Luận văn thạc sĩ nghiên cứu trạng thái ứng xuất 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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đập vật liệu địa phương theo mô hình phi tuyến, áp dụng tính toán cho đập thủy điện Khao Mang Thượng, Yên Bái.

• Tác giả: Phạm Tiến Cảnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Cảnh Thái
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• 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 thủy điện Khao Mang Thượng - tỉnh Yên Bái
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN CAM KẾT
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về đập vật liệu địa phương
• 1.2. Nhiệm vụ, chức năng của đập
• 1.3. Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương
• 1.3.1. Ưu điểm
• 1.3.2. Nhược điểm
• 1.4. Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam
• 1.5. Trạng thái ứng suất biến dạng của đập
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
• 2.1. Tổng quan về mô hình vật liệu
• 2.1.1. Tổng quan về ứng suất
• 2.1.2. Tổng quan về biến dạng
• 2.2. Một số mô hình vật liệu cơ bản
• 2.2.1. Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính
• 2.2.2. Mô hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb)
• 2.2.3. Mô hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang)
• 2.2.4. Mô hình đất tăng cứng Hardening Soil
• 2.3. Quy luật biến dạng cơ bản của đất
• 2.4. Các biến dạng trong đập và hậu quả
• 2.5. Đứt gãy thủy lực
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
• 3.1. Yếu tố về hình học của đập
• 3.2. Lựa chọn mô hình vật liệu
• 3.3. Lựa chọn chỉ tiêu của vật liệu
• 3.4. Lưới phần tử
• 3.5. Quá trình thi công
• 3.6. Quá trình tích nước
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG ĐẬP KHAO MANG THƯỢNG
• 4.1. Giới thiệu về đập Khao Mang Thượng
• 4.2. Phân tích số liệu, mô hình tính toán, mặt cắt tính toán
• 4.2.1. Khảo sát mỏ vật liệu đắp đập
• 4.2.2. Công tác thí nghiệm vật liệu đắp đập
• 4.2.3. Phân tích số liệu
• 4.2.4. Mô hình tính toán
• 4.2.5. Xác định chỉ tiêu tính toán cho mô hình hardening soil
• 4.2.6. Các tính toán ứng suất biến dạng đập
• 4.3. Kết quả tính toán
• 4.3.1. Ảnh hưởng mô hình tính toán, quá trình thi công, quá trình tích nước: Tính cho mặt cắt 0+100
• 4.3.2. Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt: Mặt cắt 0+75, 0+125, 0+150
• 4.3.3. Ảnh hưởng của khối gia tải hạ lưu: Mặt cắt 0+75
• 4.3.4. Tính toán cho mặt cắt dọc trục đập
• 4.3.5. Kết luận chương
• KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về đập vật liệu địa phương

Đập vật liệu địa phương là loại công trình được xây dựng từ các vật liệu lấy tại chỗ, không cần vận chuyển xa hoặc qua quá trình chế biến phức tạp. Loại đập này thường được sử dụng trong các hệ thống thủy lợi, thủy điện nhằm dâng và giữ nước. Đập vật liệu địa phương có ưu điểm lớn là tận dụng được nguồn vật liệu sẵn có, giảm chi phí vận chuyển và xử lý. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như khối lượng lớn, dễ bị xói mòn và không cho phép nước tràn qua đỉnh đập. Trên thế giới, đập vật liệu địa phương đã được xây dựng từ hàng nghìn năm trước và ngày càng phát triển về quy mô và kỹ thuật.

1.1. Lịch sử phát triển

Đập vật liệu địa phương đã xuất hiện từ thời cổ đại, với các công trình nổi tiếng như đập Ceylou (Sri Lanka) được xây dựng từ năm 504 trước Công nguyên. Theo thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, loại đập này đã được mở rộng về chủng loại và quy mô. Ví dụ, đập Rogun ở Tajikistan, hoàn thành năm 2015, có chiều cao lên tới 335m, trở thành đập cao nhất thế giới. Ở Việt Nam, đập vật liệu địa phương cũng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi và thủy điện, đặc biệt là ở các vùng có địa hình phức tạp.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm

Đập vật liệu địa phương có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, yêu cầu địa chất nền không cao, và có thể xây dựng trên mọi loại nền. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như khối lượng lớn, dễ bị xói mòn, và không cho phép nước tràn qua đỉnh đập. Những nhược điểm này đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả của công trình.

II. Cơ sở lý thuyết phân tích ứng suất biến dạng

Phân tích ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện. Các mô hình lý thuyết như mô hình đàn hồi tuyến tính, mô hình Mohr-Coulomb, và mô hình Hyperbolic (Duncan-Chang) đã được sử dụng để mô phỏng hành vi của vật liệu đất đá. Tuy nhiên, các mô hình tuyến tính thường không phản ánh chính xác thực tế làm việc của công trình, đặc biệt là với các đập cao và có địa hình phức tạp. Do đó, việc áp dụng mô hình phi tuyến như mô hình Hardening Soil là cần thiết để đạt được kết quả chính xác hơn.

2.1. Mô hình vật liệu

Các mô hình vật liệu như mô hình đàn hồi tuyến tính, mô hình Mohr-Coulomb, và mô hình Hyperbolic (Duncan-Chang) được sử dụng để mô phỏng hành vi của vật liệu đất đá. Tuy nhiên, các mô hình này thường không phản ánh chính xác thực tế làm việc của công trình, đặc biệt là với các đập cao và có địa hình phức tạp. Do đó, việc áp dụng mô hình phi tuyến như mô hình Hardening Soil là cần thiết để đạt được kết quả chính xác hơn.

2.2. Quy luật biến dạng

Quy luật biến dạng của đất đá trong đập vật liệu địa phương phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần vật liệu, phương pháp đầm nén, và điều kiện địa chất nền. Các biến dạng chính bao gồm biến dạng đều, chênh lệch chuyển vị do địa hình, và biến dạng theo phương ngang. Việc hiểu rõ các quy luật này giúp dự đoán và kiểm soát các vấn đề như lún nền đập và phát sinh vết nứt trong thân đập.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương, bao gồm hình học của đập, lựa chọn mô hình vật liệu, và quá trình thi công. Các yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và xây dựng để đảm bảo an toàn và hiệu quả của công trình. Đặc biệt, quá trình tích nước và thi công có thể gây ra các biến dạng lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của đập.

3.1. Hình học của đập

Hình học của đập vật liệu địa phương bao gồm chiều cao, độ dốc mái, và hình dạng mặt cắt ngang. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố ứng suất biến dạng trong thân đập. Ví dụ, đập có độ dốc mái lớn thường chịu ứng suất lớn hơn so với đập có độ dốc thoải.

3.2. Quá trình thi công

Quá trình thi công bao gồm các giai đoạn như đào đất, vận chuyển, đắp, và đầm nén. Các giai đoạn này có thể gây ra các biến dạng lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của đập. Đặc biệt, quá trình tích nước sau khi thi công có thể gây ra các biến dạng đáng kể, cần được theo dõi và kiểm soát chặt chẽ.

IV. Áp dụng tính toán cho đập thủy điện Khao Mang Thượng

Nghiên cứu này áp dụng mô hình phi tuyến để phân tích ứng suất biến dạng của đập thủy điện Khao Mang Thượng, tỉnh Yên Bái. Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố ứng suất và biến dạng trong thân đập, giúp dự đoán các vấn đề như phát sinh vết nứt và lún nền đập. Các biện pháp thiết kế và xử lý cũng được đề xuất để nâng cao an toàn và hiệu quả của công trình.

