Thiết kế và thi công móng trụ điện gió tại các dự án của Fecon

16

Với đường bờ biển dài 3000 km, Việt Nam có trữ lượng rất lớn về năng lượng điện gió. Theo thống kê của tập đoàn điện lực Việt Nam, tính đến ngày 31 tháng 10 năm 2021, đã có 84 nhà máy điện gió được công nhận COD và vận hành vào hệ thống điện lưới quốc gia với tổng công suất 3980.27 MW. Theo Quy hoạch tổng thể phát triển điện lực VIII (IE 2020), tỷ lệ điện sản xuất từ năng lượng gió (cho tất cả các trang trại điện gió trên bờ, gần bờ và xa bờ) vào năm 2030 sẽ chiếm 12% tổng sản lượng điện được tạo ra từ tất cả các nguồn khác nhau. Với những chính sách thuận lợi của chính phủ để đáp ứng mục tiêu này, nhiều trang trại điện gió dọc theo bờ biển đất nước đã được xây dựng gần đây cũng như sẽ được xây dựng trong tương lai gần.
FECON sau 17 năm được thành lập và phát triển đã khẳng định được vị thế là nhà thầu xây dựng hàng đầu về thi công nền móng và công trình ngầm. Với mục tiêu trở thành tập đoàn xây dựng và phát triển hạ tầng hàng đầu tại Việt Nam vào năm 2025 và tầm nhìn 2030, Fecon đã không nhưng nỗ lực và học tập để mở rộng thêm các lĩnh vực hoạt động. Trong giai đoạn 2020-2021, FECON đã có những bước chuyển mình từ nhà thầu chuyên môn sang vai trò tổng thầu cho các dự án điện gió, thực hiện thành công 500 MW điện gió onshore và offshore trong tổng số sản lượng điện quốc gia. Các dự án điện gió mà Fecon đã thi công trong năm qua được thể hiện trong bảng 1 dưới đây.

Bảng 1. Thông tin chính về các dự án điện gió của FECON

STT Tên dự án (Địa chỉ) Thời gian Hạng mục thi công chính
1 Trang trại điện gió Thái Hòa (Bình Thuận) 2020-2021 18 móng nông (4 móng Dm = 25,6m, 14 móng Dm = 25,6m); 12,8 km đường nội bộ
2 Trang trại điện gió Quảng Bình B&T (Quảng Bình) 2020-2021 18 móng nông, 13 móng cọc PHC, 19 móng cọc khoan nhồi; Dm = 18,0 m đến 26,5 m, 46,8 km đường nội bộ
3 Trang Trại điện gió Lạc Hòa & Hòa Đông (Sóc Trăng) 2020-2021 16 móng cọc PHC (Dm = 22,4 m), 11 km đường nội bộ
4 Trang Trại điện gió Quốc Vinh (Sóc Trăng) 2020-2021 6 móng cọc PHC (Dm = 20,6m), 10 km đường nội bộ
5 Trang Trại điện gió Trà Vinh V1-3 (Trà Vinh) 2020-2021 12 móng cọc PHC (Dm = 21,5m), 4 km cầu dẫn

Ghi chú: Tổng khối lượng: 102 móng trụ điện gió, 480MW, 4 dự án điện gió trên bờ, 1 dự án điện gió gần bờ

Đây là lần đầu tiên FECON tham gia thực hiện xây dựng các dự án điện gió với tư cách là nhà thầu chính cũng như là một tổng thầu xây dựng tại một số dự án điện gió nên đã gặp phải không ít những khó khăn và thách thức nhất định. Tuy nhiên với kinh nghiệm tham gia thi công nhiều dự án lớn cùng nguồn nhân lực có năng lực cao, FECON đã hoàn thành mục tiêu tại các dự án và được chủ đầu tư đánh giá tốt sau khi hoàn thành công trình. Bài báo trình bày một số kinh nghiệm về của Fecon trong việc thiết kế và thi công tại các dự án điện gió của FECON đã thực hiện trong thời gian qua.

THIẾT KẾ MÓNG

Tiêu chuẩn thiết kế

Các tiêu chuẩn được chọn để thiết kế móng trụ điện gió phải đảm bảo các điều kiện như sau:
• Phù hợp với địa hình, địa chất, môi trường của dự án
• Phù hợp với các khung quy chuẩn và tiêu chuẩn được quy định bởi Việt Nam
• Thỏa mãn được các yêu cầu của nhà cung cấp tuabine
• Được sự chấp thuận của Chủ đầu tư
Với các dự án mà FECON đã triển khai, móng điện gió sẽ được thiết kế với các tiêu chuẩn cụ thể như sau:
• EN 1992-1 Eurocode 2: Tiêu chuẩn Châu Âu thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
• CEB-FIB Model Code 1990, 2010: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
• EN 1997-1 Eurocode 7: Tiêu chuẩn Châu Âu thiết kế địa kỹ thuật
• NF P94-261: Tiêu chuẩn Pháp thiết kế móng nông (áp dụng trên tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode)
• NF P94-262: Tiêu chuẩn Pháp thiết kế móng cọc (áp dụng trên tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode)
• ACI 318-11: Tiêu chuẩn Mỹ về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
• EN 206-1: Tiêu chuẩn Châu Âu về Bê tông: Đặc điểm kỹ thuật, hiệu suất, sản xuất
• IEC 61400-1: Tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống điện gió – Yêu cầu thiết kế
• IEC 61400-3: Tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống điện gió – Thiết kế kết cấu trụ gió ngoài khơi
• DNV-OS-J101: Tiêu chuẩn quốc tế về thiết kế kết cấu trụ điện gió ngoài khơi
• API-RP-2GEO-2011: Tiêu chuẩn của viện dầu khí Hoa Kỳ về móng và địa chất
• TCVN 11820-2:2017: Tiêu chuẩn quốc gia về công trình cảng biển – Yêu cầu thiết kế – phần 2: Tải trọng và tác động:
– TCVN 9245:2012: Tiêu chuẩn quốc gia về cọc ống thép
– TCVN 7888:2014: Tiêu chuẩn quốc gia về cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

Tiêu chí thiết kế

Thông qua việc nghiên cứu các yêu cầu của các nhà cung cấp turbine, các tiêu chuẩn về thiết kế và thi công trong nước và nước ngoài, các tiêu chí thiết kế của móng trụ điện gió có thể được tổng hợp như sau :
• Đảm bảo độ lún tổng ở tâm móng không vượt quá 25 mm;
• Độ lún lệch của móng không được vượt quá 3mm/m, do ảnh hưởng của địa chất;
• Đảm bảo các yêu cầu về độ cứng của các nhà cung cấp turbine, theo từng dự án và model turbine;
• Đảm bảo khả năng chịu lực của đất nền;
• Đảm bảo các yêu cầu kết cấu ở trạng thái tới hạn và trạng thái sử dụng.

Một số kinh nghiệm của FECON

Với vai trò là tổng thầu cho dự án điện gió, ngoài việc làm thực hiện công tác thi công, Fecon còn tham gia thực hiện công tác thiết kế cùng các đơn vị tư vấn thiết kế và tư vấn thẩm tra cà có uy tín trong nước và thế giới trong thiết kế dự án trụ điện gió như DNV-GL, Windbase, CTV, Apeco, Tediweco. Một số kinh nghiệm trong quá trình thi công đã được các kỹ sư của FECON áp dụng và đề xuất trong giải pháp thiết kế được trình bày cụ thể dưới đây.

Bài toán ma sát âm

Khi thiết kế móng cọc đỡ trụ điện gió ở khu vực có nền đắp mới (tôn cao nền hiện trạng hay đắp bãi thi công, hardstand), hoặc mực nước ngầm hạ thấp (do khai thác nước ngầm) thì nền đất xung quanh cọc sẽ lún xuống theo thời gian. Thân cọc sẽ chịu thêm lực tác động do đất xung quanh kéo xuống, làm gia tăng ứng suất phân bố trên thân cọc, và làm tăng độ lún của cọc. Hiện tượng này thường được gọi là ảnh hưởng của ma sát âm (negative skin friction, NSF).
Để loại bỏ hay giảm ảnh hưởng của ma sát âm đến thiết kế móng cọc có thể áp dụng các biện pháp sau:
• Giảm tải trọng gây ra lún: giảm kích thước hoặc chiều cao nền đắp, sử dụng vật liệu nhẹ đắp nền như Geofoam, hoặc sử dụng hệ cọc đỡ nền đắp,…
• Giảm độ lún của nền trong thời gian sử dụng bằng xử lý nền đất trước khi thi công cọc.
• Giảm sức kháng thành cọc trong phạm vi ảnh hưởng của NSF bằng việc phủ bề mặt cọc bằng bitumen.
Khi không thể loại bỏ hoàn toàn ma sát âm, ma sát âm phải được xem xét thiết kế. Hiện tại có hai quan điểm đang được áp dụng để phân tích ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải (SCT) của cọc (hình 1):
• Quan điểm 1: NSF làm giảm SCT của cọc theo đất nền. SCT của cọc theo đất nền chỉ bao gồm phần ma sát thành cọc bên dưới mặt trung hòa (Neutral Plane, NP) và sức kháng mũi cọc, còn phần ma sát thành cọc bên trên mặt trung hòa sẽ được xét là tải trọng ngoài tác dụng lên đầu cọc hoặc sẽ được trừ trực tiếp vào SCT của cọc. Kết quả sẽ yêu cầu tăng số lượng cọc (chiều dài hoặc số cọc) cao hơn so với thực tế.
• Quan điểm 2: NSF không ảnh hưởng đến SCT của cọc theo đất nền, mà NSF làm gia tăng ứng suất phân bố trên thân cọc, và làm tăng độ lún của cọc. Kết quả là số lượng cọc yêu cầu sẽ ít hơn so với Quan điểm 1 và việc tính toán lún của móng cọc sẽ gần với ứng xử thực tế hơn.

Hình 1. Ảnh hưởng của NSF đến thiết kế cọc: a) Quan điểm 1, b) Quan điểm 2

FECON đã thi công 02 dự án nhà máy điện gió ở khu vực ĐBSCL có phát sinh ma sát âm do đắp lớp sàn công tác bên cạnh trụ Turbine khiến lớp đất sét yếu chịu lún cố kết. Ở hai dự án này, các đơn vị TVTK sử dụng hai quan điểm khác nhau để tính toán. Với dự án UPC Lạc Hòa-Hòa Đông (LH-HĐ) tại Sóc Trăng, quan điểm 1 được áp dụng; trong khi đó, tại dự án Quốc Vinh-Sóc Trăng, nơi FECON là chủ đầu tư và cũng là tổng thầu thi công, quan điểm 2 được áp dụng cho việc thiết kế móng.

Ảnh hưởng của mực nước ngầm

Mực nước ngầm gây ra áp lực đẩy nổi lên móng và qua đó, làm giảm hiệu quả của tải trọng bản thân của móng và lớp đất đắp trên móng. Hệ quả là lực thẳng đứng tại vị trí đáy móng bị giảm một cách đáng kể. Do đó, khi móng chịu tác dụng của moment và lực đẩy ngang, sẽ có hiện tượng móng bị nhấc khỏi mặt đất (nếu là móng nông) hoặc xuất hiện ứng suất kéo ở trong cọc (nếu là móng cọc). Để tránh hiện tượng này xảy ra, kích thước móng phải được tăng lên. Ở dự án B&T Quảng Bình, tại các vị trí móng có mực nước ngầm, khối lượng bê tông móng tăng lên khoảng 26% so với phương án móng khô (Hình 2) (móng có mực nước ngầm luôn nằm thấp hơn đáy móng). Với tầm quan trọng của mực nước ngầm đối với thiết kế móng, việc dự báo chính xác cao độ lớn nhất của mực nước ngầm sẽ là yếu tố quan trọng cho việc quyết định phương án móng.

Hình 2. Phương án móng nông của CTV Việt Nam (2020) cho trường hợp móng khô hoàn toàn (không đẩy nổi) có đường kính 21.8m và móng đẩy nổi có đường kính 26.5m

Tại các dự án có mặt bẳng phức tạp và rộng lớn như dự án B&T Quảng Bình. Việc dự đoán đúng cao độ mực nước ngầm và nước mặt trong vòng 20 năm đòi hỏi phải có những số liệu quan trắc thực tế, cũng như xây dựng các mô hình tính toán thủy văn một cách khoa học. Kết quả dự báo mực nước ngầm trong 20 năm được thể hiện trong báo cáo Viện tài nguyên môi trường nước (2020) và báo cáo FECON (2020). Kết quả dự báo này được so sánh với kết quả quan trắc thực tế mực nước ngầm và nước mặt, khi trận lũ lịch sử xảy ra tại dự án vào tháng 11 năm 2020 và cho thấy có độ chính xác cao. Cụ thể: mực nước ngầm dự báo luôn cao hơn mực nước quan trắc thực tế với giá trị trung bình là 1.43 m và giá trị nhỏ nhất là 0.17 m ở móng WP16.

Ảnh hưởng địa chất

Tại dự án B&T Quảng Bình, một trong những giải pháp móng có sử dụng cọc bê tông ly tâm dự ứng lực (BTLT DUL) PHC D700 Class C. Tại một số vị trí, điều kiện địa chất của dự án rất phức tạp, bề dày lớp cát bề mặt lớn và rất chặt (SPT>50 búa, bề dày phân bố thay đổi từ 10m ~ 30m). Mặc dù đã sử dụng biện pháp khoan dẫn để phá kết cấu cát, tuy nhiên, công tác thi công cọc PHC gặp rất nhiều khó khăn, năng suất chậm, và không hạ được cọc đến cao độ thiết kế. Để đảm bảo chất lượng và tiến độ đề ra, một số điều chỉnh được đưa ra:
– Điều chỉnh thiết kế cọc để tăng sức chịu tải vật liệu trong quá trình thi công.
– Thay đổi giải pháp sử dụng cọc PHC sang giải pháp sử dụng móng cọc khoan nhồi
(1) Điều chỉnh thiết kế cọc để tăng sức chịu tải vật liệu trong quá trình thi công như: tăng chiều dày bê tông cọc, tăng cường thép gia cường đầu cọc, sử dụng bản thép gia cường tại các vị trí mối nối cọc, điều chỉnh thiết kế phần mũi cọc (Hình 3).
(2) Thay đổi giải pháp sử dụng cọc PHC sang giải pháp sử dụng cọc khoan nhồi. Giải pháp thay đổi thiết kế móng cọc sử dụng cọc khoan nhồi D1200 thay thế cho một số móng sử dụng cọc PHC tại các vị trí gặp điều kiện địa chất đặc biệt bất lợi (bề dày lớp cát bề mặt ~30 m, kết cấu rất chặt SPT N > 50 búa) hay các vị trí móng turbine sát với công trình hiện hữu (nghĩa trang), gây khó khăn cho công tác thi công cọc đóng thông thường.

Hình 3. Cọc sau khi điều chỉnh thiết kế

Lựa chọn cấp phối và kiểm soát nhiệt độ

Các móng điện gió thường có hình nón cụt, với đường kính đáy khoảng từ 18.0 m-26.0 m (tùy thuộc dạng móng nông hay móng cọc), đường kính cổ móng từ 6.0m -7.0m (tùy thuộc nhà cung cấp turbine). Tổng chiều cao trung bình của 1 móng điện gió trung bình khoảng 4.0m. Chính vì vậy chiếu theo các tiêu chuẩn của Việt Nam và các nước thì móng điện gió thuộc dạng bê tông khối lớn (BTKL), cần có các biện pháp đảm bảo nhiệt thủy hóa do xi măng trong khối móng. Đúc rút từ kinh nghiệm thi công và các yêu cầu thực tiễn, các kỹ sư FECON đề xuất quy trình thiết kế và thi công bê tông khối lớn có sự soát nhiệt độ được trình như sau (H. 4).
Dựa trên kích thước móng và các đặc tính cường độ yêu cầu của bê tông, hai thiết kế cấp phối điển hình được lựa chọn để kiểm tra cường độ nén (Bước 1). Sau đó, tiến hành phân tích nhiệt (sử dụng Midas GEN 2019) cho các thiết kế hỗn hợp đã chọn sau đó được thực hiện để đảm bảo mô hình phân tích và được xác thực bằng các khối bán (semi) giả lập (thường là 1.0 x 1.0 x 1.0 m) có lắp cảm biến đo nhiệt. Từ kết quả thí nghiệm của khối bán mockup này lựa chọn được một cấp phối tối ưu (đảm bảo được nhiệt độ và an toàn nhất về cường độ). Thiết kế cấp phối tốt nhất đáp ứng yêu cầu về cường độ và nhiệt được lựa chọn, và mô hình phân tích FEM được thực hiện đối với kích thước móng đầy đủ (Bước 3). Nếu Tmax và ΔTmax lớn hơn giá trị cho phép thì cần có hệ thống ống đường ống làm mát. Sau đó, 1 mockup với kích thước thật/đầy đủ (Hình 3a) được làm ngoài hiện trường để kiểm tra sự phát triển nhiệt của cấp phối để xác nhận Tmax và ΔTmax (Hình 5) (Bước 4).

Hình 4. Quy trình lựa chọn cấp phối đề xuất

THI CÔNG MÓNG

Trong phần này, các tác giả trình bày một vài kinh nghiệm và bài học từ việc thi công công cọc trên biển đối với dự án điện gió Tra Vinh V1-3, thi công cọc khoan dẫn tại dự án B&T Quảng Bình và phương án bảo dưỡng bê tông khối lớn.

Thi công cọc trên biển

Thi công cọc trên biển được FECON thực hiện tại dự án nhà máy điện gió gần bờ Trà Vinh V1-3. Hầu hết các hoạt động xây dựng tại hiện trường đã được thực hiện với sự hỗ trợ của sà lan (Hình 6). Cọc PHC chất trên một sà lan được kéo đến công trình, máy đóng cọc được đặt trên một sà lan khác và cũng hoạt động như một cần trục tại hiện trường. Tại dự án này, các cọc PHC được đóng bằng búa diesel có công suất 10,0 tấn. Búa có thể được gắn vào đầu dẫn di động (hình 6 bên trái) hoặc gắn vào đầu dẫn di chuyển dọc theo hệ dàn của cẩu (đầu dẫn cố định, Hình 6 bên phải). Tại mỗi móng, thí nghiệm phân tích động (PDA) được thực hiện trên ít nhất hai cọc PHC để đảm bảo cọc các cọc đóng đạt sức chịu tải thiết kế.
Từ kinh nghiệm đóng cọc tại dự án, một số khuyến nghị để giảm thiểu thiệt hại cho cọc như sau: (i) Việc lựa chọn loại búa phù hợp và công suất của búa là rất quan trọng. Ví dụ, nếu huy động một búa thủy lực có công suất lớn với chiều cao rơi ngắn, các vết nứt có xu hướng phát triển ở đầu cọc và các mối nối phân đoạn, nơi tồn tại ứng suất tập trung; (ii) Các búa đóng cần được lựa chọn dựa trên các điều kiện địa chất thực tế để đạt được độ sâu cọc cần thiết với số nhát búa tối thiểu; (iii) Khuyến nghị sử dụng búa điêzen.

Hình 5. (a) Thí nghiệm Mockup lớn; (b) So sánh nhiệt độ giữa thực tế và mô phỏng

Thi công khoan dẫn

Đối với dự án BT Quảng Bình, như đã trình bày ở trên, điều kiện địa chất khá phức tạp, biện pháp thi công ban đầu là kết hợp đóng cọc bằng búa đóng với khoan dẫn trước 1 lỗ khoan tại vị trí tim cọc, tuy nhiên phương án này cho kết quả không được tốt. Các kỹ sư FECON đã điều chỉnh lại phương án thi công cọc để phù hợp với điều kiện địa chất thực tế đó là thi công kết hợp đóng cọc bằng búa đóng và khoan dẫn, tuy nhiên tăng số lượng hố khoan dẫn nhằm giảm độ chặt của đất xung quanh vị trí tim cọc đang được đóng (Hình 7).

Hình 6. Thi công cọc trên biển tại dự án Tra Vinh V1-3

Hiệu quả của phương án thi công này như sau:

• Làm giảm lố lượng nhát búa tác dụng lên đầu cọc, tránh gây sụn cọc, mỏi cọc trong quá trình đóng cọc.
• Biện pháp khoan dẫn xung quanh tim cọc không làm giảm sức chịu tải của cọc.
Với những điều chỉnh kịp thời về giải pháp thi công đóng cọc, linh hoạt sử dụng biện pháp khoan dẫn đối với địa chất phức tạp và thay đổi giải pháp thiết kế đã góp phần đưa dự án về đúng đích và giải quyết được bài toán thi công cọc cho dự án.
Bảo dưỡng bê tông
Bảo dưỡng hệ thống móng bê tông khối lớn có hai hình thức bảo dưỡng: “bảo dưỡng khô” với việc sử dụng antisol (Hình 8(a)) hoặc “bảo dưỡng ướt’’ sử dụng bao tải đay hoặc ngâm nước (Hình 8(b)). Kết quả sau khi thi công tại một số dự án điện gió của FECON cho thấy rằng phương án bảo dưỡng bằng bao tải đay đã hạn chế tối đa các vết nứt ở móng, giảm đi rất nhiều công sức và tiền bạc để sửa chữa vết nứt.

Hình 7. Thi công khoan dẫn tại dự án B&T Quảng Bình
Hình 8. Bảo dưỡng bê tông: (a) bảo dường bằng antisol; (b) bảo dưỡng bằng bao tải đay

KẾT LUẬN

Bài báo trình bày về 1 số kinh nghiệm về thi công và thiết kế tại các dự án móng trụ điện gió mà FECON đã tham gia thực hiện. Về phương diện thiết kế, FECON đã nghiên cứu, học hỏi và mở rộng vốn hiểu biết về địa kỹ thuật, về nền móng thông qua các tương tác với các đơn vị thiết kế chuyên nghiệp như CTV, Power China cũng như các đơn vị tư vấn hàng đầu thế giới như Fichtner, Tractebel, K2M… Về phương diện thi công, năng lực thi công nền móng và hạ tầng của FECON đã được thử thách và nâng tầm lên rất nhiều khi phải đối mặt với các dạng địa chất đa dạng và phức tạp trải dài từ miền trung đất tốt tới miền tây đất yếu. Việc tổ chức thi công cũng phải được chuẩn bị rất kỹ lưỡng khi thi công ở miền tây sông nước khi không có đường tiếp cận, mặt bằng lầy lội; các dự án ven bờ còn gặp phải nhiều hạn chế hơn khi gặp mùa gió chướng. Đối mặt với các khó khăn về mặt kỹ thuật, về xã hội và đặc biệt với đại dịch Covid, rất nhiều các nhà thầu khác đã không thể vượt qua được và đã bị trượt các mốc tiến độ và kỹ thuật. Đối với FECON, hầu hết các dự án điện gió mà FECON tham gia đều được hoàn thành và đóng điện kịp thời gian. Điều này khẳng định năng lực và khả năng vượt trội của FECON không chỉ trong việc thích ứng với các hoàn cảnh khó khăn mà còn tìm ra các giải pháp giải quyết khó khăn một cách kịp thời. Giai đoạn điện gió sắp tới cũng sẽ đặt ra rất nhiều thử thách mới cho Fecon. Tuy nhiên đi kèm theo các khó khăn là các cơ hội, cơ hội để Fecon trưởng thành hơn nữa và hoàn thiện hơn nữa năng lực của mình trên con đường đi lên một trong các tổng thầu xây dựng hàng đầu của Việt Nam. Nhóm tác giả xin gửi lời chân thành cảm ơn tất cả các cán bộ công nhân viên của toàn hệ thống FECON, những người đã đóng góp cho trực tiếp và gián tiếp cho sự thành công của các dự án được trình bày trong bài báo và rất nhiều các dự án tương tự khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hồ Đức An, Đặng Hồng Lam, Trịnh Quốc Tuấn, Nguyễn Đình Cương, Nguyễn Xuân Dũng Nguyễn Hải Thịnh (2021). Bài học kinh nghiệm của FECON trong thiết kế và thi công móng trụ điện gió. Tuyển tập hội nghị công nghệ xây dựng FECON lần thứ 6, Hà Nội, pp. 1-12.

Ban R&D
FECON Corp. E-mail: R&D@fecon.com.vn
Ban Kỹ Thuật
FECON Corp. E-mail: kythuat@fecon.com.vn