35 B C B O C B-BC-C Hình 9.1 Sơ đồ đập vòm CH-ơNG 9 Các loại đập bêtông cốt thép 1 đập vòm I. Định nghĩa và đặc điểm 1. Định nghĩa Đập vòm là loại đập dâng chắn n-ớc và cũng có thể cho n-ớc tràn qua đỉnh, th-ờng làm bằng bêtông cốt thép. Có dạng vòng cung trên mặt bằng, chân tựa vào hai bờ, đập ổn định nhờ sự chống đỡ ở hai bờ. 2. Đặc điểm đập vòm - Dựa vào chống đỡ của hai bờ để giữ ổn định nên đập khá mỏng. Chiều dày của đập vòm giảm (2ữ4)lần thậm chí (6ữ8)lần hoặc lớn hơn thế so với đập bêtông trọng lực. - Phát huy khả năng làm việc của vật liệu: bêtông là loại chịu nén tốt phù hợp với trong đập vòm chủ yếu chịu ứng suất nén. - Đập vòm mỏng nên áp lực thấm giảm nhiều, tuy nhiên gradien thấm tăng lên. Vì vậy cần chú ý xử lý hiện t-ợng này nh- phụt màng ximăng. - Trong đập vòm sự thay đổi nhiệt độ, sự co rút của bêtông là điều hết sức cần chú ý. Chính vì vậy khi xây dựng đập vòm, ng-ời ta cần chừa lại các khe thẳng đứng, chờ khi nhiệt độ ngoài trời hạ thấp mới lấp khe, tạo thành đập vòm liền khối. - Yêu cầu địa chất nhất là hai bên gối tựa hai bờ phải tốt, địa hình cũng có ảnh h-ởng đến khả năng xây dựng đập. II. Phân loại đập vòm 1. Theo chế độ làm việc : đập vòm dâng n-ớc và đập vòm cho n-ớc tràn trên đỉnh. 2. Theo chiều dày đập : + Đập vòm mỏng : khi = e o H <20%; e o : chiều dày đáy đập, H : chiều cao đập. + Đập vòm dày trung bình hay còn gọi đập vòm - trọng lực =(20ữ35)%. + Đập vòm dày hay đập trọng lực - vòm =(35ữ65)%. 3. Theo vật liệu xây dựng : + Đập vòm đá xây. + Đập vòm bêtông. + Đập vòm bêtông cốt thép. 36 A A A-A B B B-B C C Xử lý Xử lý Xử lý Xử lý C-C a) b) c) d) e) g) Hình 9.2 một số dạng lòng sông dùng xây dựng đập vòm 4. Theo chiều cao đập : + Đập vòm thấp : khi H<25m. + Đập vòm cao trung bình : khi 25m H <75m + Đập vòm cao : khi H 75m III. Điều kiện xây dựng đập vòm 1. Điều kiện địa hình - Có ảnh h-ởng quyết định đến bố trí, lựa chọn hình thức đập và tính kinh tế trong việc xây dựng đập vòm, điều kiện địa hình đ-ợc đặc tr-ng bằng hệ số hình dạng n, biểu thị bằng tỷ số giữa chiều dài L trên đỉnh đập và chiều cao đập H : n = L H . + Khi n<1,5ữ2 -> cho phép xây dựng đập vòm khá mỏng. + Khi n<3ữ3,5 -> là điều kiện xây dựng đập vòm kinh tế. + Khi n<7ữ14 -> chỉ nên xây dựng đập vòm trọng lực. - Ngoài ra hình dạng mặt cắt lòng sông tại tuyến xây dựng cũng có ảnh h-ởng đến việc lựa chọn hình thức đập vòm. + Với lòng sông có dạng chữ V -> xây dựng đập vòm góc ở tâm không đổi hoặc thay đổi ít, tâm và bán kính thay đổi theo chiều cao (hình 9.2a). + Với lòng sông có dạng chữ U -> nên xây dựng đập vòm tròn có tâm và bán kính ngoài không đổi còn bán kính trong thay đổi theo chiều cao (hình 9.2b). + Trong tr-ờng hợp địa hình phức tạp ng-ời ta vẫn xử lý xây dựng đập vòm nh- : * Xử lý tạo thành đáy có chiều dày lớn, xem nh- phần đỡ tỳ của vòm (hình 9.2c). * Xử lý phần thu hẹp ở đáy sông nh- đập bêtông trọng lực, còn phần trên là đập vòm (hình 9.2d). * Xử lý một bên bờ (dùng đập bêtông trọng lực) để giảm khẩu độ vòm và tạo cho vòm làm việc đối xứng (hình 9.2e). * Xử lý cả hai bên bờ (hình 9.2g). 