Áp lực thấm tác dụng lên bản đáy đập bê tông trên nền đá: Tính toán và quan trắc thực tế

BÀI BÁO KHOA HỌC ÁP LỰC THẤM TÁC DỤNG LÊN BẢN ĐÁY ĐẬP BÊ TƠNG TRÊN NỀN ĐÁ: TÍNH TỐN VÀ QUAN TRẮC THỰC TẾ Nguyễn Đức Nghĩa1, Nguyễn Chiến2, Nguyễn Cảnh Thái1 Tóm tắt: Áp lực đẩy ngược (bao gồm áp lực thấm lực đẩy nổi) lên đáy đập bê tơng tải trọng có ảnh hưởng lớn đến mức độ an tồn cơng trình Để tối ưu kinh tế hóa mặt cắt ngang đập bê tơng, chống thấm với hệ thống nước đập thiết kế để giảm áp lực Tuy nhiên, chống thấm phận nhạy cảm dễ xẩy sai khác so với thiết kế dễ hư hỏng dẫn đến thay đổi điều kiện làm việc cơng trình, ảnh hưởng lớn đến mức độ an toàn cơng trình Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tìm hiểu sai khác giá trị áp lực đẩy thấm tính tốn thực tế quan trắc số cơng trình, phân tích ngun nhân gây sai khác Từ khóa: đập bê tông, chống thấm, áp lực thấm, hệ số an tồn ĐẶT VẤN ĐỀ * Phân tích ngun nhân cố đập bê tông nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc khơng đánh giá tính chất diễn biến sau xây dựng cơng trình Có thể chia nguyên nhân phá hoại nhóm sau (Газиев Э.Г., 2005): - Gia tăng tính thấm nước nền, gia tăng áp lực thấm lên đáy đập Đây nguyên nhân dẫn đến cố đập bê tơng; - Tính khơng đồng nguyên nhân gây chênh lệch biến dạng, xuất xen kẹp yếu, vùng suy giảm khả chịu lực đáy đập; - Quá trình phá hủy chuyển dịch vai đập Sự phá hủy xảy dọc theo khe nứt lớn vai đập; - Q trình xói ngầm đập Ở nhóm nguyên nhân thứ (gia tăng áp lực thấm), đập bê tơng có chống thấm nguyên nhân hư hỏng chống thấm định Các nguyên nhân gây hư hỏng chống thấm chủ yếu: xuất ứng suất kéo vị trí chống thấm, xói ngầm qua chống thấm; chất lượng thiết kế, Trường Đại học Thủy lợi Hội đập lớn PTNN Việt Nam 62 thi công chống thấm không đảm bảo Màn chống thấm suy giảm khả làm việc dẫn đến gia tăng áp lực đẩy ngược lên đáy cơng trình, vượt giá trị thiết kế nhiều lần, làm thay đổi trạng thái làm việc công trình so với điều kiện thiết kế, từ làm suy giảm mức độ an tồn cơng trình Do đó, đánh giá biểu đồ phân bố trị số áp lực thấm có ý nghĩa quan trọng, công tác ưu tiên hàng đầu đánh giá an tồn đập bê tơng Tuy nhiên, điểm chưa rõ ràng định dạng biểu đồ định lượng giá trị áp lực thấm đáy đập bê tông ứng với trạng thái làm việc khác đập Vì cần thiết phải có nghiên cứu sâu để đưa dẫn cụ thể nhằm tránh sai sót thiết kế đảm bảo an toàn cho đập vận hành thực tế Nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận so sánh trị số áp lực thấm lên đáy đập bê tơng tính tốn quan trắc thực tế để làm rõ phân bố áp lực thấm đáy đập bê tông ứng với trạng thái thực tế cơng trình Phương pháp nghiên cứu kết hợp kế thừa kết nghiên cứu có với tiến hành quan trắc thực tế số đập bê tông Việt Nam sử dụng mơ hình tốn xác định áp lực thấm hệ số an tồn cơng trình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) ÁP LỰC ĐẨY NGƯỢC DƯỚI ĐÁY ĐẬP BÊ TÔNG TRÊN NỀN ĐÁ 2.1 Các dẫn Tiêu chuẩn thiết kế Tại Việt Nam, thiết kế đập bê tông dẫn theo “TCVN 9137: 2012 - Cơng trình thuỷ lợi - Thiết kế đập bê tơng bê tơng cốt thép”, tiêu chuẩn có nguồn gốc từ tiêu chuẩn thiết kế Nga, trực tiếp “СНиП 2.06.06-85” Trong tiêu chuẩn này, áp lực đẩy ngược lên đáy (bao gồm áp lực thấm áp lực đẩy nổi) tính tốn hình Tình trạng làm việc chống thấm thiết bị nước có đề cập đến tính tốn ổn định đập bê tơng (TCXDVN 335 : 2005, TCVN 9137 : 2012) nhiên giá trị áp lực đẩy ngược tương ứng không dẫn