Nghiên cứu ổn định của đập bê tông trọng lực khi bị nước tràn qua đỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN VĂN HINH NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI BỊ NƯỚC TRÀN QUA ĐỈNH Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 605840 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Văn Mạo Hà Nội – 2012 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC 1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông giới Đập trọng lực giới đập Jawa xây dựng Jordan khoảng 3000 năm trước Công nguyên Đập Jawa có chiều cao 4,5m, dài 50m tạo thành hồ chứa cung cấp nước cho khoảng 2000 người Đến năm 54-64 trước Công nguyên, Subiaco nước Ý, người ta xây đập cao 50m, rộng 13.5m, dài 80m Đây đập trọng lực cao xây dựng vào thời La Mã tồn đến năm 1305 Tới năm 284 sau Cơng ngun, có nhiều đập xây dựng, người La Mã xây đập tạo hồ chứa lớn thời Homs Syria Đập có chiều cao 7m, rộng 14m, dài 2000m tạo thành hồ chứa với dung tích 90 triệu m3 Hình 1.1 Đập Cornavol người La Mã xây dựng cách 2000 năm Đập bê tông trọng lực áp dụng rộng rãi từ năm 30 kỷ 20, nhiều đập cao xây dựng với mục đích cấp nước, phát điện, … vấn đề ổn định đập vấn đề quan tâm tiến hành xây dựng đập lớn Đập Chambon xây dựng từ năm 1929-1934 sông Romanche miền tây nam nước Pháp có chiều cao 136,7m đập bê tơng trọng lực cao châu Âu thời Đập có chiều rộng đỉnh 5m, chiều rộng chân đập 70m tạo nên hồ chứa với dung tích 51 triệu m3 Hình 1.2 Đập Chambon Pháp Đập bê tông trọng lực cao đập Grand Dixence khởi cơng năm 1951 hồn thành năm 1962 Swiss Apls với chiều cao 285m Thời kỳ năm 1950 đến 1982 số lượng đập lớn tăng nhanh với khoảng 5000 đập lớn xây dựng toàn giới, tập trung chủ yếu khu vực Bắc Mỹ châu Âu Hình 1.3 Đập Grande Dixence, Thụy Sỹ - Đập bêtông cao giới 285m Theo thống kê hội đập lớn giới (ICOLD), tính đến năm 2011 giới có khoảng 52.000 đập lớn phân bố 140 nước Năm nước đứng đầu giới xây dựng đập Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha Nhật Bản Số lượng đập nước chiếm 80% tổng số đập lớn giới Chỉ riêng Trung Quốc kỷ 20 xây dựng khoảng 22.000 đập lớn, tập trung vào khoảng thời gian sau năm 1949, nước khác Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản Tây Ban Nha Hiện đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập xây dựng giới Với đập cao 100m đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 30% Theo thống kê đến năm 1999 có 17.526 đập cao khoảng từ 15-30m, 4.578 đập cao 30m, 32 đập cao 100m Do số đập cao ngày nhiều nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến Như đập Tam Hiệp sơng Dương Tử tích gần 28 triệu m3 bê tơng, hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ m3 nước, tràn xả lũ với lưu lượng 124.300m3/s nhà máy thuỷ điện có cơng suất 18,2GW lớn giới Hình 1.4 Đập Tam Hiệp sông Dương Tử - Trung Quốc Đầu kỷ 19, hàng loạt đập lớn xây dựng đập vòm Xiluodu cao 273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m sơng Jinghai, đập vịm Jinping cao 305m sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m sông Wu, đập vịm Xiaowan sơng lanciang, đập Longtan cao 216m sơng Hongshui,… Đập cơng trình quan trọng mang lại lợi ích đa ngành như: cấp nước, hạn chế lũ lụt, thủy điện, du lịch,… Vì đập xây dựng ngày nhiều giới Đập có dạng kết cấu chịu cột nước cao nên cần có cấu tạo phù hợp chịu lực chống thấm, ngồi cịn chịu tác động tương tác đập phức tạp Chiều cao đập lớn lợi ích đập thể rõ ràng, yêu cầu lý thuyết, cơng cụ tính tốn phải đáp ứng kịp thời để đảm bảo an toàn đập theo cơng nghệ thi cơng, cơng nghệ vật liệu 1.2 Tình hình xây dựng đập bê tơng Việt Nam Việt Nam có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ loại, có khoảng gần 500 đập lớn (đứng hàng thứ 16 số nước có nhiều đập cao giới) Các đập xây dựng Việt Nam chủ yếu đập vật liệu địa phương, đập bê tông chiếm tỷ lệ nhỏ Trước năm 1930, Việt Nam chưa xuất đập bê tông trọng lực lớn Chủ yếu đập có chiều cao thấp (5-10m) với kết cấu đơn giản Trong giai đoạn từ 1930-1945, số đập bêtông trọng