Nghiên cứu ứng xử và giải pháp kết cấu nhằm nâng cao an toàn của bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông có chiều cao lớn

Tính cấp thiết của đề tài Bản mặt của đập đá đổ bản mặt bê tông CFRD – concrete face rockfill dam chỉ giữ vai trò chống thẩm lậu nước từ thượng lưu về hạ lưu, nhưng nếu bị nứt hoặc sập

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu0T 6 0T

3.1 Cách tiếp cận0T 6 0T

3.2 Phương pháp nghiên cứu0T 6 0T

4 Kết quả đạt được0T 7 0T

Chương 10T 8 0T

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG0T 8 0T

1.1 Khái niệm chung về đập CFRD và sự phát triển của nó trên thế giới và Việt Nam0T 8 0T

1.1.1 Tình hình xây dựng đập CFRD trên thế giới0T 8 0T

1.1.2 Tình hình xây dựng đập CFRD ở Việt Nam0T 12 0T

1.1.3 Phân loại đập CFRD0T 14 0T

1.1.4 Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD0T 16 0T

1.1.5 Điều kiện xây dựng đập CFRD0T 18 0T

1.1.6 Vật liệu xây dựng đập0T 18 0T

1.1.7 Công nghệ thi công đập CFRD0T 21 0T

1.1.8 Ưu, nhược điểm của đập CFRD0T 22 0T

1.1.9 Vấn đề ổn định trượt0T 23 0T

1.1.10 Vấn đề thấm0T 23 0T

1.1.11 Vấn đề ứng suất, biến dạng0T 24 0T

1.2 Đặc điểm của bản mặt và những yêu cầu kỹ thuật của nó trong xây dựng đập CFRD0T 24 0T

1.2.1 Đặc điểm của bản mặt bê tông0T 24 0T

1.2.2 Những yêu cầu kỹ thuật0T 25 0T

1.3 Ứng xử thực tế của bản mặt, các hiện tượng hư hỏng và các giải pháp nâng cao an toàn cho bản mặt0T 26 1.3.1 Ứng xử thực tế của bản mặt 26

TÍNH TOÁN BẢN MẶT0T 44 0T

2.1 Phương pháp tính ứng suất và biến dạng bản mặt0T 44 0T

2.1.1 Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn0T 44 0T

2.1.2 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn0T 46 0T

2.1.3 Sơ lược giới thiệu về phần mềm SAP20000T 46 0T

2.1.4 Tính toán bản mặt của đập đá đổ bản mặt bê tông bằng phương pháp PTHH0T 51 0T

Chương 30T 52 0T

ỨNG DỤNG TÍNH BẢN MẶT CỦA ĐẬP CFRD TRONG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN XÊKAMAN 30T 52 0T

3.1 Nhiệm vụ và quy mô công trình0T 52 0T

3.1.1 Nhiệm vụ của công trình0T 52 0T

3.1.2 Quy mô công trình0T 53 0T

3.2 Hình thức kết cấu bản mặt0T 55 0T

3.3 Trường hợp tính toán0T 56 0T

3.3.1 Tiêu chuẩn tính toán0T 56 0T

3.3.2 Mô hình tính toán0T 56 0T

3.3.3 Các chỉ tiêu cơ lý0T 57 0T

3.3.4 Trường hợp tính toán0T 58 0T

3.3.5 Kết quả tính toán0T 58 0T

3.4 Nhận xét0T 65 0T

Chương 40T 66 0T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ0T 66 0T

4.1 Những kết quả đạt được của luận văn0T 66 0T

4.2 Kiến nghị và tồn tại0T 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Hình 1.10: Mặt cắt ngang thân đập đắp bằng cuội sỏiU 15 0TU

Hình 1.11:Mặt cắt ngang điển hình của CFRDU 16 0TU

Hình 1.12: Cấu tạo chi tiết chân thượng lưu đậpU 18 0TU

Hình 1.13:Kết quả quan trắc lún của đập Tây Bắc KhẩuU 27 0TU

Hình 1.14:Kết quả quan trắc độ võng bản mặt của đập Tây Bắc KhẩuU 28 0TU

Hình 1.15:Chuyển vị và mô men uốn của bản mặt của đập Uhe MachadinhoU 29 0TU

Hình 1.16:Kết quả tính toán xác định vùng thoát không của bản mặt đập Thiên Sinh KiềuU 30 0TU

Hình 1.17:Các khu vực bị "thoát không" của bản mặt đập Thiên Sinh KiềuU 30 0TU

Hình 1.18:Nứt bản mặt của đập Tây Bắc KhẩuU 32 0TU

Hình 1.19:Nứt bản mặt của đập Thiên Sinh Kiều (các vết nứt đã được xử lý)U 32 0TU

Hình 1.20:Nứt bản mặt đổ đợt 1 của đập Thủy Bố ÔU 33 0TU

Hình 1.21: Nứt bản mặt của đập Aguamilpa (đường nét đậm)U 33 0TU

Hình 1.22:Nứt dẫn đến sập gẫy bản mặt của đập Campos NovosU 33 0TU

Hình 1.23:Quá trình mực nước và lún của đập Campos Novos từ 2005 đến 2007U 34 0TU

Hình 1.24:Lún, chuyển vị ngang của thân đập và độ võng của bản mặtU 36 0TU

Hình 1.25:Các khu vực bị "thoát không" của bản mặt đập Thiên Sinh KiềuU 38 0TU

Hình 1.26:Áp lực nước trong hồ tác dụng vào bản mặt thời kỳ vận hànhU 38

Hình 1.29:Áp lực nước trong thân đập tác dụng vào bản mặt thời kỳ thi côngU 40 0TU

