Giới thiệu dự án

Công trình đầu mối thủy lợi giữ vai trò huyết mạch trong việc điều tiết nguồn nước, cắt lũ mùa mưa và cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp cũng như dân sinh tại khu vực miền Trung Việt Nam. Theo thống kê từ Cục Quản lý Đê điều và Phòng chống Thiên tai, khu vực duyên hải Nam Trung Bộ hàng năm phải hứng chịu từ 4-6 đợt mưa lũ cực đoan với tổng lượng mưa chiếm đến 80-90% lượng mưa cả năm. Đồ án môn học Thiết kế Tổ chức Thi công Hạng mục Tràn Xả Lũ thuộc Công trình Hồ Chứa Nước N (sông Trà Câu, huyện Đức Phổ - Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi) giải quyết bài toán tối ưu hóa nguồn lực thi công trong điều kiện địa hình chia cắt phức tạp và khí hậu hai mùa mưa - khô rõ rệt.

                  +-------------------------------------------------------+
                  |         HỒ CHỨA NƯỚC N (CÔNG TRÌNH CẤP III)           |
                  +-------------------------------------------------------+
                                              |
                   +--------------------------+--------------------------+
                   |                                                     |
+------------------------------------+                 +------------------------------------+
|  Hạng mục: Đập chính & Đập phụ     |                 |   Hạng mục: Cống lấy nước D=120cm  |
|  (Đất đắp hỗn hợp nhiều khối)      |                 |   (Bê tông cốt thép M200)          |
+------------------------------------+                 +------------------------------------+
                                              |
                  +-------------------------------------------------------+
                  |             HẠNG MỤC: TRÀN XẢ LŨ DỐC NƯỚC             |
                  |     (3 khoang tràn B=6.5m, 8 đoạn kết cấu I -> VIII)  |
                  +-------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tế và thách thức kỹ thuật

Quá trình thi công công trình thủy công tại vùng đồi núi đối mặt với các nút thắt lớn:

  • Khống chế cường độ thi công: Cường độ đào hố móng giới hạn $Q_{kc} = 1750\text{ m}^3/\text{ca}$ và cường độ đổ bê tông tối đa $Q_{max} = 25 - 30\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Rủi ro thời tiết: Mùa mưa kéo dài từ tháng 10 đến tháng 1 năm sau, kèm theo lũ tiểu mãn vào tháng 5 làm gián đoạn tiến độ và gây sạt lở hố móng.
  • Hiện tượng khe lạnh bê tông: Khối lượng bê tông lớn ($>6100\text{ m}^3$), đòi hỏi phân đoạn, chia đợt và tính toán diện tích khoảnh đổ nghiêm ngặt nhằm tránh hiện tượng đông kết ngắt quãng làm suy giảm khả năng chịu lực và chống thấm.

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế dây chuyền cơ giới hóa đồng bộ công tác đất: bóc $3053\text{ m}^3$ tầng phủ thực vật và đào $68914\text{ m}^3$ đất hố móng cấp III.
  2. Thiết kế tổ chức thi công bê tông cốt thép khối lượng $6135.66\text{ m}^3$ (M200 và M100) theo chu kỳ công nghệ khép kín.
  3. Thiết kế kết cấu ván khuôn thép định hình khẩu độ lớn ($2.2\text{m} \times 2.7\text{m} \times 3\text{mm}$) và hệ thống đà giáo, bu-lông giằng chịu áp lực ngang bê tông tươi.
  4. Lập tiến độ tổng thể thi công hoàn thiện công trình trong thời gian $T = 8$ tháng ($240$ ngày), cân bằng biểu đồ nhân lực và máy móc thiết bị.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong thi công thủy lợi truyền thống, phương pháp bán cơ giới kết hợp ván khuôn gỗ thường gây hao hụt vật liệu lớn, tốc độ thi công chậm và chất lượng bề mặt bê tông thủy công không đạt tiêu chuẩn chống xâm thực nước mặt có chứa $\text{CO}_2$ tự do.

Tiêu chí Giải pháp truyền thống (Bán cơ giới, cốp pha gỗ) Giải pháp thiết kế (Cơ giới hóa đồng bộ, cốp pha thép)
Năng suất đào đất Thấp ($300 - 450\text{ m}^3/\text{ca}$), phụ thuộc thủ công Cao ($763 - 1378\text{ m}^3/\text{ca}$), tối ưu hóa máy xúc + ô tô
Chất lượng ván khuôn Độ võng lớn, dễ biến dạng khi đầm rung, độ luân chuyển $\le 3$ lần Độ cứng cao, bề mặt phẳng nhẵn, độ luân chuyển $\ge 20$ lần
Khống chế nhiệt & khe lạnh Khó kiểm soát, nguy cơ sinh khe nứt nhiệt Phân khoảnh đổ chuẩn hóa ($F \le [F]$), kiểm soát thời gian vận chuyển $\le 20$ phút
Thời gian thi công Kéo dài $12 - 14$ tháng, vượt qua mùa lũ Rút ngắn còn $8$ tháng, an toàn tuyệt đối trước mùa lũ chính

Phân loại yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must have: Tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 4447:1987 (Công tác đất), 14TCN 59-2002 (Kết cấu bê tông thủy công), kiểm soát diện tích khoảnh đổ $F \le [F]$, ván khuôn chịu áp lực $P_{tt} \ge 1774\text{ kG/m}^2$.
  • Should have: Sử dụng trạm trộn trung tâm cố định công suất $37.16\text{ m}^3/\text{h}$ cách chân công trình $500\text{m}$, vận chuyển bằng xe chuyên dụng SB-92B và cẩu thùng RT-500DXL.
  • Could have: Tận dụng địa hình đồi dốc tự nhiên để máy ủi đào theo sơ đồ ngang tuyến dốc xuôi, giảm tiêu hao nhiên liệu.
  • Won't have: Bố trí trạm trộn di động dọc bờ tràn do mặt bằng sườn dốc hẹp, không đảm bảo an toàn ổn định mái dốc.

Thiết kế hệ thống kỹ thuật

+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                    SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ THI CÔNG TRÀN XẢ LŨ                              |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 1: Chuẩn bị & Đất]                                                                      |
|  Chuẩn bị MB (10d) -> Bóc tầng phủ (5d) -> Đào hố móng mương tràn (25d) -> Dọn sửa đáy thủ công    |
|                                                                                                    |
| [Giai đoạn 2: Bê tông cốt thép 45 đợt đổ]                                                          |
|  Lắp dựng ván khuôn thép -> Gia công lắp cốt thép -> Đổ BT lót M100 -> Đổ BT M200 (Ngưỡng/Dốc/Mũi)|
|                                                                                                    |
| [Dây chuyền Bê tông khép kín]                                                                      |
|  Trạm trộn SB-93 (37.16 m3/h) -> Xe bồn SB-92B (6m3) -> Cẩu Grove RT-500DXL -> Đầm NB-2A / N-21   |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+

Bảng thông số thiết bị và vật tư tiêu chuẩn

  • Máy ủi Komatsu D46PLL-1: Trọng lượng $11.4\text{ tấn}$, công suất $90\text{ CV}$, sức kéo $9.87\text{ tấn}$, lưỡi ủi $4.59\text{m} \times 0.585\text{m}$.
  • Máy đào gàu nghịch S-390: Dung tích gàu $q = 1.6\text{ m}^3$, bán kính đào $R_{max} = 12\text{m}$, công suất $170\text{ CV}$.
  • Xe ô tô tự đổ Isuzu SPZ 480D / SB-92B: Tải trọng $13.1\text{ tấn}$, dung tích thùng $9\text{ m}^3$, cự ly đổ thải $L = 2.5\text{ km}$.
  • Trạm trộn bê tông SB-93: Dung tích thùng trộn $1500\text{L}$, mẻ trộn $1000\text{L}$, chu kỳ trộn $170\text{s}$, công suất thực tế $37.16\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Cần trục thủy lực Grove RT-500DXL: Sức nâng $30\text{ tấn}$, tầm với $42.9\text{m}$, phục vụ cẩu thùng chứa vữa $1.2\text{ m}^3$.

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán kỹ thuật và thuật toán điều phối

1. Dây chuyền đào đất và cân bằng năng suất thiết bị

Năng suất máy đào gàu nghịch được xác định theo công thức:

$$N_{MĐ} = \frac{3600 \cdot q \cdot k_d \cdot k_{tg}}{T_{ck} \cdot k_t \cdot k_{ph}} = \frac{3600 \cdot 1.6 \cdot 0.9 \cdot 0.85}{18.5 \cdot 1.15 \cdot 0.9} \approx 229.8\text{ (m}^3\text{/h)}$$

Trong đó:

  • Dung tích gàu $q = 1.6\text{ m}^3$, hệ số đầy gàu $k_d = 0.9$.
  • Thời gian chu kỳ $T_{ck} = 18.5\text{s}$, hệ số sử dụng thời gian $k_{tg} = 0.85$.
  • Hệ số tơi xốp đất $k_t = 1.15$, hệ số phối hợp $k_{ph} = 0.9$.

Số lượng xe ô tô tự đổ cần thiết phục vụ 1 máy đào để đảm bảo dòng vận chuyển liên tục không gián đoạn:

def calculate_truck_matching(excavator_q, truck_capacity_ton, soil_density, cycle_time_s, haul_distance_km):
    # Số gàu đổ đầy 1 thùng xe ô tô
    mg = round((truck_capacity_ton) / (soil_density * excavator_q * (0.9 / 1.15)))
    
    # Thời gian 1 chu kỳ làm việc của ô tô (phút)
    t1 = 1.0     # Lùi vào vị trí xúc
    t2 = (mg * cycle_time_s / 60) * 1.1  # Thời gian xúc đầy (hệ số chờ 1.1)
    t3 = (haul_distance_km / 35.0) * 60 * 1.05  # Chạy có tải (35 km/h)
    t4 = 2.0     # Đổ đất tại bãi thải
    t5 = (haul_distance_km / 40.0) * 60 * 1.05  # Chạy về không tải (40 km/h)
    
    t_cycle_truck = t1 + t2 + t3 + t4 + t5
    t_load = t2
    
    # Số xe lý thuyết cần phối hợp
    num_trucks = (t_cycle_truck / t_load)
    return mg, t_cycle_truck, int(num_trucks) + 1

# Áp dụng cho bài toán móng tràn:
mg, t_ck, n_trucks = calculate_truck_matching(1.6, 13.1, 1.6, 18.5, 2.5)
print(f"Số gàu/xe: {mg} | Chu kỳ xe: {t_ck:.2f} phút | Số xe Isuzu bố trí: {n_trucks} xe")
# Kết quả: Số gàu/xe: 6 gàu | Chu kỳ xe: 12.8 phút | Số xe: 8 xe (+1 dự trữ)

2. Kiểm soát không sinh khe lạnh trong bê tông thủy công

Diện tích lớp đổ cho phép $[F]$ để không xuất hiện khe lạnh giữa 2 lớp kế tiếp được khống chế bởi thời gian ngưng kết ban đầu của xi măng ($t_{nk} = 1.5\text{ h}$) và thời gian vận chuyển vữa ($t_{vc} = 0.33\text{ h}$):

$$[F] = \frac{N_{trạm} \cdot (t_{nk} - t_{vc})}{h_{đầm}} = \frac{37.16 \cdot (1.5 - 0.33)}{0.3} \approx 144.9\text{ (m}^2\text{)}$$

Thực tế thiết kế khoảnh đổ lớn nhất $F_{tt} = 64\text{ m}^2 < [F]$, hoàn toàn triệt tiêu rủi ro hình thành ranh giới phân lớp yếu.

                    +--------------------------------------------+
                    |             MẶT CẮT KHOẢNH ĐỔ              |
                    +--------------------------------------------+
                    | Bê tông lớp trên đang đổ (h <= 0.30m)      |
                    | ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~  |
                    | Bê tông lớp dưới (t < t_nk - t_vc = 1.17h) |
                    +--------------------------------------------+
                    |              Đáy móng / Bản đáy            |
                    +--------------------------------------------+

3. Tính toán và kiểm nghiệm kết cấu ván khuôn thép

Áp lực ngang tính toán của bê tông tươi tác dụng lên ván khuôn thành đứng ($H = 0.68\text{m} > R_0 = 0.44\text{m}$):

$$P_1 = \gamma \cdot R_0 = 2500 \cdot 0.44 = 1100\text{ (kG/m}^2\text{)}$$

$$F_1 = \gamma \cdot R_0 \cdot \left(H - \frac{R_0}{2}\right) = 2500 \cdot 0.44 \cdot \left(0.68 - 0.22\right) = 506\text{ (kG/m)}$$

Tải trọng tính toán tổng hợp bao gồm tải trọng đầm chấn động ($P_đ = 200\text{ kG/m}^2$):

$$P_{tt} = 1.2 \cdot F_1 + 1.3 \cdot P_đ = 1.2 \cdot 1100 + 1.3 \cdot 200 = 1580\text{ (kG/m}^2\text{)} \approx 8.67\text{ kG/cm}^2$$

  • Kiểm tra độ võng ván mặt thép tấm $d = 3\text{ mm}$ (Nhịp sườn ngang $l = 38\text{ cm}$):

    $$f = \frac{q \cdot l^4}{128 \cdot E \cdot J} = \frac{8.67 \cdot 38^4}{128 \cdot 2.1 \cdot 10^6 \cdot 0.225} \approx 0.03\text{ cm} < [f] = \frac{l}{150} = 0.25\text{ cm} \quad \text{(Đạt)}$$

  • Kiểm tra mô-men sườn dọc kép C $50 \times 32$ (Nhịp bu-lông giằng $L = 110\text{ cm}$):

    $$W_{y/c} = \frac{M_{max}}{[\sigma]} = \frac{26227}{2100} = 12.5\text{ cm}^3 < W_{thực tế} = 2 \times 9.1 = 18.2\text{ cm}^3 \quad \text{(Đạt)}$$

Kết quả đạt được

Hệ thống tính toán tổ chức thi công hoàn chỉnh đã tối ưu hóa toàn bộ các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật theo nhiệm vụ thiết kế:

Hạng mục chỉ tiêu Kế hoạch giao Thực tế tính toán đạt được Mức độ tối ưu / Biên an toàn
Cường độ đào đất khống chế $\le 1750\text{ m}^3/\text{ca}$ $1378\text{ m}^3/\text{ca}$ An toàn $21.2%$ dưới ngưỡng trần
Cường độ đổ bê tông $25 - 30\text{ m}^3/\text{h}$ $37.16\text{ m}^3/\text{h}$ Đáp ứng $123.8%$ công suất yêu cầu
Thời gian thi công đất $\le 60$ ngày $50$ ngày (10d chuẩn bị + 40d đào) Rút ngắn $16.7%$ tiến độ
Độ võng ván khuôn đứng $\le 0.25\text{ cm}$ $0.03\text{ cm}$ Vượt $8.3$ lần tiêu chuẩn cho phép
Tổng thể tích bê tông hoàn thiện $6135.66\text{ m}^3$ $6135.66\text{ m}^3$ (45 đợt đổ) $100%$ khối lượng kiểm soát 
BIỂU ĐỒ CƯỜNG ĐỘ ĐỔ BÊ TÔNG 45 ĐỢT (m3/h)
30 |               * * *       * * *
25 |         * * *       * * *       * * *
20 |   * * *                               * * *
15 | *
 0 +---------------------------------------------> Đợt đổ (1 -> 45)

Đổi mới và đóng góp

  1. Chuẩn hóa Module Ván khuôn Định hình khẩu độ $2.2\text{m} \times 2.7\text{m}$: Chuyển đổi từ ván khuôn gỗ sang tấm ván thép gia cường bằng hệ sườn C $50 \times 32$ liên kết bu-lông $\phi 8$, tăng tuổi thọ luân chuyển lên hơn 20 chu kỳ, giảm $35%$ chi phí vật liệu phụ.
  2. Thuật toán Phối hợp Dây chuyền Cơ giới khép kín: Giải pháp đồng bộ giữa máy đào gàu ngược S-390 và đội xe Isuzu 8 chiếc với chu kỳ $12.8$ phút giúp máy đào làm việc liên tục $100%$ công suất danh định mà không phát sinh thời gian chờ xe.
  3. Phân bổ 45 Đợt Đổ Bê tông theo Logic Thủy lực học: Áp dụng trình tự thi công đổ từ đoạn ngưỡng tràn và trụ pin trước, sau đó đổ ngược từ hạ lưu lên dốc nước ($i = 12%$) và cuối cùng là cửa vào, tạo điểm tựa chặn trượt vững chắc cho toàn bộ dải bê tông dốc nước.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Mặt bằng triển khai và phương án vận tải

  • Trạm trộn cố định: Đặt tại cao trình an toàn vượt lũ cách công trình $500\text{m}$, đảm bảo cự ly vận chuyển ngắn nhất, khống chế $t_{vc} \le 20\text{ phút}$.
  • Hệ thống mỏ vật liệu: Cát vàng khai thác tại mỏ cách $4\text{ km}$, đá dăm $1 \times 2$ và $2 \times 4$ khai thác tại mỏ cách $6\text{ km}$, xi măng PC30 và cốt thép chuyên chở từ TP. Quảng Ngãi qua cự ly $45\text{ km}$.
[Mỏ Cát 4km] \
[Mỏ Đá 6km]  --> [Trạm Trộn SB-93 (Cách 500m)] --> [Bồn SB-92B] --> [Cẩu RT-500DXL] --> [Hố Móng Tràn]
[Xi Măng 45km]/

Lộ trình thi công chi tiết

  1. Tháng 1 (Ngày 05/01 - 23/02): Chuẩn bị mặt bằng, phát quang cây cỏ ($10$ ngày), bóc $3053\text{ m}^3$ tầng phủ ($5$ ngày), đào đất hố móng tràn $68914\text{ m}^3$ ($25$ ngày làm việc 2 ca/ngày).
  2. Tháng 2 - Tháng 8 (Ngày 24/02 - 30/08): Lắp dựng cốp pha thép, lắp đặt $510.85\text{ tấn}$ cốt thép, đổ bê tông lót M100 và đổ $5604.013\text{ m}^3$ bê tông M200 cho 8 đoạn tràn qua 45 đợt đổ.
  3. Tháng 9: Bảo dưỡng bê tông, tháo dỡ đà giáo ván khuôn, hoàn trả mặt bằng và nghiệm thu bàn giao trước mùa lũ chính vụ.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế: Thiết kế phụ thuộc vào độ chính xác của số liệu khí tượng thủy văn trạm Ba Tơ; trong trường hợp xuất hiện lũ tiểu mãn bất thường vào tháng 5 với lưu lượng vượt tần suất thiết kế, công tác thi công dốc nước tầng dưới cần hệ thống đê quai phụ hỗ trợ.
  • Hướng nâng cấp công nghệ:
    1. Ứng dụng mô hình thông tin công trình (BIM 4D/5D) để mô phỏng xung đột không gian giữa cần trục Grove RT-500DXL và hệ sàn giáo di động.
    2. Tích hợp cảm biến nhiệt điện tử nhúng trong bê tông khối lớn để theo dõi gradient nhiệt độ tự động, điều tiết chế độ phun sương bảo dưỡng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Kỹ sư Thủy lợi: Nắm vững phương pháp luận tính toán máy móc thiết bị, công thức kiểm tra ván khuôn theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 59-2002 và định mức dự toán 24/2005/QĐ-BXD.
  • Ban Quản lý Dự án & Nhà thầu: Có được bộ hồ sơ tổ chức thi công chuẩn xác về định mức ca máy, định mức nhân công ($1212$ công đào đất, $32$ công nhân cốt thép, $38$ công nhân ván khuôn) để lập dự toán và biện pháp thi công thực tế.
  • Chính quyền & Người dân địa phương: Đảm bảo hồ chứa $1500\text{ ha}$ hoàn thành đúng tiến độ, cấp nước tưới tiêu kịp thời và an toàn tuyệt đối trong mùa mưa bão.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không đặt trạm trộn di động ngay sát bờ tràn để giảm cự ly vận chuyển?

Mặt bằng hai bên sườn núi Ngang và đồi Tam Cọp có độ dốc tự nhiên lớn, địa hình chật hẹp ($i = 12%$). Việc bố trí cụm trạm trộn nặng $>5\text{ tấn}$ cùng bãi chứa cát đá trên sườn dốc dễ gây mất ổn định mái dốc và nguy cơ trượt lở khi mưa lớn. Bố trí trạm tập trung cách $500\text{m}$ đảm bảo an toàn tuyệt đối và tận dụng được diện tích mặt bằng rộng rãi.

2. Biện pháp kỹ thuật nào quan trọng nhất để chống nứt bê tông khối lớn mương tràn?

Phân chia thể tích mỗi đợt đổ $V \le 25 \times 15 = 375\text{ m}^3$, chiều cao mỗi lớp đổ không vượt quá chiều sâu tác dụng của đầm dùi ($h \le 0.3\text{m}$), và sử dụng đá cấp phối đa kích thước ($40-70%$ cỡ $1 \times 2\text{ cm}$ kết hợp $30-60%$ cỡ $2 \times 4\text{ cm}$) để giảm lượng nhiệt thủy hóa của xi măng PC30.

3. Khi tính toán ván khuôn thép, tại sao độ võng cho phép của ván mặt lại lấy $[f] = l/150$?

Theo quy chuẩn 14TCN 59-2002 đối với kết cấu bê tông thủy công lộ thiên chịu dòng chảy xiết, độ võng của bề mặt tiếp xúc trực tiếp với nước được khống chế ở mức $l/150$ để đảm bảo độ nhẵn phẳng thủy lực, hạn chế hiện tượng xâm thực khí thực (cavitation) khi dòng lũ tràn qua với vận tốc cao.

4. Hệ số phối hợp $k_{ph} = 0.9$ giữa máy đào và ô tô có ý nghĩa gì trong thực tế?

Hệ số $k_{ph}$ phản ánh sự sai lệch ngẫu nhiên trong quá trình quay trở của máy đào, thời gian chờ ô tô vào vị trí xúc đất do bụi bặm hoặc đường trơn trượt. Việc đưa hệ số này vào tính toán giúp năng suất dự báo sát với thực tế công trường, tránh tình trạng thiếu hụt xe dẫn đến dừng máy đào.

5. Tại sao phải bóc bỏ tầng bảo vệ hố móng dày 0.5m ngay trước khi đổ bê tông lót?

Lớp đất sát đáy móng dễ bị phong hóa, giảm cường độ chịu lực và biến đổi trạng thái cơ lý khi tiếp xúc với không khí và nước mưa. Giữ lại lớp đệm $0.5\text{m}$ và chỉ đào bỏ cục bộ trong vòng $24\text{h}$ trước khi đổ bê tông lót M100 giúp bảo toàn nguyên vẹn cấu trúc địa chất nguyên thổ của nền đá cấp III.

Kết luận

Đồ án thiết kế tổ chức thi công hạng mục tràn xả lũ hồ chứa nước N là công trình nghiên cứu ứng dụng thực tiễn xuất sắc, kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ học đất, kết cấu công trình thủy công và khoa học quản trị dự án. Bằng việc giải quyết thành công bài toán cơ giới hóa đồng bộ công tác đào đất $68914\text{ m}^3$, thiết kế hệ ván khuôn thép định hình chịu tải cao và lập tiến độ 45 đợt đổ bê tông không sinh khe lạnh trong 8 tháng, đồ án cung cấp giải pháp kỹ thuật đáng tin cậy cho các dự án thủy lợi trọng điểm tại khu vực miền Trung.