Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng đến ổn định của đập bê tông trên nền đá trong điều kiện có động đất và biện pháp xử lý để đảm bảo an toàn đập

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường đại học Thủy lợi Hà Nội; dạy bảo, giúp đỡ tận tình thầy giáo mơn ngồi trường, cộng tác quan chuyên môn bạn bè cộng sự; với nổ lực phấn đấu thân tác giả hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình thuỷ với nội dung: “Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng đến ổn định đập bê tơng đá điều kiện có động đất biện pháp xử lý để đảm bảo an toàn đập” Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán hướng dẫn khoa học thầy giáo GS.TS.NGND Nguyễn Chiến tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn Xin cảm ơn giúp đỡ chân thành nhiệt tình thầy giáo khoa cơng trình, thầy giáo đồng nghiệp nhiều lĩnh vực chuyên môn khác cung cấp cho tác giả kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn Xin chân thành cám ơn Chi uỷ, Lãnh đạo, Cán công nhân viên quan Chi cục Quản lý đê điều Phịng chống lụt bão Hà Tĩnh tận tình giúp đỡ suốt thời gian tác giả thực luận văn Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình động viên, khích lệ tinh thần vật chất để tác giả đạt kết ngày hơm Do điều kiện thời gian cịn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết, tác giả mong nhận góp ý, bảo thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn chỉnh Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thái Hương LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thái Hương Học viên lớp: 22C21 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả Nguyễn Thái Hương MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 I Tính cấp thiết đề tài II Mục đích đề tài .1 III Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận 2 Phương pháp nghiên cứu .2 IV Kết đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ AN TỒN ĐẬP 1.1 Tổng quan xây dựng đập bê tông trọng lực Việt Nam 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn đập bê tông trọng lực 1.3 Các yếu tố tác động làm cho đập bị nghiêng .8 1.4 Vấn đề kiểm sốt an tồn đập 1.5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu .9 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NGHIÊNG MẶT NỀN ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 10 2.1 Các trạng thái mặt bị nghiêng .10 2.1.1 Mặt nghiêng phía thượng lưu 10 2.1.2 Mặt nghiêng phía hạ lưu 10 2.1.3 Các trạng thái nghiêng dọc theo trục đập 11 2.2 Cơ sở tính toán ổn định đập mặt nghiêng 11 2.2.1 Tính tốn ổn định đập theo tiêu chuẩn Việt Nam .11 2.2.2 Tính tốn ổn định đập theo tiêu chuẩn Mỹ .27 2.1 Nghiên cứu quan hệ độ nghiêng mặt với ổn định đập 34 2.3.1 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 34 2.3.2 Xác định mặt cắt hợp lý đập không tràn 36 2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng mặt đến ổn định đập 42 2.4 Giải pháp kiểm soát độ nghiêng đập 48 2.4.1 Con lắc thuận 48 2.4.2 Con lắc nghịch .50 2.4.3 Ghi kết đo 53 2.5 Đề xuất biện pháp xử lý để đảm bảo an toàn đập 53 2.6 Kết luận chương 54 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐẬP SƠNG TRANH 55 3.1 Giới thiệu cơng trình 55 3.1.1 Tổng quan cơng trình 55 3.1.2 Đập 56 3.1.3 Đập phụ 58 3.2 Các vấn đề liên quan đến an tồn đập Sơng Tranh 63 3.2.1 Hình thức ổn định tổng thể .63 3.2.2 Hình thức ổn định cục 64 3.3 Hệ thống thiết bị quan trắc đập Sông Tranh 65 3.4 Kiểm tra ổn định đập Sông Tranh điều kiện .66 3.4.1 Phương pháp tính tốn 66 3.4.2 Mặt cắt tính tốn 66 3.4.3 Các trường hợp tính tốn .67 3.4.4 Kết tính tốn .69 3.5 Giải pháp đảm bảo an tồn cho đập Sơng Tranh 70 3.5.1 Đề xuất giải pháp 70 3.5.2 Tính tốn thơng số chống thấm gia cường .71 3.5.3 Đánh giá hiệu tăng ổn định đập làm chống thấm gia cường 73 3.6 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 75 4.1 Các kết đạt luận văn 75 4.2 Một số vấn đề tồn 76 4.3 Hướng tiếp tục nghiên cứu 76 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sông Tranh Hình 1.2 - Đập bê tông đầm lăn thuỷ điện Sơn La .6 Hình 1.3 - Đập bê tông trọng lực Tân Giang - Ninh Thuận Hình 1.4 - Đập bê tơng trọng lực Lịng Sơng - Bình Thuận .7 Hình 2.1 - Trạng thái mặt bị nghiêng phía thượng lưu 10 Hình 2.2 - Trạng thái mặt bị nghiêng phía hạ lưu 11 Hình 2.3 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang 15 Hình 2.4 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng .16 Hình 2.5 - Sơ đồ lực tác dụng lên đập chưa bị nghiêng .18 Hình 2.6 - Sơ đồ tính r ’ r ’ đập bị nghiêng góc β hạ lưu .19 Hình 2.7 - Sơ đồ lực tác dụng lên đập theo TCVN 22 Hình 2.8 - Áp lực nước tăng thêm có động đất 26 Hình 2.9 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang 30 Hình 2.10 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng .31 Hình 2.11 - Vị trí hợp lực trường hợp 32 Hình 2.12 - Áp lực đẩy ngược theo tiêu chuẩn Mỹ 33 Hình 2.13 - Mặt cắt đập 37 Hình 2.14 - Mặt cắt thực dụng đập không tràn 38 Hình 2.15 - Sơ đồ tính tốn cho trường hợp (TCVN) 39 Hình 2.16 - Sơ đồ tính tốn cho trường hợp (TCVN) 40 Hình 2.17 - Sơ đồ tính tốn cho trường hợp (TC Mỹ) 40 Hình 2.18 - Quan hệ K = f (β) đập có H đ = 60m .43 Hình 2.19 - Quan hệ K = f (β) đập có H đ = 80m .43 Hình 2.20 - Quan hệ K = f(β) đập có H đ = 100m 44 Hình 2.21 - Quan hệ K = f (β) đập có H đ = 120m .45 Hình 2.22 - Quan hệ K = f (β) đập có H đ = 140m .45 Hình 2.23 - Quan hệ [β] = f (H đ ) 46 Hình 2.24 - Quan hệ K = f (H đ ) β = 2o 46 Hình 2.25 - Quan hệ K = f (H đ ) β = 4o 47 Hình 2.26 - Nguyên lý làm việc lắc thuận 49 Hình 2.27 - Thiết bị ghi đo dịch chuyển ngang 50 Hình 2.28 - Cảm biến ghi đo vị trí dây dọi 50 Hình 2.29 - Nguyên lý làm việc lắc nghịch 51 Hình 2.30 - Thiết bị lắc ngược RST sau lắp đặt 52 Hình 3.1 - Đập dâng, đập tràn thuỷ điện Sơng Tranh nhìn từ hạ lưu 62 Hình 3.2 - Hồ chứa, thượng lưu đập phụ 62 Hình 3.3 - Mặt cắt tính tốn ổn định đập dâng Sông Tranh 67 Hình 3.4 - Sơ đồ tính tốn ổn định đập Sơng Tranh cho TH1 (TCVN) 67 Hình 3.5 - Sơ đồ tính tốn ổn định đập Sơng Tranh cho TH3 (TCVN) 68 Hình 3.6 - Sơ đồ tính tốn ổn định đập Sơng Tranh cho TH5 (TCVN) 68 Hình 3.7 - Sơ đồ tính tốn ổn định đập Sơng Tranh theo TC Mỹ 69 Hình 3.8 - Quan hệ K = f (β) đập Sông Tranh 70 Hình 3.9 - Giải pháp bố trí neo thép cho đập Sơng Tranh .71 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 - Số lượng đập BTĐL nước giới tính đến 12/2005 .4 Bảng 1.2 - Một số đập BTTL xây dựng nước ta Bảng 2.1 - Các thành phần lực trường hợp 14 Bảng 2.2 - Các trị số α’ α’’ theo TCVN 24 Bảng 2.3 - Hệ số động đất 26 Bảng 2.4 - Các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Mỹ 29 Bảng 2.5 - Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Mỹ 32 Bảng 2.6 - Gia tốc động đất theo tiêu chuẩn Mỹ 33 Bảng 2.7 - Bảng tổng hợp kết kiểm tra ổn định đập theo TCVN .41 Bảng 2.8 - Bảng tổng hợp kết kiểm tra ổn định đập theo TC Mỹ 41 Bảng 2.9 - Kết tính tốn mặt cắt hợp lý .42 Bảng 2.10 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập cao 60m .42 Bảng 2.11 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập cao 80m 43 Bảng 2.12 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập cao 100m .44 Bảng 2.13 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập cao 120m .44 Bảng 2.14 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập cao 140m .45 Bảng 2.15 - Góc [β] ứng với chiều cao đập khác 46 Bảng 2.16 - Tổng hợp kết tính ổn định β = 2o .46 Bảng 2.17 - Tổng hợp kết tính ổn định β = 4o .47 Bảng 3.1 - Các thông số cơng trình thuỷ điện Sơng Tranh 59 Bảng 3.2 - Các hư hỏng gặp đập thuỷ điện Sơng Tranh 64 Bảng 3.3 - Bảng tổng hợp kết khảo sát K = f (β) cho đập Sông Tranh 69 Bảng 3.4 - Bảng tổng hợp kết kiểm tra ổn định đập Sông Tranh theo TC Mỹ 70 Bảng 3.5 - Bảng đánh giá hiệu tăng ổn định đập Sông Tranh làm chống thấm gia cường .73 MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Ở nước ta có nhiều hồ chứa vừa lớn Các đập cơng trình đầu mối từ trước đến chủ yếu xây dựng đất hay vật liệu địa phương Tuy nhiên, với tiến khoa học kỹ thuật, thời gian qua có nhiều cơng trình xây dựng bê tơng bê tông cốt thép với quy mô lớn Đập bê tơng trọng lực trì ổn định nhờ trọng lượng thân khối bê tơng Vì nên cơng trình chủ yếu xây dựng đá; góc nghiêng mặt Khu vực xây dựng phía sâu đập có đứt gãy kiến tạo, trình khảo sát thiết kế khơng lường đến hậu chưa phát để có giải pháp xử lý trước xây dựng đập; cộng thêm tác nhân động đất, động đất kích thích q trình tích nước lịng hồ tác dụng lên cơng trình, làm cho đập bị nghiêng xảy cố đập trượt, lật Nếu đập bị nghiêng phía thượng lưu mức độ tác hại khơng nhiều, cịn nghiêng phía hạ lưu bất lợi cho ổn định đập Vì vậy, phải nghiên cứu tìm góc nghiêng cho phép mặt nền, giải pháp an toàn cho đập bị nghiêng vượt mức cho phép Với đập bê tơng có chiều cao lớn việc đảm bảo an tồn ổn định cho đập vơ quan trọng Khi cố xảy hậu lớn nhiều so với đập đất hay đập vật liệu địa phương Vì thế, việc nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng đến ổn định đập BTTL đá điều kiện có động đất có tính cấp thiết có ý nghĩa thực tiễn cao II Mục đích đề tài - Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng đến ổn định đập bêtông trọng lực điều kiện có động đất - Vận dụng kết nghiên cứu để kiểm tra ổn định cho đập Sông Tranh III Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận - Từ thực tế: Các nguyên nhân tiềm ẩn làm cho mặt bị nghiêng sau đập vào sử dụng - Tiếp cận từ điều kiện kỹ thuật: Cơng trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổn định - Tiếp cận đại: Ứng dụng phương pháp tính tốn tiên tiến, phần mềm kiểm tra ổn định cho đập Phương pháp nghiên cứu - Thu thập thông tin, kế thừa nghiên cứu có - Phân tích lý luận quan hệ ổn định đập với độ nghiêng mặt - Sử dụng mơ hình tốn - Ứng dụng cho cơng trình thực tế IV Kết đạt - Khảo sát quan hệ ổn định đập độ nghiêng mặt phụ thuộc vào thông số khác - Thiết bị quan trắc cần thiết để kiểm soát độ nghiêng mặt - Giải pháp an toàn cho đập BTTL bị nghiêng - Kết tính cho đập Sơng Tranh CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊTƠNG TRỌNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ AN TỒN ĐẬP 1.1 Tổng quan xây dựng đập bê tông trọng lực Việt Nam Đập bê tông trọng lực đập có khối lượng bê tơng lớn Đập trì ổn định nhờ trọng lượng khối bê tông Loại đập có ưu điểm kết cấu phương pháp thi cơng đơn giản, độ ổn định cao, dùng để tràn nước khơng tràn nước Chính từ ưu điểm nên đập bê tơng trọng lực sớm sử dụng toàn giới Đập bê tơng trọng lực có từ 100 năm sau cơng ngun Ponte di San Mauro Đập cao 15m xây dựng chưa có sở lý luận Từ năm 853 thiết kế xây dựng đập bê tơng trọng lực bất đầu có lý luận thực tiễn hai chuẩn: cường độ ổn định trượt Từ năm 70 – 80 kỷ XX đập bê tông trọng lực bất đầu phát triển mạnh, vài ba ngày lại có đập xây dựng Theo số thống kê Hội đập lớn giới (ICOLD) Mỹ đập bê tơng trọng lực chiếm 34,5% tổng số loại đập, Nhật 83%, Ý 51%, Tây Ban Nha 85%, Pháp 51%, Canada 60% Bên cạnh ưu điểm, đập bê tơng trọng lực có nhược điểm: khối lượng bê tơng lớn, có vật liệu xi măng, dẫn đến giá thành cao so với kiểu đập khác Sử dụng không hết khả chịu lực vật liệu bê tông, đặc biệt đập khơng cao (H