Hệ thống quan trắc cho đập bê tông đầm lăn Sơn La: Thiết kế và các kết quả ban đầu

LTS: KHCN giới thiệu cùng bạn đọc bài phát biểu “Hệ thống quan trắc cho đập bê tông đầm lăn Sơn La: Thiết kế và các kết quả ban đầu” của các tác giả Đào Thế Hùng, David Morris và Karl M. Steiger tại Hội thảo Quốc tế lần thứ 3 và Triển lãm về phát triển năng lượng tái tạo và nguồn nước ở Châu Á tổ chức tại Kuching, Sarawak, Malaysia trong 2 ngày 29 và 30/3/2010

Giới thiệu

Việc lập kế hoạch, thiết kế và bố trí sơ đồ quan trắc cho đập bê tông đầm lăn (roller - compacted concrete - RCC) Sơn La được tiến hành như một phần không thể tách rời trong thiết kế và an toàn cho đập. Việc lắp đặt và ghi số liệu được tiến hành càng sớm càng tốt trong quá trình xây dựng để cho phép nhà thiết kế so sánh các giả thiết thiết kế với sự làm việc thực tế của đập và cung cấp dữ liệu về các điều kiện ban đầu của đập trước khi tích nước hồ chứa. Bài phát biểu miêu tả hệ thống quan trắc cho đập RCC Sơn La và giới thiệu một số kết quả đo trong thời gian thi công.


1. Các đặc điểm của hệ thống quan trắc cho đập RCC Sơn La

Sơ đồ quan trắc cho đập RCC Sơn La cao 138 m được lập kế hoạch trong Thiết kế kĩ thuật giai đoạn 2 (TKKT2) theo công nghệ hiện đại nhất và nhằm đảm bảo thu được các thông tin yêu cầu cho việc đánh giá sự làm việc của đập trong quá trình thi công và vận hành. Một vài hiệu chỉnh nhỏ so với sơ đồ quan trắc trong TKKT2 được tiến hành trong thời gian đầu của giai đoạn Thiết kế bản vẽ thi công để phù hợp với các điều kiện hiện trường.

Thiết kế sơ đồ quan trắc cơ bản xoay quanh ba câu hỏi chính, mỗi câu hỏi này lại được chia thành các câu hỏi nhỏ để tìm ra giải pháp thực tế và toàn diện nhằm có một sự đánh giá định lượng và đáng tin cậy về sự làm việc và an toàn của đập:

1. Việc quan trắc cần đặc biệt quan tâm đến những chỗ nào?

a. Các vị trí nào là đặc biệt đáng quan ngại?  --> Đánh giá an toàn đập.
b. Nơi nào có các điều kiện đặc biệt và đặc thù của đập? --> Sự làm việc của đập là so sánh được và đánh giá an toàn đập.
c. Nơi nào có các mặt cắt điển hình? -->  Kiểm định các tham số thiết kế và đánh giá an toàn đập.

2. Khi nào tiến hành quan trắc?

a. Đập làm việc thế nào trong khi thi công? --> Kiểm định tham số thiết kế và hiệu chỉnh cuối cùng các quy trình thi công.
b. Đập làm việc thế nào trong lần tích nước đầu và rút nước lần đầu? --> Đánh giá an toàn đập, kiểm định tham số thiết kế.
c. Đập làm việc thế nào trong dài hạn? --> Đánh giá an toàn đập, kiểm định tham số thiết kế.
d. Đập làm việc thế nào sau khi chịu các điều kiện cực đoan (lũ, động đất)? --> Đánh giá an toàn đập, kiểm định tham số thiết kế.

3. Phải theo dõi cái gì?

a. Cơ chế nào kiểm soát sự làm việc của đập? --> Tác động đến an toàn đập.
b. Các điều kiện ở tuyến là gì? --> Tác động đến sự làm việc của đập.
c. Các điều kiện của đập là gì? --> Ảnh hưởng tới an toàn đập.

Trả lời các câu hỏi trên sẽ cho kết quả về số lượng, vị trí và bố trí các mặt cắt đo đạc. Thêm vào đó cũng kết luận được số lượng và loại thiết bị cho các điều kiện nhất định, cũng như các ưu tiên lắp đặt và đo đạc.

