Nghiên cứu biện pháp kỹ thuật tăng cường chống thấm trong đập bê tông đầm lăn.[20/02/13]

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP KỸ THUẬT TĂNG CƯỜNG CHỐNG THẤM TRONG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

 

TS. Dương Đức Tiến, Bộ môn Công nghệ và

Quản lý Xây dựng, Đại học Thủy lợi
NCS. Nguyễn Thành Lệ, Bộ Nông nghiệp & PTNT

 

 

Thi công đập Định Bình, đập bê tông đầm lăn đầu tiên ở nước ta

Đặt vấn đề

Dựa trên cơ sở phân tích hàng loạt các biện pháp chống thấm khi thiết kế và thi công đập bê tông đầm lăn (BTĐL), nhằm mục đích sử dụng bê tông đầm lăn với hiệu quả tối đa và nâng cao khả năng chống thấm cho thân đập, các nhà nghiên cứu đã sáng chế ra công nghệ mới là phương pháp đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng làm tăng cường độ liên kết giữa các lớp bê tông cũng như khả năng chống thấm của thân đập, và lợi dụng kết cấu thân đập đơn giản phát huy hết lợi thế của phương pháp xây dựng đập bê tông đầm lăn.

Do đặc điểm của đập bê tông đầm lăn thường có mặt cắt ngang thân đập nhỏ, độ an toàn cao lại có thêm lợi thế thi công theo phương pháp thi công đất đá đơn giản, có thể tiến hành cơ giới hóa với quy mô lớn, và giá thành đập bê tông đầm lăn thấp hơn hẳn so với các loại đập bê tông thường, độ an toàn cao hơn so với đập đất đá, do đó phương pháp xây dựng đập bê tông đầm lăn được áp dụng rỗng rãi ở nhiều nơi. Trên thế giới hiện nay có khoảng 430 đập bằng BTĐL, trong đó Trung Quốc hiện nay đã và đang xây dựng khoảng 130 đập bê tông đầm lăn, trong đó các đập cao trên 100m gồm có đập Longtan (216,5m), đập Jiangya (131m), đập Bose (126m), đập Dachaoshan (120,5m), đập Mianhuatan (111m); Việt Nam hiện nay đã và đang xây dựng có khoảng 15 đập bằng BTĐL, trong  đó có hơn 100m có 6 đập, Sơn La (139m), Bản Vẽ (135m), Bản Chát (130m), Đồng Nai 4 (128m), Đồng Nai 3(108m), Đắk R’tih (100m); trong số đó đập trọng lực Longtan là đập bê tông đầm lăn cao nhất thế giới hiện nay.

Theo số liệu quan sát các đập BTĐL đã được xây dựng, nhìn chung kỹ thuật xây dựng đập bê tông đầm lăn hiện nay đang được áp dụng tương đối thành công, nhưng lại hay gặp phải tình trạng rò rỉ nước [1]. Hàng loạt các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy rằng nếu cấp phối cốt liệu BTĐL đủ tốt, và được trộn đều, đổ rải và san đầm chặt thì khả năng chống thấm của đập bê tông đầm lăn cũng tương đương với đập bê tông thông thường. Vì vậy, đập BTĐL rò rỉ chủ yếu tại các khe thấm tập trung, chứ không phải thấm trên toàn bộ thân đập. Lý do chính của sự hình thành các mặt rò rỉ trên thân đập là: đập bê tông đầm lăn thực chất là kết cấu lớp mỏng, nhỏ ghép thành bề mặt diện tích ngang lớn, có cường độ chống cắt và chống thấm đều thấp hơn so với bê tông thường.

Sự cố rò rỉ trong đập bê tông đầm lăn sẽ làm ảnh hưởng tới tuổi thọ, mĩ quan của đập và làm mất nước trong hồ. Qua một khoảng thời gian tích nước lâu dài trong khe thấm và chứa đựng dòng chảy thấm, mặt đập sẽ bị thay đổi khả năng chịu lực cũng như khả năng chống thấm, làm giảm độ ổn định và độ an toàn của đập; ở các vùng lạnh việc tích nước trong mặt đập còn có thể làm hỏng lớp ngoài của mặt đập và làm tăng nhanh quá trình lão hóa của thân đập. Với trình độ kỹ thuật công nghệ hiện nay khi thi công đập bê tông đầm lăn phương pháp truyền thống, mặc dù có thể thông qua xử lý bề mặt đập để làm giảm lượng nước thấm bề mặt, nhưng do giá thành cao, mà lại không phát huy được lợi thế thi công nhanh của thi công bê tông đầm lăn. Do đó, việc tìm ra biện pháp chống thấm hợp lý để nâng cao khả năng chống thấm của đập bê tông đầm lăn là điều thiết yếu trong kỹ thuật xây dựng đập bê tông đầm lăn.

1.       Phân tích kết cấu chống thấm trong đập bê tông đầm lăn điển hình

Hiện nay, kết cấu chống thấm trong đập bê tông đầm lăn đã được áp dụng trong xây dựng và thiết kế trên thế giới chủ yếu phân thành 3 loại kết cấu chống thấm chính là kết cấu cứng, kết cấu mềm và kết cấu kết hợp (sử dụng kết hợp cả hai loại kết cấu cứng và kết cấu mềm).

a.        Kết cấu chống thấm cứng

Kết cấu chống thấm cứng là phương pháp sử dụng hàm lượng bê tông trong thân đập cao, bao gồm các phương pháp chống thấm bằng bê tông thường lớp dày, bê tông thường lớp mỏng ghép lại, bê tông thép lưới phun vữa xi cát và chống thấm bằng bê tông cốt thép bản mặt.

(1) Kết cấu chống thấm bằng bê tông thường lớp dầy được Nhật Bản sử dụng đầu tiên và thường được gọi tên là kết cấu “vàng bọc bạc”. Lớp bê tông thường lớp dày được sử dụng trong bề mặt đập phía thượng lưu, bộ phận nền móng và mặt đập phía hạ lưu được đổ bê tông lớp dày từ 2.5 đến 3.5m làm lớp bảo vệ chống thấm cho thân đập, vùng liên kết giữa các lớp bê tông đầm lăn trong thân đập có thể thi công theo cách đánh sạch bề mặt tiếp xúc, rửa và đổ lớp vữa xi măng cát lên để liên kết trên hoặc dùng lớp đệm bằng xi măng thuần với chiều dầy lớn hơn để nối kết. Kết cấu chống thấm này có tính an toàn cao, hiệu quả chống thấm tương đương với đập bê tông thường. Nhưng kết cấu đập phức tạp, phải bố trí các khe kết cấu và hệ thống ngăn thấm. Ngoài ra, do lượng bê tông thường được sử dụng tương đối lớn dẫn đến tỏa nhiệt cao, kỹ thuật khống chế nhiệt sẽ phức tạp và phòng chống nứt gặp nhiều khó khăn hơn. Đồng thời, thi công bê tông thường sẽ làm ảnh hưởng đến thi công bê tông đầm lăn, xử lý bề mặt tiếp giáp tương đối mất thời gian, làm giảm ưu thế về tốc độ thi công của bê tông đầm lăn.

(2) Kết cấu chống thấm bằng bê tông thường lớp mỏng được sử dụng phổ biến rộng rãi ở châu Âu và Hoa Kỳ, kết cấu này không gây ảnh hưởng nhiều đến thi công, và khống chế nhiệt lại tương đối đơn giản. Tuy nhiên, loại này có khả năng kháng nứt kém, nếu bố trí khe nứt ngang (hoặc thiết bị tạo nứt) để khống chế rò rỉ nước thì độ dầy lại không đủ. Nhìn chung, kết cấu này có khả năng chống thấm tương đối thấp.

(3) Kết cấu chống thấm bằng bê tông lưới thép phun vữa xi măng cát ít giãn nở, còn được gọi là "bê tông chống thấm bằng vữa phun", loại kết cấu này sử dụng vật liệu bê tông có tính giãn nở kém, sức chống thấm của nó tốt hơn so với bê tông bình thường. Kết cấu này làm giảm được độ dày của kết cấu chống thấm, làm giảm được lượng sử dụng bê tông thường, giảm được sự cố nứt nẻ và phòng chống rỉ nước, ngoài ra loại bê tông này liên kết với bê tông đầm lăn tương đối tốt. Tuy nhiên, tính năng của vật liệu sử dụng trong kết cấu chống thấm này cũng như bố trí số lượng các khe co giãn và thời gian sử dụng chúng cũng như các phương diện khác cũng cần phải nghiên cứu thêm, nếu xử lý không tốt vẫn có thể xuất hiện các vết nứt.

(4) Kết cấu bản mặt bê tông cốt thép ngoài những ưu điểm của kết cấu chống thấm bằng bê tông thường lớp mỏng, còn có thể cải thiện khả năng chịu lực của thân đập, tạo ra độ an toàn nhất định trong công tác chống thấm cụ thể là bằng cách bố trí cốt thép và các khe co giãn trong bê tông bản mặt để ngăn nước. Kết cấu này thi công tương đối thuận tiện nhưng vẫn còn có nguy cơ gây nứt của bê tông thường.

(5) Kết cấu chống thấm bê tông đầm lăn giàu xi vùng thượng lưu là kết cấu bê tông đầm lăn mà trong một phạm vi nhất định của bề mặt thân đập ở vùng thượng lưu sử dụng tầng bê tông đầm lăn cấp 2 có hàm lượng xi măng cao để chống thấm, tầng chống thấm và các tầng khác trong kết cấu mặt đập được đổ, đầm và san bằng hoàn thiện bề mặt cùng một đợt đổ. Do bê tông bề mặt có nhiều xi măng, làm tăng độ liên kết giữa các hạt cốt liệu, bê tông sẽ trở nên dễ đầm chặt hơn từ đó làm tăng độ liên kết giữa mặt ngoài với các tầng bê tông trong kết cấu bề mặt, ngoài ra do chỉ dùng bê tông đầm lăn cấp hai ở mặt ngoài, nên có thể tránh được hiện tượng tỏa nhiệt cao ở các lớp bê tông bên trong và làm đơn giản hóa quá trình khống chế nhiệt. Tuy nhiên, do hàm lượng xi tăng cao kéo theo hiện tượng nhiệt thủy hóa tăng cao và có thể gây ra nứt nẻ thân đập ở phần bê tông lớp ngoài, khiến cho mặt ngoài của thân đập vẫn có khả năng bị thấm nước.

b.         Kết cấu chống thấm mềm

Kết cấu chống thấm mềm chủ yếu dựa trên việc sử dụng các loại vật liệu có tính năng chống thấm, biến dạng cao để làm tăng khả năng chống thấm cho thân đập, gồm có chống thấm bằng bê tông asphalt và chống thầm bằng màng nhựa PVC. Những năm gần đây, sau khi tiến hành hàng loạt các nghiên cứu phát triển vật liệu chống thấm đã cho ra đời kết cấu chống thấm bằng vật liệu bề mặt kết dính cao.

(1) Kết cấu chống thấm bằng bê tông asphalt là loại kết cấu chống thấm có bố trí một lớp bê tông asphalt giữa bề mặt đập phần thượng lưu và tầng bảo vệ bê tông bản mặt [2]. Loại kết cấu này do Trung Quốc sáng chế, và từ năm 1986 sau khi được thử nghiệm ở đập Khanh Khẩu, đã được sử dụng phổ biến rộng rãi. Loại kết cấu này do có tính năng đặc biệt của nhựa đường là có hệ số thấm nhỏ, và mực nước tăng càng cao thì hệ số này lại càng giảm, phòng chống được hiện tượng ăn mòn, làm tăng khả năng thích ứng với biến dạng, ô nhiễm, loại kết cấu này có thể xuất hiện các vết nứt có bề rộng tính bằng mm tuy nhiên không làm mất khả năng chống thấm của thân đập, do đó loại kết cấu chống thấm này có thể sử dụng trong bất cứ cao trình nào của đập, và rất có lợi khi sử dụng trong các đập cao. Loại kết cấu này có khối lượng công việc nhỏ, có thể không bố trí các khe nứt ngang. Tuy nhiên loại vật liệu asphalt cũng có những nhược điểm nhất định như: cần phải được trộn ở nhiệt độ cao, công tác trộn thường không thuận lợi, bề mặt bê tông tiếp giáp với vật liệu asphalt phải được sấy khô, không thể cơ giới hóa, thi công không tốt dễ dẫn đến liên kết bề mặt kém hoặc là xuất hiện các khe rỗng trong bê tông làm ảnh hưởng đến khả năng chống thấm. Ngoài ra, tính hút nước của bê tông asphalt tương đối kém, trong mặt dưới của thân đập và các vùng biên xung quan dễ xuất hiện các vị trí ẩm ướt, giảm tính liên kết, và phải bố trí các rãnh triệt tiêu dòng thấm hoặc là các kết cấu ngăn nước khác.

(2) Kết cấu chống thấm bằng màng nhựa PVC là phương pháp chống thấm mà trên mặt đập bê tông đầm lăn hoặc là ở mặt trong của bê tông cốt thép thượng lưu, người ta dùng nhựa poly vinyl chloride làm màng chống thấm [3]. Kết cấu chống thấm bố trí màng chống thấm mặt ngoài có thể lắp đặt lớp màng sau khi thi công thân đập, khi đó sẽ ít gây cản trở thi công. Tuy nhiên màng chống thấm nếu ở trên bề mặt của mặt đập phía thượng lưu, tiếp xúc trực tiếp với nước ở trong hồ, sẽ dễ chịu lực tác dụng cơ học dẫn đến hư hỏng màng chống thấm làm giảm hiểu quả chống thấm thậm chí làm mất tác dụng chống thấm, ngoài ra mực nước dâng lên hạ xuống cũng như tác dụng của tia tử ngoại cũng như môi trường nhiệt độ xung quanh đều có khả năng gây lão hóa màng chống thấm.

(3) Kết cấu chống thấm bằng vật liệu bề mặt kết dính cao là loại kết cấu chống thấm dựa trên tác dụng chống thấm của vật liệu có tính kết dính mạnh như vữa bột cao su, vữa xi măng cát, 1 tầng vật liệu chống thấm WR, 1 tầng vật liệu chống thấm LJ1 hoặc là sử dụng kết hợp hai tầng chống thấm WR-LJ1. Các loại vật liệu chống thấm này có các ưu điểm như tính hút nước tốt, dễ kết hợp với bê tông, thuận tiện cho việc thi công bằng phương pháp phun vữa, có tính chống thấm cao, co giãn tốt và giá thành rẻ, ngoài ra so với chống thấm bằng bê tông asphalt hoặc là màng nhựa PVC thì có độ bền cao hơn [3]. Kết cấu chống thấm bằng bề mặt kết dính cao khi thi công phun vữa trên bề mặt đập phía thượng lưu và thi công bê tông đầm lăn không được làm cùng lúc với nhau, từ đó không làm ảnh hưởng đến công tác đổ bê tông thân đập. Loại kết cấu này nếu kết hợp được tác dụng chống thấm của bê tông đầm lăn sẽ có thể làm tăng độ an toàn cho bề mặt trên của bê tông đầm lăn. Đập bê tông đầm lăn Sanzi và đập bê tông đầm lăn Shimantan của Trung Quốc đã sử dụng phương pháp chống thấm này, và đã cho hiệu quả chống thấm tương đối tốt.

c.         Kết cấu chống thấm kết hợp

Kết cấu chống thấm kết hợp là loại kết cấu chống thấm sử dụng kết hợp 2 hoặc nhiều phương pháp chống thấm kể trên, hiện đang được sử dụng rộng rãi trong thi công và thiết kế. Trong kết cấu chống thấm kết hợp, người ta thường hay sử dụng kết hợp kết cấu chống thấm bằng màng nhựa hoặc là bằng bề mặt kết dính cao với kết cấu chống thấm bằng bê tông thường hoặc là kết cấu chống thấm bằng bê tông đầm lăn cấp 2.

Loại kết cấu chống thấm này sẽ lợi dụng tối đa các ưu điểm như tác dụng của màng chống thấm tốt, tính năng chống thấm của các loại vật liệu kết dính cao, tính giãn nở tốt và khối lượng sử dụng vật liệu nhỏ, tốc độ thi công nhanh; nhờ đó giảm được các nhược điểm của kết cấu chống thấm bằng bê tông thường hoặc bê tông đầm lăn. Đồng thời, đập kết cấu chống thấm bằng bê tông thường hoặc bê tông đầm lăn có thể dùng làm lớp nền đỡ để xây dựng các kết cấu bề mặt vật liệu kết dính cao, từ đó tạo ra hai lớp chống thấm và làm tăng tính an toàn của thân đập lên rất nhiều.

2.       Phương pháp khống chế thấm trong đập bê tông đầm lăn

Kết cấu chống thấm của đập bê tông đầm lăn điển hình đều được thiết kế dựa trên một số luận điểm như: sử dụng biện pháp nhất định để đảm bảo thân đập của đập bê tông đầm lăn không được thấm nước, và từ đó không phải sửa chữa sau khi sử dụng. Đồng thời cho rằng bê tông đầm lăn tương đối khó trộn thành vật liệu có tính chống thấm cao và sẽ kéo theo giá thành cũng cao lên, mà hiệu quả lại chống thấm không nhất định sẽ cao; do được sử dụng kết hợp bê tông đầm lăn và các loại vật liệu khác, nên liên kết bề mặt sẽ kém và làm giảm tính chống thấm bề mặt. Do đó cần sử dụng lớp chống thấm bao ngoài để tạo kết cấu chống thấm cho mặt đập bê tông đầm lăn.

Hiện tại, phương pháp thiết kế biện pháp khống chế thấm trong bê tông đầm lăn chủ yếu dựa trên quan điểm “tính chống thấm bề mặt của đập bê tông đầm lăn kém hơn so với khả năng chống thấm trong thân đập, sở dĩ như vậy là do công nghệ thi công bê tông đầm lăn vốn dĩ có sẵn các khuyết điểm riêng của nó”. Các biện pháp thiết kế kết cấu chống thấm trên trái với ưu điểm “có thể cơ giới hóa thi công với quy mô lớn, đẩy nhanh tốc độ thi công” của bê tông đầm lăn. Như vậy, liệu có thể cải tiến công nghệ thi công bê tông đầm lăn để vừa có tốc độ thi công nhanh và lại đảm bảo được bề mặt đập không xuất hiện các vết nứt lớn (tức là bề mặt bê tông đầm lăn và phần bên trong thân đập không khác nhau nhiều) được không? Dựa trên tư tưởng này, qua các nghiên cứu và thử nghiệm trong quá trình thi công đập bê tông đầm lăn Jiangya ở Hunan đã sáng chế ra phương pháp thi công mới bằng cách sử dụng đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng, nhằm tìm cách cải thiện tối đa thuộc tính vật lý của bề mặt bê tông đầm lăn (bao gồm tính chống thấm) trong quá trình thi công.

3.       Ảnh hưởng nâng cao khả năng chống thấm của đập bê tông đầm lăn khi sử dụng phương pháp đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng

d.        Phương pháp thi công đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng

Phương pháp thi công đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng là công nghệ thi công mới nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa khả năng đổ bê tông thấp và khối lượng đổ bê tông lớn, được sử dụng đầu tiên tại công trình đập bê tông đầm lăn của hồ chứa nước Jiangya thuộc tỉnh Hunan Trung Quốc [4]. Đây là phương pháp sử dụng các tham số RCC không đổi nhưng lại thay đổi góc của các lớp bê tông, sao cho tầng bê tông được đổ và mặt phẳng ngang tạo thành một góc  nghiêng (thường thì độ nghiêng này thay đổi từ 1:10 đến 1:20). Đặc điểm chính của phương pháp thi công đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng là bề mặt đầm lăn cắt cả mặt đỉnh cũng như mặt đáy của khối đổ bê tông.

Sử dụng phương pháp thi công đổ bê tông san phẳng theo lớp nghiêng, diện tích công tác sẽ nhỏ hơn so với diện tích mặt đổ ngang, mỗi tầng cần phải đổ ít bê tông hơn so với phương pháp đổ ngang, do đó có thể làm giảm được thời gian đổ giữa các lớp bê tông (nếu như năng suất sản xuất bê tông cũng như khả năng vận chuyển bê tông là không đổi).

Thông qua điều chỉnh độ dốc của bề mặt bê tông, có thể khống chế được khoảng cách thời gian giữa các tầng bê tông, thỏa mãn được yêu cầu về tiến độ thi công và chất lượng liên kết giữa các lớp bê tông, đặc biệt là khi chọn chiều cao bê tông và độ nghiêng bề mặt bê tông phù hợp, có thể làm giảm được thời gian đổ bê tông nhỏ hơn nhiều so với thời gi