Phân tích chuyển vị và ứng suất của đập bê tông trọng lực khi xảy ra động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TĂNG ĐƠNG CHINH

PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ ỨNG SUẤT CỦA ĐẬP
BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI XẢY RA ĐỘNG ĐẤT
Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60 58 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Đình Hồng ......................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Quang Trưởng ..................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Trà Thanh Phương....................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 26 tháng 01 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.PGS.TS. Nguyễn Thống ........................
2 TS. Nguyễn Quang Trưởng. ..................
3.TS. Trà Thanh Phương ..........................
4.TS. Trần Thu Tâm ................................
5.TS. Hồ Tuấn Đức ..................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TĂNG ĐÔNG CHINH ..................................MSHV:1670602 ..............
Ngày, tháng, năm sinh: 25/10/1984 ...........................................Nơi sinh: Trà Vinh ..........
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy ..................Mã số : 60 58 02 02
I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG
LỰC KHI XẢY RA ĐỘNG ĐẤT ...................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ....................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017 .................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS : Lê Đình Hồng ..........................................................
.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN


Để hồn thành luận văn này, tơi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ bạn bè,
đồng nghiệp và q thầy cơ.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Đình Hồng đã tận tình chỉ bảo
và hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đã cho tơi những
ý kiến đóng góp q báu để luận văn hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn Cty CP TVXD Thủy Lợi 2 đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hồn thành luận văn này.
Đồng thời xin cảm ơn Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa
TPHCM, q thầy cơ trong bộ mơn Tài nguyên nước đã tạo điều kiện để tôi học tập
và hồn thành tốt khóa học.
Trong q trình làm luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm
rất mong nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của q thầy cơ và các bạn để luận
văn hồn thiên hơn.
TPHCM, ngày …. tháng 3 năm 2018
Học viên

Tăng Đông Chinh

BẢN TĨM TẮT
Trong thiết kế đập bê tơng chịu tác động của động đất, phương pháp Westergaad thường
được dùng để xác định áp lực thủy động tác dụng lên mặt đập dâng. Phương pháp này đã
bỏ qua tác động tương hỗ của chất lỏng trong hồ chứa với thân đập và nền cơng trình.
Trong bài luận văn này tác động tương hỗ của nước trong hồ chứa, đập dâng và nền được
nghiên cứu trong cùng một bài tốn trong đó khối nước trước đập được mô phỏng bằng
phần tử chất lỏng trong Ansys. Dưới tác động của động đất, dao động của đập và khối
nước phía thượng lưu có tác động tương hỗ lẫn nhau và sản sinh ra áp lực thủy động tác
dụng lên mặt thượng lưu đập cũng như làm thay đổi phản ứng động lực học của hệ thống.

ABSTRACT

In designing concrete gravity dams subjected to seismic action, the Westergaad method is
often used to determine the hydrodynamic force acting on the upstream face of dams.
This method neglects the fluid-structure-foundation interaction. In this paper such an
interaction is investigated in which the upstream water mass is modeled by fluid elements
in Ansys. During the seismic period the oscillation of dam and upstream water mass has
an interaction, creates a hydrodynamic force acting on the upstream face of dams and
changes the dynamic behavior the dam-reservoir-foundation system.


LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan các số liệu, thông tin được sử dụng trong luận văn là trung
thực. Các kết quả trình bày chưa từng được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu
khác.
TPHCM, ngày….. tháng…….năm 2018

Tăng Đơng Chinh


Mục lục

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
3.3. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................ 1
3.4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................... 4
3.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................. 5
3.6. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ...................................... 5
1.1.1. Nghiên cứu trong nước ........................................................................... 6
1.1.2. Nghiên cứu ngoài nước: .......................................................................... 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................11
2.1. GIỚI THIỆU VỀ TIẾP XÚC........................................................................11
2.1.1. Mơ hình tiếp xúc ...................................................................................11
2.1.2. Tiếp xúc trượt .......................................................................................12
2.2. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CHUYỂN VỊ 1
BẬC TỰ DO ...........................................................................................................13
2.3. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CHUYỂN VỊ
NHIỀU BẬC TỰ DO .............................................................................................14
2.4. PHƯƠNG TRÌNH HỆ CHUYỂN ĐỘNG NHIỀU BẬC TỰ DO DAO
ĐỘNG TRONG HỆ TOẠ ĐỘ MODE DAO ĐỘNG .............................................16
2.5. HỆ TOẠ ĐỘ MODE ....................................................................................17
2.6. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG HỆ TỌA ĐỘ MODE ........18
2.7. LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘNG ĐẤT ............................20
2.7.1. Phân tích động đất theo lịch sử thời gian tuyến tính trong hệ nhiều bậc
tự do
..............................................................................................................20

2.7.2. Phân tích động đất theo lịch sử thời gian trong động đất .....................22
2.7.3. Tích phân từng bước với tải thay đổi tuyến tính ...................................22
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ............................................24
3.1. THƠNG SỐ ĐẦU VÀO .....................................................................................24
3.2. PHÂN TÍCH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ANSYS VÀ SAP2000 TRONG KẾT
QUẢ CHẠY BÀI TỐN TĨNH .................................................................................26
3.2.1. Mơ phỏng mơ hình trong chương trình Ansys .............................................26
3.2.2. Mơ phỏng tính tốn bằng phần mềm Sap 2000 ............................................29
3.2.3. Phân tích đập khi chịu áp lực thủy tĩnh ........................................................30
3.2.3.1. Phân tích chuyển vị ..................................................................................30
a.
b.

Chuyển vị do áp lực thủy tĩnh bằng Ansys ...........................................30
Chuyển vị do áp lực thủy tĩnh bằng Sap 2000 ......................................31
-i-


Mục lục
3.2.3.2. Phân tích ứng suất ....................................................................................33
3.3. PHÂN TÍCH ĐẬP CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN
MỀM ANSYS .............................................................................................................37
3.3.1. Phân tích chuyển vị.......................................................................................37
3.3.2. Phân tích ứng suất của đập bằng Ansys........................................................41
3.4. PHÂN TÍCH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SAP 2000 ...........................................51
3.4.1. Mô phỏng theo Sap 2000 ..............................................................................51
3.4.2. Kết quả chuyển vị theo SAP2000 .................................................................53
3.4.3. Kết quả ứng suất theo SAP 2000 ..................................................................57
3.5. SO SÁNH KẾT QUẢ: ........................................................................................67
3.5.1. So sánh chuyển vị .........................................................................................67

3.5.2. So sánh về ứng suất ......................................................................................71
3.6. ĐÁNH GIÁ THÊM ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VỚI MƠ HÌNH ĐẬP CĨ
KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU: ..................................................................................77
3.6.1. Mơ hình phân tích: ........................................................................................78
3.6.2. Kết quả áp lục thủy tĩnh ................................................................................79
3.6.3. Kết quả chuyển vị do động đất: ....................................................................83
3.6.4. Kết quả ứng suất do động đất: ......................................................................84
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................93

-ii-


Mục lục

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1: Bản đồ phân bố tâm động đất ở Việt Nam và các vùng lân cận ................... 2
Hình 1.2: Chấn tâm các trận động đất mạnh đã ghi nhận được dọc theo đứt gẫy sinh
chấn Lai Châu – Điện Biên và vị trí dự kiến xây dựng nhà máy thủy điện Xayabury . 3
Hình 3.2: Biểu đồ gia tốc theo phương ngang của nền ...............................................25
Hình 3.3: Mơ hình mơ phỏng của bài tốn trong ansys ..............................................28
Hình 3.4 : Mơ hình lưới phần tử trong chương trình Ansys .......................................29
Hình 3.5 : Áp lực nước thủy tĩnh của phần tử nước ...................................................29
Hình 3.7: Kết quả chuyển vị do áp lực thủy tĩnh mơ hình Ansys ...............................30
Hình 4.6: Kết quả chuyển vị do áp lực thủy tĩnh mơ hình Sap 2000 ..........................31
Hình 3.9: Chi tiết so sánh chuyển vị 2 mơ hình ..........................................................31
Hình 3.10: Chi tiết chuyển vị tương đối của đập và nền của mơ hình Ansys .............32
Bảng 1: Kết quả chuyển vị phương ngang Ux ............................................................33
Hình 3.11: Phân bố ứng suất ngang Sx trong thân đập-Ansys ...................................34
Hình 3.12: Phân bố ứng suất đứng Sy trong thân đập-Ansys .....................................34

Hình 3.14: Phân bố ứng suất đứng SY trong thân đập-Sap 2000 ...............................35
Bảng 2: So sánh giá trị ứng suất SX (KN/m²) ............................................................36
Bảng 3: So sánh giá trị ứng suất SY (KN/m²) ............................................................36
Hình 3.15: Đồ thị chuyển vị các nút xem xét theo thời gian 1000 điểm ....................37
Hình 3.17: Đồ thị chuyển vị các nút thượng lưu theo thời gian 2s đến 5s .................38
Hình 3.18: Đồ thị chuyển vị các nút phía hạ lưu theo thời gian 2s đến 5s .................39
Hình 3.19: Đồ thị chuyển vị chân đập và nền đập theo thời gian 2s đến 5s ...............40
Hình 3.20: Các điểm cần xem xét ứng suất ................................................................41
Hình 3.21: Ứng suất SX vị trí đỉnh đập từ 2s đến 5s ..................................................42
Hình 3.22: Ứng suất SY vị trí đỉnh đập từ 2s đến 5s ..................................................42
Hình 3.23: Ứng suất SX các vị trí thay đổi tiết diện từ 2s đến 5s...............................43
Hình 3.24: Ứng suất SY các vị trí thay đổi tiết diện từ 2s đến 5s...............................43
Hình 3.25: Ứng suất SX tại cao trình giữa vị trí đập thay đổi tiết diện và chân đập (thân
đập) 44
Hình 3.26: Ứng suất SY tại cao trình giữa vị trí đập thay đổi tiết diện và chân đập ..44
Hình 3.27: Ứng suất SX các vị trí tại chân đập ..........................................................45
Hình 3.28: Ứng suất SY các vị trí tại chân đập ..........................................................46
-iii-


Mục lục
Hình 3.29: Ứng suất SX các phần tử dọc biên thượng lưu đập ..................................47
Hình 3.40: Ứng sất SY các phần tử dọc biên thượng lưu đập ....................................47
Hình 3.31: Ứng suất SX các nút biên dọc theo hạ lưu................................................48
Hình 3.32: Ứng suất SY các nút biên dọc theo hạ lưu................................................48
Hình 3.33: Ứng suất SX tại 2.7 s ................................................................................49
Hình 3.34: Ứng suất SY tại 2.7s .................................................................................49
Hình 3.35: Ứng suất SX tại 3.30s ...............................................................................50
Hình 3.36: Ứng suất SY tại 3.30s ...............................................................................50
Hình 3.37: Mơ hình mơ phỏng và lực tác dụng của chương trình Sap 2000 ..............52

Hình 3.39: Chia lưới và điều kiện biên mơ hình.........................................................52
Hình 3.39: Chi tiết các nút xem xét ............................................................................53
Hình 3.40: Đồ thị chuyển vị các nút xem xét trong 20s .............................................53
Hình 3.41: Đổ thị chuyển vị các nút thượng lưu từ 2s ÷5s .........................................54
Hình 3.42: Đổ thị chuyển vị các nút hạ lưu từ 2s ÷5s ................................................54
Hình 3.43: Đổ thị chuyển vị các nút từ đỉnh đập từ 2s ÷5s ........................................55
Hình 3.44: Đổ thị chuyển vị các nút đập thay đổi tiết diện theo phương ngang 2s
÷5s 55
Hình 3.45: Đổ thị chuyển vị các nút thân đập theo phương ngang 2s ÷5s .................56
Hình 3.46: Đổ thị chuyển vị các nút chân đập theo phương ngang 2s ÷5s.................56
Hình 3.47: Các phần tử xem xét ứng suất ...................................................................57
Hình 3.48: Ứng suất SX các phần tử đỉnh đập từ 2s÷5s .............................................58
Hình 3.49: Ứng suất SY các nút đỉnh đập từ 2s ÷5s ...................................................58
Hình 3.50: Ứng suất SX các phần tử 3 và 7 từ 2s ÷5s ................................................59
Hình 3.51: Ứng suất SY các phần tử 3 và 7 từ 2s ÷5s ................................................59
Hình 3.52: Ứng suất SX các phần tử 2-10-6 từ 2s ÷5s ...............................................60
Hình 3.53: Ứng suất SY các phần tử 2-10-6 từ 2s ÷5s ...............................................60
Hình 3.54: Ứng suất SX các phần tử 1, 5, 9 từ 2s ÷5s ................................................61
Hình 3.55: Ứng suất SY các phần tử 1, 5, 9 từ 2s ÷5s ................................................62
Hình 3.56: Ứng suất SX các phần tử dọc biên thượng lưu từ 2s ÷5s .........................63
Hình 3.57: Ứng suất SY các phần tử dọc biên thượng lưu từ 2s ÷5s .........................63
Hình 3.58: Ứng suất SX các phần tử dọc biên hạ lưu từ 2s ÷5s .................................64
Hình 3.59: Ứng suất SY các phần tử dọc biên hạ lưu từ 2s ÷5s .................................64
-iv-


Mục lục
Hình 3.60: Phân bố ứng suất SX tại 2.6 s ...................................................................65
Hình 3.61: Phân bố ứng suất SY tại 2.6s ....................................................................65
Hình 3.62: phân bố ứng suất SX tại 3.07s ..................................................................66

Hình 3.63: Phân bố ứng suất SY tại 3.07s ..................................................................66
Hình 3.64: Mơ hình Ansys khơng tiếp xúc nền ..........................................................67
Hình 3.65: Chuyển vị chân đập phía thượng lưu 3 mơ hình .......................................68
Hình 3.66: chuyển vị thân đập phía thượng lưu 3 mơ hình ........................................68
Hình 3.67: Chuyển vị vị trí thay đổi tiết diện phía thượng lưu 3 mơ hình .................69
Hình 3.68: Chuyển vị vị trí đỉnh đập phía thượng lưu 3 mơ hình ..............................69
Hình 3.69: Chuyển vị vị trí chân đập phía hạ lưu 3 mơ hình......................................70
Hình 3.70: Chuyển vị vị trí thân đập phía hạ lưu 3 mơ hình ......................................70
Hình 3.71: Chuyển vị vị trí thay đổi tiết diện phía hạ lưu 3 mơ hình .........................70
Hình 3.72: Chuyển vị vị trí đỉnh đập hạ lưu 3 mơ hình ..............................................71
Hình 3.73: Ứng suất SX vị trí chân đập phía thượng lưu 3 mơ hình ..........................71
Hình 3.74: Ứng suất SY vị trí chân đập phía thượng lưu 3 mơ hình ..........................72
Hình 3.75: Ứng suất SX vị trí chân đập phía hạ lưu 3 mơ hình..................................72
Hình 3.76: Ứng suất SY vị trí chân đập phía hạ lưu 3 mơ hình..................................73
Hình 3.77: Ứng suất SX vị trí thân đập thượng lưu 3 mơ hình ..................................73
Hình 3.78: Ứng suất SY vị trí thân đập thượng lưu 3 mơ hình ..................................74
Hình 3.79: Ứng suất SX vị trí thân đập phía hạ lưu 3 mơ hình ..................................74
Hình 3.80: Ứng suất SY vị trí thân đập phía hạ lưu 3 mơ hình .................................74
Hình 3.81: Ứng suất SX vị trí đập thay đổi tiết diện phía thượng lưu 3 mơ hình ......75
Hình 3.82: Ứng suất SY vị trí đập thay đổi tiết diện phía thượng lưu 3 mơ hình ......75
Hình 3.83: Ứng suất SX vị trí thân thay đổi tiết diện hạ lưu 3 mơ hình .....................75
Hình 3.84: Ứng suất SY vị trí thay đổi tiết diện hạ lưu 3 mơ hình .............................76
Hình 3.85: Mơ hình đập bê tơng Đồng Nai 5 .............................................................78
Hình 3.86: Mơ hình mơ phỏng đập bê tơng Đồng Nai 5 ............................................78
Hình 3.87: Điểm xem xét chuyển vị và ứng suất ........................................................79
Hình 3.88: Áp lực thủy tĩnh mơ hình ..........................................................................79
Hình 3.89: Chuyển vị ngang đập do áp lực thủy tĩnh .................................................80
Bảng 4: Kết quả chuyển vị phương ngang Ux ............................................................80
Hình 3.90: Ứng suất theo phương ngang Sx do áp lực thủy tĩnh ...............................81
-v-

