Sử dụng ống bê tông có lỗ xung quanh, nghiên cứu khả năng thu thoát nước thấm đối với giếng hoàn chỉnh, khi xây dựng các công trình thủy công

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 163 SỬ DỤNG ỐNG BÊ TÔNG CÓ LỖ XUNG QUANH, NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THU THOÁT NƯỚC THẤM ĐỐI VỚI GIẾNG HOÀN CHỈNH, KHI XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH THUỶ CÔNG APPLY CONCRETE TUBE WITH HOLES AROUND, STUDY THE ABILITY OF COLLECTING AND ESCAPING ABSORBED WATER TO COMPLETE WELLS, WHEN BUIDING INRRIGATION WORKS SVTH: LÊ TẤN TRUNG VÕ VĂN HOÁ Sinh viên Khoa XDTLTĐ, Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN HDKH: NGÔ VĂN DŨNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo này trình bày phương pháp tính toán hạ thấp mực nước ngầm (MNN) trong quá trình làm khô hố móng khi thi công các công trình xây dựng chịu ảnh hưởng của nước ngầm vận động, trình bày phương pháp chế tạo sản xuất loại ống lọc bằng bê tông và chương trình tính toán thiết kế hệ thống giếng phục vụ cho công tác thi công. ABSTRACT This article explains the method of lowering the under-current level in the course of duying foundation when executing construction works affeted by moving under-current, it also explains the method of introducing conrecte filter tube and the program of desigring well system to dry fourdation to serve exccuting work. 1. Đặt vấn đề Quá trình xây dựng các công trình Thuỷ lợi trên sông, khi nền móng của công trình ở vùng bão hoà nước là loại đất hạt nhỏ, khả năng thoát nước yếu, nền cát chảy, mặt bằng thi công chật hẹp hoặc quá gần các công trình kế cận… Giải pháp thoát nước thấm làm khô hố móng bằng phương pháp hạ thấp MNN với hệ thống các giếng thấm có ý nghĩa lớn về kinh tế và kỹ thuật vì nó có những ưu điểm nổi bật sau: + Giữ cho bề mặt hố móng luôn luôn được khô ráo + Không gây cản trở các thiết bị thi công tại điều kiện mặt bằng thi công thuận lợi + Thích hợp khi xây dựng các công trình có nền là đất hạt nhỏ, hệ số thấm bé đặc biệt là nền có hiện tượng cát chảy + Nền móng được gia cố do quá trình bơm hút sự di chuyển của dòng thấm đất nền được nén chặt và cố kết v.v... 2. Cơ sở tính toán và một số mô hình ứng dụng 2.1. Cơ sở tính toán Xét 1 nguyên tố dòng thấm chảy vào giếng trong hệ toạ độ trụ (r, 0, z) như hình vẽ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 164 Ph©n tè ®ang xÐt Qw h dh dr r Qr Mùc nø¬c h¹ thÊp Lù¬ng nø¬c cÊp W hw R r Hình 1: Sơ đồ tính toán nguyên tố dòng thấm chảy vào giếng Dựa vào Định luật Darcy và Định luật Bảo toàn khối lượng, thiết lập phương trình vi phân chuyển động của dòng thấm không ổn định chảy vào giếng trong không gian 3 chiều mô tả như sau: t h S z h k zr h k rrr h r k r h k r sz r r                            02 1 (1) Phương trình (1) là phương trình vi phân phi tuyến. Hiện vẫn chưa có lời giải chính xác do đó hiện nay người ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin dạng yếu kết hợp với các điều kiện biên và máy tính điện tử để tính toán xác định kết quả xấp xỉ gần đúng cột nước h. Từ đó tính toán xác định các đặc trưng dòng thấm. Tuy nhiên hiện nay để đơn giản trong tính toán, các sai số có thể chấp nhận được, nhiều tác giả đã đưa ra nhiều mô hình tính toán thấm ổn định giếng đơn cho từng trường hợp, nhằm xác định lưu lượng bơm làm khô hố móng, cụ thể khi môi trường thấm có áp chúng ta sử dụng phương trình (3) hoặc môi trường không áp phương trình (4) rlgRlg hH k366,1Q 2 w 2 pt    (3) rR hH kmQ pt lglg ..73,2*    (4) Trong đó: k,m - hệ số thấm trung bình của đất nền và bề dày tầng thấm H, hw- cột nước tính toán gây thấm, cột nước trong giếng thu nước R, r - bán kính ảnh hưởng, bán kính giếng thu nước Trong thực tế hố công trình xây dựng các công trình thuỷ lợi rất rộng. Việc sử dụng giếng đơn gây lãng phí tốn kém, người ta sử dụng nhiều giếng bố trí theo một hệ thống để thu thoát nước khi đó lưu lượng thấm cần bơm trên hệ thống giếng mô tả bằng công thức: Đối với nền thấm không áp: )ln...lnln( k 1 h - H 2 2 2 1 1 1 22 n n n r R q r R q r R q   (6) Đối với nền thấm có áp )ln...lnln( 2 1 2 2 2 1 1 1 n n n r R q r R q r R q km hH   (7) Trong đó: H, h - cột nước gây thấm và cột nước trong giếng ảo Ri, ri - bán kính ảnh hưởng và bán kính giếng thu Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 165 qi - lưu lượng chảy vào giếng thấm thứ i m, k - chiều dày móng thấm có áp, hệ số thấm đất nền Mực nước hạ thấp tại trung tâm hệ thống giếng hoặc vị trí bất kỳ đối với hố móng dạng chữ nhật xác định bởi công thức: Trường hợp có áp: Tại trung tâm hố móng w n n w c rnR R R R nhH Hh .. ln ln.)( 1 0 0    (8) Tại vị trí bất kỳ trong hố móng w 1n 0 n n 1i iw bk r.n.R R ln rlnRln.n)hH( Hh              (9) Trường hợp không áp:   2 2 02 1 0 ln ln . . w c n n w R nH h R h H H R R n r          (10) Từ cơ sở các công thức (3) đến (10) chúng tôi đề xuất giải pháp nghiên cứu ứng dụng ống bê tông lọc có lỗ xung quanh để thu nước thấm làm khô hố móng khi xây dựng công trình trên nền chịu ảnh hưởng của nước ngầm vận động. 2.2. Giải pháp công nghệ sản xuất ông lọc bê tông bằng công nghệ quay ly tâm Trong quá trình hạ thấp MNN làm khô hố móng. Ống lọc đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc lỗ khoan (là phần thu nước của lỗ khoan). Trong bài báo này chúng tôi tập trung nghiên cứu đối với ống lọc chế tạo bằng bê tông. Trong mọi trường hợp ống lọc phải bảo đảm lượng nước yêu cầu chảy vào hố khoan với tốc độ nhỏ, sức cản thuỷ lực là bé nhất. Nó được đặc trưng bằng khả năng thu nước của ống lọc được xác định bởi công thức  2 1 )(... h h log dhhvNMq  (11) Trong đó: M, N - số hàng và số lỗ trên 1 hàng (cái) lỗ - đường kính lỗ v(h) - lưu tốc dòng chảy qua lỗ bằng  gh2 , g - hệ số lưu tốc, gia tốc trọng trường Các dạng lỗ đục trên ống bê tông có thể mô tả bằng hình vẽ sau: èng Bè rÝ lç d¹ng r·nh trªn èng Bª t«ng A èng Bè trÝ lç trßn trªn èng Bª t«ng A   lr·nh a b lç a b a Bè trÝ d¹ng r·nh Bè trÝ so le b Hình 2: Các dạng lỗ thấm xung quanh mặt ống bê tông Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 166 Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm căn cứ vào đặc điểm vật liệu, phương pháp chế tạo, điều kiện vận chuyển. Chúng ta tính toán chọn khoảng cách lỗ, khoảng cách hàng, số lượng lỗ, diện tích thu nước đối với các loại ống bê tông có đường kính từ 300 - 1500 mm. Cụ thể đối với loại ống 300/400mm tổng hợp kết quả bằng các bảng và đồ thị sau: CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT TÍNH CHO 1 mét ống = 300/400 (mm) Bảng 1 TT ống   tt ống  lỗ a- khoảng