Luận án nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại việt nam

Tuy nhiên việc khống chế này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, cung ứng vật liệu, công nghệ thi công và mang tính chất đặc thù của địa phương vì vậy khó có một đáp án c

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên liệu tương tự như bê tông truyền thống (CVC) Tuy nhiên bê tông CVC được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa vào trong lòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị lu rung lèn như thi công đất BTĐL là loại bê tông khô, không có độ sụt và có lượng dùng xi măng (XM) rất thấp, thường chỉ từ 60 đến 100 kg cho 1 m3 Lượng XM còn lại so với CVC trong BTĐL được thay thế bằng phụ gia khoáng (PGK) hoạt tính nghiền mịn Với ưu điểm thi công nhanh, giá thành hạ, giảm chi phí cho các kết cấu phụ trợ, giảm chi phí cho biện pháp thi công, BTĐL đã được ứng dụng tương đối phổ biến trong xây dựng các đập trọng lực công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam Các đập BTĐL xây dựng tại Việt Nam được thiết kế và thi công dựa theo kinh nghiệm hay các tài liệu hướng dẫn của Mỹ, Trung Quốc Các đặc trưng cơ lý, nhiệt của BTĐL như: cường độ kháng nén, cường độ kháng kéo, biến dạng, hệ số dãn nở nhiệt, dẫn nhiệt,… đều lấy theo tiêu chuẩn của nước ngoài vì chúng ta chưa có tiêu chuẩn riêng và chưa có nhiều công trình tương tự Nhiều công trình sử dụng BTĐL đã xảy ra nứt, kể cả công trình lớn như đập thủy điện Sơn La Có rất nhiều nguyên nhân gây ra nứt, nhưng đa phần vẫn là nứt do nhiệt trong quá trình nhiệt thủy hóa vật liệu chất kết dính (CKD) của BTĐL Các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và các tài liệu hướng dẫn, tiêu chuẩn thiết kế cũng chủ yếu tập trung vào việc khống chế ứng suất do nhiệt Tuy nhiên việc khống chế này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, cung ứng vật liệu, công nghệ thi công và mang tính chất đặc thù của địa phương vì vậy khó có một đáp

án chung cho tất cả các đập BTĐL nên việc ứng dụng các thành quả nghiên cứu trên

thế giới về BTĐL mà đập vẫn xảy ra nứt là điều dễ hiểu Đề tài “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt nam” là một trong những vấn đề cần thiết và bức xúc, đề tài mang

tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn cao Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở

để áp dụng thiết kế, thi công đập BTĐL an toàn và kinh tế, phù hợp với điều kiện Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

Đập BTĐL đã và đang xây dựng tại Việt Nam

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố về vật liệu, thi công và điều kiện tự nhiên đến ứng suất nhiệt của BTĐL trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp lý thuyết

Trên cơ sở phân tích lý thuyết truyền nhiệt, lý thuyết đàn hồi nhiệt trong công trình bê tông và phương pháp tính để lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt đạt độ chính xác yêu cầu

5.2 Phương pháp mô hình toán

Sử dụng mô hình toán để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng suất nhiệt đập BTĐL thông qua giả thiết các kịch bản đầu vào

6 Nội dung nghiên cứu

Điều chỉnh phương trình nhiệt thủy hóa vật liệu CKD của BTĐL có xét đến ảnh hưởng của hàm lượng PGK và thành phần khoáng của XM được sản xuất tại Việt Nam Xây dựng bài toán xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong phần mềm ANSYS có xét đến các nhân tố ảnh hưởng này

Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và độ ẩm môi trường, hàm lượng khoáng của XM, nhiệt độ đổ bê tông, hàm lượng PGK đến ứng suất nhiệt đập BTĐL

Kiến nghị giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL phù hợp với từng khu vực đặc thù của Việt Nam

Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án tính toán thử vào cho đập BTĐL Trung Sơn – Thanh Hóa

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

8 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm: Phần mở đầu, 4 Chương, Kết luận và kiến nghị; 66 tài liệu tham khảo, 04 tài liệu tác giả đã công bố Nội dung chính của luận án được trình bày trong

118 trang và phụ lục với 72 hình vẽ và 27 bảng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN

ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1.1 Bê tông đầm lăn

BTĐL là loại bê tông không có độ sụt được tạo bởi hỗn hợp bao gồm cốt liệu nhỏ (cát thiên nhiên hoặc cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), chất kết dính (XM, PGK hoạt tính nghiền mịn), nước và phụ gia hóa học Sau khi trộn đều, vận chuyển, san rải hỗn hợp được đầm chặt theo yêu cầu của thiết kế bằng thiết bị đầm lăn [43]

Công nghệ xây dựng BTĐL có ưu điểm là thi công nhanh, hạ giá thành và giảm chi phí cho công trình tạm phục vụ dẫn dòng thi công Thực tiễn cho thấy do giảm hàm lượng XM/CKD nên nhiệt thủy hóa của BTĐL giảm hơn so với CVC nhưng lại có tốc

độ nhiệt thủy hóa chậm hơn Tuy nhiên BTĐL lại tồn tại vấn đề là tính chống thấm kém và được coi là vật liệu không đẳng hướng do đầm nén lớp mỏng Vì vậy, ở nhiều nước người ta sử dụng BTĐL làm lõi đập, bao bọc xung quanh là lớp vỏ bê tông thường chống thấm dày 2÷3 m hoặc sử dụng BTĐL có tính chống thấm cao và thi công trên toàn mặt cắt [4][5]

1.2 Tính năng cơ học của BTĐL

1.2.1 Cường độ kháng nén của BTĐL

Cường độ kháng nén là tính chất quan trọng nhất của bê tông nói chung và BTĐL nói riêng và thường được xem xét đầu tiên Giá trị cường độ kháng nén của BTĐL (fc) được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu với hình dạng, kích thước, ngày tuổi không thống nhất giữa các nước Ngoài ra giá trị cường độ kháng nén của BTĐL còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật liệu CKD, tỉ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD), hàm lượng trộn phụ gia khoáng trong chất kết dính (PGK/CKD), cường độ

và độ sạch cốt liệu, điều kiện bảo dưỡng bê tông

Theo một nghiên cứu của Trung Quốc [14], cường độ kháng nén của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức (1.1) và (1.2):

c28

f 19, 459CKD / N-0,147PGK/CKD-11,681 (MPa) (1.1)

f 19,326CKD / N-0,333PGK/CKD+5,968 (MPa) (1.2)

Từ công thức trên có thể thấy rằng cường độ kháng nén của BTĐL giảm khi hàm lượng trộn PGK/CKD tăng lên

1.2.2 Cường độ kháng kéo của BTĐL

Giá trị cường độ kháng kéo của BTĐL (ft) có thể xác định trực tiếp thông qua thí nghiệm kéo mẫu hoặc tính toán theo công thức kinh nghiệm từ giá trị cường độ kháng nén Cường độ kháng kéo của BTĐL mặc dù có liên quan với chủng loại và cấp phối vật liệu nhưng nói chung tăng lên khi cường độ kháng nén của BTĐL tăng lên Cường

độ kháng kéo của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức (1.3) và (1.4) [14]:

t 28 c28

t90 c90

1.2.3 Mô đun đàn hồi của BTĐL

Mô đun đàn hồi của BTĐL (Ec) là tham số quan trọng khi tính toán phân bố ứng suất trong kết cấu đập BTĐL Do thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tương đối khó, nói chung đều được xác định thông qua cường độ kháng nén của BTĐL Công thức kinh nghiệm xác định mô đun đàn hồi đều đưa ra từ kết quả thống kê thực nghiệm Đối với

bê tông nói chung các quốc gia khác nhau có công thức xác định khác nhau, ví dụ:

Quy phạm Trung Quốc [29]: c

c

100E

Quy phạm ACI của Mỹ [41]: Ec 4, 73 fc (GPa) (1.6)

Tiêu chuẩn BS8110 của Anh [46]: c c

Theo TCXDVN 356-2005 [32] giá trị của Ec phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông và trong khoảng từ (21 ~ 40)  103 MPa

Do cường độ kháng nén của BTĐL phụ thuộc tỉ lệ N/CKD và hàm lượng PGK/CKD,

vì vậy mô đun đàn hồi của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có thể được xác định theo công thức (1.9) và (1.10) [14]:

1.2.4.1 Từ biến của BTĐL

Khi kết cấu BTĐL chịu tác dụng của tải trọng không đổi trong thời gian dài, biến dạng BTĐL tăng lên theo thời gian được gọi là từ biến Thời kỳ đầu gia tải, từ biến của BTĐL tăng lên khá nhanh sau đó dần dần giảm xuống, một vài năm sau tăng lên rất chậm BTĐL sau khi dỡ tải, một phần biến dạng hồi phục tức thời, biến dạng này nhỏ hơn biến dạng đàn hồi phát sinh khi gia tải ban đầu Trong một khoảng thời gian sau khi dỡ tải, biến dạng vẫn có thể tiếp tục hồi phục gọi là hồi phục từ biến Biến dạng không có khả năng hồi phục gọi là biến dạng dư

BTĐL bất kể là chịu nén, chịu kéo hoặc chịu uốn đều có hiện tượng từ biến, nguyên nhân phát sinh từ biến nói chung là do tính bám dính của cốt liệu đá và XM dưới tác dụng của tải trọng trong một thời gian dài bị nới lỏng Biến dạng do từ biến dưới tác dụng của đơn vị ứng suất gọi là độ từ biến, thông thường khoảng (10~300)10-6 MPa

Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến giá trị từ biến như chủng loại XM, tính chất cốt liệu, tỉ lệ N/XM, tỉ lệ vữa, chất phụ gia cùng với ngày tuổi bê tông khi gia tải, giá trị ứng suất, thời gian duy trì tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, hình dạng và kích thước kết cấu, v.v…

1.2.4.2 Co ngót của BTĐL

Khi BTĐL rắn chắc trong không khí, thể tích của nó có thể giảm nhỏ, hiện tượng này gọi là co ngót Co ngót là biến dạng phát sinh do thể tích thay đổi mà bê tông không chịu ngoại lực Thông thường cho rằng co ngót bê tông là do thể tích bản thân khối kết dính bị co ngót và bê tông co ngót thể tích do mất nước Thời kỳ đầu co ngót phát triển rất nhanh, sau đó dần dần chậm lại, tổng thể quá trình co ngót có thể kéo dài 2 năm trở lên Khi BTĐL không thể tự do co ngót, trong bê tông phát sinh ứng suất kéo dẫn đến phá hoại nứt

Nhân tố ảnh hưởng đến co ngót của BTĐL chủ yếu có nhiệt độ và độ ẩm môi trường xung quanh, hình dạng và kích thước mặt cắt cấu kiện, tỉ lệ cấp phối, tính chất cốt liệu, tính chất XM, điều kiện bảo dưỡng nên tính toán chính xác co ngót bê tông rất khó khăn

1.2.4.3 Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL

Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL (p) tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có liên quan đến cường độ kháng kéo của BTĐL có thể được xác định theo công thức (1.11) và (1.12) dưới đây [14]:

1.2.5 Tính năng cơ học của BTĐL theo thời gian

Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu BTĐL là biểu thức toán học miêu tả quy luật vận động và quan hệ giữa lực, nhiệt độ, biến dạng, v.v… của nội bộ kết cấu trong không gian và thời gian

BTĐL là vật liệu hỗn hợp được tạo thành từ XM, PGK, cốt liệu thô, cốt liệu mịn và nước Khi mới hình thành, trong bê tông đã tồn tại các khuyết tật như các lỗ rỗng, vết nứt nhỏ, v.v Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, do tập trung ứng suất tại các khuyết tật nên chúng dần dần phát triển, từ đó dẫn đến quan hệ ứng suất - biến dạng của phần

tử cốt liệu từng bước đi chệch quan hệ tuyến tính và xuất hiện đặc tính cơ bản của phi tuyến tính Đồng thời do các thành phần vật liệu bê tông có đặc trưng phân bố ngẫu nhiên, vì vậy bất kể là phân bố khuyết tật ban đầu hay là quá trình diễn biến khuyết tật

về sau đều không thể ngăn ngừa đặc trưng ngẫu nhiên sẵn có của bê tông Phi tuyến tính và ngẫu nhiên là hai đặc trưng cơ bản của quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông Hiện nay quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu bê tông nói chung và BTĐL nói riêng có thể phân thành mấy nhóm mô hình sau [42][48]:

- Mô hình cơ học đàn hồi tuyến tính và phi tuyến tính;

- Mô hình cơ học tính dẻo;

- Mô hình cơ học phá hủy

Do tính phức tạp của vật liệu BTĐL, hiện nay vẫn chưa có một mô hình vật liệu BTĐL duy nhất được mọi người công nhận Nói chung căn cứ vào đặc điểm chịu lực, phạm

vi ứng suất và độ chính xác tính toán, v.v của kết cấu phân tích để lựa chọn mô hình thích hợp Đương nhiên để xác định chính xác cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác lập các hàm biểu diễn quá trình phát triển các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL theo thời gian ứng với cấp phối được lựa chọn tối ưu cho từng công trình cụ thể

1.3 Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam

1.3.1 Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới

Trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến 1970 có những cách sử dụng vật liệu có thể coi là tiền đề của BTĐL Cụ thể, năm 1961 hỗn hợp bê tông không độ sụt được rải bằng xe ủi đã áp dụng cho đập Alpe Gera tại Italia và đập Manicongan ở Canada Hỗn hợp bê tông được đầm chặt bằng các loại đầm dùi gắn sau máy ủi hoặc đầm chặt bằng máy ủi [43] Cũng trong năm 1961 hỗn hợp cát đá trộn với XM được rải và đầm bằng các thiết bị thi công đập đất để xây dựng tường quây của đập Thanh Môn, Đài Loan [4] Tuy nhiên BTĐL chỉ thực sự được chú ý khi giáo sư Raphael trình bày báo cáo

“Đập trọng lực tối ưu” vào năm 1970 [57], trong đó nêu ra phương pháp thi công

nhanh đập BTTL bằng cách sử dụng thiết bị đắp đập đất và một số công trình ở Mỹ đã đưa vào nghiên cứu BTĐL trong phòng và nghiên cứu thiết kế thử nghiệm trên hiện trường Những nỗ lực trên tạo nền tảng cho việc xây dựng đập BTĐL đầu tiên trong những năm 1980

Từ 1972 đến 1974, Cannon R.W [47] đã có những đóng góp đáng kể về nghiên cứu BTĐL Kết quả thí nghiệm đã đưa ra khái niệm bê tông nghèo XM, vận chuyển bằng ô

tô, san gạt bằng xe ủi và đầm bằng lu rung Sau đó Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ (USACE) đã thi công các lô bê tông thử nghiệm ở đập Lost Creek năm 1977 Năm

1980, lần đầu tiên Mỹ sử dụng BTĐL để xây dựng đập Willow Creek, bang Oregon Đập cao 52 m, dài 543 m, khối lượng BTĐL 331.000 m3 Đến 1999, tại Mỹ có hàng chục đập BTĐL

