Nghiên cứu lựa chọn kích thước của bản mặt bê tông trong đập đá đổ bê tông bản mặt sông cạn

LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập làm luận văn, nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, nỗ lực cố gắng học tập, nghiên cứu tìm tịi, tích lũy kinh nghiệm thực tế thân đến đề tài “Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt bê tơng đập đá đổ bê tông mặt Sông Cạn” tác giả hoàn thành thời hạn quy định Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo T.S Nguyễn Kiên Quyết PGS.TS Nguyễn Quang Hùng tận tình hướng dẫn, bảo cung cấp thông tin khoa học cần thiết trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo cán cơng nhân viên Phịng Đào tạo Đại học & Sau đại học, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả suốt trình thực luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện đào tạo & Khoa học ứng dụng miền Trung – nơi tác giả cơng tác; gia đình, bạn bè & đồng nghiệp động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn thời hạn Do hạn chế thời gian, kiến thức khoa học kinh nghiệm thực tế thân tác giả cịn nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Ninh Thuận năm 2017 HỌC VIÊN Lưu Văn Kiên i BẢN CAM KẾT Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn, kết nghiên cứu Luận văn trung thực, chưa người công bố cơng trình khác HỌC VIÊN Lưu Văn Kiên ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục đích đề tài III Cách tiếp cận phương pháp thực IV Kết đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ 1.1 Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông mặt giới 1.2 Tình hình xây dựng đập đá đổ mặt bê tông việt nam 1.3 Những thành tựu, tồn xây dựng đập đá đổ bê tông mặt Việt Nam………………………………………………………………………………… 11 1.3.1 Những thành tựu 11 1.3.2 Những tồn 11 1.4 Những vấn đề kĩ thuật thiết kế đập đá đổ bê tông mặt 12 1.4.1 Phân loại đập đá đổ bê tông mặt 12 1.4.1.1 Phân loại theo vật liệu đắp đập 12 1.4.1.2 Phân loại theo chiều cao đập 13 1.4.1.3 Phân loại theo cấp cơng trình 13 1.4.2 Cấu tạo phận đập đá đổ bê tông mặt 14 1.4.3 Điều kiện xây dựng đập CFRD 15 1.4.4 Vật liệu xây dựng đập 18 1.4.4.1 Vật liệu làm lớp đệm vùng chuyển tiếp 18 1.4.4.2 Vật liệu đá đắp thân đập 19 1.4.5 Vấn đề ổn định trượt 20 1.4.6 Vấn đề ứng suất - biến dạng 21 1.4.7 Vấn đề thấm 21 1.4.8 Giải pháp kháng chấn cho thân đập vùng có địa chấn 21 1.5 Tình hình chịu lực đặc điểm mặt bê tông [2] 22 1.6 Kết luận chương 24 1.6.1 Ưu điểm đập đá đổ bê tông mặt 24 1.6.2 Nhược điểm đập đá đổ bê tông mặt 24 1.6.3 Kết luận 25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐẬP ĐÁ ĐỔ BÊ TƠNG BẢN MẶT 26 2.1 Các phương pháp chủ yếu tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng cho CFRD 26 2.1.1 Các phương pháp tính tốn ứng suất- biến