Nghiên cứu tác động động đất đến ổn định định hướng ngang của trụ pin đập tràn cao

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Quang Thanh
Học viên: Lớp 24C21
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của TS. Nguyễn Phương Dung & GS.TS. Nguyễn Chiến. Các thông tin, tài liệu trích
dẫn trong luận văn được ghi rõ nguồn gốc. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực.
Hà nội, tháng 8 năm 2018
Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Thanh

i


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, được sự
dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy lợi, sự giúp
đỡ tận tình của bạn bè trong lớp cùng với sự nỗ lực phấn đấu của bản thân tác giả đã
hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình thủy
với đề tài: “NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT ĐẾN ỔN ĐỊNH HƯỚNG
NGANG CỦA TRỤ PIN ĐẬP TRÀN CAO”.
Để có được thành quả này, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS
Nguyễn Phương Dung & GS.TS. Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung
cấp các thông tin khoa học cần thiết trong thời gian tác giả thực hiện luận văn này. Bên
cạnh đó, Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy cô giáo tại các bộ môn trong Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng nhưng do còn hạn chế nhiều về trình độ chuyên môn
của bản thân nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện
hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN CAO VÀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HƯỚNG
NGANG CỦA TRỤ ĐẬP ............................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về xây dựng đập tràn cao........................................................................5
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực lớn trên thế giới .................................5
1.1.2. Tình hình xây dựng đập Bê tông trọng lực ở Việt Nam ........................................8
1.2. Tràn xả lũ và bố trí các bộ phận công trình ở đập tràn cao ....................................10
1.2.1. Tràn xả lũ .............................................................................................................10
1.2.2. Bố trí các bộ phận công trình ở đập tràn cao .......................................................10
Khe lún và khe nhiệt độ .............................................................................10
Trụ pin........................................................................................................12
Cửa van và khe van ....................................................................................13
Bộ phận tiêu năng ......................................................................................13
Cầu giao thông ...........................................................................................14
1.3. Tổng quan về nghiên cứu ổn định trụ đập tràn cao ................................................14
1.3.1. Trụ đập tràn cao ...................................................................................................14
1.3.2. Các tiêu chí đánh giá an toàn của trụ đập ............................................................15
1.3.3. Các khả năng mất ổn định của trụ đập ...............................................................16
1.4. Các sự cố hư hỏng của đập có liên quan đến trụ đập .............................................17

iii

1.4.1. Đập Sông Tranh 2 ............................................................................................... 17
1.4.2. Đập Thủy điện Hố Hô ......................................................................................... 18
1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu của Luận văn....................................................................... 19
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 19
Chương 2. NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT VỀ ỔN ĐỊNH HƯỚNG NGANG CỦA TRỤ
ĐẬP TRÀN CAO.......................................................................................................... 20
2.1. Cơ sở tính toán ổn định hướng ngang của trụ ........................................................ 20
2.1.1. Tác động của động đất lên trụ đập ...................................................................... 20
Ảnh hưởng của động đất lên công trình .................................................... 20
Động đất ở Việt Nam................................................................................. 21
2.1.2. Cơ sở phân tích ứng suất – biến dạng của đập khi có động đất .......................... 24
Các phương pháp phân tích ứng suất- biến dạng ...................................... 24
Phân tích ứng suất – biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn. ........ 25
Phân tich ứng suất – biến dạng trong trường hợp có động đất. ................. 27
2.1.3. Hệ số an toàn ổn định hướng ngang của trụ đập ................................................. 27
2.2. Các phương pháp tính toán động đất...................................................................... 28
2.2.1. Phương pháp tĩnh. ............................................................................................... 28
2.2.2. Phương pháp động lực học .................................................................................. 30
2.2.3. Phương pháp lịch sử thời gian............................................................................. 32
2.2.4. Tính ứng suất – biến dạng trụ đập trường hợp có xét tới động đất. .................... 32
Các tổ hợp lực cơ bản ................................................................................ 32
Các lực khi có động đất ............................................................................. 33

iv


2.3. Nghiên cứu tổng quát về ổn định hướng ngang của trụ đập ..................................33
2.3.1. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ..............................................................................33
2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán .............................................................................34

2.4. Tính toán các trường hợp........................................................................................38
2.4.1. Sơ đồ hóa và sơ đồ tính toán ...............................................................................39
2.4.2. Quá trình tính toán ...............................................................................................40
2.4.3. Kết quả tính toán .................................................................................................46
Kết quả tính toán TH1 (H=30 m; D= 4m) .................................................46
Kết quả tính toán TH2 (H=30 m; D= 5m) .................................................47
Kết quả tính toán TH3 (H=30 m; D= 6 m) ................................................48
Kết quả tính toán TH4 (H=25 m; D= 4 m) ................................................49
Kết quả tính toán TH5 (H=25 m; D= 5 m) ................................................50
Kết quả tính toán TH6 (H=25 m; D= 6 m) ................................................51
Kết quả tính toán TH7 (H=20 m; D= 4 m) ................................................52
Kết quả tính toán TH8 (H=20 m; D= 5 m) ................................................53
Kết quả tính toán TH9 (H=20 m; D= 6 m) ................................................54
2.5. Kết luận chương 2 ..................................................................................................65
Chương 3. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN LAI CHÂU ............... 67
3.1. Giới thiệu chung dự án thủy điện Lai Châu ...........................................................67
3.2. Bố trí và kết cấu đập tràn thủy điện Lai Châu ........................................................69
3.2.1. Bố trí đập tràn thủy điện Lai Châu ......................................................................69
3.2.2. Thông số cơ bản đập tràn ....................................................................................71
v


3.3. Tính toán ổn định hướng ngang của trụ ................................................................. 72
3.3.1. Tài liệu tính toán ................................................................................................. 72
Trường hợp và các thông số tính toán của trụ đập tràn ............................ 72
Sơ đồ lực tác dụng ..................................................................................... 74
3.3.2. Quá trình tính toán............................................................................................... 76
Quá trình mô hình hóa ............................................................................... 76
Quá trình khai báo vật liệu ........................................................................ 77
Quá trình khai báo tải trọng tác dụng ........................................................ 78

Xây dựng phổ phản ứng tính toán với động đất vùng Lai Châu ............... 79
3.3.3. Kết quả tính toán ................................................................................................. 80
Kết quả tính toán đối với bài toán khi không có dầm chống ngang .......... 80
Kết quả tính toán khi làm thêm dầm chống ngang giữa các trụ ................ 84
3.3.4. Phân tích kết quả tính toán .................................................................................. 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ............................................................................................... 93

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Đập thủy điện Lai Châu ................................................................................................... 2
. Đập Grande Dixence ở Thụy Sĩ là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới
(đập cao 285 m) ............................................................................................................... 7
Đập Tam Hiệp – Trung Quốc (đập cao 181 m) ........................................... 7
Đập thủy điện Sơn La, tỉnh Sơn La (đập bê tông đầm lăn, cao 138,1 m) ..... 9
Thủy điện Lai Châu, tỉnh Lai Châu (đập bê tông đầm lăn, cao 137 m)...... 10
Bố trí khe lún và khe nhiệt độ [3] ............................................................... 11
Cấu tạo khe lún a) dạng phẳng b) dạng khớp [3] ........................................ 12
Hình thức tiêu năng bằng mũi phun ............................................................ 14
Hình thức cầu giao thông ............................................................................ 14
Mô phỏng trụ đập tràn cao .......................................................................... 15
Dự án thủy điện Sông Tranh 2 [5] ............................................................ 17
Nước thấm qua thân đập chảy ra mái hạ lưu đập ...................................... 18
Đập thủy điện Hố Hô ( Hà Tĩnh ) cao 50 m gặp sự cố không mở được cửa
van trong khi xả lũ năm 2010 làm nước tràn qua đỉnh đập 1m , dội xuống hạ lưu, phá
hỏng nhà máy thủy điện sau đập [7]. ............................................................................. 18
Bản đồ phân vùng động đất và sự phân bố cường độ động đất tối đa trên lãnh

thổ Việt Nam. [9] ........................................................................................................... 23
. Đường cong phổ phản ứng thiết kế đập lớn .............................................. 31
Mô phỏng lịch sử thời gian ......................................................................... 32
Sơ đồ khối của chương trình phần tử hữu hạn [14] .................................... 35
Trình tự giải bài toán trong Ansys .............................................................. 38

vii


Mô hình tính toán đập tràn bằng Autocad .................................................. 39
Sơ đồ lực tính toán ...................................................................................... 40
Mô hình hóa tính toán ổn định trụ pin trong Ansys .................................... 41
Chia lưới phần tử ........................................................................................ 41
Sơ đồ lực tác dụng và điều kiện biên bài toán .......................................... 43
Dạng của phổ phản ứng đàn hồi [16] ........................................................ 44
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH1 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 46
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH1 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 46
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH1 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 47
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH2 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 47
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH2 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 47
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH2 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 48
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH3 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 48
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH3 ứng với động đất cấp 8

