nghiên cứu kết cấu và phương pháp tính toán âu thuyền cho các công trình ngăn sông vùng ven biển đồng bằng sông cửu long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI





NGUYỄN VIỆT ANH



NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
ÂU THUYỀN CHO CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG
VÙNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG



Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số : 60.58.40


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học ; GS.TS Nguyễn Chiến
PGS.TS Trần Đình Hòa






HÀ NỘI -2013

i

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành bảy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Chiến,
PGS.TS Trần Đình Hòa - những người đã hướng dẫn, vạch ra những định hướng
khoa học để tác giả hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn ThS. Trần Văn Thái và các anh, chị em trong Trung
tâm công trình đồng bằng ven biển và đê điều - Viện Thủy Công - Viện khoa học
thuỷ lợi Việt Nam là những người đã giúp đỡtác giả trong công việc và nghiên cứu
khoa học.
Xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo
Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong
gia đình đã động viên trong suốt quá trình viết luận văn.

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2013.
Tác giả




Nguyễn Việt Anh

ii

BẢN CAM KẾT


Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu kết cấu và phương pháp tính toán âu
thuyền cho các công trình ngăn sông vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long”
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà
trường.



Học viên




Nguyễn Việt Anh


iii

MỤC LỤC
45TLỜI CẢM ƠN45T i

45TBẢN CAM KẾT45T ii
45TMỤC LỤC45T iii
45TDANH MỤC HÌNH ẢNH45T vi
45TDANH MỤC BẢNG BIỂU45T x
45TMỞ ĐẦU45T 1
45TChương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU45T 3
45T1.1. Tính cấp thiết phải xây dựng các công trình ngăn sông45T 3
45T1.2. Tổng quan về âu thuyền45T 4
45T1.2.1. Cấu tạo chung của âu thuyền45T 4
45T1.2.2. Phân loại âu thuyền45T 7
45T1.2.3. Cửa van dùng trong âu thuyền45T 10
45T1.3. Tổng quan các công trình âu thuyền trong nước và trên thế giới45T 14
45T1.3.1. Âu thuyền trên thế giới45T 14
45T1.3.2. Âu thuyền trong nước45T 21
45T1.4. Âu thuyền vùng đồng bằng sông Cửu Long và những vấn đề nghiên cứu của
luận văn
45T 22
45T1.5. Kết luận chương 145T 23
45TChương 2. LỰA CHỌN KẾT CẤU ÂU THUYỀN TRONG XÂY DỰNG CÁC
CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 25
45T2.1. Phân tích, lựa chọn kết cấu âu thuyền45T 25
45T2.1.1. Những vấn đề cần xem xét khi thiết kế âu thuyền trong công trình ngăn
sông và điều tiết nước khu vực đồng bằng Sông Cửu Long
45T 25
45T2.1.2. Đề xuất một số giải pháp kết cấu âu thuyền phù hợp với địa hình, địa chất
khu vực đồng bằng sông Cửu Long
45T 26
45T2.1.3. Phân tích lựa chọn kết cấu45T 30
45T2.2. Bố trí kết cấu âu thuyền45T 30
45T2.2.1. Bố trí tổng thể45T 30

iv

45T2.2.2. Bố trí kết cấu âu thuyền45T 33
45TChương 3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU BUỒNG ÂU CÓ MẶT CẮT CHỮ NHẬT
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
45T 37
45T3.1. Kết cấu buồng âu trên nền đất yếu (bao gồm phần móng cọc phía dưới và
phần buồng âu phía trên)
45T 37
45T3.1.1. Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu45T 37
45T3.1.2. Biện pháp xử lý công trình trên nền đất yếu45T 38
45T3.1.3. Kết cấu buồng âu mặt cắt chữ nhật trên nền đất yếu45T 40
45T3.2. Tính toán kết cấu buồng âu trên nền đất yếu theo phương pháp truyền thống45T41
45T3.2.1. Thiết kế móng cọc theo phương pháp truyền thống45T 41
45T3.2.2. Thiết kế phần kết cấu buồng âu phía trên móng cọc45T 54
45T3.3. Tính kết cấu buồng âu trên nền cọc theo phương pháp hiện đại45T 54
45T3.3.1. Nội dung tính toán theo phương pháp hiện đại45T 54
45T3.3.2. Các mô hình phần tủ hữu hạn nghiên cứu hệ đài - cọc45T 55
45T3.3.3. Lựa chọn phần mềm tính toán45T 60
45T3.4. Kết luận chương 345T 62
45TChương 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ÂU THUYỀN TẠI CỐNG TÂN
THUẬN – TP. HỒ CHÍ MINH
45T 63
45T4.1. Giới thiệu chung về công trình:45T 63
45T4.1.1. Vùng dự án45T 63
45T4.1.2. Mục tiêu, quy mô của dự án45T 65
45T4.1.3. Chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật chủ yếu của dự án:45T 65
45T4.1.4. Điều kiện tự nhiên dự án45T 66
45T4.1.5. Cấp công trình và chỉ tiêu thiết kế45T 70

