Neo giữ và đánh chìm Caisson (thùng chìm) trong xây dựng công trình biển

Sử dụng thùng chìm trọng lực trong xây dựng công trình biển rất có hiệu quả, trong đó chế tạo thùng chìm ở vị trí thuận lợi rồi kéo tới vị trí cần đánh chìm, neo giữ đúng vị trí là khó khăn nhất, bởi thùng chìm luôn bị dao động do sóng, dòng, áp lực đẩy nổi thùng: Nhô lên, chìm xuống, lắc lư, chòng chành và quay. Tham khảo bài viết Neo giữ và đánh chìm Caisson (thùng chìm) trong xây dựng công trình biển để hiểu hơn về vấn đề này.

NEO GIỮ VÀ ĐÁNH CHÌM CAISSON (THÙNG CHÌM) TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH BIỂN PGS.TS Hå SÜ Minh PGS TS Nguyễn Đăng Tộ Trng i hc Thy li Túm tt: Sử dụng thùng chìm trọng lực (caisson) xây dựng cơng trình biển có hiệu quả, chế tạo thùng chìm vị trí thuận lợi kéo tới vị trí cần đánh chìm, neo giữ vị trí khó khăn nhất, thùng chìm ln bị dao động sóng, dòng, áp lực đẩy thùng: nhơ lên, chìm xuống, lắc lư, chòng chành quay Mặt khác, thùng chìm bị ảnh hưởng trọng lượng, tính đàn hồi dây neo Cần tính tốn chọn dây cáp, xích, mỏ neo xác để đảm bảo an tồn q trình neo giữ đánh chìm Tuy nhiên, phải sử dụng giả thiết đơn giản tượng dao động thùng chìm trong mơi trường sóng dòng để có cơng thức tính cho thực hành Nội dung nghiên cứu xung quanh vấn đề trình bày báo nhằm giới thiệu bạn đọc, nhà nghiên cứu thi cơng thùng chìm xây dựng cơng trình biển Giới thiệu: Thùng chìm loại thùng khối hộp bê tông cốt thép, sử dụng để xây dựng đê chắn sóng, cảng biển, ngăn dòng xây dựng cơng trình vùng triều đập, cống ngăn mặn; gần nước ta nghiên cứu dạng thùng chìm có tên gọi xà lan bê tông di động thay cho cống ngăn mặn giữ xây dựng chỗ theo kiểu truyền thống Từ năm 2004 đến năm 2007 tỉnh Bạc Liêu Cà Mau xây dựng 10 cống ngăn mặn, giữ công nghệ xà lan bê tông di động, áp dụng kênh, lạch triều có chiều rộng từ 25 - 30m, độ sâu từ - 4m Đề tài cấp Bộ thường xuyên (2007) [2] “Nghiên cứu sóng dao động tức thời đến ổn định xà lan bê tơng đánh chìm’’ tổng kết: ‘‘ đánh chìm xà lan, tượng xẩy lúc bơm nước từ từ vào xà lan để đánh chìm, xà lan trạng thái nổi, bất thần lật nghiêng bên, góc nghiêng có đến 60 độ, làm nước tràn từ miệng vào bụng xà lan Góc xà lan cắm sâu vào có hàng mÐt Hiện tượng gây nhiều khó khăn cho cơng tác thi cơng, mặt khác gây dao động ứng suất đất yếu đáy cơng trình thân xà lan…’’ Trong thực tế, vị trí đánh chìm, thùng chìm chịu tác dụng sóng, dòng nên khó đặt vào vị trí phẳng Về lý thuyết tính tốn neo giữ, ổn định q trình đánh chìm khó, cơng nghệ đánh chìm đòi hỏi tổ chức chu đáo, phối hợp chặt chẽ đơn vị thi công Neo giữ thùng chìm Để hạn chế thùng chìm bị nhơ lên, chìm xuống, đu đưa chệch hướng vị trí đánh chìm cần phải neo gi÷ hệ thống dây cáp mỏ neo, chuyển động thùng chìm thời điểm khó xác định dây cáp có tính co giãn đàn hồi lực sóng, dòng áp lực đẩy thùng chìm Phương trình chuyển động thùng chìm neo giữ: d 2x dx a x  bx  c x  d x x  F (t )  F p (1) dt dt Trong đó: F(t) - Lực tác dụng lên dây cáp theo thời gian F p - Lực kéo dây cáp d x - Hệ số đàn hồi dây cáp, tỷ số lực kéo sức kéo đứt dây cáp a x , bx , c x - số 115  - Chiều dài sóng tự nhiên xa thùng Sơ đồ lực tác dụng lên dây cáp mỏ neo hình phương đứng x- Trục hồnh có gốc điểm thùng chìm H- Chiều cao sóng, hai phía thùng chìm có trị số khác nhau: phía hướng sóng tới có trị số H, phía bên thùng có trị số H1 Như tương ứng     nên 1  11 :  Hình Sơ đồ lực dây cáp mỏ neo VB  lw  d 2  w 2     H B  2    (l  d1 )   (2) V A  VB  lw R  d1 w 2H B arctgh w  V A  VB    (3) Trong (2) (3): V A - Lực đứng neo giữ mỏ neo V B - Lực đứng đầu dây neo với thùng chìm R - Khoảng cách AB có thay đổi co giãn cáp l - Chiều dài dây cáp w - Trọng lượng dây cáp đơn vị chiều dài d1 - Khoảng cách đứng AB HB = HA - Lực ngang điểm B Để xác định sức giữ mỏ neo khoảng cách dây neo người ta xây dựng quan hệ không tuyến tính HB - R , gọi đường đặc trưng xích Khi HB R tăng dH B / dR tăng, dao động dây cáp tăng lên.Tính tốn dao động phức tạp, thực tế cần đơn giản hóa với giả thiết: - Bỏ qua quay, nhấp nhơ theo trục đứng thùng chìm - Dao động mực nước theo phương đứng dọc sát bên ngồi thùng chìm: (4) Z w  H cos(k1 x   )  Trong đó: k1  2 , 1  1 cos  Hinh Sóng sát thùng chìm 116  - Chiều dài sóng sát thùng chìm  - Góc lệch khuynh tâm thùng chìm so với  kb sin   - Góc thành bên thùng hướng truyền sóng Lực tổng hợp theo phương ngang là: 1   H cos ( k1 x)  HD cos k1 x      F ( x)  g  ( H ) cos ( k1 x   )     H D cos( k1 x   )      (5) Khi H1=0, lực tổng hợp toàn chiều dài cáp (xích) tính là:   sin( k1 L)   sin(k1 L)  FR  gL  H (1  )  HD  k L  k1 L    Khi   90  k1  1H FR  gLHD (1  ) 4D (6) (7) Tuy nhiên,   90  Z w1   H dọc 2 bên thành thùng lực lớn kéo dây cáp là: FR  gHDL Lúc moment gây chệch hướng là:  L Mz   xF ( x) dx (8)  L H 2L   g A1 sin( 2 )  A sin(  ) k1  Trong đó: sin(k1 L) A1  ; k1 L  cos(k1 L) sin k1 L 4D A2  H k1 L  cos k1 L 2  Moment lớn khi: dM z  0, d Sau ví dụ tính neo giữ cho tàu thủy để tham khảo tính tương tự cho thùng chìm: Biết:   45 , H=H1=2.5m;   39m ; D=10m; L=150m Tính: 1 = 55.15m ; k1 =0.114 ;  =3.42 1  arccos(     0.5 ) , với   A2 A1 5  Fx  12.10  cos (k1 x)  cos (k1 x   )  10 cos(k1 x)  cos(k1 x   )  Vì: FR  8   Nên:    x L  F ( x)dx x L 5  sin(k1 L) sin(k1 L  2 )  sin(k1 L   )   L   L      k k 1       1 1  FR  12.3.10    sin( k L   )  sin(  k L   ) 1    sin(k1 L)  2   10  k1 k1         3  12.3.10 47.681  47.675  51.59  26.04  12.3.10 25.55( N )  314kN Hình Đường đặc trưng ‘xích’ Hình Các loại mỏ neo Moment gây chệch hướng Mz = 9.36106 Nm Khi H1=0; FR = 12.3.103 47.68  51.59  1.22.10 kN Khi Z W1   H   90  ; FR =36.8.103 kN Để tiện tính tốn, người ta xây dựng biểu đồ đường đặc trưng ‘xích’ HB-R Ví dụ hình 3, với: chiều dài dây cáp neo l = 120m, có trọng lượng 1m dài w = 1.1617 KN/m, độ sâu neo khác nhau: d1 = 26.7, 23.9, 14.8 m Chọn dây cáp, dây xích, loại mỏ neo tham khảo hình 3, 4, Hình Chọn đường kính dây cáp 3.Tổ chức đánh chìm Lúc mực nước triều cao, kéo thùng chìm vào vị trí định, dùng tàu kéo có mỏ neo giữ cho thùng chìm ổn định tiến hành đánh chìm Thời điểm đánh chìm chọn lúc nước dừng (v  0) triều cao rút xuống triều bắt đầu lên, chọn lưu tốc dòng nhỏ hn 0.5 m/s 4.Tớnh toán lc thựng chìm va chm với đáy Khi đánh chìm, thùng chìm chuyển động theo hướng xuống đáy theo chiều dòng chảy tác dụng dòng sóng Nếu xét 117 chuyển động theo chiều thẳng đứng (thực tế thùng neo giữ khơng cho trơi theo chiều dòng chảy) lực va chạm với tính theo sơ đồ va chạm thẳng xuyên tâm Khi thùng chìm dịch chuyển, động năng: mv (9) Ek  Trong đó: m - Khối lượng thùng chìm (kg) v - Tốc độ dịch chuyển thùng chìm thời điểm va chạm (m/s) Khi va chạm, động biến thành lượng đàn hồi Ee Nếu coi thùng gắn lò xo đầu coi lò xo có độ cứng C thì: (10) C  F/x Trong : F - Lực va chạm (kN) x - Khoảng dịch chuyển nhỏ từ lúc chạm đến kết thúc va chạm (m) Năng lượng dịch chuyển là: x E e   C.x.dx  C.x 2 (11) Bỏ qua thùng chìm trường trọng lực Ek  Ee Từ (9), (10), (11) tìm lực tác dụng thùng chìm lên nền: (12) F  mC v Độ cứng C đất (N/cm) xác định: C  S Trong đó:  độ cứng riêng đất,  = 30 N/cm3 S diện tích đáy thùng tiếp xúc với (cm2) Ví dụ: Một thùng chìm có chiều rộng B= 9m, chiều dài L= 30m, khối lượng (cả gia trọng) 1188000kg , độ sâu mực nước đánh chìm 3m, tốc độ chìm 0.5 m/s Lực tác dụng lên tính theo (11) là: 49050 kN Áp lực động đơn vị thùng chìm lên đáy : 18.17N/cm2 Áp lực tĩnh lên 4.4 N/cm2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trường Đại học Thủy lợi Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ ‘‘Nghiên cứu tính tốn thủy lực cơng nghệ ngăn dòng cơng trình vùng triều’’ Chủ nhiệm: PGS.TS Hồ Sĩ Minh [2] Viện Khoa học Thủy lợi (2007): Đề tài nghiên cứu khoa học thường xuyên ‘‘Nghiên cứu sóng dao động tức thời đến ổn định xà lan bê tơng đánh chìm”.Chủ nhiệm: ThS Trần Văn Thái [3] J.C Huis in’t Veld (1980) Closing of Tidal Basins, Lecture notes IHE, The Netherlands [4] J.C Huis in’t Veld and Authors (1984) The Closure of Tidal Basins DELFT University Press Abstract: Achoring and sinking the caissons in the construction of coastal engineering The caissons has to be built in a construction dock that is in the site satisfying the advantageous conditions and then sailing to the gap.The disadvantages of caisson placement procedure are anchorage and sinking.The problem of a moored caisson is more complicated than the problem of unrestrained caisson motion There ara three additional periods (surge, sway and yaw) and the restoring force (elasticity and cable weight) is nonlinear Because of the complexity of the calculation some simple cases only will be discussed in this paper 118 ... kính dây cáp 3.Tổ chức đánh chìm Lúc mực nước triều cao, kéo thùng chìm vào vị trí định, dùng tàu kéo có mỏ neo giữ cho thùng chìm ổn định tiến hành đánh chìm Thời điểm đánh chìm chọn lúc nước dừng... thựng chìm va chm với đáy Khi đánh chìm, thùng chìm chuyển động theo hướng xuống đáy theo chiều dòng chảy tác dụng dòng sóng Nếu xét 117 chuyển động theo chiều thẳng đứng (thực tế thùng neo giữ. .. dây cáp mỏ neo VB  lw  d 2  w 2     H B  2    (l  d1 )   (2) V A  VB  lw R  d1 w 2H B arctgh w  V A  VB    (3) Trong (2) (3): V A - Lực đứng neo giữ mỏ neo V B -