NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI BỊ NƯỚC TRÀN QUA ĐỈNH

Hình 1.1 Đập Cornavol do người La Mã xây dựng cách đây hơn 2000 năm Đập bê tông trọng lực được áp dụng rộng rãi từ những năm 30 của thế kỷ 20, nhiều đập cao đã được xây dựng với những m

NGUYỄN VĂN HINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Nguyễn Văn Mạo

Hà Nội – 2012

Đến năm 54-64 trước Công nguyên, ở Subiaco nước Ý, người ta đã xây một con đập cao 50m, rộng 13.5m, dài 80m Đây là đập trọng lực cao nhất được xây

dựng vào thời La Mã và tồn tại đến năm 1305

Tới năm 284 sau Công nguyên, đã có rất nhiều đập được xây dựng, người La

Mã đã xây đập và tạo ra một hồ chứa lớn nhất thời đó tại Homs Syria Đập này có chiều cao 7m, rộng 14m, dài 2000m và tạo thành hồ chứa với dung tích 90 triệu m3

Hình 1.1 Đập Cornavol do người La Mã xây dựng cách đây hơn 2000 năm

Đập bê tông trọng lực được áp dụng rộng rãi từ những năm 30 của thế kỷ 20, nhiều đập cao đã được xây dựng với những mục đích như cấp nước, phát điện, … và vấn

đề ổn định đập là vấn đề được quan tâm nhất khi tiến hành xây dựng các đập lớn

Đập Chambon được xây dựng từ năm 1929-1934 trên sông Romanche miền tây nam nước Pháp có chiều cao 136,7m là đập bê tông trọng lực cao nhất châu Âu

thời đó Đập có chiều rộng đỉnh là 5m, chiều rộng chân đập là 70m tạo nên một hồ

chứa với dung tích 51 triệu m3

Hình 1.2 Đập Chambon tại Pháp

Đập bê tông trọng lực cao nhất hiện nay là đập Grand Dixence được khởi công năm 1951 và hoàn thành năm 1962 tại Swiss Apls với chiều cao 285m Thời kỳ những năm 1950 đến 1982 số lượng đập lớn tăng nhanh với khoảng 5000 đập lớn được xây

dựng trên toàn thế giới, tập trung chủ yếu ở khu vực Bắc Mỹ và châu Âu

Hình 1.3 Đập Grande Dixence, Thụy Sỹ - Đập bêtông cao nhất thế giới 285m

Theo thống kê của hội đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến năm 2011 trên thế

giới có khoảng 52.000 đập lớn phân bố trên 140 nước Năm nước đứng đầu thế giới

về xây dựng đập là Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản Số lượng đập của các nước này chiếm 80% tổng số đập lớn trên thế giới Chỉ riêng Trung

Quốc trong thế kỷ 20 đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn, tập trung vào khoảng

thời gian sau năm 1949, các nước khác là Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản và Tây Ban Nha

Hiện nay đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập được xây

dựng trên thế giới Với đập cao trên 100m thì đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 30% Theo thống kê đến năm 1999 đã có 17.526 đập cao trong khoảng từ 15-30m, 4.578 đập cao trên 30m, 32 đập cao trên 100m Do số đập cao càng ngày càng nhiều nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến Như đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử có thể tích gần 28 triệu m3 bê tông, hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ m3 nước, tràn xả lũ với lưu lượng 124.300m3/s và nhà máy thuỷ điện có công suất 18,2GW lớn nhất thế giới

Hình 1.4 Đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử - Trung Quốc

Đầu thế kỷ 19, hàng loạt đập lớn được xây dựng như đập vòm Xiluodu cao 273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinghai, đập vòm Jinping cao

305m trên sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu, đập vòm Xiaowan trên sông lanciang, đập Longtan cao 216m trên sông Hongshui,…

Đập là một công trình quan trọng mang lại lợi ích đa ngành như: cấp nước,

hạn chế lũ lụt, thủy điện, du lịch,… Vì vậy đập đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều trên thế giới Đập có dạng một kết cấu chịu cột nước cao nên cần có cấu

tạo phù hợp cả về chịu lực và chống thấm, ngoài ra nó còn chịu tác động tương tác

giữa đập và nền rất phức tạp Chiều cao đập càng lớn thì lợi ích của đập càng được

thể hiện rõ ràng, nhưng yêu cầu về lý thuyết, công cụ tính toán phải đáp ứng kịp

thời để đảm bảo sự an toàn của đập và theo đó là công nghệ thi công, công nghệ vật

liệu mới

1.2 Tình hình xây d ựng đập bê tông tại Việt Nam

Việt Nam hiện có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại, trong đó có khoảng

gần 500 đập lớn (đứng hàng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao trên thế

giới) Các đập được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đập vật liệu địa phương, đập

bê tông chiếm tỷ lệ nhỏ

Trước những năm 1930, ở Việt Nam vẫn chưa xuất hiện các đập bê tông trọng

lực lớn Chủ yếu vẫn là các đập có chiều cao thấp (5-10m) với kết cấu đơn giản Trong giai đoạn từ 1930-1945, một số đập bêtông trọng lực được xây dựng như đập Đô Lương ở Nghệ An, đập Đáy ở Hà Tây,… do các kỹ sư người Pháp thực hiện

Từ năm 1945 đến 1975, do đất nước bị chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng các công trình thuỷ lợi bị hạn chế Thời kỳ này cũng xuất hiện những tiêu chuẩn về thiết kế và thi công công trình thuỷ lợi, một số đập tràn thấp cũng xuất hiện trong

thời kỳ này như: đập tràn thuỷ điện Thác Bà, đập tràn thuỷ điện Cấm Sơn, Đa Nhim,…

Từ năm 1975 tới nay, những nghiên cứu thiết kế và công nghệ thi công đập

bê tông trên thế giới đã hoàn chỉnh cùng với sự giao lưu trao đổi khoa học kỹ thuật

nên việc thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực trở nên dễ dàng Đập bê tông với quy mô lớn và hình thức phong phú xuất hiện ngày càng nhiều như: đập thuỷ điện Hoà Bình, Trị An, Tuyên Quang, Pleikrong, Sêsan 3, Sêsan 4, Thạch Nham,…do các kỹ sư trong nước tham gia thiết kế và thi công

Thống kê cho thấy trong số các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m thì đập vật

liệu địa phương chiếm tới 80% còn với các đập có chiều cao lớn hơn 60m thì đập bêtông chiếm một tỷ lệ lớn, hình thức đập và công trình tháo lũ cũng ngày càng đa

dạng, phù hợp hơn với đặc điểm riêng của từng công trình

Nước ta hiện nay đã có nhiều đập cao, trong đó đập bê tông cũng chiếm tỷ lệ không nhỏ, kèm theo đó là yêu cầu về kỹ thuật thiết kế, xây dựng phải được nâng cao, song song với nó là việc lập, sử dụng các quy trình vận hành, quản lý, khai thác công trình hồ đập sao cho hiệu quả và đảm bảo an toàn Việc xem xét tất cả các trường hợp làm việc của đập có thể xảy ra nhất là khi có các sự cố bất thường như động đất, sạt lở bờ, lũ đột ngột, hỏng cửa van,… là rất cần thiết, sử dụng các phương pháp đã biết để mô tả chính xác hơn sự làm việc thực tế của đập, đảm bảo

an toàn cho đập

1.3 Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực:

- Đập bê tông trọng lực là loại đập có khối lượng bê tông lớn Đập duy trì ổn định nhờ trọng lượng và độ bền chủ yếu theo khả năng chịu nén của bê tông

- So với đập vật liệu địa phương, đập bê tông trọng lực có cùng chiều cao yêu cầu chất lượng nền cao hơn Đập bê tông trọng lực có thể xây dựng trên nền đá, đập không cao có thể xây dựng trên nền không phải là đá

- Ưu điểm nổi bật khi sử dụng đập bê tông trọng lực là kết cấu và phương pháp thi công đơn giản, có thể thi công bằng công nghệ bê tông ướt hoặc bê tông đầm nén (bê tông đầm lăn)

- Đập bê tông trọng lực có khả năng chống thấm và tính bền vững tốt Đập

gồm hai loại chính: đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không tràn nước

1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước:u

- Đập bê tông trọng lực tràn nước có cấu tạo đặc biệt để cho phép nước tràn qua

mặt đập với lưu tốc lớn mà không ảnh hưởng đến an toàn của đập cũng như hạ lưu

- Phần mặt đập thường có dạng đường cong thuận để lưu lượng tràn qua đập

là lớn nhất (dạng Officerop), trên bề mặt của tràn dòng chảy có lưu tốc rất lớn nên

dễ xảy ra hiện tượng khí thực Vì vậy mặt tràn thường dùng loại vật liệu có khả năng chống xói cao, kết hợp bố trí các hệ thống nhằm giảm hiện tượng khí thực

- Nối tiếp sau phần tràn là hệ thống tiêu năng hạ lưu, có thể sử dụng hình

thức tiêu năng mặt, đáy như đào bể, xây tường, hoặc tiêu năng do ma sát giữa dòng nước với không khí như tiêu năng phóng xa Mục đích là tiêu hao nguồn năng lượng

thừa của dòng nước để đảm bảo không gây xói lở hạ lưu công trình

1.3.2 Đập bê tông trọng lực không tràn nước:

- Đập bê tông trọng lực không tràn có nhiệm vụ giữ nguồn nước phía trước đập, tạo thành hồ chứa phía thượng lưu

- Cao trình đỉnh của đập bê tông trọng lực không tràn chính là cao trình của đập Cao trình này được tính toán sao cho đảm bảo với tần suất thiết kế và kiểm tra, đỉnh đập luôn cao hơn mực nước trong hồ

- Vì đập bêtông trọng lực không tràn nước có nhiệm vụ chắn lại lượng nước phía thượng lưu và không cho phép nước tràn qua nên phải đảm bảo chống thấm tốt, mặt hạ lưu đập không có nước tràn nên vật liệu không cần có khả năng chống xâm thực, chống xói tốt Hình dạng đập cũng chỉ đảm bảo yêu cầu về ổn định chống trượt, lật chứ không

cần phải tháo được lưu lượng lớn như đập bêtông trọng lực tràn nước

- Phía hạ lưu đập bêtông trọng lực không tràn nước không cần bộ phận tiêu năng

Nhận xét: đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bê tông trọng lực không tràn có nhiệm vụ khác nhau nên yêu cầu về kích thước, cấu tạo, chất liệu và các bộ

phận đi kèm cũng khác nhau Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ổn định cả khi không có nước tràn qua và có nước tràn qua nhưng đập bê tông không tràn thì mới

chỉ xét đến khả năng chịu tải khi không có nước tràn qua Do ảnh hưởng xấu của

biến đổi khí hậu, trong một số năm gần đây, qui luật của tự nhiên có nhiều thay đổi Thiên tai bất thường xảy ra ở nhiều nơi Hiện tượng đập phải làm việc vượt qua chỉ tiêu thiết kế ( như đập Hố Hô - Hà Tĩnh bị tràn nước)

Hiện tượng tràn nước qua đập bêtông không tràn ảnh hưởng đến ổn định đập như thế nào? Nội dung luận văn này nghiên cúc để làm rõ câu hỏi này

1.4 Ổn định đập bê tông trọng lực:

1.4.1 Yêu cầu ổn định đối với đập bê tông trọng lực:

a) Yêu cầu chung:

- Dưới tác động của các tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn các điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và an toàn về cường độ nền

- Ứng suất phát sinh ở đập và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế

của vật liệu làm đập hoặc đá nền

b) Yêu cầu riêng với đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không tràn

- Khác với đập không tràn: đập tràn nước ngoài các yêu cầu chung còn phải xét an toàn cho mặt tràn, tiêu năng ở hạ lưu đảm bảo không xói để không ảnh hưởng đến ổn định của đập

1.4.2 Các hình thức mất ổn định của đập bê tông trọng lực:

a Hình thức mất ổn định tổng thể:

- Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đáy đập tiếp xúc với nền hay mặt

phẳng đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu vào nền) Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt phân lớp là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt đi qua

đá nguyên khối Tùy theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền mà mặt trượt có

thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lưu)

- Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó, thường là mặt đáy đập

- Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức

chịu tải của nền

b Hình thức mất ổn định cục bộ:

- Dưới tác dụng của ngoại lực, các điểm trong thân đập sẽ xuất hiện ứng suất pháp và ứng suất tiếp Khi một bộ phận nào đó của đập (chủ yếu là ở chân mặt thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén hoặc ứng suất cắt vượt quá

sức chịu tải của vật liệu thì vùng đó bị nứt nẻ Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất

tập trung càng lớn ở lân cận và vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần, ứng suất càng tăng, đến một lúc nào đó vượt quá giới hạn nhất định công trình sẽ bị phá hoại Trong trường hợp này từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại toàn đập bê tông

1.4.3 Phân tích ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực:

Thực tế thiết kế ở nước ta, khi tính toán đập bêtông trọng lực người tư vấn thường dùng hai phương pháp, đó là:

- Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn ( theo hệ thống TC Nga Việt)

- Phương pháp cân bằng giới hạn ( theo hệ thống TC Mỹ)

1.4.3.1 Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn

a Những luận điểm cơ bản:

Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là việc sử dụng một nhóm các hệ số

an toàn mang đặc trưng thống kê như: hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm

việc, hệ số tin cậy, hệ số lệch tải, hệ số an toàn vật liệu,…nhóm các hệ số này thay

thế cho một hệ số an toàn chung

Công trình và nền được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng không còn khả năng chống lại các tải trọng và tác động từ bên ngoài hoặc bị hư hỏng, biến

dạng quá mức, không còn thỏa mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

Có 2 nhóm trạng thái giới hạn cơ bản là:

- Trạng thái giới hạn thứ nhất: Công trình và nền làm việc trong điều kiện bất

lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ thống công trình –

nền; độ bền chung của nền và công trình; độ bền chung của các bộ phận mà sự hư

hỏng của chúng khiến cho việc khai thác công trình bị ngưng trệ; các tính toán ứng

suất, chuyển vị của các kết cấu bộ phận mà độ bền, ổn định của công trình phụ thuộc vào chúng,…

- Trạng thái giới hạn thứ hai: Công trình, kết cấu và nền làm việc bất lợi trong điều kiện bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính toán về hạn chế chuyển vị, biến dạng; sự tạo thành và mở rộng vết nứt; sự phá hoại

độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất

Hình 1.5 Sơ đồ tính ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực

có thể nằm ngang hoặc nghiêng về phía thượng, hạ lưu (hình a) Khi nền có địa chất

phức tạp hoặc có lớp đá có thể trượt thì cần kiểm tra thêm khả năng trượt hỗn hợp (hình b)

Tổ hợp tải trọng gồm hai loại tổ hợp chính là tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ

hợp tải trọng đặc biệt Tổ hợp tải trọng cơ bản gồm các tải trọng và tác động thường xuyên, tạm thời dài hạn, ngắn hạn mà đập có thể tiếp nhận cùng lúc Tổ hợp tải

trọng đặc biệt gồm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp cơ bản nhưng một vài trong số đó được thay thế bằng tải trọng đặc biệt

d Tiêu chuẩn an toàn:

- Công thức tính:

Đập và nền đảm bảo điều kiện an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo

trạng thái giới hạn phải thỏa mãn điều kiện:

R K

m N

n

n tt

Trong đó: Ntt là tải trọng tính toán tổng quát ( lực, mô men, ứng suất, biến

dạng, ), R là sức chịu tải tổng quát

Áp dụng với 3 bài toán:

Trong đó: R là tổng các lực chống trượt của đập:R= P.tgϕ+C.L,

P là tổng hợp các lực chiếu lên phương pháp tuyến với mặt trượt.,

C là lực dính đơn vị của nền,

L là chiều dài mặt trượt

Q là tổng hợp các lực gây trượt tác dụng lên đập ( theo phương song song

với mặt trượt)

=

Trong đó: MCL là tổng mô men các lực chống lật

MGL là tổng mô men các lực gây lật [K] hệ số an toàn chống lật cho phép

* Kiểm tra ứng suất theo biên thượng lưu:

Điều kiện an toàn: Ứng suất biên thượng lưu đập phải thỏa mãn 2 điều kiện:

σσ

- Mép thượng lưu không xuất hiện ứng suất kéo

- Ứng suất nén tại mép thượng lưu nhỏ hơn ứng suất nén cho phép của vật liệu 1.4.3.2 Phương pháp tính toán theo trạng thái cân bằng giới hạn ( Tiêu chuẩn Mỹ

EM 1110-2-2200 và EM 1110-2-2100)

a Luận điểm cơ bản:

Dưới tác động của các tải trọng, đập phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Ổn định chống lật ở mặt phẳng bất kỳ, mặt phẳng đáy đập, mặt phẳng dưới đáy

- Ổn định chống trượt ở mặt phẳng ngang, mặt phẳng giữa đập và nền, mặt trượt sâu dưới nền

- Ứng suất phát sinh trong đập va nền không vượt quá ứng suất cho phép

Các tính toán kiểm tra đặc biệt chú ý những mặt cắt biến đổi, nơi có tải trọng

tập trung, xung quanh lỗ khoét hầm, mái thượng hạ lưu,…

b Sơ đồ tính:

- Trường hợp trượt phẳng:

Hình 1.6 Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng theo tiêu chuẩn Mỹ

Mặt trượt tính toán là phần tiếp giáp giữa chân đập và nền

Trong đó: W là tải trọng bản thân của đập, H là áp lực ngang, U là áp lực

Khi phân tích ổn định đập có mặt trượt sâu dưới nền, các khối trượt và chống trượt được chia thành từng thỏi (theo phương pháp phân thỏi)

c Tải trọng và tổ hợp tải trọng:

* Các tải trọng tác dụng được tính phù hợp với trường hợp tính toán

- Trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt trong đập

- Áp lực nước thượng hạ lưu đập

d Tiêu chuẩn an toàn

- An toàn chống lật căn cứ vào vị trí của hợp lực, chỉ số tính toán là tỷ số

giữa tổng mô men của các lực thẳng đứng và nằm ngang lấy với chân đập trên tổng các lực thẳng đứng

Khi chỉ số tính toán nằm ngoài 1/3 phần giữa tiết diện, không thỏa mãn điều

kiện chịu nén

- Phân tích an toàn chống trượt

+ Với trường hợp trượt phẳng: hệ số ổn định tính theo phương pháp cân bằng

giới hạn là tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượt với ứng suất phát sinh trên mặt trượt như công thức sau:

τ

φ

στ

Trong đó: τf = σtgφ + c theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Couloml

Khi tính toán trên toàn bộ mặt trượt, hệ số ổn định là tỷ số giữa lực cắt giới

hạn lớn nhất Tf và lực cắt phát sinh trên mặt trượt T

T

CL

Ntg T

T

Yêu cầu: K ≥ [K]

+ Với trường hợp trượt sâu:

Tính theo phương pháp phân thỏi:

i i i i i

i i Ri

Li

i i

i i i Ri

Li i

V W P

P H

H

l C tg U P

P H

H V

K

αα

α

φα

αα

sin)(

cos)(

cos)[(

}]

sin)(

sin)(

cos){[(W

1

1 i

+

−

−+

−

+

−

−+

−+

i: là thứ tự của phần tử

Pi-1 – Pi: là tổng các lực theo phương ngang

Wi : là tổng trọng lượng nước, bùn cát, đá, bê tông tại phần tử tính toán

Vi : là lực thẳng đứng của kết cấu bê tông tác dụng trên phần tử tính toán (nếu có)

φ = tgφ/Fs

Góc α :là góc giữa mặt trượt và phương ngang

Ui : là áp lực đẩy ngược tác động lên đáy phần tử

Hli và Hri là lực tác động lên phía trái hoặc phía phải đập hoặc nền

Li: chiều dài theo mặt trượt của từng phần tử

Để tính ổn đinh đập theo theo tiêu chuẩn thiết kế đập BTTL EM1110 – 2 –

2002 ở đây ta đi xác định hệ số FS cho đập sau đó đi kiểm tra xem hệ số đó có đảm

bảo an toàn về trượt và lật không

Để tính FS trong bài toán mặt trượt phức hợp này ta đi giả thiết các giá trị FS sau đó tính tổng ∆P (tổng các phản lực theo phương ngang của các thỏi) Vẽ đồ thị quan hệ giữa FS ~ ∆P giá trị FS ứng với ∆P = 0 chính là giá trị FS cần tìm (đây chính là hệ số ổn định trượt và lật của công trình)

So sánh hệ số này với hệ số ổn định nhỏ nhất của công trình:

Nếu FS < [FS] công trình mất ổn định cần có giải pháp gia cố bảo vệ thích hợp

Nếu FS > [FS] công trình đảm bảo ổn định

1.5 S ự cố đập bê tông trọng lực:

1.5.1 Sự cố đập bê tông trọng lực trên thế giới

Đập Austin được xây dựng ở phía bắc thị trấn Johnstown, bang Pennsylvania, Hoa Kỳ Đập có kết cấu bê tông trọng lực chiều cao 15m, dày 9,8m được xây từ 12200 m2 bê tông tạo thành hồ chứa với dung tích 750000 m3 nước Ngày 17 tháng 1 năm 1910, mưa lớn kết hợp với tan băng tạo thành lũ lớn đột ngột

uy hiếp thân đập Nước tràn qua đỉnh đập, qua các vêt nứt trên thân và vai đập Các

vết nứt càng mở rộng và gây trượt đập xuống hạ lưu Hậu quả của sự cố đập Austin làm 78 người chết, và làm ngập thị trấn phía hạ lưu

Hình 1.8 Vết tích còn lại của đập Austin

Sự cố đập Vajont là một trong các sự cố ít thấy ở các đập cao bằng bê tông trên thế giới Đập Vajont được hoàn thành năm 1959, chắn ngang thung lũng sông Vajont tại Monte Toc, cách Venice, Italy 100km về phía bắc Đây là một trong

những đập vòm cao nhất thế giới, chiều cao đập là 262m, chiều rộng đáy 27m, chiều rộng đỉnh 3.4m Khi xây dựng các nhà thiết kế đã không chú ý đến sự bất ổn

của địa chât khu vực Monte Toc Một trận lở đất lớn xảy ra năm 1963 trong lòng hồ

đã tạo nên một cột sóng lớn chạy về phía đập Cột nước cực lớn do vụ trượt lở đất

đã tràn qua đỉnh đập, áp lực lớn đột ngột lên công trình và gây lũ lụt lớn bất ngờ cho vùng hạ lưu Lũ lụt đã quét qua và phá hủy toàn bộ nhiều ngôi làng trong thung lũng

hạ lưu đập, thống kê được số người chết trong trận lũ là 2000 người Ngày 12 tháng

2 năm 2008, trong cuộc hội thảo báo cáo Năm Trái Đất, Unesco đã ví dụ sự cố đập Vajont như một trong những bi kịch tồi tệ nhất đã được cảnh báo và là thất bại nặng

nề của các nhà địa chất và kỹ sư thiết kế

Hình 1.9 Hình ảnh đập Vajont và hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont

Hình 1.10 Hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont sau trận lũ

Đập Sweetwater chắn ngang sông Sweetwate, hạt San Diego, bang California, Hoa Kỳ Đây là đập dạng vòm bêtông trọng lực có chiều cao 33m, chiều dài 210m, chiều rộng trên đỉnh là 7,6m, dưới chân rộng14m, tạo thành hồ chứa có dung tích 34,6 triệu m3 Đập được xây dựng vào năm 1888 với nhiệm vụ cấp nước

tưới cho khu vực đồng bằng ven biển và nước sinh hoạt cho thành phố San Diego Mùa xuân năm 1916, mưa bão quét vào khu vực Nam California, các sông suối trong vùng dâng lên rất cao, nhiều cây cầu bị cuốn trôi Mực nước sông Sweetwater dâng cao vượt qua đỉnh đập 1,1m, dòng nước lũ tràn qua đỉnh đập và gây xói lở hạ

lưu, hai vai đập Hậu quả dòng lũ cuốn trôi hơn 4500km đường sắt, đường ống nước

và điện lực

Hình 1.11 Nước tràn qua đỉnh đập Sweetwater

Hiện tượng mực nước thượng lưu dâng cao đột ngột vượt quá cao trình đỉnh đập gây ra sự cố xói lở và nặng hơn là vỡ đập cũng đã xảy ra với nhiều đập trên thế

giới như là đập Mc Donald, bang Texas, Hoa Kỳ, đập Dehil, bang Iowa, Ấn Độ, đập Lauren Run, Pennsylvania, Hoa Kỳ,…cho thấy đây cũng là một hiện tượng cần xét đến trong quá trình thiết kế và vận hành hồ chứa

1.5.2 Hiện tượng đập không tràn bị tràn nước

Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông trọng lực tuy không phổ biến nhưng vẫn có thể xảy ra Khi lưu lượng nước do mưa lớn vượt tần suất thiết kế dồn

về hồ chứa nhanh, khả năng tháo của tràn không đáp ứng được hoặc do sự cố cửa van của tràn,… mà mực nước trong hồ dâng cao vượt qua cao trình đỉnh đập Lúc này phần đập không tràn làm việc như một đập tràn thực sự Một số ảnh hưởng chính của hiện tượng này là:

1) Dòng chảy với lưu tốc lớn gây xói bề mặt đập

2) Năng lượng lớn của dòng chảy do không có công trình tiêu năng sẽ làm xói lòng dẫn và bờ hạ lưu đập

3) Đập phải làm việc ở trạng thái vượt tải: áp lực nước thượng lưu tăng cao,

áp lực đẩy nổi, áp lực thấm tăng, áp lực thủy động do dòng chảy trên mặt đập gây

ra, rung động do áp lực động của dòng nước, nếu xuất hiện hố xói ở chân đập sẽ làm mất khối đất chân hạ lưu chống trượt,…

Đập không tràn nước được tính toán thiết kế chỉ với nhiệm vụ chắn lượng nước trong hồ chứa chứ chưa xét đến khả năng hoạt động bình thường trong trường

hợp bị tràn nước: Cấu tạo mặt đập tràn nước được thiết kế để tháo nước mà không

bị xói, xâm thực và đảm bảo ổn định khi dòng nước có lưu tốc lớn chảy qua, hạ lưu công trình tháo cũng được tính toán thiết kế để tiêu tán hết nguồn năng lượng thừa

của dòng nước

1.5.3 Sự cố đập bê tông trọng lực ở Việt Nam:

Ở Việt Nam các sự cố đập bê tông trọng lực cũng xảy ra với nhiều nguyên nhân và mức độ khác nhau Sự cố đập do mưa lũ gây tràn nước qua đỉnh đập bê tông mới xuất hiện trên đập Hố Hô, Hà Tĩnh tháng 9 và tháng10 năm 2010 vừa qua

Nhà máy Thuỷ điện Hố Hô có mức đầu tư xây dựng hơn 257 tỷ đồng, do Công ty cổ phần Đầu tư và Phát triển điện miền Bắc I làm chủ đầu tư Theo thiết kế, nhà máy này gồm 2 tổ máy có tổng công suất 13MW, dung tích hồ chứa 38 triệu m3, diện tích lưu vực lòng hồ 265,26ha

Ngày 3/10, nước lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh nhưng nhà máy này không

mở được cống thoát nước khiến nước lũ tràn qua cửa đập cao gần 2m (so với cao trình 72m) Hậu quả là hàng trăm hộ dân vùng lòng hồ thuộc xã Hương Lâm, Hương Liên thuộc huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) bị ngập chìm, tổn thất nặng nề (riêng về người có 2 người chết)

Hình 1.12 Nước tràn qua đỉnh đập Hố Hô

Dòng nước tràn qua đỉnh đập với năng lượng lớn đã làm xói một phần hạ lưu

của đập, đe dọa đến sự an toàn của đập và nhà máy thủy điện

Hinh1.13 Sạt lở hạ lưu công trình thủy điện Hố Hô

Hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập Hố Hô vừa qua là một bài học cho chúng

ta về cả nhiệm vụ khảo sát, thiết kế, quản lý vận hành hồ chứa sao cho đảm bảo an toàn trước các nguy cơ thiên tai lũ lụt bất thường sau này Riêng với người thiết kế, tính toán mức độ an toàn của công trình với các trường hợp sự cố xảy ra là yêu cầu

cấp thiết, có tính quyết định để bố trí các phương án giải quyết tình huống

1.6 S ự cần thiết phải nghiên cứu:

Đập bê tông trọng lực là loại đập được sử dụng phổ biến ở các dự án thủy

lợi, thủy điện Đập là một kết cấu bê tông khối lớn duy trì ổn định nhờ trọng lượng

của khối bê tông và liên kết giữa đập với nền Dưới tác dụng của ngoại lực, đập có

thể bị trượt hoặc lật

Theo nhiệm vụ, đập bê tông trọng lực được chia thành hai loại: đập tràn nước

và đập không tràn nước Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ổn định cả khi có nước tràn qua và không có nước tràn qua Khi có hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập thì đập phải làm việc quá tải

Hiện tượng mưa lũ vừa qua ở các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình đã gây ra lũ lụt nặng nề Công trình thủy điện Hố Hô, Hà Tĩnh đã bị sự cố cửa van khiến nước tràn qua đỉnh đập Yêu cầu đặt ra là mức độ an toàn của đập sẽ như thế nào và sau sự cố đập còn khả năng làm việc như thế nào? Luận văn tập trung đi sâu vào vấn đề này

1.7 K ết luận chương 1:

Đập là một công trình quan trọng mang lại nhiều lợi ích đa ngành như cấp nước, phát điện, phòng lũ vì vậy đập đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều trên thế giới Đập có nhiệm vụ chắn một lượng nước lớn ở thượng lưu nên luôn chịu

áp lực lớn Để đảm bảo an toàn cho đập và hạ lưu thì cần kiểm tra khả năng chịu tải

của đập ở nhiều điều kiện khác nhau

Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông không tràn là một hiện tượng ít

gặp nhưng cũng đã xảy ra Khi dòng nước dâng cao tràn qua đập không tràn thì lúc này đập không tràn làm việc như một đập tràn tạm thời Đập phải chịu nhiều điều

kiện bất lợi cả về chịu lực cũng như thủy lực đập tràn, xói lở hạ lưu nhưng chưa được xét đến trong thiết kế Yêu cầu đặt ra đối với các nghiên cứu trong luận văn là:

phải tính toán kiểm tra lại khả năng ổn định của đập khi xảy ra sự cố và sau khi có

sự cố đập có đảm bảo làm việc bình thường về các mặt sau:

(1) Ổn định tổng thể trong điều kiện bất lợi đã hình thành hố xói ở hạ lưu ? (2) Bề mặt đập có bị xói không ?

(3) Có khả năng mất ổn định cục bộ ?

Hiện nay có hai hệ thống tiêu chuẩn để tính toán ổn định của đập bê tông, đó

là hệ thống tiêu chuẩn Nga – Việt và hệ thống tiêu chuẩn Mỹ Việc áp dụng tính toán ổn định đập theo tiêu chuẩn nào cũng nhằm mục đích tính toán sát với thực tế

và đảm bảo sự an toàn của đập Vì vậy luận văn áp dụng cả hai tiêu chuẩn để kiểm tra điều kiện an toàn của công trình

Khi dòng chảy trên đỉnh đập có năng lượng lớn xuống hạ lưu mà không có

biện pháp tiêu năng hoặc tiêu năng không đáp ứng đủ thì sẽ xảy ra hiện tượng xói lở

hạ lưu Tùy theo chiều cao của cột nước và điều kiện địa chất nền của khu vực hạ lưu mà hố xói có thể lớn hoặc nhỏ Với trường hợp địa chất nền là đá tốt thì hố xói thường nhỏ, không gây ảnh hưởng lớn đến công trình, nhưng trong trường hợp địa

chất nền yếu thì hố xói có chiều sâu và phạm vi lớn, cá biệt hố xói có thể ăn vào

phạm vi chân đập gây ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình

Ảnh hưởng của hố xói đến ổn định của công trình phụ thuộc vào phạm vi hố xói Hố xói làm giảm kích thước của khối đất chân hạ lưu đập, có thể gây thay đổi

mặt trượt giữa nền và đập Hố xói với kích thước lớn lấn vào chân đập làm giảm

diện tích tiếp xúc giữa nền và đập, giảm hệ số ổn định của đập Khi hệ số ổn định

của đập giảm nhỏ hơn hệ số ổn định cho phép, đập có thể bị trượt hoặc lật

2.2 L ựa chọn phương pháp tính hố xói

Dòng chảy trên mặt đập có năng lượng lớn tạo thành các xoáy cuộn ở hạ lưu, xuất hiện hố xói ở sau đập Việc tính toán kích thước hố xói là rất cần thiết để

kiểm tra ảnh hưởng của hố xói đến an toàn của đập

Một số công thức tính hố xói:

( sách Nối tiếp và tiêu năng hạ lưu công trình tháo nước – PGS.TS Phạm Ngọc Quý)

- Chiều sâu hố xói

( )0 18 50 67

0/ 83

T =

Trong đó:

- T: Chiều sâu hố xói tính từ mực nước hạ lưu

- Z: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

- q: Lưu lượng đơn vị

- d50 : đường kính trung bình hạt ở lòng sông

* Hoặc công thức :

01

1 25 0 5 0

v

h Z q K

Trong đó:

- hgh1: Độ sâu giới hạn thứ nhất

- v01: tốc độ bắt đầu chuyển động của hạt

- q: Hệ số thể hiện mối liên quan đến lưu lượng đơn vị, quan hệ q~K với các v01

16 0

γ

γγ

Với :

- γa : Dung trọng hạt

- γ: Dung trọng nước

- d: Đường kính hạt

- hh: Mực nước hạ lưu

Khoảng cách từ cuối bậc đến điểm sâu nhất

( )0 095 50/

- Z: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

- q: lưu lượng đơn vị

2 / 32

Dòng mặt ngập

-4.5 -8 -2.5

0.9-1.1

Ở đây sử dụng công thức của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang vì:

- Công thức không xét đến yếu tố hình học của đập, phù hợp với yêu cầu của trường hợp tính toán

- Các công thức khác áp dụng với hình dạng đập tràn, ở đây là trường hợp đập không tràn bị tràn nước

- Chưa có đầy đủ thông số về hạt ở lòng sông, cùng các số liệu về nền hạ lưu nên việc áp dụng các công thức khác là không phù hợp Công thức của Viện nghiên

cứu thủy lợi Trường Giang chỉ xét đến đặc trưng của nền là nền đá sa thạch hoặc

nền mềm, áp dụng vào để tính toán trong trường hợp này là phù hợp

với chiều cao từ 20 đến 70m, đỉnh đập rộng 5m, mái thượng lưu thẳng đứng, hạ lưu

là mái nghiêng với m = 0,8, các cấp lưu lượng đơn vị tràn qua đỉnh đập lần lượt là 0,5 m2/s đến 20m2/s tương ứng với chiều cao cột nước tràn qua đỉnh đập là 0,445 đến 5,207m

* Với trường hợp đập cao 70m

Bảng 2.1 Kích thước hố xói ứng với đập có Hđập =70m

- Z: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu (m)

- T: chiều sâu hố xói (m)

* Nhận xét về diễn biến xói:

Trên cùng một đập, khi lưu lượng đơn vị tràn qua đập tăng dần từ 0,5 đến 20 m2/s thì chiều sâu hố xói cũng tăng nhanh Đường quan hệ giữa cột nước trên đập

và chiều sâu hố xói có dạng parabol nằm ngang Đối với đập càng cao thì năng lượng càng lớn và chiều sâu hố xói cũng lớn hơn nhiều so với các đập thấp khi có cùng lưu lượng đơn vị tràn qua đập Tốc độ xói của đập cao khi lưu lượng tăng thì

chậm hơn so với các đập thấp Đến các giá trị lưu lượng đơn vị lớn thì chênh lệch chiều sâu hố xói giữa đập cao và đập thấp là không lớn

2.4 Đường mặt nước trên mặt hạ lưu đập

Tính toán đường mặt nước trên mặt hạ lưu đập nhằm xác định dòng chảy trên đập và vận tốc lớn nhất, từ đó kiểm tra hiện tượng xói bề mặt đập Sử dụng các công thức tính trong sách: “Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi- TG Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng và Ngô Trí Viềng”

*Xác định cột nước tại điểm A: Tính lưu tốc và độ sâu dòng chảy tại mặt cắt

A-A, trong đó tổn thất thuỷ lực của dòng chảy ở đỉnh không đáng kể, có thể bỏ qua:

*Xác định đường mặt nước trên đoạn AB: Để vẽ đường mặt nước trong đoạn

từ mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B, dùng phương pháp Tsanomxki dựa vào phương trình cơ bản chuyển động không đều của nước:

g

v h

l g

v h

z g

v h

tb

i i

i

i i

i

2

2cos.2

cos

2 2

1 1

1

2

λθ

+ +

Kết quả tính toán với trường hợp đập cao 50m, lưu lượng đơn vị qua đỉnh đập q=0,5 (m3/s.m):

Tương tự xác định được vận tốc dòng chảy trên mặt hạ lưu đập với các kích thước đập và các cấp lưu lượng đơn vị khác nhau từ 0,5 đến 20 m3/s.m:

Bảng 2.5 Tính toán vận tốc xói trên mặt hạ lưu đập 70m:

Q h Vmax [Vmax] Kết luận 0.5 0.044 11.475 19.2 Không xói

1 0.072 13.915 19.2 Không xói

5 0.232 21.387 19.2 Xói

10 0.399 24.762 19.2 Xói

20 0.692 28.059 21.2 Xói

Bảng 2.6 Tính toán vận tốc xói trên mặt hạ lưu đập 50m:

Q h Vmax [Vmax] Kết luận 0.5 0.044 11.475 19.2 Không xói

1 0.072 13.901 19.2 Không xói

5 0.239 20.556 19.2 Xói

10 0.421 23.150 19.2 Xói

20 0.767 25.179 21.2 Xói

Bảng 2.7 Tính toán vận tốc xói trên mặt hạ lưu đập 30m:

Q h Vmax [Vmax] Kết luận 0.5 0.044 11.470 19.2 Không xói

1 0.073 13.771 19.2 Không xói

5 0.267 18.732 19.2 Không xói

10 0.495 20.210 19.2 Xói

20 0.943 21.212 21.2 Xói

Bảng 2.8 Tính toán vận tốc xói trên mặt hạ lưu đập 20m:

Q h Vmax [Vmax] Kết luận 0.5 0.044 11.398 19.2 Không xói

Hiện tượng xói lở lòng dẫn hạ lưu công trình tháo là hiện tượng thường gặp

và đã được nghiên cứu đầy đủ Ở đây tác giả đã lựa chọn được công thức tính hố xói của Viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc) tương đối phù hợp

với trường hợp đập bê tông không tràn trên nền đá bị tràn nước

Tác giả đã tính toán kích thước hố xói và đường mặt nước cho các trường

hợp đập có chiều cao từ 20 đến 70m với các cấp lưu lượng đơn vị tràn qua đập từ 0,5 đến 20m2/s, từ đó đưa ra kết luận về kích thước hố xói và khả năng bị xói của

bề mặt đập: Với những đập có chiều cao từ 50m trở lên, khi mực nước trên đập cao

hơn 2m thì có khả năng xói lở mái hạ lưu, với những đập thấp từ 20-30m thì khả

năng bị xói mái hạ lưu là nhỏ Những kết quả tính toán kích thước hố xói, đường

mặt nước ứng với các trường hợp chiều cao đập và các cấp lưu lượng đơn vị trên được dùng để đưa vào các sơ đồ tính toán ổn định trượt lật của đập trong chương

tiếp theo

ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP

3.1 Tính ổn định trượt theo hai phương pháp: phương pháp trạng thái giới hạn

và phương pháp trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ

m N

n

n tt

i i i i i i i Ri Li

i i

i i i Ri

Li i

V W P

P H

H

l C tg U P

P H

H V

sin)(

cos)(

cos)[(

}]

sin)(

sin)(

cos){[(W

1

1 i

+

−

−+

−

+

−

−+

−++

Tính toán hệ số an toàn của đập theo từng trường hợp, so sánh

với hệ số an toàn cho phép

th th

Wth1: áp lực thấm trước màn chống thấm

Wth2: áp lực thấm sau màn chống thấm

1 1

*

* 2

) (

* ) 1 (

*

* 2

* ) 1 (

k

m M

Trong đó: Mgl và Mcl là tổng mômen gây lật và chống lật đối với tâm quay ( khi hố xói chưa đến chân đập thì tâm quay là chân hạ lưu đâp B, khi hố xói xâm nhập vào chân đập thì tâm quay là B’)

Tiêu chuẩn đánh giá ổn định:

Đập và nền được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi không còn đủ khả năng làm việc với các tải trọng và các tác động từ bên ngoài, hoặc bị hư hỏng hay

biến dạng quá mức cho phép không còn thoả mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

Đập và nền đảm bảo an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo trạng thái

giới hạn phải thoả mãn điều kiện

R k

m N

n

n tt

Trong đó:

- Ntt là tải trọng tính toán tổng quát, là lực, là mô men, là ứng suất biến dạng

hoặc thông số khác được dùng làm căn cứ để đánh giá trạng thái giới hạn Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân

với hệ số lệch tải Tình toán theo trạng thái thứ hai được tính theo tải trọng tiêu chuẩn Hệ số lệch tải tính theo TCXD VN 285 - 2002

- R là sức chịu tải tổng quát, biến dạng hoặc thông số khác được định ra theo tiêu chuẩn thiết kế

- Hệ số tổng hợp tải trọng nc được xác định tuỳ theo tổ hợp tải trọng và trạng thái giới hạn

- Hệ số điều kện làm việc m xét đến tính gần đúng của sơ đồ và phương pháp tính toán, kiểu công trình, kết cấu hay nền, loại vật liệu xây dựng Khi tính toán ở

trạng thái giới hạn thứ nhất, mặt trượt đi qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và nền đá

hoặc qua đá nền có khe nứt, một phần qua đá nguyên khối lấy m = 0,95 các trường

hợp khác còn lại và tính với trạng thái giới hạn thứ hai lấy m=1

- Hệ số tin cậy kn, xét đến tầm quan trọng của công trình Theo TCXD VN

285 - 2002, khi tính toán với trạng thái giới hạn thứ nhất, công trình cấp I, lấy với

kn = 1,5; công trình cấp II, kn = 1,2; công trình cấp III, IV, V, kn = 1,15 Khi tính toán với trạng thái giới hạn thứ hai kn = 1