Thiết kế tuyến ống cấp nước đường kính lớn trên nền đất yếu dọc đại lộ Thăng Long

Chia sẻ: bigstar19

Dự án cấp nước khai thác từ nguồn nước Sông Đà do VINACONEX đầu tư đã được triển khai nhằm mục tiêu đa dạng hóa nguồn cung cấp nước cho Hà Nội và hạn chế khai thác nước ngầm quá mức.

Bạn đang xem 7 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Thiết kế tuyến ống cấp nước đường kính lớn trên nền đất yếu dọc đại lộ Thăng Long

 

  1. 76
  2. Hội nghị Khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG CẤP NƯỚC ĐƯỜNG KÍNH LỚN TRÊN NỀ N ĐẤT YẾU DỌC ĐẠI LỘ THĂNG LONG * Trịnh Việt Cường , Trần Huy Tấn, Đinh Quốc Dân, Trần Toàn Thắng TÓM TẮT: Dự án cấp nước khai thác từ nguồn nước Sông Đà do VINACONEX đầu tư đã được triển khai nhằm mục tiêu đa dạng hóa nguồn cung cấp nước cho Hà Nội và hạn chế khai thác nước ngầm quá mức. Khó khăn gặp phải khi triển khai dự án là tiến độ thi công không đảm bảo do thời gian thi công móng cọc đỡ các đoạn ống dẫn nước đường kính lớn đi qua vùng đất yếu bị kéo dài. Để đảm bảo tiến độ thực hiện dự án, Viện KHCN xây dựng đã đề xuất giải pháp điều chỉnh thiết kế đường ống theo hướng giảm thiểu khối lượng thi công móng cọc. Việc thực thi thiết kế điều chỉnh đã cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm chi phí, góp phần vào việc hòa mạng nguồn nước mới vào hệ thống của thành phố vào giữa năm 2008. 1 MỞ ĐẦU Việc cung cấp nước sạch cho thành phố Hà Nội cho đến gần đây phụ thuộc hoàn toàn vào khai thác nước ngầm. Theo số liệu của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, vào năm 2012 tổng mức 3 khai thác nước ngầm của toàn thành phố khoảng 700.000m /ngày đêm và dự báo mức khai thác sẽ tăng gấp đôi vào năm 2020. Quá trình khai thác trong nhiều thập kỷ đã làm mực ngầm bị hạ thấp hàng chục mét dẫn đến hiện tượng lún nền và công trình ở nhiều khu vực trong thành phố [1]. Theo kết quả quan trắc đến 2007, tốc độ lún nền ở Thành Công là 41,42mm/năm, Ngô Sỹ Liên 31,52mm/năm, Pháp Vân 22,16 mm/năm. Dự án cấp nước khai thác nguồn nước Sông Đà để cung cấp do VINACONEX đầu tư đã được triển khai nhằm mục tiêu đa dạng hóa nguồn cung cấp nước cho thành phố. Trong quá trình thực thi công đường ống cấp nước đã gặp một số trở ngại nên Viện KHCN xây dựng đã đề xuất giải pháp điều chỉnh thiết kế nhằm đảm bảo tiến độ thực hiện dự án. Thiết kế mới theo hướng tăng khả năng chịu lún lệch của tuyến ống đã cho phép loại bỏ hệ thống móng cọc dưới các đoạn tuyến ống trên nền đất yếu, qua đó đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm chi phí đầu tư. 2 GIỚI THIỆU DỰ ÁN 2.1 Thông tin chung Dự án nước sạch sông Đà bao gồm các hạng mục chủ yếu là: kênh lấy nước thô, nhà máy xử lý và tuyến ống truyền tải nước sạch. Nhà máy xử lý nước được xây dựng tại Lương Sơn (Hòa Bình). Sau khi nước được xử lý sẽ được chuyển qua tuyến ống dài 47,5 km về các trạm phân phối tại Hà Nội. Toàn bộ thiết kế phần xây dựng của dự án đã được một công ty tư vấn Vinaconex thực hiện. 77