....................................................................................................................................... 48
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH3 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 49

viii


Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH4 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 49
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH4 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 49
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH4 ứng với động đất cấp
9 ..................................................................................................................................... 50
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH5 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 50
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH5 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 50
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH5 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 51
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH6 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 51
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH6 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 51
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH6 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 52
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH7 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 52
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH7 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 52
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH7 ứng với động đất cấp 9

....................................................................................................................................... 53
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH8 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 53
ix


Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH8 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 53
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH8 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 54
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH9 ứng với động đất cấp 7
....................................................................................................................................... 54
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH9 ứng với động đất cấp 8
....................................................................................................................................... 54
Sơ đồ chuyển vị Uz và ứng suất S1 của trụ pin TH9 ứng với động đất cấp 9
....................................................................................................................................... 55
Quan hệ giữa chuyển vị và độ mảnh của trụ đập khi H =30 m ................ 56
Quan hệ giữa chuyển vị và độ mảnh của trụ đập khi H = 25 m ............... 57
Quan hệ giữa chuyển vị và độ mảnh của trụ đập khi H = 20 m ............... 57
Quan hệ giữa ứng suất S1 và độ mảnh trụ đập (H=30 m) ........................ 58
Quan hệ giữa ứng suất S1 và độ mảnh trụ đập (H=25 m) ........................ 58
Quan hệ giữa ứng suất S1 và độ mảnh trụ đập (H=20 m) ........................ 59
Quan hệ giữa ứng suất tương đương và chiều dày trụ D với mác BT ...... 61
Bảng tra λ cho phép tối đa cho từng cấp động đất .................................... 62
Quan hệ chiều dày trụ và chiều cao trụ với mác bê tông M400 ............... 63
Quan hệ chiều dày trụ và chiều cao trụ với mác bê tông M350 ............... 64
Quan hệ chiều dày trụ và chiều cao trụ với mác bê tông M300 ............... 65
Vị trí tổng thể công trình thủy điện Lai Châu [18] ..................................... 67
Bố trí tuyến công trình tràn xã lũ trên thủy điện [18] ................................. 70

x


Cắt dọc tuyến đập [18] ................................................................................ 71
Cắt ngang tràn xã lũ tại mặt cắt NIII +675 (giữa lòng sông) [19] .............. 72
Sơ đồ lực tác dụng cửa van lên dầm đỡ [19] .............................................. 75
Sơ đồ lực tính toán ...................................................................................... 76
Hệ phép tính gần đúng thành phần hữu hạn “ khoang mẫu đập tràn – nền đá
cứng”, hình nhìn từ phía bờ phải: .................................................................................. 77
Sơ đồ lực tác dụng cơ bản lên công trình .................................................... 78
Xây dựng phổ đàn hồi cho thủy điện Lai Châu .......................................... 79
Chuyển vị trụ đập khi chưa sảy ra động đất Uz max = 4,9 cm ................. 80
Ứng suất S1 max tại chân trụ khi chưa sảy ra động đất ............................ 80
Chuyển vị Uz max của trụ đập khi sảy ra động đất cấp 8 (6,6 cm) .......... 81
ứng suất S1 max tại chân đập khi động đất cấp 8 = 540 T/m2 ................. 81
Biểu đồ chuyển vị Uz max trụ đập khi động đất cấp 8 ............................. 82
Biểu đồ ứng suất S1 của trụ đập khi động đất cấp 8 ................................ 82
Chuyển vị đập tổ hợp cơ bản khi chưa xảy ra động đất ............................ 84
Ứng suất S1 đối với đập khi chưa xảy ra động đất .................................... 85
Chuyển vị lớn nhất của trụ đập khi động đất cấp 8................................... 85
Ứng suất lớn nhất S1 của trụ đập khi động đất cấp 8 ............................... 86
Sơ đồ chuyển vị phương dọc trụ đập Uz max = 5,3 cm ........................... 86
Biểu đồ ứng suất S1 trụ đập S1 =178 T/m2............................................... 87

xi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 - 1: Thống kê số lượng của đập cao điển hình trên thế giới [1] .......................... 6
Bảng 1 - 2: Thống kê các đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam đến năm 2016 [2] .............. 8

Bảng 2 - 1: Thống kê các trận động đất ở Việt nam [8] ................................................ 21
Bảng 2 - 2: Thông số cơ bản của các vùng nguồn phát sinh động đất mạnh miền Bắc
Việt Nam [9] .................................................................................................................. 24
Bảng 2 - 3: Giá trị hệ số động đất k [13] ....................................................................... 29
Bảng 2 - 4: Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi ........................... 44
Bảng 2 - 5: Các loại đất nền .......................................................................................... 45
Bảng 2 - 6: Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất của trụ pin với trường
hợp chiều cao trụ và độ dày trụ pin ............................................................................... 55
Bảng 2 - 7: Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất của trụ pin với trường
hợp cấp động đất ứng với độ mảnh của trụ ................................................................... 55
Bảng 2 - 8: Trị số ứng suất  1n đối với các bề dày trụ D .............................................. 60
Bảng 2 - 9: Độ mảnh cho phép ứng với các Mác bê tông và cấp động đất................... 62
Bảng 2 - 10: Độ mảnh cho phép ứng với các M400 và cấp động đất ........................... 62
Bảng 2 - 11: Độ mảnh cho phép ứng với các M350 và cấp động đất ........................... 63
Bảng 2 - 12: Độ mảnh cho phép ứng với các M300 và cấp động đất ........................... 64
Bảng 3 - 1: Đặc trưng tính chất cơ lý vật liệu ............................................................... 74
Bảng 3 - 2: Bảng tổng hợp kết quả tính toán trụ đập Lai Châu .................................... 87

xii


MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới hiện nay nói chung và ở Việt Nam nói riêng do sự tiến bộ của khoa học kỹ
thuật đã xuất hiện nhiều công trình được xây bằng vật liệu bê tông (Bê tông thường, bê
tông đầm lăn, bê tông cốt thép…). Đập bê tông trọng lực được xây dựng chủ yếu trên
nền đá, là bê tông khối lớn duy trì ổn định nhờ trọng lượng bản thân của khối bê tông.
Khi công trình vừa thi công xong hoặc trong thời gian công trình đã đi vào vận hành và
xảy ra động đất thì rất có thể đập sẽ gặp phải sự cố, vấn đề này đặc biệt cần xem xét với
các trụ pin đập tràn cao. Để đảm bảo an toàn cho đập bê tông trọng lực, ngoài tính toán

ổn định trượt lật, cần kiểm tra ứng suất và biến dạng để đánh giá độ bền của trụ đập và
kiểm tra chuyển vị lớn nhất để so sánh với chuyển vị cho phép của thiết bị cơ khí thủy
công. Việc đánh giá này nhằm đảo bảo cho công trình hoạt động bình thường kể cả khi
chịu tác động của động đất.
Các đập tràn có chiều cao trụ pin lớn như Sơn La, Lai Châu, Hủa Na…, mà bề rộng trụ
lại mỏng thì tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng khá lớn rất dễ mất ổn định hướng ngang
khi xảy ra động đất. Khi trụ pin rung lắc ngang có thể gây ra chuyển vị ngang lớn làm
kẹt cửa van, ảnh hưởng đến các thiết bị chống ngang, hoặc gây ứng suất cục bộ ở chân
trụ pin vượt quá ứng suất cho phép, gây ứng suất kéo làm nứt bê tông … qua đó làm ảnh
hưởng đến khả năng làm việc của công trình. Các giá trị này cần được kiểm chứng khi
tính toán với các độ lớn động đất khác nhau. Phạm vi nghiên cứu được khoanh vùng với
các đập tràn có chiều cao trụ pin lớn hơn 15m. Độ mảnh trụ pin, độ lớn động đất và
phương án bố trí đảm bảo an toàn hướng ngang sẽ được xem xét cụ thể trong nội dung
tính toán.
Có hai vấn đề được đặt ra cho người thiết kế khi tính toán công trình chịu động đất: (1)
phải tính toán khả năng làm việc của trụ pin khi có động đất, qua đó lựa chọn tỷ lệ H/B
của trụ hợp lý; (2) đề ra các biện pháp nhằm đảm bảo trụ pin không bị mất ổn định
hướng ngang với những công trình đã đi vào hoạt động. Trong đề tài này, tác giả sẽ thực
hiện bài toán không gian tức là mô phỏng đập tràn, trụ pin và nền cùng làm việc đồng
thời có xét đến tải trọng động đất qua đó nó kiểm tra trạng thái ứng suất cũng như giá

1


trị chuyển vị lớn nhất của công trình trong thực tế. Phương pháp phân tích là phương
pháp động.

