Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ THANH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HÀ THANH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC

BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HÀ THANH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẬP TRỌNG LỰC BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 9.58.02.02

2 GS.TS VŨ THANH TE

HÀ NỘI, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn tài liệu nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Hà Thanh Dương

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp

đỡ tận tình của các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của đập trọng lực

bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành” đã hoàn thành.

Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sauđại học, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp đỡtạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án

Và tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của tập thể PGS.TS.Nguyễn Quang Hùng, GS.TS Vũ Thanh Te từ những ngày đầu đã có những ý kiếnquý báu trong quá trình thực hiện Luận án Tập thể các thầy đã tạo điều kiện tốt nhấtcho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án

Và tác giả chân thành cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp

đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận án

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận án không tránh khỏi nhữngthiếu sót Tác giả kính mong các thầy cô, các nhà khoa học chỉ bảo, các đồng nghiệpđóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

Hà nội, tháng 1/2019

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

3.2 Phạm vi nghiên cứu 4

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

4.1 Cách tiếp cận 4

4.2 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án 5

6 Cấu trúc của Luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Khái quát về bê tông đầm lăn 6

1.1.1 Giới thiệu công nghệ bê tông đầm lăn 6

1.1.2 Đặc điểm của BTĐL 7

1.1.2.1 Vật liệu BTĐL 7

1.1.2.2 Đặc điểm của kỹ thuật thi công BTĐL 8

1.2 Tổng quan về tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam 10

1.2.1 Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới 10

1.2.2 Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam 13

1.3 Tổng quan về nứt đập BTĐL 15

1.3.1 Vấn đề nứt đập BTĐL trên thế giới 15

1.3.2 Vấn đề nứt đập BTĐL tại Việt Nam 17

1.3.2.1 Theo hình thức vết nứt 17

1.3.2.2 Theo vị trí vết nứt 18

1.4 Tổng quan về nghiên cứu nứt đập BTĐL 18

1.4.1 Nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới 18

1.4.1.1 Nghiên cứu vật liệu nhằm nâng cao khả năng chống nứt của BTĐL 18

1.4.1.2 Về hình thức kết cấu và công nghệ thi công 20

1.4.1.3.Về công nghệ tính toán mô phỏng 22

1.4.2 Nghiên cứu nứt đập BTĐL tại Việt Nam 26

1.4.3 Nhận xét về nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam 28

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với Luận án 29

1.6 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 30

2.1 Đặt vấn đề 30

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng 30

2.2.1 Khái niệm chung 30

2.2.2 Kỹ thuật sinh lưới tự thích ứng 31

2.2.3 Kỹ thuật đánh giá sai số 33

2.2.4 Tính toán tự thích ứng trong ANSYS [42] 35

2.2.4.1 Điều kiện tính toán 35

2.2.4.2 Các bước tính toán 35

2.2.4.3 Thực hiện bằng số 36

2.2.5 Nhận xét 38

2.3 Phương pháp ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng 38

2.3.1 Nguyên lý tính toán 38

2.3.2 Công thức tính toán 39

2.3.3 Tính toán ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng trong ANSYS 40

2.3.3.1 Các bước tính toán 40

2.3.3.2 Thực hiện bằng số 41

2.3.4 Nhận xét 43

2.4 Mô phỏng quá trình phá hoại BTĐL 43

2.4.1 Tiêu chuẩn phá hoại BTĐL 43

2.4.2 Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt [42][59] 46

2.4.2.1 Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt trong ANSYS 46

2.4.2.2 Thực hiện bằng số 50

2.5 Xây dựng bài toán tính toán ứng suất và biến dạng đập trọng lực BTĐL bằng

ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong ANSYS 52

2.5.1 Mô tả kết cấu đập 52

2.5.2 Xử lý điều kiện biên 53

2.5.2.1 Vấn đề điều kiện biên nền khi tính toán động 53

2.5.2.2 Điều kiện biên mô phỏng môi trường vô hạn 54

2.5.2.3 Xử lý biên đàn hồi – cản nhớt trong phần mềm ANSYS 55

2.5.4 Chương trình tính kết cấu đập BTĐL 56

2.5.5 Tính toán ứng suất, biến dạng và nứt đập BTĐL 56

2.5.5.1 Số liệu tính toán 56

2.5.5.2 Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất 58

2.5.5.3 Kết quả tính toán nứt 59

2.5.5.4 Nhận xét kết quả tính toán 60

2.5.6 Kiểm tra độ tin cậy của Chương trình 61

2.6 Kết luận Chương 2 66

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỨT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 68

3.1 Đặt vấn đề 68

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nứt tới khả năng chịu tải của đập BTĐL 68

3.2.1 Vết nứt ngang xuất hiện tại chân đập thượng lưu đập 68

3.2.1.1 Cơ sở nghiên cứu 68

3.2.1.2 Sơ đồ tính toán 69

3.2.1.3 Kết quả tính toán 70

3.2.1.4 Nhận xét kết quả tính toán 75

3.2.2 Vết nứt đứng xuyên từ nền 75

3.2.2.1 Cơ sở nghiên cứu 75

3.2.2.2 Sơ đồ tính toán 76

3.2.2.3 Kết quả tính toán 77

3.2.2.4 Nhận xét kết quả tính toán 81

3.2.3 Vết nứt trong thân đập dọc trục đập 82

3.2.3.1 Cơ sở nghiên cứu 82

3.2.3.2 Sơ đồ tính toán 82

3.2.3.3 Kết quả tính toán 83

3.2.3.4 Nhận xét kết quả tính toán 85

3.2.4 Các vết nứt xuất hiện đồng thời 85

3.2.4.1 Cơ sở nghiên cứu 85

3.2.4.2 Sơ đồ tính toán 85

3.2.4.3 Kết quả tính toán 86

3.2.4.4 Nhận xét kết quả tính toán 89

3.3 Kết luận Chương 3 89

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SƠN LA 91

4.1 Giới thiệu công trình 91

4.1.1 Giới thiệu chung 91

4.1.2 Thông số động đất thiết kế khu vực công trình thủy điện Sơn La 92

4.1.3 Các vết nứt đập BTĐL Sơn La được phát hiện trong quá trình thi công 93

4.2 Nghiên cứu sự hình thành vết nứt trong thân đập BTĐL Sơn La 94

4.2.1 Sơ đồ tính toán 94

4.2.2 Kết quả tính toán 95

4.2.3 Nhận xét kết quả tính toán 96

4.3 Nghiên cứu sự phát triển nứt trong thân đập BTĐL Sơn La 96

4.3.1 Sơ đồ tính toán 96

4.3.2 Kết quả tính toán 98

4.3.2.1 Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C2 98

4.3.2.2 Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C3 102

4.4 Đánh giá khả năng chịu tải của đập 105

4.5 Kết luận Chương 4 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

1 Những kết quả đạt được của Luận án 106

2 Những đóng góp mới của Luận án 107

3 Những tồn tại và hướng phát triển nghiên cứu 107

4 Kiến nghị 107

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

PHỤ LỤC 115

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Công nghệ thi công BTĐL 6

Hình 1 2 Vị trí vết nứt trong đoạn số 6 (04/2000 và 03/2001) 17

Hình 1 3 Hình thức kết cấu đập BTĐL của Mỹ và Nhật Bản 20

Hình 1 4 Hình thức kết cấu đập BTĐL Trung Quốc 21

Hình 1 5 Sơ đồ lưới PTHH tính toán phát triển nứt của L.J.Malvar 23

Hình 1 6 Vùng phá hoại nứt 23

Hình 1 7 Biến dạng ở thời điểm phá hoại 23

Hình 1 8 Mạng lưới tự thích ứng trong quá trình phát triển vết nứt 24

Hình 1 9 Mô hình mô phỏng tiếp xúc tại vị trí vết nứt 24

Hình 1 10 Hai loại vết nứt tồn tại trong thân đập 25

Hình 1 11 Chuyển dịch tương đối lớn nhất tại vị trí vết nứt đối với hai loại vết nứt 25

Hình 1 12 Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại I 26

Hình 1 13 Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại II 26

Hình 2 1 Ba mô hình cơ bản để thay đổi mạng lưới phần tử liên tục 32

Hình 2 2 Quá trình tính toán PTHH thích ứng 32

Hình 2 3 Mô hình chia lưới PTHH tự thích ứng 36

Hình 2 4 Mô hình phần tử hữu hạn 37

Hình 2 5 Phần trăm sai số năng lượng 37

Hình 2 6 Phân bố chuyển vị tổng 37

Hình 2 7 Phân bố ứng suất Von Mises 37

Hình 2 8 Kết quả tính toán ứng suất trong thân đập 38

Hình 2 9 Sơ đồ quá trình thực hiện tính toán ứng suất tương đương 40

Hình 2 10 Phân bố ứng suất theo phương đứng SY 41

Hình 2 11 Phân bố ứng suất theo phương đứng SY tại mặt cắt đáy khối theo PTHH 41 Hình 2 12 Tính toán ƯSTĐ-PTHH 41

Hình 2 13 Tính toán ứng suất SBVL 41

Hình 2 14 So sánh ứng suất phương đứng SY theo PTHH và ƯSTĐ-PTHH 42

Hình 2 15 So sánh ứng suất phương đứng SY theo SBVL và ƯSTĐ-PTHH 42

Hình 2 16 Phương gia cố dưới hệ tọa độ phần tử 48

Hình 2 17 Hình biểu thị Rt .49

Hình 2 18 Quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến của vật liệu bê tông trong ANSYS 51 Hình 2 19 Mô hình PTHH tự thích ứng 51

Hình 2 20 Phân bố chuyển vị tổng 51

Hình 2 21 Vết nứt tại chân thượng lưu 52

Hình 2 22 Kết cấu mặt cắt đập bê tông trọng lực 53

Hình 2 23 Biên cản nhớt 54

Hình 2 24 Biên đàn hồi – cản nhớt 54

Hình 2 25 Phần tử lò xo – cản nhớt 56

Hình 2 26 Mặt cắt ngang đập Đồng Nai 4 57

Hình 2 27 Mô hình hình học 58

Hình 2 28 Mô hình PTHH tự thích ứng 58

Hình 2 29 Phân bố chuyển vị tổng 58

Hình 2 30 Phân bố ứng suất SY 58

Hình 2 31 Phân bố ứng suất chính S1 59

Hình 2 32 Phân bố ứng suất chính S3 59

Hình 2 33 Vị trí phát sinh vết nứt trong thân đập 60

Hình 2 34 Mặt cắt ngang đập Koyna - Ấn Độ 61

Hình 2 35 Gia tốc động đất Koyna tháng 11/1967 [17] 61

Hình 2 36 Kết quả mô phỏng số trên phần mềm ABAQUS và thí nghiệm mô hình của Mridha S [16] 62

Hình 2 37 Mô hình tính toán tương tác 3D đập – nước – nền [65] 62

Hình 2 38 Kết quả mô phỏng số và thí nghiệm mô hình của Gaohui Wang [65] 63

Hình 2 39 Kết quả tính toán nứt đập Koyna bằng Chương trình RCCD_CRACK 63 Hình 2 40 Mặt cắt ngang đập Guandi – Trung Quốc 64

Hình 2 41 Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna cho bài toán 2D [17] 65

Hình 2 42 Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna cho bài toán 3D [65] 65

Hình 2 43 Phân bố chuyển vị tổng 66

Hình 2 44 Phân bố ứng suất chính S1 66

Hình 2 45 Kết quả tính toán phá hoại nứt đập Guandi bằng Chương trình RCCD_CRACK 66

Hình 3 1 Ứng suất tại bề mặt khối bê tông 69

Hình 3 2 Phát triển vết nứt từ vết nứt ban đầu 69

Hình 3 3 Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập 70

Hình 3 4 Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập 71

Hình 3 5 Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản 71

Hình 3 6 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản 71

Hình 3 7 Mô hình PTHH tự thích ứng 73

Hình 3 8 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất 73

Hình 3 9 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất 73

Hình 3 10 Ứng suất chính lớn nhất trong thân đập tại thời điểm 10s 73

Hình 3 11 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt 74

Hình 3 12 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất 74

Hình 3 13 Vết nứt trước thời điểm đập bị phá hoại tổng thể 75

Hình 3 14 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang đến thời điểm bị phá hoại 75

Hình 3 15 Biến dạng do nhiệt độ và ứng suất của khối bê tông do nền kiềm chế 76

Hình 3 16 Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt đứng xuyên từ nền 77

Hình 3 17 Phân bố chuyển vị tổng 78

Hình 3 18 Vết nứt xuất hiện tại chân TL 78

Hình 3 19 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt 79

Hình 3 20 Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất 79

Hình 3 21 Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 2 lần 80

Hình 3 22 Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 3 lần 80

Hình 3 23 Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 4 lần 81

Hình 3 24 Vết nứt xuất hiện trong thân đập 82

Hình 3 25 Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập 83

Hình 3 26 Vùng nứt tại chân đập dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản 83

Hình 3 27 Phổ chuyển vị tổng dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản 84

Hình 3 28 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất 85

Hình 3 29 Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập 86

Hình 3 30 Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập 87

Hình 3 31 Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản 87

Hình 3 32 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản 87

Hình 3 33 Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt 88

Hình 3 34 Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp đặc biệt có động đất 88

Hình 3 35 Vết nứt ngang phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt 88

Hình 4.1 Sơ đồ phân khối đổ đập BTĐL Sơn La 92

Hình 4.2 Băng gia tốc số 1a xấp xỉ với đường cong phổ động đất thiết kế cực đại cho công trình thủy điện Sơn La [68] 93

Hình 4.3 Băng gia tốc số 4a xấp xỉ với đường cong phổ động đất cơ sở vận hành cho công trình thủy điện Sơn La [68] 93

Hình 4.4 Mặt cắt ngang đập BTĐL Sơn La 94

Hình 4.5 Quá trình phá hoại đập BTĐL Sơn La dưới tác dụng của tải trọng động đất 95 Hình 4.6 Kết quả tính toán tại thời điểm đập BTĐL bị phá hoại hoàn toàn 96

Hình 4.7 Sơ đồ tính toán cho trường hợp 1 tồn tại vết nứt tại khối C2 97

Hình 4.8 Sơ đồ tính toán cho trường hợp 2 tồn tại vết nứt tại khối C3 98

Hình 4.9 Mô hình PTHH tự thích ứng 99

Hình 4.10 Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản 99

Hình 4.11 Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản 99

Hình 4.12 Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản 99

Hình 4.13 Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang 100

Hình 4.14 Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng 100

Hình 4.15 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang 100

Hình 4.16 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng 100

Hình 4.17 Phát triển vết nứt tại chân đập thượng lưu trong quá trình động đất 101

Hình 4.18 Phát triển vết nứt tại vị trí vết nứt ban đầu trong quá trình động đất 101

Hình 4.19 Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan 102

Hình 4.20 Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan 102

Hình 4.21 Mô hình PTHH tự thích ứng 103

Hình 4.22 Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản 103

Hình 4.23 Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản 103

Hình 4.24 Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản 103

Hình 4.25 Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang 103

Hình 4.26 Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng 103

Hình 4.27 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang theo thời gian 104

Hình 4.28 Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng theo thời gian 104

Hình 4.29 Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan 104

Hình 4.30 Phân bố ứng suất chính lớn nhất dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan 104

Hình 4.31 Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan 104

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Số lượng đập BTĐL tại một số nước trên thế giới 11

Bảng 1.2 10 đập BTĐL có thể tích lớn nhất thế giới 12

Bảng 1.3 10 đập BTĐL có chiều cao lớn nhất thế giới 12

Bảng 1.4 Danh mục các đập BTĐL ở Việt Nam 14

Bảng 1.5 Thông kê vết nứt đập Yushi (04/2000) [5] 16

Bảng 2.1 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông 36

Bảng 2.2 Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất theo phương pháp PTHH 37

Bảng 2.3 So sánh kết quả tính toán theo hai phương pháp 42

Bảng 2.4 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến 51

Bảng 2.5 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền 57

Bảng 2.6 Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất 59

Bảng 2.7 Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Koyna 62

Bảng 2.8 Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Guandi 64

Bảng 3 1 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến 70

Bảng 3 2 Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản 72

Bảng 3 3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản 78

Bảng 3 4 Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản 84

Bảng 3 5 Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt 87

Bảng 3 6 Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt 89

Bảng 4 1 Thời gian thi công các khối đổ BTĐL tính đến 02/2009 91

Bảng 4 2 Các thông số của băng gia tốc chọn lựa nhằm xấp xỉ với phổ động đất thiết kế cực đại (ME) và cơ sở vận hành (OBE) cho công trình thủy điện Sơn La 92

Bảng 4 3 Mô tả vết nứt tại các khối đổ BTĐL 94

Bảng 4 4 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập BTĐL Sơn La 95

Bảng 4 5 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền đập BTĐL Sơn La 97

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTACI American Concrete Institute (Viện Bê tông Hoa Kỳ)

AIT Asian Institute of Technology (Viện Công nghệ Châu Á)

APDL Ansys Parametric Design Language (Ngôn ngữ thiết kế tham số)

BTCT Bê tông cốt thép

CIRIA Construction Industry Research and Information Association (Hiệp

hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng)

CVC Conventional Vibrated Concrete (Bê tông thông thường)

IDRC International Development Research Centrer

ICOLD International Commission On Large Dams (Hội đập lớn thế giới)

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MNDGC Mực nước dâng gia cường (Mực nước lũ lớn nhất)

RCC Roller Compacted Concrete (Bê tông đầm lăn)

RCCD Roller Compacted Concrete Dams (Đập BTĐL)

RCD Roller Compacted Dam (Đập đầm lăn)

SBVL Sức bền vật liệu

TH1 Tổ hợp tải trọng tĩnh

TLBT Trọng lượng bản thân

USACE U.S Army Corps of Engineers (Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ)

USBR U.S Bureau of Reclamation (Cục khai hoang Mỹ)

ƯSTĐ-PTHH Ứng suất tương đương phần tử hữu hạn

DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

 Mức độ hiệu quả dùng để đánh giá sai số

k Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào loại phần tử

η Sai số toàn phần của toàn miền tính toán

N adapt Số phần tử cần gia tăng cục bộ trong lưới phần tử tự thích ứng

y Ứng suất theo phương đứng tại vị trí x

n Số điểm nút trên mặt cắt

I Mô men quán tính của mặt cắt đối với xo

E Môđun đàn hồi của vật liệu (kN/m2

)

 Hệ số Poisson của vật liệu

 Khối lượng riêng của vật liệu(T/m3)

f t Cường độ chịu kéo lớn nhất của bê tông (kN/m2)

f c Cường độ chịu nén lớn nhất của bê tông (kN/m2)

α Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt đóng

β Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt mở

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú, có 2.360 con sôngchiều dài trên 10km, trong đó 9 hệ thống sông chính có diện tích lưu vực hơn 10.000

km2 Việt Nam cũng là nước có truyền thống phát triển công trình thủy lợi, từ nhiềuthế kỷ trước đó đã xây dựng các hệ thống đê sông và kênh đào dùng cho cấp nước vàvận tải thủy Sau năm 1954, dưới sự trợ giúp kỹ thuật của Liên Xô và Trung Quốc,Việt Nam đã xây dựng được một vài nhà máy thủy điện lớn như Thác Bà (tổng dunglượng lắp máy 120MW, đập đất đá cao 48m); Hòa Bình (tổng dung lượng lắp máy1.920MW, đập đá đổ lõi sét cao 128m) Theo tài liệu thống kê của Hội đập lớn vàphát triển nguồn nước Việt Nam, tính đến nay Việt Nam đã xây dựng được khoảng6.500 đập lớn nhỏ phân bố ở 41/64 tỉnh thành, trong đó có 560 hồ chứa có dung tíchnước lớn trên 3 triệu m3 hoặc đập cao trên 15m và chủ yếu tập trung ở miền Bắc vàNam Trung bộ, Tây Nguyên Các loại đập được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đậpđất đá, đập đất, đập bê tông rất ít Từ năm 2000 trở lại đây, cùng với sự phát triển củacác dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựng khá nhiều Tính đến nay Việt Nam

đã và đang thi công trên 30 đập bê tông lớn (đập cao trên 60m)

Bê tông đầm lăn (RCC – Roller Compacted Concrete) theo Viện nghiên cứu bê tông

của Mỹ (ACI) là loại “bê tông được đầm bằng máy đầm lăn; hỗn hợp bê tông ở dạng chưa đông cứng có khả năng hỗ trợ cho máy đầm khi hoạt động đầm” Như vậy, bê

tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông được làm chặt bằng phương pháp đầm lăn, khácvới bê tông truyền thống được làm chặt bằng phương pháp đầm rung Sử dụng BTĐLđược coi như một bước phát triển đột phá trong công nghệ xây dựng đập bê tông trọnglực nói riêng, xây dựng đập công trình thủy lợi, thủy điện nói chung Với những ưuđiểm vượt trội của BTĐL đó là: lượng dùng xi măng thấp, tỷ lệ nước/chất kết dínhthấp, lượng nước chỉ vừa đủ cho sự thủy hóa của xi măng và các điều này đã góp phầnlàm giảm thiểu khả năng nứt do nhiệt thủy hóa của xi măng và nứt do co ngót của bêtông; Hơn thế nữa, do tốc độ thi công BTĐL nhanh, nhất là đối với thi công các đập cómặt bằng thi công rộng, khối lượng bê tông lớn tạo ra giá thành công trình giảm, đạthiệu quả kinh tế cao Tính kinh tế và việc thi công thành công BTDL đã nhanh chóngđược công nhận trên toàn thế giới và được xem là sự phát triển quan trọng nhất trongcông nghệ xây dựng đập trong suốt hơn 40 năm qua Theo báo cáo của Hội đập lớn thếgiới (Hội nghị quốc tế lần thứ 5 về BTĐL tháng 02/2007), số lượng đập BTĐL khôngngừng tăng lên theo thời gian Tính đến nay toàn thế giới đã xây dựng được trên 300

đập BTĐL phân bố trên 44 quốc gia, đứng đầu là Trung Quốc, Nhật, Mỹ, Braxin, TâyBan Nha v.v…

Mặc dù đi sau các nước trên thế giới và khu vực về việc áp dụng công nghệ BTĐLtrong xây dựng đập Tuy nhiên, đến nay có thể nói Việt Nam đã chính thức có tên trênbản đồ công nghệ BTĐL của thế giới Đã có trên 30 đập trọng lực thi công bằng côngnghệ BTĐL tại Việt Nam Theo báo cáo của Dustan M.M tại Hội nghị xây dựng đậpBTĐL, do Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) tổ chức tại Hà nội tháng 4 năm 2007,đập BTĐL thủy điện Sơn La đứng thứ 10 về chiều cao và đứng thứ 3 về khối lượng bêtông trong số 10 đập bê tông lớn nhất thế giới, tính đến năm 2006 Từ năm 2000 trở lạiđây, cùng với sự phát triển của các dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựngkhá nhiều Một vài đập điển hình như; Định Bình (hoàn thành năm 2009, cao 54m);tiếp theo là các đập Pleikrong (đập trọng lực BTĐL, đây là đập trọng lực BTĐL đầutiên ở Việt Nam, cao 73m); A Vương (đập trọng lực BTĐL, cao 83m); Đồng Nai 3(đập trọng lực BTĐL, cao 108m); Bản Vẽ (đập trọng lực BTĐL, cao 137m); Sơn La(đập trọng lực BTĐL, cao 138,1m); Huội Quảng (đập trọng lực bê tông truyền thống,cao 104m), Lai Châu (đập trọng lực BTĐL, cao 137m)…Từ nay đến năm 2020, sốlượng đập lớn sẽ được xây dựng ở Việt Nam không ngừng tăng lên Một vài đập thủyđiện như Trung Sơn, A Sáp, Sông Bung 4, Thượng Kon Tum, nước trong, Tân Mỹ…đang dần được hoàn thành trong đó nhiều đập trong số này sử dụng vật liệu BTĐL.Mặc dù đập bê tông xuất hiện khá muộn so với các loại đập khác như đập đất, đập đáxây , nhưng do bê tông có thể phối chế thành các loại kết cấu bê tông có cường độkhác nhau, tính năng khác nhau và hình dạng khác nhau, đồng thời có sẵn tính bền khátốt, ngoài ra chịu được sự tác động ăn mòn của môi trường, nên có thể nói nó có tuổithọ khá cao Trên thế giới, cùng với tích lũy kinh nghiệm và trình độ khoa học kỹ thuậtkhông ngừng được nâng cao, xu thế xây dựng đập càng ngày càng cao, chiều dài củađập cũng tăng lớn, ứng suất cho phép thiết kế nâng cao rõ rệt, đối với điều kiện địahình địa chất cũng được mở rộng, thậm chí dưới điều kiện địa hình địa chất kém cũng

đã xây dựng không ít đập bê tông Tuy nhiên hiện tượng nứt đập bê tông dường như làphổ biến trong các đập đã xây dựng Nguyên nhân gây ra nứt bê tông rất phức tạp, ảnhhưởng đến công năng kết cấu cũng khác nhau Nguyên nhân gây ra nứt có thể chỉ ranhư sau:

Bê tông là loại vật liệu có đặc tính vật lý và cơ học biến đổi rất nhiều theo thời gian Nứt

có thể do quá trình ninh kết bê tông tạo nên Ở các khối bê tông lớn, nhiệt tỏa ra từ phảnứng hóa học chậm thoát ra ngoài làm cho bê tông bị nóng lên và ứng suất nhiệt là

nguyên nhân gây ra nứt Ngoài ra nứt có thể do việc bảo dưỡng bê tông trong quá trìnhđông cứng chưa tốt.

Do thay đổi nhiệt độ và độ ẩm cùng với sự lún không đều cũng gây ra nứt

Nứt do sự co ngót của bê tông gây ra

Do công tác thi công (vận chuyển, đầm, dưỡng hộ ) cũng gây ra nứt

Do trong cốt liệu bê tông hàm chứa một vài khoáng vật nào đó và các lỗ rỗng dẫn đếnnứt

Do tải trọng tĩnh và tải trọng động trong giai đoạn thi công và vận hành gây ra nứt.Những vết nứt tồn tại trong công trình có thể ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn, tínhthực dụng và tính bền của đập bê tông Nếu vết nứt phát triển có thể là một trongnhững nguyên nhân dẫn đến phá hoại công trình Vì vậy, thường xem sự hiện diện củavết nứt trong công trình là dấu hiệu của sự nguy hiểm Căn cứ vào tài liệu điều tratrong và ngoài nước, nguyên nhân gây ra nứt kết cấu công trình thuộc về biến dạng làchính và chiếm tới 80%, do tải trọng là chính chiếm khoảng 20% Trong thực tế, sựhình thành và phát triển nứt thông thường là do ảnh hưởng của kết quả của tác dụngđồng thời biến dạng và tải trọng Do vậy, nhận biết chính xác nguyên nhân gây ra nứt

và cơ chế, nghiên cứu điều kiện phát triển vết nứt bê tông, mô phỏng hợp lý tác dụngvết nứt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhiều học giả quốc tế vận dụng cơ học rạn nứt, cơhọc phá hủy để nghiên cứu nứt bê tông Về phương diện kỹ thuật mô phỏng phát triểnvết nứt trên máy tính, nhiều học giả nước ngoài cũng như trong nước cũng đã làm rấtnhiều công việc cụ thể, sử dụng rất nhiều phương pháp mới như: phương pháp phần tửhữu hạn, phương pháp lưu hình, phương pháp phần tử biên, phương pháp phân hìnhhình học Nhưng nói chung vẫn chưa giải quyết thấu đáo, đặc biệt đối với điều kiệnnghiên cứu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế

Sự phát triển cường độ kháng kháng kéo của bê tông tương đối thấp và đặc biệt là đốivới thời gian đầu phát triển cường độ của BTĐL rất dễ dẫn tới nứt do nguyên nhânứng suất kéo gây ra và những vết nứt này thường ảnh hưởng đến tính năng cơ bản củacấu kiện kết cấu bê tông Việc mô phỏng hợp lý, có hiệu quả từ đầu đến cuối quá trìnhphát sinh phát triển nứt là vấn đề quan trọng của phân tích phần tử hữu hạn trong bàitoán phân tích đập BTĐL trong quá trình thi công cũng như vận hành sau này

Khi Việt Nam sẽ còn xây dựng nhiều đập bê tông trong đó có nhiều đập thi công bằngcông nghệ BTĐL, việc nghiên cứu khống chế nứt và hạn chế phát triển vết nứt là việclàm cần thiết, nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình.

Từ những lý do này, đề tài tập trung đi sâu nghiên cứu sự phát triển của những vùngứng suất cục bộ trong thân đập dẫn tới hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tớikhả năng chịu tải của đập BTĐL, là một vấn đề vẫn mang tính thời sự và có ý nghĩakhoa học, thực tiễn góp phần đánh giá khả năng chịu lực của đập trọng lực BTĐLtrong giai đoạn vận hành dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá được khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong giai đoạn vậnhành khi tồn tại hoặc không tồn tại vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh vàđộng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Các đập trọng lực BTĐL đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới

Phương pháp lý thuyết: Trên cơ sở phân tích lý thuyết về tính năng cơ học của BTĐL,

mô hình và tiêu chuẩn phá hoại của vật liệu BTĐL trong công trình và phương pháptính toán PTHH tự thích ứng xây dựng Modul tính toán bằng ngôn ngữ lập trình tham

số APDL trong môi trường phần mềm ANSYS để nghiên cứu giải bài toán sự hìnhthành và phát triển vết nứt đập BTĐL đạt độ chính xác yêu cầu

Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán để mô phỏng đánh giá xu thế và

mức độ ảnh hưởng của các vết nứt tới độ bền của đập trọng lực bê tông đầm lăn chịutác dụng của lực trong quá trình vận hành thông qua giả thiết các kịch bản đầu vào

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu đã cung cấp một giải pháp tính toán ứng suất, biến dạng và nứt đối với đậpBTTL bằng phần mềm ANSYS dựa trên ngôn ngữ lập trình tham số APDL sử dụngphương pháp phần tử tự thích ứng

Luận án khẳng định lại lần nữa về khả năng đảm bảo an toàn của công trình đập thủyđiện Sơn La khi tồn tại các vết nứt ban đầu chưa được sử lý trong quá trình vận hành

6 Cấu trúc của Luận án

Ngoài phần Mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bầy trong 4

Chương bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về nứt đập BTĐL và những vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán sự hình thành và phát triển vết nứt đập BTĐL Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nứt tới khả năng chịu tải của đập BTĐL

Chương 4: Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt đập BTĐL Sơn La

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ

NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về bê tông đầm lăn

1.1.1 Giới thiệu công nghệ bê tông đầm lăn

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên vật liệu tương tự như bêtông thường Khác với bê tông thường được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa vào tronglòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung) Côngnghệ này thích hợp cho các công trình bê tông khối lớn, hình dáng không phức tạp nhưđập trọng lực, mặt đường, sân bãi Việc đầm lèn bê tông bằng lu rung cho phép sửdụng hỗn hợp bê tông khô, ít chất kết dính hơn so với bê tông thường nhờ vậy đối vớimột số đập và đường bê tông, thi công bằng công nghệ này nhanh hơn và rẻ hơn so vớidùng công nghệ đổ bê tông truyền thống [1]

Hình 1 1 Công nghệ thi công BTĐLCông nghệ BTĐL đặc biệt hiệu quả khi áp dụng cho xây dựng đập bê tông trọng lực.Khối lượng bê tông được thi công càng lớn thì hiệu quả áp dụng công nghệ BTĐLcàng cao Việc lựa chọn phương án thi công đập bằng công nghệ BTĐL thường đemlại hiệu quả kinh tế cao hơn so với đập bê tông truyền thống và đập đất đắp bởi các lý

do sau [2][3]:

Thi công nhanh: So với đập bê tông truyền thống, đập BTĐL được thi công với tốc độ

nhanh hơn do có thể dùng băng tải để vận chuyển bê tông, dùng máy ủi để san gạt,máy lu rung để đầm lèn và không phải chờ khối đổ hạ nhiệt Công trình xây dựng đậpcàng cao, hiệu quả kinh tế của đập BTĐL càng lớn so với đập bê tông truyền thống

Giá thành hạ: Theo tổng kết từ các công trình BTĐL đã xây dựng trên Thế giới, giá

thành đập BTĐL rẻ hơn so với đập bê tông thi công bằng công nghệ truyền thốngthông thường dao động từ 25% đến 40% Việc hạ thấp được giá thành là do giảm đượchàm lượng xi măng, chi phí cốp pha, giảm chi phí công tác thi công như: vận chuyển,

đổ, đầm bê tông

Giảm chi phí cho biện pháp thi công: Việc thi công đập bằng BTĐL có thể giảm chi

phí dẫn dòng trong thời gian xây dựng và giảm các thiệt hại, các rủi ro khi nước lũ trànqua đê quai Đối với đập BTĐL, thời gian thi công được rút ngắn nên các cống dẫndòng cho đập BTĐL thông thường chỉ cần thiết kế để đáp ứng lưu lượng xả nước lớnnhất theo mùa thay vì lưu lượng lớn nhất theo năm như đối với đập bê tông truyềnthống Do vậy đường kính cống dẫn dòng của đập BTĐL thường nhỏ hơn và chiều cao

đê quai cho đập BTĐL cũng thấp hơn so với phương án đập bê tông truyền thống.Ngoài ra công trình sớm đưa vào khai thác cũng đem lại hiệu quả kinh tế cao

1.1.2 Đặc điểm của BTĐL

1.1.2.1 Vật liệu BTĐL

Điểm đặc biệt của vật liệu BTĐL chính là sự cấu thành của hai thành phần chính: vậtliệu hoạt tính và vật liệu phi hoạt tính hỗn hợp vào nhau Vật liệu hoạt tính thườngdùng có xỉ lò cao và puzơlan; vật liệu phi hoạt tính có đá thạch anh, đá vôi, đá sathạch…

Nhiều đập BTĐL được xây dựng trong thời kỳ đầu sử dụng lượng vật liệu chất kếtdính thấp, hiện nay sử dụng lượng chất kết dính cao hơn Ví dụ như lượng dùng ximăng trong lượng dùng vật liệu kết dính của đập Upper Still Water (Mỹ) là 79,5 ~92kg/m3, lượng trộn puzơlan là 50% ~ 70%; lượng dùng xi măng trong lượng dùng vậtliệu kết dính của đập Shimajigawa (Nhật Bản) là 84 ~ 91kg/m3, lượng trộn puzơlan là30% ~ 50%; Trung Quốc dựa vào hàm lượng chất kết dính phân BTĐL thành 3 loạivật liệu giàu kết dính 180kg/m3, vật liệu vừa kết dính 150kg/m3 và vật liệu ít kết dính120kg/m3, xu thế phát triển hiện nay là sử dụng trộn puzơlan cao để giảm thiểu lượng

dùng xi măng, nói chung lượng dùng xi măng trong lượng dùng vật liệu kết dính là 60

~ 70kg/m3, lượng trộn puzơlan là 50% ~ 70% [4][5]

Do lượng xi măng ít, lượng trộn puzơlan cao, nên BTĐL có một số đặc điểm sau:

Tăng chậm cường độ ở thời kỳ đầu, tăng đáng kể cường độ ở thời đoạn sau

Tốc độ thủy hóa ban đầu của BTĐL chậm, cường độ ban đầu khá thấp, tăng cường độcũng khá chậm, sau 28 ngày đặc biệt là 90 ngày tuổi, do tăng nhanh tốc độ thủy hóa, tỉ

lệ tăng cường độ thời đoạn sau tăng lên đáng kể so với tỉ lệ tăng cường độ của bê tôngkhông trộn puzơlan

Tính chống nứt tốt

Tỉ lệ kéo/nén của bê tông thường khoảng bằng 0,08 ~ 0,105, thời đoạn sau không thayđổi nhiều Còn tỉ lệ tăng cường độ kháng kéo với tăng cường độ kháng nén tại thờiđoạn sau của BTĐL khá lớn, thông thường tỉ lệ kéo/nén là 0,12 ~ 0,14 và xu thế tăngtheo ngày tuổi, vì thế có độ dẻo dai khá tốt Tỉ lệ tăng mô đun đàn hồi tại thời đoạn saucủa BTĐL lại khá nhỏ, vì thế biên độ tăng ứng suất kéo tại thời đoạn sau cũng khôngnhanh

Nhiệt thủy hóa thấp và phát triển chậm

Do lượng trộn puzơlan hoặc tro bay lớn để hạn chế lượng dùng xi măng vì vậy nhiệtthủy hóa giảm, tốc độ tỏa nhiệt do nhiệt thủy hóa chậm đã kéo dài thời gian xuất hiệnnhiệt độ lớn nhất và giá trị nhiệt độ lớn nhất cũng giảm đáng kể

1.1.2.2 Đặc điểm của kỹ thuật thi công BTĐL

Từ quan điểm của phương pháp thi công, phương pháp thi công BTĐL phân thành hailoại chính Một là phương pháp thi công BTĐL có nguồn gốc từ Mỹ và Anh, hai làphương pháp thi công BTĐL có nguồn gốc từ Nhật Bản Đặc điểm của phương phápthi công BTĐL là chiều dày thực nén là 30 ~ 50cm, lên liên tục trên mặt đập, trênnguyên tắc không có thời gian ngưng, còn bê tông truyền thống có chiều dày thực nén

là 75cm, mỗi lớp đổ 75cm cách quãng 3 ~ 5 ngày

Đầm nén lớp mỏng

Mỗi lớp đầm nén thông thường được lựa chọn là 30cm; rất hiếm khi sử dụng chiều dàyđầm nén lớn 50cm, 70cm, trong trường hợp mặt bằng rộng thậm chí còn có thể giảm

nhỏ chiều dày lớp đầm nén xuống đến 20 ~ 25cm để đáp ứng yêu cầu thi công với tốc

độ nhanh

Thời gian nghỉ ngắn

Vấn đề chính để đảm bảo chất lượng thi công BTĐL là tốc độ thi công nhanh, đặc biệt

để nâng cao khả năng chống cắt giữa các lớp, thời gian nghỉ giữa các lớp là một trongnhững chỉ tiêu quan trọng Thời gian giãn cách càng ngắn, liên kết giữa các lớp càngtốt, tính chống thấm cũng được nâng cao

Đổ liên tục

Do trong thành phần BTĐL có lượng trộn puzơlan và tỏa nhiệt cao nên sau khi bê tôngtăng nhiệt, việc giãn cách thời gian thi công giữa các đợt đổ không có tác dụng nhiềuđối với quá trình tỏa nhiệt của bê tông, mà ngược lại khiến lớp tiếp giáp giữa hai đợt

đổ dễ phát sinh phân tầng Vì vậy việc thi công liên tục càng nhiều càng tốt dưới điềukiện quy trình công nghệ cho phép của tổng tiến độ thi công, điều này rất tốt cho cảtiến độ thi công cũng như quản lý chất lượng, giá thành cũng giảm tương ứng

Độ linh hoạt thấp

Chỉ tiêu linh hoạt là một trong những chỉ tiêu quan trọng khống chế chất lượng thicông tại hiện trường Đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 Nhật Bản xây dựng đập BTĐL đầutiên trên thế giới (đập Shimajigawa, cao 89m) sử dụng giá trị độ linh hoạt (VC) là 10 ~30s và hình thành phương pháp thi công đập BTĐL Nhật Bản Trung Quốc sử dụnggiá trị VC khoảng 8s đã nâng cao tính chống thấm và chỉ tiêu chống cắt giữa các lớp

Đầm nén trên toàn mặt cắt

Các đập BTĐL xây dựng gần đây đa phần đã bỏ hình thức kết cấu bê tông biến thái

bao ngoài BTĐL hay còn gọi là hình thức “vàng bọc bạc”, dùng hình thức kết cấu

BTĐL toàn mặt cắt, lấy bản thân bê tông giàu vật liệu chất kết dính cấp phối II xem làkhối chống thấm chính hay nói cách khác là chống thấm trên toàn mặt cắt Sơ đồ công

nghệ thi công “đầm nén trên toàn mặt cắt” đơn giản hơn, tỉ lệ cấp phối được khống

chế đồng đều đơn giản, cung ứng vật liệu xây dựng ít thay đổi, trình tự thi công đượctinh giản nhằm đẩy nhanh tốc độ thi công Kỹ thuật thi công này dần được cải tiến và

là công nghệ thi công mang đặc thù Trung Quốc Công nghệ này cũng được áp dụngchủ yếu trong xây dựng các đập BTĐL ở Việt Nam

1.2 Tổng quan về tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam

1.2.1 Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới

Năm 1961, xây dựng đập Alpe Gera – Italia (cao 174m) và đập Manicongan – Canada(cao 52m) lần đầu tiên sử dụng hỗn hợp bê tông không độ sụt được rải bằng xe ủi, sau

đó được đầm chặt bằng các loại đầm dùi gắn sau xe ủi hoặc được đầm chặt bằng máy

ủi [1] Cũng trong năm 1961, tại công trình xây dựng tường quây của đập Thạch Môn Đài Loan, hỗn hợp cát, đá trộn với xi măng được rải và đầm chặt bằng các thiết bị thicông đập đất [2]

-Năm 1970, giáo sư Jerome Raphael (Mỹ) trình bày báo cáo “Đập trọng lực tối ưu”,

trong đó nêu phương pháp thi công nhanh đập bê tông trọng lực bằng các thiết bị thicông đập đất; và BTĐL đã thực sự được quan tâm đầu tư nghiên cứu và ứng dụng [6].Tại Mỹ, trong những năm 1970, một số kết quả nghiên cứu về BTĐL trong phòng,nghiên cứu thiết kế thử nghiệm trên hiện trường được thực hiện và đã được áp dụngtrong thực tiễn; là nền tảng cho việc xây dựng các đập BTĐL đầu tiên trong nhữngnăm 80

Từ 1972 đến 1974, Cannon R.W công bố nhiều kết quả nghiên cứu về BTĐL; trong đó

có thí nghiệm bê tông nghèo xi măng, vận chuyển bằng ô tô, san gạt bằng xe ủi và đầmbằng lu rung Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ (USACE) đã ứng dụng để thi công các

lô bê tông thử nghiệm ở đập Lost Creek (cao 75,6m) Năm 1980, lần đầu tiên Mỹ sửdụng BTĐL để xây dựng đập Willow Creek (bang Oregon, cao 52m, dài 543 m với331.000 m3 BTĐL) Đến năm 1999, tại Mỹ đã có hàng chục công trình đập BTĐL [7].Những năm 1970 ở Anh, Dunstan thực hiện các nghiên cứu về BTĐL Hiệp hội nghiêncứu và thông tin công nghiệp xây dựng (CIRIA) đã tiến hành các dự án lớn nghiên cứu

về BTĐL với hàm lượng tro bay cao, sau đó được thử nghiệm tại công trình trạm xử lýnước Tamara - Coruwall (1976) và đập Wimbledall (1979) [1]

Cấp phối BTĐL có hàm lượng tro bay cao đã được Cục khai hoang Mỹ (USBR) sửdụng làm cơ sở để thiết kế xây dựng đập Upper Stillwater (cao 90m, dài 815m với1,125 triệu m3 BTĐL) Đặc điểm của công nghệ BTĐL của Mỹ (thường gọi RollerCompacted Concrete - RCC) thiên về sử dụng BTĐL nghèo xi măng (hàm lượng chấtkết dính dưới 100 kg/m3)

Năm 1974, các kỹ sư Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL nhằm rút ngắn thờigian thi công và hạ giá thành các công trình đập bê tông Công trình đập BTĐL đầu

tiên của Nhật là đập Shimajigawa, cao 89 m, dài 240 m với 165.000 m3 BTĐL trongtổng số 317.000 m3 bê tông đập Đến cuối 1992 đã có 30 đập BTĐL được thi công ởNhật và đến nay Nhật Bản đã hình thành trường phái BTĐL - RCD (Roller-CompactedDam) gồm các công tác thiết kế mặt cắt đập, tính toán cấp phối, công nghệ thi công vàkhống chế nhiệt độ trong thân đập.

Trung Quốc thực hiện nghiên cứu áp dụng công nghệ BTĐL từ năm 1980, đến năm

1986 đập Kengkou (cao 57m) là đập BTĐL đầu tiên được xây dựng Đến nay TrungQuốc là quốc gia đứng đầu thế giới về số lượng, chiều cao và kỹ thuật…trong xâydựng đập BTĐL Trường phái công nghệ BTĐL của Trung Quốc được hoàn thiện vớitên gọi RCCD (Roller Compacted Concrete Dams) RCCD bao gồm các công tác thiết

kế mặt cắt đập, quy trình thiết kế, chọn vật liệu và thi công, quy trình thử nghiệm kiểmtra BTĐL tại hiện trường

Hiện nay đã có trên 300 đập BTĐL với khối lượng tổng cộng khoảng trên 90 triệu m3BTĐL đã được xây dựng trên thế giới Trung Quốc là quốc gia dẫn đầu về số lượngđập BTĐL sau đó là Hoa Kỳ, Nhật Bản và Tây Ban Nha [8]

Bảng 1.1 Số lượng đập BTĐL tại một số nước trên thế giới

Bảng 1.2 10 đập BTĐL có thể tích lớn nhất thế giới

STT Tên đập Quốc gia Chiều cao Thể tích bê tông Thể tích

(m) toàn đập (10 3 m 3 ) BTĐL (10 3 m 3 )

Bảng 1.3 10 đập BTĐL có chiều cao lớn nhất thế giới

(10 3 m 3 ) (10 3 m 3 )

1.2.2 Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam

Những năm gần đây, Việt Nam có nhiều công trình lớn cần được xây dựng để pháttriển cơ sở hạ tầng như các công trình giao thông, thủy lợi, thủy điện Các dự án bêtông cứng hóa đường nông thôn có hàng ngàn km đường cần trải mặt, các công trìnhnày đòi hỏi thời gian thi công ngắn, năng suất thi công nhanh và đạt được hiệu quảkinh tế cao Để giải quyết vấn đề trên thì giải pháp thi công và công nghệ thi côngđược đặt lên hàng đầu Công nghệ thi công BTĐL là công nghệ mới phát triển rấtnhanh chóng trên thế giới do tính cơ giới hóa cao, tiến độ thi công nhanh, công trìnhsớm được đưa vào khai thác, hiệu quả kinh tế mang lại to lớn, chính vì vậy việc ápdụng công nghệ BTĐL vào Việt Nam là điều cần thiết

Từ những năm 1990, Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng BTĐL Năm 1990Viện Khoa học Thuỷ lợi đã nghiên cứu phụ gia khoáng cho BTĐL Ngày 16 tháng 10năm 1995, Bộ Thuỷ lợi (cũ) ra quyết định số 1570 QĐ/QLXD phê duyệt nghiên cứukhả thi công trình thủy lợi Tân Giang (Ninh Thuận), thống nhất phương án công trìnhđầu mối là đập bê tông trọng lực chọn phương án cao Trên cơ sở quyết định 1570QĐ/QLXD, Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi 1 (HEC-1) đã tiến hành nghiên cứu thiết

kế đập Tân Giang theo hai phương án bê tông trọng lực truyền thống và bê tông trọnglực đầm lăn Đây là lần đầu tiên BTĐL được nghiên cứu vào công trình thực tế ở ViệtNam Ngày 20 tháng 9 năm 1997 Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ra quyếtđịnh số 2425 NN/ĐTXD/QĐ phê duyệt đập đầu mối công trình Tân Giang là BTĐL

Do nhiều lý do, khi thi công, đập Tân Giang được điều chỉnh thành đập bê tông truyềnthống và đã thi công hoàn thành vào năm 2003 Mặc dù vậy, các kết quả nghiên cứuthiết kế đập BTĐL Tân Giang đã tích luỹ nhiều kinh nghiệm quý báu về thiết kế đậpBTĐL sử dụng tro bay và phụ gia

Công trình BTĐL xây dựng đầu tiên của Việt Nam là đập Pleikrông thuộc tỉnh KonTum với chiều cao đập lớn nhất 71m Công trình được khởi công tháng 11/2003 vàkhánh thành và bàn giao cho đơn vị quản lý sử dụng vào tháng 5/2009 Tiếp đó, hàngloạt công trình đập thủy lợi, thuỷ điện được thi công và chuẩn bị xây dựng bằngBTĐL: thủy điện Định Bình, thủy điện Bản Vẽ, công trình thủy điện Sê San 4, côngtrình thủy điện Sơn La, Đồng Nai 4, Trung Sơn, Tân Mỹ

Với các ưu điểm nổi bật và tiềm năng lớn về nguyên vật liệu, thiết bị thi công, côngnghệ thi công đập BTĐL đã được sử dụng tương đối phổ biến ở Việt Nam Đến nay đã

có trên 30 công trình đập bê tông trọng lực được xây dựng bằng công nghệ BTĐL,trong đó phải kể đến các công trình lớn như đập Plêikrông, Bản Vẽ, Sơn La, LaiChâu… đã được hoàn thành đưa vào sử dụng với chất lượng và hiệu quả kinh tế cao

Bảng 1.4 Danh mục các đập BTĐL ở Việt Nam

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm XD Năm xây dựng

14

1.3 Tổng quan về nứt đập BTĐL

1.3.1 Vấn đề nứt đập BTĐL trên thế giới

Cùng với tích lũy kinh nghiệm và trình độ khoa học kỹ thuật không ngừng được nângcao, xu thế xây dựng đập càng ngày càng cao, chiều dài của đập cũng tăng lớn, ứngsuất cho phép thiết kế nâng cao hơn, đối với điều kiện địa hình địa chất cũng được mởrộng, thậm chí dưới điều kiện địa hình địa chất không tốt cũng đã xây dựng không ítđập bê tông Tuy nhiên hiện tượng nứt đập bê tông dường như là phổ biến trong cácđập đã xây dựng Nhà khoa học nổi tiếng người Trung Quốc Zhu Bo Fang đã từng nói

“không có đập bê tông sẽ không có nứt”, hay nứt đập là hiển nhiên [9] Theo báo cáođiều tra của Hội đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến nay có tổng cộng 243 đập bê tông

bị phá hoại, đập bê tông đã được xây dựng ở các quốc gia trên thế giới tuyệt đại đa sốđều xuất hiện nứt [10] Theo một tài liệu đã tổng kết 30 đập BTĐL đã xây dựng chothấy tình trạng nứt và thấm rất phổ biến (xem PL 1.1) [5] Các đập bị nứt điển hình cóđập Galesville (1985, Mỹ, cao 50m), đập Upper Stillwater (1985~1987, Mỹ, cao 90m),đập Elk Creek (1987~1988, Mỹ, cao 76m), đập Hudson River (1993, Mỹ, cao 21m),đập Big Haynes (1996, Mỹ, cao 27m), đập New Victoria (1991, Úc, 52m), đậpArriaran (1992, Tây Ban Nha, cao 58m) và đập Salto Caxias (1998, Brazil, cao 67m)[5] Trong những năm 80 của thế kỷ trước, Viện nghiên cứu khoa học thủy lợi thủyđiện Trung Quốc đã tiến hành điều tra tình trạng nứt của 15 đập bê tông lớn, kết quảthấy rằng đập bê tông trọng lực Danjiangkou thuộc tỉnh Hồ Bắc (cao 97m) xuất hiệnnhiều vết nứt nhất, tổng cộng có 3.332 vết nứt; đập bê tông Tuoxi thuộc tỉnh Hồ Nam(cao 104m) xuất hiện vết nứt ít hơn, nhưng cũng có đến 120 vết nứt [4] Đối với vấn

đề nứt đập BTĐL tại Trung Quốc cũng rất phổ biến Đập vòm BTĐL đầu tiên Puding(cao 75m) sau ba năm vận hành đã phát hiện tổng cộng 49 vết nứt trong đó có hai vếtnứt xuyên [4] Đập trọng lực sử dụng khối lượng BTĐL lớn nhất là Guanyinge (cao82m) được xây dựng năm 1992, hoàn thành năm 1996, khoảng thời gian từ tháng02~04/1994 tại hiện trường đã phát hiện vết nứt thi công ngang độ sâu lớn nhất đạt 3 ~6m, qua nghiên cứu phát hiện khi đập Guanyinge thi công mùa hè, nhiệt độ bê tông tạikhối đổ cao khiến tăng nhiệt cao nhất trong bê tông đạt đến trên 30oC, còn nhiệt độthấp nhất trong thời kỳ nghỉ đông xuống dưới – 30oC dẫn đến sự chênh lệch lớn giữanhiệt độ bên trong và bên ngoài, thượng lưu và hạ lưu, mặt trên và mặt dưới của lớp,gần mặt nghỉ thi công đã xuất hiện ứng suất kéo vuông góc khá lớn, đây là nguyênnhân chính hình thành vết nứt [5] Đập BTĐL Jiangya (cao 131m) khởi công năm

1995, hoàn thành năm 2000, trong thời kỳ tích nước đã phát hiện 12 vết nứt, bề rộng

vết nứt từ 0,1 ~ 1,2mm, trong đó có một vết nứt xuyên đến hành lang, nghiên cứu chỉ

ra rằng nguyên nhân gây nứt chủ yếu là bề rộng đoạn đập lớn (35m) dẫn đến ứng suấtnhiệt lớn, bảo dưỡng bề mặt trong thi công chưa hoàn toàn theo yêu cầu thiết kế [5].Một trong những đập điển hình tại Trung Quốc ngay trong thời kỳ thi công đã xuấthiện nhiều vết nứt nghiêm trọng là đập BTĐL Yushi cao 50,2m [5] Cụ thể tháng09/1999 đoạn đập số 6 thi công đến cao trình +169.0m thì dừng để tiến hành bảo ônnghỉ đông Tháng 03/2000 sau khi dỡ vật liệu bảo ôn đã phát hiện một vết nứt trongđoạn đập số 6 Vị trí vết nứt được cho ở Hình 1.2 Tháng 04/2000 đã tiến hành quantrắc và phát hiện vài vết nứt với bề rộng và chiều dài như ở Bảng 1.5 Đối với vết nứtxuất hiện trong khối đập được các cơ quan chuyên môn thảo luận và đưa ra quyết định

ở vị trí vết nứt đập đã bố trí 4 lớp cốt thép chống nứt 20@200, đồng thời giữa đoạnđập số 6 phân thành hai đoạn dài 12m Từ phân tích trên kết quả sau 3 lần quan trắc(05/2000) cho thấy bề rộng vết nứt có xu hướng giảm nhỏ, không phát phát sinh vếtnứt mới Trải qua mùa nghỉ đông thứ 2 (03/2001) sau khi tiến hành dỡ bỏ vật liệu bảo

ôn đã tiến hành điều tra lại vùng gần vết nứt phía mặt thượng lưu, kết quả cho thấy:Vết nứt xuất hiện 03/2000 (tại cao trình +169.0m) không không phát triển lên phíatrên; trên cao trình +169.0m bố trí khe nứt nhân tạo, tháng 06/2000 khi tiến hành quantrắc thấy vết nứt nhân tạo này phát triển xuống dưới 1,5m; trên mặt bằng cao trình+169.0m phát hiện vết nứt hai bên với tổng chiều dài là 1,4m

Bảng 1.5 Thông kê vết nứt đập Yushi (04/2000) [5]

vết nứt (mm) dài (m)

2 L1-2 0,7 3,5 Có ít lượng nước thấm Mặt bên TL hành lang

3 L1-3 0,4~0,2 1,0 Có ít lượng nước thấm Bản đỉnh hành lang

4 L1-4 0,7~0,3 1,0 Có ít lượng nước thấm Bản đáy hành lang

1.3.2 Vấn đề nứt đập BTĐL tại Việt Nam

Các đập bê tông đã và đang xây dựng ở Việt Nam cũng không tránh khỏi tình trạngnứt trong quá trình thi công Theo số liệu khảo sát có nhiều đập bê tông trọng lực đãxây dựng ở nước ta bị nứt như Lai Châu, Trung Sơn, Bản Vẽ, Sông Tranh 2, ĐịnhBình, Tràn Tả Trạch, đập Vũ Quang… điển hình như nứt đập trọng lực BTĐL Sơn Latháng 06 năm 2008 trong quá trình thi công là một ví dụ, chiều dài vết nứt 31,5 m, độsâu 6m và chiều rộng vết nứt khoảng 1mm, xem PL 1.2 [11]

Theo các tài liệu đã công bố các vết nứt xuất hiện trên đập BTĐL tại Việt Nam chủyếu có [12][13][14]:

1.3.2.2 Theo vị trí vết nứt

 Nứt thân 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 nứtxuyên thượng hạ lưu, trong vùng khí hậu lạnh khó ngăn ngừa loại vết nứt này Vết nứtnày chủ yếu là do ứng suất chênh lệch nhiệt gây ra và có liên quan đến chiều dài khốiđập, đập càng dài ứng suất càng lớn, do khối đập BTĐL khá dài, ứng suất nhiệt phátsinh do chênh lệch nhiệt độ thượng hạ lưu vượt quá cường độ kháng kéo của BTĐL

 Nứt hành lang

Thường xuất hiện ở gần hành lang, hướng vuông góc với bề mặt Nguyên nhân chủyếu là mép trong hành lang tiếp xúc với nước hoặc không khí, nhiệt độ nước mùa lạnhhoặc nhiệt độ không khí thấp hơn nhiều nhiệt độ ổn định trong đập, ở phạm vi gầnhành 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 chếcường độ của nền đập trọng lực thi công lên đều khá lớn, ứng suất kiềm chế cũng khálớn làm cho vết nứt phát triển hướng vào trong thân đập

1.4 Tổng quan về nghiên cứu nứt đập BTĐL

1.4.1 Nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới

Để ngăn ngừa phát sinh nứt đập BTĐL hoặc giảm thiểu nứt đến mức tối đa, hiện naytrên thế giới có ba xu hướng nghiên cứu:

1.4.1.1 Nghiên cứu vật liệu nhằm nâng cao khả năng chống nứt của BTĐL

Nghiên cứu nâng cao khả năng chống nứt của BTĐL Nhiều thí nghiệm đã chỉ rõBTĐL có tính chống nứt tốt cần có đặc điểm cường độ kháng kéo cao, giá trị biếndạng kéo giới hạn lớn, mô đun đàn hồi nhỏ, tỉ suất co ngót nhỏ, nhiệt độ tăng biênđoạn nhiệt thấp, hệ số biến hình nhiệt độ nhỏ, biến hình co ngót thể tích nhỏ…

Kỹ thuật thi công BTĐL đã trải qua hơn 20 năm phát triển và dần dần được hoànthiện, cấp phối BTĐL cũng từng bước được ổn định Xi măng dùng trong BTĐLthường sử dụng xi măng Portland thông thường, rất ít công trình sử dụng xi măng

Portland nhiệt vừa và nhiệt thấp, cường độ xi măng từ 32,5 ~ 42,5MPa Hầu hết cáccông trình đều sử dụng thêm vật liệu puzơlan cấp phối II Căn cứ vào thực tế côngtrình, cốt liệu của BTĐL có thể là cát đá thiên nhiên hoặc cát đá nhân tạo, cốt liệu thôđều trải qua phân cấp nghiêm ngặt Phần lõi của khối đập sử dụng BTĐL cấp phối III,đường kính lớn nhất của cốt liệu thô là 80mm; phần bao ngoài chống thấm sử dụngBTĐL cấp phối II (rất ít công trình sử dụng bê tông thông thường hoặc bê tông nhựađường), đường kính lớn nhất của cốt liệu là 40mm Căn cứ vào thiết kế công trình, đềxuất yêu cầu kỹ thuật đối với BTĐL khác nhau, hiện nay tỉ lệ nước/chất kết dính thôngthường khống chế từ 0,45 ~ 0,60; tỉ lệ vữa thông thường khống chế từ 0,30 ~ 0,40;lượng vật liệu trộn thêm từ 40% đến 70% Tỉ lệ cát của BTĐL phụ thuộc vào cấp phốicủa BTĐL và chủng loại cát, nói chung khoảng từ 30% ~ 38% Giá trị VC thích hợpnhất tại hiện trường thi công khoảng 8 ~12s Lượng dùng vật liệu chất kết dính củaBTĐL thông thường là 130 ~ 190kg/m3, nếu có yêu cầu đặc biệt về chống thấm, lượngdùng vật liệu chất kết dính của BTĐL cấp phối II có thể đạt đến 200 ~ 220kg/m3.Hiện nay có nhiều nghiên cứu đề xuất trộn thêm MgO để nâng cao tính năng chốngnứt của BTĐL Khi trộn thêm MgO trong BTĐL, do sản phẩm của quá trình thủy hóaMg(OH)2 có đặc tính trì hoãn giãn nở, tăng thêm độ chặt của BTĐL, đồng thời ứngsuất giãn nở cũng có thể bù trừ ứng suất kéo do giảm nhiệt gây ra, từ đó làm cho tínhnăng chống nứt của BTĐL được nâng cao và cũng nâng cao tính năng cơ học khác [5].

Về phương diện vật liệu có nghiên cứu đề xuất sử dụng xi măng thô để nâng cao tínhnăng chống nứt BTĐL Biểu hiện chủ yếu không những là giảm nhiệt thủy hóa thời kỳđầu của xi măng, nâng cao tính ổn định thể tích bê tông mà còn giảm diện tích bề mặt

xi măng là giảm nhiệt thủy hóa thời kỳ đầu của xi măng, đây là biện pháp hữu hiệunâng cao tính ổn định thể tích bê tông Việc giảm diện tích bề mặt xi măng được ứngdụng khá nhiều trong các công trình đập BTĐL ở Trung Quốc, chẳng hạn như khốngchế diện tích bề mặt xi măng trong công trình thủy điện Guandi là 250 ~ 330m2/kg,diện tích bề mặt xi măng Portland trong công trình thủy điện Longtan là 250 ~ 320m2/

kg, diện tích bề mặt xi măng trong công trình thủy điện Goupitan và Silin khoảng300m2/kg, yêu cầu diện tích bề mặt xi măng Portland trong công trình thủy điệnJinping nhỏ hơn hoặc bằng 310m2/kg Ngoài ra còn có nghiên cứu ảnh hưởng củasilica fume, xỉ phốt pho đến tính năng chống nứt của BTĐL [5]

1.4.1.2 Về hình thức kết cấu và công nghệ thi công

Nghiên cứu hình thức kết cấu và phân vùng vật liệu trong thân đập, nghiên cứu tốc độthi công đập BTĐL hợp lý, phân khe, phân khoảnh, làm lạnh bê tông, bảo ôn bề mặt…

Nghiên cứu hình thức kết cấu mặt cắt đập hợp lý

Các nghiên cứu đều chỉ rõ hình thức kết cấu có ảnh hưởng lớn đến ứng suất nhiệt và sựxuất hiện vết nứt Về hình dạng mặt cắt đập trọng lực BTĐL cũng giống như đập trọnglực bê tông thông thường (CVC), chỉ khác về hình thức kết cấu và phân vùng vật liệutrong thân đập để đảm bảo yêu cầu chống thấm Theo tổng kết có ba hình thức kết cấuchính đập trọng lực BTĐL: hình thức kết cấu của Mỹ, Nhật và Trung Quốc

Hình thức kết cấu đập của Mỹ sử dụng hoàn toàn BTĐL Ưu điểm thi công nhanh, giá

rẻ nhưng dễ xẩy ra nứt và thấm Để khắc phục nước thấm qua bê tông đã sử dụng giảipháp chống thấm trên bề mặt thượng lưu đập như: dán lớp nhựa PVC (PolyvinylChloride), lắp ghép các tấm panen BTCT phần giữa đổ nhựa đường…(Hình 1.3a).Hình thức kết cấu đập của Nhật Bản (Roller Compacted Dam - RCD) đảm bảo yêu cầuchất lượng đập BTĐL có khả năng chống thấm và cường độ như CVC Do vậy cấu tạocủa đập được bố trí hai loại bê tông, phía ngoài bao bọc bằng lớp BTCT thông thường

có mác cao thỏa mãn yêu cầu chống thấm, phía trong sử dụng BTĐL Kết cấu mặt cắt

đập như trên còn được gọi là kết cấu “vàng bọc bạc” (Hình 1.3b).

Hình 1 3 Hình thức kết cấu đập BTĐL của Mỹ và Nhật Bản

Hình thức kết cấu đập của Trung Quốc (Roller Compacted Concrete Dam - RCCD)được xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm và bài học tổng kết của 2 phương pháp thi côngRCD và RCC Dùng hình thức kết cấu BTĐL toàn mặt cắt, lấy bản thân bê tông giàuvật liệu chất kết dính cấp phối II xem là khối chống thấm chính (còn gọi là bê tôngbiến thái chống thấm, GEVR), phía trong thân đập là BTĐL Với việc bố trí mặt cắtnhư trên đã đẩy nhanh được tốc độ thi công đập, giảm giá thành, bảo đảm được khảnăng chống thấm cũng như chịu lực của đập Hình 1.4 là mặt cắt đại diện của đậpBTĐL của Trung Quốc có tường chống thấm bằng BTĐL cấp phối II và bê tông biếnthái Hình thức kết cấu này dần được cải tiến và là công nghệ đặc thù của Trung Quốc.

BTĐL cấp phối II

BT biến thái

BTĐL

Hình 1 4 Hình thức kết cấu đập BTĐL Trung Quốc

Nghiên cứu hình thức khe và kết cấu khe hợp lý

Có rất nhiều nghiên cứu của các tác giả về phân khe kết cấu Nhưng nói chung đều chorằng không cần bố trí khe dọc trục đập, chỉ cần bố trí khe ngang và khoảng cách giữa cáckhe ngang từ 16 ~ 20m Ngoài ra bố trí thêm khe dẫn nứt để đập nứt tại vị trí cố định Bất

kể là khe dẫn nứt hay là khe ngang thường sử dụng khối đúc tạo thành khe bê tông chế tạotrước Khối đúc được chế tạo trước ở bên ngoài với đầy đủ lỗ đường ống, rãnh chốt… đểvừa có thể đảm bảo tác dụng của khe lại có thể bảo đảm đầm nén trên toàn bộ bề mặt,thực hiện lên đều liên tục, hạn chế ở mức thấp nhất ảnh hưởng đến quá trình thi công Đặcđiểm kỹ thuật thành khe bằng khối đúc hình thức bê tông trọng lực chế tạo trước là: Đầutiên chế tạo trước khối đúc bê tông thành khe ở ngoài hiện trường, khi thi công sẽ định vịlắp đặt, sau đó tiến hành thao tác đầm nén; thứ hai là

thiết kế mặt cắt khối đúc là hình thức trọng lực, mặt khe là mặt đứng, lắp đặt phun vữavới đường ống thoát khí, rãnh chốt; mặt lưng của khe là mặt nghiêng thêm bản chân,

bố trí kết cấu hình răng để đảm bảo liên kết chặt chẽ với BTĐL; thứ ba là kích thướccủa khối đúc nên lấy theo năng lực vận chuyển tại hiện trường thi công, thông thườngkhối đúc dài 1,0m, chiều cao 0,25 ~ 0,30m (cần phải là một tầng đầm nén), bề rộngđáy (thêm bản chân) 0,25 ~ 0,35m, lấy phù hợp với lắp ráp tốc độ nhanh tại hiệntrường; thứ tư là trên bản chân bố trí lỗ chốt cố định bảo đảm chắc chắn khi lắp ráphiện trường với thi công đầm nén định vị chính xác

Nghiên cứu công nghệ thi công

Các nghiên cứu về công nghệ thi công BTĐL trên thế giới đã dần đi vào ổn định, cácnghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung cho một đối tượng công trình cụ thể ví dụ nhưtiến độ thi công tối ưu đảm bảo yêu cầu nhân lực, vật lực và chất lượng đồng đều của

bê tông đập

1.4.1.3.Về công nghệ tính toán mô phỏng

Sử dụng mô hình toán phân tích mô phỏng diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt trong quátrình thi công BTĐL, diễn biến phát triển nứt trong quá trình vận hành từ đó có biệnpháp ngăn ngừa nứt đập BTĐL

Về công nghệ nghiên cứu mô phỏng quá trình hình thành và phát triển vết nứt kết cấuhiện nay trên thế giới sử dụng rất nhiều phần mềm như ROBOT STRUCTURAL,TEKLA, SAFE, SAP, ETABS, SACS, ANSYS… Một trong những phần mềm được

sử dụng rộng rãi và cho kết quả chính xác là phần mềm ANSYS Điểm nổi bật củaphần mềm ANSYS là có thể sử dụng ngôn ngữ tham số hóa thiết kế APDL để lập trìnhxây dựng bài toán tổng quát dựa trên các tham số định trước ANSYS là phần mềmgiải bằng các phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực ANSYS chophép xây dựng các mô hình 2D và 3D, với các kích thước thực, hình dáng đơn giảnhóa hoặc mô hình như vật thật, vì thế nên chúng ta phải xây dựng mô hình gần nhưthật Hai mô hình sẽ được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhiều học giả quốc tế vận dụng cơ học rạn nứt, cơhọc phá hủy để nghiên cứu nứt bê tông Về phương diện kỹ thuật mô phỏng phát triểnvết nứt trên máy tính, nhiều học giả nước ngoài cũng như trong nước cũng đã làm rất

nhiều công việc cụ thể, sử dụng rất nhiều phương pháp như: phương pháp sức bền vậtliệu, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tửhữu hạn tự thích ứng Nhưng nói chung vẫn chưa giải quyết thấu đáo, đặc biệt đối vớiđiều kiện nghiên cứu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế.

Hiện nay có nhiều phương thức để mô phỏng quá trình phát triển vết nứt bê tông dướitác dụng của gia tải hoặc tải trọng động dựa trên phương pháp PTHH Một trongnhững nghiên cứu đầu tiên có thể kể đến là của L.J.Malvar và G.E.Warren năm 1990[15] Chương trình tính phát triển vết nứt theo phương pháp PTHH của L.J.Malvar vớimạng lưới phần tử hữu hạn không thay đổi trong quá trình phá hoại Sơ đồ lưới PTHH

và phát triển vết nứt được cho ở Hình 1.5 đến Hình 1.7 Nhiều nghiên cứu về sau pháttriển mô hình này đã ứng dụng lưới PTHH tự thích ứng trong quá trình phát triển vếtnứt Trong mỗi một bước gia tải lưới phần tử hữu hạn thay đổi, tuy nhiên các nút phần

tử vẫn liên tục như Hình 1.8 [16][17]

1.13P C DÇM THÐP

Hình 1 5 Sơ đồ lưới PTHH tính toán phát triển nứt của L.J.Malvar

Hình 1 6 Vùng phá hoại nứt Hình 1 7 Biến dạng ở thời điểm phá hoại

23

Hình 1 8 Mạng lưới tự thích ứng trong quá trình phát triển vết nứt

Đối với vấn đề nứt đập bê tông, hiện nay có hai hướng nghiên cứu chính đó là nghiêncứu mô phỏng quá trình phát triển vết nứt và ảnh hưởng của vết nứt đến khả năng chịutải của đập bê tông

Những nghiên cứu gần đây có Amir Behshad (2018) [18] đã nghiên cứu ảnh hưởngcủa vết nứt đến khả năng chịu tải của đập bê tông dưới tác dụng của tải trọng động đất

có xét đến tương tác giữa nước và kết cấu Trong nghiên cứu coi đập đã tồn tại vết nứt(dựa trên sự phá hoại thực tế của đập Koyna - Ấn độ khi chịu tác động của động đấtnăm 1967), tại vị trí bề mặt vết nứt được mô phỏng bằng hệ lò xo có cản theo haihướng như Hình 1.9

Hình 1 9 Mô hình mô phỏng tiếp xúc tại vị trí vết nứt