Tổng quan nghiên cứu

Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là loại công trình thủy lợi và thủy điện được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, với hơn 180 đập đã xây dựng tính đến năm 1998, trong đó có 25 đập cao trên 100m. Tại Việt Nam, CFRD cũng được triển khai tại một số công trình lớn như đập Tuyên Quang, đập Cửa Đạt, đập Rào Quán và đập Tân Mỹ (Ninh Thuận). Đập CFRD có ưu điểm tận dụng vật liệu tại chỗ, chi phí xây dựng thấp hơn các loại đập bê tông truyền thống, thời gian thi công ngắn và khả năng chịu động đất tốt. Tuy nhiên, do bản mặt bê tông mỏng và chịu áp lực nước lớn, hiện tượng nứt và thấm nước vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu đề xuất giải pháp chống thấm cho đập đá đổ bản mặt bê tông, áp dụng cho cụm công trình đầu mối Tân Mỹ, tỉnh Ninh Thuận. Mục tiêu chính là phân tích, đánh giá các kết cấu chống thấm hiện có, lựa chọn kết cấu phù hợp và tính toán thiết kế bản mặt bê tông chống thấm hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực tế tại công trình Tân Mỹ, phân tích điều kiện địa chất, thủy văn, tính toán thấm và ứng suất biến dạng bản mặt bê tông trong các trường hợp tải trọng khác nhau. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả chống thấm, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ đập CFRD tại Việt Nam, góp phần phát triển công nghệ xây dựng đập hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thấm qua đập đá đổ: Vận tốc dòng thấm được xác định theo công thức ( V_t = KJ^{0.5} ), trong đó (K) là hệ số thấm của đá đổ, (J) là độ dốc thủy lực. Lưu lượng thấm được tính toán dựa trên sơ đồ dòng thấm qua đập không có vật chống thấm và qua bản mặt bê tông với các phần thấm trên và dưới đường bão hòa.

  • Mô hình kết cấu bản mặt bê tông: Bản mặt bê tông được xem là kết cấu chịu uốn với ứng suất phát sinh do biến dạng nhiệt, co ngót bê tông, áp lực nước và biến dạng khối đá đổ. Việc bố trí cốt thép theo hai phương dọc mái và ngang mái với hàm lượng khoảng 0.4-0.5% giúp giảm thiểu nứt nẻ.

  • Mô hình phần tử hữu hạn (FEM): Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng ứng suất, biến dạng bản mặt bê tông và tương tác tiếp xúc giữa bản mặt và lớp đá đổ. Mô hình Duncan-Chang được áp dụng để mô phỏng đặc tính phi tuyến tính của vật liệu đá đổ.

  • Phương pháp tính toán thấm và ổn định: Sử dụng phần mềm GEO-STUDIO 2004 với modul SEEP/W để tính toán gradient thấm và modul SLOPE/W để xác định hệ số ổn định theo phương pháp Bishop.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số thấm, khe co dãn bản mặt, biến dạng bản mặt, ứng suất nhiệt, co ngót bê tông, mô đun đàn hồi đá đổ, và kết cấu bệ bê tông bản mặt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, số liệu khảo sát thực tế tại công trình đập Tân Mỹ, các kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý đất đá nền, bê tông bản mặt và quan trắc vận hành các đập CFRD đã xây dựng.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS và GEO-STUDIO, tính toán thấm và ứng suất biến dạng bản mặt bê tông trong các trường hợp tải trọng khác nhau (mực nước thượng lưu, động đất).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian học tập chương trình cao học, với các giai đoạn khảo sát hiện trường, thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng số và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung vào cụm công trình đầu mối Tân Mỹ với các đập phụ 2, 3, 4, khảo sát địa chất, địa hình, thủy văn và các điều kiện thi công đặc thù của khu vực.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng ứng dụng cao trong thiết kế và thi công đập CFRD tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn kết cấu chống thấm bản mặt bê tông: Qua phân tích ưu nhược điểm các hình thức chống thấm, kết cấu bản mặt bê tông cốt thép được đánh giá là phù hợp nhất cho đập đá đổ Tân Mỹ. Bê tông bản mặt có hệ số thấm rất thấp, tuổi thọ cao và khả năng chịu biến dạng tốt hơn so với vật liệu đất sét. Việc sử dụng bê tông mác cao (≥ C250) và phụ gia chống thấm giúp giảm lưu lượng thấm đáng kể.

  2. Tính toán thấm và ứng suất bản mặt: Mô phỏng bằng phần mềm GEO-STUDIO cho thấy gradient thấm tại các đập phụ 2, 3, 4 trong các trường hợp mực nước thượng lưu khác nhau dao động trong khoảng 0.001 đến 0.005, đảm bảo an toàn chống thấm. Phân tích ứng suất bản mặt bằng ANSYS cho thấy ứng suất nén lớn nhất khoảng 4.9 MPa theo phương dọc mái và 7.85 MPa theo phương ngang, tập trung ở vùng trung tâm bản mặt, trong khi ứng suất kéo chỉ xuất hiện cục bộ gần vai đập và khe nối biên.

  3. Chiều dày bản mặt bê tông hợp lý: Công thức tính chiều dày bản mặt ( t = a + bH ) với ( a = 0.3m ), ( b ) dao động từ 0.001 đến 0.0075 tùy theo công nghệ thi công và biến dạng đá đổ được áp dụng. Chiều dày tối thiểu 0.25m được khuyến nghị để đảm bảo thi công thuận lợi và độ bền bản mặt.

  4. Bố trí khe co dãn và khe thi công: Khoảng cách khe co dãn dọc mái từ 12 đến 18m, khe ngang bố trí tại các vị trí thi công phân đoạn. Khe co dãn loại “A” và “B” được thiết kế với tấm đồng ngăn nước và vật liệu dẻo, đảm bảo khả năng chống thấm và thích ứng biến dạng bản mặt. Quan trắc thực tế cho thấy khe co dãn hoạt động hiệu quả, giảm thiểu nứt và rò rỉ nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây nứt bản mặt bê tông là ứng suất nhiệt và co ngót trong quá trình đông cứng bê tông, cùng với biến dạng không đều của khối đá đổ. Việc bố trí cốt thép hai phương với hàm lượng 0.4-0.5% giúp giảm ứng suất kéo và hạn chế nứt. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả ứng suất và biến dạng bản mặt tại Tân Mỹ tương đồng với các đập CFRD ở Brazil, Trung Quốc và Australia.

Việc sử dụng phần mềm ANSYS với mô hình tiếp xúc giữa bản mặt và đá đổ cho phép mô phỏng chính xác hơn trạng thái làm việc thực tế, bao gồm hiện tượng trượt tương đối và phân bố ứng suất không đều. Phương pháp tính toán thấm bằng phần mềm GEO-STUDIO cũng cho kết quả tin cậy, giúp đánh giá hiệu quả chống thấm của kết cấu bản mặt và xử lý nền bằng khoan phụt.

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp chống thấm bằng bản mặt bê tông cốt thép kết hợp xử lý nền tại công trình Tân Mỹ, góp phần nâng cao an toàn và tuổi thọ đập CFRD tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bê tông mác cao và phụ gia chống thấm: Sử dụng bê tông mác không thấp hơn C250, kết hợp phụ gia sinh khí và phụ gia giảm nước để tăng cường tính chống thấm và độ bền, giảm co ngót và ứng suất nhiệt. Thời gian dưỡng hộ bê tông cần kéo dài để đảm bảo chất lượng.

  2. Thiết kế chiều dày bản mặt hợp lý: Áp dụng công thức ( t = 0.3 + bH ) với ( b ) trong khoảng 0.001-0.0037 tùy điều kiện thi công và biến dạng đá đổ, đảm bảo chiều dày tối thiểu 0.25m để thuận lợi thi công và tăng độ bền.

  3. Bố trí khe co dãn và khe thi công khoa học: Khoảng cách khe co dãn dọc mái từ 12-18m, khe ngang bố trí tại các vị trí thi công phân đoạn. Sử dụng tấm đồng ngăn nước và vật liệu dẻo trong khe để đảm bảo khả năng chống thấm và thích ứng biến dạng bản mặt. Chủ động kiểm tra và bảo trì khe co dãn trong quá trình vận hành.

  4. Xử lý nền bằng khoan phụt: Thực hiện khoan phụt xi măng hoặc vật liệu chống thấm tại nền đập để giảm hệ số thấm, tăng độ ổn định nền và hạn chế thấm qua thân đập. Thời gian thực hiện trước khi đổ bản mặt bê tông, do đơn vị thi công chuyên trách đảm nhận.

  5. Giám sát chất lượng thi công và vận hành: Thiết lập hệ thống quan trắc ứng suất, biến dạng và lưu lượng thấm thường xuyên để phát hiện sớm các hiện tượng bất thường. Đào tạo nhân lực kỹ thuật và áp dụng quy trình thi công nghiêm ngặt nhằm đảm bảo chất lượng bản mặt bê tông.

Các giải pháp trên cần được thực hiện đồng bộ trong vòng 1-2 năm đầu thi công và vận hành, do chủ đầu tư phối hợp với đơn vị thiết kế và thi công chịu trách nhiệm chính.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện: Nghiên cứu các giải pháp chống thấm và thiết kế bản mặt bê tông cho đập CFRD, áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật và mô hình tính toán hiện đại.

  2. Chuyên gia thi công và quản lý dự án xây dựng đập: Áp dụng quy trình thi công bản mặt bê tông, xử lý nền và kiểm soát chất lượng vật liệu, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, thủy điện: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích ứng suất, biến dạng và thấm qua đập đá đổ bản mặt bê tông, nâng cao kiến thức chuyên môn.

  4. Cơ quan quản lý và vận hành công trình thủy lợi, thủy điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc, bảo trì và sửa chữa đập CFRD, đảm bảo an toàn và hiệu quả khai thác.

Luận văn cung cấp các số liệu thực tế, mô hình tính toán và đề xuất kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các đối tượng trên trong việc phát triển và vận hành các công trình đập đá đổ bản mặt bê tông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) được ưu tiên sử dụng?
    CFRD tận dụng vật liệu tại chỗ, chi phí thấp, thi công nhanh, chịu được biến dạng tốt và có khả năng chống động đất cao. Đây là loại đập phù hợp với nhiều điều kiện địa chất và khí hậu, được xem là lựa chọn hàng đầu khi xây dựng đập mới.

  2. Nguyên nhân chính gây nứt bản mặt bê tông là gì?
    Nứt bản mặt chủ yếu do ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa xi măng và co ngót bê tông khi đông cứng. Biến dạng không đều của khối đá đổ cũng góp phần tạo ứng suất kéo cục bộ, gây nứt.

  3. Chiều dày bản mặt bê tông nên được thiết kế như thế nào?
    Chiều dày bản mặt thường giảm dần từ đỉnh xuống đáy, được tính theo công thức ( t = a + bH ) với ( a \approx 0.3m ), ( b ) dao động từ 0.001 đến 0.0075 tùy điều kiện. Chiều dày tối thiểu nên là 0.25m để đảm bảo thi công và độ bền.

  4. Làm thế nào để giảm thấm qua bản mặt bê tông?
    Sử dụng bê tông mác cao, phụ gia chống thấm, bố trí khe co dãn hợp lý với tấm đồng ngăn nước và vật liệu dẻo trong khe, đồng thời xử lý nền bằng khoan phụt để giảm hệ số thấm của đá đổ.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng ứng suất và thấm đập CFRD?
    Phần mềm ANSYS được dùng để mô phỏng ứng suất và biến dạng bản mặt bê tông, trong khi phần mềm GEO-STUDIO 2004 (modul SEEP/W và SLOPE/W) được sử dụng để tính toán thấm và ổn định đập.

Kết luận

  • Đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD) là giải pháp ưu việt, phù hợp với điều kiện địa chất và kinh tế Việt Nam, được ứng dụng thành công tại công trình Tân Mỹ.

  • Kết cấu bản mặt bê tông cốt thép với bê tông mác cao và bố trí khe co dãn hợp lý giúp giảm thiểu nứt và thấm, nâng cao an toàn công trình.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn và mô phỏng thấm bằng phần mềm chuyên dụng cho kết quả tin cậy, hỗ trợ thiết kế và vận hành đập hiệu quả.

  • Giải pháp xử lý nền bằng khoan phụt kết hợp với thiết kế bản mặt bê tông là phương án tối ưu cho công trình đầu mối Tân Mỹ.

  • Đề xuất các biện pháp thi công, giám sát và bảo trì nhằm đảm bảo chất lượng và tuổi thọ đập CFRD trong giai đoạn 1-2 năm đầu vận hành.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa vật liệu bê tông bản mặt và công nghệ thi công, đồng thời khuyến nghị áp dụng rộng rãi công nghệ CFRD tại các công trình thủy lợi, thủy điện trong nước. Các chuyên gia và nhà quản lý được khuyến khích tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.