“Tính toán kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô”

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật với đề tài “Tính toán kết cấu đập trọng lực
bê tông dạng tường ô” 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 chỉ bảo, hướng dẫn 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, Viện thủy điện và năng lượng tái tạo - Viện khoa học thủy lợi
Việt nam đã cũng cấp số liệu công trình cho tác giả.
Tác giả chân thành cảm ơn các cơ quan đơn vị và các cá nhân 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 quý Thầy Cô giáo và
các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 11 năm 2011
Tác giả

Bùi Ngọc Lâm

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
1. Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài............................................................................................. 2
4. Kết quả dự kiến đạt được.................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 4
1.1. Kết cấu đập trọng lực dạng tường ô ................................................................ 4
1.2. Nguyên lý làm việc của đập trọng lực bê tông dạng tường ô.......................... 5
Chương 2. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN
DẠNG CỦA KẾT CẤU ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔNG DẠNG TƯỜNG Ô............. 6
2.1. Tính toán ổn định của đập và kiểm tra sức chịu tải của nền ........................... 6
2.1.1. Xác định các ngoại lực tác dụng vào đập ................................................. 7
2.1.2. Kiểm tra ổn định trượt và lật .................................................................... 7
2.1.3. Kiểm tra khả năng chịu tải của nền .......................................................... 8
2.2. Tính toán nội lực và chuyển vị ...................................................................... 10
2.2.1. Phương pháp đơn giản............................................................................ 10
2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn................................................................ 11
2.3. Phần mềm tính toán ....................................................................................... 23
2.3.1. Phần mềm tính toán kết cấu ................................................................... 23
2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán SAP2000................................................ 23
Chương 3. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ
TÔNG DẠNG TƯỜNG Ô CHO CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SÔNG CHỪNG............ 29
3.1. Giới thiệu công trình thủy điện Sông Chừng ................................................ 29
3.1.1. Vị trí công trình ...................................................................................... 29
3.1.2. Nhiệm vụ công trình............................................................................... 29
3.1.3. Thông số công trình................................................................................ 30
3.2. Tính toán lựa chọn kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô cho công
trình thủy điện Sông Chừng ................................................................................. 32
3.2.1. Cấu trúc địa chất công trình tuyến đập................................................... 32
3.2.2. Đặc điểm địa chất thuỷ văn .................................................................... 34
3.2.3. Tính chất cơ lý của đất đá....................................................................... 35

3.3. Bố trí tuyến đập ............................................................................................. 40
3.3.1. Điều kiện địa chất tuyến đập .................................................................. 40
3.3.2. Bố trí tuyến đập gồm: ............................................................................. 41
3.4. Trường hợp và tổ hợp tính toán..................................................................... 43
3.4.1. Trường hợp tính toán.............................................................................. 43
3.4.2. Tổ hợp tính toán ..................................................................................... 43
3.5. Mô hình tính và kết quả tính toán.................................................................. 44
Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.5.1. Sơ đồ tính toán........................................................................................ 44
3.5.2. Thông số tính toán .................................................................................. 45
3.5.3. Kiểm tra ổn định trượt ............................................................................ 45
3.5.4. Tính toán ổn định lật .............................................................................. 46
3.5.5 Kiểm tra ứng suất nền.............................................................................. 46
3.5.6. Xác định các thành phần lực .................................................................. 46
3.6. Kết quả tính toán ........................................................................................... 50
3.6.1. Sơ đồ tính toán ổn định .......................................................................... 50
3.6.2. Tính toán ổn định đập............................................................................. 50
3.7.3. Tính toán kết cấu đập bằng phần mềm SAP2000 .................................. 54
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 82
4.1 Kết luận .......................................................................................................... 82
4.2 Những tồn tại .................................................................................................. 82
4.3. Kiến nghị ....................................................................................................... 82

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2-1: Mặt cắt điển hình của đập trọng lực bê tông dạng tường ô........................ 7
Hình 2-2: Sơ đồ tính toán nội lực bản mặt đập ........................................................ 10
Hình 2-3: Mô hình nền Winkler ............................................................................... 13
Hình 2-4: Mô hình nền hai hệ số .............................................................................. 14
Hình 2-5: Mô hình nền nửa không gian vô hạn đàn hồi tuyến tính ......................... 15
Hình 2-6: Chuyển vị nút ở các đỉnh phần tử ............................................................ 20
Hình 2-7: Giao diện SAP xuất hiện khi mở phần mềm............................................ 25
Hình 2-8: Cửa sổ khai báo loại phần tử.................................................................... 26
Hình 2-9: Cửa sổ khai báo vật liệu ........................................................................... 26
Hình 2-10: Cửa sổ khai báo lực................................................................................ 27
Hình 2-11: Cửa sổ tính toán ..................................................................................... 27
Hình 2-12: Cửa sổ biểu thị kết quả........................................................................... 28
Hình 3-1: Mặt cắt dọc đập phương án tính toán....................................................... 42
Hình 3-2: Biểu đồ áp lực đất trong ô theo phương ngang ........................................ 49
Hình 3-3: Mặt cắt ngang đập .................................................................................... 50
Hình 3-4: Mô hình tính toán kết cấu đập bằng phần mềm SAP2000....................... 54
Hình 3-5: Phổ màu ứng suất S11 tại mặt Y = 0 và Y = 11.6m ............................... 55
Hình 3-6: Phổ màu ứng suất S22 tại mặt Y = 0 và Y = 11.6m ............................... 55
Hình 3-7: Phổ màu ứng suất S12 tại mặt Y = 0 và Y = 11.6m ............................... 56
Hình 3-8: Phổ màu ứng suất Smax tại mặt Y = 0 và Y = 11.6m ............................ 56
Hình 3-9: Phổ màu ứng suất Smin tại mặt Y = 0 và Y = 11.6m .............................. 57
Hình 3-10: Phổ màu ứng suất S11 tại mặt Y = 5.8m ............................................... 57
Hình 3-11: Phổ màu ứng suất S22 tại mặt Y = 5.8m ............................................... 58
Hình 3-12: Phổ màu ứng suất S12 tại mặt Y = 5.8m ............................................... 58
Hình 3-13: Phổ màu ứng suất Smax tại mặt Y = 5.8m ............................................ 59
Hình 3-14: Phổ màu ứng suất Smin tại mặt Y = 5.8m ............................................. 59
Hình 3-15: Phổ màu ứng suất S11 và S22 tại mặt thượng lưu đập .......................... 60

Hình 3-16: Phổ màu ứng suất S12 tại mặt thượng lưu đập ...................................... 60
Hình 3-17: Phổ màu ứng suất Smax và Smin tại mặt thượng lưu đập ..................... 61
Hình 3-18: Phổ màu ứng suất S11 và S22 trên tấm đáy........................................... 61
Hình 3-19: Phổ màu ứng suất S12 trên tấm đáy....................................................... 62
Hình 3-20: Phổ màu ứng suất Smax và Smin trên tấm đáy ..................................... 62
Hình 3-21: Chuyển vị của đập theo phương Z và phương X ................................... 63
Hình 3-22: Phổ màu ứng suất S11 trên mặt bên Y=0 và Y= 11.6m ........................ 64
Hình 3-23: Phổ màu ứng suất S22 trên mặt bên Y = 0 và Y =11.6m ...................... 64
Hình 3-24: Phổ màu ứng suất S12 trên mặt bên Y = 0 và Y =11.6m ...................... 65
Hình 3-25: Phổ màu ứng suất Smax trên mặt bên Y = 0 và Y =11.6m ................... 65

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3-26: Phổ màu ứng suất Smin trên mặt bên Y = 0 và Y =11.6m .................... 66
Hình 3-27: Phổ màu ứng suất S11 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 66
Hình 3-28: Phổ màu ứng suất S22 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 67
Hình 3-29: Phổ màu ứng suất S12 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 67
Hình 3-30: Phổ màu ứng suất Smax trên mặt Y = 5.8m .......................................... 68
Hình 3-31: Phổ màu ứng suất Smin trên mặt Y = 5.8m........................................... 68
Hình 3-32: Phổ màu ứng suất S11 và S22 tại mặt thượng lưu đập .......................... 69
Hình 3-33: Phổ màu ứng suất S12 tại mặt thượng lưu đập ...................................... 69
Hình 3-34: Phổ màu ứng suất Smax và Smin tại mặt thượng lưu đập ..................... 70
Hình 3-35: Phổ màu ứng suất S11 và S22 trên tấm đáy........................................... 70
Hình 3-36: Phổ màu S12 trên tấm đáy ..................................................................... 71
Hình 3-37: Phổ màu ứng suất Smax và Smin trên tấm đáy ..................................... 71
Hình 3-38: Chuyển vị của đập theo phương Z và phương X ................................... 72
Hình 3-39: Phổ màu ứng suất S11 trên mặt bên Y=0 và Y= 11.6m ........................ 73

Hình 3-40: Phổ màu ứng suất S22 trên mặt bên Y=0 và Y= 11.6m ........................ 73
Hình 3-41: Phổ màu ứng suất S12 trên mặ bênt Y = 0 và Y = 11.6m ..................... 74
Hình 3-42: Phổ màu ứng suất Smax trên mặt bên Y = 0 và Y = 11.6m .................. 74
Hình 3-43: Phổ màu ứng suất Smin trên mặt bên Y = 0 và Y = 11.6m ................... 75
Hình 3-44: Phổ màu ứng suất S11 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 75
Hình 3-45: Phổ màu ứng suất S22 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 76
Hình 3-46: Phổ màu ứng suất S12 trên mặt Y = 5.8m ............................................. 76
Hình 3-47: Phổ màu ứng suất Smax trên mặt Y = 5.8m .......................................... 77
Hình 3-48: Phổ màu ứng suất Smin trên mặt Y = 5.8m........................................... 77
Hình 3-49: Phổ màu ứng suất S11 và S22 tại mặt thượng lưu đập .......................... 78
Hình 3-50: Phổ màu ứng suất S12 tại mặt thượng lưu đập ...................................... 78
Hình 3-51: Phổ màu ứng suất Smax và Smin tại mặt thượng lưu đập ..................... 79
Hình 3-52: Phổ màu phân bố S11 và S22 trên tấm đáy ........................................... 79
Hình 3-53: Phổ màu phân bố S12 trên tấm đáy ....................................................... 80
Hình 3-54: Phổ màu phân bố Smax và Smin trên tấm đáy ...................................... 80
Hình 3-55: Chuyển vị của đập theo phương Z và phương X ................................... 81

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số công trình .................................................................................. 30
Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý đối với khối đá và mẫu đá phiến các loại:.......................... 38
Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý đối với bề mặt mềm yếu:.................................................... 39
Bảng 3.4 Hệ số điều kiện làm việc tính theo TTGH thứ nhất .................................. 44
Bảng 3.5 Tính toán ổn định trường hợp 1 ................................................................ 51
Bảng 3.6 Tính toán ổn định trường hợp 2 ................................................................ 52
Bảng 3.7 Tính toán ổn định trường hợp 3 ................................................................ 53

