Phương pháp luận thiết kế công trình

PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH (Ứng dụng cho công trình bảo vệ bờ và hệ thống phòng chống lũ) TS. Mai Văn Công Trường Đại học Thủy lợi Delft 2004 Hà Nội 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BIỂN PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH (Ứng dụng cho công trình bảo vệ bờ và hệ thống phòng chống lũ) TS. Mai Văn Công Trường Đại học Thủy lợi (in lần thứ nhất) Mã hiệu giáo trình: HWRU/CE-D01-04 i Mục lục Lời cảm ơn vii 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Khái niệm chung về thuật ngữ thiết kế 1 1.2 Khái niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy 2 1.3 Kết cấu giáo trình 3 2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 5 2.1 Thực tế thiết kế 5 2.2 Mô tả chi tiết vùng dự án 5 2.2.1 Mối liên quan với khách hàng (chủ đầu tư) 5 2.2.2 Kết quả mang tính duy nhất 6 2.2.3 Tuổi thọ công trình dài 6 2.2.4 Đặc tính “thủ công” 6 2.2.5 Liên quan số lượng lớn các bên tham gia 6 2.2.6 Thực hiện công việc dưới các mức độ quy mô khác nhau 6 2.2.7 Tính tự do trong thiết kế bị hạn chế 6 2.2.8 Sản phẩm tại một địa điểm cụ thể 7 2.2.9 Công nghệ 7 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế/thiết kế phí 7 2.2.11 Tính chuyên nghiệp/ độ lành nghề 7 2.3 Chu trình thiết kế 7 2.4 Các giai đoạn thiết kế 9 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế 10 2.6 Các khía cạnh khác liên quan đến thiết kế 11 2.7 Thiết kể tổng thể 14 2.8 Các bước đặc trưng trong thiết kế 14 2.8.1 Thiết kế ý tưởng 14 2.8.2 Thiết kế sơ bộ 15 2.8.3 Thiết kế chi tiết 15 2.8.4 Thi công công trình 15 ii 2.8.5 Vận hành và bảo dưỡng công trình 15 3. CHI TIẾT QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 17 3.1 Nhận biết vấn đề 17 3.2 Xác định các điều kiện biên và ràng buộc trong thiết kế 17 3.2.1 Chính sách quy hoạch, phân tích chính sách 18 3.2.2 Rủi ro chập nhận được 19 3.3 Phân tích chức năng 23 3.4 Đề xuất các phương án so sánh 25 3.4.1 Đánh giá tác động môi trường 25 3.4.2 Khả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu 26 3.4.3 Các quá trình thủy lực và địa kỹ thuật 27 3.4.4 Các phương án thiết kế công trình 27 3.4.5 Những vấn đề thi công 28 3.4.6 Những vấn đề quản lý bảo dưỡng 29 3.5 Đánh giá, so sánh và lựa chọn giải pháp 30 3.5.1 Phân tích đa tiêu chí (MCE) 31 3.5.2 Phân tích chi phí-lợi nhuận (BCA) 32 3.6 Thiết kế cuối cùng và thiêt kế chi tiết 33 3.6.1 Các điều kiện trạng thái giới hạn 34 3.7 Đánh giá các chi phí 36 3.7.1 Tính toán những chi phí sửa chữa 38 3.7.2 Những chi phí tương đối trong xây dựng đập phá sóng bằng vật liệu đá 39 3.8 Đảm bảo chất lượng 40 3.9 Kiểm soát chất lượng 42 4. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ 45 4.1 Nhìn nhận thế nào về công tác bảo vệ bờ 45 4.1.1 Khi nào cần phải bảo vệ bờ 45 4.1.2 Thiết kế các giải pháp bảo vệ bờ 47 4.1.3 Khoa học và thực nghiệm 48 4.2 Giải qu yết vấn đề bảo vệ bờ như thế nào? 49 iii 4.2.1 Các yếu tố liên quan gây nên hiện tượng xói lở 49 4.2.2 Hư hỏng và sơ đồ cây sự cố 51 4.2.3 Tải trọng và cường độ 54 4.3 Các phương pháp bảo vệ bờ phổ dụng 58 4.4 Những cân nhắc cần thiết trong thiết kế 64 4.4.1 Những cân nhắc chung trong thiết kế 64 4.4.2 Phương pháp luận và công cụ 66 4.5 Tóm tắt quy trình thiết kế công trình biển 69 4.5.1 Nhận biết vấn đề và đề xuất phương án 70 4.5.2 Lựa chọn phương án 72 4.6 Các nguyên tắc kiểm nghiệm trong quá trình thiết kế 72 4.7 Nghiên cứu thực tế: Đánh giá các giải pháp bảo vệ bờ tại Nam Định 73 4.7.1 Đặt vấn đề cho trường hợp bờ biển Nam Định 73 4.7.2 Các biện pháp phòng chống 75 4.7.3 Đánh giá các giải pháp và lựa chọn 81 5. CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐÁ CÓ VỐN ĐẦU TƯ THẤP 86 5.1 Giới thiệu chung về công trình sử dụng vật liệu đá có vốn đầu tư thấp 86 5.1.1 Khái