nghiên cứu tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc áp dụng tính toán tràn xả lũ đá hàn, tỉnh hà tĩnh

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái người đã hướng dẫn, vạch ra những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong cơ quan đã giúp đỡ, đồng hành cùng tác giả trong công việc, nghiên cứu trong những năm qua. Xin cảm ơn lãnh đạo Tỉnh, Sở, Ban quản lý dự án của các tỉnh nghệ An và Hà Tĩnh. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành quá trình học tập và viết luận văn. Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2013 Tác giả Lưu Văn Minh BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc. Áp dụng tính toán tràn xả lũ Đá Hàn, tỉnh Hà Tĩnh” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường. Học viên Lưu Văn Minh MỤC LỤC 32TMỤC LỤC32T 32TDANH MỤC BẢNG BIỂU.32T 32TDANH MỤC HÌNH VẼ.32T 32TMỞ ĐẦU32T 1 32TI. Tính cấp thiết của đề tài32T 1 32TII. Mục đích của đề tài:32T 2 32TIII. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu32T 2 32TIV. Kết quả dự kiến đạt được.32T 2 32TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HỒ CHỨA NƯỚC VÀ ĐẬP ĐẤT32T . 3 32T1.1. Tình hình xây dựng hồ chứa nước và đập đất ở Việt Nam32T 3 32T1.2. Tình hình làm việc của đập tràn-Những hư hỏng thường gặp ở đập tràn32T 7 32T1.2.1. Tình hình làm việc của đập tràn32T 7 32T1.2.2. Những hư hỏng thường gặp ở đập tràn32T 7 32T1.2.3. Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh sự cố đập tràn xả lũ32T 10 32T1.3. Tổng quan về ảnh hưởng nền địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình trong quá trình khai thác 32T 12 32T1.3.1. Ảnh hưởng của địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình32T 12 32T1.3.2. Ảnh hưởng của địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình.32T 12 32T1.3.2.1. Sự cố địa tầng ở đập tràn xả lũ hồ chứa Tả Trạch - Thừa Thiên Huế32T 13 32T1.3.2.2. Sự cố vỡ đập Z20 - Hà Tĩnh32T 14 32T1.4. Một số giải pháp xử lý để gia tăng ổn định và khả năng chịu tải của nền32T 14 32T1.4.1. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát32T 15 32T1.4.2. Phương pháp xử lý nền bằng cọc vôi và cọc đất - ximăng32T 15 32T1.4.3. Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát32T 16 32T1.4.4. Phương pháp xử lý nền bằng cọc khoan nhồi32T 17 32TCHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TRÀN XẢ LŨ TRÊN NỀN CỌC32T 18 32T2.1. Giới thiệu về nền móng và móng cọc32T 18 32T2.1.1. Nền32T 18 32T2.1.2. Móng32T 18 32T2.1.3. Ý nghĩa của công tác thiết kế nền - móng32T 19 32T2.1.4. Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn32T 20 32T2.1.5. Móng cọc32T 21 32T2.2. Tổng quan về sức chịu tải của cọc32T 27 32T2.2.1 Sức chịu tải dọc trục32T 27 32T2.2.2. Cọc chịu tải trong ngang32T 36 32T2.3. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn tính toán hệ nền cọc32T 44 32T2.3.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn32T 44 32T2.3.4. Các phần mềm tính toán thông dụng hiện nay32T 51 32T2.3.5. Giới thiệu về phần mềm SAP 200032T 51 32TCHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP TRÀN XẢ LŨ ĐÁ HÀN32T 57 32T3.1. Giới thiệu chung về công trình Đá Hàn.32T 57 32T3.1.1. Giới thiệu chung32T 57 32T3.1.1. Vị trí và bố trí tổng thể công trình.32T 62 32T3.1.2. Tình hình địa chất nền đập tràn.32T 63 32T3.2. Hiện trạng tuyến tràn.32T 66 32T3.3. Tính toán ổn định tràn.32T 66 32T3.3.1. Giải pháp đề xuất.32T 66 32T3.3.2. Tính toán sức chịu tải đứng của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền.32T 67 32T3.4. Phương pháp và trường hợp tính toán32T 68 32T3.4.1. Phương pháp tính toán.32T 68 32T3.4.2. Trường hợp tính toán.32T 68 32T3.5. Kết quả tính toán trạng thái ứng suất, biến dạng hệ nền cọc32T 69 32T3.5.1. Đơn nguyên đập tràn có cửa32T 69 32T3.5.2. Đơn nguyên đập tràn tự do nằm sát đập tràn có cửa32T 76 32T3.5.3. Đơn nguyên đập tràn tự do nằm sát bờ.32T 84 32T3.6. Đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn cho nền tràn xả lũ.32T 91 32T3.6.1. Về khả năng chịu lực của cọc32T 91 32T3.6.2. Về bố trí thép chịu lực trong thân cọc32T 91 32TKẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ32T 93 32T1. Kết luận.32T 93 32T2. Kiến nghị.32T 93 32TTÀI LIỆU THAM KHẢO32T 95 32TPHỤ LỤC32T 96 DANH MỤC BẢNG BIỂU. 32TBảng 1-1. Hồ chứa nhiều có dung tích ≥200.000mP 3 P32T 4 32TBảng 1-2. Hồ đập lớn ở Việt Nam (không kể hồ thuỷ điện) theo chiều cao đập32T 5 32TBảng 1-3 : Số lượng hồ cần sửa chữa tràn xã lũ32T 7 32TBảng 2-1: Giá trị Ks đối với các loại cọc hạ trong cát (Meyerhof 1976)32T 29 32TBảng 2-2: Quan hệ giữa SR u R và NR c R32T 30 32TBảng 2-3: Chiều sâu ngàm cần thiết32T 32 32TBảng 2-4: Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc (T/mP 2 P)32T 34 32TBảng 2-5: Hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc (TCVN 205-1998)32T 34 32TBảng 2-6: Hệ số ma sát bên của đất và thân cọc fR i R (TCVN 205-1998)32T 35 32TBảng 2-7: Tiêu chuẩn phân biệt loại cọc32T 37 32TBảng 2-8: Giá trị nR 1 R và nR 2 R32T 39 32TBảng 2-9: Giá trị KR h R(KN/mP 3 P) cho đất rời32T 39 32TBảng 2-10: Hệ số nhóm η32T 44 32TBảng 3-1: Mô tả địa chất các lớp đất đá tại vị trí đặt tràn32T 65 32TBảng 3-2: Chỉ tiêu cơ lý của lớp 4a1, 4a và 4b32T 66 32TBảng 3-3: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn có cửa van32T 75 32TBảng 3-4: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn tự do giáp đoạn có cửa van32T 83 32TBảng 3-5: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn tự do giáp bờ32T 90 DANH MỤC HÌNH VẼ. 32THình 1-1: Bản đồ vị trí hồ Tả Trạch.32T 13 32THình 1-2: Mở móng tràn Tả Trạch.32T 13 32THình 1-3: Hình ảnh vỡ đập Z20.32T 14 32THình 1-4: Hình ảnh vỡ đập Z20 ảnh hưởng đến đường sắt.32T 14 32THình 2-1: Cấu tạo móng cọc32T 22 32THình 2-2: Sơ đồ thi công khoan cọc nhồi32T 24 32THình 2-3: Máy khoan cọc nhồi của hãng Benoto32T 25 32THình 2-4: Máy khoan cọc nhồi của hãng Hitachi32T 25 32THình 2-5: Máy khoan cọc nhồi Bauer BG 25C32T 26 32THình 2-6: Máy khoan cọc nhồi Soilmec R516 HD32T 26 32THình 2-7: Các loại mũi khoan cọc nhồi32T 26 32THình 2-8: Cơ cấu mở rộng chân cọc bằng thủy lực32T 27 32THình 2-9: Thi công cọc khoan nhồi tại hiện trường32T 27 32THình 2-10: Các dạng biến dạng của cọc ngắn khi chịu tải trọng ngang32T 37 32THình 2-11: Sức chịu tải trọng ngang của cọc trong đất rờiP [13] P32T 41 32THình 2-12: Sức chịu tải ngang của cọc trong đất dínhP [13] P32T 42 32THình 2-13: Đồ thị tìm QR a R theo chuyển vị cho phép yR ng R trong đất rời32T 43 32THình 2-14: Đồ thị tìm QR a R theo chuyển vị cho phép yR ng Rtrong đất dính32T 43 32THình 2-15: Các phần tử cơ bản trong phương pháp PTHH32T 45 32THình 2-16: Giao diện của phần mềm Sap2000 phiên bản 14.2.232T 56 32THình 3-1: Mặt bằng tràn Đá Hàn32T 63 32THình 3-2: Mặt cắt địa chất dưới đơn nguyên tràn có cửa32T 64 32THình 3-3: Mặt cắt địa chất dưới đơn nguyên tràn tự do32T 64 32THình 3-4: Mặt cắt địa chất dọc theo trục đập32T 64 32THình 3-5: Mặt bàng bố trí cọc trong các đơn nguyên của tràn.32T 67 32THình 3-6. Mô hình tính đơn nguyên tràn có cửa32T 70 32THình 3-7: Số hiệu cọc trong đơn nguyên tràn có cửa32T 70 32THình 3-8: Chuyển vị đứng của đập tổ hợp vừa thi công xong32T 71 32THình 3-9: Chuyển vị ngang của đập tổ hợp vừa thi công xong32T 71 32THình 3-10: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 71 32THình 3-11: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 72 32THình 3-12: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 72 32THình 3-13: Chuyển vị đứng của đập tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 73 32THình 3-14: Chuyển vị ngang của đập tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 73 32THình 3-15: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 74 32THình 3-16: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 74 32THình 3-17: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 74 32THình 3-18: Mô hình tính đơn nguyên tràn tự do giáp tràn có cửa32T 77 32THình 3-19: Bố trí cọc dưới tràn32T 77 32THình 3-20: Áp lực nước lên tràn32T 78 32THình 3-21: Cọc trong đơn nguyên tràn tự do giáp đơn nguyên tràn có cửa32T 78 32THình 3-22: Chuyển vị đứng của đất nền và đập tổ hợp thi công vừa xong.32T 79 32THình 3-23: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thi công vừa xong.32T 79 32THình 