Tính cấp thiết của Đề tài
Ngày nay, thiết kế kết cấu hợp lý cho công trình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước tối ưu, đảm bảo độ bền với mặt cắt tiết diện chịu lực nhỏ nhất Việc này không chỉ giúp giảm khối lượng vật liệu mà còn làm giảm giá thành cho công trình, mang lại nhiều lợi ích cho nhà đầu tư.
Kết cấu thân cống vùng triều trên nền đất yếu thường được thiết kế theo các Quy phạm và Tiêu chuẩn hiện hành, nhưng các tiêu chuẩn này chưa phản ánh đầy đủ điều kiện tự nhiên tại nơi xây dựng, dẫn đến việc sử dụng vật liệu tốn kém và thiết kế chưa tối ưu Hơn nữa, chi phí thiết kế thường tỷ lệ thuận với giá trị xây lắp, khiến hệ số an toàn công trình bị nâng cao, gây thiệt hại cho Nhà đầu tư Do đó, việc tối ưu hóa kết cấu công trình, đặc biệt là cống vùng triều trên nền đất yếu, trở nên cấp thiết, nhất là tại khu vực Tỉnh Bến Tre, nơi có nhiều công trình loại này.
Mặc dù bài toán kết cấu hợp lý đã tồn tại từ lâu, nhưng chủ yếu chỉ được áp dụng cho các công trình dân dụng, kết cấu thép, và công trình biển Việc tính toán kết cấu thân cống vùng triều trên nền đất yếu vẫn chưa được chú trọng Điều này không chỉ xảy ra ở Việt Nam mà còn ở nhiều quốc gia phát triển trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi như Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc và Nhật Bản, nơi tài liệu hoặc nghiên cứu về giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu rất hiếm.
Mục đích của Đề tài
Đề xuất giải pháp và xây dựng phương pháp tính toán kết cấu hợp lý thân cống vùng triềutrên nền đất yếukhu vực tỉnh Bến Tre.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Dựa trên các loại hình kết cấu cống hiện có tại tỉnh Bến Tre, bài viết đánh giá những ưu nhược điểm của từng loại và đề xuất giải pháp cho kết cấu thân cống phù hợp nhất.
Dựa trên số liệu điều tra từ công trình cống Cầu Ván và tài liệu tham khảo, cùng với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng như SAP 2000, Excel và AutoCAD, chúng tôi đã tiến hành phân tích và tính toán để đề xuất kích thước cống hợp lý.
Kết quả dự kiến đạt được
Đưa ra giải pháp kết cấu thân cống hợp lý nhất ở khu vực tỉnh Bến Tre
Phương pháp tính toán kết cấu được xây dựng nhằm xác định mặt cắt kết cấu hợp lý về kinh tế và kỹ thuật, với ứng dụng cụ thể cho công trình cống Cầu Ván tại huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre.
TỔNG QUAN CỐNG VÙNG TRIỀU
Khái quát về cống vùng triều
Cống vùng triều là công trình thủy có nhiệm vụ kiểm soát mực nước và điều tiết nước cho nhiều mục đích khác nhau Nó hoạt động trong khu vực chịu ảnh hưởng của thủy triều, với chu kỳ biến đổi mực nước phụ thuộc vào lực hấp dẫn của Mặt Trăng và các thiên thể khác Sự thay đổi này dẫn đến hiện tượng triều lên (nước lớn) và triều xuống (nước ròng) diễn ra theo những khoảng thời gian nhất định trong ngày.
Có hai hình thức cống dùng phổ biến cho vùng triều là cống lộ thiên và cống ngầm
1.1.2.1 Cống lộ thiên (cống hở)
Cống vùng triều là công trình thủy lợi hở, được thiết kế để điều tiết lưu lượng nước và kiểm soát mực nước, phục vụ cho các mục đích như cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt và ngăn mặn Đây là loại cống phổ biến nhất trong hệ thống cống vùng triều, và được phân loại dựa trên nhiệm vụ và mục đích sử dụng.
Cống lấy nước : được xây dựng để lấy nước từ sông, kênh hoặc từ hồ chứa phục vụ các yêu cầu dùng nước;
Cống điều tiết : xây dựng trên sông, kênh để dâng cao mực nước tạo điều kiện lấy nước cho các công trình phía thượng lưu;
Cống tiêu : dùng tháo nước, chống úng cho một vùng nhất định trên một hệ thống, bên cạnh nhiệm vụ tiêu, cống còn đảm nhận các nhiệm vụ khác;
Cống phân lũ là công trình được sử dụng để điều tiết một phần lưu lượng nước trong mùa lũ của các con sông, chuyển hướng nước lũ sang khu vực khác hoặc tập trung nước vào một vùng nhất định Mục tiêu của việc này là giảm thiểu đỉnh lũ trên sông chính, góp phần bảo vệ các khu vực hạ lưu khỏi thiệt hại do lũ lụt.
Cống ngăn triều được xây dựng tại cửa sông ven biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp từ thủy triều Khi thủy triều dâng, cống sẽ mở để cho phép nước ngọt từ biển vào đồng, trong khi khi triều rút vào mùa lũ, cống sẽ được mở để thoát nước từ đồng ra ngoài Vào mùa khô, cống sẽ đóng lại nhằm ngăn triều và giữ nước ngọt Bên cạnh đó, cống còn giúp thay đổi nước trong đồng, hỗ trợ trong việc tháo chua và rửa mặn.