4.1. Giới thiệu về đập Khao Mang Thượng

Đập thủy điện Khao Mang Thượng là một công trình quan trọng tại tỉnh Yên Bái, được xây dựng từ vật liệu địa phương. Đập có chiều cao lớn và địa hình phức tạp, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

4.2. Kết quả tính toán

Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố ứng suất biến dạng trong thân đập, giúp dự đoán các vấn đề như phát sinh vết nứt và lún nền đập. Các biện pháp thiết kế và xử lý cũng được đề xuất để nâng cao an toàn và hiệu quả của công trình.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống hạ tầng năng lượng và thủy lợi toàn cầu, đập vật liệu địa phương chiếm hơn 70% tổng số các công trình đập dâng nước đã được xây dựng nhờ khả năng tận dụng tối đa nguồn vật liệu tại chỗ và thích ứng tốt với nhiều điều kiện địa chất phức tạp. Trên thế giới, nhiều công trình đập đất đá đã đạt chiều cao kỷ lục như đập Rogun cao 335 mét, đập Nurek cao 315 mét, và tại Việt Nam có đập thủy điện Hòa Bình cao 128 mét. Tuy nhiên, việc đánh giá độ an toàn của các công trình đập dâng có chiều cao lớn đòi hỏi các phương pháp tính toán cơ học đất ngày càng chuẩn xác.

Vấn đề cốt lõi đặt ra trong thiết kế đập đất đá hiện nay là các phương pháp giải tích truyền thống hoặc mô hình đàn hồi tuyến tính một chiều thường đơn giản hóa quá mức các ứng xử cơ học của vật liệu. Đất đá trên thực tế thể hiện tính phi tuyến rất mạnh ngay từ khi chịu cấp tải trọng nhỏ. Việc áp dụng mô hình tuyến tính dễ dẫn đến đánh giá sai lệch trường ứng suất, bỏ qua hiện tượng tập trung ứng suất kéo hoặc biến dạng cục bộ, từ đó làm gia tăng nguy cơ nứt gãy thủy lực và lún không đều trong thân đập.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích chuyên sâu trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa phương bằng mô hình phi tuyến đàn dẻo tăng cứng, áp dụng trực tiếp cho dự án đập thủy điện Khao Mang Thượng tại tỉnh Yên Bái. Công trình có công suất lắp máy 24.5 MW, chiều cao đập lớn nhất đạt 68.0 mét trên nền đá cứng và dung tích hồ chứa tương ứng mực nước dâng bình thường 915.00 mét là 13.37 triệu mét khối.

Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ các mặt cắt ngang xung yếu và mặt cắt dọc trục đập trong các giai đoạn thi công đắp lớp từng phần cũng như giai đoạn tích nước vận hành đầu tiên. Kết quả tính toán đem lại giá trị thực tiễn cao, giúp dự báo chính xác độ lún, xác định vị trí tiềm ẩn nguy cơ nứt nẻ và tối ưu hóa giải pháp khối gia tải hạ lưu, nâng cao hệ số an toàn công trình theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 04-05:2011/BNNPTNT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng cơ học đất phi tuyến hiện đại, kết hợp đồng thời lý thuyết ứng suất hiệu quả của Terzaghi và lý thuyết đàn dẻo tăng cứng của Schanz.

Theo nguyên lý Terzaghi, ứng suất tổng trong khối đất đá bão hòa được phân tách thành ứng suất hiệu quả chịu lực bởi khung hạt khoáng và áp lực nước lỗ rỗng sinh ra trong các khe rỗng. Để mô tả chính xác sự thay đổi mô đun biến dạng theo độ sâu và trạng thái tải trọng, mô hình đất tăng cứng Hardening Soil được sử dụng thay thế cho mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb hay mô hình Hyperbolic của Duncan-Chang.

Mô hình Hardening Soil tích hợp hai cơ chế biến dạng dẻo độc lập: tăng cứng cắt mô tả biến dạng trượt không thuận nghịch do độ lệch ứng suất gây ra, và tăng cứng nén mô tả độ nén chặt vĩnh cửu của cấu trúc hạt dưới tác dụng của ứng suất nén đẳng hướng hoặc nén cố kết một trục. Độ cứng của đất đá biến thiên phi tuyến theo áp lực buồng hiệu quả thông qua hàm số mũ với số mũ biến dạng dao động trong khoảng từ 0.5 đến 1.0.

