Bộ Giáo dục và đào tạo

Bộ Nông nghiệp và PTNT

Trường đại học Thuỷ lợi

---------------

Hoàng đình khiêm

Nghiên cứu giảI pháp xử lý và tính toán kết
cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền
có lớp xen kẹp yếu

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội - 2011


Bộ Giáo dục và đào tạo

Bộ Nông nghiệp và PTNT

Trường đại học Thuỷ lợi

---------------

Hoàng đình khiêm

Nghiên cứu Giải pháp xử lý và tính toán kết
cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền

có lớp xen kẹp yếu
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
MÃ số: 60-58-40

Luận văn thạc sĩ

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS nguyễn văn lệ

Hà Nội - 2011


1
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
]LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài Nghiên cứu giải pháp xử lý và tính tốn
kết cấu đập tràn trọng lực bêtơng trên nền có lớp xen kẹp yếu được hồn thành với
kết quả cịn nhiều khiêm tốn, tác giả hy vọng đóng góp được một phần nhỏ bé cho
việc nghiên cứu, thiết kế xây dựng các cơng trình thủy lợi - thủy điện ở nước ta.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - GS.TS Nguyễn Văn Lệ
đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận
văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn thủy công, thi cơng,
Khoa sau đại học, Khoa cơng trình - Trường đại học Thủy lợi, Trung tâm Thủy điện Viện khoa học Thủy lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và thu
thập các tài liệu, thơng tin khoa học kỹ thuật, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài
luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các

đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận
văn.
Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu
sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thày cô giáo và các
bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày 8 tháng 3 năm 2011
Tác giả

Hồng Đình Khiêm

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


2
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
XỬ LÝ KẾT CẤU VÀ NỀN ............................................................................................................................ 7
1.1 ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC ........................................................................................7
1.2 PHÂN LOẠI ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC .............................................................8
1.2.1 Đập bê tông truyền thống..........................................................................................8
1.2.2 Đập bê tông đầm lăn ..............................................................................................10
1.2.3 Đập trọng lực khe rỗng ...........................................................................................12

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA LOẠI HÌNH ĐẬP TRÀN BÊ TƠNG TRỌNG
LỰC .....................................................................................................................................13
1.4 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC TRÊN NỀN YẾU .....................14
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PTHH VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐẬP
BÊTƠNG TRỌNG LỰC ................................................................................................................................. 17
2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG
LỰC .....................................................................................................................................17
2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu ................................................................................17
2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi ..............................................................................18
2.1.3 Phương pháp Phần tử hữu hạn ................................................................................20
2.2 NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH..............................................30
2.2.1 Phương pháp sức bền vật liệu .................................................................................30
2.2.2 Phương pháp lý thuyết đàn hồi ...............................................................................31
2.2.3 Phương pháp PTHH ................................................................................................32
2.2.4 Lựa chọn phương pháp tính tốn ............................................................................33
2.3 PHẦN MỀM TÍNH TỐN ...........................................................................................34
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN ĐÁ HÀN ................................ 41
3.1.1.Nhiệm vụ,cấp cơng trình và các tiêu chuẩn thiết kế ...............................................41
3.1.2 Qui mô xây dựng, thông số kỹ thuật và kết cấu cơng trình chủ yếu .......................41
3.1.3 Giới thiệu về đặc điểm địa chất , khó khăn về địa chất ..........................................45
3.1.4 Giải pháp xử lý khó khăn địa chất cho đập Đá Hàn. ..............................................46
3.1.5.Các trường hợp tính tốn ........................................................................................46
3.1.6 Phương pháp tính tốn, phần tử sử dụng và điều kiện biên ....................................51
3.1.7 Kết quả tính tốn .....................................................................................................51
3.1.8 Nhận xét kết quả tính tốn ......................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................................................... 71
1. Những kết quả đạt được ...................................................................................................71
2. Những tồn tại của luận văn ..............................................................................................71
3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................... 72

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


3
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đập Dixence (Thụy sĩ) nhìn từ hạ lưu............................................................................................... 7
Hình 1.2 - Mặt cắt điển hình đập Tân Giang .................................................................................................... 9
Hình 1.3 - Đập Tân Giang nhìn từ hạ lưu ....................................................................................................... 10
Hình 1.4 - Mặt cắt điển hình đập Bắc Hà bằng RCC cao H = 61,5m.......................................................... 11
Hình 1.5 - Đập thủy điện Sơn La (góc nhìn từ nhà điều hành)..................................................................... 12
Hình 1.6 - Đập dâng có tường chống thấm..................................................................................................... 16
Hình 2.1 Xác định ứng suất pháp theo phương ngang ................................................................................. 18
Hình 2.2 Xác định ứng suất chính ................................................................................................................... 18
Hình 2.3 Nêm phẳng chịu tải trọng phân bố hình tam giác ở mặt bên. ....................................................... 18
Hình 2.4 Nêm phẳng chịu lực tập trung và mômen tập trung ở đỉnh. ......................................................... 19
Hình 2.5. Sơ đồ tính tốn đập khơng tràn ....................................................................................................... 19
Hình 2.6. Sơ đồ tính tốn đập tràn ................................................................................................................... 19
Hình 2.7 Một số dạng phần tử thường dùng................................................................................................... 21
Hình 2.8 Giao diện ANSYS xuất hiện khi mở phần mềm............................................................................ 37
Hình 2.9 Cửa sổ khai báo loại phần tử ............................................................................................................ 38
Hình 2.10 Cửa sổ khai báo lực ......................................................................................................................... 38
Hình 2.11 Cửa sổ tính tốn ............................................................................................................................... 39

Hình 2.12 Cửa sổ khai báo vật liệu.................................................................................................................. 39
Hình 2.13 Cửa sổ biểu diễn kết quả................................................................................................................ 40
Hình 3.1 Cắt dọc và mặt bằng tràn tự do Đá Hàn .......................................................................................... 46
Hình 3.2 Sơ đồ tính tốn trường hợp 1............................................................................................................ 47
Hình 3.3 Sơ đồ tính tốn trường hợp 2............................................................................................................ 49
Hình 3.4 Sơ đồ phần tử (TH1-a ) ..................................................................................................................... 52
Hình 3.5 Chuyển vị Ux, m(TH1-a).................................................................................................................. 53
Hình 3.6 Chuyển vị UY, m(TH1-a) ................................................................................................................. 54
Hình 3.7. Ứng suất σx, T/m2(TH1-a) .............................................................................................................. 55
Hình 3.8. Ứng suất σy, T/m2(TH1-a) .............................................................................................................. 56
Hình 3.9. Sơ đồ phần tử (TH1-b)..................................................................................................................... 57
Hình 3.10. Chuyển vị Ux, m(TH1-b) .............................................................................................................. 58
Hình 3.11. Chuyển vị UY, m(TH1-b).............................................................................................................. 59
Hình 3.12. Ứng suất σx, T/m2(TH1-b)............................................................................................................ 60
Hình 3.13. Ứng suất σy, T/m2(TH1-b)............................................................................................................ 61
Hình 3.14. Chuyển vị Ux, m(TH2-a) .............................................................................................................. 62
Hình 3.15. Chuyển vị UY, m(TH2-a) .............................................................................................................. 63
Hình 3.16. Ứng suất σx, T/m2(TH2-a) ............................................................................................................ 64
T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3

2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

R

T
3

2

R

R

T
3
2

R

T
3
2

T
3
2

R

R

P

P

T
3

2

T
3
2

R

R

P

P

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2


R

T
3
2

R

R

T
3
2

R

T
3
2

T
3
2

R

R

P


P

T
3
2

T
3
2

R

R

P

P

T
3
2

T
3
2

R

T
3

2

R

T
3
2

R

R

R

T
3
2

R

T
3
2

P

P

T
3

2

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


4
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Hình 3.17. Ứng suất σy, T/m2(TH2-a) ............................................................................................................ 65
Hình 3.18. Chuyển vị Ux, m(TH2-b) .............................................................................................................. 66
Hình 3.19. Chuyển vị UY, m(TH2-b).............................................................................................................. 67
Hình 3.20. Ứng suất σx, T/m2(TH2-b)............................................................................................................ 68
Hình 3.21. Ứng suất σy, T/m2(TH2-b)............................................................................................................ 69
T
3
2

R

R

P

T
3
2


R

T
3
2

R

P

R

T
3
2

T
3
2

R

T
3
2

T
3
2


R

R

P

P

T
3
2

T
3
2

R

R

P

P

T
3
2

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước............................................................... 8
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình đầu mối....................................................................... 44
Bảng 3.2 Liệt kê các chỉ tiêu cơ lý của nền đập. ............................................................................................ 45
Bảng 3.3 Tính tốn ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng cơ bản ................................................................... 48
Bảng 3.4 Tính tốn ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng đặc ......................................................................... 50
T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

