Công trình Thủy điện Hòa Bình_ Phần 10
Tài liệu tham khảo việc xây dựng Công trình Thủy điện Hòa Bình_ Phần 10: " Đánh giá an tòan ổn định đập đất đá"
10
ĐÁNH GIÁ
AN TOÀN ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT-ĐÁ
CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN HOÀ BÌNH
KHI NÂNG MNTL ĐẾN CAO ĐỘ 122.00 m
(THEO TÀI LIỂU CỦA CÔNG TY TVXDĐ2)
_____________________________ -1-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
MỤC LỤC
Trang
Mở đầu......................................................................................................………..….3
PHẦN THỨ NHẤT
PHƯƠNG PHÁP VÒNG CUNG TRƯỢT
ĐỂ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA MÁI ĐẬP
I.1. Giới thiệu ............................................................................................4
I.2. Tính toán ổn định ..................................................................................4
I.2.1 Các tài liệu cơ bản ...............................................................................4
I.2.2 Chương trình tính toán ..........................................................................5
I.3 Kết quả tính toán ..................................................................................6
PHẦN THỨ HAI
PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI
ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP
2.1. Giới thiệu .............................................................................................8
2.2 Các mô hình toán cho bài toán phẳng ...................................................8
2.3 Sơ đồ tính toán và chương trình tính toán ............................................9
2.3.1 Xác định tải trọng tác dụng .................................................................9
2.3.3 Sơ đồ tính toán và chương trình tính toán.............................................9
2.4 Kết quả tính toán .................................................................................12
2.4.1 Ổn định chống trượt của đập ..............................................................12
2.4.2 Tính toán khả năng tạo thành vết nứt...................................................13
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................15
_____________________________ -2-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật, đập Hòa Bình đã được thiết kế với tần suất lũ
0,01%, tương ứng với mực nước lũ gia cường là 120.00 m. Hiện nay lưu lượng lũ
0.01% đã được tính toán lại chính xác hơn và có giá trị lớn hơn. Vì vậy để tăng khả
năng cắt lũ của hồ chứa khi công trình thủy điện Sơn La chưa vào, Nhà máy thủy
điện Hòa Bình và Tổng Công ty Điện Lực VN có chủ trương tính toán xem xét khả
năng nâng cao lõi đập .
Các nghiên cứu tính toán của Công Ty Tư Vấn Xây Dựng Điện 2 đã được thực
hiện trong quá trình hợp tác với Công ty cổ phần Viện Thiết kế Hydroproekt
(CHLB Nga).để luận chứng kỹ thuật nâng mực nước phòng lũ của đập đất – đá
Hoà Bình lên cao trình 122.00.
Trong các nghiên cứu này sẽ trình bày các kết quả tính toán ổn định trượt mái
đập theo phương pháp vòng cung trượt (phương pháp mà phía Công ty cổ
phầnViện Thiết kế Hydroproekt sử dụng để tính toán nâng cao lõi đập).
Để có thêm luận cứ khoa học, giúp cho Nhà máy thủy điện Hòa Bình, Tổng Công
ty Điện lực VN và Hội đồng Nhà nước về an toàn đập Hòa Bình xem xét, quyết
định về khả năng nâng cao lõi đập, Công ty TVXDĐ2 đã trình bày thêm các kết quả
nghiên cứu
- Ổn định trượt mái đập ở các mực nước khác nhau (theo phương pháp vòng
cung trượt ).
- Ổn định về độ bền của đập và an toàn về khả năng tạo thành vết nứt trong
lõi đập (theo phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán phẳng 2 chiều ).
_____________________________ -3-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
CHƯƠNG I
PHƯƠNG PHÁP VÒNG CUNG TRƯỢT
ĐỂ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA MÁI ĐẬP
-oOo-
1. 1 GIỚI THIỆU
Để tính toán ổn định trượt mái đập đất- đá Hoà Bình Công ty TVXDĐ2 đã sử
dụng phương pháp vòng cung trượt. Theo phương pháp này hiện có nhiều công
thức của các tác giả khác nhau. Qua phân tích thấy rằng công thức Terzaghi là có
nhiều ưu điểm hơn cả, vì vậy nó được lựa chọn để tính toán cho đập Hòa Bình..