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


1

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công cuộc xây dựng đất nước ta, việc đầu tư xây dựng các công
trình, cơ sở vật chất phục vụ công việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã
và đang được quan tâm đầu tư đặc biệt của Đảng và Nhà nước. Trong
những năm vừa qua, đặc biệt là trong thời kì đổi mới, hàng ngàn công
trình đã và đang được đầu tư xây dựng như: Nhà cao tầng, đường giao
thông, bến cảng, cầu cống, các khu công nghiệp, công trình thủy lợi thủy điện .v.v.
Trong xây dựng công trình thủy lợi - thủy điện, cụm công trình đầu
mối là một hạng mục có vị trí đặc biệt quan trọng. Cụm công trình đầu
mối bao gồm: Đập dâng, đập tràn, cửa lấy nước .v.v. Trong cụm công
trình đầu mối hạng mục đập đóng góp nhiều tác dụng trong nhiệm vụ
công trình và góp vai trò quan trọng trong việc bảo đảm an toàn ổn định
tổng thể của công trình.
Trong xây dựng công trình thủy lợi - thủy điện thường xử dụng các
loại đập như: Đập vật liệu địa phương, đập trọng lực bê tông, đập đất đá
hỗn hợp .v.v. Tuy nhiên khi xây dựng các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện
có đập không cao và vai đập có địa chất mềm không thể bố trí được đập
trọng lực bê tông thông thường do đó phải lựa chọn kết cấu đập khác là
kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô.
Đập trọng lực bê tông dạng tường ô có ưu điểm là giảm khối lượng bê
tông (có thể giảm từ 20 ÷ 70%), giảm vốn đầu tư, ngoài ra tốc độ thi công

loại đập này cũng không phức tạp mặt khác điều kiện tỏa nhiệt của bê
tông trong quá trình thi công cũng thuận lợi hơn so với đập trọng lực bê
tông thông thường.
Việc lựa chọn kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô phụ thuộc
nhiều vào các yếu tố khác nhau như: phương pháp tính toán, địa chất của

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


2

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nền móng, điều kiện làm việc thực tế của đập, điều kiện cung cấp nguyên
vật liệu, giải pháp thi công .v.v.
Việc nghiên cứu, tính toán đập trọng lực bê tông dạng tường ô đã thu
hút sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Ở
nước ta việc nghiên cứu các kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô
đã được quan tâm từ sau những năm 1980, các kết quả nghiên cứu đã
được áp dụng ở một số công trình và đã phát huy tác dụng tốt về mặt ổn
định, an toàn và giảm kinh phí xây dựng công trình.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã thúc
đẩy các ngành kinh tế phát triển một cách đáng kể, có thể nói đây là đỉnh
cao của sự phát triển đối với xã hội loài người từ trước đến nay. Song
song với đà phát triển đó, ngành xây dựng cũng có những bước phát triển
không ngừng trong việc cải tiến kỹ thuật thiết kế kết cấu và dự toán .v.v.
Với sự hỗ trợ của máy tính và công nghệ phần mềm như hiện nay máy
tính giúp các nhà thiết kế thực hiện một cách nhanh chóng và hiệu quả
việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng; những tòa nhà cao tầng,
những chiếc cầu lớn vượt sông và các công trình thuỷ lợi thuỷ điện lớn.

Ngày nay, người ta không tính toán kết cấu hay thiết kế các công trình
kiến trúc theo phương pháp thủ công nữa mà tất cả đều được thiết kế với
sự hỗ trợ của máy tính thông qua các chương trình phần mềm, chẳng hạn
như AUTOCAD, SAP, STRUDCAD, STAADPRO, SAMCEF. . .
2. Mục đích của đề tài
- Tìm hiểu và tiếp cận giải pháp kết cấu đập trọng lực bê tông dạng
tường ô một cách hợp lý vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo kinh
tế.
- Tiếp cận phương pháp tính toán kết cấu, phần mềm và công cụ tính
toán.
- So sánh phân tích các kết quả tính toán, từ đó rút ra các hạn chế của
phương pháp thiết kế đập thông thường.
Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


3

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của đập trọng lực
bê tông dạng tường ô.
- Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Thu thập tài liệu, tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đập
trọng lực bê tông dạng tường ô.
Sử dụng phương pháp PTHH và phần mềm SAP 2000 để phân tích
trạng thái ứng suất - biến dạng của đập và nền.
4. Kết quả dự kiến đạt được
- Lập mô hình tính toán theo thuật toán của phương pháp PTHH.
- Xác định trạng thái ứng suất, biến dạng của đập trọng lực bê tông

dạng tường ô cho một đập cụ thể.
Ý nghĩa của luận văn:
Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo tính toán thiết kế
đập trọng lực bê tông dạng tường ô cho các công trình thủy lợi - thủy
điện.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


4

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Kết cấu đập trọng lực dạng tường ô
Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn, duy trì ổn
định nhờ trọng lượng của khối bê tông.
Đập bê tông đã được xây dựng rất sớm. Cách đây 4000 năm ở Trung
Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện những công trình thủy lợi. Đập xây
dựng đầu tiên là đập xây trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá
đổ và đất sét.
Theo con số thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm
2000 trên thế giới có khoảng 45.000 đập lớn. Nước có nhiều đập nhất trên
thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập, thứ hai là Mỹ có 6.575 đập, đứng
thứ 3 là Ấn Độ có 4.291 đập. Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong
số các nước có nhiều đập cao trên thế giới.
Đập bê tông đã được xây dựng nhiều ở Việt Nam như: Đập Tân Giang
thuộc tỉnh Ninh Thuận cao 39,5m được xem là đập bê tông đầu tiên do
ngành thủy lợi nước ta thiết kế và thi công. Hiện nay có nhiều đập bê tông
trọng lực đã và đang được thi công như: Đập Định Bình, đập Đồng Nai 3,

