TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ VIỆC XÁC ĐỊNH MẶT CẮT ĐẬP
Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1.Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới Đập bê tông trọng lực là loại đập được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới
Mặc dù ra đời sau đập đất và không phổ biến bằng, nhưng hầu hết các đập cao trên 100m là đập bê tông Theo thống kê từ Hội đập cao thế giới (ICOLD), tính đến năm 2000, có khoảng 45.000 đập lớn được phân bố ở 140 quốc gia trên toàn thế giới.
Trung Quốc là quốc gia có số lượng đập nhiều nhất trên thế giới, với 22.000 đập, chiếm 48% tổng số đập toàn cầu Mỹ đứng thứ hai với 6.575 đập, trong khi Ấn Độ xếp thứ ba trong danh sách này.
4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập
Việt Nam hiện có gần 500 đập, đứng thứ 16 trên thế giới về số lượng đập cao Đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập đã xây dựng toàn cầu, trong đó đập cao trên 100m chiếm khoảng 30% Tốc độ xây dựng đập trên thế giới không đồng đều, với những giai đoạn xây dựng nhiều diễn ra từ năm 1900 đến 2000.
1950 Đỉnh cao là năm 1970 Tình hình này cũng xảy ra tương tự ở vùng xây dựng nhiều đập như ở Châu Á, Bắc Mỹ, Tây Âu
Theo con số thống kê đập ở 44 nước của ICOLD-1997, số đập cao 15÷30m chiếm 56.2%, đập cao hơn 30m chiếm 23.8%, đập cao hơn 150m chỉ có 0.1%
Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới từ năm 1900 đến 2000 cho thấy sự gia tăng đáng kể trong số lượng đập được xây dựng Các đập này không chỉ phục vụ mục đích cung cấp nước và kiểm soát lũ lụt mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát điện và phát triển kinh tế Sự phát triển của ngành thủy lợi trong giai đoạn này phản ánh nhu cầu ngày càng cao về nguồn nước và năng lượng, đồng thời cho thấy những thay đổi trong công nghệ xây dựng và quản lý tài nguyên nước.
Đập Grande Dixence, nằm ở Thụy Sĩ, là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới với chiều cao 285m Được xây dựng trên sông Dixence, một phụ lưu của sông Rhône, đập này tọa lạc trong vùng núi Alpes phía tây nam Thụy Sĩ, gần biên giới với Pháp.
Hình 1.2 : Đập Grande Dixence nhìn từ hạ lưu Đập Tam Hiệp (Trung Quốc) được xây dựng trên sông Dương Tử tại Tam Đẩu
Bình, Nghi Xương, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc
Hình thức: Đập bê tông trọng lực
Tổng dung tích hồ: 38 tỷ m 3
Dung tích phòng lũ: 22,38 tỷ m 3
Diện tích mặt hồ: 13.000 km 2
Chiều dài hồ (theo sông): 660 km
Số tổ máy phát điện: 26 tổ máy, công suất mỗi tổ 700 MW
Công suất phát điện thiết kế đạt 18.200 MW, với điện lượng sản xuất hàng năm lên tới 84,3 tỷ kWh.
Hinh 1.3 : Toàn cảnh đập Tam Hiệp Đập Itaipu (Biên giới Brazil và Paraguay) được xây dựng trên sông Parana
Đập Itaipu là một trong những công trình thủy điện lớn nhất thế giới, nổi bật với thiết kế ấn tượng và quy mô khổng lồ Với khả năng sản xuất điện năng vượt trội, đập này không chỉ cung cấp năng lượng cho Brazil và Paraguay mà còn đóng góp vào sự phát triển kinh tế của khu vực Hình ảnh toàn cảnh đập Itaipu thể hiện sự kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ hiện đại và thiên nhiên hùng vĩ, thu hút sự chú ý của du khách và các nhà nghiên cứu.
6 Đập Guri (Venezuela) được xây dựng trên sông Caronni
Chiều cao đập: 162 m Chiều dài đập: 7.426 m
Công suất phát điện thiết kế: 10.235 MW
Hình 1.5 : Toàn cảnh đập Guri Đập Tucurui (Brazil) là một đập bê tông trọng lực được xây dựng trên sông
Tocantins nằm ở huyện Tucurui, Brazil
Hình 1.6 thể hiện toàn cảnh đập Tucurui, một công trình thủy điện quan trọng Đập Tucurui không chỉ cung cấp năng lượng mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nước và phát triển kinh tế khu vực Với thiết kế hiện đại, đập này góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững Các nghiên cứu từ Đại học Thủy Lợi đã chỉ ra tầm quan trọng của đập trong việc cung cấp nước và năng lượng cho các cộng đồng xung quanh.
1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
Trước năm 1930, Việt Nam đã xây dựng một số đập bê tông trọng lực, nhưng chủ yếu là những đập thấp với chiều cao từ 5m đến 10m và chưa có đập lớn Các công trình này có kết cấu đơn giản, thi công nhanh chóng bằng phương pháp thủ công, ngoại trừ đập Đồng Cam ở Phú Yên do đặc điểm thủy văn của sông Đà Rằng Hầu hết các công việc thiết kế và chỉ đạo thi công đều do các kỹ sư Pháp thực hiện, xi măng được nhập khẩu từ châu Âu, và cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào nghiên cứu từ nước ngoài, thiếu các giải pháp và công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Từ năm 1930 đến 1945, người Pháp đã xây dựng nhiều công trình thủy lợi ở Việt Nam, bao gồm các đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương tại Nghệ An để cung cấp nước tưới, đập Đáy ở Sơn Tây với chức năng phân lũ, cùng với một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam.
Bảng 1.1 Bảng thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam
Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam
TTT Tên Địa điểm xây dựng Năm xây dựng
1 Cầu Sơn Sông Thương-Bắc Giang 1902
2 Liễn Sơn Sông Phó Đáy 1914-1917
3 Bái Thượng Sông Chu- Thanh Hóa 1920
4 Thác Huống Sông Cầu- Thái Nguyên 1922-1929
5 Đồng Cam Sông Đà Rằng- Phú Yên 1925-1929
6 Đô Lương Sông Cả- Nghệ An 1934-1937
7 Đập Đáy Sông Đáy- Hà Tây 1934-1937
Giai đoạn từ 1945 đến 1975, đất nước Việt Nam trải qua chiến tranh, dẫn đến việc xây dựng hệ thống thủy lợi bị hạn chế Tuy nhiên, một số công trình thủy lợi quan trọng vẫn được thực hiện, bao gồm tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn và Đa Nhim Những công trình này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nước và phát triển nông nghiệp trong bối cảnh khó khăn của đất nước.
Kể từ năm 1975, Việt Nam đã tiến hành công nghiệp hóa hiện đại hóa, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các công trình thủy lợi và thủy điện trên toàn quốc Đặc biệt, đập bê tông ngày càng trở nên phổ biến với nhiều quy mô và hình thức đa dạng Một số dự án tiêu biểu trong lĩnh vực này bao gồm Thạch Nham, Tân Giang và Lòng Sông.
PleiKrong , Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ, Hòa Bình, Tuyên Quang, Sơn La… là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m 3 bê tông, chiều cao từ 70-138m
Việt Nam đang áp dụng hiệu quả công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực với quy mô ngày càng lớn, cả về chiều cao lẫn khối lượng bê tông.
Đập Sơn La, một trong những đập bê tông trọng lực nổi bật ở Việt Nam, tọa lạc trên dòng sông Đà, thuộc xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La.
Chiều cao đập: 138 m, Chiều dài đập: 1.000 m
Hình thức: Đập bê tông trọng lực, Tổng dung tích hồ: 9,26 tỷ m 3
Dung tích phòng lũ: 7 tỷ m 3 , Diện tích mặt hồ: 224 km 2
Số tổ máy phát điện: 6 tổ máy, công suất mỗi tổ 400 MW
Công suất phát điện thiết kế: 2400 MW Điện lượng: 10,227 tỷ kWh/năm
Đập Sơn La, một công trình thủy điện lớn, được nhìn từ hạ lưu, mang đến một cái nhìn toàn cảnh ấn tượng về sự hùng vĩ của thiên nhiên và kỹ thuật Hình ảnh này không chỉ thể hiện sự phát triển của ngành thủy lợi mà còn nhấn mạnh vai trò quan trọng của đập trong việc cung cấp năng lượng và điều tiết nước Đập Sơn La không chỉ là biểu tượng của công nghệ hiện đại mà còn là minh chứng cho những nỗ lực bền vững trong quản lý tài nguyên nước tại Việt Nam.
9 Đập Bản Vẽ được xây dựng tại tỉnh Nghệ An
Hình thức: Đập bê tông trọng lực
Tổng dung tích hồ:1,8 tỷ m 3
Số tổ máy phát điện: 2 tổ máy, công suất mỗi tổ 320 MW
Công suất phát điện thiết kế: 640 MW
Hình 1.8 : Toàn cảnh đập Bản Vẽ nhìn từ hạ lưu
Hình dạng và kích thước mặt cắt đập bê tông trọng lực
Mặt cắt đập là phần giao cắt giữa thân đập và mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục đập, thường có dạng hình thang hoặc hình chữ nhật trong thiết kế ban đầu Hiện nay, nhờ vào tiến bộ khoa học kỹ thuật, các đập bê tông trọng lực đã được thiết kế với mặt cắt hình cong hoặc đa giác Tuy nhiên, các đập nhỏ với kết cấu đơn giản vẫn thường sử dụng mặt cắt hình thang.
Hình dạng và kích thước mặt cắt của đập bê tông trọng lực cần đảm bảo đủ cường độ chịu lực, ổn định chống trượt và tính kinh tế Trong thiết kế mặt cắt đập bê tông trọng lực, mặt cắt dạng tam giác là lựa chọn phổ biến nhất.
Hình dạng mặt cắt của đập phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm sự nối tiếp giữa đập và nền cũng như bờ, và việc tạo ra các khe rộng trong thân đập.
Hình 1.9 :Các dạng mặt cắt của đập bê tông trọng lực
Ảnh hưởng của động đất đến ổn định và độ bền của đập
1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng các dao động đàn hồi Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh
Nội sinh đề cập đến các hiện tượng địa chất như vận động phun trào núi lửa, sự sập đổ của trần các hang động ngầm, và sự cọ xát giữa các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút chìm Ngoài ra, hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong các mảng lục địa cũng là một phần quan trọng của quá trình này Những yếu tố này tạo nên sự biến đổi liên tục của bề mặt trái đất và ảnh hưởng đến cấu trúc địa chất của các khu vực xung quanh.
- Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn
Động đất ở Việt Nam chủ yếu do hoạt động của đứt gãy, với chấn tiêu nông, thường không sâu quá 20km Các nguyên nhân gây ra động đất bao gồm thử hạt nhân ngầm, xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực, và bơm hút nước ngầm, khí đốt dẫn đến sụp đổ ngầm Nước ta không có núi lửa đang hoạt động và cách xa các đới hút chìm, do đó không xảy ra động đất liên quan đến cấu trúc như ở Nhật Bản, Philippines, Indonesia, hay vùng núi Himalaya.
1.3.2.Một số khái niệm về động đất
Chấn tiêu, hay còn gọi là lò động đất, là nơi xảy ra dịch chuyển trong động đất Phần hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt đất được gọi là chấn tâm của động đất.
Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu đến mặt đất, tức là khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm Khoảng cách chấn tiêu, ký hiệu là Δ, là khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu Trong khi đó, khoảng cách chấn tâm, ký hiệu là D, là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm.
- Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình
Chấn tiêu của động đất thường dao động từ 60 đến 300Km, trong khi chấn tiêu bình thường dưới 60Km được coi là chấn tiêu nông, với độ sâu dưới 15Km Động đất có chấn tiêu sâu nhất được ghi nhận là 720Km ở Florida, Mỹ Đặc biệt, động đất có sức tàn phá lớn nhất thường xảy ra ở chấn tiêu nông, khi toàn bộ năng lượng giải phóng lên tới 75% năng lượng đàn hồi tích lũy.
Biểu đồ động đất là công cụ ghi lại chuyển động của nền đất theo thời gian, bao gồm các loại biểu đồ như chuyển vị (mm), gia tốc (m/s²) và vận tốc (m/s) Những biểu đồ này giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư hiểu rõ hơn về các hiện tượng địa chấn và tác động của chúng đối với công trình xây dựng và môi trường Việc phân tích các dữ liệu từ biểu đồ động đất là rất quan trọng trong việc thiết kế các công trình bền vững và an toàn.
12 động đất là tài liệu thiết yếu cho việc đánh giá đặc điểm của một trận động đất, đồng thời cung cấp số liệu quan trọng để suy luận các thông số cần thiết trong thiết kế kháng chấn.
1.3.2.3 Thang động đất và cấp động đất
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn là các thang đo cơ bản sau:
Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được tính bằng Magnitude (M) Một Magnitude bằng một độ Richter
Cường độ động đất được xác định bởi trị số gia tốc địa chấn a, phản ánh hiện tượng động đất qua các yếu tố như chuyển vị, gia tốc và vận tốc của mặt đất Các cấp độ động đất được phân loại theo các thang đo như MMI (12 cấp), MSK (12 cấp) và JMA (8 cấp).
Theo thang độ Richter, con người không thể cảm nhận được chấn động cấp 1-2, trong khi chấn động cấp 3-4 gây rung động nhẹ Chấn động từ cấp 6-7 có thể làm chao đảo mặt đất, và chấn động cấp 7 trở lên sẽ gây ra thiệt hại nghiêm trọng.
Bảng 1.2: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất [7]
Cấp động đất MSK Magnitude JMA Merkaly Năng lượng
XII 7.30 7.00 12 10 15.75 15.75 dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai
Gia tốc cực đại trong một trận động đất là giá trị cao nhất của chuyển động nền đất, đóng vai trò quan trọng trong các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay.
Xác định gia tốc cực đại tại một điểm cụ thể gặp nhiều khó khăn do thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và sự đa dạng của dao động địa chấn Do đó, các nhà nghiên cứu thường sử dụng băng ghi gia tốc của nền đất có sẵn để thiết lập mối tương quan thống kê giữa gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng khác của động đất.
Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất [5]
Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền (a) g Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền (a) g
1.3.3 Ảnh hưởng của động đất đến ổn định và độ bền của đập
Khi xảy ra động đất, sóng địa chấn tác động lên nền đất gây ra các lực kéo, nén và xoắn, dẫn đến hiện tượng lún, nứt hoặc phá hoại nền Điều này có thể làm phát sinh vết nứt trong đập hoặc khiến đập bị nghiêng, chuyển vị về phía hạ lưu Tất cả những hiện tượng này đều làm giảm ổn định và gây hư hỏng cho công trình đập.
Khi động đất xảy ra, sóng địa chấn có thể gây ra phản ứng trên đập và nền, dẫn đến thay đổi cường độ ứng suất, chuyển vị và gia tốc Nếu các giá trị này vượt quá giới hạn cho phép, đập sẽ mất ổn định và có nguy cơ bị phá hoại Việc hiểu rõ các tác động của động đất đối với công trình thủy lợi là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ bền cho các công trình này.
Về các chỉ tiêu thiết kế đập bê tông
Các chỉ tiêu thiết kế đập bê tông được quy định chi tiết và cụ thể trong các tiêu chuẩn, quy chuẩn, quy phạm như:
- Quy chuẩn Việt Nam (QCVN 04 - 05 : 2012/BNN&PTNT) [1]
- Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCVN 9386:2012) [5]
Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định mặt cắt của đập bê tông trọng lực được xây dựng trên nền đá có cường độ đảm bảo Các đặc trưng địa chất của nền và mức độ động đất được phân tích theo tiêu chuẩn quy định tại Việt Nam.
Việc xác định mặt cắt của đập bê tông được thực hiện dựa trên các lý thuyết và phương pháp phổ biến hiện nay Các nghiên cứu từ Đại học Thủy Lợi đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và áp dụng các kỹ thuật này, nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho công trình thủy lợi.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XÁC ĐỊNH MẶT CẮT HỢP LÝ CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
Các tiêu chí để xác định mặt cắt hợp lý
Tiêu chí để xác định mặt cắt hợp lý của đập bê tông trọng lực là đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế
2.1.1 Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật:
2.1.1.1 Y êu cầu về độ bền
Việc tính toán mặt cắt hợp lý cho đập bê tông trọng lực là rất quan trọng để đảm bảo yêu cầu về cường độ và an toàn cho công trình Cường độ vượt quá giới hạn cho phép có thể dẫn đến sự phá hoại của đập Tiêu chuẩn xác định độ bền của vật liệu bê tông dựa vào cường độ kéo và nén giới hạn (R k, R n) Do vật liệu bê tông có khả năng chịu nén cao hơn nhiều so với chịu kéo, nên điều kiện bền thường được quyết định bởi ứng suất kéo.
Trong tính toán thiết kế đập, cần xem xét các tình huống hoạt động khác nhau Khi hồ chứa nước đầy, ứng suất kéo thường xuất hiện ở biên thượng lưu của đập Ngược lại, trong giai đoạn mới thi công hoặc khi có động đất, ứng suất kéo có thể xuất hiện ở biên hạ lưu.
2.1.1.2 Yêu cầu về ổn định Đảm bảo về ổn định chống trượt: Do điều kiện làm việc là thường xuyên chịu tác dụng của áp lực nước đẩy ngang rất lớn, nên đập bê tộng trọng lực có thể bị mất ổn định, lật, đẩy nổi Ở đây xét các đập bê tông có chiều cao lớn (trên 60m), nên điều kiện chống đẩy nổi được đảm bảo Với đập bê tông trên nền đá, khi khống chế ứng suất ở thượng và hạ lưu ở các mặt cắt ngang không vượt quá ứng suất cho phép trong điều kiện làm việc bình thường thì điều kiện lật sẽ không xảy ra Do đó khả năng mất ổn định đầu tiên cần xem xét là trượt theo mặt nào đó Có thể mặt tiếp giáp giữa đập và nền, mặt nằm trong nền, hay trong đập Khi tính toán cần căn cứ vào các trường hợp làm việc cụ thể của hồ chứa, chỉ tiêu cơ lý của địa chất, và các điều kiện khác để đảm bảo điều kiện ổn định về chống trượt dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai
2.1.1.3 Yêu cầu về kinh tế
Để đảm bảo an toàn cho đập bê tông trọng lực, cần đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật, khối lượng và chi phí xây dựng tối thiểu Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải tiến mặt cắt của đập, với mục tiêu nâng cao độ an toàn và giảm khối lượng xây dựng Do đó, hình dạng mặt cắt của đập bê tông trọng lực ngày càng trở nên đa dạng.
Tính toán đập có mặt cắt cơ bản hình tam giác
2.2.1 Hình dạng mặt cắt cơ bản [8]
Mặt cắt cơ bản dùng để tính toán là mặt cắt có dạng hình tam giác AEC (hình
Chiều dài đơn vị của công trình là 1m với tiết diện ngang, chiều cao h(m) và chiều rộng đáy B Hình chiếu của mái thượng lưu lên mặt bằng có kích thước nB, trong khi hình chiếu của mái hạ lưu cũng được xác định trên mặt bằng.
Trong tính toán cho đập (1-n)B với n 100 m: đập cấp đặc biệt, Kc = 1,35
2.4.1.2 Hệ số ma sát với nền Đập bê tông trọng lực có chiều cao từ trung bình trở lên, được xây dựng trên nền đá có xử lý để đảm bảo hệ số ma sát giữa đập và nền đạt từ 0,5 trở lên, cụ thể ở đây xét với các giá trị f = 0,5; 0,6; 0,7; 0,8
2.4.1.3 Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm ( α 1 )
Các đập bê tông trên nền đá được trang bị màn chống thấm gần đầu mặt cắt nhằm giảm áp lực thấm lên đáy đập và hạn chế lưu lượng thấm Trong nghiên cứu này, trị số α1 được xác định với giá trị trung bình là α1 = 0,5.
2.4.2 Tính toán cho đập có mặt cắt hình tam giác
2.4.2.1 Xác định chiều rộng đáy đập thỏa mãn đồng thời điều kiện ổn định và ứng suất
-Chiều rộng đáy đập theo điều kiện ứng suất:
-C hiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định
Kc: hệ số an toàn công trình, Kc =1,25 (CT Cấp II), Kc =1,3 (CT Cấp I), Kc
Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm được xác định là α₁ = 0,5 Các thông số liên quan bao gồm CT Cấp đặc biệt là 1,35 và mật độ γ₁ = 2,4 (T/m³), trong khi mật độ γ = 1 (T/m³) Những thông tin này rất quan trọng trong lĩnh vực thủy lợi, giúp đảm bảo hiệu quả trong quản lý nước và các công trình thủy lợi.
Giá trị n là nghiệm của phương trình bậc hai với n
ứng với các giá trị K c , f, và α 1 ta tính được các giá trị C, D, E và từ đó giải được phương trình bậc hai với n
A là diện tích mặt cắt ngang Áp dụng công thức ta được kết quả như sau :
Bảng 2.1 : Bề rộng đáy mặt cắt đập ứng với f = 0,5 và chiều cao h f h(m) Kc C D E n B (m) A(m 2 )
Bảng 2.2 : Bề rộng đáy mặt cắt đập ứng với f = 0,6 và chiều cao h f h(m) Kc C D E n B (m) A(m 2 )
Đại học Thủy Lợi là một trong những cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các ngành liên quan đến thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Trường cung cấp chương trình học đa dạng, giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sự nghiệp trong lĩnh vực này Với đội ngũ giảng viên chất lượng và cơ sở vật chất hiện đại, Đại học Thủy Lợi cam kết mang đến môi trường học tập tốt nhất cho sinh viên Ngoài ra, trường còn tích cực tham gia các nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế, góp phần nâng cao uy tín và vị thế trong khu vực.
Bảng 2.3 : Bề rộng đáy mặt cắt đập ứng với f = 0,7 và chiều cao h f h(m) Kc C D E n B (m) A(m 2 )
Bảng 2.4 : Bề rộng đáy mặt cắt đập ứng với f = 0,8 và chiều cao h f h(m) Kc C D E n B (m) A(m 2 )
Biểu đồ quan hệ giữa n~f và h cho thấy hệ số ma sát f ≥ 0,8 với n = 0 Điều này cung cấp thông tin quan trọng về mối liên hệ giữa các yếu tố trong lĩnh vực thủy lợi Các kết quả từ nghiên cứu này có thể hỗ trợ trong việc tối ưu hóa thiết kế và quản lý hệ thống thủy lợi, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước.
Hình 2.6: Biểu đồ quan hệ B~h, f
Để đảm bảo ổn định và ứng suất cho đập có mặt cắt tam giác, độ nghiêng mái thượng lưu cần được xác định dựa trên hệ số ma sát với nền (f) và chiều cao đập (h).
Khi nền đá yếu (trị số f nhỏ), cần thiết phải thiết kế mái thượng lưu với độ dốc thoải (n lớn) để tận dụng trọng lượng của khối nước phía trên, từ đó tăng cường tính ổn định Đặc biệt, khi hệ số ma sát nền f khoảng 0,8, có thể áp dụng n = 0.
Trị số n phụ thuộc vào chiều cao đập và hệ số an toàn cho phép, với đập cao hơn yêu cầu trị số K c lớn hơn, dẫn đến trị số n cũng tăng Để đảm bảo ổn định và ứng suất theo điều kiện đã nêu, mối quan hệ giữa bề rộng đáy đập (B) và chiều cao (h) gần như tuân theo quy luật tuyển tính tương ứng với từng loại nền xác định.
2.4.3 Tính toán cho đập có mặt cắt hình đa giác m
Hình 2.7: Hình vẽ tính toán mặt cắt đa giác
Các bước tính toán được thể hiện chi tiết ở mục 2.3
Từ hình vẽ 2.7 thành lập công thức tính diện tích (A) của mặt cắt ngang
B (2-14) Ứng suất biên thượng lưu : 1 ' 2 0
Trong đó: ∑G = G1 +G2 +W2 – Wth (tổng các lực thẳng đứng)
∑M0 (Tổng mô men của các lực đối với trọng tâm mặt cắt tính toán)
Hình 2.8 minh họa sơ đồ các lực tác dụng vào mặt cắt tính toán trong lĩnh vực thủy lợi Các lực này bao gồm trọng lực, lực nước và các yếu tố khác ảnh hưởng đến thiết kế và tính toán kết cấu công trình Việc hiểu rõ các lực tác dụng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các dự án thủy lợi.
Từ biểu thức (2-18) và (2-19) thay vào (2-15) ta được:
(2-20) Điều kiện tối thiếu để đảm bảo ổn định của đập :
Trong đó: f là hệ số ma sát giữa đập và nền
Kc là hệ số an toàn ổn định của đập, phụ thuộc vào chiều cao đập
Từ công thức 2-21 ta có thể viết lại:
Công thức Kc γ H = f H m γ + n − ξ γ + n − ξ γ α − m + n − ξ γ (2-22) mô tả mối quan hệ giữa các biến trong lĩnh vực thủy lợi Việc áp dụng công thức này giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư tối ưu hóa các hệ thống thủy lợi, đảm bảo hiệu quả và bền vững trong quản lý nguồn nước Đại học Thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo và phát triển các giải pháp tiên tiến cho ngành thủy lợi, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành này.
Tính toán theo công thức đã thiết lập ở trên được kết quả như bảng sau:
Bảng 2.5 : Thông số mặt cắt đập ứng với f = 0,5 và chiều cao h f h (m) ξ n m A(m2)
Bảng 2.6 : Thông số mặt cắt đập ứng với f = 0,6 và chiều cao h f h (m) ξ n m A(m2)
Bảng 2.7 : Thông số mặt cắt đập ứng với f = 0,7 và chiều cao h f h (m) ξ n m A(m2)
Trường Đại học Thủy lợi là một cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các chuyên ngành liên quan đến thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Với sứ mệnh cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết, trường đã khẳng định vị thế của mình trong lĩnh vực giáo dục đại học Các chương trình học tại Đại học Thủy lợi được thiết kế để đáp ứng nhu cầu thực tiễn và góp phần phát triển bền vững cho ngành thủy lợi Trường cũng chú trọng đến nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế, nhằm nâng cao chất lượng đào tạo và mở rộng cơ hội cho sinh viên.
Bảng 2.8 : Thông số mặt cắt đập ứng với f = 0,8 và chiều cao h f h (m) ξ n m A(m2)
Nhận xét các kết quả tính toán
Từ kết quả tính toán được ta có những nhận xét như sau:
So sánh diện tích mặt cắt A giữa mặt cắt tam giác và mặt cắt đa giác cho thấy trị số A của mặt cắt đa giác nhỏ hơn Điều này khẳng định sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại mặt cắt.
Mặt cắt kinh tế thường áp dụng cho các hình đa giác, nhưng trong trường hợp nền yếu (f=0,5), điều này không hoàn toàn chính xác Do đó, khi thiết kế đập trên nền yếu, có thể không cần xem xét đến mặt cắt đa giác.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày cơ sở lý luận về việc xác định kích thước mặt cắt của đập bê tông trọng lực, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về ổn định và độ bền Hai dạng mặt cắt chính được đề cập là mặt cắt cơ bản dạng tam giác và mặt cắt cơ bản dạng đa giác.
Tiến hành tính toán cho thấy các đập với hệ số ma sát nền khác nhau, chiều cao đập khác nhau Kết quả đạt được như sau:
Việc thiết lập quan hệ giữa n~f và h của đập có mặt cắt hình tam giác cần đảm bảo đồng thời điều kiện ổn định và độ bền Kết quả tính toán cho thấy, khi nền đập yếu (f nhỏ), cần tăng độ nghiêng mái thượng lưu để tận dụng trọng lượng nước, từ đó nâng cao độ ổn định của đập.
- Thiết lập được quan hệ B~f, h của đập có mặt cắt cơ bản là hình tam giác
(hình 2- 6) Có thể thấy là ứng với 1 giá trị của f, quan hệ B~h gần như là tuyến tính
Xác định trị số ξ, m, n hợp lý cho các đập với chiều cao khác nhau và hệ số ma sát khác nhau, như trình bày trong bảng 2-5 đến bảng 2-8, là cơ sở quan trọng để nhanh chóng lựa chọn hình dạng và kích thước mặt cắt trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đập.
Kết quả tính toán cho hai dạng mặt cắt (tam giác và đa giác) cho thấy mặt cắt đa giác có diện tích nhỏ hơn khi đảm bảo đồng thời điều kiện ổn định và độ bền Tuy nhiên, điều kiện này chỉ áp dụng cho mặt cắt tiếp giáp giữa đập và nền Trong các tính toán tiếp theo, cần xem xét các mặt cắt ngang khác, đặc biệt là tại các vị trí thay đổi hệ số mái và các khu vực yếu của mặt cắt.