NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠ MỰC NƯỚC NGẦM HỐ MÓNG ÁP DỤNG CHO CÁC TRẠM BƠM VEN SÔNG ĐÁY – HÀ NỘI

Tính cấp thiết của ñề tài Hiện nay các công trình khi xây dựng trên nền ñất mà ñáy hố móng ở dưới mực nước ngầm MNN là rất nhiều.. hầu hết ñáy móng của chúng ñược ñặt sâu dưới lòng ñất,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

DƯƠNG BÁ HÙNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠ MỰC NƯỚC NGẦM HỐ MÓNG

ÁP DỤNG CHO CÁC TRẠM BƠM VEN SÔNG ĐÁY – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

DƯƠNG BÁ HÙNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠ MỰC NƯỚC NGẦM HỐ MÓNG

ÁP DỤNG CHO CÁC TRẠM BƠM VEN SÔNG ĐÁY – HÀ NỘI

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

DƯƠNG BÁ HÙNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2014

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với Đề tài “Nghiên

cứu giải pháp hạ mực nước ngầm hố móng Áp dụng cho các trạm bơm ven sông Đáy – Hà Nội” ñược hoàn thành với sự cố gắng nỗ lực của bản thân tác giả và sự giúp ñỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo, gia ñình, cơ quan, bạn bè và ñồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: GS.TS Dương Thanh Lượng và PGS.TS Lê Văn Hùng ñã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng ñào tạo ñại học và Sau ñại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi ñã tận tình giảng dạy và giúp

ñỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn nhận ñược sự cổ vũ, ñộng viên khích lệ thường xuyên và giúp ñỡ về nhiều mặt của gia ñình, cơ quan, bạn bè và ñồng nghiệp

BẢN CAM KẾT VỀ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Kính gửi : - Ban giám hiệu trường ñại học Thủy lợi

- Khoa Công trình trường ñại học Thủy lợi

- Phòng Đào tạo ñại học và sau ñại học trường ñại học Thủy lợi

- Bộ môn công nghệ và quản lý xây dựng trường ñại học Thủy lợi Tên tôi là : Dương Bá Hùng

Ngày, tháng, năm sinh : 19/12/1989

Học viên cao học lớp : CH20C11

Niên khóa : 2012 – 2014

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy

Tôi viết bản cam kết này xin cam kết rằng ñề tài luận văn “Nghiên cứu giải pháp hạ thấp mực nước ngầm hố móng Áp dụng cho các trạm bơm ven sông Đáy –

Hà Nội” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Tôi ñã nghiêm túc ñầu tư thời gian và công sức của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Dương Thanh Lượng và PGS.TS Lê Văn Hùng ñể tôi có thể hoàn thành ñề tài theo ñúng quy ñịnh của nhà trường Nếu những ñiều cam kết của tôi có bất kỳ ñiểm nào không ñúng, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà nội, ngày 10 tháng 05 năm 2014

Cá nhân cam kết

Dương Bá Hùng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân biệt cát chảy……….14

Hình 1.2 Mặt cắt ngang hố móng trạm bơm Như Trác………18

Hình 1.3 Mặt cắt ngang hố móng trạm bơm Quế……… 19

Hình 1.4 Mặt cắt ngang hố móng cống Vân Cốc……….20

Hình 2.1 Hệ thống tiêu nước xung quanh hố móng……….25

Hình 2.2 Hệ thống tiêu nước nằm ngang……….26

Hình 2.3 Hệ thống tiêu nước thẳng ñứng……….26

Hình 2.4 Thiết bị tiêu nước chặn trên……… 27

Hình 2.5 Hệ thống tiêu nước ven bờ………27

Hình 2.6 Giếng thường cỡ lớn……….29

Hình 2.7 Ống lọc nước bằng gang ñúc………29

Hình 2.8 Cấu tạo chi tiết A……… 29

Hình 2.9 Sơ ñồ bố trí hệ thống giếng kim xung quanh hố móng………30

Hình 2.10 Sơ họa ống lọc của giếng kim khi làm việc………32

Hình 2.11 Cấu tạo giếng kim với khớp nối……… 33

Hình 2.12 Cấu tạo ống lọc giếng……… 33

Hình 2.13 Sơ ñồ bố trí cấp làm việc của giếng kim khi hố móng sâu……….33

Hình 2.14 Sơ ñồ cấu tạo giếng khoan……… 34

Hình 2.15 Sơ ñồ các dạng giếng khoan không hoàn chỉnh……… 35

Hình 2.16 Dòng chảy không giới hạn vào giếng khoan nước ngầm hoàn chỉnh….35 Hình 2.17 Mặt cắt ngang giếng hoàn chỉnh……….38

Hình 2.18 Mực nước ngầm ñược hạ xuống thấp hơn ñáy móng ổn ñịnh…………39

Hình 2.19 Sơ ñồ tính toán giếng không hoàn chỉnh………41

Hình 2.20 Sơ ñồ tính toán hệ thống giếng không hoàn chỉnh……….42

Hình 2.21 Sơ ñồ khối chạy phần mềm Modflow………44

Hình 3.1 Bản ñồ hệ thống lưu vực sông Đáy - Nhuệ……… 47 Hình 3.2 Mặt cắt ñịa chất ñặc trưng của một ñoạn sông thuộc lưu vực sông Đáy -

Nhuệ……….50 Hình 3.3 Hệ thống tiêu nước khu vực phía tây nội ñô mới của Hà Nội………… 51 Hình 3.4 Sơ ñồ cấu tạo hố móng trạm bơm Yên Nghĩa ñể tính toán hạ thấp mực nước ngầm tiêu nước hố móng (mặt cắt ngang hố móng)………67 Hình 3.5 Đường ñẳng áp tại mặt cắt ngang qua tâm hố móng sau 3 ngày hút nước……… 71 Hình 3.6 Đường ñẳng áp tại mặt cắt dọc qua tâm hố móng sau 3 ngày hút nước 72 Hình 3.7 Bình ñồ ñường ñẳng mực nước ngầm dưới ñáy móng sau 3 ngày hút nước……… 72 Hình 3.8 Diễn biến cao ñộ mực nước ngầm tại tâm hố móng theo thời gian hút nước……… 72

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Độ rỗng của các loại ñất ñá khác nhau (Todd và Mays, 2005)………… 9

Bảng 1.2 Bảng so sánh thông số thiết kế giếng kim………21

Bảng 2.1 Trị số Ta phụ thuộc vào So và H……… 42

Bảng 3.1 Tổng hợp các phương án tính toán……… 54

Bảng 3.2 Số liệu ñịa chất thủy văn khu vực trạm bơm phục vụ tính toán tiêu nước hố móng……….59

Bảng 3.3 Số liệu ñịa chất thủy văn ñiển hình của nước dưới ñất theo TCVN 9903 - 2013 (Công trình thủy lợi - Yêu cầu kỹ thuật thiết kế, thi công và nghiệm thu hạ mực nước ngầm)……… 60

Bảng 3.4 Khối lượng và thông số các giếng ở các phương án tính toán khác nhau……… 61

Bảng 3.5 Kết quả phân tích các phương án khác nhau………68

Bảng 3.6 Kết quả của các phương án ñược lựa chọn……… 70

Bảng 3.7 Kết quả tổng hợp tính toán kinh tế các phương án lựa chọn………70

Bảng 3.8 Khối lượng và thông số giếng của phương án hiệu quả nhất………… 71

DANH MỤC VIẾT TẮT

ĐCTV : Địa chất thủy văn

GKQS : Giếng khoan quan sát

Bộ NN&PTNT : Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiện nay các công trình khi xây dựng trên nền ñất mà ñáy hố móng ở dưới mực nước ngầm (MNN) là rất nhiều Vì vậy việc tiêu nước ñể thi công móng ñảm bảo yêu cầu kỹ thuật là công tác không thể thiếu ñược trong quá trình xây dựng công trình

Các công trình thuỷ lợi, thuỷ ñiện, giao thông, hầu hết ñáy móng của chúng ñược ñặt sâu dưới lòng ñất, có công trình sâu tới vài trăm mét, do ñó cần phải tiêu nước hố móng ñể khi xây dựng công trình, trừ khi sử dụng các phương pháp thi công ñặc biệt như: dọn nền dưới nước bằng tàu cuốc, tàu hút bùn, ñổ bê tông trong nước, ñắp ñất ñá ñổ trong nước, nổ mìn ñịnh hướng ñắp ñập v.v thì không cần công tác tiêu nước hố móng Nhưng những phương pháp này thi công rất phức tạp

và chi phí cao, vì thế công tác tiêu nước hố móng vẫn ñược ưu tiên lựa chọn trước Việc lựa chọn phương pháp tiêu nước hố móng và thiết kế tiêu nước chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố như trạng thái nước ngầm, tính chất cơ lý của tầng thấm, phương pháp thi công, yêu cầu xử lý nền v.v…, ảnh hưởng ñến chất lượng xây dựng công trình, tiến ñộ thi công và giá thành xây dựng

Hàng loạt kiểu hố móng nông, sâu khác nhau chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau cho nên ñòi hỏi các nhà thiết kế, thi công cần có giải pháp, công nghệ tiêu nước hố móng thích hợp về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn về môi trường và không gây ảnh hưởng ñến sự an toàn của các hạng mục hoặc công trình lân cận ñã xây dựng trước ñó

Khi thi công hố móng trong ñiều kiện ñịa chất yếu, vị trí MNN và các ñiều kiện hiện trường phức tạp rất dễ sinh ra trượt lở khối ñất, mất ổn ñịnh hố móng, kết cấu chắn giữ bị rò nước, dịch chuyển làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng các công trình lân cận

Phụ thuộc vào nhiều khâu liên quan mật thiết với nhau và ảnh hưởng, khống chế lẫn nhau, việc bơm nước hố móng có thể phát sinh ra các sự cố cho công trình Qua tài liệu ñiều tra, ở Trung Quốc có trên 130 sự cố công trình hố móng trong

những năm gần ñây phần lớn có liên quan tới vấn ñề hạ thấp MNN

Để ñơn giản trong tính toán thiết kế tiêu nước hố móng, hầu hết ñều giả thiết rằng ñất nền ñồng nhất và ñẳng hướng Tuy nhiên trong rất nhiều trường hợp, ñiều kiện thực tế không ñúng như vậy Điều ñó dẫn ñến việc tính toán rất thiếu chính xác

và hậu quả là lựa chọn biện pháp và bố trí hệ thống tiêu thoát nước hố móng không hợp lý, làm cho việc xây dựng hoặc là lãng phí hoặc là nảy sinh sự cố hố móng Ví

dụ do tính toán sai mà dẫn ñến thất bại trong công tác tiêu nước hố móng cho hàng loạt công trình: trạm bơm Như Trác, trạm bơm Quế, Cống Hiệp Thuận, Cống Liên Mạc, công trình Cống Vân Cốc - Đập Đáy (Hà Tây cũ), ñơn vị xây dựng ñã không thể thành công trong việc tiêu nước hố móng, sau ñó phải ñổi sang ñơn vị khác nhưng vẫn chưa thể hạ thấp MNN một cách triệt ñể

Vì vậy, nhận biết chính xác quy luật vận ñộng của nước dưới ñất, thiết kế kết cấu hạ thấp MNN thật khoa học, ñảm bảo có hiệu quả, là những thách thức chủ yếu trong việc xử lý nước ngầm khi thi công hố móng Việc xác ñịnh hợp lý các thông

số khi tính toán thiết kế hạ thấp MNN và phương án bố trí hệ thống dẫn nước ảnh hưởng lớn ñến giá thành và tiến ñộ xây dựng công trình

Quá trình thi công từ khi ñào ñất ñến khi hoàn thành toàn bộ các công trình kín, khuất ngầm dưới mặt ñất phải trải qua nhiều trận mưa, nhiều lần chất tải, chấn ñộng, thi công có sai phạm và ñặc biệt chịu sự tác ñộng của MNN v.v do ñó tính ngẫu nhiên của mức ñộ an toàn tương ñối lớn Công trình hạ thấp MNN là một công trình tạm thời, liên quan ñến ñiều kiện ñịa chất mỗi vùng, giải pháp thi công công trình chính và nhiều yếu tố khác nhau

Sắp tới, việc xây dựng các công trình thuỷ lợi ở các vùng ñồng bằng ven biển ngày một nhiều, thì yêu cầu nghiên cứu giải pháp tính toán thiết kế hạ thấp MNN ñể

thi công ñạt hiệu quả cao phải ñược ñặt ra Vì vậy, ñề tài “Nghiên cứu giải pháp

hạ mực nước ngầm hố móng Áp dụng cho các trạm bơm ven sông Đáy – Hà Nội” ñược ñề xuất trong luận văn này là một trong những nghiên cứu góp phần vào

việc giải quyết yêu cầu cấp thiết kể trên trong việc hạ thấp MNN hố móng

2 Mục ñích của luận văn

Mục ñích của luận văn là:

- Nghiên cứu các giải pháp ñể hạ thấp mực nước ngầm

- Nghiên cứu lựa chọn các thông số của giếng khi hạ thấp MNN trong quá trình thi công hố móng sâu

- Tìm cách giải bài toán xác ñịnh các thông số của giếng, gồm: khoảng cách,

ñộ sâu, cách bố trí trong hệ thống giếng ñể hạ thấp MNN, nhằm ngăn chặn hiện tượng cát ñùn, cát chảy trong ñiều kiện có cừ với các loại nền có ñiều kiện ñịa chất, ñịa chất thủy văn phức tạp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của ñề tài là:

- Phân tích, lựa chọn phương pháp giải bài toán tiêu nước hố móng bằng hệ thống giếng

- Hố móng công trình trong những ñiều kiện ñịa chất thủy văn nhất ñịnh: vùng

có hệ số thấm lớn, ở vùng ñồng bằng, dưới lòng sông và vùng ven biển chịu sự tác ñộng mạnh của nước ngầm

- Về không gian: Xem xét hố móng cho các công trình trạm bơm vùng ven sông Đáy thuộc ñịa phận Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu ñược ñề xuất ñể thực hiện ñề tài là:

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tiến hành quan sát, tổng kết, phân tích những ưu nhược ñiểm, những thành công và nguyên nhân thất bại của một số công trình ñã thiết kế thi công trước ñây ñể rút ra các vấn ñề liên quan ñến công tác tiêu nước hố móng

- Phương pháp kế thừa: Thu thập tài liệu thực tế và các kết quả nghiên cứu của các tác giả ñã công bố có liên quan ñến nội dung nghiên cứu của luận văn

- Phương pháp mô hình toán: Nghiên cứu các vấn ñề liên quan ñến xây dựng

mô hình tính toán; mô phỏng sự làm việc của hệ thống tiêu nước hố móng Từ ñó tiến hành phân tích ñể lựa chọn mô hình phù hợp, tìm các thông số hợp lý của hệ thống tiêu nước hố móng bằng giếng

5 Kết quả nghiên cứu và áp dụng thực tiễn của luận văn

Kết quả nghiên cứu của luận văn là những ñóng góp vào việc lựa chọn mô hình phù hợp và tìm các thông số hợp lý tính toán hệ thống tiêu nước hố móng bằng giếng

hạ thấp MNN theo yêu cầu, bao gồm:

- Đánh giá một số phương pháp hạ thấp MNN trong hố móng, phân tích, ưu nhược ñiểm và ñiều kiện áp dụng của từng phương pháp hạ thấp MNN khi thi công

hố móng

- Xây dựng mô hình toán nước ngầm 3 chiều của hố móng sâu ứng với các ñiều kiện biên khác nhau và sử dụng các phần mềm hiện ñại như Modflow, Prowin…ñể tính toán cho bài toán hạ thấp MNN, áp dụng ñể thiết kế và xác ñịnh các thông số giếng ñể hạ thấp MNN trong hố móng cho 1 trạm bơm (dự kiến là trạm bơm Yên Nghĩa)

- Hố móng sâu, hệ số thấm lớn ñưa ra cách tính toán khi bố trí 2, 3 hoặc nhiều hàng giếng; xác ñịnh số hàng, ñộ sâu ñặt giếng, khoảng cách các giếng trong một hàng, khoảng cách giữa các hàng và ñộ hạ thấp mực nước của từng hàng giếng

- Phương pháp tính toán và kết quả thu ñược của ñề tài có thể là cơ sở ñể xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn hoặc hướng dẫn kỹ thuật giúp cho công tác thiết kế các công trình cần phải hạ thấp MNN

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ñược cấu trúc như sau :

Phần mở ñầu

Giới thiệu tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của ñề tài Trình bày mục ñích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của ñề tài Tóm tắt những kết quả nghiên cứu và ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận văn vào 1 công trình cụ thể

Chương 1: Tổng quan về hố móng sâu dưới mực nước ngầm của công trình ở vùng ñịa chất có tính thấm lớn

Nội dung ñược nêu trong chương này gồm ñặc ñiểm về ñịa chất; ñặc ñiểm về nước ngầm; các sự cố thường gặp và công tác bảo vệ mái hố móng ở Việt Nam và

kinh ñiển và tính toán bằng phương pháp mô hình toán

Chương 3: Áp dụng mô hình toán ñể thiết kế công trình tiêu nước hố móng các công trình vùng bãi bồi ven sông Đáy

Chương này ñề cập ñến các ñặc ñiểm chung ñịa chất hố móng của các trạm bơm ven sông Đáy Sau ñó, tiến hành nghiên cứu và ứng dụng tính toán cho 1 công trình cụ thể, ñó là trạm bơm Yên Nghĩa – Hà Nội Trong ñó, tác giả ñi xây dựng mô hình, phân tích các phương án thiết kế, so sánh lựa chọn giữa các phương án và nhận xét

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỐ MÓNG SÂU DƯỚI MỰC NƯỚC NGẦM CỦA CÔNG

TRÌNH Ở VÙNG ĐỊA CHẤT CÓ TÍNH THẤM LỚN 1.1 Đặc ñiểm về ñịa chất

1.1.1 Đặc ñiểm của ñịa chất với việc xây dựng các công trình thủy lợi

Các ñiều kiện ñịa chất công trình của một vùng lãnh thổ ñược hiểu là những vấn ñề ñịa chất của lãnh thổ có ảnh hưởng quyết ñịnh ñến khả năng

an toàn về lún, ổn ñịnh, thấm mất nước và kinh tế của công trình

Thực tế xây dựng cho thấy các ñiều kiện ñịa chất công trình ở mỗi vùng, mỗi khu vực rất ña dạng, phức tạp không chỉ do có mối liên hệ khăng khít với nhau mà còn biến ñộng theo thời gian và tác ñộng không giống nhau tới những công trình khác nhau, tới giải pháp thi công, chế ñộ quản lý

và vận hành công trình

Các ñiều kiện ñịa chất công trình bao gồm:

- Điều kiện ñịa hình – ñịa mạo

- Điều kiện cấu trúc ñịa chất

- Điều kiện ñịa chất thủy văn

- Điều kiện các hiện tượng ñịa chất ñộng lực công trình

- Điều kiện vật liệu xây dựng tự nhiên

Điều kiện ñịa chất công trình của lãnh thổ có thể không ñồng nhất và hay biến ñổi là do:

- Tính ña dạng ñịa hình

- Tính phức tạp của mặt cắt ñịa chất: do sự phân bố các kiểu ñất ñá khác nhau

về ñịa tầng, nguồn gốc và thanh học, do loại hình và ñiều kiện thế nằm của ñất ñá,

do tính biến ñổi chiều dày, do mức ñộ phá hủy kiến tạo gây nên

- Tính không ñồng nhất về trạng thái vật lý ñất ñá: Tính không ñồng nhất có thể còn tăng thêm do sự phát triển các quá trình và hiện tượng ñịa chất ở lãnh thổ ñang xét

- Mức ñộ phân bố và ñiều kiện thế nằm khác nhau của nước dưới ñất

1.1.2 Đặc ñiểm về nước ngầm (nước dưới ñất)

1.1.2.1 Đc ñim ca nc di ñt

Nước dưới ñất (nước ngầm) không ngừng ñược bổ sung hoặc tiêu hao dưới tác dụng của nhiều nhân tố Điều ñó làm cho nước dưới ñất luôn

bị biến ñổi theo thời gian, về các ñặc tính như mực nước, lượng nước, tính chất vật lý, thành phần hóa học theo một quy luật nhất ñịnh và gọi là ñộng thái nước dưới ñất

Các nhân tố ảnh hưởng ñến ñộng thái của nước dưới ñất bao gồm các nhân tố thiên nhiên (nhân tố khí tượng, thủy văn, thổ nhưỡng ) và các nhân tố nhân tạo (khai thác sử dụng nước dưới ñất, xây dựng hồ chứa ) Dựa vào nhân tố chủ yếu tác ñộng ñến ñộng thái của nước dưới ñất ở một vùng, chia ra các dạng ñộng thái sau:

- Động thái vùng phân hủy: ñặc trưng cho vùng xa sông và các vũng nước trên mặt khác Nước dưới ñất ñược coi như không có liên quan thủy lực với nước trên mặt Động thái của nó hình thành do mưa, bốc hơi và dòng thấm dưới ñất

- Động thái vùng ven bờ: ñặc trưng vùng ven sông và các vũng nước trên mặt, giữa nước trên mặt và nước dưới ñất có quan hệ thủy lực với nhau Động thái của

nó tuân theo sự biến ñổi của nước trên mặt càng xa sông thì ảnh hưởng ñó càng giảm dần

- Động thái vùng trước núi hay vùng Karst: ñặc trưng cho vùng núi phong vật trước núi, thềm sông hay vùng Karst Động thái hình thành do mưa, do tiếp thu nước trên mặt Sự tiếp thu này thường không ñều dẫn ñến mực nước dưới ñất có biên ñộ dao ñộng rất lớn

1.1.2.2 Đc ñim ca nc di ñt h móng công trình

Các ñặc trưng của nước dưới ñất (tức nước tồn tại trong các lỗ rỗng, khe nứt của ñất ñá nằm ở dưới mặt ñất) như loại nước, ñộ sâu, phạm vi phân bố, chất lượng

và trữ lượng, quy luật vận ñộng, ñộng thái có khả năng biến ñổi theo không gian

và thời gian trong khu vực xây dựng công trình

Quy luật vận ñộng của nước dưới ñất thường là nguyên nhân làm phát sinh

trượt ñất, xói ngầm, sụt lún mặt ñất, phát triển Karst, cát chảy, và là con ñường duy nhất làm thấm mất nước ở các hồ chứa, kênh dẫn và gây ngập lún hố móng trong thi công Việc nghiên cứu các quy luật vận ñộng của nước dưới ñất ñể ñánh giá hiện tượng thấm lậu, thiết kế màn chống thấm, thiết kế tháo khô hố móng, tính toán ổn ñịnh mái dốc, ñập ñất, là những nội dung cơ bản của nghiên cứu ñịa chất thủy văn cho xây dựng các công trình Yếu tố cấu trúc ñịa chất, ñịa mạo là những yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất tới ñịa chất thủy văn trong vùng

Khi thi công hố móng công trình, ñặc biệt là các công trình thủy lợi, thường phải ñào ñất ở phía dưới mực nước ngầm như: Trạm bơm, móng nhà máy thủy ñiện, cống tiêu thoát… việc tiêu nước hố móng không tốt làm cho hố móng bị ngập nước

sẽ ảnh hưởng ñến chất lượng công trình, dẫn ñến sự an toàn của bản thân công trình xây dựng và các hạng mục, công trình lân cận ñồng thời ảnh hưởng ñến giá thành, tiến ñộ công trình Khi thi công nếu nước ngầm vào trong hố móng làm cho móng

bị ngập nước nên sẽ hạ thấp cường ñộ của ñất nền, tính nén co tăng lên, công trình

bị lún quá lớn hoặc tăng thêm ứng suất trọng lượng bản thân của ñất, tạo ra lún phụ thêm của móng, những ñiều ñó sẽ ảnh hưởng trực tiếp ñến an toàn công trình Do ñó khi thi công hố móng cần thiết phải có biện pháp hạ thấp mực nước ngầm và thoát nước tích cực ñể hố móng ñược thi công trong ñiều kiện khô ráo

Khi tiêu nước hố móng cần phải ñảm bảo hố móng luôn khô ráo và ñảm bảo

ổn ñịnh cho thành vách hố móng Chọn phương pháp tiêu nước thích hợp với từng thời kỳ thì liên quan ñến nhiều nhân tố như ñiều kiện ñịa chất ñặc biệt là hệ số thấm của nền, chiều sâu hố móng, MNN cần hạ thấp và biện pháp thi công

Xác ñịnh lưu lượng, cột nước cần tiêu từ ñó chọn các cấu tạo và bố trí giếng hợp lý ñể tiêu nước Bố trí hệ thống tiêu nước thích hợp với từng thời

kỳ thi công

Thành phần và tính chất vật lý, hóa học của nước dưới ñất không chỉ ảnh hưởng tới tính chất ñất ñá dùng làm nền, làm môi trường xây dựng mà còn ảnh hưởng ñến việc chọn vật liệu xây dựng các công trình nhất là phần công trình chìm trong nước dưới ñất như các kết cấu móng, các thân

ñường sá và ñê ñập

Việc xây dựng các công trình có hố móng sâu dưới MNN như công trình thuỷ lợi, thuỷ ñiện, cấp thoát nước, trạm bơm, bể chứa, trạm xử lý nước ngầm, công trình giao thông ngầm như gara ngầm, bãi ñỗ xe loại nhẹ, các hầm giao thông, hầm ñi bộ rất phổ biến ở các nước trên thế giới

Phạm vi xây dựng các công trình có hố móng sâu ñặt dưới MNN ñược

mở rộng không ngừng mặc dù xây dựng các công trình này như là một môn khoa học ra ñời chưa lâu nhưng ñã tích luỹ ñược kinh nghiệm thực tế và lý thuyết, nó ñã tạo ñiều kiện cho việc phát triển sự nghiệp xây dựng các công trình tiêu thoát nước hố móng

1.2 Cơ sở vận ñộng của nước dưới ñất

* Độ rỗng

Độ rỗng ñất là phần thể tích tạo bởi các khe hở và lỗ rỗng Độ rỗng thường ñược biểu thị theo phần trăm như sau:

%100W

Bảng 1.1 Độ rỗng của các loại ñất ñá khác nhau (Todd và Mays, 2005)

Trong ñó: Wr là thể tích nước còn giữ lại

Giá trị của Sy và Sr có thể biểu thị dưới dạng phần trăm (%) Quan hệ giữa ñộ rỗng của ñất ñá với hệ số giữ nước và nhả nước trọng lực như sau:

* Hệ số nhả nước ñàn hồi (Ss )

Nước chảy hay thấm vào một tầng chứa nước ñược biểu thị bởi sự thay ñổi tổng lượng nước chứa trong tầng chứa nước ñó Đối với tầng chứa nước không áp

nó ñơn giản ñược biểu thị bởi sự thay ñổi lượng nước ngầm trong một thời ñoạn Trong tầng chứa nước có áp, sự thay ñổi cột nước áp suất chỉ gây ra một sự thay ñổi nhỏ về trữ lượng Khi áp suất thuỷ tĩnh giảm, chẳng hạn do bơm hút thí nghiệm, lực nén của tầng chứa nước tăng Sự nén của tầng chứa nước gây ra những lực tác ñộng lên các phân tử nước Hệ số nhả nước Ss thường ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm hút nước từ giếng

1.3 Đặc ñiểm của hố móng công trình trên nền ñất

Trong quá trình thiết kế, thi công, giám sát thi công hố móng, ta thấy công trình có sáu ñặc ñiểm chính như sau:

- Công trình hố móng là loại công trình tạm thời, sự dự trữ về an toàn

có thể là tương ñối nhỏ nhưng lại chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Điều kiện thi công, ñịa hình thi công, ñịa chất công trình, nước ngầm…

- Công trình hố móng là một khoa học ñan xem giữa các khoa học về ñất ñá, về kết cấu và kỹ thuật thi công; là một loại công trình mà hệ thống chịu ảnh hưởng ñan xen của nhiều nhân tố phức tạp và là ngành khoa học

kỹ thuật tổng hợp ñang còn phát triển về mặt lý luận, thực nghiệm và thực

tế thi công

- Hố móng là loại công trình giá cao, khối lượng công việc lớn, kỹ thuật thi công phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến ñổi, sự cố hay xảy ra Đồng thời cũng là trọng ñiểm ñể hạ thấp giá thành và bảo ñảm chất lượng công trình Theo ñà phát triển của xã hội, các công trình nhà cao tầng, siêu cao tầng ñược xây dựng ngày càng nhiều Đặc ñiểm lại thường ñược xây dựng tại những khu ñất hẹp , ñông ñúc dân cư, giao thông dầy

ñặc, ñiều kiện thi công công trình hố móng khó khăn Lân cận công trình thường có các công trình vĩnh cửu, các công trình văn hóa di tích lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải an toàn, không thể ñào có mái dốc Yêu cầu về ổn ñịnh và chuyển dịch là rất nghiêm ngặt Đào hố móng trong ñiều kiện ñịa chất yếu, mực nước ngầm cao và các ñiều kiện hiện trường phức tạp khác rất dễ sinh ra trượt lở khối ñất, mất ổn ñịnh hố móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, ñáy hố móng trồi lên, kết cấu chắn giữ bị dò nước nghiêm trọng hoặc bị chảy ñất… làm hư hại hố móng, nguy hiểm ñến các công trình xây dựng, các công trình ngầm và ñường ống ở xung quanh khu vực thi công

hố móng

- Công trình hố móng gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn ñất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, ñào ñất… trong ñó, một khâu nào ñó thất bại sẽ dẫn ñến cả công trình sẽ ñổ vỡ Việc thi công

hố móng ở các hiện trường lân cận như ñóng cọc, hạ MNN, ñào ñất… ñều

có thể gây ra những ảnh hưởng hoặc có tương quan chặt chẽ với nhau, tăng thêm các nhân tố bất lợi ñể có thể gây ra sự cố

- Công trình hố móng có thời gian thi công dài, từ khi ñào móng ñến khi hoàn thành toàn bộ các công trình kín khuất ngầm dưới mặt ñất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần chất tải, chấn ñộng thi công có sai phạm… tính ngẫu nhiên và mực ñộ an toàn tương ñối lớn, sự cố xảy ra thường là ñột biến

1.4 Ảnh hưởng của nước ngầm ñến công tác thi công hố móng

Khi thi công hố móng và móng công trình, thường phải ñào ñất ở phía dưới mực nước ngầm, nhất là ñối với nhà cao tầng, móng ñặt rất sâu, số tầng nhà ngầm dưới ñất khá nhiều Khi thi công, nếu nước ngầm ngấm vào trong hố móng làm cho hố móng bị ngập nước sẽ hạ thấp cường ñộ của ñất nền, tính nén co tăng lên, công trình sẽ bị lún quá lớn, hoặc tăng thêm ứng suất trọng lượng bản thân của ñất, tạo ra lún phụ thêm của móng, những ñiều ñó sẽ trực tiếp ảnh hưởng ñến an toàn của công trình xây dựng Nước

ngầm là một trong những nguyên nhân chính gây nên các sự cố như: bục nền, sạt lở mái hố móng Do ñó, khi thi công hố móng cần thiết phải có các biện pháp hạ mực nước và thoát nước tích cực ñể cho móng ñược thi công trong trạng thái khô ráo, bảo ñảm chất lượng công trình và tiến ñộ xây dựng, tránh sự cố có thể xảy ra

Khi hố móng sâu hơn mặt nước tự do trong ñất có hệ số thấm lớn hơn

10-3 cm/s, thì cần có biện pháp thoát nước ñể cho phép xây dựng móng trong trạng thái khô Nếu hệ số thấm của ñất trong phạm vi từ 10-3 ñến 10-5cm/s thì lượng nước thấm vào hố móng không ñáng kể nhưng vẫn phải yêu cầu thoát nước ñể duy trì ổn ñịnh thành và ñáy móng hố móng Nếu hệ số thấm của ñất nhỏ hơn 10-7 cm/s, ñất có lực dính ñủ khắc phục ảnh hưởng của lực thấm nên không cần yêu cầu thoát nước, ngay cả khi hố móng nằm khá sâu dưới mực nước ngầm

Để tháo khô hố móng có thể dùng phương pháp thoát nước trên mặt hoặc hạ thấp MNN Việc hạ thấp MNN ñược áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình thủy lợi, thủy ñiện, giao thông ngầm… bằng các phương pháp từ ñơn giản ñến phức tạp

1.5 Các sự cố thường gặp và công tác bảo vệ mái hố móng ở Việt Nam và trên thế giới

1.5.1 Các sự cố thường gặp trong quá trình thi công hố móng

Móng công trình nằm sâu dưới mặt ñất tự nhiên, quá trình thi công thường diễn ra phức tạp, ñộ phức tạp khó khăn của nó phụ thuộc vào ñộ sâu chôn móng, tính chất cơ lý của ñất nền và phạm vi móng Nếu trong quá trình thi công chúng ta không lường trước ñược khả năng sự cố có thể xảy ra ñể chủ ñộng có giải pháp phòng ngừa sẽ mang lại nhiều hậu quả nguy hiểm ñến các công trình xung quanh và người lao ñộng cũng như thiết

bị thi công…

Các sự cố nền thường gặp là cát ñùn, cát chảy, bục nền, gây lún nứt công trình bên cạnh, sạt lở mái hố ñào… phân tích nguyên nhân sự cố, sai

sót kỹ thuật trong quá trình thi công là một công việc cực kỳ cần thiết ñể từ

ñó có những ñúc rút kinh nghiệm tránh khỏi các rủi ro do sự cố gây ra

Khi hố móng nằm trên tầng ñất có chứa nước, cát hạt mịn, hạt nhỏ, cát chứa bụi và nhiều bụi, ñào ñến một ñộ sâu nào ñó có tầng chứa nước, mái

hố móng không ñược giữ nguyên mà tự sụt, tự chảy ra và ñược gọi là cát chảy Hiện tượng này có thể diễn ra một cách chậm chạp thành lớp dày, hoặc nhanh, rất nhanh mang tính chất tai biến dưới hình thức ñùn lên ngay khi ñào hoặc khi thi công móng dẫn ñến khối ñất còn lại không kìm giữ nổi

áp lực của cát lỏng nữa Đất ñá chứa cát chảy di ñộng thì các sườn dốc, mái dốc, công trình khai ñào ngầm, công trình có sẵn hoặc ñang xây dựng trên ñó ñều mất ổn ñịnh Cát chảy khi di chuyển vào hố móng có thể làm biến dạng, nứt nẻ các công trình ñã có ở lân cận

Ở trạng thái tự nhiên, cát chảy thực có màu xám sáng, xám lục, xám xanh với sắc thái ñậm hoặc nhạt, tùy thuộc lượng chứa tạp chất hữu cơ và các thành không khí, màu thay ñổi nhanh và không ñồng ñều, trở nên sáng hơn, phớt vàng ñôi chỗ phớt hồng do các oxit sắt hóa trị thấp và các hợp chất khoáng khác bị oxi hóa

Cát chảy là loại ñất có thành phần hạt ñặc trưng Nhóm hạt mịn 0,05 mm) hoặc hạt nhỏ (0,25-0,1 mm) chiếm phần lớn, hoặc cả hai nhóm tạo nên khối chủ yếu của ñất Ngoài ra còn chứa khá nhiều hoặc nhiều hạt bụi (0,05-0,002 mm) và nhất thiết phải có một lượng nhất ñịnh hạt sét (<0,002 mm) Lượng chứa cỡ hạt sét từ mấy phần nghìn ñến 1%, ñôi khi ñạt ñến 10% hoặc nhiều hơn

(0,1-Hình 1.1 Phân biệt cát chảy a) Giả; b) Thật Hiện tượng cát chảy là do sức ép của nước ngầm, sức ép mạnh thì ngay cả những hạt cát lớn cũng chảy chứ không phải chỉ cát nhỏ hạt mịn

mới chảy Vậy chỉ cần tháo gỡ ñược sức ép này thì cát sẽ ngừng chảy

Khi thi công hố móng ñến cao trình thiết kế, nếu không kịp thời xây dựng công trình lâu dài (thường công trình bê tông) do áp lực nước ngầm (thường là nước ngầm có áp) có thể làm cho nền bị bục, nước ngầm chảy tràn vào hố móng gây khó khăn cho thi công, làm gián ñoạn thời gian xây dựng công trình

Khi móng chôn sâu dưới mực nước có áp của nước ngầm, có thể có 2 trường hợp:

- Móng chôn sâu trong ñất, mà dưới ñó là lớp chứa nước có áp có thể

bị bục ñất nền, vồng nền nhà… Trong trường hợp này, cần có biện pháp giảm áp lực hoặc là tăng lượng chất tải trên ñất nền

- Móng chôn sâu trong lớp ñất chứa nước, có thể xói lở, làm tơi, xâm thực và những hiện tượng làm hư hại khác ñối với móng, trong trường hợp này, ngoài việc hạ áp lực nước có thể còn phải xét ñến việc gia cố ñất

Đất và công trình ở gần hố móng, nhất là các hố móng sâu thường bị chuyển vị với ñộ lớn nào ñó, khiến cho các công trình có thể bị phá hoại do lún thêm Do vậy cần xác ñịnh vùng chuyển vị của ñất ở quanh hố móng và giá trị chuyển vị tại các khoảng cách ñến hố móng khác nhau, ñể từ ñó ñề

ra các biện pháp ngăn chặn hiện tượng chuyển vị này

Trong ñiều kiện ñô thị khi xây dựng việc ñào hố móng thường gây ra nhiều hệ lụy xấu chẳng những ñối với công trình ở gần hoặc ở trên công trình ngầm như lún nứt, thậm chí sụp ñổ mà còn làm thay ñổi chế ñộ thủy ñộng của nước dưới ñất

1.5.1.4 St l h móng

Mái ñất là một khối ñất có mặt giới hạn là mặt dốc, nếu mái ñất mất ổn ñịnh tức là nó bị phá hoại do trượt, sự cân bằng lực không còn ñược giữ nguyên Sự cố thi công hố móng công trình luôn song hành với ñiều kiện

ñịa chất – thủy văn công trình nó phụ thuộc rất nhiều vào chiều cao của hố ñào Khi ñào móng thì phá hoại sự cân bằng của khối ñất và quá trình dịch chuyển là nguyên nhân chính của việc phá hoại sự ổn ñịnh của mái dốc Sự dịch chuyển ñất nền quanh hố móng có thể do rất nhiều nguyên nhân như:

- Hố ñào với vách ñứng cao quá giới hạn cho phép

- Hố ñào với vách nghiêng mà góc nghiêng quá lớn, vách ñất mất cân bằng ổn ñịnh do lực chống trượt (lực ma sát và lực dính của ñất) nhỏ hơn lực trượt dẫn tới bị sạt trượt

- Vách ñất còn có thể bị sụt lở do tác ñộng của ngoại lực như: ñất ñào lên hoặc vật liệu ñổ chất ñống gần mép hố ñào; các thiết bị thi công hố móng, hố gần ñường giao thông do lực chấn ñộng của các phương tiện vận chuyển

- Đất bị sụt do tác ñộng trượt của tải nằm gần hố

- Do thời gian thi công hố móng quá lâu gây ra sự mỏi của ñất

1.5.2 Việc hạ thấp mực nước ngầm ở Việt Nam và trên Thế giới

Phương pháp hạ thấp MNN trong xây dựng ñược thực hiện từ lâu E.K.Knore là một trong số những người ñầu tiên ñã sử dụng phương pháp hạ thấp MNN bằng hệ thống giếng Nhưng phương pháp hạ MNN bằng hệ thống giếng chỉ ñược áp dụng rộng rãi vào từ thời kỳ công nghiệp hóa của Liên Xô (cũ)

Ở Liên Xô cũ ñã ứng dụng phương pháp hạ MNN khi xây dựng các tuyến tàu ñiện ngầm và kênh ñào mang tên Matxcơva, kênh ñào Vonga - Đông mang tên V.I.Lenin, ñồng thời xây dựng hàng loạt nhà máy thủy ñiện và khu công nghiệp lớn của ñất nước, nhưng chủ yếu sử dụng các biện pháp hạ thấp MNN bằng giếng kim

và bằng giếng thường Tuy nhiên, trong thiết kế giếng và thi công, họ cũng chỉ sử dụng phương pháp thực nghiệm, nếu hạ thấp MNN chưa ñạt yêu cầu thì bổ sung thêm giếng và thay ñổi các thông số của giếng ñến khi ñạt yêu cầu thì dừng lại chứ chưa có quy phạm, sổ tay thiết kế hạ thấp MNN bằng hệ thống giếng

Ở Vương Quốc Bỉ, Công ty Vinck thi công hạ mực nước ngầm cho hố móng ñã

ñược áp dụng từ năm 1990 Công trình hạ thấp MNN lớn nhất của công ty khi thi công hố móng có diện tích mặt bằng là 1500 m², khi mở móng thì mực nước ngầm sâu nhất là 4 m Nhà thầu ñào một bể ñể tập trung nước và bơm ñi kích thước bể 10×10×6,5m nhưng chỉ ñược 2 tuần thì bị sập, do ñó phải sử dụng biện pháp hạ mực nước ngầm Họ khoan giếng với ñường kính tới 15 cm và sâu ñến 7÷8 m, hạ vào tầng ñất chứa nước xung quanh dọc theo hố móng, mỗi giếng cách nhau 3 m (bằng cách thử dần khoảng cách giữa các giếng liền kề ñến khi ñạt 3 m thì MNN hạ xuống dưới ñáy hố móng) Kỹ thuật khoan là dùng ống nước (ñường kính 50 mm), ñầu có trang bị mũi khoan như mũi nhọn, bề ngang rộng 15 cm (4 cánh) và ñầu mũi khoan có một lỗ thoát nước Cái ñuôi của ống khoan này (dài 8m) ñược nối với một ống phun nước với áp suất 6÷10 kg/cm² Họ vừa ấn mũi khoan xuống, người kia quay ống và cho nước bơm ra thì chừng 10÷15 phút là xong một lỗ khoan, như vậy

lỗ khoan sẽ ñược rửa sạch Khoan xong họ ñổ cát vào lỗ khoan khoảng 20 ÷ 30 cm dưới ñáy, luồn vào một ống dẫn nước PEHD ñường kính 50 mm, ñầu bọc một lớp lưới chắn mắt nhỏ ñể chắn cát Trên mặt các ống PEHD này ñược nối lại với nhau

và dẫn ñến một bơm nước (dùng bơm chân không), bơm này cho chạy suốt 24 giờ/ngày Nước bơm lên ñược dẫn xuống bờ rạch gần ñó, cách mép hố móng 200

m Sau khi bơm khoảng 7 ngày thì ñất trên mặt của hố móng khô hẳn, ở ñây hạ thấp MNN chỉ là kinh nghiệm hiện trường chứ chưa có quy phạm, sổ tay ñể áp dụng

Ở các nước Nhật, Mỹ, Pháp, Đức, Nga,… nhiều công trình ngầm chạy dưới các phố nằm dưới mực nước ngầm Tại Giơnevơ có nhiều công trình ngầm dưới lòng sông Rôn; tại Tokyo có tới hơn 300 công trình ngầm; tại Matxcơva có tới trên 200 công trình ngầm, nhưng các công trình này việc hạ thấp MNN chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và thực tế thi công ñể ñiều chỉnh phù hợp chứ chưa có quy trình và quy phạm thi công hạ thấp MNN

Việc hạ thấp MNN ñược áp dụng rộng rãi từ thời kỳ còn Liên Xô (cũ) cho các công trình thuỷ lợi, thuỷ ñiện, giao thông ngầm bằng các phương pháp từ ñơn giản ñến phức tạp Nhìn chung có các cải tiến phù hợp với thực tế xây dựng ñể giảm giá thành nhưng hiện nay chưa có quy trình công

nghệ, quy phạm thi công hạ thấp MNN bằng giếng

Khi xây dựng các công trình nằm dưới MNN thì phải hạ thấp MNN ñể thi công phần móng công trình trong ñiều kiện khô ráo Ở nước ta ñã áp dụng phương pháp hạ thấp MNN khi xây dựng nhiều công trình như: âu thuyền Cầu Đất (Hải Dương), trạm bơm Như Trác, Hữu Bị II (Hà Nam), trạm bơm Vân Đình (Hà Nội), trạm bơm Kim Đôi (Hà Bắc), cống Liên Mạc (Hà Tây cũ), trạm bơm Tràm (Hải Dương), cống Vân Cốc và cống Hiệp Thuận thuộc cụm công trình ñầu mối Hát Môn - Đập Đáy (Hà Tây cũ) và nhiều công trình dân dụng, giao thông, công nghiệp khác Theo thiết kế, các công trình trên sử dụng giếng kim ñể hạ thấp MNN nhưng hiện nay giếng kim lại phải nhập ngoại và là hàng không thông dụng, giá thành cao, khi nhập về công tác bảo quản, bảo dưỡng khá tốn kém làm cho giá thành hạ thấp MNN cao Hơn thế, tất cả việc thiết kế hạ thấp MNN từ trước ñến giờ ở nước ta chỉ

sử dụng công thức tính toán ñơn giản và kinh nghiệm thi công chứ chưa có quy trình, quy phạm và sổ tay, do ñó việc hạ thấp MNN thường thất bại và kéo dài thời gian thi công, ñối với các công trình ven sông, ven biển có ñịa chất nền móng phức tạp

Sau ñây là một số ví dụ về sự cố khi hạ thấp MNN:

* Trạm bơm Như Trác huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam

Thiết kế hạ thấp MNN bằng giếng kim do Liên Xô (cũ) chế tạo ñể ñảm bảo ñào móng trong ñiều kiện khô ráo Đỉnh giếng kim ñược ñặt ở cao ñộ +7,0 m sâu hơn mặt ñất tự nhiên Khoảng cách giữa 2 giếng liền kề nhau là 1,3 m Đáy giếng ở cao ñộ -2,6 m Giếng kim ñược hạ bằng phương pháp xói nước

Thời ñiểm hạ thấp MNN ñể ñào móng rơi vào mùa khô, giữa tháng 12, hoàn toàn không có mưa Hệ thống giếng kim hoạt ñộng bình thường cho ñến khi ñào móng xuống cao trình +4,3 m, thì trên mái hố móng xuất hiện cát chảy gây sụt lở từng ñoạn Hố móng ngập nước, việc ñào hố móng gặp rất nhiều khó khăn

Đơn vị thi công ñã sửa mái từ m=2 thành m=3, phía sông m=3,5; dùng phên tre

và rơm, cọc tre ñóng trên mái ñể hạn chế sạt lở; kết hợp ñào rãnh ñể bơm tiêu nước

mặt, cùng các giếng kim hoạt ñộng Kết hợp các biện pháp trên và MNN thực tế ñã xuống thấp ở cao trình +5,1 m do mực nước sông hạ thấp (nhỏ hơn MNN thiết kế 1,1 m) nên ñã ñào móng ñến cao ñộ thiết kế trong ñiều kiện khô ráo, nhưng ñã kéo dài thời gian thi công phần móng (hình 1.2)

Hình 1.2 Mặt cắt ngang hố móng trạm bơm Như Trác

* Trạm Bơm Quế huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam

Thiết kế sử dụng giếng kim loại CK-CK kết hợp W4 (của Trung Quốc) và

ЛUY5 (của Liên Xô cũ) ñể hạ MNN Hệ thống giếng có các thông số: hệ số mái của

móng m=2; ñỉnh giếng ñặt ở cao ñộ +1,0 m (sâu hơn mặt ñất tự nhiên); khoảng cách giữa hai giếng liền kề nhau là 1,3 m; ñáy giếng ở cao ñộ -7,9 m; số giếng là 150 cái; lưu lượng mỗi giếng q=45,12 m3/ngñ, cột nước cần hạ H=4,4 m

Hình 1.3 Mặt cắt ngang hố móng trạm bơm Quế Theo thiết kế, sau 5 ngày vận hành thì MNN hạ xuống cao trình -3,8 m nhưng thực tế MNN ở giữa hố móng cao trình là -1,1 m và ở hàng giếng kim là -1,2 m, phải hạ tiếp 2,7m nữa (hình 1.3)

Khi hạ thấp MNN như thiết kế không thành công, ñơn vị thi công ñã hạ 2 giếng

tại góc trái và góc phải móng bể xả, kích thước giếng 1,6 m × 1,6 m, cao trình ñáy giếng -4,0 m, máy bơm có khả năng hút q=2.560 m3/ngñ, xung quanh giếng dùng tre và gỗ kẹp phên rơm, tạo thành hàng cừ tự chế, ñể không cho cát chảy lấp giếng Khi 2 giếng bắt ñầu hoạt ñộng kết hợp với hệ thống giếng kim thì MNN mới hạ xuống dưới cao trình ñáy móng, ñã kéo dài thời gian thi công và phát sinh khối lượng gấp 2,8 lần so với thiết kế hạ thấp MNN ban ñầu

Việc hạ thấp MNN ở hai công trình trên thất bại là do một số nguyên nhân sau:

- Giếng hoạt ñộng không ñạt công suất thiết kế do thi công các giếng không ñúng quy trình kỹ thuật, khả năng tạo chân không không ñúng thiết kế, khả năng thu nước của giếng trên thực tế nhỏ hơn nhiều so với thiết kế

- Tính toán lưu lượng chảy vào hố móng bằng các công thức kinh nghiệm, bài toán phẳng dẫn ñến lưu lượng tính toán nhỏ hơn nhiều so với lưu lượng thực tế

- Hệ số thấm của tài liệu khảo sát, sai số lớn so với thực tế

- Không có quy phạm, sổ tay thiết kế ñể xác ñịnh các thông số hạ thấp MNN cho hố móng có hệ số thấm lớn

* Cống Vân Cốc huyện Phúc Thọ, tỉnh Hà Tây (cũ)

Thiết kế sử dụng hệ thống giếng kim của Trung Quốc chế tạo ñể hạ MNN xuống thấp hơn ñáy móng ít nhất 0,5m (ở trung tâm móng) kết hợp với hàng cừ vây quanh hố móng ở phía ngoài hàng giếng kim 0,5m ñể ñảm bảo ñào móng trong ñiều kiện khô ráo, ñộ dốc mái móng lớn nhưng không bị sạt lở Đỉnh giếng kim ñược ñặt

ở cao ñộ +6,7m sâu hơn mặt ñất tự nhiên Khoảng cách giữa 2 giếng liền kề nhau là 1,6m Đáy giếng ở cao ñộ -4,7m, số giếng là 120 cái, lưu lượng mỗi giếng là q=26,4m3/ngñ, cột nước cần hạ H=6,6m (hình 1.4)

Hình 1.4 Mặt cắt ngang hố móng cống Vân CốcKhi hệ thống hoạt ñộng ổn ñịnh, ñơn vị thi công tiến hành ñào móng thì nước trong hố móng nhiều Như vậy, kết quả thực hiện hạ MNN không ñạt ñược mục ñích nên ñơn vị thi công ñã dừng lại chờ quyết ñịnh của Bộ NN&PTNT

Việc ứng dụng giếng kim kết hợp với cừ chắn ñể hạ MNN khi xây dựng cống Vân Cốc thất bại là do một số nguyên nhân sau:

- Lưu lượng nước ngầm trong tầng chứa nước lớn (hệ số thấm K lớn) mà thiết

kế tính toán không chính xác lượng nước ngầm cần tiêu, dẫn ñến tính toán các thông số thiết kế không ñúng Cụ thể sau khi tính toán và kiểm tra lại tại hiện trường ñể so sánh như bảng 1.2

- Thiết kế lựa chọn thông số của thiết bị giếng kim không ñúng với khả năng làm việc của nhà sản xuất Với MNN cần hạ thấp 7,7m là vượt quá khả năng hút nước bình thường của giếng kim (thường là 5m) Bố trí hệ thống giếng kim xung quanh hố móng với khoảng cách giữa 2 giếng kim liền kề 1,6m cũng lớn hơn khoảng cách yêu cầu của nhà sản xuất là 1,0÷1,5m/giếng, chiều sâu hạ giếng 11,4m

là không ñảm bảo hạ ñược MNN 7,7m cho dù giếng hoạt ñộng tốt

- Nhà thầu chọn thời ñiểm thi công không thích hợp (bắt ñầu vào tháng 10/2003) Tại thời ñiểm này mực nước tại sông Hồng rất cao (+11,0÷13,0m) nên MNN tại cống Vân Cốc sẽ cao từ +6,7÷7,5m

- Thực tế hiện trường cho thấy dòng thấm ngang rất mạnh, tạo thành dòng phun

ra tại các khe cừ Điều ñó chứng tỏ cừ không có tác dụng ngăn dòng nước thấm vào

hố móng hay không có tác dụng lớn trong việc hạ MNN mà chỉ có tác dụng chống

ñỡ áp lực ñất

- Khi hệ thống giếng hoạt ñộng, kiểm tra thì có nhiều giếng không lên nước là

do lắp ñặt các giếng không kín ñể không khí chui vào ống hút, một số máy bơm bị hỏng không thay thế kịp thời

Năm 2004, sau khi dừng thi công 1 năm, Bộ NN&PTNT cho ñấu thầu lại ñể lựa chọn nhà thầu có giải pháp hạ MNN hữu hiệu Nhà thầu ñã lập lại biện pháp hạ MNN như sau:

- Đóng hàng cừ thép có chiều dài L=12m vây quanh vòng ngoài cách mép hố móng 30m, với cao trình ñỉnh cừ +5,6m và ñáy cừ -6,4m

- Bảo vệ mái hố móng bằng 2 hàng cọc gỗ, tre phên nứa, rơm, bao tải cát sỏi ñể ngăn cát chảy vào hố móng

- Bố trí hệ thống giếng nhựa có cấu tạo như giếng thường xung quanh hố móng gồm 30 giếng, nằm cạnh phía trong hàng cừ và cách hàng cừ 0,5m Giếng ñặt ở cao trình +4,0m, chiều sâu giếng 13,5m, ñường kính giếng 100mm, chiều dài ống lọc 2,0m, khoảng cách giữa 2 giếng liền kề là 2,5÷3,0m

- Xung quanh ñáy hố móng bố trí một hệ thống rãnh tiêu nước sâu 1,0m và 2 giếng tập trung nước ở thượng và hạ lưu có kích thước 5x5x10m Cao trình ñáy giếng là 3,0m, ñáy rải 0,5cm ñá dăm Bảo vệ xung quanh 2 giếng này bằng cừ thép dài 18m, các cừ thép có ñục lỗ 10x25cm cách nhau 40cm cho nước vào giếng, lỗ thấp nhất ở cao trình -2,5m, cao trình ñỉnh cừ +4,1m Mỗi giếng ñặt 3 máy bơm công suất 270 m3/s loại LT270-12 do Công ty chế tạo bơm Hải Dương sản xuất

Bảng 1.2 Bảng so sánh thông số thiết kế giếng kim

1 Tổng lưu lượng nước

Thực tế áp dụng phương pháp này ñã hạ ñược MNN xuống thấp ñể ñào ñược

hố móng nhưng hố móng không ñược khô ráo, chỗ sâu như chân khay vẫn bị ngập nước, cát chảy vào hố móng, mái hố móng bị sạt lở nhiều, cát từ ñáy móng vẫn theo dòng nước chảy vào rãnh thoát nước Như vậy, sẽ ảnh hưởng ñến việc xử lý nền, thi công bê tông chân khay và chất lượng công trình

Một số hình ảnh về hiện trường thi công và các sự cố khi hạ thấp MNN ñược thể hiện ở phụ lục 04

Ở nước ta hiện nay ñang phát triển mạnh việc xây dựng các công trình thủy lợi như các trạm bơm, cống lấy nước ven sông, thủy ñiện Đặc ñiểm chung của nhiều công trình thủy lợi ven sông, trên lòng sông, ở bãi bồi, ở ven biển là hố móng của chúng thường nằm dưới MNN và hay gặp cát ñùn, cát chảy nên ñòi hỏi phải có công nghệ thi công hạ thấp MNN phù hợp Các phương pháp hạ thấp MNN phải loại trừ ñược sự phá hoại các tính chất tự nhiên của ñất trong nền công trình xây dựng, ñảm bảo sự ổn ñịnh của mái dốc và giữ nguyên các công trình trên mặt, công trình ngầm nằm ở gần Khi lựa chọn phương pháp hạ thấp MNN cần tính ñến hàng loạt các ñiều kiện kỹ thuật công trình, ñịa chất công trình, quan trọng hơn cả là các tính chất và thế nằm của ñất; các ñiều kiện xâm nhập của nước ngầm; tính thấm nước (hệ số thấm) của ñất ñược làm khô; phương pháp thi công công tác ñất; kích thước vùng làm khô trong ñất; thời gian hạ mực nước; công suất vùng chứa nước; ñặc ñiểm kỹ thuật của phương tiện hạ MNN

Khi ñào móng, con người ñã phá vỡ sự cân bằng tự nhiên của môi trường ñất

ñá – nước dưới ñất, nên ñã gây ra hàng loạt các hiện tượng, gây trở ngại ñến công tác ñào móng, làm ảnh hưởng ñến tiến ñộ thi công hố móng và công trình trên hố móng Đôi khi còn gây ra những sự cố ñáng tiếc cho bản thân hố móng, công trình trên hố móng và các công trình xung quanh

Để chủ ñộng ñề ra các giải pháp xử lý các hiện tượng nêu trên trước khi ñào móng, người cán bộ kỹ thuật cần phải nắm ñược các ñặc ñiểm và các nguyên tắc thiết kế hố móng sâu Phải khảo sát và nắm vững ñược ñặc ñiểm ñịa chất, nước dưới

ñất của hố móng Ngoài ra, cần nắm ñược những bài học khi xử lý các sự cố thường gặp ở trong nước và trên thế giới

Trong chương này, tác giả ñã nêu ñược tổng quan về hố móng sâu, trong ñó có các ñặc ñiểm về ñịa chất hố móng, ñặc ñiểm của nước dưới ñất, các sự cố thường gặp và việc hạ thấp mực nước ngầm ở Việt Nam và trên thế giới Đây sẽ là cơ sở ñể tác giả nghiên cứu các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TIÊU NƯỚC HỐ MÓNG CÔNG TRÌNH Ở VÙNG ĐỊA

CHẤT CÓ HỆ SỐ THẤM LỚN 2.1 Các phương pháp tiêu nước hố móng công trình thủy lợi

2.1.1 Phương pháp thoát nước xung quanh hố móng

2.1.1.1 B trí tiêu nc xung quanh h móng

Thi công tiêu thoát nước xung quanh hố móng (hình 2.1) là ñào mương dẫn nước thoát xung quanh bên ngoài ñường viền của hố móng ñể tập trung thu nước xung quanh hố móng và cứ một khoảng cách nhất ñịnh ñặt một hố tập trung nước

ñể bơm ñi, còn gọi là giếng thu nước

Phương pháp này phải duy trì một khoảng chênh lệch ñộ cao thích hợp giữa mặt ñáy hố móng, ñáy mương thoát và mặt ñáy giếng thu nước Đáy mương thoát thấp hơn ñáy móng và ñáy giếng thu nước thấp hơn ñáy mương thoát nước Đường kính (hoặc ñộ rộng) của mương thoát nước phụ thuộc vào lưu lượng cần thoát nước Thành mương thoát nước phải có biện pháp chắn giữ tạm thời, có tầng lọc ngược ở dưới ñáy mương

Để chọn máy bơm thoát nước cho phương pháp thoát nước xung quanh hố móng, phải xác ñịnh lưu lượng thấm vào mương thoát nước Lưu lượng này có thể ước lượng theo kinh nghiệm hoặc xác ñịnh bằng hút thử, hoặc có thể xác ñịnh bằng phương pháp giếng lớn, tức là coi hố móng có hình tròn có ñường kính lớn 2r0 Phương pháp thoát nước trên mặt là phương pháp không ñòi hỏi kỹ thuật và thiết bị phức tạp Đối với công trình hố móng có hệ số thấm lớn, ñịa chất phức tạp, thời gian thi công kéo dài thì nước ngầm chảy vào móng lớn và thường xuyên, ñất cát hố móng cũng chảy vào theo, dẫn ñến sụt lở thành hố móng và hạ thấp cường ñộ của ñất ñáy hố móng thì không thể sử dụng phương pháp thoát nước trên mặt

Hình 2.1 Hệ thống tiêu nước xung quanh hố móng a) Mặt bằng và mặt cắt dạng tiêu thoát nước nằm ngang;

b) Mặt bằng và mặt cắt dạng tiêu thoát nước thẳng ñứng theo ñường bao;

1 Rãnh tiêu; 2 Đường xả nước; AB MNN chưa hạ thấp; ACDB MNN hạ thấp

4

LB

2rlg)rRlg(

H.k.36,1Q

−+

H - Độ sâu từ mực nước ổn ñịnh ñến ñáy hố ñào (m)

Có thể áp dụng công thực tính toán lưu lượng cần bơm khỏi hố móng:

A - Tiết diện ngang của dòng thấm

2.1.1.2 Bố trí tiêu nước hệ thống xung quanh hố móng

Hệ thống thiết bị tháo khô nằm ngang, bố trí song song với nhau (hình 2.2) Thiết bị tiêu nước nằm ngang sử dụng khi tầng chứa nước cần tháo khô ñược bổ sung bởi nước mưa hoặc nước thải công nghiệp, khi MNN không sâu, bề dày tầng

chứa nước không lớn và khi chỉ tháo khô bằng ñộ hạ thấp MNN nhỏ

Đôi khi tiêu nước bằng nhóm giếng hình ống, bố trí cách ñều nhau trong vùng cần hạ thấp mực nước và ñược hợp nhất bởi hệ dẫn nước chung (hình 2.3)

Hình 2.2 Hệ thống tiêu nước nằm ngang:

a) Mặt bằng; b) Mặt cắt theo mực nước;

1 Ống thu; 2 Rãnh tiêu; 3 Giếng kiểm tra;

AB MNN chưa ñược hạ thấp;

CD MNN ñược hạ thấp.

Hình 2.3 Hệ thống tiêu nước thẳng ñứng: a) Mặt bằng; b) Mặt cắt theo mực nước;

1 Ống thu; 2 Rãnh thẳng ñứng;

AB MNN chưa ñược hạ thấp;

CD MNN ñược hạ thấp

2.1.1.3 B trí tiêu nc chn trên h móng (ñón phía cao)

Dùng khi có sự cung cấp một phía, các rãnh tiêu nước nằm ngang bố trí ở phía ngoài vùng cần hạ mực nước ñể ñón một phần hay toàn bộ dòng thấm về vùng bảo

vệ (hình 2.4a, b) Khi ñáy cách nước nằm không sâu thì có thể dùng thiết bị tiêu

nước hoàn chỉnh ñể thu toàn bộ dòng thấm là hiệu quả nhất

Hình 2.4 Thiết bị tiêu nước chặn trên a) Mặt bằng; b) Mặt cắt 1-1 theo thiết bị tiêu nước phía trước nằm ngang;

c) Mặt cắt 1-1 theo thiết bị tiêu nước phía trước thẳng ñứng Trường hợp ñất ñá không ñồng nhất về tính thấm và tầng chứa nước có bề dày tương ñối lớn thì có thể dùng thiết bị tiêu nước thẳng ñứng hình (hình 2.4b) hoặc tiêu nước kết hợp (hình 2.4c)

2.1.1.4 Bố trí tiêu nước hố móng ven bờ

Biện pháp tiêu nước ven bờ chỉ tiêu thoát nước ngầm từ sông hay hồ chứa chảy vào vùng cần bảo vệ (hình 2.5) Trong tiêu nước ven bờ, chủ yếu dùng thiết bị tiêu thoát nước thẳng ñứng (hình 2.5b) hay kết hợp (hình 2.5c), còn các trường hợp ñặc biệt thì dùng thiết bị tiêu thoát nước nằm ngang (hình 2.5a)

Hình 2.5 Hệ thống tiêu nước ven bờ a) Mặt bằng và mặt cắt dạng nằm ngang;

b) Mặt cắt dạng thẳng ñứng;

c) Mặt cắt dạng kết hợp

2.1.2 Phương pháp hạ thấp mực nước ngầm bằng hệ thống giếng

2.1.2.1 Hạ thấp mực nước ngầm bằng hệ thống giếng thường

Phương pháp này là chủ yếu lợi dụng hình phễu rút nước Khi nước trong giếng rút xuống do bơm hút thì nước ngầm trong tầng chứa nước xung quanh chảy vào trong giếng, sau một thời gian mực nước sẽ ổn ñịnh và hình thành một ñường cong uốn về phía giếng MNN hạ xuống dần tới dưới cốt thiết kế của ñáy hố móng lúc ñó ta có thể tiến hành thi công trong môi trường khô ráo

* Cấu tạo: Gồm ống thành giếng, ống lọc nước, máy bơm hút nước ở mỗi

giếng, ống tập trung nước, ống nối và ống dẫn xả nước

- Ống thành giếng: có thể dùng loại ống gang ñúc, ống bê tông cốt thép, ống

nhựa có ñường kính từ 200 ÷ 350mm

- Ống lọc: có thể dùng cốt thép hàn thành khung, bên ngoài bọc lưới lọc (mắt

lưới 1 ÷ 2mm), dài 2 ÷ 3m (hình 2.6), cũng có thể dùng ống liền ñục lỗ, bên ngoài bọc lưới thép mạ kẽm (hình 2.7) hoặc dùng ống bê tông cốt thép Ống lọc bằng nhựa ñược bán sẵn trên thị trường, ống lọc thép thì dùng ống thép ñục lỗ φ=8÷10

mm như hình hoa mai, cự li lỗ 30÷40 mm Bên ngoài dùng dây thép không gỉ quấn theo hình xoắn ốc hoặc sau khi ñục lỗ xong dùng lưới inox, lưới ñồng hoặc lưới nhựa quấn xung quanh phần ñục lỗ, quấn bên ngoài một lớp dây thép thô ñể bảo vệ lưới lọc, bên dưới ống lọc dùng một ñoạn ống có ñầu dưới nhọn kín ñể thuận tiện hạ ống giếng và có tác dụng lắng cát, cặn và bùn ñất, cát chui vào ống

- Thiết bị hút nước: Dùng máy bơm ñể hút nước

- Ống thu nước chính và ống nối: Làm bằng ống thép có ñường kính phụ

thuộc vào lưu lượng cần bơm, cứ một ñoạn có một ñầu chờ ñể gắn nối với giếng thường Ống nối dùng ống nhựa có ñường kính φ=40÷50 mm, trên ống có nối van

và vòi nhỏ ñể thuận tiện cho việc kiểm tra

Tuỳ theo ñịa tầng, ñịa chất hố móng, ñộ sâu và ñường kính của giếng mà chọn vật liệu của các loại ống bằng nhựa, bằng bê tông hay bằng thép cho phù hợp

Với phương pháp hạ thấp MNN bằng giếng thường thì mực nước ñược hạ thấp triệt ñể với ñất có hệ số thấm lớn, các loại hố móng sâu, rộng và ngăn ngừa ñược hiện tượng cát ñùn, cát chảy

Hình 2.6 Giếng thường cỡ lớn Hình 2.7 Ống lọc nước bằng gang ñúc

Hình 2.8 Cấu tạo chi tiết A

* Bố trí giếng: Trước tiên phải xác ñịnh tổng lượng nước chảy vào hố móng,

kiểm tra khả năng hút nước giới hạn của một giếng, từ ñó xác ñịnh ñược số lượng giếng Thường bố trí giếng phân bố ñều ở mép ngoài hố móng theo số lượng ñã xác ñịnh Đối với hố móng rộng và sâu thì có thể bố trí trên các cơ của mái hố móng Cũng có những trường hợp bố trí ngay cả bên trong hố móng

Khoan lỗ có thể bằng phương pháp ống lồng, giữ thành bằng dung dịch sét, cũng có thể dùng khoan xoắn ốc, nhưng ñường kính lỗ phải lớn hơn ñường kính