Đập vòm Biên soạn: PGS.TS Phạm Ngọc Quý docx

www.Phanmemxaydung.com Chương Đập vòm Biên soạn: PGS.TS Phạm Ngọc Quý 3.1 Phân loại điều kiện xây dựng I Đặc điểm đập vòm Đập vòm loại đập, mặt có dạng vòm Trên mặt cắt nằm ngang, đập vòng vòm, chân tựa vào bờ, tải trọng hướng ngang truyền tới bờ toàn hay phần (hình - 1) C-C A-A B -B C A A A A 2a B B C Hình 3-1 Sơ đồ đập vòm Đập vòm có đặc điểm sau: Đập vòm có khối lượng vật liệu nhỏ giá thành thấp, điều kiện cho phép xây dựng Đập vòm kết cấu siêu tĩnh chịu nén, nên chiều dày nhỏ Chiều dày đáy đập so với đập bê tông trọng lực chiều cao, nhỏ lần, có trường hợp tới 4á8 lần Ví dụ đập vòm Ladzanuan xây dựng năm 1960 (hình - 2) cao 67m chiều dày đáy 13m, đập Vaint (ý) xây dựng năm 1960 (hình - 3) cao 266m; chiều dày đỉnh 3,9m, đáy 23m, khối lượng bê tông 18% so với đập bê tông trọng lực Đập Tolla (Pháp) xây dựng năm 1961 (hình - 4), cao 88m; chiều dày đập từ 1,5m dến 2,3m 127 4,5 67 65,8 63,0 63,0 3 18 18 12 0,0 A 0,0 13 Hình -2 Đập vòm Ladzanuan (Liên xô cũ) 113 www.Phanmemxaydung.com b) A -A 722,5 725,5 A 725,5 L=128 5 2,43 463,9 88,0 a) 463,9 2,0 Hình 3- Đập vòm Vaint (ý) Hình 3- Đập vòm Tolla (Pháp) áp lực thấm tác dụng lên đập vòm nhỏ, đập mỏng, Gradien thấm lớn Vì cần ý xử lý điều bất lợi Đập vòm phát huy khả làm việc bê tông ứng suất nén đập vòm khoảng 50 70 kG/cm2 Sự thay đổi nhiệt độ, co ngót bê tông làm tăng ứng suất kéo thân đập vòm Vì xây dựng đập vòm, người ta thường chừa lại khe thẳng đứng, chờ nhiệt độ trời hạ thấp lấp kín khe, tạo thành đập vòm liền khối Yêu cầu địa chất cao để giữ ổn định Điều kiện địa hình ảnh hưởng rõ nét đến việc lựa chọn đập vòm Đập vòm loại đập làm việc đảm bảo an toàn Động đất gây tác động nguy hiểm, đập vòm có khả chịu đựng tốt lực động đất II Phân loại đập vòm Theo chiều dày tương đối đập = e o / H : - Đập vòm mỏng b < 0,2 - Đập vòm trọng lực b = 0,2 0,35 - Đập trọng lực - vòm b = 0,35 0,65 đó: e0 - Chiều dày chân vòm H - chiều cao vòm Theo chiều cao đập H : - Đập vòm thấp: H < 25(m) - Đập vòm trung bình : 25 Ê H < 75 (m) - Đập vòm cao H 75 (m) Theo chế độ làm việc : 114 www.Phanmemxaydung.com - Đập vòm dâng chắn nước - Đập vòm tràn nước Đập vòm Ladzanuan (hình - 2) có khoang tràn nước đỉnh hai lỗ xả đáy Thường lưu lượng đơn vị tràn qua đập vòm chọn là: q = 20m3/s.m Theo vật liệu xây dựng : - Đập vòm đá xây (với chiều cao thấp) - Đập vòm bê tông - Đập vòm bê tông cốt thép Theo hình dạng mặt cắt đứng (hình - 5) : a) b) A rO O aO R Hình 3-5 Các dạng mặt cắt đập vòm - Đập có mặt thượng lưu thẳng (3 - 5.b1) - Đập vòm uốn cong chiều (3- 5.b2; b3) - Đập vòm cong hai chiều (hình - 5b4; b5; b6) Theo mỈt b»ng : Đập có bán kính góc tâm không đổi (hình - 6): bán kính mặt cắt ngang khác nhau, mặt thượng lưu đập mặt trụ tròn thẳng đứng, loại đơn giản, dễ thi công Khi mặt cắt ngang sông dạng U, dùng loại bán kính mặt cắt góc tâm không thay đổi nhiều mặt cắt ngang khác Khi mặt cắt ngang sông xuống đáy thu hẹp giữ tâm vòm không đổi góc trung tâm nhỏ không kinh tế Trong trường hợp nên dùng loại có tâm bán kính không đổi, tâm bán kính thay đổi từ xuống (hình - 7) Đập vòm có góc trung tâm không đổi (hình - 7) Trong trường hợp tâm bán kính thay đổi theo cao trình đập Loại dùng với địa hình lòng sông có dạng chữ V hình thang hai bờ có kết hợp với đoạn đập trọng lực 115 www.Phanmemxaydung.com 2,3 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 110 13 12 11 14 16 90 ,2 =5 ,9 r=5 r1 Ro 2a =150° O 16,72 17 18 20 Hình 3- Đập vòm có bán kính góc tâm không đổi I-I 5.00 20 5.00 40 6.53 60 9.00 80 10.88 100 12.00 120 12.55 140 12.19 160 10.68 180 II-II I 6.52 I II II =1 2a 34' 33° H×nh 3- Đập vòm có góc tâm không đổi 116 www.Phanmemxaydung.com 5.00 20 5.00 40 60 7.46 140 10.58 80 100 160 180 120 180 60 80 100 15.00 120 16.54 140 17.61 160 140 18.75 180 40 13.02 18.56 20 100 60 Hình 3- Đập vòm có góc tâm bán kính thay đổi Đập vòm có góc tâm bán kính thay đổi (hình - 8) Loại thích ứng với loại mặt cắt lòng sông, dễ đạt mặt cắt kinh tế Theo liên kết với bờ : - Chân vòm ngàm với - Chân vòm có khớp nối theo đường chu vi (hình 3-5b7) - Đập vòm gồm dỉa có khớp (hình 3-5b8) III Điều kiện xây dựng đập vòm Khi xây dựng đập vòm đòi hỏi có điều kiện sau: Điều kiện địa hình Điều kiện địa hình ảnh hưởng lớn đến hình dạng đập vòm, bố trí công trình chiều dày đập khối lượng vật liệu xây dựng đập L ; n: gäi lµ hƯ H sè tun, L: lµ chiều dài đỉnh đập; H: chiều cao đập Hệ số tuyến ảnh hưởng định đến tỷ số b = e /H, tức ảnh hưởng đến chiều dày đập Theo kinh nghiệm, n < lòng khe tam giác chọn vòm có dạng tròn với chiều dày không đổi dày cục chân vòm (khi bán kính phải lấy nhỏ góc tim phải góc cho phép lớn theo điều kiện đảm bảo cho đập tựa chắn); hệ số tuyến n > 1,5 0,2 (tuyến xây dựng hẹp) xây dựng đập vòm; n > 3,5 4,0 xây dựng đập vòm không kinh tế Tuy nhiên đà có đập vòm xây dựng với n=7á11,0 Điều kiện địa hình tuyến xây dựng đặc trưng tỷ số n = 117 www.Phanmemxaydung.com a) e) b) f) c) g) d) H×nh 3-9 Những điều kiện địa hình xây dựng đập vòm Ngoài hình dạng mặt cắt tuyến xây dựng ảnh hưởng đến điều kiện xây dựng làm việc đập Nếu mặt cắt tuyến xây dựng hình chữ U (3 - 9a), chiều dài cong vòm đỉnh đáy đập gần nhau, thường xây loại đập vòm có bán kính vòm không đổi, chiều dày loại lớn Nếu mặt cắt có dạng hình thang (hình - 9b) hình tam giác (hình - 9c) loại đập vòm có bán kính vòm thay đổi, góc tâm thay đổi Mặt cắt tuyến xây dựng thích hợp chữ V (hình - 9c), áp lực thuỷ tĩnh gần đáy lớn, nhịp vòm lại nhỏ, đập làm mỏng Nói chung xây dựng đập vòm yêu cầu có mặt cắt tuyến sông đối xứng, chỗ lồi lõm lớn Nếu không thoả mÃn điều kiện phần gần hai bờ - - xây thành khối trọng lực, phần - làm đập vòm (hình - 9d,e) Còn trường hợp (3 - 9f) xây hai loại ®Ëp vßm 1- - - - - - làm việc độc lập Điều kiện địa chất Trước năm 1960, người ta quan tâm đến ứng suất đập vòm Năm 1959 đập vòm Malpasset (Pháp) cao 66m bị vỡ Sau nhiều năm khảo sát thực địa, nghiên cứu lý luận thực tiễn, nhà khoa học đà ra: 1.Vùng đá núi vai trái có cấu tạo phân lớp song song với hướng lực tác dụng từ đập tới (còn vai phải đập tác dụng vuông góc với lớp đá) lực đẩy đập tới bờ không phân mà tập trung vào dải hẹp Lớp chịu lực nén ép lớn, chặt lại hệ số thấm bị giảm hàng chục lần, dẫn đến thoát nước tăng áp lực thấm Chân đập có cấu tạo đoạn tầng Ba lý nguyên nhân làm cho vai trái đập bị trượt đập bị vỡ sau dâng nước lên mức cao Sự cố đập vòm Malpasset đà buộc người ta phải quan tâm đến ổn định đập tình hình địa chất chân vai đập vòm 118 www.Phanmemxaydung.com Tuyến xây dựng đập vòm phải có hai bờ đá đủ cường độ, chịu tải trọng truyền tới, đá có hình toàn khối, không bị biến dạng lớn không bị nước xâm thực Yêu cầu đáy đập không chặt chẽ đập bê tông trọng lực, tải trọng chủ yếu truyền đến hai bờ, song phải đủ cường độ, thoát nước không bị ổn định thấm Trong khảo sát địa chất cần tiến hành khoan, đào chí phải đào đường hầm ngang để khảo sát, phán đoán khả ổn định, phạm vi ổn định, mặt trượt xảy Xác định rõ nằm phân bố lớp đá Xác định hệ số kháng cắt f, C theo mÉu cã kÝch th­íc t thc vµo số lượng độ lớn vết nứt đá Đánh giá an toàn ổn định kháng trượt Trên sở tài liệu khảo sát địa chất để đánh giá điều kiện địa chất xây dựng đập vòm Trong thực tế yêu cầu địa chất khó đạt hoàn toàn, phải có biện pháp gia cố: - Đào, khoan đường hầm ngang xuyên qua vết nứt đổ bê tông truyền lực - Khoan vữa bê tông lấp vết nứt tạo màng chống thấm - Đào hố đáy vết nứt, đổ bê tông tạo nên chốt nút bê tông nhằm ngăn mảng đá, đoạn tầng, tạo nên chỉnh thể - Đào, dọn vết nứt đổ đầy bê tông thay - Làm tường áp vách đá có thép néo dự ứng lực - Tạo rÃnh, chân khay cắm vào phần đá tốt.v.v Tuỳ tình hình địa chất cụ thể để chọn áp dụng hay nhiều giải pháp nhằm đảm bảo đá hai bờ đáy đập trở thành chỉnh thể đủ cường độ ổn định Đặc điểm thi công Trong trình ngưng kết, nhiệt độ bê tông ban đầu tăng lên, sau giảm dần, khoanh vòm bị co rút lại, thân đập phát sinh ứng xuất kéo Do thi công không đổ bê tông thành khoanh vòm theo chiều ngang mà thi công đập vòm thành nhiều trụ đứng từ đáy lên đỉnh đập Khi bê tông đà nguội, thể tích đà ổn định, lúc nối khe trụ đứng thành đập vòm liền khối Trong trình thi công trụ độc lập tác dụng vòm, không chịu tải trọng Vì đập dâng nước đập vòm tranh thđ tÝch n­íc hå chøa tr­íc x©y dựng đập xong hoàn toàn 119 www.Phanmemxaydung.com 3.2 Phương pháp xác định thông số đập vòm I Xác định bán kính góc tâm vòm Theo kinh nghiệm tính toán, góc tâm nằm phạm vi a = 150á1800 khối lượng vật liệu xây dựng đập nhỏ nhất, thường lấy khoảng 125á140 Theo Bu-xinét ảnh hưởng truyền lực chân vòm vào bờ nằm phạm vi góc 300, không nên giảm góc tâm nhiều Góc tâm vòm đáy đập có chọn khoảng 70 900 Nếu vào độ cao khác thân đập để chọn góc tâm bán kính vòm thích đáng cải thiện trạng thái ứng xuất thân đập, giảm chiều dày đập, thường chia ra: Đập có bán kính không đổi góc tâm không đổi có mặt thượng lưu thẳng đứng, mặt hạ lưu dốc (hình - 6) Tâm vòm tròn cao trình khác nằm đường thẳng Vì bán kính không đổi nên bán kính vòm xuống gần đáy đập giảm dần Đập có góc tâm không đổi bán kính vòm không đổi Loại đập bảo đảm chọn góc tâm a lớn cho tất khoanh vòm theo chiều đứng đập (hình 3-7) Đập có góc tâm thay đổi bán kính thay đổi thường xây dựng tuyến có mặt cắt chữ V có trạng thái ứng xuất tốt tránh khuyết điểm loại đập (hình - 8) Đập vòm cong hai chiều, bình diện vòm cong, mặt khác mặt cắt dọc có dạng cong theo cung tròn theo dạng Pa-ra-bôn II Xác định cao trình đỉnh đập Với đập vòm không tràn, đỉnh đập xác định đủ cao để không cho nước tràn qua đỉnh đập Cao trình đỉnh đập Zđđ xác định xác định cao trình đỉnh đập bê tông lực Nghĩa chọn giá trị lớn hai gia trị tính theo công thức (3 - 1), (3 - 2) cao mực nước lũ kiĨm tra: Z®® = MNDBT + hs + D h +a (3 - 1) Z®® = MNLTK + h’s + D h' + a' (3 - 2) ®ã: MNDBT: mực nước dâng bình thường ; MNLTK: mực n­íc lị thiÕt kÕ ; hs: §é cao dỊnh lín sóng gặp mái đập ứng với tốc ®é giã lín nhÊt thiÕt kÕ 120 www.Phanmemxaydung.com h’s: §é cao dềnh lớn sóng gặp mái đập ứng với tốc độ gió lớn trung bình ; Dh, Dh': Độ dềnh mặt nước gió ứng với tốc độ gió lớn thiết kế, tốc độ gió lớn trung bình ; a, a': Độ cao an toàn III Bề rộng đập Bề rộng đập xác định tuỳ thuộc vào yêu cầu giao thông, thi công, quản lý, khai thác, sửa chữa, du lịch, chiều cao đập, cấu tạo đỉnh đập Nếu làm đường giao thông theo yêu cầu cấp đường, lại chọn từ - 10(m) cách mở rộng đỉnh vòm hợp lý (do chiều dày đỉnh vòm thường nhỏ) IV Chiều dày thân đập : eo Trong thiết kế sơ chọn chiều dày thân đập e0 xác định nhờ quan hệ e L b = với n = (hình - 10) H H Chän n, hay tõ chiÒu cao đập (H), chiều dài đỉnh đập (L) tính hƯ sè tun n Tra quan hƯ b víi n (hình - 10) phạm vi hai đường giới hạn ta có b, từ eo = b.H e b =Ho 62 22 29 II 61 0,40 69 36 60 26 35 0,30 0,20 0,10 20 23 41 39 57 60 50 25 18 21 11 15 67 33 19 24 38 54 51 14 20 17 32 35 28 20 12 31 20 48 46 44 13 59 56 58 30 53 43 65 49 16 56 47 855 59 42 40 64 61 I 10 63 37 65 III 66 34 H×nh - 10 Quan hƯ b = L n= H e0 L víi n = H H I: Đường cong bình: II: Đường cong giới hạn trên: III: Đường cong giới hạn 121 www.Phanmemxaydung.com 3.3 tính toán cường độ đập vòm I Lực tác dụng áp lực thuỷ tĩnh Thành phần nằm ngang áp lực thuỷ tĩnh tác dụng theo hướng đường kính Đó tải trọng chủ yếu phải xét đến tính toán đập vòm Nếu mặt thượng lưu xiên xét đến thành phần thẳng đứng áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên phần tường công xôn Trọng lượng thân Đập vòm có tiết diện mỏng, trọng lượng thân nhỏ, đập vòm mỏng, ổn định công trình điều kiện truyền lực vào hai bờ định Vì tính toán không kể đến trọng lượng thân đập Riêng đập vòm trọng lực trọng lượng thân lớn nên phải xét đến tính toán áp lực thấm Đối với đập vòm mỏng đập vòm thông thường chiều rộng đáy đập bé nên áp lực thấm tác dụng lên công trình nhỏ không cần xét đến tính toán Lực nhiệt độ thay đổi Đập vòm kết cấu siêu tĩnh, tiết diện mỏng, có thay đổi nhiệt độ bên co giÃn bê tông trình thi công phát sinh ứng xuất nhiệt thân đập Vì tính toán đập vòm cần phải xét đến lực nhiệt độ thay đổi gây Các trường hợp phát sinh lùc nhiƯt ®é thay ®ỉi: - Sù thay đổi nhiệt độ nối khe nhiệt độ bình quân mùa Trong thi công nhiệt độ bê tông trụ đứng đạt đến trị số ổn định, bắt đầu nối khe trụ đứng Sau nhiệt độ thân đập biÕn ®ỉi t theo sù thay ®ỉi cã tÝnh chÊt chu kỳ nước phía thượng lưu nhiệt độ khí trời phía hạ lưu ảnh hưởng mùa có tác dụng sâu vào thân đập tới 6(m) gây biến dạng co giÃn bê tông đập gắn chặt vào hai bờ nên thân đập phát sinh ứng xuất nén kéo Thường nối khe đập nhiệt độ trụ bê tông thân đập đạt đến nhiệt độ bình quân năm (đôi nối khe nhiệt độ bê tông trụ đứng đạt đến nhiệt độ bình quân thấp năm) Nếu lấy nhiệt độ nối khe làm chuẩn nhiệt độ bên tăng, bê tông thân đập giÃn nở, đỉnh vòm chuyển vị phía thượng lưu nhiệt độ bên hạ thấp, tương đương với tác dụng áp lực thuỷ tĩnh phía hạ lưu; mặt thượng lưu đập bị kéo lợi cho trạng thái ứng suất thân đập Khi thiết kế sơ bộ, tăng hạ nhiệt độ lớn cao trình thân đập so với nhiệt độ nối khe tính theo công thøc kinh nghiÖm sau: Δt = ± 57057 ( C) e + 2,44 (3 - 3) ®ã: e - Chiều dày thân đập tính theo mét; 122 www.Phanmemxaydung.com s yo = ò y' ds o (3 - 17) s ị ds o Tõ h×nh (3 - 17), ta cã: y' = r0cosa - r0cosa0= r0(cosa - cosa o ) ds = r0da Nên công thức (3 - 17) tính được: ổ sin a o yo = r0 ỗ ữ ỗ a - cos a o ữ o ứ ố (3 - 18) Từ phương trình (2- 15),trong trường hợp này, ta có: X1 = M e = X2 = Ne = - D1p (3 - 19) d11 D 2p (3 - 20) d 22 Tõ d¹ng tổng quát lý thuyết học kết cấu: S S Mi Mk NN ds + ò i k ds EJ EF O O dik = ò (3 - 21) đó: Mi, Mk, Ni Nk - mômen uốn, lực dọc trục Xi = 1; Xk = gây hệ Trường hợp toán xét có: M1 = 1; M2 = 1; y = y; N1 = N2 = 1; cosa = cos a, ta kết quả: ỹ ù ù s s M y N cos a ï ï D p = ò o ds + ò o dsý EJ EF o o ï s s ï 2 y ds cos a ï d22 = ò +ò ds EJ o EJ ù o ỵ s s M ds D1p = ò o ds; d11 = ò EJ EJ o o (3 - 22) Từ phương trình (3 - 19); (3 - 20); (3 - 21), suy ra: 129 www.Phanmemxaydung.com s Me = ò M ods o s s ò M ds o =- ò ds o o 2a o l sin a o s s Fs Fs M o yds + ò N o cos ads M o yds + ò N o cos ads Jò Jò o o Ne = o s = o s æ 12k F k5 ỗ ũ y ds + ũ cos ads ữ ỗ v sin a + sin a ÷l J o o o ø o è (3 - 23) (3 - 24) ®ã: sin a o k = sin a o + a o + a0 k5 = sin a o + a o ; l = rosinao (chiều dài nửa nhịp vòm) v= e (chiều dày tương đối vòm) l Mômen M lực dọc N sinh mặt cắt vòm tính theo công thức: M = M0 + Me + Ney (3 - 25) N = N0 + Ne.y (3 - 26) ứng suất mép biên mặt cắt tính theo công thức: s= N M ± F W (3 - 27) ®ã: F - tiết diện mặt cắt tính toán (F = e) ; e2 W - môđuyn chống uốn (W = ); Mo, No - mômen, lực dọc ngoại lực gây hệ lực ; e - chiều dày vòm b) Trường hợp vòm chịu tải nước: Vòm chịu tải trọng phân bố nước p = g h (h - chiều sâu nước mặt vòm tính toán, g - trọng lượng riêng nước) 130 www.Phanmemxaydung.com Trong trường hợp ta có No = prn Mo = (vì phương áp lực nước qua tâm vòm) Từ công thức (3 - 23); (3 - 24) ta dễ dàng xác định Me = Ne = A g h, víi: A= 2ro rn sin a o 12k k5 ( )1 + v sin a o sin a o Như mômen M lực dọc trục N mặt cắt bất kỳ, tính được: M = Ne.y (3 - 28) N = Necosa + No (3 - 29) Trong tính toán cần ý: trị số y công thức lấy giá trị dương khoảng từ chân vòm đến tâm đàn hồi, giá trị âm từ tâm đàn hồi đến đỉnh vòm: Trong hình (3 - 17) ta tính được: y1 = f - yo = ro(1 - cosao) - ro( vµ: yo = ro ( sin a o - cos a o ) a0 sin a o - cos a o ) ao M«men chân vòm Mcv (với y = + yo) Mcv = Ne.yo = Aghyo Mômen đỉnh vòm Mđv (với y = - y1) M®v = - Ne.y1 = - y1 M cv y0 Lực dọc trục chân vòm Ncv (khi a = ao): Ncv = (rn + Acosao) gh Lực dọc trục đỉnh vòm Nđv (khi a = 0): Nđv = (rn +A) gh ứng suất pháp s biên (thượng hạ lưu) mặt cắt chân vòm: scv = N cv M cv N cv 6M cv ± = ± F W e e (3 - 30) Trong công thức dấu âm ứng với ứng suất mép biên thượng lưu, dấu dương ứng cho mép biên hạ lưu Để tiện lợi cho việc tính toán, N.Kêlen đà đưa công thức biến đổi: scv = ghs' (3 - 31) 131 www.Phanmemxaydung.com ®ã: s' - ứng suất dẫn suất: tức tương ứng p = gh = Tác giả đưa hai đồ thị hình (3 - 18) dùng để tra trị số dẫn suất cho điểm chân vòm phía hạ lưu s'h, hình (3 - 19) cho điểm chân vòm phía thượng lưu s't Từ biểu đồ hình (3 - 19) ta thÊy lu«n lu«n cã øng suÊt nén chân vòm phía hạ lưu tăng góc ao độ dày vòm e giảm biểu ®å h×nh (3 - 20), nhËn thÊy øng suÊt kÐo chân vòm phía thượng lưu xuất ao < 820 trị số tăng lên góc ao giảm chiều dày vòm tăng Để tránh øng st kÐo