Nghiên cứu giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu khu vực tỉnh Bến Tre

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu tại tỉnh Bến Tre, đảm bảo hiệu quả và bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Viết Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Hoàng Hưng
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kết cấu công trình
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN CAM KẾT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• Tính cấp thiết của Đề tài
• Mục đích của Đề tài
• Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• Kết quả dự kiến đạt được
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỐNG VÙNG TRIỀU
• 1.1. Khái quát về cống vùng triều
• 1.2. Phạm vi ứng dụng
• 1.3. Tình hình xây dựng cống vùng triều trên thế giới và Việt Nam
• 1.4. Các hình thức kết cấu cống vùng triều đã được xây dựng
• 1.4.1. Cống lộ thiên BTCT truyền thống
• 1.4.2. Cống ngầm BTCT truyền thống
• 1.4.3. Cống đập trụ đỡ
• 1.4.4. Cống đập trụ phao
• 1.4.5. Cống đập xà lan
• 1.5. Vấn đề nghiên cứu của luận văn
• 1.6. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kết cấu thân cống
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU THÂN CỐNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
• 2.1. Đặc điểm tự nhiên khu vực đồng bằng sông Cửu Long
• 2.1.1. Đặc điểm chung
• 2.1.2. Điều kiện địa chất nền
• 2.2. Đề xuất giải pháp kết cấu cống phù hợp
• 2.2.1. Hình thức kết cấu
• 2.2.2. Phương pháp tính toán
• 2.3. Giải pháp tính toán kết cấu thân cống hợp lý cho đất nền yếu
• 2.4. Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu SAP2000
• 2.5. Đề xuất phạm vi áp dụng
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG CẦU VÁN – HUYỆN BÌNH ĐẠI – TỈNH BẾN TRE
• 3.1. Giới thiệu công trình
• 3.1.1. Quy mô công trình
• 3.1.2. Số liệu tính toán
• 3.1.3. Trường hợp tính toán kiểm tra
• 3.1.4. Tải trọng tính toán
• 3.2. Phân tích kết cấu cống theo bài toán không gian bằng phần mềm SAP2000
• 3.2.1. Mô tả kết cấu thân cống
• 3.2.2. Mô hình hóa kết cấu cống
• 3.2.3. Phân tích kết cấu cống
• 3.3. Đánh giá kết quả
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của Đề tài

Việc thiết kế kết cấu hợp lý cho công trình cống là rất quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay khi mà các công trình cống vùng triều trên nền đất yếu ngày càng nhiều, đặc biệt tại Bến Tre. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành thường không phản ánh đầy đủ điều kiện tự nhiên, dẫn đến việc sử dụng vật liệu không hiệu quả và chi phí cao. Điều này không chỉ gây thiệt hại cho nhà đầu tư mà còn ảnh hưởng đến chất lượng công trình. Do đó, việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu là cần thiết. Theo đó, việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước.

II. Mục đích của Đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất giải pháp kết cấu và xây dựng phương pháp tính toán cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu tại tỉnh Bến Tre. Đề tài sẽ phân tích các loại hình kết cấu cống đã được áp dụng, đánh giá ưu nhược điểm và từ đó kiến nghị giải pháp phù hợp. Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng như SAP 2000 sẽ giúp phân tích và tính toán kích thước cống một cách chính xác, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật. Kết quả dự kiến sẽ cung cấp một phương pháp tính toán có thể áp dụng cho các công trình cống khác trong khu vực, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công.

III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Đề tài sẽ sử dụng phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng, kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các loại hình kết cấu cống hiện có sẽ được phân tích, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp với điều kiện tự nhiên tại Bến Tre. Việc thu thập dữ liệu từ các công trình thực tế, cùng với sự hỗ trợ của phần mềm tính toán như SAP 2000, Excel và AutoCAD, sẽ giúp đảm bảo tính chính xác và khả thi của các giải pháp đề xuất. Phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn tạo ra các mô hình mô phỏng thực tế, từ đó đánh giá được hiệu quả của các giải pháp trong điều kiện cụ thể.

IV. Kết quả dự kiến đạt được

Kết quả của nghiên cứu sẽ là một bộ giải pháp kết cấu hợp lý cho thân cống vùng triều trên nền đất yếu tại tỉnh Bến Tre. Đề tài sẽ cung cấp các phương pháp tính toán cụ thể, giúp xác định kích thước và hình thức kết cấu tối ưu nhất. Ngoài ra, việc áp dụng các giải pháp này sẽ giúp giảm thiểu chi phí xây dựng và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể áp dụng thực tiễn cho các công trình cống khác trong khu vực, góp phần vào sự phát triển bền vững của hệ thống thủy lợi tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu đường bờ biển dài hơn 732 km cùng hệ thống sông ngòi tiếp nhận lưu lượng nước hàng năm lên tới 500 tỷ m³. Tuy nhiên, trước tác động sâu sắc của biến đổi khí hậu và hiện tượng nước biển dâng, ranh mặn với nồng độ 4 g/l đã xâm nhập sâu vào nội đồng trên 40 km, đe dọa trực tiếp đến 1,2 triệu ha đất nông nghiệp phì nhiêu. Tại tỉnh Bến Tre, địa chất công trình đặc trưng bởi lớp bùn sét trầm tích yếu có sức chịu tải tiêu chuẩn nhỏ hơn 1,5 kg/cm² và mô đun biến dạng dưới 50 kg/cm², khiến việc xây dựng các công trình kiểm soát triều trở thành một thách thức kỹ thuật phức tạp.

Thực tế thiết kế cống vùng triều hiện nay chủ yếu áp dụng phương pháp phân tích phẳng 2D truyền thống theo quy phạm kinh nghiệm, dẫn đến việc lựa chọn kích thước bản đáy và tường bên quá an toàn với bề dày thường vượt quá 1,0 m. Điều này làm tăng trọng lượng công trình, gia tăng số lượng cọc gia cố nền móng và đội chi phí đầu tư xây lắp lên từ 15% đến 25%. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đề xuất giải pháp kết cấu hợp lý và xây dựng quy trình tính toán không gian 3D tối ưu cho thân cống lộ thiên chữ U bằng bê tông cốt thép đặt trên nền cọc.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích điều kiện tự nhiên tỉnh Bến Tre và kiểm chứng thực nghiệm tại công trình cống Cầu Ván thuộc huyện Bình Đại trong giai đoạn 2013 - 2014, với quy mô khẩu độ thông nước 5,0 m và cao trình ngưỡng -3,0 m. Ý nghĩa của đề tài thể hiện rõ qua việc giúp giảm từ 10% đến 18% khối lượng vật liệu bê tông cốt thép, rút ngắn 20% thời gian thi công hố móng và mang lại hiệu quả kinh tế trực tiếp cho các dự án thủy lợi kiểm soát mặn ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai lý thuyết cơ học môi trường liên tục và địa kỹ thuật chuyên sâu. Đầu tiên là lý thuyết áp lực đất kinh điển của Coulomb và Rankine dùng để xác định áp lực đất chủ động tác dụng lên vách đứng trụ biên khi có và không có áp lực thủy tĩnh từ mực nước ngầm nông cách mặt đất từ 0,5 m đến 2,5 m. Thứ hai là lý thuyết tương tác kết cấu - nền đàn hồi dựa trên mô hình lò xo tương đương của Winkler và phương pháp xác định hệ số phản lực nền ngang của Joseph E. Bowles, mô phỏng chính xác sự làm việc đồng thời giữa hệ cọc bê tông cốt thép và nền đất bùn sét yếu.

Mô hình nghiên cứu tuân thủ các quy chuẩn thiết kế thủy công hiện hành gồm tiêu chuẩn TCVN 4116:1985 về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy công và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012/BNNPTNT về phân cấp công trình thủy lợi. Ba khái niệm trung tâm chi phối toàn bộ mô hình tính toán bao gồm:

• Kết cấu thân cống lộ thiên dạng chữ U: Khung không gian gồm bản đáy liền khối với hai tường bên đóng vai trò mố đỡ cầu giao thông và dàn van đóng mở.
• Trạng thái ứng suất - biến dạng không gian: Sự phân phối mômen uốn M22 và ứng suất phẳng S22 dưới tương tác đa chiều giữa áp lực nước, áp lực đất và tải trọng xe cơ giới.
• Tổ hợp tải trọng bất lợi: Hệ thống các kịch bản ngoại lực tác động đồng thời trong suốt vòng đời công trình từ thi công, sửa chữa đến vận hành ngăn triều và trữ ngọt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài được thu thập từ tài liệu khảo sát địa chất thực tế của 9 vị trí công trình trọng điểm trên địa bàn tỉnh Bến Tre, với cỡ mẫu kiểm định bao gồm hàng chục chỉ tiêu cơ lý đất nền như góc ma sát trong, lực dính kết c dao động từ 0,02 đến 0,89 kg/cm² và dung trọng tự nhiên. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu điển hình có chủ đích, tập trung vào các tầng đất trầm tích bùn sét yếu có độ bão hòa nước cao và mực nước ngầm nằm sát bề mặt, đại diện tiêu biểu cho điều kiện địa tầng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long.

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải theo chuyển vị trên phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng SAP2000. Toàn bộ thân cống được rời rạc hóa thành hệ phần tử vỏ chịu lực tương tác cùng hệ phần tử thanh đại diện cho cọc bê tông cốt thép kích thước 35x35 cm. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn không gian thay vì phương pháp dầm phẳng truyền thống là vì kết cấu chữ U có tính tương tác 3D rất mạnh giữa bản đáy, tường bên và phản lực đàn hồi của đầu cọc. Việc phân tích không gian cho phép phát hiện chính xác các vùng tập trung ứng suất cục bộ, kiểm tra khả năng chống chọc thủng của cọc và tối ưu hóa diện tích cốt thép. Quá trình tính toán, mô phỏng và kiểm chứng số liệu được tiến hành liên tục trong khung thời gian 24 tháng từ năm 2013 đến cuối năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng không gian và phân tích nội lực trên công trình cống Cầu Ván đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

• Thứ nhất, xác lập quy tắc lựa chọn kích thước hình học hợp lý cho thân cống chữ U với bề dày bản đáy bằng 1/6 bề rộng bản đáy (tương đương 0,83 m cho cống khẩu độ 5,0 m) và bề dày tường bên bằng 1/6 chiều cao tường (khoảng 0,75 m đến 0,80 m), đảm bảo độ võng tổng thể luôn nhỏ hơn 2,5 mm.
• Thứ hai, trong 5 tổ hợp tải trọng tính toán, tổ hợp tải trọng đóng van trữ nước và ngăn triều tạo ra mômen uốn cục bộ M22 lớn nhất tại ngàm liên kết giữa tường bên và bản đáy, đạt giá trị cực đại khoảng 145 kNm/m với độ chênh lệch cột nước thiết kế từ 2,0 m đến 3,5 m.
• Thứ ba, ở giai đoạn thi công hố móng khi chưa có nước bên trong nhưng chịu toàn bộ áp lực đất và tải trọng xe thi công, việc bố trí hệ thanh chống tạm bằng thép hình giúp giảm ứng suất kéo mặt ngoài tường bên từ 32 kg/cm² xuống còn 18 kg/cm², tương đương mức giảm 43,7% ứng suất nguy hiểm.
• Thứ tư, phản lực đầu cọc phân bố không đồng đều theo phương ngang, trong đó các hàng cọc biên chịu lực nén lớn hơn các hàng cọc giữa tới 35% do tác động của mômen xoay tổng thể từ áp lực đất phía sau mố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự tập trung ứng suất và mômen tại chân tường bên bắt nguồn từ đặc tính biến dạng uốn không gian của hộp hở chữ U khi chịu lực đẩy ngang của đất và nước ngầm. Phương pháp tính toán phẳng truyền thống thường xem bản đáy như dầm kê đơn giản trên gối cứng cố định, bỏ qua sự lún lệch đàn hồi của hệ cọc và khả năng truyền lực dọc trục của tường biên. Do đó, phương pháp phẳng tính toán thiên về quá an toàn, làm tăng lượng cốt thép chịu uốn thêm khoảng 20% so với nhu cầu chịu lực thực tế.

Khi so sánh với các hình thức kết cấu mới như cống đập xà lan hay đập trụ đỡ từng áp dụng tại cống Thảo Long (vốn tiết kiệm 70 tỷ đồng chi phí xây lắp trên lòng sông rộng), cống lộ thiên chữ U truyền thống được tối ưu hóa kết cấu vẫn thể hiện tính ưu việt vượt trội tại Bến Tre nhờ khả năng kết hợp mố cầu giao thông tải trọng H30 và thích ứng hoàn hảo với điều kiện thi công nội đồng chật hẹp.

Để tối ưu hóa quá trình phân tích kỹ thuật, dữ liệu tính toán từ SAP2000 được thể hiện trực quan qua các biểu đồ phổ màu mômen uốn M22 và phổ màu ứng suất chính S22 trải rộng trên bề mặt phần tử vỏ. Sự phân bố lực dọc và mômen uốn trong thân cọc được minh họa rõ nét qua biểu đồ nội lực không gian 3D kết hợp bảng kiểm tra nứt và khả năng chống cắt theo TCVN 4116:1985. Nhờ các biểu đồ phổ màu trực quan này, người kỹ sư có thể định vị chính xác vị trí cần bố trí cốt thép tăng cường cục bộ thay vì tăng đều chiều dày bê tông trên toàn bộ tiết diện, giúp giảm mật độ thép trung bình từ 120 kg/m³ xuống còn 98 kg/m³.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xây dựng hạ tầng thủy lợi, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật cụ thể bao gồm:

• Ứng dụng quy trình tính toán không gian 3D bằng mô hình phần tử vỏ và thanh trên phần mềm SAP2000 cho 100% các dự án cống vùng triều có khẩu độ từ 3,0 m đến 15,0 m do các đơn vị tư vấn thiết kế thực hiện, thời gian chuyển giao quy trình trong vòng 6 tháng.
• Chuẩn hóa tỷ lệ hình học sơ bộ với chiều dày bản đáy và tường bên bằng 1/6 kích thước khẩu độ nhằm mục tiêu cắt giảm từ 12% đến 15% khối lượng bê tông cốt thép, do Ban Quản lý Dự án Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cấp tỉnh chủ trì thẩm định trong kế hoạch đầu tư công giai đoạn 2026 - 2030.
• Ban hành quy chuẩn thi công bắt buộc sử dụng hệ thanh chống tạm bằng thép hình khi đắp đất mang cống nhằm khống chế chuyển vị ngang đỉnh tường dưới 2,0 mm và ngăn ngừa hoàn toàn vết nứt kết cấu trong 45 ngày đầu thi công hố móng, thuộc trách nhiệm của các nhà thầu xây lắp.
• Lắp đặt hệ thống quan trắc lún và đo áp lực nước lỗ rỗng tự động định kỳ 3 tháng/lần tại công trình cống Cầu Ván và các công trình cống ngăn mặn trọng điểm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các viện chuyên ngành triển khai nhằm đảm bảo tuổi thọ công trình trên 50 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo giá trị dành cho các nhóm đối tượng trong ngành xây dựng công trình thủy:

• Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi: Nắm bắt phương pháp gán lò xo phản lực nền phi tuyến theo mô hình Bowles và thuật toán mô phỏng 3D trên SAP2000, áp dụng trực tiếp để thiết kế các cống ngăn mặn khẩu độ từ 5,0 m đến 60 m.
• Cán bộ quản lý dự án và tư vấn thẩm tra: Sử dụng các bảng tra định mức tiết diện tối ưu và hệ số tổ hợp tải trọng thủy công để kiểm soát kinh phí, giúp tiết kiệm từ 5 tỷ đến 20 tỷ đồng vốn đầu tư cho mỗi dự án kiểm soát mặn quy mô vừa.
• Chỉ huy trưởng và kỹ sư nhà thầu thi công: Tham khảo giải pháp lắp đặt hệ thanh chống gia cường và biện pháp thi công đê quai làm khô hố móng trên nền đất bùn sét có sức chịu tải dưới 1,0 kg/cm².
• Giảng viên và học viên cao học ngành Công trình thủy: Tiếp cận nguồn học liệu chuẩn mực với 21 bảng tra số liệu thực nghiệm địa chất Đồng bằng sông Cửu Long và hệ thống công thức giải tích kết hợp phương pháp số hoàn chỉnh.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao kết cấu cống lộ thiên chữ U vẫn là giải pháp hàng đầu tại Bến Tre so với đập xà lan?
Kết cấu cống lộ thiên chữ U truyền thống cho phép tích hợp trực tiếp mố cầu giao thông nông thôn tải trọng H13 - H30 và dàn van nâng hạ kiên cố. Mặc dù đập xà lan giảm chi phí đóng cọc nhưng lại khó kết hợp cầu đường bộ và phụ thuộc nặng nề vào luồng lách lai dắt đường thủy, vốn không phù hợp với mạng lưới kênh rạch nông thôn có nhiều cầu dân sinh tại địa phương.

Tỷ lệ kích thước 1/6 cho bản đáy và tường bên mang lại lợi ích gì?
Tỷ lệ 1/6 bề rộng thông thủy cho bản đáy (khoảng 0,83 m với cống 5,0 m) và 1/6 chiều cao cho tường bên giúp kết cấu đạt sự cân bằng tối ưu giữa khả năng chịu uốn và độ cứng chống nứt theo TCVN 4116:1985. Kích thước này giúp giảm khoảng 15% khối lượng bê tông so với các thiết kế kinh nghiệm cũ thường chọn bề dày từ 1,0 m đến 1,2 m.

Phần mềm SAP2000 mô phỏng sự tương tác giữa nền đất yếu và cọc như thế nào?
Nghiên cứu sử dụng các phần tử đàn hồi (Spring) gán trực tiếp vào các nút của phần tử thanh mô phỏng cọc. Độ cứng của lò xo được xác định thông qua mô đun phản lực nền ngang của Joseph E. Bowles và cường độ chịu tải đất nền dưới 1,5 kg/cm², phản ánh chính xác sự dịch chuyển đàn hồi của cọc khi cống chịu tải trọng ngang.

Giai đoạn nào gây nguy hiểm nhất cho sự an toàn nứt của thân cống?
Giai đoạn thi công hố móng khi đắp đất sau lưng tường nhưng lòng cống chưa có nước là giai đoạn chịu ứng suất kéo lớn nhất, lên tới 32 kg/cm². Việc ứng dụng hệ thanh chống tạm ngang cống trong mô hình tính toán giúp giảm ứng suất này xuống dưới 18 kg/cm², bảo đảm bê tông không bị nứt vỡ trước khi đưa vào vận hành.

Dữ liệu địa chất yếu tại Bến Tre ảnh hưởng như thế nào đến sơ đồ tính cống?
Với lực dính c chỉ từ 0,02 đến 0,89 kg/cm² và mô đun biến dạng dưới 50 kg/cm², nền đất tự nhiên không đủ khả năng chịu lực nén trực tiếp từ bản đáy. Toàn bộ tải trọng đứng và mômen lật bắt buộc phải truyền hoàn toàn xuống tầng đất tốt thông qua hệ cọc bê tông cốt thép 35x35 cm, đòi hỏi mô hình tính toán phải kiểm tra kỹ khả năng chịu cắt và chọc thủng của bản đáy.

Kết luận

• Xác lập phương pháp luận khoa học và quy trình tính toán không gian 3D trên SAP2000 cho thân cống lộ thiên vùng triều trên nền đất yếu có sức chịu tải dưới 1,5 kg/cm².
• Đưa ra giải pháp chuẩn hóa kích thước tiết diện bản đáy và tường bên theo tỷ lệ 1/6, giúp giảm từ 12% đến 18% khối lượng vật liệu bê tông cốt thép.
• Chứng minh tính ổn định chịu lực và chống nứt tuyệt đối của cống Cầu Ván (Bình Đại, Bến Tre) qua 5 tổ hợp tải trọng khai thác và thi công phức tạp.
• Đề xuất giải pháp bố trí thanh chống tạm giai đoạn thi công giúp giảm trên 40% ứng suất kéo cục bộ gây nứt vỡ kết cấu thân cống.
• Hoàn thiện hệ thống bảng tra số liệu địa kỹ thuật và áp lực thủy công phục vụ trực tiếp cho công tác tư vấn thiết kế tại 13 tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chuyển đổi phương thức thiết kế từ hệ phẳng kinh nghiệm sang tối ưu hóa kết cấu không gian 3D, mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật cao cho công cuộc ứng phó xâm nhập mặn. Trong giai đoạn 12 tháng tới, quy trình tính toán này cần được tự động hóa thành phần mềm thiết kế chuyên dụng và mở rộng áp dụng cho 20 dự án cống ngăn mặn ven biển trong giai đoạn 2026 - 2030. Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn xây dựng thủy lợi hãy áp dụng ngay giải pháp kết cấu thân cống tối ưu này để nâng cao chất lượng công trình và tiết kiệm tối đa nguồn vốn ngân sách đầu tư công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỐNG VÙNG TRIỀU 1. Khái quát về cống vùng triều 1. Khái niệm Cống vùng triều là một loại công trình thủy làm nhiệm vụ kiểm soát khống chế mực nước và điều tiết nước phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Cống nằm ở vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều lên xuống theo một chu kỳ thời gian phụ thuộc biến chuyển thủy văn.

Sự thay đổi lên xuống phụ thuộc vào lực hấp dẫn từ mặt Trăng (phần chủ yếu) và từ các thiên thể khác như mặt Trời (phần nhỏ) tại một điểm bất kỳ trên bề mặt Trái Đất trong khi Trái Đất quay đã tạo nên hiện tượng nước lớn (triều lên) và nước ròng (triều xuống) vào những khoảng thời gian nhất định trong một ngày. Phân loại Có hai hình thức cống dùng phổ biến cho vùng triều là cống lộ thiên và cống ngầm 1. Cống lộ thiên (cống hở) Là một loại công trình thủy lợi hở được xây dựng để điều tiết lưu lượng và khống chế mực nước nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn. Đây là hình thức cống phổ biến nhất của cống vùng triều.

Theo nhiệm vụ và mục đích sử dụng được chia thành những loại sau đây : Cống lấy nước : được xây dựng để lấy nước từ sông, kênh hoặc từ hồ chứa phục vụ các yêu cầu dùng nước; Cống điều tiết : xây dựng trên sông, kênh để dâng cao mực nước tạo điều kiện lấy nước cho các công trình phía thượng lưu; -4- Cống tiêu : dùng tháo nước, chống úng cho một vùng nhất định trên một hệ thống, bên cạnh nhiệm vụ tiêu, cống còn đảm nhận các nhiệm vụ khác; Cống phân lũ : dùng để tháo một phần lưu lượng về mùa lũ của một con sông sang hướng khác, hoặc tập trung nước phân lũ vào một vùng nhất định nhằm hạ thấp đỉnh lũ ở sông chính; Cống ngăn triều : xây dựng ở cửa sông ven biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều. Ở một thời kỳ nhất định, khi thủy triều dâng, cống mở để các công trình lấy nước ngọt vào đồng (do triều đẩy dồn lên). Khi triều rút vào mùa lũ, lợi dụng chân triều thấp mở cống tháo tiêu nước từ đồng ra. Vào mùa khô cống đóng để ngăn triều giữ ngọt.

Ngoài ra cống còn có tác dụng thay đổi nước trong đồng nhằm tháo chua rửa mặn; Cống tháo cát : để tháo rửa bùn cát lắng đọng phía trước các công trình dâng và điều tiết nước. Cống ngầm Là một công trình thủy lợi thường được đặt dưới mặt đê, mặt đập dùng vào việc cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn. Đây cũng là một hình thức cống dùng khá phổ biến của vùng triều. Một số loại cống ngầm dùng phổ biến hiện nay: Theo vật liệu xây dựng : có các loại cống ngầm bằng sành, bằng bê tông, bê tông cốt thép và ống kim loại, ống nhựa.

Trong thực tế xây dựng sử dụng phổ biến nhất là cống bằng bê tông cốt thép và kim loại, chỉ trong trường hợp cột nước thấp mới sử dụng cống bằng sành, bằng bê tông và ống nhựa; Theo hình thức kết cấu : có các loại cống tròn, cống hộp, cống vòm; -5- Theo cách bố trí : cống ngầm đặt trực tiếp trên nền, cống ngầm đặt trong hành lang bằng bê tông cốt thép. Cách bố trí thứ nhất tương đối kinh tế nhưng kiểm tra sửa chữa khó khăn nếu khớp nối giữa hai đoạn ống làm việc không tốt để nước rò rỉ sẽ ảnh hưởng an toàn của đập. Khi tháo nước với lưu lượng rất lớn, tại các chỗ nối tiếp hoặc các kẽ nứt sẽ hình thành chân không, có thể hút hết các hạt đất ở thân đập vào cống và làm đập bị trụt lún. Vì vậy, chỉ trong trường hợp nến đá tốt mới dùng và thường đặt mốt phần hoặc toàn bộ đường ống ở trong nền; Theo hình thức lấy nước, thoát nước và ngăn nước a.

Lấy nước theo kiểu đặt van khống chế ở hạ lưu hoặc thượng lưu b. Lấy nước theo kiểu cửa kéo nghiêng Theo biện pháp thi công a. Cống thi công tại chổ b. Cống được chế tạo hoặc đúc sẵn thi công lắp ghép.

Phạm vi ứng dụng Cống vùng triều được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt ở Nước ta, nơi có đường bờ biển dài và nhiều hệ thống sông ngòi thông ra biển trãi dài từ Bắc chí Nam. Tùy vào công năng sử dụng, quy hoạch xây dựng (thủy lợi, giao thông, hạ tầng kỹ thuật,…) và điều kiện tự nhiên (vị trí địa lý, địa hình, địa chất, thủy văn,…) mà sẽ lựa chọn hình thức và kết cống cho phù hợp.4 Tình hình xây dựng cống vùng triều trên thế giới và Việt Nam 1.4 Đặc điểm chung Sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước là một vấn đề đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm. Đặc biệt trong khi tương lai sắp tới các hiện tượng thời tiết cực đoan có xu hướng tăng về tần suất và mạnh về cường độ, trong đó nổi lên vấn đề xâm nhập mặn, nước biển dâng sẽ gây khó khăn -6- cho sản xuất nông nghiệp, cung cấp nước sạch và làm suy thoái tài nguyên đất và nước. Các dạng thiên tai sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sinh mạng và đời sống của ngưới dân.2 Một số công trình trên Thế giới [1].

Đập chắn sóng Hollandse Ijsel – Hà Lan : Công trình được khởi công xây dựng trên sông Hollandse IJsel nối Rotterdam với biển bắc, khởi công năm 1954 và hoàn thành đưa vào sử dụng năm 1958. Vị trí xây dựng công trình trên đoạn sông rộng 250m. Đập gồm 3 trụ tạo thành 1 khoang rộng 80m và 1 âu thuyền rộng 24m dài 120m.Trên trụ là 4 tháp bố trí thiết bị đóng mở cao 45m. Hai cửa van phẳng rộng 81,2m cao 11,5m nặng hơn 635 tấn được vận chuyển ra vị trí lắp đặt bằng tàu kéo.

Công trình này có 2 cửa và đóng mở lần lượt để đảm bảo an toàn khi có sự cố. Cửa van âu thuyền nặng 60 tấn. Hình 1-1 : Đập Hollandse Ijssel barrier Các kết cấu BTCT gồm trụ ngưỡng được thi công tại chỗ trong khung vây tường thép. Nền móng của công trình được gia cố thêm bằng cọc đóng sâu vào nền công trình.

Công trình Lower – Rhine: Công trình Lower – Rhine của Hà lan được xây dựng trên sông Rhine khoảng năm 1960. Công trình bố trí 2 cửa van lưỡi trai (Visor gate) mỗi cửa rộng 54m. khi nâng cửa, chiều cao thông thuyền là 9,1m. Đây là một đập chắn nước để phát điện và phục vụ giao thông thủy.

Trên sông Rhine còn có hai công trình có kết cấu tương tự được xây dựng tại Amerongen và Hagestein. Dạng đập chắn nước này còn được xây dựng ở Nhật Bản trên sông Aji - Osaka. Mỗi cửa của công trình này rộng 57m. Công trình khánh thành vào năm 1970.

Hình 1- 2 : Công trình Lower – Rhine [3]. Đập chắn sóng bão Hartel – Hà Lan: Công trình được xây dựng trên kênh Hartel để chống nước dâng do bão, khánh thành năm 1996. Công trình gồm 2 khoang thông nước, điều tiết nước bằng của van phẳng. Cửa lớn rộng tới 98m cao 9,3m.

Cửa nhỏ rộng 49,3m. Các cửa van được nâng lên thẳng đứng bằng xilanh thủy lực gắn trên 4 tháp cao. Khi có bão các cửa được hạ xuống ở vị trí cách ngưỡng BT khoảng 0,2 m để nước vẫn qua lại được. -8- Hình 1 - 3 : Đập chắn sóng bão Hartel – Hà Lan [4].

Đập sông Thame – Anh: Hình 1 - 4 :Đập Sông Thame ( Anh) Để chống lại sóng và triều cường từ biển Bắc đổ vào sông Thames khi có bão, năm 1974 các kỹ sư người Anh đã triển khai thiết kế và thi công công trình ngăn sông Thames. Hoàn thành và đưa vào sử dụng năm 1982. Đập chắn sóng sông Thames được xây dựng tại Woolwich cách thủ đô 17 km. -9- Công trình này có chiều rộng tổng cộng 520m gồm 4 khoang 61m, 6 khoang 31,5m, cửa van cao hơn 20m, cửa van được hàn kín tạo thành hộp phao nên nước có thể được cho vào khi đóng của và ra khi nâng cửa lên.

Đập chắn sóng Ems – Đức: Công trình được xây dựng trên sông Ems từ năm 1999 đến năm 2002. Công trình gồm 7 khoang thông nước. Cửa thông thuyền lớn nhất rộng 60m bố trí cửa van trụ xoay (Rotary segmentgate). Hai cửa hai bên khoang này rộng 50m cửa van viền phân (segment gate) còn lại 4 cửa rộng 63,5m.

Với tổng chiều dài gần 500m, đây là một trong những công trình lớn nhất Châu Âu. Hình 1 - 5 : Đập Ems - Đức Nước ta cũng vậy, mặc dù có nguồn tài nguyên nước vào loại trung bình và có hệ thống sông ngòi khá dày đặc nhưng hiệu quả sử dụng nước còn chưa cao bởi nhiều nguyên nhân khác nhau. Trong đó, một phần khá lớn lượng nước ngọt bị lãng phí do đổ tự do ra biển theo các cửa sông. Trong điều kiện khí hậu toàn cầu biến đổi bất lợi và thảm phủ rừng bị suy thoái, nguồn nước ngọt từ thượng nguồn chảy về đồng bằng ngày càng giảm, tình trạng thiếu nước ngọt đã và đang xảy ra ở các vùng châu thổ.

-10- Các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long chịu tác đông trực tiếp của thủy triều, mặn xâm nhập sâu. Hiện tại diện tích đất nông nghiệp bị mặn xâm nhập (có nồng độ khoảng 4g/l) là rất lớn, chiều dài xâm nhập trên các sông chính nhiều nơi lên đến 40Km. Thời gian qua, các tỉnh này trong đó có Bến Tre đã và sẽ chịu những tác động bất lợi do biến đổi khí hậu gây ra. Để chuẩn bị và kịp thời đối phó với tác động bất lợi kể trên thì phải đầu tư một khối lượng lớn hệ thống công trình ngăn sông, hệ thống đê bao ven biển ở hạ lưu các sông nên cần rất nhiều tài lực, vật lực và nhân lực.

Trong đó, chiếm một tỷ trọng không nhỏ là các công trình cống làm nhiệm vụ ngăn triều, ngăn mặn, điều tiết nước, tiêu thoát nước, … 1.3 Một số công trình ở Việt Nam [1]. Cống Ba Lai (Bến Tre) Hình thức : Kiểu cống lộ thiên bằng BTCT, đóng mở bằng cửa van tự động hai chiều. - Vị trí : trên cạn, bên bờ trái sông Ba Lai. - Cao trình ngưỡng : -4,20m - Kích thước cửa : nxBxH = 10x(8x7,2m) - Chiều rộng thông nước : 84,0m - Chiều dài thân cống : 16,0m - Cao trình đỉnh trụ pin : + 3,0m - Cao độ dạ cầu : +5,50m - Cầu ô tô trên cống : H30-X60, B=7,0m - Tiêu năng hai chiều, chiều dài bể tiêu năng thượng lưu : 22,6m, hạ lưu : 17,50m.

Hố phòng xói thượng lưu có cao độ : -6,0m, phòng xói hạ lưu : -7,0m.