T

3
2

T
3
2

T
3
2

T
3
2

Học viên: Hoàng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


5
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
MỞ ĐẦU

I. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thực tế xây dựng các đập trọng lực bê tơng hiện nay có những cơng
trình gặp tình huống nằm dưới đáy đập là tầng đất yếu có chiều dày khá lớn hoặc các
lớp xen kẹp yếu. Trong các trường hợp này để đảm bảo an tồn cho cơng trình hoặc

phải đào bỏ tầng đất yếu hoặc có xen kẹp các lớp đất yếu phải áp dụng biện pháp xử
lý , sao cho ứng suất biến dạng của đập và nền thoả mãn yêu cầu chịu lực của vật liệu.
Nguyên tắc xử lý có thể áp dụng là hoặc lựa chọn kết cấu đập thích hợp, xử lý gia cố
hoặc kết hợp cả hai. Tiếp đó cần ứng dụng phương pháp số để phân tích trạng thái
ứng suất và biến dạng của đập và nền để đánh giá hiệu quả kỹ thuật của giải pháp xử
lý. Trong tình huống khơng thể lựa chọn được vị trí xây dựng đập tốt hơn , việc áp
dụng giải pháp xử lý là không thể tránh khỏi. Do vậy đề tài có ý nghĩa cấp thiết , khoa
học và thực tiễn.
Trong thực tế xây dựng hiện nay việc đập đặt trên nền có lớp xen kẹp yếu xuất
hiện khá phổ biến. Để đóng góp vào việc giải quyết vấn đề tôi chọn đề tài “Nghiên
cứu giải pháp xử lý và tính tốn kết cấu đập tràn trọng lực bêtơng trên nền có
lớp xen kẹp yếu” làm đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật của mình.
II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
1. Mục đích
+ Tìm hiểu lựa chọn được giải pháp xử lý thích hợp.
+ Phân tích ứng suất và biến dạng của đập tràn trọng lực bê tông nhằm đánh
giá hiệu quả kỹ thuật của giải pháp xử lý.
+ Đề xuất một số kiến nghị liên quan đến thiết kế đập trong tình huống tương tự.
2. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
+ Tìm hiểu các giải pháp xử lý đã được áp dụng, lựa chọn giải pháp thích hợp.
+ Tìm hiểu các phương pháp phân tích ứng suất biến dạng hiện có lựa chọn
phương pháp phù hợp để xử lý.
+ Thực hiện tính tốn cho một cơng trình cụ thể
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


6
Luận văn thạc sĩ


Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

3. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu, đánh giá sự làm việc của các cơng trình đã xây dựng
trong và ngồi nước. Phân tích lý luận và ứng dụng vào cơng trình thực tế.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bài toán phẳng.
5. Kết quả và dự kiến đạt được
Kiến nghị giải pháp xử lý và phương pháp tính tốn phù hợp ứng dụng vào
thiết kế đập trọng lực bê tơng trong tình huống tương tự.
II. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm các phần sau đây:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về đập tràn bê tông trọng lực và các phương pháp xử lý
kết cấu và nền.
1.1 Đập trọng lực bê tông
1.2 Các phương pháp xử lý kết cấu và nền
1.3 Các phương pháp tính tốn đập tràn trọng lực bêtông trên nền yếu.
Chương 2: Phương pháp PTHH và ứng dụng vào tính tốn kết cấu đập trọng lực.
2.1 Cơ sở của lý thuyết đàn hồi
2.2 Cơ sở của phương pháp PTHH trong tính tốn kết cấu
2.3 Ứng dụng phần mềm ANSYS trong tính tốn đập bêtơng.
Chương 3: Đề xuất giải pháp xử lý tính tốn tràn Đá Hàn trên nền xen kẹp yếu.
3.1 Nhiệm vụ và qui mô công trình
3.2 Hình thức kết cấu đập và các bộ phận trong thân đập
3.3 Kiến nghị các giải pháp xử lý và trường hợp tính tốn
3.4 Nhận xét kết quả.
3.5 Kết luận và kiến nghị.
Tài liệu tham khảo.

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


7
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRÀN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP XỬ LÝ KẾT CẤU VÀ NỀN
1.1 ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC
Đập tràn bê tơng trọng lực là loại hình đập được xây dựng phổ biến nhất trong
các cụm công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện ở trong nước và trên thế giới.Trong
khoảng 100 năm gần đây số lượng đập bê tông được xây dựng chiếm hơn 50% tổng
số các loại đập đã được xây dựng trên thế giới. Đập Dixence (Thụy sĩ) cao 285m là
đập bê tông trọng lực cao nhất hiện nay.

Hình 1.1 Đập Dixence (Thụy sĩ) nhìn từ hạ lưu
Ở nước ta trong những thập niên gần đây cũng đã xây dựng được nhiều các
cơng trình thủy lợi, thủy điện lớn để phục vụ tưới tiêu, chống lũ và đáp ứng nhu cầu
dùng điện. Trong đó nhiều cơng trình đầu mối là đập tràn bê tơng trọng lực truyền
thống và bê tông trọng lực đầm lăn.
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1



8
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Bảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước
TT

Tên cơng trình

Trên sơng

Chiều
cao (m)

Nhiệm vụ

1

Đập thủy điện Sơn
La

Sông Đà

138

Chống lũ, phát điện

2


Đập thủy điện Bản
Vẽ

Sông Cả

137

Phát điện và cấp
nước

3

Đập PleiKrong

Sông Sa
Thày

71

Phát điện

4

Đập thủy điện Bắc
Hà

Sông Chảy

61,5


Phát điện và cấp
nước

5

Đập Định Bình

Sơng Cơn

54

Phát điện

1.2 PHÂN LOẠI ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC
1.2.1 Đập bê tơng truyền thống
Đập bêtơng truyền thống là các đập bêtông được thi công bằng các phương
pháp đổ bêtơng khối lớn , bêtơng có độ sụt lớn và được đầm chặt bằng thiết bị và
phương pháp đầm thông thường.
Ở nước ta công nghệ thiết kế và thi công đập bê tông truyền thống cũng chỉ
mới phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây. Năm 1993 Bộ thủy lợi chỉ đạo HEC1
khảo sát thiết kế cơng trình thủy lợi Tân Giang, phương án cơng trình đầu mối được
phê duyệt là đập bê tông trọng lực, lần đầu tiên đã nghiên cứu áp dụng cấp phối bê
tơng thường có trộn tro bay để giảm nhiệt thủy hóa, phụ gia chống thấm và nhiều phụ
gia khác như phụ gia ninh kết nhanh POZZOITH 122 HE, lớp bám dính Imatex, phụ
gia chống thấm Xypex Adimix C-2000…

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1



9
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Năm 2003 đập đã trải qua thử thách mùa lũ đầu tiên an tồn. Như vậy đập bê
tơng trọng lực Tân Giang là đập được xây dựng lần đầu tiên bằng công nghệ thiết kế,
thi công trong nước và là đập bê tông trọng lực cao nhất lúc bấy giờ. Sự ra đời của
đập Tân Giang là tiền đề cho sự ra đời của nhiều đập bê tông truyền thống như cỏc
p Sụng Lũng Sụng, Sờ San 3...

Cầu công tác
255.6

257.0
254.6

247.0

247.4
Bê tông cốt thép M200

241.0

229.0

Hành lang khoan phụt

224.0


Lỗ thóat nước

220.5

220.0
215.7
212.3
207.5

209.5

Bê tông M150
211.0
208.0

Hỡnh 1.2 - Mặt cắt điển hình đập Tân Giang

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


10
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Hình 1.3 - Đập Tân Giang nhìn từ hạ lưu
1.2.2 Đập bê tông đầm lăn

Đập bêtông đầm lăn là đập bêtông được thi cơng bằng bêtơng có hàm lượng xi
măng thấp , độ sụt nhỏ, rải thành tầng lớp như thi công đập đất và làm chặt bằng lu
lăn kết hợp với rung động
Trên thế giới đập bê tông đầm lăn được xây dựng trong khoảng 20 - 30 năm
trở lại đây.
Mỹ và các nước phương Tây là nơi có các đập bê tông đầm lăn đầu tiên.Trung
Quốc là nước xây dựng nhiều đập bê tơng đầm lăn, hiện đang có khoảng hơn 40 đập
bê tông đầm lăn đã được đưa vào khai. Họ đã thành lập Hội đồng khoa học về đập
RCC từ tháng 6/1990 và năm 2005 đã tổng kết 20 năm xây dựng đập bêtông đầm lăn.
Đập Longthan ở Quảng Tây cao 216,2m là đập bêtông đầm lăn cao nhất thế giới.
Ở nước ta lần đầu tiên vào năm 2003 công nghệ bê tông đầm lăn đã được ứng
dụng để xây dựng đập PleiKrong (KonTum) cao 71m, tiếp theo là đập Định Bình
(Bình Định) cao 54m, đập Sơn La cao 138m, đập Bản Vẽ (Nghệ An) cao 137m…
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


11
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Cơng trình thủy điện Bắc Hà trên sơng Chảy huyện Bắc Hà tỉnh Lào Cai. Đập
tràn được bố trí ở phần lịng sơng, đập tràn gồm 2 khối 2x29,5m, tràn gồm 4 khoang
kích thước mỗi khoang 10,5x12m, chiều cao đập phần tràn H= 61,5m, thân đập kết
cấu bằng bê tông đầm lăn mái thượng lưu và mặt đập được bọc lớp bê tơng M300 để
chống thấm và gia cố. Ngồi ra cịn một số cơng trình khác như: Đập thủy điện Sơn
La, đập Định Bình...
27,00


