Một số vấn đề kết cấu trong xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông - GS.TS. Nguyễn Văn Lệ

MỘT SỐ VẤN ĐỀ KẾT CẤU TRONG<br /> XÂY DỰNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG<br /> GS. TS. Nguyễn Văn Lệ<br /> Tóm tắt báo cáo<br /> Đập đá đổ bản mặt bê tông là loại đập mới được xây dựng nhiều trong khoảng vài chục<br /> năm trở lại đây và được xem là một tiến bộ về công nghệ xây dựng đập. Ở Việt Nam, loại hình<br /> đập mới này cũng chỉ mới được đưa vào, đầu tiên là đập Na Hang (Tuyên Quang), cao 92,2m,<br /> tiếp theo là đập Rào Quán (Quảng Trị), cao 78m, và đập Cửa Đạt (Thanh Hoá), cao 117m. Một<br /> trong những thành công trong việc ứng dụng các công nghệ mới này là việc đề xuất các giải pháp<br /> kết cấu, thiết lập và giải các bài toán kết cấu phục vụ cho việc thiết kế và thi công công trình.<br /> Báo cáo trình bày những nét chính về công nghệ, những vấn đề kết cấu nảy sinh, cách giải, kết<br /> quả thu được và một số kiến nghị..<br /> 1. Mở đầu<br /> Đập đá đổ bản mặt được coi là loại đập có nhiều ưu điểm, như dễ thích hợp với các điều<br /> kiện địa hình, địa chất nơi xây dựng, tính an toàn về ổn định cao ngay cả khi chịu tải trọng động<br /> đất lớn, thi công không phụ thuộc vào thời tiết, tận dụng được đá thải loại khi đào hố móng đập,<br /> tràn hoặc đường hầm trong cụm công trình đầu mối, giá thành xây dựng rẻ ... Chính vì vậy,<br /> nhiều tài liệu đã nói đây là giải pháp được suy nghĩ chọn lựa đầu tiên khi có yêu cầu xây dựng<br /> đập.<br /> Bảng 1. Đập đá đổ bản mặt bê tông xây dựng trên thế giới tính đến năm 2004<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Theo [1], chỉ tính riêng các đập đá đổ bản mặt bê tông cao trên 100m, trên thế giới đã xây<br /> dựng được khoảng 200, trong đó có hơn 20 đập cao trên 150m. Trung Quốc hiện là nước xây<br /> dựng nhiều đập đá đổ bản mặt bê tông, theo [2], tính đến năm 2004, về số lượng Trung Quốc<br /> chiếm đến 31,9% tổng số đập đá đổ bản mặt bê tông của cả thế giới, trong đó số đập cao trên<br /> 100m chiếm 30,4% (bảng 1). Các nước Châu Mỹ La Tinh như Brazil, Columbia, Mehicô ... tuy<br /> số lượng đập xây dựng ít hơn nhưng ngay từ đầu những năm 1990 đã xây dựng những đập cao<br /> trên 100m và có nhiều đóng góp cho công nghệ xây dựng các đập đá đổ bản mặt cao.<br /> Theo [3], với đập đá đổ bản mặt cao trên 100m, đặc biệt là những đập cao trên 200m, phải<br /> giải quyết nhiều vấn đề phức tạp cả về thiết kế lẫn thi công, như phân chia vùng vật liệu trong<br /> thân đập và lựa chọn công nghệ thi công đắp đập hợp lý để hạn chế biến dạng của thân đập, bản<br /> mặt chịu uốn lớn do thân đập bị biến dạng lớn và không thể đổ một lần, bản mặt và tầng đệm có<br /> hiện tượng bị tách rời cục bộ (hiện tượng "thoát không") ... Do bản mặt bị uốn lớn nên cốt thép<br /> trong bản mặt không thể bố trí một lớp ở chính giữa chiều dày của bản mặt như các đập thấp<br /> dưới 100m được xây dựng thời ký đầu mà phải bố trí hai lớp như các tấm chịu uốn. Mặt khác,<br /> phải phát triển các công nghệ như phát hiện và xử lý hiện tượng thoát không để bảo đảm an toàn<br /> cho bản mặt khi hồ tích nước, cũng như các biện pháp khắc phục nếu xảy ra nứt bản mặt ...