Nghiên cứu ổn định của đập bê tông trọng lực khi bị nước tràn qua đỉnh luận án thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy 60 58 4

TỔ NG QUAN V Ề ỔN ĐỊNH ĐẬ P BÊ TÔNG TR Ọ NG L Ự C

Tình hình xây d ựng đậ p bê tông trên th ế gi ớ i

Đập trọng lực đầu tiên trên thế giới là đập Jawa, được xây dựng tại Jordan khoảng 3000 năm trước Công nguyên, với chiều cao 4,5m và chiều dài 50m, cung cấp nước cho khoảng 2000 người Đến năm 54-64 trước Công nguyên, tại Subiaco, Ý, một con đập cao 50m, rộng 13,5m và dài 80m đã được xây dựng, trở thành đập trọng lực cao nhất thời La Mã và tồn tại đến năm 1305.

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

Mã đã xây dựng đập lớn nhất tại Homs, Syria, với chiều cao 7m, rộng 14m và dài 2000m, tạo ra hồ chứa có dung tích lên tới 90 triệu m³.

Đập Cornavol, được xây dựng bởi người La Mã hơn 2000 năm trước, đánh dấu sự phát triển ban đầu của công trình thủy lợi Từ những năm 1930, đập bê tông trọng lực đã trở nên phổ biến, với nhiều công trình cao được xây dựng nhằm mục đích cấp nước và phát điện Vấn đề ổn định đập luôn được đặt lên hàng đầu trong quá trình xây dựng các đập lớn Đập Chambon, xây dựng từ năm 1929 đến 1934 trên sông Romanche ở miền tây nam Pháp, cao 136,7m, từng là đập bê tông trọng lực cao nhất châu Âu, với chiều rộng đỉnh 5m và chiều rộng chân 70m, tạo ra hồ chứa có dung tích 51 triệu m³.

Đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới hiện nay là Grand Dixence, được khởi công vào năm 1951 và hoàn thành vào năm 1962 tại Swiss Alps với chiều cao 285m Từ những năm 1950 đến 1982, số lượng đập lớn trên toàn cầu tăng nhanh, với khoảng 5000 đập được xây dựng, chủ yếu tập trung ở Bắc Mỹ và châu Âu.

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

Theo thống kê của Hội Đập Lớn Thế Giới (ICOLD), đến năm 2011, trên toàn cầu có khoảng 52.000 đập lớn phân bố ở 140 quốc gia Năm quốc gia dẫn đầu về xây dựng đập bao gồm Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản, với tổng số đập của các nước này chiếm 80% tổng số đập lớn trên thế giới Chỉ riêng Trung Quốc đã xây dựng một số lượng đập đáng kể.

Trong thế kỷ 20, Quốc đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn, đặc biệt là từ sau năm 1949, cùng với sự phát triển của các nước như Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản và Tây Ban Nha.

Hiện nay, đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập trên toàn cầu Đặc biệt, đối với những đập có chiều cao trên 100m, tỷ lệ này càng cao hơn.

Đến năm 1999, đã có 17.526 đập cao từ 15-30m, 4.578 đập cao trên 30m và 32 đập cao trên 100m, cho thấy sự gia tăng đáng kể trong số lượng đập cao Sự gia tăng này đã dẫn đến việc sử dụng vật liệu bê tông ngày càng phổ biến Điển hình là đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử, với khối lượng bê tông gần 28 triệu m3, hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ m3 nước, tràn xả lũ với lưu lượng 124.300 m3/s và nhà máy thủy điện công suất 18,2 GW, lớn nhất thế giới.

Vào đầu thế kỷ 19, nhiều đập lớn đã được xây dựng trên các con sông, nổi bật là đập vòm Xiluodu cao 273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinghai, và đập vòm Jinping Hình 1.4 minh họa đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử, một trong những công trình nổi bật nhất trong số này.

Các đập như đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu và đập Longtan cao 216m trên sông Hongshui đóng vai trò quan trọng trong việc cấp nước, hạn chế lũ lụt, sản xuất thủy điện và phát triển du lịch Sự gia tăng xây dựng đập trên toàn thế giới phản ánh nhu cầu đa ngành này Để đảm bảo an toàn, các đập cần có cấu trúc chịu lực và chống thấm phù hợp, đồng thời phải tính toán chính xác các tác động giữa đập và nền Đặc biệt, chiều cao đập càng lớn thì lợi ích càng rõ ràng, đòi hỏi công nghệ thi công và vật liệu mới phải đáp ứng kịp thời.

Tình hình xây d ựng đậ p bê tông t ạ i Vi ệ t Nam

Việt Nam sở hữu khoảng 10.000 đập lớn nhỏ, trong đó có gần 500 đập lớn, xếp thứ 16 trên thế giới về số lượng đập cao Đặc biệt, phần lớn các đập được xây dựng chủ yếu từ vật liệu địa phương, trong khi đập bê tông chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ.

Trước những năm 1930, Việt Nam chưa có các đập bê tông trọng lực lớn, chủ yếu là các đập thấp (5-10m) với kết cấu đơn giản Từ 1930 đến 1945, một số đập bê tông trọng lực như đập Đô Lương ở Nghệ An và đập Đáy ở Hà Tây đã được xây dựng bởi các kỹ sư người Pháp.

Từ năm 1945 đến 1975, chiến tranh đã hạn chế đầu tư vào các công trình thủy lợi Trong giai đoạn này, các tiêu chuẩn thiết kế và thi công công trình thủy lợi bắt đầu được hình thành, và một số đập tràn thấp như đập tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn, và Đa Nhim đã được xây dựng.

Từ năm 1975, nghiên cứu và công nghệ thi công đập bê tông đã có nhiều tiến bộ, giúp việc thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực trở nên dễ dàng hơn Nhiều đập bê tông quy mô lớn và đa dạng hình thức đã được xây dựng, như đập thủy điện Hòa Bình, Trị An, Tuyên Quang, Pleikrong, Sêsan 3, Sêsan 4, và Thạch Nham, nhờ vào sự tham gia thiết kế và thi công của các kỹ sư trong nước.

Theo thống kê, trong số các đập có chiều cao dưới 60m, đập vật liệu địa phương chiếm 80% Ngược lại, đối với các đập cao trên 60m, tỷ lệ đập bê tông tăng cao Hình thức đập và công trình tháo lũ ngày càng đa dạng, phù hợp với đặc điểm riêng của từng công trình.

Hiện nay, nước ta có nhiều đập cao, trong đó đập bê tông chiếm tỷ lệ đáng kể Do đó, yêu cầu về thiết kế và xây dựng cần được nâng cao, cùng với việc lập và sử dụng quy trình vận hành, quản lý và khai thác công trình hồ đập một cách hiệu quả và an toàn Việc xem xét các tình huống làm việc của đập, đặc biệt trong các sự cố bất thường như động đất, sạt lở bờ, lũ đột ngột hay hỏng cửa van, là rất cần thiết Sử dụng các phương pháp đã biết để mô tả chính xác hơn sự làm việc thực tế của đập sẽ giúp đảm bảo an toàn cho công trình.

Đặc điể m làm vi ệ c c ủa đậ p bê tông tr ọ ng l ự c

Đập bê tông trọng lực là một công trình thủy lợi có khối lượng lớn, được thiết kế để duy trì ổn định nhờ vào trọng lượng và độ bền của bê tông Đặc điểm nổi bật của loại đập này là khả năng chịu nén cao, giúp nó chống lại áp lực nước hiệu quả.

