Tổng quan nghiên cứu

Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là một loại đập được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt phát triển mạnh từ những năm 1980 nhờ sự tiến bộ trong công nghệ thi công đập đá đầm nén. Tính đến nay, nhiều công trình đập CFRD cao trên 100m đã được xây dựng tại các quốc gia như Trung Quốc, Brazil, Mexico, và một số nước phát triển khác. Ở Việt Nam, đập CFRD mới được du nhập và áp dụng trong khoảng 20 năm trở lại đây với các công trình tiêu biểu như thủy điện Tuyên Quang (cao 92m), Rao Quán (78m), và Cửa Đạt (117m).

Tuy nhiên, bản mặt bê tông của đập CFRD chỉ giữ vai trò chống thấm, nên các hiện tượng nứt, thoát không, và biến dạng bản mặt có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng như rò rỉ nước, làm rỗng thân đập, thậm chí vỡ đập. Do đó, nghiên cứu ứng xử thực tế của bản mặt, phân tích ứng suất và biến dạng dưới các tác động bên ngoài, đồng thời đề xuất các giải pháp nâng cao an toàn cho bản mặt là rất cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp các nghiên cứu hiện có về bản mặt đập CFRD, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán ứng suất và biến dạng bản mặt đập trong công trình thủy điện XêKaman 3 (CHDCND Lào), từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ an toàn cho bản mặt và toàn bộ công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích bản mặt bê tông trong giai đoạn thi công và vận hành, với dữ liệu thực tế từ công trình XêKaman 3 và các số liệu quan trắc từ các đập CFRD trên thế giới. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện thiết kế, thi công và vận hành đập CFRD tại Việt Nam và các nước có điều kiện địa chất tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

  • Lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép: Bản mặt bê tông của đập CFRD được xem là kết cấu chịu uốn, chịu kéo và chịu nén dưới tác động của trọng lượng bản thân, áp lực nước thượng lưu, tải trọng thiết bị và các tác động môi trường. Các khái niệm chính bao gồm ứng suất kéo, ứng suất nén, mô men uốn, biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt, cũng như hiện tượng "thoát không" – vùng bản mặt không tiếp xúc chặt với lớp đệm bên dưới, gây ra ứng suất tập trung và nứt.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Đây là phương pháp số giải các bài toán cơ học kết cấu phức tạp, mô phỏng phân bố ứng suất và biến dạng trong bản mặt bê tông và thân đập. PTHH chia miền kết cấu thành các phần tử nhỏ, tính toán chuyển vị tại các nút, từ đó xác định ứng suất và nội lực. Phần mềm SAP2000 được sử dụng để mô hình hóa và phân tích kết cấu đập CFRD, với khả năng xử lý các bài toán phi tuyến, đa vật liệu và tải trọng phức tạp.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: bản mặt bê tông, lớp đệm, lớp chuyển tiếp, khớp nối dọc chịu kéo và chịu nén, hiện tượng thoát không, ứng suất co ngót, mô men uốn, biến dạng nhiệt, và hệ số mềm hóa vật liệu đá.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm hồ sơ thiết kế kỹ thuật và số liệu quan trắc thực tế từ công trình thủy điện XêKaman 3, cùng với các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về đập CFRD.

Phương pháp nghiên cứu gồm ba bước chính:

  1. Tổng hợp và phân tích tài liệu: Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến cấu tạo, vật liệu, công nghệ thi công, hiện tượng hư hỏng và các giải pháp kỹ thuật cho bản mặt đập CFRD.

  2. Mô hình hóa và tính toán bằng PTHH: Sử dụng phần mềm SAP2000 để xây dựng mô hình kết cấu bản mặt và thân đập, phân tích ứng suất và biến dạng dưới các tải trọng thực tế như trọng lượng bản thân, áp lực nước, tải trọng thiết bị và biến dạng thân đập. Cỡ mẫu mô hình được lựa chọn phù hợp với kích thước công trình, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán.