Hình 1.30:Bố trí cốt thép hai lớp cho bản mặt đập Cửa ĐạtU 42 0TU

Hình 2.1: Cửa sổ khai báo vật liệuU 48 0TU

Hình 2.2: Cửa sổ khai báo tiết diệnU 49 0TU

Hình 2.3: Cửa sổ khai báo tải trọngU 49 0TU

Hình 2.4a, b, c: Biểu diễn kết quả chuyển vị, ứng suất, nội lựcU 50 0TU

Hình 2.5: Mô hình tính toánU 51 0TU

Hình 3.1: Mặt cắt đập điển hìnhU 55 0TU

Hình 3.2: Mặt bằng các tấm bản mặtU 56 0TU

Hình 3.3: Mô hình đập và nềnU 57 0TU

Hình 3.4: Ứng suất S11(T/m2)U 59 0TU

Hình 3.5: Ứng suất S22(T/m2)U 60 0TU

Hình 3.6:Chuyển vị theo phương đứng (m)U 61 0TU

Hình 3.7: Chuyển vị theo phương ngang (m)U 62 0TU

Hình 3.8: Chuyển vị theo phương ngang do áp lực nước (m)U 63 0TU

Hình 3.9: Biểu đồ moment của bản mặtU 64

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bản mặt của đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD – concrete face rockfill dam) chỉ giữ vai trò chống thẩm lậu nước từ thượng lưu về hạ lưu, nhưng nếu bị nứt hoặc sập gãy dẫn đến hình thành dòng thấm trong thân đập, cuốn trôi vật liệu đắp đập, làm rỗng thân đập thì sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, thậm chí vỡ đập Vì lí do

đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tìm hiểu ứng xử thực tế của bản mặt, những khác biệt so với nguyên lý thiết kế hiện tại, trên cơ sở đó tìm giải pháp nâng cao độ an toàn cho bản mặt nói riêng và đập nói chung

- Tìm hiểu và đề xuất các giải pháp nâng cao an toàn cho bản mặt

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận

- Thu thập và tìm hiểu các tài liệu liên quan ở trong và ngoài nước

- Nghiên cứu hồ sơ thiết kế kỹ thuật 2 của đập đá đổ bản mặt bê tông trong công trình thủy điện XêKaman 3 – CHDCND Lào và ứng dụng các kiến thức tiếp thu được phân tích trạng thái ứng suất biến dạng cho bản mặt của đập này Bản mặt

và lớp đệp của đập được mô tả như hai loại vật liệu đặc tính khác nhau và coi như liên kết với đập Mô hình tính toán là tuyến tính

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu, đúc kết và nghiên cứu ứng dụng

- Ứng dụng để tính toán cụ thể cho bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông trong công trình thủy điện XêKaman 3

4 Kết quả đạt được

Tổng kết được các nghiên cứu hiện có và ứng dụng được tính toán vào công trình đập đá đổ bản mặt bê tông XêKaman 3 Kiến nghị giải pháp kết cấu nâng cao

an toàn cho bản mặt

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG

1.1 Khái niệm chung về đập CFRD và sự phát triển của nó trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình xây dựng đập CFRD trên thế giới

CFRD ( Concrete Face Rockfill Dams) có lịch sử phát triển từ rất lâu đời, loại đập này lần đầu tiên được xây dựng ở California (Mỹ) vào năm 1960 Tuy nhiên phải từ những năm 1980 trở đi kiểu đập này mới phát triển mạnh mẽ, do công nghệ thi công đắp đá đầm nén phát triển J.Barry Cooke là người đầu tiên nghiên cứu loại đập bản mặt bê tông hiện đại vào năm 1984 và vào năm 1989 ICOLD đã có những khuyến nghị về kiểu đập này Từ đó loại đập này được nhiều nước mạnh dạn

áp dụng, nhất là Trung Quốc, Brazil, Úc, Mêhicô Ở Châu Á đập đá đổ bản mặt bê tông được áp dụng xây dựng cho nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn ở Trung Quốc Trung Quốc đã có những nghiên cứu và thành công nhất định trong lĩnh vực xây dựng loại đập này Hiện nay đây là một trong các loại đập đang phát triển mạnh nhất thế giới

CFRD là loại đập cải tiến của đập đá đổ truyền thống ( thường được chống thấm bằng tường nghiêng hoặc lõi giữa là đất sét) Mái của đập loại này tương đối dốc ( 1: 1,0 ÷ 1: 1,5) do đó tiết kiệm được một lượng lớn vật liệu đắp đập so với đập

đá đổ truyền thống Đập CFRD thường áp dụng cho các loại đập cao ( H>40m) và đặt trên nền đá Việc thiết kế các đập CFRD ban đầu chủ yếu dựa trên kinh nghiệm

và được hiệu chỉnh dần dần Đến nay việc thiết kế và thi công đập ngày càng hoàn thiện hơn, đập cao và quy mô của công trình ngày càng lớn, phát triển thành một loại hình đập mới, phong phú và có sức cạnh tranh Đập CFRD cao nhất trên thế giới hiện nay đã đạt tới chiều cao 233m là đập Shuibuya ở Trung Quốc

Với những ưu điểm nổi bật, đập CFRD đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ, Úc Nhưng sau đó được xây dựng đặc biệt nhiều và với chiều

cao lớn ở các nước đạng phát triển như Trung Quốc, Brazil, Mehico và ngày càng được hoàn thiện về phương pháp tính toán cũng như công nghệ xây dựng

Bảng 1.1: Một số đập đá đổ bản mặt bê tông cao trên 100m trên thế giới

Các hình từ 1.1 đến 1.4 trình bày một số hình ảnh đập CFRD trên thế giới

Hình 1.1: Đập Bê tông bản mặt (CFRD) Shuibuya – Trung Quốc, cao 233m

Hình 1.2: Đập Cirata – Indonesia – cao 125m

Hình 1.3: Đập Zipingpu – Trung Quốc, cao 156m

Hình 1.4: Đập Foz Do Areia – Brazil, cao 160m

1.1.2 Tình hình xây dựng đập CFRD ở Việt Nam

Đập CFRD mới được du nhập vào Việt Nam trong những năm gần đây và hiện

đã được áp dụng cho một số công trình như thủy điện Tuyên Quang (2002), đập cao 92m, thủy điện Rào Quán (Quảng Trị, 2002), đập cao 78m và công trình Cửa Đạt (Thanh Hoá, 2004), đập cao 117m Tuy vậy nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so với các loại đập khác, nhất là các loại đập cao Với công nghệ và trang thiết bị thi công ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong quá trình thi công đập CFRD sẽ giảm bớt nhiều và việc xây dựng loại hình đập này sẽ ngày càng phát triển ở nước ta Từ thành công và những kinh nghiệm rút ra từ công tác khảo sát, thiết kế và thi công trong công trình đập CFRD như Rào Quán, Tuyên Quang, Cửa Đạt, chúng ta hi vọng hàng loạt các công trình sử dụng đập CFRD sẽ được xây dựng rộng rãi ở Việt Nam

Các hình từ 1.5 đến 1.8 trình bày một số hình ảnh đập CFRD ở Việt Nam

Hình 1.5: Thi công bản mặt đập Tuyên Quang

Hình 1.6: Thi công đợt 1 bản mặt bê tông đập Cửa Đạt

Hình 1.7: Thượng lưu đập Rào Quán

Hình 1.8: Mặt cắt ngang điển hình đoạn lòng sông- Cửa Đạt

1.1.3 Phõn loại đập CFRD

Hiện nay đập CFRD chưa cú nhiều loại, nhỡn chung việc phõn loại thường được dựa vào cỏc tiờu chớ sau:

1.1.3.1 Phõn loại theo vật liệu đắp đập

Dựa vào vật liệu dựng để đắp đập là đỏ cứng hay cuội sỏi mà người ta phõn thành 2 loại là:

- Đập đỏ đổ bản mặt cú thõn đập được đắp bằng đỏ cứng, loại đập này thường được phõn vựng vật liệu trong mặt cắt ngang như hỡnh 1.9

(dạng tam giác - góc ở đỉnh tuỳ thuộc vào vật liệu và chiều cao đập)

8 (3D) Bảo vệ mái hạ lưu

10 (3E) Vùng đá thải (thoát nước chân đập)

3 11

10 8

Hỡnh 1.10: Mặt cắt ngang thõn đập đắp bằng cuội sỏi 1.1.3.2 Phõn loại theo chiều cao

Theo chiều cao đập, tiờu chuẩn thiết kế đập đất đỏ kiểu đầm nộn (SDJ 218 – 84) của Trung Quốc đó phõn thành 3 loại:

- Đập thấp: chiều cao đập H < 30m

- Đập vừa: chiều cao đập H từ 30 ữ 70 m

- Đập cao: chiều cao đập H > 70m

Ở đõy chiều cao đập được tớnh từ đỉnh đập đến vị trớ sõu nhất của nền sau khi

đó dọn sạch hố múng

1.1.3.3 Phõn loại theo cấp cụng trỡnh

Theo tiờu chuẩn xõy dựng Việt Nam ( TCXDVN 285:2002) thỡ chiều cao đập đất đỏ được xỏc định như ở bảng 1.2

Bảng 1.2: Cấp cụng trỡnh theo chiều cao đập và tớnh chất nền

Loại cụng trỡnh Loại đất nền Cấp thiết kế

6

11 3 5

6 2

7 (3C) Vùng đá đổ hạ lưu (cuội sỏi)

12 10

10 (3F) Vùng tiêu nước

Đất nền chia thành 3 nhóm điển hình:

Nhóm A: Nền là đá

Nhóm B: Nền là đất cát, đất hạt thô, đất sét ở trạng thái cứng, nửa cứng

Nhóm C: Nền là đất sét bão hoà nước ở trạng thái dẻo

Chiều cao đập tính từ mặt đập đến vị trí nền thấp nhất sau khi dọn sạch móng U

Nhận xét:

Vì đập đá đổ hầu như chỉ xây dựng trên nền đá ( yêu cầu nền cao hơn đập đất)

do vậy cũng có thể hiểu đập cấp I, II là đập cao, đập cấp III là loại vừa, đập cấp IV,

V là đập thấp

1.1.4 Cấu tạo các bộ phận của đập CFRD

Đập CFRD có cấu tạo chính là khối đá cấp phối đắp, đầm nén ở thân đập và

bản bê tông cốt thép mác cao phủ trên bề mặt mái thượng lưu để ngăn nước thấm qua đập Khối đá đắp cũng được chia làm nhiều vùng khác nhau như những đập đá

đổ thông thường tùy thuộc vào các loại đá dùng trong thân đập Phần tiếp giáp giữa bản mặt bê tông và khối đá đắp là lớp đệm (dày từ 2m đến 3m) và lớp chuyển tiếp (dày 4m) Mặt cắt ngang điển hình của đập CFRD được biểu diễn trong hình 1.11

Đá đắp trong thân đập thường được phân thành hai khối chính: khối đá đắp thượng lưu và khối đá đắp hạ lưu Khối đá đắp thượng lưu đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn khối đá đắp hạ lưu, cụ thể là cường độ kháng nén lớn hơn 30Mpa cho khối thượng lưu, còn khối hạ lưu chỉ yêu cầu bằng hoặc nhỏ hơn 30 Mpa, có nơi đã dùng khối đá đắp hạ lưu có cường độ kháng nén 10 Mpa với điều kiện nằm trên mực nước hạ lưu Phạm vi tiếp giáp hai khối đá này có thể thay đổi tùy thuộc tính chất của từng công trình: chiều cao đập, vật liệu đắp đập, điều kiện nền vv Phần chân

hạ lưu đập có thể bố trí khối đá đổ có kích thước lớn hơn trong thân đập để tăng khả năng ổn định cho đập

Bản mặt bê tông có tác dụng chống thấm cho đập và được liên kết với nền qua bản chân Tại điểm tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân được bố trí khớp nối biên h.1.12a đảm bảo ngăn dòng thấm khi có chuyển dịch giữa bản mặt và bản chân Bản mặt cũng được chia làm nhiều tấm nối với nhau bằng khớp nối dọc với cấu tạo cần thiết để đảm bảo không phát sinh dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu khi

có sự chuyển dịch khác nhau giữa các tấm bản mặt Do bản mặt ở vùng vai đập chịu kéo còn bản mặt ở vùng giữa chịu nén theo phương trục đập, nên khớp nối dọc cũng được chia làm khớp nối chịu kéo (h.1.12b) và khớp nối chịu nén (h.1.12c)

c) Hình 1.12 : Cấu tạo chi tiết chân thượng lưu đập

Để tăng độ an toàn về thấm cho khu vực tiếp giáp giữa bản mặt và bản chân, người ta bố trí một tầng đệm đặc biệt ngay sau hạ lưu bản chân Tầng đệm này được cấu tạo từ cát cuội sỏi hoặc đá xay và được đầm nện chặt như tiêu chuẩn của lớp đệm dưới bản mặt, nó còn có tác dụng như một lớp lọc khi có sự cố hư hỏng của khớp nối giữa bản mặt và bản chân

1.1.5 Điều kiện xây dựng đập CFRD

Về cơ bản, điều kiện để xây dựng đập CFRD cũng tương tự như đập đá đổ thông thường Đập CFRD đòi hỏi phải thực hiện một khối lượng công tác đất đá lớn bao gồm: khai thác, vận chuyển, đắp vật liệu vào thân đập Đặc biệt đối với đập cao thì tải trọng truyền xuống nền khá lớn, nên đòi hỏi nền phải có đủ độ bền và ít biến dạng So với đập bê tông và đập đất, đập CFRD có yêu cầu nền không cao Tuy

vậy, phần lớn các đập đã được xây dựng cho đến hiện nay vẫn được chọn đặt trên

nền đá IIB hoặc IIA, một số đập được chọn đặt trên nền đá IB

Cũng cần nói thêm là, một số ít đập CFRD cũng đã được xây dựng ở vị trí có

tầng phủ khá dày, ví dụ đập Na Lan ở Trung Quốc (cao 109m), đập Toulnustouc ở Canada (cao 75m), đập Reece của Áo (cao 122m) Trong tình huống này, để chặn dòng thấm qua tầng phủ phải làm một tường bê tông đủ dày nối bản chân với tầng

đá nằm dưới tầng phủ

1.1.6 Vật liệu xây dựng đập

Trước hết phải có đủ vật liệu để đắp các khối cho thân đập như: đá, đất làm lõi, cát, sỏi lọc (có thể tận dụng đất đào móng) vv thường thì vẫn phải tính toán thông qua luận chứng hiệu quả kinh tế và tài chính

1.1.6.1 Vật liệu làm lớp đệm và vùng chuyển tiếp

Lớp đệm thường có chiều dày không đổi và được chọn theo kinh nghiệm, thường không nhỏ hơn 3m Lớp chuyển tiếp có chiều dày không đổi từ 3 ÷ 4m Khi thi công, lớp đệm và lớp chuyển tiếp thường được thi công đồng thời, chiều cao của

lớp đổ thường lấy bằng nửa chiều chiều cao của lớp đá đổ của khối đá thượng lưu Lớp đệm trong thân đập CFRD được bố trí ngay dưới tấm bản mặt bê tông Tác dụng của lớp đệm là tạo bề mặt “bằng phẳng” cho bản mặt bê tông đồng thời nó cũng có tác dụng hỗ trợ phòng thấm Hiện nay cấp phối lý tưởng cho lớp đệm do Sherard đề nghị được dùng rất phổ biến Trong thành phần cấp phối đó, các hạt có đường kính nhỏ hơn 5mm có hàm lượng cao, nó thường chiếm từ 35% đến 55%, các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1mm chỉ chiếm từ 2% đến 12% Đường kính hạt lớn nhất DR max R= 80mm Cấp phối này thoả mãn yêu cầu nửa thấm và lọc các hạt bụi Lớp đệm thường được làm bằng hỗn hợp cát cuội sỏi hoặc đá xay có cấp phối liên tục Điểm yếu nhất của đập CFRD là thủng khớp nối biên dẫn đến thấm nghiêm trọng Do vậy một vùng đệm đặc biệt với vật liệu hạt mịn có DR max R=40mm được dùng khá phổ biến dưới khớp nối biên Nó được đầm đến trạng thái chặt hơn để một mặt giảm độ lún, mặt khác có thể hạn chế, rò rỉ xuất hiện qua khớp nối biên

Vùng chuyển tiếp cũng được làm bằng hỗn hợp cát cuội sỏi hoặc đá xay có cấp phối liên tục Tuy nhiên tỷ lệ hạt lớn trong vùng chuyển tiếp cao hơn lớp đệm Đường kính hạt lớn nhất DR max R=300mm Vùng chuyển tiếp này được bố trí ở giữa lớp đệm và vùng đá đắp chính Nó có tác dụng như một lớp lọc tránh sự rửa trôi các hạt nhỏ từ lớp đệm vào vùng đá chính

1.1.6.2 Vật liệu đắp đá thân đập

Vật liệu đá đắp thân đập có thể dùng đá cứng hoặc kết hợp giữa đá cứng, đá mềm và cuội sỏi Các loại đá dùng đắp đập có thể là đá vôi, đá cát kết, đá tuff, granit v.v Vật liệu dùng đắp khối đá chính cần đảm bảo các yêu cầu: kích thước đá lớn nhất không vượt quá chiều dày lớp đá đắp, thường DR max R=800 ÷ 1000mm; hàm lượng các hạt có đường kính nhỏ hơn 25mm không vượt quá 50%; hàm lượng các

hạt có đường kính nhỏ hơn 2mm không vượt quá 10%; đá đổ phải có đặc tính thoát nước dễ dàng Thành phần cấp phối của vật liệu đá đắp thân đập cũng phải liên tục Các chỉ tiêu của đá thông thường được xác định dựa vào các kinh nghiệm thực

tế hiện có được nêu trong các tiêu chuẩn, quy phạm, sau đó xem xét điều chỉnh qua

thí nghiệm hiện trường vào thời gian bắt đầu đắp đập Hầu hết đắp ở hiện trường đều được khống chế bởi các thông số đắp và bằng sự quyết định dung trọng khô với phương pháp đào hố thí nghiệm bổ sung Qua các kết quả thu được, người ta thấy rằng dung trọng khô của đá đắp thường nằm trong khoảng từ 1,79 T/mP

3

P đến 2,39 T/mP

Có thể sử dụng các loại vật liệu đã khai thác hay lấy từ hố móng công trình, tốt nhất là sử dụng các loại đá phún xuất và đá biến chất: sức kháng nén của đá sau 50 lần nhúng nước và 26 lần phơi khô tùy theo chiều cao đập được phân theo bảng 1.3

Bảng 1.3: Sức kháng nén của vật liệu đá ứng với chiều cao đập

Đá đắp vào thân đập ngoài việc phải nằm trong đường bao vật liệu phải đảm bảo hệ số không đều hạt η = DR 60 R/DR 10 Rkhông nhỏ hơn 5 và không lớn hơn 25

Vùng chuyển tiếp đá đắp có cấp phối hạt nằm từ giới hạn trên đến giới hạn trung bình Các vùng khác từ giới hạn trung bình đến giới hạn dưới Đối với lớp gia

cố mái hạ lưu đường kính tính toán của viên đá không được nhỏ hơn 45cm và không lớn hơn 100cm

1.1.7 Công nghệ thi công đập CFRD

Đập CFRD thường được thi công theo trình tự sau:

- Đào móng công trình ( đào lớp đất phủ và các lớp đá phong hoá trên mặt)

- Đắp đập, kết hợp với khoan phụt tại một số vị trí nền cần xử lý

- Thi công bản chân và khoan phụt tạo màng chống thấm

- Thi công bản mặt kết hợp với một số hạng mục công trình khác trên đập Trong quá trình thi công theo trình tự trên, tại mỗi hạng mục công trình cần áp dụng các biện pháp thi công thích hợp để đạt được các yêu cầu thiết kế Các biện pháp thường dùng trong quá trình thi công:

1.1.7.1 Tạo mái và đầm đá

Vùng tầng đệm (2A) cần được đầm nén đặc biệt để đạt modun cao, tạo lớp đệm đồng đều cho tấm bản mặt Thiết bị thường dùng là đầm con lăn kết hợp rung, chiều dày lớp rải cho một lần đầm phụ thuộc vào thiết bị đầm, thường là 20 ÷ 25cm

Bề mặt tầng đệm (2A) cần được tinh chỉnh trong khoảng 5 ÷ 15cm độ phẳng thiết

kế Để đạt được điều này thường sử dụng máy xúc đặt ngay trên đỉnh đập dưới sự điều khiển của thiết bị quan trắc bằng laze

Vùng thân đập chính (3B, 3C) được đắp theo từng lớp và sử dụng các thiết bị máy móc như đối với đập đá đổ truyền thống

1.1.7.2 Thi công tấm bản mặt bê tông

Dùng cốp pha trượt để tiến hành thi công các tấm bản mặt từ dưới lên trên với bộ phận giữ và kéo tấm bản mặt tại 2 tời máy đặt trên đỉnh đập, ngoại trừ các

tấm đầu tiên có hình thang hoặc hình tam giác nằm kề bản chân, hoặc 2 vai đập được thi công bằng phương pháp thủ công trước tấm bản mặt chính

Cốp pha trượt có thể đạt được tốc độ thi công 1 ÷ 2m/giờ với bề mặt 12m, bê tông dày từ 40÷60mm Bê tông thường dùng là loại đạt cường độ 25 đến 30 MPa trong 28 ngày

