bài giảng đập bê tông và bê tông cốt thép

3.CÁC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LƯC.• Tính toán thiết kế mặt cắt đập BTTL• Tính toán ổn định đập BTTL• Phân tích ứng suất đập BTTL• Phân tích nhiệt đập BTTL.... Phân tích ổn đ

1 T×nh h×nh ph¸t triÓn ®Ëp bttl trªn thÕ giíi vµ viÖt nam

Đập trọng lực là đập giữ ổn định nhờ

trọng lượng bản thân dưới tác dụng

của tải trọng ngoài.

Đập trọng lực bằng đá xây được xây

dựng cách đây 3000 đến 4000 năm.

Đập trọng lực mặt cắt tam giác được xây

dựng đầu tiên ở Mêxicô năm 1785.

Năm 1850 đập BTTL được xây dựng.

Đập BTTL cao nhất thế giới hiện nay là đập Grande Dixence - Thụy sĩ cao 285m, được xây dựng từ năm 1951 đến 1962.

Bi ểu đồ so sánh số lượng đập bttl với các loại đập khác

Th ế giới:

Trước đây, đập BTTL chiếm

một tỷ lệ nhỏ do chiều cao

đập thấp và điều kiện kinh

tế.

Hiện nay đập BTTL đã và

đang được xây dựng

nhiều ở Việt Nam như:

Tân giang - Ninh thuận

I.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

• Thi công bằng công nghệ BT

ướt hoặc BT khô (RCC).

• Làm việc như một kết cấu chịu

nộn lệch tâm hai chiều.

G p

2.Nguyên tắc thiết kế

• Đập và nền ổn định trong mọi điều kiện làm việc.

• Đập phải đủ cao đồng thời bố trí công trình tháo lũ

và các công trinh khác….

• 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 hinh thức đập, cấu tạo các bộ phận phù hợp với biện pháp, thời gian thi công, thuận lợi

trong khai thác và quản lý, có giá thành và kinh phí quản lý rẻ.

2 Tình hình phát triển phương pháp tính toán đập bttl

Phương pháp ứng suất cho phép (giai đoạn đàn hồi)

max  []

Coi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, chưa triệt để

lợi dụng khả năng chịu lực của bê tông.

Phương pháp giai đoạn phá hoại (hệ số an toàn)

Đã xét đến biến dạng dẻo của bê tông, dùng một hệ số an toàn

chung cho cả kết cấu

Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn

Đã xét đến mọi nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của

kết cấu. ncNtt  mR/Kn

5.Tính toán mặt cắt cơ bản

(dạng tam giác)

• Hệ số an toàn ổn định trên mặt cắt nguy hiểm nhất

không nhỏ hơn trị số cho phép.

• Khi hồ đầy nước không sinh ứng suất kéo ở mép

biên thượng lưu, ứng suất nén ở mép biên hạ lưu không vượt quá giới hạn cho phép và khi hồ không

có nước không sinh ứng suất kéo ở mép biên hạ lưu, ứng suất nén ở mép biên thượng lưu không vượt quá giới hạn cho phép.

• Diện tích mặt cắt là nhỏ nhất.

6.điều kiện khống chế của mặt

cắt kinh tế

• Thoả mãn điều kiện ổn định chống trượt K≥

[K]

• Thoả mãn điều kiện ứng suất.

• Mặt cắt đập thoả mãn các điều kiện bố trí

n

A=f 1 (n) m=

E'

6.Các bước tính mặt cắt kinh tế

• Giả thiết ợ,n tính m = f2(n) theo điều kiện K = [K]

• Tính 1=f3(n) cùng cặp với ợ, m, n đã tính f2 ở trên.

• Cùng cặp ợ, m, n tính giá trị diện tích mặt cắt A = f1(n)

• Vẽ quan hệ f1(n), f2(n), f3(n), tại vị trí 1= 0 có giá trị m và a

thoả mãn điều kiện kinh tế và ổn định

• Lập lại các bước trên với ợ, a, n tương ứng trên đồ thị chọn

được Amin = f(n)

Mặt cắt thực tế

Mặt cắt đập trọng lực nhiều cấp

2 / 1

tgd =

IV

II MNC

I II

III

III

IV MNC

II.PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

trong đó: f,C là các tham số thí nghiệm kháng cắt, gọi là

f

Phân tích ổn định chống trượt của đập theo mặt tiếp

xúc giữa đáy đập và nền

C f

K (6’)

Một số quan điểm chọn tiêu chuẩn cờng độ kháng cắt

(1) Lấy cờng độ cực hạn làm tiêu chuẩn thiết kế cha hợp lý, hệ số an toàn cao.

(2) Cờng độ giới hạn, lấy A là cực hạn đàn hồi, chọn cờng độ cắt giai đoạn đàn tính để thiết kế (3) Cờng độ cực hạn khuất phục B - phá hoại dòn không phù hợp, phá hoại dẻo có thể chấp thuận (4) Nếu sử dụng biến dạng d thì lựa chọn điểm D để thiết kế.

(5) Tiêu chuẩn chuyển vị lớn nhất để thiết kế.

(6) Tiêu chuẩn cờng độ phục hồi.

(7) Cờng độ sau cùng để thiết kế, phải làm thí nghiệm mới xét đợc cờng độ này.

Nghiên cứu ổn định ở mặt cắt tiếp xúc với nền theo công thức c ờng

độ kháng cắt điểm

1 Mất ổn định của đập từ một điểm dẫn đến từng

vùng sau đó phá hoại toàn bộ

2 Sử dụng (6’) thực hiện theo hai bài toán: tăng tải dần đến khi phá hoại, hệ số dự trữ (xét đến tính chất của vật liệu

3 Quá trình phá hoại

(1) Khu vực thợng lu xuất hiện vết nứt dẫn đến phá

hoại do ứng suất kéo và ứng suất tiếp.

(2) Khu vùc h¹ lu xuÊt hiÖn øng suÊt nÐn vµ øng

suÊt c¾t, ph¸ ho¹i ban ®Çu rÊt tõ tõ.

(3) Ch©n h¹ lu díi nÒn xuÊt hiÖn øng suÊt t¬ng øng

®iÓm B.

(4) Sù ph¸ ho¹i h¹ lu tõ tõ nhng tiÕn dÇn vÒ thîng lu, khi hai vïng gÆp nhau th× bÞ ph¸ ho¹i hoµn toµn.

Nghiên cứu mở rộng vùng phá hủy ở

mặt cắt sát nền

Kiểm tra ổn định đập theo hệ số dự trữ

1 Tơng ứng tại điểm B có Kf = K’f ở trạng thái ổn

định giới hạn, hệ số an toàn đợc tính theo công

f K

- Chiều cao đập ảnh hởng tới K khoảng 6%

- Tỷ lệ Mođuyn đàn hồi(Eđ/En) ảnh hởng khoảng 21%

- ảnh hởng của dao động cha xét đến

3 Đơn giản hoá (7) đợc công thức tiêu chuẩn

f

Ảnh hưởng của lực ma sát,lực dính,góc

nghiêng của mặt trượt

So sánh ổn định theo hệ thống tiêu chuẩn

Bảng 2.2 Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực theo các tiêu chuẩn thiết kế

hợp

- Tính toán theo bài toán trạng thái giới hạn

- Hệ số an toàn cho phép [K] được xác định theo cấp công trình và tổ hợp lực

- Tính toán theo bài toán cân bằng giới hạn

- Hệ số an toàn cho phép [Fs] được xác định theo tổ hợp lực

  K M

sin V W cos

P P cos

H H

L C tan

U sin

P P sin

H H cos

V W FS

 +

−



− +



− +

 +

=

−

−

TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG

• a) 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, hạ lưu đập

TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG

• b1) Trường hợp 1: tải trọng bình thường

• - Mức nước thượng lưu là MNDBT

• b3) Trường hợp 3: không bình thường - vận hành

• - Mức nước hồ ngang đỉnh cửa van đập tràn hoặc ngưỡng tràn khi công trình tràn không có cửa van

• b5) Trường hợp 5: đặc biệt - động đất cơ sở (OBE).

• - Động đất cơ sở (OBE)

• - Gia tốc động đất hướng ngang tác dụng trực tiếp từ phía thượng lưu

• - Hồ không có nước

• - Không có nước hạ lưu

• b6) Trường hợp 6: không bình thường - động đất (OBE)

• b7) Trường hợp 7: tải trọng đặc biệt động đất lớn nhất (MCE).

• b9) Trường hợp 9: tải trọng đặc biệt – tổ hợp sau động đất.

• - Mực nước thượng lưu là mndtb

• - Mực nước hạ lưu là mực nước thấp nhất

• - Áp lực đấy ngược

• - Áp lực bùn cát và áp lực đất

• - Các đặc tính của vật liệu là các giá trị còn dư

Tiêu chuẩn an toàn về ổn đ ị n h ổ n g h ể và ứ n g s u ấ t c h o p h é p c ủ a đ ậ p theo tiêu chu ẩ n M ỹ

Ứng suất bê tông

Phân tích ứng suất

(a) Ứng suất pháp trên mặt nằm

ngang, z

(b) Ứng suất cắt trên mặt nằm ngang, zy

(c) Ứng suất pháp trên mặt thẳng đứng, x

(d) Ứng suất pháp trên mặt thẳng

đứng, y

(e) Ứng suất chính, 1và 3 (f) Ứng suất pháp trên mặt nằm

ngang, z (phương pháp phần tử hữu hạn: so sánh với (a): chú ý rằng sự khác nhau sẽ tăng với những đập lớn hơn)

Tốc độ giảm ứng suất s3 tại mặt cắt đáy đập ứng với các chiều cao đập

Tốc độ giảm ứng suất s1 tại mặt cắt đáy đập ứng với các chiều cao đập

Ảnh hưởng của cỏc yếu tố tới phõn tớch ứng suất đập bờ tụng

øng suÊt t¹i mÐp biªn thîng lu øng víi c¸c chiÒu cao ®Ëp

øng suÊt t¹i mÐp biªn h¹ lu øng víi c¸c chiÒu cao ®Ëp

øng suÊt t¹i mÐp biªn thîng lu øng víi c¸c chiÒu cao ®Ëp

øng suÊt t¹i mÐp biªn h¹ lu øng víi c¸c chiÒu cao ®Ëp

Biểu đồ ứng suất tại đáy đập ứng với tổ hợp lực 1

Biểu đồ ứng suất tại đáy đập ứng với tổ hợp lực 2

Tốc độ giảm ứng suất chính tại mặt cắt đáy đập ứng với tổ hợp lực 1

Tốc độ giảm ứng suất chính tại mặt cắt đáy đập ứng với tổ hợp lực 2

SỨC CHỊU TẢI CỦA RCC

1.Nghiên cứu trường ứng suất của đập trong quá trình chất tải làm cơ

sơ phân tích hiện trạng nứt

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt trong quá trình thi công

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nước trong khe nứt tới tình trạng làm việc của đập

4 Ảnh hưởng của động đất đối với đập đã có vết nứt

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Quan hệ giữa chiều cao đập và thời gian thi công thực tế

TT Đợt đổ bê tông Cao độ

(m)

Thời gian thi công

(ngày)

Thời gian nghỉ (ngày)

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Cường độ chịu kéo của RCC dùng trong phân tích

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Sơ đồ trong phân tích quá trình chất tải

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Mô đuyn đàn hồi E của RCC dùng trong phân tích

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Phân bố ứng suất S1 khi thi công đến cao trình +122,1

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Phân bố ứng suất S1 khi thi công đến cao trình +146,7

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Phân bố ứng suất S1 khi thi công đến cao trình +180

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẤT TẢI LÀM CƠ

SỞ PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT

Phân bố ứng suất S1 khi thi công đến cao trình +228,1

Ảnh hưởng của liên kết nền

Sự khác biệt về lưới phần tử

cắt dọc tim đập

Đ-ờng viền đáy móng

Lỗ thả xilanh bxh=3x3m

Đ-ờng ống áp lực

CVC

CVC RCC

Tim tuyến đập

Đ-ờng mặt đất tự nhiên

éPả-Tàđb

Khoan thoát n-ớc b-ớc a=3m

Khoan phun gia cố L=5m, b-ớc 3x3m

Khoan phụt chống thấm

b-ớc a=3m

RCC CVC

1:0 80

1:0.20

Tim tuyến đập

Đ-ờng mặt đất tự nhiên

GEVR GEVR

RCC

Bảng 5.3: Bảng kết quả của phân tích ổn định đập phương án chọn

(theo tiêu chuẩn của Việt Nam và Liên bang Nga)

3 Xác định cường độ kháng nén yêu cầu để thiết kế cấp phối bê

tông RCC và đúc kiểm tra hiện trường

nén yêu cầu là 16MPa ở tuổi 365 ngày được xác định qua mẫu nõn khoan có đường kính 150mm, cao 300mm

là cơ sở để tính toán xác định cường độ yêu cầu cho

công tác thiết kế thành phần cấp phối RCC cũng như cho công tác đánh giá sự phù hợp về cường độ của các mẫu kiểm tra trong quá trình thi công nhằm đảm bảo

cường độ thiết kế yêu cầu Các tính toán để xác định

cường độ yêu cầu cho công tác thiết kế thành phần cấp phối bê tông RCC được thực hiện theo phương pháp

nêu trong tiêu chuẩn ACI 214.3R-88 của Viện Bê tông Hoa Kỳ Trình tự tính toán như sau:

đập qua các mẫu khoan có đường kính 150mm, cao

300mm:

• - Chuyển đổi cường độ thiết kế yêu cầu từ mẫu khoan trong thân

đập sang cường độ thiết kế đối với mẫu hình trụ đúc tại hiện trường:

Sử dụng hệ số chuyển đổi K = 1,125 để xác định cường độ yêu cầu của mẫu đúc hình trụ tại hiện trường để kiểm tra (f’cl):

• f’c1 = 1,125 x f’c = 1,125 x 16 = 18 MPa.

• - Coi cường độ chịu nén của bê tông cũng là một biến cố ngẫu

nhiên và phân bố xác suất theo qui luật phân bố chuẩn Sử dụng phương pháp phân tích xác suất thống kê nêu trong tiêu chuẩn ACI 214.3R-88 để xác định giá trị cường độ yêu cầu đối với công tác

thiết kế cấp phối bê tông (f’cr):

• f’cr = f’cl + s.p

• Trong đó:

• + s là độ lệch về cường độ của các mẫu kiểm tra (MPa), với hệ

số biến đổi v = 20% lấy s = 0,2.f’cl.

• s = 0,2 x 18 = 3,6 MPa.

• + p là hệ số xác định theo tỷ lệ % các mẫu kiểm tra có giá trị cường

độ thấp hơn giá trị kiểm tra yêu cầu Với tỷ lệ 1 trong 5 mẫu kiểm tra

có giá trị cường độ thấp hơn giá trị kiểm tra yêu cầu, theo ACI

214.3R-88 xác định được:

p = 0,854.

• Như vậy, cường độ yêu cầu theo mẫu hình trụ có đường kính 150mm, cao 300mm đối với công tác thiết kế cấp phối bê tông RCC (f’cr) là:

f’cr = 18 + 3,6 x 0,854 = 21,1 MPa.

Kiến nghị:

- Cường độ nén yêu cầu theo mẫu hình trụ có đường kính 150mm, cao 300mm đối với công tác thiết kế cấp phối bê tông trong phòng thủy

điện Lai Châu là: 21,1 MPa.

- Cường độ nén yêu cầu theo mẫu hình trụ có đường kính 150mm, cao 300mm đối với công tác đúc mẫu kiểm tra tại hiện trường thủy điện

Lai Châu là: 18 MPa.

Đề tài

Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực

Theo phơng pháp phát triển vùng phá hoại

cục bộ ở mặt cắt sát nền

Sự cần thiết nghiên cứu

’ Đập bê tông trọng lực đang đợc sử dụng nhiều trong các dự án Thủy lợi ’Thủy điện.

’ Sự làm việc của đập tơng đối phức tạp, để đảm bảo an toàn, kinh tế yêu cầu phơng pháp tính toán thiết kế và công nghệ thi công cao.

’ Có nhiều phơng pháp tính ổn định đợc xây

dựng trên cơ sở lý luận của đập bê tông trọng lực nhng cha thống nhất, cần nghiên cứu ph-

ơng pháp tiến bộ với quan điểm chung là giảm kích thớc mặt cắt, tăng độ an toàn cho đập.

’Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng phơng pháp phân tích ổn

định đập bê tông trọng lực theo phơng pháp

phát triển vùng phá hoại cục bộ tại mặt cắt sát nền và nghiên cứu một số nhân tố ảnh hởng

đến ổn định đập

’ Ph ương phap nghiên cứu

ứng dụng phần mền SAP200 để phân tích trờng ứng suất tại mặt cắt sát nền.

’ Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trong phạm vi bài toán phẳng Các lực tác

động là lực tĩnh.

’ Ch¬ng VI: øng dông c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho ®Ëp bª t«ng träng lùc §Þnh B×nh.

’ KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ.

’ Môc lôc.

’ Phô lôc tÝnh to¸n.

Đập bê tông trọng lực và đặc điểm làm việc[1]

’ Tình hình xây dựng đập trên thế giới và Việt Nam.

’ Tiến bộ trong xây dựng đập.

’ Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực.

’ Các yêu cầu tính toán đập bê tông trọng lực.

’ Các tổ hợp dùng trong tính toán.

’ Phơng pháp hệ số an toàn [1].

’ Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực theo phơng pháp trạng thái giới hạn [4].

’Phơng pháp xét đến lực chống cắt (xét đến tga và C).

’Phơng pháp cân bằng giới hạn.

’ Tính theo lý thuyết độ tin cậy [3].

Một số quan điểm về tiêu chuẩn ổn định

’ Tiêu chuẩn biến hình cực hạn.

’ Tiêu chuẩn ổn định tạm thời.

’ Phân tích phát triển vùng phá hoại cục bộ từ hai phía ở chân đập, dẫn đến mất ổn định tổng thể

đập.

Kết luận

’ Tính toán ổn định đập theo hình thức mất ổn định

tổng thể khối lợng tính toán ít, thiên về an toàn, kích thớc mặt cắt lớn, không kinh tế.

’ Tính toán ổn định đập theo hình thức từ sự phá

hoại cục bộ dẫn đến sự mất ổn định tổng thể với tiêu chuẩn ổn định tạm thời đánh giá đúng khả năng chịu lực đập bê tông trọng lực.

’ Nh vậy nếu có sự liên hệ định lợng giữa phá hoại

cục, ổn định tổng thể và tiêu chuẩn phá hoại của vật liệu thì có thể đa ra đợc khái niệm ổn định tạm thời để phân tích ổn định đập.Luận văn sẽ đi theo quan điểm này để nghiên cứu

Chơng II: ứng dụng SAp2000 phân tích

’ Giới hạn bài toán trong luận văn.

’ Phân tích trờng ứng suất bằng phơng pháp phần tử hữu hạn trong SAP2000.

’ Phần mền SAP2000 tính toán ứng suất trong thân đập.

’ Phân tích ổn định cục bộ tại mặt cắt sát nền.

’ Nhận xét kết quả.

2 1

G P

W

B' B

Cơ sở của phơng pháp OĐ-PTCB

Đập bê tông trọng lực làm việc nh một kết cấu chịu nén lệch tâm hai chiều Đập chịu tác dụng của các tổ hợp tải trọng, các vùng có ứng suất chính tập trung và phát triển tại chân đập.Tơng ứng với giới hạn phá hoại của vật liệu mà ngời thiết kế lựa chọn, ở đó có khả năng xuất hiện vùng phá hoại Vùng phá hoại phát triển từ hai phía thợng

lu và hạ lu tiến gần lại nhau, hiện tợng này làm cho chiều rộng công tác của đáy đập thu hẹp lại đến một giới hạn nào đó đập bị mất ổn định nh hình (2-1) Nh vậy định ra đ-

ợc tiêu chuẩn ổn định dựa trên cơ sở phân tích sự phát

triển vùng phá hoại cục bộ.

Tóm tắt nội dung của phơng pháp

’ Căn cứ vào tiêu chuẩn ổn định nh hệ số ổn định cho phép [K] đánh giá đợc ỏn định của đập.

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của

phơng pháp OĐ-PTCB

’ Phơng pháp khắc phục đợc nhợc điểm của phơng pháp thiết kế mặt cắt đập theo lý thuyết truyền thống và thuận tiện cho việc thiết kế trên máy tính Đặc biệt kết hợp với các thí nghiệm vật liệu, sử dụng các giai đoạn khác nhau của vật liệu có thể tiết kiện vật liệu mang lại hiệu quả

kinh tế Đây là một bớc phát triển mới về lý luận đập bê tông trọng lực.