Việc nghiên cứu khả năng ổn định của đập được giới hạn trong phạm vi quy mô và điều kiện xây dựng đập bê tông trọng lực trên nền đá ở Việt Nam. Trong nghiên cứu điển hình, lựa chọn phạm vi biến đổi của các thông số như sau:
1) Chiều cao đập
Tính với Hđ = 60, 80, 100, 120, 140 (m).
Theo QCVN 04-05: 2012 thì cấp công trình và hệ số an toàn ổn định (tổ hợp lực cơ bản) tương ứng như sau:
- Hđ = 60 (m): cấp II, Kc = 1,25.
- Hđ = 80, 100 (m): cấp I, Kc = 1,30.
- Hđ = 120, 140 (m): cấp đặc biệt, Kc = 1,35.
2) Mực nước trước đập
Tính với trường hợp MNLTK.
Quan hệ giữa MNLTK với cao trình đỉnh đập xác định theo tiêu chuẩn thiết kế đập bê tông: Zđ = MNLTK + d; với d = h’ + s’ + a’,
trong đó: h’: độ dềnh mực nước trước đập do sóng;
s’: chiều cao sóng đứng;
a': độ cao an toàn tương ứng với MNLTK.
Trong nghiên cứu điển hình, lấy bình quân theo các số liệu tổng hợp từ các đập đã xây dựng như sau:
- Đập có Hđ = 60 m (cấp II): d = 4 m.
- Đập có Hđ = 80, 100 m (cấp I): d = 6 m.
- Đập có Hđ = 120, 140 m (cấp đặc biệt): d = 8 m.
3) Các thông số của mặt cắt đập a) Hệ số mái thượng lưu: m1 = 0.
b) Bề rộng đỉnh đập:
Theo số liệu tổng hợp từ các đập thực tế đã xây dựng:
- Đập có Hđ = 60 m (cấp II): b = 6 m.
- Đập có Hđ = 80, 100 m (cấp I): b = 8 m.
- Đập có Hđ = 120, 140 m (cấp đặc biệt): b = 10 m.
c) Hệ số mái hạ lưu: m2
Xác định theo điều kiện ổn định của mặt cắt thực tế với tổ hợp lực cơ bản, khống chế K = Kc.
4) Chỉ tiêu mặt tiếp xúc giữa bê tông và đá nền
Lấy theo số liệu tổng hợp từ các đập bê tông trên nền đá đã xây dựng.
a) Theo tiêu chuẩn Việt Nam: f = 0,70; C = 0,35 MPa.
b) Theo tiêu chuẩn Mỹ: tg = 1,0; C = 1,0 MPa.
5) Các lực tác dụng đưa vào tính toán Trong tính toán chỉ xét đến các lực sau:
- Trọng lượng bản thân đập (trọng lượng riêng của vật liệu bê tông lấy trung bình: b = 24 KN/m3).
- Áp lực nước (lấy với n = 10 KN/m3).
+ Độ sâu nước thượng lưu: H = Hđ – d.
+ Độ sâu nước hạ lưu: lấy h = 0,2.Hđ.
- Áp lực bùn cát: lấy với b = 7 KN/m3; hb = 0,15.Hđ; = 12o. - Áp lực thấm: lấy theo quy định của [8].
- Lực động đất (tổ hợp đặc biệt): tính với động đất cấp 8 (thang MSK 64).
6) Độ nghiêng của đáy đập
Là độ nghiêng phát sinh sau khi đập được xây dựng, xét hướng bất lợi là nghiêng về hạ lưu, trị số góc nghiêng = 1o, 2o, 4o, 6º, 8º, 10o...
2.3.2. Xác định mặt cắt hợp lý của đập không tràn 2.3.2.1. Tiêu chí của mặt cắt hợp lý
Là mặt cắt có hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất (Kmin) không vượt quá 10% so với Kc tương ứng với từng tổ hợp lực tính toán, xác định với tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ.
Tổ hợp lực tính toán:
- Tổ hợp lực cơ bản: MNLTK, các điều kiện khai thác bình thường;
- Tổ hợp lực đặc biệt: MNLTK, có động đất cấp 8 2.3.2.2. Trình tự xác định mặt cắt hợp lý
Theo các bước sau:
1) Sơ bộ xác định chiều rộng đáy đập theo [1] => m2
Theo điều kiện ổn định, chiều rộng đáy đập được xác định từ công thức:
H
Ptl
B
Wth
B = Kc. Hđ f .( b
m
, (2.32)
')
1 n
trong đó:
- Hđ: chiều cao mặt cắt.
