BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
PHẠM TIẾN CẢNH
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP
VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN. ÁP DỤNG TÍNH
TOÁN CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN KHAO MANG THƯỢNG - TỈNH YÊN BÁI

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS.Nguyễn Cảnh Thái
Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, các đồng
nghiệp, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công trình trường Đai học

Tác giả
Phạm Tiến Cảnh
MỤC LỤC
HÌNH VẼ 1
BẢNG BIỂU 1
PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4
1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phương 4
1.1.1 Mở đầu 4
1.1.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập 6
1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương 6
1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam 7
1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng của đập. 11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG
CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 13
2.1 Tổng quan về mô hình vật liệu 13
2.1.1 Tổng quan về ứng suất 13
2.1.2 Tổng quan về biến dạng 15
2.2 Một số mô hình vật liệu cơ bản 16
2.2.1 Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính 16
2.2.2 Mô hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb) 17
2.2.3 Mô hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang) 19
2.2.4 Mô hình đất tăng cứng Hardening Soil 21
2.3 Quy luật biến dạng cơ bản của đất 25
2.4 Các biến dạng trong đập và hậu quả 26
2.5 Đứt gãy thủy lực 30
CHƯƠNG 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG

Hình 2-2: Không gian ứng suất chính 14
Hình 2-3: Quan hệ giữa ứng suất biến dạng – mô hình đàn hồi tuyến tính 16
Hình 2-4: Quan hệ ứng suất – biến dạng mô hình Mohr Coulomb 17
Hình 2-5: Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính (C=0) 18
Hình 2-6: Đường cong quan hệ giữa ứng suất – biến dạng. 20
Hình 2-7: Xác định module tham chiếu
ref
oed
E
23
Hình 2-8: Đường cong ứng suất biến dạng 23
Hình 2-9: Quy luật biến dạng của đất 25
Hình 2-10: Biến dạng đều 26
Hình 2-11: Chênh lệch chuyển vị do địa hình 26
Hình 2-12: Chênh lệch chuyển vị do vật liệu đắp khác nhau 27
Hình 2-13: Chênh lệch chuyển vị do thay đổi địa chất nền 27
Hình 2-14: Chênh lệch chuyển vị do vết nứt kiến tạo chạy dọc theo phương dòng
chảy 27
Hình 2-15: Biến dạng theo phương ngang 27
Hình 2-16: Lún nền đập 27
Hình 2-17: Vết nứt vuông góc trục đập 28
Hình 2-18: Vết nứt ngang 29
Hình 2-19: Vết nứt dọc 30
Hình 2-20: Giảm ứng suất trong thân đập. 31
Hình 3-1: Ảnh hưởng của quá trình thi công đến trạng thái ứng suất biến dạng 36
Hình 4-1: Thiết kế mặt cắt ngang đập điển hình 44
Hình 4-2: Biểu đồ cấp phối hạt các khối đắp 46
Hình 4-3: Đập đắp đến cao trình 470.00m 47
Hình 4-4: Đập đắp đến cao trình 900.00m 47
Hình 4-5: Thi công lõi sét chống thấm đến cao trình 900.00m 48

Hình 4-33: Mặt cắt 0+75 - MNLTK - ứng suất hiệu quả 𝛔y 71
Hình 4-34: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y 71
Hình 4-35: Mặt cắt 0+125 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x 72
Hình 4-36: Mặt cắt 0+125 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y 72
Hình 4-37: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔y 73
Hình 4-38: Mặt cắt 0+150 - Kết thúc thi công - ứng suất hiệu quả 𝛔x 73
Hình 4-39: Mặt cắt 0+150 - MNLTK - Ứng suất hiệu quả 𝛔y 74
Hình 4-40: Ứng suất trong lõi sét cao trình 904m khi MNDBT 75
Hình 4-41: Mặt cắt A-A 75
Hình 4-42: Trường hợp không có khối gia tải Max = 14,8cm 76
Hình 4-43: Có khối gia tải Max = 5cm 76
Hình 4-44: Thi công xong - chuyển vị theo phương X 77
Hình 4-45:Thi công xong - chuyển vị theo phương Y 77
Hình 4-46: Ứng suất Sx'- mực nước 915. 78
BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới 8
Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ đã
xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng 1/2007 9
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam. 10
Bảng 4-1: Bảng thông số các hạng mục công trình thủy điện Khao Mang Thượng
giai đoạn TKKT 41
Bảng 4-2:Cấp phối hạt cát lọc (khối 3) 45
Bảng 4-3: Cấp phối hạt cát lọc (khối 4) 45
Bảng 4-4: Cấp phối hạt đá đắp thượng lưu (khối 5) 45
Bảng 4-5:Khối lượng công tác thí nghiệm trong phòng và hiện trường 51
Bảng 4-6: Chỉ tiêu tính toán kiến nghị theo số liệu của chủ nhiệm địa chất. 53
Bảng 4-7: Chỉ tiêu tính toán đập KMT theo mô hình Hardening Soil 55
Bảng 4-8: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục CU cho lõi sét 56
Bảng 4-9: Kết quả thí nghiệm nén Oed 56
Bảng 4-10: Modulus đàn hồi trung bình cho các vùng vật liệu – kết thúc giai đoạn

