Các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả của hệ thống giếng hạ thấp mực nước ngầm khi thi công móng công trình trên nền cát chảy - Trần Văn Toản

Nội dung text: Các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả của hệ thống giếng hạ thấp mực nước ngầm khi thi công móng công trình trên nền cát chảy - Trần Văn Toản

1. CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG GIẾNG HẠ THẤP MỰC NƯỚC NGẦM KHI THI CÔNG MÓNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN CÁT CHẢY ThS. Trần Văn Toản Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Các công trình được xây dựng trên nền cát chảy có yêu cầu hạ thấp mực nước ngầm (HMNN) trong quá trình thi công móng thì việc HMNN sẽ quyết định sự thành bại trong quá trình xây dựng, giá thành xây dựng, chất lượng nền, chất lượng móng và chất lượng công trình. Hiện nay rất nhiều công trình đã thực hiện đã thành công nhưng bên cạnh đó vẫn còn nhiều công trình thất bại do nhiều nguyên nhân khác nhau. Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các tồn tại từ thực tế HMNN xây dựng móng các công trình, tác giả đưa ra các giải pháp cải tiến kỹ thuật phù hợp để nâng cao hiệu quả công tác HMNN. ĐẶT VẤN ĐỀ Trên cơ sở lý thuyết và bài học HMNN ở Trong thực tế vấn đề HMNN để thi công một số công trình không đạt hiệu quả tác giả móng các công trình như: Âu thuyền Cầu Đất giới thiệu các giải pháp kỹ thuật và thiết bị để (Hải Dương), trạm bơm Kim Đôi (Hà Bắc), nâng cao hiệu quả công tác HMNN. trạm bơm Như Trác, Hữu Bị II (Hà Nam), cống Liên Mạc (Hà Tây cũ), trạm bơm Tràm (Hải CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU Dương), cống Vân Cốc, cống Hiệp Thuận, hệ QUẢ CỦA HỆ THỐNG GIẾNG HMNN thống kênh dẫn cụm công trình đầu mối Hát 2.1. Tạo lớp lọc xung quanh giếng Môn - Đập Đáy (Hà Tây cũ), và nhiều công Việc tạo lớp lọc ngược xung quanh giếng để trình dân dụng, giao thông, công nghiệp khác tăng diện tích tiếp xúc của giếng và môi trường còn tồn tại nhiều vấn đề sau: đất có nước ngầm, tăng lưu lượng nước thấm - Chưa hạ được MNN xuống thấp đến cao vào giếng, tức là tăng khả năng hút nước của trình thiết kế yêu cầu. giếng. - Mái hố móng vẫn còn dòng thấm chảy vào 2.1.1. Hạ giếng bằng cách xói thủy lực hố móng làm sạt lở mái. Cần chú ý muốn tạo được lớp lọc thì khi hạ - Thiết bị không sẵn có và phổ biến, chủ ống lọc bằng phương pháp thủy lực, lưu lượng yếu vẫn nhập ngoại nên việc áp dụng gặp nhiều xói tạo giếng phải đủ lớn để các hạt đất nhỏ khó khăn và giá thành thiết bị còn cao. xung quanh giếng được lôi theo dòng chảy lên - Việc lắp đặt và vận hành thiết bị này còn phía trên và trào ra ngoài, các hạt cát sỏi tạo lớp yếu. lọc cũng phải đủ lớn để có thể lắng đọng xuống - Chọn các thông số thiết kế chưa phù hợp đáy giếng. Như vậy, trong môi trường dòng với thực tế hiện trường. chảy xung quanh giếng sẽ xuất hiện 2 chuyển Nguyên nhân của các tồn tại này là do vấn đề động ngược chiều nhau: các hạt đất nhỏ ở xung khảo sát (địa chất nền, địa chất thuỷ văn: hệ số quanh giếng được xói lở sẽ theo dòng nước thấm, MNN, nguồn bổ sung nước, ), chưa chuyển động từ dưới lên trên, cát sỏi tạo lớp lọc nghiên cứu kỹ kích thước hố móng, chọn phương dưới tác dụng của trọng lượng bản thân thắng pháp HMNN và thiết bị chưa phù hợp, tính toán sức cản của dòng nước để chuyển động xuống thiết kế và thi công chưa chính xác, vận hành và đáy giếng. Muốn vậy thì sau khi hạ xong giếng quản lý chưa chú trọng, (Các nguyên nhân này vẫn tiếp tục bơm nước vào giếng để đảm bảo tác giả đã nêu ở bài báo đã đăng trong Tạp chí Kỹ Vx>W và đổ cát sỏi xung quanh giếng tạo lớp thuật Tài nguyên nước, số 01-2010). lọc đảm bảo Vx<Wcs. Với W là vận tốc rơi đều 22
2. của một hạt rắn đơn độc trong nước tĩnh (độ thô giếng. Khi đất nền có hệ số thấm nhỏ, các hào thủy lực); dẫn nước bằng cát sỏi xung quanh hố móng nối + Lưu lượng nước xói tạo giếng phải cho vận liên thông các giếng để tăng diện tích thấm nước tốc dòng chảy trong lỗ xói thỏa mãn điều kiện: vào giếng cả theo phương ngang và phương Q  1  2 đứng, nhất là khi đất nền có hệ số thấm không Vx= >W= d (1)  24 đồng nhất. Phương pháp này chủ yếu tạo được Trong đó: hào có chiều sâu không lớn. Tạo hào tiêu nước ngầm dưới sâu hoặc hệ Vx – Vận tốc dòng nước trong lỗ xói tạo giếng (m/s). thống hào tiêu nước (drainage system) xung Q – Lưu lượng nước xói tạo lỗ (m3/s). quanh phạm vi cần HMNN để dẫn nước ngầm về hố tập trung nước hoặc giếng chủ, rồi bơm ra  - Diện tích lỗ xói tạo giếng (m2). khỏi hố móng. Phương pháp này tạo được hào W– Độ thô thủy lực của đất nền xung quanh có chiều sâu lớn hơn và được ứng dụng khi gặp giếng đã bị xói (m/s). các hiện tượng nước ngầm có áp sẽ rất hiệu quả.  – Trọng lượng riêng của hạt đất nền bị xói 1 2.3. Nâng cao chất lượng của công tác khảo (T/m3). 3 sát  – Trọng lượng riêng của nước (T/m ). Khảo sát kỹ để phát hiện những vùng có lớp d – Đường kính hạt đất nền bị xói (m). 2 xem kẹp làm giảm khả năng thấm đứng của  - Hệ số nhớt động lực của nước (T.s/m ). nước trong môi trường xung quanh giếng. Ở + Đường kính hạt vật liệu (cát sỏi) tạo lớp vùng châu thổ các sông và nhất là ven sông do lọc phải đủ lớn để đảm bảo điều kiện tự lắng sự hình thành đất nền có MNN cao thường do xuống đáy giếng: quá trình bồi đắp kéo dài nhiều năm nên trong  cs  2 Q quá trình hình thành thường gặp các trận lũ kéo Wcs= d >V= (2) 24 cs  theo nhiều phù sa tạo thành các lớp xen kẹp Trong đó: trong tầng cát mịn của đất nền. Khi giếng kim Wcs – Độ thô thủy lực của vật liệu (cát sỏi) hút nước thì khả năng thấm nước theo phương tạo lớp lọc (m/s). đứng giảm và tất nhiên hiệu quả HMNN không cs – Trọng lượng riêng của vật liệu (cát sỏi) đạt được hiệu quả. Vì vậy, trước khi hệ thống tạo lớp lọc (T/m3). giếng làm việc cần dùng vòi nước cao áp chọc dcs – Đường kính hạt vật liệu (cát sỏi) tạo lớp thủng các lớp xen kẹp này hoặc có giải pháp lọc (m). [4] phù hợp để Kđ≈Kn. 2.1.2. Hạ giếng khi có dùng vách Tại các vị trí cục bộ có thể địa chất thay đổi Việc đổ cát sỏi để hình thành lớp lọc giữa làm hệ số thấm giảm nhỏ, mà giếng kim lọc lại ống vách và thành ống lọc phải được tiến hành đặt đúng vị trí này sẽ bị tắc hoặc giảm hiệu quả ngay sau khi hạ giếng xuống đủ chiều sâu, khi tiêu nước. đổ cát sỏi vẫn phải bơm nước vào đáy lỗ khoan Cũng có thể có các ống dòng do xói ngầm nhưng với lưu lượng phù hợp, đồng thời nâng tạo thành trong phạm vi hố móng, nếu chúng ta dần ống vách lên. không có biện pháp bịt chúng trước khi HMNN Trong các loại đất thấm nước mạnh, nước bị thì hiệu quả HMNN cũng sẽ không đạt được. hút nhiều có thể gây cho thành lỗ khoan bị sụp. 2.4. Tường ngăn nước kết hợp HMNN Để tránh hiện tượng này, phải bơm thêm khí nén Khi đất nền có hệ số thấm lớn, để giảm lượng cùng với nước (hạ ống bằng khí nén) vào lỗ nước ngầm chảy vào hố móng và nâng cao hiệu khoan hoặc tăng thêm chiều dày lớp cát sỏi lọc quả giảm áp lực nước ngầm của hệ thống giếng ngược xung quanh giếng. kim ta nên bố trí các tường chống thấm nằm dọc 2.2. Tạo các thu nước ngầm theo các tuyến tiếp giáp với nguồn bổ sung nước Tạo các hào cát thô dẫn nước thấm vào xung như: sông, hồ, kênh, suối hoặc cả theo đường quanh giếng để nâng cao khả năng hút nước của viền xung quanh hố móng trước khi hạ hệ thống 23
3. giếng HMNN. Tác dụng của tường trong việc ao, bể chứa nước ta bố trí hệ thống giếng kim HMNN phụ thuộc vào chất lượng tường, chiều dày hơn hoặc có khả năng thu nước lớn hơn và sâu cắm vào trong đất của tường chống thấm kể ngược lại. từ cao độ đáy hố móng trở xuống, độ kín nước 2.7. Có phương án điều chỉnh khi môi của tường chống thấm, sự liên kết giữa các trường thấm quanh giếng thay đổi tường chống thấm và tầng không thấm nước. Lường trước môi trường thấm xung quanh Tuỳ từng trường hợp mà ta có thể sử dụng giếng có thể thay đổi trong quá trình giếng làm các loại tường chống thấm sau đây: việc như nước ngầm dâng cao hoặc hạ thấp theo - Ván đặc biệt có tác dụng chống thấm (có mùa, thủy triều, mưa, mực nước của các nguồn thể là cừ thép hoặc cừ nhựa có bộ phận liên kết cung cấp nước ngầm, đất bị hút nước có thể bị giữa các tấm cừ để ngăn không cho nước chui lún sụt, sạt lở, các hạt nhỏ, chất hữu cơ chuyển qua khe cừ). Còn các cừ thường thì không có tác động vào xung quanh giếng làm giảm nước dụng chống thấm như đã nói ở trên. thấm vào giếng để có các tính toán chuẩn bị - Khi hố móng sâu (như trong xây dựng nhà phương án đối phó kịp thời. có nhiều tầng hầm), thường dùng hệ thống cọc 2.8. Đảm bảo nguồn năng lượng cho hệ Barrete hoặc cọc xi măng đất. thống HMNN - Tường chống thấm bằng cách phụt vữa và Bên cạnh các cải tiến trên một yếu tố rất các nhũ tương vào các khe hổng hoặc các vết quan trọng là nguồn năng lượng (chủ yếu nguồn nứt nẻ của đất (phụt vữa xi măng, phụt vữa si-li- điện) phải được chuẩn bị kỹ lưỡng cả về lượng cát, phụt bi –tum). và chất. Đồng thời phải có nguồn dự trữ để đảm - Chặn nguồn thấm mạnh vào hố móng: bảo hệ thống giếng làm việc liên tục. Khoanh các vùng thấm mạnh bằng dung dịch đất 2.9. Thí nghiệm hiện trường xác định các sét. Tại các vị trí cục bộ như: các hang hốc, khu thông số tính toán của hệ thống HMNN vực có nhiều cuội sỏi, phía gần các nguồn cung Thí nghiệm hiện trường là việc lập các mô cấp nước ngầm (sông, hồ, bể chứa nước ) cần hình thí nghiệm tương tự như phương án phải được bịt hoặc hạn chế dòng thấm trước khi HMNN mà thiết kế dự kiến hoặc lựa chọn để hệ thống giếng kim lọc vận hành. thực hiện tại hiện trường công trình mà nó sẽ - Làm tường chống thấm hỗn hợp. phục vụ thi công để khẳng định lại các thông số Các tường chống thấm không có khả năng dùng trong tính toán và điều chỉnh thiết kế. chống tác động của nước ngầm ở đáy móng công Thí nghiệm hiện trường được thực hiện trong trình. Vì vậy cũng cần bố trí thêm hệ thống tiêu giai đoạn thiết kế kỹ thuật. Qua đó cho ta có đầy nước hoặc HMNN để giảm áp lực đáy móng. đủ cơ sở khoa học và thực tế để điều chỉnh bổ 2.5. Sử dụng giếng hút sâu sung cho