phân tích đập trọng lực chịu tác động của động đất theo tiêu chuẩn em của hoa kỳ

Để đảm bảo an toàn cho đập bê tông trọng lực, ngoài tính toán ổn định trượt lật thì cần tính ứng suất và biến dạng nhằm xác định trị số phương chiều và hình thức phân bố của các ứng suất

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Thủy lợi, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – PGS.TS Vũ Thành Hải đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn này

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Quốc Khánh

Trang 2

Tác giả

Nguyễn Quốc Khánh

Trang 3

1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC26T Error! Bookmark not defined

26T

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới26T Error!

Bookmark not defined.

26T

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam26T Error!

26T

1.2 HÌNH DẠNG, KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC THƯỜNG DÙNG26T

Error! Bookmark not defined

1.2.4 Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực26T Error!

26T

1.2.4.1 Tính toán ổn định, độ bền của đập và nền đập theo trạng thái giới

hạn26T Error! Bookmark not defined

26T

1.2.4.2 Tính toán độ bền, ổn định của đập và nền đập theo hệ số an

toàn26T Error! Bookmark not defined

Trang 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT –

2.2 CÁC TRƯỜNG HỢP VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN26T Error!

2.3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP BÊ TÔNG

TRỌNG LỰC CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT26T Error! Bookmark

3.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA PHẦN MỀM SAP2000 CHO BÀI

TOÁN PHẲNG26T Error! Bookmark not defined

Trang 5

3.3 TRÌNH TỰ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP

TRỌNG LỰC BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

VÀ ĐỘNG26T Error! Bookmark not defined

26T

3.4 CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC26TError! Bookmark not defined.

26T

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MỒNG26T Error!

4.1.1.3 Khu vực đầu mối và vùng tuyến nghiên cứu của khu vực đầu

mối26T Error! Bookmark not defined

4.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VÀ SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN26T Error!

4.3 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ CHUYỂN VỊ CỦA ĐẬP26T Error!

26T

4.3 1 Xây dựng mô hình tính toán đập26T Error! Bookmark not defined

26T

4.3 2 Trường hợp đập và nền chịu tải trọng tĩnh (TH1)26T Error!

26T

4.3.2.1 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử phẳng

(PlaneStrain)26T Error! Bookmark not defined

Trang 6

4.3 2.2.Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (Shells)26TError! Bookmark not defined.

26T

4.3 2.3 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử khối (Solids)26T

26T

4.3.2.4 Tổng hợp và nhận xét kết quả tính toán26TError! Bookmark not defined.

26T

4.3 3 Trường hợp động đất theo phương pháp giả tĩnh (TH2)26T Error!

26T

4.3 3.1 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử phẳng (Plane

Strain)26T Error! Bookmark not defined

26T

4.3 3.2 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (Shells)26TError! Bookmark not defined.

26T

4.3.4.1 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử phẳng (Plane

Strain)26T Error! Bookmark not defined

26T

4.3 4.2 Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (Shells)26TError! Bookmark not defined.

26T

Trang 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

26TU

Bảng 1-1: Bảng thống kê các đập cao đã được xây dựng trên Thế giớiU Error!

Bookmark not defined

26TU

Bảng 1-2: Thống kê các đập BTĐL cao >50m ở Việt Nam tính đến năm 2013U

26TU

Bảng 1-3: Thống kê các trận động đất ở Việt NamU Error! Bookmark not

defined

26T

Bảng 1-4: Thông số cơ bản của các vùng nguồn phát sinh động đất mạnh ở

miềnUBắc Việt NamU Error! Bookmark not defined

26TU

Bảng 2-1: Bảng xác định hệ số động đất kU Error! Bookmark not defined

26TU

Bảng 2-2: Bảng giá trị hệ số ảnh hưởng động đất theo phương ngang αURU max UR26T

26TU

Bảng 2-3: Bảng giá trị chu kỳ đặc trưng TgU Error! Bookmark not defined

26TU

Bảng 2-4: Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng theo loại nền đấtU

Bảng 4-5: Ứng suất S11 và S22 tại chân thượng lưu đập (TH1)U Error!

26TU

Bảng 4-6: Bảng chuyển vị tại đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH1U Error!

26TU

Bảng 4-7: Ứng suất S11 và S22 do tổ hợp tải trọng TH1UError! Bookmark not defined

Trang 8

Bảng 4-8: Chuyển vị tại đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH1UError! Bookmark not defined

26TU

Bảng 4-9: Ứng suất S22 và S33 tại chân thượng lưu đập ứng với TH1U Error!

Bảng 4-12: Ứng suất S11, S22 tại chân thượng lưu đập ứng với TH2U Error!

