Giáo trình Phương pháp luận thiết kế công trình - Mai Văn Công

Nội dung text: Giáo trình Phương pháp luận thiết kế công trình - Mai Văn Công

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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 Khả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu 26 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 4.2yế Giải qu t vấn đề bảo vệ bờ như thế nào? 49 ii
5. 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
6. 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
7. 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 bê- tông (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
8. 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 γb = 0.7 đối với cotα = 4 và B = 4 HS ___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
9. 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, TU- Delft 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
10. MỤC LỤC Lời cảm ơn vii CHƯƠNG 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 1.2.1 Các giai đoạn quy định trong thiết kế 3 1.3 Kết cấu giáo trình 3 CHƯƠNG 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/ 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
11. 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 Khả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu 26 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
12. 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 4.2yế Giải qu t 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 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 4.7.2.1 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 81 CHƯƠNG 5: CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐÁ CÓ VỐN ĐẦU TƯ THẤP 86
13. 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
14. 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 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154
15. 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
16. Chương 1- Tổng quan về môn học Thông tin Thông tin Công tác thiết kế/ giai đoạn 1 giai đoạn 2 Quá trình thiết kế Truyền tải thông tin Các yêu cầu Mô tả hệ thống Các ràng buộc Hồ sơ thiết kế 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
17. 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
18. 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 đhoựạn t c 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
19. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN THIẾT KẾ 2.1 Thực tế thiết kế Trong thực tế thiết kế và xây dựng các công trình người ta thường đề cập đến các giai đoạn hình thành dự án liên quan, bao gồm: Hình thành ý tưởng (tiền khả thi), nghiên cứu khả thi, thiết kế kỹ thuật nói chung, thi công công trình, vận hành công trình và, có thể cả, rỡ bỏ công trình. Cần nhấn mạnh rằng không nhất thiết trong thực tế phải hoàn toàn thực hiện các giai đoạn và quá trình nêu trên. Quá trình thiết kế có thể được xem như bao gồm đặc tính lặp, tuần hoàn, tuy nhiên nó không phải là sự quay lại tình trạng ban đầu của một dự án. Các thuật ngữ dùng chỉ các giai đoạn thiết kế không phải là duy nhất và phổ dụng. Bên cạnh thuật ngữ hình thành ý tưởng (sáng tạo) người ta có thể dùng "định hướng thiết kế", nghiên cứu khả thi có thể được thay thế bằng cụm "thăm dò, khảo sát", vv. Bên cạnh đó, một điều hiển nhiên rằng mỗi dự án sẽ cần đến một khoản chi phí đầu tư và chủ đầu tư (khách hàng) luôn muốn đầu tư một lượng tồi thiểu. Hệ quả là cần phải có những lợi lộc nhất định từ việc xây dựng dự án để đổi lại việc bỏ ra một lượng vốn đầu tư. Những lợi lộc đó được xem xét như là giá trị của một dự án. Một vấn đề mấu chốt hiện nay là giá trị hay lợi nhuận của dự án phải tương đồng với vồn đầu tư cho việc xây dựng dự án. Sự cân bằng này cần được đề cập trên quan điểm về kinh tế, xã hội vá sinh thái, trong đó: Giá trị cần được xác định dựa trên khả năng đáp ứng về chức năng, nhiệm vụ (yêu cần và mong muốn), và môi trường (điều kiện tự nhiên và mối quan hệ giữa các bên tham gia); Chi phí được xác định bao gồm các khía cạnh liên quan đến bảo tồn, các xem xét về mặt kỹ thuật, các phương pháp thi công và bảo dưỡng công trình. Trong chương này, năm khía cạnh liên quan đến thiết kế sẽ được sử dụng một cách trình tự như là các điểm mấu chốt trong phần nghệ thuật thiết kế. Cuối cùng, khối lượng lớn công tác thiết kế cần dành cho các giai đoạn phụ trợ trong quá trình xây dựng và triển khai dự án như: công tác chuẩn bị, thực thi, lắp đặt và hoàn thiện, công tác duy tu bảo dưỡng và có thể cả rỡ bỏ công trình cũng cần phải đựợc thực hiện. Ngoài ra, cần phải kể đến các thay đổi điều chỉnh so với thiết kế hiện tại hoặc thiết kế các công trình phụ trợ tạm thời phục vụ cho quá trình thi công. 2.2 Mô tả chi tiết vùng dự án Để hiểu rõ các đặc trưng cụ thể cũng như những khó khăn thường gặp phải liên quan đến thiết kế xây dựng công trình thủy, trước khi tiến hành quy hoạch và xây dựng một dự án, trước hết cần phải tìm hiểu rộng về các vấn đề liên quan đến vùng dự án của hình loại công trình này. 2.2.1 Mối liên quan với khách hàng (chủ đầu tư) Trong kỹ thuật xây dựng nói chung và kỹ thuật công trình thủy nói riêng, các công việc thường mang tính phục vụ cho các nhu cầu cụ thể của khách hàng (chủ đầu tư dự án). Điều này phụ thuộc nhiều vào mối quan hệ giữa chủ đầu tư với các nhà thiết kế/nhà thầu, mà các mối liên hệ này được xác lập bằng các văn bản quy định đối với từng dự án sẽ được thiết kế và xây dựng. 5
20. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế 2.2.2 Kết quả mang tính duy nhất Mặc dù có rất nhiều các kiểu sản phẩm khác nhau trong ngành kỹ thuật xây dựng như công trình thép, cầu, cống đường xá hay các công trình phá sóng, nhưng việc tìm giải pháp hợp lý cho một mục đích cụ thể tại một địa điểm cụ thể dường như chỉ mang tính duy nhất. 2.2.3 Tuổi thọ công trình dài Nếu so sánh với các lĩnh vực khác thì tuổi thọ mong muốn cho công trình xây dựng là khá dài, thường từ 50 năm đến hàng trăm năm. 2.2.4 Đặc tính “thủ công” Sử dụng vật liệu đá trong công trình xây dựng nói chung và công trình bờ biển nói riêng đã có một bề dày lịch sử. Hệ quả hiển nhiên là rất nhiều kinh nghiệm và thực tiễn đã được đúc kết thông qua sự trải nghiệm đầy khó khăn đó. Nhưng nhìn chung, kỹ thuật xây dựng hoàn toàn không thuộc vào lĩnh vực công nghệ cao mà thường được hiểu là một quá trình đúc kết kinh nghiệm, hiểu biết và phát triển công nghệ dựa trên nền tảng sẵn có bên cạnh sự phát triển của các lĩnh vực khác có liên quan. 2.2.5 Liên quan số lượng lớn các bên tham gia Trong vòng đời của dự án, người ta có thể phân loại được số lượng lớn các nhân tố khác nhau liên quan đến hầu hết các giai đoạn của dự án. Trong rất nhiều trường hợp người xây dựng không phải người sử dụng. Thông thường sự quan tâm của các nhà chức trách với các cấp độ khác nhau và các nhóm liên quan khác nhau đòi hỏi sự tham gia mạnh mẽ hơn. 2.2.6 Thực hiện công việc dưới các mức độ quy mô khác nhau Các yêu cầu, các mong muốn, các vấn đề và việc tìm ra giải pháp thường ứng dụng qua ba cấp độ tư duy và vận dụng khác nhau: • Cấp độ vĩ mô: điều tiết mực nước cho vùng đồng bằng hoặc cho vùng chậm lũ; mặt bằng bố trí cảng; quy hoạch phương án bảo vệ vùng bờ cho một tỉnh, một quốc gia. • Cấp độ trung gian: một cái cống, đoạn đê, một con đập phá sóng • Cấp độ vi mô: cấu kiện/ viên đá bảo vệ mặt ngoài, cấu kiện bê tông, các cọc gia cố nền Nhìn chung người thiết kế cần liên quan đến cả ba cấp độ nêu trên. Trong thực tế người ta có thể coi hệ thống công trình được thiết với cấp độ cao nhất (cấp độ vĩ mô). Sau đó là đến các thành phần công trình (cấp độ trung gian) và cuối cùng là các thành phần con của công trình (cấp độ vi mô). 2.2.7 Tính tự do trong thiết kế bị hạn chế Công trình thủy là sự can thiệp của con người vào tự nhiên do đó nó thường gây ra các tác động không mong muốn, ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Khi đó nhà thiết kế cũng như nhà thầu cần phải chú tâm hơn đến việc giảm các tác động trên hoặc làm tự nhiên hóa các tác động không mong muốn hơn là việc chú ý phát triển sáng tạo các chức năng của công trình. Như vậy mức độ tự do trong thiết kế bị hạn chế đáng kể và hầu hết các dự án đều gặp rắc rối liên quan đến vần đề môi trường tự nhiên. 6
21. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế 2.2.8 Sản phẩm tại một địa điểm cụ thể Công trình biển thường được xây dựng tại một địa điểm với điều kiện biên tự nhiên mở (ngoài trời). Điều này có nghĩa rằng phải quan tâm đến các điều kiện về ký hầu thời tiết, thủy lực, địa kỹ thuật cũng như môi trường. Như vậy cần phải chú ý nhiều đến phương pháp thực thi công trình. 2.2.9 Công nghệ Một vất đề trong kỹ thuật xây dựng thường được giả quyết bằng những kiến thức và công nghệ sẵn có. Dường như hiếm có cơ hội cho các sáng tạo mang tính kỹ thuật, phát triển sản phẩm và thay đổi quá trình. 2.2.10 Chi phí cho công tác thiết kế/thiết kế phí Hầu hết các công trình biển như đập phá sóng, công trình bảo vệ bờ vv có các đặc tính riêng biệt, do đó việc vận dụng các thiết kế đã có cho thiết kế mới thường không phù hợp. Tương ứng với điều này là tiền dành cho công tác thiết kế thường không nhiều so với khối lượng công việc người thiết kế phải thực hiện. Thiết kế phí trong xây dựng dân dụng nói chung thường từ 5-10% tổng giá thành công trình trong khi đó thiết kế phí trong các ngành hàng không, công nghiệp ô tô thường từ 50- đến 100 lần tổng giá thành của một sản phẩm. Điều này hoàn toàn dễ hiểu bởi số tiền đó chủ đầu tư sẽ dễ dàng thu hồi được bằng việc bán ra hàng trăm hay hàng nghìn sản phẩm, tuy vậy kết quả thiết kế này không thể đem so sánh với thiết kế bên ngành xây dựng. Hậu quả là các kỹ sư xây dựng phần lớn tập trung vào các hạng mục quan trọng thiết yếu. 2.2.11 Tính chuyên nghiệp/ thiết kế lành nghề Một xu thế đáng chú ý trong xây dựng dân dụng hiện nay là những nhà thiết kế ngày càng phải có trách nhiệm nhiều hơn và liên quan nhiều hơn đến dự án trong suốt vòng đời của nó. Trước đây hầu hết các nhà thiết kế và thi công chỉ muốn tham gia vào các thành phần hạng mục để có thể giảm nguy cơ rủi ro, nhưng ngày nay họ phải đảm nhận khối lượng và phạm vi lớn hơn trong tổng dự án. Điều này hiển nhiên sẽ đem lại nhiều rắc rối hơn cho người thiết kế và đòi hỏi người thiết kế phải đảm bảo tốt tính tin cậy nghề nghiệp (mức độ lành nghề). 2.3 Chu trình thiết kế Trong quá trình hình thành phương án thiết kế, việc mô tả chi tiêt và phác họa nhằm thỏa mãn các yêu cầu và mong muốn của chủ đầu tư là cầ thiết. Điều này giúp cho việc xác định chính xác được mục đích thiết kế, tránh được những tính năng thừa không cần thiết của giải pháp thiết kế. Đây là một quá trình sáng tạo trong đó các quyết định được đưa ra dựa trên những cân nhắc trước bởi một chu trình lặp đi lặp lại. Chu trình này bao gồm: bàn thảo, xem xét, quyết định, kiểm tra, điều chỉnh và phản hồi. Quá trình này có nhiệm vụ chính là biến những yêu cầu và mong muốn của chủ đầu tư thành các giải pháp, bao gồm nhiều chu trình lặp của quá trình thiết kế như minh họa trên Hình 2-1. Qua thăm dò các biên giới hạn của mô hình này cho thấy người thiết kế vẫn có thể đưa ra nhũng lời giải nằm ngoài phạm vi của các giải pháp. Bằng việc kiểm chứng và đánh giá về khả năng thỏa mãn các yêu cầu và mong muốn họ có thể trở lại với những phương án giáp pháp thích hợp. 7
22. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Hình 2-1 Chu trình thiết kế Chu trình thiết kế thường bao gồm các bước sau: • Phân tích: trong bước này mực đích của quá trình thiết kế được xác định và các điều kiện ban đầu được tìm hiểu phục vụ cho các bước tiếp theo. Ví dụ như các phân tích về các quá trình quan trọng nhất trong khu vực nghiên cứu; về các chức năng mong muốn; và về các quan hệ qua lại cần được thực hiện trong giai đoạn này. Trong giai đoạn này cần đưa ra các câu trả lời cho các câu hỏi sau: - Các yêu cầu nào cần đảm bảo về môi trường có liên quan đền các chức năng công trình do con người đặt ra?; - Giải pháp quy hoạch nào tại vị trí nào thì đáp ứng được các yêu cầu đó? - Vị trí nào sẽ là lựa chọn tốt nhất (tuyến công trình)? Các phương pháp để khảo sát thực địa bao gồm, ví dụ như: - Phân tích cỡ hạt - Phân tích mặt bằng (lựa chọn địa điểm) - Các phương pháp khảo sát địa hình khu vực • Tổng hợp, trong bước này các phương án giải pháp có thể cần được phát triển. Các phương pháp có thể áp dụng như: Não công, liệt kê theo nhóm, hình thái học, tối ưu hóa sơ bộ • Mô phỏng, nghiên cứu về đặc tính và hiệu quả của các phương án giải pháp có thể, diễn tả kết quả phân tích các phương án theo lợi ích và chi phí. Trong giai 8
23. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế đoan này mô hình vật lý và mô hình toán là những công cụ hữu hiệu thường sử dụng. • Đánh giá, đưa ra thứ tự sắp xếp của các phương án giải pháp. Các phân tích chi phí lợi ích đa mục tiêu (MCE) cần thực hiện trong giai đoạn này. • Ra quyết định, phân tích xem liệu các tham số về chi phí, lợi ích hay tỉ lệ giũa chi phí và lợi nhuận của phương án tốt nhất có thỏa mãn các mong muốn hay không. Thực tế cho thấy rằng đây là một bước rất đặc biệt trong tất cả các bước vì ở những bước trước ngưới thiết kế chủ động thực hiện và có quyền đưa ra quyết định của riêng mình, nhưng trong bước này chủ đầu tư là người đưa ra quyết định. Điều này xem như là logic vì nhà đầu tư chịu trách nhiệm trang trải các khoản chi phí, vì vậy họ có quyền quy ết định. Trong giai đoạn này người thiết kế có vai trò trợ giúp, tư vấn cho nhà đầu tư trong việc lựa chọn, nhưng hầu như trong thực tế họ lại là người đưa ra phán quyết manh tích quyết định. Trên sơ đồ chu trình thiết kế ta nhận thấy nó gồm nhiều các chu trình con. Nếu các cổng điền kiện chưa được thỏa mãn thì chu trình cần tiếp tục cho tới khi nào đạt được kết quả mong muốn. Thường xảy ra theo ba khẳ năng sau: • Từ giai đoạn tổng hợp, các phương án có thể được hình thành. Trong trường hợp này sự hình thành một phương án giải pháp thay thế có thể thực hiện dễ dàng hơn với tinhd hội tụ của giải pháp cao hơn vì có thể lợi dụng được nhiều thông tin từ các chu trình trước. • Trong bước phân tích, các càng nhiều thông tin cơ sở kết quả phân tích càng tốt. Trong giai đoạn này, có nhiều cơ hội hơn cho việc thực hiện các phân tích tốt hơn • Kết hợp giữa bước phân tích và tổng hợp, càng nhiều thông tin về điều kiện ban đầu, càng dễ dàng tìm thực hiện khác bước tiếp theo. 2.4 Các giai đoạn thiết kế Giả sử rằng bằng việc ứng dụng chu trình thiết kế người thiết kế có thể ngay lập tức đưa ra được giải pháp lựa chọn. Tuy nhiên cũng cần lưu ý một số điểm sau: • Chu trình đầu tiên đưa ra cái nhìn tổng thể về mục đích của hệ thống công trình: Đó là những gì nhằm đạt được mục tiêu thỏa mãn các yêu cầu và mong muồn đặt ra, ví dụ mong muốn tương lai về một hệ thống đê phòng chống lũ an toàn; • Chu trình thứ hai đưa ra các kết quả mang tính định tính về các chức năng: mô tả rõ ràng những gì có thể đạt được trên phương diện đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu và mong muốn cụ thể, định tính mức độ đạt được mục tiêu của các phương án đưa ra. Ví dụ phương án đê thiết kế tránh được sóng chảy tràn vơi những con sóng có chiều cao Hs<3.5 m. • Chu trình thứ ba đưa ra hình dạng, các đặc điểm của công trình hay hệ thống: Ví dụ đập chắn sóng sẽ làm theo hình loại nào? • Chu trình thư tư trình bày về các yêu cầu chỉ dẫn kỹ thuật, công trình cần được xây dựng như thế nào, vật liệu nào sẽ dùng, kích thước cụ thể la bao nhiêu, sai số cho phép trong thi công là bao nhiêu? vv. 9
24. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Trong hầu hết các trường hợp thì các chu trình thiết kế sẽ không dẫn ngay trực tiếp đến giai đoạn quan trọng tiếp theo: Mức độ chi tiết hơn về kỹ thuật. Cho mỗi mội giai đoạn quan trọng như xác lập mục đích, thiết lập chức năng, thiết kế hình dạng và chỉ dẫn kỹ thuật xây dựng thi công cần phải có thêm các chu trình bổ sung (Hình 2-2). Hình 2-2 Các chu trình cho các mức độ chi tiết khác nhau Như vậy, người thiết kế nhận rõ được ý nghĩa của các giai đoạn quan trọng trong quá trình thiết kế. Trong thực tế thiết kế xây dựng mức độ chi tiết thiết kế được phân ra thành các giai đoạn: • Định hướng, lập ý tưởng: giai đoạn này liên quan đền hình thành các mục đính và mục tiêu; • Khả thi (khảo cứu-xác lập vấn đề): liên quan đến các chức năng, nhiệm vụ cần đạt được • Thiết kế sơ bộ, chi tiết hóa hình dạng, hình loại và kích thước hình học của công trình. • Thiết kế cuối cùng, liên quan đến việc lập các hồ sơ kỹ thuật và chỉ dẫn kỹ thuật: làm thế nào để thi công được công trình. • Thiết kế chi tiết, lập hồ sơ thiết kế chi tiết và các chỉ dẫn kỹ thuật của từng thành phần công trình hay thành phần hệ thống. Trong thực tế thiết kế và xây dựng các công trình hiện tại ở Việt Nam, các giai đoạn thiết kế được quy định theo Nghi định 16-CP về quản lý đầu tư xây dựng như sau: - Thiết kế cơ sở - Thiết kế Kỹ thuật - Thiết kế bản vẽ thi công. 2.5 Các nỗ lực kết hợp trong thiết kế Kết hợp các giai đoạn thiết kế (Định hướng, lập ý tưởng;Khả thi;Thiết kế sơ bộ; Thiết kế cuối cùng; Thiết kế chi tiết ), với các mức độ chi tiết và quy mô thực hiện (cấp độ hệ thống, cấp độ thành phần công trình, chi tiết công trình) đưa ra một cách rõ ràng và tỉ mỉ về các công việc người thiết kế phải thực hiện cho mỗi giai đoạn nhất định, xem Hình 2-3. 10
25. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Giai đoạn thiết kế Hệ thống Công trình Chi tiết công trình Định hướng, lập ý Mục đích, đối tưởng tượng Khả thi Chức năng Mục đích, đối tượng Thiết kế sơ bộ Hình dạng Chức năng Mục đích, đối tượng Thiết kế cuối cùng Hình dạng Chức năng Thiết kế chi tiết Hình dạng Hình 2-3 Quan hệ giữa giai đoạn thiết kế, mức độ chi tiết thiết kế và cấp độ hệ thống Từ hình vẽ trên có thể dễ dàng nhận thấy tại cùng một thời điểm, sản phẩm mong muốn của các bước thực hiện trước là gì. Chỉ có thể xác định được mục tiêu đối tượng của một thành phần công trình khi mục tiêu và và chức năng của hệ thống (cấp độ cao hơn) đã được xác lập. Cần nhấn mạnh rằng một trong những lỗi lớn nhất mà người thiết kế có thể gặp phải là thành lập một cách áp đặt ngay ý tưởng thiết kế và phương án chọn dựa trên kinh nghiệm chủ quan (hoặc có thể bị áp đặt ý tưởng) mà không thực hiện theo trình tự các bước của quá trình thiết kế từ bước thiết kê thô đến bước thiết kế chi tiết. Thường trong những trường hợp này là sau khi hình thành ý tưởng và thiết kế phương án chọn rồi mới quay lại xây dựng các phương án thay thế mang tính hình thức. Cách làm này sẽ không đem lại một sản phẩm thiết kế hoàn chỉnh đảm bảo đầy đủ các yêu cầu chức năng và không thỏa mãn được các tiêu chí thiết kế đặt ra. Thực tế cho thấy thực hiện thiết kế theo các bước và các giai đoạn song song cho ta nhiều ưu điểm và tăng mức độ hiểu biết về các yêu cầu đặt ra và tính khả thi của nó. 2.6 Các khía cạnh khác liên quan đến thiết kế Một điều quan trọng cần nhận ra là lợi ích và giá trị của thiết kế là một khía cạnh khác với các yêu cầu. Giá trị là một khái niệm không định lượng được. Các kết quả thiết kế phải là đáng tin cậy, dễ bảo dưỡng, chấp nhận được về mặt thẩm mỹ, không gây ra các ảnh hưởng không có lợi, vv. Người thiết kế phải làm sao bao hàm được các khía cạnh trên trong nội dung thiết kế. Các yêu cầu này mang một phạm trù khác, nó thường thể hiện sự mong đợi hơn là yêu cầu cụ thể được định trước. Nếu chúng ta quan niệm giá trị công trình quyết định bởi khẳ năng thực hiện chức năng và các vấn đề liên quan đến môi trường, còn chi phí quyết định bởi việc xây dựng công trình, các giải pháp kỹ thuật (sự duy trì là khái niệm nằm ở giữa), thì có thể xem xét năm khía cạnh sau liên quan đến thiết kế: • Môi trường • Khả năng thực hiện chức năng • Sự duy trì, tồn tại • Các điều kiện kỹ thuật, công nghệ • Khă năng sản xuất / xây dựng 11
26. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Đối với người thiết kế điều này có nghĩa rằng một công trình mà: • Hòa hợp với môi trường, nhưng không phát huy được chức năng nhiệm vụ, thì đây không phai là lời giải; • Hòa hợp với môi trường, phát huy được chức năng nhiệm vụ nhưng không duy trì tồn tại đươc, thì đây không phải là lời giải; • Hòa hợp với môi trường, phát huy được chức năng nhiệm vụ, có khă năng duy trì tồn tại đươc, nhưng không đảm bảo điều kiện kỹ thuật thì đây không phải là lời giải; • Hòa hợp với môi trường, phát huy được chức năng nhiệm vụ, có khă năng bảo quản/duy trì tồn tại đươc, đảm bảo điều kiện kỹ thuật nhưng không thể thi công được thì đây cũng không phải là lời giải. Mỗi khía cạnh trên phản ánh một nhóm các điều kiện thiết kế. Các điều kiện này được tóm tắt trong Bảng 2-1. 12
27. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Bảng 2.1 Các khía cạnh liên quan thiết kế và các điều kiện ràng buộc Khía cạnh thiết kế Điều kiện ràng buộc Môi trường Ổn định bền vững Ảnh hưởng không gian Phù hợp với các quá trình tự nhiên Tính thẩm mỹ Ảnh hưởng khu vực lân cận Khả năng thực hiện chức năng Khả năng Độ tin cậy Mức độ sẵn sàng/cung cấp An toàn Khả năng tiếp cận Bảo quản/Duy trì Duy tu sửa chữa Bảo dưỡng Sửa chữa hư hỏng Phục hồi chức năng/làm lại Kỹ thuật công nghệ xây dựng An toàn xây dựng Ổn định độ bền và độ cừng Khối lượng Sử dụng được Ổn định bền vững Thi công/Xây dựng Điều chỉnh được Tiêu chuẩn hóa Xây dựng được Hậu cần/phụ trợ Thời gian xây dựng Chất lượng và an toàn Dễ ràng nhận thấy rằng các khía cạnh liên quan môi trường và khả năng thực hiện chức năng xác định giá trị của dự án trong khi khả năng bảo dưỡng/duy trì chỉ mộ phần tham gia hình thành giá trị của dự án. Một bộ phận nào đó không làm việc được do thường xuyên hư hỏng sẽ không được xem là có đóng góp giá trị. Mặt khác bảo dưỡng và duy trì còn có liên quan đến chi phí. Hai khía cạnh còn lại là kỹ thuật công nghệ xây dựng và xây dựng chỉ ảnh hưởng đến giá thành dự án. Tồn tại hiển nhiên các mối liện hệ giữa các khía cạnh nêu trên. Công nghệ và kỹ thuật quyết định đến khả năng thực hiện chức năng. Khả năng thực hiện chức năng của công trình chiếm ưu thế trong việc gây ảnh hưởng lâu dài đền môi trường còn quá trình xây dựng dự án chỉ gây nên những ảnh hướng ngắn hạn. Kỹ thuật công nghệ và duy tu bảo dưỡng có mối quan hệ tự nhiên, nếu thiết kế sai sẽ dễ ràng dẫn đến các hư hỏng và các sửa chữa sau đó. 13
28. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế Trong khi thực hiện các hoạt động thiết kế các sự lưu ý thường chuyển tự mối quan tâm: “ Chức năng này có phải là mong muốn không?” sang câu hỏi: “ Liệu có thể thực hiện được mong muốn đó không”. Các khía cạnh thiết kế Các giai đoạn thiết kế Môi trường Chức năng Duy trì Ý tưởng Tiền khả thi Thiết kế sơ bộ Thiết kế chi tiết Công nghệ Thi công Thi công công trình Hình 2-4 Các khía cạnh và giai đoạn thiết kế 2.7 Thiết kể tổng thể Toàn bộ quá trình thiết kế có thể được thể hiện lại thông qua lược đồ thiết kế tổng thể trên hình 2-5, nó chỉ ra rằng làm thế nào người thiết kế có thể kể đến các khía cạnh thiết kế liên quan trong quá trình thực hiện công việc (trong tất cả các giai đoạn, cấp độ khác nhau của quá trình thiết kế). Các khía cạnh thiết kế Các giai đoạn thiết kế HThống BPhận Chi tiết Môi trường Chức năng Duy trì Ý tưởng Mục tiêu Tiền khả thi Ch năng Mục tiêu Thiết kế sơ bộ H dạng Ch năng Mục tiêu Thiết kế chi tiết H dạng Ch năng H dạng Công nghệ Thi công Thi công công trình Hình 2-5 Lược đồ thiết kế tổng thể Lược đồ trên đây chỉ ra rằng trong giai đoạn nào người thiết kế cần làm gì và có thể làm gì. Sẽ không thể thực hiện được nếu trong giai đoạn đầu của quá trình người thiết kế đã muốn quan tâm đến đặc tính của các chi tiết nhỏ (ví dụ kích thước lớp bảo vệ ngoài) hay ở giai đoạn cuối anh ta mới bắt đầu bận rộn với công việc xác lập mục tiêu của dự án/đối tượng của dự án. 2.8 Các bước đặc trưng trong thiết kế Trong quá trình thiết kế công trình, các bước đặc trưng sau đây thường được áp dụng: 2.8.1 Thiết kế ý tưởng Trong giai đoạn này một loạt các phương án thay thế được xem xét, các phương án này đều thỏa mãn các yêu càu về chức năng. Thiết kế trong giai đoạn này chỉ đưa ra các kích thước chính của công trình. Các yếu tố cơ bản dùng xác định tính khả thi của công trình về mặt kinh tế và kỹ thuật được phân tích kỹ. Các đánh giá về mức độ quan 14
29. Chương 2- Phương pháp luận thiết kế trọng tương đối giữa các phương án cúng được đưa ra thông qua các phân tích đa mục tiêu. 2.8.2 Thiết kế sơ bộ Sau quy trình sàng lọc về tính khả thi kinh tế kỹ thuật, một số giới hạn các phương án được lựa chọn để phân tích trong bước này. Trong các trường hợp cần thiết khi các phương án thay thế không đảm bảo các tiêu chí đề ra, bước thiết kế ban đầu có thể phải lặp lại. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ này cần phải xác định các kích thước công trình ở mức độ tương đối chi tiết và cần thiết phải kiểm tra lại điều kiện kinh tế. Nếu dự án không khả thi về mặt kinh tế, cần tiến hành điều chỉnh lại thiết kế sơ bộ và đánh giá lại (lặp lại bước này). 2.8.3 Thiết kế chi tiết Các thiết kế chi tiết về kết cấu công trình, các thành phần công trình của toàn hệ thống được thực hiện trong giai đoạn này. Song song với thiết kế giai đoạn này là lập dự toán chi tiết cho dự án. Các khía cạnh khác cũng cẫn được xem xét rất kỹ như các vấn đề liên quan đến môi trường, chính trị xã hội, cớ chế, chính sách Các tiêu chí liên quan đến kỹ thuật, kinh tế, chính trị xã hội sẽ được dùng để đánh giá tính khả thi của dự án thiết kế. 2.8.4 Thi công công trình Mặc dù giai đoạn này không thực sự nằm trong quá trình thiết kế, người thiết cần phải nắm được những điều kiện ràng buộc có thể nảy sinh trong giai đoạn thi công. Các vấn đề cẫn xem xét kỹ như khả năng cung cấp vật liệu, khả năng tiếp cận và chuyên chở trong công trường, các hạn chế và ràng buộc về phương tiện và thiết bị thi công cũng như tính khả thi của các khâu trung gian trong thi công. Các vấn đề này cần được đặc biệt chú ý trong bước thiết kế kỹ thuật chi tiết (thiết kế thi công). 2.8.5 Vận hành và bảo dưỡng công trình Đây là giai đoạn sau cùng của một quá trình thiết kế và xây dựng công trình. Tuy nhiên nó người thiết kế cũng cần xem xét và kể đến trong quá trình thiết kế. Công tác duy tu bảo dưỡng có ảnh hưởng lớn đến các điều kiện kinh thế trong quá trình lựa chọn phương án thiết kế. Nếu khẳ năng đáp ứng tài chính cho việc duy tu bảo không cao thì việc lựa chọn phương án thiết kế có vốn xây dựng ban đầu cao và không yêu cầu duy tu thường xuyên là hợp lý. Trường hợp nhân công rẻ và khó khăn về vốn đầu tư ban đầu, phương án chọn có thể có giá thành rẻ chấp nhận duy tu bảo dưỡng định kỳ sẽ thích hợp. Câu hỏi cuối chương: Câu 1: Nêu tóm tắt các yếu tố cần cân nhắc trong quá trình thiết kế. Câu 2: Phân tích sự khác nhau giữa các khái niệm “chu trình thiết kế” và “giai đoạn thiết kế”. Các giai đoạn thiết kế theo quy định của Luật xây dựng cơ bản Việt Nam có gí khác so với các giai đoạn thiết kế chung. (Hết chương 2) 15
30. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế 16
31. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế CHƯƠNG 3: CHI TIẾT QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 3.1 Nhận biết vấn đề Trong giai đoạn này, các vấn đề hiện đang tồn tại và có thể xảy ra trong tương lai cần được nhận thức và xem xét đầy đủ. Những hiểu biết về các vấn đề hiện tại hay các vấn đề có khả năng xảy ra trong tương lai cần được gắn với việc xác định một giải pháp phù hợp cho vấn đề đó. Trong phạm vi môn học này, giải pháp có thể là xây dựng một công trình ven bờ hoặc ven biển để giải quyết các vấn đề nêu ra. Những vấn đề tương lai có thể nhìn thấy trước căn cứ vào những thay đổi có thể dự báo được, hoăc những vấn đề sẽ sẽ có thể phát sinh do công trình dự kiến xây dựng gây ra. 3.2 Xác định các điều kiện biên và ràng buộc trong thiết kế Trong giai đoạn nhận biết vấn đề, cần xác định tất cả các điều kiện biên ảnh hưởng và các giải pháp có thể. Các điều kiện biên này tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, nhưng nhìn chung chúng đều bao gồm các khía cạnh sau: - Chính sách quy hoạch (kể cả khía cạnh đánh giá tác động môi trường); - Các điều kiện vật lý tại tuyến công trình; - Những vấn đề thi công, quản lý và bảo dưỡng; - Những vấn đề liên quan đến chi phí, vốn đầu tư. Chính sách quy hoạch bao gồm các mặt như điều kiện chính trị, xã hội, luật pháp, kể cả khái niệm rủi ro có thể chấp nhận được đối với sự cố hư hỏng, những thiệt hại về người và của, những tác động môi trường có thể chấp nhận được. Những tác động của môi trường sẽ được bàn đến ở phần sau khi điều kiện biên về môi trường chiếm ưu thế, phần này chỉ đề cập đến những điều kiện biên cơ bản nhất về giải pháp với những ảnh hưởng có lợi và bất lợi của từng giải pháp. Việc xác định những điều kiện vật lý ở ngoài thực địa như: điều kiện địa hình, địa chất, độ sâu, hình thái, thủy lực (mực nước, sóng, gió, tốc độ dòng ), các điều kiện về vị trí, các điều kiện địa kỹ thuật (các đặc tính của đất nền và áp lực nước ) sẽ được giới thiệu cụ thể trong cuốn sách này. Một số vấn đề khác như tác động hoá học, tác động sinh học, tác động của băng trôi sẽ nằm ngoài phạm vi của môn học này. Trong thiết kế cần phải xác định những hậu quả có thể xảy ra đối công trình ứng với các điều kiện tổ hợp bình thường và cực hạn và phạm vi ảnh hưởng của chúng đối với công trình. Công việc quản lý (bao gồm việc theo dõi, quản lý và sửa chữa) đóng vai trò là các điều kiện biên đối với giải pháp nhiều hơn là giải quyết vấn đề, giống như các tác động của môi trường là một phần của quá trình thiết kế. Các ràng buộc về chi phí đóng vai trò như những điều kiện biên đối với quy mô của các giải pháp. Vấn đề chi phí công trình liên quan chặt chẽ với hầu hết các vần đề trong quá trình thiết kế. Công tác thi công và duy tu bảo dưỡng công trình cũng đòi hỏi đưa thêm vào các điều kiệ n biên. Những điều kiện này cần được xác định ở bước quy hoạch và thiết kế và sẽ 17
32. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế trở thành một phần của quy trình thiết kế lặp lại giống như nhiều khía cạnh khác của tác động môi trường. Phần này sẽ được đề cập chi tiết trong mục 3.5.1. 3.2.1 Chính sách quy hoạch, phân tích chính sách Các dự án về công trình thuỷ nói chung phải tuân thủ các yêu cầu về chính sách, thể chế và pháp luật. Cần tiến hành phân tích chính sách nhằm xác định những lợi ích và khó khăn do tác động của môi trường kinh tế xã hội nói chung và cơ quan chức trách nói riêng. Việc phân tích chủ yếu phục vụ cho các mục tiêu của dự án, do đó cần có sự tham gia của các bên liên quan, tuy nhiên về nguyên tắc, việc lựa chọn không phải do người thiết kế quyết định. Các chính sách quan trọng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thiết kế, có thể lường trước bao gồm: rủi ro chấp nhận được của các hư hỏng, thiệt hại về người và của; tỷ lệ chi phí-lợi ích tối thiểu hoặc tỷ suất nội hoàn của dự án (tài chính); đánh giá tác động môi trường Những vấn đề quan trọng đối với các cơ quan có thẩm quyền, các cơ quan tài chính hoặc cộng đồng khi xem xét thông qua, đó là: • các giải pháp đủ để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống công trình đã xây dựng như bến phà (cầu tàu), cống thoát nước; • sự chấp nhận của xã hội, ví dụ như sử dụng nhân công kỹ thuật địa phương; • sự chấp nhận được về môi trường giải trí; • sự chấp nhận được về môi trường; • sự chấp nhận được về sinh thái; • sự chấp nhận được liên quan đến thẩm mỹ chung. Các nhà đầu tư có thể tham gia đầu tư vào công trình giống như việc đầu tư vào dự án nào đó và cần phải tuân theo một số tiến trình liên quan tới những yêu cầu về quy hoạch, các thủ tục luật pháp, những thủ tục làm quyết định, phân tích chi phí và lợi nhuận đối với việc tính toán kinh tế cho công trình. Các chính sách có tác động đáng kể đối với việc thiết kế và thường được xác định trước như: - Rủi ro có thể chấp nhận được của các sự cố hư hỏng, những thiệt hại về người và tài sản. - Tỷ số giữa chi phí – lợi nhuận hoặc tỷ lệ hoàn vốn là nhỏ nhất đối với dự án. Tuy nhiên, nhiều lĩnh vực của chính sách quy hoạch không được xác định trước tại thời gian bắt đầu dự án và nhiều trường hợp, việc xin phép các cơ quan nhà nước để tiến hành dự án gặp nhiều trở ngại (ví dụ xin phép để quy hoạch). Do đó những người làm quyết định, những nhà chức trách, những người có thẩm quyền, những tổ chức, cá nhân – những người có quan tâm đến vấn đề và/hoặc quan tâm đến đường lối giải quyết nó (bao gồm quy hoạch, thiết kế, thi công và quản lý công trình) cần phải tham gia ngay từ đầu quá trình thiết kế. Kinh nghiệm đã chỉ ra rằng, một giải pháp kỹ thuật đối với một vấn đề nào đó có thể không được chấp nhận bởi bất kỳ một bên có quan tâm, nếu như giải pháp đó là giải pháp độc lập và bị bó hẹp trong một phạm vi nào đó. Cơ sở của các bên quan tâm khác nhau cần được thông báo cho nhau biết khi các bên này liên quan đến quyền lợi xã hội (cá thể), chính trị và/hoặc kinh tế. 18
33. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Tác động của những ràng buộc do các cơ quan quy hoạch đưa ra có thể được xem xét. Thông thường một dự án có thể được được thực hiện bằng cách sử dụng những công trình, những vật liệu, trang thiết bị và lao động khác nhau, các bên hưởng lợi và/hoặc có quan quy hoạch trong một giới hạn nhất định có thể lựa chọn cho một phương án có thể nào đó. Điều này có thể gây ảnh hưởng đáng kể tới việc thiết kế, thi công và quản lý công trình trong tương lai. Để giải quyết vấn đề không được chấp nhận, có thể sử dụng phương pháp phân tích chính sách. Phân tích chính sách nhằm mục đích nhận được sự hỗ trợ tối thiểu từ các bên liên quan cho một hay nhiều phương án thiết kế cơ bản, được lựa chọn từ các phương án có thể sau khi đã xem xét một cách hợp lý bài toán cụ thể. Trong tài liệu này chỉ đề cập đến các giải pháp mang tinh kỹ thuật và cụ thể hơn là dựa trên cơ sở sử dụng các loại vật liệu khác nhau. Các thông số và những vấn đề quan trọng đối với việc phân tích đó là: (1) mô tả vấn đề sát thực tế hơn; (2) các giải pháp thay thế được đưa ra cần chỉ rõ mức độ đáp ứng cho mỗi mục tiêu liên quan trong việc giải quyết vấn đề (ví dụ vận tải, tài chính, môi trường); (3) sự tham gia của đại diện các bên liên quan trong giai đoạn đầu của công tác thiết kế; (4) các tiêu chí và tỷ trọng của mỗi tiêu chí sử dụng trong Phân tích Đa tiêu chí sau của giải pháp; (5) lựa chọn cuối cùng thường được đệ trình lên cơ quan nhà nước có thẩm quyền ra quyết định chứ không phải là dự án. Khi đạt được những điều kiệ n trên, người thiết kế sau đó có thể sẽ tiến tới bước so sánh các giải pháp có được và lựa chọn một thiết kế thích hợp, đồng thời đề xuất một vài lựa chọn thiết kế cho các bên liên quan. Các bên này sẽ đánh giá các lựa chọn dựa trên ma trận tiêu chí mà họ đã xác định và thoả thuận trước đó. Khi một hay một vài phương án thiết kế đã được lựa chọn, việc này sẽ được thảo thành văn bản thoả thuận chuẩn bao trùm cả hai điều cân nhắc 1 và 2 ở trên. Thoả thuận này sẽ cho phép có một bản thiết kế cuối cùng với đầy đủ chi tiết để thực hiện và được ghi nhận bằng văn bản có giá trị pháp lý. 3.2.2 Rủi ro chập nhận được Rủi ro chấp nhận được của một sự cố/ hư hỏng/ tổn thất về con người khi vượt quá các thông số cho công trình chỉnh trị sông hoặc công trình thuỷ cho phép là điều kiện biên trung tâm đối với bất kỳ một thiết kế nào về cả điều kiện trạng thái giới hạn làm việc và trạng thái giới hạn cuối cùng. Trong thiết kế ngẫu nhiên, lợi nhuận từ phương án thiết kế rẻ hơn sẽ được quy đổi thành một giá trị rủi ro tính toán. Thông thường, hậu quả của sự cố có thể là rất lớn, vì vậy cần phải chỉ rõ bên tham gia nào sẽ phải chịu rủi ro đó và bên nào được hưởng lợi. Trong giai đoạn thiết kế, cần xét đến cả quá trình thi công, bảo dưỡng và quản lý. Theo định nghĩa thông thường, rủi ro là tích số của xác suất xảy ra sự cố và hậu quả của sự cố đó. Tuy nhiên, một định nghĩa định lượng khách quan về hậu quả không bao giờ là dễ dàng. Thực tế, chỉ những hậu quả trực tiếp của sự cố như hư hỏng công trình là có thể tính toán được. Các hậu quả là muôn hình muôn vẻ và có thể rất khó khăn để 19
34. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế thể hiện rõ ràng sự liên quan của nó tới công trình Vì vậy, gần như không thể đạt được một thang điểm thoả đáng chung về phạm vi và đơn vị đo hậu quả. Những ví dụ của các hậu quả có thể xảy ra (với các thứ nguyên khác nhau), không kể đến hư hỏng trực tiếp đến công trình là: - Sức ép của xã hội; - Tổn thất về tính mạng; - Người bị thương; - Thiệt hại về của cải vật chất; - Tổn thất vốn đầu tư; Tổn thất về những thu nhập tương lai (hoặc hy vọng ở tương lai) Những hậu quả và mất mát này có thể được phân loại như trong Bảng 3-1 Bảng 3-1 Các loại tổn thất Có thể định lượng (hữu hình) Không thể định lượng (vô hình) Sửa chữa thay thế và phục hồi lại công Tổn thất về người trình Người bị thương Sửa chữa, khôi phục và thay thế các công Tổn thất về vật chất không Trực tiếp trình có liên quan. thể thay thế được Sửa chữa, khôi phục và thay thế những Thiệt hại về môi trường hạng mục bị hư hỏng liên quan bằng các cấu kiện khác. Sự cố do sản phẩm kém chất lượng ở khu Sự chịu đựng và tan rã hệ vực có công trình thống xã hội Sự cố do sản phẩm kém chất lượng ở khu Áp lực, sự sợ hãi và sự nhạy Gián tiếp vực lân cận công trình cảm với việc gia tăng bệnh Sản xuất kém do sự tan rã hệ thống kinh tật. tế từ sự cố công trình gây nên Đôi khi, chủ dự án hoặc xã hội có thể đề nghị mức độ rủi ro có thể chấp nhận được đối với các loại thiệt hại khác nhau. Việc đánh giá rủi ro được so sánh với mức độ rủi ro đã được thỏa thuận và xác định từ trước. Tuy nhiên, vấn đề mang tính chủ quan và đạo lý có thể có trong việc xác định mức độ rủi ro này khi kể đến những tổn thất không thể định lượng. Hai phương pháp đánh giá mức độ rủi ro có thể chấp nhận được liên quan đến tổn thất về con người là những phương pháp xác định rủi ro cuả từng cá nhân và rủi ro của xã hội (TAW/CUR 141, 1990). Nếu mức độ chấp nhận rủi ro không được xác định trước thì vấn đề rủi ro có thể được đánh giá bằng cách sử dụng phân tích kinh tế giữa lợi nhuận và chi phí với sự đánh giá tài chính chủ quan được dự định của những chi phí không nhìn thấy không định lượng được như thiệt hại về tính mạng con người. Những chi phí này có thể được kể đến trong cùng một cách thức như những chi phí khác như là chi phí trong quản lý và sửa chữa. Trong phương pháp này, giá trị của cuộc sống có thể được biểu thị bằng giá trị hiện tại của sản phẩm quốc gia tính trên đầu người của dân số. Tuy nhiên, các vấn đề 20
35. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế đạo lý của việc gán một giá trị vào những thiệt hại không nhìn thấy được khi phải gánh chịu và thiệt hại tính mạng con người cần được xem xét thận trọng. Do vậy những thiệt hại không nhìn thấy được thường bị bỏ quên khi đánh giá kinh tế và cần được so sánh trong một cuộc thảo luận hợp lý riêng biệt. Những thiệt hại như những thiệt hại do phá hoại môi trường gây ra từ việc xây dựng công trình có thể được biểu thị như các chi phí của một dự án bóng để giảm bớt ảnh hưởng của tác động tiêu cực (tác động xấu). Các thông kê nguyên nhân gây chết người đã cho thấy xác suất xấp xỉ bằng 10-4 đối với các hoạt động tự ý. Cái đó được sử dụng như là một chỉ số đối với rủi ro cá nhân có thể chấp nhận được. Đối với các nước không thuộc Châu Âu, các con số trên có thể khác biệt rất nhiều (ví dụ như do điều kiện địa lý, văn hoá, các lý do về kinh tế). a. Rủi ro theo quan điểm cá nhân Cách thứ nhất để thiết lập xác suất xảy ra sự cố chấp nhận là coi nó tương đương với xác suất xảy ra thiệt mạng, được tính theo bình quân đầu người. Các phân tích rủi ro dựa trên dữ liệu thống kê mang tính xã hội thường đưa ra một chỉ số trung bình về rủi ro chấp nhận được liên quan số người chết. Theo phương pháp phân tích dựa trên ly trí và nhận thức, các cá nhân của một hoạt động luôn ý thức về tính cân bằng giữa rủi ro và lợi nhuận chấp nhận được. Tùy theo lợi ích của quá trình này mà hoạt động tình nguyện có được bảo đảm hay không. Vì vậy mà tạo ra sự khác biệt giữa các hoạt động tình nguyện được đảm bảo và các hoạt động không được bảo đảm. Theo cách thức này, mức độ tình nguyện có liên quan đến xác suất xảy ra tai nạn được dự báo trước. Hình 3-1 sau cho thấy rủi ro cá nhân trung bình hàng năm tại các nước phương Tây với các hoạt động khác nhau. Hình vẽ này lấy từ số liêu thống kê về những tai nạn dự báo trước. Hình 3-1 Mức độ rủi ro tại các nước phương Tây Số liệu thông kê về nguyên nhân tử vong thể hiện qua xác suất xấp xỉ 10-4 đối với các hoạt động tự do có ý thức mức trung bình. Số liệu này sử dụng 1 chỉ số dành cho rủi ro cá nhân chấp nhận được. Đối với các quốc gia không thuộc phương Tây, lợi tức cho 1 hoạt động như vậy có thể khác so với minh hoạ trên, có thể do địa lý, văn hoá và các 21
36. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế nguyên do về kinh tế. Rủi ro cá nhân chấp nhận được (Pdi) dành cho một hoạt động cụ thể được tính bằng: Ndi NPPpi fi d/ Fi Pdi == NNpipi Trong đó: Npi là số người liên quan đến hoạt động thứ i Ndi là số người thiệt mạng trong hoạt động thứ i Pfi là xác suất tai nạn của hoạt động thứ i. Pd/Fi là xác suất tỉ lệ về số người thiệt mang xảy ra trong một tai nạn thứ i. b. Rủi ro theo quan điểm xã hội (mang tính cộng đồng) Phương pháp tiếp cận xác định rủi ro chấp nhận được của một dự án cụ thể theo quan điểm xã hội là khó có khả năng xảy ra. Thực ra, câu hỏi về khả năng chấp nhận của xã hội là bài toán thử đúng dần theo 2 hướng: 1) Xác định dựa theo kinh nghiệm số lượng thương vong chấp nhận được thông qua đánh giá tai hoạ do sự cố công trình. 2) Giảm thiểu các vấn đề thiệt hại thông qua tối ưu hóa kinh tế, bằng việc diễn giải tất cả hậu quả theo đơn vị thương vong/ thiệt hại có thể xảy ra. Theo quan điểm thứ nhất, xác suất xảy ra sự cố tối ưu được xác định theo công thức (TAW/CUR 141, 1990): I PBfop =−()rg PNCCdf/ P P+ f Trong đó: I là chi phí đầu tư cho một đơn vị gia tăng về thông số độ bền (chiều cao đỉnh, đường kính viên đá) Cf là tổng chi phí liên quan đến sự cố (rủi ro) Pd/f là xác suất xảy ra thương vong/ thiệt mạng của một sự cố NP là số người nằm trong vùng ảnh hưởng của công trình; Cp là chi phí cho mỗi sinh mạng (điều này hiện đang là vấn đề con đang được thảo luận) B là tham số kinh nghiệm dạng “mũ” của phân phối tải trọng, kể đến ảnh hưởng của việc gia tăng độ bền. r là lãi suất thực tế. g là tốc độ tăng trưởng kinh tế. Theo quan điểm thứ hai, chỉ tiêu (Pfn) biến đổi từ xác suất xảy ra thiệt mạng một người (số Nd), do sự hiện diện vô tình trong các hoạt động như nhà máy, tàu thuỷ hay máy bay với số lần xuất hiện Nc của cá thể đó, và họ là thành viên trong tổng số N người: Pfn=Nd/NNc Nếu xác định trước một cấp độ rủi ro chấp nhận được thì bất kỳ công trình được xem xét nào của dự án cũng có thể giới hạn được rủi ro theo giá trị định trước này. Nếu không có cấp độ rủi ro nào được xác định trước thì đánh giá rủi do có thể căn cứ vào các phân tích giá trị lợi nhuận kinh tế (CBA) về chi phí do thiệt hại hay thiệt hại về mạng sống con người; hay chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cũng tương tự như những 22
37. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế chi phí này.Theo phương pháp này, giá trị về con người có thể được xác định bằng tổng sản phẩm quốc nội chia cho tổng dân số. Tuy nhiên với phạm trù về đạo đức và tinh thần thì việc gán giá trị vật chất cho sinh mạng con người là một điều nhức nhối và chưa dễ được chấp nhận vì sinh mạng con người là quan trọng nhất và vô giá. Một số giá trị phi vật thể, không thể đánh giá chính xác được như giá trị thiệt hại về môi trường khi có dự án bởi vì công trình được coi là chi phí “bóng” của dự án để phần nào giảm nhẹ ảnh hưởng của các tác động ngược. Đối với trường hợp mở rộng, rủi ro chấp nhận được có thể được xem xét lại dựa vào quan hệ giữa các khả năng giám sát, kiểm tra và sửa chữa. Vì vậy thiết kế có thể đề cập đến những khả năng này để dự phòng cho các thủ tục tra và duy tu bảo dưỡng. Ngược lại,nếu thiếu các khả năng kể trên cần phải chấp nhận rủi ro tối thiểu. 3.3 Phân tích chức năng Một giai đoạn rất cần thiết trong quá trình thiết kế là phân tích các chức năng của công trình nhằm xác định chức năng nào là cần thiết bắt buộc phải có và chức năng nào chỉ ở mức độ mong muốn có được. Trong khi tiến hành phân tích, cần phải cân nhắc liệu có còn yếu tố nào chưa được xét đến hay không. Kết quả của phân tích chức năng là một tập hợp những yêu cầu chức năng đối với công trình tương lai. Cần phải xác định mức độ yêu cầu mà công trình có thể đáp ứng được khi nó hoạt động. Những yêu cầu chức năng có thể được xác định đối với toàn bộ công trình hay đối với một hoặc một số các hạng mục của công trình. Chức năng chủ yếu mà công trình sử dụng vật liệu đá có thể đảm nhiệm được liệt kê trong Bảng 3-2. Ngoài ra các công trình này có dạng những cấu trúc lớn (ví dụ như vách đá, cồn cát) cũng có chức năng bảo vệ bờ sông, biển dưới các tác động thủy lực. Ở đây, chức năng của các công trình đá là ngăn chặn các tải trọng, áp lực thủy lực từ biển tác động lên các cấu trúc lớn này. Các yêu cầu chức năng đối với công trình đá sẽ được xác định trong quy hoạch tổng thể (xem chương 5). Các chức năng của các hạng mục công trình sẽ được thể hiện rõ qua ví dụ. Bảng 3-2 đã liệt kê những hạng mục của đập phá sóng cùng với các chức năng mà chúng đảm nhiệm tương ứng. Thông qua việc kiểm tra các chức năng của các hạng mục công trình, người ta thấy rằng chúng thuộc vào hai loại sau: • Các chức năng liên quan đến chức năng chủ yếu của công trình; • Các chức năng liên quan đến việc bảo dưỡng, bảo vệ cho toàn bộ công trình. Ví dụ như lõi của đập chắn sóng ngoài chức năng ngăn chặn hoặc làm yếu sóng truyền như chức năng của đập, nó còn có chức năng là trụ đỡ cho lớp vỏ ngoài và giữ ổn định tổng thể công trình về mặt địa kỹ thuật. Đối với công trình và các hạng mục của công trình, khía cạnh chủ yếu khác trong quá trình phân tích chức năng là xem xét thời điểm, khoảng thời và mức độ đạt được của các chức năng này. Thực hiện theo những yêu cầu này có lẽ được biểu thị rõ nhất bằng rủi ro của việc không hoàn thành các chức năng được thể hiện ở tính tin cậy, tính tiện dụng, rủi ro do thiệt hại hoặc bị thương và một chiến lược quản lý tổng thể. Những ví dụ thực tế của những yêu cầu chức năng bao gồm: 23
38. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Tính tiện dụng: Ví dụ như yêu cầu đảm bảo cho tàu biển với một tải trọng thiết kế nào đó có thể vào cảng an toàn và thả neo ở cảng, trừ một số ngày nào đó trong một năm. Bảo dưỡng: Ví dụ như yêu cầu về một khoản chi phí lớn nhất nào đó đối với quá trình bảo dưỡng định kỳ. Khi phân tích chức năng cần xem xét những thay đổi có thể của chức năng hay mức độ của các yêu cầu chức năng trong thời gian công trình hoạt động, do đó công trình dự kiến và công việc quản lý cần có một sự mềm dẻo thích hợp. Bảng 3-2 Các chức năng của các công trình đá Chức năng Loại công trình I II III IV V VI VII Tránh sóng/dòng ven x x bờ cho tầu thuyền Chống bồi tụ đảm bảo luồng lạch giao thông x x thủy Chống lũ x x Chống xói mòn bờ x x x x x Chống xói nền móng X Chống lại các tác động đối với tầu, như khi tầu X không có hàng Ghi chú: I – Đập chắn sóng; II – Tường ngăn sóng; III – Mỏ hàn IV – Đập chắn sóng ngoài khơi; V – Bãi cuội sỏi VI – Đập dâng dùng cho hồ nước; VII – Công trình phá sóng ngầm xa bờ Những ví dụ về sự cần thiết thay đổi hay sửa đổi những yêu cầu chức năng ban đầu hoặc đưa ra những yêu cầu chức năng mới trong thời gian công trình được hoạt động như sau: Thay đổi các điều kiện biên thủy lực, hình thái hoặc các điều kiện biên khác, như sự biển đổi khí hậu, sự dâng cao mực nước biển, thay đổi lưu lượng sông, mức độ xói mòn và bồi lắng, sự gia tăng mật độ các phương tiện giao thông, sự thay đổi các khả năng về vật liệu dùng trong quản lý bảo dưỡng và thay đổi về lao động, v.v Kết thúc chức năng ban đầu của một công trình tạm thời để hoàn tất thi công công trình vĩnh cửu. Những nhận thức về yêu cầu chức năng có thể được xem xét như bước thiết kế chức năng cho công trình. Chức năng của các hạng mục thành phần công trình biển được liệt kê trong Bảng 3-3. Bảng 3-3 Các chức năng của các hạng mục công trình điển hình Hạng mục Chức năng 1. Chống xói - Ngăn chặn xói mòn 24
39. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế 2. Lõi đập - Giảm truyền sóng - Trụ đỡ cho tầng bảo vệ ổn định địa kỹ thuật 3. Cơ/chân - Giảm sóng tràn qua công trình - Tăng thêm ổn định địa kỹ thuật - Tăng thêm ổn định chân tường bảo vệ 4. Tầng lọc ngược - Hạ thấp mực nước bão hoà, chống xói mòn trong thân đập tiêu nước thấm theo phương ngang 5. Tầng bảo vệ - Chống xói do sóng. Làm tiêu tán năng lượng sóng 6. Đỉnh đập - Giảm sóng tràn qua công trình - Hỗ trợ cho công tác bảo dưỡng, quản lý 7. Tường đỉnh - Giảm sóng tràn qua công trình - Giúp đỡ cho công việc bảo dưỡng thuận lợi - Làm trụ đỡ cho các thiết bị khác ví dụ như đường ống 3.4 Đề xuất các phương án so sánh Bước tiếp theo của quá trình thiết kế là đề xuất các phương án thiết kế nhằm đáp ứng được những điều kiện biên và những yêu cầu chức năng. Quá trình này yêu cầu có những kinh nghiệm và hiểu biết kỹ thuật rộng. Nhiều kinh nghiệm và kiến thức này đã được cuốn sổ tay này đề cập tới với các lĩnh vực chính như sau: - Đánh giá tác động môi trường (mục 3.4.1) - Xác định các nguồn vật liệu và các thuộc tính của vật liệu đó (chương 3); - Nhận thức về các quá trình thuỷ động lực và địa kỹ thuật (chương 4); - Các phương pháp thiết kế đối với các kết cấu đặc thù (chương 4, 5); - Những xem xét trong thi công (chương 3, 5); - Những xem xét trong quản lý, bảo dưỡng (chương 3). Những lĩnh vực này được mô tả trong những đề mục nhỏ với mục đích làm chi tiết hơn quá trình thiết kế. Về vấn đề này, độc giả nên nhận thức rằng, công việc quy hoạch tổng thể của một công trình thông thường sẽ phải đi trước các công việc khác (xem chương 6 phần các ví dụ thực tế). Quá trình đề xuất phương án cũng sẽ làm nổi bật những lập luận trong việc xác định trước những điều kiện biên vật lý tại tuyến công trình và thông thường quá trình này tương ứng với giai đoạn hoàn thiện công việc thu thập số liệu và phân tích số liệu (sẽ được đề cập đến trong chương khác). 3.4.1 Đánh giá tác động môi trường Đánh giá tác động môi trường (EIA) là một tiến trình trong đó các tác động ảnh hưởng của quy hoạch và công trình trong tương lai đối với môi trường. Điều này được xem như là một phần quan trọng và tổng hợp của quá trình quy hoạch và thiết kế công trình. Việc sử dụng vật liệu đá trong các công trình thủy lợi sẽ gây nên những tác động đến môi trường trong quá trình xây dựng và khai thác, sử dụng sau này (tác động lâu dài). Những tác động trong quá trình xây dựng bao gồm các mặt sau: - Khai thác vật liệu đá ở các mỏ đá; - Những tác động trong thời gian ngắn do vận chuyển vật liệu; 25
40. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế - Tiếng ồn, rung động, bụi bặm và các ô nhiễm từ các chất thải từ máy móc (nếu không được kiểm soát) ; - Các ảnh hưởng tới người dân địa phương trong các vấn đề về nhân công, thương mại, nghỉ ngơi và giao thông; Những tác động lâu dài thường được quan tâm nhiều hơn, bao gồm: - Thay đổi độ sâu và cảnh quan của khu vực công trình; - Những thay đổi trong quá trình vật lý hiện tại (như vận chuyển bùn cát dọc bờ, xói mòn ); - Ảnh hưởng tới sinh thái (ví dụ như tác động có lợi của công trình đá ven bờ tới các quần thể dưới nước); - Ảnh hưởng tới trực quan, như hình ảnh một công trình giữa cảnh quan thiên nhiên; - Ảnh hưởng tới xã hội và kinh tế; - Những tác động đối với địa chất, kiến trúc, lịch sử và văn hoá; - Ô nhiễm không khí, nước và đất (hầu hết là từ các công trình khác nhưng có liên quan tới công trình đá). Ở rất nhiều nước việc đánh giá tác động môi trường là một nghĩa vụ mang tính luật pháp đối với các dự án chủ yếu và buộc phải có báo cáo về tác động môi trường trong quy hoạch và thiết kế công trình. Thậm chí ở những nơi luật pháp không yêu cầu, những người thiết kế hay những người đề nghị sử dụng công trình đá ở ven bờ và ven biển sẽ phải xác định chi phí hiệu quả trong thời gian tuổi thọ công trình, từ đó hỗ trợ cho việc bảo vệ cộng đồng và thống nhất trong quy hoạch. Do vậy, đánh giá tác động môi trường phải được tham gia vào trong quá trình phân tích chính sách và các yếu tố môi trường để xem xét thận trọng trong phân tích đa tiêu chuẩn. Các khía cạnh môi trường còn được xét đến khi thẩm định chi phí - lợi nhuận, tại đó chúng xuất hiện như một dạng chi phí của một dự án bóng (trong trường hợp bổ sung thêm việc tính toán giảm nhẹ những tác động bất lợi) hay dưới dạng lợi nhuận (trong trường hợp môi trường được cải thiện hoặc được bảo vệ). Những ví dụ về việc làm giảm các tác động bất lợi bao gồm những vấn đề sau: - Làm sạch đất, nước, không khí bị nhiễm bẩn trong thời gian công trình tồn tại đạt tiêu chuẩn như khi không có công trình; - Cung cấp hoặc duy trì sự tương đương cả về không gian và các hệ thống môi trường đã mất đi do xây dựng công trình.; - Xử lý và/hoặc trữ các vật liệu thải phát sinh từ việc thi công xây dựng và quản lý công trình trong thời gian nó hoạt động và các tác động dài hạn khi công trình đi vào hoạt động. 3.4.2 Kh ả năng sẵn có và những đặc tính của vật liệu Việc xác định khả năng và các đặc tính vật liệu cùng với các biện pháp kiểm tra, đánh giá những đặc tính này, kể cả quá trình sản xuất và vận chuyển cần đề cập đến trong từng giai đoạn thiết kế. Rõ ràng các loại vật liệu là đặc trưng cơ bản cho các phương án lựa chọn khi thiết kế công trình. 26
41. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Trong việc đánh giá các vật liệu, khả năng sẵn có về các nguồn đá và các loại đá trước hết phải được khẳng định và cần đánh giá xem vật liệu các mỏ đá hiện tại có thể sử dụng được không hay phải khai thác ở các mỏ tạm thời khác. Cần phải phân tích, lựa chọn giữa việc sử dụng vật liệu đá có sẵn, dễ khai thác ở địa phương và việc phải mua đá từ các nơi xa xôi khác. Tuy nhiên, cần phải xem xét, phân tích thêm về các phương án sử dụng các vật liệu khác như bê tông, hoặc các sản phẩm đá công nghiệp, đá được gia cường tính ổn định bằng nhựa đường, xi măng cố kết nhanh và các hệ thống đá kết hợp khác (như rọ đá, đá xây) Trong các đặc tính của đá, cần xác định những tính chất vật lý của đá như màu sắc, dung trọng, độ rỗng, mức độ phong hoá và độ bền, tuy nhiên chỉ tiêu dung trọng là cần thiết nhất cho công việc thiết kế ban đầu, màu sắc chỉ quan trọng khi xét đến yếu tố cảnh quan. Những đặc tính về trọng lượng, kích thước, hình dạng và cấp phối hình thành do quá trình sản xuất cũng phải được đánh giá và xem xét khi thiết kế. Ở các mỏ đá được khai thác thường xuyên, bên cạnh cấp phối khai thác tự nhiên cần tiêu chuẩn hóa cấp phối đá theo một trong những cấp phối lý thuyết tiêu chuẩn. Việc lựa chọn cấp phối mịn và nhẹ cho đá lát khan (W50 < 300kg) và xếp đặt chúng thành khối là rất quan trọng. Tại mỏ khai thác tạm thời, cấp phối và số lượng của từng loại đá được chọn cần phải qua kiểm tra bằng phương pháp thử nghiệm phá hoại hoặc ước tính dựa trên những đánh giá về địa chất đá tại hiện trường. Cần xác định những tính chất của đá hình thành trong quá trình thi công như: độ rỗng, mật độ và chiều dày của từng lớp. Độ bền của đá biến đổi và yếu tố này có thể được kể đến trong thiết kế bằng cách sử dụng mô hình phá hoại đá mà hiện nay đang được ứng dụng. Mô hình này dùng để xác định tốc độ đá bị suy thoái thông qua các thông số biểu thị ảnh hưởng của thay đổi khí hậu, các lực mài mòn khác. 3.4.3 Các quá trình thủy lực và địa kỹ thuật Những hiểu biết về quá trình vật lý vô cùng cần thiết trong việc thiết kế mặt bằng và thiết kế mặt cắt ngang của công trình nhằm đáp ứng những yêu cầu chức năng. Sơ đồ Hình 3-2 trình bày một tổng quan về tất cả những công cụ cần thiết trong tính toán. Người thiết kế phải kết hợp được các điều kiện biên về độ sâu, thủy lực và địa kỹ thuật với các thông số của công trình (ví dụ như thông số hình học với các tính chất của vật liệu), từ đó xác định được tương tác giữa yếu tố thủy lực (như sóng leo) và tính chất địa kỹ thuật (như áp lực kẽ rỗng); kết hợp tính toán tải trọng tác dụng lên công trình với cường độ và sức chịu của công trình ta có thể xác định được biến dạng của công trình (như sự dịch chuyển của các viên đá). Làm như vậy ta có thể xác định được hầu hết các tác động bất lợi gây các thiệt hại và hư hỏng cho công trình. 3.4.4 Các phương án thiết kế công trình Thiết kế công trình chính là bước tiếp theo để thực hiên các giải pháp của phương án do đó cần phải có kinh nghiệm về lĩnh vực này. Người thiết kế phải có nhận thức đầy đủ về những khả năng, chức năng và những hạn chế của các công trình khác nhau. Trong việc đánh giá những giải pháp khác nhau (ví dụ như dùng tường chắn sóng, hay mỏ hàn hay đập chắn sóng đối với vấn đề chống xói lở bờ biển) người thiết kế cần 27
42. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế nhận thức về những mô hình về sự cố tiềm năng đối với những loại công trình này và các hạng mục công trình của nó. 3.4.5 Những cân nhắc liên quan đến công tác thi công Yêu cầu cơ bản đối với một bản thiết kế là có thể thi công được. Việc thi công các công trình cần được tiến hành theo các phương pháp hiệu quả và kinh tế. Đồng thời cũng phải xét đến yếu tố thời gian, ví dụ tiến độ thi công phải đảm bảo có thể thực hiện được trong điều kiện làm việc thuận lợi. Những vấn đề thi công được nhìn nhận là tất cả những hoạt động thực hiện tại tuyến công trình,.Sự ổn định tạm thời của các vật liệu đá trong quá trình thi công là một vấn đề quan trọng. Việc sản suất đá và vận chuyển đã được nói ở trên có vai trò rất quan trọng và liên quan tới vấn đề thi công. Quan hệ qua lại của các lĩnh vực thi công khác như ảnh hưởng tới vấn đề thiết kế đã được chỉ ra trong Hình 3-2. Sơ đồ cho ta biết ảnh hưởng chủ yếu của một quyết định, ví dụ như: nên sử dụng máy móc trên cạn hay dưới nước đối với một số hạng mục bởi vì điều này sẽ ảnh hưởng tới thời gian thi công và chi phí công trình. Quyết định này sẽ bị ảnh hưởng bởi một số các điều kiện ràng buộc ban đầu như vật liệu sẵn có, khả năng của nhà máy cung cấp vật liệu, thời gian để huy động được hay không không huy động được, ảnh hưởng và vận hành của nhà máy hay máy móc trong điều kiện sóng, gió, dòng chảy và làm việc dưới độ sâu nào đó. Ngoài ra còn phải kể đến những ảnh hưởng của rủi ro có thể có trong quá trình thi công công trình. Sau khi liệt kê các loại thiết bị máy móc, cần xem xét điều kiện thi công thực tế để chọn loại nào. Ví dụ với loại máy móc làm việc trên cạn (như cần cẩu và các phương tiện vận chuyển), khi thiết kế cần phải xem xét đến các mặt bằng để các máy móc, thiết bị này hoạt động trong thời gian thi công không chịu tác động của sóng Ngoài ra cần xét đến ảnh hưởng của độ sâu nước đến độ chính xác của việc định vị, thả đá. Thiết kế cũng nên trao quyền cho các nhà thầu càng mềm dẻo, càng linh động càng tốt trong các vấn đề thuộc trách nhiệm của họ (ví dụ khả năng của các phương tiện vận chuyển, sự dao động về cung cấp vật liệu). Các nhà thầu cũng có thể tham gia đề xuất các phương án về vật liệu xây dựng nhằm tiết kiệm tiền trong việc giảm giá vật liệu hoặc hiệu quả của việc thi công đá. 28
43. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Độ sâu Vật liêu, sản Phương tiện Điều kiện xuất và vận sẵn có và khả sóng, gió chuyển năng làm việc Thiết bị làm việc Thiết bị làm trên cạn việc dưới nước (hoặc nhân công) Đường vào và khả Thời gian (rủi ro) hư hỏng năng vận hành chết trong quá trình thi công Độ chính xác khi Hình dạng Thời gian lắp đặt cuối cùng thi công Tổng chi phí đầu tư và bảo dưỡng Hình 3-2 Quan hệ giữa các vấn đề thi công trong thiết kế công trình đá 3.4.6 Những vấn đề quản lý bảo dưỡng Những vấn đề quản lý bảo dưỡng cần phải được nhìn nhận quan trọng như các vấn đề thi công trong quá trình thiết kế. Mặc dù nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến ý tưởng thiết kế bởi vì có liên quan đến khả năng kỹ thuật và tài chính của người sử dụng công trình đá Công việc quản lý và duy tu bảo dưỡng bao gồm tất cả những hoạt động mang tính chu kỳ tiếp theo công việc thi công để đảm bảo công trình hoạt động theo một tiêu chuẩn có thể chấp nhận được trong suốt thời gian công trình tồn tại. Những công việc này bao gồm việc kiểm tra, giám sát, thẩm định các số liệu giám sát và sửa chữa hoặc thay thế các hạng mục của công trình đã hư hỏng, mà tuổi thọ của các hạng mục này được ước tính ngắn hơn tuổi thọ của công trình chính. Do đó, bước cần thiết đầu tiên đối với người thiết kế là xác định trình độ quản lý của người vận hành, liệu trong tương lai người này có khả năng đảm nhiệm về kỹ thuật và tài chính hay không. Trong khi đó bài toán vốn công trình thấp/ chi phí duy tu bảo dưỡng cao cần chứng tỏ về mặt lý thuyết là cần thiết, các khoản chi này sẽ không được chấp thuận nếu không được thực hiện quá trình duy tu bảo dưỡng. Các điều kiện ràng buộc về duy tu bảo dưỡng và giải pháp công trình đã chọn cần đạt được những tiêu chí sau: • Có đủ vốn đầu tư xây dựng công trình; 29
44. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế • Luật lệ ở địa phương không gây trở ngại đáng kể đối với việc thiết kế, ngân sách, hợp đòng và các công việc sửa chữa bổ sung; • Chuyên gia ở địa phương: kết hợp với các công ty, thợ lành nghề, thiết bị có sẵn ở địa phương. Với những điều kiện ràng buộc ở trên, người ta đề xuất những giải pháp có thể xét tới khả năng hư hỏng lớn nhất cho phép (chi phí) hoặc rủi ro (=hư hỏng* xác suất có thể hư hỏng) liên quan tới những điều kiện vật lý đã cho trước. Năm chiến lược cơ bản chủ yếu cần xét đến trong công tác duy tu bảo dưỡng được sử dụng làm tiêu chuẩn như sau: • Hư hỏng • Thời gian • Việc sử dụng • Tải trọng • Trạng thái Những giải pháp này cũng phải tính đến những vấn đề thu nhận vật liệu đá cho công việc quản lý, bảo dưỡng sau khi công trình đã hoàn thành thi công (ví dụ cho phép có kho trữ các vật liệu tại tuyến công trình) và những hỗ trợ thích đáng đối với trang thiết bị trong khi tiến hành sửa chữa công trình. Khi những ước tính chi phí tiếp theo đã được thực hiện trong giai đoạn thiết kế chi tiết, ta có thể tính toán toàn bộ chi phí cho công trình trong suốt thời gian hoạt động của nó dựa trên cơ sở của việc tính chi phí vốn cơ bản, chiết khấu (giá trị hiện tại dòng), chi phí quản lý, bảo dưỡng (giám sát, thẩm định, sửa chữa). Thông thường tổng chi phí này sẽ được giảm tới mức tối thiểu, nhưng cuối cùng phương án duy tu bảo dưỡng được chấp nhậ n hay không còn tùy thuộc vào chủ công trình hoặc hay các thể chế chính trị xã hội Để đạt được sự cân bằng thích hợp giữa chi phí kiểm tra và bảo dưỡng với tổng chi phí của công trình, các nhà thiết kế cần có kế hoạch cụ thể ngay trong giai đoạn thiết kế. Như vậy công việc thiết kế sẽ phù hợp với quá trình kiểm tra và bảo dưỡng hoặc ngược lại. Như một phần của việc lập dự toán và tùy theo bản thiết kế được lựa chọn, một khoản chi phí lớn dành cho việc khôi phục hoặc sửa chữa có vai trò khá quan trọng trong chu kỳ kế hoạch tài chính của công trình. 3.5 Đánh giá, so sánh và lựa chọn giải pháp Với mục đích để lựa chọn và so sánh các phương án và giải pháp, người ta có thể dùng các kỹ thuật như phân tích Đa tiêu chí (MCE) hoặc phương pháp phân tích Chi phí - Lợi nhuận (BCA) được mô tả đưới đây. Lý tưởng nhất là trong quá trình đánh giá và lựa chọn, người thiết kế đưa ra được một vài lựa chọn với đủ số liệu để tiến hành một đánh giá đầy đủ vòng đời dự kiến của công trình. Tuy nhiên, không phải bao giờ thực tế cũng cho phép làm việc này và thông thường người kỹ sư sẽ cố gắng lựa chọn giải pháp tối ưu bằng cách chấp nhận 30
45. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế giải pháp ít tốn kém nhất dựa trên nguồn số liệu hạn chế đang có. Quay trở lại quy trình lựa chọn lý tưởng, cần đưa ra một thiết kế sơ bộ cho mỗi loại công trình, sử dụng những công cụ đã mô tả ở phần trên. Trong giai đoạn này, người thiết kế có thể sử dụng các kỹ thuật đơn giản hơn như: các nguyên lý cơ bản, các phương pháp phân tích đơn giản, các công thức kinh nghiệm và các biểu đồ. Trong bước thiết kế chi tiết và xác định kích thước hình học không nên sử dụng các kỹ thuật phức tạp như mô hình toán và vật lý vì các công cụ này thường không thích hợp trong giai đoạn so sánh và lựa chọn. Những phương án đưa ra không thực tế hoặc không kinh tế được loại bỏ trong quá trình lựa chọn theo cả tiêu chí khách quan lẫn chủ quan. Những phương án không thực tế sẽ bị loại bỏ theo những tiêu chuẩn kỹ thuật khách quan như: Khả năng thực thi hoặc khả năng đáp ứng các yêu cầu về nhiệm vụ; Vật liệu sẵn có; Thời gian thi công và những phương tiện thi công sẵn có; Bảo dưỡng công trình Những phương án không kinh tế sẽ bị loại bỏ trên cơ sở so sánh (khách quan) về tỉ số lợi ích/ chi phí (hoặc giá thành trong suốt thời gian công trình hoạt động, bao gồm vốn, chi phí khấu hao, chi phí quản lý). Việc lựa chọn cũng theo các tiêu chuẩn chủ quan như: - Đánh giá mức độ rủi ro trong quá trình thi công và quá trình vận hành, sau đó so sánh với những mức độ rủi ro có thể chấp nhận được; - So sánh những điều kiện chính trị, xã hội và luật pháp; - Đánh giá tác động môi trường; - Tính linh hoạt trong vận hành, thao tác và quản lý, bảo dưỡng liên quan tới những kinh nghiệm, trình độ chuyên môn và nhân lực ở địa phương. Các kết quả phân tích chính sách có thể được kết hợp với các tiêu chí khách quan về khả năng làm việc để kiểm tra các giải pháp mang tính kinh tế hơn theo phương pháp đánh giá đa tiêu chí. Trong mỗi đánh giá, phương pháp MCE chỉ kể đến tiêu chí đánh giá về chất lượng. Để đánh giá cả về chất lượng và định lượng, người ta sử dụng phương pháp đ ánh giá MCE. 3.5.1 Phân tích đa tiêu chí (MCE) Phương pháp này chủ yếu bao gồm một ma trận với nhiều giải pháp được liệt kê theo hàng ngang (từ I tới V) và các tiêu chí lựa chọn được liệt kê theo chiều dọc (từ A tới F). Các giải pháp được đánh giá theo từng tiêu chí. Bảng 3-4 đưa ra ví dụ sử dụng một thang điểm cho đánh giá ban đầu (ví dụ thang điểm từ 0 tới 10). 31
46. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Bảng 3-4 Ví dụ một bảng cho điểm theo phương pháp MCE CÁC GIẢI PHÁP Tiêu chí Trọng số I II III IV V A Khối lượng đá (1) 1 2 8 1 1 8 B Tác động tới môi trường (4) 4 7 7 6 2 2 C Thời gian thi công (2) 2 9 0 5 4 1 D Bảo dưỡng (3) 3 8 8 3 1 1 E Độ rủi ro (3) 3 6 3 2 7 5 Kết quả đánh giá 90 69 50 41 36 Việc đưa ra các trọng số của từng tiêu chí góp phần cải tiến phương pháp này và các nhân tố này có thể được điều chỉnh theo thoả thuận (ví dụ trong tổ dự án hoặc giữa tổ dự án với các bên quan tâm như một phần của quy trình phân tích chính sách). Một phương pháp tiếp cận khách quan hơn nhằm xác định các trọng số này và có thể được tiến hành bởi ban quản lý dự án hoặc tổ phân tích chính sách là chỉ định độ ưu tiên cho tất cả các sự kết hợp của các tiêu chí. Ví dụ, chỉ định 1 cho mỗi tiêu chí chủ đạo và 0 cho các tiêu chí còn lại, vì vậy mỗi tiêu chí được cộng thêm 1 vào trọng số (xem Bảng 3-5). Một cách khác, có thể sử dụng các giá trị 2, 1 và 0 để tạo thêm tiêu chí chỉ tầm quan trọng ngang nhau (cụ thể là được chỉ định bằng 1). Bảng 3-5 Điều chỉnh trọng số cho MCE Tiêu chí A B C D E F Trọng số A 1 0 0 1 0 0 1 B 1 - 1 1 0 1 4 C 1 0 - 0 0 1 2 D 0 0 1 - 1 1 3 E 1 1 1 0 - 0 3 F 1 0 1 0 1 - 3 3.5.2 Phân tích chi phí-lợi nhuận (BCA) Phân tích BCA đánh giá kinh tế quy về giá trị hiện tại của dòng tài chính với chỉ số gia tăng kinh tế, chỉ số lãi suất được kể đến trong suốt thời gian tuổi thọ công trình. Đây được xem như tiêu chuẩn đánh giá tổng hợp nhất trong việc so sánh lựa chọn các phương án. Các thành phần về chi phi bao gồm: • Tất cả các chi phí liên quan đến đầu tư xây dựng ban đầu • Tất cả các chi phí liên quan đến đầu duy tu bảo dương, vận hành công trình • Chi phí cho các sửa chữa lớn có thể Theo BCA, có thể so sánh được chí phí và lợi nhuận của tất cả các phương án có thể và kể cả so sánh với trường hợp sử dụng giải pháp “Không”. 32
47. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế Các phương án so có thể được hình thành và so sanh, những phương án nào có cùng lợi ích thì việc so sánh chi phí dễ dàng tìm ra phương án tốt hợn. Trươngg hợp các phương án đem lại lợi ích khác nhau thi việc so sánh hiệu số giũa lợi ích quy về giá trị hiện tại của các phương án với chi phí có thể được dùng. Tỉ số giữa lợi ích và chi phí có thể được dùng để so sánh kết luận về tính kinh tế giữa các phương (minh họa bàng ví dụ trong Bảng 3-6). Bảng 3-6 Ví dụ về một BCA Phương án Tiêu chí/tiêu chuẩn Trọng số I II III IV V A Rock volume 1 2 8 1 1 8 B Environmental impact 4 7 7 6 2 2 C Construction time 2 9 0 5 4 1 D Maintenance 3 8 8 3 1 1 E Risk level 3 6 3 2 7 5 Sum Value(Resulting appreciation) 90 69 50 41 36 Cost (Local unit Currentcy-LUC) 100 120 60 50 40 Cost/Value 1.10 1.74 1.20 1.22 1.11 - Từ Bảng 3-6 trên, nếu theo MCE, thì phương án I sẽ được lựa chọn với 90 điểm. đây là phương án tố nhất về mạt lỹ thuật - Nếu theo BCA, phương án rẻ nhất , kinh tế nhất là V (40 LUC), nếu vốn đầu tư cho dự án này hạn chế, việc lựa chọn phương án V là hợp lý - Nếu theo quan điểm của các nhà đầu tư, xem xét tỉ số chi phí và lợi nhuận, phương án số I sẽ được lựa chọn vì cho ta khả năng đàu tư tốt nhât 3.6 Thiết kế cuối cùng và thiêt kế chi tiết Sau khi đã lựa chọn một giải pháp cho vấn đề đặt ra, công việc thiết kế cuối cùng và thiết kế chi tiết có thể tiến hành với tất cả những tư duy, ý đồ của các bước thiết kế trước. Ở giai đoạn này nhưng phương án khác có thể xuất hiện, nhưng nói chung chúng sẽ được coi là phương án thứ yếu mà thôi, với cơ sở của phương án đã được chấp thuận trong lựa chọn, những phương án mới xuất hiện này chỉ có thể làm tối ưu thêm phương án đã lựa chọn. Những sự thay đổi và hiệu chỉnh sẽ có xu hướng tập trung vào những chi tiết về bố trí mặt bằng và chi tiết hoá các mặt cắt ngang. Thiết kế cuối cùng cần thiết bao gồm một loạt các tính toán và kiểm định mô hình để kiểm tra và hiệu chỉnh nếu cần thiết đối với tất cả các chi tiết của công trình và đưa tất cả những điều này vào văn bản và thuyết minh thiết kế. Trước khi tiến hành công việc thiết kế cuối cùng, quyết định để lựa chọn tiến hành theo phương pháp tất định hay phương pháp thống kê xác suất là cần thiết. Những thiết kế sơ bộ trong giai đoạn đề xuất các giải pháp cho phương án thường được tiến hành theo phương pháp tất định. Ngược lại trong quá trình thiết kế cuối cùng, phương pháp thống kê xác suất có thể được lựa chọn. Phương pháp thống kê xác suất có ưu điểm là cung cấp cho người thiết kế những giá trị định lượng tương ứng với một tần suất xác định nào đó, mối quan hệ giữa những giá trị này được xác định trong “cây sự cố” (sơ 33
48. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế đồ cây sự cố). Hiểu biết về tầm quan trọng của một cơ chế sự cố hư hỏng đơn trong mối quan hệ với toàn bộ chức năng của công trình là đặc biệt quan trọng trong quá trình tối ưu hoá thiết kế công trình. Những công cụ tính toán thuỷ lực và địa kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra và hiệu chỉnh những tính toán thuỷ lực và kết cấu công trình trong giai đoạn thiết kế cuối cùng sẽ là một tổ hợp của các giải pháp, phương pháp lý thuyết, kinh nghiệm và kiểm tra theo mô hình với mục đích là bảo đảm rằng việc thiết kế công trình cuối cùng đáp ứng được tất cả những yêu cầu chức năng đối với những điều kiện biên vật lý thực tế và những điều kiện biên khác cho trước. Trong những xem xét sau này, đặc biệt liên quan tới những điều kiện biên vật lý, những kiểm tra này, tính toán này cần được liên kết với những thông tin mới nhất về các điều kiện biên tự nhiên và các quá trình vật lý. 3.6.1 Các điều kiện trạng thái giới hạn Khả năng của công trình thực hiện các nhiệm vụ đề ra trong các điều kiện thiết kế được đánh giá trong bước thiết kế cuối cùng. Các điều kiện thiết kế này được quyết định bởi một trong hai điều kiện vận hành sau: vận hành trong điều kiện cực hạn: Trạng thái Giới hạn Cuối cùng (ULS) v ận hành trong điều kiện bình thường: Trạng thái Giới hạn về Khả năng phục vụ (SLS). Ở đây khả năng tồn tại của công trình trong các điều kiện cực hạn được kiểm tra thông qua việc đánh giá tất cả các cơ chế phá hoại có thể xảy ra trong các điều kiện giới hạn cụ thể. Trong trường hợp này trạng thái giới hạn là ULS, xác định những hư hỏng hay biến dạng lớn không thể chấp nhận được của công trình trong các điều kiện vượt quá ULS. Ví dụ cho trường hợp này là (i) các điều kiện về ứng suất đất dẫn tới trượt do áp lực sóng lớn gây ra, (ii) đứt gãy, hoặc (iii) dịch chuyển các cấu kiện bảo vệ. Quá trình kiểm tra và hiệu chỉnh thiết kế đã được lựa chọn và sẽ bao gồm các quá trình phụ trong giai đoạn đề xuất giải pháp cho phương án nhưng chúng được tiến hành kỹ hơn. Việc đánh giá những kết quả tính toán thủy lực và kết cấu được thực hiện đối với các trường hợp liên quan tới trạng thái giới hạn. Các xác suất của sự cố do đó biểu thị các xác suất vượt quá một trạng thái giới hạn cho trước. Có hai loại trường hợp tính toán. Trường hợp tính toán theo điều kiện cực trị. Ở đây khả năng của công trình tồn tại trong những điều kiện cực hạn được kiểm tra. Việc này được làm bằng cách đánh giá tất cả các cơ chế sự cố có thể xuất hiện dưới một điều kiện cực hạn. Trong trường hợp này, trạng thái giới hạn là trạng thái giới hạn cuối cùng (ULS). Trạng thai giới hạn này xác định sự sụp đổ công trình hoặc biến dạng nghiêm trọng không chấp nhận được của công trình (ví dụ trượt, dứt gãy hoặc chuyển vị của các phần tử thuộc lớp bảo vệ) đối với những điều kiện vượt quá ULS. Trường hợp tính theo các điều kiện bình thường Ở đây các tính toán được đánh giá theo những điều kiện bình thường hay các điều kiện hàng ngày mà đối với điều kiện này công trình sẽ bị đặt vào tình thế có thể bị nguy hiểm trong suốt thời kỳ hoạt động của nó. Trong trường hợp này, trạng thái giới hạn áp dụng là giới hạn phục vụ (SLS). Những trạng thái giới hạn này xác định (hầu hết là thủy lực) những điều kiện mà những điều kiện này khi vượt quá sẽ gây ra những phá 34
49. Chương 3- Chi tiết quá trình thiết kế hoại, hư hỏng đối với các hoạt động hàng ngày liên quan đến công trình, hay sự cố của các hạng mục công trình (ví dụ do sóng dồn vào trong bến cảng cần phải dừng các hoạt động vận tải trong cảng). Ngoài ra những hoạt động của công trình dưới những điều kiện “thông thường” trong thời gian dài sẽ được đánh giá ở đây (ví dụ như xuống cấp của hạng mục công trình do xói lở, sự hư hỏng của các phần tử thuộc lớp bảo vệ ngoài). Trong việc đảm bảo rằng toàn bộ công trình và các hạng mục công trình của nó tuân theo các yêu cầu của ULS và SLS, người ta đề nghị rằng, cần chuẩn bị một bảng liệt kê những vần đề liên quan và danh sách những hạng mục kiểm tra để đảm bảo rằng tiêu chuẩn trạng thái giới hạn đối với từng vấn đề, từng hạng mục công trình đều được thoả mãn. Bảng kiểm tra đối với công trình đá điển hình có thể bao gồm những vấn đề sau: - Toàn bộ các yếu tố về hình dạng (ví dụ mái dốc, cao trình đỉnh); - Lớp bảo vệ (bề mặt mái dốc phía biển, chân, bề mặt đỉnh, bề mặt phía sau); - Hạng mục công trình móng và các tầng lọc; - Lõi đập và các công trình tiêu nước dưới chân công trình; - Bố trí mặt bằng công trình tại những vùng tiếp giáp hay biên và đối với những kiểm tra trạng thài giới hạn về: + Sóng leo, chảy tràn trên mặt công trình và sóng phản xạ; + Sự ổn định của lớp bảo vệ; + Các tiêu chuẩn của tầng lọc; + Áp suất cột nước đối với sự ổn định địa kỹ thuật, sóng truyền, sự cho phép lằng đọng bùn cát; + Tránh phá hoại bên sườn công trình. Sau khi hoàn thiện thiết kế cuối cùng và thiết kế chi tiết, sẽ có hai sản phẩm chính là: thuyết minh thiết kế và các văn bản hợp đồng. Thuyết minh thiết kế sẽ bao gồm một tóm tắt quá trình thiết kế, như đã chỉ dẫn ở trên, nhưng cần chỉ rõ hơn đối với những hạng mục công trình còn có những nghi vấn, giải thích lý do tại sao lại chọn giải pháp này mà không chọn giải pháp kia. Nói chung, thuyết minh thiết kế gồm có những nội dung chính như sau: - Mô tả công trình và tiến trình thiết kế đã được lựa chọn; - Những vật liệu sẽ sử dụng, lý do để lựa chọn và phương pháp dự kiến đối với sản xuất và vận chuyển vật liệu tới công trình; - Mô tả, luận chứng tại sao công trình (được lựa chọn) lại đáp ứng được những tiêu chuẩn chức năng, thậm chí cả khi đối với các trạng thái giới hạn đã được xác định; - Những xác suất xuất hiện sự cố theo các mô hình thủy lực và địa kỹ thuật, và những vấn đề này liên quan tới sơ đồ cây sự cố; - Phương pháp thi công và các máy móc, thiết bị dự định dùng; - Mô tả chiến lược quản lý đã được chủ tương lai của công trình đồng ý; - Những phát biểu về tác động của môi trường; - Ước tính chi phí; 35