BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI


NGUYỄN VIỆT ANH
NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
ÂU THUYỀN CHO CÁC CÔNG TRÌNH NGĂN SÔNG
VÙNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số : 60.58.40 LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học ; GS.TS Nguyễn Chiến
PGS.TS Trần Đình Hòa
HÀ NỘI -2013 ii

BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu kết cấu và phương pháp tính toán âu
thuyền cho các công trình ngăn sông vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long”
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà
trường.
Học viên

Nguyễn Việt Anh iii

MỤC LỤC
45TLỜI CẢM ƠN45T i


iv

45T2.2.2. Bố trí kết cấu âu thuyền45T 33
45TChương 3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU BUỒNG ÂU CÓ MẶT CẮT CHỮ NHẬT
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
45T 37
45T3.1. Kết cấu buồng âu trên nền đất yếu (bao gồm phần móng cọc phía dưới và
phần buồng âu phía trên)
45T 37
45T3.1.1. Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu45T 37
45T3.1.2. Biện pháp xử lý công trình trên nền đất yếu45T 38
45T3.1.3. Kết cấu buồng âu mặt cắt chữ nhật trên nền đất yếu45T 40
45T3.2. Tính toán kết cấu buồng âu trên nền đất yếu theo phương pháp truyền thống45T41
45T3.2.1. Thiết kế móng cọc theo phương pháp truyền thống45T 41
45T3.2.2. Thiết kế phần kết cấu buồng âu phía trên móng cọc45T 54
45T3.3. Tính kết cấu buồng âu trên nền cọc theo phương pháp hiện đại45T 54
45T3.3.1. Nội dung tính toán theo phương pháp hiện đại45T 54
45T3.3.2. Các mô hình phần tủ hữu hạn nghiên cứu hệ đài - cọc45T 55
45T3.3.3. Lựa chọn phần mềm tính toán45T 60
45T3.4. Kết luận chương 345T 62
45TChương 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ÂU THUYỀN TẠI CỐNG TÂN
THUẬN – TP. HỒ CHÍ MINH
45T 63
45T4.1. Giới thiệu chung về công trình:45T 63
45T4.1.1. Vùng dự án45T 63
45T4.1.2. Mục tiêu, quy mô của dự án45T 65
45T4.1.3. Chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật chủ yếu của dự án:45T 65
45T4.1.4. Điều kiện tự nhiên dự án45T 66
45T4.1.5. Cấp công trình và chỉ tiêu thiết kế45T 70

45T3. Hướng tiếp tục nghiên cứu45T 117
45TTÀI LIỆU THAM KHẢO45T 118
45TPHỤ LỤC TÍNH TOÁN45T 119

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
45THình 1-1:Bản vẽ âu thuyền cổ và cửa van chữ nhân, Trung quốc-149745T 4
45THình 1-2:Cấu tạo chung âu thuyền45T 4
45THình 1-3:Âu thuyền đơn cấp45T 7
45THình 1-4:Âu thuyền đa cấp45T 7
45THình 1-5:Cửa van bố trí ngập45T 7
45THình 1-6:Cửa van không ngập45T 7
45THình 1-7:Âu thuyền đơn tuyến45T 8
45THình 1-8:Âu thuyền đa tuyến45T 8
45THình 1-9:Hình ảnh cho âu thuyền đa tuyến45T 8
45THình 1-10:Một số dạng cấp nước trực tiếp45T 9
45THình 1-11:Cấp nước tập trung bằng đường ống ngắn45T 9
45THình 1-12:Cấp nước phân tán bằng đường ống dài45T 10
45THình 1-13:Các loại cửa thường dùng trong âu thuyền45T 10
45THình 1-14:Cửa van chữ nhân45T 11
45THình 1-15:Cửa van phẳng kéo lên45T 12
45THình 1-16:Cửa van cung trục đứng45T 12
45THình 1-17:Tổng thể âu thuyền Zandvilied và Bezendrecht – Bỉ45T 13
45THình 1-18:Cửa van trụ xoay45T 14
45THình 1-19:Hệ thống âu thuyền trên kênh đào Panama45T 15
45THình 1-20:Âu thuyền Gatun, kênh đào Panama45T 15
45THình 1-21:Âu thuyền Pedro Miguel, kênh đào Panama45T 16
45THình 1-22:Âu thuyền Miraflores, kênh đào Panama45T 16
45THình 1-23:Âu thuyền Yangtze đập Tam hiệp – Trung Quốc45T 17

45THình 3-13: Mô hình tính toán trong phương pháp45T 58
45THình 3-14: Mô hình tính toán, phương pháp sử dụng lò xo thay thế tương tác cọc-đất45T59
45THình 4-1:Vị trí vùng dự án trên bản đồ Việt Nam45T 63
45THình 4-2:Vị trí vùng dự án trên bản đồ hành chính Quận 7- Tp.Hồ Chí Minh45T 64
45THình 4-3:Vùng tuyến dự kiến xây dựng công trình (Google Earth)45T 66
45THình 4-4:Bình đồ vị trí tuyến 1- tuyến chọn45T 67
45THình 4-5:Bình đồ bố trí tổng thể công trình45T 72

viii

45THình 4-6:Chính diện công trình (nhìn từ phía sông Sài Gòn)45T 73
45THình 4-7:Mặt bằng, cắt dọc âu thuyền45T 74
45THình 4-8:Cắt ngang âu thuyền (mặt cắt điển hình)45T 77
45THình 4-9:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp thi công 145T 78
45THình 4-10:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp thi công 245T 78
45THình 4-11:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp vận hành 145T 79
45THình 4-12:Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên âu trường hợp vận hành 245T 79
45THình 4-13:Mặt bằng bố trí cọc dưới âu thuyền45T 92
45THình 4-14:Mô hình hóa tường âu phía sông(trái) và phía bờ (phải)45T 93
45THình 4-15:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH thi công2 45T93
45THình 4-16:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH thi công245T 94
45THình 4-17:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH vận hành 145T . 94
45THình 4-18:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH vận hành 145T 94
45THình 4-19:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía sông-TH vận hành 245T . 95
45THình 4-20:Sơ đồ ngoại lực và biểu đồ nội lực tường âu phía bờ-TH vận hành 245T 95
45THình 4-21:Mô phỏng kết cấu âu thuyền.45T 97
45THình 4-22:Biểu đồ ứng suất S11, S22- TH Thi công 145T 98
45THình 4-23:Biểu đồ ứng suất S12, Smax- TH Thi công 145T 98
45THình 4-24:Biểu đồ ứng suất Smin, Svm- TH Thi công 145T 99
45THình 4-25:Biểu đồ moomen M11,M22 - TH Thi công 145T 99

45TBảng 3-3: Các hệ số điều kiện làm việc của đất45T 52
45TBảng 4-1:Tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu45T 65
45TBảng 4-2:Tổng hợp các đặc trưng địa kỹ thuật của các tầng đất45T 69
45TBảng 4-3:Thông số về âu thuyền45T 77
45TBảng 4-4:Tải trọng tác dụng vào âu thuyền45T 80
45TBảng 4-5:Tổng hợp sức chịu tải đất nền theo các phương pháp45T 82
45TBảng 4-6:Đặc trưng hình học bản đáy âu tính toán45T 83
45TBảng 4-7:Ứng suất đáy móng âu thuyền45T 83
45TBảng 4-8:Đặc tính của cọc ly tâm đường kính D = 80cm, 60cm45T 85
45TBảng 4-9:Bảng tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc45T 87
45TBảng 4-10:Số lượng cọc trong âu – đoạn giữa45T 91
45TBảng 4-11:Bảng tổng hợp nội lực tường âu phía sông và phía bờ45T 95
45TBảng 4-12:Tính toán hệ số nền theo phương pháp Terzaghi45T 97
45TBảng 4-13:Bảng tổng hợp nội lực của cọc dưới đáy âu45T 110
45TBảng 4-14:Bảng tổng hợp nội lực trong kết cấu âu45T 110
45TBảng 4-15:Bảng chi tiết nội lực trong kết cấu âu.45T 111
45TBảng 4-16:Bảng chi tiết nội lực trong kết cấu âu (tiếp)45T 112
45TBảng 4-17:Bảng chi tiết nội lực của cọc dưới đáy âu45T 113
45TBảng 4-18:Bảng so sánh mômen tường âu tính theo hai phương pháp45T 114

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các loại hình vận tải thì vận tải bằng đường thủy có giá thành rẻ nhất và
mang lại hiệu quả cao bởi những ưu điểm như chuyên chở được khối lượng hàng
hóa lớn, có kích thước cồng kềnh, tốc độ vận chuyển trung bình khá lớn, chi phí
nhiên liệu bỏ ra trong quá trình vận chuyển nhỏ v.v
Từ xa xưa, khi những phương tiện vận chuyển hiện đại chưa phát triển thì
thuyền bè là phương tiện quan trọng để vận chuyển hàng hoá và cũng nhờ đó con

Nghiên cứu kết cấu, và phương pháp tính toán âu thuyền trên các công trình
ngăn sông vùng ven biển Đồngbằng sông Cửu Long.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
- Cách tiếp cận:
Tiếp cận Bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân
khoa học hay các phương tiện thông tin đại chúng; qua các kết quả nghiên cứu công
trình ngăn sông trên thế giới cũng như trong nước đã có kết hợp tìm hiểu, thu thập,
và phân tích đánh giá các tài liệu có liên quan, đo đạc khảo sát thực tế hiện trạng
những vị trí đề xuất xây dựng công trình, từ đó đề ra phương án cụ thể phù hợp với
tình hình điều kiện cụ thể của nước ta.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu.
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm
ứng dụng.
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp.
4. Kết quả đạt được
- Tổng quan về các công nghệ và kết cấu xây dựng âu thuyền, phân tích những
kết quả nghiên cứu đã có trong nước và trên thế giới, xác định những vấn đề cần
phải được tiếp tục nghiên cứu bổ sung;
- Giới thiệu chung về nguyên lý, kết cấu âu thuyền vùng Đồngbằng sông Cửu
Long;
- Nghiên cứu, phân tích kết cấu và phương pháp tính toán âu thuyền.

3

Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
1.1. Tính cấp thiết phải xây dựng các công trình ngăn sông
Trong các loại hình vận tải thì vận tải bằng đường thủy có giá thành rẻ nhất và
mang lại hiệu quả cao bởi những ưu điểm như chuyên chở được khối lượng hàng
hóa lớn, có kích thước cồng kềnh, tốc độ vận chuyển trung bình khá lớn, chi phí

Hình 1-1: Bản vẽ âu thuyền cổ và cửa van chữ nhân, Trung quốc-1497
P
[4]

1.2.1. Cấu tạo chung của âu thuyền
Âu thuyền gồm 3 bộ phận chủ yếu: thân âu, đầu âu và kênh dắt thuyền.

Hình 1-2: Cấu tạo chung âu thuyền[4]
1-Đầu âu trên; 2-Đầu âu dưới; 3-Buồng âu; 4-Cửa âu trên; 5-Cửa âu dưới;
6-Tường dẫn hướng; 7- Bến đợi; 8-Phai sửa chữa; 9-Ống dẫn nước;
10,11-Tường âu; 12,13-Đáy đầu buồng âu

5

Đầu âu: có nhiệm vụ giữ độ chênh lệch mực nước giữa thượng hạ lưu với
buồng âu và đặt các thiết bị của âu như cửa âu, hệ thống cấp tháo nước, thiết bị
đóng mở cửa âu, van cấp tháo, phai sửa chữa, dây an toàn chống thuyền va vào
cửa
Đầu âu gồm có đầu âu trên và đầu âu dưới, ngoài ra với âu đa cấp còn có đầu
âu giữa.
Buồng âu: là phần giới hạn bởi đầu âu trên và đầu âu dưới, là nơi để chứa tàu
thuyền và đưa tàu lên xuống theo mực nước thay đổi.
Kích thước buồng âu thuyền được tính toán, xác định dựa trên số liệu thống
kê, quy hoạch của con sông có công trình ngăn nước như đập, cống xem xét đến
giao thông thuỷ trong tương lai. Kết cấu buồng âu thuyền có thể là một khoang
tường thẳng đứng bằng BTCT hoặc là một đoạn sông gia cố hai bờ bằng BTCT
hoặc bằng đá xây. Mặt cắt ngang buồng âu có thể là hình chữ nhật, hình thang, hoặc
kết hợp cả hình chữ nhật và hình thang.
Loại mặt cắt chữ nhật thường được sử dụng, nhất là trong trường hợp cột nước
cao. Loại này có ưu điểm là lợi dụng được toàn bộ chiều rộng của buồng âu để đậu

Kênh đầu âu: (kênh dắt tàu) là bộ phận nhằm đảm bảo tàu ra vào âu được xuôi
thuận an toàn, gồm có:
Kênh đầu âu thượng lưu: là bộ phận nối tiếp đầu âu trên với kênh dẫn thượng
lưu;Kênh dẫn đầu âu hạ lưu: là bộ phận nối tiếp đầu âu dưới với kênh dẫn hạ lưu.
Trên mỗi kênh đầu âu có:
+ Tường dẫn hướng: để hướng tàu ra vào âu thuận lợi, dễ dàng.
+ Bến đợi: nơi để tàu neo đỗ chờ đợi qua âu.
+ Đê chắn sóng: bảo vệ tàu, công trình khỏiảnh hưởng của sóng lớn.
Kênh dẫn: là đoạn tiếp theo kênh đầu âu với tuyến sông hay kênh đào.

7

1.2.2. Phân loại âu thuyền[15]
1.2.2.1. Theo số lượng buồng âu bố trí theo hàng dọc

Hình 1-3: Âu thuyền đơn cấp
1-Cửa âu trên; 2-Cửa âu dưới;
3-Ngưỡng âu; 4-Khối nước cấp tháo

Hình 1-4: Âu thuyền đa cấp
1-Cửa âu; H-Cột nước chênh lệch;
S
R
b
R-Độ sâu các buồng âu
Âu thuyền đơn cấp:Tàu thuyền vượt qua cột nước chênh lệch thượng hạ lưu
chỉ qua một buồng âu thuyền.
Âu thuyền đa cấp:Âu thuyền có từ hai buồng âu trở lên, bố trí nối tiếp nhau để
tàu có thể vượt qua cột nước chênh lệch lớn.
1.2.2.2. Theo cách đặt cửa cấp nước

1.2.2.4. Theo phương pháp cấp tháo nước
• Âu thuyền cấp tháo nước trực tiếp
Trường hợp này cửa âu thuyền đồng thời làm nhiệm vụ cửa van cấp tháo
nước. Loại này thường áp dụng nơi có cột nước chệnh lệch nhỏ.

Hình 1-10: Một số dạng cấp nước trực tiếp
• Âu thuyền cấp nước bằng đường ống
Cấp tháo nước tập trung bằng đường ống ngắn, dùng với âu thuyền nhỏ, cột
nước thấp, ống ngắn có thể bố trí vòng ngang đầu âu hoặc luồn dọc đứng trong
tường đầu âu trên.

Hình 1-11: Cấp nước tập trung bằng đường ống ngắn
1-Cửa âu; 2-Cống dẫn nước; 3-Ngưỡng âu;
4-Các thanh điều chỉnh lưu lượng; 5- Buồng tiêu năng;
• Cấp tháo nước phân tán bằng đường ống dài, dùng với âu thuyền lớn, cột
nước cao.

10 Hình 1-12: Cấp nước phân tán bằng đường ống dài
1.2.3. Cửa van dùng trong âu thuyền[15]
Cửa van dùng trong âu thuyền (cửa thông thuyền) là kết cấu ngăn chăn nước
hoặc tháo nước ở phía đầu âu để đưa thuyền bè từ thượng lưu xuống hạ lưu, hoặc
ngược lại bằng khối nước trong bụng âu chứ không phải dùng lực cơ giới nâng hạ
thuyền bè.
Hình 1-13: Các loại cửa thường dùng trong âu thuyền
a-Cửa phẳng chìm; b- Cửa cung; c-Cửa clape trục dưới; d-Cửa phẳng đẩy ngang;
1.2.3.1. Cửa phẳng chìm
Cửa này thường bố trí đầu âu trên, được thả chìm xuống trong khe van để cho

nước bằng gỗ hay cao su. Thiết bị đóng mở cửa có thể dùng tời, thanh răng bánh
răng hoặc xi lanh thủy lực.

Hình 1-14: Cửa van chữ nhân
1.2.3.4. Cửa phẳng kéo lên 12

Hình 1-15: Cửa van phẳng kéo lên
Cửa phẳng này dùng cho các âu thuyền kiểu giếng có cột nước chênh lệch
cao, thường bố trí phía đầu âu dưới và trước tường ngực. Khi cho thuyền đi qua cần
đảm bảo tĩnh không thông thuyền không bị vướng. Cửa phẳng kéo lên làm việc
trong điều kiện nước cân bằng nhờ có hành lang thoát nước.
1.2.3.5. Cửa Clape trục dưới
Là một loại cửa phẳng xoay chung quanh các trục tựa nằm ngang, cửa thường
dùng ở đầu âu thượng lưu. Do kết cấu cửa có các gối tựa củng như bản thân cửa đều
nằm dưới nước nên việc kiểm tra và sửa chữa có nhiều khó khăn.
1.2.3.6. Cửa cung trục đứng

Hình 1-16: Cửa van cung trục đứng
Là một loại cửa cung kép có trục quay thẳng đứng, kết cấu cửa chịu lực khỏe,

13

thích hợp dùng ở các âu thuyền chênh mực nước cao hoặc ở vùng chịu ảnh hưởng
của thủy triều chịu lực nước hai chiều.
Cửa gồm có các bộ phận chính: Tấm bưng, hệ thống dầm chính ngang hoặc
đứng, bộ phận trục quay, bộ phận càng van và các thiết bị chắn nước bằng gỗ hay
cao su.

chiếc âu thuyền để nâng và hạ các chiếc thuyền lớn với độ cao trên mực nước biển
là 26 m qua hệ thống đường thuỷ nội địa. Ba âu thuyền trên hệ thông kênh này là:
Gatun, Pedro Miguel và Miraflores. Các con tàu bắt đầu từ vùng biển Đại Tây
Dương đến vùng biển Thái Bình Dương bắt đầu từ âu thuyền Gatun và kết thúc là
âu thuyền Miraflores. Hàng năm có khoảng 14.000 tàu thuyền qua lại và mang theo
khoảng 203 triệu tấn hàng hoá theo số liệu quản lý của Panama trong năm 2006.