26TU

Bảng 4-13: Chuyển vị tại đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH2U Error! Bookmark

not defined

26TU

Bảng 4-14: Ứng suất S11, S22 tại chân thượng lưu đập do TH2U Error!

26TU

Bảng 4-15: Chuyển vị tại đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH2U Error! Bookmark

not defined

26TU

Bảng 4-16: Ứng suất S11, S33 tại chân thượng lưu đập do TH2U Error!

26TU

Bảng 4-17: Tổng hợp kết quả tính toán do tổ hợp tải trọng TH2U Error!

26TU

Bảng 4-18: Chuyển vị ở đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH3UError! Bookmark not defined

26TU

Bảng 4-19: Ứng suất S11, S22 min và max tại chân đập thượng lưu do TH3U

26TU

Bảng 4-20: Chuyển vi tại đỉnh đập do tổ hợp tải trọng TH3U Error! Bookmark

not defined

Trang 9

26TU

Bảng 4-22: Chuyển vị tại đỉnh đập do TH3U Error! Bookmark not defined

26TU

Bảng 4-24: Tổng hợp kết quả tính toán do tổ hợp tải trọng TH3U Error!

26TU

Bảng 4-25: Tổng hợp ứng suất tại chân thượng lưu và chuyển vị tại đỉnh đậpU

Trang 10

Hình 1-5: Trận động đất kèm theo sóng thần ngày 11/3/2011 tại Nhật BảnU

Hình 2-4: Phổ phản ứng dùng trong thiết kế quy định trong TCXDVN

375:2006U Error! Bookmark not defined

Hình 3-3: Đập hình thang và mạng lưới phần tử không có quy luậtU Error!

Trang 11

Hình 4-1 : Phổ phản ứng dùng cho công trình hồ chứa nước Bản MồngU Error!

Hình 4-4: Khối lượng áp lực thủy động tương đương gán vào đậpU Error!

Hình 4-11: Phổ màu ứng suất S22 khi đập và nên được mô hình hóa bằng phần

tử Plane Strain (TH1)U Error! Bookmark not defined

26TU

Hình 4-12: Phổ màu chuyển vị khi đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử Shells (TH1)U Error! Bookmark not defined

26TU

Hình 4-13: Phổ ứng suất S11 khi đập được mô hình bằng phần tử Shells (TH1)U

26TU

Hình 4-15: Chuyển vị khi đập và nền được mô hình bằng phần tử Solids (TH1)U

Trang 12

Hình 4-16: Phổ ứng suất S11 khi đập được mô hình bằng phần tử Solids (TH1)U

26TU

Hình 4-18: Phổ màu chuyển vị khi đập được mô hình hóa bằng phần tử Plane Strain (TH2)U ……… Error! Bookmark not defined

26TU

Hình 4-19: Phổ ứng suất S11 khi mô hình bằng phần tử Plane Strain (TH2)…U

26TU

Hình 4-20: Phổ ứng suất S22 khi mô hình bằng phần tử Plane Strain (TH2)U

….Error! Bookmark not defined

26TU

Hình 4-21: Phổ màu chuyển vị khi đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử Shells (TH2)U Error! Bookmark not defined

26TU

Hình 4-24: Chuyển vị tại đỉnh đập khi mô hình hóa bằng phần tử Solids (TH2)U

26TU

Hình 4-26 : Phổ ứng suất S33 khi đập được mô hình bằng phần tử Solids (TH2)U

26TU

Hình 4-27: Phổ màu chuyển vị ở đỉnh đập được mô hình hóa bằng phần tử Plane Strain (TH3)U Error! Bookmark not defined

26TU

…Error! Bookmark not defined

Trang 13

26TU

Hình 4-30: Phổ màu chuyển vị khi mô hình hóa bằng phần tử Shells (TH3)U

26TU

Hình 4-33: Chuyển vị tại đỉnh đập khi mô hình hóa bằng phần tử Solids (TH3)U

26TU

Trang 15

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Đập bê tông trọng lực là đập dùng trọng lượng của bê tông để giữ ổn định công trình Đây là loại đập có ưu điểm kết cấu và phương pháp thi công đơn giản, độ ổn định cao có thể dùng làm tràn hoặc ngăn nước, do đó nó sớm được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

