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

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên liệu tương tự như bê tông
truyền thống (CVC). Tuy nhiên bê tông CVC được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa
vào trong lòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị lu rung lèn như thi công
đất. BTĐL là loại bê tơng khơ, khơng có độ sụt và có lượng dùng xi măng (XM) rất
thấp, thường chỉ từ 60 đến 100 kg cho 1 m3. Lượng XM còn lại so với CVC trong
BTĐL được thay thế bằng phụ gia khống (PGK) hoạt tính nghiền mịn. Với ưu điểm
thi cơng nhanh, giá thành hạ, giảm chi phí cho các kết cấu phụ trợ, giảm chi phí cho
biện pháp thi công, BTĐL đã được ứng dụng tương đối phổ biến trong xây dựng các
đập trọng lực cơng trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam. Các đập BTĐL xây dựng tại
Việt Nam được thiết kế và thi công dựa theo kinh nghiệm hay các tài liệu hướng dẫn
của Mỹ, Trung Quốc. Các đặc trưng cơ lý, nhiệt của BTĐL như: cường độ kháng nén,
cường độ kháng kéo, biến dạng, hệ số dãn nở nhiệt, dẫn nhiệt,… đều lấy theo tiêu
chuẩn của nước ngồi vì chúng ta chưa có tiêu chuẩn riêng và chưa có nhiều cơng trình
tương tự. Nhiều cơng trình sử dụng BTĐL đã xảy ra nứt, kể cả cơng trình lớn như đập
thủy điện Sơn La. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra nứt, nhưng đa phần vẫn là nứt do
nhiệt trong q trình nhiệt thủy hóa vật liệu chất kết dính (CKD) của BTĐL. Các
nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và các tài liệu hướng dẫn, tiêu chuẩn
thiết kế cũng chủ yếu tập trung vào việc khống chế ứng suất do nhiệt. Tuy nhiên việc
khống chế này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, cung ứng vật liệu,
công nghệ thi cơng và mang tính chất đặc thù của địa phương vì vậy khó có một đáp
án chung cho tất cả các đập BTĐL nên việc ứng dụng các thành quả nghiên cứu trên
thế giới về BTĐL mà đập vẫn xảy ra nứt là điều dễ hiểu. Đề tài “Nghiên cứu giải
pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng cơng trình thủy lợi
thủy điện tại Việt nam” là một trong những vấn đề cần thiết và bức xúc, đề tài mang
tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn cao. Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở
để áp dụng thiết kế, thi cơng đập BTĐL an tồn và kinh tế, phù hợp với điều kiện Việt
Nam.
1

2. Mục đích nghiên cứu
Xác định q trình phát triển nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong đập BTĐL dựa trên
những điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Đề xuất việc lựa chọn hàm lượng và thành phần vật liệu CKD, đề ra các giải pháp
giảm nhiệt để khống chế các vết nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập
BTĐL phù hợp với từng vùng miền của Việt Nam.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đập BTĐL đã và đang xây dựng tại Việt Nam.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố về vật liệu, thi công và điều kiện tự nhiên
đến ứng suất nhiệt của BTĐL trong xây dựng cơng trình thủy lợi thủy điện tại Việt
Nam.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Phương pháp lý thuyết
Trên cơ sở phân tích lý thuyết truyền nhiệt, lý thuyết đàn hồi nhiệt trong cơng trình bê
tơng và phương pháp tính để lựa chọn phương pháp giải bài tốn nhiệt đạt độ chính
xác u cầu.
5.2. Phương pháp mơ hình tốn
Sử dụng mơ hình tốn để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng
suất nhiệt đập BTĐL thông qua giả thiết các kịch bản đầu vào.
6. Nội dung nghiên cứu
Điều chỉnh phương trình nhiệt thủy hóa vật liệu CKD của BTĐL có xét đến ảnh hưởng
của hàm lượng PGK và thành phần khoáng của XM được sản xuất tại Việt Nam. Xây
dựng bài toán xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong phần mềm
ANSYS có xét đến các nhân tố ảnh hưởng này.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và độ ẩm mơi trường, hàm lượng
khống của XM, nhiệt độ đổ bê tông, hàm lượng PGK đến ứng suất nhiệt đập BTĐL.

2

Kiến nghị giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL phù hợp với từng khu vực đặc thù
của Việt Nam.
Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án tính tốn thử vào cho đập BTĐL Trung Sơn
– Thanh Hóa.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
7.1. Ý nghĩa khoa học
Làm rõ những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát triển nhiệt và gây ra ứng
suất nhiệt trong q trình thi cơng BTĐL.
Khẳng định lợi ích của việc sử dụng PGK là một trong những biện pháp giảm nhiệt độ
sinh ra trong thi công BTĐL, đẩy nhanh tốc độ lên đập BTĐL.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
Công nghệ BTĐL đã và đang được áp dụng trên 20 đập bê tông trọng lực ở Việt Nam
như Pleikrông, Sơn La, Lai Châu, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sê San 4, Sông Tranh 2,
Bản Vẽ, v.v… Tuy nhiên việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng
suất nhiệt đập BTĐL chưa thực sự hồn thiện và có hệ thống. Kết quả nghiên cứu của
luận án sẽ khẳng định tác dụng lựa chọn hàm lượng PGK, loại XM là những biện pháp
hữu hiệu để khống chế nhiệt độ và giảm ứng suất nhiệt sinh ra trong q trình thi cơng
BTĐL.
8. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm: Phần mở đầu, 4 Chương, Kết luận và kiến nghị; 66 tài liệu tham
khảo, 04 tài liệu tác giả đã cơng bố. Nội dung chính của luận án được trình bày trong
118 trang và phụ lục với 72 hình vẽ và 27 bảng.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN
ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1.1. Bê tông đầm lăn
BTĐL là loại bê tơng khơng có độ sụt được tạo bởi hỗn hợp bao gồm cốt liệu nhỏ (cát
thiên nhiên hoặc cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), chất kết dính (XM, PGK hoạt tính
nghiền mịn), nước và phụ gia hóa học. Sau khi trộn đều, vận chuyển, san rải hỗn hợp
được đầm chặt theo yêu cầu của thiết kế bằng thiết bị đầm lăn [43].
Cơng nghệ xây dựng BTĐL có ưu điểm là thi công nhanh, hạ giá thành và giảm chi
phí cho cơng trình tạm phục vụ dẫn dịng thi công. Thực tiễn cho thấy do giảm hàm
lượng XM/CKD nên nhiệt thủy hóa của BTĐL giảm hơn so với CVC nhưng lại có tốc
độ nhiệt thủy hóa chậm hơn. Tuy nhiên BTĐL lại tồn tại vấn đề là tính chống thấm
kém và được coi là vật liệu không đẳng hướng do đầm nén lớp mỏng. Vì vậy, ở nhiều
nước người ta sử dụng BTĐL làm lõi đập, bao bọc xung quanh là lớp vỏ bê tông
thường chống thấm dày 2÷3 m hoặc sử dụng BTĐL có tính chống thấm cao và thi
cơng trên tồn mặt cắt [4][5].
1.2. Tính năng cơ học của BTĐL
1.2.1. Cường độ kháng nén của BTĐL
Cường độ kháng nén là tính chất quan trọng nhất của bê tơng nói chung và BTĐL nói
riêng và thường được xem xét đầu tiên. Giá trị cường độ kháng nén của BTĐL (fc)
được xác định thơng qua thí nghiệm nén mẫu với hình dạng, kích thước, ngày tuổi
khơng thống nhất giữa các nước. Ngoài ra giá trị cường độ kháng nén của BTĐL còn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật liệu CKD, tỉ lệ nước trên chất kết dính
(N/CKD), hàm lượng trộn phụ gia khống trong chất kết dính (PGK/CKD), cường độ
và độ sạch cốt liệu, điều kiện bảo dưỡng bê tông.
Theo một nghiên cứu của Trung Quốc [14], cường độ kháng nén của BTĐL tại thời
điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức (1.1) và (1.2):

f c28  19, 459CKD / N-0,147PGK/CKD-11,681

4

(MPa)

(1.1)


f c90  19,326CKD / N-0,333PGK/CKD+5,968

(MPa)

(1.2)

Từ cơng thức trên có thể thấy rằng cường độ kháng nén của BTĐL giảm khi hàm
lượng trộn PGK/CKD tăng lên.
1.2.2. Cường độ kháng kéo của BTĐL
Giá trị cường độ kháng kéo của BTĐL (ft) có thể xác định trực tiếp thơng qua thí
nghiệm kéo mẫu hoặc tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm từ giá trị cường độ kháng
nén. Cường độ kháng kéo của BTĐL mặc dù có liên quan với chủng loại và cấp phối
vật liệu nhưng nói chung tăng lên khi cường độ kháng nén của BTĐL tăng lên. Cường
độ kháng kéo của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công
thức (1.3) và (1.4) [14]:

f t 28  0,076f c28  0, 208

(MPa)

(1.3)

f t90  0,075f c90  0, 277

(MPa)

(1.4)

1.2.3. Mô đun đàn hồi của BTĐL
Mô đun đàn hồi của BTĐL (Ec) là tham số quan trọng khi tính tốn phân bố ứng suất
trong kết cấu đập BTĐL. Do thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tương đối khó, nói
chung đều được xác định thơng qua cường độ kháng nén của BTĐL. Công thức kinh
nghiệm xác định mô đun đàn hồi đều đưa ra từ kết quả thống kê thực nghiệm. Đối với
bê tơng nói chung các quốc gia khác nhau có cơng thức xác định khác nhau, ví dụ:
Quy phạm Trung Quốc [29]: E c 

100
34,7
2, 2 
fc

Quy phạm ACI của Mỹ [41]: E c  4, 73 f c
Tiêu chuẩn BS8110 của Anh [46]: E c 

5,5
fc
c

Tiêu chuẩn của Châu Âu [49]: E c  6 f c

5

(GPa)

(1.5)

(GPa)

(1.6)

(GPa)

(1.7)

(GPa)

(1.8)


Theo TCXDVN 356-2005 [32] giá trị của Ec phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê
tông và trong khoảng từ (21 ~ 40)  103 MPa.
Do cường độ kháng nén của BTĐL phụ thuộc tỉ lệ N/CKD và hàm lượng PGK/CKD,
vì vậy mơ đun đàn hồi của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có thể được xác
định theo công thức (1.9) và (1.10) [14]:

E c28  14, 210CKD / N-0,145PGK/CKD+0,726

(GPa)

(1.9)

E c90  21, 217CKD / N-0,197PGK/CKD-1,376

(GPa)

(1.10)

Từ cơng thức trên có thể thấy rằng mơ đun đàn hồi của BTĐL giảm khi hàm lượng
trộn PGK/CKD tăng lên.
1.2.4. Biến dạng của BTĐL
BTĐL trong q trình đơng cứng và trong mơi trường sử dụng khác nhau đều có thể
xuất hiện biến dạng, biến dạng của BTĐL bao gồm co ngót hóa học, co dãn do độ ẩm,
biến dạng nhiệt, biến dạng do tải trọng, v.v... 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.
1.2.4.1. Từ biến của BTĐL
Khi kết cấu BTĐL chịu tác dụng của tải trọng không đổi trong thời gian dài, biến dạng
BTĐL tăng lên theo thời gian được gọi là từ biến. Thời kỳ đầu gia tải, từ biến của
BTĐL tăng lên khá nhanh sau đó dần dần giảm xuống, một vài năm sau tăng lên rất
chậm. BTĐL sau khi dỡ tải, một phần biến dạng hồi phục tức thời, biến dạng này nhỏ
hơn biến dạng đàn hồi phát sinh khi gia tải ban đầu. Trong một khoảng thời gian sau
khi dỡ tải, biến dạng vẫn có thể tiếp tục hồi phục gọi là hồi phục từ biến. Biến dạng
khơng có khả năng hồi phục gọi là biến dạng dư.
BTĐL bất kể là chịu nén, chịu kéo hoặc chịu uốn đều có hiện tượng từ biến, nguyên
nhân phát sinh từ biến nói chung là do tính bám dính của cốt liệu đá và XM dưới tác
dụng của tải trọng trong một thời gian dài bị nới lỏng. Biến dạng do từ biến dưới tác
dụng của đơn vị ứng suất gọi là độ từ biến, thông thường khoảng (10~300)10-6 MPa.
6


Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến giá trị từ biến như chủng loại XM, tính chất cốt
liệu, tỉ lệ N/XM, tỉ lệ vữa, chất phụ gia cùng với ngày tuổi bê tông khi gia tải, giá trị
ứng suất, thời gian duy trì tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm của mơi trường, hình dạng và
kích thước kết cấu, v.v…
1.2.4.2. Co ngót của BTĐL
Khi BTĐL rắn chắc trong khơng khí, thể tích của nó có thể giảm nhỏ, hiện tượng này

gọi là co ngót. Co ngót là biến dạng phát sinh do thể tích thay đổi mà bê tơng khơng
chịu ngoại lực. Thơng thường cho rằng co ngót bê tơng là do thể tích bản thân khối kết
dính bị co ngót và bê tơng co ngót thể tích do mất nước. Thời kỳ đầu co ngót phát triển
rất nhanh, sau đó dần dần chậm lại, tổng thể q trình co ngót có thể kéo dài 2 năm trở
lên. Khi BTĐL khơng thể tự do co ngót, trong bê tơng phát sinh ứng suất kéo dẫn đến
phá hoại nứt.
Nhân tố ảnh hưởng đến co ngót của BTĐL chủ yếu có nhiệt độ và độ ẩm mơi trường
xung quanh, hình dạng và kích thước mặt cắt cấu kiện, tỉ lệ cấp phối, tính chất cốt liệu,
tính chất XM, điều kiện bảo dưỡng... nên tính tốn chính xác co ngót bê tơng rất khó
khăn.
1.2.4.3. Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL
Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL (p) tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có liên quan
đến cường độ kháng kéo của BTĐL có thể được xác định theo công thức (1.11) và
(1.12) dưới đây [14]:

 p28  22, 263f t 28  33,365

(×10-6)

(1.11)

 p90  6,890f t90  66,874

(×10-6)

(1.12)

Từ cơng thức trên có thể thấy rằng giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL tăng lên khi
cường độ kháng kéo của BTĐL tăng lên.

7


1.2.5. Tính năng cơ học của BTĐL theo thời gian
Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu BTĐL là biểu thức toán học miêu tả quy luật
vận động và quan hệ giữa lực, nhiệt độ, biến dạng, v.v… của nội bộ kết cấu trong
không gian và thời gian.
BTĐL là vật liệu hỗn hợp được tạo thành từ XM, PGK, cốt liệu thô, cốt liệu mịn và
nước. Khi mới hình thành, trong bê tơng đã tồn tại các khuyết tật như các lỗ rỗng, vết
nứt nhỏ, v.v... Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, do tập trung ứng suất tại các khuyết
tật nên chúng dần dần phát triển, từ đó dẫn đến quan hệ ứng suất - biến dạng của phần
tử cốt liệu từng bước đi chệch quan hệ tuyến tính và xuất hiện đặc tính cơ bản của phi
tuyến tính. Đồng thời do các thành phần vật liệu bê tơng có đặc trưng phân bố ngẫu
nhiên, vì vậy bất kể là phân bố khuyết tật ban đầu hay là q trình diễn biến khuyết tật
về sau đều khơng thể ngăn ngừa đặc trưng ngẫu nhiên sẵn có của bê tơng. Phi tuyến
tính và ngẫu nhiên là hai đặc trưng cơ bản của quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông.
Hiện nay quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu bê tơng nói chung và BTĐL nói
riêng có thể phân thành mấy nhóm mơ hình sau [42][48]:
-

Mơ hình cơ học đàn hồi tuyến tính và phi tuyến tính;

-

Mơ hình cơ học tính dẻo;

-

Mơ hình cơ học phá hủy.

Do tính phức tạp của vật liệu BTĐL, hiện nay vẫn chưa có một mơ hình vật liệu BTĐL
duy nhất được mọi người cơng nhận. Nói chung căn cứ vào đặc điểm chịu lực, phạm
vi ứng suất và độ chính xác tính tốn, v.v... của kết cấu phân tích để lựa chọn mơ 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 cơng trình cụ thể.

8


1.3. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam
1.3.1. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới
Trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến 1970 có những cách sử dụng vật liệu có thể
coi là tiền đề của BTĐL. Cụ thể, năm 1961 hỗn hợp bê tông không độ sụt được rải
bằng xe ủi đã áp dụng cho đập Alpe Gera tại Italia và đập Manicongan ở Canada. Hỗn
hợp bê tông được đầm chặt bằng các loại đầm dùi gắn sau máy ủi hoặc đầm chặt bằng
máy ủi [43]. Cũng trong năm 1961 hỗn hợp cát đá trộn với XM được rải và đầm bằng
các thiết bị thi công đập đất để xây dựng tường quây của đập Thanh Môn, Đài Loan
[4]. Tuy nhiên BTĐL chỉ thực sự được chú ý khi giáo sư Raphael trình bày báo cáo
“Đập trọng lực tối ưu” vào năm 1970 [57], trong đó nêu ra phương pháp thi công
nhanh đập BTTL bằng cách sử dụng thiết bị đắp đập đất và một số cơng trình ở Mỹ đã
đưa vào nghiên cứu BTĐL trong phòng và nghiên cứu thiết kế thử nghiệm trên hiện
trường. Những nỗ lực trên tạo nền tảng cho việc xây dựng đập BTĐL đầu tiên trong
những năm 1980.
Từ 1972 đến 1974, Cannon R.W [47] đã có những đóng góp đáng kể về nghiên cứu
BTĐL. Kết quả thí nghiệm đã đưa ra khái niệm bê tơng nghèo XM, vận chuyển bằng ô
tô, san gạt bằng xe ủi và đầm bằng lu rung. Sau đó Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ
(USACE) đã thi công các lô bê tông thử nghiệm ở đập Lost Creek năm 1977. Năm
1980, lần đầu tiên Mỹ sử dụng BTĐL để xây dựng đập Willow Creek, bang Oregon.
Đập cao 52 m, dài 543 m, khối lượng BTĐL 331.000 m3. Đến 1999, tại Mỹ có hàng

chục đập BTĐL.
Ở Anh, Dunstan bắt đầu nghiên cứu tích cực trong phịng thí nghiệm về BTĐL trong
những năm 1970 [43]. Tiếp đó, Hiệp hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây
dựng (CIRIA) của Anh đã tiến hành dự án nghiên cứu rộng về BTĐL có sử dụng tro
bay với hàm lượng lớn. Các kết quả nghiên cứu được đưa ra thử nghiệm ở trạm xử lý
nước Tamara - Coruwall (1976) và thử nghiệm tại công trình đập Wimbledall (1979).
Ý tưởng về sử dụng BTĐL có hàm lượng lớn tro bay sau này được Cục khai hoang Mỹ
(USBR) sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế đập Upper Stillwater cao 90 m, dài 815
m, khối lượng BTĐL 1.125.000 m3. Đặc điểm của công nghệ BTĐL của Mỹ (thường
gọi là RCC) là thiên về sử dụng BTĐL nghèo XM (hàm lượng CKD dưới 100 kg/m3).
9


Để chống thấm cho đập, thường sử dụng kết cấu tường bê tông thượng lưu bằng bê
tông thường đúc sẵn lắp ghép hoặc đổ tại chỗ bằng cốp pha trượt, kèm theo màng
chống thấm bằng vật liệu hữu cơ.
Năm 1974, các kỹ sư Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL với mục đích rút
ngắn thời gian thi cơng và hạ giá thành cơng trình đập bê tơng. Cơng trình đập BTĐL
đầu tiên của Nhật là Shimajigawa, cao 89 m, dài 240 m, khối lượng BTĐL 165.000 m3
trong tổng số 317.000 m3 của bê tông đập. Đến cuối 1992 đã có 30 đập BTĐL được thi
cơng ở Nhật.
Đến nay Nhật Bản đã hình thành trường phái BTĐL gọi là RCD gồm thiết kế mặt cắt
đập, tính tốn thành phần bê tông, công nghệ thi công và khống chế nhiệt độ đập. Đặc
điểm của phương pháp RCD là sử dụng kết cấu “vàng bọc bạc”. Lõi đập là BTĐL, vỏ
đập bao bọc bằng bê tông thường chống thấm cao.
Năm 1980, Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu áp dụng công nghệ BTĐL. Mặc dù áp
dụng công nghệ BTĐL tương đối muộn nhưng Trung Quốc là nước có tốc độ phát
triển cơng nghệ này rất nhanh. Sau khi xây dựng xong đập BTĐL đầu tiên vào năm
1986 (đập Khanh Khẩu), Trung Quốc bước vào cao trào xây dựng đập BTĐL. Hiện
nay đập BTĐL của Trung Quốc nói chung về mặt số lượng, chất lượng, chiều cao, kỹ

thuật đều đứng hàng đầu thế giới. Các chuyên gia Trung Quốc đã xây dựng tương đối
hồn chỉnh trường phái cơng nghệ BTĐL của mình tên gọi RCCD. Phương pháp này
gồm thiết kế mặt cắt đập, quy trình thiết kế, chọn vật liệu và thi cơng, quy trình thử
nghiệm kiểm tra BTĐL tại hiện trường.
Theo thống kê của Hội đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến năm 2009, Châu Á có số
lượng đập BTĐL nhiều nhất (52,8%,), tiếp đó là Châu Mỹ (25,6%), xem hình 1.1[50].
Theo tạp chí HydroWord có trên 650 đập BTĐL đã được xây dựng trên toàn thế giới,
Trung Quốc là nước dẫn đầu về số lượng đập BTĐL với 165 đập (2012) trong đó có
40 đập cao trên 100 m, sau đó là Nhật, Mỹ, Braxin và Tây Ban Nha.

10


Hình 1.1. Đập BTĐL được xây dựng trên thế giới tính đến năm 2009 [50]
Cho tới nay, đập BTĐL được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới, ở nơi có nhiệt độ
mơi trường từ rất thấp cho đến rất cao và cả những vùng có mưa lũ lớn. Trước đây,
đập BTĐL sử dụng BTĐL nghèo CKD được sử dụng tại một số đập cao dưới 60 m ở
Mỹ. Ngày nay, các đập BTĐL được xây dựng trên thế giới chủ yếu sử dụng BTĐL có
lượng CKD trung bình và giàu CKD như các nước Tây Âu, Trung Quốc, Nhật Bản.
1.3.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL tại Việt Nam
Từ những năm 1990 Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng BTĐL. Năm 1990
Viện Khoa học Thủy lợi đã nghiên cứu PGK cho BTĐL, ngày 16/10/1995 Bộ Thủy lợi
(cũ) ra quyết định số 1570 QĐ/QLXD phê duyệt nghiên cứu khả thi cơng trình thủy lợi
Tân Giang (Ninh Thuận) thống nhất phương án cơng trình đầu mối là đập BTTL. Trên
cơ sở quyết định số 1570 QĐ/QLXD, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng thủy lợi Việt
Nam đã tiến hành nghiên cứu thiết kế đập Tân Giang theo hai phương án BTTL truyền
thống và BTĐL. Đây là lần đầu tiên BTĐL được nghiên cứu vào cơng 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 cơng trình Tân Giang là đập BTĐL. Do
nhiều lý do, khi thi công, đập Tân Giang được chỉnh thành đập CVC và đã thi cơng

hồn 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.
Cơng trình đập BTĐL xây dựng đầu tiên của Việt Nam là đập thủy điện Pleikrông tại
tỉnh Kon Tum với chiều cao 71 m được thiết kế bởi công ty cổ phần Tư vấn xây dựng
11


điện 1, cơng trình khởi cơng năm 2003, đã hồn thành vào năm 2009. Tiếp đó hàng
loạt cơng trình đập thủy điện được xây dựng bằng BTĐL như thủy điện Bản Vẽ, hồ
chứa nước Định Bình, cơng trình thủy điện Sê San 4, cơng trình thủy điện A Vương,
thủy điện Sơn La ... Tính đến nay đã có trên 20 đập BTĐL đã và đang được xây dựng
tại Việt Nam (xem bảng 1.1).
Bảng 1.1. Các đập BTĐL đã và đang được xây dựng ở Việt Nam [34]
TT

Tên cơng trình

Chiều cao (m)

Địa điểm XD

Ghi chú

1

Plêikrơng

71

Kon Tum

Đã XD

2

Định Bình

54

Bình Định

Đã XD

3

A Vương

70

Quảng Nam

Đã XD

4

Sê San 4

80

Gia Lai

Đã XD

5

Bình Điền

75

Thừa Thiên Huế

Đã XD

6

Cổ Bi

70

Thừa Thiên Huế

Đã XD

7

Đồng Nai 3

110

Đắc Nông

Đã XD

8

Đồng Nai 4

129

Đắc Nông

Đã XD

9

ĐaKrinh

100

Quảng Ngãi

Đã XD

10

Nước Trong

70

Quảng Ngãi

Đã XD

11

Sơn La

138

Sơn La

Đã XD

12

Bản Chát

70

Lai Châu

Đã XD

13

Bản Vẽ

138

Nghệ An

Đã XD

14

Sông Bung 2

95

Quảng Nam

Đã XD

15

Sông Tranh 2

100

Quảng Nam

Đã XD

16

Sơng Cơn 2

50

Quảng Nam

Đã XD

17

Bản n

85

Thanh Hóa

Đã XD

18

Huội Quảng

104

Sơn La

Đã XD

19

Lai Châu

137

Lai Châu

Đã XD

20

Trung Sơn

84

Thanh Hóa

Đang XD

21

Tân Mỹ

58

Ninh Thuận

Sắp XD

12


1.4. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL
1.4.1. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL trên thế giới
Nhận thức rõ được tầm quan trọng của nhiệt và ứng suất do nhiệt đối với đập BTĐL

nên từ những năm 80 của thế kỷ 20 đã có nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu về vấn
đề này. Điển hình có nghiên cứu của Barret và Tatro (1992) [45][58] đã đề xuất
phương pháp phân tích nhiệt và ứng suất cho đập BTĐL. Các tác giả đã mơ tả kỹ thuật
phân tích dựa trên phần tử hữu hạn để đánh giá các tác động của nhiệt độ, từ biến và
co ngót trong thi cơng đập BTĐL. Về sau này các nghiên cứu chủ yếu là kiểm soát
nhiệt độ và ứng suất nhiệt đập BTĐL hoặc ứng dụng cho một cơng trình cụ thể
[51][52][54][56][61][63][65][66].
1.4.2. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL tại Việt Nam
Công tác nghiên cứu về BTĐL tại Việt Nam trong thời gian qua đã có những tiến bộ
nhất định đặc biệt trong các vấn đề như nghiên cứu thiết kế chế tạo cấp phối BTĐL,
nghiên cứu sử dụng PGK tro bay nhiệt điện và Puzơlan thiên nhiên, nghiên cứu chống
thấm cho BTĐL, nghiên cứu công nghệ thi công,v.v... Vấn đề nhiệt và ứng suất nhiệt
trong q trình thi cơng BTĐL cũng đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu, điển
hình như nghiên cứu của tác giả Nguyễn Như Quý và cộng sự [27] về nhiệt độ cách
nhiệt trong BTĐL. Với cấp phối bê tông đối chứng không sử dụng tro bay có ΔT =
24,9°C, trong đó cấp phối sử dụng 65 kg XM + 100 kg (120 kg) tro bay có ΔT = 8,l°C,
cấp phối bê tơng sử dụng 85 kg XM + 100 kg (120 kg) tro bay có ΔT = 12,7°C. Khi sử
dụng tro bay cho phép giảm nhiệt độ cách nhiệt của BTĐL nói riêng và BTKL nói
chung một cách có hiệu quả; Nguyễn Tiến Đích [13] đã đề cập đến công tác bê tông
trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam và đưa ra khuyến cáo về nhiệt cho BTKL;
Đỗ Hồng Hải [15] nghiên cứu sử dụng Puzơlan Long Phước tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu
để chế tạo BTKL đập Lịng Sơng. Trong nghiên cứu đã sử dụng Puzơlan Long Phước
và tro bay đến 35% khối lượng CKD. Kết quả đo nhiệt độ bê tông trong khối đổ sử
dụng Puzơlan và tro bay được nêu trong bảng 1.2. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể
thay thế tro bay bằng Puzơlan thiên nhiên nghiền mịn trộn ở tỷ lệ 35,4 ~ 40% để sản
xuất XM ít tỏa nhiệt dùng cho đập bê tông trọng lực, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN
6069:2007.
13

Bảng 1.2. Nhiệt độ bê tông tại các khối đổ sử dụng Puzơlan
Nhiệt độ, oC sau đổ
Khoảnh đổ
2

4

6

8

10

12

14

16

18

35% Puzơlan
Long Phước

43

50,5

48

47

46

44

42

40

39

35% tro bay
Phả Lại

45

50

47

46

45

43

41

39

38,5

20

22

38,5 37,5
38

37

24
37
36,5

Các nghiên cứu của tác giả Lê Quang Hùng và Nguyễn Quang Hiệp [17][19] về sử
dụng tro bay làm PGK cho chế tạo BTĐL cho đập và mặt đường. Đối với BTĐL làm
đường có cường độ kháng nén từ 30~50 MPa ở tuổi 28 ngày thì tỷ lệ tro bay nên sử
dụng từ 10~20% so với khối lượng CKD. Với BTĐL làm đập có cường độ kháng nén
từ 15~25 MPa ở tuổi 90-180 ngày thì tỷ lệ tro bay nên sử dụng từ 30~50% so với khối
lượng CKD; Khi sử dụng tro bay nhiệt độ bê tông giảm đáng kể (từ ΔT = 25°C xuống
còn ΔT = 17°C). Như vậy khi sử dụng tro bay từ 30~50% cho phép tăng tốc độ thi
công mà vẫn khống chế được nhiệt độ khối đổ trong phạm vi cho phép.
Trong quá trình nghiên cứu thiết kế đập BTĐL Sơn La [7], TVTK chỉ quan tâm đến
vấn đề nhiệt và khống chế nhiệt trong q trình thi cơng. Nghiên cứu của tác giả
Nguyễn Quang Hùng [20] phục vụ cho tìm nguyên nhân nứt đập Sơn La cũng mới chỉ
xét đến tải trọng do chất tải.
Lê Anh Vân, Nguyễn Văn Mạo [24][39] đã nghiên cứu phát triển nhiệt độ, đề xuất một
số giải pháp khống chế nhiệt cho RCCD và thực tiễn ứng dụng ở đập Pleikrông. Các

giải pháp được đưa ra chủ yếu về phân khe trong q trình thi cơng. Nghiên cứu của
Đinh Hữu Dụng, Nguyễn Văn Mạo [12] đã phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và các tải
trọng trong quá trình lên đập đến trường ứng suất của đập BTĐL trong q trình thi
cơng. Trong đó xét đến tính chất của vật liệu bê tơng thay đổi theo thời gian thi cơng,
các tác động chính được xét đến là tác động đồng thời cả nhiệt và tải trọng sinh ra
trong q trình thi cơng đập. Tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở bài toán cụ thể cho đập
BTĐL Sơn La. Tác giả Đỗ Văn Lượng [23] đã nghiên cứu về sự phát triển nhiệt độ và
ứng suất nhiệt để ứng dụng vào công nghệ thi công đập bê tơng trọng lực ở Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu góp phần không nhỏ cho việc khống chế ứng suất nhiệt đập BTKL
14


sử dụng CVC, tuy nhiên ứng dụng cho BTĐL sẽ có những khác biệt đáng kể do q
trình nhiệt thủy hóa BTĐL chậm và nhiệt độ lớn nhất giảm hơn so với CVC.
Trong nghiên cứu sản xuất BTĐL đã có nhiều nghiên cứu nhằm khống chế nhiệt và
ứng suất nhiệt trong BTĐL theo hướng tối ưu hóa cấp phối sử dụng và thực hiện các
biện pháp nhằm giảm nhiệt trong q trình thi cơng và dưỡng hộ BTĐL. Cụ thể:
Nguyễn Trí Trinh: "Nghiên cứu tính tốn khống chế nhiệt đập BTĐL Định Bình, tỉnh
Bình Định", đề tài sản xuất thực tế HEC1 2006 [37]; "Nghiên cứu tính tốn khống chế
nhiệt đập bê tơng Phước Hịa, tỉnh Bình Phước", đề tài sản xuất thực tế Viện KHTL,
2008 [38];
Võ Văn Lung, Đặng Quốc Đại, "Nghiên cứu tính tốn khống chế nhiệt đập BTĐL
Nước Trong, tỉnh Quảng Ngãi", đề tài sản xuất thực tế HEC-1, 2010 [22];
Công ty TVXD Điện 1: "Nghiên cứu tính tốn khống chế nhiệt đập BTĐL Sơn La, tỉnh
Sơn La" [8]; "Nghiên cứu tính tốn khống chế nhiệt đập BTĐL Bản Chát, đập BTĐL
Lai Châu, tỉnh Lai Châu" [9] [10];
Cơng ty TVXD Điện 2, "Nghiên cứu tính tốn khống chế nhiệt đập BTĐL Đồng Nai 3,
tỉnh Đắk Nông" [11].
Một nghiên cứu gần đây của tác giả Lê Quốc Toàn [35] nghiên cứu ảnh hưởng của một
số chỉ tiêu cơ lý BTĐL đến tiến độ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam. Tác giả

đã xây dựng được modul số liệu đầu vào trong phần mềm ANSYS tính toán nhiệt
trong BTĐL khối lớn để khẳng định các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian ảnh hưởng đến
tốc độ thi công đập, kiểm định tốc độ thi công hợp lý cho đập BTĐL Đồng Nai 4. Tác
giả đã tính tốn xác định kịch bản thi cơng hợp lý với các đập có điều kiện tương tự,
cụ thể là: nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp vữa BTĐL (21oC, 23oC và 25oC), chiều dày
lớp đổ sau đầm lèn (0,30m), tốc độ đổ BTĐL (số lớp đổ trong 1 đợt đổ: 3, 4 và 5 lớp)
và thời gian nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ BTĐL (2, 4 hoặc 5 ngày tùy theo mùa của
năm) phù hợp với diễn biến của các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL. Đề xuất nhiệt độ hỗn
hợp BTĐL khống chế trước khi đổ là 23oC, 1 lớp đổ sau đầm dày 0,3m và đổ 3 lớp
liên tục v.v… có nhiều ưu điểm bởi kết quả tính tốn cho thấy ứng với các điều kiện

15


của kịch bản thì nhiệt và ứng suất nhiệt phát sinh trong khối BTĐL vẫn nằm trong mức
cho phép. Tuy nhiên kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức kiến nghị chung cho tất
cả các loại đập BTĐL, chưa xét đến yếu tố điều kiện tự nhiên, điều kiện vật liệu của
mỗi một vùng đặc thù ở Việt Nam.
1.5. Vấn đề nứt do nhiệt đối với đập BTĐL
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về BTĐL nhưng trong quá trình xây dựng đập BTĐL
tại Việt Nam vẫn tồn tại nhiều vấn đề ảnh hưởng đến tuổi thọ của đập điển hình là vấn
đề nứt BTĐL trong quá trình xây dựng. Theo các tài liệu đã công bố các vết nứt xuất
hiện trên đập BTĐL tại Việt Nam chủ yếu có [1][25]:
 Nứt bề mặt
Phần lớn vết nứt phát sinh trong đập BTĐL là nứt bề mặt, chủ yếu là do ứng suất kéo
phát sinh do chênh lệch nhiệt độ trong và ngồi bề mặt và bảo dưỡng khơng kịp thời.
 Nứt song song mặt đập
Phát sinh chủ yếu tại vị trí tiếp giáp giữa các lớp đặc biệt là gần thượng hạ lưu mặt bóc
lộ mùa đơng và mặt nghỉ thi cơng thơng thường, nghiêm trọng có thể xuất hiện vết nứt
xuyên thượng hạ lưu, trong vùng khí hậu lạnh khó ngăn ngừa loại vết nứt này. Vết nứt

này chủ yếu là do ứng suất chênh lệch nhiệt gây ra và có liên quan đến chiều dài khối
đập, đập càng dài ứng suất càng lớn, do khối đập BTĐL khá dài, ứng suất nhiệt phát
sinh do chênh lệch nhiệt độ thượng hạ lưu vượt quá cường độ kháng kéo của BTĐL.
 Nứt xuyên
Vết nứt này thông thường ở vị trí tiếp xúc giữa bê tơng và nền đá, hướng lên kéo dài
vào trong thân đập và mang tính chất kết cấu. Vết nứt có khả năng bắt đầu với mùa
lạnh đầu tiên, cũng có thể phát sinh do bề mặt bê tông được phơi ra trong môi trường
biên độ nhiệt giảm nhanh so với nhiệt độ ngày và phát triển không ngừng dưới tác
dụng của ứng suất nhiệt và tải trọng.
 Nứt hành lang
Thường xuất hiện ở gần hành lang, hướng vng góc với bề mặt. Ngun nhân chủ
yếu là mép trong hành lang tiếp xúc với nước hoặc khơng khí, nhiệt độ nước mùa lạnh
16


hoặc nhiệt độ khơng khí thấp hơn nhiều nhiệt độ ổn định trong đập, ở phạm vi gần
hành lang xuất hiện chênh lệch nhiệt độ lớn, hiện tượng này gọi là quá lạnh. Trong
thời kỳ thi công, bề mặt hành lang bị phơi dễ xuất hiện nứt bề mặt, phạm vi kiềm chế
cường độ của nền đập trọng lực thi công lên đều khá lớn, ứng suất kiềm chế cũng khá
lớn làm cho vết nứt phát triển hướng vào trong thân đập.
Theo tổng kết hầu hết các loại vết nứt trên đều có liên quan đến nhiệt độ cả trong và
ngoài khối đập.
1.6. Vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với luận án
Như trên đã trình bày trong quá trình xây dựng đập BTĐL đã xảy ra một số hiện tượng
nứt đập mà theo đánh giá sơ bộ chủ yếu đến từ nguyên nhân phát sinh nhiệt trong quá
trình thi công BTĐL dẫn đến nứt đập do ứng suất nhiệt. Trong điều kiện thời tiết nước
ta biên độ dao động nhiệt độ giữa mùa đông và mùa hè là rất lớn, chênh lệch nhiệt độ
giữa ban ngày và ban đêm lớn, khí hậu khơ hanh, ít mưa. Hiện tượng co khơ, co ngót
nhiệt độ, do thi cơng, 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 cơng trình. Vì vậy, “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của
bê tông đầm lăn trong xây dựng cơng trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam” là
thực sự cần thiết.
1.7. Kết luận chương 1
Tính ưu việt của công nghệ BTĐL đã được chứng minh qua thực tiễn hơn 20 năm xây
dựng và phát triển đập BTĐL ở Việt Nam. Tuy nhiên trong quá trình xây dựng đã xảy
ra một số hiện tượng nứt đập BTĐL mà nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ yếu tố phát
sinh nhiệt trong q trình thủy hóa vật liệu CKD. Do tính chất đặc thù về vật liệu và
cơng nghệ thi cơng của BTĐL nên cơ chế hình thành nhiệt và ứng suất nhiệt có những
đặc thù riêng. Sự phát triển nhiệt của BTĐL bị ảnh hưởng rất lớn bởi môi trường và
nguồn cung cấp vật liệu XM và PGK. Vì vậy khó có một u cầu chung cho tất cả các
đập BTĐL ở Việt Nam mà cần thiết phải nghiên cứu giảm ứng suất nhiệt BTĐL phù
hợp với đặc thù của từng khu vực trên lãnh thổ Việt Nam.

17


CHƯƠNG 2. NHIỆT VÀ KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG
ĐẬP BÊ TƠNG ĐẦM LĂN
2.1. Đặt vấn đề
Một đặc tính quan trọng của BTKL là trạng thái nhiệt dẫn tới ứng suất nhiệt. Do bê
tơng có tính dẫn nhiệt kém, nên nhiệt độ trong BTKL nếu không được phân tán một
cách nhanh chóng sẽ tăng lên rất cao. Sự tăng hay giảm của nhiệt độ trong khối bê
tông sẽ dẫn tới sự thay đổi thể tích và phát sinh ứng suất nhiệt. Khi ứng suất nhiệt lớn
hơn khả năng chịu kéo cho phép của bê tơng thì kết cấu sẽ bị nứt. Chính vì vậy khi
thiết kế và thi cơng các cơng trình khối lớn nói chung, đập bê tơng trọng lực nói riêng
cần phải đặc biệt lưu ý đến sự phát sinh ứng suất nhiệt; cần áp dụng các biện pháp
công nghệ hợp lý để ngăn ngừa nứt do nhiệt, nhằm đảm bảo tính chỉnh thể, tính thẩm
mỹ, khả năng chống thấm và tuổi thọ của cơng trình. Trong Chương này sẽ trình bày
cơ sở khoa học của vấn đề nhiệt, nứt do nhiệt và khống chế nhiệt đập BTĐL để làm

tiền đề cho nghiên cứu giảm ứng suất nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam.
2.2. Nguồn phát sinh nhiệt trong BTĐL
Phát sinh nhiệt trong BTĐL là do nhiệt thủy hóa của XM và phụ thuộc vào thành phần
khống và hàm lượng của nó có trong XM:
Q = aC3S(%) + bC2S(%) + cC3A(%) + dC4AF(%)

(J/g)

(2.1)

Các hệ số a, b, c, d là nhiệt thủy hóa của khống vật XM có thể lấy theo tổng kết ở
bảng 2.1, cịn tỷ lệ thành phần khống có trong XM thơng thường được cho ở bảng 2.2
[59].
Từ bảng 2.1 và bảng 2.2 cho thấy lượng nhiệt thủy hóa của XM là do các thành phần
khoáng chủ yếu của XM là C3A, C3S tiếp theo là C4AF và C2S. XM nhiều thành phần
C3A và C3S sẽ có nhiệt thủy hóa lớn, tốc độ phát nhiệt cũng nhanh. Trong tiêu chuẩn
XM Poóc lăng nhiệt của Hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) quy định tổng thành
phần khống C3A + C3S nhỏ hơn 58% có thể khơng u cầu thí nghiệm nhiệt thủy hóa
[44]. Vì vậy có thể nói thơng qua điều chỉnh thành phần khống của vật liệu XM có

18


thể giảm nhiệt thủy hóa của vật liệu XM từ đó giảm được ứng suất nhiệt phát sinh
trong q trình thủy hóa vật liệu BTĐL.
Bảng 2. 1. Nhiệt thủy hóa của các thành phần khống có trong XM (J/g)
Nghiên cứu của tác giả

a (C3S)

b (C2S)

c (C3A)

d (C4AF)

Woods [64]

569

260

837

126

McCarthy [53]

502

260

867

419

Verbeck [62]

490

222

1365

465

Giá trị trung bình

520

247

1023

337

Bảng 2. 2. Tỉ lệ thành phần khống có trong XM thơng thường (%)
C3S

C2S

C3A

C4AF

48 ~ 67

10 ~ 31

2 ~ 11

0 ~ 14

2.3. Vấn đề trao đổi nhiệt đối với BTĐL
2.3.1. Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt
Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của một vật hay
giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau. Hình thức trao đổi
nhiệt diễn ra trong khối bê tông là từ phần này sang phần khác, diễn ra ở nơi tiếp xúc
giữa bê tông với nền, giữa bê tông với ván khn và giữa bê tơng với khơng 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 hồn tồn cứng, nghĩa là sự thay đổi thể tích do nhiệt độ
gây nên rất nhỏ và các phần vĩ mơ của vật khơng có sự chuyển động tương đối.
Phương trình vi phân dẫn nhiệt viết dưới dạng tổng quát là:

T
   2T  2T  2T q v 



 

t C.  x 2 y 2 z 2  
trong đó:
T: nhiệt độ của 1 điểm bất kỳ ở thời điểm t (oC); t: thời gian (h);
19

(2.2)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, với bê tơng  = (1,1 ÷ 2,3) kcal/m.h.oC;
C: nhiệt dung riêng của vật liệu, với bê tơng C = (0,22 ÷ 0,27) kcal/kg.oC;
: khối lượng riêng của vật liệu (kg/m³);
x,y,z : tọa độ điểm đang xét;
qv: công suất sinh nhiệt (kcal/m3.h).
Phương trình (2.2) có thể viết thành:

T
q 

 a.   2 T  v 
t
 

trong đó: a 

(2.3)


, là hệ số khuếch tán nhiệt, đặc trưng cho tốc độ biến thiên nhiệt độ
C.

của vật thể:

 2T  2T  2T
 T  2  2  2 - Toán tử Laplace của hàm T
x
y
z

2

Phương trình (2.2) là phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát, nhiệt độ có quan hệ
với khơng gian và thời gian. Giải phương trình vi phân này, ta được nghiệm tổng quát
dưới dạng T = f(x,y,z,t), kết hợp với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên xác định
được nghiệm cụ thể của từng bài toán.
Điều kiện ban đầu là quy luật phân bố nhiệt độ trong vật thể tại thời điểm ban đầu,
dùng biểu thức dưới đây:
Khi t = 0:

T = f(x,y,z)

(2.4)

Điều kiện biên là quy luật tác dụng tương hỗ giữa bề mặt vật thể với mơi trường xung
quanh, có thể dùng hai phương thức dưới đây:
(1) Điều kiện biên loại 1: nhiệt độ bề mặt vật thể là hàm số đã biết của thời gian, hay
(ở trên biên B)

20


T = TB(t)

(2.5)

(2) Điều kiện biên loại 2: khi bề mặt vật thể tiếp xúc với nước (khơng khí), thơng qua
mật độ dòng nhiệt của bề mặt vật thể với chênh lệch nhiệt độ bề mặt vật thể và nhiệt
độ nước, hay (ở trên bên C)



T
T
T
lx  
ly  
l z  (T  TC )
x
y
z

(2.6)

trong đó
 - hệ số bức xạ bề mặt (kJ/m.h.oC);
lx, ly, lz – pháp tuyến ngồi bề mặt biên.
Khi   , từ cơng thức trên T – TC = 0, hay T = TC, lúc này trở thành biên loại 1.
2.3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động
của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. Trao đổi nhiệt đối lưu
luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt, vì trong nội bộ chất lỏng hoặc chất khí khơng 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 cơng trình thủy lợi, trao đổi nhiệt đối lưu là sự tỏa nhiệt từ
bề mặt cơng trình với khơng khí hoặc từ bề mặt cơng trình với mơi trường nước. Trong
trường hợp bề mặt bê tơng có ván khn thì sự tỏa nhiệt sẽ diễn ra trên bề mặt ván
khn với mơi trường.
Theo định luật Fourier thì quan hệ giữa nhiệt lượng Q truyền qua bề mặt đẳng nhiệt F
trong một đơn vị thời gian có thể xác định theo biểu thức:

Q  . gradT.dF

(2.7)

F

Để thuận tiện trong tính tốn thường dùng cơng thức ở dạng:
dQ = .(Tw – Tf).dF

(2.8)
21


hay

Q = .F.(Tw – Tf)

(kcal/h)

(2.9)

trong đó:
 : hệ số toả nhiệt (kcal/m².h.oC);
F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m²);
Tw: nhiệt độ bề mặt vách (oC);
Tf : nhiệt độ trung bình của chất lỏng (oC).
Trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình
dạng, kích thước bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ bề mặt vật, nhiệt độ nước, nhiệt độ
khơng khí, vận tốc của nước và khơng khí, , C,  của vật rắn,v.v...

2.3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ. Q
trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển hóa năng lượng: nhiệt
năng biến thành năng lượng bức xạ và năng lượng bức xạ biến thành nhiệt năng. Khác
với trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt bằng đối lưu, cường độ trao đổi
nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ, mà còn phụ thuộc vào giá trị
tuyệt đối nhiệt độ của vật thể. Trao đổi bằng nhiệt bức xạ giữa các vật cịn có thể diễn
ra trong chân khơng.
Ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến nhiệt độ mơi trường, nó làm thay đổi nhiệt độ bề mặt
cơng trình. Sự tăng thêm biên độ dao động nhiệt ở bề mặt cơng trình do ánh sáng mặt
trời Tow có thể tính bằng cơng thức:

Tow 

Qo
w

(2.10)

trong đó:
Qo - năng lượng lớn nhất của ánh sáng (kcal/m².h);
w - hệ số truyền nhiệt đến bề mặt (kcal/m².h.oC).
22


2.4. Cơ chế nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn
Trong q trình thủy hóa XM làm thay đổi nhiệt độ của khối bê tông sẽ dẫn đến sự
biến đổi hình dạng của khối. Nếu biến đổi hình dạng bị kiềm chế sẽ sinh ra ứng suất,
gọi là ứng suất nhiệt. Nếu ứng suất nhiệt là ứng suất kéo, thường gây nứt bê tơng vì bê
tơng chịu kéo rất kém. Trong đập BTĐL thường tồn tại hai loại vết nứt do nhiệt đó là

nứt bề mặt và nứt xuyên từ nền.
2.4.1. Nứt bề mặt
Trong q trình bê tơng đơng cứng, do XM thuỷ hoá làm nhiệt độ của khối bê tơng
tăng cao, mặt ngồi của khối bê tơng 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 tơng mới đổ xong, nhiệt độ bên ngồi đột ngột hạ
thấp làm cho mặt ngồi của khối bê tơng co lại, trong lịng khối bê tơng nở ra, dẫn đến
chênh lệch biến dạng trong và ngoài khối lớn. Kết quả là trong lịng khối bê tơng sinh
ứng suất nén, bề mặt sinh ứng suất kéo. Ứng suất nhiệt lớn hay nhỏ là tùy thuộc vào sự
chênh lệch nhiệt độ, biểu thị trên hình 2.1.
Khi ứng suất kéo xuất hiện ở mặt ngoài vượt quá trị số cho phép sẽ xảy ra nứt. Đó là
nứt bề mặt. Nứt mặt thường khơng sâu và có khả năng “khép lại” khi nhiệt độ trong
khối bê tông giảm dần.

(a) Phân bố nhiệt độ

(b) Phân bố ứng suất

1-Ứng suất kéo; 2-Ứng suất nén
Hình 2.1. Ứng suất nhiệt tại bề mặt khối bê tông

23


2.4.2. Nứt xuyên
Nứt xuyên xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa khối bê tông mới đổ với nền đá hoặc với
khối bê tông cũ, do ứng suất kiềm chế của nền đá hoặc khối bê tông cũ với khối bê
tông mới đổ.
Ứng suất kiềm chế sinh ra do khối bê tông mới đổ và nền đá hoặc khối bê tơng 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 tơng phát nhiệt, thể tích bê tông nở ra, ứng suất kiềm chế là ứng suất
nén; ở giai đoạn hạ nhiệt, thể tích bê tơng co lại, ứng suất kiềm chế là ứng suất kéo.
Khi ứng suất kéo vượt quá khả năng chịu kéo cho phép của bê tông sẽ phát sinh nứt,
loại nứt này được gọi là nứt do sự kiềm chế của nền, hình 2.2.
Loại nứt này bắt đầu từ mặt tiếp xúc với nền phát triển lên, nghiêm trọng có thể nứt
suốt khối bê tông, phá vỡ sự chỉnh thể, do vậy thường gọi là nứt xun. Vì vết nứt có
thể tới 1÷3 m, nên cịn được gọi là nứt sâu. Vết nứt thường vng góc với mặt nền,
gây nguy hại cho đập.
(a)

(b)

(c)

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

1: ứng suất nén, 2: ứng suất kéo, xy: ứng suất tiếp; (c) Vết nứt do nền kiềm chế
Hình 2.2. Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông
2.5. Yêu cầu khống chế nhiệt cho đập BTĐL
Phần lớn các vết nứt phát sinh trong đập BTĐL đều có liên quan đến nhiệt độ hay nói
cách khác ứng suất phát sinh do chênh lệch nhiệt độ vượt quá cường độ chịu kéo của
BTĐL gây ra nứt. Để khống chế nứt do nhiệt chủ yếu là khống chế nhiệt độ phát sinh
trong thân đập thích hợp để đảm bảo điều kiện chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập, chênh
lệch nhiệt độ lớp trên và dưới, chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài ở trong phạm vi cho
24


phép. Theo các nghiên cứu trước đây và trong các tài liệu kỹ thuật về đập BTĐL đều
đưa ra các yêu cầu chung về khống chế các điều kiện này [30][60].
2.5.1. Chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập

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

(2.11)

trong đó:
T - chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập;
Tp - Nhiệt độ đổ bê tông;
Tr - Tăng nhiệt thủy hóa của bê tơng;
Tf - Nhiệt độ ổn định của khối đập.
Do đập BTĐL khơng bố trí khe dọc trục đập, bề rộng đáy đập lớn, phạm vi ràng buộc
nền lớn, chênh lệch nhiệt độ của trường nhiệt độ ổn định trong khối đập cũng lớn, vì
vậy bất kể chênh lệch nhiệt theo phương ngang hay phương đứng đều là phân bố
không đều. Quy phạm SL314-2004 của Trung Quốc [30] quy định khi giá trị kéo dãn
cực hạn của bê tơng nền ở 28 ngày tuổi lớn hơn 0,85×10-6, chất lượng thi công tốt, mô
đun đàn hồi của bê tông và nền xấp xỉ nhau, khối đổ lên đều liên tục với thời gian nghỉ
ngắn, chênh lệch nhiệt độ cho phép được quy định ở bảng 2.3.
Bảng 2. 3. Chênh lệch nhiệt độ cho phép (oC)
Độ rộng khối đổ L
Độ cao từ nền h

Dưới 16
m

17~20 m 21~30 m 31~40 m

Đổ toàn
mặt

(0~0,2)L

26~25

24~22

22~19

19~16

16~14

(0,2~0,4)L

28~27

26~25

25~22

22~19

19~17

25