Nghiên cứu trạng thái ứng xuất biến dạng của đập vật liệu địa phương theo mô hình phi tuyến áp dụng tính toán cho đập thủy điện khao mang thượng tỉnh yên bái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM TIẾN CẢNH

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP
VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN. ÁP DỤNG TÍNH
TỐN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN KHAO MANG THƯỢNG - TỈNH YÊN BÁI

Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái

Hà Nội - 2014


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, các đồng
nghiệp, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công trình trường Đai học
Thủy Lợi, đến nay luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chun ngành Xây dựng cơng trình
thủy với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa
phương theo mơ hình phi tuyến. Áp dụng tính tốn cho đập thuỷ điện Khao
Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” đã hoàn thành.
Tác giả xin gửi lời chân thành cám ơn tới các đồng nghiệp trong Công ty Cổ
phần Tư vấn Xây Dựng điện 1, người đã cung cấp các số liệu cho luận văn này.

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Cảnh
Thái, người đã trực tiếp hướng dẫn, và giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi những điều
thiếu sót. Tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những quý vị quan tâm. Mọi ý kiến đóng góp xin liên hệ theo địa
chỉ email:
Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014
Tác giả

Phạm Tiến Cảnh


BẢN CAM KẾT
Tác giả xin cam kết rằng, nội dung trong luận văn này hồn tồn được thực
hiện bởi chính tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái. Tất cả
các số liệu sử dụng tính tốn trong luận văn thuộc về sở hữu của Công ty Cổ phần
Tư vấn Xây dựng Điện 1. Tác giả tôn trọng bản quyền tác giả của các nguồn tài liệu
được sử dụng trong luận văn, tất cả đều được trích dẫn cụ thể.
Tác giả xin cam kết những điều trên là đúng sự thật. Tác giả chịu trách nhiệm
với những gì mình cam kết.
Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014
Tác giả

Phạm Tiến Cảnh


MỤC LỤC
HÌNH VẼ....................................................................................................................1
BẢNG BIỂU ..............................................................................................................1

PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯƠNG 1.
1.1

TỔNG QUAN .................................................................................4

Tổng quan về đập vật liệu địa phương ..............................................................4

1.1.1

Mở đầu ...........................................................................................................4

1.1.2

Nhiệm vụ, chức năng của đập .......................................................................6

1.1.3

Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương .......................................................6

1.1.4

Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam ...........................7

1.2

Trạng thái ứng suất biến dạng của đập. ..........................................................11

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG

CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG .................................................................13
2.1

Tổng quan về mơ hình vật liệu .......................................................................13

2.1.1

Tổng quan về ứng suất.................................................................................13

2.1.2

Tổng quan về biến dạng...............................................................................15

2.2

Một số mô hình vật liệu cơ bản.......................................................................16

2.2.1

Mơ hình vật liệu đàn hồi tuyến tính .............................................................16

2.2.2

Mơ hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb) .................................17

2.2.3

Mơ hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang) ...........................................19

2.2.4

Mơ hình đất tăng cứng Hardening Soil .......................................................21

2.3

Quy luật biến dạng cơ bản của đất ..................................................................25

2.4

Các biến dạng trong đập và hậu quả ...............................................................26

2.5

Đứt gãy thủy lực..............................................................................................30


CHƯƠNG 3.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG

CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG .................................................................32
3.1

Yếu tố về hình học của đập .............................................................................32

3.2

Lựa chọn mơ hình vật liệu ..............................................................................32

3.3

Lựa chọn chỉ tiêu của vật liệu .........................................................................33

3.4

Lưới phần tử ....................................................................................................34

3.5

Quá trình thi cơng ...........................................................................................35

3.6

Q trình tích nước .........................................................................................37

CHƯƠNG 4.

TÍNH TỐN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP KHAO MẠNG

THƯỢNG

39

4.1

Giới thiệu về đập Khao Mang Thượng ...........................................................39

4.2

Phân tích số liệu, mơ hình tính tốn, mặt cắt tính tốn. ..................................49

4.2.1

Khảo sát mỏ vật liệu đắp đập ......................................................................49

4.2.2

Cơng tác thí nghiệm vật liệu đắp đập ..........................................................50

4.2.3

Phân tích số liệu ..........................................................................................53

4.2.4

Mơ hình tính tốn ........................................................................................53

4.2.5

Xác định chỉ tiêu tính tốn cho mơ hình hardening soil .............................55

4.2.6

Các tính tốn ứng suất biến dạng đập.........................................................57

4.3
4.3.1

Kết quả tính tốn .............................................................................................58
Ảnh hưởng mơ hình tính tốn, q trình thi cơng, q trình tích nước: Tính

cho mặt cắt 0+100 ....................................................................................................59
4.3.2

Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt: Mặt cắt 0+75, 0+125, 0+150 .............70

4.3.3

Ảnh hưởng của khối gia tải hạ lưu: Mặt cắt 0+75 ......................................75

4.3.4

Tính tốn cho mặt cắt dọc trục đập .............................................................76


4.4

Kiến nghị .........................................................................................................78

4.5

Kết luận chương ..............................................................................................79

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................82
PHỤ LỤC .....................................................................................................................