Để đảm bảo an toàn cho đập bê tông trọng lực, ngoài tính toán ổn định trượt lật thì cần tính ứng suất và biến dạng nhằm xác định trị số phương chiều

và hình thức phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và ảnh hưởng của các nhân tố khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, việc phân đoạn thi công Đó là các thông số quan trọng để kiểm tra tính hợp lý của mặt cắt đập, đồng thời dùng để tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập để bố trí các số hiệu bê tông cho từng vùng chịu lực của đập, xác định vị trí và cấu tạo của các bộ phận công trình ứng với điều kiện

làm việc của từng bộ phận

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả đi vào nghiên cứu ứng suất và biến dạng của đập trọng lực chịu tác động đồng thời của trọng lượng bản thân đập, áp lực nước, áp lực nước tăng thêm do động đất theo phương pháp giả tĩnh và phương pháp phổ phản ứng thiết kế theo tiêu chuẩn EM của Hoa Kỳ với sự hỗ trợ của phần mềm SAP2000 Từ kết quả tính toán cho một nhận xét khi dùng các phần tử khác nhau để tính toán đập và có nhận xét về kết quả tính toán đập theo tiêu chuẩn EM của Hoa Kỳ [12] và phương pháp giả tĩnh

II Mục đích của đề tài

Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập trọng lực chịu tác dụng đồng thời của trọng lượng bản thân đập, áp lực nước, áp lực thấm, áp lực bùn cát, áp lực nước tăng thêm do động đất theo Tiêu chuẩn EM của Hoa

Trang 16

Kỳ bằng phương pháp phổ phản ứng thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm SAP2000

III Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Giới hạn phạm vi nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập trọng lực bằng bê tông trong bài toán phẳng đàn hồi tuyến tính chịu tác động của áp lực nước và tác động của động đất

IV Kết quả dự kiến đạt được:

- Xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng của đập và nền, tại các

vị trí tập trung ứng suất như chỗ tiếp giáp giữa chân đập và nền, quanh hành lang quan trắc với các tổ hợp lực bất lợi

- Từ kết quả tính toán cho một nhận xét khi dùng các phần tử khác nhau

để tính toán đập và có nhận xét về kết quả tính toán đập chịu tác động của động đất theo tiêu chuẩn EM của Hoa Kỳ [12] và phương pháp giả tĩnh

Trang 17

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới

Cách đây khoảng 4000 năm ở Trung Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện những công trình thủy lợi (đập, kênh mương và các công trình đơn giản khác ) Đập đầu tiên được xây dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m với

vật liệu là đá đổ và đất sét Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD)

tính đến năm 2000 trên toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có chiều cao H=10÷15m và có chiều dài L≥500m; hồ có dung tích W≥1.000.000m3 nước được xếp vào loại đập cao Số lượng hơn 45.000 đập phân bố không đều trên các châu lục

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập chiếm 48% số đập trên thế giới Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba

là Ấn Độ với 4.291 đập Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập Việt Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn

Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kê xây dựng đập từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất

là vào những năm 1950, đỉnh cao là năm 1970

Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15÷30m

chiếm khoảng 56,2%, cao từ 30÷150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có 0,1%

Các thống kê về thể loại đập của ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4% Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập

Trang 18

đất chỉ chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5% Điều đó

cho thấy, đập bê tông trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích

thước của đập lớn

Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ

thuật, lý luận tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình

dạng đập ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao

Thập kỷ 30÷40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H

bằng khoảng 0,9 Thập kỷ 50÷60 tỷ số B/H=0,8 Thập kỷ 70 B/H=0,7 Từ

thập kỷ 30÷70 thể tích đập giảm được (20÷30)%

Trên thế giới đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở

Tadikistan cao 335m, đập bê tông trọng lực Grande Dixence ở Thụy Sỹ cao

285m, đập vòm Inguri cao 271,5m ở Guzia, đập bê tông trọng lực Long Than

cao 216m ở Trung Quốc

Đập Grande Dixence cao 285m Đập Long Than cao 216m

Hình 1-1: Các đập cao trên thế giới

Trang 19

Bảng 1-1: Bảng thống kê các đập cao đã được xây dựng trên Thế giới

TT Tên đập Nước Chiều

+ Ưu điểm của đập bê tông trọng lực trong xây dựng và vận hành:

- Khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ an toàn và tin cậy cao khi phân tích tính toán kết cấu

- Khi vật liệu địa phương không đảm bảo các yêu cầu về vật liệu đắp đập

- Thời gian thi công nhanh, khi thi công xong biến dạng không đáng kể, công viêc duy tu, bảo dưỡng và quản lý dễ dàng

- Có thể xả lũ qua đập

+ Nhược điểm của đập bê tông trọng lực:

Trang 20

- Yêu cầu về vị trí đập, địa chất công trình là cao, nền phải là nền đá tốt

- Sử dụng nhiều thiết bị cơ giới hiện đại, giá thành cao hơn đập vật liệu địa phương

- Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như địa chất, nhiệt độ, biện pháp thi công nên dễ nứt nẻ

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Đập bê tông trọng lực đã và đang xây dựng ở Việt Nam ngày càng nhiều với quy mô ngày càng lớn Đập bê tông cũng như các công trình thủy lợi khác đang góp phần quan trọng trong công cuộc trị thủy và xây dựng đất nước