Cách tính toán ổn định mái được tiến hành với các giả thiết sau :
- Sau 15 năm coi như đất trong lõi đập đã cố kết, áp lực kẽ rỗng U nhỏ có thể bỏ
qua ( dưới đường bão hòa tính áp lực thấm )
- Tính toán kiểm tra ổn định cho mái thượng và hạ lưu. Với mái hạ lưu tính cho tổ
hợp lực cơ bản và tổ hợp lực đặc biệt (MN lũ gia cường + động đất cấp 8). Với
mái thượng lưu cũng tính với tổ hợp lực cơ bản và tổ hợp lực đặc biết (rút nước
nhanh + động đất cấp 8).
Ở Việt Nam phương pháp và công thức Terzaghi đã được sử dụng để tính toán
cho hàng lọat đập đất–đá của các công trình thủy điện như Trị An, Thác Mơ, Hàm
Thuận-Đa Mi, Đại Ninh, Đồng Nai 3-4 v.v… trong các giai đoạn thiết kế khác
nhau.
Ở Cộng hoà Liên bang Nga thường sử dụng phương pháp “áp lực nghiêng”,
được khuyến cáo trong quy phạm CNIP 2.06.01-86 và 2.06.05-84. Viện Gidroproekt
(CHLB Nga) đã dùng công thức này để kiểm tra ổn định trượt mái cho đập Hòa
Bình. Về bản chất phương pháp “áp lực nghiêng” không khác nhiều phương pháp
Terzaghi, nhưng khi ứng dụng nó lại khá phức tạp nên ít được sử dụng ở Việt
Nam.
1. 2. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH
1.2.1. CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN
+ Các mặt cắt ngang đập đất-đá Hòa Bình được lấy theo tài liệu hoàn công do
Nhà máy Thủy điện Hòa Bình cung cấp, tháng 12/2000. Đã chọn mặt cắt ở PIKET
5 + 00 (ở lòng sông) làm mặt cắt đại diện để tính toán
_____________________________ -4-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
+ Chỉ tiêu cơ lý của đập và nền lấy theo tài liệu do Nhà máy thủy điện Hòa
Bình cung cấp (xem chỉ tiêu cơ lý đính kèm theo)
Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cho ở bảng sau
Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu
Vật liệu Chỉ tiêu co lý
γ tn (t/m3) γ bh (t/m3) tgϕ C (t/m2)
Đá đổ 1,93 2,01 0,73 0,0
Hỗn hợp cát sỏi 2,00 2,14 0,73 0,0
Đất pha sét của lõi 1,54 1,97 0,20 3,0
Nền cát sỏi 1,80 2,16 0,60 0,0
Nền đá 2,50 2,60 10,00 10,0
Các chỉ tiêu cơ lý trong bảng trên đã được NM thủy điện Hòa Bình cấp cho Viện
Thiết kế thủy công (Gidroproekt, CHLB Nga). Tuy nhiên có sự hiệu chỉnh ở trị số
lực dính C. Phía Gidroproekt lấy lực dính của vật liệu hạt thô (đá đổ , cát sỏ ) > 0.
Chúng tôi (Công ty Tư vấn xây dựng điện 2) lấy lực dính C của vật liệu hạt thô =
0.00 cho phù hợp với các tính toán thường vẫn dùng ở Việt Nam. Việc lấy lực dính
C của vật liệu hạt thô =0.0 là thiên về an toàn
+ Mực nước (MN) thượng, hạ lưu :
- MN thượng lưu 120.00 m, MN hạ lưu tương ứng là 27.80 m
- MN thượng lưu 121.00 m, MN hạ lưu tương ứng là 28.90 m
- MN thượng lưu 122.00 m, MN hạ lưu tương ứng là 30.00 m
Trong lần báo cáo tháng 4 năm 2001 khi tính toán ổn định mái thượng lưu đã tính
với giả thiết là MN thượng lưu, từø MN gia cường sẽ ha xuống MN chết là 75.00
m
Trong tính toán bổ sung tháng 9 năm 2001 khi tính toán ổn định mái thượng lưu
đã tính với giả thiết là MN thượng lưu, từ MN gia cường sẽ ha xuống MN 90.00
m để phù hợp với thực tế vận hành của hồ chứa.
