Tài liệu Xây dựng quy trình công nghệ thi công bê tông bản mặt và những bài học kinh nghiệm khi thi công công trình cửa đạt

LỜI CẢM ƠN Luận văn “XÂY DỰNG QUY TRÌNH, CÔNG NGHỆ THI CÔNG BÊ TÔNG BẢN MẶT VÀ NHỮNG BÀI HỌC KINH NGHIỆM KHI THI CÔNG CÔNG TRÌNH CỬA ĐẠT ” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: GS.TS. LÊ KIM TRUYỀN, đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết để tác giả hoàn thiện luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này. Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè. Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế, vì vậy cuốn luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tác giả kính mong Thầy giáo, Cô giáo, Bạn bè và đồng nghiệp góp ý để tác giả có thể tiếp tục học tập và nghiên cứu hoàn thiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Bùi Quốc Đạt năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: BÙI QUỐC ĐẠT Học viên lớp: 19C11 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Bùi Quốc Đạt năm 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊTÔNG ............................3 1.1. Lịch sử phát triển và cấu tạo mặt cắt ngang cơ bản đập đá đổ bản mặt BT ........3 1.1.1. Mở đầu ..............................................................................................................3 1.1.2. Nguyên lý bố trí kết cấu đập và công nghệ xây dựng.......................................3 1.2. Ưu nhược điểm của CFRD...................................................................................5 1.2.1. Ưu điểm.............................................................................................................5 1.2.2. Nhược điểm.......................................................................................................6 1.3 Sự phát triển của CFRD trên thế giới và Việt Nam ..............................................7 1.3.1 Sự phát triển của CFRD trên thế giới.................................................................7 1.3.2. Sự phát triển đập CFRD ở Việt Nam ................................................................9 1.4. Những yêu cầu cơ bản khi thi công bản mặt bê tông.........................................10 1.5 Kết luận chương I................................................................................................12 CHƯƠNG 2.CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN HÌNH THỨC CHỐNG THẤM CHO ĐẬP ĐÁ ĐỔ....................................................................................................14 2.1 Các hình thức chống thấm cho đập đá đổ ...........................................................14 2.1.1. Đập đá đổ có VCT bằng đất............................................................................14 2.1.2. Đập đá đổ có vật chống thấm không phải là đất .............................................18 2.2. Cơ sở khoa học sử dụng hình thức phòng thấm đập đá đổ bằng bản mặt bê tông ...................................................................................................................................21 2.2.1. Thấm qua đập đá đổ khi chưa có bản mặt bê tông..........................................21 2.2.2. Thấm qua đập đá đổ bản mặt bê tông .............................................................22 2.3. Tính toán thiết kế bản mặt bê tông.....................................................................23 2.4. Phân tích lựa chọn kết cấu chống thấm cho đập đá đổ ......................................25 2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................26 CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG QUY TRÌNH, CÔNG NGHỆ THI CÔNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG ..............................................................................................27 3.1. Những yêu cầu kỹ thuật chung khi thi công đập đá đổ CFRD. .........................27 3.1.1 Các tiêu chuẩn, quy phạm áp dụng ..................................................................27 3.1.2. Dẫn dòng, chống lũ .........................................................................................28 3.1.3. Xử lý nền vai đập ............................................................................................30 3.1.4. Yêu