Neo giữ và đánh chìm Caisson (thùng chìm) trong xây dựng công trình biển

NEO GIỮ VÀ ĐÁNH CHÌM CAISSON (THÙNG CHÌM)<br /> TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN<br /> <br /> PGS.TS. Hå SÜ Minh<br /> PGS .TS. NguyÔn §¨ng Té<br /> Trường Đại học Thủy lợi<br /> <br /> Tóm tắt: Sử dụng thùng chìm trọng lực (caisson) trong xây dựng công trình biển rất có hiệu<br /> quả, trong đó chế tạo thùng chìm ở vị trí thuận lợi rồi kéo tới vị trí cần đánh chìm, neo giữ đúng vị<br /> trí là khó khăn nhất, bởi thùng chìm luôn bị dao động do sóng, dòng, áp lực đẩy nổi thùng: nhô lên,<br /> chìm xuống, lắc lư, chòng chành và quay. Mặt khác, thùng khi chìm còn bị ảnh hưởng bởi trọng<br /> lượng, tính đàn hồi của dây neo.<br /> Cần tính toán chọn dây cáp, xích, mỏ neo chính xác để đảm bảo an toàn trong quá trình neo giữ<br /> và đánh chìm. Tuy nhiên, phải sử dụng những giả thiết đơn giản hơn hiện tượng dao động thùng<br /> chìm trong trong môi trường sóng và dòng để có những công thức tính cho thực hành.<br /> Nội dung nghiên cứu xung quanh vấn đề trên được trình bày trong bài báo này nhằm giới thiệu<br /> cùng bạn đọc, các nhà nghiên cứu và thi công thùng chìm trong xây dựng công trình biển.<br /> <br /> 1. Giới thiệu: cũng như trong bản thân xà lan…’’<br /> Thùng chìm là loại thùng khối hộp bằng bê Trong thực tế, ở những vị trí đánh chìm,<br /> tông cốt thép, được sử dụng để xây dựng đê thùng chìm chịu tác dụng của sóng, dòng nên rất<br /> chắn sóng, cảng biển, ngăn dòng trong xây dựng khó đặt nó vào đúng vị trí và bằng phẳng. Về lý<br /> công trình ở vùng triều như đập, cống ngăn thuyết tính toán neo giữ, ổn định trong quá trình<br /> mặn; và gần đây ở nước ta nghiên cứu dạng đánh chìm là khó, về công nghệ đánh chìm đòi<br /> thùng chìm có tên gọi là xà lan bê tông di động hỏi tổ chức chu đáo, phối hợp chặt chẽ các đơn<br /> thay cho cống ngăn mặn giữ ngọt xây dựng tại vị thi công.<br /> chỗ theo kiểu truyền thống. 2. Neo giữ thùng chìm.<br /> Từ năm 2004 đến năm 2007 ở tỉnh Bạc Liêu Để hạn chế thùng chìm ít bị nhô lên, chìm<br /> và Cà Mau đã xây dựng 10 cống ngăn mặn, giữ xuống, đu đưa và chệch hướng ở vị trí đánh<br /> ngọt bằng công nghệ xà lan bê tông di động, áp chìm cần phải neo gi÷ bằng hệ thống dây cáp và<br /> dụng ở những kênh, lạch triều có chiều rộng từ mỏ neo, vì thế chuyển động thùng chìm ở thời<br /> 25 - 30m, độ sâu từ 3 - 4m. điểm này là khó xác định bởi dây cáp có tính co<br /> Đề tài cấp Bộ thường xuyên (2007) [2] giãn đàn hồi do lực của sóng, dòng và áp lực<br /> “Nghiên cứu sóng dao động tức thời đến ổn đẩy nổi thùng chìm. Phương trình cơ bản<br /> định của xà lan bê tông khi đánh chìm’’ đã tổng chuyển động thùng chìm khi được neo giữ:<br /> kết: ‘‘ khi đánh chìm xà lan, hiện tượng xẩy ra d 2x dx<br /> a x 2  bx  c x  d x x  F (t )  F p (1)<br /> lúc bơm nước từ từ vào xà lan để đánh chìm, xà dt dt<br /> lan đang ở trạng thái nổi, bất thần lật nghiêng Trong đó:<br /> về một bên, góc nghiêng có khi đến 60 độ, làm F(t) - Lực tác dụng lên dây cáp theo thời gian<br /> nước tràn từ miệng vào bụng xà lan. Góc dưới F p - Lực kéo dây cáp<br /> của xà lan cắm sâu vào nền có khi hàng mÐt. d x - Hệ số đàn hồi của dây cáp, là tỷ số giữa<br /> Hiện tượng này gây nhiều khó khăn cho công<br /> lực kéo và sức kéo đứt của dây cáp.<br /> tác thi công, mặt khác nó gây ra sự dao động về<br /> a x , bx , c x - hằng số<br /> ứng suất ở nền đất yếu dưới đáy công trình<br /> <br /> <br /> <br /> 115<br />  Sơ đồ lực tác dụng lên dây cáp và mỏ neo  - Chiều dài sóng tự nhiên xa thùng<br /> như hình 1.  1 - Chiều dài sóng sát thùng chìm<br />  - Góc lệch khuynh tâm thùng chìm so với<br /> phương đứng.<br /> x- Trục hoành có gốc ở điểm giữa thùng chìm<br /> H- Chiều cao sóng, ở hai phía thùng chìm có<br /> trị số khác nhau: phía hướng sóng tới có trị số<br /> H, phía bên kia thùng có trị số H1 . Như vậy<br /> Hình 1. Sơ đồ lực dây cáp và mỏ neo tương ứng   0 và  1  0 nên 1  11 :  1<br />  w 2 2 <br /> VB <br /> 1<br /> lw  d 1    H B  (2) 1<br />  kb sin <br /> 2  2  2 2 <br /> (l  d1 ) <br />   - Góc thành bên thùng và hướng truyền sóng<br /> V A  VB  lw Lực tổng hợp theo phương ngang là:<br /> 2H B  d1 w  1 2 <br /> R arctgh  (3) 2<br />  2 H cos ( k1 x)  HD cos k1 x <br /> w  V A  VB   <br /> 1  1  (5)<br /> Trong (2) và (3): F ( x)  g  ( H 1 ) 2 cos 2 ( k1 x   1 ) <br /> 2  2 <br /> V A - Lực đứng neo giữ của mỏ neo.  H 1 D cos( k1 x   1 ) <br /> V B - Lực đứng đầu dây neo với thùng chìm.  <br />  <br /> R - Khoảng cách AB có thay đổi do co giãn cáp Khi H1=0, lực tổng hợp trên toàn bộ chiều<br /> l - Chiều dài dây cáp dài cáp (xích) được tính là:<br /> w - Trọng lượng dây cáp trên một đơn vị  1 <br /> sin( k1 L) <br /> chiều dài 1  1 2<br /> FR  gL  H (1 <br /> sin(k1 L)<br /> )  HD 2  (6)<br /> 1 <br /> 2  8 k L<br /> d1 - Khoảng cách đứng AB <br /> 1 k1 L <br /> 2 <br /> HB = HA - Lực ngang ở điểm B Khi   90  thì k1  0 và<br /> Để xác định sức giữ mỏ neo và khoảng cách<br /> 1 1H<br /> dây neo người ta xây dựng quan hệ không tuyến FR  gLHD (1  ) (7)<br /> 2 4D<br /> tính HB - R , gọi là đường đặc trưng xích. Khi HB<br /> 1<br /> và R tăng thì dH B / dR tăng, dao động dây cáp Tuy nhiên, khi   90  thì Z w1   H dọc<br /> 2<br /> càng tăng lên.Tính toán dao động này là rất phức<br /> 2 bên thành thùng thì lực lớn nhất kéo dây cáp<br /> tạp, trong thực tế cần đơn giản hóa với giả thiết:<br /> sẽ là: FR  gHDL . Lúc này moment gây chệch<br /> - Bỏ qua sự quay, nhấp nhô theo trục đứng<br /> của thùng chìm hướng sẽ là:<br /> 1<br />  L<br /> - Dao động mực nước theo phương đứng dọc 2<br /> Mz   xF ( x) dx<br /> sát bên ngoài thùng chìm: 1<br />  L (8)<br /> 2<br /> 1<br /> Z w  H cos(k1 x   ) (4)<br /> 2 1 H 2L<br />   g<br /> 8 k1<br /> <br /> A1 sin( 2 1 )  A 2 sin(  1 ) <br /> Trong đó: k1  2 , <br /> 1 <br /> 1 cos  Trong đó:<br /> 1 sin(k1 L)<br /> A1  ;<br /> 4 k1 L  cos(k1 L)<br /> 1<br /> sin k1 L<br /> 4D 2<br /> A2 <br /> H 1 1<br /> k1 L  cos k1 L<br /> Hinh 2. Sóng sát thùng chìm 2 2<br /> <br /> <br /> 116<br />  Moment lớn nhất khi: Sau đây là ví dụ tính neo giữ cho tàu thủy để<br /> dM z tham khảo khi tính tương tự cho thùng chìm:<br />  0,<br /> d Biết:   45 , H=H1=2.5m;<br />   39m ; D=10m; L=150m<br /> 1  arccos(    2  0.5 ) ,<br /> Tính:<br /> 1 A2<br /> với   1 = 55.15m ; k1 =0.114 ;  1 =3.42<br /> 8 A1<br /> 1<br /> x L<br /> 2<br /> 5 <br />    <br /> Fx  12.10 3  cos 2 (k1 x)  cos 2 (k1 x   1 )  10 cos(k1 x)  cos(k1 x   1 )  Vì: FR   F ( x)dx<br /> 8  1<br /> x L<br /> 2<br /> <br /> 5 1  sin(k1 L) sin(k1 L  2 1 )  sin(k1 L   1 )  <br />  .  L   L   <br />  8 2  k 1 2 k 1  <br />  1 1 <br /> FR  12.3.10 3   sin( k L   1<br /> )  sin(  k L   1 <br /> ) <br /> Nên:   2 sin(k1 L) 2<br /> 1<br /> 2<br /> 1  <br /> 10 k1<br /> <br /> k1<br />  <br />    <br />    <br />  12.3.10 47.681  47.675  51.59  26.04  12.3.10 .25.55( N )  314kN<br /> 3 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Hình 4. Hình 5.<br /> Đường đặc trưng ‘xích’ Các loại mỏ neo Chọn đường kính dây cáp<br /> <br /> <br /> Moment gây chệch hướng Mz = 9.36106 Nm. 3.Tổ chức đánh chìm<br /> Khi H1=0; Lúc mực nước triều cao, kéo thùng chìm vào<br /> FR = 12.3.103 47.68  51.59  1.22.10 3 kN vị trí đã định, rồi dùng các tàu kéo có mỏ neo<br /> Khi Z W1   1 H và   90  ; FR =36.8.103 kN giữ cho thùng chìm ổn định và tiến hành đánh<br /> 2 chìm. Thời điểm đánh chìm chọn lúc nước dừng<br /> Để tiện tính toán, người ta xây dựng biểu đồ (v  0) khi triều cao rút xuống hoặc triều bắt<br /> đường đặc trưng ‘xích’ HB-R. Ví dụ ở hình 3, đầu lên, chọn lưu tốc dòng nhỏ hơn 0.5 m/s.<br /> với: chiều dài dây cáp neo l = 120m, có trọng 4.Tính to¸n lực thùng ch×m va chạm với<br /> lượng 1m dài w = 1.1617 KN/m, độ sâu neo đáy nền<br /> khác nhau: d1 = 26.7, 23.9, 14.8 m. Khi đánh chìm, thùng chìm sẽ chuyển động<br /> Chọn dây cáp, dây xích, loại mỏ neo có thể theo hướng xuống đáy nền và theo chiều dòng<br /> tham khảo ở hình 3, 4, 5. chảy do tác dụng của dòng và sóng. Nếu chỉ xét<br /> <br /> <br /> 117<br /> chuyển động theo chiều thẳng đứng (thực tế Năng lượng trong khi dịch chuyển là:<br /> x<br /> thùng được neo giữ không cho trôi theo chiều 1<br /> dòng chảy) thì lực va chạm với nền được tính E e   C.x.dx  C.x 2 (11)<br /> 0<br /> 2<br /> theo sơ đồ va chạm thẳng xuyên tâm. Khi thùng<br /> Bỏ qua thế năng của thùng chìm trong trường<br /> chìm dịch chuyển, động năng:<br /> trọng lực thì Ek  Ee . Từ (9), (10), (11) tìm<br /> mv 2<br /> Ek  (9) được lực tác dụng thùng chìm lên nền:<br /> 2<br /> Trong đó: F  mC v (12)<br /> m - Khối lượng thùng chìm (kg) Độ cứng C của đất nền (N/cm) có thể xác<br /> v - Tốc độ dịch chuyển thùng chìm tại thời định: C  S . Trong đó:  là độ cứng riêng<br /> điểm khi va chạm nền (m/s). của đất,  = 30 N/cm3. S là diện tích đáy thùng<br /> Khi va chạm, động năng biến thành năng tiếp xúc với nền (cm2).<br /> lượng đàn hồi Ee. Nếu coi thùng gắn lò xo ở đầu Ví dụ: Một thùng chìm có chiều rộng B=<br /> hoặc coi nền là lò xo có độ cứng C thì: 9m, chiều dài L= 30m, khối lượng (cả gia trọng)<br /> C  F/x (10) 1188000kg , độ sâu mực nước đánh chìm là 3m,<br /> Trong đó : tốc độ chìm là 0.5 m/s. Lực tác dụng lên nền<br /> F - Lực va chạm (kN) tính theo (11) là: 49050 kN. Áp lực động đơn vị<br /> x - Khoảng dịch chuyển nhỏ từ lúc chạm nền thùng chìm lên đáy nền : 18.17N/cm2 . Áp lực<br /> đến khi kết thúc va chạm (m) tĩnh lên nền là 4.4 N/cm2.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Trường Đại học Thủy lợi. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ ‘‘Nghiên cứu tính toán thủy<br /> lực và công nghệ ngăn dòng công trình ở vùng triều’’. Chủ nhiệm: PGS.TS. Hồ Sĩ Minh<br /> [2] Viện Khoa học Thủy lợi (2007): Đề tài nghiên cứu khoa học thường xuyên ‘‘Nghiên cứu<br /> sóng dao động tức thời đến ổn định của xà lan bê tông khi đánh chìm”.Chủ nhiệm: ThS. Trần Văn<br /> Thái<br /> [3] J.C. Huis in’t Veld (1980). Closing of Tidal Basins, Lecture notes. IHE, The Netherlands.<br /> [4] J.C Huis in’t Veld and Authors (1984). The Closure of Tidal Basins . DELFT University<br /> Press .<br /> <br /> Abstract:<br /> <br /> Achoring and sinking the caissons in the construction<br /> of coastal engineering<br /> <br /> The caissons has to be built in a construction dock that is in the site satisfying the advantageous<br /> conditions and then sailing to the gap.The disadvantages of caisson placement procedure are<br /> anchorage and sinking.The problem of a moored caisson is more complicated than the problem of<br /> unrestrained caisson motion. There ara three additional periods (surge, sway and yaw) and the<br /> restoring force (elasticity and cable weight) is nonlinear. Because of the complexity of the<br /> calculation some simple cases only will be discussed in this paper.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 118<br />