Quá trình xây dựng và vận hành đập được phân thành các thời kỳ:

- Từ những năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập bê

tông trọng lực nhưng chỉ là những đập thấp, chiều cao từ 5 đến 10m Các đập này có kết cấu đơn giản, thi công thủ công và chủ yếu do các kỹ sư người Pháp chỉ đạo thiết kế và thi công Về nguồn vật liệu thì chủ yếu nhập khẩu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào các cấp phối nghiên cứu ở nước ngoài, chưa

có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam

- Từ năm 1930 đến 1945 công trình thủy lợi có thêm một số đập bê tông trọng lực như đập Đô Lương (Nghệ An); đập dâng An Trạch (Quảng Nam) … Những công trình này vẫn là do người Pháp xây dựng

- Từ năm 1945 đến 1975 do đất nước đang chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng công trình thủy lợi vẫn bị hạn chế Tuy nhiên ngành thủy lợi cũng

có xây dựng được một số đập tràn thấp như đập thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cầm Sơn … với sự giúp đỡ của các nước Xã hội chủ nghĩa như Liên Xô, Trung Quốc

Trang 21

- Từ năm 1975 đến nay, các công trình thủy lợi xây dựng nhiều và đa dạng về hình thức Việc ứng dụng công nghệ thi công Bê tông đầm lăn tại Việt Nam cũng đang phát triển và áp dụng thành công ở một số công trình như Bình Định (Bình Định), Nước Trong (Quảng Ngãi), A Vương (Quảng Nam)… Tuy mới ứng dụng công nghệ Bê tông đầm lăn nhưng nước ta có nhiều thế mạnh để phát triển, tiếp thu được công nghệ của các nước đi trước trong đó Trung Quốc là nước đi đầu, có các đặc điểm tự nhiên tương tự nước

ta Tính đến năm 2013 với số lượng đập đã và đang xây dựng, nước ta sẽ đứng thứ 7 thế giới về tốc độ phát triển Bê tông đầm lăn

Bảng 1-2: Thống kê các đập BTĐL cao >50m ở Việt Nam tính đến năm 2013

Trang 22

TT Tên đập Địa điểm Chiều cao (m) Năm hoàn thành

20 Sông Tranh 2 Quảng Ngãi 100 2010

(Nguồn: Ths Nguyễn Hoài Nam, www.vncold.vn tổng hợp)

1.2 HÌNH DẠNG, KẾT CẤU ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC THƯỜNG DÙNG 1.2.1 Các yêu cầu khi thiết kế đập bê tông trọng lực

Khi thiết kế đập bê tông trọng lực, phải tuân theo các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế như sau:

- Đập phải thỏa mãn các nhiệm vụ thiết kế đặt ra (dâng nước, tràn nước, lợi dụng tổng hợp)

- Đập phải đảm bảo trong mọi điều kiện thi công, quản lý khai thác và sửa chữa

- Đập phải có độ bền, chống các tác động phá hoại của ngoại lực, tải trọng nhiệt, biến hình nền và ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo quy định

- Bố trí mặt bằng và kết cấu đập phải thỏa mãn các điều kiện thi công, quản lý, vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan

Trang 23

- Đập phải có tính hiện đại, áp dụng các công nghệ thiết kế, thi công và quản lý tiên tiến phù hợp với điều kiện tại chỗ và xu hướng phát triển của địa phương

- Giá thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ của nó và với các

điều kiện tại nơi xây dựng

1.2.2 Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực

Hình dạng mặt cắt thực tế của đập trọng lực tương đối đa dạng (hình cong hoặc hình đa giác), nhưng trong các nghiên cứu cũng như các tính toán thiết kế, các mặt cắt đập được quy về dạng mặt cắt tính toán có dạng tam giác

Xét mặt cắt cơ bản có chiều cao H; chiều rộng B; hình chiếu mái

thượng lưu là nB; hình chiếu mái hạ lưu (1-n)B (n<1) Các tải trọng tác dụng gồm trọng lượng bản thân G; áp lực nước nằm ngang và thẳng đứng tác dụng lên mái thượng lưu đập; áp lực thấm dưới đáy đập WR th Rvới α là hệ số giảm áp lực thấm nhờ tác dụng của màng chống thấm; áp lực đẩy nổi dưới đáy đập với

Trang 24

Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực cần đảm bảo ba điều kiện:

- Điều kiện ổn định: Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt và lật trên mặt cắt nguy hiểm nhất không nhỏ hơn trị số cho phép

- Điều kiện ứng suất: Khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu hoặc nếu có thì phải nhỏ hơn trị số cho phép; ứng suất nén chính ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số cho phép

