Một số sự cố và bài học kinh nghiệm trong quá trình thi công đập đá đổ bản mặt bê tông Cửa Đạt Thanh Hóa

Bài viết này sẽ tổng kết một vài sự cố lớn, phân tích nguyên nhân và biện pháp khắc phục làm bài học kinh nghiệm cho các cán bộ thiết kế, thi công và quản lý các công trình thủy lợi, thủy điện sau này, đặc biệt là các công trình xây dựng theo công nghệ CFRD.

BÀI BÁO KHOA HỌC MỘT SỐ SỰ CỐ VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM TRONG Q TRÌNH THI CƠNG ĐẬP ĐÁ ĐỔ BẢN MẶT BÊ TƠNG CỬA ĐẠT-THANH HĨA Trần Văn Toản1, Lê Văn Hùng1, Nguyễn Cảnh Thái1 Tóm tắt: Hồ chứa nước Cửa Đạt khởi công xây dựng từ năm 2005 hoàn thành năm 2010 Hồ chứa có kết cấu đập dâng nước loại đập đá đổ có mặt chống thấm bê tơng cốt thép (Concrete Face Rockfill Dam - CFRD) (Bộ NN&PTNT, 2004; HECI, 2004) Đến nay, Hồ chứa nước Cửa Đạt vào hoạt động an toàn gần 10 năm Tuy nhiên, q trình thi cơng cơng trình xảy số cố kỹ thuật đáng tiếc làm tăng chi phí đầu tư xây dựng mà kỹ sư tư vấn chưa lường trước Chính vậy, báo tổng kết vài cố lớn, phân tích nguyên nhân biện pháp khắc phục làm học kinh nghiệm cho cán thiết kế, thi cơng quản lý cơng trình thủy lợi, thủy điện sau này, đặc biệt cơng trình xây dựng theo cơng nghệ CFRD Từ khóa: Cửa Đạt, đập đá đổ, mặt bê tông, cố vỡ đập, tiêu nước ngược, khơng MỞ ĐẦU Hình Mặt cắt ngang đập đá đổ BMBT Cửa Đạt (Bộ NN&PTNT, 2004, HECI, 2004) Đập* đá đổ mặt bê tông (BMBT) kết cấu đập thường nghĩ tới có yêu cầu xây dựng đập loại đập có tính an tồn cao, kén chọn điều kiện địa hình, địa chất, lại thi cơng khơng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, tận dụng tối đa loại đá thải loại từ hố móng tràn đường hầm tháo lũ, mang lại hiệu lớn kinh tế kỹ thuật Về nguyên lý, kết cấu đập gồm hai phần phận chịu lực phận chống thấm Kết cấu phận chịu lực với yêu cầu bảo đảm cho đập ổn định tác dụng đẩy ngang khối nước thượng lưu đập hồ chứa Bộ phận chịu lực cấu tạo chủ yếu khối đá IIIB IIIC đầm nén kỹ, khối IIIB đắp đá tận dụng từ đào hố móng tràn hầm tháo lũ để giảm giá thành Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội xây dựng đập giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Kết cấu phận chống thấm bao gồm mặt chân làm bê tơng cốt thép với u cầu kín nước để hạn chế tối đa rò rỉ nước từ hồ chứa phía hạ lưu đập, tránh nước gây xói thân đập, làm an tồn đập Bộ phận chống thấm làm bê tông cốt thép loại vật liệu dịn, dễ bị nứt nẻ có biến dạng lớn nên yêu cầu khối đá đệm để làm cho mặt chân phải biến dạng q trình chịu lực Bản mặt thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm đủ mềm để biến dạng theo biến dạng mặt thượng lưu thân đập nên có bề dày mỏng (xem Hình 1) Ở nước ta, có đập CFRD chuyên gia Việt Nam thiết kế tổ chức thi công Đầu tiên đập Rào Quán (Quảng Trị) cao 69m, tiếp đập Na Hang (Tuyên Quang) cao KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 101 97,3m gần dập Cửa Đạt (Thanh Hóa) cao 104,0m xây dựng Các đập CFRD có yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt đập cao có nhiều vấn đề phức tạp phải giải thiết kế thi công (Lê Văn Hùng, 2013) Trong q trình thi cơng đập CFRD Hồ chứa nước Cửa Đạt xảy số cố như: vỡ đập dẫn dòng mùa lũ tháng 10/2007 tràn qua mặt đập xây dở, cố tiêu nước ngược phía sau phận chống thấm, cố nứt khơng phận chống thấm BMBT (Lê Văn Hùng, 2013) NỘI DUNG 2.1 Vỡ đập dẫn dòng nước lũ tràn qua mặt đập 2.1.1 Mơ tả cố Hình Dịng chảy tràn qua mặt đập Hình Phần bờ sơng mặt đập bị xói lở Sự cố vỡ đập đá đổ Hồ chứa nước Cửa Đạt qua trình xây dựng xảy vào sáng ngày 04/10/2007 năm thi cơng thứ Khi đó, đập đá đổ xây dựng tồn lịng sơng bao gồm: Vai phải thi cơng đến cao trình 75,0m có chiều dài 188,45m, vai trái thi cơng đến cao trình 80,0m có chiều dài 60,82m phần lịng sơng thi cơng từ cao trình 24,5m đến cao trình 50,0m có chiều dài 210,0m (Lê Văn Hùng, 2013) Quá trình vỡ đập bắt đầu diễn từ 7h30’ phút bắt đầu việc xói sạt lở phần hạ lưu vai phải đập (Hình 2), sau mở rộng dần vào thân đập (Hình 3) 11h30’ phần đập xây dở lịng sơng Chu có chiều dài 70,0m bị lũ trơi hồn tồn (Mai Lâm Tuấn, Lê Văn Hùng, 2015) 2.1.2 Phân tích nguyên nhân Mù lũ năm thi công thứ 3, lưu lượng lũ theo thiết kế đạt Qmax=4445,5m3/s (QCVN 04-05, 2012) dẫn dòng qua đường hầm TN2 có đường kính D=9,0m cao độ 30,0m kết hợp cho tràn qua mặt đập xây dở cao độ 50,0m có chiều rộng B=210,0m Theo thiết kế cao trình mực nước thượng lưu lớn đạt 55,67m, cao trình mực nước lũ hạ lưu lớn đạt 38,11m cột nước lũ lớn tràn qua mặt đập đạt Hmax=5,67m (HECI, 2007) Hình Mực nước cao đỉnh đập xây dở theo vết lũ để lại Hình Nước chảy qua đường hầm dẫn dòng thời điểm chuẩn bị vỡ đập 102 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) Trước lũ mái đập 10,0m mặt đập xây dở phía thượng lưu gia cố bê tơng cốt thép M200 kích thước (1x1x0,2)m; phần đập xây dở dài 70,6m gia cố đá hộc D=(0,450,6)m dày 1m, tiếp 135,0m mặt đập xây dở gia cố rọ đá (2x1x0,5)m; cuối 20m mặt đập xây dở tiếp giáp với mái hạ lưu mái hạ lưu đập gia cố rọ đá (4,5x5x1,5)m tạo bậc nước (bxh)=(2,25x1,5)m, rọ đá neo vào khối IIIF đập Hai bên mái đập tiếp giáp với bờ sông gia cố rọ đá (2x1x0,5)m, trước gia cố phần đất rọ tiến hành đần chặt đạt k=0,95 với chiều dày tối thiểu 5m (HECI, 2007) Theo quan sát vết tích để lại sau đập bị vỡ mực nước lũ lớn tràn qua mặt đập phía hạ lưu 50,90m Như vậy, mực nước thượng lưu lớn 51,5m có nghĩa lưu lượng dẫn dòng vỡ đập đạt 2259m3/s (lưu lượng tràn qua mặt đập 1904m3/s chảy qua đường hầm TN2 355m3/s) (Hình 4, Hình 5) (Lê Văn Hùng, 2013) Lưu lượng dẫn dòng thời điểm vỡ đập đạt ½ lưu lượng thiết kế dẫn dịng Do đó, ngun nhân gây vỡ đập là: - Phần tiếp giáp mái hạ lưu phần đập xây dở cho nước lũ tràn qua với hai bờ sơng khơng tốt, đặc biệt phía bờ phải Ở bối tích phần đất thải đào móng đập phần lịng sơng Khi gia cố rọ đá đầm đất chặt có chiều dày đến 5,0m thiếu ý đến nước thấm rối qua thân đập rọ đá làm xói (Lê Văn Hùng, 2015) Đây vị trí bị xói sạt lở lan truyền vào đập gây vỡ đập; - Hơn nữa, giả thiết dòng chảy tràn qua 10,0m mặt đập xây dở phía thượng lưu gia cố bê tơng dày 0,5m chia thành phần: phần chảy tràn bề mặt đập phần khác chảy vào thân đập luồn hạ lưu đập qua lỗ rỗng khối đá đắp Do thân đập đá đổ có độ rỗng lớn (18÷22)% (Lê Văn Hùng nnk, 2006) nên lưu lượng vận tốc thấm rối lớn gây xói ngầm phía rọ đá gia cố, đất bồi tích đất thải vai phải phía hạ lưu đập (Vai trái có địa chất chủ yếu đá tốt nên khơng bị xói sạt lở) 2.1.3 Bài học kinh nghiệm Trong q trình thiết kế dẫn dịng thi cơng mùa lũ năm thi công thứ (2007), tư vấn thiết kế chọn giải pháp cho tràn qua mặt đập đá đổ xây dở cao trình 50,0m thiếu ý đến gia cố vai phải hạ lưu tiếp giáp với bờ sông chưa đánh giá khả gây xói dịng thấm rối có vận tốc nước qua thân đập đá đổ có độ rỗng lớn Ngồi ra, nói việc chọn phương án dẫn dòng tràn qua mặt đập xây dở cao trình 50,0m (đập xây dựng lên cao 25,0m, cao đê quai thượng lưu 4,3m cao đê quai hạ lưu 18,0m) cao lo ngại năm sau cường độ thi công đắp đập lớn, nhiên cường độ thi công đắp đá hồn tồn vượt so với dự tính khả xe máy thiết bị ngày mạnh xưa nhiều (minh chứng rõ nét sau vỡ đập, thi công 30.000m3/ngđ) Nếu so với cơng trình tương tự đập đá đổ CFRD Thủy điện Tuyên Quang ngược lại tư vấn thiết kế lại chọn cao trình mặt đập xây dở cho nước lũ tràn qua 45,0m (tức đập xây dựng cao 15,0m, thấp đê quai thượng lưu 15,0m, thấp đê quai hạ lưu 3,0m) thấp để tạo thành bể tiêu đê quai thượng hạ lưu trước lũ Vì nguyên nhân mà đập Cửa Đạt bị kéo theo hàng loạt khó khăn gia cố mặt đập xây hạ lưu dở nước lũ tràn qua Như vậy, việc sử dụng thân đập đá đổ nước tràn qua khác với đập đất đập bê tông truyền thống an toàn thấm rối mạch động lưu tốc nên q trình thiết kế phương án dẫn dịng cần phải thí nghiệm mơ hình thủy lực với khối lượng tỷ lệ đủ lớn để có đủ sở lựa chọn phương án pháp dẫn dịng an tồn hiệu 2.2 Tiêu nước ngược phía sau BMBT chống thấm 2.2.1 Mô tả cố Ngay sau vỡ đập xảy đập đá đổ Cửa Đạt tiếp tục thi cơng đến cao trình thiết kế 117,5m, đổ bê tơng BMBT đoạn lịng sơng vai trái đến cao trình 55,0m, vai phải đến cao trình 85,0m, đắp khối gia tải thượng lưu đoạn lịng sơng đến cao trình 21,0m hai vai đến cao trình +35,0m mùa khơ năm 2008 Sau KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 103 mùa lũ năm 2008 đơn vị thi công phải tiến hành tiêu nước hố móng thượng lưu thân đập để phục vụ cho cơng tác thi cơng BMBT phía thượng lưu đập mùa khô năm 2009 (Lê Văn Hùng, 2013) Sau bơm hạ mực nước hố móng thượng lưu đập đến cao trình 24,5m, phát thấy BMBT từ T27 đến T36 có tượng bị đẩy phồng phía thượng lưu so với bề mặt thiết kế, bề mặt bê tông xuất nhiều vết nứt từ cao trình 30,0m trở xuống Tấm T27 khơng có chuyển vị, T28 bị đẩy phía thượng lưu tạo chênh lệch vị trí khớp nối 31cm, vượt khả co giãn cho phép khớp nối làm đồng khớp nối bị rách có nước chảy ra, vị trí nước chảy khoảng cao trình 25,6m Ngồi ra, cịn có nước rị rỉ khớp nối T32 T33 cao trình 25,2m (Lê Văn Hùng, 2013) 2.2.2 Phân tích nguyên nhân Mặt cắt ngang đập Cửa Đạt vị trí thấp (lịng sơng) có chân phía thượng lưu nằm sâu cao trình 4,0m, nhiên cao trình đáy đập phần hạ lưu lại nằm cao trình 24,0m (chênh cao 20,0m) Trong đó, suốt q trình thi công đắp đập đá đổ lại sử dụng lượng nước tưới (15÷20)%, đồng thời, nước ngầm từ hai vai đập chảy nước thấm qua đê quai hạ lưu dồn vị trí đập có cao trình đáy thấp (do cấu tạo đập có nhiều lỗ rỗng) Tồn lượng nước thi cơng thấm tập trung phần đáy chân phía thượng lưu đập, có mưa, lượng nước tập trung khu vực nhiều (Hình 6) Hình Mặt cắt ngang hố móng đập đoạn lịng sông Do đặc điểm cấu tạo đập CFRD nên phải thi công khối đá đổ chịu lực trước thi công BMBT chống thấm để đảm bảo BMBT không bị gẫy khối đá chịu lực sau thi công lún nhanh nhiều Do đó, để phục vụ cơng tác đắp đập, đổ bê tông chân, BMBT, khớp nối,… đập đảm bảo chất lượng phải giải vấn đề tiêu nước thân đập phía thượng lưu đập Công việc cần phải tiến hành thường xuyên, liên tục đồng thời với trình đắp đập để đảm bảo nước khu vực đáy thượng lưu đập không dâng cao để không gây áp lực ngược làm hỏng lớp IIA BMBT thi công 104 Tuy nhiên, tư vấn thiết kế không đề cập đến vấn đề trong hồ sơ thiết kế Vì vậy, mực nước phía sau BMBT dâng cao khiến chênh lệch lên đến 16,0m (kết đo mực nước phía trước BMBT 8,0m, phía sau 24,0m) gây cố nứt BMBT, rách khớp nối khơng BMBT thi công xong năm 2008 2.2.3 Giải pháp học kinh nghiệm Trong q trình thi cơng đập đá đổ BMBT, cần có biện pháp tiêu nước ngược để đảm bảo thi cơng an tồn chất lượng cho chân, BMBT, khớp nối khối đệm IIA,… Biện pháp tiêu nước hiệu bố trí ống tiêu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) nước từ thân đập phía thượng lưu Các ống cấu tạo ống thép đường kính 1,0m cách (10÷15)m cắm sâu vào khối IIIA rải dọc theo tuyến chân đoạn lịng sơng, thềm sơng nhiều cao độ khác để đảm bảo tránh tắc ống lọc, đồng thời thuận lợi cho công tác nút ống Phần cuối ống cắm vào lớp IIIA đục lỗ thu nước làm lọc ngược Phía thượng lưu chân đoạn lịng sơng vị trí thấp làm hố thu nước, lắp đặt hệ thống máy bơm dã chiến… để bơm tiêu nước qua đê quai thượng lưu (Hình 7) Trong trường hợp mực nước thân đập cao cao trình đáy đập phía hạ lưu nên kết hợp với hình thức tiêu nước tự chảy phía hạ lưu (cao độ 24,5m), phía hạ lưu tạo hố thu nước lắp đặt máy bơm dã chiến tiêu nước qua đê quai hạ lưu Tiêu nước hố móng thượng lưu tiến hành sau mực nước thân đập đạt cao trình 24,5m Mực nước thượng lưu hạ từ từ đến cao độ đáy chân để bảo đảm chênh lệch mực nước thân đập khơng vượt q (2,5÷3,0)m Hình Ống thép tiêu nước chân Trong trường hợp ống thép đặt sẵn thân đập để nước phía thượng lưu bị bùn cát mùa lũ bồi lấp bị tắc cần tiến hành khoan hàng lỗ tiêu nước qua BMBT sâu vào hết lớp IIIB, lớp đá cấp phối có đường kính Dmax=0,8m Hàng cao độ 24,5m hàng cao độ 18,0m Trong lỗ khoan đặt ống chèn có đục lỗ thu nước đoạn cuối ống có thiết bị lọc ngược dọc theo phạm vi đục lỗ đặt máy bơm cơng suất (120÷160)m3/h để bơm tiêu nước (Hình 8) (Lê Văn Hùng, 2013) Sau hồn thành cơng việc tiến hành hồnh triệt lỗ khoan từ thấp lên cao cách dâng vữa xi măng lỗ khoan khác làm nhiệm vụ tiêu nước Riêng lỗ khoan cuối phải tiến hành đắp gia tải thượng lưu khu vực Hình Bơm tiêu nước từ giếng tiêu nước đê quai xung quanh lên cao đỉnh lỗ khoan tiến hành hoành triệt để tránh gây áp lực đẩy ngược Lấp lỗ khoan đá dăm vượt mực nước hố khoan, ngừng bơm đổ vữa xi măng lấp đầy lỗ khoan Phạm vi lỗ khoan nằm BMBT lấp đầy vữa khơng co ngót để đảm bảo khơng hình thành khe hở bê tơng cũ 2.3 Nứt BMBT chống thấm 2.3.1 Mô tả cố Cuối tháng 2, đầu tháng năm 2009, sau đợt mưa kéo dài, BMBT từ T28 đến T36 cao trình 30,0m trở xuống có tượng bị đẩy phồng phía thượng lưu, bề mặt xuất nhiều vết nứt song song với tim đập (Hình 9, Hình 11), khớp nối T27 T28 bị rách, khớp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 105 nối T30 T31 bị nước phun qua (Hình 10) Sự cố nứt BMBT làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới tác dụng chống thấm BMBT ổn định đập, cần nhanh chóng kiểm tra, đánh giá đưa biện pháp xử lý phù hợp (Lê Văn Hùng, 2013) Hình 10 Nước phun khớp nối T30 T31 Hình Các vết nứt BMBT số T34 2.3.2 Phân tích nguyên nhân t28 t30 t29 t31 t32 +28.30 +27.9 +26.92 +28.00 +27.25 R +26.9 +26.75 +26.47 R R R R R +27.392 +26.92 R R R R R R 0.5mm R 1mm 0.5mm 0.5mm 0.5mm R R 0.5mm 0.5mm 1.0m m 1.0mm 0.5mm 1mm 1mm 1mm 0.5mm 1.0mm 2mm 6mm 1mm 3mm 2mm R R 2.0m m 1mm 2mm R 1mm R 0.5mm +21.92 0.5mm 1mm 0.5mm 0.5mm 3mm 0.5m m 0.5mm 0.5mm 0.5mm 1mm 0.5mm +20.97 R R 1mm mm 1mm 1mm mm mm 1mm mm 0.5mm 0.5mm R R mm mm 2mm 1mm 0.5mm 0.5mm 0.5mm +21.67 2mm mm mm 2mm 1mm 2mm 1mm R +20.92 §­êng vÕt rạn nhỏ (