Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

1

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Khoa Sau đại học trường đại học Thủy
Lợi tháng 5 năm 2010.
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, tác giả đã
nhận được sự giúp đỡ chân thành, nhiệt tình của tập thể các Giáo sư, Phó Giáo sư,
Tiến sĩ, Giảng viên cùng toàn thể cán bộ khoa Sau đại học.
Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các anh chị đồng nghiệp
đã nhiệt tình trao đổi, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn này.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Giáo sư, Tiến sĩ Phạm
Ngọc Khánh giảng viên trường đại học Thuỷ lợi Hà Nội, là người trực tiếp hướng
dẫn tác giả đã tận tình giúp đỡ và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết cho
luận văn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2010

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

2

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

3

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

gian xảy ra động đất mà tất cả chỉ là dự báo. Vì vây động đất luôn là mối nguy hiểm
đối với các công trình xây dựng. Hậu quả của động đất để lại là rất nặng nề về
người và vật chất, để khắc phục hậu quả sau trận động đất phải trong thời gian rất
dài. Vì vậy việc thiết kế các công trình nằm trong vùng động đất cần phải nghiên
cứu, phân tích đúng đắn để đảm bảo an toàn cho công trình.
Khi nghiên cứu tính toán kết cấu một công trình thường chỉ tính toán cho
từng cấu kiện nhỏ và tải trọng tác động lên công trình khi xét đến trường hợp có tải
trọng động đất thì các tải trọng này chỉ được nhân với các hệ số an toàn “n” để tính
toán. Để giải quyết vấn đề trên, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ mô hình
hoá cả công trình và các tải trọng tác động lên công trình được sát với thực tế điều
kiện làm việc của công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giải quyết
các vấn đề sau:
- Về tải trọng tác động: gồm tất cả các lực tác động lên công trình đặc biệt
lựa chọn tải trọng động đất để tính tải trọng động.
- Về mặt hình học: mô tả tổng thể công trình nên xem xét được tương tác
giữa các cấu kiện.
- Về ứng suất biến dạng: phân tích ứng suất và biến dạng cho tất cả các cấu
kiện và tổng thể công trình.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Cống ngầm nói chung và cống qua đê nói riêng (cống ngầm có áp) dưới tác
dụng của tải trọng động đất.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tổng quan các nghiên cứu về động đất nói chung, xem xét đánh giá các
phương pháp hiện hành tính toán các tải trọng tác động lên công trình khi có tải


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI ĐÊ - TÌNH HÌNH ĐỘNG ĐẤT
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1. TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI ĐÊ [ ]
Nước ta có hơn 3.200 km đê biển, 5.000 km đê sông và hàng ngàn cống dưới
đê. Các cống dưới đê có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội và có
liên quan đặc biết đến an toàn tính mạng và tài sản của hàng triệu dân cư. Theo thống
kê chỉ với hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình tổng số đã có 1102 cống (Bảng 1.1)
Bảng 1.1: Cống dưới đê của các tỉnh, thành phố thuộc hệ thống
sông Hồng và sông Thái Bình
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Tên tỉnh, thành phố
Phú Thọ
Vĩnh Phúc
Bắc Giang

Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW
Đê TW

Cống là một loại kết cấu phổ biến trong việc xây dựng đường xá, trong các
công trình công nghiệp, đặc biệt được dùng trong các công trình thuỷ lợi. Trong
công trình thuỷ lợi cống là loại công trình dùng để điều tiết lưu lượng và khống chế
mực nước nhằm phục vụ cho các ngành như: cấp nước cho nhu cầu tưới, phát điện,
công nghiệp, sinh hoạt, phân lũ và tiêu úng...
1.1.2 Phân loại cống
Theo điều kiện làm việc có thể phân thành 2 loại chính [7] sau đây:

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

6

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ



7

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

c¾t däc khoang cèng
phÝa cÇu xe cò

phÝa s«ng th¸i b×nh

Hình 1.1 : Cắt dọc cống lộ thiên
1.1.2.2 Cống ngầm
Là loại công trình đặt dưới đê, đập vật liệu địa phương, dùng vào việc tháo
nước và dẫn nước. Cống có các bộ phận chính: thân cống, bộ phận lấy nước, cửa
vào, cửa ra... (hình 1.2).
c¾t däc cèng

Hình 1.2 : Cắt dọc cống ngầm
Cống ngầm được chia làm các loại sau:
- Theo vật liệu xây dựng: Có các loại cống ngầm bằng sành, sứ, bê tông, bê
tông cốt thép và ống kim loại. Trong thực tế xây dựng sử dụng nhiều nhất là cống

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


8


Cống dưới đê là một công trình nhân tạo có đất đắp bên trên. Cống không chỉ
chịu tác dụng của đất đắp trên nó, trọng lượng bản thân, trọng lượng nước có trong
cống, áp lực nước đáy móng….mà nó còn chịu tác dụng của tải trọng xe chạy trên đê .
Cống dưới đê là loại kết cấu nằm khá sâu trong thân đê nên chế độ làm việc
của nó rất phức tạp, khi thiết kế phải đảm bảo khả năng chịu lực, chống nứt, chống
thấm. Tuy cột nước tác dụng không lớn như cống dưới đập nhưng cống dưới đê
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

50

1.5

570

3.5

450

1.2
1.5

5
6.

3.5

1.
5

6.0

lũ hoặc những lúc cần bơm mới ngập nước, những cống này dễ có sự cố. Mặt khác
phía trong đồng bể hút được đào sâu tạo ra chênh lệch đầu nước khá lớn gây bất lợi
cho nền cống về mặt ổn định thấm, trượt. Lũ bão gây ra áp lực lớn đối với kết cấu
phần trên như tường ngực, phần lấy nước của cống. Do sự tôn cao mở rộng mặt cắt
đê nên có nhiều cống có sự tăng tải trọng phía trên, đáng chú ý là sự thay đổi phân
bố tải trọng theo phương dọc. Một số cống còn có sự thay đổi tải trọng tác dụng do
yêu cầu phát triển giao thông.

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

10

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

1.1.4 Ảnh hưởng của cống dưới đê đến sự an toàn của đê
Sự làm việc không an toàn của cống dưới đê dẫn đến sự cố nghiêm trọng đối
với đê. Các sự cố thường xảy ra vào mùa lũ, gắn liền với sự dao động lên cao của
mực nước sông, đây là trường hợp nguy hiểm.
Khi có công trình (cống dưới đê) được xây dựng, trên nền đất thấm nước khi
có chênh lệch cột nước thượng – hạ lưu, sẽ xuất hiện dòng thấm ở nền, dưới đáy
cống, đồng thời xuất hiện thấm thân đê tiếp giáp cống. Nước thấm qua nền sẽ gây
nên áp lực lên đáy công trình có phương thẳng góc với đáy, ta gọi là áp lực đẩy nổi,
áp lực đó làm giảm nhẹ công trình và làm giảm khả năng chống trượt của công
trình. Nước thấm cũng có thể gây nên phản ứng hóa học, làm hòa tan chất muối
trong đất nền và hình thành nên xói ngầm hóa học. Nước thấm lại có thể mang đi
các hạt đất rất nhỏ về hạ lưu và dẫn đến xói ngầm cơ học. Nếu tiếp diễn lâu, các hạt
đất bị cuốn đi làm cho độ bền và độ ổn định của đất giảm tới mức nguy hiểm. Hiện