phương án kỹ thuật, đảm bảo cho Sử dụng giếng sâu để tăng chiều dài ống lọc phương án HMNN chắc chắn và hiệu quả. trong giếng và tăng khả năng hút nước của Mục đích của thí nghiệm hiện trường: giếng. Đồng thời sử dụng các bơm có ống hút - Khả năng thực hiện của phương án, khả sâu hay bơm chìm ở mỗi giếng trong hệ thống năng làm việc của thiết bị để rút kinh nghiệm tổ giếng HMNN giúp các giếng làm việc liên tục, chức thi công hệ thống HMNN mà cụ thể là hạ giảm công tác quản lý vận hành (vì giảm khả giếng và tạo lớp lọc xung quanh giếng. năng hết nước hoặc bị hở ống hút). Đồng thời - Xác định được khá chính xác lưu lượng giảm sự cố máy móc, đường ống khi vận hành nước phải hút ở hố móng (Q), bán kính ảnh giếng vì kiểm tra, thay thế các thiết bị hư hỏng hưởng R, khả năng hút nước của mỗi giếng để của giếng độc lập, dễ dàng và kịp thời. điều chỉnh thêm, bớt thiết bị, số lượng và chiều 2.6.Bố trí hệ thống giếng kim hợp lý sâu hạ giếng phù hợp với thực tế. Với những vùng thay đổi hệ số thấm K. Tại - Lựa chọn được phương án thi công giếng các vị trí đất nền có hệ số thấm cao, vị trí gần có hiệu quả và phù hợp. các nguồn cung cấp nước ngầm như sông, hồ, - Xác định được thời gian thi công thực tế để 24
4. điều chỉnh lại tiến độ thi công phù hợp. HMNN cũng được quyết định bởi lưu lượng và 2.13. Cải tiến thiết bị độ HMNN. Riêng việc xác định lưu lượng hút Việc nhập các thiết bị giếng kim lọc còn nước của mỗi giếng phải thông qua thực nghiệm nhiều khó khăn, giá thành đắt nên việc cải tiến hiện trường. Trong thiết kế có thể tính khả năng và thay thế thiết bị là vấn đề cấp thiết. hút nước giới hạn của mỗi giếng theo kinh 2.13.1. Thay giếng kim bằng giếng nhựa nghiệm. Tính toán thiết kế cũng có thể áp dụng các công thức tính toán HMNN bằng hệ thống giếng kim được đề cập trong các tài liệu [1, 2, 3, 4, 5, 6] hoặc theo phần mềm Modflow. Theo Công ty Cổ phần xây dựng Thủy lợi Hải Phòng thì giá thành các giếng này rẻ hơn rất nhiều các giếng kim nhập từ Trung Quốc cùng cỡ. Có thẻ mua ở bất kỳ một thị trấn nào, thi công và lắp đặt giếng dễ dàng. Qua các phân tích trên cho thấy các cải tiến thiết bị góp phần giảm giá thành HMNN là rất rõ. Cơ sở lý thuyết tính toán xác định các thông Hình 1. Sử dụng giếng nhựa HMNN cống số kỹ thuật để thiết kế HMNN khi ứng dụng Hiệp Thuận thiết bị này đảm bảo các điều kiện kỹ thuật và Về bản chất giếng nhựa là một loại giếng phù hợp với thực tiễn cần được xem xét kết hợp thường được cấu tạo tương tự như giếng khoan với thí nghiệm hiện trường. UNICEF gồm 2 phần: ống thành giếng và ống 2.13.2. Cải tiến thiết bị khác cho giếng lọc nước, có * Khi dùng giếng nhựa máy bơm hút Kéo dài đoạn ống lọc từ đáy giếng cho đến sâu ở mỗi MNN tự nhiên để tăng khả năng thu nước của giếng, ống tập èng chèng PVC mỗi giếng và khắc phục hiện tượng hệ số thấm trung nước, ngang và đứng khác nhau. máy bơm và èng PVC * Khi dùng giếng kim ống dẫn xả Thiết kế ống lọc gồm 2 ống: ống lọc ở bên nước. ngoài có đục lỗ đều đặn ở thành ống như các ống Giếng này lọc thường và ở ống bên trong không đục lỗ. Tùy khác giếng theo thiết bị bơm sử dụng thì có thể đặt các chõ khoan UNICEF bơm ở cuối ống trong hoặc để hở. Nước trong loại nhỏ là thiết giếng chỉ chui vào ống bên trong qua chõ bơm bị tự chế tạo từ hoặc đầu hở phía dưới của nó tránh được hiện các ống nhựa èng läc tượng hở ống lọc. Do đó, không khí không thể vào PVC, đường trong ống lọc cho đến khi một phần của ống lọc kính ống nhựa gần như bị lộ hoàn toàn lên khỏi mặt nước ngầm. lớn hơn và thiết * Tự động hóa hệ thống bơm bị bơm sâu Khi dùng giếng thường hoặc giếng nhựa cần (giếng khoan èng PVC lắp đặt thêm hệ thống tự động đóng, hệ thống UNICEF phải van phao kết hợp các công tắc điện. Có thể hút chân không). đóng mở toàn bộ các máy bơm của hệ thống Số lượng và hoặc một số giếng. Thông thường mỗi nhóm độ sâu của các giếng sử dụng một máy bơm hoặc máy bơm giếng nhựa để Hình 2. Sơ đồ cấu tạo giếng độc lập cho mỗi giếng. 25
5. Kết luận Việc tính toán thiết kế HMNN còn gặp Công tác khảo sát là công tác đặc biệt quan nhiều khó khăn, mất nhiều thời gian. Cần vận trọng để quyết định đúng giải pháp HMNN, tính dụng công nghệ tin học vào thiết kế để tăng độ toán thiết kế, bố trí thiết bị, . chính xác và giảm thời gian và công sức. Cần nghiên cứu kỹ hố móng để đưa ra giải Thi công hệ thống HMNN đòi hỏi phải tỉ pháp HMNN theo từng thời kỳ thi công phù mỉ, chính xác và phải có các giải pháp kỹ thuật hợp. làm tăng lưu lượng vào các giếng. Mặt khác Các thiết bị HMNN truyền thống thường cũng cần có các giải pháp ngăn dòng thấm mạnh phức tạp, giá thành cao, lại thường phải nhập phía nguồn bổ sung nước ngầm vào hố móng. ngoại. Vì vậy, cần nghiên cứu cải tiến thiết bị Nên tự động hoá được công tác này là HMNN sao cho vừa đơn giản, vừa dễ chế tạo và tốt nhất. Để nâng cao hiệu quả vận hành và quản giá thành rẻ. lý hệ thống thiết bị HMNN. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Bá Kế (2002), Thiết kế và thi công hố móng sâu, NXB Xây dựng, Hà Nội. 2. Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Trường, Phạm Xuân, Nguyễn Hải (1973), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, NXB Khoa học và kỹ thuật. 3. Vụ Kỹ thuật – Bộ Thủy lợi (1959), Bảo vệ các hố móng công trình thủy công chống nước ngầm, NXB Năng lượng Quốc gia Mạc Tư Khoa – Lê Nin Grát dịch của V.I Svây. 4. Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng (2001), Đất xây dựng, địa chất công trình và kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng (chương trình nâng cao). NXB Xây dựng, Hà Nội. 5. Departments of the army, the navy, and the air force (November 1983), Dewatering and ground water control. 6. U.S. Department of the interior Water and Power Resources Service (1981), Ground Water Manual. A water resources technical publication. United states Government printing office denver. Abstract: TECHNICAL SOLUTIONS TO IMPROVE THE EFFECTIVENESS OF THE SET OF WELLS FOR LOWERING THE GROUND WATER LEVEL ON RUNNING SAND FOUNDATION Tran Van Toan Structures that are built on running sand foundation require a lowered ground water level (HMNN) during the construction of foundation base, lowering ground water level is very important since it will affect the success of construction as well as construction cost, foundation quality and the whole structure quality. Nowaday, many constructions are successful when applying this method, but there are still many others fail because of some reasons. This article analyses the theory and the empirical solutions at worksites and then proposing the technical solution to improve the effectiveness of the works. 26