TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÒM
TÌNH HÌNH XÂY D ỰNG ĐẬP VÒM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
Đập vòm là loại đập an toàn và kinh tế, đã được chứng minh qua thời gian Với kết cấu siêu tĩnh chịu nén, đập vòm yêu cầu địa chất tốt và thiết kế phù hợp với địa hình Đập vòm cổ nhất là Vallon de Baume (cao 12m) từ thời La Mã Đến thế kỷ XVII, đập vòm Zola (cao 36m) ở Pháp, xây dựng năm 1843, đã áp dụng công thức ống tròn mỏng trong thiết kế, mở đầu cho phân tích ứng suất đập vòm Năm 1889, H Vischer và L Wagener đã đề xuất phương pháp dầm vòm khi kiểm tra đập Bear Valley (cao 18m) ở Mỹ, xây dựng năm 1884.
Sau hơn mười năm, phương pháp dầm vòm đã được áp dụng trong thiết kế đập vòm Path Finder và đập vòm Buffalo Bill, với Buffalo Bill là đập vòm trọng lực cao nhất ở Mỹ vào thời điểm đó, cao 99m Năm 1917, kỹ sư Thụy Sĩ đã phát triển phương pháp dầm vòm thành phương pháp nhiều dầm vòm, thiết kế đập vòm Montsalvens đầu tiên tại Thụy Sĩ Đến năm 1930, F.D.Kirm đã đề xuất phương tháp thử tải (Trial Load).
Phương pháp đập vòm đã đóng vai trò quan trọng trong lịch sử xây dựng đập Năm 1936, Hoa Kỳ hoàn thành đập vòm Hoover với chiều cao 221m, đánh dấu đập vòm đầu tiên vượt quá 200m Tiếp theo, năm 1939, Italia xây dựng đập vòm Osigletta cao 79.8m, nổi bật với thiết kế khe biên nhằm giảm ứng suất kéo Đến năm 1958, đập vòm Vajont cũng được xây dựng, tiếp tục phát triển công nghệ đập vòm.
Đập vòm cao 265m tại Italia, được khởi công xây dựng, là một trong những công trình điển hình của đập vòm mỏng cong hai chiều Công trình này không chỉ thể hiện sự tiến bộ trong thiết kế và kỹ thuật xây dựng mà còn góp phần quan trọng vào việc quản lý nguồn nước và năng lượng tái tạo Đập vòm Vallon de Baume và Đập vòm Buffalo Bill là những ví dụ điển hình cho sự phát triển của công nghệ xây dựng đập hiện đại.
(1904-1910) Đập vòm Vajont (1958-1963) Hình 1.1: Một số hình ảnh đập vòm tại các nước phương Tây
Xây dựng đập vòm ở Trung Quốc bắt đầu muộn, với chỉ 2 đập cao trên 15 m trước năm 1949 Sau năm 1949, Trung Quốc đã khởi động nhiều dự án xây dựng đập vòm quy mô lớn Theo thống kê của Hội đập lớn Trung Quốc năm 1999, số lượng đập vòm cao đã gia tăng đáng kể.
Trên toàn thế giới, hiện có 1.102 đập được xây dựng, trong đó Trung Quốc chiếm 517 đập, tương đương 46,9% Đặc biệt, Trung Quốc có 11 đập vòm bê tông cao trên 100m Những năm gần đây, việc xây dựng đập vòm cao tại Trung Quốc đã đạt đến đỉnh cao mới với đập vòm cong hai chiều Ertan cao 240m đã tích nước thành công Ngoài ra, các đập nổi bật khác bao gồm đập Xiaowan cao 292m, Xiluodu cao 278m, và Jinbing cao 305m.
(đập cao 233m), Laxiwa (đập cao 250m) cũng đã lần lượt được khởi công Đập Xiaowan
Hình 1.2: Một số hình ảnh đập vòm ở Trung Quốc
Việt Nam đang bắt đầu xây dựng đập vòm bê tông cong hai chiều Nậm Chiến, với chiều cao 138m và chiều dài đỉnh 273m, tỉ lệ độ dày/cao là 0,22 Đây được xem là công trình thiết kế khó khăn nhất tại Việt Nam hiện nay.
Hình 1.3: Đập vòm Nậm Chiến (2005-2009)
NH ỮNG VẤN ĐỀ VỀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐẬP VÒM
1.2.1 Công nghệ thi công đập vòm: Đập vòm bê tông truyền thống từ trước đến nay đều sử dụng phương pháp thi công phân khoảnh phối hợp đổ theo từng khối trụ đã làm giảm tốc độ thi công và tăng giá thành công trình do cần nhiều biện pháp khống chế nhiệt độ và bố trí khe kết cấu Cải tiến vật liệu và phương thức thi công là một đòi hỏi tất yếu trong quá trình xây dựng đập vòm Hiện nay kỹ thuật bê tông đầm lăn (Rolled Compacted
Concrete - RCC), bê tông MgO (MgO Concrete), bê tông đá đổ (Rock Fill Concrete
RFC đã được áp dụng thành công trong lĩnh vực đập vòm, cho phép thi công bê tông liên tục trên toàn bộ mặt đập Điều này không chỉ tăng tốc độ đổ bê tông mà còn giúp đưa công trình vào khai thác sớm hơn.
RCC đã được ứng dụng trong xây dựng đập bê tông trọng lực từ lâu, nhưng chỉ trong khoảng 20 năm gần đây mới được sử dụng cho đập vòm Trung Quốc không phải là quốc gia đầu tiên xây dựng đập vòm RCC, nhưng hiện đang dẫn đầu thế giới về loại hình đập này với gần 30 công trình, trong đó có nhiều đập cao như Longshou (80m) và Shapai (132m) Trong quá trình phát triển đập vòm RCC, đặc biệt là đập vòm mỏng cong hai chiều, vấn đề quan trọng cần giải quyết là bề mặt tiếp giáp giữa các lớp RCC, nơi có thể gây ra sự ổn định trượt và thấm Hơn nữa, do tiến độ thi công nhanh và việc kiểm soát nhiệt độ đơn giản, nhiệt độ trong đập có thể cao sau khi thi công, dẫn đến nguy cơ nứt Do đó, nghiên cứu vật liệu RCC, công tác thi công trên mặt đập, cấu trúc và xử lý khe nứt là rất cần thiết để nâng cao an toàn cho các công trình đập.
Nhiều thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực tế công trình đã chứng minh rằng, khi bê tông chứa một lượng MgO nhất định, nó sẽ tự động xảy ra hiện tượng giãn nở thể tích sau khi được đổ.
Quá trình giãn nở và co ngót nhiệt độ của bê tông diễn ra đồng thời, giúp bổ khuyết cho hiện tượng co ngót và ngăn ngừa nứt nhiệt độ Bê tông MgO có thể ứng dụng hiệu quả trong xây dựng đập vòm, loại bỏ hoặc đơn giản hóa các biện pháp khống chế nhiệt truyền thống, đồng thời giảm số lượng khe nứt và tăng tốc độ thi công Điều quan trọng là xác định thành phần cấp phối và hàm lượng MgO trong bê tông một cách hợp lý Đối với đập vòm cao, cần giảm nhiệt độ thủy hóa và lượng xi măng sử dụng, trong đó việc sử dụng cốt liệu có đường kính lớn là một giải pháp hiệu quả.
Trong thi công bê tông, việc sử dụng cốt liệu lớn hơn 150mm thường gặp khó khăn do hạn chế trong quá trình trộn, đầm và phân tầng Mặc dù bê tông đá thô và bê tông đá xây vữa giúp giảm lượng xi măng, nhưng cường độ của chúng thấp và chất lượng thi công không đảm bảo, gây khó khăn cho thi công cơ giới và làm chậm tiến độ Gần đây, bê tông tự đầm (SCC) đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng phức tạp nhờ tính lưu động cao, không cần đầm và khả năng ngăn ngừa phân tách vật liệu Phương pháp thi công RFC kết hợp các ưu điểm của SCC bằng cách sử dụng trực tiếp cốt liệu thô, sau đó đổ SCC để lấp đầy khoảng trống, tạo ra khối bê tông đồng nhất và có cường độ cao RFC nổi bật với tốc độ thi công nhanh và chi phí hợp lý, tuy nhiên, cần chú ý đến mối quan hệ giữa thành phần cấp phối SCC và cấp phối khối đá đổ để đạt hiệu quả tối ưu.
1.2.1.1 CÔNG NGHỆ RCC TRONG XÂY DỰNG ĐẬP VÒM a Tỉ lệ cấp phối và tính năng kỹ thuật RCC
Theo tổng kết các công trình RCC đã xây dựng, lượng vật liệu chất kết dính trung bình sử dụng là 173 kg/m³, trong đó xi măng chiếm 79 kg/m³ và vật liệu phụ gia khoáng là 94 kg/m³, chiếm 54% Khi xây dựng đập vòm RCC ở Trung Quốc, phần trong đập thường sử dụng RCC cấp phối 3, trong khi kết cấu chống thấm mặt thượng lưu phần ngoài đập thường sử dụng RCC cấp phối 2 Bảng 1.1 tổng hợp tỉ lệ cấp phối của một số đập vòm RCC điển hình ở Trung Quốc.
Bảng 1.1: Tỉ lệ cấp phối một vài đập vòm RCC điển hình ở Trung Quốc P [8]
Trường Đại học Thủy lợi là một trong những cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo về lĩnh vực thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và chương trình học đa dạng, trường cam kết cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sinh viên Đại học Thủy lợi cũng chú trọng vào nghiên cứu và phát triển công nghệ mới trong ngành thủy lợi, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Học viên sau khi tốt nghiệp có cơ hội việc làm rộng mở trong các lĩnh vực liên quan đến quản lý nước, xây dựng công trình và phát triển bền vững.
Theo bảng 1.1, RCC đập vòm đều sử dụng phụ gia khoáng làm vật liệu trộn, trong đó phụ gia khoáng có thể đạt tỷ lệ cao nhất trong vật liệu kết dính.
67% Chất lượng của phụ gia khoáng có ảnh hưởng khá lớn đối với tính năng RCC
Tỉ lệ N/X của đập vòm RCC thường dao động từ 0,5 đến 0,65, với một số ít công trình có tỉ lệ N/X dưới 0,5 Cấp phối cốt liệu lý tưởng cho đập vòm RCC cấp phối 2 là 1:1, trong khi cấp phối cốt liệu lý tưởng cho đập vòm RCC cấp phối 3 thường là 3:3:4 hoặc 3:4:3 (đá nhỏ: đá vừa: đá lớn) Tỉ lệ C/C+Đ cũng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế.
RCC đập vòm thông thường có tỷ lệ từ 28% đến 38% Việc trộn phụ gia hóa vào RCC là cần thiết để đáp ứng yêu cầu về thời gian ninh kết ban đầu, đồng thời cải thiện tính năng công tác và độ bền của vật liệu.
Chất lượng của đập vòm phụ thuộc chủ yếu vào tính năng của vật liệu xây dựng, đặc biệt là đối với đập vòm mỏng và đập vòm cao, nơi có yêu cầu kỹ thuật rất khắt khe đối với RCC Các kết quả thí nghiệm về cường độ, tính năng nhiệt học và tính năng biến hình của RCC được tổng hợp trong bảng 1.2 Cụ thể, giá trị trung bình của cường độ kháng nén, cường độ kháng kéo, mô đun đàn hồi và kéo dãn giới hạn của RCC đập vòm ở tuổi 90 ngày lần lượt là 26,26 MPa, 2,39 MPa, 30,57 MPa và 92,65x10^-6.