này là do vùng nền đê yếu, tính phân lớp rõ ràng, một số vùng nền có tính thấm
nước lớn, dòng thấm đi từ sông vào đồng. Do khi thi công xây dựng cống đất đắp
mang cống không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
- Hư hỏng bê tông thân cống: Nứt, gãy, giảm cường độ… Đây là loại hư
hỏng điển hình và khó kiểm soát nhất. Hiện nay vẫn chưa có nhứng giải pháp triệt
để khắc phục loại hư hỏng này. Cần phải có những nghiên cứu nghiêm túc, chính
xác nhằm đưa ra những biện pháp công trình cụ thể để sửa chữa những hư hỏng
trong thân cống.
- Hư hỏng phần nối tiếp trước và sau cống: Sân tiêu năng, tường cánh.
Nguyên nhân hư hỏng có thể nhận thấy qua khảo sát thực tế là chất lượng thi công
rất kém hoặc do tính toán kiểm tra lại thiếu chính xác vì các số liệu đầu vào không
đưa được một cách hoàn toàn chính xác (do vị trí hố khoan khảo sát địa chất nền
không thể bố trí dày đặc, cũng tương tự đối với vị trí lấy mẫu trong một hố khoan
không thể bố trí quá nhiều).
- Hư hỏng khớp nối: Đây là hiện tượng hư hỏng khá phổ biến của hầu hết các
cống, nguyên nhân chính là do nền bị lún vì các cống hầu hết đặt trên nền mềm.
Chính do sử dụng vật liệu, kết cấu đơn giản, không phù hợp cũng là nguyên nhân
làm cho khớp nối bị hư hỏng dẫn đến dò nước. Qua khảo sát thực tế cho thấy các
khe tiếp giáp giưuax vật chắn nước và bê tông không đảm bảo, cất lấp nhét hố khớp
nối bằng nhựa đường nhanh bị lão hóa gây hở khớp nối.
- Hư hỏng cửa cống: Rò rỉ, hỏng thiết bị đóng mở. Do cửa cống làm việc với
sự dao động mức nước thường xuyên, liên tục nên chịu ảnh hưởng của các tác động
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

12

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

10.00
4.56

6

Thấm qua nền, móng cống

30

12.50

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

STT

13

Loại hư hỏng

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

Số lượng

Tỷ lệ (%)

Ghi chú


- Độ cứng toàn khối của công trình kém.
- Thiết kế dập khuôn, không dựa vào điều kiện thực tế: Vì điều kiện địa chất
công trình ở các nơi khác nhau rất xa, rất phức tạp, dù ở cùng một địa điểm cũng
không giống nhau. Vì vậy rất khó tìm được một ví dụ hoàn toàn giống nhau, cũng
không thể làm được một bản vẽ điển hình cho tất cả các hiện tượng. Chính vì thế,
dẫn đến tiến hành thiết kế nền móng một cách mù quáng, hoặc sao chép một cách
cứng nhắc sẽ không tránh khỏi thất bại.
- Tính toán thiết kế sai, tải trọng không chính xác, kết cấu chống thấm chưa
đạt yêu cầu, không phù hợp với điều kiện địa chất: loại sự cố này phần lớn do người
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

14

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

thiết kế không đủ trình độ thiết kế tương ứng, thiết kế lại không được qua kiểm tra
thẩm định tương ứng.
3. Do thi công:
- Do thi công bê tông không đúng quy trình, vật liệu không đảm bảo chất
lượng, không đảm bảo cường độ thiết kế.
- Do đất đắp mang cống không đạt dung trọng, độ dính bám giữa đất đắp với
bề mặt bê tông không đảm bảo.
- Thi công thiết bị chống thấm không đảm bảo sự làm việc như mong muốn
của thiết kế.
- Khi thi công làm xáo trộn hoặc phá hoại kết cấu đất của lớp nền đỡ móng,
làm giảm cường độ chống cắt.
- Không thi công đầy đủ như bản vẽ, không thi công đúng theo yêu cầu của


Hình 1.5: Kiểu tường hướng dòng mở rộng dần và loe rộng
1.2.2 Bộ phận thân cống
Thân cống dài, để tránh rạn nứt do lún không đều gây ra, phải bố trí khe nối chia
thành từng đoạn. Thường lấy mỗi đoạn khoảng 10 ÷ 20m. Mặt cắt ngang thân cống là
một kết cấu khung cứng. Chiều dày thành cống khoảng 20 ÷ 50cm. Chỗ nối tiếp giữa
các đoạn thân cống, cần phải đặt thiết bị chống thấm. Một vài hình thức thường được
dùng để chống thấm ở chỗ nối tiếp giữa các đoạn cống hộp như ở hình 1.6
1

a)

b)
4
2
4

c)

3

3

Hình 1.6: Khe nối giữa các đoạn cống
1. Bao tải tẩm nhựa đường; 2. Dây thừng tẩm nhựa đường;
3. Nhựa đường; 4. Tấm kim loại
1.3 MỘT SỐ HÌNH ẢNH CỦA CỐNG QUA ĐÊ ĐÃ ĐƯỢC XÂY DỰNG

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


18

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.11: Cống Mộc Nam (tỉnh Hà Nam) 3 cửa (1,5x2,8)m

Hình 1.12: Cống Vũ Xá (huyện Lý Nhai, Hà Nam) 3 cửa (1,05x1,2m)

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


19

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.13: Cống tiêu trạm bơm Đào Xá (huyện Phú Xuyên, Hà Nội)
2 cửa (2,2 x 2,5m)
1.4 TÌNH HÌNH ĐỘNG ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM [13]
1.4.1 Tình hình động đất trên thế giới
Lịch sử đã ghi nhận một trong những thảm họa thiên nhiên khủng khiếp nhất
đối với con người đó là động đất. Kỷ lục về trận động đất xảy ra vào năm 1557 ở
Trung Quốc, nó giáng xuống khu vực nơi người dân chủ yếu sống trong các hang
động bằng đá, dãy đá sụp đổ giết chết khoảng 830.000người. Một trận động đất lớn
khác đó là trận động đất ở Chilê năm 1960 với M = 8,9(9,5 theo NEIC) có năng
lượng lớn gấp trăm lần năng lượng quả bom nguyên tử thả xuống thành phố
Hiroshima, gây ra vết nứt dài 1.600Km. Trận động đất ngày 4/3/1977 có tâm chấn
tại Bucaret(Rumani), với M=7,2 gây ra bởi các cú chấn động mạnh ảnh hưởng rất
xa, thậm chí tại Matxcơva cũng bị rung động với cường độ động đất cấp 4(MSK

mảng chúc xuống và húc vào mảng khác. Tại mảng bị húc, xảy ra quá trình hình
thành các dãy núi, ở đây là các dãy Hindu Kusk, Karakoram và Himalaya.
Theo chiều sâu (từ mặt đất vào tâm), trái đất bị phân chia thành nhiều lớp,
trên cùng là vỏ trái đất với bề dày trung bình 40 km, kế đến là lớp manti trên phát
triển ở độ sâu trung bình 40-900 km. Trong lớp manti này lại phân làm hai phần,
lớp trên cứng và lớp dưới mềm (quyển mềm). Vỏ trái đất và phần Manti cứng ở trên
hợp thành lớp giữa thạch quyển. Các bộ phận của thạch quyển chuyển động theo
các hướng khác nhau và bị phân cắt thành các yếu tố riêng biệt mà người ta gọi là
mảng kiến tạo. Các mảng kiến tạo này chuyển động (trôi) trên quyển mềm.

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

21

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

Hình 1.14: Hình ảnh sau trận động đất ở Haiti năm 2010

Hình 1.15: Hình ảnh sau trận động đất ở Chile năm 2010
Ở Nam Á và Đông Nam Á phát triển ranh giới tiếp xúc của 3 mảng: Mảng
Âu - Á, mảng Ấn - Australia và mảng Thái Bình Dương, với hai kiểu là đới hút
chìm và đới đụng độ. Ở ranh giới tiếp xúc này xảy ra quá trình một bộ phận của
mảng này chúc chìm xuống dưới mảng kia, gây ra một quá trình nén ép cực mạnh,
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


22

7,6M

17.118

20/09/1999

Taiwan

7,7M

2.297

04/06/2000

Indonesia

7,9M

103

26/01/2001

India

7,7M

20.005

25/03/2002


7,8M

78.000

12/05/2008
China
1.4.2 Tình hình động đất ở Việt Nam

Tại Việt Nam, động đất tập trung ở phía Đông Bắc trũng Hà Nội, dọc theo
Sông Hồng, sông Chảy, sông Đà, sông Mã, sông Cả, ven biển Nam Trung bộ.
Trước năm 1930 thì ở Việt Nam chưa có các thiết bị quan trắc và cũng ít quan tâm,
thống kê đến các trận động đất vì vậy không có số liệu về động đất.
Trong lịch sử từ năm 114 đến năm 2003 Việt Nam đã ghi nhận được 1645
trận động đất mạnh từ 3,5 độ Richter trở lên. Đó là trận động đất cấp 8 xảy ra vào
năm 114 ở bắc Đồng Hới, các trận động đất cấp 7, cấp 8 xảy ra ở Hà Nội vào các
năm 1277, 1278, 1285 ; động đất cấp 8 ở khu vực Yên Định - Vĩnh Lộc - Nho Quan
vào năm 1635 ; động đất cấp 8 vào năm 1821 ở Nghệ An, cấp 7 ở Phan Thiết vào
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

23

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

các năm 1882, 1887… Trận động đất lớn nhất ở Việt Nam trong vòng 100 năm qua
là trận động đất 6,8 độ Richter ở Tây Nam - Điện Biên Phủ vào năm 1935 với cấp
động đất bề mặt là 8÷9. Tiếp theo là trận động đất 6,7 độ Richter ở Tuần Giáo năm
1983 làm nhiều nhà sụp đổ.


Ghi chú
Độ sâu chấn tiêu 25Km, làm
chết 18 người
Chiều sâu chấn tiêu 23Km,
làm chết 61 người

Đáng lưu ý, qua nghiên cứu các nhà khoa học đã phát hiện Thủ đô Hà nội
nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy, nơi xảy ra các trận động đất mạnh
5,1÷5,5 độ Richter. Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà nội là 1100
năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (1285). Hiện
Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể
tăng lên và động đất có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của
động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông
Triều, Sơn La…
Một kiểu động đất ở Việt Nam là tiếp nhận năng lượng từ vận động dồn
mảng giữa mảng Ấn Độ Dương (có phần Đại Dương và phần tiểu lục địa Ấn Độ) xô
vào mảng châu Á. Các nhà địa chấn học theo thuyết "kiến tạo mảng" đã chứng minh
rằng hầu hết biến động của lục địa châu Á ngày nay có liên quan đến hành vi của
đới ranh giới giữa hai mảng thạch quyển nói trên. Đới này có hình vòng cung từ nơi
tiếp giáp giữa tiểu lục địa Ấn Độ với dãy Himalaya, vòng xuống vùng biển phái Tây
bán đảo Mã Lai rồi chạy xuống biển phía Tây Nam các đảo Sumatra và Java của
Indonesia, là nơi xảy ra động đất Aceh tạo ra thảm hoạ sóng thần ở Ấn Độ Dương
vừa qua. Vì mối liên hệ này, các biến vị nội lục địa ở châu Á luôn gắn liền nhưng
xảy ra muộn hơn các biến vị của đới ranh giới mảnh nói trên. Nên sau động đất
Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật



- Vùng Sông Đà

: Cấp 7

- Vùng Sông Mã

: Cấp 8-9

- Vùng biển Trung Bộ

: Cấp 7

- Vùng biển Nam Bộ

: Cấp 7

Các tài liệu nghiên cứu bước đầu cho thấy tần suất xuất hiện động đất cấp 7 ở
Việt Nam vào khoảng 20-30%.

Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

25

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

1.4.3. Nguyên nhân gây ra động đất