Tổng quan nghiên cứu

Trong những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, công nghệ đập bê tông đầm lăn (RCCD) đã trở thành một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xây dựng đập trên thế giới. Tại Việt Nam, mặc dù RCCD được áp dụng muộn hơn so với nhiều quốc gia, nhưng tốc độ phát triển rất nhanh với khoảng 24 đập bê tông đầm lăn được xây dựng hoặc đang thi công đến năm 2013. Công nghệ này được lựa chọn phổ biến trong các dự án thủy điện và thủy lợi lớn do ưu điểm về tốc độ thi công và chi phí. Tuy nhiên, công tác kiểm định chất lượng RCCD trong quá trình thi công vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là việc đánh giá ứng suất phát sinh và cường độ bê tông trong điều kiện thi công thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng kết hợp mô hình toán học để kiểm định chất lượng đập bê tông đầm lăn trong quá trình thi công, lấy ví dụ điển hình là đập thủy điện Sê San 4 tại tỉnh Gia Lai và Kon Tum. Mục tiêu chính là phân tích các đặc tính cơ lý của bê tông đầm lăn theo thời gian, mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất trong đập dưới tác động của nhiệt độ, tải trọng thi công và quá trình chất tải. Nghiên cứu nhằm đề xuất các giải pháp kiểm soát ứng suất, đảm bảo chất lượng và độ bền của đập trong suốt quá trình thi công. Phạm vi nghiên cứu bao gồm giai đoạn thi công đập từ năm 2004 đến khi đưa vào vận hành, với dữ liệu thực nghiệm từ phòng thí nghiệm và quan trắc hiện trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện công nghệ thi công RCCD tại Việt Nam, góp phần nâng cao độ an toàn và tuổi thọ công trình thủy lợi, thủy điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết đàn hồi nhiệt: Giải thích sự phát sinh ứng suất do chênh lệch nhiệt độ trong khối đập bê tông đầm lăn, bao gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng từ biến và co ngót của bê tông theo thời gian.
  • Mô hình phát triển cường độ bê tông theo thời gian: Đường cong phát triển độ bền nén, độ bền kéo và mô đun đàn hồi của bê tông đầm lăn được xác định dựa trên các thí nghiệm trong phòng và hiện trường.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng để mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất trong đập, cho phép phân tích tác động đồng thời của nhiệt độ, tải trọng thi công và quá trình chất tải. Phương pháp này dựa trên nguyên lý biến phân và được triển khai qua phần mềm MIDAS Civil.
  • Khái niệm kiểm định chất lượng RCCD: Bao gồm các phương pháp khoan lấy mẫu phá hủy, súng bật nảy và đo vận tốc xung siêu âm không phá hủy, nhằm đánh giá cường độ và chất lượng bê tông trong quá trình thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thí nghiệm trong phòng, kết quả khoan lấy mẫu và quan trắc hiện trường tại đập thủy điện Sê San 4. Cỡ mẫu khoan lấy mẫu bê tông là các mẫu lập phương chuẩn với đường kính mũi khoan Ø180/150 mm, được lấy từ các vị trí khác nhau trong khối đập ở các thời điểm 90 và 365 ngày tuổi bê tông.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm MIDAS Civil dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất trong đập. Các đặc tính vật liệu bê tông như cường độ, mô đun đàn hồi, hệ số từ biến và co ngót được đưa vào mô hình dưới dạng hàm thời gian, phản ánh sự phát triển theo tuổi bê tông. Phương pháp chọn mẫu và phân tích nhằm đảm bảo độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện thi công thực tế và các tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam, Nga và Mỹ.

Timeline nghiên cứu tập trung vào giai đoạn thi công đập từ năm 2004 đến khi hoàn thành và đưa vào vận hành, với các giai đoạn thi công được mô phỏng chi tiết theo tiến độ thiết kế của đập Sê San 4, bao gồm 4 giai đoạn chính từ cao trình 155,7 m đến 221,3 m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phát triển cường độ bê tông đầm lăn theo thời gian: Cường độ nén thực đo tại hiện trường đập Sê San 4 đạt khoảng 55,8 MPa sau 7 ngày, tăng lên 106 MPa sau 28 ngày và đạt 135 MPa sau 365 ngày. Đường cong phát triển cường độ cho thấy sự tăng trưởng chậm trong tuần đầu, sau đó tăng nhanh và ổn định. Mô đun đàn hồi cũng tăng tương ứng, từ mức thấp trong tuần đầu lên khoảng 82.000 kg/cm² ở tuổi thiết kế 365 ngày.

  2. Trường nhiệt độ trong đập: Nhiệt độ lõi đập tăng lên đến khoảng 39,9°C trong giai đoạn thi công, cao hơn nhiệt độ môi trường trung bình 22,4°C. Nhiệt độ tại biên đập giảm nhanh hơn do tiếp xúc với môi trường, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn giữa lõi và bề mặt, gây ứng suất nhiệt đáng kể. Quá trình tăng nhiệt kéo dài khoảng 360 giờ, sau đó nhiệt độ giảm dần và ổn định ở khoảng 25-31°C tùy vị trí.

  3. Trường ứng suất do nhiệt độ và tải trọng thi công: Ứng suất nhiệt phát sinh do chênh lệch nhiệt độ trong đập có thể gây nứt bề mặt, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi mạnh. Ứng suất do tải trọng thi công, bao gồm trọng lượng bản thân bê tông và lực từ máy đầm (tải trọng 16 tấn), cũng ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái ứng suất tổng thể. Mô hình toán cho thấy ứng suất tổng hợp do nhiệt độ và tải trọng thi công có thể vượt quá giới hạn cho phép nếu không kiểm soát tốt tiến độ và kỹ thuật thi công.

  4. Đánh giá chất lượng bê tông RCCD bằng mô hình toán kết hợp số liệu thực nghiệm: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu khoan lấy mẫu và quan trắc hiện trường cho thấy mô hình toán có độ tin cậy cao trong việc dự báo trường ứng suất và nhiệt độ. Điều này giúp xác định các yếu tố bất lợi trong quá trình thi công và đề xuất các biện pháp kiểm soát ứng suất hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ứng suất phát sinh trong đập bê tông đầm lăn là do sự tích tụ nhiệt thủy hóa trong khối bê tông và chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt đập. Tốc độ thi công nhanh và liên tục khiến các lớp bê tông mới đổ lên lớp bê tông chưa đủ cường độ, làm tăng tải trọng và ứng suất trong đập. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định tầm quan trọng của việc kết hợp mô hình toán với số liệu thực nghiệm để đánh giá chính xác trạng thái ứng suất trong quá trình thi công.

Việc mô phỏng chi tiết tiến độ thi công và điều kiện biên thực tế giúp dự báo chính xác các vùng có nguy cơ nứt và hư hỏng, từ đó nâng cao hiệu quả kiểm định chất lượng RCCD. Kết quả cũng cho thấy sự cần thiết của việc kiểm soát nhiệt độ và tải trọng thi công nhằm hạn chế ứng suất vượt ngưỡng cho phép, đảm bảo độ bền và tuổi thọ của đập.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phát triển cường độ bê tông theo thời gian, biểu đồ phân bố nhiệt độ trong đập ở các thời điểm khác nhau, và bảng tổng hợp ứng suất tính toán tại các vị trí trọng yếu của đập.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát tiến độ thi công hợp lý: Điều chỉnh tốc độ đổ bê tông và thời gian nghỉ giữa các lớp để đảm bảo bê tông đạt đủ cường độ trước khi chịu tải trọng mới, giảm thiểu ứng suất phát sinh. Thời gian nghỉ nên được xác định dựa trên mô hình toán và số liệu thực nghiệm, ưu tiên áp dụng trong giai đoạn đầu thi công.

  2. Giám sát nhiệt độ và ứng suất liên tục: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo nhiệt độ và ứng suất trong đập để theo dõi thực tế, kịp thời phát hiện các vùng có nguy cơ nứt. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công phối hợp với đơn vị tư vấn giám sát, áp dụng trong suốt quá trình thi công.

  3. Sử dụng vật liệu và phối liệu bê tông phù hợp: Lựa chọn hàm lượng xi măng và chất kết dính tối ưu để cân bằng giữa nhiệt thủy hóa và phát triển cường độ, giảm thiểu nhiệt phát sinh trong khối bê tông. Khuyến nghị áp dụng trong giai đoạn thiết kế và chuẩn bị vật liệu.

  4. Áp dụng mô hình toán phần tử hữu hạn trong thiết kế và kiểm định: Sử dụng phần mềm MIDAS Civil hoặc tương đương để mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất, từ đó đưa ra các biện pháp kỹ thuật phù hợp nhằm kiểm soát ứng suất trong giới hạn cho phép. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và tư vấn giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nắm bắt phương pháp mô phỏng ứng suất và nhiệt độ trong đập RCCD, áp dụng để tối ưu thiết kế và đảm bảo an toàn kết cấu.

  2. Nhà thầu thi công đập bê tông đầm lăn: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông và ứng suất phát sinh trong quá trình thi công, từ đó điều chỉnh tiến độ và kỹ thuật thi công phù hợp.

  3. Chuyên gia giám sát và kiểm định chất lượng công trình: Áp dụng mô hình toán kết hợp số liệu thực nghiệm để đánh giá chính xác chất lượng bê tông và trạng thái ứng suất, nâng cao hiệu quả kiểm định.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán và kết quả thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ RCCD và kiểm định chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng mô hình toán trong kiểm định chất lượng đập RCCD?
    Mô hình toán giúp mô phỏng chính xác trường nhiệt độ và ứng suất trong đập, đặc biệt khi các yếu tố như nhiệt thủy hóa và tải trọng thi công đồng thời tác động. Ví dụ, mô hình phần tử hữu hạn cho phép dự báo vùng có nguy cơ nứt, hỗ trợ kiểm soát thi công hiệu quả.

  2. Các đặc tính cơ lý của bê tông đầm lăn thay đổi như thế nào theo thời gian?
    Cường độ nén và kéo của bê tông đầm lăn phát triển chậm trong tuần đầu, sau đó tăng nhanh và ổn định sau 28 ngày. Mô đun đàn hồi cũng tăng theo thời gian, trong khi biến dạng từ biến và co ngót giảm dần khi bê tông già đi.

  3. Phương pháp kiểm định chất lượng bê tông đầm lăn nào được sử dụng phổ biến?
    Phương pháp khoan lấy mẫu phá hủy có độ chính xác cao nhất, tiếp theo là đo vận tốc xung siêu âm và súng bật nảy không phá hủy. Việc kết hợp các phương pháp giúp đánh giá toàn diện chất lượng bê tông.

  4. Ứng suất nhiệt trong đập bê tông đầm lăn phát sinh do đâu?
    Ứng suất nhiệt phát sinh do chênh lệch nhiệt độ giữa lõi đập và bề mặt, khi nhiệt độ lõi tăng cao do nhiệt thủy hóa và bề mặt tiếp xúc với môi trường lạnh hơn. Điều này có thể gây nứt bề mặt nếu không kiểm soát tốt.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ứng suất phát sinh trong quá trình thi công đập RCCD?
    Điều chỉnh tiến độ thi công để bê tông đạt đủ cường độ trước khi chịu tải mới, giám sát nhiệt độ và ứng suất liên tục, sử dụng vật liệu phù hợp và áp dụng mô hình toán để dự báo và kiểm soát ứng suất.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết các đặc tính cơ lý của bê tông đầm lăn và ảnh hưởng của chúng đến trường ứng suất trong đập trong quá trình thi công.
  • Mô hình toán phần tử hữu hạn kết hợp với số liệu thực nghiệm và quan trắc hiện trường cho phép đánh giá chính xác chất lượng và trạng thái ứng suất của đập RCCD.
  • Nhiệt độ thủy hóa và tải trọng thi công là hai yếu tố chính gây ứng suất phát sinh, có thể dẫn đến nứt nếu không kiểm soát tốt.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát tiến độ thi công, giám sát liên tục và lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và độ bền của đập.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển phương pháp kiểm định chất lượng RCCD tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả thi công và quản lý công trình thủy lợi, thủy điện.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng mô hình toán trong các dự án đập RCCD khác, đồng thời phát triển hệ thống giám sát tự động để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kiểm định chất lượng. Các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình thi công và bảo trì công trình.