luận văn thạc sĩ nghiên cứu bố trí phân khe trong đập vòm

Công ngh ệ thi công RCC - Xác định độ dày tầng đầm nén Xác định độ dày tầng đầm nén trong thi công bê tông đập vòm RCC dựa vào các nhân tố phương án tập kết vật liệu với năng lực trộn,

L ỜI CẢM ƠN

Sau thời gian thực hiện luận văn, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và

bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực không ngừng của bản thân, luận văn thạc sĩ

với đề tài “Nghiên cứu bố trí phân khe trong đập vòm” đã hoàn thành

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới giảng viên PGS.TS Nguyễn Quang Hùng và TS Vũ Hoàng Hưng đã trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian

thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy lợi, Phòng đào tạo Đại

học và Sau đại học, khoa Công trình cùng toàn thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Lời cảm ơn chân thành xin được gửi tới các bạn bè đồng nghiệp, cơ quan đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cũng như hỗ trợ tác giả hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã ủng hộ, động viên tác giả về mọi mặt trong suốt quá trình học tập và nghiên

cứu

Hà N ội, ngày tháng năm 2013

H ọc viên

Phan Văn Thắng

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phan Văn Thắng Tôi xin cam đoan:

- Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

- Kết quả của luận văn là trung thực không sao chép của bất kì công trình nghiên

M ỤC LỤC

DANH M ỤC VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM 1

1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VÒM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1

1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐẬP VÒM 3

1.2.1 Công nghệ thi công đập vòm: 3

1.2.2 Vấn đề về thiết kế đập vòm 17

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP VÒM 19

1.4 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ KHẢ NĂNG VÀ BIỆN PHÁP KHÁNG CHẤN ĐẬP VÒM 20

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU 22

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VÒM 22

2.1.1 Phương pháp dầm - Vòm: 22

2.1.2 Phương pháp PTHH 25

2.1.3 Phương pháp ứng suất đẳng hiệu PTHH 26

2.1.4 Phương pháp PTHH tự thích ứng 27

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH ĐẬP VÒM 27

2.2.1 Các hàm chuyển vị 27

2.2.2 Biến dạng 28

2.2.3 Ứng suất 28

2.2.4 Tải trọng 29

2.2.5 Độ cứng của phần tử 29

2.2.6 Các phương trình cân bằng 29

2.3 LƯỚI PHẦN TỬ HỮU HẠN TỰ THÍCH ỨNG TRONG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VÒM 31

2.3.1 Phương pháp h – thay đổi kích thước phần tử (h – enrichment): 33

2.3.2 Phương pháp p – thay đổi cấp bậc hàm số phần tử (p – refinement): 35

2.3.3 Phương pháp r – thay đổi vị trí điểm nút mạng lưới phần tử (phương pháp điểm nút di động): 37

2.3.4 Phương pháp tổ hợp: 37

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ PHÂN KHE HỢP LÝ TRONG ĐẬP VÒM 39

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM 40

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA CHẤT TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM 42

3.2.1 Địa chất 42

3.2.2 Mô hình 43

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU CAO ĐẬP TỚI ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP VÒM 51 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 56

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CÔNG TRÌNH 56

4.1.1 Mô hình đập và nền 56

4.1.2 Các chỉ tiêu cơ lý 58

4.1.3 Các lực tác dụng 58

4.2 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG THÂN ĐẬP 60

4.2.1 Ảnh hưởng của liên kết nền với đập 60

4.2.2 Phân tích, đánh giá kết quả tính toán chuyển vị của các trường hợp 61

4.2.3 Phân tích, đánh giá kết quả tính toán ứng suất của các trường hợp 65

4.3 PHÂN TÍCH VÀ BỐ TRÍ KHE HỢP LÝ 71

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

KẾT LUẬN 73

TỒN TẠI 73

KIẾN NGHỊ 74

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 75

PH Ụ LỤC 76

PHỤ LỤC 3.1 76

PHỤ LỤC 3.2 78

PHỤ LỤC 3.3 79

PHỤ LỤC 4.1 81

PHỤ LỤC 4.2 83

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: M ột số hình ảnh đập vòm tại các nước phương Tây 2

Hình 1.2: M ột số hình ảnh đập vòm ở Trung Quốc 2

Hình 1.4: K ết cấu khe dẫn đập vòm RCC 9

Hình 1.5: SCC l ấp đầy khối đá đổ hình thành RFC 14

Hình 1.6: Thi công RFC đập vòm 16

Hình 1.7: Đặc trưng hình học dầm vòm 18

Hình 1.8: Đặc trưng hình học vòm ngang 18

Hình 2.1: Sơ đồ phân bố tải trọng lên vòm và dầm 22

Hình 2.2: Sơ đồ phân phối tải trọng cho dầm và vòm trên mặt nằm ngang 24

Hình 2.3: Phương pháp phần tử hữu hạn 26

Hình 2.4: Ba phương pháp thay đổi mạng lưới phần tử liên tục 33

Hình 3.1: Các lo ại khe trong đập vòm 40

Hình 3.2: K ết cấu khe thi công 40

Hình 3.3: Nh ững điều kiện địa hình khi xây dựng đập vòm 41

Hình 3.4: Ph ổ SR1 Rứng với ER1R = 5800 Mpa 44

Hình 3.5: Ph ổ SR1 Rứng với ER2R = 7200 Mpa 44

Hình 3.6: Ph ổ SR1 Rứng với ER3R = 9000 Mpa 45

Hình 3.7: Quan h ệ E ~ Uy……….46

Hình 3.8: Quan h ệ E ~ Uz……….46

Hình 3.9: Quan h ệ E ~ SR1R……… 46

Hình 3.10: Quan h ệ E ~ SR3R……… ………46

Hình 3.11: Ph ổ SR1 Rứng với υR1R = 1,5 48

Hình 3.12: Ph ổ SR1 Rứng với υR2R = 2,0 48

Hình 3.13: Ph ổ SR1 Rứng với υR3R = 2,5 49

Hình 3.14: Quan h ệ υ ~ Uy……… 49

Hình 3.15: Quan h ệ υ ~ Uz……… 49

Hình 3.16: Quan h ệ υ ~ SR1R………50

Hình 3.17: Quan h ệ υ ~

SR3R……….50

Hình 3.19: Ph ổ Uy R Rứng với HR2R= 90 m 52

Hình 3.20: Ph ổ Uy R Rứng với HR3 R= 120 m 52

Hình 3.21: Quan h ệ H ~ Uy……….53

Hình 3.22: Quan h ệ H ~ Uz……… 53

Hình 3.23: Quan h ệ H ~ SR1R………53

Hình 3.24: Quan h ệ H ~ SR3R………53

Hình 4.1: Đập Moticello 56

Hình 4.2: Mô hình m ặt bằng đập 57

Hình 4.3: Mô hình c ắt ngang đập 57

Hình 4.4: Mô hình tính toán 57

Hình 4.5: Chuy ển vị theo phương Y – TH1 62

Hình 4.6: Chuy ển vị theo phương Y – TH2 63

Hình 4.7: Chuy ển vị theo phương Y – TH3 63

Hình 4.8: Chuy ển vị theo phương Y – TH4 64

Hình 4.9: Quan h ệ giữa các trường hợp phân khe với chuyển vị theo phương Y 64

Hình 4.10: Ứng suất S1– TH1 65

Hình 4.11: Ứng suất S1– TH2 66

Hình 4.12: Ứng suất S1– TH3 66

Hình 4.13: Ứng suất S1– TH4 67

Hình 4.14: Quan h ệ giữa SR1R và s ố khe 67

Hình 4.15: Ứng suất S3– TH1 68

Hình 4.16: Ứng suất S3– TH2 69

Hình 4.17: Ứng suất S3– TH3 69

Hình 4.18: Ứng suất S3– TH4 70

Hình 4.19: Quan h ệ giữa SR3R và s ố khe 70

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tỉ lệ cấp phối một vài đập vòm RCC điển hình ở Trung Quốc 5

Bảng 1.2: Tính năng kỹ thuật RCC của một vài đập vòm ở Trung Quốc 7

Bảng 1.3: Thống kê đập vòm ứng dụng bê tông vi giãn nở MgO ở Trung Quốc mấy năm gần đây 10

Bảng 1.4: Bảng tỉ lệ cấp phối chủ yếu bê tông MgO trộn ngoài đã xây dựng 12

Bảng 1.5: Tỉ lệ cấp phối bê tông MgO thích hợp cho vùng Quảng Đông – Trung Quốc 12 Bảng 1.6: Tham số đặc trưng thí nghiệm phá hoại uốn và cắt 16

Bảng 3.1: Kết quả tính toán với các trường hợp E khác nhau 45

Bảng 3.2: Kết quả tính toán với các trường hợp hệ số Poisson υ khác nhau 49

Bảng 3.3: Kết quả tính toán với các trường hợp chiều cao đập khác nhau 53

Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý 58

Bảng 4.2: Kết quả tổng hợp chuyển vị ứng ứng suất của hai trường hợp 61

Bảng 4.3: Tổng hợp các chuyển vị của các trường hợp tính toán 64

Bảng 4.4: Tổng hợp các ứng suất SR 1 R của các trường hợp tính toán 67

Bảng 4.5: Tổng hợp ứng suất chính SR 3 R của đập 70

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM 1.1 TÌNH HÌNH XÂY D ỰNG ĐẬP VÒM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Đập vòm là một trong những loại hình đập vừa có tính an toàn và tính kinh tế cao, điều này đã được trải nghiệm thực tiễn trong thời gian khá dài Đây là loại đập có

kết cấu siêu tĩnh chịu nén đòi hỏi địa chất khá cao, địa hình ảnh hưởng rõ nét đến

kiểm tra đập vòm Bear Valley (cao 18m) được xây dựng ở Mỹ năm 1884, đã đề

xuất phương pháp dầm vòm

Sau mười mấy năm, phương pháp dầm vòm được vận dụng trong thiết kế đập

vòm Path Finder và đập vòm Buffalo Bill (cao 99m) là đập vòm trọng lực cao nhất

ở Mỹ thời bấy giờ Năm 1917 kỹ sư người Thụy Sĩ lấy phương pháp dầm vòm phát triển thành phương pháp nhiều dầm vòm, đã thiết kế đập vòm Montsalvens đầu tiên

tại Thụy Sĩ Năm 1930, F.D.Kirm đã đề xuất phương tháp thử tải (Trial Load Method), phương pháp này chiếm một vị trí quan trọng trong lịch sử phát triển đập vòm Năm 1936, Mỹ đã xây dựng đập vòm Hoover (cao 221m), là đập vòm đầu tiên cao trên 200m Năm 1939, Italia đã xây dựng đập vòm Osigletta (cao 79.8m) là đập vòm đầu tiên có bố trí khe biên để loại bỏ ứng suất kéo Năm 1958, đập vòm Vajont (cao 265m) được khởi công tại Italia, đây là đập vòm mỏng cong hai chiều điển hìnhP

[5]

P

Đâp vòm Vallon de Baume Đập vòm Buffalo Bill

(1904-1910)

Đập vòm Vajont (1958-1963)

Hình 1.1: M ột số hình ảnh đập vòm tại các nước phương Tây

Xây dựng đập vòm ở Trung Quốc khởi đầu khá muộn, trước năm 1949 chỉ có 2 đập vòm cao trên 15 m Sau năm 1949, bắt đầu xây dựng đập vòm quy mô lớn Căn

cứ vào tài liệu thống kê của Hội đập lớn Trung Quốc năm 1999, đập vòm cao trên 30m được xây dựng trên toàn thế giới có 1102 đập, trong đó Trung Quốc có 517 đập, chiếm 46,9%, đập vòm bê tông cao trên 100m có 11 cái Những năm gần đây, xây dựng đập vòm cao ở Trung Quốc đã tiến đến một đỉnh cao mới, đập vòm cong hai chiều Ertan cao 240m đã tích nước thành công, đập vòm Xiaowan cao nhất thế

giới (đập cao 292m), Xiluodu (đập cao 278m), Jinbing (đập cao 305m), Goupitan (đập cao 233m), Laxiwa (đập cao 250m) cũng đã lần lượt được khởi công

Đập Xiaowan

(2002-2010)

Đập Xiluodu (2005-2013)

Đập Goupitan (2003-2009)

Hình 1.2: M ột số hình ảnh đập vòm ở Trung Quốc

Việt Nam đang trong giai đoạn khởi đầu xây dựng đập vòm Đập vòm đầu tiên

đang được xây dựng ở Việt Nam là đập vòm bê tông cong hai chiều Nậm Chiến, đập cao 138m, chiều dài đập tại đỉnh 273m, tỉ lệ độ dày/cao là 0,22 Đây là công trình được coi là thiết kế khó bậc nhất ở Việt Nam hiện nay

kết cấu Cải tiến vật liệu và phương thức thi công là một đòi hỏi tất yếu trong quá trình xây dựng đập vòm Hiện nay kỹ thuật bê tông đầm lăn (Rolled Compacted Concrete - RCC), bê tông MgO (MgO Concrete), bê tông đá đổ (Rock Fill Concrete

- RFC) đã được ứng dụng vào lĩnh vực đập vòm Đặc điểm chung của các loại bê tông này là có thể áp dụng kỹ thuật thi công lên đều liên tục trên toàn bộ mặt đập,

do đó tăng nhanh tốc độ đổ bê tông đập, sớm đưa công trình vào khai thác sử dụng RCC ứng dụng trong xây dựng đập bê tông trọng lực từ lâu nhưng với đập vòm thì chưa đầy 20 năm trở lại đây Trung Quốc không phải là nước đầu tiên xây dựng đập vòm RCC nhưng lại là nước phát triển mạnh nhất loại hình đập này Tính cho đến nay, Trung Quốc đã và đang xây dựng được gần 30 đập vòm RCC trong đó có nhiều đập vòm cao như Longshou (cao 80m), Shapai (cao 132m) …Trong quá trình phát triển xây dựng đập vòm RCC đặc biệt là đập vòm mỏng cong hai chiều, vấn đề quan trọng cần giải quyết là bề mặt tiếp giáp giữa các lớp RCC kết hợp tương đối kém và trở thành vị trí xung yếu về ổn định trượt và thấm, mặt khác do tiến độ thi

công nhanh và khống chế nhiệt đơn giản nên sau khi thi công đập và trước khi vận hành nhiệt độ trong đập vẫn khá cao dẫn đến phát sinh nứt Vì vậy nghiên cứu vật

liệu RCC, công tác thi công trên mặt đập, kết cấu và thi công khe nứt là cần thiết để nâng cao an toàn đập

Một vài thí nghiệm trong phòng và thực tiễn công trình đã chỉ rõ, khi trong bê tông có một lượng MgO nhất định, sau khi đổ bê tông sẽ tự sinh giãn nở thể tích Quá trình giãn nở với co ngót nhiệt độ của bê tông cùng phát sinh đồng thời, vì vậy đặc tính này có tác dụng bổ khuyết cho co ngót nhiệt độ, có lợi đối với phòng ngừa phát sinh nứt nhiệt độ Lợi dụng đặc tính này của bê tông MgO để ứng dụng vào xây dựng đập vòm, loại trừ hoặc giản hóa biện pháp khống chế nhiệt truyền thống

của bê tông, đồng thời có thể không phân khe hoặc giảm nhỏ số lượng khe đập vòm, tăng nhanh tốc độ xây dựng đập Vấn đề mấu chốt đối với bê tông MgO là xác định thành phần cấp phối bê tông và hàm lượng pha trộn MgO trong bê tông sao cho hợp

lý nhất

Đối với đập vòm cao, do đặc điểm thể tích lớn của nó cần thiết phải giảm thấp nhiệt độ thủy hóa của bê tông và cũng là giảm nhỏ lượng dùng xi măng Thông thường mà nói sử dụng cốt liệu đường kính lớn có thể thu được tác dụng này Nhưng trong quá trình thi công bê tông thường, chịu sự hạn chế của trộn, đầm và phân tầng, đường kính cốt liệu lớn nhất đều nhỏ hơn 150mm Bê tông đá thô và bê tông đá xây vữa có thể giảm nhỏ lượng dùng xi măng, nhưng cường độ bê tông khá

thấp, chất lượng thi công khó đảm bảo, hạn chế thi công cơ giới, làm chậm tốc độ thi công, không thích hợp với yêu cầu thi công tốc độ nhanh Những năm gần đây,

bê tông tự đầm (Self Compacting Concrete - SCC) đã được ứng dụng trong công trình xây dựng đặc biệt là trong thi công những kết cấu bê tông phức tạp và môi trường thi công không thuận lợi do nó có tính lưu động cao, không cần đầm nhưng

vẫn đạt được hiệu quả lèn chặt, đồng thời bảo đảm tính dính và ngăn ngừa hiện tượng phân tách vật liệu RFC là một phương thức thi công bê tông mới ứng dụng các ưu điểm của SCC Phương thức thi công RFC là sử dụng trực tiếp cốt liệu thô

của bê tông để đưa vào hiện trường sau đó đổ SCC, lợi dụng tính năng lưu động cao

của SCC, khiến cho SCC tự chảy lấp đầy các khoảng rỗng của khối đá đổ hình thành bê tông chỉnh thể, đặc chắc, cường độ khá cao Ưu điểm nổi bật của RFC là thi công tốc độ nhanh và giá thành tương đối thấp Vấn đề quan trọng đối với RFC

là quan hệ thành phần cấp phối SCC với cấp phối khối đá đổ và công nghệ thi công như thế nào để đạt được hiệu quả như mong muốnP

[8]

P

a T ỉ lệ cấp phối và tính năng kỹ thuật RCC

Qua tổng kết các công trình RCC đã xây dựng, lượng vật liệu chất kết dính bình quân sử dụng là 173 kg/mP

3

P, trong đó lượng xi măng là 79 kg/mP

3

P, vật liệu phụ gia khoáng là 94 kg/mP

3

P chiếm 54% Nhưng khi xây dựng đập vòm RCC ở Trung Quốc,

phần trong đập thông thường sử dụng RCC cấp phối 3, kết cấu chống thấm mặt thượng lưu phần ngoài đập thường sử dụng RCC cấp phối 2 Bảng 1.1 tổng kết tỉ lệ

cấp phối một vài đập vòm RCC điển hình ở Trung Quốc

Bảng 1.1: Tỉ lệ cấp phối một vài đập vòm RCC điển hình ở Trung QuốcP

[8]

Tên

đập

N (kg/mP

3

P

)

X (kg/mP

3

P

)

PGK (kg/mP

3

P

) N/X

C/(C+Đ) (%)

C ốt liệu (kg/mP

menzi

P

)

PGK (kg/mP

3

P

) N/X

C/(C+Đ) (%)

C ốt liệu (kg/mP

Tỉ lệ N/X của RCC đập vòm thông thường dao động từ 0,5~0,65, cũng có số ít công trình đập vòm RCC có tỉ lệ N/X nhỏ hơn 0,5 Cấp phối cốt liệu lý tưởng RCC đập vòm cấp phối 2 thông thường là 1:1, cấp phối cốt liệu lý tưởng RCC đập vòm cấp

phối 3 thông thường là 3:3:4 hoặc 3:4:3 (đá nhỏ: đá vừa: đá lớn) Tỉ lệ C/C+Đ của RCC đập vòm thông thường trong khoảng 28~38%, trong RCC đều trộn phụ gia hoá, nhằm thoả mãn yêu cầu về thời gian ninh kết ban đầu, tính năng công tác với tính bền của RCC

Chất lượng của đập vòm chủ yếu là do tính năng của vật liệu xây đập quyết định Đập vòm đặc biệt là đập vòm mỏng và đập vòm cao có yêu cầu rất khắt khe đối với tính năng kỹ thuật của RCC Bảng 1.2 tổng kết kết quả thí nghiệm cường độ, tính năng nhiệt học và tính năng biến hình của RCC đập vòm RCC Giá trị bình quân cường độ kháng nén, cường độ kháng kéo, mô đun đàn hồi, kéo dãn giới hạn RCC đập vòm 90 ngày tuổi lần lượt là 26,26 MPa, 2,39 MPa, 30,57 MPa, 92,65x10P

-6

P

Bảng 1.2: Tính năng kỹ thuật RCC của một vài đập vòm ở Trung QuốcP

Mô đun đàn

hồi (MPa)

Kéo dãn

giới hạn (x10P

-6

P)

Nhiệt độ tăng cao nhất (P

o

PC) 28d 90d 28d 90d 28d 90d 28d 90d 28d Cuối

Shapai 14,0 18,4 1,11 1,61 15,4 19,1 92 104 14,5 17,5

13,3 18,0 1,09 1,53 15,2 19,8 102 108 17,7 19,9 Lin

b Công ngh ệ thi công RCC

- Xác định độ dày tầng đầm nén

Xác định độ dày tầng đầm nén trong thi công bê tông đập vòm RCC dựa vào các nhân tố phương án tập kết vật liệu với năng lực trộn, vận chuyển, diện tích mặt công tác, thời gian ninh kết ban đầu của RCC… Lấy ví dụ thi công đập vòm RCC Da huashui (134,5 m): khi diện tích mặt đập công tác nhỏ hơn 3000mP

2

P, độ dày tầng đầm nén lựa chọn là 30 cm; khi diện tích mặt đập công tác lớn hơn 3000mP

2

P, độ dày

tầng đầm nén lựa chọn là 25 cm, chiều cao thi công lên đập lớn nhất 33,5 m/tháng

- Giá tr ị độ công tác Vc

Giá trị Vc của RCC ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng đầm nén, tuỳ thuộc

thay đổi điều kiện khí hậu mà thay đổi tương ứng Từ bảng 1.1 có thể thấy rằng giá

trị độ công tác Vc thông thường là 8~10 s, số ít công trình có giá trị độ công tác Vc

nhỏ trong khoảng 4~7 s

- X ử lý kết hợp giữa các lớp đầm và mặt khe thi công

Đối với đập vòm RCC áp dụng công nghệ thi công đầm nén lớp mỏng liên tục trên toàn bộ mặt đập, khi thi công liên tục lên cao, giãn cách giữa các lớp không vượt quá thời gian ninh kết ban đầu thì không cần xử lý Trên mặt khe thi công đều nên đánh xờm, đồng thời làm sạch bằng dòng nước áp lực; khi đổ lên cao, bề mặt công tác của mỗi lớp lót một lớp vữa xi măng dày 2~3 cm để tăng cường kết hợp

giữa bê tông đầm nén cũ và mới

- Thi công khe d ẫn, khe ngang

Kết cấu khe đập vòm bê tông đầm lăn cao, bất kể khe dẫn hay là khe ngang nên

sử dụng kết cấu bản bê tông hình thức trọng lực chế tạo trước Kết cấu một khe dẫn điển hình xem hình vẽ 1.4 Thông thường bản bê tông chế tạo sẵn dài 1,0 m, chiều cao 0,25 ~ 0,30 m (cần phải là một tầng đầm nén), bề rộng đáy (thêm bản chân) 0,25 ~ 0,35 m, lấy thích ứng với lắp ráp tốc độ nhanh tại hiện trường Dựa vào độ dày lớp đầm nén, cứ hai lớp đầm nén lại có một lớp có bản bê tông, trong bản bê tông bố trí hệ thống ống phun vữa, đầu ống dẫn ra hạ lưu đập Phương pháp chôn

bản dẫn bê tông chế tạo trước là: sau khi kết thúc lớp đầm nén dưới lớp cần chôn

bản dẫn bê tông, định vị vị trí chính xác khe dẫn sau đó lắp đặt cố định từng đôi bản

dẫn bê tông từ thượng lưu về hạ lưu, mỗi một đôi bản cách nhau 0,5 m Khi rải vật

liệu cần đảm bảo đỉnh bản dẫn bê tông có khoảng 5 cm vật liệu bê tông để khi đầm không trực tiếp nén lên trên bản dẫn bê tông mà gây phá hoại bản dẫn

Hình 1.4: K ết cấu khe dẫn đập vòm RCC

a Gi ới thiệu công nghệ bê tông MgO

Thí nghiệm trong phòng và thực tiễn công trình bê tông khối lớn thủy công đã

chỉ rõ, khi trong bê tông có một lượng MgO nhất định, sau khi đổ bê tông sẽ tự sinh giãn nở thể tích Quá trình giãn nở với co ngót nhiệt độ của bê tông cùng phát sinh đồng thời, vì vậy đặc tính này đối với bê tông thủy công khối lớn có ràng buộc, có

thể dẫn đến tác dụng trung hoà hoặc bổ khuyết co ngót nhiệt độ, có lợi đối với phòng ngừa phát sinh nứt nhiệt độ Rất nhiều đập vòm bê tông ở Trung Quốc lợi

dụng đặc tính này của bê tông, loại trừ hoặc giản hóa biện pháp khống chế nhiệt truyền thống của bê tông đồng thời đã nghiên cứu và thực tiễn trên đập vòm bê tông

kỹ thuật đổ liên tục không phân khe hoặc số lượng khe ít, giản hoá công nghệ thi công bê tông, tăng nhanh tốc độ xây dựng đập Nghiên cứu bổ khuyết giảm nhiệt đập vòm dùng bê tông MgO bắt đầu từ năm 1973 trên đập vòm bê tông trọng lực Baishan, nhưng mục đích thiết kế ban đầu chỉ lấy nó như là biện pháp bổ trợ, sử

dụng MgO có sẵn trong xi măng Năm 1999, kỹ thuật bê tông MgO trộn ngoài đã được nghiên cứu ứng dụng vào đập vòm Changsha và đã thu được thành quả nghiên

cứu to lớn Bảng 1.3 thống kê đập vòm đã ứng dụng bê tông MgO ở Trung Quốc từ năm 1999 đến nay

Bảng 1.3: Thống kê đập vòm ứng dụng bê tông vi giãn nở MgO ở Trung Quốc

mấy năm gần đâyP

[8]

Tên đập Chiều

cao (m)

Chiều dài đỉnh (m)

Lượng bê tông

Tình trạng với loại hình khe

Ma caohe 69,50 142,10 38,00 6,0 Khe dẫn 1~11/2007 Lao jiangdi 67,00 128,00 65,00 5,9 Khe dẫn 12/2007 ~

10/2008 Huang

huazhai

108,00 253,40 285,0 2,5~3,0 Khe dẫn 1~10/2008

Từ bảng 1.3 có thể thấy rằng, các đập vòm ứng dụng công nghệ bê tông MgO đều là những đập vòm vừa và nhỏ (chiều cao đập nhỏ hơn 100m), lượng trộn MgO trung bình là 4,5%, cao nhất đạt đến 6,0% Các đập vòm thời kỳ đầu đều thử

nghiệm không phân khe, nhưng qua tính toán phân tích mô phỏng chân thực và thực

tiễn công trình thấy rằng lượng giãn nở của MgO trộn ngoài không có khả năng hoàn toàn bổ khuyết ứng suất nhiệt của đập, nếu không dùng biện pháp công trình đập vẫn có khả năng phát sinh nứt Vì thế đối với các đập cao sau này sử dụng công nghệ bê tông MgO đều bố trí thêm một số ít khe dẫn nứt để nâng cao an toàn công trình

b Thi ết kế thành phần bê tông MgO

Thực tiễn công trình chứng minh, lựa chọn tối ưu tỉ lệ cấp phối bê tông thi công

là cải thiện tính năng của bê tông, làm dung hoà biến hình co ngót bê tông với biến hình giãn nở của MgO có trong bê tông, đạt được hiệu quả thiết kế bổ khuyết ứng

suất, là biện pháp quan trọng bảo đảm chất lượng công trình

- Nguyên t ắc thiết kế tỉ lệ cấp phối bê tông

Nguyên tắc thiết kế tỉ lệ cấp phối bê tông MgO trộn ngoài là lựa chọn vật liệu

hợp lý và kinh tế đảm bảo cường độ yêu cầu và các tính năng bền của bê tông Thông thường cần dựa vào các điều kiện đặc điểm công trình, yêu cầu thiết kế, phương pháp thi công và môi trường hiện trường…, xem xét đầy đủ đặc điểm kỹ thuật đổ tốc độ nhanh bê tông MgO trộn ngoài, với yêu cầu thoả mãn tổng hợp tính năng biến hình, cường độ, tính bền, tính ôn hoà…của bê tông, cần giảm tối đa đơn giá mP

3

P

bê tông, tiết kiệm chi phí công trình

- Các bước thiết kế tỉ lệ cấp phối bê tông

Thiết kế thành phần bê tông MgO cần thực hiện theo các bước sau đây:

+ Lựa chọn độ sụt và cường độ yêu cầu

+ Lựa chọn kích thước lớn nhất của cốt liệu

+ Lựa chọn lượng cốt liệu thô

+ Thiết lập lượng nước và hàm lượng khí chứa trong bê tông

+ Lựa chọn tỷ lệ nước/chất kết dính

+ Tính toán lượng chất kết dính (xi măng + phụ gia khoáng) cần thiết

+ Tính toán lượng xi măng cần thiết

+ Tính tỉ lệ của hỗn hợp bê tông khi chưa kể phụ gia

+ Tính tỉ lệ của hỗn hợp bê tông có cả phụ gia

Tiến hành trộn mẫu thử cho mỗi cấp phối đã tiến hành thiết kế từ bước 1 đến bước 9

Điều chỉnh thành phần bê tông để đạt được độ lưu động yêu cầu

Lựa chọn hỗn hợp tối ưu nhất đạt cường độ yêu cầu và các yêu cầu kỹ thuật khác

Bảng 1.4 cung cấp tỉ lệ cấp phối của một vài công trình đập vòm đã được xây

T ổng

VL

k ết dính /kg

Lượng dùng

XM /kg

Ph ụ gia khoáng /kg

Lượng

tr ộn MgO /(%)

Quảng Đông-Trung Quốc áp dụng cho Việt Nam (xem bảng 1.5)

Bảng 1.5: Tỉ lệ cấp phối bê tông MgO thích hợp cho vùng Quảng Đông – Trung Quốc

T ổng

VL k ết dính /kg

Lượng dùng XM /kg

Ph ụ gia khoáng /kg

Lượng

tr ộn MgO

Cát /(%)

c Kh ống chế lượng trộn MgO

MgO trong xi măng từ trước đến nay đều xem là thành phần có hại và bị dùng

hạn chế, thông thường cho rằng lượng trộn MgO không nên vượt quá 5% Nguyên nhân chính là: thứ nhất, giãn nở quá độ cục bộ bê tông làm phá vỡ kết cấu; thứ hai, giãn nở của nó khó khống chế Thông qua mấy chục năm tích luỹ tài liệu thí nghiệm trong phòng và ứng dụng công trình, thời kỳ giãn nở chủ yếu của nó cơ bản có thể xác định, tổng lượng giãn nở là có hạn Trong thi công cũng có khả năng khống chế

hữu hiệu, ngăn ngừa xuất hiện hiện tượng giãn nở quá độ cục bộ Vấn đề tăng nhiệt

thủy hoá của kết cấu bê tông thủy công khối lớn rất quan trọng, tăng nhiệt trong thời

kỳ ngắn sau khi hoàn thành đổ bê tông đến điểm cao nhất sau đó bắt đầu giảm chậm

xuống đến bằng với nhiệt độ môi trường, khi đó bê tông tương ứng sẽ phát sinh co ngót Quá trình giãn nở thể tích tự sinh trong bê tông lý tưởng là với co ngót giảm nhiệt của bê tông phát sinh đồng thời, nhưng trong công trình thực tế là không thể

thực hiện Tương đối mà nói, chúng chỉ có khả năng tác dụng bổ khuyết Nhưng

hiện nay quy phạm hạn chế lượng trộn là 5%, thực tiễn công trình thấy rằng dưới

mức độ lượng trộn hiện nay, lượng giãn nở thực tế thu được khó hoàn toàn bổ khuyết co ngót giảm nhiệt Vì vậy cần phải nghiên cứu nâng cao lượng trộn MgO

d M ột vài vấn đề cần lưu ý khi áp dụng công nghệ bê tông MgO xây dựng đập vòm

Tính năng vật lý của MgO cần được tiến hành thí nghiệm và lựa chọn rất nghiêm

ngặt cho phù hợp từng loại xi măng và tro bay Cần coi trọng lựa chọn tối ưu nguyên vật liệu và khống chế chất lượng thi công hiện trường

Thiết kế kết cấu đập cần suy xét đầy đủ điều kiện khí hậu phạm vi công trình, khi MgO bổ khuyết không đủ nên phân khe hoặc dùng biện pháp kết cấu khác

Xây dựng đập vòm dùng phương pháp thi công tốc độ nhanh, tình trạng ứng suất

có khác với đập vòm bê tông dùng phương pháp thi công thông thường, ngoài dựa vào phương pháp phân tải dầm vòm vẫn cần sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

ba chiều tiến hành phân tích ứng suất

Dưới mức độ nghiên cứu hiện nay, điều kiện khí hậu các vùng có sai khác, một vài biện pháp khống chế nhiệt truyền thống không nên loại bỏ toàn bộ