Đồng Nai 4, đập Sơn La .v.v. Đập bê tông trọng lực thường yêu cầu điều
kiện địa chất nền cao, điều kiện khống chế nhiệt thi công phức tạp, nhất là
với các đập bê tông truyền thống .v.v. Khi xây dựng các công trình có đập
không cao và nền đập có địa chất mềm không thể dùng giải pháp đập trọng
lực bê tông thông thường thì có thể xem xét lựa chọn dạng kết cấu đập khác
là kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô.
Đối với các công trình ở Việt Nam hiện nay, đập trọng lực bê tông dạng
tường ô đã được xây dựng ở một số công trình như: Phần đập hai bên bờ của
công trình hồ chứa nước Định Bình, công trình hồ chứa nước Thạch Nham
.v.v.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


5

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô được cấu tạo bởi các khối
hình hộp bằng bê tông cốt thép, bên trong đổ đất, đá và các vật liệu khác.
Cơ sở nghiên cứu tính toán đập trọng lực bê tông dạng tường ô:
Về mặt hình thức: Kết cấu đập trọng lực bê tông dạng tường ô được
xếp vào loại vỏ gấp. Nội lực trong vỏ bao gồm nội lực màng và nội lực
uốn.
Về vật liệu: thông thường kết cấu được làm bằng bê tông cốt thép.
Về ngoại lực: trong tính toán, tải trọng tác dụng chủ yếu tác dụng vào
đập là trọng lượng bản thân bê tông tường, áp lực của vật liệu đổ trong
thân đập, áp lực nước thượng hạ lưu, áp lực thấm, áp lực bùn cát, áp lực
sóng, tải trọng xe cộ chạy trên mặt đập nếu có .v.v.
Về cấu tạo: Đập trọng lực bê tông dạng tường ô thường được chia

thành một số đoạn nhằm khắc phục hiện tượng lún không đều dọc theo
trục đập. Việc chia đoạn phụ thuộc vào kích thước của đập và điều kiện
địa chất nền nơi xây dựng công trình. Theo kinh nghiệm, mỗi đoạn
thường có chiều dài từ 10 đến 15m.
1.2. Nguyên lý làm việc của đập trọng lực bê tông dạng tường ô
Đập trọng lực bê tông dạng tường ô kết hợp với các kết cấu của công
trình đầu mối như đập tràn, cửa lấy nước .v.v. tạo thành đập chắn nước
cho công trình. Dưới tác dụng của ngoại lực đập trọng lực bê tông dạng
tường ô giữ được ổn định nhờ trọng lượng tường bê tông và vật liệu đổ
trong các ô. Về nguyên tắc, sự khác biệt về chịu lực của đập trọng lực
dạng tường ô chỉ khác với đập bê tông trọng lực thông thường ở chỗ chỉ
kết cấu tường ô chịu lực, còn đất đá ở trong ô hầu như chỉ để giữ ổn định
chứ không tham gia chịu lực. Mặt khác, trong các tường, thì bản mặt
thượng, hạ lưu chủ yếu chịu uốn, còn các tường còn lại giữ vai trò chống
đỡ cho bản mặt, chủ yếu là bản mặt thượng lưu.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


6

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 2. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
BIẾN DẠNG CỦA KẾT CẤU ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔNG DẠNG
TƯỜNG Ô
Trong công tác thiết kế đập trọng lực bê tông dạng tường ô của các
công trình thủy lợi - thủy điện, các công việc cần giải quyết của các cán
bộ thiết kế như sau:
+ Căn cứ vào nhiệm vụ và điều kiện làm việc cụ thể của đập mà định

ra các kích thước cơ bản, thông thường là chiều cao đập, bề rộng của đập,
chiều dày của bản đáy, bản mặt thượng hạ lưu, các vách ngăn .v.v.
+ Từ các kích thước của đập được định ra, tính toán kiểm tra ổn định
và phân tích ứng suất biến dạng của đập. Cụ thể là:
- Tính toán ổn định trượt, lật.
- Kiểm tra sức chịu tải của nền.
+ Tính toán chuyển vị của đập, nội lực trong các bộ phận kết cấu như
mặt thượng lưu, bản mặt hạ lưu, các vách ngăn và bản đáy đập.
Các nội dung tính toán trên thường được thực hiện với một đơn
nguyên của đập
2.1. Tính toán ổn định của đập và kiểm tra sức chịu tải của nền
Về cơ bản, tính toán ổn định trượt, lật của đập và kiểm tra sức chịu tải
của nền đối với đập trọng lực dạng tường ô không khác với đập bê tông
trọng lực thông thường. Dưới đây trình bày vắn tắt những nội dung chính.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


7

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2-1: Mặt cắt điển hình của đập trọng lực bê tông dạng tường ô
2.1.1. Xác định các ngoại lực tác dụng vào đập
- Áp lực thủy tĩnh.
- Áp lực sóng
- Áp lực bùn cát
- Áp lực thấm và áp lực đẩy nổi
- Trọng lượng bản thân của tường ô
- Áp lực của vật liệu đắp trong ô

