CHƯƠNG 1.1 Đập bê tông trọng lực tại Việt Nam Quá trình phát triển đập bê tông trọng lực ở Việt Nam có thể chia ra làm 3 giai đoạn chính. Từ trước năm 1945, 1945-1975, và sau năm 1975. Trước năm 1945, các đập bê tông với chiều cao từ 5-10m chủ yếu được người Pháp thiết kế, chỉ đạo thi công với nguyên liệu được nhập từ nước ngoài. Các đập này có nhiệm vụ chủ yếu cấp nước tưới, phân lũ.
Bảng 1-1: Một số đập bê tông được xây dựng trước năm 1945[3] TT 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 Từ năm 1945 đến năm 1975, với sự giúp đỡ của Liên Xô (phía Bắc), Nhật (phía Nam), một số đập thấp được xây dựng với nhiệm vụ chính là thủy điện. Có thể kể đến đập của thủy điện Thác Bà, Cấm Sơn, Đa Nhim. Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa. Đập bê tông đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc điều tiết lũ, phát điện, điều tiết thủy lợi.
Các đập bê tông được xây dựng nhiều hơn với quy mô lớn hơn. Các đập được xây dựng theo chủ yếu 2 công nghệ bê tông, bê tông trọng lực truyền thống CVC và bê tông đầm lăn RCC. Trong đó, với ưu điểm thi công nhanh, tiết kiệm nguyên vật liệu, RCC tỏ ra chiếm ưu thế. Tính đến năm 2013, cả nước có 24 đập bê tông đầm lăn với chiều cao lớn nhất lên tới 138,1m (đập Sơn La).
Công nghệ thiết kế, thi công chủ yếu được các đơn vị trong nước thực hiện. Với các công trình có ý nghĩa đặc biệt quan 4 trọng, quá trình này còn có sự tham gia của các chuyên gia từ Nga, Trung Quốc, Thụy Sỹ, Nhật Bản… Bảng 1-2: Một số đập bê tông đầm lăn RCC tại Việt Nam[3] STT Tên công Chiều Địa điểm XD trình cao (m) 1 Pleikrong 71 Kontom 2 Định Bình 54 Bình Định 3 A Vương 70 Quảng Nam 4 Sê San 4 80 Gia Lai 5 Bắc Hà 100 Lào Cai 6 Bình Điền 75 Thừa Thiên Huế 7 Cổ Bi 70 Thừa Thiên Huế 8 Đồng Nai 3 110 Đắc Nông 9 Đồng Nai 4 129 Đắc Nông 10 ĐakRing 100 Quảng Ngãi 11 Nước Trong 70 Quảng Ngãi 12 Sơn La 138 Sơn La 13 Bản Chát 70 Lai Châu 14 Bản Vẽ 138 Nghệ An 15 Hủa Na 94,5 Nghệ An 16 Sông Tranh 2 100 Quảng Ngãi 17 Sông Côn 2 50 Quảng Nam 18 Bản Uôn 85 Thanh Hóa 19 Huội Quảng 104,5 Sơn La 1.2 Tính toán phân tích ứng suất đập bê tông Việc phân tích ứng suất trong thân đâp dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng nhằm các mục đích: - Đánh giá ổn định đập theo điều kiện bền. 5 - Xác định phân bố ứng suất, đường đẳng ứng suất để phân vùng vật liệu - Xác định các ứng suất cục bộ tại các vị trí đặc biệt để gia cố cốt thép. - Xác định các chuyển vị ứng với các tổ hợp làm việc, là số liệu quan trọng khi so sánh với kết quả quan trắc nhằm đảm bảo đập làm việc đúng như thiết kế.
- Xác định ảnh hưởng của các nhân tố như biến dạng nền, thay đổi nhiệt độ, phân giai đoạn thi công đến trạng thái ứng suất biến dạng của đập. Hai phương pháp chủ yếu được dùng trong phân tích ứng suất của đập bê tông trọng lực là phương pháp giải tích và phương pháp số.1 Phương pháp giải tích Phương pháp giải tích, với hai đại diện là phương pháp đàn hồi và phương pháp sức bền vật liệu, tìm nghiệm giải tích cho thông số cần tính toán cho mọi điểm trên mặt phẳng tính toán thỏa mãn các phương trình giải tích, vi phân và điều kiện biên bề mặt Phương pháp sức bền vật liệu: Hay còn gọi là phương pháp phân tích trọng lực hoặc phương pháp phân tích tuyến tính. Phương pháp này đơn giản, cho kết quả đủ độ tin cậy trong các bài toán thiết kế đập bê tông có cấu tạo mặt cắt, nền không phức tạp. Phương pháp lý thuyết đàn hồi: Dựa vào bài toán nêm vô hạn tuần hoàn.