45T4.2. Bố trí chung âu thuyền tại cống Tân Thuận45T 70
45T4.2.1. Giải pháp xây dựng chung của dự án45T 70
45T4.2.2. Biện pháp công trình45T 70
45T4.2.3. Quy mô và bố trí các công trình chính45T 70
45T4.3. Các trường hợp tính toán kết cấu45T 75

v

45T4.3.1. Trường hợp thi công 1:45T 75
45T4.3.2. Trường hợp thi công 2:45T 75
45T4.3.3. Trường hợp vận hành 1:45T 75
45T4.3.4. Trường hợp vận hành 2:45T 76
45T4.3.5. Trường hợp đặc biệt:45T 76
45T4.4. Tính toán kết cấu buồng âu theo phương pháp truyền thống45T 76
45T4.4.1. Tính kết cấu buồng âu (mặt cắt chữ nhật)45T 76
45T4.4.2. Kiểm tra khả năng chịu tải của nền45T 81
45T4.4.3. Thiết kế móng cọc45T 83
45T4.4.4. Tính toán kết cấu tường bên buồng âu45T 92
45T4.5. Tính toán kết cấu buồng âu làm việc đồng thời với hệ cọc (Phương pháp hiện
đại)
45T 96
45T4.5.1. Trường hợp tính toán45T 96
45T4.5.2. Chọn mô hình toán45T 96
45T4.5.3. Các kết quả tính toán45T 98
45T4.5.4. Tổng hợp kết quả tính toán45T 110
45T4.6. Phân tích kết quả tính toán45T 114
45T4.7. Kết luận chương 445T 115
45TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ45T 116
45T1. Các kết quả đạt được45T 116
45T2. Một số điểm còn tồn tại45T 117

45T3. Hướng tiếp tục nghiên cứu45T 117
45TTÀI LIỆU THAM KHẢO45T 118
45TPHỤ LỤC TÍNH TOÁN45T 119

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
45THình 1-1:Bản vẽ âu thuyền cổ và cửa van chữ nhân, Trung quốc-149745T 4
45THình 1-2:Cấu tạo chung âu thuyền45T 4
45THình 1-3:Âu thuyền đơn cấp45T 7
45THình 1-4:Âu thuyền đa cấp45T 7
45THình 1-5:Cửa van bố trí ngập45T 7
45THình 1-6:Cửa van không ngập45T 7
45THình 1-7:Âu thuyền đơn tuyến45T 8
45THình 1-8:Âu thuyền đa tuyến45T 8
45THình 1-9:Hình ảnh cho âu thuyền đa tuyến45T 8
45THình 1-10:Một số dạng cấp nước trực tiếp45T 9
45THình 1-11:Cấp nước tập trung bằng đường ống ngắn45T 9
45THình 1-12:Cấp nước phân tán bằng đường ống dài45T 10
45THình 1-13:Các loại cửa thường dùng trong âu thuyền45T 10
45THình 1-14:Cửa van chữ nhân45T 11
45THình 1-15:Cửa van phẳng kéo lên45T 12
45THình 1-16:Cửa van cung trục đứng45T 12
45THình 1-17:Tổng thể âu thuyền Zandvilied và Bezendrecht – Bỉ45T 13
45THình 1-18:Cửa van trụ xoay45T 14
45THình 1-19:Hệ thống âu thuyền trên kênh đào Panama45T 15
45THình 1-20:Âu thuyền Gatun, kênh đào Panama45T 15
45THình 1-21:Âu thuyền Pedro Miguel, kênh đào Panama45T 16
45THình 1-22:Âu thuyền Miraflores, kênh đào Panama45T 16
45THình 1-23:Âu thuyền Yangtze đập Tam hiệp – Trung Quốc45T 17

45THình 1-24:Âu thuyền Eisenhower, Massena – Mỹ45T 18
45THình 1-25:Âu thuyền Uelzen I – Đức45T 18
45THình 1-26:Âu thuyền Sault, Machigan – Mỹ45T 19
45THình 1-27:Âu thuyền Hiram M. Chittenden, Washington – Mỹ45T 20
45THình 1-28:Âu thuyền Thảo Long – Thừa Thiên Huế45T 21

vii

45THình 1-29:Âu thuyền Tắc Thủ – Cà mau45T 22
45THình 2-1: Âu thuyền có tường âu và bản đáy liền khối45T 26
45THình 2-2: Phối cảnh âu thuyền có bản đáy và tường liên khối45T 27
45THình 2-3: Âu thuyền có tường âu dạng công xôn45T 28
45THình 2-4: Âu thuyền xây dựng bằng cọc cừ bản BTCT45T 29
45THình 2-5: Cắt ngang buồng âu thuyền dạng hộp phao45T 29
45THình 2-6: Phối cảnh âu thuyền buồng âu dạng hộp phao45T 30
45THình 2-7: Bố trí âu thuyền lùi về phía hạ lưu (trái) và nhô về thượng lưu (phải)45T 32
45THình 2-8: Một ví dụ bố trí tổng thể công trình điều tiết và âu thuyền45T 33
45THình 2-9: Cắt ngang buồng âu dạng mặt cắt chữ nhật bản đáy liền khối45T 35
45THình 3-1: Hình thức móng công trình trên nền đất45T 38
45THình 3-2: Phương pháp xử lý nền bằng móng cọc45T 40
45THình 3-3: Kết cấu buồng âu mặt cắt chữ nhật45T 40
45THình 3-4: Sơ đồ bố trí cọc điển hình45T 43
45THình 3-5: Sơ họa khối móng quy ước45T 44
45THình 3-6: Mặt bằng móng cọc quy ước45T 44
45THình 3-7: Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc45T 45
45THình 3-8: Sức chịu tải kéo của cọc mở rộng chân45T 47
45THình 3-9: Sự huy động sức kháng45T 48
45THình 3-10: Sự làm việc của hệ đài - cọc, cọc và nền đất45T 53
45THình 3-11: Sơ đồ tính toán kết cấu bản khi xem đầu cọc như một gối đàn hồi45T 56
45THình 3-12: Mô tả phương pháp tính lún của Gambin45T 56