phản ánh đúng thực tế làm việc của công trình. Để phản ánh đúng sự làm việc của
các đập cao cần phải đi tìm kiếm một phương hướng khác. Đó là việc giải bài toán
với mô hình phi tuyến về mối liên hệ giữa ứng suất - biến dạng.
2
Vấn đề nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong thiết kế các đập vật
liệu địa phương ở Việt nam là cần thiết và cấp bách.
Sự phát triển gần đây của các chương trình máy tính địa kỹ thuật phân tích
ứng suất-biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn đã đem lại hiệu quả cao
trong thiết kế công trình. Tuy nhiên, thách thức không nhỏ đối với người thiết kế là
việc lựa chọn đúng đắn mô hình phân tích cũng như các tham số của mô hình đất
đá.
Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa
phương theo mô hình phi tuyến. Áp dụng tính toán cho đập thuỷ điện Khao
Mang Thượng - tỉnh Yên Bái” sẽ nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng theo
mô hình phi tuyến xác định ứng suất và biến dạng trong thân và nền đập. Khi biết
được sự phân bố ứng suất sẽ dự kiến được khả năng phát sinh vết nứt trong đập- là
một trong những nội dung quan trọng khi thiết kế đập cao và có địa hình phức tạp
(như vai đập vách dốc, độ dốc thay đổi lớn ). Đề tài sẽ áp dụng phân tích ứng suất
biến dạng theo mô hình đàn hồi phi tuyến – mô hình đất tăng cứng Hardening soil
cho đập thủy điện Khao Mang Thượng, đập đá đổ lõi sét.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đập vật liệu địa phương theo
mô hình phi tuyến phản ánh đúng sự làm việc của đập.
- Đề xuất giải pháp thiết kế hợp phù hợp cũng như biện pháp xử lý trong thời
kỳ thi công.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng giúp tăng khả năng an toàn đập
và giảm giá thành công trình đặc biệt là những đập có điều kiện địa hình phức tạp.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập vật liệu địa phương.
- Nghiên cứu một số mô hình đàn hồi phi tuyến.

xa, không qua công nghệ chế biến phức tạp. Vì vậy đập vật liệu địa phương còn
được gọi là đập vật liệu tại chỗ.
Tuy nhiên về mặt cơ học đất đá, đập vật liệu địa phương được hiểu là đập
đuợc xây dựng trực tiếp từ các sản phẩm phong hoá (các loại đất, cát, sỏi) và chưa
phong hoá (đá đổ, đá dăm) của vỏ trái đất. Về nguyên tắc bất cứ loại vật liệu gì là
sản phẩm phong hoá của vỏ trái đất đều có thể dùng để xây dựng đập.
Đập vật liệu địa phương là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước và giữ
nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia
5
nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi, thủy điện hay xây
dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông.
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đá đã được xây dựng nhiều ở
Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xô với mục đích dâng và
giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Về sau, đập đất ngày càng đóng vai trò quan trọng
trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận
thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình v.v cũng như việc ứng dụng rộng
rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát
triển mạnh mẽ. Cho đến nay, các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất (riêng Nhật
đã có 1281 đập đất cao hơn 15 m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75 m.
Các công trình thuỷ công nói chung và đập vật liệu địa phương nói riêng được
sử dụng rất phổ biến ở tất cả các nước trên thế giới khi xây dựng các dự án thuỷ lợi,
thuỷ điện, giao thông thuỷ v.v Các đập đất đã xuất hiện khá sớm, từ hàng nghìn
năm trước công nguyên (như ở Trung quốc thời cổ đại đã có đê đập ven sông
Hoàng Hà, ở Ấn Độ đã thời cổ cũng đã có đê đập ngăn nước lũ của sông Hằng, ở
Việt Nam từ thời Lý đã có đê ven sông Hồng v.v ). Ở nước ta, trong những năm
qua đã xây dựng nhiều đập đất đồng chất, đập đất nhiều khối, đập đất đá hốn hợp,
đập đá đổ…trong đầu mối công trình thủy lợi, thủy điện.
Đặc điểm chính của các đập đất đá là thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và
động. Qua phân tích sự làm việc và tổng kết các công trình đã được xây dựng, khai

đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại. Do đó giá thành công trình
ngày càng hạ thấp và chiều cao đập càng được nâng cao. Người ta đã tính được rằng
nếu lựa chọn được loại đất có thành phần hạt thích hợp và đầm nén tốt thì ứng suất
cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110 kg/cm
2
và như vậy có thể xây dựng
được đập cao đến 650 m.
7
Có khả năng cơ giới hóa hoàn toàn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất
với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ
giá thành công trình và hầu như dần dần có thể loại trừ hoàn toàn lực lượng lao
động thủ công…
Tóm lại ưu điểm của đập vật liệu địa phương bao gồm:
- Có cấu tạo đơn gian nhưng rất phong phú, giá thành hạ;
- Yêu cầu địa chất nền không cao, có thể xây dựng trên mọi loại nền;
- Vật liệu không cần xử lý nhiều, tận dụng được các vật liệu tại chỗ;
- Kỹ thuật thi công đơn giản, cho phép cơ giới hóa các công đoạn thi
công từ khai thác vật liệu, chuyên chở, đắp, đầm nén Công tác chuẩn
bị trước khi xây dựng không tốn nhiều công sức như các loại đập khác.
- Kinh nghiệm trong thiết kế, thi công và quản lý đập được tích lũy qua
thời gian dài.
- Làm việc tin cậy kể cả ở vùng có động đất.
- Dễ quản lý, tôn cao, đắp dày thêm.
1.1.3.2 Nhược điểm
- Khối lượng đập lớn, do mái thượng lưu và hạ lưu đập thoải;
- Không cho nước tràn qua đỉnh đập. Nếu nước tràn qua đỉnh đập sẽ bị
hư hỏng hoặc bị phá hủy do tác động gây xói mòn của dòng nước;
- Đập lún nhiều, lún phân bố không đều;
- Dễ bị xói mòn bên trong thân đập.
1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam

4
Lianghekou
Trung Quốc
295
5
Changheba
Trung quốc
240
6
Orovin (Oroville)
Mỹ
262,4
7
Xitviptơ (Swift)
Mỹ
156
8
Anđecxôn Rănsơ Anderson
Ranch
Mỹ
139
9
Zavajô (Navajo)
Mỹ
124
10
Xerơ Pôngxông
Pháp
122
11

đã xây dựng xong, đang vận hành bình thường. Tính đến thời điểm tháng
1/2007
TT
Tên đập
Trên sông
Vị trí XD
(Bang)
Chiều cao
đập (mét)
Năm hoàn
thành
1
Oroville
Feather
California
262,4
1968
2
Hoover
Colorado
Nevada
248,8
1936
3
Dworshak
N. Fork
Clearwater
Idaho
244,4
1973

1968
9
Shasta
Sacramento
California
205,2
1945
10
Don Pedro
Tuolumne
California
199,4
1971
11
Hungry Horse
S. Fork
Flathead
Montana
192,2
1953
12
Grand Coulee
Columbia
Washington
187,4
1942
13
Ross
Skagit
Washington

chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ những đập đã xây dựng trong cùng thời
10
gian. Ở Canađa cũng trong thời gian đó chỉ xây dựng 1 đập bê tông duy nhất còn là
đập bằng vật liệu địa phương. Ở Anh, trước 1964 đập bằng vật liệu địa phương chỉ
chiếm 45 tổng số các loại đập mà từ 1964 lại đây đã nâng tỷ số lên 67%.
Đối với nước ta, đập vật liệu địa phương là loại công trình dâng nước phổ
biến nhất khi xây dựng những hồ chứa. Những hồ chứa nước đã xây dựng ở nước
ta đập đất chiếm tuyệt đại đa số.
Bảng 1-3: Một số đập vật liệu địa phương được xây dựng ở Việt Nam.
Stt
Ký hiệu công trình
Loại đập
Chiều cao (m)
1
Thác bà
Đá đổ, lỗi giữa
45, 00
2
Cấm sơn
Đất, hỗn hợp
42, 00
3
Cẩm ly
Đá xêp, tường nghiêng
30, 00
4
Tà keo
Đất, đồng chất
30, 00
5

17, 00
13
Vân trục
Đất, đồng chất
16, 00
14
Đa nhim (đơn dương)
Đất đồng chát
29,00
14
Hoà bình
Đa đổ, lỗi giữa
128, 00
15
Trị an (đập chính)
Đất-đá hỗn hợp
45,00
16
Trị an (suối rộp)
Đất, đồng chất
42,00
17
Thác mơ (đập chính)
Đất- đá hỗn hợp
48,00
18
Thác mơ (đức hạnh)
Đất, đồng chất
46,00
19

Đá đổ
83,00
27
Tuyên quang (đập chính)
Đá đổ, bản mặt
92,20
28
Quảng trị (đập chính)
Đá đổ, bản mặt
75,00
1.2 Trạng thái ứng suất biến dạng của đập.
Dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân đập và của áp lực nước các biến
dạng của thân đập xảy ra theo các hình thức lún thẳng đứng và chuyển vị ngang.
Nếu trong trường hợp này đập không được xây dựng trên nền cứng thì còn xảy ra cả
các biến dạng của nền.
Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương nhằm
tìm ra mặt cắt đập hợp lý, phân vùng hợp lý vật liệu, tìm ra các nguy cơ ảnh hưởng
xấu đến sự ổn định của đập như đứt gãy thủy lực, nứt, đưa ra các dự báo lún để có
biện pháp xử lý thích hợp.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá đã được thực hiện từ
những năm 40 của thế kỷ 20 ở CHLB Nga và các nước phương Tây. Tuy nhiên do
hạn chế về công cụ tính toán mà người ta buộc phải đưa vào quá nhiều giả thiết
nhằm đơn giản hoá các công thức tính toán. Các công thức này là những biểu thức
giải tích theo bài toán một chiều. Cho tới nay, các công thức đó chỉ có ý nghĩa về
mặt lịch sử.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá theo bài toán phẳng
hai chiều cũng đã được tiến hành vào những năm 60 của thế kỷ trước (gắn liền với
sự ra đời của phương pháp phần tử hữu hạn ), và bài toán không gian ba chiều cũng
chỉ mới được bắt đầu tính toán vào những năm 70 của thế kỷ 20. Tất cả các bài toán
đó đều được giải theo mô hình tuyến tính.

“Mô hình vật liệu là một tập hợp của các phương trình toán học mô tả quan
hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu”
2.1.1 Tổng quan về ứng suất
Ứng suất là một tensor có thể được thể hiện bởi ma trận trong hệ tọa độ
Cartesian như sau:

xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
  
   
  







(2.1)
Tensor ứng suât là đối xứng, do đó
yx

=
xy

,
zx xz



. Do đó ứng suất tổng được viết dưới dạng:

'
w
  


(2.3)
14
Nước được coi như không chịu cắt, do đó ứng suất cắt hiệu quả luôn luôn
bằng ứng suất cắt tổng.
Thông thường, các thành phần ứng suất chính (
1 2 3
  

) được sử dụng
thanh cho các thành phần ứng suất Cartesian với quy ước ứng suất mang dấu âm là
ứng suất nén, mang dấu dương là ứng suất kéo.

Hình 2-2: Không gian ứng suất chính
Ngoài ứng suất chính, hai thành phần ứng suất bất biến không phụ thuộc vào
hệ tọa độ cũng thường được sử dụng. Đó là:

       


' ' ' ' ' '
1 2 3
2 2 2
' ' ' ' ' ' 2 2 2


Ứng suất chính có thể viết lại dưới dạng hàm của ứng suất bất biến như sau:

'
22
' sin
33
i
pq


   



(2.5)
Trong đó

là góc Lode được định nghĩa qua công thức:

3
3
1 27
arcsin
33
J
q




cắt

. Do đó thay vì sử dụng
yx , yz
, , , ,
xy xz zx zy
     
thì
,,
xy xz yz
  
được sử dụng tương
ứng. Vì vậy, tensor biến dạng thường được biểu diện qua vector chuyển vị bao gồm
6 thành phần:

 
T
xx yy zz xz xy yz
      


(2.8)
Trong đó
-
x
xx
x
u





   


-
y
z
yz zy yz
yz
u
u
  


   


-
x
z
xz xz zx
zx
u
u
  


   
