Một số vấn đề kết cấu trong xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông

MỘT SỐ VẤN ĐỀ KẾT CẤU TRONG XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG GS. TS. Nguyễn Văn Lệ Tóm tắt báo cáo Đập đá đổ bản mặt bê tông là loại đập mới được xây dựng nhiều trong khoảng vài chục năm trở lại đây và được xem là một tiến bộ về công nghệ xây dựng đập. Ở Việt Nam, loại hình đập mới này cũng chỉ mới được đưa vào, đầu tiên là đập Na Hang (Tuyên Quang), cao 92,2m, tiếp theo là đập Rào Quán (Quảng Trị), cao 78m, và đập Cửa Đạt (Thanh Hoá), cao 117m. Một trong những thành công trong việc ứng dụng các công nghệ mới này là việc đề xuất các giải pháp kết cấu, thiết lập và giải các bài toán kết cấu phục vụ cho việc thiết kế và thi công công trình. Báo cáo trình bày những nét chính về công nghệ, những vấn đề kết cấu nảy sinh, cách giải, kết quả thu được và một số kiến nghị.. 1. Mở đầu Đập đá đổ bản mặt được coi là loại đập có nhiều ưu điểm, như dễ thích hợp với các điều kiện địa hình, địa chất nơi xây dựng, tính an toàn về ổn định cao ngay cả khi chịu tải trọng động đất lớn, thi công không phụ thuộc vào thời tiết, tận dụng được đá thải loại khi đào hố móng đập, tràn hoặc đường hầm trong cụm công trình đầu mối, giá thành xây dựng rẻ ... Chính vì vậy, nhiều tài liệu đã nói đây là giải pháp được suy nghĩ chọn lựa đầu tiên khi có yêu cầu xây dựng đập. Bảng 1. Đập đá đổ bản mặt bê tông xây dựng trên thế giới tính đến năm 2004 Theo [1], chỉ tính riêng các đập đá đổ bản mặt bê tông cao trên 100m, trên thế giới đã xây dựng được khoảng 200, trong đó có hơn 20 đập cao trên 150m. Trung Quốc hiện là nước xây dựng nhiều đập đá đổ bản mặt bê tông, theo [2], tính đến năm 2004, về số lượng Trung Quốc chiếm đến 31,9% tổng số đập đá đổ bản mặt bê tông của cả thế giới, trong đó số đập cao trên 100m chiếm 30,4% (bảng 1). Các nước Châu Mỹ La Tinh như Brazil, Columbia, Mehicô ... tuy số lượng đập xây dựng ít hơn nhưng ngay từ đầu những năm 1990 đã xây dựng những đập cao trên 100m và có nhiều đóng góp cho công nghệ xây dựng các đập đá đổ bản mặt cao. Theo [3], với đập đá đổ bản mặt cao trên 100m, đặc biệt là những đập cao trên 200m, phải giải quyết nhiều vấn đề phức tạp cả về thiết kế lẫn thi công, như phân chia vùng vật liệu trong thân đập và lựa chọn công nghệ thi công đắp đập hợp lý để hạn chế biến dạng của thân đập, bản mặt chịu uốn lớn do thân đập bị biến dạng lớn và không thể đổ một lần, bản mặt và tầng đệm có hiện tượng bị tách rời cục bộ (hiện tượng "thoát không") ... Do bản mặt bị uốn lớn nên cốt thép trong bản mặt không thể bố trí một lớp ở chính giữa chiều dày của bản mặt như các đập thấp dưới 100m được xây dựng thời ký đầu mà phải bố trí hai lớp như các tấm chịu uốn. Mặt khác, phải phát triển các công nghệ như phát hiện và xử lý hiện tượng thoát không để bảo đảm an toàn cho bản mặt khi hồ tích nước, cũng như các biện pháp khắc phục nếu xảy ra nứt bản mặt ... Báo cáo này giới hạn trình bày chỉ một số vấn đề kết cấu như ảnh hưởng của tầng đệm, của khối đá thân đập, của thi công đắp đập và của hiện tượng thoát không đến mô men uốn của bản mặt, cũng như ảnh hưởng của việc đắp tiếp đập đến phần bản mặt đã đổ, trong trường hợp đập cao, phải chia đợt thi công đắp đập và đổ bản mặt. 2. Ảnh hưởng của vật liệu thân đập đến mô men uốn của bản mặt H. 1. vẽ mặt cắt ngang của đập. Các lớp vật liệu từ thượng lưu về hạ lưu lần lượt là tầng đệm (2A), tầng quá độ (3A), khối đá thượng lưu (3B), khối đá hạ lưu (3C). H. 1. Mặt cắt ngang của đập Trong báo cáo này trình bày ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu các lớp đến nội lực của bản mặt trong trường hợp hồ tích nước với giả thiết bản mặt hoàn toàn tiếp xúc với tầng đệm. a. Ảnh hưởng của vật liệu tầng đệm H. 2 biểu diễn biểu đồ mô men uốn của bản mặt. H. 3 biểu diễn quan hệ giữa mô men uốn tại vị trí gần bản chân với mô đun biến dạng của vật liệu tầng đệm. H. 2. Mô men uốn của bản mặt Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt ở gần khớp chu vi và Mô đun biến dạng của tầng đệm 9.7512.99 25.54 51.01 90.67 0 20 40 60 80 100 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Mô đun biến dạng của tầng đệm T/m2 M ô m e n u ố n c ủ a b ả n m ặ t (T m ) Series1 H. 3. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của tầng đệm Nhìn vào các hình vẽ này có thể thấy biểu đồ mô men uốn của bản mặt ở xa khớp chu vi ít phụ thuộc vào giá trị của mô đun biến dạng của lớp 2A, nhưng trị của mô men uốn của bản mặt ở gần khớp chu vi tăng rất nhanh khi các giá trị này giảm nhỏ. Do vậy, cần có biện pháp kiểm soát chất lượng của tầng đệm khi đắp đập và có giải pháp tăng cường khả năng chống uốn cho bản mặt ở vị trí gần khớp chu vi. b. Ảnh hưởng của vật liệu tầng qua độ Tương tự như ở trường hợp thay đổi giá trị mô đun biến dạng của tầng đệm (2A), khi thay đổi giá trị mô đun biến dạng của tầng quá độ (3A) cũng chỉ mô men uốn của bản mặt ở vùng gần khớp chu vi thay đổi đáng kể, còn ở phía trên mô men uốn của bản mặt hầu như không thay đổi. Điều khác biệt ở đây là ứng với cả giá trị tăng và giảm của mô đun biến dạng so với giá trị 7000 T/m2 giá trị của mô men uốn ở khu vực gần khớp chu vi đều tăng (h. 3). Do vậy, cũng cần có biện pháp kiểm soát chất lượng của tầng quá độ khi đắp đập và có giải pháp tăng cường khả năng chống uốn cho bản mặt ở vị trí gần khớp chu vi Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt ở gần khớp chu vi và Mô đun biến dạng của tầng quá độ 36.13 31.60 25.55 30.03 45.28 0 10 20 30 40 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Mô đun biến dạng của tầng quá độ T/m2 M ô m e n u ố n c ủ a b ả n m ặ t (T m ) Series1 Series2 H. 4. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của tầng quá độ c. Ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu khối đá chính Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của khối đá chính 40.23 34.08 25.55 14.44 -23.65 3.23.924.93 6.539.41 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Mô đun biến dạng của khối đá chính T/m2 M ô m e n u ố n c ủ a b ả n m ặ t (T m ) Mô men uốn max ở gần khớp chu vi Mô men uốn max ở vùng trên H. 5. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của khối đá chính Khác với hai trường hợp trình bày ở trên, khi thay đổi giá trị mô đun biến dạng của khối đá chính (3B), mô men uốn của bản mặt trên suốt chiều dài của bản mặt đều thay đổi. Trị mô men uốn lớn nhất của bản mặt ở gần khớp chu vị giảm, thậm chí đổi dấu khi giảm giá trị mô đun biến dạng của khối đá chính, còn trị mô men uốn lớn nhất của bản mặt ở phần còn lại biến thiên theo chiều ngược lại, tức là tăng khi mô đun biến dạng giảm (h. 5). Điều này cho thấy khối đá chính có ảnh hưởng quan trọng đến mô men uốn của bản mặt, do vậy cần đặc biệt chú ý đến chất lượng thiết kế và thi công khối đá này. d. Ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu khối đá hạ lưu Với kích thước của khối đá hạ lưu được thiết kế (h. 1), ảnh hưởng của mô đun biến dạng của khối đá này đến mô men uốn của bản mặt hầu như không đáng kể. Cũng chính vì vậy mà vật liệu đắp đập ở vùng này có thể sử dụng đá tận dụng và yêu cầu đầm nện cũng không cần cao như ở khối đá chính. 2. Ảnh hưởng thoát không của bản mặt đến mô men uốn của bản mặt Thoát không của bản mặt là hiện tượng bản mặt không "bám" được vào tầng đệm, do đó khi chịu áp lực nước phần bản mặt bị thoát không này không tựa được vào tầng đệm, làm cho mô men uốn trong phạm vi này tăng lớn, dễ dẫn đến nứt bản mặt. H. 6 cho biểu đồ mô men uốn của bản mặt, khi tại vị trí cao trình 68 của đập vẽ ở hình 1, bị thoát không với phạm vi dài 0,75m dọc theo chiều mái dốc. H. 6. Mô men uốn của bản mặt khi bản mặt bị thoát không Phạm vi thoát không càng lớn, mô men uốn do áp lực nước gây ra càng lớn. Điều nguy hiểm là, do mô men uốn ở vị trí thoát không có chiều làm căng ở phía dưới bản mặt nên nếu bị nứt thì vết nứt bắt đầu xuất hiện ở mặt dưới, không quan sát thấy được. Còn khi quan sát thấy nứt thì vết nứt này đã là vết nứt xuyên, dẫn đến thẩm lậu nước qua bản mặt. Chính vì vậy mà cần theo dõi kiểm tra tình trạng thoát không để xử lý trước khi tích nước trước khi đưa vào vận hành và cả trong thời kỳ đầu vận hành khi biến dạng của thân đập chưa ổn định. Việc bố trí cốt thép hai lớp ở bản mặt cũng góp phần tăng khả năng chống nứt do xảy ra hiện tượng thoát không của bản mặt ở mức độ nhất định. 3. Ảnh hưởng của khối đá đắp tiếp đến mô men uốn của bản mặt đã đổ Vị trí thoát không Với các đập cao trên 100m, do điều kiện thi công, thường phải chia đợt đắp đập và đổ bản mặt. Sau khi đắp đập đến một cao trình nào đó, đợi lún ổn định thì bắt đầu đổ bản mặt, sau đó lại đắp tiếp đập. Do tác dụng của khối đá đắp thêm, phần thân đập đã đắp bị lún và chuyển dịch về phía hạ lưu, dẫn đến bản mặt tựa lên nó bị uốn. H. 7 biểu diễn biến dạng của thân đập khi thi công tiếp thân đập đến cao trình đỉnh đập. H. 7. Biến dạng của đập khi đắp tiếp thân đập H. 8 vẽ biểu đồ mô men uốn của bản mặt khi đắp tiếp thân đập. Có thể thấy, mô men uốn này làm căng mặt trên của bản mặt và có trị lớn nằm ở đỉnh của phần bản mặt đã đổ, do kết quả phần thân đập đã đắp ở đợt trước bị lún và có chuyển vị ngang về phía hạ lưu. Ở nhiều đập đã xây dựng, do không chú ý đến bài toán thi công này và có giải pháp thiết kế thích hợp nên đã dẫn đến nứt nhiều ở phạm vi gần đỉnh của phần bản mặt đã đổ. Trường hợp ở vị trí này thân đập bị lún nhiều hơn độ võng của bản mặt, ở vị trí đó bản mặt sẽ không còn tiếp xúc vào tầng đệm (các tài liệu Trung Quốc gọi là hiện tượng bản mặt bị thoát không). Khoảng cách thoát không thường không lớn, chỉ vài cm, nhưng cũng đủ làm bản mặt bị nứt khi chịu áp lực nước vì không có chỗ tựa. H. 8. Biểu đồ mô men uốn của bản mặt đã đổ khi đắp tiếp thân đập phía trên 4. Kết luận Những vấn đề kết cấu trên là những vấn đề kết cấu quan trọng cần lưu tâm trong quá trình thiết kế và thi công đập. Bên cạnh các phần mềm tính toán, vấn đề cần quan tâm là các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập phục vụ cho việc tính toán và các thiết bị quan trắc bố trí trong thân đập và dưới bản mặt để đánh giá và hiệu chỉnh kết quả tính toán. Tài liệu tham khảo [1] Charrette on Key Technology for High CFRD Construction & Celebrating the Foundation of CFRD Int. Society. Nov. 30~Dec.3, 2008. Hong Kong, China [2] Technic Notes 2004, 7 Vol 20, No 7, page 23 [3] Ma H. 2.Q., Cao G. M.: Key Technical Problems of Extra-heigh CFRD, Science in China Press, 2007 SOME STRUCTURE PROBLEMS IN CONSTRUCTION OF CFRD Prof. Dr. Nguyen Van Le CFRD is a new type of dams that have been constructed a lot since some decades and that are considered as a progress in dam construction technology. In Vietnam, this type of dams has just been applied, firstly is Nahang dam (Tuyenquang province) of 92.2m high, and then Raoquan dam (Quangtri province) of 78m high, and the last is Cuadat (Thanhhoa province) of 117m high. One of the successful application of the new technology is proposing structural solutions, establishing and solving structural problems serving for the design and implementation of the dam. This paper presents the main features of construction technology, the requiered structural problems, the solving method, the results and some disscusions..