rõ ràng Khi xem xét chiều sâu giới hạn vùng chịu kéo, TCVN 9137 : 2012 cho phép xuất vùng chịu kéo kể tổ hợp bản, ảnh hưởng vùng chịu kéo tới áp lực đẩy ngược chưa xét đến a) b) Hình Áp lực đẩy ngược (bao gồm áp lực thấm áp lực đẩy nổi) lên đáy đập bê tông a) TCVN 9137 : 2012; b) СНиП 2.06.06-85 1) hành lang phun xi măng; 2) hành lang tiêu nước; 4) giếng nước tiêu thẳng đứng; 5) khoang rỗng bên trong; PФ: Áp lực đẩy ngược thấm; Pđn: áp lực đẩy nổi; H: Chiều cao đập HT : Cột nước phía thượng lưu; Hp: Cột nước tính tốn; hm: Cột nước thấm lại trục xi măng; 2.2 Kết quan trắc áp lực thấm số đập bê tông đá Nga Việt Nam Trong nghiên cứu này, tác giả đề cập số liệu quan trắc thấm số đập Nga Việt Nam tiêu chuẩn thiết kế đập tương đồng Quan trắc đập nói chung áp lực thấm nói riêng quan tâm thiết kế vận hành đập bê tông Trong nghiên cứu Гинзбург М.Б (1958), sở số liệu đo áp lực thấm dọc đáy 39 đập bê tông tổng hợp biểu đồ áp lực thấm hình (H – tỷ số cột nước tác dụng so với tổng cột nước thấm, B – tỷ số khoảng cách từ mép thượng lưu đến điểm xem xét so với bề rộng đáy đập) Đây sở để thiết lập biểu đồ áp 3) xi măng; 6) tiếp giáp bê tông đá B: Chiều rộng đập nền; hH: Cột nước phía hạ lưu; ht : Cột nước thấm lại trục giếng tiêu nước; lực thấm tiêu chuẩn hành Nga Việt Nam KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Hình Áp lực thấm lên đáy trung bình 193 mặt cắt 39 đập bê tơng (Гинзбург М.Б., 1958) 63 Các kết quan trắc thấm Мальышев Л.И (1984), Марчук А.Н (1985) tổng hợp nghiên cứu (hình hình 4) Kết hình hình giá trị áp lực thấm đập lớn Nga phạm vi khuyến nghị tiêu chuẩn hành Áp lực thấm giảm mạnh sau chống thấm thiết bị tiêu nước nền, cịn khoảng (10÷20)% so với trị số trước chống thấm Tại số đập có hành lang nước thấp mực nước hạ lưu có tượng xuất áp lực thấm âm Hình Kết quan trắc áp lực thấm Hình Hình bao áp lực thấm theo số liệu quan đáy đập bê tông lớn Nga trắc đập bê tông lớn Nga (Марчук А.Н., 1985) (Мальышев Л.И.,1984) I – Tim màng chống thấm; II – Tim hàng thoát nước thứ nhất; III – Tim hàng thoát nước thứ – Theo số liệu quan trắc; – Theo СНиП 2.06.06-85 Với đập bê tông Việt Nam, kết quan trắc mà nhóm tác giả thu thập cho thấy hầu hết giá trị áp lực thấm thực đo nhỏ giá trị khuyến nghị thiết kế Tuy nhiên, số đập (như thể hình 5, hình 6, bảng 1, …), giá trị vượt ngồi phạm vi thiết kế, chí số mặt cắt vượt 1,5 lần Kết tính tốn kiểm tra ổn định cơng trình áp lực thấm thay đổi cho kết an toàn Mặc dù giá trị áp lực thấm tăng cao đáng lưu tâm đơn vị vận hành cơng trình cơng tác thiết kế cơng trình Bảng Áp lực đẩy ngược lên đáy đập cao 100m Lai Châu Năm 2016 2017 64 Mặt cắt MC1 MC2 MC3 MC4 MC1 MC2 MC3 MC4 Mực nước hồ (m) 369,92 370 Áp lực thấm (T/m) Thực đo Tính tốn 579 529 1348 1257 1158 1257 1352 980 561 529 1498 1257 1272 1257 1533 980 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Năm Mặt cắt Mực nước hồ (m) QI/ 2018 MC1 MC2 MC3 MC4 370 Áp lực thấm (T/m) Thực đo Tính tốn 377 529 1466 1257 1222 1257 1455 980 Hình Kết quan trắc áp lực thấm đáy phân đoạn đập tràn cao 80m Huế (1- Theo thiết kế; – Giá trị thực đo) 2.3 Áp lực thấm xuất vết nứt mặt tiếp xúc đập – Khi xuất vết nứt mặt tiếp giáp đập – nền, kết quan trắc áp lực thấm tăng lên nhanh, ví dụ đập Bratskaya (Nga) Tại mặt Hình Kết quan trắc áp lực thấm đáy phân đoạn đập tràn cao 100m Lai Châu (1- Giá trị thực đo; 2- Theo thiết kế) cắt 36 đập Bratskaya, nơi có xuất vết nứt mặt tiếp xúc đập – (hình 7) chống thấm gần tác dụng Khi xuất trường hợp trạng thái làm việc cơng trình thay đổi nhanh chóng, dẫn tới an tồn 1-11: áp lực thấm mặt tiếp xúc đập mặt cắt 36 1’-4’: áp lực thấm mặt tiếp xúc đập mặt cắt 51 I - áp lực thấm mặt tiếp xúc đập theo quy phạm Hình Áp lực thấm đập Bratskaya (Nga) chống thấm bị hỏng ứng suất kéo (Дурчева В.Н., 1988) Trong tài liệu thiết kế đập bê tông FERC (The Federal Energy Regulatory Commission of USA – Mỹ) EM_1110-2-2200 (US Army Corps of Engineers – Gravity Dam Design) khuyến nghị áp lực có kể đến xuất vết nứt đập – hình 8, áp lực thấm gia tăng mạnh Như đề cập mục 1.1, áp lực thấm xuất ứng suất kéo hay vết nứt ứng suất kéo chưa đề cập tiêu chuẩn Nga KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 65 Việt Nam Tuy nhiên, có nghiên cứu mối liên hệ ứng suất – áp lực thấm lên đáy đập bê tơng Hình ÷ 11 kết nghiên cứu số tác giả vấn đề a) Theo FERC b) Theo EM_1110-2-2200 Hình Biểu đồ áp lực đẩy ngược lên đáy đập vết nứt xuyên qua hàng khoan thoát nước theo đề xuất số tiêu chuẩn Mỹ Theo nghiên cứu Соколов И.Б (1977) cho đập Dnepro (Ucraina), mặt tiếp xúc đập - mở rộng đến 1mm áp lực thấm trước giếng nước 100% áp lực thượng lưu, cịn đoạn phía sau mép hạ lưu đập áp lực thấm giảm tuyến tính Áp lực thấm trường hợp tăng lên nhiều so với trường hợp không xét tới mở rộng vết nứt đập - Hx/H - Tỷ lệ cột nước tác dụng so với tổng cột nước thấm B - Khoảng cách từ mép thượng lưu đập đến điểm nghiên cứu Đường Chiều rộng vết nứt (mm) 1,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,05 0,0 Hình Áp lực thấm mặt tiếp xúc đập – đập Dnepro (Ucraina) (Соколов И.Б., 1977) Trong nghiên cứu mình, Марчук М.А (1994) đề xuất biểu đồ áp lực thấm có xét đến chiều sâu vết nứt đập - hình 10 Trong đoạn có vết nứt đập - chống thấm tác dụng, áp lực thấm 100% áp lực thượng lưu Khi vết nứt xuyên qua chống thấm, thiết bị thoát nước trì trạng thái làm việc ось цементационной завесы раскрытие контакта оси дренажа раскрытие контакта 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 H5 0.0 по СНиПу H4 по СНиПу H1 H4 по СНиПу H1 H4 H1 по СНиПу 0.0 H5 0.0 H5 0.0 оси дренажа раскрытие контакта H4 0.0 ось цементационной завесы оси дренажа H5 ось цементационной завесы оси дренажа H1 ось цементационной завесы Kết toán ứng suất – thấm cho đập bê tông đá nứt nẻ Nguyễn Đức Nghĩa (2012) thể hình 11 Kết cho thấy với xuất vết nứt đập - áp lực thấm tăng lên nhanh, làm thay đổi nhanh chóng trạng thái làm việc cơng trình Hình 10 Biểu đồ áp lực thấm đáy đập theo chiều sâu vết nứt theo đề xuất Марчук М.А (1994) 66 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Hình 11 Kết tính toán thấm kể đến vết nứt mặt tiếp xúc đập - (Nguyễn Đức Nghĩa, 2012) Kết tính tốn hệ số an tồn cho ví dụ mặt cắt đập với sơ đồ áp lực thấm khác thể hình 12 Dù theo sơ đồ thay đổi áp lực thấm có khác kết mức độ an tồn cơng trình suy giảm nhanh xuất vùng ứng suất kéo nền, xuất vết nứt đập - – Không kể đến thay đổi áp lực thấm – Theo sơ đồ Marchuk M.A – Theo sơ đồ Nguyễn Đức Nghĩa – Thiết bị thoát nước hỏng nQ – hệ số gia tăng áp lực nước thượng lưu so với giá trị tính tốn U – chuyển vị ngang đỉnh đập Hình 12 Chuyển vị đỉnh đập gia tải ứng với sơ đồ áp lực thấm khác (Nguyễn Đức Nghĩa, 2012) Sự xuất ứng suất kéo nguyên nhân chủ yếu làm hỏng chống thấm Ứng suất kéo làm xuất vết nứt qua chống thấm, bao gồm mặt tiếp giáp đập - Vết nứt ban đầu xuất mép thượng lưu Khi vết nứt xuất làm thay đổi điều kiện chịu lực cơng trình Vết nứt phát triển phía hạ lưu (hình Hình 13 Cơ chế phá hủy đập bê tông (Фишман Ю.А., 1979) 13, 14) Kết việc hình thành vết nứt thay đổi áp lực thấm mặt tiếp xúc đập Cùng với thời gian, chống thấm bị phá hủy nhiều, điều kiện làm việc cơng trình ngày Trong thiết kế cần tính tốn chi tiết để kiểm sốt thay đổi áp lực thấm xuất vết nứt kéo Hình 14 Ứng suất kéo làm hỏng chống thấm đập Kolnbrein (Áo) (Марчук М.А., 1994) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 67 Hình 15 thể trạng thái hệ thống đập – gia tăng tải trọng thượng lưu Màn chống thấm bị khối phá hủy thượng lưu làm tác dụng, áp lực thấm tăng nhanh, làm gia tăng tốc độ phá hủy công trình Trong thực tế tượng phá a) hủy chống thấm kéo ghi nhận số đập, mà điển hình đập Kolnbrein (Áo, hình 14), Bratskaya (Nga, hình 7), … Các cơng trình phải dừng hoạt động thời gian dài để khắc phục tượng b) Hình 15 Sự thay đổi trạng thái làm việc cơng trình xuất biến dạng lớn (Nguyễn Đức Nghĩa, 2014) a) Trạng thái cơng trình biến dạng nhỏ; b) Trạng thái cơng trình biến dạng lớn Việc khơng kể đến thay đổi áp lực thấm điều kiện làm việc cơng trình thay đổi dẫn đến sai lầm thiết kế Ví dụ như, thiết kế đập bê tông cao 30m Lai Châu, kết tính tốn ổn định khơng kể đến áp lực thấm thay đổi hệ số an tồn nhận 1.41, cơng trình đánh giá làm việc an toàn Tuy nhiên, tính tốn kiểm tra lại có kể đến tượng gia tăng áp lực thấm hư hỏng chống thấm cơng trình gần bị phá hủy hồn tồn sau vịng tính lặp thứ áp lực thấm Đơn vị tư vấn phải điều chỉnh mặt cắt ngang để đảm bảo an toàn cho cơng trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: Áp lực thấm có ảnh hưởng lớn mức độ an tồn đập bê tơng đá Kiểm sốt áp lực thấm thơng qua trì trạng thái làm việc bình thường chống thấm thiết bị thoát nước biện pháp quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc giới hạn cho phép cơng trình Áp lực thấm quan trắc hầu hết đập nằm giới hạn cho phép nêu thiết kế Tuy nhiên, số cơng trình giá trị áp lực thấm vượt qua giới hạn Trong trường hợp cơng trình cần kiểm tra lại mức độ an tồn, tìm hiểu nguyên nhân giải pháp xử lý để 68 đưa áp lực thấm giới hạn cho phép Áp lực thấm gia tăng nhanh xuất ứng suất kéo nền, đặc biệt có vết nứt mặt tiếp xúc đập – Khi trạng thái làm việc cơng trình thay đổi nhanh chóng có kể dẫn tới nguy an tồn Trong thiết kế, vận hành cơng trình cần khống chế điều kiện xuất vết nứt đập – Trong TCVN 9137 : 2012 cần quy định rõ để tránh sai sót thiết kế Trong phân tích ổn định đập bê tơng đá, tốn ứng suất toán thấm đập cần xem xét đồng thời Ở mức độ đơn giản áp dụng số sơ đồ thay đổi biểu đồ áp lực thấm khái qt hóa hình 8, hình 10 Trong thiết kế đập bê tông cần xem xét phương án đặt cao độ hành lang thu nước thấm từ thấp mực nước hạ lưu bổ sung thêm hàng khoan thoát nước thứ hai Những biện pháp giúp giảm mạnh áp lực đẩy ngược lên đáy giải pháp tạm thời trì khả làm việc đập trường hợp chống thấm bị suy giảm khả làm việc LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu phần đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ phát sớm nguy cố đê sông, đập đất, đập đá, đập bê tông trọng lực đề xuất giải pháp xử lý’’ Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài tạo điều kiện tốt để hoàn thành nghiên cứu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) TÀI LIỆU THAM KHẢO TCXDVN 335 : 2005 - Công trình thủy điện Sơn La – Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế TCVN 9137: 2012 - Cơng trình thủy lợi – Thiết kế đập bê tông bê tông cốt thép Nguyễn Đức Nghĩa (2014) Tính tốn hệ số an tồn đập bê tơng trọng lực đá phương pháp giả lập trạng thái cân giới hạn hệ thống cơng trình – Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Thủy lợi, trang 69-71, Hà Nội Nguyễn Đức Nghĩa (2012), Nghiên cứu khả chịu lực đập bê tông trọng lực đá phương pháp số Luận án tiến sĩ, Mát-xcơ-va Số liệu quan trắc thấm số đập bê tông lớn Việt Nam Гинзбург М.Б (1958), Определение притиводавления в гравитационных плотинах на скальном оснавании, Москва Соколов И.Б (1977), Логунова В.А Фильтрация и противодавление воды в бетоне гидротехнических сооружений Энергия, 296 с., Москва Фишман Ю.А (1979), Механизм разрушения, прочность и устойчивость системы бетонная плотина - скальное основание Материалы конференций и совещаний по гидротехнике Работа бетонных плотин совместно со скальным основанием ВНИИГ им Б.Е.Веденеева Л., Энергия, с.13-19 Мальышев Л.И (1984), Эффективнсть цементационных завес и дренажей в скальных основаниях гидротехнических сооружений Сб научн трудов Гидропроекта, вып.94, с.84-101 Марчук А.Н (1985), Основные направления совершенствования конструкций бетонных плотин по данным натурных наблюдений Диссертация докт.техн.наук Москва СНиП 2.06.06-85 - Плотины бетонные и железобетонные, Москва Дурчева В.Н (1988), Натурные исследования монолитности высоких бетонных плотин М., Энергоатомиздат Марчук М.А (1994), Несущая способность бетонных гравитационных плотин на кальных основаниях с учетом раскрытия контактного шва, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва Газиев Э.Г (2005), Скальные оснвания бетоных плотин Издательство Ассоциации строительных вузов, Москва US Army Corps of Engineers (1995), Gravity Dam Design – EM 1110-2-2200 The Federal Energy Regulatory Commission of USA (FERC) Engineering Guidelines for Evaluation of Hydropower Projects, Chapter 3: Gravity Dams Abstract: UPLIFT AT THE BASE OF CONCRETE GRAVITY DAM: DESIGN STANDARD AND FIELD DATA Uplift at the base is a great influential load in the design and operation of concrete gravity dam To optimize and economize the cross section of the dam, the grout curtain and drainage system are used together to reduce uplift However, the grout curtain is also the easiest part for failure so that it greatly affects to safety of the dam In this research, the authors study the discrepancy of uplift magnitude between design standard and field data, as well as analyze the main causes of that discrepancy Keywords: Concrete gravity dam, Grout curtain, Uplift at base of concrete dam, Factor of safety Ngày nhận bài: 07/5/2020 Ngày chấp nhận đăng: 08/6/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 69 ... mặt tiếp xúc đập – Khi xuất vết nứt mặt tiếp giáp đập – nền, kết quan trắc áp lực thấm tăng lên nhanh, ví dụ đập Bratskaya (Nga) Tại mặt Hình Kết quan trắc áp lực thấm đáy phân đoạn đập tràn cao... toàn 1-11: áp lực thấm mặt tiếp xúc đập mặt cắt 36 1’-4’: áp lực thấm mặt tiếp xúc đập mặt cắt 51 I - áp lực thấm mặt tiếp xúc đập theo quy phạm Hình Áp lực thấm đập Bratskaya (Nga) chống thấm bị... 370 Áp lực thấm (T/m) Thực đo Tính tốn 377 529 1466 1257 1222 1257 1455 980 Hình Kết quan trắc áp lực thấm đáy phân đoạn đập tràn cao 80m Huế (1- Theo thiết kế; – Giá trị thực đo) 2.3 Áp lực thấm