1
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Giải pháp kết cấu và phân tích ứng suất-biến dạng đập đá
đổ bản mặt bê tông trên nền đất” được hồn thành tại khoa Cơng Trình và
Phịng đào tạo Đại học & Sau đại học – Trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Văn Lệ đã
tận tình hướng dẫn, dìu dắt tác giả hồn thành luận văn. Xin trân thành cảm
ơn các thầy cô giáo trong Khoa Cơng Trình – Trường Đại học Thủy Lợi Hà
Nội và lãnh đạo Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 1 đã cũng cấp số
liệu cho luận văn.
Tác giả chân thành cảm ơn các cơ quan đơn vị và các cá nhân nói trên
đã chia sẻ những khó khăn, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi cho
tác giả học tập và hoàn thành luận văn.
Kết quả ngày hơm nay tác giả đạt được chính là nhờ sự chỉ bảo ân cần
của các thầy cô giáo, cùng sự động viên nhiệt tình của cơ quan, gia đình và
bạn bè đồng nghiệp trong những năm qua. Một lần nữa tác giả xin ghi nhớ tất
cả các đóng góp to lớn đó.
Với thời gian và trình độ có hạn, luận văn khơng tránh khỏi những sai
sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của Q Thầy Cô giáo và các
bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
Tác giả
Nguyễn Hữu Cường
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
2
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
T
2
T
2
CHƯƠNG 1:
T
2
T
2
TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG ..... 9
T
2
T
2
1.1. Lịch sử phát triển đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) ....................... 9
T
2
T
2
T
2
T
2
1.1.1. Giới thiệu về đập đá đổ bản mặt bêtông (CFRD)......................... 9
T
2
T
2
T
2
T
2
1.1.2. Lịch sử phát triển .......................................................................... 9
T
2
T
2
T
2
T
2
1.1.3. Tình hình ứng dụng đập bản mặt bê tông tại Việt Nam ............. 17
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2. Tổng quan về đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) ........................... 20
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.1. Phân loại đập CFRD ................................................................... 20
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.2. Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD ........................................... 22
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.3. Điều kiện xây dựng đập CFRD .................................................. 24
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.4. Vật liệu xây dựng đập................................................................. 25
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.5. Công nghệ thi công đập CFRD .................................................. 28
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.6. Vấn đề ổn định trượt ................................................................... 29
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.7. Vấn đề thấm ................................................................................ 29
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.8. Vấn đề ứng suất, biến dạng ........................................................ 30
T
2
T
2
T
2
T
2
1.2.9. Ưu nhược điểm của đập CFRD .................................................. 30
T
2
T
2
T
2
T
2
CHƯƠNG 2:
T
2
T
2
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN .......................................... 32
T
2
T
2
2.1. Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng ................................ 32
T
2
T
2
T
2
T
2
2.2. Phương pháp PTHH trong tính tốn kết cấu ..................................... 33
T
2
T
2
T
2
T
2
2.2.1. Nội dung của phương pháp PTHH ............................................. 33
T
2
T
2
T
2
T
2
2.2.2. Trình tự giải bài tốn bằng phương pháp PTHH ........................ 34
T
2
T
2
T
2
T
2
2.2.3. Tính kết cấu theo mơ hinh tương thích ...................................... 36
T
2
T
2
T
2
T
2
2.2.4. Giải hệ phương trình cơ bản ....................................................... 42
T
2
T
2
T
2
T
2
2.3. Phần tử bậc cao trong phương pháp PTHH ...................................... 43
T
2
T
2
T
2
T
2
2.3.1. Khái niệm về phần tử bậc cao .................................................... 43
T
2
T
2
T
2
T
2
2.3.2. Hệ tọa độ tự nhiên ...................................................................... 43
T
2
T
2
T
2
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
T
2
Lớp: Cao học 17C1
3
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
2.4. Phần mềm tính tốn ........................................................................... 47
T
2
T
2
T
2
T
2
2.4.1. Phần mềm tính tốn kết cấu ....................................................... 47
T
2
T
2
T
2
T
2
2.4.2. Giới thiệu sơ lược về phần mềm – ANSYS ............................... 48
T
2
T
2
T
2
T
2
CHƯƠNG 3:
T
2
T
2
ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP BẢN MẶT
T
2
BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN TUN QUANG ......................... 54
T
2
3.1. Tổng quan về cơng trình .................................................................... 54
T
2
T
2
T
2
T
2
3.1.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 54
T
2
T
2
T
2
T
2
3.1.2. Các thông số kỹ thuật chính ....................................................... 57
T
2
T
2
T
2
T
2
3.2. Số liệu tính tốn ................................................................................. 59
T
2
T
2
T
2
T
2
3.2.1. Mặt cắt và mơ hình tính tốn ...................................................... 59
T
2
T
2
T
2
T
2
3.2.2. Số liệu về chỉ tiêu cơ lý .............................................................. 61
T
2
T
2
T
2
T
2
3.2.3. Trường hợp tính tốn .................................................................. 62
T
2
T
2
T
2
T
2
3.2.4. Kết quả tính tốn ........................................................................ 62
T
2
T
2
T
2
T
2
CHƯƠNG 4:
T
2
T
2
4.1.
T
2
T
2
4.2.
T
2
T
2
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. 76
T
2
T
2
Những kết quả đạt được của luận văn .................................................... 76
T
2
T
2
Kiến nghị và tồn tại .............................................................................. 76
T
2
T
2
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 77
T
2
T
2
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
4
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
Đập Kárahnjúkar (Iceland), cao 196m ....................................... 14
Hình 1.1.
TU
2
T
2
U
TU
2
Đập El Cajon (Mexico), cao 188m............................................. 14
Hình 1.2.
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Mặt cắt ngang điển hình đoạn lịng sơng - Cửa Đạt ................... 19
Hình 1.9.
TU
2
T
2
U
Thi cơng bản mặt đập Tun Quang .......................................... 19
Hình 1.8.
TU
2
T
2
U
Mái thượng lưu đập bản mặt bêtơng Tun Quang ................... 19
Hình 1.7.
TU
2
T
2
U
Đập Zipingpu – Trung Quốc, cao 156m ................................... 17
Hình 1.6.
TU
2
T
2
U
Đập Shuibuya (Trung Quốc), cao 233m .................................... 16
Hình 1.5.
TU
2
T
2
U
Đập Cirata (Indonesia), cao 125m - 1987 .................................. 15
Hình 1.4.
TU
2
T
2
U
Đập Santa Juana (Chile), cao 103m ........................................... 15
Hình 1.3.
TU
2
T
2
U
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.10. Thượng lưu đập Rào Quán ......................................................... 20
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.11. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng đá cứng ................................. 20
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.12. Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi ................................. 21
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.13. Mặt cắt ngang điển hình của CFRD ........................................... 23
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.14. Cấu tạo chi tiết chân thượng lưu đập.......................................... 24
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 1.15. Mặt cắt điển hình đập Nalan – Trung Quốc ............................... 25
TU
2
T
2
U
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Cửa sổ khai báo loại phần tử ...................................................... 51
Hình 2.9.
TU
2
T
2
U
Giao diện ANSYS xuất hiện khi mở phần mềm ........................ 50
Hình 2.8.
TU
2
T
2
U
Hệ tọa độ tự nhiên và phần tử chuẩn .......................................... 45
Hình 2.5.
TU
2
T
2
U
Phần tử lục diện 20 điểm nút ...................................................... 44
Hình 2.4.
TU
2
T
2
U
Tọa độ tự nhiên của phần tử 3 chiều .......................................... 44
Hình 2.3.
TU
2
T
2
U
Sơ đồ tính tốn ............................................................................ 41
Hình 2.2.
TU
2
T
2
U
Các loại phần tử .......................................................................... 34
Hình 2.1.
TU
2
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 2.10. Cửa sổ khai báo vật liệu ............................................................. 51
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 2.11. Cửa sổ khai báo lực .................................................................... 52
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 2.12. Cửa sổ tính tốn .......................................................................... 52
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
Hình 2.13. Cửa sổ biểu diễn kết quả ............................................................ 53
TU
2
T
2
U
TU
2
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
T
2
U
Lớp: Cao học 17C1
5
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 2.14. Cửa sổ kết thúc làm việc và thoát ANSYS ................................ 53
TU
2
T
2
U
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
T
2
U
TU
2
Hình 3.4.
TU
2
TU
2
TU
2
TU
2
TU
2
T
2
U
R
U
RU
T
2
U
R
U
RU
T
2
U
Ứng suất theo phương Y - σ y (TH1) .......................................... 64
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Biến dạng theo phương X - S x (TH2) ........................................ 65
Hình 3.9.
TU
2
RU
Ứng suất theo phương X - σ x (TH1) .......................................... 64
T
2
U
Hình 3.8.
TU
2
R
U
Biến dạng theo phương Y – S y (TH1) ........................................ 63
T
2
U
Hình 3.7.
TU
2
T
2
U
Biến dạng theo phương X – S x (TH1) ........................................ 63
T
2
U
Hình 3.6.
TU
2
T
2
U
Mơ hình tính tốn trong ANSYS ................................................ 60
T
2
U
Hình 3.5.
TU
2
T
2
U
Mặt cắt tính tốn N4-N4 vai đập ................................................ 60
Hình 3.3.
TU
2
T
2
U
Mặt bằng tổng thể cơng trình thủy điện Tun Quang .............. 55
Hình 3.2.
TU
2
T
2
U
Vị trí cơng trình thủy điện Tuyên Quang ................................... 55
Hình 3.1.
TU
2
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.10. Biến dạng theo phương Y - S y (TH2) ....................................... 65
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.11. Ứng suất theo phương X - σ x (TH2) .......................................... 66
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.12. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH2) .......................................... 66
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.13. Biến dạng theo phương X - S x (TH3) ........................................ 67
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.14. Biến dạng theo phương Y - S y (TH3) ........................................ 68
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.15. Ứng suất theo phương X - σ x (TH3) .......................................... 69
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.16. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH3) .......................................... 70
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.17. Biến dạng theo phương X - S x (TH4) ........................................ 71
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.18. Biến dạng theo phương Y - S y (TH4) ........................................ 72
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.19. Ứng suất theo phương X - σ x (TH4) .......................................... 73
TU
2
T
2
U
TU
2
R
U
RU
T
2
U
Hình 3.20. Ứng suất theo phương Y - σ y (TH4) .......................................... 74
TU
2
T
2
U
TU
2
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
R
U
RU
T
2
U
Lớp: Cao học 17C1
6
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
THỐNG KẾ CẤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.
TU
2
T
2
U
Bảng 1.2.
TU
2
T
2
U
Bảng 1.3.
TU
2
T
2
U
Bảng 1.4.
TU
2
T
2
U
Bảng 3.1.
TU
2
T
2
U
Bảng 3.2.
TU
2
T
2
U
Bảng 3.3.
TU
2
T
2
U
Bảng 3.4.
TU
2
T
2
U
Bảng 3.5.
TU
2
T
2
U
Đập bản mặt bê tông trên thế giới cao trên 100m ...................... 11
TU
2
T
2
U
Cấp cơng trình theo chiều cao đập và tính chất nền ................... 22
TU
2
T
2
U
Sức kháng nén của vật liệu đá ứng với chiều cao đập................ 27
TU
2
T
2
U
Hệ số mềm hoá cho phép của vật liệu đá ................................... 27
TU
2
T
2
U
Tần suất dịng chảy lớn nhất và nhỏ nhất ................................... 56
TU
2
T
2
U
Thơng số chính của cơng trình ................................................... 57
TU
2
T
2
U
Chỉ tiêu cơ lý của khối đá nền .................................................... 61
TU
2
T
2
U
Chỉ tiêu cơ lý của đới phong hố hồn tồn ............................... 61
TU
2
T
2
U
Chỉ tiêu cơ lý của bê tông bản mặt, bản chân, tường chống thấm....62
TU
2
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
T
2
U
Lớp: Cao học 17C1
7
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
MỞ ĐẦU
Đề tài:
U
I. Tính cấp thiết của đề tài
Đập đá đổ bản mặt bêtông (CFRD) hiện nay đang được công nhận trên
toàn thế giới là 1 loại đập khá kinh tế. Trung bình, tổng thời gian xây dựng
CFRD so với thời gian xây dựng đập đất đá là ít hơn khoảng 1 năm. Thời gian
xây dựng ngắn hơn giúp giảm thiểu phần lớn chi phí xây dựng và khiến các
dự án thủy điện mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Hầu như tất cả CFRD được xây dựng trên nền đá. Nhưng trên thực tế ở
trong nước và ở nước ngoài, vị trí xây dựng cơng trình trên nền đá khơng phải
lúc nào cũng có thể lựa chọn được. Trong trường hợp tầng đá nằm dưới sâu,
nếu bóc hết lớp đất thì phải thực hiện một khối lượng đào rất lớn, rất tốn kém.
Luận văn sẽ đề cập tới giải pháp thích hợp để xây dựng đập CFRD trên nền
đất. Mặt khác phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của đập và phần tường
bê tông chống thấm dưới nền đất. Từ những kết quả nghiên cứu đạt được sẽ
đưa ra số liệu phục vụ cơng tác thiết kế.
II. Mục đích của Đề tài
Đề xuất giải pháp phù hợp xây dựng đập đá đổ bản mặt bêtông trong
trường hợp tại vị trí tuyến đập có tầng đất dày trên nền đá.
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phân tích ứng suất –
biến dạng của đập đá đổ bản mặt bêtông và tường chống thấm đặt trong tầng
đất.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng của đập đá đổ bản
mặt bêtông trên nền đất và tường chống thấm đặt trong tầng đất.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
8
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Cách tiếp cận và Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu, tìm hiểu về cấu tạo và cơng năng của các bộ phận
kết cấu đập.
- Sử dụng phương pháp PTHH và phần mềm sẵn có để phân tích trạng
thái ứng suất – biến dạng của đập và nền.
IV. Kết quả dự kiến đạt được
- Lập mơ hình tính tốn theo thuật toán của phương pháp PTHH.
- Xác định trạng thái ƯS – BD của đập đá đổ bản mặt bêtông và tường
bê tông chống thấm.
Ý nghĩa của luân văn
- Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo tính tốn thiết kế
đập đá đổ bản mặt bê tơng cho các cơng trình thủy lợi - thủy điện.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
9
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG
1.1. Lịch sử phát triển đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD)
1.1.1. Giới thiệu về đập đá đổ bản mặt bêtơng (CFRD)
Đập được xây dựng ngang lịng sơng để chặn dịng, dâng nước thành hồ
chứa. Các hồ chứa hình thành sau các con đập dùng để chứa nước phục vụ các
mục đích: cung cấp nước thuỷ lợi, thuỷ điện, điều tiết lũ và du lịch.
Việc xây dựng một đập dâng là việc hết sức phức tạp và phụ thuộc rất
nhiều yếu tố như: điều kiện địa hình địa chất, nhu cầu nước, nguồn kinh phí
của quốc gia và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường dân sinh kinh tế.
Đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) là loại đập có thân đập được đắp
chủ yếu bằng vật liệu đá được đầm chặt. Sau đó, một tấm bê tơng cốt thép
được xây dựng tại bề mặt thượng lưu đập với tác dụng chống thấm. Bản mặt
bê tông sẽ truyền áp lực nước thượng lưu cho vùng đất đá thân đập và cuối
cùng là vùng nền đập.
Với tấm bản mặt bê tông, khả năng chống thấm của đập tương đối tốt,
mái dốc thượng, hạ lưu xoải đảm bảo cho sự an tồn ổn định đập. Ngay cả khi
sự rị rỉ xuất hiện, các đập này cũng không dễ dàng sụp đổ. Mặt khác do
CFRD có móng rộng nên ứng suất đáy móng nhỏ hơn so với đập bê tơng có
cùng chiều cao. Do vậy CFRD được xem là an toàn và kinh tế, đặc biệt là có
lợi về mặt thi cơng so với các loại đập khác vì hầu như không phụ thuộc vào
thời tiết.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Đập đá đổ bản mặt bê tông được mô tả bởi Galloway (1939), hội đập
lớn thế giới (1989a), Cooke (1984, 1993, 1999, 2000) và Regan (1997).
CFRD đầu tiên được xây dựng ở California - Mỹ vào năm 1965, là
bước cải tiến từ việc xây dựng đập đá đổ bản mặt bằng gỗ được xây dựng vào
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
10
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
đầu những năm 1950. Trong những năm 1940, CFRD và đập đá đổ lõi đất bắt
đầu phát triển. Tuy nhiên, chúng bị tạm dừng xây dựng vì các thiết bị đầm lăn
không đảm bảo được hệ số đầm cho phép dẫn đến thân đập biến dạng lớn gây
ra hiện tượng thấm qua thân đập. Với việc sử dụng loại đầm rung, một giai
đoạn mới của CFRD xuất hiện và nó phát triển nhanh chóng vào những năm
1970. Ứng dụng của loại đập tiên tiến này được áp dụng rất nhanh ở Australia
và Nam Mỹ với hơn 20 đập được xây dựng.
Những tiến bộ trong việc thiết kế và xây dựng đập đã đạt được nhiều
thành tích đáng kể và ngày càng hồn thiện hơn. Năm 1966 Mỹ đã xây dựng
thành cơng đập New Exchequer cao 150m dùng kết hợp lăn ép tầng mỏng.
Tuy nhiên vẫn còn bị biến dạng lớn, dẫn đến hiện tượng thẩm thấu. Đây là
con đập cuối cùng trong thời kỳ quá độ.
Năm 1971, việc xây dựng thành cơng đập Cethana của Úc vào 110m đã
đặt nền móng kỹ thuật cho các đập CFRD sau này. Qua các con đập lớn được
xây dựng thành công như: Foz do Areia – Brazil cao 160m năm 1980,
Salvajina – Columbia cao 148m năm 1985, Aguamilpa – Mêhicô cao 187m
năm 1993 việc thiết kế và thi cơng đập CFRD ngày càng hồn thiện hơn, quy
mơ cơng trình ngày càng lớn hơn. CFRD ngày nay được xây dựng khắp nơi
trên thế giới vì tính ổn định, sử dụng vật liệu tại chỗ, thi công tương đối đơn
giản, không phụ thuộc vào thời tiết, tiết kiệm, thích hợp với nhiều loại địa
hình - địa chất, vận hành an toàn và dễ sửa chữa.
Đập đá đổ bản mặt bê tông của Trung Quốc bắt đầu từ năm 1985. So
với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông,
Trung Quốc bắt đầu chậm hơn nhưng phát triển nhanh và mạnh hơn các nước
trên thế giới. Chỉ trong vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc. Theo thống kê
chưa đầy đủ năm 2004 Trung Quốc đã xây dựng được khoảng 150 đập đá đổ
bản mặt bê tông cao hơn 30m, trong đó có 37 đập cao trên 100m.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
11
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Bảng 1.1. Đập bản mặt bê tông trên thế giới cao trên 100m
(International Water Power & Dam Construction - Materon, Bayardo)
Tên đập
Quốc gia
Năm hoàn thành
Chiều cao (m)
1
Segredo
Brazil
1991
145
1
Aguamilpa
Mexico
1993
187
2
Alto Anchicaya
Colombia
1974
140
3
Ancoa
Chile
2010
115
4
Antamina
Peru
2002
109
5
Atasu
Turkey
2002
122
6
Baishuikeng
China
2005
101
7
Baixi
China
2001
124
8
Baiyun
China
1998
120
9
Bajiaohe
China
2003
115.3
10
Barra Grande
Brazil
2005
194
11
Bastonia
Romania
1997
110
12
Batang Ai, Sarawak
Malaysia
1985
110
13
Campos Novos
Brazil
2006
200
14
Cethana
Australia
1971
110
15
Chaishitan
China
2000
103
16
Chuza
Colombia
1978
135
17
Cirata
Indonesia
1987
125
18
Dchar El Oued
Morocco
2001
101
19
Dim
Turkey
2001
135
20
Dongba
China
2007
105
21
Eping
China
2005
124.3
STT
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
12
Luận văn thạc sĩ
22
Ercado
23
Fortuna (Raised)
24
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Colombia
2004
120
Panama
1994
105
Foz do Areia
Brazil
1980
160
25
Gaotang
China
1999
111
26
Golillas
Colombia
1978
125
27
Gongboixia
China
2007
130
28
Gudongkou
China
2000
120
29
Heiquan
China
2000
124
30
Hongjiadu
China
2007
182
31
Ita
Brazil
1999
125
32
Itapebi
Brazil
2003
120
33
Jilingtai
China
2007
152
34
Jiudianxia
China
2008
137
35
Khao Laem
Thailand
1984
130
36
Koman
Albania
1986
133
37
Kurtun
Turkey
2001
133
38
Liyutang
China
2007
105
39
Longshou II
China
2004
147
40
Machadinho
Brazil
2002
125
41
Mazar
Ecuador
2010
166
42
Messochora
Greece
1994
135
43
Mironi
Pakistan
2005
127
44
Murchison
Australia
1982
93
45
Nalan
China
2007
109
46
Nam Ngum 3
Laos
2005
220
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
13
Luận văn thạc sĩ
47
Narmashir
48
Neveri Turimiquire
49
New Exchequer
50
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Iran
2008
115
Venezuela
1981
115
US
1966
150
Pai Quere
Brazil
2008
150
51
Panshitou
China
2005
101
52
Paradela
Portugal
1955
112
53
Pecineagu
Romania
1984
105
54
Porce III
Colombia
2010
145
55
Potrerillos
Argentina
2004
116
56
Rama
Yugoslavia
1967
110
57
Reece
Australia
1986
122
58
Salvajina
Colombia
1983
148
59
Segredo
Brazil
1991
145
60
Shiroro
Nigeria
1984
130
61
Tianshengqiao
China
1997
180
62
Xingo
Brazil
1994
150
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
14
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 1.1. Đập Kárahnjúkar (Iceland), cao 196m
Hình 1.2. Đập El Cajon (Mexico), cao 188m
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
15
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 1.3. Đập Santa Juana (Chile), cao 103m
Hình 1.4. Đập Cirata (Indonesia), cao 125m - 1987
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
16
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 1.5. Đập Shuibuya (Trung Quốc), cao 233m
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
17
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 1.6. Đập Zipingpu – Trung Quốc, cao 156m
(Đã đứng vững trong trận động đất cấp 8 ngày 12/5/2008
khi chỉ cách tâm chấn Vân Xuyên, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc 17km)
1.1.3. Tình hình ứng dụng đập bản mặt bê tơng tại Việt Nam
Ở Việt Nam, đập đá đổ bản mặt bê tông đã bước đầu được áp dụng vào
một số công trình. Lần đầu tiên đã áp dụng vào cơng trình đập chính của cơng
trình thuỷ điện Tun Quang (Na Hang) cao 92m, sau đó là đập Rào Quán
tỉnh Quảng Trị cao 78m và đập chính của cơng trình thuỷ lợi thuỷ điện Cửa
Đạt tỉnh Thanh Hoá cao 117m.
Đập đá đổ bản mặt bê tơng chống thấm là một loại hình đập đá đổ mới
được đưa vào nước ta. Tuy nhiên nó đang dần từng bước chứng minh được
tính ưu việt của nó so với các loại đập khác nhất là với loại đập cao. Với công
nghệ và trang thiết bị thi cơng ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh
trong q trình thi cơng đập đá bản mặt bê tông chống thấm sẽ giảm bớt nhiều
và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát triển ở nước ta.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
18
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Một số cơng trình đập đá đổ bản mặt bê tơng đã được xây dựng ở nước ta:
- Cơng trình thuỷ điện Tuyên Quang:
+ Chiều dài đỉnh đập
:
717,90m
+ Chiều cao đập lớn nhất
:
92,20m
+ Chiều rộng đỉnh đập
:
10,00m
+ Mực nước dâng trung bình
:
36,00m
+ Dung tích hồ chứa nước
:
2,245 tỷ m3
+ Số tổ máy
:
3 tổ
+ Công suất thiết kế
:
342 MW
+ Thời gian thi công
:
5 năm
+ Khối lượng bêtông
:
950,10 m3
+ Lắp đặt thiết bị
:
15,10 T
P
P
- Cơng trình thuỷ điện Cửa Đạt:
+ Cao trình đỉnh đập
:
121,30 m
+ Cao trình đỉnh tường chắn sóng :
23,50 m
+ Chiều cao đập lớn nhất
:
117,00 m
+ Thời gian thi công
:
2004 - 2009
+ Tổng vốn đầu tư
:
547 tỷ đồng
- Cơng trình thuỷ điện Rào Quán:
+ Chiều dài dập
:
540,00 m
+ Chiều cao đập lớn nhất
:
75,00 m
+ Cao trình đỉnh đập
:
121,30 m
+ Mực nước dâng bình thường :
480,00 m
+ Dung tích hồ chứa
:
141,00 triệu m3
+ Số tổ máy
:
2 tổ
+ Công suất thiết kế
:
64 MW
+ Doanh thu hàng năm
:
150-200 tỷ đồng
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
19
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Hình 1.7. Mái thượng lưu đập bản mặt bêtơng Tun Quang
Hình 1.8. Thi cơng bản mặt đập Tun Quang
Hình 1.9. Mặt cắt ngang điển hình đoạn lịng sơng - Cửa Đạt
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
20
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Thượng lưu đập Rào Quán
Hình 1.10.
1.2. Tổng quan về đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD)
1.2.1. Phân loại đập CFRD
Hiện nay đập CFRD chưa có nhiều loại, nhìn chung việc phân loại
thường được dựa vào các tiêu chí sau:
1.2.1.1. Phân loại theo vật liệu đắp đập
Dựa vào vật liệu dùng để đắp đập là đá cứng hay cuội sỏi mà người ta
phân thành 2 loại là:
Đập đá đổ bản mặt có thân đập được đắp bằng đá cứng, loại đập này
thường được phân vùng vật liệu trong mặt cắt ngang nh hỡnh 1.11.
11
8
3
5
a
6
2
1
9
7
10
4
1 (IA). Tầng phủ thượng lưu
2 (IB). Vùng gia trọnng
3 (2A). Vùng tầng đệm
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
5 (3A). Vùng quá độ
6 (3B). Vùng thân đập chính
Hỡnh 1.11.
7 (3C). Vùng đá đổ hạ lưu
8 (3D). Bảo vệ mái hạ lưu
9. Vùng có thể biến động giữa vùng 6 và vùng 7
(dạng tam giác - góc ở ®Ønh t thc vµo vËt liƯu vµ chiỊu cao ®Ëp)
10 (3E). Vùng đá thải (thoát nước chân đập)
11. Bản mặt bê tông
Mt ct ngang thõn p p bng ỏ cng
Hc viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
21
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Đập đá đổ bản mặt có thân đập được đắp bằng cuội sỏi, loại đập này
thường được phân vùng vật liệu trong mặt cắt ngang như hình 1.12.
Đập đá đổ bản mặt bê tơng thân đập bằng đá cứng thường có hệ số mái
đập thượng, hạ lưu (1:1,0÷1:1,4) nhỏ hơn so với hệ số mái của thân đập bằng
cuội sỏi ( 1:1,5÷1:1,6). Tuy nhiên thân đập đắp bằng cuội sỏi tận dụng được
nhiều hơn vật liệu đào từ móng cơng trình hoặc khai thác với giá thành rẻ
hơn.
11
8
3
5
10
6
7
6
9
2
12
1
4
1 (IA). TÇng phđ thượng lưu
2 (IB). Vùng gia trọnng
3 (2A). Vùng tầng đệm
4 (2B). Vùng tầng đệm đặc biệt
5 (3A). Vùng quá độ
6 (3B). Vùng thân đập chính (cuội sỏi)
Hỡnh 1.12.
7 (3C). Vùng đá đổ hạ lưu (cuội sỏi)
8 (3D). Bảo vệ mái hạ lưu
9 (3E). Đống đá tiêu nước hạ lưu
10 (3F). Vùng tiêu nước
11. Bản mặt bê tông
12 . Tầng phủ nỊn ®Ëp
Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi
1.2.1.2. Phân loại theo chiều cao
Theo chiều cao đập, tiêu chuẩn thiết kế đập đất đá kiểu đầm nén (SDJ
218 – 84) của Trung Quốc đã phân thành 3 loại:
Đập thấp: chiều cao đập H < 30m
Đập vừa: chiều cao đập H từ 30 ÷ 70 m
Đập cao: chiều cao đập H > 70m
Ở đây chiều cao đập được tính từ đỉnh đập đến vị trí sâu nhất của nền
sau khi đã dọn sạch hố móng.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
22
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
1.2.1.3. Phân loại theo cấp cơng trình
Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ( TCXDVN 285:2002) thì chiều
cao đập đất đá được xác định như ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Cấp công trình theo chiều cao đập và tính chất nền
Loại cơng trình
Cấp thiết kế
Loại đất nền
Đập vật liệu đất, đá có
chiều cao lớn nhất (m)
I
II
III
IV
V
A
>100
70÷ 100
25÷70
10÷25
≤ 10
B
> 75
35÷ 75
15÷35
8÷ 15
≤8
C
> 50
25÷ 50
15÷25
8÷ 15
≤8
Đất nền chia thành 3 nhóm điển hình:
Nhóm A: Nền là đá
Nhóm B: Nền là đất cát, đất hạt thơ, đất sét ở trạng thái cứng, nửa cứng
Nhóm C: Nền là đất sét bão hoà nước ở trạng thái dẻo.
Chiều cao đập từ mặt đập đến vị trí nền thấp nhất sau khi dọn sạch móng.
Nhận xét: Vì đập đá đổ hầu như chỉ xây dựng trên nền đá (yêu cầu nền cao
U
U
hơn đập đất) do vậy cũng có thể hiểu đập cấp I, II là đập cao, đập cấp III là
loại vừa, đập cấp IV, V là đập thấp.
1.2.2. Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD
Đập CFRD có cấu tạo chính là khối đá cấp phối đắp, đầm nén ở thân
đập và bản bê tông cốt thép mác cao phủ trên bề mặt mái thượng lưu để ngăn
nước thấm qua đập. Khối đá đắp cũng được chia làm nhiều vùng khác nhau
như những đập đá đổ thông thường tùy thuộc vào các loại đá dùng trong thân
đập. Phần tiếp giáp giữa bản mặt bê tông và khối đá đắp là lớp đệm (dày từ
2m đến 3m) và lớp chuyển tiếp (dày 4m). Mặt cắt ngang điển hình của đập
CFRD được biểu diễn trong hình 1.13.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
23
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.13.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
Mặt cắt ngang điển hình của CFRD
Đá đắp trong thân đập thường được phân thành hai khối chính: khối đá
đắp thượng lưu và khối đá đắp hạ lưu. Khối đá đắp thượng lưu đòi hỏi yêu
cầu kỹ thuật cao hơn khối đá đắp hạ lưu, cụ thể là cường độ kháng nén lớn
hơn 30MPa cho khối thượng lưu, còn khối hạ lưu chỉ yêu cầu bằng hoặc nhỏ
hơn 30 MPa, có nơi đã dùng khối đá đắp hạ lưu có cường độ kháng nén 10
Mpa với điều kiện nằm trên mực nước hạ lưu. Phạm vi tiếp giáp hai khối đá
này có thể thay đổi tùy thuộc tính chất của từng cơng trình: chiều cao đập, vật
liệu đắp đập, điều kiện nền ..vv.. Phần chân hạ lưu đập có thể bố trí khối đá
đổ có kích thước lớn hơn trong thân đập để tăng khả năng ổn định cho đập.
Bản mặt bê tơng có tác dụng chống thấm cho đập và được liên kết với
nền qua bản chân. Tại điểm tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân được bố trí
khớp nối biên h.1.14a đảm bảo ngăn dịng thấm khi có chuyển dịch giữa bản
mặt và bản chân. Bản mặt cũng được chia làm nhiều tấm nối với nhau bằng
khớp nối dọc với cấu tạo cần thiết để đảm bảo khơng phát sinh dịng thấm từ
thượng lưu về hạ lưu khi có sự chuyển dịch khác nhau giữa các tấm bản mặt.
Do bản mặt ở vùng vai đập chịu kéo còn bản mặt ở vùng giữa chịu nén theo
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
24
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
phương trục đập, nên khớp nối dọc cũng được chia làm khớp nối chịu kéo
(h.1.14b) và khớp nối chịu nén (h.1.14c).
2
4
1
3
1. Bản chân
2. Bản mặt
3. Khớp nối
5
4. Vùng tầng đệm
5. Vùng tầng đệm đặc biệt
(a)
(b)
(c)
Hỡnh 1.14.
Cu to chi tit chõn thng lưu đập
Để tăng độ an toàn về thấm cho khu vực tiếp giáp giữa bản mặt và bản
chân, người ta bố trí một tầng đệm đặc biệt ngay sau hạ lưu bản chân. Tầng
đệm này được cấu tạo từ cát cuội sỏi hoặc đá xay và được đầm nện chặt như
tiêu chuẩn của lớp đệm dưới bản mặt, nó cịn có tác dụng như một lớp lọc khi
có sự cố hư hỏng của khớp nối giữa bản mặt và bản chân.
1.2.3. Điều kiện xây dựng đập CFRD
Về cơ bản, điều kiện để xây dựng đập CFRD cũng tương tự như đập đá
đổ thơng thường. Đập CFRD địi hỏi phải thực hiện một khối lượng công tác
đất đá lớn bao gồm: khai thác, vận chuyển, đắp vật liệu vào thân đập. Đặc biệt
đối với đập cao thì tải trọng truyền xuống nền khá lớn, nên địi hỏi nền phải
có đủ độ bền và ít biến dạng. So với đập bê tơng và đập đất, đập CFRD có u
cầu nền khơng cao. Tuy vậy, phần lớn các đập đã được xây dựng cho đến hiện
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1
25
Luận văn thạc sĩ
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
nay vẫn được chọn đặt trên nền đá IIB hoặc IIA, một số đập được chọn đặt
trên nền đá IB.
Cũng cần nói thêm là, một số ít đập CFRD cũng đã được xây dựng ở vị
trí có tầng phủ khá dày, ví dụ đập Na Lan ở Trung Quốc (cao 109m), đập
Toulnustouc ở Canada (cao 75m), đập Reece của Áo (cao 122m). Trong tình
huống này, để chặn dịng thấm qua tầng phủ phải làm một tường bê tông đủ
dày nối bản chân với tầng đá nằm dưới tầng phủ (Xem hình 1.15).
Hình 1.15.
Mặt cắt điển hình đập Nalan – Trung Quốc
1.2.4. Vật liệu xây dựng đập
Trước hết phải có đủ vật liệu để đắp các khối cho thân đập như: đá, đất
làm lõi, cát, sỏi lọc (có thể tận dụng đất đào móng) ..vv.. thường thì vẫn phải
tính tốn thơng qua luận chứng hiệu quả kinh tế và tài chính.
1.2.4.1. Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp
Lớp đệm thường có chiều dày khơng đổi và được chọn theo kinh
nghiệm, thường khơng nhỏ hơn 3m. Lớp chuyển tiếp có chiều dày khơng đổi
từ 3 ÷ 4m. Khi thi cơng, lớp đệm và lớp chuyển tiếp thường được thi công
đồng thời, chiều cao của lớp đổ thường lấy bằng nửa chiều chiều cao của lớp
đá đổ của khối đá thượng lưu.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
Lớp: Cao học 17C1