Nghiên cứu giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm giảm hiện tượng tập trung ứng suất trong thời kỳ khai thác

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU MỚI CHO ĐẬP BÊ TÔNG
TRỌNG LỰC NHẰM GIẢM HIỆN TƯỢNG TẬP TRUNG ỨNG SUẤT
TRONG THỜI KỲ KHAI THÁC
RESEARCHING NEW TYPE STRUCTURES OF CONCRETE GRAVITY DAM
FOR REDUCING STRESS CONCENTRATION DURING WORKING TIME
NGUYỄN HOÀNG
Khoa Công trình, Trường ĐHHH Việt Nam
Tóm tắt
Trong bài báo này, tác giả đề xuất giải pháp kết cấu mới cho đập bê tông trọng lực nhằm
giảm hiện tượng tập trung ứng suất trên mặt cắt ngang của đập bê tông trong thời gian làm
việc. Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng tính toán, xác định trạng
thái ứng suất - biến dạng của kết cấu đề xuất, qua đó so sánh với kết cấu được sử dụng
nhiều hiện nay, để từ đó rút ra kết luận.
Từ khóa: Đập bê tông, ứng suất, tập trung, kết cấu, mặt cắt, khai thác.
Abstract
In this paper author proposed new type structure of concrete gravity dam for reducing
stress concentration of cross section’s dam during working time. Author also used method
element finite to calculating stress- strain state of new type structure. These results are
used compare with stress- strain state of structure, which is popular using for concrete
gravity dam.
Keywords: Gravity dam, stress- strain, stress concentration, structure, cross-section, working time.
1. Đặt vấn đề
Lựa chọn mặt cắt hợp lý cho các đập bê tông, bê tông trọng lực luôn là một trong những vấn
đề hàng đầu của các nhà thiết kế. Theo [1] mặt cắt được cho là hợp lý hiện nay của các đập bê tông
là mặt cắt có mái dốc thượng lưu một phần là thẳng đứng, một phần có mái dốc 1:0,2 hoặc 1:0,3
như Hình 1.

Vùng ứng suất tập trung

Vùng ứng suất tập
trung

Hình 1. Mặt cắt đập bê tông trọng lực thông thường

Tuy nhiên, trong quá trình khai thác khi chịu các tải trọng cơ bản: áp lực thủy tĩnh, áp lực
thấm,… thì xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất tại một số vùng (Hình 1) như: Phía tiếp giáp
giữa nền đá và chân đập (gót đập); vùng quá độ giữa mái thẳng đứng và mái dốc phía thượng và
hạ lưu. Hiện tượng tập trung ứng suất [2] này là nguyên nhân gây ra các vết nứt tại các vùng đó dẫn
tới làm giảm chu kỳ khai thác công trình, và nặng hơn là phá hủy toàn bộ kết cấu công trình, gây ra
hậu quả thảm hại. Một số các kết quả nghiên cứu trước đây về mặt cắt tối ưu của đập bê tông trọng
lực [5] mới chỉ phân tích theo hướng đảm bảo điều kiện ổn định trượt; lật. Bên cạnh đó, cũng đã có
các công trình nghiên cứu phân tích về ứng suất tập trung ở mái hạ lưu [6], tuy nhiên kết quả mới

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 54 - 4/2018

39


CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018
chỉ dừng lại ở việc tính toán tìm ra ứng suất và xác định mức độ hình thành vết nứt do ứng suất tập
trung gây ra mà chưa có hướng để làm giảm ứng suất tập trung đó.
2. Đề xuất giải pháp kết cấu, tính toán và phân tích kết quả
Hiện tượng ứng suất tập trung là ứng suất lớn trội phát sinh trên một khu vực tương đối hẹp,
xảy ra tại những nơi có sự thay đổi đột ngột về hình dạng tiết diện. Mặt cắt được thể hiện trên hình
1 cho thầy sự thay đổi đột ngột tiết diện tại những vùng quá độ. Do đó, để giảm sự thay đổi đột ngột
về tiết diện, tác giả bài báo đề xuất kết cấu như Hình 2. Lúc này, các vùng có sự thay đổi đột ngột
về tiết diện được thay thế bằng các đoạn cong quá độ có bán kính lần lượt là R=19m về phía hạ lưu

và R=30m về phía thượng lưu. Để đánh giá hiệu quả của kết cấu này so với kết cấu thông thường
được đề cập tới ở mục 1, tác giả áp dụng tính toán và phân tích ứng suất cho 2 loại kết cấu nói trên
trong điều kiện chỉ chịu các tải trọng tĩnh (áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm) bằng phương pháp phần tử
hữu hạn và được mô hình hóa bởi phần mềm ANSYS [4]. Các thông số hình học cơ bản của kết
câu như sau: chiều cao đập 46,3m; chiều rộng đỉnh bằng 7m; mái dốc phía thượng lưu là 1:0,3; phía
hạ lưu là 1:0,75. Phía mái thượng lưu là lớp bê tông RCC loại 1 có modul đàn hồi E= 42GPa [3]; bê
tông thân đập là bê tông đầm lăn RCC loại 2 có modul đàn hồi là E RCC= 29GPa [3]; nền đá được
xem xét tính toán là loại nền đá ít nứt nẻ có module đàn hồi trung bình E nền= 30GPa [3].

Hình 2. Mặt cắt ngang đập bê tông trọng lực được đề xuất

Mô hình toán và lưới phần tử hữu hạn được như Hình 3.

a)
b)
Hình 3. Lưới phần tử hữu hạn của kết cấu tính toán
a- Kết cấu được đề cập ở mục 1
b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả

40

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 54 - 4/2018


CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018
Điều kiện biên của bài toán được sử dụng cho phần tính toán này gồm: Điều kiện biên về tải
trọng và điều kiện biên về chuyển vị. Điều kiện biên về tải trọng bao gồm: Áp lực thủy tĩnh phía
thượng lưu ứng với chiều cao mức nước trước đập là H=42,93m và áp lực thấm dưới đáy đập được

xét trọng trường hợp hệ số triết giảm sau màn chống thấm là α=0,5. Điều kiện biên về chuyển vị:
trong phần tính toán này, tác giả xem rằng đập bê tông và nền đá làm việc như một thể thống nhất.
Điều này cũng phù hợp với các xu hướng nghiên cứu về đập bê tông trên nền đá hiện nay cho nên
vùng chuyển vị ở phần đáy của phân đoạn nền đá nghiên cứu được coi như là ngàm cứng (ứng với
chuyển vị bằng 0).

Vùng ngàm

b)

a)

Hình 4. Điều kiện biên được khai báo trong phần mềm
a- Điều kiện biên tải trọng (áp lực nước thượng lưu)
b- Điều kiện biên về chuyển vị

Kết quả tính toán chuyển vị tổng của đập và trường ứng suất tại các vùng có hiện tượng tập
trung ứng suất được thể hiện như các Hình 5, Hình 6.

Umax= 0,00268m

Umax= 0,00269m

a)

b)

Hình 5. Trường ứng suất phía thượng lưu đập
a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả
σkéo

=
1,45MPa

σkéo
=
1,81MP
a
σkéo max = 2,12MPa

σkéo max = 1,72MPa

a)

b)

Hình 6. Trường ứng suất phía thượng lưu đập
a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 54 - 4/2018

41


CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

σnén max = 0,59MPa

a)

σnén
max
0,13MPa

=

b)

Hình 7. Trường ứng suất phía hạ lưu đập
a- Kết cấu được đề cập ở mục 1; b- Kết cấu được đề xuất bởi tác giả

Chuyển vị tổng lớn nhất của kết cấu được đề cập ở mục 1 là 0,00269m; còn đối với kết cấu
mà tác giả đề xuất là 0,00268m. Kết quả chuyển vị nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện làm
việc của đập. Ứng suất kéo theo phương Y lớn nhất tại gót đập đối với kết cấu ban đầu là 2,12MPa
còn đối với kết cấu được đề xuất giảm xuống còn 1,72MPa, tức là giảm đi xấp xỉ 20%. Ứng suất kéo
theo phương Y tại vùng quá độ mái thượng lưu đối với kết cấu được đề xuất là 1,45MPa nhỏ hơn
so với kết cấu ban đầu là 1,81MPa. Tại vùng quá độ mái hạ lưu, ứng suất nén theo phương Y của
kết cấu được đề xuất bởi tác giả là 0,13MPa giảm 4 lần so với kết cấu ban đầu là 0,52MPa.
3. Kết luận
Căn cứ vào việc phân tích các kết quả tính toán ta thấy, việc sử dụng các đoạn cong quá độ
trong thiết kế mặt cắt ngang cho đập bê tông, đập bê tông trọng lực cho thấy việc giảm đáng kể giá
trị ứng suất kéo, nén tại các vùng thường xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất. Do đó, giảm khả
năng xảy ra hiện tượng phá hủy kết cấu, mất ổn định công trình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS. TS Hoàng Phó Uyên, Bàn về công nghệ xây dựng đập bằng bê tông đầm lăn, Tạp chí Khoa
học và Công nghệ Thủy lợi, 11/2012, trang 21-25.
[2] Federal Emergency Management Agency: Selecting Analytic Tools for Concrete Dams to
Address Key Events along Potential Failure Mode Paths. FEMA P-1016., 7/2014.
[3] H.Santana, E.Castell. Miel I: RCC dam, height world record. In Proceedings of the IV International

Symposium on Roller Compacted Concrete Dams, Madrid, Spain (17-19, November 2003) pp. 345-350.
[4] Кent L. LawrenceАNSYS Workbench Tutorial Release 11. Schroff Development Corporation. 2007. 236 p.
[5] Nguyễn Chiến, Nguyễn Duy Hưng, Mặt cắt của đập bê tông trọng lực xây dựng trong vùng có
động đất, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 09/2015, trang 30-36.
[6] Hongyuan ZHANG, Tatsuo OHMACHI- Seismic cracking and strengthening of concrete gravity
dams. 12WCEE2000- 1410 pp.1-8.
Ngày nhận bài:
15/03/2018
Ngày nhận bản sửa: 01/04/2018
Ngày duyệt đăng:
03/04/2018

42

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 54 - 4/2018