- Điều kiện kinh tế: Đảm bảo khối lượng công trình là nhỏ nhất

1.2.3 Mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực

Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực mới chỉ xét đến tác dụng của các lực chủ yếu nhất Thực tế đập còn chịu ảnh hưởng của nhiều tải trọng khác như áp lực bùn cát, áp lực sóng, lực quán tính động đất Khi xét tới các lực đó đáy đập phải lớn hơn giá trị B tính trong mặt cắt cơ bản một số gia ΔB

Cấu tạo đỉnh đập cũng có sự thay đổi cho phù hợp với yêu cầu thực tế Đối với đập không tràn đỉnh rộng phải đủ rộng để đảm bảo yêu cầu về giao thông, đồng thời phải cao hơn mực nước max trong hồ để đảm bảo nước không tràn qua đỉnh đập Đối với đập tràn thì đỉnh đập được hạ xuống, mái đập hạ lưu thường có dạng cong, chân nối tiếp với công trình tiêu năng thường uốn cong theo một cùng tròn có bán kính R Thân đập cần có các đường ống để thoát nước thấm; các ống này có nhiệm vụ dẫn nước thấm từ mặt thượng lưu vào các hành lang để thoát xuống hạ lưu Các hành lang trong thân đập không chỉ có nhiệm vụ tập trung nước thấm trong thân đập mà còn

có nhiệm vụ để đặt các thiết bị quan trắc và kiểm tra tình hình làm việc của đập Hành lang sát nền thường dùng để khoan phụt màng chống thấm hoặc khoan các lỗ thoát nước ở nền

Hình dạng mặt cắt thực tế của đập phụ thuộc vào điều kiện nối tiếp giữa đập và nền hoặc với công trình khác cũng như phụ thuộc vào các biện

Trang 25

pháp đặc biệt như tạo các khe rỗng trong thân đập để giảm khối lượng đập, giải quyết vấn đề tỏa nhiệt của bê tông

1.2.4 Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực

1.2.4.1 Tính toán ổn định, độ bền của đập và nền đập theo trạng thái giới hạn

Việc tính toán ổn định được tiến hành tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất theo công thức:

1.2.4.2 Tính toán độ bền, ổn định của đập và nền đập theo hệ số an toàn

a) Hệ số an toàn trượt của đập

- Các đập được xây dựng trên nền đá: Đập trượt theo hình thức trượt phẳng, hệ số an toàn có thể tính theo nhóm các công thức chỉ xét đến lực ma sát hoặc lực cắt trên mặt phá hoại Tiến bộ trong tính toán đập hiện nay có nhóm các công thức xét đến hỗn hợp giữa phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại tổng thể

- Các đập xây dựng trên nền đất có thể xảy ra ba dạng trượt: Trượt phẳng, trượt sâu, và trượt hỗn hợp Hiện nay các hệ số ổn định trượt được tính theo quy phạm nền các công trình thủy công

b) Hệ số an toàn chống lật

Đập bê tông trọng lực khi có độ lệch tâm lớn có khả năng lật quanh điểm thấp nhất ở bản đáy của đập Hệ số an toàn chống lật tính theo công thức:

cl gl

M K

M

= ∑

Trang 26

c) Hệ số an toàn về cường độ

Hệ số an toàn về cường độ của đập được tính theo trạng thái giới hạn

K σ σ

1.2.5 Các tổ hợp tải trọng tính toán

1.2.5 1 Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực

- Trọng lượng đập và các thiết bị đặt trên đó

- Áp lực thủy động, thủy tĩnh phía thượng lưu (T, P),

- Tác dụng của nhiệt độ trong thời kỳ thi công

- Ảnh hưởng của biến hình nền

Hình 1-3 : Sơ đồ lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực

Trang 27

1.2.5 2 Các tổ hợp lực dùng trong tính toán

a) Tổ hợp lực cơ bản

Tổ hợp lực cơ bản bao gồm các trọng lượng thường xuyên hoặc định kỳ tác dụng lên đập, như trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt lên trên đập, áp lực nước với MNDBT, áp lực sóng, gió với vận tốc gió bình thường (VR bqmax R), lực thấm, đẩy nổi và áp lực bùn cát

1.3.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất

là Δ) Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm (còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D)

Trang 28

Chấn tiêu ở độ sâu từ 300 – 700 km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình từ 60 – 300 km, chấn tiêu bình thường < 60 km, chấn tiêu nông < 15 km Chấn tiêu sâu nhất đo được là 720 km ở Florida (Hoa Kỳ)

Động đất có sức tàn phá lớn nhất là động đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi tích lũy

Trang 29

Hình1-4 : Biểu đồ gia tốc và chuyển vị của nền theo thời gian

1.3.1.4 Gia tốc cực đại

Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất trong trận động đất đó Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan trọng, được dùng trong tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay

Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không dễ dàng

vì thiếu bản đồ gia tốc động đất mạnh và do tính đa dạng của dao động địa chấn Vì thế người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất

đã có để thiết lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung bình

và các đặc trưng khác của động đất

1.3.2 Ảnh hưởng của động đất tới công trình

Động đất là một thiên tai đặc biệt nguy hiểm đe dọa nhiều khu vực trên trái đất Trên đất liền, động đất gây trượt lở trong vùng núi, gây biến dạng mặt đất nơi đồng bằng, làm biến mất hoặc tạo thành các hồ và đầm lầy Ngoài biển, động đất mạnh làm thay đổi địa hình đáy biển, gây ra sóng thần, tàn phá các vùng gần biển

Chấn động động đất gây phá hủy nhà cửa và các công trình, tàn phá các thành phố, cướp đi của cải và sinh mạng của nhân loại

Trang 30

Nguyên nhân của động đất rất phức tạp, có thể rất khác nhau: hoạt động kiến tạo, núi lửa, sập hang động ở vùng carster, các vụ nổ…Nhưng với quan điểm công trình thì người ta quan tâm nhất tới động đất kiến tạo, tức là động đất liên quan tới sự tích lũy và giải phóng năng lượng trong một phần rộng lớn của vỏ trái đất gây ra bởi sự chuyển động liên tục của các địa khối (vận động kiến tạo) Người ta quan tâm nhất tới dạng động đất này bởi lẽ nó có khả năng lặp lại thường xuyên, giải phóng một năng lượng lớn và tác động trên một diện rộng Có nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế phát sinh động đất kiến tạo nhưng ngày nay, quan điểm được thừa nhận rộng rãi nhất và được chứng minh đầy đủ bằng quan sát thực tế là quan điểm cho rằng động đất kiến tạo phát sinh do dịch chuyển đột ngột của các khối theo các đứt gãy địa chất Trong các trận động đất mạnh, dịch chuyển ấy bắt đầu từ một điểm nhất định

và lan truyền nhanh chóng theo chiều dài đứt gãy

Năng lượng của động đất là rất lớn Ví dụ để có năng lượng sóng địa chấn tương đương với năng lượng của động đất với manitude MI=7,3 cần phải nổ một quả bom khoảng 50 megaton

Động đất có tác động tới công trình được coi như là tải trọng động đất, tải trọng đặc biệt Động đất tác động trực tiếp vào công trình do dao động nền tạo ra lực quán tính động đất, làm tăng áp lực nước, áp lực bùn cát…gây nên

sự biến đổi về trị số, sự phân bố ứng suất bất lợi cho công trình

1.3.3 Tình hình động đất trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.3.1 Tình hình động đất trên thế giới

Động đất là sự rung chuyển hay sự chuyển động rung lắc của mặt đất Nguyên nhân nội sinh do liên quan đến vận động phun trào núi lửa, các vận động kiến tạo, các hoạt động đứt gãy Nguyên nhân ngoại sinh do thiên thạch

va chạm vào trái đất, do các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn Động đất xẩy ra cũng có thể do con người với các hoạt động làm thay đổi ứng suất đá

Trang 31

gần bề mặt hoặc áp suất hóa lỏng, đặc biệt là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất

Trái đất luôn chuyển động và động đất xẩy ra khi ứng suất tại đó vượt quá sức chịu đựng của thể chất trái đất, do đó động đất xảy ra hàng ngày trên trái đất nhưng hầu hết không đáng chú ý và không gây thiệt hại lớn Tuy nhiên với những trận động đất lớn sẽ gây ra những thiệt hại vô cùng lớn Trên thế giới đã xẩy ra nhiều trận động đất lớn ,gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản

Trận động đất lớn nhất ở Chile, có cường độ tới 9,5 độ Richter, xảy ra vào ngày 22/5/1960 khiến 1.655 người thiệt mạng và 2 triệu người mất nhà cửa Sóng thần mà nó gây nên đã khiến người dân ở Hawaii, Philippines và Nhật Bản thiệt mạng và gây thiệt hại ở vùng bờ biển phía tây nước Mỹ Trận động đất dữ dội nhất tại Haiti trong 200 năm qua làm rung chuyển Haiti vào ngày 12/1/2010 có cường độ 7 độ Richter, với tâm chấn nằm cách thủ đô Port

au Prince khoảng 25 km về phía tây Một loạt các dư chấn sau đó đã được ghi nhận, trong đó có 14 dư chấn có cường độ 5- 5,9 độ Richter Khoảng 3 triệu người đã bị ảnh hưởng bởi trận động đất Ngày 26/12/2004, một trận động đất mạnh 9,2 độ Richter làm rung chuyển đáy biển Ấn Độ Dương, tạo ra sức mạnh tương đương 23.000 quả bom nguyên tử Cơn động đất mạnh nhất trong

