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

Ưu điểm chính của loại đập này là thi công nhanh, giảm khối lượng đắp đập, áp dụng cho các đập có chiều cao lớn, có thể cho nước tràn qua mặt đập đang xây dựng, chủ động trong thi công n

Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo T.S Nguyễn Kiên Quyết và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ công nhân viên Phòng Đào tạo Đại học & Sau đại học, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện 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 ứng dụng miền Trung – nơi tác giả đang công tác; gia đình, bạn bè & đồng nghiệp đã động viên, 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 tác giả còn ít nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận 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, kết quả nghiên cứu trong Luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trong bất 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

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

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 3.11 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

BẢNG VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

CFRD (Concrete Face Rockfill Dams): Đập đá đổ bê tông bản mặt

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: thân đập là đá đổ và chống thấm là tường nghiêng hoặc lõi giữa bằng đất sét hoặc bê tông atphal Tuy nhiên khi nguồn vật liệu làm kết cấu chống thấm khan hiếm hoặc ở vùng thời tiết không thuận, mưa nhiều, yêu cầu tiến độ thi công nhanh, hoặc cần giảm công trình dẫn dòng bằng cách cho tràn qua mặt đập xây dở, … thì hình thức đập đá đổ chống 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 xây dựng đầu tiên vào năm 1985 tại Mỹ, đã dần thay thế các đập đá đổ truyền thống Với những 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 phương pháp tính toán cũng như phương pháp xây dựng Ưu điểm chính của loại đập này là thi công nhanh, giảm khối lượng đắp đập, áp dụng cho các đập có chiều cao lớn, có thể cho nước tràn qua mặt đập đang xây dựng, chủ động trong thi công nên rút ngắn được thời 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 khá cao, trang thiết bị xe máy phải đồng bộ, đồng thời trong công tác khảo sát, thiết kế cũng 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 khi bản 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 biến dạng của bản mặt bê tông nhằm đảm bảo an toàn chống thấm và độ bền tránh phát sinh vết nứt Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là trong tính toán kỹ thuật, thông thường quan niệm bản mặt bê tông được ngàm chặt vào nền và được tựa lên khối đá đổ được đầm chặt theo yêu cầu Chính vì vậy nên trong quá trình làm việc xảy ra hiện tượng chuyển

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

Nội dung đề tài này tiến hành nghiên cứu mô phỏng đầy đủ các liên kết giữa các bộ phận trong đập nhằm tìm ra kích thước bản mặt bê tông một cách hợp lý nhất về điều kiện chịu lực, một trong những nội dung chính trong công tác thiết kế và thi công quan tâm - với mong muốn góp phần phát triển vào việc xây dựng mạnh mẽ loại hình đập này 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 tông bản mặt Nó có tác dụng ngăn nước dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu Vì vậy, vấn đề bảo 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 của luận văn này là sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại để phân tích ứng suất, biến dạng và sự ổn định của đập đá đổ bê tông bản mặt, từ đó đưa ra các kiến nghị về kích thước 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 được nghiên 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 thuyết của 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 kiện chịu 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 liệu được khai thác tại chỗ (khai thác ở mỏ vật liệu gần công trình hoặc đá đào móng hoặc sỏi đá tự nhiên) Việc bố trí các loại vật liệu trong mặt cắt đập là rất quan trọng Nó quyết 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 của các vùng trong thân đập và căn cứ vào khả năng khai thác vật liệu trong vùng mà mặt cắt ngang của đập sẽ được tính toán để chọn ra mặt cắt hợp lý nhất Người ta thường tận 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 1 thế kỷ các nước đã nghiên cứu xây dựng loại đập này Năm 1895 loại đập này lần đầu tiên được xây dựng ở California (Mỹ) Tuy nhiên phải từ những năm 1980 trở đi kiểu đập 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 loại đập 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 nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện lớn ở Trung Quốc Trung Quốc đã có được những nghiên cứu và thành công nhất định trong lĩnh vực xây dựng đập loại này Hiện nay đây là một trong 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 được chống thấm bằng tường nghiêng hoặc lõi giữa là đất sét) Mái của đập loại này tương đối 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 chủ

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 cao tới 187m

Đến cuối năm 2008 theo thống kê của hội đập đá đổ bê tông bản mặt Thế giới thì trên thế giới đã xây dựng được khoảng 200 đập có chiều cao lớn hơn 100m, trong đó có 20 đập 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

(m)

Chiều dài đập (m)

21 Thuỷ bộ á Hồ Bắc 233 584

Một số hình ảnh của đập CFRD trên thế giới

Hình 1.1 Toàn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđônêxia

Hình 1.2 Mặt cắt đập Cirata cao 125m

Hình 1.3 Đập Kanaviou - Cyprus

So với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt, Trung Quốc tuy bước đầu tiên hơi chậm nhưng khởi điểm rất mạnh và phát triển nhanh Chỉ trong vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc Đến cuối năm 1998, căn cứ vào thống kê chưa đầy đủ ở Trung Quốc đã hoàn thành 39 đập, đập cao nhất là đập thuỷ điện Bạch Vân tỉnh Hồ Nam, xây dựng năm 1998, cao 120m Hiện nay ở Trung Quốc đập CFRD cao 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

xây dựng

Chiều cao đập (m)

Chiều dài đập (m)

Khối lượng đập (10 5 m 3 )

19 Bàn Thạch Đầu Hà Nam 100,8 558 529

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 trình Thủy 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 lý tính toán và qui phạm áp dụng để thiết kế và thi công những công trình này thường dựa vào các qui phạm và kinh nghiệm đã áp dụng thành công cho các công trình cùng loại của Trung Quốc và Nga

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

- 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

+ 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

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

+ Công suất thiết kế : 173 MW

+ Thời gian thi công : 2005-2009 năm

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

1.3.1 Những thành tựu

Việt Nam là một trong những nước có nhiều đập VLĐP Tuy nhiên đại đa số là đập có chiều cao H<40m thuộc loại đập thấp Đập VLĐP được xây dựng nhiều nhất là ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên, hầu hết các công trình trên đều là đập đất đồng chất, hoặc đập đất nhiều khối

Đập đá đổ nói chung và đập đá đắp bê tông bản mặt chống thấm nói riêng được xây dựng ở nước ta còn ít so với đập đất, tuy nhiên những công trình sử dụng loại đập này đều loại đập cao như Ialy, Hòa Bình, Đa Mi-Hàm Thuận (đập đá đổ hoặc đất đá hỗn hợp), 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 hơn 100m

Đập CFRD là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vào xây dựng ở nước ta Tuy nhiên

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 ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong quá trình thi công đập đá đổ bê tông bản mặt chống thấm sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát 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 ở Việt Nam

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

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:

9

10 11

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

11 Bản mặt bê tôngHỡnh 1.9 Mặt cắt ngang thõn đập đắp bằng đỏ cứng

- Đập đỏ đổ bản mặt cú thõn đập được đắp bằng cuội sỏi, loại đập này thường được phõn vựng vật liệu theo mặt cắt ngang như hỡnh 1.10

7

8

9 10

7 (3C) Vùng đá đổ hạ l-u( cuội sỏi)

8 (3D) Bảo vệ mái hạ l-u

9 (3E) Đống đá tiêu n-ớc hạ l-u

hạ lưu (1:1,0 ~ 1:1,4) nhỏ hơn so với hệ số mỏi của thõn đập đắp bằng cuội sỏi (1:1,5 ~

1:1,6) Tuy nhiên thân đập đắp bằng cuội sỏi thì dễ tận dụng vật liệu đào từ móng công trình 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) của Trung 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 dọn sạch 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 đá được xác định như ở sau (xem bảng 1-3)

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

Loại công trình Loại đất

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

Nhận xét: 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

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 phối đắp, đầm nộn ở thõn đập và phần bờ tụng cốt thộp mỏc cao phủ trờn bề mặt mỏi thượng lưu để ngăn cản nước thấm qua đập Khối đỏ đắp cũng được chia làm nhiều vựng khỏc nhau 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) và lớp chuyển tiếp (dày 4m) Hai lớp này được cấu tạo bằng cỏt cuội sỏi đầm chặt với cấp phối phự hợp Mặt cắt ngang điển hỡnh của CFRD cho ở Hỡnh 1.11

9

10 11

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

11 Bản mặt bê tông

Hỡnh 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 đỏ đắp hạ lưu (cường độ khỏng nộn lớn hơn 30Mpa cho khối thượng lưu, cũn khối hạ lưu chỉ yờu cầu bằng hoặc nhỏ hơn 30Mpa, cú nơi đó dựng khối đỏ đắp hạ lưu cú cường độ khỏng 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 liệu đắp đập, điều kiện nền v.v Phần chõn hạ lưu đập cú thể bố trớ khối đỏ đổ cú kớch thước lớn 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 bản chõn Tại điểm tiếp giỏp giữa bản mặt và bản chõn được bố trớ khớp nối biờn đảm bảo ngăn dũng thấm khi cú chuyển dịch giữa bản mặt và bản chõn Bản mặt cũng được chia làm

nhiều tấm bằng các khe lún (khớp nối) dọc để đảm bảo không phát sinh dòng thấm từ thượng 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 trí một tầng đệm đặc biệt ngay sau hạ lưu bản chân Tầng đệm này được cấu tạo từ cát cuội 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 khớp nối giữa bản mặt và bản chân (xem Hình 1.12)

1

5

4 3

2

CHÚ THÍCH: 1 - Bản chân; 2 - Bản mặt; 3 - Khớp nối biên;

4 (2A) - Vùng tầng đệm; 5 (2B) - Vùng tầng đệm đặc biệt

Hình 1.12 Bố trí vùng tầng đệm đặc biệt

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 tải trọng 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 nền đảm bảo yêu cầu cần thiết, bị lún ít dưới tác dụng của tải trọng ngoài Đập đá đổ có yêu cầu của địa chất cao ở vị trí đặt lõi đập Tất cả các đập đá đổ được xây dựng ở nước ta thì lõi đều được đặt lên lớp đá IIA-IB, đối với đập loại vừa đến thấp hoặc vị trí sườn đồi có thể

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

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

Tron

g khối

đá

Trong đứt gãy

Của Nga

Hệ thống RMR (Bieniawski)

Hệ thống Q (Banon)

E (kG /cm 2 )

Gọi tên theo biến dạng CHU

2.02.02-85

Xếp loại

Tên chất lượng

đá

Xếp loại

Tên chất lượng

trung bình

III Trung

bình 5 Xấu

II Tốt 4

Được Tốt

Thông thường chiều sâu khoan phụt được tiến hành theo số liệu thí nghiệm ép nước lỗ khoan, 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 định thông 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 hàng khoan

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 sỏi lọc, (có thể tận dụng đất đá đào móng) v.v thường thì vẫn phải tính toán thông qua luận 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 pháp thi công Chiều dày này thường không nhỏ hơn 3m khi thi công bằng máy hoặc có thể giảm xuống còn từ 11,5m khi thi công bằng thủ công hoặc máy nhỏ Lớp chuyển tiếp

có chiều dày không đổi từ 34m Khi thi công, lớp đệm và lớp chuyển tiếp thường được thi công đồng thời, phần tiếp giáp giữa hai lớp thường được đầm kỹ hơn để đảm bảo sự không phân lớp

Lớp đệm trong đập CFRD được bố trí ngay dưới bê tông bản mặt Tác dụng của lớp đệm là tạo bề mặt ổn định cho bê tông bản mặt đồng thời nó cũng có tác dụng như một lớp chống thấm Hiện nay cấp phối lý tưởng của lớp đệm do Sherard đề nghị được dùng rất phổ biến Trong thành phần cấp phối đó, các hạt có đường kính nhỏ hơn 5mm có hàm lượng cao, nó thường chiếm từ 35% đến 55%, các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1mm chiếm từ 2% đến 12% Đường kính hạt lớn nhất Dmax= 80mm Cấp phối này thoả mãn yêu cầu nửa thấm và lọc các hạt bụi Lớp đệm thường được làm bằng hỗn hợp cát cuội sỏi hoặc đá xay có cấp phối liên tục Điểm yếu nhất của đập CFRD là thủng khớp nối biên dẫn đến thấm nghiêm trọng Do vậy một vùng đệm đặc biệt với vật liệu hạt mịn có Dmax=40mm được dùng khá phổ biến dưới khớp nối biên Nó được đầm đến trạng thái chặt hơn để một mặt là giảm độ lún, mặt khác có thể hạn chế dòng thấm, rò rỉ xuất hiện

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

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 thí nghiệm hiện trường vào thời gian bắt đầu đắp đập Hầu hết đắp ở hiện trường đều được khống chế bởi các thông số đắp và bằng sự quyết định dung trọng khô với phương pháp đào hố thí nghiệm bổ sung Qua các kết quả đã thu được, người ta thấy rằng dung trọng khô 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 về chất 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 nhúng nước và 26 lần phơi khô tuỳ theo chiều cao đập được phân theo Bảng 1-5 (Sổ tay KTTL

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

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

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 ở thượng lưu), thường không phân tích ổn định Trong các trường hợp sau, cần phải phân tích ổn định 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;

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 các thiết bị và các loại xe đi trên mặt đập v.v bản mặt, thân đập và nền trong mối quan hệ làm việc đồng thời với nhau sẽ sinh ra ứng suất và biến dạng Do bản mặt tựa hoàn toàn lên thân đập nên trạng thái ứng suất biến dạng của nền và thân đập sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất biến dạng của bản mặt Để tránh sự vượt quá giới hạn bền của bản mặt, người ta phải chia bản mặt thành các tấm có chiều rộng khác nhau bằng các 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 và dọc 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 tấm bản mặt cũng như độ lớn của chuyển dịch của chúng, từ đó xác định được vị trí các loại 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 ánh sát thực trạng thái ứng suất thực của nó Thông qua trạng thái ứng suất của các điểm cho

ta một cái nhìn tổng quát hơn về việc phân bố ứng suất của bê tông bản mặt nhằm đưa 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 không đáng kể Chính vì vậy trong luận văn này tác giả không đề cập đến vấn đề tính toán thấm 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 đập nên chọn thoải hoặc mái trên dốc mái dưới thoải, chỗ mái thay đổi nên có cơ Mái hạ lưu gần đỉnh đập dùng đá quá cỡ để lát, có thể tăng cường thép neo các hòn đá quá cỡ với

Độ vượt cao an toàn của đập ở vùng có địa chấn phải xét đến độ dềnh cao của sóng dưới tác động của sóng có địa chấn Đập xây dựng ở vùng có động đất cấp 8, 9 thì độ vượt cao an toàn phải xem xét kể đến cả độ lún của thân và nền đập do tác dụng của động đất Tăng chiều rộng của vùng tầng đệm, tăng cường sự liên kết thân đập với nền và vai đập Khi vai đập tương đối dốc, nên kéo dài đường tiếp xúc giữa vật liệu tầng đệm và nền đá

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 mất nước 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 và nền được lựa chọn để đặt bản chân phải ít biến dạng trong quá trình chịu lực Bản mặt được thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm và đủ "mềm" để có thể biến dạng 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 với mặt thượng lưu của thân đập Về nguyên lý, vì thân đập được đầm nén kỹ, ít bị biến dạng, 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 ở chính giữa chiều dày của nó Thực tế làm việc cho thấy rất khó thực hiện để hạn chế biến dạng lớn của thân đập, vì rất khó kiểm soát sự đồng đều của đá dùng để đắp đập cũng như chất lượng đầm nén các khối đá ở hiện trường với khối lượng thi công lên tới hàng triệu khối Mặt khác, mặc dù bản mặt được đổ khi kết quả quan trắc cho thấy thân đập đã ổn định lún, nhưng trong quá trình tích nước kết quả tính toán cũng như quan trắc thực tế cho thấy

trong quá trình thi công phải phân đợt đắp đập và đổ bản mặt Thân đập được đắp và đổ bản mặt ở đợt trước tiếp tục bị lún và chuyển vị về phía hạ lưu khi đắp tiếp các khối phía trên ở các đợt thi công sau Kết quả là mặt thượng lưu của đập bị võng và bản mặt mặc

dù được thiết kế có chiều dày mỏng, nhưng lại làm bằng bê tông cốt thép là loại vật liệu cứng nên không thể uốn theo mặt thượng lưu của thân đập bị võng như ý định của người thiết kế, dẫn đến hiện tượng mất tiếp xúc giữa bản mặt và mặt thượng lưu của thân đập Chính vì lý do nên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân bản mặt và nhất là áp lực nước bản mặt dễ bị nứt, dẫn đến rò rỉ, thẩm lậu nước qua thân đập Có thể 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 Do vai đập nằm trên sườn dốc nên các khe dọc nằm ở hai bên vai chịu kéo, còn các khe nằm giữa lòng sông chịu nén Mặc dù đã có sự tính toán và có các biện pháp cấu tạo thích 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 đá đào móng tràn, đường hầm, nhà máy thủy điện để đắp đập, ít phải sử dụng vật liệu hiếm hoặc vận chuyển từ xa về nên nhìn chung đập CFRD có giá thành thấp hơn các loại đập khác như đập bê tông trọng lực, vòm, bản chống v.v đặc biệt gần chỗ xây dựng 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 và đắp đập, có thể thi công ngay cả khi trong mùa mưa Do toàn bộ dòng thấm đã được bản 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 tông

Đập CFRD có độ ổn định chống động đất, chống trượt và tuổi thọ công trình không thua kém các loại đập khác

Đập CFRD trong nhiều trường hợp có thể xây dựng ngay trên nền cát cuội sỏi lòng sông, mà phần lớn khối lượng cát sỏi không phải bóc bỏ khi đắp đập Trong một vài sơ

đồ có thể cho nước tràn qua đập dâng xây dở nên vấn đề dẫn dòng trong những công trình có lưu lượng dẫn dòng lớn có thể được giải quyết với giá thành khá rẻ

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 chưa thật 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 không ảnh hưởng lớn đến quá trình vận hành an toàn của đập Hiện tượng treo ứng suất hoặc biến dạng quá mức gây nên các nứt gãy thủy lực đã xẩy ra ở một số công trình ngay cả khi ở cột nước thấp, đặc biệt khi sự chênh lệch lớn về modul biến dạng giữa các lớp vật liệu kề nhau

Bản mặt bê tông chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau, thay đổi theo thời gian, làm ảnh 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 thông thường

1.6.3 Kết luận

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

Do trải dài trên toàn bộ mặt thượng lưu đập nên bản mặt bê tông được phân ra thành từng giải với các kết cấu ngăn nước ở phần liên kết (các khe lún) Dưới tác dụng của ngoại lực và biến dạng của phần thân đập, phần bản mặt bê tông cũng bị biến dạng theo Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu những nhân tố ảnh hưởng đến bản mặt bê tông Từ đó sẽ xây dựng được mối tương quan 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 phương trình 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 giải tích - tức là tìm nghiệm của bài toán đàn hồi từ việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng thoả mãn các điều kiện biên để tìm nghiệm của bài toán dưới dạng hàm giải tích Bài toán đàn hồi còn có thể được giải bằng các phương pháp số là các phương pháp gần đúng với kết quả không phải là các hàm giải tích mà là những trị số của đại lượng cần tìm tại một số điểm nhất định trong miền tính toán và trên biên Ngoài ra bài toán 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 kết cấu có hình dáng đa dạng và điều kiện biên phức tạp thì phương pháp giải tích tỏ ra kém hiệu quả và đôi khi không thể giải được

Những nhược điểm của các phương pháp giải tích hoàn toàn có thể được giải quyết bằng phương pháp số với sự trợ giúp của các phương tiện tính toán Phương pháp số hay còn gọi là phương pháp rời rạc hoá có thể chia thành hai nhóm chính: phương pháp 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 qua các hàm mà được thay bằng nghiệm gần đúng mô tả qua một số hữu hạn số với việc chọn tương ứng hệ hàm xấp xỉ Điển hình của phương pháp này là phương pháp sai phân hữu hạn Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận tiện trong việc lập 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 là các

giá trị số tại các nút của các phần tử Đại diện cho phương pháp này là phương pháp phần 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, nền đập thường có nhiều lớp, nên việc giải bài toán ứng suất biến dạng bằng các phương pháp 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 tử hữu 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 đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó Tuy nhiên phương pháp PTHH không 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 hàng loạt bài toán vật lý và kỹ thuật trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau

Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con (Ve) gọi là các phần tử Các phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm định trước trên biên phần tử, gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm (như ứng 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 hàm của 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 mô hình 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

Ngày nay với sự trợ giúp của công nghệ tin học nhiều bài toán phức tạp trong các ngành

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 được nối 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 cần giải 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 hàm cần tìm Đối với bài toán kết cấu thì hàm xấp xỉ có thể là hàm chuyển vị hoặc hàm ứng suất 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 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 đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử Dạng đa thức nguyên của hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để bài toán hội tụ Nghĩa là khi tăng 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, trước tiên là phải thoả mãn với các phương trình của lý thuyết đàn hồi (bài toán kết cấu), hoặc định luật Darcy (bài toán thấm) Song để thoả mãn chặt chẽ tất cả các yêu cầu thì sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo được nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu

c) Thiết lập hệ phương trình cơ bản bài toán

Để thiết lập hệ phương trình cơ bản bài toán giải bằng phương pháp PTHH thường dựa vào nguyên lý biến phân Từ các nguyên lý biến phân rút ra được hệ phương trình đại số tuyến tính ở dạng:

Trong đó: [K] : ma trận độ cứng của 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 nó)

Để giải hệ phương trình trên thì một yêu cầu rất quan trọng là ma trận độ cứng [K] không được suy biến, có nghĩa là det(K) ≠ 0 Để đáp ứng được yêu cầu này khi giải ta có thể xử lý bằng điều kiện biên, khi đã xử lý điều kiện biên thì điều kiện trên đương nhiên thoả mãn Thường có thể xử lý điều kiện biên bằng 2 cách sau trong khi lập trình là xử

lý kiểu gán 0 và xử lý bằng số vô cùng lớn

e) Dựa vào phương trình cơ bản của loại bài toán nghiên cứu để tìm các đại lượng khác Đối với bài toán kết cấu sử dụng các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi để tìm trường ứng suất, trường biến dạng v v

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, chẳng hạn 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 ƯSBD của

bê tông bản mặt được giải quyết bằng bài toán không gian của lý thuyết đàn hồi bao gồm hai trường hợp riêng của bài toán ứng suất không gian hoặc biến dạng không gian

- 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 hệ thống 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 như sau: {} = {x y z  xy  yz  zx}T

),,(

z y x w

z y x v

z y x u

y z

x y

z y x

00

0

00

00

00

Thân đập đá đắp thường được mô hình hoá bằng các phần tử khối (phần tử tứ diện hoặc phần tử lục diện) Phần tử thường dùng là phần tử tứ diện

Bản mặt có chiều dày nhỏ hơn nhiều lần so với chiều dài và chiều rộng nên thường được

mô hình hoá bằng các phần tử tấm vỏ Phần tử thường dùng là phần tử tấm chữ nhật hoặc phần tử tấm tam giác

R 3y

R 4z 4y

R

4x

R x

y

z

Ta ký hiệu các ứng lực đặt tại các nút 1,2,3,4 của phần tử là:

{R} = { R1x R1y R4z}

và ký hiệu {q} = {u1v1w1u2 w4} là vectơ chuyển vị nút của phần tử đó

Nội dung bài toán nhằm xác định mối liên hệ:

Trong đó: [K] là ma trận độ cứng của phần tử

Ta biết rằng vị trí của tứ diện hoàn toàn phụ thuộc vị trí của 4 điểm nút, nghĩa là tứ diện

sẽ có vị trí hoàn toàn xác định khi biết đủ 12 thành phần chuyển vị nút Do đó ta có thể giả thiết tồn tại mối liên hệ sau: