Ảnh hưởng của điều kiện biên và quy mô khối đổ đến tốc độ tỏa nhiệt trong bê tông khối đổ lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN NGUYỄN HOÀI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ QUY MÔ KHỐI ĐỔ ĐẾN TỐC ĐỘ TỎA NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI ĐỔ LỚN CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp HCM, tháng 11 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS - TS NGUYỄN THỐNG CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: TS LÊ ĐÌNH HỒNG CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: PGS - TS LÊ SONG GIANG Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHAN NGUYỄN HOÀI ANH Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1984 Chuyên ngành : Xây dựng cơng trình thủy MSHV : 02007749 Phái : Nam Nơi sinh : Lâm Đồng Khóa : 2007 I – TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ QUY MÔ KHỐI ĐỔ ĐẾN TỐC ĐỘ TỎA NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI ĐỔ LỚN II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nứt kết cấu bê tông khối lớn Chương 3: Cơ sở lý thuyết toán truyền nhiệt bê tông khối lớn Chương 4: Nội dung nghiên cứu Chương 5: Ứng dụng mơ hình Kết luận, kiến nghị kết nghiên cứu III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/6/2009 (quyết định số /QĐ-ĐHBK-ĐTSĐH) IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2009 V – HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS - TS NGUYỄN THỐNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS - TS NGUYỄN THỐNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước tiên, cho gởi lời cám ơn chân thành đến PGS-TS Nguyễn Thống quan tâm, giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt trình học tập thực luận văn Xin cám ơn thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng – Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặ biệt thầy cô giảng dạy chuyên ngành Xây dựng Cơng trình thủy, mơn Kỹ thuật Tài ngun nước Những kiến thức, kinh nghiệm mà thầy, cô truyền đạt cho tơi suốt q trình theo học góp ý quý báu luận văn hành trang quý giá cho suốt thời gian học tập, nghiên cứu công tác sau Xin gởi lời cám ơn chân thành đến bạn bè lớp, người chia sẻ trải qua ngày tháng học tập khó khăn thật vui đầy bổ ích Những tranh luận góp ý bạn giúp tơi có thêm nhiều kiến thức để tự hồn thiện gợi mở nhiều ý tưởng Xin cám ơn đồng nghiệp hỗ trợ cho tơi nhiều suốt q trình học tập công tác Sau cùng, xin cám ơn sâu sắc người thân gia đình tơi, bạn bè thân ln bên cạnh lúc khó khăn, trở ngại để hoàn thành luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày 30/11/2009 TĨM TẮT Luận văn trình bày việc áp dụng Mơ hình tốn số 3D phương pháp sai phân hữu hạn sử dụng đề giải tốn khuếch tán nhiệt khối đổ bê tơng lớn Kết tính tốn cho thấy ảnh hưởng điều kiện biên quy mô khối đổ lên giá trị nhiệt độ lớn sinh khối đổ Đây tham số việc đánh giá khả sinh vết nứt tượng ứng suất nhiệt ABSTRACT This thesis presents an application of the numerical mathematic model of finite difference was developed to calculate the 3D temperature field due to hydration head of a concrete mass This paper aims at recommending the computation results of the boundary condition and head transfer on the maximum temperature in concrete when it was built with the different dimensions of the mass This temperature was considered as the most important parameter calculating the fissured due to thermal stress Trang _ MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10 1.1 ðẶT VẤN ðỀ 10 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 12 1.2.1 Các nghiên cứu nước 12 1.2.2 Các nghiên cứu nước 13 1.3 LÝ DO NGHIÊN CỨU ðỀ TÀI 15 1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 16 1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 16 1.6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 16 CHƯƠNG 2: NỨT KẾT CẤU BÊ TÔNG KHỐI LỚN 18 2.1 CÁC YẾU TỐ GÂY NỨT BÊ TÔNG KHỐI LỚN: 18 2.1.1 Nứt chênh lệch nhiệt ñộ: 18 2.1.1.1 Nứt mặt 19 2.1.1.2 Nứt xuyên 21 2.1.2 Nứt co khô: 22 2.1.3 Nứt thay ñổi nhiệt ñộ môi trường: 24 2.1.4 Nứt mỏi: 25 2.2 CÁC GIAI ðOẠN NỨT BÊ TÔNG KHỐI LỚN 25 2.2.1 Giai ñoạn nâng nhiệt: 25 2.2.2 Giai ñoạn hạ nhiệt: 25 2.2.3 Giai ñoạn tiếp nước: 26 2.3 BIỆN PHÁP PHỊNG CHỐNG NỨT BÊ TƠNG 26 2.3.1 Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hố xi măng bê tơng 26 2.3.2 Biện pháp hạ nhiệt độ cốt liệu: 27 2.3.2.1 Che chắn nắng kho chứa cốt liệu: 27 2.3.2.2 Phun nước lên ñá dăm, sỏi: 27 2.3.2.3 Làm lạnh cát nước lạnh: 27 2.3.2.4 Nhúng ñá dăm sỏi vào nước lạnh: 28 2.3.2.5 Phun nước lạnh lên cốt liệu: 28 2.3.2.6 Làm lạnh chân không: 28 2.3.3 Biện pháp hạ thấp nhiệt ñộ nước trộn bê tông 28 2.3.3.1 Sử dụng nước ñá: 28 2.3.3.2 Làm lạnh nước nitrogen lỏng: 29 2.3.4 Che ñậy hỗn hợp bê tông 29 2.3.5 Biện pháp hạn chế ñộ chênh nhiệt ñộ ∆T 29 2.3.5.1 ðưa nhiệt độ khối bê tơng ngoài: 29 2.3.5.2 Bọc vật liệu cách nhiệt ñể giữ nhiệt khối ñổ 31 2.3.5.3 Chia nhỏ khối đổ để thi cơng: 33 2.3.5.4 Chống xung nhiệt tháo dỡ cốt pha: 35 2.3.5.5 Chống nhiệt nhanh gờ cạnh góc kết cấu: 35 2.3.6 Biện pháp hạn chế co khô bê tông 35 2.3.7 Biện pháp hạn chế bề mặt bê tông bị sốc nhiệt 36 2.3.8 Kiểm soát nhiệt ñộ bê tông thi công 36 _ Trang _ CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 37 3.1 NHỮNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN NHIỆT 37 3.1.1 Dẫn nhiệt phương trình vi phân dẫn nhiệt 37 3.1.1.1 Dẫn nhiệt 37 3.1.1.2 Trường nhiệt ñộ 38 3.1.1.3 Mặt ñẳng nhiệt 39 3.1.1.4 Gradient nhiệt ñộ 39 3.1.1.5 Dòng nhiệt mật độ dịng nhiệt 40 3.1.1.6 ðịnh luật Fourier dẫn nhiệt 40 3.1.1.7 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 41 3.1.1.8 ðiều kiện ban ñầu ñiều kiện biên 43 3.1.2 Trao ñổi nhiệt ñối lưu 45 3.1.2.1 Khái niệm chung 45 3.1.2.2 Công thức Newton 45 3.1.3 Trao ñổi nhiệt xạ 46 3.2 DIỄN BIẾN NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 47 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng ñến diễn biến nhiệt bê tông khối lớn 47 3.2.2 Nhiệt thủy hóa xi măng 47 3.2.3 Diễn biến nhiệt độ bê tơng 48 3.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NHIỆT 51 3.3.1 Các phương pháp giải toán nhiệt 51 3.3.1.1 Phương pháp giải tích (phương pháp phân ly biến số) 51 3.3.1.2 Phương pháp toán tử 54 3.3.1.3 Phương pháp gần ñúng 57 3.3.2 Lựa chọn phương pháp giải 61 CHƯƠNG 4: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 63 4.1 LÝ THUYẾT 63 4.1.1 Mơ hình tốn học 63 4.1.1.1 Phương trình truyền nhiệt 3D 63 4.1.1.2 Các loại ñiều kiện biên 63 4.1.2 Thuật toán: 64 4.2 Lập trình giải phương trình truyền nhiệt 3D ngơn ngữ Fortran 66 4.2.1 Giới thiệu Ngơn ngữ lập trình Fortran 66 4.2.2 Ưu nhược điểm chương trình giải phương trình truyền nhiệt 3D 66 4.2.3 Sơ ñồ khối mơ hình 68 4.2.4 Nội dung mơ hình 70 4.3 KIỂM ðỊNH MƠ HÌNH 70 4.3.1 Dữ liệu ñầu vào 70 4.3.2 Số liệu quan sát từ cơng trình Thủy điện ðại Ninh 72 4.3.3 Kết tính tốn (tại số nút khối nằm ñộ sâu 450mm ): 75 4.3.4 Nhận xét 76 4.3.5 Kết luận 79 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH 80 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA LOẠI NHIỆT ðỘ MÔI TRƯỜNG 80 5.1.1 Giải lại tốn với điều kiện nhiệt độ mơi trường khơng ñổi 26.90C 80 5.1.1.1 Kết tính toán (một số nút) 80 _ Trang _ 5.1.1.2 So sánh Error! Bookmark not defined 5.1.2 Giải lại tốn với trường hợp nhiệt độ mơi trường khác 83 5.1.2.1 Kết tính tốn với nhiệt độ mơi trường 300C khơng đổi 83 5.1.2.2 Kết tính tốn với nhiệt độ mơi trường 220C khơng đổi 85 5.1.2.3 Nhận xét 87 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ðỘ MÔI TRƯỜNG 87 5.2.1 Kết tính toán 88 5.2.2 Nhận xét 89 5.2.3 Kết luận 91 5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC KHỐI ðỔ 91 5.3.1 Kích thước khối ñổ theo phương ngang Lx = Ly = 6m 91 5.3.2 Kích thước khối ñổ theo phương ngang Lx = Ly = 9m 91 5.3.3 Kích thước khối ñổ theo phương ngang Lx = Ly = 12m 92 5.3.4 Kích thước khối đổ theo phương ngang Lx = Ly = 15m 92 5.3.5 Nhận xét 92 5.3.6 Kết luận 93 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU 94 KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 96 PL1 Bài báo đăng Tạp chí NN&PTNT số tháng 06/2009 96 PL2 Chương trình giải phương trình truyền nhiệt 3D Fortran 99 PL2.1 Chương trình 99 PL.2.2 Các chương trình phụ trợ 101 PL.2.2.1 KTan.INC 101 PL.2.2.2 USER 102 PL2.2.3 NEUMAN_DIRICHLER_0 105 PL2.2.4 NEUMAN_DIRICHLER_1 108 PL2.2.5 DISCRETISATION 108 PL2.2.6 INITIAL 109 PL2.2.7 ASSEM 110 PL2.2.8 ASSEM_0(ii,jj,kk,ijk) 111 PL2.2.9 HESO(ii,jj,kk,ax,ay,az,bx,by,bz) 113 PL2.2.10 ASSEM_1(ii,jj,kk,ijk) 114 PL2.2.11 ASSEM_2(ii,jj,kk,ijk) 120 PL2.2.12 ASSEM_3(ii,jj,kk,ijk) 123 PL2.2.13 ASSEM_4(ii,jj,kk,ijk) 126 PL2.2.14 KIEMTRA 129 PL2.2.15 RESULTAT 130 PL2.2.16 KHOI_DO 131 PL2.2.17 FLOW 131 PL2.2.18 PHAN_KHOI_DO 132 PL2.2.19 ZQ_FRON 132 PL2.2.20 heso_ky(ii,jj,kk) 133 PL2.2.21 heso_ky(ii,jj,kk) 133 PL2.2.22 heso_kz(ii,jj,kk) 134 PL2.2.23.T_MatBen(loai_mat_ben) 134 _ Trang _ PL2.2.24 T_NoiSuy(x1,x2,y1,y2,xm) 136 PL3 Giới thiệu công trình thủy điện ðại Ninh 138 PL3.1 Tuyến ñầu mối 138 PL.3.2 Tuyến lượng 142 _ Trang 10 _ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ðẶT VẤN ðỀ Nứt khuyết tật nặng kết cấu bê tông cốt thép, nên tránh tính lý đảm bảo, tuổi thọ ñược kéo dài Mức ñộ tác hại tùy thuộc vị trí xuất rạn nứt, “khẩu ñộ” (tức nứt rộng hay hẹp), thời gian xuất nứt theo tuổi bê tông,… Tất ñều kết tác ñộng học xuất phát từ hai nguyên nhân chênh lệch (gradient) ẩm luôn xảy mặt bê tơng chênh lệch nhiệt độ cấu nội bê tơng ðối với kết cấu khối lớn, có nguy nứt nhiệt cao, trước thi công cần tính tốn, đánh giá trạng thái ứng suất nhiệt ứng với trường hợp cụ thể, từ có giải pháp thi cơng khống chế nứt cho cơng trình Hình 1.1: Vết nứt đập thủy điện _ Trang 137 _ Y_NoiSuy =y1 + (y2-y1)*(xm-x1)/(x2-x1) endif return end _ Trang 138 _ PL3 Giới thiệu cơng trình thủy điện ðại Ninh Sơng ðồng Nai bắt nguồn từ cao nguyên Lâm Viên - tỉnh Lâm ðồng, có chiều dài 500km Trên dịng sơng khai thác 16 dự án thủy ñiện với tổng cơng suất 3000 MW Ở thượng nguồn sau cơng trình hồ chứa nước ðơn Dương cấp nước cho thủy ñiện ða Nhim cơng trình Thủy điện ðại Ninh Hồ chứa Thủy điện ðại Ninh có nhiệm vụ: - Cấp nước phát ñiện với N = 300MW - Cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp sinh hoạt cho vùng hạ lưu - Cải thiện khí hậu vùng tạo cảnh quan mơi trường - Tạo điểm du lịch lý tưởng cách thành phố ðà Lạt 40km Tổng kinh phí đầu tư khoảng 7000 tỷ VNð Các hạng mục cơng trình: tuyến đầu mối, tuyến lượng, ñầu mối tỉnh Lâm ðồng, nhà máy thủy ñiện Bình Thuận PL3.1 Tuyến đầu mối Hệ thống gồm hồ liên thông với nhau, nhánh sông ða Nhim, nhánh sông ða Queyon Một số thông số hồ chứa: - MNC = +860m, Dung tích chết Vc = 68,04 triệu m3 - MNDBT = +880m, Dung tích hồ ứng với MNDBT Vk = 320 triệu m3 - Mực nước lũ lớn hồ ða Nhim + 882,6m - Mực nước lũ lớn hồ ða Queyon + 883,2m ðầu mối có cơng trình: đập chắn, ñập phụ, tràn xả lũ chính, cống xả nước sâu, tràn cố, kênh nối hồ - ðập ða Nhim: đập đồng chất có lõi chống thấm _ Trang 139 _ Cao trình đỉnh đập +883,7m; rộng 8m Chiều dài ñỉnh ñập L = 430m Chiều cao đập lớn Hmax = 56m Hình PL3.1: ðập ða Nhim - ðập ða Queyon: đập đồng chất có lõi chống thấm Cao trình đỉnh đập +884,3m; rộng 8m Chiều cao ñập lớn Hmax = 58m - ðập phụ: có đập phụ số 1, 2, 3, có chiều cao 22m, 17m, 31m, 34m - Kênh nối hồ có đáy rộng 22m, ñáy thấp MNC Kênh dài 2510m, lưu lượng thiết kế 3077m3/s - Tràn xả lũ chính: + Cao trình ngưỡng tràn +862,5m; thấp MNDBT 17,5m + Tràn có cửa, van cung kích thước bxh = 15 x 18,75m _ Trang 140 _ + Ngưỡng tràn thực dụng Cột nước tràn lớn Hmax = 20,1m + Nối tiếp sau ngưỡng tràn dốc nước Cuối dốc nước tiêu mũi phun Hình PL3.2: Nhìn từ thượng lưu tràn xả lũ Hình PL3.3: Nhìn từ hạ lưu tràn xả lũ _ Trang 141 _ Hình PL3.4: Nhìn xuống hạ lưu tràn xả lũ Hình PL3.5: Cửa van tràn xả lũ _ Trang 142 _ - Tràn cố: ñặt ñập phụ, tràn cố kiểu ñập ñất, nước tràn qua ñỉnh ñập gây vỡ Cao trình ngưỡng tràn cố +869m, thấp MNDBT 11m - Cống xả sâu: loại cống trịn, chảy có áp ðường kính cống 0,8m đặt ngưỡng tràn xả lũ Lưu lượng từ đến 20 m3/s nhằm trì dịng chảy hạ lưu đáp ứng yêu cầu khác PL.3.2 Tuyến lượng Cửa nhận nước: cao trình ngưỡng cửa vào +850m Hình PL3.6: Cửa nhận nước ðường hầm dẫn nước: sau cửa dẫn nước, dài 11.254m, đường kính 4,5m Tháp ñiều áp: cao 230m; mặt cắt ngang dạng tròn Gồm phần: phần sâu đường kính 3,5m; phần đường kính 10m; phần đường kính 28m _ Trang 143 _ ðường ống: có ñường ống nối tiếp sau ñường hầm dẫn nước ðường kính ống từ 3,2m đến 3,3m Tổng chiều dài 1.818m ðến nhà máy ñường ống rẽ làm nhánh ñi vào buồng xoắn tuốc bin ðường kính ống nhánh 2,25m Hình PL3.7: Tồn cảnh đường ống Hình PL3.8: Nhìn gần đường ống _ Trang 144 _ Hình PL3.9: Mố đỡ, ơm đường ống Hình PL3.10: Hai tổ máy Nhà máy thủy ñiện: gồm tổ máy với tổng công suất 300MW ðiện lượng năm 1,2 tỷ kwh _ Trang 145 _ Hình PL3.11: Thân nhà gian máy Hình PL3.12: Tồn cảnh nhà máy Thủy ñiện ðại Ninh Thủy ñiện ðại Ninh khởi cơng 5/2003 ðến 17/1/2008 hịa lưới điện quốc gia góp phần giải thiếu điện vào mùa nóng _ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Phan Nguyễn Hoài Anh Phái Năm sinh : 13/2/1984 Nơi sinh : Lâm Đồng : Nam Địa liên lạc : 101/37 Nguyễn Chí Thanh, Phường 9, Quận 5, TP Hồ Chí Minh Điện thoại : (08) 38.309.134 Di động : 0908.822.099 Email : phannguyenhoaianh@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO + Từ 2002 đến 2007 : Sinh viên Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh + Từ 2007 đến : Học viên cao học Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC + Từ tháng 5/2007 - 8/2007: Phịng Kế hoạch đầu tư - Ban QLDA cơng trình Điện miền Nam + Từ tháng 8/2007 đến nay: Phịng Thẩm định - Ban QLDA cơng trình Điện miền Nam ... TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ QUY MÔ KHỐI ĐỔ ĐẾN TỐC ĐỘ TỎA NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI ĐỔ LỚN II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nứt kết cấu bê tông khối lớn Chương... trường nhiệt độ ổn định thân đập bê tơng, tính tốn nhiệt độ đổ vào khối bê tơng, nhiệt độ thay đổi sau bê tơng đổ vào khối (khơng có làm lạnh thủ cơng), nhiệt độ thay đổi sau bê tơng đổ vào khối. .. tán nhiệt khối đổ bê tơng lớn Kết tính tốn cho thấy ảnh hưởng điều kiện biên quy mô khối đổ lên giá trị nhiệt độ lớn sinh khối đổ Đây tham số việc đánh giá khả sinh vết nứt tượng ứng suất nhiệt