cầu vật liệu đắp đập .................................................................................31 3.1.5. Đắp đập ...........................................................................................................32 3.1.6. Thi công tấm bản chân và bản mặt .................................................................33 3.1.7. Thi công chắn nước khớp nối..........................................................................34 3.2. Thi công đắp đập................................................................................................35 3.2.1. Tiêu chuẩn đắp đập .........................................................................................35 3.2.2. Xác định cấp phối vật liệu các vùng đắp đập..................................................36 3.2.3. Thiết bị thi công đắp đập.................................................................................38 3.2.4. Trình tự thi công của mỗi khu vực đắp ...........................................................40 3.2.5. Phương pháp thi công đắp đập........................................................................40 3.3. Thi công bê tông bản chân và bản mặt...............................................................42 3.3.1. Các tiêu chuẩn quy phạm áp dụng ..................................................................42 3.3.2. Xác định cấp phối bê tông...............................................................................42 3.3.3. Lựa chọn thiết bị thi công bê tông bản mặt....................................................45 3.3.4. Quy trình thi công bê tông bản mặt.................................................................49 3.3.5. Biện pháp thi công bê tông bản chân ..............................................................49 3.3.6. Biện pháp thi công bê tông bản mặt................................................................50 3.4. Kết luận chương 3 ..............................................................................................52 CHƯƠNG 4.THI CÔNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TÔNG CỬA ĐẠT VÀ NHỮNG BÀI HỌC KINH NGHIỆM.......................................................................53 4.1. Giới thiệu công trình Cửa Đạt............................................................................53 4.1.1. Địa hình...........................................................................................................53 4.1.2. Địa chất ...........................................................................................................54 4.2. Cấu tạo mặt cắt ngang đập Cửa Đạt...................................................................54 4.2.1. Khối đá đắp chính ...........................................................................................55 4.2.2. Các khối đắp chuyển tiếp ................................................................................55 4.2.3. Hệ thống phòng chống thấm ...........................................................................57 4.3. Công nghệ thi công đập CFRD Cửa Đạt............................................................60 4.3.1. Thi công tấm bản chân ....................................................................................60 4.3.2. Thi công các khối đá đắp ................................................................................64 4.3.3. Thi công bản mặt bê tông................................................................................73 4.4. Những bài học kinh nghiệm...............................................................................90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................92 I. Kết luận..................................................................................................................92 II. Kiến nghị ..............................................................................................................92 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình1.1. Mặt cắt ngang đập điển hình .......................................................................3 Hình 2.1. Đập đá đổ Miboro .....................................................................................15 Hình 2.2. Đập đá đổ lõi thẳng đứng Infernilo ...........................................................16 Hình 2.3. Đập đá đổ lõi giữa Triniti..........................................................................16 Hình 2.4. Đập đá đổ lõi nghiêng Tichves .................................................................18 Hình 2.5. Đập đá đổ có VCT tường nghiêng Bê tông cốt thép.................................19 Hình 2.6. Đập Ây-khaghen có tường lõi bê tông atphan ..........................................21 Hình 2.7. Sơ đồ tính thấm qua đập đá đổ không có vật chống thấm ........................22 Hình 2.8. Sơ đồ tính thấm qua tường nghiêng ..........................................................22 Hình 3.1. Nước lũ tràn qua cao trình 50m đập Cửa Đạt ...........................................29 Hình 3.2. Đường hầm xả lũ thi công đập Cửa Đạt....................................................30 Hình 3.3. Hố móng thượng lưu đập Cửa Đạt............................................................31 Hình 3.4. Máy đầm rung bánh thép XSM 220 sản xuất tại Trung Quốc, tải trọng tĩnh 20 tấn, tải trọng rung 32 tấn ...............................................................................39 Hình 3.5. Thi công mái hạ lưu đập Cửa Đạt .............................................................41 Hình 3.6. Thi công rải asphan ...................................................................................46 Hình 3.7. Máy rải Asphan ........................................................................................47 Hình 3.8. Máy thi công tấm đồng. ...........................................................................48 Hình 3.9. Quy trình thi công bê tông bản mặt...........................................................49 Hình 4.1. Vị trí tuyến công trình Cửa Đạt.................................................................54 Hình 4.2. Mặt cắt ngang đập Cửa Đạt.......................................................................55 Hình 4.3. Bản mặt bê tông đập Cửa Đạt ...................................................................60 Hình 4.4. Lắp đặt cốt thép tấm phòng thấm sau bản chân đập Cửa Đạt...................62 Hình 4.5. Lắp đặt cốt thép, ống PVC, khớp nối tấm bản chân đập Cửa Đạt ............62 Hình 4.6. Lấy mẫu quản lý chất lượng bê tông bản chân .........................................63 Hình 4.7. Bảo dưỡng bê tông bản chân.....................................................................64 Hình 4.8. Đầm lớp IIIB tại cao trình +33..................................................................70 Hình 4.9. Mặt bẳng thi công lớp IIIC tại +55.45 …………………...……………..71 Hình 4.10. Mặt bằng lớp IIIF tại cao trình +33.5......................................................72 Hình 4.11. Quản lý chất lượng công tác đắp đập......................................................73 Hình 4.12. Sơ đồ công nghệ thi công bản mặt bê tông đập Cửa Đạt........................77 Hình 4.13. Bố trí cốt thép bản mặt ............................................................................79 Hình 4.14.Thi công cốt thép, cốt pha ván khuôn trượt, máng và kiểm tra trước khi đổ bê tông bản mặt…………………………………………………………………81 Hình 4.15. Đổ bê tông bản mặt .................................................................................81 Hình 4.16. Công tác xử lý khe thi công giữa hai đợt đổ bê tông bản mặt ................84 Hình 4.17. Công tác xử lý khe thi công giữa hai đợt đổ bê tông bản mặt ................85 Hình 4.18. Nghiệm thu công tác hoàn thiện lớp vữa bảo vệ lớp IIA trước khi tiến hành thi công cốt thép, cốt pha, khớp nối tấm bản mặt ............................................88 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số CFRD trên thế giới đã và đang xây dựng cao trên 100m...............8 Bảng 1.2. Các đập CFRD của Trung quốc xây cao hơn 100m ...................................9 Bảng 3.1. Bảng chọn độ rỗng đá đắp ........................................................................35 Bảng 3.2. Cấp phối vùng vật liệu IIA, IIB đập Tuyên Quang ..................................37 Bảng 3.3. Cấp phối vật liệu vùng IIIA, IIIB đập Tuyên Quang ...............................37 Bảng 3.4. Kết qủa thí nghiệm đầm nén hiện trường của đập Tuyên Quang.............37 Bảng 3.5. Thành phần cấp phối bê tông bản mặt sử dụng cho đập Cửa Đạt theo kết quả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm đối chứng hiện trường ..........................43 Bảng 3.6. Bảng thành phần cấp phối bê tông............................................................44 Bảng 4.1. Bảng chức năng và yêu cầu vật liệu cho từng vùng .................................56 Bảng 4.2. Cấp phối vật liệu của vùng đệm IIA đập Cửa Đạt....................................65 Bảng 4.3. Cấp phối vật liệu của vùng đệm đặc biệt IIB đập Cửa Đạt ......................66 Bảng 4.4. Cấp phối vật liệu của vùng chuyển tiếp IIIA đập Cửa Đạt.......................66 Bảng 4.5. Cấp phối vật liệu của vùng đá chính IIIB đập Cửa Đạt............................66 Bảng 4.6. Cấp phối vật liệu của vùng đá hạ lưu IIIC đập Cửa Đạt ..........................67 Bảng 4.7. Thành phần cấp phối bê tông bản mặt sử dụng cho đập Cửa Đạt theo kết quả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm đối chứng hiện trường ..........................76 Bảng 4.8. Các tiêu chuẩn thí nghiệm ........................................................................86 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đập đá đổ chống thấm bằng bản mặt bê tông là loại công trình đã và đang được sử dụng rộng rải trên thế giới như Trung Quốc, Bồ Đào Nha, Mỹ, Australia, Hàn Quốc, Chi Lê... Ở nước ta trong những năm qua đã ứng dụng loại đập này ở một số công trình như đập Tuyên Quang, đập Cửa Đạt – Thanh Hóa, đập Rào QuánQuảng Trị... Đây là loại công trình ứng dụng công nghệ thi công mới ở nước ta nên kinh nghiệm chưa có nhiều. Phần lớn công nghệ thi công do tư vấn nước ngoài đảm nhận, các Công ty của chúng ta trực tiếp thi công nhưng chưa đúc kết xây dựng được quy trình công nghệ thi công cho loại công trình này. Để đảm bảo chất lượng thi công, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí xây dựng trong giai đoạn thi công, chúng ta cần nghiên cứu, tổng kết và xây dựng quy trình công nghệ thi công Bê tông bản mặt ở nước ta, đó là vấn đề rất cần thiết, mang nhiều ý nghĩa kỹ thuật kinh tế trong quá trình xây dựng đập đá đổ bản mặt bê tông. 2. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu quy trình, công nghệ thi công đập đá đổ bản mặt bê tông. - Nghiên cứu tổng kết công nghệ thi công bản mặt bê tông ở công trình Cửa Đạt – Thanh Hóa. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đập đá đổ bản mặt bêtông Cửa Đạt. Phạm vi nghiên cứu: Quy trình và công nghệ thi công đập đá đổ bản mặt BT Phương pháp nghiên cứu: - Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các công trình thực tế: Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong lĩnh vực đập đá đầm nén. Khảo sát thực tế ở những công trình đã ứng dụng ở Việt Nam. Tìm hiểu các tài liệu đã được nghiên cứu và ứng dụng. Các đánh giá của các chuyên gia. - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết và thực tiễn 2 - Nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam; - Chuyển giao và ứng dụng các công nghệ mới trong nước và quốc tế. 4. Kết quả dự kiến đạt được Xây dựng được quy trình, công nghệ thi công bêtông bản mặt cho đập đá đổ nói chung và đúc rút những bài học kinh nghiệm khi thi công công trình Cửa Đạt – Thanh Hóa. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊTÔNG 1.1. Lịch sử phát triển và cấu tạo mặt cắt ngang cơ bản đập đá đổ bản mặt BT 1.1.1. Mở đầu Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) là kết cấu đập đang được ứng dụng phổ biến hiện nay trên thế giới. Nó có ưu thế đến mức đã được tổng kết trong các sách giáo khoa về thuỷ công là "loại đập đầu tiên được nghĩ đến khi có yêu cầu xây dựng đập". Vì nó là loại đập có tính an toàn cao, ít "kén chọn" điều kiện địa hình địa chất, có thể thi công ở mọi loại thời tiết, tận dụng được tối đa các loại đá thải loại đào từ hố móng tràn hoặc đường hầm tháo lũ, mang lại hiệu quả lớn về kinh tế và kỹ thuật. Hình1.1 : Mặt cắt ngang đập điển hình 1.1.2. Nguyên lý bố trí kết cấu đập và công nghệ xây dựng Về nguyên lý, kết cấu đập gồm hai phần chính (h. 1.1). Một là bộ phận chịu lực với yêu cầu bảo đảm cho đập ổn định dưới tác dụng đẩy ngang của khối nước chứa trong hồ ở thượng lưu đập. Bộ phận này được cấu tạo chủ yếu bởi khối đá IIIB và IIIC được đầm nén kỹ như công nghệ làm đường, trong đó khối IIIB được làm từ đá chọn lọc lấy từ mỏ đá, còn khối IIIC được làm từ đá thải loại tận dụng từ đá đào hố móng tràn hoặc đường hầm tháo lũ để giảm giá thành xây dựng đập cũng như 4 giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Hai là bộ phận chống thấm bao gồm bản mặt và bản chân được làm bằng bê tông cốt thép với yêu cầu kín nước để hạn chế tối đa rò rỉ nước từ hồ chứa, tránh mất nước và gây xói thân đập, làm mất an toàn đập. Vì bê tông cốt thép là loại vật liệu dòn, dễ bị nứt nẻ khi có biến dạng lớn nên yêu cầu khối đá đầm nện để làm nền cho bản mặt và nền được lựa chọn để đặt bản chân phải ít biến dạng trong quá trình chịu lực. Bản mặt được thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm và đủ "mềm" để có thể biến dạng theo biến dạng của mặt thượng lưu thân đập, nên có bề dày khá mỏng. Do vậy, khả năng chịu lực của bản mặt chủ yếu dựa vào sự tiếp xúc chặt chẽ của bản mặt với mặt thượng lưu của thân đập. Về nguyên lý, vì thân đập được đầm nén kỹ, ít bị biến dạng, nên bản mặt hầu như không chịu uốn mà chỉ chịu biến dạng do bê tông co ngót và dãn nở do biến đổi nhiệt độ. Vì vậy trong bản mặt chỉ bố trí một lớp cốt thép ở chính giữa chiều dày của nó. Thực tế làm việc của nhiều đập, nhất là các đập có chiều cao lớn cho thấy rất khó thực hiện để hạn chế biến dạng lớn của thân đập, vì rất khó kiểm soát sự đồng đều của đá dùng để đắp đập cũng như chất lượng đầm nén các khối đá ở hiện trường với khối lượng thi công lên tới hàng triệu khối. Mặt khác, mặc dù bản mặt được đổ khi kết quả quan trắc cho thấy thân đập đã ổn định lún, nhưng trong quá trình tích nước kết quả tính toán cũng như quan trắc thực tế cho thấy thân đập vẫn tiếp tục bị lún và bị chuyển dịch về phía hạ lưu. Đá là vật liệu được sử dụng từ hàng ngàn năm nay để xây dựng những đập ngăn nước trên các sông suối, nhất là ở những vùng sẵn có đá tự nhiên. Đá là loại vật liệu bền chắc và có khả năng chịu nén cao, việc thi công ít bị ảnh hưởng bởi những biến động của thời tiết. Tuy nhiên trong thân đập đá có những khoảng rỗng đáng kể làm cho nước dễ thoát qua đập xuống hạ lưu. Để giữ nước, người ta phải dùng những biện pháp kết hợp với những vật liệu khác như làm lõi chống thấm giữa thân đập bằng đất, bê tông asphalt,… hoặc phủ mặt thượng lưu đập bằng bản bê tông cốt thép (gọi tắt là "CFRD" – concrete face rockfill dam). 5 Những CFRD đầu tiên trên thế giới được xây dựng từ những năm 20 của thế kỷ trước, song đó chỉ là một số ít đập nhỏ. Vài thập kỷ gần đây, cùng với sự xuất hiện của các thiết bị lớn đủ sức đầm nện chặt khối đá thân đập, qua đó làm giảm hẳn độ lún mặt đập và giữ cho bản mặt bê tông không bị nứt gãy, tạo nên bước phát triển nhanh của đập CFRD ở khắp nơi, mang lại hiệu quả lớn. Có thể kể những CFRD vào loại cao nhất thế giới hiện nay như Shuibuya (233m, Trung Quốc), Jiangpinghe (221m, Trung Quốc), La Yesca (210, Mexico), Bakun (205m, Malaysia), Campos Novos (202m, Brazin),… Cũng có thể kể thêm, tháng 5/2008, đã xảy ra trận động đất (8 độ Richter) tại vùng Tứ Xuyên (Trung Quốc). Cách tâm chấn 20km là CFRD Zipingpu cao 156m (thuộc "top" 50 CFRD cao nhất thế giới và "top" 10 CFRD cao nhất Trung Quốc) vẫn an toàn tuy có chút ít xô xệch. Ở nước ta, hiện nay mới có 3 CFRD đều do các chuyên gia Việt Nam thiết kế và tổ chức thi công. Đầu tiên là đập Rào Quán (Quảng Trị) cao 69m, tiếp đó là đập Nà Hang (Tuyên Quang) cao 92m và gần đây là đập Cửa Đạt (Thanh Hóa) cao 118m đã được khánh thành. Các chuyên gia quốc tế nhất trí nhận định rằng CFRD có những yêu cầu kỹ thuật rất nghiêm khắc và đập càng cao thì càng có nhiều vấn đề rất phức tạp phải giải quyết, cả trong thiết kế và thi công. Kỹ thuật CFRD không ngừng được điều chỉnh, đổi mới và cập nhật. Chẳng hạn, trước đây có quan niệm coi bản mặt bê tông cốt thép như kết cấu màng mỏng, có chuyển vị áp theo mặt đập, nên chỉ đặt cốt thép đơn. Thực tế tuy bề dày bản là nhỏ so với các kích thước khác của mặt đập, song bản vẫn phải được coi là kết cấu chịu uốn, có độ cứng kháng uốn nhất định, đặc biệt là ở những đập cao, nhiều khả năng bị lún không đều trên mặt đập. Vì vậy, chúng ta đã đặt cốt thép kép tại bản mặt đập Cửa Đạt. Cách làm này được thảo luận và nhất trí cao trong Hội nghị quốc tế Đập đá tại Thành Đô (Trung Quốc) tháng 10/2009. 1.2. Ưu nhược điểm của CFRD 1.2.1. Ưu điểm - Tận dụng được các vật liệu tại chỗ. Đặc biệt có thể tận dụng đá đào móng tràn xả lũ, đường hầm, nhà máy thủy điện để đắp đập, ít phải sử dụngvật liệu hiếm hoặc 6 vận chuyển từ xa tới. Giá thành CFRD có thấp hơn các loại đập khác như đập bê tông trọng lực, vòm, bản chống v..v. Trường hợp hiếm đất có đủ tiêu chuẩn để đắp đập thì CFRD còn kinh tế hơn cả đập đất. - Thời gian thi công ngắn hơn so với các loại đập khác, quá trình thi công ít chịu ảnh hưởng của thời tiết nên có thể thi công ngay cả trong mùa mưa từ đó rút ngắn được thời gian thi công. - Mức độ an toàn cao do toàn bộ dòng thấm đã được bản mặt bê tông ngăn lại và phần đá đắp trong thân đập được đầm nén chặt nên hệ số ổn định của mái thượng hạ lưu đập khá cao và mái thượng hạ lưu có thể rất dốc ( m = 1.4 ÷ 1.7 ) dẫn đến khối lượng đá đắp giảm nhỏ so với đập đá đổ thông thường. - Dẫn đường thi công đơn giản mà ít tốn kém hơn. - Yêu cầu về địa chất nền thấp hơn các loại đập bê tông. - Về độ ổn định chống động đất chống trượt và tuổi thọ công trình không thua kém bất cứ loại đập nào. - Trong nhiều trường hợp CFRD có thể xây dựng ngay trên nền cát cuội sỏi lòng sông, mà phần lớn khối lượng cát sỏi không phải bóc bỏ khi đắp đập. Có thể cho nước tràn qua đập đang xây dở nên vấn đề dẫn dòng víi lưu lượng lớn có thể được giải quyết với giá thành khá rẻ. 1.2.2. Nhược điểm - Sử dụng vật liệu nhiều khối ( mỗi vùng có chỉ tiêu cơ lý khác nhau) dẫn đến việc thiết kế, thi công yêu cầu phải tính toán, lựa chọn các phương án hợp lý, giám sát thi công phải chặt chẽ để tránh hiện tượng treo ứng suất hoặc biến dạng quá mức gây nên nứt gãy thủy lực đã xảy ra ở một số công trình ngay cả khi ở cột nước thấp, đặc biệt khi sự chênh lệch lớn về mô đun biến dạng của vật liệu giữa các lớp kề nhau. - Hiện tượng thoát không xảy ra ở lớp tiếp giáp dưới bề mặt bê tông và lớp phía dưới nó gây biến dạng bề mặt. - Yêu cầu về thiết bị thi công cũng như kỹ thuật thi công cao hơn đập đá đổ thông thường, nhưng với khả năng thiết bị như ngày nay thì điều này không còn là yếu tố quan trọng nữa. 7 1.3 Sự phát triển của CFRD trên thế giới và Việt Nam 1.3.1 Sự phát triển của CFRD trên thế giới Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung, kỹ thuật thiết kế và thi công các công trình thủy lợi - thủy điện trên thế giới có sự tiến bộ vượt bậc trong thời gian qua. Với những ưu việt của CFRD nên nó được xây dựng ngày càng nhiều, hình thức bố trí mặt cắt đập ngày càng được nghiên cứu hoàn thiện và đạt hiệu qủa kinh tế hơn. Nhật Bản là nước đặt tiền đề cho việc phát triển CFRD, trong thập kỷ 70 của thế kỷ 20 ở nước này đã xây dựng được rất nhiều CFRD với chiều cao lớn. Ở các nước khác cũng có hàng loạt CFRD ra đời, đến năm 1998, căn cứ vào thống kê chưa đầy đủ về các đập đang và đã xây dựng xong từ sau năm 1966, trên toàn thế giới đã có 180 đập, trong đó đập cao trên 100m có 25 đập. Trung Quốc là nước có sự phát triển mạnh mẽ loại đập này trong thời gian qua. Trong một thời gian ngắn vào cuối thế kỷ 20 hàng loạt đập lớn đã được xây dựng. Việc xây dựng CFRD hiện đại của Trung Quốc bắt đầu từ năm 1985. Đập đầu tiên được xây dựng là đập hồ chứa Tây Bắc Khẩu - Hồ Nam, đập cao 95m. Nhưng đập được hoàn thành đầu tiên là đập hồ chứa Quan Môn Sơn - Liên Ninh, đập cao 58.5m. So với các nước đi đầu trong lĩnh vực xây dựng CFRD, tuy chậm sau nhưng Trung Quốc khởi điểm rất mạnh và phát triển nhanh. Chỉ trong vòng 10 năm đã phổ biến ra toàn quốc, đến cuối năm 1998, căn cứ vào thống kê chưa đầy đủ, ở Trung Quốc đã hoàn thành 39 đập, đập cao nhất là đập thuỷ điện Bạch Vân tỉnh Hồ Nam, xây dựng năm 1998 cao 120m. Hiện nay ở Trung Quốc đập CFRD cao trên 100m đang xây dựng có hơn 20 đập. 8 Bảng 1.1 Một số CFRD trên thế giới đã và đang xây dựng cao trên 100m TT Tên đập 1 Aguamilpa 2 Akbu 3 For do Areia 4 NewExchquer 5 Tên nước Chiều cao Chiều dài Khối lượng đập (m) đập (m) đập (106m3) Mexico 187 Venezuela 160.5 150 3 Braxin 160 828 14 Mỹ 150 427 4.1 Myxukhala Hy L¹p 150 6 Sauvaxira Colombia 148 362 3.9 7 Segrado Braxin 145 705 7.3 Colombia 140 280 2.5 850 12.7 8 Anto Anchicaya 13 1.4 9 Xingo Nam Tư 140 10 Aman Anbani 133 11 Khao lan Thái Lan 130 1000 8 12 Xello Nigeria 130 560 3.9 13 Clylass Colombia 127 110 1.3 14 Xila Indonexia 125 453 3.8 15 Yta Nam Tư 125 16 Recce Úc 122 17 Tumili Venezuela 115 18 Poltala Bồ Đào nha 19 Cetnana 20 Uluai 9.3 360 2.7 112 540 2.7 Úc 110 113 1.4 Malaixia 110 9 Bảng 1.2. Các đập CFRD của Trung quốc xây cao hơn 100m TT Tªn ®Ëp Địa điểm Chiều cao Chiều dài Khèi l−îng x©y dùng ®Ëp (m) ®Ëp (m) ®Ëp (105m3) Hå B¾c 233 584 1566 1 Thuỷ bộ á 2 Tam bản khê Quế Châu 185.5 424 991 3 Hồng Gia Bộ Quế Châu 182.3 465 1007 4 Thiện gia bình Hồ Bắc 180 5 Tham khang Triết Giang 161 506 1000 6 Tài binh bổ Tứ Xuyên 159 638 1167 7 Đại Liệu Thụ Ninh Hạ 156 770 1450 8 Hương Thụy Đông An Huy 153 516 257 9 Cát Lâm Đài T©n C−¬ng 152 392 920 S¬n T©y 140 1150 2395 10 Than Khẩu 1.3.2. Sự phát triển đập CFRD ở Việt Nam Việt Nam là một trong những nước có nhiều đập vật liệu địa phương (VLĐP). Tuy nhiên đa số là đập có chiều cao H < 40m thuộc loại đập thấp. Đập VLĐP được xây dựng nhiều nhất là ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên, hầu hết các công trình trên đều là đập đất đồng chất, hoặc đập đất nhiều khối. Đập đá đổ nói chung và CFRD nói riêng được xây dựng ở nước ta còn ít so với đập đất, nhưng những công trình loại này đều là các đập cao như Ialy, Hòa Bình, Hàm Thuận-Đa Mi (đập đá đổ hoặc đất đá hỗn hợp), Thủy lợi - Thuỷ điện Quảng Trị, Thuỷ điện Tuyên Quang, Thuỷ lợi - Thủy điện Cửa Đạt (CFRD), trong đó đập Cửa Đạt (H=102m, khối lượng đắp 8x106m3) đang xây dựng được xếp vào hàng đập lớn của khu vực. CFRD là một loại hình đập đá đổ mới được đưa vào nước ta. Tuy nhiên nó đang dần từng bước chứng minh được tính ưu việt của nó so với các loại đập đá đổ khác, nhất là với các loại đập cao. Với công nghệ và trang thiết bị thi công ngày càng hiện đại, các khó khăn phát sinh trong quá trình thi công CFRD sẽ được hạn chế rất nhiều và việc xây dựng đập loại này sẽ ngày càng phát triển ở nước ta. Từ 10 thành công và những kinh nghiệm rút ra từ công tác khảo sát, thiết kế và thi công trong các công trình sử dụng đập đá đổ bê tông bản mặt ( CFRD) như Quảng Trị, Tuyên Quang, Cửa Đạt, chúng ta hy vọng hàng loạt các công trình ứng dụng CFRD sẽ được xây dựng rộng r·i ë ViÖt Nam trong t−¬ng lai. 1.4. Những yêu cầu cơ bản khi thi công bản mặt bê tông Bản mặt bê tông là kết cấu chống thấm chủ yếu của đập, nhưng độ dày khá mỏng; Mặc dù các lớp đá đổ ở hạ lưu có tính thấm nhỏ, nhưng hệ số thấm vẫn lớn hơn rất nhiều lần bản mặt bê tông, vì vậy tổn thất cột nước thấm chủ yếu phát sinh ở trong phạm vi độ dày của bản mặt bê tông, khiến bản mặt chịu chênh lệch áp lực rất lớn. Trong thời kỳ dài, bản mặt bê tông dưới tác dụng của chênh lệch áp lực lớn, chất kết dính canxi trong bê tông sẽ bị nước thấm hoà tan và cuốn trôi, khiến cường độ bê tông giảm xuống. Tốc độ hoà tan chất canxi và lưu lượng thấm có quan hệ trực tiếp với nhau; để giảm tốc độ hoà tan, kéo dài thời gian làm việc của bản mặt, bản mặt bê tông cần phải có tính năng phòng thấm cao, nên sử dụng bê tông chống thấm cao, thông thường không nên thấp hơn B6. Ở những nơi có khí hậu lạnh, cần yêu cầu cao hơn. Bản mặt bê tông ở trong phạm vi trên mực nước chết và dưới mặt thoáng khí, tuỳ thuộc tăng giảm của mực nước trong hồ, chịu khô ướt xen kẽ trong thời kỳ dài, đồng thời chịu lạnh và tác dụng xâm thực của phong hoá tự nhiên; vì vậy bản mặt bê tông nên có tính năng chịu được xâm thực cao, chịu nhiệt độ thấp, thông thường không nên thấp hơn D100. Lớp đệm của bản mặt bê tông trên mái dốc tuỳ thuộc biến hình của khối đá đổ mà biến hình theo, ở trong nội bộ bản mặt sẽ phát sinh ứng suất do uốn, vì vậy bản mặt bê tông nên có yêu cầu cường độ nhất định, thông thường không thấp hơn bê tông M200. Theo tổng kết kinh nghiệm vận hành trước đây, nguyên nhân chủ yếu phát sinh nứt bản mặt bê tông là do ứng suất nhiệt, mà nguyên nhân trọng yếu là co ngót bê tông trong quá trình đông cứng; vì vậy nên khống chế lượng xi măng trong mỗi khối bê tông, để giảm nhỏ nhiệt thủy hoá của xi măng, đồng thời sử dụng biện pháp 11 khống chế nhiệt thích hợp; ngoài ra vẫn nên khống chế chặt chẽ tỷ suất thủy hoá vôi của bê tông, tăng cường dưỡng hộ và dưỡng hộ trong thời gian dài, để giảm nhỏ co ngót. Tỷ suất thủy hóa vôi của Bê tông nên nhỏ hơn 0,55. Qua thí nghiệm thừa nhận, trộn lượng phụ gia cuốn khí và các hợp chất khác vừa đủ trong bê tông bản mặt không những có lợi đối với tính năng bê tông mà còn không gây tác dụng phụ. Dưới đây giới thiệu các chỉ tiêu có liên quan của hai đập đá đổ bản mặt bê tông. Cường độ kháng kéo 28 ngày của bê tông bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông Foz do Areia ở Brazil là 20.6 MPa (tương ứng 210 kgf/cm2), lượng dùng xi măng trong mỗi khối bê tông là 310kg, tỷ suất thủy hoá vôi là 0.53, lượng trộn khí 4.5%, độ sụt là 8cm. Đập đá đổ bản mặt bê tông Quan Môn Sơn nằm trên sông Tiểu Thang là một nhánh nhỏ sông Thái Tử thuộc vùng Đông Bắc Trung Quốc. Nhiệt độ ở nơi xây dựng đập biến đổi từ – 37.9 ~ 35.2o, nhiệt độ thấp trong suốt thời gian dài 5 tháng (tháng 11 đến tháng 3). Do yêu cầu cấp nước từ hồ cho nhà máy ngầm, mực nước hiệu quả trong hồ thấp trong thời gian dài, khiến đại bộ phận bản mặt chịu nhiệt độ thấp; mà bản mặt lại là nơi ánh nắng trực tiếp chiếu vào, nhiệt độ cao nhất bê tông có thể đạt đến 40~50oC, điều kiện làm việc của bản mặt rất khắc nghiệt. Vì thế yêu cầu thiết kế đối với bê tông bản mặt khá cao. Bê tông bản mặt sử dụng xi măng lớn 525, cốt liệu lớn nhất 400mm, mác bê tông không thấp hơn 250, trộn bê tông bằng máy, thêm phụ gia ngoài để giảm lượng nước dùng, sớm đạt cường độ. Tiêu chuẩn kháng lạnh của bê tông là D250, tiêu chuẩn kháng thấm là S8. Tình trạng làm việc của bản mặt đập sẽ được nghiệm kiểm nghiệm qua thực tiễn. Chiều dày bản mặt đập đá đổ bản mặt bê tông thông thường giảm dần từ đỉnh đập xuống dưới, được tính theo công thức dưới đây t = a + bxH (1.1) Trong đó : t – độ dày bản mặt ở mỗi cao trình khác nhau (m) a – độ dày bản mặt ở đỉnh đập, thông thường là 0,3 m H – mực nước tác dụng ở cao trình bẳn mặt tính toán ( m) b – hệ số tỉ lệ gia tăng mực nước tác dụng và gia tăng độ dày bản mặt phía dưới. 12 Trong giai đoạn đầu (1850 ~ 1940) đập đá đổ bản mặt bê tông thường dùng phương pháp đổ tự do, thông thường hệ số b lấy 0,0065 ~ 0,0075; trong giai đoạn thứ ba (1960 đến nay) đập đá đổ bản mặt bê tông dùng chấn động đầm nén, do đó độ chặt thực của khối đá và lượng biến hình ngang đều khá cao, b thường lấy 0,001 ~ 0,0037. Khi thiết kế đập Foz do Areia xét đến cấp phối của vật liệu đá đổ tương đối kém, đá có tính cứng, dự tính khi chịu áp khó đạt đến độ chặt cao, sau khi tích nước, khối đá sẽ phát sinh biến hình tương đối lớn, đồng thời vì đập đá đổ bản mặt bê tông đang ở trạng thái cao nhất, để thận trọng nên sử dụng b tương đối lớn (b=0,00357). Năm 1978 tại Colombia, đập Golillas đang xây dựng, vì đập đá vụn đầm lăn bản mặt bê tông đang cao phải sử dụng b tương đối lớn (b = 0,0037 ). Nghiên cứu độ dày bản mặt bê tông bao nhiêu là hợp lý, ý kiến các chuyên gia đều không thống nhất. Có người cho rằng bản mặt mỏng tính mềm tương đối lớn, dễ thích hợp với biến hình của khối đá đổ; có người cho rằng sử dụng chiều dày bản mặt như nhau không những dễ thi công mà còn khá kinh tế; nhưng quy tắc chung cần xét đến đó là tính bền và tính ngăn nước. Trước đây sử dụng khá phổ biến công thức kiến nghị tính toán chiều dày của Cooke t = 0,3 + 0,0030H; đối với đập trung bình và cao (75~ 100 m), cũng sử dụng độ dày bản mặt là 0,25 ~ 0,3 m). Xét đến khía cạnh thi công, chiều dày mỏng nhất nên là 0,25m; chiều dày nhỏ hơn 0,25m thi công rất khó khăn. Sau khi tích nước, phần bản mặt ở phía dưới chịu chênh lệch thuỷ tĩnh không quá lớn và xét đến tính bền của bản mặt, sử dụng công thức (1.1) để tính toán là khá hợp lý. Nhưng những năm gần đây, độ dày bản mặt có xu hướng giảm nhỏ một chút. 1.5 Kết luận chương I Đập đá đổ bản mặt bê tông ngày càng khẳng định ưu thế rõ ràng của nó so với các loại đập khác. Nguyên lý làm việc của đập rất rõ ràng và đơn giản, tuy vậy cần chú trọng tuân thủ chặt chẽ các qui định về thiết kế, thi công cũng như vận hành đập để bảo đảm an toàn và nâng cao tuổi thọ cho đập. Mặt khác, cũng cần cập nhật kịp thời các công nghệ đã được áp dụng ở trong và ngoài nước để nâng cao khả năng an toàn của đập. Xu hướng phát triển đập CFRD: + Tính toán lựa chọn cấp phối hợp lý giữa các vùng.