Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trờng 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

Ngời hớng dẫn khoa học:
GS.TS nguyễn văn lệ Hà Nội - 2011
1

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
]LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài Nghiên cứu giải pháp xử lý và tính toán
kết cấu đập tràn trọng lực bêtông trên nền có lớp xen kẹp yếu được hoàn thành với
kết quả còn nhiều khiêm tốn, tác giả hy vọng đóng góp được một phần nhỏ bé cho
việc nghiên cứu, thiết kế xây dựng các công 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 công,
Khoa sau đại học, Khoa công 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, thông 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.

23T1.4 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC TRÊN NỀN YẾU23T 14
23TCHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PTHH VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP
BÊTÔNG TRỌNG LỰC
23T 17
23T2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG
LỰC
23T 17
23T2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu23T 17
23T2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi23T 18
23T2.1.3 Phương pháp Phần tử hữu hạn23T 20
23T2.2 NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH23T 30
23T2.2.1 Phương pháp sức bền vật liệu23T 30
23T2.2.2 Phương pháp lý thuyết đàn hồi23T 31
23T2.2.3 Phương pháp PTHH23T 32
23T2.2.4 Lựa chọn phương pháp tính toán23T 33
23T2.3 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN23T 34
23TCHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN ĐÁ HÀN23T 41
23T3.1.1.Nhiệm vụ,cấp công trình và các tiêu chuẩn thiết kế23T 41
23T3.1.2 Qui mô xây dựng, thông số kỹ thuật và kết cấu công trình chủ yếu23T 41
23T3.1.3 Giới thiệu về đặc điểm địa chất , khó khăn về địa chất23T 45
23T3.1.4 Giải pháp xử lý khó khăn địa chất cho đập Đá Hàn.23T 46
23T3.1.5.Các trường hợp tính toán23T 46
23T3.1.6 Phương pháp tính toán, phần tử sử dụng và điều kiện biên23T 51
23T3.1.7 Kết quả tính toán23T 51
23T3.1.8 Nhận xét kết quả tính toán23T 69
23TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ23T 71
23T1. Những kết quả đạt được23T 71
23T2. Những tồn tại của luận văn23T 71
23T3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo23T 71
23TTÀI LIỆU THAM KHẢO23T 72

23THình 3.2 Sơ đồ tính toán trường hợp 1.23T 47
23THình 3.3 Sơ đồ tính toán trường hợp 2.23T 49
23THình 3.4 Sơ đồ phần tử (TH1-a )23T 52
23THình 3.5 Chuyển vị UR
x
R, m(TH1-a)23T 53
23THình 3.6 Chuyển vị UR
Y
R, m(TH1-a)23T 54
23THình 3.7. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2
P(TH1-a)23T 55
23THình 3.8. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH1-a)23T 56
23THình 3.9. Sơ đồ phần tử (TH1-b)23T 57
23THình 3.10. Chuyển vị UR
x
R, m(TH1-b)23T 58
23THình 3.11. Chuyển vị UR
Y
R, m(TH1-b)23T 59
23THình 3.12. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2

x
R, m(TH2-b)23T 66
23THình 3.19. Chuyển vị UR
Y
R, m(TH2-b)23T 67
23THình 3.20. Ứng suất σR
x
R, T/mP
2
P(TH2-b)23T 68
23THình 3.21. Ứng suất σR
y
R, T/mP
2
P(TH2-b)23T 69

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU
23TBảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước23T 8
23TBảng 3.1 Thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình đầu mối23T 44
23TBảng 3.2 Liệt kê các chỉ tiêu cơ lý của nền đập.23T 45
23TBảng 3.3 Tính toán ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng cơ bản23T 48
23TBảng 3.4 Tính toán ổn định đập tràn - Tổ hợp tải trọng đặc23T 50
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 toán kết cấu đập tràn trọng lực bêtông 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 toán cho một công trình cụ thể
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
6

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
3. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu, đánh giá sự làm việc của các công trình đã xây dựng
trong và ngoài nước. Phân tích lý luận và ứng dụng vào công 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 toán phù hợp ứng dụng vào
thiết kế đập trọng lực bê tông trong tình huống tương tự.

Đập tràn bê tông 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
công trình thủy lợi, thủy điện lớn để phục vụ tưới tiêu, chống lũ và đáp ứng nhu cầu
dùng điện. Trong đó nhiều công trình đầu mối là đập tràn bê tông trọng lực truyền
thống và bê tông trọng lực đầm lăn.

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
8

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Bảng 1.1 Thống kê một số đập đã xây dựng gần đây ở trong nước
TT
Tên công trình Trên sông
Chiều
cao (m)
Nhiệm vụ
1
Đập thủy điện Sơn
La
Sông Đà 138 Chống lũ, phát điện
2

Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
9

Lun vn thc s Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu
Nm 2003 p ó tri qua th thỏch mựa l u tiờn an ton. Nh vy p bờ
tụng trng lc Tõn Giang l p c xõy dng ln u tiờn bng cụng ngh thit k,
thi cụng trong nc v l p bờ tụng trng lc cao nht lỳc by gi. S ra i ca
p Tõn Giang l tin cho s ra i ca nhiu p bờ tụng truyn thng nh cỏc
p Sụng Lũng Sụng, Sờ San 3

255.6
247.0
241.0
220.0
212.3
209.5
211.0
207.5
215.7
208.0
220.5
224.0
229.0
247.4
254.6
257.0
Bê tông cốt thép M200

(Bình Định) cao 54m, đập Sơn La cao 138m, đập Bản Vẽ (Nghệ An) cao 137m…
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
11

Lun vn thc s Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thu
Cụng trỡnh thy in Bc H trờn sụng Chy huyn Bc H tnh Lo Cai. p
trn c b trớ phn lũng sụng, p trn gm 2 khi 2x29,5m, trn gm 4 khoang
kớch thc mi khoang 10,5x12m, chiu cao p phn trn H= 61,5m, thõn p kt
cu bng bờ tụng m ln mỏi thng lu v mt p c bc lp bờ tụng M300
chng thm v gia c. Ngoi ra cũn mt s cụng trỡnh khỏc nh: p thy in Sn
La, p nh Bỡnh Hỡnh 1.4 - Mt ct in hỡnh p Bc H bng RCC cao H = 61,5m
u im ch yu ca bờtụng m ln so vi bờtụng thng l gim c ng sut
nhit thu hoỏ , tc thi cụng nhanh, thi cụng liờn tc. Tuy vy, im yu ni bt
ca p bờtụng m ln l thm nc qua cỏc khe thi cụng.Trong cỏc p bờtụng m
ln ó thi cụng Vit Nam , p Pleikrụng l p b thm khỏ nghiờm trng. Mc dự

70,23
MNTK 180.33(P=0.5%)
2,00
MNDBT 180.00
MNC 160.00
RCC
4,50
3,00
MNLKT 182.36(P=0.1%)
1:0.8
MNHLmax(P=0.1%)=140.26
MNHLmin=120.97
1:3
5,00
Đuờng mặt đất tự nhiên
3,00
2,00
BTCT M300
BT M300
Khoan phun XM chống thấm
Hành lang khoan phun
Bê tông đổ bù M200
27,00
176.00
Hc viờn: Hong ỡnh Khiờm Lp: Cao hc 17C1
12


ngày càng nhiều, trong đó công 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
không còn khó khăn như trước.
Đồng thời với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các phương pháp thi công
bằng cơ giới hóa ngày càng phát triển cho nên loại hình đập tràn bê tông 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 toán kết cấu đơn giản hơn so với các loại đập khác
+ Áp dụng được cho các loại quy mô công trình.
+ Ngày nay công nghệ bê tông 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 tông đã làm giảm giá thành công
trình.
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
14

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
+ Giải quyết được vấn đề dẫn dòng thi công dễ dàng hơn so với đập đất, đập
đất đá hỗn hợp. Trong thời kỳ thi công có thể thi công 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 tông trọng lực cũng có một số vấn
đề tồn tại sau:
+ Đập tràn bê tông trọng lực có khối lượng bê tông lớn nên giá thành xây dựng
cao hơn so với các loại đập khác.

Định) và một số công 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 không thuận lợi, ví dụ như lớp phong hoá 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 phòng 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: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
16

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.6 - Đập dâng có tường chống thấm


chịu nén lệch tâm và chịu cắt trên cơ sở đó xác định ứng suất pháp và tiếp trên mặt cắt
ngang bằng công 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: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
18

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Hình 2.1 Xác định ứng suất pháp
theo phương ngang

Hình 2.2 Xác định ứng suất chính
"
y
σ
"
x
τ
'
τ'
τ"
τ"
α
1
α2
y
dx dx
γy
σ'
y
σ"
y
τ"
N'
1
N"
1
α
1
α
2
τ


Hình 2.5. Sơ đồ tính toán đập không tràn
P
=
o
P
Y
o
x
Y
P
M
+

Hình 2.6. Sơ đồ tính toán đập tràn
Học viên: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
20

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Trong hình 2.5 và 2.6 , mômen 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 toán, 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
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
không 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 toán 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: Hoàng Đình Khiêm Lớp: Cao học 17C1
22

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Xây dựng công 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: mô hình tương
thích, mô hình cân bằng và mô hình hỗn hợp. Trong ba mô hình trên thì mô hình
tương thích được sử dụng rộng rãi nhất. Trong mô hình tương thích hàm được chọn





=
zx
yz
xy
z
y
x
γ
γ
γ
ε
ε
ε
ε
là vectơ biến dạng; 



























∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂



















=
zx
yz
xy
z
y
x
τ
τ
τ
σ
σ