KHÁI QUÁT
Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới
Đập bê tông trọng lực, được xây dựng từ khoảng năm 3000 trước công nguyên, là một trong những công trình đầu tiên trong lịch sử phát triển đập Các đập bê tông trọng lực sớm nhất bao gồm đập Jawa, cách Amman 100 km về phía Đông Bắc, với chiều cao 9 mét và chiều dài 1 mét, cùng với đập Sallel kafara ở Wadial-Grawi, cách Cairo 25 km về phía Nam, và đập Kallanai ở Ấn Độ, xây dựng vào thế kỷ II sau công nguyên, cao 4,5 mét, đáy rộng 20 mét và dài 300 mét Mặc dù đập bê tông đã xuất hiện từ rất sớm, nhưng đến thế kỷ 18, do nhu cầu cung cấp năng lượng gia tăng ở Châu Âu, việc xây dựng đập bê tông mới trở nên phổ biến Vào những năm 50 của thế kỷ này, các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã được áp dụng vào việc xây dựng đập.
Vào năm 284 sau công nguyên, người La Mã đã xây dựng nhiều đập trọng lực tại bán đảo Iberian, Bắc Phi và Trung Đông, trong đó có đập lớn nhất thời bấy giờ ở Homs, Syria, với chiều dài 2.000 mét, cao 7 mét và dung tích 90 triệu m³ Đến những năm 30 của thế kỷ 20, đập bê tông trọng lực trở nên phổ biến với nhiều công trình phục vụ tưới tiêu, phát điện và cấp nước sinh hoạt Tuy nhiên, an toàn và ổn định là những vấn đề quan trọng hàng đầu trong xây dựng các đập lớn Theo thống kê của ICOLD, trong số các đập cao hơn 100 mét, đập bê tông chiếm khoảng 60%, trong khi đập vòm chiếm khoảng 21,5%.
Sau đây là một sốđập bê tông trọng lực và đập vòm lớn nhất thế giới:
Đập Hoover, một công trình vòm bê tông trọng lực, được xây dựng từ năm 1931 đến 1936 trên sông Colorado, nằm giữa biên giới Arizona và Nevada, Hoa Kỳ Được đặt tên theo Tổng thống Herbert Hoover, đập cao 180m, rộng 14m ở đỉnh và 200m ở móng, với thể tích lên tới 2.480.000 m³ Hồ chứa nước phía sau đập có dung tích 35.200 km³ và diện tích lưu vực rộng 640 km², bao gồm 17 tổ máy Francis với tổng công suất lớn.
2080 MW và điện lượng là 4.2 triệu KWh
Hình 1.2 Đập Grand Dixence, Swiss Alps (Internet)
Đập bê tông Grand Dixence ở Thụy Sĩ, được khởi công năm 1950 và hoàn thành vào năm 1960, có chiều cao 285m, chiều dài ở đỉnh 700m, chiều rộng đáy 200m và chiều rộng đỉnh 15m, với khối lượng bê tông xây dựng lên tới 6 triệu m³ Hiện nay, đây là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới.
Đập Xiaowan, nằm ở tỉnh Yunnan, Trung Quốc, là đập bê tông trọng lực cao nhất thế kỷ 21 với chiều cao 292 m Được xây dựng trong khoảng thời gian từ năm 2002 đến 2010 trên sông Lancang, nhánh thượng nguồn của sông Mekong, đập này có công suất lắp máy lên đến 4200 MW Hiện nay, nó được công nhận là đập vòm cao nhất thế giới.
Hình 1.4 Đập Tam hiệp, Trung Quốc(Internet)
Đập Tam Hiệp, được khởi công xây dựng vào năm 1994, là đập thủy điện lớn nhất thế giới, nằm tại Tam Đẩu Bình, Nghi Xương, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc Đập chặn dòng Sông Dương Tử, sông dài nhất Châu Á và đứng thứ ba thế giới, với chiều cao 185 mét và chiều dài 2.335 mét.
2390 mét và được xây dựng với hình thức là đập bê tông trọng lực với 27,2 triệu m 3 bê tông và 463,000 tấn m 3 thép
Từ những năm 1950 đến 1980, tốc độ xây dựng đập trên toàn cầu tăng nhanh chóng, với khoảng 5.000 đập lớn được hoàn thành Các công trình này chủ yếu tập trung ở các nước phát triển tại Bắc Mỹ và Châu Âu, nơi có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến.
Hình 1.5 Tốc độ phát triển đập từ năm 1900 đến năm 2000
Theo thống kê của ICOLD, tính đến năm 2000, thế giới có khoảng 45.000 đập lớn tại 140 quốc gia, với năm nước dẫn đầu là Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản, chiếm 80% tổng số đập lớn toàn cầu Trung Quốc đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn trong thế kỷ 20, chủ yếu sau năm 1949, trong khi Mỹ có khoảng 6.575, Ấn Độ 4.291, Nhật Bản 2.675 và Tây Ban Nha khoảng 1.196 đập.
Hình 1.6 Tốc độ xây dựng đập trên thế giới trong thế kỷ 20
Hình 1.7 Tỷ lệ % phân bố đập trên thế giới
Đập bê tông trọng lực hiện chiếm khoảng 12% tổng số các loại đập xây dựng trên toàn cầu, trong đó đối với các đập có chiều cao trên 100m, tỷ lệ này tăng lên khoảng 30%.
Trung Quốc hiện nay dẫn đầu thế giới về số lượng đập xây dựng, với thống kê đến năm 1999 cho thấy có 17.526 đập cao từ 15-30m, 4.578 đập cao trên 30m và 32 đập cao trên 100m Sự gia tăng số lượng đập cao đã khiến vật liệu bê tông trở nên phổ biến Đầu thế kỷ XXI, nhiều đập lớn như đập vòm đã được triển khai tại Trung Quốc.
Các đập lớn trên thế giới bao gồm Xiluodu cao 273m, đập trọng lực Xiangjiaba cao 191m trên sông Jinshai, đập vòm Jinping 1 cao 305m trên sông Yalong, đập CFR Hongjadu cao 178m trên sông Wu, đập vòm Xiaowan trên sông Lanciang (thượng nguồn sông Mêkông), đập RCC Longtan cao 216m trên Hongshui, và đập vòm Laxiwa cao 250m trên sông Hoàng Hà Những công trình này không chỉ nổi bật về chiều cao mà còn thể hiện sự phát triển vượt bậc trong công nghệ xây dựng đập.
Bảng 1.1 Một sốcông trình đập bê tông lớn ở Trung Quốc[ ] 2
TT Tên công trình Chiều cao đập
(m) Năm hoàn thành Vị trí
7 Baise 130 Đang xây dựng Sông Thạch,
8 Jinghong 110 Đang xây dựng Sông Lan Thương,
9 Pengshui 116.5 Đang xây dựng Sông Ô,
10 Longtan 216.5 Đang xây dựng Sông Hồng,
11 Jinanqiau 161 Đang xây dựng Sông Kim Sa,
12 Gelantan 113 Đang xây dựng Sông Lý Tiên,
Vân Nam (theo Viện nghiên cứu khảo sát thiết kế Côn Minh KHIDI - Trung Quốc)
Mỹ hiện nay đang là nước đứng thứ hai trên thế giới về sốlượng đập
Bảng 1.2 Một sốcông trình đập bê tông lớn ở Mỹ[ ] 2
STT Tên công trình Chiều cao đập
(mét) Năm hoàn thành Trên sông
5 New Bullards Bar 219,8 1969 North Yuba,
Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Lào(Internet)
Trước năm 1975, do chiến tranh, đầu tư cho công trình thủy điện ở Lào bị hạn chế, nhưng đã có tiêu chuẩn thiết kế và thi công bê tông Một số đập bê tông như đập trọng lực Nậm Ngum1, cao 74 mét, công suất 155 MW, được xây dựng năm 1971 tại Viêng Chăn, và đập XelamBam, cao 6,3 mét, công suất 5 MW, hoàn thành năm 1969 tại Champasak, đã được xây dựng với sự tham gia của kỹ sư nước ngoài Các đập nhỏ khác như Nậm Đông và Nậm Ngai cũng được xây dựng trong giai đoạn này Mặc dù số lượng đập bê tông còn hạn chế, nhưng những nghiên cứu và kết quả đạt được đã tạo nền tảng cho sự phát triển công nghệ và tiêu chuẩn thiết kế xây dựng đập bê tông tại Lào.
