KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
3
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH “THOÁT KHÔNG” DƯỚI TẤM BÊ TÔNG BẢN MẶT
Nguyễn Thái Hoàng
1
, Nguyễn Công Thắng
1
Tóm tắt: CFRD đập đá đổ được chống thấm bằng các tấm bê tông bản mặt. Các đập CFRD khi đưa
vào sdụng thường biến dạng lớn của thân đập dẫn đến hiện tượng mất tiếp xúc giữa tấm tông
bản mặt phần còn lại của thân đập. Kết quả tạo ra khoảng trống giữa tấm tông bản mặt lớp
đệm, hiện tượng này được các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng “thoát không”. Hiện ợng “thoát
không” thay đổi cơ chế làm việc của tấm bê tông bản mặt, có thể dẫn đến sự cố sập gẫy ảnh ởng đến
an toàn của công trình.
Tính khả thi của phương pháp phân tích dao động xác định “thoát không” tại hiện trường đã được
chứng minh bằng hình số. Trong khuôn khổ bài báo này nhóm nghiên cứu sẽ trình bày kết quả thực
nghiệm trên hình vật nhằm khẳng định các kết quả thu được từ các nghiên cứu trên hình số
đồng thời xây dựng quy trình thực nghiệm trước khi đưa vào áp dụng thực tế tại hiện trường.
Từ khóa: Đập CFRD, hiệnợng “thoát không”, mô hình vật lý, phương pháp phân tích dao động.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
*
Cùng với sự phát triển của khoa học kthuật
nói chung, khoa học thiết kế thi công c công
trình thủy lợi thủy điện cũng sự phát triển
vượt bậc trong những thời gian qua. Các nhà
khoa học đã tính toán thiết kế được các dạng
đập mới phù hợp với nhiều dạng địa hình địa
chất, tính an toàn, ổn định cao, tận dụng được
các vật liệu sẵn có, tăng ờng được khả năng
giới hóa thi công, nên đã làm giảm gthành y
dựng mà chất lượng công trình vẫn được đảm
bảo. Đập đá đổ bản mặt chống thấm bằng
tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là
một trong những loại đập như thế.
nh đến năm 2004, căn c o thống
chưa đy đ, từ sau m 1966, trên tn thế
giới đã có 260 đp, trong đó đập cao trên 100m
78 đập. Ti Việt Nam đp CFRD cũng đã
đang đưc lựa chn đ xây dng cho các cụm
ng trình đầu mối thủy lợi thủy điện Việt
Nam n: đp Tun Quang (cao 92m), đập
o Qn (cao 78m), đp Ca Đt (cao 118m),
1
Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi
đập An Khê Kanak (cao 60m), đập ng Bung
(cao 98m).
Trong thực tế, khi các đập này được đưa vào sử
dụng, nhất các đập chiều cao lớn thường
sự biến dạng lớn của thân đập dẫn đến hiện tượng
mất tiếp xúc giữa tấm tông bản mặt phần
còn lại của thân đập. Kết quả tạo ra khong trng
giữa tấm tông bản mặt lớp đệm, hiện tượng
này được các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng
“thoát không”.
“Thoát không” hin tượng gây ảnh ởng
đặc biệt nghiêm trọng bởi hiện ợng này thể
dẫn đến việc phân blại ng suất và thay đổi
chế làm việc của tấm tông bản mặt dẫn đến
giảm khả năng chống thấm tuổi thọ của công
trình. Nguy hại hơn hiện tượng này thể dẫn
đến sự c sập gẫy bản mặt bê tông phía thượng
lưu khiến đập bị phá hủy. Chính vậy cần theo
dõi kiểm tra tình trng “thoát không” để xử
trước khi tích nước để đưa vào vận hành trong
thời kỳ đầu vận hành khi biến dạng của thân đập
chưa ổn định. Cần phải phát triển c công nghệ
nhằm phát hiện và xử hiện tượng ‘thoát không’
để đảm bảo an toàn cho bản mặt khi hồ tích nước
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
4
cũng như các biện pháp khắc phục khi xảy ra hiện
tượng nứt bản mặt.
