Tính toán hạ thấp mực nước ngầm của hố móng bằng hệ thống giếng - Lương Văn Anh

Nội dung text: Tính toán hạ thấp mực nước ngầm của hố móng bằng hệ thống giếng - Lương Văn Anh

1. TÍNH TOÁN HẠ THẤP MỰC NƯỚC NGẦM CỦA HỐ MÓNG BẰNG HỆ THỐNG GIẾNG ThS. L­¬ng V¨n Anh Trung t©m Quèc gia n­íc s¹ch & VSMTNT Tóm tắt: Công tác tiêu nước hố móng liên quan đến điều kiện địa chất công trình của khu vực xây dựng, kích thước hố móng, biện pháp đào móng, khả năng ảnh hưởng đến các công trình lân cận vì vậy, nó phụ thuộc vào cả ba khâu: khảo sát, thiết kế và thi công. Giải pháp tiêu nước hố móng bằng cách hút nước từ hệ thống giếng bố trí xung quanh là giải pháp thông dụng, hiệu quả vì có cơ sở lý thuyết thấm chặt chẽ và thuận lợi trong tổ chức thi công. Tuy nhiên, cũng có trường hợp đã không thành công vì một số các nguyên nhân khác nhau. Bằng trường hợp cụ thể của cống Vân Cốc mà tác giả là người đã quan sát từ khi khởi công, tác giả đã sử dụng phần mềm Modflow tính toán lại và kết quả đã phù hợp với thực tế. Thông qua trường hợp này tác giả đã phân tích và đưa ra những nhận định về các nguyên nhân ở trong cả ba khâu khảo sát, thiết kế, thi công có thể làm cho giải pháp tiêu nước hố móng bằng bơm hút từ hệ thống giếng không thành công. Khi xây dựng các công trình nói chung, công - Đáy hố móng thông thoáng, không bị cản trở trình thuỷ lợi, thuỷ điện nói riêng thường gặp bởi hệ thống thiết bị tiêu nước, thuận lợi cho thi trường hợp đáy hố móng đào sâu xuống dưới mực công. nước ngầm. Trong trường hợp đó, để có thể xây - Chủ động hạ thấp mực nước xuống dưới đáy dựng cần phải hút nước tháo khô hố móng. Công hố móng đến độ sâu yêu cầu, bảo đảm đáy hố tác tiêu nước hố móng có thể thực hiện bằng nhiều móng khô ráo, thuận lợi thi công. biện pháp khác nhau phụ thuộc vào điều kiện địa Giải pháp xử lý tiêu nước hố móng bằng chất công trình, kích thước hố móng, biện pháp cách hút nước từ hệ thống giếng được thiết kế đào móng, khả năng ảnh hưởng đến các công trình dựa trên bài toán giếng tác dụng tương hỗ trong lân cận và nhiều yếu tố khác. Vì vậy cần phải tính Địa chất thuỷ văn. Theo nguyên lý cộng tác toán cân nhắc để bảo đảm tiến độ, hiệu quả công dụng (nguyên lý cộng dòng), khi các giếng bố việc và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến môi trường. trí gần nhau với khoảng cách giữa các giếng a Trong những điều kiện cho phép, giải pháp nhỏ hơn hai lần bán kính ảnh hưởng của giếng thường được lựa chọn là hút nước từ hệ thống R thì mực nước trong phạm vi giữa các giếng giếng bố trí xung quanh hố móng. sẽ bị hạ thấp một giá trị s nhất định. Với các số Giải pháp hút nước từ hệ thống giếng thường liệu đã biết như hệ số thấm của đất, kích thước được lựa chọn vì có các ưu điểm cơ bản: (bán kính và chiều dài ống lọc) của giếng, - Tạo gradient thuỷ lực ngược với hướng đổ của khoảng cách lựa chọn giữa các giếng ta có thể mái hố móng, vì vậy, ngăn chặn hiện tượng cát chủ động hút nước để hạ thấp mực nước xuống chảy, xói sụt mái hố móng, cát đùn ở đáy hố móng. dưới đáy móng (hình 1). MÆt ®Êt tù nhiªn 1 :3 :3 +5,6 1 1 (MNN tr­íc khi h¹ thÊp) :3 3 1: s H MNN sau khi h¹ thÊp GiÕng h¹ MNN ri a R Hình 1. Sơ đồ hạ thấp mực nước tháo khô hố móng bằng hệ thống giếng tác dụng tương hỗ 33
