Nghiên cứu trƣờng ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập bê tông đầm lăn

ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong Trường Đại học Thủy Lợi

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thị Thanh Nga

Học viên đợt: 23C11

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Vũ Hoàng Hưng và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Những nội dung và kết

quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công

trình khoa học 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

Lê Thị Thanh Nga

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, được sự

dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các bộ môn trong Trường Đại học Thủy

Lợi, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực phấn đấu của bản

thân tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng

Công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu trường ứng suất nhiệt trong quá trình thi công

đập bê tông đầm lăn”

Để có được thành quả này, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán bộ

hướng dẫn khoa học là thầy giáo PGS.TS Vũ Hoàng Hưng và PGS.TS Nguyễn Quang

Hùng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết để

tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo Phòng

Đào tạo Đại học & Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo giảng dạy tại các bộ môn trong

Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá

trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, ban Lãnh đạo nơi

tác giả công tác đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận

văn này

Mặc dù đã hết sức nỗ lực và cố gắng nhưng do điều kiện thời gian và trình độ khoa

học của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết, tác

giả mong được đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp

để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 2 năm 2017

Tác giả

Lê Thị Thanh Nga

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1

4 Kết quả dự kiến đạt được 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ DIỄN BIẾN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 3

1.1 Xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam 3

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam 7

1.2 Bê tông đầm lăn và tính chất cơ bản của bê tông đầm lăn 11

1.2.1 Định nghĩa 11

1.2.2 Ưu , nhược điểm của công nghệ BTĐL [3] 11

1.2.3 Các đặc tính cơ học của BTĐL 12

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biễn nhiệt trong BTĐL 17

1.2.5 Diễn biến nhiệt trong bê tông đầm lăn 17

1.2.6 Nứt do nhiệt và ứng suất nhiệt 18

1.2.7 Một số công trình đập bê tông trọng lực bị nứt do nhiệt 24

1.3 Những vấn đề đặt ra đối với luận văn 27

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIỆT HỌC VÀ ỨNG DỤNG 29

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền dẫn nhiệt [16] 29

iv

2.1.1 Truyền dẫn nhiệt 29

2.1.2 Đối lưu nhiệt 31

2.1.3 Bức xạ nhiệt 32

2.2 Phần mềm ANSYS và khả năng tính toán nhiệt 33

2.2.1 Phần mềm ANSYS[17] 33

2.2.2 Khả năng tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt của phần mềm ANSYS 35

2.3 Tính nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập BTĐL bằng phần mềm ANSYS 40 2.3.1 Mô tả kết cấu đập BTTL 40

2.3.2 Tham số đầu vào của mô hình 43

2.3.3 Mô hình hóa kết cấu đập BTĐL 43

2.3.4 Phân tích mô phỏng thi công đập BTĐL bằng phần mềm ANSYS [16] 44

2.4 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ TRƯỜNG ỨNG SUẤT NHIỆT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 2 47

3.1 Giới thiệu công trình 47

3.1.1 Vị trí xây dựng công trình 47

3.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của dự án 47

3.1.3 Quy mô, thông số công trình 48

3.2 Tính toán ảnh hưởng của chiều dày khối đổ đến sự phát triển nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập BTĐL thủy điện Đồng Nai 2 49

3.2.1 Tài liệu tính toán 49

3.2.2 Điều kiện biên về nhiệt 53

3.2.3 Mô phỏng quá trình thi công đập 55

v

3.2.4 Mô tả mặt cắt đập tính toán 56

3.2.5 Mô hình hóa kết cấu 57

3.2.6 Phân tích kết quả tính toán nhiệt và ứng suất với các trường hợp thi công 59

3.2.7 Lựa chọn chiều dày khối đổ hợp lý để thi công đập Đồng Nai 2 trên cơ sở kết quả phân tích nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 74

3.3 So sánh kết quả tính toán nhiệt và ứng suất trong TH1 với kết quả của đơn vị tư vấn thiết kế 76

3.3.1 Kết qủa tính toán nhiệt và ưng suất của TVTK cho công trình thủy điện Đồng Nai 2 bằng phần mềm Contestpro V3 76

3.3.2 Kết so sánh kết quả tính toán nhiệt và ứng suất của TVTK và của tác giả cho đập BTĐL Đồng Nai 2 77

3.4 Kết luận Chương 3 78

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

4.1 Đánh giá kết quả đạt được của đề tài 79

4.2 Những tồn tại của đề tài 79

4.3 Kiến nghị phương hướng nghiên cứu tiếp theo 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 83

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Đồ thị biểu diễn tỷ lệ sử dụng BTĐL theo các hướng khác nhau

(12/2006) 3

Hình 1 2 Biểu đồ phân bố các đập BTĐL đã và đang XD trên thế giới 5

Hình 1 3 Đập BTĐL đầu tiên trên thế giới Buchtarma - Kazastan cao 90 m (Internet) 6

Hình 1 4 Đập BTĐL Long Than – Trung Quốc cao 192 m (Internet) 6

Hình 1 5 BTĐL đầu tiên tại Việt Nam, đập PlêiKrông- KonTum cao 71 m (Internet) 10

Hình 1 6 Đập BTĐL thủy điện Sơn La cao 138 m (Internet) 10

Hình 1 7 Quá trình thay đổi nhiệt độ của khối bê tông 18

Hình 1 8 Ứng suất nhiệt phát sinh trong khối bê tông 19

Hình 1 9 Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông 22 Hình 1 10 Nứt bề mặt và nứt xuyên ở đập bê tông 23

Hình 1 11 Sơ đồ vết nứt đập Sơn La 24

Hình 1 12 Hiện trạng vết nứt bề mặt đập Sơn La 25

Hình 1 13 Sơ đồ vết nứt đập Liễu Khê - Trung Quốc 26

Hình 1 14 Thấm nước qua vết nứt đập RCC Upper Stillwater, Utah, Hòa Kỳ (Internet) 26

Hình 2 1 Mặt cắt ngang đập trọng lực BTĐL 41

Hình 2 2 Sơ đồ khối chia đợt thi công không đều đập BTĐL 42

Hình 2 3 Sơ đồ khối gán điều kiện biên nhiệt vào từng đợt đổ 43

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các đập BTĐL đã và đang được xây dựng ở Việt Nam 16

Bảng 2 1 Ký hiệu và đơn vị sử dụng trong phân tích nhiệt 36

Bảng 2 2 Phần tử dùng trong phân tích nhiệt 37

Bảng 3 1 Thông số cơ bản của dự án 48

Bảng 3 2 Đặc trưng nhiệt độ không khí tại trạm Liên Khương (oC) 50

Bảng 3 3 Đặc trưng độ ẩm không khí không khí tại trạm Liên Khương 51

Bảng 3 4 Các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL 51

Bảng 3 5 Các chỉ tiêu về nhiệt của BTĐL 52

Bảng 3 6 Các chỉ tiêu cơ lý của nền 53

Bảng 3 7 Các chỉ tiêu về nhiệt của đá nền 53

Bảng 3 8 Nhiệt độ ban đầu của môi trường 53

Bảng 3 9 Hệ số truyền nhiệt đối lưu 54

Bảng 3 10 Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập TH1 63

Bảng 3 11 Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập TH2 69

Bảng 3 12 Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập TH3 74

Bảng 3 13 Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt thân đập trong 3 TH 75

Bảng 3 14 Bảng so sánh kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt thân đập của TVTK và tác giả 77

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

APDL : Phương pháp lập trình tham số

BTĐL : Bê tông đầm lăn

TVTK : Tư vấn thiết kế

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

PTHH : Phần tử hữu hạn

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ bê tông đầm lăn trong xây dựng đập bê tông đã được ứng dụng tương đối

rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là tốc độ thi

công nhanh, giá thành hạ so với công nghệ bê tông thông thường Tuy đã giảm được

rất nhiều sự tăng nhiệt độ trong khối đổ bê tông do hàm lượng xi măng trong bê tông

thấp nhưng vẫn bị chi phối bởi nhiều nhân tố khác như tốc độ thi công, chiều dày khối

đổ, nhiệt độ ban đầu của bê tông, nhiệt độ môi trường…nên việc khống chế nhiệt gặp

nhiều khó khăn và đây là điều kiện gây nên hiện tượng nứt trong quá trình thi công

Vấn đề phát sinh nứt trong các kết cấu đang diễn ra khá phổ biến, ảnh hưởng nghiêm

trọng đến an toàn của công trình nhất là đối với các công trình dâng nước Các biện

pháp xử lý khi xảy ra nứt thường phức tạp tốn kém, gây chậm tiến độ các công trình

Ngoài các nguyên nhân khách quan như lún không đều, tính kiềm trong cốt liệu đá, sỏi

và sự biến dạng của ván khuôn, chất tải thì một nguyên nhân quan trọng và chủ yếu

gây ra nứt là phát sinh ứng suất nhiệt gây nứt trong bê tông Vì vậy để khống chế nứt

do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công thì cần thiết phải nắm được ảnh hưởng của

các yếu tố đến sự phát triển nhiệt và ứng suất nhiệt, đáp ứng yêu cầu, đòi hỏi của cả

khoa học và thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu trường ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập bê tông đầm lăn từ đó

làm cơ sở cho đánh giá nứt do nhiệt trong quá trình thi công đập bê tông đầm lăn và

lựa chọn được chiều dày khối đổ hợp lý khi thi công đập thủy điện Đồng Nai 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a) Về cách tiếp cận:

Tiếp cận từ các số liệu thực tế các công trình đã xây dựng như: đập thủy điện Sơn La,

Lai Châu …

2

Tiếp cận từ lý thuyết phân tích nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập bê tông

b) Về phương pháp nghiên cứu:

Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu thu thập

Nghiên cứu lý thuyết nhiệt và ứng suất nhiệt

Sử dụng mô hình toán để tính toán bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt

4 Kết quả dự kiến đạt được

Nắm được cơ sở lý thuyết về nhiệt học

Sử dụng thành thạo phần mềm ANSYS phân tích nhiệt đập bê tông đầm lăn với các

điều kiện biên khác nhau

Phân tích được ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình thi công đặc biệt là ảnh

hưởng của chiều dày khối đổ đến sự phát triển nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập bê

tông đầm lăn

Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể: đập bê tông đầm lăn Đồng Nai 2

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ DIỄN BIẾN NHIỆT

TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

1.1 Xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn trên thế giới

Nhằm hạ giá thành và đẩy nhanh tiến độ thi công công trình, từ những năm đầu thập

niên 60 của thế kỷ 20, các nước trên thế giới đã nghiên cứu và xây dựng đập bê tông

trọng lực bằng công nghệ bê tông đầm lăn Từ khi xuất hiện công nghệ BTĐL, đặc biệt

từ năm 1996 đến 2006 số lượng đập BTĐL giàu chất kết dính trên thế giới tăng từ

43,3% năm 1996 lên 47,4% năm 2002 và 53,4% năm 2006 (Hình 1.1) [1]

Hình 1 1 Đồ thị biểu diễn tỷ lệ sử dụng BTĐL theo các hướng khác nhau

(12/2006) Năm 1961, tại công trình xây dựng đập Alpe Gera-Italia và đập Manicongan-Canada,

lần đầu tiên 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 Cũng trong năm

1961, tại công trình xây dựng đê quây của đập Thạch Môn - Đài Loan, hỗn hợp cát, đá

trộn với xi măng được rải và đầm chặt bằng các thiết bị thi công đập đất

Tuy nhiên BTĐL chỉ thực sự được chú ý khi giáo sư Jerome Raphael (Mỹ) trình bày

báo cáo “Đập trọng lực tối ưu” vào năm 1970, 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

4

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 đã có những đóng góp đáng kể về nghiên cứu BTĐL

Kết quả thí nghiệm đã đưa ra khái niệm bê tông nghèo xi măng, 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 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, Mỹ có hàng chục đập BTĐL

Những năm 1970 ở Anh, Dunstan thực hiện các nghiên cứu về BTĐL Hiệp hội nghiên

cứu 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 lý

nước Tamara - Coruwall (1976) và đập Wimbledall (1979)

Năm 1974, các kỹ sư Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL nhằm rút ngắn thời

gian 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 240m với 165.000m3

BTĐL trong tổng số 317.000m3 bê tông đập Đến cuối 1992 đã có 30 đập BTĐL được thi công ở

Nhật và đến nay Nhật Bản đã hình thành trường phái BTĐL-RCD (Roller-Compacted

Dams) gồm các công tác thiết kế mặt cắt đập, tính toán cấp phối, công nghệ thi công

và khống chế nhiệt độ trong thân đập

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

1986 đập Khang Khẩu là đập BTĐL đầu tiên đã được xây dựng Đến nay Trung Quốc

là quốc gia đứng đầu thế giới về số lượng, chiều cao và kỹ thuật…trong xây dựng đập

BTĐL Trường phái công nghệ BTĐL của Trung Quốc được hoàn thiện với tên gọi

RCCD (Roller Compacted Concrete Dams), bao gồm các công tác 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

Đập BTĐL sử dụng BTĐL nghèo CKD đã được sử dụng tại một số đập có chiều cao

dưới 60m ở Mỹ Hiện nay, các đập BTĐL được xây dựng trên thế giới chủ yếu sử

5

dụng BTĐL có lượng CKD trung bình và giàu CKD như các nước Tây Âu, Trung

Quốc, Nhật Bản Đã có trên 300 đập bê tông trọng lực BTĐL với khối lượng tổng

cộng khoảng trên 90 triệu m3 BTĐL đã được xây dựng (Hình 1.2) Trung Quốc là quốc

gia dẫn đầu về số lượng đập BTĐL sau đó là Hoa Kỳ, Nhật Bản và Tây Ban Nha

Hình 1 2 Biểu đồ phân bố các đập BTĐL đã và đang XD trên thế giới

(nguồn: Hội Đập lớn và PTNN Việt Nam 12/2005)

Số liệu thống kê đến tháng 12/2005: đập Khun Dan của Thái Lan có khối lượng BTĐL

lớn nhất thế giới 4,9 triệu m3 BTĐL trong tổng số 5,4 triệu m3 bê tông sử dụng cho

đập; các đập Sawalkot (Ấn Độ) cao 197m và Giongzhao (Trung Quốc) cao 196m là 2

đập BTĐL có chiều cao lớn nhất thế giới; đập Longtan (Trung Quốc) cao 192 m với

khối lượng BTĐL 4,623 triệu m3 được thi công trong 36 tháng là đập BTĐL có tốc độ

thi công cao nhất thế giới

Một số hình ảnh đập bê tông đầm lăn trên thế giới:

6

Hình 1 3 Đập BTĐL đầu tiên trên thế giới Alpa - Gera, Italy cao 178 m (Internet)

Hình 1 4 Đập BTĐL Long Than – Trung Quốc cao 216.5 m (Internet)

7

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam

Trong một vài năm trở lại đây, nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển đáng

kể nhờ có chính sánh mở cửa của Nhà nước Nhiều công trình lớn đang được xây dựng

để phát triển cơ sở hạ tầng như các công trình giao thông, thuỷ lợi, thủy điện phục vụ

sự phát triển kinh tế của đất nước Sự phát triển kinh tế với tốc độ nhanh kéo theo nhu

cầu dùng điện ngày càng tăng cao, để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện tăng cao trong giai

đoạn 2005-2015, Tổng công ty điện lực Việt nam (EVN) đã lập các dự án xây dựng

mới 32 nhà máy điện trong đó có 20 nhà máy thuỷ điện.Vì các công trình này đều đòi

hỏi thời gian thi công ngắn, năng suất thi công lớn hơn nhiều so với trước đây nên giải

pháp xây dựng đập dâng bằng bê tông trọng lực thi công bằng công nghệ đầm lăn đã

được đề nghị lựa chọn [2]

Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về nguyên vật liệu và máy móc thiết bị để áp dụng

công nghệ BTĐL

Về nguyên vật liệu: ngoài yêu cầu về cốt liệu, cấp phối BTĐL cần một lượng lớn các

phụ gia khoáng hoạt tính là tro bay và puzơlan Nước ta hiện có nhiều nguồn phụ gia

khoáng có thể sử dụng làm PGK cho BTĐL gồm các nguồn nhân tạo như tro bay (nhà

máy nhiệt điện Phả Lại, Ninh Bình, Uông Bí…) và các loại puzơlan tự nhiên như

puzơlan Sơn Tây, đá silic Hải Phòng, puzơlan Phong Mỹ - Thừa Thiên Huế, puzơlan

Gia Lai, điatomit Kontum, puzơlan Bà Rịa-Vũng Tàu, điatomit Phú Yên

Về thiết bị: các thiết bị chính để thi công BTĐL như máy trộn cưỡng bức có khả năng

trộn hỗn hợp bê tông khô sử dụng cốt liệu có đường kính lớn, băng tải hoặc các thiết bị

tương đương để vận chuyển bê tông, xe tải tự đổ, máy san ủi, máy lu rung, máy tạo

khe co, máy đánh xờm, hệ thống phun nước cao áp làm sạch bề mặt bê tông mạch

ngừng, hệ thống phun nước bảo dưỡng bê tông…phần lớn đều đã có sẵn hoặc có thể

được chế tạo bởi ngành cơ khí trong nước Với các ưu điểm nổi bật và tiềm năng lớn

về nguyên vật liệu, thiết bị thi công; việc áp dụng công nghệ BTĐL vào thi công đập

bê tông trọng lực là hoàn toàn hợp lý

Để đáp ứng yêu cầu thực tiễn trên từ những năm 1990 Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu

8

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 tư vấn

xây dựng thủy lợi HEC-1[9] 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 bê tông truyền thống 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 Pleikrong tại

tỉnh Kon Tum với chiều cao 71m được thiết kế bởi công ty 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 thi công và chuẩn bị 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, thủy điện Lai Châu Tính đến nay đã gần 30 đập BTĐL

đã và đang được xây dựng tại Việt nam (xem bảng 1.1) [2]

Bảng 1 1 Các đập BTĐL đã và đang được xây dựng ở Việt Nam

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm XD Năm dự kiến hoàn thành

9

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm XD Năm dự kiến hoàn thành

Một số hình ảnh đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam:

11

1.2 Bê tông đầm lăn và tính chất cơ bản của bê tông đầm lăn

1.2.1 Định nghĩa

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

(xi măng, PGK hoạt tính nghiền mịn), nước, phụ gia đầy 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

1.2.2 Ưu , nhược điểm của công nghệ BTĐL [3]

1.2.2.1 Ưu điểm của BTĐL

BTĐL là loại bê tông nghèo xi măng, hỗn hợp RCC khô và không có độ sụt Khác với

bê tông thường, phương pháp thi công RCC gần giống phương pháp thi công đắp đập

đất đá: San rải từng đợt mỏng, dùng đầm lu rung để đầm chặt So với bê tông thường

về các mặt: Tiêu hao vật liệu, hiệu suất thi công và tính năng vật liệu của RCC ưu việt

hơn Công nghệ BTĐL đặc biệt hiệu quả khi áp dụng xây dựng đập bê tông trọng lực,

khi khối lượng thi công bê tông càng lớn thì hiệu quả tác dụng càng cao Những ưu

điểm nổi bật của công nghệ bê tông đầm lăn:

Giảm lượng xi măng trong bê tông dẫn đến giảm ứng suất nhiệt và hạn chế nứt trong

khối bê tông

Thi công nhanh: So với đập bê tông thường, đập BTĐL được thi công với tốc độ cao

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 ít phải chờ khối đổ hạ nhiệt So với đập đất đắp có cùng chiều cao,

khối tích của đập BTĐL nhỏ hơn nên thi công nhanh hơn Công trình đập càng cao,

hiệu quả kinh tế của đập BTĐL càng lớn so với đập đất đắp

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

giá thành đập BTĐL rẻ hơn so với đập bê tông thi công bằng công nghệ truyền thống

từ 25% đến 40% Việc hạ giá thành đạt được là do giảm được chi phí cốp pha, giảm

chi phí cho công tác vận chuyển, đổ, đầm bê tông

12

Giảm chi phí cho các kết cấu phụ trợ: So với đập đắp, chi phí làm cửa tràn của đập

BTĐL rẻ hơn (tương tự như đập bê tông thường) Đối với đập thuỷ điện được thiết kế

có nhiều cửa nhận nước ở nhiều cao trình khác nhau thì phương án đập BTĐL càng rẻ

hơn so với phương án đập đắp Hơn nữa khi làm đập BTĐL, chiều dài của kênh xả

nước ngắn hơn so với kênh xả nước của đập đắp và vì vậy giảm chi phí làm bản đáy và

chi phí xử lí nền đập

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 tràn

qua đê quai Đối với đập BTĐL, đường ống dẫn dòng ngắn hơn ống dẫn dòng của đập

đắp Hơn nữa thời gian thi công đập BTĐL ngắn nên các ống dẫn dòng cho đập

BTĐL chỉ cần thiết kế để đáp ứng lưu lượng xả nước lớn nhất theo mùa thay vì lưu

lượng lớn nhất theo năm như đối với đập bê tông và đập đắp Vì vậy đường kính cống

dẫn dòng của đập BTĐL nhỏ hơn và chiều cao đê quai cho đập BTĐL cũng thấp hơn

so với phương án đập bê tông thường và đập đắp

1.2.2.2 Nhược điểm của BTĐL

Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, công nghệ BTĐL cũng tồn tại một số nhược điểm

mà nếu không có biên pháp khắc phục sẽ gây khó khăn cho công tác duy tu, vận hành,

bảo dưỡng sau này như:

- Chất lượng RCC phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết khu vực đổ bê tông (đặc biệt

là nhiệt độ và độ ẩm không khí)

- Thời gian ninh kết đạt cường độ thiết kế dài

- Yêu cầu giám sát các công đoạn vận chuyển, san ủi, đầm… cao, phụ thuộc nhiều vào

nguồn cung cấp PGK: tro bay, puzơlan

1.2.3 Các đặc tính cơ học của BTĐL

1.2.3.1 ư ng độ háng n n của BTĐL

Cường độ kháng nén là tính chất cơ học quan trọng nhất của bê tông nói chung và

13

BTĐL nói riêng, các tính năng cơ học khác của bê tông như mô đun đàn hồi, tính

thấm… đều có quan hệ mật thiết với cường độ kháng nén Giá trị cường độ kháng nén

có thể gián tiếp phản ánh mức độ lớn nhỏ của các tính năng này

Giá trị cường độ kháng nén của bê tông được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu

Tuy nhiên hình dạng, kích thước, ngày tuổi mẫu thí nghiệm bê tông khi xác định

cường độ kháng nén giới hạn của bê tông không thống nhất giữa các nước Ví dụ như

Việt Nam, Trung Quốc sử dụng mẫu lập phương 15cm; Mỹ, Nhật, Canada sử dụng

mẫu trụ tròn đường kính 15cm, cao 30cm Ngoài ra giá trị cường độ kháng nén của bê

tông còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật liệu kết dính và tỉ lệ nước/xi

măng, cường độ và độ sạch cốt liệu, điều kiện bảo dưỡng bê tông… Đối với BTĐL,

cường độ kháng nén có liên quan mật thiết với tỉ lệ chất kết dính và hàm lượng trộn

PGK

1.2.3.2 ư ng độ háng o của BTĐL

Cường độ kháng kéo của BTĐL là một trong những tính năng cơ bản của bê tông Khả

năng chống nứt, chống cắt, chống xoắn … đều có liên quan đến cường độ kháng kéo

của bê tông Giá trị cường độ kháng kéo của bê tông 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 Nói chung cường độ kháng kéo của BTĐL tăng lên khi cường độ kháng

nén của bê tông tăng lên

1.2.3.3 đun đàn hồi của BTĐL

Mô đun đàn hồi là tham số quan trọng khi tính toán phân bố ứng suất trong kết cấu đập

BTĐL Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tương đối khó, nói chung đều dự đoán

thông qua cường độ kháng nén của bê tông 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 [4]: c

c

100E

14

Quy phạm ACI của Mỹ [5]: Ec 4730 fc (MPa) (1.2)

Tiêu chuẩn BS8110 của Anh [6]: c c

c

5,5

Tiêu chuẩn của Châu Âu [7]: Ec 6000 fc (MPa) (1.4)

Theo TCXDVN 356-2005 [8] giá trị của Ec phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê

tông và trong khoảng từ (21 40)  103 (MPa)

Tuy nhiên đối với BTĐL, cường độ kháng nén của BTĐL phụ thuộc tỉ lệ chất kết dính

và hàm lượng trộn PGK Vì vậy mô đun đàn hồi (Ec) của BTĐL tại thời điểm 28 ngày

và 90 ngày có thể được xác định theo công thức (1.5) và (1.6) [9]:

c28

E 14, 210(N / CKD)-0,145(PGK/CKD)+0,726 (1.5)

c90

E 21, 217(N / CKD)-0,197(PGK/CKD)-1,376 (1.6)

Từ công thức (1.5) và (1.6) có thể thấy rằng mô đun đàn hồi của BTĐL giảm nhỏ khi

tỷ lệ chất kết dính và hàm lượng trộn Fuzơlan tăng lên

1.2.3.4 Bi n d ng của BTĐL

Bê tông trong quá trình đông cứng và trong môi trường sử dụng khác nhau đều có thể

xuất hiện biến dạng, biến dạng của bê tông bao gồm co ngót hóa học, co dãn do độ ẩm,

biến dạng nhiệt, biến dạng do tải trọng… Theo tính chất biến dạng có thể phân thành

biến dạng hồi phục và biến dạng không hồi phục, biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

 Từ biến của bê tông

Khi kết cấu bê tông chịu tác dụng của tải trọng trong thời gian dài, biến dạng bê tông

tăng lên theo thời gian được gọi là từ biến Thời kỳ đầu gia tải, từ biến của bê tông

tăng lên khá nhanh sau đó dần dần giảm xuống, một vài năm sau tăng lên rất chậm Bê

tông 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

15

năng hồi phục gọi là biến dạng dư

Bê tông 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 khối đá xi măng dưới tác

dụng của tải trọng trong một thời gian dài bị nới lỏng, đồng thời hút nước bám trên hạt

kết dính do ứng suất tải trọng và thấm đi theo ống mao dẫn Có rất nhiều nhân tố ảnh

hưởng đến giá trị từ biến như chủng loại xi măng, tính chất cốt liệu, tỉ lệ nước/xi

măng, 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…

 Co ngót của bê tông

Khi bê tông đông cứng trong không khí, thể tích của nó có thể giảm nhỏ, hiện tượng

này gọi là co ngót bê tông 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 bê tông không thể tự do co ngót, trong bê tông phát sinh

ứng suất kéo dẫn đến phá hoại nứt Trong cấu kiện bê tông cốt thép, do cốt thép đã hạn

chế co ngót bê tông khiến biến dạng co ngót của kết cấu giảm đi so với bê tông co ngót

tự do Khi co ngót của bê tông lớn, hàm lượng cốt thép trong cấu kiện lại nhiều, có thể

dẫn đến nứt do co ngót trong cấu kiện

Nhân tố ảnh hưởng đến co ngót của bê tông 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 xi măng, điều kiện bảo dưỡng nên tính toán chính xác co ngót bê tông rất

khó khăn

1.2.3.5 Tính năng cơ học của BTĐL theo th i 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… của nội bộ kết cấu trong không

gian và thời gian

16

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 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

Theo nghiên cứu của Lê Quốc Toàn [10], sử dụng phương pháp quy hoạch thực

nghiệm để xác định cấp phối tối ưu cho đập BTĐL Đồng Nai 4 dùng 2 dạng PGK phổ

biến đó là cấp phối BTĐL-P (BTĐL dùng PGK hoạt tính Puzơlan) với tuổi thiết kế

365 ngày và BTĐL-T (BTĐL dùng PGK hoạt tính tro bay nhiệt điện) với tuổi thiết kế

90 ngày với các loại vật liệu trong nước và xây dựng các hàm quan hệ cường độ nén

theo thời gian, cường độ kéo theo thời gian, biến dạng co ngót theo thời gian và modul

đàn hồi theo thời gian của 02 cấp phối BTĐL …Cụ thể như sau:

Hàm biểu diễn sự phát triển cường độ nén của BTĐL theo thời gian:

Giá trị modul đàn hồi tương thích với quy luật phát triển cường độ của BTĐL, hàm

biểu diễn theo thời gian:

Yđh1 = 0,4823ln(x) + 0,0946 với R2 = 0,9758 (1.13)

17

Yđh2= 0,5031ln(x) + 0,0808 với R2 = 0,9831 (1.14)

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biễn nhiệt trong BTĐL

Do BTĐL có thể tích lớn, lượng dùng xi măng tương đối ít, lượng dùng PGKHT

nhiều, sử dụng biện pháp đổ bê tông đợt móng liền khối, không bố trí khe dọc và đôi

khi không có khe ngang, thời gian nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ rất ngắn Những đặc

điểm này dẫn đến diễn biến nhiệt trong khối BTĐL khác với khối bê tông thường và

do vậy các biện pháp khống chế nhiệt độ tương ứng cũng khác biệt Các quốc gia có

ứng dụng BTĐL đều rất coi trọng việc nghiên cứu các chỉ tiêu cơ nhiệt và quy luật

thay đổi nhiệt trong khối BTĐL để sử dụng các biện pháp phù hợp nhằm đảm bảo an

toàn cho đập

Các nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tài liệu quan trắc đo đạc trên công trình cho

thấy diễn biến nhiệt trong khối BTĐL phụ thuộc các yếu tố cơ bản sau:

- Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp BTĐL và tính chất tỏa nhiệt của BTĐL

- Hàm lượng xi măng hoặc chất kết dính trong cấp phối BTĐL

- Tính chất thủy hóa của loại xi măng và của cốt liệu sử dụng

- Điều kiện môi trường xung quanh

1.2.5 Diễn biến nhiệt trong bê tông đầm lăn

Trong quá trình bê tông đông cứng, do sự thủy hoá của xi măng đã sinh ra lượng nhiệt

rất lớn, làm cho nhiệt độ trong khối bê tông tăng cao, do tính chất dẫn nhiệt của bê

tông kém nên nhiệt lượng sinh ra tập trung vào trong khối bê tông làm tăng nhiệt độ

trong bê tông gây ra chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối bê tông Nhiệt độ trong

khối bê tông cao hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài khối bê tông Theo thời gian,

nhiệt độ trong khối bê tông sẽ giảm dần, tới mức ổn định Quan sát thực tế thấy rằng:

sự giảm dần nhiệt độ tự nhiên của bê tông kéo dài tới vài chục năm Sau khi nhiệt độ

đã giảm xuống tới mức ổn định thì chỉ có vài mét ngoài vỏ của khối bê tông nhiệt độ

lên xuống, thay đổi theo nhiệt độ môi trường bên ngoài

18

Quá trình thay đổi nhiệt độ của bê tông khối lớn có thể chia làm 3 thời kỳ: tăng nhiệt,

giảm nhiệt, ổn định nhiệt như hình 1.7 Từ hình vẽ thấy rằng; nhiệt độ cao nhất của bê

tông Tmax bằng nhiệt độ trong bê tông đổ vào Tp cộng với nhiệt độ phát nhiệt lớn nhất

của xi măng (chất kết dính) Tr Từ nhiệt độ Tp đến Tmax là thời kỳ tăng nhiệt, sau khi

đạt đến Tmax thì nhiệt độ trong bê tông sẽ giảm dần, giai đoạn này gọi là thời kỳ giảm

nhiệt, cuối cùng nhiệt độ trong khối bê tông ổn định Thời gian để nhiệt độ trong khối

bê tông đạt đến nhiệt độ ổn định phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Theo kết quả nghiên

cứu của Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI) thì trường hợp mặt tường bê tông dày 150 mm có

thể ổn định sau 1,5 giờ, tường dày 1,5 m cần 1 tuần, nếu dày 15m thì phải cần 2 năm

và như các đập Hoover, Shasta, Grand Coulee có chiều dày khoảng trên 150 m thì thời

gian để đạt trạng thái ổn định về nhiệt độ lên tới 200 năm

Quá trình thay đổi nhiệt độ của khối BTĐL được mô phỏng như Hình 1.7

Hình 1 7 Quá trình thay đổi nhiệt độ của khối bê tông

Tmax = Tp + Tr (1.15)

trong đó

Tmax: Nhiệt độ cao nhất của khối bê tông;Tp: Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông; Tr:

Nhiệt độ lớn nhất do thủy hóa xi măng; Tf: Nhiệt độ ổn định của khối bê tông

1.2.6 Nứt do nhiệt và ứng suất nhiệt

Nhiệt lượng thuỷ hoá xi măng trong bê tông nếu không kịp thời tán phát mà tích tụ lại

sẽ làm cho nội bộ bê tông thể tích lớn phát sinh tăng nhiệt tương đối cao Sự thay đổi

nhiệt độ của khối bê tông làm cho nó biến đổi hình dạng và sinh ra ứng suất Bê tông

19

đã cứng trong quá trình nhiệt tăng lên hình thành áp suất nén nhưng trong quá trình hạ

nhiệt lại phát sinh co ngót Khi co ngót bị ràng buộc, trong nội bộ bê tông phát sinh

ứng suất kéo Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kháng kéo, bê tông phát sinh khe

nứt Loại ứng suất do nhiệt độ dẫn đến gọi là ứng suất nhiệt Khe nứt nhiệt hạ thấp tính

hoàn chỉnh kết cấu của bê tông, tính chống thấm và tính vững bền, làm cho toàn bộ độ

an toàn của kết cấu bị hạ thấp Trong thi công bê tông thể tích lớn, mục đích khống chế

nhiệt một cách nghiêm ngặt chính là đề phòng hoặc giảm thiểu xuất hiện khe nứt nhiệt

độ Tùy theo điều kiện của khối bê tông tự do hay không mà có các hiện tượng nứt bề

mặt và nứt xuyên, nứt sâu Nguyên nhân gây hiện tượng nứt là do ứng suất ràng buộc

bên trong và bên ngoài sinh ra trong quá trình bê tông hạ nhiệt co ngót

1.2.6.1 Nứt bề mặt

Trong quá trình bê tông đông cứng, do xi măng 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 cục 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 1.8

T

x O

20

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

Ứng suất kéo do nhiệt gây nứt mặt được xác định theo công thức sau:

s: ứng suất kéo lớn nhất có thể phát sinh tại mặt khoảnh (N/cm2);

: hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông, thường lấy 10-5÷8×10-6

(1/0C);

E: mô đun đàn hồi của bê tông (N/cm2);

: hệ số Poisson, lấy 0,15÷ 0,2;

T: chênh lệch nhiệt độ bình quân giữa khối bê tông và không khí bên ngoài (0C)

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004 thì có 2 điều kiện sau đây làm cho bê

tông bị nứt do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông [11] :

Độ chênh nhiệt độ T > 200

C - Điều kiện cần Môdun độ chênh nhiệt độ M T ≥ 500C/m - Điều kiện đủ

Điều kiện đủ M T được mô tả bằng:

MT = tg = (ta-tb)/a = T/a

trong đó: a là khoảng cách giữa 2 điểm a và b có chênh lệch độ T

1.2.5.2 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 đã đổ cũ với khối

bê tông mới đổ



21

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 1.9

Loại nứt này bắt đầu từ mặt tiếp xúc với nền phát triển lên, ở trường hợp 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

Giả thiết khối bê tông mới đổ, nhiệt độ của các điểm trong khối có giá trị là T1 Nếu

khối bê tông hoàn toàn cách nhiệt và nhiệt độ của các điểm trong khối đều tăng lên trị

số T2, khi này chênh lệch nhiệt độ là: T=T2 –T1, tương ứng có biến dạng nhiệt là t =

.T Nếu khối bê tông không bị sự kiềm chế nào, thì sẽ tự do biến dạng và trong khối

bê tông không phát sinh ứng suất nhiệt Song thực tế thì khối bê tông mới đổ gắn chắc

vào nền hoặc mặt của khối bê tông đã đổ cũ và do đó sẽ bị kiềm chế cả hai hướng trên

mặt bằng Tại mặt đáy, do nền không biến dạng nên biến dạng do nhiệt độ thay đổi và

biến dạng do ứng suất nền kiềm chế phải triệt tiêu nhau, nghĩa là:

22

t,o: biến dạng do nhiệt độ thay đổi và do kiềm chế của nền;

: hệ số Poisson của bê tông, lấy 0,15÷ 0,2 Các ký hiệu khác như (1.16)

Nếu kể đến các yếu tố ảnh hưởng khác như biến dạng dẻo, từ biến và xét đến mức độ

giảm kiềm chế của nền theo chiều cao của khối bê tông thì ứng suất nhiệt được tính

Kp: hệ số từ biến của bê tông, thường lấy bằng 0,5;

R: hệ số xét đến ảnh hưởng kiềm chế của nền, phụ thuộc vào tỷ số giữa mô đun đàn

hồi của bê tông và nền (E/En) và vào tỷ số giữa chiều cao và cạnh dài của khối bê tông

y

(a) (b) (c) Hình 1 9 Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông

(a) Bi n d ng do nền kiềm ch ; (b) Phân bố ứng suất nhiệt khi bị nền kiềm ch : s1 :

ứng suất n n, s2 : ứng suất o, txy : ứng suất ti p; (c) V t nứt do nền kiềm ch

Khi ứng suất kéo vượt quá ứng suất kéo cho phép, bê tông sẽ nứt Nứt trong trường

hợp này gọi là nứt xuyên (hình 1.10) Nứt xuyên rất nguy hiểm, làm mất tính chỉnh thể

của công trình; nếu không kịp thời phát hiện và xử lý công trình sẽ bị phá hoại Loại

nứt xuyên này thường khó phát hiện và thường sinh ra trong thời kỳ công trình vận

hành

23

Hình 1 10 Nứt bề mặt và nứt xuyên ở đập bê tông

1.2.5.3.Nứt song song mặt đập

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

dừng mùa đông và mặt nghỉ thi công thông thường, nghiêm trọng có thể xuất hiện vết

nứt xuyên thượng hạ lưu, trong vùng lạnh rất 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 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

1.2.5.4 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 đông

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

Hầu hết tất cả các loại vết nứt trên đều có liên quan đến nhiệt độ cả trong và ngoài

khối đập

24

1.2.7 Một số công trình đập bê tông trọng lực bị nứt do nhiệt

Ở nước ta trong quá trình thi công thuỷ điện Sơn la đã xuất hiện vết nứt tại các khối

C3 và L1 (hình 1.11) [12][13][14][15]:

(a)

(b) Hình 1 11 Sơ đồ vết nứt đập Sơn La

(a): ặt bằng v t nứt t i hối 3 và L1 (b): Sơ đồ v t nứt hối C3

25 Hình 1 12 Hiện trạng vết nứt bề mặt đập Sơn La

26

Đập Liễu Khê của Trung Quốc thi công bằng công nghệ đầm lăn bị nứt do ảnh hưởng

một phần của nhiệt trong quá trình thi công

Hình 1 13 Sơ đồ vết nứt đập Liễu Khê - Trung Quốc Đập RCC Upper stillwater , Utah Hoa Kỳ cao 90m phát triển 13 vết nứt do nhiệt dọc

thân đập với chiều dài trung bình 49m, rộng 10mm, gây ra thấm về hạ lưu

Hình 1 14 Thấm nước qua vết nứt đập RCC Upper Stillwater, Utah, Hòa Kỳ

(Internet)

27

1.3 Những vấn đề đặt ra đối với luận văn

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 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 trường ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập bê tông

đầm lăn” khi chịu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ ban đầu của khối đổ, nhiệt

độ của môi trường và kích thước của khối đổ trong qua trình thi công là rất cần thiết,

làm cơ sở đánh giá nứt đập BTĐL do nhiệt trong quá trình thi công

1.4 Kết luận chương 1

Với tính chất ưu việt là tốc độ thi công nhanh, giá thành hạ so với công nghệ bê tông

thông thường,công nghệ bê tông RCC đang là xu hướng phát triển không chỉ ở trên

thế giới, mà còn ở Việt Nam trong xây dựng các hồ chứa nhất là các hồ chứa lớn

Tuy đã giảm được rất nhiều sự tăng nhiệt độ trong khối đổ bê tông do hàm lượng xi

măng trong bê tông thấp nhưng vẫn bị chi phối bởi nhiều nhân tố khác Nhiệt độ sau

khi đổ bê tông sẽ có sự thay đổi khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố; Quá

trình nhiệt trong bê tông gồm 3 giai đoạn: gian đoạn tăng nhiệt, giai đoạn giảm nhiệt

và giai đoạn ổn định nhiệt Quá trình nhiệt cũng hình thành ứng suất nhiệt trong bê

tông khối lớn, khi ứng suất nhiệt phát sinh lớn hơn cường độ chịu kéo của bê tông sẽ

gây ra nứt; Có hai loại vết nứt là nứt mặt và nứt xuyên, trong đó nứt xuyên rất nguy

hiểm cho công trình vì nó thường xuất hiện trong thời gian vận hành công trình Đã có

khá nhiều công trình ở Việt Nam và thế giới xảy ra hiện tượng nứt xuyên gây mất an

toàn cho đập và hồ chứa, công tác khắc phục kéo dài và gây tốn kém

Để hiểu rõ hơn bản chất phá hoại do nhiệt để từ đó có những ứng xử phù hợp, cần hiểu

rõ cơ sở lý thuyết của trường nhiệt và trường ứng suất nhiệt trong bê tông RCC

28 Những nghiên cứu được nêu ra ở chương này sẽ làm sơ sở để đưa vào phân tích trường

nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập ở những chương tiếp theo

29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIỆT HỌC VÀ ỨNG DỤNG

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền dẫn nhiệt [16]

Phân tích nhiệt tuân theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, tức là định luật bảo

toàn năng lượng:

Đối với một hệ thống khép kín (không có dòng vào hoặc dòng ra của lượng chất):

trong đó: Q - nhiệt lượng; W: công làm việc; U: nội năng hệ thống; ∆KE: động năng

của hệ thống; ∆PE: thế năng của hệ thống

Đối với đại đa số vấn đề truyền nhiệt công trình thì KE  PE  0

Thông thường chưa xem xét công làm việc: W=0 , thì: Q=∆U

Đối với phân tích nhiệt ổn định: Q=∆U=0 ; tức là nhiệt lượng dòng vào hệ thống bằng

nhiệt lượng dòng ra

Đối với truyền nhiệt không ổn định; tức là tốc độ chuyển nhiệt dòng vào hoặc dòng ra

q bằng nội năng hệ thống thay đổi theo thời gian

Bài toán nhiệt trong bê tông khối lớn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi ba dạng trao đổi nhiệt cơ

bản:

Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, gọi tắt là dẫn nhiệt;

Trao đổi nhiệt bằng đối lưu;

Trao đổi nhiệt bằng bức xạ

2.1.1 Truyền dẫn nhiệt

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

30

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 với

: 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 (kg/m3);

x, y, z : tọa độ điểm đang xét;

qv: năng suất phát nhiệt của nguồn nhiệt bên trong (Kcal/m3.h)

Trường hợp dẫn nhiệt ổn định không có nguồn nhiệt bên trong thì phương trình vi

phân dẫn nhiệt được biểu diễn dưới dạng phương trình Laplace:

2

T 0

Phương trình (2.2) là phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát Giải phương trình vi

phân này, ta được nghiệm tổng quát dưới dạng T = f(x,y,z,t) Muốn được nghiệm cụ

thể của từng bài toán, ta cần kết hợp với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên

2.1.2 Đối lưu nhiệt

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 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

32

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:

 : hệ số toả nhiệt (Kcal/m²hoC);

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 chất lỏng, , C, 

của chất lỏng,

2.1.3 Bức xạ nhiệt

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 biến 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 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