Nghiêng cứu lựa chọn tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na trên cơ sở phân tích nhiệt trong thân đậ

LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiêng cứu lựa chọn tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn
hợp bê tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na trên cơ sở
phân tích nhiệt trong thân đập” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của
bản thân, tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè
và gia đình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: GS.TS Vũ
Thanh Te đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và
Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn
này.
Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ
thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè.


Hà Nội, ngày 21 tháng 08 năm 2014
Tác giả luận văn



Hoàng Văn Anh

LỜI CAM KẾT

Tên tôi là: Hoàng Văn Anh
Học viên lớp: 19C21
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. 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.
Tác giả


Hoàng Văn Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: 1
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 1
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC: 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỌNG LỰC VÀ 3
DIỄN BIẾN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 3
BÊ TÔNG KHỐI LỚN 3
1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới và Việt nam 3
1.1.1. Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới 3

1.1.2. Tình hình xây dựng đập trọng lực ở Việt nam 6
1.2. Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực 10
1.2.1. Định nghĩa 10
1.2.2. Đặc tính của bê tông khối lớn 10
1.2.3. Vật liệu dùng cho bê tông khối lớn 11
1.2.4. Tính chất của bê tông khối lớn 12
1.3. Quá trình diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn 14
1.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn 14
1.3.2. Nhiệt thủy hóa của xi măng 14
1.4. Một số công trình đập bê tông trọng lực bị nứt do nhiệt 20
1.5. Kết luận chương I. 24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DIỄN BIẾN NHIỆT VÀ TRƯỜNG ỨNG
SUẤT NHIỆT, LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN NHIỆT
TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 25
2.1. Cơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt 25
2.1.1 . Dẫn nhiệt 25
2.1.2. Trao đổi nhiệt đối lưu 31




2.1.3. Trao đổi nhiệt bức xạ. 32
2.2. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt 33
2.2.1. Các phương pháp giải bài toán nhiệt 33
2.2.2. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt. 36
2.3. Nội dung phương pháp PTHH giải bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong
bê tông khối lớn 37
2.3.1. Các giả thiết 37
2.3.2. Xác định trường nhiệt độ 38
2.3.3. Sử dụng mô hình toán trong tính toán trường nhiệt độ 40

2.5 Kết luận chương II. 48
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ TRƯỜNG ỨNG SUẤT TỪ
ĐÓ XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ THI CÔNG, NHIỆT ĐỘ HỖN HỢP BÊ TÔNG BAN
ĐẦU HỢP LÝ CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN HỦA NA 49
3.1. Giới thiệu chung công trình thuỷ điện Hủa Na 49
3.1.1. Vị trí công trình 49
3.1.2. Nhiệm vụ của công trình 49
3.1.3. Quy mô công trình 50
3.1.4. Đặc điểm kết cấu các hạng mục chính của công trình 51
3.2. Tính toán phát triển trường nhiệt độ và trường ứng suất trong thân đập
Hủa Na 53
3.2.1. Tài liệu tính toán 53
3.3 Lựa chọn nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông và tốc độ thi công hợp lý cho
đập Hủa Na trên cơ sở kết quả phân tích nhiệt 91
3.4 Kết luận Chương III 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94
1. Kết luận 94
2. Kiến nghị 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96





Mục lục hình ảnh

Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 5

Hình 1.2: Đập bê tông trọng lực (CVC) - Hồ chứa nước Tân Giang 8
Hình 1.3: Đập Bê tông đầm lăn (RCC) - Sơn La 9

Hình 1.3: Đập Bê tông (CVC) cao nhất thế giới (285m) Grande Dixence – Thuỵ sỹ 9
Hình 1.4: Tỏa nhiệt xi măng theo thời gian 15
Hình 1.5: Quá trình thay đổi nhiệt độ trong bê tông khối lớn 17
Hình 1.6: Phân bố ứng suất nhiệt tại bề mặt 19
Hình 1.7: Phân bố ứng suất ở đáy khối bê tông 20
Hình 1.8: Nứt bề mặt và nứt xuyên ở đập bê tông 20
Hình 1.9: Sơ đồ vết nứt đập Sơn La 21
Hình 1.10: Thấm nước qua mái hạ lưu đập Sông Tranh 2 22
Hình 1.11: – Sơ đồ vết nứt đập Liễu Khê - Trung Quốc 23
Hình 1.12: Thấm nước qua vết nứt đập RCC Upper Stillwater, Utah, Hòa Kỳ 24
Hình 2.1: (a) Mặt đẳng nhiệt, (b) GradT và mật độ dòng nhiệt q 26
Hình 2.2: Các phương pháp giải bài toán nhiệt 33
Hình 2-3: Phần tử tam giác 38
Hình 2-4: Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tam giác 44
Hình 3.1: Mặt bằng công trình 54
Hình 3.2: Đường cong nhiệt thủy hoá của chất kết dính 56
Hình 3.3: Đường cong phát triển độ bền nén 57
Hình 3.4: Đường cong phát triển cường độ chịu kéo 57
Hình 3.5: Sơ đồ thi công lên đập dâng khối H 63
Hình 3.6: Sơ đồ lựa chọn mặt cắt tính toán 64
Hình 3.7: Mặt cắt tính toán 64
Hình 3.8 : Mô hình tính toán 65
Hình 3.9 : Sơ đồ lưới phần tử 65
Hình 3.10 : Sự trao đổi nhiệt của thân đập với môi trường bên ngoài 66




Hình 3-11:PA1 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 67

Hình 3-12: PA1 - Tmax= 49.65
o
C sau 5199h (hơn 216 ngày)–Thi công đập đếncao
độ 194.50m 68

Hình 3-13: PA1 - Ứng suất max sau 10248 h (427 ngày) –Thi công đập đến cao độ
227.50m 69

Hình 3-14:PA1- Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 70
Hình 3-15:PA2 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 72
Hình 3-16: PA2 - Tmax= 44.4
o
C sau 5202h (217 ngày) – Thi công đập đến cao độ
194.50m 73

Hình 3-17: PA2 - Ứng suất lớn nhất sau 11670h (486 ngày) – Thi công đập đến cao
độ 239.50m 74

Hình 3-18: PA2 - Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 75
Hình 3-19:PA3 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 77
Hình 3-20: PA3 - Tmax= 46
o
C sau 5200h (216 ngày) – Thi công đập đến cao độ
194.50m 78

Hình 3-21: PA3 - Ứng suất lớn nhất sau 10464h (436 ngày) – Thi công đập đến cao
độ 229.0m 79

Hình 3-22: PA3 - Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 80
Hình 3-24: PA4 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 82

Hình 3-25: PA4 - Tmax= 46.5
o
C sau 3810h (159 ngày) – Thi công đập đến cao độ
194.50m 83

Hình 3-26: PA4 - Sau 9120h (380 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 84
Hình 3-27: PA4 - Ứng suất lớn nhất sau 10302h (429 ngày) – Sau khi thi công xong
đập 49 ngày 85

Hình 3-28: PA5 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 87
Hình 3-29: PA5 - Tmax= 45.1oC sau 3808h (159 ngày) – Thi công đập đến cao độ
194.50m
88
Hình 3-30: PA5 - Sau 9120h (380 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 89
Hình 3-31: PA5 - Ứng suất lớn nhất sau 11447h (478 ngày) – Sau khi thi công xong
đập 97 ngày 90






Mục lục bảng biểu

Bảng 1.1. Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới 5

Bảng 1.2. Danh sách một số đập BTĐL lớn ở Việt Nam đến năm 2013 7
Bảng 1.3 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng. 15
Bảng 1.4 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian. 16
Bảng 3.1: Bảng thông số chính công trình 50

Bảng 3.2: Nhiệt độ không khí trung bình tại tuyến công trình 53
Bảng 3.3: Vận tốc gió trung bình năm tại tuyến công trình 53
Bảng 3.4: Độ ẩm trung bình tại Bái Thượng 54
Bảng 3.5: Trực xạ mặt trời tại khu vực công trình 55
Bảng 3.6: Nhiệt thủy hoá của chất kết dính 55
Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén CVC 56
Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo CVC 57
Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của CVC 58
Bảng 3.10: Dữ liệu mô đun đàn hồi của bê tông (GPa) 58
Bảng 3.11: Kết quả tính toán nhiệt độ môi trường tính toán cho các bề mặt khối đập
CVC và không khí 60

Bảng 3.12: Nhiệt độ hỗ hợp bê tông trước khi đổ trong các tháng ( trong điều kiện
bình thường, cốt liệu chưa được xử lý) 62

Bảng 3.13: PA1-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập
71

Bảng 3.14: PA2-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập
76

Bảng 3.15:PA3-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 80
Bảng 3.16: PA4-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập
86

Bảng 3.17: PA5-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập
91

1


MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện tại với sự phát triển mạnh mẽ của các công trình bê tông khối lớn đặc biệt
là các đập bê tông trong các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện 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 việc khống chế tốc độ thi
công, nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu từ đó kiểm soát ứng suất nhiệt hạn chế
xuất hiện vết nứt đặt biệt với các vết nứt xuyên trong kết cấu, so sánh bài toán nâng
cao tốc độ thi công đập sớm đưa công trình vào khai thác mang lại hiệu ích kinh tế và
chi phí đầu tư các biện pháp kiểm soát nhiệt trong quá trình thi công có ý nghĩa hết
sức quan trọng trong thực tế, để chủ động thực hiện các điều kiện kỹ thuật là cần thiết
cho công tác thiết kế và thi công xây dựng đập nhằm đảm bảo chất lượng và kinh tế
nhất.
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI:
1. Tính toán phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong thân đập CVC.
2. Đề xuất giải pháp khống chế nhiệt trong quá trình thi công.
3. Trên cơ sở đó lựa chọn được tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn hợp bê
tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na.
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Về cách tiếp cận:
1. Tiếp cận từ các số liệu thực tế các công trình đã xây dựng như: đập thủy điện
Tuyên Quang, đập thủy điện A Lưới, đập thủy lợi Tân Giang, đập thủy điện
Đambri

2. Tiếp cận từ lý thuyết phân tích nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập bê tông.
Về phương pháp nghiên cứu:

2


1. Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu thu thập.
2. Nghiên cứu lý thuyết nhiệt và ứng suất nhiệt.
3. Sử dụng mô hình toán để tính toán bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt.
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:
1. Tổng quan được các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông CVC.
2. Giải quyết được bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt cho đập Hủa Na theo tiến
độ thi công khác nhau.
3. Xác định được tốc độ thi công, nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu hợp lý của
đập Hủa Na để đảm bảo không bị nứt vì nhiệt.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỌNG LỰC VÀ
DIỄN BIẾN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG
BÊ TÔNG KHỐI LỚN
1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới và Việt nam
1.1.1. Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới
Nguồn nước trong lục địa đóng vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống và
hoạt động của con người. Lượng dòng chảy bình quân hàng năm trên trái đất
khoảng 40.000 km
3
, trong đó châu Á chiếm khoảng 13%. Lượng nước tuy dồi dào
song lại phân bố không đều theo thời gian và không gian. Vì vậy, để khai thác có
hiệu quả nguồn nước trên, các công trình thủy lợi bắt đầu được xây dựng.
Cách đây khoảng 4000 năm ở Ai Cập, Trung Quốc đã bắt đầu xuất hiện những
công trình thủy lợi (đập, kênh mương và các công trình đơn giản khác ). Đập đầu
tiên được xây dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá đổ và đất sét.
Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000 trên
toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn. Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có
chiều cao H=10
÷
15m và có chiều dài L
≥

500m, Q
xả lũ
≥
2.000 m
3
/s; hồ có dung tích
W
≥
1.000.000m
3
nước được xếp vào loại đập cao. Số lượng hơn 45.000 đập phân
bố không đều trên các châu lục.
Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập
chiếm 48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn Độ
với 4.291 đập. Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập. Việt
Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn.
Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kế xây dựng đập
từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào những
năm 1950, đỉnh cao là năm 1970.
Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15
÷
30m chiếm
khoảng 56,2%, cao từ 30
÷
150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có
0,1%.

4

Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%,
đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4%. Trong
số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm 30%,
đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5%. Điều đó cho thấy, đập bê tông
trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập lớn.
Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý
luận tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày
càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao.
Thập kỷ 30
÷
40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng
khoảng 0,9. Thập kỷ 50
÷
60 tỷ số B/H=0,8. Thập kỷ 70 B/H=0,7. Từ thập kỷ
30
÷
70 thể tích đập giảm được (20
÷
30)%.
Đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở Tadikistan cao 335m,
đập bê tông trọng lực Gradi Dixen ở Thụy Điển cao 285m, đập vòm trọng lực
SayanoShushensk ở Nga cao 245m. Ở Việt Nam có đập Hòa Bình cao 120m là loại
đập đá đổ lõi chống thấm bằng đất sét.
Ưu điểm của đập bê tông trọng lực trong xây dựng:
- Khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ an toàn và tin cậy cao khi
phân tích tính toán kết cấu.
- Khi vật liệu địa phương không đảm bảo các yêu cầu về vật liệu đắp đập.
- Thời gian thi công nhanh, khi thi công xong biến dạng không đáng kể, công
việc duy tu, bảo dưỡng và quản lý dễ dàng.
- Có thể xả lũ qua đập.

Nhược điểm của đập bê tông trọng lực:
- Yêu cầu về vị trí đập, địa chất công trình là cao, nền phải là nền đá tốt.
- Sử dụng nhiều thiết bị cơ giới hiện đại, giá thành cao hơn đập vật liệu địa
phương.
- Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như địa chất, nhiệt độ, biện pháp thi công
nên dễ nứt nẻ.
Theo chức năng đập bê tông trọng lực phân thành:

5


a. Đập trọng lực không tràn :
Đập có chức năng chắn nước, không cho nước tràn qua.
b. Đập trọng lực tràn nước:
Đập có chức năng vừa chắn dâng nước, vừa cho nước tràn qua.
Biểu đồ xây dựng đập trên toàn thế giới thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000)
Thống kê số lượng đập cao trên thế giới được trình bày ở bảng 1.1
Bảng 1.1. Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới
STT
Nước
Số lượng đập
STT
Nước
Số lượng đập
1
Trung Quốc
22.000
16

Việt Nam
460
2
Mỹ
6.575
17
Na Uy
335
3
Ấn Độ
4.291
18
CHLB Đức
311
4
Nhật
2.675
19
Al-Ba-Ni
306
5
Tây Ban Nha
1.196
20
Ru-Ma-Ni
246
6
Canada
793
21

Zim-Ba-Buê
213
7
Hàn Quốc
765
22
Thái Lan
204
8
Thổ Nhĩ Kỳ
625
23
Thụy Điên
190
9
Braxin
594
24
Bungari
180

6


10
Pháp
569
25
Thụy Sĩ
156

11
Nam Phi
539
26
Áo
149
12
Mexico
537
27
Cộng Hòa Séc
118
13
Italia
524
28
Algieri
107
14
Anh
517
29
Bồ Đào Nha
103
15
Australia
486
30
Liên Bang Nga
96

* Số liệu lấy từ báo (Đập và an toàn đập) của tác giả Nguyễn Tiến Đạt.
1.1.2. Tình hình xây dựng đập trọng lực ở Việt nam
Thời kì trước những năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập
bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến
10m, chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ
công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam tỉnh Phú Yên do đặc điểm
thuỷ văn của sông Đà Rằng. Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do
các kỹ sư Pháp thực hiện. Xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa
vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ
phù hợp với Việt Nam.
Giai đoạn từ 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số
đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước
tươi, đập Đáy ở Hà Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập
dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình,…
Giai đoạn từ năm 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc đầu tư xây
dựng các công trình thuỷ lợi lớn bị hạn chế. Trong thời kỳ này chưa có đập bê tông
trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập thuỷ điện Thác
Bà, đập tràn thuỷ điện Cầm Sơn, Đa Nhim Kĩ thuật và công nghệ xây dựng ở phía
bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía Nam là của Nhật
Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại
hoá nên các công trình thuỷ điện thuỷ lợi được xây dựng khắp cả nước và đập bê
tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú. Đầu
mối các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện như: PleiKrông, Sê San 3 và Sê San 4, Bản

7


Vẽ, Thạch Nham, Tân Giang và đập tràn ở các đầu mối thuỷ điện Hoà Bình,
Tuyên Quang là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m
3

bê tông, chiều
cao từ 70 – 138m. Việt Nam đã và đang sử dụng thành công kỹ thuật và công nghệ
hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mô về cả chiều cao và khối
lượng bê tông ngày càng một lớn hơn.
Một trong những công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang áp dụng thành
công hiện nay là đập bê tông đầm lăn. Việt Nam đến với công nghệ bê tông đầm lăn
tương đối muộn so với một số nước trên thế giới, nhưng trước sự phát triển nhanh
chóng của nó và đặc biệt là nước láng giềng Trung Quốc, nước có đặc điểm tự
nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên có rất nhiều dự án thuỷ lợi thuỷ điện lớn đã
và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này. Tính đến năm 2013 nước ta có
số đập bê tông đầm lăn lên đến 24 đập. Việt Nam trở thành nước xếp hàng thứ bẩy
về tốc độ phát triển bê tông đầm lăn.
Bảng 1.2. Danh sách một số đập BTĐL lớn ở Việt Nam đến năm 2013
STT Tên công trình
Chiều
cao (m)
Địa điểm xây
dựng
Kết cấu đập
1 PleiKrông 71 Kontum Đầm lăn (RCC)
2 Định Bình 54 Bình Định RCC
3 Nước Trong 73 Quảng Ngãi RCC
4 A Vương 70 Quảng Nam RCC
6 Sê San 4 80 Gia Lai RCC
7 Bình Điền 75 Thừa Thiên Huế RCC
8 Đồng Nai 3 110 Đắc Nông RCC
9 Đồng Nai 4 129 Đắc Nông RCC
10 ĐakRing 100 Quảng Ngãi RCC
11 Sơn La 138 Sơn La RCC

8


12 Lai Châu 137 Lai Châu RCC
13 Bản Chát 70 Lai Châu RCC
14 Bản Vẽ 138 Nghệ An RCC
15 Sông Bung 2 95 Quảng Ngãi RCC
16 Sông Tranh 2 100 Quảng Ngãi RCC
17 Sông Côn 2 50 Quảng Nam RCC
18 Tân Giang 37.5 Ninh thuận BT thường (CVC)
19 Lòng Sông 48 Bình Thuận CVC
20 Tuyên Quang Tuyên Quang CVC
21 Bắc Hà 100 Lào Cai CVC
22 Hủa Na 94.5 Nghệ An CVC
23 Dam’Bri 55 Lâm Đồng CVC
24 A Lưới 49.5 Huế CVC

Hình 1.2: Đập bê tông trọng lực (CVC) - Hồ chứa nước Tân Giang

9



Hình 1.3: Đập Bê tông đầm lăn (RCC) - Sơn La

Hình 1.3: Đập Bê tông (CVC) cao nhất thế giới (285m) Grande Dixence – Thuỵ sỹ

10

1.2. Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực
1.2.1. Định nghĩa
Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R-90), bê tông khối lớn được định nghĩa là
một thể tích có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với sự phát
nhiệt do xi măng thuỷ hoá và kèm theo đó là sự biến đổi thể tích gây ra nứt nẻ.
Khi xây dựng đập bê tông thường sử dụng 2 loại bê tông:
- Bê tông thường (Conventional Vibrated Concrete – CVC)
- Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete – RCC)
1.2.2. Đặc tính của bê tông khối lớn
Đặc tính của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt. Phản ứng của xi măng
với nước là phản ứng phát nhiệt. Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán
được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, từ đó có thể
phát sinh ứng suất kéo lớn do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm
nhiệt độ trong khối bê tông. Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ
thấp nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ
công trình.
Đối với công trình đập bê tông, để đồng thời đạt được chất lượng và giá
thành thấp, thường phân ra 2 phần: Phần bên ngoài của đập chịu tác dụng trực tiếp
của môi trường nước và phần bên trong của đập không tiếp xúc với môi trường.
Đối với phần bên ngoài của đập, yêu cầu chọn cốt liệu bê tông tốt, bê tông đặc
chắc cường độ cao hơn, chống thấm tốt hơn để đảm bảo độ bền. Còn bê tông bên
trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là
phát nhiệt tối thiểu khi bê tông đông cứng, vì sự phân bố nhiệt không đều trong
khối bê tông gây ra nứt do nhiệt. Mác bê tông ở phần bên trong không yêu cầu
cao, thường là 10 hoặc 15 MPa và độ chống thấm thấp B 2 hoặc B 4.



11

1.2.3. Vật liệu dùng cho bê tông khối lớn
1.2.3.1. Xi măng
Trong bê tông đập trọng lực nên dùng xi măng ít toả nhiệt. Để đảm bảo tính
ổn định của bê tông khối lớn cần chú ý chọn đúng các vật liệu thích hợp.
Xi măng ít toả nhiệt phải có lượng nhiệt phát ra sau khi thuỷ hoá (xác định
theo phương pháp termot) sau 3 ngày không lớn hơn 45-50 cal/g, sau 7 ngày không
lớn hơn 50, 60 cal/g.
Ở Việt nam đã ban hành tiêu chuẩn xi măng ít toả nhiệt qui định nhiệt thủy
hoá sau 7 ngày không lớn hơn 60 cal/g, nhưng thực tế hầu như chưa sản xuất,
nên trên thị trường xi măng ở nước ta không có mặt xi măng ít tỏa nhiệt, mà chỉ
có loại xi măng poóclăng hỗn hợp (PCB) pha khoảng 15 – 30% phụ gia khoáng
hoạt tính và phụ gia trơ.

Xi măng PCB tuy có nhiệt thủy hoá thấp hơn xi măng poóclăng, nhưng chưa
đạt được yêu cầu của xi măng ít tỏa nhiệt. Tuy nhiên nếu tăng hàm lượng phụ gia
khoáng đến mức độ yêu cầu, thì có thể đạt được mục đích đó.

Trong bê tông khối lớn nói chung và bê tông đập nói riêng có thể pha
puzơlan, xỉ hạt lò cao, tro bay , nhằm mục đích giảm thiểu lượng dùng xi măng,
do đó giảm nhiệt thuỷ hoá trong bê tông. Các phụ gia đó được đưa trước vào xi
măng hoặc đưa vào bê tông khi trộn.

Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng kèm thêm phụ gia hoá
học như phụ gia hoá dẻo kéo dài thời gian đông kết, nhằm tăng độ lưu động, giảm
co và kéo dài thời gian đông kết khi vận chuyển bê tông đường dài hoặc khi trời
nắng nóng về mùa hè và tăng độ bền mong muốn của bê tông. Việc kéo dài thời
gian đông kết cũng làm chậm sự phát nhiệt thủy hóa của xi măng.
1.2.3.2. Cốt liệu
Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt

liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được qui định trong các tiêu chuẩn

12


. Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn của Mỹ được qui định trong
ACI 207.1R-87. Do kích thước kết cấu lớn, nên có thể dùng kích thước danh
nghĩa lớn nhất của cốt liệu (D
max
) tới 150 mm để giảm hàm lượng chất kết dính
trong bê tông, từ đó giảm phát nhiệt.
1.2.3.3. Nước trộn bê tông
Nước trộn bê tông được qui định theo TCVN 4506 : 2012.
1.2.3.4. Phụ gia
- Phụ gia khoáng hoạt tính
Sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính để thay thế một phần xi măng nhằm
giảm nhiệt thủy hóa (nguyên nhân tăng nhiệt độ trong bê tông tạo nên ứng suất
nhiệt gây nứt nẻ trong bê tông khối lớn). Có nhiều loại phụ gia khoáng hoạt tính
như tro bay, puzơlan, xỉ lò cao …
Phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan là vật liệu silicat hoặc alumo-silicat mà bản
thân nó có ít hoặc không có khả năng đóng rắn nhưng khi có độ ẩm nó có thể phản
ứng với canxi-hydroxit để có thể đóng rắn.
- Phụ gia hóa học
Nhóm phụ gia hoá học có tác dụng giảm nước trong hỗn hợp vữa tông, khống
chế tốc độ đóng rắn và tăng cường độ bê tông.
- Phụ gia cuốn khí
Phụ gia cuốn khí cho bê tông thường được dùng cho các công trình ở những
nơi có điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Có tác dụng giảm yêu cầu về nước, lượng xi
măng có thể bớt đi, tăng khả năng linh động, tăng khả năng chống thấm, độ đặc
chắc của bê tông tăng lên và có thể tăng chút ít cường độ của bê tông khối lớn có

hàm lượng xi măng thấp.
1.2.4. Tính chất của bê tông khối lớn
1.2.4.1. Cường độ
Cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chủ yếu,
trong đó có lượng và loại phụ gia khoáng hoạt tính (puzơlan). Cường độ bê tông
pha puzơlan nói chung phát triển chậm trong thời kỳ đầu, nhưng sau 28 ngày phát
triển tốt hơn.

13


Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu
ứng suất lớn ban đầu. Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày
(90 ngày, 1 năm, 2 năm), tuỳ theo kết cấu và thời gian công trình được xây dựng.
1.2.4.2. Độ thấm nước
Độ thấm nước của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thành phần
puzơlan trong bê tông. Puzơlan cũng có tác dụng giảm độ thấm nước. Hệ số thấm
của bê tông khối lớn K = (0,62 ÷ 11,9).10
-
4
ft/s. (1 ft = 30,48cm).
1.2.4.3. Độ bền
Trong bê tông khối lớn phản ứng giữa các thành phần trong bê tông được
xem là nhân tố quan trọng đối với độ bền bê tông. Phản ứng hoá học giữa kiềm
(Na
2
O và K
2
O) trong xi măng và SiO
2

có tính phản ứng có trong cốt liệu tạo ra
hợp chất mới, nở thể tích gây phản ứng kiềm - silíc; do đó không nên dùng cốt
liệu chứa SiO
2
có tính phản ứng. Khi phải dùng một loại cốt liệu chứa các thành
phần có tính phản ứng, thì phải dùng xi măng có hàm lượng kiềm (Na
2
O và K
2
O)
thấp. Puzơlan có thể có tác dụng hạn chế phản ứng kiềm silic, nhưng tro bay
được coi là kém hiệu quả hơn trong việc khống chế phản ứng này so với puzơlan
thiên nhiên.
Vôi sinh ra khi xi măng tác dụng với nước. Vôi sẽ hoà tan trong nước, nước
mềm hay nước axít nhẹ. Khi dùng puzơlan, thì puzơlan tác dụng với vôi, tạo ra
hợp chất mới không tan trong nước, tạo ra phản ứng puzơlan, do đó ngăn cản sự
tiết vôi ra khỏi bê tông. Khi bê tông đặc chắc chống thấm tốt, thì việc tiết vôi ra
sẽ ít. Nếu tiết vôi nghiêm trọng, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền
của kết cấu công trình.
1.2.4.4. Tính biến dạng
a) Độ co khô
Độ co khô nằm trong khoảng từ 0,02% của độ dài bê tông nghèo độ sụt thấp
dùng cốt liệu tốt, đến lớn hơn 0,10% đối với bê tông giàu xi măng hoặc bê tông
dùng cốt liệu xấu và N/X lớn. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ co khô là: hàm
lượng xi măng, thành phần khoáng của nó và hàm lượng cốt liệu. Việc pha phụ
gia khoáng thường làm tăng độ co khô, ngoại trừ trường hợp giảm yêu cầu nước.

14

b) Sự biến đổi thể tích tự thân là độ co do các phản ứng hoá học xảy ra trong
hồ xi măng trong bê tông không liên quan với lượng nước trong bê tông. Bê tông
dùng puzơlan đôi khi có độ co tự thân lớn hơn bê tông dùng xi măng pooclăng. Sự
biến đổi thể tích tự thân thuần tuý có thể nằm trong khoảng 0-150.10
-6
mm
3
.
c) Sự biến đổi thể tích do nhiệt thuỷ hoá:
Nhiệt độ bê tông tăng lên do nhiệt thuỷ hoá làm cho bê tông nở thể tích.
Ngoài các biến dạng nêu trên, còn có từ biến và biến đổi thể tích khi độ ẩm
của bê tông thay đổi.
1.2.4.5. Tính chất nhiệt
Tinh chất nhiệt bê tong khối lớn được trình bày ở mục 1.3 dưới đây.
1.3. Quá trình diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn
Đầu thế kỷ 20, đối với vấn đề quá trình thay đổi nhiệt trong thân đập bê tông
và hậu quả của nó chưa được quan tâm đúng mức, vì thế trong thiết kế và thi công
thiếu sự chú ý cần thiết. Sau đó trong thực tế phát hiện trong thân đập xuất hiện
nhiều khe nứt có tính chất không giống nhau, đã làm rõ ứng suất nhiệt là nguyên
nhân chủ yếu làm xuất hiện khe nứt ở đập bê tông thể tích lớn, từ đó mới bắt đầu
đi sâu nghiên cứu vấn đề thay đổi nhiệt độ, vấn đề ứng suất nhiệt và biện pháp
khống chế nhiệt.
1.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn
Nhiều nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tài liệu quan trắc đo đạc trên các
công trình bê tông trọng lực thực tế ở trong nước và trên thế giớ cho thấy diễn biến
nhiệt độ trong bê tông phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản sau:
- Hàm lượng xi măng trong 1m
3
của bê tông;
- Tính chất thủy hóa của loại xi măng;

- Kích thước khoảnh đổ;
- Tính chất cốt liệu;
- Thành phần cấp phối bê tông;
- Điều kiện môi trường;
1.3.2. Nhiệt thủy hóa của xi măng
Các khoáng vật trong xi măng khi thủy hóa với nước sẽ phát nhiệt. Theo

15


Solacolu và Taylor, nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng như trong
bảng 1.3.
Bảng 1.3 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng.
Tên đơn khoáng
Loại XM

Nhiệt thủy hóa trong thời gian, cal/g

3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng

3CaO SiO2
C
3
S
98

110

114

122

121


2CaO SiO2
C
2
S
19

18

44

55

53


3CaO Al2O3
C
3
A 1700
188

202

188

218


4CaO Al2O3. Fe2O3
C
4
AF
29

43

48

57

73


Xi măng mác càng cao tỏa nhiệt càng nhiều như trong hình 1.4

Hình 1.4: Tỏa nhiệt xi măng theo thời gian

Các loại xi măng khác nhau cho nhiệt thuỷ hoá khác nhau như trong bảng 1.4.





16

Bảng 1.4 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian.


Loại xi măng


Lượng phát nhiệt (cal/g)
3 ngày 7 ngày 28 ngày
Xi măng có cường độ sớm
10

10

11

Xi măng thường
7

8

9

Xi măng tỏa nhiệt trung bình
6

7

8

Xi măng toả nhiệt thấp
4

5

6


Lượng nhiệt phát ra là có lợi cho việc thi công bê tông vào mùa lạnh hoặc có
tác dụng làm cho bê tông đông cứng nhanh. Mặt khác lại rất bất lợi thi công vào
mùa nóng; đặc biệt với công trình bê tông khối lớn thì càng bất lợi.
1.3.3. Diễn biến nhiệt độ trong bê tông khối lớn
Bê tông khối lớn sau khi đã đổ, nhiệt độ sẽ có sự thay đổi phức tạp làm
cho nhiệt độ phát sinh thay đổi, nguyên nhân chủ yếu như sau:
- Bê tông trong thời kỳ xi măng hoá cứng, nhiệt thủy hóa phát tán làm cho nhiệt
độ trong bê tông lên cao.
- Nhiệt độ khi bê tông đã đổ vào khối đổ và nhiệt độ môi trường xung quanh
(chủ yếu là nhiệt độ không khí) không giống nhau, từ đó tồn tại chênh lệch
nhiệt ban đầu làm cho nhiệt độ thay đổi.
- Nhiệt độ chất môi xung quanh phát sinh thay đổi hoặc do nhiệt độ không
khí khi đổ bê tông thay đổi đến nhiệt độ ổn định, hoặc thay đổi theo chu kỳ.
Do những nguyên nhân ở trên, giữa các điểm trong nội bộ khối bê tông,
và do tác dụng của nhiệt thủy hóa, nhiệt độ sẽ lên cao. Thời gian đoạn nhiệt độ
tăng lên này không dài, vì nhiệt thủy hóa trong vòng 28 ngày sẽ phát tán gần
hết. Rồi sau đó nhiệt độ sẽ xảy ra xu thế lên cao và hạ thấp (trong quá trình hạ
xuống có dao động phức tạp). Thời kỳ hạ xuống này có thể trải qua một thời
gian dài.
Cuối cùng khi các loại ảnh hưởng ban đầu (nhiệt thủy hóa chênh lệch

17

nhiệt độ ban đầu, chênh lệch giữa nhiệt độ ổn định và nhiệt độ đổ bê tông)
dần dần mất đi, nhiệt độ tại điểm này đạt đến thời kỳ ổn định. Lúc này nhiệt
độ sẽ tuỳ theo sự biến động có tính quy luật của nhiệt độ bên ngoài mà thể
hiện biến động rất nhỏ hoặc đều đều. Tất nhiên những vấn đề nêu ở trên là xu
thế chung, nếu như dùng các biện pháp khống chế đối với nhiệt độ thì đường
cong biến hoá của nó có thay đổi rất lớn.
Tóm lại diễn biến nhiệt độ chia làm 3 thời kỳ: Tăng nhiệt, giảm nhiệt, ổn
định nhiệt độ, được biểu thị hình 1.4.


Hình 1.5: Quá trình thay
đ
ổi nhiệt
đ
ộ trong bê tông khối lớn
Từ hình vẽ ta thấy rằng nhiệt độ cao nhất của bê tông T
max
bằng nhiệt độ lúc
đổ bê tông T
p
cộng với nhiệt độ phát nhiệt lớn nhất của xi măng T
r
. Từ nhiệt độ
T
p
đến nhiệt độ T
max
là thời kỳ tăng nhiệt. Sau khi đạt đên T

max
nhiệt độ trong bê
tông giảm dần tới T
f
, giai đoạn này là thời kỳ giảm nhiệt. Cuối cùng nhiệt độ
trong bê tông ổn định đó là thời kỳ ổn định nhiệt.
1.3.4. Ứng suất nhiệt và các loại khe nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn
Sau khi nhiệt độ phát sinh thay đổi thì thể tích của bê tông theo đó mà co
dãn. Khi khối bê tông không được tự do, mặt co dãn bị hạn chế hoặc bị ràng
buộc, thì sinh ra ứng suất nhiệt độ. Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ của
bê tông, thì sinh ra nứt. Khe nứt được chia làm hai loại: Nứt bề mặt và nứt

18


xuyên khối.
1.3.4.1. 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 toả nhiệt nhanh, bên trong toả nhiệt
chậm, sinh chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng dẫn đến biến đổi thể tích giữa các
vùng khác nhau, kiềm chế lẫn nhau. Nhất là trường hợp bê tông mới đổ xong, nhiệt
độ bên ngoài hạ thấp đột ngột là cho mặt ngoài của khối bê tông co lại, trong lòng
khối bê tông nở ra, dẫn đến chênh lệch biến dạng trong và ngoài khối lớn. Kết quả là
trong lòng khối bê tông sinh ứng suất nén, bề mặt sinh ứng suất kéo. Ứng suất nhiệt
lớn hay nhỏ tuỷ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ, biểu thị trên hình 1.5.
Khi ứng suất nhiệt lớn hơn ứng suất chịu kéo cho phép làm mặt bê tông bị
nứt gọi là nứt bể mặt. Nứt bề mặt thường không sâu và có khả năng “khép lại” sau
khi nhiệt độ trong khối bê tông giảm dần. Nứt bề mặt thường xuất hiện sau khi đổ
bê tông 1-:-2 tuần.
Ứng suất nhiệt ở bề mặt khối bê tông được xác định như sau:

µ
α
σ
−
∆
=
1
TE
(1-1)
Trong đó:
σ: ứng suất kéo lớn nhất có thể phát sinh tại mặt khoảnh (N/cm
2
);
α: hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông, thường lấy 10
-5
-:-8x10
-6
(1/
o
C);
E: mô đuyn đàn hồi của bê tông (N/cm
2
);
µ: hệ số poát xông, lấy 01.5-:-0.2;
∆T: chênh lệnh nhiệt độ bình quân giữa các khố bê tông và không khí ngoài
(
o
C).