Sổ tay Kỹ Thuật Thủy Lợi - Chương 1 Phần 2: Đập Bê Tông Trọng Lực

Sổ tay kỹ thuật thủy lợi chương 1 phần 2 tập 2: Tổng quan kiến thức cơ bản về thủy lợi, thiết kế và thi công công trình thủy lợi. Tài liệu hữu ích cho kỹ sư.

• Tác giả: Pgs
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thủy lợi
• Đề tài: Đập bê tông trọng lực
• Loại tài liệu: Sổ tay kỹ thuật

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
• 1.1. Phân loại đập và các yêu cầu thiết kế
• 1.1.1. Phân loại đập
• 1.1.1.1. Theo chiều cao đập
• 1.1.1.2. Theo kết cấu mặt cắt ngang đập
• 1.1.1.3. Theo chức năng của đập
• 1.1.1.4. Theo dạng bố trí đập trên mặt bằng
• 1.1.2. Các yêu cầu thiết kế đập
• 1.1.2.1. Đập phải thỏa mãn các nhiệm vụ thiết kế đặt ra (dâng nước, tràn nước, lợi dụng tổng hợp)
• 1.1.2.2. Đập phải đảm bảo ổn định trong mọi điều kiện thi công, quản lý khai thác và sửa chữa
• 1.1.2.3. Đập phải đủ độ bền, chống các tác động phá hoại của ngoại lực, tải trọng nhiệt, biến hình nền và ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo quy định
• 1.1.2.4. Bố trí mặt bằng và kết cấu đập phải thỏa mãn các điều kiện thi công, quản lý vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan
• 1.1.2.5. Đập phải có tính hiện đại, áp dụng các công nghệ thiết kế, thi công và quản lý tiên tiến phù hợp với điều kiện tại chỗ và xu hướng phát triển của địa phương
• 1.1.2.6. Giá thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ của nó và với các điều kiện tại nơi xây dựng
• 1.2. Bố trí đập bê tông trọng lực trong cụm đầu mối
• 1.2.1. Chọn tuyến đập có địa chất nền và 2 vai tốt, tránh các vị trí nứt gãy hoặc mềm yếu cục bộ, phải xử lý phức tạp
• 1.2.2. Bố trí đập tràn phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công và phương pháp thi công
• 1.2.3. Khi trên cùng một tuyến có bố trí nhiều hạng mục khác nhau (đập tràn, nhà máy thủy điện, âu thuyền...) cần phải phân tích để chọn vị trí đặt thích hợp cho từng hạng mục để giảm những ảnh hưởng của việc tháo lũ qua tràn đến sự làm việc bình thường của các hạng mục công trình khác
• 1.2.4. Lưu lượng cần xả qua đập tràn được xác định như sau:
• 1.2.5. Khi bố trí mặt bằng đập, cần nghiên cứu tổng thể bài toán nối tiếp dòng chảy ra hạ lưu trong điều kiện khai thác bình thường và khi tháo lũ, để đảm bảo điều kiện không xói lở bờ và đáy lòng dẫn ở hạ lưu
• 1.3. Mặt cắt đập bê tông trọng lực
• 1.3.1. Các yêu cầu khi tính toán mặt cắt đập
• 1.3.1.1. Điều kiện ổn định
• 1.3.1.2. Điều kiện cường độ
• 1.3.1.3. Điều kiện kinh tế
• 1.3.1.4. Điều kiện sử dụng
• 1.3.1.5. Giai đoạn xác định mặt cắt cơ bản
• 1.3.1.6. Giai đoạn xác định mặt cắt thực dụng
• 1.3.2. Tính toán mặt cắt cơ bản của đập
• 1.3.2.1. Hình dạng mặt cắt cơ bản
• 1.3.2.2. Xác định mặt cắt kinh tế (mặt cắt cơ bản) của đập không tràn
• 1.3.2.2.1. Mặt cắt dạng tam giác, h2 ≠ 0
• 1.3.2.2.2. Mặt cắt dạng tam giác, h2 = 0
• 1.3.2.2.2.1. Điều kiện cường độ
• 1.3.2.2.2.2. Điều kiện ổn định
• 1.3.2.2.3. Mặt cắt dạng đa giác
• 1.3.3. Xác định mặt cắt thực tế của đập trọng lực
• 1.3.3.1. Đập không tràn
• 1.3.3.1.1. Cao trình đỉnh đập
• 1.3.3.1.2. Chiều rộng đỉnh đập
• 1.3.3.1.3. Bố trí hệ thống hành lang trong thân đập
• 1.3.3.1.3.1. Đối với hành lang tập trung nước, kiểm tra, bố trí thiết bị đo và các loại đường ống
• 1.3.3.1.3.2. Đối với hành lang phụt vữa ở gần nền, kích thước của nó cần chọn sao cho thỏa mãn điều kiện đặt, vận hành và di chuyển máy khoan phụt
• 1.3.3.2. Đập tràn nước
• 1.3.3.2.1. Đỉnh đập
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẬP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN NỀN MỀM
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẬP VÒM
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC LOẠI ĐẬP BẢN TỰA

Tóm tắt

I. Tổng quan về đập bê tông trọng lực và vai trò thiết yếu

Đập bê tông trọng lực là một trong những loại hình công trình thủy lợi kiên cố và phổ biến nhất trên thế giới, đóng vai trò then chốt trong việc dâng nước, điều tiết lũ, phát điện và cung cấp nước cho sinh hoạt, nông nghiệp. Nguyên lý hoạt động của đập bê tông trọng lực dựa hoàn toàn vào trọng lượng bản thân của kết cấu để chống lại các lực tác động từ bên ngoài, chủ yếu là áp lực nước từ thượng lưu. Khối lượng bê tông khổng lồ tạo ra một lực thẳng đứng đủ lớn để đảm bảo tính ổn định chống trượt và chống lật trên nền đá. Theo tài liệu Sổ tay Kỹ thuật Thủy lợi, “Đập trọng lực là loại đập có khối lượng lớn và được duy trì ổn định nhờ trọng lượng bản thân đập”. Điều này đòi hỏi công trình phải được xây dựng trên một nền địa chất vững chắc, thường là nền đá nguyên khối có khả năng chịu tải cao. Việc lựa chọn vị trí và thiết kế một đập bê tông trọng lực đòi hỏi quá trình khảo sát địa chất, thủy văn cực kỳ nghiêm ngặt. Các yếu tố như chiều cao đập, đặc điểm nền, và các tải trọng tác động (áp lực nước, áp lực đẩy nổi, động đất) đều phải được tính toán chính xác để đảm bảo an toàn tuyệt đối trong suốt vòng đời công trình. Cấu trúc của đập thường có mặt cắt ngang dạng hình tam giác hoặc hình thang, với mái thượng lưu gần như thẳng đứng và mái hạ lưu có độ dốc nhất định để phân bố ứng suất hợp lý. Tùy vào chức năng, đập có thể được thiết kế dưới dạng đập không tràn hoặc đập tràn, nơi nước có thể chảy qua đỉnh đập một cách có kiểm soát. Việc hiểu rõ các khái niệm cơ bản này là nền tảng để đi sâu vào các thách thức kỹ thuật và giải pháp thiết kế tối ưu cho loại công trình phức tạp này.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động cơ bản của đập trọng lực

Đập bê tông trọng lực (Gravity Dam) là loại đập được xây dựng bằng vật liệu bê tông hoặc bê tông đá hộc, có mặt cắt ngang lớn và duy trì sự ổn định chủ yếu nhờ vào trọng lượng bản thân. Nguyên lý cơ bản của nó là sử dụng khối lượng khổng lồ để tạo ra lực ma sát tại mặt tiếp xúc giữa đáy đập và nền đá, đủ sức chống lại lực đẩy ngang của nước. Toàn bộ các lực tác động bên ngoài như áp lực thủy tĩnh, áp lực bùn cát, lực sóng và các lực động (như động đất) đều được cân bằng bởi trọng lực của chính con đập. Do đó, điều kiện tiên quyết để xây dựng loại đập này là phải có một nền đá cực kỳ vững chắc, có cường độ chịu nén và chống cắt cao, đảm bảo không bị phá hoại dưới tải trọng tập trung rất lớn từ thân đập truyền xuống.

1.2. Phân loại các dạng đập bê tông trọng lực phổ biến nhất

Việc phân loại đập bê tông trọng lực có thể dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Theo chiều cao, tiêu chuẩn TCXDVN 285 - 2002 phân cấp đập trên nền đá thành các cấp I (>100m), II (60-100m), III (25-60m), và IV (10-25m). Theo kết cấu mặt cắt ngang, có thể phân thành đập trọng lực đặc, đập có khe rỗng, đập có khoét lỗ lớn sát nền hoặc đập có neo vào nền để tăng cường ổn định. Về chức năng, đập được chia thành hai loại chính: đập không tràn, chỉ có chức năng chắn nước, và đập tràn, vừa chắn nước vừa cho phép nước tràn qua đỉnh (tràn mặt, xả sâu, hoặc kết hợp cả hai). Mỗi loại hình đều có ưu, nhược điểm và ứng dụng riêng tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất và mục tiêu của dự án.

1.3. Các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong thiết kế đập

Thiết kế một đập bê tông trọng lực phải tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế. Về kỹ thuật, đập phải đảm bảo nhiệm vụ thiết kế (dâng nước, xả lũ), có độ ổn định cao trong mọi điều kiện vận hành, và đủ độ bền để chống lại các tác động ngoại lực, đảm bảo tuổi thọ theo quy định. Bố trí mặt bằng và kết cấu phải thuận lợi cho thi công, quản lý và sửa chữa. Về kinh tế, giá thành xây dựng phải hợp lý, phù hợp với quy mô và lợi ích mà công trình mang lại. Việc tối ưu hóa giữa các yếu tố an toàn, chức năng và chi phí là bài toán cốt lõi trong quá trình thiết kế, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa việc lựa chọn vật liệu, hình dạng mặt cắt và các biện pháp xử lý nền.

II. Thách thức ổn định của đập bê tông trọng lực trên nền đá

Thách thức lớn nhất trong thiết kế đập bê tông trọng lực là đảm bảo sự ổn định tuyệt đối của công trình trước tổ hợp các lực tác động phức tạp. An toàn của đập phụ thuộc vào khả năng chống lại hai nguy cơ phá hoại chính: trượt và lật. Sự ổn định của đập trên nền đá không chỉ phụ thuộc vào khối lượng của nó mà còn chịu ảnh hưởng sâu sắc bởi các đặc trưng của nền. Các yếu tố như áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm đẩy nổi, áp lực bùn cát, lực động đất và cả sự thay đổi nhiệt độ đều là những ngoại lực có thể gây mất ổn định. Trong đó, áp lực đẩy nổi tác động từ dưới đáy đập lên làm giảm trọng lượng hiệu quả của đập, từ đó làm giảm lực ma sát chống trượt. Tài liệu gốc nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định chính xác các lực này, bao gồm cả “lực sinh ra do động đất” và “tác động của nhiệt độ”. Các khe nứt hoặc đới địa chất yếu trong nền đá là những điểm tiềm ẩn nguy cơ, có thể trở thành mặt trượt tiềm năng. Do đó, việc đánh giá đúng các khả năng mất ổn định là cực kỳ quan trọng. Phân tích ổn định phải được thực hiện cho các tổ hợp tải trọng khác nhau, bao gồm tổ hợp cơ bản (điều kiện vận hành bình thường) và tổ hợp đặc biệt (lũ thiết kế, động đất). Việc không tính toán đầy đủ hoặc đánh giá sai các lực tác dụng có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc, đe dọa an toàn cho vùng hạ du. Vì vậy, mọi giai đoạn, từ khảo sát đến thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực, đều phải đặt yếu tố ổn định lên hàng đầu.

2.1. Phân tích các lực tác dụng chính lên thân đập trọng lực

Một đập bê tông trọng lực phải chịu tác động của nhiều loại lực đồng thời. Các lực chính bao gồm: Trọng lượng bản thân đập (G), là lực có lợi giúp tăng ổn định; Áp lực thủy tĩnh (T, P) từ thượng lưu và hạ lưu, là lực gây trượt và lật chính; Áp lực thấm và đẩy nổi (U) tác động lên đáy đập, làm giảm trọng lượng hữu hiệu và giảm khả năng chống trượt; Áp lực bùn cát (Hb, Pb); Áp lực sóng (Ts) và lực động đất. Mỗi lực này phải được xác định giá trị, điểm đặt và phương tác dụng một cách chính xác. Các lực được tổ hợp lại trong các trường hợp tính toán bất lợi nhất (tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt) để kiểm tra điều kiện bền và ổn định của công trình.

2.2. Các khả năng mất ổn định nguy cơ trượt phẳng và lật đổ

Hai dạng mất ổn định cơ bản đối với đập bê tông trọng lực là trượt và lật. Ổn định chống trượt được kiểm tra trên các mặt phẳng tiềm năng, thường là mặt tiếp xúc giữa đập và nền, hoặc các mặt yếu trong nền đá. Điều kiện an toàn được thể hiện qua công thức Kt ≥ Kcp, trong đó Kt là hệ số an toàn chống trượt thực tế và Kcp là hệ số cho phép. Nguy cơ lật xảy ra khi mô men của các lực gây lật (chủ yếu là áp lực nước) lớn hơn mô men của các lực chống lật (chủ yếu là trọng lượng đập) đối với mép hạ lưu. Điều kiện để không xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu (dấu hiệu của nguy cơ lật) là một yêu cầu thiết kế quan trọng, đảm bảo hợp lực của tất cả các lực tác động phải nằm trong vùng lõi của mặt cắt.

2.3. Tầm quan trọng của việc khảo sát địa chất nền và vai đập

Điều kiện địa chất đóng vai trò quyết định trong việc bố trí mặt bằng và đảm bảo an toàn cho đập. Việc khảo sát kỹ lưỡng giúp chọn được tuyến đập có nền và hai vai tốt, tránh các vị trí đứt gãy hoặc mềm yếu cục bộ. Các đặc trưng chống cắt của nền đá, bao gồm lực dính đơn vị (c) và góc ma sát trong (φ), là những thông số đầu vào trực tiếp cho tính toán ổn định chống trượt. Bất kỳ sự sai lệch nào trong việc xác định các chỉ tiêu này đều có thể dẫn đến thiết kế không an toàn hoặc quá lãng phí. Vì vậy, công tác khảo sát địa chất công trình không chỉ là bước đầu tiên mà còn là yếu tố nền tảng cho sự thành công của toàn bộ dự án đập bê tông trọng lực.

III. Phương pháp xác định mặt cắt đập bê tông trọng lực tối ưu

Việc thiết kế mặt cắt đập bê tông trọng lực là một quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu, nhằm thỏa mãn đồng thời các điều kiện về ổn định, cường độ và kinh tế. Quá trình này thường được chia thành hai giai đoạn chính: xác định mặt cắt cơ bản và hiệu chỉnh thành mặt cắt thực dụng. Giai đoạn đầu tiên tập trung vào việc lựa chọn hình dạng hình học sơ bộ, thường là hình tam giác hoặc đa giác, và xác định các kích thước chính như bề rộng đáy (B) và các hệ số mái (m1, m2). Mục tiêu của giai đoạn này là tìm ra một mặt cắt kinh tế nhất, tức là mặt cắt có diện tích nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện an toàn. Các điều kiện khống chế bao gồm: hệ số an toàn chống trượt và chống lật phải lớn hơn giá trị cho phép, ứng suất nén lớn nhất không vượt quá cường độ chịu nén của bê tông và nền đá, và không xuất hiện ứng suất kéo tại mép thượng lưu. Tài liệu hướng dẫn sử dụng các công thức và biểu đồ để sơ bộ xác định kích thước, ví dụ công thức xác định bề rộng đáy đập B dựa trên chiều cao đập h1 và các đặc trưng vật liệu. Giai đoạn thứ hai, từ mặt cắt cơ bản, các kỹ sư sẽ tiến hành hiệu chỉnh để tạo ra mặt cắt thực dụng, bổ sung các yếu tố cần thiết cho vận hành như đỉnh đập cho giao thông, hệ thống hành lang, đường ống thoát nước, và cấu tạo đỉnh đập cho phù hợp với loại đập tràn hoặc không tràn. Sau khi hiệu chỉnh, toàn bộ mặt cắt cuối cùng phải được kiểm toán lại về ổn định và ứng suất để đảm bảo an toàn.

3.1. Lựa chọn hình dạng mặt cắt cơ bản tam giác và đa giác

Hình dạng mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực thường là hình tam giác hoặc đa giác. Mặt cắt tam giác là dạng cổ điển, phù hợp với biểu đồ phân bố áp lực nước hình tam giác, giúp tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu. Việc chọn mái thượng lưu có độ dốc (m1 ≠ 0) giúp tận dụng thêm trọng lượng của khối nước phía trên để tăng ổn định. Mặt cắt dạng đa giác (thường là hình thang gãy khúc) được sử dụng để tối ưu hóa hơn nữa, tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu tại mỗi cao trình, từ đó giảm khối lượng bê tông. Dạng đa giác đặc biệt hữu ích khi cần bố trí các công trình khác như cửa lấy nước hoặc khi điều kiện chịu lực thay đổi theo chiều cao đập.

3.2. Tính toán mặt cắt kinh tế dựa trên điều kiện ổn định và cường độ

Mục tiêu là xác định các thông số hình học (bề rộng đáy B, hệ số mái m1, m2) sao cho diện tích mặt cắt là nhỏ nhất (kinh tế nhất) mà vẫn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật. Các điều kiện này bao gồm: điều kiện ổn định chống trượt (Kt ≥ Kcp), và điều kiện cường độ. Điều kiện cường độ yêu cầu ứng suất nén lớn nhất σ_max phải nhỏ hơn cường độ chịu nén tính toán [R_n] của vật liệu, và ứng suất tại mép thượng lưu σ_min phải lớn hơn hoặc bằng 0 để tránh phát sinh ứng suất kéo. Quá trình tính toán thường là một bài toán lặp, thử dần các giá trị kích thước cho đến khi tìm được bộ thông số tối ưu.

3.3. Hiệu chỉnh mặt cắt thực tế cho đập tràn và không tràn

Từ mặt cắt cơ bản, các yếu tố cấu tạo thực tế được bổ sung. Đối với đập không tràn, cần xác định cao trình và chiều rộng đỉnh đập để đảm bảo an toàn khi có sóng và đáp ứng yêu cầu giao thông. Đối với đập tràn, đỉnh đập phải được tạo hình theo một đường cong thủy lực tối ưu (như đường cong Creager) để dòng chảy được thông suốt, tránh tạo ra chân không và khí thực gây hư hại bề mặt bê tông. Phần hạ lưu của đập tràn cũng cần được cấu tạo thêm các bộ phận tiêu năng (bể tiêu năng, mũi phun) để bảo vệ lòng sông khỏi xói lở. Sau khi thêm các chi tiết này, mặt cắt phải được kiểm toán lại toàn bộ.

IV. Hướng dẫn tính toán ứng suất và độ bền trong thân đập

Phân tích trạng thái ứng suất trong thân đập bê tông trọng lực là một bước không thể thiếu để kiểm tra độ bền và sự làm việc an toàn của kết cấu. Nội dung tính toán bao gồm việc xác định các thành phần ứng suất (ứng suất pháp, ứng suất tiếp) tại các điểm khác nhau trong thân đập, đặc biệt là tại các vị trí chịu lực bất lợi như mép biên và khu vực gần nền. Mục tiêu là đảm bảo rằng ứng suất nén lớn nhất không vượt quá cường độ chịu nén của bê tông, và ứng suất kéo (nếu có) phải nằm trong giới hạn cho phép. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, phương pháp tính ứng suất tại mép biên dựa trên công thức nén lệch tâm của sức bền vật liệu thường được áp dụng. Đây là phương pháp đơn giản, cho phép kiểm tra nhanh các điều kiện bền cơ bản. Đối với các thiết kế chi tiết hơn, cần xác định phân bố ứng suất trên toàn bộ mặt cắt. Các phương pháp phức tạp hơn như lý thuyết đàn hồi (xem đập như một hình nêm vô hạn) hoặc các phương pháp số hiện đại như phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng. PTHH là công cụ mạnh mẽ nhất hiện nay, cho phép mô hình hóa đập và nền làm việc đồng thời, xét đến tính không đồng nhất của vật liệu và các điều kiện biên phức tạp. Kết quả phân tích ứng suất được trình bày dưới dạng các đường đẳng ứng suất, giúp các kỹ sư phân vùng sử dụng bê tông có mác khác nhau để tiết kiệm chi phí và bố trí cốt thép gia cường tại các vùng có ứng suất tập trung.

4.1. Phân tích trạng thái ứng suất tại các mép biên của đập

Việc tính toán ứng suất tại các mép biên (thượng lưu và hạ lưu) của một mặt cắt ngang bất kỳ là bước kiểm tra cơ bản nhất. Ứng suất pháp theo phương thẳng đứng (σy) được xác định bằng công thức nén lệch tâm, xét đến tổng các lực thẳng đứng và mô men uốn. Từ đó, các thành phần ứng suất khác như ứng suất pháp theo phương ngang (σx) và ứng suất tiếp (τxy) cũng được tính toán. Cuối cùng, ứng suất chính (σ1 và σ2), là các giá trị ứng suất pháp lớn nhất và nhỏ nhất tại một điểm, được xác định để kiểm tra điều kiện bền theo các thuyết bền vật liệu. Đặc biệt, việc khống chế không để ứng suất chính nhỏ nhất (σ2) trở thành ứng suất kéo vượt giới hạn là yêu cầu quan trọng.

4.2. Các phương pháp xác định ứng suất lý thuyết đàn hồi và PTHH

Để có cái nhìn toàn diện về sự phân bố ứng suất, các phương pháp giải tích và số được áp dụng. Lý thuyết đàn hồi xem mặt cắt đập như một hình nêm chịu tác dụng của áp lực nước và trọng lượng bản thân, từ đó đưa ra các công thức giải tích để tính ứng suất tại một điểm bất kỳ. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế do các giả thiết đơn giản hóa. Phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp hiện đại và chính xác nhất. Nó cho phép chia đập và nền thành một lưới các phần tử nhỏ, giải hệ phương trình cân bằng cho toàn bộ hệ thống. PTHH có thể xét đến sự tương tác giữa đập và nền, tính dị hướng của vật liệu, và các điều kiện phức tạp khác, mang lại kết quả phân tích ứng suất rất đáng tin cậy.

4.3. Ứng suất tập trung quanh đường hầm và giải pháp gia cố

Sự hiện diện của các công trình ngầm như đường hầm kiểm tra, hành lang trong thân đập gây ra hiện tượng ứng suất tập trung cục bộ tại các khu vực xung quanh lỗ mở. Giá trị ứng suất tại các vị trí này có thể cao hơn nhiều so với ứng suất chung trong thân đập, có nguy cơ gây nứt vỡ bê tông. Việc tính toán ứng suất tập trung này rất phức tạp, thường sử dụng các biểu đồ lập sẵn từ kết quả thí nghiệm quang đàn hồi hoặc mô hình PTHH chi tiết. Dựa trên kết quả phân tích, các giải pháp gia cố như bố trí cốt thép xung quanh đường hầm được thiết kế để chịu các ứng suất kéo và ứng suất tiếp cục bộ, đảm bảo an toàn cho khu vực bị giảm yếu.

V. Bí quyết xử lý nền đá cho đập bê tông trọng lực hiệu quả

Chất lượng của nền đá là yếu tố sống còn đối với sự an toàn và ổn định của đập bê tông trọng lực. Nền phải có đủ sức chịu tải, khả năng chống trượt cao và có tính thấm nước thấp. Tuy nhiên, trong thực tế, nền đá tự nhiên hiếm khi đạt được các điều kiện lý tưởng này và luôn cần các biện pháp xử lý kỹ thuật phức tạp. Quá trình xử lý nền bắt đầu bằng công tác dọn nền, bao gồm việc bóc bỏ toàn bộ lớp đá phong hóa, nứt nẻ trên bề mặt để đập được đặt trực tiếp lên lớp đá gốc vững chắc. Để tăng khả năng chống trượt, bề mặt nền thường được đào thành các bậc cấp nghiêng về phía hạ lưu. Bước tiếp theo và quan trọng nhất là gia cố và chống thấm. Phụt vữa gia cố được thực hiện để lấp đầy các khe nứt, tăng tính liền khối và mô đun biến dạng của nền đá, giúp giảm lún và tăng cường độ. Song song đó, phụt vữa tạo màng chống thấm là biện pháp không thể thiếu. Một hàng lỗ khoan sâu được thực hiện gần mép thượng lưu của đập, sau đó vữa xi măng hoặc các vật liệu khác được bơm vào dưới áp lực cao để tạo thành một “bức màn” thẳng đứng trong lòng đất đá. Màng chống thấm này có tác dụng kéo dài đường thấm, giảm lưu lượng nước thấm dưới đáy đập và quan trọng nhất là làm giảm đáng kể áp lực đẩy nổi, một trong những lực gây mất ổn định nguy hiểm nhất. Hiệu quả của các biện pháp xử lý nền quyết định trực tiếp đến hệ số an toàn và tuổi thọ của công trình.

5.1. Quy trình dọn và gia cố nền đá chống trượt và tăng chịu tải

Công tác dọn nền bao gồm việc bóc bỏ lớp đất phủ và đá phong hóa cho đến khi gặp tầng đá gốc có cường độ đảm bảo. Bề mặt nền phải được làm sạch bằng bàn chải thép, rửa nước và thổi khí nén trước khi đổ lớp bê tông đầu tiên. Để tăng khả năng chống trượt, mặt nền có thể được tạo nhám hoặc đào các bậc cấp, chân khay. Đối với các vùng đá bị nứt nẻ nhiều, phụt vữa gia cố (consolidation grouting) được tiến hành trên một phạm vi rộng dưới đáy đập. Các lỗ khoan được bố trí theo lưới, và vữa xi măng được bơm vào với áp lực thấp để lấp đầy các khe nứt, làm tăng sự liên kết và khả năng chịu tải của khối đá nền.

5.2. Kỹ thuật phụt vữa tạo màng chống thấm cho nền và hai bên bờ

Màng chống thấm (grout curtain) là một hàng rào thẳng đứng được tạo ra bằng cách khoan và phụt vữa vào nền đá ngay dưới mép thượng lưu đập. Mục đích của nó là ngăn chặn hoặc giảm thiểu lượng nước thấm xuống dưới đáy đập và vòng qua hai bên vai đập. Chiều sâu của màng chống thấm phụ thuộc vào cột nước và đặc điểm địa chất, thường được khoan sâu xuống đến tầng đá có hệ số thấm rất nhỏ. Quá trình này giúp giảm đáng kể áp lực đẩy nổi và ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm. Tùy thuộc vào kích thước khe nứt, vật liệu phụt có thể là vữa xi măng, xi măng-bentonit, hoặc các hóa chất chuyên dụng.

5.3. Hệ thống thoát nước cho nền và thân đập để giảm áp lực thấm

Để tăng cường hiệu quả giảm áp lực thấm, một hệ thống thoát nước thường được bố trí ngay sau màng chống thấm. Hệ thống này bao gồm một hàng các lỗ khoan thẳng đứng (drainage holes) khoan sâu vào nền đá. Các lỗ khoan này không được phụt vữa mà để rỗng, có tác dụng thu gom lượng nước thấm đã lọt qua màng chống thấm và dẫn chúng vào các hành lang kiểm tra trong thân đập, sau đó thoát ra hạ lưu. Bằng cách tạo ra một điểm có áp suất thấp ngay sau màng chắn, hệ thống thoát nước giúp giảm đột ngột gradient thủy lực, từ đó làm giảm mạnh áp lực đẩy nổi tác dụng lên phần còn lại của đáy đập, góp phần quan trọng vào việc đảm bảo ổn định cho công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

§Ëp bª t«ng vµ bª t«ng cèt thÐp Ch­¬ng 1. §Ëp bª t«ng träng lùc Ch­¬ng 2. §Ëp bª t«ng vµ bª t«ng cèt thÐp trªn nÒn mÒm Ch­¬ng 3. §Ëp vßm Ch­¬ng 4.

C¸c lo¹i ®Ëp b¶n tùa www.vn 12 sæ tay KTTL ∗ PhÇn 2 - c«ng tr×nh thñy lîi ∗ TËp 2 www.vn A - §Ëp bª t«ng vµ bª t«ng cèt thÐp 13 Ch­¬ng 1 §Ëp bª t«ng träng lùc Biªn so¹n: PGS. Ph©n lo¹i ®Ëp vµ c¸c yªu cÇu thiÕt kÕ I. Ph©n lo¹i ®Ëp Trong ch­¬ng nµy tr×nh bµy c¸c kiÕn thøc vÒ ®Ëp bª t«ng träng lùc trªn nÒn ®¸. §Ëp träng lùc lµ lo¹i ®Ëp cã khèi l­îng lín vµ ®­îc duy tr× æn ®Þnh nhê träng l­îng b¶n th©n ®Ëp.

Cã thÓ ph©n lo¹i ®Ëp theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. Theo chiÒu cao ®Ëp ChiÒu cao ®Ëp vµ lo¹i nÒn lµ mét trong c¸c tiªu chuÈn dïng ®Ó ph©n cÊp ®Ëp vµ c«ng tr×nh ®Çu mèi. Theo tµi liÖu cña thÕ giíi, ®Ëp th­êng ph©n thµnh: a. §Ëp cao: cã chiÒu cao H® ≥ 70m; b.

§Ëp cao trung b×nh: 30m ≤ H® < 70m. Theo TCXDVN 285 - 2002, cÊp cña ®Ëp bª t«ng trªn nÒn ®¸ nh­ sau: - §Ëp cÊp I: H® > 100m; - §Ëp cÊp II: 60m < H® ≤ 100m. - §Ëp cÊp III: 25m < H® ≤ 60m. - §Ëp cÊp IV: 10m < H® ≤ 25m.

Theo kÕt cÊu mÆt c¾t ngang ®Ëp, (h×nh 1-1) cã c¸c lo¹i: a. §Ëp träng lùc ®Æc (h×nh 1 - 1a); b. §Ëp träng lùc khe rçng (h×nh 1 - 1b); c. §Ëp träng lùc cã khoÐt lç lín ë s¸t nÒn (h×nh 1 - 1c); d.vn 14 sæ tay KTTL ∗ PhÇn 2 - c«ng tr×nh thñy lîi ∗ TËp 2 (a) (b) (c) (d) H×nh 1-1.

KÕt cÊu mÆt c¾t ngang ®Ëp bª t«ng träng lùc a) §Ëp ®Æc; b) §Ëp cã khe rçng; c) §Ëp cã khoÐt lç lín ë s¸t nÒn; d) §Ëp cã neo vµo nÒn. Theo chøc n¨ng cña ®Ëp a. §Ëp träng lùc kh«ng trµn §Ëp cã chøc n¨ng ch¾n n­íc, kh«ng cho n­íc trµn qua (h×nh 1- 1). §Ëp träng lùc trµn n- íc §Ëp cã chøc n¨ng võa ch¾n d©ng n­íc, võa cho trµn n­íc qua.

Cã thÓ ph©n biÖt: - §Ëp trµn mÆt: trµn tù do hoÆc cã cöa van (h×nh 1 - 2a). - §Ëp cã lç x¶ s©u: lç x¶ ë l­ng chõng, hoÆc d­íi ®¸y ®Ëp (s¸t nÒn), (h×nh 1-2b). - §Ëp kÕt hîp trµn mÆt vµ x¶ s©u (h×nh 1 - 2c). C¸c h×nh thøc ®Ëp träng lùc trµn n­íc a) Trµn mÆt; b) X¶ s©u; c) KÕt hîp trµn mÆt + x¶ s©u.vn A - §Ëp bª t«ng vµ bª t«ng cèt thÐp 15 4.

Theo d¹ng bè trÝ ®Ëp trªn mÆt b»ng §Ëp bª t«ng th­êng lµ lo¹i kÕt hîp c¸c ®o¹n ®Ëp trµn vµ kh«ng trµn trªn cïng mét tuyÕn. Tïy theo ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh, ®Þa chÊt vµ yªu cÇu më réng diÖn trµn n­íc, cã thÓ bè trÝ tuyÕn ®Ëp theo c¸c d¹ng sau: a. §Ëp tuyÕn th¼ng khi ®Þa chÊt nÒn cho phÐp vµ khi chiÒu dµi tuyÕn ®ñ ®Ó bè trÝ ®o¹n trµn n­íc. §Ëp tuyÕn cong, sö dông khi: - §Þa chÊt nÒn cã chç yÕu, kh«ng cho phÐp bè trÝ tuyÕn th¼ng; - CÇn më réng diÖn trµn (bè trÝ tuyÕn cong låi vÒ th­îng l­u).

C¸c yªu cÇu thiÕt kÕ ®Ëp Khi thiÕt kÕ ®Ëp bª t«ng träng lùc, ph¶i tu©n theo ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu vÒ k thuËt vµ kinh tÕ, c¬ b¶n nh­ sau: 1. §Ëp ph¶i th!a m"n c¸c nhiÖm vô thiÕt kÕ ®Æt ra (d©ng n­íc, trµn n­íc, lîi dông tæng hîp). §Ëp ph¶i ®¶m b¶o æn ®Þnh trong mäi ®iÒu kiÖn thi c«ng, qu¶n l# khai th¸c vµ söa ch$a. §Ëp ph¶i ®ñ ®é bÒn, chèng c¸c t¸c ®éng ph¸ ho¹i cña ngo¹i lùc, t¶i träng nhiÖt, biÕn h×nh nÒn vµ ¶nh h­ëng cña m«i tr­êng, ®¶m b¶o tuæi thä theo quy ®Þnh.

%è trÝ mÆt b&ng vµ kÕt cÊu ®Ëp ph¶i th!a m"n c¸c ®iÒu kiÖn thi c«ng, qu¶n l# vËn hµnh, söa ch$a, ®¶m b¶o m quan. §Ëp ph¶i cã tÝnh hiÖn ®¹i, ¸p dông c¸c c«ng nghÖ thiÕt kÕ, thi c«ng vµ qu¶n l# tiªn tiÕn phï hîp víi ®iÒu kiÖn t¹i chç vµ xu h­íng ph¸t triÓn cña ®Þa ph­¬ng. 'i¸ thµnh ®Ëp ph¶i hîp l#, phï hîp víi nhiÖm vô cña nã vµ víi c¸c ®iÒu kiÖn t¹i n¬i x©y dùng. Bè trÝ ®Ëp bª t«ng träng lùc trong côm ®Çu mèi Trong côm c«ng tr×nh ®Çu mèi th­êng cã ®Ëp d©ng, ®Ëp trµn vµ c¸c c«ng tr×nh kh¸c ®Ó th!a m"n ®iÒu kiÖn khai th¸c c«ng tr×nh vµ b¶o vÖ m«i tr­êng (cèng lÊy n­íc, nhµ m¸y thñy ®iÖn, ©u thuyÒn hay c«ng tr×nh n©ng tµu, ®­êng th¶ b(, ®­êng c¸ ®i, c«ng tr×nh phôc vô du lÞch.

Víi ®Ëp bª t«ng trªn nÒn ®¸, th­êng kÕt hîp ®Ëp d©ng vµ ®Ëp trµn trªn cïng mét tuyÕn. §Ëp trµn th­êng bè trÝ ë ®o¹n l)ng s«ng ®Ó tr¸nh lµm biÕn ®æi qu¸ nhiÒu ®Õn ®iÒu kiÖn nèi tiÕp d)ng ch¶y ë h¹ l­u so víi khi ch­a cã ®Ëp, c)n phÇn ®Ëp kh«ng trµn th­êng bè trÝ ë 2 ®Çu tuyÕn, n¬i tiÕp gi¸p víi bê.vn 16 sæ tay KTTL ∗ PhÇn 2 - c«ng tr×nh thñy lîi ∗ TËp 2 4 1 3 1 2 H×nh 1-3. VÝ dô vÒ bè trÝ mÆt b»ng ®Ëp bª t«ng trªn nÒn ®¸ 1- ®Ëp kh«ng trµn; 2- trµn mÆt; 3- x¶ ®¸y; 4- cèng lÊy n­íc. §iÒu kiÖn ®Þa chÊt ®ãng mét vai tr) quan träng trong viÖc bè trÝ mÆt b&ng.

Nãi chung, khi bè trÝ ®Ëp trong côm c«ng tr×nh ®Çu mèi cÇn th!a m"n c¸c ®iÒu kiÖn sau ®©y: 1. Chän tuyÕn ®Ëp cã ®Þa chÊt nÒn vµ 2 vai tèt, tr¸nh c¸c vÞ trÝ nøt g*y hoÆc mÒm yÕu côc bé, ph¶i xö l# phøc t¹p. Khi c¸c tuyÕn cã ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt nh­ nhau, nªn chän tuyÕn ®Ëp th¼ng, n¬i l)ng s«ng thu h+p ®Ó gi¶m khèi l­îng c«ng tr×nh. Ch, trõ tr­êng hîp cÇn më réng diÖn trµn n­íc th× míi lµm tuyÕn ®Ëp cong låi lªn th­îng l­u.

C-ng cã thÓ chän tuyÕn ®Ëp g"y kh.c khi ph¶i nÐ tr¸nh c¸c vïng cã ®Þa chÊt yÕu côc bé. %è trÝ ®Ëp trµn ph¶i phï hîp víi ®iÒu kiÖn th¸o l­u l­îng thi c«ng vµ ph­¬ng ph¸p thi c«ng. Khi trªn cïng mét tuyÕn cã bè trÝ nhiÒu h¹ng môc kh¸c nhau (®Ëp trµn, nhµ m¸y thñy ®iÖn, ©u thuyÒn.) cÇn ph¶i ph©n tÝch ®Ó chän vÞ trÝ ®Æt thÝch hîp cho tõng h¹ng môc ®Ó gi¶m nh! ¶nh h­ëng cña viÖc th¸o l- qua trµn ®Õn sù lµm viÖc b×nh th­êng cña c¸c h¹ng môc c«ng tr×nh kh¸c. Trong nhiÒu tr­êng hîp, cÇn bè trÝ t­êng ng¨n c¸ch ®ñ dµi ë h¹ l­u ®Ó th!a m"n yªu cÇu nµy.

Khi th¸o l- thiÕt kÕ, cÇn huy ®éng ®Õn kh¶ n¨ng th¸o mét phÇn l­u l­îng l- qua c¸c c«ng tr×nh kh¸c trong côm ®Çu mèi nh­ nhµ m¸y thñy ®iÖn, ©u thuyÒn, ®­êng th¶ b(. Ngoµi ra c-ng cã thÓ xem xÐt kh¶ n¨ng cho trµn n­íc trªn ®,nh nhµ m¸y thñy ®iÖn. /­u l­îng cÇn x¶ qua ®Ëp trµn ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: 0tr 1 0th - α00, (1-1) trong ®ã: 0th - l­u l­îng cÇn th¸o, x¸c ®Þnh theo kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®iÒu tiÕt l-; 00 - tæng kh¶ n¨ng th¸o qua c¸c c«ng tr×nh kh¸c nh­ tr¹m thñy ®iÖn, cèng lÊy n­íc, ©u thuyÒn, ®­êng th¶ b(.vn A - §Ëp bª t«ng vµ bª t«ng cèt thÐp 17 α - hÖ sè lîi dông c¸c c«ng tr×nh kh¸c ®Ó th¸o l-, cã thÓ lÊy α 1 0,75 - 0,20 (xÐt ®Õn tr­êng hîp kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c tæ m¸y thñy ®iÖn ®Òu lµm viÖc, c¸c cöa van x¶ cã thÓ bÞ sù cè cöa van. Khi bè trÝ mÆt b&ng ®Ëp, cÇn nghiªn cøu tæng thÓ bµi to¸n nèi tiÕp d)ng ch¶y ra h¹ l­u trong ®iÒu kiÖn khai th¸c b×nh th­êng vµ khi th¸o l-, ®Ó ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn kh«ng xãi lë bê vµ ®¸y l)ng d*n ë h¹ l­u.

MÆt c¾t ®Ëp bª t«ng träng lùc I. C¸c yªu cÇu khi tÝnh to¸n mÆt c¾t ®Ëp 1. §iÒu kiÖn æn ®Þnh §Ëp ph¶i ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn æn ®Þnh chèng tr­ît: Kt ≥ Kcp, (1-2) trong ®ã: Kt - hÖ sè an toµn æn ®Þnh chèng tr­ît (xem môc 1.4); Kcp - hÖ sè an toµn æn ®Þnh cho phÐp, phô thuéc vµo cÊp cña ®Ëp vµ tæ hîp t¶i träng, x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn hiÖn hµnh. Khi tÝnh ®Ëp theo tr¹ng th¸i giíi h¹n, trÞ sè Kcp cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: n ck n K cp = , (1-3) m trong ®ã: nc - hÖ sè tæ hîp t¶i träng; nc 1 1,0 víi tæ hîp t¶i träng c¬ b¶n; nc 1 0,2 víi tæ hîp t¶i träng ®Æc biÖt vµ nc 1 0,25 víi tæ hîp t¶i träng thi c«ng, söa ch$a; kn - hÖ sè tin cËy, phô thuéc vµo cÊp c«ng tr×nh, tra theo tiªu chuÈn hiÖn hµnh; m - hÖ sè ®iÒu kiÖn lµm viÖc.

§èi víi ®Ëp bª t«ng träng lùc trªn nÒn ®¸, trÞ sè m lÊy nh­ sau: + Khi mÆt tr­ît ®i qua c¸c khe nøt trong ®¸ nÒn: m 1 1,0, + Khi mÆt tr­ît ®i qua mÆt tiÕp x.c gi$a bª t«ng vµ ®¸ hoÆc ®i trong ®¸ nÒn cã mét phÇn qua c¸c khe nøt, mét phÇn qua ®¸ nguyªn khèi: m 1 0,25. §iÒu kiÖn c­êng ®é - øng suÊt nÐn lín nhÊt ë mÐp ®Ëp kh«ng ®­îc v­ît qu¸ kh¶ n¨ng chÞu nÐn cña vËt liÖu hoÆc cña nÒn: N1 ≤ 3 n , (1-4) trong ®ã: 3n - c­êng ®é chÞu nÐn tÝnh to¸n cña vËt liÖu hoÆc nÒn.vn 18 sæ tay KTTL ∗ PhÇn 2 - c«ng tr×nh thñy lîi ∗ TËp 2 - T¹i mÐp ®Ëp, ®Æc biÖt ë mÐp th­îng l­u khi hå ®Çy n­íc kh«ng cho phÐp ph¸t sinh øng suÊt kÐo: N42 ≥ 0, (1-5) trong ®ã: N42 - øng suÊt chÝnh nh! nhÊt t¹i biªn th­îng l­u ®Ëp (øng suÊt nÐn mang dÊu d­¬ng, c)n øng suÊt kÐo mang dÊu ©m). Trong nh$ng ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh, cho phÐp ph¸t sinh øng suÊt kÐo, nh­ng trÞ sè tuyÖt ®èi cña nã kh«ng ®­îc v­ît qu¸ c­êng ®é chÞu kÐo cña vËt liÖu hay nÒn: N52< 3k, (1-6) trong ®ã: 3k - c­êng ®é chÞu kÐo tÝnh to¸n cña vËt liÖu hay nÒn. §iÒu kiÖn kinh tÕ 6Æt c¾t ®Ëp ph¶i cã diÖn tÝch nh! nhÊt sau khi ®" th!a m"n 2 ®iÒu kiÖn trªn.

§iÒu kiÖn sö dông 6Æt c¾t ®Ëp c)n cÇn ph¶i th!a m"n c¸c yªu cÇu trong sö dông, vËn hµnh nh­ cÇn cã ®­êng giao th«ng trªn ®,nh ®Ëp, cã ®­êng hÇm trong th©n ®Ëp ®Ó ®i l¹i kiÓm tra, söa ch$a, ®Æt c¸c thiÕt bÞ quan tr¾c thÝ nghiÖm, bè trÝ c¸c hµnh lang tho¸t n­íc. Ngoµi ra, c)n ph¶i l­u # ®Õn viÖc t¹o d¸ng kiÕn tr.c ®+p cña c«ng tr×nh. §Ó th!a m"n yªu cÇu nªu trªn, khi thiÕt kÕ mÆt c¾t ngang ®Ëp th­êng tiÕn hµnh theo 2 giai ®o¹n: 1. 'iai ®o¹n x¸c ®Þnh mÆt c¾t c¬ b¶n: dùa vµo c¸c yªu cÇu æn ®Þnh, øng suÊt, kinh tÕ tiÕn hµnh tÝnh to¸n chän mÆt c¾t c¬ b¶n cña ®Ëp.

'iai ®o¹n x¸c ®Þnh mÆt c¾t thùc dông: theo c¸c yªu cÇu vÒ sö dông nh­ giao th«ng, d*n th¸o n­íc, kiÓm tra, söa ch$a.