Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t đcdk 2013 25

Chuyên đề 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠ THẤP MỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRONG TẦNG CHỨA NƯỚC CÓ ÁP VÀ KHÔNG ÁP 1.1 Các phương pháp áp dụng để kiểm soát nước ngầm Áp dụng các phương pháp tháo khô nhằm mục

Thời gian thực hiện : 12 Tháng

Chủ nhiệm đề tài : ThS Đào Hồng Hải

Đồng chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 05/2014

1 ThS Đào Hồng Hải – Bộ môn Địa kỹ thuật – Khoa KT ĐC&DK

2 PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ – Bộ môn Địa kỹ thuật – Khoa KT ĐC&DK

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Chuyên đề 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠ THẤP MỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT

TRONG TẦNG CHỨA NƯỚC CÓ ÁP VÀ KHÔNG ÁP 2

1.1 Các phương pháp áp dụng để kiểm soát nước ngầm 2

1.1.1 Hào hoặc rãnh thoát nước 2

1.1.2 Phương pháp giếng sâu 4

1.1.3 Phương pháp giếng điểm 6

1.2 Tính toán tháo khô hố móng với các dạng công trình khác nhau và trong các điều kiện địa chất thủy văn khác nhau 7

1.2.1 Khái quát chung 7

1.2.2 Phân tích, tính toán lưu lượng và độ hạ thấp mực nước cho công trình 8

1.2.2.1 Đối với giếng không hoàn chỉnh 8

1.2.2.2 Xây dựng lưới thấm 17

Chuyên đề 2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ 20

2.1 Giới thiệu 20

2.2 Khảo sát đặc điểm địa chất công trình và địa chất thủy văn 20

2.2.1 Điều kiện địa chất và đất đá 20

2.2.2 Đặc tính của nước dưới đất 22

2.2.3 Tính thấm của tầng chứa nước 22

2.2.4 Năng lượng 24

2.2.5 Dòng mặt 24

2.2.6 Phân tích dòng ngầm 24

2.3 Lập phương án tháo khô 24

2.3.1 Lựa chọn các phương pháp bơm hút tháo khô 25

2.3.2 Xác định các thông số địa chất thủy văn 25

2.3.3 Xác định công suất của giếng bơm hút 25

2.3.4 Tính toán số lượng giếng cần thiết kế 27

2.3.5 Tính toán mức độ ảnh hưởng của việc hạ thấp mực nước 29

2.3.6 Lắp đặt hệ thống tháo khô và kiểm soát nước ngầm 29

2.3.6.1 Hệ thống giếng sâu 29

2.3.6.2 Hệ thống giếng điểm 30

2.3.7 Vận hành và kiểm soát các biểu hiện của hệ thống 31

2.3.7.1 Đối với giếng sâu 32

2.3.7.2 Đối với giếng điểm 32

2.4 Lưu đồ thiết kế hệ thống tháo khô 32

Chuyên đề 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ CHO KHU CAO ỐC PHỨC HỢP NGÂN BÌNH 34

3.1 Mục đích và yêu cầu của chủ đầu tư 34

3.2 Đặc điềm ĐCTV khu vực TP.HCM 35

3.2.1 Các tầng chứa nước (TCN) 35

3.2.2 Chất lượng NDĐ cho mục tiêu sinh hoạt 35

3.2.3 Chất lượng NDĐ cho mục đích kỹ thuật 36

3.3 Khối lượng các công tác và biện pháp thi công 36

3.3.1 Công tác khoan thăm dò địa chất thủy văn 36

3.3.2 Công tác bơm 37

3.3.2.1 Công tác bơm rửa: 37

3.3.2.2 Bơm thí nghiệm chùm: 37

3.3.3 Công tác lấy và phân tích mẫu nước 38

3.4 Đặc điểm địa chất và địa chất thủy văn 38

3.4.1 Tầng sét và sét pha chứa nước rất kém 38

3.4.2 Tầng cát pha, cát chứa nước áp lực (qp2-3) 39

3.4.3 Chất lượng nước: 40

3.5 Tính toán các thông số địa chất thủy văn 41

3.5.1 Theo tài liệu bơm hút thí nghiệm hiện trường (xem phụ lục 1) 41

3.6 Xác định lưu lượng cần bơm hút và bố trí sơ đồ hệ thống tháo khô 41

3.7 Lắp đặt các hạng mục tháo khô 44

3.8 Thiết kế hệ thống quan trắc cho công trình 45

3.9 Vận hành hệ thống tháo khô 47

3.10 Phân tích quá trình hạ thấp bằng phần mềm 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Trang Hình1.1: Các điều kiện ứng dụng các phương pháp tháo khô khác nhau ( từ

Quinion và Quinion, 1987) 3

Hình1.2: Tháo khô bằng phương pháp đào hào, rãnh thoát nước 4

Hình1.3: Tháo khô bằng phương pháp giếng sâu 5

Hình1.4: Sơ đồ thiết kế một giếng bơm hút hoàn chỉnh 6

Hình1.5: Tháo khô bằng phương pháp giếng điểm 7

Hình1.6: Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng chứa nước không áp có 1 biên bổ cập 9

Hình1.7: a) sử dụng cho rãnh không hoàn chỉnh, b) sử dụng cho giếng không hoàn chỉnh 9

Hình1.8: Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng nước có áp, với 1 nguồn cấp 11

Hình1.9: a) Sử dụng cho rãnh không hoàn chỉnh, b) sử dụng cho giếng không hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có áp 12

Hình1.10: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số W/D và hệ số λ 12

b) 12 a) 12 Hình1.11: Rãnh hoàn chỉnh có nguồn cấp từ 1 phía trong tầng nước không áp 13

Hình1.12: Biểu đồ tra độ chênh lệch hs giữa mặt thoáng tự do và mực nước trong tầng chứa 14

Hình1.13: Giếng đơn có nguồn bổ cấp từ 2 phía 15

Hình1.14: Rãnh hoàn chỉnh có nguồn cấp từ 1 phía trong tầng nước có áp 15

Hình1.15: Giếng đơn có nguồn bổ cấp từ hai phía 16

Hình1.16: Dòng chảy qua một tầng đất đồng nhất 18

Hình 2.1: Sự không đồng nhất của các lớp đất đá 21

Hình 2.2: Hiệu suất của công tác bơm hút 26

Hình 2.3: Bán kính ảnh hưởng của một giếng lớn 28

Hình 2.4: Các giếng bố trí trong một hố đào 29

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống giếng điểm đặc trưng (theo giáo trình “kỹ thuật nền móng “, G.A.Leonard, và nnk, 1962, McGraw-Hill Book Company) 30

Hình 2.6: Giếng điểm lắp đặt bằng phương pháp tự bơm phụt 31

Hình 2.7: Lưu đồ thiết kế và vận hành hệ thống tháo khô 33

Hình 3.1. Vị trí công trình 34

Hình 3.2. Mặt bằng công trình và vị trí các giếng khoan ĐCTV 37

Hình 3.3. Sơ đồ bố trí kết cấu giếng khoan thí nghiệm ĐCTV 38

Hình 3.4. Sơ đồ mặt bằng và độ sâu khai đào tầng hầm công trình 42

Hình 3.5. Kết cấu giếng bơm hút 43

Hình 3.6. Sơ đồ bố trí các giếng bơm hút 45

Hình 3.7. Mặt bằng bố trí các hạng mục quan trắc 46

Hình 3.8. Sơ đồ phễu hạ thấp mực nước với Q = 11627.5 m3/ngày 48

Hình 3.9. Mặt cắt phễu hạ thấp mực nước, Q = 11627.5 m3/ngày 49

Hình 3.10. Phễu hạ thấp mực nước tính theo phần mềm GMS 7.1 49

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Danh sách Trang Bảng 2 1 Hệ số thấm của một số loại cát điển hình (theo các kỹ sư quân đội Mỹ)23

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các thông số ĐCTV tính theo các phương pháp: 41

Bảng 3.2 Bảng so sánh kết quả chạy mô hình và số liệu thiết kế 50

Đề tài được thực hiện theo hợp đồng với mã số để tài: T-ĐCDK-2013-25 gồm

các nội dung sau:

1 Các phương pháp hạ thấp mực nước dưới đất trong tầng chứa nước có áp

Chuyên đề 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠ THẤP MỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRONG TẦNG CHỨA NƯỚC CÓ ÁP VÀ KHÔNG ÁP 1.1 Các phương pháp áp dụng để kiểm soát nước ngầm

Áp dụng các phương pháp tháo khô nhằm mục đích:

a) Ngăn chặn nước mặt chảy vào hố đào thông qua các hệ thống hào rãnh, những bức tường thấp, hoặc các bệ, đê chắn nước bên ngoài hố đào

b) Giảm áp lực đáy hố móng trong thi công tầng hầm

c) Có thể cho phép nước mặt chảy vào hố đào sau đó chúng ta sử dụng các

hố thoát nước, mương rãnh thoát nước, hoặc hệ thống thấm lọc

d) Thoát nước dưới đất bằng cách hạ thấp mực nước ngầm trong hố đào Ví dụ: dùng phương pháp giếng điểm hoặc phương pháp giếng sâu

e) Chặn dòng ngầm chảy vào hố đào bằng các loại tường chắn trong đất ví dụ: tường vữa xi măng-bentonite…

Trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm nhìn chung các phương pháp phổ biến thường được sử dụng bao gồm:

1) Dùng hào hoặc rãnh thoát nước để tháo khô;

2) Phương pháp giếng sâu;

3) Phương pháp giếng điểm

Trong hình 1.1 đã mô tả điều kiện áp dụng các phương pháp trên

1.1.1 Hào hoặc rãnh thoát nước

Phương pháp này dùng để thu gom nước chảy vào hố đào bằng các rãnh đặt tại đáy các hố đào, có thể bằng trọng lực của dòng nước dưới đất hoặc các dụng cụ thiên nhiên, và cũng có thể sử dụng máy bơm để bơm nước từ các rãnh này ra ngoài Nếu hố đào lớn ta có thể thi công các hào để thu gom nước từ các cạnh của

hố đào Nói chung, sử dụng hào hay rãnh thu gom nước đều là các phương pháp thoát nước trọng lực

Các rãnh và các hào được đào gần các tường chắn của tầng hầm, ngay bên dưới bề mặt đang đào Một rãnh đào thông thường có độ sâu từ 0.6 đến 1m, xem hình 1.2

Các kiểu đất Kích thước hạt

trung bình (mm)

Hệ số thấm (m/s)

Độ sâu tháo khô phù hợp 4m 8m 12m 16m 24m 28m

Hình1.2: Tháo khô bằng phương pháp đào hào, rãnh thoát nước

1.1.2 Phương pháp giếng sâu

Hình 1.3 sơ đồ mô tả hệ thống giếng sâu, thông thường các giếng được bố trí gần trong hoặc ngoài gần phạm vi hố đào Phương pháp này còn gọi là phương pháp thoát nước trọng lực

Đường kính các giếng sâu khoảng từ 150 đến 200mm (6-8 in) Nếu mục đích tháo khô nhằm giữ đáy hố đào luôn khô ráo thì đáy giếng sâu phải thấp hơn từ 2 – 5m bên dưới mặt đáy hố đào và không thấp hơn chân tường chắn Các giếng được

bố trí quanh khu vực lân cận hố đào Các loại máy bơm sử dụng có thể là bơm hỏa tiễn hoặc bơm điện chìm Để sử dụng các loại máy bơm một cách hợp lý chúng ta cần phải quan tâm đến thủ tục, thiết kế, và ứng dụng của các loại máy bơm khác nhau

Hình 1.4 trình bày sơ đồ kết cấu của một giếng sâu Hình minh họa cho thấy độ sâu thiết kế của giếng, cách lắp đặt ống chống ( ví dụ ống nhựa PVC) và lưới bảo vệ

sự xâm nhập của cát và lớp lọc giữa thành giếng và ống chống sau khi thi công xong phần lọc thì chúng ta phải tiến hành thổi rửa giếng để rửa sạch mùn sinh ra

trong quá trình khoan để tránh mùn khoan bám vào hệ thống lọc, vì mùn sẽ làm giảm khả năng thấm của giếng

Hình1.3: Tháo khô bằng phương pháp giếng sâu

Sạn sỏi phải được làm từ các vật liệu có độ hạt thích hợp để ngăn chặn các hạt đất chảy vào giếng Mặc khác, Lớp lọc phải có lỗ rỗng đủ lớn để giữ cho hệ số thấm tốt Vì vậy JSA (1988) đề xuất lớp lọc thỏa các tiêu chuẩn sau:

 Tiêu chuẩn bảo đảm hạt đất không chảy vào lớp sạn sỏi:

5)(

)(

85

15

ground D

filter D

(1.1)

 Tiêu chuẩn đảm bảo vật liệu lọc có hệ số thấm tốt:

5

)(

)(

15

15

ground D

filter D

(1.2)

 Tiêu chuẩn đảm bảo vật liệu lọc không chảy vào lưới:

Tháo khô Tháo khô

Ống chống

Bơm Tường chắn

)(

85

diameter sreen

D

filter D

(1.3)

Hình1.4: Sơ đồ thiết kế một giếng bơm hút hoàn chỉnh

1.1.3 Phương pháp giếng điểm

Phương pháp giếng điểm cũng được gọi là phương pháp các điểm giếng thu gom Đây là phương pháp lắp các giếng thu nước tại nhiều vị trí khác nhau và được nối lại giếng bơm hút Có thể bố trí theo đường thẳng hoặc hình chữ nhật, khoảng cách các giếng thu gom từ 0.8 – 2.0m được mô tả như hình 2.5 Các giếng thu gom này thường được đặt lân cận khu vực đào, thường sâu khoảng 1m, đường kính ống khoảng 5 – 7cm, có nhiều nơi nhỏ hơn Khoảng không giữa ống lọc và thành giếng được lấp đầy bằng sạn sỏi, phía trên trám bằng betonite để tăng khả năng thu gom

