|
Đập Wanapum (Mỹ)
|
Năm 2010, Phòng Dịch vụ Công ích Hạt Grant bang Washington đã ký hợp đồng thuê công ty Emagineered Solutions Inc. (Redmond, bang Oregon) lắp đặt hệ thống thanh chặn nước bằng cách dùng các thanh hình trụ bằng vật liệu ưa nước (hydrophilic) trương nở được. So với các phương án khác, phương pháp này được lựa chọn vì tính chất mềm dẻo của vật liệu bên trong khe co ngót. Nhiệm vụ lắp đặt bao gồm khoan một lỗ đường kính 6 insơ (150 mm) chia đôi khe co ngót xuyên qua đập và lắp đặt các khối trụ bằng vật liệu ưa nước.
Đã tiến hành đo lưu lượng nước rò rỉ từ khe co ngót trước và sau khi lắp đặt thanh chặn nước. Trong vòng 8 tuần sau khi lắp đặt hệ thống vật chặn nước thay thế, hiện tượng thấm nước trước đó đã hoàn toàn chấm dứt. Sau đó tiếp tục lắp đặt thêm hai hệ thống nữa; công việc hoàn thành vào tháng 8/2011. Các hệ thống lắp đặt này cũng đều mang lại kết quả là chấm dứt hiệu quả hiện tượng nước thấm.
Bối cảnh
Phòng Dịch vụ Công ích Hạt Grant (sau đây gọi tắt là Phòng Dịch vụ Công ích) sở hữu và vận hành hai đập thủy điện trên sông Columbia, miền trung bang Washington: Đập Priest Rapids được đưa vào vận hành năm 1959 và đập Wanapum bắt đầu vận hành đầy đủ công suất năm 1963. Mỗi nhà máy có 10 tổ máy tuabin – máy phát, công suất đơn vị xấp xỉ 100 MW.
Cột nước tính toán của đập Wanapum là xấp xỉ 80 ft (24,4 m). Nhà máy Wanapum gồm một sàn lắp ráp và 10 đơn nguyên tổ máy được ngăn cách bởi các khe co ngót. Chiều rộng một đơn nguyên giữa các khe co ngót là 90 ft (27,4 m). Nhiệt độ ngoài trời trong năm trong khoảng từ -17,8oC đến 37,8oC. Nhiệt độ nước sông từ 1,7oC tới 18,3oC. Nhiệt độ thấp này khiến các đơn nguyên bê tông co lại trong mùa đông và các khe co ngót mở rộng, kết quả là lượng nước lớn đáng kể chảy qua các thanh chặn nước bị hỏng.
Tháng 1/2009, các thanh chặn nước bị rò rỉ dẫn tới sự cố một thanh cái cách ly về điện của Tổ máy 10 tại nhà máy Wanapum. Sự cố gây hư hại đáng kể cho thanh cái cách ly về điện, các dao cách ly tổ máy và tủ điện cách ly tổ máy. Hình 1 cho thấy hậu quả các thiệt hại. Khảo sát sau sự cố cho thấy có quá nhiều nước trong mương chứa thanh cái cách ly về điện. Nước được xác định là nguồn gốc gây ra sự cố. Nước trong mương dâng lên, tiếp xúc với thanh cái, gây ra phóng điện bề mặt.
|
Hình 1. Hỏng tủ cách ly Tổ máy 10
|
Nước đến từ một rãnh tiêu nước dưới đáy mương này. Ống gom cho rãnh tiêu nước của mương pha cách ly về điện bị ngập nước rò rỉ từ các khe co ngót thượng lưu cũng như hạ lưu. Nước từ ống gom chảy ngược vào các mương cáp của nhiều tổ máy khi xảy ra sự cố Tổ máy 10. Điều tra sau này cho thấy dòng chảy từ ống gom này tương ứng với các dao động mực nước cả ở thượng lưu và hạ lưu.
Sự cố này buộc Phòng Dịch vụ Công ích phải tiến hành nghiên cứu các phương pháp xử lý bằng cách lắp đặt các thanh chặn nước. Trước kia tấm kim loại được dùng để dẫn nước rò rỉ từ khe co ngót xuôi theo tường nhà máy vào hệ thống rãnh tiêu nước. Ý tưởng hồi đó là chỉ cần dẫn nước đi thay vì ngăn chặn nguồn sinh ra nước. Chủ trương xử lý bằng cách lắp đặt các thanh chặn nước được xúc tiến sau khi việc dừng bắt buộc Tổ máy 10 gây thiệt hại đáng kể về doanh thu và sửa chữa tốn kém. Sau khi nghiên cứu nhiều phương án khác nhau, Phòng Dịch vụ Công ích lựa chọn sản phẩm RWS-G5 do Emagineered Solution chế tạo.
Các phương án xử lý bằng thanh chặn nước
Phòng Dịch vụ Công ích đã xem xét một số phương án sửa chữa các vật chặn nước bị hỏng. Các yếu tố ảnh hưởng tới phương án chọn gồm: Khả năng tiếp cận khe co ngót, chiều rộng khe co ngót, chuyển vị dự kiến của khe co ngót, áp lực nước, phơi lộ môi trường và tính kinh tế. Có thể phân loại các biện pháp gắn thanh chặn nước sửa chữa nói chung theo một trong các kiểu sau: Tấm bề mặt, vật liệu chèn kín đúc tại hiện trường, phụt hóa chất các khe, và các lỗ khoan được lấp đầy bằng vật liệu đàn hồi. Phần sau miêu tả các phương án cùng với tóm tắt ưu nhược điểm của từng phương án.
Tấm bề mặt
Đôi khi các tấm bề mặt được gắn vào mặt đập phía cửa lấy nước được dùng làm vật chắn nước. Các tấm này thường làm bằng thép không gỉ, giữa tấm có một nếp uốn để bù lượng dãn nở ngang qua khe co ngót. Tấm bề mặt được dùng kết hợp với tấm đệm lót bằng neoprene hoặc cao su biến dạng được để chèn kín khe. Các tấm bề mặt được gắn vào bê tông ở cả hai bên của khe vào bao phủ toàn bộ chiều dài khe từ sàn công tác cửa lấy nước xuống tới đá nền. Biện pháp sửa chữa này được Công binh Mỹ (USACE) sử dụng tại một số đập của họ với mức độ thành công khác nhau. Phòng Dịch vụ Công ích đã dùng một số biến thể khác nhau của phương pháp này giữa Tổ máy 10 và Tổ máy (tương lai) số 11 và giữa Tổ máy (tương lai) số 16 và đập tràn ở Wanapum. Cả hai hệ thống lắp đặt này đều cắt giảm được đáng kể dòng thấm nhưng độ bền khí hậu còn chưa được khẳng định. Ở Wanapum, các trụ pin cửa lấy nước có gắn một kết cấu thu cá. Điều này ảnh hưởng tới việc lắp đặt các tấm bề mặt bởi vì khi đó phải dỡ bỏ hoặc cải tạo kết cấu thu cá, rất tốn kém.
Vật liệu chèn kín đúc tại hiện trường
Có một số loại vật liệu chèn kín đúc tại hiện trường, cụ thể như matit, nhựa nhiệt dẻo, chất chèn kín lưu hóa bằng hóa chất (chemically curing sealant), chất chèn kín nhiệt cứng hóa hơi dung môi (thermosetting solvent release sealant). Chất chèn kín có thể áp lên bề mặt, vào mặt khô của khe co ngót; và chèn kín hiệu quả nước thấm. Đây là phương pháp đơn giản nhất và rẻ nhất để hạn chế nước thấm qua khe. Tuy nhiên phương pháp này có một số hạn chế về mức độ chuyển động cho phép của chất bịt kín trong khe co ngót. Mức kéo-nén lớn nhất cho phép của nhiều chất chèn kín nằm trong khoảng 3% tới 7%. Các dịch chuyển khe ở nhà máy Wanapum có thể khiến chất chèn kín bị kéo nén vượt quá dải giá trị này. Thêm vào đó, lưu lượng lớn nước chảy qua khe bị rò nước sẽ gây khó khăn cho việc áp chất chèn kín yêu cầu môi trường khô.
|
Hình 2. Lắp đặt các thanh chặn nước sửa chữa tại
đập Wanapum
|
Mạch phụt hóa chất
Phụt hóa chất bao gồm việc khoan một số lỗ nhỏ xiên góc dọc theo khe co ngót, xuyên qua khe. Sau đó phụt vữa hóa chất đàn hồi vào các lỗ khoan và đợi vữa hóa cứng trong khe. Trường hợp dòng nước rò rỉ qua khe là lớn, có thể dùng các tấm bề mặt hoặc vật liệu nhồi để giữ vữa hóa chất trong thời gian vữa hóa cứng. Thử nghiệm cho thấy mạch phụt hóa chất bắt đầu bị hỏng khi mức chuyển dịch là lớn, từ 1,3 tới 2,5 mm. Với mạch chuyển dịch ít hơn các con số này, như ở một số loại mạch thi công hay các vết nứt bề mặt thì sửa chữa bằng vữa hóa chất có thể rất có hiệu quả. Phòng Dịch vụ Công ích đã dùng phương pháp sửa chữa này cho các khe rỉ nước ở sàn máy biến áp. Vữa làm việc tốt trong mùa lạnh nhưng trong các tháng mùa hè, khi bê tông dãn nở, lại thấy vữa từ khe trồi ra. Sang mùa đông tiếp theo, khe bắt đầu rỉ nước trở lại.
Chèn vật liệu đàn hồi vào hố khoan
Phương pháp này bao gồm việc khoan một lỗ tiếp nhận (để đặt các thanh chặn nước) từ sàn cửa lấy nước của đập cắt đôi khe co ngót. Hố khoan sẽ đi xuyên qua đập, đi sâu vào đá nền basalt ít nhất là 6 ft (1,8 m).
Theo cách làm trước đây, người ta đưa vào lỗ khoan một ống lót đàn hồi tẩm vữa ưa nước. Cách thi công hiện nay sử dụng các ống hình trụ bằng polyurethane ưa nước dài xấp xỉ 1,2 m. Các ống hình trụ này được xếp chồng lên nhau cho tới khi đầy hố. Các hình trụ ưa nước này đặc nhưng mềm dẻo và trương nở khi tiếp xúc với nước. Do tính chất trương nở, các trụ này sẽ bịt kín lỗ, ngăn không cho nước chảy qua khe. Tính đàn hồi của vật liệu urethane cho phép khe chuyển dịch lặp đi lặp lại trong nhiều năm.
Một nghiên cứu được MWH tiến hành năm 2010 cho Phòng Dịch vụ Công ích đã đánh giá các phương án sửa chữa bằng vật chặn nước. Đặc biệt MWH đã đánh giá hiệu quả của các trụ ưa nước được lắp đặt tại các công trình thủy điện khác những năm gần đây. MWH khuyến nghị lắp đặt hệ thống RWS-G5 nguyên mẫu, do Emagineered Solutions cung cấp, thay các vật chặn nước hỏng của Phòng Dịch vụ Công ích. Phòng Dịch vụ Công ích đã hoàn thành lắp đặt một hệ thống RWS-G5 trong một khe rò nước, đánh giá rút kinh nghiệm áp dụng cho các công trình lắp đặt trong tương lai.
Lắp đặt hệ thống chặn nước sửa chữa
Tháng 11/2010, Phòng Dịch vụ Công ích trao hợp đồng lắp đặt thanh chặn nước sửa chữa ở khe co ngót giữa Tổ máy 1 và Tổ máy 2 đập Wanapum cho công ty Emagineered Solutions. Công việc bao gồm khoan lỗ tiếp nhận dọc khe co ngót, kiểm tra lỗ khoan bằng máy camera, bơm phụt các chỗ rỗng quá mức, rửa lỗ khoan, kiểm tra lần cuối và lắp đặt trụ chắn nước sửa chữa vào trong lỗ khoan.
Máy khoan búa (down-the-hole hammer) được dùng để khoan lỗ đường kính 6 insơ (150 mm). Tiến hành khoan từ sàn cửa lấy nước, xuyên qua đập và đi sâu thêm vào đá nền 1,8 m. Dàn khoan được lắp đặt sao cho lỗ khoan thẳng đứng. Cứ khoan được một đoạn lại dừng lại để kiểm tra lỗ khoan bằng camera để khẳng định rằng lỗ tiếp nhận đi theo khe co ngót. Việc kiểm tra bằng máy camera đã được hoàn thành bằng cách dùng máy quay dưới nước và đèn đặt sâu trong lỗ, vận hành qua một hệ thống TV mạch khép kín. Máy camera có khả năng hiển thị và ghi hình ảnh dưới đáy lỗ hoặc cũng có thể quan sát thành lỗ với tùy chọn quay tròn đều.
|
Hình 3. Lắp đặt các trụ ưa nước vào trong lỗ tiếp nhận
|
Khi khoan tới chiều sâu định trước, lỗ khoan được làm sạch và sau một thời gian, các mảnh vụn đã lắng xuống. Các kiểm tra định kỳ không phát hiện thấy các chỗ rỗng cần khắc phục bằng cách phụt vữa.
Điều này được khẳng định qua kiểm tra bằng máy camera lần cuối trong lỗ tiếp nhận. Cũng đã xác định rằng lỗ khoan nằm trong dung sai cho phép và có tiếp xúc bề mặt tốt về cả hai phía của khe co ngót để các trụ ưa nước áp vào và chèn kín.
Các trụ sau đó được thả từng chiếc một từ sàn cửa lấy nước xuống hố (xem Hình 3). Sau mỗi lần thả trụ lại tiến hành đo nhằm đảm bảo trụ đã lọt xuống tới đáy hố và xếp chồng lên nhau đúng cách. Do các trụ ưa nước có tính chất dãn nở nên việc lắp đặt tất cả các trụ phải được hoàn thành trong vòng 8 giờ kể từ lúc lắp đặt trụ đầu tiên. Khi các trụ đã xếp chồng đạt tới độ cao vừa gần tới sàn cửa lấy nước, trụ cuối cùng được cắt bớt để có thể lắp đặt nút nén và nắp lỗ thăm. Nắp lỗ thăm sau đó được phụt tại chỗ, ngang bằng với sàn cửa lấy nước.
Kết quả lắp đặt các thanh chặn nước sửa chữa
Để lắp đặt hệ thống chặn nước hồi năm 2010 tại khe co ngót giữa Tổ máy 1 và Tổ máy 2, Phòng Dịch vụ Công ích đã lắp đặt một loạt các máng để đo nước rò rỉ qua khe này. Nước rò rỉ được đo chính xác nhất ở tầng 4, sàn máy phát. Để so sánh, cũng đã đo lưu lượng nước ở khe giữa Tổ máy 9 và Tổ máy 10. Nước rò rỉ được ghi lại từ tháng 11/2010 tới tháng 2/2011. Trong quá trình khoan lỗ tiếp nhận tại vị trí 1-2, mạt bê tông đã đi vào khe co ngót và lập tức làm giảm rò rỉ nước. Từ Hình 4 có thể thấy rằng dòng chảy qua khe 1-2 trước khi khoan lỗ là khoảng 60 GPM (galông/phút), tương đương 3,8 l/s.
Một thời gian ngắn sau khi lắp đặt các trụ chặn nước, dòng chảy giảm xuống còn bằng khoảng 20 GPM, tương đương 1,3 l/s. Dòng chảy dao động xấp xỉ mức này cho tới khi khe khô hoàn toàn sau khi lắp đặt xấp xỉ 9 tuần. Khe vẫn khô trong suốt các tháng mùa đông. Ngược lại dòng chảy qua khe 9-10 và các khe khác tăng lên đáng kể. Từ Hình 4 có thể thấy rằng lưu lượng tăng từ 10 GPM (0,6 l/s) lên 100 GPM (6,3 l/s) trong khi khe 1-2 khô dần. Dòng chảy ở khe 9-10 cuối cùng vượt quá khả năng của các máng đo. Dòng chảy ở điều kiện này được ước tính là vượt quá 200 GPM (12,6 l/s).
Từ thành công của hệ thống thanh chặn nước sửa chữa này, tháng 8/2011, Phòng Dịch vụ Công ích đã trao hợp đồng cho Emagineered Solutions về cung cấp thêm hai thanh chặn nước. Các thanh chặn nước này được lắp đặt với cùng loại vật liệu và phương pháp như đợt lắp đặt tháng 11/2010 và được hoàn thành ở các khe co ngót giữa các Tổ máy 6-7 và 9-10. Thực tế cho thấy khe 9-10 là khe tệ nhất về mặt rò rỉ.
Kết quả đo dòng chảy qua khe 9-10 đã được ghi lại trước và sau khi lắp đặt. Sau khoảng 4 tuần, dòng chảy giảm mạnh và trong vòng 6 tuần, không còn nhận thấy dòng chảy nữa. Hình 4 thể hiện dòng chảy giảm thấp ở vị trí 9-10 này sau khi hoàn thành sửa chữa vào tháng 8/2011. Khe 9-10 khô nguyên trong suốt mùa đông 2011-2012. Thanh chặn nước sửa chữa lắp đặt ở vị trí này đã loại trừ hiệu quả ít nhất 200 GPM (12,6 l/s) trong các tháng mùa đông. Ảnh chụp khe 9-10 trước và sau khi lắp đặt thanh chặn nước sửa chữa được thể hiện ở các Hình 5 và 6.
|
Hình 6. Khe co ngót 9-10 sau khi sửa chữa
|
Hình 5. Khe co ngót 9-10 trước khi sửa chữa
|
Công việc trong tương lai
Phòng Dịch vụ Công ích đang xem xét áp dụng giải pháp RWS-G5 để tiếp tục sửa chữa các vật chặn nước trong các năm tới. Ít nhất còn hai khe phía thượng lưu nhà máy Wanapum đang rò rỉ nước đáng kể. Cũng còn cần lắp đặt thanh chặn nước sửa chữa ở phía hạ lưu của Wanapum.
Cũng vậy ở đập Priest Rapids, một số vật chặn nước bị rò rỉ và nhiều phương pháp sửa chữa đang được đánh giá. Có nhu cầu lắp đặt và sử dụng hệ thống tách dầu-nước trong bể thu nước lẫn dầu của hai nhà máy. Tuy nhiên tổng lượng nước rò rỉ vào nhà máy phải giảm xuống còn từ 500 tới 800 GPM (30 tới 50 l/s). Hi vọng có thể đạt được điều này bằng việc lắp thêm các thanh chặn nước sửa chữa.
Kết luận
Giải pháp RWS-G5 đã thành công trong việc sửa chữa các vật chặn nước bị hỏng trong các khe co ngót ở đập Wanapum. Việc lắp đặt ba thanh chặn nước sửa chữa đã loại trừ toàn bộ dòng chảy nhìn thấy được qua các khe ở tầng 4, cao độ sàn máy phát. Lần lắp đặt đầu tiên hoàn thành tháng 11/2010 đã có hiệu quả qua hai mùa đông và sẽ tiếp tục được đánh giá về độ bền trong vài năm tới. Hai lần lắp đặt sau đó trong năm 2011 đang cho kết quả tương tự. Các lần lắp đặt bổ sung ở Wanapum đang được lên kế hoạch và đánh giá để thực hiện ở đập Priest Rapids*.
* Theo Hydro Review Volume 32, Issue 2 ngày 1/3/2013, ngoài ba khe đã được xử lý nêu trong bài, Emagineered Solutions đã hoàn thành lắp đặt hệ thống thanh chặn nước RWS-G5 cho hai khe co ngót nữa cho đập Wanapum.