1
LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình
trường Đại học thuỷ lợi, Tổng Công ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam CTCP, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ
thuật với đề tài: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê
tông trọng lực dưới tác dụng của tải trọng động đất theo mô hình bài toán
không gian” đã được hoàn thành.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân
đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như sự giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo Tổng Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi
Việt Nam - CTCP cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành Hải
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Hà Nội, tháng 03 năm 2011
Tác giả luận văn

VŨ THỊ THƯƠNG


2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ
ĐỘNG ĐẤT....................................................................................................... 6
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC ............................ 6
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới ................. 6

CHƯƠNG 4 –PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP
TRỌNG LỰC ĐỒNG MÍT THEO BÀI TOÁN PHẲNG VÀ BÀI TOÁN
KHÔNG GIAN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ......................................... 54
3.1. Tổng quan về hồ chứa nước Đồng Mít .............................................. 54
3.1.1. Vị Trí địa lý ..................................................................................... 54
3.1.2. Nhiệm vụ của dự án ....................................................................... 54
3.1.3. Các thông số chính ......................................................................... 55
3.1.4. Các chỉ tiêu tính toán của đập và nền ........................................... 57
3.1.5. Trường hợp tính toán..................................................................... 57
3.2. Tính toán kết cấu đập theo mô hình bài toán phẳng........................ 58
3.2.1. Mặt cắt tính toán ............................................................................ 58
3.2.2. Các lực tác dụng lên mặt cắt đập .................................................. 58
3.2.3. Lựa chọn phần mềm tính toán ...................................................... 65
3.2.4. Mô hình hóa đập ............................................................................ 65
3.2.5. Kết quả tính toán ............................................................................ 67
3.3. Tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tác dụng của tải trọng
động đất theo mô hình bài toán phẳng ..................................................... 71
3.3.1. Phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của đập chịu tải trọng
động đất..................................................................................................... 71
3.3.2. Kết quả tính toán ............................................................................ 72
3.4. Tính toán kết cấu đập theo mô hình không gian ............................. 74
3.4.1. Mô hình tính toán .......................................................................... 74
3..4.2 Kết quả tính toán ............................................................................ 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 83


4
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài

dựng đập và hồ chứa của Việt nam hiện nay.
II. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của đập bê tông trọng lực
dưới tác động của động đất theo mô hình bài toán không gian. Áp dụng tinh toán
cho công trình cụ thể.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập thông tin và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài này.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp tính toán, mô hình tính
toán và phần mềm hợp lý để tính toán phân tích ứng suất, biến dạng.
- Phân tích và đánh giá kết quả
IV. Kết quả dự kiến đạt được:
Tính toán ứng suất, biến dạng của đập bê tông trọng lực và nền làm việc
dưới tác dụng của các tải trọng: áp lực nước, áp lực thấm, áp lực đẩy nổi, áp lực
bùn cát, trọng lượng bản thân, tải trọng động đất…theo bài toán phẳng và bài toán
không gian. Từ đó so sánh kết quả tính toán ứng suất biến dạng của đập bê tông
trọng lực theo 2 mô hình và rút ra kết luận của việc có cần thiết hay không việc
tính toán ứng suất và biến dạng của đập theo bài toán không gian.
Phân tích sự thay đổi ứng suất biến dạng của đập bê tông trọng lực khi
mô đuyn biến dạng của nền thay đổi.


6
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ
ĐỘNG ĐẤT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới
Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn. Đập duy trì ổn
định nhờ trọng lượng của khối bê tông đập.
Ưu nhược điểm của đập bê tông trọng lực:

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập
chiếm 48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn
Độ với 4.291 đập. Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập.
Việt Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn.
Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kế xây dựng
đập từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào
những năm 1950, đỉnh cao là năm 1970.
Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15 ÷ 30m chiếm
khoảng 56,2%, cao từ 30 ÷ 150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có
0,1%.
Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm
78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4%.
Trong số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ
chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Điều đó cho thấy,
đập bê tông trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập
lớn.
Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý
luận tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập
ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao.


8
Thập kỷ 30 ÷ 40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H
bằng khoảng 0,9. Thập kỷ 50 ÷ 60 tỷ số B/H=0,8. Thập kỷ 70 B/H=0,7. Từ thập
kỷ 30 ÷ 70 thể tích đập giảm được (20 ÷ 30)%.
Đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở Tadikistan cao
335m, đập bê tông trọng lực Gradi Dixen ở Thụy Điển cao 285m, đập vòm trọng
lực SayanoShushensk ở Nga cao 245m.
Phân loại đập tràn:
+ Đập trọng lực không tràn :

14
15

Nước
Số lượng đập STT
Nước
Số lượng đập
Việt Nam
Trung Quốc
22.000
16
460
Na Uy
Mỹ
6.575
17
335
Ấn Độ
4.291
18 CHLB Đức
311
Al-Ba-Ni
Nhật
2.675
19
306
Ru-Ma-Ni
Tây Ban Nha
1.196
20

Mexico
537
27 Cộng Hòa Séc
118
Algieri
Italia
524
28
107
Anh
517
29 Bồ Đào Nha
103
Australia
486
30 Liên Bang Nga
96

* Số liệu lấy từ báo (Đập và an toàn đập) của tác giả Nguyễn Tiến Đạt.


10

1.1.2. Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
Thời kì trước những năm 30 của thế kỉ 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 5 đến
10 m, chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản thi công nhanh bằng
phương pháp 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 kỹ sư Pháp thực hiện. Xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối


Sông Chu – Thanh Hóa

4

Thác Đuống

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

Việt Nam đến với công nghệ BTĐL tương đối muộn so với một số nước trên thế
giới, nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó và đặc biệt tại nước láng
giềng Trung Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên
có rất nhiều dự án thủy lợi, thủy điện lớn đã và đang chuẩn bị được thi công với
công nghệ này. Từ nay đến năm 2013 nước ta có số đập BTĐL lên tới 27 đập.
Việt Nam trở thành nước được xếp hang thứ bẩy về tốc độ phát triển đập BTĐL.
Địa danh, quy mô các đập đã đang và sẽ xây dựng ở nước ta được thống kê trong
bảng:


12
Bảng 1-3: Danh sách các đập BTTL ở Việt Nam đến năm 2013
STT

Tên Công trình

Chiều

Địa điểm XD

Năm dự

cao

kiến hoàn

(m)

thành


70

Quảng Nam

2008

Đang XD

4

Sê San 4

80

Gia Lai

2008

Đang XD

5

Bắc Hà

100

Lào Cai

2008


9

Đồng Nai 4

129

Đắc Nông

2008

10

Đak Rinh

100

Quảng Ngãi

2008

11

Thượng Kon Tum

Kon Tum

2009

Chuẩn bị


Lai Châu

2010

Đang XD

15

Bản Vẽ

138

Nghệ An

2010

Đang XD

2008

Đang XD
Đang XD


13

STT

Tên Công trình


Chuẩn bị

95

Quảng Ngãi

2010

Chuẩn bị

Sông Tranh 2

100

Quảng Ngãi

2010

Đang XD

19

Sông Côn 2

50

Quảng Nam

2010


2012

Chuẩn bị

23

Nậm Chiến

Sơn La

2013

Chuẩn bị

24

Tà Pao

-

Chuẩn bị

130

Bình Thuận

Đập bê tông trọng lực đã và đang xây dựng ở Việt Nam ngày càng nhiều với quy
mô ngày càng lớn. Đập bê tông cũng như các công trình thủy lợi khác đang góp
phần quan trọng trong công cuộc trị thủy và xây dựng đất nước.


Khi thiết kế đập bê tông trọng lực, phải tuân theo các yêu cầu về kỹ thuật
và kinh tế như sau:
- Đập phải thỏa mãn các nhiệm vụ thiết kế đặt ra (dâng nước, tràn nước, lợi
dụng tổng hợp).
- Đập phải đảm bảo trong mọi điều kiện thi công, quản lý khai thác và sửa
chữa.
- Đập phải có độ bền, chống các tác động phá hoại của ngoại lực, tải trọng
nhiệt, biến hình nền và ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo
quy định.
- Bố trí mặt bằng và kết cấu đập phải thỏa mãn các điều kiện thi công, quản
lý, vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan.
- Đập phải có tính hiện đại, áp dụng các công nghệ thiết kế, thi công và quản
lý tiên tiến phù hợp với điều kiện tại chỗ và xu hướng phát triển của địa
phương.
- Giá thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ của nó và với các điều
kiện tại nơi xây dựng.
1.1.4. Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm công trình đầu mối
Trong cụm công trình đầu mối thường có đập dâng, đập tràn và các công
trình khác để thỏa mãn điều kiện khai thác công trình và bảo vệ môi trường (cống
lấy nước, nhà máy thủy điện, âu thuyền, công trình phục vụ du lịch...).


16
Với đập bê tông trên nền đá thường kết hợp đập dâng và đập tràn trên cùng
một tuyến. Đập tràn thường bố trí ở đoạn lòng sông để tránh làm biến đổi quá
nhiều đến điều kiện nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu so với khi chưa có đập, còn phần
đập không tràn thường bố trí ở hai đầu tuyến, nơi tiếp giáp với bờ.

Hình 1.4: Bố trí mặt bằng đập bê tông trên nền đá
1. Đập không tràn; 2. Tràn mặt; 3. Xả đáy;

Điều kiện ổn định: Đập không bị mất an toàn về ổn định chống trượt, hệ số
an toàn chống trượt tính với mặt trượt tiếp xúc giữa đập và nền mặt cắt không nhỏ
hơn trị số cho phép.
Điều kiện ứng suất: Khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép
thượng lưu hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép,
ứng suất nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số ứng suất nén cho phép.
Khi hồ không có nước không sinh ứng suất kéo ở mép biên hạ lưu, ứng
suất nén ở mép biên thượng lưu không vượt quá trị số ứng suất nén cho phép.
Điều kiện kinh tế: Diện tích mặt cắt là nhỏ nhất để đảm bảo khối lượng
công trình nhỏ nhất.
1.1.5.2. Tính toán độ bền và ổn định đập bê tông trọng lực
a. Tính toán ổn định, độ bền của đập và nền đập theo trạng thái giới hạn
Việc tính toán ổn định được tiến hành tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất
theo công thức:


18
nc .N ≤

m
.R
K

(1.1)

Trong đó: N và R tương ứng là các trị số tính toán của các động lực tổng
quát và khả năng chịu tải tổng quát của công trình (có thể là mômen, lực hoặc ứng
suất).
b. Tính toán độ bền, ổn định của đập và nền đập theo hệ số an toàn
- Hệ số an toàn trượt của đập

1.1.5.3. Các tổ hợp tải trọng tính toán
a. Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực
- Trọng lượng đập và các thiết bị đặt trên đó.
- Áp lực thủy động, thủy tĩnh phía thượng lưu (T1, P1), hạ lưu (T2, P2)
trong đó:
- T: Thành phần nằm ngang, P: Thành phần thẳng đứng.

(1.3)


19
- Áp lực thấm (Wth) và đẩy nối (Wđn) từ dưới đáy đập.
- Áp lực sóng (Ts) và áp lực gió (Tg).
- Áp lực bùn cát từ phía thượng lưu, thành phần ngang (Tb) và thành phần
đứng (Pb).
- Lực sinh ra do động đất.
- Tác dụng của nhiệt độ trong thời kỳ thi công.
- Ảnh hưởng của biến hình nền.

w

w
w
m

/W

w

g

cường (thay thế cho các lực này trong trường hợp MNDBT).
- Áp lực thấm khi thiết bị chống thấm hoặc thiết bị thoát nước không làm
việc bình thường (thay thế cho áp lực thấm khi các thiết bị này làm việc bình
thường).
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.2.1. Giới thiệu chung về động đất
Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra rất nhiều thảm họa cho con
người và các công trình xây dựng. Trong suốt chiều dài phát triển nhân loại, để
bảo vệ sinh mạng của mình và tài sản vật chất xã hội, con người đã có rất nhiều
nỗ lực trong việc nghiên cứu phòng chống động đất. Tuy đã có những bước tiến
rất ngoạn mục trong lĩnh vực này, nhưng con người vẫn không ngăn được những
thảm họa do động đất gây ra. Các trận động đất xảy ra trong những năm gần đây
tại Nhật Bản (1995), Thổ Nhĩ Kỳ (1999), Hy Lạp (1999), Đài Loan (1999), Ấn
Độ (2001), Iran (2004) … đã chứng minh cho điều đó.
1.2.1.1.

Định nghĩa và phân loại

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng
lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong
phần vỏ hoặc trong phần áo trên của quả đất.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý
thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề
mặt quả đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được
gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan
trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc
khoảng cách chấn tâm (L).


21

Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và quan
trắc địa chất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến tạo mảng.
Do đó trong vòng 10 năm tiếp theo, lý thuyết này đã được giới khoa học chấp
nhận một cách rộng rãi và được xem là một trong những thành tựu khoa học lớn
nhất của nhân loại trong thế kỷ XX.


22
b. Động đất có nguồn gốc từ các đứt gẫy
Khi quan sát địa hình ta thường gặp những sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc
nền đá. Ở một số chỗ, các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa
lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng. Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như
vậy được gọi là đứt gẫy hoặc phay địa chất.
Các vết đứt gẫy được chia làm hai loại: hoạt động và không hoạt động. Đứt
gẫy hoạt động là những đứt gẫy đã trải qua biến dạng cách đây hàng trăm ngàn
năm và sẽ còn tiếp tục trong tương lai. Đứt gẫy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế
giới thuộc loại này là đứt gẫy San Andreas ở California (Hoa Kỳ). Đứt gẫy này có
chiều dài 300 km và trượt ngang 6.4m, từng gây ra trận động đất ở San Francisco
năm 1906 và nhiều trận động đất tiếp theo sau đó.
Đa số các đứt gẫy được vẽ trên các bản đồ địa chất là không hoạt động. Tuy
vậy, đôi khi tại một đứt gẫy trước đó được xem là không hoạt động lại thấy trên
nền đất xuất hiện các vết nứt mới trong thời gian động đất.
c. Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác
- Sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất
Ở độ sâu trong vỏ quả đất khoảng 5km áp lực địa tĩnh (do trọng lượng của các
lớp đất đá phía trên gây ra) đúng bằng cường độ của các mẫu đất đá điển hình
chưa nứt ở nhiệt độ 500oC và áp suất tương đương ở độ sâu đó. Nếu không có các
yếu tố khác can thiệp vào, lớp đá sẽ bị biến dạng dẻo mà không bao giờ có thể bị
phá hoại dòn đột ngột và bị trượt do có ma sát dọc theo vết nứt. Kết quả nghiên
cứu đã cho thấy rằng sự tồn tại của nước trong lòng đất đã gây ra hiện tượng phá



24

Hình 1.7: Đập Zipingpu nhìn từ vệ tinh
Thực tế đập thuỷ điện Zipingpu cao 156m, nằm cách tâm chấn chỉ 5.5km và cách
các đường rãnh nứt địa chất chỉ có 550m. Sức nặng của lượng nước trong hồ của
đập nước này tương đương với 325 triệu tấn.

Hình 1.8: Vùng tâm chấn vụ động đất Tứ Xuyên


25

Hình 1.9: Đập Zipingpu không bị vỡ trong trận động đất, nhưng bị nứt nát, hiện
vẫn chưa được khôi phục.
1.2.1.3.

Biểu đồ động đất

Biểu đồ ghi lại quỹ đạo chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ
động đất. Biểu đồ 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 các thông số quan trọng trong thiết kế
kháng chấn cho công trình xây dựng.

Hình 1.10: Biểu đồ động đất