  3. Đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp: So sánh kết quả tính toán với số liệu quan trắc thực tế, phân tích nguyên nhân các hiện tượng biến dạng, nứt và thoát không, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ an toàn cho bản mặt.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1-2 năm, tập trung vào giai đoạn thi công và vận hành công trình XêKaman 3, với các bước kiểm tra, hiệu chỉnh mô hình và đánh giá kết quả liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ứng suất và biến dạng bản mặt không đồng đều: Kết quả tính toán và quan trắc tại đập XêKaman 3 và các đập CFRD trên thế giới cho thấy biến dạng bản mặt có sự khác biệt lớn giữa các vùng, đặc biệt là tại các khớp nối dọc. Chuyển vị ngang và độ võng bản mặt có thể đạt tới 0,1% đến 0,8% chiều cao đập, ví dụ đập Châu Thụ Kiều có chuyển vị ngang lên tới 0,8%, độ võng bản mặt đập Thành Binh lên tới 0,24%.

  2. Hiện tượng "thoát không" phổ biến và nguy hiểm: Vùng thoát không chiếm tới 52-85% diện tích bản mặt ở một số đập lớn như Thiên Sinh Kiều, với chiều dài vùng thoát không lên đến 10m và độ sâu tới 5cm. Hiện tượng này làm bản mặt không tựa chắc vào lớp đệm, dẫn đến ứng suất kéo lớn và nứt bản mặt, làm tăng nguy cơ thấm nước và hư hỏng kết cấu.

  3. Nứt bản mặt bê tông là hiện tượng phổ biến: Nứt phi kết cấu do co ngót và biến đổi nhiệt chiếm phần lớn, nhưng nứt kết cấu do ứng suất kéo uốn cũng xuất hiện ở các vùng chịu tải trọng lớn hoặc vùng thoát không. Ví dụ, đập Campos Novos (Brazil) đã xảy ra nứt nghiêm trọng và rò rỉ nước lên tới 150 l/s, gây phải tháo cạn hồ để sửa chữa.

  4. Bố trí cốt thép hai lớp nâng cao độ an toàn: Các đập cao như Thiên Sinh Kiều (178m), Thuỷ Bồ Ô (233m) đã áp dụng bố trí hai lớp cốt thép cho bản mặt để ứng phó với ứng suất kéo do co ngót, nhiệt độ và uốn. Công trình XêKaman 3 cũng đã áp dụng giải pháp này sau khi nghiên cứu kỹ thuật và được cơ quan có thẩm quyền phê duyệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến biến dạng và nứt bản mặt là sự không đồng đều trong lún và chuyển vị của thân đập, đặc biệt là sự khác biệt về mô đun biến dạng giữa các lớp vật liệu đá đắp. Hiện tượng thoát không xuất phát từ việc bản mặt không tiếp xúc chặt với lớp đệm do lún không đều, gây ra ứng suất kéo tập trung vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông mỏng.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định tầm quan trọng của việc bố trí cốt thép hai lớp và kiểm soát chất lượng thi công bản mặt, đặc biệt là việc kiểm soát nhiệt độ bê tông và phân đoạn đổ bê tông hợp lý. Các biểu đồ chuyển vị, mô men uốn và ứng suất nội lực được trình bày chi tiết trong phần tính toán giúp minh họa rõ ràng sự phân bố ứng suất và biến dạng, hỗ trợ việc đánh giá và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, thi công và vận hành đập CFRD tại Việt Nam, góp phần nâng cao độ an toàn và tuổi thọ công trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro sự cố do hư hỏng bản mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Bố trí cốt thép hai lớp cho bản mặt bê tông: Áp dụng bố trí hai lớp cốt thép, đặc biệt ở các vùng chịu ứng suất kéo lớn và vùng khớp nối dọc, nhằm tăng khả năng chịu uốn và kéo của bản mặt. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và thi công; Chủ thể: các đơn vị thiết kế và thi công.

  2. Kiểm soát chất lượng thi công bản mặt: Sử dụng ván khuôn trượt chính xác, kiểm soát nhiệt độ bê tông trong quá trình đổ, hạn chế co ngót và nứt do nhiệt. Thực hiện các biện pháp bảo dưỡng bê tông trong ít nhất 90 ngày trước khi tích nước. Chủ thể: nhà thầu thi công; Timeline: toàn bộ giai đoạn thi công bản mặt.

  3. Thiết kế khe co giãn và khớp nối hợp lý: Phân đoạn bản mặt với khoảng cách khe co giãn từ 12-18m, bố trí khớp nối chịu kéo và chịu nén phù hợp để giảm ứng suất tập trung và ngăn ngừa thoát không. Chủ thể: đơn vị thiết kế; Thời gian: giai đoạn thiết kế.