3-24: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 79 32THình 2-25: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 2,3 tổ hợp thi công vừa xong32T 80 32THình 3-26: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 80 32THình 3-27: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thượng lưu ở MNDBT32T 81 32THình 3-28: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thượng lưu ở MNDBT32T 81 32THình 3-29: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 82 32THÌnh 3-30: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1, 2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 82 32THình 3-31: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 82 32THình 3-32: Mô hình tính đơn nguyên tràn tự do giáp bờ32T 84 32THình 3-33: Bố trí cọc dưới tràn đoạn tràn giáp bờ32T 85 32THình 3-34: Số hiệu cọc trong đơn nguyên tràn tự do giáp bờ phải32T 85 32THình 3-35: Chuyển vị đứng của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 86 32THình 3-36: Chuyển vị ngang của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 86 32THình 3-37: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 86 32THình 3-38: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1, 2 tổ hợp thi công vừa xong32T 87 32THình 3-39: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 87 32THình 3-40: Chuyển vị đứng của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 88 32THình 3-41: Chuyển vị ngang của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 88 32THình 3-42: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 88 32THình 3-43: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1, 2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 89 32THình 3-44: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 89 1 1 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Tràn xả lũ là một hạng mục rất quan trọng liên quan trực tiếp đến an toàn đập - Hồ chứa. Thống kế có được cho thấy sự cố đập do nguyên nhân hư hỏng tràn chiếm tỷ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn. Tràn xả lũ là công trình không thể thiếu ở các hồ chứa nước, nó có nhiệm vụ xả nước thừa để khống chế mực nước cao nhất có thể giữ ở hồ theo thiết kế, đảm bảo an toàn cho đập. Theo thống kê sự cố vỡ đập do hỏng tràn xả lũ gây nên chiếm 25,39%, chưa kể do khẩu diện tràn xả lũ không thoát được lũ thực tế dẫn đến nước hồ dâng cao hơn tràn và phá hủy đập. Đây là con số đáng báo động vì đối với các đập đất khi xẩy ra sự cố thì hậu quả thiệt hại không thể lường hết được. Ngoài thiệt hại về cơ sở, vật chất, kinh phí của nhà nước còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới tính mạng, tài sản và môi trường sống của nhân dân vùng hạ du. Có rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra hỏng tràn như: Do tính toán thủy văn trước đây không phù hợp với thực tế, kẹt cửa van (tràn xả sâu), tính toán thủy lực không chuẩn xác, chất lượng vật liệu và thi công kém, chưa đánh giá chính xác về địa chất nền móng Thực tế cho thấy có rất nhiều công trình lớn trong quá trình thiết kế đã được Chủ đầu tư phê duyệt để thi công, nhưng khi mở móng công trình thì địa chất nền rất phức tạp, các lớp địa chất đất đá phân bố không đồng nhất, không theo một quy luật nào dẫn đến phải thay đổi thiết kế, biện pháp xử lý được các nhà Tư vấn đưa ra là xử lý nền bằng phương pháp khoan cọc nhồi. Tuy nhiên biện pháp xử lý khoan cọc nhồi chưa được phía Tư vấn xử lý triệt để và có bài toán tính toán để đảm bảo vừa kỹ thuật, vừa kinh tế. Một số công trình phải xử lý nền như: Hệ thống thủy lợi hồ Tả Trạch, Hệ thống thủy lợi Ngàn Trươi, Công trình ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long, Cống Nhiên Lộc Thị Nghè thuộc dự án chống ngập Sài Gòn, Cống lấy nước [...]... nghiên Nghiên cứu, tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc là rất cần thiết và cấp bách II Mục đích của đề tài: - Nghiên cứu tình hình làm việc của đập tràn, đánh giá tình trạng ổn định của đập tràn - Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định của đập tràn và biện pháp xử lý nền đập tràn, đảm bảo an toàn đập - Đề xuất phương pháp tính toán bằng Phần tử hữu hạn (PTHH) - Áp dụng tính toán cho đập tràn. .. cho đập tràn trên nền cọc III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập tràn - Nghiên cứu giải pháp nền một số công trình trọng điểm (đập Tả Trạch, đập Vực Mấu, đập Ba Khe, đập Kim Sơn, đập Ngàn Trươi, đập Thảo Long, cống Nam Đàn, cống Đò Điểm…) - Phân tích định tính và định lượng các công thức, phương pháp tính toán ổn định và ứng suất nền phần ngưỡng tràn Lựa chọn... quanh cọc và tầng đất dưới mũi cọc Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các đầu cọc lại với nhau thành một khối và phân bổ tải trọng của công trình lên các cọc Dựa vào vị tri đặt cọc so với mặt đất người ta phân móng cọc thành móng cọc đài thấp và móng cọc đài cao Dựa vào sự làm Hình 2-1: Cấu tạo móng cọc B 4 việc của cọc mà phân thành cọc chống (khi mũi cọc chống lên nền đá gốc rắn chắc) và cọc ma... công thức, phương pháp tính toán phù hợp - Tính toán ứng dụng, phân tích so sánh và rút ra kết luận IV Kết quả dự kiến đạt được - Xác định được sự ổn định của ngưỡng tràn, đưa ra biện pháp xử lý hiệu quả - Tính toán cụ thể cho ngưỡng tràn Đá Hàn - Kết quả nghiên cứu được trình bày dưới dạng các đồ thị và biểu đồ - Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HỒ CHỨA NƯỚC VÀ ĐẬP ĐẤT 1.1 Tình... không đảm bảo chất lượng + Vận hành sai quy trình 1.2.3 Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh sự cố đập tràn xả lũ 1.2.3.1 Khả năng tháo lũ của đập tràn xả lũ Khả năng tháo lũ là chỉ tiêu quan trọng bậc nhất quyết định quy mô, loại hình và vốn đầu tư xây dựng tràn xả lũ Chỉ tiêu này là kết quả tính toán thủy văn công trình Tình hình thực tế cho thấy là, đối với những đập lớn và rất lớn thì có tương... nhân dân 1.2 Tình hình làm việc của đập tràn- Những hư hỏng thường gặp ở đập tràn 1.2.1 Tình hình làm việc của đập tràn Nhiều hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ do tính toán lũ thiết kế thiếu tài liệu, tính thiên nhỏ, mô hình thiết kế lũ không phù hợp với tình hình mưa lũ trên lưu vực, rừng đầu nguồn bị tàn phá nên lũ tập trung về hồ nhiều hơn và nhanh hơn dẫn đến đập luôn làm việc trong điều kiện nguy... tràn 1.2.2.1 Lũ vượt qua đỉnh đập tràn Do các nguyên nhân sau đây gây ra: 8 + Tính toán thủy văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; tổng lượng lũ nhỏ hơn thực tế; các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; thiếu lưu vực; lập đường cong dung tích hồ W=f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả lũ của đập tràn Q=f(H) sai lệch với thực tế + Cửa đập tràn bị kẹt + Lũ vượt tần suất... và cọc ma sát (khi cọc chưa tới tầng đá gốc) 2.1.5.2 Phân loại cọc Có nhiều cách phân loại cọc: theo vật liệu làm cọc, theo phương pháp chế tạo, theo phương pháp hạ cọc Đơn giản hơn cả là phân theo phương pháp chế tạo cọc Theo cách này cọc được phân thành hai loại là cọc chế tạo sẵn và cọc đổ tại chỗ Cọc chế tạo sẵn: Bao gồm cọc gỗ, thép, bê tông cốt thép Đã được chế tạo sẵn Loại cọc này có thể hạ... nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát - Các biện pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm - Các biện pháp hóa học: Gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa xi măng, phương pháp Silicat hóa, phương pháp điện hóa 1.4.1 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát Khác với các loại cọc cứng khác (bê tông,... thép, cọc gỗ, cọc tre ) là một bộ phận của kết cấu móng, làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu nên còn gọi là nền cọc cát Việc sử dụng cọc cát để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: Cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn; Nền đất . Lưu Văn Minh BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc. Áp dụng tính toán tràn xả lũ Đá Hàn, tỉnh Hà Tĩnh Tôi xin cam đoan đề tài. hạn (PTHH). - Áp dụng tính toán cho đập tràn trên nền cọc. III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập tràn. - Nghiên cứu giải pháp nền một số công. trạng ổn định của đập tràn. - Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định của đập tràn và biện pháp xử lý nền đập tràn, đảm bảo an toàn đập. - Đề xuất phương pháp tính toán bằng Phần tử