Cưa van trµn 4 x (10.5mx12m)
MNLKT 182.36(P=0.1%)

MNTK 180.33(P=0.5%)

184.10
MNDBT 180.00

176.00
BTCT M300

168.00
4,50

160.50

2,00
140.00

00
3,

141.50

BT M300

2,00

1:0.2


119.06

MNHLmax(P=0.1%)=140.26
Tim hố xói

RCC

Hành lang khoan phun

148.00

135.50

Bê tông cốt thép M300
Đuờng mặt đất tự nhiên

.8
1:0

3,00

R21,0
0

MNC 160.00

MNHLmin=120.97

00

2,

110.50

108.00

.8
1:0

1:1

106.50

1,50

1:3

107.50
1:2

Bê tông đổ bï M200

0,50
20,70

70,23
70,73

.5


94.65

84.86
5,00

153.17

67.65
Khoan phun XM chèng thÊm

Hình 1.4 - Mặt cắt điển hình đập Bắc Hà bằng RCC cao H = 61,5m
Ưu điểm chủ yếu của bêtông đầm lăn so với bêtơng thường là giảm được ứng suất
nhiệt thuỷ hố , tốc độ thi công nhanh, thi công liên tục. Tuy vậy, điểm yếu nổi bật
của đập bêtông đầm lăn là thấm nước qua các khe thi công.Trong các đập bêtông đầm
lăn đã thi công ở Việt Nam , đập Pleikrông là đập bị thấm khá nghiêm trọng. Mặc dù
vậy công nghệ này vẫn được ưu tiên lựa chọn khi xây dựng đập bêtơng.

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


12
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Hình 1.5 - Đập thủy điện Sơn La (góc nhìn từ nhà điều hành)
1.2.3 Đập trọng lực khe rỗng
Đập trọng lực khe rỗng là một trong những dạng cải tiến của đập trọng lực. Do

có những khe rỗng lớn mà khối lượng của đập được giảm đi nhiều. Áp lực thấm dưới
đáy đập cũng giảm đi rất nhiều.
Đập trọng lực khe rỗng có thể làm theo dạng tràn nước hoặc khơng tràn nước.
Đập thường được chia thành nhiều đoạn làm việc độc lập nhau chiều dài mỗi đoạn
khoảng 15- 20m.
Việc tính toán ổn định của các đoạn đập, về nguyên lý khơng khác với việc
tính ổn định của đập trọng lực.
Ngồi ra cịn có một số dạng đập bê tơng trọng lực khác như đập trọng lực có
lỗ khoét lớn, đập trọng lực lắp ghép kiểu ngăn hộp, đập trọng lực ứng suất trước.

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


13
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Ưu điểm của các đập này là giảm khá nhiều khối lượng bê tơng (có thể giảm từ
20 - 70%), ngồi ra tốc độ thi công các loại đập này cũng nhanh hơn và điều kiện tỏa
nhiệt của bê tông trong q trình thi cơng cũng thuận lợi hơn.

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA LOẠI HÌNH ĐẬP TRÀN BÊ TƠNG
TRỌNG LỰC
Đập tràn bê tông trọng lực được sử dụng rất lâu nhưng vẫn còn nhiều vấn đề
còn tồn tại.
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội trong những năm gần đây nhu cầu về tưới
tiêu, phòng lũ và nhu cầu dùng điện ngày càng gia tăng thì việc xây dựng các hồ chứa

ngày càng nhiều, trong đó cơng trình đầu mối là các hạng mục quan trọng. Hơn nữa
trong những năm gần đây nghành công nghiệp xi măng ở trong nước và trên thế giới
phát triển rất nhanh chóng cho nên việc sử dụng xi măng để làm vật liệu xây dựng
khơng cịn khó khăn như trước.
Đồng thời với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các phương pháp thi cơng
bằng cơ giới hóa ngày càng phát triển cho nên loại hình đập tràn bê tơng trọng lựccó
nhiều khả năng hơn được chọn để xây dựng.
Trong vòng khoảng 100 năm trở lại đây loại hình đập này được xây dựng khá
nhiều ở các nước phát triển vì những ưu điểm sau đây:
+ Độ ổn định và độ bền của đập lớn.
+ Phương pháp tính tốn kết cấu đơn giản hơn so với các loại đập khác
+ Áp dụng được cho các loại quy mơ cơng trình.
+ Ngày nay cơng nghệ bê tơng đầm lăn phát triển có thể thay thế chất kết dính
xi măng bằng một số phụ gia khác như tro bay nhà máy nhiệt điện... nên giảm được
hàm lượng xi măng xuống còn 60 - 70 Kg/m3 bê tơng đã làm giảm giá thành cơng
trình.

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


14
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

+ Giải quyết được vấn đề dẫn dịng thi cơng dễ dàng hơn so với đập đất, đập
đất đá hỗn hợp. Trong thời kỳ thi cơng có thể thi cơng chia thành từng đoạn, phân
thành từng đợt và cho phép lũ tràn qua đập.

Bên cạnh những ưu điểm trên thì đập tràn bê tơng trọng lực cũng có một số vấn
đề tồn tại sau:
+ Đập tràn bê tơng trọng lực có khối lượng bê tông lớn nên giá thành xây dựng
cao hơn so với các loại đập khác.
+ Vật liệu xây dựng chính gồm có xi măng, sắt thép, đá, cát cuội sỏi phải vận
chuyển từ nơi khác đến.
+ Trong quá trình thi cơng phải giải quyết các vấn đề phát sinh do ứng suất
nhiệt.
+ Do đập có trọng lượng bản thân lớn nhất là đối với đập cao do đó lực truyền
xuống nền cũng lớn vì vậy yêu cầu đối với nền cao hơn so với các loại đập bằng vật
liệu tại chỗ.
+ Loại hình đập này khơng áp dụng được trên mọi nền so với đập đất.
+ Không tận dụng được vật liệu sẵn có ở địa phương.

1.4 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC TRÊN NỀN YẾU
Thông thường đập trọng lực xây dựng trên nền đá tốt ít nứt nẻ mà trong phân
loại đất đá hiện nay thường ký hiệu là lớp II. Tuy vậy ở nhiều cơng trình hiện nay do
lớp II nằm dưới sâu, nên nếu đặt đập tràn ở lớp II thì khối lượng đào móng sẽ rất lớn,
khối lượng cơng trình cũng tăng lên.Để giảm chi phí xây dựng đập cần phải có giải
pháp phù hợp sao cho vừa đảm bảo an toàn cho cơng trình, vừa giảm chi phí đầu tư.
Các giải pháp có thể nghĩ tới là:
+ Giảm nhẹ kết cấu hoặc tăng diện tiếp xúc của kết cấu với nền để giảm ứng
suất của đáy đập.

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


15

Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

+ Sử dụng cọc có sức chịu tải lớn ví dụ như cọc khoan nhồi để chịu trọng
lượng đập và lực xô ngang của nước.
+ Kết hợp cả hai giải pháp trên.
Về giải pháp kết cấu, thay thế cho đập trọng lực đã sử dụng đập bản phẳng, đập
dạng tường ô. Kết cấu đập dạng tường ô đã được áp dụng ở đập Định Bình( Bình
Định) và một số cơng trình khác. Giải pháp cọc khoan nhồi cũng đã bắt đầu được áp
dụng ở đập Đá Hàn (Hà Tĩnh). Như là những đóng góp về giải pháp trong luận văn
này tác giả đề xuất sử dụng giải pháp đập có lỗ khoét lớn với đáy mở rộng để xây
dựng đập tại vị trí có điều kiện địa chất khơng thuận lợi, ví dụ như lớp phong hố nhẹ
(IB) hoặc thậm chí lớp phong hoá vừa (IA2) khá dày. Nguyên tắc của giải pháp là vẫn
giữ trọng lượng đập cần thiết để đảm bảo ổn định trượt và lật. Việc làm đập rỗng là để
mở rộng mặt cắt của đập, tăng diện tiếp xúc của đáy đập với nền nhằm giảm ứng suất
của đáy đập sao cho phù hợp với sức chịu tải của nền. Mặt khác, để phịng thấm qua
nền có khả năng tăng mạnh khi đập đặt trên lớp IB hoặc thậm chí trên lớp IA2 cần
phải có giải pháp chống thấm triệt để hơn, ví dụ làm tường chống thấm xuyên qua lớp
IB hoặc cả hai lớp IA2 và lớp IB, như biểu diễn trên hình 1.6

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


16
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ


Hình 1.6 - Đập dâng có tường chống thấm

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


17
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ
CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP PTHH VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐẬP
BÊTƠNG TRỌNG LỰC
Phân tích tính tốn ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực là nhằm xác định
trị số, phương chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực, biến
dạng của nền, sự thay đổi của nhiệt độ, biện pháp thi công... Trên cơ sở các kết quả
tính tốn được tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, từ đó phân vùng đập
để sử dụng các mác bê tơng khác nhau, phù hợp với điều kiện chịu lực từng vùng.
Nhằm đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật cho cơng trình.
2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TƠNG
TRỌNG LỰC
Để giải quyết bài tốn ứng suất, biến dạng của đập bêtơng trọng lực có rất
nhiều phương pháp như: phương pháp sức bền vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn
hồi, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp
phần tử biên. Nói chung các phương pháp này đều dựa trên giả thiết cơ bản : Vật
liệu là môi trường liên tục, đồng nhất và đẳng hướng. Dưới đây trình bày những nét
chính của một số phương pháp thường được sử dụng.

2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu
Nội dung phương pháp này là, coi đập như một thanh được ngàm chặt vào nền
chịu nén lệch tâm và chịu cắt trên cơ sở đó xác định ứng suất pháp và tiếp trên mặt cắt
ngang bằng cơng thức của sức bền vật liệu. Tiếp đó sử dụng điều kiện cân bằng của
phân tố được tách ra ở mép biên để xác định ứng suất pháp theo phương ngang (Hình
2.1), cũng như ứng suất chính (Hình 2.2)

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


18
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

y

y
σ'x

γy

α1
τ'
τ'
dx

σ"x

dy

α1

α2
γy

τ"

τ'

τ"
σ'y

σ"y

N'1

dx

N"1

σ'y
σ"y

α2 τ"
dx

dx


Hình 2.1 Xác định ứng suất pháp
theo phương ngang

Hình 2.2 Xác định ứng suất chính

2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi
Nội dung phương pháp này là sử dụng lời giải sẵn có của lý thuyết đàn hồi để
tính tốn chuyển vị và ứng suất của đập. Theo đó đập trọng lực tràn hoặc khơng tràn
đều được qui về bài tốn hình nêm phẳng có chiều dài vơ hạn chịu tải trọng phân bố
hình tam giác ở mặt bên(Hình 2.2.3) và chịu lực tập trung và mơmen tập trung ở đỉnh
(Hình 2.2.4)
Sơ đồ qui đổi dạng và tải trọng thực tế của đập về dạng bài tốn hình nêm như
biểu diễn trên hình 2.3 và 2.4 được minh hoạ trên hình (2.5) cho đập khơng tràn và
(2.6) cho đập tràn.

o

P

x

β

Y

Hình 2.3 Nêm phẳng chịu tải trọng phân bố hình tam giác ở mặt bên.
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1



19
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

P
o

M

x

Y
Hình 2.4 Nêm phẳng chịu lực tập trung và mômen tập trung ở đỉnh.

P
o

x

o

o

=

P

M


x

+

P

Y

Y

Y

Hình 2.5. Sơ đồ tính tốn đập khơng tràn

P
o

P

=

o

M

x

+


P

Y
Hình 2.6. Sơ đồ tính tốn đập tràn
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Y
Lớp: Cao học 17C1


20
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Trong hình 2.5 và 2.6 , mơmen và lực tập trung ở đỉnh là các thành phần tải
trọng qui đổi biểu diễn tác dụng của trọng lượng khối vật liệu giới hạn trong miền
được gạch chéo đưa về đỉnh của khối hình nêm.
Để tiện tính tốn, dựa vào lời giải của lý thuyết đàn đàn hồi đã thiết lập các
bảng tra trị ứng suất cho trường hợp tải trọng có thể tìm các bảng tra này trong các
sách chuyên khảo sát về thiết kế đập bêtông trọng lực.
2.1.3 Phương pháp Phần tử hữu hạn
a. Nguyên lý chung
Khi tính bằng phương pháp PTHH kết cấu được chia thành nhiều phần nhỏ,
mỗi phần được gọi là một phần tử (element). Các phần tử thường được chọn có dạng
hình học đơn giản. Chẳng hạn, với kết cấu hệ thanh phần tử thường được chọn là một
đoạn của thanh. Với tấm, vỏ hoặc bài toán phẳng (ứng suất phẳng, biến dạng phẳng)
thường chọn phần tử có dạng tam giác hoặc tứ giác. Với kết cấu dạng khối thường
chọn phần tử có dạng khối chóp hoặc lăng trụ... (h. 2.1).
Các phần tử được xem như chỉ được nối với nhau ở điểm chia giữa hai đoạn

(phần tử thanh), ở đỉnh của tam giác, tứ giác, đỉnh của khối chóp, khối lăng trụ (phần
tử phẳng hoặc khối). Các điểm này được gọi là các điểm nút (node) của mạng lưới
phần tử.Trong một số trường hợp nút còn được chọn thêm là một số điểm ở trên đoạn
(phần tử thanh), trên cạnh (phần tử tam giác, tứ giác hoặc phần tử khối).
Về nguyên tắc, lưới phần tử càng dày, số điểm nút càng nhiều thì độ chính
xác của kết quả càng lớn. Tuy vậy, trong thực tế áp dụng cũng không cần phải chia
lưới phần tử qua dày. Mặt khác, không nhất thiết phải chia các phần tử có kích thước
như nhau mà nên dùng lưới phần tử có kích thước nhỏ ở những vùng hàm phải tìm có
khả năng biến thiên mạnh về giá trị, ví dụ vùng xung quanh các lỗ khoét trong thân
đập, vùng gần các vị trí đặt tải tập trung... cịn ở các vùng khác thì dùng lưới phần tử
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


21
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

có kích thước lớn hơn. Như vậy vừa đạt độ chính xác cao, vừa giảm được kích thước
của bài tốn phải giải.

Hình 2.7 Một số dạng phần tử thường dùng
Để xác định vị trí của phần tử và điểm nút trong mạng lưới phần tử mối phần
tử và mỗi điểm nút được đánh một số mã. Cách đánh số mã đơn giản nhất là dùng
các số tự nhiên 1, 2, 3... để gán cho mỗi phần tử và mỗi điểm nút. Thứ tự đánh số
khơng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Về cách giải, phương pháp PTHH là một phương pháp gần đúng. Ý nghĩa
gần đúng thể hiện ở chỗ trong miền của một phần tử chọn một hàm nào đó để biểu

diễn gần đúng dạng của hàm phải tìm trong miền của phần tử đó. Hàm được chọn gọi
là hàm xấp xỉ. Để đơn giản, dạng của hàm thường được chọn là một đa thức nguyên,
trong đó hệ số của đa thức là ẩn cần tìm. Bậc của đa thức cần chọn để thoả mãn điều
kiện hội tụ của lời giải. Thông thường, với mỗi dạng kết cấu phải chọn một dạng bậc
của đa thức. Ví dụ với bài tốn phẳng chỉ cần chọn hàm xấp xỉ có dạng là hàm bậc
nhất, với kết cấu hệ thanh và kết cấu tấm vỏ bậc của hàm xấp xỉ phải chọn thấp nhất
là bậc ba ... Khác với các phương pháp gần đúng khác, ở phương pháp PTHH các hệ
số của đa thức nguyên được biểu diễn qua các giá trị của hàm phải tìm tại vị trí các
điểm nút của phần tử. Do đó, để tìm dạng của hàm xấp xỉ, thay cho việc tìm hệ số
của đa thức đi tìm giá trị của hàm tại vị trí các điểm nút.
Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


22
Luận văn thạc sĩ

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

Trong bài toán kết cấu, tuỳ theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ định tìm là
chuyển vị, ứng suất hoặc cả hai, người ta sử dụng ba loại mô hình sau: mơ hình tương
thích, mơ hình cân bằng và mơ hình hỗn hợp. Trong ba mơ hình trên thì mơ hình
tương thích được sử dụng rộng rãi nhất. Trong mơ hình tương thích hàm được chọn
biểu diễn xấp xỉ là chuyển vị trong phạm vi một phần tử, các hệ số của đa thức xấp
xỉ được biểu diễn thông qua chuyển vị ở các nút của phần tử. Ẩn của bài toán được
chọn là chuyển vị tại các điểm nút.
Để gọn trong cách biểu diễn, phương pháp PTHH thường sử dụng ký hiệu
ma trận để viết các biểu thức hoặc các phương trình tính tốn. Cụ thể là thay cho
việc viết các phần tử của một dãy sử dụng chữ cái ký hiệu dãy đó, thay thế cho việc

viết các phần tử của một ma trận sử dụng chữ cái ký hiệu ma trận đó, thay cho diễn
giải một biểu thức hoặc một hệ phương trình sử dụng ký hiệu nhân ma trận v.v.
Dưới đây sử dụng ký hiệu ma trận để viết phương trình hình học và phương
trình vật lý của lý thuyết đàn hồi là hai phương trình được sử dụng để thiết lập
phương trình giải bằng phương pháp PTHH.
Phương trình hình học: Nếu gọi
εx 
ε 
 y
ε 
ε = z
γ xy 
γ yz 
 
γ zx 

là vectơ biến dạng;

u 
u =  v  là vectơ chuyển vị
 w

Học viên: Hồng Đình Khiêm

Lớp: Cao học 17C1


23
Luận văn thạc sĩ
∂

 ∂x





∂T =  ∂

 ∂y



∂
 ∂x

Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thuỷ

∂
∂y
∂
∂x
∂
∂z






∂


∂z  là ma trận chuyển vị của ma trân toán tử vi phân ∂


∂

∂y 
∂
∂z 

thì phương trình hình học được viết gọn lại ở dạng ma trận như sau:
ε = ∂T u

(2.1)

Phương trình vật lý: Nếu gọi
σ x 
σ 
 y
σ 
σ =  z
τ xy 
τ yz 
 
τ zx 

là vectơ ứng suất

Học viên: Hồng Đình Khiêm


Lớp: Cao học 17C1