  3. * TS. Trịnh Việt Cường, Viện KHCN Xây dựng, trinhvietcuong57@gmail.com 78
  4. 2.2. Thiết kế ban đầu cho tuyến ống truyền tải nước - Lần đầu tiên ống dẫn nước đường kính lớn, làm bằng nhựa cốt sợi thuỷ tinh đã được chế tạo và sử dụng ở Việt Nam. Đây là loại ống nhẹ, độ bền hợp lý, dễ lắp ráp, chi phí thấp hơn so với các loại ống thép. Chiều dài đoạn ống tiêu chuẩn L=11,7 m và đường kính 1,5÷1,8 m. Bề dày thành ống 4 cm, gồm 3 lớp: 1 lớp cốt tăng cứng xen giữa 2 lớp nhựa cốt sợi thủy tinh (Hình 1). Các đoạn ống được nối bằng các mối nối dạng âm-dương có các gioăng cao su, cho phép chịu áp lực tới 9 atm. Ống được chôn sâu 2÷4 m, có chỗ sâu tới 7 m. Theo qui định của nhà sản xuất, góc xoay tối đa tại mối nối là α=1° (Hình 2) và chuyển vị tương đối giữa 2 đoạn ống theo phương dọc trục s≤4 mm. (a) Ống thành phẩm (b) Mẫu thí nghiệm lấy từ thân ống Hình 1. Ống nhựa cốt sợi thuỷ tinh đường kính lớn Hình 2. Góc xoay cho phép tại mối nối giữa 2 đoạn ống Tuyến ống được bố trí đi dọc theo nhánh trái của đại lộ Thăng Long, dưới chân ta-luy và cách tâm đường khoảng 10-15 m (Hình 3), tuy nhiên có chỗ khoảng cách này chỉ còn 6 m. Ống nước được lắp đặt ngay trong quá trình gia tải xử lý nền đất yếu nên sẽ phải chịu ảnh hưởng của độ lún nền đường (dự kiến độ lún ở trong khoảng 0,2-0,5 m, riêng ở một số đoạn đắp cao thì độ lún dự kiến lên tới trên 1 m). 79
  5. Hình 3. Sơ đồ bố trí nền đường và đường ống [2] Theo thiết kế ban đầu, ống được đặt trên các gối BTCT đúc sẵn và cát đệm đầm chặt. Riêng đối với các đoạn tuyến qua vùng đất yếu, ống được đặt trên hệ móng cọc tiết diện 30x30 cm đóng cách quãng 6 m. Tổng chiều dài các đoạn tuyến cần sử dụng móng cọc vào khoảng 5 km và chi phí cho móng cọc khoảng 22 tỷ đồng. 2.3. Điều kiện địa chất công trình Công tác khảo sát địa chất dọc tuyến đường đã được thực hiện qua nhiều giai đoạn. Các phương pháp khảo sát bao gồm khoan lấy mẫu, SPT và xuyên tĩnh [3]. Mật độ khảo sát tương đối thưa, với khoảng cách giữa các điểm khảo sát 100÷400 m. Đất yếu đã được phát hiện ở 31 đoạn dọc theo tuyến ống, nhiều nhất ở địa bàn các huyện Từ Liêm, Hoài Đức và Quốc Oai. Vị trí xa nhất có gặp đất yếu là ở Km 27+010 đến Km 27+157 của đại lộ Thăng Long. Tổng chiều dài các đoạn tuyến nằm trên đất yếu vào khoảng 5 km, chiếm 10,5% tổng chiều dài tuyến ống. Bề dày đất yếu ở một số đoạn chỉ bằng 2-3 m nhưng ở nhiều đoạn trên địa bàn huyện Từ Liêm và Hoài Đức lên đến trên 20 m và dày nhất bằng 34,5 m ở Km 10+090. Sự biến động mạnh của điều kiện đất nền từ Km 20+300 đến Km 22+510 được thể hiện trên Hình 4. Một số chỉ tiêu cơ lý của lớp đất yếu ở đoạn trên là: Hệ số rỗng e0= 1,683; góc ma sát trong φ = 4°; lực dính c = 11 kPa, độ ẩm w = 30,37 %, khối lượng thể 3 tích tự nhiên γ =1,61 g/cm . Đối với tuyến ống, điều kiện ĐCCT như trình bày ở trên là bất lợi vì độ lún tuyệt đối và độ lún lệch của ống khá cao do đắp nền đường trên đất yếu. 80
  6. Hình 4. Mặt cắt địa chất dọc đoạn Km 20+300 đến Km 22+510 [4] 2.4. Hiện trạng lún mặt đường nhánh phải trên tuyến đường Láng – Hòa Lạc Tuyến đường Láng – Hòa Lạc được xây dựng vào giữa những năm 1990. Ở vào giai đoạn đó việc xử lý đất yếu dưới nền đường được thực hiện bằng các phương pháp tương đối đơn giản như đệm cát, cọc cát, v.v. Trong dự án đại lộ Thăng Long, tuyến đường cũ đã được nâng cấp thành nhánh bên phải của đại lộ. Sau khoảng 15 năm kể từ khi được đưa vào khai thác, độ lún của nền đã thể hiện trên bề mặt đường ở những mức độ khác nhau. Ở một số nơi có độ lún biến động mạnh đã quan sát được các phễu lún hoặc rãnh lún trên mặt đường như ở Km 20+300, Km 21+210, Km 22+420 và Km 22+880. Vùng lún giáp cống ngầm tại Km 20+300 kéo dài hơn 100 m, với độ lún tuyệt đối lớn nhất khoảng 60 cm (Hình 5). Mức độ lún lệch nhiều nhất đã quan sát được tại Km 21+210, với chênh lệch độ lún tới 50 cm trong khoảng 20 m, góc dốc trung bình 1°26’ và góc dốc lớn nhất 2°11’ (Hình 6). Có thể thấy nếu không có biện pháp xử lý thích hợp thì ống đi qua khu vực này có thể bị hỏng do góc xoay ở mối nối vượt quá mức cho phép. Hình 5. Lún mặt đường khu vực Km 20+300 81
  7. Hình 6. Biến động của cao độ mặt đường khu vực Km 21+210 3 THIẾT KẾ ĐIỀU CHỈNH CHO CÁC ĐOẠN TUYẾN QUA VÙNG ĐẤT YẾU 3.1 Lựa chọn giải pháp Viện chuyên ngành Địa kỹ thuật thuộc Viện KHCN xây dựng đã nghiên cứu giải pháp thiết kế thay thế cho giải pháp đặt ống trên móng cọc nhằm đáp ứng yêu cầu về tiến độ của dự án, hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận và kinh tế hơn. Hai hướng xử lý chủ yếu đã được nghiên cứu là: - Hướng 1: Cứng hóa nền để kiểm soát độ lún của ống. Việc sử dụng móng cọc trong thiết kế ban đầu là giải pháp điển hình để kiểm soát chặt chẽ độ lún của ống. Ngoài ra một số giải pháp xử lý theo hướng tăng độ cứng của nền như trụ đất-xi măng, trụ vật liệu rời hoặc cọc cát đầm chặt cũng đã được nghiên cứu. Các giải pháp xử lý nền vừa nêu tỏ ra không hiệu quả vì có thể gây chấn động mạnh (trụ vật liệu rời, cọc cát đầm chặt), hoặc khó thi công khi gặp đất cứng xen kẹp (trụ đất-xi măng) và những khó khăn về kiểm tra chất lượng thi công. Các tính toán kiểm tra cũng cho thấy hiệu quả gia cố nền trong phạm vi hẹp dọc theo tuyến ông có thể bị triệt tiêu do tác động của độ lún xảy ra khi đắp và xử lý nền đường (Hiện tượng tương tự ma sát âm tác dụng lên cọc); - Hướng 2: “Mềm hóa” tuyến ống, tăng khả năng thích nghi của ống với độ lún nền sao cho chuyển vị ở mối nối không vượt quá giới hạn cho phép, qua đó giảm thiểu yêu cầu gia cố nền và hướng tới việc đặt đường ống trên nền không gia cố. Các phân tích cho thấy giải pháp mềm hoá tuyến ống phù hợp với điều kiện cụ thể của công trình vì hiện tượng lún lệch đáng kể chỉ xảy ra ở 5 đoạn ngắn trên tuyến đường và mức độ lún lệch tuy cao nhưng có thể áp dụng biện pháp thích hợp để khắc phục. Vì vậy hướng mềm hóa tuyến ống đã được lựa chọn áp dụng. 3.2 Tóm tắt nội dung của giải pháp “mềm hóa” tuyến ống Xét một đọan ống có chiều dài L nối 2 điểm A và B (Hình 7). Do đất bị lún, chênh lệch về cao độ giữa A và B bằng h tạo thành góc dốc β. Trường hợp β>1° thì mối nối tại A không đảm bảo yêu cầu. Cũng từ A đến B, nếu sử dụng những đoạn ống có chiều dài nhỏ hơn để nối 2 điểm thì góc xoay được phân chia trên nhiều mối nối, với α<β, và đoạn ống càng được chia nhỏ (số lượng phân 82
  8. đoạn n càng lớn) thì góc α càng nhỏ. Số lượng đoạn ống phân tố (n) đáp ứng qui định α<1° được lấy làm 83
  9. cơ sở xác định chiều dài đoạn ống sử dụng ở từng đoạn tuyến trên đất yếu. Quan hệ giữa α, β và n như sau: n L.sin( β ) = ∑ (1) ∆.sin(i.α ) i =1 n L. cos(β ) = ∑ ∆. (2) cos(i.α ) i =1 từ đó: n ∑ ∆ sin( β ) sin(iα ) (3) cos(β ) i =1 = n ∑ ∆ cos(iα ) i =1 n ∑ sin(iα tg ( β ) = ) (4) i =1 n ∑ cos(iα ) i =1 Hình 7. Kiểm tra chuyển vị của các đọan ống 3.3 Thiết kế điều chỉnh Thiết kế điều chỉnh do Viện KHCN xây dựng thực hiện [3] cho các đoạn tuyến ống nước trên 84
  10. nền đất yếu bao gồm các nội dung: - Đánh giá khả năng kéo tụt mối nối khi ống bị lún; - Dự báo mức độ lún và độ lún lệch ở các đoạn tuyến trên nền đất yếu; - Lựa chọn chiều dài ống; 85
  11. - Bố trí ống. 3.3.1 Kiểm tra khả năng kéo tụt ở mối nối ống Độ lún của nền đất có thể gây biến hình tuyến ống và nếu mức độ biến hình quá lớn thì mối nối có thể bị hư hại do bị kéo tụt. Việc kiểm tra khả năng kéo tụt được thực hiện cho sơ đồ đơn giản hóa, trong đó một đọan tuyến có chiều dài L bị lún một khoảng Smax theo dạng cung tròn (Hình 8). Vì chiều dài của cung lớn hơn đoạn AB nên ống bị kéo giãn. Độ giãn dài ∆L của đoạn ống chiều dài L khi điểm giữa bị lún một khoảng Smax được xác định theo quan hệ ∆L = L’ – L, trong đó: ⎡ L ⎤ ⎛ L ⎞⎤ ′ = ⎡ L .⎨ 2 ⎢ π − ⎟⎥ (5) 2arctg ⎜ ⎬ 2 sin α ⎣ ⎝ 2S max ⎠⎦ Theo tính toán, với L=24 m thì ∆L tương đối nhỏ, ví dụ khi Smax=0,2 m thì ∆L=4,4 mm và khi Smax=0,3 m thì ∆L=10 mm. Mức độ giãn dài này được coi là không dẫn đến nguy cơ kéo tụt mối nối vì khi chia đều cho khoảng 4-6 mối nối thì chuyển dịch ở mối nối chỉ là một vài mm. Hình 8. Sơ đồ biến hình của 1 đọan tuyến ống 3.3.2 Dự báo độ lún của ống Các tính chất cơ lý của các lớp đất được xác định bằng cách xử lý thống kê các kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng. Tính toán độ lún được thực hiện trên cơ sở cột địa tầng xác định theo kết quả khoan và tải trọng đắp và gia tải nền đường ở lý trình tương ứng. Phần mềm địa kỹ thuật PLAXIS (Hà Lan) đã được sử dụng để dự báo độ lún của nền đường và ảnh hưởng của nó đối với tuyến ống. Độ lún tính toán của ống phổ biến trong khoảng 100-300 mm. Trên Hình 9 thể hiện sự biến đổi của độ lún trên mặt cắt qua tuyến đường, trong đó độ lún của ống chỉ bằng
  12. khoảng 35% so với độ lún ở tâm đường. Kết quả tính toán độ lún như trên cho phép đánh giá độ lún tuyệt đối có thể xảy ra trên đoạn tuyến nhưng không cho phép dự báo độ lún lệch của ống vì khoảng cách giữa các hố khoan quá lớn (tới hàng trăm mét). Vì vậy việc xác định độ lún lệch của các đoạn tuyến ống được dựa trên quan trắc độ
  13. lún của nhánh phải tuyến đường (để xác định qui luật lún dọc tuyến) và độ lún tính toán (để dự báo độ lún lớn nhất của ống). Ví dụ từ quan trắc hiện trạng mặt đường xác định được khoảng cách D giữa điểm bắt đầu xuất hiện lún và điểm lún mạnh nhất, khi đó góc dốc β của ống xác định theo quan hệ β=arctg(Smax/D), trong đó Smax là độ lún lệch tính toán ở tâm tuyến đường. Việc sử dụng Smax để xác định góc dốc của ống là thiên về an toàn, vì Smax cao gấp 2÷2,5 lần độ lún của ống. Hình 9. Độ lún của nền đường và tuyến ống 3.3.3 Tính toán chiều dài đoạn ống Chiều dài đoạn ống sử dụng cho từng phân đoạn của tuyến được xác định theo mức độ lún lệch dự báo sẽ xảy ra kể từ khi lắp đặt ống. Với góc dốc dọc tuyến β do lún lệch có thể xác định góc xoay giữa các đoạn ống α bằng cách áp dụng công thức (1) và kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 1. Chiều dài đoạn ống được coi là có thể chấp nhận được khi góc xoay tính toán không vượt quá góc xoay cho phép, tức là α≤1°. Ví dụ đối với lý trình Km 21+210 thì các đoạn ống dài hơn 3 m không đáp ứng yêu cầu trong khi ở lý trình Km 20+300 có thể sử dụng những đoạn ống dài tới 6 m. Bảng 1. Góc xoay tính toán theo mức độ lún lệch và chiều dài đoạn ống Góc dốc xoay, (độ), tương ứng với chiều dài đoạn ống Lý trình ∆=12m ∆=6m ∆=4m ∆=3m ∆=2m (*) (*) (*) Km 21+210 2°11’ 1°28’ 1°06’ 0°53’ 0°32’ (*) Km 20+300 1°19’ 0°53’ 0°40’ 0°32’ 0°23’ Ghi chú: Dấu (*) chỉ những trường hợp góc xoay vượt quá trị số cho phép α=1°.
  14. 3.3.4 Bố trí ống Chiều dài của đoạn ống được xác định ở Bảng 1 là chiểu dài tối đa có thể sử dụng cho mỗi đoạn tuyến. Tuy vậy trong thiết kế đã có những điều chỉnh nhằm phòng ngừa những điều kiện bất lợi mà công tác khảo sát chưa thể bao quát hết. Xuất phát từ nhận xét là sự biến đổi của độ lún nền đường cũ (nhánh phải của đại lộ Thăng Long) thường xảy ra đột ngột và có sự chuyển tiếp rất nhanh từ vị trí lún rất ít sang vị trí lún mạnh nhất, trong thiết kế điều chỉnh đã lựa chọn biện pháp thiên về an toàn là bố trí các đoạn chuyển tiếp (Hình 10). Bằng cách sử dụng các đoạn ống ngắn hơn so với yêu cầu, khả năng chịu lún lệch của đoạn chuyển tiếp được tăng cao hơn so với các đoạn tuyến khác, kể cả đoạn chịu lún mạnh. Ví dụ tại Km 21+210 đã bố trí đoạn chuyển tiếp dài 12 m với các ống L=2m trong khi các ống L=3 m được sử dụng cho phần còn lại của đoạn tuyến trên đất yếu. Tương tự như vậy, tại Km 20+300 đã sử dụng các ống dài 4 m cho đoạn chuyển tiếp trong khi ở phần còn lại bố trí ống dài 6m. Hình 10. Sơ đồ bố trí tuyến ống (∆1<∆2<LO) 4 MỘT SỐ SỰ CỐ TRONG VẬN HÀNH TUYẾN ỐNG Phần lớn tuyến ống dẫn nước dài 47,5 km sử dụng ống nhựa cốt sợi thủy tinh đã được lắp đặt và thử áp xong từ cuối tháng 6/2008 và nhà máy đã bắt đầu cấp nước cho thành phố Hà Nội từ năm 2009. Đến nay các đoạn tuyến trên nền đất yếu được xử lý bằng giải pháp ”mềm hóa” đều làm việc bình thường. Trên các đoạn còn lại, nơi ống được đặt trên nền đất tốt, đã xảy ra 2 sự cố vỡ đường ống (Ngày 4/2/2012 ống bị vỡ tại Km 10+900 (khu vực xã An Khánh, Hoài Đức) và ngày 23/3/2013 sự cố xảy ra ở Km 27 (cách Hòa Lạc khoảng 1 km). Nguyên nhân của hai sự cố nêu trên được cho là do nền lún không đều, ảnh hưởng của xe tải trọng lớn hoạt động ở khu vực lân cận, qui trình vận hành chưa hợp lý … 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
  15. - Khi xây dựng một số dạng công trình trên nền đất yếu, ngoài các giải pháp nền móng truyền thống như xử lý nền hoặc móng cọc còn có thể áp dụng một cách có hiệu quả những giải pháp khác.
  16. Đối với trường hợp đường ống truyền tải nước Sông Đà, giải pháp “mềm hóa” kết cấu tuyến ống ở những đoạn đi qua vùng đất yếu đã đồng thời cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm chi phí đầu tư do không cần xử lý nền. Thực tế đã cho thấy các đoạn tuyến ống đặt trên nền đất yếu đã làm việc an toàn sau gần 5 năm được đưa vào khai thác. - Việc xác định chiều dài các đoạn ống phải dựa trên dự báo mức độ lún lệch, đặc biệt là lún lệch ở phần chuyển tiếp từ vùng đất tốt sang đất yếu. - Giải pháp này cũng có thể được áp dụng cho các loại ống cấp, thoát nước làm bằng vật liệu khác trong điều kiện tuyến ống chịu lún lệch. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Thị Hải Yến, Lún mặt đất do hạ thấp mực nước ngầm tại các đô thị lớn, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, 23, 8/2010 2. Hồ sơ thiết kế tuyến ống nước sạch trên đường cao tốc Láng - Hoà Lạc thuộc DA nước sạch sông Đà do VINACONSULT thực hiện, 4/2007 3. Báo cáo khảo sát địa chất công trình phục vụ thiết kế tuyến ống do USCo thực hiện, 4/2007 4. Báo cáo khảo sát địa chất công trình phục vụ thiết kế tuyến ống do TEDI thực hiện, 3/2004
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản