BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN VĂN HINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG
TRỌNG LỰC KHI BỊ NƯỚC TRÀN QUA ĐỈNH
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS Nguyễn Văn Mạo

Hà Nội – 2012


1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới
Đập trọng lực đầu tiên trên thế giới là đập Jawa được xây dựng tại Jordan
khoảng 3000 năm trước Công nguyên. Đập Jawa có chiều cao 4,5m, dài 50m tạo
thành hồ chứa cung cấp nước cho khoảng 2000 người..
Đến năm 54-64 trước Công nguyên, ở Subiaco nước Ý, người ta đã xây một
con đập cao 50m, rộng 13.5m, dài 80m. Đây là đập trọng lực cao nhất được xây
dựng vào thời La Mã và tồn tại đến năm 1305.

đập của các nước này chiếm 80% tổng số đập lớn trên thế giới. Chỉ riêng Trung
Quốc trong thế kỷ 20 đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn, tập trung vào khoảng
thời gian sau năm 1949, các nước khác là Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản và Tây Ban Nha.
Hiện nay đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập được xây
dựng trên thế giới. Với đập cao trên 100m thì đập bê tông trọng lực chiếm khoảng
30%. Theo thống kê đến năm 1999 đã có 17.526 đập cao trong khoảng từ 15-30m,
4.578 đập cao trên 30m, 32 đập cao trên 100m. Do số đập cao càng ngày càng nhiều
nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến. Như đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử có thể
tích gần 28 triệu m3 bê tông, hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ m3 nước, tràn xả lũ với lưu
lượng 124.300m3/s và nhà máy thuỷ điện có công suất 18,2GW lớn nhất thế giới.

Hình 1.4 Đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử - Trung Quốc
Đầu thế kỷ 19, hàng loạt đập lớn được xây dựng như đập vòm Xiluodu cao
273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinghai, đập vòm Jinping cao


4

305m trên sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu, đập vòm
Xiaowan trên sông lanciang, đập Longtan cao 216m trên sông Hongshui,….
Đập là một công trình quan trọng mang lại lợi ích đa ngành như: cấp nước,
hạn chế lũ lụt, thủy điện, du lịch,…. Vì vậy đập đã và đang được xây dựng ngày
càng nhiều trên thế giới. Đập có dạng một kết cấu chịu cột nước cao nên cần có cấu
tạo phù hợp cả về chịu lực và chống thấm, ngoài ra nó còn chịu tác động tương tác
giữa đập và nền rất phức tạp. Chiều cao đập càng lớn thì lợi ích của đập càng được
thể hiện rõ ràng, nhưng yêu cầu về lý thuyết, công cụ tính toán phải đáp ứng kịp
thời để đảm bảo sự an toàn của đập và theo đó là công nghệ thi công, công nghệ vật
liệu mới.
1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông tại Việt Nam.
Việt Nam hiện có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại, trong đó có khoảng

trường hợp làm việc của đập có thể xảy ra nhất là khi có các sự cố bất thường như
động đất, sạt lở bờ, lũ đột ngột, hỏng cửa van,… là rất cần thiết, sử dụng các
phương pháp đã biết để mô tả chính xác hơn sự làm việc thực tế của đập, đảm bảo
an toàn cho đập.
1.3. Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực:
- Đập bê tông trọng lực là loại đập có khối lượng bê tông lớn. Đập duy trì ổn
định nhờ trọng lượng và độ bền chủ yếu theo khả năng chịu nén của bê tông.
- So với đập vật liệu địa phương, đập bê tông trọng lực có cùng chiều cao
yêu cầu chất lượng nền cao hơn. Đập bê tông trọng lực có thể xây dựng trên nền đá,
đập không cao có thể xây dựng trên nền không phải là đá.
- Ưu điểm nổi bật khi sử dụng đập bê tông trọng lực là kết cấu và phương
pháp thi công đơn giản, có thể thi công bằng công nghệ bê tông ướt hoặc bê tông
đầm nén (bê tông đầm lăn).


6

- Đập bê tông trọng lực có khả năng chống thấm và tính bền vững tốt. Đập
gồm hai loại chính: đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không
tràn nước.
1.3.1 Đập bê tông trọng lực tràn nước:u
- Đập bê tông trọng lực tràn nước có cấu tạo đặc biệt để cho phép nước tràn qua
mặt đập với lưu tốc lớn mà không ảnh hưởng đến an toàn của đập cũng như hạ lưu.
- Phần mặt đập thường có dạng đường cong thuận để lưu lượng tràn qua đập
là lớn nhất (dạng Officerop), trên bề mặt của tràn dòng chảy có lưu tốc rất lớn nên
dễ xảy ra hiện tượng khí thực. Vì vậy mặt tràn thường dùng loại vật liệu có khả
năng chống xói cao, kết hợp bố trí các hệ thống nhằm giảm hiện tượng khí thực.
- Nối tiếp sau phần tràn là hệ thống tiêu năng hạ lưu, có thể sử dụng hình
thức tiêu năng mặt, đáy như đào bể, xây tường, hoặc tiêu năng do ma sát giữa dòng
nước với không khí như tiêu năng phóng xa. Mục đích là tiêu hao nguồn năng lượng

- Dưới tác động của các tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn
các điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và an toàn về cường độ nền.
- Ứng suất phát sinh ở đập và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế
của vật liệu làm đập hoặc đá nền.
b) Yêu cầu riêng với đập bêtông trọng lực tràn nước và đập bêtông trọng lực không tràn
- Khác với đập không tràn: đập tràn nước ngoài các yêu cầu chung còn phải
xét an toàn cho mặt tràn, tiêu năng ở hạ lưu đảm bảo không xói để không ảnh hưởng
đến ổn định của đập.
1.4.2. Các hình thức mất ổn định của đập bê tông trọng lực:
a. Hình thức mất ổn định tổng thể:


8

- Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đáy đập tiếp xúc với nền hay mặt
phẳng đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu
vào nền). Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt
phân lớp là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt đi qua
đá nguyên khối. Tùy theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền mà mặt trượt có
thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lưu).
- Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó,
thường là mặt đáy đập.
- Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức
chịu tải của nền.
b. Hình thức mất ổn định cục bộ:
- Dưới tác dụng của ngoại lực, các điểm trong thân đập sẽ xuất hiện ứng suất
pháp và ứng suất tiếp. Khi một bộ phận nào đó của đập (chủ yếu là ở chân mặt
thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén hoặc ứng suất cắt vượt quá
sức chịu tải của vật liệu thì vùng đó bị nứt nẻ. Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất
tập trung càng lớn ở lân cận và vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần,

toán về hạn chế chuyển vị, biến dạng; sự tạo thành và mở rộng vết nứt; sự phá hoại
độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chưa được xem xét ở trạng
thái giới hạn thứ nhất.


10

b. Sơ đồ tính
(a)

(b)

N

N1
G

G
d

a

T

b

n2
a

c

- Công thức tính:
Đập và nền đảm bảo điều kiện an toàn chống trượt, an toàn chống lật theo
trạng thái giới hạn phải thỏa mãn điều kiện:
nc N tt ≤

m
R
Kn

Trong đó: N tt là tải trọng tính toán tổng quát ( lực, mô men, ứng suất, biến
dạng,..), R là sức chịu tải tổng quát.
Áp dụng với 3 bài toán:
*. Kiểm tra ổn định trượt:
Điều kiện an toàn: đập phải thỏa mãn điều kiện: K =

R
≥ [K ]
Q

Trong đó: R là tổng các lực chống trượt của đập: R = P.tgϕ + C.L ,
P là tổng hợp các lực chiếu lên phương pháp tuyến với mặt trượt.,
C là lực dính đơn vị của nền,
L là chiều dài mặt trượt
Q là tổng hợp các lực gây trượt tác dụng lên đập ( theo phương song song
với mặt trượt).


12

[K] là hệ số an toàn chống trượt cho phép.

