Luận án tiến sĩ: 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 - Trường Đại học Thủy lợi

Phân tích chi tiết sự hình thành vết nứt trên đập bê tông được đầm lăn vận hành. Tìm hiểu nguyên nhân kỹ thuật, quá trình phát triển nứt và tác động kết cấu.

• Tác giả: Hà Thanh Dương
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thủy lợi
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đập trọng lực bê tông đầm lăn và vết nứt

Đập trọng lực bê tông đầm lăn (BTĐL) là công trình thủy lợi quan trọng được xây dựng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam. Loại đập này sử dụng bê tông nghèo xi măng, giàu puzơlan, được thi công theo từng lớp mỏng 30–50cm và đầm chặt bằng xe lu. Phương pháp thi công nhanh, chi phí thấp hơn so với bê tông truyền thống là ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, vết nứt hình thành và phát triển là mối nguy hiểm tiềm ẩn đe dọa an toàn công trình. Vết nứt xuất hiện do nhiều nguyên nhân: nhiệt độ thủy hóa xi măng, tải trọng thủy tĩnh, dao động nhiệt độ môi trường và co ngót khô. Mỗi loại vết nứt có cơ chế phát triển riêng và mức độ ảnh hưởng khác nhau đến khả năng chịu tải toàn công trình. Luận án tiến sĩ của tác giả Hà Thanh Dương, Trường Đại học Thủy Lợi năm 2019, tập trung nghiên cứu hệ thống về cơ chế này. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá độ an toàn và đề xuất giải pháp gia cố hợp lý cho các đập BTĐL đang vận hành tại Việt Nam và khu vực.

1.1. Đặc điểm cấu tạo và thi công BTĐL

Bê tông đầm lăn khác biệt với bê tông thường ở tỷ lệ nước/chất kết dính thấp và hàm lượng puzơlan cao. Chiều dày lớp đầm nén tiêu chuẩn là 30cm, thi công liên tục không ngừng nghỉ để đảm bảo liên kết giữa các lớp. Thời gian nghỉ giữa các lớp đổ càng ngắn thì khả năng chống cắt và chống thấm càng cao. Đặc điểm tỏa nhiệt chậm của BTĐL giúp giảm nhiệt độ cực đại bên trong đập, nhưng gradient nhiệt độ giữa bề mặt và lõi đập vẫn là nguyên nhân chính gây ứng suất kéo dẫn đến nứt.

1.2. Phân loại vết nứt trong đập BTĐL

Vết nứt trong đập BTĐL được phân thành hai nhóm chính: vết nứt bề mặt và vết nứt xuyên sâu. Vết nứt bề mặt thường xuất hiện sớm do chênh lệch nhiệt độ giữa lớp bê tông mới đổ và môi trường. Vết nứt xuyên sâu hình thành muộn hơn, liên quan đến ứng suất tích lũy trong quá trình vận hành dưới tải trọng thủy tĩnh và biến đổi nhiệt dài hạn. Mức độ nguy hiểm của vết nứt xuyên sâu cao hơn nhiều vì ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực tổng thể và tính ổn định của đập.

II. Phân tích cơ chế hình thành và phát triển vết nứt đập

Cơ chế hình thành vết nứt trong đập BTĐL chịu tác động đồng thời của nhiều yếu tố vật lý và cơ học. Giai đoạn thi công, nhiệt độ thủy hóa xi măng làm bê tông giãn nở rồi co lại khi nguội, tạo ứng suất kéo vượt quá giới hạn bền kéo của vật liệu. Giai đoạn vận hành, áp lực nước hồ chứa tác dụng lên mặt thượng lưu tạo ứng suất uốn làm mở rộng vết nứt đã có sẵn. Đồng thời, áp lực thấm qua nền và thân đập làm giảm ứng suất nén hiệu quả, dẫn đến nguy cơ mất ổn định cục bộ. Phân tích lý thuyết cơ học phá hủy (Fracture Mechanics) cho thấy vết nứt phát triển theo ba chế độ: chế độ I (mở), chế độ II (trượt phẳng) và chế độ III (trượt xoắn). Trong đập BTĐL, chế độ I kết hợp chế độ II là phổ biến nhất. Hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt là thông số quyết định tốc độ phát triển. Khi hệ số này vượt giá trị tới hạn KIc, vết nứt lan truyền đột ngột, gây phá hoại cấu trúc. Việc kiểm soát các thông số này là nền tảng của bài toán đánh giá an toàn đập.

2.1. Ứng suất nhiệt và vai trò trong quá trình nứt

Ứng suất nhiệt phát sinh do gradient nhiệt độ giữa lõi đập và bề mặt. Trong quá trình thi công BTĐL, nhiệt độ lõi đập có thể đạt 50–60°C trong khi bề mặt tiếp xúc môi trường ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Sự chênh lệch này tạo ứng suất kéo tại bề mặt và ứng suất nén tại lõi. Khi bê tông nguội đồng đều, ứng suất kéo tích lũy có thể vượt cường độ kéo của bê tông từ 1–3 MPa, dẫn đến vết nứt bề mặt lan dần vào trong theo thời gian vận hành.

2.2. Tác động của tải trọng thủy tĩnh lên vết nứt

Tải trọng thủy tĩnh tác dụng lên mặt thượng lưu đập tạo mômen uốn lớn tại chân đập và vùng biến đổi mặt cắt. Áp lực nước thấm vào vết nứt hiện có làm tăng độ mở của vết nứt và đẩy nhanh tốc độ lan truyền. Đây là hiện tượng gọi là hiệu ứng nêm thủy lực. Khi mực nước hồ dao động theo mùa, vết nứt chịu tải trọng chu kỳ, dẫn đến mỏi vật liệu. Quá trình tích lũy hư hỏng mỏi qua nhiều năm vận hành là nguyên nhân phổ biến của sự suy giảm khả năng chịu tải.

III. Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích vết nứt đập BTĐL

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là công cụ số hiệu quả để mô phỏng sự hình thành và lan truyền vết nứt trong đập BTĐL. Phương pháp này rời rạc hóa miền tính toán thành các phần tử nhỏ, xây dựng hệ phương trình cân bằng và giải để thu trường ứng suất–biến dạng trong toàn thân đập. Nghiên cứu áp dụng PTHH tự thích ứng, trong đó lưới phần tử được tự động tinh chỉnh tại vùng đỉnh vết nứt nơi gradient ứng suất lớn. Tiêu chí dừng là khi sai số năng lượng toàn miền η nhỏ hơn ngưỡng định trước f. Mô hình vật liệu sử dụng cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính kết hợp mô hình vết nứt phân tán (Smeared Crack) để mô phỏng ứng xử sau nứt của bê tông. Phương trình cơ bản thiết lập dựa trên nguyên lý năng lượng tối thiểu, sai số năng lượng được định nghĩa qua tích phân của hiệu giữa trường ứng suất cải tiến và trường ứng suất xấp xỉ. Phương pháp tính toán được kiểm chứng với số liệu quan trắc thực tế từ đập BTĐL đang vận hành, cho kết quả sai lệch dưới 5% so với đo đạc hiện trường.

3.1. Mô hình hóa vết nứt bằng phần tử hữu hạn

Hai phương pháp mô hình hóa vết nứt phổ biến trong PTHH là mô hình vết nứt rời rạc (Discrete Crack) và mô hình vết nứt phân tán (Smeared Crack). Mô hình rời rạc tái tạo hình học vết nứt chính xác nhưng đòi hỏi tái lưới động tốn kém tính toán. Mô hình phân tán trải đều hư hỏng trong phần tử, phù hợp khi quan tâm đến ứng xử tổng thể hơn là hình học chi tiết của từng vết nứt. Nghiên cứu sử dụng kết hợp hai mô hình tùy theo giai đoạn phân tích để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán.

3.2. Lưới phần tử tự thích ứng và đánh giá sai số

Lưới phần tử tự thích ứng (Adaptive Mesh) tự động tăng mật độ phần tử tại vùng có gradient ứng suất lớn như đỉnh vết nứt và chân đập. Sai số năng lượng từng phần tử được tính theo công thức sử dụng ma trận hằng số đàn hồi D và hệ số hiệu chỉnh k phụ thuộc loại phần tử. Khi sai số toàn phần vượt ngưỡng cho phép, hệ thống tự động bổ sung phần tử tại các vùng cần thiết. Quá trình lặp dừng khi η đạt dưới f, đảm bảo độ tin cậy của kết quả tính toán ứng suất tại đỉnh vết nứt.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thiết kế vận hành đập an toàn

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng vết nứt trong đập BTĐL phát triển theo quy luật có thể dự báo được dựa trên các thông số vật liệu và điều kiện tải trọng. Hệ số cường độ ứng suất KI tăng tuyến tính theo chiều dài vết nứt và áp lực hồ chứa. Khi chiều dài vết nứt vượt 15–20% chiều cao đập, nguy cơ phá hoại đột ngột tăng lên đáng kể. Phân tích cho thấy đập BTĐL có mặt cắt tiêu chuẩn duy trì hệ số an toàn trên 1,5 với điều kiện vết nứt không phát triển quá chiều sâu tới hạn. Từ kết quả này, các khuyến nghị kỹ thuật được đề xuất: tăng cường quan trắc tự động đo độ mở vết nứt tại các vị trí nguy hiểm, kiểm soát mực nước hồ trong mùa lũ để hạn chế tải trọng chu kỳ, và thực hiện bơm vữa gia cố định kỳ cho vết nứt có chiều rộng trên 0,2mm. Ứng dụng mô hình PTHH tự thích ứng vào thực tiễn quản lý đập giúp dự báo tuổi thọ còn lại và lập kế hoạch bảo trì chủ động, góp phần đảm bảo an toàn hồ chứa trong toàn bộ vòng đời công trình.

4.1. Đánh giá khả năng chịu tải còn lại của đập

Khả năng chịu tải còn lại được xác định thông qua so sánh hệ số cường độ ứng suất thực tế KI với giá trị tới hạn KIc của bê tông. Tỷ số KI/KIc phản ánh mức độ sử dụng khả năng chịu lực của vật liệu tại vùng đỉnh vết nứt. Nghiên cứu xây dựng đường cong suy giảm khả năng chịu tải theo thời gian vận hành cho các kịch bản chiều dài vết nứt khác nhau. Kết quả cho phép kỹ sư quản lý đập xác định ngưỡng can thiệp sửa chữa kịp thời trước khi khả năng chịu tải giảm xuống dưới mức an toàn tối thiểu.

4.2. Giải pháp kỹ thuật kiểm soát vết nứt trong vận hành

Các giải pháp kiểm soát vết nứt gồm hai nhóm: phòng ngừa và khắc phục. Phòng ngừa bao gồm tối ưu hóa nhiệt độ thi công bằng cách làm mát cốt liệu và bố trí ống làm mát bên trong khối bê tông lớn. Khắc phục bao gồm bơm vữa polyurethane hoặc epoxy vào vết nứt đang hoạt động, kết hợp khoan lỗ thoát áp để giảm áp lực thấm. Hệ thống quan trắc tự động với cảm biến đo độ mở vết nứt và áp lực thấm lắp đặt tại các điểm quan trọng cung cấp dữ liệu thời gian thực hỗ trợ quyết định vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. 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… 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. 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.

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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu Các đập trọng lực BTĐL đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam. 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.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4. 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. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới.