Discussion on the arrangement of the uplift pressure measuring instrument at the bottom of high concrete dams on rock foundations
Nguyễn Anh Dũng
Hội Cơ Học Đất và Địa Kỹ Thuật Công Trình Việt Nam.
E-mail: [email protected]
Tóm tắt
Tại đáy đập hồ chứa thường được bố trí thiết bị đo áp lực thấm (piezometer), nhằm kiểm soát ổn định chịu lực của đập. Các đập bê tông có chiều cao lớn thường được đặt trên nền đá tương đối tốt. Dựa trên kết quả quan trắc của nhiều đập bê tông tại Việt Nam, có thể nhận thấy một số vấn đề bất cập. Trong các số liệu mà trong đó theo tác giả có liên quan đến quan niệm về đặc tính thấm của đá cũng như sự làm việc của thiết bị. Bài báo trình bày một số ý kiến của tác giả với mong muốn trao đổi với các đồng nghiệp trong việc quan trắc áp lực đẩy đổi ở đáy đập.
Abstract
At the bottom of the reservoir dam, a piezometer is often installed to control the stability of the dam. Concrete dams with large heights are often placed on relatively good rock foundations. Based on the monitoring results of many concrete dams in Vietnam, it is possible to see some problems in the data, which, according to the author, are related to the concept of rock permeability as well as the operation of the monitoring instruments. The article presents some opinions of the author who wishes to discuss with colleagues in monitoring the uplift pressure at the bottom of the concrete dams.
Keywords: concrete dams, rock foundation, piezometer, uplift pressure
Mở đầu
Thông thường đập bê tông là loại đập trọng lực được xây dựng cho đập chứa nước của các hồ chứa thủy lợi và thủy điện. Đập đóng vai trò như một tường chắn ngoài chịu tác động chủ yếu là của nước hồ. Khi sử dụng đập bê tông có chiều cao lớn sẽ gây ra áp lực đáy đập lớn, nên nền đập thường được lựa chọn là loại đá IB, IIA hay IIB, đây là loại đá được đánh giá từ trung bình đến tốt.
Hình 1 mô tả các lực tác dụng lên thân đập tham gia tính toán ổn định đập, trong đó áp lực đẩy nổi là một thành phần được quan trắc trong quá trình tồn tại của đập.
Trong Hình 1, có thể nhận thấy rằng lực đẩy nổi là lực tổng hợp của áp lực nước tác dụng lên toàn bộ chiều dài đáy đập. Áp lực đẩy nổi được kiểm soát bằng cách bố trí các giếng quan trắc theo chiều dài đáy đập.
Bố trí thiết bị đo áp lực đẩy nổi tại đáy đập
Hình 2 mô tả hai phương án bố trí thiết bị piezometer dưới đáy đập được sử dụng trong thiết kế.
- Trong sơ đồ 1, các piezometer được bố trí phía sau màn chống thấm, trong đó P4 nằm sâu quan trắc áp lực ngay sau màn chống thấm, các piezometers còn lại được bố trí ngay dưới đáy đập.
- Trong sơ đồ 2, có 1 piezometer lắp trước màn chống thấm với mục đích xem xét chi tiết hơn áp lực nước trước màn chống thấm. Các piezometers còn lại được bố trí sau màn chống thấm, trong đó P7, P9 bố trí dưới đáy đập; P3, P5 nằm sâu hơn.
Thể hiện kết quả quan trắc
Biểu đồ phân bố áp lực đẩy nổi dưới đáy đập được mô tả với tọa độ có giá trị áp lực là hình chiếu của vị trí thiết bị đo lên đáy đập và độ lớn áp lực bằng giá trị thiết bị tương ứng. Ví dụ như trong sơ đồ 1, giá trị áp lực nước tác dụng theo chiều dài đáy đập là lần lượt P4, P1, P2 và P3. Trong sơ đồ 2, ở đáy đập có 4 đầu đo tuy nhiên được bố trí thành 2 cặp cho một vị trí, khi xem xét người ta sẽ lấy giá trị lớn nhất (được cho là thiên về an toàn) để xác định biểu đồ phân bố.
Nhận xét
Phương pháp thể hiện kết quả đo lên đáy đập và không kể đến khoảng cách giữa vị trí thiết bị đo đến đáy đập là không hợp lý, để giải thích vấn đề này hãy xem xét nguyên lý làm việc của một giếng đo áp lực nước trong đất.
Cơ chế hoạt động của giếng đo áp lực nước trong đất.
Nếu trong nền đất chỉ có nước thủy tĩnh (không tồn tại nước có áp lực), góc nghiêng của đường phân bố áp lực nước theo độ sâu là như nhau và có giá trị và mực nước dâng lên ở độ sâu như nhau.
Hình 4 Cấu tạo của giếng đo áp lực nước và kết quả đo
Như vậy giá trị áp lực nước tác dụng lên một vật thể (đáy đập), là như sau:
- Vị trí của mỗi piezometer cần được biểu diễn theo quan hệ giữa khoảng cách (theo phương thẳng đứng) từ vị trí có thiết bị đến đáy đập () và giá trị áp lực đo được ở thiết bị được chuyển đổi sang cao độ cột nước ().
- Gọi là áp lực nước tác dụng lên đáy đập, như vậy giá trị áp lực nước tác dụng lên đáy đập tại vị trí piezometer sẽ được tính theo biểu thức (1):
u_w = h_w - h_d \tag{1}
Nếu uw ≤ 0, có nghĩa là không có áp lực nước tác dụng lên đáy đập.
Một số vấn đề khác
Một số vấn đề kỹ thuật thường gặp khi xem xét kết quả đo mà theo tác giả là do đặc tính không đồng nhất về đặc tính thấm của đá. David Norbury (2016) đã đưa ra định nghĩa về đất và đá là như sau:
- Đất là tập hợp các hạt khoáng chất và/hoặc vật chất hữu cơ dưới dạng trầm tích có thể tách rời ra bằng các phương tiện cơ học nhẹ nhàng, tác dụng của nước và không khí (và đôi khi là các loại khí khác).
- Đá là tập hợp khoáng chất tự nhiên được kết dính, gắn kết hoặc liên kết với nhau để tạo thành vật liệu có độ bền lớn hơn đất nhiều lần.
- Với đặc điểm của đất và đá nêu trên có thể nhận thấy nước có thể lưu thông dễ dàng hơn trong khối đất so với đá. Tính thấm của đá phụ thuộc vào tính không liên tục, trong đá có thể tồn tại các khe nứt, lỗ rỗng tạo điều kiện cho dòng chảy. Vì vậy có sự khác biệt trong việc đo áp lực nước trong nền đá.
Các vấn đề kỹ thuật
- Áp lực nước trong giếng không thay đổi kể từ khi lắp đặt.
- Thông thường các thiết bị đo áp lực nước được thi công khi hồ chứa không có nước. Áp lực nước đo được ở thời điểm lắp đặt là nước tồn tại trong hố khoan lắp đặt. Và do cấu tạo của giếng đo, nếu nền đá là không nứt nẻ, tại một số công trình áp lực nước đo được sau khi công trình hoàn thành đưa vào sử dụng thay đổi không đáng kể so với mức nước trong hồ chứa.
- Áp lực nước ở hai giếng có độ sâu khác nhau dưới đáy đập không tuân theo quy luật như đã nêu trong Hình 4). Có nghĩa là nước không dâng lên cùng một cao độ. Như vậy nên xem xét lại phương án sử dụng đầu đo áp lực nước ở nhiều cao độ khác nhau dưới đáy đập
Rõ ràng kết quả của những quan sát nêu trên cho thấy phương pháp quan trắc áp lực đẩy nổi của đập trên nền đá tốt là cần phải xem xét và có định hướng cho cách đánh giá thông số này, đây là một giá trị quan trong trong việc đánh giá an toàn đập.
Kết luận
Có thể nhận thấy rằng trong nền đá tốt loại IB, IIA và IIB trong thực tế thiết bị đo áp lực nước cho những kết quả không bình thường như trong môi trường đất.
Phương pháp sử dụng giá trị áp lực nước của các đầu đo nằm cách đáy đập một khoảng cách lên đáy đập là không đúng, mà cần xét kết khoảng cách đến đáy đập.
Kiến nghị
Để có thể đưa ra những kết luận về vấn đề này, cần có những nghiên cứu sau:
- Tổng quan về tính thấm của đá.
- Xem xét việc loại bỏ các đầu đo cách đáy đập nếu như không có mục đích kỹ thuật cụ thể. Các đầu đo chỉ nên bố trí ngay ở biên giới giữa thân đập và nền đá.
- Một nghiên cứu về kết quả quan trắc áp lực đẩy nổi tại các công trình đã hoàn thành để có đưa ra phương pháp sử dụng kết quả quan trắc vào đánh giá an toàn đập.
- Kết quả nghiên cứu sẽ đem lại kinh nghiệm trong việc định hướng thiết kế bố thiết bị quan trắc áp lực đẩy nổi cho các công trình mới.
Tài liệu tham khảo
David Norbury (2016) Soil and Rock Description in Engineering Practice. Published by Whittles Publishing, Dunbeath, Caithness KW6 6EG, Scotland, UK.