quát chung 86 5.1.2 Cơ sở xây dựng các công sử dụng vật liệu đá có giá thành thấp 87 5.2 Luận cứ chung trong việc ứng dụng các công trình đá có vốn đầu tư thấp 91 5.2.1. Giảm bớt vật liệu 91 5.2.2. Tính thích nghi 92 5.2.3. Xây dựng hiệu quả hơn 94 5.2.4. Tận dụng vật liệu đá có giá thành hạ 95 5.2.5. Hạn chế tối thiểu công tác đào đất 95 5.3. Thiết kế và đánh giá 96 5.3.1. Những yêu cầu trong quá trình hoạt động của công trình và sơ đồ tổng thể 96 5.3.2. Sự hư hỏng của công trình và tính thích nghi 97 5.3.3. Các tác động môi trường 97 5.3.4. Về mặt an toàn xây dựng 98 5.4. Hiểu biết về vấn đề chi phí 98 iv 5.4.1. Thiết kế và đánh giá 99 5.4.2 Lớp đá bảo vệ mặt ngoài 100 5.4.3 Xem xét về công tác thi công 102 5.4.3.2 Thi công lớp đá bảo vệ mặt ngoài 103 5.4.3.3 Thời gian thi công 105 5.4.4 Giám sát, bảo dưỡng và tu sửa 105 5.4.5 Chi phí toàn chương trình 106 5.5 Thiết kế và thiết kế chi tiết nhằm đạt được chi phí thấp hơn 106 5.5.1 Chọn kích thước đá bảo vệ mặt ngoài phù hợp 106 5.5.2 Chi tiết về nền móng và chân công trình 116 5.5.3 Quan trắc, giám sát và duy tu các công trình đá giá thành thấp 118 6. PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ ĐÊ, KÈ BIỂN 122 6.1 Tổng quan 122 6.2 Nguyên lý thiết kế 123 6.3 Phương pháp luận thiết kế 126 6.3.1 Các tương tác và điều kiện biên 127 6.3.2 Thiết kế hình học cho đê biển và kè lát mái 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154 Danh mục hình minh họa Hình 1-1 Mô hình hộp đen mô tả định nghĩa của quá trình thiết kế ______________________________2 Hình 1-2 Sơ đồ quá trình thiết kế ứng dụng cho công trình thủy ________________________________3 Hình 2-1 Chu trình thiết kế _____________________________________________________________8 Hình 2-2 Các chu trình cho các mức độ chi tiết khác nhau ___________________________________10 Hình 2-3 Quan hệ giữa giai đoạn thiết kế, mức độ chi tiết thiết kế và cấp độ hệ thống ______________11 Hình 2-4 Các khía cạnh và giai đoạn thiết kế ______________________________________________14 Hình 2-5 Lược đồ thiết kế tổng thể ______________________________________________________14 Hình 3-1 Mức độ rủi ro tại các nước phương Tây __________________________________________21 Hình 3-2 Quan hệ giữa các vấn đề thi công trong thiết kế công trình đá _________________________29 Hình 3-3 Ví dụ về tối ưu hóa chi phí đầu tư công trình (CUR/CIRIA 154, 1991) ___________________38 Hình 3-4 Phân bố các chi phí xây dựng của đập phá sóng hỗn hợp (CUR/CIRIA 154, 1991) _________40 Hình 3-5 Vòng kiểm soát chất lượng đối với công trình sử dụng vật liệu đá ______________________41 Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý hệ thông quản lý chất lượng ______________________________________43 Hình 4-1 Câu hỏi đặt ra: bảo vệ hay không bảo vệ__________________________________________45 v Hình 4-2 Nguyên tắc xây dựng trong khu vực xói lở_________________________________________46 Hình 4-3 Ví dụ về các hình thức công trình bảo vệ bờ, chống xói lở ____________________________47 Hình 4-4 Sơ đồ hóa quá trình thiết kế tối ưu_______________________________________________47 Hình 4-5 Những vấn đề cần tập trung trong quá trình thiết kế ________________________________48 Hình 4-7 Trạng thái dòng chảy và hình dạng sóng __________________________________________50 Hình 4-8 Nguyên nhân hư hỏng công trình và hậu quả của nó_________________________________51 Hình 4-9 Lưu ý trong thiết kế các kết cấu bảo vệ ___________________________________________51 Hình 4-10 Sự mâu thuẫn giữa các yêu cầu về chức năng nhiệm vụ công trình_____________________52 Hình 4-11 Các cơ chế phá hoại có thể xảy ra với kè bảo vệ bờ ________________________________53 Hình 4-12 Ví dụ về sơ đồ cây sự cố đối với kè bảo vệ bờ _____________________________________54 Hình 4-13 Quan hệ giữa tải trọng và độ bền của kết cấu thép (vật liệu đàn dẻo) và công trình sử dụng vật liệu rời (đá) _____________________________________________________________________54 Hình 4-14 Dịch chuyển và ổn định ______________________________________________________56 Hình 4-15 Tăng cường độ hoặc giảm tải trọng _____________________________________________56 Hình 4-16 Độ bền phụ thuộc thời gian vận hành và mức độ bảo dưỡng__________________________58 Hình 4-17 Phân loại sự thay đổi hình thái do xây dựng các công trình __________________________60 Hình 4-18 Phân loại chung các công trình bờ biển (SPM, 1984) _______________________________61 Hình 4-19 Phân loại công trình bờ biển theo Van der Weide (1989) ____________________________62 Hình 4-20 Phân loại công trình đá sử dụng thông số ổn định H s / Δ D (Van der Meer, 1988) __________63 Hình 4-21 Các vùng chịu tải của công trình biển ___________________________________________65 Hình 4-22 Phương pháp thiết kế và công cụ _______________________________________________67 Hình 4-23 Tầng lọc hạt địa kỹ thuật _____________________________________________________68 Hình 4-25 Phương pháp tiếp cận tổng thể trong thiết kế công trình (CUR169, 1995) _______________70 Hình 4-26 Ví dụ về quá trình nhận biết vấn đề (Pilarczyk, 2003) _______________________________71 Hình 4-27 Thủ tục mẫu khi quyết định biện pháp kiểm soát xói lở (Verhagen H.J., 1999)____________76 Hình 4-28 Hình dạng đường bờ tổng quát khi sử dụng đập mỏ hàn _____________________________77 Hình 4-29 Tác động của đập mỏ hàn đến vận chuyển bùn cát dọc bờ ___________________________79 Hình 4-30 Đập chắn sóng xa bờ và phản ứng của vùng bờ ___________________________________80 Hình 5-1 Mặt cắt thiết kế lý thuyết đập chắn sóng truyền thống [theo SPM, 1984] ________________88 Hình 5-2 Mặt cắt đập mỏ hàn đá đổ truyền thống (theo CUR/CIRIA 154,1991)___________________88 Hình 5-3 Mặt cắt đại diện đập chắn sóng tại Elmer (theo Holland & Coughlan, 1994) _____________89 Hình 5-4 Mặt cắt đập phá sóng ngầm, đỉnh thấp (theo Chasten và nnk., 1993). ___________________89 Hình 5-5 Mặt cắt đập mỏ hàn đá đổ đơn giản hoá tại Mudeford Sandbank, Anh___________________90 Hình 5-6 Ví dụ về đập chắn sóng bằng đá đổ hình đuôi cá____________________________________92 Hình 5-7 Mặt cắt điển hình của đập chắn sóng tại Westshore, Vương quốc Anh ___________________93 Hình 5-8 Đập mỏ hàn đá và lớp đá được bổ sung trên đỉnh đập _______________________________94 Hình 5-9 Sự kế thừa về chức năng đối với các công trình bảo vệ bờ biển kết hợp chống lũ___________96 Hình 5-10 Chiều cao sóng ý nghĩa ở vùng nước nông có độ dốc đáy biển không đổi (CUR/CIRIA 154, 1991) ____________________________________________________________________________107 Hình 5-11 Ví dụ về việc thi công xếp đặt có lựa chọn các khối đá ở chân đập chắn sóng. __________112 Hình 5-12 Cấu tạo mặt cắt dọc, ngang đập mỏ hàn nối liền bờ._______________________________113 Hình 5-13 So sánh các phương pháp xác định ổn định đối với lớp đá bảo vệ mặt ngoài và các tấm bê- tông (theo McConnell & Allsop 1999) __________________________________________________115 Hình 5-14 Ví dụ về chi tiết chân công trình của đập chắn sóng _______________________________116 Hình 5-15 Chi tiết chân công trình bằng đá đổ tự ổn định ___________________________________117 Hình 5-16 (a) Các cọc gỗ và (b) các khối bê-tông nhằm tăng cường ổn định cho chân công trình tại Barton and Highcliffe _______________________________________________________________118 vi Hình 6-1 Các cơ chế hư hỏng có thể xảy ra đối với đê biển __________________________________124 Hình 6-2 Cây sự cố đơn giản hoá đối với đê biển (Pilarczyk, 1998). ___________________________125 Hình 6-3 Tổng quan về việc xác định các điều kiện biên thuỷ lực (Theo Pilarczyk, 1998)___________129 Hình 6-5 Cách tiếp cận hệ thống-các hàm chuyển đổi (Pilarczyk, 1990) ________________________132 Hình 6-6 Xác định cao trình đỉnh đê ____________________________________________________135 Hình 6-7 Công thức tổng quát cho chiều cao sóng leo với các ảnh hưởng khác nhau (theo CUR 169) 137 Hình 6-8 Ví dụ về xác định cao trình đê biển, với H s = 4.7 m (giới hạn độ sâu), T P = 8.5 s, hệ số chiết giảm do ảnh hưởng của cơ γ b = 0.7 đối với cot α = 4 và B = 4 H S ________________________138 Hình 6-9 Xác định lưu lươnfg sóng chảy tràn qua đỉnh đê (CUR 169)__________________________139 Hình 6-10 Các số liệu thực đo làm cơ sở cho công thức Van der Meer _________________________148 Hình 6-11 Cơ chế xói gần chân công trình có mái dốc (Sumer & Fredsoe 2001) _________________149 Hình 6-12 Sơ đồ chiều sâu hố xói tính toán McDonugal ____________________________________150 Hình 6-13 Chiều sâu hó xói lớn nhất theo Xie, 1981. _______________________________________150 Hình 6-14 Chiều sâu hó xói lớn nhất theo Sumer và Fredsøe, 2001. ___________________________151 Hình 6-15 Xác định khu vực chịu tác động _______________________________________________152 Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Các khía cạnh liên quan thiết kế và các điều kiện ràng buộc __________________________13 Bảng 3-1 Các loại tổn thất ____________________________________________________________20 Bảng 3-2 Các chức năng của các công trình đá ____________________________________________24 Bảng 3-3 Các chức năng của các hạng mục công trình điển hình ______________________________24 Bảng 3-4 Ví dụ một bảng cho điểm theo phương pháp MCE_________________________________32 Bảng 3-5 Điều chỉnh trọng số cho MCE __________________________________________________32 Bảng 3-6 Ví dụ về một BCA____________________________________________________________33 Bảng 3-7 Chi phí cố định và biến đổi trong công tác thi công vật liệu đá ________________________38 Bảng 3-8 Quá trình tham gia của các bên đối với công trình đá _______________________________43 Bảng 4-1 Phân tích đa tiêu chí (sơ bộ) ___________________________________________________84 Bảng 5-1 Các phương pháp vận chuyển _________________________________________________102 Bảng 5-2 Các đặc trưng chiều cao sóng không thứ nguyên __________________________________108 Bảng 5-3 Kích thước vật liệu thay đổi theo độ sâu mực nước_________________________________113 Bảng 5-4 Các cấp hoạt động của công trình _____________________________________________119 Bảng 6.1 Hệ số chiết giảm sóng leo do nhám γ cho các loại lớp phủ khác nhau (theo Pilarczyk, 1998) 137 Bảng 6-2 Hệ số nâng cấp ổn định cho các hệ thống khác nhau (Pilarczyk, 1990) _________________143 [...]... chung về thiết kế và vận dụng nó đối với chuyên ngành công trình thủy Chương 2 trình bày chi tiết về phương pháp và quá trình thiết kế chung trong kỹ thuật xây dựng công trình Bao gồm các thông tin về chu trình thiết kế, các giai đoạn thực hiện trong thiết kế, yếu tố cần quan tâm đề cập trong thiết kế, thiết kế tổng hợp và các bước thiết kế đặc trưng Quá trình thiết kế riêng biệt đặc trưng cho công trình. .. hỏi cuối chương Câu 1: Trình bày khái niệm rộng về thuật ngữ thiết kế? Khái niệm thiết kế được tồn tại từ khi nào? Câu 2: Trong quá trình thiết kế áp dụng chung cho công trình xây dựng, thủy lợi cần cân nhắc các yếu tố chính nào? (Hết chương 1) 4 Chương 2- Phương pháp luận thiết kế CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 2.1 Thực tế thiết kế Trong thực tế thiết kế và xây dựng các công trình người ta thường... xây dựng, việc thiết kế xây dựng công trình có thể được thực hiện theo một bước, hai bước hoặc ba bước như sau: a) Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình chỉ lập Báo cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình; b) Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án trừ các công trình được quy định... giai đoạn thiết kế được quy định theo Nghi định 16-CP về quản lý đầu tư xây dựng như sau: - Thiết kế cơ sở - Thiết kế Kỹ thuật - Thiết kế bản vẽ thi công 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế Kết hợp các giai đoạn thiết kế (Định hướng, lập ý tưởng;Khả thi ;Thiết kế sơ bộ; Thiết kế cuối cùng; Thiết kế chi tiết ), với các mức độ chi tiết và quy mô thực hiện (cấp độ hệ thống, cấp độ thành phần công trình, ... và thay đổi quá trình 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế /thiết kế phí Hầu hết các công trình biển như đập phá sóng, công trình bảo vệ bờ …vv có các đặc tính riêng biệt, do đó việc vận dụng các thiết kế đã có cho thiết kế mới thường không phù hợp Tương ứng với điều này là tiền dành cho công tác thiết kế thường không nhiều so với khối lượng công việc người thiết kế phải thực hiện Thiết kế phí trong xây... hiện công việc dưới các mức độ quy mô khác nhau 6 2.2.7 Tính tự do trong thiết kế bị hạn chế 6 2.2.8 Sản phẩm tại một địa điểm cụ thể 7 2.2.9 Công nghệ 7 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế /thiết kế phí 7 2.2.11 Tính chuyên nghiệp/ thiết kế lành nghề 7 2.3 Chu trình thiết kế 7 2.4 Các giai đoạn thiết kế 9 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế 10 2.6 Các khía cạnh khác liên quan đến thiết kế 11 2.7 Thiết. .. thống, cấp độ thành phần công trình, chi tiết công trình) đưa ra một cách rõ ràng và tỉ mỉ về các công việc người thiết kế phải thực hiện cho mỗi giai đoạn nhất định, xem Hình 2-3 10 Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Giai đoạn thiết kế Định hướng, lập ý tưởng Khả thi Thiết kế sơ bộ Thiết kế cuối cùng Thiết kế chi tiết Hệ thống Công trình Chi tiết công trình Mục đích, đối tượng Chức năng Mục đích,... tưởng Tiền khả thi Thiết kế sơ bộ Thiết kế chi tiết Công nghệ Thi công Thi công công trình Hình 2-4 Các khía cạnh và giai đoạn thiết kế 2.7 Thiết kể tổng thể Toàn bộ quá trình thiết kế có thể được thể hiện lại thông qua lược đồ thiết kế tổng thể trên hình 2-5, nó chỉ ra rằng làm thế nào người thiết kế có thể kể đến các khía cạnh thiết kế liên quan trong quá trình thực hiện công việc (trong tất cả các... tắt phương pháp luận trong thiết kế công trình biển và các cân nhắc cần thiết trong quá trình thực hiện thiết kế cũng như việc lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ hợp lý cho các đối tượng, vùng cần được bảo vệ trước các tác động khác nhau của quá trình tự thủy động lực học tự nhiên Chương 5 giới thiệu về phương pháp thiết kế đặc thù cho công trình biển sử dụng vật liệu đá có vốn đầu tư thấp Những công trình. .. về thuật ngữ thiết kế 1 1.2 Khái niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy 2 1.2.1 Các giai đoạn quy định trong thiết kế 3 1.3 Kết cấu giáo trình CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 3 5 2.1 Thực tế thiết kế 5 2.2 Mô tả chi tiết vùng dự án 5 2.2.1 Mối liên quan với khách hàng (chủ đầu tư) 5 2.2.2 Kết quả mang tính duy nhất 6 2.2.3 Tuổi thọ công trình dài 6 2.2.4 Đặc tính “thủ công 6 2.2.5 . Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình chỉ lập Bá o cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình; b) Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và thiết kế. niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy 2 1.2.1 Các giai đoạn quy định trong thiết kế 3 1.3 Kết cấu giáo trình 3 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 5 2.1 Thực tế thiết kế 5 2.2. sát và duy tu các công trình đá giá thành thấp 118 CHƯƠNG 6: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ ĐÊ, KÈ BIỂN 122 6.1 Tổng quan 122 6.2 Nguyên lý thiết kế 123 6.3 Phương pháp luận thiết kế 126 6.3.1 Các