THỬ BÀN VỀ MỘT VÀI QUY ĐỊNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP VÒM BÊ TÔNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 14TCN56-88 VŨ HOÀNG HƯNG, NGUYỄN QUANG HÙNG Trường Đại học Thủy lợi Tóm
Trang 1THỬ BÀN VỀ MỘT VÀI QUY ĐỊNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ
AN TOÀN ĐẬP VÒM BÊ TÔNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
14TCN56-88
VŨ HOÀNG HƯNG,
NGUYỄN QUANG HÙNG
Trường Đại học Thủy lợi
Tóm tắt: Cùng với sự phát triển
không ngừng của công nghệ tính toán thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của từng quốc gia cũng
có sự thay đổi liên tục để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về kinh tế
và an toàn, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi nước Dựa vào
“Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM No.19” của
Mỹ ban hành năm 1977, “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 – 2003” của Trung Quốc ban hành năm 2003, bài báo đã thử tiến hành phân tích so sánh một vài vấn đề có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định để có cái nhìn khái quát hơn khi sử dụng 14TCN 56-88 vào thiết kế đập vòm ở Việt nam
Từ khóa: đập vòm, quy phạm thiết kế, so sánh, tải trọng, ứng suất cho phép,ổn
định, hệ số an toàn
Đập vòm Oymapinar trên sông Manavgat (Thổ
Nhĩ Kỳ), cao 185m được xây dựng xong năm
1884
Trang 2
1 MỞ ĐẦU
Đập vòm đã trải qua một quá trình phát triển hàng ngàn năm lịch sử, từ những đập vòm đơn giản bằng đá xây cao vài mét đến những đập vòm bê tông mỏng cong hai chiều cao hàng trăm mét thậm chí cao trên 300 mét đã được xây dựng
Để có những thành quả xây dựng đập vòm như ngày hôm nay đó chính là sự phát triển không ngừng của công nghệ tính toán thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế thống nhất của từng quốc gia Tiêu chuẩn của từng quốc gia thay đổi cùng với sự phát triển của công nghệ tính toán thiết kế làm sao để công trình ngày càng an toàn và hợp lý về kinh tế, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi quốc gia
Ví dụ như “Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM No.19”[1] của Mỹ ban hành năm 1977 được sử dụng hiện này đã trải qua hai lần
thay đổi năm 1953 và năm 1960; “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 – 2003”[2] của Trung quốc ban hành năm 2003 được sửa đổi dựa trên “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SD 145 – 85” ban hành năm 1985 Đối với Việt nam hiện nay vẫn sử dụng “Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế 14TCN 56-88”[3] ban hành năm 1988 dựa trên Quy phạm xây dựng của Liên xô cũ
và chưa có thay đổi gì Căn cứ vào tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông hiện hành của Mỹ và Trung Quốc, thử tiến hành phân tích so sánh một vài quy định chủ yếu
có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định như tổ hợp tải trọng đặc biệt, phương pháp phân tích ứng suất, chỉ tiêu khống chế ứng suất, ổn định tổng
thể và hệ số an toàn để thấy rõ một số vấn đề còn tồn tại khi sử dụng 14TCN 56-88
vào thiết kế đập vòm ở Việt nam
2 VỀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐẶC BIỆT
Trang 3Tổ hợp tải trọng trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của các quốc gia là không
giống nhau 14TCN 56-88 và SL282-2003 chỉ phân hai nhóm tổ hợp tải trọng là tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt EM No.19 phân thành ba nhóm tổ
hợp tải trọng là tổ hợp tải trọng bình thường, tổ hợp tải trọng không bình thường
và tổ hợp tải trọng cực đoan Các trường hợp tải trọng trong các tổ hợp tải trọng cũng khác nhau Dưới đây chỉ xin nêu một vấn đề về tải trọng động đất trong tổ hợp tải trọng đặc biệt hay tổ hơp tải trọng cực đoan
Khi thiết kế đập vòm ở Trung quốc, tải trọng động đất được tính toán dựa vào
“Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình thủy công SL203-97”[4] Đập vòm chỉ thiết kế với động đất cấp 6, 7, 8, 9 và công trình cấp 1, 2, 3 Tính toán hiệu ứng tác dụng địa chấn đập vòm sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh lực hoặc phương pháp động lực Khi sử dụng phương pháp động lực tính toán hiệu ứng tác dụng địa chấn đập vòm sử dụng phương pháp phổ phản ứng chồng chất dao động, đối với đập vòm đặc biệt có thể dùng phương pháp phân tích lịch sử - thời gian tiến hành
tính toán bổ sung Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng động đất, ứng suất đập vòm vẫn ở trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính
Trong EM No.19, khi tính toán động đất, phương pháp phổ phản ứng hoặc gia
tốc lịch sử - thời gian đều được xem xét sử dụng Phương pháp phân tích dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn động lực đàn hồi tuyến tính và xem xét tác dụng tương hỗ đập – nước – nền [5] Tổ hợp tải trọng cực đoan bao gồm tải trọng động
đất lớn nhất có khả năng xuất hiện Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng cực đoan cho phép đập bị nứt, hệ số an toàn ứng suất nén lấy là 1.0 hay nói cách khác ứng suất nén lớn nhất có thể đạt đến cường độ kháng nén của bê tông Ứng suất đập ở vào trạng thái phi tuyến tính, cho phép đập bị phá hoại ở mức độ tương đối nhưng không cho phép vỡ đập
Ở Việt nam một thời gian dài trước đây khi thiết kế kháng chấn công trình xây dựng phổ biến là áp dụng tiêu chuẩn CHиП II - 7 – 81 của Liên xô Hiện nay
Trang 4đang sử dụng TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”[6] biên soạn
dựa trên cơ sở Tiêu chuẩn Châu âu Eurocode 8 có bổ sung hoặc thay thế các phần
mang tính đặc thù Việt nam Trong tiêu chuẩn không quy định rõ ràng thiết kế
kháng chấn cho công trình thủy đặc biệt là công trình đập vòm, vì vậy vẫn cần phải tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đập vòm của nước ngoài khi chưa có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn riêng
Do chênh lệch yêu cầu tình trạng làm việc đập vòm khi chịu tải trọng động đất của các quốc gia là rất khác nhau, việc tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đập vòm của nước ngoài cần phải nghiên cứu lựa chọn cho phù hợp với đặc thù Việt nam
3 VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
Trong quy phạm thiết kế đập vòm của Trung Quốc SL 282 – 2003 đã chỉ rõ phân
tích ứng suất đập vòm dựa trên kết quả tính toán phương pháp phân tải dầm vòm
và phương pháp phần tử hữu hạn Đập vòm cấp 1, 2 và đập vòm cao hoặc đập vòm phức tạp, ngoài sử dụng phương pháp phân tải dầm vòm vẫn nên sử dụng tính toán
phương pháp phần tử hữu hạn Khi cần thiết nên tiến hành thí nghiệm mô hình kết cấu Trong khi đó EM No.19 quy định kết quả phân tích ứng suất đập vòm
được lấy khi sử dụng phương pháp thử tải (Trial Load Method) hoặc hệ thống phần mềm phân tích ứng suất đập vòm ADSAS (Arch Dam Stress Analysis
System) của Bureau of Reclamation Trong tiêu chuẩn không quy định có cần thiết phải tiến hành thí nghiệm mô hình kết cấu hay không
14TCN 56-88 quy định việc xác định trạng thái ứng suất biến dạng phải được
thông qua tính toán và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình Đối với đập cấp I và
II cao hơn 60m, cũng như đối với các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m trong điều kiện địa chất công trình đặc biệt phức tạp và có áp dụng những kết cấu mới
Trang 5chưa được kiểm nghiệm qua khai thác, thì bắt buộc phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
Trước đây phương pháp nhiều dầm vòm được sử dụng nhiều nhất, nhưng với
sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm mô phỏng số trên máy tính điện tử, phương pháp nhiều dầm vòm và phương pháp thí nghiệm mô
hình kết cấu ngày càng ít sử dụng 14TCN 56-88 đã ra đời cách đây đã hơn 20 năm, khi đó công nghệ tính toán mô phỏng trên máy tính chưa phát triển, việc nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình kết cấu là cần thiết Nhưng với thời điểm hiện nay, mô phỏng chân thực công trình trên máy tính đã đạt đến mức độ hoàn thiện và có độ tin cậy cao, phương pháp thí nghiệm mô hình kết cấu chỉ nên sử dụng khi tính toán kiểm tra cho những công trình trọng yếu
4 VỀ CHỈ TIÊU KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT
Hình dáng, kích thước, ngày tuổi của mẫu thí nghiệm bê tông khi xác định chỉ tiêu cường độ kháng nén của bê tông của các quốc gia đều không thống nhất Trong SL 282-2003 quy định cường độ kháng nén cực hạn của bê tông chính
là cường độ khối lập phương 15cm ở 90 ngày tuổi với suất bảo đảm 80% Trong
EM No.19 quy định cường độ nén của bê tông được lấy từ mẫu thí nghiệm trụ tròn
đường kính 45cm, cao 90cm ở 365 ngày tuổi Đối với Việt nam, cường độ nén của
bê tông thủy công được xác định trên mẫu chuẩn hình lập phương có kích thước 150x150x150 mm được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày [7]
Trong EM No.19 quy định rõ ràng chỉ tiêu khống chế ứng suất kéo, nén và hệ
số an toàn cường độ kháng nén đối với từng tổ hợp tải trọng nhưng không phụ
thuộc vào cấp công trình Trong SL 282-2003 ngoài quy định rõ ràng ứng suất kéo
cho phép khi sử dụng các phương pháp phân tích ứng suất khác nhau, hệ số an toàn kháng nén cũng thay đổi tùy thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng
Trang 6Còn trong 14TCN 46-88 đập vòm được thiết kế theo trạng thái giới hạn với nhiều hệ số và ứng suất cho phép không quy định rõ ràng
5 VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT TỔNG THỂ VÀ HỆ SỐ AN TOÀN
Trong Quy phạm SL 282 – 2003 quy định rõ ràng hệ số an toàn và phương pháp xác định nó đối với các cấp công trình Hệ số an toàn ổn định trong EM No.19 có xét đến ma sát và lực dính kết trên mặt phá hoại nhưng không phụ thuộc
vào cấp công trình.Trong 14TCN 56-88 không quy định rõ ràng phương pháp xác định hệ số an toàn ổn định, tức là có xét đến lực dính kết trên mặt phá hoại hay không Bảng 1 so sánh hệ số an toàn ổn định trong tiêu chuẩn thiết kế đập
vòm của 3 quốc gia
Bảng 1 So sánh hệ số an toàn ổn định trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của
3 quốc gia
Tổ hợp tải trọng cơ bản Tổ hợp tải trọng đặc biệt (cực
đoan) Quốc gia
Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3 Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3
Việt Nam >1.39* >1.33* >1.28* >1.125* >1.08* >1.035*
Trung 3.50 3.25 3.00 3.00 2.75 2.50
Trang 7Quốc
Ghi chú: Giá trị hệ số an toàn lấy lớn hơn nhưng không quá 15%[8]
Từ bảng 1 có thể thấy rằng hệ số an toàn chống trượt của đập vòm được quy định trong 14TCN 56-88 là quá nhỏ so với hệ số an toàn quy định trong
EM No.19 và SL 282 – 2003 Hệ số an toàn này chỉ phù hợp với hệ số an toàn chống trượt đập bê tông trọng lực, với đập vòm thì cần phải nghiên cứu thêm
6 KẾT LUẬN
Qua các so sánh trên thấy rằng còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu trước khi tính toán thiết kế đập vòm bê tông đặc biệt là vấn đề khống chế ứng suất và lựa
chọn hệ số an toàn ổn định chống trượt Việc áp dụng tiêu chuẩn 14TCN 56-88 để
thiết kế đập vòm là chưa thật phù hợp Việt Nam chưa có nhiều kinh nghiệm xây dựng dựng đập vòm, tham khảo tiêu chuẩn thiết kế của các nước tiên tiến là việc làm cần thiết trong thời buổi hiện nay khi chưa có một tiêu chuẩn mới cho thiết kế đập vòm
Tài liệu tham khảo:
1 Bộ Thủy lợi, Nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt nam Thiết kế đập
bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế 14TCN 56-88, 1988
2 United States department of the interior – Bureau of Reclamation
Design Criteria for Concrete Arch and Gravity Dams, 1977
Trang 83 P.R China Design specification for concrete arch dams SL282-2003,
2003
4 P.R.China Specifications for seismic design of hydraulic structures SL203-97, 1997
5 U.S Army Corps of Engineers Arch Dam Design EM1110-2-2201,
1994
6 Tiêu chuẩn xây dựng Việt nam Thiết kế công trình chịu động đất TCXDVN 375-2006, 2006
7 Bộ NN và PTNT, Nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt nam Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 63-2001, Bê tông thủy công – Yêu cầu kỹ thuật, 2001
8 Tiêu chuẩn xây dựng Việt nam Công trình thủy lợi – Các quy định chủ yếu về thiết kế TCXDVN 285:2002, 2002
9 Li Zhan-mei Design allowable stress of arch dam in China comparing with that in American, Guizhou water power, 2002, Vol.16 No.1, pp85-87
10 Dong Fu-pin, Zhu Bo-fang, Shen Zhi-liang, Ge Nan A survey of high arch dam stresses in the world, Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2003, Vol.1 No.4, pp292-299