Các khái niệm cơ bản được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: mô đun cát tuyến tham chiếu ứng với 50% độ lệch ứng suất cực đại, mô đun tiếp tuyến cố kết một trục tham chiếu, mô đun dỡ tải và nạp tải lại tham chiếu (thường có giá trị xấp xỉ gấp 3 lần mô đun cát tuyến), cùng hệ số phá hoại tiếp tuyến luôn nhỏ hơn 1.0. Bên cạnh đó, hiện tượng nứt gãy thủy lực được đánh giá qua điều kiện so sánh giữa ứng suất nén hiệu quả chính nhỏ nhất với áp lực nước lỗ rỗng tại từng cao trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được tổng hợp từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình và kết quả thí nghiệm cơ lý đất đá phục vụ thiết kế kỹ thuật của dự án thủy điện Khao Mang Thượng.

Quy mô mẫu thí nghiệm bao gồm hệ thống thí nghiệm nén 3 trục cố kết thoát nước và không thoát nước trên các mẫu đất sét chống thấm đầm nén, kết hợp thí nghiệm nén cố kết một trục Oedometer để xác định chính xác các mô đun biến dạng tham chiếu và các chỉ tiêu cường độ chống cắt. Đối với vật liệu đá đắp thượng hạ lưu có đường kính hạt thực tế ngoài hiện trường lên đến 1200 mm, phương pháp đường cấp phối song song với cỡ hạt khống chế tối đa 50 mm trong phòng thí nghiệm đã được áp dụng nhằm suy giảm kích thước mẫu nhưng vẫn bảo toàn trọn vẹn đặc trưng ma sát góc trong và độ cứng khung hạt.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô hình hóa số bằng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều và ba chiều phi tuyến. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ khả năng mô phỏng liên tục sự thay đổi hình học và trạng thái ứng suất theo từng giai đoạn đắp đập thực tế. Toàn bộ tiến trình xây dựng được chia thành hơn 8 cấp đắp tải trọng theo sơ đồ kích hoạt phần tử từng lớp, kết hợp quy trình Nobari-Duncan gồm 3 bước với hơn 4 cấp dâng nước nhằm mô phỏng hiện tượng mềm hóa vật liệu khi đất đá chuyển từ trạng thái khô sang bão hòa nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số trị theo mô hình Hardening Soil trên các mặt cắt đặc trưng của đập Khao Mang Thượng đã mang lại nhiều phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trường ứng suất hiệu quả theo phương đứng và phương ngang trong thân đập phân bố phi tuyến và thể hiện rõ hiệu ứng vòm chuyển tải. Do lõi sét có tính biến dạng cao hơn các khối đá đắp hai bên, ứng suất tiếp xúc tại mặt phân chia vật liệu đã truyền bớt một phần tải trọng từ lõi sang khối đá thượng và hạ lưu. Ứng suất nén hiệu quả lớn nhất trong lõi sét ở cao trình 904.00 mét duy trì ổn định, loại trừ hoàn toàn sự xuất hiện của vùng ứng suất kéo gây mất ổn định cục bộ.

Thứ hai, quy luật phân bố chuyển vị đứng trong giai đoạn thi công phản ánh đúng bản chất vật lý khi đắp đập nhiều lớp. Chuyển vị lún lớn nhất không xuất hiện tại đỉnh đập như các tính toán đàn hồi tuyến tính tức thời quy ước, mà tập trung ở khu vực giữa thân đập từ cao độ 880.00 mét đến 895.00 mét. Trên mặt cắt lòng suối 0+100, độ lún tích lũy lớn nhất đạt giá trị nằm trong ngưỡng an toàn cho phép của kết cấu đập đá đổ lõi giữa.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh vai trò then chốt của khối đá gia tải chân đập hạ lưu tại mặt cắt xung yếu 0+75. Khi không có khối gia tải, chuyển vị ngang lớn nhất ghi nhận lên tới 14.8 cm tại sườn dốc; khi bố trí khối gia tải hạ lưu hợp lý, chuyển vị ngang cực đại giảm mạnh xuống chỉ còn 5.0 cm, tương đương mức giảm chênh lệch biến dạng hơn 66.2%.

Thứ tư, khi hồ chứa tích nước đến mực nước dâng bình thường 915.00 mét, dưới tác dụng của áp lực thấm và hiện tượng bão hòa nước, thân đập có xu hướng chuyển vị dịch nhẹ về phía hạ lưu. Tuy nhiên, hệ số an toàn chống nứt gãy thủy lực theo mặt đứng và mặt ngang tại mọi vị trí trong lõi sét đều đạt giá trị lớn hơn 1.0, khẳng định tuyến đập không xảy ra rủi ro nứt nẻ xuyên tâm.

Thảo luận kết quả

Các kết quả phân tích số liệu có thể được hệ thống hóa rõ ràng thông qua bảng tổng hợp mô đun đàn hồi trung bình của từng khối đắp và biểu đồ đường cong đẳng trị ứng suất chính:

Trong giai đoạn đắp khô, mô đun biến dạng trung bình của khối đá đắp đạt giá trị cao giúp giữ vững khung chịu lực. Khi chuyển sang giai đoạn tích nước bình thường, do hiện tượng ngâm nước làm suy giảm ma sát liên kết giữa các hạt đá, mô đun đàn hồi của vùng bão hòa giảm khoảng 15% đến 25% so với trạng thái ban đầu. Điều này giải thích nguyên nhân làm gia tăng độ lún bổ sung sau khi tích nước.

So sánh với các nghiên cứu tính toán theo mô hình tuyến tính đơn giản trước đây, việc áp dụng mô hình tăng cứng phi tuyến giúp triệt tiêu sai số dự báo chuyển vị lún lên tới 20% đến 30%. Các biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng trích xuất từ mô hình phần tử hữu hạn hoàn toàn trùng khớp với quy luật biến dạng cố kết và nén hông thực tế, chứng minh tính ưu việt của việc mô phỏng quá trình thi công đắp lớp từng bước so với phương pháp chất tải tức thời một lần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích chuyên sâu về ứng suất và chuyển vị của đập thủy điện Khao Mang Thượng, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình:

Thứ nhất, kiểm soát chặt chẽ độ ẩm và công tác đầm nén vật liệu lõi sét tại hiện trường. Đơn vị thi công và Tư vấn giám sát cần duy trì độ ẩm thi công trong giới hạn sai số không vượt quá 2% so với độ ẩm đầm nén tối ưu, đồng thời đảm bảo độ chặt đầm nén đạt từ 95% đến 100% dung trọng khô lớn nhất theo tiêu chuẩn Proctor tiêu chuẩn trong suốt thời gian thi công đắp đập.

Thứ hai, thi công hoàn thiện khối gia tải hạ lưu tại các mặt cắt sườn dốc hẹp như mặt cắt 0+75 theo đúng thiết kế trước khi tích nước. Ban Quản lý dự án và Nhà thầu xây lắp phải ưu tiên bố trí khối đá gia tải nhằm khống chế chuyển vị ngang dưới mức 5.0 cm, ngăn ngừa triệt để nguy cơ trượt mái đập và nứt tách tại vị trí tiếp giáp vai đập có độ dốc thay đổi đột ngột.

Thứ ba, thiết lập mạng lưới thiết bị quan trắc địa kỹ thuật đa chỉ tiêu gồm tối thiểu 8 mặt cắt quan trắc lún, chuyển vị ngang và áp lực nước lỗ rỗng tự động trong thân đập và nền móng. Chủ đầu tư phối hợp với Đơn vị tư vấn địa kỹ thuật tiến hành phân tích ngược từ các chu kỳ đo đạc thực tế trong 2 năm đầu vận hành để hiệu chỉnh chính xác các tham số cơ học của mô hình với độ tin cậy trên 90%.

Thứ tư, ban hành quy trình tích nước hồ chứa ban đầu theo lộ trình tối thiểu 4 giai đoạn kiểm soát mực nước dâng. Hội đồng nghiệm thu và Đơn vị quản lý vận hành cần duy trì tốc độ dâng nước không vượt quá 0.5 đến 1.0 mét mỗi ngày nhằm cho phép áp lực nước lỗ rỗng trong lõi sét tiêu tán nhịp nhàng, triệt tiêu nguy cơ phát sinh hiện tượng nứt gãy thủy lực do sốc áp suất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn và học thuật phong phú cho nhiều nhóm đối tượng chuyên ngành:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện. Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết về việc ứng dụng mô hình phi tuyến Hardening Soil, cách thức xác định các tham số tham chiếu từ thí nghiệm phòng và phương pháp thiết lập bài toán phần tử hữu hạn phân tích ứng suất - biến dạng cho các đập dâng cao trên 50 mét.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia tư vấn giám sát và kỹ sư công nghệ thi công. Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá mức độ ảnh hưởng của trình tự đắp lớp, tầm quan trọng của hệ số đầm nén và giải pháp bố trí khối gia tải chân đập nhằm kiểm soát độ lún lệch trong quá trình xây lắp.

Nhóm thứ ba là các ban quản lý dự án, chủ đầu tư các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ (công suất từ 10 MW đến 30 MW). Luận văn hỗ trợ xây dựng kế hoạch tích nước an toàn, tối ưu hóa khối lượng đắp đập và thiết kế mạng lưới quan trắc biến dạng công trình đạt chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Nhóm thứ tư là các giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Xây dựng công trình thủy, Địa kỹ thuật công trình và Cơ học đất. Đây là tài liệu tham khảo chất lượng cao về việc kết hợp giữa lý thuyết đàn dẻo phi tuyến và bài toán ứng dụng thực tế trên một công trình thủy điện trọng điểm tại vùng núi Tây Bắc.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình Hardening Soil có ưu điểm vượt trội gì so với mô hình Mohr-Coulomb khi tính toán đập đất đá? Mô hình Hardening Soil phản ánh chính xác sự phụ thuộc phi tuyến của độ cứng vật liệu vào trạng thái ứng suất thông qua hàm số mũ, đồng thời phân tách rõ ràng giữa biến dạng dẻo tăng cứng cắt và tăng cứng nén. Trong khi đó, mô hình Mohr-Coulomb chỉ sử dụng một mô đun đàn hồi không đổi, dễ dẫn đến ước tính sai lệch độ lún tới hơn 25% trong các đập đá đổ có chiều cao lớn trên 50 mét.

Khối gia tải hạ lưu đóng vai trò quan trọng như thế nào tại mặt cắt 0+75 của đập Khao Mang Thượng? Khối gia tải hạ lưu có tác dụng giữ ổn định mái dốc và cân bằng trường ứng suất tại các vị trí địa hình sườn dốc không đối xứng. Tại mặt cắt 0+75, việc đắp thêm khối gia tải đã giúp giảm chuyển vị ngang từ 14.8 cm xuống còn 5.0 cm, triệt tiêu hơn 66% biên độ lún lệch và loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nứt tách thân đập tiếp giáp nền.

Nguyên nhân cốt lõi gây ra hiện tượng nứt gãy thủy lực trong lõi sét chống thấm là gì? Nứt gãy thủy lực xuất hiện khi áp lực nước lỗ rỗng hoặc áp lực thủy tĩnh tại một điểm vượt quá ứng suất nén hiệu quả chính nhỏ nhất của khối đất tại vị trí đó. Khi cột nước dâng cao trong giai đoạn tích nước, nếu vùng lõi sét bị suy giảm ứng suất do hiệu ứng vòm treo tải, áp lực dòng thấm chỉ cần chênh lệch từ 2 đến 4 mét cột nước cũng có thể xé rách khe nứt và gây xói ngầm nghiêm trọng.

Phương pháp đường cấp phối song song giải quyết khó khăn gì trong thí nghiệm vật liệu đá đắp? Vật liệu đá đắp ngoài hiện trường thường có kích thước hạt cực đại lên tới 1200 mm, vượt quá dung tích buồng nén 3 trục tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Phương pháp đường cấp phối song song tạo ra các mẫu thí nghiệm có cỡ hạt khống chế dưới 50 mm với đường cong thành phần hạt đồng dạng, giúp xác định chuẩn xác góc ma sát trong và các mô đun biến dạng tương đương của khối đá đắp.

Tại sao phải chia quá trình đắp đập thành hơn 8 bước tính toán trong phần mềm phần tử hữu hạn? Chia quá trình thi công thành nhiều bước giúp mô phỏng chính xác sự tích lũy biến dạng và quá trình hình thành trường ứng suất tự nhiên theo từng lớp đắp. Nếu tính toán toàn bộ khối đập được đắp tức thời trong một bước, chuyển vị lớn nhất sẽ bị gán sai lên đỉnh đập, trong khi thực tế chuyển vị lún cực đại luôn phân bố ở khoảng giữa thân đập từ 1/2 đến 2/3 chiều cao công trình.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của đập vật liệu địa phương theo mô hình cơ học đất phi tuyến hiện đại với 5 kết quả nổi bật:

• Chứng minh tính ưu việt vượt trội của mô hình đàn dẻo tăng cứng Hardening Soil so với các mô hình tuyến tính cổ điển trong việc mô phỏng ứng xử phi tuyến của đập đất đá.
• Xác định chính xác quy luật phân bố trường ứng suất hiệu quả và biến dạng tích lũy theo từng giai đoạn thi công đắp lớp cho đập thủy điện Khao Mang Thượng cao 68.0 mét.
• Khẳng định hiệu quả kỹ thuật của khối gia tải hạ lưu giúp cắt giảm tới 66.2% chuyển vị ngang tại các mặt cắt địa hình xung yếu, duy trì độ ổn định tổng thể cho tuyến đập.
• Đánh giá an toàn điều kiện chống nứt gãy thủy lực trong lõi sét khi hồ chứa tích nước đến cao trình bình thường 915.00 mét, đảm bảo công trình vận hành an toàn tuyệt đối.
• Đề xuất quy trình đồng bộ từ công tác đầm nén hiện trường, lộ trình dâng nước 4 giai đoạn đến thiết lập mạng lưới quan trắc địa kỹ thuật phục vụ phân tích ngược.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là xây dựng thành công quy trình tính toán số trị chuẩn xác, có khả năng chuyển giao và ứng dụng trực tiếp cho các dự án đập vật liệu địa phương có điều kiện địa hình phức tạp tại Việt Nam. Bước tiếp theo cần triển khai là tích hợp các số liệu quan trắc thực tế sau 12 đến 24 tháng vận hành để hoàn thiện bộ thông số cơ lý chuẩn hóa cho các dạng đập đá đổ lõi sét. Các đơn vị tư vấn và ban quản lý dự án thủy điện có thể áp dụng ngay khung phương pháp luận này để tối ưu hóa thiết kế kỹ thuật, tiết kiệm chi phí xây dựng và nâng cao độ an toàn bền vững cho công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Đập vật liệu địa phương được hiểu một cách đơn giản là đập được xây dựng từ các vật liệu lấy ngay tại địa phương có công trình xây dựng, không phải vận chuyển 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.

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.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. 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 thác vận hành người ta nhận thấy rằng các công trình thuỷ công như các đập đất đá là loaị công trình có nhiều vấn đề kỹ thuật hơn cả. Sự có mặt thường xuyên của dòng thấm trong thân và nền của các công trình thuỷ công đã dẫn dến sự tăng kích thước mặt cắt ngang của chúng cũng như đòi hỏi quá trình thi công nghiêm ngặt, cho nên giá thành công trình cao hơn rất nhiều giá thành các công trình không chịu tác dụng của dòng nước (ví như so với các công trình kiến trúc trên mặt đất). 6 Để hạn chế tới mức tối thiểu nhất tác hại các loại ngoại lực bên ngoài tác động lên các đập đất đá mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, nhất thiết phải hiểu được bản chất của của các loại nội lực phát sinh trong thân và nền công trình.

Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của các loại máy tính, đặc biệt là sự phát triển cực kỳ nhanh chóng của các phần mềm ứng dụng, đã cho phép chúng ta gải quyết được rất nhiều vấn đề khoa học và công nghệ phức tạp đặt ra đối với các công trình thuỷ công như các đập vật liệu địa phương.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập Đập vật liệu địa phương là loại công trình tận dụng vật liệu tại chỗ, có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia 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.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương 1.1 Ưu điểm Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập vật liệu địa phương không cao lắm so với những loại đập khác. Đập vật liệu địa phương có thể xây dựng được với bất kỳ điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào. Những vùng có động đất cũng có thể xây dựng được đập đất. Ưu điểm này rất cơ bản, bởi vì càng ngày những tuyến hẹp, có địa chất tốt thích hợp cho các loại đập bê tông càng ít cho nên dần dần đi vào khai thác các tuyến rộng, nền yếu, chỉ thích hợp cho đập bằng vật liệu tại chỗ.

Với những thành tựu nghiên cứu trong các lĩnh vực cơ học đất, lý luận thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để 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/cm2 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.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.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam Trên thế giới, đập vật liệu địa phương được xây dựng từ thời xa xưa.

Đập Ceylou (Xrilanca) cao 21.5m, khối lượng đất đắp 13.000m3 được xây dựng từ năm 504 trước công nguyên. Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đập vật liệu địa phương được mở rộng về chủng loại, chiều cao. Đập không chỉ còn được xây dựng từ đất, mà còn có thể từ đá đổ, bê tông kết hợp đất, đá đổ…Chiều cao đập đã lên tới 335m (đập Rogun ở Tajikistan – hoàn thành năm 8 2015), trở thành loại đập có chiều cao lớn nhất trên thế giới, vượt qua đập bê tông Bakhtiari (315m) và đập vòm Jinping-I (305m). Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới Số Tên đập Tên nước Chiều TT cao (m) 1 Rogun Taijikistan 335 2 Nurek Taijikistan 315 3 Shuangjiangkou Trung Quốc 312 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 Mỹ 139 Ranch 9 Zavajô (Navajo) Mỹ 124 10 Xerơ Pôngxông Pháp 122 11 Hiks (Hicks) Mỹ 122 12 Matmac (Mattmarh) Thụy sĩ 115 13 Benmô Tân Tây Lan 110 14 Đôratlam Pakitxtăng 110 15 Hin coric Mỹ 105 16 Lucky-Peak MỸ 104 17 Caxita (Vasitas) MỸ 101 9 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 Vị trí XD Chiều cao Năm hoàn TT Tên đập Trên sông (Bang) đập (mét) thành 1 Oroville Feather California 262,4 1968 2 Hoover Colorado Nevada 248,8 1936 N. Fork 3 Dworshak Clearwater Idaho 244,4 1973 4 Glen Canyon Colorado Arizona 242,0 1964 New Bullards 5 Bar North Yuba California 219,8 1969 6 Seven Oaks Santa Ana California 215,4 1999 7 New Melones Stanislaus California 213,0 1979 8 Mossyrock Cowlitz Washington 206,5 1968 9 Shasta Sacramento California 205,2 1945 10 Don Pedro Tuolumne California 199,4 1971 S. Fork 11 Hungry Horse Flathead Montana 192,2 1953 12 Grand Coulee Columbia Washington 187,4 1942 13 Ross Skagit Washington 184,0 1949 14 Trinity Trinity California 183,4 1962 15 Yellowtail Bighorn Montana 178,9 1966 S. Fork 16 Cougar McKenzie Oregon 176,9 1964 Flaming 17 Gorge Green Utah 171,1 1964 Ở Mỹ, nếu tính từ 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa phương, trong đó 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.