Tính toán các yếu tố: khí tượng, thủy văn, thủy lực, nguồn nước, có xét đến BĐKH theo các kịch bản, chú trọng đến các yếu tố cực đoan do BĐKH gây ra để làm cơ sở cho quy hoạch, thiết kế, thi công và quản lý các hệ thống cống vùng triều; Nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến hệ thống công trình thủy lợi và công trình ngăn mặn giữ ngọt, đặc biệt đối với những khu vực chịu nhiều ảnh hưởng như đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long và khu vực ven biển; Áp dụng các tiến bộ kỹ thuật công nghệ và vật liệu mới, tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện BĐKH, nước biển dâng;
Xây dựng, hoàn thiện, củng cố và nâng cấp: hệ thống đê sông, đê biển; hệ thống kênh mương nội đồng, công trình cống ngăn mặn giữ ngọt phù hợp với kịch bản BĐKH, nước biển dâng;
Rà soát hoàn thiện quy hoạch thủy lợi, quy trình quản lý, khai thác, vận hành công trình cống vùng triều nhằm sử dụng hiệu quả, tiết kiệm nguồn nước, bảo đảm ngăn mặn, giữ ngọt cho khu vực phục vụ sản xuất nông nghiệp, đời sống dân sinh trong điều kiện BĐKH, nước biển dâng;
Tăng cường trồng, bảo vệ rừng phòng hộ ven biển, cây chắn sóng bảo vệ đê biển;
Xây dựng hệ thống quan trắc, kiểm tra, giám sát công trình thủy lợi nói chung cũng như cống vùng triều nói riêng , ưu tiên đầu tư trước tại các công trình trọng điểm để chủ động trong việc giám sát, đánh giá mức độ an toàn công trình;
Tuyên truyền, phổ biến kiến thức về biến đổi khí hậu, nâng cao khả năng thích ứng của người dân với các tác động của biến đổi khí hậu;
An toàn cho các công trình thủy lợi nói chung cũng như các cống vùng triều nói riêng trong tác động của BĐKH là một vấn đề cấp bách hiện nay. Trong điều kiện biến đổi khí hậu, mưa lũ bất thường, các công trình thủy lợi nói chung có mức độ an toàn không cao. Để từng bước nâng cao độ an toàn cho chúng cần phải thực hiện các nghiên cứu cụ thể đối với từng nhóm đề tài. Đồng thời, nhà nước cần sớm hoàn chỉnh các tiêu chuẩn và chế tài đối với vấn đề an toàn công trình thủy lợi trong điều kiện BĐKH hiện nay, có chính sách đầu tư đúng hướng và nhất quán đối với sự nghiệp Thủy Lợi nói chung và công tác an toàn công trình thủy lợi nói riêng.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:
Hiện nay, vấn đề an toàn các công trình thủy lợi nói chung, các cống ảnh hưởng triều nói riêng được đánh giá có vai trò quan trọng trong tất cả các giai đoạn của dự án thủy lợi. An toàn cho công trình từ giai đoạn thiết kế, thi công và trong suốt thời gian quản lý, khai thác vận hành công trình, đặc biệt trong tác động của biến đổi khí hậu hiện nay. Thực tế cho thấy, vấn đề an toàn công trình đã được từng bước quan tâm chú trọng đặc biệt trong kịch bản BĐKH hiện nay.
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP DO NƯỚC BIỂN, ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH. 2.1. CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN [16]:
Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình thủy lợi bằng BT&BTCT như: Đập tràn, mố tiêu năng, cống ngầm, cống dưới đê, cống ngăn mặn, kè biển, kè sông… đặc biệt là những công trình trong môi trường biển, cho thấy hầu hết những công trình chỉ sau một thời gian đưa vào sử dụng đã thấy dấu hiệu của xâm thực BT&BTCT (bề mặt bê tông bị thấm tiết vôi, bị rỗ, bê tông dọc theo các thanh cốt thép bị nứt do cốt thép bị xâm thực nở thể tích…) Có những công trình chỉ sau khoảng 10 năm đi vào hoạt động BT&BTCT đã bị xâm thực nghiêm trọng, cường độ bê tông suy giảm đáng kể theo các cơ chế như sau:
2.1.1. Quá trình thấm ion Cl- vào bê tông gây ra ăn mòn, phá hủy cốt thép:
Sự có mặt của ion clorua trong bêtông có thể do nhiều nguyên nhân như dùng phụ gia đông cứng nhanh có chứa ion clorua (CaCl2, khá phổ biến trong thập niên 70); dùng cốt liệu, nước trộn có chứa ion clorua… Tuy nhiên, đối với các kết cấu BTCT vùng biển, nguyên nhân chủ yếu là do sự xâm thực của ion clorua từ môi trường. Quá trình xâm thực của ion clorua vào bêtông chủ yếu theo 4 cơ chế sau:
Sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài: Nếu bề mặt kết cấu bêtông không bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clorua, dưới áp lực mao dẫn, nước chứa ion clorua sẽ xâm nhập vào bêtông bề mặt đến độ sâu khoảng 5÷15 mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày. Cơ chế này có thể gây nên sự xâm thực đáng kể của clorua vào lớp bêtông bảo vệ. Về mặt lý thuyết, độ cao cột nước mao dẫn trong bêtông với kích thước lỗ rỗng mao dẫn khoảng 10-6m có thể đạt đến 15 m. Nếu bề mặt kết cấu chịu tác động chu kỳ khô ẩm của nước chứa ion clorua, hệ thống lỗ rỗng sẽ tiếp tục hấp thu và tích trữ ion clorua, dẫn đến lớp bêtông bảo vệ chịu ảnh hưởng của cơ chế này có nồng độ ion clorua khá cao. Đây là trường hợp của phần bêtông ở vùng nước lên xuống và sóng táp.
Sự khuyếch tán do chêch lệch nồng độ ion clorua: Khi có sự chêch lệch nồng độ ion clorua, ion clorua sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clorua sẽ dịch chuyển từ bề mặt bêtông vào sâu trong kết cấu. Sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bêtông có thể được mô tả gần đúng bằng các định luật Fick về khuyếch tán.
Thông thường, sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bêtông được xem là bài
toán một chiều:
∂C/∂t = D ∂2C/∂x2. (1) Với C: Nồng độ clorua trong bêtông (kg/m3); D: Hệ số khuyếch tán (m2/s);
Từ đấy, nồng độ ion clorua C(x,t) tại độ sâu x và thời điểm t có thể được tính như sau:
Cx,t = Cs – (Cs - C∞) erf[x/(4Dt)1/2] (2)
Với CS: Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt (kg/m3
); C∞: Nồng độ ion clorua ban đầu trong kết cấu bêtông (kg/m3
); Hàm sai số: = ∫ − y u du e y erf 0 2 2 ) ( π
Dựa trên công thức này, ta có thể tính được thời gian để nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt đến trị số giới hạn gây gỉ cốt thép. Đối với bêtông, hệ số khuyếch tán D thường khoảng 2x10-12 đến 3x10-12
(m2/s) và nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt CS khoảng 18 kg/m3 ở vùng nước lên xuống và sóng táp. Tuy nhiên biên độ dao động của các hệ số này khá lớn:
Hệ số khuyếch tán D thay đổi theo nhiệt độ, thời gian, khoảng cách đến bề mặt kết cấu và môi trường làm việc;
Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt CS thay đổi theo mùa và các tác động của môi trường. Vì lý do này, thường nồng độ ion clorua CS
được xác định tại độ sâu khoảng 10 mm;
Biên độ dao động lớn của các hệ số cùng với sự ảnh hưởng của các cơ chế xâm thực khác, khả năng hấp thụ ion clorua của bêtông,... đòi hỏi sự thận trọng trong việc xử lý kết quả từ bài toán trên.
Sự thẩm thấu do chêch lệch áp lực:
Áp lực làm tăng tốc độ xâm thực ion clorua vào kết cấu BTCT; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế: Trong thực tế, quá trình xâm thực của ion clorua vào kết cấu BTCT là sự tổng hợp của các cơ chế trình bày ở trên. Ví dụ, đối với kết cấu BTCT trong vùng nước lên xuống và sóng táp, sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài và sự khuyếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua là các cơ chế chính gây xâm thực clorua;
Ban đầu, bêtông là môi trường kiềm mạnh với độ pH khoảng từ 13,0 đến 13,8. Môi trường kiềm này tạo điều kiện hình thành lớp màng oxit thụ động bảo vệ trên bề mặt cốt thép gồm các ôxit ngậm nước của Fe2+
và Fe3+ với bề dày khoảng vài nano mét.