Các tính toán kiểm tra đặc biệt chú ý những mặt cắt biến đổi, nơi có tải trọng
tập trung, xung quanh lỗ khoét hầm, mái thượng hạ lưu,…
b. Sơ đồ tính:
- Trường hợp trượt phẳng:

Hình 1.6 Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng theo tiêu chuẩn Mỹ
Mặt trượt tính toán là phần tiếp giáp giữa chân đập và nền.
Trong đó: W là tải trọng bản thân của đập, H là áp lực ngang, U là áp lực
thấm dưới nền, N là phản lực nền.
- Trường hợp trượt sâu:

H L3
V1
U1

V2

W1
T 1 P1 P1

N1

U2

H R3

W3

W2
P2

U5

N5


14

Khi phân tích ổn định đập có mặt trượt sâu dưới nền, các khối trượt và chống
trượt được chia thành từng thỏi (theo phương pháp phân thỏi).
c. Tải trọng và tổ hợp tải trọng:
* Các tải trọng tác dụng được tính phù hợp với trường hợp tính toán
- Trọng lượng bản thân và các thiết bị đặt trong đập.
- Áp lực nước thượng hạ lưu đập
- Áp lực đẩy ngược
- Áp lực đất và bùn cát
- Nhiệt độ
- Lực động đất
- Lực gió
- Áp lực chân không phát sinh trong dòng chảy qua đập
- Áp lực sóng
- Phản lực nền
- Lực do va đập vật nổi, băng trôi.
* Tổ hợp tải trọng:
Gồm 9 tổ hợp tải trọng như sau:
- Tổ hợp 1: Tải trọng bình thường
- Tổ hợp 2: Đập xây dựng xong, thượng hạ lưu chưa có nước.
- Tổ hợp 3: Vận hành không bình thường
- Tổ hợp 4: Không bình thường- tháo lũ



Khi tính toán trên toàn bộ mặt trượt, hệ số ổn định là tỷ số giữa lực cắt giới
hạn lớn nhất T f và lực cắt phát sinh trên mặt trượt T


16

K=

Tf
T

=

Ntgφ + CL
T

Yêu cầu: K ≥ [K]
+ Với trường hợp trượt sâu:
Tính theo phương pháp phân thỏi:
K=

{[(Wi + Vi ) cos α + ( H Li − H Ri ) sin α + ( Pi −1 − P i ) sin α i − U i ]tgφ + C i li }
[( H Li − H Ri ) cos α i + ( Pi −1 − Pi ) cos α i − (Wi + Vi ) sin α i

Trong đó:
i: là thứ tự của phần tử
P i-1 – P i : là tổng các lực theo phương ngang
W i : là tổng trọng lượng nước, bùn cát, đá, bê tông tại phần tử tính toán
V i : là lực thẳng đứng của kết cấu bê tông tác dụng trên phần tử tính toán
(nếu có).



18

Sự cố đập Vajont là một trong các sự cố ít thấy ở các đập cao bằng bê tông
trên thế giới. Đập Vajont được hoàn thành năm 1959, chắn ngang thung lũng sông
Vajont tại Monte Toc, cách Venice, Italy 100km về phía bắc. Đây là một trong
những đập vòm cao nhất thế giới, chiều cao đập là 262m, chiều rộng đáy 27m,
chiều rộng đỉnh 3.4m. Khi xây dựng các nhà thiết kế đã không chú ý đến sự bất ổn
của địa chât khu vực Monte Toc. Một trận lở đất lớn xảy ra năm 1963 trong lòng hồ
đã tạo nên một cột sóng lớn chạy về phía đập. Cột nước cực lớn do vụ trượt lở đất
đã tràn qua đỉnh đập, áp lực lớn đột ngột lên công trình và gây lũ lụt lớn bất ngờ cho
vùng hạ lưu. Lũ lụt đã quét qua và phá hủy toàn bộ nhiều ngôi làng trong thung lũng
hạ lưu đập, thống kê được số người chết trong trận lũ là 2000 người. Ngày 12 tháng
2 năm 2008, trong cuộc hội thảo báo cáo Năm Trái Đất, Unesco đã ví dụ sự cố đập
Vajont như một trong những bi kịch tồi tệ nhất đã được cảnh báo và là thất bại nặng
nề của các nhà địa chất và kỹ sư thiết kế.

Hình 1.9 Hình ảnh đập Vajont và hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont


19

Hình 1.10 Hình ảnh ngôi làng dưới chân đập Vajont sau trận lũ.
Đập Sweetwater chắn ngang sông Sweetwate, hạt San Diego, bang
California, Hoa Kỳ. Đây là đập dạng vòm bêtông trọng lực có chiều cao 33m, chiều
dài 210m, chiều rộng trên đỉnh là 7,6m, dưới chân rộng14m, tạo thành hồ chứa có
dung tích 34,6 triệu m3. Đập được xây dựng vào năm 1888 với nhiệm vụ cấp nước
tưới cho khu vực đồng bằng ven biển và nước sinh hoạt cho thành phố San Diego.
Mùa xuân năm 1916, mưa bão quét vào khu vực Nam California, các sông suối

ra, rung động do áp lực động của dòng nước, nếu xuất hiện hố xói ở chân đập sẽ
làm mất khối đất chân hạ lưu chống trượt,…
Đập không tràn nước được tính toán thiết kế chỉ với nhiệm vụ chắn lượng
nước trong hồ chứa chứ chưa xét đến khả năng hoạt động bình thường trong trường
hợp bị tràn nước: Cấu tạo mặt đập tràn nước được thiết kế để tháo nước mà không
bị xói, xâm thực và đảm bảo ổn định khi dòng nước có lưu tốc lớn chảy qua, hạ lưu
công trình tháo cũng được tính toán thiết kế để tiêu tán hết nguồn năng lượng thừa
của dòng nước.
1.5.3 Sự cố đập bê tông trọng lực ở Việt Nam:
Ở Việt Nam các sự cố đập bê tông trọng lực cũng xảy ra với nhiều nguyên
nhân và mức độ khác nhau. Sự cố đập do mưa lũ gây tràn nước qua đỉnh đập bê
tông mới xuất hiện trên đập Hố Hô, Hà Tĩnh tháng 9 và tháng10 năm 2010 vừa qua.
Nhà máy Thuỷ điện Hố Hô có mức đầu tư xây dựng hơn 257 tỷ đồng, do
Công ty cổ phần Đầu tư và Phát triển điện miền Bắc I làm chủ đầu tư. Theo thiết kế,
nhà máy này gồm 2 tổ máy có tổng công suất 13MW, dung tích hồ chứa 38 triệu
m3, diện tích lưu vực lòng hồ 265,26ha.
Ngày 3/10, nước lũ từ thượng nguồn đổ về nhanh nhưng nhà máy này không
mở được cống thoát nước khiến nước lũ tràn qua cửa đập cao gần 2m (so với cao
trình 72m). Hậu quả là hàng trăm hộ dân vùng lòng hồ thuộc xã Hương Lâm,
Hương Liên thuộc huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) bị ngập chìm, tổn thất nặng nề
(riêng về người có 2 người chết).


22

Hình 1.12 Nước tràn qua đỉnh đập Hố Hô
Dòng nước tràn qua đỉnh đập với năng lượng lớn đã làm xói một phần hạ lưu
của đập, đe dọa đến sự an toàn của đập và nhà máy thủy điện.



áp lực lớn. Để đảm bảo an toàn cho đập và hạ lưu thì cần kiểm tra khả năng chịu tải
của đập ở nhiều điều kiện khác nhau.
Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông không tràn là một hiện tượng ít
gặp nhưng cũng đã xảy ra. Khi dòng nước dâng cao tràn qua đập không tràn thì lúc
này đập không tràn làm việc như một đập tràn tạm thời. Đập phải chịu nhiều điều
kiện bất lợi cả về chịu lực cũng như thủy lực đập tràn, xói lở hạ lưu nhưng chưa
được xét đến trong thiết kế. Yêu cầu đặt ra đối với các nghiên cứu trong luận văn là:
phải tính toán kiểm tra lại khả năng ổn định của đập khi xảy ra sự cố và sau khi có
sự cố đập có đảm bảo làm việc bình thường về các mặt sau:
(1) Ổn định tổng thể trong điều kiện bất lợi đã hình thành hố xói ở hạ lưu ?
(2) Bề mặt đập có bị xói không ?
(3) Có khả năng mất ổn định cục bộ ?
Hiện nay có hai hệ thống tiêu chuẩn để tính toán ổn định của đập bê tông, đó
là hệ thống tiêu chuẩn Nga – Việt và hệ thống tiêu chuẩn Mỹ. Việc áp dụng tính
toán ổn định đập theo tiêu chuẩn nào cũng nhằm mục đích tính toán sát với thực tế
và đảm bảo sự an toàn của đập. Vì vậy luận văn áp dụng cả hai tiêu chuẩn để kiểm
tra điều kiện an toàn của công trình.