- f: hệ số ma sát giữa đập bê tông và nền đá, f = 0,70.
- b: trọng lượng riêng của vật liệu làm đập, b = 24 KN/m3. - n: trọng lượng riêng của nước, n = 10 KN/m3.
- m1: hệ số mái thượng lưu, m1 = 0.
- ’: hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm. Trị số ’ xác định theo mức độ xử lý nền (' = 0,4 0,6). Đập cao, đặt trên nền đá tốt nên sơ bộ chọn ' = 0,5.
- Kc: hệ số an toàn ổn định cho phép. Hệ số ổn định cho phép được xác định theo [6].
Hình 2.13 - Mặt cắt cơ bản của đập 2) Xác định mặt cắt thực dụng đập không tràn
Từ mặt cắt cơ bản xác định được như hình 2.13 và các thông số trong mục 2.3.1 ta có mặt cắt thực dụng của đập không tràn như sau:
39
d
H
l1 l2
B b
Hình 2.14 - Mặt cắt thực dụng đập không tràn Định vị màn chống thấm và lỗ khoan thoát nước:
Theo [1]
lấy: l H1
; l2 = 4m,
1 Jcp
trong đó: H1: cột nước lớn nhất tính đến đáy hành lang;
Jcp: gradien thấm cho phép của bê tông, Jcp = 20.
3) Kiểm tra độ ổn định theo QCVN 04-05: 2012
Kiểm tra cho 2 tổ hợp sau ứng với các chiều cao đập khác nhau:
- Tổ hợp lực cơ bản (trường hợp 1): MNTL = MNLTK, các điều kiện khai thác bình thường.
40
d
H® H
Ptl
G Gnhl
Pbc Phl
o
B I
Wdn
Wth
b
Hình 2.15 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 1 (TCVN)
- Tổ hợp lực đặc biệt (trường hợp 3): MNTL = MNLTK, có động đất cấp 8.
d
H® H
P®tl Ptl F®
G
Gnhl
P®bc Pbc phl
o
B I
Wdn
Wth
b
Hình 2.16 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 3 (TCVN) 4) Kiểm tra ổn định theo TC Mỹ
Kiểm tra cho các tổ hợp sau ứng với các chiều cao đập khác nhau:
- Tổ hợp lực bình thường (trường hợp 2): vận hành bình thường, MNLTK, MNHL thấp nhất.
- Tổ hợp lực bất thường (trường hợp 5): MNLTK, có động đất OBE.
Hình 2.17 - Sơ đồ tính toán cho trường hợp 2 và 5 (TC Mỹ)
42
Nếu các điều kiện ổn định chưa thỏa mãn ta giả thiết lại các giá trị m 2 theo hướng tăng dần (tăng bề rộng đáy đập B) đến khi thỏa mãn hết các điều kiện ổn định thì dừng lại và chọn đó là giá trị m2 thiết kế.
2.3.2.3. Kết quả tính toán mặt cắt hợp lý
Bảng 2.7 - Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ổn định đập theo TCVN
TT Hđ Hệ số Trường
(m) m2 B (m)
hợp
1 60 0,72 40,32 TH1
TH3
2 80 0,74 54,76 TH1
TH3
3 100 0,75 70,50 TH1
TH3
4 120 0,82 91,84 TH1
TH3
5 140 0,88 116,16 TH1
TH3
Bảng 2.8 - Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ổn định đập theo TC Mỹ
Hđ
(m)
Trường hợp tính
Ktrượt
(min) [Kc]
Điểm đặt hợp lực
(%B)
Ưs chính bê tông (Mpa)
Ưs pháp bê
tông (Mpa) Ưscp (Mpa) Tính
toán
Cho
phép TL HL TL HL Nén Kéo
60 TH2 2,25 2 63,41 33÷67 -0,10 -1,45 -0,10 -0,95 -3,3 0 TH5 1,83 1,7 70,71 25÷75 0,12 -1,72 0,12 -1,13 -5,5 0,53 80 TH2 2,18 2 61,49 33÷67 -0,22 -1,83 -0,22 -1,18 -3,3 0
TH5 1,79 1,7 68,50 25÷75 0,07 -2,18 0,07 -1,41 -5,5 0,53 100 TH2 2,24 2 61,77 33÷67 -0,26 -2,32 -0,26 -1,48 -3,3 0
TH5 1,85 1,7 68,63 25÷75 0,10 -2,74 0,10 -1,76 -5,5 0,53 120 TH2 2,27 2 57,95 33÷67 -0,51 -2,43 -0,51 -1,45 -3,3 0
TH5 1,88 1,7 64,14 25÷75 -0,14 -2,89 -0,14 -1,73 -5,5 0,53 140 TH2 2,34 2 54,83 33÷67 -0,81 -2,62 -0,81 -1,48 -3,3 0
TH5 1,92 1,7 60,36 25÷75 -0,41 -3,14 -0,41 -1,77 -5,5 0,53
Bảng 2.9 - Kết quả tính toán mặt cắt hợp lý
Hđ (m) 60 80 100 120 140
H (m) 56 74 94 112 132
B (m) 40,32 54,76 70,50 91,84 116,16
m2 0,72 0,74 0,75 0,82 0,88
l1 (m) 2,80 3,70 4,70 5,60 6,60
2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng mặt nền đến ổn định của đập
2.3.3.1. Trình tự tính toán
1) Giả thiết các giá trị tăng dần ( = 1o, 2o, 4o, 6º, 8º, 10o...).
2) Tính toán ổn định theo TCVN, với các trường hợp sau:
- Trường hợp 1 (tổ hợp lực cơ bản).
-Trường hợp 3 (tổ hợp lực đặc biệt).
- Trường hợp 5 (tổ hợp lực đặc biệt).
2.3.3.2. Kết quả tính toán
Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của hệ số ổn định vào góc nghiêng cho các đập có chiều cao khác nhau thể hiện như sau:
1) Đập có chiều cao Hđ = 60m
Bảng 2.10 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f () cho đập cao 60m TT o
TH1 (CB) TH3 (ĐB) TH5 (ĐB) [K c] Điều kiện bền Kt KL Kt KL Kt KL TH
CB TH
ĐB Nén Kéo
1 2 1.72 1.54 1.43 1.35 1.68 1.46 1.21 1.09 Thoả mãn 2 4 1.61 1.49 1.34 1.32 1.57 1.42 1.21 1.09 Thoả mãn 3 10 1.32 1.35 1.12 1.19 1.29 1.29 1.21 1.09 Thoả mãn 4 11 1.28 1.33 1.09 1.17 1.25 1.29 1.21 1.09 Thoả mãn 5 12 1.24 1.30 1.06 1.15 1.21 1.29 1.21 1.09 Thoả mãn
Hình 2.18 - Quan hệ K = f () của đập có Hđ = 60m 2) Đập có chiều cao Hđ = 80m
Bảng 2.11 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f () cho đập cao 80m TT o
TH1 (CB) TH3 (ĐB) TH5 (ĐB) [Kc] Điều kiện bền Kt KL Kt KL Kt KL TH
CB
THĐB Nén Kéo 1 2 1.54 1.57 1.28 1.39 1.47 1.45 1.26 1.14 Thoả mãn 2 4 1.43 1.53 1.19 1.35 1.37 1.41 1.26 1.14 Thoả mãn 3 5.25 1.37 1.51 1.14 1.33 1.31 1.39 1.26 1.14 Thoả mãn 4 6 1.33 1.48 1.12 1.31 1.27 1.37 1.26 1.14 Thoả mãn 5 10 1.16 1.39 0.98 1.22 1.11 1.28 1.26 1.14 Thoả mãn
Hình 2.19 - Quan hệ K = f () của đập có Hđ = 80m 3) Đập có chiều cao Hđ = 100m
Bảng 2.12 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f () cho đập cao 100m TT o
TH1 (CB) TH3 (ĐB) TH5 (ĐB) [K c] Điều kiện bền Kt KL Kt KL Kt KL TH
CB TH
ĐB Nén Kéo
1 1 1.45 1.59 1.20 1.41 1.38 1.47 1.26 1.14 Thoả mãn 2 2 1.40 1.57 1.16 1.39 1.33 1.45 1.26 1.14 Thoả mãn 3 2.5 1.37 1.56 1.14 1.38 1.30 1.44 1.26 1.14 Thoả mãn 4 4 1.29 1.53 1.08 1.36 1.23 1.41 1.26 1.14 Thoả mãn 5 8 1.12 1.44 0.95 1.28 1.07 1.33 1.26 1.14 Thoả mãn
Hình 2.20 - Quan hệ K = f() của đập có Hđ = 100m 4) Đập có chiều cao Hđ = 120m
Bảng 2.13 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f () cho đập cao 120m TT o
TH1 (CB) TH3 (ĐB) TH5 (ĐB) [K c] Điều kiện bền Kt KL Kt KL Kt KL TH
CB TH
ĐB Nén Kéo
1 1 1.49 1.78 1.22 1.58 1.42 1.63 1.32 1.18 Thoả mãn 2 1.85 1.44 1.77 1.18 1.56 1.37 1.61 1.32 1.18 Thoả mãn 3 2 1.43 1.76 1.17 1.56 1.36 1.61 1.32 1.18 Thoả mãn 4 4 1.32 1.72 1.09 1.52 1.25 1.57 1.32 1.18 Thoả mãn
Hình 2.21 - Quan hệ K = f () của đập có Hđ = 120m 5) Đập có chiều cao Hđ = 140m
Bảng 2.14 - Bảng tổng hợp kết quả khảo sát K = f () cho đập cao 140m TT o
TH1 (CB) TH3 (ĐB) TH5 (ĐB) [K c] Điều kiện bền Kt KL Kt KL Kt KL TH
CB
THĐB Nén Kéo 1 1 1.51 1.92 1.22 1.70 1.43 1.74 1.32 1.18 Thoả mãn 2 1.8 1.45 1.92 1.18 1.70 1.38 1.74 1.32 1.18 Thoả mãn 3 2 1.44 1.90 1.17 1.69 1.37 1.72 1.32 1.18 Thoả mãn 4 4 1.33 1.86 1.09 1.65 1.26 1.69 1.32 1.18 Thoả mãn
Hình 2.22 - Quan hệ K = f () của đập có Hđ = 140m 6) Các kết quả khác
a) Góc nghiêng cho phép ứng với các chiều cao đập khác nhau:
Bảng 2.15 - Góc [] ứng với các chiều cao đập khác nhau
Hđ (m) 60 80 100 120 140
o 11 5.25 2.5 1.85 1.8
Hình 2.23 - Quan hệ [] = f (Hđ) b) Quan hệ Kmin = f (Hđ) khi = 2o, 4o
Bảng 2.16 - Tổng hợp kết quả tính ổn định khi = 2o TT Hđ
(m)
Tổ hợp cơ bản Tổ hợp đặc biệt Kmin
(TH1) [Kc] Kmin (TH3)
Kmin
(TH5) [Kc]
1 60 1.54 1.21 1.35 1.46 1.09
2 80 1.54 1.26 1.28 1.45 1.14
3 100 1.40 1.26 1.16 1.33 1.14
4 120 1.43 1.32 1.17 1.36 1.18
5 140 1.44 1.32 1.17 1.37 1.18
Hình 2.24 - Quan hệ Kmin = f (Hđ) khi = 2o
Bảng 2.17 - Tổng hợp kết quả tính ổn định khi = 4o TT Hđ
(m)
Tổ hợp cơ bản Tổ hợp đặc biệt Kmin
(TH1) [Kc] Kmin
(TH3)
Kmin
(TH5) [Kc]
1 60 1.49 1.21 1.35 1.42 1.09
2 80 1.43 1.26 1.19 1.37 1.14
3 100 1.29 1.26 1.08 1.23 1.14
4 120 1.32 1.32 1.09 1.25 1.18
5 140 1.33 1.32 1.09 1.26 1.18
Hình 2.25 - Quan hệ Kmin = f (Hđ) khi = 4o 2.3.3.3. Nhận xét kết quả
Từ các kết quả tính toán ở mục 2.3.3.2 ta có thể thấy được rằng:
- Với đập đã được thiết kế hợp lý với mặt nền nằm ngang, khi đập có chiều cao càng lớn thì góc nghiêng mặt nền cho phép trong quá trình khai thác ([]) càng nhỏ (hình 2.23). Chẳng hạn với đập có H đ = 60m vẫn có thể ổn định khi mặt nền bị nghiêng góc = 11o về phía hạ lưu; còn đập có Hđ = 140m thì chỉ cho phép mặt nền nghiêng về hạ lưu một góc = 1,8o.
- Cùng với một góc nghiêng mặt nền , đập có chiều cao càng lớn thì hệ số ổn định trượt càng giảm (hình 2.24, 2.25).
- Với các điều kiện đang xét thì mức độ nguy hiểm về trượt của đập khi có động đất cấp 8 là cao hơn so với khi thiết bị chống thấm và thoát nước không làm việc bình thường.