Đăng ký thành viên

Phục hồi đập Priest Rapids: Nâng cấp lớn để giảm thiểu rủi ro động đất

Thi công đập bê tông đầm lăn (RCC) tại Thủy điện Priest Rapids (Ảnh st)

Để giải quyết các rủi ro địa chấn tại Thủy điện Priest Rapids ở Mỹ, các kỹ sư đã xây dựng một đập bê tông đầm lăn (RCC) thay thế ở hạ lưu

Thủy điện Priest Rapids là một trong hai thủy điện trên Sông Columbia gần Mattawa, bang Washington, tạo thành Dự án Thủy điện Priest Rapids công suất 1.980MW. Công trình Priest Rapids bao gồm một con đập dài 3.080m được xây dựng từ năm 1956 đến năm 1961, bao gồm các đoạn kè trái và phải, các đoạn đập bê tông trọng lực trái và phải, các cấu trúc đường đi của cá phía bên trái và bên phải với các thang cá thượng nguồn, một đoạn đập tràn có cửa, và một nhà máy điện có mười tổ máy phát điện-tuabin Kaplan thẳng đứng với tổng công suất danh định là 855MW. 

Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (FERC) đã cấp phép cho Công ty Điện lực Công Số 2 của Hạt Grant, bang Washington (Grant PUD) sở hữu cũng như vận hành con đập. Làng Wanapum, một khu định cư cố định của bộ tộc Wanapum người Mỹ bản địa, nằm ngay phía hạ lưu của bờ kè bên phải.

Đập Priest Rapids là một trong hai đập trên Sông Columbia gần Mattawa, bang Washington, tạo thành Dự án Thủy điện Priest Rapids công suất 1.980MW (Ảnh st)

Dự án cải tạo kè bên phải Priest Rapids là một biện pháp khắc phục động đất, bao gồm một đập bê tông đầm lăn (RCC) mới xây dựng ngay phía hạ lưu của phần kè bên phải ban đầu nằm trên nền đất có thể hóa lỏng ⁽¹⁾ trong một trận động đất lớn. Ngoài vùng có thể hóa lỏng, đập RCC mới kết nối trở lại với kè ban đầu bằng một kè phân vùng mới có tường chống thấm dùng cọc khoan nhồi sát nhau bằng bê tông dẻo bên trong.

Nhận dạng vấn đề

Các đánh giá địa chấn gần đây chỉ ra rằng Động đất Lớn nhất Có thể xảy ra (MCE) tại vị trí đập lớn hơn đáng kể so với hiểu biết khi thiết kế đập vào những năm 1950. Sau hội thảo Phân tích Chế độ Sự cố Tiềm ẩn (PFMA) nhận dạng các mối quan ngại về độ ổn định địa chấn, Công ty Điện lực Grant PUD đã thuê Công ty dịch vụ chuyên nghiệp quốc tế trong lĩnh vực thiết kế và tư vấn Stantec (Canađa) tiến hành một nghiên cứu nhiều giai đoạn để đánh giá tiềm năng hóa lỏng, độ ổn định sau động đất và biến dạng địa chấn cho bờ kè bên phải. Nghiên cứu đã bắt đầu bằng các phân tích dựa trên dữ liệu sẵn có và đã tiến triển bao gồm các giai đoạn khảo sát địa kỹ thuật và các phân tích nghiêm ngặt hơn, và cuối cùng đã xác định rằng đất nền bên dưới một phần của đập bờ kè bên phải có thể hóa lỏng nếu chịu MCE, điều này có thể dẫn đến hư hỏng hoặc vỡ đập bờ kè.

Vì làng Wanapum nằm ngay phía hạ lưu của bờ kè bên phải nên Grant PUD đã quyết định tiến hành dự án khắc phục để giải quyết các rủi ro động đất, thay vì tiếp tục đánh giá con đập bằng các phương pháp ra quyết định dựa trên rủi ro. 

Giải pháp

Đập mới có thiết kế để chịu được động đất có cường độ mô men là 7,1 và một gia tốc nền đá nằm ngang cực đại là 0,64g, để giữ lại hồ chứa và ngăn chặn việc xả lũ không kiểm soát. Đập này cao 17m và bao gồm một đập RCC dài 530m, cùng với một bờ kè phân vùng dài 53m nằm giữa mặt thượng lưu của đập RCC mới và mặt hạ lưu của bờ kè ban đầu. Tường chống thấm dùng cọc khoan nhồi sát nhau bằng bê tông dẻo có đường kính 3m cắm sâu 1,5m vào đá trong bờ kè kết nối sâu 18m, dài 81m.

Thiết kế của phần RCC sử dụng bê tông đầm lăn dùng vữa làm giàu đầm rung (GEVR) để làm rào chắn giữ nước dọc theo mặt thượng lưu của đập. Người ta sử dụng đất thừa từ quá trình đào bắt buộc để tạo ra một trụ đỡ dọc theo phía hạ lưu của đập RCC. Để tiết kiệm chi phí, các kỹ sư đã dùng một mặt RCC dốc không định hình để xây dựng các phần phủ bằng đất lấp của đập. Trụ đỡ dọc theo phía hạ lưu của đập đã đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định mà không cần phải cung cấp các cống thoát nước bên trong đập hoặc nền móng của đập.

Kè nối giữa mặt hạ lưu của kè bên phải có sẵn và mặt thượng lưu của đập RCC mới có thiết kế chủ yếu sử dụng đất từ ​​quá trình đào đất yêu cầu và bao gồm lõi không thấm nước bao quanh bởi các vùng lọc và lớp vỏ thấm nước.

Cọc khoan nhồi sát nhau bằng bê tông dẻo giúp cung cấp rào chắn giữ nước giữa đập RCC và lõi không thấm của bờ kè ban đầu. Bức tường này cắt đứt sự rò rỉ khiến nước chảy qua lớp vỏ thấm của bờ kè ban đầu và đất nền của nó. Người ta thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa cho các cọc khoan nhồi cắt để có các đặc tính biến dạng tương tự như lớp đất đắp bờ kè nhằm giảm thiểu sự tập trung ứng suất trong quá trình rung lắc do động đất - và do đó làm giảm khả năng nứt lõi không thấm - đồng thời cũng cung cấp một rào chắn rò rỉ bền không bị xói mòn. Cọc khoan nhồi sát sử dụng các cọc có đường kính 3,0m với khoảng cách từ tâm đến tâm là 2,2m để có độ dày thành tối thiểu là 2,0m và chôn ít nhất 1,5m tường vào nền đá bazan.

Bằng cách sử dụng tường chống thấm dùng cọc khoan nhồi sát nhau bằng bê tông dẻo để cố định đập mới vào lõi không thấm nước của đập ban đầu, dự án tránh được việc phải hạ mực nước hồ chứa hoặc xây dựng đê bao khô tạm thời ⁽²⁾ để kết nối với bờ kè bên phải hoặc thay vào đó, không cần phải xây dựng đập mới dọc theo toàn bộ chiều dài 995m của bờ kè bên phải.

Đập kè hiện tại sẽ vẫn giữ nguyên. Để tránh tình trạng nước đọng giữa hai đập, các cống thoát nước qua đập RCC có cửa trượt có thiết kế cho phép xả nước đọng giữa hai đập.

Tính năng độc đáo 

Dự án cải tạo bờ kè bên phải Priest Rapids đã gặp phải những thách thức có một không hai trong quá trình xây dựng (Ảnh st)

Dự án cải tạo bờ kè bên phải Priest Rapids đã gặp phải những thách thức có một không hai trong quá trình xây dựng một con đập mới dọc theo chân đê có sẵn. Các kỹ sư phát triển và đánh giá các yêu cầu về giai đoạn thi công để xác nhận rằng việc xây dựng đập mới - đặc biệt là các cuộc khai quật gần bờ kè có sẵn - sẽ không ảnh hưởng đến sự ổn định của đập có sẵn hoặc làm gián đoạn hoạt động bình thường của đập. Các phân tích ổn định chi tiết xác nhận rằng phạm vi đào đất đã được giữ ở khoảng cách an toàn so với chân đập hiện hữu.

Hội thảo Phân tích chế độ hỏng hóc tiềm ẩn (PFMA) 

Người ta tiến hành Hội thảo PFMA dành riêng cho dự án trước khi xây dựng để đánh giá các yêu cầu về dàn dựng thi công, các điều khoản cung cấp lối thoát đã lọc cho nước rò rỉ vào hố đào, biện pháp phun vữa và chuẩn bị móng, thi công RCC và kè, thi công tường cọc khoan nhồi sát nhau và thiết bị đo lường an toàn đập.

Giảm thiểu tác động đến làng Wanapum

Do dự án nằm ngay gần làng Wanapum, nên đã có sự tham vấn sớm và thường xuyên trong quá trình thiết kế và xây dựng. Các kỹ sư đã thực hiện nhiều biện pháp để giảm thiểu tác động như tiếng ồn, độ rung và bụi. Quá trình xây dựng đã tính toán kỹ lưỡng đến việc đảm bảo lối vào và ra khỏi ngôi làng, với các lối vào hồ chứa và các khu vực tụ họp truyền thống. Để tôn trọng các tập tục tôn giáo và văn hóa của Wanapum, các hoạt động xây dựng chỉ giới hạn vào ban ngày. Việc sử dụng bê tông đầm lăn (RCC) thay vì đập đắp đã làm giảm kích thước đào và giảm thiểu tác động của việc xây dựng đến làng Wanapum. 

Những phát hiện trong quá trình đào đất

Trong quá trình xây dựng, việc đào đất cho đập mới đã phát hiện ra hai vùng cắt trượt liên quan đến các đứt gãy trượt ngang không hoạt động, cùng với một số trụ bọt khí trong đá nền bazan. Các trụ bọt khí bao gồm các nồng độ bọt khí theo chiều thẳng đứng tạo ra khi dòng dung nham gặp nước mặt, và bazan bên trong và ngay xung quanh các trụ bọt khí thường bị phong hóa mạnh. Việc phân chia giai đoạn xây dựng theo kế hoạch cho phép có đủ thời gian để khảo sát và xử lý các đặc điểm bất ngờ này mà không làm gián đoạn lớn đến tiến độ dự án.

Lập bản đồ địa chất và xử lý nền móng

Các công cụ hệ thống thông tin địa lý (GIS) giúp lập bản đồ địa chất của móng đập. Việc thu thập dữ liệu thực địa bao gồm mô tả đá và thông tin về sự gián đoạn, cùng với các bức ảnh có chú thích. Cơ sở dữ liệu GIS tạo điều kiện cho FERC rà soát từ xa, hợp lý hóa việc phê duyệt móng. Việc san bằng bê tông đã giúp giải quyết các điểm không đồng đều trên bề mặt đá nền, tạo ra một diện tích phù hợp cho các lớp bê tông đầm lăn (RCC) bên dưới.

Đổ bê tông RCC nghiêng

Nhà thầu chính IMCO Construction (Mỹ) đã sử dụng phương pháp đổ bê tông nghiêng giúp giảm chiều dài và kích thước của các vị trí đổ bê tông RCC riêng lẻ. Phương pháp này giúp giảm diện tích các mối nối nguội cần xử lý bất cứ khi nào dừng thi công RCC – việc này cần phải thực hiện hàng ngày vì giờ làm việc bị hạn chế để giảm thiểu sự gián đoạn cho làng Wanapum. Việc giảm diện tích xử lý mối nối nguội như vậy đã giúp làm tăng thời gian sẵn có để đổ và đầm bê tông RCC hằng ngày.

Khoan vào bờ kè có sẵn

Việc xây dựng tường chống thấm dùng cọc khoan nhồi sát nhau bằng bê tông dẻo đòi hỏi phải khoan nhiều hố có đường kính 3m qua lõi không thấm và các vùng lọc của đập đắp có sẵn với một hồ chứa nước. Do tính quan trọng của việc khoan cọc, các kỹ sư đã bọc hoàn toàn các hố dùng cho cọc khoan nhồi cắt nhau và đưa lớp vỏ ra trước đáy của hố đào để giảm thiểu sự xáo trộn. Các kỹ sư cũng theo dõi mực nước để duy trì độ dốc hướng ra ngoài nhằm đảm bảo rằng việc lắp đặt các cọc không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của bờ kè. Ngoài ra, nhà thầu chuyên về cọc khoan nhồi sát sau, Malcom Drilling (Mỹ), đã chuẩn bị các biện pháp dự phòng - chẳng hạn như dự trữ vật liệu để lấp đầy khẩn cấp một hố - nhằm giải quyết các sự kiện có thể ảnh hưởng đến chất lượng thi công cọc khoan nhồi sát sau hoặc an toàn của đập. 

Kết quả

Dự án Cải thiện Kè bên phải Priest Rapids có thiết kế để chịu được động đất lớn và ngăn chặn việc xả nước không kiểm soát, chủ động giải quyết các rủi ro động đất (Ảnh st)

Công ty Điện lực Grant PUD đã hành động ngay lập tức khi biết về nguy cơ động đất tăng cao đối với Đập Priest Rapids và các khu vực hạ lưu, bao gồm làng Wanapum. Dự án Cải thiện Kè bên phải Priest Rapids có thiết kế để chịu được động đất lớn và ngăn chặn việc xả nước không kiểm soát, chủ động giải quyết các rủi ro động đất. Grant PUD cũng đã nỗ lực giảm thiểu tác động đến làng Wanapum trong quá trình xây dựng.

Nền đất có thể hóa lỏng^(1): Hiện tượng hóa lỏng đất – một hiện tượng địa kỹ thuật xảy ra khi đất bão hòa nước (thường là đất cát hoặc bùn) mất đi sức chịu tải và biến thành trạng thái gần như chất lỏng dưới tác động của rung động mạnh, chẳng hạn như trong một trận động đất lớn.

Đê bao khô tạm thời (2): là một kết cấu tạm thời giúp ngăn nước ra khỏi khu vực thi công dưới mực nước, như trong xây dựng đập. Sau khi cách ly khu vực này khỏi nước, người ta có thể bơm khô và thi công bên trong đó như trên mặt đất.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “Nsenergybusiness”, số tháng 02/2025