NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI BỊ NƯỚC TRÀN QUA ĐỈNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN VĂN HINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG
TRỌNG LỰC KHI BỊ NƯỚC TRÀN QUA ĐỈNH
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS Nguyễn Văn Mạo

Hà Nội – 2012


1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới
Đập trọng lực đầu tiên trên thế giới là đập Jawa được xây dựng tại Jordan
khoảng 3000 năm trước Công nguyên. Đập Jawa có chiều cao 4,5m, dài 50m tạo
thành hồ chứa cung cấp nước cho khoảng 2000 người..
Đến năm 54-64 trước Công nguyên, ở Subiaco nước Ý, người ta đã xây một
con đập cao 50m, rộng 13.5m, dài 80m. Đây là đập trọng lực cao nhất được xây
dựng vào thời La Mã và tồn tại đến năm 1305.

Tới năm 284 sau Công nguyên, đã có rất nhiều đập được xây dựng, người La
Mã đã xây đập và tạo ra một hồ chứa lớn nhất thời đó tại Homs Syria. Đập này có
chiều cao 7m, rộng 14m, dài 2000m và tạo thành hồ chứa với dung tích 90 triệu m3.

Hình 1.1 Đập Cornavol do người La Mã xây dựng cách đây hơn 2000 năm
Đập bê tông trọng lực được áp dụng rộng rãi từ những năm 30 của thế kỷ 20,
nhiều đập cao đã được xây dựng với những mục đích như cấp nước, phát điện, … và vấn
đề ổn định đập là vấn đề được quan tâm nhất khi tiến hành xây dựng các đập lớn.
Đập Chambon được xây dựng từ năm 1929-1934 trên sông Romanche miền
tây nam nước Pháp có chiều cao 136,7m là đập bê tông trọng lực cao nhất châu Âu
thời đó. Đập có chiều rộng đỉnh là 5m, chiều rộng chân đập là 70m tạo nên một hồ
chứa với dung tích 51 triệu m3.


2

Hình 1.2 Đập Chambon tại Pháp
Đập bê tông trọng lực cao nhất hiện nay là đập Grand Dixence được khởi công
năm 1951 và hoàn thành năm 1962 tại Swiss Apls với chiều cao 285m. Thời kỳ những
năm 1950 đến 1982 số lượng đập lớn tăng nhanh với khoảng 5000 đập lớn được xây
dựng trên toàn thế giới, tập trung chủ yếu ở khu vực Bắc Mỹ và châu Âu.

Hình 1.3 Đập Grande Dixence, Thụy Sỹ - Đập bêtông cao nhất thế giới 285m


3

Theo thống kê của hội đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến năm 2011 trên thế
giới có khoảng 52.000 đập lớn phân bố trên 140 nước. Năm nước đứng đầu thế giới
về xây dựng đập là Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản. Số lượng

đập của các nước này chiếm 80% tổng số đập lớn trên thế giới. Chỉ riêng Trung
Quốc trong thế kỷ 20 đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn, tập trung vào khoảng
thời gian sau năm 1949, các nước khác là Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản và Tây Ban Nha.
Hiện nay đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập được xây
dựng trên thế giới. Với đập cao trên 100m thì đập bê tông trọng lực chiếm khoảng
30%. Theo thống kê đến năm 1999 đã có 17.526 đập cao trong khoảng từ 15-30m,
4.578 đập cao trên 30m, 32 đập cao trên 100m. Do số đập cao càng ngày càng nhiều
nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến. Như đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử có thể
tích gần 28 triệu m3 bê tông, hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ m3 nước, tràn xả lũ với lưu
lượng 124.300m3/s và nhà máy thuỷ điện có công suất 18,2GW lớn nhất thế giới.

Hình 1.4 Đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử - Trung Quốc
Đầu thế kỷ 19, hàng loạt đập lớn được xây dựng như đập vòm Xiluodu cao
273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinghai, đập vòm Jinping cao


4

305m trên sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu, đập vòm
Xiaowan trên sông lanciang, đập Longtan cao 216m trên sông Hongshui,….
Đập là một công trình quan trọng mang lại lợi ích đa ngành như: cấp nước,
hạn chế lũ lụt, thủy điện, du lịch,…. Vì vậy đập đã và đang được xây dựng ngày
càng nhiều trên thế giới. Đập có dạng một kết cấu chịu cột nước cao nên cần có cấu
tạo phù hợp cả về chịu lực và chống thấm, ngoài ra nó còn chịu tác động tương tác
giữa đập và nền rất phức tạp. Chiều cao đập càng lớn thì lợi ích của đập càng được
thể hiện rõ ràng, nhưng yêu cầu về lý thuyết, công cụ tính toán phải đáp ứng kịp
thời để đảm bảo sự an toàn của đập và theo đó là công nghệ thi công, công nghệ vật
liệu mới.
1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông tại Việt Nam.
Việt Nam hiện có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại, trong đó có khoảng

gần 500 đập lớn (đứng hàng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao trên thế
giới). Các đập được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đập vật liệu địa phương, đập
bê tông chiếm tỷ lệ nhỏ.
Trước những năm 1930, ở Việt Nam vẫn chưa xuất hiện các đập bê tông trọng
lực lớn. Chủ yếu vẫn là các đập có chiều cao thấp (5-10m) với kết cấu đơn giản. Trong
giai đoạn từ 1930-1945, một số đập bêtông trọng lực được xây dựng như đập Đô
Lương ở Nghệ An, đập Đáy ở Hà Tây,… do các kỹ sư người Pháp thực hiện.
Từ năm 1945 đến 1975, do đất nước bị chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng
các công trình thuỷ lợi bị hạn chế. Thời kỳ này cũng xuất hiện những tiêu chuẩn về
thiết kế và thi công công trình thuỷ lợi, một số đập tràn thấp cũng xuất hiện trong
thời kỳ này như: đập tràn thuỷ điện Thác Bà, đập tràn thuỷ điện Cấm Sơn, Đa
Nhim,…
Từ năm 1975 tới nay, những nghiên cứu thiết kế và công nghệ thi công đập
bê tông trên thế giới đã hoàn chỉnh cùng với sự giao lưu trao đổi khoa học kỹ thuật


5

nên việc thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực trở nên dễ dàng. Đập bê tông với
quy mô lớn và hình thức phong phú xuất hiện ngày càng nhiều như: đập thuỷ điện
Hoà Bình, Trị An, Tuyên Quang, Pleikrong, Sêsan 3, Sêsan 4, Thạch Nham,…do
các kỹ sư trong nước tham gia thiết kế và thi công.
Thống kê cho thấy trong số các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m thì đập vật
liệu địa phương chiếm tới 80% còn với các đập có chiều cao lớn hơn 60m thì đập
bêtông chiếm một tỷ lệ lớn, hình thức đập và công trình tháo lũ cũng ngày càng đa
dạng, phù hợp hơn với đặc điểm riêng của từng công trình.
Nước ta hiện nay đã có nhiều đập cao, trong đó đập bê tông cũng chiếm tỷ lệ
không nhỏ, kèm theo đó là yêu cầu về kỹ thuật thiết kế, xây dựng phải được nâng
cao, song song với nó là việc lập, sử dụng các quy trình vận hành, quản lý, khai thác
công trình hồ đập sao cho hiệu quả và đảm bảo an toàn. Việc xem xét tất cả các

trường hợp làm việc của đập có thể xảy ra nhất là khi có các sự cố bất thường như
động đất, sạt lở bờ, lũ đột ngột, hỏng cửa van,… là rất cần thiết, sử dụng các
phương pháp đã biết để mô tả chính xác hơn sự làm việc thực tế của đập, đảm bảo
an toàn cho đập.
1.3. Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực:
- Đập bê tông trọng lực là loại đập có khối lượng bê tông lớn. Đập duy trì ổn
định nhờ trọng lượng và độ bền chủ yếu theo khả năng chịu nén của bê tông.
- So với đập vật liệu địa phương, đập bê tông trọng lực có cùng chiều cao
yêu cầu chất lượng nền cao hơn. Đập bê tông trọng lực có thể xây dựng trên nền đá,
đập không cao có thể xây dựng trên nền không phải là đá.
- Ưu điểm nổi bật khi sử dụng đập bê tông trọng lực là kết cấu và phương
pháp thi công đơn giản, có thể thi công bằng công nghệ bê tông ướt hoặc bê tông
đầm nén (bê tông đầm lăn).


6

- Đập bê tông trọng lực có khả năng chống thấm và tính bền vững tốt. Đập
gồm hai loại chính: đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không
tràn nước.
1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước:u
- Đập bê tông trọng lực tràn nước có cấu tạo đặc biệt để cho phép nước tràn qua
mặt đập với lưu tốc lớn mà không ảnh hưởng đến an toàn của đập cũng như hạ lưu.
- Phần mặt đập thường có dạng đường cong thuận để lưu lượng tràn qua đập
là lớn nhất (dạng Officerop), trên bề mặt của tràn dòng chảy có lưu tốc rất lớn nên
dễ xảy ra hiện tượng khí thực. Vì vậy mặt tràn thường dùng loại vật liệu có khả
năng chống xói cao, kết hợp bố trí các hệ thống nhằm giảm hiện tượng khí thực.
- Nối tiếp sau phần tràn là hệ thống tiêu năng hạ lưu, có thể sử dụng hình
thức tiêu năng mặt, đáy như đào bể, xây tường, hoặc tiêu năng do ma sát giữa dòng
nước với không khí như tiêu năng phóng xa. Mục đích là tiêu hao nguồn năng lượng

thừa của dòng nước để đảm bảo không gây xói lở hạ lưu công trình.
1.3.2 Đập bê tông trọng lực không tràn nước:
- Đập bê tông trọng lực không tràn có nhiệm vụ giữ nguồn nước phía trước
đập, tạo thành hồ chứa phía thượng lưu.
- Cao trình đỉnh của đập bê tông trọng lực không tràn chính là cao trình của
đập. Cao trình này được tính toán sao cho đảm bảo với tần suất thiết kế và kiểm tra,
đỉnh đập luôn cao hơn mực nước trong hồ.
- Vì đập bêtông trọng lực không tràn nước có nhiệm vụ chắn lại lượng nước phía
thượng lưu và không cho phép nước tràn qua nên phải đảm bảo chống thấm tốt, mặt hạ
lưu đập không có nước tràn nên vật liệu không cần có khả năng chống xâm thực, chống
xói tốt. Hình dạng đập cũng chỉ đảm bảo yêu cầu về ổn định chống trượt, lật chứ không
cần phải tháo được lưu lượng lớn như đập bêtông trọng lực tràn nước.


7

- Phía hạ lưu đập bêtông trọng lực không tràn nước không cần bộ phận tiêu năng.
Nhận xét: đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bê tông trọng lực không
tràn có nhiệm vụ khác nhau nên yêu cầu về kích thước, cấu tạo, chất liệu và các bộ
phận đi kèm cũng khác nhau. Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ổn định cả khi
không có nước tràn qua và có nước tràn qua nhưng đập bê tông không tràn thì mới
chỉ xét đến khả năng chịu tải khi không có nước tràn qua. Do ảnh hưởng xấu của
biến đổi khí hậu, trong một số năm gần đây, qui luật của tự nhiên có nhiều thay đổi.
Thiên tai bất thường xảy ra ở nhiều nơi. Hiện tượng đập phải làm việc vượt qua chỉ
tiêu thiết kế ( như đập Hố Hô - Hà Tĩnh bị tràn nước).
Hiện tượng tràn nước qua đập bêtông không tràn ảnh hưởng đến ổn định đập
như thế nào? Nội dung luận văn này nghiên cúc để làm rõ câu hỏi này.
1.4. Ổn định đập bê tông trọng lực:
1.4.1. Yêu cầu ổn định đối với đập bê tông trọng lực:
a) Yêu cầu chung:

- Dưới tác động của các tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn
các điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và an toàn về cường độ nền.
- Ứng suất phát sinh ở đập và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế
của vật liệu làm đập hoặc đá nền.
b) Yêu cầu riêng với đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không tràn
- Khác với đập không tràn: đập tràn nước ngoài các yêu cầu chung còn phải
xét an toàn cho mặt tràn, tiêu năng ở hạ lưu đảm bảo không xói để không ảnh hưởng
đến ổn định của đập.
1.4.2. Các hình thức mất ổn định của đập bê tông trọng lực:
a. Hình thức mất ổn định tổng thể:


8

- Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đáy đập tiếp xúc với nền hay mặt
phẳng đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu
vào nền). Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt
phân lớp là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt đi qua
đá nguyên khối. Tùy theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền mà mặt trượt có
thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lưu).
- Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó,
thường là mặt đáy đập.
- Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức
chịu tải của nền.
b. Hình thức mất ổn định cục bộ:
- Dưới tác dụng của ngoại lực, các điểm trong thân đập sẽ xuất hiện ứng suất
pháp và ứng suất tiếp. Khi một bộ phận nào đó của đập (chủ yếu là ở chân mặt
thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén hoặc ứng suất cắt vượt quá
sức chịu tải của vật liệu thì vùng đó bị nứt nẻ. Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất
tập trung càng lớn ở lân cận và vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần,

ứng suất càng tăng, đến một lúc nào đó vượt quá giới hạn nhất định công trình sẽ bị
phá hoại. Trong trường hợp này từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại toàn đập bê
tông.
1.4.3. Phân tích ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực:
Thực tế thiết kế ở nước ta, khi tính toán đập bêtông trọng lực người tư vấn thường
dùng hai phương pháp, đó là:
- Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn ( theo hệ thống TC Nga Việt)
- Phương pháp cân bằng giới hạn ( theo hệ thống TC Mỹ)


9

1.4.3.1. Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn.
a. Những luận điểm cơ bản:
Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là việc sử dụng một nhóm các hệ số
an toàn mang đặc trưng thống kê như: hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm
việc, hệ số tin cậy, hệ số lệch tải, hệ số an toàn vật liệu,…nhóm các hệ số này thay
thế cho một hệ số an toàn chung.
Công trình và nền được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng không
còn khả năng chống lại các tải trọng và tác động từ bên ngoài hoặc bị hư hỏng, biến
dạng quá mức, không còn thỏa mãn được các yêu cầu khai thác bình thường.
Có 2 nhóm trạng thái giới hạn cơ bản là:
- Trạng thái giới hạn thứ nhất: Công trình và nền làm việc trong điều kiện bất
lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ thống công trình –
nền; độ bền chung của nền và công trình; độ bền chung của các bộ phận mà sự hư
hỏng của chúng khiến cho việc khai thác công trình bị ngưng trệ; các tính toán ứng
suất, chuyển vị của các kết cấu bộ phận mà độ bền, ổn định của công trình phụ
thuộc vào chúng,…
- Trạng thái giới hạn thứ hai: Công trình, kết cấu và nền làm việc bất lợi
trong điều kiện bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính

toán về hạn chế chuyển vị, biến dạng; sự tạo thành và mở rộng vết nứt; sự phá hoại
độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chưa được xem xét ở trạng
thái giới hạn thứ nhất.


10

b. Sơ đồ tính
(a)

(b)

N

N1
G

G
d

a

T

b

n2
a

c

b

n3

Hình 1.5 Sơ đồ tính ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực
Trong đó: G là tổng áp lực thẳng đứng tác dụng lên đập
N là tổng áp lực ngang tác dụng lên đập
T là lực ma sát giữa đập và nền.
Tính toán kiểm tra ổn định lật được tiến hành với mép hạ lưu đập. Với nền
đập bê tông thông thường là đá thì thường mặt trượt có dạng trượt phẳng, mặt trượt
có thể nằm ngang hoặc nghiêng về phía thượng, hạ lưu (hình a). Khi nền có địa chất
phức tạp hoặc có lớp đá có thể trượt thì cần kiểm tra thêm khả năng trượt hỗn hợp
(hình b).
c. Các tải trọng và tổ hợp tải trọng:
Các tải trọng tính toán bao gồm các tải trọng và tác động thường xuyên đến
công trình như: trọng lượng bản thân và thiết bị đặt phía trên, áp lực nước, đất, áp
lực thấm,…các tải trọng tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn như: áp lực bùn cát, tác
động nhiệt, áp lực sóng, gió, vật nổi,… và các tải trọng đặc biệt như: áp lực nước
khi thượng lưu ở mực nước lũ, áp lực thấm khi thiết bị thoát nước bị hỏng, tải trọng
tăng thêm khi có động đất, tác động nhiệt bất thường,…


11

Tổ hợp tải trọng gồm hai loại tổ hợp chính là tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ
hợp tải trọng đặc biệt. Tổ hợp tải trọng cơ bản gồm các tải trọng và tác động thường
xuyên, tạm thời dài hạn, ngắn hạn mà đập có thể tiếp nhận cùng lúc. Tổ hợp tải
trọng đặc biệt gồm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp cơ bản nhưng một
vài trong số đó được thay thế bằng tải trọng đặc biệt.
d. Tiêu chuẩn an toàn:

- Công thức tính:
Đập và nền đảm bảo điều kiện an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo
trạng thái giới hạn phải thỏa mãn điều kiện:
nc N tt ≤

m
R
Kn

Trong đó: N tt là tải trọng tính toán tổng quát ( lực, mô men, ứng suất, biến
dạng,..), R là sức chịu tải tổng quát.
Áp dụng với 3 bài toán:
*. Kiểm tra ổn định trượt:
Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: K =

R
≥ [K ]
Q

Trong đó: R là tổng các lực chống trượt của đập: R = P.tgϕ + C.L ,
P là tổng hợp các lực chiếu lên phương pháp tuyến với mặt trượt.,
C là lực dính đơn vị của nền,
L là chiều dài mặt trượt
Q là tổng hợp các lực gây trượt tác dụng lên đập ( theo phương song song
với mặt trượt).


12

[K] là hệ số an toàn chống trượt cho phép.

*. Kiểm tra ổn định lật:
Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: K =

M CL
≥ [K ]
M GL

Trong đó: M CL là tổng mô men các lực chống lật
M GL là tổng mô men các lực gây lật
[K] hệ số an toàn chống lật cho phép.
*. Kiểm tra ứng suất theo biên thượng lưu:
Điều kiện an toàn: Ứng suất biên thượng lưu đập phải thỏa mãn 2 điều kiện:
σ ≤ [σ ]

σ > 0

- Mép thượng lưu không xuất hiện ứng suất kéo
- Ứng suất nén tại mép thượng lưu nhỏ hơn ứng suất nén cho phép của vật liệu.
1.4.3.2 Phương pháp tính toán theo trạng thái cân bằng giới hạn ( Tiêu chuẩn Mỹ
EM 1110-2-2200 và EM 1110-2-2100)
a. Luận điểm cơ bản:
Dưới tác động của các tải trọng, đập phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Ổn định chống lật ở mặt phẳng bất kỳ, mặt phẳng đáy đập, mặt phẳng dưới đáy.
- Ổn định chống trượt ở mặt phẳng ngang, mặt phẳng giữa đập và nền, mặt
trượt sâu dưới nền.
- Ứng suất phát sinh trong đập va nền không vượt quá ứng suất cho phép.


13

Các tính toán kiểm tra đặc biệt chú ý những mặt cắt biến đổi, nơi có tải trọng
tập trung, xung quanh lỗ khoét hầm, mái thượng hạ lưu,…
b. Sơ đồ tính:
- Trường hợp trượt phẳng:

Hình 1.6 Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng theo tiêu chuẩn Mỹ
Mặt trượt tính toán là phần tiếp giáp giữa chân đập và nền.
Trong đó: W là tải trọng bản thân của đập, H là áp lực ngang, U là áp lực
thấm dưới nền, N là phản lực nền.
- Trường hợp trượt sâu:

H L3
V1
U1

V2

W1
T 1 P1 P1

N1

U2

H R3

W3

W2
P2

P2

P3

T2
N2

W5

W4
P4

P3
T4

T3

U4
U3

P4

N4

N3

Hình 1.7 Sơ đồ tính ổn định trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ

T5

U5

N5


14

Khi phân tích ổn định đập có mặt trượt sâu dưới nền, các khối trượt và chống
trượt được chia thành từng thỏi (theo phương pháp phân thỏi).
c. Tải trọng và tổ hợp tải trọng:
* Các tải trọng tác dụng được tính phù hợp với trường hợp tính toán
- Trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt trong đập.
- Áp lực nước thượng hạ lưu đập
- Áp lực đẩy ngược
- Áp lực đất và bùn cát
- Nhiệt độ
- Lực động đất
- Lực gió
- Áp lực chân không phát sinh trong dòng chảy qua đập
- Áp lực sóng
- Phản lực nền
- Lực do va đập vật nổi, băng trôi.
* Tổ hợp tải trọng:
Gồm 9 tổ hợp tải trọng như sau:
- Tổ hợp 1: Tải trọng bình thường
- Tổ hợp 2: Đập xây dựng xong, thượng hạ lưu chưa có nước.
- Tổ hợp 3: Vận hành không bình thường
- Tổ hợp 4: Không bình thường- tháo lũ

15

- Tổ hợp 5: Động đất cơ sở
- Tổ hợp 6: Động đất
- Tổ hợp 7: Tải trọng động đất lớn nhất
- Tổ hợp 8: Tháo lũ lớn nhất ( lũ cực hạn)
- Tổ hợp 9: Tổ hợp sau động đất
d. Tiêu chuẩn an toàn
- An toàn chống lật căn cứ vào vị trí của hợp lực, chỉ số tính toán là tỷ số
giữa tổng mô men của các lực thẳng đứng và nằm ngang lấy với chân đập trên tổng
các lực thẳng đứng.
R=

∑M
∑V

Khi chỉ số tính toán nằm ngoài 1/3 phần giữa tiết diện, không thỏa mãn điều
kiện chịu nén.
- Phân tích an toàn chống trượt.
+ Với trường hợp trượt phẳng: hệ số ổn định tính theo phương pháp cân bằng
giới hạn là tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượt với ứng suất phát sinh
trên mặt trượt như công thức sau:
K=

τ f σtgφ + c
=
τ
τ

Trong đó: τ f = σtgφ + c theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Couloml

Khi tính toán trên toàn bộ mặt trượt, hệ số ổn định là tỷ số giữa lực cắt giới
hạn lớn nhất T f và lực cắt phát sinh trên mặt trượt T


16

K=

Tf
T

=

Ntgφ + CL
T

Yêu cầu: K ≥ [K]
+ Với trường hợp trượt sâu:
Tính theo phương pháp phân thỏi:
K=

{[(Wi + Vi ) cos α + ( H Li − H Ri ) sin α + ( Pi −1 − P i ) sin α i − U i ]tgφ + C i li }
[( H Li − H Ri ) cos α i + ( Pi −1 − Pi ) cos α i − (Wi + Vi ) sin α i

Trong đó:
i: là thứ tự của phần tử
P i-1 – P i : là tổng các lực theo phương ngang
W i : là tổng trọng lượng nước, bùn cát, đá, bê tông tại phần tử tính toán
V i : là lực thẳng đứng của kết cấu bê tông tác dụng trên phần tử tính toán
(nếu có).

φ = tgφ/F s
Góc α :là góc giữa mặt trượt và phương ngang
U i : là áp lực đẩy ngược tác động lên đáy phần tử
H li và H ri là lực tác động lên phía trái hoặc phía phải đập hoặc nền
L i : chiều dài theo mặt trượt của từng phần tử
Để tính ổn đinh đập theo theo tiêu chuẩn thiết kế đập BTTL EM1110 – 2 –
2002 ở đây ta đi xác định hệ số FS cho đập sau đó đi kiểm tra xem hệ số đó có đảm
bảo an toàn về trượt và lật không.


17

Để tính FS trong bài toán mặt trượt phức hợp này ta đi giả thiết các giá trị FS
sau đó tính tổng ∆P (tổng các phản lực theo phương ngang của các thỏi). Vẽ đồ thị
quan hệ giữa FS ~ ∆P. giá trị FS ứng với ∆P = 0 chính là giá trị FS cần tìm (đây
chính là hệ số ổn định trượt và lật của công trình)
So sánh hệ số này với hệ số ổn định nhỏ nhất của công trình:
Nếu FS < [FS] công trình mất ổn định cần có giải pháp gia cố bảo vệ thích hợp
Nếu FS > [FS] công trình đảm bảo ổn định.
1.5. Sự cố đập bê tông trọng lực:
1.5.1 Sự cố đập bê tông trọng lực trên thế giới
Đập Austin được xây dựng ở phía bắc thị trấn Johnstown, bang
Pennsylvania, Hoa Kỳ . Đập có kết cấu bê tông trọng lực chiều cao 15m, dày 9,8m
được xây từ 12200 m2 bê tông tạo thành hồ chứa với dung tích 750000 m3 nước.
Ngày 17 tháng 1 năm 1910, mưa lớn kết hợp với tan băng tạo thành lũ lớn đột ngột
uy hiếp thân đập. Nước tràn qua đỉnh đập, qua các vêt nứt trên thân và vai đập. Các
vết nứt càng mở rộng và gây trượt đập xuống hạ lưu. Hậu quả của sự cố đập Austin
làm 78 người chết, và làm ngập thị trấn phía hạ lưu.

Hình 1.8 Vết tích còn lại của đập Austin

18

Sự cố đập Vajont là một trong các sự cố ít thấy ở các đập cao bằng bê tông
trên thế giới. Đập Vajont được hoàn thành năm 1959, chắn ngang thung lũng sông
Vajont tại Monte Toc, cách Venice, Italy 100km về phía bắc. Đây là một trong
những đập vòm cao nhất thế giới, chiều cao đập là 262m, chiều rộng đáy 27m,
chiều rộng đỉnh 3.4m. Khi xây dựng các nhà thiết kế đã không chú ý đến sự bất ổn
của địa chât khu vực Monte Toc. Một trận lở đất lớn xảy ra năm 1963 trong lòng hồ
đã tạo nên một cột sóng lớn chạy về phía đập. Cột nước cực lớn do vụ trượt lở đất
đã tràn qua đỉnh đập, áp lực lớn đột ngột lên công trình và gây lũ lụt lớn bất ngờ cho
vùng hạ lưu. Lũ lụt đã quét qua và phá hủy toàn bộ nhiều ngôi làng trong thung lũng
hạ lưu đập, thống kê được số người chết trong trận lũ là 2000 người. Ngày 12 tháng
2 năm 2008, trong cuộc hội thảo báo cáo Năm Trái Đất, Unesco đã ví dụ sự cố đập
Vajont như một trong những bi kịch tồi tệ nhất đã được cảnh báo và là thất bại nặng
nề của các nhà địa chất và kỹ sư thiết kế.

Hình 1.9 Hình ảnh đập Vajont và hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont


19

Hình 1.10 Hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont sau trận lũ.
Đập Sweetwater chắn ngang sông Sweetwate, hạt San Diego, bang
California, Hoa Kỳ. Đây là đập dạng vòm bêtông trọng lực có chiều cao 33m, chiều
dài 210m, chiều rộng trên đỉnh là 7,6m, dưới chân rộng14m, tạo thành hồ chứa có
dung tích 34,6 triệu m3. Đập được xây dựng vào năm 1888 với nhiệm vụ cấp nước
tưới cho khu vực đồng bằng ven biển và nước sinh hoạt cho thành phố San Diego.
Mùa xuân năm 1916, mưa bão quét vào khu vực Nam California, các sông suối

trong vùng dâng lên rất cao, nhiều cây cầu bị cuốn trôi. Mực nước sông Sweetwater
dâng cao vượt qua đỉnh đập 1,1m, dòng nước lũ tràn qua đỉnh đập và gây xói lở hạ
lưu, hai vai đập. Hậu quả dòng lũ cuốn trôi hơn 4500km đường sắt, đường ống nước
và điện lực.


20

Hình 1.11 Nước tràn qua đỉnh đập Sweetwater
Hiện tượng mực nước thượng lưu dâng cao đột ngột vượt quá cao trình đỉnh
đập gây ra sự cố xói lở và nặng hơn là vỡ đập cũng đã xảy ra với nhiều đập trên thế
giới như là đập Mc Donald, bang Texas, Hoa Kỳ, đập Dehil, bang Iowa, Ấn Độ, đập
Lauren Run, Pennsylvania, Hoa Kỳ,…cho thấy đây cũng là một hiện tượng cần xét
đến trong quá trình thiết kế và vận hành hồ chứa.
1.5.2 Hiện tượng đập không tràn bị tràn nước
Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông trọng lực tuy không phổ biến
nhưng vẫn có thể xảy ra. Khi lưu lượng nước do mưa lớn vượt tần suất thiết kế dồn
về hồ chứa nhanh, khả năng tháo của tràn không đáp ứng được hoặc do sự cố cửa
van của tràn,… mà mực nước trong hồ dâng cao vượt qua cao trình đỉnh đập. Lúc
này phần đập không tràn làm việc như một đập tràn thực sự. Một số ảnh hưởng
chính của hiện tượng này là:


21

1) Dòng chảy với lưu tốc lớn gây xói bề mặt đập.
2) Năng lượng lớn của dòng chảy do không có công trình tiêu năng sẽ làm
xói lòng dẫn và bờ hạ lưu đập.
3) Đập phải làm việc ở trạng thái vượt tải: áp lực nước thượng lưu tăng cao,
áp lực đẩy nổi, áp lực thấm tăng, áp lực thủy động do dòng chảy trên mặt đập gây

ra, rung động do áp lực động của dòng nước, nếu xuất hiện hố xói ở chân đập sẽ
làm mất khối đất chân hạ lưu chống trượt,…
Đập không tràn nước được tính toán thiết kế chỉ với nhiệm vụ chắn lượng
nước trong hồ chứa chứ chưa xét đến khả năng hoạt động bình thường trong trường
hợp bị tràn nước: Cấu tạo mặt đập tràn nước được thiết kế để tháo nước mà không
bị xói, xâm thực và đảm bảo ổn định khi dòng nước có lưu tốc lớn chảy qua, hạ lưu
công trình tháo cũng được tính toán thiết kế để tiêu tán hết nguồn năng lượng thừa
của dòng nước.
1.5.3 Sự cố đập bê tông trọng lực ở Việt Nam:
Ở Việt Nam các sự cố đập bê tông trọng lực cũng xảy ra với nhiều nguyên
nhân và mức độ khác nhau. Sự cố đập do mưa lũ gây tràn nước qua đỉnh đập bê
tông mới xuất hiện trên đập Hố Hô, Hà Tĩnh tháng 9 và tháng10 năm 2010 vừa qua.
Nhà máy Thuỷ điện Hố Hô có mức đầu tư xây dựng hơn 257 tỷ đồng, do
Công ty cổ phần Đầu tư và Phát triển điện miền Bắc I làm chủ đầu tư. Theo thiết kế,
nhà máy này gồm 2 tổ máy có tổng công suất 13MW, dung tích hồ chứa 38 triệu
m3, diện tích lưu vực lòng hồ 265,26ha.
Ngày 3/10, nước lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh nhưng nhà máy này không
mở được cống thoát nước khiến nước lũ tràn qua cửa đập cao gần 2m (so với cao
trình 72m). Hậu quả là hàng trăm hộ dân vùng lòng hồ thuộc xã Hương Lâm,
Hương Liên thuộc huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) bị ngập chìm, tổn thất nặng nề
(riêng về người có 2 người chết).


22

Hình 1.12 Nước tràn qua đỉnh đập Hố Hô
Dòng nước tràn qua đỉnh đập với năng lượng lớn đã làm xói một phần hạ lưu
của đập, đe dọa đến sự an toàn của đập và nhà máy thủy điện.

23

Hinh1.13 Sạt lở hạ lưu công trình thủy điện Hố Hô
Hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập Hố Hô vừa qua là một bài học cho chúng
ta về cả nhiệm vụ khảo sát, thiết kế, quản lý vận hành hồ chứa sao cho đảm bảo an
toàn trước các nguy cơ thiên tai lũ lụt bất thường sau này. Riêng với người thiết kế,
tính toán mức độ an toàn của công trình với các trường hợp sự cố xảy ra là yêu cầu
cấp thiết, có tính quyết định để bố trí các phương án giải quyết tình huống.
1.6. Sự cần thiết phải nghiên cứu:
Đập bê tông trọng lực là loại đập được sử dụng phổ biến ở các dự án thủy
lợi, thủy điện. Đập là một kết cấu bê tông khối lớn duy trì ổn định nhờ trọng lượng
của khối bê tông và liên kết giữa đập với nền. Dưới tác dụng của ngoại lực, đập có
thể bị trượt hoặc lật.
Theo nhiệm vụ, đập bê tông trọng lực được chia thành hai loại: đập tràn nước
và đập không tràn nước. Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ổn định cả khi có
nước tràn qua và không có nước tràn qua. Khi có hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập
thì đập phải làm việc quá tải.


24

Hiện tượng mưa lũ vừa qua ở các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình đã
gây ra lũ lụt nặng nề. Công trình thủy điện Hố Hô, Hà Tĩnh đã bị sự cố cửa van
khiến nước tràn qua đỉnh đập. Yêu cầu đặt ra là mức độ an toàn của đập sẽ như thế
nào và sau sự cố đập còn khả năng làm việc như thế nào? Luận văn tập trung đi sâu
vào vấn đề này.
1.7. Kết luận chương 1:
Đập là một công trình quan trọng mang lại nhiều lợi ích đa ngành như cấp
nước, phát điện, phòng lũ vì vậy đập đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều
trên thế giới. Đập có nhiệm vụ chắn một lượng nước lớn ở thượng lưu nên luôn chịu

áp lực lớn. Để đảm bảo an toàn cho đập và hạ lưu thì cần kiểm tra khả năng chịu tải
của đập ở nhiều điều kiện khác nhau.
Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông không tràn là một hiện tượng ít
gặp nhưng cũng đã xảy ra. Khi dòng nước dâng cao tràn qua đập không tràn thì lúc
này đập không tràn làm việc như một đập tràn tạm thời. Đập phải chịu nhiều điều
kiện bất lợi cả về chịu lực cũng như thủy lực đập tràn, xói lở hạ lưu nhưng chưa
được xét đến trong thiết kế. Yêu cầu đặt ra đối với các nghiên cứu trong luận văn là:
phải tính toán kiểm tra lại khả năng ổn định của đập khi xảy ra sự cố và sau khi có
sự cố đập có đảm bảo làm việc bình thường về các mặt sau:
(1) Ổn định tổng thể trong điều kiện bất lợi đã hình thành hố xói ở hạ lưu ?
(2) Bề mặt đập có bị xói không ?
(3) Có khả năng mất ổn định cục bộ ?
Hiện nay có hai hệ thống tiêu chuẩn để tính toán ổn định của đập bê tông, đó
là hệ thống tiêu chuẩn Nga – Việt và hệ thống tiêu chuẩn Mỹ. Việc áp dụng tính
toán ổn định đập theo tiêu chuẩn nào cũng nhằm mục đích tính toán sát với thực tế
và đảm bảo sự an toàn của đập. Vì vậy luận văn áp dụng cả hai tiêu chuẩn để kiểm
tra điều kiện an toàn của công trình.