Đang tải... (xem toàn văn)
Khi xây dựng đập bê tông trọng lực khối lớn, ứng suất nhiệt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và ổn định của đập nên cần được phân tích, đánh giá đầy đủ trong thiết kế, thi công và quản lý khai thác đập. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề đề này, mời các bạn cùng tham khảo bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến trạng thái ứng suất nhiệt trong đập Sê San 3 dưới đây.
Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến trạng thái ứng suất nhiệt đập Sê San PGS.TS Nguyễn Chiến - Đại học Thuỷ Lợi KS Nguyễn Cảnh Tĩnh - Ban QLTW DA Thủy lợi Tóm tắt: Khi xây dựng đập bê tông trọng lực khối lớn, ứng suất nhiệt yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền ổn định đập nên cần phân tích, đánh giá đầy đủ thiết kế, thi công quản lý khai thác đập Trong giới thiệu việc sử dụng phần mềm ConteSt Pro để nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố hàm lượng xi măng, nhiệt độ vữa, chiều cao khối đổ, thời gian giãn cách khối đổ đến trường nhiệt độ ứng suất nhiệt đập Sê San Phương pháp kết tính toán tham khảo cho công trình tương tự Đặt vấn đề Đập bêtông trọng lực khối lớn xây dựng ngày nhiều công trình thủy lợi, thủy điện nước ta Đặc điểm vật liệu bêtông tỏa nhiệt trình ngưng kết, làm cho nhiệt độ lòng khối đổ tăng lên nhiều so với khu vực bên ngoài, gây giãn nở không đều, tạo ứng suất kéo lớn, tạo vết nứt lòng khối đổ, tiềm ẩn khả phá hoại độ bền, gây ổn định công trình Ngoài ra, trình khai thác đập, chênh lệch nhiệt độ ngày đêm, mùa hè mùa đông môi trường xung quanh đập yếu tố gây nên ứng suất nhiệt, tổ hợp với tác động khác gây an toàn đập Vì vậy, thiết kế, thi công quản lý khai thác đập phải giải toán ứng suất nhiệt đánh giá an toàn công trình chịu tác động ứng suất nhiệt với tác động khác Trong thi công đổ bêtông đập khối lớn có mẫu thuẫn yêu cầu tăng tốc độ thi công với hạn chế ứng suất nhiệt khối đổ Vì phải giải toán kinh tế viƯc lùa chän kÝch thíc khèi ®ỉ, thêi gian gi·n cách khối đổ, nhiệt độ vữa đổ, hàm lượng xi măng vữa Những nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trạng thái ứng suất nhiệt đập sở để lựa chọn hợp lý giá trị thông số thi công đập Sau trình bày kết nghiên cứu thực đập Sê San 14 Phương pháp tính toán ứng suất nhiệt thân đập 2.1 Nguyên lý xác định trường nhiệt độ thân đập Đối với thân đập bêtông, nhiệt truyền chủ yếu theo nguyên lý dẫn nhiệt Phương trình vi phân dẫn nhiệt dạng tổng quát viết sau [2]: T qv 2T 2T 2T (2.1) c c x y z Trong ®ã: T: Nhiệt độ bêtông (0C) x,y,z: Các hướng tọa độ (m) : Khối lượng riêng vật thể (Kg/m3) : Biến thời gian (giờ, ngày) c: Nhiệt dung riêng vật liệu( KCal/Kg.oC) qv: Năng suất tỏa nhiệt nguồn nhiệt bên (Kcal/m3.h) : Hệ số dẫn nhiệt, đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật thể Phương trình (2.1) có trường hợp riêng: + Nếu không cã ngn nhiƯt bªn tøc T q v th× (2.2) a T + NÕu nhiệt độ vật không thay đổi theo thời gian (dẫn nhiệt ổn định), (2.1) chuyển thành q phương trình Poisson: v a 2T (2.3) c + Nếu dẫn nhiệt ổn định nguồn nhiệt bên (q v 0) , (2.1) chuyển thành phương trình Laplace 2T (2.4) 2.2 Sự phát triển nhiệt độ khối đổ bêtông Dòng nhiệt kết cấu bêtông trình xây dựng phụ thuộc chủ yếu vào trình hòa tan ngưng kết ximăng Tổng nhiệt lượng phụ thuộc vào trình thủy hóa loại ximăng, dao động khoảng 120 130kJ / kg Hầu hết nhiệt tỏa 6-7 ngày đầu sau đổ bê tông, tăng nhiệt độ chủ yếu xảy hai ngày đầu, giá trị tăng đạt cực đại sau khoảng 8-12h từ trộn Quá trình nhiệt phát triển nhanh điều kiện nhiệt độ cao, nhiệt độ môi trường thấp trình nhiệt phát triển chậm Với kết cấu bêtông khối lớn, điều kiện tỏa nhiệt môi trường không thuận lợi, đồng thời bêtông có tính dẫn nhiệt nên nhiệt lượng sinh tập trung vào khu vực lõi khối, làm phát sinh chênh lệch nhiệt độ với vùng vật liệu giáp biên Đồng thời nhiệt độ khối bêtông cao nhiệt độ môi trường xung quanh (không khí nước) Khi nhiệt độ khối bêtông đạt giá trị giảm dần đến mức ổn định Khi có vùng bêtông giáp biên chịu ảnh hưởng biến thiên nhiệt độ môi trường 2.3 ứng suất nhiệt khối đổ bêtông Trạng thái ứng suất nhiệt đập bêtông hình thành trình thi công chịu ảnh hưởng trêng nhiƯt thay ®ỉi theo thêi gian Sù thay ®ỉi trường nhiệt phụ thuộc vào yếu tố như: nhiệt thủy hóa ximăng, dao động nhiệt độ trời, sơ đồ phân chia mặt cắt đập thành khối đổ bêtông, kích thước khối đổ v.v Sự thay đổi nhiệt độ vùng bên đập xác định dao động nhiệt độ xung quanh (nước hồ, không khí), nhiệt độ ban đầu phân bố giới hạn công trình, ứng suất vị trí tiếp giáp xk thay đổi không nhiều theo chiều rộng đập xác định theo công thức: xk Eb (Tk Tma ) K K c (2.5) Trong ®ã : : Hệ số nhiệt độ tăng tuyết tính; Tk: Nhiệt độ bêtông nhập khối; Kc: Hệ số kể đến ảnh hưởng dao động ứng suất Eb: Mô đun đàn hồi bêtông; Tma: Nhiệt độ trung bình nhiều năm nền; K3: Hệ số tính đến vị trí tiếp giáp (gia cố) công trình nền; Hệ số K3 phụ thuộc vào tỷ số môđun biến dạng E0 với giá trị tính toán môđun đàn hồi khối đổ bêtông Ebt theo công thức: K3= 0,168 E0 1 exp 5,971 E0 Ebr 3 Ebr (2.6) Giá trị tính toán mô đun đàn hồi khối đổ bêtông Ebt theo quy phạm thiết kế đập bêtông Snip 2.06.06-85 xác định theo công thức: 3 (2.7) Ebt 0.75 Eb 1 0, 04 1 hb Với hb- chiều cao khối đổ bê tông Sự cân nhiệt độ khối đổ xảy mô đun đàn hồi bêtông đạt tới giá trị giới hạn điều kiện giảm tính từ biến hậu bị lão hoá Trong phạm vi vïng ®Ëp cã chiỊu cao Had=0,5B, nhiƯt ®é ban đầu phân bố theo chiều cao Td=Td(y), ®iĨm ë ®é cao y kĨ tõ nỊn, øng st kÐo y xd=Eb(Td-Tma)K3Kc (2.8) H da Đánh giá khả chống nứt bê tông: xd cmlimE (2.9) Trong đó: cm: Hệ số điều kiện làm việc; lim: Độ kéo căng giới hạn bê tông; Eb: Mô đun đàn hồi ban đầu bê tông Giá trị lim, Eb, cm lấy theo quy phạm thiết kế, phụ thuộc vào cấp bê tông, độ sụt hỗn hợp bê tông, cỡ hạt lớn cốt liệu [3] 2.4 Lựa chọn phần mềm tính toán Việc nghiên cứu trường ứng suất nhiệt thân đập xem xét từ lâu, thường dùng phương pháp tính toán ứng suất nhiệt Viện lượng Liên Xô (cũ) Qua thực tế thiết kế, thi công xây dựng với phương tiện nghiên cứu, tính toán ngày đại, vấn đề ứng suất nhiệt thân đập bêtông xem xét có nhiều điểm khác so với quan niệm trước Việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để giải toán nhiệt bêtông tỏ hữu hiệu, phương pháp 15 PTHH cho phép mô làm việc toàn khối đập với hầu hết yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt bao gồm thời gian ConteSt Pro phần mềm chuyên dụng để phân tích trường nhiệt ứng suất nhiệt kết cấu bêtông khối lớn, phần mềm tích hợp hầu hết yếu tố ảnh hưởng, kể yếu tố thời gian vào thuật toán chương trình Do kết tính toán mô tả tương đối phù hợp biến thiên nhiệt độ phân bố ứng suất thân đập ConteSt Pro tính toán gia tăng nhiệt mặt phẳng vuông góc với tim đập, phụ thuộc vào chiều dài dọc theo tim đập (khoảng cách hai khe nhiệt) đủ để sinh đường biên đoạn nhiệt ứng suất phát sinh nhiệt độ khối bêtông đập tính theo trục dọc tim đập, ConteSt Pro xem xét tượng phát nhiệt tỏa nhiệt mặt phẳng vuông góc với trục khối đổ tích tụ hay tỏa nhiệt theo thời gian khối bêtông đập từ bắt đầu thi công khối [1] Các kết tính toán nêu thực ConteSt Pro ứng dụng tính toán cho đập Sê San 3.1 Giới thiệu đập Sê San [4] Công trình thủy điện Sê San (xem hình 1) nằm dòng sông Sê San, công trình bậc thang khai thác thủy điện sông Sê San Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo văn số 496/CP-CN ngày 7/6/2001 Công trình nằm cách thủy điện Ialy khoảng 20km phía hạ lưu, nhiệm vụ phát điện với công suất lắp máy 260MW Theo tiªu chn ViƯt Nam TCXD VN 285: 2002, công trình thủy điện Sê San thuộc nhóm công trình cấp I Đập dâng Sê San có kết cấu đập bêtông trọng lực, chiều cao đập lớn 79,5m, hệ số mái thượng lưu 1:0,1, hệ số mái hạ lưu 1:0,75 3.2 Các thông số tính toán ứng suất nhiệt cho đập Sê San Theo thiết kế, mặt cắt ngang đập có phân bố loại bêtông khác sau: - Phần lõi đập chiếm phần lớn diện tích mặt cắt ngang đập bêtông M15; - Phần mặt mái thượng lưu đập lớp bêtông M20 dày 150cm; - Đáy đập lớp bêtông M20 dày 150cm; Trong thành phần cấp phối bêtông đập, chất kết dính bêtông đập ximăng phụ gia 16 khoáng hoạt tính Tỷ lệ sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính khoảng 30% tổng lượng chất kết dính bêtông Ximăng dùng cho bêtông đập loại ximăng toả nhiệt thấp ximăng toả nhiệt trung bình nhà máy sản xuất ximăng theo công nghệ lò quay có mác PC30 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trạng thái ứng suất nhiệt đập Sê San ứng suất nhiệt độ thân đập phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có yếu tố là: lượng dùng xi măng, nhiệt độ ban đầu vữa bêtông, chiều cao khối đổ, thời gian giãn cách hai đợt đổ Để lượng hóa ảnh hưởng yếu tố này, thực tính toán cho tổ hợp khác nhau, cụ thể: - TH1: Lượng dùng ximăng M15/M20 158/203kg, nhiệt độ vữa 22.5oC; chiều cao khối ®ỉ 3m; tèc ®é lªn ®Ëp 0,5m/h; thêi gian gi·n cách đợt đổ 10 ngày - TH2: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255kg, nhiệt độ vữa 22.5oC; chiều cao khối đổ 3m; tốc độ lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày - TH3: Lượng dùng ximăng M15/M20 200/250kg, nhiệt độ vữa 22.5oC; chiều cao khối đổ 3m; tốc độ lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày - TH4: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255kg, nhiệt ®é v÷a 10oC; chiỊu cao khèi ®ỉ 3m; tèc ®é lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày - TH5: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255kg, nhiệt độ vữa 15oC; chiều cao khối đổ 3m; tốc độ lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày Hình Thủy điện Sê San nhìn từ hạ lưu 45 (ToC) 45 40 40 35 35 30 30 25 246,5 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 TH9 252,5 258,5 264,5 25 (m) 270,5 276,5 282,5 288,5 294,5 300,5 306,5 312,5 20 10.000 Hình Nhiệt độ thân đập thời kỳ thi c«ng TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 TH9 15.000 (h) 20.000 25.000 30.000 35.000 Hình Nhiệt độ thân ®Ëp thêi kú vËn hµnh 1,90 MPa 1,4 TH1 1,2 MPa 50 đổ 3m; tốc độ lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 15 ngày - TH9: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255kg, nhiệt độ vữa 22.5oC; chiều cao khối đổ 3m; tốc độ lên đập 0,5m/h; thời gian giãn cách đợt đổ ngày Kết tính toán nhiệt độ ứng suất nhiệt thân đập thời kỳ thi công vận hành xem hình vẽ 2, 3, 4, 5: (ToC) - TH6: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255 kg, nhiệt ®é v÷a 22.5oC; chiỊu cao khèi ®ỉ m; tèc độ lên đập 0,5 m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày - TH7: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255 kg, nhiệt độ vữa 22.5oC; chiều cao khối đổ m; tốc độ lên đập 0,5 m/h; thời gian giãn cách đợt đổ 10 ngày - TH8: Lượng dùng ximăng M15/M20 175/255kg, nhiệt độ v÷a 22.5oC; chiỊu cao khèi 1,70 1,50 0,8 1,30 0,6 1,10 0,4 TH1 TH4 TH7 0,2 246,5 252,5 258,5 264,5 270,5 TH2 TH5 TH8 276,5 282,5 TH3 TH6 TH9 288,5 TH1 TH4 TH7 0,90 (m) 294,5 300,5 306,5 312,5 0,70 10.000 15.000 TH2 TH5 TH8 20.000 TH3 TH6 TH9 25.000 (h) 30.000 35.000 H×nh øng st nhiƯt thân đập thời kỳ thi công Hình ứng suất nhiệt thân đập thời kỳ vận hành Một số nhận xét: Về ảnh hưởng lượng dùng ximăng: Giá trị ứng suất nhiệt độ ổn định nhiệt biến đổi tăng so với lượng dùng ximăng, lượng ximăng lớn giá trị ứng suất nhiệt thân đập tăng hệ kết cấu đập dễ ổn định nhiệt Nếu tăng lượng dùng ximăng làm tăng độ bền kết cấu đập lại dễ làm ổn định nhiệt, giảm lượng dùng ximăng để đạt an toàn nhiệt lại làm ổn định bền kết cấu Do cần có giải pháp làm mát khác để giảm lượng dùng ximăng mức cho phép Về ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu: Giá trị ứng suất nhiệt độ ổn định nhiệt biến đổi giảm so với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp vữa Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp vữa thấp tăng nhiệt, ứng suất nhiệt mức độ ổn định nhiệt Do để hạn chế phát triển nhiệt khối đổ cần nghiên cứu giải pháp làm lạnh cốt liệu, áp dụng biện pháp làm lạnh cốt liệu trước bố trí hệ thống làm mát thân đập Về ảnh hưởng chiều cao khối đổ: Giá trị ứng suất nhiệt độ ổn định nhiệt biến đổi tăng so với việc tăng chiều cao khối đổ, trình tăng nhiệt phát triển thời gian dài Để đảm bảo an toàn nhiệt, nên chọn kích thước 17 khối ®ỉ thiªn bÐ Tuy nhiªn chän khèi ®ỉ kÝch thíc nhỏ kéo dài thời gian thi công, tăng giá thành công trình, việc chọn kích thước cần có so sánh phương án Nếu chọn kích thước thiên lớn phải bố trí hệ thống làm mát, giảm lượng ximăng, hạ thấp nhiệt ban đầu vữa Về ảnh hưởng thời gian giãn cách đợt đổ: Nếu thời gian giãn cách khối đổ ngắn có trình chồng nhiệt khối, nên thoát nhiệt môi trường không đáng kể, gây nên chênh lệch lớn nhiệt độ phần lõi đập so với phần vỏ Để đảm bảo an toàn nhiệt, nên giãn dài thời gian khối đổ Tuy nhiên điều ®ã ®ång nghÜa víi viƯc kÐo dµi thêi gian thi công, chậm tiến độ, ảnh hưởng đến thời gian khai thác với công trình thủy điện Do không nên kéo dài thời gian giãn cách mà phải nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ tht nh»m gi¶m øng st nhiƯt nh bè trÝ hƯ thống làm mát, giảm lượng ximăng, hạ thấp nhiệt ban ®Çu, kÝch thíc khèi ®ỉ KÕt ln So sánh kết tính toán từ phần mềm ConteSt Pro số liệu quan trắc trường, nhận thấy kết tính toán từ phần mềm tin cậy, sử dụng thiết kế công trình bêtông khối lớn Khi dùng chương trình để phân tích số yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ứng st nhiƯt, cã thĨ rót c¸c kÕt ln sau: - Trong thời gian thi công đập, thời kỳ đầu trình tăng nhiệt sau trình giảm nhiệt Nhiệt độ đạt max vùng lõi đập, giá trị max trì thời gian dài vùng lõi đập khối bêtông lớn gây nên hiệu ứng ủ nhiệt lõi, nhiệt lõi không thoát Do cần bố trí ống làm mát vùng lõi đập Càng lên cao, nhiệt độ max lõi đập giảm dần, phần đỉnh đập có kích thước nhỏ nhiều so với phần thân đập nên nhiệt thủy hóa trao đổi với môi trường, không gây nên tích nhiệt lõi đập - Vùng dễ ổn định nhiệt phát sinh nằm chân đập, mức độ biến dạng nhiệt khác so với bêtông nên dễ phát sinh vùng kéo Mặc dù lõi nhiệt tâp trung thân đập vùng ổn định nhiệt phát sinh từ vùng đỉnh đập phần ®Ønh ®Ëp kÝch thíc bÐ nªn líp vá ngi nhanh hơn, phần thân mức nhiệt ®é cao - Møc ®é mÊt ỉn ®Þnh vỊ nhiƯt phát triển sau thi công xong, nên cần ý đến đặc tính tính toán nhiệt, bố trí thiết bị làm mát hợp lý Theo kinh nghiệm thi công, phạm vi từ đáy đập đến chiều cao H=0,5B đòi hỏi phải có ứng xử nhiệt chặt chẽ, vùng đập chiều cao H>0,5B đòi hỏi xử lý nhiệt khắt khe Tài liệu tham kh¶o JEMJMS Concrete (2002), ConteSt Pro User Manual, Sweden GS.TS Nguyễn Văn Mạo (2000), Cơ sở tính toán công trình thủy lợi, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội Tiêu chuẩn Snip 2.06.06-85 (1986), Đập bê tông bê tông cốt thép, (bản tiếng Nga) Tư vấn xây dựng điện (2002), Báo cáo thủy điện Sê San Studying some factors impact on thermal stress status of SE San concrete dam ASSociate pro.Dr Ngun ChiÕn – Water Resources University Eng Ngun C¶nh TÜnh – Central Project Office of MARD To build a large gravity concrete dams, thermal stress is one of the most important factors that affects to dam stability, so it must be fully carry out while designing, constructing and operating This article is showing some results in using Contest Pro software to study the impact of factors such as: cements content, temperature, block height and delaying time between two block in SeSan3 concrete dam The method and calculation result should be uses as references for the similar dams Ngêi ph¶n biện: GS Phạm Ngọc Khánh 18 ... PC30 3. 3 Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trạng thái ứng suất nhiệt đập Sê San ứng suất nhiệt độ thân đập phụ thuộc vào nhiỊu u tè, ®ã cã u tè chÝnh là: lượng dùng xi măng, nhiệt độ ban đầu vữa... (h) 30 .000 35 .000 H×nh øng suất nhiệt thân đập thời kỳ thi công Hình ứng suất nhiệt thân đập thời kỳ vận hành Một số nhận xét: Về ảnh hưởng lượng dùng ximăng: Giá trị ứng suất nhiệt độ ổn định nhiệt. .. phép mô làm việc toàn khối đập với hầu hết yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt bao gồm thời gian ConteSt Pro phần mềm chuyên dụng để phân tích trường nhiệt ứng suất nhiệt kết cấu bêtông khối lớn,