1 1.8 Ưu, nhược điểm của đập CFRD

1.1.8.1 Ưu điểm của đập CFRD

- Tận dụng được các vật liệu tại chỗ, đặc biệt có thể tận dụng đá đào móng tràn, đường hầm, nhà máy thủy điện để đắp đập Ít phải sử dụng vật liệu hiếm hoặc vận chuyển từ xa tới nên nhìn chung đập CFRD có giá thành thấp hơn các loại đập khác như đập bê tông trọng lực, đập vòm, đập bản chống đặc biệt những vị trí xây dựng công trình hiếm đất có đủ tiêu chuẩn đắp đập đất thì đập CFRD sẽ có hiệu quả kinh tế hơn

- Có khả năng cơ giới hoá cao quá trình khai thác đá, vận chuyển và đắp đập,

có thể thi công ngay cả trong mùa mưa Do toàn bộ dòng thấm đã được bản mặt bê tông ngăn lại và phần đá đắp trong thân đập được đầm nén chặt nên hệ số ổn định của mái thượng hạ lưu đập khá cao và mái đập có thể nhỏ ( m = 1,4 ÷ 1,5) dẫn đến khối lượng đá đắp giảm nhỏ so với đập đất, đất đá thông thường

- Yêu cầu về địa chất nền thấp hơn các loại đập bê tông

- Về ổn định chống động đất, chống trượt và tuổi thọ công trình không thua kém các loại đập khác

- Đập CFRD trong nhiều trường hợp có thể xây dựng ngay trên nền cát cuội sỏi lòng sông, mà phần lớn khối lượng cát sỏi không phải bóc bỏ khi đắp đập Trong quá trình xây dựng đập có thể cho nước tràn qua đập đang xây dở nên vấn đề dẫn dòng khi lưu lượng dẫn dòng lớn có thể được giải quyết với giá thành rẻ

1.1.8.2 Nhược điểm của đập CFRD

- Đập CFRD là loại đập mới (nhất là ở nước ta) nên các lý thuyết tính toán chưa thật hoàn chỉnh, chủ yếu được thiết kế và thi công theo kinh nghiệm

- Trong thân đập có nhiều vùng vật liệu, mỗi vùng có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau Do vậy phân bố ứng suất và biến dạng trong thân đập phức tạp, hiện tượng treo ứng suất hoặc biến dạng quá mức gây nên đứt gãy thủy lực đã xảy ra ở một số công trình ngay cả khi ở cột nước thấp, đặc biệt khi sự chênh lệch lớn về mô đuyn biến dạng giữa các lớp vật liệu kề nhau

- Bản mặt bê tông chịu tác động của nhiều yếu tố, nhất là nó được tựa lên khối

đá đệm phía dưới bản mặt vừa mới được xây dựng xong sẽ có độ lún không đều Tấm bản mặt bê tông được thi công bằng ván khuôn trượt nên cường độ tăng nhanh, lượng nhiệt toả ra lớn có thể làm chất lượng bê tông kém, làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và tuổi thọ của nó

- Yêu cầu về thiết bị thi công cũng như trình độ thi công cao hơn đập đá đổ thông thường

1.1.9 Vấn đề ổn định trượt

Đập CFRD có yêu cầu về địa chất nền cao hơn đập đất đá thông thường: bản chân thường được đặt trên lớp đá tốt Nền khối đá đắp có thể đặt trên lớp đá phong hoá mạnh hoặc trên lớp đá có mô đuyn biến dạng tương đương với mô đuyn biến dạng của khối đá đắp Do các đặc điểm này mà ở đập CFRD không xảy ra hiện tượng trượt sâu Tuy nhiên do mái đập thường có độ dốc lớn nên có thể phát sinh các cung trượt trụ tròn ở mái đập, nếu chất lượng đầm nện không đảm bảo hoặc

chịu tác động bất thường mạnh, ví dụ rút nước đột ngột trong hồ chứa, động đất

mạnh v.v

1.1.10 Vấn đề thấm

Đập CFRD có những khớp nối cấu tạo đặc biệt như đã đề cập trên Do đó, trong quá trình làm việc của đập lượng nước thấm qua thân đập hầu như không đáng kể Tuy nhiên, với đập cuội sỏi có đặc tính cấp phối không liên tục, nếu thân

đập phát sinh thấm tập trung, có thể dẫn đến nước thấm lôi các hạt nhỏ đi, thậm chí

bị xói mòn Để tránh sự cố đó, ngoài việc làm tốt bản mặt và hệ thống chắn nước

của nó, yêu cầu tầng đệm có tác dụng tới tuyến chống thấm thứ hai Quy định cấp

phối phải liên tục, kết cấu nội bộ ổn định Đem cuội sỏi có cỡ hạt nhỏ hàm lượng cao đắp ở hạ lưu vùng tiêu nước, nơi được thiết kế có chuyên môn

1.1.11 Vấn đề ứng suất, biến dạng

Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, khối nước ở thượng hạ lưu, tải trọng của các thiết bị và các loại xe đi trên mặt đập v.v bản mặt, thân đập và nền trong mối quan hệ làm việc đồng thời với nhau sẽ sinh ra ứng suất và biến dạng Do bản mặt tựa hoàn toàn lên thân đập nên trạng thái ứng suất biến dạng của nền và thân đập sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất biến dạng của bản mặt Để tránh

biến dạng không đều của bản mặt theo phương trục đập, người ta chia bản mặt thành các tấm có chiều rộng như nhau bằng các khớp nối chạy từ đỉnh xuống chân đập (theo chiều vuông góc với trục đập) gọi là khớp nối dọc Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung vào việc phân tích để làm rõ biến dạng và ứng suất của

bản mặt bê tông nhằm đề xuất giải pháp nâng cao an toàn của bản mặt

1.2 Đặc điểm của bản mặt và những yêu cầu kỹ thuật của nó trong xây dựng đập CFRD

1.2.1 Đặc điểm của bản mặt bê tông

Bản mặt bê tông ở phía thượng lưu của đập đá đổ là kết cấu bê tông cốt thép

có tác dụng chống thấm Chiều dày bản mặt phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Đủ chiều dày để bố trí cốt thép và khớp nối chống thấm, chiều dày nhỏ nhất

là 0,3m

- Gradient thấm không vượt quá 200

- Càng mỏng càng tốt, để tăng sự mềm dẻo của bản mặt và giảm giá thành công trình

Thông thường, chiều dày của bản mặt ở đỉnh lấy bằng 0,30m, và lớn dần về phía đáy Chiều dày ở độ sâu bất kỳ kể từ đỉnh đập được tính theo công thức

t = 0,30 + (0,002 ÷ 0,004)H

trong đó: t - chiều dày bản mặt (m)

H- khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh đập tới vị trí tính toán

Ở đập loại vừa và thấp có thể chọn bản mặt có bề mặt không đổi và bằng 0,30

÷ 0,40m

Bản mặt bê tông phải có độ lưu động, tính chống nứt, chống thấm tốt Mác

bê tông bản mặt không lấy thấp hơn C25 Cốt thép bản mặt thông thường được bố trí một lớp theo hai hướng, và đặt ở chính giữa chiều dày bản mặt, hàm lượng thép theo phương mái dốc thường là 0,40%÷0,50%, theo phương ngang bằng 0,30 đến 0,40%

1.2.2 Những yêu cầu kỹ thuật

- Phải căn cứ vào biến dạng của đập và điều kiện thi công để chia khe, phân đoạn bản mặt Thông thường khoảng cách giữa các khe thẳng đứng được lấy từ 12 ÷ 18m

- Bản mặt giáp hai vai đập thường bố trí khớp nối chịu kéo, khu vực giữa đập

bố trí khớp nối chịu nén

- Bê tông bản mặt phải trộn thêm phụ gia sinh khí, phụ gia giảm nước, theo yêu cầu cũng có thể trộn thêm phụ gia điều chỉnh thời gian ninh kết ban đầu Lượng phụ gia và vật liệu trộn thêm phải qua thí nghiệm để xác định

- Bê tông cho bản mặt phải dùng cấp phối vật liệu với đường kính cỡ đá lớn nhất không lớn hơn 40 mm Cát dùng cho bản mặt lượng ngậm nước không quá 3%, hàm lượng bùn đất không quá 2%, mô đuyn độ mịn nên trong phạm vi 2,4 ÷ 2,8 Độ

ẩm của đá không vượt quá 2%, hàm lượng bùn đất phải nhỏ hơn 1%

- Trong bê tông bản mặt nên trộn thêm muội than để cải thiện tính lưu động

của bê tông ướt Có thể dùng nhiều vật liệu thay thế, để giảm bớt lượng xi măng và cát, cải thiện tính năng của bê tông

- Tỷ lệ N/X của bê tông bản mặt nếu ở vùng ấm áp phải nhỏ hơn 0,50, nếu ở vùng lạnh giá phải nhỏ hơn 0,45 Nếu dùng máng trượt để đổ bê tông thì độ sụt phải thoả mãn yêu cầu thi công, độ sụt trước máng trượt nên là 3 ÷ 7 cm Lượng khí trong bê tông khống chế ở mức 4% - 6%

- Bê tông bản mặt nên dùng xi măng Puzlan phổ thông Nếu dùng loại xi măng khác phải làm thí nghiệm để quyết định

- Khe thi công nằm ngang phải căn cứ vào điều kiện thi công, thoả mãn yêu cầu chắn nước tạm theo giai đoạn

- Nếu bản mặt quá dài phải phân đợt đổ bê tông bản mặt, khe thi công phải để

Hình 1-13 biểu diễn kết quả quan trắc lún ở 3 điểm 9, 10, 11 nằm ở khoảng giữa chiều cao của đập Tây Bắc Khẩu cao 95m, là đập đá đổ bản mặt đầu tiên được xây dựng ở Trung Quốc, khởi công năm 1987, kết thúc đổ bản mặt tháng 6 năm1989, tháng 9 năm 1991 bắt đầu tích nước

Hình 1.13: Kết quả quan trắc lún của đập Tây Bắc Khẩu

Nhìn trên hình vẽ này có thể thấy 6 năm sau khi xây dựng xong và bắt đầu tích nước lún vẫn chưa tắt, mà điểm 9 là điểm nằm gần mặt thượng lưu của đập, nơi có bản mặt tựa vào

Hình 1-14 biểu diễn kết quả quan trắc độ võng của bản mặt cũng của đập này,

Hình 1.14: Kết quả quan trắc độ võng bản mặt của đập Tây Bắc Khẩu

Nhìn vào hình vẽ này có thể thấy biến dạng của đập có ảnh hưởng quan trọng đến độ võng của bản mặt, cụ thể là độ võng ứng với đường 6 quan trắc năm 1995 có giá trị lớn hơn độ võng ứng với đường 4 quan trắc 2 năm trước đó khoảng 20mm, mặc dù mực nước khi quan trắc đường 6 thấp hơn khi quan trắc đường 4 đến 7m Trường hợp bản mặt tiếp xúc chặt chẽ với tầng đệm và khối đá đổ hầu như không còn chuyển vị do trọng lượng bản thân thì bản mặt chỉ bị uốn nhiều ở khu vực gần bản chân Hình 1-15 biểu diễn kết quả đo đạc và tính toán góc xoay, độ võng và mô men uốn cho bản mặt của đập Uhe Machadinho cao 125m ở Brazil Kết quả nghiên cứu này đã đưa đến khuyến cáo đặt 2 lớp cốt thép ở khu vực gần bản chân