Mục lục
Bảng 5: Kết quả ứng suất phương ngang Sx ..............................................................81
Hình 3.91: Ứng suất theo phương đứng Sy do áp lực thủy tĩnh .................................82
Bảng 6: Kết quả ứng suất phương đứng Sy ................................................................82
Hình 3.92: Chuyển vị các nút thượng lưu và hạ lưu khi có động đất .........................83
Hình 3.93: Chuyển vị các nút thượng lưu khi có động đất từ 2s÷5s ..........................83
Hình 3.94: Chuyển vị các nút thượng lưu khi có động đất từ 2s÷5s ..........................84
Hình 3.95: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút theo thời gian ...........................84
Hình 3.96: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút đỉnh đập từ 2s÷5s .....................85
Hình 3.97: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút cao trình +50m từ 2s÷5s ..........85
Hình 3.98: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút cao trình +25m từ 2s÷5s ..........86
Hình 3.99: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút chân đập từ 2s÷5s ....................86
Hình 3.100: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút biên thượng lưu từ 2s÷5s .......87
Hình 3.101: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút biên hạ lưu từ 2s÷5s ...............87
Hình 3.102: Ứng suất Sx theo phương ngang các nút giữa đập từ 2s÷5s ...................88
Hình 3.103: Ứng suất theo phương đứng Sy ..............................................................88
Hình 3.104: Ứng suất theo phương đứng Sy đỉnh đập từ 2s÷5s .................................89
Hình 3.105: Ứng suất theo phương đứng Sy các nút ở cao độ +50m từ 2s÷5s ..........89
Hình 3.106: Ứng suất theo phương đứng Sy các nút ở cao độ +25m từ 2s÷5s ..........89
Hình 3.107: Ứng suất theo phương đứng Sy các nút ở chân đập từ 2s÷5s .................90
Hình 3.108: Ứng suất theo phương đứng Sy các nút dọc theo biên thượng lưu.........90
Hình 3.109: Ứng suất theo phương đứng Sy các nút dọc theo biên hạ lưu ................90
Phụ lục A: thông số nhập vào ..................................................................................94

-vi-


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
3.3.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cơng trình Hồ chứa nước được xây dựng ngày càng nhiều, càng có quy mơ lớn,
một trong những kết cấu xây dựng để tạo hồ chứa là đập. Ở một số vùng, do vật liệu
địa phương không thoả mãn điều kiện đắp đập, bên cạnh đó với sự ưu việt của bê
tơng nên đã dùng hình thức đập bê tơng trọng lực.
Để đảm bảo an tồn cho đập bê tơng trọng lực, ngồi tính tốn ổn định trượt lật thì
cần tính ứng suất và biến dạng để kiểm tra độ bền của đập, tính tốn cốt thép cũng
như phân vùng vật liệu trong đập một cách hợp lí, tránh lãng phí vật liệu và giảm giá
thành xây dựng.
Trên thế giới, động đất xảy ra nhiều ở vành đai Thái Bình Dương (chiếm 75%),
một phần ít hơn xảy ra ở vành đai Địa Trung Hải, biển Đơng (chiếm (23%) và chỉ có
2% xảy ra trên đất liền.
Việt Nam từng ghi nhận 2 trận động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935)
với cường độ 6,75 độ Richter xảy ra trên đới đứt gẫy sông Mã. Trận lớn thứ hai là
động đất Tuần Giáo (năm 1983), với cường độ 6,8 độ Richter, xảy ra trên đới đứt gẫy
Sơn La. Ngoài ra, vùng ngồi khơi Nam Trung Bộ, năm 1923 cũng có 1 trận động
đất 6,1 độ Richter (thuộc ở vùng biển vũng Tàu, Phan Thiết). Trận động đất này này
đi cùng hiện tượng phun trào núi lửa Hòn Choi, trên đới đứt gãy kinh tuyến 109110. Năm 2010, có rất nhiều trận động đất xảy ra ở Việt Nam. Trong đó, trận lớn nhất
đạt 5 độ Richter. Còn những trận nhỏ hơn thì xảy ra trên hàng loạt đứt gãy như Mường
Lay - Bắc Yên, Cao Bằng-Tiên Yên, đứt gãy sông Mã, Sông Cả…
Hiện trạng tại Việt Nam nhiều đập bê tông trọng lực được xây dựng ở những
vùng chịu tác động của động đất, do đó việc xác định được ảnh hưởng của động đất
đến biến dạng, ứng suất và chuyển vị của đập là rất quan trọng trong việc đánh giá
mức độ an toàn của đập dâng.

-1-


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.1: Bản đồ phân bố tâm động đất ở Việt Nam và các vùng lân cận

-2-


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2: Chấn tâm các trận động đất mạnh đã ghi nhận được dọc theo
đứt gẫy sinh chấn Lai Châu – Điện Biên và vị trí dự kiến xây dựng nhà
máy thủy điện Xayabury

-3-


Chương 1: Tổng quan

3.4.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Khi cơng trình chịu lực động đất, tải trọng tác dụng là thành phần lực quán tính,

lực quán tính này phát sinh do bản thân cơng trình và áp lực thuỷ động đối với cơng
trình chịu ảnh hưởng của nước. Ứng suất, biến dạng cơng trình ảnh hưởng rất lớn đến
độ bền cơng trình. Khi ứng suất, biến dạng vượt qua giới hạn cho phép, kết cấu có
thể xảy ra nứt, gây hư hỏng cơng trình. Đặc biệt khi động đất, thành phần lực tác dụng

vào cơng trình tăng nhanh, tăng đột ngột sẽ xuất hiện vị trí nguy hiểm là các điểm có
ứng suất và chuyển vị lớn so với các điểm còn lại và sẽ hư hại các điểm này trước.
Khi xảy ra sự cố về đập sẽ gây rất nhiều hậu quả nghiêm trọng về mặt vật chất
lẫn tinh thần. Do đó vấn đề an tồn trong thiết kế và vận hành đập là vấn đề được đặt
lên hàng đầu, bảo đảm tránh mọi thiệt hại có thể xảy ra.
Trong thiết kế đập bê tông chịu tác động của động đất phương pháp Westergaad
thường được dùng để xác định áp lực thủy động tác dụng lên đập dâng và kết quả của
phương pháp này cũng được dùng để quy thành khối lượng bổ sung gắn vào mặt
thượng lưu của đập dâng trong khi tính tốn dao động của đập dâng. Hiển nhiên là
chất lỏng trong hồ chứa và nền cơng trình có ảnh hưởng đến ứng xử của đập khi xảy
ra động đất. Do đó trong đề tài này tác động tương hỗ của đập dâng, hồ chứa và nền
được nghiên cứu trong cùng một bài tốn, qua đó kết quả tính tốn có thể sẽ thể hiện
chính xác hơn sự làm việc thực sự của hệ thống đập – hồ chứa – nền cơng trình.
Ngồi ra ứng với các kích thước đập khác nhau sẽ có các ảnh hưởng lớn nhỏ khác
nhau, nên mơ phỏng hình dạng đập khác nhau sẽ có cách nhìn tổng quan hơn về ảnh
hưởng của động đất lên đập.
Nội dung nghiên cứu cơ sở lý thuyết gồm: lý thuyết về động lực học cơng trình,
vận dụng lý thuyết vào tính tốn động đất, từ đó tiến hành phân tích ứng suất biến
dạng cơng trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Nghiên cứu sử dụng đặc tính đặc trưng của 2 chương trình để cùng mơ phỏng 1
bài tốn ngồi thực tế từ đó đề ra ưu, khuyết điểm trong cách mô phỏng khi áp dụng
vào thiết kế cơng trình.
-4-


Chương 1: Tổng quan

3.5.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy tính cho cho phép giải hệ phương trình

với nhiều biến hơn, đồng thời cũng phát triển ra nhiều phần mềm giải bằng phương
pháp phần tử hữu hạn như: HN-BUILDING, ETAB, SAP, ANSYS, MATLAB. Mỗi
phần mềm đều có ưu và nhược điểm riêng nhưng có cách giải chung là sử phương
pháp phần tử hữu hạn.
Trong đề tài này sẽ đi nghiên cứu về 2 phần mềm là ANSYS và Sap2000.
Phần đầu sẽ nghiên cứu bài toán cơ bản đập chịu áp lực thủy tĩnh của mực nước
dâng bình thường trong hồ, để xét về chuyển vị và ứng suất cơ bản trong trạng thái
đập làm việc bình thường. Trong mơ hình Sap2000 đập và nền sẽ được mô phỏng
bằng phần tử plane 4 nút, các phần tử liên kết nhau bằng nút cứng, áp lực nước sẽ
được mơ phỏng bằng lực phân bố tuyến tính. Trong mơ hình Ansys, phần tử nước,
đập và nền sẽ được liên kết qua phần tử thứ 3 là phần tử tiếp xúc, áp lực nước sẽ được
mô phỏng bằng phần tử nước để tăng đa dạng mơ hình tính tốn.
Phần hai đề tài nghiên cứu đập khi có ảnh hưởng của động đất, khi đó đập sẽ chịu
tác động của gia tốc ngang biến đổi theo thời gian. Khi đó sự ảnh hưởng của áp lực
nước lên mơ hình sẽ được biểu diễn bằng lực trong Sap, và phần tử nước trong Ansys
Phần ba đề tài đánh giá ảnh hưởng của động đất lên mơ hình đập khác nhau để có
cách nhìn tổng quan hơn về ảnh hưởng của động đất lên đập.
3.6.

CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Các bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất lên cơng trình đập bê tơng
trọng lực, nghiên cứu dùng nhiều phương pháp khác nhau để mô tả lực động đất và
mô tả áp lực thuỷ động của hồ chứa khi chịu ảnh hưởng của động đất. Các phần mềm
để mô tả cũng khác nhau nhưng đều dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải hệ
phương trình.

-5-

Chương 1: Tổng quan

1.1.1. Nghiên cứu trong nước
a. Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tơng trọng lực có
xét đến tác dụng động đất [1]
Tác giả: Nguyễn Trọng Quân (Công ty cổ phần tư vấn Sơng Đà - Tập đồn Sơng
Đà) giới thiệu trên trang web .
Trước đây, phương pháp tính tốn cho đập bê tơng trọng lực thường đưa về bài
tốn phẳng để tính nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực của cơng trình khi làm
việc. Trong đề tài này, tác giả tính theo bài tốn khơng gian tức là đập tràn, trụ pin,
đập bê tông trọng lực và nền cùng làm việc đồng thời có xét đến tải trọng động đất,
do đó nó phản ánh được đầy đủ hơn, chính xác hơn trạng thái làm việc của cơng trình
trong thực tế.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã thiết lập các mô hình 3D tính tốn sử dụng phần
mềm Autocad và ANSYS để mơ hình hóa đập dâng, đập tràn và nền cùng làm việc
đồng thời và được mơ hình hố bằng phần tử solid concret 65.
b. Ứng dụng phần mềm Cadam để tính tốn đập bê tơng trọng lực [2]
Tác giả: KS. Trần Huy Thanh. Khoa Cơng trình thủy, Trường ĐH Hàng Hải, giới
thiệu trên trang web
Cadam là một chương trình máy tính mà chức năng đầu tiên của nó là cung cấp hỗ
trợ cho việc hiểu thêm các nguyên tắc về đánh giá ổn định của đập bê tông trọng lực.
Cadam cũng dùng để hỗ trợ việc nghiên cứu và phát triển về các tác động kết cấu và
sự an tồn của đập bê tơng trọng lực. Cadam dựa trên phương pháp trọng lực (sự cân
bằng của khối cứng và lý thuyết dầm). Nó thực hiện sự phân tích ổn định dưới tác
dụng của lực thủy tĩnh và lực động đất.
Phần mềm Cadam được xây dựng dựa trên các giả thiết sau:
+ Phân tích ứng suất để xác định chiều dài vết nứt có thể xảy ra và các ứng suất
nén.

-6-


Chương 1: Tổng quan

+ Phân tích ổn định để xác định các dự trữ an toàn chống trượt dọc theo các nút
quy ước và vị trí của các hợp lực tác dụng lên các nút.
Phần mềm này sử dụng phương pháp trọng lực để tính tốn với các giả thiết đơn
giản hóa sau:
+ Thân đập được chia thành các nút với các đặc tính đồng nhất dọc theo chiều dài
của chúng, khối bê tông và các nút là các vật liệu đàn hồi đồng nhất.
+ Toàn bộ các lực tác dụng lên được truyền lên móng của đập mà khơng tương tác
với các khối đá bên cạnh.
+ Khơng có sự tương tác giữa các nút, mà mỗi nút được phân tích khơng phụ thuộc
vào các nút khác.
+ Ứng suất được phân bố tuyến tính dọc theo mặt phẳng nằm ngang.
+ Ứng suất cắt phân bố theo quy luật parabol dọc theo mặt phẳng nằm ngang trong
các điều kiện khơng có vết nứt.
c. Phân tích ứng suất đập bê tơng trọng lực khi có xét đến tính phi tuyến của
vật liệu [3]
Tác giả: Ts. Vũ Hoàng Hưng và Ts. Nguyễn Quang Hùng, Trường đại học Thủy
Lợi.
Phương pháp tính tốn thiết kế đập bê tông trọng lực ra đời tương đối sớm, vì vậy
có những tính tốn thiết kế chưa phù hợp với điều kiện phát triển khoa học kỹ thuật
ngày nay. Thơng thường, tính tốn phân tích ứng suất thân đập mới chỉ xét đến quá
trình làm việc của vật liệu trong giai đoạn đàn hồi, chưa phản ánh đúng điều kiện làm
việc của vật liệu làm đập. Bài báo này tiến hành phân tích ứng suất đập bê tơng trọng
lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn có ứng xử vật liệu phi tuyến là một phát triển
mới trong thiết kế đập. Những kết quả đạt được trong phân tích ứng suất đập bê tơng

trọng lực khi có xét đến tính phi tuyến của vật liệu cho thấy rõ sự khác nhau cơ bản
trong hai loại quan niệm vật liệu khác nhau để từ đó có những ứng xử cơng trình cho

-7-


Chương 1: Tổng quan

thích hợp. Các kết quả nghiên cứu trình bày trong bài báo là những tham khảo tốt cho
người thiết kế.
Bài báo đã đưa ra được kết quả của bài tốn phân tích ứng suất - biến dạng đập bê
tông trọng lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng mơ hình vật liệu bê tơng
làm việc trong giai đoạn phi tuyến. Các giá trị ứng suất SX, S3 tại mép biên thượng
hạ lưu tính theo hai loại mơ hình vật liệu tuyến tính và phi tuyến.
1.1.2. Nghiên cứu ngồi nước:
a. Phân tích đập bê tơng trọng lực khi có động đất [4]
Các tác giả: Manzori Iman Kamanbedast, Amir Abbas, Erfanian Azmoudeh và
Mohammad Hossein. Đại học Islamic Azad, Ahwaz, Iran, Tạp chí: World Applied
Sciences Journal số 17 năm 2012. www.semanticscholar.org/
Bài báo nghiên cứu điều tra và phân tích ứng xử của một đập bê tơng trọng lực
trong chuyển động mặt đất mạnh ngang do một trận động đất được mơ phỏng bằng
chương trình ANSYS.
Trong mơ hình phân tích tác giả đưa vào áp lực nước biểu đồ gia tốc động đất cũng
như kích thước đập, tác giả chỉ ra rẳng ở trung tâm động đất tần số cao hơn thì mạnh
hơn, xa hơn thì tần số yếu đi, ứng suất kéo lớn nhất trong thân đập lớn hơn ứng suất
cho phép sẽ gây các vết nứt trong thân đập.
Kết quả trong mơ hình phân tích ra ứng suất và chuyển vị các nút trong thân đập
theo phương X và Y.
b. Ảnh hưởng của môđun đàn hồi của nền đến ứng xử của đập bê tông trọng
lực [5]

Các tác giả Z. Heirany và M. Ghaemian, chuyên ngành xây dựng dân dụng, nghiên
cứu khoa học, đại học Candidate Islamic Azad (IAU), Tehran, Iran. www.cwejournal.org
Bài báo nghiên cứu ứng xử của đập bê tơng trọng lực khi có động đất, tác động
đồng thời của hồ chứa và nền trong trong mơ hình 2 chiều. Phương pháp sử dụng

-8-


Chương 1: Tổng quan

phân tích là sử dụng 2 phương pháp: phần tử hữu hạn và phương pháp lan truyền vết
nứt (smeared crack approach).
Các thơng số nhập vào mơ hình là các thông số vậy lý như: môdun đàn hồi, độ bền,
và đặc biệt là năng lượng gây nứt gãy.
Kết quả phân tích cho thấy với các điều kiện biên khác nhau, phân tích phi tuyến
bao gồm sự tác động của đập lẫn hồ chứa sẽ cho kết quả tốt hơn gần với thực tế.
c. So sánh việc thiết kế và phân tích đập bê tơng trọng lực [6]
Tác giả. Md. Hazrat Ali, Chittagong University of Engineering & Technology,
Chittagong, Bangladesh. Xuất bản Online March 2012
/>Mục đích chính của nghiên cứu này là để thiết kế đập bê tông trọng lực cao dựa
trên USBR khuyến nghị trong địa chấn khu vực II của Bangladesh, thay đổi cường
độ trận động đất ngang từ 0,10 g - 0,30 g.
Bằng cách mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 5.4 tác giả cũng chỉ ra những ưu
điểm so với cách tính 2D phân tích lực. Các chỉ số được mô phỏng bao gồm: áp lực
nước ngang, lực đẩy nổi, tải: tĩnh tải, áp suất đầu và cuối, đẩy nổi, lực băng tuyết, lực
động đất, lực gió, lực sóng ….
Kết quả phân tích cho thấy ứng suất trong thân đập tăng khi có động đất và các
yếu tố kết hợp, biện pháp xử lý là tăng kích thước thân đập nhất là phần móng của
đập. Sẽ khơng có tính khả thi khi xây dựng một đập bê tông trọng lực mà kết quả các
giá trị lớn hơn 0,3 mà khơng cần thay đổi tải và kích thước của đập, tác giả cũng đưa

ra biện pháp làm hạn chế làm giảm đáng kể áp lực đẩy nổi là cần làm thốt nước nền.
d. Phân tích kết quả đánh giá phân tích động lực của mối tương tác giữa đập
bê tông và hồ chứa trong vùng động đất [9]
-

Tác giả: Abbas Mansouri(1) và Roshanak Rezaei(2). (1)Kỹ sư xây dựng đại
học Islamic Azad y (South Branch of Tehran)Tehran, Iran.(2) Kỹ sư xây
dựng đại học Guilan, Rasht, Iran. />
-9-


Chương 1: Tổng quan

Trong q trình thiết kế đập có sự ảnh hưởng cả động đất người ta thường nghiên
cứu đến mối tương quan giữa lực động đất, hồ chứa và đập, trong bài báo này tác giả
dùng phương pháp phân tích miền thời gian và miền tần số trong phần mềm Ansys.
Tác giả mô tả đập trọng lực Pine_Flat với hồ chứa được xem xét là 1 hồ chứa hữu
hạn, với các điều kiện biên thích đáng.
Kết quả chỉ ra rằng mối liên hệ giữa chuyển vị của đập, ứng suất cắt của đập tựa
trên nền chuyển vị có quan hệ với nhau. Ứng suất max (ứng suất kéo), ứng suất min
(ứng suất nén) xuất hiện ở chân và móng đập. Sau khi chuyển miền phân tích thời
gian vào miền phân tích tần số, đập và hồ chứa, có thấy sự khác biệt về chuyển vị cả
phương ngang và phương đứng, khi có hồ chứa đập sẽ có chuyển vị và ứng suất lớn
hơn khi khơng có hồ chứa.

-10-


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

GIỚI THIỆU VỀ TIẾP XÚC

2.1.1. Mơ hình tiếp xúc
Khi hai bề mặt riêng biệt chạm nhau thì có phát sinh tiếp xúc
-

Mơ hình tiếp xúc cho phép chịu phản lực khi chịu nén, nhưng không cho phép
chịu kéo, chúng được tự do tách rời nhau.

-

Tiếp xúc là trạng thái phi tuyến tính, nghĩa là độ cứng của hệ thống phụ thuộc
vào tình trạng liên lạc, cho dù các bộ phận đang chạm hoặc chia cắt.

-

Cơ chế tiếp xúc thiết lập để vật thể khơng xun qua, do vậy chương trình thiết
lập mối quan hệ giữa 2 bề mặt để ngăn chặn chúng khơng đi xun qua nhau.
Khi chương trình thiết lập được sự chống xuyên qua ta gọi đó là sự tương thích
trong tương tác.

-

Đối với sự tiếp xúc trực tiếp của vật thể phi tuyến tính, có thể sử dụng các công
thức Pure Penalty hoặc Augmented Lagrange: cả 2 đều dựa vào cơng thức
chung.

Fnormal  knormal x penetration

(2.1)

Trong đó:
Fnormal: lực tiếp xúc pháp tuyến
Knormal: hệ số độ cứng tiếp xúc (phụ thuộc vào vật liệu
bề mặt tiếp xúc)
Xpenetration: chiều sâu xuyên qua

-11-


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Công thức Pure Penalty

Fnormal  knormal x penetration

(2.2)

Công thức Augmented Lagrange

Fnormal  knormal x penetration  
-

(2.3)

Sự khác biệt 2 công thức từ hằng số λ, cơng thức Augmented Lagrange sẽ ít bị
ảnh hưởng bởi knormal hơn công thức Pure Penalty

-

Hằng số knormal là số quan trọng trong cơng thức, ảnh hưởng đến sự chính xác
của mô phỏng, giá trị độ cứng càng lớn bài tốn càng khó trở nên hội tụ.

2.1.2. Tiếp xúc trượt
-

Tiếp xúc trượt trong Ansys là 1 tính năng trong tính toán tiếp xúc, khi 2 vật thể
tiếp xúc xuất hiện lực cắt ngang giữa 2 vật thể sẽ xuất hiện chuyển vị tương đối
giữa 2 vật thể, liên quan đến ma sát giữa 2 bề mặt tiếp xúc.
Cơng thức tính toán lực

Ftangential    Fnormal

(2.4)

μ: hệ số ma sát trượt

Ftangential : lực ngang tiếp tuyến

-

Khi lực ngang lớn hơn giá trị trên thì hiện tượng trượt sẽ xảy ra.

-

Ứng dụng này của Ansys thích hợp trong nghiên cứu chuyển vị, mơ phỏng
trong những vị trí có lực cắt lớn hoặc ma sát nhỏ.

-12-


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.2.

PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CHUYỂN VỊ 1
BẬC TỰ DO

Một hệ thống động lực học được định nghĩa là một thống có khối lượng và các
thành phần có khả năng chuyển động tương đối với nhau. Bậc tự do được định nghĩa
là số toạ độ cần thiết để xác định hình dạng hay vị trí của hệ thống tại một thời điểm
bất kỳ, mơ tả tồn bộ chuyển động của một hệ thống là số toạ độ cần theo dõi của mọi
thành phần hoặc các khối lượng gộp tạo nên hệ thống.

Khi không có ngoại lực tác dụng lên hệ thống => phương trình cân bằng
fi+ fc+ fk=p(t)

(2.5)

fi: lực qn tính theo gia tốc
..

fi  m q(t )

(2.6)

fk: lực đàn hồi tỷ lệ với chuyển vị tương đối xác định theo lực Hooke

fk=kq(t)

(2.7)

fc: lực tắt dần tỷ lệ với vận tốc
..

ci  c q(t )

(2.8)

Phương trình cơ bản chuyển động trong trường hợp tổng qt và mơ hình phần tử
hữu hạn
..

.

m q (t)+c q (t)+kq(t)=p(t)

(2.9)

Trong đó:

-13-