Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH VIỆT 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 (Chỉnh sửa sau phản biện kín) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH VIỆT 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62.58.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Hoàng Phó Uyên 2. GS.TS. Phạm Ngọc Khánh HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả 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 văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn 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 Nguyễn Minh Việt i LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban Giám đốc, Trung tâm đào tạo và Hợp tác quốc tế, Ban TCHC Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án. Xin đặc biệt cám ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Hoàng Phó Uyên, GS.TS. Phạm Ngọc Khánh. Các Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án. Tác giả chân thành cám ơn 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 Thầy Cô 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, ngày tháng 06 năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Minh Việt ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................xiv MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..............................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2 5.1. Phương pháp lý thuyết ......................................................................................2 5.2. Phương pháp mô hình toán ...............................................................................2 6. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án ....................................................3 7.1. Ý nghĩa khoa học ..............................................................................................3 7.2. Ý nghĩa thực tiễn ..............................................................................................3 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... 4 1.1. Bê tông đầm lăn ....................................................................................................4 1.2. Tính năng cơ học của BTĐL ................................................................................4 1.2.1. Cường độ kháng nén của BTĐL ...................................................................4 1.2.2. Cường độ kháng kéo của BTĐL ...................................................................5 1.2.3. Mô đun đàn hồi của BTĐL............................................................................5 1.2.4. Biến dạng của BTĐL .....................................................................................6 1.2.4.1. Từ biến của BTĐL..................................................................................6 1.2.4.2. Co ngót của BTĐL .................................................................................7 1.2.4.3. Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL ........................................................7 1.2.5. Tính năng cơ học của BTĐL theo thời gian ..................................................8 1.3. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .............................9 1.3.1. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới .................................................9 1.3.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL tại Việt Nam .............................................11 iii 1.4. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ..................................13 1.4.1. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL trên thế giới .............13 1.4.2. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL tại Việt Nam ............13 1.5. Vấn đề nứt do nhiệt đối với đập BTĐL ..............................................................16 1.6. Vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với luận án ....................................................17 1.7. Kết luận chương 1 ..............................................................................................17 CHƯƠNG 2. NHIỆT VÀ KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ....................................................................................................... 18 2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................18 2.2. Nguồn phát sinh nhiệt trong BTĐL ....................................................................18 2.3. Vấn đề trao đổi nhiệt đối với BTĐL ..................................................................19 2.3.1. Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt ......................................................................19 2.3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu ..................................................................................21 2.3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ ...................................................................................22 2.4. Cơ chế nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn ........................................................23 2.4.1. Nứt bề mặt ...................................................................................................23 2.4.2. Nứt xuyên ....................................................................................................24 2.5. Yêu cầu khống chế nhiệt cho đập BTĐL ...........................................................24 2.5.1. Chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập ..................................................................25 2.5.2. Chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới ..........................................................26 2.5.3. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài .............................................................28 2.5.3.1. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài .............................28 2.5.3.2. Thực tế khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài ........................29 2.6. Phương pháp giải bài toán nhiệt .........................................................................30 2.6.1. Các phương pháp giải bài toán nhiệt ...........................................................30 2.6.1.1. Phương pháp giải tích ...........................................................................30 2.6.1.2. Phương pháp toán tử.............................................................................31 2.6.1.3. Phương pháp gần đúng .........................................................................31 2.6.1.4. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt ...........................................33 2.6.2. Cơ sở tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn ...............................................................................................................................33 2.6.2.1. Các giả thiết ..........................................................................................33 iv 2.6.2.2. Xác định trường nhiệt độ ......................................................................34 2.6.2.3. Xác định trường ứng suất .....................................................................36 2.7. Kết luận chương 2 ..............................................................................................42 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BTĐL THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS ............................................................................................................... 43 3.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................43 3.2. Tính toán nhiệt thủy hóa của vật liệu chất kết dính BTĐL ................................43 3.3. Tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL trong quá trình thi công bằng ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) trong ANSYS ..................................................................46 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS ................................................................46 3.3.2. Giải bài toán bằng phần mềm ANSYS ........................................................47 3.3.3. Công năng phân tích nhiệt bằng phần mềm ANSYS ..................................48 3.3.4. Cơ sở xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ...............49 3.3.5. Sơ đồ khối tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL .....................................50 3.3.6. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL .........................50 3.3.6.1. Mô tả kết cấu đập .................................................................................50 3.3.6.2. Mô hình hóa kết cấu đập BTĐL ...........................................................51 3.3.6.3. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập trọng lực BTĐL .................................................................................................................51 3.4. Kiểm nghiệm tính toán nhiệt cho đập BTĐL Sơn La ........................................52 3.4.1. Giới thiệu công trình ...................................................................................52 3.4.2. Các chỉ tiêu cơ lý và nhiệt của bê tông và đá nền .......................................53 3.4.3. Các điều kiện biên về nhiệt .........................................................................54 3.4.4. Tiến độ thi công ...........................................................................................55 3.4.5. Kết quả quan trắc nhiệt trong thân đập BTĐL Sơn La ...............................57 3.4.6. Mặt cắt kiểm tra ...........................................................................................57 3.4.7. Mô hình tính toán ........................................................................................58 3.4.8. Kết quả tính toán .........................................................................................60 3.4.9. Nhận xét.......................................................................................................62 3.5. Kết luận Chương 3 .............................................................................................63 v CHƯƠNG 4. BIỆN PHÁP GIẢM NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................................ 64 4.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................64 4.2. Cơ sở phân vùng nghiên cứu ..............................................................................65 4.2.1. Điều kiện tự nhiên .......................................................................................65 4.2.2. Điều kiện nhiệt độ và độ ẩm môi trường .....................................................65 4.2.3. Điều kiện nguồn cung ứng vật liệu PGK ....................................................68 4.2.4. Phân vùng nghiên cứu .................................................................................69 4.3. Các tham số cơ bản dùng cho nghiên cứu ..........................................................69 4.3.1. Các tham số đầu vào cố định .......................................................................69 4.3.2. Tham số khống chế nứt ...............................................................................71 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .71 4.4.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................71 4.4.2. Khi nhiệt độ không khí xem là nhiệt độ trung bình năm.............................71 4.4.3. Khi nhiệt độ không khí thay đổi theo thời gian (ngày) ...............................72 4.4.4. Nhận xét.......................................................................................................73 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến ứng suất nhiệt đập BTĐL ....73 4.5.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................73 4.5.2. Kết quả tính toán .........................................................................................74 4.5.3. Nhận xét.......................................................................................................75 4.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khoáng của vật liệu XM đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .........................................................................................................75 4.6.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................75 4.6.2. Kết quả tính toán .........................................................................................76 4.6.3. Nhận xét.......................................................................................................81 4.7. Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đổ bê tông đến ứng suất nhiệt đập BTĐL.......82 4.7.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................82 4.7.2. Kết quả tính toán .........................................................................................83 4.7.3. Nhận xét.......................................................................................................87 4.8. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .....88 4.8.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến nhiệt và ứng suất nhiệt thân đập BTĐL ......................................................................................................88 vi 4.8.2. Kiến nghị hàm lượng PGK trên tổng lượng chất kết dính cho từng khu vực ...............................................................................................................................90 4.8.3. Nhận xét.......................................................................................................92 4.9. Đề xuất giải pháp giảm ứng suất nhiệt BTĐL hợp lý cho từng khu vực ...........93 4.9.1. Cơ sở đề xuất giải pháp hợp lý ....................................................................93 4.9.2. Đề xuất giải pháp giảm ứng suất nhiệt hợp lý cho từng khu vực ................94 4.9.2.1. Đối với khu vực miền núi phía Bắc......................................................94 4.9.2.2. Đối với khu vực Bắc Trung bộ .............................................................95 4.9.2.3. Đối với khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên..................................96 4.10. Kiểm nghiệm tính toán ứng suất nhiệt đập BTĐL Trung Sơn – Thanh Hóa ...98 4.10.1. Giới thiệu công trình .................................................................................98 4.10.1.1. Giới thiệu công trình ..........................................................................98 4.10.1.2. Các chỉ tiêu cơ lý và nhiệt của bê tông và đá nền ..............................99 4.10.1.3. Các điều kiện biên về nhiệt ..............................................................100 4.10.1.4. Mặt cắt kiểm tra ................................................................................101 4.10.2. Kết quả quan trắc nhiệt ............................................................................102 4.10.3. Tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập .....................................................104 4.10.3.1. Mô hình tính toán .............................................................................104 4.10.3.2. Kết quả tính toán ..............................................................................105 4.10.3.3. Nhận xét............................................................................................106 4.10.4. Giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL Trung Sơn ............................107 4.11. Kết luận chương 4 ..........................................................................................108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 111 1. Kết luận................................................................................................................111 2. Những đóng góp mới của Luận án ......................................................................112 3. Kiến nghị .............................................................................................................112 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 114 PHỤ LỤC I: BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THÀNH PHẦN KHOÁNG CỦA MỘT SỐ LOẠI XI MĂNG ĐIỂN HÌNH ................................... 119 PHỤ LỤC II: CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT - ỨNG SUẤT NHIỆT ........................................................................................................................ 121 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Đập BTĐL được xây dựng trên thế giới tính đến năm 2009 [50] ................11 Hình 2.1. Ứng suất nhiệt tại bề mặt khối bê tông ..........................................................23 Hình 2.2. Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông ..........24 Hình 2.3. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập ................................................28 Hình 2.4. Các phương pháp chính để giải bài toán nhiệt ..............................................30 Hình 2.5. Phần tử phẳng sử dụng trong tính toán nhiệt .................................................34 Hình 2.6. Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tứ giác và tam giác ............................38 Hình 3.1. Hệ số ảnh hưởng của hàm lượng C3A + C3S đến nhiệt thủy hóa của XM ....46 Hình 3.2. Phần tử sử dụng cho phân tích nhiệt - ứng suất (PLANE55 – PLANE182) .48 Hình 3. 3. Điều kiện biên nhiệt......................................................................................49 Hình 3.4. Sơ đồ khối tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ...............................50 Hình 3.5. Mặt cắt ngang đập trọng lực BTĐL ..............................................................51 Hình 3. 6. Sự phát triển cường độ kháng nén, kéo theo thời gian của BTĐL Sơn La ..53 Hình 3. 7. Sự phát triển mô đun đàn hồi theo thời gian của BTĐL Sơn La..................53 Hình 3.8. Tiến độ thi công đập ......................................................................................56 Hình 3.9. Nhiệt độ quan trắc tại cao trình +114,0 m .....................................................57 Hình 3.10. Mặt cắt tính toán ..........................................................................................58 Hình 3.11. Mô hình hình học đập và nền ......................................................................59 Hình 3.12. Mô hình PTHH đập làm việc đồng thời với nền .........................................59 Hình 3.13. Trường nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .....................................................60 Hình 3.14. Diễn biến nhiệt độ tại cao trình +114,0 m theo thời gian ............................61 Hình 3.15. Trường ứng suất chính lớn nhất trong thân đập ..........................................61 Hình 3.16. Ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập ...............................62 Hình 3.17. So sánh nhiệt độ tính toán và thực đo tại cao trình +114,0 m .....................62 Hình 4.1. Các đập lớn đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam ........................................65 Hình 4.2. Diễn biến nhiệt độ khu vực miền núi phía Bắc .............................................67 Hình 4.3. Diễn biến nhiệt độ khu vực Bắc Trung bộ ....................................................68 Hình 4.4. Diễn biến nhiệt độ khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên .........................68 Hình 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến nhiệt độ tại biên khối đổ ................71 viii