ë mÐp th­ỵng l­u, theo kinh nghiƯm thường chọn 2a0 1400 ứng suất mặt cắt ®Ønh ®Ëp s®v s®v = N dv 6M dv ± e e (3 - 32) dấu dương tương ứng cho mép thượng lưu, dấu âm cho mép hạ lưu; Rõ ràng khác với chân vòm, đỉnh vòm mép thượng lưu có ứng suất nén, mép phía hạ lưu phát sinh ứng suất kéo Điều cần ý xử lý để thiết kế vòm cho hợp lý sh ' 40 35 30 25 20 18 16 14 12 ao 10 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 = e l Hình 3- 18 Biểu đồ tính ứng suất pháp s'h chân vòm phía hạ lưu áp lực nước p = gây 132 www.Phanmemxaydung.com st' 16 15 14 13 12 11 10 ao 90 85 80 75 70 -1 65 -2 60 -3 55 -4 50 -5 45 0,1 0,2 0,3 0,4 = e l Hình 3-19 Biểu đồ tính ứng suất pháp s't chân vòm phía thượng lưu áp lực nước p=1 gây c) Tính toán ứng suất nhiệt độ gây ra: Trong đập vòm, nhiệt thay đổi gây ứng suất đáng kể Vì cần phải xét đến thiết kế đập vòm Thông thường nhiệt độ bên hạ thấp, đập phát sinh ứng suất kéo lớn Vì thi công đập, người ta để chừa khe, chọn thời kỳ nhiệt độ bên thấp, lúc lấp khe để khắc phục phần tượng bất lợi Trong tính toán, thường xét trường hợp sau: - Khi cã sù thay ®ỉi ®Ịu cđa nhiƯt ®é so víi nhiƯt ®é thêi ký lÊp c¸c khe - Khi có thay đổi nhiệt độ không mặt thượng hạ lưu đập c1) Khi nhiệt độ thay đổi Vẫn dùng sơ đồ (hình - 17) để xét, song biến dạng vòm nhiệt gây tải trọng Vì vËy No = ; Mo = Nh­ vËy tâm đàn hồi lực dọc Net gây thay đổi nhiệt độ Khi tính toán ta dựa vào điều kiện tỷ số lực dọc Net Ne áp lực nước phân bố gây tỷ số biến dạng tương ứng đoạn vòm ds nhiệt độ gây Ddst ¸p lùc n­íc g©y Ddsn N et Dds t = N e Dds n V× Ddsn = (3 - 33) No ds vµ Ddst = atds víi a lµ hệ số giÃn nở nhiệt (bê tông a = 0,00001) EF 133 www.Phanmemxaydung.com Mặt khác ta đà biết No= ghrn, Ne = Agh F = e nên từ công thức (3 - 33) suy được: Net = AEa e t rn (3 - 34) TrÞ sè t dương nhiệt độ bên lớn nhiệt độ lấp khe âm ngược lại Biết trị số Net, ta xác định mômen lực dọc trục mặt cắt vòm theo công thøc: M t = N et y ü ý N t = N et cos a ỵ (3 - 35) Ta xác định ứng suất biên mặt cắt chân vòm theo công thức toán nÐn lƯch t©m: s t , cv = N et cos a o N et y o ± e e2 (3 - 36) Dấu dương thuộc biên thượng lưu Ta thấy nhiệt độ bên lớn nhiệt độ lấp khe (t > 0) chân đập phía thượng lưu phát sinh ứng suất nén, ngược lại sinh kéo Điều cho thấy nhiệt độ bên hạ nhiệt độ lấp khe hai biên mặt cắt chân đập sinh ứng suất kéo Đó điều bất lợi Vì cần ý chọn thời điểm lấp khe cho thích hợp c2) Do chênh lệch nhiệt độ: Trường hợp có thay ®ỉi nhiƯt ®é, nh­ng ë mét phÝa cã nhiƯt độ t1 phía t2 Để tính toán trường hợp trước hết ta cần xét thay ®ỉi nhiƯt ®é t thay ®ỉi ®Ịu tõ nhiƯt ®é lÊp khe tíi nhiƯt ®é trung b×nh ttb = 0,5(t1 + t2) theo cách đà nêu Sau xét đến chênh lệch nhiệt độ Dt = t1 - t2 Do khác nhiệt độ mà biến dạng hai phía biên phân tố vòm ds so với trục (hình - 20) tính theo công thức: Dds aDt = ds 2 ứng suất biên phân tố tính theo định luật Hook: s Dt Dds = E = EaDt ds (3 - 37) M«men Dt g©y ra: MDt = sDt e 1 e = Eae2 Dt = Ea.v l D t 2 12 (3 - 38) PhÝa cã nhiƯt ®é cao t1 sinh øng st nén, phía có nhiệt độ thấp t2 phát sinh øng suÊt kÐo 134 www.Phanmemxaydung.com + ds Dd s s + Dt ttb e t1 t2 sD t Dds Hình 20 Sơ đồ tính toán vòm chênh lệch nhiệt độ Bảng (3 - 1) cho thấy tình hình tổ hợp ứng suất số điểm mặt cắt vòm áp lực nước thay đổi nhiệt độ gây Trong bảng dấu dương biểu thị ứng suất nén, dấu có (*) thể đổi dấu, dấu âm ứng suất kéo Bảng 3-1 Chân vòm Dạng tải trọng Mặt thượng lưu Đỉnh vòm Mặt hạ lưu Mặt thượng lưu Mặt hạ lưu - áp lực nước phân bố +* + + +* - Nhiệt độ bên tăng so với nhiệt độ nối khe + - - + - Nhiệt độ bên giảm so với nhiệt ®é nèi khe - + + - - NhiÖt ®é thượng lưu lớn hạ lưu + - + - - Nhiệt độ hạ lưu lớn thượng lưu - + - + Phương pháp dầm - Vòm: (Bài toán không gian) Phương pháp vòm ngang đơn xét vòm riêng cắt theo mặt ngang Thực tế đập vòm kết cấu không gian, nghĩa hướng ngang, đập vòm làm việc theo phương thẳng đứng, phương pháp dầm - vòm kể đến thực tế gồm có: - Phương pháp vòm - dầm đỉnh - Phương pháp nhiều vòm - nhiều dầm a) Phương pháp vòm - dầm đỉnh: (Hình -21): mặt cắt A - A sơ đồ dầm đỉnh Dầm phân thành