1.2.2 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
Căn cứ vào các thuật toán đã trình bày ở trên chúng tôi đã xây dựng chương trình
“DAM-1“ để tính toán ổn định trượt mái hạ lưu và thượng lưu đập đất - đá.
Chương trình “DAM-1“ được viết trong ngôn ngữ FORTRAN-77 và PASCAL.
DAM-1 đã được sử dụng để tính toán kiểm tra cho các đập đất, đất-đá của công
trình thủy điện như Trị An, Thác Mơ, Đa Nhim. Đặc biệt chương trình DAM-1 đã
_____________________________ -5-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
được sử dụng để tính toán các đập đất, đất-đá Hàm Thuận của công trình thủy
điện Hàm Thuận-Đa Mi trong các giai đoạn thiết kế cơ sở và thiết kế chi tiết. Các
kết qủa tính toán theo DAM-1 đã được phía Tư vấn Nhật (EPDC) thừa nhận là
phù hợp với các kết qủa tính toán kiểm tra của họ ở Tokyo
1.3 KẾT QỦA TÍNH TOÁN
Ðể có đầy đủ cơ sở luận chứng cho khả năng nâng cao lõi đập ứng với mực
nước lũ trên 120 m chúng tôi đã tiến hành tính toán cho 3 mực nước 120 , 121 và 122
m. Việc tính với nhiều mực nước như vậy là nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của
việc tăng mực nước thượng lưu đến ổn định của mái dốc.
Kết quả tính toán theo phương pháp vòng cung trượt cho thấy:
1.) Ở mực nước thượng lưu ∇ 120.00 m
a.) Mái hạ lưu :
– Tổ hợp lực cơ bản, hệ số an toàn ổn định : Kôđ = 1.563
Tổ hợp lực đặc biệt (động đất C 8), hệ số an toàn ổn :
– định Kôđ = 1.221
b.) Mái thượng lưu :
+ Khi hạ xuống MN 75,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.861
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.588
+ Khi hạ xuống MN 90,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.892
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.6197
2.) Ở mực nước thượng lưu ∇ 121.00 m
a.) Mái hạ lưu :
– Tổ hợp lực cơ bản, hệ số an toàn ổn định : Kôđ = 1.518
Tổ hợp lực đặc biệt (động đất C 8), hệ số an toàn ổn :
– định Kôđ = 1.198
b.) Mái thượng lưu :
+ Khi hạ xuống MN 75,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.847
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.572
+ Khi hạ xuống MN 90,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.876
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.597
3.) Ở mực nước thượng lưu ∇ 122.00 m
a.) Mái hạ lưu :
_____________________________ -6-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
– Tổ hợp lực cơ bản, hệ số an toàn ổn định : Kôđ = 1.456
Tổ hợp lực đặc biệt (động đất C 8), hệ số an toàn ổn :
– định Kôđ = 1.167
b.) Mái thượng lưu :
+ Khi hạ xuống MN 75,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.847
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.572
+ Khi hạ xuống MN 90,00 m
– Tổ hợp lực cơ bản (rút nước nhanh), hệ số an toàn : Kôđ = 1.864
– Tổ hợp lực đặc biệt ( rút nước nhanh + động đất cấp 8 ) : Kôđ = 1.578
Căn cứ vào các kết qủa trên ta thấy rằng khi nâng mực nước đến 122.00 m, hệ
số an toàn ổn định trong tất cả các trường hợp (tổ hợp lực cơ bản, tổ hợp lực đặc
biệt) đối với mái hạ lưu và thượng lưu đều lớn hơn hệ số cho phép là Kôđminmin >
[ K ]CP = 1.25 và 1.125.
Như vậy khi nâng lõi đập đến cao trình ( 122.00 m đập vẫn đảm bảo an toàn ổn
định về trượt mái.
Bây gìơ nếu phân tích các kết qủa tính toán ổn định ở các mực nước khác nhau ta
nhận thấy rằng việc nâng mực nước từ 120 đến 121 và 122 m làm thay đổi không
lớn các giá trị của hệ số ổn định. Các trị số này giảm từ 1.221, 1.198 và 1.167
( trường hợp có động đất ) tương ứng với mực nước 120, 121 và 122. Nếu xem
xét kỹ sơ đồ tính toán ta thấy ngay rằng nhận định này là hợp lý. Bởi vì do đập
cao, mái lại thoải nên diện tích vòng cung trượt khá lớn, việc tăng mực nước từ
120 đến 121 và 122 chỉ làm tăng một phần rất nhỏ diện tích phần đẩy trượt của
vòng cung trượt.
Các tính toán bổ sung về ổn định mái thượng lưu với giả thiết là MN thượng
lưu ha xuống cao độ 90.00 m. Kết quả cho thấy đập vẫn đảm bảo an toàn ổn
định.
Tuy nhiên việc tính toán ổn định theo phương pháp vòng cung trượt chỉ cho ta
biết mức độ ổn định của mái đập nói chung mà chưa cho ta biết trạng thái làm việc
của bản thân lõi – đối tượng mà chúng ta đang tìm cách nâng cao.
_____________________________ -7-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
CHƯƠNG II
PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI - DẺO
ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP
-oOo-
2.1 GIỚI THIỄU
Như đã trình bày ở trên, kết qủa tính toán theo phương pháp vòng cung trượt chưa
cho ta biết trạng thái làm việc của bản thân lõi. Để giải quyết vấn đế này chúng ta
cần phải biết được trạng thái ứng suất – biến dạng của lõi, trên cơ sở đó có thể
đánh giá được khả năng tạo thành vết nứt trong lõi (nếu có).
Do tính phức tạp của bài toán không gian (3 chiều) nên trong báo cáo này chỉ giới
hạn trong việc phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng của lõi theo bài toán phẳng
(2 chiều).
- Để giải bài toán phẳng về trạng thái ứng suất-biến dạng và ổn định của đập
đất-đá Hoà Bình Công ty TVXDĐ2 đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết
hợp với phương pháp biến phân cục bộ. Mô hình toán được sử dụng trong bài toán
là mô hình năng lượng.
2.2 MÔ HÌNH TOÁN CHO BÀI TOÁN PHẲNG
Mô hình năng lượng của Viện sĩ Rasskadov N.L đã được trình bày kỹ trong giáo
trình ‘Đập vật liệu địa phương‘. Dưới đây chỉ nêu dạng tổng quát:
Trong giai đoạn chất tải chủ động, mối liên hệ giữa các gia số của biến
a.)
dạng và ứng suất sẽ có dạng:
E oδ ij Mdσ i
dσ ij = n −1
de ± + 2[G y + G p ]dε ij (2 1)
nσ σ
Ở đây :
δ ij 1 khi i = j
0 khi i ≠ j
_____________________________ -8-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
Eo – Là mô duyn biến dạng khối khi σ = 1
n – Chỉ số lũy thừa, được xác định bằng thực nghiệm.
Go ,Gip – Mô đuyn trượt khi σ = 1 và trong giai đoạn biến dạng dẻo.
M – Mô đuyn trương nở do biến dạng khối.
e, σ ij – Biến dạng khối và các thành phần biến dạng:
ex + e y + ez
e=
3
(2 2)
2
ei = (e1 − e2 ) + (e2 − e3 ) + (e3 − e1 )
2 2 2
6
σ, σij – Ứng suất trung bình và cường độ ứng suất trượt.
σx + σy + σz
σ=
3
(2 3)
1
σi = (σ 1 − σ 2 ) + ( σ 2 − σ 3 ) + ( σ 3 − σ 1 )
2 2 2
6
b.) Khi dỡ tải, mối liên hệ giữa các gia số biến dạng và gia số ứng suất có
thể được biểu diễn bằng phương trình tuyến tính (theo định luật Huck):
dσ ij = δ ij E0 de + 2Gy d ε ij (2. 4)
Trong đó E0 và G0 là mô đuyn đàn hồi biến dạng khối và biến dạng trượt.
Ở CHLB Nga mô hình năng lượng của Rasskadov đã được sử dụng để tính toán
cho các đập cao như Nurek và Ragun và nhiều công trình thực tế khác.
2. 3 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
2.3.1 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG
Tải trọng tác dụng lên đập bao gồm :
- Trọng lượng bản thân đập (bao gồm trọng lượng các lọai vật liệu : đá đổ ở
các lăng trụ đá thượng hạ lưu, đất sét pha ở lõi, hỗn hợp cát sỏi vùng chuyển tiếp,
cát sỏi nền đập…)
- Trọng lượng nước trên mái thượng lưu, hạ lưu. Áp lực thủy tĩnh của nước
thượng lưu lên mái lõi.
- Áp lực thấm của dòng thấm trong lõi đập.
- Lực quán tính động đất. Công trình thủy điện Hòa Bình là công trình cấp I nên
cấp động đất tính toán là cấp 8, tương ứng có hệ số động đất ηik = 0.05
2.3. 2 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
1. Đặc điểm của đập đất- đá Hòa Bình:
_____________________________ -9-
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
Đập đất đá Hòa Bình được xây dựng trong điều kiện địa hình, địa chất phức
tạp (nền đập là tầng cát sỏi dày 50 m, tuyến đập hẹp và dốc, nhưng lại không đối
xứng, độ dốc lòng sông lớn v v … ), chính vì vậy mà cơ quan thiết kế đã chọn hình
thức kết cấu của đập đất – đá Hòa Bình có mái thượng hạ lưu khá thoải so với các
đập cao đã được xây dựng. Mái thượng lưu của đập Hòa Bình có trị số trung bình
là 3.50, mái hạ lưu có trị số trung bình là gần 3.00 ).
Đặc biệt trên mặt bằng tuyến đập Hòa Bình có dạng cong, độ cong trên đỉnh
đạt tới 70 m (bán kính cong của tuyến đập là 530.00 m) . Ở đây cần phải nhấn
mạnh rằng việc chọn tuyến cong (vòm) là nhằm làm tăng ứng suất nén dọc trục
σ z .Ở nước ngoài cũng đã có nhiều đập xây dựng theo tuyến cong như đập
Paradela (Tây Ban Nha) cao 110 m, đập Kugur (Mỹ) cao 158 m, đập Orovil (Mỹ)
cao 224 m, đập Karterc (Mỹ) cao 136 m, đập Mangla (Pakistan) cao 116 m v v …
Tuy nhiên đối với đập Hoà Bình, do địa chất bờ vai phải không đồng đều nhau,
nên còn có điểm đặc thù là từ độ cao 98 m trở lên, ở piket 1 + 60 (theo chiều dọc)
đập có hình cong chữ S.
Tất cả các đặc thù kể trên đều phải được kể đến khi lập sơ đồ tính toán và đưa
số liệu vào.
2 Những giả thiết để lập sơ đồ
Để thiết lập sơ đồ tính toán của đập, chúng ta dựa vào các giả thiết sau :
- Đập được xem là một kết cấu “cứng “ (để có thể chia ra các phần tử liên hệ với
nhau ở các điểm nút).
- Đập được gắn cứng ở hai bờ (2 vai đập) cũng như với nền đá gốc. Ở các điểm
tiếp giáp đó không có chuyển vị (các chuyển vị thẳng đứng Hv = 0, chuyển vị nằm
ngang Hu = 0, và Hw = 0,).
- Nền đập cũng xem như một bộ phận của thân đập, nghĩa là xem thân đập và nền
là một khối “đập“ chung để chia phần tử .
- Ngoại lực tác dụng (gồm trọng lượng bản thân của đất đá, trọng lượng nước
động lực đất) là những lực tập trung đặt ở các điểm nút.
- Các chuyển vị xảy ra ở các điểm nút, ứng suất và biến dạng trong nội bộ của
một phần tử là không đổi và đặt ở trong tâm của phần tử.
- Áp lực nước ở thượng lưu được tính như lực bề mặt và tác dụng lên bề mặt
thượng lưu của lõi.
- Áp lực thấm trong lõi được tính như lực khối. Khi tính với mực nước thượng lưu
120.00 m, áp lực thấm trong lõi là của dòng thấm ổn định. Khi tính với mực nước
thượng lưu 80.00 m, 77.50 m và 75.00 m áp lực thấm trong lõi là của dòng thấm
không ổn định.
Để thiên về an toàn sẽ lấy giá trị hệ số thấm K t bé trong bảng 6 .1, nghĩa là với
trị số Kt bé, vị trí dòng thắm sẽ cao, áp lực thấm sẽ lớn, công trình sẽ bất lợi hơn.
- Lực động đất chỉ có phương nằm ngang, chiều từ thượng lưu về hạ lưu.(giả
thiết thiên về an toàn)
_____________________________ - 10 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
3 Sơ đồ tính toán
Từ các giả thiết nêu trên, để giải bài toán phẳng về trạng thái ứng suất-biến
dạng của đập Hòa Bình, ta chia mặt cắt ngang thành 1000 phần tử hình tam giác
phẳng (đối với bài toán phẳng cho mặt cắt ngang ). Tương tự đối với bài toán
phẳng cho mặt cắt dọc, ta cũng chia cắt dọc thành gần 1000 phần tử hình tam giác
phẳng.Theo chiều thẳng đứng là trục tọa độ Y, theo dòng nước chảy từ thượng
lưu về hạ lưu là trục X..
Mực nước thượng lưu được tính theo 3 phương án tích nước : cao trình 120, 121
và 122 m .
Các chỉ tiêu cơ lý đưa vào tính toán lấy theo số liệu của Nhà máy thủy điện Hòa
Bình cung cấp theo các tài liệu hoàn công
Các thông số bền trong mô hình năng lượng được chọn như sau : Đối với đất lõi
lấy theo tài liệu thí nghiệm đất đắp lõi đập Hòa Bình trên máy nén 3 trục của
Viện Thiết kế Thủy công CHLB Nga, đối với đá đổ và nền lấy tương tự các đập
đã xây dựng.
4 Thuật toán
Dựa vào các phiếm hàm của phương pháp biến phân cục bộ và mô hình năng
lượng ta có thể trình bày thuật toán một cách tóm tắt như sau:
a. Phương trình biến dạng:
u i
v
{ε} = [R i , R j ,...] i (a)
.
.
Ở đây Ri là các dạo hàm của Pi theo tọa độ chung, còn Pi được xác định qua tọa
độ cục bộ.
b. Mô hình năng lượng:
dσij = δ ij f1de + f2dε ij (b)
c. Phương trình bảo toàn năng lượng:
E1 = Pk ∆h − ∫ σ ij eij dV (c)
V
Triển khai các thuật toán từ (a) đến (c) chúng ta có thể xây dựng được chương
trình tính toán trạng thái ứng suất-biến dạng theo bài toán phẳng của đập đất-đá
như dưới đây
5 Chương trình tính toán
Chương trình bài toán phẳng (2 chiều ) đã được xây dựng dựa trên thuật toán đã
trình bày. Chương trình này gồm 2 phần:
_____________________________ - 11 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
1.Phần chương trình chính gồm:
+ Đưa thông tin ban đầu : (số liệu đầu vào):
– Toạ độ các điểm nút theo x, y.
– Khối đếm biểu diễn mối quan hệ giữa các nút.
– Khối điểm biểu diễn các giai đoạn dâng mức nước,
– Vùng vật liệu xây dựng.
– Điểm nút nhận áp lực nước ở thượng lưu,
– Điểm nút cố định ở nền đá (phía dưới nền cát sỏi) mà ở đó chuyển vị bằng
0 (điều kiện biên).
– Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá ứng với các vùng vật liệu ở nền và thân đập.
Sau đó in các kết quả để kiểm tra các thông tin đưa vào.
+ Thực hiện chương trình:tính toán theo thuật toán đã trình bày để xác định ứng
suất, biến dạng, chuyển vị và hệ số ổn định.
2.Phần chương trình con gồm:
- Chương trình tự động chia phần tử theo ý muốn, tự động xác định tọa độ
x,y của các điểm nút
- Các chương trình con để xử lý kết qủa tính toán.
Với cấu trúc chương trình như vậy, bài toán phẳng về trạng thái ứng suất –
biến dạng và ổn định của đập đất-đá Hòa Bình đã được thực hiện trên máy vi tính
PENTIUM – III của Công ty Tư vấn xây dựng điện 2.
2. 4 KẾT QỦA TÍNH TOÁN
2.4.1 ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT CỦA ĐẬP
Hệ số an toàn ổn định chống truợt của đập được xác định theo công thức sau :
U o + ∫ σde
L1
K od = (2.5)
∫ σ 1de1
L2
Trong đó Uo là năng lượng ban đầu, tương tự như lực dính
Cần phân biệt hệ số an toàn Kôđ trong phương pháp vòng cung trượt khi tính ổn
định trượt mái và hệ số an toàn Kôđ trong kết quả phân tích trạng thái ứng suất-
biến dạng. Hệ số an toàn Kôđ trong công thức (2.17) là vi phân ở các điểm (về mặt
lý thuyết là các phần tử hữu hạn rất nhỏ).Từ các giá trị này có thể vẽ các đường
đẳng trị hệ số an toàn Kôđ trong toàn bộ mặt cắt đập.
Với phương pháp luận như vậy, đập Hoà Bình đã được tính toán theo các
phương án mực nước dâng (120, 121, 122 ) ứng với động đất cấp 8.
Ở mặt cắt ngang giá trị Kôđ thay đổi từ 1.15 –1.20 ở vùng chuyển tiếp (vùng cát
sỏi ) thượng lưu, đến 1.50 - 2.50 ở các lăng trụ đá thượng, hạ lưu.
_____________________________ - 12 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
Ở mặt cắt dọc đi qua tim lõi giá trị Kôđ thay đổi từ 1.15 –1.25 ở vùng đáy lõi gần
vùng tiếp giáp bờ phía tràn xả lũ, đến 1.30 - 2.50 ở phía trên gần đập tràn và 1.5 –
3.0 ở phía bờ đối diện.
Như vậy kết quả tính toán trạng thái ứng suất-biến dạng theo bài toán phẳng cho
thấy đập Hòa Bình khi nâng mực nước 122 m và có động đất cấp 8 vẫn đảm bảo
ổn định, các hệ số an toàn của đập đều lớn hơn trị số cho phép.
2.4 .2. TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG TẠO THÀNH VẾT NỨT
1.) Công thức tính toán
Khả năng hình thành vết nứt trong lõi đập phụ thuộc vào:
- Tính biến dạng không đều của các loại vật liệu lõi và lân cận lõi.
- Các đặc trưng cơ lý của vật liệu (như độ chặt, độ dẻo, độ ẩm, thành phần hạt
v.v...)
- Tính nén ép của nền và đặc biết là điều kiện địa hình địa chất tuyến đập theo
hướng dọc và ngang.
Để tính toán khả năng tạo thành vết nứt trong lõi đập Hòa Bình tốt nhất là giải
bài toán không gian về ứng suất – biến dạng đập, tuy nhiên do thời gian hạn chế,
một cách gần đúng ta có thể sử dụng bài toán phẳng.
Trên cơ sở kết quả tính toán trạng thái ứng suất của đập theo bài toán phẳng với
mặt cắt ngang, chúng ta có thể xác định hệ số an toàn ổn định chống nứt của lõi
đập như sau
:a.) Theo mặt phẳng nằm ngang
σy +C
Kns = (2.6)
γy
Trong đó:
Kns – Hệ số ổn định chống nứt theo mặt phẳng nằm ngang (tức mặt
phẳng song song mực nước hồ)
σ y – Ứng suất pháp theo hướng thẳng đứng
γ – Dung trọng của nước
y – Tọa độ mực nước tự do đến điểm tính toán
C – Lực dính của đất lõi theo mặt phẳng nằm ngang
Cũng từ kết quả tính toán trạng thái ứng suất của đập với mặt cắt dọc, chúng ta
có thể xác định hệ số an toàn ổn định chống nứt của lõi đập theo mặt phẳng đứng
như sau :
b.) Theo mặt phẳng đứng
σz +C*
Kds = (2.7)
γy
Trong đó:
Kds – Hệ số ổn định chống nứt theo mặt phẳng đứng
_____________________________ - 13 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
σ z – Ứng suất pháp theo hướng dọc trục đập từ vai này sang vai đập kia
C* – Lực dính của đất lõi theo mặt phẳng đứng
Điều kiện để không có khả năng hình thành vết nứt là:
Kns < 1.00 và Kds < 1.00
Căn cứ vào thành phần hạt, độ ẩm, chỉ số dẻo và độ chặt của đất đắp lõi đập
Hòa Bình ta có xác định các giá trị lực dính khi kéo C và C* theo các đồ thị của
A.U. Taytelbaum trong tài liệu : “Sự tạo thành vết nứt trong lõi đập đất đá”.