Bảy mặt cắt ngang chính được xác định ở đập nhằm thu được bức tranh đại diện về sự làm việc tổng thể của đập (Hình 1). Năm trong số các mặt cắt chính (IL-1 tới IL-5) nằm trong đập RCC, IL-6 nằm trong đập tràn và IL-7 nằm trong phần đập (bê tông thường) vai bờ phải. Các mặt cắt chính nói trên được bổ sung bằng các thiết bị đo ở đơn nguyên số 1 (thiết bị đo nghiêng - inclinometer, đo áp lực ngược - piezometer), đơn nguyên số 7 (thiết bị đo góc – tiltmeter) và đơn nguyên số 19 (thiết bị đo góc). Các thiết bị đo chính được bố trí trên một đường thẳng vuông góc với trục đập (ví dụ quan trắc nền, đo nhiệt độ), các thiết bị đo khác được bố trí dọc theo các hành lang (ví dụ thiết bị đo khe - jointmeter), ở đỉnh và mặt hạ lưu (ví dụ mốc mặt hay mia trắc đạc), ở các vị trí đặc biệt (như là thiết bị đo dao động mạnh) hay phân bố ở vai bờ (ví dụ giếng quan trắc nước ngầm).

Sơ đồ thiết kế quan trắc bao gồm các thiết bị sau:

1. Trạm khí tượng tự động (nhiệt độ môi trường, mưa, độ ẩm, áp suất khí quyển, bức xạ mặt trời, tốc độ gió).
2. Nhiệt kế kiểu sợi quang phân bố (distributed fibre optics thermometer - DFOT) và kiểu dây rung.
3. Thiết bị đo ứng suất (kiểu Munich)
4. Dãn kế (extensometer) nhiều đầu đo.
5. Thiết bị đo nghiêng (inclinometer) .
6. Con lắc thuận.
7. Thiết bị đo khe (kiểu dây rung)
8. Thiết bị đo góc (tiltmeter) .
9. Máng đo thấm chữ V.
10. Mốc đỉnh và vai đập.
11. Mia trắc đạc.
12. Gia tốc kế chuyển động mạnh để đo tác động của động đất.
13. Piezometer kèm với nhiệt kế (kiểu dây rung).
14. Piezometer kiểu ống đứng.
15. Hộp đo tổng áp.
16. Thước đo mực nước.

Kiểm tra đập bằng mắt thường là cần thiết về mặt đánh giá định tính sự làm việc của đập. Vì vậy nó là một phần của quan niệm quan trắc và đo đạc cho đập.

Phần lớn thiết đo bị được lựa chọn với dự kiến sau này sẽ ghi tự động một phần (các hệ thống thu thập dữ liệu tự động, automated data acquisition system - ADAS). Tuy nhiên ADAS không thay thế hay giảm bớt việc kiểm tra đập bằng mắt thường. Do vậy mỗi thiết bị vẫn phải duy trì khả năng đọc bằng phương pháp thủ công.Hình 2 miêu tả một mặt cắt ngang quan trắc điển hình tại phần đập RCC Sơn La.

Các thiết bị đo chính được lắp đặt trong các mặt cắt này và đang được theo dõi trong quá trình xây dựng là DFOT, nhiệt kế thường, thiết bị đo ứng suất kiểu Munich, thiết bị đo khe, hộp đo tổng áp và piezometer kèm nhiệt kế (hai lỗ khoan hạ lưu của lỗ khoan xiên). Dãn kế nền, thiết bị đo nghiêng và piezometer kèm nhiệt kế được đặt ở lỗ khoan xiên được lắp đặt sau khi khoan phun xong. Thiết bị đo được đặt hàng để toàn bộ các thiết bị đo được đưa vào vị trí và vận hành trước khi bắt đầu tích nước lần đầu một phần vào tháng 5/2010.

2. Một số kết quả đo trong quá trình thi công đập RCC Sơn La

2.1 Nhiệt độ

Mục đích chính của việc theo dõi nhiệt độ RCC tươi và đông cứng trong khi thi công đập là kiểm tra nhiệt thủy hóa và nhiệt độ cao nhất trong RCC so với phân tích nhiệt được tiến hành trước đây, và đánh giá hiệu quả của các biện pháp được quy định để khống chế nhiệt RCC. Ngoài ra, có thể có thêm kinh nghiệm về lập mô hình tính toán nhiệt độ phát sinh trong đập RCC trong quá trình xây dựng.

Phân tích nhiệt ban đầu được tiến hành trong TKKT giai đoạn 2 vào năm 2005, xấp xỉ hai năm rưỡi trước khi tiến hành đổ RCC cho đập. Phân tích này chỉ có thể sử dụng các giá trị nhiệt thủy hóa đo được từ mẫu đại diện cho tổng lượng kết dính là 200 kg/m3, so với giá trị 220 kg/m3 dùng ở đập và chỉ đo qua 10 ngày. Các giá trị nhiệt thủy hóa đo được sau đó được hiệu chỉnh theo kinh nghiệm của Tư vấn thiết kế và một đường cong nhiệt thủy hóa quá độ được xây dựng cho việc phân tích này, mà kết quả là xác định được giá trị tăng đoạn nhiệt là 17,7oC. Thử nghiệm qui mô thật ở bãi đầm thử hiện trường số 2 được tiến hành năm 2007 có chứa các cặp nhiệt cho phép kiểm tra ở mức độ nào đó nhiệt thủy hóa, nhưng chưa thể kiểm chứng toàn bộ do đặc tính bán đoạn nhiệt quá rõ ràng của các kết quả đo. Mô phỏng nhiệt độ lần thứ 2 cho phần đập RCC xây tới cao độ 146,7 m (trên mực nước biển) được thực hiện để kiểm chứng các đặc tính nhiệt động lực của RCC được áp dụng trong phân tích nhiệt ban đầu. Mô hình này cũng được dùng để đoán trước nhiệt độ RCC với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên giả định cho tới khi hoàn thành đổ RCC tới cao độ 227,1 m và kéo dài đáng kể vào trong thời gian tuổi thọ vận hành của đập. Kết quả đo theo dõi bằng nhiệt kế dưới nền và trong RCC được dùng để so sánh.

Hình 3. So sánh giữa độ tăng nhiệt đoạn nhiệt dự kiến và kiểm chứng của RCC, so sánh  với kết quả theo dõi từ đập RCC.

Hình 3 đưa ra so sánh giữa đường cong tăng nhiệt độ đoạn nhiệt nguyên thủy và đường cong kiểm chứng cho RCC của Sơn La. Giá trị tăng đoạn nhiệt 17,7oC được áp dụng trong phân tích ban đầu rất phù hợp với các giá trị hiện trường, các giá trị này cũng được dùng sau đó để hiệu chỉnh đường cong nhiệt thủy hóa dùng cho phân tích kiểm chứng. Dạng đường cong nhiệt thủy hóa cũng như điểm khởi đầu thời gian nhiệt thủy hóa xấp xỉ với thời gian ngừng thủy hóa ban đầu có xét tới việc dùng phụ gia đông cứng chậm, thời đoạn nhả nhiệt với tốc độ lớn nhất và xét tới khoảng thời gian nhả nhiệt kéo dài của hỗn hợp RCC giàu tro bay, nhằm cải thiện việc đánh giá thu và thoát nhiệt trong quá trình xây dựng đập và đông cứng của RCC.

Hình 4 thể hiện biểu đồ nhiệt độ từ phân tích nhiệt tại thời điểm 1 năm sau khi tiến hành mô phỏng và xấp xỉ sáu tháng sau khi kết thúc đổ RCC ở mặt cắt này. Các điểm đánh dấu chỉ ra vị trí của các nhiệt kế được lựa chọn. Kết quả theo dõi từ các nhiệt kế này được minh họa ở Hình 5. Do trên thực tế việc mô phỏng phần đập dưới là phân tích ngược nên phần đập trên cao độ 146,7 m được quan tâm hơn, vì chưa xác định được nhiệt độ đổ RCC hay các điều kiện biên chính xác cho mô phỏng này. Về cơ bản các nhiệt độ mô phỏng và đo được là trùng khớp nhau. Ứng với thời điểm trên Hình 4, nhiệt độ bề mặt mô phỏng thấp hơn đôi chút so với nhiệt độ đo được. Đó là vì nhiệt độ môi trường trong tháng Giêng áp dụng trong mô hình thấp hơn thực tế vào tháng 1/2010 (Lưu ý: Nhiệt độ mặt thượng lưu dưới cao độ 143,4 m cao hơn là do có xét tới sàn công tác bằng đất đắp). Nhiệt độ RCC lớn nhất là rất trùng khớp do sự phù hợp giữa tiến trình đổ RCC giả thiết và thực tế, cùng với việc xét đến các ảnh hưởng của môi trường trong quá trình đổ RCC. Việc đánh giá các kết quả nhiệt kế cùng với việc mô phỏng nhiệt độ của đập RCC Sơn La đang thi công một lần nữa bộc lộ tác động đáng kể của các điều kiện môi trường tới nhiệt độ RCC bên trong đập và tầm quan trọng tương ứng của việc xét tới chúng trong mô phỏng.

Hình 5- Biến thiên nhiệt độ trong RCC tại các điểm đánh dấu trên Hình 4

2.2 Sự làm việc của khe co ngót

Khoảng cách giữa các khe co ngót ở đập RCC Sơn La là 30 m (ở cửa lấy nước là 31,5 m). Về phản ứng của đập đối với ứng suất nhiệt, cần biết được chức năng của các khe co ngót giữa các đơn nguyên, chủ yếu là để kiểm soát nứt do gradient khối. Do vậy, các thiết bị đo khe qua các khe co ngót cần được lắp đặt càng sớm càng tốt trong quá trình thi công, hoặc là chôn trong RCC (cân nhắc đến yêu cầu đầm RCC) hoặc theo kiểu gắn trên bề mặt trong hành lang.

Hình 6 minh họa một ví dụ về kết quả đo từ một thiết bị đo khe (độ mở và nhiệt độ) và độ trễ của nó. Về nguyên tắc, kết quả đọc từ đập cho thấy rằng các khe co ngót đang làm việc và mở ra khi nhiệt độ giảm. Độ giảm nhiệt độ giữa giá trị lớn nhất ban đầu và giá trị tương đối ổn định vào ngày 11/1/2010 là xấp xỉ 6,6oC, tương ứng với giá trị độ mở xấp xỉ 1,5 mm. Độ thay đổi chiều dài tự do của một đơn nguyên rộng 30 m với chênh lệch nhiệt độ 6,6oC sẽ là 1,8 mm, với giả thiết hệ số dãn nở nhiệt điển hình của RCC dùng cốt liệu basalt là 9 x 10-6^oC-1.

Hình 6. Độ mở của khe co ngót đơn nguyên No.8

2.3 Ứng suất

Kiểm chứng trực tiếp các ứng suất mô phỏng trong RCC qua quan trắc không phải là tầm thường, đặc biệt với RCC có tuổi còn non đang trong quá trình phát triển mô đun đàn hồi. Trở ngại lớn vẫn là bản thân thiết bị quan trắc chưa phù hợp, đặc biệt đối với việc đo ứng suất nhiệt trong bê tông ở tuổi thấp. Thiết bị đo ứng suất để đo ứng suất hiệu dụng trong bê tông tuổi còn non tới khi đông cứng giờ đây đã có sẵn trên thị trường và được ứng dụng ở Sơn La.

Hình 7 minh họa ví dụ kết quả đo và độ trễ ở hai thiết bị đo ứng suất theo dõi các ứng suất ngang (tức là ứng suất giữa hai khe co ngót). Các thiết bị đo ứng suất nằm ngay dưới một bề mặt nằm ngang nơi công tác đổ bê tông RCC được tạm ngừng trong bốn tháng trước khi vào mùa ấm. Nhiệt độ tăng lên sau khi đổ RCC và tuy vậy với nhiệt độ không khí cao lại sinh ứng suất kéo. Và hiện tượng trễ cho thấy biểu hiện đảo ngược này trong quá trình phát triển ứng suất ban đầu. Hiện tượng này có thể do sự thay đổi thể tích không liên quan đến nhiệt, tức là hiện tượng co khô, mà nó lớn hơn ứng suất nén do nhiệt có giá trị nhỏ, với giá trị mô đun đàn hồi còn thấp.

Hình 7. Theo dõi ứng suất ở đơn nguyên No.8

Việc mô đun đàn hồi của RCC tăng lên theo thời gian và tác động nhiệt, đặc biệt khi việc đổ RCC được tiếp tục vào tháng 5/2009, dẫn đến độ trễ bị đảo ngược đối với sơ đồ dự đoán ứng suất nhiệt. Về mặt các chỉ tiêu đàn hồi của RCC, độ trễ thu được từ các thiết bị đo ứng suất có thể được dùng để suy ra mô đun đàn hồi của RCC tại hiện trường tức là môđun đàn hồi hiệu dụng.

3.Kết luận

Đo đạc đập RCC trong quá trình thi công đặc biệt có giá trị về mặt kiểm chứng các giả thiết thiết kế trong vấn đề sự làm việc về nhiệt và ứng suất nhiệt của đập. Số liệu đo đạc từ nhiệt kế, thiết bị đo khe và đo ứng suất hỗ trợ việc phân tích ngược các tham số thiết kế theo yêu cầu hay cho phép so sánh trực tiếp với các kết quả mô hình số.

Số liệu ghi lại từ nhiệt kế từ phần đập RCC Sơn La đã xây dựng là thông tin quý giá cho phép kiểm chứng nhiệt thủy hóa RCC và độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt và tinh chỉnh việc mô phỏng sự phát triển của nó theo thời gian. Có thể thấy trong các phân tích trước đây của Tư vấn thiết kế rằng một đường cong nhiệt thủy hóa gần như chính xác khi xét tới thời gian chậm đông kết ban đầu như yêu cầu và việc kéo dài chu kì nhả nhiệt của hỗn hợp bê tông RCC giàu tro bay cải thiện việc xét đến thu và nhả nhiệt trong khi xây dựng đập và đông cứng của RCC và do đó cải thiện chất lượng công tác phân tích nhiệt. Điều này dẫn đến yêu cầu thí nghiệm xác định độ tăng nhiệt độ RCC đoạn nhiệt trong phòng tốt nhất là được thực hiện với hỗn hợp RCC đầy đủ và dùng thiết bị có khả năng duy trì các điều kiện đoạn nhiệt dài hạn có kiểm soát (ví dụ thùng dưỡng hộ đoạn nhiệt).

Trên thị trường đã có sẵn thiết bị đo ứng suất bê tông để đo ứng suất hiệu quả để so sánh giữa ứng suất mô phỏng với hiện trường. Việc diễn giải ứng suất đo được không đơn giản do khả năng có mặt các thay đổi thể tích không liên quan tới nhiệt và ảnh hưởng của chúng tới ứng suất bê tông tại hiện trường trong đập và quy trình lắp đặt thiết bị đo ứng suất trong RCC có yêu cầu tương đối cao (kiến nghị huấn luyện việc lắp đặt tại bãi đầm thử hiện trường). Thiết bị đo ứng suất cho phép xác định mô đun đàn hồi duy trì hay hiệu quả, và nhờ thế giúp kiểm chứng giả thiết về từ biến sử dụng trong mô phỏng ứng suất nhiệt.

Các giả thiết thiết kế khác (như là áp lực ngược) sẽ được kiểm chứng qua các dữ liệu đo đạc từ thiết bị phù hợp trong quá trình tích nước ban đầu và vận hành đập cũng như hồ chứa. Vì vậy phần lớn thiết bị quan trắc cho đập RCC Sơn La sẽ sẵn sàng hoạt động khi bắt đầu tích nước lần đầu một phần vào tháng 5/2010.

Tài liệu tham khảo

1. Dredge A., Đào Thế Hùng, Morris D. and Nguyễn Quyết Thắng: “The Son La Hydropower Project RCC Dam”, Proccedings Asia 2008: Second International Symposium on Water Resources and Renewable Energy Development in Asia, Da Nang, Vietnam, March 2008.

2. Conrad, M., Hoeffner, R., Aufleger, M.: “Innovative Monitoring Devices for an Integral Observation of Thermal Stress Behaviour of Large RCC Dams”, Proceedings 5th Int. Symp. On Roller Compacted Concrete (RCC) Dams, New Progress on Roller Compacted Concrete Dams, Guiyang, China, April 2007.