dạng 26 2.1.2 2.2.2 Phương pháp tính tốn lựa chọn để phân tích luận văn 27 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn [3] 27 2.2.1 Trình tự giải tốn phương pháp PTHH 28 iii 2.2.2 Giải toán phân bố ứng suất-biến dạng thân đập mặt bê tông phương pháp PTHH 29 2.2.2.1 Các giả thiết phiến hàm 29 2.2.2.2 Phần tử tứ diện hàm xấp xỉ bậc 31 2.2.2.3 Phần tử hình chữ nhật 34 2.3 Tổng quan phần mềm SAP2000 [4] 37 2.3.1 Phần mềm SAP2000 ưu điểm 37 2.3.2 Bài tốn hình khối (Solid) 38 2.3.2.1 Khái niệm toán khối 38 2.3.2.2 Một số quy ước phần tử khối 38 2.3.3 Trình tự giải toán kết cấu SAP2000 V14 40 2.4 Kết luận chương 40 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC BẢN MẶT VÀ ÁP DỤNG CHO ĐẬP SÔNG CẠN 41 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nhân tố tới đập mặt 41 3.1.1 Mơ hình tính tốn 41 3.1.2 Tải trọng tổ hợp tải trọng 42 3.1.3 Ảnh hưởng chiều cao đập 42 3.1.3.1 Các tham số tính tốn 42 3.1.3.2 Kết tính tốn 42 3.1.4 Ảnh hưởng nhân tố 46 3.1.4.1 Các tham số tính tốn 46 3.1.4.2 Kết tính toán 47 3.1.5 Ảnh hưởng mái đập 51 3.1.5.1 Các tham số tính tốn 51 3.1.5.2 Kết tính tốn 52 3.2 Xây dựng mối tương quan chiều rộng mặt chiều cao đập 56 3.2.1 Các tham số tính toán 56 3.2.2 Kết tính tốn 57 3.3 Áp dụng cho đập đá đổ bê tông mặt Sông Cạn 60 3.3.1 Giới thiệu cơng trình [5] 60 3.3.1.1 Vị trí địa lý 60 3.3.1.2 Nhiệm vụ 60 3.3.1.3 Quy mơ cơng trình 60 3.3.1.4 Chỉ tiêu lý đá đắp đập 62 3.3.2 Tính tốn lựa chọn kích thước mặt 62 3.3.2.1 Phạm vi tính tốn 62 3.3.2.2 Tham số hình học sơ đồ tính tốn 62 3.3.2.3 Phân tích kết tính tốn 64 3.4 Kết luận chương 67 iv KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 Những kết đạt luận văn 68 Những kết luận luận văn 68 Những tồn luận văn 69 Những kiến nghị luận văn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Tồn cảnh đập Cirata cao 125m – Inđơnêxia Hình 1.2 Mặt cắt đập Cirata cao 125m Hình 1.3 Đập Kanaviou - Cyprus Hình 1.4 Tồn cảnh đập Toulnustouc cao 77m - Canada Hình 1.6 Tồn cảnh thuỷ điện Tun Quang nhìn từ hạ lưu Hình 1.7 Mặt cắt đại điện cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện Cửa Đạt 10 Hình 1.8 Vai phải đập đá đổ bê tông Bản mặt Cửa Đạt tháng 2/2008 10 Hình 1.9 Mặt cắt ngang thân đập đắp đá cứng 12 Hình 1.10 Mặt cắt ngang thân đập đắp cuội sỏi 12 Hình 1.11 Mặt cắt ngang điển hình đập đá đắp bê tông mặt 14 Hình 1.12 Bố trí vùng tầng đệm đặc biệt 15 Hình.1.13 Khớp nối dọc bị ép vỡ đập Mohale (Lesotho, Châu Phi) 23 Hình 2.1 Màn hình khởi động phần mềm SAP2000 37 Hình 2.2 Phần tử khối SAP2000 38 Hình Phần tử khối SAP2000 39 Hình 2.4 Phần tử khối mặt khối mặt 39 Hình 3.1 Sơ đồ tính tốn cho một dải mặt khối đá đổ 41 Hình 3.2 Mơ hình tính tốn cho một dải mặt khối đá đổ 41 Hình 3.3 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với