lực xây dựng đập Đô Lương Nghệ An, đập Đáy Hà Tây,… kỹ sư người Pháp thực Từ năm 1945 đến 1975, đất nước bị chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng cơng trình thuỷ lợi bị hạn chế Thời kỳ xuất tiêu chuẩn thiết kế thi công cơng trình thuỷ lợi, số đập tràn thấp xuất thời kỳ như: đập tràn thuỷ điện Thác Bà, đập tràn thuỷ điện Cấm Sơn, Đa Nhim,… Từ năm 1975 tới nay, nghiên cứu thiết kế công nghệ thi công đập bê tông giới hoàn chỉnh với giao lưu trao đổi khoa học kỹ thuật nên việc thiết kế thi công đập bê tông trọng lực trở nên dễ dàng Đập bê tông với quy mô lớn hình thức phong phú xuất ngày nhiều như: đập thuỷ điện Hồ Bình, Trị An, Tun Quang, Pleikrong, Sêsan 3, Sêsan 4, Thạch Nham,…do kỹ sư nước tham gia thiết kế thi công Thống kê cho thấy số đập có chiều cao nhỏ 60m đập vật liệu địa phương chiếm tới 80% cịn với đập có chiều cao lớn 60m đập bêtơng chiếm tỷ lệ lớn, hình thức đập cơng trình tháo lũ ngày đa dạng, phù hợp với đặc điểm riêng cơng trình Nước ta có nhiều đập cao, đập bê tơng chiếm tỷ lệ khơng nhỏ, kèm theo u cầu kỹ thuật thiết kế, xây dựng phải nâng cao, song song với việc lập, sử dụng quy trình vận hành, quản lý, khai thác cơng trình hồ đập cho hiệu đảm bảo an toàn Việc xem xét tất trường hợp làm việc đập xảy có cố bất thường động đất, sạt lở bờ, lũ đột ngột, hỏng cửa van,… cần thiết, sử dụng phương pháp biết để mơ tả xác làm việc thực tế đập, đảm bảo an toàn cho đập 1.3 Đặc điểm làm việc đập bê tông trọng lực: - Đập bê tơng trọng lực loại đập có khối lượng bê tơng lớn Đập trì ổn định nhờ trọng lượng độ bền chủ yếu theo khả chịu nén bê tông - So với đập vật liệu địa phương, đập bê tơng trọng lực có chiều cao yêu cầu chất lượng cao Đập bê tơng trọng lực xây dựng đá, đập khơng cao xây dựng đá - Ưu điểm bật sử dụng đập bê tông trọng lực kết cấu phương pháp thi cơng đơn giản, thi công công nghệ bê tông ướt bê tông đầm nén (bê tông đầm lăn) - Đập bê tơng trọng lực có khả chống thấm tính bền vững tốt Đập gồm hai loại chính: đập bêtông trọng lực tràn nước đập bêtông trọng lực không tràn nước 1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước:u - Đập bê tông trọng lực tràn nước có cấu tạo đặc biệt phép nước tràn qua mặt đập với lưu tốc lớn mà không ảnh hưởng đến an toàn đập hạ lưu - Phần mặt đập thường có dạng đường cong thuận để lưu lượng tràn qua đập lớn (dạng Officerop), bề mặt tràn dịng chảy có lưu tốc lớn nên dễ xảy tượng khí thực Vì mặt tràn thường dùng loại vật liệu có khả chống xói cao, kết hợp bố trí hệ thống nhằm giảm tượng khí thực - Nối tiếp sau phần tràn hệ thống tiêu hạ lưu, sử dụng hình thức tiêu mặt, đáy đào bể, xây tường, tiêu ma sát dịng nước với khơng khí tiêu phóng xa Mục đích tiêu hao nguồn lượng thừa dịng nước để đảm bảo khơng gây xói lở hạ lưu cơng trình 1.3.2 Đập bê tông trọng lực không tràn nước: - Đập bê tông trọng lực khơng tràn có nhiệm vụ giữ nguồn nước phía trước đập, tạo thành hồ chứa phía thượng lưu - Cao trình đỉnh đập bê tơng trọng lực khơng tràn cao trình đập Cao trình tính tốn cho đảm bảo với tần suất thiết kế kiểm tra, đỉnh đập cao mực nước hồ - Vì đập bêtơng trọng lực khơng tràn nước có nhiệm vụ chắn lại lượng nước phía thượng lưu khơng cho phép nước tràn qua nên phải đảm bảo chống thấm tốt, mặt hạ lưu đập khơng có nước tràn nên vật liệu khơng cần có khả chống xâm thực, chống xói tốt Hình dạng đập đảm bảo yêu cầu ổn định chống trượt, lật không cần phải tháo lưu lượng lớn đập bêtông trọng lực tràn nước - Phía hạ lưu đập bêtơng trọng lực không tràn nước không cần phận tiêu Nhận xét: đập bêtông trọng lực tràn nước đập bê tơng trọng lực khơng tràn có nhiệm vụ khác nên yêu cầu kích thước, cấu tạo, chất liệu phận kèm khác Đập bê tông tràn nước thiết kế để ổn định khơng có nước tràn qua có nước tràn qua đập bê tơng khơng tràn xét đến khả chịu tải nước tràn qua Do ảnh hưởng xấu biến đổi khí hậu, số năm gần đây, qui luật tự nhiên có nhiều thay đổi Thiên tai bất thường xảy nhiều nơi Hiện tượng đập phải làm việc vượt qua tiêu thiết kế ( đập Hố Hô - Hà