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

Đập bê tông trọng lực nổi bật với kết cấu đơn giản và phương pháp thi công dễ dàng Việc thi công có thể thực hiện bằng công nghệ bê tông ướt hoặc bê tông đầm nén, giúp tối ưu hóa hiệu quả xây dựng.

Đập bê tông trọng lực nổi bật với khả năng chống thấm và độ bền cao, bao gồm hai loại chính: đập bê tông trọng lực tràn nước và đập bê tông trọng lực không tràn nước.

1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước:u

Đập bê tông trọng lực tràn nước được thiết kế đặc biệt để cho phép nước chảy qua mặt đập với lưu tốc lớn, đảm bảo an toàn cho cả đập và khu vực hạ lưu.

Mặt đập thường có dạng đường cong thuận (Officerop) để tối ưu hóa lưu lượng tràn, giúp tăng cường hiệu suất Do lưu tốc dòng chảy trên bề mặt tràn rất lớn, hiện tượng khí thực dễ xảy ra Vì vậy, cần sử dụng vật liệu chống xói cao và bố trí các hệ thống giảm thiểu hiện tượng khí thực để đảm bảo an toàn cho công trình.

Hệ thống tiêu năng hạ lưu, bao gồm các phương pháp như tiêu năng mặt và đáy, nhằm mục đích giảm thiểu năng lượng thừa của dòng nước Các hình thức tiêu năng này có thể thực hiện bằng cách đào bể, xây tường, hoặc thông qua ma sát giữa dòng nước và không khí Việc này giúp ngăn ngừa hiện tượng xói lở ở hạ lưu công trình, bảo vệ sự ổn định và an toàn cho hệ thống.

1.3.2 Đập bê tông trọng lực không tràn nước:

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

Cao trình đỉnh của đập bê tông trọng lực không tràn là yếu tố quan trọng trong thiết kế, được tính toán để đảm bảo tần suất thiết kế và kiểm tra Đỉnh đập cần luôn cao hơn mực nước trong hồ nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của công trình.

Đập bê tông trọng lực không tràn nước có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn lượng nước từ thượng lưu, do đó cần đảm bảo khả năng chống thấm tốt Mặt hạ lưu của đập không có nước tràn, vì vậy vật liệu không cần có khả năng chống xâm thực và chống xói cao Hình dạng của đập chỉ cần đáp ứng yêu cầu về ổn định, chống trượt và lật, không cần thiết phải tháo được lưu lượng lớn như ở đập bê tông trọng lực tràn nước.

- Phía hạlưu đập bêtông trọng lực không tràn nước không cần bộ phận tiêu năng.

Đập bê tông trọng lực tràn nước và không tràn có nhiệm vụ và yêu cầu khác nhau về kích thước, cấu tạo, chất liệu và các bộ phận đi kèm Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ổn định trong cả hai tình huống có và không có nước tràn, trong khi đập bê tông không tràn chỉ xem xét khả năng chịu tải khi không có nước Biến đổi khí hậu đã gây ra nhiều thay đổi trong quy luật tự nhiên, dẫn đến thiên tai bất thường và khiến các đập phải hoạt động vượt quá chỉ tiêu thiết kế, như trường hợp đập Hố Hô ở Hà Tĩnh bị tràn nước.

Hiện tượng tràn nước qua đập bêtông không tràn có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến ổn định của đập Luận văn này sẽ phân tích và làm rõ những ảnh hưởng của hiện tượng này đối với cấu trúc và tính an toàn của đập.

Ổn định đậ p bê tông tr ọ ng l ự c

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

Dưới tác động của các tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực cần đảm bảo an toàn chống trượt, chống lật và cường độ nền.

Ứng suất tại đập và nền không được vượt quá giới hạn thiết kế của vật liệu cấu thành đập hoặc đá nền Cần chú ý đến các yêu cầu riêng biệt cho đập bê tông trọng lực có tràn nước và đập bê tông trọng lực không có tràn.

Đập tràn nước không chỉ cần tuân thủ các yêu cầu chung mà còn phải đảm bảo an toàn cho mặt tràn và tiêu năng ở hạ lưu, nhằm ngăn ngừa xói mòn và bảo vệ sự ổn định của đập.

1.4.2 Các hình thức mất ổn định của đập bê tông trọng lực: a Hình thức mất ổn định tổng thể:

Trượt xảy ra trên bề mặt đáy đập, nơi tiếp xúc với nền hoặc mặt phẳng dưới chân khay, đặc biệt khi khay cắm sâu vào nền Nếu nền đá phân lớp, cần xem xét mặt trượt qua các lớp phân chia, vì đặc trưng chống trượt của đá giảm so với mặt trượt trên đá nguyên khối Mặt trượt có thể nằm ngang hoặc nghiêng, tùy thuộc vào cấu trúc công trình và đặc điểm nền.

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

- Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu tải của nền b Hình thức mất ổn định cục bộ:

Dưới tác động của ngoại lực, các điểm trong thân đập xuất hiện ứng suất pháp và ứng suất tiếp Khi một phần của đập, chủ yếu ở chân mặt thượng và hạ lưu, phát sinh ứng suất kéo, nén hoặc cắt vượt quá sức chịu tải của vật liệu, sẽ dẫn đến nứt nẻ Tình trạng chịu lực gia tăng, ứng suất tập trung lớn ở khu vực lân cận, làm vết nứt phát triển và tiết diện chịu lực thu hẹp, dẫn đến ứng suất tăng cao Cuối cùng, khi vượt quá giới hạn nhất định, công trình sẽ bị phá hoại, từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến hư hỏng toàn bộ đập bê tông.

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

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

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

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

1.4.3.1 Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn a Những luận điểm cơ bản: Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là việc sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê như: hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm việc, hệ số tin cậy, hệ số lệch tải, hệ số an toàn vật liệu,…nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung

Công trình và nền đạt trạng thái giới hạn khi không còn khả năng chịu đựng tải trọng và tác động bên ngoài, dẫn đến hư hỏng, biến dạng quá mức và không đáp ứng được yêu cầu khai thác bình thường.

Có 2 nhóm trạng thái giới hạn cơ bản là:

Trạng thái giới hạn thứ nhất liên quan đến việc đánh giá công trình và nền trong điều kiện bất lợi nhất Điều này bao gồm các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ thống công trình và nền, cũng như độ bền của các bộ phận quan trọng Sự hư hỏng của các bộ phận này có thể dẫn đến việc ngưng trệ khai thác công trình Ngoài ra, cần thực hiện các tính toán về ứng suất và chuyển vị của các kết cấu mà độ bền và ổn định của công trình phụ thuộc vào.

Trạng thái giới hạn thứ hai đề cập đến các công trình, kết cấu và nền làm việc bất lợi trong điều kiện bình thường, bao gồm các tính toán độ bền cục bộ của nền, hạn chế chuyển vị và biến dạng, cũng như sự hình thành và mở rộng vết nứt Ngoài ra, nó còn liên quan đến sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của các kết cấu bộ phận mà chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất.

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

Trong đó: G là tổng áp lực thẳng đứng tác dụng lên đập

N là tổng áp lực ngang tác dụng lên đập

T là lực ma sát giữa đập và nền

Kiểm tra ổn định lật được thực hiện tại mép hạ lưu của đập, với nền đập bê tông thông thường là đá, mặt trượt thường có dạng phẳng và có thể nằm ngang hoặc nghiêng về phía thượng hoặc hạ lưu Trong trường hợp nền có địa chất phức tạp hoặc lớp đá có khả năng trượt, cần tiến hành kiểm tra thêm khả năng trượt hỗn hợp Các tải trọng và tổ hợp tải trọng cũng cần được xem xét trong quá trình này.

Các tải trọng tính toán bao gồm trọng lượng bản thân và thiết bị trên công trình, áp lực nước, đất, áp lực thấm, cùng với các tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn như áp lực bùn cát, tác động nhiệt, áp lực sóng, gió, và vật nổi Ngoài ra, còn có các tải trọng đặc biệt như áp lực nước ở mực nước lũ, áp lực thấm khi hệ thống thoát nước bị hỏng, tải trọng gia tăng do động đất và tác động nhiệt bất thường.

Tổ hợp tải trọng bao gồm hai loại chính: tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt Tổ hợp tải trọng cơ bản bao gồm các tải trọng và tác động thường xuyên, tạm thời, dài hạn và ngắn hạn mà đập có thể chịu đựng đồng thời Trong khi đó, tổ hợp tải trọng đặc biệt là sự thay thế một số tải trọng trong tổ hợp cơ bản bằng các tải trọng đặc biệt đã được xem xét.

- Công thức tính: Đập và nền đảm bảo điều kiện an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo trạng thái giới hạn phải thỏa mãn điều kiện:

Trong đó: Ntt là tải trọng tính toán tổng quát ( lực, mô men, ứng suất, biến dạng, ), R là sức chịu tải tổng quát Áp dụng với 3 bài toán:

* Kiểm tra ổn định trượt: Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: [ ] K

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

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

C là lực dính đơn vị của nền,

L là chiều dài mặt trượt

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

[K] là hệ số an toàn chống trượt cho phép

* Kiểm tra ổn định lật: Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: [ ] K

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

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

* Kiểm tra ứng suất theo biên thượng lưu: Điều kiện an toàn: Ứng suất biên thượng lưu đập phải thỏa mãn 2 điều kiện:

- Mép thượng lưu không xuất hiện ứng suất kéo

- Ứng suất nén tại mép thượng lưu nhỏhơn ứng suất nén cho phép của vật liệu

1.4.3.2 Phương pháp tính toán theo trạng thái cân bằng giới hạn ( Tiêu chuẩn Mỹ

EM 1110-2-2200 và EM 1110-2-2100) a Luận điểm cơ bản:

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

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

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

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

Các tính toán kiểm tra đặc biệt tập trung vào các mặt cắt biến đổi, khu vực có tải trọng tập trung, xung quanh lỗ khoét hầm, và mái thượng hạ lưu.

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

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

Trong đó: W là tải trọng bản thân của đập, H là áp lực ngang, U là áp lực thấm dưới nền, N là phản lực nền

Hình 1.7 Sơ đồ tính ổn định trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ

Khi tiến hành phân tích ổn định cho đập có mặt trượt sâu dưới nền, các khối trượt và chống trượt sẽ được chia thành từng thỏi theo phương pháp phân thỏi Việc xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng là rất quan trọng trong quá trình này.

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

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

- Áp lực nước thượng hạlưu đập

- Áp lực đất và bùn cát

- Áp lực chân không phát sinh trong dòng chảy qua đập

- Lực do va đập vật nổi, băng trôi.

Gồm 9 tổ hợp tải trọng như sau:

- Tổ hợp 1: Tải trọng bình thường

- Tổ hợp 2: Đập xây dựng xong, thượng hạlưu chưa có nước

- Tổ hợp 3: Vận hành không bình thường

- Tổ hợp 4: Không bình thường- tháo lũ

- Tổ hợp 5: Động đất cơ sở

- Tổ hợp 7: Tải trọng động đất lớn nhất

- Tổ hợp 8: Tháo lũ lớn nhất ( lũ cực hạn)

- Tổ hợp 9: Tổ hợp sau động đất d Tiêu chuẩn an toàn

An toàn chống lật của công trình được xác định dựa vào vị trí của hợp lực Chỉ số tính toán được tính bằng tỷ số giữa tổng mô men của các lực thẳng đứng và lực nằm ngang tại chân đập so với tổng các lực thẳng đứng.

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

- Phân tích an toàn chống trượt

S ự c ố đậ p bê tông tr ọ ng l ự c

1.5.1 Sự cố đập bê tông trọng lực trên thế giới Đập Austin được xây dựng ở phía bắc thị trấn Johnstown, bang

Đập bê tông trọng lực tại Pennsylvania, Hoa Kỳ, cao 15m và dày 9,8m, được xây dựng từ 12.200 m2 bê tông, tạo thành hồ chứa với dung tích 750.000 m3 nước Vào ngày 17 tháng 1 năm 1910, mưa lớn kết hợp với tan băng đã gây ra lũ lớn đột ngột, đe dọa thân đập Nước tràn qua đỉnh đập và các vết nứt trên thân và vai đập ngày càng mở rộng, dẫn đến sự trượt đập xuống hạ lưu Hậu quả của sự cố này đã khiến 78 người thiệt mạng và làm ngập thị trấn phía hạ lưu.

Hình 1.8 Vết tích còn lại của đập Austin

Sự cố đập Vajont, hoàn thành năm 1959 tại thung lũng sông Vajont, Monte Toc, cách Venice, Italy 100km về phía bắc, là một trong những sự cố hiếm gặp ở các đập cao bằng bê tông Với chiều cao 262m, đây là một trong những đập vòm cao nhất thế giới Tuy nhiên, các nhà thiết kế đã không tính đến sự bất ổn của địa chất khu vực Monte Toc, dẫn đến một trận lở đất lớn vào năm 1963 trong lòng hồ Sự kiện này tạo ra một cột sóng khổng lồ tràn qua đỉnh đập, gây áp lực lớn đột ngột lên công trình và dẫn đến lũ lụt nghiêm trọng ở vùng hạ lưu Hậu quả là nhiều ngôi làng trong thung lũng bị phá hủy, với khoảng 2000 người thiệt mạng trong trận lũ.

Vào năm 2008, trong hội thảo báo cáo Năm Trái Đất, UNESCO đã chỉ ra sự cố đập Vajont như một trong những bi kịch nghiêm trọng nhất đã được cảnh báo trước, đồng thời nhấn mạnh đây là một thất bại lớn của các nhà địa chất và kỹ sư thiết kế.

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

Đập Sweetwater, nằm ở hạt San Diego, California, là một công trình bêtông trọng lực cao 33m, dài 210m, và rộng 7,6m trên đỉnh, với dung tích hồ chứa 34,6 triệu m³ Được xây dựng vào năm 1888, đập có nhiệm vụ cung cấp nước tưới cho đồng bằng ven biển và nước sinh hoạt cho thành phố San Diego Tuy nhiên, vào mùa xuân năm 1916, mưa bão đã làm mực nước sông Sweetwater dâng cao 1,1m so với đỉnh đập, dẫn đến lũ lụt tràn qua và gây xói lở nghiêm trọng Hậu quả là hơn 4500km đường sắt, đường ống nước và điện lực bị cuốn trôi.

Hình 1.11 Nước tràn qua đỉnh đập Sweetwater

Hiện tượng mực nước thượng lưu dâng cao đột ngột có thể dẫn đến xói lở và thậm chí vỡ đập, đã xảy ra tại nhiều công trình trên thế giới, bao gồm đập McDonald ở Texas, Hoa Kỳ và đập Dehil ở Iowa, Ấn Độ.

Lauren Run, Pennsylvania, Hoa Kỳ,…cho thấy đây cũng là một hiện tượng cần xét đến trong quá trình thiết kế và vận hành hồ chứa

1.5.2 Hiện tượng đập không tràn bị tràn nước

Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông trọng lực, mặc dù không phổ biến, vẫn có thể xảy ra khi lưu lượng nước từ mưa lớn vượt quá tần suất thiết kế Nếu khả năng tháo nước của tràn không đáp ứng hoặc gặp sự cố ở cửa van, mực nước trong hồ có thể dâng cao vượt quá đỉnh đập Khi đó, phần đập không tràn sẽ hoạt động như một đập tràn thực sự, gây ra một số ảnh hưởng chính đến an toàn và hiệu suất của công trình.

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

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

3) Đập phải làm việc ở trạng thái vượt tải: áp lực nước thượng lưu tăng cao, áp lực đẩy nổi, áp lực thấm tăng, áp lực thủy động do dòng chảy trên mặt đập gây ra, rung động do áp lực động của dòng nước, nếu xuất hiện hố xói ở chân đập sẽ làm mất khối đất chân hạlưu chống trượt,… Đập không tràn nước được tính toán thiết kế chỉ với nhiệm vụ chắn lượng nước trong hồ chứa chứchưaxét đến khả năng hoạt động bình thường trong trường hợp bị tràn nước: Cấu tạo mặt đập tràn nước được thiết kếđể tháo nước mà không bị xói, xâm thực và đảm bảo ổn định khi dòng nước có lưu tốc lớn chảy qua, hạlưu công trình tháo cũng được tính toán thiết kế để tiêu tán hết nguồn năng lượng thừa của dòng nước

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

Nhà máy Thủy điện Hố Hô, được đầu tư xây dựng với hơn 257 tỷ đồng, do Công ty cổ phần Đầu tư và Phát triển điện miền Bắc I làm chủ đầu tư Nhà máy bao gồm 2 tổ máy với tổng công suất 13MW, dung tích hồ chứa đạt 38 triệu m3 và diện tích lưu vực lòng hồ lên tới 265,26ha.

Ngày 3/10, lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh chóng, nhưng nhà máy không mở được cống thoát nước, khiến nước lũ tràn qua cửa đập cao gần 2m so với cao trình 72m Hậu quả là hàng trăm hộ dân tại xã Hương Lâm và Hương Liên, huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) bị ngập nặng, gây tổn thất nghiêm trọng, trong đó có 2 người thiệt mạng.

Hình 1.12 Nước tràn qua đỉnh đập Hố Hô

Dòng nước mạnh mẽ tràn qua đỉnh đập đã gây xói mòn một phần hạ lưu, tạo ra nguy cơ cho an toàn của cả đập và nhà máy thủy điện.

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

Hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập Hố Hô gần đây là bài học quý giá về việc khảo sát, thiết kế và quản lý hồ chứa để đảm bảo an toàn trước thiên tai lũ lụt Đối với các nhà thiết kế, việc tính toán mức độ an toàn của công trình trong các tình huống sự cố là yêu cầu thiết yếu, quyết định cho việc xây dựng các phương án ứng phó hiệu quả.

S ự c ầ n thi ế t ph ả i nghiên c ứ u

Đập bê tông trọng lực là một cấu trúc quan trọng trong các dự án thủy lợi và thủy điện, hoạt động dựa vào trọng lượng của bê tông để duy trì sự ổn định Cấu trúc này được thiết kế để chống lại các tác động ngoại lực, nhưng có thể gặp rủi ro như trượt hoặc lật.

Đập bê tông trọng lực được phân chia thành hai loại chính: đập tràn nước và đập không tràn nước Đập tràn nước được thiết kế để duy trì sự ổn định trong cả hai trường hợp có và không có nước tràn qua Khi nước tràn qua đỉnh đập, đập sẽ phải hoạt động trong tình trạng quá tải.

Hiện tượng mưa lũ tại Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Bình đã gây ra lũ lụt nghiêm trọng, đặc biệt là sự cố tại công trình thủy điện Hố Hô, Hà Tĩnh khi cửa van bị hỏng khiến nước tràn qua đỉnh đập Điều này đặt ra câu hỏi về mức độ an toàn của đập và khả năng hoạt động của nó sau sự cố Bài viết sẽ đi sâu vào phân tích các vấn đề liên quan đến an toàn và hiệu suất của đập sau sự cố.

K ế t lu ận chương 1

Đập là công trình thiết yếu, mang lại nhiều lợi ích như cung cấp nước, phát điện và kiểm soát lũ lụt, do đó số lượng đập trên thế giới ngày càng tăng Với nhiệm vụ chắn nước lớn ở thượng lưu, đập phải chịu áp lực lớn, vì vậy việc kiểm tra khả năng chịu tải của đập trong nhiều điều kiện khác nhau là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho cả đập và khu vực hạ lưu.

Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông không tràn, mặc dù hiếm gặp, đã xảy ra trong thực tế Khi mực nước dâng cao, đập không tràn hoạt động như một đập tràn tạm thời, khiến nó phải chịu nhiều áp lực và điều kiện bất lợi mà chưa được tính toán trong thiết kế Do đó, các nghiên cứu trong luận văn cần phải kiểm tra khả năng ổn định của đập trong trường hợp xảy ra sự cố và đảm bảo rằng đập vẫn hoạt động bình thường sau sự cố đó.

(1) Ổn định tổng thểtrong điều kiện bất lợi đã hình thành hố xói ở hạlưu ?

(2) Bề mặt đập có bị xói không ?

(3) Có khảnăng mất ổn định cục bộ ?

Hiện nay, có hai hệ thống tiêu chuẩn chính để tính toán ổn định của đập bê tông: tiêu chuẩn Nga – Việt và tiêu chuẩn Mỹ Việc lựa chọn tiêu chuẩn nào để tính toán ổn định đập đều hướng đến mục tiêu đảm bảo tính chính xác và an toàn cho công trình Do đó, luận văn sẽ áp dụng cả hai tiêu chuẩn này để kiểm tra điều kiện an toàn của đập.

HỐ XÓI VÀ ĐƯỜ NG M ẶT NƯỚ C Ở SAU ĐẬ P BÊ TÔNG

KHÔNG TRÀN BỊTRÀN NƯỚC 2.1 Đặt vấn đề:

Dòng chảy sau khi chảy qua đập xuống hạ lưu mang theo năng lượng lớn, nhưng năng lượng này bị tiêu hao qua nhiều hình thức khác nhau Một phần năng lượng gây ra xói lở lòng sông và hai bờ, dẫn đến hiện tượng sói lở cục bộ ở khu vực hạ lưu Ngoài ra, năng lượng cũng bị tiêu hao do ma sát nội bộ trong dòng chảy và ma sát giữa nước với không khí Mức độ sức cản nội bộ trong dòng chảy ảnh hưởng đến lượng năng lượng bị tiêu hao: sức cản càng lớn thì xói lở càng ít và ngược lại.

Khi dòng chảy mạnh từ đỉnh đập xuống hạ lưu mà không có biện pháp tiêu năng hiệu quả, hiện tượng xói lở hạ lưu có thể xảy ra Kích thước hố xói phụ thuộc vào chiều cao cột nước và điều kiện địa chất nền; nếu nền là đá tốt, hố xói thường nhỏ, nhưng nếu nền yếu, hố xói có thể sâu và rộng, ảnh hưởng đến an toàn công trình Hố xói làm giảm kích thước khối đất chân hạ lưu đập, có thể thay đổi mặt trượt giữa nền và đập, dẫn đến giảm diện tích tiếp xúc và hệ số ổn định của đập Khi hệ số ổn định giảm xuống dưới mức cho phép, nguy cơ trượt hoặc lật đập sẽ tăng cao.

2.2 Lựa chọn phương pháp tính hố xói

Dòng chảy mạnh trên mặt đập tạo ra xoáy cuộn ở hạ lưu và hình thành hố xói phía sau đập Việc xác định kích thước hố xói là cần thiết để đánh giá tác động của nó đối với an toàn của công trình đập.

Một số công thức tính hố xói:

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

- T: Chiều sâu hố xói tính từ mực nước hạlưu

- Z: Chênh lệch mực nước thượng hạlưu

- d50 : đường kính trung bình hạt ở lòng sông

- h gh1 : Độ sâu giới hạn thứ nhất

- v 01 : tốc độ bắt đầu chuyển động của hạt

- q: Hệ số thể hiện mối liên quan đến lưu lượng đơn vị, quan hệ q~K với các v 01

Khoảng cách từ cuối bậc đến điểm sâu nhất

Với: d x : chiều sâu hố xói tính từ nền hạlưu

* Viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang ( Trung Quốc) đưa ra công thức:

- K: hệ sốđịa chất ( đất mềm K=3.3, đất cứng sa thạch K=1.35)

- ϕ: Hệ số phụ thuộc trạng thái dòng chảy:

Nền đất đá Nền mềm

Dòng chảy mặt không ngập 0.59 0.79

- Z: chênh lệch mực nước thượng hạlưu

H: cột nước toàn phần trên đập

Hố xói có hình dạng đặc trưng với độ dốc mái thượng lưu m1 và mái hạ lưu m2, cùng với chiều rộng đáy hố xói L2 Khoảng cách từ chân đập đến vị trí bắt đầu có chiều sâu lớn nhất của hố xói được ký hiệu là L1, như trong hình vẽ.

Kích thước hố xói Đặc trưng

0 9-1.1 Ở đây sử dụng công thức của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang vì:

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

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

Việc thiếu thông số đầy đủ về hạt ở lòng sông và các số liệu nền hạ lưu khiến cho việc áp dụng các công thức khác trở nên không phù hợp Công thức của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang, chỉ xem xét đặc trưng của nền đá sa thạch hoặc nền mềm, là lựa chọn thích hợp cho tính toán trong trường hợp này.

Hình 2.1 Sơ đồ hố xói hạ lưu đập 2.3 Các tính toán và kết quả:

Sử dụng công thức tính toán hố xói từ Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc) để xác định hố xói chân đập Tính toán kích thước cho các đập có chiều cao từ 20 đến 70m, với đỉnh đập rộng 5m Đặc điểm thiết kế bao gồm mái thượng lưu thẳng đứng và mái hạ lưu nghiêng với hệ số m = 0,8, cùng với các cấp lưu lượng đơn vị tràn qua đỉnh đập.

0,5 m 2 /s đến 20m 2 /s tương ứng với chiều cao cột nước tràn qua đỉnh đập là 0,445 đến 5,207m

* Với trường hợp đập cao 70m

Bảng 2.1 Kích thước hố xói ứng với đập có Hđập pm q m h ϕ K Z T

- q: lưu lượng đơn vịtràn qua đập (m2/s)

- : hệ số phụ thuộc dòng chảy

- K: hệ số phụ thuộc địa chất nền

- Z: chênh lệch cột nước thượng hạlưu (m)

Hình 2.2 Hình dạng hố xói

* Tương tự tính toán với các đập có chiều cao từ20 đến 50m ta có các kết quả sau:

Bảng 2.2 Kích thước hố xói ứng với đập có Hđập Pm q m h phi K Z T

Bảng 2.3 Kích thước hố xói ứng với đập có Hđập 0m q m h phi K Z T

Bảng 2.4 Kích thước hố xói ứng với đập có Hđập m q m h phi K Z T

Biểu đồ quan hệ giữa cột nước trên đập và chiều sâu hố xói

Ch iề u sâ u hố x ói (m )

Biểu đồ trong Hình 2.2 thể hiện mối quan hệ giữa cột nước trên đập và chiều sâu hố xói ở chân đập, với chiều cao đập dao động từ 20 đến 70m Đường trên cùng của biểu đồ đại diện cho đập cao 70m, trong khi đường dưới cùng tương ứng với đập cao 20m.

* Nhận xét về diễn biến xói:

Khi lưu lượng đơn vị tràn qua đập tăng từ 0,5 đến 20 m2/s, chiều sâu hố xói trên cùng một đập cũng tăng nhanh, với mối quan hệ giữa cột nước và chiều sâu hố xói có dạng parabol nằm ngang Đập cao có năng lượng lớn hơn, dẫn đến chiều sâu hố xói lớn hơn so với đập thấp tại cùng lưu lượng Tuy nhiên, tốc độ xói ở đập cao khi lưu lượng tăng lại chậm hơn so với đập thấp Khi lưu lượng đơn vị đạt giá trị lớn, sự chênh lệch chiều sâu hố xói giữa đập cao và đập thấp trở nên không đáng kể.

2.4 Đường mặt nước trên mặt hạ lưu đập

Tính toán đường mặt nước trên mặt hạ lưu đập là cần thiết để xác định dòng chảy và vận tốc lớn nhất, từ đó kiểm tra hiện tượng xói mòn bề mặt đập Các công thức tính toán được tham khảo từ sách "Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi" của tác giả Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng và Ngô Trí Viềng.

Tại điểm A, cần xác định cột nước và tính toán lưu tốc cùng độ sâu dòng chảy tại mặt cắt A-A, trong đó tổn thất thủy lực ở đỉnh dòng chảy được coi là không đáng kể và có thể bỏ qua.

Lưu tốc trên mặt đập: gZ i v=ϕ 2 Trong đó: ϕ: hệ sốlưu tốc

Z i : độ chênh cột nước kể từ mực nước thượng lưu đến mặt cắt tính toán

Giải hệphương trình trên với trường hợp đập cao 50m, d A = 8,25 m q 20(m3/s.m) cosθ = 0,625

Để xác định đường mặt nước trên đoạn AB từ mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B, ta áp dụng phương pháp Tsanomxki Phương pháp này dựa vào phương trình cơ bản mô tả chuyển động không đều của nước, giúp vẽ chính xác đường mặt nước trong hệ thống.

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

Có Vmax = 26,07 < [Vmax] ,2 kết luận bị xói bề mặt hạlưu.

Tương tựxác định được vận tốc dòng chảy trên mặt hạlưu đập với các kích thước đập và các cấp lưu lượng đơn vị khác nhau từ0,5 đến 20 m3/s.m:

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

Hiện tượng xói lở lòng dẫn hạ lưu công trình tháo là vấn đề phổ biến đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Tác giả đã áp dụng công thức tính hố xói từ Viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc), phù hợp với tình huống đập bê tông không tràn trên nền đá bị tràn nước.

Tác giả đã tiến hành tính toán kích thước hố xói và đường mặt nước cho các đập có chiều cao từ 20 đến 70m, với lưu lượng đơn vị từ 0,5 đến 20m²/s Kết quả cho thấy, đối với những đập cao từ 50m trở lên, khi mực nước vượt quá 2m, có nguy cơ xói lở mái hạ lưu Ngược lại, các đập thấp từ 20-30m có khả năng xói lở mái hạ lưu thấp hơn Những kết quả này sẽ được áp dụng vào các sơ đồ tính toán ổn định trượt lật của đập trong chương tiếp theo.

NGHIÊN CỨ U ẢNH HƯỞ NG C Ủ A H Ố XÓI

ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP

3.1 Tính ổn định trượt theo hai phương pháp: phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ

So sánh hai phương pháp:

Trạng thái giới hạn Trượt sâu theo TC Mỹ

Sơ đồ Tách riêng đập để tính toán

Tách đập và 1 phần nền để tính toán (phân thỏi)

Gồm tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt

Phân thành 9 tổ hợp tải trọng khác nhau ứng với từng trường hợp làm việc của đập

Kết luận tiêu chuẩn an toàn

Sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang tính thống kê để đưa vào công thức

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

3.1.1 Phương pháp trạng thái giới hạn: a) Sơ đồ tính

Hình 3.1 Sơ đồ lực tác dụng lên đập theo phương phảp trạng thái giới hạn

- Áp lực nước thủy tĩnh thượng lưu

- Áp lực nước thủy tĩnh hạlưu

- Trọng lượng bản thân đập Đap

W th 1 : áp lực thấm trước màn chống thấm

W th 2 : áp lực thấm sau màn chống thấm

W th = ∇ MNTL − ∇ MNHL + −α ∇ MNTL − ∇ MNHL γ n α: hệ số tổn thất qua màn chống thấm

L 1 : chiều dày màn chống thấm

= γ m: hệ số mái hạlưu đập b) Công thức tính

Theo sơ đồ này điều kiện an toàn chống lật của đập viết như sau: cl n gl c M k

Trong đó: Mgl và Mcl là tổng mômen gây lật và chống lật đối với tâm quay

( khi hốxói chưa đến chân đập thì tâm quay là chân hạlưu đâp B, khi hố xói xâm nhập vào chân đập thì tâm quay là B’)

Tiêu chuẩn đánh giá ổn định của đập và nền được xác định khi chúng không còn khả năng chịu đựng tải trọng và tác động từ bên ngoài, dẫn đến hư hỏng hoặc biến dạng vượt quá mức cho phép Để đảm bảo an toàn, đập và nền cần đáp ứng các yêu cầu về chống trượt và chống lật theo trạng thái giới hạn, đồng thời thỏa mãn điều kiện k R.

Tải trọng tính toán tổng quát (Ntt) là lực, mô men, ứng suất biến dạng hoặc thông số khác dùng để đánh giá trạng thái giới hạn Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất, Ntt được xác định bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải, trong khi theo trạng thái thứ hai, Ntt chỉ dựa vào tải trọng tiêu chuẩn Hệ số lệch tải được tính toán theo TCXD VN 285 - 2002.

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

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

Hệ số điều kiện làm việc m được xác định dựa trên tính gần đúng của sơ đồ và phương pháp tính toán, cũng như kiểu công trình, kết cấu, nền và loại vật liệu xây dựng Khi tính toán ở trạng thái giới hạn thứ nhất, mặt trượt sẽ diễn ra qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và nền đá hoặc qua đá nền có khe nứt, trong đó một phần qua đá nguyên khối được lấy m = 0,95 Đối với các trường hợp khác, hệ số m sẽ được tính với trạng thái giới hạn thứ hai là m = 1.

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

Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất cho các công trình, hệ số kn được áp dụng như sau: công trình cấp I là 1,5, cấp II là 1,2, và cấp III, IV, V là 1,15 Đối với trạng thái giới hạn thứ hai, hệ số kn là 1.

3.1.2 Phương pháp trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ a) Sơ đồ tính:

Hình 3.2 Sơ đồ tính ổn định trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ b) Công thức tính

Quan điểm tính và giả thiết

Hệ số ổn định theo phương pháp cân bằng giới hạn được xác định bằng tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượt và ứng suất phát sinh tại mặt trượt, được biểu diễn qua công thức: τ = φ σ τ τ tg c.

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

Hệ số ổn định trên toàn bộ mặt trượt được xác định bằng tỷ số giữa lực cắt giới hạn lớn nhất (T F) và lực cắt phát sinh trên mặt trượt (T).

N: Tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên mặt trượt φ : Góc ma sát trong

Xác định các loại tải trọng

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

- Trọng lượng bản thân đập

- Áp lực nước thượng hạlưu đập

- Áp lực đất và bùn cát

3.2 Tính toán ổn định trượt

3.2.1 Trượt theo mặt tiếp xúc giữa đập và nền

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác dụng lên đập

- Áp lực nước thủy tĩnh thượng lưu

- Áp lực nước thủy tĩnh hạlưu

- Trọng lượng bản thân đập Đap

W th 1 : áp lực thấm trước màn chống thấm

W th 2 : áp lực thấm sau màn chống thấm

W th ∇ MNTL − ∇ MNHL + −α ∇ MNTL − ∇ MNHL γ n

= α: hệ số tổn thất qua màn chống thấm

L 1 : chiều dày màn chống thấm

= γ ; m: hệ số mái hạlưu đập

* Tính toán với đập có Hpm, các thông số về hố xói lấy từ kết quảchương

2, tính ổn định trượt của đập có hố xói ứng với các cấp lưu lượng đơn vị q từ 0,5 đến 20m2/s

Trường hợp q=0.5m2/s, kích thước hố xói: T=1,5m, m 1 =4, m 2 =6, L 1 =3T, L 2 =1,2T

Bảng 3.1 Lực và mômen tác dụng lên đập

TT Tên lực Ký hiệu

Giá trị lực (T) Tay đòn(m)

1 Áp lực nước thượng lưu E TL 1260,02 16,73 21084,33

2 Áp lực bùn cát W BC 236,67 5,73 1356,92

3 Áp lực nước hạlưu E HL -60,50 3,67 221,83

4 Trọng lượng bản thân đập G 2702,40 25,47 68821,12

7 Áp lực đẩy nổi W dn -420,20 19,10 8025,82

8 Trọng lượng nước hạ lưu G HL 48,40 2,93 141,97

Hệ số an toàn chống trượt

Tính toán tương tựcho các trường hợp lưu lượng đơn vịthay đổi từ0,5 đến

Khi tính toán hệ số an toàn cho đập 70m, đã xác định được lưu lượng 20m2/s và sự xuất hiện của các hố xói có kích thước tương ứng như đã trình bày ở chương 2.

Bảng 3.2 Bảng hệ số an toàn đập theo tiêu chuẩn Việt Nga ( đập cao 70m)

Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt

H ệ số a n to àn c hố ng trư ợ t

Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Việt Nga ( đập cao 70m)

Tính toán cho các đập cao từ 20 đến 50m, kết hợp với kết quả tính hố xói ở chương 2, cho ra các bảng hệ số ổn định của các đập như dưới đây.

Bảng 3.8 Bảng hệ số an toàn đập theo tiêu chuẩn Việt Nga

Bảng tính hệ số an toàn chống trượt của đập ứng với chiều cao cột nước trên tràn

Chiều cao cột nước trên tràn (m)

Hệ s ố an to àn c hố ng tr ượ t Đâp cao 70m Đập cao 50m Đập cao 30m Đập cao 20m

Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Việt Nga

Khi cột nước vượt qua đỉnh đập, hệ số ổn định trượt của đập giảm do áp lực ngang, áp lực thấm và thủy tĩnh tăng lên Sự xuất hiện của hố xói làm giảm khối đất hạ lưu chống trượt, và khi hố xói xâm phạm vào chân đập, hệ số ổn định giảm mạnh, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của đập.

3.2.2 Trượt theo mặt trượt sâu

Sử dụng phần mềm ODDBTTL - TU2009 tính toán ổn định đập theo tiêu chuẩn Mỹ

Hình 3.9 Sơ đồ tính ổn định a) Giới thiệu về phần mềm ODDBTTL-TU2009

Phần mềm ODDBTTL-TU2009 là phần mềm do thạc sỹ Hoàng Minh Tú-

Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã phát triển phần mềm vào năm 2009, nhằm tính toán hệ số ổn định của đập theo hai hệ thống tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt-Nga và tiêu chuẩn Mỹ (EM-1110-2-2200 và EM-1110-2-2100).

Phần mềm đã được các thầy giáo trong hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹtrường Đại học Thủy lợi 2009 xem xét và đánh giá cao

Bảng 3.9 Bảng hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ ( đập cao 70m)

Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn đập 70m theo TC Mỹ

Hệ s ố ổn đ ịn h trư ợt

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ ( đập cao 70m)

Tương tự áp dụng tính với các trường hợp đập cao từ20 đến 50m, thu được kết quảnhư sau:

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ ( đập cao 50m)

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ (đập cao 30m)

Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ (đập cao 30m)

Bảng 3.13 Bảng hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ

Bảng tính hệ số an toàn chống trượt của đập ứng với chiều cao cột nước trên tràn

Hệ s ố an toà n chống trư ợt Đâp cao 70m Đập cao 50m Đập cao 30m Đập cao 20m

Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập theo tiêu chuẩn Mỹ (đập cao từ 20 đến70m)

3.3 Tính toán ổn định lật

3.3.1 Theo trạng thái giới hạn a) Sơ đồ tính:

Hình 3.15 Sơ đồ lực tác dụng lên đập b) Công thức tính: Đập thỏa mãn điều kiện an toàn chống lật khi

Tính với các trường hợp đập có chiều cao từ20 đến 70m và nước tràn qua đinh đập với lưu lượng đơn vị q từ0,5 đến 20m2/s được kết quảnhư sau:

Bảng 3.14 Bảng hệ số an toàn chống lật đập theo tiêu chuẩn Việt Nga ( đập cao

Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống lật

Hệ s ố an to àn c hố ng lậ t

Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống lật của đập theo tiêu chuẩn Việt Nga ( đập cao 70m)

Bảng 3.15 Bảng hệ số an toàn chống lật đập theo tiêu chuẩn Việt Nga

Hệ s ố an to àn c hố ng lậ t

H ệ số a n to àn c hố ng lậ t

Bảng tính hệ số an toàn chống lật của đập ứng với chiều cao cột nước trên tràn

Hệ s ố an to àn c hố ng lậ t Đâp cao 70m Đập cao 50m Đập cao 30m Đập cao 20m

Bảng tính hệ số an toàn chống lật của đập theo tiêu chuẩn Việt Nga được trình bày trong Hình 3.20, áp dụng cho các đập có chiều cao từ 20 đến 70m, dựa trên chiều cao cột nước trên tràn.

Hệ số an toàn của đập phụ thuộc vào lưu lượng đơn vị tràn qua mặt đập, đặc biệt rõ ràng ở các đập thấp Tác giả đã tính toán hệ số ổn định lật cho các đập có chiều cao từ 20 đến 70m với hệ số mái hạ lưu m=0.8, từ đó cung cấp bảng tra để kiểm tra khả năng an toàn của đập trong từng trường hợp cụ thể.

3.3.2 Theo tiêu chuẩn Mỹ a) Sơ đồ tính:

Hình 3.21 Sơ đồ tính toán ổn định lật của đập theo tiêu chuẩn Mỹ b) Công thức tính:

An toàn chống lật dựa vào vị trí của hợp lực (độ lệch R), với R được tính như sau:

Tổng mô men ∑M được tính từ điểm giữa đáy đập, trong khi tổng lực thẳng đứng tác động lên đập được ký hiệu là ∑V Để đảm bảo an toàn trong trường hợp đặc biệt, chỉ số tính toán R cần nằm trong khoảng 1/2 phần giữa đáy đập.

Tính toán cho các trường hợp chiều cao đập từ20 đến 70m với các cấp lưu lượng đơn vị từ0,5 đến 20m2/s thu được các kết quảnhư sau:

Bảng 3.19 Bảng hệ số an toàn chống lật đập theo tiêu chuẩn Mỹ ( đập cao 70m)

Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao cột nước trên tràn và chỉ số an toàn lật của đập

Chiều cao cột nước trên tràn (m )

C hỉ s ố a n t oà n lậ t c ủa đ ập Đập cao 70m Đập cao 50m Đập cao 30m Đập cao 20m

Hình 3.22 Bảng hệ số an toàn chống lật đập theo tiêu chuẩn Mỹ ( đập cao 70m)

Xác định chỉ số an toàn [ ]

K = R , với [R] là độ lệch tâm cho phép, R là độ lệch tâm của tổng hợp lực

Tác giả đã áp dụng kết quả hố xói từ chương 2 để tính toán ổn định trượt và lật dựa trên hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt Nga và tiêu chuẩn Mỹ Kết quả tính toán được trình bày cho các trường hợp mực nước tràn và chiều cao đập từ 20 đến 70m, được thể hiện trong các bảng từ bảng 3.2 đến bảng 3.19.

Kết quả từ chương 3 cho thấy rằng khi cột nước vượt quá đỉnh, hệ số ổn định của đập giảm Trong giai đoạn đầu, khi cột nước tăng từ 0,5 đến 2m, hệ số ổn định lật của đập 30m giảm từ 1,65 xuống 1,43 Tuy nhiên, khi cột nước tăng từ 2 đến 5m, hệ số an toàn giảm nhanh chóng, cụ thể là từ 1,43 xuống 1,03 Hệ số an toàn cũng tỷ lệ nghịch với chiều sâu hố xói; khi hố xói còn nông, ảnh hưởng đến hệ số an toàn của đập là không đáng kể Ngược lại, khi hố xói mở rộng và lấn vào chân công trình, nó làm giảm diện tích tiếp xúc giữa đập và nền, dẫn đến sự giảm nhanh chóng của hệ số ổn định.

Ứ NG D Ụ NG K Ế T QU Ả NGHIÊN C ỨU VÀO ĐẬ P H Ố HÔ

4.1 Giới thiệu đập Hố Hô

4.1.1 Qui mô, nhiệm vụ công trình

Dự án thủy điện Hố Hô có tổng vốn đầu tư trên 250 tỷ đồng, do Công ty Cổ phần Đầu tư và Phát triển điện miền Bắc, thuộc Công ty Điện lực 1, làm chủ đầu tư theo hình thức BOO (xây dựng, sở hữu, kinh doanh) Công trình bao gồm 2 tổ máy với tổng công suất 13MW, dung tích 38 triệu m³ và diện tích lưu vực lòng hồ là 265,26 ha Thân đập và nhà máy được xây dựng tại xã Tân Đức, huyện Hướng Hóa, tỉnh Quảng Trị.

Quảng Bình có diện tích lòng hồ và hệ thống xả lũ nằm hoàn toàn trên địa bàn xã Hương Liên, huyện Hương Khê, tỉnh Hà Tĩnh, với cấp công trình được phân loại là cấp III.

Hình 4.1 Vị trí đập Hố Hô (wikimapia)

Hình 4.1 Thượng lưu đập Hố Hô

Hình 4.2 Đỉnh đập Hố Hô 4.1.2 Đặc điểm cấu tạo đập

Đập dâng được xây dựng với kết cấu bê tông trọng lực, thi công theo công nghệ truyền thống (CVC) Đỉnh đập có cao trình +72m và chiều cao lớn nhất đạt 49.62m Nền đập được gia cố bằng phương pháp khoan phun, đồng thời có hệ thống thoát nước và chống thấm hiệu quả.

Đập tràn xả lũ được xây dựng với kết cấu bêtông trọng lực, thi công theo công nghệ truyền thống và nằm ở vị trí giữa lòng sông Mặt tràn của đập có thiết kế dạng mặt cắt thực dụng Ofixerop.

Ngày 3/10, nước lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh chóng, nhưng nhà máy không mở được cống thoát nước, khiến nước lũ tràn qua cửa đập với mức cao gần 2m so với cao trình 72m Hậu quả là hàng trăm hộ dân ở vùng lòng hồ thuộc xã Hương Lâm và Hương Liên, huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) bị ngập chìm, gây tổn thất nặng nề, trong đó có 2 người chết.

Hơn 20 xã với gần 80.000 người dân vùng hạ lưu đang đối mặt với nguy cơ chết chìm nếu đập vỡ Từ ngày 2 đến 5-10, hàng ngàn người dân sống ven sông Ngàn Sâu lo lắng khi nước lũ nhấn chìm nhà máy, trong khi những thác nước hung dữ và đục ngầu vượt tràn, cuốn phăng mọi thứ phía dưới.

Do mất điện trên diện rộng, công tác mở cửa van xả lũ không thể thực hiện Nguyên nhân chính là mưa lũ lớn và đột ngột, kéo dài từ 8h sáng ngày 2/10 đến 11h ngày 4/10 Đỉnh lũ xuất hiện bất ngờ, tăng lên 6m chỉ trong hai giờ, dẫn đến tình trạng nước tràn qua đập.

Hình 4.3 Sự cố tràn nước qua đỉnh đập Hố Hô

4.2 Nghiên cứu trạng thái kỹ thuật của đập sau khi bị tràn nước

Tháng 10 năm 2010, dòng nước lũ lớn đột ngột tràn về hồ chứa của đập Hố

Hồ ở tỉnh Hà Tĩnh gặp sự cố do cửa van của phần tràn bị kẹt, dẫn đến tình trạng nước trong hồ dâng cao vượt quá đỉnh đập Hệ quả là nước tràn xuống hạ lưu, gây ra hiện tượng xói lở nghiêm trọng.

Mực nước lũ đã từng lên đến hơn 2m, đe dọa sự ổn định của đập, buộc công ty quản lý phải xem xét nhiều phương án xử lý, bao gồm cả việc nổ mìn để thoát nước Nhờ xử lý kịp thời cửa van bị kẹt, công ty đã giảm được lưu lượng nước trong hồ về mức an toàn Tuy nhiên, dòng nước tràn qua đỉnh đập đã gây xói mòn một phần hạ lưu và gây ra hậu quả nghiêm trọng cho khu vực dân cư phía dưới đập thủy điện.

Đập Hố Hô hiện vẫn ổn định sau sự cố gần đây và đã được kiểm tra, xử lý kỹ lưỡng Tác giả đã xây dựng kịch bản cho tình huống tràn nước với các mức lưu lượng khác nhau để đánh giá khả năng ổn định của đập trong lúc xảy ra sự cố Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét tác động của việc xói nền hạ lưu đến hiệu suất hoạt động của đập trong và sau sự cố.

4.2.2 Sử dụng kết quả chương 2 và chương 3 vào đập Hố Hô

Sử dụng kết quả từ chương 2, chúng ta xác định chiều sâu hố xói của đập Hố Hô tương ứng với các cấp lưu lượng đơn vị chảy qua đỉnh đập Các thông số của hố xói được trình bày rõ ràng trong bảng 2.1 và bảng 2.2 (Trang 24-26 Chương 2), bao gồm các yếu tố như q, m, h, phi, K, Z và T.

Bảng 4.1 Bảng thông số hố xói tra từ kết quả chương 2

Kết quảtính lưu tốc trên mặt đập:

Bảng 4.2 Bảng lưu tốc xói tra từ kết quả chương 2

Sử dụng kết quảchương 3 xác định các hệ sốổn định của đập Hố Hô ứng với các cấp lưu lượng ta được kết quảnhư sau:

Hệ sốổn định trượt Hệ sốổn định lật

Theo tiêu chuẩn Việt Nga

Bảng 4.3 Bảng hệ số ổn định tra từ kết quả chương 2

Bảng quan hệ giữa hệ số an toàn đập và cấp lưu lượng cho thấy lưu lượng đơn vị có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số an toàn Đối với các cấp lưu lượng nhỏ (từ 0.5 đến 1 m²/s, tương ứng với cột nước trên mặt đập từ 0.45 đến 0.71m), hệ số an toàn của đập chỉ giảm nhẹ Tuy nhiên, khi lưu lượng tràn tăng từ 10 đến 20 m²/s (tương ứng với cột nước tràn từ 3.28 đến 5.21m), hệ số an toàn của đập giảm nhanh chóng, làm tăng nguy cơ mất ổn định cho đập.

4.2.3 Tính toán chi tiết a) Tính toán kiểm tra kích thước hố xói của đập Hố Hô

Sử dụng công thức của viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang

Bảng 4.4 Bảng kích thước hó xói đập Hố Hô b) Tính toán kiểm tra các hệ số ổn định của đập Hố Hô

* Tính toán ổn định đập Hố Hô theo tiêu chuẩn Việt Nga với trường hợp lưu lượng đơn vị q=5m2/s, cột nước trên đập H=0.44m ta có kết quả sau:

Bảng 4.5 Lực và mômen tác dụng lên đập

TT Tên lực Ký hiệu

Giá trị lực (T) Tay đòn (m)

1 Áp lực nước thượng lưu ETL 1253.00 16.69 20908.42

2 Áp lực bùn cát WBC 25.27 1.87 47.33

3 Áp lực nước hạlưu EHL -56.39 3.54 199.63

4 Trọng lượng bản thân đập G 2462.40 25.33 62380.80

7 Áp lực đẩy nổi Wdn -403.56 19.00 7667.64

8 Trọng lượng nước hạ lưu GHL 45.11 2.83 127.76

Hệ số an toàn chống lật

Hệ số an toàn chống trượt

Tính toán cho các cấp lưu lượng đơn vị q từ 5 đến 20 m2/s cho thấy kích thước hố xói và hệ số an toàn tương ứng của đập Hố Hô như sau:

Bảng 4.6 Kích thước hố xói và hệ số an toàn đập Hố Hô ứng với các cấp lưu lượng

Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn

Hệ s ố a n t oà n t rư ợt , lậ t

Hệ số ổn định lật

Hệ số ổn định trượt

Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn đập theo tiêu chuẩn Việt Nga ( đập Hố Hô)

* Tính toán ổn định đập Hố Hô theo tiêu chuẩn Mỹ với các trường hợp lưu lượng đơn vị ta có kết quả sau:

Bảng 4.7 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt đập Hố Hô theo tiêu chuẩn

Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt đập Hố Hô theo tiêu chuẩn Mỹ

Tính toán ổn định lật theo tiêu chuẩn Mỹ

Bảng 4.8 Kết quả tính toán hệ số ổn định lật đập Hố Hô theo tiêu chuẩn Mỹ c) Tính toán ứng suất

Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông là cần thiết để xác định các đặc trưng phân bố ứng suất, bao gồm trị số, phương chiều và tình hình phân bố của chúng.

Dựa trên các số liệu tính toán, việc kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu và phân vùng đập giúp lựa chọn các loại bê tông phù hợp Cấu trúc từng bộ phận được thiết kế tương thích với điều kiện chịu lực cụ thể nhằm tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, từ đó giảm chi phí xây dựng và đảm bảo hiệu quả kinh tế cũng như kỹ thuật.

* Phương pháp tính ứng suất:

Có hai phương pháp tính cơ bản là:

Phương pháp giải trực tiếp trên lý thuyết cơ bản; Ưu điểm: đơn giản, có thể tính tay trực tiếp

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ổn Định Của Đập Bê Tông Trọng Lực Khi Bị Nước Tràn Qua Đỉnh
Tác giả	Nguyễn Văn Hinh
Người hướng dẫn	GS.TS Nguyễn Văn Mạo
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Xây dựng công trình thủy
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	2,93 MB