45THình 3-13: Mô hình tính toán trong phương pháp45T 58
45THình 3-14: Mô hình tính toán, phương pháp sử dụng lò xo thay thế tương tác cọc-đất45T59
45THình 4-1:Vị trí vùng dự án trên bản đồ Việt Nam45T 63
45THình 4-2:Vị trí vùng dự án trên bản đồ hành chính Quận 7- Tp.Hồ Chí Minh45T 64
45THình 4-3:Vùng tuyến dự kiến xây dựng công trình (Google Earth)45T 66
45THình 4-4:Bình đồ vị trí tuyến 1- tuyến chọn45T 67
45THình 4-5:Bình đồ bố trí tổng thể công trình45T 72

viii

45THình 4-6:Chính diện công trình (nhìn từ phía sông Sài Gòn)45T 73
45THình 4-7:Mặt bằng, cắt dọc âu thuyền45T 74
45THình 4-8:Cắt ngang âu thuyền (mặt cắt điển hình)45T 77
45THình 4-9:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp thi công 145T 78
45THình 4-10:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp thi công 245T 78
45THình 4-11:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp vận hành 145T 79
45THình 4-12:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp vận hành 245T 79
45THình 4-13:Mặt bằng bố trí cọc dưới âu thuyền45T 92
45THình 4-14:Mô hình hóa tường âu phía sông(trái) và phía bờ (phải)45T 93
45THình 4-15:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH thi công2 45T93
45THình 4-16:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH thi công245T 94
45THình 4-17:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH vận hành 145T . 94
45THình 4-18:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH vận hành 145T 94
45THình 4-19:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH vận hành 245T . 95
45THình 4-20:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH vận hành 245T 95
45THình 4-21:Mô phỏng kết cấu âu thuyền.45T 97
45THình 4-22:Biểu đồ ứng suất S11, S22- TH Thi công 145T 98
45THình 4-23:Biểu đồ ứng suất S12, Smax- TH Thi công 145T 98
45THình 4-24:Biểu đồ ứng suất Smin, Svm- TH Thi công 145T 99
45THình 4-25:Biểu đồ moomen M11,M22 - TH Thi công 145T 99

45THình 4-26:Biểu đồ moomen Mmax, Mmin- TH Thi công 145T 100
45THình 4-27:Biểu đồ lực dọc và mômen M33 trong cọc dưới đáy âu-TH thi công 145T 100
45THình 4-28:Biểu đồ ứng suất S11, S22- TH Thi công 245T 101
45THình 4-29:Biểu đồ ứng suất S12, Smax- TH Thi công 245T 101
45THình 4-30:Biểu đồ ứng suất Smin, Svm- TH Thi công 245T 102
45THình 4-31:Biểu đồ moomen M11,M22 - TH Thi công 245T 102
45THình 4-32:Biểu đồ moomen Mmax, Mmin- TH Thi công 145T 103
45THình 4-33:Biểu đồ lực dọc và mômen M33 trong cọc dưới đáy âu-TH thi công 245T 103
45THình 4-34:Biểu đồ ứng suất S11, S22- TH vận hành 145T 104

ix

45THình 4-35:Biểu đồ ứng suất S12, Smax- TH vận hành 145T 104
45THình 4-36:Biểu đồ ứng suất Smin, Svm- TH vận hành 145T 105
45THình 4-37:Biểu đồ moomen M11,M22 - TH vận hành 145T 105
45THình 4-38:Biểu đồ moomen Mmax, Mmin- TH vận hành 145T 106
45THình 4-39:Biểu đồ lực dọc và mômen M33 trong cọc dưới đáy âu-TH vận hành 145T106
45THình 4-40:Biểu đồ ứng suất S11, S22- TH vận hành 245T 107
45THình 4-41:Biểu đồ ứng suất S12, Smax- TH vận hành 245T 107
45THình 4-42:Biểu đồ ứng suất Smin, Svm- TH vận hành 245T 108
45THình 4-43:Biểu đồ moomen M11,M22 - TH vận hành 245T 108
45THình 4-44:Biểu đồ moomen Mmax, Mmin- TH vận hành 245T 109
45THình 4-45:Biểu đồ lực dọc và mômen M33 trong cọc dưới đáy âu-TH vận hành 245T109


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
45TBảng 3-1: Một số chỉ tiêu phân loại nền đất yếu45T 38
45TBảng 3-2: Quan hệ giữa Nc và Su45T 51