Cống tháo cát : để tháo rửa bùn cát lắng đọng phía trước các công trình dâng và điều tiết nước.
Cống ngầm là công trình thủy lợi quan trọng, thường được xây dựng dưới mặt đê hoặc mặt đập, nhằm mục đích cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt và ngăn mặn Đây là hình thức cống phổ biến trong các vùng triều, với nhiều loại cống ngầm được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Trong xây dựng, các loại cống ngầm chủ yếu bao gồm cống sành, bê tông, bê tông cốt thép, ống kim loại và ống nhựa Cống bê tông cốt thép và kim loại được sử dụng phổ biến nhất, trong khi cống sành, bê tông và ống nhựa thường chỉ được áp dụng khi cột nước thấp.
Theo hình thức kết cấu : có các loại cống tròn, cống hộp, cống vòm;
Cống ngầm có thể được bố trí trực tiếp trên nền hoặc trong hành lang bê tông cốt thép Mặc dù cách bố trí trực tiếp trên nền có chi phí thấp hơn, nhưng việc kiểm tra và sửa chữa sẽ gặp khó khăn nếu các khớp nối không đảm bảo, dẫn đến tình trạng rò rỉ nước và ảnh hưởng đến an toàn của đập Khi tháo nước với lưu lượng lớn, chân không có thể hình thành tại các điểm nối hoặc kẽ nứt, gây ra hiện tượng hút đất từ thân đập vào cống, làm cho đập bị trụt lún Do đó, chỉ nên áp dụng phương pháp này khi điều kiện đá tốt, và thường chỉ đặt một phần hoặc toàn bộ đường ống trong nền.
Trong quản lý nước, có hai phương pháp chính: lấy nước bằng cách đặt van khống chế ở hạ lưu hoặc thượng lưu, và lấy nước thông qua cửa kéo nghiêng Phương pháp đầu tiên cho phép điều chỉnh lưu lượng nước một cách hiệu quả, trong khi phương pháp thứ hai giúp kiểm soát dòng chảy và ngăn ngừa tình trạng tràn nước Cả hai hình thức này đều đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nguồn nước và bảo vệ môi trường.
Theo biện pháp thi công a Cống thi công tại chổ b Cống được chế tạo hoặc đúc sẵn thi công lắp ghép
Cống vùng triều có ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, nơi có bờ biển dài và nhiều hệ thống sông ngòi chảy ra biển từ Bắc vào Nam.
Tùy thuộc vào công năng sử dụng, quy hoạch xây dựng và điều kiện tự nhiên như vị trí địa lý, địa hình, địa chất và thủy văn, việc lựa chọn hình thức và kết cống cần được thực hiện một cách phù hợp.
1.1.4 Tình hình xây dựng cống vùng triều trên thế giới và Việt Nam 1.1.1.4 Đặc điểm chung
Sử dụng hợp lý tài nguyên nước là vấn đề quan trọng mà nhiều quốc gia đang chú trọng, đặc biệt khi các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng gia tăng về tần suất và cường độ Xâm nhập mặn và nước biển dâng sẽ gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp, cung cấp nước sạch, và làm suy thoái tài nguyên đất và nước Những thiên tai này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh mạng và đời sống của người dân.
1.1.4.2 Một số công trình trên Thế giới
[1] Đậpchắn sóng Hollandse Ijsel – Hà Lan :
Công trình được khởi công xây dựng trên sông Hollandse IJsel, nối Rotterdam với biển Bắc, vào năm 1954 và hoàn thành vào năm 1958 Được xây dựng trên đoạn sông rộng 250m, đập gồm 3 trụ tạo thành khoang rộng 80m và âu thuyền dài 120m, rộng 24m Trên các trụ là 4 tháp cao 45m chứa thiết bị đóng mở Hai cửa van phẳng, mỗi cửa rộng 81,2m, cao 11,5m và nặng hơn 635 tấn, được vận chuyển bằng tàu kéo đến vị trí lắp đặt Công trình có 2 cửa, hoạt động đóng mở lần lượt để đảm bảo an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố, trong đó cửa van âu thuyền nặng 60 tấn.
Hình 1-1 : Đập Hollandse Ijssel barrier
Các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) bao gồm trụ ngưỡng được thi công tại chỗ trong khung vây tường thép, trong khi nền móng của công trình được gia cố bằng cọc đóng sâu vào nền đất.
Công trình Lower – Rhine ở Hà Lan, xây dựng vào khoảng năm 1960 trên sông Rhine, bao gồm hai cửa van lưỡi trai (Visor gate) rộng 54m mỗi cửa, cho phép chiều cao thông thuyền đạt 9,1m khi nâng cửa Đây là một đập chắn nước không chỉ phục vụ phát điện mà còn hỗ trợ giao thông thủy Ngoài Lower – Rhine, trên sông Rhine còn có hai công trình tương tự tại Amerongen và Hagestein.
Dạng đập chắn nước này còn được xây dựng ở Nhật Bản trên sông
Aji - Osaka Mỗi cửa của công trình này rộng 57m Công trình khánh thành vào năm 1970
Hình 1- 2 : Công trình Lower – Rhine
[3] Đập chắn sóng bão Hartel – Hà Lan:
Công trình xây dựng trên kênh Hartel, khánh thành năm 1996, nhằm chống nước dâng do bão, bao gồm 2 khoang thông nước với hệ thống điều tiết bằng cửa van phẳng Cửa lớn có kích thước 98m chiều rộng và 9,3m chiều cao, trong khi cửa nhỏ rộng 49,3m Các cửa van được nâng lên thẳng đứng nhờ hệ thống xilanh thủy lực gắn trên 4 tháp cao Trong trường hợp bão, cửa được hạ xuống khoảng 0,2m so với ngưỡng BT để đảm bảo nước có thể lưu thông.
Hình 1 - 3 : Đập chắn sóng bão Hartel – Hà Lan
Các hình thức kết cấu cống vùng triều đã được xây dựng
1.2.1 Cống lộ thiên BTCT truyền thống
Hình 1 - 10 : Cắt ngang cống truyền thống với cửa van phẳng tự động đóng mở
Hình 1 - 11 : Cắt dọc cống truyền thống cửa van phẳng tự động đóng mở
Hình 1 - 12 : Cắt ngang cống truyền thống với cửa van cung
Hình 1 - 13 : Cắt dọc cống truyền thống với cửa van cung Ưu điểm:
- Kết cấu bền vững, khả năng chịu lực lớn, độ ổn định cao;
- Tuổi thọ công trình cao;
- Quản lý vận hành và duy tu sửa chữa công trình thuận lợi;
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi đặc biệt là vùng dao động mực nước lớn, vùng ven biển;
Công nghệ đã gần như hoàn thiện nhờ vào quá trình dài ứng dụng và tích lũy kinh nghiệm qua các giai đoạn khảo sát, thiết kế, thi công, vận hành, khai thác và bảo trì.
- Giá thành cao, kinh phí xử lý nền và tiêu năng tốn kém;
- Thời gian thi công dài do biện pháp thi công làm khô hố móng;
Bản đáy có kết cấu dày từ 0,6 đến 1,0 m, kết hợp với các trụ pin tạo ra ứng suất lớn hơn khả năng chịu tải của nền Do đó, cần phải đóng cọc bê tông cốt thép với độ sâu đáng kể để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.
Diện tích mặt bằng thi công cống lớn gây ra nhiều khó khăn trong công tác đền bù, giải phóng mặt bằng và tái định cư Điều này không chỉ tốn kém mà còn ảnh hưởng đến tiến độ xây dựng, thậm chí có thể làm mất tính khả thi của dự án.
1.2.2 Cống ngầm BTCT truyền thống
PHÍA ĐỒ NG PHÍA SOÂ NG
Hình 1 - 14 : Kết cấu cống tròn
Hình 1 - 15 : Cống hộp hình chữ nhật Ưu điểm:
- Kết cấu bền vững, khả năng chịu lực lớn, độ ổn định cao;
- Tuổi thọ công trình cao;
- Kỹ thuật thi công đơn giản, phổ thông nên người dân có thể thi công, vật liệu xây dựng cống có ở mọi nơi, giá thành rẻ;
- Hiện nay đã có những thiết kế định hình đúc sẵn, việc thi công, lắp đặt trở nên đơn giãn và chất lượng.
- Thời gian thi công do biện pháp thi công làm khô hố móng;
- Hạn chế giao thông thủy;
Cống đúc sẵn tại vị trí khớp nối giữa hai đốt cống có thể gặp vấn đề sụp lún nếu không được xử lý tốt, do nước cuốn hạt đất quanh khớp nối Để khắc phục những hạn chế của công nghệ cống truyền thống, như chi phí bồi thường giải phóng mặt bằng và yêu cầu nguồn vốn lớn cho thi công trên khô, nhiều công nghệ cống mới đã được nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả tại Việt Nam.
Hình 1 - 16 : Kết cấu cống đập trụ đỡ Ưu điểm:
Cống kiểu truyền thống đã được cải tiến đáng kể, khắc phục các hạn chế như thi công giữa lòng sông mà không cần dẫn dòng, giúp giảm diện tích đất mất và chi phí bồi thường giải phóng mặt bằng.
Công nghệ thi công trụ đỡ và trụ pin yêu cầu hố móng phải được làm khô trong khung vây cọc ván thép giữa lòng sông Kỹ thuật thi công này rất phức tạp và phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, khí hậu và thủy văn của dòng chảy trên sông.
- Thi công lắp ghép các hạng mục công trình dưới nước hạn chế độ chính xác, giám sát chất lượng công trình rất khó khăn.
Hình 1 - 17 : Kết cấu cống đập trụ phao Ưu điểm:
- Công nghệ đập trụ phaođược có kết cấu nhẹ thích hợp với nền đất yếu;
Đập trụ phao là giải pháp thi công dễ dàng, thích hợp cho các khu vực đông dân cư chật hẹp Phương pháp này không yêu cầu dẫn dòng thi công, vì trụ phao được sản xuất tại một địa điểm khác và chỉ cần di chuyển đến vị trí thi công để hạ chìm.
Đối với các công trình ngăn sông lớn, việc mở rộng khẩu độ cống và xử lý cột nước sâu cùng với chênh lệch mực nước giữa thượng và hạ lưu đòi hỏi kết cấu trụ pin có kích thước lớn, dẫn đến chi phí xây dựng cao.
- Việc giám sát chất lượng khó khăn;
- Phụ thuộc vào đường thủy lai dắt từ bãi chế tạo đến công trường lắp đặt
Hình 1 - 18 : Kết cấu cống đập xà lan Ưu điểm:
- Công nghệ đập xà lan được có kết cấu nhẹ thích hợp với nền đất yếu;
Đập xà lan là giải pháp thi công dễ dàng, phù hợp với các khu vực đông dân cư chật hẹp Phương pháp này không yêu cầu dẫn dòng thi công, vì xà lan được chế tạo tại một địa điểm khác và di chuyển đến vị trí thi công để hạ chìm Sử dụng cửa van Clape trục dưới cho đập xà lan giúp tiết kiệm chi phí, giảm giá thành so với cửa tự động lên đến 25%.
Chỉ thích hợp cho các khu vực có lưu tốc nước nhỏ và chênh lệch mực nước thấp, đồng thời cần điều kiện địa chất thuận lợi, đặc biệt là ở những vùng có đất với chỉ tiêu về lực dính phù hợp.
- Khó kết hợp giao thông bộ;
- Việc giám sát chất lượng khó khăn;
- Phụ thuộc vào đường thủy lai dắt từ bãi chế tạo đến công trường lắp đặt.
Vấn đề nghiên cứu của luận văn
Tỉnh Bến Tre đang phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng từ nước biển dâng và xâm nhập mặn, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu cùng với điều kiện địa hình, địa chất và thủy văn đặc thù của khu vực.
Để ứng phó kịp thời với biến đổi khí hậu, tỉnh Bến Tre đang đầu tư xây dựng các tuyến đê biển, đê bao ven sông và các công trình cống Đây là một vấn đề cấp thiết được Nhà nước và Nhân dân tỉnh Bến Tre chú trọng thực hiện.
Để giảm bớt gánh nặng về vốn đầu tư cho xây dựng công trình, đã có nhiều nghiên cứu về mặt cắt đê hợp lý cho khu vực này Luận văn tập trung vào việc lựa chọn giải pháp kết cấu thân cống phù hợp, nhằm tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho khu vực.
1.3.2 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kết cấu thân cống
Tỉnh Bến Tre nổi bật với mạng lưới sông ngòi dày đặc và biên độ triều dao động lớn Việc đánh giá ưu nhược điểm của các hình thức kết cấu cống vùng triều cho thấy chưa có công trình nào áp dụng công nghệ mới, ngay cả những dự án gần đây như cống Định Trung và cống Sơn Đốc 2 cũng vẫn sử dụng công nghệ truyền thống.
Công nghệ cống truyền thống rất phù hợp với tỉnh Bến Tre và sẽ tiếp tục được áp dụng cho nhiều công trình cống trong tương lai Việc nghiên cứu và lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều theo công nghệ này không chỉ là hướng đi đúng đắn mà còn mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho nhà đầu tư.
Để giảm bớt khối lượng luận văn, bài viết sẽ không đi sâu vào nghiên cứu địa chất yếu mà thay vào đó chấp nhận sử dụng cống trên nền đất đã được xử lý bằng cọc BTCT Phương pháp này là một giải pháp phổ biến và hợp lý cho các công trình cống vùng triều trên nền đất yếu, đặc biệt tại khu vực đồng bằng Sông Cửu Long và tỉnh Bến Tre.
Tình hình xây dựng các công trình cống trong và ngoài nước đã có những bước phát triển đáng kể, đặc biệt là các kết cấu cống vùng triều được áp dụng tại Việt Nam từ lâu Các loại kết cấu này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng ứng phó với tình hình triều cường Việc đánh giá cụ thể từng loại kết cấu sẽ giúp cải thiện thiết kế và thi công các công trình cống trong tương lai.
Xuất phát từ thực tiễn và điều kiện tự nhiên của khu vực Qua phân tích đã định hướng được vấn đề cần nghiên cứu.
Trong nội dung tiếp theo luận văn đi sâu vào phân tích và nghiên cứu một số nội dung sau:
- Điều kiện tự nhiên ở khu vực ĐBSCL và tỉnh Bến Tre;
- Đặc điểm địa chất của khu vực;
- Đề xuất hình thức kết cấu thân cống phù hợp cho khu vự tỉnh Bến Tre và xây dựng phương pháp tính toán.
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU THÂN CỐNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
Đặc điểm tự nhiên khu vực đồng bằng sông Cửu Long
Sông Mêkông chảy qua Việt Nam và chia thành hai nhánh là sông Tiền và sông Hậu, sau đó đổ ra biển Đông qua chín cửa: Cửa Tiểu, Cửa Đại, Ba Lai, Hàm Luông, Cổ Chiên, Cung Hầu, Định An, Ba Thắc và Trần Đê Trong đó, Ba Lai đã được ngăn lại bởi hệ thống cống đập, và Ba Thắc đã bị bồi lấp Sự phân chia này đã tạo nên một vùng đồng bằng châu thổ rộng lớn, một phần của đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với diện tích lên tới 40.548,2 km².
Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long, nằm liền kề với Đông Nam Bộ, có vị trí địa lý thuận lợi khi phía Bắc giáp Campuchia, phía Tây Nam giáp vịnh Thái Lan và phía Đông Nam giáp Biển Đông Khu vực này bao gồm các tỉnh Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Trà Vinh, Cần Thơ, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang, An Giang, Đồng Tháp và Hậu Giang.
Nằm ở phần cuối của bán đảo Đông Dương, khu vực này có mối quan hệ chặt chẽ với vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Giáp với Campuchia và có chung dòng sông Mê Kông, đây là điều kiện thuận lợi cho giao lưu hợp tác với các nước trong khu vực Với bờ biển dài 73,2 km và nhiều đảo như Thổ Chu, Phú Quốc, vùng này còn sở hữu đặc quyền kinh tế giáp biển Đông và vịnh Thái Lan.
Vùng này nằm trong khu vực giao thông hàng hải và hàng không quốc tế giữa Nam Á, Đông Nam Á, châu Úc và các quần đảo khác trong Thái Bình Dương, đóng vai trò quan trọng trong giao lưu quốc tế.
Hình 2 - 1 : Bản đồ đồng bằng Sông Cửu Long Địa hình:
Vùng đồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam được hình thành từ trầm tích phù sa qua các kỷ nguyên thay đổi mực nước biển, dẫn đến sự hình thành các giồng cát ven biển Hoạt động hỗn hợp của sông và biển tạo ra những vùng đất phù sa màu mỡ dọc theo đê sông và các giồng cát, cũng như đất phèn ở các khu vực trũng thấp như Đồng Tháp Mười, tứ giác Long Xuyên – Hà Tiên, tây nam sông Hậu và bán đảo Cà Mau Địa hình đồng bằng sông Cửu Long chủ yếu bằng phẳng với độ cao trung bình từ 0,7-1,2 m, trong khi khu vực biên giới Campuchia có độ cao từ 2,0-4,0 m, sau đó thấp dần về trung tâm đồng bằng.
0,3-0,5 m ở khu vực giáp triều và ven biển.
Nền khí hậu nhiệt đới ẩm với tính chất cận xích đạo thể hiện rõ rệt Nhiệt độ trung bình hàng năm 24 – 27 0 C, biên độ nhiệt trung bình năm 2 – 30
0C, chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm thấp, ít có bão hoặc nhiễu loạn thời tiết
Khu vực này có hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 với 99% tổng lượng mưa hàng năm, và mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau, khi hầu như không có mưa.
Yếu tố khí hậu trong vùng rất thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật, tạo điều kiện cho việc thâm canh và tăng vụ Bên cạnh đó, đất đai cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Diện tích đất trong vùng bao gồm các nhóm đất sau:
Đất phù sa chủ yếu phân bố ở vùng ven và giữa hệ thống sông Tiền và sông Hậu, với diện tích 1,2 triệu ha, chiếm 29,7% tổng diện tích đất tự nhiên của toàn vùng và khoảng 1/3 diện tích đất phù sa cả nước Nhóm đất này có độ phì cao, cân đối và rất thích hợp cho nhiều loại cây trồng như lúa, cây ăn quả, cây màu và cây công nghiệp ngắn ngày.
Nhóm đất phèn chủ yếu phân bố tại vùng Đồng Tháp Mười và Hà Tiên, cũng như khu vực trũng trung tâm đảo Cà Mau, với tổng diện tích lên đến 1,2 triệu ha, chiếm 40% diện tích toàn vùng Đặc điểm của loại đất này là có hàm lượng độc tố cao, tính chất cơ lý yếu và dễ bị nứt nẻ.
Nhóm đất xám có diện tích hơn 134.000 ha, chiếm 3,4% tổng diện tích vùng, chủ yếu phân bố dọc biên giới Campuchia và trên các bậc thềm phù sa cổ của Đồng Tháp Mười Đặc điểm của loại đất này là nhẹ, tơi xốp, có độ phì thấp và mức độ độc tố bình thường.
Ngoài ra, trong khu vực còn tồn tại các loại đất khác như đất cát giông, than bùn, đất đỏ vàng và đất xói mòn, tuy nhiên diện tích của chúng chỉ chiếm khoảng 0,9% tổng diện tích toàn vùng.
+ Nhìn chung đất đai ở đây rất thuận lợi cho phát triển nông nghiệp, thích hợp trồng lúa, dừa, mía, dứa, cây ăn quả
Hệ thống hạ lưu sông Mê Kông ở Việt Nam bao gồm hai nhánh chính là sông Tiền và sông Hậu, với tổng lượng nước sông Cửu Long đạt 500 tỷ mét khối, trong đó sông Tiền chiếm 79% và sông Hậu chiếm 21% Chế độ thủy văn của khu vực này thay đổi theo mùa, với mùa mưa vào tháng 9 và tháng 10 gây ngập lụt tại các vùng trũng như Đồng Tháp Mười và Tứ giác Long Xuyên Trong mùa mưa, nước sông mang theo phù sa, bồi đắp cho đồng bằng Ngược lại, vào mùa khô, lượng nước giảm đáng kể, dẫn đến hiện tượng thủy triều lấn sâu vào đồng bằng và làm gia tăng tình trạng nhiễm mặn ở các vùng đất ven biển.
Chế độ nước ngầm khá phức tạp, phần lớn ở độ sâu 100 mét Nếu khai thác quá nhiều có thể làm nhiễm mặn trong vùng.
Chiều dài bờ biển 732 km của vùng có nhiều cửa sông và vịnh, mang đến nguồn hải sản phong phú với trữ lượng lớn Tôm chiếm 50% tổng trữ lượng tôm cả nước, trong khi cá nổi và cá đáy lần lượt chiếm 20% và 32% Ngoài ra, vùng biển còn có các loại hải sản quý hiếm như đồi mồi và mực.
Trên biển có nhiều đảo, quần đảo có tiềm năng kinh tế cao như đảo Thổ Chu, Phú Quốc
Ven bờ là hệ thống rừng ngập mặn có giá trị về kinh tế và sinh thái với nhiều loại động vật, thực vật.
Trữ lượng khoáng sản tại khu vực này không đáng kể, với đá vôi phân bố chủ yếu ở Hà Tiên và Kiên Lương, có trữ lượng khoảng 145 triệu tấn, phục vụ cho sản xuất xi măng và vôi xây dựng Cát sỏi được tìm thấy dọc theo sông Vàm Cỏ và sông Mê Kông, với trữ lượng khoảng 10 triệu mét khối Ngoài ra, còn có than bùn tại U Minh, Cần Thơ, Sóc Trăng và tứ giác Long Xuyên, cùng với các khoáng sản khác như đá và suối khoáng.
2.1.2 Điều kiện địa chất nền
Vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) của Việt Nam được hình thành từ trầm tích phù sa, bồi đắp qua các kỷ nguyên thay đổi mực nước biển, tạo nên các giồng cát ven biển Sự kết hợp giữa hoạt động của sông và biển đã hình thành các vạt đất phù sa màu mỡ dọc theo đê sông và một số giồng cát ven biển, cùng với đất phèn trên trầm tích đầm mặn, đặc biệt là ở vùng Đồng Tháp Mười và tứ giác.
Đề xuất giải pháp kết cấu cống phù hợp
Cống hở có mặt cắt ngang hình chữ U, sử dụng cửa van phẳng và được hỗ trợ bởi hai vách đứng, đóng vai trò là mố đỡ cho cầu giao thông Kết cấu thân cống được đặt trên cọc, chịu trọng lượng bản thân cùng với áp lực từ đất hai bên, áp lực nước, áp lực nước ngầm, cũng như tải trọng từ cầu giao thông, xe cộ và người qua lại.
Tính toán kết cấu thân cống vùng triều có nhiều phương pháp để xác định nội lực, trong đó hai phương pháp cơ bản hiện nay là rất quan trọng.
- Phương pháp tính toán theo hệ phẳng;
- Phương pháp tính toán theo bài toán không gian.
Cả hai phương pháp này trong tính toán kết cấu đã sử dụng một số giả thiết đơn giản hóa sau :
• Vật liệu của kết cấu liên tục, đồng nhất và đẳng hướng;
• Biến dạng tỷ lệ bậc nhất với ứng suất (định luật Hookle);
Chuyển vị do biến dạng thường rất nhỏ so với kích thước tổng thể của kết cấu, do đó có thể xem kích thước của kết cấu sau biến dạng vẫn giữ nguyên như kích thước ban đầu.
1) Phương pháp tính toán theo hệ phẳng
Rời rạc kết cấu thành các dạng đơn giản như sườn, vách và cột, giúp áp dụng các công thức tính toán cơ bản trong sức bền vật liệu, bao gồm dầm cột và các bài toán siêu tĩnh dạng khung dầm.
Phương pháp này tập trung vào việc tính toán từng bộ phận kết cấu một cách riêng rẽ, mà không xem xét tổng thể toàn bộ cấu trúc Mỗi bộ phận được coi là làm việc độc lập.
Bản đáy được tính toán như móng bè để chịu phản lực từ nền đất, bao gồm các nội dung chính như tính toán nội lực trong bản, kiểm tra cường độ chịu uốn, cắt và khả năng đâm thủng.
Bản sàn trên, nếu có, được tính toán như một kết cấu sàn chịu tác động của tải trọng thực tế của công trình Các bản sàn này được liên kết với nhau thông qua các gối cứng tại các góc giao của hai trụ biên.
Hệ tường ngang và dọc được cắt 1m theo phương ngang hoặc dọc, được tính toán như một hệ khung siêu tĩnh hoạt động đồng thời với nền Trong đó, sàn đáy được mô phỏng như dầm được kê trên các gối cứng, do đáy thân cống được liên kết với cọc.
+ Trụ biên: Tính toán như cấu kiện chịu nén uốn chịu tác động của tải trọng nén tại chân dầm, tường, áp lực đất, áp lực nước…
Phương pháp này tuy đơn giản và dễ kiểm soát, nhưng có một nhược điểm lớn trong tính toán Kết cấu dầm dạng thân cống bao gồm trụ biên, trụ pin (nếu có), sàn (nếu có) và đất nền tương tác với nhau, do đó việc tính toán riêng rẽ từng bộ phận sẽ không chính xác.
2) Phương pháp tính toán theo bài toán không gian
Kết cấu cống là một dạng kết cấu không gian phức tạp, với hình dạng và điều kiện biên đa dạng, cùng với các tải trọng khó khăn trong việc phân tích Để giải quyết bài toán này, phương pháp giải tích không đủ hiệu quả, vì vậy cần áp dụng phương pháp số Trong số các phương pháp số hiện nay, phương pháp phần tử hữu hạn theo chuyển vị (mô hình tương thích) là một trong những phương pháp hữu hiệu, tuy nhiên, việc thực hiện cũng cần sự hỗ trợ từ máy tính điện tử và các phần mềm chuyên dụng.
Phương pháp này dựa trên nguyên lý biến phân Lagrange để tối thiểu hóa thế năng, xem xét sự tương tác giữa các bộ phận trong trụ pin Nó mô phỏng các đặc trưng cơ bản của phần tử, thể hiện mối quan hệ giữa lực nút và biến dạng tương ứng, cũng như mối liên hệ giữa chuyển vị và ngoại lực tác động Phương pháp này có khả năng xử lý các bài toán lớn với điều kiện biên phức tạp và cấu trúc không gian, cho phép phân tích nội lực cục bộ và kiểm tra khả năng chống chọc thủng của cọc trong kết cấu.
Khi phân tích tương tác trong chuyển vị cục bộ và tổng thể, việc xác định độ cứng tổng thể và các tải trọng là rất quan trọng để tính toán các thông số biến dạng và ứng suất trong kết cấu Mặc dù phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải quyết khối lượng tính toán lớn một cách nhanh chóng nhờ vào khả năng lập trình, nhưng nó vẫn có những hạn chế Hiện nay, nhiều phần mềm tính toán thiết kế đã được áp dụng ở các quốc gia như Thái Lan, Hàn Quốc, Đan Mạch và Mỹ Tuy nhiên, các phần mềm này thường chỉ tập trung vào một khía cạnh cụ thể, chẳng hạn như kết cấu phần trên với Sap2000 và Ansys (Hoa Kỳ) hoặc phân tích ứng suất biến dạng đất nền với Plaxis (Hà Lan) và Sigma/w (GeoSlope, Canada).
Với bài toán phân tích ứng suất biến dạng trong kết cấu thì thường ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu như SAP2000 hoặc ANSYS
Kết cấu dạng tường bản bao gồm các thành phần như bản sàn trên, bản đáy, trụ biên và trụ pin được mô hình hóa dưới dạng các phần tử Shell Các cọc và thanh chống (nếu có) được mô hình hóa là các phần tử Frame, với các đặc trưng hình học và tính chất vật lý được gán tương ứng cho từng bộ phận kết cấu.
Hình 2 - 2 : Sơ đồ tính kết cấu thân cống vùng triều trong luận văn
2.2.2.1 Sơ bộ chọn tiết diện kết cấu thân cống
Lựa chọn tiết diện kết cấu sơ bộ dựa trên những cơ sở sau :
- Chiều dài thân cống phải đảm bảo chế độ thủy lực, cách bố trí trên thân cống ( khe cửa, khe phai, dàn van, cầu giao thông, )
- Bề rộng bản đáy phụ thuộc vào khẩu độ tính toán;
- Cao trình ngưỡng cống phụ thuộc vào khẩu độ tính toán và chế độ thủy lực;
- Cao trình đỉnh trụ biên phụ thuộc vào mục đích phục vụ vào nhiệm vụ công trình, phụ thuộc vào cách bố trí cửa van;
- Bề dày bản đáy thân cống sơ bộ chọn bằng 1/6 bề rộng bản đáy;
- Bề dày trụ biên (tường bên) sơ bộ chọn bằng 1/6 chiều cao tường.
2.2.2.2 Vật liệu xây dựng kết cấu thân cống
Vật liệu sử dụng kết cấu thân cống là bê tông cốt thép (BTCT) theo
TCVN 4116:1985 - Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy công. 2.2.2.3 Tính toán ngoại lực tác dụng vào kết cấu
Áp lực đất là tải trọng chính tác động lên trụ biên cống, giá trị của nó phụ thuộc vào tính chất và độ chặt của đất đắp, độ ẩm của đất, hình dạng của trụ biên và các yếu tố khác.
Trong thiết kế công trình hiện nay, lý thuyết tính áp lực đất của Culông và Răngkin được sử dụng phổ biến Kết quả tính toán áp lực đất chủ động theo lý thuyết của Culông thường gần sát với thực tế, mặc dù yêu cầu tính toán tỉ mỉ Đặc biệt, trong trường hợp mặt đất nằm ngang, góc ma sát trong nhỏ, và lưng tường thẳng đứng, lý thuyết áp lực đất của Răngkin cho kết quả chính xác hơn.
Cường độ áp lực đất tác dụng lên trụ biên mặt tiếp đất được xác định theo công thức sau:
K – hệ số được xác định theo công thức sau:
Giả i pháp tính toán kết cấu thân cống hợp lý cho đất nền yếu
2.3.1 Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu SAP2000
SAP 2000 là một phần mềm đột phá của CSI, được coi là công nghệ hiện tại cho tương lai Phần mềm này tích hợp chức năng phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn với thiết kế kết cấu, mang đến khả năng phân tích các bài toán kết cấu phổ biến Đặc biệt, SAP 2000 còn cung cấp các loại phần tử mẫu và tính năng phân tích kết cấu phi tuyến, mở rộng khả năng ứng dụng trong ngành xây dựng.
Hình 2-14 : Thư viện mẫu một số dạng kết cấu thông dụng nhất
Giao diện của SAP 2000 hoạt động hoàn toàn trong môi trường Windows, cho phép người dùng dễ dàng xây dựng mô hình kết cấu, thực hiện tính toán và biểu diễn kết quả thông qua một giao diện đồ họa trực quan Thư viện mẫu phong phú của phần mềm hỗ trợ tối đa cho quá trình thiết kế.
(Template) cung cấp một số dạng kết cấu thông dụng nhất, từ đây ta có thể dễ dàng sửa đổi để có được kết cấu như mong muốn.
SAP2000 là phần mềm mạnh mẽ cho phép tính toán các kết cấu khác nhau dưới nhiều trạng thái và tải trọng khác nhau Phần mềm có khả năng giải quyết các hệ thanh, hệ tấm vỏ và kết cấu đặc, đồng thời hỗ trợ các trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục và biến dạng lớn Về vật liệu, SAP2000 có thể mô tả vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng và phi tuyến Phần mềm cũng đa dạng trong việc xử lý tải trọng, bao gồm tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng động với nhiều phương pháp tính toán tiên tiến Kết quả tính toán của SAP2000 được đảm bảo đầy đủ và tin cậy, có thể xuất ra dưới dạng đồ họa, văn bản hoặc tập tin cho các chương trình thiết kế khác Phiên bản mới của SAP2000 đã tích hợp phần thiết kế mặt cắt thép và bê tông cốt thép, giúp người dùng dễ dàng sử dụng và áp dụng kết quả tính toán vào thiết kế.
Hình 2-15: Hệ thanh trong SAP 2000
Hình 2-16 : Hệ tấm trong SAP 2000
Chương trình có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng cũng tồn tại một số khiếm khuyết như vấn đề tương thích và hỗ trợ cho các bàn toán chuyên biệt Các quy trình tính toán trong chương trình chủ yếu phù hợp với các nước Âu Mỹ, trong khi việc áp dụng quy trình tính toán của Việt Nam có thể thực hiện được nhưng sẽ tốn nhiều thời gian hơn cho người dùng.
2.3.2 Đề xuất phạm vi áp dụng
Trong luận văn này, phần mềm SAP2000 sẽ được áp dụng để tính toán nội lực của kết cấu dưới tác động của các ngoại lực trong những tình huống bất lợi như vận hành, sửa chữa và thi công Mục tiêu là lựa chọn mặt cắt ngang tối ưu cho từng trường hợp nêu trên.
Dựa vào kết quả tính toán mặt cắt kết cấu, chúng ta sẽ kiểm tra nền công trình và đề xuất biện pháp xử lý nền bằng cọc vuông BTCT, một phương pháp phổ biến cho địa chất nền yếu Nếu nền không đủ khả năng chịu tải của công trình và tải trọng từ trên xuống, việc xử lý nền là cần thiết Để tập trung nội dung luận văn và giảm bớt khối lượng, chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu kết cấu thân cống trên nền địa chất yếu được gia cố bằng cọc vuông BTCT.
Phần mềm SAP2000 được sử dụng để mô hình hóa kết cấu thân cống kết hợp với hệ cọc xử lý nền Kết quả tính toán từ mô hình sẽ được áp dụng để kiểm tra mặt cắt trong giai đoạn thi công, với các tải trọng tác động lên kết cấu trong quá trình thi công Nếu mặt cắt không đảm bảo khả năng chịu lực, cần thiết phải sử dụng hệ chống với lựa chọn và bố trí hợp lý, nhằm đảm bảo nội lực tính toán gần bằng với kết quả trong trường hợp khai thác vận hành bất lợi nhất.
Từ nội lực thanh chống tính được tính toán lựa chọn tiết diện thanh chống.
Mặt cắt kết cấu thân cống hợp lý cần được tính toán dựa trên các trường hợp khai thác, vận hành và sửa chữa với nội lực lớn nhất Một số tải trọng chỉ xuất hiện trong quá trình thi công, chẳng hạn như tải trọng từ xe bánh xích, có thể khiến mặt cắt kết cấu được lựa chọn trở nên quá lớn, không tiết kiệm cho nhà đầu tư Do đó, việc tính toán cần cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả kinh tế trong thiết kế.
Qua việc phân tích ưu nhược điểm của cống lộ thiên bằng bê tông cốt thép trên nền đất yếu được xử lý bằng hệ cọc bê tông, cùng với việc xây dựng cầu giao thông, các kinh nghiệm từ tỉnh Bến Tre cho thấy cống lộ thiên truyền thống là lựa chọn phù hợp nhất.
Luận văn sử dụng kết cấu cống lộ thiên truyền thống và phần mềm SAP2000 để phân tích ứng suất và biến dạng cống trong không gian Nghiên cứu áp dụng các mô hình khác nhau, bao gồm phần tử khối, phần tử vỏ, và sự kết hợp giữa hai loại phần tử này, nhằm đạt được kết quả tính toán chính xác nhất với khả năng chịu lực thực tế của cống.