GS.TS. Trương Đình Dụ; PGS.TS. Trần Đình Hoà;
Ths. Trần Văn Thái; Ths. Thái Quốc Hiền; Ths. Trần Minh Thái
Viện Thủy công
1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Biến đổi khí hậu toàn cầu ảnh hưởng xấu đi nhanh hơn so với dự báo của các nhà khoa học, hạn hán khốc liệt và nước biển dâng nhanh trong khi hệ thống đê biển còn yếu và đập ngăn cửa sông đang còn để ngỏ nhiều là những vấn đề lớn không chỉ riêng đối với ngành Nông nghiệp và phát triển Nông thôn. Việc nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu và giải pháp xây dựng các công trình ngăn sông mới vừa đảm bảo ngăn mặn, ngăn nước biển dâng, vừa đảm bảo tạo nguồn nước ngọt nhưng không được làm xấu đi vấn đề thoát lũ qua công trình có một ý nghĩa chiến lược rất quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội.
Đặc điểm của công trình thuỷ lợi nói chung khác với các công trình giao thông, xây dựng là ngoài chịu tải trọng đứng còn phải chịu tải trọng ngang, thành phần tải trọng ngang trong công trình thủy lợi thường rất lớn, phụ thuộc nhiều vào cột nước trước và sau công trình. Trong khi đó thông thường các kết cấu nền móng chịu tải trọng đứng lớn hơn rất nhiều lần tải trọng ngang. Đây là điều bất lợi nhất đối với các công trình thuỷ lợi vùng ĐBSCL phần lớn có địa chất nền mềm yếu, sông rộng và sâu.
Vì vậy, để xây dựng công trình ngăn sông vùng ĐBSCL, nhất là đối với các công trình ngăn sông lớn cần có tư duy bố trí kết cấu công trình mới, các phương pháp tính toán khác với các phương pháp thông thường, phải có một sự đột phá mạnh mẽ về công nghệ xây dựng, vật liệu và thiết bị.
Trong khuôn khổ bài báo này chúng tôi giới thiệu 4 công nghệ mới đã, đang và có thể áp dụng cho xây dựng công trình ngăn sông hiệu quả cho vùng ĐBSCL bao gồm: Công nghệ Đập Xà Lan di động, đập Trụ Đỡ, đập Trụ Phao, đập Xà lan liên hợp. Tuỳ thuộc và điều kiện tự nhiên, kỹ thuật cụ thể để lựa chọn 1 trong 4 công nghệ này một cách hợp lý.
2. CÔNG NGHỆ ĐẬP XÀ LAN DI ĐỘNG
2.1. Nguyên lý, kết cấu:
a. Nguyên lý:
Ổn định lún: ứng dụng kết cấu tối ưu dầm bản nhẹ để ứng suất lên nền nhỏ hơn ứng suất cho phép của đất nền mềm yếu, không phải xử lý nền.
[Chỉ có thành viên mới có thể nhìn thấy links. Bạn hãy nhấn vào đây để đăng ký...] Ổn định trượt, lật: dùng ma sát đất nền với đáy công trình và đất đắp mang cống với tường bên.
Ổn định thấm: Theo nguyên lý đường viền ngang dưới đáy công trình.
Ổn định xói: mở rộng khẩu độ cống để lưu tốc sau cống nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép của đất tự nhiên mềm yếu nên chỉ cần gia cố đơn giản.
b. kết cấu công trình:
Dạng 1( Hộp phao kín):
Đáy và trụ pin dạng hộp với kết cấu bản sườn và khung chịu lực tối ưu. Vật liệu chế tạo Xà lan là vật liệu xây dựng thông dụng như bê tông cốt thép, thép, composite. Hộp đáy xà lan được chia làm nhiều khoang hầm. Mỗi công trình có thể bao gồm 1 Xà lan với khẩu độ của van từ 4 ¸ 30m hay nhiều Xà lan liên kết với nhau bằng kết cấu kín nước tuỳ theo chiều rộng của sông.
Dạng 2 (hộp bản sườn):
Bản đáy và trụ pin có kết cấu bản sườn đổ liền khối, hai đầu thượng hạ lưu cống là vị trí lắp đặt của van hoặc khe phai, thân cống và phai hai đầu tạo thành một hộp kín nước xung quanh nhưng hở mặt trên, vì vậy cống có thể nổi trên mặt nước và di chuyển đến vị trí xây dựng công trình.
Cửa van sử dụng trong công trình có thể là cửa Clape, cửa van cung, cửa van cao su, cửa tự động, cửa phẳng…
2.2. Giải pháp thi công:
Chế tạo Xà lan:
- Đập Xà lan được chế tạo trong nhà máy, hố đúc sẵn, hay trên ụ nổi tại một vị trí thuận lợi để không cần giải phóng mặt bằng.
- Lắp đặt của van và thiết bị vận hành cho công trình.
- Cho nước vào hố đúc và làm nổi đập để di chuyển đến vị trí lắp đặt công trình.
Lắp dựng công trình:
- Hố móng công trình được đào bằng tàu hút bùn và làm phẳng bằng máy chuyên dụng.
- Dùng tàu kéo lai dắt đập Xà lan từ nơi chế tạo đến vị trí công trình.
- Di chuyển đập Xà lan vào vị trí đã xác định, bơm nước vào các khoang hầm để đánh chìm đập.
- Đắp đất mang cống, lát bảo vệ mái thượng hạ lưu công trình.
2.3. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật xã hội:
[Chỉ có thành viên mới có thể nhìn thấy links. Bạn hãy nhấn vào đây để đăng ký...] - Giá thành rẻ, chi phí cho đập Xà lan chưa đến 40% so với cống truyền thống có cùng điều kiện.
- Khả năng di chuyển của công trình trong trường hợp thay đổi vị trí tuyến do yêu cầu chuyển đổi sản xuất không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn làm lợi kinh tế rất nhiều do sử dụng lại kết cấu công trình và không mất chi phí phá dỡ.
- Thi công nhanh, giảm được diện tích chiếm đất xây dựng công trình
- Công trình mang tính kiên cố bền vững, quản lý vận hành dễ dàng.
- Đập Xà lan di động có thể chế tạo lắp đặt theo tính chất công nghiệp.
- Đập xà lan được thi công lắp đặt ngay trên lòng sông vì thế không phải đền bù giải phóng mặt bằng, di dời nhà cửa để xây dựng công trình như công nghệ truyền thống.
- Đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế của khu vực chịu ảnh hưởng triều để nâng cao đời sống nhân dân, góp phần ổn định tình hình xã hội ở vùng ven biển.
- Do mở rộng khẩu độ nên tăng khả năng tiêu thoát lũ và bảo vệ môi trường cho khu vực tốt hơn so với đập tạm và cống truyền thống.
3. CÔNG NGHỆ ĐẬP TRỤ ĐỠ
Công trình Thảo Long khi hoàn thành
3.1. Nguyên lý , kết cấu:
a. Nguyên lý:
Ổn định công trình: bằng hệ thống cọc cắm sâu vào nền
Ổn định thấm: Chống thấm theo nguyên lý đường viền đứng bằng bản cừ, không 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.
b. Kết cấu:
Đập trụ đỡ là công trình ngăn sông bao gồm các trụ bằng bê tông cốt thép, các trụ này chịu lực cho toàn bộ công 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.
[Chỉ có thành viên mới có thể nhìn thấy links. Bạn hãy nhấn vào đây để đăng ký...] Trụ pin của công trình liên kết trực tiếp với hệ thống cọc hoặc thông qua bệ đỡ. Hệ thống cọc có thể là cọc bê tông cốt thép thường đúc sẵn hoặc cọc bê tông cốt thép dự ứng lực hoặc cọc ống bê tông cốt thép đúc ly tâm hoặc cọc khoan nhồi hoặc cọc ống thép nhồi bê tông cốt thép.
Dầm đỡ van nhận một phần lực do cửa van tác dụng và truyền về các trụ. Dầm đỡ van có kết cấu dầm hoặc hộp phao được đúc sẵn rồi lắp ghép vào vị trí, hoặc đúc tại chỗ.
Cừ chống thấm được đóng liên tục giữa hai bờ tạo thành vách đứng ngăn nước thấm dưới đáy công trình, cừ liên kết vào đáy dầm đỡ van và trụ, cừ có thể được làm bằng thép, nhựa, compozite, bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực.
Cửa van sử dụng trong đập trụ đỡ có thể là cửa van sập trục trên, của van sập trục dưới, cửa van phẳng, cửa van cánh cửa tự động thuỷ lực, cửa van cung, cửa van cao su hay cửa van phao các loại, cửa van được vận hành đóng mở bằng thiết bị đóng mở.
Đập trụ đỡ có thể kết hợp làm cầu giao thông với tất cả các kết cấu cầu thông dụng, nhịp cầu phụ thuộc vào khả năng chế tạo cửa van.
Đập trụ đỡ đựơc thiết kế mở rộng khẩu độ thoát nước vì vậy lưu tốc qua công trình nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép của đất nền nên gia cố chống xói cho thượng hạ lưu chỉ cần bằng thảm đá hoặc tấm BTCT.
3.2. Giải pháp thi công:
Ngoài các giải pháp truyền thống thi công cho công trình thuỷ lợi, đập trụ đỡ còn được thi công theo công nghệ tiên tiến trong khung vây cọc ván thép, trong thùng chụp hoặc hoàn toàn dưới nước đây chính là tính ưu việt của sáng chế.
+ Thi công trong khung vây cọc ván thép:
Các kết cấu cọc, cừ chống thấm có thể được thi công 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 công trình và cuối cùng lắp đắt cửa van.
+ Thi công bằng thùng chụp:
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 công trụ và các kết cầu còn lại, tháo dỡ thùng chụp, gia cố thượng hạ lưu công trình và cuối cùng lắp đặt cửa van.
+ Thi công hoàn toàn dưới nước:
Các kết cấu cọc, cừ chống thấm, dầm đỡ van, khe van được thi công bằng hệ nổi trong nước, riêng dầm đỡ van dạng hộp phao thì có thể kết hợp lắp đặt cửa van lên trên truớc rồi lắp đặt vào vị trí. Phần cọc nhô lên trên mặt nước được liên kết với nhau tạo thành trụ chịu lực, phần cọc dưới nước có thể đổ bê tông trong nước, thi công các kết cầu còn lại, gia cố thượng hạ lưu công trình và cuối cùng lắp đặt cửa van.
3.3. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật xã hội:
- Đảm bảo khả năng thoát lũ gần như khi chưa có công trình, nghĩa là ít làm thay đổi môi trường do không gây ngập lụt thượng lưu. Nhờ tiết diện tháo lũ lớn nên ít gây diễn biến lòng sông phía hạ lưu như các công trình cũ.
- Công trình được xây dựng ngay trên lòng sông, không phải dẫn dòng, không phải làm đê quai nên không phải đền bù đất xây dựng công trình tạm thời và công trình vĩnh viễn như công nghệ truyền thống.
- Công trình kết hợp được cả công trình thủy lợi và cầu giao thông đường bộ với qui mô lớn nên ý nghĩa kinh tế - xã hội lại càng lớn, tránh tình trạng tách rời gây lãng phí trong xây dựng hạ tầng cơ sở.
- Giảm được khối lượng xây lắp, ở những công trình ngăn sông rộng trên 100m thì giá thành thấp hơn khoảng 15-50% so với công trình truyền thống cùng điều kiện.
4. CÔNG NGHỆ NGĂN SÔNG LỚN
Qua thực tế thi công áp dụng hai công nghệ đập trụ đỡ và xà lan, chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, nâng cao các công nghệ này và đề xuất một số dạng kết cấu công trình phù hợp, có tính khả thi cao để ngăn các cửa sông lớn, cột nước sâu như sông Hàm Luông, sông Cái Lớn.
[Chỉ có thành viên mới có thể nhìn thấy links. Bạn hãy nhấn vào đây để đăng ký...] Hoàn toàn khác với các sông vừa và nhỏ, các cửa sông lớn đều rất sâu từ 10 đến 25m, lòng sông rộng do vậy việc bố trí công trình phải xem xét đến vấn đề giao thông thủy bộ. Những công trình này phải mở rộng khẩu độ tối đa từ 30 đến 40m. Đập phao liên hợp, trụ phao là những giải pháp kỹ thuật xây dựng công trình ngăn sông trong điều kiện cột nước sâu, công trình chịu sự chênh lệch mực nước lớn. Đây là dạng kết cấu lắp ghép nhẹ để có thể dễ dàng di chuyển trong nước nhưng vẫn đảm bảo bảo khả năng chịu lực.
Các trụ chịu lực có thể được thi công liền khối với hộp đáy hoặc tách rời ra phụ thuộc vào điều kiện địa chất nền. Móng công trình là cọc khoan nhồi, cọc ống ly tâm đường kính lớn hoặc cọc BTCT dự ứng lực.
Cũng như các loại công trình truyền thống, các giải pháp công trình mới hoàn toàn có thể lắp đặt các loại cửa van cung, của van phẳng hay Clape, tuy nhiên các loại của van này đều có kết cấu khung dầm dàn và hàn mặt tạo thành các hộp phao rông giáp cửa van vận hành an toàn và linh hoạt.
4.1 Công nghệ đập Trụ Phao
a. Kết cấu:
-Trụ pin:
Trụ pin có kết cấu dạng phao rỗng bao gồm phần trụ và hộp đáy với lớp vỏ bê tông bản mỏng chất lượng cao. Bên trong trụ pin là tổ hợp các khoang nhỏ có kết cấu không gian dạng dầm cột hoặc tường vách vừa đảm bảo khả năng ổn định về kết cấu, vừa đảm bảo trọng lượng bản thân để trụ pin có thể dễ dàng di chuyển trong nước. Phía dưới trụ phao là hệ thống cọc đã được đóng sẵn.
[Chỉ có thành viên mới có thể nhìn thấy links. Bạn hãy nhấn vào đây để đăng ký...]
Trụ pin là kết cấu nhận lực từ cửa van và cầu giao thông sau đó truyền xuống nền công trình thông qua hệ đài cọc. Ngoài ra trụ pin còn kết hợp với cửa van để ngăn nước và có bộ phận liên kết với dầm van. Trên trụ pin có bố trí các thiết bị đóng mở cửa van, trụ cầu giao thông,.v.v.. Trong các công trình ngăn sông lớn, do yêu cầu mở rộng khẩu độ cống, cột nước sâu và chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cao nên kết cấu trụ pin là rất lớn.
- Dầm đỡ van
Dầm đỡ van là bộ phận nằm giữa 2 trụ pin, liên kết với trụ dạng khớp. Dầm nhận một phần lực do cửa van truyền lên (khi công trình ngăn nước) và truyền về 2 trụ. Trong trường hợp ngăn sông lớn do yêu cầu mở rộng khẩu độ nên dưới dầm van cần phải bố trí thêm hệ cọc chịu lực, lúc này dầm van đóng vai trò trung gian truyền lực xuống nền công trình thông qua hệ cọc. Dầm đỡ van cũng là kết cấu có dạng phao rỗng và được thi công hạ chìm tương tự như trụ phao.
Ngoài các yêu cầu về khả năng chịu lực, dầm van còn kết hợp với trụ pin, cửa van tạo thành một hệ kín có tác dụng ngăn và điều tiết nước cho công trình.
Với kết cấu dạng hộp rỗng nhẹ và có thể di chuyển trên sông nên khi tính toán thiết kế ngoài việc ổn định về mặt kết cấu cần lưu ý đến ổn định, độ nổi, đảm bảo an toàn của hộp phao trong quá trình di chuyển trong nước. Trọng lượng bản thân cũng như kích thước bản đáy sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng nổi và tính thuận lợi của hộp phao khi di chuyển và đánh đắm.
b. Biện pháp thi công: Trụ phao được chế tạâotị một địa điểm khác, di chuyển đến vị trí thi công hạ chìm vào vị trí. Sau khi định vị, căn chỉnh, tiến hành đổ bê tông gắn kết hệ cọc với trụ phao. Một số phương án kết cấu trụ ứng với các loại cửa van khác nhau như sau:
4.2. Công nghệ đập Xà lan liên hợp
a. Nguyên lý, kết cấu:
Như đã phân tích ở trên việc thi công các công trình ngăn sông lớn theo phương án lắp ghép các cấu kiện trong nước sẽ có tính khả thi và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn các phương án thi công tại chỗ khác. Công nghệ đập Xà lan Liên hợp đã được phát triển tư duy và nguyên lý đó. Tuy nhiên, điểm khác biệt của kết cấu xà lan trong trường hợp này so với công nghệ xà lan đã được ứng dụng rộng rãi trước đó là phải bổ sung gia cố nền móng dưới đáy xà lan bởi hệ cọc chịu lực. Vì bản thân trọng lượng và chiều dài (dọc theo dòng chảy) của xà lan không thể đủ để đảm bảo ổn định lật, trượt và lún cho công trình. Về mặt tổng thể, xà lan ngăn sông lớn gồm có hộp đáy và các trụ pin bằng bê tông cốt thép có kết cấu tường bản sườn tạo thành hộp phao rỗng, bên trong hộp đáy và hộp trụ pin được chia thành các khoang nhỏ bời hệ thống tường, vách ngăn có chiều dày đảm bảo khả năng chịu lực. Xà lan nổi, di chuyển được trên mặt nước và được hạ chìm xuống nền đã được gia cố và đóng sãn hệ cọc chịu lực và định vị. Thông thường với các sông rộng, do chiều dài tuyến công trình thường khá lớn, vì vậy nên xà lan được chia thành nhiều đơn nguyên (Modul) xà lan nhỏ, chúng được lắp ghép và liên kết lại với nhau. Việc này giúp cho quá trình thi công, di chuyển và đánh chìm xà lan thuận lợi hơn, đồng thời tạo ra những khớp nối mềm giữa các đơn nguyên để triệt tiêu ứng suất sinh ra do chênh lệch lún.
Đập phao liên hợp có kết cấu chính bao gồm các trụ pin, bản đáy, cửa van điều tiết liên kết lắp ghép với nhau tạo thành công trình ngăn sông.
i. Trụ pin, bản đáy
Để thi công lắp ghép được ở trong nước thì kết cấu trụ, bản đáy được bố trí, thiết kế tối ưu vừa đảm bảo khả năng chịu lực trong từng giai đoạn thi công cũng như khi hoàn thiện công trình đưa vào khai thác sử dụng vừa có thể dễ dàng di chuyển và lắp đặt vào vị trí.
Về cách thức liên kết giữa trụ pin và bản đáy, đập phao liên hợp được chia làm hai dạng:
Dạng 1: Hộp đáy, trụ pin liền khối với nhau tạo thành một đơn nguyên xà lan hoàn chỉnh, có thể kết hợp nhiều khoang cống trên một đơn nguyên để giảm số lượng đơn nguyên trong một công trình (Hình vẽ 1).
Dạng 2: Hộp dầm đáy, trụ pin tách rời nhau, sau đó được lắp ghép và liên kết khớp tại vị trí công trình (Hình vẽ 2).
ii. Nền móng.
Nền móng chịu toàn bộ tải trọng (bao gồm trọng lượng bản thân và các ngoại lực tác dụng) mà công trình truyền xuống. Tuỳ theo điều kiện làm việc cũng như dạng kết cấu của mỗi công trình mà các hình thức gia cố nền sẽ khác nhau. Nền được thi công hoàn toàn trong nước bằng các thiết bị trên hệ nổi bảo gồm các công việc như: nạo vét hố móng, rải lớp đệm, đầm và làm phẳng hố móng, thi công cọc (nếu nền được gia cố bằng cọc). Nền phải được hoàn thiện và kiểm tra kỹ trước khi lắp đặt các kết cấu bên trên.
b. Biện pháp thi công lắp đặt:
Các đơn nguyên được được chế tạo trong hố móng ở một vị trí thuận lợi. Sau khi chế tạo xong, hố móng sẽ được cho đầy nước để tầu kéo có thể vào đưa các đơn nguyên này di chuyển theo đường dẫn đến vị trí công trình. Tại đó, các đơn nguyên sẽ được căn chỉnh và định vị chính xác vào vị trí bởi hệ thống neo định vị, sau đó tiến hành bơm nước vào các khoang để chúng từ từ chìm xuống theo hệ thống dẫn hướng và đặt lên nền đã được chuẩn bị sẵn hoặc khớp vào các kết cấu khác đã được lắp đặt trước đó.
Sau khi kiểm tra và căn chỉnh lại cao độ cho đúng với thiết kế, tiến hành liên kết chúng với hệ thống cọc và với nền.
Đập phao liên hợp còn có thể kết hợp làm âu thuyền, cầu giao thông để đảm bảo về giao thông thuỷ, bộ nếu có yêu cầu.
5. KẾT LUẬN
Giải pháp công trình thi công trong nước (không phải đắp đê quai, dẫn dòng thi công) là một hướng nghiên cứu mới, hiện đại phù hợp với thực tế, có tính khả thi cao mang lại hiệu quả kinh tế xã hội rất lớn. Đập Trụ đỡ, đập Xà lan di động, Đập Trụ Phao, đập Xà lan liên hợp là những công nghệ ngăn sông mới đã đang và có nhiều triển vọng ứng dụng cho thiết kế, xây dựng các công trình mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao.
Tài liệu tham khảo:
1. Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài “Nghiên cứu công nghệ để thiết kế, xây dựng công trình ngăn sông lớn vùng triều”, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt nam, 12/2008.
2. PhD.Truong Dinh Du, PhD.Tran Dinh Hoa, Msc.Tran Van Thai, Msc.Thai Quoc Hien “Application new technologies for barrier construction in Viet Nam” Second International Symposium on Water Resources and Renewable Energy Development in Asia 2008.
Đăng nhận xét