Nghiên cứu tính toán ổn định đập xà lan trên nền đất yếu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.63 MB, 104 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
----------------0O0----------------
NGUYỄN HẢI HÀ
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH ĐẬP XÀ LAN
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
----------------0O0----------------
NGUYỄN HẢI HÀ
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH ĐẬP XÀ LAN
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
Chuyên ngành
Mã số
: Xây dựng cơng trình thủy
: 60-58-40
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Trần Đình Hịa
2. PGS.TS Trịnh Minh Thụ
Hà Nội - 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-iLỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Trần Đình Hồ,
người đã tận tình giúp đỡ tác giả rất nhiều trong vấn đề tiếp cận công nghệ
mới cũng như định hướng những nghiên cứu trong thời gian làm luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trịnh Minh Thụ đã hướng dẫn
và có những ý kiến quý báu trong lĩnh vực học thuật đặc biệt là địa kỹ thuật.
Những chỉ bảo của Thầy giúp tác giả định hướng nghiên cứu trước đây và
trong thời gian làm luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Trương Đình Dụ, chủ nhiệm đề
tài sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước về đập xà lan và ThS. Trần Văn Thái,
người đã vạch ra những định hướng khoa học cho tác giả.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Trung tâm Đồng bằng
Ven biển và Đê Điều, Viện Thủy công, Viện khoa học thuỷ lợi Việt Nam và
những đồng nghiệp khác đã cùng tác giả nghiên cứu và áp dụng công nghệ
đập xà lan trong thời gian qua.
Xin cảm ơn các thầy cơ giáo ở Trường Đại Học Thủy Lợi, phịng Đào
tạo 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 Bố, Mẹ đã chỉ bảo,
dìu dắt tác giả đến ngày hôm nay. Xin cảm ơn Vợ, Con gái và những người
thân trong gia định động viên để tác giả chuyên tâm nghiên cứu.
Hà Nội, 08 tháng 12 năm 2010
Tác giả
Nguyễn Hải Hà
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-ii-
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của Đề tài ................................................................................................................1
2. Mục đích của Đề tài.........................................................................................................................2
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...............................................................................2
4. Bố cục luận văn ................................................................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU.......................... 4
1.1. Nhu cầu và tình hình ứng dụng cơng nghệ đập xà lan trong thực tế ................................4
1.1.1 Nhu cầu thực tế ứng dụng công nghệ đập xà lan .............................................................. 4
1.1.2 Tình hình ứng dụng đập xà lan ở nước ta .......................................................................... 5
1.2. Tổng quan nghiên cứu và ứng dụng công nghệ ngăn sông trên thế giới và trong
nước ....................................................................................................................................................7
1.2.1 Trên thế giới.......................................................................................................................... 7
1.2.2. Trong nước ......................................................................................................................... 13
1.3. Kết luận chương 1 ..................................................................................................................... 24
CHƢƠNG 2: ĐẬP XÀ LAN VÀ CƠ SỞ TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH ........................ 27
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ............................................................................................... 27
2.1. Đặc điểm điều kiện làm việc của Đập xà lan ....................................................................... 27
2.2. Các tính chất cơ lý và ứng xử của nền đất yếu.................................................................... 28
2.2.1. Đặc điểm và phân loại nền đất yếu................................................................................... 28
2.2.2. Cường độ chống cắt khơng thốt nước Su ....................................................................... 29
2.2.3. Các phương pháp xác định lực dính khơng thốt nước.................................................. 29
2.2.4. Tương quan giữa chỉ số dẻo Ip với sức kháng cắt Su ...................................................... 36
2.2.5. Mơ đun khơng thốt nước của sét .................................................................................... 37
2.3. Các phương pháp tính tốn cổ điển ...................................................................................... 37
2.3.1. Theo phương pháp của Meyerhof .................................................................................... 39
2.3.2. Theo phương pháp của Brinch Hansen ........................................................................... 40
2.3.3. Theo phương pháp của Vesic ........................................................................................... 42
2.4. Mơ hình tính tốn...................................................................................................................... 44
2.4.1. Tiêu chuẩn Mohr- Coulomb ............................................................................................. 44
2.4.2. Tiêu chuẩn Tresca .............................................................................................................. 49
2.5. Kết luận chương 2 ..................................................................................................................... 50
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-iii-
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP XÀ LAN ..................... 52
3.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................................ 52
3.1.1. Cơng trình cống Minh Hà ................................................................................................. 52
3.1.2 Đặc điểm địa chất nền cơng trình ...................................................................................... 54
3.2. Tính toán ổn định bằng các phương pháp cổ điển............................................................. 55
3.2.1. Tính tốn tải trọng cơng trình............................................................................................ 55
3.2.2. Phân tích ổn định cơng trình ............................................................................................. 59
3.3. Tính tốn ổn định cơng trình theo phương pháp phần tử hữ hạn ................................. 62
3.3.1. Phần mềm Plaxis ................................................................................................................ 62
3.3.2. Phương pháp chiết giảm cường độ chống cắt (Shear Strength Reduction) ................. 63
3.3.3. Thông số mơ hình tính tốn .............................................................................................. 65
3.4. Kết quả tính tốn ổn định đập xà lan.................................................................................... 69
3.4.1. Chuyển vị tổng thể đất nền................................................................................................ 69
3.4.2. Ứng suất phân bố dưới nền ............................................................................................... 70
3.4.3. Phân tích ổn định đập xà lan theo phương pháp giảm cường độ .................................. 71
3.4.5 .Nhận xét về kết quả tính tốn............................................................................................ 75
3.5. Đề xuất các giải pháp xử lý tiếp xúc giữa đáy đập và nền ................................................ 76
3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................................................... 78
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................. 79
4.1. Kết luận ....................................................................................................................................... 79
4.2. Kiến nghị ..................................................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 81
Tiếng Việt ..................................................................................................................... 81
Tiếng Anh ..................................................................................................................... 81
PHỤ LỤC TÍNH TỐN ............................................................................................. 83
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-ivTHỐNG KÊ HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Cống Phước Long - Bạc Liêu
Hình 1.2 : Cống Rạch Lùm – Cà Mau
Hình 1.3 : Các cống thuộc dự án Ơ Mơn- Xà No
Hình 1.4: Sức tàn phá khủng khiếp của cơn lũ
Hình 1.5 :Một số hình ảnh cống Veerse gat dam
Hình 1.6 :Đập Braddock – Mỹ
Hình 1.7 :Dự án ngăn các cửa sơng ở Vinece – Italia
Hình 1.8 : Kết cấu chung đập Trụ đỡ
Hình 1.9: Cơng trình Thảo Long khi hồn thành
Hình 1.10: Mơ hình tổng thể một đơn nguyên xà lan
Hình 1.11: Cắt ngang xà lan
Hình 1.12: Mơ hình tổng thể một đơn ngun xà lan
Hình 1.13 : Mơ hình cấu tạo xà lan
Hình 1.14 :Cấu tạo đập xà lan di động
Hình 2.1: Hình thức móng cơng trình trên nền đất yếu
Hình 2.2. Sơ đồ mất ổn định của đập xà lan chịu trải trọng phức tạp
Hình 2.3. Vịng trịn Mohr với thí nghiệm khơng cố kết, khơng thốt
nước
Hình 2.4. Thí nghiệm nén khơng hạn hơng
Hình 2.5. Biểu đồ sức kháng cắt Su theo chiều sâu
5
6
6
8
10
12
13
14
17
19
20
20
21
23
27
28
30
Hình 2.6: Hệ số điều chỉnh theo chỉ số dẻo (theo Bjerrum)
34
Hình 2.7: Tương quan su/N với chỉ số dẻo (Terzaghi)
Hình 2.8: Tải trọng xiên lệch tâm theo phương cạnh L
Hình 2.9: Tải trọng tác dụng lên móng
Hình 2.10: Độ lệch tâm ứng với móng chữ nhật
Hình 2.11: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
Hình 2.12: Mặt chảy dẻo Tresca trong khơng gian ứng suất
Hình 3.1: Mặt bằng xà lan
Hình 3.2: Mặt cắt dọc xà lan
36
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
31
33
38
38
39
45
50
52
52
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-v-
Hình 3.3: Mặt cắt ngang xà lan
Hình 3.4: Sức kháng cắt theo độ sâu tại vị trí cơng trình
Hình 3.5: Sơ đồ lực tác dụng lên cơng trình
Hình 3.6: Quan hệ chênh lệch mực nước và góc nghiêng tải trọng
Hình 3.7: Quan hệ giữa hệ số ổn định với chênh lệch mực nước
Hình 3.8. Phần tử tam giác trong Plaxis
Hình 3.9: Quan hệ ứng suất pháp và ứng suất cắt, giảm cường độ
chống cắt
Hình 3.10: Kiểm tra đường cong Msf với chuyển vị
Hình 3.11: Mơ hình tính tốn theo Plaxis
Hình 3.12: Sơ đồ chia lưới tính tốn
Hình 3.13: Biều đồ chuyển vị nền với H= 1,0m
Hình 3.14: Biểu đồ chuyển vị đất nền với H= 1,5m
Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị đất nền với H= 2,2m
Hình 3.16: Biểu đồ ứng suất hữu hiệu với H= 1,0m
Hình 3.17: Biểu đồ ứng suất hữu hiệu với H= 1,5m
Hình 3.18: Biểu đồ ứng suất hữu hiệu với H= 2,2m
Hình 3.19 : Tổng chuyển vị gia tăng, phân tích ổn định với H= 1,0m
Hình 3.20 : Tổng chuyển vị gia tăng, phân tích ổn định với H= 1,5m
Hình 3.21 : Tổng chuyển vị gia tăng, phân tích ổn định với H= 2,2m
Hình 3.22: Phân bố điểm dẻo dưới nền với H= 1,0m
Hình 3.23: Phân bố điểm dẻo dưới nền với H= 1,5m
Hình 3.24: Phân bố điểm dẻo dưới nền với H= 2,2m
Hình 3.25: Hệ số ổn định và độ chênh mực nước thượng hạ lưu
Hình 3.26: Mặt bằng bố trí dầm chân răng chống trượt đáy xà lan
Hình 3.27 : Cắt ngang bố trí dầm chân răng xà lan
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
53
54
55
56
59
62
63
65
68
69
70
70
71
72
72
71
72
72
72
72
73
75
75
75
76
76
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-vi-
THỐNG KÊ BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Một số chỉ tiêu phân biệt loại đất mềm yếu
Bảng 2.2. Phân loại đất sét theo độ nhậy
Bảng 3.1: Tính tốn tải trọng ứng với các trường hợp
Bảng 3.2: Tính tải trọng cực hạn và hệ số ổn định công trình
Bảng 3.3: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đất nền
Bảng 3.4: Chiều dài móng tính tốn L’
Bảng 3.5: Hệ số ổn định đập xà lan theo các phương pháp
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
29
34
57
60
66
67
74
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-1PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Đập xà lan lần đầu tiên được nghiên cứu thông qua đề tài cấp nhà nước
KC12-10 phần A về các giải pháp tiến tiến tạo nguồn nước vùng ven biển.
Đập xà lan được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn qua đề tài nghiên cứu cấp Bộ “
Nghiên cứu đập xà lan di động áp dụng cho vùng triều” [3] và tiếp theo là áp
dụng dự án sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước ” Hồn thiện cơng nghệ thiết
kế, chế tạo thi công và quản lý vận hành đập xà lan di động ” [5] mã số
DADL-2004/06 Viện khoa học Thủy Lợi đã nghiên cứu và ứng dụng thành
công đập xà lan di động.
Đập xà lan là một loại cơng trình ngăn sơng mới, được nghiên cứu và
ứng dụng lần đầu ở Việt Nam. Đập xà lan có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao,
giá thành rẻ hơn so với cơng trình truyền thống, ít đền bù giải phóng mặt
bằng, có thể chuyển đổi vị trí khi quy hoạch vùng thay đổi, sản xuất chế tạo
được hàng loạt, kết cấu nhẹ nên phù hợp với các vùng đất yếu. Đến nay đã có
nhiều cơng trình dạng đập xà lan được áp dụng vào thực tế mang lại hiệu quả
cao về kinh tế. Bộ Nông nghiệp và PTNT cũng đang chuẩn bị phê duyệt quy
hoạch thủy lợi đồng bằng sông Cửu long với hàng trăm cống dạng đập xà lan
thực hiện trong những năm tới.
Đập xà lan đã được xây dựng chủ yếu đặt trên nền đất sét yếu tự nhiên.
Nền đất yếu này có góc ma sát trong khoảng từ 30 đến 50, lực dính theo
phương pháp cắt nhanh trực tiếp khoảng từ 0,03 đến 0,05 kG/cm2, nói chung
sức chịu tải đứng nhỏ. Đập xà lan áp dụng trong các cơng trình ngăn sơng
khơng chỉ chịu tải trọng đứng, mà cịn chịu tải trọng ngang và mơ men. Khi
tính tốn ổn định đập xà lan, các cơng thức chủ yếu sử dụng trong TCXDVN
4253-86 [1]. Các nghiên cứu trước đây chưa đi sâu nghiên cứu ổn định đập xà
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-2-
lan trên nền đất yếu có xét đến tải trọng phức tạp: tải trọng đứng, tải trọng
ngang và mơ men.
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu tính tốn ổn định đập xà lan trên nền đất
yếu” là hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
2. Mục đích của Đề tài
- Nghiên cứu tính tốn ổn định đập xà lan trên nền đất yếu,
- Đề xuất giải pháp xử lý tiếp giáp đáy đập xà lan và đất nền.
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 cơng trình ngăn sơng 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 cơng trình, từ đó đề
ra phương án cụ thể phù hợp với tình hình điều kiện cụ thể của nước ta.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu.
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mơ hình tốn và các phần
mềm ứng dụng.
+ Phương pháp chuyên gia và hội thảo
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp.
4. Bố cục luận văn
Ngồi phần Mở đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần
đạt được khi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để
đạt được các mục tiêu đó. Bố cục của luận văn bao gồm các chương như sau:
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-3-
CHƢƠNG 1: Tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu
Chương này tổng quan các công nghệ ngăn sơng trong nước và trên thế
giới. Trong đó đập xà lan là công nghệ mới, bước đầu được áp dụng rộng rãi
ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long và đạt được hiệu quả kinh tế nhất định.
Trong chương còn tổng quan vấn đề nghiên cứu ổn định đập xà lan trên nền
đất yếu, những kết quả đạt được và hướng nghiên cứu.
CHƢƠNG 2: Đập xà lan và cơ sở tính tốn ổn định
Chương này tổng quan đặc điểm làm việc của đập xà lan và của nền đất
yếu. Phân tích ưu nhược điểm của các thí nghiệm trong phịng và hiện trường,
từ đó đề nghị thí nghiệm cắt cánh để thu thập sức kháng cắt khơng thốt nước
của đất sét yếu. Đồng thời phân tích cơng thức cổ điển áp dụng cho cơng trình
trên nền đất sét yếu để xác định góc nghiêng tải trọng giới hạn ứng với ổn
định đập xà lan chuyển tiếp trạng thái ổn định theo tải trọng đứng sang trạng
thái ổn định theo tải trọng ngang trong trường hợp tổng quát và so sánh cho
trường hợp đơn giản nhất, móng đặt trực tiếp trên nền.
CHƢƠNG 3: Ứng dụng tính tốn ổn định đập xà lan trên nền đất yếu
Chương này phân tích ổn định đập xà lan Minh Hà, Cà Mau với các
trường hợp mực nước chênh lệch thượng hạ lưu tăng dần. Trong phương pháp
cổ điển, áp dụng phương pháp của Brich Hansen, Vesic và phương pháp phần
tử hữu hạn áp dụng phần mềm Plaxis. Đề xuất giải pháp xử lý tiếp xúc đáy
đập xà lan và đất nền.
CHƢƠNG 4: Kết luận và kiến nghị
Nêu lên những kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và hướng
nghiên cứu.
Cùng một số phụ lục kết quả tính tốn.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-4-
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
1.1. Nhu cầu và tình hình ứng dụng công nghệ đập xà lan trong thực tế
1.1.1 Nhu cầu thực tế ứng dụng công nghệ đập xà lan
Trong những năm gần đây, ở một số tỉnh thuộc đồng bằng Sơng Cửu Long
như Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang đã chuyển
hàng trăm nghìn ha đất trồng lúa kém hiệu quả sang ni trồng thuỷ sản. Trên
thực tế đang nảy sinh mâu thuẫn gay gắt về tranh chấp nguồn nước cho hai vùng
sinh thái trên:
Vùng sinh thái nước ngọt: yêu cầu ngăn mặn giữ ngọt để trồng lúa
Vùng sinh thái nước mặn: yêu cầu cung cấp nguồn nước mặn, và có nguồn
nước ngọt điều tiết độ mặn để nuôi tôm.
Theo thống kê ở vùng đồng bằng sông cửu long hiện nay cần hàng trăm
cơng trình ở các vùng phân ranh lúa tơm cần đầu tư xây dựng, nếu xây dựng
theo kiểu cống truyền thống thì một mặt khơng đủ kinh phí, mặt khác khơng
phù hợp với u cầu sản xuất có nhiều biến động như hiện nay.
Trước tình hình cấp bách như vậy, vấn đề cần đặt ra là phải có một hình
thức đập đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Kết cấu đơn giản, đảm bảo yêu cầu yêu cầu ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu
thốt lũ, khơng phải giải toả đền bù, đảm bảo yêu cầu giao thông thuỷ, kết
hợp giao thông bộ, thi công lắp đặt đơn giản và di động dễ dàng tới vị trí khác
trên kênh khi có u cầu về thay đổi vùng sản xuất. Vấn đề quan trọng là tuy
cơng trình tạm thời về vị trí lắp đặt nhưng bản thân kết cấu cơng trình phải
bền vững hiện đại và làm việc có độ tin cậy cao.
- Chi phí đầu tư thấp phù hợp với khả năng tài chính của nhà nước và địa
phương.
Xuất phát từ địi hỏi phát triển kinh tế xã hội vùng ven biển trong bối
cảnh chuyển đổi cơ cấu sản xuất, có thể kết luận rằng chỉ có đập xà lan di
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-5-
động ra đời mới đáp ứng được các yêu cầu bức bách về kinh tế kỹ thuật và xã
hội vùng tơm – lúa, đó chính là tính cấp thiết của dự án.
1.1.2 Tình hình ứng dụng đập xà lan ở nước ta
Sau khi đề tài: ”Nghiên cứu thiết kế chế tạo đập ngăn mặn di động,
phục vụ chuyển đổi cơ cấu kinh tế vùng đồng bằng Sông Cửu Long” [3] được
nghiệm thu. Năm 2004 nhà nước cho phép tiến hành thực hiện dự án sản xuất
thử nghiệm DAĐL-2004/06 Hồn thiện cơng nghệ thiết kế, chế tạo thi công
và quản lý vận hành đập xà lan di động áp dụng cho vùng triều phục vụ các
công trình ngăn sơng vùng ven biển. Sau khi các đề tài nghiên cứu được đánh
giá, tổng kết, công nghệ đập xà lan di động đã ứng dụng thử nghiệm thành
công vào một số cơng trình như:
+ Năm 2004: Hồn thành cơng trình Phước Long – Bạc Liêu, chênh lệch
cột nước H=0,7m, độ sâu 3,7m, chiều rộng kênh 32m, chiều rộng cống 12m.
Hình 1.1 : Cống Phước Long - Bạc Liêu
+ Năm 2005: Hồn thành cống Thơng Lưu tỉnh Bạc Liêu với chênh lệch
cột nước H=2,2m, độ sâu 3,5m, chiều rộng kênh 25m, chiều rộng cống B =
10m.
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-6-
+ Năm 2007: Hoàn thành cống Minh Hà tỉnh Cà Mau với chênh lệch cột
nước H=2,3m, độ sâu 3,5m, chiều rộng thơng nước B=10m; Hồn thành 7
cống thuộc tiểu dự án Ơ Mơn - Xà No địa bàn tỉnh Hậu Giang, Kiên Giang,
TP Cần Thơ, các cống có chiều rộng thơng nước từ 5-10m.
+
Năm
2008:
Hồn thành cống Rạch
Lùm – Cà Mau có bề
rộng
thơng
nước
B=10m, cửa van tự
động một chiều.
Hình 1.2 : Cống Rạch Lùm – Cà Mau
+ Từ năm 2008 - đến nay: Các cơ quan có thẩm quyền đã phê duyệt dự
án đầu tư, phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công cho gần 100 công trình ở Đồng
Bằng Sơng Cửu Long, trong đó cống có chiều rộng cửa lớn nhất là 12m. Có
nhiều cống đã thi cơng cơ bản hồn thành như 9 cống thuộc địa bàn tỉnh Sóc
Trăng thuộc Hệ thống phân ranh mặn ngọt tỉnh Sóc Trăng - Bạc Liêu
Cống Rạch Gập – Cần Thơ 1
khoang 5m, cửa van Inox-compsite
cao 4,3m
Cống Thủy lợi tám thước – Hậu
Giang 1 khoang 5m
Hình 1.3 : Các cống thuộc dự án Ơ Mơn- Xà No
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-7-
1.2. Tổng quan nghiên cứu và ứng dụng công nghệ ngăn sông trên thế
giới và trong nước
1.2.1 Trên thế giới
Từ những năm giữa thế kỷ 20, các nước có tiềm lực về kinh tế, khoa học kỹ
thuật và chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai như lũ lụt, triều cường đã bắt tay
vào nghiên cứu các giải pháp cơng trình để xây dựng các cơng trình ngăn những
con sơng lớn phục vụ phát triển kinh tế và phòng chống thiên tai, đặc biệt là ảnh
hưởng của thuỷ triều.
Hà Lan [6]:
Hà Lan là nước có phần lớn đất tự nhiên có cao độ thấp hơn mực nước
biển. Người Hà Lan luôn phải chống chọi với Biển Bắc. Trước những năm
giữa của thế kỷ 20 khi mà hệ thống đê bao và các cơng trình ngăn sông chưa
được xây dựng người Hà Lan luôn phải sống chung với nước biển, hàng năm
phải hứng chịu những trận lũ, sóng do triều cường gây thiệt hại rất lớn về
người và của. Một trong những sự kiện khủng khiếp nhất và có tính quyết
định nhất đến chiến lược ngăn sông của Hà Lan là trận lũ năm 1953.
Vào năm 1953 Một thảm hoạ đã xảy ra ở Zeeland và Nam Hà Lan, một
trận sóng thuỷ triều đã phá vỡ một vài đoạn đê, gây ra lũ lụt trên các đảo và
làm 1835 người chết, hầu hết 200.000ha đất bị ngập lụt. 40.000 ngôi nhà và
300 cánh đồng bị phá huỷ, 72.000 người mất nhà cửa. Ngồi ra cịn nhiều
thành phố, làng mạc khác cũng bị thiệt hại nặng nề. Trận lũ lịch sử này có thể
được coi như một thảm hoạ dân tộc.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-8-
Hình 1.4: Sức tàn phá khủng khiếp của cơn lũ
Để ngăn những thảm hoạ tương tự, chính phủ Hà Lan đã đề ra dự án
Delta Plan nhằm bảo vệ người dân vùng Tây nam Hà Lan (Zeeland và Nam
Hà Lan) chống lại biển Bắc. Việc thực hiện dự án kéo dài từ năm 1958 đến
năm 1987 và tiêu tốn hàng tỷ Guilder (tiền Hà Lan). Tất cả các đập đê bao,
cống đã giảm chiều dài của bờ biển xuống còn 70km, tạo nguồn dự trữ nước
ngọt, phòng chống lũ và đặt dấu chấm hết cho những cánh đồng muối.
Trong dự án này, một số công nghệ xây dựng mới đã được nghiên cứu
và ứng dụng. Một trong những công nghệ thường xuyên được áp dụng đó là
cơng nghệ xà lan phao. Cơng nghệ này sử dụng các kết cấu dạng hộp phao
rỗng được đúc sẵn, sau đó được di chuyển đến vị trí cơng trình và hạ chìm
xuống nền. Sau đó đổ hỗn hợp đá, sỏi và cát vào trong và thượng hạ lưu để
làm đập ngăn sơng.
Một số cơng trình trong dự án Delta ứng dụng công nghệ xà lan phao:
a. Đập Veerse gat [6]
Đập Veerse gat được xây dựng để bảo vệ cho vùng Walcheren, Bắc –
Beveland và Nam – Beveland khỏi các thảm hoạ từ thuỷ triều Biển Bắc. Cơng
trình được hồn thiện năm 1961.
Việc ngăn các cửa sông rộng bằng đập là rất phức tạp. Trọng tâm chính
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-9-
của vấn đề trên thực tế là trong quá trình thay đổi của thuỷ triều có gần 70
triệu m3 nước chảy qua Veersegat. Đó là điều cực kì khó khăn để xây dựng
một đập chắn trong điều kiện hai lần nước lên xuống mỗi ngày. Các cơng
nghệ truyền thống chắc chắn sẽ thất bại vì dịng chảy q mạnh nên họ phải
phát triển cơng nghệ mới.
Kết cấu đập Veersegat là khá phức tạp. Xà lan là kết cấu rỗng lớn được
chia ra thành các vách ngăn. Điều đặc biệt là trên các xà lan đều có các lỗ
hổng có gắn cửa van, điều này là cần thiết vì các xà lan khơng những phải
ngăn nước mà còn phải cho thuỷ triều chảy vào và rút ra trong suốt q trình
thi cơng.
Các xà lan được đánh chìm vào vị trí khi cho nước vào trong nó, sau đó
các cửa van được mở ra để nước có thể chảy qua. Khi chuyển tiếp giữa triều
lên và xuống, dòng chảy là nhỏ nhất, khe hở giữa các đơn nguyên xà lan được
được lấp đầy bởi cát và sỏi. Để đảm bảo ổn định cho cơng trình, trong lịng và
ở thượng và hạ lưu xà lan người ta đổ đá to sau đó đến một lớp cát và cuối
cùng mái được bảo vệ bằng bê tông nhựa đường. Như vậy, một con đập chắn
ngang cửa Veersegat đã được tạo ra với một đường giao thông ở trên đỉnh
đập.
Thi công đúc xà lan trong hố móng
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Di chuyển xà lan đến vị trí cơng trình
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-10-
Lắp ghép và hạ chìm xà lan
Cơng trình đã hồn thiện
Hình 1.5 :Một số hình ảnh cống Veerse gat dam
b. Đập Grevelingen [6]
Đập Grevelingen được bắt đầu xây dựng vào năm 1958 và được hoàn
thành 10 năm sau đó với chiều dài tuyến đập là 6km. Cơng trình gồm 3 đoạn
được thi cơng theo 3 phương án khác nhau: Khu vực đảo của Oude Tonge
được đắp bằng cát lấy từ dưới biển, sau đó đoạn hẹp và sâu ở phía Nam được
chặn lại bởi các xà lan, cuối cùng đoạn rộng và nơng phía Bắc được ngăn lại
bằng các khối bê tông lớn được thả xuống bởi hệ thống Cáp treo.
c. Đập Brouwers [6]
Đập Brouwers được xây dựng để ngăn cửa Brouwerhavense bảo vệ cho
vùng Goerree Overflakkee and Schouwen Duiveland. Do chiều rộng cửa
Brouwerhavense rất lớn 6,5km, tốc độ dòng chảy lớn nên họ đã nghiên cứu và
kết hớp ứng dụng cả hai phương án thi cơng tiên tiến lúc đó là phương án xà
lan và phương án cáp treo.
Mỹ:
+ Đập Braddock [6]
Tại Mỹ, trong dự án xây dựng các bậc nước trên sông Monongahela để
phục vụ cho vận tải thuỷ, có rất nhiều cơng trình ngăn sơng lớn được xây
dựng. Trong đó đập Braddock là một điển hình cho việc xây dựng cơng trình
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-11-
ngay trên sông với nguyên lý dạng phao. Đập gồm 5 khoang, mỗi khoang
rộng 33,6m
Toàn bộ đập được ghép bởi hai đơn nguyên xà lan bê tơng, những xà
lan này được đúc trong hố móng cách vị trí cơng trình 25,9 dặm trong khi các
phần việc tại vị trí hố móng cơng trình cũng được hoàn thiện. Mỗi đơn
nguyên bao gồm ngưỡng cửa van, một phần bể tiêu năng và phần đế trụ pin.
Đơn nguyên 1 có chiều dài theo tim đập là 101,6m bao gồm những khoang
tràn tự do, khoang cửa van điều tiết chất lượng nước và một khoang cửa van
thông thường. Đơn nguyên 2 có chiều dài theo tim đập là 80,8m gồm hai
khoang cửa van thông thường. Mỗi đơn nguyên đều có kích thước từ thượng
lưu về hạ lưu là 31,9m và tất cả các khoang cửa rộng 33,6m.
Sau khi các đơn nguyên được chế tạo xong trong hố móng, chúng đươc
làm nổi và di chuyển ra vị trí cơng trình và đánh chìm xuống nền cọc đã được
chuẩn bị sẵn.
Chế tạo xà lan trong hố móng
Di chuyển xà lan đến vị trí cơng trình
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-12-
Định vị, đánh chìm xà lan
Tổng thể đập Braddock
Hình 1.6 :Đập Braddock – Mỹ
Italia:
Trong dự án xây dựng các cơng trình giảm nhẹ lụt lội do triều cường
cho thành phố Venice-Italia, các chuyên gia của Italia đã đề xuất phương án
ngăn 3 cửa nhận nước từ vịnh Vinece là cửa LiDo, Malamocco, Chioggia
bằng hệ thống gồm 78 cửa van bằng thép trên hệ thống xà lan, mỗi cửa cao
18-28m, rộng 20m, dày 5m (hình 1.7). Cửa van là loại Clape phao trục dưới
khi cần tháo lũ thì bơm nước vào bụng cửa van để cửa hạ xuống, khi cần ngăn
triều thì bơm nước ra khỏi bụng để cửa tự nổi lên. Dự án này dự kiến làm
trong 10 năm và tiêu tốn tới 4,8 tỷ USD. Đây là loại hình cơng trình áp dụng
ngun lý phao nổi trong vận hành và lắp đặt cửa van cho cơng trình cố định.
Dự án này là tâm điểm của nhiều hội thảo khoa học ở Italia tổ chức từ năm
1994 đến nay, hiện nay dự án đã được quyết định đầu tư xây dựng từ 2006 –
2014.
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-13-
Hình 1.7 :Dự án ngăn các cửa sông ở Vinece – Italia
1.2.2. Trong nước
1.2.2.1 Công nghệ ngăn sơng dạng truyền thống [4]
Cơng trình ngăn sơng vùng ven biển với mục đích ngăn mặn, giữ ngọt
và tiêu lũ để tạo nguồn nước cho dân sinh, nông nghiệp ở nước ta và trên thế
giới đã được nghiên cứu và xây dựng rất nhiều. Hầu hết các công trình ngăn
sơng từ trước đến nay đều được xây dựng theo cơng nghệ truyền thống,
ngun lý của loại cơng trình này như sau:
Nguyên lý ổn định:
- Chống trượt bằng ma sát đất.
- Chống lật dùng trọng lượng cơng trình.
Chống thấm: - Bằng đường viền bản đáy.
Chống xói: - Bằng kết cấu tiêu năng kiên cố, bể tiêu năng, sân tiêu
năng, sân sau, hố xói dự phịng.
Thi cơng: - Ngăn dịng, dẫn dịng, đào hố móng, bơm cạn nước, xử lý
nền, đổ móng cơng trình và xây dựng cơng trình lên đó.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-14-
Cơng trình dạng khối tảng bằng BTCT, phương pháp thi công cổ
truyền là đắp đê qy vây quanh hố móng, dẫn dịng thi cơng, đào hố móng,
bơm nước và xây dựng cơng trình.
Ưu điểm: Cơng trình kiên cố, thi cơng trong hố móng khơ nên chất
lượng thi cơng tốt, đã có nhiều kinh nghiệm thiết kế và thi cơng.
Nhược điểm: Một số cơng trình xây dựng theo cơng nghệ truyền thống
này cịn những tồn tại sau:
Cơng trình thu hẹp dịng chảy nhiều nên làm thay đổi cảnh quan mơi
trường tự nhiên, có những cơng trình thu hẹp chỉ đến 10-20%, đa số là 50%,
khối lượng cơng trình lớn, thời gian thi cơng kéo dài, giá thành đầu tư lớn nên
hiệu quả cơng trình chưa cao. Và đặc biệt đối với một số sông lớn, nơi nước
sâu, sơng rộng, địa chất nền mềm yếu thì cơng nghệ này đắt.
Việc tính tốn ổn định cơng trình theo phương án xây dựng truyền
thống đến nay đã có hẳn các bộ tiêu chuẩn và quy trình, quy phạm của ngành
và của Nhà nước.
1.2.2.2 Công nghệ ngăn sông kiểu đập trụ đỡ [7]
Nhằm khắc phục một số nhược điểm của cơng trình ngăn sơng truyền
thống, Viện khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, nhóm nghiên cứu của GSTS
Trương Đình Dụ đã đề xuất một số công nghệ mới thông qua đề tài khoa học
cấp nhà nước" Nghiên cứu áp dụng công nghệ tiên tiến trong cân bằng, bảo vệ
và sử dụng có hiệu quả nguồn nước Quốc gia" mã số KC 12-10 thuộc chương
trình khoa học cơng nghệ KC 12 từ năm 1991 1995. Đề tài đã đề xuất và
nghiên cứu được một số giải pháp cơng trình làm việc theo nguyên lý mới và
đổi mới công nghệ thi công nhằm tăng hiệu quả đầu tư trong đó có giải pháp:
đập Trụ đỡ. Đây là một loại cơng trình theo ngun lý hoàn toàn mới.
i/ Nguyên lý kết cấu đập Trụ đỡ
- Ngun lý
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-15-
Ổn định cơng trình: Dựa vào hệ thống cọc cắm sâu vào nền; Ổn định
thấm: Chống thấm theo nguyên lý đường viền đứng bằng bản cừ, khơng cần
làm bản đáy; Ổn định xói: Mở rộng khẩu độ cống để tăng khả năng thoát lũ,
đồng thời giảm nhỏ và phân bố đều lưu tốc sau hạ lưu nhỏ hơn lưu tốc xói cho
phép của đất nền.
-
Kết cấu
Đập Trụ đỡ là cơng trình ngăn sơng bao gồm các trụ bằng bê tông cốt
thép, các trụ này chịu lực cho tồn bộ cơng trình, móng trụ là các cọc cắm sâu
vào nền, giữa các trụ có dầm đỡ van liên kết với trụ, dưới dầm đỡ van và trụ
là cừ chống thấm đóng sâu vào nền, các thanh cừ liên kết với nhau, đỉnh cừ
liên kết với dầm đỡ van và trụ, trên dầm đỡ van là cửa van kết hợp với các trụ
để ngăn và điều tiết nước, chi tiết xem hình 1.8.
Đập Trụ đỡ chịu lực tập trung ở các trụ bằng hệ cọc nên có thể kết hợp
làm cầu giao thông với tất cả các kết cấu cầu thông dụng. Tuy nhiên khẩu độ
nhịp cầu phụ thuộc vào việc lựa chọn khẩu độ khoang để đảm bảo khả năng
chế tạo cửa van.
Đập Trụ đỡ được thiết kế mở rộng khẩu độ thoát nước đảm bảo lưu tốc
qua cơng trình nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép của đất nền nên kết cấu gia cố
chống xói cho thượng hạ lưu chỉ cần bằng thảm đá hoặc tấm BTCT.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-16-
Hình 1.8 : Kết cấu chung đập Trụ đỡ
ii/ Giải pháp thi cơng
Ngồi các giải pháp thi cơng truyền thống trong hố móng khơ, đập Trụ
đỡ thường được thi công theo công nghệ tiên tiến trong khung vây cọc ván
thép, trong thùng chụp hoặc hoàn tồn dưới nước đây chính là tính ưu việt của
cơng nghệ.
+ Thi công trong khung vây cọc ván thép
Các kết cấu cọc, cừ chống thấm có thể được thi cơng bằng hệ nổi trong
nước, lắp dựng hệ khung chống cừ ván thép bao quanh vị trí trụ, dầm đỡ van,
hút khô nước bên trong và thi công các kết cầu còn lại, tháo dỡ khung vây cọc
ván thép, gia cố thượng hạ lưu cơng trình và cuối cùng lắp đặt cửa van.
+ Thi công bằng thùng chụp
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-17-
Các kết cấu cọc, cừ chống thấm, dầm van được thi công bằng hệ nổi
trong nước, dùng thùng chụp bao quanh vị trí trụ để thi cơng trụ và các kết
cấu cịn lại, tháo dỡ thùng chụp, gia cố thượng hạ lưu cơng trình và cuối cùng
lắp đặt cửa van.
Hình 1.9: Cơng trình Thảo Long khi hồn thành
+ Thi cơng hồn tồn dưới nước:
Các kết cấu cọc, cừ chống thấm, dầm đỡ van, khe van được thi công
bằng hệ nổi trong nước, phần cọc dưới nước có thể đổ bê tơng trong nước, thi
cơng các kết cấu cịn lại, gia cố thượng hạ lưu cơng trình và cuối cùng lắp đặt
cửa van.
Hiện nay, cơng nghệ này đã được áp dụng nhiều cho các cơng trình
trong cả nước như Cống Phó Sinh (Bạc Liêu), Cống Sơng Cui (Long An),
Cống Hiền Lương (Quảng Ngãi), Đập Thảo Long (Huế), Ba Thơn, Đá Hàn
(Thành phố Hồ Chí Minh), v.v… cơng nghệ đã từng bước hồn thiện, phù
hợp với từng khu vực xây dựng và đã đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật, xã hội
cao góp phần vào sự nghiệp phát triển kinh tế đất nước. Bên cạnh hiệu quả về
kỹ thuật - xã hội, công nghệ đập Trụ đỡ tiết kiệm được khá nhiều kinh phí đầu
tư xây dựng cơng trình. Cơng nghệ này cũng đã đạt giải thưởng VIFOTECH
năm 2004 và được cấp bằng Độc quyền sáng chế năm 2007.
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
