Nghiên cứu lựa chọn kích thước của bản mặt bê tông trong đập đá đổ bê tông bản mặt sông cạn

LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡcủa các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập,nghiên cứ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡcủa các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập,nghiên cứu và tìm tòi, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân đến nay đề tài

“Nghiên cứu lựa chọn kích thước của bản mặt bê tông trong đập đá đổ bê tông bản mặt Sông Cạn” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định.

Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo T.S NguyễnKiên Quyết và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cungcấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn Tác giả xinchân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ công nhân viên Phòng Đào tạo Đạihọc & Sau đại học, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điềukiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện đào tạo & Khoa học ứngdụng miền Trung – nơi tác giả đang công tác; gia đình, bạn bè & đồng nghiệp đã độngviên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản thân tácgiả còn ít nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhậnđược ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài củaluận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Ninh Thuận năm 2017

HỌC VIÊN

Lưu Văn Kiên

BẢN CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trích dẫn, kếtquả nghiên cứu trong Luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trongbất kỳ công trình nào khác

HỌC VIÊN

Lưu Văn Kiên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 2

III Cách tiếp cận và phương pháp thực hiện 2

IV Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ 3

1.1 Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt trên thế giới 3

1.2 Tình hình xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông ở việt nam 8

1.3 Những thành tựu, tồn tại trong xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt ở Việt Nam……… 11

1.3.1 Những thành tựu 11

1.3.2 Những tồn tại 11

1.4 Những vấn đề kĩ thuật trong thiết kế đập đá đổ bê tông bản mặt 12

1.4.1 Phân loại đập đá đổ bê tông bản mặt 12

1.4.1.1 Phân loại theo vật liệu đắp đập 12

1.4.1.2 Phân loại theo chiều cao đập 13

1.4.1.3 Phân loại theo cấp công trình 13

1.4.2 Cấu tạo các bộ phận của đập đá đổ bê tông bản mặt 14

1.4.3 Điều kiện nền xây dựng đập CFRD 15

1.4.4 Vật liệu xây dựng đập 18

1.4.4.1 Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp 18

1.4.4.2 Vật liệu đá đắp thân đập 19

1.4.5 Vấn đề ổn định trượt 20

1.4.6 Vấn đề ứng suất - biến dạng 21

1.4.7 Vấn đề về thấm 21

1.4.8 Giải pháp kháng chấn cho thân đập ở vùng có địa chấn 21

1.5 Tình hình chịu lực và đặc điểm của bản mặt bê tông [2] 22

1.6 Kết luận chương 1 24

1.6.1 Ưu điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt 24

1.6.2 Nhược điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt 24

1.6.3 Kết luận 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẬP ĐÁ ĐỔ BÊ TÔNG BẢN MẶT 26

2.1 Các phương pháp chủ yếu tính toán trạng thái ứng suất biến dạng cho CFRD 26

2.1.1 Các phương pháp tính toán ứng suất- biến dạng 26

2.1.2 2.2.2 Phương pháp tính toán được lựa chọn để phân tích trong luận văn 27

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn [3] 27

2.2.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH 28

2.2.2 Giải bài toán phân bố ứng suất-biến dạng trong thân đập và bản mặt bê tông

bằng phương pháp PTHH 29

2.2.2.1 Các giả thiết cơ bản và phiến hàm thế năng 29

2.2.2.2 Phần tử tứ diện và hàm xấp xỉ bậc nhất 31

2.2.2.3 Phần tử tấm hình chữ nhật 34

2.3 Tổng quan về phần mềm SAP2000 [4] 37

2.3.1 Phần mềm SAP2000 và những ưu điểm 37

2.3.2 Bài toán hình khối (Solid) 38

2.3.2.1 Khái niệm về bài toán khối 38

2.3.2.2 Một số quy ước về phần tử khối 38

2.3.3 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng SAP2000 V14 40

2.4 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC BẢN MẶT VÀ ÁP DỤNG CHO ĐẬP SÔNG CẠN 41

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố tới đập bản mặt 41

3.1.1 Mô hình tính toán 41

3.1.2 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 42

3.1.3 Ảnh hưởng của chiều cao đập 42

3.1.3.1 Các tham số tính toán 42

3.1.3.2 Kết quả tính toán 42

3.1.4 Ảnh hưởng của nhân tố nền 46

3.1.4.1 Các tham số tính toán 46

3.1.4.2 Kết quả tính toán 47

3.1.5 Ảnh hưởng của mái đập 51

3.1.5.1 Các tham số tính toán 51

3.1.5.2 Kết quả tính toán 52

3.2 Xây dựng mối tương quan giữa chiều rộng bản mặt và chiều cao của đập 56

3.2.1 Các tham số tính toán 56

3.2.2 Kết quả tính toán 57

3.3 Áp dụng cho đập đá đổ bê tông bản mặt Sông Cạn 60

3.3.1 Giới thiệu công trình [5] 60

3.3.1.1 Vị trí địa lý 60

3.3.1.2 Nhiệm vụ 60

3.3.1.3 Quy mô công trình 60

3.3.1.4 Chỉ tiêu cơ lý của đá đắp đập và nền 62

3.3.2 Tính toán lựa chọn kích thước bản mặt 62

3.3.2.1 Phạm vi tính toán 62

3.3.2.2 Tham số hình học và sơ đồ tính toán 62

3.3.2.3 Phân tích kết quả tính toán 64

3.4 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

1 Những kết quả đạt được của luận văn 68

2 Những kết luận của luận văn 68

3 Những tồn tại của luận văn 69

4 Những kiến nghị của luận văn 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Toàn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđônêxia 5

Hình 1.2 Mặt cắt đập Cirata cao 125m 6

Hình 1.3 Đập Kanaviou - Cyprus 6

Hình 1.4 Toàn cảnh đập Toulnustouc cao 77m - Canada 6

Hình 1.6 Toàn cảnh thuỷ điện Tuyên Quang nhìn từ hạ lưu 9

Hình 1.7 Mặt cắt đại điện công trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt 10

Hình 1.8 Vai phải đập đá đổ bê tông Bản mặt Cửa Đạt tháng 2/2008 10

Hình 1.9 Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng đá cứng 12

Hình 1.10 Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏi 12

Hình 1.11 Mặt cắt ngang điển hình của đập đá đắp bê tông bản mặt 14

Hình 1.12 Bố trí vùng tầng đệm đặc biệt 15

Hình.1.13 Khớp nối dọc bị ép vỡ ở đập Mohale (Lesotho, Châu Phi) 23

Hình 2.1 Màn hình khởi động của phần mềm SAP2000 37

Hình 2.2 Phần tử khối trong SAP2000 38

Hình 2 3 Phần tử khối trong SAP2000 39

Hình 2.4 Phần tử khối 6 mặt và khối 5 mặt 39

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán cho một một dải bản mặt khối đá đổ 41

Hình 3.2 Mô hình tính toán cho một một dải bản mặt khối đá đổ 41

Hình 3.3 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao đập 40m .43

Hình 3.4 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao đập 60m .44

Hình 3.5 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với chiều cao đập 80m .45

Hình 3.6 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt.46 Hình 3.7 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có E = 2*104 T/m2 48

Hình 3.8 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có E = 1*105 T/m2 49

Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH nền có E = 1,8*105 T/m2 50 Hình 3.10 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt.51

Hình 3.11 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số

mái mTL=1,30; m=1,25 53

Hình 3.12 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số mái mTL=1,40; m=1,35 54

Hình 3.13 Biểu đồ ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt ứng với TH hệ số mái mTL=1,50; m=1,45 55

Hình 3.14 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất chính mặt trên và mặt dưới tấm bản mặt.56 Hình 3.15 Biểu đồ ứng suất chính S11 lớn nhất 58

Hình 3.16 Biểu đồ ứng suất chính S22 lớn nhất 58

Hình 3.17 Biểu đồ ứng suất chính S33 lớn nhất 59

Hình 3.18 Cắt ngang đập điển hình 61

Hình 3.19 Cắt ngang đập điển hình 63

Hình 3.20 Phổ màu ứng suất chính S1 64

Hình 3.21 Phổ màu ứng suất chính S2 64

Hình 3.22 Phổ màu ứng suất chính S3 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Một số đập trên thế giới cao trên 100m 4

Bảng 1-2 Đập đá đổ bản mặt đang xây dựng cao trên 100m ở Trung Quốc 7

Bảng 1-3 Cấp công trình theo chiều cao đập và tính chất nền [1] 13

Bảng 1-4 Tên đất đá theo phân loại của Nga 16

Bảng 1-5 Sức kháng nén của vật liệu đá ứng với chiều cao đập 19

Bảng 1-6: Hệ số mềm hóa cho phép của vật liệu đá 20

Bảng 3-1 Tham số hình học của đập 42

Bảng 3-3 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.1 (Hđ = 40m) 43

Bảng 3-4 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.2 (Hđ = 60m) 43

Bảng 3-5 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH1.3 (Hđ = 80m) 44

Bảng 3-6 Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới 45

Bảng 3-7 Tham số hình học của đập 46

Bảng 3-8 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền 47

Bảng 3-9 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.1 nền có E = 2*104 T/m2 47

Bảng 3-10 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.2 nền có E = 1*105 T/m2 48

Bảng 3-11 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH2.3 nền có E = 1,8*105 T/m249 Bảng 3-11 Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới 50

Bảng 3-12 Tham số hình học của đập 51

Bảng 3-13 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền 52

Bảng 3-15 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH3.2 hệ số mái mTL=1,40; mHL =1,35 53

Bảng 3-16 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt ứng với TH3.3 hệ số mái mTL=1,50; mHL=1,45 54

Bảng 3-17 Chênh lệch ứng suất mặt trên và mặt dưới 55

Bảng 3-18 Tham số hình học của đập 56

Bảng 3-20 Ứng suất chính lớn nhất 57

Bảng 3-21 Chỉ tiêu cơ lý của đá đắp đập và nền 62

Bảng 3-22 Tham số hình học của đập 63

Bảng 3-23 Ứng suất chính dọc tấm bản mặt 65

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

ƯSBD: Ứng suất biến dạng

VLĐP: Vật liệu địa phương

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Các đập đá đổ ở nước ta và trên thế giới thường được xây dựng bằng hình thức: thânđập là đá đổ và chống thấm là tường nghiêng hoặc lõi giữa bằng đất sét hoặc bê tôngatphal Tuy nhiên khi nguồn vật liệu làm kết cấu chống thấm khan hiếm hoặc ở vùngthời tiết không thuận, mưa nhiều, yêu cầu tiến độ thi công nhanh, hoặc cần giảm côngtrình dẫn dòng bằng cách cho tràn qua mặt đập xây dở, … thì hình thức đập đá đổchống thấm bằng lõi giữa hoặc tường nghiêng không còn phù hợp nữa mà thay thế vào

đó là đập đá đổ chống thấm bằng lớp bê tông bản mặt

Đập đá đổ chống thấm bằng bê tông bản mặt (Concrete Face Rockfill Dams) được xâydựng đầu tiên vào năm 1985 tại Mỹ, đã dần thay thế các đập đá đổ truyền thống Vớinhững ưu điểm nổi bật của mình, nó đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển

từ lâu, đặc biệt là Trung Quốc, Nga, Mỹ và ngày càng được hoàn thiện về phươngpháp tính toán cũng như phương pháp xây dựng Ưu điểm chính của loại đập này là thicông nhanh, giảm khối lượng đắp đập, áp dụng cho các đập có chiều cao lớn, có thểcho nước tràn qua mặt đập đang xây dựng, chủ động trong thi công nên rút ngắn đượcthời gian xây dựng công trình, giảm được giá thành và đạt hiệu quả kinh tế Tuy nhiên

để đảm bảo được chất lượng và lợi thế của CFRD đòi hỏi trình độ tổ chức thi công khácao, trang thiết bị xe máy phải đồng bộ, đồng thời trong công tác khảo sát, thiết kếcũng phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe, đặc biệt là việc xử lý đúng đắn bản chân

và phân khe dọc của bản mặt nhằm đảm bảo việc kín nước và ổn định bền vững khibản mặt bị chuyển dịch và biến dạng

Đập đá đổ bê tông bản mặt là một loại hình thức đập tương đối mới đối với Việt Nam.Trong tính toán thiết kế loại hình đập này điều quan trọng chủ yếu là khống chế biếndạng của bản mặt bê tông nhằm đảm bảo an toàn chống thấm và độ bền tránh phát sinhvết nứt Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là trong tính toán kỹ thuật, thông thường quanniệm bản mặt bê tông được ngàm chặt vào nền và được tựa lên khối đá đổ được đầmchặt theo yêu cầu Chính vì vậy nên trong quá trình làm việc xảy ra hiện tượng chuyển

vị không đều giữa các loại vật liệu khác nhau Chính sự chuyển vị không đều này dẫn

đến biến dạng cục bộ gây mất ổn định cho công trình Với sự phát triển của công nghệtính toán thiết kế hiện nay đã dần mô phỏng được liên kết giữa bản mặt bê tông vàthân đập bằng đá đổ nhằm tiếp cận sát với thực tế quá trình làm việc của đập đá đổ bêtông bản mặt

Nội dung đề tài này tiến hành nghiên cứu mô phỏng đầy đủ các liên kết giữa các bộphận trong đập nhằm tìm ra kích thước bản mặt bê tông một cách hợp lý nhất về điềukiện chịu lực, một trong những nội dung chính trong công tác thiết kế và thi công quantâm - với mong muốn góp phần phát triển vào việc xây dựng mạnh mẽ loại hình đậpnày ở Việt Nam hiện nay

II Mục đích của đề tài

Bản mặt bê tông là phần hết sức quan trọng của đập đá đắp chống thấm bằng bê tôngbản mặt Nó có tác dụng ngăn nước dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu Vì vậy, vấn đềbảo đảm sự làm việc bình thường, không phát sinh các hư hỏng của bản mặt và để giữ

ổn định tổng thể cho cả đập đá đổ bê tông bản mặt là rất quan trọng Mục đích củaluận văn này là sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại để phân tích ứng suất, biếndạng và sự ổn định của đập đá đổ bê tông bản mặt, từ đó đưa ra các kiến nghị về kíchthước của tấm bê tông bản mặt một cách hợp lý

III Cách tiếp cận và phương pháp thực hiện

Việc phân tích điều kiện làm việc đồng thời của bản mặt bê tông và đập đá đắp đượcnghiên cứu dựa trên phương pháp Phần tử hữu hạn

Việc xác định kích thước hợp lý của các tấm bê tông bản mặt dựa vào các lý thuyếtcủa sức bền vật liệu, kết cấu bê tông cốt thép, địa kỹ thuật

IV Kết quả đạt được

Khái quát được tình hình xây dựng đập đá đổ bê bản mặt trên thế giới và Việt Nam;Nắm vững được các yêu cầu kỹ thuật tính toán đập đá đổ bê tông bản mặt;

Xác định được mối tương quan giữa chiều dày và chiều rộng bản mặt theo điều kiệnchịu lực

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ

Đập đá đổ là một loại đập vật liệu địa phương do phần lớn khối lượng đắp là vật liệuđược khai thác tại chỗ (khai thác ở mỏ vật liệu gần công trình hoặc đá đào móng hoặcsỏi đá tự nhiên) Việc bố trí các loại vật liệu trong mặt cắt đập là rất quan trọng Nóquyết định đến tính ổn định trong quá trình làm việc của đập và nhất là tính kinh tế của

dự án Hiện nay mặt cắt đập đá đổ ngày càng phức tạp và được phân ra nhiều vùng.Tuỳ theo việc phân bố ứng suất trong thân đập, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc củacác vùng trong thân đập và căn cứ vào khả năng khai thác vật liệu trong vùng mà mặtcắt ngang của đập sẽ được tính toán để chọn ra mặt cắt hợp lý nhất Người ta thườngtận đất đá đào hố móng công trình để đắp vào một phần thích hợp của đập Đập đá đắp

bê tông bản mặt là một dạng đập trong nhóm đập đá đổ

1.1 Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt trên thế giới

Đập đá đổ bản mặt bê tông có lịch sử phát triển từ rất lâu đời, cách đây khoảng hơn 1thế kỷ các nước đã nghiên cứu xây dựng loại đập này Năm 1895 loại đập này lần đầutiên được xây dựng ở California (Mỹ) Tuy nhiên phải từ những năm 1980 trở đi kiểuđập này mới phát triển mạnh mẽ, do công nghệ thi công đắp đá đầm nén phát triển.J.Barry Cooke là người đầu tiên nghiên cứu loại đập bản mặt bê tông hiện đại vào năm

1984 và vào năm 1989 ICOLD đã có những khuyến nghị về kiểu đập này Từ đó loạiđập này được nhiều nước mạnh dạn áp dụng nhất là Trung Quốc, Mỹ, Anh, Ấn Độ,Nga, Nhật Ở Châu Á đập đá đổ bản mặt bê tông được áp dụng xây dựng cho nhiềucông trình thuỷ lợi, thuỷ điện lớn ở Trung Quốc Trung Quốc đã có được những nghiêncứu và thành công nhất định trong lĩnh vực xây dựng đập loại này Hiện nay đây là mộttrong các loại đập đang phát triển mạnh nhất trên thế giới

Đập đá đổ bản mặt bê tông là loại đập cải tiến của đập đá đổ truyền thống (thường đượcchống thấm bằng tường nghiêng hoặc lõi giữa là đất sét) Mái của đập loại này tươngđối dốc (1:1,0 ~ 1:1.5) do đó tiết kiệm được một lượng lớn vật liệu đắp đập so với đập

đá đổ truyền thống Đập đá đổ bản mặt bê tông thường áp dụng cho các loại đập cao(H>40m) và đặt trên nền đá Việc thiết kế các đập đá đổ bản mặt bê tông ban đầu chủyếu dựa trên kinh nghiệm và được hiệu chỉnh dần

Đến nay việc tính toán thiết kế đập đá đổ bản mặt bê tông đã dần được hoàn chỉnh Đập

đá đổ bản mặt bê tông đã được áp dụng ở nhiều nơi và áp dụng cho cả những đập caotới

187m

Đến cuối năm 2008 theo thống kê của hội đập đá đổ bê tông bản mặt Thế giới thì trênthế giới đã xây dựng được khoảng 200 đập có chiều cao lớn hơn 100m, trong đó có 20đập cao hơn 150m Các đập điển hình được thống kê trong bảng sau (xem Bảng 1-1):

Bảng 1-1 Một số đập trên thế giới cao trên 100m

T

T T đ T ê

C h i

Một số hình ảnh của đập CFRD trên thế giới.

Hình 1.1 Toàn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđônêxia

So với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt, TrungQuốc tuy bước đầu tiên hơi chậm nhưng khởi điểm rất mạnh và phát triển nhanh Chỉtrong vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc Đến cuối năm 1998, căn cứ vào thống kêchưa đầy đủ ở Trung Quốc đã hoàn thành 39 đập, đập cao nhất là đập thuỷ điện BạchVân tỉnh Hồ Nam, xây dựng năm 1998, cao 120m Hiện nay ở Trung Quốc đập CFRDcao trên 100m đang xây dựng có hơn 20 đập (xem bảng 1.2)

Bảng 1-2 Đập đá đổ bản mặt đang xây dựng cao trên 100m ở Trung Quốc

1.2 Tình hình xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông ở việt nam

Đập đá đổ bản mặt bê tông mới được du nhập vào Việt Nam trong những năm gần đây

và đã được áp dụng cho một số công trình như: công trình Thủy điện Tuyên Quang(2002), công trình Thủy lợi - Thủy điện Rào Quán (Quảng Trị, 2002) và công trìnhThủy lợi - Thủy điện Cửa Đạt (Thanh Hoá, 2004), công trình thủy điện An Khê &Kanak (Gia Lai 2009) và đập Sông Bung 2 (Quản Nam, đang xây dựng) Các nguyên lýtính toán và qui phạm áp dụng để thiết kế và thi công những công trình này thường dựavào các qui phạm và kinh nghiệm đã áp dụng thành công cho các công trình cùng loạicủa Trung Quốc và Nga

Đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vàonước ta Tuy nhiên nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so vớicác loại đập khác nhất là với các loại đập cao Với công nghệ và trang thiết bị thi côngngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong quá trình thi công đập đá bê tông bảnmặt chống thấm sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càngphát triển ở nước ta Chúng ta hi vọng hàng loạt các công trình đập đá đổ bê tông bảnmặt sẽ được xây dựng rộng rãi ở trong nước

Thông số kỹ thuật của một số công trình đá đổ bê tông bản mặt đang được xâydựng

- Công trình thuỷ điện Tuyên

Quang

+ Chiều dài đập theo đỉnh : 717,9 m

+ Chiều cao đập lớn nhất : 92,2 m

+ Chiều rộng đỉnh đập : 10 m

+ Mực nước dâng trung bình : 36 m

+ Dung tích hồ chứa nước : 2.245 tỷ m3

+ Số tổ máy : 3

+ Công suất thiết kế : 342 MW

+ Loại đập : Đá đổ bê tông bản mặt

+ Thời gian thi công : 5 năm

Hình 1.6 Toàn cảnh thuỷ điện Tuyên Quang nhìn từ hạ lưu

- Công trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt

+ Loại đập: Đập đá đổ bê tông bản mặt.+ Cao trình đỉnh đập: 122,7m

Hình 1.7 Mặt cắt đại điện công trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt

Hình 1.8 Vai phải đập đá đổ bê tông Bản mặt Cửa Đạt tháng 2/2008

- Công trình thủy điện An Khê & Kanak

+ Loại đập (cụm Kanak): Đập đá đổ bê tông bản mặt

+ Chiều rộng đỉnh đập : 10 m

+ Dung tích hồ chứa nước : 300 triệu m3

+ Số tổ máy : 3

+ Công suất thiết kế : 173 MW

+ Thời gian thi công : 2005-2009 năm

Đập đá đổ nói chung và đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm nói riêng được xâydựng ở nước ta còn ít so với đập đất, tuy nhiên những công trình sử dụng loại đập nàyđều loại đập cao như Ialy, Hòa Bình, Đa Mi-Hàm Thuận (đập đá đổ hoặc đất đá hỗnhợp), thuỷ điện Rào Quán (Quảng Trị), thuỷ điện Tuyên Quang, Hồ chứa nước Cửa Đạt(đập CFRD) và nhiều dự án chuẩn bị đầu tư khác có chiều cao đập từ 50m đến hơn100m.

Đập CFRD là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vào xây dựng ở nước ta Tuynhiên nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so với các loại đập

đá đổ khác, nhất là với các loại đập cao Với công nghệ và trang thiết bị thi công ngàycàng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong quá trình thi công đập đá đổ bê tông bảnmặt chống thấm sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càngphát triển ở nước ta Từ thành công và những kinh nghiệm rút ra từ công tác khảo sát,thiết kế và thi công trong các công trình CFRD như Rào Quán, Tuyên Quang, Cửa Đạt,chúng ta hi vọng hàng loạt các công trình sử dụng CFRD sẽ được xây dựng rộng rãi ởViệt Nam

Ở nước ta chưa có các tiêu chuẩn, qui phạm dành riêng cho các công tác khảo sát, thiết

kế và thi công đập loại này Việc xây dựng đập loại này thường được tiến hành theo cácqui phạm và kinh nghiệm của nước ngoài

1.4 Những vấn đề kĩ thuật trong thiết kế đập đỏ đổ bờ tụng bản mặt

1.4.1 Phõn loại đập đỏ đổ bờ tụng bản mặt

1.4.1.1 Phõn loại theo vật liệu đắp đập

Dựa vào vật liệu dựng để đắp đập người ta phõn thành 2 loại là:

- Đập đỏ đổ bản mặt cú thõn đập được đắp bằng đỏ cứng, loại đập này thường được phõn

vựng vật liệu theo mặt cắt ngang như hỡnh 1.9:

11 5

3 8

6

9 7 2

10 (3E) Vùng đá thải (thoát n•ớc chân đập)

1:1,6) Tuy nhiên thân đập đắp bằng cuội sỏi thì dễ tận dụng vật liệu đào từ móng côngtrình hoặc khai thác với giá thành rẻ hơn.

1.4.1.2 Phân loại theo chiều cao đập

Theo chiều cao đập, tiêu chuẩn thiết kế đập đất đá kiểu đầm nén (SDJ 218-84) củaTrung Quốc đã phân thành 3 loại:

- Đập thấp: chiều cao đập (H)<30m

- Đập vừa: chiều cao đập (H) từ 3070m

- Đập cao: chiều cao đập (H)>70m

Ở đây chiều cao đập được tính từ đỉnh đập đến vị trí sâu nhất của nền sau khi đã dọnsạch hố móng (với đập đá đổ bê tông bản mặt là nền bản chân)

1.4.1.3 Phân loại theo cấp công trình

Theo quy chuẩn Việt Nam (QCVN 04-05:2012/BNNPTNT) thì chiều cao đập đất đáđược xác định như ở sau (xem bảng 1-3)

Bảng 1-3 Cấp công trình theo chiều cao đập và tính chất nền [1]

Nhóm A: Nền là đá

Nhóm B: Nền là đất cát, đất hạt thô, đất sét ở trạng thái cứng, nửa

cứng Nhóm C: Nền là đất sét bão hòa nước ở trạng thái dẻo

Chiều cao đập tính từ mặt đập đến vị trí nền thấp nhất sau khi dọn sạch

móng

N

h ận x ét : Vì đập đá đổ hầu như chỉ xây dựng trên nền đá (yêu cầu nền cao hơn đập

đất) do vậy cũng có thể hiểu đập cấp đặc biệt, I, là đập cao, đập cấp II, III là loại vừa,đập cấp IV là đập thấp

1.4.2 Cấu tạo cỏc bộ phận của đập đỏ đổ bờ tụng bản mặt

Đập đỏ đắp bờ tụng bản mặt chống thấm CFRD cú cấu tạo chớnh là khối đỏ cấp phốiđắp, đầm nộn ở thõn đập và phần bờ tụng cốt thộp mỏc cao phủ trờn bề mặt mỏi thượnglưu để ngăn cản nước thấm qua đập Khối đỏ đắp cũng được chia làm nhiều vựng khỏcnhau như những đập đỏ đổ thụng thường tuỳ thuộc vào cỏc loại đỏ dựng trong thõn đập.Phần tiếp giỏp giữa bờ tụng bản mặt và khối đỏ đắp là lớp đệm (dày từ 2m đến 3m) vàlớp chuyển tiếp (dày 4m) Hai lớp này được cấu tạo bằng cỏt cuội sỏi đầm chặt với cấpphối phự hợp Mặt cắt ngang điển hỡnh của CFRD cho ở Hỡnh

1.11

11 5

3 8

6

9 7 2

10 (3E) Vùng đá thải (thoát n•ớc chân đập)

11 Bản mặt bê tôngHỡnh 1.11 Mặt cắt ngang điển hỡnh của đập đỏ đắp bờ tụng bản mặt

Đỏ đắp trong thõn đập thường được phõn thành hai khối chớnh: khối đỏ đắp thượng lưu

và khối đỏ đắp hạ lưu Khối đỏ đắp thượng lưu đũi hỏi yờu cầu kỹ thuật cao hơn khối đỏđắp hạ lưu (cường độ khỏng nộn lớn hơn 30Mpa cho khối thượng lưu, cũn khối hạ lưuchỉ yờu cầu bằng hoặc nhỏ hơn 30Mpa, cú nơi đó dựng khối đỏ đắp hạ lưu cú cường độkhỏng nộn 10Mpa với điều kiện nằm trờn mực nước hạ lưu) Phạm vi tiếp giỏp hai khối

đỏ này cú thể thay đổi tuỳ thuộc tớnh chất của từng cụng trỡnh: chiều cao đập, vật liệuđắp đập, điều kiện nền v.v Phần chõn hạ lưu đập cú thể bố trớ khối đỏ đổ cú kớch thướclớn hơn trong thõn đập để tăng khả năng ổn định cho đập

Bờ tụng bản mặt cú tỏc dụng chống thấm cho đập và được liờn kết với nền qua bảnchõn Tại điểm tiếp giỏp giữa bản mặt và bản chõn được bố trớ khớp nối biờn đảm bảongăn dũng thấm khi cú chuyển dịch giữa bản mặt và bản chõn Bản mặt cũng đượcchia làm

nhiều tấm bằng các khe lún (khớp nối) dọc để đảm bảo không phát sinh dòng thấm từthượng lưu về hạ lưu khi có sự chuyển dịch khác nhau giữa các tấm bản mặt.

Để đảm bảo cho sự ổn định của phần tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân, người ta bố trímột tầng đệm đặc biệt ngay sau hạ lưu bản chân Tầng đệm này được cấu tạo từ cátcuội sỏi hoặc đá xay và được đầm nện chặt như tiêu chuẩn của lớp đệm dưới bản mặt.Ngoài ra tầng đệm đặc biệt này còn có tác dụng như một lớp lọc khi có sự cố của khớpnối giữa

1.4.3 Điều kiện nền xây dựng đập CFRD

Về cơ bản, điều kiện để xây dựng CFRD cũng tương tự như đập đá đổ thông thường.CFRD đòi hỏi phải thực hiện một khối lượng công tác đất đá lớn bao gồm: khai thác,vận chuyển, đắp vật liệu vào thân đập Đặc biệt đối với đập cao thì việc chuyển tảitrọng lên nền khá lớn cho nên đòi hỏi nền phải có đủ độ bền và ít biến dạng

Theo quy phạm “SDJ 218-84” thì tổng độ lún của đập đá đổ không được lớn hơn 1%chiều cao đập

Với các lý do trên, điều kiện quyết định để xây dựng CFRD về định tính là: Đá nềnđảm bảo yêu cầu cần thiết, bị lún ít dưới tác dụng của tải trọng ngoài Đập đá đổ có yêucầu của địa chất cao ở vị trí đặt lõi đập Tất cả các đập đá đổ được xây dựng ở nước tathì lõi đều được đặt lên lớp đá IIA-IB, đối với đập loại vừa đến thấp hoặc vị trí sườnđồi có thể

đặt trên lớp IB-IA2, vật liệu đá đổ có thể đặt trên lớp IA2-IA1 Ở đây tên gọi của đất đátheo hệ thống phân loại của Nga như liệt kê ở Bảng 1.4.

Bảng 1-4 Tên đất đá theo phân loại của Nga

Ký

thống phân đ

C ủ a N

Hệ thố Hệ

Cựcsạ

n,

d-9xấcò

ĐáI

V Xấu

6 R

ất xấu

5 Xấu

c ch

Thông thường chiều sâu khoan phụt được tiến hành theo số liệu thí nghiệm ép nước lỗkhoan, cần khoan phụt tới hết tầng có độ mất nước q>3lu (luy rông)

Khoảng cách giữa các hàng khoan và giữa các lỗ trong hàng thường được xác địnhthông qua thí nghiệm hoặc theo các công trình tương

tự

Đập Hoà Bình 7 hàng khoan phụt, Ialy 5 hàng, Đa Nhim 3 hàng, Tuyên Quang 3 hàng,Cửa Đạt 4 hàng, v.v các đập trên thế giới cũng thường bố trí không nhỏ hơn 3 hàngkhoan

1.4.4 Vật liệu xây dựng đập

Trước hết phải có đủ vật liệu để đắp các khối cho thân đập như: đá, đất làm lõi, cát sỏilọc, (có thể tận dụng đất đá đào móng) v.v thường thì vẫn phải tính toán thông qualuận chứng hiệu quả kinh tế và tài chính

1.4.4.1 Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp

Lớp đệm thường có chiều dày không đổi và được chọn tuỳ theo thiết bị và phương phápthi công Chiều dày này thường không nhỏ hơn 3m khi thi công bằng máy hoặc có thểgiảm xuống còn từ 11,5m khi thi công bằng thủ công hoặc máy nhỏ Lớp chuyểntiếp

có chiều dày không đổi từ 34m Khi thi công, lớp đệm và lớp chuyển tiếp thườngđược

thi công đồng thời, phần tiếp giáp giữa hai lớp thường được đầm kỹ hơn để đảm bảo sựkhông phân lớp

Lớp đệm trong đập CFRD được bố trí ngay dưới bê tông bản mặt Tác dụng của lớpđệm là tạo bề mặt ổn định cho bê tông bản mặt đồng thời nó cũng có tác dụng như mộtlớp chống thấm Hiện nay cấp phối lý tưởng của lớp đệm do Sherard đề nghị được dùngrất phổ biến Trong thành phần cấp phối đó, các hạt có đường kính nhỏ hơn 5mm cóhàm lượng cao, nó thường chiếm từ 35% đến 55%, các hạt có đường kính nhỏ hơn0,1mm chiếm từ 2% đến 12% Đường kính hạt lớn nhất Dmax= 80mm Cấp phối nàythoả mãn yêu cầu nửa thấm và lọc các hạt bụi Lớp đệm thường được làm bằng hỗnhợp cát cuội sỏi hoặc đá xay có cấp phối liên tục Điểm yếu nhất của đập CFRD làthủng khớp nối biên dẫn đến thấm nghiêm trọng Do vậy một vùng đệm đặc biệt vớivật liệu hạt mịn có Dmax=40mm được dùng khá phổ biến dưới khớp nối biên Nó đượcđầm đến trạng thái chặt hơn để một mặt là giảm độ lún, mặt khác có thể hạn chế dòngthấm, rò rỉ xuất hiện

Vùng chuyển tiếp cũng được làm bằng hỗn hợp cát cuội sỏi hoặc đá xay có cấp phốiliên tục Tuy nhiên tỷ lệ hạt lớn trong vùng chuyển tiếp cao hơn lớp đệm Đườngkính hạt lớn nhất Dmax=300mm Vùng chuyển tiếp này được bố trí ở giữa lớp đệm vàvùng đá đắp chính Nó có tác dụng như một lớp lọc tránh sự rửa trôi các hạt nhỏ từ lớpđệm vào vùng đá chính

1.4.4.2 Vật liệu đá đắp thân đập

Vật liệu đá đắp thân đập có thể dùng đá cứng hoặc kết hợp giữa đá cứng, đá mền vàcuội sỏi Các loại đá dùng đắp đập có thể là đá vôi, đá cát kết, đá tuff, granit v.v Quy trình kỹ thuật của khối đá đổ chính không phải chặt chẽ lắm Nó chỉ cần đảm bảocác yêu cầu: kích thước đá lớn nhất không vượt quá chiều dày lớp đá đắp, thườngDmax

= 8001000mm; hàm lượng các hạt có đường kính nhỏ hơn 25mm không vượtquá

50%; hàm lượng các hạt có đường kính nhỏ hơn 2mm không vượt quá 10%; đá đổ phải

có đặc tính thoát nước dễ dàng Thành phần cấp phối của vật liệu đá đắp thân đập cũngphải liên tục

Các chỉ tiêu của đá thông thường được xác định dựa vào các kinh nghiệm thực tế hiện

có được nêu trong các tiêu chuẩn, quy phạm, sau đó sẽ xem xét mà điều chỉnh qua thínghiệm hiện trường vào thời gian bắt đầu đắp đập Hầu hết đắp ở hiện trường đều đượckhống chế bởi các thông số đắp và bằng sự quyết định dung trọng khô với phương phápđào hố thí nghiệm bổ sung Qua các kết quả đã thu được, người ta thấy rằng dung trọngkhô của đá đắp thường nằm trong khoảng từ 1,79T/m3 đến 2,39T/m3

Các loại đá mền và cuội sỏi thường được dùng đắp trong vùng giữa đập và hạ lưu đập.Việc lún của khối đá hạ lưu ảnh hưởng rất nhỏ đến tấm bê tông bản mặt nên yêu cầu vềchất lượng của nó không đòi hỏi nghiêm ngặt

Có thể sử dụng các loại vật liệu đã khai thác hay lấy từ hố móng công trình, tốt nhất là

sử dụng các loại đá phún xuất và đá biến chất: sức kháng nén của đá sau 50 lần nhúngnước và 26 lần phơi khô tuỳ theo chiều cao đập được phân theo Bảng 1-5 (Sổ tayKTTL

Theo “Cooke and Serard, 1987” thì chỉ yêu cầu cường độ >3000T/m2

Hệ số mềm hóa trong điều kiện khô gió và bão hoà phụ thuộc vào từng loại đá như ởBảng 1-6:

Bảng 1-6: Hệ số mềm hóa cho phép của vật liệu đá T

Độ dốc mái đập đá đổ bản mặt bê tông thường được chọn theo kinh nghiệm hoặc tương

tự theo các công trình đã có (thường là m = 1,01,6 ở hạ lưu và m=1,01,5 ởthượng

lưu), thường không phân tích ổn định Trong các trường hợp sau, cần phải phân tích ổnđịnh mái đập:

- Nền đập có kẹp tầng mềm yếu hoặc nền cuội sỏi kẹp lẫn tầng cát mịn, đất thó;

- Tuyến đập xây dựng ở vùng có động đất cấp 8, 9;

- Khi thi công cho nước tràn qua đập, hoặc dùng tầng đệm chắn nước mức nước

lũ tương đối cao;

- Thân đập đắp bằng đá mềm;

- Điều kiện địa hình không thuận lợi

1.4.6 Vấn đề ứng suất - biến dạng

Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, khối nước ở thượng hạ lưu, tải trọng của cácthiết bị và các loại xe đi trên mặt đập v.v bản mặt, thân đập và nền trong mối quan hệlàm việc đồng thời với nhau sẽ sinh ra ứng suất và biến dạng Do bản mặt tựa hoàn toànlên thân đập nên trạng thái ứng suất biến dạng của nền và thân đập sẽ ảnh hưởng trựctiếp đến trạng thái ứng suất biến dạng của bản mặt Để tránh sự vượt quá giới hạn bềncủa bản mặt, người ta phải chia bản mặt thành các tấm có chiều rộng khác nhau bằngcác khớp nối chạy từ đỉnh đập xuống chân đập (theo chiều vuông góc với trục đập) gọi

là khớp nối dọc Nghiên cứu biến dạng cho ta biết được các chuyển vị đứng, ngang vàdọc theo trục đập, trong đó:

Chuyển vị đứng và ngang của mặt cắt vuông góc với trục đập để xác định độ võng tối

đa của bản mặt, từ đó có các giải pháp xử lý thích hợp

Chuyển vị theo phương dọc trục đập nhằm xác định hướng chuyển dịch của các tấmbản mặt cũng như độ lớn của chuyển dịch của chúng, từ đó xác định được vị trí cácloại khớp nối (khớp nối chịu nén, khớp nối chịu kéo) và độ rộng của các khớp nối.Nghiên cứu ứng suất trong thân đập và bản mặt theo sơ đồ không gian giúp ta phản ánhsát thực trạng thái ứng suất thực của nó Thông qua trạng thái ứng suất của các điểmcho ta một cái nhìn tổng quát hơn về việc phân bố ứng suất của bê tông bản mặt nhằmđưa ra các giải pháp phân chia khớp nối thích hợp

1.4.7 Vấn đề về thấm

Đập CFRD có những khớp nối cấu tạo đặc biệt như đã đề cập ở mục 1.4.2 Do đó,trong quá trình làm việc của đập lượng nước thấm qua thân đập hầu như khôngđáng kể Chính vì vậy trong luận văn này tác giả không đề cập đến vấn đề tính toánthấm trong thân đập

1.4.8 Giải pháp kháng chấn cho thân đập ở vùng có địa chấn

Khi thiết kế đập ở vùng có địa chấn (động đất) cấp 8, 9 nên mở rộng đỉnh đập, mái đậpnên chọn thoải hoặc mái trên dốc mái dưới thoải, chỗ mái thay đổi nên có cơ Mái hạlưu gần đỉnh đập dùng đá quá cỡ để lát, có thể tăng cường thép neo các hòn đá quá cỡvới thân đập, mặt ngoài có thể dùng lưới thép gia cố Nên chọn tường chắn sóng thấp

và có biện pháp tăng cường tính ổn định của tường chắn sóng

Độ vượt cao an toàn của đập ở vùng có địa chấn phải xét đến độ dềnh cao của sóngdưới tác động của sóng có địa chấn Đập xây dựng ở vùng có động đất cấp 8, 9 thì độvượt cao an toàn phải xem xét kể đến cả độ lún của thân và nền đập do tác dụng củađộng đất.

Tăng chiều rộng của vùng tầng đệm, tăng cường sự liên kết thân đập với nền và vaiđập Khi vai đập tương đối dốc, nên kéo dài đường tiếp xúc giữa vật liệu tầng đệm vànền đá và dùng vật liệu tầng đệm có kích cỡ nhỏ hơn

Nên bố trí cốt thép trong bản mặt ở phần đỉnh đập đoạn giữa lòng sông, đặc biệt là cốtthép dọc theo mái

Tăng cường độ đầm nén chặt vật liệu đá đắp đập, đặc biệt là những chỗ địa hình độtbiến

Khi dùng cuội sỏi đắp thân đập phải tăng cường năng lực tiêu nước của vùng thoátnước Trong vùng hạ lưu đập nên bố trí một khu vực nhất định dùng đá đổ

1.5 Tình hình chịu lực và đặc điểm của bản mặt bê tông [2]

Hai bộ phận chống thấm của đập đá đổ bê tông là bản chân và bản mặt được làm bằng

bê tông cốt thép với yêu cầu kín nước để hạn chế tối đa rò rỉ nước từ hồ chứa, tránh mấtnước và gây xói thân đập, làm mất an toàn đập Bê tông cốt thép là loại vật liệu dòn, dễ

bị nứt nẻ khi có biến dạng lớn nên yêu cầu khối đá đầm nện để làm nền cho bản mặt vànền được lựa chọn để đặt bản chân phải ít biến dạng trong quá trình chịu lực Bản mặtđược thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm và đủ "mềm" để có thể biếndạng theo biến dạng của mặt thượng lưu thân đập, nên có bề dày khá mỏng Do vậy,khả năng chịu lực của bản mặt chủ yếu dựa vào sự tiếp xúc chặt chẽ của bản mặt vớimặt thượng lưu của thân đập Về nguyên lý, vì thân đập được đầm nén kỹ, ít bị biếndạng, nên bản mặt hầu như không chịu uốn mà chỉ chịu biến dạng do bê tông co ngót

và dãn nở do biến đổi nhiệt độ Vì vậy trong bản mặt chỉ bố trí một lớp cốt thép ởchính giữa chiều dày của nó Thực tế làm việc cho thấy rất khó thực hiện để hạn chếbiến dạng lớn của thân đập, vì rất khó kiểm soát sự đồng đều của đá dùng để đắp đậpcũng như chất lượng đầm nén các khối đá ở hiện trường với khối lượng thi công lên tớihàng triệu khối Mặt khác, mặc dù bản mặt được đổ khi kết quả quan trắc cho thấy thânđập đã ổn định lún, nhưng trong quá trình tích nước kết quả tính toán cũng như quan

trắc thực tế cho thấy thân đập vẫn tiếp tục bị lún và bị chuyển dịch về phía hạ lưu.Ngoài ra với đập cao,

trong quá trình thi công phải phân đợt đắp đập và đổ bản mặt Thân đập được đắp và đổbản mặt ở đợt trước tiếp tục bị lún và chuyển vị về phía hạ lưu khi đắp tiếp các khốiphía trên ở các đợt thi công sau Kết quả là mặt thượng lưu của đập bị võng và bản mặtmặc dù được thiết kế có chiều dày mỏng, nhưng lại làm bằng bê tông cốt thép là loạivật liệu cứng nên không thể uốn theo mặt thượng lưu của thân đập bị võng như ý địnhcủa người thiết kế, dẫn đến hiện tượng mất tiếp xúc giữa bản mặt và mặt thượng lưucủa thân đập Chính vì lý do nên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân bản mặt vànhất là áp lực nước bản mặt dễ bị nứt, dẫn đến rò rỉ, thẩm lậu nước qua thân đập Cóthể nói, nứt bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông là điều hầu như không thể tránh khỏi,chỉ có vấn đề là số lượng vết nứt ít hay nhiều và bề rộng vết nứt to hay nhỏ.

Vấn đề thứ hai là bản mặt được chia thành nhiều tấm, giữa các tấm là các khe dọc Dovai đập nằm trên sườn dốc nên các khe dọc nằm ở hai bên vai chịu kéo, còn các khenằm giữa lòng sông chịu nén Mặc dù đã có sự tính toán và có các biện pháp cấu tạothích hợp cho từng loại khe, nhưng với nhiều đập vẫn xảy ra sự ép vỡ các khe chịu nén

ở khu vực giữa đập

Hình.1.13 Khớp nối dọc bị ép vỡ ở đập Mohale (Lesotho, Châu Phi)

1.6 Kết luận chương 1

1.6.1 Ưu điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt

Đập đá đổ bê tông bản mặt tận dụng được vật liệu tại chỗ, đặc biệt có thể tận dụng đáđào móng tràn, đường hầm, nhà máy thủy điện để đắp đập, ít phải sử dụng vật liệuhiếm hoặc vận chuyển từ xa về nên nhìn chung đập CFRD có giá thành thấp hơn cácloại đập khác như đập bê tông trọng lực, vòm, bản chống v.v đặc biệt gần chỗ xâydựng công trình hiếm đất, có đủ tiêu chuẩn đắp đập thì đập CFRD còn kinh tế hơn.Đập CFRD có khả năng cơ giới hóa cao trong quá trình khai thác đá, vận chuyển vàđắp đập, có thể thi công ngay cả khi trong mùa mưa Do toàn bộ dòng thấm đã đượcbản mặt bê tông ngăn lại và phần đá đắp trong thân đập được đầm nén chặt nên hệ số

ổn định của mái thượng hạ lưu đập khá cao và mái thượng hạ lưu đập có thể rất dốc(m= 1,4-1,7) dẫn tới khối lượng đắp đá giảm nhỏ so với đập đá đổ thông thường

Đập CFRD yêu cầu địa chất nền thấp hơn đập bê

1.6.2 Nhược điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt

Đập CFRD là loại đập mới (nhất là đối với nước ta) nên các lý thuyết tính toán chưathật hoàn chỉnh, kinh nghiệm xây dựng đập loại này còn rất thiếu

Trong thân đập CFRD có nhiều vùng vật liệu, mỗi vùng có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau

do vậy việc phân bố ứng suất và biến dạng trong thân đập phức tạp, tuy nhiên nó khôngảnh hưởng lớn đến quá trình vận hành an toàn của đập Hiện tượng treo ứng suất hoặcbiến dạng quá mức gây nên các nứt gãy thủy lực đã xẩy ra ở một số công trình ngay cảkhi ở cột nước thấp, đặc biệt khi sự chênh lệch lớn về modul biến dạng giữa các lớp vậtliệu kề nhau

Bản mặt bê tông chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau, thay đổi theo thời gian, làmảnh hưởng đến khả năng chịu lực và tuổi thọ của nó.

Yêu cầu về thiết bị thi công cũng như trình độ thi công cao hơn đập đá đổ thôngthường

1.6.3 Kết luận

Bản mặt bê tông chống thấm là một bộ phận đặc biệt quan trọng trong đập CFRD Nóngăn toàn bộ dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu, đảm bảo cho khối đá đắp phía saulàm việc an toàn Việc hư hỏng bộ phận này sẽ kéo theo những hiểm họa không thểlường trước của CFRD

Do trải dài trên toàn bộ mặt thượng lưu đập nên bản mặt bê tông được phân ra thànhtừng giải với các kết cấu ngăn nước ở phần liên kết (các khe lún) Dưới tác dụng củangoại lực và biến dạng của phần thân đập, phần bản mặt bê tông cũng bị biến dạngtheo Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứunhững nhân tố ảnh hưởng đến bản mặt bê tông Từ đó sẽ xây dựng được mối tươngquan hợp lý giữa kích thước tấm bê tông bản mặt và các nhân tố khác của đập và nền

