Thử bàn về một vài quy định có liên quan đến đánh giá an toàn đập vòm bê tông trong tiêu chuẩn thiết kế 14TCN56-88.[11/08/09]

THỬ BÀN VỀ MỘT VÀI QUY ĐỊNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP VÒM BÊ TÔNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 14TCN56-88

Đập vòm Oymapinar trên sông Manavgat (Thổ Nhĩ Kỳ), cao 185m được xây dựng xong năm 1884

VŨ HOÀNG HƯNG,

NGUYỄN QUANG HÙNG

Trường Đại học Thủy lợi

 Tóm tắt: Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ tính toán thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của từng quốc gia cũng có sự thay đổi liên tục để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về kinh tế và an toàn, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi nước. Dựa vào “Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM No.19” của Mỹ ban hành năm 1977, “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 – 2003” của Trung Quốc ban hành năm 2003, bài báo đã thử tiến hành phân tích so sánh một vài vấn đề có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định để có cái nhìn khái quát hơn khi sử dụng 14TCN 56-88 vào thiết kế đập vòm ở Việt nam.

Từ khóa: đập vòm, quy phạm thiết kế, so sánh, tải trọng, ứng suất cho phép,ổn định, hệ số an toàn

1           MỞ ĐẦU

Đập vòm đã trải qua một quá trình phát triển hàng ngàn năm lịch sử, từ những đập vòm đơn giản bằng đá xây cao vài mét đến những đập vòm bê tông mỏng cong hai chiều cao hàng trăm mét thậm chí cao trên 300 mét đã được xây dựng. Để có những thành quả xây dựng đập vòm như ngày hôm nay đó chính là sự phát triển không ngừng của công nghệ tính toán thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế thống nhất của từng quốc gia. Tiêu chuẩn của từng quốc gia thay đổi cùng với sự phát triển của công nghệ tính toán thiết kế làm sao để công trình ngày càng an toàn và hợp lý về kinh tế, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi quốc gia. Ví dụ như “Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM No.19”^[1] của Mỹ ban hành năm 1977 được sử dụng hiện này đã trải qua hai lần thay đổi năm 1953 và năm 1960; “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 – 2003”^[2] của Trung quốc ban hành năm 2003 được sửa đổi dựa trên “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SD 145 – 85” ban hành năm 1985. Đối với Việt nam hiện nay vẫn sử dụng “Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế 14TCN 56-88”^[3] ban hành năm 1988 dựa trên Quy phạm xây dựng của Liên xô cũ và chưa có thay đổi gì. Căn cứ vào tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông hiện hành của Mỹ và Trung Quốc, thử tiến hành phân tích so sánh một vài quy định chủ yếu có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định như tổ hợp tải trọng đặc biệt, phương pháp phân tích ứng suất, chỉ tiêu khống chế ứng suất, ổn định tổng thể và hệ số an toàn để thấy rõ một số vấn đề còn tồn tại khi sử dụng 14TCN 56-88 vào thiết kế đập vòm ở Việt nam.

2           VỀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐẶC BIỆT

Tổ hợp tải trọng trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của các quốc gia là không giống nhau. 14TCN 56-88 và SL282-2003 chỉ phân hai nhóm tổ hợp tải trọng là tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt. EM No.19 phân thành ba nhóm tổ hợp tải trọng là tổ hợp tải trọng bình thường, tổ hợp tải trọng không bình thường và tổ hợp tải trọng cực đoan. Các trường hợp tải trọng trong các tổ hợp tải trọng cũng khác nhau. Dưới đây chỉ xin nêu một vấn đề về tải trọng động đất trong tổ hợp tải trọng đặc biệt hay tổ hơp tải trọng cực đoan.

Khi thiết kế đập vòm ở Trung quốc, tải trọng động đất được tính toán dựa vào “Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình thủy công SL203-97”^[4]. Đập vòm chỉ thiết kế với động đất cấp 6, 7, 8, 9 và công trình cấp 1, 2, 3. Tính toán hiệu ứng tác dụng địa chấn đập vòm sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh lực hoặc phương pháp động lực. Khi sử dụng phương pháp động lực tính toán hiệu ứng tác dụng địa chấn đập vòm sử dụng phương pháp phổ phản ứng chồng chất dao động, đối với đập vòm đặc biệt có thể dùng phương pháp phân tích lịch sử - thời gian tiến hành tính toán bổ sung. Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng động đất, ứng suất đập vòm vẫn ở trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính.

Trong EM No.19, khi tính toán động đất, phương pháp phổ phản ứng hoặc gia tốc lịch sử - thời gian đều được xem xét sử dụng. Phương pháp phân tích dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn động lực đàn hồi tuyến tính và xem xét tác dụng tương hỗ đập – nước – nền ^[5]. Tổ hợp tải trọng cực đoan bao gồm tải trọng động đất lớn nhất có khả năng xuất hiện. Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng cực đoan cho phép đập bị nứt, hệ số an toàn ứng suất nén lấy là 1.0 hay nói cách khác ứng suất nén lớn nhất có thể đạt đến cường độ kháng nén của bê tông. Ứng suất đập ở vào trạng thái phi tuyến tính, cho phép đập bị phá hoại ở mức độ tương đối nhưng không cho phép vỡ đập.

            Ở Việt nam một thời gian dài trước đây khi thiết kế kháng chấn công trình xây dựng phổ biến là áp dụng tiêu chuẩn CHиП II - 7 – 81 của Liên xô. Hiện nay đang sử dụng TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”^[6] biên soạn dựa trên cơ sở Tiêu chuẩn Châu âu Eurocode 8 có bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt nam. Trong tiêu chuẩn không quy định rõ ràng thiết kế kháng chấn cho công trình thủy đặc biệt là công trình đập vòm, vì vậy vẫn cần phải tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đập vòm của nước ngoài khi chưa có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn riêng.

            Do chênh lệch yêu cầu tình trạng làm việc đập vòm khi chịu tải trọng động đất của các quốc gia là rất khác nhau, việc tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đập vòm của nước ngoài cần phải nghiên cứu lựa chọn cho phù hợp với đặc thù Việt nam.

3           VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT

Trong quy phạm thiết kế đập vòm của Trung Quốc SL 282 – 2003 đã chỉ rõ phân tích ứng suất đập vòm dựa trên kết quả tính toán phương pháp phân tải dầm vòm và phương pháp phần tử hữu hạn. Đập vòm cấp 1, 2 và đập vòm cao hoặc đập vòm phức tạp, ngoài sử dụng phương pháp phân tải dầm vòm vẫn nên sử dụng tính toán phương pháp phần tử hữu hạn. Khi cần thiết nên tiến hành thí nghiệm mô hình kết cấu. Trong khi đó EM No.19 quy định kết quả phân tích ứng suất đập vòm được lấy khi sử dụng phương pháp thử tải (Trial Load Method) hoặc hệ thống phần mềm phân tích ứng suất đập vòm ADSAS (Arch Dam Stress Analysis System) của Bureau of Reclamation. Trong tiêu chuẩn không quy định có cần thiết phải tiến hành thí nghiệm mô hình kết cấu hay không.

14TCN 56-88 quy định việc xác định trạng thái ứng suất biến dạng phải được thông qua tính toán và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình. Đối với đập cấp I và II cao hơn 60m, cũng như đối với các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m trong điều kiện địa chất công trình đặc biệt phức tạp và có áp dụng những kết cấu mới chưa được kiểm nghiệm qua khai thác, thì bắt buộc phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm.

Trước đây phương pháp nhiều dầm vòm được sử dụng nhiều nhất, nhưng với sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm mô phỏng số trên máy tính điện tử, phương pháp nhiều dầm vòm và phương pháp thí nghiệm mô hình kết cấu ngày càng ít sử dụng. 14TCN 56-88 đã ra đời cách đây đã hơn 20 năm, khi đó công nghệ tính toán mô phỏng trên máy tính chưa phát triển, việc nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình kết cấu là cần thiết. Nhưng với thời điểm hiện nay, mô phỏng chân thực công trình trên máy tính đã đạt đến mức độ hoàn thiện và có độ tin cậy cao, phương pháp thí nghiệm mô hình kết cấu chỉ nên sử dụng khi tính toán kiểm tra cho những công trình trọng yếu.

4           VỀ CHỈ TIÊU KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT

Hình dáng, kích thước, ngày tuổi của mẫu thí nghiệm bê tông khi xác định chỉ tiêu cường độ kháng nén của bê tông của các quốc gia đều không thống nhất. Trong SL 282-2003 quy định cường độ kháng nén cực hạn của bê tông chính là cường độ khối lập phương 15cm ở 90 ngày tuổi với suất bảo đảm 80%. Trong EM No.19 quy định cường độ nén của bê tông được lấy từ mẫu thí nghiệm trụ tròn đường kính 45cm, cao 90cm ở 365 ngày tuổi. Đối với Việt nam, cường độ nén của bê tông thủy công được xác định trên mẫu chuẩn hình lập phương có kích thước 150x150x150 mm được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày ^[7].

Trong EM No.19 quy định rõ ràng chỉ tiêu khống chế ứng suất kéo, nén và hệ số an toàn cường độ kháng nén đối với từng tổ hợp tải trọng nhưng không phụ thuộc vào cấp công trình. Trong SL 282-2003 ngoài quy định rõ ràng ứng suất kéo cho phép khi sử dụng các phương pháp phân tích ứng suất khác nhau, hệ số an toàn kháng nén cũng thay đổi tùy thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng. Còn trong 14TCN 46-88 đập vòm được thiết kế theo trạng thái giới hạn với nhiều hệ số và ứng suất cho phép không quy định rõ ràng.

5           VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT TỔNG THỂ VÀ HỆ SỐ AN TOÀN

Trong Quy phạm SL 282 – 2003 quy định rõ ràng hệ số an toàn và phương pháp xác định nó đối với các cấp công trình. Hệ số an toàn ổn định trong EM No.19 có xét đến ma sát và lực dính kết trên mặt phá hoại nhưng không phụ thuộc vào cấp công trình.Trong 14TCN 56-88 không quy định rõ ràng phương pháp xác định hệ số an toàn ổn định, tức là có xét đến lực dính kết trên mặt phá hoại hay không. Bảng 1 so sánh hệ số an toàn ổn định trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của 3 quốc gia.

Bảng 1  So sánh hệ số an toàn ổn định trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của 3 quốc gia