địa lý ..................................................................................... 54
3.1.2. Nhiệm vụ của dự án ....................................................................... 54
3.1.3. Các thông số chính ......................................................................... 55
3.1.4. Các chỉ tiêu tính toán của đập và nền ........................................... 57
3.1.5. Trường hợp tính toán..................................................................... 57
3.2. Tính toán kết cấu đập theo mô hình bài toán phẳng........................ 58
3.2.1. Mặt cắt tính toán ............................................................................ 58
3.2.2. Các lực tác dụng lên mặt cắt đập .................................................. 58
3.2.3. Lựa chọn phần mềm tính toán ...................................................... 65
3.2.4. Mô hình hóa đập ............................................................................ 65
3.2.5. Kết quả tính toán ............................................................................ 67
3.3. Tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tác dụng của tải trọng
động đất theo mô hình bài toán phẳng ..................................................... 71
3.3.1. Phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tải trọng
động đất..................................................................................................... 71
3.3.2. Kết quả tính toán ............................................................................ 72
3.4. Tính toán kết cấu đập theo mô hình không gian ............................. 74
3.4.1. Mô hình tính toán .......................................................................... 74
3..4.2 Kết quả tính toán ............................................................................ 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 83


4
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá. Ngày nay với việc
nguồn nước ngọt ngày càng cạn kiệt do khai thác nguồn nước, do biến đổi khí
hậu, ô nhiễm môi trường nước. Phân bố nguồn nước thì không đồng đều theo
không gian và thời gian. Đề điều chỉnh nguồn nước phù hợp với yêu cầu dùng
nước, một trong những biện pháp phổ biến và hiệu quả nhất là điều tiết nguồn
nước bằng hồ chứa.
Công trình Hồ chứa nước được xây dựng ngày càng nhiều, càng có quy mô
lớn, một trong những kết cấu xây dựng để tạo hồ chứa là đập. Theo các thống kê
về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm
5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4%. Trong số các đập có
chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm 30%, đập bê
tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Điều đó cho thấy, đập bê tông trọng lực
chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập lớn.
Khi thiết kế đập bê tông trọng lực, ngoài tính toán ổn định trượt lật thì cần
tính ứng suất và biến dạng để kiểm tra độ bền của đập, tính toán cốt thép cũng
như phân vùng vật liệu trong đập một cách hợp lí, tránh lãng phí vật liệu và giảm
giá thành xây dựng. Trước đây, phương pháp tính toán cho đập trọng lực thường
đưa về bài toán phẳng để tính nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực của công
trình khi làm việc. Trong đề tài này, tác giả sẽ tính theo bài toán không gian tức là
đập và nền cùng làm việc đồng thời, do đó nó phản ánh được đầy đủ hơn, chính xác
hơn trạng thái làm việc của công trình trong thực tế.
Động đất đe dọa rất lớn đến vấn đề an toàn của đập bê tông trọng lực. Vì vậy
việc đưa lực động đất vào để tính toán ứng suất và biến dạng đập là thực sự cần
thiết bởi nó giúp cho người tính dự đoán sự thay đổi của ứng suất biến dạng đập khi
có động đất từ đó đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng của lực động đất đến vấn đề
an toàn đập.


5
Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong bối cảnh xây

dựng đập và hồ chứa của Việt nam hiện nay.
II. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực
dưới tác động của động đất theo mô hình bài toán không gian. Áp dụng tinh toán
cho công trình cụ thể.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập thông tin và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài này.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp tính toán, mô hình tính
toán và phần mềm hợp lý để tính toán phân tích ứng suất, biến dạng.
- Phân tích và đánh giá kết quả
IV. Kết quả dự kiến đạt được:
Tính toán ứng suất, biến dạng của đập bê tông trọng lực và nền làm việc
dưới tác dụng của các tải trọng: áp lực nước, áp lực thấm, áp lực đẩy nổi, áp lực
bùn cát, trọng lượng bản thân, tải trọng động đất…theo bài toán phẳng và bài toán
không gian. Từ đó so sánh kết quả tính toán ứng suất biến dạng của đập bê tông
trọng lực theo 2 mô hình và rút ra kết luận của việc có cần thiết hay không việc
tính toán ứng suất và biến dạng của đập theo bài toán không gian.
Phân tích sự thay đổi ứng suất biến dạng của đập bê tông trọng lực khi
mô đuyn biến dạng của nền thay đổi.


6
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ
ĐỘNG ĐẤT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới
Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn. Đập duy trì ổn
định nhờ trọng lượng của khối bê tông đập.
Ưu nhược điểm của đập bê tông trọng lực:

Ưu điểm:
- Khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ an toàn và tin cậy cao khi
phân tích tính toán kết cấu.
- Khi vật liệu địa phương không đảm bảo các yêu cầu về vật liệu đắp đập.
- Tốc độ thi công nhanh, khi thi công xong biến dạng không đáng kể, công
viêc duy tu, bảo dưỡng và quản lý dễ dàng.
- Có thể xả lũ qua đập với một mức độ nhất định.
Nhược điểm:
- Đòi hỏi, yêu cầu về nền móng cao hơn đập vật liệu địa phương.
- Chịu chuyển vị nền kém.
- Vấn đề khống chế nhiệt trong thi công gặp nhiều khó khăn.
- Sử dụng nhiều thiết bị cơ giới hiện đại, giá thành cao hơn đập vật liệu địa
phương.
Nguồn nước trong lục địa đóng vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống và
hoạt động của con người. Lượng dòng chảy bình quân hàng năm trên trái đất
khoảng 40.000 km3, trong đó châu Á chiếm khoảng 13%. Lượng nước tuy dồi dào
song lại phân bố không đều theo thời gian và không gian. Vì vậy, để khai thác có
hiệu quả nguồn nước trên, các công trình thủy lợi bắt đầu được xây dựng.
Cách đây khoảng 4000 năm ở Ai Cập, Trung Quốc đã bắt đầu xuất hiện
những công trình thủy lợi (đập, kênh mương và các công trình đơn giản khác...).


7
Đập đầu tiên được xây dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá đổ
và đất sét.
Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000 trên
toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn. Theo cách phân loại của ICOLD thì đập
có chiều cao H=10 ÷ 15m và có chiều dài L ≥ 500m, Qxả lũ ≥ 2.000 m3/s; hồ có dung
tích W ≥ 1.000.000m3 nước được xếp vào loại đập cao. Số lượng hơn 45.000 đập
phân bố không đều trên các châu lục.

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập
chiếm 48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn
Độ với 4.291 đập. Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập.
Việt Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn.
Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kế xây dựng
đập từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào
những năm 1950, đỉnh cao là năm 1970.
Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15 ÷ 30m chiếm
khoảng 56,2%, cao từ 30 ÷ 150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có
0,1%.
Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm
78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4%.
Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ
chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Điều đó cho thấy,
đập bê tông trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập
lớn.
Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý
luận tính toán 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.


8
Thập kỷ 30 ÷ 40 của thế 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 B/H=0,7. Từ thập
kỷ 30 ÷ 70 thể tích đập giảm được (20 ÷ 30)%.
Đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở Tadikistan cao
335m, đập bê tông trọng lực Gradi Dixen ở Thụy Điển cao 285m, đập vòm trọng
lực SayanoShushensk ở Nga cao 245m.
Phân loại đập tràn:
+ Đập trọng lực không tràn :

Đập có chức năng chắn nước, không cho nước tràn qua.

a

b

Hình 1.1: Mặt cắt đập không tràn
+ Đập trọng lực tràn nước:
Đập có chức năng vừa chắn dâng nước, vừa cho nước tràn qua.


9

Hình 1.2: Các hình thức đập trọng lực tràn nước
a.Tràn mặt; b. Xả sâu; c. Kết hợp tràn mặt và xả sâu
Bảng 1-1: Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

14
15

Nước
Số lượng đập STT
Nước
Số lượng đập
Việt Nam
Trung Quốc
22.000
16
460
Na Uy
Mỹ
6.575
17
335
Ấn Độ
4.291
18 CHLB Đức
311
Al-Ba-Ni
Nhật
2.675
19
306
Ru-Ma-Ni
Tây Ban Nha
1.196
20

246
Canada
793
21 Zim-Ba-Buê
213
Thái Lan
Hàn Quốc
765
22
204
Thụy Điên
Thổ Nhĩ Kỳ
625
23
190
Bulgari
Braxin
594
24
180
Thụy Sĩ
Pháp
569
25
156
Áo
Nam Phi
539
26
149

Mexico
537
27 Cộng Hòa Séc
118
Algieri
Italia
524
28
107
Anh
517
29 Bồ Đào Nha
103
Australia
486
30 Liên Bang Nga
96

* Số liệu lấy từ báo (Đập và an toàn đập) của tác giả Nguyễn Tiến Đạt.


10

1.1.2. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
Thời kì trước những năm 30 của thế kỉ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số
đập bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5 đến
10 m, chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản thi công nhanh bằng
phương pháp 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 từ thiết kế,
chỉ đạo thi công là do 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 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số
đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, tỉnh Nghệ An làm nhiệm vụ cấp
nước tưới, đập Đáy ở Hà Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như
đập dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình ..
Bảng 1-2: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam trước 1945
TT

Tên

Địa điểm xây dựng

Năm xây dựng

1

Cầu Sơn

Sông Thương – Bắc Giang

2

Liễn Sơn

Sông Phó Đáy

3

Bái Thượng

Sông Chu – Thanh Hóa

4

Thác Đuống

Sông Cầu – Thái Nguyên

1922-1929

5

Đồng Cam

Sông Đà Rằng – Phú Yên

1925-1929

6

Đô Lương

Sông Cả - Nghệ An

1934-1937

7

Đập Đáy

Sông Đáy – Hà Tây

1934-1937

1902
1914-1917
1920


11
Giai đoạn từ 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc tập trung đầu
tư xây dựng các công trình thủy lợi lớn bị hạn chế. Trong thời kì này chưa có đập
bê tông trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập tràn
thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn, Đa Nhim…. Kĩ thuật và công
nghệ xây dựng ở phía Bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía
nam là công nghệ của Nhật…
Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện
đại hóa nên các công trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng khắp cả nước, và
đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong
phú. Đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện như Pleikrông, Sê San 3 và Sê
San 4, Bản Vẽ, Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông … và đập tràn ở các công
trình đầu mối thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang … là những đập bê tông với
khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao đập từ 70 đến 138 m. Việt Nam đã
và đang sử dụng thành công kĩ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập
bê tông trọng lực có quy mô cả về chiều cao và khối lượng bê tông ngày một lớn
hơn.
Một trong những kĩ thuật và công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang
áp dụng thành công hiện nay là đập bê tông đầm lăn.
Sự phát triển của bê tông đầm lăn tại Việt Nam

Việt Nam đến với công nghệ BTĐL tương đối muộn so với một số nước trên thế
giới, 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 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 BTĐL lên tới 27 đập.
Việt Nam trở thành nước được xếp hang thứ bẩy về tốc độ phát triển đập BTĐL.
Địa danh, quy mô các đập đã đang và sẽ xây dựng ở nước ta được thống kê trong
bảng:


12
Bảng 1-3: Danh sách các đập BTTL ở Việt Nam đến năm 2013
STT

Tên Công trình

Chiều

Địa điểm XD

Năm dự

cao

kiến hoàn

(m)

thành

Ghi chú

1

PleiKrong

71

KonTum

2007

Đang XD

2

Định Bình

54

Bình Định

2007

Đang XD

3

A Vương

70

Quảng Nam

2008

Đang XD

4

Sê San 4

80

Gia Lai

2008

Đang XD

5

Bắc Hà

100

Lào Cai

2008

6

Bình Điền

75

Thừa

Thiên 2008

Huế
7

Cổ Bi

70

Thừa

Thiên 2008

Huế
8

Đồng Nai 3

110

Đắc Nông

9

Đồng Nai 4

129

Đắc Nông

2008

10

Đak Rinh

100

Quảng Ngãi

2008

11

Thượng Kon Tum

Kon Tum

2009

Chuẩn bị

12

Nước Trong

70

Quảng Ngãi

2010

Chuẩn bị

13

Sơn La

138

Sơn La

2010

Đang XD

14

Bản Chát

70

Lai Châu

2010

Đang XD

15

Bản Vẽ

138

Nghệ An

2010

Đang XD

2008

Đang XD
Đang XD


13

STT

Tên Công trình

16

Hủa Na

17

Sông Bung 2

18

Chiều

Địa điểm XD

Năm dự

cao

kiến hoàn

(m)

thành

Ghi chú

Nghệ An

2010

Chuẩn bị

95

Quảng Ngãi

2010

Chuẩn bị

Sông Tranh 2

100

Quảng Ngãi

2010

Đang XD

19

Sông Côn 2

50

Quảng Nam

2010

Chuẩn bị

20

Bản Uôn

85

Thanh Hóa

2011

Chuẩn bị

21

Huội Quảng

Sơn La

2012

Chuẩn bị

22

Lai Châu

Lai Châu

2012

Chuẩn bị

23

Nậm Chiến

Sơn La

2013

Chuẩn bị

24

Tà Pao

-

Chuẩn bị

130

Bình Thuận

Đập bê tông trọng lực đã và đang xây dựng ở Việt Nam ngày càng nhiều với quy
mô ngày càng lớn. Đập bê tông cũng như các công trình thủy lợi khác đang góp
phần quan trọng trong công cuộc trị thủy và xây dựng đất nước.

14

Hình 1.3: Cắt ngang đoạn đập không tràn (Đập Sơn La)
1.1.3. Các vấn đề chung khi thiết kế đập BTTL và BTCT.
1.1.3.1 Yêu cầu chung đối với nền và cách chọn kiểu đập.
Cấu tạo địa chất thung lũng sông ảnh hưởng đến ổn định và thấm của đập.
Vì vậy, khi bố trí tuyến phải chú ý đến đặc trưng về cấu tạo địa tầng, chiều dày
của các tầng tích tụ trên mặt và tính đồng nhất của thành phần nham thạch gốc.
Yêu cầu về nền móng khi thiết kế đập trên nền đá:
- Nham thạch nền đủ cường độ.
- Nền không có khe nứt, không có vết nứt phân lớp, không có vùng bị phong
hoá sâu, bị phá hoại hoặc mềm yếu.
- Khi nền có nhiều lớp không có lớp nham thạch yếu.
- Nham thạch không có tính hoà tan khi gặp nước
Yêu cầu về nền móng khi thiết kế đập trên nền không phải là đá.
- Đất nền đủ khả năng chịu lực.
- Chất đất tương đối đồng nhất, không có lớp đất pha dễ bị xói mòn.
- Không có lớp đất mềm yếu dễ hình thành mặt trượt.


15
- Đất ít bị nén và nén tương đối đều.
- Đất không bị hoà tan, không thay đổi độ chặt, không bị trương nở khi gặp
nước.
Các điều kiện khi chọn kiểu đập
- Địa chất nền
- Chiều cao cột nước
- Phương pháp tháo lũ
- Vận hành khai thác

Khi thiết kế đập bê tông trọng lực, phải tuân theo các yêu cầu về kỹ thuật
và kinh tế như sau:
- Đập phải thỏa mãn các nhiệm vụ thiết kế đặt ra (dâng nước, tràn nước, lợi
dụng tổng hợp).
- Đập phải đảm bảo trong mọi điều kiện thi công, quản lý khai thác và sửa
chữa.
- Đập phải có độ bền, chống các tác động phá hoại của ngoại lực, tải trọng
nhiệt, biến hình nền và ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo
quy định.
- Bố trí mặt bằng và kết cấu đập phải thỏa mãn các điều kiện thi công, quản
lý, vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan.
- Đập phải có tính hiện đại, áp dụng các công nghệ thiết kế, thi công và quản
lý tiên tiến phù hợp với điều kiện tại chỗ và xu hướng phát triển của địa
phương.
- Giá thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ của nó và với các điều
kiện tại nơi xây dựng.
1.1.4. Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối
Trong cụm công trình đầu mối thường có đập dâng, đập tràn và các công
trình khác để thỏa mãn điều kiện khai thác công trình và bảo vệ môi trường (cống
lấy nước, nhà máy thủy điện, âu thuyền, công trình phục vụ du lịch...).


16
Với đập bê tông trên nền đá thường kết hợp đập dâng và đập tràn trên cùng
một tuyến. Đập tràn thường bố trí ở đoạn lòng sông để tránh làm biến đổi quá
nhiều đến điều kiện nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu so với khi chưa có đập, còn phần
đập không tràn thường bố trí ở hai đầu tuyến, nơi tiếp giáp với bờ.

Hình 1.4: Bố trí mặt bằng đập bê tông trên nền đá
1. Đập không tràn; 2. Tràn mặt; 3. Xả đáy;

Điều kiện địa chất đóng vai trò quan trọng trong bố trí mặt bằng. Nói
chung khi bố trí đập trong cụm công trình đầu mối cần thỏa mãn các điều kiện sau
đây:
- Chọn tuyến đập có địa chất nền và hai vai tốt, tránh các vị trí nứt gãy và
mềm yếu cục bộ, phải xử lý phức tạp.
- Khi các tuyến có điều kiện địa chất như nhau, nên chọn tuyến đập thẳng,
nơi lòng sông thu hẹp để giảm khối lượng công trình. Trong trường hợp cần mở
rộng diện tràn nước thì mới làm tuyến đập cong lồi lên thượng lưu, cũng có thể
chọn tuyến đập gãy khúc khi phải né tránh các vùng có địa chất yếu cục bộ.
- Bố trí đập tràn phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công và
phương pháp thi công.
- Khi trên cùng một tuyến có bố trí nhiều hạng mục khác nhau (đập tràn,
nhà máy thủy điện, âu thuyền...) cần phải phân tích để chọn vị trí đặt thích hợp


17
cho từng hạng mục để giảm nhỏ ảnh hưởng của việc tháo lũ qua tràn đến sự làm
việc bình thường của các công trình khác.
- Khi tháo lũ thiết kế, cần huy động đến khả năng tháo một phần lưu lượng
lũ qua các công trình khác trong cụm đầu mối như nhà máy thủy điện, âu thuyền,
đường thả bè...Ngoài ra cũng cần xem xét khả năng cho tràn nước trên đỉnh nhà
máy thủy điện.
- Khi bố trí mặt bằng đập, cần nghiên cứu tổng thể bài toán nối tiếp dòng
chảy ra hạ lưu trong điều kiện khai thác bình thường và khi tháo lũ, để đảm bảo
điều kiện không xói lở bờ và đáy lòng dẫn ở hạ lưu.
1.1.5. Các phương pháp tính toán thiết kế
1.1.5.1. Cơ sở thiết kế mặt cắt
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. Trong công tác
thiết kế, tính toán để lựa chọn đưa ra mặt cắt thoả mãn được ba điều kiện sau đây:

Điều kiện ổn định: Đập không bị mất an toàn về ổn định chống trượt, hệ số
an toàn chống trượt tính với mặt trượt tiếp xúc giữa đập và nền mặt cắt không nhỏ
hơn trị số cho phép.
Điều kiện ứng suất: Khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép
thượng lưu hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép,
ứng suất nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số ứng suất nén cho phép.
Khi hồ không có nước không sinh ứng suất kéo ở mép biên hạ lưu, ứng
suất nén ở mép biên thượng lưu không vượt quá trị số ứng suất nén cho phép.
Điều kiện kinh tế: Diện tích mặt cắt là nhỏ nhất để đảm bảo khối lượng
công trình nhỏ nhất.
1.1.5.2. Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực
a. Tính toán ổn định, độ bền của đập và nền đập theo trạng thái giới hạn
Việc tính toán ổn định được tiến hành tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất
theo công thức:


18
nc .N ≤

m
.R
K

(1.1)

Trong đó: N và R tương ứng là các trị số tính toán của các động lực tổng
quát và khả năng chịu tải tổng quát của công trình (có thể là mômen, lực hoặc ứng
suất).
b. Tính toán độ bền, ổn định của đập và nền đập theo hệ số an toàn
- Hệ số an toàn trượt của đập

- Các đập được xây dựng trên nền đá: Đập trượt theo hình thức trượt phẳng,
hệ số an toàn có thể tính theo nhóm các công thức chỉ xét đến lực ma sát hoặc lực
cắt trên mặt phá hoại. Tiến bộ trong tính toán đập hiện nay có nhóm các công
thức xét đến hỗn hợp giữa phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại tổng thể.
- Các đập xây dựng trên nền đất có thể xảy ra ba dạng trượt: Trượt phẳng,
trượt sâu, và trượt hỗn hợp. Hiện nay các hệ số ổn định trượt được tính theo quy
phạm nền các công trình thủy công.
- Hệ số an toàn chống lật
Đập bê tông trọng lực khi có độ lệch tâm lớn có khả năng lật quanh điểm
thấp nhất ở bản đáy của đập. Hệ số an toàn chống lật tính theo công thức:
K=

∑M
∑M

cl

(1.2)

gl

- Hệ số an toàn về cường độ
Hệ số an toàn về cường độ của đập được tính theo trạng thái giới hạn thứ
nhất:

K=

σ tt
σ

1.1.5.3. Các tổ hợp tải trọng tính toán
a. Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực
- Trọng lượng đập và các thiết bị đặt trên đó.
- Áp lực thủy động, thủy tĩnh phía thượng lưu (T1, P1), hạ lưu (T2, P2)
trong đó:
- T: Thành phần nằm ngang, P: Thành phần thẳng đứng.

(1.3)


19
- Áp lực thấm (Wth) và đẩy nối (Wđn) từ dưới đáy đập.
- Áp lực sóng (Ts) và áp lực gió (Tg).
- Áp lực bùn cát từ phía thượng lưu, thành phần ngang (Tb) và thành phần
đứng (Pb).
- Lực sinh ra do động đất.
- Tác dụng của nhiệt độ trong thời kỳ thi công.
- Ảnh hưởng của biến hình nền.

w

w
w
m

/W

w

g

g

w

w
b

a
g

p

p

Hình 1.5: Sơ đồ lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực
b) Các tổ hợp lực dùng trong tính toán
- Tổ hợp lực cơ bản
Tổ hợp lực cơ bản bao gồm các trọng lượng thường xuyên hoặc định kỳ tác
dụng lên đập, như trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt lên trên đập, áp lực
nước với MNDBT, áp lực sóng, gió với vận tốc gió bình thường (Vbqmax), lực
thấm, đẩy nổi và áp lực bùn cát.
- Tổ hợp lực đặc biệt


20
Tổ hợp lực đặc biệt gồm các lực trong tổ hợp lực cơ bản, cộng thêm hay thay
thế một số lực xảy ra trong trường hợp đặc biệt như:
- Lực sinh ra khi có động đất.
- Áp lực thủy tĩnh, áp lực nước và áp lực đẩy nổi khi có mực nước dâng gia

cường (thay thế cho các lực này trong trường hợp MNDBT).
- Áp lực thấm khi thiết bị chống thấm hoặc thiết bị thoát nước không làm
việc bình thường (thay thế cho áp lực thấm khi các thiết bị này làm việc bình
thường).
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.2.1. Giới thiệu chung về động đất
Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra rất nhiều thảm họa cho con
người và các công trình xây dựng. Trong suốt chiều dài phát triển nhân loại, để
bảo vệ sinh mạng của mình và tài sản vật chất xã hội, con người đã có rất nhiều
nỗ lực trong việc nghiên cứu phòng chống động đất. Tuy đã có những bước tiến
rất ngoạn mục trong lĩnh vực này, nhưng con người vẫn không ngăn được những
thảm họa do động đất gây ra. Các trận động đất xảy ra trong những năm gần đây
tại Nhật Bản (1995), Thổ Nhĩ Kỳ (1999), Hy Lạp (1999), Đài Loan (1999), Ấn
Độ (2001), Iran (2004) … đã chứng minh cho điều đó.
1.2.1.1.

Định nghĩa và phân loại

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng
lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong
phần vỏ hoặc trong phần áo trên của quả đất.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý
thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề
mặt quả đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được
gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan
trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc
khoảng cách chấn tâm (L).


21

Hình 1-6: Vị trí phát sinh động đất
Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành
các loại sau:

- Động đất nông

H<70km

- Động đất trung bình

H = 70÷300 km

- Động đất sâu

H > 300km

Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30÷100km
1.2.1.2.

Nguồn gốc của động đất

a. Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chất và địa chấn học đã đưa ra
thuyết kiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho
nguồn gốc của các trận động đất xuất hiện trên thế giới. Theo thuyết này, lúc đầu
các lục địa gắn liền với nhau được gọi là Panagea, sau đó cách đây khoảng chừng
200 triệu năm chúng tách ra thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so
với nhau trên một lớp dung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng
như ngày nay.

Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và quan
trắc địa chất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến tạo mảng.
Do đó trong vòng 10 năm tiếp theo, lý thuyết này đã được giới khoa học chấp
nhận một cách rộng rãi và được xem là một trong những thành tựu khoa học lớn
nhất của nhân loại trong thế kỷ XX.


22
b. Động đất có nguồn gốc từ các đứt gẫy
Khi quan sát địa hình ta thường gặp những sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc
nền đá. Ở một số chỗ, các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa
lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng. Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như
vậy được gọi là đứt gẫy hoặc phay địa chất.
Các vết đứt gẫy được chia làm hai loại: hoạt động và không hoạt động. Đứt
gẫy hoạt động là những đứt gẫy đã trải qua biến dạng cách đây hàng trăm ngàn
năm và sẽ còn tiếp tục trong tương lai. Đứt gẫy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế
giới thuộc loại này là đứt gẫy San Andreas ở California (Hoa Kỳ). Đứt gẫy này có
chiều dài 300 km và trượt ngang 6.4m, từng gây ra trận động đất ở San Francisco
năm 1906 và nhiều trận động đất tiếp theo sau đó.
Đa số các đứt gẫy được vẽ trên các bản đồ địa chất là không hoạt động. Tuy
vậy, đôi khi tại một đứt gẫy trước đó được xem là không hoạt động lại thấy trên
nền đất xuất hiện các vết nứt mới trong thời gian động đất.
c. Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác
- Sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất
Ở độ sâu trong vỏ quả đất khoảng 5km áp lực địa tĩnh (do trọng lượng của các
lớp đất đá phía trên gây ra) đúng bằng cường độ của các mẫu đất đá điển hình
chưa nứt ở nhiệt độ 500oC và áp suất tương đương ở độ sâu đó. Nếu không có các
yếu tố khác can thiệp vào, lớp đá sẽ bị biến dạng dẻo mà không bao giờ có thể bị
phá hoại dòn đột ngột và bị trượt do có ma sát dọc theo vết nứt. Kết quả nghiên
cứu đã cho thấy rằng sự tồn tại của nước trong lòng đất đã gây ra hiện tượng phá

hoại đột ngột do lực ma sát dọc theo các mép vết nứt bị giảm.
- Động đất do các vụ nổ
Các trận động đất cũng có thể được gây ra bởi các vụ nổ hóa học hoặc hạt
nhân. Khi một vụ nổ hạt nhân ngầm xẩy ra, một năng lượng rất lớn được giải
phóng. Trong nhiều thập kỷ qua, các vụ nổ hạt nhân ngầm trong lòng đất ở nhiều
bãi thử trên thế giới đã gây ra các trận động đất mạnh (đạt tới độ lớn 7 độ


23
Richter). Các sóng địa chấn phát sinh từ các vụ nổ này truyền đi và được các địa
chấn kế ghi lại đã chứng minh cho kết luận trên.
- Động đất do hoạt động của núi lửa
Tuy tương đối hiếm, nhưng các trận động đất cũng có thể phát sinh từ hoạt
động của núi lửa. Đối với những trận động đất phát sinh từ nguyên nhân này có
thể phân thành 3 loại: do các vụ nổ khi núi lửa hoạt động, do chuyển động của
dung nham và do sự kết hợp với các trận động đất kiến tạo.
- Động đất do sụp đổ nền đất
Các trận động đất do sụp đổ nền đất thường nhỏ và xẩy ra trong các vùng có
hang động ngầm hoặc khai thác mỏ. Sự sụp đổ đột ngột trần các hầm mỏ hoặc hang
động ngầm dưới đất là nguyên nhân trực tiếp gây ra chấn động nền đất.
Các vụ trượt lở đất lớn đôi khi cũng gây ra các trận động đất thuộc dạng này.
- Động đất do tích nước vào các hồ chứa
Việc tích nước vào các hồ chứa lớn đôi khi cũng làm phát sinh ra các trận động
đất mạnh. Các trận động đất này có thể đạt tới độ lớn 6 độ Richter. Cho tới nay
người ta đã ghi nhận được trên 70 trận động đất ở nhiều nơi trên thế giới do tích
nước vào các hồ chứa nhân tạo bằng cách dùng đập ngăn sông.
Ông Fan Xiao, Kỹ sư trưởng Cục Địa chất và Khoáng sản Tứ Xuyên, cho rằng
áp lực nước khổng lồ trong hồ chứa nhân tạo của đập Zipingpu đã đè lên các rãnh
nứt địa chất, có thể là một yêu tố gây ra trận động đất khủng khiếp hồi tháng
5/2008 ở Tứ Xuyên, Trung Quốc.

24

Hình 1.7: Đập Zipingpu nhìn từ vệ tinh
Thực tế đập thuỷ điện Zipingpu cao 156m, nằm cách tâm chấn chỉ 5.5km và cách
các đường rãnh nứt địa chất chỉ có 550m. Sức nặng của lượng nước trong hồ của
đập nước này tương đương với 325 triệu tấn.

Hình 1.8: Vùng tâm chấn vụ động đất Tứ Xuyên


25

Hình 1.9: Đập Zipingpu không bị vỡ trong trận động đất, nhưng bị nứt nát, hiện
vẫn chưa được khôi phục.
1.2.1.3.

Biểu đồ động đất

Biểu đồ ghi lại quỹ đạo chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ
động đất. Biểu đồ động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một
trận động đất, đồng thời là số liệu để suy các thông số quan trọng trong thiết kế
kháng chấn cho công trình xây dựng.

Hình 1.10: Biểu đồ động đất