Các giải pháp công trình cống trong điều kiện vùng triều

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH CỐNG CHỊU ẢNH HƯỞNG VÙNG TRIỀU

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH THI CÔNG CÔNG TR ÌNH CHỊU ẢNH HƯỞNG vùng TRIỀU

2.3. Các giải pháp công trình cống trong điều kiện vùng triều

Trong những năm qua các công trình cống ngăn sông vùng ven biển với mục đích ngăn mặn, giữ ngọt và tiêu lũ để tạo nguồn nước cho dân sinh, nông nghiệp ở nước ta cũng được đầu tư nghiên cứu và xây dựng rất nhiều. Hiện tại ở nước ta có 3 loại hình công nghệ cống lộ thiên phổ biến đó là công nghệ truyền thống, công nghệ Đập xà lan và công nghệ Đập trụ đỡ.

Các công trình cống vùng triều tùy theo từng khu vực, vị trí và các điều kiện khác mà ta có thể áp dụng thi công theo công nghệ truyền thống, Đập xà lan hay đập trụ đỡ. Ở khu vực dự án cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè có địa hình chật hẹp, địa chất nền yếu, giao thông không thuận tiện, giải phóng mặt bằng khó khăn, vấn đề

môi trường phải đảm bảo tốt trong quá trình thi công, đảm bảo giao thông thủy thông suốt, một số công trình hiện trạng không thể di rời được.

Cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè thi công theo công nghệ truyền thống thì việc đắp đê quây, dẫn dòng thi công là rất khó khăn: thủy triều lên xuống theo ngày, chênh lệch mực nước rất lớn, dao động nước triều nhanh, ảnh hưởng giao thông thủy, không tiêu thoát được nước của khu vực thượng lưu trong quá trình thi công, mặt bằng thi công chật hẹp (khu vực đô thị) không thể làm kênh dẫn dòng, Xử lý nền và tiêu năng thượng hạ lưu rất tốn kém.

Còn công nghệ đập xà lan thì thi công cũng khó khăn về mặt bằng đúc xà lan, di chuyển và đánh chìm, phía dưới nền có tuyến cống thu gom nước thải của dự án Xử lý nước thải TPHCM nên việc đánh chìm rất khó

+ Từ những đặc điểm trên ta lựa chọn công nghệ thi công cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè theo công nghệ đập trụ đỡ là hiệu quả nhất về kỹ thuật và kinh tế…. + Cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè dùng biện pháp xử lý nền các trụ và chống thấm bằng cọc khoan nhồi và cọc cừ chống thấm trong điều kiện ảnh hưởng của nước triều lên xuống trong ngày và độ mặn đã bị xâm nhập sâu trong vùng dự án. Tuy nhiên điểm quan trọng trong thi công đập trụ đỡ là thi công liên kết dầm đáy với hàng cừ chống thấm. Vì vậy có thể chọn các biện pháp thi công như: biện pháp lắp đặt dầm đáy trong nước hoặc biện pháp đóng cừ làm khô hố móng để thi công trực tiếp dầm đáy liên kết với hàng cừ chống thấm.

2.3.1.a.Biện pháp lắp đặt dầm đáy trong nước: Nội dung của biện pháp này là đúc cừ trên bãi, sau khi đóng xong tuyến cừ chống thấm sẽ cẩu và lắp đặt dầm đáy trong nước. Để đảm bảo kín khítd giữa hàng cừ và dầm đáy bố trí bản cao su dưới dầm đáy, sau đó bơm vữa bê tông phủ kín các khe hở có thể xảy ra do mặt bằng đầu tuyến cừ không tuyệt đối bằng phẳng. Ưu điểm của biện pháp này là thi công nhanh không gây diễn biến xói lòng dẫn do không bị co hẹp dòng chảy, tuy nhiên nó đòi hỏi tuân thủ chặt chẽ các bước , các quy trình thi công mà tư vấn đề ra kết hợp với quá trình giám sát chất lượng tỉ mỉ. Bên cạnh đó phải thừa nhận rằng việc đánh giá chất lượng bê tông đổ bù trong nước tạo liên kết kín khít là một vấn đề còn khó khăn trong xây dựng các công trình thủy lợi ở nước ta.

2.3.1. Biện pháp thi công trên hệ nổi

Với biện pháp này thì toàn bộ các máy móc, vật tư thiết bị và các thao tác thi công được thực hiện trên một hệ nổi (xà lan). Máy móc thiết bị có thể được bố trí trên xà lan khác. Khi dùng phương pháp thi công này cần tính toán chi tiết tải trọng tĩnh và động của toàn bộ trang thiết bị vật tư, máy móc, con người thi công trên hệ nổi để đưa ra phương án lựa chọn loại xà lan và công tác neo giữ định vị hệ nổi để đảm bảo tính ổn định của hệ nổi, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình định vị cọc và các thao tác đóng cọc được chính xác và an toàn.

Trình tự tính toán lựa chọn loại xà lan và biện pháp neo giữ 2.3.1.1. Tìm trọng tâm của hợp lực

Gọi P – tải trọng đặt trên phương tiện nổi (giá búa, cần cẩu…);

G – trọng lượng bản thân của phương tiện nổi:

G = 0.12V (2.1)

V – thể tích choán nước tính toán của phương tiện nổi;

Q – Hợp lực của P và G.

Q = P + G (2.2)

Tìm điểm đặt của Q:

Lấy mô men của các lực đối với trục x-x:

ΣMRxR = yRoR.Q – P.(h+H) – G.e Q

G.e H) P(h

yo = + +

Hình 2.1: Tìm trọng tâm hợp lực 2.3.1.2. Tính độ chìm

T = TR1R + TR2

TR1R – Độ chìm do phần tải trọng đặt đúng tâm

L . B . T1 P

= γ (2.3)

p

x

qg 0 x

fbq

p x

m p

γ - tỷ trọng của nước = 1T/mP3

P - tải trọng đặt trên phao, kể cả trọng lượng bản thân phao;

B, L - chiều rộng và chiều dài phao, (m).

Hình 2.2: Tính độ chìm TR2R - độ chìm do mômen lệch tâm.

J . .

x . P J . . T2 M

à

= γ à

−γ (2.4) à - hệ số phụ thuộc hỡnh dạng phao:

phao đầu bằng à = 1,0 phao đầu trũn à = 1,5

J – mômen quán tính của diện tích đường nước Như vậy từ (2.3) và (2.4) ta có:



 



 +à

= γ

J . x F 1

T P (2.5)

Và F = B.L

2.3.1.3. Tìm vị trí tâm nổi Z0

) 5 , 2 3(

Z0 =T −β (2.6) T - độ chìm tính toán của phao

β - hệ số đầy của lượng nước choán ; Đối với phao chạy trên sông β = 0,9.

(Hình vẽ 2.2)

2.3.1.4. Tính khoảng cách từ trọng tâm hợp lực đến tâm nổi

R

0

0 Z

y

a− − R (2.7) Trên hình 2.3, E là vị trí tâm nổi.

QR1R - lực đẩy của khối nước bị choán chỗ QR1 R= γ.V = Q V - thể tích choán nước tính toán ;

γ - tỷ trọng nước.

2.3.1.5. Tính bán kính ổn định ρ

Q1 Jx V . Jx

x =

= γ ρ

(2.8)

Q1 Jy V . Jy

y =

= γ ρ

Phao vuông:

1 3 y 1 3

x 12.Q

' B . '

; L Q . 12

' B '.

L ρ =

= ρ

(2.9)

Phao cong:

1 3 y

1 3

x 11,7.Q

' B . '

; L Q . 7 , 11

' B '.

L ρ =

=

ρ

L’,B’ - chiều dài và chiều rộng của diện tích đường nước;

QR1R - tổng trọng lượng, kể cả trọng lượng bản thân phao;

Điều kiện ổn định: ρ ≥ a (2.10)

Hình 2.3: Tính bán kính ổn định Hình 2.4: Tính bán kính ổn định 2.3.1.6. Tính độ nghiêng

Khi kiểm tra đạt điều kiện ρ ≥ a thì mới tính độ nghiêng.

Tính mô men của các lực đối với tâm nổi.

- Mô men của các lực đứng: M1 =∑Pi.ei;

- Mô men của các lực ngang: M2 =∑Fi.hi;

q e q1

0 0

- Mô men của lực đẩy của nước: M3 =∑Ri.yi;

Tổng cộng mô men lật đối với tâm nổi:

MRlR = MR1R + MR2R + MR3

e q1

0 0

f1

p

i

ri

i

t

b/2 b/2.

Hình 2.5: Tính độ nghiêng Độ nghiêng của phao:

) a ( V .

tg Ml

− ρ

= γ

ϕ (2.11) Mớn nước:

ϕ +

= tg 2 t B

T (2.12) 2.3.1.7. Tính toán neo cố

 Những thiết bị neo

Thường dùng 2 loại: neo bằng thép đúc và neo bê tông

Neo hải quân bằng thép đúc có các loại: 200kg, 900kg, 1,5T; 3,0T. Kích thước cơ bản của nó. Xem bảng 2.1.

Lực cản của neo R:

R = m.W (2.13)

Trong đó:

W - trọng lượng của neo;

m - hệ số ngoạm bùn, thường phải làm thí nghiệm để xác định, nó phụ thuộc chiều sâu nước, chất đất, loại neo.

Bảng 2.1: Kích thước thiết bị neo

Hình 2.6: Thiết bị neo Đối với neo hải quân:

- Trong đất cát m = 5 ÷ 6.

- Trong đất sét m = 8 ÷ 12.

 Xích neo: Gồm toàn bộ phần nằm trên mặt đất đến neo. L = 5h. Với neo chính thông thường 50 ÷ 75m

đáy sông

l

Hình 2.7: Xích neo Các phụ kiện của xích

 Vòng xích: Tính năng xem bảng 2.2

Ký hiệu 3000a 1500a

Trọng lượng (T) 3 1,5

B(mm) 2415 1955

H(mm) 912 725

L(mm) 3780 3000

B

L

Hình 2.8: Vòng xích Bảng 2.2: Thông số xích neo φ

(mm)

Trọng lượng (kg)

L (mm)

B (mm)

[sức kéo]

(T)

Sức kéo (T)

Mômen xung kích (kGm)

28 1,87 168 100 31,1 46,6 102

37 4,35 222 133 54,2 81,3 235

43 6,84 258 155 73,4 102,6 370

 Mắt xích cuối: có 2 loại:

- Loại trơn: xem hình 2.9

- Các kích thước và sức chịu của loại mắt xích này giống như vòng xích.

- Loại mắt xích cuối có chống. Hình dạng của loại mắt xích này giống như vòng xích. Tính năng của nó xem bảng 2.3

Hình 2.9: Mắt xích cuối Bảng 2.3: Thông số mắt xích cuối

φ (mm) Trọng lượng (kg)

28 2,88

37 6,93

43 10,70

 Mắt xích quay

Bảng 2.4: Thông số mắt xích quay φ

(mm)

Trọng lượng (kg)

L (mm)

B (mm)

H (mm)

28 6,5 280 123 102

37 15 368 163 133

43 26 425 189 155 Hình2.10: Mắt xích quay

 Vòng liên kết (ma ní)

l

h b

Hình 2.11 : Vòng liên kết

Bảng 2.5 : Thông số vòng liên kết φ (mm) Trọng lượng

(kg)

L (mm)

B (mm)

H (mm)

28 5,34 200 80 112

37 12,3 264 104 148

43 19,3 306 120 172

 Vòng nối (mắt xích nối)

Hệ xích thường chia ra 2,3 đoạn. Đoạn đầu nối ngay vào neo. Đoạn cuối cấu tạo giống đoạn giữa. Giữa các đoạn nối với nhau bằng một vòng nối và một ma ní.

Cuối cùng nối vào cáp.

Tính năng cơ học của xích neo xem bảng 2.6

chèt

Hình 2.12: Vòng nối Bảng 2.6: Thông số vòng nối

Các chỉ tiêu cơ học Ký hiệu Trị số

Cường độ phá hoại 65kG/mmP2

Cường độ khuất phục 45kG/mmP2

Tỉ lệ dãn dài 14%

Tỉ lệ co ngót ở tiết diện - ≥ 30%

Độ dài xung kích aRK 6kG/mmP2

 Cáp

Thường dùng loại 6 tao x 37 sợi, có tính năng ghi ở bảng 2.7.

Bảng 2.7: Thông số cáp

Đường kính cáp (mm) Cường độ cực hạn (kéo đứt) Cường độ 1 sợi (kG/cmP2P)

22 20 – 27,15 140 - 190

26 28,8 – 39,05 -

28,5 33,8 – 45,85 -

37 53,65 – 78,45 -

43,5 74,2 – 87,95 -

 Tính toán chịu lực của neo

Có 3 loại neo: neo chủ, neo biên và neo đuôi

neo đuôi

neo biên

neo chủ

Hình 2.13: Neo

 Tính các lực tác dụng vào phao:

1. Lực đẩy (cản) của nước vào phao RR1R

RR1R = (fS + φF)VP2P (2.14) Trong đó:

f - hệ số ma sát : phao thép f = 0,17 phao gỗ f = 0,25 S - diện tích choán chỗ của phao

S = L(2T + 0,85B) (2.15) Trong đó:

L - Chiều dài phao (m);

T - chiều sâu ngập nước (m);

B - chiều rộng phao (m);

φ - hệ số cản; phao vuông φ = 10, phao vát φ = 5;

F = T.B (mP2P);

V – lưu tốc nước (m/s);

2. Lực gió R2: tính với phần phao lộ trên mặt nước

R

W 2

2 k P

R = Ω R (2.16)

kR2R-hệ số chắn gió: Đối với phần kết cấu đặc kR2R=1,0; Với phần kết cấu rỗng kR2R = 0,4.

Ω - diện tích chắn gió mP2P PRwR - cường độ gió.

PRwR = 0,1VP2

α

Trong đó V là tốc độ gió (m/s).

3. Lực sóng R3

kG , B ) T 1 , 0 T h 2 2(

R3 =1 h2e+ e − 2 (2.17) Trong đó:

hReR - chiều cao sóng he =0,073kV De (2.18) v - tốc độ (m/s);

D - chiều dài sóng (km);

k - hệ số đặc trưng sự hình thành sóng.

V D 4 , 0

e 1 k

−

+

= ; e = 2,72 ε - độ dốc của sóng: (100 V )1/2

9 , 0

1 + 2

=

ε

4. Lực do neo đối diện tạo nên R4. Tính theo kinh nghiệm R4 = 2 – 3T.

 Lực tác dụng vào neo

5. Neo chính chịu 4 loại lực tác dụng:

∑Ri =R1 +R2 +R3 +R4

6. Neo biên chịu các lực:

+ Lực nước chảy:

RR1R = (fS + φF) VP2Psinα (2.19) + Lực gió RR2R: tính ngược chiều neo.

+ Các lực khác:

• Lực chòng chành do sóng tác dụng:

S .DV k

NT = (2.20) Trong đó:

k - hệ số tỉ lệ bằng 0,05 – 0,10;

D - Trọng lượng nước bị choán chỗ;

V - tốc độ chòng chành, m.

Hình 2.14: Lực tác dụng vào neo

• Lực xung kích của dòng nước tác dụng lên cáp neo

2 2

max 2

P Htg

cos . 1 2 qL cos

. 1 f 8

N qL 



 



 + β

+ β



 





= β

(2.21)

ql/cos

l

np

Hình 2.15: Lực xung kích tác dụng lên cáp neo fRmaxRkhó tính nên thường giả định:

= β

cos . 1 f 8 H ql

max 2

7. Neo đuôi: chịu lực RR2R, RR4Rvà lực cản của thủy triều RR5R.

 Tính chiều dài cáp neo

h t 1

0=5h

Hình 2.16: Chiều dài cáp neo L=1+1R0R (2.22) Trong đó:

q hR h 2

l= 2 + lR0R = 5h

h = a + hR1R + (H - T)

Với xà lan 400T, a = 0,3m; q - trọng lượng 1m cáp (kg) ; R - tổng lực cản của neo; L - thường phải cộng thêm 50 – 100m để thuận tiện cho việc thả neo.

Hình 2.17: Một số hình ảnh thi công bằng hệ nổi

Ưu điểm của phương án này là không phải đắp đảo thi công mà thi công ngay trên sông. Tuy nhiên việc thi công cọc trên hệ nổi trong điều kiện mực nước giao động ngày lớn do thủy triều sẽ rất khó khăn trong việc điều chỉnh, neo giữ và định vị xà lan, thời gian thi công dài hơn.

2.3.2. Phương án thi công trên cạn bằng phương pháp đắp đảo:

Biện pháp khung vây đảo cát thi công trụ pin, dầm đáy trực tiếp: Khung vây được tạo thành nhờ các hàng cừ Lassen được đóng ở lòng sông, có hình chữ nhật trên mặt bằng và được gông bằng hệ thống sàn đạo, khung chống sau đó bơm cát vào trong và máy, thiết bị có thể làm việc trên đảo cát như bình thường. Biện pháp này có thể kiểm soát được chất lượng thi công trụ pin, đầm đáy và các liên kết của bộ phận chống thấm trong khô. Tuy nhiên có thể thấy rằng khi thi công khung

vây sẽ cản trở dòng chảy trên kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè, diễn biến xói lở đất hai bên bờ kênh phải được xem xét và tính toán nghiêm túc.

Tính toán thủy lực khi thi công đảo Mục đích tính toán

- Xác định các thông số về lưu lượng, vận tốc dòng chảy tại mặt cắt thu hẹp khi có đảo.

- Dựa vào các yếu tố thủy lực kiểm tra các khả năng đảm bảo về tiêu thoát nước, xói lở lòng dẫn cũng như xói lở gây mất ổn định cho đê quây để đưa ra biện pháp xử lý.

Trường hợp tính toán

Ta chỉ xét 3 trường hợp bất lợi nhất khi chênh lệch giữa mực nước thượng lưu và hạ lưu là lớn nhất, và khi mực nước trong sông lớn kết hợp triều cường.

UTrường hợp 1:U Khi triều xuống, trên sông có lũ P% (phụ thuộc vào cấp công trình).

UTrường hợp 2:U Khi triều cường, dòng trên sông là dòng chảy kiệt (mực nước trên sông thấp nhất).

UTrường hợp 3:U Khi triều cường, trên sông có lũ P% (phụ thuộc vào cấp công trình).

Hình 2.18: Một số hình ảnh thi công bằng phương pháp đắp đảo

Ưu điểm của phương án này là không phụ thuộc vào giao động mực nước, do đó chủ động hơn và rút ngắn thời gian thi công, hạn chế sử dụng thiết bị nổi nên đơn giản hơn trong việc dẫn luồng trong quá trình thi công.

Tuy nhiên, phương án này yêu cầu phải đắp đảo ở giữa sông để thi công và phải chờ thời gian thi công đắp đảo, nhưng với giải pháp thi công trong khung vây cọc ván thép ta có thể sử dụng kết cấu khung vây này để bơm cát vào trong tạo thành đảo thi công nên chi phí tạo đảo chỉ là chi phí bơm cát và khấu hao hệ cừ khung vây trong thời gian thi công cọc.

Qua phân tích ba biện pháp ta thấy biện pháp khung vây đảo cát thi công trụ pin, dầm đáy trực tiếp kết hợp với biện pháp thi công trên hệ nổi là phù hợp với điều kiện thi công của Cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè vì với biện pháp thi công này liên kết giữa hàng cừ chống thấm và dầm đáy được đảm bảo và hạn chế dòng thấm qua công trình, rút ngăn được thời gian thi công ở giữa lòng sông. Nhược điểm của biện pháp thi công này là khung vây sẽ làm thu hẹp dòng chảy có thể gây sói lở bờ sông, tuy nhiên vấn đề sói lở bờ sẽ được hạn chế khi ta rút ngắn thời gian thi công khung vây ( thi công cọc khoan nhồi ở giữa lòng sông bằng hệ nổi) và có biện pháp gia cố bờ thích hợp.