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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HÀ THANH DƯƠNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HÀ THANH DƯƠNG

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 9.58.02.02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. NGUYỄN QUANG HÙNG

2. GS.TS. VŨ THANH TE

HÀ NỘI, NĂM 2019


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

Hà Thanh Dương

i


LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp
đỡ tận tình của các Nhà giáo, các Nhà khoa học và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án
tiến sĩ: “Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới khả năng
chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong quá trình vận hành” đã hoàn
thành.
Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau
đại học, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp đỡ
tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án.
Và tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của tập thể PGS.TS.
Nguyễn Quang Hùng, GS.TS. Vũ Thanh Te từ những ngày đầu đã có những ý kiến
quý báu trong quá trình thực hiện Luận án. Tập thể các thầy đã tạo điều kiện tốt nhất

cho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án.
Và tác giả chân thành cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận án.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận án không tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả kính mong các Nhà giáo, các nhà khoa học chỉ bảo, các đồng nghiệp
đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài.
Hà nội, tháng 3/2019

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ......................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................... xii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ xiii
DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG ...................... xiv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4
3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 4
3.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 4
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 4
4.1. Cách tiếp cận ....................................................................................................4
4.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................ 5
6. Cấu trúc của Luận án ............................................................................................... 5

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

1.1. Khái quát về bê tông đầm lăn ...............................................................................6
1.1.1. Giới thiệu công nghệ bê tông đầm lăn........................................................... 6
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL...................................................................................... 7
1.1.2.1. Vật liệu BTĐL ........................................................................................ 7
1.1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật thi công BTĐL...................................................8
1.2. Tổng quan về tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .....10
1.2.1. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới ...............................................10
1.2.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam ...............................................13
1.3. Tổng quan về nứt đập BTĐL ..............................................................................15
1.3.1. Vấn đề nứt đập BTĐL trên thế giới............................................................. 15
1.3.2. Vấn đề nứt đập BTĐL tại Việt Nam ........................................................... 17
1.3.2.1. Theo hình thức vết nứt .........................................................................17
1.3.2.2. Theo vị trí vết nứt .................................................................................18
1.4. Tổng quan về nghiên cứu nứt đập BTĐL .......................................................... 18
1.4.1. Nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới ..................................................... 18
iii


1.4.1.1. Nghiên cứu vật liệu nhằm nâng cao khả năng chống nứt của BTĐL ..18
1.4.1.2. Về hình thức kết cấu và công nghệ thi công ........................................20
1.4.1.3.Về công nghệ tính toán mô phỏng......................................................... 22
1.4.2. Nghiên cứu nứt đập BTĐL tại Việt Nam .................................................... 26
1.4.3. Nhận xét về nghiên cứu nứt đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .......28
1.5. Những vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với Luận án ........................................29
1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỰ HÌNH THÀNH VÀ
PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN .................................... 30
2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................30
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn tự thích ứng ....................................................... 30

2.2.1. Khái niệm chung.......................................................................................... 30
2.2.2. Kỹ thuật sinh lưới tự thích ứng ...................................................................31
2.2.3. Kỹ thuật đánh giá sai số ..............................................................................33
2.2.4. Tính toán tự thích ứng trong ANSYS [43] ..................................................35
2.2.4.1. Điều kiện tính toán ...............................................................................35
2.2.4.2. Các bước tính toán ................................................................................35
2.2.4.3. Thực hiện bằng số ................................................................................36
2.2.5. Nhận xét.......................................................................................................38
2.3. Phương pháp ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng ..................................38
2.3.1. Nguyên lý tính toán ..................................................................................... 38
2.3.2. Công thức tính toán ..................................................................................... 39
2.3.3. Tính toán ứng suất tương đương PTHH tự thích ứng trong ANSYS ..........40
2.3.3.1. Các bước tính toán ................................................................................40
2.3.3.2. Thực hiện bằng số ................................................................................41
2.3.4. Nhận xét.......................................................................................................43
2.4. Mô phỏng quá trình phá hoại BTĐL ..................................................................43
2.4.1. Tiêu chuẩn phá hoại BTĐL .........................................................................43
2.4.2. Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt [43][60] ..........................................46
2.4.2.1. Mô phỏng quá trình phát triển vết nứt trong ANSYS .......................... 46
2.4.2.2. Thực hiện bằng số ................................................................................50

iv


2.5. Xây dựng bài toán tính toán ứng suất và biến dạng đập trọng lực BTĐL bằng
ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong ANSYS ..................................................... 52
2.5.1. Mô tả kết cấu đập ........................................................................................ 52
2.5.2. Xử lý điều kiện biên .................................................................................... 53
2.5.2.1. Vấn đề điều kiện biên nền khi tính toán động ......................................53
2.5.2.2. Điều kiện biên mô phỏng môi trường vô hạn.......................................54

2.5.2.3. Xử lý biên đàn hồi – cản nhớt trong phần mềm ANSYS ..................... 55
2.5.4. Chương trình tính kết cấu đập BTĐL.......................................................... 56
2.5.5. Tính toán ứng suất, biến dạng và nứt đập BTĐL ........................................56
2.5.5.1. Số liệu tính toán .................................................................................... 56
2.5.5.2. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất ..............................................58
2.5.5.3. Kết quả tính toán nứt ............................................................................59
2.5.5.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................60
2.5.6. Kiểm tra độ tin cậy của Chương trình ......................................................... 61
2.6. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 66

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỨT TỚI KHẢ NĂNG
CHỊU TẢI ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ............................................................ 68
3.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................68
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nứt tới khả năng chịu tải của đập BTĐL ................68
3.2.1. Vết nứt ngang xuất hiện tại chân đập thượng lưu đập.................................68
3.2.1.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................68
3.2.1.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 69
3.2.1.3. Kết quả tính toán ..................................................................................70
3.2.1.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................75
3.2.2. Vết nứt đứng xuyên từ nền ..........................................................................75
3.2.2.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................75
3.2.2.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 76
3.2.2.3. Kết quả tính toán ..................................................................................77
3.2.2.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................81
3.2.3. Vết nứt trong thân đập dọc trục đập ............................................................ 82
3.2.3.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................82
3.2.3.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 82
v

3.2.3.3. Kết quả tính toán ..................................................................................83
3.2.3.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................85
3.2.4. Các vết nứt xuất hiện đồng thời ..................................................................85
3.2.4.1. Cơ sở nghiên cứu ..................................................................................85
3.2.4.2. Sơ đồ tính toán ...................................................................................... 85
3.2.4.3. Kết quả tính toán ..................................................................................86
3.2.4.4. Nhận xét kết quả tính toán ....................................................................89
3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 89

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NỨT ĐẬP
BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SƠN LA......................................................................... 91
4.1. Giới thiệu công trình........................................................................................... 91
4.1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 91
4.1.2. Thông số động đất thiết kế khu vực công trình thủy điện Sơn La ..............92
4.1.3. Các vết nứt đập BTĐL Sơn La được phát hiện trong quá trình thi công ....93
4.2. Nghiên cứu sự hình thành vết nứt trong thân đập BTĐL Sơn La ...................... 94
4.2.1. Sơ đồ tính toán ............................................................................................. 94
4.2.2. Kết quả tính toán ......................................................................................... 95
4.2.3. Nhận xét kết quả tính toán ...........................................................................96
4.3 Nghiên cứu sự phát triển nứt trong thân đập BTĐL Sơn La ............................... 96
4.3.1. Sơ đồ tính toán ............................................................................................. 96
4.3.2. Kết quả tính toán ......................................................................................... 98
4.3.2.1. Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C2............................................98
4.3.2.2. Trường hợp vết nứt phát triển tại khối C3..........................................102
4.4. Đánh giá khả năng chịu tải của đập ..................................................................105
4.5. Kết luận Chương 4 ...........................................................................................105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 106
1. Những kết quả đạt được của Luận án ..................................................................106
2. Những đóng góp mới của Luận án ......................................................................107

3. Những tồn tại và hướng phát triển nghiên cứu ....................................................107
4. Kiến nghị .............................................................................................................107

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 109
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 115
vi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Công nghệ thi công BTĐL .............................................................................6
Hình 1. 2. Vị trí vết nứt trong đoạn số 6 (04/2000 và 03/2001) ....................................17
Hình 1. 3. Hình thức kết cấu đập BTĐL của Mỹ và Nhật Bản .....................................20
Hình 1. 4. Hình thức kết cấu đập BTĐL Trung Quốc ................................................... 21
Hình 1. 5. Sơ đồ lưới PTHH tính toán phát triển nứt của L.J.Malvar ........................... 23
Hình 1. 6. Vùng phá hoại nứt ........................................................................................ 23
Hình 1. 7. Biến dạng ở thời điểm phá hoại ....................................................................23
Hình 1. 8. Mạng lưới tự thích ứng trong quá trình phát triển vết nứt ........................... 24
Hình 1. 9. Mô hình mô phỏng tiếp xúc tại vị trí vết nứt................................................24
Hình 1. 10. Hai loại vết nứt tồn tại trong thân đập ........................................................ 25
Hình 1. 11. Chuyển dịch tương đối lớn nhất tại vị trí vết nứt đối với hai loại vết nứt ..25
Hình 1. 12. Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại I .................26
Hình 1. 13. Quá trình phá hoại của đập tại các thời điểm với vết nứt loại II ................26
Hình 2. 1. Ba mô hình cơ bản để thay đổi mạng lưới phần tử liên tục ......................... 32
Hình 2. 2. Quá trình tính toán PTHH thích ứng ............................................................ 32
Hình 2. 3. Mô hình chia lưới PTHH tự thích ứng ......................................................... 36
Hình 2. 4. Mô hình phần tử hữu hạn .............................................................................37
Hình 2. 5. Phần trăm sai số năng lượng.........................................................................37
Hình 2. 6. Phân bố chuyển vị tổng ................................................................................37
Hình 2. 7. Phân bố ứng suất Von Mises ........................................................................37

Hình 2. 8. Kết quả tính toán ứng suất trong thân đập.................................................... 38
Hình 2. 9. Sơ đồ quá trình thực hiện tính toán ứng suất tương đương .......................... 40
Hình 2. 10. Phân bố ứng suất theo phương đứng Y .................................................... 41
Hình 2. 11. Phân bố ứng suất theo phương đứng Y tại mặt cắt đáy khối theo PTHH 41
Hình 2. 12. Tính toán ƯSTĐ-PTHH .............................................................................41
Hình 2. 13. Tính toán ứng suất SBVL ...........................................................................41
Hình 2. 14. So sánh ứng suất phương đứng Y theo PTHH và ƯSTĐ-PTHH ............42
Hình 2. 15. So sánh ứng suất phương đứng Y theo SBVL và ƯSTĐ-PTHH .............42
Hình 2. 16. Phương gia cố dưới hệ tọa độ phần tử ........................................................ 48
vii


Hình 2. 17. Hình biểu thị Rt ........................................................................................... 49
Hình 2. 18. Quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến của vật liệu bê tông trong ANSYS
.......................................................................................................................................51
Hình 2. 19. Mô hình PTHH tự thích ứng.......................................................................51
Hình 2. 20. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................51
Hình 2. 21. Vết nứt tại chân thượng lưu ........................................................................52
Hình 2. 22. Kết cấu mặt cắt đập bê tông trọng lực ...................................................... 53
Hình 2. 23. Biên cản nhớt .............................................................................................. 54
Hình 2. 24. Biên đàn hồi – cản nhớt ..............................................................................54
Hình 2. 25. Phần tử lò xo – cản nhớt .............................................................................56
Hình 2. 26. Mặt cắt ngang đập Đồng Nai 4 .................................................................57
Hình 2. 27. Mô hình hình học........................................................................................ 58
Hình 2. 28. Mô hình PTHH tự thích ứng.......................................................................58
Hình 2. 29. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................58
Hình 2. 30. Phân bố ứng suất Y ..................................................................................58
Hình 2. 31. Phân bố ứng suất chính 1 .........................................................................59
Hình 2. 32. Phân bố ứng suất chính 3 .........................................................................59
Hình 2. 33. Vị trí phát sinh vết nứt trong thân đập ........................................................ 60

Hình 2. 34. Mặt cắt ngang đập Koyna - Ấn Độ ........................................................... 61
Hình 2. 35. Gia tốc động đất Koyna tháng 11/1967 [17] .............................................61
Hình 2. 36. Kết quả mô phỏng số trên phần mềm ABAQUS và thí nghiệm mô hình
của Mridha S [16] ..........................................................................................................62
Hình 2. 37. Mô hình tính toán tương tác 3D đập – nước – nền [19] .......................... 62
Hình 2. 38. Kết quả mô phỏng số và thí nghiệm mô hình của Gaohui Wang [19] ...63
Hình 2. 39. Kết quả tính toán nứt đập Koyna bằng Chương trình RCCD_FAILURE
.......................................................................................................................................63
Hình 2. 40. Mặt cắt ngang đập Guandi – Trung Quốc ................................................64
Hình 2. 41. Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna
cho bài toán 2D [17] .....................................................................................................65
Hình 2. 42. Quá trình phá hoại của đập Guandi dưới tác dụng của động đất Koyna
cho bài toán 3D [19] .....................................................................................................65
viii


Hình 2. 43. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................66
Hình 2. 44. Phân bố ứng suất chính 1 .........................................................................66
Hình 2. 45. Kết quả tính toán phá hoại nứt đập Guandi bằng Chương trình
RCCD_FAILURE.........................................................................................................66
Hình 3. 1. Ứng suất tại bề mặt khối bê tông ..................................................................69
Hình 3. 2. Phát triển vết nứt từ vết nứt ban đầu ............................................................ 69
Hình 3. 3. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập .......................... 70
Hình 3. 4. Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập ..................................................... 71
Hình 3. 5. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản ............................................71
Hình 3. 6. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản ................................ 71
Hình 3. 7. Mô hình PTHH tự thích ứng.........................................................................73
Hình 3. 8. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất ..........73
Hình 3. 9. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất ..........73
Hình 3. 10. Ứng suất chính lớn nhất trong thân đập tại thời điểm 10s ......................... 73

Hình 3. 11. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 74
Hình 3. 12. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất ........74
Hình 3. 13. Vết nứt trước thời điểm đập bị phá hoại tổng thể.......................................75
Hình 3. 14. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang đến thời điểm bị phá hoại......75
Hình 3. 15. Biến dạng do nhiệt độ và ứng suất của khối bê tông do nền kiềm chế ......76
Hình 3. 16. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt đứng xuyên từ nền ................................ 77
Hình 3. 17. Phân bố chuyển vị tổng ..............................................................................78
Hình 3. 18. Vết nứt xuất hiện tại chân TL .....................................................................78
Hình 3. 19. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 79
Hình 3. 20. Chuyển vị đỉnh đập theo phương ngang trong quá trình động đất .............79
Hình 3. 21. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập và chuyển vị ngang tại đỉnh đập
với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 2 lần ....................................................................80
Hình 3. 22. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và
chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 3 lần .................... 80
Hình 3. 23. Phát triển vết nứt tại chân thượng lưu đập, tại vị trí vết nứt ban đầu và
chuyển vị ngang tại đỉnh đập với gia tốc động đất Koyna tăng gấp 4 lần .................... 81
ix


Hình 3. 24. Vết nứt xuất hiện trong thân đập ................................................................ 82
Hình 3. 25. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập .......................................83
Hình 3. 26. Vùng nứt tại chân đập dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản .............83
Hình 3. 27. Phổ chuyển vị tổng dưới tác dụng cùa tổ hợp tải trọng cơ bản ..................84
Hình 3. 28. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất ........85
Hình 3. 29. Sơ đồ tính toán phát triển vết nứt trong thân đập .......................................86
Hình 3. 30. Gán áp lực nước lên mặt thượng lưu đập ................................................... 87
Hình 3. 31. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp cơ bản ..........................................87
Hình 3. 32. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng cơ bản .............................. 87
Hình 3. 33. Vết nứt phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt ............................ 88
Hình 3. 34. Phân bố chuyển vị tổng ứng với tổ hợp đặc biệt có động đất .................... 88

Hình 3. 35. Vết nứt ngang phát triển sau khi chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt .................88
Hình 4.1. Sơ đồ phân khối đổ đập BTĐL Sơn La ......................................................... 92
Hình 4.2. Băng gia tốc số 1a xấp xỉ với đường cong phổ động đất thiết kế cực đại cho
công trình thủy điện Sơn La [68]................................................................................... 93
Hình 4.3. Băng gia tốc số 4a xấp xỉ với đường cong phổ động đất cơ sở vận hành cho
công trình thủy điện Sơn La [68]................................................................................... 93
Hình 4.4. Mặt cắt ngang đập BTĐL Sơn La .................................................................94
Hình 4.5. Quá trình phá hoại đập BTĐL Sơn La dưới tác dụng của tải trọng động đất
.......................................................................................................................................95
Hình 4.6. Kết quả tính toán tại thời điểm đập BTĐL bị phá hoại hoàn toàn .............96
Hình 4.7. Sơ đồ tính toán cho trường hợp 1 tồn tại vết nứt tại khối C2 ........................ 97
Hình 4.8. Sơ đồ tính toán cho trường hợp 2 tồn tại vết nứt tại khối C3 ........................ 98
Hình 4.9. Mô hình PTHH tự thích ứng..........................................................................99
Hình 4.10. Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản ............99
Hình 4.11. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản ................... 99
Hình 4.12. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .............99
Hình 4.13. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang ...................................................100
Hình 4.14. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng .....................................................100
Hình 4.15. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang ...............................................100
x


Hình 4.16. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng ................................................100
Hình 4.17. Phát triển vết nứt tại chân đập thượng lưu trong quá trình động đất .........101
Hình 4.18. Phát triển vết nứt tại vị trí vết nứt ban đầu trong quá trình động đất ........101
Hình 4.19. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .............102
Hình 4.20. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......102
Hình 4.21. Mô hình PTHH tự thích ứng......................................................................103
Hình 4.22. Phân bố chuyển vị tổng dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .........................103
Hình 4.23. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản .................103

Hình 4.24. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cơ bản ...........103
Hình 4.25. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương ngang ...................................................103
Hình 4.26. Gia tốc tại đỉnh đập theo phương đứng .....................................................103
Hình 4.27. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương ngang theo thời gian .......................104
Hình 4.28. Chuyển vị tại đỉnh đập theo phương đứng theo thời gian .........................104
Hình 4.29. Phân bố vết nứt tại chân đập dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .............104
Hình 4.30. Phân bố ứng suất chính lớn nhất dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......104
Hình 4.31. Phá hoại cục bộ tại vị trí vết nứt dưới tác dụng của tổ hợp cực đoan .......104

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Số lượng đập BTĐL tại một số nước trên thế giới .......................................11
Bảng 1.2. 10 đập BTĐL có thể tích lớn nhất thế giới ................................................... 12
Bảng 1.3. 10 đập BTĐL có chiều cao lớn nhất thế giới ................................................12
Bảng 1.4. Danh mục các đập BTĐL ở Việt Nam .......................................................... 14
Bảng 1.5. Thông kê vết nứt đập Yushi (04/2000) [5] ................................................... 16
Bảng 2.1. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông ................................................................ 36
Bảng 2.2. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất theo phương pháp PTHH .............37
Bảng 2.3. So sánh kết quả tính toán theo hai phương pháp ..........................................42
Bảng 2.4. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến ................................................51
Bảng 2.5. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền ........................................................... 57
Bảng 2.6. Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất ....................................................... 59
Bảng 2.7. Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Koyna .............................................62
Bảng 2.8. Chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán đập Guandi ............................................64
Bảng 3. 1. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông phi tuyến ...............................................70
Bảng 3. 2. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............72
Bảng 3. 3. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............78
Bảng 3. 4. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản ...............84

Bảng 3. 5. Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt ..................... 87
Bảng 3. 6. Bảng so sánh kết quả trong hai trường hợp xuất hiện vết nứt ..................... 89
Bảng 4. 1. Thời gian thi công các khối đổ BTĐL tính đến 02/2009 ............................. 91
Bảng 4. 2. Các thông số của băng gia tốc chọn lựa nhằm xấp xỉ với phổ động đất thiết
kế cực đại (ME) và cơ sở vận hành (OBE) cho công trình thủy điện Sơn La ...............92
Bảng 4. 3. Mô tả vết nứt tại các khối đổ BTĐL ............................................................ 94
Bảng 4. 4. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập BTĐL Sơn La..............................................95
Bảng 4. 5. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đập và nền đập BTĐL Sơn La ........................... 97

xii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI

American Concrete Institute (Viện Bê tông Hoa Kỳ)

AIT

Asian Institute of Technology (Viện Công nghệ Châu Á)

ALN

Áp lực nước

APDL

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

BTCT

Bê tông cốt thép

BTĐL

Bê tông đầm lăn

CIRIA

Construction Industry Research and Information Association (Hiệp
hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng)

CVC

Conventional Vibrated Concrete (Bê tông thông thường)

ĐHTL

Đại học Thủy Lợi

IDRC

International Development Research Centrer

ICOLD

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

MNC

Mực nước chết

MNDBT

Mực nước dâng bình thường

MNDGC

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

MNTL

Mực nước thượng lưu

LATS

Luận án tiến sĩ

PGK

Phụ gia khoáng

PTHH

Phần tử hữu hạn

RCC

Roller Compacted Concrete (Bê tông đầm lăn)

RCCD

Roller Compacted Concrete Dams (Đập BTĐL)

RCD

Roller Compacted Dam (Đập đầm lăn)

SBVL

Sức bền vật liệu

TH1

Tổ hợp tải trọng tĩnh

TLBT

Trọng lượng bản thân

USACE

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

USBR

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

ƯSTĐ-PTHH

Ứng suất tương đương phần tử hữu hạn

xiii


DANH MỤC GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG


Miền tích phân

eu

Sai số chuyển vị

u

Giá trị chuyển vị giải chính xác



u

Giá trị chuyển vị giải gần đúng

e

Sai số ứng suất



Giá trị ứng suất giải chính xác




eu

Giá trị ứng suất giải gần đúng
Sai số năng lượng



Mức độ hiệu quả dùng để đánh giá sai số

D

Ma trận hằng số đàn hồi

k

Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào loại phần tử

η

Sai số toàn phần của toàn miền tính toán

Nadapt

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

N

Lực dọc tại mặt cắt

M

Mô men tại mặt cắt

L

Chiều dài mặt cắt

y

Ứng suất theo phương đứng tại vị trí x

n

Số điểm nút trên mặt cắt

I

Mô men quán tính của mặt cắt đối với xo

E

Môđun đàn hồi của vật liệu (kN/m2)



Hệ số Poisson của vật liệu



Khối lượng riêng của vật liệu(T/m3)

ft

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

fc

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

α

Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt đóng

β

Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt mở

xiv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú, có 2.360 con sông
chiều dài trên 10km, trong đó 9 hệ thống sông chính có diện tích lưu vực hơn 10.000
km2. Việt Nam cũng là nước có truyền thống phát triển công trình thủy lợi, từ nhiều

thế kỷ trước đó đã xây dựng các hệ thống đê sông và kênh đào dùng cho cấp nước và
vận tải thủy. Sau năm 1954, dưới sự trợ giúp kỹ thuật của Liên Xô và Trung Quốc,
Việt Nam đã xây dựng được một vài nhà máy thủy điện lớn như Thác Bà (tổng dung
lượng lắp máy 120MW, đập đất đá cao 48m); Hòa Bình (tổng dung lượng lắp máy
1.920MW, đập đá đổ lõi sét cao 128m)... Theo tài liệu thống kê của Hội đập lớn và
phát triển nguồn nước Việt Nam, tính đến nay Việt Nam đã xây dựng được khoảng
6.500 đập lớn nhỏ phân bố ở 41/64 tỉnh thành, trong đó có 560 hồ chứa có dung tích
nước lớn trên 3 triệu m3 hoặc đập cao trên 15m và chủ yếu tập trung ở miền Bắc và
Nam Trung bộ, Tây Nguyên. Các loại đập được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đập
đất đá, đập đất, đập bê tông rất ít. Từ năm 2000 trở lại đây, cùng với sự phát triển của
các dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựng khá nhiều. Tính đến nay Việt
Nam đã và đang thi công trên 30 đập bê tông lớn (đập cao trên 60m).
Bê tông đầm lăn (RCC – Roller Compacted Concrete) theo Viện nghiên cứu bê tông
của Mỹ (ACI) là loại “bê tông được đầm bằng máy đầm lăn; hỗn hợp bê tông ở dạng
chưa đông cứng có khả năng hỗ trợ cho máy đầm khi hoạt động đầm”. Như vậy, bê
tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông được làm chặt bằng phương pháp đầm lăn, khác
với bê tông truyền thống được làm chặt bằng phương pháp đầm rung. Sử dụng BTĐL
được coi như một bước phát triển đột phá trong công nghệ xây dựng đập bê tông trọng
lực nói riêng, xây dựng đập công trình thủy lợi, thủy điện nói chung. Với những ưu
điểm vượt trội của BTĐL đó là: lượng dùng xi măng thấp, tỷ lệ nước/chất kết dính
thấp, lượng nước chỉ vừa đủ cho sự thủy hóa của xi măng và các điều này đã góp phần
làm giảm thiểu khả năng nứt do nhiệt thủy hóa của xi măng và nứt do co ngót của bê
tông; Hơn thế nữa, do tốc độ thi công BTĐL nhanh, nhất là đối với thi công các đập có
mặt bằng thi công rộng, khối lượng bê tông lớn tạo ra giá thành công trình giảm, đạt
hiệu quả kinh tế cao. Tính kinh tế và việc thi công thành công BTDL đã nhanh chóng
được công nhận trên toàn thế giới và được xem là sự phát triển quan trọng nhất trong
công nghệ xây dựng đập trong suốt hơn 40 năm qua. Theo báo cáo của Hội đập lớn thế
giới (Hội nghị quốc tế lần thứ 5 về BTĐL tháng 02/2007), số lượng đập BTĐL không
ngừng tăng lên theo thời gian. Tính đến nay toàn thế giới đã xây dựng được trên 300
1

đập BTĐL phân bố trên 44 quốc gia, đứng đầu là Trung Quốc, Nhật, Mỹ, Braxin, Tây
Ban Nha .v.v…
Mặc dù đi sau các nước trên thế giới và khu vực về việc áp dụng công nghệ BTĐL
trong xây dựng đập. Tuy nhiên, đến nay có thể nói Việt Nam đã chính thức có tên trên
bản đồ công nghệ BTĐL của thế giới. Đã có trên 30 đập trọng lực thi công bằng công
nghệ BTĐL tại Việt Nam. Theo báo cáo của Dustan M.M. tại Hội nghị xây dựng đập
BTĐL, do Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) tổ chức tại Hà nội tháng 4 năm 2007,
đập BTĐL thủy điện Sơn La đứng thứ 10 về chiều cao và đứng thứ 3 về khối lượng bê
tông trong số 10 đập bê tông lớn nhất thế giới, tính đến năm 2006. Từ năm 2000 trở lại
đây, cùng với sự phát triển của các dự án thủy điện lớn, đập bê tông được xây dựng
khá nhiều. Một vài đập điển hình như; Định Bình (hoàn thành năm 2009, cao 54m);
tiếp theo là các đập Pleikrong (đập trọng lực BTĐL, đây là đập trọng lực BTĐL đầu
tiên ở Việt Nam, cao 73m); A Vương (đập trọng lực BTĐL, cao 83m); Đồng Nai 3
(đập trọng lực BTĐL, cao 108m); Bản Vẽ (đập trọng lực BTĐL, cao 137m); Sơn La
(đập trọng lực BTĐL, cao 138,1m); Huội Quảng (đập trọng lực bê tông truyền thống,
cao 104m), Lai Châu (đập trọng lực BTĐL, cao 137m)…Từ nay đến năm 2020, số
lượng đập lớn sẽ được xây dựng ở Việt Nam không ngừng tăng lên. Một vài đập thủy
điện như Trung Sơn, A Sáp, Sông Bung 4, Thượng Kon Tum, nước trong, Tân Mỹ…
đang dần được hoàn thành trong đó nhiều đập trong số này sử dụng vật liệu BTĐL.
Mặc dù đập bê tông xuất hiện khá muộn so với các loại đập khác như đập đất, đập đá
xây..., nhưng do bê tông có thể phối chế thành các loại kết cấu bê tông có cường độ
khác nhau, tính năng khác nhau và hình dạng khác nhau, đồng thời có sẵn tính bền khá
tốt, ngoài ra chịu được sự tác động ăn mòn của môi trường, nên có thể nói nó có tuổi
thọ khá cao. Trên thế giới, cùng với tích lũy kinh nghiệm và trình độ khoa học kỹ thuật
không ngừng được nâng cao, xu thế xây dựng đập càng ngày càng cao, chiều dài của
đập cũng tăng lớn, ứng suất cho phép thiết kế nâng cao rõ rệt, đối với điều kiện địa
hình địa chất cũng được mở rộng, thậm chí dưới điều kiện địa hình địa chất kém cũng
đã xây dựng không ít đập bê tông. Tuy nhiên hiện tượng nứt đập bê tông dường như là

phổ biến trong các đập đã xây dựng. Nguyên nhân gây ra nứt bê tông rất phức tạp, ảnh
hưởng đến công năng kết cấu cũng khác nhau. Nguyên nhân gây ra nứt có thể chỉ ra
như sau:
Bê tông là loại vật liệu có đặc tính vật lý và cơ học biến đổi rất nhiều theo thời gian.
Nứt có thể do quá trình ninh kết bê tông tạo nên. Ở các khối bê tông lớn, nhiệt tỏa ra từ
phản ứng hóa học chậm thoát ra ngoài làm cho bê tông bị nóng lên và ứng suất nhiệt là
2


nguyên nhân gây ra nứt. Ngoài ra nứt có thể do việc bảo dưỡng bê tông trong quá trình
đông cứng chưa tốt.
Do thay đổi nhiệt độ và độ ẩm cùng với sự lún không đều cũng gây ra nứt.
Nứt do sự co ngót của bê tông gây ra.
Do công tác thi công (vận chuyển, đầm, dưỡng hộ...) cũng gây ra nứt.
Do trong cốt liệu bê tông hàm chứa một vài khoáng vật nào đó và các lỗ rỗng dẫn đến
nứt.
Do tải trọng tĩnh và tải trọng động trong giai đoạn thi công và vận hành gây ra nứt.
Những vết nứt tồn tại trong công trình có thể ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn, tính
thực dụng và tính bền của đập bê tông. Nếu vết nứt phát triển có thể là một trong
những nguyên nhân dẫn đến phá hoại công trình. Vì vậy, thường xem sự hiện diện của
vết nứt trong công trình là dấu hiệu của sự nguy hiểm. Căn cứ vào tài liệu điều tra
trong và ngoài nước, nguyên nhân gây ra nứt kết cấu công trình thuộc về biến dạng là
chính và chiếm tới 80%, do tải trọng là chính chiếm khoảng 20%. Trong thực tế, sự
hình thành và phát triển nứt thông thường là do ảnh hưởng của kết quả của tác dụng
đồng thời biến dạng và tải trọng. Do vậy, nhận biết chính xác nguyên nhân gây ra nứt
và cơ chế, nghiên cứu điều kiện phát triển vết nứt bê tông, mô phỏng hợp lý tác dụng
vết nứt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhiều học giả quốc tế vận dụng cơ học rạn nứt, cơ
học phá hủy để nghiên cứu nứt bê tông. Về phương diện kỹ thuật mô phỏng phát triển
vết nứt trên máy tính, nhiều học giả nước ngoài cũng như trong nước cũng đã làm rất

nhiều công việc cụ thể, sử dụng rất nhiều phương pháp mới như: phương pháp phần tử
hữu hạn, phương pháp lưu hình, phương pháp phần tử biên, phương pháp phân hình
hình học. Nhưng nói chung vẫn chưa giải quyết thấu đáo, đặc biệt đối với điều kiện
nghiên cứu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế.
Sự phát triển cường độ kháng kéo của bê tông là tương đối thấp và đặc biệt đối với
thời gian đầu phát triển cường độ của BTĐL rất dễ dẫn tới nứt do nguyên nhân ứng
suất kéo gây ra và những vết nứt này thường ảnh hưởng đến tính năng cơ bản của cấu
kiện kết cấu bê tông. Việc mô phỏng hợp lý, có hiệu quả từ đầu đến cuối quá trình phát
sinh phát triển nứt là vấn đề quan trọng của phân tích phần tử hữu hạn trong bài toán
phân tích đập BTĐL trong quá trình thi công cũng như vận hành sau này.

3


Khi Việt Nam sẽ còn xây dựng nhiều đập bê tông trong đó có nhiều đập thi công bằng
công nghệ BTĐL, việc nghiên cứu khống chế nứt và hạn chế phát triển vết nứt là việc
làm cần thiết, nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình.
Từ những lý do này, đề tài tập trung đi sâu nghiên cứu sự phát triển của những vùng
ứng suất cục bộ trong thân đập dẫn tới hình thành và phát triển vết nứt ảnh hưởng tới
khả năng chịu tải của đập BTĐL, là một vấn đề vẫn mang tính thời sự và có ý nghĩa
khoa học, thực tiễn góp phần đánh giá khả năng chịu lực của đập trọng lực BTĐL
trong giai đoạn vận hành dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá được khả năng chịu tải của đập trọng lực bê tông đầm lăn trong giai đoạn vận
hành khi tồn tại hoặc không tồn tại vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và
động.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đập trọng lực BTĐL đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam.
3.2. Phạm vi nghiên cứu

Sự hình thành và phát triển vết nứt trong thân đập trọng lực BTĐL do lực trong quá
trình vận hành gây ra.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Cách tiếp cận
Luận án tiếp cận cả lý thuyết và thực tiễn để nghiên cứu, phân tích và giải quyết các
mục tiêu đặt ra.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới.
Phương pháp lý thuyết: Trên cơ sở phân tích lý thuyết về tính năng cơ học của BTĐL,
mô hình và tiêu chuẩn phá hoại của vật liệu BTĐL trong công trình và phương pháp
tính toán PTHH tự thích ứng xây dựng Modul tính toán bằng ngôn ngữ lập trình tham
số APDL trong môi trường phần mềm ANSYS để nghiên cứu giải bài toán sự hình
thành và phát triển vết nứt đập BTĐL đạt độ chính xác yêu cầu.

4


Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán để mô phỏng đánh giá xu thế và
mức độ ảnh hưởng của các vết nứt tới độ bền của đập trọng lực bê tông đầm lăn chịu
tác dụng của lực trong quá trình vận hành thông qua giả thiết các kịch bản đầu vào.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
5.1. Ý nghĩa khoa học
Đã nghiên cứu xây dựng được phần mềm tính nứt kết cấu đập BTĐL bằng ngôn ngữ
lập trình tham số APDL trên nền tảng phần mềm ANSYS sử dụng phương pháp phần
tử hữu hạn tự thích ứng. Phần mềm tính toán đã được kiểm chứng thông qua các
nghiên cứu đã có.
Trên cơ sở phần mềm tính toán được kiểm chứng đã tính toán ảnh hưởng một vài dạng
vết nứt tồn tại trong thân đập đối với độ bền của đập BTĐL nói riêng và đập BTTL nói
chung.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu đã cung cấp một giải pháp tính toán ứng suất, biến dạng và nứt đối với đập
BTTL bằng phần mềm ANSYS dựa trên ngôn ngữ lập trình tham số APDL sử dụng
phương pháp phần tử tự thích ứng.
Luận án khẳng định lại lần nữa về khả năng đảm bảo an toàn của công trình đập thủy
điện Sơn La khi tồn tại các vết nứt ban đầu chưa được sử lý trong quá trình vận hành.
6. Cấu trúc của Luận án
Ngoài phần Mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bầy trong 4
Chương bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về nứt đập BTĐL và những vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán sự hình thành và phát triển vết nứt đập BTĐL
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nứt tới khả năng chịu tải của đập BTĐL
Chương 4: Nghiên cứu sự hình thành và phát triển vết nứt đập BTĐL Sơn La

5


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NỨT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ

NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về bê tông đầm lăn
1.1.1. Giới thiệu công nghệ bê tông đầm lăn
Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên vật liệu tương tự như bê
tông thường. Khác với bê tông thường được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa vào trong
lòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung). Công
nghệ này thích hợp cho các công trình bê tông khối lớn, hình dáng không phức tạp như
đập trọng lực, mặt đường, sân bãi. Việc đầm lèn bê tông bằng lu rung cho phép sử
dụng hỗn hợp bê tông khô, ít chất kết dính hơn so với bê tông thường nhờ vậy đối với
một số đập và đường bê tông, thi công bằng công nghệ này nhanh hơn và rẻ hơn so với

dùng công nghệ đổ bê tông truyền thống [1].

Hình 1. 1. Công nghệ thi công BTĐL
Công nghệ BTĐL đặc biệt hiệu quả khi áp dụng cho xây dựng đập bê tông trọng lực.
Khối lượng bê tông được thi công càng lớn thì hiệu quả áp dụng công nghệ BTĐL
càng cao. Việc lựa chọn phương án thi công đập bằng công nghệ BTĐL thường đem
lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với đập bê tông truyền thống và đập đất đắp bởi các lý
do sau [2][3]:
6


Thi công nhanh: So với đập bê tông truyền thống, đập BTĐL được thi công với tốc độ
nhanh hơn do có thể dùng băng tải để vận chuyển bê tông, dùng máy ủi để san gạt,
máy lu rung để đầm lèn và không phải chờ khối đổ hạ nhiệt. Công trình xây dựng đập
càng cao, hiệu quả kinh tế của đập BTĐL càng lớn so với đập bê tông truyền thống.
Giá thành hạ: Theo tổng kết từ các công trình BTĐL đã xây dựng trên Thế giới, giá
thành đập BTĐL rẻ hơn so với đập bê tông thi công bằng công nghệ truyền thống
thông thường dao động từ 25% đến 40%. Việc hạ thấp được giá thành là do giảm được
hàm lượng xi măng, chi phí cốp pha, giảm chi phí công tác thi công như: vận chuyển,
đổ, đầm bê tông.
Giảm chi phí cho biện pháp thi công: Việc thi công đập bằng BTĐL có thể giảm chi
phí dẫn dòng trong thời gian xây dựng và giảm các thiệt hại, các rủi ro khi nước lũ tràn
qua đê quai. Đối với đập BTĐL, thời gian thi công được rút ngắn nên các cống dẫn
dòng cho đập BTĐL thông thường 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 truyền
thống. Do vậy đường kính cống dẫn dòng của đập BTĐL thường nhỏ hơn và chiều cao
đê quai cho đập BTĐL cũng thấp hơn so với phương án đập bê tông truyền thống.
Ngoài ra công trình sớm đưa vào khai thác cũng đem lại hiệu quả kinh tế cao.
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL
1.1.2.1. Vật liệu BTĐL

Điểm đặc biệt của vật liệu BTĐL chính là sự cấu thành của hai thành phần chính: vật
liệu hoạt tính và vật liệu phi hoạt tính hỗn hợp vào nhau. Vật liệu hoạt tính thường
dùng có xỉ lò cao và puzơlan; vật liệu phi hoạt tính có đá thạch anh, đá vôi, đá sa
thạch…
Nhiều đập BTĐL được xây dựng trong thời kỳ đầu sử dụng lượng vật liệu chất kết
dính thấp, hiện nay sử dụng lượng chất kết dính cao hơn. Ví dụ như lượng dùng xi
măng trong lượng dùng vật liệu kết dính của đập Upper Still Water (Mỹ) là 79,5 ~
92kg/m3, lượng trộn puzơlan là 50% ~ 70%; lượng dùng xi măng trong lượng dùng vật
liệu kết dính của đập Shimajigawa (Nhật Bản) là 84 ~ 91kg/m3, lượng trộn puzơlan là
30% ~ 50%; Trung Quốc dựa vào hàm lượng chất kết dính phân BTĐL thành 3 loại
vật liệu giàu kết dính 180kg/m3, vật liệu vừa kết dính 150kg/m3 và vật liệu ít kết dính
120kg/m3, xu thế phát triển hiện nay là sử dụng trộn puzơlan cao để giảm thiểu lượng

7


dùng xi măng, nói chung lượng dùng xi măng trong lượng dùng vật liệu kết dính là 60
~ 70kg/m3, lượng trộn puzơlan là 50% ~ 70% [4][5].
Do lượng xi măng ít, lượng trộn puzơlan cao, nên BTĐL có một số đặc điểm sau:
Tăng chậm cường độ ở thời kỳ đầu, tăng đáng kể cường độ ở thời đoạn sau
Tốc độ thủy hóa ban đầu của BTĐL chậm, cường độ ban đầu khá thấp, tăng cường độ
cũng khá chậm, sau 28 ngày đặc biệt là 90 ngày tuổi, do tăng nhanh tốc độ thủy hóa, tỉ
lệ tăng cường độ thời đoạn sau tăng lên đáng kể so với tỉ lệ tăng cường độ của bê tông
không trộn puzơlan.
Tính chống nứt tốt
Tỉ lệ kéo/nén của bê tông thường khoảng bằng 0,08 ~ 0,105, thời đoạn sau không thay
đổi nhiều. Còn tỉ lệ tăng cường độ kháng kéo với tăng cường độ kháng nén tại thời
đoạn sau của BTĐL khá lớn, thông thường tỉ lệ kéo/nén là 0,12 ~ 0,14 và xu thế tăng
theo ngày tuổi, vì thế có độ dẻo dai khá tốt. Tỉ lệ tăng mô đun đàn hồi tại thời đoạn sau
của BTĐL lại khá nhỏ, vì thế biên độ tăng ứng suất kéo tại thời đoạn sau cũng không

nhanh.
Nhiệt thủy hóa thấp và phát triển chậm
Do lượng trộn puzơlan hoặc tro bay lớn để hạn chế lượng dùng xi măng vì vậy nhiệt
thủy hóa giảm, tốc độ tỏa nhiệt do nhiệt thủy hóa chậm đã kéo dài thời gian xuất hiện
nhiệt độ lớn nhất và giá trị nhiệt độ lớn nhất cũng giảm đáng kể.
1.1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật thi công BTĐL
Từ quan điểm của phương pháp thi công, phương pháp thi công BTĐL phân thành hai
loại chính. Một là phương pháp thi công BTĐL có nguồn gốc từ Mỹ và Anh, hai là
phương pháp thi công BTĐL có nguồn gốc từ Nhật Bản. Đặc điểm của phương pháp
thi công BTĐL là chiều dày thực nén là 30 ~ 50cm, lên liên tục trên mặt đập, trên
nguyên tắc không có thời gian ngưng, còn bê tông truyền thống có chiều dày thực nén
là 75cm, mỗi lớp đổ 75cm cách quãng 3 ~ 5 ngày.
Đầm nén lớp mỏng
Mỗi lớp đầm nén thông thường được lựa chọn là 30cm; rất hiếm khi sử dụng chiều dày
đầm nén lớn 50cm, 70cm, trong trường hợp mặt bằng rộng thậm chí còn có thể giảm

8


nhỏ chiều dày lớp đầm nén xuống đến 20 ~ 25cm để đáp ứng yêu cầu thi công với tốc
độ nhanh.
Thời gian nghỉ ngắn
Vấn đề chính để đảm bảo chất lượng thi công BTĐL là tốc độ thi công nhanh, đặc biệt
để nâng cao khả năng chống cắt giữa các lớp, thời gian nghỉ giữa các lớp là một trong
những chỉ tiêu quan trọng. Thời gian giãn cách càng ngắn, liên kết giữa các lớp càng
tốt, tính chống thấm cũng được nâng cao.
Đổ liên tục
Do trong thành phần BTĐL có lượng trộn puzơlan và tỏa nhiệt cao nên sau khi bê tông
tăng nhiệt, việc giãn cách thời gian thi công giữa các đợt đổ không có tác dụng nhiều
đối với quá trình tỏa nhiệt của bê tông, mà ngược lại khiến lớp tiếp giáp giữa hai đợt

đổ dễ phát sinh phân tầng. Vì vậy, việc thi công liên tục càng nhiều càng tốt dưới điều
kiện quy trình công nghệ cho phép của tổng tiến độ thi công, điều này rất tốt cho cả
tiến độ thi công cũng như quản lý chất lượng, giá thành cũng giảm tương ứng.
Độ linh hoạt thấp
Chỉ tiêu linh hoạt là một trong những chỉ tiêu quan trọng khống chế chất lượng thi
công tại hiện trường. Đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 Nhật Bản xây dựng đập BTĐL đầu
tiên trên thế giới (đập Shimajigawa, cao 89m) sử dụng giá trị độ linh hoạt (VC) là 10 ~
30s và hình thành phương pháp thi công đập BTĐL Nhật Bản. Trung Quốc sử dụng
giá trị VC khoảng 8s đã nâng cao tính chống thấm và chỉ tiêu chống cắt giữa các lớp.
Đầm nén trên toàn mặt cắt
Các đập BTĐL xây dựng gần đây đa phần đã bỏ hình thức kết cấu bê tông biến thái
bao ngoài BTĐL hay còn gọi là hình thức “vàng bọc bạc”, dùng hình thức kết cấu
BTĐL toàn mặt cắt, lấy bản thân bê tông giàu vật liệu chất kết dính cấp phối II xem là
khối chống thấm chính hay nói cách khác là chống thấm trên toàn mặt cắt. Sơ đồ công
nghệ thi công “đầm nén trên toàn mặt cắt” đơn giản hơn, tỉ lệ cấp phối được khống
chế đồng đều đơn giản, cung ứng vật liệu xây dựng ít thay đổi, trình tự thi công được
tinh giản nhằm đẩy nhanh tốc độ thi công. Kỹ thuật thi công này dần được cải tiến và
là công nghệ thi công mang đặc thù Trung Quốc. Công nghệ này cũng được áp dụng
chủ yếu trong xây dựng các đập BTĐL ở Việt Nam.

9