Một số giải pháp nâng cao an toàn cho đập đá đổ bản mặt bê tông

Báo cáo trình bày ứng dụng thực tế của các đập đá đổ bản mặt bê tông đã được xây dựng và một số giải pháp nâng cao an toàn của đập đã được ứng dụng ở trên thế giới và trong nước

1. Nguyên lý làm việc và thực tế ứng xử của đập đá đổ bản mặt bê tông

Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là kết cấu đập đang được ứng dụng phổ biến hiện nay trên thế giới. Nó có ưu thế đến mức đã được tổng kết trong các sách giáo khoa về thuỷ công là "loại đập đầu tiên được nghĩ đến khi có yêu cầu xây dựng đập". Tại sao lại như vậy? Vì nó là loại đập có tính an toàn cao, ít "kén chọn" điều kiện địa hình địa chất, có thể thi công ở mọi loại thời tiết, tận dụng được tối đa các loại đá thải loại đào từ hố móng tràn hoặc đường hầm tháo lũ, mang lại hiệu quả lớn về kinh tế và kỹ thuật.

H.1. Mặt cắt ngang đập

Về nguyên lý, kết cấu đập gồm hai phần chính (h. 1). Một là bộ phận chịu lực với yêu cầu bảo đảm cho đập ổn định dưới tác dụng đẩy ngang của khối nước chứa trong hồ ở thượng lưu đập. Bộ phận này được cấu tạo chủ yếu bởi khối đá IIIB và IIIC được đầm nén kỹ như công nghệ làm đường, trong đó khối 3B được làm từ đá chọn lọc lấy từ mỏ đá, còn khối 3C được làm từ đá thải loại tận dụng từ đá đào hố móng tràn hoặc đường hầm tháo lũ để giảm giá thành xây dựng đập cũng như giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Hai là bộ phận chống thấm bao gồm bản mặt và bản chân được làm bằng bê tông cốt thép với yêu cầu kín nước để hạn chế tối đa rò rỉ nước từ hồ chứa, tránh mất nước và gây xói thân đập, làm mất an toàn đập. Vì bê tông cốt thép là loại vật liệu dòn, dễ bị nứt nẻ khi có biến dạng lớn nên yêu cầu khối đá đầm nện để làm nền cho bản mặt và nền được lựa chọn để đặt bản chân phải ít biến dạng trong quá trình chịu lực. Bản mặt được thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm và đủ "mềm" để có thể biến dạng theo biến dạng của mặt thượng lưu thân đập, nên có bề dày khá mỏng. Do vậy, khả năng chịu lực của bản mặt chủ yếu dựa vào sự tiếp xúc chặt chẽ của bản mặt với mặt thượng lưu của thân đập. Về nguyên lý, vì thân đập được đầm nén kỹ, ít bị biến dạng, nên bản mặt hầu như không chịu uốn mà chỉ chịu biến dạng do bê tông co ngót và dãn nở do biến đổi nhiệt độ. Vì vậy trong bản mặt chỉ bố trí một lớp cốt thép ở chính giữa chiều dày của nó.

Thực tế làm việc của nhiều đập, nhất là các đập có chiều cao lớn cho thấy rất khó thực hiện để hạn chế biến dạng lớn của thân đập, vì rất khó kiểm soát sự đồng đều của đá dùng để đắp đập cũng như chất lượng đầm nén các khối đá ở hiện trường với khối lượng thi công lên tới hàng triệu khối. Mặt khác, mặc dù bản mặt được đổ khi kết quả quan trắc cho thấy thân đập đã ổn định lún, nhưng trong quá trình tích nước kết quả tính toán cũng như quan trắc thực tế cho thấy thân đập vẫn tiếp tục bị lún và bị chuyển dịch về phía hạ lưu. H. 2 biểu diễn kết quả tính toán và quan trắc chuyển vị của đập Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc) sau một năm đưa vào sử dụng [1].

H.2. Chuyển vị của đập Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc) khi tích nước

Đấy là chưa kể với đập cao, trong quá trình thi công phải phân đợt đắp đập và đổ bản mặt. Thân đập được đắp và đổ bản mặt ở đợt trước tiếp tục bị lún và chuyển vị về phía hạ lưu khi đắp tiếp các khối phía trên ở các đợt thi công sau. H. 3 biểu diễn kết quả tính toán chuyển vị của thân đập Thiên Sinh Kiều trong trường hợp thi công đắp đập được chia thành ba đợt. Kết quả là mặt thượng lưu của đập bị võng và bản mặt mặc dù được thiết kế có chiều dày mỏng, nhưng lại làm bằng bê tông cốt thép là loại vật liệu cứng nên không thể uốn theo mặt thượng lưu của thân đập bị võng như ý định của người thiết kế, dẫn đến hiện tượng mất tiếp xúc giữa bản mặt và mặt thượng lưu của thân đập. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc gọi hiện tượng này là hiện tượng "thoát không" (h. 3).

H.3. Biến dạng của đập Thiên Sinh Kiều khi hoàn thành đắp đập

Chính vì lý do bản mặt mất tiếp xúc với thân đập nên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân bản mặt và nhất là áp lực nước bản mặt dễ bị nứt, dẫn đến rò rỉ, thẩm lậu nước qua thân đập. Có thể nói, nứt bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông là điều hầu như không thể tránh khỏi, chỉ có vấn đề là số lượng vết nứt ít hay nhiều và bề rộng vết nứt to hay nhỏ. Thẩm lậu là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng của đập Châu Thụ Kiều ở tỉnh Hồ Nam và vỡ đập Cấu Hậu ở tỉnh Thanh Hải của Trung Quốc, cả hai đập đều có chiều cao 78m được xây dựng vào những năm 1990 [2], [3].

H.4. Biến dạng của đập Cửa Đạt khi hoàn thành đắp đập đợt 2

H.5. Biến dạng của đập Cửa Đạt khi tích nước đến MNDBT

Ở Việt Nam, khi tính toán cho đập Cửa Đạt (Thanh Hoá) cao 117m cũng thấy tình hình tương tự [4]. Đập được chia làm hai đợt thi công. H. 4 biểu diễn biến dạng của mặt đập khi đắp xong đập ở đợt hai. H. 5 biểu diễn biến dạng của mặt thượng lưu khi tích nước đến cao trình mực nước dâng bình thường.

Điểm thứ hai cần lưu tâm là bản mặt được chia thành nhiều tấm có chiều rộng khoảng từ 6m đến 16m tuỳ theo điều kiện xây dựng, giữa các tấm là các khe dọc (h.6)

1. Bản chân                                                    6. Khớp nối dọc chịu nén
2. Khớp chu vi                                                7. Khe thi công ngang
3. Mảnh bản mặt đổ mồi                                8. Khớp nối ngang
4. Khe co dãn ngang và dọc                          a. Vùng bản mặt chịu kéo
5. Khớp nối dọc chịu kéo                               b. Vùng bản mặt chịu nén                       

H.6. Phân khe bản mặt đập

Do vai đập nằm trên sườn dốc nên các khe dọc nằm ở hai bên vai chịu kéo, còn các khe nằm giữa lòng sông chịu nén. Mặc dù đã có sự tính toán và có các biện pháp cấu tạo thích hợp cho từng loại khe, nhưng với nhiều đập vẫn xảy ra sự ép vỡ các khe chịu nén ở khu vực giữa đập. H. 7 là hình ảnh ép vỡ cạnh của hai tấm ở hai bên khe nối dọc của đập Mohale (Lesotho, Châu Phi), cao 145m.

H.7. Khớp nối dọc bị ép vỡ ở đập Mohale (Lesotho, Châu Phi)

H.8. Hư hỏng bản mặt đập Tử Bình Phố (Trung Quốc) khi động đất

Tình hình xảy ra tồi tệ hơn trong trường hợp chịu tải bất thường. Bản mặt không những bị ép vỡ ở khe dọc mà còn bị cắt và uốn nếp chồng lên nhau ở vị trí nối tiếp theo phương ngang giữa hai đợt đổ như ở đập Tử Bình Phố, cao 156m ở tỉnh Tứ Xuyên (Trung Quốc) trong trận động đất mạnh tháng 5 năm 2008 (h. 8).

2. Một số giải pháp nâng cao an toàn của đập đá đổ bản mặt bê tông

Trước thực tế nêu trên, để nâng cao an toàn của đập đá đổ bản mặt bê tông, nhiều nghiên cứu và tổng kết đã được tiến hành, nhất là ở các nước có trình độ khoa học kỹ thuật phát triển và đã tiến hành xây dựng nhiều đập loại này như Mỹ, Úc, Brazil, Trung Quốc... [6, 7, 8].

Giải pháp đầu tiên được nghĩ đến là gia tăng độ vững chắc của thân đập để giảm biến dạng của nó bằng cách mở rộng kích thước của khối đá IIIB về phía hạ lưu [6]. Mặt khác, thực hiện đắp đập trên toàn mặt cắt. Đập Công Bá Hiệp của Trung Quốc cao 132,2m đã được thi công theo phương pháp này cho thấy biến dạng lún của đập giảm đi rõ rệt. Tuy nhiên, giải pháp tăng kích thước của khối IIIB đòi hỏi chi phí tốn kém hơn và để đắp đập trên toàn mặt cắt thì nhà thầu phải có năng lực thi công lớn.

Giải pháp thứ hai được đề xuất là giảm tối đa hiện tượng thoát không bằng cách giám sát chặt chẽ quá trình đắp đập và trước khi tích nước sử dụng các thiết bị siêu âm và hồng ngoại xác định các vùng bản mặt bị mất tiếp xúc với thân đập, sau đó rót vữa lấp đầy vào các khu vực này. Nhiều đập của Trung Quốc và đập Cửa Đạt của Việt Nam đã áp dụng công nghệ này cho thấy giảm đáng kể hiện tượng nứt bản mặt.

Giải pháp thứ ba được áp dụng là thay vì bố trí một lớp cốt thép ở chính giữa chiều dày của bản mặt, bố trí hai lớp cốt thép ở hai phía của chiều dày bản mặt [7]. Với cách bố trí này bản mặt không những có khả năng chịu biến dạng trong mặt phẳng của nó mà còn tăng được đáng kể khả năng chịu uốn. Cách bố trí này đã được nêu trong dự thảo hướng dẫn thiết kế đập đá đổ bản mặt bê tông của Hội đập đá đổ bản mặt bê tông thế giới [8]. Nhiều đập của Trung Quốc xây dựng trong những năm gần đây, đập Cửa Đạt và đập Sông Bung 2 của Việt Nam đã bố trí hai lớp cốt thép cho bản mặt.

Giải pháp thứ tư là thay lớp vữa xi măng bảo vệ chống xói mặt tầng đệm khi chưa đổ bê tông bản mặt bằng dầm bó vỉa (curb) (h. 9), thi công vừa nhanh, vừa tạo điều kiện đầm chặt được tầng đệm. Giải pháp này lần đầu tiên được áp dụng ở đập Ita (Brazil) cao 125m, năm 1999, được chuyển giao áp dụng lần đầu tiên ở Trung Quốc vào khoảng năm 2002. Đập Sông Bung 2 của Việt Nam là đập đầu tiên áp dụng công nghệ này.

H.9. Mặt cắt và thi công dầm bó vỉa (curb)

Giải pháp thứ năm là để khoảng cách rộng hơn cho các khe dọc ở phạm vi giữa lòng sông và chèn vào khe dọc các tấm vật liệu đệm thích hợp để ngăn ngừa hiện tượng ép vỡ cạnh bản mặt hai bên khe dọc [6]. Ở Việt Nam, giải pháp này đã được áp dụng cho đập Cửa Đạt, đập Xekamẳn 3 và đập Sông Bung 2.

H.10. Đường cong cấp phối hạt của đất đắp lớp IA của đập Cửa Đạt

Giải pháp thứ sáu là khi thi công lớp IA đắp sát bản mặt ở phía chân đập thượng lưu (h. 1) để hỗ trợ chống thấm cho bản mặt, thay thế cho đất dính, sử dụng đất bột. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đất bột có khả năng bịt kín các khe nứt (nếu có) của bản mặt hơn là đất dính và do đó ngăn ngừa rò rỉ qua các khe nứt tốt hơn đất dính [7]. H. 10 biểu diễn biểu đồ cấp phối hạt của đất bột dùng đắp lớp IA của đập Cửa Đạt.

3. Kết luận

Đập đá đổ bản mặt bê tông ngày càng khẳng định ưu thế rõ ràng của nó so với các loại đập khác. Nguyên lý làm việc của đập rất rõ ràng và đơn giản, tuy vậy cần chú trọng tuân thủ chặt chẽ các qui định về thiết kế, thi công cũng như vận hành đập để bảo đảm an toàn và nâng cao tuổi thọ cho đập. Mặt khác, cũng cần cập nhật kịp thời các công nghệ đã được áp dụng ở trong và ngoài nước để nâng cao khả năng an toàn của đập. Hiện ở Việt Nam đã có 6 đập được thiết kế và thi công bởi các đơn vị tư vấn

và nhà thầu trong nước, trừ đập Sông Bung 2 đang xây dựng, các đập khác đang vận hành an toàn. Đây là bước tiến đáng kể của đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật trong nước trong việc tiếp cận và ứng dụng công nghệ tiên tiến trên thế giới về xây dựng đập./.

Tài liệu tham khảo

[1] Trương Bính Ấn, Soái Thụy Phong, Vương Cương: Phân tích bài toán mất tiếp xúc của bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông cao (tiếng Trung) Tạp chí địa kỹ thuật Trung Quốc, 5/2003

[2] Từ Kiến Tương, Trương Thế Tân: Kỹ thuật thi công xử lý thẩm lậu của đập đá đổ bản mặt Châu Thụ Kiều (tiếng Trung). Tạp chí Thuỷ điện Vân Nam, kỳ 1, tập 19 năm 2003

[3] Lý Quân Thuần, Vương Phong ...: Nghiên cứu quá trình vỡ đập và cơ chế phá hoại của đập đá đổ bản mặt Cấu Hậu (tiếng Trung) Viện NCKH thuỷ lợi Nam Kinh, 1996

[4] Nguyễn Văn Lệ, Vũ Thành Hải, Nguyễn Văn Huân, Hoàng Xuân Hồng: Kiểm tra, rà soát và đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn cho đập đá đổ bản mặt bê tông của công trình đầu mối hồ chứa nước Cửa Đạt (Thanh Hoá) Đề tài cấp bộ, Bộ NN&PTNT, 2008

[5] Ma Hong Qi, Cao Ge Ming: Key Technical Problems of Extra High CFRD Science in China Press, 2007

[6] Guidelines for Design of high CFRD Hội CFRD quốc tế, 2008

[7] Lệ Năng Tuệ: Công nghệ mới cho đập đá đổ bản mặt bê tông (tiếng Trung) NXB thuỷ lợi thuỷ điện Trung Quốc, 2007

[8] N. L. de Pinto: Very high CFRDs: Behaviour and Design Features Hydropower&Dams 2008

Tác giả: GS.TS. Nguyễn Văn Lệ
Trường Đại học Thủy lợi

Nguồn: Tài Liệu Hội thảo KH Toàn Quốc
Xây dựng các CTTL, Thủy điện ở Việt Nam những vấn đề đối mặt