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

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 Trần Mạnh Tuấn LỜI 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 1.1 Tổng quan biện pháp hạ mực nước ngầm tiêu nước hố móng ......3 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 m ực 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 MỤC VIẾT TẮT VÀ CHỈ DẪN KÝ HIỆU HMNN: Hạ mực nước ngầm D: Đường kính ống lọc MNN: Mực nước ngầm L: Chiều dài ống lọc Q: Lưu lượng nước S: Độ sâu hạ mực nước ngầm q: Lưu lượng của một giếng So: Độ sâu HMNN ở tâm hố móng Fg: Diện tích thu nước của giếng (phần ống lọc) V: Tốc độ nước thấm lớn nhất vào ống lọc z: Cao độ mực nước ngầm xo: Bán kính biểu kiến r: Bán kính n: Số lượng giếng ro: Bán kính giếng e: Khoảng cách giữa các giếng liền nhau R: Bán kính ảnh hưởng Ta: Cột nước vùng ảnh hưởng h: Cột nước trong giếng W: Độ thô thủy lực của đất nền H: Độ sâu hạ giếng W cs : Độ thô thủy lực của cát sỏi Ho: 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 γ1: 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 ho: Độ ngập ống lọc t: Độ dày tầng nước có áp Vx: Vận tốc dòng chảy trong lỗ khoan trào ra ngoài γ cs : Trọng lượng riêng vật liệu cát sỏi làm lớp lọc quanh giếng Kđ Hệ số thấm của đất nền theo phương thẳng đứng Kn Hệ số thấm của đất nền theo phương ngang R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R 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 46/2000/QĐ-BCN ngày 07/8/2000. đất, ban hành theo Quyết định số 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 và kỹ thuật. 18. Thiết kế và thi công hệ thống giếng kim, tài liệu của Nhật, bản dịch tiếng Trung Quốc. 19. Nguyễn Uyên (2004), Cơ sở địa chất cơ học đất và nền móng công trình, NXB Xây dựng, Hà Nội. 20. Nguyễn Uyên (2003), Địa chất thuỷ văn công trình Hà Nội. , Nhà xuất bản xây dựng , 21. Nguyễn Uyên (2006), Địa chất thuỷ văn công trình Hà Nội. , Nhà xuất bản xây dựng , 22. Nguyễn Uyên (2008), Thiết kế và xử lý hố móng , Nhà xuất bản xây dựng , Nội. Hà 23. Trần Văn Việt (2004), Cẩm nang dùng cho kỹ sư Địa chất kỹ thuật , Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. 24. Vilen alêchxêvich ivácnhúc , Nguyễn Thế Phùng, Nguyễn Văn Quảng dịch (2004), Thiết kế và xây dựng công trình ngầm và công trình đào sâu, Nhà. 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. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu những nguyên lý cơ bản để hạ thấp mực nước ngầm khi đào móng ở dưới mực nước ngầm. - Nghiên cứu giải pháp hạ thấp mực nước ngầm thích hợp cho công trình Trạm bơm tiêu Bảo Khê và ứng dụng phần mềm Modflow để tính toán lựa chọn các thông số hợp lý của hệ thống giếng, có ý nghĩa kinh tế. 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 KhêHưng Yên. 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. 1.1.1 Đặc điểm 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 nước của đất tức là hệ số thấm.[15] H S MNN ban ®Çu §­êng b·o hßa R 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 6 riêng. Nó phụ thuộc vào cả khoảng cách giữa các giếng và kết cấu của bản thân các giếng.[13] S hc So MNN ban ®Çu GiÕng hót n­íc h¹ thÊp MNN Hg H0 R H o A MNN æn ®Þnh sau khi h¹ thÊp TÇng kh«ng thÊm 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.