PHÁ HOẠI NỨT ĐẬP VÒM BÊ TÔNG KOLNBREIN - ÁO
QUÁ TRÌNH, NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ
1. GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH
Đập vòm Kolnbrein nằm trên sông Malta là đập vòm mỏng cong hai chiều được xây dựng trong khoảng thời gian từ năm 1973 đến 1979 ở nước Áo. Công trình có nhiệm vụ phát điện, kiểm soát lũ và cung cấp nước[1] (hình 1).
 |
|
Hình 1. Hình ảnh công trình nhìn từ thượng lưu (ảnh lấy từ Internet) |
Các thông số cơ bản của công trình như sau:
Chiều cao đập: 200m (đứng thứ 17 trên thế giới tại thời điểm hiện nay)
Chiều dài đập tại đỉnh: 626m
Bề rộng đỉnh đập: 8m
Bề rộng đáy đập: 37m
Cao trình đỉnh đập: 1902m
Dung tích hiệu dụng của hồ chứa: 200´106 m3
Thể tích bê tông đập vòm: 1.6´106 m3
Mô đun biến dạng của bê tông đập vòm thay đổi theo chiều cao đập: tại đáy đập là 18GPa, tại đỉnh đập là 22GPa.
Mặt bằng và mặt cắt ngang đập cho ở hình vẽ 2. Cấu tạo địa chất nền đập cho ở hình vẽ 3.
|
|
|
Hình 2. Mặt bằng và mặt cắt ngang đập |
|
|
|
Hình 3. Mặt cắt dọc và ngang đập vòm
Lớp 1: E = 30GPa; Lớp 2: Ep = 15GPa, En = 7Gpa ; Lớp 3: Ep = 25GPa, En = 18GPa |
2. QUÁ TRÌNH PHÁ HOẠI NỨT
Khi thi công đập, đối với nền đã tiến hành xử lý đồng thời bố trí hệ thống quan trắc dày đặc. Trước khi hoàn thành thi công đập, số liệu quan trắc cho thấy tình trạng làm việc của đập vẫn ở trạng thái bình thường.
 |
|
Hình 4. Tình trạng phá hoại nứt đập vòm Kolnbrein
a/ Nứt thượng lưu; b/ Vị trí nứt chân đập; c/ Phương án gia cố |
Năm 1978 khi lần đầu tiên mực nước trong hồ vượt quá cao trình 1860m, quan trắc trong hành lang nền thấy lượng nước thoát lớn, lượng nước thoát từ 35L/s đột nhiên tăng lên 200L/s, vùng chân đập đã phát sinh vết nứt xuyên suốt. Khi tháo nước trong hồ tiến hành sửa chữa, đã áp dụng một loạt biện pháp gia tăng cường độ. Đặc biệt chú ý là lúc này đối với vùng nứt chân đập đã tiến hành phun vữa để liền vết nứt chống thấm và gia tăng cường độ. Năm 1983, lại tích nước đến cao trình 1890 (cách mực nước cao nhất khoảng 10m), lại xuất hiện một vết nứt cạnh vết nứt ban đầu, phía hạ lưu xuất hiện vết nứt mới, đồng thời lượng nước thấm đạt 400L/s, ảnh hưởng nghiêm trọng đến vận hành an toàn đập (hình 4).
 |
|
Hình 5. Phá hoại nứt ở thượng lưu đập [2] |
Thời kỳ thi công năm thứ 3 (1976) lần đầu tiên tích nước, mực nước trong hồ ở cao trình 1816m, lúc này công tác phun vữa khe co giãn ngang với xử lý nền đã hoàn toàn xong, công tác xử lý nền lần đầu tiên được kiểm nghiệm. Kết quả quan trắc cho thấy phía hạ lưu màn chống thấm chưa xuất hiện hiện tượng thấm, cũng chưa quan chắc thấy áp lực thấm. Đến năm thi công thứ 4 (1977), cùng với việc đổ bê tông đập và xử lý nền, công tác phun vữa khe co giãn ngang cũng hoàn thành, hồ chứa có thể tích nước đến cao trình 1852m, lượng nước trong hồ đạt đến 50% dung tích hiệu dụng. Tài liệu quan trắc lại chứng minh lượng nước thấm rất nhỏ, sau màn chống thấm xuất hiện một vài chỗ có áp lực thấm nhưng không lớn. Phân bố áp lực thấm này từ quan điểm ổn định là có thể chấp nhận. Vấn đề này hoàn toàn tương đồng với tính toán của người thiết kế. Vì vậy quyết định từ năm tiếp theo bắt đầu tích nước đạt đến mực nước cao nhất (1902m).
Năm 1978 bắt đầu một quá trình tích nước mới, nhưng sau khi mực nước trong hồ chứa vượt quá cao trình 1860m, kết quả quan trắc và kết quả tính toán trong giai đoạn thiết kế có sự sai khác lớn. Từ trong lỗ thoát nước xuất hiện lượng nước thấm tăng lớn, lượng nước thấm vượt quá 200L/s; phía sau màn chống thấm ở nơi đoạn đập cao nhất, áp lực thấm tăng đến toàn cột nước (100% áp lực hồ chứa).
Do khi mực nước trong hồ vượt quá cao trình 1860m đã phát sinh hiện tượng chưa lường hết được ở trên, vì vậy quá trình tích nước không thể tiếp tục. Khi phân tích tài liệu quan trắc có thể kết luận như sau: ở vùng gót đập thượng lưu gần nền rất có khả năng phát sinh vùng chịu kéo, vì vậy đã phá hoại màn chống thấm. Kết quả khoan thăm dò đều chứng minh kết luận ở trên. Ở vùng gót đập đã phát sinh vết nứt phát triển hướng nghiêng từ bề mặt đập xuống phía dưới đến tận màn chống thấm (xem hình 4).
Trong khi điều tra vết nứt đập vòm Kolnbrein đã phát hiện ở mái hạ lưu đập vòm gần đáy đập xuất hiện vết nứt ngang, phát sinh khi hồ không có nước. Một vài chuyên gia cho rằng vết nứt này có thể giảm yếu khả năng kháng cắt ở đáy đập. Nhưng [2] cho rằng do tích nước trong hồ, vết nứt ngang phía hạ lưu có thể được đóng lại, khi mực nước hồ tăng lên, mặt khe ở trạng thái chịu nén, chỉ cần ứng suất nén đủ lớn sẽ không có khả năng ảnh hưởng đến ứng suất cắt. Vì vậy không quá cần thiết quan tâm ảnh hưởng của vết nứt này.
 |
|
Hình 6. Thi công gia cố vết nứt [2] |
Sau khi đập vòm Kolnbrein trải qua quá trình gia cường, mực nước tiếp tục tăng lên, năm
 |
| Hình 7. Hạ lưu đập vòm sau khi gia cố | 1983 khi mực nước trong hồ đạt đến mực nước lớn nhất 1902m, trạng thái làm việc của đập vòm chuyển biến xấu, lưu lượng thấm nền đập đạt 1000L/s, lúc này không thể không giảm thấp mực nước vận hành. Năm 1982 khi mực nước trong hồ đạt đến 1896m, lưu lượng thấm đạt 400L/s. Căn cứ vào tài liệu quan trắc, vết nứt thứ hai phát sinh khi mực nước hồ ở cao trình 1890m.
3. NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC
Đối với xử lý sự cố phá hoại đập vòm mỏng cong hai chiều Kolnbrein được bắt đầu từ năm 1978 và kết thúc năm 1994, kéo dài tổng cộng 15 năm. Không ít các chuyên gia nghiên cứu và thảo luận, kết luận nguyên nhân nứt còn nhiều điểm không thống nhất nhưng đều cho rằng lòng sông ở vị trí xây dựng đập rộng (tỉ lệ dài/cao là 3.13) và đập quá mỏng (tỉ lệ dày/cao là 0.185).
Chuyên gia về đập của Thụy sĩ Lombardi trên cơ sở nghiên cứu vấn đề này, năm 1986 đã đề xuất hệ số độ mềm. Thông qua số liệu thống kê đập vòm đã xây dựng, cho rằng hệ số độ mềm khoảng bằng 15 có thể bảo đảm đập vòm không bị nứt, giá trị giới hạn là 20.
Định nghĩa hệ số độ mềm Lombardi: C = F2/VH (1)
Trong đó: F - diện tích sau khi khai triển mặt cắt trong đập vòm; V - thể tích đập vòm
H - độ cao lớn nhất của đập vòm
Hệ số độ mềm đập vòm Kolnbrein tính toán theo công thức (1) là bằng 17.7.
Biện pháp gia cố giảm hệ số độ mềm là đặt thêm một khối chống đỡ ở phía hạ lưu đập để đảm bảo an toàn đập (hình 7).
(ThS. Vũ Hoàng Hưng, www.vncold.vn )
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://www.simscience.org/cracks/advanced/kolnbrein
[2] LIU De-fu, HUANG Da-hai. Trường nhiệt độ kín vòm và khống chế nhiệt tối ưu đập vòm. Nhà xuất bản thủy lợi thủy điện Trung quốc, 2008.
|