Phương pháp luận trong thiết kế

PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH (Ứng dụng cho công trình bảo vệ bờ và hệ thống phòng chống lũ) TS. Mai Văn Công Trường Đại học Thủy lợi Delft 2004 Hà Nội 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BIỂN PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH (Ứng dụng cho công trình bảo vệ bờ và hệ thống phòng chống lũ) TS. Mai Văn Công Trường Đại học Thủy lợi (in lần thứ nhất) Mã hiệu giáo trình: HWRU/CE-D01-04 Mục lục Lời cảm ơn vii 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Khái niệm chung về thuật ngữ thiết kế 1 1.2 Khái niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy 2 1.3 Kết cấu giáo trình 3 2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 5 2.1 Thực tế thiết kế 5 2.2 Mô tả chi tiết vùng dự án 5 2.2.1 Mối liên quan với khách hàng (chủ đầu tư) 5 2.2.2 Kết quả mang tính duy nhất 6 2.2.3 Tuổi thọ công trình dài 6 2.2.4 Đặc tính “thủ công” 6 2.2.5 Liên quan số lượng lớn các bên tham gia 6 2.2.6 Thực hiện công việc dưới các mức độ quy mô khác nhau 6 2.2.7 Tính tự do trong thiết kế bị hạn chế 6 2.2.8 Sản phẩm tại một địa điểm cụ thể 7 2.2.9 Công nghệ 7 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế/thiết kế phí 7 2.2.11 Tính chuyên nghiệp/ độ lành nghề 7 2.3 Chu trình thiết kế 7 2.4 Các giai đoạn thiết kế 9 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế 10 2.6 Các khía cạnh khác liên quan đến thiết kế 11 2.7 Thiết kể tổng thể 14 2.8 Các bước đặc trưng trong thiết kế 14 2.8.1 Thiết kế ý tưởng 14 2.8.2 Thiết kế sơ bộ 15 2.8.3 Thiết kế chi tiết 15 2.8.4 Thi công công trình 15 i 2.8.5 Vận hành và bảo dưỡng công trình 15 3. CHI TIẾT QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 17 3.1 Nhận biết vấn đề 17 3.2 Xác định các điều kiện biên và ràng buộc trong thiết kế 17 3.2.1 Chính sách quy hoạch, phân tích chính sách 18 3.2.2 Rủi ro chập nhận được 19 3.3 Phân tích chức năng 23 3.4 Đề xuất các phương án so sánh 25 3.4.1 Đánh giá tác động môi trường 25 3.4.2 26 Khả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu 3.4.3 Các quá trình thủy lực và địa kỹ thuật 27 3.4.4 Các phương án thiết kế công trình 27 3.4.5 Những vấn đề thi công 28 3.4.6 Những vấn đề quản lý bảo dưỡng 29 3.5 Đánh giá, so sánh và lựa chọn giải pháp 30 3.5.1 Phân tích đa tiêu chí (MCE) 31 3.5.2 Phân tích chi phí-lợi nhuận (BCA) 32 3.6 Thiết kế cuối cùng và thiêt kế chi tiết 33 3.6.1 Các điều kiện trạng thái giới hạn 34 3.7 Đánh giá các chi phí 36 3.7.1 Tính toán những chi phí sửa chữa 38 3.7.2 Những chi phí tương đối trong xây dựng đập phá sóng bằng vật liệu đá 39 3.8 Đảm bảo chất lượng 40 3.9 Kiểm soát chất lượng 42 4. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ 45 4.1 Nhìn nhận thế nào về công tác bảo vệ bờ 45 4.1.1 Khi nào cần phải bảo vệ bờ 45 4.1.2 Thiết kế các giải pháp bảo vệ bờ 47 4.1.3 Khoa học và thực nghiệm 48 4.2 Giải quyết vấn đề bảo vệ bờ như thế nào? ii 49 4.2.1 Các yếu tố liên quan gây nên hiện tượng xói lở 49 4.2.2 Hư hỏng và sơ đồ cây sự cố 51 4.2.3 Tải trọng và cường độ 54 4.3 Các phương pháp bảo vệ bờ phổ dụng 58 4.4 Những cân nhắc cần thiết trong thiết kế 64 4.4.1 Những cân nhắc chung trong thiết kế 64 4.4.2 Phương pháp luận và công cụ 66 4.5 Tóm tắt quy trình thiết kế công trình biển 69 4.5.1 Nhận biết vấn đề và đề xuất phương án 70 4.5.2 Lựa chọn phương án 72 4.6 Các nguyên tắc kiểm nghiệm trong quá trình thiết kế 72 4.7 Nghiên cứu thực tế: Đánh giá các giải pháp bảo vệ bờ tại Nam Định 73 4.7.1 Đặt vấn đề cho trường hợp bờ biển Nam Định 73 4.7.2 Các biện pháp phòng chống 75 4.7.3 Đánh giá các giải pháp và lựa chọn 81 5. CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐÁ CÓ VỐN ĐẦU TƯ THẤP 86 5.1 Giới thiệu