Nghiên cứu thiết kế chế tạo và sản xuất ống bê tông có lỗ thấm xung quanh bằng phương pháp quay ly tâm thay thế vật liệu nhập ngoại

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO & SẢN XUẤT 
ỐNG BÊ TÔNG CÓ LỖ THẤM XUNG QUANH 
BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUAY LY TÂM 
THAY THẾ VẬT LIỆU NHẬP NGOẠI 
THE RESEARCH ON DESIGN, BUILDING AND PRODUCTION OF 
CONCRETE PIPE WITH ABSORBING HOLES BY CENTRIFUGAL FORCE 
TO REPLACES IMPORTED MATERIALS 
NGÔ VĂN DŨNG 
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày một giải pháp nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vào sản xuất loại ống 
bê tông có lỗ thấm xung quanh và có cường độ cao. Nó có tác dụng làm tăng khả năng tiêu 
thoát nước thấm, thay thế khắc phục những nhược điểm của phương pháp tải nước bằng cốt 
liệu hoặc thay thế các loại ống nhập ngoại,vật liệu dẫn nước khác và có một ý nghĩa rất lớn 
trong công tác thiết kế, thi công và sử dụng các công trình chịu ảnh hưởng của nước ngầm 
vận động. 
ABSTRACT 
This paper presents a research on manufacturing and production of concrete rebar pipe with 
absorbing having holes around and high intensity. It increases capacity water drainage, to 
eliminate the disadvantages of water by aggregate or to replace imported pipes and other 
materials. It is a significant contribution in designing and using the constructions affected by 
moving underground water. 
 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Quá trình thực hiện các công trình xây dựng cơ bản như đập đất, đường hầm thuỷ 
công, cầu giao thông, đường hầm tháo lũ, sân vận động, các công trình thuỷ nông, tường chắn 
đất, khu vực dân cư, công trình thể thao v.v.. Người ta thường thiết kế hệ thống thoát nước 
ngầm để hạ thấp đường bão hoà nhằm giảm bớt sự mất ổn định của công trình do mực nước 
ngầm dâng cao. 
Có nhiều giải pháp thu và tháo nước thấm trong công trình trong đó giải pháp hạ thấp 
mực nước ngầm kiểu kín có thể mô tả bằng một số giải pháp tiêu biểu như các mô hình sau: 
èng bª t«ng cã læ thu n-íc thÊm
Vïng x©y dùng cÇn ®-îc lµm kh« 
VËt liÖu läc
C«ng tr×nh thu n-íc
MÆT B»NG KHU D¢N C¦
§-êng b·o hoµ
Hình 1. Hạ thấp mực nước ngầm bảo vệ khu dân cư hoặc khu vực khai thác mỏ 
Hình 2.Hạ thấp mực nước ngầm ở sân vận động và bảo vệ Tuy nen ngầm dưới đất 
Để hạ thấp mực nước ngầm người ta thường thiết kế hệ thống lọc và dẫn nước. 
 Các giải pháp sử dụng vật liệu đá thiên nhiên, khi sử dụng để dẫn nước thấm thường 
xảy ra các trường hợp sau: 
 - Khả năng thoát nước chậm, tổ chức thi công chậm. 
 - Hệ thống lọc dễ bị tắc hoặc bịt trít sau một thời gian sử dụng. 
 Đối với giải pháp sử dụng các loại ống dẫn bằng thép tráng kẽm hoặc ống PVC để dẫn 
nước thấm thường là vật liệu có giá thành cao hoặc phải mua của nước ngoài bằng ngoại tệ. 
 Xuất phát từ yêu cầu thực tế. Giải pháp thoát nước thấm bằng vật liệu tự sản xuất 
trong nước, giá thành rẻ thay thế được hàng nhập ngoại hoặcvật liệu đắt tiền bằng các loại 
vật liệu có sẵn trong thiên nhiên với công nghệ chế tạo, sản xuất giản đơn nhưng vẫn bảo 
đảm đựơc các yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật công trình, là vấn đề hết sức cần thiết. 
 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN & GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 
 2.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN 
 Cơ sở tính toán là dựa vào chế độ địa chất thuỷ văn dòng chảy ngầm trong môi trường 
lỗ hổng và đặc tính vật liệu nơi nước ngầm tải qua. 
 Phương trình vận động của dòng thấm không gian mô tả như sau: 
t
H
0
S)
z
H
.z(k
z
)
y
H
.y(k
y
)
x
H
.x(k
x 
















 Đối với bài toán phẳng dòng thấm hai chiều ngang phương trình được biểu diễn: 
t
H
μw)
y
H
(T.
y
)
x
H
(T.
x 










 
Đối với bài toán phẳng dòng thấm một chiều phương trình được biểu diễn: 
t
h
a
1
T
W
2x
H2





Khi thiết kế hệ thống tiêu thoát hạ thấp mực nước ngầm, chúng ta phải tính toán xác 
định được các đặc trưng dòng thấm như lưu tốc thấm, cột nước thấm, lưu lượng nước tải qua, 
độ cao đường bão hoà, áp lực thấm v.v... Việc tính toán các thông số đặc trưng dòng thấm 
người ta sử dung các bài toán có điển hoặc sử dung phương pháp số kết hợp với máy tính điện 
tử để tính toán 
Để thu và dẫn tải nước thấm, tác giả đề xuất giải pháp công nghệ sản xuất loại ống bê 
tông cốt thép đặc biệt có lỗ thấm xung quanh, thay thế được các loại ống đắt tiền hoặc vật liệu 
nhập ngoại. 
2.2. GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 
 Để nghiên cứu sản xuất loại ống bê tông, chúng ta phải tiến hành thiết kế dây chuyền 
công nghệ sản xuất ống từ khâu chuẩn bị đến khi hoàn thành theo nguyên lý sau: 
 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị 
850
HÖ thèng khu«n ®óc
Trôc truyÒn
C¸c Puli truyÒn ®«ng
§éng c¬ ®iÖn
æ ®ì l¨n
MÆT B»NG Tæ M¸Y QUAY LY T¢M
HÖ THèNG DÉN §éNG M¸Y QUAY
2.560
800850 650
Puli + trôc truyÒn
BÖ ®ì vµ con l¨n
Khu«n vµ b¸nh ®µ
MÆT B£N CñA Tæ M¸Y
O
mg
B
R2
R1 A
T
Pl t
sù chuyÓn ®éng cña phÇn tö bª t«ng
Hình 3.Bố trí chung của hệ thống Hình 4. Sơ đồ tính sự chuyển động của 
phần tử bê tông 
Nguyên lý: Ống khuôn được đặt năm ngang trên bệ máy, khi khuôn quay tròn, nhờ lực quán 
tính ly tâm tạo ra sẽ ép chặt hỗn hợp bê tông vào thành khuôn. Quá trình đúc ống được thực 
hiện sau một thời gian quay, lèn chặn và hoàn thiện cho đến khi dừng hẳn. 
 Xuất phát từ nguyên lý làm việc và tính toán các thông số kỹ thuật, chúng tôi tiến hành 
nghiên cứu chế tạo dây chuyền sản xuất ống hoàn chỉnh từ khâu chuẩn bị đến khi xuất xưởng. 
 Từ hình 6. Xét một phần tử A bê tông có hợp lực tác dung lên phần tử bê tông là: 
LT
Pgm.T

 
Khi khuôn quay với vận tốc  (rad/s) ta có vận tốc tại điểm A: 
 R
30
πn
ω.Rv  
và tạo nên lực quán tính (lực ly tâm) Plt ép phần tử bê tông chặt vào thanh khuôn có giá trị là: 
gR
2mv
lt
P  
Tổng hợp lực tác dụng vào phần tử đang xét là: 
lt
PgPT

 
Phần tử bê tông ở trạng thái cân bằng thì trong tất cả mọi trường hợp Ty  0 tức là: 
 Pylt  Pyg = m.g (1) 
r
2m.v
lt
dP  
 Với m là khối lượng phần tử bê tông và vận tốc v tại điểm đang xét: 
2.π.π.l.r.m  và ω.rv  
nên: .r
2.2.π2.π.l.dr
r
2.r2ω.r.l.2.π
ρ
lt
dP  
Tích phân hai vế phương trình vi phân lực quán tính ta có tổng giá trị lực quán tính khi 
đúc ống bê tông quay với vận tốc  là 

2
R
1
R
dr2.r22.π.π.ρ.l
P
0
lt
dP
 (2) 
 Lực quán tính phân bố quanh chu vi dọc ống là 
 2
3R
)3
1
R3
2
(R
.ρρ2ω
2.
lt
P
F
lt
P
0
P


π.l.R
 Từ biểu thức (1) và (2) ta có để bảo đảm tốc độ quay phần tử bê tông được lèn chặt 
bắt buộc tốc độ góc của khuôn quay thoả mãn biểu thức sau: 
2
1
R
2
.R
1
R2
2
R
3.g
ω

 (rad/s) (3) 
Từ đó xác định được số vòng quay bảo đảm lèn chặt bê tông là: 
2
1
R
2
.R
1
R2
2
R
g
16,54
π
30.ω
n

 v/phút (4) 
 2.2.2. Tính toán công xuất động cơ để quay ống đúc 
 Công suất động cơ khi quay để lèn chặt hổn hợp bê tông náp trong quá trình quay 
khuôn được xác định bằng biểu thức 
1000η
Mk)(Mmscω
ttN

 (Kw) (5) 
 Trong đó: - Mms Mô men ma sát lăn của con lăn và kết cấu khuôn 
 - Mk Mô men cản quay, : hiệu suất truyền động 
 2.2.3. Các giai đoạn thực hiện trong công nghệ đúc ống 
Trong thực tế sản xuất để bảo đảm an toàn lao động và thuận lợi cho quá trình nạp vật 
liêu, lèn ép vật liệu. Người ta thường sử dụng động cơ có nhiều tốc độ nhờ hộp số hoặc hộp 
biến tốc điện tử để thay đổi tốc độ kinh nghiệm thường chọn như sau: 
 * Giai đoan nạp vật liệu và tạo hình: 
 Tốc độ quay của khuôn v = 150 -200v/phút hoặc sử dụng công thức: 
1
R
g
1,50rω  
 * Giai đoạn lèn chặt 
 Tốc độ quay của khuôn n = 300 - 400 v/phút hoặc có thẻ tính bằng công thức: 
 )
3
1
R3
2
ρ.(R
R
0
3P
ch
ω


Chọn P0 = 1 - 1,50KG / cm
2
 * Thời gian đúc hoàn thành 01 sản phẩm: Tquay = 12 - 25 phút 
 Để thực hiện tốt dây chuyền thi công chúng ta phải hoàn thành tốt các các việc từ khâu 
chuẩn bị cho tới khâu đúc ống, bảo dưỡng, kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm, lưu giữ tại 
kho bãi và xuất chuyển đi công trường. 
 * Đối với khâu lắp ráp khuôn: 
- Khuôn để sản xuất ống theo phương pháp li tâm có 4 mảnh và một số chi tiết phụ 
- Với ống bê tông ly tâm sản xuất tạo lỗ xung quanh, cần một số chi tiết như sau: 
+ Khuôn tạo hình gồm 4 chi tiết bắt lại với nhau nhờ nhờ hệ thống bu lông. 
+ Các chốt để tạo lỗ trong quá trình đúc tạo ống. 
 2.2.4 Tính toán tiết diện lỗ thu nước vào ống 
 Số lượng lỗ phải bảo đảm tháo đựợc lưu lượng thấm để hạ thấp đường bão hoà. Trong 
đó lưu lượng thấm được xác định bằng phương pháp số hoặc các phương pháp cổ điển hoặc 
kinh nghiêm. Tồng diện tích lổ xác định bằng biểu thức: 
v
Q
F  , (m2) 
Tiết diện mỗi lỗ fo thường chọn dường kính  = 4,5 ... 20mm 
 Số lượng lỗ để thu nước vào ống n; số hàng nh ; khoảng cách lỗ lo được xác định: 
 0
f
F
n 
a
.2.π
h
n
R

2.a
0
l  
Trong đó: - v lưu tốc dòng thấm chảy vào ống kinh nghiệm nên chọn 0,1 -0,5 m/s 
 - Q lưulượng thấm; R bán kính bình quân của ống bê tông 
 - a = khoảng cách giữa các hàng lỗ thấm, đường kính lỗ 
Để sản xuất được ống như trên chúng ta thực hiện giải pháp sau: 
Ngoài khuôn cần có chi tiết chốt, nẹp, hệ thống đối trọng, neo giữ như sau: 
2-3mm
Khu«n thÐp dµy d
MÆt bÝch b¾t víi ®µ l¨n
8mm
BT
K
Bª t«ng CT èng
Bu l«ng neo gi÷ nÑp vµ chèt
NÑp gçChèt thÐp
HÖ THèNG T¹O Lç XUNG QUANH èNG B£ T¤NG
    
l 0
Lc
CÊU T¹O CHèT
Hình 5. 
Cấu tạo chung: Khuôn làm bằng thép 2 mảnh, xung quanh có khoan các lỗ để lắp đặt các chốt 
để tạo lỗ, hai đầu có 2 mặt bích để liên kết với bánh đà dẫn. 
CÊU T¹O CñA KHU¤N Vµ B¸NH §µ L¡N
2.560
khu«n t¹o èng
400
Vµnh l¨n ngoµi
0.500
0.690
520
B¸NH §µ
Vµnh l¨n ngoµi
0.140
2.500
2.295
400
500
2.500
0.115
a
F
0
l0
ghÐp nèi èNG
qui c¸ch lç èNG
c¾t ngang èNG
2.295
0.140
2.500
0.115
Hình 6a. Cấu tạo ngoài của khuôn Hình 6b. Hình dạng sản phẩm hoàn thành 
 Chốt làm bằng thép có dạng hình mũ, thân chốt hình trụ tròn cấu tạo nhỏ dần ở mũi để 
dễ thao rút chốt sau khi đúc xong bê tông. Chiều dài chốt xác định như sau: 
Lc = K + BT + (10 -11mm) 
Nẹp gỗ dày khoảng 30mm để cố đình và giữ các đầu của chốt khi đúc. 
 3. ÁP DỤNG THỰC TIỄN 
 Sau một thời gian nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm, sản phẩm ống bê tông ly tâm có lỗ 
đã được đưa vào sản xuất áp dụng để lắp đặt cho công trình hầm đường bộ qua đèo Hải Vân. 
Thay thế cho hàng nhập ngoại ống PVC đường kính  300mm và 400mm. Chất lượng được 
các Công ty Tư vấn nước ngoài như Nippon Koei Co., Ltd. Japan and Louis Berger 
International Inc. USA in association with TEDI, Vietnam, nhà thầu Hazama, Ban Quản lý 
Dự án đường hầm Hải Vân, Sông Đà 10 chấp nhận để đưa vào lắp đặt toàn bộ hệ thống thoát 
nước thấm đường hầm chính, phụ, đường hầm thông gió của đường hầm Hải Vân. 
Hiệu quả kinh tế: Để đánh giá hiệu quả kinh tế, tiến hành so sánh đơn giá cho một đơn vị sản 
phẩm và giá trị tổng sản phẩm hệ thống thu thoát nước ngầm tuy nen Hải Vân như sau: 
TT Loại ống Đơn vị Khối lượng Giá ống PVC giá ống BTLT Chênh lệch GT chênh lệch 
1  300mm m 8,300 350,000 160,000 190,000 1,577,000,000 
2  400mm m 6,400 625,000 210,000 415,000 2,656,000,000 
Cộng 5,810,000,000 
 Sản phẩm cho thấy tiết kiệm được 5,81 tỷ đồng, một hiệu quả kinh tế không nhỏ. 
 4. KẾT LUẬN 
 Qua nghiên cứu ứng dụng giải pháp công nghệ đúc ống bê tông có lỗ thấm xung 
quanh bằng phương pháp ly tâm, có thể rút ra kết luận sau: 
1. Giải pháp công nghệ có thể đúc sản xuất được các loại ống bê tông ly tâm có 
đường kính, chiều dày, chiều dài bất kỳ theo ý muốn và là sản phẩm đầu tiên được 
sản xuất thành công ở Việt Nam. 
2. Sản phẩm của ống bê tông có lỗ thấm xung quanh áp dụng có hiệu quả hạ thấp 
đường bão hoà góp phần nâng cao hiệu quả công trình sử dụng và kinh phí xây 
dựng. 
3. Sản phẩm có thể áp dụng để thoát nước thân đập, thoát nước bảo vệ tường chắn 
đất đặc biệt là tường kè ven sông, ven biển, công trình âu tàu, những nơi vị trí 
công trình thường xuyên chịu tác dụng của nước ngầm vận động. 
4. Với giải pháp kỹ thuật như trên, sản phẩm đã được ứng dụng vào sản xuất để thoát 
nước thấm toàn bộ hệ thống tuy nen qua đèo Hải Vân, thay thế hàng nhập ngoại và 
được thị trường chấp nhận. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Jonathan Istok, Groundwater modelling by the finite element Method, chapter 1, page 
42 - 48, American Geophysical, 1989. 
[2] Nguyễn Thiệu Xuân, Trần Văn Tuấn, Máy sản xuất vật liệu và cấu kiện xây dựng, 
trang 247-252, NXB Xây dựng, 2000. 
[3] Phan Ngọc Cừ, Tôn Sỹ Kinh, Động lực nước dưới đất, trang 45-67, NXB Đại học và 
Trung học chuyên nghiệp, 1981. 
[4] Hồ sơ thiết kế kỹ thuật Dự án đường hầm bộ qua đèo Hải Vân 2000 và Bổ sung thiết 
kế 2003.