Ở Anh, Dunstan bắt đầu nghiên cứu tích cực trong phòng thí nghiệm về BTĐL trong những năm 1970 [43] Tiếp đó, Hiệp hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng (CIRIA) của Anh đã tiến hành dự án nghiên cứu rộng về BTĐL có sử dụng tro bay với hàm lượng lớn Các kết quả nghiên cứu được đưa ra thử nghiệm ở trạm xử lý nước Tamara - Coruwall (1976) và thử nghiệm tại công trình đập Wimbledall (1979)

Ý tưởng về sử dụng BTĐL có hàm lượng lớn tro bay sau này được Cục khai hoang Mỹ (USBR) sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế đập Upper Stillwater cao 90 m, dài 815

m, khối lượng BTĐL 1.125.000 m3 Đặc điểm của công nghệ BTĐL của Mỹ (thường

3

Để chống thấm cho đập, thường sử dụng kết cấu tường bê tông thượng lưu bằng bê tông thường đúc sẵn lắp ghép hoặc đổ tại chỗ bằng cốp pha trượt, kèm theo màng chống thấm bằng vật liệu hữu cơ

Năm 1974, các kỹ sư Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL với mục đích rút ngắn thời gian thi công và hạ giá thành công trình đập bê tông Công trình đập BTĐL đầu tiên của Nhật là Shimajigawa, cao 89 m, dài 240 m, khối lượng BTĐL 165.000 m3trong tổng số 317.000 m3 của bê tông đập Đến cuối 1992 đã có 30 đập BTĐL được thi công ở Nhật

Đến nay Nhật Bản đã hình thành trường phái BTĐL gọi là RCD gồm thiết kế mặt cắt đập, tính toán thành phần bê tông, công nghệ thi công và khống chế nhiệt độ đập Đặc

điểm của phương pháp RCD là sử dụng kết cấu “vàng bọc bạc” Lõi đập là BTĐL, vỏ

đập bao bọc bằng bê tông thường chống thấm cao

Năm 1980, Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu áp dụng công nghệ BTĐL Mặc dù áp dụng công nghệ BTĐL tương đối muộn nhưng Trung Quốc là nước có tốc độ phát triển công nghệ này rất nhanh Sau khi xây dựng xong đập BTĐL đầu tiên vào năm

1986 (đập Khanh Khẩu), Trung Quốc bước vào cao trào xây dựng đập BTĐL Hiện nay đập BTĐL của Trung Quốc nói chung về mặt số lượng, chất lượng, chiều cao, kỹ thuật đều đứng hàng đầu thế giới Các chuyên gia Trung Quốc đã xây dựng tương đối hoàn chỉnh trường phái công nghệ BTĐL của mình tên gọi RCCD Phương pháp này gồm thiết kế mặt cắt đập, quy trình thiết kế, chọn vật liệu và thi công, quy trình thử nghiệm kiểm tra BTĐL tại hiện trường

Theo thống kê của Hội đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến năm 2009, Châu Á có số lượng đập BTĐL nhiều nhất (52,8%,), tiếp đó là Châu Mỹ (25,6%), xem hình 1.1[50] Theo tạp chí HydroWord có trên 650 đập BTĐL đã được xây dựng trên toàn thế giới, Trung Quốc là nước dẫn đầu về số lượng đập BTĐL với 165 đập (2012) trong đó có

40 đập cao trên 100 m, sau đó là Nhật, Mỹ, Braxin và Tây Ban Nha

Hình 1.1 Đập BTĐL được xây dựng trên thế giới tính đến năm 2009 [50]

Cho tới nay, đập BTĐL được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới, ở nơi có nhiệt độ môi trường từ rất thấp cho đến rất cao và cả những vùng có mưa lũ lớn Trước đây, đập BTĐL sử dụng BTĐL nghèo CKD được sử dụng tại một số đập cao dưới 60 m ở

Mỹ Ngày nay, các đập BTĐL được xây dựng trên thế giới chủ yếu sử dụng BTĐL có lượng CKD trung bình và giàu CKD như các nước Tây Âu, Trung Quốc, Nhật Bản

1.3.2 Tình hình xây dựng đập BTĐL tại Việt Nam

Từ những năm 1990 Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng BTĐL Năm 1990 Viện Khoa học Thủy lợi đã nghiên cứu PGK cho BTĐL, ngày 16/10/1995 Bộ Thủy lợi (cũ) ra quyết định số 1570 QĐ/QLXD phê duyệt nghiên cứu khả thi công trình thủy lợi Tân Giang (Ninh Thuận) thống nhất phương án công trình đầu mối là đập BTTL Trên

cơ sở quyết định số 1570 QĐ/QLXD, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu thiết kế đập Tân Giang theo hai phương án BTTL truyền thống và BTĐL Đây là lần đầu tiên BTĐL được nghiên cứu vào công trình thực tế ở Việt Nam Ngày 20/9/1997 Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ra quyết định số

2425 NN/ĐTXD/QĐ phê duyệt đập đầu mối công trình Tân Giang là đập BTĐL Do nhiều lý do, khi thi công, đập Tân Giang được chỉnh thành đập CVC và đã thi công hoàn thành vào năm 2003 Mặc dù vậy, các kết quả nghiên cứu thiết kế đập BTĐL Tân Giang đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý báu về thiết kế đập BTĐL, sử dụng tro bay và phụ gia

Công trình đập BTĐL xây dựng đầu tiên của Việt Nam là đập thủy điện Pleikrông tại tỉnh Kon Tum với chiều cao 71 m được thiết kế bởi công ty cổ phần Tư vấn xây dựng

điện 1, công trình khởi công năm 2003, đã hoàn thành vào năm 2009 Tiếp đó hàng loạt công trình đập thủy điện được xây dựng bằng BTĐL như thủy điện Bản Vẽ, hồ chứa nước Định Bình, công trình thủy điện Sê San 4, công trình thủy điện A Vương, thủy điện Sơn La Tính đến nay đã có trên 20 đập BTĐL đã và đang được xây dựng tại Việt Nam (xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các đập BTĐL đã và đang được xây dựng ở Việt Nam [34]

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm XD Ghi chú

1.4 Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL

1.4.1 Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL trên thế giới

Nhận thức rõ được tầm quan trọng của nhiệt và ứng suất do nhiệt đối với đập BTĐL nên từ những năm 80 của thế kỷ 20 đã có nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu về vấn

đề này Điển hình có nghiên cứu của Barret và Tatro (1992) [45][58] đã đề xuất

phương pháp phân tích nhiệt và ứng suất cho đập BTĐL Các tác giả đã mô tả kỹ thuật phân tích dựa trên phần tử hữu hạn để đánh giá các tác động của nhiệt độ, từ biến và

co ngót trong thi công đập BTĐL Về sau này các nghiên cứu chủ yếu là kiểm soát nhiệt độ và ứng suất nhiệt đập BTĐL hoặc ứng dụng cho một công trình cụ thể [51][52][54][56][61][63][65][66]

1.4.2 Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL tại Việt Nam

Công tác nghiên cứu về BTĐL tại Việt Nam trong thời gian qua đã có những tiến bộ nhất định đặc biệt trong các vấn đề như nghiên cứu thiết kế chế tạo cấp phối BTĐL, nghiên cứu sử dụng PGK tro bay nhiệt điện và Puzơlan thiên nhiên, nghiên cứu chống thấm cho BTĐL, nghiên cứu công nghệ thi công,v.v Vấn đề nhiệt và ứng suất nhiệt trong quá trình thi công BTĐL cũng đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu, điển

hình như nghiên cứu của tác giả Nguyễn Như Quý và cộng sự [27] về nhiệt độ cách

nhiệt trong BTĐL Với cấp phối bê tông đối chứng không sử dụng tro bay có ΔT = 24,9°C, trong đó cấp phối sử dụng 65 kg XM + 100 kg (120 kg) tro bay có ΔT = 8,l°C, cấp phối bê tông sử dụng 85 kg XM + 100 kg (120 kg) tro bay có ΔT = 12,7°C Khi sử dụng tro bay cho phép giảm nhiệt độ cách nhiệt của BTĐL nói riêng và BTKL nói

chung một cách có hiệu quả; Nguyễn Tiến Đích [13] đã đề cập đến công tác bê tông

trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam và đưa ra khuyến cáo về nhiệt cho BTKL;

Đỗ Hồng Hải [15] nghiên cứu sử dụng Puzơlan Long Phước tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

để chế tạo BTKL đập Lòng Sông Trong nghiên cứu đã sử dụng Puzơlan Long Phước

và tro bay đến 35% khối lượng CKD Kết quả đo nhiệt độ bê tông trong khối đổ sử dụng Puzơlan và tro bay được nêu trong bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể thay thế tro bay bằng Puzơlan thiên nhiên nghiền mịn trộn ở tỷ lệ 35,4 ~ 40% để sản xuất XM ít tỏa nhiệt dùng cho đập bê tông trọng lực, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6069:2007

Bảng 1.2 Nhiệt độ bê tông tại các khối đổ sử dụng Puzơlan

o

C sau đổ

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 35% Puzơlan

Long Phước 43 50,5 48 47 46 44 42 40 39 38,5 37,5 37 35% tro bay

Phả Lại 45 50 47 46 45 43 41 39 38,5 38 37 36,5

Các nghiên cứu của tác giả Lê Quang Hùng và Nguyễn Quang Hiệp [17][19] về sử

dụng tro bay làm PGK cho chế tạo BTĐL cho đập và mặt đường Đối với BTĐL làm đường có cường độ kháng nén từ 30~50 MPa ở tuổi 28 ngày thì tỷ lệ tro bay nên sử dụng từ 10~20% so với khối lượng CKD Với BTĐL làm đập có cường độ kháng nén

từ 15~25 MPa ở tuổi 90-180 ngày thì tỷ lệ tro bay nên sử dụng từ 30~50% so với khối lượng CKD; Khi sử dụng tro bay nhiệt độ bê tông giảm đáng kể (từ ΔT = 25°C xuống còn ΔT = 17°C) Như vậy khi sử dụng tro bay từ 30~50% cho phép tăng tốc độ thi công mà vẫn khống chế được nhiệt độ khối đổ trong phạm vi cho phép

Trong quá trình nghiên cứu thiết kế đập BTĐL Sơn La [7], TVTK chỉ quan tâm đến vấn đề nhiệt và khống chế nhiệt trong quá trình thi công Nghiên cứu của tác giả

Nguyễn Quang Hùng [20] phục vụ cho tìm nguyên nhân nứt đập Sơn La cũng mới chỉ

xét đến tải trọng do chất tải

Lê Anh Vân, Nguyễn Văn Mạo [24][39] đã nghiên cứu phát triển nhiệt độ, đề xuất một

số giải pháp khống chế nhiệt cho RCCD và thực tiễn ứng dụng ở đập Pleikrông Các giải pháp được đưa ra chủ yếu về phân khe trong quá trình thi công Nghiên cứu của

Đinh Hữu Dụng, Nguyễn Văn Mạo [12] đã phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và các tải

trọng trong quá trình lên đập đến trường ứng suất của đập BTĐL trong quá trình thi công Trong đó xét đến tính chất của vật liệu bê tông thay đổi theo thời gian thi công, các tác động chính được xét đến là tác động đồng thời cả nhiệt và tải trọng sinh ra trong quá trình thi công đập Tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở bài toán cụ thể cho đập

BTĐL Sơn La Tác giả Đỗ Văn Lượng [23] đã nghiên cứu về sự phát triển nhiệt độ và

ứng suất nhiệt để ứng dụng vào công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu góp phần không nhỏ cho việc khống chế ứng suất nhiệt đập BTKL

sử dụng CVC, tuy nhiên ứng dụng cho BTĐL sẽ có những khác biệt đáng kể do quá trình nhiệt thủy hóa BTĐL chậm và nhiệt độ lớn nhất giảm hơn so với CVC

Trong nghiên cứu sản xuất BTĐL đã có nhiều nghiên cứu nhằm khống chế nhiệt và ứng suất nhiệt trong BTĐL theo hướng tối ưu hóa cấp phối sử dụng và thực hiện các biện pháp nhằm giảm nhiệt trong quá trình thi công và dưỡng hộ BTĐL Cụ thể:

Nguyễn Trí Trinh: "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập BTĐL Định Bình, tỉnh

Bình Định", đề tài sản xuất thực tế HEC1 2006 [37]; "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập bê tông Phước Hòa, tỉnh Bình Phước", đề tài sản xuất thực tế Viện KHTL,

2008 [38];

Võ Văn Lung, Đặng Quốc Đại, "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập BTĐL

Nước Trong, tỉnh Quảng Ngãi", đề tài sản xuất thực tế HEC-1, 2010 [22];

Công ty TVXD Điện 1: "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập BTĐL Sơn La, tỉnh

Sơn La" [8]; "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập BTĐL Bản Chát, đập BTĐL Lai Châu, tỉnh Lai Châu" [9] [10];

Công ty TVXD Điện 2, "Nghiên cứu tính toán khống chế nhiệt đập BTĐL Đồng Nai 3,

tỉnh Đắk Nông" [11]

Một nghiên cứu gần đây của tác giả Lê Quốc Toàn [35] nghiên cứu ảnh hưởng của một

số chỉ tiêu cơ lý BTĐL đến tiến độ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam Tác giả

đã xây dựng được modul số liệu đầu vào trong phần mềm ANSYS tính toán nhiệt trong BTĐL khối lớn để khẳng định các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian ảnh hưởng đến tốc độ thi công đập, kiểm định tốc độ thi công hợp lý cho đập BTĐL Đồng Nai 4 Tác giả đã tính toán xác định kịch bản thi công hợp lý với các đập có điều kiện tương tự,

cụ thể là: nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp vữa BTĐL (21oC, 23oC và 25oC), chiều dày lớp đổ sau đầm lèn (0,30m), tốc độ đổ BTĐL (số lớp đổ trong 1 đợt đổ: 3, 4 và 5 lớp)

và thời gian nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ BTĐL (2, 4 hoặc 5 ngày tùy theo mùa của năm) phù hợp với diễn biến của các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL Đề xuất nhiệt độ hỗn hợp BTĐL khống chế trước khi đổ là 23oC, 1 lớp đổ sau đầm dày 0,3m và đổ 3 lớp liên tục v.v… có nhiều ưu điểm bởi kết quả tính toán cho thấy ứng với các điều kiện

của kịch bản thì nhiệt và ứng suất nhiệt phát sinh trong khối BTĐL vẫn nằm trong mức cho phép Tuy nhiên kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức kiến nghị chung cho tất

cả các loại đập BTĐL, chưa xét đến yếu tố điều kiện tự nhiên, điều kiện vật liệu của mỗi một vùng đặc thù ở Việt Nam

1.5 Vấn đề nứt do nhiệt đối với đập BTĐL

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về BTĐL nhưng trong quá trình xây dựng đập BTĐL tại Việt Nam vẫn tồn tại nhiều vấn đề ảnh hưởng đến tuổi thọ của đập điển hình là vấn

đề nứt BTĐL trong quá trình xây dựng Theo các tài liệu đã công bố các vết nứt xuất hiện trên đập BTĐL tại Việt Nam chủ yếu có [1][25]:

 Nứt bề mặt

Phần lớn vết nứt phát sinh trong đập BTĐL là nứt bề mặt, chủ yếu là do ứng suất kéo phát sinh do chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài bề mặt và bảo dưỡng không kịp thời

 Nứt song song mặt đập

Phát sinh chủ yếu tại vị trí tiếp giáp giữa các lớp đặc biệt là gần thượng hạ lưu mặt bóc

lộ mùa đông và mặt nghỉ thi công thông thường, nghiêm trọng có thể xuất hiện vết nứt xuyên thượng hạ lưu, trong vùng khí hậu lạnh khó ngăn ngừa loại vết nứt này Vết nứt này chủ yếu là do ứng suất chênh lệch nhiệt gây ra và có liên quan đến chiều dài khối đập, đập càng dài ứng suất càng lớn, do khối đập BTĐL khá dài, ứng suất nhiệt phát sinh do chênh lệch nhiệt độ thượng hạ lưu vượt quá cường độ kháng kéo của BTĐL

 Nứt xuyên

Vết nứt này thông thường ở vị trí tiếp xúc giữa bê tông và nền đá, hướng lên kéo dài vào trong thân đập và mang tính chất kết cấu Vết nứt có khả năng bắt đầu với mùa lạnh đầu tiên, cũng có thể phát sinh do bề mặt bê tông được phơi ra trong môi trường biên độ nhiệt giảm nhanh so với nhiệt độ ngày và phát triển không ngừng dưới tác dụng của ứng suất nhiệt và tải trọng

 Nứt hành lang

Thường xuất hiện ở gần hành lang, hướng vuông góc với bề mặt Nguyên nhân chủ yếu là mép trong hành lang tiếp xúc với nước hoặc không khí, nhiệt độ nước mùa lạnh

hoặc nhiệt độ không khí thấp hơn nhiều nhiệt độ ổn định trong đập, ở phạm vi gần hành lang xuất hiện chênh lệch nhiệt độ lớn, hiện tượng này gọi là quá lạnh Trong thời kỳ thi công, bề mặt hành lang bị phơi dễ xuất hiện nứt bề mặt, phạm vi kiềm chế cường độ của nền đập trọng lực thi công lên đều khá lớn, ứng suất kiềm chế cũng khá lớn làm cho vết nứt phát triển hướng vào trong thân đập

Theo tổng kết hầu hết các loại vết nứt trên đều có liên quan đến nhiệt độ cả trong và ngoài khối đập

1.6 Vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với luận án

Như trên đã trình bày trong quá trình xây dựng đập BTĐL đã xảy ra một số hiện tượng nứt đập mà theo đánh giá sơ bộ chủ yếu đến từ nguyên nhân phát sinh nhiệt trong quá trình thi công BTĐL dẫn đến nứt đập do ứng suất nhiệt Trong điều kiện thời tiết nước

ta biên độ dao động nhiệt độ giữa mùa đông và mùa hè là rất lớn, chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm lớn, khí hậu khô hanh, ít mưa Hiện tượng co khô, co ngót nhiệt độ, do thi công, do chất lượng vật liệu xây dựng… đều có thể sẽ gây ra nứt bê tông làm ảnh hưởng đến chất lượng bê tông BTĐL và đặc biệt là ảnh hưởng đến độ

bền và tuổi thọ công trình Vì vậy, “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của

bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam” là

CHƯƠNG 2 NHIỆT VÀ KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG

ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

2.1 Đặt vấn đề

Một đặc tính quan trọng của BTKL là trạng thái nhiệt dẫn tới ứng suất nhiệt Do bê tông có tính dẫn nhiệt kém, nên nhiệt độ trong BTKL nếu không được phân tán một cách nhanh chóng sẽ tăng lên rất cao Sự tăng hay giảm của nhiệt độ trong khối bê tông sẽ dẫn tới sự thay đổi thể tích và phát sinh ứng suất nhiệt Khi ứng suất nhiệt lớn hơn khả năng chịu kéo cho phép của bê tông thì kết cấu sẽ bị nứt Chính vì vậy khi thiết kế và thi công các công trình khối lớn nói chung, đập bê tông trọng lực nói riêng cần phải đặc biệt lưu ý đến sự phát sinh ứng suất nhiệt; cần áp dụng các biện pháp công nghệ hợp lý để ngăn ngừa nứt do nhiệt, nhằm đảm bảo tính chỉnh thể, tính thẩm

mỹ, khả năng chống thấm và tuổi thọ của công trình Trong Chương này sẽ trình bày

cơ sở khoa học của vấn đề nhiệt, nứt do nhiệt và khống chế nhiệt đập BTĐL để làm tiền đề cho nghiên cứu giảm ứng suất nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam

2.2 Nguồn phát sinh nhiệt trong BTĐL

Phát sinh nhiệt trong BTĐL là do nhiệt thủy hóa của XM và phụ thuộc vào thành phần khoáng và hàm lượng của nó có trong XM:

Q = aC3S(%) + bC2S(%) + cC3A(%) + dC4AF(%) (J/g) (2.1)

Các hệ số a, b, c, d là nhiệt thủy hóa của khoáng vật XM có thể lấy theo tổng kết ở bảng 2.1, còn tỷ lệ thành phần khoáng có trong XM thông thường được cho ở bảng 2.2 [59]

Từ bảng 2.1 và bảng 2.2 cho thấy lượng nhiệt thủy hóa của XM là do các thành phần khoáng chủ yếu của XM là C3A, C3S tiếp theo là C4AF và C2S XM nhiều thành phần C3A và C3S sẽ có nhiệt thủy hóa lớn, tốc độ phát nhiệt cũng nhanh Trong tiêu chuẩn

XM Poóc lăng nhiệt của Hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) quy định tổng thành phần khoáng C3A + C3S nhỏ hơn 58% có thể không yêu cầu thí nghiệm nhiệt thủy hóa [44] Vì vậy có thể nói thông qua điều chỉnh thành phần khoáng của vật liệu XM có

thể giảm nhiệt thủy hóa của vật liệu XM từ đó giảm được ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa vật liệu BTĐL

Bảng 2 1 Nhiệt thủy hóa của các thành phần khoáng có trong XM (J/g)

Nghiên cứu của tác giả a (C3S) b (C2S) c (C3A) d (C4AF)

2.3 Vấn đề trao đổi nhiệt đối với BTĐL

2.3.1 Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt

Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của một vật hay giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau Hình thức trao đổi nhiệt diễn ra trong khối bê tông là từ phần này sang phần khác, diễn ra ở nơi tiếp xúc giữa bê tông với nền, giữa bê tông với ván khuôn và giữa bê tông với không khí hoặc nước

Phương trình vi phân dẫn nhiệt được thiết lập trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng

và định luật Fourier với các giả thiết là vật liệu đồng chất, đẳng hướng; các đại lượng vật lý không đổi; vật xem là hoàn toàn cứng, nghĩa là sự thay đổi thể tích do nhiệt độ gây nên rất nhỏ và các phần vĩ mô của vật không có sự chuyển động tương đối

Phương trình vi phân dẫn nhiệt viết dưới dạng tổng quát là:

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, với bê tông  = (1,1 ÷ 2,3) kcal/m.h.oC;

C: nhiệt dung riêng của vật liệu, với bê tông C = (0,22 ÷ 0,27) kcal/kg.oC;

: khối lượng riêng của vật liệu (kg/m³);

x,y,z : tọa độ điểm đang xét;

qv: công suất sinh nhiệt (kcal/m3.h)

   - Toán tử Laplace của hàm T

Phương trình (2.2) là phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát, nhiệt độ có quan hệ với không gian và thời gian Giải phương trình vi phân này, ta được nghiệm tổng quát dưới dạng T = f(x,y,z,t), kết hợp với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên xác định được nghiệm cụ thể của từng bài toán

Điều kiện ban đầu là quy luật phân bố nhiệt độ trong vật thể tại thời điểm ban đầu, dùng biểu thức dưới đây:

lx, ly, lz – pháp tuyến ngoài bề mặt biên

Khi   , từ công thức trên T – TC = 0, hay T = TC, lúc này trở thành biên loại 1

2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt, vì trong nội bộ chất lỏng hoặc chất khí không thể tránh khỏi có những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau

Trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động gọi

là tỏa nhiệt đối lưu Trong công trình thủy lợi, trao đổi nhiệt đối lưu là sự tỏa nhiệt từ

bề mặt công trình với không khí hoặc từ bề mặt công trình với môi trường nước Trong trường hợp bề mặt bê tông có ván khuôn thì sự tỏa nhiệt sẽ diễn ra trên bề mặt ván khuôn với môi trường

Theo định luật Fourier thì quan hệ giữa nhiệt lượng Q truyền qua bề mặt đẳng nhiệt F trong một đơn vị thời gian có thể xác định theo biểu thức:

F

Để thuận tiện trong tính toán thường dùng công thức ở dạng:

hay Q = .F.(Tw – Tf) (kcal/h) (2.9)

trong đó:

 : hệ số toả nhiệt (kcal/m².h.oC);

F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m²);

Tw: nhiệt độ bề mặt vách (oC);

Tf : nhiệt độ trung bình của chất lỏng (oC)

Trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ bề mặt vật, nhiệt độ nước, nhiệt độ không khí, vận tốc của nước và không khí, , C,  của vật rắn,v.v

2.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển hóa năng lượng: nhiệt năng biến thành năng lượng bức xạ và năng lượng bức xạ biến thành nhiệt năng Khác với trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt bằng đối lưu, cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ, mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối nhiệt độ của vật thể Trao đổi bằng nhiệt bức xạ giữa các vật còn có thể diễn

ra trong chân không

Ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến nhiệt độ môi trường, nó làm thay đổi nhiệt độ bề mặt công trình Sự tăng thêm biên độ dao động nhiệt ở bề mặt công trình do ánh sáng mặt trời w

Qo - năng lượng lớn nhất của ánh sáng (kcal/m².h);

w - hệ số truyền nhiệt đến bề mặt (kcal/m².h.oC)

2.4 Cơ chế nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn

Trong quá trình thủy hóa XM làm thay đổi nhiệt độ của khối bê tông sẽ dẫn đến sự biến đổi hình dạng của khối Nếu biến đổi hình dạng bị kiềm chế sẽ sinh ra ứng suất, gọi là ứng suất nhiệt Nếu ứng suất nhiệt là ứng suất kéo, thường gây nứt bê tông vì bê tông chịu kéo rất kém Trong đập BTĐL thường tồn tại hai loại vết nứt do nhiệt đó là nứt bề mặt và nứt xuyên từ nền

2.4.1 Nứt bề mặt

Trong quá trình bê tông đông cứng, do XM thuỷ hoá làm nhiệt độ của khối bê tông tăng cao, mặt ngoài của khối bê tông tỏa nhiệt nhanh, bên trong tỏa nhiệt chậm, sinh chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng dẫn đến thể tích các vùng biến đổi khác nhau, kiềm chế lẫn nhau Nhất là trường hợp bê tông mới đổ xong, nhiệt độ bên ngoài đột ngột hạ thấp làm cho mặt ngoài của khối bê tông co lại, trong lòng khối bê tông nở ra, dẫn đến chênh lệch biến dạng trong và ngoài khối lớn Kết quả là trong lòng khối bê tông sinh ứng suất nén, bề mặt sinh ứng suất kéo Ứng suất nhiệt lớn hay nhỏ là tùy thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ, biểu thị trên hình 2.1

Khi ứng suất kéo xuất hiện ở mặt ngoài vượt quá trị số cho phép sẽ xảy ra nứt Đó là nứt bề mặt Nứt mặt thường không sâu và có khả năng “khép lại” khi nhiệt độ trong khối bê tông giảm dần

(a) Phân bố nhiệt độ (b) Phân bố ứng suất

1-Ứng suất kéo; 2-Ứng suất nén

Hình 2.1 Ứng suất nhiệt tại bề mặt khối bê tông

2.4.2 Nứt xuyên

Nứt xuyên xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa khối bê tông mới đổ với nền đá hoặc với khối bê tông cũ, do ứng suất kiềm chế của nền đá hoặc khối bê tông cũ với khối bê tông mới đổ

Ứng suất kiềm chế sinh ra do khối bê tông mới đổ và nền đá hoặc khối bê tông đã đổ

cũ có sự chênh lệch về nhiệt độ hoặc chênh lệch về biến dạng do sự thay đổi nhiệt độ

Ở giai đoạn bê tông phát nhiệt, thể tích bê tông nở ra, ứng suất kiềm chế là ứng suất nén; ở giai đoạn hạ nhiệt, thể tích bê tông co lại, ứng suất kiềm chế là ứng suất kéo Khi ứng suất kéo vượt quá khả năng chịu kéo cho phép của bê tông sẽ phát sinh nứt, loại nứt này được gọi là nứt do sự kiềm chế của nền, hình 2.2

Loại nứt này bắt đầu từ mặt tiếp xúc với nền phát triển lên, nghiêm trọng có thể nứt suốt khối bê tông, phá vỡ sự chỉnh thể, do vậy thường gọi là nứt xuyên Vì vết nứt có thể tới 1÷3 m, nên còn được gọi là nứt sâu Vết nứt thường vuông góc với mặt nền, gây nguy hại cho đập

(a) Biến dạng do nền kiềm chế; (b) Phân bố ứng suất nhiệt khi bị nền kiềm chế:

1 : ứng suất nén, 2 : ứng suất kéo, xy : ứng suất tiếp; (c) Vết nứt do nền kiềm chế

Hình 2.2 Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông

2.5 Yêu cầu khống chế nhiệt cho đập BTĐL

Phần lớn các vết nứt phát sinh trong đập BTĐL đều có liên quan đến nhiệt độ hay nói cách khác ứng suất phát sinh do chênh lệch nhiệt độ vượt quá cường độ chịu kéo của BTĐL gây ra nứt Để khống chế nứt do nhiệt chủ yếu là khống chế nhiệt độ phát sinh trong thân đập thích hợp để đảm bảo điều kiện chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập, chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới, chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài ở trong phạm vi cho

(a) (b) (c)

phép Theo các nghiên cứu trước đây và trong các tài liệu kỹ thuật về đập BTĐL đều đưa ra các yêu cầu chung về khống chế các điều kiện này [30][60]

2.5.1 Chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập

Chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập là sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất với nhiệt độ ổn định tại vị trí đáy khối đập (trong phạm vi độ cao bằng 0,2 lần bề rộng đáy đập):

trong đó:

T - chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập;

Tp - Nhiệt độ đổ bê tông;

Tr - Tăng nhiệt thủy hóa của bê tông;

Tf - Nhiệt độ ổn định của khối đập

Do đập BTĐL không bố trí khe dọc trục đập, bề rộng đáy đập lớn, phạm vi ràng buộc nền lớn, chênh lệch nhiệt độ của trường nhiệt độ ổn định trong khối đập cũng lớn, vì vậy bất kể chênh lệch nhiệt theo phương ngang hay phương đứng đều là phân bố không đều Quy phạm SL314-2004 của Trung Quốc [30] quy định khi giá trị kéo dãn cực hạn của bê tông nền ở 28 ngày tuổi lớn hơn 0,85×10-6, chất lượng thi công tốt, mô đun đàn hồi của bê tông và nền xấp xỉ nhau, khối đổ lên đều liên tục với thời gian nghỉ ngắn, chênh lệch nhiệt độ cho phép được quy định ở bảng 2.3

Bảng 2 3 Chênh lệch nhiệt độ cho phép (oC)

2.5.2 Chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới

Chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới là chỉ ở trong khoảng thời gian bê tông mới đổ nghỉ trên khối bê tông cũ, hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa bê tông cũ và mới Mục đích là ngăn ngừa nhiệt độ bê tông mới đổ ở trên quá cao, khi nhiệt giảm chịu sự ràng buộc của bê tông cũ sẽ gây ra nứt Nguyên nhân là:

Tác dụng thủy hóa của bê tông cũ trong thời gian nghỉ bị kiềm chế, nhiệt độ bên trong chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ không khí làm tính chu kỳ thay đổi, tiệm cận thậm chí thấp hơn nhiệt độ không khí bình quân năm

Tuổi bê công cũ dài, mô đun đàn hồi cao, thậm chí lớn hơn nền đá, đối với bê tông mới bị ràng buộc khi nhiệt giảm

Quy phạm SL319-2005 của Trung Quốc [31] quy định “chênh lệch nhiệt độ lớp trên

và dưới trong phạm vi khoảng L/4 tính từ mặt bê tông cũ khi tuổi bê tông qua 20 ngày, chênh lệch giữa nhiệt độ bình quân cao nhất lớp trên bê tông cũ với nhiệt độ bình quân thực tế lớp dưới khi bắt đầu đổ bê tông mới Khi chiều cao lớp đổ bê tông lớp trên lên đều giãn cách ngắn, chênh lệch nhiệt độ cho phép lớp trên và dưới là 15~20 o C, khi mặt bên khối đổ lộ ra trong thời gian dài nên dùng giá trị nhỏ hơn” Quy

phạm này đã xây dựng một tiêu chuẩn chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới, trong thực

tế chênh lệch lớp trên dưới thường chuyển đổi là khống chế nhiệt độ cao nhất của bê tông mới đổ

Do ngày tuổi của bê tông cũ dài, về cơ bản nhiệt độ bên trong thay đổi theo nhiệt độ không khí, vì vậy đối với khối bê tông cũ có bề rộng bình thường, nhiệt độ bình quân trong khoảng 0 ~ L/4 độ sâu bê tông cũ khi bắt đầu đổ bê tông mới có thể tính toán theo công thức dưới đây:

L 4

Tm – nhiệt độ không khí bình quân năm;

Tb – biên độ nhiệt độ không khí năm;

 - hệ số biên độ nhiệt độ nhiệt độ không khí năm;

a – hệ số dẫn nhiệt bê tông cũ;

 - tần suất thay đổi nhiệt độ không khí;

t – thời gian thay đổi nhiệt độ không khí;

x – biến tích phân của phương độ cao bê tông;

L – độ rộng của khối đổ bê tông

Đối với khối cụ thể, thay đổi nhiệt độ không khí năm [Tm + Tbsin(t)] và kích thước

bê tông cũ là đã biết, thay vào công thức (2.12) thu được giá trị  và nhiệt độ bình quân T0 giữa 0 ~ L/4 độ sâu trong bê tông cũ khi bắt đầu đổ bê tông mới, căn cứ vào quy phạm đưa ra yêu cầu khống chế nhiệt độ bình quân cao nhất (trong khoảng L/4) của bê tông mới đổ lớp trên thỏa mãn yêu cầu chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới:

2.5.3 Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài

2.5.3.1 Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài

Như đã biết ứng suất nhiệt là do sự thay đổi của trường nhiệt độ gây nên, sau khi đổ một khối bê tông đập, do ảnh hưởng của thay đổi nhiệt thủy hóa và nhiệt độ không khí bên ngoài, nhiệt độ bên trong liên tục thay đổi tương đối với nhiệt độ ban đầu, thay đổi của trường nhiệt độ có thể phân thành hai phần giảm nhiệt bình quân và phi tuyến, có thể xem xét lần lượt hai thành phần này dựa vào nguyên lý chất tải Nhưng đối với vị trí không tồn tại ràng buộc bên ngoài, giảm nhiệt bình quân không thể phát sinh ứng suất nhiệt hoặc có thể bỏ qua không tính

Đối với phần giảm nhiệt phi tuyến, trong khối đập sẽ sinh ra ứng suất vì vậy cần phải thêm phân tích và hạn chế Độ lớn của ứng suất có liên quan đến biên độ giảm nhiệt phi tuyến và gradient, hai vấn đề này đều có thể biểu thị sự chênh lệch giảm nhiệt giữa hai điểm trong và ngoài khối đập Nhưng dưới điều kiện nhiệt độ ban đầu phân bố đều, chênh lệch giảm nhiệt giữa hai điểm trong và ngoài hay bằng chênh lệch nhiệt độ hai điểm trong và ngoài (chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài), trong thực tế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập có thể là chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trung tâm và điểm bên ngoài như biểu thị ở hình 2.3 Vì vậy vấn đề chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập thực chất là phản ánh phân bố giảm nhiệt phi tuyến của khối đập, tạo thành ràng buộc nội tại mà phát sinh ứng suất nhiệt

Hình 2.3 Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập

Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài sinh ứng suất kéo trên mặt thượng hạ lưu đặc biệt

là ứng suất theo phương đứng Đây là do mặt thượng hạ lưu lộ ra trong khoảng thời gian dài chịu tác dụng trực tiếp của nhiệt độ không khí tạo thành chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài lớn; do có các đoạn đập liên tục ở hai bên, không cho phép chênh lệch

độ cao quá lớn trong thi công, ở phương song song dọc trục đập hình thành thang độ nhiệt khá nhỏ; ngoài ra khoảng cách khe dọc khối đập thông thường đều lớn hơn khoảng cách khe ngang và hai bên trái phải là biên tự do

Vết nứt do chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài thường là vết nứt sâu và ở thời kỳ sau

Vì vậy không thể bỏ qua khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài

2.5.3.2 Thực tế khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài

Mục tiêu khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập là đưa ra giá trị cho phép đảm bảo khi chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài lớn nhất xuất hiện trong khối đập, ứng suất kéo bề mặt (hoặc biến dạng) không vượt quá cường độ kháng kéo giới hạn của bê tông (hoặc giá trị kéo dãn giới hạn)

Tuy nhiên do chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài không xác định được chính xác và khó khống chế, trong thực tế khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài thường chuyển thành khống chế nhiệt độ cao nhất

Từ hình 2.3 có thể thấy rằng, chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài cao nhất trong khối đập T0 xuất hiện vào mùa lạnh và nhiệt độ cao nhất khi đổ Tm có quan hệ như dưới đây:

T0 là chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài;

Tm là lượng giảm nhiệt bình quân từ giá trị nhiệt độ cao nhất đến khi xuất hiện chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài lớn nhất

2.6 Phương pháp giải bài toán nhiệt

2.6.1 Các phương pháp giải bài toán nhiệt

Lý thuyết về truyền nhiệt đã được phát triển từ rất sớm và đã được ứng dụng rộng rãi vào tính toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau Để giải bài toán nhiệt hiện có 3 phương pháp chính như sơ đồ hình 2.4

Hình 2.4 Các phương pháp chính để giải bài toán nhiệt

2.6.1.1 Phương pháp giải tích

Nội dung của phương pháp này là giải phương trình truyền nhiệt nhằm tìm một tổ hợp các nghiệm riêng Ti thỏa mãn phương trình vi phân và các điều kiện biên Sau đó thành lập chuỗi các nghiệm theo nguyên tắc cộng:

Các hệ số Wi tìm từ điều kiện ban đầu Nghiệm riêng T được tìm dưới dạng tích của hai hàm số, một chỉ phụ thuộc vào thời gian (t), hàm số kia chỉ phụ thuộc vào tọa độ

Bản chất của phương pháp này là dùng phép biến đổi tích phân chuyển các hàm số gốc thành các hàm số ảnh Sau đó thực hiện phép tính trên các hàm số ảnh Khi đã đến kết quả, ta lại dùng phép biến đổi ngược để tìm lại biểu thức giải tích của nghiệm Nhờ phép biến đổi này nhiều bài toán vi phân được chuyển thành những bài toán đại số thông thường, việc giải có thể thực hiện được Tuy nhiên với các bài toán lớn sẽ gặp nhiều khó khăn khi thực hiện bằng tay

2.6.1.3 Phương pháp gần đúng

 Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn do F.Sitmit đề xướng, nó được ứng dụng để giải các bài toán trường 1 chiều và trường 2 chiều

Cơ sở của phương pháp này là thay đạo hàm bằng tỷ số các số gia hàm số và số gia biến số Các đại lượng vi phân T, x, y, t được thay bằng các đại lượng sai phân tương ứng T, x, y, t Với hàm T và T’(x,y,t) các đạo hàm riêng cấp một và cấp hai được chuyển thành các tỷ sai phân Để đơn giản trong tính toán, thường chọn x =

y

Trường hợp bài toán một chiều phương trình truyền nhiệt có dạng:

Tn,k+1 là nhiệt độ tại điểm n vào thời điểm k+1;

Tn-1,k, Tn,k, Tn+1,k : là nhiệt độ tại điểm n-1, n, n+1 vào thời điểm k;

Tr là nhiệt tăng do XM thủy hoá sinh ra trong thời đoạn t

Tương tự trường hợp bài toán hai chiều, miền tính toán chia thành lưới ô vuông (x =

y) Diện tích ô lưới vuông nên chọn sao cho 4a t2 1

x





 , nhiệt độ tại mỗi điểm nút

mn tại thời điểm k+1 được tính bằng công thức:

Phương pháp sai phân hữu hạn có nhược điểm là các vật có hình dạng hình học và điều kiện biên phức tạp tính toán gặp nhiều khó khăn

Phương pháp mô hình cho kết quả trực quan, tuy nhiên việc thực hiện tương tự mô hình gặp nhiều khó khăn và tốn kém, thường sử dụng để kiểm chứng mô hình toán

 Phương pháp phần tử hữu hạn

Đây là phương pháp hiện đại đang được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán của cơ học môi trường liên tục với những vật thể có hình dạng hình học bất kỳ, điều kiện biên và chịu tải phức tạp Sự ra đời và phát triển của phương pháp này liên hệ chặt chẽ với sự phát triển của máy tính điện tử Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt bằng phương pháp PTHH sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3

2.6.1.4 Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt

Ngày nay các nghiên cứu về nhiệt trong BTKL và những cơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt đã tương đối hoàn chỉnh Các phương trình cơ bản để tính trường nhiệt độ và trường ứng suất trong BTKL hầu hết xuất phát như nhau Nhưng việc giải bài toán nhiệt trong BTKL khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, kết quả của bài toán phụ

thuộc vào nhiều yếu tố Với đặc điểm của bài toán như vậy, thì việc chọn Phương

pháp PTHH để giải bài toán nhiệt sẽ đáp ứng được các yêu cầu đề ra Khi dùng

phương pháp PTHH để giải bài toán nhiệt trong BTKL có thể dễ dàng giải quyết hai bài toán:

- Tìm sự phân bố nhiệt độ trong khối bê tông (trường nhiệt độ) theo không gian và thời gian

- Tìm sự phân bố ứng suất nhiệt (trường ứng suất nhiệt) trong khối bê tông dưới ảnh hưởng của nhiệt độ

Đây là cơ sở cho việc nghiên cứu biện pháp giảm ứng suất nhiệt BTĐL trong các công trình đập thủy lợi thủy điện ở Việt Nam

2.6.2 Cơ sở tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.6.2.1 Các giả thiết

Để giải bài toán nhiệt trong thực tế công trình bằng phương pháp PTHH, ngoài các điều kiện ban đầu, điều kiện biên của bài toán nhiệt nói chung, cần đưa vào một số giả

- Với các đặc trưng truyền nhiệt của bê tông như: hệ số dẫn nhiệt (), nhiệt dung riêng (C) không thay đổi theo tuổi bê tông

- Đập BTĐL thuộc loại BTKL, nhiệt lượng tỏa ra trong khối bê tông theo cả 3 phương Tuy nhiên do chiều dài đập tương đối lớn so với mặt cắt ngang nên nhiệt lượng tỏa ra theo phương dọc trục đập bị kiềm chế và chủ yếu tỏa ra bên ngoài theo phương mặt cắt ngang đập Vì vậy nhiệt lượng tỏa ra từ trong khối bê tông ra môi trường xung quanh theo hai phương trong mặt phẳng cắt ngang đập, nên các nghiên cứu chỉ thực hiện cho bài toán phẳng [26][3]

2.6.2.2 Xác định trường nhiệt độ

(1) Chọn dạng phần tử

Đối với bài toán phẳng sử dụng phần tử tứ giác có bốn điểm nút ký hiệu là i, j, k, l (hình 2.5a) hoặc tam giác có ba điểm nút khi phần tử tứ giác suy biến có hai điểm nút trùng nhau i, j, k (l  k), xem hình 2.5b

(a) Phần tử tứ giác (b) Phần tử tam giác

Hình 2.5 Phần tử phẳng sử dụng trong tính toán nhiệt (2) Chọn dạng hàm xấp xỉ trường nhiệt độ trong phạm vi phần tử

Giả thiết trong phạm vi phần tử nhiệt độ là hàm bậc nhất của tọa độ

trong đó:  P [1 x y]

3 2

a [

(3) Thiết lập phương trình xác định nhiệt độ nút

Về mặt toán học đã chứng minh rằng hàm xấp xỉ (2.25) là nghiệm phải tìm nếu trị số của nó cho giá trị cực tiểu của phiếm hàm:

2 3

2 2

i

χ

0T

T

NT

(1) Các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi

Trong luận án này giới hạn chỉ xét bài toán biến dạng phẳng của lý thuyết đàn hồi Lúc này biến dạng theo phương z được coi bằng 0 Giả thiết này được áp dụng cho các kết cấu có kích thước theo một phương (phương z) khá nhỏ so với kích thước của hai phương kia (phương x, y)

Với bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi các phương trình được viết ở dạng:

a Phương trình cân bằng:

y x

0

,  

xy y x

y0

0xT

γ ε

μ.σE



 



H ,

)1(2

EG

với    D  E 1, được gọi là ma trận đàn hồi của vật liệu

(2) Xác định trường ứng suất nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Hình 2.6 Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tứ giác và tam giác

b Chọn dạng hàm xấp xỉ trường chuyển vị trong phạm vi phần tử:

Giả thiết trong phạm vi phần tử chuyển vị là hàm bậc nhất của tọa độ

000yx1P

6 2

e u ,v ,u ,v ,u ,v

k k

j j

j j

i i

i i

yx1000

000yx1

yx1000

000yx1

yx1000

000yx1

c Thiết lập phương trình xác định chuyển vị nút:

Về mặt toán học đã chứng minh được rằng hàm xấp xỉ (2.37) là nghiệm phải tìm nếu trị của nó cho giá trị cực tiểu của phiếm hàm:

    .dV    u X.dV    u p.dS)2

1

S

T V

T V

n 1 e

 p là véctơ lực bề mặt,    T

y

x,PP

p  , với Px, Py là các thành phần của lực bề mặt theo các phương x, y

Thay (2.37) vào (2.31) được