TÓM TẮT:
Trên sơ sở các nghiên cứu trên thế giới về tính toán tải trọng động đất (earthquake load), phương pháp xác định các đặc tính động (dynamic properties) của vật liệu, nền móng và kinh nghiệm thiết kế động đất (design earthquake) trong hơn 20 năm qua, tác giả giới thiệu một số kinh nghiệm thiết kế ở các trường hợp động đất đã được áp dụng trong thiết kế hầu hết các đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam.
Từ khóa: Thông số động đất, thiết kế đập tông đầm lăn, Việt Nam.
1. Đặt vấn đề
Trong các vùng có động đất, tải trọng động đất là tác động gây nguy hiểm nhất cho các đập bê tông trọng lực. Kinh nghiệm thiết kế đập bê tông trọng lực trên thế giới cũng như ở Việt Nam cho thấy, mặt cắt đập, cường độ bê tông thân đập đều được xác định trong các tổ hợp tải trọng có động đất.
Khi tính toán động đất, người thiết kế thường chỉ tập trung vào các thông số động đất như gia tốc, tần số, phổ phản ứng (response spectrum) do các nhà nghiên cứu địa chấn cung cấp mà không bắt tay vào lựa chọn các thông số gây bất lợi thực sự cho kết cấu đập của mình. Mặt khác, do đặc tính của tải trọng động đất rất nhanh và đổi hướng liên tục trong khoảng thời gian cực ngắn (~1/100 sec), các đặc tính động của vật liệu, nền móng, hồ chứa (dynamic properties) cũng rất khác biệt so với trạng thái chịu tải trọng thông thường (static properties).
2. Tải trọng động đất
Gia tốc nền cực đại của động đất amax được tính toán cho hai trường hợp là gia tốc động đất thiết kế cực đại (MDE) và gia tốc động đất thiết kế cơ sở (OBE).
Trong trường hợp không có nghiên cứu vi phân động đất khu vực xây dựng đập, gia tốc nền cực đại amax được xác định theo Phụ lục G, H và I của TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu động đất.
Trường hợp có nghiên cứu vi phân động đất, gia tốc nền cực đại amax được xác định theo Báo cáo nghiên cứu vi phân động đất (do các cơ quan chuyên ngành như Viện vật lý địa cầu, Viện địa chất nghiên cứu).
Trừ những trường hợp có nghiên cứu riêng, thông thường gia tốc theo phương ngang bằng gia tốc nền cực đại; gia tốc theo phương đứng bằng 2/3 gia tốc theo phương ngang; Gia tốc duy trì (sustain acceleration) bằng 2/3 gia tốc đỉnh (peak acceleration).
2.1. Động đất thiết kế cơ sở OBE (Operation Basic Earthquake)
Động đất OBE được xác định với chu kỳ lặp lại 475 năm được áp dụng cho hầu hết các đập BTTL ở Việt Nam, độ an toàn cao hơn theo hướng dẫn của USACE được tính với xác suất 100 năm (EP-1110-2-12);
Ứng suất nén cho phép [s]=0,5 fc’; fc’: cường độ nén của bê tông
Ứng suất kéo cho phép [s]=0,6 ft’; ft’: cường độ kéo trực tiếp (Direct Tensile Strenght)
2.2. Động đất thiết kế cực đại MDE (Maximum Design Earthquake)
Gia tốc động đất thiết kế cực đại (MDE) lấy bằng gia tốc tin cậy cực đại (MCE) với chu kỳ lặp lại 10.000 năm. (Hướng dẫn của USACE khuyến nghị chọn với chu kỳ lặp lại 5.000 năm).
Ứng suất nén cho phép [?]=0,9 fc’; fc’: cường độ nén của bê tông
Ứng suất kéo cho phép [?]=0,9 ft’; ft’: cường độ kéo trực tiếp (Direct Tensile Strenght).
2.3. Hệ số cản (damping) của đập và hệ đập - nền - hồ chứa
i. Với động đất OBE hệ số cản (damping) của đập là 5%; động đất MDE damping là 7%.
ii. Khi đập dao động trong hệ đập
- nền - hồ chứa thì hệ số cản tăng lên. Cụ thể với tải trọng OBE damping là
10%; MCE thì damping là 15%.
2.4. Phổ phản ứng (response spectrum)
i. Phổ phản ứng do nhà địa chấn xây dựng: Trên cơ sở hàng loạt các băng gia tốc động đất tương đồng về điều kiện địa chất nguồn, độ lớn (chấn cấp M) và khoảng cách đến nguồn, các nhà địa chấn xây dựng phổ phản ứng động đất được làm trơn bao toàn bộ các phổ phản ứng của từng băng gia tốc.
ii. Phổ chuẩn UBC (Uniform Building Code) do Ủy ban Tiêu chuẩn quốc tế Hoa Kỳ (International Code Council) kiến nghị năm 1997.
iii. Phổ chuẩn ATC (Applied Technology Council) do Ủy ban Ứng dụng công nghệ của Hoa Kỳ kiến nghị năm 1984.
Phổ chuẩn UBC có vùng đỉnh trong
phạm vi tần số từ 3 Hz đến 16 Hz (chu kỳ 0,33-0,06 s) trong vùng tần số những dạng
dao động riêng đầu tiên của đập nên thường được chọn.
2.5. Băng gia tốc trong phân tích động time - history
Cùng gia tốc đỉnh PGA các nhà địa chấn cung cấp cho người thiết kế rất nhiều băng gia tốc mô phỏng quá trình diễn biến của gia tốc nền tác động nên kết cấu đập RCC. Tuy nhiên, người thiết kế cần lựa chọn những băng gia tốc gây bất lợi nhất với kết cấu đập, đó là những băng gia tốc có phổ phản ứng có đỉnh nằm trong vùng tần số trùng với tần số các dạng dao động riêng đầu tiên (khoảng 2-5 Hz với các đập bê tông cao 70 - 150 m).
3. Đặc tính động vật liệu (Dynamic properties)
3.1. Đặc tính vật liệu khi xảy ra động đất
- Trong trường hợp chịu tải trọng động đất mô đun đàn hồi của bê tông đầm lăn và đá nền tăng thêm 50% so với trường hợp chịu tải trọng tĩnh: Ed = 1,5 Es.
- Cường độ kháng nén của bê tông tăng thêm 30%; Cường độ kháng kéo của bê tông tăng thêm 50%.
3.2. Đặc tính vật liệu sau khi xảy ra động đất
Đập RCC yêu cầu phải ổn định sau động đất, khi đó khả năng kháng cắt của vật liệu và nền đá giảm đi đáng kể:
- Lực dính C của mặt lớp RCC và nền đá giảm xuống bằng 0.
- Góc ma sát trong mặt lớp RCC và đá nền giá trị dư - sustain properties (theo kinh nghiệm giảm khoảng 4-6%).
4. Thiết kế động đất (Design EarthQuake)
4.1. Các tổ hợp tải trọng có động đất
Theo hướng dẫn thiết kế đập bê tông của cục công trình quân đội Mỹ USACE bổ sung thêm trường hợp tính toán sau động đất theo Hướng dẫn của Uỷ ban Điều hành năng lượng Liên bang Hoa Kỳ FERC - 2002 các tổ hợp tải trọng tính toán có động đất bao gồm các tổ hợp sau:
Điều kiện tải trọng đặc biệt - (thi công + động đất OBE):
+ Đập mới kết thúc xây dựng.
+ Thượng lưu và hạ lưu không có nước.
+ Động đất OBE hướng về thượng lưu.
Điều kiện tải trọng bất thường - động đất OBE:
+ MNTL là MNDBT.
+ MNHL thấp nhất
+ Động đất thiết kế cơ sở (OBE).
+ Áp lực ngược.
+ Áp lực bùn cát.
Điều kiện tải trọng đặc biệt - Động đất MCE:
+ MNTL là MNDBT.
+ MNHL thấp nhất.
+ Động đất cực đại (MCE).
+ Áp lực ngược
+ Áp lực bùn cát.
Điều kiện tải trọng đặc biệt - tổ hợp sau động đất:
+ MNTL là MNDBT.
+ MNHL thấp nhất.
+ Áp lực ngược (xác định theo Hướng dẫn của FERC).
+ Áp lực bùn cát.
+ Các đặc tính của vật liệu là các giá trị dư.
4.2. Các tiêu chuẩn đánh giá độ an toàn của đập khi xảy ra động đất và sau khi xảy ra động đất (post earthquake)
Hệ số an toàn cho phép về trượt và ứng suất cho phép của khi tính toán theo phương pháp thân cứng (rigid body) trong các trường hợp có động đất được cho trong Bảng 4.2.
Ghi chú
- fc’ và ft’ là độ bền khi nén và kéo tương ứng của bê tông với các điều kiện tải trọng tĩnh đối với mẫu trụ tiêu chuẩn có đường kính 150mm, cao 300mm được khoan trong bê tông thân đập có tuổi 365 ngày.
- Trong phân tích động đất, vùng
có ứng suất vượt quá ứng suất cho phép thì bị nứt, được xem xét trong trường hợp
sau động đất.
5. Kết luận
Khi thiết kế đập bê tông đầm lăn trong vùng có động đất, việc lựa chọn các thông số động đất đưa vào tính toán phải do các kỹ sư thiết kế phối hợp với các nhà địa chấn thực hiện.
Tiêu chuẩn thiết kế động đất nên sử dụng theo hệ thống Hướng dẫn thiết kế đập bê tông của Cục Công trình quân đội Mỹ USACE có bổ sung thêm trường hợp tính toán sau động đất theo Hướng dẫn của Ủy ban Điều hành năng lượng Liên bang Hoa Kỳ FERC - 2002.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu động đất.
2. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 335:2005 - Tiêu chuẩn thiết kế đập Sơn La.
3. Hướng dẫn đánh giá công trình thủy điện của Ủy ban Năng lượng liên bang Hoa Kỳ (Ferc) năm 2002.
4. Hướng dẫn thiết kế đập bê tông trọng lực EM-1110-2-2200 của Cục Công trình quân đội Hoa Kỳ năm 1995.
5. Hướng dẫn thiết kế động đất cho đập bê tông đầm lăn EP-1110-2-12 của Cục Công trình quân đội Hoa Kỳ năm 1995.
6. Phương pháp phổ đơn giản của Chopra và Feves - 1986.
7. Hồ sơ thiết kế các đập Pleikrong, Bản Vẽ, Sơn La, Sê San 4, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Đồng Nai 5, Sông Bung 4, Trung Sơn và đập Lai Châu.
CALCULATING AND CHOOSING APPROPRIATE EARTHQUAKE PARAMETERS FOR DESIGNING ROLLER-COMPACTED CONCRETE DAMS
Eng. TRAN QUANG MINH
ABSTRACT:
Based on foregin studies on calculating earthquake load, and identifying dynamic properties of materials and foundations as well as foreign experience of developing earthquake-resistant designs in more than 20 years, this study presents some earthquake-resistant designs which has been widely applied in constructing most roller-compacted concrete dams in Vietnam.
Keywords: Earthquake parameters, roller-compacted concrete dam design, Vietnam.
Xem toàn bộ ấn phẩm Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ số 03 tháng 03/2017 tại đây
