“Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán không gian”

LỜI CẢM ƠN Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, Tổng Công ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam - CTCP, cùng các thầy cô giáo

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, Tổng Công ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam - CTCP, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ

thuật với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán không gian” đã được hoàn thành

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân

đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như sự giúp

đỡ, tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo Tổng Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam - CTCP cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành Hải người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội, tháng 03 năm 2011 Tác giả luận văn

VŨ THỊ THƯƠNG

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ ĐỘNG ĐẤT 6

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 6

1.1 1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới 6

1.1 2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam 10

1.1 3 Các vấn đề chung khi thiết kế đập BTTL và BTCT 14

1.1 4 Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối 15

1.1 5 Các phương pháp tính toán thiết kế 17

1.1 5.1 Cơ sở thiết kế mặt cắt 17

1.1 5.2 Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực 17

1.1 5.3 Các tổ hợp tải trọng tính toán 18

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT 20

1.2.1 Giới thiệu chung về động đất 20

1.2.2 Ảnh hưởng của động đất đến sự làm việc của đập 27

1.2.3 Động đất ở Việt Nam 28

1.2.4 Lý luận chung về các phương pháp tính toán động đất 31

1.2.5 Lựa chọn phương pháp tính toán tải trọng động đất 35

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 35

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG 36

2.1 Các trường hợp tính toán 36

2.2 Các phương pháp tính toán 37

2.3 Nhận xét các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng 37

2.3.1 Tính theo sức bền vật liệu 37

2.3.2 Tính theo lý thuyết đàn hồi 38

2.3.3 Tính theo các phương pháp khác 39

2.3.4 Tính theo phương pháp phần tử hữu hạn 40

2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn 41

2.5.1 Cơ sở của phương pháp 43

2.5.2 Nội dung của phương pháp 47

2.5.3 Tính toán kết cấu với mô hình tương thích 49

CHƯƠNG 4 –PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP TRỌNG LỰC ĐỒNG MÍT THEO BÀI TOÁN PHẲNG VÀ BÀI TOÁN KHÔNG GIAN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 54

3 1 Tổng quan về hồ chứa nước Đồng Mít 54

3 1.1 Vị Trí địa lý 54

3 1.2 Nhiệm vụ của dự án 54

3 1.3 Các thông số chính 55

3 1.4 Các chỉ tiêu tính toán của đập và nền 57

3.1.5 Trường hợp tính toán 57

3 2 Tính toán kết cấu đập theo mô hình bài toán phẳng 58

3.2.1 Mặt cắt tính toán 58

3.2.2 Các lực tác dụng lên mặt cắt đập 58

3.2.3 Lựa chọn phần mềm tính toán 65

3.2.4 Mô hình hóa đập 65

3 2.5 Kết quả tính toán 67

3 3 Tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán phẳng 71

3 3.1 Phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tải trọng động đất 71

3.3.2 Kết quả tính toán 72

3 4 Tính toán kết cấu đập theo mô hình không gian 74

3.4.1 Mô hình tính toán 74

3 .4.2 Kết quả tính toán 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá Ngày nay với việc nguồn nước ngọt ngày càng cạn kiệt do khai thác nguồn nước, do biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường nước Phân bố nguồn nước thì không đồng đều theo không gian và thời gian Đề điều chỉnh nguồn nước phù hợp với yêu cầu dùng

nước, một trong những biện pháp phổ biến và hiệu quả nhất là điều tiết nguồn nước bằng hồ chứa

Công trình Hồ chứa nước được xây dựng ngày càng nhiều, càng có quy mô lớn, một trong những kết cấu xây dựng để tạo hồ chứa là đập Theo các thống kê

về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4% Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5% Điều đó cho thấy, đập bê tông trọng lực chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập lớn

Khi thiết kế đập bê tông trọng lực, ngoài tính toán ổn định trượt lật thì cần tính ứng suất và biến dạng để kiểm tra độ bền của đập, tính toán 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 Trước đây, phương pháp tính toán cho đập trọng lực thường

đưa về bài toán phẳng để tính nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực của công trình khi làm việc Trong đề tài này, tác giả sẽ tính theo bài toán không gian tức là đập và nền cùng làm việc đồng thời, do đó nó phản ánh được đầy đủ hơn, chính xác hơn trạng thái làm việc của công trình trong thực tế

Động đất đe dọa rất lớn đến vấn đề an toàn của đập bê tông trọng lực Vì vậy việc đưa lực động đất vào để tính toán ứng suất và biến dạng đập là thực sự cần thiết bởi nó giúp cho người tính dự đoán sự thay đổi của ứng suất biến dạng đập khi

có động đất từ đó đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng của lực động đất đến vấn đề

an toàn đập

Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong bối cảnh xây dựng đập và hồ chứa của Việt nam hiện nay

II Mục đích của đề tài

Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác động của động đất theo mô hình bài toán không gian Áp dụng tinh toán cho công trình cụ thể

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Thu thập thông tin và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài này

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp tính toán, mô hình tính

toán và phần mềm hợp lý để tính toán phân tích ứng suất, biến dạng

- Phân tích và đánh giá kết quả

IV Kết quả dự kiến đạt được:

Tính toán ứng suất, biến dạng của đập bê tông trọng lực và nền làm việc dưới tác dụng của các tải trọng: áp lực nước, áp lực thấm, áp lực đẩy nổi, áp lực bùn cát, trọng lượng bản thân, tải trọng động đất…theo bài toán phẳng và bài toán

không gian Từ đó so sánh kết quả tính toán ứng suất biến dạng của đập bê tông

trọng lực theo 2 mô hình và rút ra kết luận của việc có cần thiết hay không việc tính toán ứng suất và biến dạng của đập theo bài toán không gian

Phân tích sự thay đổi ứng suất biến dạng của đập bê tông trọng lực khi

mô đuyn biến dạng của nền thay đổi

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ

ĐỘNG ĐẤT

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới

Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn Đập duy trì ổn định nhờ trọng lượng của khối bê tông đập

Ưu nhược điểm của đập bê tông trọng lực:

Ưu điểm:

- Khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ an toàn và tin cậy cao khi phân tích tính toán kết cấu

- Khi vật liệu địa phương không đảm bảo các yêu cầu về vật liệu đắp đập

- Tốc độ thi công nhanh, khi thi công xong biến dạng không đáng kể, công viêc duy tu, bảo dưỡng và quản lý dễ dàng

- Có thể xả lũ qua đập với một mức độ nhất định

Nhược điểm:

- Đòi hỏi, yêu cầu về nền móng cao hơn đập vật liệu địa phương

- Chịu chuyển vị nền kém

- Vấn đề khống chế nhiệt trong thi công gặp nhiều khó khăn

- Sử dụng nhiều thiết bị cơ giới hiện đại, giá thành cao hơn đập vật liệu địa phương

Nguồn nước trong lục địa đóng vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống và hoạt động của con người Lượng dòng chảy bình quân hàng năm trên trái đất khoảng 40.000 km3, trong đó châu Á chiếm khoảng 13% Lượng nước tuy dồi dào song lại phân bố không đều theo thời gian và không gian Vì vậy, để khai thác có hiệu quả nguồn nước trên, các công trình thủy lợi bắt đầu được xây dựng

Cách đây khoảng 4000 năm ở Ai Cập, Trung Quốc đã bắt đầu xuất hiện những công trình thủy lợi (đập, kênh mương và các công trình đơn giản khác )

Đập đầu tiên được xây dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá đổ

và đất sét

Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000 trên

toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn Theo cách phân loại của ICOLD thì đập

có chiều cao H=10÷15m và có chiều dài L≥500m, Qxả lũ≥2.000 m3/s; hồ có dung tích W≥1.000.000m3 nước được xếp vào loại đập cao Số lượng hơn 45.000 đập phân bố không đều trên các châu lục

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập chiếm 48% số đập trên thế giới Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn

Độ với 4.291 đập Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập Việt Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn

Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kế xây dựng đập từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào những năm 1950, đỉnh cao là năm 1970

Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15÷30m chiếm khoảng 56,2%, cao từ 30÷150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có 0,1%

Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4% Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5% Điều đó cho thấy, đập bê tông trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập lớn

Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý luận tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao

Thập kỷ 30÷40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng khoảng 0,9 Thập kỷ 50÷60 tỷ số B/H=0,8 Thập kỷ 70 B/H=0,7 Từ thập

kỷ 30÷70 thể tích đập giảm được (20÷30)%

Đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở Tadikistan cao 335m, đập bê tông trọng lực Gradi Dixen ở Thụy Điển cao 285m, đập vòm trọng lực SayanoShushensk ở Nga cao 245m

Hình 1.2: Các hình thức đập trọng lực tràn nước

a Tràn mặt; b Xả sâu; c Kết hợp tràn mặt và xả sâu Bảng 1-1: Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới

* Số liệu lấy từ báo (Đập và an toàn đập) của tác giả Nguyễn Tiến Đạt

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Thời kì trước những năm 30 của thế kỉ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5 đến

10 m, chưa có những đập lớn Các đập có kết cấu đơn giản thi công nhanh bằng phương pháp thủ công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam, tỉnh Phú Yên do đặc điểm thủy văn của sông Đà Rằng Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do kỹ sư Pháp thực hiện Xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối

bê tông chủ yếu dựa vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam

Giai đoạn từ 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, tỉnh Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước tưới, đập Đáy ở Hà Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình

Bảng 1-2: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam trước 1945

Giai đoạn từ 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc tập trung đầu

tư xây dựng các công trình thủy lợi lớn bị hạn chế Trong thời kì này chưa có đập

bê tông trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn, Đa Nhim… Kĩ thuật và công nghệ xây dựng ở phía Bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía nam là công nghệ của Nhật…

Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa nên các công trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng khắp cả nước, và đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú Đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện như Pleikrông, Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ, Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông … và đập tràn ở các công trình đầu mối thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang … là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao đập từ 70 đến 138 m Việt Nam đã

và đang sử dụng thành công kĩ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập

bê tông trọng lực có quy mô cả về chiều cao và khối lượng bê tông ngày một lớn hơn

Một trong những kĩ thuật và công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang

áp dụng thành công hiện nay là đập bê tông đầm lăn

Sự phát triển của bê tông đầm lăn tại Việt Nam

Việt Nam đến với công nghệ BTĐL tương đối muộn so với một số nước trên thế giới, nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó và đặc biệt tại nước láng giềng Trung Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên

có rất nhiều dự án thủy lợi, thủy điện lớn đã và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này Từ nay đến năm 2013 nước ta có số đập BTĐL lên tới 27 đập Việt Nam trở thành nước được xếp hang thứ bẩy về tốc độ phát triển đập BTĐL Địa danh, quy mô các đập đã đang và sẽ xây dựng ở nước ta được thống kê trong bảng:

Bảng 1-3: Danh sách các đập BTTL ở Việt Nam đến năm 2013

STT Tên Công trình Chiều

cao (m)

Địa điểm XD Năm dự

kiến hoàn thành

Ghi chú

STT Tên Công trình Chiều

cao (m)

Địa điểm XD Năm dự

kiến hoàn thành

Ghi chú

Đập bê tông trọng lực đã và đang xây dựng ở Việt Nam ngày càng nhiều với quy

mô ngày càng lớn Đập bê tông cũng như các công trình thủy lợi khác đang góp phần quan trọng trong công cuộc trị thủy và xây dựng đất nước

Hình 1.3: Cắt ngang đoạn đập không tràn (Đập Sơn La)

1.1.3 Các vấn đề chung khi thiết kế đập BTTL và BTCT

1.1.3.1 Yêu cầu chung đối với nền và cách chọn kiểu đập

Cấu tạo địa chất thung lũng sông ảnh hưởng đến ổn định và thấm của đập

Vì vậy, khi bố trí tuyến phải chú ý đến đặc trưng về cấu tạo địa tầng, chiều dày của các tầng tích tụ trên mặt và tính đồng nhất của thành phần nham thạch gốc

Yêu cầu về nền móng khi thiết kế đập trên nền đá:

- Nham thạch nền đủ cường độ

- Nền không có khe nứt, không có vết nứt phân lớp, không có vùng bị phong hoá sâu, bị phá hoại hoặc mềm yếu

- Khi nền có nhiều lớp không có lớp nham thạch yếu

- Nham thạch không có tính hoà tan khi gặp nước

Yêu cầu về nền móng khi thiết kế đập trên nền không phải là đá

- Đất nền đủ khả năng chịu lực

- Chất đất tương đối đồng nhất, không có lớp đất pha dễ bị xói mòn

- Không có lớp đất mềm yếu dễ hình thành mặt trượt

- Đất ít bị nén và nén tương đối đều

- Đất không bị hoà tan, không thay đổi độ chặt, không bị trương nở khi gặp

Kh i thiết kế đập bê tông trọng lực, phải tuân theo các yêu cầu về kỹ thuật

và kinh tế như sau:

- Đập phải thỏa mãn các nhiệm vụ thiết kế đặt ra (dâng nước, tràn nước, lợi dụng tổng hợp)

- Đập phải đảm bảo trong mọi điều kiện thi công, quản lý khai thác và sửa chữa

- Đập phải có độ bền, chống các tác động phá hoại của ngoại lực, tải trọng nhiệt, biến hình nền và ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo quy định

- Bố trí mặt bằng và kết cấu đập phải thỏa mãn các điều kiện thi công, quản

lý, vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan

- Đập phải có tính hiện đại, áp dụng các công nghệ thiết kế, thi công và quản

lý tiên tiến phù hợp với điều kiện tại chỗ và xu hướng phát triển của địa phương

- Giá thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ của nó và với các điều kiện tại nơi xây dựng

1.1.4 Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối

Trong cụm công trình đầu mối thường có đập dâng, đập tràn và các công trình khác để thỏa mãn điều kiện khai thác công trình và bảo vệ môi trường (cống lấy nước, nhà máy thủy điện, âu thuyền, công trình phục vụ du lịch )

Với đập bê tông trên nền đá thường kết hợp đập dâng và đập tràn trên cùng một tuyến Đập tràn thường bố trí ở đoạn lòng sông để tránh làm biến đổi quá nhiều đến điều kiện nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu so với khi chưa có đập, còn phần đập không tràn thường bố trí ở hai đầu tuyến, nơi tiếp giáp với bờ

1 Đập không tràn; 2 Tràn mặt; 3 Xả đáy;

Điều kiện địa chất đóng vai trò quan trọng trong bố trí mặt bằng Nói chung khi bố trí đập trong cụm công trình đầu mối cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:

- Chọn tuyến đập có địa chất nền và hai vai tốt, tránh các vị trí nứt gãy và mềm yếu cục bộ, phải xử lý phức tạp

- Khi các tuyến có điều kiện địa chất như nhau, nên chọn tuyến đập thẳng, nơi lòng sông thu hẹp để giảm khối lượng công trình Trong trường hợp cần mở rộng diện tràn nước thì mới làm tuyến đập cong lồi lên thượng lưu, cũng có thể chọn tuyến đập gãy khúc khi phải né tránh các vùng có địa chất yếu cục bộ

- Bố trí đập tràn phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công và phương pháp thi công

- Khi trên cùng một tuyến có bố trí nhiều hạng mục khác nhau (đập tràn, nhà máy thủy điện, âu thuyền ) cần phải phân tích để chọn vị trí đặt thích hợp

cho từng hạng mục để giảm nhỏ ảnh hưởng của việc tháo lũ qua tràn đến sự làm việc bình thường của các công trình khác

- Khi tháo lũ thiết kế, cần huy động đến khả năng tháo một phần lưu lượng

lũ qua các công trình khác trong cụm đầu mối như nhà máy thủy điện, âu thuyền, đường thả bè Ngoài ra cũng cần xem xét khả năng cho tràn nước trên đỉnh nhà máy thủy điện

- Khi bố trí mặt bằng đập, cần nghiên cứu tổng thể bài toán nối tiếp dòng chảy ra hạ lưu trong điều kiện khai thác bình thường và khi tháo lũ, để đảm bảo điều kiện không xói lở bờ và đáy lòng dẫn ở hạ lưu

1.1.5 Các phương pháp tính toán thiết kế

Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực có dạng tam giác, tải trọng tính toán bao gồm trọng lượng bản thân, áp lực nước, áp lực thấm Trong công tác thiết kế, tính toán để lựa chọn đưa ra mặt cắt thoả mãn được ba điều kiện sau đây:

Điều kiện ổn định: Đập không bị mất an toàn về ổn định chống trượt, hệ số

an toàn chống trượt tính với mặt trượt tiếp xúc giữa đập và nền mặt cắt không nhỏ hơn trị số cho phép

Điều kiện ứng suất: Khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép, ứng suất nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số ứng suất nén cho phép

Khi hồ không có nước không sinh ứng suất kéo ở mép biên hạ lưu, ứng suất nén ở mép biên thượng lưu không vượt quá trị số ứng suất nén cho phép

Điều kiện kinh tế: Diện tích mặt cắt là nhỏ nhất để đảm bảo khối lượng công trình nhỏ nhất

a Tính toán ổn định, độ bền của đập và nền đập theo trạng thái giới hạn

Việc tính toán ổn định được tiến hành tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất theo công thức:

b Tính toán độ bền, ổn định của đập và nền đập theo hệ số an toàn

- Hệ số an toàn trượt của đập

- Các đập được xây dựng trên nền đá: Đập trượt theo hình thức trượt phẳng,

hệ số an toàn có thể tính theo nhóm các công thức chỉ xét đến lực ma sát hoặc lực cắt trên mặt phá hoại Tiến bộ trong tính toán đập hiện nay có nhóm các công thức xét đến hỗn hợp giữa phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại tổng thể

- Các đập xây dựng trên nền đất có thể xảy ra ba dạng trượt: Trượt phẳng, trượt sâu, và trượt hỗn hợp Hiện nay các hệ số ổn định trượt được tính theo quy phạm nền các công trình thủy công

- Hệ số an toàn chống lật

Đập bê tông trọng lực khi có độ lệch tâm lớn có khả năng lật quanh điểm thấp nhất ở bản đáy của đập Hệ số an toàn chống lật tính theo công thức:

cl gl

M K

a Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực

- Trọng lượng đập và các thiết bị đặt trên đó

- Áp lực thủy động, thủy tĩnh phía thượng lưu (T1, P1), hạ lưu (T2, P2)

trong đó:

- T: Thành phần nằm ngang, P: Thành phần thẳng đứng

- Áp lực thấm (Wth) và đẩy nối (Wđn) từ dưới đáy đập

- Áp lực sóng (Ts) và áp lực gió (Tg)

- Áp lực bùn cát từ phía thượng lưu, thành phần ngang (Tb) và thành phần đứng (Pb)

- Lực sinh ra do động đất

- Tác dụng của nhiệt độ trong thời kỳ thi công

- Ảnh hưởng của biến hình nền

g w

b) Các tổ hợp lực dùng trong tính toán

Tổ hợp lực cơ bản bao gồm các trọng lượng thường xuyên hoặc định kỳ tác dụng lên đập, như trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt lên trên đập, áp lực nước với MNDBT, áp lực sóng, gió với vận tốc gió bình thường (Vbqmax), lực thấm, đẩy nổi và áp lực bùn cát

- Tổ hợp lực đặc biệt

Tổ hợp lực đặc biệt gồm các lực trong tổ hợp lực cơ bản, cộng thêm hay thay thế một số lực xảy ra trong trường hợp đặc biệt như:

1 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.2.1 Giới thiệu chung về động đất

Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra rất nhiều thảm họa cho con người và các công trình xây dựng Trong suốt chiều dài phát triển nhân loại, để bảo vệ sinh mạng của mình và tài sản vật chất xã hội, con người đã có rất nhiều

nỗ lực trong việc nghiên cứu phòng chống động đất Tuy đã có những bước tiến rất ngoạn mục trong lĩnh vực này, nhưng con người vẫn không ngăn được những thảm họa do động đất gây ra Các trận động đất xảy ra trong những năm gần đây tại Nhật Bản (1995), Thổ Nhĩ Kỳ (1999), Hy Lạp (1999), Đài Loan (1999), Ấn

Độ (2001), Iran (2004) … đã chứng minh cho điều đó

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hoặc trong phần áo trên của quả đất

Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả đất được gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H) Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L)

Hình 1-6: Vị trí phát sinh động đất

Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành

các loại sau: - Động đất nông H<70km

- Động đất trung bình H = 70÷300 km

- Động đất sâu H > 300km Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30÷100km

a Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chất và địa chấn học đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho nguồn gốc của các trận động đất xuất hiện trên thế giới Theo thuyết này, lúc đầu các lục địa gắn liền với nhau được gọi là Panagea, sau đó cách đây khoảng chừng

200 triệu năm chúng tách ra thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với nhau trên một lớp dung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngày nay

Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và quan trắc địa chất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến tạo mảng

Do đó trong vòng 10 năm tiếp theo, lý thuyết này đã được giới khoa học chấp nhận một cách rộng rãi và được xem là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ XX

b Động đất có nguồn gốc từ các đứt gẫy

Khi quan sát địa hình ta thường gặp những sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đá Ở một số chỗ, các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy được gọi là đứt gẫy hoặc phay địa chất

Các vết đứt gẫy được chia làm hai loại: hoạt động và không hoạt động Đứt gẫy hoạt động là những đứt gẫy đã trải qua biến dạng cách đây hàng trăm ngàn năm và sẽ còn tiếp tục trong tương lai Đứt gẫy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế giới thuộc loại này là đứt gẫy San Andreas ở California (Hoa Kỳ) Đứt gẫy này có chiều dài 300 km và trượt ngang 6.4m, từng gây ra trận động đất ở San Francisco năm 1906 và nhiều trận động đất tiếp theo sau đó

Đa số các đứt gẫy được vẽ trên các bản đồ địa chất là không hoạt động Tuy vậy, đôi khi tại một đứt gẫy trước đó được xem là không hoạt động lại thấy trên

nền đất xuất hiện các vết nứt mới trong thời gian động đất

c Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác

- Sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất

Ở độ sâu trong vỏ quả đất khoảng 5km áp lực địa tĩnh (do trọng lượng của các lớp đất đá phía trên gây ra) đúng bằng cường độ của các mẫu đất đá điển hình chưa nứt ở nhiệt độ 500oC và áp suất tương đương ở độ sâu đó Nếu không có các yếu tố khác can thiệp vào, lớp đá sẽ bị biến dạng dẻo mà không bao giờ có thể bị phá hoại dòn đột ngột và bị trượt do có ma sát dọc theo vết nứt Kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng sự tồn tại của nước trong lòng đất đã gây ra hiện tượng phá hoại đột ngột do lực ma sát dọc theo các mép vết nứt bị giảm

- Động đất do các vụ nổ

Các trận động đất cũng có thể được gây ra bởi các vụ nổ hóa học hoặc hạt nhân Khi một vụ nổ hạt nhân ngầm xẩy ra, một năng lượng rất lớn được giải phóng Trong nhiều thập kỷ qua, các vụ nổ hạt nhân ngầm trong lòng đất ở nhiều bãi thử trên thế giới đã gây ra các trận động đất mạnh (đạt tới độ lớn 7 độ

Richter) Các sóng địa chấn phát sinh từ các vụ nổ này truyền đi và được các địa chấn kế ghi lại đã chứng minh cho kết luận trên

- Động đất do hoạt động của núi lửa

Tuy tương đối hiếm, nhưng các trận động đất cũng có thể phát sinh từ hoạt động của núi lửa Đối với những trận động đất phát sinh từ nguyên nhân này có thể phân thành 3 loại: do các vụ nổ khi núi lửa hoạt động, do chuyển động của dung nham và do sự kết hợp với các trận động đất kiến tạo

- Động đất do sụp đổ nền đất

Các trận động đất do sụp đổ nền đất thường nhỏ và xẩy ra trong các vùng có hang động ngầm hoặc khai thác mỏ Sự sụp đổ đột ngột trần các hầm mỏ hoặc hang

động ngầm dưới đất là nguyên nhân trực tiếp gây ra chấn động nền đất

Các vụ trượt lở đất lớn đôi khi cũng gây ra các trận động đất thuộc dạng này

- Động đất do tích nước vào các hồ chứa

Việc tích nước vào các hồ chứa lớn đôi khi cũng làm phát sinh ra các trận động đất mạnh Các trận động đất này có thể đạt tới độ lớn 6 độ Richter Cho tới nay người ta đã ghi nhận được trên 70 trận động đất ở nhiều nơi trên thế giới do tích nước vào các hồ chứa nhân tạo bằng cách dùng đập ngăn sông

Ông Fan Xiao, Kỹ sư trưởng Cục Địa chất và Khoáng sản Tứ Xuyên, cho rằng

áp lực nước khổng lồ trong hồ chứa nhân tạo của đập Zipingpu đã đè lên các rãnh nứt địa chất, có thể là một yêu tố gây ra trận động đất khủng khiếp hồi tháng 5/2008 ở Tứ Xuyên, Trung Quốc

Hình 1.7: Đập Zipingpu nhìn từ vệ tinh

Thực tế đập thuỷ điện Zipingpu cao 156m, nằm cách tâm chấn chỉ 5.5km và cách các đường rãnh nứt địa chất chỉ có 550m Sức nặng của lượng nước trong hồ của đập nước này tương đương với 325 triệu tấn

Hình 1.9: Đập Zipingpu không bị vỡ trong trận động đất, nhưng bị nứt nát, hiện

vẫn chưa được khôi phục

Biểu đồ ghi lại quỹ đạo chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất Biểu đồ động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất, đồng thời là số liệu để suy các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn cho công trình xây dựng

1.2.1.4 Đánh giá sức mạnh của động đất

Vấn đề đánh giá và đo sức mạnh của các trận động đất là một vấn đề rất quan trọng, được các nhà địa chấn học thường xuyên quan tâm nghiên cứu Trong nhiều thế kỷ qua đã xuất hiện nhiều cách thức đánh giá định tính và định lượng các chuyển động địa chấn nói riêng và sức mạnh động đất nói chung Hiện nay, sức mạnh động đất được đánh giá qua: Thang cường độ động đất và Thang độ lớn động đất

(1) Thang độ lớn động đất - Thang Richter - Thang đo năng lượng động đất được tính bằng Magnitude (M), Một Magnitude bằng một độ Richter

(2) Các thang đo cường độ động đất (I) được tính bằng cấp động đất đại diện là các thang: MMI (12 cấp); MSK (12 cấp); JMA (8 cấp)

Thang động đất theo cường độ được thành lập trên ba tiêu chí:

- Con người có thể nhận biết được sự tác động đến môi trường xung quanh

- Sự tác động của động đất đến công trình

- Các hiện tượng thay đổi trong đất như hiện tượng tăng mực nước ngầm Magnitude và cường độ động đất là hai đại lượng khác nhau đặc trưng cho sức mạnh của động đất Magnitude là đơn vị đo năng lượng của động đất còn cường

độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn, mô tả động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đất khi động đất đi qua

Với cùng một trận động đất, năng lượng của động đất có giá trị Magnitude giống nhau tại mọi nơi trên thế giới (không phụ thuộc vào khoảng cách đến chấn tâm) còn cường độ động đất lại có giá trị khác nhau tại các điểm đo khác nhau (càng gần chấn tâm, cường độ động đất càng lớn)

Bảng 1-4: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất

1.0 1.00 1.67 2.33 3.00 3.67 4.33 5.00 5.67 6.33 7.00 7.00

Động đất là một thiên tai đặc biệt nguy hiểm đe dọa nhiều khu vực trên trái đất Trên đất liền, động đất gây trượt lỡ trong vùng núi, gây biến dạng mặt đất nơi đồng bằng, làm biến mất hoặc tạo thành các hồ và đầm lầy Ngoài biển, động đất mạnh làm thay đổi địa hình đáy biển, gây ra sóng thần, tàn phá các vùng gần biển Chấn động động đất gây phá hủy nhà cửa và các công trình, tàn phá các thành phố, cướp đi của cải và sinh mạng của nhân loại

Nguyên nhân của động đất rất phức tạp, có thể rất khác nhau: hoạt động kiến tạo, núi lửa, sập hang động ở vùng carster, các vụ nổ…Nhưng với quan điểm công trình thì người ta quan tâm nhất tới động đất kiến tạo, tức là động đất liên quan tới sự tích lũy và giải phóng năng lượng trong một phần rộng lớn của vỏ trái đất gây ra bởi sự chuyển động liên tục của các địa khối (vận động kiến tạo)

Người ta quan tâm nhất tới dạng động đất này bởi lẽ nó có khả năng lặp lại thường xuyên, giải phóng một năng lượng lớn và tác động trên một diện rộng Có nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế phát sinh động đất kiến tạo nhưng ngày nay, quan điểm được thừa nhận rộng rãi nhất và được chứng minh đầy đủ bằng quan sát thực tế là quan điểm cho rằng động đất kiến tạo phát sinh do dịch chuyển đột ngột của các khối theo các đứt gãy địa chất Trong các trận động đất mạnh, dịch chuyển ấy bắt đầu từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy

Năng lượng của động đất là rất lớn Ví dụ để có năng lượng sóng địa chấn tương đương với năng lượng của động đất với manitude MI=7,3 cần phải nổ một quả bom khoảng 50 megaton

Động đất có tác động tới công trình được coi như là tải trọng động đất, tải trọng đặc biệt Động đất tác động trực tiếp vào công trình do dao động nền tạo ra lực quán tính động đất, làm tăng áp lực nước, áp lực bùn cát…gây nên sự biến đổi

về trị số, sự phân bố ứng suất bất lợi cho công trình

Trong lịch sử từ năm 114 đến năm 2003 Việt nam đã ghi nhận được 1645 trận động đất mạnh từ 3,5 độ Richter trở lên Đó là trận động đất cấp 8 xảy ra vào năm 114 ở bắc Đồng Hới, các trận động đất cấp 7, cấp 8 xảy ra ở Hà nội vào các năm 1277, 1278, 1285 ; động đất cấp 8 ở khu vực Yên Định - Vĩnh Lộc - Nho Quan vào năm 1635 ; động đất cấp 8 vào năm 1821 ở Nghệ An, cấp 7 ở Phan Thiết vào các năm 1882, 1887… Trận động đất lớn nhất ở Việt nam trong vòng

100 năm qua là trận động đất 6,8 độ Richter ở Tây Nam - Điện Biên Phủ vào năm

1935 với cấp động đất bề mặt là 8÷9 Tiếp theo là trận động đất 6,7 độ Richter ở Tuần Giáo năm 1983 làm nhiều nhà sụp đổ

Bảng 1-5: Thống kê các trận động đất ở Việt nam

ra các trận động đất mạnh 5,1÷5,5 độ Richter Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4

độ Richter ở Hà nội là 1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây

đã hơn 700 năm 9(1285) Hiện Hà nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất có thể xảy ra Ngoài ra,

Hà nội còn phải chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La

Một kiểu động đất ở Việt nam là tiếp nhận năng lượng từ vận động dồn mảng giữa mảng ấn Độ Dương (có phần Đại Dương và phần tiểu lục địa ấn Độ)

xô vào mảng châu á Các nhà địa chấn học theo thuyết "kiến tạo mảng" đã chứng minh rằng hầu hết biến động của lục địa châu á ngày nay có liên quan đến hành vi của đới ranh giới giữa hai mảng thạch quyển nói trên Đới này có hình vòng cung

từ nơi tiếp giáp giữa tiểu lục địa ấn Độ với dãy Himalaya, vòng xuống vùng biển

phái Tây bán đảo Mã Lai rồi chạy xuống biển phía Tây Nam các đảo Sumatra và Java của Indonesia, là nơi xảy ra động đất Aceh tạo ra thảm hoạ sóng thần ở ấn

Độ Dương vừa qua Vì mối liên hệ này, các biến vị nội lục địa ở châu á luôn gắn liền nhưng xảy ra muộn hơn các biến vị của đới ranh giới mảnh nói trên Nên sau động đất Aceh, đã xảy ra dồn dập các động đất yếu hơn, muộn hơn và phân tán trên lãnh thổ Việt nam Thời gian lan truyền và giải toả năng lượng này còn tiếp diễn và động đất còn có thể xuất hiện ở nước ta trong thời gian tới

Vùng Tây Bắc là nơi xảy ra động đất nhiều nhất ở Việt Nam

Đứt gãy Điện Biên - Lai Châu và Điện Biên - Sơn La có thể gây ra động đất nguy hiểm nhất Việt nam Sau đó là đứt gãy sông Mã có thể gây ra động đất cấp 9 đứt gãy sông Hồng có thể gây ra động đất cấp 8 Các đứt gãy khác có thể gây ra động đất cấp 7 trở xuống Miền Nam nước ta là nơi có động đất yếu và ít gây hại

Dựa trên các tài liệu phân vùng động đất của trung tâm địa lý địa cầu thuộc viện khoa học Việt nam những vùng có khả năng động đất mạnh có liên quan đến đặc điểm kiến tạo, mỗi vùng gắn liền với một đới đứt gãy sâu và các thông số địa chấn, cụ thể như sau:

- Vùng Đông Bắc trung Hà Nội : Cấp 7

- Vùng Sông Hồng, Sông Chảy : Cấp 7-8

1.2.4 Lý luận chung các phương pháp tính toán động đất

Kỹ thuật kháng chấn có liên quan đến việc phân vùng động đất, trạng thái động lực học của công trình, các phương pháp tính toán kết cấu của công trình và tính kinh tế khi thiết kế công trình

Các phương pháp tính hiện nay có thể chia làm hai nhóm: phương pháp tĩnh

và phương pháp động lực học

1.2.4 1 Phương pháp tĩnh

Trong quá trình động đất, vỏ quả đất bị rung động đàn hồi với chu kỳ 1,2 giây và gia tốc τ Khi đó, công trình chịu tác động của lực động đất Có nhiều phương pháp tính lực động đất

T=0,8-Khi tính toán người ta coi công trình chịu tác động của các ngoại lực tăng thêm một hệ số tính toán có xét đến do động đất gây ra

Lực quán tính động đất: khi có động đất, công trình bị rung động do đó gây

ra lực quán tính, lực đó tỷ lệ với khối lượng công trình G/g và gia tốc động đất τ

trong đó:

- h1: Khoảng cách từ điểm tính toán đến mặt nền

- ho: Khoảng cách từ trọng tâm công trình đến mặt nền

- Với các kết cấu chịu lực xô ngang như vòm,…thì α =2

- Với các bộ phận kết cấu cục bộ với công trình như cột, dàn…thì α =5

- Với các công trình và các bộ phận khác không nêu ở trên thì α =1 Phương, chiều của lực quán tính động đất ngược chiều với gia tốc động đất

Vì vậy lực này có hướng tùy thuộc vào hướng của gia tốc Trong thiết kế, chúng

ta không xác định được hướng gia tốc mà phải chọn hướng nào bất lợi cho công trình về mặt ổn định và độ bền Điểm đặt của tổng áp lực quán tính được xem như đặt ở trọng tâm công trình

Theo phương pháp này thì không chú ý đến biến dạng của công trình và xem dao động của mọi điểm trên công trình là như nhau, sự phân bố lực quán tính động đất phụ thuộc vào khối lượng phân bố ở công trình Các lực động đất được xem như lực ngang tỷ lệ với khối lượng của kết cấu

Trong nhóm các phương pháp động lực có nhiều phương pháp:

a Phương pháp giải tích:

Cơ sở của phương pháp là công nhận mô hình tính toán cơ học của công trình trong một môi trường liên tục hoặc rời rạc thiết lập hàm giải tích đưa yếu tố thời gian vào dao động của động đất Từ các phương trình vi phân xác định được chuyển vị, vận tốc và gia tốc Các lực động đất xác định bằng tích của khối lượng

và gia tốc tương ứng

b Phương pháp phố:

Trên cơ sở phân tích các trận động đất ở XanFranXisco năm 1923 và Laybich năm 1933 nhiều tác giả đã thiết lập được dạng mới của phương pháp động lực học để tính toán công trình đó là phương pháp phổ, hoặc theo phương pháp đường cong phổ

Phương pháp phổ được M.Bo đề xuất năm 1933 và sau đó được Cotrinski nghiên cứu hoàn thiện

Nội dung của phương pháp phổ là xác định các gia tốc, vận tốc và chuyển vị cực đại của các dao động Khi phân tích, người ta đã sử dụng sự tương tự của hệ phức tạp với hệ có một bậc tự do Phương pháp tính toán theo đường cong phổ đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn quy phạm của các nước để xác định

Nhược điểm chính của phương pháp này là tính toán phức tạp và cần có biểu

đồ gia tốc ghi được khi quan trắc Cho đến nay phương pháp này dùng rất hạn chế, chỉ nghiên cứu các công trình quan trọng đủ tài liệu

d Phương pháp ngẫu nhiên:

Cách đặt vấn đề của phương pháp ngẫu nhiên là nghiên cứu các hệ kết cấu chịu tác động của động đất, vật liệu của kết cấu và động đất là các yếu tố ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian Bài toán xác định đặc tính xác suất cho trước của nền đất Bài toán dao động động đất dẫn đến bài toán cơ bản của lý thuyết hàm

ngẫu nhiên bằng việc xây dựng hàm từ các hàm ngẫu nhiên đã cho, tuy nhiên việc thu thập thông tin xác suất chính xác và tác động của động đất ở từng khu vực là một bài toán khó

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng phương pháp lịch sử thời gian có những hạn chế: yêu cầu một khối lượng tính toán bằng máy tính lớn để có thể dẫn đến các thông tin đầu ra phụ thuộc vào thời gian; sự phân tích phải được lặp lại cho nhiều chuyển động động đất khác nhau để bảo đảm rằng tất cả các dạng dao động quan trọng đều bị kích động Việc phân tích luôn đòi hỏi phải có biểu đồ gia tốc thực, điều này ở nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam còn đang gặp nhiều khó khăn

Ưu điểm nổi bật của phương pháp phổ phản ứng: Do xem xét các giá trị phản ứng cực đại thông qua các đường cong phổ thiết kế lập sẵn cho nên tính theo phương pháp phổ phản ứng bao giờ cũng cho kết quả thiên lớn và có tính an toàn cao Nhược điểm chính của phương pháp này là các chuyển vị, ứng suất, lực và mô men là dương và thông thường không xảy ra cùng một thời điểm

Trong phạm vi luận văn, tác giả dùng phương pháp phổ phản ứng để phân tích ứng suất, biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương 1 tác giả đã nêu khái quát về tình hình phát triển đập bê tông trong lực trên thế giới và Việt Nam, cách bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối, những yêu cầu chung khi thiết kế đập bê tông trọng lực…

Chương 1 cũng nêu lên tác động của tải trọng động đất đối với đập bê tông trọng lực và các phương pháp tính toán tải trọng động đất

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG

Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực nhằm mục đích xác định trị số, phương, chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và các nhân tố khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân giai đoạn thi công của thân đập Trên cơ sở đó tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập để xác định các số hiệu bê tông khác nhau, phù hợp với điều kiện chịu lực của từng vùng, bố trí, cấu tạo các bộ phận công trình thích ứng với điều kiện làm việc của chúng

Khi tính toán xem vật liệu làm việc trong miền đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính Ứng suất, biến dạng của đập không chỉ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên đập, ảnh hưởng của nền đập…mà còn phụ thuộc vào tạo độ x,y của từng điểm khác nhau trong thân đập; giữa chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các phương trình cân bằng, phương trình hình học, phương trình vật lý gọi chung là các phương trình cơ bản

Trường hợp thi công

Đập vừa thi công xong, hồ chưa có nước tác dụng Trong thực tế có nhiều công trình người ta tiến hành khai thác ngay trong thời gian thi công, cột nước trước đập chỉ dâng đến một độ cao nào đó, trường hợp này cũng cần tiến hành xem xét

Trường hợp sửa chữa

Tính toán ứng suất thân đập được tiến hành trong phạm vi bài toán phẳng nghĩa là chúng ta khảo sát một đoạn đập có chiều dài đơn vị, bỏ qua ảnh hưởng của các lực tác dụng theo phương song song với trục đập

- Phương pháp phần tử hữu hạn Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn

có thể phân tích một cách gần đúng trạng thái ứng suất của đập bê tông trọng lực

kể cả các đập có điều kiện biên phức tạp, giải được các bài toán phẳng và cả các bài toán không gian Các bài toán có xét đến trạng thái làm việc đồng thời của môi trường vật liệu làm đập và nền Nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nên hiện nay phương pháp này đang được ứng dụng một cách rộng rãi trong tính toán và nghiên cứu đập bê tông trọng lực

2.3 Nhận xét các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng

2.3.1.1 Ưu điểm

Phương pháp sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính toán cơ bản, giúp cho ta tính toán ứng suất và biến dạng dễ dàng Tính được các giá trị , ,

x y xy

σ σ τ tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi điểm trong đập Thường được sử dụng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với công trình cấp III, IV (theo 14TCN 56-88)

2.3.1.2 Nhược điểm

Kết quả tính toán có sai số rất lớn, không phản ánh đúng trạng thái ứng suất biến dạng trong đập Nguyên nhân là do tính theo Sức bền vật liệu ta đã coi đập như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời, giả thiết

sự phân bố ứng suất pháp σytrên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên đập được xác định theo công thức nén lệch tâm, vật liệu đồng nhất đẳng hướng Mặt khác, không thể giải quyết được các bài toàn phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, không xét được trong giai đoạn thi công

2.3.1.3 Kết luận

Do sai số rất lớn nên lời giải Sức bền vật liệu hầu như không được sử dụng

để phân tích ứng suất biến dạng trong thiết kế đập Thường dùng để tính toán trong thiết kế sơ bộ

2.3.2.1 Ưu điểm

Giải quyết những vấn đề như ứng suất tập trung, ứng suất lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không thể giải quyết được Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao

Có thể nói giải theo lý thuyết đàn hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân, chúng vừa thỏa mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa

thỏa mãn điều kiện biên

2.3.2.2 Nhược điểm

Lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện với những trường hợp tải trọng phức tạp như áp lực thấm, áp lực đẩy nổi, áp lực bùn cát, động đất, ảnh hưởng của nền, nền

dị hướng…Kết quả tính toán chưa sát với thực tế làm việc của vật liệu đồng nhất đẳng hướng Không xét được ảnh hưởng biến dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính dị hướng, không tính được trong giai đoạn thi công, ảnh hưởng của động đất…

2.3.2.3 Kết luận

Tính ứng suất biến dạng theo lý thuyết đàn hồi cho kết quả chính xác cao hơn so với Sức bền vật liệu Tính toán đơn giản, dễ áp dụng, kết quả chấp nhận được Thường được sử dụng tính toán trong thiết kế các công trình Đập bê tông trọng lực có chiều cao dưới 60m (theo 14TCN 56-88)

2.3.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn

Khối lượng tính toán lớn, chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vật liệu Phương pháp sai phân hữu hạn không giải quyết được các bài toán có điều kiện biên phức tạp Độ chính xác còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước mắt lưới, mắt lưới càng dày thì độ chính xác càng cao Không phân tích được bài toán

dị hướng và trong giai đoạn thi công công trình Thường chỉ áp dụng được với các công trình nhỏ, đơn giản thì mới cho kết quả tương đối chính xác

2.3.3.2 Phương pháp thí nghiệm mô hình

Dựa vào mô hình sự tương tự, kết hợp với các phương trình toán học, phương pháp thí nghiệm mô hình cho ta độ chính xác cao Nhưng phương pháp này thường được tiến hành với những công trình lớn, mức độ rất quan trọng, đòi hỏi phải có thời gian dài, đặc biệt là chi phí cho những thí nghiệm mô hình rất cao Chưa phản ánh hết sự làm việc của nền và đập Do đó, phương pháp này rất

ít được sử dụng trừ những công trình đặc biệt quan trọng

2.3.3.3 Phương pháp thí nghiệm quang đàn hồi

Có tính trực quan cao, nó có thể cho biết toàn bộ tình hình phân bố ứng suất trong thân đập và nền Giải quyết được sự phân bố ứng suất của các kết cấu phức tạp, các bài toán phân tích ứng suất ba chiều, ứng suất do trọng lượng bản thân Phải sử dụng thiết bị máy quang đàn hồi, vật liệu thí nghiệm đặc biệt Vật liệu rất quan trọng, sẽ phản ánh trực tiếp kết quả thí nghiệm, phải thỏa mãn: trong suốt, đồng chất, đẳng hướng, có độ nhạy quang học cao, có thể hình thành biểu đồ vân rõ ràng Do đó, kết quả tính toán không phản ánh hết tính chất của nền đá và nền, không giải quyết được bài toán dị hướng

2.3.4.1 Ưu điểm

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó Phương pháp này đã giải được bài toán có xét đến ảnh hưởng của biến dạng, tính dị hướng của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp, đứt gãy và giải được bài toán có điều kiện biên phức tạp Phản ánh đúng thực tế sự làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng Phân tích được trạng thái ứng suất biến dạng quanh lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt…mà các phương pháp Sức bền vật liệu, Lý thuyết đàn hồi,… không giải quyết được Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng

lẽ liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng khác tùy theo bài toán Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc giải quyết các bài toán

có khối lượng lớn, phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác cao

2.3.4.2 Nhược điểm của phương pháp

Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện được bằng thủ công, mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế để đưa về kết cấu tính toán sao cho hợp lí

và cho kết quả đúng, sát với thực tế