HÌNH VẼ
Hình 2-1: Hệ trục tọa độ khơng gian tổng thể và ký hiệu ứng suất ..........................13
Hình 2-2: Khơng gian ứng suất chính .......................................................................14
Hình 2-3: Quan hệ giữa ứng suất biến dạng – mơ hình đàn hồi tuyến tính ..............16
Hình 2-4: Quan hệ ứng suất – biến dạng mơ hình Mohr Coulomb ..........................17
Hình 2-5: Mặt dẻo trong khơng gian ứng suất chính (C=0)......................................18
Hình 2-6: Đường cong quan hệ giữa ứng suất – biến dạng. .....................................20
ref
Hình 2-7: Xác định module tham chiếu Eoed
............................................................23

Hình 2-8: Đường cong ứng suất biến dạng ...............................................................23
Hình 2-9: Quy luật biến dạng của đất .......................................................................25
Hình 2-10: Biến dạng đều .........................................................................................26
Hình 2-11: Chênh lệch chuyển vị do địa hình ..........................................................26
Hình 2-12: Chênh lệch chuyển vị do vật liệu đắp khác nhau ...................................27
Hình 2-13: Chênh lệch chuyển vị do thay đổi địa chất nền ......................................27
Hình 2-14: Chênh lệch chuyển vị do vết nứt kiến tạo chạy dọc theo phương dịng
chảy ...........................................................................................................................27
Hình 2-15: Biến dạng theo phương ngang ................................................................27
Hình 2-16: Lún nền đập ............................................................................................27
Hình 2-17: Vết nứt vng góc trục đập ....................................................................28
Hình 2-18: Vết nứt ngang .........................................................................................29
Hình 2-19: Vết nứt dọc .............................................................................................30
Hình 2-20: Giảm ứng suất trong thân đập. ................................................................31
Hình 3-1: Ảnh hưởng của q trình thi cơng đến trạng thái ứng suất biến dạng ......36
Hình 4-1: Thiết kế mặt cắt ngang đập điển hình .......................................................44
Hình 4-2: Biểu đồ cấp phối hạt các khối đắp ............................................................46
Hình 4-3: Đập đắp đến cao trình 470.00m ................................................................47
Hình 4-4: Đập đắp đến cao trình 900.00m ...............................................................47

Hình 4-5: Thi cơng lõi sét chống thấm đến cao trình 900.00m ..............................48


Hình 4-6: Thi cơng thí nghiệm đắp đá thượng lưu (khối 5)......................................48
Hình 4-7: Thiết bị thí nghiệm nén 3 trục mẫu đất .....................................................52
Hình 4-8: Đang thí nghiệm nén 3 mẫu đất cố kết 1 trục ...........................................52
Hình 4-9: Đường cong quan hệ 𝛔~𝛆 thí nghiệm nén Oed ........................................57
Hình 4-10: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất 𝜎y’ ............................................59
Hình 4-11: Kết thúc giai đoạn thi công - Ứng suất 𝜎x’ ............................................59
Hình 4-12: Chuyển vị theo phương đứng, kết thúc giai đoạn thi cơng .....................60
Hình 4-13: Kết thúc giai đoạn thi cơng – Chuyển vị theo phương ngang ................60
Hình 4-14: MNDBT - Ứng suất 𝜎y’ .........................................................................60
Hình 4-15: MNDBT - Ứng suất 𝜎x’ .........................................................................60
Hình 4-16: MNDBT – Chuyển vị theo phương X. ...................................................61
Hình 4-17: Kết quả ứng suất theo phương Y của giai đoạn thi công xong (màu đỏ)
và giai đoạn mực nước dâng bình thường. ................................................................62
Hình 4-18: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất 𝜎x’ ............................................63
Hình 4-19: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất 𝜎y’ ............................................64
Hình 4-20: Kết thúc giai đoạn thi cơng - Ứng suất chính. ........................................64
Hình 4-21: Các điểm vẽ biểu đồ chuyển vị thẳng đứng............................................64
Hình 4-22: Chuyển vị đứng các điểm đo. .................................................................65
Hình 4-23: Chuyển vị đứng tăng thêm do từng lớp đất đắp ứng với các điểm khảo
sát ..............................................................................................................................65
Hình 4-24: Các ứng suất hiệu quả theo phương Y tại các cao trình 895, 905, và 884
...................................................................................................................................66
Hình 4-25: MNDBT – Áp lực nước lỗ rỗng ............................................................67
Hình 4-26: MNDBT - ứng suất hiệu quả 𝜎y’ ...........................................................68
Hình 4-27: MNDBT - ứng suất hiệu quả 𝜎x’ ...........................................................68
Hình 4-28: MNDBT - ứng suất chính hiệu quả. .......................................................68
Hình 4-29: Chuyển vị thẳng đứng – MNDBT ..........................................................69

Hình 4-30: Chuyển vị thẳng đứng –cuối giai đoạn thi cơng .....................................69
Hình 4-31: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y.......................70


Hình 4-32: Mặt cắt 0+75 - Kết thúc thi cơng - ứng suất hiệu quả 𝛔x .......................70
Hình 4-33: Mặt cắt 0+75 - MNLTK - ứng suất hiệu quả 𝛔y ....................................71
Hình 4-34: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y.....................71
Hình 4-35: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x .....................72
Hình 4-36: Mặt cắt 0+125 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y .................................72
Hình 4-37: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi cơng - ứng suất hiệu quả 𝛔y ....................73
Hình 4-38: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x ....................73
Hình 4-39: Mặt cắt 0+150 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y ................................74
Hình 4-40: Ứng suất trong lõi sét cao trình 904m khi MNDBT ...............................75
Hình 4-41: Mặt cắt A-A ............................................................................................75
Hình 4-42: Trường hợp khơng có khối gia tải Max = 14,8cm ..................................76
Hình 4-43: Có khối gia tải Max = 5cm .....................................................................76
Hình 4-44: Thi cơng xong - chuyển vị theo phương X .............................................77
Hình 4-45:Thi cơng xong - chuyển vị theo phương Y ..............................................77
Hình 4-46: Ứng suất Sx'- mực nước 915. .................................................................78


BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới ......8
Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ đã
xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng 1/2007 ........9
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam. ..................10
Bảng 4-1: Bảng thông số các hạng mục cơng trình thủy điện Khao Mang Thượng
giai đoạn TKKT ........................................................................................................41
Bảng 4-2:Cấp phối hạt cát lọc (khối 3) .....................................................................45
Bảng 4-3: Cấp phối hạt cát lọc (khối 4) ....................................................................45

Bảng 4-4: Cấp phối hạt đá đắp thượng lưu (khối 5) .................................................45
Bảng 4-5:Khối lượng cơng tác thí nghiệm trong phịng và hiện trường ...................51
Bảng 4-6: Chỉ tiêu tính tốn kiến nghị theo số liệu của chủ nhiệm địa chất. ...........53
Bảng 4-7: Chỉ tiêu tính tốn đập KMT theo mơ hình Hardening Soil ......................55
Bảng 4-8: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục CU cho lõi sét ..........................................56
Bảng 4-9: Kết quả thí nghiệm nén Oed .....................................................................56
Bảng 4-10: Modulus đàn hồi trung bình cho các vùng vật liệu – kết thúc giai đoạn
thi công ......................................................................................................................67
Bảng 4-11: Modulus đàn hồi trung bình cho các vùng vật liệu – Mực nước DBT ..67


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập vật liệu địa phương đã được xây

dựng nhiều ở Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xơ với mục
đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Về sau, đập vật liệu địa phương ngày
càng đóng vai trị quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài
nguyên dòng nước.
Đối với nước ta khi xây dựng những hồ chứa, đập vật liệu địa phương là loại
cơng trình dâng nước phổ biến nhất. Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây
dựng, phương tiện thi công... của nước ta, trong tương lai đập vật liệu địa phương
cịn có triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa.
Tính tốn trạng thái ứng suất- biến dạng của đập vật liệu địa phương đã được
thực hiện từ những năm 40 của thế kỷ 20 ở CHLB Nga và các nước phương Tây.
Tuy nhiên do hạn chế về cơng cụ tính tốn mà người ta buộc phải đưa vào q