Hạng mục quan trắc đập vòm cần tiến hành khi thi công để khi cần thiết có thể

tiến hành điều chỉnh sửa chữa

Đối với công trình quy mô lớn, điều kiện khí hậu kém, thời gian xây dựng đập vòm dài cần phải tiến một bước nghiên cứu sâu

a Khái ni ệm công nghệ RFC

RFC là một loại phương thức thi công bê tông mới (do các chuyên gia ở Đại học Thanh hoa Trung Quốc đề xuất), sau khi trực tiếp đổ đá vào hiện trường, đổ SCC,

lợi dụng tính năng lưu động cao của SCC, khiến cho SCC tự chảy, lấp đầy trong các

lỗ rỗng khối đá, hình thành bê tông chỉnh thể, đặc chắc, có cường độ khá cao (hình 1.5) Sử dụng RFC tiến hành đổ bê tông khối lớn có ưu điểm chủ yếu dưới đây: Thứ

nhất, tốc độ thi công nhanh, chất lượng đảm bảo Do không có quá trình đầm, công nghệ đơn giản, có thể nâng cao tốc độ thi công rất nhiều, khống chế chất lượng cũng tương đối dễ dàng, chất lượng thi công dễ bảo đảm; Thứ hai, cường độ và tính bền cao SCC là một loại bê tông tính năng cao, đặc tính cường độ cao, bền vững đã được kiểm chứng Trên thực tế RFC chính là SCC bao hàm cốt liệu siêu lớn, vì vậy RFC cũng có cường độ khá cao Tính đặc chắc và cường độ của RFC đã được kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm và ứng dụng trong công trình thực tế; Thứ ba, tiết

kiệm giá thành Sau khi trực tiếp đổ đá vào hiện trường, tỉ lệ lỗ rỗng thông thường

là 40%~50% Vì vậy lượng dùng SCC trong đơn vị thể tích RFC chỉ khoảng 45%, lượng dùng xi măng ít; Thứ tư, nhiệt thuỷ hoá tăng khá thấp, khống chế nhiệt tương đối dễ dàng, biện pháp khống chế nhiệt đơn giản

Hình 1.5: SCC l ấp đầy khối đá đổ hình thành RFC

b Quá trình thi công RFC

Quá trình thi công RFC bao gồm 6 bước chủ yếu:

- Lựa chọn đá đổ: Lựa chọn đá nghiền có đường kính không nên nhỏ hơn 20cm,

dựa vào năng lực vận chuyển với rải đá có thể tận dụng hết khả năng đá khối lớn

- Dọn dẹp mặt bằng công tác và rửa sạch khối đá: Xử lý khối đá mặt bê tông công tác chỉ cần thoả mãn yêu cầu bình thường, bảo đảm hàm lượng bùn đất không vượt quá tiêu chuẩn cho phép, không yêu cầu đặc biệt

- Chống đỡ ván khuôn hoặc xây tường đá: So với chống đỡ ván khuôn bê tông thường thì cần chặt chẽ hơn, cần bảo đảm tính ổn định, độ cứng và độ khít tốt hơn

Nếu không có yêu cầu đặc biệt về bề mặt bê tông thì có thể sử dụng tường đá xây

vữa để thay thế ván khuôn, phương pháp này có khả năng giải quyết tốt hơn vấn đề

độ cứng, cường độ với độ khít của ván khuôn

- Đổ đá vào khối đổ: Đổ đá vào khối đổ hình thành khối đá đổ tự nhiên là có thể được,

nếu dùng nhân công đổ đá thì độ đặc chắc có thể tăng lên nhưng giá thành tăng cao

- Sản xuất SCC và đổ vào hiện trường: Sử dụng trạm trộn để sản xuất SCC, vận chuyển và đổ vào hiện trường, không cần đầm vẫn có thể đặc chắc

- Thực hiện thi công tuần hoàn liên tục nhiều lớp đổ: Độ cao mỗi lớp đổ RFC không nên vượt quá 150cm, nhưng đủ khả năng thi công tuần hoàn liên tục, tức là trong thời gian 4 giờ sau khi hoàn thành đổ RFC lớp đầu tiên tuần tự quá trình rải đá

và đổ SCC, dưới tình trạng năng lực đổ đá và sản xuất SCC được đảm bảo, có thể thi công tuần hoàn liên tục, nâng cao rất nhanh độ cao công trình

c Tính năng kỹ thuật của RFC

Kỹ thuật RFC phát triển đến ngày hôm nay đã trải qua các loại kiểm chứng thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường đều cho rằng SCC có thể lấp đầy rất

tốt các lỗ rỗng giữa khối đá đổ hình thành kết cấu đặc chắc, đồng thời RFC sau khi

cứng hoá có tính năng cơ học và tính bền tốt

Thông qua thí nghiệm so sánh khả năng chịu uốn và chịu cắt của hai loại kết cấu

dầm RFC và dầm SCC thấy rằng khả năng chịu lực của dầm RFC có phần nhỉnh hơn dầm SCC, xem bảng 1.6 Vì vậy RFC có thể thay thế SCC trong kết cấu thực tế

Bảng 1.6: Tham số đặc trưng thớ nghiệm phỏ hoại uốn và cắtP

Độ cong

gi ữa

d ầm /mm

Độ cong

gi ữa

d ầm tương đối

Ch ịu

l ực /kN

T ải

tr ọng tương đối

Độ cong

gi ữa

d ầm /mm

Độ cong

gi ữa

d ầm tương đối

RFC 12.17 1.04 2.73 1.09 101.55 1.12 3.84 0.87

d Ứng dụng RFC trong xõy dựng đập vũm

Từ những đặc điểm của RFC như cường độ cao, độ bền tốt, lượng dựng xi măng

ớt, thi cụng tốc độ nhanh, giỏ thành rẻ…, RFC rất thớch hợp xõy dựng đập vũm

mỏng hai chiều Khỏc biệt chủ yếu của đập vũm RFC với đập vũm RCC và đập vũm bờ tụng thường chỉ là phương thức thi cụng, phương phỏp thiết kế và kết cấu

chủ yếu cơ bản giống nhau Phương phỏp thi cụng đập vũm RFC được cho ở hỡnh 4

bê tông đá đổ

Lớp thi công Mặt đập công tác

Bê tông tự lèn

Ván khuôn hl Ván khuôn tl

Hỡnh 1.6: Thi cụng RFC đập vũm

Hiện nay Trung Quốc đang tiến hành chuẩn bị thi cụng đập vũm RFC đầu tiờn - đập vũm Shi Longgou (đập vũm Thạch Long Cõu ở tỉnh Quý Chõu), đõy là đập vũm cong hai chiều, chiều cao đập lớn nhất 44,90m, đập chủ yếu sử dụng vật liệu RFC khoảng 30 nghỡn mP

3

P Chiều dài dõy cung tại đỉnh là 138,46m, L/H = 3,08 Bề

rộng đỉnh đập bằng 3,0m, chiều dày đỏy đập bằng 11,0 m Chiều dài đập tại đỉnh

160,06 m, tỉ lệ dày/cao bằng 0,245 Thành công của đập vòm này sẽ là tiền đề cho

việc xây dựng những đập vòm RFC tiếp theoP

[8]

P

1.2.2 V ấn đề về thiết kế đập vòm

Đập vòm thuộc về kết cấu mỏng không gian siêu tĩnh định bậc cao, chỉ cần điều

kiện địa hình, địa chất…có lợi, sẽ phát huy đầy đủ cường độ vật liệu bê tông, giảm

nhỏ độ dày đập, tiết kiệm khối lượng công trình Từ ý nghĩa kinh tế đã nói ở trên, đập vòm là một loại hình đập rất ưu việt Nhưng thể hình đập vòm là một trong

những nhân tố chủ yếu quyết định tính ổn định và an toàn của đập vòm; với cùng

một thể tích đập bằng nhau, thể hình đập vòm không giống nhau, khả năng sai khác

độ an toàn của đập vòm có thể rất lớn Do thể hình kết cấu không gian của đập vòm (đặc biệt là đập vòm cong hai chiều) rất phức tạp, xác định tham số thể hình của nó

rất nhiều, thêm nữa nhân tố ảnh hưởng đến thể hình đập vòm cũng rất nhiều, vì vậy phương pháp thiết kế mang tính kinh nghiệm truyền thống rất khó đồng thời thỏa mãn yêu cầu tính an toàn và tính kinh tế Dựa vào những nguyên nhân chính ở trên, thiết kế ưu hóa thể hình đập vòm (đặc biệt là đập vòm cao) có ý nghĩa quan trọng

Để thiết kế tối ưu hóa thể hình đập vòm, vấn đề đầu tiên là phải thiết lập mô hình hình học, lấy vấn đề công trình biến thành vấn đề toán học Hiện nay phương thức thiết lập mô hình phần lớn là: thể hình đập vòm có thể dùng đại lượng đặc trưng hình học để miêu tả, hình 1.7 và hình 1.8 biểu thị các đặc trưng hình học của dầm vòm và vòm ngang Từ hình vẽ có thể thấy rằng nếu xác định được đường cong mặt thượng lưu dầm vòm, phương trình đường trung tâm vòm ngang các cao trình, biên

giới đào nền vai trái phải, đường cong biến đổi độ dày dầm vòm tùy cao trình, đường cong biến đổi độ dày đầu vòm trái phải tùy cao trình, đường cong biến đổi

độ dày trong các vòm ngang, thể hình của tổng thể đập vòm sẽ hoàn toàn xác định được

Trong thiết kế tối ưu hóa thể hình đập vòm, hàm số mục tiêu thường sử dụng hai

loại: kinh tế và an toàn Mục tiêu tính kinh tế trong thiết kế ưu hóa đập vòm tức là kinh tế nhất, khối lượng đập hoặc giá thành công trình là nhỏ nhất Mục tiêu tính an toàn đập vòm tức là an toàn nhất, dưới hạn chế thể tích đập vòm nhất định độ an

toàn là lớn nhất Hàm số mục tiêu thường dùng nhất là tính kinh tế Điều kiện ràng

buộc thông thường bao gồm 3 bộ phận: ràng buộc hình học, ràng buộc ứng suất và ràng buộc ổn định Trong đó ràng buộc hình học bao gồm: hạn chế vị trí đường trục đập, hạn chế độ rộng nhỏ nhất đỉnh đập với độ rộng lớn nhất đáy đập, yêu cầu bảo đảm lồi mặt đập, yêu cầu khoảng cách chân đập hạ lưu với hố tiêu năng khi tràn nước trong đập hoặc đỉnh đập…; điều kiện ràng buộc ứng suất là chỉ hạn chế ứng

suất kéo với ứng suất nén trong thân đập hoặc nền đập; điều kiện ràng buộc ổn định bao gồm yêu cầu ổn định kháng trượt khối đá vai đập, hạn chế góc lực đẩy chân đập

và góc trung tâm vòm ngang….Trước khi yêu cầu tối ưu hóa cần tiến hành sàng lọc vài điều kiện ràng buộc với tiêu chuẩn hóa xử lý Đối với mô hình toán học tối ưu hóa thể hình đập vòm, phương pháp giải tối ưu hóa có thể sử dụng 3 loại: phương pháp SLP (Sequential Linear Programming), phương pháp PFM (Penalty Function Method), phương pháp SQP (Sequential Quadratic Programming) Phương pháp SQP hiện nay là phương pháp giải tối ưu hóa thể hình đập vòm hiệu suất cao nhất

Hiện nay trong phần mềm ANSYS đã cung cấp phương pháp thiết kế tối ưu hóa,

dựa vào ngôn ngữ thiết kế tham số hóa trong phần mềm (APDL) tiến hành thiết kế

tối ưu hóa Tác giả vẫn cho rằng khi thiết kế tối ưu hóa thể hình đập vòm cũng nên xem xét các vấn đề như dưới tác dụng của tải trọng tĩnh động lực, dưới điều kiện ràng buộc về nứt…P

[5]

P

Hình 1.7: Đặc trưng hình học dầm vòm Hình 1.8: Đặc trưng hình học vòm ngang

1.3 NH ỮNG VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP VÒM

Vấn đề đánh giá độ an toàn đập vòm

Khi thiết kế đập vòm, đương nhiên cần tiến hành phân tích ứng suất và ổn định,

từ đó mà quyết định hình dáng và kích thước hình học của đập Nhưng ngoài kết

quả tính toán ứng suất và ổn định người thiết kế thường hay vẫn muốn với đập vòm

đã xây dựng trước đây tiến hành loại suy, để tiện tiến hành đánh giá tính an toàn và tính kinh tế đối với mặt cắt thiết kế Trước đây người thiết kế thường dùng tỉ số dày cao của mặt cắt dầm vòm để đánh giá so sánh độ dày của đập vòm thiết kế với đập vòm đã xây dựng là hợp lý hay không, nhưng ứng suất đập với tỉ lệ cao rộng lòng sông, độ cao đập, hình dáng lòng sông (hình U hoặc hình V)…có liên quan đến nhau, đơn độc dùng tỉ số dày cao khó mà đánh giá độ dày đập vòm là hợp lý hay không Chuyên gia về đập nổi tiếng của Thụy sĩ Lombardi đã đề xuất dùng hệ số độ

mềm để đánh giá tính kinh nghiệm đối với độ dày đập vòm Hệ số độ mềm C như sau:

H là chiều cao đập lớn nhất

Với chiều cao đập giống nhau, thể tích V càng lớn, C càng nhỏ; diện tích mặt cắt

giữa A càng nhỏ, C cũng càng nhỏ Vì vậy đối với chiều cao đập giống nhau, C càng nhỏ, đập càng an toàn

Đối với hệ số độ mềm C giống nhau, hệ số an toàn đập thấp lớn hơn đập cao vì

nó có liên quan đến ứng suất đập Để phản ánh ảnh hưởng của đập cao, ZHU Bofang đã đề xuất hệ số mức độ ứng suất đập vòm

D = CH = AP

2

P/V (1.2)

Hệ số D đại diện cho mức độ ứng suất đập vòm (bao gồm đập và nền) D càng

nhỏ đập càng an toàn Khi đánh giá độ an toàn của đập vòm ngoài việc suy xét hệ số

mức độ ứng suất vẫn cần suy xét cường độ bê tông của đập, chất lượng thi công, cường độ kháng nén và kháng cắt của nền đá Nếu lấy hệ số mức độ ứng suất đập

vòm Kolnbrein DR 0 R = 3500 làm giới hạn trên thì công thức (1.2) có thể viết thành:

C ≤ DR 0 R/H (1.3)

Hệ số mức độ ứng suất D đại diện cho mức độ ứng suất của đập và nền, suy xét đến an toàn của đập không chỉ có quan hệ với mức độ ứng suất mà còn có quan hệ đến cường độ của đập và nền Để tiến một bước phản ánh ảnh hưởng của cường độ đập và nền, ZHU Bofang đề xuất hệ số mức độ an toàn đập vòm J như sau:

J = 100R/D = 100RV/AP

2

P (1.4)

trong đó: R là cường độ của đập và nền

J là một chỉ tiêu phản ánh mức độ an toàn tương đối đập vòm, J càng

lớn đập càng an toànP

[5]

P

1.4 NH ỮNG VẤN ĐỀ VỀ KHẢ NĂNG VÀ BIỆN PHÁP KHÁNG CHẤN ĐẬP VÒM

Vấn đề phân tích kháng chấn và biện pháp công trình kháng chấn đập vòm

Hiện nay đánh giá an toàn kháng chấn đập vòm vẫn lấy hệ số an toàn ổn định và ứng suất giới hạn không vượt quá ứng suất cho phép để biểu thị Phân tích kháng

chấn đập vòm cao có đặc điểm ứng suất lớn dẫn đến tính phi tuyến, nguyên lý

chồng chất không thích hợp, nên dựa vào nguyên tắc phối hợp nhịp nhàng phân tích động lực với phân tích tĩnh lực Hiện nay phương pháp cơ bản phân tích động lực đập vòm vẫn sử dụng phương pháp phân tải dầm vòm Nhưng đập vòm được xem là

kết cấu vỏ mỏng không gian siêu tĩnh định cao cấp, phân tích kết cấu của nó có tính đặc biệt và tính phức tạp, dựa vào phương pháp PTHH giả định nền đàn hồi tuyến tính và không khối lượng có khả năng tốt hơn mô phỏng thể hình phức tạp của kết

cấu đập, đặc tính cơ học và tác dụng ngẫu hợp động lực đập – kho nước – nền Quy

phạm hiện hành của Trung Quốc “Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình thủy” quy định đây là phương pháp chủ yếu tính toán kiểm tra phân tích động lực Biện pháp công trình kháng chấn sử dụng trong công trình đập vòm là bố trí cốt thép kháng chấn (bao gồm cả cốt thép hướng dầm và hướng vòm)P P

Hiện nay khi phân tích kháng chấn vẫn còn tồn tại một vài vấn đề cần phải giải quyết như: vấn đề phi tuyến tính khe ngang trong đập vòm cao dưới tác dụng địa

chấn mạnh; vấn đề ảnh hưởng của tác dụng ngẫu hợp đập – kho nước đối với phản

ứng động lực thể đập; vấn đề mô phỏng số sóng động trong nền vô hạn; vấn đề cơ

chế nhập sóng địa chấn; vấn đề nghiên cứu biện pháp giảm chấn; vấn đề ảnh hưởng

của tính năng động lực vật liệu bê tông đối với đặc tính kháng chấn đập vòm; vấn

đề cơ chế phá hoại đập vòm dưới tác dụng địa chấn mạnh; vấn đề ảnh hưởng của độ dày tầng phù sa đối với áp lực thủy động mặt đập và phản ứng động lực thể đập;

vấn đề phân tích kháng chấn trường địa chấn động ngẫu nhiên đập vòm cao…P

[5]

P

1.5 K ẾT LUẬN CHƯƠNG

- Đập vòm được đánh giá có khả năng ổn định tốt và hiệu quả kinh tế cao, tiết

kiệm vật liệu, tính an toàn và khả năng chịu được động đất Do trên thế giới đã áp

dụng xây dựng từ lâu, nên cần chú ý hình thức đập này để thiết kế, đặc biệt với khu

vực miền núi nhiều thung lũng hẹp

- Khi thiết kế và thi công đập vòm cần chú ý đến vấn đề về công nghệ thi công

mới các vấn đề với mỗi công nghệ thi công ưu nhược điểm riêng của từng phương pháp để lựa chọn và bố trí cho thích hợp theo từng điều kiện khu vực xây dựng

- Khi đánh giá an toàn đập vòm cần quan tâm đến vấn đề tối ưu hóa hình thể đập vòm, lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn, vấn đề khống chế chỉ tiêu ứng suất đập vòm

- Do kết cấu vòm chịu lực tốt, nên đập vòm có khả năng chống động đất tốt hơn

so với các loại đập khác Nhưng cần phải từng bước xét thêm các vấn đề còn đang

tồn tại như đã trình bày ở trên

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP VÒM

Do tình hình xây dựng và phát triển, nhiều đập vòm cao được xây dựng, nên đòi

hỏi phải tính toán hợp lý, chính xác, để thỏa mãn yêu cầu chịu lực, đồng thời giảm được khối lượng xây dựng Hiện nay phương pháp phân tích ứng suất đập vòm chủ

yếu gồm có phương pháp dầm - vòm, phương pháp PTHH và phương pháp thực nghiệm mô hình kết cấu Các phương pháp này đều có những ưu nhược điểm nhất định

2.1.1 Phương pháp dầm - Vòm:

Phương pháp vòm ngang đơn thuần chỉ xét đến từng vòm riêng được cắt theo

mặt ngang Thực tế đập vòm là kết cấu không gian nghĩa là ngoài hướng ngang, đập vòm còn làm việc theo phương thẳng đứng, các phương pháp dầm – vòm kể đến

thực tế gồm có:

- Phương pháp vòm – dầm đỉnh

- Phương pháp nhiều vòm – nhiều dầm

a) Phương pháp vòm – dầm đỉnh:

Hình 2.1: Sơ đồ phân bố tải trọng lên vòm và dầm

Dầm được phân thành nhiều đoạn, có chiều cao a tương ứng với các lớp vòm

nằm ngang của đập Áp lực nước tác dụng lên đập ở các phần tử này lần lượt là pR 1 R,

pR 2 R,… pR i R với pR i R = γhR i Ra (hR i R là chiều sâu của nước ở trung tâm tại phần tử thứ i) Tại

phần tử này gọi biến dạng của vòm là fi, còn biến dạng của dầm là fr

i Nếu gọi áp

lực nước tại phần tử đó tác dụng lên vòm là pP

r

P, … fR i RP

v

P = fR i RP

Công thức để tính biến dạng của dầm có thể tham khảo ở cơ học kết cấu còn trị

số biến dạng của vòm có thể dùng công thức sau:

2 2

2

112

rR n R, rR o R - Bán kính ngoài và bán kính trung bình của vòm

e - chiều dày vòm

αR o R - một nửa góc trung tâm vòm

b) Phương pháp nhiều dầm – nhiều vòm:

Phương pháp này chia đập theo mặt cắt nằm ngang thành các vòm và theo mặt

cắt đứng thành các dầm công xôn cắm chặt vào bờ nền Phương pháp trên mới chỉ

xét được một dầm ở đỉnh vòm Do đó áp lực theo mặt cắt ngang tác dụng cho dầm,

cũng như cho vòm sau khi đã phân phối là dạng phân bố đều

Hình 2.2: Sơ đồ phân phối tải trọng cho dầm và vòm trên mặt nằm ngang

Phương pháp nhiều vòm – nhiều dầm là phương pháp tính toán đập vòm chính xác hơn Đập vòm được chia thành nhiều khoanh vòm có cùng chiều cao và nhiều

dầm có cùng chiều rộng bằng các mặt phẳng ngang và các mặt phẳng đứng theo hướng đường kính Nếu hình dạng mặt cắt tuyến đập không thay đổi đột biến thì lấy khoảng cách giữa các khoanh vòm bằng nhau

- Nói chung chọn 5÷7 khoanh vòm và tường công xôn (Hình 2.2) vòm và dầm nên giao nhau tại bờ đập (trừ dầm qua đỉnh vòm)

- Phương pháp tính toán được dùng hiện nay vẫn là phương pháp thử tải trọng Đầu tiên căn cứ vào kinh nghiệm, tham khảo kết quả tính toán các công trình đã xây

dựng mà phân biểu đồ tải trọng nước cho cả hai hệ thống vòm và dầm Căn cứ vào

biểu đồ tải trọng của vòm và dầm để tính biến dạng tại các điểm chung Nếu biến

dạng tại các điểm chung của hai hệ thống không bằng nhau thì phân bố tại biểu đồ

tải trọng nước và việc tính toán lặp lại như lần đầu, đến khi biến dạng tại các điểm chung bằng nhau (hoặc tính gần bằng nhau) Sai số cho phép về biến dạng tại các điểm chung của hai hệ thống vào khoảng 5 – 10% Dựa vào biểu đồ phân bố tải

trọng cuối cùng để tính nội lực và ứng suất trong thân đập

Căn cứ vào lý luận trên ta có thể tính được các bước tính toán của phương pháp

thử tải trọng như sau:

- Chọn hệ thống vòm và dầm tính toán

- Điều chỉnh theo hướng đường kính:

+ Phân biểu đồ tải trọng cho khoanh vòm và dầm

+ Tính biến vi theo hướng đường kính của khoanh vòm và dầm dưới tác dụng

của tải trọng theo hướng đường kính

+ Tiếp tục tính toán đến khi biến vị của điểm chung gần bằng nhau thì dừng

- Điều chỉnh theo hướng tiếp tuyến, tức điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến

của khoanh vòm

- Điều chỉnh theo hướng quay của mômen, tức điều chỉnh biến vị góc

- Tiến hành điều chỉnh trở lại: Khi đã điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến và hướng quay của mômen, ta điều chỉnh lại biến vị theo hướng đường kính Đến đây

mới kết thúc quá trình tính toán điều chỉnh để tìm tải trọng thành phần tác dụng lên khoanh vòm và dầm Khối lượng tính toán rất lớn, để giảm nhẹ việc tính toán có thể điều chỉnh biến vị theo hướng đường kính, vì đây là loại biến vị chủ yếu

- Tính toán nội lực ứng suất:

+ Căn cứ vào biểu đồ tải trọng đã điều chỉnh mà tính nội lực và ứng suất tại các điểm tính toán

+ Tính toán ứng suất chính tại các điểm tính toán

Trong tính toán có thể sử dụng các bảng lập sẵn ở các sách chuyên đề hoặc sử

dụng các phần mềm tính toánP

[11]

P

2.1.2 Phương pháp PTHH

Lý luận tính toán trong phương pháp PTHH tiên tiến hơn phương pháp nhiều

dầm vòm, đã được ứng dụng rộng rãi trong phân tích ứng suất đập vòm Do phương pháp này có nhiều ưu điểm: phân chia phần tử linh hoạt, có thể suy xét biến hình

nền khá tốt, có thể xử lý các loại tải trọng, đặc biệt với các trạng thái dưới đây: đập vòm có hình dạng phức tạp; đập vòm có mở lỗ đáy, lỗ giữa, lỗ mặt hoặc hành lang; phân tích động lực đập vòm, đặc biệt là khi cần xét đến tác dụng ngẫu hợp giữa kho nước và đập; khi cần suy xét phân tích phi tuyến tính tầng nền kẹp mềm yếu, tầng đứt gẫy, kẽ nứt, rạn nứt hoặc phân tách khối đập…Dưới giả định lý luận đàn hồi,

loại hình phần tử sử dụng và kích thước mạng lưới phần tử thông thường có liên quan đến kết quả ứng suất PTHH, đặc biệt là đối với mặt phụ cận nền đập tồn tại

hiện tượng tập trung ứng suất làm cho tính ổn định giá trị kết quả ứng suất PTHH khá kém, khó thiết lập tiêu chuẩn khống chế ứng suất tương ứng Vì vậy một thời gian dài trước đây phương pháp PTHH luôn được xem là phương pháp thẩm tra thiết kế đập vòm Trên thực tế đập vòm là một loại kết cấu siêu tĩnh định bậc cao,

có tiềm lực chịu tải rất lớn, nếu lấy ứng suất lớn nhất làm tiêu chuẩn thiết kế, tiến hành thiết kế dựa vào chuẩn tắc truyền thống mất hiệu lực tính đàn hồi, hiển nhiên quá bảo thủ; nhưng nếu không xét đến tập trung ứng suất, chỉ dựa vào ứng suất thu được của phương pháp dầm vòm tiến hành thiết kế, khả năng lại không đủ an toàn, đặc biệt là đối với đập vòm cao

Hình 2.3: Phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.3 Phương pháp ứng suất đẳng hiệu PTHH

Năm 1991, giáo sư Phó Tác Tân đã đề xuất phương pháp ứng suất đẳng hiệu

phần tử hữu hạn: Trong phương pháp thử tải, thông thường giả thiết ứng suất chính vòm, dầm xuôi theo độ dày đều là biến đổi tuyến tính (khi không tính ảnh hưởng

của tỉ suất độ cong) Kết quả tính toán phương pháp thử tải với kết quả phương pháp phần tử hữu hạn, thực nghiệm mô hình kết cấu khá rõ ràng, ở nơi cách khá xa

mặt nền đập, ứng suất đập vòm thu được đều khá giống nhau, còn ở mặt phụ cận

nền đập, phương pháp thử tải với hai loại phương pháp sau chênh lệch khá lớn Thông thường cho rằng, chênh lệch chủ yếu này có quan hệ với đột biến hình dáng hình học nơi tiếp giáp đập với nền, thuộc về một loại hiện tượng tập trung ứng suất

cục bộ, mà tổng hợp ứng suất độ dày xuôi đập (nội lực) là gần như nhau Nếu lấy

tổng hợp ứng suất thu được ở phương pháp phần tử hữu hạn là nội lực mặt cắt, sau

đó xuất ứng suất hoá tuyến tính tương ứng, vì vậy ứng suất thu được gọi là ứng suất đẳng hiệu, ứng suất đẳng hiệu này sẽ loại bỏ ảnh hưởng của tập trung ứng suất Nhưng phương pháp ứng suất đẳng hiệu PTHH vẫn tồn tại một vài vấn đề: chưa quy định rõ ràng mô hình tính toán PTHH, phương pháp và mô hình tính toán

không giống nhau khả năng dẫn đến khác biệt rất lớn; nguyên tắc chế định tiêu chuẩn khống chế ứng suất không đủ khoa học, quy định ứng suất cho phép vẫn không có phương pháp thích hợp với đập cao trên 200m; trong tính toán PTHH, yêu

cầu căn cứ thể hình đập lựa chọn hình thức phần tử thích hợp, đồng thời yêu cầu phân chia phần tử đạt đến độ chính xác yêu cầu thiết kế, nhưng đối với hình thức

phần tử và độ chính xác phần tử chưa yêu cầu rõ ràng, vì vậy là một phương pháp

lấy giá trị rất sơ lược

[6]

P

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH ĐẬP VÒM 2.2.1 Các hàm chuy ển vị

Giả thiết cơ bản của việc phân tích phần tử hữu hạn dựa theo chuyển vị đó là các chuyển vị trong toàn bộ hệ thống u có thể được biểu thị dưới dạng các hàm nội suy

phần tử N và véc tơ của các chuyển vị nút U:

{ }u =[ ]N U{ } (2.3) Đặc tính quan trọng nhất của phương pháp này đó là các hàm nội suy được áp

dụng một cách riêng rẽ cho mỗi phần từ, do vậy:

{ } [ ] { } , , ,

i m

i j k

k

U U

Các ứng suất trong một phần tử hữu hạn được liên hệ với các giá trị biến dạng

của phần tử bằng cách sử dụng định luật về cấu trúc vật liệu và được cho bởi:

trong đó [D] = ma trận đàn hồi

σR 0 R= các ứng suất ban đầu của phần tử Định luật về vật liệu được trình bày trong … cho mỗi phần tử có thể là tùy ý Tuy nhiên, các tính chất đẳng hướng của vật liệu được sử dụng trong hầu hết các trường

hợp, hoặc các đặc tính trực hướng của vật liệu được áp dụng cho các trường hợp đặc

biệt (Malvern 1969)

2.2.4 T ải trọng

Các tải trọng bên ngoài tác dụng lên một khối 3 chiều nói chung là sức căng bề

mặt, lực khối (lực thể tích) và các lực tập trung Nhìn chung các lực này bao gồm 3 thành phần tương ứng với 3 trục tọa độ:

{ }

B x

y

B z

y S z

y i z

Phương pháp đơn giản nhất để xác định ma trận độ cứng cho một phần tử hữu

hạn đó là sử dụng nguyên lý chuyển vị ảo (Zienkiewicz 1971, Bathe và Wilson 1976) Nguyên lý này phát biểu rằng sự cân bằng của một khối đòi hỏi rằng với bất

kỳ chuyển vị ảo nhỏ nào tương thích về mặt động học được đặt lên khối này, tổng công ảo bên trong sẽ bằng tổng công ảo bên ngoài, do vậy:

Vế trái của phương trình 2.10 tương ứng với công nội Thay các Phương trình 2.6

và 2.8 trong vế trái của Phương trình 2.10, có thể xác định được ma trận độ cứng

của phần tử hữu hạn được biểu thị dưới dạng các bậc tự do của nút phần tử như sau:

Về phải của Phương trình 2.10 sẽ bằng công được thực hiện bởi các lực phần tử

thực tế qua các chuyển vị ảo và sẽ dẫn đến các lực nút tương đương

2.2.6 Các phương trình cân bằng

Công ảo trong phương trình 2.10 có thể được áp dụng một cách dễ dàng cho toàn

bộ kết cấu, được coi gần đúng là kết quả của việc ghép các phần tử hữu hạn rời rạc Điều này có thể được thực hiện bằng việc viết lại phương trình 2.10 dưới dạng tổng

của các tích phân theo thể tích và diện tích của tất cả các phần tử hữu hạn và giả

thiết rằng các chuyển vị bên trong mỗi phần tử có thể được biểu thị dưới dạng các chuyển vị nút của toàn bộ kết cấu, hay:

Một đặc tính quan trọng cần phải chú ý đó là các tích phân được tính toán riêng

rẽ cho mỗi phần từ, và do vậy các tọa độ phần tử cục bộ có thể được sử dụng Thay các giá trị chuyển vị, biến dạng và ứng suất của phần tử vào Phương trình 2.12, ta được:

trong đó F bây giờ là một véc tơ của các lực nút được đặt ở các điểm nút của kết

cấu ghép Bằng việc áp dụng các chuyển vị ảo đơn vị …, các phương trình cân bằng tĩnh quen thuộc của sự ghép phần tử có thể được xác định như sau:

bề mặt, ứng suất ban đầu và các lực tập trung

Ngoài ra, các lực quán tính và lực giảm chấn của phần tử có thể được bao hàm như một phần của các lực khối (lực thể tích) để biểu thị động thái mang tính động

lực của hệ thống Xấp xỉ các giá trị gia tốc và vận tốc của phần tử với cùng các hàm