45TBảng 3-3: Các hệ số điều kiện làm việc của đất45T 52
45TBảng 4-1:Tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu45T 65
45TBảng 4-2:Tổng hợp các đặc trưng địa kỹ thuật của các tầng đất45T 69
45TBảng 4-3:Thông số về âu thuyền45T 77
45TBảng 4-4:Tải trọng tác dụng vào âu thuyền45T 80
45TBảng 4-5:Tổng hợp sức chịu tải đất nền theo các phương pháp45T 82
45TBảng 4-6:Đặc trưng hình học bản đáy âu tính toán45T 83
45TBảng 4-7:Ứng suất đáy móng âu thuyền45T 83
45TBảng 4-8:Đặc tính của cọc ly tâm đường kính D = 80cm, 60cm45T 85
45TBảng 4-9:Bảng tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc45T 87
45TBảng 4-10:Số lượng cọc trong âu – đoạn giữa45T 91
45TBảng 4-11:Bảng tổng hợp nội lực tường âu phía sông và phía bờ45T 95
45TBảng 4-12:Tính toán hệ số nền theo phương pháp Terzaghi45T 97
45TBảng 4-13:Bảng tổng hợp nội lực của cọc dưới đáy âu45T 110
45TBảng 4-14:Bảng tổng hợp nội lực trong kết cấu âu45T 110
45TBảng 4-15:Bảng chi tiết nội lực trong kết cấu âu.45T 111
45TBảng 4-16:Bảng chi tiết nội lực trong kết cấu âu (tiếp)45T 112
45TBảng 4-17:Bảng chi tiết nội lực của cọc dưới đáy âu45T 113
45TBảng 4-18:Bảng so sánh mômen tường âu tính theo hai phương pháp45T 114

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các loại hình vận tải thì vận tải bằng đường thủy có giá thành rẻ nhất và
mang lại hiệu quả cao bởi những ưu điểm như chuyên chở được khối lượng hàng
hóa lớn, có kích thước cồng kềnh, tốc độ vận chuyển trung bình khá lớn, chi phí
nhiên liệu bỏ ra trong quá trình vận chuyển nhỏ v.v
Từ xa xưa, khi những phương tiện vận chuyển hiện đại chưa phát triển thì
thuyền bè là phương tiện quan trọng để vận chuyển hàng hoá và cũng nhờ đó con

người đi lại khắp mọi nơi trên thế giới. Những cửa sông lớn và mạng lưới các sông
nối liền với biển có một vai trò hết sức lớn lao trong sự phát triển của nhân loại.
Ngày nay, cho dù con người đã phát minh chế tạo ra rất nhiều loại phương tiện
khác phục vụ cho vận chuyển hàng hoá nhưng tàu bè vẫn giữ vai trò quan trọng cho
việc lưu thông hàng hoá bởi những ưu điểm vốn có và đặc biệt là phương tiện đưa
con người đi lại trên toàn thế giới. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển của xã hội
loài người do vấn đề thiếu hụt nguồn năng lượng cũng như quá trình đô thị hóa phát
triển nhanh nên việc xây dựng các công trình ngăn sông để giải quyết những vấn đề
bức thiết đó vô tình đã làm cản trở sự lưu thông của thuyền bè dẫn tới việc vận tải
bằng đường thủy gặp nhiều khó khăn.
Vì vậy song song với việc nghiên cứu các giải pháp xây dựng các công trình
ngăn sông thì Âu thuyền cũng được phát triển để đáp ứng được nhu cầu giao thông
thuỷ, đảm bảo an toàn thuận tiện cho tàu bè qua lại, đặc biệt là trên các con sông
lớn, các vùng cửa sông ven biển Đồngbằng sông Cửu Long có lưu lượng tàu bè với
tải trọng và kích thước khác nhau thường xuyên qua lại.
Trong những năm vừa qua, bên cạnh các công nghệ truyền thống và một số
công nghệ mới về xây dựng công trình ngăn sông đã được áp dụng khá hiệu quả vào
thực tế như CN đập Trụ đỡ, CN đập xà lan,.v.v thì vấn đề thiết kế âu thuyền phục
vụ vận tải thủy vẫn còn chưa được quan tâm đúng mức. Do đó các giải pháp về kết
cấu âu thuyền cũng là một trong những nội dung cần phải được tiếp tục nghiên cứu
hoàn thiện.

2

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu kết cấu và phương pháp tính toán âu thuyền
cho các công trình ngăn sông vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long” nhằm
từng bước tiếp cận một cách mạnh mẽ, sâu rộng hơn các công nghệ mới, góp phần
phục vụ nhu cầu cấp bách của thực tế sản xuất có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn
cao.
2. Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu kết cấu, và phương pháp tính toán âu thuyền trên các công trình
ngăn sông vùng ven biển Đồngbằng sông Cửu Long.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Cách tiếp cận:
Tiếp cận Bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân
khoa học hay các phương tiện thông tin đại chúng; qua các kết quả nghiên cứu công
trình ngăn sông trên thế giới cũng như trong nước đã có kết hợp tìm hiểu, thu thập,
và phân tích đánh giá các tài liệu có liên quan, đo đạc khảo sát thực tế hiện trạng
những vị trí đề xuất xây dựng công trình, từ đó đề ra phương án cụ thể phù hợp với
tình hình điều kiện cụ thể của nước ta.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu.
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm
ứng dụng.
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp.
4. Kết quả đạt được
- Tổng quan về các công nghệ và kết cấu xây dựng âu thuyền, phân tích những
kết quả nghiên cứu đã có trong nước và trên thế giới, xác định những vấn đề cần
phải được tiếp tục nghiên cứu bổ sung;
- Giới thiệu chung về nguyên lý, kết cấu âu thuyền vùng Đồngbằng sông Cửu
Long;
- Nghiên cứu, phân tích kết cấu và phương pháp tính toán âu thuyền.

3

Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
1.1. Tính cấp thiết phải xây dựng các công trình ngăn sông
Trong các loại hình vận tải thì vận tải bằng đường thủy có giá thành rẻ nhất và
mang lại hiệu quả cao bởi những ưu điểm như chuyên chở được khối lượng hàng
hóa lớn, có kích thước cồng kềnh, tốc độ vận chuyển trung bình khá lớn, chi phí

nhiên liệu bỏ ra trong quá trình vận chuyển nhỏ v.v
Trên thế giới, các công trình ngăn sông lớn nói chung và âu thuyền nói riêng
được xây dựng khá sớm với nhiều hình thức kết cấu và biện pháp thi công khác
nhau. Các âu thuyền được xây dựng trong công trình ngăn sông trên thế giới thường
kết hợp đa mục tiêu (giao thông thủy, du lịch…) vì vậy chúng được thiết kế với
nhiều kiến trúc mang tính thẩm mỹ rất cao và phù hợp với quy hoạch tổng thể nên
trở thành những điểm du lịch hấp dẫn.
Việt Nam có một hệ thống sông ngòi dày đặc từ bắc vào nam và rất nhiều cửa
sông lớn đổ ra biển như: Sông Hồng, sông Thái Bình (Bắc Bộ), sông Mã, sông Lam,
sông Thạch Hãn, sông Trà Khúc (Trung Bộ), hệ thống sông Đồng Nai và sông Cửu
Long (Nam Bộ) Các con sông này đóng vai trò hết sức to lớn trong phát triển kinh
tế xã hội nước ta như cấp nước tưới, sinh hoạt, dân sinh, công nghiệp, phát điện, vận
tải thuỷ…Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, tình hình biến đổi khí hậu diễn ra
ngày càng phức tạp, ảnh hưởng rất nhiều tới quy luật dòng chảy, từ đó ảnh hưởng
bất lợi tới tình hình phát triển kinh tế xã hội, đời sống dân sinh.
Điều này đặt ra rất nhiều thách thức cho việc nghiên cứu các giải pháp xây
dựng các công trình ngăn sông lớn nhằm đảm bảo các mục tiêu như ngăn mặn, giữ
ngọt, giao thông, dân sinh kinh tế. Việc ngăn sông lớn kết hợp với xây dựng các giải
pháp Âu thuyền sẽ đạt được nhiều mục đích như giữ nước và đáp ứng được nhu cầu
giao thông thuỷ, đảm bảo an toàn thuận tiện cho tàu bè qua lại, đặc biệt là trên các
con sông lớn, các vùng cửa sông ven biển Đồngbằng sông Cửu Long có lưu lượng
tàu bè với tải trọng và kích thước khác nhau thường xuyên qua lại.

4

1.2. Tổng quanvề âu thuyền[4]
Âu thuyền là công trình thủy công đưa tàu bè qua nơi có mực nước chênh lệch
bằng cách cho tàu vào trong buồng âu và thay đổi mực nước trong buồng âu cân
bằng dần dần với mực nước thượng lưu, hạ lưu.

Hình 1-1: Bản vẽ âu thuyền cổ và cửa van chữ nhân, Trung quốc-1497
P
[4]

1.2.1. Cấu tạo chung của âu thuyền
Âu thuyền gồm 3 bộ phận chủ yếu: thân âu, đầu âu và kênh dắt thuyền.

Hình 1-2: Cấu tạo chung âu thuyền[4]
1-Đầu âu trên; 2-Đầu âu dưới; 3-Buồng âu; 4-Cửa âu trên; 5-Cửa âu dưới;
6-Tường dẫn hướng; 7- Bến đợi; 8-Phai sửa chữa; 9-Ống dẫn nước;
10,11-Tường âu; 12,13-Đáy đầu buồng âu

5

Đầu âu: có nhiệm vụ giữ độ chênh lệch mực nước giữa thượng hạ lưu với
buồng âu và đặt các thiết bị của âu như cửa âu, hệ thống cấp tháo nước, thiết bị
đóng mở cửa âu, van cấp tháo, phai sửa chữa, dây an toàn chống thuyền va vào
cửa
Đầu âu gồm có đầu âu trên và đầu âu dưới, ngoài ra với âu đa cấp còn có đầu
âu giữa.
Buồng âu: là phần giới hạn bởi đầu âu trên và đầu âu dưới, là nơi để chứa tàu
thuyền và đưa tàu lên xuống theo mực nước thay đổi.
Kích thước buồng âu thuyền được tính toán, xác định dựa trên số liệu thống
kê, quy hoạch của con sông có công trình ngăn nước như đập, cống xem xét đến
giao thông thuỷ trong tương lai. Kết cấu buồng âu thuyền có thể là một khoang
tường thẳng đứng bằng BTCT hoặc là một đoạn sông gia cố hai bờ bằng BTCT
hoặc bằng đá xây. Mặt cắt ngang buồng âu có thể là hình chữ nhật, hình thang, hoặc
kết hợp cả hình chữ nhật và hình thang.
Loại mặt cắt chữ nhật thường được sử dụng, nhất là trong trường hợp cột nước
cao. Loại này có ưu điểm là lợi dụng được toàn bộ chiều rộng của buồng âu để đậu

thuyền, do vậy tiết kiệm được lượng nước tiêu hao mỗi lần tháo qua âu.
Loại mặt cắt hình thang dùng khi cột nước thấp, loại này có kết cấu đơn giản.
Song thuyền chỉ đậu được trong phạm vi bằng chiều rộng đáy buồng âu, để đảm bảo
khi mực nước trong buồng âu hạ thấp, đáy thuyền không chạm vào bờ dốc buồng
âu. Vì vậy lượng nước mỗi lần tháo qua âu sẽ tốn hơn.
Loại kết cấu kết hợp bao gồm phần ở đáy theo mặt cắt chữ nhật, có dạng
tường chắn đất ở hai bên, phía trên là mái dốc theo mặt cắt hình thang. Loại này tiết
kiệm được một phần tường chắn đất và khắc phục được một phần nhược điểm mặt
cắt hình thang. Loại này được sử dụng trong trường hợp có cột nước vừa và nhỏ.
Kết cấu buồng âu cũng như bất kỳ công trình thuỷ lợi khác, nó phụ thuộc vào
địa chất nền. Ở nền đá tức địa chất tốt thì buồng âu có thể đào ngay vào đá thậm
chí có thể tận dụng vách đá để làm tường âu, nhưng ở những nơi nền mềm yếu, kết
cấu buồng âu phải vững chắc hơn và nền cần được xử lý để có thể xây dựng.

6

Hệ thống cấp tháo nước:Hệ thống này nhằm mục đích dẫn nước vào buồng âu
hoặc tháo nước về hạ lưu làm cho mực nước trong buồng âu ngang bằng với mực
nước thượng lưu hoặc hạ lưu khi đưa thuyền qua âu.
Khi thiết kế các hệ thống dẫn tháo nước cho các âu thuyền cần phải thoả mãn
các điều kiện sau đây:
+ Lấy nước từ thượng lưu vào để đưa thuyền qua âu một cách tiết kiệm nhất.
+ Thời gian làm đầy và tháo cạn buồng âu là ít nhất với mọi khả năng có thể.
+ Phải đảm bảo trạng thái thuỷ lực ở trong buồng âu ổn định khi thuyền di
chuyển trong thời gian qua âu (không bị va chạm và di động mạnh), cơ động được
trong buồng âu và trong kênh dẫn.
Hệ thống dẫn tháo nước gồm hai loại chủ yếu: dẫn tháo tập trung và dẫn tháo
phân tán. Loại tập trung như dẫn nước qua lỗ cửa chính, vòng quanh đầu âu hoặc
ngưỡng đáy âu. Loại phân tán nước được dẫn phân tán dọc theo tường âu hoặc đáy
buồng âu.

Kênh đầu âu: (kênh dắt tàu) là bộ phận nhằm đảm bảo tàu ra vào âu được xuôi
thuận an toàn, gồm có:
Kênh đầu âu thượng lưu: là bộ phận nối tiếp đầu âu trên với kênh dẫn thượng
lưu;Kênh dẫn đầu âu hạ lưu: là bộ phận nối tiếp đầu âu dưới với kênh dẫn hạ lưu.
Trên mỗi kênh đầu âu có:
+ Tường dẫn hướng: để hướng tàu ra vào âu thuận lợi, dễ dàng.
+ Bến đợi: nơi để tàu neo đỗ chờ đợi qua âu.
+ Đê chắn sóng: bảo vệ tàu, công trình khỏiảnh hưởng của sóng lớn.
Kênh dẫn: là đoạn tiếp theo kênh đầu âu với tuyến sông hay kênh đào.

7

1.2.2. Phân loại âu thuyền[15]
1.2.2.1. Theo số lượng buồng âu bố trí theo hàng dọc

Hình 1-3: Âu thuyền đơn cấp
1-Cửa âu trên; 2-Cửa âu dưới;
3-Ngưỡng âu; 4-Khối nước cấp tháo

Hình 1-4: Âu thuyền đa cấp
1-Cửa âu; H-Cột nước chênh lệch;
S
R
b
R-Độ sâu các buồng âu
Âu thuyền đơn cấp:Tàu thuyền vượt qua cột nước chênh lệch thượng hạ lưu
chỉ qua một buồng âu thuyền.
Âu thuyền đa cấp:Âu thuyền có từ hai buồng âu trở lên, bố trí nối tiếp nhau để
tàu có thể vượt qua cột nước chênh lệch lớn.
1.2.2.2. Theo cách đặt cửa cấp nước

Cửa van bố trí ngập (dưới mực nước hạ lưu)
Cửa van bố trí không ngập (trên mực nước hạ lưu)


Hình 1-5: Cửa van bố trí
ngập
Hình 1-6: Cửa van không ngập
1-Buồng tiêu năng; 2-Các thanh điều chỉnh lưu
lượng

8

1.2.2.3. Theo số lượng buồng âu bố trí theo hàng ngang
Âu thuyền đơn tuyến: Trên tuyến chạy tàu, tại một mặt cắt ngang chỉ có một
buồng âu.

Hình 1-7: Âu thuyền đơn tuyến
Âu thuyền đa tuyến: Bố trí song song 2 buồng âu trở lên trên mặt cắt ngang.
Âu thuyền đa tuyến thường được xây dựng tại vùng sông có mật độ tàu bè lớn, mà
xây âu đơn tuyến thì không đáp ứng được yêu cầu thông thuyền.

Hình 1-8: Âu thuyền đa tuyến
Để tiện cho thiết kế và thi công, 2 âu thuyền có thể giống nhau, tùy theo tình
hình vận tải và tiết kiệm nước mà có thể thiết kế 2 âu thuyền không giống nhau
(tuyến ngắn và tuyến dài).

Hình 1-9: Hình ảnh cho âu thuyền đa tuyến

9

1.2.2.4. Theo phương pháp cấp tháo nước
• Âu thuyền cấp tháo nước trực tiếp
Trường hợp này cửa âu thuyền đồng thời làm nhiệm vụ cửa van cấp tháo
nước. Loại này thường áp dụng nơi có cột nước chệnh lệch nhỏ.

Hình 1-10: Một số dạng cấp nước trực tiếp
• Âu thuyền cấp nước bằng đường ống
Cấp tháo nước tập trung bằng đường ống ngắn, dùng với âu thuyền nhỏ, cột
nước thấp, ống ngắn có thể bố trí vòng ngang đầu âu hoặc luồn dọc đứng trong
tường đầu âu trên.

Hình 1-11: Cấp nước tập trung bằng đường ống ngắn
1-Cửa âu; 2-Cống dẫn nước; 3-Ngưỡng âu;
4-Các thanh điều chỉnh lưu lượng; 5- Buồng tiêu năng;
• Cấp tháo nước phân tán bằng đường ống dài, dùng với âu thuyền lớn, cột
nước cao.

10


Hình 1-12: Cấp nước phân tán bằng đường ống dài
1.2.3. Cửa van dùng trong âu thuyền[15]
Cửa van dùng trong âu thuyền (cửa thông thuyền) là kết cấu ngăn chăn nước
hoặc tháo nước ở phía đầu âu để đưa thuyền bè từ thượng lưu xuống hạ lưu, hoặc
ngược lại bằng khối nước trong bụng âu chứ không phải dùng lực cơ giới nâng hạ
thuyền bè.
Hình 1-13: Các loại cửa thường dùng trong âu thuyền
a-Cửa phẳng chìm; b- Cửa cung; c-Cửa clape trục dưới; d-Cửa phẳng đẩy ngang;
1.2.3.1. Cửa phẳng chìm
Cửa này thường bố trí đầu âu trên, được thả chìm xuống trong khe van để cho

thuyền bè từ phía thượng lưu đi xuống hạ lưu hoặc ngược lại. Cho nước chảy đầy
bụng âu bằng cách kéo cửa van lên và sử dụng cột nước chênh lệch đã tạo thành từ
phía thượng lưu vào bụng âu. Cột nước chênh lệch không lớn hơn 15m thường
khoảng 5 ÷ 6m. Việc nâng hạ cửa phải dùng thiết bị có sức nâng lớn nên cồng kềnh
và do đó làm giá thành xây dựng cao.
1.2.3.2. Cửa cung
Cửa này dùng ở âu thuyền là loại cửa cung chìm sập xuống để thuyền bè đi
qua ở trên, thường dùng ở đầu âu trên. Cửa cung dùng trong trường hợp này củng
giống như cửa phẳng chìm đều dùng để tháo nước đầy bụng âu. Cửa dùng xích hoặc
xi lanh thủy lực nâng hạ từ hai bên.
a). b). c).
d).

11

1.2.3.3. Cửa chữ nhân
Cửa chữ nhân là loại hình thức cửa âu thuyền khá phổ biến. Cửa làm việc
theo nguyên tắc quay xung quanh trục đứng và khi đóng thì tựa vào nhau dạng chữ
nhân, góc nghiêng thường dùng là 20
P
0
P.
Cửa thường làm bằng thép dùng cho mọi loại âu thuyền, cửa làm bằng bê
tông cốt thép dùng cho âu thuyền nhỏ cột nước thấp ở vùng triều chịu mặn.
Cửa chữ nhân thường dùng ở đầu âu dưới đối với âu thuyền đơn cấp. Đối với
âu thuyền đa cấp có thể dùng ở đầu âu trên và các đầu âu giữa. Với đầu âu trên khi
có cột nước dao động lớn thì dùng cửa chữ nhân không kinh tế vì kết cấu cồng kềnh
và chế độ nội lực cũng như cơ cấu đóng mở phân bố không hợp lý.
Cửa gồm có các bộ phận chính: Tấm bưng, hệ thống dầm chính ngang hoặc
đứng, bộ phận trục quay, bộ phận tựa và làm chuẩn, dầm chéo và các thiết bị chắn

nước bằng gỗ hay cao su. Thiết bị đóng mở cửa có thể dùng tời, thanh răng bánh
răng hoặc xi lanh thủy lực.

Hình 1-14: Cửa van chữ nhân
1.2.3.4. Cửa phẳng kéo lên


12

Hình 1-15: Cửa van phẳng kéo lên
Cửa phẳng này dùng cho các âu thuyền kiểu giếng có cột nước chênh lệch
cao, thường bố trí phía đầu âu dưới và trước tường ngực. Khi cho thuyền đi qua cần
đảm bảo tĩnh không thông thuyền không bị vướng. Cửa phẳng kéo lên làm việc
trong điều kiện nước cân bằng nhờ có hành lang thoát nước.
1.2.3.5. Cửa Clape trục dưới
Là một loại cửa phẳng xoay chung quanh các trục tựa nằm ngang, cửa thường
dùng ở đầu âu thượng lưu. Do kết cấu cửa có các gối tựa củng như bản thân cửa đều
nằm dưới nước nên việc kiểm tra và sửa chữa có nhiều khó khăn.
1.2.3.6. Cửa cung trục đứng

Hình 1-16: Cửa van cung trục đứng
Là một loại cửa cung kép có trục quay thẳng đứng, kết cấu cửa chịu lực khỏe,

13

thích hợp dùng ở các âu thuyền chênh mực nước cao hoặc ở vùng chịu ảnh hưởng
của thủy triều chịu lực nước hai chiều.
Cửa gồm có các bộ phận chính: Tấm bưng, hệ thống dầm chính ngang hoặc
đứng, bộ phận trục quay, bộ phận càng van và các thiết bị chắn nước bằng gỗ hay
cao su.

1.2.3.7. Cửa van phẳng đẩy ngang
Là một loại cửa phẳng phao, một đầu phía trên có gắn xe chạy, một đầu phía
dưới cùng gắn bánh xe lăn và chạy trên các đường ray tương ứng. Cửa đóng mở
được nhờ một hệ thống xích kéo liên tục. Lúc cửa đóng, nó chịu một áp lực nước và
toàn bộ áp lực nước đó được truyền vào bê tông đầu âu qua hai dầm đứng ở hai đầu
cửa. Khi mở cửa cho thuyền bè qua lại, cửa được kéo vào buồng bên cạnh.
Cửa phẳng đẩy ngang được dùng làm cửa chính, cửa sự cố hoặc cửa sửa
chữa. Van thông nước cân bằng cửa âu thường bố trí ngay trên cửa chính mà không
bố trí hành lang và cửa thông nước riêng.

Hình 1-17: Tổng thể âu thuyền Zandvilied và Bezendrecht – Bỉ
1.2.3.8. Cửa van trụ xoay
Là một loại cửa van dùng ở âu thuyền có cột nước thấp và không có bố trí
hành lang tháo nước. Đó là một loại của có kết cấu không gian phức tạp gắn liền với
hai đĩa chịu xoắn lắp đối trọng để cân bằng với trọng lượng tấm bưng chắn nước.

14

Đối trọng bố trí liền với cửa ở hai phía vách âu thuyền. Việc đóng mở cửa nhờ một
cơ cấu làm xoay đĩa để tháo nước cho thuyền bè qua lại.
Hình 1-18: Cửa van trụ xoay
1.3. Tổng quan các công trình âu thuyền trong nước và trên thế giới[4]
1.3.1. Âu thuyền trên thế giới[4]
1.3.1.1. Hệ thống âu thuyền trên kênh đào Panama
Kênh đào Panama với chiều dài 80,5 km kết nối Đại Tây Dương và Thái Bình
Dương lại với nhau, theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Việc xây dựng kênh đào này
là một trong những dự án lớn nhất và khó khăn nhất từ trước tới nay, nó ảnh hưởng
rất lớn đến việc vận tải thuỷ giữa hai Đại Tây Dương, xoá bỏ hành trình dài và nguy
hiểm từ trước đến nay khi thuyền cần đi từ biển Đại Tây Dương đến Thái Bình
Dương và ngược lại. Hệ thống kênh đào này được sử dụng từ năm 1914. Với 3

chiếc âu thuyền để nâng và hạ các chiếc thuyền lớn với độ cao trên mực nước biển
là 26 m qua hệ thống đường thuỷ nội địa. Ba âu thuyền trên hệ thông kênh này là:
Gatun, Pedro Miguel và Miraflores. Các con tàu bắt đầu từ vùng biển Đại Tây
Dương đến vùng biển Thái Bình Dương bắt đầu từ âu thuyền Gatun và kết thúc là
âu thuyền Miraflores. Hàng năm có khoảng 14.000 tàu thuyền qua lại và mang theo
khoảng 203 triệu tấn hàng hoá theo số liệu quản lý của Panama trong năm 2006.