và hiệu quả của giếng

Lớp sạn sỏi ống lọc

ống chống

Sét bentonite Nắp bảo vệ

Lớp vữa xi măng

Hình1.5: Tháo khô bằng phương pháp giếng điểm

1.2 Tính toán tháo khô hố móng với các dạng công trình khác nhau và trong các điều kiện địa chất thủy văn khác nhau

1.2.1 Khái quát chung

Quá trình khảo sát các công trình đang khai đào hố móng và thi công tầng hầm ở Việt Nam cho thấy các hiện tượng bục đáy hố móng, cát chảy, lún mặt đất thường xuyên xảy ra,

và hầu hết trực tiếp hoặc gián tiếp đều liên quan đến việc kiểm soát nước dưới đất Hậu quả của các sự cố này ảnh hưởng đến công trình đang thi công và các công trình lân cận, gây ra các thiệt hại lớn về người và tài sản Các hiện tượng đó có thể phát triển mạnh khi các nhà thầu chưa hiểu hết điều kiện địa chất thủy văn và điều kiện nước dưới đất trong khu vực thi công, hoặc thiếu kinh nghiệm trong thiết kế lắp đặt, và vận hành hệ thống tháo khô công trình ngầm, dẫn đến tình trạng bị động khi có sự cố xảy ra hoặc thiếu các biện pháp giảm thiểu, phòng chống gây ảnh hưởng lớn đến các hoạt động kinh tế, xã hội, và môi trường

Vì vậy, để công tác thi công được thành công cần phải có một quy trình hướng dẫn chi tiết các bước thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống tháo khô

ống thoát nước Ống thu gom

Bộ phận lọc Sạn sỏi Đường hạ thấp mực nước

Người kỹ sư muốn thiết kế một hệ thống tháo khô phù hợp và hiệu quả cần phải hiểu

biết các phương pháp tháo khô và điều kiện ứng dụng của nó để có sự lựa chọn đúng đắn

Xuất phát từ mục đích trên, trong nghiên cứu này nhóm tác giả trình bày các phương pháp

tính toán tháo khô cho các dạng công trình khác nhau trong các điều kiện địa chất thủy văn

khác nhau, và đề xuất lưu đồ hướng dẫn các bước thiết kế hệ thống tháo khô trong khai

đào hố móng và thi công tầng hầm

1.2.2 Phân tích, tính toán lưu lượng và độ hạ thấp mực nước cho công trình

Thiết kế hệ thống tháo khô là xác định kích thước, số lượng, khoảng cách và độ

sâu của từng giếng, lưu lượng cần bơm hút Khi xác định được lưu lượng với độ hạ

thấp cần thiết chúng ta có thể chọn công suất từng loại máy bơm cho mỗi giếng

Trong tính toán lưu lượng và độ hạ thấp mực nước chúng ta có thể tính dựa theo

các công thức tính cho rãnh ( xem như các nhóm giếng sâu hoặc giếng điểm song

song và có thể dài ra vô hạn) nếu những trường hợp tính theo các công thức cho

rãnh cho kết quả không chính xác chúng ta có thể sử dụng các công thức tính cho

từng giếng đơn được trình bày bên dưới

Theo Mansur và Kaufman đưa ra các công thức tính lưu lượng và độ hạ thấp mực

nước cho các loại công trình tháo khô như sau:

1.2.2.1 Đối với giếng không hoàn chỉnh

a) Trường hợp 1: Tầng chứa nước không áp

Công thức tính cho các rãnh (các nhóm giếng) có nguồn cấp từ 1 phía

(hình 1.6):

- Lưu lượng Q (m3/s) là:

) ( 2 ) ( 27 0 73

.

h H R

kx H h H

Q (1.4)

- Và cột nước còn lại lớn nhất của các rãnh tháo nước là:

0 1.48(H h0) 1

R h

h D (1.5)

Trong đó: x là chiều dài rãnh (m), H là chiều cao mực nước tĩnh (m), h0 là chiều

cao mực nước trong giếng (m), hs là chênh lệch giữa cột nước bên trong và bên

ngoài giếng (thường xấp xỉ 0.001H), k là hệ số thấm của đất (m/s), và L là khoảng

cách của đường nguồn, tương đương với bán kính ảnh hưởng của giếng R (m)

Mansur và Kaufman nói rằng biểu thức Q và hD phù hợp với tỉ số giữa bán kính

ảnh hưởng và chiều cao cột nước tĩnh (L/h0) bằng hoặc lớn hơn 3.0, đối với mọi

0 ) ( 27 0 73

R

kx H

h H

Q (1.6)

Hình1.7: a) sử dụng cho rãnh không hoàn chỉnh, b) sử dụng cho giếng không

hoàn chỉnh

Công thức cho giếng đơn có nguồn cấp từ 2 phía (hình 1.7b):

- Lưu lượng :

H

s H

r r

R

t s H k

w w

8.1sin

1030.01/

ln

2 2

Q h

( 2 2 (1.8) Khi r<1.5H,

Với r/h >1.5, Sử dụng công thức (5)

Với r/h <1.5, 1.5

) / ( 8 0 1

) / 10 ln(

H s kH

H R P

Q h

H H

s r

R h

s

C

34ln4.2ln113.048

.02

.110

ln3.2

h H kDx

Q ( ) (1.13)

Trong đó: EA là thông số chiều dài cộng thêm, phụ thuộc vào tỉ số của độ sâu xuyên so với bề dày tầng chứa nước, thu được từ hình 1.8 he là cột nước trong giếng tính từ đáy tầng chứa nước, D là bề dày tầng chứa nước

- Cột nước còn lại lớn nhất của rãnh là:

e A

e A

E R

h H

E

h ( ) (1.14) Trong đó EA được tra từ hình 2

Hình1.8: Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng nước có áp, với 1

h H kDx

Q 2 ( e) (1.15)

- Khoảng cách y (tính từ tâm của rãnh) đạt đến 1.3D, khi đó cột nước h gia tăng

theo sự gia tăng của y, được tính theo công thức sau:

D R

D y h H h

h e ( e) (1.16)

Trong đó λ là thông số phụ thuộc tỉ số giữa độ xuyên của rãnh và bề dày tầng

chứa nước (tra hình 1.10) với W là độ xuyên của rãnh

Hình1.9: a) Sử dụng cho rãnh không hoàn chỉnh, b) sử dụng cho giếng không

hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có áp

Hình1.10: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số W/D và hệ số λ

Công thức tính cho giếng đơn có nguồn cấp từ 2 phía (hình 1.9b):

- Lưu lượng :

Q G

r R

G h H kD

w

w wp

1.2.2.1.1 Đối với giếng hoàn chỉnh

Trường hợp 3: Tầng chứa nước không áp

Công thức tính cho các rãnh (các nhóm giếng) có nguồn cấp từ 1 phía (hình 1.11):

- Lưu lượng Q (m3/s) là:

2 0 2

2

e

h H L

y L h

H (1.20)

Trong đó : he = h0 + hs , và hs tra từ biểu đồ hình1.12

Hình1.11: Rãnh hoàn chỉnh có nguồn cấp từ 1 phía trong tầng nước không áp

Hình1.12: Biểu đồ tra độ chênh lệch h s giữa mặt thoáng tự do và mực nước

Công thức cho giếng đơn có nguồn cấp từ 2 phía (hình 1.13):

Lưu lượng Q (m3

/s), hoặc độ hạ thấp mực nước (H2 - h2) tính theo công thức sau:

w w

r R

h H kD

Q

/ln

y L y L kDx

Q h

Hình1.14: Rãnh hoàn chỉnh có nguồn cấp từ 1 phía trong tầng nước có áp

Công thức tính cho các rãnh (các nhóm giếng) có nguồn cấp từ 2 phía:

Tổng lưu lượng Q (m3/s) và độ hạ thấp mực nước tại các rãnh được tính giống như rãnh có 1 nguồn cấp và tính hai lần, khi đó lưu lượng sẽ bằng tổng của hai lần tính

Công thức cho giếng đơn có nguồn cấp từ 2 phía (hình 1.15):

- Lưu lượng Q (m3/s), hoặc độ hạ thấp mực nước (H2 - h2) tính theo công thức sau:

w

w w

r R

h H kD

Q

/ln

h H h

H

w

w

/ ln /

ln (1.25)

2.1 Xác định bán kính ảnh hưởng R [1]

Có thể dự đoán bán kính ảnh hưởng dựa vào các công thức bên dưới Trong đó,

có hoặc không có nguồn bổ cập đến tầng chứa nước, bán kính ảnh hưởng sẽ tăng theo thời gian bơm và sự gia tăng của độ hạ thấp mực nước trong khu vực tháo khô

R trong tầng chứa nước hạt thô và giàu nước sẽ lớn hơn trong tầng chứa nước hạt mịn và nghèo nước Dự đoán bán kính ảnh hưởng R, sẽ là một yếu tố rất hữu ích trong việc thiết kế

Theo Kozeny, 1953 [1]:

n

Hkt

R 1.5 (1.26) Trong đó:

R 3000 w (1.27) Đây là một phương trình kinh nghiệm dùng để tính toán bán kính ảnh hưởng R

trong quá trình bơm hút, đơn vị mét Sw là độ hạ thấp mực nước trong giếng, đơn vị

mét k là hệ số thấm đơn vị , m/s

Hoặc tính theo công thức:

k S

R 10 w (1.28)

Trong đó: Sw là độ hạ thấp mực nước trong giếng, đơn vị mét; k là hệ số thấm,

đơn vị là m/ngd

1.2.2.2 Xây dựng lưới thấm

Trong quá trình thiết kế hệ thống tháo khô đối với các hố đào có chắn giữ, nhưng

tường chắn không cắm vào lớp đất cách nước bên dưới Khi đó sẽ có dòng chảy vào

hố đào dưới chân tường chắn Tùy theo loại đất và độ sâu của hố đào mà lưu lượng

chảy vào sẽ khác nhau

Hình1.16: Dòng chảy qua một tầng đất đồng nhất

Trong đó hai phương pháp sau vừa tốn thời gian và chi phí đắt nên trong bối cảnh hiện nay không sử dụng Mặc khác, Phương pháp lập trình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp giới hạn khác cung cấp kết quả phù hợp nhất và nhanh nhất

Xây dựng mạng lưới dòng chảy bằng đồ họa theo Taylor (1948), phương pháp này vẫn được sử dụng để xác định sự ổn định của một hố đào khi phân tích dòng chảy trong quá trình thi công

Xây dựng lưới thấm cần đảm bảo tỉ số giữa các cạnh không đổi, hai đường dòng cạnh nhau hợp với nhau tạo thành một kênh dòng chảy, lưu lượng của các ô trên cùng một kênh dòng chảy là như nhau Tương tự như vậy trên cùng một kênh đường đẳng thế h là như nhau

Mục đích của công tác lập lưới thấm là xác định lưu lượng q chảy vào hố đào qua một đơn vị chiều rộng để kiểm soát hiện tượng phá hủy nền hố đào (tầng hầm), nếu các ô lưới là hình vuông ta có lưu lượng thấm:

k

q (1.29) Nếu ta có số lượng dòng chảy là Nf và số đường đẳng thế là Nd tương ứng thì:

Xác định áp lực dòng thấm: Theo hình 11, nếu ta gọi cột nước tại mặt kt là h1 và

mặt oj là h2, ô lưới là hình vuông (cạnh là a) thì tại mặt cắt kt ta có: 1

w

a

h a

h a h h a P P

2 1 2 3 2

( (1.35)

Hệ số an toàn chống hiện tượng cát chảy (cát sôi) là i / cr i exit Trong đó icr là

gradient thủy lực tới hạn Khi ứng suất hữu hiệu bằng 0 ta có

tối thiểu phải bằng 1.5

Chuyên đề 2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ 2.1 Giới thiệu

Người kỹ sư muốn thiết kế một hệ thống tháo khô phù hợp và hiệu quả cần phải hiểu biết các phương pháp tháo khô khác nhau và điều kiện ứng dụng của nó

để có sự lựa chọn đúng đắn Xuất phát từ mục đích trên, trong chương này học viên

đề xuất ra quy trình hướng dẫn cách lập để cương, thiết kế, giám sát, thi công và vận hành hệ thống tháo khô trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm

Để thiết kế một hệ thống tháo khô hiệu quả cần thực hiện theo trình tự sau:

- Điều tra đặc điểm địa chất công trình, địa chất thủy văn khu vực thi công

- Tính toán các thông số địa chất thủy văn thông qua các thí nghiệm bơm hút hiện trường (trình bày trong chương 2)

- Dựa và đặc điểm địa chất công trình và địa chất thủy văn, sử dụng các kết quả thí nghiệm bơm hút hiện trường thiết kế hệ thống tháo khô và kiểm soát nước ngầm cho công trình

- Dựa vào tài liệu khảo sát đặc trưng và phương pháp thi công của ông trình, kết hợp với báo cáo khảo sát các công trình lân cận (trình bày trong chương 4) tiến hành lắp đặt hệ thống giếng tháo khô và kiểm soát nước ngầm

- Dựa vào yêu cầu thi công và thời gian thi công để có kế hoạch vận hành hệ thống tháo khô và kiểm soát nước ngầm hợp lý

2.2 Khảo sát đặc điểm địa chất công trình và địa chất thủy văn

Trước khi lựa chọn thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ công tác khai đào hố móng và thi công tầng hầm chúng ta phải điều tra đặc điểm địa chất và địa chất thủy văn, phạm vi và chi tiết các công việc này phụ thuộc vào sự ảnh hưởng của nước ngầm và áp lực thủy tĩnh ảnh hưởng trong quá trình xây dựng của dự án cũng như các hiện tượng địa chất động lực công trình có thể xảy ra

2.2.1 Điều kiện địa chất và đất đá

Việc hiểu biết về đặc điểm địa chất và đất đá trong khu vực rất cần thiết cho việc lập kế hoạch khảo sát địa chất và địa chất thủy văn cho công trình Sau khi đánh giá các ảnh hưởng của nước ngầm, kết hợp với kích thước, độ sâu của hố móng và tầng hầm chúng ta tiến hành khảo sát địa chất và thí nghiệm các tính chất

cơ lý của các lớp đất đá Có thể thực hiện theo một số thí nghiệm như : Thí nghiệm

địa vật lý (đo địa chấn; đo carota điện) hoặc khoan khảo sát lấy mẫu, từ kết quả này chúng ta xác định được bề dày và phân chia địa tầng đất đá (vẽ mặt cắt địa chất công trình) Tùy theo mức độ phức tạp của điều kiện địa chất chúng ta bố trí mật độ khảo sát phù hợp (xem chương 4) để tìm ra ranh giới các tầng đất đá bên dưới một cách chi tiết, từ đó đánh giá sự ổn định của công trình ( xem hình 2.1)

Hình 2.1: Sự không đồng nhất của các lớp đất đá

Các bước khảo sát có thể thực hiện gồm:

- Khoan lấy mẫu : mẫu đất hoặc lõi đá

- Thực hiện các thí nghiệm ngoài trời và trong phòng

Việc tìm hiểu kỹ các đặc điểm, tính chất của các tầng đất đá, khả năng thấm xuyên của các tầng chứa nước ở bên trong và bền ngoài hố đào rất cần thiết cho công tác phân tích và thiết kế một hệ thống kiểm soát tháo khô tầng hầm Các thông

số này được xác định thông qua quá trình thăm dò khảo sát hiện trường, mẫu đất đá được lấy bằng công tác khoan lấy mẫu hiện trường, sau đó đưa về phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý như : thành phần hạt; độ ẩm; hệ số rỗng, các loại dung trọng , tất cả các thông tin này được trình bày trong báo các khảo sát địa kỹ thuật

Từ những kết quả thí nghiệm trong phòng chúng ta có thể dự đoán được 1 số thông

số địa chất thủy văn như hệ số thấm, k (phục vụ cho công tác thiết kế tháo khô)

2.2.2 Đặc tính của nước dưới đất

Nghiên cứu nước dưới đất của một khu vực cần phải nghiên cứu nguồn bổ cập của nó vì nó sẽ ảnh hưởng đến dòng chảy vào công trình tháo khô Cần xác định cao

độ mực nước và biên độ dao động mực nước so với thủy triều của sông, biển gần

đó, ảnh hưởng của mùa khí hậu (mùa mưa hay mùa khô), ảnh hưởng của các công trình bơm hút nước ngầm lân cận xác định mực nước ngầm hay mực áp lực của tầng cần tháo khô, tốt nhất xác định bằng cách lắp đặt các piezometer

Để hiểu các biểu hiện của nước ngầm cần phải quan trắc trong thời gian dài, từ lúc lập dự án cho đến khi công trình kết thúc để, theo dõi diễn biến trong suốt quá trình thi công tháo khô (điều đó rất quan trọng) nó sẽ đảm bảo được sự ổn định của công trình thi công và công trình lân cận biểu hiện của mực nước sông và chế độ thủy triều có thể lấy từ các trạm quan trắc Quốc Gia gần đó hoặc dựa vào tài liệu quan trắc của công trình trong một khoản thời gian nhất định

Thành phần hóa học của nước ngầm cũng cần phải xác định vì các tính chất ăn mòn (như tính ăn mòn kim loại) có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị sử dụng

để tháo khô (như máy bơm, ống chống, ống lọc,…) sau một thời gian nó sẽ làm giảm công suất của giếng và có thể gây tắc ngẽn thiết bị, hoen rỉ,…

Sự thay đổi nhiệt độ của nước dưới đất sẽ ảnh hưởng tới khả năng chảy và hệ thống tháo khô Ước tính dòng chảy sẽ thay đổi khoảng 1.5% khi nhiệt độ thay đổi

10C

2.2.3 Tính thấm của tầng chứa nước

Lưu lượng bơm hút của hệ thống tháo khô tỉ lệ thuận với hệ số thấm của tầng chứa nước Vì vậy, các thông số này phải được xác định trước khi thiết kế Các phương pháp dự đoán hoặc tính toán xác định tính thấm của tầng chứa nước sẽ được trình bày bên dưới

- Phân loại bằng mắt thường: Đây là phương pháp đơn giản nhất để xác định tính thấm bằng cách này chúng ta quan sát khả năng thấm của 1 tầng chứa nước sau

đó so sánh với khả năng thấm của 1 loại đất đã biết trước hệ số thấm chúng ta sẽ suy ra được hệ số thấm cho tầng chứa cần xác định

Bảng 2 1 Hệ số thấm của một số loại cát điển hình (theo các kỹ sư quân

C 100, hệ số kinh nghiệm (dao động từ 50 đến 150)

D10, kích thước hạt có đường kính 10% khối lượng hạt lọt qua rây, đơn vị

cm

- Thí nghiệm bơm hút hiện trường:

Đây là phương pháp xác định hệ số thấm đáng tin cậy nhất Đối với các công trình lớn và quan trọng chúng ta sử dụng phương pháp này Với những công trình nhỏ và ít quan trọng chúng ta có thể sử dụng các phương pháp kinh nghiệm bên trên

để tính toán sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí hơn

- Thí nghiệm hiện trường đơn giản:

Phương pháp này xác định hệ số thấm thông qua thí nghiệm đổ nước với mực nước không đổi hoặc mực nước thay đổi trong các giếng hoặc các hố đào

2.2.4 Năng lượng

Năng lượng sử dụng vận hành các thiết bị tháo khô cũng cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế hệ thống tháo khô Các loại năng lượng có thể sử dụng là: điện năng; khí thiên nhiên; khí meetan; dầu hỏa Các động cơ xăng; dầu và điện thường xuyên được sử dụng cung cấp năng lượng trong thi công trong các công trình hiện nay ở Việt Nam

2.2.5 Dòng mặt

Khảo sát điều kiện dòng mặt tại vị trí thi công bao gồm: nghiên cứu lượng mưa, và lưu lượng của dòng chảy mặt (sông, suối, ao hồ, biển) ảnh hưởng đến quá trình khai đào và bơm hút tháo khô Từ đó, có thể thiết kế các hệ thống thu gom phù hợp

2.2.6 Phân tích dòng ngầm

- Để thiết kế hệ thống tháo khô và kiểm soát nước ngầm, trước hết chúng ta phải xác định điều kiện địa chất thủy văn địa chất công trình, kiểu dòng chảy của nước ngầm ( nước có áp, nước trọng lực, nước hỗn hợp) , mối quan hệ của nước ngầm với nước mặt, và thực hiện theo phương pháp nào Sau đó chúng ta xác định

số lượng, khoảng cách, và độ sâu lắp đặt ống lọc, ống chống của giếng, lưu lượng bơm và độ hạ thấp mực nước cho công trình

- Trong quá trình phân tích hệ thống tháo khô chúng ta cần phải lập lưới thấm của dòng chảy (là hệ thống các đường dòng và các đường đẳng thế), xác định đặc điều kiện biên của tầng chứa nước Các công trình lân cận cũng đưa vào phân tích Dựa vào điều kiện ĐCTV-ĐCCT chúng ta có thể tính toán khả năng thấm xuyên của nước dưới đất

- Sau khi phân tích xong chúng ta có thể chọn một trong các phương pháp tháo khô đã nêu trong phần trên để sử dụng và tiến hành thiết kế

2.3 Lập phương án tháo khô

Lập phương án tháo khô bao gồm các bước sau:

 Lựa chọn phương pháp tháo khô

 Thí nghiệm tính toán các thông số địa chất thủy văn bằng các phương pháp bơm hút

 Tính toán cấp độ bơm cho một giếng đơn,

 Xác định số lượng giếng

 Tính toán độ hạ thấp mực nước và bán kính ảnh hưởng,…

2.3.1 Lựa chọn các phương pháp bơm hút tháo khô

Tùy theo từng điều kiện cụ thể chúng ta chon một trong các phương pháp phù hợp (nêu trong chương 1) Độ sâu hạ thấp mực nước sẽ tăng theo quá trình bơm hút Có thể sử dụng một hoặc kết hợp vài phương pháp trong cùng một dự án, có thể thực hiện trong một giai đoạn hay nhiều giai đoạn, xem hình 1.1

2.3.2 Xác định các thông số địa chất thủy văn

Sử dụng các phương pháp bơm hút thí nghiệm để xác định các thông số địa chất thủy văn, chủ yếu là xác định hệ số thấm (k), có thể thực hiện bằng thí nghiệm thấm Darcy với cột nước không đổi, cột nước thay đổi, hoặc sử dụng các công thức kinh nghiệm

Tuy nhiên do mẫu bị phá hoại trong quá trình lấy mẫu, và đoạn đường vận chuyển, vì vậy các mẫu mang về phòng thí nghiệm không thể đại diện cho một tầng chứa nước ngoại hiện trường Nên hệ số thấm sử dụng tính toán lưu lượng bơm hút tháo khô phải lấy từ kết quả thí nghiệm bơm hút hiện trường

2.3.3 Xác định công suất của giếng bơm hút

Hiệu quả của giếng không thể đạt 100% vì khi đó có sự thất thoát do lực ma sát thành giếng Chúng ta phải đưa ra được công suất của mỗi giếng

Lưu lượng của dòng ngầm chảy vào giếng của một giếng sâu (Qw) có thể được tính theo công thức sau:

Qw = 2πrwhwkie (2.2)

Trong đó ie là gradient thủy lực của dòng chảy vào giếng, hw là mực nước ngầm tại nơi dòng ngầm chảy vào giếng (xem hình 3.12)

Theo Sichart và Kyrieles (1930) thì gradient thủy lực chảy vào không thể lớn hơn

Công thức trên là một công thức kinh nghiệm trong đó đơn vị của rw và hw là

m, đơn vị của k là m/s, và đơn vị của Qw là m3/s

Hình 2.2: Hiệu suất của công tác bơm hút

Tầng chứa nước