nhiều giả thiết nhằm đơn giản hố các cơng thức tính tốn. Các cơng thức này là
những biểu thức giải tích theo bài tốn một chiều. Cho tới nay, các cơng thức đó chỉ
có ý nghĩa về mặt lịch sử.
Tính tốn trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá theo bài toán phẳng
hai chiều cũng đã được tiến hành vào những năm 60 của thế kỷ trước (gắn liền với
sự ra đời của phương pháp phần tử hữu hạn ), và bài tốn khơng gian ba chiều cũng
chỉ mới được bắt đầu tính tốn vào những năm 70 của thế kỷ 20. Tất cả các bài tốn
đó đều được giải theo mơ hình tuyến tính.
Do thực tế xây dựng các dự án thủy điện lớn ở CHLB Nga và các nước
phương tây ngày càng phát triển, nên các đập đất đá cao cũng được ứng dụng nhiều
hơn.Theo đó các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm của đập cao cũng phát
triển và đã chứng minh rằng các kết quả tính tốn theo mơ hình tuyến tính đã không
phản ánh đúng thực tế làm việc của công trình. Để phản ánh đúng sự làm việc của
các đập cao cần phải đi tìm kiếm một phương hướng khác. Đó là việc giải bài tốn
với mơ hình phi tuyến về mối liên hệ giữa ứng suất - biến dạng.


2

Vấn đề nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong thiết kế các đập vật
liệu địa phương ở Việt nam là cần thiết và cấp bách.
Sự phát triển gần đây của các chương trình máy tính địa kỹ thuật phân tích
ứng suất-biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn đã đem lại hiệu quả cao
trong thiết kế cơng trình. Tuy nhiên, thách thức khơng nhỏ đối với người thiết kế là
việc lựa chọn đúng đắn mơ hình phân tích cũng như các tham số của mơ hình đất
đá.
Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa
phương theo mơ hình phi tuyến. Áp dụng tính tốn cho đập thuỷ điện Khao
Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” sẽ nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng theo
mơ hình phi tuyến xác định ứng suất và biến dạng trong thân và nền đập. Khi biết

được sự phân bố ứng suất sẽ dự kiến được khả năng phát sinh vết nứt trong đập- là
một trong những nội dung quan trọng khi thiết kế đập cao và có địa hình phức tạp
(như vai đập vách dốc, độ dốc thay đổi lớn...). Đề tài sẽ áp dụng phân tích ứng suất
biến dạng theo mơ hình đàn hồi phi tuyến – mơ hình đất tăng cứng Hardening soil
cho đập thủy điện Khao Mang Thượng, đập đá đổ lõi sét.
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đập vật liệu địa phương theo

2.

mơ hình phi tuyến phản ánh đúng sự làm việc của đập.
- Đề xuất giải pháp thiết kế hợp phù hợp cũng như biện pháp xử lý trong thời
kỳ thi công.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng giúp tăng khả năng an toàn đập
và giảm giá thành cơng trình đặc biệt là những đập có điều kiện địa hình phức tạp.
-

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập vật liệu địa phương.

-

Nghiên cứu một số mơ hình đàn hồi phi tuyến.

-

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng của đập.

-

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với việc tính tốn áp dụng cho một cơng trình

3.

cụ thể là đập thủy điện Khao Mang Thượng – đập đá đổ.
-

Từ kết quả tính tốn áp dụng rút ra kết luận và kiến nghị.


3

4.
-

Kết quả và dự kiến đạt được
Phân tích ứng suất biến dạng theo mơ hình đàn hồi phi tuyến cho đập thủy
điện Khao Mang Thượng.

5.

-

Đề xuất các biện pháp nâng cao an tồn cho đập.

-

Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phân tích ứng suất - biến
dạng cho các đập vật liệu địa phương.
Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm các phần như sau
MỞ ĐẦU
Chương I: Tổng quan
Chương II: Cơ sở lý thuyết phân tích ứng suất biến dạng đập vật liệu địa
phương
Chương III: Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa
phương
Chương IV: Tính tốn ứng suất biến dạng đập Khao Mang Thượng
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


4

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phương

Hình 1.1. Ảnh đập vật liệu địa phương
1.1.1 Mở đầu
Đập vật liệu địa phương được hiểu một cách đơn giản là đập được xây dựng từ
các vật liệu lấy ngay tại địa phương có cơng trình xây dựng, khơng phải vận chuyển
xa, không qua công nghệ chế biến phức tạp. Vì vậy đập vật liệu địa phương cịn
được gọi là đập vật liệu tại chỗ.
Tuy nhiên về mặt cơ học đất đá, đập vật liệu địa phương được hiểu là đập
đuợc xây dựng trực tiếp từ các sản phẩm phong hoá (các loại đất, cát, sỏi) và chưa
phong hoá (đá đổ, đá dăm) của vỏ trái đất. Về nguyên tắc bất cứ loại vật liệu gì là

sản phẩm phong hố của vỏ trái đất đều có thể dùng để xây dựng đập.
Đập vật liệu địa phương là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ
nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia


5

nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi, thủy điện hay xây
dựng nhằm mục đích chỉnh trị dịng sơng.
Từ mấy nghìn năm trước cơng ngun, đập đất đá đã được xây dựng nhiều ở
Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xơ với mục đích dâng và
giữ nước để tưới hoặc phịng lũ. Về sau, đập đất ngày càng đóng vai trò quan trọng
trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận
thấm, địa chất thủy văn và địa chất cơng trình v.v... cũng như việc ứng dụng rộng
rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi cơng cho nên đập đất càng có xu hướng phát
triển mạnh mẽ. Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất (riêng Nhật
đã có 1281 đập đất cao hơn 15 m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75 m.
Các cơng trình thuỷ cơng nói chung và đập vật liệu địa phương nói riêng được
sử dụng rất phổ biến ở tất cả các nước trên thế giới khi xây dựng các dự án thuỷ lợi,
thuỷ điện, giao thông thuỷ v.v....Các đập đất đã xuất hiện khá sớm, từ hàng nghìn
năm trước cơng ngun (như ở Trung quốc thời cổ đại đã có đê đập ven sơng
Hồng Hà, ở Ấn Độ đã thời cổ cũng đã có đê đập ngăn nước lũ của sông Hằng, ở
Việt Nam từ thời Lý đã có đê ven sơng Hồng v.v...). Ở nước ta, trong những năm
qua đã xây dựng nhiều đập đất đồng chất, đập đất nhiều khối, đập đất đá hốn hợp,
đập đá đổ…trong đầu mối cơng trình thủy lợi, thủy điện.
Đặc điểm chính của các đập đất đá là thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và
động. Qua phân tích sự làm việc và tổng kết các cơng trình đã được xây dựng, khai
thác vận hành người ta nhận thấy rằng các cơng trình thuỷ cơng như các đập đất đá
là loaị cơng trình có nhiều vấn đề kỹ thuật hơn cả. Sự có mặt thường xun của

dịng thấm trong thân và nền của các cơng trình thuỷ cơng đã dẫn dến sự tăng kích
thước mặt cắt ngang của chúng cũng như địi hỏi q trình thi cơng nghiêm ngặt,
cho nên giá thành cơng trình cao hơn rất nhiều giá thành các cơng trình khơng chịu
tác dụng của dịng nước (ví như so với các cơng trình kiến trúc trên mặt đất).


6

Để hạn chế tới mức tối thiểu nhất tác hại các loại ngoại lực bên ngoài tác
động lên các đập đất đá mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, nhất thiết phải hiểu
được bản chất của của các loại nội lực phát sinh trong thân và nền công trình.
Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của các loại máy tính, đặc biệt
là sự phát triển cực kỳ nhanh chóng của các phần mềm ứng dụng, đã cho phép
chúng ta gải quyết được rất nhiều vấn đề khoa học và công nghệ phức tạp đặt ra đối
với các cơng trình thuỷ cơng như các đập vật liệu địa phương.
1.1.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập
Đập vật liệu địa phương là loại cơng trình tận dụng vật liệu tại chỗ, có nhiệm
vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và cơng
trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi,
thủy điện hay xây dựng nhằm mục đích chỉnh trị dịng sơng.
1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương
1.1.3.1 Ưu điểm
Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập vật liệu địa phương không cao lắm so
với những loại đập khác. Đập vật liệu địa phương có thể xây dựng được với bất kỳ
điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào. Những vùng có động đất cũng có thể
xây dựng được đập đất. Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp,
có địa chất tốt thích hợp cho các loại đập bê tơng càng ít cho nên dần dần đi vào
khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho đập bằng vật liệu tại chỗ.
Với những thành tựu nghiên cứu trong các lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm,
trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống

thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để
đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại. Do đó giá thành cơng trình
ngày càng hạ thấp và chiều cao đập càng được nâng cao. Người ta đã tính được rằng
nếu lựa chọn được loại đất có thành phần hạt thích hợp và đầm nén tốt thì ứng suất
cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110 kg/cm2 và như vậy có thể xây dựng
được đập cao đến 650 m.


7

Có khả năng cơ giới hóa hồn tồn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất
với những máy móc có cơng suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ
giá thành cơng trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hồn tồn lực lượng lao
động thủ cơng…
Tóm lại ưu điểm của đập vật liệu địa phương bao gồm:
-

Có cấu tạo đơn gian nhưng rất phong phú, giá thành hạ;

-

Yêu cầu địa chất nền không cao, có thể xây dựng trên mọi loại nền;

-

Vật liệu không cần xử lý nhiều, tận dụng được các vật liệu tại chỗ;

-

Kỹ thuật thi công đơn giản, cho phép cơ giới hóa các cơng đoạn thi

cơng từ khai thác vật liệu, chuyên chở, đắp, đầm nén...Công tác chuẩn
bị trước khi xây dựng không tốn nhiều công sức như các loại đập khác.

-

Kinh nghiệm trong thiết kế, thi công và quản lý đập được tích lũy qua
thời gian dài.

-

Làm việc tin cậy kể cả ở vùng có động đất.

-

Dễ quản lý, tôn cao, đắp dày thêm.

1.1.3.2 Nhược điểm
-

Khối lượng đập lớn, do mái thượng lưu và hạ lưu đập thoải;

-

Không cho nước tràn qua đỉnh đập. Nếu nước tràn qua đỉnh đập sẽ bị
hư hỏng hoặc bị phá hủy do tác động gây xói mịn của dịng nước;

-

Đập lún nhiều, lún phân bố khơng đều;

-

Dễ bị xói mịn bên trong thân đập.

1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới, đập vật liệu địa phương được xây dựng từ thời xa xưa. Đập
Ceylou (Xrilanca) cao 21.5m, khối lượng đất đắp 13.000.000m3 được xây dựng từ
năm 504 trước cơng ngun. Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, đập vật liệu địa phương được mở rộng về chủng loại, chiều cao. Đập khơng
chỉ cịn được xây dựng từ đất, mà cịn có thể từ đá đổ, bê tơng kết hợp đất, đá
đổ…Chiều cao đập đã lên tới 335m (đập Rogun ở Tajikistan – hoàn thành năm


8

2015), trở thành loại đập có chiều cao lớn nhất trên thế giới, vượt qua đập bê tông
Bakhtiari (315m) và đập vòm Jinping-I (305m).
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới
Số
Tên đập
Tên nước
Chiều
cao (m)

TT
1

Rogun

Taijikistan

335

2

Nurek

Taijikistan

315

3

Shuangjiangkou

Trung Quốc

312

4

Lianghekou

Trung Quốc

295

5

Changheba

Trung quốc

240

6

Orovin (Oroville)

Mỹ

262,4

7

Xitviptơ (Swift)

Mỹ

156

8

Anđecxôn Rănsơ Anderson

Mỹ

139

Ranch

9

Zavajô (Navajo)

Mỹ

124

10

Xerơ Pôngxông

Pháp

122

11

Hiks (Hicks)

Mỹ

122

12

Matmac (Mattmarh)

Thụy sĩ

115

13

Benmô

Tân Tây Lan

110

14

Đôratlam

Pakitxtăng

110

15

Hin coric

Mỹ

105

16

Lucky-Peak

MỸ

104

17

Caxita (Vasitas)

MỸ

101


9

Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ
đã xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng
1/2007
Vị trí XD
Chiều cao
Năm hồn
TT

Tên đập

Trên sơng

(Bang)

đập (mét)

thành

1

Oroville

Feather

California

262,4

1968

2

Hoover

Colorado

Nevada

248,8

1936

N. Fork
3

Dworshak

Clearwater

Idaho

244,4

1973

4

Glen Canyon

Colorado

Arizona

242,0

1964

New Bullards
5

Bar

North Yuba

California

219,8

1969

6

Seven Oaks

Santa Ana

California

215,4

1999

7

New Melones Stanislaus

California

213,0

1979

8

Mossyrock

Cowlitz

Washington

206,5

1968

9

Shasta

Sacramento

California

205,2

1945

10

Don Pedro

Tuolumne

California

199,4

1971

S. Fork
11

Hungry Horse Flathead

Montana

192,2

1953

12

Grand Coulee Columbia

Washington

187,4

1942

13

Ross

Skagit

Washington

184,0

1949

14

Trinity

Trinity

California

183,4

1962

15

Yellowtail

Bighorn

Montana

178,9

1966

McKenzie

Oregon

176,9

1964

Green

Utah

171,1

1964

S. Fork
16

Cougar
Flaming

17

Gorge

Ở Mỹ, nếu tính từ 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa phương, trong đó
chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ những đập đã xây dựng trong cùng thời

10

gian. Ở Canađa cũng trong thời gian đó chỉ xây dựng 1 đập bê tơng duy nhất cịn là
đập bằng vật liệu địa phương. Ở Anh, trước 1964 đập bằng vật liệu địa phương chỉ
chiếm 45 tổng số các loại đập mà từ 1964 lại đây đã nâng tỷ số lên 67%.
Đối với nước ta, đập vật liệu địa phương là loại cơng trình dâng nước phổ
biến nhất khi xây dựng những hồ chứa. Những hồ chứa nước đã xây dựng ở nước
ta đập đất chiếm tuyệt đại đa số.
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam.
Stt
Ký hiệu cơng trình
Loại đập
Chiều cao (m)
1

Thác bà

Đá đổ, lỗi giữa

45, 00

2

Cấm sơn

Đất, hỗn hợp

42, 00

3

Cẩm ly

Đá xêp, tường nghiêng

30, 00

4

Tà keo

Đất, đồng chất

30, 00

5

Khuôn thần

Đất, đồng chất

27, 00

6

Suối hai

Đất, tường nghiêng

24, 80

7

Thượng tuy

Đất, đồng chất

24, 50

8

Đồng ngư

Đất, đồng chất

23, 00

9

Đại lãi

Đất, tường nghiêng

20, 00

10

Ngãi sơn

Đất, hỗn hợp

20, 00

11

Đồng mô

Đất, hỗn hợp

17, 50

12

La ngà

Đất, tường nghiêng

17, 00

13

Vân trục

Đất, đồng chất

16, 00

14

Đa nhim (đơn dương)

Đất đồng chát

29,00

14

Hồ bình

Đa đổ, lỗi giữa

128, 00

15

Trị an (đập chính)

Đất-đá hỗn hợp

45,00

16

Trị an (suối rộp)

Đất, đồng chất

42,00

17

Thác mơ (đập chính)

Đất- đá hỗn hợp

48,00

18

Thác mơ (đức hạnh)

Đất, đồng chất

46,00

19

Đa nhim (đ. Dương)

Đất, đồng chất

43,00


11

20

Hàm thuận(đ.chính)

Đá đổ, lỗi giữa

94,00

21

Hàm thuận(đập phụ)

Đất đồng chất

58,00

22

Đăkr’tih

Đất đồng chất

41,50

23

Đại ninh

Đất đá

58,00

24

Đa mi (đập chính)

Đá đổ, lỗi giữa

72,00

25

Yaly, (đập chính)

Đá đổ, lõi giữa

75,00

26

Bn tua srah

Đá đổ

83,00

27

Tun quang (đập chính)

Đá đổ, bản mặt

92,20

28

Quảng trị (đập chính)

Đá đổ, bản mặt

75,00

1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng của đập.
Dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân đập và của áp lực nước các biến
dạng của thân đập xảy ra theo các hình thức lún thẳng đứng và chuyển vị ngang.
Nếu trong trường hợp này đập không được xây dựng trên nền cứng thì cịn xảy ra cả
các biến dạng của nền.
Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương nhằm
tìm ra mặt cắt đập hợp lý, phân vùng hợp lý vật liệu, tìm ra các nguy cơ ảnh hưởng
xấu đến sự ổn định của đập như đứt gãy thủy lực, nứt, đưa ra các dự báo lún để có
biện pháp xử lý thích hợp.
Tính tốn trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá đã được thực hiện từ
những năm 40 của thế kỷ 20 ở CHLB Nga và các nước phương Tây. Tuy nhiên do
hạn chế về cơng cụ tính tốn mà người ta buộc phải đưa vào quá nhiều giả thiết
nhằm đơn giản hoá các cơng thức tính tốn. Các cơng thức này là những biểu thức
giải tích theo bài tốn một chiều. Cho tới nay, các cơng thức đó chỉ có ý nghĩa về
mặt lịch sử.
Tính tốn trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá theo bài toán phẳng
hai chiều cũng đã được tiến hành vào những năm 60 của thế kỷ trước (gắn liền với
sự ra đời của phương pháp phần tử hữu hạn ), và bài tốn khơng gian ba chiều cũng
chỉ mới được bắt đầu tính tốn vào những năm 70 của thế kỷ 20. Tất cả các bài tốn
đó đều được giải theo mơ hình tuyến tính.

12

Do thực tế xây dựng các dự án thủy điện lớn ở CHLB Nga và các nước
phương tây ngày càng phát triển, nên các đập đất đá cao cũng được ứng dụng nhiều
hơn.Theo đó các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về đập cao cũng phát triển
và đã chứng minh rằng các kết quả tính tốn theo mơ hình tuyến tính đã khơng phản
ánh đúng thực tế làm việc của cơng trình. Để phản ánh đúng sự làm việc của các
đập cao cần phải đi tìm kiếm một phương hướng khác. Đó là việc giải bài tốn của
đập với mơ hình phi tuyến về mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển về cơ học phi tuyến của môi
trường rời và về trạng thái ứng suất không gian đã đi đến kết luận rằng:
-

Đất, đá là những vật liệu thể hiện phi tuyến rất mạnh, ngay cả khi tải
trọng nhỏ.

-

Khi chịu tải trọng lớn, nhất thiết phải kể đến ảnh hưởng của ứng suất
nén trung gian 2 tức là phải tính đến trạng thái ứng suất khơng gian
của phần tử đất đá đang xét.

Mặt khác, việc giải các bài tốn khơng gian (ba chiều) khi so sánh với bài tốn
phẳng đã đưa đến kết luận rằng chỉ có bài tốn khơng gian mới phản ánh đúng sự
làm việc tự nhiên của đập. Những kết luận như vậy cũng đã được các cơ quan thiết
kế thừa nhận. Chính việc xây dựng các đập có tuyến cong như Kugar (Mỹ), Ragun (
CHLB Nga), Hịa Bình, Yaly (Việt Nam),… là đã sử dụng các kết quả của bài tốn
khơng gian.

13

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

2.1 Tổng quan về mơ hình vật liệu
“Mơ hình vật liệu là một tập hợp của các phương trình tốn học mơ tả quan
hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu”
2.1.1 Tổng quan về ứng suất
Ứng suất là một tensor có thể được thể hiện bởi ma trận trong hệ tọa độ
Cartesian như sau:
 xx  xy  xz 


   yx  yy  yz 
 zx  zy  zz 



(2.1)

Tensor ứng suât là đối xứng, do đó  yx =  xy ,  zx   xz , và  zy   yz . Do đó
tensor ứng suất thường được biểu diễn dưới dạng vector bao gồm 6 thành phần khác
nhau
   xx  yy  zz  xz  xy  yz 

T

(2.2)

Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng,  yz   zx  0

Hình 2-1: Hệ trục tọa độ khơng gian tổng thể và ký hiệu ứng suất
Theo Terzaghi, ứng suất trong đất được chia ra thành ứng suất hiệu quả  ' và
áp lực nước lỗ rỗng  w . Do đó ứng suất tổng được viết dưới dạng:
   ' w

(2.3)


14

Nước được coi như khơng chịu cắt, do đó ứng suất cắt hiệu quả luôn luôn
bằng ứng suất cắt tổng.
Thông thường, các thành phần ứng suất chính ( 1   2   3 ) được sử dụng
thanh cho các thành phần ứng suất Cartesian với quy ước ứng suất mang dấu âm là
ứng suất nén, mang dấu dương là ứng suất kéo.

Hình 2-2: Khơng gian ứng suất chính
Ngồi ứng suất chính, hai thành phần ứng suất bất biến không phụ thuộc vào
hệ tọa độ cũng thường được sử dụng. Đó là:
1
1
'
p '   ( xx'   yy
  zz' )   ( 1'   2'   3' )
3
3

2
2
2
1
q
 xx'   yy'    yy'   zz'    zz'   xx'   6  xy2   yz2   zx2 

2





(2.4)

Trong đó
-

p’: ứng suất hiệu quả đẳng hướng

-

q: độ lệch ứng suất cắt.

Trong thí nghiệm nén 3 trục đẳng hướng, với  2'   3, thì q  1'   3'
Ứng suất chính có thể viết lại dưới dạng hàm của ứng suất bất biến như sau:



2

2




 i'  p ' q sin     
3
3

(2.5)

Trong đó  là góc Lode được định nghĩa qua công thức:
1
3

 27 J 3 
3 
 3 q 

  arcsin 

(2.6)


15

2.1.2 Tổng quan về biến dạng
Biến dạng là một tensor có thể được biểu diễn thơng qua ma trận trong hệ trục
tọa đô Cartesian như sau:

 xx

   yx
 zx


 xy  xz 

 yy  yz 
 zy  zz 

(2.7)

Theo lý thuyết biến dạng nhỏ, chỉ có tổng các thành phần biến dạng cắt  ij và
 ji dẫn đến ứng suất cắt. Tổng biến dạng này được biển diễn dưới dạng biến dạng

cắt  . Do đó thay vì sử dụng  xy ,  xz ,  yx ,  zx, yz ,  zy thì  xy ,  xz ,  yz được sử dụng tương
ứng. Vì vậy, tensor biến dạng thường được biểu diện qua vector chuyển vị bao gồm
6 thành phần:
   xx  yy  zz  xz  xy  yz 

T

(2.8)

Trong đó
u
u x
u
;  yy  y ;  zz  z

y
z
x

-

 xx 

-

 xy   xy   yx 

ux u y

y
x

-

 yz   zy   yz 

uz u y

y
z

-

 xz   xz   zx 

ux uz

z
x

Với u x , u y , u z lần lượt là chuyển vị theo hướng ba trục x, y, z trong hệ tọa độ
Cartesian. Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng  zz   xz   yz  0
Cũng giống như ứng suất, biến dạng mang dấu âm thể hiện vật liệu bị nén,
ngược lại mang dấu dương thể hiện kéo.
Tương tự với thuật ngữ ứng suất bất biến, biến dạng bất biến thường được sử
dụng là biến dạng khối tổng  v , được định nghĩa theo công thức: