LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cô giáo trong trường Đại học Thuỷ lợi, các cán bộ, nhân viên thư viện trường
Đại học Thuỷ lợi. Tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu
xác định mặt cắt hợp lý của đập bê tông trọng lực xây dựng trong vùng có động
đất”.
Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong
quá trình tính toán xác định mặt cắt của đập bê tông trọng lực xây dựng trong vùng
có động đất. Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận
văn thạc sĩ kỹ thuật còn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Tác giả rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – GS.TS Nguyễn Chiến đã
nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình làm
luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa Công trình - Trường Đại
học Thuỷ lợi, và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tạo điều kiện
thuận lợi trong quá trình học tập nghiên cứu để tác giả hoàn thành tốt luận văn.
Sau cùng tác giả xin cảm ơn bạn bè và những người thân trong gia đình đã
động viên, khích lệ trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 02 năm 2014
Tác giả
Nguyễn Duy Hưng

BẢN CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Duy Hưng, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.


1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất 10

1.3.2.Một số khái niệm về động đất 11

1.3.3. Ảnh hưởng của động đất đến ổn định và độ bền của đập 13

1.4. Về các chỉ tiêu thiết kế đập bê tông 14

1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 14

CHƯƠNG 2 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XÁC ĐỊNH MẶT CẮT HỢP LÝ CỦA
ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 15

2.1.Các tiêu chí để xác định mặt cắt hợp lý. 15

2.1.1. Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật: 15

2.2.Tính toán đập có mặt cắt cơ bản hình tam giác 16

2.2.1. Hình dạng mặt cắt cơ bản
[8]
16

2.2.2. Xác định bề rộng đáy mặt cắt hình tam giác 17

2.3.Xác định các thông số của mặt cắt hình đa giác 20

2.3.1. Dạng mặt cắt đa giác
[8]
20

38

3.2.2.Phương pháp động lực
[7]
. 39

3.2.3.Lựa chọn phương pháp và phần mềm tính toán ứng suất đập. 44

3.3.Áp dụng tính toán kiểm tra an toàn cho các dạng mặt cắt đập khi có động đất 47

3.3.1. Các thông số dùng để tính toán 47

3.3.2. Các trường hợp tính toán 50

3.3.3.Hệ số an toàn
[1]
53

3.3.4. Kết quả tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam 55

3.3.5. Kết quả tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ 58

3.4.Nhận xét kết quả tính toán 65

3.5.Kết luận chương 3 66

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO ĐẬP SƠN LA 67

4.1.Giới thiệu công trình thủy điện Sơn La 67


3. HƯỚNG TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU 85
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam 7
Giai đoạn trước năm 1945 7
Bảng 1-2: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất
[6]
12
Bảng 1-3: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất

Bảng 3.12.Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ (MCE) 59
(Trường hợp 6) 59
Bảng 3.13.Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ (Trường
hợp 5, OBE) 60
Bảng 3.14.Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ (Trường
hợp 6, MCE) 61
Bảng.3.15: Bảng hệ số ξ, m, n, sau khi tiến hành giảm n 62
Bảng 3.16. Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ (Trường
hợp 5, OBE), sau khi thay đổi hệ số n. 63
Bảng 3.17.Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ (Trường
hợp 6, MCE), sau khi thay đổi hệ số n 64
Bảng 4.1 : Bảng thông số chính chỉ tiêu thiết kế thủy điện Sơn La 68
Bảng 4.2:Các đặc tính vật liệu và nền theo tiêu chuẩn Việt Nam 76
Bảng 4.3. Chỉ tiêu cơ lý của BT RCC thí nghiệm theo tiêu chuẩn Việt Nam 77
Bảng 4.4: Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Việt Nam 77
Bảng 4.5: Bảng kết quả tính toán ổn định, trượt, lật, và ứng suất theo TCVN 77
Bảng 4.6: Bảng gia tốc nền tương ứng với động đất 78
Bảng 4.7: Các đặc tính vật liệu và nền theo tiêu chuẩn Mỹ 79
Bảng 4.8. Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Mỹ 80
Bảng 4.9: Bảng kết quả tính toán ổn định, ứng suất theo tiêu chuẩn Mỹ 80
Bảng 4-10 : Bảng so sánh kết quả tính toán 82 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 3.9: Phổ gia tốc S
a
42
Hình 3.10: Cách thành lập phổ gia tốc của M.Bio 43
Hình 3.11: Sơ đồ mặt cắt tính toán đập dạng tam giác 48
Hình 3.12: Sơ đồ mặt cắt tính toán đập dạng đa giác 49
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ n~h, f, ứng với f= 0,7 62
Hình 4.1 . Vị trí xây dựng thủy điện Sơn La 67
Hình 4.2 : Các phương án mặt cắt thực tế của đập Sơn La 72
Hình 4.3 : Sơ đồ tính toán PA1 73
Hình 4.4 : Sơ đồ tính toán PA2 73
Hình 4.5: Mặt cắt ngang đập theo kết quả tính toán của luận văn 82
Hình 4.6: Mặt cắt ngang đập của tư vấn thiết kế PECC1 82
1

PHẦN MỞ ĐẦU

đổ, đập đất đá hỗn hợp…… Đập đất là loại đập được xây đập sớm nhất và tới nay
vẫn còn được ứng dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm của nó. Ngoài ra đập bê tông,
bê tông cốt thép cũng là những loại đập được xây dựng phổ biến.
Đập bê tông đã được xây dựng từ rất lâu trên thế giới. Ở Việt Nam đập bê
tông được phát triển và xây dựng khá nhiều. Một số đập lớn đã, đang được xây
dựng như: Định Bình, Sông Tranh, Sơn La, Lai Châu….Việc tính toán chọn mặt cắt
cho đập là công việc quan trọng và có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc của đập sau
này. Công việc tính toán đòi hỏi người thiết kế phải lựa chọn được các trường hợp
bất lợi, nguy hiểm để tính toán. Trong các trường hợp bất lợi thì trường hợp đập
chịu tác động của động đất là phức tạp và việc tính toán gặp nhiều khó khăn. 2

Ở nước ta, trong những năm gần đây thường xuyên xảy ra các trận động đất
nhỏ và vừa. Nhiều đập bê tông có chiều cao lớn được xây dựng trong vùng có động
đất như vùng Tây Bắc, vùng núi phía Tây Trung Bộ và Tây Nguyên. Chính vì vậy
việc tính toán thiết kế, lựa chọn mặt cắt cơ bản của đập bê tông trong vùng có động
đất là hết sức cần thiết.
2. Mục đích của Đề tài:
Nghiên cứu đưa ra được dạng và kích thước mặt cắt hợp lý cho đập bê tông
trọng lực xây dựng trong vùng có động đất, tương ứng với các chiều cao đập khác
nhau, làm cơ sở lựa chọn phương án khi lập dự án và thiết kế đập bê tông trọng lực.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Tiếp cận thực tế: các đập đã xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam
- Tiếp cận lý thuyết: cơ sở tính toán mặt cắt đập theo các tiêu chuẩn về ổn định,
độ bền, kinh tế….
- Phương pháp nghiên cứu: tính toán mặt cắt đập với các cao trình khác nhau,
trong vùng có động đất, dựa vào lý thuyết về ổn định, độ bền, sử dụng mô hình
toán và phần mềm CADAM.

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%.

Hình 1.1 Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 4

Một số đập bê tông trọng lực đã được xây dựng trên thế giới:
Đập Grande Dixence (Thụy sĩ) là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới với
chiều cao lên tới 285m. Đập được xây dựng trên sông Dixence, một phụ lưu trên
thượng nguồn Rhône trong vùng núi Alpes phía tây nam Thụy sĩ, gần biên giới với
nước 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.
Chiều cao đập: 185 m.
Chiều dài đập: 2.390 m
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

7

1.1.2. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam.
Thời kì trước năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập bê
tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến 10m,
chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ công,
kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam, tỉnh Phú Yên do đặc điểm thủy
văn của sông Đà Rằng. Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do các kỹ
sư Pháp thực hiện, xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào các
kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp
với Việt Nam.
Giai đoạn từ năm 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một
só đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước
tưới, đập Đáy ở Sơn Tây có nhiệm vụ phân lũ, 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
Giai đoạn trước năm 1945
Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam
(Giai đoạn trước năm 1945)
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


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.

Hình 1.7 : Toàn cảnh đập Sơn La nhìn từ hạ lưu 9

Đập Bản Vẽ được xây dựng tại tỉnh Nghệ An.
Chiều cao đập: 137 m.
Chiều dài đập: 509 m
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
1.2. 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. Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực có dạng hình thang hoặc
hình chữ nhật. Ngày nay, việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào thiết kế, thi
công đập bê tông trọng lực mặt cắt các đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc đa
giác. Các đập nhỏ, kết cấu đơn giản dạng mặt cắt hình thang vẫn thường được sử
dụng.
Hình dạng và kích thước mặt cắt đập bê tông trọng lực phải đảm bảo đủ về
cường độ chịu lực, ổn định về chống trượt và đảm bảo điều kiện kinh tế. Trong
nghiên cứu và tính toán thiết kế mặt cắt đập bê tông trọng lực thì mặt cắt được chọn

chấn tiêu (tâm phát sinh động đất) nông, thường ít sâu quá 20km. Nước ta không có
núi lửa đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút chìm và đới dồn mảng nên không có
kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay
vùng núi Himalaya.
1.3.2.Một số khái niệm về động đất
1.3.2.1. Chấn tâm, chấn tiêu.
-Nơi phát sinh dịch chuyển của động đất được gọi là chấn tiêu (hoặc lò động
đất). Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chấn tâm của động đất.
- Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất , tức là khoảng
cách giữa chấn tiêu và chấn tâm. Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ một
điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là ∆). Khoảng
cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm (còn gọi là
tâm cự, ký hiệu là D).
- Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình
60-300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km. Chấn tiêu sâu
nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ). Động đất có sức tàn phá lớn nhất là động
đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi
tích lũy.
1.3.2.2. Biểu đồ động đất
Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất
bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m/s
2
), vận tốc (m/s). Biểu đồ 12

động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng
thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn.
1.3.2.3. Thang động đất và cấp động đất.

IV 4.60 2.33 4 10
11.7
11.70
V 4.80 3.00 5 10
12
12.00
VI 5.30 3.67 6 10
12.75
12.75
VII 5.60 4.33 7 10
13.2
13.20
VIII 5.90 5.00 8 10
13.65
13.65
IX 6.30 5.67 9 10
14.25
14.25
X 6.60 6.33 10 10
14.7
14.70
XI 6.90 7.00 11 10
15.15
15.15
XII 7.30 7.00 12 10
15.75
15.75 13

nghiêng, chuyển vị về phía hạ lưu. Tất cả các hiện tượng trên làm cho đập bị mất ổn
định và bị hư hỏng.
- Khi động đất xảy ra, do ảnh hưởng của sóng địa chấn, nền chưa bị phá hoại,
cường độ vẫn đảm bảo nhưng đập và nền sẽ xuất hiện các phản ứng (chuyển vị, vận
tốc, gia tốc). Như vậy ứng suất, chuyển vị của đập sẽ bị thay đổi dẫn tới vượt quá
các trị số ứng suất, chuyển vị tĩnh trước lúc xảy ra động đất. Khi vượt quá ứng suất,
chuyển bị giới hạn cho phép thì đập sẽ bị mất ổn định và phá hoại. 14

Ngoài ra còn có một số tác động làm ảnh hưởng tới ổn định và độ bền của
đập khi xảy ra động đất. Áp lực nước, sóng phía thượng lưu tăng thêm do động đất,
sự thay đổi tính chất của khối đất đá, hóa mềm, hóa lỏng, chuyển bị , trượt đất hay
các chuyển vị bề mặt khác
Do tác hại to lớn của động đất đối với công trình xây dựng nói chung và đập
bê tông trọng lực nói riêng, mà hiện nay khi thiết kế các công trình xây dựng nói
chung và công trình thủy lợi nói riêng trong vùng có nguy cơ xảy ra động đất người
ta đã đưa ra nhiều phương pháp tính toán cũng như các chi tiết cấu tạo nhằm đảm
bảo an toàn cho công trình.

Hình 1.10. Vết gãy trên tường chắn tại đập Tử Bình Bạc (Zipingpu) tại tỉnh Tứ
Xuyên – Trung Quốc
1.4. 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 ngành (TCVN 9137:2012 )
[2]

hơn nhiều so với chịu kéo, nên điều kiện bền thường do ứng suất kéo quyết định.
Trong tính toán, cần phải xét đến các trường hợp làm việc khác nhau của
đập. Ví dụ khi hồ đầy nước thì ứng suất kéo xuất hiện ở biên thượng lưu đập, còn
khi mới thi công xong và có động đất thì 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. 16

2.1.1.3. Yêu cầu về kinh tế
Ngoài đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật còn phải đảm bảo yêu cầu khối lượng,
chi phí xây dựng là nhỏ nhất. Ngày nay có nhiều nghiên cứu cải tiến mặt cắt đập bê
tông trọng lực, mục tiêu chung của các nghiên cứu là nâng cao độ an toàn cho đập
và giảm khối lượng xây dựng đập. Từ yêu cầu trên mà hình dạng mặt cắt đập bê
tông trọng lực thực tế khá đa dạng.
2.2.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