Những vấn đề kỹ thuật thiết yếu trong công nghệ thi công đập đá đổ bê tông bản mặt

Những vấn đề kỹ thuật thiết yếu trong công nghệ thi công đập đá đổ bê tông bản mặt TS Lê Xuân Roanh Đại học Thuỷ lợi 1. Mở đầu Việc sử dụng vật liệu địa phương cho kết cấu trong thân đập đang là xu thế chung hiện nay trên thế giới vì những ưu điểm nổi bật riêng của nó. Vật liệu sử dụng cho đập vật liệu địa phương có thể là đất, đá hoặc hỗn hợp đất đá. Đập bê tông bản mặt được phát triển từ thập kỷ 30 của thế kỷ XX, xu hướng xây dựng kiểu loại đập này ngày càng được áp dụng rộng rãi, chiều cao đập nâng lên với công nghệ xây dựng mới. Công nghệ thi công ban đầu là thả đá, để chúng rơi tự do ổn định theo trạng thái nằm tự nhiên, không có tác động của lực đầm. Sau đó người ta sử dụng tác động của áp lực dòng nứớc để điều chỉnh đá rơi trước khi nó vào thế nằm ổn định. Công nghệ này có thể tăng tốc độ thi công song độ lún của đập vẫn còn lớn. Hiện nay công nghệ thi công khác nhiều so thời kỳ nó mới được phát minh [6,7]. Người ta tạo cấp phối đá theo cấp hạt quy định, dùng thiết bị đầm nén cho chặt lại; công nghệ thi công giống như thi công đầm nén đất. 2. Kết cấu đập đá đổ bản mặt bê tông cốt thép và kỹ thuật thi công các kết cấu thân đập Đập đá đổ bê tông bản mặt có cấu tạo gồm một số bộ phận chính được thể hiện qua hình sau : Hình 1. Dạng mặt cắt ngang điển hình loại đập đá đổ bê tông bản mặt (đập thuỷ điện hồ Tuyên Quang) Trong đó: 3A:Vùng thân đập chính 2C: Vùng chuyển tiếp 2D: Vùng đệm 2E: Vùng đệm phụ 2F: Vùng hỗ trợ 2G: Vùng gia trọng 3B: Vùng hạ lưu 2.1 Các yêu cầu chung vật liệu cho các lớp đá đổ của đập bản mặt bê tông, chú ý trong giám sát Vật liệu sử dụng vào thân đầm cần thoả mãn các điều kiện sau: 2  Cường độ chịu nén cực hạn yêu cầu từ (4000 – 6000) N/cm2;  Chống được tác dụng phong hoá và chịu tải tốt trong quá trình thi công cũng như vận hành;  Đá phải chống được phong hoá vật lý như nhiệt độ và khí hậu thay đổi. Đá phải chống xâm thực hoá học của nước, không bị hoà tan;  Hệ số mềm hoá của đá trong nước tính bằng tỷ lệ cường độ của mẫu lúc bão hoà nước và cường độ của đá lúc khô là 0,9. Theo quy phạm thiết đập đá đổ bản mặt bê tông SL/228-98 của Trung Quốc, kích thước và cấp phối vật liệu đắp đập sau khi đầm nén của các vùng trong thân đập phải đạt độ rỗng quy định ghi trong bảng sau. Bảng 1: Độ rỗng của các vùng trong thân đập TT Vùng vật liệu Độ rỗng (%) 1 Tầng đệm 15-20 2 Đá nhỏ tầng quá độ 18-22 3 Vùng thân đập chính 20-25 4 Vùng hạ lưu 23-28 Tiêu chuẩn này khá gần với tiêu chuẩn xây dựng của Mỹ và một số nước khác đã có nhiều kinh nghiệm trong xây dựng loại đập kết cấu kiểu này[7]. Để đạt được được yêu cầu kỹ thuật trên, cần khống chế chất lượng vật liệu của các khối trong thân đập. (a) Lớp đá tầng đệm 2D Lớp 2D đóng vai trò như một lớp đệm tạo sự tiếp xúc tốt cho tấm bản với thân đập. Để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định chiều dày lớp phải đủ để chống đỡ tấm bản trên nó. Mặt khác lớp vật liệu này phải có khả năng chống thấm phòng khi tấm bản bị nứt, dòng thấm phát sinh tại khe sẽ được khống chế, không cho nó cuốn trôi hạt cốt liệu trong các lớp phía sau dòng thấm. Để đảm bảo được yêu cầu này thì cần có cấp phối hạt tiêu chuẩn. Bảng sau là cấp phối hạt của một đập đang được thiết kế và thi công ở nước ta. Bảng 2: Đường bao cấp phối lớp 2D Hàm lượng tích luỹ lọt sàng Thành phần cỡ hạt ( mm) % <0.075 <5 < 10 < 20 < 40 < 60 < 80 Giới hạn trên % 8 55 66 80 97 100 Giới hạn dưới % 35 45 57 75 88 100 (b) Yêu cầu lớp chuyển tiếp 2C Đó là lớp nằm giữa lớp tầng đệm và lớp thuộc vùng đá đổ thượng lưu. Nó chịu áp lực nước thượng lưu, tấm bê tông và lớp tầng đệm do vậy nó cũng phải có khả năng chịu lực nén cao. Vì vậy khối này đòi hỏi phải có cấp phối hợp lý đảm bảo được độ đầm chặt để có khả năng chịu lực và phòng ngừa thấm nếu có hiện tượng thấm từ khối 2D. ( c) Vật liệu khối 3A Khối 3A là vùng chịu áp lực chủ yếu dưới tác dụng của các lực tác dụng từ mái thượng lưu truyền tới. Để giảm khả năng lún và biến dạng, vật liệu khối này phải đựợc chọn lọc tiêu chuẩn: cường độ cao, không cho phép lẫn đất và các tàn tích thực vật. Kích thước lớn nhất theo thiết bị đầm nén hiện nay có thể chọn tới D = 800mm, nhỏ nhất có thể đạt đến d = 5mm. Ngoài ra lớp 3A cần phải có cấp phối hạt phù hợp làm chuyển tiếp giữa lớp 2C và 3A và giữa lớp 3A và lớp 3B để tránh hiện tượng xói trôi từ lớp 2C trong trường hợp có sự thấm mất nước qua tấm bê tông. Đường bao cấp phối tham khảo bảng sau. 3 Bảng 3 :Đường bao cấp phối lớp 3A Hàm lượng tích luỹ lọt sàng Kích thước mắt sàng (mm) 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 5 Giới hạn trên % 100 100 70 45 37 30 18 8 7 5 Giới hạn dưới % 100 80 60 35 15 10 5 3 (d) Vùng đá đổ hạ lưu 3B Vật liệu thân đập có thể chọn toàn bộ là khối 3A như trên. Thực tế cho thấy “đường bão hoà thấm” của loại đập này khá thấp, mặt khác phân tích chiụ lực theo phương đứng thì phần dưới mái hạ lưu là nhỏ. Vì vậy để kinh tế trong xây dựng, người ta cho phép vật liệu nằm dưới mái hạ lưu có thể giảm đôi chút về tiêu chuẩn. Từ lý lẽ này mà người ta đã phân thành lớp 3B. Như vậy trong xây dựng người ta có thể sử dụng đá nổ phá từ đào móng công trình vào kết cấu này. Bộ phận dưới mực nước hạ lưu ở vùng đá đổ hạ lưu phải dùng loại đá có khả năng thoát nước cao, không phong hoá. Bộ phận trên mực nước hạ lưu có thể dùng loại vật liệu như ở vùng thân đập chính, nhưng tiêu chuẩn nén ép thấp hơn hoặc đá có chất lượng tương đối yếu như các loại đá mềm, đá phong hoá. Đường bao vật liệu khối 3B có thể tham khảo bảng sau. Bảng 4: Đường bao cấp phối lớp 3B Hàm lượng tích luỹ lọt sàng Kích thước mắt sàng (mm) 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 5 Giới hạn trên % 100 100 70 45 37 30 18 8 7 5 Giới hạn dưới % 100 80 60 35 15 10 5 3 2.2 Kỹ thuật thi công các khối đắp (a) Kỹ thuật xác định độ chặt khối đắp Một trong những yêu cầu quan trọng khống chế chất lượng khối đắp là khống chế độ rỗng của khối sau khi đầm nén. Để kiểm tra độ chặt khối đắp, người ta sử dụng phương đào hố - Phương pháp quả cầu cao su. Việc xác định dung trọng được thể hiện ở tài liệu tham khảo [1, 2] - tức là người ta xác định trọng lượng vật liệu đào từ hố kiểm tra qua thiết bị cân đong bình thường (trọng lượng G). Việc xác định thể tích hố đào thông qua việc trải tấm ni lông trong thành hố, đổ nước vào bao ni- lông trong thành hố (thể tích V). Do độ ẩm của đá nhỏ, khi có G và V, ta xác đinh được dung trọng của khối đắp. ở đây xin lưu ý: vật liệu bao chứa nước cần có độ bền nhất định, tính dãn nở nhỏ, độ cong mềm khi chịu tác động của áp lực nước. Theo kinh nghiệm của Trung Quốc, bao ni- lông nên chỉ dùng một lần đo. Nếu sử dụng lại có thể bị sai số vì ni lông đã biến dạng. Khi thi công đập Na Hang, chuyên gia Việt Nam đã cải tiến vật liệu bao ni- lông nhập từ Trung Quốc, số lần sử dụng có thể tăng lên song vẫn đảm bảo độ tin cậy về mức độ chính xác kết quả thí nghiệm. ( b) Thông số kỹ thuật đầm nén các khối tại hiện trường Theo kinh nghiệm đầm nén tại đập đá đổ bê tông bản mặt Tuyên Quang, sử dụng loại đầm có tải trọng tĩnh trên 17 tấn, tải trọng động trên 35 tấn, tần số rung 4500 vòng/ phút, vận tốc đầm từ 1,5 - 2,0 km/h, có tưới nước khi đầm; thông số kỹ thuật đầm được nêu trong bảng (5). Từ bảng trên ta thấy : - Khối 3A : Nếu chiều dày lớp đầm 120 cm thì sẽ không đạt độ rỗng quy định cho dù cố gắng khi đầm. Với chiều dày rải 100cm và 80 cm thì độ rỗng luôn luôn đạt quy định, trừ khi đầm chiều dày 100 cm với số lần đầm là 6. - Khối 2D: Cả 3 loại chiêù dày lớp rải đều đạt được chỉ tiêu khống chế độ rỗng tiêu chuẩn; - Khối 2C: Chỉ có thể rải với lớp đầm có chiều dày là 41cm hoặc nhỏ hơn, với 6 lần đầm mới đạt yêu cầu. 4 Bảng 5: Thông số kỹ thuật đầm nén thí nghiệm hiện trường [5] Khối đắp Chiều dày lớp đầm nén Số lần Độ rỗng khi kiểm tra (%) So sánh tiêu chuẩn Khối đắp Chiều dày lớp đầm nén Số lần Độ rỗng khi kiểm tra (%) So sánh tiêu chuẩn 3A 120 cm 6 27 Không đạt 2D 50 cm 6 17,2 đạt 8 26 Không đạt 8 18,1 đạt 10 25,6 Không đạt 10 17,7 đạt 12 25,5 Không đạt 12 16,5 đạt 100 cm 6 25,4 Không đạt 40 cm 6 17 đạt 8 22,6 đạt 8 17,8 đạt 10 21,4 đạt 10 17,5 đạt 12 21,2 đạt 12 17,3 đạt 80 cm 6 22,5 đạt 42 cm 6 17,2 đạt 8 19,3 đạt 8 16,2 đạt 10 19,3 đạt 10 16,2 đạt 12 19,2 đạt 12 16 đạt 2C 41 cm 6 20,7 đạt 2C 60 cm 6 23,6 Không đạt 8 20,2 đạt 8 24,2 Không đạt 10 18,4 đạt 10 23,3 Không đạt 12 17,2 đạt 12 23,0 Không đạt 48 cm 6 24,5 Không đạt 8 25,4 Không đạt 10 23,8 Không đạt 12 23,7 Không đạt Kết quả này cũng khá phù hợp khi thí nghiệm đầm nén hiện trường tại công trình đập đá đổ bê tông bản mặt hồ chứa nước Cửa Đạt, Thanh Hoá. 2.3 Kỹ thuật thi công tấm bản mặt và tấm bản chân (a) Kỹ thuật thi công tấm bản chân Tấm bản chân có nhiệm vụ chống trượt của tấm bản mặt truyền xuống và đồng thời ngăn cản dòng thấm dưới nền thông qua việc kéo dài đường viền thấm. Chiều dày tấm bản chân phụ thuộc vào chiều cao của đập và đặc tính của nền. Cốt thép của tấm bản chân thông thường là 2 lớp, có cốt thép neo vào nền để tăng độ bám của tấm với nền. Khi thi công cần chú ý bảo dưỡng tốt tránh bê tông bị nứt nhiệt. (b) Kỹ thuật thi công tấm bản mặt Tấm bản mặt có nhiệm chống thấm vì vật liệu thân đập không có khả năng chống thấm. Chiều dày tấm bản mặt được xác định qua công thức kinh nghiệm sau [3] : d = 0,3 + m.H Trong đó: d - Chiều dày tấm (m) m - Hệ số kinh nghiêm m = 0.003- 0.004 H - Chiều cao đập (m) 5 Theo kinh nghiệm của công nghệ xây dựng ở Trung Quốc, cốt thép tấm bản chỉ dùng một lớp, đặt vào giữa của chiều dày bản. ở hai bên mép của bản, người ta bố trí thép hai lớp, chống cắt khi dãn nở ngang. Như vậy khả năng chống uốn của tấm thông qua khả năng chịu kéo cuả thép là không có. Vì vây việc khống chế lún của khối sau tấm bản là bắt buộc trong công nghệ thi công. Đây là điểm mấu chốt của việc khống chế chất lượng khối đắp, đảm bảo an toàn cho đập. Để chủ động khống chế đặc tính lún của thân đập, ở công trình thuỷ điện Tuyên Quang, việc thi công các khối 2C, 2D, 3A và 3B được tiến hành tới cao trình đỉnh, sau đó mới đổ tấm bản. Làm như vậy đã có tác dụng làm cho vật liệu thân đập tự lún ngay chính trong quá trình thi công dưới tác động của chấn động đầm và lún tự trọng do tác động của nước mưa và nứơc tưới trong quá trình đầm các lớp phía trên. (a) (b) Hình 2: Thi công tấm bản mặt đập Tuyên Quang; ( a): đổ bê tông bản mặt và dưỡng hộ bê tông, (b): thi công cốt thép và khớp nối đồng tại khe. 3. Kết luận Công nghệ xây dựng và thi công đập vật liệu địa phương theo kiểu đá đổ chống thấm bằng tấm bê tông đặt trên mái thượng lưu là một trong những công nghệ mới, có nhiều ưu điểm về kinh tế xây dựng và quản lý vận hành. Đặc tính kỹ thuật của mỗi bộ phận kết cấu đều có nhiệm vụ riêng. Bất luận trong hoàn cảnh nào thì thấm qua tấm bê tông phải đựợc khống chế. Để phòng ngừa thấm, việc khống chế lún của thân đập là yếu tố quyết định đến an toàn của nó khi đập phải chịu áp lực nước từ thượng lưu. Yếu tố kỹ thuật quan trọng là khống chế độ rỗng của các khối đắp thông qua kỹ thuật đầm nén và chọn tổ hợp cấp phối hạt hợp lý. 4. Tài liệu tham khảo [1] Lê Xuân Roanh (2004), “Giám sát kỹ thuật xây dựng đập đất và đập đá đổ bê tông bản mặt”, Bài giảng chuyên đề lớp bồi dưỡng nghiệp vụ – Tư vấn giám sát xây dựng, Đại học Thuỷ lợi, Hà Nội. [2] Lê Xuân Roanh (2004), “Lựa chọn và khống chế độ ẩm, dung trọng của khối đắp” (2004), Tạp chí khoa học kỹ thuật- Thuỷ lợi & Môi trường, Đại học Thuỷ lợi, Hà Nội, Pp 110-115. [3] Bộ NN&PTNT (1988), “Quy phạm thiết kế đập đất đá kiểu đầm nén SDJ 218-84”- Tài liệu dịch từ tiếng Trung Quốc- Vụ KHCN&CLSP phát hành, Hà Nội. [4] Tiêu chuẩn ngành điện lực nước CHND Trung Hoa, DL/T5128-2001, (2001); “Quy phạm thi công đập đá đổ bản mặt bê tông”- Tài liệu dịch từ tiếng Trung Quốc- Bộ NN&PTNT phát hành . 6 [5] Công ty tư vấn xây dựng điện I, Bộ Công nghiệp (2004); “Báo cáo kết quả thí nghiệm đầm nén đá hiện trường”, Công trình thuỷ điện Tuyên Quang. [6] CONSTRUCTION CONTROL FOR EARTH AND ROCK-FILL DAMS, (1995), EM 1110- 2-1911, Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC 20314-1000. [7] CONSTRUCTION WITH LARGE STONE (1990), EM 1110-2-2302 , Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC 20314-1000CECW-EG. Abstract The construction of rock-fill dam with surface concrete slabs has been used very popular in the world because it has some advantages in economic and management sides. However the quality of dam construction is depended so much on the quality control of each part of dam structures namely surface concrete slab, foot concrete slab, main parts of body and adjacent zones. The most important key of dam quality control is to control the void ratio of compacted layers. In order to get this target we must control the size of aggregates, thickness of lift, number of passing, speed of roller and water content. Title : Significantly technical issues in construction technologies of Rock-fill dams with surface concrete slabs