chiều cao đập 40m 43 Hình 3.4 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với chiều cao đập 60m 44 Hình 3.5 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với chiều cao đập 80m 45 Hình 3.6 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất mặt mặt mặt 46 Hình 3.7 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH có E = 2*104 T/m2 48 Hình 3.8 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH có E = 1*105 T/m2 49 Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH có E = 1,8*105 T/m2 50 Hình 3.10 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất mặt mặt mặt.51 vi Hình 3.11 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH hệ số mái mTL=1,30; m=1,25 53 Hình 3.12 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH hệ số mái mTL=1,40; m=1,35 54 Hình 3.13 Biểu đồ ứng suất mặt mặt mặt ứng với TH hệ số mái mTL=1,50; m=1,45 55 Hình 3.14 Biểu đồ tỷ lệ chênh lệch ứng suất mặt mặt mặt.56 Hình 3.15 Biểu đồ ứng suất S11 lớn 58 Hình 3.16 Biểu đồ ứng suất S22 lớn 58 Hình 3.17 Biểu đồ ứng suất S33 lớn 59 Hình 3.18 Cắt ngang đập điển hình 61 Hình 3.19 Cắt ngang đập điển hình 63 Hình 3.20 Phổ màu ứng suất S1 64 Hình 3.21 Phổ màu ứng suất S2 64 Hình 3.22 Phổ màu ứng suất S3 65 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Một số đập giới cao 100m Bảng 1-2 Đập đá đổ mặt xây dựng cao 100m Trung Quốc Bảng 1-3 Cấp cơng trình theo chiều cao đập tính chất [1] 13 Bảng 1-4 Tên đất đá theo phân loại Nga 16 Bảng 1-5 Sức kháng nén vật liệu đá ứng với chiều cao đập 19 Bảng 1-6: Hệ số mềm hóa cho phép vật liệu đá 20 Bảng 3-1 Tham số hình học đập 42 Bảng 3-3 Ứng suất dọc mặt ứng với TH1.1 (Hđ = 40m) 43 Bảng 3-4 Ứng suất dọc mặt ứng với TH1.2 (Hđ = 60m) 43 Bảng 3-5 Ứng suất dọc mặt ứng với TH1.3 (Hđ = 80m) 44 Bảng 3-6 Chênh lệch ứng suất mặt mặt 45 Bảng 3-7 Tham số hình học đập 46 Bảng 3-8 Chỉ tiêu lý vật liệu đập 47 Bảng 3-9 Ứng suất dọc mặt ứng với TH2.1 có E = 2*104 T/m2 47 Bảng 3-10 Ứng suất dọc mặt ứng với TH2.2 có E = 1*105 T/m2 48 Bảng 3-11 Ứng suất dọc mặt ứng với TH2.3 có E = 1,8*105 T/m249 Bảng 3-11 Chênh lệch ứng suất mặt mặt 50 Bảng 3-12 Tham số hình học đập 51 Bảng 3-13 Chỉ tiêu lý vật liệu đập 52 Bảng 3-15 Ứng suất dọc mặt ứng với TH3.2 hệ số mái mTL=1,40; mHL =1,35 53 Bảng 3-16 Ứng suất dọc mặt ứng với TH3.3 hệ số mái mTL=1,50; mHL=1,45 54 Bảng 3-17 Chênh lệch ứng suất mặt mặt 55 Bảng 3-18 Tham số hình học đập 56 Bảng 3-20 Ứng suất lớn 57 Bảng 3-21 Chỉ tiêu lý đá đắp đập 62 Bảng 3-22 Tham số hình học đập 63 Bảng 3-23 Ứng suất dọc mặt 65 viii BẢNG VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ALN: Áp lực nước BNNPTNT: Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn CFRD (Concrete Face Rockfill Dams): Đập đá đổ bê tông mặt DEAD: Trọng lượng thân PTHH: Phần tử hữu hạn QCVN: Quy chuẩn Việt Nam ƯSBD: Ứng suất biến dạng VLĐP: Vật liệu địa phương ix MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Các đập đá đổ nước ta giới thường xây dựng hình thức: thân đập đá đổ chống thấm tường nghiêng lõi đất sét bê tông atphal Tuy nhiên nguồn vật liệu làm kết cấu chống thấm khan vùng thời tiết không thuận, mưa nhiều, yêu cầu tiến độ thi cơng nhanh, cần giảm cơng trình dẫn dịng cách cho tràn qua mặt đập xây dở, … hình thức đập đá đổ chống thấm lõi tường nghiêng khơng cịn phù hợp mà thay vào đập đá đổ chống thấm lớp bê tông mặt Đập đá đổ chống thấm bê tông mặt (Concrete Face Rockfill Dams) xây dựng vào năm 1985 Mỹ, dần thay đập đá đổ truyền thống Với ưu điểm bật mình, ứng dụng rộng rãi nước phát triển từ lâu, đặc biệt Trung Quốc, Nga, Mỹ ngày hồn thiện phương pháp tính tốn phương pháp xây dựng Ưu điểm loại đập thi công nhanh, giảm khối lượng đắp đập, áp dụng cho đập có chiều cao lớn, cho nước tràn qua mặt đập xây dựng, chủ động thi công nên rút ngắn thời gian xây dựng cơng trình, giảm giá thành đạt hiệu kinh tế Tuy nhiên để đảm bảo chất lượng lợi CFRD địi hỏi trình độ tổ chức thi cơng cao, trang thiết bị xe máy phải đồng bộ, đồng thời công tác khảo sát, thiết kế phải đáp ứng yêu cầu khắt khe, đặc biệt việc xử lý đắn chân phân khe dọc mặt nhằm đảm bảo việc kín nước ổn định bền vững mặt bị chuyển dịch biến dạng Đập đá đổ bê tông mặt loại hình thức đập tương đối Việt Nam Trong tính tốn thiết kế loại hình đập điều quan trọng chủ yếu khống chế biến dạng mặt bê tông nhằm đảm bảo an toàn chống thấm độ bền tránh phát sinh vết nứt Tuy nhiên vấn đề đặt tính tốn kỹ thuật, thơng thường quan niệm mặt bê tông ngàm chặt vào tựa lên khối đá đổ đầm chặt theo u cầu Chính nên q trình làm việc xảy tượng chuyển vị không loại vật liệu khác Chính chuyển vị không dẫn Phụ lục 1: Phổ màu ứng suất mặt chiều cao (H) đập thay đổi Ứng suất S11 – mặt – H = 40m Ứng suất S22 – mặt – H = 40m Ứng suất S33 – mặt – H = 40m Ứng suất S11 – mặt – H = 40m Ứng suất S22 – mặt – H = 40m Ứng suất S33 – mặt – H = 40m 72 Ứng suất S11 – mặt – H = 60m Ứng suất S22 – mặt – H = 60m Ứng suất S33 – mặt – H = 60m Ứng suất S11 – mặt – H = 60m Ứng suất S22 – mặt – H = 60m Ứng suất S33 – mặt – H = 60m 73 Ứng suất S11 – mặt – H = 80m Ứng suất S22 – mặt – H = 80m Ứng suất S33 – mặt – H = 80m Ứng suất S11 – mặt – H = 80m Ứng suất S22 – mặt – H = 80m Ứng suất S33 – mặt – H = 80m Phụ lục 2: Phổ màu ứng suất mặt độ cứng (E) thay đổi 74 Ứng suất S11 – mặt trên–E = 2*104 T/m2 Ứng suất S22 – mặt trên–E = 2*104 T/m2 Ứng suất S33 – mặt trên–E = 2*104 T/m2 Ứng suất S11 – mặt dưới–E = 2*104 T/m2 Ứng suất S22 – mặt dưới–E = 2*104 T/m2 Ứng suất S33 – mặt dưới–E = 2*104 T/m2 75 Ứng suất S11 – mặt trên–E = 1*105 T/m2 Ứng suất S22 – mặt trên–E = 1*105 T/m2 Ứng suất S33 – mặt trên–E = 1*105 T/m2 Ứng suất S11 – mặt dưới–E = 1*105 T/m2 Ứng suất S22 – mặt dưới–E = 1*105 T/m2 Ứng suất S33 – mặt dưới–E = 1*105 T/m2 76 Ứng suất S11–mặt trên–E = 1,8*105 T/m2 Ứng suất S22–mặt trên–E = 1,8*105 T/m2 Ứng suất S33–mặt trên–E = 1,8*105 T/m2 Ứng suất S11–mặt dưới–E =1,8*105 T/m2 Ứng suất S22–mặt dưới–E = 1,8*105 T/m2 Ứng suất S33–mặt dưới–E =1,8*105 T/m2 77 Phụ lục 3: Phổ màu ứng suất mặt hệ số mái đập thay đổi Ứng suất S11–mặt trên-mtl=1,30;mhl=1,25 Ứng suất S22–mặt trên–mtl=1,30;mhl=1,25 Ứng suất S33–mặt trên–mtl=1,30;mhl=1,25 Ứng suất S11– mặt –mtl=1,30;mhl=1,25 Ứng suất S22– mặt –mtl=1,30;mhl=1,25 Ứng suất S33– mặt –mtl=1,30;mhl=1,25 78 Ứng suất S11–mặt trên-mtl=1,40;mhl=1,35 Ứng suất S22–mặt trên– mtl=1,40;mhl=1,35 Ứng suất S33–mặt trên– mtl=1,40;mhl=1,35 Ứng suất S11– mặt – mtl=1,40;mhl=1,35 79 Ứng suất S22–mặt – mtl=1,40;mhl=1,35 Ứng suất S33–mặt – mtl=1,40;mhl=1,35 Ứng suất S11–mặt trên-mtl=1,50;mhl=1,45 Ứng suất S22–mặt trên– mtl=1,50;mhl=1,45 Ứng suất S33–mặt trên– mtl=1,50;mhl=1,45 Ứng suất S11– mặt – mtl=1,50;mhl=1,45 80 Ứng suất S22–mặt – mtl=1,50;mhl=1,45 Ứng suất S33–mặt – mtl=1,50;mhl=1,45 Phụ lục 4: Phổ màu ứng suất mặt xét đến mối tương quan bề rộng mặt chiều cao đập (H=40m) Ứng suất S11 – b = 12m Ứng suất S22 – b = 12m 81 Ứng suất S33 – b = 12m Ứng suất S11 – b = 15m Ứng suất S22 – b = 15m Ứng suất S33 – b = 15m Ứng suất S11 – b = 18m Ứng suất S22 – b = 18m 82 Ứng suất S33 – b = 18m Phụ lục 5: Phổ màu ứng suất mặt xét đến mối tương quan bề rộng mặt chiều cao đập (H=60m) Ứng suất S11 – b = 12m Ứng suất S22 – b = 12m 83 Ứng suất S33 – b = 12m Ứng suất S11 – b = 15m Ứng suất S22 – b = 15m Ứng suất S33 – b = 15m Ứng suất S11 – b = 18m Ứng suất S22 – b = 18m 84 Ứng suất S33 – b = 18m Phụ lục 6: Phổ màu ứng suất mặt xét đến mối tương quan bề rộng mặt chiều cao đập (H=80m) Ứng suất S11 – b = 12m Ứng suất S22 – b = 12m Ứng suất S33 – b = 12m Ứng suất S11 – b = 15m 85 Ứng suất S22 – b = 15m Ứng suất S33 – b = 15m Ứng suất S11 – b = 18m Ứng suất S22 – b = 18m Ứng suất S33 – b = 18m 86 ... hợp đập Đập đá đắp bê tơng mặt dạng đập nhóm đập đá đổ 1.1 Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông mặt giới Đập đá đổ mặt bê tơng có lịch sử phát triển từ lâu đời, cách khoảng kỷ nước nghiên cứu. .. XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ 1.1 Tình hình xây dựng đập đá đổ bê tông mặt giới 1.2 Tình hình xây dựng đập đá đổ mặt bê tông việt nam 1.3 Những thành tựu, tồn xây dựng đập đá đổ bê tông mặt Việt... Vì đập đá đổ xây dựng đá (yêu cầu cao đập đất) hiểu đập cấp đặc biệt, I, đập cao, đập cấp II, III loại vừa, đập cấp IV đập thấp 13 1.4.2 Cấu tạo phận đập đá đổ bê tông mặt Đập đá đắp bê tông mặt