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẬP

ĐÁ ĐỔ BÊ TÔNG BẢN MẶT

2.1 Các phương pháp chủ yếu tính toán trạng thái ứng suất biến dạng cho CFRD

2.1.1 Các phương pháp tính toán ứng suất- biến dạng

Việc tính toán ứng suất – biến dạng (ƯSBD) của đập đá đắp chính là giải các phươngtrình vi phân đạo hàm riêng và buộc chúng phải thoả mãn các điều kiện biên động học

và tĩnh học Việc giải bài toán đàn hồi có thể được thực hiện bằng các phương pháp giảitích - tức là tìm nghiệm của bài toán đàn hồi từ việc giải các phương trình vi phân đạohàm riêng thoả mãn các điều kiện biên để tìm nghiệm của bài toán dưới dạng hàm giảitích Bài toán đàn hồi còn có thể được giải bằng các phương pháp số là các phươngpháp gần đúng với kết quả không phải là các hàm giải tích mà là những trị số của đạilượng cần tìm tại một số điểm nhất định trong miền tính toán và trên biên Ngoài ra bàitoán đàn hồi còn có thể được giải bằng các phương pháp thí nghiệm mô hình

Các phương pháp giải tích chỉ có thể giải được một số bài toán nào đó Với những kếtcấu có hình dáng đa dạng và điều kiện biên phức tạp thì phương pháp giải tích tỏ rakém hiệu quả và đôi khi không thể giải được

Những nhược điểm của các phương pháp giải tích hoàn toàn có thể được giải quyếtbằng phương pháp số với sự trợ giúp của các phương tiện tính toán Phương pháp sốhay còn gọi là phương pháp rời rạc hoá có thể chia thành hai nhóm chính: phươngpháp rời rạc kiểu toán học và phương pháp rời rạc kiểu vật lý

Trong phương pháp rời rạc kiểu toán học, nghiệm của bài toán không được mô tả quacác hàm mà được thay bằng nghiệm gần đúng mô tả qua một số hữu hạn số với việcchọn tương ứng hệ hàm xấp xỉ Điển hình của phương pháp này là phương pháp saiphân hữu hạn Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận tiện trong việclập trình

Bản chất của phương pháp rời rạc kiểu vật lý là ở chỗ ta thay thế hệ thực (hệ liên tục)bằng một mô hình vật lý gần đúng bằng một số hữu hạn các phần con gọi là các phần

tử Kết quả nhận được từ phương pháp này cũng không phải là các hàm chính xác mà làcác

giá trị số tại các nút của các phần tử Đại diện cho phương pháp này là phương phápphần tử hữu hạn.

2.1.2 2.2.2 Phương pháp tính toán được lựa chọn để phân tích trong luận văn

Do đặc điểm của đập đá đắp là đập có nhiều khối với các loại vật liệu khác nhau, nềnđập thường có nhiều lớp, nên việc giải bài toán ứng suất biến dạng bằng các phươngpháp giải tích là không thích hợp Trong phạm vi luận văn này phương pháp thích hợp

để giải bài toán ứng suất biến dạng trong bản mặt và thân đập là phương pháp phần tửhữu hạn với mô hình không gian 3D

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn [3]

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số hiệu quả để tìm dạng gần đúngcủa một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó Tuy nhiên phương pháp PTHHkhông tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từng miền con

Ve (phần tử) thuộc miền xác định V Do đó phương pháp này rất thích hợp với hàngloạt bài toán vật lý và kỹ thuật trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miềnphức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điềukiện biên khác nhau

Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn các miềncon (Ve) gọi là các phần tử Các phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm địnhtrước trên biên phần tử, gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm (nhưứng suất, biến dạng) được lấy xấp xỉ trong một hàm đơn giản được gọi là các hàm xấp

xỉ Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (và có khi cả đạo hàmcủa nó) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần

tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Tuỳ theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân bài toán theo ba loại môhình sau:

- Mô hình tương thích: lấy chuyển vị làm ẩn số và lập hầm xấp xỉ chuyển vị

- Mô hình cân bằng: lấy ứng suất làm ẩn số, lập hàm xấp xỉ của ứng suất

- Mô hình hỗn hợp: hàm xấp xỉ bao gồm cả chuyển vị và ứng suất

Trong ba mô hình trên thì mô hình tương thích là có tính ưu việt hơn

cả

Ngày nay với sự trợ giúp của công nghệ tin học nhiều bài toán phức tạp trong cácngành kỹ thuật đã giải quyết được băng phương pháp phần tử hữu hạn.

2.2.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH

a) Chia miền tính toán thành nhiều các miền nhỏ gọi là các phần tử Các phần tử đượcnối với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh các phần tử,cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử Tuỳ thuộc bài toán cầngiải có thể sử dụng các loại phần tử dạng thanh, dạng phẳng hoặc phần tử khối

b) Trong phạm vi của mỗi phần tử giả thiết một dạng phân bố xác định nào đó của hàmcần tìm Đối với bài toán kết cấu thì hàm xấp xỉ có thể là hàm chuyển vị hoặc hàm ứngsuất hoặc cả hàm chuyển vị và ứng suất

Đối với bài toán thấm thì hàm xấp xỉ có thể là hàm cột

nước

Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của nó được gọi là cácthông số Trong phương pháp PTHH, các thông số này được biểu diễn qua các trị sốcủa hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử Dạng đathức nguyên của hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để bài toán hội tụ Nghĩa là khităng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận đến kết quả chính xác.Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất định, trướctiên là phải thoả mãn với các phương trình của lý thuyết đàn hồi (bài toán kết cấu), hoặcđịnh luật Darcy (bài toán thấm) Song để thoả mãn chặt chẽ tất cả các yêu cầu thì sẽ gặpnhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tếngười ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo được nghiệm đạt độchính xác yêu cầu

c) Thiết lập hệ phương trình cơ bản bài

{}: véc tơ chuyển vị nút của cả kết cấu

{F}: véc tơ tải trọng nút của toàn bộ kết cấu.

d) Giải phương trình cơ bản (2-1) sẽ tìm được các hàm ẩn của miền xét tại các điểm nút(thông qua giá trị hàm hoặc đạo hàm của

2.2.2 Giải bài toán phân bố ứng suất-biến dạng trong thân đập và bản mặt bê tông bằng phương pháp PTHH

2.2.2.1 Các giả thiết cơ bản và phiến hàm thế năng

Các bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi rất hay gặp trong tính toán công trình, chẳnghạn như khi ta phân tích ứng suất-biến dạng trong thân đập, trong đường hầm áp lực,trong cống hộp v.v Tuy nhiên, như đã nêu trong phần trên, việc nghiên cứu ƯSBDcủa bê tông bản mặt được giải quyết bằng bài toán không gian của lý thuyết đàn hồibao gồm hai trường hợp riêng của bài toán ứng suất không gian hoặc biến dạng khônggian

- Bài toán ứng suất không gian

Trong hệ tọa độ Đề-các ba hướng, trạng thái ứng suất được đặc trưng bởi các ứng suất

x, y, z, ,xy, yz, zx Các thành phần ứng suất được biểu diễn dưới dạng hệthống véc tơ - ma trận sau:

{} = {x y z xy yz zx}T

- Bài toán biến dạng không gian

Các thành phần biến dạng được thể hiện dưới dạng hệ thống véc tơ - ma trận nhưsau:

{  } = {x y z  xy  yz  zx} T