nghiên cứu giải pháp tiêu nước hố móng khi thi công công trình trạm bơm tiêu bảo khê - hưng yên

DANH M ỤC VIẾT TẮT VÀ CHỈ DẪN KÝ HIỆU q: Lưu lượng của một giếng SRoR: Độ sâu HMNN ở tâm hố móng FRgR: D iện tích thu nước của giếng phần ống lọc V: Tốc độ nước thấm lớn nhất vào ống

LỜI CÁM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên nghành Xây dựng công trình thuỷ với đề tài :

“Nghiên cứu giải pháp tiêu nước hố móng khi thi công trình Trạm bơm tiêu Bảo Khê-Hưng Yên” đã được hoàn thành với sự giúp đỡ của các thầ y cô khoa Công trình, khoa Sau đại học nay là phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học trường Đại học Thuỷ lợi, Tổng công ty tư vấn xây dựng Thuỷ lợi Việt nam -CTCP, cùng nhiều bạn bè, đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình , bạn bè, người thân và các đồng nghiệp luôn động viên và chia sẻ những khó khăn , tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và hoàn thành luận văn này

Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới: GS.TS Lê Kim Truyền, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và các thông tin khoa học cần thiết cho công tác lập luận văn này

Luận văn được tiến hành trong điều kiện tài liệu , thời gian và kiến thức còn hạn

chế, phải nỗ lực bổ sung , cập nhật dần, vì thế chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết Tác giả kính mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của Quý thày cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn./

Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2012

Tr ần Mạnh Tuấn

L ỜI CAM KẾT

Tên tôi là: Trần Mạnh Tuấn

Học viên lớp: 17C2

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Trần Mạnh Tuấn

MỤC LỤC Mở đầu

- Tính cấp thiết của đề tài……….………… … ….1

- Mục đích của đề tài….……….……… … …1

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……….……… …2

- Kết quả dự kiến đạt được…… ……… 2

Chương 1 Tổng quan biện pháp hạ mực nước ngầm tiêu nước hố móng 3

1.1 Đặc điểm và yêu cầu của các hố móng ……… 3

1.1.1 Đặc điểm hố móng……….…… 3

1.1.2 Yêu cầu tiêu nước hố móng……….3

1.1.3 Sơ lược các biện pháp hạ thấp MNN trên thế giới và trong nước………… 3

1.2 Các phương pháp hạ mực nước ngầm tiê u nước hố móng công trình thủy……… ……… 5

1.2.1 Tổng quan……… ………… …5

1.2.2 Phương pháp HMNN bằng giếng thường……… 10

1.2.3 Giếng thường với máy bơm sâu… ……….….….11

1.2.4 Phương pháp HMNN bằng giếng kim……….… 12

1.2.4.1 Tổng quan……….……… 12

1.2.4.2 Cấu tạo hoạt động, ưu nhược điểm và điều kiện áp dụng……… … 13

1.2.4.3 Các thiết bị chính của hệ thống giếng kim……… …14

1.2.4.4 Bố trí hệ thống giếng kim……… 16

1.2.4.5 Khoan lỗ tạo giếng……… …….17

1.2.5 Phương pháp giếng kim có thiết bị dòng phun……….…… …17

1.2.6 Giếng kim kết hợp điện thấm……….… …20

1.2.7 Phương pháp giếng khoan UNICEF loại nhỏ……….… 21

1.2.8 Phương pháp giếng kết hợp tường ngăn nước……….……… 22

1.2.8.1 Tổng quan……… … 22

1.2.8.2 Cấu tạo hoạt động và ưu nhược điểm……….… 23

1.3 Giếng khoan……… … ….…25

1.3.1 Cấu tạo giếng khoan……….….…25

1.3.2 Các dạng giếng khoan……….……….….25

1.3.3 Quy trình thi công giếng……… …….25

1.4 Kết luận chương 1……….…… 26

Chương 2 Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến vi ệc lựa chọn giải pháp tiêu nước hố móng……… … 27

2.1 Điều kiện địa chất nền móng, địa chất thủy văn……… 27

2.2 Cao độ và kích thước móng công trình……….….28

2.3 Biện pháp thiết kế tổ chức thi công hố móng……… 28

2.4 Khả năng đáp ứng về các thiết bị phục vụ cho công tác tiêu nước hố móng……… ……….….28

2.5 Năng lực thi công của các nhà thầu……….………… 29

2.6 Các phương pháp giảm giá thành cho khâu hạ mực nước ngầm… … 29

2.7 Kết luận chương 2……… ……… ……… 33

Chương 3 Cơ sở lý thuyết và những bài toán cơ bản tính toán hạ thấp mực nước ngầm bằng hệ thống giếng 35

3.1 Cơ sở vận động của nước dưới đất……….…35

3.1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu……… … 35

3.1.1.1 Tầng nước ngầm……….……….….… 35

3.1.1.2 Tầng nước áp lực……….……… ….… 36

3.1.2 Đặc trưng về độ rỗng và hệ số nhả nước……… 37

3.1.2.1 Độ rỗng……….37

3.1.2.2 Hệ số nhả nước trọng lực……… 39

3.1.2.3 Hệ số giữ nước……… 39

3.1.3 Định luật Đarcy……… 39

3.1.4 Phương pháp vi phân liên tục của dòng ngầm ,điều kiện ban đầu và điều kiện biên……… 43

3.1.5 Cơ sở vận động của dòng ngầm và các bài toán đơn giản………44

3.1.5.1 Lưới thủy động……… 44

3.1.5.2 Xác định đường đẳng thế và phương dòng chảy ……… ……45

3.1.5.3 Dòng chảy thấm qua mực nước ngầm……… …48

3.1.5.4 Dòng chảy qua biên thấm có hệ số thấm thay đổi……… …….49

3.1.5.5 Dòng chảy ổn định đồng hướng……….…… 50

3.2 Vận động của dòng ngầm tới giếng khoan………51

3.2.1 Vận động ổn định và không ổn định tầng chứa nước đồng chất vô hạn……….………51

3.2.2 Ảnh hưởng của giếng khoan không hoàn chỉnh……….… …61

3.2.3 Dòng thấm tới giếng khoan tại vùng gần các biên……….….… 61

3.2.4 Tác động lẫn nhau giữa các giếng khoan ……….…….… 66

3.3 Các phần tử tính toán hạ mực nước ngầm………67

3.3.1 Xác định lưu lượng của các thiết bị hạ n ước ngầm loại hoàn chỉnh trong tr ường hợp tầng chứa nước ngầm không có áp lực……….………….………67

3.3.2 Lượng nước chảy tới các ống giếng không hoàn chỉnh……….… 74

3.3.3 Xác định số lượng giếng và khoảng cách giữa chúng……….78

3.3.4 Xác định chiều sâu hạ giếng vào trong đất……… 81

3.3.5 Tốc độ dềnh lên của MNN khi thiết bị hạ nước ngầm ngừng làm việc…… 82

3.3.6 Trình tự chung của việc tính toán thiết bị hạ mực nước ngầm………… ….83

3.4 Kết luận chương 3……… 84

Chương 4 Ứng dụng phần mềm MODFLOW tính toán tiêu nước hố móng cho công trình đầu mối "Trạm bơm tiêu Bảo Khê" thành phố Hưng Yên 85

4.1 Giới thiệu Trạm bơm tiêu Bảo Khê……… … 85

4.1.1 Nhiện vụ công trình……….……….… 85

4.1.2 Thông số kỹ thuật……….……….….……85

4.1.3 Khối lượng chính……….…….….86

4.1.4 Tình hình địa chất……….…….…88

4.1.5 Biện pháp thi công hố móng đã lập……….… 90

4.1.5.1 Căn cứ thiết kế……….………….90

4.1.5.2 Phương án dẫn dòng thi công……… … 91

4.1.5.3 Trình tự dẫn dòng thi công……… ……… 91

4.2 Lựa c họn phương án tiêu nước hố móng cho Trạm bơm tiêu Bảo Khê ……… … 92

4.3 Giới thiệu phần mềm Modflow và ứng dụng nó vào tính toán hạ thấp mực

MNN Trạm bơm tiêu Bảo Khê……… …….….93

4.3.1 Giới thiệu phần mềm Modflow………93

4.3.1.1 Tổng quan……… …… 93

4.3.1.2 Phương trình toán học………94

4.3.1.3 Phương pháp giải bài toán chuyển động nước ngầm trong hố móng công trình trạm bơm tiêu Bảo Khê-Hưng Yên ……… …… …… …95

4.3.2 Điều kiện biên trong mô hình……… 97

4.3.3 Tính toán hạ thấp mực nước ngầm theo thiết kế , thực tế đã HTMNN và tính theo Modflow……… …98

4.3.3.1 Tính toán hạ thấp MNN theo thiết kế, thực tế đã HTMNN……… 98

4.3.3.2 Tính toán theo truyền thống kết hợp thí nghiệm hiện trường……… … 101

4.3.3.3 Tính toán theo bằng phần mềm Modflow……… …102

4.3.4 Đánh giá hiệu quả phần mền Modflow trong tính toán thiết kế HMNN………110

4.4 Những điều cần lưu ý khi thi công hạ thấp MNN bằng hệ thống giếng ……… ……111

4.5 Kết luận chương 4 ……….… 112

Kết luận và kiến nghị…… ……… ……… 114

 Trình bày các kết quả đạt được của luận văn……… 114

 Mức độ tin cậy của kết quả tính toán……….….….114

 Khả năng ứng dụng của đề tài trong thực tế……… 115

 Những vấn đề còn hạn chế và kiến nghị……… …115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ làm việc của một giếng đơn HMNN……….……… 5

Hình 1-2 Mực nước ngầm được hạ xuống thấp hơn đáy móng ổn định………6

Hình 1-3 Phạm vi áp dụng HMNN ở hiện trường……… ….……10

Hình 1-4 Giếng thường cỡ lớn……….……….10

Hình 1-5 Ống lọc nước bằng gang đúc……….………10

Hình 1-7 Mặt bằng bố trí hệ thống giếng kim xung quanh hố móng………… …13

Hình 1-8 Sơ họa về cách làm việc của ống lọc……….………14

Hình 1-9 Cấu tạo giếng kim với khớp nối bản lề……….….……… 15

Hình 1-10 Cấu tạo ống lọc nước……….……… 15

Hình 1-11 Sơ đồ bố trí 2 cấp giếng kim khi hố móng sâu……….………… 16

Hình 1-12 Cấu tạo giếng kim có thiết bị dòng phun……….………….…… 19

Hình 1-13 Cấu tạo vòi phun……….……….………19

Hình 1-14 Biện pháp giếng kim lọc kết hợp điện thấm để HMNN…….…….……20

Hình 1-15 Cấu tạo giếng……….……… 20

Hình 3-1 Sơ đồ các loại tàng chứa nước……… ………36

Hình 3-2 Tầng chứa nước áp lực……….… 37

Hình 3-3 Tầng chứa nước áp lực trong cấu tạo đơn nguyên……… 37

Hình 3-4 Mối quan hệ giữu bất đồng nhất và bất đẳng hướng……… … 42

Hình 3-5 Một phần lưới thủy động lực tạo bởi cách đường dòng và đường thế……….……….44

Hình 3-6 Lưới thủy động thấm từ một phía của lòng dẫn qua hệ hai lớp bất đẳng hướng………45

Hình 3-7 Xác định các đường đẳng thế và phương dòng chảy từ cao độ mực nước của ba giếng ……….46

Hình 3-8 Bản đồ đẳng mực nước của dòng ngầm biểu thị các đường dòng……….46

Hình 3-9 Khúc hạ của các đường dòng cắt MNN……… 48

Hình 3-10 Khúc xạ của đường dòng ngầm cắt ngang biên thấm……… ……49

Hình 3-11 Sự khúc xạ qua các tầng cắt khô và mịn với tỷ số hệ số thấm=10…… 50

Hình 3-12 Dòng thấm động ổn định tới giếng khoan hoàn chỉnh trong các tầng chứa nước có áp phân bố hữu hạn……….52 Hình 3-13 Dòng thấm động ổn định tới giếng khoan hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có áp phân bố vô hạn……… … 52 Hình 3-14 Phân bố dòng thấm tới giếng cắt một nửa chiều dày tầng chứa nước có áp

……… 53 Hình 3-15 Phân bố dòng thấm tới giếng khoan thủng khi tầng chứa nước có áp….53 Hình 3-16 Phân bố dòng thấm tới lỗ khoan hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có

áp……… 53 Hình 3-17 Phân bố dòng thấm tới lỗ khoan trong tầng chứa nước có áp………….53 Hình 3-18 Dòng thấm tới giếng khoan trong tầng chứa nước không áp………… 54 Hình 3-19 Sự phát triển của dòng phân bổ xung quanh giếng hút nước hoàn chỉnh trong tầng chứa nước không áp với ống lọc chiếm 33% chiều dày tầng chứa nước……….… 56 Hình 3-20 Dòng thấm ổn định tới giếng khoan trong tầng chứa nước không áp có lượng nước bổ cập không đổi từ trên xuống……… … 56 Hình 3-21 Đồ thị xác định thời gian khi hút nước trong tầng chứa nước không

áp……… 59 Hình 3-22 Giếng khoan hút nước tầng chứa nước thấm xuyên……… … 60 Hình 3-23 Họ đường cong để xác định hệ số nhả nước và hệ số dẫn nước của tầng chứa nước thấm xuyên (Walton, 1996)……… 60 Hình 3-24 Giếng không hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có áp……… 61 Hình 3-25 Giếng không hoàn chỉnh trong tầng chứa nước có áp……… … 63 Hình 3-26 Đường dòng và đường thế đối với giếng hút nước và giếng ảo ép

nước……… ….63 Hình 3-27 Ảnh hưởng của bên cấp đến dạng đường cong hạ thấp mực nước théo thời gian……….……… … 64 Hình 3-28 Mặt cắt: a) Giếng hút n ước gần một biên không thấm n ước, b) Hệ thống thuỷ lực của dòng thấm trong tầng chứa nước có biên cách nước……… ….65

Hình 3-29 Ảnh hưởng của biên cách n ước đến đường cong quan hệ hạ thấp mực nước

theo thời gian……….……… …65

Hình 3-30 Sơ đồ diễn giải trình tự xác định vị trí biên cách nước của tầng chứa gần giếng hút nước……… ….66

Hình 3-31 Đường cong hạ thấp mực nước ban đầu và can nhiễu giữa ba giếng khoan……….… 67

Hình 3-32 Sơ đồ tính toán thiết bị hạ nước ngầm loại hoàn chỉnh 68

Hình 3-33 Sơ đồ tính toán đối với dòng chảy áp lực……… … …72

Hình 3-34 Sơ đồ tính toán thiết bị hạ nước ngầm loại không hoàn chỉnh…….… 75

Hình 3-35 Sơ đồ tính toán giếng không hoàn chỉnh……… …… 77

Hình 3-36 Sơ đồ tính toán hệ thống giếng không hoàn chỉnh……… 77

Hình 3-37 Biểu đồ tính toán phụ trợ để xác định trị số v……… … 79

Hình 4-1 Bản vẽ Tổng mặt bằng thi công ……… …116

Hình 4-2 Xem bản vẽ biện pháp đào móng trạm bơm ……….….…… 117

Hình 4-3 Sơ đồ hoá hệ thống địa chất thuỷ văn khu vực nghiên cứu……… ……96

Hình 4-4 Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân……… 97

Hình 4-5 Mặt cắt ngang hố móng trạm bơm Bảo khê theo(A-A)……….99

Hình 4-6 Mặt bằng bố trí hệ thống HMNN trạm bơm Bảo Khê……… 99

Hình 4-7 Sơ đồ bố trí giếng thí nghiệm hiện trường………… ……….102

Hình 4-8 MNN xung quanh phạm vi hố móng sau 10 ngày hút nước liên tục bằng 40 giếng nhựa đặt cách nhau 6,2m nhìn từ trên xuống ……… ………103

Hình 4-9 Mô tả bố trí hệ thống giếng nhựa quan trắc MNN trong và xung quanh phạm vi hố móng theo không gian 3D……….……… …….103

Hình 4-10 MNN xung quanh phạm vi hố móng sau 10 ngày hút nước liên tục bằng 40 giếng nhựa đặt cách nhau 6,2m nhìn thuận dòng nước chảy……….…….104

Hình 4-11 MNN xung quanh phạm vi hố móng sau 10 ngày hút nước liên tục bằng 40 giếng nhựa đặt cách nhau 6,2m nhìn ngược dòng nước chảy……….……104

Hình 4-12 MNN xung quanh phạm vi hố móng sau 10 ngày hút nước liên tục bằng 40 giếng nhựa đặt cách nhau 6,2m nhìn từ nghiêng từ bờ trái sang……… 105

Hình 4-13 MNN xung quanh phạm vi hố móng sau 10 ngày hút nước liên tục bằng 40 giếng nhựa đặt cách nhau 6,2m nhìn từ nghiêng từ bờ phải sang……… 105 Hình 4-14 Mô tả bố trí hệ thống giếng cách nhau 6,2 hạ MNN và giếng nhựa quan trắc MNN xung quanh phạm vi hố móng theo không gian 3D ……….0…106 Hình 4-15 Mô tả bố trí hệ thống giếng cách nhau 6,2 hạ MNN và giếng nhựa quan trắc MNN xung quanh phạm vi hố móng theo không gian 3D gắn với địa hình hố móng nhà trạm……… ……… 106 Hình 4-16 Mặt cắt dọc đi qua tim hố móng……… … 107 Hình 4-17 Mặt cắt ngang đi qua tim hố móng………107 Hình 4-18 Đường quan hệ MNN ở giữa hố móng theo thời gian bơm nước của hệ thống giếng nhựa (gồm 40 giếng) xung quanh phạm vi hố móng……… 108 Hình 4-19 Hệ thống giếng hạ MNN hố móng nhà trạm……….110 Hình 4-20 Đổ BTCT bản đáy móng nhà trạm……… ……….110