cách hàng b- khoảng cách cột Số lỗ Tổng diện tích lỗ Tổng diện tích bề mặt Tỉ lệ diện tích (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) lỗ/m ( m2) ( m2) ( % ) 1 300 350 0.0100 0.020 0.025 2198 0.1725 1.0990 15.700 2 300 350 0.0125 0.025 0.031 1407 0.1726 1.0990 15.703 3 300 350 0.0150 0.030 0.038 977 0.1726 1.0990 15.702 4 300 350 0.0175 0.035 0.044 718 0.1726 1.0990 15.706 5 300 350 0.0200 0.040 0.050 550 0.1727 1.0990 15.714 6 300 350 0.0225 0.045 0.056 434 0.1725 1.0990 15.694 7 300 350 0.0250 0.050 0.063 352 0.1727 1.0990 15.714 8 300 350 0.0275 0.055 0.069 291 0.1728 1.0990 15.719 Các đồ thi biểu diễn các quan hệ các thông số ống bê tông có lỗ thấm như sau: QUAN HỆ GIỮA ĐƯỜNG KÍNH LỖ TRÊN ỐNG VÀ SỐ LỖ TRÊN 1MÉT DÀI ỐNG  : 300/400mm 2198 14 977 718 550 434 352 291 0 400 800 1200 1600 2000 2400 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 Đường kính lỗ trên ống ( mm) Số lỗ tr ên ố ng ( lỗ ) Hình 3: Quan hệ giữa đường kính lỗ và các lỗ trên một mét dài ống lọc Quan hệ đường kính lỗ và tỉ lệ % diện tích thu nước và diện tích bề mặt ống 15.70 15.7015.70 15.71 15.71 15.69 15.71 15.72 15.690 15.695 15.700 5.705 5.710 5.715 15.720 15.725 0.0075 0.0125 0.0175 0.0225 0.0275 0.0325 Đường kính lỗ trên mặt ống Tỉ lệ d iệ n tíc h  lỗ /  ốn g Hình 4: Quan hệ giữa đường kính lỗ và phần trăm diện tích lỗ thu thoát thấm 2.3. Phương pháp chế tạo ống lọc bê tông bằng phương pháp quay ly tâm Nguyên lý công tác lèn chặt bê tông: Ống và khuôn được đặt nằm ngang trên giàn bệ máy, khi khuôn quay tròn, nhờ lực quán tính ly tâm tạo ra sẽ ép chặt hỗn hợp bê tông vào thành khuôn. Quá trình đúc ống được thực hiện sau một thời gian quay, lèn chặt và hoàn thiện cho đến khi dừng hẳn Dây chuyền sản xuất ống bao gồm các khâu chủ yếu sau: Công tác chuẩn bị  Công tác cân đong liều lượng vật liệu  Công tác trộn vữa bê tông  Công tác nạp vận chuyển bơm vữa bê tông vào khuôn  Công tác quay ly tâm để tạo sản phẩm  Công tác dưỡng hộ, bảo quản và chuyển ra công trường. Trong các dây chuyền trên công tác quay ly tâm và tạo lỗ trong quá trình đúc là quan trọng nhất. Về tính đặc biệt của công nghệ: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 167  Hệ thống chốt tạo lỗ được lắp đặt trong giai đoạn chuẩn bị khuôn đúc  Sau khi đúc xong sản phẩm 30 phút chúng ta bắt đầu tháo chốt xung quanh và tiến hành tháo khuôn sau 120 phút dưỡng hộ bằng hơi nước nóng  Sau 24 giờ, tiến hành chuyển sắp xếp ống ra kho bãi dưỡng hộ bê tông cho đến khi đủ cường độ xuất xưởng 3. Lập chương trình ứng dụng ống lọc bê tông có lỗ để hạ thấp mực nước ngầm - Trên cơ sở phân tích các thông số dòng thấm ở trên tiến hành thiết lập chương trình tính cho hệ thống giếng hoàn chỉnh. Bài toán tính thấm ổn định với hệ thống giếng hoàn chỉnh làm khô khu vực hố móng thi công bao gồm các bước sau: Bước 1: Lập mô hình bài toán, xác định các thông số chỉ tiêu trên cơ lý địa chất thuỷ văn, kích thước hố móng, độ sâu cần hạ thấp so với mực nước ban đầu. Bước 2: Xác định bán kính ảnh hưởng R của toàn hệ thống và bán kính giếng quy định R0 (giếng ảo) Với: - Hệ thống giếng bố trí hình tròn: R = 2. h k.H (12) - Hệ thống giếng bố trí hình chữ nhật khi tỉ số 2 2 1  b b ; 210 bb 4 R   (13) - Hệ thống giếng bố trí hình chữ nhật khi 2 1 b b  2 ;   F