Tĩnh bị tràn nước) Hiện tượng tràn nước qua đập bêtông không tràn ảnh hưởng đến ổn định đập nào? Nội dung luận văn nghiên cúc để làm rõ câu hỏi 1.4 Ổn định đập bê tông trọng lực: 1.4.1 Yêu cầu ổn định đập bê tông trọng lực: a) Yêu cầu chung: - Dưới tác động tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn điều kiện an toàn chống trượt, chống lật an toàn cường độ - Ứng suất phát sinh đập không vượt ứng suất giới hạn thiết kế vật liệu làm đập đá b) Yêu cầu riêng với đập bêtông trọng lực tràn nước đập bêtông trọng lực không tràn - Khác với đập không tràn: đập tràn nước ngồi u cầu chung cịn phải xét an toàn cho mặt tràn, tiêu hạ lưu đảm bảo khơng xói để khơng ảnh hưởng đến ổn định đập 1.4.2 Các hình thức ổn định đập bê tơng trọng lực: a Hình thức ổn định tổng thể: - Trượt theo mặt đó, thường mặt đáy đập tiếp xúc với hay mặt phẳng qua đáy chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu vào nền) Trường hợp đá phân lớp cần xét thêm mặt trượt qua mặt phân lớp nơi đặc trưng chống trượt đá giảm nhỏ so với mặt trượt qua đá nguyên khối Tùy theo đặc điểm bố trí cơng trình cấu tạo mà mặt trượt nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng phía thượng lưu hạ lưu) - Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu mặt cắt đó, thường mặt đáy đập - Nền đập bị phá hoại trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt sức chịu tải b Hình thức ổn định cục bộ: - Dưới tác dụng ngoại lực, điểm thân đập xuất ứng suất pháp ứng suất tiếp Khi phận đập (chủ yếu chân mặt thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén ứng suất cắt vượt sức chịu tải vật liệu vùng bị nứt nẻ Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất tập trung lớn lân cận vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần, ứng suất tăng, đến lúc vượt giới hạn định cơng trình bị phá hoại Trong trường hợp từ phá hoại cục dẫn đến phá hoại tồn đập bê tơng 1.4.3 Phân tích ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực: Thực tế thiết kế nước ta, tính tốn đập bêtơng trọng lực người tư vấn thường dùng hai phương pháp, là: - Phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn ( theo hệ thống TC Nga Việt) - Phương pháp cân giới hạn ( theo hệ thống TC Mỹ) 1.4.3.1 Phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn a Những luận điểm bản: Đặc điểm phương pháp việc sử dụng nhóm hệ số an tồn mang đặc trưng thống kê như: hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm việc, hệ số tin cậy, hệ số lệch tải, hệ số an tồn vật liệu,…nhóm hệ số thay cho hệ số an toàn chung Cơng trình gọi đạt đến trạng thái giới hạn chúng khơng cịn khả chống lại tải trọng tác động từ bên ngồi bị hư hỏng, biến dạng q mức, khơng cịn thỏa mãn u cầu khai thác bình thường Có nhóm trạng thái giới hạn là: - Trạng thái giới hạn thứ nhất: Cơng trình làm việc điều kiện bất lợi nhất, gồm: tính tốn độ bền ổn định chung hệ thống cơng trình – nền; độ bền chung cơng trình; độ bền chung phận mà hư hỏng chúng khiến cho việc khai thác cơng trình bị ngưng trệ; tính tốn ứng suất, chuyển vị kết cấu phận mà độ bền, ổn định cơng trình phụ thuộc vào chúng,… - Trạng thái giới hạn thứ hai: Cơng trình, kết cấu làm việc bất lợi điều kiện bình thường, gồm: tính tốn độ bền cục nền; tính tốn hạn chế chuyển vị, biến dạng; tạo thành mở rộng vết nứt; phá hoại độ bền thấm cục độ bền kết cấu phận mà chưa xem xét trạng thái giới hạn thứ ... chính: đập bêtơng trọng lực tràn nước đập b? ?tông trọng lực không tràn nước 1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước: u - Đập bê tơng trọng lực tràn nước có cấu tạo đặc biệt phép nước tràn qua mặt đập. .. lượng lớn đập bêtơng trọng lực tràn nước 7 - Phía hạ lưu đập b? ?tông trọng lực không tràn nước không cần phận tiêu Nhận xét: đập b? ?tông trọng lực tràn nước đập bê tông trọng lực không tràn có nhiệm... lượng khối bê tông liên kết đập với Dưới tác dụng ngoại lực, đập bị trượt lật Theo nhiệm vụ, đập bê tông trọng lực chia thành hai loại: đập tràn nước đập không tràn nước Đập bê tông tràn nước thiết