Nhiều công trình bê tông xây dựng hiện nay đã gặp phải tình trạng hư hỏng nghiêm trọng sau một thời gian sử dụng Nguyên nhân chủ yếu là do công tác khảo sát không đầy đủ, giải pháp thiết kế chưa hợp lý và công nghệ thi công không phù hợp với điều kiện thực tế trong nước.
Bảng 1.3 Một sốđập bê tông được xây dựng ởLào trước 1975
TT Tên Chiều cao đập (m)
MW Năm xây dựng Địa điểm xây dựng
1 TĐ Xelambam 6,3 5 1969 Sông Xe Đôn
2 TĐ Nam Đông 5 1 1970 Sông Nam Đông
3 TĐ Nam Ngum 1 74 155 1971 Sông NamNgum
Sau ngày giải phóng năm 1975, Lào đã xây dựng nhiều đập bê tông trọng lực, phân bố ở 17/18 tỉnh từ Bắc đến Nam, nhờ vào nguồn nước dồi dào và địa hình nhiệt đới gió mùa Sự gia tăng nhanh chóng của các dự án thủy điện cho thấy quy trình thiết kế và công nghệ thi công đập bê tông trọng lực đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Mặc dù đã có những tiến bộ trong tính toán ổn định cho các công trình cao, nhưng nghiên cứu về ổn định công trình bê tông trọng lực vẫn còn hạn chế và thiếu các tiêu chuẩn quy phạm Do đó, việc tổng kết kinh nghiệm và nghiên cứu từ những ngày đầu áp dụng là rất cần thiết để rút ra bài học thiết thực cho công tác thiết kế và thi công các công trình sau này.
Dưới đây là một sốcác đập bê tông trọng lực và đập vòm của nước CHDCND Lào:
Hình 1.8 Đập Nậm Ngưm 1, Đập cao
Hình 1.9 Đập Nậm Nghiep 1,Đập cao 148 m, Công suất 272 MW
Hình 1.10 Đập Nậm Ngưm 5, Đập cao 99 m, Công suất 120 MW
Hình 1.11 Đập Xekaman 1, Đập cao 117,5 Công suất 190 MW
Hình 1.12 Đập Mekong Xainyaburi, Đập cao 33m, Công suất 1285
Bảng 1.4 Một sốđập bê tông được xây dựng ở Lào những năm gần đây[ ] 3
TT Tên công trình chiều cao đập (m)
(MW) Vị trí Năm hoàn thành
2 Thủy điện Nam Leuk 45,5 60 Xaysomboun 2003
3 Thủy điện Nam Mang 3 28 40 Vientiane 2001
4 Thủy điện Nam mang 1 70 64 Borikhamsai Đang thi công
7 Thủy điện Nam Ko 3 1,5 Udomxay 1996
8 Thủy điện Nam Beng 25,5 36 Udomxay Đang thi công
9 Thủy điện NamNgum 3 105 320 Vientiane Đang thi công
10 Thủy điện Nam thuen 2 39 1080 Khammoune 2010
12 Thủy điện Nam Lik 2 103 100 Vientiane 2011
13 Thủy điện Nam Lik 1 35 64 Vientiane Đang thi công
14 Thủy điện Nam sim 15,20 9 Huaphan 2016
16 Thủy điện Nam San 3A 40,5 69 Xaisomboun Đang thi công
19 Thủy điện Nam Kong 1 90 160 Attapeu Đang thi công
20 Thủy điện Nam Kong 2 50 66 Attapeu Đang thi công
21 Thủy điện Nam Kong 3 40 45 Attapeu Đang thi công
22 Thủy điệnAng Thabeng 16,5 40 Attapeu Đang thi công
23 Thủy điện Nam Khan 2 136 130 Luangprabang 2016
24 Thủy điện Nam Khan 3 67 60 Luangprabang 2016
25 Thủy điện Nam Phay 96 86 Xaisomboun Đang thi công
26 Thủy điện Nam Tha 1 90,73 168 Bokeo Đang thi công
28 Thủyđiện NamNghiep1 148 272 Borikhamxai Đang thi công
29 Thủy điện Donsahong 25 260 Champasak Đang thi công
30 Thủy điện Nam Park 35 150 Champasak Đang thi công
31 Thủy điện Nam Sana 20 14 Kasi 2014
32 Thủy điện Nam Nhone 10 3 Bokeo 2010
33 Thủy điện Nam song 12 6 Vientiane 2011
34 Thủy điện Nam OU2 48 120 Luangprabang 2016
35 Thủy điện Nam OU5 74 240 Phongsaly 2016
36 Thủy điện Nam OU6 88 180 Phongsaly 2016
Những vấn đề kỹ thuật trong tính toán ổn định đập bê tông trọng lực
