363 B - Đập đất đá Chương ổn định biến dạng đập đất đá Biên soạn: GS TSKH Trịnh Trọng Hàn 5.1 ổn định mái dốc đập 5.1.1 Tổng quát Khi đánh giá ổn định đập đất đá trước hết phải xét ổn định mái dốc thượng hạ lưu đập tác động lực tải trọng điều kiện vận hành khai thác bình thường trường hợp có lực tổ hợp lực đặc biệt tác động bất thường Vì vậy, tính toán ổn định mái dốc nội dung quan trọng thiết kế đập vật liệu địa phương - đập đất đá Về phương diện khoa học, toán ổn định mái dốc đất (đá) nói chung mái dốc đập đất đá nói riêng chưa giải triệt để đầy đủ, chứng tỏ vấn đề không đơn giản ổn định mái dốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố nội ngoại tính chất lý hoá vật liệu cấu thành mái dốc, lực tổ hợp tác dụng (áp lực thủy tĩnh, áp lực đẩy nỉi, ¸p lùc thÊm, ¸p lùc sãng giã, ¸p lùc ngược, lực động đất, áp lực kẽ rỗng, tải trọng tĩnh động phương tiện thiết bị quản lý vận hành v.v ), biến đổi theo thời gian tải trọng tác động kể tác động biến đổi môi trường nhiệt độ, độ ẩm v.v Mục đích tính toán xác định hệ số dự trữ nhỏ ổn định mái dốc đập với liệu cho trước gồm mặt cắt ngang đập, đặc trưng lý thân đập đập, tải trọng tính toán khác Đối với mái dốc thượng lưu, ổn định xét cho hai trường hợp tính toán sau (Quy phạm thiết kế đập đất): 1) Độ hạ mức nước tối đa hồ chứa kể từ mực nước dâng bình thường (MNDBT) với tốc độ hạ tối đa Tương ứng với chế độ biến đổi mực nước, xét tác động dòng thấm xuất nêm tựa phía thượng lưu 2) Mực nước hồ cao trình khai thác thấp không nhỏ 0,2H; mực nước thân đập lấy mực nước hồ chứa Tổ hợp tính toán đặc biệt xét mái dốc thượng lưu từ mực nước gia cường hồ chứa với tốc độ hạ lớn Trong tính toán xét đến lực thấm xuất nêm tựa thượng lưu ứng với điều kiện biến đối mực nước hồ chứa đ nêu 364 sổ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Đối mái đốc hạ lưu, tổ hợp tính toán : mực nước thượng lưu tương ứng MNDBT, mực nước hạ lưu cao (nhưng không lớn 0,2H), thấm ổn định với làm việc bình thường vật thoát nước Trường hợp tính toán đặc biệt mái dốc hạ lưu là: mực nước thượng lưu tương ứng mực nước gia cường (MNGC), vật thoát nước bị hư hỏng Ngoài ra, kiểm tra ổn định mái dốc thượng lưu hạ lưu xét tổ hợp tải trọng đặc biệt lực động đất áp lực kẽ rỗng mức bình thường trình đất cố kết Giá trị hệ số ổn định tối thiểu cho phép mái dốc phụ thuộc vào cấp công trình, tham khảo bảng 5-1 Bảng 5-1 Giá trị hệ số an toàn cho phép ổn định mái dốc đập đất đá K a Tổ hợp tải trọng tác động Cơ Đặc biệt Giá trị Ka ứng với cấp công trình I II III IV 1,30 - 1,25 1,10 - 1,05 1,2 - 1,15 1,1 - 1,05 1,15 - 1,1 1,05 1,1 - 1,05 1,05 Ghi chó: TrÞ số lớn (Ka) lấy cho trường hợp phận chống thấm đập (lõi tường nghiêng) đập đất sét đất không đồng chất Giá trị hệ số an toàn ổn định tường nghiêng, lớp bảo vệ gia cố mái phải lấy hệ số an toàn ổn định mái dốc đập Giá trị tính toán (K at) ứng với tổ hợp không lớn trị số (K a) ghi bảng 5-1 15%, đập siêu cao không 30% Trong tính toán ổn định phận kết cấu đập phải xét đến lực động đất áp lực kẽ rỗng dư Lúc Ka lấy theo tổ hợp đặc biệt Độ ổn định đập vật liệu địa phương (đất, đá) phải đảm bảo điều kiện khai thác giai đoạn thi công Vì vậy, tổ hợp tính toán đặc biệt nêu trên, cần kiểm tra ổn định thời kỳ thi công đập, ví dụ đập xây dựng phần thi công xong, ứng với trường hợp hå chøa ch­a tÝch n­íc hc míi tÝch n­íc mét phần Kinh nghiệm thiết kế đập đất giới cho thấy giá trị hệ số ổn định (Ka) mái dốc thượng lưu thường nhỏ chiều sâu nước hồ chứa khoảng 1/2 1/3 chiều cao đập, mái dốc hạ lưu tương ứng với trường hợp mực nước thượng lưu cao (MNGC) Vì chưa có phương pháp giải tắc tin cậy toán ổn định không gian, tính toán ổn định mái dốc xét toán phẳng với giả thiết khối đất trượt theo mặt phẳng Mặt phẳng trượt sử dụng phổ biến mặt cong tròn (gọi mặt trượt hình trụ tròn) mặt gy khúc gồm số đoạn thẳng hợp lại (ít sử dụng hơn) 365 B - Đập đất đá Hệ số dự trữ ổn định xác định phương pháp so sánh trạng thái làm việc thực tế mái dốc với trạng thái tới hạn, đặc trưng xuất đồng thời ứng xuất tiếp tới hạn điểm mặt trượt (không phải điểm mái dốc) 5.1.2 Tính ổn định mái dốc theo mặt tr-ợt hình trụ tròn Với giả thiết mặt trượt hình trụ tròn, hệ số ổn định chống trượt xác định sở phương trình tĩnh học SM = Mg - Rị L hc ka = tgh ka dL = , Mc Mg (5.1) Trong ®ã: Mg Mc tương ứng momen tổng lực gây trượt chống trượt; L - chiều dài cung trượt; R - bán kính cung trượt Thay giá trị đại lượng vào (5.1), ta có: dx ka = ũ (s¢h tgj + c) cos a dx ị tgtr cos a Trong tính toán ổn định sử dụng hai giả thiết: a) Xem khối trượt vật thể nguyên khối không tách rời nhau; b) Xem khối trượt gồm số cột đứng bề rộng b (hình 5-1) (5.2) Phương pháp tính ổn định theo giả thiết vật thể trượt nguyên khối áp dụng cho trường hợp mái dốc đất đồng chất Phương pháp chia khối trượt thành cột thẳng đứng có ưu điểm cho phép xét toán ổn định mái dốc đất không đồng chất (gồm loại đất khác nhau) chịu tác động nội ngoại lực khác (như trọng lượng thân, lực thủy động, áp lực nước thượng lưu hạ lưu, lực động đất, áp lực kẽ rỗng, v.v ), phương pháp áp dơng phỉ biÕn nhÊt thùc tÕ Néi dung tÝnh ổn định theo giả thiết mặt trượt hình trụ tròn với khối trượt gồm cột thẳng đứng thực nhiều phương pháp Sự khác phương pháp tính toán cách thể đại lượng ứng suất pháp hiệu tác động bề mặt trượt Về tổng quát, ứng suất pháp hiệu bề mặt trượt có phương tác dụng so víi trơc x bëi gãc a cã thĨ biĨu diƠn qua ứng suất thành phần mặt phẳng thẳng đứng s'x mặt phẳng nằm ngang sy' sau: s'h = s'xsin2a + s'ycos2a - txy sin2a (5.3) 366 sæ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Hình 5-1 Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo mặt trượt hình trụ tròn a) Sơ đồ mặt trượt gồm cột thẳng đứng; b) Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất thứ i Sử dơng ký hiƯu x = s'x /s'y vµ tgd = txy /s'x, ta cã: s'h = sy'cosa[cosa + xsina (tga - 2tgd)] (5.4) Thế giá trị s'h biểu thức (5.4) vào (5.2) thay phương trình dạng tích phân phương trình tổng ta có: ka = ổ ố ỗ sÂy cos atgj + c Dx + xs sin a(tga - 2tgd)Dxtgj y cos a ữ ø å tgtr Dx / cos a (5.5) Trong tr­êng hợp chia khối trượt thành cột thẳng đứng bề réng nh­ Dx = b, c¸c lùc t¸c dơng lên cột với sơ đồ hình 5-1 b gồm có: Gi - trọng lượng chất cột đất nước kẽ rỗng đất; có tải trọng (với thành phần thẳng đứng ngoại lực G'i) thay thành phần tải trọng thẳng đứng lực lớp đất giả định; Fi- thành phần nằm ngang ngoại lực tác dụng lên cột đất (gồm lực bề mặt lực thể tích, không kể lực thấm); N i = s¢ bi / cos a i - tổng hợp lực ứng suất tiếp hiệu mặt đáy h cột đất xem xét; Ti = t i bi / cosai - tỉng hỵp lùc ứng suất tiếp hiệu mặt đáy cột đất thứ i; 367 B - Đập đất ®¸ Pin - tỉng ¸p lùc n­íc (¸p lùc kÏ rỗng) mặt đáy cột đất thứ i, (5.6) ođ Pin = Pin + Pik ođ Pin - áp lực nước điều kiện ổn định; Pik - độ dư áp lực kẽ rỗng, ví dụ áp lực dư trình đất cố kết; Dwi - tổng áp lực nước cạnh thẳng đứng cột đất; DE'i - thành phần vuông góc phản áp lực đất tạo với mặt nằm ngang góc ei' Theo điều kiện cân tĩnh học cột đất thứ i, ta cã: SX = 0, hay lµ: hay lµ: DE ¢ = i (G - Pn cos a)i (tga - tgjP )i - C Pi b i (1 + tg a i ) + tga i tgjPi + tge i¢ (tga - tgjP )i (5.7) SY = 0, (G - Pn cos a)i - DE ¢ tge ¢ - cP b i tga i i i Ni = cos a i (1 + tgjP tga)i (5.8) Tõ ®iỊu kiện cân SM = cho toàn khối trượt (5.6) với phân tích viết: i= n ka = å [(G - Pn cos a)tgj + cb i (1 + tgatge ')]i A i i =1 -1 (5.9) i=n å (G i sin a i + fi Fi / R) i =1 Trong ®ã: Ai = cos ai[1 +tgatgjp +tge' (tga - tgjp)]i ; fi - cánh tay đòn lực Fi ứng với tâm momen (với giả thiết mặt trượt hình trụ tròn tâm cung trượt bán kính R) Để tìm đại lượng e kết hợp giải phương trình (5.9) với điều kiện SX = i cho toàn khối trượt i= n (DE  + Pni sin a i ) + å F = i i =1 (5.10) Trong thùc tÕ tÝnh to¸n ỉn định thường sử dụng giả thiết đại lượng e không i đổi hàm số phụ thuộc vào góc nghiêng mặt trượt Các giả thiết ei sử dụng phổ biến là: a) Xem e = j / - phương pháp R.R Tsugaép tác động tương hỗ lực xiên; i b) Xem e'i = b, b - trị trung bình góc nghiêng mái dốc; c) Xem e = o, phương pháp tác động tương hỗ lực nằm ngang hay gọi i sơ đồ tÝnh to¸n cđa G Cray 368 sỉ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Phương pháp "áp lực trọng lượng" dựa nguyên tắc so sánh kết tính với kết tính theo phương pháp Taylor hệ số mái dốc m > 2,5 đặc trưng hệ số áp lực hông x = ctgai (1 - cosai)/ sinai Đối với trường hợp hệ số ka có d¹ng: ka = å (G - Pn cos a)i tgji + c i b i / cos a i å G i sin a i + fi Fi / R (5.11) Cơ sở tiếp cận phương pháp "áp lực trọng lượng" khả đánh giá độ tin cậy kết tính toán ứng với tổ hợp tải trọng khác mái dốc không đồng chất Riêng trường hợp có lớp đất mềm yếu giá trị hệ số ka tính thường thiên nhỏ Với giả thiết trạng thái ứng suất trục (một phương) phạm vi khối trượt (sơ đồ tính toán K.Terzaghi) tương ứng x = 0, phương trình tính ka đơn giản nhiều, cụ thể là: ka = å (G - Pn cos a)i cos a i tgji + c i b i / cos a i å G i sin a i + fi Fi / R (5.12) Công thức (5.12) rút từ (5.9) với giả thiết tổng hợp lực tác dụng có phương song song với mặt trượt đáy cột, nghĩa xem e = i Phương pháp K Terzaghi ứng dụng rộng ri đơn giản Tuy nhiên, mái dốc thoải với hệ số m > 2,5, phương pháp K.Terzaghi cho sai số lớn phía giảm giá trị hệ số ka Sử dụng sơ đồ tính toán K.Terzaghi với giả thiết Dwi = 0, A.A.Nitriporovich đ lập công thức tính hệ sè ka cã d¹ng nh­ sau ka = å (G - Pn )i cos a i tgji + c i b i / cos a i å G i sin a i + fi Fi / R (5.13) Víi gi¶ thiết biến dạng trượt phẳng xét ổn định cho đoạn đập chiều dày đơn vị(ví dụ 1m) biểu thức hệ số dự trữ ổn định mái dốc viết dạng đơn giản (xem sơ đồ hình 5-2), cụ thể sau: ò Rtc dl Mc l ka = = = M g ò Rtg dl l å tc Dln n å tg Dln n Trong ®ã: tc - øng suÊt tiếp lực chống trượt đoạn cung dl; tg- ứng suất tiếp lực gây trượt đoạn dl; DLn - chiều dài đoạn cung trượt cột đất thø n; n - sè thø tù cđa cét ®Êt; n l- tổng chiều dài cung trượt ; l = å Dln n =1 (5.14) 369 B - §Ëp đất đá Hình 5.2 Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo toán phẳng với mặt trượt hình trụ tròn gồm có cột đất thẳng đứng a) Sơ đồ tính toán; b) Sơ đồ lực lên cột đất thứ n; c) Sơ đồ tính trọng lượng thân cột đất Gn Các lực tác dụng lên khối đất thứ n gồm có: Trọng lượng thân cột đất có kể đến lượng nước cột đất; lực ma sát bề mặt hai phía cột đất Tn Tn+1; áp lực thấm hai phía Wn Wn+1; áp lực đất từ hai phía cột đất bên cạnh En En+1; ứng suất pháp ứng suất tiếp bề mặt trượt sn tn Trường hợp cột đất trạng thái cân giới hạn, lực tc đạt giá trị tối ®a, tc = sn tgjn + cn (5.15) Trong ®ã: jn, cn - góc nội ma sát lực dính đơn vị cột đất thứ n Nếu xem mặt phẳng thẳng đứng mặt phẳng Tn = Tn+1 = Ngoài ra, xem nội lực tự cân nghĩa En = En+1; Wn = Wn+1 Phương trình cân lực chiếu lên trục - vuông góc với mặt trượt cột đất thứ n trạng thái cân giới hạn lµ: (G n - p n b n ) cos a n - sn ln = hc: s n ln = (G n - p n b n ) cos a n (5.16) Trong đó: Pn - áp lực kẽ rỗng mặt trượt cột đất tính toán áp lực kẽ rỗng áp lực đất lớp bên gây ra, áp lực nước, áp lực thấm hay tác động (vÝ dơ lùc ®éng ®Êt) 370 sỉ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Thừa nhận mặt phẳng thẳng đứng mặt phẳng tương ứng với điều kiện không tồn chuyển động tương đối cột đất, ®ã: Gnsinan = tg (5.17) Nh­ vËy, theo ®iỊu kiƯn (5.17) sy = g đ H Trong gđ - trọng lượng thể tích đất có kể đến lượng nước đất; H - chiều cao cột đất Nếu cột đất gồm số loại đất khác có đường bo hoà qua, trọng lượng cột đất tính sau (hình 5-2 c):  Gn = bn( g a hI + g ¢ hII + g ¢¢ hIII + g ¢¢¢ hIV), b b b (5.18) Trong :  b g a , g  - trọng lượng thể tích lớp đất trạng thái ẩm tự nhiên trạng thái bo hoà nước; I II h , h - chiều cao tương ứng lớp đất trạng thái ẩm tự nhiên bo hoà nước; III g  , h - trọng lượng thể tích chiều cao lớp đất nằm trạng thái b bo hoà nước; IV g  , h - trọng lượng thể tích chiều cao lớp đất nằm trạng b thái bo hoà nước; bn - chiều rộng cột đất thứ n Để tính toán thuận lợi, thường lấy bề rộng cột R, đó: R - bán 10 kính cung trượt Sử dụng biến đổi, biểu thức (5.14) có d¹ng: ka = å (G n - Pn b n ) cos a n tgjn + å c n ln n å G n sin a n n (5.19) n Trong thành phần Gnsinan mẫu số bao gồm lực đẩy trượt áp lực thấm Nếu tính toán thực cho thời điểm t đ Ơ Pn = wt (wt thành phần thẳng đứng ¸p lùc thÊm): wt = hn.g Trong ®ã: hn - cột nước đo áp tính đến tâm cột đất xem xÐt; g - träng l­ỵng thĨ tÝch cđa n­íc 371 B - Đập đất đá Lưu ý rằng, xét lực thấm tách riêng ngoại lực, công thức (5.19) có dạng: (G n - Pn b n ) cos atgjn + å c n ln n ka = n (5.19') r å G n sin a n + WJ R n Trong ®ã: W - diện tích vùng thấm toàn khối trượt, kể từ mặt trượt đến mặt bo hoà; J- građian trung bình dòng thấm khối trượt; r - cánh tay đòn lực thấm tính đến tâm Tổng áp lực thấm áp lực đẩy trường hợp thấm ổn định tính theo công thức: På = P®n + Pt = ghibi/cosai, Trong ®ã : hi - chiều cao cột nước đo áp tâm cột đất (5.20) Đối với áp lực kẽ rỗng đất dính, công trình có tầm quan trọng lớn phải xác định phương pháp giải theo lý thuyết thấm cố hết Trong trường hợp bình thường, cột đất nằm phạm vi vùng thấm mực nước ngầm, tính Pk theo công thøc sau Pki = gi g¢¢¢ a' bi / cos i (5.21) Trong đó: a' - hệ số áp lực kẽ rỗng; hi - nửa chiều cao cột đất Trình tự tính toán ổn định mái dốc thùc hiƯn nh­ sau: 1) Tõ t©m (chän bÊt kỳ tạm gọi tâm 01) vẽ cung trượt bán kính R (chọn R đánh số R1) cho cung trượt cắt qua phần mái dốc tính toán; 2) Chia khối trượt thành cột thẳng đứng bề rộng nhau, lấy b = 0,1R tính toán thuận lợi hơn, lúc sinan = n 1/10 = 0,1n; ví dụ đối víi cét thø (n = 3) ta cã sina3 = 0,1 = 0,3; 3) Đánh số thứ tự cột, cột (có trục - qua tâm cột) Những cột nằm phía bên trái đánh số thứ tự 1,2,3, , cột nằm phía bên phải đánh số thứ tự -1, -2, -3, ; 4) Lập bảng tính giá trị đại lượng công thức (5.19) (5.13) cột cung trượt xem xét; 5) Thế giá trị tính theo bảng tính toán vào công thức (5.19) (5.13) để xác định hệ số ka gọi tương ứng hệ số ka1; 6) Từ tâm 01 vẽ cung trượt bán kính R2 R1 Tiến hành công đoạn tính toán nêu ta có ka2; 7) TiÕp tơc vÏ mét sè cung tr­ỵt tõ tâm 01 với bán kính R3, R4 Rn tương ứng với chúng xác định hệ số ka3, ka4 kan; 8) Tìm giá trị ka nhỏ ứng với tâm 01 Thường cần vẽ cung R1, R2, R3 tìm kamin, theo xu giá trị kai ứng với Ri (i = 1, 2, 3) Như ứng với tâm 01 ta xác định cung trượt có ka1min, nghĩa cung trượt bất lợi mặt ổn định trượt mái dốc 9) Chọn tâm trượt 02 tiến hành cách tính toán ta giá trị ka2min 372 sổ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Mục đích cuối tính toán ổn định mái dốc xác định giá trị nhỏ hệ số ka tính theo công thức (5.19) (5.13), nói cách khác tìm mặt trượt nguy hiểm xảy để đánh giá độ ổn định trượt mái dốc thiết kế Muốn cần phải lấy số tâm trượt 0i (i = 1,2,3 n) tương ứng vơi tâm trượt xác định giá trị kaimin Trên sở giá trị kaimin tìm mặt trượt có hệ số dự trữ ổn định nhỏ nhất, nghĩa mặt trượt có kaminmin ứng với tâm 0minmin Với mục đích giảm khối lượng tính toán, cho phép nhanh chóng tìm tâm trượt bất lợi nhất, nhiều tác giả đ nghiên cứu đề xuất cách xác định miền chứa tâm 0minmin (chi tiết xem tài liệu chuyên môn) Dưới giới thiệu kiến nghị sử dụng tương đối phổ biến Theo V.V Aristôpxki, tâm mặt trượt nguy hiểm nằm miền giới hạn đa giác Oedba (hình 5-3) xác định sau: Hình 5-3 Sơ đồ xác định tâm mặt trượt nguy hiểm Từ mái dốc (điểm C) vẽ hai đường thẳng CE CD kiến nghị V.V Fanđêép Từ A B dùng làm tâm vẽ hai đoạn cung tròn bán kính R cắt 0; giá trị R xác định theo công thức: R= (Rd+Rtr) /2; Trong đó: Rd Rtr giới hạn bán kính cung trượt R0, lấy theo tỷ lệ chiều cao đập Hđ (bảng 5-2) Bảng 5-2 Giá trị Rd/Hđ Rtr/Hđ Trị số R/Hđ Rd/Hđ Rtr/Hđ Hệ số mái tr-ợt 1,1 2,2 1,4 2,5 1,9 3,2 2,5 4,7 3,3 5,8 4,3 6,7 Các cung tròn bán kính R cắt đường thẳng CE "e" cắt CD ":a" Từ điểm C vẽ cung tròn bán kính r = 0c/2 Cung tròn cắt hai đường thẳng CE CD tương ứng "d" "b", Đa giác Oedba miền chứa tâm mặt trượt bất lợi 385 B - Đập đất đá Nếu chiều réng cđa lâi lín h¬n mét nưa chiỊu cao lâi, toàn thân đập cấu tạo đất dính, áp lực kẽ rỗng điểm với toạ độ (y,x) vào thời điểm kết thúc thi công xác định gần theo công thức sau: PK = agn (H® - y)sin p(ly - x) 2ly (5.45) Vì công thức (5.45) không xét đến cố kết đất giai đoạn thi công, giá trị Pk tính có độ xác lớn thời gian thi công ngắn 5.3 Tính toán lún đập đất đá 5.3.1 Tổng quát Lún đập bao gồm lún thân đập trình nén vật liệu thân đập lún Mục đích tính lún để xác định tổng khối lượng vật liệu cần thiết cho thi công đập cao trình thi công đỉnh đập phận cấu tạo đập Ngoài ra, tính lún cho phép xác định lún không phận khác đập để có biện pháp xử lý thời kỳ thi công, tránh hậu lún không phá vỡ tính toàn khối công trình, tạo điều kiện cho hình thành thấm cục tăng cường mặt tiếp xúc, tạo vết nứt làm giảm khả chịu lực phối hợp kết cấu Theo tiêu chuẩn TCVN 4253-1986, tính lún đập đất công trình đá cần tiến hành hai loại nền: a) Nền đất không dính đất dính có Cv0 (Cv0 - hệ sè møc ®é cè kÕt); b) NỊn ®Êt dÝnh cã Cv0 < đất có từ biến Theo CHuP II- 53 - 73, tÝnh lón cÇn thùc hiƯn ®èi víi ®Ëp cã chiỊu cao lín h¬n 40m Víi đập có chiều cao nhỏ 40m tính lún tiến hành đập xây dựng vật liệu thấm nước (đất dính) đất sét mềm dẻo, dẻo chảy sệt chảy, đập bồi đập đất thi công đổ nước Những trường hợp khác tính dự báo lún công thức gần Tính lún tiến hành mặt cắt ngang đặc trưng đập theo số mặt thẳng đứng qua phận công trình có cấu tạo vật liệu khác nhau, ví dụ lõi giữa, tường nghiêng, khối tựa hình nêm v.v Trong thời kỳ thi công vận hành bên cạnh tượng lún xảy chuyển vị ngang dọc đập phận đập Việc dự báo chuyển vị ngang thường thực theo tài liệu quan trắc thực tế đập có kết cấu tương tự xây dựng điều kiện tương tự 386 sổ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Theo kinh nghiệm, độ biến dạng (lún, chuyển vị ngang) đập đất đá đập đá đổ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại vị trí kết cấu chống thấm (lõi giữa, tường nghiêng, v.v ), mức độ đầm chặt tính chất biến dạng vật liệu, cấu tạo thân đập, khả biến dạng nền, độ dốc hai bờ, tải trọng ngoài, thời gian, v.v Để đánh giá sơ biến dạng đứng (lún) đỉnh đập sử dụng biểu thức kinh nghiệm dựa kết quan trắc thực tế công trình Ví dụ đập cao, độ lún đỉnh đập S xác định theo công thức kinh nghiệm sử dụng phổ biến Lauton Lester, thông qua phân tích xử lý số liệu 25 đập xây dựng giai đoạn 1941 1962, sau: S = 0,001 H3/2 ® (5.46) Trong ®ã: H® - chiỊu cao đập, tính mét Độ lún đập thấp trung bình thường không vượt 1% chiều cao đập Độ chuyển vị ngang đỉnh đập vật liệu hạt lớn (đá đổ) theo chiều vuông góc với trục đập, tuỳ thuộc vào dao động mực n­íc ë hå chøa, cã thĨ diƠn theo h­íng xuôi theo phía hạ lưu ngược lên thượng lưu Về giá trị tuyệt đối, độ chuyển vị ngang nhỏ chuyển vị đứng thường khoảng 0,3 - 0,5% chiều cao đập Sơ lấy gần (thiên an toàn) độ chuyển vị ngang ®Ønh ®Ëp b»ng ®é lón cđa ®Ønh sau hoµn thành trình tích nước hồ chứa Độ chuyển vị dọc theo trục đập xảy lún không đểu theo chiều dọc công trình (phụ thuộc vào hình dạng tuyến cấu tạo địa chất dọc tuyến), ảnh hưởng trình điều tiết hồ chứa (tích xả nước từ hồ chứa), tác dụng động đất Theo tài liệu quan trắc thực tế đập Infernilo, Ser - Ponson, Gepatch đập khác, chuyển vị diễn sau: khu vực lòng sông có tượng nén, vùng cách bờ kéo, giá trị ứng suất kéo định gây nứt phận chống thấm đất Lưu ý rằng, tính toán dự báo biến dạng công trình phụ thuộc vào chiều cao đập toán gần đúng, không xét tính chất biến dạng vật liệu yếu tố thời gian Ngoài ra, sử dụng tài liệu quan trắc ®Ëp cã cïng kÕt cÊu vµ ®iỊu kiƯn lµm viƯc cần ý đến phương pháp phương tiện thi công 5.3.2 Tính toán lún đập phận đập cấu tạo đất sét Theo TCVN 4253-1986, độ lún cuối S công trình đất đồng chất không đồng chất (theo điều 7.9.1) xác định sau: a) Đối với toán không gian, theo phương pháp cộng lớp phạm vi líp chÞu nÐn H: S = 0,8 E tb E q® si h i i =1 E i n å (5.47) 387 B - Đập đất đá Trong đó: Etb Eqđ - môđun biến dạng trung bình quy đổi toàn lớp chịu nén; n - số lớp chia để tính toán tầng chịu nÐn; si - øng st ph¸p cđa líp thø i tải trọng gia tải gây ra; hi - chiều dày lớp thứ i; Ei - mođun biến dạng lớp thứ i Độ lún thân đập xác định theo công thức (5.47), giá trị 0,8 E tb E qđ lấy b) Đối với biến dạng phẳng đập đất - theo phương pháp cộng lớp Theo CHuP II - 53 - 73, tính lún đập phận đập đất sét thực có xét đến áp lực kẽ rỗng Độ lún thời điểm thời kỳ thi công vận hành xác định theo công thức sau: S t1 -t = i= Kt å i =1 Dh e1i - e2i + e1i (5.48) Trong ®ã: Kt2 - số thứ tự lớp phân tố xây dựng thời điểm t2; Dh - chiều dày lớp đất phân tố; e1i, e2i - hệ số rỗng đất xác định theo đường cong nén phụ thuộc vào ứng st nÐn cèt ®Êt ë líp thø i, øng suất nén cốt đất lấy hiệu số ứng suất toàn phần (tổng) trừ áp lực kẽ rỗng thời điểm t1, t2; ứng suất tổng lấy tích số trọng lượng riêng đất nhân với chiều cao lớp đất nằm điểm tính toán, áp lực kẽ rỗng thời điểm xác định theo công thức (5.37), (5.41) 5.3.3 Tính toán lún phận cấu tạo đất hạt lớn đập đất đá đập đá đổ Độ lún phận cấu tạo vật liệu hạt thô đập đất đá đập đá đổ giai đoạn thi công vận hành phải tính toán sở thí nghiệm nén vËt liƯu cã kĨ ®Õn u tè thêi gian Theo số liệu thực nghiệm quan trắc thực tế lún đập đất đá đập đá đổ, ®a sè tr­êng hỵp cã sù quan hƯ tun tÝnh biến dạng đất hạt thô với ứng suất quan hệ phi tuyến biến dạng với thời gian Phương trình trạng thái đất hạt thô điều kiện không cho phép nở hông, mô tả quan hệ biến dạng phụ thuộc vào thời gian ứng suất tác động tức thời có giá trị không đổi theo thêi gian, cã d¹ng nh­ sau: 388 sỉ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * TËp e= s st + E t q + lt (5.49) Trong đó: e - biến dạng tương đối; s - ứng suất thẳng đứng, đơn vị MPa; t - thêi gian; q, l - c¸c tham sè thùc nghiệm, đặc trưng biến dạng có tính từ biến, có đơn vị q (MPa - năm) l (MPa) Sử dụng biểu thức (5.49) giải toán biến dạng đứng (lún) khối đất hạt lớn có kể đến từ biến tác dụng tải phát triển dần (theo lớp đắp tăng dần) có tải trọng tức thời (khi đổ vật liệu) trọng lượng thân vật liệu Lời giải rút tương đối phù hợp với thực nghiệm sở giả thiết tải trọng thay đổi theo nguyên tắc cộng dồn, cho phép mô tả tính từ biến đất hạt thô Nếu xem đập thi công với tốc độ (cường độ đắp) không ®ỉi, chun vÞ ®øng ë møc y bÊt kú cđa công trình vào thời điểm t xác định theo c«ng thøc: ỉ 1ư q l ỉ + ÷ T - t y y + v y ln ỗ - t h ữ + S y,t = v ỗ q ứ l ố ố Et l ø ( + v2 q gl3 ) (AlnA - B ln B + C ln C - q ln q) (5.50) Trong ®ã: v = s/ t - tèc ®é tăng ứng suất thẳng đứng, MPa/ năm; T- thời gian kéo dài giai đoạn xây dựng, năm; ty - thời gian xây dựng công trình đến độ cao y; th = t- T; g - trọng lượng riêng ®Êt, N/ m3; A = q + l (t - ty); B = q lt; C = q + lty Vào thời điểm kết thúc xây dựng, t = T: ổ 1ử v2 q S y,t = v ỗ + ÷ (T - t y )y + (AlnA - Bl n B + Cl n C - ql n q) gl è Et l ø Trong ®ã: (5.51) A = q + l(T - t y );B = q + lT Độ lún lớn sau giai đoạn xây dựng ứng với điểm có tung độ y, dSy,T / dy = Điều kiện thùc hiƯn y = H®/ Nh­ vËy, ®å thị lún đập sau hoàn thành xây dựng có dạng đường parabol với điểm cực đại y = H/ (xem h×nh 5-12 b) 389 B - Đập đất đá Hình 5-12 Đồ thị lún đập đá đổ a) Mặt cắt ngang đập Infernilo; b) Phân bố chuyển vị đứng (lún) cuối thời kỳ xây dựng; c) Độ lún vận hành điểm M1 M2; Đường liền nét số liệu quan trắc thực tế; Đường đứt nét số liệu tính toán Độ lún điểm thân đập tính cho thời gian vận hành thể c«ng thøc sau: S y,t h l v2 q ổ = v yl n ỗ - t h ÷ + (A ln A - Al n A + Bl n B - Bl n B) (5.52) q ứ gl l ố q Độ nén toàn phần (độ lún tổng cộng) tất lớp vật liệu đắp đập thời điểm hoàn thành xây dựng T, b»ng: ỉ 1 TH q v2 q S xd = v ỗ + ữ + vH l n q + éql n q - 1) - B (l n B + 1)ù (5.53) û l gl ë è Et l ø C«ng thøc (5.53) sử dụng để xác hoá khối lượng vật liệu cần đưa vào công trình ứng với độ chặt ban đầu để cuối đạt cao độ thiết kế đỉnh Các tham số tính toán biến dạng Et, q, l xác định theo kÕt qu¶ xư lý sè liƯu thùc nghiƯm øng víi loại vật liệu Đối với tính toán sơ bộ, đại lượng Et, q, l lấy theo kết quan trắc thực tế đ qua xử lý biến dạng đập thực tế có điều kiện tương tự 390 sổ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Trang để chèn bảng ngang cuối file, sau tài liệu tham khảo 391 B - Đập đất đá 5.4 Tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng ®Ëp ®Êt ®¸ Theo CHuP II - 53 - 73, ®èi víi ®Ëp cÊp I vµ II cã chiỊu cao 70 m cần tiến hành tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng Kết tính toán nói sử dụng để xác định độ lún chuyển vị ngang thân đập, tính toán cố kết lõi tường nghiêng đất dính, đánh giá cường độ độ ổn định thân đập nói chung Hiện tính toán trạng thái ứng suất biến dạng đập đất đá thường sử dụng phương pháp số phương pháp học công trình để giải phương trình mô tả dao động môi trường liên tục Phương pháp dùng phổ biến phương pháp phần tử hữu hạn sai phân hữu hạn Dạng phương trình phụ thuộc vào điều kiện làm việc công trình xem xét tính toán Trạng thái ứng suất thực tế đập bao gồm thành phần tĩnh động Dưới ảnh hưởng tác động tĩnh động lực điểm khác đập vào thời điểm định xảy trạng thái sau ®èi víi ®Êt: ch­a ®Õn giíi h¹n (d­íi giíi h¹n), giới hạn (sau) giới hạn Các biến dạng dư (không phục hồi) hình thành tích luỹ biến dạng giai đoạn giới hạn sau giới hạn Trong trường hợp có tác động mạnh lực động đất, việc tính toán đập trở nên phức tạp hình thành biến dạng dư phá vỡ quan hệ thông thường ứng suất biến dạng Vì cần phân biệt ba khu vực làm việc công trình 1) Tương ứng với giai đoạn làm việc đàn hồi xung lực nhá; 2) Khu vùc t­¬ng øng víi sù xt hiƯn trượt môi trường rời với biến dạng lớn thân đập; 3) Tương ứng với môi trường rời, xảy tượng nén mức hạt tạo cho đập có độ cứng tăng cường Đối với hai trường hợp sau, quan hệ biến dạng ứng suất phi tuyến Qui luật phi tuyến xác định thí nghiệm Tóm lại, để tính toán trạng thái ứng suất biến dạng đập đất đá cần phải thiết lập phương trình học tổng quát môi trường liên tục bao gồm phương trình chuyển động phương trình liên tục Phương trình trạng thái đất xem xét khép kín hệ phương trình tính toán 5.5 Tính ổn định đập đất đá có kể đến lực động đất 5.5.1 Tổng quát Để đánh giá độ ổn định động đập đất đá thường xác định tải trọng động đất xem tải trọng bổ sung vào tổ hợp tải trọng tĩnh gây trượt Trong trường hợp này, biểu thức hệ số dự trữ ổn định cột đất trượt có dạng: ka = Mc M tr + M ® (5.54) Trong ®ã: Mc, Mtr, Mđ - momen lực chống trượt, lực gây trượt lực động đất, tác động lên cột đất 392 sổ tay KTTL * Phần - công trình thủy lợi * Tập Tải trọng động đất S xác định cách nhân gia tèc ®éng lùc S* (theo tû K lƯ cđa gia tốc trọng lực g) điểm tác dụng lực với trọng lượng tương ứng cột đất (có kể ®Õn n­íc ®Êt) Gia tèc ®éng ®Êt ë ®iĨm k đập xác định theo công thức sau: S* k = n å (S* )2 ik (5.55) i =1 Trong đó: n - số dạng dao động kể đến tính toán; S* - gia tốc động ®Êt víi nhÞp dao ®éng thø i ë ®iĨm k, S* xác định ik ik cách giải phương trình dao động cưỡng công trình theo sơ đồ tính toán lựa chọn Sơ tính theo công thức sau: Sik = Qk mkđ bo hik, i (5.56) Trong đó: Qk - trọng lượng phần công trình tính cho điểm k; m - hệ số kể đến điều kiện làm việc đặc biệt công trình thủy, m = 1,3 đập đất đá cấp I, m =1,0 công trình cấp II ¸ IV; k®- hƯ sè ®éng ®Êt, k® = 0,025 ¸ 0,100 øng víi ®éng ®Êt cÊp ¸ 9; đồng thời kể đến thành phần nằm ngang thẳng đứng lực động đất hệ số kđ nhân với cosa (a - góc tạo phương lực động đất với mặt nằm ngang); bo - hệ số động học phụ thuộc vào chu kỳ dao động thân công trình; i hik - hệ số phụ thuộc vào dạng dao động thân công trình (chi tiết xem chương tải trọng động đất phần Những vấn đề chung thiết kế công trình thủy) Để xác định đại lượng bo hik công thức (5.56) cần phải giải phương i trình dao động tự đập Chu kỳ dao động thân theo phương nằm ngang đập vật liệu đồng chiều dài l0 theo đỉnh chiều cao H ứng với trường hợp l0 4Hđ, xác định theo công thức: Ti = 2p Hđ a i cs (5.57) Trong ®ã: Ti - chu kú dao động thân theo dạng thứ i; - hệ số (nghiệm hàm Besselli), lấy giá trị bảng 5-4; cs- tốc độ lan truyền sóng ngang vật liệu đập, lấy giá trị tài liệu nghiên cứu thực nghiệm tác động nổ 393 B - Đập đất đá Bảng 5-4 Giá trị hệ số bốn nhịp dao động thân Số nhịp dao động Số nhịp dao động 2,40 5,52 8,65 11,79 Khi ®Ëp có dạng hình nêm xây dựng thung lũng hẹp, nghĩa l0