Phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trong thời kỳ vận hành trường hợp áp dụng cho đập thủy điện bắc hà

1.2 Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trọng lực trên thế giới và tại Việt Nam An toàn đập được đánh giá trên cơ sở đánh giá an toàn các nội dung quyết đị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả Luận văn

Phạm Thanh Đạt

LỜI CÁM ƠN

Luận văn với đề tài “Phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trong thời kỳ

vận hành - Trường hợp áp dụng cho đập thủy điện Bắc Hà” là kết quả từ quá trình nỗ

lực học tập và rèn luyện của tác giả tại Trường Đại học Thủy Lợi

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn gia đình và người thân đã luôn ở bên động viên, khích lệ và giúp đỡ để tác giả hoàn thành chương trình học tập cao học tại Trường Đại học Thủy Lợi

Tác giả cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ, giảng viên Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi và truyền đạt kiến thức cho tác giả trong thời gian học tập tại trường

Đồng thời, tác giả chân thành cảm ơn các lãnh đạo,đồng nghiệp và bạn bè đã hỗ trợ, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập

Cuối cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Vũ Hoàng Hưng và TS Mai Cao Trí

đã nhiệt tình hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu để giúp cho tác giả hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4 Dự kiến kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG 3 1.1 Tổng quan về đập bê tông trọng lực 3

1.1.1 Đập bê tông trọng lực 3

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển đập bê tông 4

1.1.3 Thiết kế đập bê tông trọng lực 7

1.1.4 Vấn đề an toàn đập bê tông trọng lực 9

1.1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh giá an toàn đập bê tông 10

1.2 Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trọng lực trên thế giới và tại Việt Nam 11

1.3 Kết luận Chương 1 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG 14

2.1 Đặt vấn đề 14

2.2 Phương pháp kiểm tra thực địa 17

2.2.1 Phương pháp quan sát hiện trạng 17

2.2.2 Phương pháp kiểm tra bề mặt bê tông 17

2.2.3 Nội dung, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 18

2.3 Phương pháp phân tích dữ liệu quan trắc 19

2.3.1 Phương pháp xử lý dữ liệu đo 19

2.3.2 Phương pháp phân tích dữ liệu đo 19

2.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng 20

2.4 Phương pháp phân tích tính toán 20

2.4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 20

2.4.2 Phần mềm ANSYS trong tính toán kết cấu đập bê tông 32

2.4.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 40

2.5 Kết luận Chương 2 40

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC BẮC HÀ - LÀO CAI 42

3.1 Giới thiệu công trình 42

3.1.1 Quy mô công trình 42

3.1.2 Các thông số kỹ thuật chính 42

3.2 Đánh giá thông qua kết quả kiểm tra thực địa 45

3.2.1 Về ổn định và chuyển vị tổng thể của đập 45

3.2.2 Về thấm và rò rỉ nước qua thân, vai đập và hành lang thân đập 47

3.2.3 Về dịch chuyển của hai khối đập nằm hai bên khe biến dạng 48

3.3 Đánh giá thông qua kết quả quan trắc 49

3.3.1 Các dữ liệu quan trắc 49

3.3.2 Chỉnh biên các dữ liệu đo 52

3.3.3 Xử lý các dữ liệu đo 53

3.3.4 Nhận xét và kiến nghị 55

3.4 Đánh giá độ bền thông qua phân tích trạng thái ứng suất biến dạng 57

3.4.1 Các tổ hợp tải trọng tính toán 57

3.4.2 Mô hình tính toán 58

3.4.3 Trường hợp tính toán 60

3.4.4 Kết quả tính toán ổn định 63

3.4.5 Kết quả tính toán chuyển vị, ứng suất và biến dạng của đập và nền 67

3.5 Kiểm tra hệ số ổn định trượt 78

3.5.1 Nhận xét và kiến nghị 80

3.6 Đánh giá chung 81

3.7 Kết luận chương 3 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 85

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1Đập bê tông và bê tông cốt thép trọng lực trên nền đá [8] 3

Hình 1.2Đập bê tông trọng lực Grand – Dixence nhìn từ hạ lưu [Internet] 5

Hình 1.3Đập bê tông trọng lực Tân Giang nhìn từ hạ lưu [Internet] 6

Hình 1.4Đập bê tông trọng lực đầm lăn Sơn La nhìn từ hạ lưu [Internet] 6

Hình 2.1Phần tử tam giác có 3 nút 31

Hình 2.2Đập trọng lực 33

Hình 2.3Mặt cắt ngang thường dùng của đập trọng lực 34

Hình 2.4Mô hình tính toán đập bê tông trọng lực 34

Hình 2.5Tính toán đập bê tông trọng lực bằng phần mềm ANSYS 35

Hình 3.1Mặt thượng lưu đập khi mực nước hồ hạ thấp 46

Hình 3.2Mặt hạ lưu đập 46

Hình 3.3Vị trí hành lang thu nước sau khi hoàn công 47

Hình 3.4Một số hình ảnh trong các hành lang thu nước nằm dưới mực nước thượng lưu 48 Hình 3.5Sàn nhà máy 49

Hình 3.6Các hạng mục yêu cầu lắp thiết bị quan trắc đối với đập bê tông trọng lực theo qui định của qui phạm Trung Quốc SL 319-2005[14] 50

Hình 3.7Đầu ra của các thiết bị quan trắc đặt trong hành lang 141.5 52

Hình 3.8Biểu đồ quan hệ ứng suất- theo thời gian của thiết bị S27 [15] 53

Hình 3.9Cụm cảm biến đo ứng suất kéo nén trong bê tông Model 4370 54

Hình 3.10Mô hình phần tử hữu hạn đập làm việc đồng thời với nền 59

Hình 3.11Mặt cắt ngang đập ngăn tại vị trí CN20 thực tế 59

Hình 3.12Biểu đồ ALNTL, ALNHL, ALBC, ALT-DN ứng với MNDBT 60

Hình 3.13Sơ đồ ALNTL, ALNHL, ALBC, ALT&DN ứng với MNLKT 63

Hình 3.14Sơ đồ tính toán ổn định trượt và lật ứng với tổ hợp lực cơ bản 64

Hình 3.15Sơ đồ tính toán ổn định trượt và lật ứng với tổ hợp lực đặc biệt 66

Hình 3.16Mô hình hình học đập theo bài toán phẳng tại mặt cắt CN20 thực tế 69

Hình 3.17Mô hình phần tử hữu hạn đập theo bài toán phẳng tại mặt cắt CN20 thực tế 69

Hình 3.18Sơ đồ áp lực nước thượng hạ lưu, áp lực thấm và đẩy nổi 70

Hình 3.19Sơ đồ áp lực bùn cát tác dụng vào đập 70

Hình 3.20Phổ chuyển vị tổng do các thành phần tải trọng gây ra 71

Hình 3.21Phổ màu ứng suất SX do tổ hợp tải trọng TH1B 72

Hình 3.22Phổ mầu ứng suất SY do tổ hợp tải trọng TH1B 73

Hình 3.23Ứng suất SX và SY tại mặt cắt đáy đập do TH1B 73

Hình 3.24Ứng suất S1 và S3 tại mặt cắt đáy đập do TH1B 74

Hình 3.25Phổ chuyển vị tổng do các thành phần tải trọng gây ra 75

Hình 3.26Phổ mầu ứng suất SX do tổ hợp tải trọng TH2B 76

Hình 3.27Phổ mầu ứng suất SY do tổ hợp tải trọng TH2B 76

Hình 3.28Ứng suất SX và SY tại mặt cắt đáy đập do TH2B 77

Hình 3.29Ứng suất S1 và S3 tại mặt cắt đáy đập do TH2B 77

Hình 3.30Sơ đồ tính toán trọng lượng bản thân đập 78

Hình 3.31Phản lực tại vị trí gối tựa 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1Đập bê tông trọng lực lớn được xây dựng tại Việt Nam [9] 7