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Các phương pháp hạ thấp MNN và làm khô nhân tạo đất yếu bão hòa nước

và điều kiện sử dụng……… …7

Bảng 1-2 Phạm vi áp dụng các biện pháp hạ mực nước ngầm……… 8

Bảng 1-3 So sánh các phương pháp HMNN……….…8

Bảng 3-1 Độ rỗng của các loại đất khác nhau (Todd và Máy, 2005)…… …… 38

Bảng 3-2 Thời gian thí nghiệm hút nước tối thiểu cho một số loại đất …… ……….58

Bảng 3-3 Trị số vùng hoạt động Ta ……… 75

Bảng 3-4 Khoảng cách giữa các kim lọc……… 81

Bảng 4-1 Thông số kỹ thuật………85

Bảng 4-2 Khối lượng chính ……… ……… 86

Bảng 4-3 Mực nước cao nhất các tháng trong đồng……… ………… 90

Bảng 4-4 Mực nước cao nhất các tháng ngoài sông……….………… …90

Bảng 4-5 Kết quả thí nghiệm hiện trường xác định các thông số thiết kế HMNN trạm bơm tiêu Bảo Khê-Hưng Yên……… 102

Bảng 4-6 So sánh kết quả tính toán xác định các thông số thiết kế HMNN Trạm bơm tiêu Bảo Khê – Hưng Yên……… ….109

DANH M ỤC VIẾT TẮT VÀ CHỈ DẪN KÝ HIỆU

q: Lưu lượng của một giếng SRoR: Độ sâu HMNN ở tâm hố móng

FRgR: D iện tích thu nước của

giếng (phần ống lọc)

V: Tốc độ nước thấm lớn nhất vào

ống lọc z: Cao độ mực nước ngầm xRoR: Bán kính biểu kiến

rRoR: Bán kính giếng e: Khoảng cách giữa các giếng liền

nhau R: Bán kính ảnh hưởng TRaR: Cột nước vùng ảnh hưởng h: Cột nước trong giếng W: Độ thô thủy lực của đất nền H: Độ sâu hạ giếng WRcsR: Độ thô thủy lực của cát sỏi

HRoR: Cột nước ngầm tại A ω: Diện tích lỗ xói tạo giếng K: Hệ số thấm của đất nền d: Đường kính hạt đất

F: Diện tích hố móng µ: Độ nhớt động lực của nước J: Độ dốc thủy lực γR1R: Trọng lượng riêng đất nền

∆S: Độ sâu phải hạ thêm mực

nước trong giếng ∆h: Cột nước tiêu hao khi nước chảy qua ống lọc

hRoR: Độ ngập ống lọc t: Độ dày tầng nước có áp

VRxR: Vận tốc dòng chảy trong lỗ

khoan trào ra ngoài

γRcsR: Trọng lượng riêng vật liệu cát sỏi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng (2001), Đất xây dựng, địa chất công trình và kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng (chương trình nâng cao)

NXB Xây dựng, Hà Nội

2 Bộ Công nghiệp (2000), Quy phạm hút nước thí nghiệm trong điều tra địa chất

thuỷ văn để áp dụng trong công tác điều tra đất, ban hành theo Quyết định số

46/2000/QĐ-BCN ngày 07/8/2000

3 Bộ môn thi công tập I và tập II (2004), Giáo trình thi công các công trình Thủy lợi ,

Trường đại học Thuỷ lợi, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội

4 Đoàn Văn Cánh và Phạm Quí Nhân, (2005) Tin học Địa chất thuỷ văn ứng dụng

NXB khoa học và kỹ thuật 220 trang

5 Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang (2002), Thuỷ văn nước dưới đất , Nhà xuất bản xây

dựng, Hà Nội

6 Công ty tư vấn 11-Tổng công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam-CTCP (2008)

Hồ sơ thiết kế công trình trạm bơm tiêu Bảo Khê-Hưng Yên

7 C.W.FETTR, Nguyễn Uyên và Phạm Hữu Sy dịch (2000), Địa chất thuỷ văn ứng

dụng, tập 2, Nhà xuất bản giáo dục

8 Lê Dung (2003), Công trình thu nước - Trạm bơm cấp thoát nước, NXB xây dựng,

Hà Nội

9 Nguyễn Hồng Đức (chủ biên), Đỗ Bá Khoát (1992), Địa chất thuỷ văn công trình ,

Đại học xây dựng, Hà Nội

10 Nguyễn Hồng Đức (2000), Cơ sở địa chất công trình và địa chất thuỷ văn công

trình, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội

11 Phạm Ngọc Hải , Phạm Việt Hoà (2005), Kỹ thuật khai thác nước ngầm , Nhà xuất

bản xây dựng, Hà Nội

12 Nguyễn Thu Hiền, Hồ Việt Hùng, Trịnh Minh Thụ (2007), Phát triển và quản lý tài

nguyên nước ngầm, Nhà xuất bản Giáo dục

13 Nguyễn Bá Kế (2002), Thiết kế và thi công hố móng sâu, NXB xây dựng,

Hà Nội

14 Nguyễn Bá Kế (2006), Xây dựng công trình ngầm đô thị theo phương pháp đào mở móng, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội

15 Lê Văn Kiểm (1977), Kỹ thuật thi công đất và nền móng, NXB Đại học và Trung

học chuyên nghiệm

16 Sổ tay tập 1, Đinh Xuân Bảng, Vũ Công Ngữ, Lê Đức Thắng dịch (1974), Thiết kế nền và móng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

17 Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Trường, Phạm Xuân, Nguyễn Hải (1973), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, NXB Khoa học

25 Vụ Kỹ thuật – Bộ Thuỷ lợi (1959), Bảo vệ các hố móng công trình thuỷ công

chống nước ngầm , NXB Năng lượng Quốc gia Mực tư khoa – Lê Nin Grát dịch của V.Isvây

Tiếng Anh

26 Mann, J.F., Jr(1985), Estimmating quanlity and quality of groundwater in dry regons using airphotos, inter, Assoc Sci Hydrology Publ 44, 125-134

1

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Khi thi công hố móng và móng công trình các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, công trình công nghiệp, giao thông hầu hết các công trình đặt sâu dưới lòng đất và

có công trình sâu tới vài chục mét do đó thường phải đào đất ở phía dưới mực nước ngầm Khi thi công, nếu nước ngầm chảy vào trong hố móng làm cho hố móng bị ngập nước nên sẽ hạ thấp cường độ của đất nền, tính nén co tăng lên, công trình sẽ

bị lún quá lớn, hoặc tăng ứng suất trọng lượng bản thân của đất, tạo ra lún phụ thêm của móng, những điều đó sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn của công trình xây dựng Do đó, khi thi công hố móng cần thiết phải có các biện pháp hạ mực nước và thoát nước tích cực để cho móng được thi công trong trạng thái khô ráo, công trình đảm bảo yêu cầu của thiết kế

Việc lựa chọn phương pháp hạ mực nước ngầm tiêu nước hố móng và thiết kế biện pháp hạ nước ngầm chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố như trạng thái nước ngầm, tính cơ lý của tầng thấm, phương pháp thi công, yêu cầu xử lý nền ảnh hưởng đến chất lượng xây dựng công trình, tiến độ thi công và giá thành xây dựng Xác định hợp lý các thông số khi tính toán thiết kế hạ thấp mực nước ngầm và phương án bố trí hệ thống dẫn nước ảnh hưởng lớn đến giá thành và tiến độ xây dựng công trình do đó việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu giải pháp tiêu nước hố móng khi thi công trình Trạm bơm tiêu Bảo Khê-Hưng Yên” mang tính cấp thiết,

có ý nghĩa và những vấn đề nghiên cứu được áp dụng trong thực tế sản xuất

2

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Các vùng có hệ số thấm lớn và có địa hình phức tạp và nền móng đặt dưới mực nước ngầm

- Các hố móng đồng bằng, vùng ven biển bị chịu sự tác động của nước ngầm

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

- Tổng kết các phương pháp hạ thấp MNN trong hố móng, phân tích, ưu nhược điểm và điều 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 điều kiện biên khác nhau và sử dụng phầm mềm để tính toán cho bài toán hạ thấp MNN, từ đó xây dựng các đường quan hệ của các thông số giếng để hạ thấp MNN trong hố móng, làm cơ sở cho các nhà thiết kế tham khảo, tra cứu

- Xây dựng được sơ đồ tổ chức hút nước thí nghiệm của hệ thống giếng, khi hạ thấp MNN trong hố móng Kết quả đo được hiện trường giúp cho việc xác định các thông số để tính toán đồng thời cũng là số liệu để kiểm nghiệm mô hình

- Hố móng sâu, hệ số thấm lớn đưa ra cách tính toán khi bố trí 2, 3 hoặc nhiều hàng giếng; “xác định số hàng, độ sâu đặt giếng, khoảng cách các giếng trong một hàng, khoảng cách giữa các hàng và độ hạ thấp mực nước của từng hàng giếng” Đề xuất bố trí bổ sung giếng theo biên có nguồn cấp nước bổ sung cho nước ngầm chảy vào hố móng, bố trí giếng phù hợp với các biên của hố móng có hệ số thấm khác nhau

- Kết quả nghiên cứu được áp dụng cho công trình trạm bơm tiêu Bảo Hưng Yên

Khê-3

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN BIỆN PHÁP HẠ MỰC NƯỚC NGẦM TIÊU NƯỚC HỐ

MÓNG 1.1 Đặc điểm và yêu cầu của các hố móng

Khi thi công hố móng sâu, phải đào đất ở phía dưới MNN nếu nước ngầm chảy vào làm cho nền bị ngậm nước dẫn đến tính nén co tăng lên, công trình sẽ bị sụt lún quá lớn, tạo ra lún phụ thêm của công trình, ảnh hưởng đến an toàn của công trình xây dựng Hơn thế nữa, khi nước ngầm chảy vào hố móng thì không thể thực hiện được các công tác xây dựng và đổ bê tông hố móng làm cho tiến độ thi công chậm, chất lượng công trình không đảm bảo Do đó, khi thi công công trình nằm dưới MNN cần phải có biện pháp hạ thấp mực nước ngầm xuống dưới cao trình đáy hố móng và tiêu thoát nước tích cực để công trình được thi công trong điều kiện khô ráo

Phạm vi xây dựng các công trình có khối lượng lớn, thi công trong điều kiện chật hẹp, hố móng sâu đặt dưới MNN được mở rộng không ngừng

1.1.2 Yêu cầu tiêu nước hố móng

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

ổn định thành vách hố móng

Chọn phương pháp tiêu nước thích hợp với từng thời kỳ thi công liên quan đến nhiều nhân tố như điều kiện địa chất, đặc biệt là hệ số thấm của nền, chiều sâu hố móng, MNN cần hạ thấp và biện pháp thi công

Xác định lưu lượng, cột nước cần tiêu từ đó lựa chọn cấu tạo giếng và sơ đồ bố trí giếng hợp lý để tiêu nước, thích hợp với từng thời kỳ thi công

1.1.3 Sơ lược tình hình hạ thấp MNN trên thế giới và trong nước

Việc nghiên cứu hạ thấp MNN được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, giao thông ngầm, bằng các phương pháp từ

4

đơn giản đến phức tạp Đã có các cải tiến phù hợp với thực tế xây dựng để giảm giá thành và hình thành các qui trình, qui phạm trong điều kiện ở các nước khác nhau trong điều kiện tự nhiên khác nhau

Việc xây dựng các công trình có hố móng sâu dưới MNN như công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, cấp thoát nước, trạm bơm, bể chứa, công trình giao thông ngầm, rất phổ biến ở Nhật, Mỹ, Pháp, Đức, Nga, Áo Ví dụ, ở 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 v.v nhưng vẫn chưa có tài liệu hướng dẫn và quy phạm về hạ thấp MNN bằng hệ thống giếng

Ở Liên Xô cũ đã ứng dụng phương pháp hạ MNN khi xây dựng các tuyến tàu điện ngầm và kênh đào ở Matxcơva, kênh đào Vonga Đông, hàng loạt nhà máy thủy điện và khu công nghiệp lớn, nhưng việc xác định biện pháp hạ thấp MNN được thực hiện theo kinh nghiệm

Ở nước ta, đã áp dụng biện pháp hạ thấp MNN bằng giếng kim, nhưng giếng kim phải nhập ngoại và không thông dụng, giá thành cao, công tác bảo quản, bảo dưỡng tốn kém làm cho giá thành hạ thấp MNN cao Đã áp dụng phương pháp hạ thấp MNN khi xây dựng các công trình nhưng đã kéo dài thời gian thi công như: âu thuyền Cầu Đất, trạm bơm Như Trác, trạm bơm Hữu Bị II, trạm bơm Vân Đình, trạm bơm Kim Đôi, trạm bơm Tràm, cống Liên Mạc II, cống Vân Cốc, cống Hiệp Thuận, cụm công trình đầu mối Hát Môn - Đập Đáy,… và nhiều công trình dân dụng, giao thông, công nghiệp khác

Sự thất bại trong việc hạ thấp MNN ở một số công trình của nước ta do một số nguyên nhân: các giếng hoạt động không đạt công suất thiết kế vì thi công các giếng không đúng quy trình kỹ thuật, khả năng tạo chân không không đạt thiết kế, khả năng thu nước của giếng nhỏ hơn nhiều so với thiết kế, tính toán lưu lượng chảy vào

hố móng chưa đúng và hệ số thấm của tài liệu khảo sát không sát với thực tế

Ở nước ta việc thi công các công trình có hố móng sâu gặp rất nhiều khi xây dựng các trạm bơm, cống qua đê, nhà cao tầng như trạm bơm Hữu Bị, Như Trác (Hà Nam), Cầu Khải (Thanh Hóa), cống Vân Cốc (Hà Tây cũ) khi thi công các

5

công trình này phần lớn phải hạ MNN để thi công hố móng Đa số các công trình dùng biện pháp như cọc cừ, cọc kết hợp bơm chân kim, hệ thống bơm chân kim, tường vây

1.2 Các phương pháp hạ mực nước ngầm tiêu nước hố móng công trình thủy

1.2.1 Tổng quan

HMNN chủ yếu là lợi dụng “Hình phễu rút nước” Khi bắt đầu bơm hút thì nước ngầm trong tầng chứa nước ở xung quanh chảy vào giếng, sau một thời gian, mực nước sẽ ổn định và hình thành một đường cong uốn về phía giếng tạo thành một mặt trũng hình phễu (Hình 1-1) Bán kính phễu R và chiều sâu HMNN S ở ngay trong giếng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố chính là mức độ thấm

Hình 1- 1 Sơ đồ làm việc của một giếng đơn HMNN

Một giếng chỉ tiêu được nước cho một khối đất tương đối nhỏ Bởi vậy, để

tiêu nước cho khối đất lớn trong phạm vi đường viền của khu vực hố móng, phải bố trí một hệ thống giếng Phần dưới của các giếng phải có thiết bị lọc để nước chảy vào giếng qua đó và nước sẽ được liên tục bơm từ giếng lên và dẫn ra ngoài đê quai

Do kết quả của việc bơm nước liên tục nói trên, trong khối đất bị vây quanh bởi các giếng hút nước thì MNN dần dần bị hạ thấp và ổn định ở một cao trình nào

đó theo yêu cầu của thiết kế (Hình 1-2)

Chiều sâu hạ nước ngầm tại các khu vực, các vùng khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chiều dày, các đặc trưng địa kỹ thuật của tầng chứa nước, lưu lượng nước tới nói chung và sự hiện diện của sông hồ ở gần đó, thời gian bơm nước nói

Hình 1- 2 Mực nước ngầm được hạ xuống thấp hơn đáy móng ổn định

Khi áp dụng các biện pháp hạ thấp mực nước ngầm, phải tính đến các nhân

tố sau:

- Loại đất và hệ số thấm

- Cao trình yêu cầu HMNN và cao trình MNN tự nhiên, thường thì mực MNN phải được hạ thấp hơn đáy dưới hố móng 0,5÷1,0m

- Dùng hình thức nào để chống giữ hố móng, đặc biệt là hố móng sâu

- Diện tích hố móng lớn hay nhỏ, thời gian cần HMNN.[13]

- Biện pháp HMNN và phạm vi áp dụng

- Từ kinh nghiệm thực tiễn các nhà khoa học đã dựa vào thành phần hạt trong các loại đất khác nhau mà chọn dùng phương pháp HMNN thích hợp được tổng kết như trong bảng 1-1, 1-2, 1-3 và hình 1-3

7 Bảng 1-1 Các phương pháp hạ thấp MNN và làm khô nhân tạo đất yếu bão hòa nước và điều kiện sử dụng [1]

Cát mịn

Hạt nhỏ trun Hạt

g Hạt thô

Hạt thô lẫn sỏi

Thiết bị có các ống kim (một tầng)

Giếng thường

hạ thấp mực nước

Thoát nước lộ thiên

Thiết bị giếng kim kết hợp với thoát nước lộ thiên

Thiết bị có các ống kim nhiều tầng, kim phun

Giếng thường

hạ thấp mực nước

Thiết bị giếng kim nhiều tầng, kim phun, giếng thường hạ thấp MNN kết hợp với thoát nước lộ thiên

Các giếng tầng hạ thấp mực nước

8 Bảng 1-2 Phạm vi áp dụng các biện pháp hạ mực nước ngầm [13]

1 Thoát nước mặt Đất đá vụn, cát hạt thô, đất có lượng nước thấm lớn

2

Giếng kim chân

không

Cát bột, đất bột sét, hệ số thấm (0,1÷0,5)m/ngđ, mực nước ngầm tương đối cao, giếng kim một tầng, độ sâu hạ mực nước (3÷6)m; giếng kim hai tầng độ sâu hạ mực nước (6÷9)m; đến

12m khi dùng nhiều tầng

3 Giếng kim có

thiết bị phun

Đất cát có hệ số thấm (0,1÷50) m/ngđ, độ sâu đào hố móng lớn hơn 6m, độ sâu hạ nước của giếng kim phun có thể đến 20m

máy bơm sâu Hệ số thấm khá lớn, lượng nước ngầm nhiều

6 Giếng kim, giếng

thường

Bên trên lớp đất có nước động tầng trên hoặc tầng chứa nước ngầm và bên dưới có tầng thấm nước không chứa nước, hoặc nước ngầm tương đối ổn định hoặc tầng chứa nước có áp

7 Giếng kim điện

Loại tầng đất thích hợp

Thi công thuận tiện, đơn giản, rẻ tiền, chỗ có MNN

cao thì làm phương pháp bổ trợ Hố móng vẫn bị ướt át

và bẩn, ảnh hưởng đến thi công và chất lượng móng

công trình

Ứng dụng phổ biến nhất

Thi công đơn giản, an toàn,

rẻ tiền, ít ảnh hưởng đến công trình xây dựng ở xung quanh Độ sâu hạ nước tương đối nhỏ

Ứng dụng rất rộng rãi

Độ sâu HMNN lớn, hệ thống khá phức tạp, sự cố vận hành hay xẩy ra, tiêu phí năng lượng rất lớn Giếng

Sử dụng khi các phương pháp khác khó đạt hiệu quả, phải kết hợp sử dụng với các phương pháp khác nữa

nên tương đối phiền toái Giếng

thường 3÷5 20÷200

Cát trung, cát thô, đá sỏi, đá cuội

Thích hợp khi HMNN trong tầng cát, lượng rút nước lớn, độ sâu HMNN nhỏ

Phạm vi và mức độ ảnh hưởng ra xung quanh lớn

Ứng dụng rộng rãi

10

MÞn Trung Th«

Sái s¹n C¸t

Bïn SÐt

MÞn Trung Th« MÞn Trung Th«

100

50

0 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,6 2 6 20 60

G

ng k

im ch©n kh«ng

G

ng kim d¹ng

1.2.2 Phương pháp HMNN bằng giếng thường

- Cấu tạo: Gồm ống thành giếng và ống lọc nước, máy bơm hút nước ở mỗi giếng, ống tập trung nước, trạm bơm và ống dẫn xả nước Ống thành giếng có thể dùng loại ống gang đúc, ống bê tông cốt thép, ống nhựa có đường 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 1-4), cũng có thể dùng ống liền đục lỗ, bên ngoài bọc lưới thép mạ kẽm (hình 1-5) hoặc dùng ống bê tông cốt thép.[13]

400~500

ngoµi èng läc Chi tiÕt A

150~250

è ng hót Th©n èng

è ng hót

è ng ngoµi b»ng thÐp hoÆc gang

A A

1 2

H1

H2

Hình 1- 5 Ống lọc nước bằng gang

đúc

11

- Bố trớ giếng: Trước tiờn phải xỏc định tổng

lượng nước chảy vào hố múng, kiểm tra khả

năng hỳt nước giới hạn của một giếng, từ đú

xỏc định được số lượng giếng Thường bố trớ

giếng phõn bố đều ở mộp ngoài hố múng theo

số lượng đó xỏc định Đối với hố múng rộng và

sõu thỡ cú thể bố trớ trờn cỏc cơ của mỏi hố

- Rửa giếng: Ống gang đỳc cú thể rửa bằng pittụng và mỏy nộn khớ Ống bằng cỏc loại vật liệu khỏc rửa bằng mỏy nộn khớ, rửa đến khi nước trong mới thụi Trong khi hỳt nước phải thường xuyờn kiểm tra, quan sỏt động cơ điện và cỏc thiết

bị khỏc, đo MNN, ghi lại lưu lượng của nước bơm ra.[19], [18]

Giếng thường thớch hợp với tầng cuội sỏi cú hệ số thấm lớn, lớp đất cú lượng nước ngầm phong phỳ (lượng nước xả của mỗi giếng ống cú thể đến 50ữ100mP

3

P/h),

hệ số thấm của đất đến 20ữ200m/ngày đờm thỡ độ sõu HMNN cú thể đạt đến khoảng 3ữ5m Phương phỏp này thường dựng khi HMNN khụng ỏp cú lực.[13]

Giếng thường với mỏy bơm sõu do bơm hỳt sõu đặt trờn đỉnh giếng hoặc bơm đặt chỡm sõu trong giếng và ống lọc tạo thành

Thiết bị cấu thành giếng loại này bao gồm: cỏc ống giếng lọc, cỏc tổ mỏy bơm sõu đặt ở mỗi giếng, ống tập trung nước và ống xả nước.[13]

Hỡnh 1-6 Cấu tạo chi tiết A

Giá đỡ

Bộ phận thu (ngưỡng)

nước hạ giếng

150~25050~100

nước

12

- Thiết bị hút: Bơm đặt chìm trong nước, dây dẫn của bơm chìm phải thật

bảo đảm, động cơ điện của bơm phải có bộ phận cách điện tốt, chống nước tốt, khi đổi bơm phải rửa sạch giếng lọc Cũng có thể đặt các máy bơm ở trên đỉnh giếng rồi dẫn ống hút có gắn chõ bơm xuống đáy giếng.[13]

Nước bơm từ các ống giếng chảy vào ống tập trung nước, rồi được xả trực tiếp qua đê quai hoặc dùng máy bơm trung gian và ống dẫn riêng

- Bố trí giếng: Ống giếng phải đặt thẳng đứng, ống lọc phải được đặt trong

phạm vi thích hợp của tầng chứa nước, đường kính trong của ống giếng phải lớn hơn đường kính ngoài của bơm nước 50mm, giữa thành lỗ khoan và ống giếng lấp bằng các vật liệu lớn hơn đường kính lỗ lưới lọc.[13]

- Khoan lỗ: Khoan lỗ giếng có thể dùng máy khoan lỗ hoặc xói bằng nước áp

lực, đường kính lỗ phải lớn hơn đường kính ống giếng 200mm, độ sâu của lỗ phải tính đến độ sâu tăng thêm do khi hút nước cặn lắng sẽ có một độ dày lắng đọng nhất định.[19]

1.2.4 Phương pháp HMNN bằng giếng kim

1.2.4.1 Tổng quan

Trường hợp hố móng lớn, hệ số thấm của đất nhỏ (KR t R=4÷10cm/s) nếu dùng giếng thường thì không kinh tế và không hiệu quả, mà phải dùng hệ thống giếng kim để HMNN.[19]

Bố trí hệ thống giếng kim tương tự như hệ thống giếng thường ở xung quanh hố móng rồi tiến hành bơm liên tục làm cho MNN trong phạm vi hố móng dần dần được hạ thấp đến một cao trình ổn định nào đó thấp hơn đáy móng công trình.[13]

13 1.2.4.2 Cấu tạo hoạt động, ưu nhược điểm và điều kiện ỏp dụng

ng giếng kim

ng thu nước

Bơm nước

ng thu nước Tầng chứa nước

Hố móng

MNN

ố ố

ố

Hỡnh 1- 7 Mặt bằng bố trớ hệ thống giếng kim xung quanh hố múng

Hệ thống giếng kim gồm những ống lọc nhỏ, cắm xung quanh hố múng Cỏc giếng kim này nối liền với nhau bằng cỏc ống chớnh tập trung nước và nối với mỏy bơm

Phương phỏp này tương đối phức tạp, đắt tiền nhưng vẫn được ứng dụng vỡ nú cú những ưu điểm sau:[1]

- Làm cho đất trong hố múng với độ sõu khỏ lớn 5ữ20m (lớn hơn giếng thường) trở lờn khụ rỏo, dễ thi cụng

- Đất nền trong phạm vi HMNN sẽ được nộn chặt hơn, an toàn cho cụng trỡnh, đồng thời giảm bớt được khối lượng mở múng do tăng được gúc dốc của mỏi múng (tốt hơn giếng thường)

- Giếng kim lọc là kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, tốn ớt cụng khi hạ và lắp rỏp, hoạt động nhanh chúng khi HMNN do cỏc kim lọc được bố trớ mau (sớt nhau)

- Nhược điểm lớn nhất đối với sự làm việc bỡnh thường của giếng kim là mất chõn khụng tức là hiện tượng hỳt khụng khớ vào ống hỳt Chỉ cần MNN hạ thấp hơn mặt trờn của đoạn lọc là ống lọc bị hở, giếng mất chõn khụng sẽ ngừng làm việc và cú thể dẫn đến hệ thống cũng ngừng làm việc

Điều kiện ỏp dụng:[3]

- Hố múng rộng, ở vào tầng đất cú hạt nhỏ, hệ số thấm nhỏ như đất cỏt hạt nhỏ và hạt vừa, đất phự sa,

- Đỏy múng trờn tầng khụng thấm mỏng và phớa dưới là nước ỏp lực

14 1.2.4.3 Các thiết bị chính của hệ thống giếng kim

Ống giếng kim: gồm thân ống và đoạn ống lọc Thân ống gồm những đoạn

ống thép Φ50mm dài 1,5÷2,0m nối với nhau tuỳ theo chiều sâu của giếng Đầu ống

là đoạn ống lọc dài 1÷2m, thường là ống thép Φ50mm có đục các lỗ Φ10÷15mm bố trí như 2 hình hoa mai, cự ly giữa các lỗ 30÷40mm Bên ngoài lỗ quấn dây thép dạng lò xo Trước tiên bọc một lớp lưới lọc tinh mắt φ40, rồi bọc lớp lưới lọc thô (bằng đồng hoặc nilon) Bên ngoài lưới lọc lại quấn một lớp dây thép thô kiểu lò xo

để bảo vệ lưới lọc không bị hư hỏng khi hạ kim lọc xuống đất hoặc khi rút nó lên sau khi đã kết thúc công việc HMNN.[25]

Cuối đoạn lọc là ống hình côn với các van bi (hình 1-8) và cuối cùng là một đoạn mũi bịt bằng gang hình nón, mũi khoan xoắn ốc hoặc răng cưa giúp việc hạ kim lọc xuống đất được dễ dàng hơn Ở phần trên của đoạn đầu ống lọc có hàn một cái võng lõm hình yên ngựa dùng cho van bi Khi kim lọc làm việc, van bi nổi lên

và bít lỗ ở phía dưới của ống kim lọc (hình 1-8b), còn khi hạ ống kim lọc vào trong đất, van bi bị đẩy xuống bởi nước bơm vào kim lọc để xói đất (hình 1-8a).[25]

Hạ giếng bằng cách khoan lỗ (khoan xung kích, khoan xoay) hoặc bằng phương pháp xói thuỷ lực (xói lỗ trực

tiếp hạ giếng hoặc ống lồng) Khoan sâu

hơn chiều sâu hạ ống lọc của giếng 0,5m

để thuận lợi cho cát lắng Hạ ống lọc và

rút ống lồng đến đâu đổ cát thô đến đó

Phần cách mặt đất 0,5÷1m lấp kỹ bằng

đất sét để chống rò khí vào ống lọc Sau

khi hạ xong phải bơm nước xói rửa ống

giếng cho đến khi không còn nước

15

với nhau bằng ren, các ống này cứ cách 1÷2m đặt một đầu nối măng xông để nối với giếng kim lọc bằng những ống mềm hoặc ống cứng.[13]

Nên đặt ống thu nước ở các cao độ trên MNN nhưng càng thấp càng tốt

Ống nối: Dùng ống cao su hoặc ống nhựa Φ40÷50mm, trên ống nối nên có

van và các thiết bị đo áp lực để kiểm tra

Dùng ống nối để nối tiếp giữa ống giếng kim với ống chính thu nước và máy bơm, hình thành một hệ thống hoàn chỉnh Khi hút nước đầu tiên phải cho chạy bơm chân không, hút không khí trong đường ống ra tạo thành chân không Khi đó, nước ngầm và không khí trong đất chịu tác động của chân không bị hút vào giếng, không khí và nước bị hút qua bơm chân không và đẩy vào ống thu nước Khi trong ống thu nước đã có khá nhiều nước mới mở máy bơm ly tầm để hút nước.[13]

Hình 1- 9 Cấu tạo giếng kim với khớp nối

bản lề

1- Ống dẫn; 2- Ống hút; 3- Khớp nối; 4-

Ống lọc; 5-Ê-cu; 6- Van; 7- Ống cút nối; 8-

Ống nối có ren; 9- Ống tập trung nước

Hình 1- 10 Cấu tạo ống lọc nước

Thiết bị hút nước: Thiết bị hút nước được tạo thành bởi bơm hút nước, đồng

hồ đo lưu lượng, đồng hồ đo chân không và két nước tuần hoàn Người ta đặt một

16

hoặc 2 trạm máy bơm cho một hệ thống giếng kim, đôi khi cho 2 hệ thống nếu chiều dài các ống thu nước không lớn lắm Tại mỗi trạm bơm kèm theo các máy bơm làm việc và phải đặt thêm một máy bơm dự phòng, máy bơm này cũng nằm trong cùng các thiết bị của giếng.[13]

Trong các trường hợp đặc biệt khi MNN dâng cao như: để tăng cường mức

độ HMNN lúc ban đầu hoặc trong mùa mưa lũ, … trong một thời gian ngắn có thể cho vận hành cả các máy bơm công tác lẫn máy bơm dự phòng.[17]

1.2.4.4 Bố trí hệ thống giếng kim

Để bố trí giếng kim phải căn cứ vào yêu cầu về độ sâu phải HMNN, độ lớn

và kích thước mặt bằng hố móng, tính năng thấm của tầng chứa nước và hướng chảy của nước ngầm,… Nếu chiều sâu yêu cầu HMNN ở 4÷5m thì bố trí giếng 1 tầng, nếu chiều sâu yêu cầu HMNN lớn hơn 6m thì có thể bố trí giếng 2 tầng hoặc nhiều hơn

Nếu bề rộng hố móng <10m thì có thể đón đầu nguồn nước ngầm để bố trí một hàng giếng kim Khi bề rộng hố móng lớn thì có thể bố trí giếng xung quanh

khép kín hoặc không khép kín.[25]

Sơ đồ bố trí một cấp giếng kim khi hố móng nông như hình 1-2

Sơ đồ bố trí 2 tầng giếng kim khi hố móng sâu như hình 1-11

17 1.2.4.5 Khoan lỗ tạo giếng

Khoan lỗ thường dùng khoan xung kích hoặc khoan xoay Độ sâu khoan lỗ phải sâu hơn đáy ống lọc 0,5m để cho cát lắng đọng Khi hạ giếng cần kịp thời dùng cát thô sạch để lấp chặt khoảng giữa thành lỗ đến giếng kim, sau đó rửa giếng kim (dùng nước máy hoặc máy nén không khí) cho đến khi nước trong.[25]

Cũng có thể khoan lỗ bằng phương pháp xói nước hoặc phương pháp ống lồng Phương pháp ống lồng tức là dùng cách sục nước để đưa ống lồng có đường kính (200÷300)mm chìm xuống đến độ sâu yêu cầu, lấp một lớp cát sỏi xuống đáy

lỗ, cắm ống giếng kim vào, rồi dùng cát thô lấp kín vào khe giữa ống lồng với ống giếng kim, rút ống lồng lên và rửa giếng hoàn thành việc hạ giếng Phương pháp xói nước tức là dùng nước cao áp (0,4÷1)N/mmP

2

P để sục vào tầng đất ở đầu dưới của ống giếng kim, sau khi cho ống giếng kim chìm xuống tới độ sâu yêu cầu thì lấp cát thô vào khoảng giữa thành lỗ và ống giếng kim.[19], [18]

Từ mặt đất đến độ sâu (0,5÷1)m, tất cả các ống giếng kim đều được lấp kín bằng đất sét để đề phòng rò khí.[13]

1.2.4.6 Những chú ý khi vận hành

Sau khi nối khép kín hệ thống giếng kim mới tiến hành hút thử Nếu thấy không rò khí, mới chính thức cho hoạt động Luôn luôn theo dõi đồng hồ chân không lắp sẵn trên hệ thống để kiểm tra, thường độ chân không 55,3÷66,7Kpa (1Pa=1,02.10P

-5

P KG/cmP

2

P) Khi đường ống giếng bị rò khí thì sẽ không bảo đảm độ chân không.[13]

Để giếng hoạt động liên tục, luôn luôn phải có thêm nguồn điện dự phòng và các thiết bị thay thế bổ sung kịp thời

Hệ thống chỉ ngừng hoạt động sau khi đã thi công xong phần dưới của công trình và hố móng đã được lấp trả

1.2.5 Phương pháp giếng kim có thiết bị dòng phun

Năm 1950, tại Viện nghiên cứu khoa học nền móng, dưới sự lãnh đạo của giáo sư P.P Ac-gu-nốp đã nghiên cứu thành công kết cấu thiết bị kim lọc với bộ phận hút

18

nước kiểu vòi phun, thiết bị này vẫn giữ được các ưu điểm của thiết bị giếng kim hút chân không đồng thời lại được mở rộng phạm vi sử dụng giếng kim.[25]

Giếng có cấu tạo gồm 3 phần chính: vòi phun, bơm cao áp và đường ống dẫn Thiết

bị phun gồm 2 loại là phun nước và phun khí

Đây là hệ thống giếng kim hoạt động hút và bơm nước bằng kim phun đặt ở phía đỉnh ống lọc Nhờ nguyên lý thuỷ khí, nước bơm qua kim phun sẽ hút kéo theo nước dưới ống lọc lên.[25]

Giếng kim có vòi phun khác với loại giếng kim chân không ở chỗ nó có đường kính lớn hơn, đoạn lọc, cột ống trên đoạn lọc dài hơn và ở trong ống lọc có một cột ống thứ 2 của bộ phận hút nước kiển vòi phun.[25]

Các thiết bị chính (hình 1-12):

Vòi phun: gồm 7 bộ phận như hình 1-13 Vòi phun hoạt động dựa trên lợi dụng động năng của thể lỏng phun tốc độ cao Nước cao áp do máy bơm ly tâm cấp chảy vào miệng phun 1 rồi phun ra với tốc độ cao, qua buồng hỗn hợp 2 làm hạ thấp

áp lực ở bên ngoài, gây ra áp lực âm và chân không, dưới áp suất khí quyển nước sẽ qua buồng ống hút 5 vào buồng hút 4, nước hút vào cùng với dòng phun cao tốc trong buồng hỗn hợp 2, động năng của dòng phun sẽ truyền một phần của bản thân cho thiết bị hút vào làm cho động năng của nước hút vào tăng lên, dòng nước hỗn hợp vào buồng khuếch tán 3 Do mặt cắt của buồng khuếch tán rất lớn, tốc độ chảy giảm đi, phần lớn động năng chuyển thành áp năng, đẩy nước buồng khuếch tán lên cao và theo ống dẫn ra ngoài [13]

19

1

2 3

1- Bơm nước; 2- Két nước; 3- Ống nước

công tác; 4- Ống nước lên; 5- Bộ vòi

phun; 6- Ống lọc

1 2 3

Việc hạ giếng kim có thiết bị dòng phun tương tự như giếng kim lọc chân không

Giếng kim lọc có thiết bị dòng phun sử dụng trong các loại đất cát và cát sỏi

là hợp lý nhất, có thể hạ các ống lọc vào trong các loại đất này bằng phương pháp thủy lực mà không cần đổ thêm vật liệu lọc Trong các loại đất này ở bên dưới cột ống tạo thành một lớp lọc tự nhiên do các hạt nhỏ đã bị mang lên trên mặt đất và các hạt lớn hơn đã lắng xuống dưới Trong các loại đất á cát và cả trong các loại đất

có lẫn các lớp kẹp bí nước, nhất thiết phải đổ thêm vật liệu lọc xung quanh ống vì không chắc là việc sử dụng loại thiết bị này trong những điều kiện đó là có lợi Trong những điều kiện nói trên và cả trong trường hợp khi lưu lượng nước vào từng kim quá lớn (hơn 5lít/sec cho một kim lọc) và khi thời gian tiêu nước quá dài, nên

cú lợi vỡ đũi hỏi nước phun phải cú ỏp lực cao hơn.[25]

1.2.6 Giếng kim kết hợp điện thấm

Muốn làm khụ những loại đất dớnh cú hệ số thấm K<0,1m/ngày đờm, như đất thịt nhóo, đất sột pha cỏt, đất phự sa bằng giếng kim thụng thường khụng cú hiệu quả thỡ nờn ỏp dụng kết hợp với biện phỏp điện thấm.[3]

Biện phỏp điện thấm dựa trờn nguyờn tắc “dưới tỏc dụng của dũng điện một chiều chạy qua một vật ẩm (ở đõy là đất) thỡ nước trong lỗ rỗng của đất sẽ chuyển dịch từ phớa cực dương sang phớa cực õm Cỏc ống lọc dựng làm điện cực õm, cũn cực dương là những thanh thộp cắm sõu xuống đất thành hàng song

song với hàng ống lọc và cỏch những ống này độ 1m (hỡnh 1-14).[25]

MNN ban đầu

MNN ổn định sau khi hạ thấp

ống kim lọc có điện cực âm Tầng không thấm

Thanh thép điện có cực dương

Hỡnh 1- 14 Biện phỏp giếng kim lọc kết hợp điện thấm để HMNN

Nước lỗ rỗng mang điện tớch (+) cho nờn dưới tỏc dụng của dũng điện

và chõn khụng của giếng kim, nước được chảy về phớa giếng và hệ

thống giếng hoạt động như giếng kim bỡnh thường.[25]

Như vậy, nước sẽ thấm từ giữa hố múng ra xung quanh, đồng

thời nước từ cỏc phớa ngoài cũng bị ngăn lại khụng thấm được về phớa Hỡnh 1-15 C tạo giếng ấu

ống PVC

ống lọc

ống PVC

21

hố móng Ngoài ra những hạt đất nhỏ bị hút về phía cực dương, làm cho các ống kim lọc không bị bít đất làm tắc ống lọc.[24]

Giếng kim mang cực (–) là ống thép Φ50÷75mm, cực (+) là thép đặc

Φ>25mm cắm ở phía hố móng, điện áp U=45÷65(V) Điện thế dòng điện một chiều dùng ở đây khá nhỏ không nguy hiểm đối với người.[25]

1.2.7 Phương pháp giếng khoan UNICEF loại nhỏ

Việc nhập các thiết bị giếng kim còn nhiều khó khăn, vận chuyển xa, giá thành đắt nên việc sử dụng các thiết bị có sẵn trên thị trường Việt Nam như giếng khoan UNICEF là vấn đề cần thiết Một mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho đơn vị thi công có thể lựa chọn thiết bị cho phù hợp, nhưng mặt khác yếu tố quan trọng hơn là làm giảm giá thành thiết bị

Giếng khoan UNICEF là loại giếng thường dùng để khai thác nước ngầm phục vụ sinh hoạt do tổ chức UNICEF (United Nations International Children' s Emergency Fund) sáng chế

Các thiết bị chính của hệ thống giếng khoan UNICEF loại nhỏ (hình 1-15) bao gồm:

Ống chống: được lắp đặt bằng ống PVC Φ42÷49mm với nhiệm vụ bảo vệ thành lỗ

khoan và là đường dẫn ống nước lên trên mặt đất Các ống PVC có chiều dài 4m được nối với nhau bằng keo dán Với chiều sâu giếng tới 100m hệ thống ống chống PVC vẫn luôn đảm bảo an toàn Nhiều khi ống chống PVC lại có ưu điểm hơn ống

mạ kẽm, nhất là ở các vùng phía dưới đất bị nhiễm mặn.[8]

Ống lọc: Ống lọc được nối với ống chống cũng bằng keo dán Ống lọc gồm nhiều

đoạn dài 30÷60cm nối với nhau bằng keo dãn Chiều dài ống lọc xác định tùy thuộc vào cấu tạo tầng chứa nước, thường dài từ 2÷4m (có khi tới 6m).[8]

Ống lắng: là phần chót cuối cùng của giếng khoan Đoạn ống lắng có tác dụng tích

tụ cát của lớp chứa nước lọt qua phần lọc Ống lắng thường dài 2÷3m, cũng được cấu tạo bằng ống PVC có đường kính Φ42÷49mm.[8]

Công suất: Các kết quả khảo sát và đo đạc các giếng đã hoạt động cho thấy lưu

lượng dao động từ 2÷4mP

3

P/h.[8]

22

Khi dùng loại giếng này để HMNN thì việc bố trí các giếng khoan, số lượng và độ sâu của chúng cũng tương tự như loại giếng kim Trong thiết kế có thể tính lưu lượng hút nước giới hạn của mỗi giếng theo công thức kinh nghiệm sau[13]:

q≤120ЛL.r.3

K (1-1) Trong đó: L – Chiều dài phần ống lọc ngập nước (m)

r – Bán kính của ống lọc (m) Biện pháp thi công hạ giếng khoan và tính toán thiết kế khác tương tự như khi dùng giếng kim

1.2.8 Phương pháp giếng kết hợp tường ngăn nước

1.2.8.1 Tổng quan

Trong nhiều trường hợp, để giảm lượng nước ngầm chảy vào hố móng nên

bố trí các tường chống thấm không những chỉ nằm dọc theo các tuyến đê quai chắn nước vào hố móng ở phía sông, mà cả theo đường viền xung quanh hố móng Đôi khi các tường chống thấm này được thực hiện kết hợp cùng với việc HMNN bằng

hệ thống giếng Chúng cũng có thể được sử dụng một cách độc lập như một biện pháp chủ yếu.[25]

Trong thực tế thi công ngày nay, người ta sử dụng các loại tường chống thấm sau đây:[25]

- Quây quanh hố móng hoặc một phần của hố móng (phần đào sâu nhất) bằng ván đặc biệt có tác dụng chống thấm (có thể là cừ thép hoặc cừ nhựa có bộ phận liên kết giữa các tấm cừ để ngăn không cho nước chui qua khe cừ) Còn các cừ thường thì không có tác dụng chống thấm như đã nói ở trên

- Sử dụng tường chống thấm bằng cách phụt vữa và các nhũ tương vào các khe hổng hoặc các vết nứt nẻ của đất (phụt vữa xi măng, phụt vữa xi-li-cát, phụt bi –tum)

- Tạo tường cừ chống thấm bằng cách đá hóa nước ngầm

- Đôi khi làm tường chống thấm hỗn hợp

Tất cả các loại tường ngăn nước đó đều có một công dụng chung là không tiêu nước trong hố móng đã được vây quanh mà chỉ giảm gra-đi-en và giảm nhiều

Tường chống thấm làm giảm lưu lượng nước vào hố móng nên việc đào đất được tiến hành một cách dễ dàng, làm giảm đầu nước của nước ngầm trong đất nền, giảm sự đe doạ phá huỷ đất mái đào Ngoài ra, chúng còn làm tăng độ ổn định của các mái đê quai và hố móng, do đó có thể đào các mái này dốc hơn

Các tường chống thấm không có khả năng chống tác động của nước ngầm ở đáy móng công trình Vì vậy cũng cần bố trí thêm hệ thống tiêu nước hoặc HMNN Ngoài ra, khi các ván cừ hoặc các lỗ khoan để thi công tường chống thấm cắm vào tầng chống thấm, sự nguy hiểm phá huỷ nền công trình lại tăng lên

1.2.8.2 Cấu tạo hoạt động và ưu nhược điểm

- Tường ngăn bằng cừ chống thấm: Việc sử dụng các hàng cừ chống thấm vây xung quanh hố móng không những để ngăn hố móng với các sông hồ (đóng vai trò đê quai) mà còn giảm nước ngầm thấm vào hố móng Phương pháp này được áp dụng rất rộng rãi vì:[25]

+ Cừ chống thấm có thể sử dụng để bịt kín bất kỳ lớp kẹp nào kể cả những lớp mỏng nhất mà phương pháp lọc nước ngầm chưa chắc đã giả quyết được

+ Tường ngăn nước bằng cừ chống thấm cho phép thực hiện sự nối tiếp chắc chắn với tầng không thấm nước, có thể hạ cừ xuống tới tầng không thấm nước và cắm ngập một phần vào tầng đó

+ Khi vận hành các tường bằng cừ chống thấm không đòi hỏi phải có đường ống hoặc thiết bị gây khó khăn hoặc gây chật chội cho quá trình thi công trong hố móng và cũng không đòi hỏi phải phục vụ năng lượng hoặc cung cấp bổ sung thiết

bị như hệ thống giếng kim (cấp điện, nhân công vận hành,…)

+ Các tường ngăn này có thể thi công một cách rất nhanh chóng Ngoài ra khi thi công không đòi hỏi phải có các thiết bị chuyên môn gì ngoài búa máy hoặc

24

búa rung, chúng có thể thi công được bằng các cần trục dùng tại công trường để đổ

bê tông, đặt cốt thép, ván khuôn,

+ Việc tháo dỡ các tường ngăn loại này rất đơn giản và có thể thực hiện được bằng cùng một loại thiết bị đã sử dụng để hạ cừ như cần trục và búa rung Ngoài ra,

có thể sử dụng lại các ván cừ này vào việc tiếp theo (thông thường khoảng 70÷75% tổng số ván cừ)

- Tường ngăn bằng đá hóa nước ngầm: Việc tạo nên các tường chống thấm bằng cách gây đông lạnh nước ngầm ở trong đất xung quanh khu vực thi công Tường ngăn băng giá đồng thời thực hiện 2 chức năng: chống nước ngầm bảo vệ nơi thi công, chịu một phần áp lực đất và nước

Khi hố móng xây dựng lộ thiên có kích thước lớn, loại tường ngăn này nên

ưu tiên sử dụng làm tường chống thấm Để làm việc được như một tường chắn đất thì loại tường này phải có một kích thước rất lớn Như vậy, không có lợi về kinh tế

Điều kiện cần thiết đối với tường ngăn này là tính liên tục của nó: tường ngăn phải có cùng một chiều dày trên suốt cả chu vi được quây của hố móng, không phụ thuộc vào hướng chảy cũng như lưu lượng của nước ngầm ở các khu vực khác nhau

Phương pháp này chỉ nên thực hiện trong các trường hợp khi áp dụng các biện pháp bảo vệ chống nước ngầm khác, đơn giản hơn (HMNN, tiêu nước bằng hào tiêu nước sâu, tường ngăn bằng cừ chống thấm, phun bi-tum v.v…) không có lợi vì kỹ thuật phức tạp và tốn điện năng Nên rất hiếm khi sử dụng

- Ngoài ra có thể tạo nên tường ngăn bằng cách phụt các loại vữa xi măng, đất sét, bi-tum, vữa chống thấm sika và vữa si-li-cát vào các kẽ hổng, các vết nứt của nham thạch hoặc các kẽ hổng của đất

- Tạo tầng chống thấm trong các loại cát sỏi Trong nhiều trường hợp, để giảm nước thấm vào hố móng trong nền cát sỏi, người ta tiến hành tạo tường chống thấm bằng cách đổ đất sét hoặc á-sét vào trong nước phía trong hào tạo ra bằng 2 hàng cừ Sau đó có thể rút cừ lên để tạo thầm tường chống thấm Ngoài ra, đất có thể chui vào các khe hở của cát sỏi làm tăng độ dày của tường chống thấm này

25

Tất cả các biện pháp tạo thành các tường ngăn chống thấm tới ngày nay đều rất đắt và rất tốn công sức Do đó không nên sử dụng độc lập trong những điều kiện bảo vệ những hố móng lớn để chống nước ngầm Tuy vậy, trong những trường hợp đặc biệt việc sử dụng các biện pháp này kết hợp với các biện pháp cơ bản khác có thể giúp một cách cơ bản việc ngăn chặn dòng thấm mà không thể giải quyết được bằng các biện pháp cơ bản.[25]

1.3 Giếng khoan

1.3.1 Cấu tạo giếng khoan

Giếng khoan hút nước nước ngầm không áp và giếng hút nước ngầm có áp Cấu tạo mỗi một giếng hút nước gồm ba phần: phần ống chống bảo vệ để không cho đất đá sập lấp giếng khoan; phần ống lọc để cho nước chảy vào giếng khoan và phần ống lắng

1.3.3 Quy trình thi công giếng

Việc hạ giếng vào các loại đất á cát, á sét và các loại đất khác dễ bị xói tốt nhất nên thực hiện bằng phương pháp thủy lực, đối với các loại đất chặt nên hạ

giếng bằng phương pháp khoan thông thường

Trước tiên khoan tạo lỗ bằng khoan xung kích hoặc khoan xoay tuỳ theo địa chất của nền Tuỳ theo địa tầng và yêu cầu độ hạ thấp mực nước mà có chiều sâu hạ giếng cho phù hợp sao cho đảm bảo độ hạ thấp MNN Khi tạo lỗ xong, đảm bảo độ sâu và đường kính khoan tạo lỗ theo yêu cầu, mới hạ giếng Lắp ống lắng, ống lọc, ống chống và giếng được chèn xung quanh bằng cát, sỏi nhỏ để đất cát không chui vào giếng Khi hạ xong dùng nước trong sục rửa cho đến khi không còn bùn mới lắp bơm

26

1.4 Kết luận chương 1

- Giải pháp tháo khô hố móng bằng hệ thống giếng bố trí xung quanh hố móng có tính ưu việt và có cơ sở lý thuyết chắc chắn về thấm, bảo đảm chủ động hạ thấp MNN đến độ sâu yêu cầu, tạo gradient thấm ngược khắc phục được hiện tượng xói ngầm, cát chảy làm mất ổn định mái hố móng, khắc phục được hiện tượng bung nền, không gây cản trở việc thi công hố móng

- Hạ thấp MNN để thi công hố móng trong điều kiện khô ráo là phương pháp thường gặp không những ở nước ta và cả trên thế giới Hệ thống MNN, ngăn chặn ảnh hưởng của nước ngầm đến hố móng, quá trình thi công hố móng có nhiều phương pháp như: phương pháp lộ thiên, phương pháp điện thấm, phương pháp giếng , mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm của nó và điều kiện ứng dụng phụ thuộc vào đặc điểm nước ngầm, tình hình địa chất và yêu cầu hạ thấp MNN để thi công hố móng Việc lựa chọn phương pháp cần phải tính toán thiết kế, so sánh kỹ thuật, thời gian thi công và giá thành phương pháp để so sánh lựa chọn phương pháp hợp lý

- Chương này giới thiệu các biện pháp tiêu nước hố móng, thu thập tài liệu từ các nghiên cứu của các nhà khoa học, nhà thiết kế, nhà thi công và các tài liệu liên quan khác… Tuy nhiên, các biện pháp trên đều dựa vào kinh nghiệm và tính toán đơn giản, chỉ có phương pháp hạ thấp MNN bằng giếng kim là đòi hỏi tính toán phức tạp mà hiện nay chưa có quy trình, quy phạm thi công hạ thấp MNN bằng giếng Do đó trong đề tài này tác giả tập trung nghiên cứu bài toán hạ thấp MNN cho hố móng bằng hệ thống giếng