2. Điều kiện địa chất Do đập vòm truyền lực trực tiếp lên hai bờ là chính, nên yêu cầu địa chất ở hai bờ phải tốt : đủ chịu lực, ít thấm, ít biến dạng; yêu cầu đáy đập không cao. 3. Điều kiện thi công 37 - Khi thi công nên phân khoảnh đổ thành những trụ thẳng đứng theo chiều cao đập, sau đó chờ bêtông co ngót ổn định (chờ nhiệt độ bên ngoài hạ thấp) mới lấp khe lại tạo sự liền khối cho đập. - Nếu phân khoảnh theo ph-ơng ngang, các khoanh vòm là kết cấu siêu tĩnh dễ bị nứt nẽ do ứng suất kéo xuất hiện. IV. Tính toán c-ờng độ đập vòm 1. Các lực tác dụng lên đập vòm - Trọng l-ợng bản thân : trong thiết kế sơ bộ đập vòm mỏng bỏ qua trọng l-ợng bản thân. - áp lức thấm : lực thấm nhỏ -> bỏ qua. - áp lực thuỷ tĩnh : tải trọng chủ yếu tác dụng lên đập vòm. - Lực sinh ra do thay đổi nhiệt độ, biến dạng nền. - Lực động đất (tính với tổ hợp lực đặc biệt) : nguy hiểm nhất khi lực động đất song song với trục đập -> Khi thiết kế sơ bộ để xác định mặt cắt đập vòm ng-ời ta chỉ cần quan tâm đến áp lực thuỷ tĩnh. 2. Các phEơng pháp tính cEờng độ đập 2.1 PhEơng pháp vòm đơn thuần - Giả thiết ban đầu : + Xem toàn bộ tải trọng chỉ tác dụng theo ph-ơng ngang và truyền toàn bộ vào hai bờ. + Xem các khoanh vòm làm việc độc lập, biến dạng của chúng không ảnh h-ởng lẫn nhau. Nh- vậy có thể chia chiều cao đập vòm thành nhiều khoanh vòm để tính. - Tuỳ theo liên kết giữa đập vòm và bờ, ta đ-a ra các tr-ờng hợp sau : a. TrEờng hợp vòm tròn mỏng tựa vào hai bờ - Xét một khoanh vòm có chiều cao 1mét; góc ở tâm là 2 o ; chiều dày không đổi e, bán kính ngoài r n , bán kính trong r t , bán kính trung bình r o . - Lực thuỷ tĩnh tác dụng lên khoanh vòm p =h phân bố đều và hợp lực của nó là R = 2. 0 0 pcos.r n .d = 2.p.r n .sin 0 - D-ới tác dụng của p tại chân vòm phát sinh phản lực N. - Xác định N ta phải xét cân bằng lực khoanh vòm 2.p.r n .sin 0 = 2.N sin 0 ->N=P.r n - Vậy ứng suất trong khoanh vòm : = N e.1 = P.r n e - Để khoanh vòm không bị phá hoại thì : [] P.r n e [] e P.r n [] [] = 10ữ20kg/cm 2 ; càng tính cho vòm d-ới sâu trị số này càng giảm. 38 b. TrEờng hợp vòm mỏng nối cứng với hai bờ Tính theo bài toán một phần của ống tròn với hai đầu ngàm (hệ siêu tĩnh bậc ba). c. Hạn chế của phEơng pháp vòm đơn thuần - Ph-ơng pháp vòm đơn thuận mắc một số nh-ợc điểm sau: + Chỉ mới xét làm việc theo ph-ơng ngang, nh-ng thực tế là một kết cấu không gian nên làm việc theo ai ph-ơng ngang và đứng. + Không kể đến tính liên tục. + Không xét đến biến dạng của nền. Do đó kết quả tính toán thiên về an toàn nên chỉ áp dụng đối với vòm mỏng, lòng sông hẹp, đối xứng. 2.2 Tính đập vòm theo phEơng pháp xem đập làm việc nhE một hệ thống không gian - Để phản ảnh đúng điều kiện làm việc thực tế là kết cấu không gian, xem đập gồm nhiều khoanh vòm nằm ngang và nhiều dầm công son thẳng đứng ngàm vào nền. Lúc đó tải trọng ngang tác dụng vào vòm sẽ đ-ợc phân bố thành hai thành phần tác dụng lên khoanh vòm và lên dầm. Tùy theo theo yêu cầu về mức độ chính xác ta có thể dùng các sơ đô sau: a. Tính đập vòm với với hệ thông gồm nhiều khoanh vòm ngang và một công son thẳng đứng đi qua mặt cắt đỉnh vòm (phEơng pháp dầm đỉnh) - Chia đập thành nhiều khoanh vòm có chiều cao a bằng nhau và một dầm công son tại mặt cắt đi qua đỉnh vòm đ-ợc chia thành các lát có chiều cao bằng a. - áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên lát thứ i : pi = .h i .a h i : chiều cao tính từ mực n-ớc đến tâm lát cắt thứ i. - Lực pi đ-ợc phân bố lên vòm với trị số p i v và phân bố lên dầm với trị số p i d , p i = p i v + p i d . Để tính các thành phần lực này ta xét cân bằng biến dạng của những điểm chung vừa thuộc dầm vừa thuộc vòm. r r r t o n R p=h N N R N Hình 9.3 39 i p d v p i Hình 9.5 sự phân phối tải trọng cho rầm và vòm Biến dạng tại lát cắt thứ i tính theo khoanh vòm f i v do tải trọng phân bố đều là p i v , do đó : f i v = i ( p i v ) Biến dạng tại lát cắt thứ i tính theo dầm công son f i d do các tải trọng p i d (p 1 d , p 2 d , p 3 d , , p n d ), do đó : f i d = 1 (p 1 d , p 2 d , p 3 d , , p n d ) f i d = 1 ( p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) Viết ph-ơng trình cân bằng tại tất cả các lát cắt : f 1 v = f 1 d 1 ( p 1 v ) = 1 ( p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) f 2 v = f 2 d 2 ( p 2 v ) = 2 ( p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) . . . . . . f n v = f n d n ( p n v ) = n ( p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) Giải hệ ph-ơng trình trên ta đ-ợc p 1 v , p 2 v , , p n v và suy ra p 1 d , p 2 d , , p n d - Căn cứ vào các tải trọng lên khoanh vòm và dầm công son sẽ tính đ-ợc nội lực và cốt thép theo ph-ơng ngang và ph-ơng đứng. b. Tính đập vòm theo hệ thống không gian gồm nhiều khoanh vòm nằm ngang và nhiều dầm công son: - Nguyên tắc chung : Chia đập vòm thành nhiều khoanh vòm nằm ngang và nhiều dầm công son thẳng đứng. Sau đó, lập ph-ơng trình biến dạng chung cho những điểm vừa thuốc dầm vừa thuộc vòm. Giải hệ ph-ơng trình để tìm đ-ợc sự phân bố tải trọng lên dầm và lên vòm. - Ph-ơng pháp này cho kết quả chính xác thể hiện đ-ợc sự phân bố tải trọng không đều theo ph-ơng ngang trên dầm cũng nh- vòm, nh-ng khối l-ợng tính toán lớn. C C C-C tải trọng tải trọng phân bố ở dầm phân bố ở vòm p i v d i p p i Hình 9.4 sơ đồ tải trọng tác dụng lên vòm và lên dầm 40 V. Cấu tạo