nhiều đoạn, có chiều cao a tương ứng với lớp vòm nằm ngang đập áp lực nước tác dụng lên đập phần tử p1, p2, pi pn víi pi= ghia, (h i chiếu sâu nước trung tâm phần tử thứ i) Tại phần tử gọi biến dạng vòm fi, biến dạng dầm 135 www.Phanmemxaydung.com fri Nếu gọi áp lực nước phần tử tác dụng lên vòm piv cho dầm prv, ta dễ dàng nhận thấy biến dạng fiv tác dụng fi gây ra, biến dạng dầm fr lại tất tải trọng pr1, pr2 , prn gây Ta biÕt r»ng pi = piv + pir hay pir = pi - piv Vì biểu diễn biến dạng theo hệ thức sau: fiv = j(piv) fri = yi(pir, pr2 , prn) = yi[(p1 - p1v), (p2 - p2v), ,(pn - pnv)] A A-A a hi g hv A g hr i g.h r g hi g hv H×nh – 21 Sơ đồ phân phân bố tải trọng lên vòm dầm Vì biến dạng điểm không đổi nªn, ta cã: f1v = f1r ; f2v = f2r, fiv = fir , fnv = fnr Nh­ vËy cã hệ thống n phương trình để xác định ẩn sè p1v, p2v, , piv, pvn: v v v j1 (p ) = y [(p - p )(p - p ), , (p i - p iv ), , (p n - p v )] ü n v v v v ï j (p ) = y [(p - p )(p - p ), , (p i - p iv ), , (p n - p n )]ï ý ï v v v j n (p n ) = y n [(p - p )(p - p v ), , (p i - p iv ), , (p n - p n )]ï ỵ (3 - 39) Công thức để tính biến dạng rầm tham khảo học kết cấu trị số biến dạng vòm có thĨ dïng c«ng thøc sau: v v jn (p n = gh n ) = f nv = gh v rn ro (a o - sin a o )(1 - cos a o ) n é ù ê ú sin 2a o ö ê - cos 2a o ú ổ Eeỗ a o + ữ ứờ ổ e2 ỳ ố ữ a o ỗ1 + ữỳ ỗ ố 12ro ứ ỳ ỷ (3 - 40) đó: rn, ro - Bán kính bán kính trung bình vòm e - chiều dày vòm ao - nửa góc trung tâm vòm 136 www.Phanmemxaydung.com g hr v g.h a) b) H×nh 22 Sơ đồ phân phối tải trọng cho dầm vòm mặt nằm ngang b) Phương pháp nhiều dầm - nhiều vòm: Phương pháp nhiều vòm - dầm đỉnh xét dầm công xôn qua đỉnh vòm nên không phản ánh phân bố không tải trọng nước khoanh vòm Phương pháp nhiều vòm - nhiều dầm phương pháp tính toán đập vòm xác Đập vòm chia thành nhiều khoanh vòm có chiều cao nhiều dầm có chiều rộng mặt phẳng ngang mặt phẳng đứng theo hướng đường kính Nếu hình dạng mặt cắt tuyến đập không thay đổi đột biến lấy khoảng cách khoanh vòm - Nói chung chọn khoanh vòm tường công xôn (hình - 22) vòm dầm nên giao bờ đập (trừ dầm qua đỉnh vòm) - Phương pháp tính toán dùng phương pháp thử tải trọng Đầu tiên vào kinh nghiệm, tham khảo kết tính toán công trình đà xây dựng mà phân biểu đồ tải trọng nước cho hai hệ thống vòm dầm Căn vào biểu đồ tải trọng vòm dầm để tính biến dạng điểm chung Nếu biến dạng điểm chung hai hệ thống không phân bố biểu đồ tải trọng nước việc tính toán lặp lại lần đầu, đến biến dạng điểm chung (hoặc tính gần nhau) Sai số cho phép biến dạng điểm chung hai hệ thống vào khoảng - 10% Dựa vào biểu đồ phân bố tải trọng cuối để tính nội lực ứng suất thân đập Căn vào lý luận ta tính bước tính toán phương pháp thử tải trọng sau: - Chọn hệ thống vòm dầm tính toán - Điều chỉnh theo hướng đường kính: + Phân biểu đồ tải trọng cho khoanh vòm dầm + Tính biến vị theo hướng đường kính khoanh vòm dầm tác dụng tải trọng theo hướng đường kính + So sánh trị số biến vị điểm chung khoanh vòm dầm; phân lại biểu đồ tải trọng + Tiếp tục tính toán đến biến vị điểm chung gần dừng 137 www.Phanmemxaydung.com - Điều chỉnh theo hướng tiếp tuyến, tức điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến khoanh vòm - Điều chỉnh theo hướng quay mômen, tức điều chỉnh biến vị góc - Tiến hành điều chỉnh trở lại: Khi đà điều chỉnh biến vị theo hướng tiếp tuyến hướng quay mômen, ta điều chỉnh lại biến vị theo hướng đường kính Đến kết thúc trình tính toán điều chỉnh để tìm tải trọng thành phần tác dụng lên khoanh vòm rầm Khối lượng tính toán lớn, để giảm nhẹ việc tính toán điều chỉnh biến vị theo hướng đường kính, loại biến vị chủ yếu - Tính toán nội lực ứng suất: + Căn vào biểu đồ tải trọng đà điều chỉnh mà tính nội lực ứng suất điểm tính toán + Tính toán ứng suất điểm tÝnh to¸n Trong tÝnh to¸n cã thĨ sư dơng c¸c bảng lập sẵn sách chuyên đề sử dụng phần mềm tính toán Ngoài phương pháp nêu trên, ngày nhiều đập vòm lớn, thiết kế người ta dùng phương pháp lý thuyết đàn hồi để tính toán Kết tính toán cho thấy đạt hiệu kinh tế cao đập vòm máng, cong hai chiỊu ViƯc dïng lý thut vá máng toán không gian, dùng phương pháp sai phân, phần tử hữu hạn, lập chương trình, giải máy tính điện tử cho kết phù hợp xác Các phương pháp ứng dụng ngày nhiều, tất nhiên phức tạp khối lượng tính toán lớn Máy tính công cụ cần thiết để khắc phục khó khăn Ngoài ra, điểm cần lưu ý thiết kế đập vòm vấn đề biến hình Sự biến hình ảnh hưởng tới điều kiện làm việc đập Vì thiết kế đập vòm cần tính toán biến hình xử lý khống chế để bảo đảm làm việc an toàn đập Vấn đề nghiên cứu kỹ tài liệu chuyên đề Trạng thái ứng suất biến dạng, trị số hướng lực truyền từ đập vào nền, độ bền độ ổn định đập đập phải xác định qua tính toán nghiên cứu thực nghiệm bắt buộc Khi tính toán ứng suất biến dạng cần ý tới trường hợp có kể tới thi công, thi công xong, trình tích tháo nước hồ chứa, ®éng ®Êt NÕu nh­ c¸c ®iỊu kiƯn ®é bỊn ®èi với bờ mặt yếu khối đá không thoả mÃn cần có biện pháp gia cố bờ Nếu bờ có điều kiện địa chất không đều, đẩy khả chịu lực cần xử lý cho đồng giải pháp thích hợp 138 www.Phanmemxaydung.com 3.4 cấu tạo đập vòm I Dạng đập vòm bình diện mặt cắt đứng Dạng đập vòm bình diện: Dạng thông thường đập vòm bình diện cung tròn chiều dày không đổi từ đỉnh vòm đến chân vòm Trong trường hợp đường áp lực tải trọng nước gây truyền qua tâm cung tròn, mômen uốn không nhỏ so với đập vòm khác Việc thi công đập vòm dạng cung tròn dễ dàng Những năm gần bắt đầu thiết kế loại đập vòm có dạng Elip Parabol bình diện Từ việc phân tích ứng suất cho thấy, ứng suất chân vòm lớn ứng suất đỉnh vòm, nên chiều dày chân vòm chọn dày đỉnh Dạng đập vòm mặt cắt đứng: Dạng đập vòm mặt cắt đứng là: - Dạng mặt thượng lưu thẳng đứng, mặt hạ lưu dốc (hình - 6) Dạng có đập vòm có bán kính không đổi góc tâm không đổi Khi tâm vòm tròn cao trình khác nằm đường thẳng - Dạng mặt thượng lưu mặt hạ lưu có dạng cong (hình - 7) Dạng có đập vòm có góc tâm không đổi (nhưng có bán kính thay đổi từ xuống dưới) Trong trường hợp trừ rầm công xôn gần đập, lại mặt cắt gần hai bờ nghiêng phía thượng lưu 1) Xác định quỹ tích tâm điểm vòm Trong ví dụ quỹ tích trục OC đối xøng qua cung AB (A vµ B lµ hai giao ®iĨm cđa trơc ®Ønh ®Ëp víi c¸c ®­êng ®ång møc) 12 100 68 70 100 130 C 15 150 Từ tài liệu đà biết địa hình, địa chất chiều cao đập, vẽ đường viền thân đập, cách vẽ đường viền thân đập vòm có góc tâm thay đổi bán kính thay đổi theo bước sau (hình - 23) 70 II Vẽ đường viền thân đập 68 68 - Dạng cong theo cung tròn Parabol (hình - 8) Dạng gặp đập vòm có bán kính thay đổi góc tâm thay đổi B A 73 R1 88° 120° O 140 120 100 80 60 Hình 23 Cách vẽ đập vòm 2) Vẽ cung ABC tức đỉnh vòm Khi vẽ cung phải ý đến nguyên tắc dùng đường bán kính cung tương đối nhỏ, góc tâm lớn cắt đường đồng mức (tức bờ) góc nhỏ không 300 (căn vào đề nghị Bu-xi-net, lực truyền từ vòm vào bờ phạm vi góc 300) chọn 2ao = 1200 ro = 173(m) 139 www.Phanmemxaydung.com 3) Vẽ vòm đỉnh đập, chiều dày sơ - 6(m), chọn 4(m) 4) Vẽ mặt cắt theo cung ABC lòng sông; vẽ mặt cắt cần ý đập phải xây đất đá tốt, mặt cắt phải ứng với đá có phần không đối xứng phải tăng khối lượng bê tông 5) Bố trí khoanh vòm cao trình khác nhau, thường bất đầu từ khoanh vòm nằm 1/3 chiều cao đập kể từ đáy đập trở lên (vì vùng ứng suất thân đập lớn) ví dụ bắt đầu cao trình 90(m) Cụ thể với khoanh vòm tiến hành sau: - Chọn góc tâm khoanh vòm 2ao = 880 chọn góc tâm phải chiếu cố góc tâm nằm giới hạn góc tâm đỉnh đập đáy đập (ở đáy 1200 ~ 700) thường lấy biến đổi tỷ lệ với cao trình Trục vòm luôn cắt đường đồng mức góc không nhỏ 300 Nói chung cần tránh cho đập vòm, không bị nghiêng nhiều phía thượng lưu (nếu góc tâm vòm gần đáy đập lớn làm cho vòm phía khó bố trí đập bị nghiêng phía thượng lưu) - Tại điểm A' (hoặc B') giao điểm trục với đường đồng mức ẹ90 vẽ bán kính vòm cắt OC với góc a = 440 xác định tâm điểm O', đồng thời vẽ bán kính vòm - Căn vào công thức c = ghr1 sơ tính chiều dày vòm tính giả thiết r1 [ s] trước tính e sau chữa lại, trị số [s] lấy lớn tính vòm tựa tự phần đập lấy 50 - 60kg/cm2, đáy đập lấy 20 - 30kg/cm2 Căn vào bước cụ thể để vẽ khoanh vòm khác Mỗi lần vẽ khoanh vòm phải tính tính lại nhiều lần, đồng thời phải vẽ mặt cắt đập để đối chiếu Đối với loại đập bán kính góc tâm cố định phương pháp vẽ đường viền đơn giản Ngoài cần ý điểm sau: mép vòm không cắt mép vòm (kể từ1/3 chiều cao trở lên) trừ chỗ chân vòm, vòm nằm vòm có bề dày lớn (tại 1/3 chiều cao) Mép hạ lưu vòm đỉnh nên bố trí tiếp tuyến với mép hạ lưu khoanh vòm bao sát vỏ cung hạ lưu vòm nằm phạm vi III Cấu tạo đập vòm Cấu tạo đỉnh đập: Chiều dày đỉnh đập vòm nhỏ khoảng từ 1,5 2,0 cần làm đường giao thông qua đập phải mở rộng đỉnh đập công xôn phía hạ lưu Khi cần tràn nước đỉnh ®Ëp thiÕt kÕ ®Ĩ n­íc cã thĨ phun xa khái chân đập Để chống xói cho hạ lưu xây tường thấp phía hạ lưu để tạo thành hố nước - gia cố hạ lưu Chiều dày lớp nước 140 www.Phanmemxaydung.com tràn đỉnh đập vòm không nên 2,0 4,0(m) Hình thức kết cấu đỉnh đập vòm tràn nước phụ thuộc vào loại cửa van chắn nước (hình - 24) a) b) e) d) c) f) g) h) H×nh - 24 Các hình thức cấu tạo đỉnh đập Trong thân đập vòm đặt đường ống tháo nước sâu để đưa nước vào tuốc bin nhà máy thuỷ điện nằm sau đập Trường hợp cửa van công tác thường đặt mặt sau đập, phía trước bố trí lưới chắn rác để thuận tiện cho việc đóng mở Cũng có trường hợp đặt ống xả nước sâu, kết hợp với tháo nước từ đỉnh đập Kinh nghiệm cho biết, đập vòm có kết hợp tháo lũ mặt biện pháp xây dựng kinh tế xây công trình tháo lũ ven bờ Thiết bị thoát nước: Thường đập vòm áp lực nước thấm tác dụng thân đập nhỏ, nên nhiều không cần bố trí thiết bị thoát nước Tuy nhiên, đập vòm tương đối dày, cần bố trí thiết bị thoát nước thân đập Việc bố trí giống đập bê tông trọng lực Thiết bị thoát nước thân đập ống có đường kính khoảng 6á15(cm), bố trí cách mặt đập thượng lưu khoảng - 2(m) Thân đập bố trí hành lang để lại kiểm tra tập trung nước thiết bị thoát nước bố trí sau màng xi măng chống thấm tập chung nước vào hành lang Khe đập: Trong đập vòm thường có hai loại khe: Khe chu vi khe thi công (hình - 25) Khe thi công gọi khe nhiệt độ Khe phân đập vòm thành đoạn tường thẳng đứng thời kỳ thi công Khe cách khoảng - 15(m); chiỊu réng khe 0,7 - 1,2(m) Khe lÊp ®Ĩ tạo thành đập vòm thời kỳ nhiệt độ bên hạ thấp, tránh cho đập phát sinh ứng suất kéo thay đổi nhiệt độ Khe lấp bê tông vữa xi măng có biện pháp chèng thÊm tèt (h×nh - 26) 141 www.Phanmemxaydung.com 1,35 1,04 1,3 1.48 1,0 0.9 0,6 1.0 3,0 0.8 4,1 1.3 Hình 3-25 Khe đập vòm Hình 3-26 Các khe thi công đập vòm Khe thi công; Khe chu vi Bê tông cốt thép; Bi tum; Kim loại chống thấm; ống xi măng Khe chu vi, thường dùng trường hợp mặt cắt sông nơi xây dựng đập hình dạng đối xứng lồi lõm không Vì người ta tạo phần sát bệ đỡ (kiểm đập bê tông trọng lực) tạo cho phần lại có dạng đối xứng Như phần bệ tựa vào đá bờ, thân đập tựa vào bệ theo dạng khớp (hình 3-27) Khe chu vi có tác dụng tránh cho đập chịu ứng suất cục bộ, mà cải tạo trạng thái ứng suất thân đập Dầm bê tông cốt thép; Thoát nước; Cốt thép; Hình 3-27 Cấu tạo khe chu vi 2 Nhùa chèng thÊm; Tấm đồng; Nối tiếp với bờ: Đập vòm nối tiếp với bờ cần đạt hai yêu cầu sau: chống thấm tạo điều kiện truyền lực tốt xuống sang hai bờ Để đạt yêu cầu chống thâm cần làm chân khay ăn sâu vào chân khay màng chống thấm xi măng Khi nối tiếp chân đập bờ cần phải nạo vét loại đá vụn đá phong hoá, sau dùng tia nước mạnh phun cát có tốc độ lớn để làm Phải xử lý mặt tiếp giáp bê tông chân vòm bờ mặt phẳng hướng tâm vòm Nếu chiều dày chân vòm lớn làm thành nhiỊu cÊp (h×nh - 28) b) H×nh –28 Nối tiếp chân vòm với bờ đá a) r r r1 r3 a) Chân vòm mỏng; b) Chân vòm dµy 142 www.Phanmemxaydung.com 143 ... hiểm, đập vòm có khả chịu đựng tốt lực động đất II Phân loại đập vòm Theo chiều dày tương đối đập = e o / H : - Đập vòm mỏng b < 0,2 - Đập vòm trọng lực b = 0,2 0,35 - Đập trọng lực - vòm b... vòm H - chiều cao vòm Theo chiều cao đập H : - Đập vòm thấp: H < 25(m) - Đập vòm trung bình : 25 Ê H < 75 (m) - Đập vòm cao H 75 (m) Theo chế độ làm việc : 114 www.Phanmemxaydung.com - Đập vòm. .. www.Phanmemxaydung.com 3.4 cấu tạo đập vòm I Dạng đập vòm bình diện mặt cắt đứng Dạng đập vòm bình diện: Dạng thông thường đập vòm bình diện cung tròn chiều dày không đổi từ đỉnh vòm đến chân vòm Trong trường