Đập thủy điện Lai Châu
II. Mục đích của đề tài
Xây dựng mối quan hệ giữa khả năng ổn định hướng ngang của trụ với các thông số

kích thước khác nhau như chiều cao, độ mảnh của trụ, cấp (độ lớn) động đất; đề xuất
các giải pháp công trình nhằm đảm bảo khả năng ổn định của các trụ ở đập tràn cao.
III. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
1. Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả luận văn đã dựa trên cách tiếp cận cơ sở lý
luận về khoa học cơ bản trong việc xây dựng và tính toán đập BTTL. Trong nội dung
tính toán của mình, tác giả thực hiện phân tích trạng thái ứng suất và tính toán chuyển
vị của trụ pin có chiều cao trên 15m. Từ đó áp dụng cụ thể với trụ pin tràn Lai Châu để
thấy được tương quan giữa độ mảnh, độ lớn động đất và biện pháp gia tăng ổn định

2


hướng ngang ảnh hưởng thế nào tới độ bền/ổn định của công trình. Phương pháp phổ sẽ
được sử dụng để mô phỏng độ lớn động đất tác động vào trụ pin.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập số liệu từ các công trình đã xây dựng;
- Sử dụng mô hình toán để phân tích ổn định hướng ngang của trụ;
- Tính toán áp dụng cho công trình thực tế.
3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài khoanh vùng với các đập bê-tông có trụ pin cao và mảnh, nằm trong vùng đã từng
ghi nhận có động đất trong lịch sử.
IV. Kết quả đạt được
- Ổn định hướng ngang khi có hoặc không có thanh chống khi tính toán công trình chịu
động đất bằng phương pháp phổ và băng gia tốc (lịch sử thời gian);
- Độ mảnh của kết cấu và mối quan hệ với chu kỳ dao động riêng;
- Các biểu đồ quan hệ giữa độ mảnh-cấp (độ lớn) động đất-chiều cao trụ-hệ số an toàn
của hệ;
- Tính toán chuyển vị lớn nhất của trụ khi có tác động động đất và so sánh với chuyển
vị cho phép của các thiết bị cơ khí thủy công.

V. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đánh giá mức độ ảnh hưởng của động đất với các độ lớn
khác nhau đến trụ pin có độ mảnh khác nhau.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Áp dụng với các trụ pin cao, mảnh nơi có khả năng xuất
hiện động đất, kể cả động đất thứ cấp.
Trên cơ sở thành lập các biểu đồ quan hệ giữa độ mảnh-chiều cao-độ lớn động đất có
thể áp dụng đánh giá độ ổn định và khả năng làm việc của công trình.

3


IV. Bố cục của luận văn
Luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu tác động động đất đến ổn định hướng ngang của trụ
pin đập tràn cao” gồm các phần chính như sau:
Mở đầu
Chương I. Tổng quan về đập tràn cao và vấn đề ổn định hướng ngang của trụ đập
Chương II. Nghiên cứu tổng quát về ổn định hướng ngang của trụ đập tràn cao
Chương III. Áp dụng tính toán cho thủy điện Lai Châu, tỉnh Lai Châu.
Kết luận và kiến nghị
Phụ lục tính toán

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN CAO VÀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH
HƯỚNG NGANG CỦA TRỤ ĐẬP
1.1. Tổng quan về xây dựng đập tràn cao
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực lớn trên thế giới
Nguồn nước trên thế giới đóng vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống và hoạt động của
con người. Lượng dòng chảy bình quân hàng năm trên trái đất khoảng 40.000 km3, trong

đó Châu Á chiếm khoảng 13%. Lượng nước tuy dồi dào song lại phân phố không đều
theo thời gian và không gian. Vì vậy, để khai thác có hiệu quả nguồn nước trên phải xây
dựng các công trình thủy lợi.
Cách đây khoảng 4000 năm ở Ai Cập, Trung Quốc đã bắt đầu xuất hiện những công
trình thủy lợi (đập, kênh mương và công trình đơn giản khác …). Đập đầu tiên được xây
dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá đổ và đất sét.
Theo thống kê của Hội đập cao trên thế giới (ICOLD) [1] tính đến năm 2000 trên toàn
thế giớ có khoảng 45000 đập lớn. Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có chiều cao
H >15m và chiều dài L ≥ 5000m, Qxả lũ ≥ 2000 m3/s; hồ có dung tích W ≥1 triệu m3
nước được xếp vào loại đập lớn. Số lượng hơn 45000 đập phân bố không đều trên các
châu lục.
Nước có nhiều đập lớn nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22000 đập chiếm
48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ với 6575 đập và thứ ba là Ấn Độ với 4291
đập. Tiếp đến là Nhật Bản có 2650 đập, Tây Ban Nha có 1196 đập. Việt Nam có 460
đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn.
Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kê xây dựng đập từ năm
1990 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào những năm 1950 và
đỉnh cao là năm 1970.
Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD -1997[1], số đập cao <30 m chiếm 56,2 %,
cao từ 30-150 m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm 0,1%.

5


Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986[1] cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá
đổ chiếm 5%, đập trọng lực bê tông chiếm 12%, đập vòm chiếm 4%.
Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm
30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Điều đó cho thấy, đập trọng lực
bê tông chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi chiều cao của đập lớn.
Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý thuyết tính

toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày càng hợp lý,
độ an toàn đập ngày càng được nâng cao.
Thập kỷ 30-40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng khoảng 0,9.
Thập kỷ 50-60 tỷ số B/H = 0,8. Thập kỷ 70 B/H=0,7 và từ thập kỷ 30-70 thể tích giảm
được ( 20-30) %.
Đã xuất hiện những đập trọng lực rất cao như đập bê tông Grande Dixence – Thụy Sỹ
cao 285m, đập bê tông trọng lực Mica trên sông British Columbia ở Canada cao 244m ,
đập bê tông trọng lực Kishau trên sông Tons ở India cao 236m, một số đập điển hình
được thống kê tại bảng 1.1.
Bảng 1 - 1: Thống kê số lượng của đập cao điển hình trên thế giới [1]
Chiều

Dung

cao

tích hồ

m

tỷ m3

Grande Dixence Dixence, Switzerland

285

0,4

1962

Mica

British Columbia, Canada

244

24,67

1972

Kishau

Tons, India

236

24,67

1985

Bhakra

Sutlej, India

226

9,87

1963

Dworshak

U.S.A

219

4,259

1974

Longthan

Hongshui, China

216

Toktogul

Naryn, Kyrgyzstan

215

19,5

1978

Almendra

Tormes, Spain

202

2,649

1970

Itaipu

Paraná, Brazil/Paraguay

190

29

1982

Tên đập

Sông, Quốc gia

6

Năm hoàn
thành

2009


Miel1

Miel, Columbia

188

2002

Swift

U.S.A

186

0,932

1958

Shasta

U.S.A

183

5,612

1945

Karakaya

Firat, Turkey

180

9,58

1986

Takase 1

Japan

176

0,076

1979

. Đập Grande Dixence ở Thụy Sĩ là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới
(đập cao 285 m)

Đập Tam Hiệp – Trung Quốc (đập cao 181 m)
7


1.1.2. Tình hình xây dựng đập Bê tông trọng lực ở Việt Nam
Từ những năm 1930, ở Việt Nam đã xuất hiện một số đập bê tông trọng lực (dạng đập
dâng) nhưng chỉ là những đập thấp, chiều cao chỉ 5 m đến 10 m. Các đập này kết cấu
đơn giản, thi công thủ công và chủ yếu là do các kỹ sư người Pháp chỉ đạo thiết kế, thi
công. Về nguồn vật liệu chủ yếu là nhập khẩu, cấp phối bê tông thường dựa vào cấp
phối nghiên cứu ở nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt
Nam.

Từ năm 1930 đến 1945 một số đập bê tông trọng lực đã được xây dựng như đập dâng
Đô Lương (Nghệ An), đập Bái Thượng (Thanh Hóa), đập dâng An Trạch (Quảng
Nam),…
Từ năm 1945 đến 1975 do tình hình chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng công trình
thủy vẫn còn hạn chế. Tuy nhiên ngành thủy lợi cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp
như đập tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn,… dưới sự giúp đỡ của các
nước xã hội chủ nghĩa như Liên Xô, Trung Quốc.
Từ năm 1975 trở lại đây, các công trình thủy lợi xây dựng nhiều và đa dạng về hình
thức. Việc ứng dụng hình thức bê tông đầm lăn tại Việt Nam cũng đang phát triển và đã
áp dụng thành công ở một số công trình như Định Bình (Bình Định), Nước Trong
(Quảng Ngãi), A Vương (Quảng Nam)…Tuy là nước mới ứng dụng công nghệ bê tông
đầm lăn nhưng Việt Nam có nhiều thế mạnh để phát triển, tiếp thu được công nghệ các
nước đi trước, trong đó có Trung Quốc là nước đi đầu và có đặc điểm tự nhiên gần tương
đồng như Việt Nam. Tính đến năm 2013 với số lượng đập đã và đang được xây dựng,
Việt Nam đứng ở vị trí thứ 7 trên thế giới về tốc độ phát triển đập bê tông đầm lăn. Từ
đó số lương con đập lớn được xây dựng ngày càng nhiều. (Bảng 1.2)
Bảng 1 - 2: Thống kê các đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam đến năm 2016 [2]
STT

