Luận văn Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Đập trụ đỡ để xây dựng công trình ngăn sông vùng triều

Đập trụ đỡ thiết kế dựa trên các nguyên lý sau:1. Ổn định công trình bằng hệ thống cọc cắm sâu vào nền đất trong lòng sông, bố trí cọc tập trung để tăng tải trọng đứng tác dụng lên mỗi cọc từ đó tăng được sức chịu tải trọng ngang của mỗi cọc đó. Do đó đập trụ đỡ nên kết hợp với cầu giao thông, vì cầu truyền tải trọng đứng lên trụ.2. Cống đặt ngay trên dòng sông chính, dẫn dòng thi công ngay trong dòng sông không phải đắp đập ngăn sông, không phải đào kênh dẫn dòng do đó không phải đền bù giải phóng mặt bằng.3. Chống thấm bằng các bản cừ thép, bê tông cốt thép hay nhựa tạo thành đường viền chống thấm đứng, không cần bản đáy.4. Mở rộng khẩu độ cống để giảm nhỏ và phân bố đều lưu tốc sau hạ lưu nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép, do đó giảm thiểu gia cố tiêu năng.5. Mở rộng khẩu độ cửa van để thông thoáng dòng chảy, đảm bảo mỹ quan, thuận tiện giao thông thuỷ và giảm giá thành.

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT

Tr-ờng đại học Thuỷ lợi

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT

Tr-ờng đại học Thuỷ lợi

Lời cảm ơn

Tác giả xin chân thành bảy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Trương Đình Dụ,

cố vấn khoa học - Ban Nghiên cứu Chiến lược và Phát triển công nghệ Thủy lợi - Viện Khoa học Thủy lợi, là người đã đặt nền móng và trực tiếp nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ ngăn sông mới thành công ở Việt Nam, đã định khoa học cho tác giả trong những vấn đề nghiên cứu

Cảm ơn TS Trần Đình Hoà đã tận tình chỉ bảo tác giả trong thời gian làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp trong Ban Nghiên cứu Chiến lược và Phát triển công nghệ Thuỷ lợi - Viện Khoa học Thuỷ lợi đã tạo

điều kiện thuận lợi cũng như hỗ trợ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn Xin cảm ơn các thầy cô giáo ở Trường đại học Thủy Lợi, khoa Công trình, khoa 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 mẹ, vợ, con và những người thân

Hà Nội 5 tháng 3 năm 2007

Tác giả

Trần Minh Thái

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Dự báo tổng nhu cầu dùng nước cho dân sinh và phát triển kinh tế xã hội Nước

ta đến năm 2020 khoảng 121,8 tỷ m3 và nhu cầu dòng chảy duy trì môi trường sinh thái hạ du mùa khô khoảng 4.300 m3/s Tỷ trọng nhu cầu nước nông nghiệp giảm đi nhưng nhu cầu nước cho duy trì môi trường sinh thái, thuỷ sản chăn nuôi, sinh hoạt

và công nghiệp tăng lên

Để đảm bảo đủ nguồn nước thông thường chúng ta phải xây dựng hồ chứa ở thượng nguồn để điều tiết dòng chảy và đẩy mặn, trong trường hợp dù đã có hồ điều tiết thượng nguồn vẫn không đủ nước thì phải làm cống ở hạ lưu để ngăn mặn giữ ngọt

Hàng năm, Nhà nước phải đầu tư hàng ngàn tỷ đồng để xây dựng các công trình nhằm ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, tránh bão phục vụ phát triển nông nghiệp theo hướng hiện đại hoá

Tuy nhiên trong khi triển khai thực hiện, do áp dụng công nghệ ngăn sông truyền thống nên hầu hết thường gặp phải những tồn tại như sau:

- Khó khăn trong vấn đề giải phóng mặt bằng và di dân tái định cư,

- Kết cấu phức tạp, thời gian thi công dài,

- Giá thành đầu tư xây dựng công trình lớn,

- Làm thay đổi lớn chế độ dòng chảy, thay đổi môi trường theo hướng bất lợi

Trước tình hình cấp bách như vậy, vấn đề cần đặt ra làm sao phải có một hình thức công trình có thể hạn chế được các tồn tại này

Viện khoa học Thủy lợi đã nghiên cứu Công nghệ ngăn sông kiểu đập Trụ đỡ

có thể giải quyết được các yêu cầu trên Trong quá trình ứng dụng thực tế cho thấy việc ứng dụng công nghệ Đập trụ đỡ đã mang lại hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật Để tổng kết đánh giá và nêu ra một quy trình thiết kế, thi công cụ thể để có thể sớm đưa công nghệ Đập Trụ đỡ thành phổ biến đó chính là tính cấp thiết của đề tài

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn:

Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu đối với Đập trụ đỡ xây dựng trên các cửa sông vùng triều có chênh lệch mực nước nhỏ hơn 3m, độ sâu mực nước nhỏ hơn 6m

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế đập Trụ đỡ để xây dựng công trình ngăn sông vùng triều

Chương 1 Tổng quan các công nghệ ngăn sông vùng triều

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Công nghệ ngăn sông vùng triều trên thế giới:

Từ những năm đầu thế kỷ 20, tại các nước như Anh, Hà Lan, Italia đã nghiên cứu xây dựng những công trình ngăn các cửa sông đồ sộ cả về quy mô và khẩu độ từng khoang cống Các công trình ngăn sông này đều có nhiệm vụ ngăn triều gây ngập úng cho vùng đất thấp hơn mực nước biển hoặc chống triều cường do bão tại các cửa sông lớn

Năm 1950 trong dự án Deltaplan ở Hà Lan, đầu tiên cửa sông Brieles và Botlek

được xây dựng, sau đó lần lượt các cửa sông khác như Western Schelde, Eastern Schelde, Haringvliet và Brouwershavense cũng được xây dựng để bảo vệ 150.000ha

đất Có thể kể tên các công trình tiêu biểu như sau:

- Oosterschelde dam: gồm 62 cửa van cung mỗi cửa rộng 40m Các trụ chịu lực chính, mỗi trụ cao 38m nặng 18.000 tấn Biện pháp thi công trụ bằng công nghệ trụ rỗng, di chuyển nổi trên mặt nước từ vị trí đúc đến vị trí xây dựng sau đó đánh đắm.(hình 1-1)

- Công trình Lower - Rhine: 2 cửa van cổng rộng 65m trên 3 trụ (hình 1-2) Cùng với các công trình ngăn sông lớn ở Hà Lan, ở Anh cũng đã nghiên cứu xây dựng một số công trình ngăn sông lớn Năm 1953, nước trên sông Thames (chảy qua thủ đô London) dâng cao làm chết 300 người, phá huỷ hầu như toàn bộ các trang trại lớn ở London Năm 1982, các kỹ sư người Anh đã thiết kế công trình ngăn sông Thames tại Woolwich cách thủ đô 17 km để ngăn những đợt sóng thần từ biển Bắc

đổ vào sông Thames Công trình này có bề rộng thông nước tổng cộng là 433m, gồm

4 khoang 61m, 6 khoang 31,5m, cửa van cao hơn 20m (hình 1-3)

Dự án xây dựng các công trình giảm nhẹ lụt lội do triều cường cho thành phố Venice - Italia, công trình dự kiến tại 3 cửa sông LiDo, Malamocco và Chioggia thông từ vịnh Vinece vào phá Vinece Mỗi công trình gồm 78 cửa van bằng thép trên hệ thống xà lan, mỗi cửa cao 1828m, rộng 20m, dày 5m Đây là loại hình công trình áp dụng nguyên lý phao nổi trong vận hành và lắp đặt cửa van cho công 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

H×nh 1 - 1 Mét sè h×nh ¶nh vÒ c«ng tr×nh Oosterschelde - Hµ Lan

H×nh 1 - 2 Cèng Lower Rhine - Hµ Lan

Hình 1 - 3 Công trình ngăn sông Thames - Anh 1.1.2 Công nghệ ngăn sông vùng triều tại Việt Nam:

Trong những năm qua, công trình ngăn sông 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 cũng

đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng rất nhiều Có thể kể tên một số công trình cống ngăn sông lớn đã và đang được xây dựng tại nước ta như bảng 1-1:

Bảng 1- 1 Thống kê một số công trình cống ngăn sông lớn

TT Tên cống Địa điểm B cống

(m)

Thời điểm khởi công

Thời điểm kết thúc

1.2 Công nghệ ngăn sông dạng truyền thống

Hầu hết các công trình ngăn sông vùng triều ở Nước ta từ trước đến nay đều

được xây dựng theo công nghệ truyền thống, đặc điểm của loại công trình này như sau:

1.2.1 Nguyên lý và cấu tạo của công trình ngăn sông truyền thống

1.2.1.1 Nguyên lý:

ổn định: - Chống trượt bằng ma sát đất

- Chống lật bằng trọng lượng công 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 phòng

1.2.1.2 Cấu tạo

- Bản đáy thân cống là bản bê tông cốt thép dày khoảng 1m, trên bản đáy là các trụ pin, giữa hai trụ pin là cửa van, trên cửa van là giàn kéo van và cầu giao thông

- Sân trước và sân sau: là bản bê tông cốt thép

- Bể tiêu năng, hố phòng xói

- Do kết cấu công trình nặng nên phải đóng cọc bê tông cốt thép xử lý nền, hoặc phải tìm nơi có địa chất tốt để làm cống

Xem hình 1-4 và 1-5 cắt dọc và cắt ngang cống truyền thống

1.2.1.3 Biện pháp thi công: có 2 hình thức thường được áp dụng:

- Đào kênh dẫn dòng, đắp đê quây thượng hạ lưu ngăn dòng, bơm cạn nước,

đào hố móng, xử lý nền, thi công móng công trình và xây dựng công trình lên đó

- Đào hố móng, xử lý nền, thi công móng công trình và xây dựng công trình trong hố móng khô sau đó đào kênh dẫn, chỉnh tuyến dòng chảy và đắp chặn dòng sông cũ

BTCT M100 - 5cm BTCT M200 - 50cm

3 2C

Đường mái mở hố móng

Xám trắng - Trạng thái dẻo cứng

kí hiệu địa chất

Trạng thái chảy-dẻo chảy sét pha màu xám đen

Sét màu nâu đỏ

o ,, 3

k = 3,53.10 m/s

,

o 29B=0.35

C = 0.238 T/m -6

B = 1.1

C = 0.055T/m

k = 4.10 m/s 10 -4 3

BTlót M100 - 10cm BTCT M200 - 50cm

MN ngăn mặn 1.35

phía sông cắt ngang khoang cống

Hình 1 - 5 Cắt ngang một cống truyền thống

Hình 1 - 6: Hình ảnh 1 số cống truyền thống điển hình 1.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ ngăn sông truyền thống

Ưu điểm: Công trình kiên cố, thi công trong hố móng khô nên chất lượng thi công tốt, đã có nhiều kinh nghiệm thiết kế và thi công

Nhược điểm: Một số công trình xây dựng theo công nghệ truyền thống này còn những tồn tại sau:

- Thiết kế: giá thành cao, kinh phí xử lý nền và tiêu năng tốn kém

- Thi công: thường phải dẫn dòng, nên phải đền bù giải phóng mặt bằng lớn do

đó kinh phí đền bù cao, thời gian đền bù dài

- Môi trường: Thay đổi dòng chảy tự nhiên, gây diễn biến môi trường, trước

đập đất chặn dòng sông cũ là một khúc sông chết

- Công trình thu hẹp dòng chảy nhiều nên một số cống vùng triều của ta xây dựng trước đây đã gây ra diễn biến xói lòng dẫn rất phức tạp cho lòng dẫn và gây ngập úng, vấn đề này được các nhà khoa học quan tâm đặc biệt trong suốt 20 năm qua, cụ thể được thống kê trong bảng 1 - 2

Bảng 1 - 2 Bảng thống kê xói lở hạ lưu một số cống lộ thiên

rộng m)

H (cột nước m)

1.3 Công nghệ ngăn sông kiểu đập xà lan

Trong những năm gần đây, để giải quyết một số khó khăn như chuyển đổi cơ cấu sản xuất từ trồng lúa sang nuôi tôm và khó khăn trong giải phóng mặt bằng thi công, Viện khoa học Thủy lợi đã nghiên cứu và ứng dụng loại hình Đập xà lan cho vùng Đồng bằng Nam bộ Một số đặc điểm chính của loại công trình này như sau: 1.3.1 Nguyên lý và cấu tạo của Công nghệ ngăn sông kiểu đập xà lan 1.3.1.1 Nguyên lý:

 ổn định chống trượt: bằng ma sát giữa xà lan và nền đất, áp lực đất trước và sau cống, trọng lượng toàn bộ xà lan kể cả dung tích nước trong hộp xà lan,

áp lực đất hai bên mang cống

 ổn định chống thấm: bằng đường viền bản đáy và đường viền hai bên trụ pin

 ổn định chống xói hạ lưu: Mở rộng khẩu độ thoát nước để giảm gia cố tiêu năng do đó chỉ gia cố nhẹ bằng thảm đá

 ứng suất nền: giảm thiểu khối lượng, mở rộng tiết diện bản đáy để giảm ứng suất pháp, đảm bảo đất nền không bị phá hoại ngay cả trên nền đất yếu 1.3.1.2 Cấu tạo

Cũng giống như các công trình ngăn sông khác, cống bằng công nghệ đập xà lan BTCT gồm các phần chính sau: Phần ngăn sông gồm xà lan, cửa van gắn trên xà lan, mang cống nối tiếp hai bờ

Toàn bộ xà lan (bản đáy, trụ pin) bằng bê tông cốt thép dạng hộp rỗng, trên mặt sàn hộp đáy bố trí cửa van có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, thoát lũ

Hệ thống hộp phao rỗng được cấu tạo bởi hệ thống tường và vách dày từ 12 -

15 cm Trên mặt sàn trụ pin bố trí bệ định vị các puly dẫn hướng cáp, tời đóng mở cửa van Ngoài ra trên mặt sàn trụ pin bố trí hệ thống bơm nước vào hộp xà lan để

đánh chìm xà lan khi thi công hạ thủy

1.3.1.3 Biện pháp thi công:

Do khả năng di động nên có thể chọn được vị trí đúc xà lan trong khô Tại vị trí công trình mặt bằng chật hẹp không tạo được hố móng thì có thể thi công xà lan tại một hố móng khác thích hợp hơn, sau đó lai dắt đến vị trí công trình và đánh

đắm

1.3.2 Ưu nhược điểm của Công nghệ ngăn sông kiểu Đập xà lan

1.3.2.1 ưu điểm:

Do giảm được đáng kể mặt bằng xây dựng cống nên tiết kiệm được thời gian

và kinh phí giải phóng mặt bằng, điều đó sẽ ảnh hưởng tích cực đến quá trình thi công các công trình trong dự án

1.3.2.2 Nhược điểm:

- Chưa có quy trình thiết kế và thi công xà lan

- Các đơn vị thi công công trình thủy lợi đều chưa có kinh nghiệm

1.3.3 Một số công trình áp dụng công nghệ ngăn sông kiểu Đập xà lan:

- Công trình Phước Long - tỉnh Bạc Liêu, bề rộng thông nước B = 12m chênh lệch cột nước H=0,7m, độ sâu 3,7m, chiều rộng kênh 32m, hoàn thành năm

2004

- Công trình cống Thông Lưu - huyện Vĩnh Lợi - tỉnh Bạc Liêu, bề rộng thông nước B = 10m chênh lệch cột nước H=2,2m, độ sâu 3,5m, chiều rộng kênh 25m, hoàn thành năm 2005

1.3.4 Một số hình ảnh về công trình áp dụng công nghệ Đập xà lan:

Hình 1 - 7: Cấu tạo đập xà lan

Hình 1 - 8: Đập xà lan khi ngăn mặn giữ ngọt

Hình 1 - 9: Đập xà lan khi thông nước

1.4 công nghệ ngăn sông dạng đập trụ đỡ

1.4.1 Sự ra đời công nghệ Đập trụ đỡ:

Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Thuỷ lợi mà đứng đầu là 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 công nghệ

KC 12 từ năm 19911995 Đề tài đã đề xuất và nghiên cứu được một số giải pháp

công trình làm việc theo nguyên lý mới và đổi mới công nghệ thi công nhằm tăng

hiệu quả đầu tư mà Đập trụ đỡ là một loại công trình trong số đó

1.4.2 Khái niệm công nghệ Đập trụ đỡ:

Đập trụ đỡ là một loại công trình ngăn sông được xây dựng giữa dòng sông có chiều rộng thoát nước xấp xỉ lòng sông áp lực nước tác dụng vào cửa van được truyền trực tiếp vào trụ, các trụ đặt trên hệ cọc, dầm đỡ van gối lên hai bệ trụ, chống thấm bằng cừ gắn dưới dầm đỡ van, chống xói bằng thảm đá (hình 2-1 và 2-2)

