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

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.

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.