Tên công trình

Chiều cao (m)

Địa điểm xây dựng

Năm hoàn thành

1

Plei Krong

71

Kon Tum

2007

2

Định Bình

54

Bình Định

2007

8


3

A Vương

70

Quảng Nam

2008

4

Sê San 4

80

Gia Lai

2008

5

Bắc Hà

100

Lào Cai

2008

6

Binh Điền

75

Thừa Thiên Huế

2008

7

Cổ Bi

70

Thừa Thiên Huế

2008

8

Đồng Nai 3

110

Đắc Nông

2011

9

Đồng Nai 4

129

Đắc Nông

2012

10

Đak Đring

100

Quảng Ngãi

2013

11

Nước Trong

70

Quảng Ngãi

2014

12

Sơn La

138

Sơn La

2012

13

Bản Chát

130

Lai Châu

2013

14

Bản Vẽ

137

Nghệ An

2011

15

Sông Tranh 2

100

Quảng Nam

2010

16

Sông Côn 2

66

Quảng Nam

2010

17

Lai Châu

138

Lai Châu

2016

Đập thủy điện Sơn La, tỉnh Sơn La (đập bê tông đầm lăn, cao 138,1 m)

9


Thủy điện Lai Châu, tỉnh Lai Châu (đập bê tông đầm lăn, cao 137 m)
1.2. Tràn xả lũ và bố trí các bộ phận công trình ở đập tràn cao
1.2.1. Tràn xả lũ
Trong đập bê tông trọng lực thì tràn xã lũ là bộ phận tháo lũ nằm ngay trên tuyến công
trình có tác dụng tháo lũ, thường là tràn xả mặt có thể có cửa van hoặc không có cửa

van. Việc bố trí đập tràn trong hệ thống đầu mối có quan hệ với điều kiện địa chất địa
hình, lưu lượng tháo, lưu tốc cho phép ở hạ lưu… Khi lưu lượng tháo lớn, cột nước nhỏ
nếu lòng sông không ổn định và nền không phải nền đá, có cấu tạo địa chất phức tạp thì
hình thức bố trí công trình tháo nước có ý nghĩa quyết định. Khi cột nước lớn phải tiêu
hao năng lượng lớn việc chọn vị trí của đập tràn có ý nghĩa quan trọng.
1.2.2. Bố trí các bộ phận công trình ở đập tràn cao
Cấu tạo đập tràn nhiều chỗ giống đập không tràn, trong thủy điện đập tràn cao thì đập
tràn thường được bố trí ở giữa lòng sông, hai bên tiếp xúc với đập dâng. Cơ bản đập tràn
gồm các bộ phận chính như sau
Khe lún và khe nhiệt độ
Tiếp xúc giữa đập dâng với đập tràn, hoặc trong đập tràn cần bố trí khe lún và khe nhiệt
độ dùng để tránh nứt nẻ do biến dạng nhiệt hoặc do lún không đều gây ra, người ta
thường chia đập thành những đoạn, chúng được nối với nhau bằng những khe (trong các
10


khe này thường bố trí các vật chắn nước bằng nhựa dẻo hoặc tấm kim loại hoặc kết hợp
cả hai), các khe này được gọi là khe vĩnh cửu, nó tồn tại trong suốt quá trình làm việc
của đập. Thường thì khe lún cắt suốt chiều cao đập, đảm bảo cho các bộ phận làm việc
độc lập với nhau, còn các khe nhiệt có thể cắt ngắn đến độ sâu nhất định. Xác định
khoảng cách giữa các khe cần xét đến sự phối hợp giữa các trụ pin và lỗ tràn thường
dùng các hình thức như sau

Bố trí khe lún và khe nhiệt độ [3]
a.