Bề rộng một khoang đập trụ đỡ phụ thuộc vào khả năng chế tạo và bố trí cửa van Chiều rộng toàn bộ công trình đập trụ đỡ không hạn chế vì các trụ pin được thi công độc lập như vậy có thể dùng đập trụ đỡ để ngăn những con sông lớn

Trên đập trụ đỡ bố trí các loại cửa van để điều tiết nước tuỳ thuộc vào nhiệm vụ

cụ thể của từng công trình như: cửa clape trục dưới, cửa clape trục trên, cửa tự động cánh cửa, cửa cung, cửa van cao su,…

Công trình đập trụ đỡ được thi công trong nước ngay trên lòng sông cũ vì vậy không phải đền bù giải phóng mặt bằng và không phụ thuộc nhiều vào chế độ dòng chảy trên sông nên thời gian thi công được rút ngắn

1.4.3 Các công trình đã xây dựng theo công nghệ Đập trụ đỡ:

1 Cống Phó Sinh, Bạc Liêu: Gồm 3 khoang cửa van tự động hai chiều, mỗi cửa rộng 7,5m Chênh lệch mực nước 3m Cầu giao thông H13-X60 Công trình này chỉ thử nghiệm nguyên lý kết cấu đập trụ đỡ, còn biện pháp thi công vẫn như cống cổ truyền

2 Cống Sông Cui, Long An: gồm 2 cửa van tự động hai chiều mỗi cửa rộng 8m Chênh lệch mực nước 3m Cầu giao thông rộng 4,5m tải trọng H13-X60

3 Cống Thảo Long Huế có qui mô lớn nhất nước ta hiện nay Bxh=472,5x4m, gồm 15 khoang cửa mỗi khoang rộng 31,5m và âu thuyền rộng 8m, cửa van Clape trục dưới, nhịp cầu L=33m, mặt cầu Bc=10m, tải trọng đoàn xe H30-XB80 Chênh lệch mực nước lớn nhất 1,2m (hình 1 - 10)

4 Cống Hiền Lương huyện Tư Nghĩa tỉnh Quảng Ngãi, có khẩu độ 64m, gồm

16 cửa tự động 4m, chênh lệch mực nước 2m, cầu rộng 4m, tải trọng H13-X30

1.4.4 Phân tích đánh giá chung về công nghệ Đập trụ đỡ:

Công nghệ Đập trụ đỡ mới được nghiên cứu và áp dụng vào thực tế tại Việt Nam trong khoảng 10 năm trở lại đây bước đầu đã mạng lại hiệu quả cao cả về kinh

tế lẫn kỹ thuật Tuy nhiên chưa có một công trình nghiên cứu nào nhằm tổng hợp, hệ thống lại một cách đầy đủ các bước tính toán thiết kế cho công nghệ này để qua đó từng bước góp phần đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ này vào thực tế một cách rộng rãi và mạnh mẽ hơn Đây chính là vấn đề mà trong quá trình tham gia nghiên cứu ứng dụng công nghệ tác giả đã trăn trở và muốn được trình bày trong luận văn này

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1 tác giả đã đánh giá tổng quan tình hình xây dựng công trình ngăn sông vùng triều trên Thế giới và trong Nước; Nêu và phân tích ưu nhược điểm của các hình thức công trình đã được áp dụng xây dựng ngăn sông vùng triều Giải pháp công trình ứng dụng công nghệ Đập trụ đỡ đã phần nào cho thấy những ưu

điểm nổi trội khi nghiên cứu áp dụng vào thực tế

Cũng trong chương 1 tác giả đã sơ bộ giới thiệu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và biện pháp thi công để có những cái nhìn tổng quan về Đập trụ đỡ trước khi trình bày các bước tính toán thiết kế chi tiết trong chương 2

Chương 2 phương pháp tính toán thiết kế đập Trụ đỡ

2.1 giới thiệu chung về đập trụ đỡ

2.1.1 Nguyên lý thiết kế đập trụ đỡ

Đập trụ đỡ thiết kế dựa trên các nguyên lý sau:

1 ổn định công trình bằng hệ thống cọc cắm sâu vào nền đất trong lòng sông,

bố trí cọc tập trung để tăng tải trọng đứng tác dụng lên mỗi cọc từ đó tăng

được sức chịu tải trọng ngang của mỗi cọc đó Do đó đập trụ đỡ nên kết hợp với cầu giao thông, vì cầu truyền tải trọng đứng lên trụ

2 Cống đặt ngay trên dòng sông chính, dẫn dòng thi công ngay trong dòng sông không phải đắp đập ngăn sông, không phải đào kênh dẫn dòng do đó không phải đền bù giải phóng mặt bằng

3 Chống thấm bằng các bản cừ thép, bê tông cốt thép hay nhựa tạo thành

đường viền chống thấm đứng, không cần bản đáy

4 Mở rộng khẩu độ cống để giảm nhỏ và phân bố đều lưu tốc sau hạ lưu nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép, do đó giảm thiểu gia cố tiêu năng

5 Mở rộng khẩu độ cửa van để thông thoáng dòng chảy, đảm bảo mỹ quan, thuận tiện giao thông thuỷ và giảm giá thành

2.1.2 Phân loại đập trụ đỡ

Theo hình thức kết cấu trụ có 2 dạng cấu tạo đập trụ đỡ, đó là:

- Đập trụ đỡ đài thấp,

- Đập trụ đỡ đài cao

2.1.3 Cấu tạo đập trụ đỡ đài thấp:

Trụ dày 11,5m, trên đỉnh trụ là trụ xà mũ và xà mũ cầu giao thông Trên trụ pin bố trí thiết bị đóng mở cửa van

Bệ trụ có kích thước đảm bảo nguyên tắc thiết kế như sau:

 Đảm bảo yêu cầu chịu lực đứng do tĩnh tải và hoạt tải đồng thời chịu

được mô men do lực ngang gây ra

 Đủ diện tích để bố trí cọc theo qui phạm

Bệ trụ và toàn bộ trụ pin được thi công trong khung vây khô, hệ dầm đầu cừ

được lắp đặt trong nước hoặc thi công trực tiếp trong khung vây

2.1.4 Cấu tạo đập trụ đỡ đài cao:

Trụ pin dày 11,5m không có bệ, trụ liên kết trực tiếp với hệ cọc chịu lực, chiều dài trụ có kích thước đảm bảo các yêu cầu sau:

 Chịu lực đứng do tĩnh tải và hoạt tải, đồng thời chịu được mô men do lực ngang gây ra

 Đủ để bố trí cọc theo qui phạm Trên đỉnh trụ pin là trụ xà mũ, xà mũ cầu giao thông và thiết bị đóng mở cửa van

Toàn bộ trụ pin được thi công trên khô (trên mực nước kiệt), hệ dầm đầu cừ

Hình 2-2: Cắt ngang đập trụ đỡ 2.1.5 Phương pháp tính toán thiết kế đập trụ đỡ

Trong phần này tác giả sẽ đi vào giải quyết các bài toán cơ bản để tính toán thiết kế công trình đập trụ đỡ như sau:

- Tính toán thủy lực;

- Tính toán thấm qua công trình;

- Tính toán nền móng;

- Tính toán kết cấu trụ đỡ;

- Tính toán thiết kế khung vây thi công đập trụ đỡ

2.2 Tính toán thủy lực đập trụ đỡ

2.2.1 Tính toán xác định chiều rộng thoát nước Bc

Chiều rộng cống được xác định theo các điều kiện:

a, Đảm bảo thoát lũ với tần suất thiết kế (Qlũ),

b, Đảm bảo thông thủy,

c, Giảm gia cố tiêu năng (Qtn),

d, Đảm bảo điều kiện kinh tế

- Qlũ: để tính toán lưu lượng tháo lũ qua công trình, ta phải chạy bài toán thuỷ lực mạng sông, hiện nay có rất nhiều phương pháp và chương trình để tính toán lưu lượng tiêu tại một nút sông

Lưu lượng tính toán khả năng tháo lũ được xác định trong hai bài toán tiêu sau: Bài toán tiêu 1: Tính tiêu cho lũ hè thu tần suất P%

Bài toán tiêu 2: Tính tiêu cho lũ chính vụ (vụ mùa) tần suất P%

- Bài toán thuỷ lực tiêu năng (Qtn) với tần suất Ptk là: Tính toán thuỷ lực tiêu khi mưa trong đồng với tần suất Ptk gặp tổ hợp triều ngoài sông rút nhanh gây bất lợi

về nối tiếp tiêu năng, có nghĩa là trường hợp tiêu với Qtk qua cống gây Z có giá trị max và Vmax

Khi đó cần xét đến lưu lượng đơn vị chảy qua cống:

Vấn đề chọn lưu lượng đơn vị chảy qua cống rất quan trọng, cần phải xét ngay

từ đầu vì nó ảnh hưởng đến giá thành xây dựng và điều kiện làm việc an toàn của cống và lòng dẫn hạ lưu

Khi chọn lưu lượng đơn vị lớn, kích thước cống được giảm nhỏ, song tiêu năng sau cống sẽ phức tạp Nếu chọn lưu lượng đơn vị nhỏ thì ngược lại Vì vậy trong khi thiết kế công trình Đập trụ đỡ phải so sánh lựa chọn để giải quyết cho thoả đáng và bảo đảm các yêu cầu kinh tế kỹ thuật Khi chọn lưu lượng đơn vị cần tham khảo các

số liệu kinh nghiệm thực tế, và nên chú ý đến một số mặt sau:

+ Khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn, năng lượng dòng chảy qua cống lớn nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ

+ Khi chiều sâu nước sau cống nông nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ để giảm nhẹ vấn đề tiêu năng

+ Khi nền yếu, khả năng chống xói kém nên chọn lưu lượng đơn vị bé

+ Khi cống có qui mô lớn, nước chảy ra sau cống không đều, khó khuếch tán

dễ dẫn đến hiện tượng chảy tập trung, cũng nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ Để đảm bảo dòng chảy hạ lưu cống khuếch tán tương đối đều, theo đề nghị của V.M.Đômbơrôpski, lưu lượng đơn vị sau cống nên nhỏ hơn 10m3/s.m

Theo kinh nghiệm thực tế thì cống dùng phân lũ trên nền cát q = 10  15m3/s.m Cống tiêu q = 4  11 m3/s.m nếu đất nền có tính dính có thể lấy lớn hơn một chút Cống lấy nước q = 4  9 m3/s.m và lưu tốc qua cống v = 1  2 m/s để tổn thất cột nước qua cống không quá lớn

- Để đảm bảo giao thông thủy thì rõ ràng khẩu độ cống càng lớn, mực nước qua cống càng sâu thì càng thuận lợi, tuy nhiên tại từng công trình cụ thể sẽ tính toán khẩu độ thông thủy theo điều kiện thực tế

- Chiều rộng thông nước theo điều kiện kinh tế được phân tích như sau:

Giá thành của công trình cấu thành bởi ba bộ phận chính sau:

Gc: Giá thành kết cấu cống Gtn: Giá thành của bộ phận tiêu năng Gcv: giá thành bộ phận cửa van và thiết bị điều khiển

Ta có qui luật sau:

Gc tỉ lệ thuận Bc Gtn tỉ lệ nghịch Bc Gcv tỉ lệ thuận Bc Như vậy bài toán thiết kế đặt ra là: Tìm Bc sao cho (G=Gc+Gtn+Gcv) đạt giá trị min

Bc tăng thì Gtn giảm; Bc giảm thì Gtn tăng

Đây là bài toán thử dần với khối lượng tính toán nhiều Hiện nay chúng ta chỉ xác định Bc theo điều kiện a, b và thường hay bỏ qua điều kiện c và d Nhiều trường hợp Bc xác định theo điều kiện c,d lớn hơn Bc theo điều kiện a

Hình 2 - 3 Đồ thị xác định bề rộng cống tối ưu Tư tưởng chủ đạo của việc thiết kế thi công đập trụ đỡ là mở rộng khẩu diện cống để vận tốc dòng chảy qua cống nhỏ hơn vận tốc không xói, do đó không xử lý tiêu năng sau cống Do đó cấu tạo kết cấu của đập trụ đỡ chỉ có thảm đá gia cố chứ

Hình 2 - 4 Sơ đồ tính toán thủy lực - đập trụ đỡ Chiều rộng cống theo điều kiện 2.2.1.a được tính theo công thức như đối với

đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:

Bc=

) h H (

g 2 h

Q n

2.2.2 KiÓm tra xãi h¹ l­u cèng

L­u tèc trung b×nh cña dßng ch¶y qua cèng:

Vmax=

h B

2.3 Tính toán thấm qua công trình đập trụ đỡ

Thấm qua công trình đập trụ đỡ gồm 2 phần: Thấm qua mang cống và thấm qua nền cống

2.3.1 Các giả thiết và phương trình cơ bản của dòng thấm

Lời giải lý thuyết của bài toán thấm có áp được đưa ra trên cơ sở một số giả thiết cơ bản đơn giản hoá môi trường thấm và dòng thấm Các giả thiết đó như sau:

- Đất nền là môi trường đồng nhất đẳng hướng;

- Nước chứa đầy miền thấm và không ép co được;

(Theo giả thiết này, không còn hiện diện của cốt đất trong miền thấm ảnh hưởng của cốt đất chỉ thể hiện gián tiếp qua hệ số thấm k.)

- Dòng thấm ổn định;

- Dòng thấm chảy tầng và tuân theo định luật Darcy:

Trong đó:

V - lưu tốc thấm bình quân trên mặt cắt ướt;

k - hệ số thấm của đất;

J - gradien thuỷ lực

Đối với các bài toán thấm có áp qua công trình đập trụ đỡ còn đưa thêm 3 giả thiết bổ sung là:

- Hàng cừ chống thấm coi như một mặt phẳng và có hệ số thấm bằng không

- Trong miền thấm không có điểm tiếp nước và điểm rút nước;

- Bài toán thấm phẳng

Các giả thiết trên là cơ sở lý luận để đơn giản hoá các điều kiện của bài toán,

từ đó thiết lập các phương trình tính toán để tìm ra các thông số của dòng thấm là: cột nước thấm h, lưu lượng thấm, phân bố gradien và vận tốc thấm trong toàn miền Trong bài toán thấm phẳng, gọi h là hàm số cột nước thấm, ta có:

Trong môi trường thấm với các giả thiết đã nêu ở phần trên, phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm là:

Với công cụ toán học là các hàm giải tích một biến phức z = x + iy, đã tìm

được thế vị phức của dòng thấm trong một số bài toán đơn giản Chuyển động của dòng thấm được mô tả bởi lưới thấm gồm 2 họ đường:

- Đường đẳng thế, gọi tắt là đường thế, là tập hợp các điểm có cùng cột nước h (h = const)

- Đường dòng là quỹ đạo chuyển động của một hạt nước trong miền thấm Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, hai họ đường này trực giao nhau Với một số bài toán có biên đơn giản, Pavlôpxki đã viết được phương trình của họ

đường dòng, đường thế, xác định được cột nước thấm, gradien thấm tại một điểm bất

kỳ và tìm được lưu lượng thấm

2.3.2 Các trường hợp tính toán:

Với bài toán ổn định thấm cần tính toán cho hai trường hợp:

Trường hợp giữ ngọt: mực nước thượng lưu giữ ngọt max, hạ lưu mực nước triều min

Trường hợp ngăn mặn: mực nước thượng lưu giữ ngọt min, hạ lưu mực nước triều max

2.3.3 Tính toán thấm qua mang cống:

Mang cống đập trụ đỡ có cấu tạo như một đập đất đồng chất, tuy nhiên cột nước tính toán ở đây rất nhỏ so với đập đất (xét với trường hợp H  3m) Hình thức chống thấm qua mang cống thường sử dụng các kiểu sau:

- Đắp mang cống bằng loại đất đồng chất có hệ số thấm nhỏ

- Dùng tường nghiêng, sân phủ bằng đất sét, bê tông hay vải địa kỹ thuật

- Tường tâm bằng đất sét hoặc các loại cừ

Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả chỉ tính toán cho trường hợp chống thấm mang cống bằng tường nghiêng sân phủ

2.3.3.2 Phương pháp tính toán:

Coi dòng thấm qua mang cống là dòng thấm ổn định hai hướng trong khối đất

đồng chất, dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước ao ta có hệ phương trình sau đây để xác định q và h3:

3

3 1

44 , 0

) (

mh l T

T h h Kn q

L

T h h Kn mh

L

h h Kd q

44,0

)(

)(

2 3 3

2 3 2 3

h h h y

3

2 2 2 3 2 3

) h h ( J

3

2 3 d k

Trong đó

T L

L

h h J

s

n k

88,0

2 1

Khi xác định độ dốc mái tường nghiêng phải đảm bảo lớp bảo vệ không bị trượt trên mặt tường đồng thời lớp mái đất đắp mang cống phải ổn định

* Sân phủ thượng lưu hay sân trước:

Sân trước có thể làm bằng đất sét, đất pha sét, bê tông đất sét hay vải chống thấm, là những loại vật liệu dễ sử dụng, dễ cung cấp tại khu vực xây dựng Sân trước được gắn liền với tường nghiêng

- Chiều dài sân trước được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật Hiện chưa có công thức hoàn chỉnh để tính cho mọi trường hợp cụ thể, sơ bộ có thể xác

định chiều dài sân trước như sau:

L = (35)H với H là cột nước tính toán

Theo Ughintrut, chiều dài tối đa của sân trước có thể tính bằng công thức:

t T

Kn

K

Trong đó: K và Kn là hệ số thấm của vật liệu làm sân và của nền

ttb: chiều dày trung bình của sân trước T: chiều dày của tầng thấm nước trong nền

- Chiều dày sân trước t được xác định theo công thức:

[J]: Građien thấm cho phép đối với vật liệu làm sân trước

Đối với đất sét: [J] = 8  10, đối với bê tông: [J] = 12  15 2.3.4 Tính toán thấm qua nền cống:

i

H i hi

1 To

H Jr

+ k: hệ số thấm của đất nền cống

+ To: Chiều sâu tầng thấm của nền

+ T1: Chiều sâu tầng thấm tính toán

+ Hệ số sức cản của cửa vào và cửa ra:

Trong trường hợp chung, hệ số sức kháng của bộ phận cửa vào, cửa

ra xác định như sau:

Trong đó: b - hệ số sức kháng của bậc được tính bằng công thức:

0 b T

a



Với: a - độ cao của bậc thụt hay chiều dày của dầm đáy;

To - bề dày tầng thấm của nền + Hệ số sức cản của cừ:

Sơ bộ chọn chiều dài cừ chống thấm theo công thức:

S 2

Sau khi tính toán được các hệ số sức cản thành phần, thay vào công thức (2-7)

để xác định giá trị Jra, kiểm tra so sánh với Građien cho phép [J] của nền Nếu Jra > [J] cần tăng chiều dài đường viền thấm hoặc có biện pháp xử lý để không gây xói ngầm hạ lưu công trình

Trong giai đoạn TKKT-TC, khi đã có kích thước chính xác của trụ đỡ thì cần thiết phải tính toán lại chính xác Jra thông qua phương pháp phần tử hữu hạn và hiệu chỉnh lại đường viền thấm bằng chiều dài cừ chống thấm (S)

2.4 Tính toán kết cấu trụ đỡ

2.4.1 Số liệu đầu vào:

2.4.1.1 Các lực tác dụng vào trụ pin:

Lực tác dụng vào trụ pin được chia làm 2 tổ hợp ứng với các trường hợp làm việc của cống:

Tổ hợp A: Trường hợp giữ ngọt

Tổ hợp B: Trường hợp ngăn mặn

Tổ hợp A Tổ hợp B

Nhóm I áp lực nước giữ ngọt (sóng)

Nhóm II Tĩnh tải: khối lượng bệ trụ, trụ pin,

dầm cầu, mặt cầu, cửa van và thiết bị…

Nhóm III áp lực thấm và đẩy nổi đáy bệ

Nhóm IV Hoạt tải & tác động của hoạt tải

Trong đó, các tải trọng sau không xét đồng thời:

- Va tàu và gió;

- Lắc ngang và hãm dọc;

- Đoàn xe tiêu chuẩn H và xe bánh X

Điểm mới trong thiết kế Cống kiểu đập trụ đỡ là kết hợp thiết kế cống với cầu

có qui mô lớn do đó xác định được tổ hợp tải trọng tác dụng phản ánh đúng điều kiện làm việc của kết cấu là hết sức quan trọng Do khả năng chịu lực dọc của cọc

là rất lớn so với khả năng chịu lực ngang do đó lấy lực ngang của áp lực nước là lực chính để tổ hợp thành tổ hợp các tải trọng tác dụng

Tổ hợp đặc biệt: là các lực trong tổ hợp chính kết hợp với tải trọng do động

đất với hệ số tổ hợp đặc biệt

Trong đó hệ số tổ hợp chính, phụ và đặc biệt lấy theo các qui phạm chuyên ngành Ví dụ đối đoàn xe tiêu chuẩn H thì hệ số tổ hợp chính, phụ và đặc biệt theo thứ tự sau: 1,4; 1,12; 0,98

Như vậy với 1 trụ đối với tổ hợp loại A (hoặcB) ta có 8 tổ hợp chính và 12 tổ hợp phụ Các tổ hợp ngoại lực tạo thành đường bao ngoại lực tác dụng lên trụ pin

Ht1

Hb2 Ht2

Ht1: áp lực nước thượng lưu vào trụ

Ht2: áp lực nước hạ lưu vào trụ

Hb1: áp lực nước thượng lưu vào bệ trụ

Hb2: áp lực nước hạ lưu vào bệ trụ

hb1: chiều cao bệ trụ phía thượng lưu

hb2: chiều cao bệ trụ phía hạ lưu

l1: chiều dài bệ trụ thượng lưu

l1: chiều dài bệ trụ hạ lưu

N1: trọng lượng nước tác dụng vào bệ trụ

bệ, trụ pin và trụ xà mũ Pdc, Pmc: lần lượt là trọng lượng của dầm

và mặt cầu Px80, Ph30: lần lượt là tải trọng của xe bánh xích và của đoàn xe trên cầu

Hv1 Hv2

S Hth

Hình 2 - 8 Sơ đồ tính lực tác dụng gián tiếp vào trụ thông qua cửa van và dầm đáy

Ký hiệu trong hình 2-8:

h3: Cột nước thượng lưu tính đến đáy dầm đáy

h4: Cột nước hạ lưu tính đến đáy dầm đáy

h: Chênh lệch cột nước thượng - hạ lưu

Pdv+cừ: Trọng lượng dầm van (tính đẩy nổi) và cừ chống thấm

Hd1: áp lực nước thượng lưu vào dầm đáy

Hd2: áp lực nước hạ lưu vào dầm đáy

Hv1: áp lực nước thượng lưu vào cửa van

Hv2: áp lực nước hạ lưu vào cửa van

Hth: áp lực thấm tác dụng vào dầm đáy

hd1: chiều cao dầm đáy phía thượng lưu

hd2: chiều cao dầm đáy phía hạ lưu

S: chiều dài cừ chống thấm

2.4.1.3 Xác định các thành phần tải trọng tác dụng vào trụ pin:

- áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng vào cửa van:

hd : Chiều cao dầm đáy

Ld: Chiều dài dầm đáy

2 Trọng lượng nước:

Trọng lượng nước tác dụng vào bệ trụ:

073 , 0

h s  10 Trong đó:

10

D 4 , 0

e 1







14

e 19 9 e







Với 10: Tốc độ gió ở cao độ bình quân 10m trên mặt sông (m/s)

D: chiều dài thổi sóng (km)

qo: áp lực gió động (kg/m2) lấy theo bảng (2 - 4)

C: hệ số khí động học, lấy bằng 1,4 (theo phương ngang) hoặc 0,8 (theo phương dọc)

k: hệ số kể đến sự thay đổi của áp suất gió động theo chiều cao (được tính riêng cho từng bộ phận công trình, có xét đến chiều cao của nó), lấy theo bảng (2-5)

Bảng 2 - 4 áp lực gió động (lấy theo QP - 01- 61 của UBKHKTNN)

Trong đó:

Ps = Lực va tàu tĩnh tương đương (N)

M = Trọng tải của tàu (T)

V = Vận tốc va tàu (m/s)

Vận tốc va thiết kế V dùng cho mỗi loại tàu thiết kế được lấy theo bảng 2-6 Với Vs - vận tốc bình quân năm của dòng chảy trên sông (m/s)

Bảng 2 - 6 Vận tốc va thiết kế cho tàu thiết kế

Trong tính toán sơ bộ có thể lấy giá trị lực va như trong bảng 2 - 7

Bảng 2 - 7 Lực va tàu thiết kế ứng với tải trọng tàu

Tải trọng toàn

phần của tàu

(T)

Tải trọng va tàu thiết kế (T)

Có thông thuyền

không thông

Hạ lưu (hoặc thượng lưu khi nước không chảy qua cống)

8 Lực do đoàn xe thiết kế trên cầu:

Với từng công trình cụ thể, khi có bố trí cầu giao thông cho đoàn xe đi qua, ứng với tải trọng xe, bề rộng cầu thiết kế sẽ áp dụng Tiêu chuẩn của Bộ Giao thông (22TCN 272-05) để tính toán

Sau khi tính toán đầy đủ các thành phần lực tác dụng vào trụ ta sẽ tổ hợp lực theo mục 2.4.1.2 Chọn tổ hợp tải trọng bất lợi nhất để tính toán móng trụ, gồm các

Nội lực lớn nhất trong một cọc đơn: Nmax < Qult/Fs

Mô men lớn nhất trong thân cọc: Mmax < [Mgh] của vật liệu làm cọc Chuyển vị bệ cọc: y < [y]

Trong đó:

Fs: là hệ số an toàn ổn định của móng cọc Fs = 1,4  3 tùy theo sự đầy đủ của tài liệu địa chất, số lượng cọc trong móng, loại cọc và phương pháp tính toán Đối với móng cọc có số lượng cọc lớn hơn 20 cọc và địa chất được đánh giá một cách

đầy đủ thì hệ số an toàn tính theo qui phạm Nga SNIP 2.02.03.85 thì Fs = 1,4; tính theo kết qủa xuyên SPT và xuyên tĩnh thì Fs =2

Qult: là sức chịu tải đứng giới hạn của một cọc đơn, được chọn bằng giá trị nhỏ nhất trong việc tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu chế tạo cọc và theo đất nền (xem mục 2.4.2.1.b)

Giá trị [Mgh] được tính toán với từng loại cọc và cách bố trí cốt thép trong cọc

Giá trị [y] là giá trị để kiểm tra

b Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc đơn

Sức chịu tải của cọc đơn căn cứ theo vật liệu thân cọc và theo đất nền:

+ Theo vật liệu làm cọc:

- Tính toán cọc theo độ bền của vật liệu theo yêu cầu của các tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu bê tông cốt thép (14TCN 4116- 85) (Phụ lục G- TCXDVN 205-1998)

PcVL = mc*(mcb*Rb*Fb + Ra*Fa) (2-23)