NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MỘT SỐ YÊU CẦU KỸ THUẬT THI CÔNG HẠ CHÌM ỐNG XI PHÔNG KẾT CẤU THÉP TRONG TCVN 86422011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

----------

VŨ ĐỨC TÀI

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MỘT SỐ
YÊU CẦU KỸ THUẬT THI CÔNG HẠ CHÌM
ỐNG XI PHÔNG KẾT CẤU THÉP
TRONG TCVN 8642-2011

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM NGỌC KHÁNH
TS. PHẠM XUÂN KHANG

Hà Nội – 2011


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục đính nghiên cứu đề tài ........................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................... 2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH XI PHÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
HẠ CHÌM
1.1. Sự phát triển của công trình Xi phông ....................................................... 4
1.2. Các phương pháp thi công hạ chìm Xi phông đã và đang được áp dụng 13
1.2.1. Phương pháp hạ chìm có gối đỡ ............................................................. 4
1.2.2. Phương pháp hạ chìm dùng phao ........................................................... 5
1.2.3. Phương pháp hạ chìm tự do .................................................................... 7
1.2.4. Phương pháp hạ chìm dùng cần cẩu nổi hoặc các gối đỡ mang thiết bị
nâng ................................................................................................................... 9
1.2.5. Phương pháp kéo trượt ngang đáy sông................................................ 10
1.3. Sự quan trọng của quá trình hạ chìm xi phông bằng phương pháp hạ chìm
tự do ................................................................................................................. 14
CHƯƠNG 2
MỘT SỐ YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG TÍNH TOÁN HẠ CHÌM XI
PHÔNG ĐƯỢC QUY ĐỊNH TRONG TCVN 8642-2011 VÀ CƠ SỞ KHOA
HỌC CỦA MỘT SỐ CÁC QUY ĐỊNH NÀY
2.1. Một số yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong thi công hạ chìm ống xi phông
kết cấu thép quy định trong TCVN 8642 : 2011 ............................................. 27
2.1.1. Yêu cầu của công tác chuyên chở đường ống từ nơi sản xuất đến công
trường lắp ráp hoàn thiện đường ống ............................................................. 28
Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học18C11

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật về lắp ráp đường ống trong hào thi công trước khi hạ
chìm ................................................................................................................. 30
2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật neo giữ ống xi phông trên mặt nước chờ hạ chìm..... 35
2.1.4. Yêu cầu về kiểm tra xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của
đường ống khi xi phông trong quá trình hạ chìm ........................................... 35
2.1.5. Yêu cầu về tính toán xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của
đường ống sau khi đã được neo giữ hoặc lấp phủ bề mặt .............................. 35
2.2. Cơ sở khoa học của một số tiêu chuẩn đã quy định - Đặt bài toán tính
toán để thực hiện các tiêu chuẩn quy định trên cơ sở thuật toán của phương
pháp phần tử hữu hạn ...................................................................................... 38
2.3. Giới thiệu về phần mềm sap2000 sử dụng trong luận văn ...................... 43
2.3.1 Hệ thống đơn vị (Unit Sytem) - SAP 2000 ............................................. 38
2.3.2 Hệ thống toạ độ (Coordinate Systems) .................................................. 38
2.3.3. Chọn cửa sổ màn hình (Windows) ........................................................ 39
2.3.4. Tạo hệ lưới phẳng và không gian ......................................................... 40
2.3.5. Chức năng vẽ các phần tử thanh........................................................... 41
2.3.6. Chọn đối tượng để thực hiện các lệnh tiếp theo (xoá, gán, sao chép,
nhân bản, di chuyển,...) ................................................................................... 41
2.3.7. Xoá một số bộ phận của kết cấu đã vẽ hoặc khôi phục bộ phận
vừa xoá) .......................................................................................................... 41
2.3.8. Nhân bản một số bộ phận của kết cấu .................................................. 41
2.3.9. Chức năng chia phần tử dầm thành nhiều phần tử nhỏ ....................... 41
2.3.10. Chức năng di chuyển nút..................................................................... 41
2.3.11. Kết cấu mẫu......................................................................................... 41
2.3.12. Định nghĩa đặc trưng hình học và vật liệu của các phần tử .............. 41

2.3.13. Gán các đặc trưng hình học và vật liệu vào các phần tử của kết cấu
......................................................................................................................... 41
Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học18C11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

2.3.14. Gắn liên kết ......................................................................................... 41
2.3.15. Định nghĩa trường hợp tải trọng......................................................... 41
2.3.16. Gán tải trọng vào kết cấu .................................................................... 41
2.3.17. Tổ hợp tải trọng (Load Combinations) ............................................... 41
2.3.18. Sắp xếp lại mã nút và mã phần tử (Change Labels) ........................... 41
2.3.19. Kiểm tra số liệu nhập vào ................................................................... 41
2.3.20. Phân tích kết cấu đã mô hình hoá ....................................................... 41
2.3.21. Hiển thị hình dạng biến dạng của kết cấu .......................................... 41
2.3.22. Hiển thị nội lực hoặc ứng suất của các thành phần kết cấu ............... 41
2.4. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để làm sáng tỏ cơ sở khoa học của
các yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 8642:2011 nêu trên .................................. 41
2.4.1. Cơ sở khoa học của yêu cầu kỹ thuật chuyên chở đường ống từ nơi sản
xuất đến công trường lắp ráp hoàn thiện đường ống ..................................... 41
2.4.2. Cơ sở khoa học của yêu cầu kỹ thuật lắp ráp đường ống trong hào thi
công trước khi hạ chìm.................................................................................... 41
2.4.3. Cơ sở khoa học của yêu cầu kỹ thuật neo giữ ống xi phông trên mặt
nước chờ hạ chìm ............................................................................................ 41
2.4.4. Cơ sở khoa học của yêu cầu kỹ thuật tính toán trạng thái ứng suất
trong quá trình hạ chìm................................................................................... 41

2.4.5 Cơ sở khoa học của yêu cầu về tính toán xác định trạng thái ứng suất –
biến dạng của đường ống sau khi đã được neo giữ hoặc lấp phủ bề mặt ...... 41
CHƯƠNG 3
ÁP DỤNG TCVN 8642 : 2011 TÍNH TOÁN THI CÔNG CÔNG TRÌNH
XI PHÔNG SÔNG CHANH
3.1. Giới thiệu công trình xi phông Sông Chanh ............................................ 44
3.1.1. Nhiệm vụ của công trình ....................................................................... 44
3.1.2. Hiện trạng công trình ............................................................................ 44
Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học18C11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

3.2. Thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình xi phông sông Chanh mới .... 44
3.3. Áp dụng TCVN 8642:2011 tính toán phương án thi công hạ chìm xi
phông sông Chanh ........................................................................................... 44
3.3.1. Các số liệu cơ bản dùng để tính toán.................................................... 44
3.3.2. Tính toán con kê để nối ống trong hào lắp ráp..................................... 44
3.3.3. Tính toán neo giữ ống trên mặt nước chờ hạ chìm ............................... 44
3.3.4. Tính toán hạ chìm ống xi phông ........................................................... 44
3.3.5. Tính toán trạng thái ứng suất của ống sau khi đã hạ chìm xong
......................................................................................................................... 44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận ....................................................................................................... 86
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt ........................................................................................................ 88
Tiếng Anh ........................................................................................................ 89
Tiếng Nga ........................................................................................................ 89
THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Danh sách công trình xi phông xây dựng ở Việt Nam
Bảng 2.1: Hệ số gối đỡ ko ( Theo TCVN 8642:2011)
Bảng 3.1: Tải trọng tác dụng lên ông khi neo
THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Siphon
Hình 2.1: Bố trí các đầu cảm biến
Hình 2.2: Sơ đồ giải bài toán kết cấu theo phương pháp PTHH
Hình 2.3: Dầm đặt trên gối cứng
Hình 2.4: Sơ đồ tính ống và dây neo
Hình 2.5: Sơ đồ quá trình hạ chìm ống dài
Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học18C11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

Hình 2.6: Sơ đồ tính toán đường ống hạ chìm tự do dạng uốn cong hình chữ S
Hình 2.7: Sơ đồ tính toán đường ống hạ chìm tự do ống có dạng công xôn bị
uốn.
Hình 2.8. Sơ đồ hạ chìm xi phông ống ngắn.
Hình 2.9: Sơ đồ tính toán ứng suất biến dạng của ống xi phông khi đã được
neo giữ đúng tuyến thiết kế.
Hình 3.1 : Sơ bộ bố trí dây neo cánh đều nhau

Hình 3.2 : Tải trọng tác dụng lên đường ống khi neo ngang sông
Hình 3.3 :Biểu đồ Mômen xuất hiện trong ống khi bố trí cáp đều nhau
Hình 3.4 :Biểu đồ lực cắt xuất hiện trong ống khi bố trí cáp đều nhau
Hình 3.5 :Lực dọc xuất hiện trong cáp neo khi bố trí cáp đều nhau.
Hình 3.6 : Chuyển vị của ống xi phông khi bố trí neo đều nhau
Hình 3.7 : Sơ bộ bố trí lại vị trí dây neo theo sự phân bố tải trọng
Hình 3.8 : Tải trọng tác dụng lên đường ống khi neo ngang sông
Hình 3.9 :Biểu đồ Mômen xuất hiện trong ống sau khi bố trí lại neo.
Hình 3.10 :Biểu đồ lực cắt xuất hiện trong ống sau khi bố trí lại neo.
Hình 3.11: Lực dọc xuất hiện trong cáp neo sau khi bố trí lại neo.
Hình 3.12: Chuyển vị của ống xi phông sau khi bố trí lại neo.
Hình 3.13: Ống xi phông bị uốn cong hình chữ S
Hình 3.14 Kết quả giải phương trình siêu việt tìm n
Hình 3.15: Kết thúc giai đoạn 1
Hình 3.16: Mô hình tính toán nội lực trong ống khi được cố định trong hào
Hình 3.17 :Biểu đồ Mômen xuất hiện trong ống khi được cố định trong hào.
Hình 3.18 :Biểu đồ chuyển vị khi ống được cố định trong hào.

Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học18C11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn đề tài “Nghiên cứu cơ sở
khoa học của một số yêu cầu kỹ thuật thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép

trong TCVN 8642 : 2011”, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình,
chu đáo của các nhà khoa học, các chuyên gia và đồng nghiệp.
Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo Giáo sư, Tiến sĩ Phạm
Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong
nghiên cứu khoa học nói chung cũng như trong bản thân luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Công
trình, bộ môn Sức bền-Kết cấu, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học trường đại
học Thuỷ Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ
thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn.
Do trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn
chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp, trao đổi chân thành. Tác giả
hi vọng rằng những vấn đề còn tồn tại của luận văn sẽ được phát triển ở mức độ
nghiên cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất.

Hà Nội, tháng 2 năm 2012

Vũ Đức Tài

Học viên: Vũ Đức Tài

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

MỞ ĐẦU

Nước là nơi bắt đầu của sự sống. Có lẽ vì vậy mà mọi sinh vật trên trái
đất đều cần có nước để tồn tại. Và con người chúng ta cũng không ngoại lệ,
chính vì thế các nền văn minh của loài người luôn bắt nguồn từ những con
sông. Như nền văn minh sông Ấn, nền văn minh sông Nil hay nền văn minh
sông Hồng…
Con người dùng nước để sinh hoạt, để sản xuất lương thực, để phát
điện… Và để có nước sử dụng con người xây dựng các công trình dẫn nước
từ các hồ chứa nước tự nhiên hoặc nhân tạo bằng kênh dẫn nước hoặc đường
ống kín.
Đất nước Việt Nam của chúng ta có một hệ thông sông ngòi dày đặc,
trong quá trình thi công các công trình dẫn nước theo tuyến, việc phải dẫn
nước vượt qua sông là chuyện rất dễ gặp phải.
Một trong những công trình được sử dụng phổ biến để dẫn nước vượt
qua các con sông chính là “Xi phông”.
Xi phông là các ống dẫn nước bằng thép, bằng bê tông hoặc các vật liệu
khác. Các kỹ sư sử dụng xi phông khi cần dẫn nước luồn qua các công trình
khác hay luồn qua các con sông …để đảm bảo việc dẫn nước được liên tục
mà không làm ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các công trình đó
hay ảnh hưởng đến giao thông thủy trên các dòng sông cần dẫn nước vượt qua
nó.
Để thi công lắp đặt các ông xi phông qua các công trình khác, các kỹ sư
thường cắt công trình ra để xây lắp ống xi phông rồi sau đó xây hoàn trả lại.
Ví dụ như xi phông qua đường giao thông, kênh dẫn nước có trước,…kể cả
khi cần thi công xi phông qua các sông có mực nước tương đối nhỏ và ít thay
đổi người ta cũng có thể sử dụng phương pháp thi công này. Họ sử dụng đê
Học viên: Vũ Đức Tài

1

Lớp: Cao học 18C11

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

quây, sau đó bơm cạn nước ra khỏi hố móng và tiến hành lắp đặt hoặc xây
dựng đường ống xi phông.
Nhưng đối với trường hợp sông có mực nước lớn, nếu thi công bằng
phương pháp này sẽ rất tốn kém. Khi đó các kỹ sư thường thi công lắp đặt
ống xi phông ngay trong dòng nước đang chảy. Trong trường hợp này ống xi
phông kết cấu thép là lựa chọn tối ưu. Để có thể lắp đặt đường ống xi phông
vào đúng tuyến thiết kế trong khi dòng nước đang chảy là một việc không hề
đơn giản. Một trong các phương pháp thường được sử dụng đó là phương
pháp “hạ chìm” ống xi phông. Nghĩa là định vị ống vào đúng tuyến trên mặt
nước nhờ hệ thống neo, sau đó bơm nước vào ống để ống chìm dần xuống
đáy vào đúng tuyến hào thiết kế.
Trong quá trình hạ chìm ống xi phông rất dễ xảy ra những sự cố, như là
ống cong quá mức hay ống nằm lệch khỏi tuyến hào… Để có thể thi công hạ
chìm ống xi phông vào đúng tuyến hào thiết kế mà không làm đường ống
cong vênh, thậm chí đứt gãy trong qua trình ống chìm xuống, yêu cầu người
kỹ sư phải có đủ kiến thức chuyên môn về lĩnh vực này.
Hiện nay, Bộ khoa học và Công nghệ đã công bố TCVN 8642:2011 quy
định về các yêu cầu kỹ thuật trong thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu
thép. Việc ban hành tiêu chuẩn này sẽ góp phần giúp các kỹ sư Việt Nam giải
quyết bài toán thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép.
Luận văn này, với mục đích nghiên cứu cơ sở khoa học của một số yêu
cầu kỹ thuật quan trọng nhất trong TCVN 8642:2011 về thi công hạ chìm ống
xi phông kết cấu thép và áp dụng tiêu chuẩn tính toán cụ thể cho một công
trình, sẽ giúp cho các đơn vị có liên quan hiểu rõ về các quy định kỹ thuật

trong tiêu chuẩn. Từ đó áp dụng tiêu chuẩn này vào để thiết kế, thẩm tra và thi
công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép.

Học viên: Vũ Đức Tài

2

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

1. Tính cấp thiết của Đề tài
“TCVN 8642 : 2011, Thi công công trình thủy lợi – Yêu cầu kỹ thuật
trong thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép” là một trong những tiêu
chuẩn quốc gia mới nhất vừa được bạn hành.
Do đó việc nghiên cứu cơ sở khoa học của tiêu chuẩn giúp cho các đơn
vị có liên quan hiểu rõ và có thể áp dụng tiêu chẩn này vào trong thực tế thi
công hạ chìm các công trình xi phông ở Việt Nam là một vấn đề cấp thiết.
Đưa ra phương pháp tính toán giải một số bài toán thực hiện các yêu cầu mà
tiêu chuẩn quy định giúp các đơn vị thiết kế và thi công áp dụng thuận lợi.

2. Mục đích của đề tài
Ứng dụng những kiến thức đã được học để nghiên cứu cơ sở khoa học
của một số yêu cầu kỹ thuật thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép trong
TCVN 8642 : 2011. Đặt và giải một số bài toán làm sáng tỏ cơ sở khoa học
một số quy định trong tiêu chuẩn giúp cho các đơn vị liên quan hiểu rõ về tiêu
chuẩn và áp dụng tiêu chuẩn vào trong thực tế. Cung cấp sơ đồ tính toán và

thuật toán để giải một số bài toán do các quy định của tiêu chuẩn đặt ra.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là một số yêu cầu về kỹ thuật trong TCVN 8642 :
2011 – Yêu cầu kỹ thuật thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép.
Dựa trên cơ sở những môn đã được học, đặt bài toán, thiết lập thuật toán
và trình bày phương pháp giải một số bài toán thi công hạ chìm ống xi phông
kết cấu thép được quy định trong TCVN 8642 : 2011.

Học viên: Vũ Đức Tài

3

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

Áp dụng tiêu chuẩn tính toán cho một công trình cụ thể làm ví dụ tham
khảo.

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Sưu tầm tài liệu, tổng quan về công trình xi phông, đặc biệt là nêu được
tầm quan trọng của quá trình thi công hạ chìm. Sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn để làm rõ cơ sở khoa học của một số yêu cầu kỹ thuật thi công hạ
chìm ống xi phông kết cấu thép trong TCVN 8642 : 2011.

Học viên: Vũ Đức Tài

4

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH XI PHÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP HẠ CHÌM
1.1. Sự phát triển của công trình Xi phông
Xi phông trong tiếng Việt Nam có nguồn gốc từ tiếng Pháp: ‘siphon’.
Trong tiếng anh cũng là ‘siphon’. Và theo định nghĩa phổ biến nhất thì siphon
từ để chỉ một ống tròn uốn cong hình chữ u dùng để dẫn chất lỏng. Nguyên
tắc hoạt động của nó là do trọng lực kéo nước ở trong ống dài chày xuống,
làm cho áp suất ở đỉnh siphon giảm và áp suất này kéo nước trong ông ngắn
chảy lên đỉnh siphon và chảy sang ống dài.

Hình 1.1: Siphon
Theo những hình vẽ tìm được của những người Ai Cập thì siphon đã
được sử dụng từ 1500 BC.
Bằng chứng về hiện vật cho thấy những kỹ sư Hy Lạp đã sử dụng siphon
từ thế kỷ 3 BC, với mục đích chính là rót chất lỏng dự trữ trong bình lớn vào
bình nhỏ. Và Alexandria đã viết về siphon trong luận án ‘Peumatica’ của ông
cũng ở khoảng thời gian này.
Học viên: Vũ Đức Tài

5

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

Ngày nay, siphon ngược (siphon có hình chữ u) được sử dụng rộng rãi
hơn trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, đặc biệt là khi cần dẫn chất lỏng
vượt qua địa hình khó khăn hay vượt qua công trình khác.
Ở Việt Nam chúng ta, từ giữa thế kỷ 20 nhiều công trình xi phông đã
được xây dựng (bảng 1.1) với nhiều loại kết cấu: bê tông cốt thép, gạch xây,
ống thép, ống nhựa hay vật liệu tổng hợp.

Bảng 1.1 Danh sách công trình xi phông xây dựng ở Việt Nam
TT

Tên công trình

Địa điểm xây
dựng

Năm xây dựng

Xi phông hồ
1 Bàu Nhum
Xi

Quảng trị

1960

Quảng ninh

1977

Thanh Hóa

1979

Hải Phòng

1994

phông

2 sông Chanh
Xi phông Cự
3 Đà
Xi

phông

4 Lạch Tray
Xi
5 sông Uông
Xi
6 sông Vệ

Học viên: Vũ Đức Tài

Quảng

phông
Ninh

1994
Quảng

phông
Ngãi

6

1995

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

Xip

phông
Nghệ An

7 sông Thái

Quảng

Xi phông Ka
Ninh

8 Long
Xi

1998
Quảng

phông

9 sông Chanh

1995

Ninh

2005

1.2. Các phương pháp thi công hạ chìm Xi phông đã và đang được áp
dụng
Các tài liệu nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp để hạ chìm xi phông
như:
- Phương pháp hạ chìm có gối đỡ;
- Phương pháp hạ chìm dùng phao;
- Phương pháp hạ chìm tự do;

- Phương pháp thả ống bằng cần cẩu nổi hoặc nhờ các thiết bị nâng;
- Phương pháp kéo trượt ngang sông theo đáy sông;
Việc lựa chọn phương pháp hạ chìm phụ thuộc và nhiều yếu tố như:
- Kết cấu ống, loại ống: Vật liệu làm ống, đường kính ống, phương pháp
nối các đoạn ống;
- Điều kiện thủy lực, thủy văn, điều kiện địa hình, địa chất như: Độ sâu,
bề rộng sông, hồ, vận tốc dòng chảy, điều kiện mặt bằng để thi công…
- Thời gian hạ chìm, điều kiện thi công…
- Phương tiện, kỹ thuật thi công.
Học viên: Vũ Đức Tài

7

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện, khả
năng thi công của mỗi nước, mỗi vùng mà lựa chọn phương pháp phù hợp.
1.2.1. Phương pháp hạ chìm có gối đỡ
Phương pháp hạ chìm có gối đỡ cho phép hạ chìm xi phông thành nhiều
giai đoạn. Công việc hạ chìm tiến hành như sau:
- Định vị một số gối (thường bằng gỗ) dọc theo chiều dài đường ống giữ
cho ống ít bị uốn khi hạ chìm.
- Ống được bịt đầu, gắn các phao tại các điểm gối và kéo ống ra tuyến
chờ hạ chìm.
- Sau khi kiểm tra vị trí của ống, neo các điểm gối nổi.

- Cần cẩu giữ để bơm nước vào ống cho cân bằng với sức đẩy nổi của
các phao.
- Giữ cần cẩu cho nước tiếp vào một số phao, lúc này cân bằng bị phá
vỡ, trọng lượng của ống được truyền tới các gối tựa.
- Đánh chìm ống đến đáy: thả dần dây cáp của tời neo ở gối một cách
đều đặn.
Trình tự cho phép gia tải đều các gối mà không cần bơm nước vào
một đầu xi phông.
* Ưu điểm:
- Có thể hạ ống chính xác vào tuyến thiết kế;
- Ống sau khi đẵ đặt trên gối vẫn có thể dịch chuyển theo hướng bất kỳ
để có thể thuật lợi nối tiếp các công trình hai đầu ống.
- Với các gối đỡ nổi, khi chìm đến đáy ống vẫn không bị uốn (trừ
khoảng cách giữa hai gối) do đó có thể hạ chìm ở độ sâu tùy ý.

Học viên: Vũ Đức Tài

8

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

* Nhược điểm:
- Đòi hỏi phải tạm dừng giao thông khi thi công đường ống.
- Yêu cầu nhiều dây neo, phao.
- Giá thành thi công khá lớn.

1.2.2 Phương pháp hạ chìm dùng phao
Dùng phao để hạ chìm xi phông theo nhiều giai đoạn khi độ sâu của sông
tương đối lớn. Phương pháp này chỉ dùng cho những nơi không có hoặc ít
phương tiện giao thông đi lại.
* Ưu điểm:
- Những phao này lắp đặt nhanh và cũng vận chuyển nhanh vào bờ khi
thi công xong.
- Loại gối này có thể sử dụng nhiều lần khi đánh chìm nhiều đường ống
nên giảm được giá thành thi công.
- Loại phao tốn kém vật liệu ít hơn so với gối đỡ.
* Nhược điểm:
- Cần khối lượng lớn gỗ dùng làm các gối tựa tạm thời nên ít được dùng.
1.2.3. Phương pháp hạ chìm tự do
Kéo ống ra tuyến thiết kế, định vị tuyến ống. Tiến hành bơm nước vào
một đầu ống, một đầu cho thoát khí. Dưới tác dụng của trọng lượng nước bơm
vào ống, ống bị uốn theo phương thẳng đứng chìm dần đến vị trí thiết kế.
* Ưu điểm:
- Không cần gối đỡ nào ở đáy sông, hồ.
- Sử dụng ít thiết bị, thiết bị đơn giản nên rẻ tiền.

Học viên: Vũ Đức Tài

9

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

* Nhược điểm:
Trong quá trình hạ chìm ống có thể bị uốn ở mức độ lớn có thể dẫn đến
trạng thái phá hoại, đây là khâu nguy hiểm nhất của quá trình thi công xi
phông, do vậy cần hết sức lưu ý khi thi công và phải tính toán đảm bảo sao
cho biến dạng của ống còn nằm trong giai đoạn đàn hồi. Độ uốn của ống phụ
thuộc vào tác động ngoài và trọng lượng bản thân của ống, hình dạng ống,
phụ thuộc vào đặc trưng hình học của mặt cắt ngang và các đặt trưng cơ học
của ống.
1.2.4. Phương pháp hạ chìm dùng cần cẩu nổi hoặc các gối đỡ mang thiết
bị nâng.
Phương pháp này thường dùng hạ chìm các ống có đường kính lớn với
điều kiện địa hình, điều kiện thủy văn thuận lợi. Sau khi giữ ống ở tuyến hạ
chìm, giữ ống ổn định bằng gối đỡ ta sử dụng tải dằn hoặc tải bằng nước nhồi
vào ống. Để làm giảm bớt tải tác dụng vào ống có thể dùng thêm một số phao
giảm tải. Giữ ống bằng cần cẩu ở 2 đầu và hạ từ từ cho ống chìm tới đấy hào.
* Ưu điểm:
- Có thể hạ chìm chính xác ống vào vị trí thiết kế. Điều này đặc biệt có ý
nghĩa với các công trình dẫn nước, dầu, … tránh được sự tổn hao thủy
lực.
- Dùng thiết bị hạ là các cần cẩu nổi có thể hạ ống mà giữ cho ống
không bị uốn quá mức, do đó có thể hạ chìm ống trong điều kiện độ
sâu nước bất kỳ.
* Nhược điểm;
- Cản trở việc thông luồng.
- Dùng thiết bị đặc biệt nên giá thành cao.
- Chỉ ứng dụng được trong điều kiện địa hình và điều kiện thủy văn
thuận lợi.

Học viên: Vũ Đức Tài

10

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

1.25. Phương pháp kéo trượt ngang đáy sông
Ở nước ngoài, với đầy đủ các phương tiện kỹ thuật, thường sử dụng
phương pháp kéo trượt ngang sông theo đáy sông.
* Trình tự tổng quát của phương pháp:
- Dẫn cáp qua sông, hồ, biển tại nơi hạ chìm vào kéo trước.
- Lắp ráp ống có các tải dằn.
- Bố trí đường dẫn.
- Hạ chìm dây cáp nặng (qua sông…).
- Dùng máy kéo kéo ống.
* Ưu điểm:
Phương pháp hạ chìm bằng kéo theo đáy sông là một phương pháp phổ
biến trong xây dựng, có nhiều ưu điểm:
- Khi hạ chìm không cần ngăn tàu bè qua lại nên có thể thi công trong
mọi thời gian trong năm.
- Tốn ít thời gian.
- Tốn ít dây cáp và thiết bị phao.
- Trong thời gian hạ chìm, ống không bị tác động bởi tải trọng sóng và
gió.
* Nhược điểm:
- Công trường đủ lớn để lắp ráp và bố trí thiết bị hạ chìm.

- Mặt cắt ngang sông phải đủ thoải để đảm bảo bán kính cong của ống
khi bị uốn còn nằm trong giới hạn cho phép uốn.

Học viên: Vũ Đức Tài

11

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

1.3. Sự quan trọng của quá trình hạ chìm xi phông bằng phương pháp hạ
chìm tự do.
Chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng, quá trình hạ chìm xi phông là công
việc phức tạp nhất trong thi công công trình xi phông qua sông bằng phương
pháp hạ chìm. Nhất là ở nơi có vận tốc dòng chảy lớn, hay ở gần cửa sông có
mực nước thủy triều lên xuống phức tạp.
Những sai sót dễ xảy ra trong quá trình hạ chìm là:
- Đường ống bị nằm lệch khỏi tuyến hào thiết kế;
- Trong quá trình chìm, ống bị cong quá giới hạn đàn hồi dẫn đến rạn
nứt ống.
Mặc dù trong tiêu chuẩn TCVN 8642:2011 đã nêu đầy đủ về những yêu
cầu kỹ thuật trong thi công hạ chìm ống xi phông kết cấu thép. Nhưng điều
kiện thi công thực tế rất khác nhau, người kỹ sư cần biết vận dụng chính xác
những yêu cầu đó vào thực tế. Muốn vậy người kỹ sư thi công phải hiểu rõ cơ
sở khoa học của yêu cầu kỹ thuật quy định trong TCVN 8642:2011 để có thể
áp dụng chính xác vào công trình của mình.

Học viên: Vũ Đức Tài

12

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

CHƯƠNG 2
MỘT SỐ YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG TÍNH TOÁN HẠ CHÌM
XI PHÔNG ĐƯỢC QUY ĐỊNH TRONG TCVN 8642-2011 VÀ CƠ SỞ
KHOA HỌC CỦA MỘT SỐ CÁC QUY ĐỊNH NÀY

2.1. Một số yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong thi công hạ chìm ống xi
phông kết cấu thép quy định trong TCVN 8642 : 2011
Hạ chìm ông xi phông là công việc rất dễ xảy ra sự cố trong quá trình thi
công, vì vậy cần được đặc biệt chú trọng, phải có biện pháp thi công khả thi,
được tính toán kỹ lưỡng và tuân thủ toàn bộ những yêu cầu kỹ thuật trong
TCVN 8642:2011. Dưới đây trích một số quy định cần thiết trong tiêu chuẩn.
2.1.1. Yêu cầu của công tác chuyên chở đường ống từ nơi sản xuất đến
công trường lắp ráp hoàn thiện đường ống [8]
Thông thường đường ống được sản xuất trong nhà máy cách xa công
trường thi công. Sau khi lốc xong từng đoạn ống, dùng xe chuyên chở các
đoạn ống tới công trường để thực hiện tiếp việc thi công lắp ráp các đoạn ống
thành đường ống hoàn chỉnh. Các đoạn ống thường dài trên 6m. Khi chuyên
chở các đoạn ống bằng ô tô, phải dùng các gối để kê và phải dùng dây neo giữ

các đoạn ống để tránh bị uốn quá mức quy định và tránh sự phá hoại do tải
trọng xung kích khi đi trên đường. Đây là một công việc rất hệ trọng để đảm
bảo an toàn, không bị biến dạng các đoạn đường ống trong quá trình chuyên
chở, nhất là không được để biến dạng ô van các đầu ống.
Trong tiêu chuẩn quy định khi kê kích đường ống để vận chuyển, khoảng
cách gữa các gối kê tính theo công thức:

Học viên: Vũ Đức Tài

13

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

L≤

R2W
=
k0G

3
0,1R2 Dng
(1 − η 4 )

(2.1)

k0G

trong đó:
L: khoảng cách giữa các gối kê, cm;
R 2 : ứng suất tính toán cho phép của ống xi phông, Mpa;
W: mô đun chống uốn của ống, cm 3;
D tr : đường kính trong của ống, cm;
D ng : đường kính ngoài của ống, cm;
η : hệ số tỷ lệ ( η =

Dtr
);
Dng

G: trọng lượng 1cm ống, Mpa.cm;
k 0 : hệ số momen của gối đỡ dầm liên tục, phụ thuộc vào số gối đỡ, lấy
theo bảng 2.1.
Số gối đỡ

Hệ số ko

2

0,500

3

0,125

4

0.100

5

0,107

6

0,105

>=7

0,106
Bảng 2.1: Hệ số gối đỡ ko ( Theo TCVN 8642:2011)

Học viên: Vũ Đức Tài

14

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật về lắp ráp đường ống trong hào thi công trước khi
hạ chìm [8]
Sau khi chuyên chở các đoạn ống đến công trường sẽ tiến hành hàn các

đoạn ống thành đường ống hoàn chỉnh theo thiết kế. Tuyến hào thi công lắp
ráp phải đảm bảo điều kiện thuận lợi để thi công lắp ráp đường ống khi thi
công và phải đảm bảo đủ điều kiện thuận lợi để lai dắt đường ống ra vị trí
tuyến công trình chuẩn bị hạ chìm. Nên chọn tuyến hào có phương thẳng
trùng với tuyến công trình là tốt nhất (nếu điều kiện cho phép).
Các gối phải đảm bảo điều kiện ổn định về lún, ổn định về trượt trong
quá trình thi công lắp ráp và kiểm tra thử thủy lực.
Khoảng cách giữa các gối đỡ được tình bằng công thức (2.1) nhưng có
thêm các tải trọng trong khi thi công hoàn thiện đường ống và tải trọng khi
tiến hành kiểm tra thủy lực đường ống.
2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật neo giữ ống xi phông trên mặt nước chờ hạ chìm [8]
Trước khi hạ chìm ống phải được neo giữ trên mặt nước ngang sông. Khi
triều cường, cho nước vào hào thi công, kéo ống ra khỏi hào, đặt vào tuyến
thiết kế. Ống cần được giữ đúng vị trí thiết kế tới khi mực nước kiệt mới tiến
hành hạ chìm để đảm bảo độ sâu hạ chìm là nhỏ nhất. Do đó cần phải tính
toán quá trình chịu lực của ống và dây neo dước tác dụng của dòng chảy và
gió. Lúc này trong ống không có nước, một phần ống chìm trong nước.
Bài toán neo giữ ống trên tuyến nhằm giải quyết các yêu cầu:
- Bố trí dây neo giữ;
- Xác định số lượng tầu neo giữ và công suất của các tời kéo;
- Xác định vị trí của các tời và trị số lực kéo trước của các tời để đảm bảo
ống nằm thẳng (không bị cong) và đúng vị trí thiết kế.

Học viên: Vũ Đức Tài

15

Lớp: Cao học 18C11

Lun vn thc s

Chuyờn ngnh Xõy dng cụng trỡnh thy

2.1.4 Yờu cu v kim tra xỏc nh trng thỏi ng sut bin dng ca
ng ng khi xi phụng trong quỏ trỡnh h chỡm [8]
Vi ng ng di nht thit phi tin hnh kim tra thc nghim xỏc
nh trng thỏi ng sut bin dng mt ct xy ra ng sut ln nht trong
quỏ trỡnh h chỡm v mt s mt ct khỏc.
Trong quỏ trỡnh h chỡm, ngoi vic phi tớnh toỏn trng thỏi ng sut
bin dng ca ng ng iu chnh tin thi cụng m bo ng sut
ln nht khụng vt quỏ ng sut cho phộp, cũn bt buc phi dựng thit b
o cỏc i lng cn thit ti mt ct cú ng sut ln nht s sy ra trong
quỏ trỡnh h chỡm, xỏc nh trng thỏi ng sut bin dng ca ng ng,
xỏc nh mụ men un theo phng ng v phng ngang, t ú suy ra
cong (bỏn kớnh cong) ca ng theo phng ng, phng ngang m bo
trong quỏ trỡnh thi cụng h chỡm cong ca ng ng v mụ men un
khụng vt quỏ giỏ tr cho phộp.
1

3

2

2

ống xi phông

Chú dẫn:
1,2 là dat tric điện trở;

3 là cảm biến đo độ sâu.

1

Hỡnh 2.1 : B trớ cỏc u cm bin
T cỏc giỏ tr o c ta tớnh c:
3
M X = 0.1E1Dng
(1 4 )

(2.2)

3
M y = 0.1E 2 Dng
(1 4 )

(2.3)

Hc viờn: V c Ti

16

Lp: Cao hc 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
1

ρd
1

ρn

=

MX
0,05 EDng4 (1 − η 4 )

=

My

(2.4)

(2.5)

0,05 EDng4 (1 − η 4 )

Trong đó:
M x : mô men uốn theo phương ngang, N.m;
M y: mô men uốn theo phương thẳng đứng, N.m;
ρ d : bán kính cong của ống theo phương đứng, m;
ρ n : bán kính cong của ống theo phương ngang, m;

E: mô đun đàn hồi của thép làm ống, N/m2;
ε 1 : biến dạng của cảm biến 1 theo phương dọc ống;
ε 2 : biến dạng của cảm biến 1 theo phương dọc ống;
η : hệ số η = Dtr / Dng ;

Dtr : đường kính trong của ống, m;
Dng : đường kính ngoài của ống, m.

2.1.4. Yêu cầu về tính toán xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của
đường ống sau khi đã được neo giữ hoặc lấp phủ bề mặt [8]
Theo tiêu chuẩn, người kỹ sư phải kiểm tra trạng thái ứng suất có thể
xuất hiện trong đường ống với mọi trường hợp tải trọng bất lợi nhất sau khi
đường ống đã được neo giữ hoặc lấp phủ bề mặt theo đúng thiết kế.
Yêu cầu kiểm tra bằng phương pháp thực nghiệm và so sánh với kết quả
tính toán lý thuyết. Đảm bảo các kết quả này không được vượt quá ứng suất
cho phép của ống xi phông.

Học viên: Vũ Đức Tài

17

Lớp: Cao học 18C11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

a) Kiểm tra bằng thực nghiệm: Xác định các giá trị ứng suất tại một số
mặt cắt nguy hiểm nhất bằng những thí nghiệm.
b) Tính toán bằng lý thuyết: Sử dụng mô hình tính toán phủ hợp để tính
nội lực xuất hiện trong ông xi phông.

2.2. Cơ sở khoa học của một số tiêu chuẩn đã quy định - Đặt bài toán tính
toán để thực hiện các tiêu chuẩn quy định trên cơ sở thuật toán của

phương pháp phần tử hữu hạn [7]
Để thực hiện các quy định của tiêu chuẩn, ta cần phải biết đặt các bài
toán tính toán tìm các đại lượng được quy định trong tiêu chuẩn trong từng
trường hợp cụ thể của quá trình thi công, từ đó mà kiểm tra xem có đảm bảo
quy định của tiêu chuẩn không. Mặt khác cần phải tìm hiểu đặt bài toán giải
cho nhiều phương án có thể xẩy ra trong quá trình thi công hạ chìm, từ đó
chọn được phương án lợi nhất và xử lý các trường hợp có thể xẩy ra trong quá
trình thi công hạ chìm. Để thực hiện điều đó trong luận văn đặt bài toán trên
cơ sở thuật toán của phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu
hạn là một phương pháp tính hiện đại có nhiều ưu điểm trong việc giải các bài
toán cơ học kết cấu. Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rời
rạc kiểu vật lý. Miền tính toán được rời rạc thành một số hữu hạn các phần tử
trong đó các phần tử được nối với nhau tại một số hữu hạn các điểm nút – đó
lá các đỉnh của phần tử hay là một số điểm được quy ước trên mặt (cạnh) của
phần tử. Trong phương pháp này ta không tìm hàm xấp xỉ của hàm ẩn trong
toàn miền tính toán mà chỉ tìm trong từng miền con thuộc miền tính toán.
Điều này đặc biệt thuận lợi khi giải các bài toán mà miền xác định gồm nhiều
miền con có các đặc trưng cơ lý khác nhau (bài toán đập cấu tạo bằng nhiều
loại vật liệu, bài toán kết cấu trên nền nhiều lớp…). Trong đề tài chỉ giới hạn

Học viên: Vũ Đức Tài

18

Lớp: Cao học 18C11