Bảng 1.2: Tính năng kỹ thuật RCC của một vài đập vòm ở Trung Quốc P [8]
Cường độ kháng kéo (MPa)
Mô đun đàn hồi (MPa)
Nhiệt độ tăng cao nhất ( P o P C)
19,7 28,7 1,97 24,1 31,0 73 78 15,9 18,8 b Công nghệ thi công RCC
- Xác định độ dày tầng đầm nén
Để xác định độ dày tầng đầm nén trong thi công bê tông đập vòm RCC, cần xem xét các yếu tố như phương án tập kết vật liệu, năng lực trộn, vận chuyển, diện tích mặt công tác và thời gian ninh kết ban đầu của RCC Ví dụ, trong thi công đập vòm RCC Dahuashui (cao 134,5 m), nếu diện tích mặt đập công tác nhỏ hơn 3000 m², độ dày tầng đầm nén sẽ là 30 cm; ngược lại, nếu diện tích lớn hơn 3000 m², độ dày sẽ giảm xuống còn 25 cm, với chiều cao thi công tối đa đạt 33,5 m/tháng.
- Giá trị độ công tác Vc
Giá trị Vc của RCC đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng đầm nén, và nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu Theo bảng 1.1, giá trị độ công tác Vc thường dao động từ 8 đến 10 giây, trong khi một số công trình có giá trị Vc thấp hơn, khoảng từ 4 đến 7 giây Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị Vc là cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong quá trình thi công.
Xử lý kết hợp giữa các lớp đầm và mặt khe thi công là rất quan trọng đối với đập vòm RCC Áp dụng công nghệ thi công đầm nén lớp mỏng liên tục trên toàn bộ mặt đập giúp đảm bảo chất lượng công trình Khi thi công liên tục lên cao, nếu thời gian giãn cách giữa các lớp không vượt quá thời gian ninh kết ban đầu thì không cần xử lý thêm Bề mặt khe thi công cần được đánh xờm và làm sạch bằng nước áp lực Để tăng cường sự kết hợp giữa bê tông đầm nén cũ và mới, mỗi lớp khi đổ lên cao nên được lót một lớp vữa xi măng dày 2~3 cm.
- Thi công khe dẫn, khe ngang
NH ỮNG VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐẬP VÒM
Vấn đề đánh giá độ an toàn đập vòm
Khi thiết kế đập vòm, việc phân tích ứng suất và ổn định là rất quan trọng để xác định hình dáng và kích thước của đập Ngoài ra, các nhà thiết kế thường muốn so sánh với các đập vòm đã xây dựng trước đây để đánh giá tính an toàn và kinh tế của thiết kế Trước đây, tỉ số dày cao của mặt cắt dầm vòm được sử dụng để so sánh độ dày của đập thiết kế với đập đã xây dựng, nhưng điều này không đủ để đánh giá hợp lý do sự liên quan giữa ứng suất, tỉ lệ cao rộng lòng sông, độ cao đập và hình dáng lòng sông Chuyên gia Lombardi từ Thụy Sĩ đã đề xuất sử dụng hệ số độ mềm để đánh giá độ dày của đập vòm một cách chính xác hơn.
C = A P 2 P /VH (1.1) trong đó: A là diện tích mặt cắt giữa đập vòm;
V là thể tích đập vòm;
H là chiều cao đập lớn nhất
Với chiều cao đập giống nhau, thể tích V lớn hơn sẽ làm giảm hệ số an toàn C Diện tích mặt cắt A nhỏ cũng dẫn đến hệ số C giảm Do đó, khi chiều cao đập giống nhau, hệ số C càng nhỏ thì đập càng an toàn Hệ số an toàn của đập thấp lớn hơn so với đập cao khi hệ số độ mềm C giống nhau, điều này liên quan đến ứng suất của đập ZHU đã chỉ ra ảnh hưởng của chiều cao đập trong nghiên cứu của mình.
Bofang đã đề xuất hệ số mức độ ứng suất đập vòm
Hệ số D phản ánh mức độ ứng suất của đập vòm, với giá trị D nhỏ hơn cho thấy đập an toàn hơn Để đánh giá độ an toàn của đập vòm, ngoài hệ số ứng suất, cần xem xét cường độ bê tông, chất lượng thi công, cũng như cường độ kháng nén và kháng cắt của nền đá Khi hệ số mức độ ứng suất đạt đến giới hạn trên, công thức tính toán sẽ được điều chỉnh cho phù hợp với các yếu tố này.
Hệ số mức độ ứng suất D phản ánh mức độ ứng suất của đập và nền, liên quan đến an toàn của đập không chỉ từ ứng suất mà còn từ cường độ của đập và nền Để thể hiện ảnh hưởng của cường độ này, ZHU Bofang đã đề xuất hệ số mức độ an toàn đập vòm J.
J = 100R/D = 100RV/A P 2 P (1.4) trong đó: R là cường độ của đập và nền
J là một chỉ tiêu phản ánh mức độ an toàn tương đối đập vòm, J càng lớn đập càng an toàn P [5] P
NH ỮNG VẤN ĐỀ VỀ KHẢ NĂNG VÀ BIỆN PHÁP KHÁNG CHẤN ĐẬP VÒM
Vấn đề phân tích kháng chấn và biện pháp công trình kháng chấn đập vòm
Hiện nay, việc đánh giá an toàn kháng chấn cho đập vòm chủ yếu dựa trên hệ số an toàn ổn định và ứng suất giới hạn không vượt quá mức cho phép Phân tích kháng chấn đập vòm thường gặp khó khăn do đặc điểm ứng suất lớn, dẫn đến tính phi tuyến và nguyên lý chồng chất không phù hợp Do đó, cần áp dụng nguyên tắc phối hợp giữa phân tích động lực và phân tích tĩnh lực Phương pháp phân tích động lực hiện tại chủ yếu sử dụng phương pháp phân tải dầm vòm, mặc dù đập vòm được xem là kết cấu vỏ mỏng không gian siêu tĩnh cao cấp, với tính đặc biệt và phức tạp trong phân tích Phương pháp PTHH giả định nền đàn hồi tuyến tính và không khối lượng có khả năng mô phỏng tốt hơn các đặc tính cơ học và tác động ngẫu hợp của động lực đập, kho nước và nền Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình thủy của Trung Quốc quy định đây là phương pháp chủ yếu cho phân tích động lực Các biện pháp kháng chấn trong công trình đập vòm bao gồm việc bố trí cốt thép kháng chấn, bao gồm cả cốt thép hướng dầm và hướng vòm.
Hiện nay, phân tích kháng chấn đối với đập vòm cao gặp nhiều thách thức cần giải quyết, bao gồm vấn đề phi tuyến tính khe ngang dưới tác động địa chấn mạnh, ảnh hưởng của tác dụng ngẫu hợp giữa đập và kho nước đối với phản ứng động lực, và mô phỏng số sóng động trong nền vô hạn Ngoài ra, cần nghiên cứu cơ chế nhập sóng địa chấn, biện pháp giảm chấn, và ảnh hưởng của tính năng động lực vật liệu bê tông đến đặc tính kháng chấn của đập Các vấn đề khác như cơ chế phá hoại đập vòm dưới tác động địa chấn mạnh, ảnh hưởng của độ dày tầng phù sa đối với áp lực thủy động mặt đập, và phân tích kháng chấn trong trường địa chấn động ngẫu nhiên cũng cần được xem xét.
K ẾT LUẬN CHƯƠNG
Đập vòm được coi là giải pháp tối ưu cho khả năng ổn định và hiệu quả kinh tế, giúp tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn, đồng thời có khả năng chịu được động đất Với việc được áp dụng rộng rãi trên thế giới từ lâu, hình thức đập này cần được chú trọng trong thiết kế, đặc biệt là ở những khu vực miền núi với nhiều thung lũng hẹp.
Khi thiết kế và thi công đập vòm, cần chú ý đến công nghệ thi công mới, cùng với những ưu nhược điểm riêng của từng phương pháp Việc lựa chọn và bố trí công nghệ phù hợp sẽ phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của khu vực xây dựng.
Khi đánh giá an toàn của đập vòm, cần chú trọng vào việc tối ưu hóa hình thể của đập, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, và kiểm soát các chỉ tiêu ứng suất của đập vòm.
Kết cấu vòm có khả năng chịu lực tốt, giúp đập vòm chống động đất hiệu quả hơn so với các loại đập khác Tuy nhiên, cần tiến hành xem xét từng bước các vấn đề còn tồn tại để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thiết kế và xây dựng.