Bảng 2.1Phần tử thường dùng trong phân chia mạng lưới tự thích ứng 36

Bảng 3.1Cấp công trình và tần suất thiết kế 42

Bảng 3.2Các thông số kỹ thuật đập dâng 42

Bảng 3.3Các thông số kỹ thuật tràn xả lũ 43

Bảng 3.4Các thông số kỹ thuật cửa lấy nước 44

Bảng 3.5Số lần quan trắc tương ứng với các hạng mục quan trắc 56

Bảng 3.6Chỉ tiêu cơ lý của nền 58

Bảng 3.7 Chỉ tiêu cơ lý của bê tông đập thực tế 59

Bảng 3.8Ứng suất cho phép của bê tông thân đập ứng với các tổ hợp tải trọng 68

Bảng 3.9Chuyển vị ở đỉnh đập do các thành phần tải trọng 71

Bảng 3.10Ứng suất tại chân đập do TH1B 74

Bảng 3.11Chuyển vị ở đỉnh đập do các thành phần tải trọng 75

Bảng 3.12Ứng suất tại chân đập do TH2B 78

Bảng 3.13Trọng lượng bản thân đập 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

An toàn đập có ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng và tài sản của đông đảo người dân sống ở vùng hạ lưu đập Vỡ đập gây tổn thất lớn về kinh tế và chính trị, nhất là với các đập lớn, do vậy vấn đề an toàn đập được hầu hết các quốc gia trên thế giới đặc biệt quan tâm[1] Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề, Chính phủ Việt Nam đã ban hành nghị định 72/2007/NĐ-CP ngày 7/5/2007 về quản lý an toàn đập[2], tiếp đó các

Bộ NN và PTNT vào năm 2008 và Bộ Công thương vào năm 2010 đã lần lượt ra các thông tư hướng dẫn thực hiện nghị định này Tiếp đó VNCOLD ban hành “Sổ tay An toàn đập” năm 2012 [3], Tổng cục Thủy lợi ban hành “Hướng dẫn đánh giá an toàn đập” năm 2015 [4] Năm 2016 Việt Nam cũng đã ban hành Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11699: 2016 Công trình thủy lợi - Đánh giá an toàn đập trong đó cũng đề cập đến đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông và bê tông cốt thép [5]

Nhiều nước trên thế giới đã ban hành các hướng dẫn quản lý an toàn đập, nhất là các nước phát triển Chẳng hạn, Úc ban hành "Qui phạm an toàn đập" (Dam Safety Code) năm 2003, Mỹ ban hành "Hướng dẫn của liên bang cho an toàn đập" (FederalGuidelines for Dam Safety) năm 2004 [6]

Trung Quốc là nước có số lượng đập nhiều nhất và một số dạng đập, như đập vòm Cẩm Bính I, cao 305m, đập bê tông đầm lăn Long Than, cao 215m, đập đá đổ bản mặt

bê tông Thuỷ Bố Ô, cao 233m, chiếm kỷ lục thế giới về chiều cao của các đập cùng loại Gần đây nhất Bộ Thuỷ lợi Trung Quốc đã ban hành tiêu chuẩn "Hướng dẫn đánh giá an toàn đập" (水库大坝安全评价导则) ký hiệu SL 258-2017 ngày 09/01/2017 và chính thức thực hiện từ 09/04/2017 thay thế tiêu chuẩn SL 258-2000, trong đó chỉ ra khá cụ thể các phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá an toàn của các loại đập [7]

Trong tiêu chuẩn này đưa ra 3 phương pháp được sử dụng để đánh giá an toàn của kết cấu đập bê tông Đó là:

+ Phương pháp kiểm tra thực địa;

+ Phương pháp phân tích các dữ liệu quan trắc;

+ Phương pháp phân tích tính toán

Việt Nam đã và đàng xây dựng nhiều đập bê tông lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành đánh giá để kiểm chứng lại thiết kế hoặc tìm giải pháp nâng cao an toàn công trình

2 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá được an toàn kết cấu đập bê tông trong thời kỳ vận hành từ kết quả kiểm tra thực địa, số liệu quan trắc và phân tích tính toán

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kiểm tra thực địa để đánh giá bằng cảm quan an toàn kết cấu đập bê tông Nghiên cứu phân tích số liệu quan trắc và kết hợp sử dụng phần mềm ANSYS phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực dưới tác dụng dưới các

tổ hợp tải trọng để đánh giá đúng tình trạng làm việc của đập

4 Dự kiến kết quả đạt được

Nắm được phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông

Đánh giá được an toàn kết cấu đập bê tông trọng lực thủy điện Bắc Hà - Lào Cai trong thời kỳ vận hành

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG

1.1 Tổng quan về đập bê tông trọng lực

1.1.1 Đập bê tông trọng lực

Đập bê tông trọng lực là loại đập có khối lượng bê tông lớn Đập duy trì ổn định nhờ trọng lượng và độ bền chủ yếu theo khả năng chịu nén của bê tông Loại đập này có ưu điểm là kết cấu và phương pháp thi công đơn giản, độ ổn định cao có thể dùng để tràn nước hoặc không tràn nước, độ an toàn xả lũ cao

Đập bê tông trọng lực được xây dựng cả trên nền đá và trên nền đất, tuy nhiên, trên nền đất chỉ xây dựng được những đập thấp Đập bê tông trọng lực không tràn có dạng mặt cắt ngang thường gặp là hình thang, mái thượng lưu thẳng đứng hoặc hơi nghiêng như Hình 1.1 Trong thân đập có thể bố trí đường ống dẫn nước qua đập Đập bê tông trọng lực tràn nước có dạng mặt cắt thường gặp là dạng mặt cong Để thỏa mãn điều kiện bê tông chỉ làm việc theo điều kiện chịu nén và đập ổn định về trượt thì chiều rộng đáy đập bê tông trọng lực trên nền đá thường bằng 0,65 - 0,8 chiều cao đập Hiện nay đập bê tông trọng lực được xây dựng bằng công nghệ bê tông truyền thống và công nghệ bê tông đầm lăn

Hình 1.1Đập bê tông và bê tông cốt thép trọng lực trên nền đá [8]

Đập bê tông trọng lực duy trì ổn định nhờ trọng lượng của khối bê tông liên kết với nền Dưới tác dụng của tải trọng nằm ngang, chủ yếu là áp lực nước hướng từ thượng lưu về hạ lưu, đập có thể bị mất ổn định trượt, lật hoặc đập bị lún không đều do biến dạng ở nền Vật liệu bê tông có khả năng chịu kéo nhỏ hơn khả năng chịu nén nhiều lần, vì vậy độ bền của đập được thiết kế theo khả năng chịu kéo của bê tông Để huy động khả năng làm việc của vật liệu trong thân đập, mặt cắt đập được thiết kế theo dạng kết cấu chịu nén lệch tâm theo hai phía Khi không có cột nước tác dụng ở thượng lưu, đập có xu thế lệch tâm về thượng lưu, khi có cột nước tác dụng ở thượng lưu, đập làm việc lệch tâm về hạ lưu Kết cấu đập bê tông trọng lực thuộc loại kết cấu

bê tông khối lớn nên thường xảy ra hiện tượng nứt do ứng suất nhiệt Để giảm thiểu ảnh hưởng xấu do ứng suất nhiệt gây ra đối với đập, các biện pháp kiểm soát dòng nhiệt và biện pháp xử lý nhiệt được chú trọng không chỉ trong thết kế mà cả trong thi công cũng như thời gian vận hành đập

Chênh lệch áp lực nước thượng hạ lưu không chỉ làm cho đập có nguy cơ mất ổn định tổng thể mà còn hình thành dòng thấm qua đập và nền Dòng thấm này gây mất nước của hồ đồng thời áp lực của nó có ảnh hưởng xấu đến ổn định và độ bề của đập Vì vậy

ở đập cần bố trí các thiết bị chống thấm nhằm giảm thiểu các tác hại của dòng thấm Quá trình làm việc của đập là quá trình tương tác giữa đập, nền và các tải trọng, trong

đó các lực xuất phát từ môi trường nước là các lực chủ yếu Vì vậy các bài toán phân tích ổn định và độ bền của đập là những bài toán cơ học tương tác giữa ba môi trường Nước - Nền - Đập

Yêu cầu về cấu tạo cũng như về tính toán đập bê tông trọng lực tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành để đập đáp ứng được công năng cũng như an toàn về ổn định, về độ bền và khả năng chống thấm cho đập và nền

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển đập bê tông

Theo các tài liệu nghiên cứu về lịch sử phát triển đập, đập bê tông được xây dựng vào khoảng năm 3000 trước Công nguyên Các đập được xây dựng vào thời kỳ đầu như đập Jawa ở Jordan, cách thủ đô Amiman 100km về phía Bắc

Đập bê tông được xuất hiện rất sớm nhưng mãi đến thế kỷ thứ 18 trước sự đòi hỏi cung cấp năng lượng ở châu Âu, việc xây dựng đập bê tông mới trở thành phổ biến

Vào khoảng những năm 50 của thế kỷ này các tiến bộ khoa học kỹ thuật bắt đầu được

áp dụng vào việc xây dựng đập

Nhờ sự phát triển kỹ thuật và công nghệ xây dựng, đập bê tông đã được sử dụng khá phổ biến để xây dựng các đập có chiều cao lớn Theo tổng kết của ICOLD, trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m, đập bê tông chiếm khoảng 60%

Hình 1.2 là hình chụp từ phía hạ lưu đập bê tông trọng lực Grand-Dixence ở Thụy Sĩ Đập cao 285m, chiều dài ở đỉnh 700m, chiều rộng đáy 200m, chiều rộng đỉnh 15m, xử

lý chống thấm nền tới độ sâu 200m, sang hai phía vai đập 100m Đập được bắt đầu xây dựng năm 1950, hoàn thành năm 1960, khối lượng bê tông xây đập là 6 triệu m3 Hiện nay đập này được coi là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới

Hình 1.2Đập bê tông trọng lực Grand – Dixence nhìn từ hạ lưu [Internet]

Ở Việt Nam các đập bê tông tràn nước có quy mô vừa như đập Liễn Sơn, đập Bái Thượng, đập Đô Lương đã được xây dựng từ những năm 30 của thế kỷ XX Các đập

bê tông trọng lực không tràn như đập Tân Giang, đập Sê San mới được xây dựng vào những năm cuối thế kỷ XX Đập Tân Giang ở Ninh Thuận cao 37,5 m được xem là đập bê tông trọng lực không tràn đầu tiên được xây dựng ở thời kỳ này Hình 1.3 là hình ảnh đập Tân Giang nhìn từ phía hạ lưu

Hình 1.3Đập bê tông trọng lực Tân Giang nhìn từ hạ lưu [Internet]

Đến cuối thế kỷ XX nước ta mới tiếp thu công nghệ xây dựng đập bê tông đầm lăn nhưng được phát triển tương đối nhanh Tính đến năm 2013, Việt Nam đã xây dựng được 24 đập bê tông đầm lăn, đứng vào hàng thứ bảy về tốc độ phát triển, trong đó có nhiều đập có chiều cao lớn hơn 100m như đập Sơn La cao 138m, đập Bản Vẽ cao 137m Hình 1.4 là hình ảnh đập bê tông trọng lực đầm lăn Sơn La

Hình 1.4Đập bê tông trọng lực đầm lăn Sơn La nhìn từ hạ lưu [Internet]

Bảng 1.1Đập bê tông trọng lực lớn được xây dựng tại Việt Nam [9]

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm XD Năm xây dựng

10 Cổ Bi (Hương Điền) 70 Thừa Thiên Huế 5/2015

1.1.3 Thiết kế đập bê tông trọng lực

Đập phải đủ cao đồng thời bố trí công trình tháo lũ và các công trình khác như nhà máy thủy điện, âu thuyền

Đập và nền phải an toàn về thấm, về lún không đều, về ảnh hưởng của nhiệt độ

Có hành lang công tác, có thiết bị quan trắc

Lựa chọn hình thức đập, cấu tạo các bộ phận phù hợp với biện pháp, thời gian thi công, thuận lợi trong quản lý, có giá thành và kinh phí quản lý rẻ

- Các yêu cầu khi tính toán thiết kế mặt cắt đập:

(1) Điều kiện ổn định: đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất không nhỏ hơn trị số cho phép

Kt Kcp

Trong đó:Kt - hệ số an toàn ổn định chống trượt; Kcp - hệ số an toàn ổn định cho phép, phụ thuộc vào cấp của đập và tổ hợp tải trọng, xác định theo tiêu chuẩn hiện hành (2) Điều kiện độ bền: 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 tính toán nhỏ nhất ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số cho phép:

S3≤ Rn

Trong đó: Rn - cường độ chịu nén tính toán của vật liệu hoặc nền

+ Tại mép đập, đặc biệt ở mép thượng lưu khi hồ đầy nước không cho phép phát sinh ứng suất kéo:

S1  0 Hoặc 𝑆1𝑐𝑅𝑘𝑐

Trong đó: S1 - ứng suất chính tính toán lớn nhất tại biên thượng lưu đập;𝑆1𝑐 - ứng suất chính tiêu chuẩn lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập;𝑅𝑘𝑡𝑐 – cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông

(3) Điều kiện kinh tế: mặt cắt đập phải có diện tích nhỏ nhất sau khi đã thoả mãn 2 điều kiện trên

(4)Điều kiện sử dụng: mặt cắt đập còn cần phải thỏa mãn các yêu cầu trong sử dụng, vận hành như cần có đường giao thông trên đỉnh đập, có đường hầm trong thân đập để

đi lại kiểm tra, sửa chữa, đặt các thiết bị quan trắc thí nghiệm, bố trí các hành lang thoát nước Ngoài ra, còn phải lưu ý đến việc tạo dáng kiến trúc đẹp của công trình

Để thoả mãn yêu cầu nêu trên, khi thiết kế mặt cắt ngang đập thường tiến hành theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn xác định mặt cắt cơ bản: dựa vào các yêu cầu ổn định, ứng suất, kinh tế tiến hành tính toán chọn mặt cắt cơ bản của đập

Giai đoạn xác định mặt cắt thực dụng: theo các yêu cầu về sử dụng như giao thông, dẫn tháo nước, kiểm tra, sửa chữa mà bố trí thêm các phần cấu tạo đỉnh đập, các đường ống tháo, lấy nước trong thân đập, hệ thống đường hầm và hành lang trong thân đập, bộ phận nối tiếp với hạ lưu của đập tràn

Sau khi đã chỉnh sửa, thêm bớt các bộ phận trên đập, cần tiến hành tính toán ổn định

và phân tích ứng suất để kiểm tra điều kiện bền của đập

1.1.4 Vấn đề an toàn đập bê tông trọng lực

Vấn đề an toàn đập là vấn đề lớn trong xây dựng và quản lý đập Để hồ chứa phát huy được nhiệm vụ theo thiết kế, đảm bảo an toàn tính mạng và tài sản cho vùng hạ du thì

an toàn của đập rất quan trọng và có tính quyết định hiệu quả của hồ chứa

Đập là công trình đầu mối của hồ chứa Mức độ an toàn của đập không chỉ phụ thuộc vào bản thân công trình, phá họai hoặc ngưng trệ sản xuất, còn có thể gây ra tổn thất nặng nề

về sinh mạng, tài sản ở vùng hạ lưu đập, làm ách tắc giao thông gây thiệt hại to lớn cho kinh tế, quốc phòng và an ninh của đất nước Mức độ tác hại của sự cố phụ thuộc vào quy

mô, vị trí công trình cũng như đặc điểm khu vực hạ du nhưng dù ở mức dộ nào thì tổn thất

do sự cố vỡ đập gây ra sẽ là rất đáng kể về mặt kinh tế, chưa nói các tổn thất về sinh mạng tài sản và làm đảo lộn môi trường sinh thái ở một khu vực nhất định

Những năm sau này, những thiếu sót, hạn chế trên đã từng bước được khắc phục đối với các hồ được xây mới Tuy nhiên, tình hình nhìn chung vẫn chưa được cải thiện nhiều Thêm vào đó, diễn biến thời tiết ngày càng bất lợi, cộng với rừng đầu nguồn của hồ chứa bị tàn phá làm cho lượng nước tập trung về hồ nhanh và lớn hơn, tăng mức độ nguy hiểm cho công trình

Những tổn thất có thể do các sự cố mất an toàn đập, những vấn đề tồn tại tiềm tàng trong hệ thống các hồ đập đã đề cập ở trên, cộng với những hệ lụy của việc biến đổi khí hậu, mật độ dân cư đông đúc cũng như yêu cầu phát triển kinh tế xác hội ở khu hạ

du đập đã nói lên yêu cầu bức thiết của công tác quản lý an toàn đập ở nước ta

1.1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh giá an toàn đập bê tông

- Trong nước:

Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề, chính phủ Việt Nam đã ban hành nghị định 72/2007/NĐ-CP ngày 7/5/2007 về quản lý an toàn đập[2], tiếp đó các Bộ NN và PTNT vào năm 2008 và Bộ Công thương vào năm 2010 đã lần lượt ra các thông tư hướng dẫn thực hiện nghị định này Hiện nay Việt Nam đã ban hành Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11699:2016 về Công trình thủy lợi - Đánh giá an toàn đập[5]

Ngoài ra thành lập Ban An toàn Đập (DSU) trực thuộc Tổng cục Thủy lợi Các hoạt của Ban kể từ khi thành lập gồm (i) Phát triển và hoàn thiện các văn bản quản lý an toàn đập Nghị định của Chính phủ số 72/2007/NĐ-CP ngày 7/5/2007 về Quản lý an toàn đập[2]; Thông tư số 33/2008/TT-BNN ngày 04/02/2008 hướng dẫn thực hiện một

số điều thuộc Nghị định số 72/2007/NĐ-CP và Quyết định số 3562/QĐ-BNN-TL ngày 13/11/2007 Quy định tạm thời về yêu cầu năng lực kỹ thuật của đơn vị quản lý đập[10], (ii) Xây dựng Dự án “Nâng cấp hệ thống giám sát hồ chứa”, được phê duyệt vào năm 2009; xây dựng “Chương trình Bảo đảm an toàn hồ chứa nước đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại văn bản số 1734/TTg-KTN ngày 21/9/2009”, (iii) Tổ chức đào tạo tăng cường năng lực cho 150 cán bộ thuộc các đơn vị quản lý hồ chứa và các cán bộ làm công tác quản lý nhà nước thuộc các Chi cục thủy lợi tại các tỉnh; đào tạo tăng cường năng lực cho bộ phận Quản lý an toàn đập tại Tổng cục Thủy lợi

- Ngoài nước:

Nhiều nước trên thế giới đã ban hành các hướng dẫn quản lý an toàn đập, nhất là các nước phát triển Chẳng hạn, Úc ban hành “Quy phạm an toàn đập” (Dam Safety Code) năm 2003, Mỹ ban hành “Hướng dẫn của liên bang cho an toàn đập” (FederalGuidelines for Dam Safety) năm 2004

Trung Quốc là nước có số lượng đập nhiều nhất và một số dạng đập Bộ Thủy lợi Trung Quốc đã ban hành tiêu chuẩn “Hướng dẫn đánh giá an toàn đập” (水库大坝安全评价导则)ký hiệu SL 258-2017 ngày 09/01/2017 và chính thức thực hiện từ 09/04/2017[7], trong đó chỉ ra khá cụ thể các phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá an toàn của các loại đập

1.2 Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trọng lực trên thế giới và tại Việt Nam

An toàn đập được đánh giá trên cơ sở đánh giá an toàn các nội dung quyết định sự an toàn của đập, bao gồm: Chất lượng đập và các công trình liên quan, quản lý vận hành, khả năng chống lũ, kết cấu đập và các công trình liên quan, thấm qua nền, thân và vai đập, các thiết bị, kết cấu cơ khí và hệ thống điện vận hành

Đánh giá tổng hợp an toàn kết cấu đập bê tông và các công trình liên quan:

Đập ổn định chống trượt và lật;

Chuyển vị của thân đập, nền đập nhỏ hơn giá trị cho phép;

Bê tông thân đập không bị nứt, đảm bảo điều kiện bền, không bị thấm nước;

Nền đập ổn định về cường độ;

Bê tông thân đập đảm bảo điều kiện bền;

Cống lấy nước, tràn xả lũ:

Chuyển vị của nền cống, nền tràn xả lũ nhỏ hơn giá trị cho phép;

Các bộ phận của cống, tràn xả lũ không bị nứt, chuyển vị, thấm nước;

Bộ phận tiêu năng, hai bờ lòng dẫn nối tiếp sau tiêu năng không bị xói lở

Các công trình liên quan: Các thiết bị và kết cấu kim loại, lớp bảo vệ mái đập thượng

và hạ lưu đập, tường chắn sóng, đỉnh đập, đường quản lý, nhà quản lý, hệ thống điện vận hành công trình có kết cấu ổn định, chưa bị hư hỏng

Phương pháp đánh giá an toàn đập được tiến hành từ đơn giản đến phức tạp, từ quan sát trực quan ngoài hiện trường đến tính toán chi tiết và kiểm định, cụ thể gồm:

Phương pháp 1: Kiểm tra, quan sát trực quan tại hiện trường

Đánh giá an toàn đập bằng cách kiểm tra, quan sát trực quan bằng mắt thường tại hiện trường, đánh giá mức độ an toàn của đập bằng kinh nghiệm của người kiểm tra

Phương pháp 2: Phân tích tài liệu lưu trữ

Đánh giá an toàn đập thông qua phân tích các số liệu đo đạc, quan trắc được thống kê, lưu trữ; thông qua các hồ sơ tài liệu về quản lý chất lượng, kiểm tra chất lượng, các báo cáo giám sát, nghiệm thu trong thời kỳ thi công và trong quá trình quản lý vận hành để tiến hành phân tích đánh giá;

Trường hợp ở những đập không tổ chức đo đạc quan trắc, thiếu tài liệu lưu trữ, cần thu thập tài liệu, tham khảo ý kiến từ các đơn vị, cá nhân đã trực tiếp thiết kế, quản lý xây dựng, quản lý vận hành đập

Phương pháp 3: Tính toán kiểm tra

Để đánh giá mức độ an toàn của đập và công trình liên quan, người đánh giá phải cập nhật bổ sung tài liệu khí tượng thủy văn, địa hình, địa mạo, thảm thực vật trên khu vực đến thời điểm kiểm tra, thu thập các tài liệu thiết kế công trình (hồ sơ địa chất, thiết kế bản vẽ thi công, các thông số thiết kế của công trình, tài liệu tính toán thủy văn ), hồ

sơ kiểm định các lần trước đây (nếu có); tiến hành tính toán kiểm tra về lũ, thấm, ổn định đập và các công trình liên quan theo quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành, đánh giá mức độ an toàn đập

1.3 Kết luận Chương 1

Vấn đề về đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông trọng lực là vấn đề hết sức quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình cũng như an toàn đến tính mạng và tài sản của vùng hạ du Trong chương này, luận văn đã phân tích một số khái niệm cơ bản nhất về đập bê tông trọng lực, an toàn đập và các phương pháp đánh giá an toàn đập bê tông trọng lực

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG

2.1 Đặt vấn đề

An toàn đập có ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng và tài sản của đông đảo người dân sống ở vùng hạ lưu đập Vỡ đập gây tổn thất lớn về kinh tế và chính trị, nhất là với các đập lớn, do vậy vấn đề an toàn đập được hầu hết các quốc gia trên thế giới đặc biệt quan tâm Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề, chính phủ Việt Nam đã ban hành nghị định 72/2007/NĐ-CP ngày 7/5/2007 về quản lý an toàn đập[2], tiếp đó các

Bộ NN và PTNT vào năm 2008 và Bộ Công thương vào năm 2010 đã lần lượt ra các thông tư hướng dẫn thực hiện nghị định này Hiện nay Việt Nam đã ban hành Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11699:2016 về Công trình thủy lợi - Đánh giá an toàn đập[5] Nhiều nước trên thế giới đã ban hành các hướng dẫn quản lý an toàn đập, nhất là các nước phát triển Chẳng hạn, Úc ban hành "Qui phạm an toàn đập" (Dam Safety Code) năm 2003, Mỹ ban hành "Hướng dẫn của liên bang cho an toàn đập" (FederalGuidelines for Dam Safety) năm 2004

Trung Quốc là nước có số lượng đập nhiều nhất và một số dạng đập, như đập vòm Cẩm Bính I, cao 305m, đập bê tông đầm lăn Long Than, cao 215m, đập đá đổ bản mặt

bê tông Thuỷ Bố Ô, cao 233m, chiếm kỷ lục thế giới về chiều cao của các đập cùng loại Bộ Thuỷ lợi Trung Quốc đã ban hành tiêu chuẩn “Hướng dẫn đánh giá an toàn đập” (水库大坝安全评价导则) ký hiệu SL 258-2017 ngày 09/01/2017 và chính thức thực hiện từ 09/04/2017[7], trong đó chỉ ra khá cụ thể các phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá an toàn của các loại đập

Trong mục 9 của tiêu chuẩn SL 258-2017 quy định [7]:

Phương pháp được sử dụng để đánh giá an toàn của kết cấu đập bê tông gồm:

+ Phương pháp kiểm tra thực địa;

+ Phương pháp phân tích các dữ liệu quan trắc;

+ Phương pháp phân tích tính toán

Trên cơ sở kiểm tra an toàn hiện trường, dựa vào các tài liệu khảo sát địa chất công trình, quan trắc an toàn, kiểm tra an toàn, tiến hành đánh giá tổng hợp phân tích tài liệu quan trắc và tính toán kết cấu đối với an toàn đập Đối với đập có tài liệu quan trắc biến hình, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, cần ưu tiên tiến hành phân tích tài liệu quan trắc Đối với các vấn đề ảnh hưởng đến an toàn kết cấu trong vận hành như nứt, lỗ rỗng, xâm thực, trượt mái… hoặc tình trạng bất thường cần làm phân tích riêng

Đánh giá an toàn kết cấu là kiểm tra tính ổn định, biến dạng và cường độ của đập

dưới tác dụng của tải trọng tĩnh có thỏa mãn các yêu cầu của quy phạm hiện hành

hay không

Nội dung chủ yếu của đánh giá an toàn kết cấu bao gồm kiểm tra biến dạng, cường độ,

ổn định của kết cấu đập, cao trình đỉnh đập và bề rộng đỉnh đập Quan trọng nhất đối với đập bê tông là phân tích cường độ và ổn định.Kiểm tra cường độ chủ yếu bao

gồm: kiểm tra ứng suất, kiểm toán bố trí thép cục bộ Kiểm tra ổn định chủ yếu cần tính toán kiểm tra ổn định trượt đập trọng lực và đập trụ chống trên lớp xen kẹp mềm yếu, trên mặt đứt gãy, ổn định trượt chân vòm ở hai vai đập vòm và ổn định bên của trụ chống trong đập trụ chống Đối với đập trọng lực bê tông đầm lăn cần kiểm tra ổn định trượt trên mặt các lớp đầm nén Đối với đập vòm có độ cong nhỏ trên mặt bằng cần tính toán kiểm tra ổn định trượt trên mặt nền Khi cần thiết nên phân tích ổn định tổng thể của các đoạn đập trên dốc nghiêng

Tham số có liên quan đến tính toán phân tích an toàn kết cấu đập bê tông, khi cần thiết đối với đập cao nên tiến hành lại thí nghiệm khoan sâu vào thân đập và nền; đối với đập vừa và thấp khi tài liệu quan trắc và kết quả phân tích cho thấy ứng suất khá cao hoặc biến dạng khá lớn hoặc hệ số an toàn thấp cũng cần thí nghiệm lại để xác định tham số tính toán Khi có đầy đủ tài liệu quan trắc cần đồng thời sử dụng tài liệu quan trắc để tiến hành phân tích ngược, tổng hợp xác định các tham số tính toán

Để đánh giá an toàn đập bê tông cần sử dụng các tiêu chuẩn đánh giá như dưới đây: Trong kiểm tra hiện trạng hoặc quan sát, phát hiện một trong các biểu hiện dưới đây có thể xem là kết cấu đập không an toàn hoặc tồn tại nguy cơ mất an toàn và cần tiến một bước quan trắc và phân tích:

-Một bộ phận của bề mặt đập hoặc hành lang, đường ống dẫn nước…bị suy yếu và bản thân trụ pin cửa van xuất hiện vết nứt nguy hiểm đối với an toàn kết cấu;

-Bê tông thân đập xuất hiện hiện tượng xâm thực nghiêm trọng;

-Bề mặt đập hoặc trong thân đập xuất hiện hiện tượng bê tông bị vỡ khi chịu nén; -Mặt nền đập phát sinh chuyển vị rõ ràng hoặc thân đập bị đổ nghiêng rõ ràng;

-Hạ lưu nền đập xuất hiện hiện tượng đẩy trồi hoặc khối núi hai vai dịch chuyển rõ ràng; -Nền đập hoặc chân vòm của đập vòm, trụ chống của đập trụ chống phát sinh biến hình hoặc chuyển vị rõ ràng;

-Hai bên lớp đứt gãy trong nền đập hoặc chân vòm của đập vòm xuất hiện chuyển vị tương đối rõ ràng;

-Nền đập hoặc khối núi hai vai đột nhiên xuất hiện hiện tượng thấm nước lớn hoặc thông thủy;

-Đập tràn khi tràn nước, thân đập phát sinh công hưởng;

-Thấm nước hoặc phun nước rõ ràng trong hành lang

Khi tiến hành đánh giá an toàn kết cấu đập thông qua phân tích tài liệu quan trắc, xuất hiện một trong các trường hợp dưới đây có thể xem kết cấu đập không an toàn hoặc tồn tại nguy cơ mất an toàn

-Giá trị quan trắc thực tế của chuyển vị, biến hình, ứng suất, độ mở khe nối vượt quá quy phạm có liên quan hoặc giá trị cho phép quy định của thiết kế hoặc thí nghiệm; -Giá trị tính toán trên mô hình toán của chuyển vị, biến hình, ứng suất, độ mở khe nối trong thiết kế hoặc điều kiện kiểm tra vượt quá giá trị cho phép quy định trong quy phạm, hoặc thiết kế, thí nghiệm;

-Giá trị quan trắc chuyển vị, biến hình, ứng suất, độ mở khe nối thay đổi quan hệ đột biến với các nhân tố tải trọng tải trọng, thời gian, không gian…, có biên độ tăng lên khá lớn so với trường hợp giống như mọi khi

Khi tiến hành đánh giá an toàn kết cấu đập thông qua phân tích tính toán, tiêu chuẩn kiểm soát đánh giá cường độ và ổn định của đập trọng lực và đập vòm cần thỏa mãn các quy phạm hiện hành Tiêu chuẩn kiểm soát đánh giá cường độ và ổn định đập trụ chống giống như đập trọng lực

Dưới đây sẽ trình bày cơ sở đánh giá an toàn của kết cấu đập bê tông trọng lực dựa trên cả

ba phương pháp kiểm tra thực địa, phân tích dữ liệu quan trắc, phân tích tính toán

2.2 Phương pháp kiểm tra thực địa

2.2.1 Phương pháp quan sát hiện trạng

Kiểm tra thực địa được thực hiện trong thời gian đập vận hành, chủ yếu là quan sát bằng mắt để phát hiện những bất thường về ổn đinh của đập và nền hai bên vai đập, chuyển dịch và lún của các khối đập, tình trạng nứt nẻ của bê tông thân đập, biến động của các khe co dãn giữa các khối đập, hiện tượng thấm và rò rỉ nước vào hành lang thu nước cũng như thấm và rò rỉ nước qua thân và vai đập Sử dụng búa để gõ ở những vị trí nghi ngờ bê tông có chất lượng kém Ở những vị trí không có điều kiện tiếp cận gần

đã sử dụng ống nhòm để quan sát nhằm phát hiện các điểm khác lạ khó phân định bằng mắt thường Với các vết nứt, ngoài bề rộng của khe nứt, cũng chú ý đến hình thái vết nứt để sơ bộ xác định nguyên nhân gây nứt là nứt do co ngót của bê tông, do khe thi công chưa được xử lý tốt hay do tác động của lực mà thuật ngữ chuyên môn gọi là

"khe nứt kết cấu" (structural cracks)

Về ổn định và chuyển vị tổng thể của đập, quan sát mặt đập, đáy hạ lưu đập và hai bên vai đập, không thấy có dấu hiệu bất thường nào về hiện tượng trồi, lún của nền, sạt trượt của mái dốc, dịch chuyển ngang hoặc đứng của các khối đập hai bên khe biến dạng Điều đó chứng tỏ về tổng thể, đập và nền vẫn ổn định tốt

2.2.2 Phương pháp kiểm tra bề mặt bê tông

Quan sát mặt thượng lưu và hạ lưu đập xem có xuất hiện các đốm trắng khi mực nước

hồ hạ, bề mặt bề tông có nhẵn không để đánh giá chất lượng thi công Quan sát các khe thi công giữa hai khối đổ xem có xuất hiện các vết nằm ngang hay không Khi hồ tích nước, nước xâm nhập vào các phần khe thi công chưa được xử lý tốt và những chỗ

bê tông kém đặc chắc này, một phần thấm và rò rỉ vào hành lang thu nước, một phần giữ lại trong kẽ rỗng giữa các hạt cốt liệu bê tông và các khe hở Khi mực nước hồ hạ thấp, phần nước bị giữ lại trong bê tông thấm ngược về thượng lưu, nước từ trong các hành lang thấm ra hạ lưu cuốn theo vôi trong bê tông và để lại các vết và các đốm trắng trên bề mặt thượng và hạ lưu đập

Quan sát các vết nứt do co ngót (thường ở dạng rạn chân chim) hoặc vết nứt kết cấu (thường ở dạng một hoặc vài vết chạy song song)

2.2.3 Nội dung, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

Nội dung đánh giá trong công tác kiểm tra thực địa an toàn đập gồm:

Công tác kiểm tra đập và các công trình xả nước, công trình lấy nước theo các chế độ: Kiểm tra thường xuyên, kiểm tra định kỳ hàng năm trước mùa lũ và sau mùa lũ, kiểm tra đột xuất khi có sự cố

Công tác quan trắc an toàn đập theo quy trình vận hành, khai thác và kiểm tra hồ chứa nước do tư vấn thiết kế lập và được cấp có thẩm quyền phê duyệt, phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành, bao gồm:

Quan trắc các yếu tố khí tượng thủy văn trong lưu vực hồ chứa: lượng mưa, dòng chảy đến hồ, diễn biến mực nước hồ trong mùa kiệt và mùa lũ, lưu lượng dòng chảy qua tràn xả lũ, qua cống lấy nước;

Quan trắc các diễn biến liên quan đến an toàn đập: Lưu lượng thấm qua nền và thân đập; chuyển vị, lún của mặt đập, của nền và thân đập; nứt nẻ, sạt trượt của đỉnh đập, mái đập, lớp gia cố mái thượng lưu; sạt trượt mái đập

Ưu nhược điểm phương pháp kiểm tra thực địa:

+ Ưu điểm: Đánh giá được thực trạng của đập tại các thời kỳ trước và sau mùa lũ, quan sát được chi tiết các kết cấu của đập để đánh giá xem còn ổn định không, thống kê được

vị trí bất thường hiện trạng của đập làm mất ổn định để có biện pháp khắc phục

+ Nhược điểm: Mức độ an toàn đập bằng đánh giá trực quan bằng mắt thường và bằng kinh nghiệm nên phương pháp kiểm tra thực địa mang tính chất định tính và chủ quan của người kiểm tra

2.3 Phương pháp phân tích dữ liệu quan trắc

2.3.1 Phương pháp xử lý dữ liệu đo

Công nghệ quan trắc được áp dụng cho công trình để kiểm soát sự cố có thể xảy ra trong quá trình thi công, điều chỉnh thiết kế trong quá trình thi công, cung cấp số liệu

về ứng xử của công trình trong quá trình sử dụng và cung cấp số liệu cho mục đích nghiên cứu Tuy nhiên mức độ chính xác của số liệu quan trắc phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, cụ thể là:

Yếu tố môi trường: mưa gió, nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng cục bộ đến số liệu đo;

Yếu tố máy móc, thiết bị: Thiết bị quan trắc không được kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên sẽ dẫn đến hỏng hóc, mất tín hiệu chỉ báo, hoặc có tín hiệu nhưng chỉ báo không chính xác, chẳng hạn Pezomet chỉ cao độ đường bão hòa cao hơn mực nước hồ, trong khi mực nước hồ đang ổn định và không có yếu tố bên ngoài làm dâng cao đường bão hòa Yếu tố con người: Tùy theo điều kiện ngoại cảnh và yếu tố tâm lý, có thể làm cho người quan trắc đọc số liệu không chính xác, hoặc nhầm lẫn trong ghi chép, làm cho

số liệu quan trắc không phản ánh đúng thực tế.Như vậy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính chính xác và mức độ trung thực của số liệu quan trắc Do đó cần thiết phải xử lý

dữ liệu quan trắc, loại bỏ đi những số đo vô lý, không phù hợp với thực tế khách quan Công tác xử lý dữ liệu quan trắc phải do cấp thẩm quyền quyết định để tránh tùy tiện trong quản lý số liệu Người được cử làm công tác xử lý số liệu phải có kiến thức về công trình, kinh nghiệm trong công tác quan trắc, và đặc biệt phải có ý thức trách nhiệm cao đối với công việc được giao Việc xử lý dữ liệu tùy tiện sẽ làm cho số liệu quan trắc bị sai lệch, không phản ánh đúng thực tế khách quan, có thể dẫn đến những quyết định sai, gây nguy hại trong xử lý đối với công trình

2.3.2 Phương pháp phân tích dữ liệu đo

Thu thập số liệu đo đạc và quan trắc đập, các công trình ở tuyến đầu mối, tuyến năng lượng kể từ khi thi công, vận hành đến thời điểm lập báo cáo kiểm định;

Liệt kê danh mục các thiết bị quan trắc đã lắp đặt, số lượng, tình trạng hoạt động hoặc

hư hỏng, thời gian sửa chữa, khôi phục, đánh giá phương pháp đo đạc, độ tin cậy của phương pháp đo, chu kỳ đo;

Phân tích, đánh giá các số liệu đo đạc và quan trắc đập ở từng điểm quan trắc của tuyến đo, số liệu quan trắc được thể hiện dưới dạng bảng và biểu đồ Trên cơ sở đó, phân tích, đánh giá về tình trạng làm việc của công trình, dự báo xu hướng phát triển các chuyển vị đập (chuyển vị đứng, chuyển vị ngang ), các nguyên nhân chính ảnh hưởng tới giá trị quan trắc khi số đo có thay đổi đột biến;

Thiết lập đường bão hòa thực đo và đánh giá so với đường bão hòa thiết kế đối với các đập đất, đất đá; đánh giá áp lực thấm dưới nền đối với các đập bê tông;

Trên cơ sở các số liệu quan trắc đập từ giai đoạn thi công hoặc kể từ lần kiểm định gần nhất, đánh giá tình trạng an toàn đập và dự báo mức giảm độ an toàn đập

Các đề xuất, kiến nghị về công tác quan trắc, đo đạc cho thời gian tới như về thiết bị, điểm quan trắc bổ sung (dạng quan trắc, số lượng), các sửa chữa, khôi phục độ tin cậy các thiết bị đo hiện có, chu kỳ đo

2.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng

Đây là phương pháp quan trọng trong đánh giá an toàn kết cấu đập bê tông Lúc có đầy

đủ dữ liệu quan trắc thì phải ưu tiên sử dụng dữ liệu này và kết hợp với phương pháp kiểm tra thực địa để đánh giá

Tuy nhiên phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của thiết bị quan trắc và phương pháp lắp đặt

2.4 Phương pháp phân tích tính toán

2.4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn [11]

2.4.1.1 Các mô hình của phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp tìm dạng gần đúng của hàm chưa biết trong miền xác định của nó bằng cách thay miền tính toán bằng các miền con gọi là phần tử và biểu diễn miền rời rạc bằng những hàm xấp xỉ Các phần tử này xem như chỉ được nối với nhau ở một số điểm nút được chọn trên mặt hoặc trên cạnh biên của phần tử gọi là nút Thông thường hàm xấp xỉ được biểu diễn qua các giá trị của hàm tại các nút này và thường được chọn dưới dạng hàm đa thức nguyên Dạng của

hàm đa thức này phải chọn sao cho thoả mãn điều kiện hội tụ của bài toán, đó là "Hàm xấp xỉ phải phản ánh được trạng thái chuyển động của phần tử khi coi là vật rắn tuyệt đối", để sao cho khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán phải tiến đến kết quả thực

Tuỳ theo ý nghĩa của hàm xấp xỉ, trong bài toán kết cấu người ta chia ra làm ba mô hình sau đây:

Mô hình tương thích: Biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử, các ẩn số là các chuyển vị được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange hoặc định lý dừng của thế năng toàn phần,

Mô hình cân bằng: Biểu diễn gần đúng dạng phân bố của ứng suất hoặc nội lực trong phần tử, các ẩn này là ứng suất hoặc nội lực được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano

Mô hình hỗn hợp: Biếu diễn gần đúng dạng phân bố của cả ứng suất lẫn chuyển vị trong phần tử, coi ứng suất và chuyển vị là hai yếu tố độc lập nhau, các ẩn số là ứng suất và chuyển vị được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Hellinger-Reissner

Trong ba mô hình trên thì mô hình tương thích được sử dụng rông rãi hơn cả và thích hợp cho bài toán phân tích kết cấu

2.4.1.2 Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH

Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH với mô hình tương thích được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange như sau: "Tổng công khả dĩ của ngoại lực

và nội lực trong toàn vật thể V ứng với chuyển vị khả dĩ u phải bằng không khi các điều kiện cân bằng và điều kiện biên được thoả mãn"

Trong bài toán tĩnh, biểu thức thế năng toàn phần của phần tử có dạng:

b

T e e

T e

21

(2.1)

Trong đó:e, e - vectơ ứng suất và vectơ biến dạng; Ve, Se - thể tích của phần tử và diện tích đặt tải trọng bề mặt;(pb)e, (ps)e - vectơ lực khối và vectơ tải trọng bề mặt Với vật liệu đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

e = De (2.2) trong đó: D là ma trận các hằng số vật liệu và là ma trận đối xứng

b

T e e

T e

)p(Ndv

DBB

T e e

b

T e e

e

T e

T e

)p(Ndv

DBB

T e e

b

T e e

e - vectơ chuyển vị nút của phần tử;

Ke, Fe - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ tọa độ địa phương, được xác định theo công thức sau:

dvDBB

V

T e e

e



 (2.7)

ds)p(Ndv

)p(N

S

T e e

b V

T e e

K= F (2.9) trong đó:

 - vectơ chuyển vị nút của kết cấu;

K, F - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể, được xác định theo công thức sau:

e

K và FeL

Ma trận độ cứng Ke và vectơ tải trọng nút Fe của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể được xác định từ ma trận độ cứng K evà vectơ tải trọng nút F ecủa phần tử trong hệ tọa độ địa phương nhờ ma trận biến đổi tọa độ Te như sau:

T e

K T K T (2.12)

T e

F T FTrong đó:

2.4.1.3 Ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử

Ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ toạ độ địa phương được xác định theo các công thức sau:

e A 

 (2.17)

từ đó có: e A e1 e

(2.18) Thay (2.18) vào (2.16) ta được:

e e e

1 e e

u     (2.19) Trong đó: ký hiệu Ne PeAe1

Nếu gọie là vectơ biến dạng, ta có mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

e e e e e

e u N  B 

 (2.20) Trong đó:  là ma trận các toán tử và Be Ne

Vectơ ứng suất của phần tử:

e e e

e D DB 

 (2.21) Trong đó: D là ma trận các hằng số đàn hồi

2.4.1.4 Phần tử vỏ kết hợp phần tử ứng suất phẳng và phần tử tấm

- Ma trận độ cứng của phần tử vỏ

Khi giải bài toán vỏ mỏng cong một hoặc hai chiều bằng phương pháp phần tử hữu hạn, ta có thể coi vỏ nhưđược tập hợp bởi các phần tử Các phần tử này thường chọn là phần tử phẳng, ít khi dùng phần tử cong Để đơn giản, khi xác định ma trận độ cứng cũng như vectơ tải trọng nút của phần tử, ta chọn hệ tọa độ cục bộ cho từng phần tử vỏ

có x', y' nằm trong mặt trung bình, còn trục z' vuông góc với mặt đó và tạo thành hệ tọa độ vuông góc thuận

Từ ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ toạ độ địa phương, ta

có thể suy ra ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ toạ độ kết cấu như đã trình bày ở trên

Theo lý thuyết vỏ mỏng, nội lực trong vỏ gồm có lực dọc N1, N2, lực trượt S1, S2 nằm

trong mặt trung bình của vỏ, được gọi là nội lực màng (bài toán ứng suất phẳng),

ngoài ra còn có mômen uốn M1, M2, mômen xoắn M12, M21, lực cắt Q1, Q2 được gọi là

nội lực tấm (bài toán tấm mỏng) Trạng thái chịu lực của bài toán vỏ coi như hợp bởi

trạng thái chịu lực phẳng và trạng thái chịu lực uốn-xoắn Vậy các trường hợp đặc biệt của bài toán vỏ mỏng là bái toán ứng suất phẳng và bài toán tấm mỏng

Đối với phần tử vỏ phẳng, khi ghép ma trận độ cứng của hai trạng thái chịu lực này, cần lưu ý là chuyển vị của trạng thái này không ảnh hưởng tới biến dạng của trạng thái kia và ngược lại như đã chứng minh trong lý thuyết vỏ mỏng

Vectơ chuyển vị nút và vectơ tải trọng nút tương ứng của phần tử vỏ trong hệ toạ độ địa phương được viết dưới dạng sau:

T T B e

T M e

T M e

Vậy trong trường hợp này ta có ma trận độ cứng của phần tử vỏ trong hệ tọa độ địa phương như sau:

K 0

0 K

0.0

0.0

z ' y y ' y x ' y

z ' x y ' x x ' x

(2.25)

với x'x là cosin của góc giữa trục x' và trục x,

- Ma trận độ cứng và nội lực của phần tử vỏ trong hệ tọa độ địa phương

+/ Phần tử hình tam giác

Vectơ chuyển vị nút của phần tử phẳng hình tam giác có 3 điểm nút ijk trong trạng thái nội lực màng như ở hình 2.1, mỗi nút có hai thành phần chuyển vị u, v được sắp xếp như sau:

T M k

M j

M i

M



Vectơ tải trọng nút của phần tử hình tam giác có 3 điểm nút ijk trong trạng thái nội lực màng tương ứng với vectơ chuyển vị nút (2.26) như sau:

T M k

M j

M i

M jk

M jj

M ik

M ij

M ii M e

Kdx

KK

KKK

T k j i

N    (2.29)

i i 2 i 1

N 

trong đó: SMe , Me lần lượt là ma trận nội lực đơn vị và vectơ chuyển vị nút của phần

tử màng trong hệ tọa độ địa phương

Vectơ chuyển vị nút của phần tử hình tam giác có 3 điểm nút ijk trong trạng thái nội lực tấm, mỗi nút có ba thành phần chuyển vị được sắp xếp như sau:

T B k

B j

B i

T B k

B j

B i

B jk

B jj

B ik

B ij

B ii B e

Kdx

KK

KKK

M    (2.33) với: M  i M xi M yi M zi,

trong đó: SBe, eB lần lượt là ma trận nội lực đơn vị và vectơ chuyển vị nút của phần tử

tấm trong hệ toạ độ địa phương

Đối với phần tử tam giác có 3 điểm nút trong trạng thái nội lực màng, mỗi nút có 2 thành phần chuyển vị u và v, ta có thể chọn hàm xấp xỉ chuyển vị là đa thức có 3 số hạng như sau:

u(x,y) = a1 + a2x + a3y v(x,y) =a 3 + a4x + a5y (2.34) Còn với phần tử tấm vì mỗi nút có 3 thành phần chuyển vị w, x, y nên hàm xấp xỉ mặt võng của tấm phải chọn là đa thức có 9 số hạng như sau:

w(x,y) = a1 + a2x + a3y + a4xy + a5x2 + a6y2 + a7x2y + a8xy2 + a9(x3 + y3) (2.35) +/ Phần tử hình tứ giác

Vectơ chuyển vị nút của phần tử phẳng hình tứ giác có 4 điểm nút ijkl trong trạng thái nội lực màng, mỗi nút có hai thành phần chuyển vị u, v được sắp xếp như sau:

T M l

M k

M j

M i

M k

M j

M i

M kl

M kk

M jl

M jk

M jj

M il

M ik

M ij

M ii M e

Kdx

KK

KKK

KKKK

K (2.38)

Vectơ chuyển vị nút của phần tử hình tứ giác có 4 điểm nút ijkl trong trạng thái nội lực tấm mỗi nút có ba thành phần chuyển vị được sắp xếp như sau:

T B l

B k

B j

B i

B e

B k

B j

B i

B

F   (2.40)

với:  T

yi xi i

B kl

B kk

B jl

B jk

B jj

B il

B ik

B ij

B ii B e

Kdx

KK

KKK

KKKK

T l k j i

M    (2.42)

zi yi xi

M 

trong đó: SBe, Be lần lượt là ma trận nội lực đơn vị và vectơ chuyển vị nút của phâng

tử tấm trong hệ tọa độ địa phương

Với phần tử phẳng tứ giác có 4 điểm nút trong trạng thái nội lực màng, mỗi nút có 2 thành phần chuyển vị u và v, ta có thể chọn hàm xấp xỉ chuyển vị là đa thức có 4 số hạng như sau:

u(x,y) = a1 + a2x + a3y + a4xy v(x,y) = a5 + a6x + a7y + a8xy (2.43) Còn với phần tử tấm vì mỗi nút có 3 thành phần chuyển vị w, x, y nên hàm xấp xỉ mặt võng của tấm phải chọn là đa thức có 12 số hạng như sau:

w(x,y) = a1+ a2x + a3y + a4xy + a5x2 + a6y2 + a7x2y + a8xy2 + a9x3 + a10y3+

a11x3y+a12xy3 (2.44)

- Ma trận độ cứng và vectơ tải của phần tử phẳng hình tam giác trong hệ tọa độ tổng thể