“Tính toán đập bê tông làm việc đồng thời với nền, cọc”.

Để góp phần giải quyết vấn đề trên, trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu đập bê tông làm việc trên nền đất yếu kết hợp với móng cọc bằng phương pháp truyền thống và phương

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, khoa Công trình và các thầy cô đã tham gia giảng dạy cũng như thầy cô trong bộ môn Sức bền- Kết cấu trong thời gian qua đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học và luận văn của mình

Đặc biệt tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Lý Trường Thành đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo giúp tận tình, cung cấp các thông tin khoa học quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã khích lệ, động viên, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Do hạn chế về thời gian, kiến thức lý luận còn chưa sâu, kinh nghiệm thực tế còn ít nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp cũng như chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

NGUYỄN THẾ THÀNH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Tính toán đập bê tông làm

việc đồng thời với nền, cọc” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các

thông tin, tài liệu, bảng biểu, hình vẽ… lấy từ nguồn khác đều được trích dẫn nguồn đầy đủ theo quy định Nếu có gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định của nhà trường

Tác giả luận văn

NGUYỄN THẾ THÀNH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÀ ĐẬP BÊ TÔNG 3

1.1 Tổng quan về các loại đập 3

1.1.1 Đập đất 3

1.1.2 Đập đá và đập đá hỗn hợp 4

1.1.3 Đập bê tông trọng lực 6

1.1.4 Đập vòm 7

1.1.5 Đập bản chống 9

1.1.6 Các loại đập khác 12

1.2 Tình hình xây dựng đập nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng trên thế giới 14

1.3 Tình hình xây dựng đập ở Việt Nam 17

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH TÍNH TOÁN ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 22

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thức mặt cắt đập bê tông trọng lực 22

2.2 Giới thiệu về các phương án tính toán 22

2.2.1 Mặt cắt cơ bản của đập BTTL 22

2.2.2 Mặt cắt thực tế của đập BTTL 23

2.2.3 Các phương pháp tính toán ổn định đập bê tông trọng lực 24

2.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp – quan điểm tính toán và trường hợp ứng dụng 24

2.3.1 Các quan điểm về lựa chọn tiêu chuẩn ổn định đập: 24

2.3.2 Các phương pháp phân tích ứng suất đập BTTL: 25

2.4 Một số vấn đề chưa hợp lý trong tính toán đập bê tông trọng lực 28

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ĐẬP BÊ TÔNG TRÊN NỀN VÀ CỌC 29 3.1 Giới thiệu về Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và một số phần mềm thông dụng hiện nay 29

3.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn 29

3.1.2 Các quan hệ cơ bản trong một phần tử 32

3.1.3 Hệ phương trình cơ bản của bài toán 35

3.1.4 Các phần mềm tính toán thông dụng hiện nay 36

3.1.5 Giới thiệu về phần mềm SAP 2000 36

3.2 Giới thiệu về nền móng và móng cọc 43

3.2.1 Nền 43

3.2.2 Móng 43

3.2.3 Ý nghĩa của công tác thiết kế nền - móng 44

3.2.4 Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn: 45

3.3 Móng cọc 46

3.3.1 Khái niệm 46

3.3.2 Phân loại cọc 47

3.3.3 Cấu tạo, phương pháp thi công và các đặc điểm của cọc khoan nhồi [4] 47

3.4 Tổng quan về sức chịu tải của cọc 53

3.4.1 Sức chịu tải dọc trục 53

3.4.2 Cọc chịu tải trọng ngang 61

3.5 Mô hình tính toán trong luận văn 69

4.1 Giới thiệu chung về công trình 71

4.1.1 Tên dự án 71

4.1.2 Chủ đầu tư và hình thức quản lý dự án 71

4.1.3 Tổ chức tư vấn lập dự án 71

4.1.4 Chủ nhiệm lập dự án 71

4.1.5 Mục tiêu đầu tư xây dựng 71

4.1.6 Hình thức đầu tư 71

4.1.7 Địa điểm xây dựng 71

4.1.8 Các chỉ tiêu thiết kế: 72

4.1.9 Các phương án lựa chọn tuyến đập 73

4.2 Điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu 74

4.2.1 Điều kiện địa chất phương án tuyến IIA 74

4.2.2 Đánh giá chung điều kiện địa chất công trình 76

4.3 Các thông số và các trường hợp tính toán 76

4.3.1 Các thông số cơ bản để tính toán 77

4.3.2 Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 77

4.3.3 Các trường hợp tính toán 78

4.4 Áp dụng tính toán cho đập hồ Suối Nước Ngọt 79

4.4.1 Tính toán theo phương pháp truyền thống 79

4.4.2 Tính toán theo phương pháp PTHH (sử dụng phần mềm SAP 2000 v12) 79

4.5 Kết luận và giải pháp 81

4.5.1 Mặt cắt đập theo thiết kế: 81

4.5.2 Mặt cắt đập có lỗ rỗng và mặt cắt đập mở rộng bản đáy 81

4.5.3 Kết quả tính toán đối với các mặt cắt khác 82

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đập của các khu vực trên thế giới (2000) 14

Bảng 1.2: Bảng thống kê một số đập cao nhất đã và đang xây dựng 15

Bảng 3.1: Giá trị Ks đối với các loại cọc hạ trong cát (Meyerhof 1976) 54

Bảng 3.2: Quan hệ giữa Su và Nc 56

Bảng 3.3: Chiều sâu ngàm cần thiết 58

Bảng 3.4: Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc (T/m2) 59

Bảng 3.5: Hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc (TCVN 205-1998) 59

Bảng 3.6: Hệ số ma sát bên của đất và thân cọc fi (TCVN 205-1998) 60

Bảng 3.7: Tiêu chuẩn phân biệt loại cọc 62

Bảng 3.8: Giá trị n1 và n2 64

Bảng 3.9: Giá trị Kh (KN/m3) cho đất rời 64

Bảng 3.10: Hệ số nhóm η 69

Bảng 4.1a: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất phương án tuyến IIA 74

Bảng 4.1b: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đá phương án tuyến IIA 75

Bảng 4.2: Thông số tính toán phương án chọn 77

Bảng 4.3: Thông số các vật liệu làm đập và cọc 78

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1a: Các loại mặt cắt đập đất cơ bản 4

Hình 1.1b: Đập Sông Trâu (Ninh Thuận) xây dựng theo hình thức đập đất 4

Hình 1.2a: Các loại đập đá đổ thông dụng 5

Hình 1.2b: Đập thủy điện Hòa Bình xây dựng theo hình thức đập đá đổ 6

Hình 1.3a: Một số loại đập bê tông trọng lực cải tiến 7

Hình 1.3b: Đập Sơn La (Sơn La) xây dựng theo hình thức đập BTTL 7

Hình 1.4: Đập Nậm Chiến (Sơn La) đang thi công 9

Hình 1.5: Một số loại đập bản chống thường gặp 10

Hình 1.6: Đập bản chống hình nêm 12

Hình 1.7: Các dạng đập bản chống tràn nước 12

Hình 1.8: Một số dạng đập gỗ thường dùng 13

Hình 1.9: Một số dạng đập đá tràn nước 13

Hình 1.10: Đập hỗn hợp bê tông – vật liệu địa phương 14

Hình 1.11: Đập Tam Hiệp (Trung Quốc) 16

Hình 1.12: Đập Itaipu (Brasil) 16

Hình 1.13: Đập Nurek (Tadjkistan) 17

Hình 1.14: Đập Bái Thượng (Thanh Hóa) xây dựng từ thời Pháp thuộc 18

Hình 1.15: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc (2005) 19

Hình 1.16: Đập Lòng Sông (Bình Thuận) 20

Hình 1.17: Đập Tân Giang (Ninh Thuận) 20

Hình 1.18: Hồ chứa nước Ngàn Trươi(Hà Tĩnh ) 21

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán mặt cắt cơ bản của đập BTTL 23

Hình 2.2: Mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực 24

Hình 3.1: Các phần tử cơ bản trong phương pháp PTHH 30

Hình 3.2: Mô phỏng về vật thể đàn hồi 32

Hình 3.3: Giao diện khởi động của chương trình 40

Hình 3.4: Thanh công cụ của chương trình 40

Hình 3.5: Giao diện khi khai báo vật liệu 41

Hình 3.6: Giao diện khai báo đặc trưng hình học 41

Hình 3.7: Giao diện khai báo tải trọng 42

Hình 3.8: Giao diện khai báo thuộc tính của các liên kết 42

Hình 3.9: Giao diện giải bài toán 42

Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo móng cọc 47

Hình 3.11: Sơ đồ thi công cọc khoan nhồi 49

Hình 3.12: Máy khoan cọc nhồi của hãng Benoto 50

Hình 3.13: Máy khoan cọc nhồi của hãng Hitachi 50

Hình 3.14: Máy khoan cọc nhồi Bauer BG 25C 51

Hình 3.15: Máy khoan cọc nhồi Soilmec R516 HD 51

Hình 3.16: Máy khoan cọc nhồi Hausen HBN80-1 51

Hình 3.17: Lưỡi khoan cắt 52

Hình 3.18: Mũi khoan phá 52

Hình 3.19: Cơ cấu mở rộng chân cọc bằng thủy lực 52

Hình 3.20: Thi công cọc khoan nhồi tại hiện trường 52

Hình 3.21: Các dạng biến dạng của cọc ngắn khi chịu tải trọng ngang 63

Hình 3.22: Sức chịu tải trọng ngang của cọc trong đất rời 66

Hình 3.23: Sức chịu tải ngang của cọc trong đất dính 68

Hình 3.24: Đồ thị tìm sức chịu tải ngang Qa theo chuyển vị cho phép yng của cọc trong đất rời 68

Hình 3.25: Đồ thị tìm sức chịu tải ngang Qa theo chuyển vị cho phép yng của cọc trong đất dính 68

Hình 3.26: Mô hình tính toán và các tải trọng tác dụng lên cọc 70

Hình 4.1: Vị trí tuyến dự kiến xây dựng công trình 72

Hình 4.2: Mặt cắt ngang đại diện tại vị trí tính toán theo thiết kế 79

Hình 4.3: Mô hình tính toán đâp không tràn hồ Suối Nước Ngọt – Khánh Hòa 80

Hình 4.4: So sánh biến dạng của công trình (TH1) 81

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đập là một trong những công trình thủy lợi được xây dựng sớm nhất trong lịch

sử nhân loại Cách đây hơn 4000 năm đập xây dựng bằng vật liệu địa phương đã xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới với mục đích chính là khai thác sử dụng nguồn nước tự nhiên phục vụ nhu cầu thiết yếu của con người Về sau này với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đập ngày càng gia tăng cả về số lượng, quy mô, vật liệu Đặc biệt sau khi phát hiện ra các loại vật liệu xây dựng mới như bê tông, bê tông cốt thép thì đập ngày càng đóng vai trò quan trọng Theo thống kế đến năm 2000 trên thế giới có khoảng trên 45.000 công trình đập lớn nhỏ

Song song với sự đa dạng của các loại đập thì các phương pháp tính toán thiết kế đập cũng phát triển để đáp ứng các yêu cầu của thực tế Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ tin học, việc mô hình hóa trong tính toán ngày càng sát với thực tế Tuy nhiên hiện nay ở nước ta các tiến bộ khoa học kĩ thuật chưa được áp dụng nhiều trong thực tiễn tính toán, các quy định, quy phạm áp dụng còn sử dụng các lý thuyết cũ Trong đó có các giả thiết gần đúng dẫn tới việc mô hình hoá chưa sát với thực tế làm việc của đập gây tốn kém vật liệu hoặc không đảm bảo an toàn

Để đáp ứng yêu cầu tận dụng tối đa nguồn nước tự nhiên thì việc xây dựng thêm nhiều hồ, đập là không thể tránh khỏi Tuy nhiên không phải lúc nào các điều kiện

tự nhiên như vật liệu, địa hình, địa chất cũng thuận lợi Do đó yêu cầu cấp thiết đặt

ra là phải có biện pháp để khắc phục được các khó khăn đó

Kết cấu đập bê tông trọng lực được xây dựng khá phổ biến Thông thường, đập

bê tông trọng lực cần phải đặt trên nền tốt, thường là đá gốc ít nứt nẻ, song trên thực

tế nhiều khu vực ở nước ta như Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Nam Bộ tầng đá gốc nằm khá sâu, phía trên là tầng đất yếu hoặc xen kẹp các tầng đất yếu nên khó có thể sử dụng đập bê tông trong lực thông thường Giải pháp sử dụng đập vật liệu địa không phải lúc nào cũng khả thi do thiếu nguồn vật liệu đảm bảo các tính chất cơ lý Giải pháp khả thi là sử dụng đập bê tông kết hợp cọc để liên kết tốt hơn với nền, đồng thời truyền tải trọng tác dụng xuống nền đá gốc hoặc nền ở dưới sâu

Móng cọc đã được áp dụng rộng rãi cho nhiều loại hình công trình xây dựng trên nền đất yếu như nhà cửa, cầu cống, trạm bơm, bến cảng Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu áp dụng cho đập bê tông trọng lực

Để góp phần giải quyết vấn đề trên, trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu đập bê tông làm việc trên nền đất yếu kết hợp với móng cọc bằng phương pháp truyền thống và phương pháp phần tử hữu hạn, từ đó so sánh kết quả tính toán và lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho loại hình đập này

2 Mục đích của đề tài

- Đánh giá các phương pháp, các quan điểm phân tích tính toán hiện tại được sử dụng để thiết kế đập bê tông, ưu nhược điểm của các phương pháp;

- Đề xuất phương pháp tính toán bằng phần tử hữu hạn (PTHH);

- Áp dụng tính toán cho đập bê tông kết hợp cọc làm việc trên nền đất yếu;

- So sánh kết quả tính toán của phương pháp truyền thống và phương pháp PTHH Đưa ra kết luận, đề xuất một số giải pháp hợp lý

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận của đề tài:

- Thu thập các tài liệu liên quan

- Thống kê, tổng kết đánh giá tổng quan tình hình tính toán thiết kế đập bê tông; tìm

hiểu các phương pháp tính toán hiện tại, ưu nhược điểm của mỗi phương pháp

- Áp dụng tính toán cho hồ Suối Nước Ngọt (Cam Ranh, Khánh Hòa) theo phương pháp cổ điển và phương pháp phần tử hữu hạn So sánh kết quả tính toán, từ đó rút

ra mặt cắt thích hợp

4 Kết quả đạt được

- Tổng quan về các loại đập ở trong và ngoài nước, ưu nhược điểm của từng loại

- Các vấn đề chưa hợp lý trong tính toán thiết kế mặt cắt đập bê tông trọng lực, nắm bắt được cách tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Các phương pháp phân tích tính toán móng cọc, đặc biệt là cọc khoan nhồi

- Vận dụng tính toán cho mặt cắt đập bê tông trọng lực hồ Suối Nước Ngọt, TP Cam Ranh, Khánh Hòa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÀ ĐẬP BÊ TÔNG

1.1 Tổng quan về các loại đập

Theo vật liệu xây dựng thì đập trên thế giới hiện nay bao gồm các loại cơ bản sau: 1.1.1 Đập đất

Đập đất là loại đập sử dụng vật liệu địa phương

Xây dựng đập đất có lịch sử lâu đời Ở Ai Cập, Trung Quốc và một số nước khác người ta đã xây dựng đập đất từ 2500÷4700 năm trước công nguyên Ví dụ đập đất đá hỗn hợp Sadd-el-Kafara được xây dựng ở Ai Cập vào khoảng 2778÷2563 trước công nguyên có chiều dài 108m, cao 12m

Đập Marduka cao 12m được xây dựng năm 2500 trước công nguyên trên sông Tygrys ở Irak

Ở Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản từ thế kỷ thứ II, III trước công nguyên đã xây dựng nhiều đập vật liệu địa phương bằng đất đá Ở Trung Quốc có đập dài 300m, cao 30m được xây dựng năm 240 trước công nguyên, ở Nhật Bản đập dài 260m cao 17m xây năm 162 trước công nguyên

Đập đất thường là loại không tràn nước Để đảm bảo tháo lũ, lấy nước tưới hoặc cung cấp nước phải xây dựng những công trình riêng như đường tràn tháo lũ, cống lấy nước

Đập đất có những ưu điểm sau:

- Dùng vật liệu tại chỗ, tiết kiệm được các vật liệu quý như sắt, thép, xi măng Công tác chuẩn bị trước khi xây không tốn nhiều công sức như các loại đập khác

- Cấu tạo đập đất đơn giản, giá thành hạ

- Bền và chống chấn động tốt hơn

- Dễ quản lý, tôn cao, đắp dầy thêm

- Yêu cầu về nền không cao nên phạm vi sử dụng rộng rãi

Thế giới đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm về thiết kế, thi công và quản lý đập [6]

Hình 1.1a: Các loại mặt cắt đập đất cơ bản

Hình 1.1b: Đập Sông Trâu (Ninh Thuận) xây dựng theo hình thức đập đất

1.1.2 Đập đá và đập đá hỗn hợp

Đập đá là một trong những công trình cổ, thường dùng vật liệu tại chỗ, có thể thi công vào mọi mùa, kỹ thuật xây dựng đơn giản

Yêu cầu địa chất nền đập đá thấp hơn so với đập bê tông Hiện nay trên thế giới

đã có hơn 100 đập đá cao từ 60m trở lên Ở nước ta có đập Cẩm Ly (Quảng Bình) cao trên 30m, đập Thác Bà cao 45m, đập Hòa Bình cao 120m

Những đập đá cao từ 8÷10m trở lên thường là loại không tràn nước Lưu lượng

lũ được tháo qua công trình xả lũ bố trí trong thân đập hoặc ở bên bờ Đối với những đập thấp có thể cho nước tràn qua nhưng mái hạ lưu phải thoải và được bảo

vệ chu đáo

Để giảm lưu lượng thấm, người ta bố trí các thiết bị chống thấm trong thân đập Căn cứ vào phương pháp xây dựng và vật liệu chủ yếu làm thân đập, người ta phân loại như sau:

Đập đá nửa đổ nửa xếp là những đập mà phần thân đập thượng lưu là đá xếp, phần thân đập hạ lưu là đá đổ Trên mái thượng lưu người ta bố trí thiết bị chống thấm

+ Đập hỗn hợp:

Thường dùng nhất là loại đập đá, đất hỗn hợp – Trong đó đất chiếm một nửa hoặc quá nửa thể tích đập Phần thượng lưu thường làm bằng đất để tạo thành thiết

bị chống thấm

Ngoài ra còn dùng loại đập đá và bê tông hỗn hợp Trong trường hợp này khối

bê tông được bố trí ở phần thân đập thượng lưu dưới dạng tường chắn, đồng thời có tác dụng chống thấm [6]

Hình 1.2a: Các loại đập đá đổ thông dụng

Hình 1.2b: Đập thủy điện Hòa Bình xây dựng theo hình thức đập đá đổ

Các thống kê về thể loại đập của tổ chức đập cao thế giới cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm 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%

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý luận tính toán đập 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)%

Các đập đã xây dựng trong nước ta chủ yếu là đập đất Trong một số năm gần đây xu thế xây dựng đập bê tông đã và đang phát triển Đập Tân Giang thuộc tỉnh

Ninh Thuận cao 39,5m được xem như là đập bê tông trọng lực đầu tiên do ngành Thủy lợi nước ta tự thiết kế và thi công và đã hoàn thành năm 2001.[6]

Hiện nay ở nước ta đã có nhiều đập bê tông trọng lực đã được hoàn thành hoặc đang được xây dựng như đập Lòng Sông (Bình Thuận), Đập Định Bình (Bình Định), Đập Sơn La (Sơn La)…

Ngoài hình thức đập bê tông trọng lực truyển thống có có nhiều hình thức đập cải tiến như đập khe rỗng, đập có lỗ khoét lớn, đập lắp ghép kiểu ngăn hộp, đập có ứng suất trước…

Hình 1.3a: Một số loại đập bê tông trọng lực cải tiến

1 Đập có lỗ khoét lớn 2 Đập lắp ghép kiểu ngăn hộp 3 Đập ứng suất trước

Hình 1.3b: Đập Sơn La (Sơn La) xây dựng theo hình thức đập BTTL

1.1.4 Đập vòm

Đập vòm là một loại đập dâng chắn nước, thường được làm bằng bê tông Theo các mặt cắt nằm ngang đập có dạng các cung tròn, chân tựa vào hai bờ Dưới tác

dụng của ngoại lực như áp lực nước, bùn cát… đập ổn định nhờ sự chống đỡ ở hai

bờ Do vậy địa chất nơi xây dựng đập vòm phải tốt; thường là đá rắn chắc Đá thường yêu cầu ứng suất nén cho phép [R]n≥100÷120 Kg/cm2

Đặc điểm của đập vòm:

Do tính chất nêu trên nên đập vòm có các đặc điểm sau:

1 Dựa vào sự chống đỡ của hai bờ để giữ ổn định nên đập có thể khá mỏng so với đập bê tông trọng lực, chiều dày đáy vòm giảm từ (2÷4) lần, thậm chí có thể (6÷8) lần hoặc hơn thế

2 Do đập mỏng nên áp lực thấm tác dụng lên đập rõ ràng cũng giản đi rất nhiều Tuy nhiên Gradien thấm sẽ tăng lên Vì vậy cần chú ý xử lý hiện tượng này như phụt màng xi măng chống thấm ở nền đập

3 Phát huy được khả năng làm việc của vật liệu thân đập Bê tông là loại vật liệu chịu nén tốt, trong khi đó vòm chủ yếu chịu ứng suất nén Đây là ưu điểm lớn nhất của đập vòm Thường ứng suất nén trong đập vòm (35÷50) kg/cm2.Có nhiều đập đã cho phép đạt đến (90÷100) kg/cm2, đôi khi còn lớn hơn Còn ứng suất kéo khoảng (1,1÷1,3) Kg/cm2

4 Trong đập vòm sự thay đổi nhiệt độ, sự co rút của bê tông là điều hết sức cần chú

ý vì ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của đập (gây ứng suất kéo) Chính vì vậy khi xây dựng đập vòm người ta thường chừa lại các khe thẳng đứng chờ khi nhiệt độ ngoài trời hạ thấp mới lấp kín khe tạo thành đập vòm liền khối

5 Ngoài yêu cầu về địa chất tốt để giữ ổn định và chịu lực khá lớn ở chân vòm, về địa hình cũng ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xây dựng đập

Lòng sông có mặt cắt chứ V là trường hợp địa hình lý tưởng nhất để xây dựng đập vòm ở dưới sâu, vòm chịu áp lực lớn song nhịp vòm lại nhỏ vì vậy tình hình chịu lực của các lớp vòm là tương đối đồng đều Trong trường hợp này có thể xây dựng được đập vòm cao mà chiều dày vòm không lớn.[6]

Hiện nay ở nước ta chưa có đập vòm nào hoàn thành Đập Nậm Chiến (Sơn La) đang được xây dựng là công trình đầu tiên áp dụng hình thức đập vòm

Hình 1.4: Đập Nậm Chiến (Sơn La) đang thi công

Về mặt địa hình, đập bản chống thích hợp với các lòng sông rộng, bờ thoải

Vật liệu xây dựng đập thường là bê tông cốt thép, với các đập thấp có thể sử dụng vật liệu gạch, đá xây

1.1.5.2 Phân loại:

1 Theo hình thức chắn nước phân thành:

- Đập bản phẳng: Mặt chắn nước là các mặt phẳng

- Đập liên vòm: Mặt chắn nước là các bản dạng vòm nối liên tục với bản chống

- Đập to đầu: Phần đầu của trụ được mở rộng ra tạo thành bản chắn nước Loại này

có khối lượng lớn nên cũng gọi là đập bản chống trọng lực

- Đập liên cầu: Bản chắn nước là những mặt cong hai hướng nối liền với trụ Loại này có kết cấu phức tạp, chỉ sử dụng khi đập cao, yêu cầu cầu nhịp lớn.[6]

Hình 1.5: Một số loại đập bản chống thường gặp a) Đập bản phẳng b) Đập liên vòm c) Đập to đầu

2 Theo dạng tuyến trên mặt bằng:

- Tuyến thẳng

- Tuyến gãy khúc

- Đập bản chống hình nêm: Xây dựng khi lòng sông hẹp, địa chất bờ tốt Do tuyến

bố trí hình nêm nên toàn bộ áp lực thông qua bản chắn và trụ được truyền vào bờ Loại này có khả năng chống trượt tốt, nhưng khe nối kết cấu chỗ tuyến gãy dễ bị căng rạn, nứt nẻ

Tuyến cong: Sử dụng khi phải tránh các điểm cục bộ có địa chất nền yếu

3 Theo khả năng tràn nước:

Đập bản chống thường là không tràn nước, như các loại đã nêu trên Song khi cần thiết cũng có thể là loại đập tràn

1.1.5.3 Ưu nhược điểm của đập bản chống:

- So với đập bê tông trọng lực, đập bản chống có kết cấu mỏng, thể tích không lớn nên tiết kiệm được vật liệu Thống kê từ các đập đã xây dựng trên thế giới cho thấy khối lượng bê tông sử dụng trong đập chống so với đập bê tông trọng lực giảm được (30÷60)% hoặc giảm nhiều hơn nữa (ở các đập liên vòm, liên cầu)

- Kết cấu trụ và bản chắn tương đối mỏng, dễ tỏa nhiệt nên có thể tăng tốc độ thi công

- Khi đập cao, khoảng cách giữa hai trụ kề nhau khá lớn, có thể bố trí gian máy của trạm thủy điện ở khoảng giữa hai trụ, giảm được chiều dài ống dẫn nước và tiết kiệm được mặt bằng công trình đầu mối

Nhược điểm:

- Vì trụ đập tương đối mỏng nên có thể bị mất ổn định về uốn dọc khi chịu nén (do

áp lực nước và trọng lượng bản thân) Động đất cũng có thể gây mất ổn định hướng ngang của trụ, nhất là khi đập cao

- Bản chắn nước của đập bản phẳng , liên vòm khá mỏng nên khả năng chống thấm không cao, nếu bản bị nứt thì rất khó sửa chữa Vì vậy đòi hỏi vật liệu làm bản phải

- Đập liên vòm là kết cấu siêu tĩnh nên chịu ảnh hưởng rõ rệt của hiện tượng lún không đều, vì vậy yêu cầu phải xử lý nền để đạt được độ đồng đều và tính chỉnh thể cao

- Bố trí thi công phức tạp, tốn nhiều ván khuôn, công tác dẫn dòng thi công ở đập bản chống khó hơn so với đập bê tông trọng lực Nếu bố trí dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng thì dễ gây chấn động thân đập và xói nền đập.[6]

Hình 1.6: Đập bản chống hình nêm

Hình 1.7: Các dạng đập bản chống tràn nước

1.1.6 Các loại đập khác

1.1.5.1 Khái niệm

Ngoài những loại đập chính đã trình bày ở trên, trong những điều kiện nhất định

có thể áp dụng các hình thức đập khác Các loại đập này được đề nghị áp dụng do những ưu điểm nổi bật như tận dụng vật liệu tại chỗ, hạ giá thành công trình, bố trí thi công đơn giản, rút ngắn thời gian xây dựng…

Tuy nhiên các dạng đập này thường ở mức kiên cố không cao, thích hợp với loại công trình nhỏ, cột nước thấp.[6]

1.1.5.2 Phân loại

Tùy theo vật liệu xây dựng và dạng kết cấu, có thể phân thành các loại sau:

+ Đập gỗ: Sử dụng vật liệu gỗ là chủ yếu

Theo kết cấu có các loại: Đập cọc gỗ, đập tường chống, đập cũi gỗ

Hiện nay giá thành của gỗ xây dựng không phải là rẻ Do đó các đập sử dụng nhiều

gỗ như đập cũi gỗ, đập tường chống hầu như không còn được xây dựng Loại đập cọc gỗ có thể xem xét sử dụng trong một số điều kiện nhất định

Hình 1.8: Một số dạng đập gỗ thường dùng

+ Đập đá tràn nước: Sử dụng vật liệu đá, kết hợp với một phần vật liệu khác như đất, bê tông để làm đập Bao gồm đập trên nền đất và trên nền đá Tuy nhiên do khối đá đổ thân đập có chuyển vị nên mặt tràn thường bị biến dạng sau mùa lũ, công tác tu sửa phải tiến hành hàng năm

+ Đập hỗn hợp bê tông, bê tông cốt thép - vật liệu địa phương: Thân đập gồm vỏ bọc ngoài bằng bê tông, bê tông cốt thép và phần lõi bằng đất hay đá Theo kết cấu

có các loại như sau:

- Đập Xen cốp: Gồm các bản và các vách dọc, ngang bằng bê tông cốt thép hoặc

đá xây, phía trong chất đầy vật liệu tại chỗ như đất, cát, sỏi đá

- Đập đá xếp bọc bê tông: Phần lõi là khối đá xếp bên trong bọc bê tông

Hình 1.10: Đập hỗn hợp bê tông – vật liệu địa phương

a Đập Xen cốp b Đập đá xếp bọc bê tông

+ Đập cao su: Thân đập là một túi cao su có thể bơm căng bằng nước hay không khí

để tạo thành vật chắn nước Thành túi được gắn chặt với bản đáy bằng bê tông cốt thép tiếp giáp với nền Khi tháo lũ, người ta xả hết nước hay không khí trong túi cao

su ra, túi xẹp xuống bản đáy và nước chảy tự do trên đó

1.2 Tình hình xây dựng đập nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng trên thế giới

Cách đây 4000 năm ở Trung Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện những công trình Thuỷ Lợi Đập được xây dựng đầu tiên là đập trên sông Nile cao 15m,dài 450m có cốt đá đổ và đất sét Theo con số thống kê của Hội đập cao nhất thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000 trên thế giới có khoảng trên 45.000 đập lớn

Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đập của các khu vực trên thế giới (2000)

Châu Á Bắc Mỹ, Trung Mỹ Tây Âu Đông Âu Châu Phi Châu Đại Dương

Nuớc xây dựng nhiều đập nhất thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập,chiếm 48% số đập trên thế giới Thứ hai là Mỹ có 6.575 đập Thứ ba là Ấn Độ có 4.291

đập, sau đó là Nhật Bản với 3.657 đập, Tây Ban Nha có 1.196 đập Việt Nam có gần 500 đập xếp thứ 16 trong tổng số các nước có nhiều đập lớn trên thế giới

Tốc độ xây dựng đập lớn trên thế giới cũng không đều Thống kê đập xây dựng

từ năm 1900 đến năm 2000 ta thấy thời kỳ xây dựng nhiều là những năm 1950 Đỉnh cao là năm 1970 Tình hình này cũng xảy ra tuơng tự ở vùng xây dựng nhiều đập như ở Châu Á,Bắc Mỹ,Tây Âu

Theo con số thống kê đập ở 44 nước của của ICOLD – 1997, số đập cao

15÷30m chiếm khoảng 56,2% Đập cao hơn 30m chiếm khoảng 13,8%,đập cao hơn 150m chiếm khoảng 0.1%

Các thống kê về loại đập của ICOLD – 1986 cho thấy 78% là đập đất, đập đá 5% đập bê tông trọng lực 12%,đập vòm chỉ có 4% Tuy nhiên nếu xét những đập có chiều cao trên 100m thì tình hình lại khác: Chỉ có 30% là đập đất, 38% đập bê tông, 21,5 đập vòm

Công nghệ xây dựng đập tiến bộ nên đã xây dựng được nhiều đập rất cao như đâp Rogun ở Tadjkistan cao trên 300m hay quy mô rất lớn như đập Tam Hiệp ở Trung Quốc dài 2,39 km

Bảng 1.2: Bảng thống kê một số đập cao nhất đã và đang xây dựng

Grande Dixence 285 m Bê tông trọng lực Switzerland Dixence

(Nguồn: Wikipedia.org)

Hình 1.11: Đập Tam Hiệp (Trung Quốc)

Hình 1.12: Đập Itaipu (Brasil)

Hình 1.13: Đập Nurek (Tadjkistan)

1.3 Tình hình xây dựng đập ở Việt Nam

Thời kì trước những năm 1930 ở nước ta đã bắt đầu xuất hiện một số đập bê tông trọng lực nhưng chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng trên 5m, có kết cấu đơn giản, thi công chủ yếu bằng thủ công, kỹ thuật đơn giản

Giai đoạn từ năm 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một

số đập bê tông trọng lực như đập Đô Lương (Nghệ An), đập Bái Thượng (Thanh Hóa), đập Thác Huống (Thái Nguyên) chủ yếu làm nhiệm vụ nâng cao đầu nước để tưới cho nông nghiệp

Giai đoạn từ năm 1945 đến 1975, do điều kiện đất nước có chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng các công trình thủy lợi bị hạn chế Trong thời kỳ này chưa có đập cao nhưng cũng đã xây dựng được một số đập thấp như đập Thác Bà, Cấm Sơn,

Đa Nhim… Kỹ thuật và công nghệ xây dựng ở phía bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ), Trung Quốc, ở phía Nam là của Nhật (đập Đa Nhim) [3]…

Cho đến nay ở Việt Nam có khoảng trên 10.000 đập lớn nhỏ các loại tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung trong đó có khoảng 500 đập lớn đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao trên thế giới Tuy nhiên sự phân bổ về loại hình đập lại không đều nhau Trong số các đập có chiều cao đập nhỏ hơn 100 thì đập vật

liệu địa phương chiếm tới trên 80%, đối với đập có chiều cao lớn hơn 100 m thì đập

bê tông nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng lại chiếm tỷ lệ đáng kể Hơn nữa, trong những năm gần đây do thiếu hụt điện chúng ta đã tiến hành xây dựng hàng loạt công trình thủy điện với chiều cao đập tương đối lớn, đa phần đều là đập

bê tông trọng lực như đập Định Bình (Bình Định), đập Sê San 3, Sê San 3A (Gia Lai), đập Sơn La vv

Hình 1.14: Đập Bái Thượng (Thanh Hóa) xây dựng từ thời Pháp thuộc

Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đến năm 2002 cả nước ta đã có 1.967 hồ có dung tích từ 0,2.106m3 trở lên Nếu chỉ tính các hồ có dung tích từ 1 triệu m3 trở lên thì hiện nay có khoảng 587 hồ, chủ yếu làm nhiệm vụ tưới

Các hồ phân bố không đều trên phạm vi toàn quốc Trong số 64 tỉnh thành nước ta có 41 tỉnh thành có hồ chứa nước Các hồ chứa được xây dựng không đồng đều trong các thời kỳ Tính từ năm 1960 trở về trước khu vực Miền Bắc và Miền Trung xây đượng được khoảng 6% Từ năm 1960 đến năm 1975 xây dựng được khoảng 44% Từ năm 1975 đến nay xây xây dựng khoảng 50%

Ở nước đa đập vật liệu địa phương là chủ yếu Tuy nhiên gần đây đập bê tông phát triển mạnh do sự phát triển của công nghệ vật liệu xây dựng, điều kiện địa

hình, địa chất, công nghệ thi công, yêu cầu xây dựng các đập có quy mô lớn hơn và

an toàn hơn

Hình 1.15: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước trên toàn quốc (2005)

Việt Nam cũng đã và đang áp dụng thành công công nghệ xây dựng đập bê tông đầm lăn (RCC) Mặc dù áp dụng tương đối muộn nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này đặc biệt là ở Trung Quốc, nước có các điều kiện tự nhiên tương tự như ở Việt Nam, nên có rất nhiều dự án thủy lợi thủy điện lớn đã hoàn thành hoặc đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này (Thủy Điện Sơn La, Định Bình )

Một vấn đề đặt ra là hiện nay ở Việt Nam các vị trí có điều kiện thuận lợi để xây dựng đập bê tông trọng lực không còn nhiều, do đó cần thiết phải nghiên cứu tìm giải pháp xây dựng đập khu điều kiện địa chất không thuận lợi Đặc biệt là ở Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Nam Bộ tầng đá gốc nằm khá sâu hoặc có các lớp đất yếu, đất yếu xen kẹp tầng đá cứng Giải pháp khả thi là sử dụng móng cọc để truyền tải trọng của đập xuống nền đá cứng chắc ở phía dưới, làm tăng khả năng ổn định của đập Tuy nhiên giải pháp này còn chưa được nghiên cứu đầy đủ mà mới chỉ được tính toán đưa vào xây dựng thử nghiệm

Hình 1.16: Đập Lòng Sông (Bình Thuận)

Hình 1.17: Đập Tân Giang (Ninh Thuận)

Đập bê tông trọng lực (BTTL) trên nền đất yếu thường có đáy rộng hơn đập BTTL trên nền đá gốc để tăng diện tích chịu tải của nền, do đó làm tăng chi phí xây dựng, tăng mức độ khó khăn khi thiết kế Phương án xây dựng đập trên hệ móng cọc có thể giải quyết được phần nào khó khăn đó, sử dụng hình thức đập rỗng hoặc dùng các vật liệu rẻ tiền hơn độn vào lòng đập để tiết kiệm chi phí

Hiện tại ở nước ta đang tiến hành xây dựng một số đập như đập Ngàn Trươi (Hà Tĩnh) có phần đập tràn xây dựng theo dạng này

Hình 1.18: Hồ chứa nước Ngàn Trươi(Hà Tĩnh )

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH TÍNH TOÁN ĐẬP BÊ TÔNG

TRỌNG LỰC

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thức mặt cắt đập bê tông trọng lực

Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực được thiết kế dạng hình thang hoặc chữ nhật, sau này do tiến bộ của khoa học kĩ thuật nên mặt cắt đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc đa giác

Cơ sở lý luận để tính toán mặt cắt đập là đập phải đồng thời đảm bảo các yêu cầu về ổn định, ứng suất và kinh tế

1 Điều kiện ổn định: Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt, lật trên mặt cắt nguy hiểm nhất không nhỏ hơn trị số cho phép Kminmin > [K]

2 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 σmax

≤ [σ]

3 Điều kiện kinh tế: Đảm bảo giá thành công trình là rẻ nhất

Các nghiên cứu cải tiến mặt cắt đập BTTL không ngừng phá triển Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao an toàn và giảm khối lượng xây dựng đập Hình dạng mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực tương đối đa dạng Trong các nghiên cứu cũng như các tính toán thiết kế sơ bộ, các mặt cắt đập được quy về dạng mặt cắt tính toán dạng tam giác [6]

Hình thức mặt cắt đập BTTL chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Ngoại lực tác dụng lên đập, vật liệu xây dựng, nhiệm vụ của đập, kỹ thuật thi công, điều kiện địa chất, địa hình,

2.2 Giới thiệu về các phương án tính toán

2.2.1 Mặt cắt cơ bản của đập BTTL

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 Kích thước mặt cắt cơ bản của đập được xác định theo 3 điều kiện cơ bản sau:

* Điều kiện ổn định:

Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất phải lớn hơn trị

số cho phép: K > [Kc]

* 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 chính

nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số cho

phép

* Điều kiện kinh tế:

Đảm bảo giá thành (hay khối lượng) công trình

là nhỏ nhất

2.2.2 Mặt cắt thực tế của đập BTTL

Ở trên ta chỉ mới tiến hành xác định mặt cắt

tính toán gồm mặt cắt cơ bản và mặt cắt kinh tế

của đập BTTL dưới tác dụng của các lực chủ yếu

nhất Trong điều kiện thực tế đập còn chịu tác dụng của nhiều tải trọng khác như: áp lực bùn cát, áp lực sóng, lực quán tính động đất…Khi xét tới các tải trọng đó đáy đập phải lớn hơn Đỉnh của đập không tràn nước cần phải đủ rộng để đảm bảo yêu cầu của giao thông và cấu tạo, phải cao hơn mực nước cao nhất ở thượng lưu để đảm bảo không bị tràn nước trong quá trình làm việc

Đối với đập tràn do yêu cầu tháo nước, đỉnh đập được hạ thấp xuống nên trọng lượng đập giảm đi một ít Mái đập hạ lưu thường có dáng cong Chân nối tiếp với công trình tiêu năng thường uốn cong theo một cung tròn có bán kính R; hoặc do cấu tạo tràn có mũi phun nên ở chân đập tăng thêm một khối lượng bê tông nằm ngoài mặt cắt cơ bản Sự thay đổi này có ảnh hưởng đến phân bố ứng suất trong đập nhưng không lớn.Nói chung sự thay đổi về hình dạng của đập do các lực được xét đầy đủ hơn, hoặc do yêu cầu về cấu tạo của đập làm thay đổi trị số và sự phân bố ứng suất trong thân đập cũng như trạng thái ổn định và độ bền của đập

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán mặt cắt cơ bản của đập

BTTL

Hình dạng mặt cắt thực tế của đập còn phụ thuộc vào điều kiện nối tiếp của đập với nền và bờ hoặc với công trình khác Hình dạng mặt cắt của đập cũng phụ thuộc vào các biện pháp đặc biệt như tạo khe rỗng trong thân đập để giảm khối lượng công trình đồng thời cải thiện được điều kiện tỏa nhiệt khi đổ bê tông thân đập [6]

Hình 2.2: Mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực

2.2.3 Các phương pháp tính toán ổn định đập bê tông trọng lực

+ Phương pháp trạng thái giới hạn:

Hiện nay nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới tính toán ổn định và độ bền của đập theo trạng thái giới hạn thứ nhất Phương pháp này được dùng để tính cho đập xây trên nền đá cũng như đập xây trên nền đất Trong biểu thức kiểm tra, tải trọng và khả năng chịu lực được biểu diễn bằng các đại lượng tổng quát là lực, momen hoặc là ứng suất vì vậy có thể dùng kiểm tra ổn định chống trượt, ổn định chống lật và độ bền của đập và nền

+ Phương pháp hệ số an toàn chống trượt tại mặt tiếp giáp giữa đập và nền:

Đập xây trên nền đá, mặt trượt tính toán là mặt tiếp giáp giữa đập với nền hoặc trượt theo các lớp kẹp mềm yếu Mặt trượt có thể nằm ngang hoặc nghiêng một góc

α với phương ngang Hệ số an toàn chống trượt được tính theo công thức chỉ xét đến lực ma sát trên mặt phá hoại hoặc công thức tính đến lực chống cắt trên mặt phá hoại cho giá trị lớn hơn công thức chỉ xét đến lực ma sát vì vậy khi lựa chọn hệ số

an toàn cho phép [K] phải chú ý đến sự khác biệt giữa hai công thức này [6]

2.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp – quan điểm tính toán và trường hợp ứng dụng

2.3.1 Các quan điểm về lựa chọn tiêu chuẩn ổn định đập:

Trong các nghiên cứu về ổn định đập bê tông trọng lực có nhiều quan điểm khác nhau về lựa chọn tiêu chuẩn ổn định đập Dưới đây trình bày một số quan điểm:

- Quan điểm 1: Nếu trên mặt cắt đập có một điểm bất kỳ bị phá hoại thì coi là toàn

bộ mặt cắt bị phá hoại Đây là một quan điểm tương đối cực đoan Tính toán để tìm được lời giải hợp lý có điểm phá hoại để đặc trưng cho phá hoại cả mặt cắt tiêu biểu dẫn đến đập bị mất ổn định là việc làm phức tạp, không khả thi Quan điểm này thường dẫn đến tăng khối lượng công trình

- Quan điểm 2: Khi lực ma sát trên mặt tiếp xúc giữa đập và nền không đủ khả

năng chống trượt thì đập mất ổn định Quan điểm này còn nhiều hạn chế, chưa phản ánh đúng tình hình làm việc của đập bê tông, thường chỉ phù hợp với đập làm việc trên nền đá gốc, móng nông Với trường hợp đập trên nền đất yếu; nền hệ cọc thì không phù hợp

- Quan điểm 3: Lấy tiêu chuẩn biến hình cực hạn làm chuẩn tính toán, khi đập làm

việc vượt quá giới hạn này thì coi như đập làm việc không bình thường Quan điểm này phù hợp về mặt lý luận tuy nhiên trả lời được câu hỏi khi nào gọi là biến hình cực hạn? Đây là một khó khăn, khi tính toán phải kết hợp với tiêu chuẩn cường độ

để nghiên cứu

- Quan điểm 4: Tiêu chuẩn ổn định tạm thời Có thể hình dung tiêu chuẩn này nằm

giữa giới hạn phá hoại và không phá hoại Giới hạn tạm thời cho phép đập làm việc đến một giới hạn phá hoại nào đó của vật liệu hoặc một phạm vi nào đó của mặt cắt

so với khả năng làm việc của vật liệu hoặc tổng thể đập vẫn còn đủ nhỏ, vẫn còn phù hợp với các điều kiện kinh tế kĩ thuật Đây là một quan điểm tương đối toàn diện Tuy nhiên các nghiên cứu chưa hoàn thiện Vì vậy hiện nay chưa được đưa vào các quy phạm để tính toán thiết kế đập rộng rãi [6]

2.3.2 Các phương pháp phân tích ứng suất đập BTTL:

2.3.3.1 Mục đích tính toán

Phân tích ứng suất của đập nhằm kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng để thiết kế vật liệu phù hợp với từng bộ phận của đập Mục đích cuối cùng là đảm bảo được các điều kiện kinh tế - kỹ thuật

2.3.3.2 Trường hợp tính toán

1 Trường hợp khai thác: Đập làm việc dưới điều kiện tác dụng của 2 tổ hợp lực:

- Tổ hợp lực cơ bản

- Tổ hợp lực đặc biệt

2 Trường hợp thi công: Đập vừa thi công xong hồ chưa có nước tác dụng Trong

thực tế 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

3 Trường hợp sửa chữa: Đập đã khai thác được một thời gian, một số bộ phận

hỏng hóc cần sửa chữa lại

2.3.3.3 Các phương pháp phân tích ứng suất

Trong tính toán thiết kế và phân tích đập bê tông trọng lực hiện nay thường sử dụng ba phương pháp tính toán sau để phân tích ứng suất:

- Phương pháp sức bền vật liệu: Còn gọi là phương pháp phân tích trọng lực hoặc

phương pháp phân tích tuyến tính Phương pháp này đơn giản cho kết quả đủ độ tin cậy trong các bài toán thiết kế đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp

- Phương pháp lý thuyết đàn hồi: Phương pháp này xem thân đập như là một môi

trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu tuân theo định luật Hook Nói chung với những đập cao các giả thiết

đó cơ bản phù hợp với tình hình thực tế Phương pháp này có thể giải quyết được những vấn đề đặc biệt như ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt mà phương pháp sức bền vật liệu không giải quyết được

- 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 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 [6]

2.3.3.4 Ưu nhược điểm và trường hợp ứng dụng của các phương pháp

- Phương pháp sức bền vật liệu:

Ưu điểm: Tính được ứng suất biến dạng dễ dàng Tính được các giá trị  x, y, xytại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi

điểm khác nhau

Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số khá lớn, không phản ánh đúng trạng thái

ứng suất biến dạng công trình Nguyên nhân là do các giả thiết gần đúng của phương pháp này Mặt khác không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có

biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ, ứng suất nhiệt

Trường hợp áp dụng: Do sai số lớn nên phương pháp sức bền vật liệu thường chỉ

dùng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ

- Phương pháp lý thuyết đàn hồi:

Ưu điểm: Giải được các bài toán phức tạp như ứng suất tập trung, ứng suất xung

quanh lỗ khoét, ứng suất nhiệt vv mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết được Với kết cấu có dạng tải và điều kiện biên đơn giản thì tính toán tương

đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác tương đối cao

Nhược điểm: Khó thực hiện được với những trường hợp kết cấu có hình dạng, tải

trọng và điều kiện biên phức tạp, vật liệu không đồng nhất, dị hướng Không xét được ảnh hưởng biến dạng của nền

Trường hơp áp dụng: Phương pháp này cho kết quả chính xác hơn so với phương

pháp Sức bền vật liệu Tính toán tương đối đơn giản, dễ áp dụng song chỉ áp dụng được cho các kết cấu có dạng hình học, tải trọng và điều kiện biên đơn giản

- Phương pháp phần tử hữu hạn:

Ưu điểm: Đây là phương pháp tổng quát giải gần đúng và hiệu quả cho bài toán kỹ

thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả với các bài toán có dạng hình học, tính chất ở

lý, điều kiện biên và tải trọng phức tạp Từ các kết cấu công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi đến các bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy khí Phương pháp này đã giải được bài toán có xét đến ảnh hưởng của nền, tính dị hướng của vật liệu Phương pháp này đặc biệt tiện lợi khi

giải các bài toán tìm ứng suất biến dạng quanh lỗ khoét, ứng suất tiếp xúc, ứng suất

nhiệt

Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện tính toán bằng

tay, mặt khác việc mô hình hóa kết cấu thực về sơ đồ tính còn gặp một số khó khăn, khi chưa thành thạo có thể gặp sai sót dẫn đến lời giải kém chính xác

Trường hợp áp dụng: Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ tin học, phương

pháp PTHH ngày càng chứng tỏ ưu thế, giải được hầu hết các bài toán mà các phương pháp khác gặp khó khăn hoặc không thể giải được Hiện nay đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong thực tế Kể cả các công trình cỡ lớn Trong luận văn tác giả áp dụng phương pháp này để tính toán

2.4 Một số vấn đề chưa hợp lý trong tính toán đập bê tông trọng lực

Đập BTTL là những công trình có khối lượng bê tông rất lớn Do vậy việc giảm khối lượng công trình mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật là một yêu cầu rất quan trọng Tuy nhiên trong các quy phạm tính toán hiện nay chủ yếu sử dụng các phương pháp tính toán gần đúng, mô hình hóa chưa sát với thực tế làm việc của công trình Dẫn đến tăng khối lượng công trình không cần thiết

Mặt khác việc lựa chọn phương án thường chỉ dựa trên việc so sánh kinh tế, kỹ thuật của 3 đến 5 phương án khác nhau nên chưa thể đảm bảo phương án chọn là tối

ưu nhất

Do vậy, yêu cầu đặt ra là phát triển các phương pháp tính toán để giảm bớt các giả thiết gần đúng, mô hình hóa công trình sát với thực tế để giảm tối đa kinh phí xây dựng công trình mà vẫn đảm bảo các yêu cầu an toàn, ổn định của công trình Hiện nay việc mô hình hóa đập bằng phương pháp PTHH giúp phân tích quá trình làm việc sát với thực tế hơn Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm cũng dần phát triển để tìm được phương án tối ưu nhất từ việc giải các hàm mục tiêu

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ĐẬP BÊ TÔNG

TRÊN NỀN VÀ CỌC

3.1 Giới thiệu về Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và một số phần mềm thông dụng hiện nay

3.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp tính đã được hình thành và phát triển từ những năm 1950, nhưng do yêu cầu tính toán của một bài toán thực tế thường đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn nên việc ứng dụng phương pháp này trước đây gặp không ít khó khăn Chỉ có đến khi có sự xuất hiện của máy tính cá nhân cùng với những tiến bộ của công nghệ tin học trong những năm gần đây mới thật sự cho phép phương pháp này được ứng dụng một cách phổ biến và rộng rãi Cùng với việc tính giải các đại lượng cơ học của kết cấu như biến dạng, ứng suất, chuyển vị…PP PTHH còn là cơ sở của lĩnh vực mô phỏng hóa trong các bài toán thiết kế Thông qua sự phát triển của kỹ thuật đồ họa trên máy tính người ta có thể mô phỏng hóa các hoạt động của kết cấu; giả định vô số các phương án tính toán để từ đó chọn lựa giải pháp tối ưu Điều này cho phép giảm chi phí và thời gian cho các thí nghiệm theo phương pháp truyền thống

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật máy tính đã trở thành một bộ phận quen thuộc và không thể thiếu trong các hoạt động nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tiễn Theo đó, ngày càng xuất hiện nhiều hơn các chương trình tính toán sử dụng PP PTHH với phạm vi ứng dụng ngày càng phong phú và đa dạng: Tính toán kết cấu, tính toán nhiệt, điện từ, mô phỏng, tối ưu hóa …Đối với thực tế ở Việt Nam

PP PTHH cũng từng được nghiên cứu và ứng dụng khoảng 25÷30 năm trở lại đây với số lượng người tham gia nghiên cứu ngày càng tăng nhanh, phạm vi ứng dụng ngày càng phong phú thêm.[7]

PP PTHH cũng thuộc loại bài toán biến phân, song khác với các phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó không tìm dạng hàm xấp xỉ của hàm cần tìm trong toàn miền nghiên cứu mà chỉ trong từng miền con thuộc miền nghiên cứu đó Điều này thuận lợi đối với những bài toán mà miền nghiên cứu gồm nhiều miền con có những

đặc tính khác nhau, ví dụ như các bài toán về đập, nền không đồng chất, đập vật liệu địa phương, địa chất nền nhiều lớp, công trình làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau.[2]

Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH

Bước 1: Chia miền tính toán thành nhiều các miền con (gọi là các phần tử):

Các phần tử này được nối với nhau bởi một số hữu hạn các nút Các nút này có thể là đỉnh, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử

Các phần tử thường được sử dụng là các phần tử dạng thanh, dạng phẳng, dạng

khối như trên hình 3.1.

Bước 2: Trong phạm vi của mỗi phần tử ta giả thiết một dạng phân bố xác định nào

đó của hàm cần tìm như: Hàm chuyển vị, hàm ứng suất, hàm biến dạng

Thông thường ta giả thiết các hàm này là những đa thức nguyên mà các hệ số của

đa thức này gọi là các thông số Trong phương pháp PTHH, các thông số này được biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của các đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử

Hình 3.1: Các phần tử cơ bản trong phương pháp PTHH

Tùy theo ý nghĩa của hàm xấp xỉ mà trong các bài toán kết cấu ta thường chia

thành 3 loại mô hình:

a Mô hình tương thích: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố

của chuyển vị trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange

b Mô hình cân bằng: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố của

ứng suất hay nội lực trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng

mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano

c Mô hình hỗn hợp: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố của

cả chuyển vị lẫn ứng suất trong phần tử Ta coi chuyển vị và ứng suất là 2 yếu tố độc lập riêng biệt Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hellinger

Như trên đã nói, các hàm xấp xỉ thường được chọn dưới dạng đa thức nguyên dạng của đa thức này được chọn để bài toán hội tụ, có nghĩa là ta phải chọn đa thức

để khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận tới kết quả chính xác

Mặt khác hàm xấp xỉ cần phải chọn để đảm bảo được một số yêu cầu nhất định, trước tiên là phải thỏa mãn các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi Nhưng

để thỏa mãn tất cả các yêu cầu thì sẽ rất phức tạp trong việc chọn mô hình và lập thuật toán Do đó người ta phải giảm bớt một số điều kiện nhưng vẫn đảm bảo nghiệm đạt được độ chính xác yêu cầu

Trong 3 mô hình trên thì mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơn cả, còn

2 mô hình sau chỉ sử dụng trong một số bài toán nhất định

Bước 3: Thiết lập hệ phương trình cơ bản của bài toán:

Để thiết lập hệ phương trình cơ bản của bài toán giải bằng PP PTHH ta dựa vào các nguyên lý biến phân Từ các nguyên lý biến phân ta rút ra được hệ phương trình

cơ bản của bài toán có dạng hệ phương trình đại số tuyến tính:

Bước 4: Giải hệ phương trình cơ bản:

Giải hệ (3.1) sẽ tìm được các ẩn số tại các điểm nút của toàn miền nghiên cứu

Bước 5: Xác định các đại lượng cơ học cần tìm khác:

Để xác định các đại lượng cơ học cần tìm khác ta dựa vào các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi

PP PTHH có thể tính toán cho cả bài toán tĩnh và bài toán động Trong luận văn này chỉ trình bày PP PTHH tính toán cho trường hợp bài toán tĩnh

3.1.2 Các quan hệ cơ bản trong một phần tử

3.1.2.1 Nguyên lý công khả dĩ của Lagrange áp dụng cho hệ đàn hồi

Giả sử có một vật thể đàn hồi có thể tích V, diện tích bề mặt chịu tải là SP, diện tích bề mặt có điều kiện biên chuyển vị là Sn (Hình

3.2)

Ngoại lực tác dụng vào vật gồm:

- Lực thể tích trong 1 đơn vị thể tích: X, Y, Z

- Lực bề mặt trên 1 đơn vị diện tích: Xp, Yp, Zp

Gọi chuyển vị khả dĩ của phân tố ứng với ngoại lực trên

là u, v, w ta được công khả dĩ của các ngoại lực:



P P P P

ds w Z v Y u X dv

Zw Yv Xu

Hình 3.2: Mô phỏng

về vật thể đàn hồi

Như đã trình bày trong mục 3.1.1, khi sử dụng mô hình tương thích cần chọn một hàm xấp xỉ chuyển vị trong phạm vi phần tử Với vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính, có thể giả thiết chuyển vị tại một điểm bất kỳ M trong phần tử dưới dạng một đa thức nguyên, với bài toán không gian đa thức này được biểu diễn

ở dạng:

) , , ( )

, , ( )

, , ( )

, , ( )

,

,

(

1 2

2 1

[ , ,

) , , (

) , , (

 M z

y x w

z y x v

z y x u