  4. Giám sát và quan trắc biến dạng bản mặt thường xuyên: Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị, ứng suất và độ võng bản mặt để phát hiện sớm các hiện tượng bất thường, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị quản lý vận hành; Timeline: trong suốt quá trình vận hành công trình.

  5. Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu bê tông cải tiến: Sử dụng phụ gia sinh khí, phụ gia giảm nước và vật liệu thay thế để cải thiện tính lưu động, giảm co ngót và tăng cường độ bê tông bản mặt. Chủ thể: đơn vị thiết kế và thi công; Thời gian: giai đoạn thiết kế và thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm kết cấu và ứng xử bản mặt đập CFRD, từ đó áp dụng các giải pháp thiết kế tối ưu, nâng cao độ an toàn công trình.

  2. Nhà thầu thi công đập đá đổ bản mặt bê tông: Tham khảo các phương pháp thi công, kiểm soát chất lượng bê tông và bố trí cốt thép nhằm giảm thiểu rủi ro hư hỏng bản mặt trong quá trình thi công.

  3. Chuyên gia quản lý vận hành công trình thủy điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc, bảo trì và xử lý sự cố bản mặt đập, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, thủy điện: Tài liệu tham khảo khoa học, cập nhật các phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng và các hiện tượng hư hỏng bản mặt đập CFRD, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đập CFRD khác gì so với các loại đập truyền thống?
    Đập CFRD sử dụng thân đập bằng đá đổ đầm nén và bản mặt bê tông chống thấm, tiết kiệm vật liệu và chi phí so với đập bê tông khối hoặc đập đất truyền thống. Loại đập này phù hợp với địa hình có nền đá cứng và chiều cao đập lớn.

  2. Hiện tượng "thoát không" là gì và tại sao nguy hiểm?
    "Thoát không" là hiện tượng bản mặt bê tông không tiếp xúc chặt với lớp đệm bên dưới, tạo ra vùng rỗng. Điều này làm tăng ứng suất kéo và mô men uốn, dễ gây nứt hoặc phá hủy bản mặt, dẫn đến rò rỉ nước và nguy cơ vỡ đập.

  3. Tại sao phải bố trí cốt thép hai lớp cho bản mặt?
    Bố trí cốt thép hai lớp giúp tăng khả năng chịu kéo và uốn của bản mặt, ứng phó với ứng suất do co ngót, nhiệt độ và biến dạng thân đập, giảm nguy cơ nứt và hư hỏng kết cấu.

  4. Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô hình hóa và phân tích ứng suất, biến dạng bản mặt và thân đập dưới các tải trọng thực tế, giúp đánh giá chính xác trạng thái kết cấu và đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng bê tông bản mặt trong thi công?
    Kiểm soát chất lượng bao gồm sử dụng phụ gia phù hợp, kiểm soát nhiệt độ bê tông, bảo dưỡng đúng quy trình, sử dụng ván khuôn trượt chính xác và phân đoạn đổ bê tông hợp lý để hạn chế co ngót và nứt.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp và phân tích chi tiết về cấu tạo, vật liệu, công nghệ thi công và hiện tượng hư hỏng bản mặt đập CFRD, đặc biệt qua nghiên cứu công trình thủy điện XêKaman 3.
  • Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm SAP2000 giúp mô phỏng chính xác ứng suất và biến dạng bản mặt dưới các tải trọng thực tế.
  • Phát hiện hiện tượng thoát không và nứt bản mặt là nguyên nhân chính gây mất an toàn, từ đó đề xuất bố trí cốt thép hai lớp và các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ bền và độ an toàn.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, hỗ trợ thiết kế, thi công và vận hành đập CFRD tại Việt Nam và các nước có điều kiện tương tự.
  • Đề xuất tiếp tục quan trắc, nghiên cứu vật liệu mới và hoàn thiện phương pháp tính toán để nâng cao hiệu quả và độ an toàn của đập CFRD trong tương lai.

Luận văn kêu gọi các nhà thiết kế, thi công và quản lý công trình thủy điện quan tâm áp dụng các giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình đập đá đổ bản mặt bê tông.