2.) Kết quả tính toán
Theo kết quả tính toán theo bài toán phẳng cho mặt cắt dọc với sơ đồ xây dựng
tức thời, ta có được các hệ số an toàn chống nứt theo mặt phẳng nằm ngang (MP
song song mặt nước hồ) và mặt phẳng thẳng đứng (MP vuông góc mặt nước hồ)
ứng với các mức nước 120, 121m và 122 m với tổ hợp lực đặc biệt.
Kết quả cho thấy theo mặt phẳng nằm ngang các giá trị Kns thay đổi từ 1.10
(phía bờ tràn), đến 1.30 (giữa đập) và 1.25 ở (bờ trái). theo mặt phẳng tháng
đứngcác giá trị Kds thay đổi từ 1.15 (phía bờ tràn), đến 1.20 (giữa đập) và 1.18 ở
(bờ trái). Nói chung các giá trị của hệ số an toàn chống nứt không thay đổi lớn khi
thay đổi mực nước từ 120 đến 121 và 122 m và các giá trị của Kns và Kds đều >
1.00. Trong lõi không có khả năng tạo thành vết nứt.
Đập Hòa Bình đảm bảo an toàn chống nứt theo các mặt phẳng đứng và nằm
ngang khi nâng mực nước lên cao độ 122 m.
_____________________________ - 14 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả phân tích ổn định trượt mái theo phương pháp vòng cung trượt cho
thấy:
Khi nâng mực nước đến 122.00 m hệ số an toàn ổn định Kôđ =1.496 (tổ hợp lực
cơ bản), Kôđ =1.167 ( tổ hợp lực đặc biệt, động đất cấp 8 ) đối với mái hạ lưu.
Đối với mái thượng lưu Kôđ =1.832 và 1.554 (tổ hợp lực cơ bản và đặc biệt). Tất
cả các giá trị này đều lớn hơn hệ số cho phép :
[ K min min ] > [ K } cp = 1.25 và 1.125
Như vậy khi nâng mực nước phòng lũ đến cao trình 122.00 m mái hạ lưu đập
vẫn đảm bảo an toàn ổn định về trượt với tổ hợp lực cơ bản và đặc biệt.
Khi hạ mực nước từ cao độ 122.00 m xuống cao độ 90.00 hay 75.00 m có xẩy ra
động đất cấp 8, mái thượng lưu đập vẫn đảm bảo an toàn ổn định về trượt với tổ
hợp lực cơ bản và đặc biệt.
2. Phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng và ổn định của đập Hòa Bình theo bài
toán phẳng 2 chiều cho kết quả :
a.) Khi nâng mực nước lên cao trình 122.00 m với tổ hợp lực đặc biệt (có động
đất cấp 8) đập Hòa Bình vẫn đảm bảo ổn định về độ bền, về chống trượt.
b.)Khi nâng mực nước lên cao trình 122.00 m với tổ hợp lực đặc biệt (có động
đất cấp 8) đập Hòa Bình vẫn đảm bảo an toàn về chống nứt. Trong lõi không có
khả năng tạo thành vết nứt.
3. Nếu xét theo quan niệm thuần túy kỹ thuật, thì việc nâng cao mực nước phòng
lũ của hồ Hòa Bình đến cao độ 122.00 m, đập đất – đá Hòa Bình đảm bảo an toàn
ổn định về chống trượt và chống nứt theo quy phạm Việt Nam.
Mặt khác khi nâng cao mực nước gia cường từ cao độ 120.00 m đến cao độ
122.00 m, sẽ tăng thêm lưu lượng cắt lũ là 2600 m3/s.
Như vậy khi công trình Thủy điện Sơn La chưa đưa vào khai thác vận hành, việc
nâng mực nước gia cường đến cao độ 122.00 m là hợp lý đều có thể cắt thêm
được 2600 m3/s, trong khi theo tính toán hiện nay, lưu lượng tần suất 0.01% đã lớn
hơn khả năng xả của công trình Thủy điện Hòa Bình. Nếu như kiến nghị nâng
_____________________________ - 15 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
mực nước được chấp nhận, công việc tiếp theo sẽ là thiết kế chi tiết để nâng cao
lõi đập ứng với mực nước 122.00 m.
_____________________________ - 16 -
Đập vật liệu địa phương–- CTTĐ Hoà Bình – A
