Bài viết này phân tích nguyên nhân một số sự cố đã sảy ra trong quá trình xây dựng và khai thác các công trình thép móng cọc trên nền san hô (DKI) và bước đầu đưa ra các giải pháp kết cấu mới nhằm hạn chế và phòng tránh sự cố khi xây dựng và khai thác các công trình DKI.
172 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ Biển tồn quốc lần thứ V MỘT VÀI SUY NGHĨ VỀ VẤN ĐỀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN HỢP LÝ CHO CƠNG TRÌNH BIỂN THÉP MĨNG CỌC TRÊN NỀN SAN HƠ Đinh Quang Cường Viện Xây dựng Cơng trình biển, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, Hà Nội Email: dqc@hn.vnn.vn Tóm tắt: Bài báo phân tích ngun nhân số cố sảy trình xây dựng khai thác cơng trình thép móng cọc san hô (DKI) bước đầu đưa giải pháp kết cấu nhằm hạn chế phòng tránh cố xây dựng khai thác cơng trình DKI SOME THINKING ABOUT SELECTION OF APPROPRIATE OF OFFSHORE - STEEL JACKET PLAFORM ON THE CORAL BASIS Abstract: This article find the cause of several incidents have happened during the construction and exploitation of the offshore - steel jacket platform on the coral basis (DKI) and initially launched the new DKI structural measures to limit and prevent problems when building and and employ the DKI Điểm qua tình hình xây dựng cơng trình DKI Cho đến xây dựng 20 công trình DKI Hầu hết cơng trình DKI xây dựng dạng cơng trình thép, móng cọc, san hô Sau khoảng 10 năm sử dụng cơng trình bị rung lắc mạnh, có ba cơng trình bị đổ (DKI/3, DKI/5 DKI/6), hai cơng trình khơng sử dụng (DKI/1 DKI/4), có cơng trình khơng bị rung lắc DKI/10 xây dựng năm 1994 bãi cạn Cà Mâu, trầm tích sa bồi Nguyên nhân gây cố cơng trình DKI là: Nguyên nhân 1: Kinh nghiệm thiết bị phục vụ thi cơng xây dựng cơng trình biển hạn chế, kỹ thuật xây dựng cơng trình thép móng cọc san hơ Ngun nhân 2: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy nần san hơ, chưa đánh giá làm việc tương tác cọc thép san hô thông qua việc xác định hệ số ma sát cọc thép san hơ Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật cơng trình, Vận tải Cơng nghệ Biển Đã có nhiều nghiên cứu hệ số ma sát cọc thép san hô [1], [2], [3], [4] Tác giả viết hoàn toàn đồng ý rằng: cọc thép tiếp xúc với san hơ chắn cọc tồn lực ma sát Tuy nhiên, phân tích ảnh chụp khảo sát DKI/5 DKI/6 gặp cố, hình 1, cho thấy chân cọc thép tách khỏi Khe hở cọc lớn Như chỗ cọc tách khỏi cọc không tiếp xúc ma sát Khi lực ma sát lại (có thể phần gần mũi cọc) khơng đủ khả thắng lực nhổ Đây cách lý giải cho cố rung lắc dẫn đến phá hủy cơng trình DKI 173 Khe hở cọc Hình 1, chân cọc gẫy DKI/6 Nguyên nhân 3: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy điều kiện khí tượng, hải văn khu vực xây dựng cơng trình, số liệu chiều cao sóng thiết kế Số liệu sóng thiết kế ban đầu 6,9m; 9m; 10,5m (1988); 14m (1990-1998) Số liệu sóng để thiết kế gia cố cơng trình DKI 15,8m Số liệu để thiết kế cơng trình DKI/14M DKI/15M 16,56m Có thể tính lại chiều cao cơng trình DKI/14 theo số liệu sóng sau: Độ sâu nước: d = 22,0m; Chiều cao sóng: H = 16,56m; Chiều dài sóng: L = 298,38m; Chu kỳ sóng:T = 13,83s; H/(GT2) = 0,009; d/(GT2) = 0,012 Lý thuyết sóng phù hợp theo tiêu chuẩn API RP 2A sử dụng lý thuyết sóng hàm dòng bậc (Stream Function), hình Theo yêu cầu thiết kế sàn cơng tác phải đảm bảo khơng bị sóng trùm lên điều kiện sóng cao H1% = 16,56m, cao trình đáy sàn cơng tác tính theo cơng thức sau: Hsct Hđỉnh sóng + Htriều + Hnước dâng + Htĩnh khơng Trong đó: Hđỉnh sóng = 13,77m (tính theo lý thuyết sóng hàm dòng bậc 9); Htriều = 2,11m; Hnước dâng = 1,15m; Htĩnh không 1,5m (theo tiêu chuẩn DNV) Hsct 18,53m 174 Hội nghị Khoa học Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V Đánh giá giải pháp gia cố cơng trình DKI 2.1 Ngun lý chung để thiết kế gia cố cơng trình DKI Các cơng trình DKI xây dựng thép, móng cọc hầu hết bao gồm 04 ống thép ống Cọc thép đóng lồng ống Khi chịu lực sóng, thơng thường hai cọc mặt đón sóng chịu nhổ, hai cọc lại chịu nén, hình 3a Lực nhổ cọc, theo thiết kế triệt tiêu nhờ lực ma sát cọc và trọng lượng thân cơng trình truyền xuống cọc Tuy nhiên trình chịu lực sóng, ma sát cọc bị suy giảm (một nguyên nhân cọc tách khỏi nền, xem hình 1) việc thiết kế gia cố dựa nguyên tắc đặt khối gia tải để triệt tiêu lực nhổ thay cho lực ma sát bị suy giảm, hình 3b 2.2 Đánh giá giải pháp gia cố thực Có ba phương án thực để gia cố cơng trình DKI [4], là: -Gia tải tập trung chân cọc, dùng phương pháp bê tông vữa dâng để gia tải Việc đổ bê tông vữa dâng biển gặp khó khăn, điều kiện sóng lớn, khó kiểm sốt liên kết khối gia tải với ống Phương pháp thực DKI/7,2,9, nói lý đưa tới thất bại Thất bại phương án mở hướng nghiên cứu phương án mở rộng khối chân đế 175 Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật cơng trình, Vận tải Cơng nghệ Biển -Phương án mở rộng khối chân đế cách gắn vào ống giàn tam giác sau lắp ghép khối gia tải lớn bê tông đúc sẵn, bơm trám xi măng để gắn cục gia tải với san hô Tuy nhiên, số giải pháp kỹ thuật chưa hợp lý, việc lắp ghép khối lớn bơm trám xi măng gặp khó khăn Phương án ứng dụng DKI/11,14,17 -Phương án mở rộng khối chân đế, kết hợp bơm bê tông dâng để gia tải Phương án thử nghiệm DKI/8,12,15, sau rút kinh nghiệm, ứng dụng thành cơng cơng trình DKI/16,18,19,20,21 gia cố lần hai cho cơng trình DKI/7,2,9 Đây phương án thể nhiều ưu điểm, khắc phục nhược điểm hai phương án trước P g P P s g Ps Rk Rk Rn gt Q N k = Rk -Qgt Rn gt Q N n = Rn +Q gt Hình 3: Nguyên lý chung để tính tốn thiết kế gia cố DKI cũ bị rung lắc Với: Ps: Lực ngang sóng; Pg: Lực ngang gió; Rk: Lực nhổ; Rn: Lực nén; Qgt: Trọng lượng dằn Đánh giá giải pháp cơng trình DKI Năm 2010-2011 tiến hành xây dựng hai cơng trình DKI (DKI/14M DKI/15M) Các cơng trình DKI xây dựng sở rút kinh nghiệm từ việc gia cố thành công cơng trình DKI cũ theo phương án mở rộng khối chân đế, khối gia tải gắn với khối chân đế thông qua kết cấu mở rộng để chịu nhổ Các cọc thép đóng vào san hơ để chịu nén Liên kết khối gia tải với bê tông dâng Việc ứng dụng giải pháp gia cố thực thành công cho DKI cũ phát triển để xây dựng DKI cách làm đắn khả thi Các DKI với quy mô lớn DKI cũ, khối chân đế bao gồm 06 chân Hình mang tính minh họa nguyên lý cho DKI Hình 4, Mơ tả dạng cơng trình DKI xây dựng 176 Hội nghị Khoa học Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V Đề xuất giải pháp cơng trình DKI Để thi cơng cơng trình DKI/14M DKI/15M phải dùng đến thiết bị chun dụng, có cơng suất lớn Đây khó khăn đơi ảnh hưởng đến tính chủ động việc xây dựng cơng trình DKI Dưới đề xuất số phương án cơng trình theo nguyên lý phân tích mục viết này, với mong muốn chủ động việc xây dựng cơng trình 4.1 Đề xt phương án cơng trình DKI cho vùng nước nơng Độ sâu nước bãi san hô ngầm: Ba Kè, Phúc Tần, Huyền Trân, Quế Đường không vượt 15m (độ sâu nước DKI/4 07m; DKI/3 11m) Tại vùng nước nông, ứng dụng giải pháp thùng chìm để chế tạo đế móng dạng đảo nổi, sau lắp ghép khối chân đế thượng tầng thép lên đế móng giải pháp cần xem xét, nghiên cứu, có ưu điểm ứng dụng Tác giả viết tính tốn xây dựng phương án kết cấu cơng trình DKI cho vùng nước sâu đến 15m, hình 1000 12000 6000 30000 12000 1000 + 18 m 42500 a) 13000 15000 19000 + 32m 18000 8800 1000 2800 + 35.5 m 4500 1500 30000 + 40.5 m + 15 m 18000 19000 b) -1 m 1000 0m 12000 6000 30000 12000 9000 12000 30000 9000 Các thơng số cơng trình: - Đường kính 01 trụ đế: 12m - Chiều cao trụ đế:18m - Tổng chiều cao chân đế:32m - Chiều dầy thành trụ đế:350mm - Trọng lượng 01 trụ đế:920 - Trọng lượng cơng trình:3260 - Trọng lượng dằn:1740 - Tổng trọng lượng cơng trình:5000 - Vật liệu dằn:Đá hộc - Vật liệu bơm trám:Bê tơng dâng Hình 5, Đề xuất dạngcơng trình DKI cho vùng nước nơng, đến 15 m nước a) Mặt đứng; b) Khối đế; c) Sơ đồ tính kết cấu Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật cơng trình, Vận tải Cơng nghệ Biển 177 4.2 Tính tốn kiểm tra 4.2.1 Kiểm tra điều kiện lật[5]: Điều kiện đảm bảo: Mgi÷ kl MlËt (1) Với: Mgiữ=24652.2 Tm; Mlật=7729,2 Tm; Hệ số an toàn kl =3,19>[kl] = 1,5 4.2.2 Kiểm tra điều kiện trượt [6]: Điều kiện đảm bảo:fu kt (2) Với fu cường độ chống trượt tới hạn [6]; fu = 20,98 T/m ; ứng suất tiếp đáy móng: = 6,96 T/m2 f 20.98 kt u 3,01 >[kt] =1,2 6,96 q B 4.2.3 Kiểm tra móng cơng trình [5]: Điều kiện đảm bảo: a ; P2 u (3) k Trong đó: a kích thước vùng chịu kéo (nếu có đế móng); B chiều rộng đế móng; P2 ứng suất lớn mép đế móng; qu khả chịu tải cho phép nền; k hệ số an toàn lấy theo quy phạm Kết tính tốn kiểm tra cho thấy, với thơng số hình học nêu cơng trình, điều kiện (3) đảm bảo Vì khn khổ báo có hạn nên khơng đưa tiêu kỹ thuật tính tốn kiểm tra nền, nhiên thực tế san hô chịu nén cao Ưu điểm giải pháp cơng trình dạng thùng chìm (hình 5) độ ổn định cơng trình cao, thi cơng đơn giản khơng phụ thuộc vào thiết bị chuyên dụng.Vật liệu dằn vật liệu thông thường (đá hộc, cát phế thải rắn) 4.3 Đề xt phương án cơng trình vùng nước sâu, khơng dùng giải pháp lắp khối gia trọng kích thước lớn Các thơng số cơng trình cho độ sâu 22 mét nước, thượng tầng 30 người sau: Chiều cao khối chân đế: 38,5m; Kích thước mặt cắt ngang cùng: 16m x 16m; Kích thước khối đế kết hợp với khay chứa khối gia tải: 28m x 28m; Kích thước ống chính: Ф864x23,8; Kích thước ống nhánh điển hình: Ф610x15,9; Lực nhổ lớn chân chịu nhổ: 217 tấn; Lực nén lớn chân chịu nén: 301 tấn; Gia tải chân chịu nhổ Qgt =330 tấn; Trọng lượng khối chân đế: 555 tấn; Trọng lượng khối thượng tầng: 350 tấn; Trọng lượng bê tơng bơm bốn ống chính: 140 tấn; Tổng trọng lượng gia tải: 330x4=1320 tấn; Tổng trọng lượng cơng trình (kể khối gia tải) theo thiết kế sơ 2365 Dạng cơng trình thép móng cọc san hơ đề xuất hình dạng cơng trình tự thích ứng với tải trọng sóng Cọc thép chịu nén, lực nhổ triệt tiêu trọng lượng khối gia tải Các khối gia tải treo sẵn vào ống khối chân đế, khơng thơng qua hệ thống giàn tam giác Sự cân lực nhổ khối gia tải trực tiếp, không hao tổn biến dạng giàn tam giác (biến dạng giàn tam giác làm giảm độ nhậy q trình tự thích ứng) Khối gia tải khối bê tơng lớn (có trọng lượng khối hàng chục tấn) xếp lên khay đỡ, vật liệu rời (đá hộc), phế thải rắn, bê tông bơm dâng chỗ Tương ứng với dạng gia tải khay cấu tạo dạng sàn thép ống, kết hợp sàn thép ống với thép có kht lỗ thép kín dạng cốt pha treo Việc thi công lắp ghép khối gia tải đổ bê tông gia tải vào hệ thống cốt pha kín hồn tồn kiểm sốt chất lượng 178 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ Biển tồn quốc lần thứ V Ưu điểm giải pháp cơng trình dùng khối gia tải treo dễ thi công, cách gia tải dễ dàng, vật liệu gia tải thông dụng, đa dạng Khối gia tải (trong trạng thái thi công) không nằm trực tiếp san hô, khơng cần san Nhược điểm giải pháp cơng trình dùng khối gia tải treo khối gia tải làm gia tăng lực nén lên cọc làm cho cọc chịu nén lớn.Việc treo khối gia tải nâng cao trọng tâm cơng trình Có thể khắc phục gia tăng tải trọng lên cọc gia tăng khả ổn định cho móng “treo” cách tạo liên kết tiếp đất cho khối gia tải nguyên lý “bó đũa”, tức tạo liên kết chống dạng tự thay đổi độ dài theo mấp mơ san hơ Hình 6, Đề xuất dạngcơng trình DKI cho vùng nước sâu 15m a) Mặt đứng; b) Mặt bằng; c) Khối đế; d) Sơ đồ tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn Kết luận Các giải pháp cho cơng trình DKI san hơ nêu hình hình báo dựa số liệu thực tế thu thập trình thiết kế, xây dựng gia cố cơng trình DKI Đây ý tưởng cơng trình cần thiết tham khảo thảo luận ... xây dựng cơng trình DKI Dưới đề xuất số phương án cơng trình theo ngun lý phân tích mục viết này, với mong muốn chủ động việc xây dựng cơng trình 4.1 Đề xt phương án cơng trình DKI cho vùng nước... trình DKI xây dựng thép, móng cọc hầu hết bao gồm 04 ống thép ống Cọc thép đóng lồng ống Khi chịu lực sóng, thơng thường hai cọc mặt đón sóng chịu nhổ, hai cọc lại chịu nén, hình 3a Lực nhổ cọc, ... thuật cơng trình, Vận tải Cơng nghệ Biển Đã có nhiều nghiên cứu hệ số ma sát cọc thép san hô [1], [2], [3], [4] Tác giả viết hoàn toàn đồng ý rằng: cọc thép tiếp xúc với san hơ chắn cọc tồn lực