2. Bài toán có thể giải cho trường hợp dòng đạt được mục đích tháo khô hố móng chúng tôi thấm ổn định và không ổn định phụ thuộc vào đã nghiên cứu đồ án thiết kế trước đây và nhận thời gian thi công hố móng. Về lý thuyết là như thấy rằng việc không tháo khô được hố móng có vậy, tuy nhiên, trong thực tế sản xuất nhiều thể do tổng hợp của một số nguyên nhân: chọn trường hợp do các nguyên nhân khác nhau mà độ dài ống lọc và sơ đồ tính thấm không phù sẽ được phân tích dưới đây, đã không hạ thấp hợp, ống lọc không phù hợp với địa tầng gây được mực nước ngầm đến độ sâu yêu cầu. hiệu ứng bước nhảy cao Một hạn chế lớn của Trong khuôn khổ của bài báo này chúng tôi phương pháp tính thủ công là không cho phép trình bày trường hợp cống Vân Cốc mà chúng tính toán với nhiều phương án để lựa chọn. Từ tôi được trực tiếp theo dõi từ đầu. Các số liệu tất cả những vấn đề trên chúng tôi đã áp dụng của cống Vân Cốc như sau: phần mềm Modflow để tính toán thiết kế. - Kích thước của hố móng gồm chiều rộng đáy Modflow là phần mềm chuyên dụng được thiết móng 53,6m, chiều dài 90m, chiều sâu 10,6m. lập trên cơ sở phương pháp sai phân hữu hạn Mực nước ngầm cao hơn đáy hố móng 4,7m. của bài toán thấm 3 chiều Nó cho phép giải bài - Về địa tầng gồm 5 lớp theo thứ tự từ trên toán trong thời gian rất ngắn, vì vậy, có thể giải xuống như sau: Lớp 1 và 2 là sét, á sét nặng pha với nhiều phương án khác nhau. dẻo cứng; lớp 3 và 4 cũng là sét, sét trung pha dẻo Như trên đã nói, với cơ sở lý thuyết thấm chặt cứng; lớp 5 là cát mịn có hệ số thấm k=5.10-4m/s. chẽ việc xác định độ hạ thấp mực nước bảo đảm Với các số liệu này đơn vị tư vấn thiết kế đã tháo khô được hố móng là không có gì khó khăn. sử dụng phương pháp thủ công tính toán thiết kế Nhiệm vụ thiết kế là ở chỗ phải tìm được phương hệ thống giếng kim để hạ thấp mực nước. Kết án hút nước với chi phí thấp nhất. Để thực hiện quả đã bố trí 105 giếng, mỗi giếng sâu 14,6m, nhiệm vụ đó chúng tôi tính với các phương án khoảng cách giữa các giếng là 2,7m. Tổng lưu biến đổi chiều dài ống lọc, độ sâu hạ giếng và lượng bơm hút là 3.200m3/ngđ. Sau khi nhận khoảng cách giữa các giếng khác nhau. Để tính được đồ án thiết kế, nhà thầu thi công đã triển toán chúng tôi chia lưới phần tử hình vuông và khai hút nước từ tháng 10 năm 2003. Sau một hình tam giác vuông với các cạnh hình vuông 0,5 thời gian dài hút nước không tháo khô được hố x 0,5m và cạnh tam giác vuông là 0,5m. Sơ đồ bố móng để thi công nhà thầu đã bỏ cuộc và phải trí giếng xung quanh hố móng, mặt cắt đi qua các thay thế nhà thầu mới. Để rút kinh nghiệm và để giếng được thể hiện trong các hình sau đây. Hình 2: Mặt bằng sơ đồ bố trí giếng, 1 - Giếng, 1 2 - Cao trình 2 đáy móng, 3 - Cao trình 3 mặt móng 34
3. Hình 3: Cắt dọc hố móng thiết kế Kết quả, với tổ hợp 4 phương án cho mỗi phương án này số giếng cần thi công là 84 biến số chiều dài ống lọc, khoảng cách giữa các giếng. Chiều dài ống lọc 2,5m, chiều sâu hạ giếng và độ sâu hạ giếng, tổng tất cả đã tính giếng 14,5m, khoảng cách giữa các giếng là toán cho 24 phương án. Trong số đó đã xác định 3,4m. Phễu hạ thấp mực nước của phương án được một phương án kinh tế và hợp lý nhất. Với này được thể hiện trong hình 5 và 6. Hình 5. Mực nước ngầm hạ thấp xung quanh hố móng khi hút liên tục 10 ngày Hình 6. Mặt ngang qua tim hố móng Bằng kết quả tính toán này nhà thầu thi công bằng bơm hút nước từ hệ thống giếng bố trí đã triển khai thực hiện và tháo khô được hố xung quanh về nguyên tắc bao giờ cũng thực móng để thi công công trình. Hình 7 dưới đây hiện được vì cơ sở của phương pháp là sự hạ thể hiện sự bố trí các giếng của phương án chọn thấp của mực nước ngầm do tác dụng tương hỗ sau khi đã được thi công lắp đặt. khi các giếng bố trí gần nhau, trong khi đó cơ sở lý thuyết thấm của bài toán này là chặt chẽ. Vậy thì nguyên nhân nào dẫn đến sự không thành công trong một số trường hợp khi áp dụng? Chúng tôi nghĩ rằng có thể do các khâu khảo sát, thiết kế, thi công hoặc tổ hợp của cả 3. Trong khuôn khổ của một bài báo không thể trình bày kỹ, chúng tôi chỉ xin nêu một số nhận định định tính. Về khảo sát có hai thông số liên quan đến hiệu quả của giải pháp tháo khô hố móng, đó là địa tầng và hệ số thấm của các lớp đất. Hệ số Hình 7: Bố trí giếng của Công ty xây dựng công thấm của đất thường được xác định bằng thí trình thuỷ lợi Hải Phòng cho hố móng Vân Cốc nghiệm trong phòng hoặc thí nghiệm hiện Một số nhận xét và thảo luận: trường. Sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng Trước hết phải nói rằng tháo khô hố móng để thiết kế thường cho kết quả kém chính xác. 35
4. Đã có trường hợp phải tăng thêm đến 50% số Nguyên tắc thiết kế là bố trí các giếng với giếng mới tháo khô được hố móng. Địa tầng khoảng cách đến điểm đang xét ri như thế nào không chính xác sẽ dẫn đến lựa chọn sơ đồ tính đó để có được giá trị s sao cho mực nước ngầm thấm không đúng mà sẽ được nói đến trong thấp hơn đáy móng. Thông thường khi xử lý phần thiết kế sau đây. tháo khô hố móng người ta dùng hệ thống giếng Về thiết kế như trên đã nói, cơ sở của giải pháp không hoàn chỉnh để tiết kiệm kinh phí. Khi đó, là lợi dụng hiệu ứng tác dụng tương hỗ của các skhc s s , trong đó s là độ hạ thấp mực giếng. Khi các giếng bố trí gần nhau, đối với giếng nước phụ thêm do hiệu ứng của sự không hoàn hoàn chỉnh độ hạ thấp mực nước s tại một điểm bất chỉnh của giếng. Lúc này bài toán sẽ phức tạp kỳ trong phạm vi hố móng sẽ là: hơn nhiều do việc xác định s. Để tính đúng giá n Q 2.25kHt trị s cần phải chọn chính xác sơ đồ tính tuỳ s i ln  2 theo mức độ không hoàn chỉnh của giếng. i 2 4 kH ri S Hình 8. Sơ đồ bố trí ống lọc trong tầng chứa nước Khi ống lọc bố trí ở sát mái, ở giữa, ở sát đáy thô giếng kim sẽ gây tổn thất thuỷ lực làm sai của tầng chứa nước hoặc phân thành nhiều đoạn lệch kết quả tính. như trường hợp d trong hình 8 thì giá trị s sẽ Về thi công, nếu thực hiện không đúng đồ án khác nhau. Chính sự sai lệch về địa tầng sẽ dẫn thiết kế hoặc đúng đồ án thiết kế nhưng không đến việc chọn sai sơ đồ tính mà đã nói đến trong đúng quy trình cũng dẫn đến giảm hiệu quả hạ phần liên quan đến khảo sát ở trên. Nói chung bài thấp mực nước ngầm, tức là giảm hiệu quả xử lý toán dòng thấm đến giếng không hoàn chỉnh là nước hố móng. Việc thi công không đúng quy một bài toán rất phức tạp. Các trường hợp nêu trên trình có thể làm chặt đất xung quanh giếng, mới chỉ là một số trường hợp nêu để làm ví dụ. giảm hệ số thấm dẫn đến giảm hệ số dẫn nước Một vấn đề nữa liên quan đến thiết kế có thể T, cũng tức là giảm độ hạ thấp mực nước trong ảnh hưởng đến tính hiệu quả của giải pháp tiêu phạm vi giữa các giếng. nước hố móng là lựa chọn ống lọc. Nguyên tắc Kết luận chung là ống lọc của giếng phải có độ thấm qua - Giải pháp tháo khô hố móng bằng cách hút lớn hơn hệ số thấm của môi trường xung quanh nước từ hệ thống giếng bố trí xung quanh hố giếng. Nói cách khác, ống lọc không được gây móng là một giải pháp ưu việt vì có cơ sở lý tổn thất thuỷ lực của dòng thấm mà tổn thất thuỷ thuyết thấm chắc chắn, bảo đảm chủ động hạ lực chỉ do môi trường thấm gây ra. Nếu chọn sai thấp mực nước ngầm đến độ sâu yêu cầu, tạo loại ống lọc làm tổn thất thuỷ lực của dòng thấm gradient thấm ngược khắc phục được hiện tượng thì khi đó bước nhảy trong giếng sẽ tăng lên xói ngầm, cát chảy làm mất ổn định mái hố đáng kể làm sai lệch kết quả tính độ hạ thấp móng, khắc phục được hiện tượng bùng nền, mực nước. Trường hợp giếng kim chỉ nên dùng không gây cản trở việc thi công hố móng. cho môi trường cát mịn. Đối với cát trung, cát - Để bảo đảm chắc chắn thành công khi áp 36
5. dụng cần phải thực hiện nghiêm chỉnh các công tính cũng chỉ là công cụ, để bảo đảm thành công việc trong cả 3 khâu khảo sát, thiết kế, thi công. người thiết kế cần có hiểu biết tốt về lý thuyết Nhà thầu thi công là đơn vị trực tiếp chịu hậu thấm để lựa chọn sơ đồ tính hợp lý. Nên sử quả nếu khảo sát và thiết kế không đúng. Vì dụng số liệu thí nghiệm thấm hiện trường để vậy, nhà thầu nên kiểm tra lại hồ sơ thiết kế thiết kế. Trong trường hợp phải sử dụng kết quả trước khi thi công. thí nghiệm trong phòng cần có hệ số an toàn - Modflow là phần mềm hiện đại, nhưng máy thích hợp. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Ngọc Bích, Nguyễn Hồng Đức, Trần Thanh Giám (1977) - Địa kỹ thuật thực hành – NXB Xây dựng, Hà Nội. [2] Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang (2002) - Thuỷ văn nước dưới đất – NXB Xây dựng, Hà Nội. [3] Nguyễn Hồng Đức (2000) - Cơ sở địa chất công trình và địa chất thuỷ văn công trình – NXB Xây dựng Hà Nội. [4] Nguyễn Bá Kế (2002)– Thiết kế và thi công móng sâu – NXB Xây dựng, Hà Nội. [5] Nguyễn Uyên (2003)- Địa chất thuỷ văn công trình – NXB Xây dựng, Hà Nội. [6] C. W. Fetter (2000) Địa chất thuỷ văn ứng dụng tập 1 người dịch Phạm Thanh Hiền, Nguyễn Uyên. Nhà xuất bản giáo dục. [6] C. W. Fetter (2000) Địa chất thuỷ văn ứng dụng tập 2 người dịch Nguyễn Uyên, Phạm Hữu Sy. Nhà xuất bản giáo dục. [7] Đoàn Văn Cánh và Phạm Quí Nhân, 2005. Tin học Địa chất thuỷ văn ứng dụng. NXB khoa học và kỹ thuật. 220 trang. Abstract: METHOD OF CALCULATION FOR THE GROUND WATER FALLING BY WELL SYSTEM Water treatment for foundation pit relates to geo-engineering conditions of the construction site, size of the foundation pit, excavation method, its possibility af influence on adjacent construction so, it depends on all geo-engineering investigation, design and construction. Water treatment solution for foundation pit by pumping from well system around the pit is common and effective because it based on close hydo-dynamic theory and conveniently in performance. However, sometime there was unsuccessful case due to different reasons. On the observation in the construction of Van Coc culvert in detail from the begining, the author has used the Modflow software for the recalculation and obtained the results that in accordance with the actual state. By this situation the author analyzed and brought out the judgment on causes relating to all investigation, design and construction which lead to unsuccesfulness of the water treatment solution for foundation pit in general. 37