đập vòm 1. Phần đỉnh đập - Đập không cho n-ớc tràn qua : chiều rộng đỉnh đập th-ờng không lớn b=1,5ữ2m (4m). Nếu làm đ-ờng giao thông thì mở rộng về phía hạ l-u (hình 9.6a). - Đỉnh đập cho n-ớc tràn qua : phụ thuộc vào hình thức cửa van. 2. Thiết bị thoát nEớc Th-ờng đập vòm áp lực thấm tác dụng lên thân và nền đập nhỏ nên không cần bố trí thiết bị thoát n-ớc. Tuy nhiên, khi đập vòm t-ơng đối dày thì cũng cần bố trí thiết bị thoát n-ớc ở thân và nền đập. 3. Khe đập (hình 9.6) - Khe thi công cũng còn gọi là khe nhiệt độ, khe này phân đập thành những đoạn t-ờng thẳng đứng trong thời gian thi công. Khoảng cách giữa các khe 7-15m, chiều rộng của khe 0,7-1,2m. Khe đ-ợc lấp để tạo thành đập vòm lúc nhiệt độ bên ngoài hạ thấp để tránh phát sinh ứng suất kéo khi nhiệt độ thay đổi. - Khe chu vi, th-ờng dùng trong tr-ờng hợp mặt cắt sông nơi xây dựng đập không có hình dạng đối xứng hoặc lồi lõm không đều. 2 đập trụ chống I. Khái niệm Đập trụ chống đ-ợc tạo thành bởi các bản chắn n-ớc và các trụ chống để đỡ bản. II. Phân loại 1.Đập đầu to : bộ phận chắn n-ớc là do trụ chống mở rộng tạo thành (hình 9.7a). 2.Đập bản phẳng : mặt chắn n-ớc là các bản phẳng (hình 9.7b). 3.Đập liên vòm : mặt chắn n-ớc là các bản dạng vòmliên tục (hình 9.7c). khe thi công khe chu vi Hình 9.6 a) b) 41 Cũng có thể phân đập theo loại không tràn n-ớc hoặc tràn n-ớc (hình 9.8). III. Ưu nh-ợc điểm của đập trụ chống 1. Ưu điểm - Tận dụng đ-ợc trọng l-ợng khối n-ớc phía th-ợng l-u làm tăng ổn định cho đập. - áp lực thấm đ-ợc giảm nhỏ vì n-ớc đ-ợc thấm tự do ngay sau bản chắn, có thể bỏ qua áp lực thấm. - Đập có kết cấu mỏng, thể tích không lớn, phát huy đ-ợc khả năng làm việc của vật liệu. So với đập BTTL trọng l-ợng giảm (30ữ60)% hoặc lớn hơn. - Đập có kết cấu mỏng, dễ toả nhiệt nên có thể tăng tốc độ thi công. - Có thể bố trí nhà máy thuỷ điện giữa hai bản tựa, do đó giảm đ-ợc chiều dài đ-ờng ống. 2. NhEợc điểm - Vì trụ đập mỏng dễ mất ổn định uốn dọc khi trụ đập chịu tác dụng của n-ớc. Động đất cũng có thể gây mất ổn định h-ớng ngang của trụ nhất là đập cao. - Đối với đập bản phẳng và đập liên vòm có bản chắn mỏng nên dễ nứt nẽ do nhiệt độ thay đổi và chống thấm khó vì vậy đòi hỏi chất l-ợng thi công cao. - Tốn nhiều ván khuôn và cốt thép. - Yêu cầu về nền và vật liệu phải tốt. - Tháo lũ thi công khó khăn. 3. Điều kiện sử dụng Thích hợp xây dựng ở nơi có lòng sông rộng. a) b) c) Hình 9.7 Hình 9.8 42 IV. Đập bản phẳng 1. Đặc điểm cấu tạo Đập bản phẳng gồm bản chắn và trụ đỡ, th-ờng dùng hình thức bản tách rời và xem nh- tựa lên trụ. Trong tr-ờng hợp nền đất đập bản phẳng có bản đáy liền để truyền lực phân bố đều và không lớn xuống nền. a. Bản chắn - Đ-ợc làm bằng BTCT gối lên hai trụ đỡ, và có chân khay cắm xuống nền, mặt th-ợng l-u có phủ lớp chống thấm, chiều dày bản chắn phụ thuộc vào chiều cao cột n-ớc chiều dài nhịp và tải trọng tác dụng. Chiều dày bản chắn ở đỉnh 0,2ữ0,3m và tăng dần xuống chân đập. - Với đập cao, th-ờng bố trí các khe giãn vĩnh cửu trên bản, khoảng cách các khe th-ờng (15ữ25)m theo chiều cao. b. Trụ đỡ - Chiều dày trụ đỡ + ở đỉnh : d đ = H 200 + 0,2m th-ờng d đ = (0,25 ữ 1,0)m + ở chân : d c = H 36 + 0,2m th-ờng d c (0,50 ữ 1,80)m - a = (0,50 ữ 1,0)e - e 2. Tính toán đập bản phẳng a. Bản chắn Khi bản chắn đặt tự do lên các trụ đỡ, cắt từng băng rộng 1m và tính theo sơ đồ dầm đơn kê lên hai vai bản tựa. Lực tác dụng : áp lực n-ớc, trọng l-ợng bản thân, áp lực bùn cát, áp lực sóng. ' Hình 9.9 43 Nhịp tính toán : l TT = l o + 2 3 a b. Trụ đỡ - Tính ổn định : + ổn định h-ớng ngang : tr-ờng hợp này xảy ra khi có động đất h-ớng ngang. + ổn định uốn dọc của bản tựa : nguyên tắc chính là cắt bản tựa thành các thanh có chiều dày b song song với mặt hạ l-u và xem các thanh này làm việc độc lập với nhau. + ổn định tr-ợt nh- đập BTTL nh-ng cần chú ý : * Khi tính lực đẩy ngang (n-ớc, bùn cát )phải xét cả một đoạn l. * Trọng l-ợng bản thân ngoài của trụ còn xét do hai nữa bản ở hai bên bệ đỡ truyền lên. * áp lực n-ớc thấm chỉ xét trong phạm vi tác dụng lên mố. - Tính ứng suất của trụ. - Tính công son đầu mố trụ. - Chọn mặt cắt kinh tế của trụ. V. Đập liên vòm Đập có các bản chắn hình vòm đặt liên tiếp lên các trụ đỡ (hình 9.7c). 1. Bản mặt - Bản mặt là các vòm đặt nghiêng để chắn n-ớc. Vòm làm bằng bêtông hoặc bêtông cốt thép. - Góc trung tâm ở vòm 2 = 160 0 ữ180 0 - Chiều dày bản ở đỉnh : e đ = 0,35ữ0,75m th-ờng 0,3ữ0,4m. - Chiều dày bản ở chân : e c = 0,6ữ3,6m th-ờng 1,3ữ2m. 2. Trụ đỡ - Khoảng cách giữa các trụ đỡ lấy khoảng 10ữ35m. - Hình thức có thể trụ đơn hay trụ kép. - Góc nghiêng của trụ ở th-ợng l-u 1 = 55 0 ữ65 0 , ở hạ l-u 2 = 60 0 ữ90 0 - Chiều dày ở đỉnh trụ d đ =(1,5ữ2)e đ , ở chân trụ d c =(0,7ữ1,5).H.d đ . VI. Đập đầu to 44 - Khác với đập bản phẳng và đập liên vòm, đập đầu to chính là các phần đầu trụ mở rộng để chắn n-ớc, bản chắn có dạng cung tròn hoặc đa giác đối xứng. - Có thể phân loại đập đầu to nh- sau : + Đập đầu to bản tựa đơn : + Đập đầu to bản tựa kép : Hình 9.10 Đập đầu to bản tựa đơn Hình 9.11 Đập đầu to bản tựa kép . tràn n-ớc hoặc tràn n-ớc (hình 9. 8). III. Ưu nh-ợc điểm của đập trụ chống 1. Ưu điểm - Tận dụng - c trọng l-ợng khối n-ớc phía th-ợng l-u làm tăng ổn định cho đập. - áp. p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) . . . . . . f n v = f n d n ( p n v ) = n ( p 1 - p 1 v , p 2 - p 2 v , p 3 - p 3 v , , p n - p n v ) Giải hệ ph-ơng trình. Phần đỉnh đập - Đập không cho n-ớc tràn qua : chiều rộng đỉnh đập th-ờng không lớn b=1,5ữ2m (4m). Nếu làm - ng giao thông thì mở rộng về phía hạ l-u (hình 9. 6a). - Đỉnh đập cho n-ớc tràn qua