Hình 2.2: Giản đồ “Điện thế- Độ pH” của CT khi có Cl-.
Có thể thấy từ 2 giản đồ trên rằng, lớp màng ôxit thụ động có thể mất đi khi: Độ pH của bêtông tại bề mặt cốt thép nhỏ hơn 9 (do bị cacbonat hóa): Cần chú ý là hiện tượng cacbonat hóa bêtông chỉ xảy ra mạnh khi độ ẩm trong kết cấu bêtông khoảng 50% đến 60%. Đối với bêtông bão hòa nước (phần kết cấu ở vùng nước lên xuống, sóng táp,...), ảnh hưởng của hiện tượng này là không đáng kể. Và thông thường, việc đảm bảo chất lượng bêtông cùng với chiều dày bảo vệ cốt thép hợp lý là đủ để duy trì sự làm việc bình thường của các công trình thông thường trong niên hạn sử dụng;
Nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép tăng: Một điểm quan trọng là sự có mặt của ion clorua làm thu hẹp đáng kể “vùng an toàn” của cốt thép (Xem hình 2.2). Tuy nhiên, nồng độ ion clorua trong nước lỗ rỗng tại bề mặt cốt thép phải vượt qua một “ngưỡng” nhất định trước khi màng bảo vệ ôxít bị phá vỡ. Ngưỡng này thường được qui định: (1) nồng độ ion clorua không quá 0,2% đên 0,4% khối lượng ximăng; hay (2) tỷ lệ nồng độ ion Cl-/OH- không quá 0,6. Tuy nhiên, giá trị của ngưỡng này tùy thuộc vào độ pH của bêtông (thay đổi tùy loại ximăng và cấp phối bêtông), mức độ hấp thụ vật lý và hóa học ion clorua của bêtông, sự có mặt của ôxy và hơi ẩm, cũng như lỗ rỗng tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bêtông;
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông là quá trình điện hóa. Trong môi trường có ion Cl-, OH-, ôxy, các phản ứng catôt và anôt có thể được biểu diễn như sau: Phản ứng ở anôt khi nồng độ ion OH-
cao:
Fe + 2OH- → 1/2Fe2O3.3H2O (gỉ) + 2e-
. (3)
Ôxit sắt ngậm nước (gỉ) không hòa tan trong môi trường kiềm, tạo thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép;
Phản ứng ở anôt khi nồng độ ion Cl- cao:
Fe + 2Cl-→ FeCl2→ Fe2+ + 2Cl- + 2e-. (4) Phản ứng ở catôt (khi có oxy và nước):
1/2O2 + H2O + 2e-→ 2OH-. (5)
Rõ ràng, nồng độ ion clorua và ôxy cao gây ăn mòn mạnh cốt thép, trong khi nồng độ ion OH- cao làm chậm quá trình ăn mòn. Khi tỷ lệ nồng độ ion Cl-
/OH- vượt quá giá trị ngưỡng giới hạn (khoảng 0,63), xác suất xảy ra phản ứng ăn mòn anôt (4) sẽ lớn hơn xác suất hình thành màng bảo vệ anôt bởi phản ứng (3), và sự ăn mòn cốt thép bắt đầu. Một điểm đáng chú ý từ phản ứng (4) là ion clorua không bị hấp thụ trong quá trình ăn mòn.
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông có thể được chia thành 4 quá trình thành phần:
- Các phản ứng tại anôt; - Các phản ứng tại catôt;
- Dòng chuyển dời của các ion trong bêtông; - Dòng chuyển dời của các electron trong cốt thép;
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông do đó có thể được khống chế bằng cách khống chế ít nhất một trong các quá trình thành phần trên. Do độ dẫn điện trong cốt
thép thường khá cao, tốc độ ăn mòn sẽ bị khống chế khi ít nhất một trong các điều kiện sau thõa mãn:
Các phản ứng tại anôt chậm do cốt thép được bảo vệ: bêtông có nồng độ ion clorua thấp hay không bị cacbonat hóa;
Các phản ứng tại catôt chậm: không đủ oxy hòa tan tại bề mặt cốt thép. Đây là trường hợp của phần kết cấu BTCT ở sâu trong vùng ngập nước do nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển thường thấp hơn 10ml/l (so với khoảng 210 ml/l trong không khí) và do tốc độ khuyếch tán chậm của ôxy trong môi trường bêtông bão hòa;
Dòng chuyển dời của các ion trong bêtông thấp; Cơ chế ăn mòn (Xem hình 2.3).
