Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng do biến đổi khí hậu, bao gồm giảm nguồn nước tới 30-40%, tăng lũ lụt mùa mưa trên 30% và nước biển dâng có thể lên tới 75cm trong 50 năm tới. Những tác động này gây ngập úng, xâm nhập mặn, thu hẹp diện tích đất canh tác và ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân. Trong bối cảnh đó, việc xây dựng các công trình ngăn sông lớn nhằm ngăn mặn, giữ ngọt và tiêu lũ trở nên cấp thiết.

Công nghệ Đập Trụ Đỡ, một giải pháp tiên tiến trong xây dựng công trình ngăn sông, đã được áp dụng tại nhiều công trình lớn như cống Thảo Long (Huế), cống Biện Nhị (Cà Mau), cống Nhiêu Lộc – Thị Nghè (TP. Hồ Chí Minh) với hiệu quả kinh tế - xã hội rõ rệt. Tuy nhiên, việc thi công các công trình này trên sông rộng, có cột nước lớn (tới 20m hoặc hơn) và nền địa chất yếu vẫn còn nhiều khó khăn, đặc biệt là vấn đề ổn định khung vây thi công.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất giải pháp tăng cường ổn định khung vây phục vụ thi công Đập Trụ Đỡ trên các sông có cột nước lớn, áp dụng thực tiễn cho công trình cống Mương Chuối, huyện Nhà Bè, TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khung vây thi công, giải pháp cải tiến kết cấu, phương pháp tính toán ổn định và biện pháp thi công phù hợp với điều kiện địa chất và thủy văn đặc thù của khu vực. Nghiên cứu này góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí đầu tư cho các công trình ngăn sông quy mô lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết kết cấu chịu lực và lý thuyết ổn định công trình thủy lợi.

  1. Lý thuyết kết cấu chịu lực: Áp dụng để phân tích và thiết kế khung vây, bao gồm các thành phần như cọc ván thép, khung chống, vành đai, cọc định vị. Các khái niệm chính gồm:

    • Áp lực thủy tĩnh, thủy động và áp lực đất tác dụng lên khung vây.
    • Sơ đồ chịu lực đối xứng của khung vây cừ Larsen truyền thống.
    • Tính toán mô men, lực nén, lực ma sát và điều kiện chống lật.

  2. Lý thuyết ổn định công trình thủy lợi: Tập trung vào việc đảm bảo ổn định tổng thể của khung vây trong điều kiện chênh lệch cột nước lớn và nền địa chất yếu. Khái niệm chính gồm:

    • Ổn định chống lật và chống trượt.
    • Ảnh hưởng của lực va tàu, sóng, gió và dòng chảy.
    • Ứng dụng mô hình móng cọc ống thép dạng giếng (SPSP) để tăng cường ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các công trình thực tế như cống Mương Chuối, cầu Thanh Trì, cầu Nhật Tân, các tài liệu kỹ thuật, báo cáo ngành và các nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học và phần mềm chuyên dụng để tính toán lực tác dụng, mô men, độ biến dạng và ổn định khung vây. Phân tích so sánh các phương án kết cấu truyền thống và cải tiến.
  • Phương pháp khảo sát và điều tra: Khảo sát hiện trạng địa chất, thủy văn tại công trình Mương Chuối; thu thập số liệu thực nghiệm và ý kiến chuyên gia.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2014, bao gồm giai đoạn khảo sát, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các công trình tiêu biểu trong nước và quốc tế, với trọng tâm là công trình cống Mương Chuối có cột nước thi công lên tới 10m và nền địa chất yếu đặc trưng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng áp dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khung vây truyền thống cừ ván thép có giới hạn ổn định khi cột nước lớn: Qua phân tích, khung vây truyền thống chỉ đảm bảo ổn định tốt với cột nước dưới 10m. Khi cột nước vượt quá 10m, nền địa chất yếu làm tăng nguy cơ lún, trượt và mất ổn định, gây nguy hiểm cho thi công. Ví dụ, công trình cống Mương Chuối với cột nước thi công 10m đã gặp khó khăn khi áp dụng khung vây truyền thống.

  2. Khung vây sử dụng cọc ống thép dạng giếng (SPSP) có độ ổn định cao nhưng chi phí và kỹ thuật phức tạp: Công nghệ SPSP được áp dụng thành công tại cầu Nhật Tân với cột nước thi công 17m, cho thấy khả năng chịu lực ngang tốt và ổn định tổng thể cao. Tuy nhiên, chi phí đầu tư tăng khoảng 20-30% so với khung vây truyền thống và đòi hỏi thiết bị, công nghệ thi công chuyên biệt.

  3. Giải pháp khung vây cải tiến kết hợp cừ Larsen và cọc chịu lực tăng cường ổn định tổng thể: Nghiên cứu đề xuất kết cấu khung vây cải tiến sử dụng khung chống bên trong chịu lực nén đối xứng kết hợp với cọc chịu lực ở biên, cho phép đóng cọc xiên để tăng độ cứng và ổn định. Phương án này giảm thiểu số lượng cọc, tăng khả năng chịu lực ngang và phù hợp với điều kiện thi công trong nước. Tính toán cho thấy hệ số an toàn tăng từ 1,3 lên khoảng 1,5 so với khung vây truyền thống.

  4. Phương pháp tính toán ổn định và thiết kế khung vây được hoàn thiện: Luận văn xây dựng phương pháp tính toán chi tiết bao gồm tải trọng thủy tĩnh, thủy động, áp lực đất, lực va tàu và sóng. Ví dụ, chiều dày bê tông bịt đáy được xác định dựa trên cân bằng lực đẩy nổi và lực ma sát, đảm bảo an toàn với hệ số an toàn từ 1,3 đến 1,5. Các mô men và lực trong cọc ván thép, vành đai, thanh chống được tính toán theo sơ đồ dầm liên tục và thanh chịu nén.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hạn chế khung vây truyền thống là do không tận dụng được khả năng chịu lực ngang của cọc xiên và thiếu cọc chịu lực biên, dẫn đến ổn định tổng thể kém khi cột nước lớn và nền đất yếu. So với các nghiên cứu trước đây, giải pháp cải tiến khung vây kết hợp cừ Larsen và cọc chịu lực là bước tiến quan trọng, vừa tận dụng kinh nghiệm thi công trong nước, vừa áp dụng công nghệ hiện đại từ Nhật Bản.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các công trình cầu lớn như cầu Sông Mã, cầu Tuyên Sơn, nơi khung vây cừ Larsen đã chứng minh hiệu quả với cột nước từ 10-20m. Việc bổ sung cọc chịu lực và cho phép đóng cọc xiên giúp tăng độ cứng và giảm số lượng cọc, từ đó giảm chi phí và thời gian thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số an toàn của các loại khung vây, bảng tính toán lực tác dụng và mô men trong các bộ phận kết cấu, cũng như sơ đồ mặt bằng và cắt ngang khung vây truyền thống và cải tiến để minh họa sự khác biệt về kết cấu và hiệu quả chịu lực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng khung vây cải tiến kết hợp cừ Larsen và cọc chịu lực cho các công trình ngăn sông có cột nước lớn: Chủ đầu tư và nhà thầu nên ưu tiên lựa chọn giải pháp này nhằm tăng cường ổn định, giảm thiểu rủi ro trong thi công. Thời gian áp dụng dự kiến trong vòng 1-2 năm cho các dự án mới.

  2. Đầu tư trang thiết bị và đào tạo kỹ thuật thi công cọc xiên và cọc chịu lực: Các nhà thầu cần nâng cao năng lực thi công khung vây cải tiến, đặc biệt là kỹ thuật đóng cọc xiên và xử lý nền đất yếu. Chủ thể thực hiện là các công ty xây dựng và viện nghiên cứu kỹ thuật.

  3. Xây dựng bộ tiêu chuẩn thiết kế và tính toán khung vây phù hợp với điều kiện Việt Nam: Cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu cần hoàn thiện các quy chuẩn kỹ thuật dựa trên kết quả nghiên cứu để hướng dẫn thiết kế và thi công. Thời gian thực hiện trong 2-3 năm.

  4. Thực hiện các dự án thí điểm áp dụng giải pháp khung vây cải tiến tại các công trình ngăn sông lớn: Qua đó đánh giá hiệu quả thực tế, điều chỉnh và hoàn thiện phương pháp. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn, nhà thầu và cơ quan quản lý dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết giúp thiết kế khung vây ổn định cho các công trình có cột nước lớn và nền địa chất yếu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngăn sông và cầu: Tham khảo các giải pháp thi công khung vây cải tiến, kỹ thuật đóng cọc xiên và xử lý nền đất yếu để nâng cao hiệu quả thi công, giảm rủi ro và chi phí.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi, xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật và chính sách đầu tư phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu và phát triển bền vững.

  4. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu khoa học, đào tạo và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực công trình ngăn sông và thi công khung vây.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khung vây là gì và tại sao cần tăng cường ổn định?
    Khung vây là công trình tạm thời ngăn nước để thi công móng công trình dưới nước. Tăng cường ổn định giúp khung vây chịu được áp lực lớn từ nước và đất, đặc biệt khi cột nước sâu và nền đất yếu, đảm bảo an toàn thi công.

  2. Giải pháp khung vây cải tiến có ưu điểm gì so với khung vây truyền thống?
    Khung vây cải tiến kết hợp khung chống chịu lực nén đối xứng và cọc chịu lực biên cho phép đóng cọc xiên, tăng độ cứng và ổn định tổng thể, giảm số lượng cọc và chi phí thi công so với khung vây truyền thống.

  3. Phương pháp tính toán ổn định khung vây được thực hiện như thế nào?
    Phương pháp tính toán dựa trên mô hình toán học, phân tích tải trọng thủy tĩnh, thủy động, áp lực đất, lực va tàu và sóng. Tính toán mô men, lực nén, lực ma sát và điều kiện chống lật theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

  4. Khung vây cọc ống thép dạng giếng (SPSP) có phù hợp với điều kiện Việt Nam không?
    SPSP có ưu điểm ổn định cao và khả năng chịu lực tốt, nhưng chi phí và kỹ thuật thi công phức tạp, thiết bị chưa phổ biến ở Việt Nam. Do đó, giải pháp cải tiến khung vây truyền thống được đánh giá phù hợp hơn trong điều kiện hiện nay.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công?
    Cần tổ chức đào tạo kỹ thuật, đầu tư thiết bị thi công phù hợp, xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và thực hiện các dự án thí điểm để đánh giá hiệu quả, từ đó nhân rộng áp dụng cho các công trình ngăn sông lớn.

Kết luận

  • Đề tài đã phân tích và đánh giá các loại khung vây thi công Đập Trụ Đỡ trên sông có cột nước lớn và nền địa chất yếu, chỉ ra hạn chế của khung vây truyền thống.
  • Đã đề xuất giải pháp khung vây cải tiến kết hợp cừ Larsen và cọc chịu lực, tăng cường ổn định tổng thể và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.
  • Phương pháp tính toán chi tiết về tải trọng, mô men và ổn định khung vây được xây dựng, đảm bảo an toàn thi công với hệ số an toàn từ 1,3 đến 1,5.
  • Kết quả nghiên cứu áp dụng thực tiễn cho công trình cống Mương Chuối và có thể mở rộng cho các công trình ngăn sông lớn khác tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị triển khai đào tạo, đầu tư thiết bị và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng rộng rãi giải pháp khung vây cải tiến trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là tổ chức các dự án thí điểm áp dụng giải pháp khung vây cải tiến, đồng thời hoàn thiện bộ tiêu chuẩn thiết kế và thi công phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn cho các công trình ngăn sông trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.