<br /> Báo cáo này giới hạn trình bày chỉ một số vấn đề kết cấu như ảnh hưởng của tầng đệm, của<br /> khối đá thân đập, của thi công đắp đập và của hiện tượng thoát không đến mô men uốn của bản<br /> mặt, cũng như ảnh hưởng của việc đắp tiếp đập đến phần bản mặt đã đổ, trong trường hợp đập<br /> cao, phải chia đợt thi công đắp đập và đổ bản mặt.<br /> 2. Ảnh hưởng của vật liệu thân đập đến mô men uốn của bản mặt<br /> H. 1. vẽ mặt cắt ngang của đập. Các lớp vật liệu từ thượng lưu về hạ lưu lần lượt là tầng<br /> đệm (2A), tầng quá độ (3A), khối đá thượng lưu (3B), khối đá hạ lưu (3C).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H. 1. Mặt cắt ngang của đập<br /> Trong báo cáo này trình bày ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu các lớp đến nội<br /> lực của bản mặt trong trường hợp hồ tích nước với giả thiết bản mặt hoàn toàn tiếp xúc với tầng<br /> đệm.<br /> a. Ảnh hưởng của vật liệu tầng đệm<br /> H. 2 biểu diễn biểu đồ mô men uốn của bản mặt. H. 3 biểu diễn quan hệ giữa mô men<br /> uốn tại vị trí gần bản chân với mô đun biến dạng của vật liệu tầng đệm.<br />  H. 2. Mô men uốn của bản mặt<br /> <br /> Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa<br /> Mô men uốn của bản mặt ở gần khớp chu vi và<br /> Mô đun biến dạng của tầng đệm<br /> 100<br /> 90.67<br /> Mô men uốn của<br /> <br /> <br /> <br /> 80<br /> bản mặt (Tm)<br /> <br /> <br /> <br /> 60<br /> 51.01 Series1<br /> 40<br /> 25.54<br /> 20<br /> 12.99 9.75<br /> 0<br /> 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000<br /> 2<br /> Mô đun biến dạng của tầng đệm T/m<br /> <br /> <br /> H. 3. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của tầng đệm<br /> Nhìn vào các hình vẽ này có thể thấy biểu đồ mô men uốn của bản mặt ở xa khớp chu<br /> vi ít phụ thuộc vào giá trị của mô đun biến dạng của lớp 2A, nhưng trị của mô men uốn của bản<br /> mặt ở gần khớp chu vi tăng rất nhanh khi các giá trị này giảm nhỏ. Do vậy, cần có biện pháp<br /> kiểm soát chất lượng của tầng đệm khi đắp đập và có giải pháp tăng cường khả năng chống uốn<br /> cho bản mặt ở vị trí gần khớp chu vi.<br /> b. Ảnh hưởng của vật liệu tầng qua độ<br /> Tương tự như ở trường hợp thay đổi giá trị mô đun biến dạng của tầng đệm (2A), khi<br /> thay đổi giá trị mô đun biến dạng của tầng quá độ (3A) cũng chỉ mô men uốn của bản mặt ở<br /> vùng gần khớp chu vi thay đổi đáng kể, còn ở phía trên mô men uốn của bản mặt hầu như không<br /> thay đổi. Điều khác biệt ở đây là ứng với cả giá trị tăng và giảm của mô đun biến dạng so với giá<br /> trị 7000 T/m2 giá trị của mô men uốn ở khu vực gần khớp chu vi đều tăng (h. 3). Do vậy, cũng<br /> cần có biện pháp kiểm soát chất lượng của tầng quá độ khi đắp đập và có giải pháp tăng cường<br /> khả năng chống uốn cho bản mặt ở vị trí gần khớp chu vi<br />  Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa<br /> Mô men uốn của bản mặt ở gần khớp chu vi và<br /> Mô đun biến dạng của tầng quá độ<br /> <br /> 50<br /> Mô men uốn của<br /> <br /> 45.28<br /> bản mặt (Tm)<br /> 40<br /> 36.13<br /> 30 30.03 31.60 Series1<br /> 25.55<br /> 20 Series2<br /> 10<br /> 0<br /> 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000<br /> 2<br /> Mô đun biến dạng của tầng quá độ T/m<br /> <br /> <br /> H. 4. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của tầng quá độ<br /> <br /> c. Ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu khối đá chính<br /> <br /> Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa<br /> Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của khối đá chính<br /> 50<br /> Mô men uốn của bản<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 40 40.23<br /> Mô men uốn max ở gần khớp chu vi 34.08<br /> 30<br /> Mô men uốn max ở vùng trên 25.55<br /> mặt (Tm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 20<br /> 14.44<br /> 10 9.41 6.53 4.93 3.92 3.2<br /> 0<br /> -10 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000<br /> -20 -23.65<br /> -30<br /> Mô đun biến dạng của khối đá chính T/m2<br /> <br /> <br /> H. 5. Quan hệ giữa Mô men uốn của bản mặt và MĐBD của khối đá chính<br /> <br /> Khác với hai trường hợp trình bày ở trên, khi thay đổi giá trị mô đun biến dạng của<br /> khối đá chính (3B), mô men uốn của bản mặt trên suốt chiều dài của bản mặt đều thay đổi. Trị<br /> mô men uốn lớn nhất của bản mặt ở gần khớp chu vị giảm, thậm chí đổi dấu khi giảm giá trị mô<br /> đun biến dạng của khối đá chính, còn trị mô men uốn lớn nhất của bản mặt ở phần còn lại biến<br /> thiên theo chiều ngược lại, tức là tăng khi mô đun biến dạng giảm (h. 5). Điều này cho thấy khối<br /> đá chính có ảnh hưởng quan trọng đến mô men uốn của bản mặt, do vậy cần đặc biệt chú ý đến<br /> chất lượng thiết kế và thi công khối đá này.<br /> <br /> <br /> <br /> d. Ảnh hưởng của mô đun biến dạng của vật liệu khối đá hạ lưu<br />  Với kích thước của khối đá hạ lưu được thiết kế (h. 1), ảnh hưởng của mô đun biến<br /> dạng của khối đá này đến mô men uốn của bản mặt hầu như không đáng kể. Cũng chính vì vậy<br /> mà vật liệu đắp đập ở vùng này có thể sử dụng đá tận dụng và yêu cầu đầm nện cũng không cần<br /> cao như ở khối đá chính.<br /> <br /> 2. Ảnh hưởng thoát không của bản mặt đến mô men uốn của bản mặt<br /> Thoát không của bản mặt là hiện tượng bản mặt không "bám" được vào tầng đệm, do<br /> đó khi chịu áp lực nước phần bản mặt bị thoát không này không tựa được vào tầng đệm, làm cho<br /> mô men uốn trong phạm vi này tăng lớn, dễ dẫn đến nứt bản mặt. H. 6 cho biểu đồ mô men uốn<br /> 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<br /> dọc theo chiều mái dốc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vị trí thoát không<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H. 6. Mô men uốn của bản mặt khi bản mặt bị thoát không<br /> Phạm vi thoát không càng lớn, mô men uốn do áp lực nước gây ra càng lớn. Điều nguy<br /> hiểm là, do mô men uốn ở vị trí thoát không có chiều làm căng ở phía dưới bản mặt nên nếu bị<br /> nứt thì vết nứt bắt đầu xuất hiện ở mặt dưới, không quan sát thấy được. Còn khi quan sát thấy<br /> nứt thì vết nứt này đã là vết nứt xuyên, dẫn đến thẩm lậu nước qua bản mặt. Chính vì vậy mà cần<br /> theo dõi kiểm tra tình trạng thoát không để xử lý trước khi tích nước trước khi đưa vào vận hành<br /> và cả trong thời kỳ đầu vận hành khi biến dạng của thân đập chưa ổn định. Việc bố trí cốt thép<br /> hai lớp ở bản mặt cũng góp phần tăng khả năng chống nứt do xảy ra hiện tượng thoát không của<br /> bản mặt ở mức độ nhất định.