Chương 2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG NƯỚC THẤM VÀO HỐ MÓNG KHI THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH DẠNG TUYẾN VEN SÔNG VÀ BỜ BIỂN caLculating penetration flow INTO THE FOUNDATION WORKS along river bank and sea coasts NGÔ.
Trang 1TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG NƯỚC THẤM VÀO HỐ MÓNG KHI THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH DẠNG TUYẾN
VEN SÔNG VÀ BỜ BIỂN
CALCULATING PENETRATION FLOW INTO THE FOUNDATION WORKS ALONG RIVER BANK AND SEA COASTS
NGÔ VĂN DŨNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Quá trình xây dựng các công trình ven sông, ven biển cao trình đáy nền móng nằm dưới mực nước ngầm nơi có điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn rất phức tạp Việc xây dựng công trình đòi hỏi hố móng luôn được khô ráo Bài báo này trình bày một vài phương pháp xác định lưu lượng nước thấm vào hố móng khi xây dựng các công trình ven sông & bờ biển, nhằm giúp cho những người thi công được chủ động trong vấn để chọn lựa thiết bị tiêu nước, cũng như bảo đảm cho công tác thi công được an toàn.
ABSTRACT
The process of building constructions along river banks and sea coasts of which the foundation
is below underground water with particular geological and hydrographical conditions is very complicated The work requires that foundation be always in dry condition This article introduces some method of calculating penetration flow into foundation of the constructions along river banks and sea coasts in order to assist builders in selecting the water draining facilities as well as ensuring safety during the implementation.
1 Giới thiệu
Khi xây dựng công trình ven sông và bờ biển chúng ta thường gặp nền đất đá phong hoá, bồi tích có cấu tạo địa chất rất phức tạp, đặc biệt là những công trình sát sông hoặc bờ biển Hơn nữa các công trình đều có phần móng công trình nằm dưới mặt đất tự nhiên, thậm chí dưới mực nước sông Khi đào móng để xây dựng phần móng chúng ta thường gặp nước thấm vào từ phía bờ và phía sông làm ướt át hố móng ảnh hưởng lớn đến công tác thi công công trình
Một số loại công trình ven sông, biển chúng ta thường gặp như sau:
- Công trình ngầm tiêu thoát nước, công trình thông tin liên lạc
- Công trình có dạng tuyến như kè tường chắn
- Công trình đường ống cấp nước, xăng dầu
- Công trình dạng tuyến bố trí vuông góc hoặc bố trí chếch với bờ sông, bờ biển
- Công trình đường ven sông biển và một số loại công trình khác…
Từ thực tế thi công căn cứ vào đặc điểm của từng loại công trình mà người ta chọn lựa các mô hình tính toán và biện pháp tiêu nước hố móng hợp lý nhằm khắc phục những bất lợi
do nước thấm gây nên với chi phí hợp lý và đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật
Bài báo này đưa một vài phương pháp tính toán lưu lượng nước thấm các công trình dạng tuyến ven bờ sông biển mà quá trình thi công, nhiều nhà thầu gặp rất nhiều khó khăn lúng túng trong khi xây dựng phần móng Ở đây chúng tôi tiến hành xác định các thông số dòng thấm chảy vào hố móng cho một đoạn công trình tiêu biểu trên bằng ba phương pháp: Phương pháp giải tích cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm tính toán
Trang 2Geoslope để từ đó đưa ra được những kết luận và giải pháp đề xuất kỹ thuật tốt nhất, giúp cho những người thi công tham khảo trong quá trình xây dựng các công trình dạng tuyến ven bờ sông và bờ biển
2 Phần tính toán lưu lượng nước thấm chảy vào hố móng
2.1 Mô tả
Quá trình chuyển động của nước ngầm vào hố móng gồm các nguồn chủ yếu là:
- Phần nước thấm từ đáy hố móng trồi lên
Tổng lưu lượng cần làm khô hố móng xác định bằng công thức:
Trong đó: Q1, Q2, Q, 3, Qm: Phân tích ở trên
2.2 Sử dụng phương pháp giải tích với hố móng dài song song với bờ sông
m m ct
m s ct
m b
L
H H k L L
H H k Q Q Q Q
Q= 1 + 2 + 3+ = 1 2 − 2 + 2 2 − 2 + 0 + (1)
Trong đó: k1 = k2 =
2 1
1
∑
∑
=
=
n i i
n
m
k m
hệ số thấm bình quan gia quyền
F - diện tích bề mặt đáy móng
ki - hệ số thấm tương ứng với tầng thấm i
2.3 Sử dụng phương pháp PTHH để tính thấm ổn định trong môi trường bão hoà
có xét đến lượng cấp nước vào ra
Phương trình cơ bản dòng thấm vận động ổn định không gian ba chiều:
0 Q z
h k z y
h k y x
h k
∂
∂
∂
∂ +
∂
∂
∂
∂ +
∂
∂
∂
∂
(2)
Trong đó: h - cột áp thuỷ lực trong tầng chứa nước
Để tìm nghiệm phương trình (2) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (viết tắt là PP PTHH) Theo phương pháp này miền tính toán được rời rạc hóa chia ra nhiều miền nhỏ Mỗi miền nhỏ được xem là 1 phần tử và hàm xấp xỉ được tìm trên từng phần tử và từ đó việc giải các bài toán được biểu diễn bằng các phương trình đạo hàm riêng, nên bài toán rất thích hợp với điều kiện thực tế khi miền tính toán phức tạp với nhiều đặc trưng hình học, điều kiện biên khác nhau v.v Quá trình thực hiện các lời giải của PP PTHH nhờ có sự trợ giúp của máy tính điện tử cho kết quả gần đúng với điều kiện thực tế
Ta có giá trị hàm xấp xỉ gần đúng của cột áp thuỷ lực xác định bằng biểu thức:
Trang 3=
= n
1 i
i ) e ( i )
e ( N h
Trong đó: he - Giá trị gần đúng cột áp thuỷ lực trong phạm vi phân tử e
) e ( i
n - số nút phần tử e
Dùng phương pháp PTHH Galerkin dạng yếu ta có:
dxdydz q
N z
h k N y
h k
N x
h k N
R
)
e
(
V
) e ( i 2
) e ( 2 ) e ( z ) e ( i 2
) e ( 2 ) e ( y ) e ( i 2
) e ( 2 ) e ( x ) e
(
i
e
∂
∂ +
∂
∂ +
∂
∂
Trong đó: k(xe), k(ye), k(ze): Hệ số thấm của phân tử e theo phương x, y, z Trong phương pháp Galerkin chúng ta chọn hàm trọng số cho mỗi nút trong phân tử
Các số hạng 1, 2, 3, 4 của phương trình (4) được xác định như sau:
- Số hạng đầu tiên:
dydz N
x
h k
dxdydz x
h x
N k
dxdydz x
h k
i S
) e ( ) e ( x
) e ( V
) e ( i )
e ( x
) e ( 2 )
e
(
x
)
e
(
i
) e ( )
e ( )
e
∂
∂
⋅
∂
∂
−
=
∂
∂
dS l N x
h k
dxdydz x
h x
N
i S
) e ( ) e ( x
) e ( V
) e ( i )
e ( x
) e ( )
e
∂
∂
⋅
∂
∂
−
Trong đó: l là cosin chỉ phương vector pháp tuyến hướng ra ngoài tại biên.
Tương tự cho số hạng thứ 2, thứ 3 ta có:
S md N y
h k
dxdydz y
h y
N k
dxdydz y
h k
i S
) e ( ) e ( y
) e ( V
) e ( i )
e ( y V
2
) e ( 2
)
e
(
y
)
e
(
i
) e ( )
e ( )
e
∂
∂
⋅
∂
∂
−
=
∂
∂
(5)
S nd N z
h k
dxdydz z
h z
N k
dxdydz z
h k
i S
) e ( ) e ( z
) e ( V
) e ( i )
e ( z V
2
) e ( 2
)
e
(
z
)
e
(
i
) e ( )
e ( )
e
∂
∂
⋅
∂
∂
−
=
∂
∂
(6)
- Số hạng thứ 4 xác định như sau:
( ) e i V
) e (
N
) e (
=
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
+
=
e n
e e
e n
e e
n
e
F F F
G G G
h h h k
2 1 2
1 2
1
(8)
Trong đó:
( )
[ ]
( )
( ) ( ) ( )
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
⋅
⋅
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
=∫ ∫ ∫
z
N z
N z N
y
N y
N y
N x
N x N
k 0 0
0 k 0
0 0 k
z
N y
N x N
z
N y
N x N
z
N y
N x N
k
e n
e 2
e 1
e n
e 2
e 1
e n
e 2
e 1
e z
e y
e x
V
e n
e n
e n
e 2
e 2
e 2
e 1
e 1
e 1
e
e
(9)
Trang 4Biểu diễn phương trình (9) dạng gọn hệ ma trận cho mỗi phần tử.
( )
n
e 2
e 1
T e n
e 2
e 1
T n 2
1
Vă đối với toăn miền V ta có hệ thống phương trình:
[ ]k{ } { } { }h = F + G (10) Đđy lă băi toân thường rất gặp trong thực tế, với câc điều kiện biín cụ thể nghiệm phương trình đạo hăm riíng (10)cho ta tìm được lă cột nước thấm tại câc nút phần tử trong toăn miền tính toân V
Trường hợp xĩt cho băi toân thấm ổn định trong môi trường bêo hòa không xĩt đến lượng nước cấp văo, ra từ phương trình (9) biểu diễn đơn giản hơn ta có
Xĩt ví dụ tính toân câc đặc trưng thấm khi thi công hố móng công trình ven sông Sử
dụng phương phâp thuỷ lực & PTHH giải băi toân thấm văo hố móng khi thi công công trình ven sông nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Geoslop, kết quả thể hiện ví dụ ứng dụng sau:
3 Ví dụ ứng dụng
Xĩt ví dụ tính toân câc đặc trưng thấm khi thi công hố móng công trình ven sông
Sử dụng phương phâp thuỷ lực & PTHH giải băi toân thấm văo hố móng khi thi công công trình ven sông nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Geoslop, kết quả thể hiện trong câc tiíu đề sau:
3.1 Mô tả công trình
Công trình kỉ bờ Tđy sông Hăn dăi gần 8 km có lộ trình từ cầu Tuyín Sơn Đă Nẵng tới Cầu Đỏ có mặt cắt ngang tuyến kỉ với hình ảnh & biện phâp thi công kỉ như sau:
ĐƯỜNG BÃO HOÀ MẶT NỀ N HOÀN THIỆN
HỐ MÓNG ĐANG THI CÔNG
ĐÊ QUÂY
ĐƯỜNG BÃO HOÀ ĐƯỢC HẠ THẤP
k 2
k 3
k DQ
MẶ T CẮ T NGANG TƯỜNG BẢN KÈ MÓNG COC
Hình 1- Hình ảnh & mặt cắt ngang tuyến kỉ vă đí quđy
như sau:
Mô tả kết cấu công trình vă điều kiện thi công:
- Từ tuyến kỉ ra phía sông sử dụng hệ thống đí quđy đắp bao quanh phạm vi đoạn công trình thi công
Trang 5- Từ tuyến kè vào phía bờ sông móng có mái chọn m = 1,5 - 2 với cấu trúc thiết kế như trên tiến hành tính toán 2 phương pháp sau:
- Sử dụng công thức cổ điển phương pháp giải tích áp dụng đối với bài toán thấm có tầng thấm vô hạn không đối xứng
- Áp dụng phần mềm Geoslope để xác định các đặc trưng dòng thấm
3.2 Áp dụng phương pháp phương pháp giải tích
Mô hình tính
K1 =6,5e-4 m/s
K2 = 1,5e-3 m / s
K3 = 2,5E-3 m/s
Kdq = 1,25e-4 m/s
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH VEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
MO HINH TINH
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Hình 2- Mô hình tính
Từ công thức (1) ta có:
Hệ số thấm bình quân xem dòng thấm chuyển động vào hố móng theo phương ngang
s m k
m
k m
i i
n i i i
/ 10 03 ,
2 1
1
=
=
∑
∑
Lưu lượng tổng cộng chảy vào hố móng có xét đến lượng nước rỉ ra từ đáy móng với
3.3 Sử dụng phần mềm Geoslope để xác định các đặc trưng dòng thấm
1
2
3
5
6
7
8
9
10
11
13
15
19
21
22
24
26
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
42
43
44
4 6
48
49
50
51
52
56
57
59
6 1
62
64
65
66
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
79
80
82
83
85
86
87
88
90
91
92
93
94
95
96
98
100
102
103
104
105
106
108
109
110
111
112
113
114
115
117
119
120
121
122
123
125
127
129
130
131
132
134
135
136
137
138
139
141
142
143
144
146
147
148
149
150
152
154
156
15 7
158
159
161 163
165
166
167 168
171 172
173
174 175
176 177 178
181
182
184 185 186
189
191
192 193
194 195 196
198
200
20 2 204
205
206
207 208
210 211
212
213 215
218
219
220 221
222 223
226
227 228
229 231
233
235 236 237 238
239 240
24 1
242
243 244
246
247
248 249
250 252
253
254
255
256 257
259
261 262 263
265
266
267 268
269
270
271 272
273 274
276 277
278 279
28 0
28 1
282 284
285 286 287
289
292
293
294
295
296
299 300
301 302 303
304 306
30 8 309 311
312
313 314 315
316 317
319
320
321
322 324
325 326 327
332
333
334 335
336 338
339
340 342
343
344
346 349
350
351 352 354
356 357
358
359
360 361
363
364
366
367
369
371 372
373
374
375 376
377
378
379
380
381
383 385
387
388 389
390 391
392
393
394
396
398
400 401
403 404 405
406 408
411 412
414 415
416 417
419
420 421
422
423
424
427
428
429
432
434
435 436
437
4 39
440
442
4 44
445 446
44 8
449
450 451
453
455
456
457
459
461
462463 464
465 466
467
468 469
472
473
475
476
478
479 482
484 485
486
487
488 489 491
4 92
494
495 496
497
498
500 502
503
504
505 506 507
508
509
510
512 514
515
516
517
518
519 520 522
524
525 526
527
528
531 532
533 534
535 537 538
539 541
542 543
545 546
547
548
551
553 554
555 556
558
559
5 60
561 562 564
565 566
567
568
571 572
573
574
575
576
577
579
58 1 582
583
584
585 587
588
589 590
591
592
5 93
59 5 597
599 600
601
60 3
6 04 605
606
607
609 610
612
613
6 14
615
616
617
618
619
6 20
621
622
624
625
626 627 629
630 631
633
634 636
637
638 639
641
642
643
64 4 645 646
648 650
652
653 654
655
656 657
659 660
6 61
6 62
663
664 665
666
667 668 670
672 673
6 74 675
676 677
679
680
682
683 685
686 687
688
689
691 692 693
694
695
697
698
700
701 702
703
704 705
707
708 709
711
712
714
715
717 718
719 720
721
722
724 725
727 728 729 730
731
733
734
735
737
738 739
740
741
742
744
745
746
748 749
751
752 753
754
755
756
758 760
761 763
764 765 766
767 768
769 770
771
772
773
774
775
776
777 778
779
780
782
784
787
788
790
793
795
796
797
798
799
800
8 01
802 803
804
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
15
16
17
18
19
20
21
22
23
25
26
28
29
30
31
32
33
34
35
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
79
80
81
82
8 3
84
8 5
87
88
89
90
91
92
93
94
95 96
97
9 8
100
101
103
104 105
106
107
108
10 9 110 111
113
114 115
116 117
118
119
120 121 123 124
125
126 127
128 129
130 131
132 133
134
135
136
137 138
139 140
141
142
143
146 147
148 149 150 151
152
153 154
155
15 6
157
158
159 160 162 163
164 165
167 168
169
170 171
172
173
174
175
176 177
178
179 180 181
182
183
184
18 5
186
187
188
189
190
191 192 193 194
195 196
19 7
200
201
20 2
203
204
205
206
207
208 209
211
212
213 214
215
216
217
218
219
220 221
222 223 224
226
227
228
229
230
231
232
233 235
236
237
238
24 0 241
242
243
244
245
248 249
250
251
252
253 254 259
261
262
263
264
265
26 7
268
269
271
272
274 275
276
277 279 280
282 283
284
285 286 287 288
289
292 293
294 295
296
297
29 8 299 300
301 302
303
304
305 306 307
309
310
311
312
314
315
316
317
318 319
320 321
322 323 324
325
326
328 329
330 331
332 333
334
335
336 337
338 339 340
341
342
343
344 346
347 348
349
350 351
352
353
354 355 356
357 358 359
36 0
36 1
362
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373 374 375
376
377
378 379 381
382 383
384
385
386 387
388
389
390 391 392
393
394 395
396
397
398
399
400
401 402
403 404 405
406 407 408
409 410 411 412
413
414
415
417 418
419
420
421
422
423
424
425 426 427
428 429
430
431
432
434
435
436
4 37
439
440
441
442
443
444
445
446
447 448 449 450 451 452 453
454
45 5
456
K1
K2 K3
K4
Kdq
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH BEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
SO DO HE THONG LUOI PHAN TU HUU HAN
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
0
2
4
6
10
12
14
16
18
20
22
24
26
30
K1 =6,5e-4 m/s
K2 = 1,5e-3 m / s
K3 = 2,5E-3 m/s
Kdq = 1,25e-4 m/s
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH VEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
Luu luong tham tai mot so mat cat
Duong bao hoa duoc ha thap
4 4
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Hình 3 - Hệ thống đường dòng đường thế
K1 =6,5e-4
K2 = 1,5e-3
K3 = 2,5E-3
Kdq = 1,25e-4
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH BEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
HE THONG DUONG DONG VA DUONG THE
17.5
18
19
19.5
20
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0
2
4
6
10
12
14
16
20
22
24
28
Hình 4- Phạm vi vùng thấm kiểm tra
K1 =6,5e-4 m/s
K2 = 1,5e-3 m / s
K3 = 2,5E-3 m/s
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH VEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
Phan tich ket qua tinh toan tham tai vung nguy hiem xung quanh day mong
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Trang 6Hình 5 - Trường lưu tốc thấm
K1 =6,5e-4
K2 = 1,5e-3
K3 = 2,5E-3 Kdq = 1,25e-4
BAI TOAN TINH THAM KHI THI CONG CONG TRINH BEN SONG
De quay
Dong Song
Ho mong dang thi cong
HE THONG DUONG DONG VA DUONG THE
Distance ( m )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0
4
8
10
14
18
22
26
Hình 6 - Kết quả kiểm tra tại vùng nguy hiểm
Kết quả tính toán tại vị trí kiểm tra
Cột nước do áp tại các nút phần tử, lưu tốc theo phương x,y & lưu lượng thấm tại các mặt cắt nghiên cứu
4 KẾT LUẬN
Từ kết quả tính toán ở trên ta rút ra kết luận sau:
1 Kết quả tính thấm bị phụ thuộc vào thiết kế hình dạng hố móng vì từ đó có được sơ
đồ tính thực với thực tế, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, phương pháp tính toán và các điều kiện biên của môi trường thấm v.v
2 Phương pháp giải tích cổ điển cho kết quả tính toán thiên lớn và chỉ thích hợp cho một vài dạng bài toán đơn giản, qui mô hố móng bé, trị số hệ số thấm xác định theo phương pháp bình quân gia quyền nên chưa phản ánh đúng thực tế bài toán Đối với những hố móng lớn, kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao, vì cho được các thông số dòng thấm sát với thực tế
3 PP-PTHH là một sản phẩm và đồng thời là công cụ chủ lực mạnh là việc giải các bài toán được biểu diễn bằng các phương trình đạo hàm riêng Quá trình thực hiện các lời giải của
PP PTHH có sự trợ giúp của máy tính sẽ cho kết quả tương đối phù hợp với điều kiện thực tế, nghiệm phương trình thu được, đủ tin cậy giúp cho các nhà thiết kế, thi công hoạch định đúng phương án tốt nhất
4 Sử dụng phần mềm thương mại Geoslope cho được kết quả tính toán nhanh Có thể xác định được các đặc trưng dòng thấm tại bất kỳ điểm nào của môi trường tính thấm Tuy nhiên đối với các bài toán dòng thấm không tuân theo định luật Darcy như môi trường thấm không bão hoà thì phải lựa chọn một phương pháp tính toán khác thích hợp thì mới cho được kết quả tính toán chính xác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng, Nhà xuất bản Xây dựng,
Hà Nội, 2004
[2]
Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang, Thuỷ văn nước dưới đất, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội,
2003
Trang 7C.W.FETER, Địa chất thuỷ văn ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 2000.
[4]
Jonahan Istok, Groundwater Modeling by the Finite Element Method, Water resources
Monograpt 13, American Geophysical Union