- Động đất, nếu công trình được xây dựng trong vùng có nguy cơ
động đất.
2.1.2. Kiểm tra ổn định trượt và lật
a. Tính toán hệ số ổn định trượt
Cũng giống như với đập bê tông trọng lực thông thường, dưới tác
dụng của lực đẩy ngang đập có thể bị trượt trên mặt tiếp xúc giữa đập và
nền.
Hệ số ổn định trượt của đập được tính bằng công thức:
KT =

trong đó:

P
.f
Q

KT: hệ số ổn định của đập.
P: tổng các lực thẳng đứng.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy

(2.1)


8

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Q: tổng các lực nằm ngang.
f: hệ số ma sát giữa đáy đập và nền

b. Tính toán hệ số ổn định lật
Tương tự, dưới tác dụng của các lực trên đập, tùy theo trị số, phương
chiều và điểm đặt, đập có thể bị lật về phía thượng hoặc hạ lưu, thông
thường khi tích nước là về phía hạ lưu.
Hệ số ổn định lật được tính theo công thức:
KL =

trong đó:

åM
åM

CL

(2.2)

GL

MCL - tổng mô men chống lật
MGL - tổng mô men gây lật

c. Kiểm tra ổn định
Các hệ số KL và KT được so sánh với các hệ số qui định trong qui
phạm. Các hệ số này thường có giá trị từ 1,05 đến 1,25 tùy theo cấp công
trình. Điều kiện để đập ổn định là:
KT ³ [K]T
KL ³ [K]L

(2.3)

trong đó: [K]T và [K]L là hệ số ổn định trượt cho phép và hệ số ổn định lật
cho phép
Nếu các hệ số KT và KL nhỏ hơn hệ số [KT], [KL] thì cần phải điều
chỉnh lại kết cấu của tường để đảm bảo an toàn về ổn định cho công trình.
2.1.3. Kiểm tra khả năng chịu tải của nền
Sau khi kiểm tra thỏa mãn điều kiện ổn định lật và trượt của đập, một
công việc bắt buộc trong tính toán thiết kế là kiểm tra sức chịu tải của nền
trên cơ sở xác định ứng suất nền khi đập làm việc ở trường hợp bất lợi.
Kiểm tra khả năng chịu tải của nền được thực hiện thông qua điều kiện:
R≤Φ

trong đó:

(2.4)

R: tải trọng tính toán tác dụng lên mặt nền ứng với trường

hợp bất lợi nhất.
Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


9

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Φ: tải trọng giới hạn của nền đập được xác định ứng với
trạng thái giới hạn của nền.
Trường hợp nền đập bao gồm nhiều lớp khác nhau thì phải kiểm tra
cho từng lớp đất một, nhất là đối với lớp đất yếu. Công thức tính toán
kiểm tra:

s i £ RiTC

trong đó:

(2.5)

s i : ứng suất thẳng đứng do công trình và đất nền gây ra tại

đỉnh lớp thứ i.
RiTC: áp lực đất tiêu chuẩn của lớp đất thứ i và được tính
theo công thức:
RiTC = m.P1/4
P1/4 = A.g .b + B.q + D.C TC

Các trị số b, q được xác định theo móng quy ước có chiều cao đáy
móng là đỉnh lớp đất thứ i và có diện tích đáy:
F=

PTC
s Zi

Chiều rộng móng qui ước B được xác định theo công thức:
B = - A + A2 + F

A=

trong đó:

l -b
2

PTC: tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên mặt nền theo phương

thẳng đứng.
σZi: ứng suất tăng thêm tại độ sâu ứng với đỉnh lớp đất thứ
i do tải trọng PTC gây ra.
l, b: chiều dài và chiều rộng của móng thực.
A, B, D: các hệ số được tra bảng lập sẵn với các trị số
dung trọng γ, góc ma sát φ và độ sâu của từng lớp đất nền.
m: hệ số vượt tải.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


10

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.2. Tính toán nội lực và chuyển vị
2.2.1. Phương pháp đơn giản
Về cơ bản, đập bê tông dạng tường ô có kết cấu tương tự như kết cấu
tường sườn, trong đó bản mặt tiếp nhận lực, các tường ngăn vuông góc
với bản mặt là các sườn chống làm nhiệm vụ chống đỡ cho bản mặt, còn
các tường ngăn song song với bản mặt làm nhiệm vụ tăng ổn định cho các
sườn chống. Dưới tác dụng của các lực ngang (áp lực nước, áp lực sóng,
áp lực bùn cát .v.v.) bản mặt chủ yếu chịu uốn còn các tường ngăn chủ
yếu chịu nén.
Với bản mặt, với các đập ít quan trọng có thể tính nội lực của bản mặt
một cách đơn giản như sau:
+ Nếu bản mặt có kích thước h/b ≤ 1,5 trong đó h là chiều cao của

đập, b là khoảng cách giữa hai sườn chống, thì bản mặt được tính như
tấm ngàm ba cạnh tại đáy và hai bên sườn, cạnh phía trên tự do.
Nếu bản mặt có kích thước h/b > 1,5 thì phần dưới của bản mặt tính
như bản ngàm ba cạnh, cạnh trên tự do như ở trên. Phần bản mặt phía trên
bản mặt làm việc như một dầm liên tục có gối tựa tại vị trí các sườn
chống. Để tính phần bản mặt phía trên này, chọn một số băng đại diện có
bề rộng 1m như hình 2-2, trong đó tải trọng phân bố đều q là tổng lực tác
dụng vào bản mặt tại băng tính toán. Với sơ đồ lựa chọn này dễ dàng xác
định được nội lực của dầm như hình vẽ trong hình 2-2

M

Hình 2-2: Sơ đồ tính toán nội lực bản mặt đập

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


11

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trị số của nội lực dễ dàng được tính dựa vào các bảng tra theo công
thức:
M = K.q.l2
Q = p.q.l

(2.6)

trong đó: K, p là các hệ số được tra trong các bảng lập sẵn
Với bản đáy, sơ đồ tính cũng được dùng tương tự, chỉ có điểm khác là

trong các ngoại lực tác dụng vào bản đáy có phản lực nền. Một cách gần
đúng có thể lấy phản lực nền bằng ứng suất trên mặt tiếp xúc giữa bản
đáy và nền.
Các sườn chống, ngoại trừ hai sườn ở ngoài cùng, chủ yếu chịu nén
do lực truyền vào từ bản mặt và trọng lượng bản thân của sườn. Hai sườn
ngoài cùng của mỗi đơn nguyên, ngoài chịu lực còn chịu uốn bởi áp lực
đất đá ở trong ô. Mô men uốn và lực cắt trong các sườn này do áp lực đất
đá trong ô gây ra có thể tính giống như tính bản mặt chịu áp lực nước
tĩnh hoặc áp lực bùn cát.
Tương tự, các vách ngăn song song với bản mặt để tăng cứng cho các
sườn, ngoài chịu lực trong mặt phẳng của vách bởi lực truyền vào từ các
sườn, còn chịu uốn bởi chênh lệch áp lực đất đá trong ô phía trước và
phía sau vách.
Cần nhấn mạnh là, cách tính toán nêu trên chỉ là gần đúng. Để có kết
quả sát thực hơn phải sử dụng các phương pháp hiệu quả hơn như phương
pháp PTHH.
2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
a. Mô phỏng tường ô cùng làm việc với nền.
Khi tính bằng phương pháp PTHH có thể mô phỏng kết cấu đập trọng
lực dạng tường ô ở dạng vỏ gấp. Đó là vỏ dạng ống có các mặt là mặt
phẳng chịu tải trọng vuông góc và song song với mặt phẳng của vỏ.
Để xét sự làm việc đồng thời của đập với nền có thể mô hình hóa nền
dưới đáy đập bằng một trong các cách sau:
Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


12

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nền đàn hồi tuyến tính: Để tính các kết cấu đặt trên nền phải xác định
được lực tương tác giữa kết cấu với nền hay còn gọi là phản lực nền. Các
nghiên cứu đã chỉ ra rằng lực này phụ thuộc vào tính chất cơ học của vật
liệu nền, vào chiều sâu của tầng đất chịu nén, vào tính chất cơ học của vật
liệu kết cấu, vào hình dạng và kích thước bề mặt tiếp xúc của bản đáy đập
với nền .v.v. Để xác định phản lực nền, người ta đã mô phỏng nền bằng
những mô hình tính toán, song cho đến nay chỉ có một số dạng mô phỏng
được chấp nhận ứng dụng vào tính toán thực tế. Với mục đích để phân
tích chọn lựa mô hình nền cho việc thiết lập tính toán tấm đặt trực tiếp
trên nền hoặc vừa đặt trên nền và cọc, dưới đây sẽ trình bày các nét chính
về mô hình nền thường được sử dụng.
+ Sử dụng mô hình nền Winkler
Mô hình nền Winkler mô phỏng nền bằng một hệ thống lò so thẳng
đứng, mỗi lò so mô phỏng một cột đất, khi có lực nén tác động trực tiếp
trên lò xo theo phương thẳng đứng lò so sẽ bị lún, song các lò so làm việc
độc lập nhau, biến dạng của lò so này không ảnh hưởng đến lò so kia và
ngược lại. Lực nén dọc theo trục lò so xuất hiện khi lò so bị biến dạng
chính là phản lực nền. Với giả thiết các lò so có biến dạng đàn hồi tuyến
tính phản lực nền được xác định theo công thức:
Pn = k.w
trong đó:

(2.7)

k: hằng số phụ thuộc vào đặc trưng cơ học của vật liệu nền

xác định bằng thí nghiệm.
w: độ lún của lò so hay độ võng của móng tại điểm xét, w
được tính bằng tra bảng lập sẵn, hoặc bằng một số công thức lý thuyết
hoặc bằng kinh nghiệm [12]

Mô hình nền Winkler được minh họa trên hình 2-3

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

13

p
q

Hình 2-3: Mô hình nền Winkler
Những kết quả tính toán và thí nghiệm kiểm chứng cho thấy, mô hình
nền Winkler mô phỏng khá gần ứng xử của nền trong phạm vi đặt móng
nếu xác định được hệ số nền k đúng đắn. So với mô hình nền nửa không
gian biến dạng đàn hồi tuyến tính thì mô hình nền Winkler tạo điều kiện
đơn giản cho việc thiết lập thuật toán giải bằng tay cũng như lập chương
trình giải trên máy tính. Tuy vậy, mô hình Winkler có nhược điểm là bỏ
qua ma sát giữa các cột đất nên đã không kể đến được ảnh hưởng của lực
đặt ngoài phạm vi móng đến kết cấu đặt trên móng hoặc ảnh hưởng của
công trình mới xây đến công trình hiện có. Để xét tới ảnh hưởng này có
thể sử dụng mô hình nền hai hệ số trình bày ở mục dưới.
+ Sử dụng mô hình nền hai hệ số
Mô hình nền hai hệ số (mô hình nền Pasternak) mô phỏng nền bằng
một hệ thống lò so thẳng đứng níu kéo nhau bằng những lò so xiên. Lò so
đứng mô phỏng biến dạng lún của một cột đất, lò so xiên mô phỏng ma
sát giữa hai cột đất kề liền (hình 2-4 )

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy

14

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2-4: Mô hình nền hai hệ số
Do kể đến lực ma sát giữa hai cột đất nên phản lực nền sẽ bao gồm
hai thành phần:
Phản lực nền thẳng đứng: Pln = kl.w

(2.8)

trong đó: kl: hệ số nền thứ nhất tương ứng với hệ số k của mô hình nền
Winkler.
Phản lực nền là lực ma sát giữa hai cột đất:
t x = k2 x

¶w
¶x

t y = k2 y

¶w
¶y

(2.9 )

(2.9a)
trong đó:

nghiệm còn

k2x và k2y là hệ số nền thứ hai cũng được xác định bằng thí
¶w
¶w
và
chính là góc trượt giữa hai lò so theo hướng x và
¶x
¶y

hướng y.
Do kể đến lực ma sát giữa hai cột đất kề liền, mô hình nền hai hệ số
cho phép xét đến ảnh hưởng của lực đặt ngoài phạm vi móng đến kết cấu
đặt trên móng hoặc của công trình mới xây bên cạnh công trình hiện có.
Cũng như mô hình nền Winkler, thuật toán thiết lập trên cơ sở mô hình
nền hai hệ số cũng khá thuận tiện trong việc viết chương trình giải trên
máy tính. Về mặt ý nghĩa vật lý có thể thấy mô hình nền hai hệ số chỉ
khác mô hình nền Winkler ở hệ số k2. Nếu móng không chịu tác dụng của
tải trọng bên thì hệ số này ít ảnh hưởng đến kết quả tính chuyển vị và nội
lực trong phạm vi móng. Do đó, ý nghĩa thực sự của hệ số này là phản
ánh tác dụng của tải trọng bên đến chuyển vị và nội lực của móng.
Trường hợp không phải đề cập đến ảnh hưởng của các tải trọng này thì có
thể sử dụng mô hình nền Winkler để tính toán.
+ Sử dụng mô hình nền nửa không gian vô hạn đàn hồi tuyến tính.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


15

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Coi nền đất dưới đáy đập là nửa không gian vô hạn đàn hồi tuyến
tính. Tuy vậy, khi tính bằng phương pháp PTHH, theo kinh nghiệm tính
toán, đủ chính xác có thể giới hạn phần nền dưới đập theo chiều sâu ít
nhất bằng chiều cao của đập, phần nền theo phương dòng chảy ít nhất
bằng ba lần chiều rộng đáy đập theo phương dòng chảy và chiều rộng đáy
đập theo phương vuông góc vói dòng chảy bằng ba lần bề rộng đáy đập
theo phương này. Cùng với giới hạn này, áp điều kiện biên về chuyển vị
theo phương đứng ở đáy ở khối nền, chuyển vị ngang theo phương dòng
chảy ở mặt thượng hạ lưu của khối nền và chuyển vị ngang theo phương
vuông góc với phương dòng chảy ở mặt trái và phải của khối nền bằng
không (hình vẽ 2-5)

Hình 2-5: Mô hình nền nửa không gian vô hạn đàn hồi tuyến tính
b. Cơ sở về vỏ gấp theo phương pháp PTHH
Khi tính toán cho kết cấu vỏ gấp bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Coi vỏ gấp là kết cấu tổ hợp của hai kết cấu: Dầm tường và tấm chịu uốn.
Dầm tường là kết cấu chịu lực trong mặt trung gian của tường và nội
lực xuất hiện trong tường cũng nằm trong mặt phẳng đó. Chúng là các lực
dọc Nx, Ny gây kéo hoặc nén và Nxy gây trượt. Tấm chịu uốn là kết cấu
chịu lực vuông góc với mặt phẳng của tấm. Nội lực xuất hiện trong tấm
Chuyên ngành xây dựng công trình thủy


16

Lun vn thc s k thut

bao gm mụ men un Mx, My, mụ men xon Mxy, lc ct Qx, Qy. Chỳ ý l

ch s x, y trong ký hiu ni lc ca dm tng v tm chu un l phỏp
tuyn ca mt trờn ú ni lc tỏc dng.
Khi gii bi toỏn kt cu v gp bng phng phỏp phn t hu hn,
kt cu c chia thnh nhiu phn t cỏc phn t c ni vi nhau ti
mt s im trờn nh hoc cnh phn t. Cỏc im ny c gi l cỏc
im nỳt. Phn t c s dng ph bin l phn t ch nht. Vic phõn
chia nh vy c gi l ri rc húa kt cu. S phn t cng ln, kớch
thc ca cỏc phn t cng nh, kt qu cng gn vi li gii chớnh xỏc.
Khi tớnh kt cu bng phng phỏp PTHH thng hay s dng mụ
hỡnh tng thớch v gii bng phng phỏp chuyn v. C th l, trong
phm vi phn t gi thit mt hm xp x vi chuyn v thc ca kt biu
din qua cỏc thnh phn chuyn v ca kt cu nỳt phn t, sau ú xõy
dng phng trỡnh xỏc nh cỏc chuyn v nỳt trong ton kt cu.
Phng trỡnh ny cú dng l phng trỡnh i s tuyn tớnh nờn cú th
gii d dng bng cỏc chng trỡnh lp sn [1].
c. Cỏc phng trỡnh c bn ca lý thuyt n hi gii bi toỏn v gp
bng PP PTHH
Vi dm tng, cỏc phng trỡnh liờn h gia bin dng v chuyn v
ca tm c biu din di dng ma trn: [5]
e = ảT .d

(2.10)
trong ú:
ỡả
ù
ù ảx
ù
ảT = ớ 0
ù
ùả

ù
ợ ảy

ỹ
0ù
ù
ảù
ý c gi l ma trn cỏc toỏn t o hm.
ảy ù
ảù
ù
ảx ỵ

Chuyờn ngnh xõy dng cụng trỡnh thy


17

Lun vn thc s k thut

ỡex ỹ
ù ù
e = ớ e y ý c gi l vect bin dng x, y l bin dng
ùg ù
ợ xy ỵ

di t i theo phng x, y v xy l bin dng gúc t i trong mt phng
xy.
ỡu ỹ
d = ớ ý c gi l vect chuyn v.

ợv ỵ

Liờn h gia ng sut v bin dng c biu din dng ma trn:
= D.
(2.11)
trong ú:
ộ
ờ1
E ờ
D=
m
1 - m 2 ờờ
ờ0
ở

m
1
0

ự
0 ỳ
ỳ
0 ỳ c gi l ma trn cỏc hng s
1- m ỳ
ỳ
2 ỷ

n hi vi E l mụ un n hi v à l h s Poisson ca vt liu.
ỡs x ỹ
ù ù

s = ớs y ý c gi l vect ng sut, x, y l ng sut
ùt ù
ợ xy ỵ

phỏp theo phng x, y v xy l ng sut tip trong mt phng xy.
Vi tm chu un phng trỡnh liờn h gia bin dng v vừng ca
tm c biu din dng ma trn:
= z.
(2.12)
trong ú:

z l khong cỏch t im xột n mt phng trung bỡnh

ca tm, cũn l vect cong ca im tng ng vi im bt k trờn
mt trung gian ca tm c xỏc nh bng cụng thc.

Chuyờn ngnh xõy dng cụng trỡnh thy


18

Lun vn thc s k thut

ỡ ả2w ỹ
ỡ ả2 ỹ
ù 2 ù
ù - 2 ù
ù ảx ù
ù ảx ù
2

2
ùù ả ùù
ùù ả w ùù
c = ớ - 2 ý = ả 2 w trong ú ả 2 = ớ 2 ý
ù ảy ù
ù ảy ù
ù ả2 ù
ù ả2w ù
ù
ù
ù -2
ù
ợù ảxảy ùỵ
ợù ảxảy ỵù

Liờn h gia ng sut v bin dng im bt k ca tm chu un
cng c biu din tng t nh tm tng. Vi tm chu un, quan h
ny c biu din dng ma trn nh sau:
M = Du.
(2.13)
trong ú:
ộ
ờ1
E.t 3 ờ
Du =
m
12 (1 - m ) ờờ
ờ0
ở

m
1
0

ự
0 ỳ
ỳ
0 ỳ l ma trn cỏc hng s n hi
1- m ỳ
ỳ
2 ỷ

ca tm vi t l chiu dy ca tm. E l mụ un n hi v à l h s
Poisson ca vt liu.
ỡ Mx ỹ
ù
ù
M = ớ M y ý l vect ni lc ca tm vi Mx, My l mụ men
ùM ù
ợ xy ỵ

un cũn Mxy l mụ men xon tỏc dng lờn mt ct ca tm cú di bng
n v.
d. Phng trỡnh tớnh toỏn kt cu v gp bng phng phỏp PTHH
thit lp phng trỡnh tớnh toỏn v gp bng phng phỏp PTHH
cn xp x cỏc chuyn v nm trong mt phng v chuyn v un ca phn
t v. Nu s dng phn t cú dng ch nht, hm xp x chuyn v trong
mt phng ca v cú dng song tuyn, hm xp x chuyn v un cú dng
bc ba thiu, c th l:
u = a1+ a2x + a3y + a4xy

Chuyờn ngnh xõy dng cụng trỡnh thy


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

19

v = a5 + a6x + a7y + a8xy
(2.14)
w = b1+ b2x + b3y + b4x2 + b5xy + b6y2 + b7x3 + b8x2y + b9xy2 +
b10y3 + b11x3y +b12xy3
hoặc viết ở dạng ma trận

ìu ü é1 x y
ï ï ê
ív ý = ê 0 0 0
ï wï ê0 0 0
î þ ë

xy 0 0 0
0
0

1 x y
0 0 0

ì a1 ü
ïM ï
0 0 0 0 .... 0 ù ï ï

ïï a8 ïï
xy 0 0 0 .... 0 úú í ý
b
0 1 x y .... xy 3 ûú ï 1 ï
ïM ï
ï ï
ïîb12 ïþ

(2.15)
ue = P.a
trong đó:
ìu ü
ï ï
ue = í v ý ,
ï wï
î þ
é1 x y
P = êê0 0 0
êë0 0 0

xy 0 0 0
0
0

1 x y
0 0 0

0 ù
xy 0 0 0 .... 0 úú
0 1 x y .... xy 3 úû

0

ì a1 ü
ïM ï
ï ï
ïï a8 ïï
a=í ý
ï b1 ï
ïM ï
ï ï
ïîb12 ïþ

trong đó :

ai, bi là các hệ số của đa thức.

Chuyên ngành xây dựng công trình thủy

0 0 0 ....