Luận án thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu ổn định của đập bê tông trọng lực khi bị nước tràn qua đỉnh

Đậpgồm hai loại chính: đập bêtông trong lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không.tràn nước, 1.3.1 Đập bê tổng trọng lực tràn mands = Đập bê ting tong lự tràn nước có cấu tạo đặc iệt đ

BỘ GIÁO DỤC VA ĐẢO TAO BỘ NÔNG NGHIIỆP VÀ PTNT

‘TRUONG ĐẠI HỌC THUY LỢI

NGUYÊN VĂN HINH

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mãsố: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Nguyễn Văn Mạo

Hà Nội - 2012

1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trên thé giới

Đập trong lực đầu tiên trên thể giới là đập Jawa được xây dựng ti Jordan

khoảng 3000 năm trước Công nguyên Đập Jawa có chiễu cao 4.5m, dài 50m tạothành hỗ chứa cung cắp nước cho khoảng 2000 người

Đến năm 54-64 trước Công nguyên, ở Subiaco nước Ý, người ta di xây mộtcon đập cao 50m, rộng 13.5m, dài 80m Đây là đập trọng lực cao nhất được xâyđăng vào thời La Mã và tổ tại đến năm 1305

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

Mã đã xây đập và tạo ra một hồ chứa lớn nhất thời đó tại Homs Syria Đập này có

chiểu cao 7m, rộng 14m, dài 000m và tạo thành hé chứa với dung tích 90 triệu m3.

Hình 1.1 Đập Cornavol do người La Mã xây dựng cách đây hơn 2000 năm, Dap bê tông trong lực được áp dụng rộng rãi từ những năm 30 của thé kỳ 20,

nhiều đập cao đã được xây dựng với những mục dich như cấp nước, phát điện, và vẫn

nh xây dựng các đập lớn.

Đập Chambon được xây dựng từ năm 1929-1934 t

tây nam nước Pháp có chiều cao 136,7m là đập bê tông trọng lực cao nhất châu Âu.thời đó Đập có chiều rộng đình là Sm, chiéu rộng chân đập là 70m tạo nên một hdchứa với dung tích 51 triệu m3,

song Romanche miễn

Hinh 1.2 Đập Chambon tại Pháp

Đập bê tông trọng lực cao nhất hiện nay là đặp Grand Dixence được khởi công

năm 1951 và hoàn thành năm 1962 tại Swiss Apls với chiều cao 285m Thời kỳ những

năm 1950 đến 1982 số lượng dập lớn tăng nhanh với khoảng 5000 dip lớn được xây

mg trên toàn th giới tập trun chủ yếu ở khu vực Bắc Mỹ và châu Âu

Hinh 1.3 Đập Grande Dixence, Thụy Sỹ - Đập bêtông cao nhất thé giới 285m

‘Theo thống kê của hội đập lớn thể gidi (ICOLD), tinh đến năm 201 1 trên thểgiới có khoảng 52.000 đập lớn phân bố trên 140 nude, Năm nước đứng đầu thể giới

về xây dựng dip là Trung Quốc, Mỹ, An Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản Số lượngđập của các nước này chiếm 80% tổng số đập lớn trên thể giới Chỉ riêng TrungQuốc trong thể kỷ 20 đã

thời gian sau năm 1949, các nước khác là Mỹ, An Dộ, Nhật Bản và Tây Ban Nha

Jy dựng khoảng 22.000 đập lớn, tập trung vào khoảng,

Hiện nay đập bê tông trong lực chiếm khoáng 12% tổng số đập được xây

dạng trên Ú

30% Theo thống kê đến năm 1999 đã có 17.526 đập cao trong khoảng từ 15-30m,

4.578 dip cao trên 30m, 32 đập cao

nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến Nhu đặp Tam Hiệp trên sông Dương Tử có thể

‘Véi đập cao trên 100m thi đập bê tông trọng lực chiếm khoảng

100m, Do sé đập cao cảng ngày cảng hiền

tích sẵn 28 triệu mồ bể tông, hỗ chứa có dung tích 39,3 tỷ mS nước, tràn xã lồ với lưulượng 124.300m3/s và nhà máy thu điện có công suất 18,2GW lớn nhất thể giới

Đâu thể kỷ 19, hàng loạt đập lớn được xây dựng như đập vòm Xiluodu cao

273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinghai, đập vom Jinping cao

305m trên sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu, đập vòm

Xiaowan trên sông lanciang, đập Longtan cao 216m trên sông Hongshui,

Dip là một công tình quan trong mang lạ lợi ích da ngành như: cấp nước,

hạn chế lũ lụt thủy điện, du lich Vi xây đập đã và đang được xây dựng ngày

cing nhiễu trên thé giới Đập có dang một kết edu chịu cột nước cao nên cần có cầutạo phù hợp cả về chịu lực và chống thắm, ngoài ra nó còn chịu tác động tương tácgiữa đập và nền rất phức tạp Chiểu cao đập càng lớn thi lợi ích của đập càng đượcthể hiện rõ rằng, nhưng yêu lý thuyết, công cụ tính toán phải đáp ứng kịp

thời để đảm bảo sự an toàn của đập và theo đó là công nghệ thi côi ng nghị liệu mới.

1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông tại Việt Nam.

Việt Nam hiện có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại, trong đó có khoảng

gần 500 đập lớn (đứng hàng thứ 16 tong số các nước có nhiều đập cao trên thésiới) Các đập được xây dụng ở Việt Nam chủ yếu là đập vật liệu địa phương, đập

bê tông chiếm tỷ lệ nhỏ.

Trước những năm 1930, ở Việt Nam vẫn chưa xuất hiện các đạp bê tông wong

lực lớn Chủ yếu vẫn là các đập có chiều cao thấp (5-10m) với kết cầu đơn giản Trong.giải đoạn từ 1930-1945, một số đập bêtông trong lực được xây dựng như đập Đô

Lương ở Nghệ An, đập Đáy ở Hà Tay do các ky sự người Pháp thực hiện

“Từ năm 1945 đến 1975, do đắt nước bị chiến tranh nên việc đầu tr xây dựng

‘cae công trình thuỷ lợi bị hạn chế Thời kỳ này cũng xuất hiện những tiêu chuẩn vềthiết kế và thì công công tình thuỷ lợi, một số dip trần thấp cũng xuất hiện trong

thời kỳ này như: đập tran thuỷ điện Thác Bà, đập tran thuỷ điện Cắm Sơn, Da Nhim,

‘Tir năm 1975 tới nay, những nghiên cứu thiết kế và công nghệ thi công dip

bê tông trên thể giới đã hoàn chính cùng với sự giao lưu trao đổi khoa học kỹ thuật

nên việc thiết kế i thi công đập bê ông trong lực rở nên dễ đàng Đập bê tông với

‘quy mô lớn và hình thức phong phú xuất hiện ngày càng nhiều như: đập thuỷ điện

Hoà Bình, Trị An, Tuyên Quang, Pleikrong, Sésan 3, Sésan 4, Thạch Nham, do.

các kỹ sư trong nước tham gia thiết kế va thi công

“Thống kế cho thiy trong số các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m thi dip vật

Hiệu địa phương chiếm tới 80% còn với các đập có chiều cao lớn hơn Om thì đập

bêtông chiếm một tỷ lệ lớn, hình thức đập và công trình tháo lũ ‘ing ngày cảng da dang, phù hợp hơn với đặc điểm riêng của từng công trình.

Nước ta hiện nay đã có nhiễu đập cao, trong đó đập bê tông cũng chiếm tỷ lệ

không nhỏ, kèm theo đó là yêu cầu về ky thuật thiết kế, xây dựng phải được nâng.

‘cao, song song với nó là việc lập, sử dụng các quy tình vận hành, quản lý, khai thác

sông tình hỗ đập sao cho hiệu quả và đảm bảo an toàn Việc xem xét tắt cả cáctrường hợp làm việc của đập có th nay ra nhất là khi có các sự cổ bắt thường như.động đất, sat lở bở, là đột ngột, hong cửa van là rất cẩn thiết, sử dụng các

phương pháp đã biết để mô tà lính xác hơn sự làm việc thực t của đập, dim bio

an toàn cho đập.

1.3 Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lự

= Đập bê tông trọng lực là loại đập có khối lượng bê tông lớn Đập duy tr bn

dịnh nhữ trọng lượng và độ bên chủ yu theo khả năng chịu nền cũa be mg

- So với đập vật liệu địa phương, đập bê tông trọng lực có cùng chiều cao

yêu cầu chất lượng nén cao hơn Dap bê tông trọng lực có thể xây dung trên nén đá,

đập không cao có thể xây dựng trên nén không phải là đả.

- Ưu điểm nỗi bật khi sử dụng đập bê tông trọng lực là kết cấu và phươngpháp thi công đơn giản, có thể thi công bing công nghệ bê tổng ướt hoặc bê tôngđầm nén (bê tông đầm lan

- Đập bê tông trọng lực có khả năng chống thắm và tính bn vững tối Đậpgồm hai loại chính: đập bêtông trong lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không.

tràn nước,

1.3.1 Đập bê tổng trọng lực tràn mands

= Đập bê ting tong lự tràn nước có cấu tạo đặc iệt đễ cho phép nước un qua mặt đập với lưu be lớn mà kh tụ ảnh hưởng đến an toàn của đập cũng như hạ lưu.

~ Phin mặt đập thường có dạng đường cong thuận để lưu lượng trin qua đập

là lớn nhất (dang Oficrop), trên bỀ mặt của tần dong chây có lơ tốc rất lớn nên

dễ nay rà hiện tượng khí thực Vì vậy mặt trăn thường dùng loại vt liệu có khảnăng chống xối cao, kết hợp bổ tí các hệ thống nhằm giảm hiệ tượng khí thực

- Nổi tiếp sau phần trần là hệ thông tiêu năng hạ lưu, có thể sử dụng hình thức tiêu năng mặt, đây như đào bổ, xây tường, hoặc tiêu năng do ma sắt giữa dang

nước với không khí như tiêu năng phóng xa Mục dich là iêu hao nguồn năng lượng

thừa của dòng nước để đảm bảo không gây xói lở hạ lưu công trình

1.3.2 Đập bê ting trọng lực không tràn nước

~ Đập bê tông trọng lực không trần có nhiệm vụ giữ nguồn nước phía trướcđập, tạo thành hỗ chứa phía thượng lưu

= Cao trình định của đập bê tông trọng lực không tràn chính là cao tình của

đập Cao trình này được tính toán sao cho đảm bảo với tần suất thiết kế và kiểm tra,đinh đập luôn cao hơn mực nước trong hồ

~ Vi đập bêtông trọng lực không tràn nước có nhiệm vụ chắn lại lượng nước phíathượng lưu và không cho phếp nước tri qua nên phải đảm bảo chống thắm tt, mặt hạ

lim đập không có nước tran nên vật liệu không cần có khả năng chốn xâm thực, chống

ói tốt Hình dạng đập cũng chỉ đảm bảo yêu cầu về én định chống trượt, lật chit không cẩn phải tháo được lưu lượng lớn như đập bêtông trọng lực tràn nước.

- Phía hạ lưu đập bêtông trong lực khôi h năng in nước không cn bộ phận tỉ

Nhận xéc đập bêtông trọng lực trần nước và đập bê tông trọng lực khôngtràn có nhiệm vụ khác nhau nên yêu cầu vé kích thước, cấu tạ liệu và các bộ

phận di kèm cũng khác nhau Đập bê tổng tràn nước được thiết kế đễ ôn định cả khi

không cổ nước trần qua và cổ nước trần qua nhưng đập bê tông không trần thì mới

chi xét đến khả năng chịu tải khi không có nước trần qua Do ảnh hưởng sấu củabiến đổi khí hậu, trong một số năm gin đây, qui luật của tự nhiên có nhiều thay đổi

“Thiên tai bất thường xảy ra ở nhiều nơi Hi

tiêu thiết kể ( như đập Hỗ Hô - Hà Tĩnh bị tràn nước)

tượng đập phải làm việc vượt qua chỉ

Hiện tượng trin nước qua đập bétOng không tàn ảnh hưởng đến ôn định đập

như thể nào? Nội dung luận vin này nghiên cúc để làm rõ câu hỏi này

1.4 Ôn định đập bê tông trọng lực:

TAL You dn định đi với đập bê tong trọng lực:

2) Yên cầu chung

- Dưới tác động của các tổ hợp tải trong, đập bê tông trong lực phái thỏa mãn

các điều kiện an toàn chồng trượt, chống lật và an toàn vẻ cường độ nền

~ Ứng suất phát sinh ở đặp và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế

“của vật liệu làm đập hoặc đá nền

b) Yêu cầu riêng với đập bêtông trọng lực trăn nước và đập bêtông trong lực không tràn

- Khắc với đập không trân: đập trân nước ngoài các yêu cầu chung cồn phải Xét an toàn cho mặt trần, tiêu năng ở hạ lưu đảm bảo không xói để không ảnh hưởng.đến dn định của đập

1.4.2 Các hình thức mắt én định của đập Bê tong trọng lực:

a, Hình thức mắt én định tổng thé

- Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đầy đập tiếp xúc với nền hay mặt

phẳng đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu.vào nén) Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt di qua các mặt

phân lớp là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt đi qua

đã nguyên khối Tay theo đặc điểm bổ trí công ình và cấu tạo nén mà mặt trượt cóthể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lau),

- Lật theo trục nằm ngang đọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó,

thường là mặt đáy đập,

= Nén đập bị phá hoại khi ti số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức

chịu tải của nền

b Hình thức mắt én định cục bộ:

- Dưới ác dụng của ngoại lực, các điểm trong thin dip sẽ xuất hiện ứng suấtpháp và ứng suất tip Khi một bộ phận nảo đó của đập (chủ yếu là ở chân mặtthượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất k nến hoặc ứng suất cắt vượt quáng xu

sức chịu tải của vật liệu thi vũng đó bị nút nẻ Tình hình chịu lực tăng dẫn, ứng suất

tập trùng càng lớn ở lân cận và vết nút phát tiễn làm tiết diện chịu lục thu hẹp dẫn,

ứng suất cảng tăng, đến một lúc nào đó vượt quá giới hạn nhất định công tinh s bịphá hoại, Trong trường hợp này ừ sự phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoi toàn đập bê

tông

1.4.3 Phân tích én 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 trang thái giới han ( theo hệ thông TC Nga Vigt)

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

1.4.3.1 Phương pháp tính toán theo trang thái giới hạn.

ani ing 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 ké như: hệ số tổ hợp ti trọng hệ số điều kiện làm việc, hệ số tin cây, hệ số lệch tải, hệ số an toàn vt liệu nhóm các hệ số này thay thé cho một hệ số an to hung

Cong trình và nền được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng không

cn khả năng chống li các ti trọng và ác động tử bên ngoài hoặc bị hư hỏng, biển

‘dang quá mức, không còn thỏa mãn được các yêu cầu khai thác bình thường,

(C6 2 nhóm trạng thái giới hạn cơ bản là:

+ Trang thái giới hạn thứ nhất: Công trình và n làm việc trong điều kiện bắt

- Trang thấ giới hạn thứ ai: Công trình, kết cấu và nền làm việc bắt lợi

trong điều kiện binh thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính

toán về hạn chế chu: dang: sự tạo thành và mở rộng vết nứt; sự phá hoại

độ bên thắm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chưa được xem xét ở trang

thái giới hạn thứ nhất

“Tính toán kiểm tra én định lật được tiến hành với mép hạ lưu đập Với nén

đập bê tông thông thường là đá thì thường mặt trượt có dạng trượt phẳng, mặt trượt

có thể nằm ngang hoặc nghiêng vé phí thượng, hạ hưu (đình a) Khi nỀn có địa chit

phức tạp hoặc có lớp đá có thé trượt thì cằn kiểm tra thêm khả năng trượt hỗn hợp (hình b)

.e; Các tải trọng và tổ hợp tai trong:

Các tải trọng tính toán bao gồm các tải trọng và tác động thưởng xuyên đến.công tỉnh như: trọng lượng ban thân và tht bị đặt phía trên, áp lực nước, đắt, áplực thắm, các tải trọng tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn như: áp lực bùn cát, tác

động nhiệu ip lực sóng, gió, vật nỗi và các tải trọng đặc biệt như: áp lực nước khi thượng lưu ở mực nước lũ, áp lực thắm khi thiế bị thoát nước bị hỏng, tải tong

tăng thêm khi số động đắt túc động nhiệt bắt thường,

“Tổ hợp tải trọng gồm hai loại tổ hợp chính là tổ hợp tải trong cơ bản và tổ

hop tải trọng đặc biệt Tổ hợp tải trong cơ bản gồm các tải trọng và tác động thường.xuyên, tạm thời di hạn, ngắn han mã đập có th tiếp nhận cùng lúc Tổ hợp titrong đặc biệt gm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp cơ bản nhưng một

vài trong số đó được thay thể bằng tải trọng đặc biệt

4 Tiêu chuẩn an toàn:

Trong đó: Nụ là ải trong inh toán tổng quát ( lực, mô men, ứng suất, biến

dang, ), R là sức chịu tải tổng quát

Ấp dụng với 3 bài toán

“Ki tra ôn định trượt:

Điều kiệ an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: | K Folk]

“Trong đó: R la tổng ác lực chống trượt của đập: R = Pigg + C1:

P là tổng hợp các lực chiều lên phương pháp tuyển với mặt trượt.,

.€ là lực đính đơn vị củ:

L là chiều dai mặt trượt

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

[IK] là hệ số an toàn chống trượt cho phép.

* Kiểm tra én định lật

Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: K = “cr >[£]

“Trong đó: Mẹy, là tong mô men các lực chong lật

Mạ, là tổng mô men các lục gây lật

{K] hệ số an toàn chồng 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 nhỏ hơn ứng suất nén cho phép của vật liệu1.43.2 Phương pháp tính toin theo trang thái cân bing giới hạn ( Tiêu chuẩn My

EM 1110-2-2200 và EM 1110-2-2100)

a Luận điểm cơ bản:

Dis tác động của các tôi trọng, dp phái thoa mãn ác điều kiện sau

~ On định chống lt ở mặt phẳng bắt kỷ, mặt phẳng đầy đạp, mặt phẳng dưới đáy,

- On định chống trượt ở mặt phẳng ngang, mặt phẳng giữa đập và nền, mặttrượt sâu dưới nén,

~ Ứng suit phát sinh trong đập va nén không vượt quá ứng suất cho phép

Các tin toán kiểm tra đặc biệt chú ý những mặt cắt biến đổi, nơi có ải trong

tập trung, xung quanh lỗ khoét him, mái thượng hạ lưu,

b Sơ đồ tính:

= Trường hợp trượt phẳng:

fT of

“Hình 1.6 So đồ tinh ủn định tượi phẳng theo tiêu chuẩn Mỹ

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

“Trong dé: W là tải trong bản thân của đập, H là áp lực ngang, U là ấp lực

thắm dưới nn, N là phản lực nỀn

- Trường hợp trượt sâu:

Hink 1.7 Sơ đồ tinh 6n định trượi sâu theo tiêu chuẩn Mỹ.

Khi phân tích ôn định đập có mặt trượt sâu dưới nền các khối trượt và chống

trượt được chia thành từng thi (theo phương pháp phân thời),

+ Tải trong và t hop tải trong:

+ Các ải trong tác dụng được inh phù hợp với trường hợp tính toán

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

~ Ap lực nước thượng hạ lưu đập.

Gồm 9 tổ hợp tải trong như sau:

tổ hop I: Tải trọng bình thường,

- Tổ hợp 2: Đập xây dựng xong thượng hạ lưu chưa có nước.

- Tổ hợp 3: Vận hành không bình thường

- Tổ hợp 4: Không bình thường- tháo lũ

- Phân tích an toàn ché 1g trượt

+ Với trường hợp trượt phẳng: hệ số ồn định tính theo phương pháp cân bing

giới hạn là tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượt với ứng suất phát sinhtrên mặt trượt như công thức sau:

“Trong đó: tị = øtgộ + e theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr ~ Coulomt

Khi tính toán trên toàn bộ mặt trượt, hệ số ổn định là tỷ số giữa lực cắt giới

hạn lớn nhất Ty và lực eft phát sinh trên mặt trượt T

T, _ Ngộ +CL

TT

Yeu cầu: K >[K]

+ Với trường hợp trượt sâu:

“Tính theo phương pháp phân thỏi:

(OW, + V Joos + (H,, Hy since + (P, ~P,sings, =U, hed + Cj,}

(UH, —H, Joos, +), =B)eosa, =(W, +¥, sina, Trong đó:

š Ta thứ tự của phn từ

Đ,¡ Py là tổng các lực theo phương ngang,

_W,: là tổng trọng lượng nước, bùn cát, đá, bê tông tại phần tứ tính toán

V, :là lực thẳng đứng của kết cấu bê ông tác dụng trên phan ừ tính toán

(nêu có).

$=GỆP,

Góc œ là gốc giữa mặt trượt và phương ngang

Uy: là áp lực đây ngược tác động lên đáy phần từ

Hạ và Hạ là lực tác động lên phía trái hoặc phía phải đập hoặc nền

LL chiều dài theo mặt trượt của từng phần tử

Để tính ồn đinh đập theo theo tiêu chuẩn thiết ké đập BTTL EM1110~2—

2002 ở đây ta di xác định hệ số FS cho đập sau đó di kiểm tra xem hệ số đó có đảm

bảo an toàn về trượt và lật không.

Dé tinh FS trong bài toán mặt trượt phức hợp này ta di gi thiết các giá tị FSsau dé tỉnh tổng AP (tổng các phân lực theo phương ngang của các thôi) Vẽ đồ thị

quan hệ giữa FS ~ AP giá trị FS ứng với AP = 0

“chính là hệ số ổn định trượt và lật của công tình)

là giá tị FS cần tìm (đây

So sánh hệ số này với hệ số 6n định nhỏ nhất của công trình:

Nếu FS < [FS] công trình mắt ổn định cần có giải pháp gia có bảo vệ thích hợp.Nếu FS > [FS] công trình đảm bảo én định

1.5 Sự cố đập bê tông trong lực:

1.5.1 Sựy cỗ đập bê tông trong lực trên thé git

Đập Austin được xy dụng ở phía bắc thị tấn Johnstown, bang

Pennsylvania, Hoa Kỳ Đập có kết cầu bê tông trọng lực chiều cao lấm, dày 9.8m

“được xây từ 12200 mỡ bê tông tạo thành hỗ chứa với dung tích 750000 m3 nước,

"Ngày 17 tháng 1 năm 1910, mưa lớn kết hợp với tan băng tạo thành lũ lớn đột ngột

uy hiếp thân đập Nước tran qua đỉnh đập, qua các vêt nứt trên thân và vai đập Các vết nứt càng mỡ rộng và gây trượt đập xuống hạ lưu, Hậu qui của sự cổ đập Austin

làm 78 người chết, và làm ngập thị trần phía hạ lưu

Sự cổ đập Vajont 18 một trong các sự cỗ ít thấy ở các đập cao bằng bê tôngtrên thể giới Đập Vajont được hoàn thành năm 1959, chắn ngang thung lũng sông.Vajont tai Monte Toc, cách Venice, Taly 100km về phía bắc Đây là một trong

những đập vom cao nhất thé giới, chiểu cao đập là 262m, chiều rộng đáy 27m,

chiều rộng định 3.4m, Khi xây dựng các nhà thiết kế đã Không chủ ÿ đến sự bắt ổncủa địa chất khu vực Monte Toc Một trận lở đắt lớn xay ra năm 1963 trong lng hồ

đã tạo nên một cột sóng lớn chạy vẻ phía đập Cột nước cực lớn do vụ trượt lở đất

đã trin qua đỉnh đập 4p lực lớn đột ngột lên công trình va gây lũ ạt lớn bắt ngỡ cho

vùng hạ lưu, Lũ lụt đã quết qua và phá hủy toàn bộ nhiều ngôi làng trong thung lũng

hạ lưu đập, thống ké được số người chết trong trận lũ là 2000 người Ngày 12 tháng

2 năm 2008, trong cuộc hội thảo báo cáo Nam Trái Đắt, Unesco đã ví dụ sự cổ đập, 'Vajont như một trong những bi kịch tồi tệ nhất đã được cảnh báo và là thất bai nặng.

nd của các nhà địa chất và kỹ sư thiết kế

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

Hinh 1.10 Hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont sau trận lữ.

Dap Sweetwater chấn ngang sông Sweetwate, hạt San Diego, bangCalifornia, Hoa Ky Đây là đập dạng vòm bêtông trọng lực có chiều cao 33m, chiều

ai 210m, chiều rộng trên đình là 7.6m, đưới chân rộng lắm, tạo thành hỗ chứa có

dung tích 34,6 triệu m3 Đập được xây dựng vào năm 1888 với nhiệm vụ cấp nước.

tưới cho khu vực đồng bằng ven biển và nước sinh hoạt cho thành phổ San Diego

Mùa xuân năm 1916, mưa bão quét vào khu vực Nam California, các sông suối

trong vùng ding lên rt cao nhiều cây cầu bị cuốn tồi Mục nước sông Sweetwater

1g cao vượt qua đình đập 1,1m, dòng nước lũ tràn qua đỉnh đập và gây xói lở hạ

lưu, hai vai đập Hậu quả dòng lũ cuốn trôi hơn 4500km đường sắt, đường ống nước

và điện lực.

Tình 1.11 Nước trần qua đình đập Sweetwater Hiện tượng mục nước thượng lưu ding cao độ ngột vượt quá cao trnh đính

đập gây ra sự cổ xói 16 và nặng hơn là vờ đập cũng đã xảy ra với nhiễu đập trên thégiới nhưlà đập Me Donald, bang Texas, Hoa Kỹ, dip Deh, bang lows, An Độ, đập

Lauren Run, Pennsylvania, Hoa Kỳ, cho thấy đây cũng là một hiện tượng cần xét

«én trong quá tình thiết kế và vận hành hỒ chứa

1.5.2 Hiện tượng đập không tràn bị tràn nước:

Hiện tượng nước trin qua đỉnh đập bê tông trọng lực tuy không phổ biếnnhưng vẫn có thé xảy ra Khi hưu lượng nước do mưa lớn vượt tan suất thiết kế dồn

về hồ chứa nhanh, khả năng tháo của trin không đáp ứng được hoặc do sự cổ cửa

van của trần mà mye nước trong hỗ ding cao vượt qua cao trinh đỉnh đập Lúc này phần đập không tran làm việc như một dip tràn thực sự Một số ảnh hưởng chính của hiện tượng này là

1) Đồng chảy với lưu tốc lớn gây xói b mặt đập,

2) Năng lượng lớn của dòng chảy do không có công trình tiêu năng sẽ làm

Gi lòng dẫn và bở hạ lưu dip.

3) Đập phải lầm việc ở trạng thái vượt ải: ấp lực nước thượng lưu tăng cao,

áp lực đấy nỗi áp lục thắm tăng, áp lực thủy động do dong chảy trên mặt dip gây

ra, rang động do áp lục động của đồng nước, nếu xuất hiện hổ xói ở chân đập sẽ

làm mắt khối đắt chân hạ lưu chống trượt,

Đập không trin nước được tính toán thiết kể chỉ với nhiệm vụ chắn lượngnước rong hỗ chứa chứ chưa xét đến khả năng hoạt động bình thường rong trườnghop bị trần nước: Cầu tạo mặt đập trăn nước được thiết kế để théo nước mà không

bị xGi, xâm thực và đảm bảo én định khi dong nước có lưu tốc lớn chảy qua, hạ lưu

công trình tháo cũng được tính toán thết Ki hit nguồn năng lượng thừa

của đồng nước,

1.5.3 Sự cổ đập bê tông trọng lực ở Việt Nam:

6 Việt Nam các sự cổ đập bê tông trọng lực cũng xây ra với nhiễu 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 dip Hồ Hồ, Hà Tình thắng 9 và thng0 năm 2010 vừa qua

Nhà máy Thuỷ điện Hồ Hô có mức đầu tư xây dựng hơn 257 tỷ đồng, do

Bắc I làm chủ đầu tư Theo thiết ki

“Công ty cổ phần Đầu tư và Phát iển điện mig

nhà mấy này gồm 2 tổ máy có tổng công suất I3MW, dung tích hồ chứa 38 triệum3, diện tích lưu vực lòng hỗ 265,26ha,

Ngày 3/10, nước lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh nhưng nhà máy này không

mở được cổng thoát nước khiển nước lũ tràn qua cửa đập cao gin 2m (so với cao.

trình 72m) Hậu quả là hàng tăm hộ din vùng lòng hồ thuộc xã Hương Lâm,Hương Liên thuộc huyện Hương Khô (Hà Tinh) bị ngập chim, tốn thất nặng nŠ

(riêng về người có 2 người chế),

Hình 1.12 Nước tràn qua đình đập Hồ Hồ

Dong nước tràn qua đỉnh đập với năng lượng lớn đã làm xói một phần hạ lưu của đập, de doa đến sự an toàn của đập và nhà máy thủy

Hinh 1.13 Sat lở hạ lưu công trình thủy điện

Hiện tượng tran nước qua định đập Hồ Hô vừa qua là một bài học cho chúng

ta về cả nhiệm vụ khảo sát, thiết kế, quản lý vận hành hỗ chứa sao cho đảm bảo an

toàn trước các nguy cơ thiên tai lũ lụt bắt thường sau này Riêng với người thiết kể,

tính toán mức độ an toàn của công rình với các trường hop sự cố xây ra là yêu cầu

cắp thiết, có tính quyết định để bổ tí các phương án giải quyết tình huồng.

16 Sự cần thiết phải nghiên cứu:

Dap bê tổng trọng lực là loại đập được sử dụng phổ biến ở các dự án thủy

lợi, thủy điện Đập là một kết cấu bê tông khối lớn duy tr ôn định nhờ trọng lượng

ccủa khối bể tông và liên kết giữa đập với nỀn, Dưới tác dung của ngoại lực, đập cóthể bị trượt hoặc lật

“Theo nhiệm vụ, đập bê tông trong lực được chia thành hai loại: đập tràn nước.

và đập không tran nước Đập bê tông tràn nước được thiết kế để ôn định cả khi có

nước trin qua và không có nước tran qua Khi có hiện tượng nước trin qua đỉnh đập

thì đập phải làm việc quá tải

Hiện tượng mưa lũ vừa qua ở các tinh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình đã

gây ra lồ lạt nặng nề Công trình thủy điện Hỗ Hô, Hà Tinh đã bi sự cổ cửa vănkhiến nước tran qua định đập Yêu cầu đặt r là mức độ an toàn của đập sẽ như thểnào và sau sự cổ đập còn khả năng làm việc như thé nào? Luận văn tập trung đi sâu

này,

Két luận chương 1:

Đập là một công tinh quan tong mang lại nhiều lợi ích đa ngành như cấp

nước, phát điện, phòng lũ vì vậy đập đã và dang được xây dựng ngày càng nhiềutrên thé giới Đập có nhiệm vụ chắn một lượng nước lớn ở thượng lưu nên luôn chịu

áp lực lớn Để đảm bảo an toàn cho đập và hạ lưu thì cần kiểm tra khả năng chịu tải

‘cha đập ở nhiễu điều kiện khác nhau.

Hiện tượng nước trin qua dinh đập bê tông không tần là một hiện tượng í sắp nhưng cũng đã xây ra Khi ding nước ding cao trần qua đập không trần th lúc

này dp không tràn làm việc như một đập tran tạm thai Đập phải chịu nhiễu điềukiện bắt lợi cả hịu lực cũng như thủy lực đập tràn, xói lờ hạ lưu nhưng chưa

Yeu cầu đặt ra đối ới các nghiê cứu trong luận văn là

hải inh toán kiểm tra lại khả năng én định cia đập khi xảy rà sự cổ và sau khi có

inh thường về các mặt sau,

sự cố đập có đảm bao làm vig

(1) Ôn định tổng thể trong điều kiện bắt lợi đã hình thành hồ xói ở hạ lưu ?

(2) B mặt đập ó bị xói không ?

(3) Có khả nang mắt én định cục bộ 3

Hiện nay có hai hệ thống tiêu chuẩn để tính toán én định của đập bê tông, đó

là hệ thông tiêu chuẩn Nga ~ Việt và hệ thông tiêu chuẩn Mỹ, Việc áp dụng tínhtoán dn định đập theo tiêu chuẩn nào cũng nhằm mục tinh toán sát với thực tế

và dim bảo sự an toàn của đập Vì vậy luận văn áp dụng cả hai tiêu chuẩn dé kiểm.tra điều kiện an toàn của công trình

'CHƯƠNG 2: HO XÓI VÀ DUONG MAT NƯỚC Ở SAU DAP BÊ TONG

KHONG TRAN BỊ TRAN NƯỚC

2.1 Đặt vấn đề:

Dang chiy sau khi chay qua đập xuống ho lưu có năng lượng rất lớn Năng

lượng đồ được tiêu hao bằng nhiễu dạng khác nhau: một phin năng lượng này phá

hoại lòng sông và hai bờ gây nên si lở cục bộ ở sau đập, một phần tiêu hao do ma

xát nội bộ đồng chảy, phẫn khác do ma sát giữa nước và không khí Sức cản nội bội

đồng chảy càng lớn thì tiêu hao năng lượng đo x6i lở càng nhỏ và ngược lại.

Khi dong chảy trên đỉnh đập có năng lượng lớn xuống hạ lưu mà không có

biện pháp tiêu năng hoặc tiêu năng không đáp ứng đủ thì sẽ xảy ra hiện tượng xói lở

hạ lưu Tùy theo chiều cao của cột nước và điều kiện địa chất nén của khu vực hạ

lưu mà hỗ xói có thể lớn hoặc nhỏ Với trường hợp địa chất nền là đá tốt thì hỗ xói

thưởng nhỏ, không gây ảnh hưởng lớn đến công trình, nhưng trong trường hợp dia

chất nền yếu thì hỗ xói có chiều sâu và phạm vi lớn, cá biệt hỗ xói có thé ăn vàophạm vi chân đập gây ảnh hưởng đến sự an toàn của công tình

Ảnh hưởng của hồ xói đến én định của công trình phụ thuộc vào phạm vi hỗ

xi, Hồ x6i làm giảm kích thước của khối đắt chân hạ lưu đập, có th gây thay đổimặt trượt giữa nén và đập Hồ sới với kích thước lớn lần vào chân đập làm giảmdiện ích tiếp xúc giữa nén và đập, giảm hệ số ôn định của đập Khi hệ số én định

của đập giảm nhỏ hơn hệ số ổn định cho phép, đập có thé bị trượt hoặc lật

2.2 Lựa chọn phương pháp tính hồ sói

Dòng chảy tên mặt đập có năng lượng lớn tạo thành các xoáy cuộn ở hạ

lưu, xuất hiện hỗ xói ở sau đập Việc tính toán kích thước hồ x6i là rat cần thiết để.kiểm tra ảnh hưởng của hồ x6i đến an toàn của đập,

Một số công thức tính hồ xối

(stich Nổi tiếp và tiêu năng ha ưu công trình thio nước ~ PGS TS Phạm Ngọc Quý)

- Chiễu sâu hồi

7=0834//(//4,)'0

Trong đó:

~ T: Chiều sâu hồ x6i tính từ mực nước hạ lưu

~ Z: Chênh lậch mục nước thượng hạ lưu

~ g Lưu lượng đơn vĩ

+ 450: đường kính trung bình hat ở long sông

* Hoặc công thức,

TS kg?s2TM

Ỷ

“Trong đó:

~ hại: Độ sâu giới han thứ nhất

- vụ: tốc độ bắt đầu chuyỂn động của hạt

~ q Hệ số thé hiện mỗiiên quan đến lưu lượng dom vị, quan hệ q~K với các vụ,

=v Dung trọng nước

- đ: Đường kính hạt

hy: Mực nước bạ lưu

Khoảng cách từ cuỗi bậc đến điểm sâu nhất

~ Z: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu.

~ q: lưu lượng đơn vị

4=ma[3gH*?

m: hệ số lưu lượng,

H: cật nước toàn phần trên đập

Ở đây sử dụng công thức của Viện nghiên cứu thiy lợi Trường Giang vì:

~ Công thức không xét đến yếu tổ hình học của đập, phù hợp với yêu cầu của

"trường hợp tính toán.

- Các công thức khác áp dụng với hình dang đập tràn, ở day là trường hợp.

đập không tràn bị tran nước,

~ Chưa có đầy đủ thông số về hạt ở lòng sông, cùng các số liệu về nên hạ lưu

nên việc áp dụng các công thức khác là không phù hợp Công thức của Viện nghiên

cứu thủy lợi Trường Giang chỉ xét đến đặc trơn của nén là nén đá sa thạch hoặc

mm áp dụng vào dé tính tắn trong trường hợp này là phù hợp,

1890

23 Các tink toán và két quả:

Sir dạng công thúc tinh toín hỗ xói của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc) dé tính toán hồ xói chân đập Tính toán kích thước cho các đập.

‘i chiều cao tử 20 đến 70m, định đập rộng Sm, mái thượng lưu thẳng đứng, hạ lưu

là mai nghiêng với m = 018, các cấp lưu lượng đơn vị trăn qua đình đập lề

05 mls đến 20m/s tương ứng với chiều cao cột nước tri qua đỉnh đập là 0,485

dã

520m.

* Với trường hợp đập cao TÔm

Hình 2.1 Sơ đồ hồ xói hạ hu dip

“Bảng 2.1 Kích thước hồ xói ứng với đập có Hđập =70m

- Z: chênh lệch cật nước thượng hạ lưu (m)

~T: chiều sâu hồ xói (m)

“Hình 2.2 Hình dang hồ xói

* Tương tự tính toán với các đập có chiều cao từ 20 đến 50m ta có các kết quả

Bảng 2.2 Kích thước hé xói ứng với đập có Hip =50m

Baing 23 Kích thước hồ xố ứng với đập có Hiệp =30m

a m h pK z T

05) 038048208, 0258| 135, 304482|T.IMHE

T) B88 8708/16] 059, I45|3878872|1891805 S| 83820888] 089| I35|3208845| 381946 10) 638 8280888| — 0/58| 1.35 |3828088 |5.448888

coe nước trên agp)

“Hình 2.2 Biểu dé quan hệ giữa cật nước trên đập và chiều sâu hồ xi châm

đập, với chiều cao đập từ 20 đến 70m (đường trên cùng ứng với đập 70m, dưới

cùng ứng với đập 20m)

* Nhận xét về diễn biển xí

“rên cùng một đập, kh lưu lượng đơn vị trần qua đập tăng dần từ 0,5 đến 20

m/s thì chiều sâu hỗ xói cũng tăng nhanh Đường quan hệ giữa cột nước trên đập.

và chiều sâu hồ xói có dang parabol nằm ngang Đối với đập càng cao thì năng

lượng càng lớn và chiều sâu hỗ xói cũng lớn hơn nhiều so với các đập thấp khi có

cùng lưu lượng đơn vi trin qua đập Tốc độ xói của đập cao khi lưu lượng tăng thi

chim hơn so với các đập thắp, Đến các giá tei lưu lượng đơn vị lớn thì chênh lệch

chiều sâu hỗ sói iữa đập cao và đập thấp là không lớn

2.4, Dường mặt nước trên mặt hạ lưu đập.

“Tính toán đường mặt nước trên mặt hạ lưu đập nhằm xác định dong chảy,

trên đập và vận tốc lớn nhất, từ đó kiểm tra hiện tượng xói bé mặt đập Sử dụng các,

công thức tính trong sách: “Công trình tháo lũ trong đầu mỗi hệ thống thủy

lợi-"Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng và Ngô Trí Vieng”

* Xúc định cật nước tại điễn A: Tỉnh lưu tốc và độ sân đồng chủy tại mặt cắt

A-A, trong dé tn thất thuỷ lực của dong chảy ở đỉnh không đáng kể, có thé bỏ qua:

từ mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B, dùng phương pháp Tsanomxki dựa vào phương.trình cơ bản chuyển động không đu của nước

*Xác định dường mặt nước trên đoạn AB: Để về đường mặt nước trong đoạn

Kết quả tính toán với trường hợp đập cao 50m, lưu lượng đơn vị qua định.

“Tương tự xác định được vận tốc đồng chảy trên mặt hạ lưu đập với các kích

thước đập và các cấp lưu lượng đơn vị khác nhau từ 0,5 đến 20 m3/s.m:

Bing 2.5 Tính toán vận tốc x6 trên mặt hạ lưu đập 70m:

Bang 2.6 Tính toán vận tc x6 trên mặt hạ lưu đập 50m

@ TP [Ww |iWmel |Kẩtjn os] 8844| 1147S] 192) Không xối

1 0072| 14801| 1862| Khôngxii S[ 5Zã8| 20556) 19.2] x6i yo] 0421| 23180] 192 | Xai Z0| 0787| 2519| 212 | Kor

Bang 2.7 Tinh toán vận tốc xối trên mặt hạ lưu đập 30m:

oh Vax | (Wimax) ¡K®Huận

Bảng 2 Tỉnh toán vận tốc xối rên mặt hạ lưu đập 20m:

[S TTR [Vmax [vex K&uin | (as) 0844| 11388, 192 Không | [tp ñW8j 1820 182 Khôngwi | [ 5| 0812| 16047 192 Khôngxa | [ THẾỊ 0888| 1670 Z2 Khôngsi | [20 aire | T708 2i2 Khôngwii |2.5, Kế luận chương

Hiện tượng x6i lở lòng dẫn hạ lưu công trình thảo là hiện tượng thường gặp

và đã được nghiên cứu đầy đủ Ở đây tác giả đã lựa chọn được công thức tính hdxối của Viện nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc) tương đối phù hợp

‘di trường hợp dip bê tông không trim trên nén d bị trần nước

“Tác giả đã tinh toán kích thước hỗ x6i và đường mặt nước cho các trưởng,hợp đập có chiều cao từ 20 đến 70m với các cấp lưu lượng đơn vị tràn qua đập từ0,5 đến 20m21s, từ đó đưa ra kết luận về kích thước hỗ x6i và khả năng bị x6i của

bề mặt đập: Với những đập có chigu cao từ 50m trở lên, khi mực nước trên đập caohơn 2m thì có khả năng xói lở mái hạ lưu, với những đập thấp từ 20-30m thì khá.năng bị xói mái hạ lưu là nhỏ Những kết quả tính toán kích thước hỗ x6i, đườngmặt nước ứng với các trường hợp chiều cao đập và các cấp lưu lượng đơn vị tênđược dùng để đưa vào các sơ đồ tính toán dn định trượt lật của đập trong chươngtiếp theo

CHUONG 3: NGHIÊN CỨU ANH 1G CUA HO XÓI.

DEN ON DINH CUA DAP

3.1 Tinh én định trượt theo hai phương pháp: phương pháp trang thái giới hạn

và phương pháp trượt sâu theo tiêu chuẩn Mỹ

TS | Gdmt6 hop | Phân thành 93 hợp tải trong khốc nhau ứng với tùng trường

hợp |tảiưọng cơ | hợp làm việc của đập

3.1.1 Phương pháp trạng thái giới hạn:

"Hình 3.1 Sa đỗ lực tác dung lên đập theo phương pháp trang th giới han

- Trọng lượng nước hạ lưu

Cm =2 *y, AV yan ~Vo)

m hệ số mái ha lưu đập

nM, <TM

“rong đó: Mgl và Me! là tổng mômen gây lật vi chéng lật đố với tâm quay

( khi hổ xói chưa đến chân đập thi tâm quay là chân ha lưu dap B, khi hỗ xói xâm nhập vào chân đập thi tâm quay là B")

Tiêu chuẩn đánh giá ổn định

Đập và nền được gọi là đạt đến trang thai giới hạn khi không côn đủ khả

năng làm việc với các tải wong và các tắc động từ bên ngoài, hoặc bị hư hỏng hay

biển dạng quá mức cho phép không còn thoả mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

Đập và nền đảm bảo an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo trạng tháigiới hạn phải thoả mãn điều kiện

HN, SR

1 Trong đó:

~ Ni là tải trong tính toán tổng quát, là lực, là mô men, là ứng suit biến dạng hoặc thông số khác được dùng làm căn cứ để đánh giá trạng thái giới hạn Khi tính

toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân

với hệ số lệch tải Tình toán theo trạng thái thứ hai được tính theo tải trọng tiêu

chuẩn Hệ số lệch tải nh theo TCXD VN 285 - 2002

- Ri sức chịu ải tổng quit, biến dạng hoặc thông số khác được định ra theotiêu chuẩn thiết kể

- Hệ số tổng hợp tải trong ne được xác định tuỷ theo tổ hợp tải trong và trang thái giới hạn.

~ Hệ số điều kên làm việc m xế đến tính pin đúng của sơ đồ và phương pháp

tính toán, iễu công tình, kết cu hay nền, loại vật liệu xây đựng Khi tính toán ở

trạng thái giới hạn thứ nhất, mặt trượt đi qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và nền đá

hoặc qua đá nén có khe nứt, một phần qua đá nguyên khối lầy m = 0,95 các trưởng,

hợp khác còn lại và tính với trạng thái giới hạn thứ bai lấy m=Ì

- Hệ số tin cậy kn, xét đến tằm quan trong của công tình Theo TCXD VN

285 - 1003, khi tính toán với trạng thái giới hạn thứ nhất, công tình cắp I, lấy với

kn = 1,5; công tinh cắp I, kn = 1,2; công tình cấp IH, IV, V, kn = 1.15 Khi tính

toán với trang thái giới hạn thứ hai kn = 1