<br /> <br /> 3. Ảnh hưởng của khối đá đắp tiếp đến mô men uốn của bản mặt đã đổ<br />  Với các đập cao trên 100m, do điều kiện thi công, thường phải chia đợt đắp đập và đổ bản<br /> mặt. Sau khi đắp đập đến một cao trình nào đó, đợi lún ổn định thì bắt đầu đổ bản mặt, sau đó lại<br /> đắp tiếp đập. Do tác dụng của khối đá đắp thêm, phần thân đập đã đắp bị lún và chuyển dịch về<br /> phía hạ lưu, dẫn đến bản mặt tựa lên nó bị uốn. H. 7 biểu diễn biến dạng của thân đập khi thi<br /> công tiếp thân đập đến cao trình đỉnh đập.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H. 7. Biến dạng của đập khi đắp tiếp thân đập<br /> H. 8 vẽ biểu đồ mô men uốn của bản mặt khi đắp tiếp thân đập. Có thể thấy, mô men uốn<br /> này làm căng mặt trên của bản mặt và có trị lớn nằm ở đỉnh của phần bản mặt đã đổ, do kết quả<br /> phần thân đập đã đắp ở đợt trước bị lún và có chuyển vị ngang về phía hạ lưu. Ở nhiều đập đã<br /> xây dựng, do không chú ý đến bài toán thi công này và có giải pháp thiết kế thích hợp nên đã dẫn<br /> đến nứt nhiều ở phạm vi gần đỉnh của phần bản mặt đã đổ. Trường hợp ở vị trí này thân đập bị<br /> lún nhiều hơn độ võng của bản mặt, ở vị trí đó bản mặt sẽ không còn tiếp xúc vào tầng đệm (các<br /> tài liệu Trung Quốc gọi là hiện tượng bản mặt bị thoát không). Khoảng cách thoát không thường<br /> không lớn, chỉ vài cm, nhưng cũng đủ làm bản mặt bị nứt khi chịu áp lực nước vì không có chỗ<br /> tựa.<br />  H. 8. Biểu đồ mô men uốn của bản mặt đã đổ khi đắp tiếp thân đập phía trên<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> Những vấn đề kết cấu trên là những vấn đề kết cấu quan trọng cần lưu tâm trong quá trình<br /> thiết kế và thi công đập. Bên cạnh các phần mềm tính toán, vấn đề cần quan tâm là các chỉ tiêu<br /> cơ lý của vật liệu đắp đập phục vụ cho việc tính toán và các thiết bị quan trắc bố trí trong thân<br /> đập và dưới bản mặt để đánh giá và hiệu chỉnh kết quả tính toán.<br /> <br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1] Charrette on Key Technology for High CFRD Construction & Celebrating the<br /> Foundation of CFRD Int. Society. Nov. 30~Dec.3, 2008. Hong Kong, China<br /> [2] Technic Notes 2004, 7 Vol 20, No 7, page 23<br /> [3] Ma H. 2.Q., Cao G. M.: Key Technical Problems of Extra-heigh CFRD,<br /> Science in China Press, 2007<br /> SOME STRUCTURE PROBLEMS IN CONSTRUCTION OF CFRD<br /> Prof. Dr. Nguyen Van Le<br /> CFRD is a new type of dams that have been constructed a lot since some decades and that<br /> are considered as a progress in dam construction technology. In Vietnam, this type of dams has<br /> just been applied, firstly is Nahang dam (Tuyenquang province) of 92.2m high, and then<br /> Raoquan dam (Quangtri province) of 78m high, and the last is Cuadat (Thanhhoa province) of<br /> 117m high. One of the successful application of the new technology is proposing structural<br /> solutions, establishing and solving structural problems serving for the design and implementation<br /> of the dam. This paper presents the main features of construction technology, the requiered<br /> structural problems, the solving method, the results and some disscusions..<br />