R0 (14) Trong đó : b1,b2 bằng ½ chiều dài và ½ chiều rộng hố móng Bước 3: Xác định khả năng thu nước của 1(m) giếng khoan qg = 120.. r. 4 h ; (15) Bước 4: Tính tổng lưu lượng nước bơm thoát giả thiết các giếng có cùng kích thước 0 2 lglg .366,1 RR hH kQ wtp    (16) Bước 5: Xác định tổng số mét ống lọc và tổng số giếng cần bố trí g tp g q Q m  (m) (17) ; w g g h m n  (cái) (18) Bước 6: Xác định khoảng cách giữa các giếng Dạng hố móng tròn: gn R c 0 2  ; (m) (19) Và dạng chữ nhật : gn bb d )(4 21  ; (m) (20) Bước 7: Kiểm tra khả năng hạ thấp mực nước của giếng bơm tại điểm bất kỳ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 168      H RrnR RnhH HbHH n n gw x     )1( 0 0 ../ln )ln(ln (21) Bước 8: Đánh giá kết quả tính toán, bàn luận Mô tả toàn bộ các bước tính toán bằng sơ đồ khối như sau: Strat Khai b¸o c¸c th«ng sè mi , H1,H2,h,Qm,Qtc,k, r , ri TiÕp tôc >> X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng thu nø¬c cña 1mÐt giÕng KiÓm tra kh¶ n¨ng thu nø¬c cña mçi giÕng K.tra kh¶ n¨ng h¹ thÊp mùc nø¬c trong hè mãng Click chuyÓn >> Exel ChØnh söa ( Exel) Print Output FALSE FALSE TRUE TRUE H< [H] H > [H] Qg<[ Q ] Qg>[ Q ] X¸c ®Þnh b¸n kÝnh ¶nh hö¬ng hÖ thèng giÕng X¸c ®Þnh b¸n kÝnh giÕng thu tu¬ng ®u¬ng X¸c ®Þnh tæng sè lù¬ng giÕng cÇn thiÕt X¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c giÕng X¸c ®Þnh tæng sè mÐt giÕng cÇn thiÕt S¥ §å KHèI tÝnh to¸n hÖ thèng giÕng èng bª t«ng cã lç thu nø¬c thÊm - giÕng hoµn chØnh The End Hình: 5 Sơ đồ khố,i biểu diễn các bước tính toán Chọn ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 thể hiện giao diện các thông số tính toán và kết quả tính toán như hình: 6 Hình: 6 Sơ đồ điều khiển qúa trình tính và kết quả tính toán hệ thống giếng bơm Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 169 4. Kết luận Từ kết quả nghiên cứu tính toán chúng ta rút ra một số kết luận sau: 1. Quá trình tiêu nước làm khô hố móng bằng phương pháp hạ thấp MN ngầm có thể sử dụng loại ống lọc bê tông có lỗ thấm xung quanh được sản xuất trong nước bằng nguyên vật liệu địa phương, có giá thành rẻ, đáp ứng được các bài toán thực tiễn bảo đảm điều kiện kinh tế và kỹ thuật. 2. Bài báo đưa ra được các thông số kỹ thuật các loại ống lọc có các loại đường kính, chiều dài, kích thước lỗ thấm bất kỳ, do khuôn khổ bài báo chúng tôi thể hiện mô tả cụ thể một loại ống có đường kính  300/400mm có lỗ thấm xung quanh. 3. Bài báo mô tả một cách tổng quát từng bước và qui trình tính toán cho bài toán hạ thấp MNN và sơ đồ bố trí hệ thống giếng trên mặt bằng hố móng, tạo điều kiện ứng dụng cho việc thi công các công trình được thuận lợi. 4. Hướng nghiên cứu có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều dạng bài toán giếng không hoàn chỉnh, ống lọc được đặt trong các điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp, thu nước qua thành ống , qua toàn bộ hoặc dùng sử lý cho các sự cố rò rỉ, đùn đất…. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng, NXB Xây dựng, Hà Nội 2000. [2] Trần Thanh Giám, Địa kỹ thuật, NXB Xây dựng, Hà Nội 1999, Tr144-145. [3] Jonathan Istok, Groundwater Modelling by the Finete Elevent Method, American Geophysical, 1989. [4] Lakshmi N. Reddi, Seepage in soils Principles and Applications, Kansas State University, 1980.