Khe ở giữa trụ pin chia trụ pin thành hai phần bằng nhau. Lúc nền lún không đều,

lỗ tràn luôn đảm bảo hình dạng cố định, không ảnh hưởng đến sự làm việc của cửa van,
loại này được sử dụng phổ biến trong thực tế.

b.

Khe lún ở hai bên trụ pin làm cho trụ pin và thân dập làm việc độc lập với nhau.

Đặc điểm trụ pin có thể làm mỏng hơn so với trường hợp a thích hợp với việc dẫn dòng
thi công, nhưng có nhược điểm là lúc trụ pin hoăc thân đập bị nghiêng do lún không đều
thì sẽ ảnh hưởng đến việc thao tác cửa van.
c.

Khe ở giữa lỗ tràn thành hai phần, còn hai bên trụ pin có khe nhiệt độ để thích

hợp với sự biến hóa nhiệt độ của bộ phận trên khe đập; khe này không cần thông suốt
từ thân xuống dưới nền. Nhược điểm: khi lún không đều giữa 2 đoạn kề nhau thì sẽ dễ
bị hở, rò nước phía dưới van.
Khe biến dạng có dạng phẳng hoặc dạng hình khớp. Loại khe phẳng có cấu tạo đơn giản
và được dùng khá phổ biến.

11


a)

b)

Cấu tạo khe lún a) dạng phẳng b) dạng khớp [3]
1.Nút chống thấm, 2.Tấm kim loại, 3.Giếng nhỏ chứa bitum,
4.Giếng thoát nước và kiểm tra
Trụ pin
Trụ pin dùng để phân đập tràn thành nhiều khoang và để thuận lợi cho việc bố trí cửa
van. Trụ pin không những cần thiết cho bố trí cửa van mà còn để bố trí cầu công tác,

máy đóng mở, cầu giao thông và chịu cả áp lực nước qua van truyền đến.
Chiều cao quyết định bởi hình thức cửa van và máy đóng mở. Chiều cao trụ pin Hp kể
từ đỉnh đập đến ngưỡng tràn có thể tính theo các cách sau đây [4]:
a.

Khi cửa van mở bằng hình thức hạ xuống : Hp = H + d

b.

Khi cửa van mở bằng hình thức kéo lên:

-

TH máy đóng mở cố định : Hp = H + d

-

TH máy đóng mở di động : Hp= H + 0,6Hv

Trong đó: Hv là chiều cao cửa van
H là cột nước lớn nhất trên ngưỡng tràn

12


d là chiều cao an toàn lấy theo kết quả tính toán cao trình đỉnh đập không tràn
Ngoài ra cao trình trụ pin còn phụ thuộc vào cao trình cầu gia thông.
Chiều dài trụ pin cần đảm bảo để bố trí cầu công tác, cầu giao thông, máy đóng mở…
Hình dạng trụ pin nên thiết kế sao cho nước chảy qua đập tràn được thuận, ít ảnh hưởng
đến khả năng tháo của đập tràn

Chiều dày trụ pin phụ thuộc vào kích thước của khe van và hình thức bố trí các khe lún
Cửa van và khe van
Đối với các công trình lớn, cửa van là bộ phận bắt buộc phải có để điều tiết mực nước
khi cần. Tùy vào tính chất và kích thước mà dùng các cửa van khác nhau từ cửa van
phẳng đến cửa van cung. Cửa van thường được bố trí ở chỗ cao nhất của đỉnh tràn. Phía
trước cửa van chính cần bố trí cửa van hoặc phai sửa chữa.
Khe van dùng để đặt cửa van bao gồm 02 loại chính:
- Khe van của cửa van chủ yếu: Đối với van phẳng, chiều sâu khe van thường lấy bằng
0.7-2 m, chiều rộng 1-4m. Đối với của van cung có thể không dùng khe van hoặc dùng
khe rất nông.
- Khe van của cửa van hay phai sửa chữa: Kích thước khe thường lấy bằng 0,5x0,5 m,
chiều dày chỗ mỏng nhất của cửa trụ pin không đươc nhỏ hơn 1-1,5 m, vì thể chiều dày
trụ pin thường 2-2,5 m trở lên.
Bộ phận tiêu năng
Đối với các công trình đập bê tông trọng lực xây dựng trên nền đá, thường hay sử dụng
hình thức tiêu năng phóng xa. Hình thức này dòng chảy được tiêu hao năng lượng rất
lớn trong không khí nên giảm năng lực xói lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến
an toàn đập.

13