Một vài suy nghĩ về vấn đề lựa chọn phương án hợp lý cho công trình biển thép móng cọc trên nền san hô

Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 172 MỘT VÀI SUY NGHĨ VỀ VẤN ĐỀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN HỢP LÝ CHO CÔNG TRÌNH BIỂN THÉP MÓNG CỌC TRÊN NỀN SAN HÔ Đinh Quang Cường Viện Xây dựng Công trình biển, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, Hà Nội Email: dqc@hn.vnn.vn Tóm tắt: Bài báo này phân tích nguyên nhân một số sự cố đã sảy ra trong quá trình xây dựng và khai thác các công trình thép móng cọc trên nền san hô (DKI) và bước đầu đưa ra các giải pháp kết cấu mới nhằm hạn chế và phòng tránh sự cố khi xây dựng và khai thác các công trình DKI. SOME THINKING ABOUT SELECTION OF APPROPRIATE OF OFFSHORE - STEEL JACKET PLAFORM ON THE CORAL BASIS Abstract: This article find the cause of several incidents have happened during the construction and exploitation of the offshore - steel jacket platform on the coral basis (DKI) and initially launched the new DKI structural measures to limit and prevent problems when building and and employ the DKI. 1. Điểm qua tình hình xây dựng các công trình DKI Cho đến nay chúng ta đã xây dựng hơn 20 công trình DKI. Hầu hết các công trình DKI đã xây dựng đều là dạng công trình thép, móng cọc, trên nền san hô. Sau khoảng 10 năm sử dụng các công trình đều bị rung lắc mạnh, có ba công trình đã bị đổ (DKI/3, DKI/5 và DKI/6), hai công trình không sử dụng được (DKI/1 và DKI/4), chỉ có duy nhất một công trình không bị rung lắc đó là DKI/10 được xây dựng năm 1994 ở bãi cạn Cà Mâu, trên nền trầm tích sa bồi. Nguyên nhân gây ra sự cố tại các công trình DKI cơ bản là: Nguyên nhân 1: Kinh nghiệm và thiết bị phục vụ thi công xây dựng công trình biển của chúng ta còn hạn chế, nhất là kỹ thuật xây dựng các công trình thép móng cọc trên nền san hô. Nguyên nhân 2: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy về nần san hô, vì vậy chưa đánh giá đúng được sự làm việc tương tác giữa cọc thép và nền san hô thông qua việc xác định hệ số ma sát giữa cọc thép và nền san hô. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 173 Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ số ma sát giữa cọc thép và nền san hô [1], [2], [3], [4]. Tác giả bài viết này hoàn toàn đồng ý rằng: khi cọc thép tiếp xúc với san hô thì chắc chắn giữa cọc và nền tồn tại một lực ma sát. Tuy nhiên, khi phân tích ảnh chụp được khi khảo sát các DKI/5 và DKI/6 đã gặp sự cố, hình 1, cho thấy chân cọc thép đã tách khỏi nền. Khe hở giữa cọc và nền khá lớn. Như vậy tại những chỗ cọc đã tách khỏi nền thì giữa cọc và nền không tiếp xúc và mất ma sát. Khi đó lực ma sát còn lại (có thể ở phần gần mũi cọc) không còn đủ khả năng thắng lực nhổ. Đây có thể là một cách lý giải cho sự cố rung lắc và dẫn đến phá hủy các công trình DKI. Hình 1, chân cọc gẫy ở DKI/6 Nguyên nhân 3: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy về điều kiện khí tượng, hải văn tại khu vực xây dựng công trình, nhất là số liệu về chiều cao sóng thiết kế. Số liệu sóng thiết kế ban đầu là 6,9m; 9m; 10,5m (1988); 14m (1990-1998). Số liệu sóng để thiết kế gia cố các công trình DKI là 15,8m. Số liệu để thiết kế mới các công trình DKI/14M và DKI/15M là 16,56m. Có thể tính lại chiều cao công trình DKI/14 theo số liệu sóng mới như sau: Độ sâu nước: d = 22,0m; Chiều cao sóng: H = 16,56m; Chiều dài sóng: L = 298,38m; Chu kỳ sóng:T = 13,83s;  H/(GT2) = 0,009; d/(GT2) = 0,012. Lý thuyết sóng phù hợp theo tiêu chuẩn API RP 2A là sử dụng lý thuyết sóng hàm dòng bậc 9 (Stream Function), hình 2. Theo yêu cầu thiết kế thì sàn công tác phải đảm bảo không bị sóng trùm lên trong điều kiện sóng cao H1% = 16,56m, vậy cao trình đáy sàn công tác có thể được tính theo công thức sau: Hsct  Hđỉnh sóng + Htriều + Hnước dâng + Htĩnh không. Trong đó: Hđỉnh sóng = 13,77m (tính theo lý thuyết sóng hàm dòng bậc 9); Htriều = 2,11m; Hnước dâng = 1,15m; Htĩnh không  1,5m (theo tiêu chuẩn DNV)  Hsct  18,53m. Khe hở giữa cọc và nền Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 174 2. Đánh giá các giải pháp gia cố các công trình DKI 2.1. Nguyên lý chung để thiết kế gia cố các công trình DKI Các công trình DKI đã xây dựng bằng thép, móng cọc hầu hết bao gồm 04 ống chính bằng thép ống. Cọc thép được đóng lồng trong các ống chính. Khi chịu lực sóng, thông thường hai cọc ở mặt đón sóng sẽ chịu nhổ, hai cọc còn lại chịu nén, hình 3a. Lực nhổ cọc, theo thiết kế sẽ được triệt tiêu nhờ lực ma sát giữa cọc và nền và trọng lượng bản thân công trình truyền xuống cọc. Tuy nhiên vì trong quá trình chịu lực sóng, ma sát giữa cọc và nền bị suy giảm (một trong những nguyên nhân là do cọc tách khỏi nền, xem hình 1) vì vậy việc thiết kế gia cố đã dựa trên nguyên tắc là đặt một khối gia tải để triệt tiêu lực nhổ thay cho lực ma sát đã bị suy giảm, hình 3b. 2.2. Đánh giá các giải pháp gia cố đã thực hiện Có ba phương án đã được thực hiện để gia cố các công trình DKI [4], đó là: -Gia tải tập trung tại chân cọc, dùng phương pháp bê tông vữa dâng để gia tải. Việc đổ bê tông vữa dâng trên biển gặp khó khăn, nhất là trong điều kiện sóng lớn, khó kiểm soát được liên kết giữa khối gia tải với các ống chính. Phương pháp này đã thực hiện ở DKI/7,2,9, có thể nói đây là một lý do đưa tới thất bại. Thất bại của phương án này đã mở ra hướng nghiên cứu phương án mở rộng khối chân đế. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 175 -Phương án mở rộng khối chân đế bằng cách gắn vào mỗi ống chính một giàn tam giác sau đó lắp ghép các khối gia tải lớn bằng bê tông đúc sẵn, bơm trám xi măng để gắn các cục gia tải với nền san hô. Tuy nhiên, do một số giải pháp kỹ thuật chưa hợp lý, việc lắp ghép khối lớn và bơm trám xi măng gặp khó khăn. Phương án này đã ứng dụng ở DKI/11,14,17. -Phương án mở rộng khối chân đế, kết hợp bơm bê tông dâng để gia tải. Phương án này đã thử nghiệm ở DKI/8,12,15, sau đó rút kinh nghiệm, ứng dụng thành công ở các công trình DKI/16,18,19,20,21 và gia cố lần hai cho các công trình DKI/7,2,9. Đây là phương án đã thể hiện nhiều ưu điểm, khắc phục được các nhược điểm ở hai phương án trước đó. Pg Ps Rk Rn Qgt Qgt N = R -Qk k gt N = R +Qn n gt Pg Ps Rk Rn Hình 3: Nguyên lý chung để tính toán thiết kế gia cố các DKI cũ bị rung lắc Với: Ps: Lực ngang do sóng; Pg: Lực ngang do gió; Rk: Lực nhổ; Rn: Lực nén; Qgt: Trọng lượng dằn 3. Đánh giá các giải pháp công trình DKI mới Năm 2010-2011 đã tiến hành xây dựng mới hai công trình DKI (DKI/14M và DKI/15M). Các công trình DKI mới được xây dựng trên cơ sở rút kinh nghiệm từ việc gia cố thành công các công trình DKI cũ theo phương án mở rộng khối chân đế, các khối gia tải gắn với khối chân đế thông qua các kết cấu mở rộng để chịu nhổ. Các cọc thép đóng vào nền san hô để chịu nén. Liên kết các khối gia tải với nền bằng bê tông dâng. Việc ứng dụng các giải pháp gia cố đã thực hiện thành công cho các DKI cũ và phát triển để xây dựng các DKI mới là một cách làm đúng đắn và khả thi. Các DKI mới với quy mô lớn hơn các DKI cũ, khối chân đế mới bao gồm 06 chân. Hình 4 mang tính minh họa về nguyên lý cho các DKI mới. Hình 4, Mô tả dạng công trình DKI mới xây dựng Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 176 4. Đề xuất các giải pháp công trình DKI mới Để thi công các công trình DKI/14M và DKI/15M phải dùng đến các thiết bị chuyên dụng, có công suất lớn. Đây cũng là một khó khăn đôi khi ảnh hưởng đến tính chủ động trong việc xây dựng các công trình DKI mới. Dưới đây đề xuất một số phương án công trình theo nguyên lý đã phân tích ở mục 2 của bài viết này, với mong muốn sẽ chủ động hơn trong việc xây dựng công trình. 4.1. Đề xuât phương án công trình DKI cho vùng nước nông Độ sâu nước tại các bãi san hô ngầm: Ba Kè, Phúc Tần, Huyền Trân, Quế Đường đều không vượt quá 15m (độ sâu nước tại DKI/4 là 07m; tại DKI/3 là 11m). Tại vùng nước nông, nếu ứng dụng các giải pháp thùng chìm để chế tạo các đế móng dạng đảo nổi, sau đó lắp ghép khối chân đế và thượng tầng bằng thép lên đế móng là một giải pháp cần được xem xét, nghiên cứu, nếu có những ưu điểm thì có thể ứng dụng. Tác giả bài viết này đã tính toán và xây dựng phương án kết cấu công trình DKI cho vùng nước sâu đến 15m, hình 5. -1 m 12000 6000 12000 30000 10 00 18 00 0 10 00 13 00 0 10 00 28 00 45 00 15 00 19 00 0 15 00 0 88 00 30000 + 40.5 m + 35.5 m + 32m + 18 m + 15 m 0 m 42 50 0 12000 6000 12000 30000 30000 9000 12000 9000 10 00 18 00 0 19 00 0 Các thông số chính của công trình: - Đường kính 01 trụ đế: 12m - Chiều cao trụ đế:18m - Tổng chiều cao chân đế:32m - Chiều dầy thành trụ đế:350mm - Trọng lượng 01 trụ đế:920 tấn - Trọng lượng công trình:3260 tấn - Trọng lượng dằn:1740 tấn - Tổng trọng lượng công trình:5000 tấn - Vật liệu dằn:Đá hộc - Vật liệu bơm trám: Bê tông dâng Hình 5, Đề xuất dạngcông trình DKI cho vùng nước nông, đến 15 m nước a) Mặt đứng; b) Khối đế; c) Sơ đồ tính kết cấu a) b) Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 177 4.2. Tính toán kiểm tra 4.2.1. Kiểm tra điều kiện lật[5]: Điều kiện đảm bảo: Mgi÷  kl MlËt (1) Với: Mgiữ=24652.2 Tm ; Mlật=7729,2 Tm; Hệ số an toàn kl =3,19>[kl] = 1,5 4.2.2. Kiểm tra điều kiện trượt [6]: Điều kiện đảm bảo:fu  kt (2) Với fu là cường độ chống trượt tới hạn [6]; fu = 20,98 T/m2;  là ứng suất tiếp đáy móng:  = 6,96 T/m2 01,3 96,6 98.20   u t f k >[kt] =1,2 4.2.3. Kiểm tra nền móng công trình [5]: Điều kiện đảm bảo: k qPBa u 2;6 (3) Trong đó: a là kích thước vùng chịu kéo (nếu có của đế móng); B là chiều rộng của đế móng; P2 là ứng suất lớn nhất tại mép của đế móng; qu là khả năng chịu tải cho phép của nền; k là hệ số an toàn lấy theo quy phạm. Kết quả tính toán kiểm tra cho thấy, với các thông số hình học nêu trên của công trình, điều kiện (3) được đảm bảo. Vì khuôn khổ bài báo có hạn nên trên đây không đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật đã tính toán kiểm tra nền, tuy nhiên trên thực tế san hô chịu nén khá cao. Ưu điểm chính của giải pháp công trình dạng thùng chìm (hình 5) là độ ổn định của công trình khá cao, thi công đơn giản không phụ thuộc vào các thiết bị chuyên dụng.Vật liệu dằn là vật liệu thông thường (đá hộc, cát hoặc phế thải rắn). 4.3. Đề xuât phương án công trình vùng nước sâu, không dùng giải pháp lắp các khối gia trọng kích thước lớn Các thông số chính của công trình cho độ sâu 22 mét nước, thượng tầng 30 người ở như sau: Chiều cao khối chân đế: 38,5m; Kích thước mặt cắt ngang trên cùng: 16m x 16m; Kích thước khối đế kết hợp với khay chứa các khối gia tải: 28m x 28m; Kích thước các ống chính: Ф864x23,8; Kích thước ống nhánh điển hình: Ф610x15,9; Lực nhổ lớn nhất tại chân chịu nhổ: 217 tấn; Lực nén lớn nhất tại chân chịu nén: 301 tấn; Gia tải tại một chân chịu nhổ Qgt =330 tấn; Trọng lượng khối chân đế: 555 tấn; Trọng lượng khối thượng tầng: 350 tấn; Trọng lượng bê tông bơm trong bốn ống chính: 140 tấn; Tổng trọng lượng gia tải: 330x4=1320 tấn; Tổng trọng lượng công trình (kể cả khối gia tải) theo thiết kế sơ bộ là 2365 tấn. Dạng công trình thép móng cọc trên nền san hô đề xuất trên hình 6 là một dạng công trình tự thích ứng với tải trọng sóng. Cọc thép chỉ chịu nén, lực nhổ được triệt tiêu bằng trọng lượng của các khối gia tải. Các khối gia tải được treo sẵn vào các ống chính của khối chân đế, không thông qua một hệ thống giàn tam giác. Sự cân bằng giữa lực nhổ và khối gia tải là trực tiếp, không hao tổn vì biến dạng của giàn tam giác (biến dạng của giàn tam giác sẽ làm giảm độ nhậy của quá trình tự thích ứng). Khối gia tải có thể là các khối bê tông lớn (có trọng lượng mỗi khối hàng chục tấn) xếp lên khay đỡ, hoặc là vật liệu rời (đá hộc), hoặc phế thải rắn, hoặc bằng bê tông bơm dâng tại chỗ. Tương ứng với các dạng gia tải khay được cấu tạo dạng sàn thép ống, kết hợp sàn thép ống với thép tấm có khoét lỗ hoặc thép tấm kín dạng cốt pha treo. Việc thi công lắp ghép các khối gia tải hoặc đổ bê tông gia tải vào hệ thống cốt pha kín hoàn toàn kiểm soát được chất lượng. Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 178 Ưu điểm chính của giải pháp công trình dùng khối gia tải treo là dễ thi công, cách gia tải dễ dàng, vật liệu gia tải thông dụng, đa dạng. Khối gia tải (trong trạng thái thi công) không nằm trực tiếp trên nền san hô, vì vậy không cần san nền. Nhược điểm chính của giải pháp công trình dùng khối gia tải treo là khối gia tải làm gia tăng lực nén lên cọc làm cho cọc chịu nén khá lớn.Việc treo khối gia tải nâng cao trọng tâm công trình. Có thể khắc phục sự gia tăng tải trọng lên cọc và gia tăng khả năng ổn định cho móng “treo” bằng cách tạo các liên kết tiếp đất cho khối gia tải bằng nguyên lý “bó đũa”, tức là tạo các liên kết chống dạng thanh tự thay đổi độ dài theo sự mấp mô của nền san hô. Hình 6, Đề xuất dạngcông trình DKI cho vùng nước sâu trên 15m a) Mặt đứng; b) Mặt bằng; c) Khối đế; d) Sơ đồ tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn 5. Kết luận Các giải pháp mới cho các công trình DKI trên nền san hô nêu trên hình 5 và hình 6 của bài báo này dựa trên những số liệu thực tế thu thập được trong quá trình thiết kế, xây dựng và gia cố các công trình DKI. Đây là các ý tưởng công trình cần thiết được tham khảo và thảo luận.