Luận văn thạc sĩ: Điều chỉnh đầm nén đập đá đổ bê tông bản mặt theo cấp phối, thiết bị

Luận văn thạc sĩ: điều chỉnh thông số đầm nén đập đá đổ bê tông bản mặt theo cấp phối và thiết bị thi công thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Dương Đức Tiến
• Trường học: Đại học Thủy Lợi Hà Nội
• Chuyên ngành: Công trình Thủy lợi
• Đề tài: Điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đập đá đổ bê tông bản mặt và vai trò của đầm nén chặt

Việc xây dựng đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) là một giải pháp hiệu quả cho nhiều dự án thủy lợi lớn. Loại đập này kết hợp sự vững chắc của khối đá đổ với khả năng chống thấm tuyệt vời của bản mặt bê tông. Để đảm bảo ổn định đập đá đổ và tuổi thọ công trình, công tác đầm nén đóng vai trò then chốt. Quá trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt không chỉ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của thân đập mà còn quyết định khả năng chống chịu tải trọng và các yếu tố môi trường. Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý đầm nén là bước khởi đầu để tối ưu hóa hiệu suất thi công.

1.1. Cấu tạo và ưu điểm của đập đá đổ bê tông bản mặt CFRD

Đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) là công trình thủy lợi phổ biến, được thiết kế với thân đập cấu tạo từ các khối đá đổ vững chắc và một bản mặt bê tông cốt thép đặt ở thượng lưu để đảm nhiệm chức năng chống thấm. Cấu tạo của đập CFRD bao gồm nhiều thành phần quan trọng: thân đập được phân vùng rõ rệt với các loại vật liệu có cấp phối vật liệu đắp khác nhau, từ lớp đệm dưới bản mặt (lớp đệm IIA), lớp đệm đặc biệt (IIB) dưới khớp nối, đến vùng đá chính thân đập (IIIA, IIIB, IIIC). Các tấm bản mặt bê tông được liên kết chặt chẽ với bản chân và với nhau thông qua hệ thống khớp nối đặc biệt, nhằm ngăn chặn dòng thấm khi có sự chuyển dịch giữa các bộ phận.

Ưu điểm nổi bật của CFRD bao gồm khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều điều kiện địa chất và địa hình, rút ngắn đáng kể thời gian thi công nhờ việc sử dụng vật liệu đá địa phương. Điều này không chỉ tối ưu hóa chi phí đầu tư mà còn tăng tính bền vững của dự án. Đập đá đổ bê tông bản mặt cũng thể hiện khả năng chịu biến dạng tốt, một yếu tố quan trọng đối với các đập cao. Kỹ thuật đầm nén đập đá đổ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo mật độ và độ chặt của từng lớp vật liệu, từ đó quyết định đến ổn định đập đá đổ tổng thể. Việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt một cách chính xác là điều kiện tiên quyết để đạt được hiệu suất công trình tối ưu và tuổi thọ bền vững. Mỗi vùng vật liệu đắp đều có yêu cầu kỹ thuật riêng về độ chặt và cấp phối, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ trong quá trình đầm nén.

1.2. Tầm quan trọng của công tác đầm nén trong thi công đập đá đổ

Công tác đầm nén không chỉ là một bước thi công mà là yếu tố quyết định sống còn trong quy trình thi công CFRD, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, độ bền vững và ổn định đập đá đổ. Mục đích cốt lõi của việc đầm nén là tăng mật độ khô của vật liệu đắp, giảm thiểu tối đa các khoảng trống rỗng giữa các hạt đá. Điều này giúp nâng cao đáng kể cường độ kháng cắt của khối đắp, hạn chế tối đa tính biến dạng dưới tác dụng của tải trọng và áp lực nước, đồng thời giảm độ thấm của thân đập. Đặc biệt, đối với đập đá đổ bê tông bản mặt, một thân đập được đầm nén đạt chuẩn sẽ tạo ra nền móng vững chắc, kiên cố, hỗ trợ tối ưu cho bản mặt bê tông phía trên. Sự ổn định này giúp ngăn ngừa các biến dạng cục bộ nghiêm trọng, vốn có thể dẫn đến nứt gãy bản mặt, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng chống thấm và an toàn của toàn bộ công trình.

Việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt một cách tỉ mỉ và chính xác là điều kiện tiên quyết để đảm bảo mọi lớp vật liệu đắp đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra trong thiết kế. Yêu cầu này càng trở nên khắt khe tại các vùng trọng yếu như lớp đệm đặc biệt dưới bản mặt và khu vực khớp nối, nơi mà bất kỳ sự lún không đồng đều nào cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Nếu quá trình đầm nén không đạt độ chặt yêu cầu, thân đập có nguy cơ bị lún sụt đáng kể theo thời gian, phát sinh các khe nứt nội bộ, đe dọa trực tiếp đến ổn định đập đá đổ và an toàn vận hành. Ngược lại, việc đầm nén quá mức không chỉ lãng phí chi phí và thời gian mà còn có thể làm phá vỡ cấu trúc tự nhiên của hạt vật liệu, gây ra các vấn đề không mong muốn. Do đó, việc xác định, kiểm soát và tối ưu đầm nén thông qua các thông số đầm nén hiện trường là yếu tố không thể thiếu để đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả của đập đá đổ bê tông bản mặt.

II. Thách thức lớn khi điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt

Quá trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt gặp phải nhiều thách thức đáng kể, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về vật liệu và kỹ thuật đầm nén đập đá đổ. Tính chất đa dạng của vật liệu đắp, điều kiện môi trường biến động, và yêu cầu kỹ thuật khắt khe của đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) tạo nên một bài toán phức tạp. Việc không kiểm soát tốt các thông số đầm nén hiện trường có thể dẫn đến những hệ quả nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định đập đá đổ và tuổi thọ công trình.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đầm nén tại hiện trường

Hiệu quả của công tác đầm nén tại hiện trường chịu ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt. Đầu tiên, cấp phối vật liệu đắp đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Vật liệu có cấp phối không liên tục hoặc không đủ tốt sẽ khó đạt được độ chặt tối ưu, vì các hạt không thể lấp đầy khoảng trống hiệu quả. Độ ẩm của vật liệu cũng là một yếu tố then chốt; vật liệu quá khô hoặc quá ướt đều làm giảm hiệu quả của lu lèn. Lu quá khô gây khó khăn trong việc sắp xếp lại hạt, trong khi lu quá ướt có thể gây ra hiện tượng nén không đồng đều hoặc làm biến dạng cấu trúc ban đầu.

Loại hình và trọng lượng của thiết bị đầm nén đập đá cũng ảnh hưởng đáng kể. Các loại lu rung, lu bánh lốp hay lu chân cừu có nguyên lý hoạt động và khả năng tạo năng lượng đầm nén khác nhau, phù hợp với từng loại vật liệu và độ dày lớp rải. Số lượt lu lèn, tốc độ lu, và độ dày của lớp rải đều cần được kiểm soát chặt chẽ. Đắp quá dày hoặc số lượt lu không đủ sẽ không đạt được độ chặt yêu cầu. Ngoài ra, điều kiện khí hậu như nhiệt độ môi trường (đặc biệt ở vùng lạnh), mưa, gió cũng có thể ảnh hưởng đến độ ẩm vật liệu và điều kiện thi công. Những yếu tố này đòi hỏi các kỹ sư phải có kinh nghiệm và khả năng tối ưu đầm nén dựa trên dữ liệu thực tế.

2.2. Hậu quả của việc đầm nén không đúng thông số kỹ thuật

Việc không tuân thủ các thông số đầm nén hiện trường hoặc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt không chính xác có thể dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và an toàn của đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD). Hậu quả phổ biến nhất là sự lún không đều của thân đập. Nếu một phần thân đập không được đầm nén đủ chặt, nó sẽ tiếp tục lún dưới tác dụng của trọng lực bản thân và áp lực nước sau khi đi vào vận hành. Sự lún không đều này có thể tạo ra ứng suất cục bộ, gây ra nứt vỡ cho bản mặt bê tông chống thấm – bộ phận cực kỳ quan trọng của đập.

Các vết nứt trên bản mặt bê tông sẽ làm giảm hoặc mất khả năng chống thấm của đập, dẫn đến rò rỉ nước qua thân đập, gây xói mòn vật liệu bên trong và làm suy yếu cấu trúc tổng thể. Điều này đe dọa trực tiếp đến ổn định đập đá đổ. Ngoài ra, đầm nén kém còn làm giảm cường độ kháng cắt của vật liệu đắp, khiến thân đập dễ bị trượt hoặc biến dạng dưới tải trọng thủy lực và địa chấn. Về lâu dài, điều này có thể dẫn đến sự cố công trình, đòi hỏi các biện pháp sửa chữa tốn kém hoặc thậm chí là nguy cơ mất an toàn đập. Ngược lại, đầm nén quá mức cũng có thể gây biến dạng vật liệu, tăng chi phí không cần thiết và tạo ra các vấn đề khác trong quá trình thi công. Do đó, việc kiểm soát chặt chẽ kỹ thuật đầm nén đập đá đổ là tối quan trọng.

III. Phương pháp lựa chọn thông số đầm nén ban đầu cho đập đá đổ tối ưu

Để đảm bảo chất lượng thi công đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) ngay từ đầu, việc lựa chọn các thông số đầm nén hiện trường ban đầu đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Các quyết định này phải dựa trên cơ sở lý luận vững chắc, kết hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và kinh nghiệm thực tiễn. Mục tiêu là đạt được tối ưu đầm nén vật liệu, đảm bảo ổn định đập đá đổ và hiệu quả kinh tế. Phương pháp này là nền tảng cho việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt sau này.

3.1. Cơ sở lý luận xác định thông số đầm nén cho vật liệu đắp đập CFRD

Cơ sở lý luận để xác định thông số đầm nén hiện trường cho vật liệu đắp đập CFRD được xây dựng dựa trên các nguyên tắc cơ học đất đá và những yêu cầu khắt khe về tính năng của thân đập. Việc lựa chọn thông số ban đầu cần xem xét đặc tính của từng loại vật liệu được sử dụng. Đối với vật liệu hạt mịn hoặc có cấp phối tốt, các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn (Proctor) sẽ được thực hiện để xác định độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất. Tuy nhiên, với vật liệu đá đổ có kích thước hạt lớn và không đồng nhất, các thí nghiệm tiêu chuẩn này thường không đủ mà cần phải điều chỉnh hoặc tiến hành các thí nghiệm đầm nén quy mô lớn tại hiện trường.

Mục tiêu chính là đạt được một dung trọng khô yêu cầu, thường được quy định bằng một tỷ lệ phần trăm so với dung trọng tối đa có thể đạt được từ thí nghiệm. Ngoài ra, cường độ kháng nén của vật liệu đá đưa vào khối đắp phải đáp ứng đủ tiêu chuẩn thiết kế. Cấp phối vật liệu đắp liên tục và hợp lý là yếu tố cốt lõi; một cấp phối tốt sẽ giúp các hạt lấp đầy tối đa các khoảng trống, từ đó tăng cường khả năng chèn chặt và dễ dàng đạt được độ chặt cần thiết. Đối với vật liệu đá mềm hoặc có đặc tính riêng biệt, việc tiến hành thí nghiệm chuyên sâu và tham khảo kinh nghiệm từ các công trình tương tự là không thể thiếu để đưa ra các chỉ tiêu thiết kế và thông số đầm nén phù hợp. Đây là nền tảng vững chắc cho mọi hoạt động điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt sau này, đảm bảo ổn định đập đá đổ.

3.2. Yêu cầu về vật liệu đắp và thiết bị đầm nén theo tiêu chuẩn

Yêu cầu về vật liệu đắp đập CFRD và thiết bị đầm nén đập đá được quy định chặt chẽ trong các tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng cho đập đá đổ bê tông bản mặt. Về vật liệu, nguyên tắc xuyên suốt là phải đảm bảo cấp phối vật liệu đắp liên tục. Điều này có nghĩa là vật liệu phải chứa các hạt với nhiều kích cỡ khác nhau để lấp đầy các khoảng trống, tạo ra khối đắp chặt và đồng nhất. Các vùng vật liệu khác nhau như lớp đệm IIA, IIB, lớp chuyển tiếp IIIA, vùng đá chính IIIB đều có yêu cầu riêng về kích cỡ hạt và cường độ kháng nén. Vật liệu khai thác tại chỗ cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn này.

Về thiết bị đầm nén đập đá, việc lựa chọn phải phù hợp với loại vật liệu và độ dày lớp rải. Thông thường, các loại lu rung với trọng lượng lớn và tần số rung phù hợp được ưu tiên sử dụng để đạt hiệu quả đầm nén cao nhất cho đá đổ. Tiêu chuẩn cũng quy định rõ ràng về số lượt lu, độ dày lớp rải, và tốc độ di chuyển của lu. Ví dụ, lớp đệm đặc biệt dưới khớp nối thường đòi hỏi tiêu chuẩn đầm nén cao hơn một chút để giảm biến dạng cục bộ. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu này là cơ sở để thực hiện điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt một cách khoa học, hướng tới tối ưu đầm nén và đảm bảo ổn định đập đá đổ.

IV. Hướng dẫn quy trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt tại hiện trường

Quy trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt tại hiện trường là một bước quan trọng, giúp các kỹ sư linh hoạt ứng phó với điều kiện thực tế và tối ưu hóa hiệu quả đầm nén. Hướng dẫn này tập trung vào việc sử dụng các thí nghiệm hiện trường để kiểm tra và tinh chỉnh các thông số đầm nén hiện trường, đảm bảo đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) đạt được chất lượng và ổn định đập đá đổ như thiết kế. Việc này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn.

4.1. Thí nghiệm đầm nén hiện trường để xác định thông số tối ưu

Thí nghiệm đầm nén hiện trường đóng vai trò trọng yếu trong việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt, cung cấp dữ liệu thực nghiệm cần thiết để tối ưu hóa quá trình thi công. Mục tiêu chính của các thí nghiệm này là thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các thông số đầm nén hiện trường (bao gồm số lượt lu lèn, độ dày của lớp vật liệu được rải, độ ẩm của vật liệu, và loại thiết bị đầm nén đập đá sử dụng) với dung trọng khô thực tế đạt được tại công trường. Đối với vật liệu đá đổ có kích thước hạt lớn, các phương pháp thí nghiệm thường được áp dụng là đắp thử một đoạn mẫu đại diện, với việc thay đổi từng thông số đầm nén, sau đó đo đạc dung trọng khô bằng các phương pháp như hố cát hoặc sử dụng thiết bị đo mật độ không phá hủy.

Điều quan trọng là các thí nghiệm này phải được thực hiện trên chính vật liệu thực tế được sử dụng trong đập, dưới các điều kiện thi công hiện trường, nhằm mô phỏng chính xác nhất hành vi và khả năng đầm chặt của khối đắp. Dựa trên kết quả thu thập, các kỹ sư sẽ xây dựng đường cong đầm nén hoặc biểu đồ mối quan hệ, từ đó xác định bộ thông số đầm nén tối ưu nhất để đạt được độ chặt yêu cầu mà vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế. Việc giám sát chặt chẽ độ ẩm của vật liệu và lượng nước tưới là yếu tố then chốt, đặc biệt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mùa đông ở vùng lạnh. Kết quả từ thí nghiệm là cơ sở khoa học vững chắc để đưa ra các quyết định tối ưu đầm nén và tinh chỉnh kỹ thuật đầm nén đập đá đổ cho toàn bộ dự án, đảm bảo ổn định đập đá đổ.

4.2. Nguyên tắc điều chỉnh các chỉ tiêu đầm nén theo kết quả thí nghiệm

Sau khi thu thập và phân tích kết quả từ các thí nghiệm đầm nén hiện trường, việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc kỹ thuật đã định. Nguyên tắc đầu tiên là xem xét mối quan hệ giữa số lượt lu lèn, độ dày của lớp vật liệu được rải, và độ ẩm với dung trọng khô đạt được. Nếu dung trọng khô thực tế không đạt được chỉ tiêu thiết kế, cần xem xét việc tăng số lượt lu hoặc giảm độ dày của lớp rải. Tuy nhiên, các điều chỉnh này cần được thực hiện một cách cân nhắc, tránh việc tăng quá mức gây lãng phí về thời gian và chi phí, đồng thời vẫn đảm bảo đạt được độ chặt mong muốn.

Một nguyên tắc quan trọng khác là điều chỉnh độ ẩm của vật liệu đắp đập CFRD. Lượng nước tưới cần thiết phải được xác định thông qua các thí nghiệm hoặc dựa trên kinh nghiệm thực tiễn đã được kiểm chứng. Vật liệu quá khô sẽ cần được tưới nước bổ sung để đạt độ ẩm tối ưu cho quá trình đầm nén, trong khi vật liệu quá ướt có thể cần thời gian phơi hoặc các biện pháp kỹ thuật khác để giảm độ ẩm xuống mức thích hợp. Đặc biệt, các chỉ tiêu đầm nén cho lớp đệm đặc biệt nằm dưới khớp nối bản mặt thường phải được nâng cao hơn một chút so với các vùng khác của thân đập. Điều này nhằm mục đích giảm thiểu lượng biến dạng cục bộ quanh khớp nối, từ đó đảm bảo sự liên kết bền vững và khả năng chống thấm hiệu quả giữa bản mặt và bản chân. Đối với vật liệu đá mềm hoặc có đặc tính không điển hình, các chỉ tiêu thiết kế và tiêu chuẩn đắp cần phải được quyết định dựa trên kết quả thí nghiệm chuyên sâu và so sánh cẩn trọng với dữ liệu từ các công trình tương tự. Mọi điều chỉnh trong kỹ thuật đầm nén đập đá đổ đều phải được ghi chép đầy đủ, giám sát chặt chẽ và liên tục để đảm bảo tối ưu đầm nén và nâng cao ổn định đập đá đổ của công trình.

V. Tối ưu hóa chất lượng đập đá đổ bản mặt Ứng dụng điều chỉnh thông số đầm nén

Việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt là một quá trình liên tục, không chỉ dừng lại ở việc tuân thủ tiêu chuẩn mà còn hướng tới tối ưu đầm nén để nâng cao chất lượng tổng thể của công trình. Ứng dụng khoa học của việc điều chỉnh này mang lại nhiều lợi ích vượt trội, từ việc gia tăng ổn định đập đá đổ đến việc kéo dài tuổi thọ sử dụng của đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD). Các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này.

5.1. Ảnh hưởng của việc điều chỉnh thông số đến cường độ và biến dạng thân đập

Việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt có ảnh hưởng sâu rộng đến các đặc tính cơ học của thân đập, đặc biệt là cường độ và biến dạng. Khi các thông số đầm nén hiện trường như độ dày lớp rải, số lượt lu, trọng lượng lu và độ ẩm được tối ưu hóa, vật liệu đắp sẽ đạt được mật độ khô cao hơn. Mật độ cao hơn đồng nghĩa với việc các hạt đá được sắp xếp chặt chẽ hơn, giảm thiểu các lỗ rỗng, từ đó gia tăng đáng kể cường độ kháng cắt của khối đắp. Cường độ kháng cắt cao là yếu tố then chốt giúp thân đập chống chịu tốt hơn với các tải trọng tĩnh như trọng lượng bản thân đập, áp lực nước, và các tải trọng động như động đất.

Đồng thời, việc đầm nén chặt chẽ còn giúp giảm thiểu tính biến dạng của thân đập dưới tác dụng của tải trọng. Sự lún cố kết của vật liệu đắp sẽ giảm đi đáng kể, đảm bảo sự ổn định hình học của đập trong suốt quá trình vận hành. Đặc biệt, đối với đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD), việc kiểm soát biến dạng thân đập là cực kỳ quan trọng để bảo vệ bản mặt bê tông khỏi nguy cơ nứt vỡ do lún không đều. Lớp đệm đặc biệt dưới bản mặt và các khớp nối cũng cần được đầm nén với tiêu chuẩn cao để hạn chế biến dạng cục bộ. Nhờ tối ưu đầm nén, ổn định đập đá đổ được củng cố, kéo dài tuổi thọ công trình và tăng cường an toàn.

5.2. Các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn trong tối ưu đầm nén CFRD

Các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn trên thế giới và ở Việt Nam đã chỉ ra tầm quan trọng của việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt để tối ưu đầm nén cho đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD). Nhiều công trình đập CFRD lớn đã được xây dựng thành công nhờ áp dụng các kỹ thuật đầm nén đập đá đổ tiên tiến và quá trình điều chỉnh linh hoạt. Ví dụ, tại một số dự án, việc sử dụng lu rung siêu nặng kết hợp với kiểm soát độ ẩm chặt chẽ đã giúp đạt được độ chặt yêu cầu chỉ với số lượt lu ít hơn, tiết kiệm chi phí và thời gian.

Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của cấp phối vật liệu đắp và kích cỡ hạt đến hiệu quả đầm nén. Kết quả cho thấy vật liệu có cấp phối liên tục và hạt có cường độ kháng nén cao sẽ dễ dàng đạt được độ chặt mong muốn hơn. Kinh nghiệm từ các dự án lớn cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tiến hành các thí nghiệm đầm nén hiện trường quy mô lớn ngay từ giai đoạn đầu dự án để thiết lập các thông số đầm nén hiện trường phù hợp. Việc học hỏi từ các công trình tương tự, đặc biệt là trong điều kiện địa chất và khí hậu tương đồng, là vô cùng quý giá. Những kinh nghiệm này giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định điều chỉnh thông số chính xác, đảm bảo ổn định đập đá đổ và hiệu quả kinh tế cho dự án.

VI. Tương lai của kỹ thuật đầm nén và những cải tiến cho đập đá đổ bản mặt

Ngành xây dựng thủy lợi không ngừng phát triển, và kỹ thuật đầm nén đập đá đổ cũng liên tục được cải tiến. Tương lai của việc điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt sẽ chứng kiến sự tích hợp của công nghệ hiện đại, vật liệu mới, và các phương pháp kiểm soát chất lượng tiên tiến hơn. Mục tiêu cuối cùng là đạt được tối ưu đầm nén một cách chính xác, hiệu quả và bền vững hơn nữa cho đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD), nâng cao ổn định đập đá đổ trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

6.1. Xu hướng phát triển công nghệ đầm nén và vật liệu mới

Xu hướng phát triển của công nghệ đầm nén trong xây dựng, đặc biệt là cho các công trình lớn như đập thủy lợi, đang hướng mạnh mẽ tới sự tự động hóa và ứng dụng công nghệ thông minh. Việc này giúp quá trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt trở nên chính xác, hiệu quả và đáng tin cậy hơn bao giờ hết. Các thiết bị đầm nén đập đá hiện đại ngày nay được tích hợp các hệ thống định vị vệ tinh (GPS), cảm biến đo độ chặt và độ ẩm tức thời, cho phép các kỹ sư và nhà thầu giám sát, phân tích và điều chỉnh các thông số đầm nén hiện trường theo thời gian thực. Công nghệ này không chỉ tối ưu hóa số lượt lu, tốc độ di chuyển và tần số rung mà còn giảm thiểu đáng kể sai sót do yếu tố con người, đảm bảo độ đồng đều và chất lượng cao nhất cho khối đắp.

Ngoài ra, việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu đắp đập CFRD mới, có tính chất cơ học ưu việt hoặc khả năng tái chế cao, cũng là một lĩnh vực trọng tâm. Các vật liệu này có thể có cấp phối vật liệu đắp tự nhiên tốt hơn, hoặc được cải thiện bằng các phụ gia đặc biệt, giúp dễ dàng đạt được độ chặt yêu cầu ngay cả khi sử dụng các thông số đầm nén linh hoạt hơn. Sự kết hợp giữa công nghệ đầm nén tiên tiến và việc sử dụng vật liệu cải tiến không chỉ hứa hẹn rút ngắn thời gian thi công mà còn nâng cao đáng kể chất lượng và tuổi thọ của các công trình đập đá đổ bê tông bản mặt. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh yêu cầu về ổn định đập đá đổ ngày càng cao để ứng phó với các thách thức biến đổi khí hậu.

6.2. Kết luận về tầm quan trọng của việc điều chỉnh thông số đầm nén

Tóm lại, quá trình điều chỉnh thông số đầm nén thi công đập đá đổ bê tông bản mặt vượt xa một yêu cầu kỹ thuật đơn thuần; nó là yếu tố then chốt quyết định sự thành công, bền vững và an toàn của toàn bộ công trình. Từ giai đoạn lựa chọn các thông số đầm nén hiện trường ban đầu, dựa trên cơ sở lý luận khoa học và các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, cho đến việc triển khai các thí nghiệm đầm nén quy mô lớn tại hiện trường và thực hiện điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện thực tế, mỗi bước đều đóng góp một cách có ý nghĩa vào việc tối ưu đầm nén. Quá trình này đảm bảo rằng đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) không chỉ đạt được cường độ kháng cắt tối đa mà còn giảm thiểu đáng kể các biến dạng không mong muốn, đồng thời duy trì khả năng chống thấm hiệu quả trong suốt vòng đời của đập.

Hậu quả của việc đầm nén không đạt yêu cầu hoặc không tuân thủ đúng thông số kỹ thuật có thể vô cùng nghiêm trọng, bao gồm lún không đều của thân đập, nứt gãy bản mặt bê tông, và thậm chí là nguy cơ mất ổn định đập đá đổ tổng thể, đe dọa an toàn công trình. Ngược lại, việc áp dụng kỹ thuật đầm nén đập đá đổ một cách khoa học, kết hợp với khả năng chủ động phân tích và điều chỉnh thông số, sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao, giảm thiểu đáng kể chi phí sửa chữa và bảo dưỡng trong tương lai. Với tốc độ phát triển không ngừng của công nghệ và vật liệu xây dựng, tương lai của kỹ thuật đầm nén hứa hẹn sẽ mang lại những giải pháp tối ưu hơn nữa, góp phần xây dựng các công trình thủy lợi ngày càng vững chắc, bền bỉ và thích ứng tốt hơn với những thách thức từ môi trường và biến đổi khí hậu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Đập đá đổ bê tông bản mặt (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là giải pháp công trình thủy công tiên tiến được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu với hơn 180 công trình quy mô lớn được xây dựng từ sau năm 1966, trong đó có trên 25 đập có chiều cao vượt 100m. Tại Việt Nam, công nghệ CFRD đã khẳng định vai trò chiến lược tại các dự án trọng điểm quốc gia như Thủy điện Tuyên Quang (cao trên 100m), Thủy lợi - Thủy điện Rào Quán (cao 70m) và công trình đầu mối hồ chứa nước Cửa Đạt tỉnh Thanh Hóa với chiều cao lên tới 102m. Khối đá đắp trong thân đập đóng vai trò là bộ phận chịu lực then chốt, tiếp nhận toàn bộ áp lực nước tĩnh và động từ hồ chứa thông qua tấm bản mặt bê tông cốt thép ở thượng lưu.

Vấn đề cốt lõi đặt ra trong quá trình thi công thực địa là sự biến động phức tạp của đường cấp phối vật liệu khai thác từ các mỏ đá nổ mìn tự nhiên. Khi thành phần hạt thực tế dao động tiến sát về cận trên hoặc cận dưới của đường bao thiết kế, các thông số lu lèn ban đầu không còn đảm bảo độ chặt tối ưu. Điều này tiềm ẩn nguy cơ gia tăng độ lún không đều, gây biến dạng trượt và nứt vỡ bản mặt chống thấm khi hồ tích nước. Mục tiêu của nghiên cứu là phân tích cơ chế đầm lèn thực tế tại công trình Cửa Đạt, từ đó xác lập bộ quy tắc điều chỉnh linh hoạt các thông số đầm nén (số lần đầm, chiều dày lớp rải, độ ẩm) thích ứng tức thì với sự biến thiên của cấp phối. Kết quả nghiên cứu giúp rút ngắn từ 12% đến 15% thời gian thí nghiệm lại tại hiện trường, giảm 8% đến 10% chi phí vận hành máy đầm rung hạng nặng 20 đến 22 tấn, đồng thời đảm bảo dung trọng khô toàn khối đạt mức tiêu chuẩn từ 2,07 đến 2,27 T/m3.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa Lý thuyết cơ học môi trường hạt rời và Nguyên lý đầm nén động lượng học với năng lượng rung tần số biến thiên. Khối đá đắp được xem là hệ thống hạt phi liên kết đa kích cỡ, trong đó độ bền chống cắt và tính biến dạng phụ thuộc trực tiếp vào mức độ sắp xếp chặt khít của các góc cạnh hạt đá dưới tác dụng của tải trọng rung động.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ phi tuyến giữa 4 biến số động: khối lượng máy đầm rung (M = 20 - 22 tấn), số lượt đầm (N), chiều dày lớp đắp rải tơi (H = 40 - 120cm) và độ ẩm bổ sung thông qua tỷ lệ tưới nước. Các khái niệm kỹ thuật nền tảng được chuẩn hóa bao gồm:

• Độ rỗng kỹ thuật (Porosity - n%): Giới hạn nghiêm ngặt từ 15% đến 22% cho vùng đệm IIA và 20% đến 25% cho vùng đá chính IIIB.
• Dung trọng khô thiết kế: Giá trị trung bình đạt từ 2,07 đến 2,27 T/m3 với sai số tiêu chuẩn khống chế dưới 0,10 T/m3.
• Đường bao cấp phối thiết kế: Miền giới hạn kích thước hạt tiêu chuẩn từ hạt mịn dưới 0,1mm đến hạt thô đường kính lớn nhất 500mm theo tiêu chuẩn quốc tế và quy phạm chuyên ngành.
• Gradient thủy lực giới hạn của nền đá tươi đạt trị số lớn hơn 20, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho bệ đỡ bản chân.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ quản lý chất lượng thi công thực tế, nhật ký công trường, biên bản nghiệm thu và hệ thống báo cáo thí nghiệm đầm nén hiện trường của Trung tâm Tư vấn Khoa học Công nghệ và Phát triển Tài nguyên Nước thuộc Tổng hội Xây dựng Việt Nam tại dự án Cửa Đạt.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 120 tổ mẫu thí nghiệm đầm lèn hiện trường và hơn 350 bộ số liệu kiểm tra dung trọng thực địa bằng phương pháp đào hố thể tích lớn (kích thước 1,5m x 1,5m kết hợp màng chống thấm rót nước). Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng chặt chẽ theo từng khối đắp riêng biệt: lớp đệm IIA (chiều dày 3m), lớp đệm đặc biệt IIB, lớp chuyển tiếp IIIA (chiều dày 4m) và khối đá chính thân đập IIIB. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thống kê thực nghiệm kết hợp giải tích hồi quy là nhằm lượng hóa chính xác sự suy chuyển dung trọng thực tế khi đường cấp phối trôi dạt khỏi vị trí trung tâm của biểu đồ cấp phối. Toàn bộ chuỗi số liệu được phân tích chuyên sâu trong khung thời gian hoàn thiện công trình nhằm thiết lập quy luật vận hành chuẩn xác cho thiết bị đầm rung.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng có tính quyết định đến công nghệ thi công CFRD:

Thứ nhất, khi đường cấp phối vật liệu lớp đá chính IIIB dịch chuyển tiệm cận về đường bao dưới (tỷ lệ hạt thô lớn, đường kính cực đại tiệm cận 500mm), việc duy trì số lượt đầm thiết kế chuẩn (6 lượt) chỉ giúp dung trọng đạt khoảng 2,01 T/m3 (chưa đạt yêu cầu). Để đạt dung trọng thiết kế trung bình 2,18 T/m3 và độ rỗng dưới 22%, số lượt đầm rung của lu tải trọng 22 tấn bắt buộc phải tăng lên từ 8 đến 10 lượt, tương đương mức tăng từ 33,3% đến 66,7% công đầm.

Thứ hai, khi cấp phối vật liệu dịch chuyển sát đường bao trên (hàm lượng hạt nhỏ dưới 5mm vượt quá 45%), việc tiếp tục tăng số lượt đầm quá 10 lượt không làm gia tăng dung trọng khô mà gây ra hiện tượng phá vỡ cục bộ cấu trúc góc cạnh hạt đá bề mặt. Hiện tượng này làm suy giảm từ 15% đến 20% hệ số thấm tự do của khối chuyển tiếp IIIA, làm mất đi khả năng thoát nước nhanh cần thiết cho thân đập.

Thứ ba, lượng nước tưới bổ sung trong quá trình lu lèn có tác động mạnh mẽ đến hiệu quả xếp chặt của khung đá. Khi tưới lượng nước đạt tỷ lệ từ 10% đến 15% thể tích khối đắp, ma sát giữa các bề mặt góc cạnh giảm đáng kể, giúp tăng dung trọng khô thêm 8,5% so với trường hợp đầm khô ở cùng một mức năng lượng rung.

Thứ tư, đối với lớp đệm IIA (chiều dày lớp rải 40cm, cỡ hạt lớn nhất 80 - 100mm, hạt dưới 5mm chiếm 35 - 55%), việc sử dụng máy đầm rung 20 tấn đầm 8 lượt liên tục cho phép độ rỗng đạt mức tối ưu 16,5%, nằm trọn vẹn trong dải cho phép từ 15% đến 22%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho các phát hiện trên bắt nguồn từ sự phân bố sóng chấn động năng lượng cao từ máy đầm rung. Khi thành phần hạt thô chiếm ưu thế, năng lượng đầm rung bị tiêu tán nhiều tại các điểm tiếp xúc cục bộ dạng điểm - điểm giữa các tảng đá lớn. Do đó, cần tăng thêm số chu kỳ rung để các mảnh vỡ nhỏ di chuyển chèn kín vào các lỗ rỗng trung gian. Ngược lại, khi hạt mịn dư thừa, sự nén chặt đạt giới hạn bão hòa rất nhanh; năng lượng dư thừa sẽ gây nghiền vụn hạt mịn, tạo thành các túi bụi cản trở dòng thấm tự nhiên.

Kết quả này hoàn toàn tương thích và làm sáng tỏ thêm các quy định trong quy phạm thiết kế đập CFRD quốc tế (SL/228-98) cũng như thực tiễn thi công tại các đập lớn ở Trung Quốc như Tam Bản Khê (cao 185,5m) và Hồng Gia Bộ (cao 182,3m). Các kết quả thực nghiệm tại Cửa Đạt được trực quan hóa rõ nét thông qua biểu đồ quan hệ giữa số lần đầm và dung trọng khô (đường cong $\gamma_d - N$), kết hợp bảng ma trận phân loại 3 trạng thái cấp phối (sát bao trên, giữa hai đường bao, sát bao dưới). Biểu đồ này cung cấp công cụ trực quan giúp kỹ sư hiện trường đưa ra quyết định thay đổi chế độ đầm mà không cần thực hiện lại toàn bộ chu trình thí nghiệm đầm nén chuẩn vốn kéo dài nhiều tuần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

1. Áp dụng quy tắc điều chỉnh động số lượt đầm tại hiện trường: Ban chỉ huy công trường và kỹ sư thi công cần lập tức tăng từ 2 đến 4 lượt đầm tĩnh hoặc giảm chiều dày lớp rải từ 80cm xuống 60cm khi kết quả sàng tuyển phát hiện hàm lượng hạt thô tăng trên 10% sát đường bao dưới. Toàn bộ quy trình điều chỉnh và kiểm tra độ chặt hố đào phải hoàn tất trong vòng 2 giờ tại mỗi ca thi công.

2. Tiêu chuẩn hóa hệ thống cấp nước tưới đầm nén: Đơn vị thi công phải trang bị xe bồn chuyên dụng gắn dàn phun áp lực, kiểm soát lưu lượng nước tưới đạt chuẩn từ 12% đến 15% thể tích khối đá đắp ngay trước khi lu lèn. Mục tiêu duy trì ổn định độ ẩm giúp khối đắp đạt dung trọng trên 2,15 T/m3 với 100% các mẫu kiểm tra.

3. Tối ưu hóa công nghệ nổ mìn khai thác đá tại mỏ: Đơn vị khai thác mỏ cần điều chỉnh khoảng cách mạng lỗ khoan nổ mìn từ 2,5m đến 3,0m, khống chế lượng thuốc nổ đơn vị để tạo ra cấp phối đá đồng đều, kiểm soát tỷ lệ đá quá cỡ (đường kính lớn hơn 500mm) xuống dưới mức 3% tổng sản lượng.

4. Xây dựng và ban hành sổ tay quy chuẩn thi công CFRD nội bộ: Các cơ quan quản lý chuyên ngành và chủ đầu tư cần thể chế hóa ma trận quan hệ giữa cấp phối và thông số đầm nén thành hướng dẫn kỹ thuật áp dụng cho toàn dự án trong vòng 6 tháng tới, nhằm giảm biên độ sai số dung trọng hiện trường xuống dưới 0,05 T/m3.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm trong ngành xây dựng công trình thủy lợi - thủy điện:

• Kỹ sư thiết kế công trình thủy công: Tra cứu thông số chuẩn xác về cấp phối hạt, độ rỗng thiết kế (15% - 28%), gradient thủy lực giới hạn của nền đá (> 20) và cấu tạo chi tiết các tầng đệm IIA, IIB, IIIA để đưa ra giải pháp thiết kế mặt cắt đập tối ưu và an toàn.
• Chỉ huy trưởng và kỹ sư thi công hiện trường: Vận dụng trực tiếp ma trận điều chỉnh số lần đầm và chiều dày rải cho các dòng máy lu rung phổ biến (Dynapac, CLG622 tải trọng 20 - 22 tấn), xử lý triệt để sự cố vật liệu lệch cấp phối ngay tại bãi đắp.
• Kỹ sư tư vấn giám sát và quản lý chất lượng: Nắm vững quy trình lấy mẫu nghiệm thu hố đào thể tích lớn, phương pháp xác định dung trọng khô trung bình từ 2,07 đến 2,27 T/m3 và kỹ thuật kiểm soát dung sai kỹ thuật không vượt quá 0,10 T/m3.
• Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Thủy công: Tiếp cận bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm quy mô lớn tại công trình cấp quốc gia Cửa Đạt (cao 102m), làm tiền đề phát triển các mô hình giải tích và phần mềm mô phỏng đầm lèn vật liệu hạt rời.

Câu hỏi thường gặp

Đập đá đổ bê tông bản mặt (CFRD) có những ưu điểm vượt trội nào so với đập đất truyền thống?

CFRD tận dụng tối đa nguồn đá khai thác tại chỗ và đá đào móng công trình, giúp giảm đáng kể giá trị đầu tư xây lắp. Tuyến chống thấm đặt ở mặt trước giúp loại bỏ hoàn toàn áp lực thấm đẩy ngược trong thân đập. Mái đập dốc hơn (hệ số mái 1:1,4 so với 1:2,5 - 1:3,0 của đập đất) làm giảm mạnh khối lượng đắp, đồng thời cho phép xả lũ an toàn qua thân đập đang thi công dở dang.

Tại sao khối đá chính IIIB của đập Cửa Đạt lại yêu cầu cường độ kháng nén lớn hơn 30 MPa?

Khối IIIB là bộ phận chịu lực chính đỡ toàn bộ khối nước hồ và nâng đỡ bản mặt bê tông cốt thép. Yêu cầu cường độ kháng nén trên 30 MPa nhằm ngăn chặn hiện tượng vỡ vụn góc cạnh hạt dưới áp lực tĩnh và động cực lớn, giữ độ lún dài hạn ở mức tối thiểu để bản mặt không bị biến dạng uốn gây nứt gãy.

Khi đường cấp phối hạt thực tế lệch về phía cận dưới của đường bao thiết kế thì cần xử lý thế nào?

Khi cấp phối lệch về cận dưới (nhiều hạt thô kích thước lớn), năng lượng lu lèn tiêu chuẩn 6 lượt sẽ không đủ làm chặt các lỗ rỗng. Kỹ sư cần chủ động tăng số lượt đầm rung lên 8 đến 10 lượt hoặc giảm chiều dày lớp rải từ 80cm xuống còn 60cm, kết hợp tưới đủ 12% đến 15% nước để đạt dung trọng thiết kế.

Vai trò của lớp đệm đặc biệt IIB dưới chân khớp nối bản mặt là gì?

Lớp đệm đặc biệt IIB đặt ngay sau khớp nối biên giữa bản mặt và bản chân, sử dụng cát cuội sỏi hoặc đá dăm có cỡ hạt lớn nhất không quá 40mm và hệ số thấm $k = 10^{-4}$ cm/s. Vùng này đóng vai trò tầng lọc ngược đàn hồi cao, ngăn chặn tức thì dòng thấm xói mòn ngầm nếu khớp nối biên gặp sự cố rò rỉ.

Vì sao công tác tưới nước trong quá trình đầm nén đá đắp lại mang tính bắt buộc?

Nước đóng vai trò chất bôi trơn bề mặt các góc cạnh đá thô nhám, giảm lực ma sát trượt giữa các khối hạt rời. Lượng nước tưới từ 10% đến 15% thể tích giúp các hạt đá dễ dàng xoay chuyển và tự chèn kín vào các khoang rỗng dưới tác động rung động, gia tăng hiệu quả đầm chặt lên thêm 8,5%.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán biến động cấp phối vật liệu trong thi công đập đá đổ bê tông bản mặt CFRD thông qua dữ liệu thực nghiệm tại công trình Cửa Đạt cao 102m.
• Xác lập chuẩn xác dải dung trọng khô thiết kế từ 2,07 đến 2,27 T/m3 và độ rỗng an toàn từ 15% đến 25% cho từng phân vùng đắp chuyên biệt.
• Đề xuất bộ quy tắc điều chỉnh linh hoạt số lượt đầm rung (tăng 2 đến 4 lượt hoặc giảm 20% đến 25% chiều dày rải) khi cấp phối tiến sát các đường biên giới hạn.
• Khẳng định vai trò quyết định của công tác tưới nước đầm nén (10% - 15% thể tích) trong việc nâng cao độ chặt và kiểm soát ổn định thân đập.
• Hoàn thiện hệ sinh thái giải pháp kỹ thuật giúp tối ưu hóa chi phí vận hành máy móc thi công hạng nặng và rút ngắn tiến độ tổng thể của các công trình thủy lợi thế hệ mới.

Kỹ sư, chuyên gia và các đơn vị nhà thầu quan tâm có thể khai thác trực tiếp các biểu đồ tương quan và công thức điều chỉnh trong luận văn để áp dụng ngay vào các dự án thủy công thực tế nhằm đảm bảo chất lượng công trình đạt chuẩn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐÁ ĐỔ Đập đá đổ có cấu tạo gồm hai bộ phận chủ yếu là khối chịu lực có hệ số thấm lớn, độ ổn định cao được cấu tạo từ đá đổ, đất đá hỗ hợp có cấp phối liên tục v.v…) và khối chống thấm có thể là đất hoặc vật liệu nhân tạo khác có khả năng chống thấm tốt như bê tông, atsphalt. Đập thường có khối lượng đắp lớn và phần lớn là vật liệu khai thác tại chỗ: đá khai thác ở mỏ, đá đào móng công trình hoặc sỏi đá tự nhiên. Dạng mặt cắt đập đá đổ, được phân ra nhiều vùng mang tính hợp lý, đảm bảo kỹ thuật và đạt hiệu quả kinh tế cao. Tuỳ theo điều kiện làm việc của các vùng trong thân đập và căn cứ vào khả năng khai thác vật liệu trong vùng mà mặt cắt ngang của đập sẽ được tính toán để chọn ra mặt cắt hợp lý nhất.

Sự hợp lý và kinh tế còn được thể hiện ở chỗ luôn tồn tại trong mặt cắt đập một hoặc nhiều vùng vật liệu sử dụng lại đất đá đào móng công trình. Đập đá đổ bê tông bản mặt là một dạng đập trong nhóm đập đá đổ. Phân loại đập đá đổ. Phân loại theo cấu tạo mặt cắt đập.1 Đập đá đổ có tường tâm chống thấm.

Đập đá đổ có tường tâm chống thấm có cấu tạo hai bên là lăng trụ đá, lõi chống thấm ở giữa, vật liệu làm lõi chống thấm rất đa dạng nhưng thường dùng nhất là đất á sét hoặc sét, bê tông hoặc bê tông asphalt. Đập đá đổ có lõi chống thấm bằng đất. Để nói rõ về dạng đập này lấy mặt cắt điển hình là mặt cắt đập của Thủy điện Ialy tỉnh Gia Lai cao 69m (xây dựng năm 1993-2001), đây là đập duy nhất loại này do Việt Nam thiết kế, tính đến thời điểm đó. Việt Nam (hình 1.

- Yêu cầu về nền móng: 5 Địa chất nền đập của công trình Thủy điện Ialy khá tốt cho việc xây dựng đập đá đổ, lõi đập ở phần lòng sông và một phần ở sườn đồi đặt trên nền đá, đây là loại đá rắn chắc nứt nẻ ít và đá rắn chắc nứt nẻ nhiều. Lõi chống thấm đặt trên đá rắn chắc nứt nẻ ít có đổ bê tông phản áp M150 dày 0.5m và tiến hành khoan phụt với 5 hàng khoan, mỗi hàng cách nhau 3m. Vật liệu lõi chống thấm bằng đất á sét với hệ số thấm k=1x10-5cm/s, chiều rộng đỉnh lõi b= 4m, hệ số mái của lõi là m=0. Bề mặt thượng lưu và hạ lưu của đập được đắp bằng lớp đá quá cỡ có đường kính từ (0.8 1)m, mặt thượng lưu là đá đổ tự nhiên, mặt hạ lưu đá xếp khan.

Trong thời gian qua, ở nước ta đa số các đập đá đổ đã thi công đều có mặt cắt tương tự như vậy. Các vùng vật liệu của đập Ialy trên hình 1.1 như sau: 1- Lõi đất chống thấm đất á sét, chiều rộng đỉnh lõi b=4m, mái dốc thượng hạ lưu của lõi m=0.35, với hệ số thấm k=1x10-5cm/s. 2- Cát lọc được bố trí ở thượng và hạ lưu của khối lõi với chiều dày 3m. 3- Đá dăm lọc bố trí kế tiếp lớp cát lọc ở thượng và hạ lưu với chiều dày 3m.

4a- Đá đắp chuyển tiếp được bố trí ở mặt ngoài lớp đá dăm lọc với chiều dày 4m. 4b- Đá đắp chính. 5- Lớp đá bảo vệ là đá có cường độ cao, đường kính hạt lớn thường là từ (80100)cm, bố trí ở cả mái thượng và hạ lưu. 6- Khoan phụt xử lý nền.

- Các đặc điểm cần chú ý: Vật liệu chủ yếu để xây dựng đập là vật liệu địa phương. Mặt cắt đập thiết kế phù hợp với tình hình vật liệu tại chỗ, đất lõi có khả năng chống thấm tốt nhưng khả năng chịu lực yếu được đặt vào lõi đập, đá đổ là vật liệu có cường độ chống cắt cao hơn hẳn so với đất, được bố trí ở bên ngoài. Cách bố 6 trí này đã phát huy được hết các ưu điểm, hạn chế được nhược điểm của các loại vật liệu. Hệ số ổn định của loại vật liệu này cao do vậy mà hệ số mái của đập thường nhỏ, chính vì vậy mà hầu hết các đập cao trên thế giới đều là loại đập này.

Mặt cắt lòng sông đập Ialy 8 b. Đập đá đổ lõi chống thấm bằng bêtông asphalt. Để nói rõ về dạng đập này lấy mặt cắt điển hình là mặt cắt đập Storvant ở Nauy (hình 1.2), được khởi công xây dựng năm 1981 hoàn thành năm 1987. - Yêu cầu về nền móng: Lõi bê tông asphalt phải đặt trên kết cấu bê tông và đặt trên nền đá cứng, cần phải khoan phụt xử lý nền.

Kết cấu bê tông có thể đơn giản là một khối bê tông cốt thép hình chữ nhật, cũng có thể phải là một hành lang khoan phụt ngầm dưới đáy đập. Nhưng nếu thiết kế theo dạng hành lang khoan phụt ngầm thì giá thành của đập thường tăng khoảng 10% và thời gian thi công sẽ kéo dài, theo kinh nghiệm thiết kế đập đất đá của Nauy thì thời gian này thường là 1 năm. Hành lang khoan phụt có tác dụng phục vụ cho công tác khoan phụt xử lý nền, đồng thời cũng tốt cho việc quan trắc và theo dõi quá trình làm việc của đập (ứng suất, biến dạng và thấm). Tuy nhiên theo các kết qủa nghiên cứu mới đây nhận thấy tác dụng của hành lang khoan phụt là không đáng kể, hoặc gần như không có.

Sự thuận tiện chính mà nó mang lại phụ thuộc vào yêu cầu của nền có thể khoan phụt bổ sung, gia cố thêm nền trong suốt quá trình vận hành của công trình. Do vậy việc luận chứng sự cần thiết của hành lang khoan phụt dựa chủ yếu vào quá trình gia tăng hệ số thấm theo thời gian của nền. Ở đập Storvant khoan phụt được tiến hành với 3 hàng khoan, khoảng cách giữa chúng là 1.5m, lỗ sâu nhất là 75m, tổng chiều dài 32140m, sử dụng hết 180 tấn vữa. Tuy nhiên do đập Storvant có nền đá tốt, nên người ta không xây dựng hành lang khoan phụt mà lõi chống thấm asphalt được đặt lên bệ đỡ bê tông cốt thép đơn giản.

Kết cấu bê tông cốt thép đơn giản trên nền đá thông thường có bề rộng từ (4 5)m. Bê tông phải được chôn vào đá cứng ít nhất là 0. Chiều dày tối thiểu của bệ đỡ là 0.75m và thường thì không dày hơn 1.5m trên bề mặt đá. 9 - Yêu cầu đối với mặt cắt đập: Mặt cắt của đập nói chung là giống như hình 1.2, lõi được bố trí nghiêng về hạ lưu để làm giảm biến dạng theo phương ngang cho lõi trong quá trình vận hành có sự thay đổi về tải trọng nước ở thượng lưu.

Thông thường thì chuyển vị của lõi về phía hạ lưu mà lớn hơn 50mm thì lõi asphalt phải đặt nghiêng. Chiều dày của lõi được tăng dần từng cấp 0.1m theo chiều cao của đập, mỏng nhất ở đỉnh là 0.5m dày nhất ở đáy là 0. Mặt tiếp xúc với bệ đỡbê tông được đánh xờm bằng cát sau đó quét lên bề mặt một lớp hỗn hợp bitum để tăng hiệu quả dính kết. Lớp 2 là vật liệu lọc tự nhiên hoặc cấp phối mặt đá có đường kính hạt từ (0 60)mm, chiều dày thường là 1.5m, trong quá trình thi công được rải thành từng lớp dày 0.2m và đầm nén bằng máy đầm rung.

Giữa lớp 2 và lớp 4a là lớp chuyển tiếp 3, cấp phối đá dăm tuyển chọn, đường kính hạt từ (0 200)mm có chiều dày 4m, trong khi thi công rải thành từng lớp dày 0.4m và đầm chặt bằng máy đầm rung. Lớp 4a là đá đổ, đường kính hạt lớn nhất 0.4m rải thành từng lớp dày 0. Lớp 4b là lớp đá đổ, đường kính hạt lớn nhất 0.8m, rải thành từng lớp dày 1.2m và được đầm bằng máy đầm rung. Các vùng vật liệu của đập Storvant trên hình 1.2 như sau: 1- Lõi bê tông asphalt có chiều dày thay đổi từ 0.5m ở trên đỉnh đến 0.

2- Vật liệu lọc tự nhiên. 4a- Đá chuyển tiếp d= (0 400)mm. 4b- Đá đắp đập d= (0 800)mm. 5- Đá bảo vệ mái đập có chọn lọc.

1 6- Đá bảo vệ đỉnh đập có chọn lọc. 7- Đá tiêu nước có chọn lọc. 8- Khoan phụt xử lý nền. - Đặc điểm cần lưu ý: Vật liệu để xây dựng đập chủ yếu là đá có cường độ cao, khả năng chống cắt lớn do vậy hệ số ổn định lớn dẫn đến hệ số mái đập nhỏ.

Do lõi đập bằng bê tông asphalt, vật liệu gần như không thấm vì vậy rất thích hợp trong trường hợp có mực nước thượng hạlưu thayđổi lớn. Thời gian thi công loại đập này rất nhanh, quá trình thi công ít chịu ảnh hưởng của thời tiết, chủ động được tiến độ thi công. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những khó khăn khi xây dựng loại đập này là: yêu cầu địa chất nền phải tốt, thường phải là nền đá cứng chắc, đòi hỏi phải có được công nghệ thi công tiên tiến, máy móc phải đồng bộ. Bên cạnh đó, hiện nay việc đánh giá sự lão hóa của bê tông asphalt theo thời gian vẫn còn là vấn đề vướng mắc chưa tìm ra lời giải, vì vậy không thể khẳng định được tuổi thọ của đập.

Mặt cắt lòng sông đập Storvant 1 c. Đập đất đá đổ lõi chống thấm bằng đất. Đập đất đá đổ hỗn hợp là mặt cắt đập được sử dụng sớm ở nước ta, điển hình là đập của Nhà máy thủy điện Hòa Bình do Nga thiết kế và đập Thủy điện Đại Ninh do Nhật Bản thiết kế với sự phối hợp của Công ty TVXD Điện 2. Công trình Thủy điện Hòa Bình vừa được các chuyên gia Nga đánh giá lại độ an toàn của công trình và đi đến kết luận: Hiện nay công trình làm việc an toàn theo thiết kế và cần được tiếp tục theo dõi quan trắc.

Để nói rõ về dạng đập này lấy mặt cắt điển hình là mặt cắt đập Đa Nhim thuộc công trình Thủy điện Đại Ninh, các thông số thiết kế thống kê ở bảng 1. - Yêu cầu về nền móng: Nền móng được bóc bỏ hết lớp phong hoá mạnh trên toàn bộ phạm vi móng, riêng phần lõi đất được bóc đến lớp đá phong hoá vừa. Chân khay rộng 15m, được khoan phụt bằng 3 hàng khoan, khoảng cách giữa các hàng khoan là 5m, khoảng chách giữa các hố trong hàng là 3m, chiều sâu khoan phụt 30m. - Các thông số chính: Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật đập Đa Nhim.

TT Thông số Đơn vị Trị số 1 Cao trình đỉnh đập M 883.7 2 Chiều cao đập lớn nhất M 52 3 Chiều rộng đỉnh đập M 8 4 Mái dốc thượng, hạ lưu 1:3.