Hình 1.15: Chuyển vị và mô men uốn của bản mặt của đập Uhe Machadinho

Điểm gây bất lợi nhất cho bản mặt là bản mặt và mặt thượng lưu của khối đá

thân đập có chuyển vị lún và chuyển vị ngang không như nhau ở một hoặc một vài

vùng nào đó làm cho bản mặt không tựa được vào tầng đệm khi chịu áp lực nước

hoặc thậm chí ngay tải trọng bản thân của nó để truyền các tác động này cho thân

đập, trong khi bản mặt quá mỏng mà lại chỉ được bố trí một lớp cốt thép ở chính

giữa chiều dày của nó nên không đủ sức chịu các tác động này và do đó bị nứt hoặc

thậm chí bị sập gãy Giới chuyên môn Trung Quốc gọi hiện tượng này là hiện tượng

"thoát không", có nghĩa là mặt dưới bản mặt bị hẫng, không được tựa vào tầng đệm

Hình 1-16 biểu diễn kết quả tính toán xác định vùng bị hẫng của bản mặt đổ

lần 1 và lần 2 của đập Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc) cao 178m, phát sinh khi đắp

tiếp thân đập sau khi đổ bản mặt Về mặt định tính điều này là đương nhiên vì trọng

lượng đá đắp thêm làm mặt mái dốc bị võng so với đường thiết kế Kết quả này

cũng trùng hợp với vùng thoát không đo đạc tại hiện trường nằm ở gần đỉnh của bản

mặt đổ mỗi kỳ (Hình 1-17) Quan sát thực tế cũng thấy các vết nứt tập trung ở vùng này

Hình 1.16: Kết quả tính toán xác định vùng thoát không của bản mặt đập Thiên

Sinh Kiều

Hình 1.17: Các khu vực bị "thoát không" của bản mặt đập Thiên Sinh Kiều

Thông qua kết quả nghiên cứu tính toán và đo đạc thực tế tại hiện trường, người ta ý thức được càng rõ hơn về nguyên nhân và mức độ uốn của bản mặt Điểm đầu tiên thay đổi về nhận thức là lún của thân đập không tắt sau khi thi công xong mà còn kéo dài một số năm sau khi tích nước vì tính chất lưu biến hoặc từ biến (creep) của vật liệu đắp đập Điểm nhận thức thứ hai là bản mặt tuy mỏng nhưng không thể luôn luôn áp sát vào mặt mái dốc khi mái dốc trong quá trình biến dạng không còn phẳng như thiết kế, dẫn đến có chỗ tiếp xúc có chỗ không

Ngoài ra, một yếu tố không kém quan trọng làm cho bản mặt bị biến dạng

hoặc nứt đó là nhiệt độ Bản mặt rất mỏng, nhiệt độ bên ngoài thay đổi, nhiệt độ chênh lệch trong một ngày lớn đều làm nhiệt độ ở bản mặt giảm xuống nhanh chóng, sinh ra ứng suất kéo lớn dẫn đến nứt bản mặt

1.3.2 Các hiện tượng hư hỏng của bản mặt

Nứt của bản mặt là hư hỏng thường gặp nhất với đập đá đổ bản mặt bê tông Phổ biến đến mức nhiều chuyên gia coi việc xảy ra nứt bản mặt là điều "tất yếu" Tính "tất yếu" ở đây phản ảnh một thực tế rất khó tránh vì bê tông là vật liệu có tính đồng đều không cao lại chịu ảnh hưởng nhiều của các tác động bên ngoài rất khó kiểm soát như mưa nắng thất thường, nhiệt độ môi trường biến đổi, khối đá đổ tuy được đầm nén kỹ nhưng vẫn còn biến dạng, bê tông lại là vật liệu cứng, khả năng chịu kéo rất kém, diện tích bản mặt lại rất lớn, thông thường lên đến hàng vạn mét vuông Các hình từ hình 1-18 đến hình 1-22 cho hình ảnh nứt bản mặt của một số đập ở Trung Quốc như Tây Bắc Khẩu (cao 95m), Thiên Sinh Kiều (cao 178m), Thuỷ Bố Ô (cao 232m) và ở các nước khác như Aguamilpa (Mehico, cao 187m), Campos Novos (Brazil, cao 202m) Nhìn trên ảnh chụp có thể thấy bản mặt của đập Campos Novos bị nứt đặc biệt nghiêm trọng Tình huống này xảy ra do sau khi phát

hiện thấy rò rỉ lớn qua thân đập, lưu lượng đo được ở hạ lưu lên tới 1500l/s, đã rút

nước khỏi hồ chứa từ cao trình 618m xuống cao trình 481m, tức là 137m nước, trong một thời gian ngắn (đoạn dánh dấu bằng mũi tên trong hình 1-23) làm phát

sinh áp lực nước đẩy ngược vào bản mặt, dẫn đến bản mặt bị nứt nghiêm trọng và

thậm chí sạt cả khối đá đổ bên trong hình 1-22

Hình 1.18: Nứt bản mặt của đập Tây Bắc Khẩu

Hình 1.19: Nứt bản mặt của đập Thiên Sinh Kiều (các vết nứt đã được xử lý)

Hình 1.20: Nứt bản mặt đổ đợt 1 của đập Thủy Bố Ô

Hình 1.21: Nứt bản mặt của đập Aguamilpa (đường nét đậm)

Hình 1.22: Nứt dẫn đến sập gẫy bản mặt của đập Campos Novos