Đập có dạng tam giác, nền coi như mặt bán vô hạn. Đập và nền được coi như là đồng nhất đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong miền đàn hồi và tuân theo định luật Hooke. Các lời giải cho bài toán nêm vô hạn tuần hoàn đã được giải sẵn ứng với các trường hợp khác nhau như lỗ khoét, lực tập trung, nhiệt … 6 Cả hai phương pháp lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu đều không mô tả được sát với điều kiện làm việc thực tế của đập: Làm việc trong không gian ba chiều, hình dạng phức tạp với hành lang, lỗ khoét, các ảnh hưởng của nền tới trạng thái ứng suất của đập, làm việc trong điều kiện các lực tác dụng phức tạp. Do đó hai phương pháp này trong thực tế thiết kế thường chỉ dùng để kiểm tra nhanh đối với các bài toán đơn giản.2 Phương pháp số Hình 1-1: Lưới phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp này có thể phân ra thành hai nhóm chính: Phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn trong đó phương pháp phần tử hữu hạn có những ưu điểm vượt trội, và được ứng dụng rộng rãi trong phân tích tính toán ứng suất đập bê tông trọng lực.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, miền tính toán được chia nhỏ thành các miền con. Tùy thuộc vào khả năng tính toán của máy tính và độ chính xác yêu cầu của bài toán, càng nhiều phần tử, độ chính xác càng cao nhưng tốc độ giải bài toán cũng 7 chậm đi. Nhưng nhờ vào đặc điểm này, nó có thể áp dụng cho các bài toán với hình dạng phức tạp, gồm nhiều miền có đặc điểm cơ lý và tính chất khác nhau. Hiện nay, với sự phát triển của máy tính, số phần tử trong một mô hình là rất lớn, có thể lên tới hàng triệu phần tử, do đó các bài toán phức tạp được giải quyết với độ chính xác cao.3 Áp lực đẩy ngược trong bài toán phương pháp số.
Bê tông và nền đá có thể được coi là vật liệu xốp (porous media), hoặc vật liệu liên tục (continuous media). Xuất phát từ hai quan điểm trên, các khả năng sau có thể xảy ra: - Coi đập là vật liệu liên tục, nền là vật liệu xốp. - Coi cả đập và nền đều là vật liệu liên tục. - Coi cả đập và nền đều là vật liệu xốp.1 Coi đập là vật liệu liên tục, nền là vật liệu xốp Quan điểm này thường được sử dụng trong thiết kế đập bê tông.
Đập được coi là vật liệu không thấm, quá trình thấm chỉ xảy ra dưới nền (bao gồm cả nền đá). Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy đập có thể được thường được tính toán qua hai phương pháp: - Phương pháp sơ đồ đường thẳng: Coi nền là đồng nhất đẳng hướng, thấm trong nền tuân theo định luật Darcy. Cột nước thấm trong nền được xác định thông qua các điều kiện biên về hình học. Đối với ảnh hưởng của các yếu tố như khoan phun chống thấm, cột nước thấm có thể được đơn giản tính toán bằng cách chiết giảm cột nước khi đi qua các bộ phận này.
- Phương pháp số: Các đặc trưng của dòng thấm (lưu lượng, gradient, cột nước…) được xác định thông qua bài toán mô phỏng thấm bằng phương pháp số. Phương pháp này có thể xét đến tính dị hướng của vật liệu, ảnh hưởng của các yếu tố xử lý nền. Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy đập được 8 xác định thông qua xác định cột nước tại các điểm tiếp giáp giữa đập - nền trong bài toán thấm. Hình 1-2: Biểu đồ áp lực đẩy ngược theo phương pháp sơ đồ đường thẳng (14TCN56-1988) Hình 1-3: Áp lực đẩy ngược khi xác định qua tính toán thấm 9 1.2 Coi đập và nền là vật liệu liên tục Nước chỉ có thể di chuyển trong phạm vi các mặt không liên tục của vật liệu.
Đó có thể là đứt gãy trong bê tông, nền đá, tiếp xúc giữa bê tông-đá. Áp lực đẩy ngược được tính toán trên các mặt này. Xuất phát từ quan hệ giữa áp lực này và trạng thái ứng suất biến dạng của vật liệu, hai mô hình phân tích sau được áp dụng: - Phân tích độc lập (Uncoupled analyses): Không có quan hệ giữa trạng thái ứng suất và biến dạng của vật liệu với áp lực nước trên các mặt không liên tục. - Phân tích cặp (Coupled analyses) [7]: Các mặt không liên tục trong mô hình số được mô phỏng bằng các phần tử đứt gãy (joint elements).
Đặc tính của phần tử này có quan hệ với trạng thái ứng suất và biến dạng (liên quan đến độ mở đứt gãy).3 Coi đập và nền là vật liệu xốp Theo lý thuyết đàn hồi, phương trình cân bằng được viết như sau: ∂σ x ∂τ yx ∂τ zx + + +X =0 ∂x ∂y ∂z ∂σ y ∂τ xy ∂τ zy + + +Y = 0 (1.11) ∂y ∂x ∂z ∂σ ∂τ ∂τ yz z + zx + +Z = 0 ∂z ∂x ∂y trong đó X, Y, Z là lực khối theo 3 phương x, y, z tương ứng, σij các thành phần ứng suất Theo nguyên lý ứng suất hiệu quả của Tenzaghi ta có [= σ ] [σ '] + [ p ] (1.14) 1 − 2µ τ= 'xy τ= 'yx Gγ xy τ= 'xz τ='zx Gγ zx τ= ' yz τ= 'zy Gγ zy E trong đó G = , E và µ là module đàn hồi và hệ số Poisson. 2(1 + µ ) Từ các phương trình (1.15) G∇ 2u z + + + Z + Z0 =0 1 − 2 µ ∂z ∂z ∂2 ∂2 ∂2 ∇ = 2 2 + + 2 ∂x ∂y ∂z 2 11 trong đó - X 0 , Y 0 , Z 0 : Lực khối ứng với biến dạng ban đầu ε0 - p: áp lực nước lỗ rỗng được tính theo công thức - p γwH −γ w Z = (1.16) trong đó - H: Cột nước tổng - Z: Cao độ Thay phương trình (1.16) vào phương trình (1.