chung về công trình sử dụng vật liệu đá có vốn đầu tư thấp 86 5.1.1 Khái quát chung 86 5.1.2 Cơ sở xây dựng các công sử dụng vật liệu đá có giá thành thấp 87 5.2 Luận cứ chung trong việc ứng dụng các công trình đá có vốn đầu tư thấp 91 5.2.1. Giảm bớt vật liệu 91 5.2.2. Tính thích nghi 92 5.2.3. Xây dựng hiệu quả hơn 94 5.2.4. Tận dụng vật liệu đá có giá thành hạ 95 5.2.5. Hạn chế tối thiểu công tác đào đất 95 5.3. Thiết kế và đánh giá 96 5.3.1. Những yêu cầu trong quá trình hoạt động của công trình và sơ đồ tổng thể 96 5.3.2. Sự hư hỏng của công trình và tính thích nghi 97 5.3.3. Các tác động môi trường 97 5.3.4. Về mặt an toàn xây dựng 98 5.4. Hiểu biết về vấn đề chi phí 98 iii 5.4.1. Thiết kế và đánh giá 99 5.4.2 Lớp đá bảo vệ mặt ngoài 100 5.4.3 Xem xét về công tác thi công 102 5.4.3.2 Thi công lớp đá bảo vệ mặt ngoài 103 5.4.3.3 Thời gian thi công 105 5.4.4 Giám sát, bảo dưỡng và tu sửa 105 5.4.5 Chi phí toàn chương trình 106 5.5 Thiết kế và thiết kế chi tiết nhằm đạt được chi phí thấp hơn 106 5.5.1 Chọn kích thước đá bảo vệ mặt ngoài phù hợp 106 5.5.2 Chi tiết về nền móng và chân công trình 116 5.5.3 Quan trắc, giám sát và duy tu các công trình đá giá thành thấp 118 6. PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ ĐÊ, KÈ BIỂN 122 6.1 Tổng quan 122 6.2 Nguyên lý thiết kế 123 6.3 Phương pháp luận thiết kế 126 6.3.1 Các tương tác và điều kiện biên 127 6.3.2 Thiết kế hình học cho đê biển và kè lát mái 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154 Danh mục hình minh họa Hình 1-1 Mô hình hộp đen mô tả định nghĩa của quá trình thiết kế ______________________________2 Hình 1-2 Sơ đồ quá trình thiết kế ứng dụng cho công trình thủy ________________________________3 Hình 2-1 Chu trình thiết kế _____________________________________________________________8 Hình 2-2 Các chu trình cho các mức độ chi tiết khác nhau ___________________________________10 Hình 2-3 Quan hệ giữa giai đoạn thiết kế, mức độ chi tiết thiết kế và cấp độ hệ thống ______________11 Hình 2-4 Các khía cạnh và giai đoạn thiết kế ______________________________________________14 Hình 2-5 Lược đồ thiết kế tổng thể ______________________________________________________14 Hình 3-1 Mức độ rủi ro tại các nước phương Tây __________________________________________21 Hình 3-2 Quan hệ giữa các vấn đề thi công trong thiết kế công trình đá _________________________29 Hình 3-3 Ví dụ về tối ưu hóa chi phí đầu tư công trình (CUR/CIRIA 154, 1991) ___________________38 Hình 3-4 Phân bố các chi phí xây dựng của đập phá sóng hỗn hợp (CUR/CIRIA 154, 1991) _________40 Hình 3-5 Vòng kiểm soát chất lượng đối với công trình sử dụng vật liệu đá ______________________41 Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý hệ thông quản lý chất lượng ______________________________________43 Hình 4-1 Câu hỏi đặt ra: bảo vệ hay không bảo vệ__________________________________________45 iv Hình 4-2 Nguyên tắc xây dựng trong khu vực xói lở_________________________________________46 Hình 4-3 Ví dụ về các hình thức công trình bảo vệ bờ, chống xói lở ____________________________47 Hình 4-4 Sơ đồ hóa quá trình thiết kế tối ưu _______________________________________________47 Hình 4-5 Những vấn đề cần tập trung trong quá trình thiết kế ________________________________48 Hình 4-7 Trạng thái dòng chảy và hình dạng sóng __________________________________________50 Hình 4-8 Nguyên nhân hư hỏng công trình và hậu quả của nó_________________________________51 Hình 4-9 Lưu ý trong thiết kế các kết cấu bảo vệ ___________________________________________51 Hình 4-10 Sự mâu thuẫn giữa các yêu cầu về chức năng nhiệm vụ công trình_____________________52 Hình 4-11 Các cơ chế phá hoại có thể xảy ra với kè bảo vệ bờ ________________________________53 Hình 4-12 Ví dụ về sơ đồ cây sự cố đối với kè bảo vệ bờ _____________________________________54 Hình 4-13 Quan hệ giữa tải trọng và độ bền của kết cấu thép (vật liệu đàn dẻo) và công trình sử dụng vật liệu rời (đá) _____________________________________________________________________54 Hình 4-14 Dịch chuyển và ổn định ______________________________________________________56 Hình 4-15 Tăng cường độ hoặc giảm tải trọng _____________________________________________56 Hình 4-16 Độ bền phụ thuộc thời gian vận hành và mức độ bảo dưỡng__________________________58 Hình 4-17 Phân loại sự thay đổi hình thái do xây dựng các công trình __________________________60 Hình 4-18 Phân loại chung các công trình bờ biển (SPM, 1984) _______________________________61 Hình 4-19 Phân loại công trình bờ biển theo Van der Weide (1989) ____________________________62 Hình 4-20 Phân loại công trình đá sử dụng thông số ổn định Hs/ΔD (Van der Meer, 1988) __________63 Hình 4-21 Các vùng chịu tải của công trình biển ___________________________________________65 Hình 4-22 Phương pháp thiết kế và công cụ _______________________________________________67 Hình 4-23 Tầng lọc hạt địa kỹ thuật _____________________________________________________68 Hình 4-25 Phương pháp tiếp cận tổng thể trong thiết kế công trình (CUR169, 1995) _______________70 Hình 4-26 Ví dụ về quá trình nhận biết vấn đề (Pilarczyk, 2003) _______________________________71 Hình 4-27 Thủ tục mẫu khi quyết định biện pháp kiểm soát xói lở (Verhagen H.J., 1999)____________76 Hình 4-28 Hình dạng đường bờ tổng quát khi sử dụng đập mỏ hàn _____________________________77 Hình 4-29 Tác động của đập mỏ hàn đến vận chuyển bùn cát dọc bờ ___________________________79 Hình 4-30 Đập chắn sóng xa bờ và phản ứng của vùng bờ ___________________________________80 Hình 5-1 Mặt cắt thiết kế lý thuyết đập chắn sóng truyền thống [theo SPM, 1984] ________________88 Hình 5-2 Mặt cắt đập mỏ hàn đá đổ truyền thống (theo CUR/CIRIA 154,1991) ___________________88 Hình 5-3 Mặt cắt đại diện đập chắn sóng tại Elmer (theo Holland & Coughlan, 1994) _____________89 Hình 5-4 Mặt cắt đập phá sóng ngầm, đỉnh thấp (theo Chasten và nnk., 1993). ___________________89 Hình 5-5 Mặt cắt đập mỏ hàn đá đổ đơn giản hoá tại Mudeford Sandbank, Anh___________________90 Hình 5-6 Ví dụ về đập chắn sóng bằng đá đổ hình đuôi cá____________________________________92 Hình 5-7 Mặt cắt điển hình của đập chắn sóng tại Westshore, Vương quốc Anh ___________________93 Hình 5-8 Đập mỏ hàn đá và lớp đá được bổ sung trên đỉnh đập _______________________________94 Hình 5-9 Sự kế thừa về chức năng đối với các công trình bảo vệ bờ biển kết hợp chống lũ___________96 Hình 5-10 Chiều cao sóng ý nghĩa ở vùng nước nông có độ dốc đáy biển không đổi (CUR/CIRIA 154, 1991) ____________________________________________________________________________107 Hình 5-11 Ví dụ về việc thi công xếp đặt có lựa chọn các khối đá ở chân đập chắn sóng. __________112 Hình 5-12 Cấu tạo mặt cắt dọc, ngang đập mỏ hàn nối liền bờ._______________________________113 Hình 5-13 So sánh các phương pháp xác định ổn định đối với lớp đá bảo vệ mặt ngoài và các tấm bêtông (theo McConnell & Allsop 1999) __________________________________________________115 Hình 5-14 Ví dụ về chi tiết chân công trình của đập chắn sóng _______________________________116 Hình 5-15 Chi tiết chân công trình bằng đá đổ tự ổn định ___________________________________117 Hình 5-16 (a) Các cọc gỗ và (b) các khối bê-tông nhằm tăng cường ổn định cho chân công trình tại Barton and Highcliffe _______________________________________________________________118 v Hình 6-1 Các cơ chế hư hỏng có thể xảy ra đối với đê biển __________________________________124 Hình 6-2 Cây sự cố đơn giản hoá đối với đê biển (Pilarczyk, 1998). ___________________________125 Hình 6-3 Tổng quan về việc xác định các điều kiện biên thuỷ lực (Theo Pilarczyk, 1998) ___________129 Hình 6-5 Cách tiếp cận hệ thống-các hàm chuyển đổi (Pilarczyk, 1990) ________________________132 Hình 6-6 Xác định cao trình đỉnh đê ____________________________________________________135 Hình 6-7 Công thức tổng quát cho chiều cao sóng leo với các ảnh hưởng khác nhau (theo CUR 169) 137 Hình 6-8 Ví dụ về xác định cao trình đê biển, với Hs = 4.7 m (giới hạn độ sâu), TP = 8.5 s, hệ số chiết giảm do ảnh hưởng của cơ γ b = 0.7 đối với cot α = 4 và B = 4 H S ________________________138 Hình 6-9 Xác định lưu lươnfg sóng chảy tràn qua đỉnh đê (CUR 169)__________________________139 Hình 6-10 Các số liệu thực đo làm cơ sở cho công thức Van der Meer _________________________148 Hình 6-11 Cơ chế xói gần chân công trình có mái dốc (Sumer & Fredsoe 2001) _________________149 Hình 6-12 Sơ đồ chiều sâu hố xói tính toán McDonugal ____________________________________150 Hình 6-13 Chiều sâu hó xói lớn nhất theo Xie, 1981. _______________________________________150 Hình 6-14 Chiều sâu hó xói lớn nhất theo Sumer và Fredsøe, 2001. ___________________________151 Hình 6-15 Xác định khu vực chịu tác động _______________________________________________152 Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Các khía cạnh liên quan thiết kế và các điều kiện ràng buộc __________________________13 Bảng 3-1 Các loại tổn thất ____________________________________________________________20 Bảng 3-2 Các chức năng của các công trình đá ____________________________________________24 Bảng 3-3 Các chức năng của các hạng mục công trình điển hình ______________________________24 Bảng 3-4 Ví dụ một bảng cho điểm theo phương pháp MCE_________________________________32 Bảng 3-5 Điều chỉnh trọng số cho MCE __________________________________________________32 Bảng 3-6 Ví dụ về một BCA____________________________________________________________33 Bảng 3-7 Chi phí cố định và biến đổi trong công tác thi công vật liệu đá ________________________38 Bảng 3-8 Quá trình tham gia của các bên đối với công trình đá _______________________________43 Bảng 4-1 Phân tích đa tiêu chí (sơ bộ) ___________________________________________________84 Bảng 5-1 Các phương pháp vận chuyển _________________________________________________102 Bảng 5-2 Các đặc trưng chiều cao sóng không thứ nguyên __________________________________108 Bảng 5-3 Kích thước vật liệu thay đổi theo độ sâu mực nước_________________________________113 Bảng 5-4 Các cấp hoạt động của công trình _____________________________________________119 Bảng 6.1 Hệ số chiết giảm sóng leo do nhám γ cho các loại lớp phủ khác nhau (theo Pilarczyk, 1998) 137 Bảng 6-2 Hệ số nâng cấp ổn định cho các hệ thống khác nhau (Pilarczyk, 1990) _________________143 vi Lời cảm ơn Giáo trình “Phương pháp luận thiết kế công trình” được thực hiện trong khuôn khổ dự án hợp tác HWRU-CE, “Nâng cao năng lực đào tạo ngành kỹ thuật bờ biển trường Đại học Thủy Lợi”. Dự án được thực hiện dưới sự tài trợ của Đại Sứ Quán Vương quốc Hà Lan tại Việt Nam với sự tham gia cộng tác của các đối tác phía Delft, Hà Lan bao gồm: Trường Đại học Công nghệ Delft (TUDellft), Viện Thủy lực Delft (Delft Hydraulics), Viện đào tạo Quốc tế các vấn đề về nước (UNESCO-IHE Delft) và Bộ Giao thông Công chính và Công trình công cộng Hà Lan. Giáo trình này được chuẩn bị và thực hiện theo hai giai đoạn: Giai đoạn I, biên soạn bản Tiếng Anh, tại Trường Đại học Công nghệ Delft (2004); Giai đoạn 2, biên dịch bản Tiếng Việt, tại Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội (2005). Trong quá trình thực hiện giai đoạn I tác giả nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ nhiệt tình của các tổ chức, cá nhân phía đối tác Delft, Hà Lan. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ir. Hans Noppen và GS. Kee D’Angremond, khoa Xây dựng, TU-Delft về sự cộng tác và góp ý nhiệt tình trong các vấn đề chuyên môn. Tác giả xin cảm ơn Ir. Michel Tonneijck, cố vấn trưởng dự án HWRU-CE, cùng ban lãnh đạo và nhân viên Phòng hợp tác quan hệ Quốc tế CICAT, TUDelft đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện biên soạn giáo trình bản Tiếng Anh tại Hà Lan. Trong quá trình thực hiện biên dịch bản Tiếng Việt, tác giả nhận được nhiều sự đóng góp quý báu mang tính xây dựng của các cán bộ giảng viên khoa Kỹ thuật Biển, trường Đại học Thủy Lợi trong việc hiệu chỉnh và hoàn thiện giáo trình. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn PGS. TS. Lê Xuân Roanh, ThS. Phạm Thu Hương, ThS. Nguyễn Thị Thúy Điểm và ThS. Nguyễn Quang Chiến về những đóng góp cụ thể mang tính xây dựng cao trong quá trình hiệu chỉnh và hoàn thiện giáo trình này. Giáo trình này được in lần thứ nhất làm tài liệu học tập và tham khảo chính thức cho sinh viên ngành Kỹ thuật Biển, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Tác giả xin chân thành đón nhận những ý kiến góp ý của độc giả và đồng nghiệp để giáo trình đựơc hoàn thiện hơn trong các lần in sau. Tác giả Mai Văn Công vii MỤC LỤC Lời cảm ơn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN vii 1 1.1 Khái niệm chung về thuật ngữ thiết kế 1 1.2 Khái niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy 2 1.2.1 Các giai đoạn quy định trong thiết kế 3 1.3 Kết cấu giáo trình CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 3 5 2.1 Thực tế thiết kế 5 2.2 Mô tả chi tiết vùng dự án 5 2.2.1 Mối liên quan với khách hàng (chủ đầu tư) 5 2.2.2 Kết quả mang tính duy nhất 6 2.2.3 Tuổi thọ công trình dài 6 2.2.4 Đặc tính “thủ công” 6 2.2.5 Liên quan số lượng lớn các bên tham gia 6 2.2.6 Thực hiện công việc dưới các mức độ quy mô khác nhau 6 2.2.7 Tính tự do trong thiết kế bị hạn chế 6 2.2.8 Sản phẩm tại một địa điểm cụ thể 7 2.2.9 Công nghệ 7 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế/thiết kế phí 7 2.2.11 Tính chuyên nghiệp/ thiết kế lành nghề 7 2.3 Chu trình thiết kế 7 2.4 Các giai đoạn thiết kế 9 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế 10 2.6 Các khía cạnh khác liên quan đến thiết kế 11 2.7 Thiết kể tổng thể 14 2.8 Các bước đặc trưng trong thiết kế 14 2.8.1 Thiết kế ý tưởng 14 2.8.2 Thiết kế sơ bộ 15 2.8.3 Thiết kế chi tiết 15 2.8.4 Thi công công trình 15 2.8.5 Vận hành và bảo dưỡng công trình 15 CHƯƠNG 3: CHI TIẾT QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 17 3.1 Nhận biết vấn đề 17 3.2 Xác định các điều kiện biên và ràng buộc trong thiết kế 17 3.2.1 Chính sách quy hoạch, phân tích chính sách 18 3.2.2 Rủi ro chập nhận được 19 a. Rủi ro theo quan điểm cá nhân 21 b. Rủi ro theo quan điểm xã hội (mang tính cộng đồng) 22 3.3 Phân tích chức năng 23 3.4 Đề xuất các phương án so sánh 25 3.4.1 Đánh giá tác động môi trường 25 3.4.2 26 Khả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu 3.4.3 Các quá trình thủy lực và địa kỹ thuật 27 3.4.4 Các phương án thiết kế công trình 27 3.4.5 Những cân nhắc liên quan đến công tác thi công 28 3.4.6 Những vấn đề quản lý bảo dưỡng 29 3.5 Đánh giá, so sánh và lựa chọn giải pháp 30 3.5.1 Phân tích đa tiêu chí (MCE) 31 3.5.2 Phân tích chi phí-lợi nhuận (BCA) 32 3.6 Thiết kế cuối cùng và thiêt kế chi tiết 33 3.6.1 Các điều kiện trạng thái giới hạn 34 Trường hợp tính toán theo điều kiện cực trị. 34 Trường hợp tính theo các điều kiện bình thường 34 3.7 Đánh giá các chi phí 36 3.7.1 Tính toán những chi phí sửa chữa 38 3.7.2 Những chi phí tương đối trong xây dựng đập phá sóng bằng vật liệu đá 39 3.8 Đảm bảo chất lượng 40 3.9 Kiểm soát chất lượng 42 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ 45 4.1 Nhìn nhận thế nào về công tác bảo vệ bờ 45 4.1.1 Khi nào cần phải bảo vệ bờ 45 4.1.2 Thiết kế các giải pháp bảo vệ bờ 47 4.1.3 Khoa học và thực nghiệm 48 4.2 Giải quyết vấn đề bảo vệ bờ như thế nào? 49 4.2.1 Các yếu tố liên quan gây nên hiện tượng xói lở 49 4.2.2 Hư hỏng và sơ đồ cây sự cố 51 4.2.3 Tải trọng và cường độ 54 4.3 Các phương pháp bảo vệ bờ phổ dụng 58 4.4 Những cân nhắc cần thiết trong thiết kế 64 4.4.1 Những cân nhắc chung trong thiết kế 64 4.4.1.1 Chức năng 64 4.4.1.2 Điều kiện tự nhiên 64 4.4.1.3 Công nghệ tiên tiến 66 4.4.1.4 Phương pháp thi công 66 4.4.1.5 Vận hành và duy tu 66 4.4.2 Phương pháp luận và công cụ 4.5 Tóm tắt quy trình thiết kế công trình biển 66 69 4.5.1 Nhận biết vấn đề và đề xuất phương án 70 4.5.2 Lựa chọn phương án 72 4.6 Các nguyên tắc kiểm nghiệm trong quá trình thiết kế 72 4.7 Nghiên cứu thực tế: Đánh giá các giải pháp bảo vệ bờ tại Nam Định 73 4.7.1 Đặt vấn đề cho trường hợp bờ biển Nam Định 73 4.7.2 Các biện pháp phòng chống 75 4.7.2.1 Phương án “Không” 75 4.7.2.2 Nuôi dưỡng bãi 76 4.7.2.3 Đập mỏ hàn 77 4.7.2.4 Đập chắn sóng xa bờ 79 4.7.2.5 Kè lát mái 80 4.7.3 Đánh giá các giải pháp và lựa chọn CHƯƠNG 5: CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐÁ CÓ VỐN ĐẦU TƯ THẤP 86 81 5.1 Giới thiệu chung về công trình sử dụng vật liệu đá có vốn đầu tư thấp 86 5.1.1 Khái quát chung 86 5.1.2 Cơ sở xây dựng các công sử dụng vật liệu đá có giá thành thấp 87 5.2 Luận cứ chung trong việc ứng dụng các công trình đá có vốn đầu tư thấp 91 5.2.1. Giảm bớt vật liệu 91 5.2.2. Tính thích nghi 92 5.2.3. Xây dựng hiệu quả hơn 94 5.2.4. Tận dụng vật liệu đá có giá thành hạ 95 5.2.5. Hạn chế tối thiểu công tác đào đất 95 5.3. Thiết kế và đánh giá 96 5.3.1. Những yêu cầu trong quá trình hoạt động của công trình và sơ đồ tổng thể 96 5.3.2. Sự hư hỏng của công trình và tính thích nghi 97 5.3.3. Các tác động môi trường 97 5.3.4. Về mặt an toàn xây dựng 98 5.4. Hiểu biết về vấn đề chi phí 98 5.4.1. Thiết kế và đánh giá 99 5.4.2 Lớp đá bảo vệ mặt ngoài 100 5.4.3 Xem xét về công tác thi công 102 5.4.3.2 Thi công lớp đá bảo vệ mặt ngoài 103 5.4.3.3 Thời gian thi công 105 5.4.4 Giám sát, bảo dưỡng và tu sửa 105 5.4.5 Chi phí toàn chương trình 106 5.5 Thiết kế và thiết kế chi tiết nhằm đạt được chi phí thấp hơn 106 5.5.1 Chọn kích thước đá bảo vệ mặt ngoài phù hợp 106 5.5.2 Chi tiết về nền móng và chân công trình 116 5.5.3 Quan trắc, giám sát và duy tu các công trình đá giá thành thấp 118 CHƯƠNG 6: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ ĐÊ, KÈ BIỂN 122 6.1 Tổng quan 122 6.2 Nguyên lý thiết kế 123 6.3 Phương pháp luận thiết kế 126 6.3.1 Các tương tác và điều kiện biên 127 6.3.1.1 Các điều kiện biên 127 6.3.1.2 Các vùng tải trong đối với đê biển 131 6.3.1.3 Khái niệm tải trọng – sức chịu tải và tương tác công trình 131 6.3.2 Thiết kế hình học cho đê biển và kè lát mái 133 6.3.2.1 Chiều cao sóng leo và lưu lượng nước tràn đỉnh 135 6.3.2.2 Bảo vệ mái dốc 139 6.3.2.3 Tối ưu hoá ổn định mái dốc và những xem xét có tính thực tiễn trong thiết kế lớp bảo vệ mái dốc 144 6.3.2.4 Xói và bảo vệ chân công trình TÀI LIỆU THAM KHẢO 146 154 Chương 1- Tổng quan về môn học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chung về thuật ngữ thiết kế Từ lâu đời con người đã biết đến khái niệm “thiết kế” khi những người sáng tạo và năng động biết vận dụng khái niệm này để sáng tác, phác họa và trình bày ý tưởng về các sản phẩm hay mô tả quá trình thực hiện công việc mà họ dự định sẽ thực hiện. Ngày nay, thuật ngữ thiết kế được biết đến như một ngành khoa học và được gọi tắt là ngành “khoa học thiết kế”. Những ví dụ thưc tế về việc vận dụng khái niệm thiết kế đó là một ai đó đưa ra ý tưởng đầu tiên cho việc xây dựng một ngôi nhà, trường học, nhà thờ hay một chiếc cối xay gió. Sau đó người ta tiến hành triển khai ý tưởng thành hiện thực bằng việc xây dựng các đối tượng nêu trên. Cho dù những người đưa ra ý tưởng ban đầu họ có thể là các nghệ sĩ hay các thợ thủ công, thì từ thời đó, người ta đã biết cách giải quyết vấn đề (đưa ý tưởng vào thực tế) một cách thành công đối với công việc của họ. Trong các ngành công nghiệp sản xuất, từ 150 năm trước khái niệm thiết kế đã được coi là một khâu quan trọng khởi đầu cho mọi quá trình sản xuất. Thiết kế đã được coi là một phần công việc riêng biệt (Hubka và nnk, 1992). Điều này đã diễn ra trong cuộc cách mạng công nghiệp song song với việc hình thành các nhóm lao động phục vụ cho các tổ chức công nghiệp thời bấy giờ. Mỗi đối tượng (sản phẩm, dự án hay quá trình) cần xây dựng và phát triển ý tưởng trước khi chúng được tạo ra trên thực tế. Những người đưa ra ý tưởng được gọi là nhà thiết kế. Các nhà thiết kế đã làm gì? Họ đã tìm ra và mô tả một công trình mà công trình này có thể thực hiện được và nó sẽ phát huy một chức năng nhất định nào đó. Theo quan điểm này, thiết kế một ngôi nhà là việc mô tả và diễn tả sao cho nó có thể xây dựng được và nó phải đảm bảo chức năng bảo vệ con người. Tuy nhiên sự tồn tại của ngôi nhà sẽ phát sinh kèm theo nhiều quá trình, chức năng khác, có thể là một vài chức năng hữu dụng hoặc vô dụng. Có thể tóm tắt rằng nhiệm vụ của công việc thiết kế là bao gồm việc hình dung và mô tả một công trình hay một đối tương sao cho khi triển khai trên thực tế nó sẽ đem lại cho ta các đặc tính mong muốn (đặc điểm thuộc tính riêng, các chức năng riêng). Nó cũng có thể được diễn tả thông qua ngôn ngữ quá trình như: thiết kế là quá trình truyền tải thông tin bao gồm những yêu cầu cụ thể, nhu cầu hay mong muốn cụ thể và các điều kiện ràng buộc bằng việc mô tả đối tượng sao cho đảm bảo đủ những thông tin yêu cầu đó. Các yêu cầu ở đây bao gồm những mong muốn của khách hành, các giai đoạn và yêu cầu về vòng đời của đối tượng và các giai đoạn trung gian mà đối tượng phải trải qua. Quá trình thiết kế có thể được mô tả tổng quát theo sơ đồ trên Hình 1-1. 1 Chương 1- Tổng quan về môn học Thông tin giai đoạn 1 Công tác thiết kế/ Thông tin giai đoạn 2 Quá trình thiết kế Truyền tải thông tin Mô tả hệ thống Hồ sơ thiết kế Các yêu cầu Các ràng buộc Hình 1-1 Mô hình hộp đen mô tả định nghĩa của quá trình thiết kế 1.2 Khái niệm thiết kế ứng dụng trong lĩnh vực công trình thủy Công trình thủy bao gồm hệ thống các công trình đầu mối của các dự án thủy lợi, thủy điện (đập dâng, tràn, cống, hệ thống kênh dẫn…); hệ thông công trình phòng chống lũ ( đê, đập), các công trình trên sông, hệ thống công trình bảo vệ bờ biển và công trình ngoài khơi…Đặc điểm chung nhất của các công trình này là nó thường được xây dựng nhằm phục vụ cộng đồng, đem lai lợi ích cho cộng đồng bằng việc can thiệp/ tác động vào các quá trình tự nhiên để giảm bớt các ảnh hưởng có hại từ các quá trình đó. Với các đặc điểm chung đó, việc thiết kế các công trình này cũng có những đặc thù riêng và thường là một quá trình phức tạp. Các thông tin đầu vào của quá trình thiết kế là điều kiện biên tự nhiên và các nhu cầu, các yêu cầu về chức năng nhiệm vụ mong muốn của khu vực hưởng lợi. Bên cạnh đó nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều điều kiện hạn chế và điều kiện ràng buộc khác như vấn đề ảnh hưởng môi trường, sự tranh dành, vi phạm lợi ích của các bên có liên quan, vấn đề về cơ chế, thể chế, vấn đề về vốn đầu tư và khả năng thực thi công trình…Vì lý do đó, để áp dụng một cách nguyên tắc quá trình thiết kế nêu trong phần 1.1 cho công tác thiết kế công trình thủy thì sơ đồ trên cần được bổ sung thêm các yếu tố đặc thù. Quá trình thiết kế công trình thủy được trình bày một cách tổng quát như minh họa trên Hình 1-2. 2 Chương 1- Tổng quan về môn học Hình 1-2 Sơ đồ quá trình thiết kế ứng dụng cho công trình thủy Chi tiết về khái niệm thiết kế và vận dụng cụ thể khái niệm này trong thiết kế công trình thủy nói chung và công trình biển nói riêng sẽ được trình bày tại các chương riêng biệt với các ví dụ thực tế sinh động. 1.2.1 Các giai đoạn quy định trong thiết kế Dự án đầu tư xây dựng công trình có thể gồm một hoặc nhiều loại công trình với một hoặc nhiều cấp công trình khác nhau tuỳ theo quy mô, tính chất của công trình xây dựng, việc thiết kế xây dựng công trình có thể được thực hiện theo một bước, hai bước hoặc ba bước như sau: a) Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình chỉ lập Báo cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình; b) Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án trừ các công trình được quy định tại điểm a và c của khoản này; c) Thiết kế ba bước bao gồm bước thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi công áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án và có quy mô là cấp đặc biệt, cấp I và công trình cấp II có kỹ thuật phức tạp do người quyết định đầu tư quyết định. Trường hợp thực hiện thiết kế hai bước hoặc ba bước thì các bước thiết kế tiếp theo phải phù hợp với bước thiết kế trước đã được phê duyệt. 1.3 Kết cấu giáo trình Giáo trình này được biên soạn với mục đính làm tài liệu phục vụ giảng dạy và học tập cho sinh viên trong khuôn khổ nội dung môn học “Phương pháp luận thiết kế” do bộ 3 Chương 1- Tổng quan về môn học môn Kỹ thuật Công trình biển, khoa Kỹ thuật biển, Trường đại học Thủy lợi phụ trách. Tài liệu bao gồm 6 chương. Nội dung các chương được tóm tắt như sau: Chương 1 ngắn gọn nêu lên định nghĩa và khái niệm chung về thiết kế và vận dụng nó đối với chuyên ngành công trình thủy. Chương 2 trình bày chi tiết về phương pháp và quá trình thiết kế chung trong kỹ thuật xây dựng công trình. Bao gồm các thông tin về chu trình thiết kế, các giai đoạn thực hiện trong thiết kế, yếu tố cần quan tâm đề cập trong thiết kế, thiết kế tổng hợp và các bước thiết kế đặc trưng. Quá trình thiết kế riêng biệt đặc trưng cho công trình thủy được đề cập chi tiết trong Chương 3. Chương 4 cung cấp tóm tắt phương pháp luận trong thiết kế công trình biển và các cân nhắc cần thiết trong quá trình thực hiện thiết kế cũng như việc lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ hợp lý cho các đối tượng, vùng cần được bảo vệ trước các tác động khác nhau của quá trình tự thủy động lực học tự nhiên. Chương 5 giới thiệu về phương pháp thiết kế đặc thù cho công trình biển sử dụng vật liệu đá có vốn đầu tư thấp. Những công trình này thường được ứng dụng cho công tác bảo vệ chống xói lở bờ biển hay điều khiển biến đổi hình thái đường bờ. Cuối cùng, Chương 6 trình bày về phương pháp luận và những cân nhắc cần thiết trong thiết kế đê kè biển. Hình loại công trình này với nhiệm vụ chính là phòng chống lũ từ phía biển, kết hợp một phần trong công tác bảo vệ bờ và hạn chế xói lở đường bờ, hiện được ứng dụng phổ biến dọc bờ biển nước ta. Câu hỏi cuối chương Câu 1: Trình bày khái niệm rộng về thuật ngữ thiết kế? Khái niệm thiết kế được tồn tại từ khi nào? Câu 2: Trong quá trình thiết kế áp dụng chung cho công trình xây dựng, thủy lợi cần cân nhắc các yếu tố chính nào? (Hết chương 1) 4