Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 6- Đo ứng suất và biến dạng và Kết luận chương]

Bài 6- Đo ứng suất và biến dạng và Kết luận chương

2.6       Ứng suất và biến dạng

Giá trị ứng suất dự tính theo tư vấn thiết kế có thể không phải lúc nào cũng bằng giá trị thực trong một con đập đã hoàn thành. Vì lý do này, các dụng cụ đo áp lực tổng đặc biệt được sử dụng để đo ứng suất thực tế tại các vị trí đã chọn, chẳng hạn như giữa thân đập và nền đập, hoặc giữa các bộ phận nào đó của đập.

Mục đích của việc quan trắc này là xác định tổng tải trọng trên bề mặt tiếp xúc hoặc trong thân đập. Một số loại thiết bị dạng tấm đo được sử dụng để đo tổng áp suất tĩnh trong đập. Tải trọng đo được có thể do đất, nước hoặc bê tông gây ra. Ứng suất chính của một điểm trong thân đập có thể được đánh giá dựa trên cơ sở bố trí một tập hợp các thiết bị đo được định hướng đặc biệt. Giá trị ứng suất chính của dữ liệu ứng suất tổng là để xác minh các giả định thiết kế và cung cấp dữ liệu cho các cải tiến thiết kế trong tương lai.

Áp lực đất tác dụng lên các kết cấu bê tông được đo bằng các tấm đo áp lực. Chúng bao gồm hai màng kim loại mỏng hình tròn bọc kín xung quanh chứa một chất lỏng bên trong. Áp lực được đo bằng sự gia tăng áp suất chất lỏng bên trong bằng cảm biến. Các tấm đo áp lực phải có độ cứng tương tự như đất xung quanh để tránh phép đo không chính xác. 

Nguyên lý hoạt động và hạn chế của các thiết bị đo ứng suất và biến dạng được thảo luận bởi ASCE (2000), Bartholomew và Haverland (1987), Bartholomew et al. (1987), Dunnicliff (1988), USACE (1980) và USBR (1976 và 1977).

2.6.1    Các loại thiết bị đo ứng suất

Ứng suất của một vật thể thực tế là nội lực phát sinh do tác động bên ngoài, nó là thông số cần thiết để đánh giá trạng thái ứng xử của vật liệu công trình dưới tác động của tải trọng. Thông thường để đo ứng suất đều dựa trên cơ sở đo biến dạng và từ kết quả biến dạng chuyển đổi sang giá trị ứng suất. Người ta cũng thiết kế những thiết bị đo ứng suất trực tiếp, nhưng nguyên lý cơ bản vẫn là dựa trên việc xác định biến dạng. 

Việc đo ứng suất trong thân đập có ý nghĩa không lớn, ngoại ngoại trừ ở các vùng tiếp xúc giữa vật liệu đắp và kết cấu cứng (tường chắn bê tông, tường vây, hành lang kiểm tra đập và đường ống). Các thiết bị đo áp lực trong đất đá đắp là các tấm đo áp lực trực tiếp tuy nhiên độ chính xác là không lớn do liên quan đến thiết bị đo. Vấn đề lớn nhất nằm ở chỗ kết quả phụ thuộc vào độ cứng của tấm đo. Kết quả  ứng suất là lớn nếu độ cứng của thiết bị đo hơn độ cứng của vật liệu san lấp xung quanh và nhỏ khi ngược lại. Điều kiện lý tưởng là thiết bị đo có độ cứng tương đơng như vật liệu san lấp, điều này trong thực tế khó đạt được. Các thiết bị tấm đo ứng suất người ta đã chọn tỷ lệ độ dày trên đường kính nhỏ sẽ làm làm tăng độ chính xác của thiết bị đo.

Trong bê tông ứng suất được đo bằng các loại thiết bị đo biến dạng, sau đó kết hợp với modul đàn hồi của bê tông để chuyển thành ứng suất theo định luật Hooke. Các loạithiết bị đo biến dạng hoạt động dựa theo nguyên lý điện trở hay dây rung. Chúng được làm bằng vật liệu có đặc tính đàn hồi tương đương với bê tông và được chôn trong bê tông trong quá trình thi công.

Các máy đọc số liệu của các thiết bị đo ứng suất và biến dạng cần được kiểm tra thường xuyên, tránh mọi hư hỏng vật lý đến bộ phận đấu nối. Mặt khác khu vực đấp có độ ẩm cao cũng cần có biện pháp bảo vệ tránh tác động ăn mòn của độ ẩm. 

Kết quả quan trắc áp lực và biến dạng nên được phân tích và đánh giá  bởi các kỹ sư nghiên cứu và thiết kế, chứ không phải bởi các thanh tra an toàn đập, vì vậy thông thường người thực hiện công tác quan trắc tại hiện trường sẽ không cần có đánh giá manh tính kỹ thuật của kết quả quan trắc mà chỉ đơn thuần thực hiện công tác ghi đo, đảm bảo độ chính xác của số liệu và chuyển đổi số liệu đo sang thông số yêu cầu. 

Một số loại thiết bị được sử dụng để đo áp lực tĩnh trong thân đập. Áp lực đo được có thể do đất, nước hoặc bê tông gây ra. Ứng suất chính trong thân đập có thể được đánh giá dựa trên kết quả của tổ hợp các tấm đo được định hướng đặc biệt. Giá trị ứng suất chính của dữ liệu áp lực tổng là để kiểm tra các kết quả dự tính thiết kế và làm kinh nghiệm cho việc thiết kế những công trình tương tự trong tương lai. 

Tấm đo áp lực, còn được gọi tấm đo áp lực tổng (Total pressure cell), được dùng để đo áp lực đất tác dụng lên kết cấu bê tông. Thiết bị là một hộp hình tròn được thiết kế đặc biệt, mỏng, mặt tác dụng của áp lực bao gồm hai màng thép mỏng bên trong chứa một chất lỏng với đặc tính không bị nén có nghĩa là tính biến dạng thể tích là rất nhỏ dưới tác dụng của áp lực tăng dần. Áp lực trong chất lỏng được đo bằng một cảm biến hoạt động theo nguyên lý điện hoặc dây rung. Hình 2-28  trình bày một loại thiết bị đo áp lực.

Hình 2‑28 Một loại thiết bị tấm đo áp lực trực tiếp

Áp lực ngang của đất đối tác dụng lên kết cấu cứng có thể đo được bằng tấm đo kiểu Carlson (hình 2-29)

Hình 2‑29 Cấu tạo của tấm đo áp lực kiểu Carlson

Có nhiều thiết bị đo biến dạng theo nguyên lý điện trở và dây rung được sử dụng để đo biến dạng trong kết cấu bê tông. Một số thiết bị chôn vào bê tông hay đất trong quá trình thi công đập và một số khác có thể gắn trên bề mặt kết cấu bê tông hay thép sau khi xây dựng (hình 2-30).

Hình 2‑30 Một số thiết bị đo biến dạng

(a)Thiết bị chôn trong bê tông; (b) Thiết bị chông trong đất; (c), (d) Thiết bị gắn trên hết cấu bê tông hay thép; (e) Thiết bị gắn tren kết cấu thép; (f) Thiết bị cho cốt thép.

Các thiết bị đo biến dạng có thể được lắp đặt theo nhóm để có thể đánh giá trạng thái biến dạng ba chiều trong một số trường hợp để sử dụng cho nghiên cứu sâu (hình 2-31). Khi sử dụng thiết bị đo biến dạng Mô đun đàn hồi, hệ số rão và hệ số Poisson của bê tông có thể được xác định từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các giá trị này cần thiết để chuyển đổi các phép đo biến dạng thành ứng suất.

Hình 2‑31 Sơ đồ lắp đặt nhóm thiết bị đo biến dạng để xác định trạng thái ứng suất của một điểm.

2.7       Quan trắc nhiệt độ

Giá trị nhiệt độ của thân đập, nền đập, điều kiện môi trường xung quanh được sử dụng để hiệu chỉnh kết quả đo của các thiết bị khác, để làm tăng độ chính xác hoặc để giải thích kết quả. Ví dụ, dịch chuyển của đập bê tông và sự thay đổi hiện tượng rò rỉ ở thân đập bê tông thường liên quan đến sự thay đổi của nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ cũng được quan trắc trong các đập bê tông trong quá trình xây dựng để đánh giá thiết kế cấp phối, tốc độ đổ bê tông, kích thước khối; thời gian có thể phun lấp đầy các khe thi công và  khớp khối; và để đánh giá ứng suất nhiệt.

Đầu đo nhiệt hoặc loại cặp  nhiệt ngẫu có thể đo nhiệt độ của thân đập, nền đập và các phần khác trong đập. Hiện nay ngoài các thiết bị thiết kế riêng cho đo nhiệt, thì ở các thiết bị đo các thông số vật lý khác cũng được tích hợp các cảm biến đo nhiệt, cho phép sử dụng để hiệu chỉnh kết quả đo của các thiết bị này. Nguyên lý làm việc và hạn chế của các thiết bị đo nhiết được mô tả bởi Bartholomew và Haverland (1987), Dunnicliff (1988), USACE (1980) và USBR (1976 và 1977). Hình ảnh của thiết bị đo nhiệt độ được thể hiện trên Hình 2-32.

Hình 2‑32 Một số thiết bị đo nhiệt độ

(a)   Đầu đo nhiệt độ Geokon (VW); (b) Đầu đo nhiệt độ Geokon (cáp quang); (c) Dây đo nhiệt Geokon; (d) Cặp nhiệt ngẫu.

2.8- Tóm tắt các thông số vật lý quan trọng cần được theo dõi

Các thông số chính phải được quan tâm hàng đầu đối với bất cứ loại đập nào cần xem xét, ví dụ như thấm và dịch chuyển của đập; những thông số khác có liên quan đến một loại đập cụ thể, là áp lực nước lỗ rỗng liên quan đến đập đất. Ý nghĩa tương đối của các thông số riêng lẻ cũng có thể phản ánh bản chất của vấn đề đang được xem xét, ví dụ: sự thay đổi lớn giá trị độ lún của đập vật liệu địa phương cũ sẽ liên quan đến hiện tượng suy giảm cường độ theo thời gian, hay xuất hiện xói ngầm làm mất hạt đất. 

Các thiết bị quan trắc cho tất cả các đập, được lắp đặt bổ sung nếu cần thiết, ít nhất phải đo tốc độ dòng chảy thấm và rò rỉ và biến dạng của đỉnh đập. Vấn đề quan trọng thứ hai là việc phát hiện độ lún trên đỉnh đập, đây là một dấu hiệu về khả năng xảy ra nguy hiểm nội tại và sự mất mát cục bộ của phần đỉnh đập trên mực nước hồ.

Việc coi trọng tầm quan trọng của dòng thấm như một đại lượng đo lường không bao giờ là đủ. Giám sát thường xuyên phải là thông lệ tiêu chuẩn cho tất cả các đập, trừ những đập nhỏ. Các vấn đề nghiêm trọng luôn xảy ra trước sự thay đổi được phát hiện qua chế độ thấm qua thân đập hoặc nền đập mà không liên quan đến sự thay đổi của mực nước hồ hoặc sự thấm ướt do lượng mưa rơi xuống mái hạ lưu. Việc quan sát trực tiếp lượng nước thấm và độ đục rất đơn giản bằng các tràn đo lưu lượng và các quan sát trực quan. Theo chiều dài đập nên bố trí các tràn đo lưu lượng cho từng phân đoạn, bằng cách này cho phép xác định vị trí gần đúng của hiện tượng thấm khác thương.  

Tóm tắt các thông số vật lý cần quan trắc tại một đập được trình bày trong Bảng 2 1.

Ký hiệu cột:

(1) Loại kết cấu	(4) Chuyển vị	(7) Dòng thấm	(10) Độ mở khe và vết nứt
(2) Bộ phận	(5) Áp lực đẩy nổi	(8) Chất lượng nước	(11) Đo địa chấn
(3) Quan sát trực quan	(6) Mực nước và dòng chảy	(9) Nhiệt độ	(12) Đo ứng suất và biến dạng