40 năm đã tạo ra một cơn sóng thần khủng khiếp, với những con sóng khổng

lồ cao 15 m, tràn vào bờ biển của 11 nước Hàng trăm người bị lôi ra biển trong khi những người khác chết chìm trong các ngôi nhà Theo thống kê chính thức, gần 227.900 người đã chết trong thảm họa này Và mới đây nhất, trưa ngày 11/3/2011, một cơn động đất mạnh 9 độ Richter tấn công vùng ven biển đông bắc Nhật Bản Sau đó một cơn sóng thần trùm lên ba tỉnh đông bắc của Nhật Bản Hơn 20.000 người đã chết hoặc mất tích chỉ trong khoảnh khắc

Trang 32

Hình 1-5: Trận động đất kèm theo sóng thần ngày 11/3/2011 tại Nhật Bản

1.3.3.2 Tình hình động đất ở Việt Nam

Trong lịch sử từ năm 114 đến năm 2003 Việt Nam đã ghi nhận được

1645 trận động đất mạnh từ 3,5 độ Richter trở lên Đó là trận động đất cấp 8 xảy ra vào năm 114 ở bắc Đồng Hới, các trận động đất cấp 7, cấp 8 xảy ra ở

Hà Nội vào các năm 1277, 1278, 1285 ; động đất cấp 8 ở khu vực Yên Định - Vĩnh Lộc - Nho Quan vào năm 1635 ; động đất cấp 8 vào năm 1821 ở Nghệ

An, cấp 7 ở Phan Thiết vào các năm 1882, 1887… Trận động đất lớn nhất ở Việt Nam trong vòng 100 năm qua là trận động đất 6,8 độ Richter ở Tây Nam

- Điện Biên Phủ vào năm 1935 với cấp động đất bề mặt là 8÷9 Tiếp theo là trận động đất 6,7 độ Richter ở Tuần Giáo năm 1983 làm nhiều nhà sụp đổ và gây thiệt hại lớn về người

Trang 33

Bảng 1-3: Thống kê các trận động đất ở Việt Nam

1935 Điện Biên 6,8 Độ sâu chấn tiêu 25km,

làm chết 18 người

1968 Nhã Nam, Yên Thế 5,5

1983 Lai Châu 6,7 Chiều sâu chấn tiêu 23km,

làm chết 61 người

2001 Biên giới Việt - Lào 5,3

Những kết quả nghiên cứu quy luật biểu hiện động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam đều có điểm chung là mạnh chỉ xảy ra trên những đới đứt gãy sâu hoạt động phân chia các đơn vị cấu trúc Cũng qua nghiên cứu các nhà khoa học đã phát hiện Thủ đô Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy, nơi xảy ra các trận động đất mạnh 5,1÷5,5 độ Richter Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà nội là 1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (1285) Hiện Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất có thể xảy ra Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La

Một kiểu động đất ở Việt Nam là tiếp nhận năng lượng từ vận động dồn mảng giữa mảng Ấn Độ Dương (có phần Đại Dương và phần tiểu lục địa Ấn Độ) xô vào mảng châu Á Các nhà địa chấn học theo thuyết "kiến tạo mảng"

đã chứng minh rằng hầu hết biến động của lục địa châu Á ngày nay có liên quan đến hành vi của đới ranh giới giữa hai mảng thạch quyển nói trên Đới này có hình vòng cung từ nơi tiếp giáp giữa tiểu lục địa Ấn Độ với dãy Himalaya, vòng xuống vùng biển phía Tây bán đảo Mã Lai rồi chạy xuống biển phía Tây Nam các đảo Sumatra và Java của Indonesia, là nơi xảy ra động

Trang 34

đất Aceh tạo ra thảm hoạ sóng thần ở Ấn Độ Dương vừa qua Vì mối liên hệ này, các biến vị nội lục địa ở châu Á luôn gắn liền nhưng xảy ra muộn hơn các biến vị của đới ranh giới mảnh nói trên Nên sau động đất Aceh, đã xảy ra dồn dập các động đất yếu hơn, muộn hơn và phân tán trên lãnh thổ Việt Nam Thời gian lan truyền và giải toả năng lượng này còn tiếp diễn và động đất còn

có thể xuất hiện ở nước ta trong thời gian tới

Vùng Tây Bắc là nơi xảy ra động đất nhiều nhất ở Việt Nam Đứt gãy Điện Biên - Lai Châu và Điện Biên - Sơn La có thể gây ra động đất nguy hiểm nhất Việt Nam Sau đó là đứt gãy sông Mã có thể gây ra động đất cấp 9 Đứt gãy sông Hồng có thể gây ra động đất cấp 8 Các đứt gãy khác có thể gây

ra động đất cấp 7 trở xuống Miền Nam nước ta là nơi có động đất yếu và ít gây hại

Dựa trên các tài liệu phân vùng động đất của trung tâm địa lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt Nam những vùng có khả năng động đất mạnh có liên quan đến đặc điểm kiến tạo, mỗi vùng gắn liền với một đới đứt gãy sâu

và các thông số địa chấn, cụ thể như sau:

- Vùng Đông Bắc trung Hà Nội : Cấp 7

- Vùng Sông Hồng, Sông Chảy : Cấp 7-8

Trang 35

Bảng 1-4: Thông số cơ bản của các vùng nguồn phát sinh động đất mạnh ở

miền Bắc Việt Nam

Trang 36

CHƯƠNG 2

BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực nhằm mục đích xác định trị số, phương, chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và các nhân tố khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân giai đoạn thi công của thân đập Trên cơ sở đó tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập để xác định các số hiệu bê tông khác nhau, phù hợp với điều kiện chịu lực của từng vùng, bố trí, cấu tạo các

bộ phận công trình thích ứng với điều kiện làm việc của chúng

Khi tính toán xem vật liệu làm việc trong miền đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất

và biến dạng là tuyến tính Ứng suất, biến dạng của đập không chỉ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên đập, ảnh hưởng của nền đập… mà còn phụ thuộc vào tọa độ x,y của từng điểm khác nhau trong thân đập; giữa chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các phương trình cân bằng, phương trình hình học, phương trình vật lý gọi chung là các phương trình cơ bản

Trang 37

2 1.1 Phương trình cân bằng tĩnh Navier

Phương trình cân bằng tĩnh Navier là phương trình liên hệ giữa các thành phần ứng suất với nhau:

0 0 0

ε = ∂

∂ ; y

v y

ε =∂

∂ ;

w

z z

Trang 38

{ }=[D] { } ε − σ (2-5)

với { } ε là véctơ biến dạng; { } σ là véc tơ ứng suất; 1

[D]− là ma trận các hằng số đàn hồi

{ }=

x y z xy zx yz

ε ε ε ε γ γ γ

σ σ σ σ τ τ τ

- GR i Rlà môđun đàn hồi trượt

2 2.1 Các trường hợp tính toán

Việc tính toán ứng suất trong thân đập được tiến hành theo các trường hợp sau:

2.2.1.1 Trường hợp khai thác

Trang 39

Đập làm việc dưới điều kiện tác dụng của hai tổ hợp lực:

+ Tổ hợp lực cơ bản

+ Tổ hợp lực đặc biệt

2.2.1.2 Trường hợp thi công

Đập vừa thi công xong, hồ chưa có nước tác dụng Trong thực tế có nhiều công trình người ta tiến hành khai thác ngay trong thời gian thi công, cột nước trước đập chỉ dâng đến một độ cao nào đó, trường hợp này cũng cần tiến hành xem xét

2.2.1.3 Trường hợp sửa chữa

Tính toán ứng suất thân đập được tiến hành trong phạm vi bài toán phẳng nghĩa là chúng ta khảo sát một đoạn đập có chiều dài đơn vị, bỏ qua ảnh hưởng của các lực tác dụng theo phương song song với trục đập

2.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả dùng phần mềm SAP2000 để tính toán ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực chịu tác động của động đất Phần mềm SAP2000 dựa trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn theo mô hình chuyển vị

2.2.2.1 Cơ sở của phương pháp

Trang 40

Không làm nhiễu các điều kiện ràng buộc trên biên SR U R, nghĩa là trên biên này không có: δU = 0 (2-7)

Trong các biểu thức (2-8) và (2-9), tích phân đầu tiên biểu thi công khả

dĩ của nội lực và hai tích phân sau biểu thị công khả dĩ của ngoại lực Như vậy, khi vật cân bằng và có chuyển vị khả dĩ như đã được mô tả, thì tổng công khả dĩ nội lực và ngoại lực sẽ bằng 0

Bên cạnh nguyên lý công khả dĩ (2-9) còn nguyên lý công bù khả dĩ Xét một vật nằm trong trạng thái cân bằng có thể tích V, chịu tác dụng của tải trọng gồm lực thể tích và lực bề mặt trên biên SR P R với các điều kiện ràng buộc

về chuyển vị trên biên SR U R như đã được mô tả ở trên Giả sử có một trường ứng suất khả dĩ δσ δσ δσ δτ δτ δτx, x, x, xy, yz, zx không làm nhiễu các điều kiện cân bằng ở trong vật và trên biên SR P R, nghĩa là: