Giải pháp kết cấu và biện pháp thi công đê biển Vũng Tàu-Gò Công bằng công nghệ thùng chìm

Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã đề xuất ý tưởng xây dựng Tuyến đê biển từ Vũng Tàu đến Gò Công nhằm giải quyết triệt để các vấn đề lũ, úng ngập, xâm nhập mặn, thiếu nước ngọt cho thành phố Hồ chí Minh, vùng Đồng Tháp Mười và các khu vực lân cận. Bên cạnh những vấn đề quan trọng khác như môi trường hệ sinh thái, giao thông thủy v...v giải pháp kết cấu và biện pháp xây dựng đê biển là một trong những vấn đề lớn cần được phân tích, nghiên cứu một cách thận trọng làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp kỹ thuật cho dự án. Bài viết giới thiệu công nghệ thùng chìm, một trong nhiều giải pháp kết cấu có thể xem xét, áp dụng cho tuyến đê biển này.

I. DỰ ÁN ĐÊ BIỂN VŨNG TÀU - GÒ CÔNG

Để giải quyết tình trạng ngập lụt do triều cường, lũ và mưa lớn đang diễn ra ngày càng trầm trọng tại Tp Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận, đồng thời giải quyết tình trạng hạn hán, xâm nhập mặn, thiếu nước ngọt trong mùa khô, lũ lụt trong mùa mưa cho vùng Đồng Tháp Mười, khắc phục những hạn chế mà các chương trình, dự án khác đang gặp phải, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã đề xuất ý tưởng xây dựng tuyến đê biển từ Vũng Tàu đến Gò Công.

Theo tính toán sơ bộ, tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công (VT - GC) sẽ giải quyết được các vấn đề trên cho hơn 1 triệu ha vùng trũng thấp của khu vực giai đoạn trước mắt cũng như lâu dài trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Công trình sẽ đem lại hiệu ích tổng hợp cho phát triển kinh tế - xã hội trong vùng và miền Tây Nam Bộ, sẽ làm thay đổi diện mạo khu vực. Công trình gồm nhiều hạng mục như đê biển, cống kiểm soát triều, âu thuyền, cầu giao thông… [1]

Tổng thể đê biển Vũng Tàu - Gò Công (dự kiến) [1]

II. MỘT SỐ LOẠI HÌNH KẾT CẤU ĐÊ BIỂN HIỆN NAY

Cho đến nay, nhiều nước trên thế giới đã và đang xây dựng những tuyến đê biển có quy mô và nhiệm vụ tổng hợp như: Đê biển Afsluitdijk - Hà Lan, NamPho - Triều Tiên, Saemangeum - Hàn Quốc, St. Peterburg - Nga, New Orleans - Mỹ .v.v. Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu chỉ có hệ thống đê ven bờ biển hoặc đê quai lấn biển.

- Đê biển có kết cấu dạng mái nghiêng bằng vật liệu đất đá hỗn hợp: Đây là dạng kết cấu truyền thống, tận dụng vật liệu tự nhiên, thiết bị và biện pháp thi công khá đơn giản, đã có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và thi công. Tuy nhiên, đê biển dạng này thường có kích thước mặt cắt ngang lớn, tốn nhiều vật liệu, thời gian thi công dài, gây ô nhiễm môi trường và rủi ro trong quá trình thi công cao.

Kết cấu đê biển mái nghiêng bằng đất đá hỗn hợp

- Đê biển có kết cấu dạng tường cừ: Đây là dạng kết cấu mới có cấu tạo từ hệ cọc ống Bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp với cọc xiên chịu lực. Dạng kết cấu này đã được ứng dụng trong dự án đê biển New Orlearns - Mỹ.

Kết cấu đê biển dạng tường cừ kết hợp với cọc xiên chịu lực

Đây là một giải pháp tương đối gọn nhẹ, phù hợp với những vùng có địa chất yếu. Tuy nhiên nhược điểm của loại kết cấu này là biện pháp thi công phức tạp, đòi hỏi một số thiết bị thi công đặc chủng, khó kết hợp đường giao thông, giá thành rất đắt.

III. CÔNG NGHỆ THÙNG CHÌM

Thùng chìm là một pôngtông có kết cấu dạng hộp phao rỗng bằng bê tông cốt thép dạng tường bản mỏng, bên trong được chia thành nhiều khoang rỗng bởi hệ thống vách ngăn nên có trọng lượng nhẹ, có thể nổi và di chuyển trên mặt nước. Thùng chìm thường được chế tạo sẵn ở trên bờ hoặc trên các ụ nổi sau đó được làm nổi (hạ thủy), lai dắt đến vị trí công trình và đánh chìm xuống nền đã được chuẩn bị sẵn, cuối cùng các thùng chìm được lấp đầy bởi bê tông hoặc cuội sỏi và cát, đá dăm.

Công nghệ này đã và đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực cảng hàng hải đặc biệt là xây dựng đê chắn sóng với ưu điểm nổi bật là kết cấu gọn nhẹ, giảm khối lượng vật liệu xây dựng như đất, cát, đá... từ đó giảm giá thành công trình. Ngoài ra, nó còn có một số ưu điểm khác như: Thời gian thi công nhanh, ít tác động đến môi trường trong thời gian xây dựng và ít phải bảo trì hơn so với các loại khác.

W.H. Tutuarima và K. d’Angremond trong “Cost comparison of Breakwater types” đã tổng hợp, phân tích và so sánh giá thành xây dựng của nhiều loại đê chắn sóng tương ứng với nhiều chiều sâu khác nhau và đưa ra kết luận đê chắn sóng bằng thùng chìm thực sự có hiệu quả khi chiều sâu nền móng trong khoảng từ 8 - 20m [8].

Mặc dù có nhiều ưu điểm nổi bật như vậy nhưng cho đến nay công nghệ thùng chìm vẫn chưa được nghiên cứu, ứng dụng trong thiết kế và xây dựng đê biển ở ngoài khơi.

Qua phân tích trên thấy rằng, hoàn toàn có thể tận dụng những ưu điểm vượt trội của công nghệ thùng chìm, trên cơ sở mục tiêu, nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và các điều kiện xây dựng của đê biển VT - GC đề xuất giải pháp kết cấu và biện pháp thi công hợp lý cho tuyến đê bằng công nghệ này.

IV. GIẢI PHÁP KẾT CẤU ĐÊ BIỂN VT - GC BẰNG CÔNG NGHỆ THÙNG CHÌM

Không giống như đê chắn sóng (không có chênh lệch mực nước giữa bên trong và bên ngoài nên đê chỉ chịu tác động bởi sóng, gió, công trình không có yêu cầu về chống thấm và thường không có yêu cầu kết hợp với giao thông). Đê biển VT - GC luôn có chênh lệch mực nước giữa trong và ngoài đê nên ngoài áp lực sóng, gió đê còn phải chịu áp lực thủy tĩnh và áp lực thấm đẩy ngược do chênh lệch cột nước. Ngoài ra, do trên đỉnh có đường giao thông phía trên nên đê còn phải chịu thêm các hoạt tải do phương tiện giao thông gây ra đồng thời, vì vậy yêu cầu kỹ thuật đối với kết cấu đê cũng đòi hỏi cao hơn so với đê chắn sóng.

Để đáp ứng được các yêu cầu trên, kích thước và kết cấu của đê cần thỏa mãn các điều kiện sau:

+ Kích thước mặt cắt ngang đê phải đủ để bố trí đường giao thông và các kết cấu phụ trợ như: lan can, lề đi bộ, làn dừng xe khẩn cấp, tường chắn, buồng tiêu sóng...

+ Kết cấu của đê đảm bảo điều kiện ổn định về thấm, bao gồm thấm dưới nền đê và thấm qua khớp nối giữa các thùng chìm.

+ Kích thước và kết cấu đê đảm bảo điều kiện ổn định trượt, lật dưới tác dụng của áp lực nước, áp lực do sóng, gió...

+ Để đảm bảo yêu cầu đối với đường giao thông phía trên, độ chênh lún phải được khống chế trong phạm vi cho phép.

Qua nghiên cứu, phân tích các điều kiện cơ bản nêu trên, chúng tôi đề xuất giải pháp kết cấu đê biển VT-GC như sau:

4.1. Thân đê

Kết cấu chính của thân đê là thùng chìm bê tông cốt thép. Các thùng này được chế tạo sẵn ở nơi khác sau đó làm nổi, lai dắt đến vị trí công trình và định vị, đánh chìm xuống nền đã được chuẩn bị sẵn.

Sau khi đánh chìm và căn chỉnh đúng vị trí, để tăng khả năng ổn định của đê các khoang của thùng sẽ được lấp đầy bởi cát, dăm sỏi hoặc bê tông. Với điều kiện của đê biển VT – GC có thể lựa chọn vật liệu cát được khai thác ngay tại sông Soài Rạp, Lòng Tàu hay sông Đồng Nai.

Đỉnh thùng chìm (cũng là nền đường) được đổ bê tông cốt thép và cuối cùng là kết cấu mặt đường giao thông. Tường chắn sóng được bố trí dọc theo tuyến đê để giảm bớt chiều cao của thùng chìm, giảm kinh phí xây dựng.

Kết cấu đê biển VT-GC bằng Thùng chìm

4.2. Nền đê

Do địa chất nền đê là lớp bùn sét yếu nên để đảm bảo độ lún và chênh lệch lún không ảnh hưởng đến đường giao thông, đồng thời tăng khả năng ổn định trượt, lật của công trình, nền đê cần được gia cố trước khi lắp đặt các thùng chìm. Biện pháp gia cố có thể là cải tạo nền (jet-grouting, cọc cát) hoặc bằng cọc (cọc khoan nhồi, cọc ống thép).

Liên kết thân đê với nền bằng bê tông đổ trong nước để đảm bảo điều kiện ổn định thấm dưới đáy công trình. [3]

4.3. Gia cố chân đê

Để đảm bảo chân đê không bị xói do tác động của sóng biển và dòng chảy cần có kết cấu bảo vệ. Kết cấu này có thể là khối đá đổ trong nước dạng tầng lọc ngược. Trên mặt là các tảng đá hộc hoặc các khối bê tông có trọng lượng lớn đảm bảo không bị phá hủy bởi sóng.

4.4. Kết cấu thùng chìm

Các kích thước cơ bản của thùng chìm được xác định như sau:

Chiều rộng (Bc): chiều rộng thùng chìm được xác định sơ bộ theo chiều rộng mặt đê (điều kiện bố trí đường giao thông và các kết cấu khác như tường chắn sóng...) nhưng phải đảm bảo các yêu cầu về ổn định thấm, ổn định trượt, lật cho công trình.

Chiều dài (Lc): Chiều dài (Lc) của thùng chìm Bê tông cốt thép được xác định chủ yếu dựa vào kích thước cho phép của các bể đúc, ngoài ra để đề phòng việc thi công lớp đệm hố móng không tốt.

Chọn sơ bộ theo Yosimi Goda trong cuốn “Random seas and Design of Maritime Structures”, chiều dài thùng chìm nằm trong khoảng từ 0,5 đến 2 lần chiều rộng [7]. Trong khi đó, Viện nghiên cứu biển Hà Lan (MARIN) chỉ ra rằng tỷ số chiều dài/chiều rộng bằng 3/1 là có lợi về mặt thủy lực khi di chuyển.

Đê biển VT - GC có chiều dài rất lớn (gần 30km), nên số lượng thùng chìm khá nhiều, phải đúc ở nhiều vị trí khác nhau nên tùy theo điều kiện cụ thể ở từng bãi đúc khi thiết kế để lựa chọn chiều dài thùng chìm hợp lý với tỷ số Lc/Bc từ 1,5/1 -:- 3/1.

Chiều cao (Hc): Được xác định bằng cao trình đỉnh đê trừ đi chiều cao tường chắn sóng, chiều dày tấm nắp và cao trình đáy. Chiều cao này sẽ thay đổi tùy vào vị trí của từng đoạn đê.

Bố trí các khoang và tường vách: Theo kinh nghiệm thiết kế thùng chìm trong xây dựng tường chắn sóng, kích thước tối đa của các khoang thường được thiết kế không lớn hơn 5m. Chiều dày các tường vách ngoài thường từ 40 – 50cm, các vách ngăn phía trong 20-30cm. Chiều dày bản đáy thường từ 50-70cm [7].

Dựa trên quy mô, tầm quan trọng của công trình kiến nghị kích thước thùng chìm như sau

- Chiều rộng (Bc) : 30m ;

- Chiều dài (Lc) : 60m;

- Chiều cao (Hc) : tùy thuộc chiều sâu từng đoạn đê.

- Chiều rộng các khoang ≤ 5m ;

- Chiều dày tường bao ngoàn : 60cm ;

- Chiều dày các vách ngăn : 40cm ;

- Chiều dày bản đáy : 100cm.

Sau đó, toàn bộ các chi tiết kết cấu thùng chìm sẽ được kiểm tra theo điều kiện ổn định nổi cũng như các trường hợp làm việc bất lợi của công trình.

Mặt bằng thùng chìm

Mô hình kết cấu thùng chìm

V. BIỆN PHÁP THI CÔNG ĐÊ BIỂN VT - GC BẰNG CÔNG NGHỆ THÙNG CHÌM

5.1. Thi công nền móng

Thi công nền móng công trình bao gồm: Đào, nạo vét hố móng, gia cố nền, làm phẳng đáy hố móng.

Việc đào, nạo vét và gia cố nền công trình được thực hiện theo các biện pháp và thiết bị thông thường hiện nay.

Làm phẳng hố móng: Việc làm phẳng hố móng nhằm đảm bảo cho thùng khi chìm xuống đặt nên nền được cân bằng và ổn định. Có thể dụng phương pháp làm bằng mặt (san, gạt phẳng đáy hố móng) hoặc làm bằng điểm (hệ thống cọc định vị cao độ, các túi grout-bag).

5.2. Chế tạo thùng chìm

Việc chế tạo thùng chìm có thể được thực hiện trong các hố móng khô, ụ tàu khô ở gần đường dẫn, trên các ụ nổi hoặc trên hệ đường triền. Với số lượng thùng chìm rất lớn thì cần phải kết hợp tất cả các phương án trên đặc biệt cần phải tận dụng

những ụ nổi, ụ khô trong các cảng, nhà máy đóng tàu xung quanh khu vực xây dựng công trình để giảm chi phí.

5.3. Hạ thủy, lai dắt thùng chìm

Phương pháp hạ thủy phụ thuộc vào biện pháp chế tạo như: bơm nước vào hồ móng làm nổi thùng khi chế tạo trong hố móng (ụ khô), làm chìm ụ nổi để thùng tự nổi rồi dắt ra khi đúc trên ụ nổi hoặc hạ bằng hệ đường ray đối với biện pháp đúc trên đường triền [4].

Thùng chìm sau khi hạ thủy sẽ được lai dắt đến vị trí tập kết. Có thể sử dụng biện pháp lai áp mạn, đẩy hoặc vừa kéo vừa đẩy [4].

5.4. Định vị, đánh đắm thùng chìm

Sau khi được di chuyển đến vị trí tập kết, lựa chọn thời điểm thuận lợi (về dòng chảy, mực nước.v.v..) các thùng chìm sẽ được đưa đến hiện trường lắp đặt để hạ chìm.

Do trong quá trình định vị, hạ chìm thùng luôn bị tác động bởi sóng, gió, dòng chảy nên cần phải được neo giữ và định vị chắc chắn bằng hệ thống cáp neo, tời, pully... Ngoài ra, để đạt được độ chính xác theo yêu cầu, cần phải kết hợp hệ thống neo giữ với nhiều thiết bị khác để dẫn hướng, điều chỉnh trong quá trình hạ chìm thùng xuống nền như: gờ dẫn hướng, kích, gối kê...

Khi đáy thùng cách đáy móng khoảng 0,5-0,1m tiến hành điều chỉnh hệ thống cáp neo thông qua hệ thống Pully, tời để định vị thùng. Sau đó mở van hoặc bơm nước vào các khoang để thùng hạ xuống, trong quá trình đó vẫn tiếp tục điều chỉnh cáp neo để căn chỉnh vị trí thùng.

Sau khi thùng hạ xuống nền, tiếp tục bơm nước vào các khoang cho đến khi trọng lượng thùng lớn hơn lực đẩy nổi khoảng 10%÷15% thì dừng lại và tiến hành đo đạc kiểm tra độ lệch, chiều rộng khe lún, nếu không đạt yêu cầu thì hút nước cho thùng nổi lên và căn chỉnh lại. [4]

5.5. Thi công khối gia cố chân đê

Tiến hành trải một lớp vải địa kỹ thuật dưới nền ở cả phía biển và phía bờ, vải địa kỹ thuật được cuốn lên và được neo lên mặt vách ngoài của thùng chìm sau đó mới tiến hành đổ đá khối gia cố chân đê.

Đá được khai thác tại các mỏ xung quanh khu vực xây dựng công trình và được vận chuyển, tập kết tại công trường. Sau đó được chuyển tiếp lên xà lan để vận chuyển đến vị trí thả. Sử dụng xà lan tự đổ (xà lan mở đáy, mở thành...) cho những loại vật liệu có kích thước và trọng lượng nhỏ. Với vật liệu lớn hơn như đá hộc lớn hoặc khối bê tông cần phải sử dụng tổ hợp cẩu và xà lan.

5.6. Liên kết các thùng với nhau và với nền

Biện pháp để liên kết giữa thùng chìm với nền là phun vữa hoặc đổ bê tông tự đầm xuống điền đầy khoảng trống giữa đáy thùng và mặt nền. Điều kiện là khoảng không gian này phải tương đối kín để có thể kiểm soát được lượng bê tông bơm xuống đồng thời bê tông này sẽ không bị dòng chảy cuốn trôi. Vì vậy, trước khi bơm bê tông liên kết khu vực mép thượng, hạ lưu của thùng chìm sẽ được làm kín trước.

Bơm bê tông liên kết thùng với nền

Bê tông tự đầm được bơm liên tục xuống dưới đáy các thùng chìm thông qua hệ thống ống đổ đã lắp đặt sẵn trong các khoang của mỗi thùng.

Khe hở giữa các thùng chìm được tận dụng làm khe lún. Kết cấu khớp nối bao gồm các gờ dẫn hướng (1) bằng bê tông cốt thép liền khối với thùng chìm. Các gờ đặt ở thượng, hạ lưu và thẳng từ đáy lên đến đỉnh tại mặt ngoài hai đầu thùng. Dọc mặt bên của gờ có lắp cao su omega (2) để kín nước.

Khoảng trống giữa hai gờ dẫn hướng thượng hạ lưu được điền đầy bằng một loại vật liệu chống thấm (3) có khả năng đàn hồi tốt và thi công được ở dưới nước như: Bê tông tự đầm, bê tông nhựa đường, hỗn hợp betonite hoặc hợp chất polyurethane mật độ cao.

5.7. Lấp đầy các khoang hầm

Sau khi lắp đặt và hoàn thành công tác liên kết đáy thùng với nền, các khoang thùng chìm sẽ được lấp đầy bằng cát. Cát được khai thác và vận chuyển đến vị trí công trình bằng xà lan sau đó bơm vào các ô thùng. Lưu ý khi lấp cần lấp đều, chênh cao giữa 2 ô thùng kề nhau nên khống chế dưới 1m để tránh gây nứt các tường ngăn [4].

5.8. Thi công nắp đậy, tường chắn sóng, mặt đường, hoàn thiện công trình

Kết cấu phần trên bao gồm: tấm nắp (nền đường), tường chắn sóng, đường giao thông được thi công theo các phương pháp thông thường sau khi hoàn thiện các công việc dưới nước và các thùng chìm đã lún ổn định.

Do toàn bộ việc thi công được thực hiện dưới nước ở ngoài biển nên chịu tác động của nhiều yếu tố môi trường như sóng, gió, dòng chảy…Trong nghiên cứu này mới tập trung xem xét đối với trường hợp thi công trong điều kiện bình thường. Những trường hợp bất thường như sóng lớn, bão cần được nghiên cứu kỹ hơn trong các giai đoạn tiếp theo.

VI. KẾT LUẬN

Công nghệ thùng chìm có nhiều ưu điểm nổi bật so với dạng đê truyền thống, hiện đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng đê chắn sóng ở các nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam.

Với điều kiện xây dựng đê biển Vũng Tàu - Gò Công thì kết cấu đê biển dạng thùng chìm là giải pháp có tính khả thi cao. Tuy nhiên, với quy mô phức tạp và tính chất thi công hoàn toàn mới mẻ thì việc áp dụng cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng, cách cụ thể hơn.

Phạm vi bài viết này chỉ giới thiệu về mặt kết cấu và giải pháp thi công. Vấn đề tính toán ổn định, kết cấu cũng như khối lượng và giá thành sẽ được trình bày trong các tài liệu khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam - Báo cáo Quy hoạch Đê biển Vũng Tàu - Gò Công, 12/2011.

[2]. Trần Đình Hòa và nnk, Báo cáo chuyên đề, đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu kết cấu công trình và giải pháp xây dựng tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công”, Hà Nội năm 2012, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.

[3]. Trần Đình Hoà, Trương Đình Dụ, Thái Quốc Hiền, ThS. Trần Văn Thái, KS. Vũ Tiến Thư “Công trình ngăn sông lớn vùng ven biển”, NXB Nông nghiệp, Hà Nội 2008.

[4]. Hồ Ngọc Luyện, Lương Phương Hậu, Nguyễn Văn Phúc - Kỹ Thuật Thi công công trình cảng – Đường thủy. NXB Xây Dựng, 2003.

[5]. Phạm Văn Giáp, Nguyễn Hữu Đẩu, Nguyễn Ngọc Huệ, Đinh Đình Trường - Bể cảng và Đê chắn sóng. NXB Xây dựng. Hà nội 2000.

[6]. Shigeo Takahashi – Design of Vertical Breakwaters, 2001.

[7]. Yoshimi Goda – Random seas and Design of Maritime Structures, 3rd Edition.

[8]. W.H. Tutuarima, K.d’ Agremond – Cost comparison of Breakwater types.

Tác giả: PGS.TS. Trần Đình Hòa; KS. Vũ Tiến Thư
 Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi