“Nghiên cứu bố trí vật liệu hợp lý đập bê tông trọng lực trên nền đá phong hóa”

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài
“Nghiên cứu bố trí vật liệu hợp lý đập bê tông trọng lực trên nền đá phong hóa”
được hoàn thành với kết quả còn nhiều khiêm tốn, tác giả hy vọng đóng góp được
một phần nhỏ bé cho việc nghiên cứu, thiết kế xây dựng các công trình Thủy lợi Thủy điện ở nước ta.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Thủy công,
Thi công, Khoa sau đại học, Khoa công trình - Trường đại học Thủy lợi, Viện đào
tạo và Khoa học ứng dụng miền trung đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá
trình học tập và thu thập các tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật, đóng góp nhiều ý
kiến quý báu cho bài luận văn.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn
Hạnh đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và chỉ bảo tác giả trong quá trình học
tập và hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận
văn.
Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô giáo
và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn!

Hà nội, tháng 3 năm 2012
Tác giả


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan

Mục lục
Danh mục hình vẽ
Danh mục bảng biểu
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................ 1
2. Mục đích của đề tài....................................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 3
5. Kết quả đạt được ........................................................................................................... 3
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đặc điểm địa chất nền công trình và tình hình
xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới và ở nước ta
1.1. Đặc điểm của nền đá.................................................................................................. 4
1.2. Các chỉ tiêu cơ lý của nền .......................................................................................... 4
1.3. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới ............................................ 6
1.4. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam ............................................ 7
1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 9
Chương 2: Lý luận cơ bản về thiết kế mặt cắt đập
2.1. Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực ......................................................... 11
2.2. Cơ sở tính toán mặt cắt ............................................................................................ 11
2.2.1. Điều kiện ổn định .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Điều kiện cường độ ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Điều kiện kinh tế ........................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4. Điều kiện sử dụng ......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Ảnh hưởng của nền đá phong hóa đến mặt cắt đập ................................................. 13
2.4. Một số đập bê tông tông ở Việt Nam xây dựng trên nền đá phong hóa .................. 14
2.5. Tính toán mặt cắt cơ bản theo hai điều kiện ổn định và ứng suất ........................... 15
2.5.1. Cơ sở lý thuyết của bài toán xác định mặt cắt đập cơ bản theo hai điều kiện ổn
định và ứng suất ....................................................................... Error! Bookmark not defined.

2.5.1.1. Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ứng suất .......... Error! Bookmark not
defined.

2.5.1.2. Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt .. Error! Bookmark not
defined.

2.5.2. Kết quả tính toán mặt cắt cơ bản theo hai điều kiện ổn định và ứng suất. ......Error!
Bookmark not defined.

2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 22
Chương 3: Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính ứng suất trong đập bê tông
trọng lực
3.1. Nội dung tính toán ................................................................................................... 23
3.2. Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính .............................................................. 23
3.2.1. Phương trình cân bằng tĩnh Navier ............................. Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Phương trình hình học Cauchy ..................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Điều kiện tương thích về biến dạng - Phương trình Saint VenantError! Bookmark
not defined.

3.2.4 Quan hệ giữa ứng suất - Biến dạng - Định luật R.HookeError!

Bookmark

not

defined.

3.3. Lựa chọn phương pháp giải bài toán ứng suất ........................................................ 27
3.3.1. Các phương pháp tính ứng suất đập bê tông trọng lựcError!

Bookmark

not

defined.

3.3.1.1. Phương pháp sức bền vật liệu ................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1.2 Xác định ứng suất trong thân đập theo phương pháp chia lưới.. Error! Bookmark
not defined.

3.3.1.3. Phương pháp Lý thuyết đàn hồi ............................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1.4. Phương pháp sai phân hữu hạn ................................ Error! Bookmark not defined.
3.3.1.5. Phương pháp Phần tử hữu hạn.................................. Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Lựa chọn phương pháp giải ......................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2.1. Nội dung của phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất biến dạng
đập bê tông trọng lực ............................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2.2. Tính toán kết cấu với mô hình tương thích ............. Error! Bookmark not defined.
3.3.2.3. Cách giải hệ phương trình cơ bản của phương pháp Phần tử hữu hạn.........Error!
Bookmark not defined.


3.3.3. Chương trình tính toán.................................................. Error! Bookmark not defined.
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................... 50
Chương 4: Ứng dung tính toán ứng suất mặt cắt cơ bản đập bê tông
4.1. Các phương án tính toán và chỉ tiêu kỹ thuật .......................................................... 51
4.2. Kiểm tra ứng suất cho mặt cắt cơ bản dạng tam giác theo phương pháp Sức bền vật
liệu và Phần tử hữu hạn ................................................................................................. 51
4.3. Kiểm tra ứng suất cho mặt cắt thực dụng theo phương pháp Sức bền vật liệu và
Phần tử hữu hạn .............................................................................................................. 65
4.4. Kết luận chương 4 ................................................................................................... 84

Chương 5: Ứng dụng vào tính toán thiết kế công trình hồ chứa suối nước ngọt
5.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của công trình, các chỉ tiêu tính toán của địa chất nền và
vật liệu làm đập............................................................................................................... 85
5.1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của công trình ................... Error! Bookmark not defined.
5.1.2. Các chỉ tiêu tính toán của địa chất nền và vật liệu làm đậpError! Bookmark not
defined.

5.2. Phân vùng vật liệu và tính toán lại ứng suất theo phương pháp PTHH .................. 87
5.4. Kết luận chương 5 ................................................................................................... 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………..100
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………….101


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2-1: Sơ đồ tính toán mặt cắt cơ bản đập dạng tam giácError!

Bookmark

not

defined.
Hình 2-2: Quan hệ f và B theo điều kiện ổn định tại H1, H2, H3 Error! Bookmark not
defined.
Hình 2-3: Quan hệ f và B theo điều kiện ổn định và ứng suất tại H1Error!

Bookmark

not defined.
Hình 2-4: Quan hệ f và B theo điều kiện ổn định và ứng suất tại H2Error!

Bookmark

not defined.
Hình 2-5: Quan hệ f và B theo điều kiện ổn định và ứng suất tại H3Error!

Bookmark

not defined.
Hình 3-1. Ứng suất trên các mặt phân tố ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3-2: Sơ đồ các lực tác dụng lên đập...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3-3: Sơ đồ xác định các loại ứng suất ở biên ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3-4: Sơ đồ xác định ứng suất chính ở biên ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 3-5: Sơ đồ vòng tròn Mo ứng suất tại 1 điểm........ Error! Bookmark not defined.
Hình 3-6: Sơ đồ tính toán dạng hình nêm vô hạn........... Error! Bookmark not defined.
Hình 3-7: Sơ đồ tính toán ứng suất theo lý thuyết đàn hồiError!

Bookmark

not

defined.
Hình 3-8: Sơ đồ tính toán ứng suất khi mặt đập chịu tải trọng phân bố đều…………...35
Hình 3-9: Sơ đồ tính toán ứng suất khi đập chịu tác dụng của mô men M ở đỉnh gây ra

........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3-10: Sơ đồ tính toán ứng suất khi đập chịu lực tập trung và mô men đặt tại đỉnh…37
Hình 3-11: Sai phân lùi................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3-12: Sai phân hóa phương trình vi phân .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3-13: Sơ đồ giải toán theo phương pháp PTHH .... Error! Bookmark not defined.

Hình 3-14: Sơ đồ khối của chương trình SIGMA/W ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 4-1: Sơ đồ tính toán vị trí ứng suất mặt cắt cơ bản Error! Bookmark not defined.
Hình 4-2 đến 4-7: Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập (CD) mặt cắt cơ bản ....... Error!
Bookmark not defined.-60


Hình 4-8 đến 4-13: Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt cách đáy đập 1/3H (C1D1) mặt cắt cơ
bản ............................................................................. Error! Bookmark not defined.-63
Hình 4-14: Sơ đồ tính toán vị trí ứng suất mặt cắt tràn .. Error! Bookmark not defined.
Hình 4-15 đến 4-20: Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt đáy đập (CD) mặt cắt tràn ........ Error!
Bookmark not defined.-73
Hình 4-21 đến 4-26: Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt cách đáy đập 1/3H (C1D1) mặt cắt
tràn ............................................................................. Error! Bookmark not defined.-76
Hình 4-27 đến 4-32 : Biểu đồ quan hệ ứng suất σ y tại CD của mặt cắt cơ bản với mặt
cắt tràn ....................................................................... Error! Bookmark not defined.-79
Hình 4-33 đến 4-38 : Biểu đồ quan hệ ứng suất σ y tại C1D1 của mặt cắt cơ bản với mặt
cắt tràn ....................................................................................................................... 80-82
Hình 5-1: Sơ đồ phân vùng vật liệu mặt cắt cơ bản ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 5-2: Sơ đồ phân vùng vật liệu mặt cắt tràn ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 5-3 đến 5-5: Biểu đồ ứng suất tại CD mặt cắt cơ bản trong các trường hợp TH1,
TH2, TH3................................................................... Error! Bookmark not defined.-92
Hình 5-6 đến 5-8: Biểu đồ ứng suất tại CD mặt cắt tràn trong các trường hợp TH1,
TH2, TH3................................................................................................................... 92-93
Hình 5-9 đến 5-11: Biểu đồ ứng suất tại C1D1 mặt cắt cơ bản trong các trường hợp
TH1, TH2, TH3 ........................................................ Error! Bookmark not defined.-95
Hình 5-12 đến 5-14: Biểu đồ ứng suất tại C1D1 mặt cắt tràn trong các trường hợp TH1,
TH2, TH3 ................................................................ Error! Bookmark not defined.5-96


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Sức chống nén tức thời một trục R n .............. Error! Bookmark not defined.
Bảng 1-2: Hệ số hoá mềm K m ........................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 1-3: Phân loại đá theo mức độ phong hoá của Việt NamError! Bookmark not
defined.
Bảng 1-4: Bảng thống kê số lượng đập của các châu lục Error! Bookmark not defined.
Bảng 1-5: Bảng thống kê đập bê tông cao nhất thế thới Error! Bookmark not defined.
Bảng 1-6: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt NamError! Bookmark not
defined.
Bảng 1-7: Một số đập bê tông trọng lực lớn đã và đang thi công ở nước ta ........... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2-1: Một số đập xây dựng trên nền đá phong hóa ở Việt NamError!
not defined.

Bookmark

Bảng 2-2: Dữ liệu tính toán chiều rộng đáy đập (B) ...... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2-3: Kết quả tính B theo hai điều kiện ổ định và ứng suấtError! Bookmark not
defined.
Bảng 4-1: Phương án tính toán ....................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-2: Ứng suất σ x trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương SBVL .............. Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4-3: Ứng suất σ y trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp SBVL .... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4-4: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp SBVL
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-5: Ứng suất σ x trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PTHH PAI
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-6: Ứng suất σ y trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PTHH PAI
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-7: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PTHH PAI

........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-8: Ứng suất σ x trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-9: Ứng suất σ y trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PPTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-10: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt cơ bản theo phương pháp PTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.


Bảng 4 -11: Ứng suất σ x trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp SBVL ....... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4-12: Ứng suất σ y trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp SBVL ........ Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4-13: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp SBVLError!
Bookmark not defined.
Bảng 4-14: Ứng suất σ x trên biên của trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp
PTHH PAI ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-15: Ứng suất σ y trên biên của trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp
PTHH PAI ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-16: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp PTHH PAI
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-17: Ứng suất σ x trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp PTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-18: Ứng suất σ y trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp PTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4-19: Ứng suất chính N trên biên của mặt cắt tràn theo phương pháp PTHH PAII
........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-1: Thông số kỹ thuật cơ bản............................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-2: Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu làm đập ................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-3: Chỉ tiêu cơ lý của địa chất nền....................... Error! Bookmark not defined.

Bảng 5-4: Bê tông ở các vùng trong từng trường hợp.... Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-5: Phân bố lại ứng suất σ y trên biên của mặt cắt cơ bản sau khi phân vùng vật
liệu TH2 .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-6: Phân bố lại ứng suất σ y trên biên của mặt cắt tràn sau khi phân vùng vật liệu
TH3 ................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-7: Phân bố lại ứng suất σ y trên biên của mặt cắt cơ bản sau khi phân vùng vật
liệu TH2 .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 5-8: Phân bố lại ứng suất σ y trên biên của mặt cắt tràn sau khi phân vùng vật liệu
TH3 ................................................................................. Error! Bookmark not defined.


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, mưa nhiều phân bố không
đều theo thời gian và không gian. Lượng mưa bình quân năm là 1960mm. Lượng
mưa tập trung vào tháng 3 đến tháng 6, chiếm 70%~80% lượng mưa trong năm. Các
tháng còn lại chỉ chiếm 20%~30%. Có năm, lượng mưa tháng mùa kiệt chỉ đạt 1%
lượng mưa năm. Về không gian phân bố cũng rất không đều. Có vùng như Bắc
Quang, lượng mưa bình quân năm tới 4760mm, trong khi đó Phan Rang chỉ có
650mm. Nước ta có 2360 con sông có chiều dài trên 10km. Trong đó có 9 hệ thống sông
chính và có diện tích lưu vực hơn 10.000 km2, tổng lượng dòng chảy năm là 835 tỷ m3.
Đây là nguồn tài nguyên nước dồi dào nhưng phân bố không đều cả không gian và thời
gian. Thêm vào đó ba phần tư diện tích là đồi núi, thường có dạng dải, khối kéo dài từ Bắc
vào Nam và thấp dần về phía biển. Với đặc điểm thời tiết, dòng chảy và địa hình như vậy
nên việc xây dựng các hồ chứa là hết sức cần thiết. Vì nó vừa đảm bảo cho như cầu dừng
nước trong mùa kiệt, đảm bảo nhu cầu phòng lũ và cũng là nguồn năng lượng dự trữ dồi
dào để phát điện.
Từ những năm 1960 trở lại đây chúng ta đã xây dựng rất nhiều hồ chứa. Nhưng

hầu hết các đập được xây dựng ở nước ta hiện nay đều là đập đất, đập đá đổ, đập đất
đá hỗ hợp (hay còn gọi là đập vật liệu địa phương). 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. Đập bê tông trọng lực bằng bê tông truyền thống
và bê tông đầm lăn cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hính thức ngày càng
phong phú. Đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện như: PlêiLrông, Sê San 3 và
Sê San 4, Bản vẽ, Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông... Với những ưu điểm vượt
trội của đập bê tông trọng lực như: khối lượng nhỏ hơn so với đập đất, ổn định về
mặt kết cấu, có khả năng bố trí công trình tháo lũ ngay trong thân đập, có thể phối
hợp dễ dàng với các công trình khác (tháo lũ, công trình lấy nước) và có thể xây
dựng thủy điện ngay trên thân đập. Thêm đó Việt Nam đang bước vào thời kỳ xây
dựng mà nguồn vật liệu tại chỗ ngày một hạn chế, mức độ công nghiệp hóa và kỹ


2

thuật xây dựng công trình cũng ngày càng phát triển, vì vậy xây dựng các đập bê
tông trong các dự án thủy lợi, thủy điện có xu hướng tăng lên.
Do yêu cầu xây dựng hồ chứa ngày càng nhiều, nên để tìm được nơi có địa chất
tốt như nền đá gốc không đứt gẫy, không phong hóa là rất khó. Do đó việc nghiên
cứu lựa chọn ra loại công trình phù hợp với điều kiện địa chất nền yếu tại vị trí xây
dựng là rất cần thiết.
Đập bê tông trọng lực có nhược điểm là khối lượng bê tông lớn làm cho vốn
đầu tư của dự án cao. Mặt khác đập làm việc không tận dụng được hết cường độ của
vật liệu. Vì vậy để tận dụng được hết khả năng làm việc của vật liệu, cần phải nghiên
cứu tính toán để phân vùng vật liệu hợp lý, ở những vị trí ứng suất lớn vượt quá khả
năng chịu lực cho phép của vật liệu cần phải bố trí bê tông mác cao hoặc bê tông cốt
thép để tăng cường khả năng chịu lực, ở những vùng ứng suất nhỏ thì sử dụng bê
tông có mác thấp hơn để giảm giá thành công trình.
Đề tài “Nghiên cứu bố trí vật liệu hợp lý đập bê tông trọng lực trên nền đá

phong hóa” đã phần nào làm sáng tỏ vấn đề phải ứng sử mặt cắt đập thế nào khi xây
dựng tuyến đập trên nền đá phong hóa. Từ đó bố trí vật liệu hợp lý để vừa đảm bảo
về điều kiện làm việc ổn định, điều kiện kinh tế mà vẫn không phải di chuyển tuyến
đập.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Đánh giá được ảnh hưởng của nền đá phong hóa đến ứng suất phân bố trong thân
đập bê tông trọng lực từ đó lựa chọn được mặt cắt hợp lý về hình học, tối ưu về thể
tích và đảm bảo khả năng chịu lực của vật liệu xây dựng đập. Từ đó phân vùng và bố
trí lại vật liệu trong thân đập để giảm giá thành xây dựng đập mà vẫn đảm bảo được
điều kiện ổn định.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-

Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong lĩnh vực
thiết kế đập bê tông.

-

Dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn và một số phương
pháp khác để tính toán, nghiên cứu.


3

-

Vận dụng lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn và sử dụng phần mềm
Sigma/W để tính ứng suất biến dạng

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

-

Nghiên cứu mặt cắt đập hợp lý về hình học, tối ưu về thể tích và đảm bảo tình
hình chịu lực của vật liệu xây dựng đập.

-

Phân tích ứng suất biến dạng.

-

Bố trí vật liệu trong mặt cắt đập.

5. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
-

Xác định được mặt cắt cơ bản của đập trên nền đá phong hóa.

-

Tính toán ứng suất, phân vùng ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực trên
nền đá phong hóa.

-

So sánh kết quả tính của hai phương pháp Sức bền vật liệu và phương pháp
Phần tử hữu hạn.

-

Bố trí lại vật liệu và tính toán kiểm tra ứng suất trong thân đập.


4

Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT NỀN CÔNG
TRÌNH VÀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở NƯỚC TA
1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA NỀN ĐÁ
Nền đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với các công trình xây dựng nói
chung và thủy lợi nói riêng. Nó quyết định đến quy mô, khả năng làm việc, tính ổn
định, giá thành xây dựng của công trình. Đặc biệt với công trình có quy mô lớn, như
đập bê tông, yêu cầu về nền lại cao hơn.
Đập bê tông được xây dựng trong điều kiện địa hình, địa chất đặc biệt; trạng thái
ứng suất biến dạng trong đập và nền phức tạp. Để đảm bảo ổn định công trình, hệ nền –
công trình phải đảm bảo điều kiện an toàn về sức chịu tải. Nền đá có đặc điểm cơ bản là
tính nứt nẻ, phong hoá, chứa nước và chịu tác dụng của trường ứng suất ban đầu. Việc
xây dựng đập bê tông trên nền đá phong hoá thường rất khó khăn do vậy chỉ có thể xây
dựng các đập có cột nước thấp.
Đập bê tông có thể bị phá hoại trượt theo mặt tiếp xúc giữa nền đá và đập. Đó
là do các hệ khe nứt trong khối đá, các khe nứt đã hình thành nên những mặt yếu gãy
khúc, tạo điều kiện thuận lợi cho trượt.
Trên quan điểm cơ học môi trường liên tục, đá là môi trường đặc biệt: trong
đá luôn tồn tại sự nứt nẻ. Đó chính là một trong những nguyên nhân chủ yếu làm cho
môi trường đá trở nên đa dạng, phức tạp. Nó có thể làm cho khối đá thay đổi từ môi
trường giả liên tục sang môi trường gián đoạn, từ giả đồng nhất sang môi trường bất
đồng nhất, giả đẳng hướng sang dị hướng, từ môi trường bền vững sang kém bền
vững. Do đó việc nghiên cứu đặc điểm nền đá phong hoá với công trình đập bê tông
là hết sức quan trọng.

1.2. CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA NỀN
Nền đập là đá phong hoá với công trình đập bê tông nên hai vấn đề cần được
đánh giá là cường độ chịu lực và tính thấm nước.
Đá được chia ra thành từng dạng khác nhau tuỳ thuộc vào:
- Sức chống nén tức thời một trục ở trạng thái no nước R n :


5

Bảng 1-1: Sức chống nén tức thời một trục R n
Dạng đá

Chỉ tiêu

Theo sức chống nén tức thời một trục R n (kg/cm2)
- Rất bền

R n > 1200

- Bền

1200 ≥ R n > 500

- Bền vừa

500 ≥ R n > 150

- ít bền

150 ≥ R n > 50

- Đá nửa cứng

R n ≤ 50

- Hệ số hoá mềm K m (tỷ số giữa sức chống nén tức thời một trục ở trạng thái
no nước và ở trạng thái hong khô);
Bảng 1-2: Hệ số hoá mềm K m
Dạng đá

Chỉ tiêu

Theo sức chống nén tức thời một trục R n (kg/cm2)
- Không bị mềm

K m ≥ 0.75

- Bị mềm

K m < 0.75

- Độ phong hoá K ph :
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, mức độ phong hoá của đá được đánh giá bởi hệ số
phong hoá là tỷ số giữa khối lượng thể tích khô của đá phong hoá đang xét và khối
lượng thể tích khô của đá chưa phong hoá. Phụ thuộc vào hệ số phong hoá và hệ số khe
rỗng thể tích, đá được chia làm 4 mức độ phong hoá: đá chưa phong hoá, đá phong hoá
nhẹ, đá phong hoá vừa và đá phong hoá mạnh.
Bảng 1-3: Phân loại đá theo mức độ phong hoá của Việt Nam
Mức độ phong hoá

Hệ số phong hoá, K ph *

Hệ số khe rỗng, K kr **

Phong hoá mạnh (đá mác nơ):
đá nằm thành từng đống vụn rời

K ph < 0,8

<5

Phong hoá: đá nằm thành từng
đám bị nứt nẻ

0,8 ≤ K ph < 0,9

2÷5

Phong hoá nhẹ: đá nằm thành
từng tảng, không bị dịch chuyển

0,9 ≤ K ph < 1,0

1÷2

Không phong hoá: đá nằm
thành từng khối liên tục

K ph = 1,0

<1


6

* K ph =

γ cph
; trong đó: γ cph , γ ct là các khối lượng thể tích khô của đá phong hoá đang
γ ct

xét và khối lượng thể tích khô của đá không phong hoá.
** Kkr =

Vkr
; trong đó Vkr – Tổng thể tích của các khe rỗng trong thể tích khối đá V.
V

Đánh giá theo độ phong hoá K ph bằng cách so sánh trọng lượng thể tích của
mẫu đá đã bị phong hoá ở điều kiện tự nhiên với trọng lượng thể tích của mẫu đá
chưa bị phong hoá (nguyên khối).
1.3. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN THẾ GIỚI

Cách đấy 4000 năm ở Trung Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện những công
trình Thủy lợi. Đập được xây dựng đầu tiên là đập xây dựng trên sông Nile cao 15m,
dài 450m có cốt là đá đổ đất sét.
Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm
48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ có 6.575 đập. Đứng hàng thứ ba là Ấn
Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có
1.196 đập. Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao

nhất thế giới.
Bảng 1-4: Bảng thống kê số lượng đập của các châu lục
Tên châu lục

TT

Số lượng

Tỷ lệ

31.34

Chiếm 69,6%

8.01

Chiếm 17,8%

Tây Âu

4.227

Chiếm 9,4%

4

Đông Âu

1.203

Chiếm 2,7%

5

Châu Phi

1.2

Chiếm 2,6%

6

Châu Đại Dương

577

Chiếm 1,2%

1

Châu Á

2

Bắc + Trung Mỹ

3

Theo thống kê về thể loại đập của ICOLD-1986 cho thấy 78% là đập đất, đập
đá đổ là 5%, đập bê tông trọng lực 12%, đập vòm chỉ có 4%. Trong số các đập có

chiều cao hơn 100m thì tình hình lại khác, 30% là đập đất, 38% là đập bê tông,
21,5% là đập vòm. Như vậy, trong số đập cao hơn 100m thì tỉ lệ đập bê tông và đập
vòm chiếm ưu thế.


7

Bảng 1-5: Bảng thống kê đập bê tông cao nhất thế thới
TT

Tên đập

Thuộc
nước

Chiều cao Khối lượng
Năm
3
(m)
(triệu m ) hoàn thành

1

Miell

Colombia

188

1,78

2002

2

Urayma

Nhật

156

1,86

1995

3

Miyagase

Nhật

155

2,00

1995

4

Raico

Chilê

155

1,65

2003

5

TakisZawa

Nhật

140

1,80

2003

6

Sơn La

Việt Nam

139

4,00

2010

7

Bản vẽ

Việt Nam

138

1,29

2010

8

BureisKaya

LB Nga

136

3,50

2002

9

Shapai

Trung Quốc

132

0,39

2001

10

Jiangya

Trung Quốc

131

1,34

1999

11

Đồng Nai 4

Việt Nam

129

1,40

2008

12

Porce II

Colombia

123

1,45

2000

13

Gassan

Nhật

123

1,13

1998

14

Suofenying

Trung Quốc

122

0,74

2003

15

Ueno

Nhật

122

0,72

2000

1.4. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM

Thời kỳ trước những năm 30 của thế kỷ 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 5m đến
10m, chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản thi công nhanh bằng thủ
công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trù 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 các
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 năm 1930 đến năm 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta
một số đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, 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…


8

Bảng 1-6: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam
(Giai đoạn trước năm 1945)
TT

Tên đập

Địa điểm xây dựng

Năm xây dựng

Kết cấu

1902

Bê tông

1914-1917

Bê tông

1920

Bê tông

1

Cầu Sơn

Sông Thương – Bắc Giang

2

Liễu Sơn

Sông Phó Đáy

3

Bái Thượng

Sông Chu – Thanh Hóa

4

Thác Huống

Sông Cầu – Thái Nguyên

1922-1929

Bê tông

5

Đồng Cam

Sông Đà Rằng – Phú Yên

1925-1929

Bê tông

6

Đô Lương

Sông Cả - Nghệ An

1934-1937

Bê tông

7

Đập Đáy

Sông Đáy – Hà Tây

1934-1937

Bê tông

Giai đoạn từ năm 1945 đến năm 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 trong 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… Kỹ thuật và công
nghệ xây dựng ở phía Bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía Nam
là 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: PleiKrong, Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ,
Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông… và đập tràn ở các 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 70-138m. 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.
Một trong những kỹ thuật và công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang áp
dụng thành công hiện nay là đập bê tông đầm lăn.


9

Bảng 1-7: Một số đập bê tông trọng lực lớn đã và đang thi công ở nước ta

1
2
3
4
5
6

7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

Chiều cao

Năm dự kiến
hoàn thành

Quảng Nam
Lào Cai
Lai Châu
Nghệ An
Thừa Thiên- Huế
Thừa Thiên- Huế
Bình Định
Quảng Ngãi

Đắc Nông
Đắc Nông
Nghệ An
Sơn La
Lai Châu
Sơn La
Kon Tum
Gia Lai
Sơn La
Quảng Ngãi
Quảng Nam
Quảng Ngãi
Kon Tum

70
100
70
138
75
70
54
100
110
129
130
75
80
138
95
50

100
-

2008
2008
2010
2007-2008
2008
2007
2008
2008
2010
2012
2013
2007-2008
2009
2010-2012
2010
2010
2009

Thanh Hóa

85

2011

Tên đập

STT

A Vương
Bắc Hà
Bản Chát
Bản Vẽ
Bình Điền
Cổ Bi
Định Bình
Đa Rinh
Đồng Nai 3
Đồng Nai 4
Hủa Na
Huội Quảng
Lai Châu
Nậm Chiến
Pleikrông
Sê San 4
Sơn La
Sông Bung 2
Sông Côn 2
Sông Tranh 2
Thượng Kon Tum
Trung Sơn
(Bản Uôn)

Địa điểm

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Từ những phân tích ở trên ta nhân thấy:
1) Nước ta đang bước vào thời kỳ phát triển vì vậy hoạt động đầu tư xây dựng

tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là các dự án thủy lợi, thủy điện được
đầu tư xây dựng ngày càng lớn về số lượng, quy mô và mức độ phức tạp.
2) Xu hướng xây dựng đập bê tông trong các dự án thủy lợi, thủy điện ngày
một tăng lên.


10

3) Do yêu cầu xây dựng hồ chứa ngày càng nhiều, nên để tìm được nơi có địa
chất tốt như nền đá gốc không đứt gẫy, không phong hóa là rất khó.
Do đó cần phải nghiên cứu, tính toán mặt cắt đập đảm bảo được điều kiện ổn
định và ứng suất khi xây dựng trên nền địa chất yếu (Chi tiết xem chương 2)

.


11

Chương 2
LÝ LUẬN CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MẶT CẮT ĐẬP
2.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
Đập là loại kết cấu chịu áp lực cột nước cao vì vậy nó cần có cấu tạo phù hợp
để đáp ứng cả về mặt chống thấm và chịu lực. Mặt khác nó chịu tác động tương tác
giữa đập với nền nên sự làm việc của đập tương đối phức tạp. Để đảm bảo an toàn
cũng như thỏa mãn các điều kiện kinh tế thì đòi hỏi phải hiểu rõ được đặc điểm làm
việc của từng loại đập để tính toán thiết kế và kết hợp với kỹ thuật xây dựng cao.
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 bản thân và độ bền chủ yếu theo khả năng chịu nén của bê
tông.

+ Đập bê tông là loại đập có thể sử dụng tràn nước và không tràn nước.
+ 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 và nền không phải là đá.
+ Thi công bằng công nghệ bê tông ướt và bê tông đầm nén (bê tông đầm lăn).
+ Đập làm việc như một kết cấu chịu nén lệch tâm theo hai chiều. Khi hồ đầy
nước lệch tâm về phía hạ lưu, hồ không có nước lệch tâm về phía thượng lưu.
2.2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN MẶT CẮT
Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực được thiết kế dạng hình thang hoặc hình
chữ nhật, sau này do tiến bộ kỹ thuật các đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc
đa giác. Các nghiên cứu cải tiến mặt cắt đập bê tông trọng lực không ngừng phát
triển. Mục tiêu của nghiên cứu là nâng cao an toàn và giảm khối lượng xây dựng đập.
Hình dạng mặt cắt thực tế đập bê tông trọng lực tương đối đa dạng. Trong các nghiên
cứu cũng như các tính toán thiết kế, các mặt cắt đập được quy về dạng mặt cắt tính
toán. Mặt cắt được dung phổ biến nhất trong nghiên cứu là mặt cắt dạng tam giác.
Cơ sở lý luận để tính toán mặt cắt đập là dựa trên các điều kiện:
2.2.1. Điều kiện ổn định
Đập phải đảm bảo điều kiện ổn định chống trượt:


12

Kt ≥ K cp’

(2-1)

Trong đó:
Kt -

hệ số an toàn ổn định chống trượt.

K cp - hệ số an toàn ổn định cho phép, phụ thuộc vào cấp của đập và tổ hợp tải
trọng, xác định theo tiêu chuẩn hiện hành.
Khi tính đập theo trạng thái giới hạn, trị số K cp có thể xác định theo công
thức:
K cp =

nc k c
m

(2-2)

Trong đó:
n c - hệ số tổ hợp tải trọng; n c = 1,0 với tổ hợp tải trọng cơ bản; n c = 0,9 với tổ
hợp tải trọng đặc biệt và n c = 0,95 với tổ hợp tải trọng thi công, sửa chữa;
k n - hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp công trình, tra theo tiêu chuẩn hiện hành;
m - hệ số điều kiện làm việc. Đối với đập bê tông trọng lực trên nền đá, trị số
m lấy như sau:
+ Khi mặt trượt đi qua các khe nứt trong đá nền: m = 1,0,
+ Khi mặt trượt đi qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và đá hoặc đi trong đá
nền có một phần qua các khe nứt, một phần qua đá nguyên khối:m = 0,95.
2.2.2. Điều kiện cường độ
- Ứng suất nén lớn nhất ở mép đập không được vượt quá khả năng chịu nén của
vật liệu hoặc của nền:
N1 ≤ Rn

(2-3)

Trong đó: R n - cường độ chịu nén tính toán của vật liệu hoặc nền.
- Tại mép đập, đặc biệt ở mép thượng lưu khi hồ đầy nước không cho phép phát

sinh ứng suất kéo:
N’ 2 ≥ 0

(2-4)

Trong đó: N’ 2 - ứng suất chính nhỏ nhất tại biên thượng lưu đập (ứng suất nén mang
dấu dương, còn ứng suất kéo mang dấu âm).
Trong những điều kiện nhất định, cho phép phát sinh ứng suất kéo, nhưng trị
số tuyệt đối của nó không được vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu hay nền:
N ' 2 < Rk

(2-5)


13

Trong đó: R k - cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu hay nền.
2.2.3. Điều kiện kinh tế
- Mặt cắt đập phải có diện tích nhỏ nhất sau khi đã thỏa mãn 2 điều kiện trên.
- Giá thành thấp nhất.
2.2.4. Điều kiện sử dụng
Mặt cắt đập còn cần phải thỏa mãn các yêu cầu trong sử dụng, vận hành như
cần có đường giao thông trên đỉnh đập, có đường hầm trong thân đập để đi lại kiểm
tra, sửa chữa, đặt các thiết bị quan trắc thí nghiệm, bố trí các hành lang thoát nước...
Ngoài ra, còn phải lưu ý đến việc tạo dáng kiến trúc đẹp của công trình.
Để thỏa mãn yêu cầu nêu trên, khi thiết kế mặt cắt ngang đập thường tiến hành
theo 2 giai đoạn:
1) Giai đoạn xác định mặt cắt cơ bản: dựa vào các yêu cầu ổn định, ứng suất,
kinh tế tiến hành tính toán chọn mặt cắt cơ bản của đập.
2) Giai đoạn xác định mặt cắt thực dụng: theo các yêu cầu về sử dụng như giao

thông, dẫn tháo nước, kiểm tra, sửa chữa... mà bố trí thêm các phần cấu tạo đỉnh
đập, các đường ống tháo, lấy nước trong thân đập, hệ thống đường hầm và hành lang
trong thân đập, bộ phận nối tiếp với hạ lưu của đập tràn...
3) Sau khi đã tu chỉnh, thêm bớt các bộ phận trên đập, cần tiến hành tính toán
ổn định và phân tích ứng suất tương ứng với sơ đồ bố trí vật liệu để kiểm tra điều
kiện bền của đập.
2.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NỀN ĐÁ PHONG HÓA ĐẾN MẶT CẮT ĐẬP
Nếu cùng có tiết diện như nhau thì đập bê tông trên nền đá phong hóa sẽ kém
ổn định so với đập bê tông trên nền đá tốt vì hệ số ma sát của bê tông trên nền đá
phong hóa nhỏ hơn hệ số ma sát của bê tông trên nền đá tốt từ 1,5 đến 4 lần. Do đó,
trong trường hợp này để đảm bảo tính ổn định chống trượt của đập cần phải tăng lực
thẳng đứng để làm tăng lưc ma sát trên nền công trình nhằm chống lại lực đẩy trượt.
Nhưng việc gia tăng tải trọng truyền qua đáy đập xuống nền lại gây phát sinh những
ứng suất không cho phép trong nền gây biến dạng nền đập. Vì vậy để tránh sự biến
dạng của nền cần phải làm giảm áp lực đơn vị trên nền đất bằng cách kéo dài tiết
diện của đập theo phương dòng chảy. Điều đó có thể thực hiện bằng cách tằng chiều
dài đáy đập. Trong thực tế để kéo dài đáy đập người ta thường làm mái thượng lưu


14

nghiêng hay là làm công sôn như vậy sẽ lợi dụng được áp lực nước thẳng đứng tác
dụng lên mái nghiên hay công sôn làm tăng thêm lực thẳng đứng, do đó cho phép
giảm bớt được phần nào khối lượng bê tông so với trường hợp đập có mặt cắt thượng
lưu thẳng đứng.
2.4. MỘT SỐ ĐẬP BÊ TÔNG TÔNG Ở VIỆT NAM XÂY DỰNG TRÊN NỀN
ĐÁ PHONG HÓA
Hiện nay chung ta đang bước vào một thời kỳ xây dựng mà nguồn vật liệu tại
chỗ ngày càng một hạn chế, mức độ công nghiệp hóa và kỹ thuật xây dựng công
trình cũng ngày một phát triển. Vì vậy xây dựng các đập bê tông trọng lực trong các

dự án thủy lợi, thủy diện có xu hương ngày một tăng. Do đó việc lựa chọn vị trí có
địa chất nền là đá gốc không phong hóa ngày một khó khăn. Hiện nay có rất nhiều
đập đã được xây dựng ở Việt Nam trên nền đá phong hóa đã và đang góp phần quan
trọng lực trong công cuộc xây dựng đất nước.
Bảng 2-1: Một số đập xây dựng trên nền đá phong hóa ở Việt Nam
TT

Tên công
trình

Địa điểm

1

Đầu mối đập
Nậm Rốn

Lai Châu

Quy mô
H
(m)

B
(m)

L
(m)

9,5

11

55,8

Kết
cấu

Đặc điểm địa chất
nền

BTCT

Đá sa thạch hệ số ma
sát f=0,5

2

Đầu mối đập
Thác Huống

Thái
Nguyên

6,6

9,8÷11

91,6

BTCT

3

Đập
dâng
Năng Phai

Yên Bái

10,2

12

55

BTCT

4

Tràn xả lũ
Vĩnh Phúc
Thanh Lanh

8,5

3x4

120

BTCT

5

Tràn xả lũ hồ
chứa
nước Bình Định
Vạn Hội

13

3x3

120

BTCT

Đá phong hóa nứt nẻ
loại bột sét kết nằm
xen kẹp nhau trong đó
chủ yếu là cát hạt mịn
Nền đá cát bột kết
tufogen f=0,5
Đá sét bột kết, cát kết
xám xanh, đá có cấu
tạo phân lớp mỏng và
bị phong hóa hoàn
toàn
Nền là tàn tích của đá
gốc phong hóa tạo

thành, đôi chỗ có
dạng đá gốc granit
nhung đã phong hóa
hoàn toàn.

(H: chiều cao đập; B: chiều rộng đáy đập; L: chiều dài tràn nước)


15

2.5. TÍNH TOÁN MẶT CẮT CƠ BẢN THEO HAI ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH VÀ
ỨNG SUẤT
2.5.1. Cơ sở lý thuyết của bài toán xác định mặt cắt đập cơ bản theo hai điều
kiện ổn định và ứng suất
2.5.1.1. Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ứng suất
Ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập có
thể xác định theo công thức lệch tấm.

hay

σ y' , σ "y =

∑P ± ∑M

σ y' , σ "y =

∑ P ± 6∑ M

F

B

o

(2-6)

W

B

o

2

Trong đó:
σ y - ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang. Ở đây và các biên tiếp theo ký
hiệu 1 dấu phẩy là dành cho biên thượng lưu; 2 dấu phẩy là dành cho biên
hạ lưu;
ΣP – Tổng hợp các lực thẳng đứng kể từ mặt tính toán trở lên.

∑ P = G + W1 + Wth
∑ P =γ

1

Bh
nBh
Bh Bh
+γ
− α 1γ

=
(γ 1 + γn − α 1γ )
2
2
2
2

(2-7)

F – Diện tích mặt tính toán, ở đây F=Bx1, B là chiều dài mặt tính toán từ biên
thượng lư đập đến biên hạ lưu đập;
1xB 2
W – Mô đun chống uốn của mặt cắt: W=
;
6

ΣM 0 – Tổng mô men của các lực tác dụng kể từ mặt cắt tính toán trở lên đối
với điểm giữa của mặt cắt đó.

B
 − nB 
Bh B
nBh  B nB 
Bh  2
γh h

∑ M 0 = 2 3 + α 1γ 2 6 − γ 2  2 − 3  − γ 1 2
3
2

∑M0 =


B2h  h2
 2γ 2 + α 1γ − 3γn + 2γn 2 − γ 1 + 2γ 1 n 
12  B


Trong đó:
h – Chiều cao mặt cắt;

(2-8)


16

n – Hệ số, chọn theo kinh nghiệm (n<1);
α 1 – Hệ số áp lực thấm còn lại sau màng chống thấm. Hệ số α 1 phụ thuộc vào
tính chất đá nền, cấp công trình và loại tổ hợp tải trọng, theo tiêu chuẩn
14TCN 56-88, tại màng chống thấm hệ số α 1 =(0,3÷0,6).
γ, γ 1 – Trọng lượng riêng của nước và của vật liệu đập.
Từ biểu thức (2-7) và (2-8) thay vào công thức (2-6) ta xác định được ứng suất
theo phương thẳng đứng ở mép thượng lưu và hạ lưu đập.


h2 

σ y' = h γ 1 (1 − n) + γn(2 − n) − α 1γ − γ 2 
B 


σ "y = nh(γ 1 − γ − nγ ) + γ

h3
B2

(2-9)

Khi hồ đầy nước với điều kiện ứng suất pháp ở mép thượng lưu σ y ’=0 ta có
Bus =

h

γ1
(1 − n) + n(2 − n) − α 1
γ

(2-10)

Khối lượng công trình nhỏ nhất khi biểu thức trong căn của công thức (2-10)
đạt giá trị cực đại. Lấy đạo hàm của biểu thức đó theo n và cho bằng không ta được:
n = 1−

γ1
2γ

(2-11)

2.5.1.2. Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt
Điều kiện tối thiểu để đảm bảo ổn định trượt của đập:
K cp =

f ∑P

∑T

(2-12)

Trong đó:

∑ P - tổng các lực theo phương đứng tính từ mặt trượt trở lên;
∑ T - tổng các lực ngang tác dụng lên thân đập tính từ mặt trượt trở lên;
f – hệ số ma sát ở mặt tiếp xúc giữa đập và nền;
K cp – hệ số an toàn ổn định cho phép;
Theo TCVN 285-2002 quy định K cp xác định theo trạng thái giới hạn thứ nhất,
trị số K cp có thể xác định theo công thức:
K cp =

nc k n
m

(2-13)


17

Trong đó:
n c – hệ số tổ hợp tải trọng;
k n – hệ số tin cậy;
m – hệ số điều kiện làm việc.
Từ công thức (2-12) ta có

h2
Bh
K cp γ
= f
(γ 1 + γn − α 1γ )
2
2

Do đó:
B od =

K cp h

γ
f  1 + n − α 1 

γ

(2-14)

Trong đó: f – là hệ số kháng cắt của mặt tiếp xúc giữa đập và nền, xác định theo tài
liệu khảo sát địa chất nền.
Với nền đá có hệ số ma sát nhỏ thì chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định sẽ
lớn hơn nhiều so với điều kiện điều kiện ứng suất. Khi đó nên chọn n thiên lớn nhằm
lợi dụng trọng lượng khối nước trên mái để tăng ổn định cho đập. Tuy nhiên, mái
thượng lưu quá thoải sẽ không có lợi cho việc khống chế ứng suất kéo ở mép thượng
lưu đập. Ta có thể tìm trị số n vửa thỏa mãn điều kiện ứng suất và điều kiện ổn định
trên cơ sở cân bằng hai phương trình (2-10) và (2-14). Biến đổi phương trình này ta
được.
 K cp2  2  γ 1  K cp2


 K cp2

1 +
.n +  



+
−
+
α
2
2
.
1 .n +
2
2
2 





γ
f
f
f
 






 γ  2 γ  K cp2

 K cp2

1
1 

+   − . 2 + 2.α 1 + α 1 . 2 + α 1  = 0

 f

γ  f
 γ 




(3-10)

Phương trình (3-10) là phương trình bậc hai theo n, với bài toán cụ thể các tham
số trong phương trình đề có thể biết được, do đó ta có thể xác định được trị số n.
2.5.2. Kết quả tính toán mặt cắt cơ bản theo hai điều kiện ổn định và ứng suất.
Xét một đoạn đập có chiều dài đơn vị (1m) tiết diện ngang là hình tam giác
ABC, chiều cao H, chiều rộng B, hình chiếu của mái thượng lưu là nB, của mái hạ
lưu là (1-n), trong đó n<1. Ở đây ta xét mực nước thượng lưu ngang đỉnh đập, hạ lưu
không có nước. Các lực tác dụng lên đoạn đập bao gồm: trọng lượng bản than công