1.3.1 Yêu cầu chung tính toán ổn định đập bê tông trọng lực [ ] 1 Đập bê tông trọng lực là một hệ kế cấu trên nền chịu lực phức tạp, sự duy trì ổn định của đập phụ thuộc vào sựổn định của kế cấu đập và nền Cơ chế phá hoại dẫn đến mất ổn định của đập tương đối đa dạng Đập bê tông trọng lực mất ổn định do bị trượt, bị lật, bịlún không đều do cường độ nền không đảm bảo
Chênh lệch áp lực nước giữa thượng và hạ lưu có thể gây ra nguy cơ mất ổn định cho đập, đồng thời hình thành dòng thấm qua đập và nền Dòng thấm này không chỉ làm giảm lượng nước trong hồ mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến độ ổn định và độ bền của công trình Do đó, việc lắp đặt các thiết bị chống thấm tại đập là cần thiết để giảm thiểu tác động của dòng thấm.
Cấu tạo và đặc điểm làm việc của đập, cùng với tính chất của nền và sự liên kết giữa đập và nền, là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của đập Để đánh giá mức độ ảnh hưởng này, người tính toán cần hiểu rõ về cấu tạo, đặc điểm làm việc của đập, địa tầng và tính chất của đất đá nền, cũng như các tải trọng và tổ hợp tải trọng tác động lên đập Các tính toán ổn định phục vụ thiết kế phải tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, nhằm đảm bảo rằng đập đáp ứng yêu cầu về chức năng, an toàn, ổn định, độ bền và khả năng chống thấm cho cả đập và nền.
1.3.2 Hệ số an toàn ổn định và độ bền
1.3.2.1 Đánh giá an toàn và độ bền đánh giá theo tiêu chuẩn Việt nam (Trạng thái giới hạn)
Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn đặc trưng bởi việc sử dụng nhóm hệ số an toàn thống kê, bao gồm hệ số tổ hợp tải trọng n c, hệ số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy Kn, hệ số lệch tải n, và hệ số an toàn vật liệu K VL, thay thế cho hệ số an toàn chung Công trình và nền công trình được coi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng không còn khả năng chống chịu trước các tải trọng và tác động bên ngoài, hoặc khi chúng bị hư hỏng.
15 hỏng hay biến dạng quá mức cho phép, không còn thỏa mãn được các yêu cầu khai thác bình thường
Các trạng thái giới hạn: Có 2 nhóm trạng thái giới hạn
Trạng thái giới hạn thứ nhất đề cập đến việc công trình, kết cấu và nền của chúng hoạt động dưới điều kiện khai thác bất lợi nhất Điều này bao gồm các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ công trình-nền, cũng như độ bền chung của nền và công trình đất Ngoài ra, cần xem xét độ bền của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng có thể làm gián đoạn quá trình khai thác công trình Cuối cùng, các tính toán về ứng suất và chuyển vị của các kết cấu bộ phận, mà độ bền hoặc độ ổn định của công trình chung phụ thuộc vào, cũng rất quan trọng.
Trạng thái giới hạn thứ hai đề cập đến việc các công trình, kết cấu và nền của chúng hoạt động không hiệu quả trong điều kiện khai thác bình thường Điều này bao gồm việc tính toán độ bền cục bộ của nền, kiểm tra hạn chế chuyển vị và biến dạng, cũng như sự hình thành hoặc mở rộng vết nứt và mối nối thi công Ngoài ra, cần xem xét sự phá hoại độ bền thấm cục bộ và độ bền của các kết cấu bộ phận chưa được phân tích ở trạng thái giới hạn thứ nhất.
Đánh giá sự xuất hiện các trạng thái giới hạn được thực hiện thông qua việc so sánh các trị số tính toán như ứng lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, và sự mở rộng khe nứt với khả năng chịu tải của công trình, độ bền vật liệu, và các trị số cho phép về bề rộng khe nứt và biến dạng, tất cả đều được quy định trong các quy phạm hiện hành.
- Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là:
Trong đó: n c - hệ số tổ hợp tải trọng
N tt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp; m - hệ sốđiều kiện làm việc
R - trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền
K n - hệ số tin cậy được lựa chọn theo cấp công trình và tổ hợp tải trọng
Khi thực hiện kiểm tra theo phương trình (2-1), cần đảm bảo rằng đại lượng bên phải không vượt quá 10 đến 15% so với đại lượng bên trái, dựa trên tổ hợp tải trọng bất lợi nhất để duy trì điều kiện kinh tế.
- Hay kiểm tra theo công thức:
Trong đó: σ - trị sốứng suất tính toán
R a và R b là các cường độ tính toán của cốt thép và bê tông, trong khi φ là hàm số phụ thuộc vào tính chất của trạng thái ứng suất và biến dạng của đập.
Khi tính toán độ bền của đập cao tới 60m, cần đảm bảo rằng nó đáp ứng các điều kiện về độ bền dưới tác động của tổ hợp lực cơ bản.
- Ở tất cảcác điểm của thân đập phải thoảmãn các điều kiện sau:
- Ở những điểm trên bề mặt thượng lưu (mặt chịu áp):
- Ở mặt tiếp giáp giữa đập và nền, sát mặt chịu áp:
Trong công thức T 0 σ ≤ (1-6), σ1 và σ3 đại diện cho ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất trong thân đập Ứng suất pháp theo phương thẳng đứng tại mặt thượng lưu đập được ký hiệu là σyt, trong khi σt là ứng suất pháp tại bề mặt cắt tiếp giáp với nền đá gần mặt thượng lưu Các ký hiệu γ, h và Rbt lần lượt chỉ dung trọng của nước, cột nước trên mặt cắt tính toán và cường độ lăng trụ của bê tông.
1.3.2.2 Đánh giá an toàn và độ bền đánh giá theo tiêu chuẩn Mỹ (Cân bằng cực hạn)
Dưới tác dụng của các tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Ổn định chống lật ở mặt phẳng bất kì, mặt phẳng đáy đập hoặc mặt phẳng dưới đáy đập
- Ổn định chống trượt ở mặt phẳng ngang, mặt phẳng giữa đập và nền, mặt trượt sâu dưới nền
- Ứng suất phát sinh trong đập và nền đập không vượt quá ứng suất cho phép
Các tính toán kiểm tra đặc biệt chú ý những mặt cắt biến đổi, nơi có tải trọng tập trung, xung quanh lỗkhóet đường hầm, mái thượng lưu, hạlưu đập …
Kết quả kiểm tra ổn định lật, trượt và ứng suất đập cần đáp ứng các tiêu chuẩn đánh giá theo EM 1110 – 2 – 2200, như được trình bày trong bảng 1-5 Độ bền nén (fc) và độ bền kéo (ft) của bê tông được xác định dựa trên các tải trọng tĩnh.
Bảng 1.5 Hệ số an toàn về ổn định và độ bền theo tiêu chuẩn Mỹ [ ] 4 Điều kiện tải trọng
Vị trí hợp lực trên mặt đáy B
Hệ số trượt nhỏ nhất FS
Khả năng chịu tải của nền Ứng suất bê tông
Bình thường 1/3 ÷ 2/3 B 3.0 Khảnăng cho phép 0.3 f c ' 0
Bất thường 1/4 ÷ 3/4B 2.0 Khảnăng cho phép 0.5 f c ' 0.6 f t ' Đặc biệt 0 ÷ 1B 1.3