Hin nay trên thế gii đ xác đnh tht
không thưng s dụng pơng pp Ra đa
đt (Ground Penetrating Radar) (Annan A.P,
1992) tuy nhn vic ng dng phương pháp
y có nhng hạn chế nhất đnh (Đ Anh
Chung, nnk 2013).
Từ các kết quả nghiên cứu nh hưởng của
“thoát không” đến dao động của tấm tông bản
mặt trong (Nguyễn Thái Hoàng, nnk 2020) nhóm
nghiên cứu đề xuất phương pháp phân tích dao
động để xác định “thoát không” tại hiện trường
gồm các bước:
Bước 1: Tạo dao động cho tấm bản mặt bằng
cách ng tải trọng kích động tác dụng tại một v
trí xác định và sử dụng đầu đo gia tốc ghi lại phn
ứng gia tốc tại các vị trí xung quanh điểm kích
động theo thời gian.
Bước 2: Sử dụng biến đổi Fourier nhanh
chuyn kết quả đo theo thời gian sang miền tần s
để xác định tần số dao động riêng ứng với dạng
dao động đầu tiên của tấm.
Bước 3: Theo dõi sự thay đổi của tần s này đ
chỉ ra vị trí xảy ra “thoát không”.
Trong (Nguyễn Thái Hng, nnk 2021)
nhóm c giả đã sử dụng nh s để
phng phương pháp pn tích dao đng xác
đnh tht kng tại hin tng. Kết quả
nghn cu trên nh s đã cho thy tính
khthi của pơng pp.
Trong khuôn khổ bài báo này nhóm nghiên cu
sẽ trình bày kết quả thc nghiệm trên hình vật
lý nhằm khẳng định các kết quả thu được từ các
nghiên cứu trên hình s đồng thời xây dựng
quy trình thực nghiệm trước khi đưa vào áp dụng
thực tế tại hiện trường.
2. PHƯƠNG PHÁP KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp nghiên cu
2.1.1. Xây dựng mô hình vật
Đ phục v nghn cu các s c về thm,
trong khuôn kh đề tài ĐTĐL.CN-04/16,
Nghn cứu công ngh phát hin sm nguy
cơ s c đê sông, đp đt, đập đá, đp tông
trng lực đ xut gii pp x đã xây
dng mt mô hình vt t lệ lớn bng đt
đng chất (hình 1). Trên cơ s hình có sn,
nhóm nghn cu s sử dng mái hạ u phc
vụ thí nghim xác định hiện tưng thoát
không phía dưi tấm ng bn mt nhm
kim tra lại các kết qu thu đưc từ nghiên
cu trên mô nh s.
Hình 1. Mô hình vật lý tỷ lệ lớn
Với chiều dày của tấm mỏng 3cm, qua
nghiên cứu nhóm tác gi quyết định sử dụng xi
măng lưới thép đúc trực tiếp 4 tấm mỏng lên i
hlưu với 3 trường hợp “thoát không” có diện tích
khác nhau được bố trí trước 1 tấm không
“thoát không” để tiến hành so sánh.
Vị trí các “thoát không” trên hình vật
được th hiện trên hình 2 và quá trình xây dựng
mô hình hình 3.
Hình 2. Sơ đồ các vị trí các “thoát không”
trên mô hình vật lý (theo thứ tự : diện tích
“thoát không” trung bình , diện tích “thoát
không” nhỏ và diện tích “thoát không” lớn)
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
5
Hình 3. Quá trình xây dựng mô hình vật
2.1.2. Thí nghim xác định tần số dao đng riêng
của tm tông bn mặt tn nh vật lý
a) Thiết bị thí nghiệm :
- Bộ thiết bị đo dao động RION DA-40
- Búa
- Đầu đo gia tốc.
Đầu đo gia tốc được gắn vào các vị trí trên tấm
tông bản mặt, b thiết bị đo dao động được kết
nối với đầu đo gia tốc. Số liệu đo được ghi lại vào
thẻ nhớ sau đó được phân tích thông qua phần
mềm chuyên dng.
b) Phương pháp thí nghiệm
Bước 1: Chia bản mặt của các tấm hình vật
lý thành các hàng và ct ch nhau 10cm.
Bước 2: Gắn đầu đo gia tốc vào các vị trí được
đánh dấu trước.
Bước 3: Tạo dao động cho tấm bê tông bn mặt
bằng cách sử dụng búa kích động lên tấm tông
theo phương thẳng đứng. Thiết b đo ghi lại phn
ứng gia tốc tại nút theo thời gian.
Thực hiện nhiều lần đo tương tự như trên cho
toàn b bề mặt các tấm tông hình vật lý thu
được bộ số liệu gia tc tương ng cho từng tấm.
c) Xử lý kết quả thí nghiệm:
Hình 4. Quá trình thực nghiệm trên mô hình vật
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
6
Với mỗi s liệu đo gia tốc ơng ứng thu
được từ t nghiệm, thực hiện biến đổi Fourier
sang miền tần s để nhận dạng các tần s dao
động rng đặc biệt tn scủa dng dao động
đầu tn.
đồ các hàng cột, vị trí điểm kích động v
trí các điểm đo gia tốc giống thí nghiệm trên
hình số (Nguyễn Thái Hoàng, nnk 2021).
2.2. Kết quả nghiên cứu
2.2.1. Tờng hợp tấm không “thoát không”
Hình 5. Biểu đồ thay đổi gia tốc
tại điểm H1C1 theo thời gian
Kết quả nhận dạng tần sdao động riêng tại
điểm H1C1 (TH1) được thể hiện như nh 6.
Hình 6. Kết quả nhận dạng tần số dao động
riêng tại điểm H1C1 (TH1)
Nhìn vào hình 5 ta xác định được tần số dao
động riêng đầu tiên tại điểm H1C1 là 45,177 Hz.
Tiến hành tương tự cho các điểm còn lại và các
lần tính toán tiếp theo trên toàn b tấm nghiên
cứu. Kết quả được tổng hợp Bảng 1.
Bảng 1. Tần số dao động riêng đầu tiên trường hợp tấm không “thoát không”
C6 C5 C4 C3 C2 C1
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H1
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H2
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H3
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H4
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H5
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H6
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H7
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H8
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H9
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H10
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H11
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H12
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H13
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H14
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H15
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H16
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H17
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
7
C6 C5 C4 C3 C2 C1
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H18
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H19
45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 45.177 H20
2.2.2. Trường hợp tấm “thoát không” với diện
tích trung bình
Tiến hành tương t n đi với trưng hợp
tấm kng tht kng. Tng hợp kết qu
c đnh tần s dao đng đu tiên đưc thể
hin Bảng 2.
Bảng 2. Tần số dao động riêng đầu tiên trường hợp tấm “thoát không” diện tích trung bình
C6 C5 C4 C3 C2 C1
42.735 42.735 43.956 42.735 42.735 42.735 H1
42.735 42.735 43.956 42.735 42.735 42.735 H2
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H3
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H4
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H5
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H6
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H7
41.514 41.514 42.735 42.735 42.735 42.735 H8
41.514 41.514 41.514 42.735 42.735 42.735 H9
40.293 40.293 40.293 42.735 42.735 42.735 H10
41.514 41.514 41.514 42.735 42.735 42.735 H11
41.514 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H12
41.514 41.514 41.514 42.735 42.735 42.735 H13
40.293 40.293 40.293 42.735 42.735 42.735 H14
40.293 40.293 40.293 42.735 42.735 42.735 H15
41.514 41.514 41.514 42.735 42.735 42.735 H16
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H17
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H18
42.735 42.735 43.956 43.956 42.735 42.735 H19
42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 42.735 H20
2.2.3. Tờng hợp tấm “thoát không” với diện
tích nhỏ
Tiến nh tương tự như đối với 2 trường hợp
trước. Tổng hợp kết quả xác định tần số dao động
đầu tiên được thể hiệnBảng 3.