Hình 2. 3: Cơ chếăn mòn BT&BTCT bởi ion Cl-.
2.1.2. Quá trình thấm ion SO42- vào bê tông:
Trong nước biển chứa hàm lượng ion SO42- rất cao khoảng từ 2600 – 2700mg/l nên có thể gây ra ăn mòn sunfat. Bản chất của ăn mòn sunfat là có sự hình thành và phát triển của khoáng ettringit (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) kèm theo là sự trương nở thể tích sản phẩm phản ứng khoảng 2,27 lần gây phá vỡ kết cấu.
2.1.3. Quá trình cacbonat hóa làm giảm pH bê tông:
Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan (Ca(OH)2) trong các lỗ hổng của kết cấu bê tông là kết quả của quá trình thuỷ hoá xi măng giúp giữ độ
pH ở ngưỡng an toàn 12-13. Trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng mỏng trên bề mặt (dày từ 2-20 nanomét). Tuy nhiên, quá trình carbonat hoá với sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi cacbonat và trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng và xem hình 2.4 dưới đây: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O CaCO3 + CO2 +H2O = Ca(HCO3)2
Hình 2.4: Cơ chếăn mòn BT&BTCT bởi cacbonnat hóa.
Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế "tự bảo vệ thụ động" của BTCT không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn;
Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông. Sự phát triển của vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép (spalling) như hình minh hoạ trên;
Tốc độ của quá trình carbonat hoá phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường như ở những vùng công trình thường xuyên chịu ẩm ướt bề mặt, như bộ phận công trình nằm ở nơi mực nước lên xuống và bị sóng đánh, những bộ phận công trình chịu mưa gió, độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ
lý của bê tông như độ kiềm và độ thẩm thấu. …các chu kỳ khô ẩm xảy ra càng nhiều thì khả năng ăn mòn càng nặng. Điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hoá hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60-75%. Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hoá tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần. Mặt khác, hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hoá;
Ngoài ra, bề dày lớp bê tông bảo vệ cũng đóng vai trò quan trọng giảm quá trình ăn mòn.
2.1.4. Quá trình khuếch tán oxy và hơi ẩm vào trong bê tông:
Hiện tượng ăn mòn, phá hủy bê tông cốt thép xảy ra mạnh. Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông thực chất là quá trình điện hóa mà trong đó O2 và H2O là các tác nhân gây ra phản ứng Cl- và CO2 phá vỡ màng thụ động cốt thép làm tăng quá trình ăn mòn thép.
2.1.5. Quá trình mài mòn cơ học:
Đây là một dạng xâm thực bê tông xảy ra khá phổ biến ở các công trình thủy lợi như: các loại cống, tràn xả lũ, kè biển, kè sông… Dưới tác động mài mòn của dòng nước chảy xiết và sóng, đá xi măng trên bề mặt bê tông sẽ bị dòng nước bào mòn, sau đó các hạt có kích thước lớn hơn (hạt cốt liệu nhỏ, cốt liệu lớn) sẽ bị rửa trôi do không còn liên kết làm cho bê tông dần bị xâm thực.
2.1.6. Quá trình xâm thực khác:
Như xâm thực do vi sinh vật gây ra (các loại hà, sò biển…) do sự tương tác giữa các dạng axit, muối trong môi trường nước với các sản phẩm thủy hóa trong xi măng tạo ra các hợp chất tan mạn, hoặc không có cường độ…
2.2. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CHUNG TÌNH HÌNH NGẬP MẶN VÀ THỰC TRẠNG HƯ HỎNG, XUỐNG CẤP CÁC CỐNG VÙNG TRIỀU CÁC